NO311157B1 - V¶skefylt undervannsmotor - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en væskefylt elektrisk maskin som er utformet som undervannsmotor, særlig for drift av fullstendig neddykkede arbeidsmaskiner, hvor det i motorens innerrom er fylt en for kjøle- og smøreformål anvendt motorfyllvæske med lav viskositet, hvor motoren er innrettet for midlere og store drivkraftsytelser, og hvor fyllvæsken for motoren strømmer igjennom spalten mellom rotor- og statordel.

Ved slike motorer som grunnet sin nedsenkede undervannskon-struksjon råder over en intens ytre avkjøling, blir statoren varmet betydelig mindre opp. Derved oppstår det problemer med å transportere utover rotorens spillvarme via den konstruk-tivt betingede spalte mellom rotor og stator, hvilken spalte i alminnelighet betegnes som luftspalte. På grunn av den i forhold til diameteren store lengde av maskiner av den innledningsvis angitte art, er en spaltekjøling ved den gjennom-strømmende fyllvæske for motoren ikke tilfredsstillende da friksjonstapene innenfor den lange spalte virker ufordelaktig inn på kjølevirkningen.

Ved maskiner av den innledningsvis angitte art betinger den gjennomstrømmede luftspalte mellom stator og rotor som følge av friksjonen tapt effekt som kan være større enn 30% av maskinens totale tapseffekt. Denne tapseffekt virker igjen som en tilleggsvarmekilde for de tilgrensende rotor- og sta-torveggflater. I området for statoren innebærer denne ekstra varmetilførsel via friksjonstap en ytterligere oppvarming av statorviklingene henholdsvis en reduksjon i levetiden.

Slike våte og spalterørfrie motorer er med hensyn på ytter-diameteren utformet overproporsjonalt lange, slik GB-A-983.643 eksempelvis viser. Til bortføring av den opptredende elektriske tapseffekt er det innenfor den roterende del anordnet kanaler, og en pumpeinnretning tjener til å sir-kulere en olje som anvendes som smøre- og kjølemiddel. Inne i motoren foregår det en hoved- og hjelpestrømning, idet hjel-pestrømningen passerer fullstendig igjennom rotoraksling og deles ved tilbakestrømningen. Én del av hjelpestrømningen passerer kjølekanaler mellom rotoraksling og rotor. En annen del strømmer tilbake igjennom luftspalten mellom rotor og stator. En slik konstruksjon kan, betinget av den anvendte oljes høye viskositet og oljens lave varmekapasitet ved større drivkraftsbelastninger, ikke sikre en tilstrekkelig reduksjon av tapseffekten.

Fra US-A-2.556.435 er det ved en våtmotor kjent å lede en returavkjølt olje igjennom rotorens aksling og inn i en sump som tilveiebringer en ekstra kjølevirkning. Derfra strømmer den igjennom luftspalten mellom stator og rotor tilbake til et løpehjul som tjener til å iverksette sirkuleringen av oljen. Da hele kjølemidlet må passere luftspalten, opptrer det innenfor samme betydelige friksjonstap. Dersom man her legger til grunn det dimensjonsfrie Taylortall hvor rotordiameteren er d, vinkelhastigheten a>, spalte-bredden b og den kinematiske seighet/viskositet v, som krite-rium, opptrer det som følge av oljeviskositeten høye friksjonstap i luftspalten. Ved uregelmessigheter i kjølesystemet kan det da komme til lokale overopphetninger i området for luftspalten, som i ugunstige tilfelle fører til at maskinen stopper.

En helt annerledes løsning er kjent fra GB-A-796.970. Her blir det benyttet en spalterørmotor hvis rotorrom er utformet tørt, idet et spalterør oppretter en atskillelse mellom det tørre rotorrom og det våte statorrom. For kjøleformål er statoren i statorsporene utstyrt med væskeførende elementer som lukker sporene. En olje som tjener som kjølemiddel, sirkulerer igjennom disse sporlukkingselementer og transporterer spillvarmen ut av statorens vindingsområde. I området for en endevikling skjer det en avbøyning av strømningen, og den oppvarmede olje strømmer igjennom sporene som er anordnet ved statorens ytre omkrets mellom husvegg og stator tilbake til den andre endevikling. Ved denne løsning unngår man riktignok på grunn av den tørt utformede luftspalte mellom rotor og stator ytterligere væskefriksjonstap. Gjennom det trykkbe-standige og dermed tykkere spalterør opptrer det imidlertid ytterligere tap, hvorved maskinens virkningsgrad påvirkes negativt.

ytterligere kjøleinnretninger kan riktignok senke den abso-lutte temperatur i en stator eller et kjølemedium, men de endrer ikke temperaturforløpet inne i en stator. Betrakter man temperaturforløpet inne i en stator og henfører dette på

statorlengden henholdsvis statoromkretsen, fremkommer det for hver maskin et bestemt forløp. Ved maskiner av angjeldende art med store driv-kraftsytelser, blir dessuten viklingene utsatt for fare gjennom ugunstige temperaturforløp. Ved hjelp av de kjente kjøleinnretninger senkes riktignok en temperatur forløpskurve, men endres ikke i sin forløpsform. Ufordel-aktige temperaturtopper som i ugunstige tilfelle kan utgjøre en risikosfaktor for viklingene, blir holdt på et lavt nivå. Gjennom ugunstige driftstilstander eller ytre påvirkninger kan disse temperaturtopper imidlertid anta verdier som utgjør en risikosfaktor for vinklingene.

Fra EP-A-0 342 554 er det kjent en elektrisk maskin, ved hvilken en såkalt ytterrotor, en rørformet rotor, roterer omkring en stator som befinner seg inne i den. For slike elektriske maskiner som uunngåelig oppviser en stor diameter, blir det brukt en statorkjøling. Til bortføring av varme fra denne statorblikkpakke blir det anvendt ulike kjølekanaler anordnet på forskjellige måter. Derved blir kjølekanalene anordnet på bunnen av statorsporene og således fjernt fra luftspalten.

Fra EP-A-0 493 704 er det kjent en elektromotor som finner anvendelse for drift av anlegg på store vanndyp. For dette formål er elektromotoren sammen med den maskin som skal drives, anordnet i et ekstra, vanntett kapslet trykkhus. Elektromotoren og innerrommet i trykkhuset er under mellom-kopling av en trykkutligningsanordning fylt med gassformig eller flytende medium. For å føre bort spillvarme fra elek-tromotorens indre, sirkulerer motorfyllmediet igjennom en varmeveksler som inngår i en kjøleinnretning. Varmeutveks-leren er anordnet på den indre veggflate av trykkhuset. En slik konstruksjonsmåte er ikke anvendelig for undervanns-motorer som er utformet som tynne og langs drivaggregater og hyppig finner anvendelse i borehull.

Til grunn for oppfinnelsen ligger derfor det problem, ved maskiner av angjeldende art, å beskytte motoren mot å falle ut, og å optimere varmefordelingen innenfor statoren.

Løsningen på dette problem består i at motoren oppviser et Taylor-tall Ta > IO4; at motoren er forsynt med kjølerør i

statorsporene; at motorfyllvæsken passerer i ensartet strøm i spalten mellom rotor og stator og i kjølerørene, og at kjøle-rørene er utformet som i og for seg kjente væskeførende sporlukkestaver.

Ved hjelp av denne løsning blir gjennomstrømningstverrsnittet for motorfyllvæsken i området for luftspalten betydelig økt, uten derved på noen måte å påvirke luftspalten negativt med hensyn på dens elektriske virkning. Dette trekk reduserer den totale strømningsmotstand i området for luftspalten da en del av den væskemengde som passerer luftspalten, blir ledet igjennom kjølerørene kvasiparallelt med luftspalten, men med betraktelig mindre strømningsmotstand. Som følge av kjøle-rørene som gjennomstrømmes parallelt med luftspalten, kan det i samme gjennomstrømningsretning ved mindre strømningsmot-stand ledes igjennom en større kjølevæskemengde per tids-enhet. Anvendelsen av væskeførende sporlukkestaver er riktignok kjent fra spalterørmotorer for i det hele tatt å kunne lede et kjølemedium igjennom statoren. Der tjener de imidlertid kun til å skaffe til veie en bane for et kjølemiddel. Et eksisterende strømningstverrsnitt blir derved ikke ytterligere økt.

For å redusere friksjonstap blir det som motorfyllvæske anvendt vann, vannblandinger henholdsvis en væske hvis viskositet kan sammenlignes med vannets viskositet. Under dette begrep faller også væsker som inneholder frostbeskyttelses-midler i form av flerverdige alkoholer eller lignende stoffer, for således å kunne drive eller lagre maskinen også ved temperaturer under frysepunktet.

Under testing ble det ved maskiner ifølge oppfinnelsen, sammenlignet med tidligere maskiner hvor hele kjølemediet presses kun igjennom spalten mellom stator og rotor, konsta-tert at det oppsto en betydelig utjevning av temperaturfor-løpet innenfor motoren. Betinget av den større kjølevanns-mengde og den samtidig økte berøringsflate til varmeover-føring i området for spalten mellom rotor og stator ble det i området for statortennene målt mindre temperaturtopper. Slike temperaturtopper indikerer en uensartet temperaturfordeling og utgjør samtidig en fare for viklingenes isolasjon som befinner seg inne i statorsporene.

For dette formål sørger en utførelsesform av oppfinnelsen for at det inne i statorsporet anvendes viklingstråder med inn-byrdes avvikende isolasjonstykkelse, idet de viklingstråder som ligger nærmest spalten, oppviser en tykkere eller tettere isolasjon enn de viklingstråder som ligger nær sporbunnen av et statorspor. De av friksjonstapene, innenfor spalten oppvarmede statortenner har i området for spalten den høyeste temperatur, som avtar til statorens kjølige ytre parti. Ved hjelp av en tykkere isolasjon for viklingstrådene i området for kjølerørene og dermed i området for de varmere statortennene, muliggjøres en bedre beskyttelse av viklingen. Den tykkere isolasjon reduserer samtidig faren for såkalte vannporer. Slike vannporer forplanter seg til plastisolerte viklingstråder (eksempelvis med vPE) som er utsatt for et temperaturfall. De skyldes en aldringsprosess i isolasjonen og muliggjør en inntrengning av motorfyllvæsken i isolasjonen. Motorfyllvæskens kontakt med en strømførende leder over vannporer kan føre til at maskinen kopler ut. Ved hjelp av anord-ningen ifølge oppfinnelsen unngås med sikkerhet fremkomsten av et temperaturfall som understøtter vannpore^dannelse, selv under de mest ekstreme betingelser, og dette forlenger motorens driftstid.

Ytterligere utførelsesformer ifølge de uselvstendige patent-krav tjener til stillingssikring av viklingen innenfor et statorspor, for å utelukke mekaniske bevegelser av viklingstrådene på grunn av motorbelastninger.

Oppfinnelsen er anskueliggjort på tegningene og beskrives nærmere i det etterfølgende.

Det henvises til tegningene, hvor:

Fig. 1 er et snitt igjennom en motor; Fig. 2 er et utsnitt av et snitt igjennom en statorblikkpakke med vikling;

I fig. 1 er det vist en undervannsmotor 1 hvis hus 2 oppviser en stator 3 som er satt sammen av enkelte blikklameller. I statoren 3 befinner seg spoler 4, ved hjelp av hvilke det elektriske dreiefelt overføres på en rotor 5. Rotoren 5 er opplagret i lagre 6, 7. Et indre motorrom 8 er fullstendig fylt med motorfyllvæske hvis viskositet kan sammenlignes med vanns viskositet. Motorfyllvæsken kan være rent vann, men den kan også være vann med diverse tilsetninger, for eksempel høyere alkoholer. Mellom statoren 3 og rotoren 5 befinner seg den såkalte luftspalte 9, hvis bredde er avgjørende for maskinens virkningsgrad. Motoren er svært lang, og ved hjelp av bruddlinjer er det gjengitt en forkortet "utgave". Ved den her viste vertikale orientering av motoren 1 utvikler det seg under driften en termosifongstrømning, det vil si at motorfyllvæsken på grunn av en temperatursjikting (lagvis opptredende temperaturer) nedenfra vil strømme oppover. Gjennom anordning av kjølerør 10 som er anordnet i området for de her ikke synlige statorspor og i umiddelbar nærhet av luftspalten 9, kan det strømme en større mengde av motorfyllvæske igjennom luftspalten 9 og igjennom kjølerørene 10. Ved hjelp av disse foranstaltninger muliggjøres en betraktelig utjevning av temperaturfordelingen langs motoraksen. Ved disse vanligvis svært lange motorer ligger diameter:bredde-for-holdet i størrelsesorden 1:3 til 1:10. Den tidligere ved slike lange maskiner opptredende, ugunstige varmekonsen-trasjon på grunn av en temperatursjikting i området for den øvre motorhalvdel, kan således forhindres på en virkningsfull måte.

Motorfyllvæsken som i det øvre motorområdet renner ut av luftspalten 9 og kjølerørene 10, kan via åpninger 11 komme inn i en kjølemantel 12 som omgir motorhuset 2 konentrisk. Innenfor kjølemantelen 12 skjer det en tilbakestrømning til det her som aksiallager utformede lager 6 i motorens endepar-ti. På kjølemantelens utside befinner det seg vanlig trans-portmedium i hvilket motoren 1 er neddykket, og som sørger for en effektiv returkjøling av motorfyllvæsken. I et område av motoren 1 som ligger like overfor en akselende 13, strømmer transportmediet igjen tilbake i motorens 1 innerrom 8 og smører derved samtidig det som aksiallager utformede lager 6.

For kjølingen av motorfyllvæsken kan også en hvilken som helst hensiktsmessig, kjent anordning finne anvendelse. Oppfinnelsen er således ikke begrenset til kun å gjelde den her viste mantel/kappe 12. Det er også uten videre mulig, i området for lageret 6 eller 7, å anordne en transportinnretning på motor aks lingen, ved hjelp av hvilken det kan finne sted en tvangsmessig omrøring og sirkulasjon av motorfyllvæsken inne i motorinnerrommet 8. Dette er skjematisk antydet nedenfor lageret 6.

Fig. 2 viser et utsnitt av statoren 3 og oppbyggingen av viklingen 14 som befinner seg i statoren og består av en flerhet av tråder. Viklingen 14 er lagt inn i statorspor 15. Inne i statorsporene 15 holdes viklingen 14 i stilling ved hjelp av sporfyllstaver 16. Et kjølerør 10 overtar her samtidig opp-gaven som en spor lukkes tav. Kjølerøret 10 kan her oppvise enhver ønsket og i sporet 15 innmonterbar tverrsnittsform. På grunn av anvendelsen av kjølerørene 10 kan gjennomstrømnings-tverrsnittet i området for luftspalten 9 økes med over 50%, uten at den elektriske ytelse på noen måte påvirkes negativt. Motorfyllvæsken strømmer da kvasiparallelt igjennom kjøle-rørene 10 og luftspalten 9. Friksjonstapene som opptrer i

luftspalten 9 mellom statoren 3 og rotoren 5, så vel som den derved betingede oppvarming av statoren 3, kan på en enkel og effektiv måte kompenseres for ved hjelp av kjølerørene 10 som øker gjennomstrømningstverrsnittet.

Innføring av varme i den av de enkelte blikklameller sammen-satte stator 3 skjer umiddelbart via satortennene 17. Således oppstår det i det parti av statortennene 17 som befinner seg nærmest luftspalten 9, forhøyede temperaturer. Derved kan i ugunstigste tilfelle viklingens 14 isolasjon 18, 19 utsettes for fare. Til beskyttelse av de plastisolerte viklingstråder 20 er derfor - i overensstemmelse med en utførelsesform ifølge oppfinnelsen - isolasjonen 18 tykkere rundt de viklingstråder 20 som er anordnet i den del av statorsporet 15 som ligger nærmere luftspalten 9 Viklingstrådenes 20 metal-liske tverrsnitt er her konstant. Gjennom den tykkere isolasjon 18 i det parti av statortennene 17 som oppviser en høyere temperatur, kan isolasjonens 18 aldringsprosess og således faren for dannelse av vannporer effektivt forhindres eller i det minste betraktelig reduseres.

Sporfylistavene 16 kan være utformet i ett stykke eller delt i to stykker, og deres posisjoner kan på de foreliggende tegning befinne seg ovenfor eller nedenfor eller også på begge sider av kjølerøret 10. Det har vist seg fordelaktig å anvende en av et svellbart materiale bestående sporfyllstav 16, som sveller ut under påvirkning fra motorfyllvæsken og utøver en stillingssikrende funksjon på viklingen 14.

Claims (10)

1. Væskefylt elektrisk maskin som er utformet som undervannsmotor (1) med en rotor (5) og en stator (3), særlig for drift av fullstendig neddykkede drevne arbeidsmaskiner, hvor det i motorens (1) innerrom (8) er anordnet en for kjøle- og smøreformål anvendt motorfyllvæske med lav viskositet, hvor motoren (1) er innrettet for mode-rate og store drivkraftsytelser, og hvor motorfyllvæsken strømmer igjennom spalten (9) mellom rotoren (5) og statoren (3), karakterisert ved at motoren (1) oppviser et Taylor-tall Ta > IO<4>, at motoren (1) er forsynt med kjølerør (10) i statorspor (15), at motorfyllvæsken passerer i ensartet strøm i spalten (9) mellom rotoren (5) og statoren (3) og i kjølerørene (10), og at kjølerørene (10) er utformet som i og for seg kjente, væskeførende sporlukkestaver.

2. Drivmaskin ifølge krav 1, karakterisert ved at det i hvert statorspor (15) er minst ett kjøle-rør (10).

3. Drivmaskin ifølge krav 1, karakterisert ved at antallet kjølerør (10) er mindre enn antallet statorspor (15).

4. Drivmaskin ifølge ett av kravene 1, 2 eller 3, karakterisert ved at viklingstråder (20) som ligger nær spalten (9), oppviser en tykkere isolasjon (18) enn viklingstråder (19) som ligger nær sporbunnen av et statorspor (15).

5. Drivmaskin ifølge krav 1 til 4, karakterisert v e d at det i området for nevnte kjølerør (10) er anordnet ekstra sporfyllstaver (16).

6. Drivmaskin ifølge krav 5, karakterisert ved at sporfyllstavene (16) består av svellbart materiale.

7. Drivmaskin ifølge krav 6, karakterisert ved at sporfyllstavene (16) består av tre.

8. Drivmaskin ifølge krav 5, 6 eller 7, karakterisert ved at sporfyllstavene (16) ligger an mot de væskeførende kjølerør (10) på en eller to sider.

9. Drivmaskin ifølge ett av kravene 1 til 8, karakterisert ved at de væskeførende kjølerør (10) består av metallisk eller ikke-metallisk materiale.

10. Drivmaskin ifølge ett av kravene 1 til 9, karakterisert ved at statorsporene (15) er utformet som åpne eller lukkede spor.