FI92114B - Epätahtisähkökone ja sen yhteydessä käytettävät roottori ja staattori - Google Patents

Description

92114

Epätahtisähkökone ja sen yhteydessä käytettävät roottori ja staattori 5 Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannossa lähemmin määritelty epätahtisähkökone.

Alalla vallitsevan tekniikan tason suhteen viitataan julkaisuihin GB-1427818, GB-1429826, DE-2502455 ja 10 DE-3641142, joissa esitetyissä epätahtisähkökone- ratkaisuissa on keskitytty roottorissa oleviin ns. häkkikäämirakenteisiin ja erityisesti niiden mekaanista lujuutta parantaviin ratkaisuihin. Sähköisiä arvoja on myös pyritty parantamaan perinteisellä optimoinnilla 15 lähinnä keskittyen pienentämään pyörrevirtahäviöitä.

On todettava, että em. julkaisut keskittyvät ratkaisuihin, joissa pyörimisnopeudet ovat suhteellisen alhaisella, perinteisellä, epätahtisähkökoneissa jo kauan käytetyllä pyörimisnopeusalueella.

20

Tavallisen, perinteisen epätahtisähkökoneen suunnittelussa pyritään optimoimaan lähinnä virtalämpö- ja megnetointihäviöitä, hystereesihäviöitä sekä pyörrevirtahäviöitä. Niinsanottujen kaasukitkahäviöiden 25 merkitys on perinteisen epätahtisähkökoneen suunnit telussa vähäinen.

Yleisesti havainnollisuuden vuoksi yksinkertaistettuna sähkökoneessa ja siten myös epätahtisähkökoneessa 30 syntyy häviöitä pyörimisnopeuden funktiona seuraavasti:

Ph (n) = po + pin + p2n2 + p3n3» (i) jossa 35 n = pyörimisnopeus,

Ph = kokonaishäviöt, P0 = vakio-osa, joka käsittää virtalämpö- ja magnetointihäviöt, 2 92) i 4

Pi = hystereesihäviöitä kuvaava vakio, P2 = pyörrevirtahäviöitä ja muita pyörimis nopeuden toiseen potenssiin liittyviä 5 häviöitä kuvaava vakio ja P3 = kaasukitkahäviöitä kuvaava vakio.

Tässä yhteydessä on todettava, että kaavassa (1) esitetyt eksponentit eivät ainakaan kaikki ole käytän-10 nössä kokonaislukuja vaan ko. lukuja lähellä olevia murtolukuja. Kaavassa (1) onkin pyritty lähinnä havainnollistamaan erityyppisten häviöiden ja pyörimisnopeuden välisiä riippuvuussuhteita. Lisäksi on huomattava, että vakiot P0, P1, P2, P3 saavat erilaisia 15 arvoja riippuen niihin vaikuttavista, lähinnä fysikaalisista tekijöistä. Toisin sanoen termit P0, P.|, P2, P3 ovat pyörimisnopeuden suhteen vakioita vain tietyssä sähkökonekonstruktiossa.

20 Toisaalta sähkökonesuunnittelussa pyritään minimoimaan kokonaishäviöiden Ph(n) suhdetta akselitehoon, joka on

Paks(n) = k*n> (2) 25 jossa k = konevakio, lähinnä roottorin ja/tai sähkökoneen tilavuudesta riippuva vakio.

Tällöin siis: 30 tfftr =i* < n + p' + P2n + P,n»). (3)

Kaavasta (3) havaitaan pyörimisnopeuden kasvattamisen vaikutus häviöiden suhteelliseen osuuteen akseli-35 tehosta. Pyörimisnopeutta kasvattamalla virtalämpö-ja magnetointihäviöiden (vakio P0) vaikutus pienenee. Hystereesihäviöt ovat oleellisesti vakiona pysyvä osuus. Sitävastoin pyörrevirtahäviöiden vaikutus (vakio P2) kasvaa oleellisesti suoraan verrannollisena I: 92114 3 pyörimisnopeuden kasvuun ja edelleen kaasukitkahäviöi-den vaikutus (vakio P3) kasvaa oleellisesti pyörimisnopeuden toiseen potenssiin verrannollisena.

5 Kaavasta (3) onkin, silloin kun suunnitellaan sähkökoneita, joilla on suuret pyörimisnopeudet, johdettavissa havainto, että pyörrevirtahäviöihin ja kaasu-kitkahäviöihin liittyvien vakioiden (P2 ja P3) vaikutusta tulisi vähentää suunnittelussa tehtävin toimen-10 pitein siten, että pyörrevirtahäviöt minimoidaan ja kaasukitkahäviöt eivät ainakaan kasva perinteisiin ratkaisuihin verrattuna. Sen sijaan virtalämpö- ja magnetointihäviöihin liittyvän vakion P0 suuruutta voidaan jopa kasvattaa, sillä pyörimisnopeuden kasvun 15 vaikutus on kääntäen verrannollinen ko. häviöiden suhteeseen.

Nyt esillä oleva keksintö liittyy epätahtisähkökonei-siin, joissa sovelletaan suuria pyörimisnopeuksia, ns.

20 suurnopeustekniikkaa, erityisesti pyörimisnopeuksia, jotka ylittävät oleellisesti ne pyörimisnopeusalueet, joilla perinteiset e pätahti sähkökoneet toimivat.

Esimerkkinä voidaan mainita keksinnön mukaisen epä-tahtisähkökoneen pyörimisnopeusalueena suuruusluokka 25 yli 105 kierrosta minuutissa, kun sen sijaan perinteisillä epätahtisähkökoneilla kehänopeusalue on tyypillisesti alle 50 m/s ja pyörimisnopeusalue on 103-3-103 kierrosta minuutissa. Näin ollen termillä suurnopeus tarkoitetaan tässä keksinnössä pyörivän 30 elimen, erityisesti epätahtisähkökoneen roottorin .. kehänopeuksia, jotka ovat yli 100 m/s, jopa aina » ’ 1000-2000 m/s, tyypillisesti kuitenkin 200-500 m/s, jolloin yleisimmin käytettävillä pyörivän elimen mitoilla erityisesti roottorin halkaisijoilla roottorin 35 pyörimisnopeus on suuruusluokaltaan 104-105 kierrosta minuutissa, tyypillisesti 2 * 104- 2 * 105 kierrosta minuutissa, aina jopa arvoihin 106 kierrosta minuutissa asti.

92114 4

Aiemmin esitettyyn viitaten tunnetun tekniikan tason mukainen häviöiden optimointiajattelu ei johda suur-nopeusteknisissä sovelluksissa tyydyttävään loppu-5 tulokseen.

Tässä keksinnössä on yllättäen havaittu, että roottorin ja staattorin välisen ilmavälin suuruudella on ratkaiseva merkitys suurnopeusteknisissä epätahtisähkö-10 konesovelluksissa, erityisesti hyötysuhteen kannalta.

Tässä keksinnössä on yllättäen havaittu, että roottorin ja staattorin välinen ilmaväli on kääntäen verrannollinen vakioiden P2 ja P3 suuruuteen; toisin sanoen suurnopeussovelluksissa pyörrevirta- ja kaasukitka-15 häviöihin vaikuttavat vakiot ovat fysikaalisen mitoituksen ja suunnittelun kannalta muuttujia, joiden riippuvuus ilmavälistä voidaan yksinkertaistaen ilmaista kaavalla: 20 1 P, * - , (4)

5X

jossa 25 Pj = p2 tai Pj, δ = ilmaväli, ja x = potenssiluku > 0.

Vastaavasti voidaan todeta, että vakio P0 kaavassa (1) 30 on riippuvuussuhteessa ilmaväliin δ seuraavasti: P0 * S*, (5) jossa 35 P0 = virtalämpö- ja magnetointihäviöt, δ = ilmaväli, ja y = potenssiluku > 0.

92114 5

Keksinnön yllättävä havainto voidaan siis tiivistää siihen, että roottorin ja staattorin välistä ilmaväliä voidaan ja on syytä suurentaa epätahtisähkökoneen suurnopeussovelluksissa hyötysuhteen optimoimiseksi, 5 sillä kaavaan (1) liittyvien pyörrevirta- ja kaasukit-kahäviöiden, jotka puolestaan ovat oleellisesti joko toiseen tai kolmanteen potenssiin verrannollisia pyörimisnopeuteen nähden ja siten voimakkaasti vaikuttavat suurnopeussovelluksissa ko. häviöihin, vakioiden 10 P2 ja P3 ovat kääntäen (kaava 4) verrannollisia il- mavälin suuruuteen. Toisaalta virtalämpö- ja mag-netointihäviöihin vaikuttavan vakion P0 arvoa voidaan jopa kasvattaa kokonaishäviöiden siitä kasvamatta esim. sallimalla suurempi raagnetointivirta, sillä 15 suurnopeussovelluksissa tämän vakion P0 merkitys kokonaishäviöiden kannalta on pieni. Käytännössä edellä esitetty merkitsee todennäköisimmin sitä, että suurnopeussovelluksissa suunnitteluteknisesti pyörre-virtahäviöitä pyritään minimoimaan mahdollisimman 20 paljon kuitenkin siten, että ainakaan kaasukitkahäviöt eivät ainakaan kasva verrattuna perinteisiin suunnit-telutekniikoihin.

Edellä esitettyjen tavoitteiden saavuttamiseksi ja 25 siten alalla vallitsevien ongelmien poistamiseksi mitä suurimmassa määrin keksinnön mukaiselle epätahti-sähkökoneella on pääasiassa tunnusomaista se, että roottorin ja staattorin välinen ilmaväli tai vastaava on oleellisesti kaavan 30

Ds “ Dr Dr u / S = - > A + - + - (6)

2 B C

35 mukainen, jossa kaavassa (6)

Dr = roottorin ulkohalkaisija (mm),

Ds = staattorin sisähalkaisija (mm), u = kehänopeus m/s, 6 927 14 δ = ilmaväli (mm), A = vakio, jonka suuruus > 0,3, edullisesti 0,7...1,5, sopivasti 1; laatu mm, 5 B = vakio, jonka suuruus < 150, edullisesti 50.. .100, sopivasti 70, C = vakio, jonka suuruus < 1200, edullisesti 300.. .600, sopivasti 400; laatu m/s/^, 10 ja se, että roottorin kehänopeus on yli 100 m/s.

Edellä esitetyllä tavalla toteutetussa epätahtisähkö-koneessa saavutetaan hyvä hyötysuhde roottorin pyöriessä suurnopeusalueella olevilla pyörimisnopeuksilla.

15

Erityisesti kaasukitkahäviöiden osalta voidaan todeta, että niitä syntyy roottorin halkaisijasta ja pyörimisnopeudesta riippuen seuraavasti: 20 4 n3 * Dr P3 Ä ——- · (7) S0·2 25

Kaasukitkahäviöiden poistaminen vaatii tehokkaan ilmaväliin kohdistuvan aksiaalisuuntaisen jäähdytys-puhalluksen. Kun ilmaväliä kasvatetaan erityisesti keksinnön mukaisella tavalla suurnopeussovelluksissa, 30 voidaan jäähdytyskaasu, kuten ilmapuhallus toteuttaa erittäin hyvällä hyötysuhteella.

Perinteisillä sähkökoneen mitoitusohjeilla ilmaväli jää pieneksi, käytännössä maksimissaan pienillä 35 koneilla 1% ja keskisuurilla 0,5% roottorin halkaisijasta. Lähteen Hiitte Taschenbticher der Technik, Energietechnik, Bend 1 Maschinen mukaan 7 921 i 4 pienkoneilla:

Dr 5 S « 0,2 + - [mm] (8a) 1000 ja keskisuurilla: 10

Dr 9 δ * - * (1 + -), (8b) 1200 2p 15 jossa p = napapariluku ja toisen lähteen mukaan Vogt.K, 1972, Elektrische 20 Maschinen, Berechnungen rotierender elektrischer

Maschinen, ¼ S * (0,25...0,4) * Pmek, (8c) 25 jossa δ = ilmaväli [mm], ja Pme|C= sähköteho [kW].

30 Erityisesti pyörrevirtahäviöiden (vakio P2) suhteen perinteisissä ratkaisuissa voidaan todeta, että staattorissa ja roottorissa kulkeva virta ja staattorin ja roottorin uritus aiheuttavat ilmavälivuotiheyden epäjatkuvan jakauman pitkin ilmaväliä (ts. sinimäinen 35 ilmavälivuontiheyden jakauma sisältää yliaaltokom- ponentteja ja vuontiheyden jakauma on "porrasmainen"). Roottorin pyöriminen eri nopeudella kuin ilmavälivuo ja vuontiheyden jakauman epäjatkuvuus aiheuttavat yhdessä roottorissa ja staattorissa lisääntyviä 40 pyörrevirtahäviöitä.

8 921 14

Kun ilmaväliä kasvatetaan niin epäjatkuvan vuontiheyden yliaaltokomponentit ja siten pyörrevirtahäviöt pienenevät. Perinteisillä sähkökoneen mitoitusohjeilla saaduilla ilmavälin arvoilla lasketut pyörrevirtahäviöt 5 ovat jopa useita dekadeja suuremmat.

Kuten edeltä käy ilmi, ilmavälin mitoitus keksinnön mukaisesti mahdollistaa kokonaishäviöiden erittäin hyvän hallinnan suurnopeussovellusten vaikeasti 10 toteutettavissa olosuhteissa.

Keksinnön kohteena on myös roottori käytettäväksi edellä esitetyssä epätahtisähkökoneessa. Roottori on lähemmin määritelty roottoriin kohdistuvan itsenäisen 15 patenttivaatimuksen johdanto-osassa.

Tunnettujen roottorikonstruktioiden suhteen viitataan tekniikan tasoon, joka on esitetty jo aiemmin viitatuissa viite julkaisuissa, joissa on pyritty kehittämään 20 ns. häkkikäämiratkaisuja. Häkkikäämiratkaisu ei ole edullinen - ainakaan nykyisin käytössä olevin konstruktioin tehtynä - suurnopeussovelluksissa, joissa ilmaväli on muodostettu epätahtisähkökoneelle patenttivaatimuksessa 1 annettujen tunnusomaisten piirteiden 25 perusteella.

Tässä keksinnössä on yllättäen havaittu, että suurnopeussovelluksissa roottorin sähköä hyvin johtavasta materiaalista valmistettu pinnoite on roottorille 30 pääasiassa tunnusomaisesti muodostettava yhtenäiseksi .. koko roottorin toiminnalliselle pinta-alalle ulottuvak- ‘ si. On edullista, että pinnoite on ainakin osalla roottorin kehämittaa säteissuuntaiselta vahvuudeltaan yli 0,2 mm.

Kuten tunnettua, staattorissa ja roottorissa kulkee poikkileikkauspinta-alaa kohti yhtä paljon pätövirtaa.

35 92114 9

Roottorissa kulkevan sähkövirran tulisi kulkea pääasiassa hyvin sähköä johtavassa pinnoitteessa, jotta virtalämpöhäviöt olisivat mahdollisimman pienet. Näin ollen sähköä hyvin johtavan pinnoitteen poikkileik-5 kauspinta-ala on pyrittävä maksimoimaan siten, että pinnoitteen keskimääräinen säde on mahdollisimman suuri ts. pinnoite sijoittuu mahdollisimman suuressa määrin akselirungon ulkokehälle oleellisesti tasaisesti jakautuneena.

10

Keksinnön mukaisessa roottorissa kuormitetun roottorin vääntömomentin synnyttävän virran suhde pinnoitteen poikkileikkauksen alaan on oleellisesti kaavan: 15

Qi*Nu*I1*COS(51 500 J = - < k * (40 + -) (9)

Ar Dr 20 mukainen, jossa J = virran tiheys (A/mm2),

Qs = staattorin urien lukumäärä,

Nu = staattorin urassa kulkevien johtimien 25 lukumäärä, I, = staattorivirran perusaallon (A) tehollisar- vo, «St - staattorivirran ja jännitteen perusaallon välinen kulma, 30 Ar = roottorin pinnoitteen keskimääräinen poikkipinta-ala (leikkaus II-II, kuva 1) (mm2), k = käyttökerroin (A/mm2), (vaihteluväli 1-2,5), 35 Dr = roottorin halkaisijan lukuarvo (mm).

Roottorin käyttökertoimen ajallinen keskiarvo on . korkeintaan 1.

92114 10

Lisäksi roottorin käyttökerroin k on hetkellisesti korkeintaan 2,5.

5 Valmistusteknisesti pinnoite on edullista tehdä tavallisimmin magneettisesti johtavan akselirungon päälle sopivimmin liikemäärän nopeaan muutokseen perustuvalla valmistustekniikalla esim. ns. räjäytys-pinnoituksella, jolla saadaan aikaan riittävän luja 10 kiinnipysyvyys akselirungon ja pinnoitteen välillä samanaikaisesti kuin pinnoitteelle saadaan riittävä vahvuus. Keksinnössä on havaittu, että kiinnipysyvyys voidaan määritellä seuraavasti: 15 $p > 50 MPa, edullisesti yli 100 MPa. (10) Tällöin sähköäjohtavan pinnoitteen suurin mahdollinen h (mm) vahvuus on laskettavissa seuraavasti: 20 δ * 1.8 * 10u h * -, (11) n2 * Dr * «Spt jossa 25 <Sp = kiinnipysyvyys (MPa) , n = sähkökoneen pyörimisnopeus (1/min),

Dr = roottorin ulkohalkaisija (mm), ja 6pt = pinnoitemateriaalin tiheys (kg/m3) , 30

Lisäksi vaaditaan, että roottorin akselirungon materiaalin myötöraja (Re, <50 2) on tyypillisesti:

Re > 400 MPa. (12) 35

Edellä esitetyt kriteerit täyttävillä materiaaleilla voidaan valmistusteknisesti saada aikaan roottori, jonka pinnoite on yhtenäisenä muokkauslujittuneena kerroksena akselirungon päällä riittävän vahvana 92114 11 pinnoitekerroksena. Lisäksi, kuten tunnettua, hyvin sähköä johtavat materiaalit, kuten kupari, ovat pehmeitä ja omaavat alhaisen murtolujuuden. Käyttämällä keksinnön mukaisen roottorin valmistuksessa esimerkiksi 5 nopeaan liikemäärän muutokseen perustuvaa valmistustekniikkaa, voidaan tällainen mekaanisesti pehmyt ja huonosti rasituksia sinänsä kestävä, sähköä johtava pinnoitemateriaali kiinnittää ja muokkaus lujittaa akselirungon ulkopintaan siten, että roottorirakentees-10 ta muodostuu kestävä.

Keksinnön mukaisesti voidaan akselirunkoon muodostaa uritus, joka täytetään pinnoitemateriaalilla. Urien lukumäärä voidaan määritellä seuraavasti: 15

Dr Dr

Qr > - , edullisesti - (13) 3,2 1...2 20 jossa

Qr = roottorin urien lukumäärä, ja

Dr = roottorin ulkohalkaisija/mm.

25 Roottorin pinnoite voi olla tasavahva materiaalikerros tai se voi koostua tasavahvan materiaalikerrososan ja .* akselirungon uritukseen sijoittuvien pinnoitemate- riaaliosien yhdistelmästä. Se, minkälaista pinnoite-konstruktiota käytetään, riippuu useammasta tekijästä, 30 joiden yhteisvaikutus on optimoitava tietyn epätahti-sähkökoneen suunnitteluvaiheessa. Akselirungon uritus aiheuttaa ilmavälivuontiheyden epäjatkuvuutta, joka edelleen lisää staattorissa syntyviä häviöitä. Urituksen aiheuttamia häviöitä voidaan pienentää lisäämällä 35 urien lukumäärää. Urituksen aiheuttaman pyörrevir-tahäviöt ovat pienimmät yhtenäisellä oleellisesti tasavahvalla pinnoitteella, mikä vastaa tilannetta, jossa Qr on ääretön. Yhtenäinen pinnoite aiheuttaa lisääntyvän magnetointivirran tarpeen staattorikäämiin, 92114 12 joka lisää staattorin urissa syntyviä kuparihäviöitä. Tällöin eräänä vaihtoehtona on käyttää roottorikon-struktiota, joka koostuu sekä akselirungossa olevasta urituksesta, joka on varustettu pinnoitemateriaalilla 5 ja sen päällä olevasta yhtenäisestä pinnoitteesta.

Eri roottorikonstruktioilla laskettujen häviöiden erot ovat kuitenkin pieniä, olennaiseksi muodostuu ilmavälin suuruus ja tällöin käytettävän pinnoitteen 10 yhtenäisyys. Lopullinen roottorin pinnoitteen konstruktion valinta riippuu näin ollen suuressa määrin myös valmistettavuudesta.

Epäitsenäisissä, roottoriin kohdistuvissa patenttivaa-15 timuksissa on esitetty eräitä edullisia roottorin sovellusmuotoj a.

Edelleen keksinnön kohteena on staattori käytettäväksi edellä esitetyssä epätahtisähkökoneessa. Staattori on 20 lähemmin määritelty staattoriin kohdistuvien itsenäisten patenttivaatimusten johdanto-osassa.

Alalla vallitsevan, lähinnä perinteisiin sähkökoneisiin liittyvän tekniikan tason suhteen viitataan lähteeseen: 25 Vogt K. 1972 Elektrische Maschinen, Berechnung rotie-render electrischer Maschinen. Tämän lähteen mukaan epätahtisähkökoneissa urajako on tyypillisesti 10...45 mm (pienin arvo pienillä koneilla), jolloin urien lukumääräksi saadaan 30

Ds *: Qs < -· (14a) 3,2 35

Staattorin uritus aiheuttaa ilmavälivuon tiheyden epäjatkuvuutta ja lisää näin ollen pyörrevirtahäviöitä. Niinpä tässä keksinnössä on yllättäen havaittu, että suurnopeussovelluksissa, joissa ilmaväli on muodostettu 92114 13 epätahtisähkökoneelle patenttivaatimuksessa 1 annettujen tunnusomaisten piirteiden perusteella kasvattamalla stattorin urien lukumäärää perinteisiin sähkökonesuunnitteluohjeisiin verrattuna, voidaan 5 pienentää urituksen aiheuttamia häviöitä, koska urituksen vaikutus ilmavälivuon tiheyden epäjatkuvuuteen vähenee.

Staattorille pääasiassa tunnusomaisesti staattorin 10 urien lukumäärän tulee olla seuraava:

Ds Ds

Qs > - , edullisesti -, (14b) 15 3,2 2 jossa

Qs = staattorin urien lukumäärä, ja

Ds = staattorin sisähalkaisija/mm.

20

Lisäksi on edullista, että roottorissa olevien urien lukumäärä täyttää ehdon:

Qr > Qs ; (15) 1 25 suhteessa staattorissa olevien urien lukumäärään.

a

Vaihtovirta aiheuttaa staattorin urassa olevassa johtimessa ns. virran ahdon, joka kasvattaa niin 30 sanottua vaihtovirtaresistanssia ja edelleen staattori-häviöitä.

Virranahdon lisäävä vaikutus vaihtovirtaresistanssiin on verrannollinen taajuuden toiseen potenssiin ja 35 johtimessa olevan säikeen halkaisijan toiseen potenssiin. (Lähde: Vogt K. 1972. Elektrische Maschinen, Berechnung rotierender electrischer Maschinen). Näin ollen tässä keksinnössä on yllättäen edelleen havaittu, että suurnopeussovelluksissa, joissa ilmaväli on 92114 14 muodostettu epätahtisähkökoneelle patenttivaatimuksessa 1 annettujen tunnusomaisten piirteiden perusteella, jotta virranahdon vaikutus ei kasvaisi merkittävästi, täytyy säikeen halkaisijaa pienentää verrat-5 tuna perinteisiin ratkaisuihin.

Edelleen keksinnön mukaiselle staattorille pääasiassa tunnusomaisesti urassa käytettävien johtimien yksittäisten säikeiden halkaisijan tulee täyttää ehto: 10 15000 ds < - , (16) n * p 15 jossa p = koneen napaparien lukumäärä, n = sähkökoneen pyörimisnopeus [1/min], ja ds = säikeen halkaisija [mm].

20 On selvää, että minimivaiheluku on kaksi, jotta moottori pyörisi. Kun vaihelukua kasvatetaan, niin staattorin urissa kulkeva virran aiheuttama ilmaväli-vuon epäjatkuvuus alkaa tasoittua ja tästä aiheutuneet häviöt pienenevät.

25

Suurnopeusepätahtikoneen vaiheluku m tulisi olla: m > 2. (17) 30 Seuraavassa selityksessä havainnollistetaan lähemmin keksintöä oheiseen piirustukseen viittaamalla. Piirustuksessa » kuva 1 esittää pitkittäisleikkauksena erästä keksinnön 35 mukaisen epätahtisähkökoneen sovellusta, kuva 2 esittää leikkausta II-II kuvasta 1, 92114 15 kuva 3 esittää leikkausta III-III kuvasta 1 lähinnä roottorirakennetta, ja 5 kuva 4 esittää roottorin vaihtoehtoista toteutusmahdollisuutta kuvan 2 mukaisessa leikkauksessa kuvasta 1.

Piirustuksessa on esitetty viitenumerolla 1 putkimainen 10 runko, jonka sisään on sijoitettu staattori 2 käämityk-sineen 3. Staattori 2 käsittää sisäpinnalla olevan urituksen 4, joka on toteutettu edellä kuvatulla tavalla kaavan (14) mukaisesti. Urituksessa 4 oleva käämitys on puolestaan säikeiden halkaisijan osalta 15 toteutettu edellä kuvatun kaavan (16) mukaisesti.

Erään edullisen sovelluksen mukaisesti staattorin käämitys 3 on muodostettu ns. LITZ-langasta, jossa yksittäisen johdinsäikeen halkaisija on pienempi kuin 20 0,4 mm edullisesti pienempi tai yhtäsuuri kuin 0,1 mm. Staattorin urien lukumäärä on edullisesti jaollinen parillisilla vakoluvun arvoilla ja sopivasti luvulla 12 kolmivaiheisissa epätahtisähkökoneissa. Staattorin käämitys on edullisesti, ainakin joissakin sovelluksis-25 sa, kytketty häviöiden minimoimiseksi ainakin kahden kolmivaiheisen toisiinsa vaiheistetun invertterin (taajuusmuuttajan) ohjaukselle sopivaksi (ei esitetty piirustuksessa).

30 Staattorin 2 reikään 5 on sijoitettu sen pituussuun-taisesti pituusakselinsa P ympäri pyörivä roottori 6, joka on laakeroitu runkoon 1 (ei esitetty). Roottori 6 käsittää akselirungon 7 ja sen ulkopinnalla olevan pinnoitteen 8 muodostaman yhdistelmän. Pinnoite 8 on 35 sijoitettu ulottumaan roottorin 6 pituussuunnassa ainakin staattorin 2 ja käämityksen 3 alueelle. Akselirunko 7 on ainakin magneettisesti johtava tai 92114 16 myös sähköä johtava. Esitetyssä sovelluksessa ak-selirunko 7 on umpinainen rakenne, mutta se voi olla myös ontto. Akselirungon 7, joka on sopivimmin tarkoitukseen soveltuvaa terästä materiaaliltaan, myötöraja 5 ainakin radiaalisuunnassa on yli 400 MPa erityisesti silloin, kun akselirunko 7 on umpinainen rakenne. Erityisesti niissä tapauksissa, joissa akselirunko muodostetaan ontoksi, on akselirungon 7 materiaalin oltava vetolujuudeltaan parempaa materiaalia, jolloin 10 eräänä sopivana myötörajana voidaan mainita ainakin radiaalisuunnassa 800 MPa. Erityisesti kuvaan 2 viitaten voidaan todeta, että akselirunko 7 on oleellisesti roottorin pituussuunnassa uritettu, jolloin urien 7a lukumäärä on kaavan (13) mukainen. Erityisesti 15 kuvassa 4 on esitetty vaihtoehto, jossa akselirunko 7 on sileäpintainen, eli urien lukumäärä on periaatteessa ääretön.

Roottorin 6 pinnoite 8 on valmistettu hyvin sähköä 20 johtavasta materiaalista, kuten kuparista, erityisesti muokkaus lujitetusta kuparista. Pinnoitteen 8 tarkoituksena on nimenomaan toimia epätahtisähkökoneen läpi kulkevan kokonaisvirran johtimena, jolloin roottorin 6 vääntömomentin synnyttävän virran (amppeeria) suhde 25 pinnoitteen 8 poikkileikkauksen pinta-alaan on tyypil lisesti pienempi 40 A/m2 kaavan (9) mukaisesti. Pinnoite 8 on kiinnitetty akselirungon 7 ulkopintaan erityisen sopivasti ns. räjäytyspinnoitusmenetelmällä. Vastaavat muut menetelmät, jotka perustuvat pinnoituk-30 seen, jossa pinnoitettava materiaali kiinnitetään alustaan, tässä tapauksessa nimenomaan akselirunkoon 7, esimerkiksi suuren liikemäärän muutoksen avulla, jolloin pinnoitemateriaalissa tapahtuu pinnoituksen muodostuksen aikana muokkauslujittumista, tulevat 35 kyseeseen. On selvää, että pinnoitteen 8 materiaalina voidaan käyttää kuparin lisäksi myös muita hyvin sähköä johtavia materiaaleja, kuten alumiinia tai • · 92114 17 sopivia seosmateriaaleja. Pinnoite 8 voi olla vahvempi, erityisesti pinnoitteen 8 alueella 8a, joka on pinnoitteen 8 päädyissä roottorin pituussuunnassa staattorin 2 päätyjen ulkopuolella ja joka normaalisti tunnetuissa 5 ratkaisuissa muodostaa oikosulkuvyöhykkeen ns. oiko-sulkurenkaan. Osan 8a pituus voi vaihdella siten, että se on roottorin 6 pituussuunassa käämityksen 3 alueella tai sen ohi, mutta useimmiten osa 8a päättyy oleellisesti käämityksen 3 päädyn kohdalle. Tässä 10 suhteessa viitataan erityisesti kuvaan 3. Erityisesti staattorin 2 ja käämityksen 3 kohdalla pinnoite 8 on oleellisesti ainakin 0,2 mm:n vahvuinen roottorin 6 säteissuunnassa, sopivasti 0,5-5 mm, jopa 1-10 mm. Erityisesti pinnoitteen 8 päätyosat 8a voivat olla 15 pinnoitteen vahvin osa säteissuunnassa. Kuvassa 2 on esitetty pinnoiterakenne, joka kuvan 4 mukaisesta tasavahvasta materiaalikerroksesta poiketen koostuu esimerkiksi tasavahvasta tai vahvuudeltaan vaihtelevas-ta materiaalikerrososasta 8b sekä akselirungon 7 20 uritukseen 7a sijoittuvien pinnoitemateriaaliosien 8c yhdistelmästä. On luonnollisesti selvää, että pinnoite 8 on useimmissa tapauksissa ulkopinnaltaan työstetty sen jälkeen, kun pinnoite on kiinnitetty edellä kuvatulla tavalla akselirungon 7 ulkopintaan, joka on 25 työstetty siten, että se käsittää pinnoitetta 8 vastaavan syvennyksen, johon mm. kuvan 2 mukainen uritus 7a kuuluu, t.s. pinnoitteen 8 ulkopinta on valmiissa roottorissa oleellisesti samassa tasossa kuin akselirungon 7 pinnoitteen 8 ulkopuolella oleva 30 pinta.

Edellä kuvatulla tavalla saadaan aikaan pinnoite 8, joka kestää suurnopeussovelluksissa käytettävät pyörimis- ja kehänopeudet, jotka saattavat erityisesti 35 kehänopeuden osalta nousta yli 100 m/s, jopa 200-500 m/s ja pyörimisnopeuden osalta 2*104-2*105 1/min jopa 106, aina 1000 m/s. Näissä ratkaisuissa, jotka on 92114 18 tarkoitettu toimimaan erityisesti korkeissa kehänopeuk-sissa, on tarpeen käyttää jopa sellaisia akselirungon 7 materiaaleja, joiden myötöraja on yli 1000 MPa.

5 Keksinnön perusajatuksen mukaisesti ilmaväli S, joka on toteutettu kaavan (6) määrittelyn mukaisesti, muodostuu staattorin 2 reiän 5 pinnan ja pinnoitteen 8 ulkopinnan väliin, eli ilmaväli on kuvan 2 merkintöjä käyttäen (Ds - Dr)/2.

10

Pinnoite 8 voi sisältää ainakin osittain vyöhykkeitä tai alueita, joissa pinnoitteen vahvuus säteissuunnassa muuttuu korkeintaan suhteessa 1:10, sopivasti 1:4-6. Edelleen pinnoitteen pintamuoto voi vaihdella käsittäen 15 esim. alueita tai vyöhykkeitä, joissa on syvennyksiä ja harjanteita. Pinnoitteen 8 vahvuus säteissuunnassa ainakin jollakin kohtaa pinnoitetta on suurempi kuin 0,5%, sopivasti 0,7%, jopa yli 1%, korkeintaan 20% (pienihalkaisijaisilla) roottorin ulkohalkaisijasta Dr.

20

Keksinnön etujen havainnollistamiseksi suoritettiin vielä seuraava koesarja, jonka kaikissa koekonstruk-tioissa pyrittiin sähköteknisesti korkeat laatukriteerit täyttäviin epätahtisähkökoneisiin.

25

Koekone A

Tämä koekone suunniteltiin nykyisen tekniikan tason tietämyksen perusteella käyttäen erityisesti roottorin 30 osalta kuparimateriaalista valmistettua ns. häkkikäämi-ratkaisua (vrt. esim. GB-1,427,818) seuraavin päämitoi-: tuksin. Staattorin pituus oli kaikissa koekoneissa 140 mm.

19 92114 n = 1,5 * 105 1/min,

Dr = 70 mm, δ = 0,70 mm (6 « 0,2 + Dr/1000 « 0,3; kaava 5 8a) ,

Qs = 24 (Dr/3,2; kaava 13), ja

Qr = 26

Koekoneessa akselirungon urien syvyys oli max. 2 mm.

10

Koekone B (neljä varianttia) n = 1,5 * 105 1/min,

Dr = 70 mm, 15 S = 3 mm (kaava 6),

Qs1 = 24 tai Qs2 = 36 (kaava 14)

Qr1 = 26 tai Qr2 = 40 (kaava 15)

Pinnoitteen vahvuus oli 1-2 mm, t.s. roottorin urien 20 syvyys max. n. 1,0 mm (roottori oli siis kuvan 2 mukainen).

Koekone C (neljä varianttia) 25 n 1,5 * 105

Dr = 70 mm, 5, = 2 mm, S2 = 3 mm tai $3 = 4 mm (kaava 6)

Qs1 = 24 tai Qs2 = 36 (kaava 14) ,

Qr = 00.

30

Roottori oli kuvan 4 mukainen ja pinnoitteen vahvuus : noin 1 mm.

Seuraavassa on esitetty luettelomuodossa koetulokset 35 sähköisistä häviöistä suhteessa akselitehoon kullakin koekonevaihtoehdolla.

• · 92114 20

Koetulokset

Koekone Sähköiset häviöt % A 18

B

IMQst, Qr1) 2,9 B2(Qs2, Qr1) 2,5 B3(Qsl, Qrz) 2,8 B4(Qs1, Qr2) 2,4

C

C,(i1f Qs1) 4,2 C2(i2, Qs1) 3,0 C3(62, Qs2) 2,5 C4(*3' Qsl) 2,8

Oleellista koetuloksissa on se, että käytettäessä epätahtisähkökoneessa ilmaväliä ja roottorikonstruk-tiota, jotka ovat keksinnön perusajatuksen mukaisia, 5 sähköiset häviöt pienenivät parhaimmillaan yli 15% verrattuna perinteisellä tekniikalla valmistettuun suurnopeusalueella toimivaan epätahtisähkökoneeseen.

Ilmavälin merkitys on ratkaiseva, mutta myös root-tor ikonstruktio samoin kuin staattorin ja roottorin 10 uraluvut vaikuttavat häviöihin. Koesarja antaa alan ammattilaiselle tarvittavat lähtökohdat kussakin suunnittelutehtävässä ainakin kokeellisesti suoritet-j‘ tavalle optimoinnille.

15 • · · i

Claims (29)

92114 21

1. Epätahtisähkökone, jossa on staattorin suhteen 5 pyörivä, sähköä johtava roottori ja niiden välissä ilmaväli tai vastaava, tunnettu siitä, että roottorin (6) ja staattorin (3) välinen ilmaväli (δ) on oleellisesti kaavan

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen epätahtisähkökone, 30 tunnettu siitä, että epätahtisähkökoneen roottorin (6) kehänopeus on tyypillisesti 200-500 m/s, ja että roottorin (6) pyörimisnopeus on tyypillisesti 2*104-2*105 kierrosta minuutissa, kuitenkin enintään 106 kierrosta minuutissa. 35

2. C 15 mukainen, jossa kaavassa Dr = roottorin ulkohalkaisija (mm), Ds = staattorin sisähalkaisija (mm), u = kehänopeus (m/s), δ = ilmaväli (mm),

3. Roottori käytettäväksi patenttivaatimuksen 1 mukaisessa epätahtisähkökoneessa, jolloin roottoriin (6) on akselirungon (7) tai vastaavan yhteyteen muodostettu sähköä johtava pinnoite, tunnettu 92114 22 siitä, että pinnoite (8) on muodostettu yhtenäiseksi, koko roottorin (6) toiminnalliselle pinta-alalle ulottuvaksi.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen roottori, tunnettu siitä, että pinnoitteen (8) vahvuus vaihtelee siten, että roottorin (6) säteissuunnassa pienimmän ja suurimman pinnoitteen vahvuuden välinen suhdeluku on korkeintaan 1:10 ja että pinnoitteen (8) vahvuus 10 säteissuunnassa ainakin jollakin kohtaa pinnoitetta on suurempi kuin 0,5%, sopivasti 0,7%, jopa yli 1%, korkeintaan 20% roottorin ulkohalkaisijasta Dr.

5. Patenttivaatimuksen 3 tai 4 mukainen roottori, 15 tunnettu siitä, että pinnoite (8) on oleellisesti tasavahva kerros roottorin (6) pituussuunnassa ainakin staattorin (2) kohdalla.

6. Patenttivaatimusten 3 tai 4 mukainen roottori, 20 tunnettu siitä, että pinnoite (8) muodostuu ainakin staattorin (2) kohdalla yhdistelmästä, joka käsittää yhtenäisen materiaalikerrososan (8b) ja roottorin (6) akselirunkoon (7) tai vastaavaan muodostetulla urituksella (7a) olevan pinnoitemateriaaliosan (8c). 25

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen roottori, tunnettu siitä, että yhtenäinen materiaalikerrososa (8b) on tasavahva kerros ainakin roottorin (6) pituussuunnassa staattor in (2) kohda11a. 30 .

8. Patenttivaatimuksen 3, 4 tai 6 mukainen roottori, • · : tunnettu siitä, että pinnoite (8) käsittää ainakin osalla toiminnallista pinta-alaansa vyöhykkeitä ja/tai alueita, joissa pinnoitteen pintamuoto vaihtelee. 35

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen roottori, tunnettu - siitä, että pinnoitteen (8) pintamuoto käsittää vuorot- televia syvennyksiä ja harjanteita. 92114 23

10. Jonkin patenttivaatimuksista 3-9 mukainen roottori, tunnettu siitä, että pinnoite (8) käsittää päätyosat (8a), jotka ovat säteissuuntaiselta vah- 5 vuudeltaan suuremmat kuin pinnoitteen (8) osa, joka sijoittuu staattorin (2) kohdalle.

10 Ds - Dr Dr u δ = - > A + - + -

11. Jonkin patenttivaatimuksista 3-10 mukainen roottori, tunnettu siitä, että pinnoitteen (8) vahvuus 10 on enintään kaavan δ * 1,8 * 10u h « - n2 * Dr * δ t 15 mukainen, jossa <Sp = kiinnipysyvyys (MPa) , n = sähkökoneen pyörimisnopeus (1/min), Dr = roottorin ulkohalkaisija (mm), 20 <Spt = pinnoitteen tiheys (kg/m3) , ja jolloin pinnoite (8) on ainakin osalla roottorin (6) toiminnallista pinta-alaa säteissuuntaiselta vahvuudel-25 taan yli 0,2 mm, sopivasti 0,5-5 mm, jopa 1-10 mm.

12. Patenttivaatimuksen 6 mukainen roottori, tunnettu siitä, että uritus (7a) on muodostettu oleellisesti akselirungon (7) tai vastaavan pituussuuntaisesti, 30 jolloin urituksen (7a) urat ovat roottorin kehän suunnassa sopivimmin määrävälein.

13. Patenttivaatimuksen 6 mukainen roottori, tunnettu siitä, että uritus (7a) käsittää keskenään risteilevien 35 urien muodostaman yhdistelmän, jossa ainakin joidenkin urien pituussuunta poikkeaa akselirungon (7) tai vastaavan pituussuunnasta. 92114 24

14. Patenttivaatimuksen 3 mukainen roottori, tunnettu siitä, että pinnoite (8) on muodostettu akselirungon (7) tai vastaavan pintaan sopiviromin liikemäärän muutokseen perustuvaa kiinnitystekniikkaa, erityisesti 5 räjäytyspinnoitusmenetelmää käyttäen erityisesti tarkoituksena saada aikaan akselirunkoon (7) tai vastaavaan kiinnittyvä muokkauslujitettu pinnoite (8) , jonka kiinnipysyvyys (£p) on sopivimmin yli 50 MPa, edullisesti yli 100 MPa. 10

15. Patenttivaatimuksen 14 mukainen roottori, tunnettu siitä, että roottorin (6) akselirungon (7) tai vastaavan myötöraja ainakin radiaalisuunnassa on yli 400 MPa, erityisesti umpinaisella akselirunkorakenteel- 15 la (7) tai vastaavalla.

16. Patenttivaatimuksen 14 mukainen roottori, tunnettu siitä, että roottorin (6) akselirungon (7) tai vastaavan myötöraja ainakin radiaalisuunnassa on yli 20 800 MPa, erityisesti ontolla akselirunkorakenteella (7) tai vastaavalla.

17. Patenttivaatimuksen 3, 6, 12 tai 13 mukainen roottori, tunnettu siitä, että akselirungossa (7) 25 tai vastaavassa olevan akselirungon (7) oleellisesti pituussuuntaisen urituksen (7a) tai urituksen (7a) ko. osan urien lukumäärä on kaavan Dr Dr

30 Qr > -, edullisesti - 3,2 1. . .2 '· mukainen, jossa Qr = urien lukumäärä, ja 35 Dr = roottorin ulkohaIkäisija/mm.

18. Patenttivaatimuksen 3 mukainen roottori, tunnettu siitä, että roottorin (6) kehänopeus on yli 100 m/s, tyypillisesti 200-500 m/s. i. • · · 9211 4 25

19. Patenttivaatimuksen 3, 6, 12 tai 13 mukainen roottori (6), jonka akselirunko (7) on uritettu (7a), joka on sijoitettu epätahtisähkökoneessa urituksella (4) varustetun staattorin (2) yhteyteen, tunnettu 5 siitä, että roottorissa (6) olevan akselirungon (7) oleellisesti pituussuuntaisen urituksen (7a) tai urituksen (7a) ko. osan urien lukumäärä täyttää ehdon Qr * Qs' 10 jossa Qr = roottorin urien lukumäärä, ja Qs = staattorin urien lukumäärä.

20. Patenttivaatimusten 3, 4 tai 11 mukainen roottori, tunnettu siitä, että kuormitetun roottorin vääntömomentin synnyttävän virran suhde pinnoitteen (8) poikkileikkauksen alaan on oleellisesti kaavan: 20 Q.*N. *I1*cosff1 500 J = -]_ < k * (40 + -) Ar Dr 25 mukainen, jossa J = virran tiheys (A/mm2), · Qs staattorin urien lukumäärä, Nu = staattorin urassa kulkevien johtimien 3. lukumäärä, I1 = staattorivirran perusaallon (A) tehollisar- vo, • 6, = staattorivirran ja jännitteen perusaallon : välinen kulma,

35 Ar = roottorin pinnoitteen keskimääräinen poikkipinta-ala (leikkaus II-II, kuva l) (mm2), k = käyttökerroin (A/mm2), (vaihteluväli 1- 2,5),

40 Dr = roottorin halkaisijan lukuarvo (mm). 92114 26

20 A = vakio, jonka suuruus > 0,3, edullisesti 0,7...1,5, sopivasti 1, B = vakio, jonka suuruus < 150, edullisesti 50...100, sopivasti 70, C = vakio, jonka suuruus < 1200, edullisesti 25 300...600, sopivasti 400; laatu rn/s/mm, ja siitä, että roottorin (6) kehänopeus on yli 100 m/s.

21. Patenttivaatimuksen 20 mukainen roottori, tunnettu siitä, että roottorin käyttökertoimen (k) ajallinen keskiarvo on korkeintaan 1. 5

22. Patenttivaatimuksen 20 ja 21 mukainen roottori, tunnettu siitä, että käyttökerroin (k) on hetkellisesti korkeintaan 2,5.

23. Staattori käytettäväksi patenttivaatimuksen 1 mukaisessa epätahtisähkökoneessa staattorin (2) käsittäessä urituksen (4), johon on sijoitettu käämitys (3), tunnettu siitä, että staattorin urituksen (4) urien lukumäärä täyttää ehdon: 15 °s Ds Q. > - , edullisesti - 3,2 2 20 jossa Qs = staattorin urien lukumäärä, ja Ds = staattorin sisähalkaisija/mm.

24. Patenttivaatimuksen 23 mukainen staattori (2), 25 joka on varustettu urituksella (4) ja joka on sijoitettu epätahtisähkökoneessa roottorin (6) yhteyteen, , . roottorin (6) akselirungon (7) tai vastaavan ollessa varustettu akselirungon (7) tai vastaavan pituussuuntaisella urituksella (7a) tai urituksella, joka 30 osittain on oleellisesti akselin (7) pituussuuntainen, tunnettu siitä, että roottorissa (6) olevan ak selirungon (7) tai vastaavan pituussuuntaisen urituksen i (7a) tai urituksen pituussuuntaisten urien lukumäärä täyttää ehdon 35 Qr 2 Qs, 5 27 92114 jossa Qr = roottorin urien lukumäärä, ja Qs = staattorin urien lukumäärä.

25. Patenttivaatimuksen 23 mukainen staattori, tunnettu siitä, että staattorin (2) urien lukumäärä on jaollinen parillisilla vakoluvun arvoilla.

26. Patenttivaatimuksen 25 mukainen staattori, tunnettu siitä, että kolmivaiheisissa epätahtisähkö-koneissa staattorin (2) käämitys (3) on kytketty ainakin kahteen kolmivaiheiseen toisiinsa vaihteistet-tuun invertteriin. 15

27. Patenttivaatimuksen 23 mukainen staattori, tunnettu siitä, että staattorin käämitys (3) on kytketty yhteen kaksivaiheiseen invertteriin.

28. Staattori käytettäväksi patenttivaatimuksen 1 mukaisen epätahtisähkökoneen sekä patenttivaatimuksen 23 mukaisen staattorin yhteydessä, tunnettu siitä, että staattorissa (2) käytettävän käämityksen (3) yksittäiset säikeet täyttävät halkaisijan osalta ehdon 25 15000 ds * - , n * p 30 jossa p = koneen napaparien lukumäärä, n = sähkökoneen pyörimisnopeus [l/min], ja ds = säikeen halkaisija [mm]. 35

29. Patenttivaatimuksen 28 mukainen staattori, tunnettu siitä, että käämitys (3) on muodostettu ns. LITZ-langasta, jolloin johdinsäikeen halkaisija on pienempi kuin 0,4 mm, edullisesti pienempi 0.1 mm. 92114 28