NO328758B1 - Elektrisk maskin - Google Patents

Abstract

Oppfinnelsen angår en elektrisk maskin, omfattende en rotor og en stator tilveiebrakt på innsiden av et hus, hvor huset omfatter en fluidinnløpsåpning og en fluidutløpsåpning. Fluid sirkuleres inn i huset fra fluidinnløpsåpningen til fluidutløpsåpningen via et gap mellom rotoren og statoren. Rotoren roterer ved 1800-6000 omdreininger/minutt under normal drift. Bredden til gapet i denne maskinen er tilnærmet 2-6 ganger så lang som en bredde til et gap som er optimalisert for å tilveiebringe en optimal elektromagnetisk virkningsgrad for maskinen.

Description

TEKNISK OMRÅDE

Den foreliggende oppfinnelse angår en elektrisk maskin. Mer spesifikt angår den foreliggende oppfinnelsen elektriske maskiner fylt med et fluid som anvendes for å smøre lagre og kjøle og beskytte de elektriske delene fra inntrengning av uønskede kjemikalier og partikler. Slike motorer anvendes ofte i undersjøiske applikasjoner, men kan også anvendes topside.

BAKGRUNN

I elektriske maskiner slik som elektriske motorer eller generatorer er det et gap mellom rotor og stator som vanligvis er fylt med luft. Imidlertid er dette området eller gapet mellom rotor og stator i enkelte applikasjoner fylt med et fluid.

Den norske patentsøknaden 20071861 beskriver et fluidpumpesystem for undersjøiske applikasjoner som omfatter en elektrisk motor hvor volumet mellom rotor og stator er fylt med et fluid. Fluidet sirkuleres for kjøling og smøring av de ulike delene av fluidpumpesystemet.

EP 1879281 viser en roterende elektrisk maskin omfattende en stator og en rotor, hvor stator har en statorkjerne med tenner, spor og statorviklinger. Maskinen skal oppnå reduserte jerntap.

Det er kjent teknologi å maksimere virkningsgraden til en elektrisk motor ved å redusere gapet mellom stator og rotor i applikasjonene hvor en gass ved omgivende trykk utnyttes som et kjølemedium for den elektriske motoren. Slike motorer har typisk et elektrisk tap i orden 2-4 % av motorens elektriske inngangseffekt.

Enkelte spesielle applikasjoner utnytter elektriske motorer fylt med en dielektrisk væske, slik som ofte anvendes i undersjøiske pumper. Frem til nå har disse motorene vært designet basert på å holde den elektriske virkningsgraden høy. I applikasjoner med kompakte elektriske motorer med høy effekt, høy hastighet (typisk 3600-6000 omdreininger/min.) og som er fylt med dielektrisk fluid, kan de viskøse og mekaniske tapene være betydelige og i størrelsesorden 10-15 % av motorens elektriske inngangseffekt. Som et resultat er motorens nettoytelse redusert og tapene konverteres til varme som må fjernes ved hjelp av en stor ekstern varmeutveksler.

Formålet med oppfinnelsen er å redusere de totale tapene til elektriske maskiner som er fylt med et fluid slik at den maksimale utgangseffekten og en maksimal total virkningsgrad kan oppnås for en gitt maskin.

SAMMENDRAG AV OPPFINNELSEN

Den foreliggende oppfinnelsen utnytter designprinsippet slik at istedenfor å optimalisere den elektriske virkningsgraden alene, beregnes alle elektriske, mekaniske og hydrauliske tap separat avhengig av en variasjon i gapet mellom stator og rotor. Den totale virkningsgraden eller virkningsgraden beregnes så og et optimalt gap mellom statoren og rotoren beregnes.

Den foreliggende oppfinnelsen angår en elektrisk maskin omfattende en rotor og en stator tilveiebrakt på innsiden av et hus, hvor huset omfatter en fluidinnløpsåpning og en fluidutløpsåpning, hvor et fluid sirkulerer inne i huset fra fluidinnløpsåpningen til fluidutløpsåpningen via et gap mellom rotor og stator, og hvor rotoren roterer ved 1800-6000 omdreininger/min. under normal drift, karakterisert ved at bredden til gapet er tilnærmet 2-6 ganger så stort som en bredde til et gap som er optimalisert for å tilveiebringe en optimal elektromagnetisk virkningsgrad for maskinen, for å optimalisere den totale energivirkningsgraden for den elektriske maskinen.

I et aspekt av oppfinnelsen er bredden til gapet omtrent 4,5 ganger så stort som den elektromagnetiske optimale gapsbredden for maskinen.

I et aspekt av oppfinnelsen er den elektromagnetiske utformingen av maskinen optimalisert for høyest mulig elektrisk virkningsgrad ved den økte gapbredden.

DETALJERT BESKRIVELSE

Utførelsesformer av den foreliggende oppfinnelsen vil nå bli beskrevet med henvisning til tegningene, hvor:

Fig. 1 illustrerer et tverrsnittsriss av en utførelsesform av oppfinnelsen; og

Fig. 2 illustrerer de relative tapene og den relative energivirkningsgraden med hensyn på den relative gapsbredden. Fig. 1 viser en elektrisk maskin 1 omfattende en i det vesentlige sylindrisk rotor 2 og en stator 3 tilveiebrakt på innsiden av et hus 4. Rotoren 2 er festet til en aksel 5 roterbart støttet ved hjelp av lageranordninger 6 og 7 nær de respektive endene av akselen 5. Den sentrale aksen til akselen 5 definerer rotasjonsaksen for akselen og rotoren. Rotoren og statoren vil ikke bli beskrevet her i detalj, siden de anses kjent for en fagperson på området. Det skal også bemerkes at elektriske kabler/konnektorer (ikke vist) er ført gjennom huset ved hjelp av trykk/fluidmotstandsdyktige penetratorer (ikke vist), som også anses kjent for en fagperson på området.

Akselen er videre koblet til en energiforbruker eller leverandør (ikke vist) avhengig av hvorvidt den elektriske maskinen er henholdsvis en motor eller en generator. I den foreliggende oppfinnelsen er den elektriske maskinen en motor som anvendes for å drive et hydraulisk fluidpumpesystem i undersjøiske applikasjoner, f.eks. som beskrevet i den ovenfor nevnte norske patentsøknaden 20071861.

Huset 4 er minst delvis fylt med fluid. Fluidet smører de bevegelige delene i maskinen 1, videre kjøler fluidet de bevegelige delene. Væsken anvendes også som et beskyttelsesfluid for å hindre inntrengning av uønskede væsker eller partikler fra omgivelsene ved å holde denne ved et trykk høyere enn omgivelsestrykket. Ved store vanndybder kan det utvendige trykket være betydelig og i størrelsesorden 100 bar pr. 1000 meter vanndybde og installasjoner på 2-3000 meters vanndybde vurderes i dag. Fluidet på innsiden av motorhuset holdes normalt ved et trykk 10-30 bar over det omgivende vanntrykket, typisk ved 210-230 bar ved 1000 meters vanndybde.

Det bør bemerkes at i foreliggende oppfinnelse har rotoren en typisk rotasjonshastighet på 1800-6000 omdreininger pr. minutt. Rotoren roterer i fluidet på innsiden av motoren, og ettersom de viskøse tapene er (noe forenklet formulert) proporsjonalt med volumet til rotoren og proporsjonalt med hastighet opphøyd i tredje, er tapene høye i absoluttverdier (flere hundre KW). Selv om en gass kan anvendes som fluid inne i motoren, vil tapene ved bruk av en gass nærme seg tapene ved bruk av en væske i svært dypt vann ettersom trykket til gassen øker med økende dybde ettersom det innvendige trykket skal være høyere enn det utvendige. Optimalisering av tapene på innsiden av motoren er derfor like viktig for en væskefylt motor som for en gassfylt motor i svært dype farvann.

Huset omfatter én eller flere fluidinnløpsåpninger 8 og én eller flere fluidutløpsåpninger 9, hvor fluidet sirkuleres inn i huset fra fluidinnløpsåpningen til fluidutløpsåpningen. Fluidinnløpsåpningene 8 og fluidinnløpsinnløpsåpningene 9 er en del av et fluidsirkuleringssystem som generelt henvises til med tallet 10. Fluidsirkuleringssystemet 10 transporterer fluidet på utsiden av huset, og på denne måten kan fluidet nedkjøles ved hjelp av det omgivende sjøvannet. Fluidsirkuleringssystemet 10 kan f.eks. omfatte en pumpeanordning for sirkulering av fluidet, eller fluidet kan sirkuleres ved rotasjonen av maskinen 1 i seg selv.

Fluidet sirkuleres også via et gap G mellom rotoren og statoren. Gapet G har en bredde L definert som avstanden mellom den ytre diameteren av rotoren og den indre diameteren til statoren, som indikert i fig. 1. For en elektrisk maskin er bredden L svært liten når optimalisering gjøres med hensyn på elektriske/magnetisk energivirkningsgrad.

Imidlertid er det under utvikling og testing av prototyper funnet at varmen som genereres av maskinen, og følgelig behovet for sirkulering av kjølefluid, er stort på grunn av betydelige viskøse tap. Dermed er energivirkningsgraden blitt lav sammenlignet med maskiner fylt med gass, og som drives på lave absoluttrykk.

Hovedbidraget til tapene er friksjonen mellom fluidet og rotoren og fluidet og statoren.

Flere tester har blitt utført for å utvikle den foreliggende oppfinnelsen. Motoren som beskrevet ovenfor ble brukt.

Det henvises nå til fig. 2, hvor resultatene av disse testene er vist. Det skal bemerkes at dataene i fig. 2 ble oppnådd ved bruk av en rotor som roterte ved ca.

4200 omdreininger/minutt. Under testene ble det funnet at de viskøse tapene var varierende avhengig av rotasjonshastighet. Videre var også dataene i fig. 2 varierende avhengig av viskositeten til fluidet som ble brukt, dermed ble relative skalaer funnet passende for fig. 2.

Kurve A viser de viskøse tapene i motoren. Det kan ses at de viskøse tapene minker ettersom gapsbredden L øker.

Kurve B viser de elektromagnetiske tapene. Det kan ses at de elektromagnetiske tapene øker ettersom gapsbredden L øker. Imidlertid er disse tapene relativt sett lave når de sammenlignes med de viskøse tapene.

Kurve C viser de totale tapene, dvs. summen av kurve A og kurve B.

Kurve D viser den totale energivirkningsgraden for maskinen.

Fra fig. 2 kan det ses at den optimale gapsbredden L er litt ovenfor 60 på den relative skalaen, som er mye mer enn gapsbredden L der hvor de elektromagnetiske tapene er ved sitt minimum, dvs. under ca. 15 på samme skala.

Det er derfor funnet at for en maskin av denne typen som omfatter en rotor og en stator tilveiebrakt på innsiden av et hus, hvor huset omfatter en fluidinnløpsåpning og en fluidutløpsåpning og hvor et fluid sirkuleres inne i huset fra fluidinnløpsåpningen og til fluidutløpsåpningen via et gap mellom rotor og stator, og hvor rotoren roterer ved 1800-6000 omdreininger/minutt, så bør bredden til gapet være tilnærmet 2-6 ganger så lang som den elektromagnetisk optimale gapsbredden for maskinen, for å optimalisere den totale energivirkningsgraden for den elektriske maskinen. Mer spesifikt bør bredden til gapet være tilnærmet 4,5 ganger den elektromagnetisk optimale gapsbredden for maskinen for denne spesifikke størrelse på motoren.

Det bør bemerkes at den spesifikke optimaliseringen vil variere fra én motorstørrelse til en annen. F.eks. vil optimalisering være avhengig av fluidegenskaper, slik som tetthet, viskositet og varmekapasitet.

I samsvar med oppfinnelsen er det oppnådd en elektrisk maskin hvor varmegenereringen reduseres under drift, og dermed er den totale energivirkningsgraden blitt forbedret.

Videre har temperaturen til delene blitt redusert, noe som bidrar til en økt driftslevetid for maskinen.

Videre kan rørene eller kjølerne på utsiden av huset som anvendes for å fjerne varme fra fluidet reduseres betraktelig i størrelse på grunn av den reduserte genereringen av varme på grunn av økningen i gapet mellom stator og rotor.

Videre er effektytelsen til akselen økt på grunn av den totale økningen i virkningsgrad, effekten som er påkrevd å bli sendt til motoren kan reduseres og størrelse og kostnad for kraftforsyningssystemet er dermed redusert.

Claims (3)

1. Elektrisk maskin, omfattende en rotor og en stator tilveiebrakt på innsiden av et hus, hvor hust omfatter en fluidinnløpsåpning og en fluidutløpsåpning, hvor et fluid sirkuleres inne i huset fra fluidinnløpsåpningen til fluidutløpsåpningen via et gap mellom rotoren og statoren, og hvor rotoren roterer ved 1800-6000 omdreininger/minutt under normal drift, karakterisert ved at bredden til gapet er tilnærmet 2-6 ganger så stort som bredden til et gap som er optimalisert for å tilveiebringe en optimal elektromagnetisk virkningsgrad for maskinen, for optimalisering av den totale energivirkningsgraden for den elektriske maskinen.

2. Elektrisk maskin i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at bredden til gapet er tilnærmet 4,5 ganger så stort som den elektromagnetisk optimale gapsbredden for maskinen.

3. Elektrisk maskin i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at den elektromagnetiske utformingen av motoren er optimalisert for høyest mulig elektrisk virkningsgrad ved den økte gapsbredden.