FI122752B - Ratkaisu värähtelyn vaimentamiseksi sähkökoneistossa - Google Patents

Description

RATKAISU VÄRÄHTELYN VAIMENTAMISEKSI SÄHKÖKONEISTOSSA

Esillä oleva keksintö liittyy värähtelyn vaimentamiseen sähkökoneistoissa.

Pyörivien sähkökoneistojen, kuten tahti- ja induktiomoot-5 torin, toiminta perustuu staattorissa ja roottorissa kulkevaan magneettikenttään. Mainittu magneettikenttä muodostuu staattori- ja roottorimagnetointien yhteisvaikutuksena. Tällöin staattorikäämeissä kulkevat virrat aikaansaavat koneen ilmaväliin kiertävän magneettikentän, 10 jonka vaihe-ero roottorimagnetointiin nähden aiheuttaa voimavaikutuksen roottorin liikesuunnassa. Mainittu voimavaikutus saa roottorin pyörimään.

Roottori- ja staattorimagnetoinnit aikaansaavat yhdessä myös vetovoiman staattorin ja roottorin välille. Vetovoi-15 ma on tavallisesti moninkertainen roottoria liikuttavaan voimaan verrattuna. Koska vetovoima muodostuu kohtaan, jossa magneettikenttä siirtyy roottorista staattoriin ja päinvastoin, vetovoimavektori kiertää magneettikentän mukaisesti. Tällöin roottorin ja staattorin välisen veto-20 voiman paikallinen vaihtelu saattaa aiheuttaa värähtelyä sähkökoneistossa.

Sähkökoneiston värähtely aiheuttaa usein häiritsevää ympäristöön säteilevää melua, ja toisaalta se voi myös lyhentää sähkökoneiston mekaanisten komponenttien elinikää.

25 Värähtely saattaa myös siirtyä johtumalla esimerkiksi o sähkökoneiston kiinnitysrajapinnan kautta ympäristöön, LO ...

cp kuten sähkökoneistoa ympäröiviin kannatusrakenteisun.

co o x Julkaisussa JP 11234956 esitetään radiaalivuomoottori, cc jonka staattorin ja koneiston rungon väliin on sovitettu ^ 30 elastista vaimennusmateriaalia koneiston värähtelyn vai- co § mentamiseksi.

o o C\l 2

Julkaisussa JP 4096637 esitetään sähkökoneisto, jossa staattori on tuettu elastisen jousielementin kautta staat-torirunkoon.

Edellä esitettyjen ongelmien voittamiseksi ja sähkökoneis-5 tossa esiintyvien värähtelyjen vaimentamiseksi esitetään keksintönä uudenlainen sähkökoneiston värähtelynvaimennus-ratkaisu.

Keksinnön mukaiselle järjestelylle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosas-10 sa. Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 9 tunnusmerk-kiosassa. Muille keksinnön sovellusmuodoille on tunnusomaista se, mitä on esitetty muissa patenttivaatimuksissa .

15 Keksinnöllisiä sovellusmuotoja on myös esillä tämän hakemuksen selitysosassa. Hakemuksessa oleva keksinnöllinen sisältö voidaan määritellä myös toisin kuin jäljempänä olevissa patenttivaatimuksissa tehdään. Keksinnöllinen sisältö voi muodostua myös useammasta erillisestä keksin-20 nöstä, erityisesti jos keksintöä tarkastellaan ilmaistujen tai implisiittisten osatehtävien valossa tai saavutettujen hyötyjen tai hyötyryhmien kannalta. Tällöin jotkut jäljempänä olevien patenttivaatimuksien sisältämät määritteet voivat olla erillisten keksinnöllisten ajatus-25 ten kannalta tarpeettomia. Keksinnön eri suoritusmuotojen ^ piirteitä voi keksinnöllisen perusajatuksen puitteissa

LO

? soveltaa toisten suoritusmuotojen yhteydessä.

co o x Keksintönä esitetään järjestely värähtelyn vaimentamisek-

CL

si sähkökoneistossa. Mainitussa sähkökoneistossa on cS 30 staattori sekä roottori, joiden välille on sovitettu il- o o maväli. Staattorissa on magnetointikäämitys, ajallisesti o 0X1 muuttuvan magneettikentän muodostamiseksi mainittuun staattorin ja roottorin väliseen ilmaväliin. Staattori on 3 kiinnitetty jäykästi koneistorunkoon ainakin kahdesta eri kiinnityspisteestä. Staattorin ja koneistorungon väliin on sovitettu vaimennin, staattorin taipumavärähtelyn vaimentamiseksi .

5 Keksinnön mukaisessa menetelmässä värähtelyn vaimentamiseksi sähkökoneistossa: sovitetaan sähkökoneistoon staat-tori ja roottori siten, että staattorin ja roottorin väliin muodostuu ilmaväli; sovitetaan staattoriin magne-tointikäämitys, ajallisesti muuttuvan magneettikentän 10 muodostamiseksi mainittuun staattorin ja roottorin väliseen ilmaväliin; kiinnitetään staattori jäykästi koneistorunkoon ainakin kahdesta eri kiinnityspisteestä; sekä sovitetaan staattorin ja koneistorungon väliin vaimennin, staattorin taipumavärähtelyn vaimentamiseksi.

15 Keksinnössä tarkoitettu sähkökoneisto voi olla esimerkiksi sähkömoottori ja / tai -generaattori. Staattorin mag-netointikäämitys voi olla esimerkiksi vaihtosähkökäämi-tys, kuten tähteen tai kolmioon kytketty kolmivaihekäämi-tys, jolla aikaansaadaan staattoriin ajallisesti muuttuva 20 magneettikenttä. Käämitys voi olla tehty esimerkiksi hajautettuna tai keskitettynä käämityksenä.

Keksinnön mukainen sähkökoneisto voi olla esimerkiksi hissikoneisto, tai sähkökoneisto liukuportaan tai liukuen käytävän käyttämiseksi. Edellä mainittu hissikoneisto voi ^ 25 käsittää roottorin yhteyteen sovitetun vetopyörän. Hissi- i g koneisto voi olla asennettu esimerkiksi hissikuiluun tai i co hissin konehuoneeseen, o

X

£ Eräässä keksinnön sovelluksessa vaimennin on sovitettu ^ kytkeytymään staattorin vyyhdenpään ja koneistorungon vä- co o 30 lille, jolloin vaimentimellä voidaan pienentää taipumavä- o o rähtelyä vyyhdenpäissä.

4

Keksinnöllä saavutetaan muun muassa ainakin yksi seuraa-vista eduista:

Keksinnön mukainen staattori kiinnitetään jäykästi ko-neistorunkoon ainakin kahdesta eri kiinnityspisteestä 5 esimerkiksi pulteilla ja / tai hitsaamalla. Kun sähkö-koneistoon muodostetaan ajallisesti muuttuva magneettikenttä, staattorin ja roottorin välille muodostuu paikallisesti suuri magneettikentän aiheuttama vetovoima, joka myös vaihtelee ajallisesti. Tällöin staattori pyrkii tai-10 purnaan kohdasta, jossa vetovoima vaikuttaa. Taipumakoh-dassa vaikuttava vetovoima vaihtelee magneettikentän ajallisen vaihtelun mukaisesti, jolloin myös taipuman amplitudi vaihtelee. Tällainen taipumavärähtely vaikuttaa erityisesti staattorin ja koneistorungon välisten jäykki-15 en kiinnityspisteiden välissä, ja mainitut kiinnityspis-teet voidaankin olettaa taipumavärähtelyn kannalta staattorin taipuman nollakohdiksi. Taipumavärähtelyt voivat olla koneistolle ominaisia resonanssivärähtelyjä, tai ne voivat olla myös vaimenevaa pakkovärähtelyä. Tällöin vä-20 rähtelyn luonne riippuu muun muassa värähtelyn herätetaa-juudesta, koneiston mekaanisesta rakenteesta ja staattorin kiinnityspisteiden rakenteesta. Tietyn tyyppiset kiinnityspisteet voivat muodostaa taipumavärähtelyn kannalta myös yksinkertaisen tuennan, jolloin tuenta vaikut- 25 taa vain vetovoiman suunnassa, ja staattori pääsee liik-c\j o kumaan kiinnityspisteen suhteen kohtisuoraan vetovoiman

CVJ

^ suuntaan nähden. Taipumavärähtelyä voidaan vaimentaa so- o ^ vittamalla staattorin ja koneistorungon väliin esimerkik- ° si elastisesta materiaalista, kuten kumista, tehty vai-cc 30 mennin.

o Koska taipumavärähtelyä syntyy staattorissa kiinnityspis- oo § teiden välissä, voidaan värähtelyä vaimentaa tehokkaasti

Ov! sovittamalla vaimennin kiinnityspisteiden väliseen tilaan staattorin ja koneistorungon välissä. Keksinnön mukaises- 5 sa ratkaisussa staattori on kiinnitetty koneistorunkoon jäykästi kiinnityspisteistään. Tällaisella jäykällä kiinnityksellä saavutetaan etuja tunnetun tekniikan vaimen-nusratkaisuihin verrattuna. Vaimennin, joka on sovitettu 5 jäykän kiinnityksen rinnalle keksinnössä esitetyllä tavalla, ei vaikuta oleellisesti ilmavälin säätöön ja / tai ilmavälin muuttumiseen koneiston käytön aikana. Jäykkä kiinnitys myös varmistaa sen, ettei vaimentimeen kohdistu liian suuria voimia, mikä taas parantaa vaimentimen kes- 10 tävyyttä.

Keksintö soveltuu erityisen hyvin käytettäväksi aksiaali-vuokoneiston yhteydessä, sillä ilman jäykkää kiinnitystä vaimentimeen kohdistuvat, pyörimisakselin suuntaiset voimat kasvaisivat oleellisesti suuremmiksi.

15 Keksinnön mukainen vaimennin voidaan kiinnittää koneisto-runkoon ja / tai staattoriin esimerkiksi piikillä tai nastalla. Keksinnön edullisessa sovelluksessa koneisto-runkoon ja / tai staattoriin on koneistettu kohta, esimerkiksi syvennys tai ura, johon vaimennin on sovitettu.

20 Tällä tavoin vaimennin muotolukitaan, jolloin vaimentimen puristusvoimaa voidaan paremmin kontrolloida. Mainittu muotolukitus voidaan tarvittaessa tehdä myös muulla sopivalla rakenteella, ja tällainen rakenne voi myös olla osa vaimenninta.

CM

^ 25 Kiinnityspisteiden väliseen tilaan staattorin ja koneis- g torungon välissä voidaan tarvittaessa tehdä myös jäähdy- oo tysilmakanava, jonka kautta voidaan ohjata jäähdytysilmaa x ainakin staattorin ja / tai vaimentimen jäähdyttämiseksi.

CL

5 KUVIOLUETTELO

CD

o °° o 30 kuvio 1 esittää erästä keksinnön mukaista sähkökoneistoa

CM

6 kuvio 2 esittää osaa eräästä keksinnön mukaisesta staat-torista kuvio 3 esittää erästä keksinnön mukaista vaimennus järjestelyä 5 kuvio 4a esittää erästä keksinnön mukaista sähkökoneistoa kuvio 4b esittää voimavaikutuksia eräässä keksinnön mukaisen staattorin osassa kuvio 5 esittää erästä keksinnön mukaista sähkökoneistoa

KEKSINNÖN YKSITYISKOHTAINEN KUVAUS

10 Kuviossa 1 esitettävässä hissikoneistossa 1 on kiekkomaiset staattori 2, sekä roottori 3, johon on integroitu ve-topyörä. Roottorin 2 ja staattorin 3 välille on sovitettu ilmaväli 4. Roottori ja staattori on liitetty toisiinsa akselilla. Akseli ja laakerointi ovat tunnetun tekniikan 15 mukaisia, ja ne on tässä jätetty kuvaamatta. Kyseessä on aksiaalivuomoottori, jolloin ilmaväli 4 on oleellisesti sähkökoneiston pyörimisakselin suuntainen. Staattorissa 2 on kolmivaiheinen magnetointikäämitys 5. Roottorimagne-tointi on tehty roottorin 3 ilmavälin puoleiseen pintaan 20 asennetuin kestomagneetein. Kestomagneetit on roottorin pinnalla asetettu kiinnitysmatriisiin, joka on tehty la-sikuidusta, mutta joka voidaan tehdä myös esimerkiksi o alumiinista tai muusta magneettikenttää huonosti johta- g vasta aineesta. Vierekkäin asetettujen kestomagneettien co 25 magneettinavat ovat toisilleen vastakkaissuuntaiset, o x £ Magnetointikäämitykseen 5 syötettävä vaihtovirta aikaan- saa ilmaväliin 4 kiertävän magneettikentän, jolloin mag- o neettikenttä ilmavälissä vaihtelee ajan funktiona. Root- oo o torin pyöriessä myös roottorimagnetoinnin aikaansaama

CM

30 magneettikenttä ilmavälissä vaihtelee. Kiertävä magneet tikenttä aikaansaa roottorin 3 ja staattorin 2 välille 7 voimavaikutuksen. Voimavaikutuksella on ilmavälin 4 suuntainen komponentti, joka vaikuttaa kohdassa, jossa magneettikenttä siirtyy staattorista roottoriin ja päinvastoin. Voiman ilmavälin 4 suuntainen komponentti aiheuttaa 5 paikallisen, ajan funktiona muuttuvan vetovoiman staatto-rin 2 ja roottorin 3 välillä. Vetovoiman vuoksi staattori 2 pyrkii taipumaan.

Staattori 2 on kiinnitetty jäykästi koneistorunkoon 6 kiinnityspisteistä 7, 1' pulteilla. Staattori pyrkii tai- 10 purnaan erityisesti kiinnityspisteiden välissä, jolloin jäykät kiinnityspisteet 7, 7' voidaan olettaa taipuman nollakohdiksi. Kuviossa 4b on esitetty suoraksi väännetyn staattorin 2 taipumaa jäykkien kiinnityspisteiden välissä, kun staattoriin kohdistuva hetkellinen voimavaikutus 15 Q oletetaan tasaisesti jakautuneeksi. Tällöin taipuman amplitudi saa maksimiarvonsa vmax kiinnityspisteiden välin 1 keskipisteessä 1/2, ja amplitudi noudattaa likimain yhtälöä : -Q*l4 v =-—-

max 384 *E*IY

20 missä symbolilla E tarkoitetaan staattorin kimmomodulia ja symbolilla IY tarkoitetaan staattorin neliömomenttia.

Käytännössä voimavaikutus Q kiinnityspisteiden välissä c\i o yleensä poikkeaa tasaisesti jakautuneesta, jolloin myös

CVJ

taipuman amplitudin sijaintikohta ja / tai amplitudin cp ^ 25 suuruus vaihtelee.

o £ Koska staattoriin 2 kohdistuva paikallinen vetovoima ^ muuttuu ajallisesti magneettikentän kiertonopeuden funk- o tiona, myös staattorin taipuman amplitudi vaihtelee mag- oo § neettikentän kiertonopeuden mukaan. Tällainen taipuman

Ovi 30 jaksollinen vaihtelu aiheuttaa staattoriin taipumaväräh- telyä. Kuviossa 3 on esitetty eräitä mahdollisia taipuma- 8 värähtelyn ensimmäisen ja toisen kertaluvun värähtelymoo-deja 12, 13. Toisen kertaluvun värähtelymoodissa 13 vä rähtelyn taajuus on kaksinkertainen ensimmäisen kertaluvun värähtelymoodiin 12 verrattuna. Taipumavärähtely ai-5 heuttaa ympäristöön säteilevää melua; värähtely myös johtuu kiinnityspisteiden 7, 7', 1’’ kautta koneistorunkoon 6 sekä edelleen koneistoon liittyviin mekaanisiin rakenteisiin. Värähtelyn vaimentamiseksi kiinnityspisteiden 7, 7' väliseen tilaan 8 staattorin ja koneistorungon välissä 10 on sovitettu kumista tehty vaimennin 9. Koneistorunkoon 6 on koneistettu syvennys 11, johon vaimennin on sovitettu. Syvennyksen tehtävänä on muotolukita vaimennin 9 paikalleen; myös staattoriin 2 voidaan tarvittaessa koneistaa vastaavanlainen syvennys. Vaimentimen 9 paksuus on mitoi-15 tettu siten, että vaimennin painautuu vasten staatto-riselkää 10, kytkeytyen mekaanisesti sekä staattorisel-kään 10 että koneistorunkoon 6. Kun kiertävän magneettikentän aiheuttama vetovoima alkaa pienentyä ja taipunut staattori 2 alkaa tällöin suoristua, vaimennin 9 pyrkii 20 estämään taipuman muutoksesta aiheutuvaa liikettä vaimentaen samalla taipumavärähtelyä.

Myös kuvion 1 sähkökoneistossa on kiinnityspisteiden 7, 7', väliin staattorin ja koneistorungon välissä sovitettu vaimennin 9, staattorin 2 taipumavärähtelyn vaimentami-25 seksi. Kiinnityspisteet 7, 7' sijaitsevat staattoriseläs-

CVJ

o sä alueella 10, jota vastaava alue staattorin vastakkai-

<M

yij sella puolella rajoittuu oleellisesti pyörimisakselin o ^ suuntaiseen ilmaväliin 4. Vaimentimet voidaan sovittaa o kiinnityspisteiden väliin esimerkiksi kuviossa 2 esite- 30 tyllä tavalla. Tällöin kiinnityspisteiden 7, 7', l,r vä- ^ lisessä tilassa 8 on kiinnityspisteen 7, 7', 7'' ja vai- co § mentimen 9, 9' välissä myös tyhjää tilaa, joka toimii o ^ jäähdytysilmakanavana. Kanavassa virtaava ilma jäähdyttää staattoria 2, jolloin staattorikäämitys 5 voidaan mitoit-35 taa suuremmalle virralle.

9

Vaimennin 9 voidaan myös kiinnittää sekä staattoriin 2 että koneistorunkoon 6. Tällöin vaimennin voidaan mitoittaa staattorin ja koneistorungon väliseen tilaan siten, että staattorin 2 taipuessa poispäin koneistorungosta 5 vaimennin 9 pyrkii venymään kohdistaen vetovoiman staattorin 2 ja koneistorungon 6 välille, ja staattorin 2 taipuessa kohti koneistorunkoa 6 vaimennin 9 pyrkii puristumaan kasaan, kohdistaen vastaavasti työntövoiman staattorin 2 ja koneistorungon 6 välille. Tällainen vaimentimen 10 9 kiinnitys on edullinen erityisesti silloin, jos staattorin kiinnityspisteet 7, 7' muodostavat staattorin 2 taipuman kannalta yksinkertaisen tuennan.

Kuviossa 4a esitetään eräs kiekkomainen hissimoottori 1, johon keksinnön mukainen vaimennin voidaan sovittaa esi-15 merkiksi kuvion 1-3 sovellusesimerkeissä kuvatulla tavalla. Kuvioon on merkitty koneistorunko 6, sekä staatto-ri 2, jossa on staattorikäämitys 5. Staattori on kiinnitetty koneistorunkoon erillisistä kiinnityspisteistään 7, 7'koko staattorikehän pituudelta. Kuvioon on merkitty 20 myös kiinnityspisteiden 7, 1' väliin koneistettu syvennys 11, johon vaimennin 9 asetetaan.

Kuvion 5 mukainen hissimoottori 1 poikkeaa kuviossa 4 esitetystä siten, että vaimennin 9 on sovitettu kytkeytymään staattorin vyyhdenpään 14 ja koneistorungon 6 väliini 25 le.

o

(M

g Alan ammattimiehelle on selvää, että keksintö ei rajoitu co edellä selostettuihin sovellutusmuotoihin, joissa keksin- o x töä on selostettu esimerkinomaisesti, vaan monet muunnok- cc

CL

set ja keksinnön en sovellutukset ovat mahdollisia jäl- 2 30 jempänä esitettyjen patenttivaatimusten määrittelemän o § keksinnöllisen ajatuksen puitteissa, o

(M

Claims (9)

1. Järjestely värähtelyn vaimentamiseksi sähkökoneistossa (1) , jossa sähkökoneistossa on staattori (2) sekä roottori (3), joiden välille on sovitettu ilmaväli (4),

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että vaimennin (9) on sovitettu kiinnityspisteiden (7, 7', 7'') väliseen tilaan (8) staattorin (2) ja ko- 20 neistorungon (6) välissä.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainittu staattorin ja roottorin välinen ilmaväli (4) on ainakin osassa sähkökoneistoa oleellisesti sähkökoneiston pyörimisakselin suuntainen, c\j q 25 ja että staattorin magnetointikäämitys (5) on sovitettu C\1 ^ muodostamaan ajallisesti muuttuvan magneettikentän mai- nittuun oleellisesti pyörimisakselin suuntaiseen ilmavä-oo ° liin, X Q- ja että staattori (2) on kiinnitetty jäykästi koneistoni 30 runkoon (6) ainakin kahdesta eri kiinnityspisteestä CD o (7,7',7''), jotka kiinnityspisteet sijaitsevat staatto- o riselässä alueella (10) , jota vastaava alue staattorin CM vastakkaisella puolella rajoittuu edellä mainittuun, oleellisesti pyörimisakselin suuntaiseen ilmaväliin (4).

4. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen mukainen järjestely, tunnettu siitä, että vaimennin (9) on sovitettu kytkeytymään mekaanisesti sekä staattoriselkään (10) että koneistorunkoon (6).

5. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen mukainen jär jestely, tunnettu siitä, että sähkökoneisto käsittää vain yhden staattorin (2) sekä vain yhden roottorin (3).

5 Ja jossa staattorissa on magnetointikäämitys (5), ajallisesti muuttuvan magneettikentän muodostamiseksi mainittuun staattorin ja roottorin väliseen ilmaväliin (4), Ja joka staattori (2) on kiinnitetty jäykästi koneisto-runkoon (6) ainakin kahdesta eri kiinnityspisteestä 10 (7,7', 7"), ja jossa järjestelyssä staattorin (2) ja koneistorungon (6) väliin on sovitettu vaimennin (9) staattorin (2) tai-pumavärähtelyn vaimentamiseksi, tunnettu siitä, että vaimennin (9) on sovitettu kytkeyty-15 mään staattorin vyyhdenpään (14) ja koneistorungon (6) välille.

6. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen mukainen järjestely, tunnettu siitä, että vaimennin (9) on tehty 10 elastisesta materiaalista.

7. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainittujen kiinnityspis-teiden väliseen tilaan (8) staattorin ja koneistorungon välissä on tehty jäähdytysilmakanava, staattorin (2) ja / 15 tai vaimentimen (9) jäähdyttämiseksi.

8. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen mukainen järjestely, tunnettu siitä, että koneistorunkoon (6) ja / tai staattoriselkään (10) on koneistettu kohta (11), johon vaimennin (9) on sovitettu.

9. Menetelmä värähtelyn vaimentamiseksi sähkökoneistossa (1), jossa menetelmässä: - sovitetaan sähkökoneistoon staattori (2) ja roottori (3) siten, että staattorin ja roottorin väliin muodostuu ilmaväli (4) 25. sovitetaan staattoriin magnetointikäämitys (5) , CM ^ ajallisesti muuttuvan magneettikentän muodostamisek- ^ si mainittuun staattorin ja roottorin väliseen ilma- m väliin (4) co ° - kiinnitetään staattori (2) jäykästi koneistorunkoon X £ 30 (6) ainakin kahdesta eri kiinnityspisteestä 3 (7,7',7") ^r CD § - sovitetaan staattorin (2) ja koneistorungon (6) vä- o o liin vaimennin (9) staattorin taipumavärähtelyn vai mentamiseksi 35 tunnettu siitä, että: - sovitetaan vaimennin (9) kytkeytymään staattorin vyyhdenpään (14) ja koneistorungon (6) välille c\j δ (M tn o i oo o X en CL 'V CD O 00 O O (M