NO331965B1

NO331965B1 - Elektrisk permanentmagnetmotor

Info

Publication number: NO331965B1
Application number: NO20101347A
Authority: NO
Inventors: Adin Maksumic; Tim Myers
Original assignee: Rolls Royce Marine As
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2012-05-14
Also published as: US20130307357A1; GB2497716B; NO20101347A1; BR112013007204A2; GB2497716A; CN103155365A; SG188613A1; GB201307285D0; WO2012044177A1; NO331965B2

Abstract

Det omtales en elektrisk permanentmagnetmotor (10), hvor motoren omfatter et motorhus (12) med en stator (14) og en innvendig roterende rotor (16) festet til en sentral aksling (24), idet rotoren (16) utvendig er utstyrt med magneter (30) og statoren (14) innvendig er utstyrt med viklinger (32), og at under drift av motoren overføres dreiemoment til den sentrale akslingen (24) for drift av eksternt utstyr. Motoren (10) er utstyrt med et rotorkjølesystem og et statorkjølesystem, idet rotorkjølesystemet omfatter et viftesystem i motorhuset (12), og som er innrettet til å tvinge et kjølemedium til å strømme gjennom et luftgap (52) mellom rotor (16) og stator (14), og forbi en eller flere varmevekslere (54) for nedkjøling av kjølemediet som på nytt skal tvinges gjennom luftgapet (52), og statorkjølesystemet omfatter en kjølekappe (40) i motorhuset (12), og som omgir statoren (14), idet et kjølemedium tvinges til å strømme gjennom kjølekappen (40) for opptak av varmetap fra statoren (14).

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en elektrisk permanentmagnetmotor, som angitt i innledningen av krav 1, hvor motoren omfatter et motorhus med en stator og en innvendig roterende rotor festet til en sentral aksling, idet rotoren utvendig er utstyrt med magneter og statoren innvendig er utstyrt med viklinger, og at under drift av motoren overføres dreiemoment til den sentrale akslingen for drift av eksternt utstyr. Oppfinnelsen vedrører også anvendelse av en elektrisk permanentmagnetmotor.

For drift av mindre, elektriske vinsjer er det hovedsakelig to typer motorer som benyttes, for det første permanentmagnetmotor og for det andre serieviklet motor. Med en permanentmagnetmotor trekkes det mindre strøm, men de genererer også mer varme enn en serieviklet motor. Av den grunn har permanentmagnetmotor vært mest vanlig å benytte for lett til medium tungt vinsjarbeid, og hvor det har vært mulig å ta pauser slik at motoren kan kjøles ned.

I de senere år er det også blitt tatt i bruk permanentmagnetmotor for anker-håndteringsvinsjer, hvor det håndteres til dels svært store laster. Fordel med bruk av en permanentmagnetmotor i forhold til en vanlig hydraulisk drevet vinsj er blant annet en vesentlig reduksjon i energiforbruk. Det kan også oppnås lavere treghets-moment med en permanentmagnetmotor, hvilket gir vesentlig mindre variasjoner i kraft, og som dermed letter ankerhåndteringsoperasjoner og andre operasjoner hvor det er viktig at lasten holdes i ro over havbunnen, uavhengig av hvordan fartøyet beveger seg.

Andre fordeler med bruk av en permanentmagnetmotor er høy hastighet og dynamisk vinsjkontroll, lavt støynivå, og maks dreiemoment rett etter oppstart. Bruksområdene for en permanentmagnetmotor som beskrevet i denne søknaden kan være mange, blant annet som nevnt i forbindelse med ankerhåndteringsoperasjoner, men også på fiskebåter i forbindelse med eksempelvis tråling eller andre offshore operasjoner.

Permanentmagnetmotorer for bruk ved ankerhåndteringsoperasjoner kan være store motorer med stor diameter og stort dreimoment. Eksempel på en motor kan være en motor med ytre diameter på 2m, kraftforbruk på 1,4MW, og med nominelt dreiemoment på 140kNm.

Fra kjent teknikk skal det blant annet vises til WO 9917429 A1 som viser utstyr og metode for termisk isolasjon av en roterende elektrisk maskin inneholdende en stator, viklet med en høyspenningskabel, og en rotor, hvorved maskinen frembringer termisk isolasjon i luftgapet mellom stator og rotor. Det vises imidlertid ikke bruk av et lukket kjølesystem med et innvendig viftesystem, der kjølemediet strømmer forbi varmevekslere for nedkjøling av kjølemediet. EP 1085643 A2 omhandler en permanentmagnetisk synkronmotor inneholdende en ekstern rotor, der motoren er forsynt med midler for intern ventilasjon. Siden rotoren er ekstern vil det ikke være mulig å anordne en kjølekappe rundt statoren.

Et formål med foreliggende oppfinnelse er følgelig å frembringe en permanentmagnetmotor for bruk til tunge operasjoner, og som har et effektivt kjølesystem.

Overvente formål oppnås med en elektrisk permanentmagnetmotor som angitt i det selvstendige krav 1, ved at motoren er utstyrt med et lukket kjølesystem i form av et rotorkjølesystem og et statorkjølesystem, der det lukkede rotorkjølesystemet omfatter et innvendig viftesystem i motorhuset, og som er innrettet til å tvinge et kjølemedium til å strømme gjennom et luftgap mellom rotor og stator og forbi en eller flere varmevekslere i det indre av motorhuset, for nedkjøling av kjølemediet som på nytt skal tvinges gjennom luftgapet, og statorkjølesystemet omfatter en kjølekappe i motorhuset, og som omgir statoren, idet væske tvinges til å strømme gjennom kjølekappen for opptak av varmetap fra i det minste statoren, og der kjølekappen til statorkjølesystemet omfatter en innvendig væskekanal for sirkulasjon av væsken.

Alternative utførelser er angitt i de respektive uselvstendige kravene.

Fortrinnsvis er kjølemediet i rotorkjølesystemet gass og kjølemediet i statorkjøle-systemet er vann.

Viftesystemet kan omfatte et antall vifter plassert i motorhuset. Viftene til rotorkjøle-systemet kan være anordnet i utsparinger i motorhuset eller i et av motorhusets endelokk, og være innrettet til å trekke gass fra det indre av motorhuset og til å blåse gassen videre gjennom luftgapet mellom stator og rotor.

Rotorens rotorring kan være utstyrt med spalter, og innrettet til å fungere som en vifte for å trekke gass gjennom det indre av motorhuset og å blåse gassen videre gjennom luftgapet mellom stator og rotor. Nevnte spalter kan være utstyrt med vifteblader.

Gassen tvinges fortrinnsvis forbi varmeveksleren, hvor varmeveksleren kan være i form av en luft/vann varmveksler utstyrt med kjøleribber eller kjølerør, og inn i det indre av motorhuset.

Nevnte kjøleribber eller kjølerør kan være anordnet innvendig på en endeplate til motorhuset. Videre kan kjølerørene være spiralviklet og utstyrt med ribber.

Kjølekappen kan ha et innløp i bunn av kappen og eventuelt et utløp i topp av kappen, hvor i det minste innløpet er forbundet med et væskereservoar. Tilførsel av væske kan gjøres eksternt via en slange.

Et av motorens endelokk kan omfatte en terminalboks, idet endelokket omfatter en forsenkning eller rom, og er utstyrt med et utvendig deksel. Statorens viklinger kan således rage inn i terminalboksen, hvorved motoren er innrettet til å kobles for å gå med forskjellige merkehastigheter.

Oppfinnelsen vedrører også anvendelse av en elektrisk permanentmagnetmotor som angitt ovenfor, for drift av en vinsj ombord på et ankerhåndteringsfartøy eller fiskefartøy.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere ved hjelp av de vedlagte figurer, hvori: Figur 1 viser en perspektivtegning av en permanentmagnetmotor i følge oppfinnelsen.

Figur 2 viser eksplodert motoren vist i figur 1.

Figurene 3 og 4 viser respektiv en rotor og deler av en stator som inngår i motoren i følge oppfinnelsen. Figurene 5, 6, og 7 viser endelokk til bruk på motoren i følge oppfinnelsen. Figur 8 viser en skisse av en kjølekappe for statorkjølesystemet i følge oppfinnelsen.

Figur 9 viser et snitt av rotorkjølesystemet i følge oppfinnelsen.

Figurene 10 og 11 viser eksempler på tilkobling av motoren til et vinsjsystem.

Den foreliggende permanentmagnetmotor kan foruten utstyret som skal drives, eksempelvis vinsjen, være koblet til et styringssystem som kan omfatte en styrings-enhet, og en likeretter og DC omformer, slik at motoren kan være AC frekvens-kontrollert. Videre kan motoren være koblet til et overvåkningssystem for å overvåke tilstand til motor og system. En permanentmagnetmotor anses kjent for en fagmann, og dens detaljerte oppbygging og driftsmåte vil derfor ikke bli forklart i detalj.

Permanentmagnetmotorens aksling 24 kan være koblet direkte til eksempelvis en vinsj sin drivaksling, slik som figur 10 viser, eller permanentmagnetmotoren 10 kan være tilkoblet via en girutveksling 72 til vinsjen 70, slik som vist i figur 11.

Som figurene 1 og 2 viser omfatter den foreliggende permanentmagnetmotor 10 et sirkulærsylindrisk motorhus 12, og som er lukket av respektive endelokk 18 og 20. Statoren 14 til permanentmagnetmotoren 10 utgjøres hovedsakelig av motorhuset 12, idet huset 12 innvendig er utstyrt med en statorblikkpakke 38 utstyrt med stator-viklinger 32. Statorblikkpakken 38 kan være sveist eller limt fast inne i motorhuset 12.

Innvendig i statoren 14 er det anordnet en roterende rotor 16, hvor rotoren 16 omfatter en rotorring 26 eller eiker, og hvortil det utvendig er anordnet en maskineri: ring 60 eller plate utstyrt med en rotorblikkpakke påført magneter, hvor magnetene er angitt skjematisk med henvisningstall 30 og rotorblikkpakken er angitt skjematisk med henvisningstall 36.

Rotorblikkpakken 36 kan være sveist eller limt fast til den maskinerte ringen 60. Mellom den maskinerte ringen 60 og rotorringen 26 kan det være anordnet kiler 28 eller splinter for å medhjelpe til overføring av dreiemoment under drift av motoren 10. Rotorringens 26 hovedformål er å overføre dreiemomentet til akslingen 24 festet til senter i rotorringen 26, fortrinnsvis i et fastnav 62. Videre kan magnetene være limt fast til rotorblikkpakken 36 etter at blikkpakken er montert til rotorringen 26. Under drift er fortrinnsvis rotoren 16 støttet på begge sider av endelokkene 18, 20.

Det ene endelokket 20 kan være utstyrt med en forsenkning 64 eller rom for kabler og annet utstyr, og dette endelokket 20 kan derfor være utstyrt med et deksel 22. Dekselet 22 kan være utstyrt med en innvendig ringformet flens 66 for gjennomføring av akslingen 24. Endelokket 20 kan dermed fungere som en integrert terminalboks 64 for motoren 10, og ha innløp for eksterne kabler, adkomståpninger for viklingsendene 32 inn i terminalboksen 64, og flenser for vifter som kan sirkulere luft inni motoren.

Ved at terminalboksen ligger delvis inne i motoren utnyttes en del av rotorvolumet, og fordelen med dette er at det gir en kompakt motor med lite utstikkende deler. Få utstikkende deler og kompakt design er gunstig ved installasjon ombord på et fartøy fordi det er trangt om plassen.

Begge endelokkene 18, 20 kan være utstyrt med rullelager eller andre lagre for å understøtte rotoren 16 og akslingen 24, og kan videre være dimensjonert for å kunne understøtte hele motoren 10 på respektive ben 18a, 20a.

Som nevnt tidligere kan permanentmagnetmotorer utvikle mye varme. I følge oppfinnelsen er derfor foreliggende permanentmagnetmotor 10 utstyrt med et kjølesystem, fortrinnsvis et statorkjølesystem og et rotorkjølesystem. Disse kjølesystemene kan virke separat eller i samvirke.

I statorkjølesystemet er det fortrinnsvis tenkt å benytte væske, som for eksempel kan være vann, olje eller annen flytende kjølevæske. I rotorkjølesystemet er det fortrinnsvis tenkt å benytte gass, som for eksempel kan være luft, helium eller annen kjøle-gass.

Statorkjølesystemet kan omfatte en kjølekappe 40 som er montert inne i motorhuset 12 og som omgir statoren 14.

Figur 8 viser en prinsippskisse av statorkjølesystemet. Et kjølemedium, eksempelvis vann, tilføres eksternt via en slange 46 til et innløp 48a og videre via en eller flere kanaler 42 anordnet om statoren 14. Det kan være anordnet et reservoar 44 for kjølemediet ved innløpet 48a, og eventuelt også ved utløpet 48b. Fordeler med et reservoar er at det kan gi bedre strømning og at det kan unngås overoppvarmete punkter. Det kan være et innløp i bunnen av motoren og et utløp i toppen av motoren, men eventuelt kan kanalene 42 strekke seg helt rundt statoren, slik at innløp og utløp hovedsakelig er på samme sted. Når kjølemediet sirkulerer i kjøle-kappen vil da overskuddsvarme fra statoren fraktes vekk, og går via statorblikkpakken 38 til væskekanalen 42.

Rotorkjølesystemet omfatter et i utgangspunktet lukket viftesystem. Dette kan utføres ved at rotorens rotorringer 26 omfatter flere spalter 56 som fungerer som vifter når rotoren går rundt, for derved å trekke gass inn i motoren og blåse gassen videre. Spaltene 56 i rotoren 16 kan således være utformet som vifteblader eller være utstyrt med vifteblader for ytterligere å frembringe vifteeffekten.

Viftesystemet kan alternativt omfatte et antall vifter 50 anordnet i motorhuset 12 eller endelokket 20. Videre omfatter systemet en varmeveksler 54 anordnet på utløps-siden for gassen, dvs. som vist på figur 9 på motstående side av viften 50.

Viften 50 eller viftene trekker et kjølemedium, eksempelvis luft, fra det indre av motorhuset 12, gjennom spalter 56 i rotoren 16, og tvinger luften til å strømme gjennom et luftgap 52 som er dannet mellom rotoren 16 og statoren 14. Luften passerer deretter varmveksleren 54 før den strømmer videre tilbake til det indre av motoren 10. Varmeveksleren 54 kan eksempelvis være en luft/vann varmeveksler og kan være utstyrt med kjølerør 58. Kjølerørene 58 kan være viklet i spiralform og være utstyrt med ribber for å øke overflatearealet og dermed forbedre kjølingen av luften.

Luften som passer luftgapet 52 vil dermed kjøle ned rotorens magneter 30 og den tilhørende rotorblikkpakken 36, samt også statorens viklinger 32 og den tilhørende statorblikkpakken 38. Kombinert med statorkjølesystemet gir dette en unik og effektiv kjøling av permanentmagnetmotoren 10.

Selv om en permanentmagnetmotor anses kjent for en fagmann, er det noen momenter som skal påpekes i forbindelse med foreliggende motor. I en eksempel-utførelse kan motoren være inndelt i fire deler. Hver fase av motoren kan bestå av to viklinger som kan kobles i parallell, serie eller være koblet uavhengig av hverandre. Dersom viklingsendene 32 legges inn i terminalboksen 64 så åpner dette for en rekke mulige koblingsalternativer av viklingene. Motoren 10 kan kobles til å gå på flere forskjellige merkehastigheter med eksempelvis 140kNm som merkemoment. Interne koblinger i terminalboksen 64 kan gjøres med fleksible kabler av eksempelvis kobber.

En slik motor kan kjøres med tre ganger merkehastighet, hvilket medfører høyere hastighet enn normalt. Dette medfører også at det kreves forbedret kjøling av motoren, hvilket de omtalte kjølesystemene vil frembringe.

Det kan benyttes en permanentmagnetmotor som omtalt ovenfor og tidligere i beskrivelsen, samt eksempelvis en permanentmagnetmotor som omtalt i Norsk patentsøknad 20100525 med innleveringsdato 13. april 2010, hvorav innholdet herved er innarbeidet som referanse. Det beskrives i nevnte patentsøknad en permanentmagnetmotor for bruk ved løfteanordninger, og hvor det er anordnet en sikkerhetsanordning som ved tap av spenning er innrettet til å generere et motmoment i motoren for å bremse lastfallet. Valgfritt kan lasten også falle fritt uten at det genereres noe motmoment.

Claims

1. Elektrisk permanentmagnetmotor (10), hvor motoren omfatter et motorhus (12) med en stator (14) og en innvendig roterende rotor (16) festet til en sentral aksling (24), idet rotoren (16) utvendig er utstyrt med magneter (30) og statoren (14) innvendig er utstyrt med viklinger (32), og at under drift av motoren overføres dreiemoment til den sentrale akslingen (24) for drift av eksternt utstyr, karakterisert vedat motoren (10) er utstyrt med et lukket kjølesystem i form av et rotorkjølesystem og et statorkjølesystem, der - det lukkede rotorkjølesystemet omfatter et innvendig viftesystem i motorhuset (12), og som er innrettet til å tvinge et kjølemedium til å strømme gjennom et luftgap (52) mellom rotor (16) og stator (14) og forbi en eller flere varmevekslere (54) i det indre av motorhuset (12), for nedkjøling av kjølemediet som på nytt skal tvinges gjennom luftgapet (52), og - statorkjølesystemet omfatter en kjølekappe (40) i motorhuset (12), og som omgir statoren (14), idet væske tvinges til å strømme gjennom kjølekappen (40) for opptak av varmetap fra i det minste statoren (14), og der kjølekappen (40) til statorkjølesystemet omfatter en innvendig væskekanal (42) for sirkulasjon av væsken.

2. Elektrisk permanentmagnetmotor (10) i samsvar med krav 1,karakterisert vedat kjølemediet i rotorkjølesystemet er gass og at kjølemediet i statorkjølesystemet er vann.

3. Elektrisk permanentmagnetmotor (10) i samsvar med krav 2,karakterisert vedat viftesystemet omfatter et antall vifter (50) plassert i motorhuset (12).

4. Elektrisk permanentmagnetmotor (10) i samsvar med krav 3,karakterisert vedat viftene (50) til rotorkjølesystemet er anordnet i utsparinger i motorhuset (12) eller i et av motorhusets endelokk (20), og innrettet til å trekke gass fra det indre av motorhuset (12) og til å blåse gassen videre gjennom luftgapet (52) mellom stator (14) og rotor (16).

5. Elektrisk permanentmagnetmotor (10) i samsvar med krav 2,karakterisert vedat rotorens (16) rotorring (26) er utstyrt med spalter (56) som er innrettet til å fungere som en vifte for å trekke gass gjennom i det indre av motorhuset (12) og å blåse gassen videre gjennom luftgapet (52) mellom stator (14) og rotor (16).

6. Elektrisk permanentmagnetmotor (10) i samsvar med krav 5,karakterisert vedat rotorens (16) spalter (56) er utstyrt med vifteblader.

7. Elektrisk permanentmagnetmotor (10) i samsvar med krav 3 eller 5,karakterisert vedat gassen tvinges forbi varmeveksleren (54), hvor varmeveksleren er i form av en luft/vann varmveksler utstyrt med kjøleribber eller kjølerør (58), og inn i det indre av motorhuset (12).

8. Elektrisk permanentmagnetmotor (10) i samsvar med krav 7,karakterisert vedat nevnte kjøleribber eller kjølerør (58) er anordnet innvendig på en endeplate til motorhuset.

9. Elektrisk permanentmagnetmotor (10) i samsvar med krav 7 eller 8,karakterisert vedat kjølerørene (58) er spiralviklet og utstyrt med ribber.

10. Elektrisk permanentmagnetmotor (10) i samsvar med krav 1,karakterisert vedat kjølekappen (40) har et innløp (48a) i bunn av kappen og eventuelt et utløp (48b) i topp av kappen, hvor i det minste innløpet er forbundet med et væskereservoar (44).

11. Elektrisk permanentmagnetmotor (10) i samsvar med krav 10,karakterisert vedat væske tilføres eksternt via en slange (46).

12. Elektrisk permanentmagnetmotor (10) i samsvar med krav 1,karakterisert vedat et av motorens (10) endelokk (20) omfatter en terminalboks (64), idet endelokket (20) omfatter en forsenkning eller rom, og er utstyrt med et utvendig deksel (22).

13. Elektrisk permanentmagnetmotor (10) i samsvar med krav 12,karakterisert vedat statorens (14) viklinger (32) rager inn i terminalboksen (64), hvorved motoren (10) er innrettet til å kobles for å gå med forskjellige merkehastigheter.

14. Anvendelse av en elektrisk permanentmagnetmotor (10) i samsvar med et eller flere av kravene 1-13, for drift av en vinsj ombord på et ankerhåndteringsfartøy eller fiskefartøy.