FI123727B

FI123727B - Järjestely ja menetelmä sähkökoneen jäähdyttämiseksi

Info

Publication number: FI123727B
Application number: FI20115858A
Authority: FI
Inventors: Pekka Kanninen
Original assignee: Abb Oy
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2013-10-15
Also published as: CN103999336A; JP2014525731A; BR112014004877A2; WO2013030444A2; KR20140056377A; EP2751911A2; US20140183990A1; FI20115858L; WO2013030444A3; FI20115858A0

Description

Järjestely ja menetelmä sähkökoneen jäähdyttämiseksi

KEKSINNÖN ALA

Keksintö liittyy järjestelyyn ja menetelmään sähkökoneen jäähdyttämiseksi.

5 keksinnön tausta Sähkökoneiden, kuten moottoreiden tai generaattoreiden, jäähdytys voidaan toteuttaa yhden tai useamman puhaltimen avulla, joka puhaltaa jääh-dytysainetta sähkökoneeseen tai imee jäähdytysainetta sähkökoneesta. Näin aikaansaadaan jäähdytysaineen kierto sähkökoneen ympärillä ja/tai sähkö-10 koneen läpi. Jäähdytysaine voi olla esimerkiksi ilmaa.

Jäähdytyspuhallin voidaan toteuttaa erillispuhaltimena siten, että puhallin käsittää oman moottorinsa puhaltimen käyttämiseksi. Erillispuhallin toimii tyypillisesti sähköllä ja vaatii siten myös oman sähkönsyöttönsä. Eräs erillispuhaltimen käyttöön liittyvä ongelma on se, että erillispuhaltimen sähkön-15 syötön mahdollisesti katketessa katkeaa myös sähkökoneen jäähdytys, vaikka itse sähkökone ei välttämättä pysähdy. Tämä voi aiheuttaa sähkökoneen ylikuumenemisen. Lisäksi erillispuhaltimen siihen mahdollisesti liittyvine ohjaus-yksiköineen tilantarve saattaa olla suhteellisen suuri.

Toinen vaihtoehto sähkökoneen jäähdytyspuhaltimen toteuttami-20 seen on käyttää sähkökoneen akseliin kytkettyä jäähdytyspuhallinta. Tällöin sähkökone pyöriessään samalla käyttää myös akseliin kytkettyä jäähdytyspuhallinta ja näin jäähdytys toimii aina sähkökoneen pyöriessä. Sähkökoneen akseliin kytketyn jäähdytyspuhaltimen tilantarve on tyypillisesti pienempi kuin erillispuhaltimen. Lisäksi akseliin kytketty jäähdytyspuhallin ei välttämättä vaadi ” 25 esimerkiksi erillistä laakerointia.

o ™ Eräs esimerkki yleisesti käytetystä sähkökoneen akseliin kytketystä o jäähdytyspuhaltimesta on aksiaalipuhallin, jossa on potkurityyppinen siipi ja joka liikuttaa jäähdytysainetta sen akselin suuntaisesti, jonka ympäri puhalti-men siipi pyörii. Julkaisussa JP 2007089255 on esitetty toinen esimerkki säh-

CL

30 kökoneen akseliin kytketystä jäähdytyspuhaltimesta, joka tässä tapauksessa

CO

g on keskipakopuhallin. Keskipakopuhallin liikuttaa jäähdytysainetta keskipako- m ^ voiman avulla radiaalisesti puhaltimen siipipyörän pyörimisakseliin nähden.

° Ongelmana edellä kuvatuissa ratkaisussa akseliin kytketyissä jääh- dytyspuhaltimissa on se, että niillä ei välttämättä saavuteta riittävää jäähdytys-35 aineen painetta ja/tai virtausta erityisesti alhaisilla pyörimisnopeuksilla.

2

KEKSINNÖN LYHYT SELOSTUS

Keksinnön tavoitteena on kehittää laitteisto siten, että yllä mainittu ongelma saadaan ratkaistua tai sitä voidaan ainakin lieventää. Keksinnön tavoite saavutetaan järjestelyllä ja menetelmällä, joille on tunnusomaista se, mitä 5 sanotaan itsenäisissä patenttivaatimuksissa 1 ja 10. Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten kohteena.

Keksintö perustuu siihen, että sähkökoneen akseliin kytkettävä sähkökoneen jäähdytyspuhallin on sivukanavapuhallin.

Keksinnön mukaisen ratkaisun etuna on se, että ratkaisun avulla 10 voidaan saavuttaa hyvä jäähdytysaineen paineentuotto ja/tai virtaus jo suhteellisen alhaisella pyörimisnopeudella. Lisäksi sivukanavapuhallin voidaan järjestää rakenteeltaan kompaktiksi.

KUVIOIDEN LYHYT SELOSTUS

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yh-15 teydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joista:

Kuvio 1 esittää esimerkin järjestelystä sähkökoneen jäähdyttämiseksi;

Kuvio 2 esittää esimerkin järjestelystä sähkökoneen jäähdyttämiseksi; 20 Kuvio 3 esittää esimerkin järjestelystä sähkökoneen jäähdyttämi seksi;

Kuvio 4 esittää esimerkin sivukanavapuhaltimesta;

Kuvio 5 esittää esimerkin sivukanavapuhaltimesta;

Kuvio 6 esittää esimerkin sivukanavapuhaltimesta; 25 Kuvio 7 esittää esimerkin sivukanavapuhaltimen roottorista; 5 Kuvio 8 esittää esimerkin sivukanavapuhaltimen staattorin osasta; ja

C\J

^ Kuvio 9 esittää esimerkin sivukanavapuhaltimesta.

o i

£ KEKSINNÖN YKSITYISKOHTAINEN SELOSTUS

| Kuvio 1 esittää esimerkin järjestelystä erään suoritusmuodon mu- 30 kaisesti. Kuviossa 1 järjestelystä on kuvattu toinen puolikas leikkauskuvana S kohtisuoraan akseliin 11 nähden. On huomattava, että kuviossa on esitetty ra vain keksinnön ymmärtämisen kannalta olennaisia elementtejä. Kuvion 1 jär-o ^ jestely käsittää sähkökoneen 10, joka voi olla esimerkiksi moottori tai generaat tori. Edelleen sähkökone 10 voi olla esimerkiksi tahtikone tai epätahtikone.

3 Sähkökone 10 käsittää akselin 11 sekä siihen kiinnitetyn roottorin 12. Akseli 11 on edullisesti laakeroitu päistään laakereilla 15, mikä mahdollistaa akselin 11 ja roottorin 12 pyörimisen. Sähkökone 10 käsittää edelleen staattorin 13, joka on edullisesti kiinnitetty staattorirunkoon 14. Kuvion 1 järjestely käsittää edel-5 leen sivukanavapuhaltimen 20. Sivukanavapuhallin 20 käsittää staattorin 23, joka on edullisesti kiinnitetty sähkökoneen 10 staattorirunkoon 14 sekä roottorin 24, joka on kytketty sähkökoneen 10 akseliin 11 ja pyörii siten sähkökoneen 10 akselin 11 mukana. Sivukanavapuhallin 20 käsittää edelleen ainakin yhden jäähdytysaineen sisäänmenoaukon 21 ja ainakin yhden jäähdytysaineen ulos-10 tuloaukon 22. Sivukanavapuhallin 20 voi käsittää kaksi tai useampia jäähdytysaineen sisäänmenoaukkoja 21 ja kaksi tai useampia jäähdytysaineen ulos-tuloaukkoja 22. Sisäänmenoaukkoja 21 ja ulostuloaukkoja 22 voi olla esimerkiksi 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 tai 9 kpl tai useampia. Sisäänmenoaukkoja 21 ja ulostuloaukkoja 22 on edullisesti yhtä monta kumpaakin. Sivukanavapuhaltimen 20 15 sisäänmenoaukkojen 21 ja ulostuloaukkojen 22 määrää kasvattamalla voidaan sivukanavapuhaltimen 20 jäähdytysaineen tuottoa lisätä mutta vastaavasti jäähdytysaineen paineentuotto vähenee. Sisäänmenoaukkojen 21 ja ulostuloaukkojen 22 määrä valitaan edullisesti kulloinkin jäähdytettävän sähkökoneen 10 ominaisuuksien sekä käyttöolosuhteiden mukaisesti niin, että sähkökoneen 20 10 jäähdytys saadaan optimoitua. Samoin sisäänmenoaukkojen 21 ja ulostu loaukkojen 22 koko ja muotoilu voi vaihdella ilman, että tällä on merkitystä keksinnön perusajatuksen kannalta.

Kuvion 1 esimerkkijärjestelyn toiminta perustuu suljettuun jäähdytysaineen kiertoon, jolloin järjestely käsittää ainakin yhden kanavan sähköko-25 neesta 10 poistuvan jäähdytysaineen johtamiseksi takaisin sähkökoneeseen. Kuvion 1 esimerkissä tällainen kanava muodostuu sähkökoneen ulkokuoren 17

CO

5 sisälle. Sähkökoneen 10 ja täten sivukanavapuhaltimen 20 toimiessa sivu-

C\J

^ kanavapuhallin 20 imee jäähdytysainetta sähkökoneesta 10 yhteen tai useam- ° paan sisäänmenoaukkoon 21 ja puhaltaa jäähdytysaineen edelleen yhdestä tai 30 useammasta ulostuloaukosta 22. Jäähdytysaineen kiertoa on kuvattu kuvioon | merkityillä nuolilla. Kuvion 1 esimerkissä järjestely käsittää niin ikään ainakin oo yhden lämmönvaihtimen 18 jäähdytysaineen jäähdyttämiseksi jäähdytysaineen m g kiertäessä lämmönvaihtimen 18 läpi. Kuvion 1 esimerkissä jäähdytysaine kul- ^ kee esimerkiksi sähkökoneen 10 roottorin 12 ja staattorin 13 välisen ilmaraon o 3 00 35 ja/tai roottorin ilmasolan 16 läpi. Jäähdytysaine voi olla esimerkiksi kaasumai nen jäähdytysaine kuten ilma tai jonkin muun tyyppinen jäähdytysaine. Jäähdy- 4 tysaineen tyypillä ei kuitenkaan ole merkitystä keksinnön perusajatuksen kannalta.

Kuvio 2 esittää esimerkin järjestelystä erään suoritusmuodon mukaisesti. Kuvion 2 järjestely vastaa olennaisesti kuviossa 1 esitettyä esimerkkiä 5 mutta kuvion 2 järjestely perustuu avoimeen jäähdytysaineen kiertoon. Kuvion 2 esimerkkijärjestelyssä sähkökoneen 10 läpi kierrätetty jäähdytysaine puhalletaan sivukanavapuhaltimen 20 yhdestä tai useammasta ulostuloaukosta 22 sähkökonetta 10 ympäröivään tilaan. Vastaavasti jäähdytysaine imeytyy sähkökoneen 10 sisään ympäröivästä tilasta.

10 On huomattava, että jäähdytysaineen kiertosuunta kuvioiden 1 ja 2 esimerkkijärjestelyissä voisi olla myös päinvastainen siten, että sivukanavapu-hallin 20 puhaltaisi jäähdytysainetta sähkökoneen 10 sisään sen sijaan, että se imee jäähdytysainetta sähkökoneesta 10. Lisäksi sivukanavapuhaltimia 20 voisi olla useampia kuin yksi.

15 Kuviossa 3 on esitetty esimerkin järjestelystä erään suoritusmuodon mukaisesti. Kuvion 3 järjestely vastaa muutoin kuviossa 2 esitettyä esimerkkiä mutta kuviossa 3 esitetty esimerkkijärjestely käsittää kaksi sivukanavapuhallin-ta 20 ja sivukanavapuhaltimien 20 sisäänmenoaukkojen 21 ja ulostuloaukkojen 22 muotoilu eroaa kuvioiden 1 ja 2 esimerkeistä. Lisäksi kuvion 3 esimerkissä 20 sivukanavapuhaltimet 20 puhaltavat jäähdytysainetta sähkökoneen 10 sisään nuolien osoittamalla tavalla symmetrisesti sähkökoneen 10 kummastakin päädystä. On huomattava, että jäähdytysaineen kiertosuunta kuvion 3 esimerkki-järjestelyssä voisi olla myös päinvastainen. Lisäksi sivukanavapuhaltimia 20 voisi olla vain yksi sähkökoneen 10 jommassakummassa päädyssä.

25 Kuvioissa 4 ja 5 on esitetty esimerkki sivukanavapuhaltimesta 20 eri suunnilta tarkasteltuna. Kuvioiden 4 ja 5 esimerkin sivukanavapuhaltimen 20 o jäähdytysaineen sisäänmenoaukkojen 21 ja jäähdytysaineen ulostuloaukkojen

CM

^ 22 muotoilu vastaa olennaisesti kuvioissa 1 ja 2 esitettyjä esimerkkejä. Kuvioi- ^ den 4 ja 5 esimerkissä sisäänmenoaukkoja 21 ja ulostuloaukkoja 22 on neljä 30 kappaletta mutta aukkoja voisi olla myös tätä enemmän tai vähemmän. Kuvi-| ossa 4 näkyvä sivukanavapuhaltimen 20 roottorin 24 keskiosa kiinnitetään oo jäähdytettävän sähkökoneen akseliin 11 (ei esitetty kuviossa) kiinni.

LO

g Kuviossa 6 on esitetty osittainen aukileikkauskuvio kuvioiden 4 ja 5 ^ kaltaisesta sivukanavapuhaltimesta 20, jossa staattorista 23 puuttuu yksi nel- 00 35 jäsosa paljastaen näin roottorin 24 rakenteen. Sivukanavapuhaltimen staattori 23 on olennaisesti ontto rengasmainen kotelo, jonka sisään muodostuu sivu- 5 kanavapuhaltimille tyypillinen rengasmaisen sivukanava, joka kulkee roottorin 24 sivulla ja joka avautuu roottorin 24 suuntaan. Toisin sanoen sivukanava-puhaltimessa 20 sivukanava kulkee sivusuunnassa (roottorin 24 pyörimisakselin suunnassa) olennaisesti välittömästi roottorin 24 vieressä. Sivukanava-5 puhaltimen 20 kukin jäähdytysaineen sisäänmenoaukko 21 sekä kukin jäähdy-tysaineen ulostuloaukko 22 avautuvat tähän sivukanavaan. Kuvion 6 esimerkissä, jossa sisäänmenoaukkoja 21 ja ulostuloaukkoja 22 on neljä, sivukanava on jaettu niin ikään neljään osioon osioiden välisillä seinäosilla 25 siten, että kussakin sivukanavan osiossa on yksi sisäänmenoaukko 21 ja yksi ulostulo-10 aukko 22. Sivukanava voikin käsittää kaksi tai useampia toisistaan erotettuja osioita, jolloin edullisesti kuhunkin sivukanavan osioon avautuu ainakin yksi jäähdytysaineen sisäänmenoaukko sekä ainakin yksi jäähdytysaineen ulostuloaukko. Sivukanava voi myös muodostua vain yhdestä osiosta, jossa on yksi sisäänmenoaukko 21 ja yksi ulostuloaukko 22. Tällöin sivukanava edullisesti 15 kulkee lähes 360° kierroksen sisäänmenoaukosta 21 ulostuloaukkoon 22, joiden välillä on erottava seinäosa 25, joka katkaisee sivukanavan.

Kuviossa 7 on esitetty esimerkki sivukanavapuhaltimen 20 roottorista 24. Roottori 24 käsittää joukon siipiä, jotka roottorin 24 pyöriessä aiheuttavat jäähdytysaineen virtauksen sisäänmenoaukosta 21 ja ulostuloaukkoon 22. On 20 huomattava, että roottorin 24 siipien määrä ja muotoilu voi poiketa kuvion 7 esimerkistä ilman, että tällä on merkitystä keksinnön perusajatuksen kannalta.

Kuviossa 8 on esitetty esimerkki sivukanavapuhaltimen 20 staattorin 23 osasta. Kuvion 8 esimerkki vastaa kuvioissa 4-8 esitetyn sivukanavapuhaltimen 20 staattorin 23 yhtä neljäsosaa eli kokonainen staattori 23 muodostuu 25 neljästä yhteen liitetystä kuvion 8 esittämästä kappaleesta. Kuviosta 8 ilmenee staattorin 23 ontto rakenne ja sen sisään muodostuva sivukanava, johon jääh-5 dytysaineen sisäänmenoaukko 21 sekä jäähdytysaineen ulostuloaukko 22

C\J

^ avautuvat. Kuvion 8 esittämän staattorin 23 osan sisään muodostuu siis yksi ° neljäsosa kuvioiden 4 - 6 kaltaisen sivukanavapuhaltimen 20 sivukanavan ko- 30 konaispituudesta.

| Kuviossa 9 on esitetty esimerkki sivukanavapuhaltimesta 20 erään oo suoritusmuodon mukaan. Kuvion 9 sivukanavapuhallin 20 vastaa muutoin ku- m g vioissa 4-6 esitettyjä esimerkkejä mutta kuviossa 9 esitetty esimerkki käsittää ^ viisi sisäänmenoaukkoa 21 ja ulostuloaukkoa 22 ja aukkojen muotoilu eroaa 00 35 kuvioiden 4-6 esimerkeistä. Kuvion 9 esimerkki vastaakin olennaisesti kuvion 6 3 järjestelyn käsittämiä sivukanavapuhaltimia 20. Sisäänmenoaukkojen 21 ja ulostuloaukkojen 22 määrä voi poiketa kuviossa esitetystä.

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksinnön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritus-5 muodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

CO

o

C\J

CO

o m

X

cc

CL

CO

m co m δ c\j

Claims

1. Järjestely sähkökoneen jäähdyttämiseksi käsittäen: sähkökoneen (10); ja ainakin yhden puhaltimen (20), joka on kytketty sähkökoneen akse-5 liin (11) jäähdytysaineen puhaltamiseksi sähkökoneeseen tai imemiseksi sähkökoneesta, tunnettu siitä, että mainittu ainakin yksi puhallin (20) on sivu-kanavapuhallin.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että sivukanavapuhallin (20) käsittää ainakin yhden jäähdytysaineen sisään- 10 menoaukon (21) ja ainakin yhden jäähdytysaineen ulostuloaukon (22).

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että sivukanavapuhallin (20) käsittää ainakin kaksi jäähdytysaineen sisään-menoaukkoa (21) ja ainakin kaksi jäähdytysaineen ulostuloaukkoa (22).

4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen järjestely, tunnettu 15 siitä, että sivukanavapuhallin (20) käsittää roottorin (24) ja rengasmaisen kotelon (23), joka muodostaa roottorin sivulla kulkevan sivukanavan, jolloin mainittu ainakin yksi jäähdytysaineen sisäänmenoaukko (21) sekä ainakin yksi jäähdytysaineen ulostuloaukko (22) avautuvat sivukanavaan.

5. Patenttivaatimuksen 3 ja 4 mukainen järjestely, tunnettu sii-20 tä, että sivukanava käsittää ainakin kaksi toisistaan erotettua osiota, jolloin kuhunkin sivukanavan osioon avautuu ainakin yksi jäähdytysaineen sisäänmenoaukko (21) sekä ainakin yksi jäähdytysaineen ulostuloaukko (22).

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-5 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että jäähdytysaineen kierto on avoin.

7. Jonkin patenttivaatimuksista 1-5 mukainen järjestely, t u n - co n e 11 u siitä, että jäähdytysaineen kierto on suljettu, jolloin järjestely käsittää £3 ainakin yhden kanavan sähkökoneesta poistuvan jäähdytysaineen johtamisek- ώ si takaisin sähkökoneeseen (10).

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen järjestely, tunnettu siitä, x 30 että mainittu ainakin yksi kanava käsittää ainakin yhden lämmönvaihtimen (18) * jäähdytysaineen jäähdyttämiseksi. jg

9. Jonkin patenttivaatimuksista 1-8 mukainen järjestely, t u n - 00 w n e 11 u siitä, että sähkökone (10) on moottori tai generaattori,

10. Menetelmä sähkökoneen jäähdyttämiseksi käsittäen: 35 puhalletaan sähkökoneeseen (10) jäähdytysainetta tai imetään säh kökoneesta jäähdytysainetta ainakin yhdellä puhaltimella (20), joka on kytketty sähkökoneen akseliin (11), tunnettu siitä, että mainittu ainakin yksi puhallin (20) on sivukanavapuhallin.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jäähdytysaineen kierto on avoin.

12. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jäähdytysaineen kierto on suljettu, jolloin menetelmässä johdetaan sähkökoneesta (10) poistuva jäähdytysaine takaisin sähkökoneeseen.

13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jäähdytetään sähkökoneesta (10) poistuvaa jäähdytysainetta ainakin 10 yhden lämmönvaihtimen (18) avulla ennen jäähdytysaineen johtamista takaisin sähkökoneeseen. CO δ C\J i CO o m X cc CL CO m co m δ c\j