SE524857C2 - Roterande elektrisk maskin, stator för en sådan samt användning av statorn - Google Patents

Description

524 857 “2 För tydlighets skull avser termen anlöpande kant en tands första kant betraktat tangentiellt i rotoms rotationsriktning och en avlöpande kant en tands andra kant betraktat tangentiellt i rotationsriktningen. Termen temperaturíörhöjning avser en end-effekt beroende temperaturförhöjning i statortändema (rotortänderna). Vidare avser terrnerna radiellt tvärsnitt respektive axiell utsträckning ett plan som är vinkelrätt mot rotoms rotationsaxel respektive en utsträckning i en riktning som är parallell med rotoms rotationsaxel.

Föreliggande uppfinning är baserad på insikten att temperaturtörhöjningen som uppstår i statortändema hos en stator i en roterande elektrisk maskin under drift orsakas av en s.k. ändeffekt (”end effect”) som uppstår i området vid respektive tands avlöpande kant. Denna ändeffekt skapas i sin tur av en fälttörskjutning i det magnetfält som under drift av maskinen alstras i luftgapet mellan respektive tand hos statom och rotoms mantelyta. Den magnetiska flödestätheten hos magnetfaltet som under drift alstras mellan var och en av statoms tänder och rotoms mantelyta ökar successivt från respektive tands anlöpande kant till dess avlöpande kant och bildar ett högt peak-värde vid den avlöpande kanten. Således uppvisar flödestätheten i luftgapet mellan en statortand och rotorn en mycket ojämn fördelning. Omedelbart efter den avlöpande kanten avtar flödestätheten mycket snabbt, vilket får till följd att mycket höga strömmar induceras i var och en av statoms tänder och i synnerhet vid den avlöpande kanten.

Detta medför i sin tur en signifikant temperaturökning i tanden och särskilt i området vid den avlöpande kanten. Genom att åstadkomma en jämn fördelning av flödestätheten under respektive tand hos statorn eller, med andra ord, genom att påverka eller forma det under drift alstrade magnetfaltet så att flödestätheten uppvisar en jämnare fördelning kan man således uppnå en reduktion av flödestäthetens peak-värde vid respektive tands avlöpande kant och därmed reduceras kraftigt de i statortändema inducerade strömmarna. Därigenom reducerar eller begränsar man följaktligen kraftigt den tidigare diskuterade temperaturhöjningen.

Enligt en första aspekt av föreliggande uppfinning tillhandahålles en roterande elektrisk maskin som innefattar en stator och en rotor. Statom är försedd med ett flertal tänder som var och en har väsentligen samma utformning i varje enskilt radiellt tvärsnitt. Tänderna är anordnade på lika avstånd från varandra på statoms mot rotom riktade periferi, m.a.o. är de separerade från varandra med axiellt utsträckta spår. Vidare är tänderna så anordnade att ett luftgap bildas mellan rotoms mantelyta och respektive tands mot rotom riktade yta. Åtminstone en del av nämnda yta hos respektive tand, sett i en riktning parallell med rotoms rotationsaxel, är anordnad med ett förhållande mellan ett första avstånd mellan anlöpande kant, sett tangentiellt i rotoms rotationsriktning, och rotoms mantelyta och ett andra avstånd mellan avlöpande kant, sett i nämnda riktning, och rotoms mantelyta, i stånd att forma det magnet falt som under drift alstras mellan ytan hos respektive tand och rotoms mantelyta så att fältets flödestäthet blir väsentligen jämnt fördelad över hela tandens bredd i tangentiell riktning.

Enligt en andra aspekt av föreliggande uppfinning tillhandahålles en stator för användning i en roterande elektrisk maskin som innefattar en rotor. Statom är försedd med ett flertal tänder som var och en har väsentligen samma utforirming i varje enskilt radiellt tvärsnitt av statom.

Tänderna är anordnade på lika avstånd från varandra på statoms periferi, m.a.o. är de separerade från varandra med axiellt utsträckta spår. Vidare är tändema så anordnade att det, vid användning i nämnda maskin, bildas ett luftgap mellan rotoms mantelyta och respektive tands mot rotom riktade yta. Åtminstone en del av nämnda yta hos respektive tand, sett i en riktning parallell med rotoms rotationsaxel, är anordnad med ett förhållande mellan ett första avstånd mellan anlöpande kant, sett tangentiellt i rotoms rotationsriktning, och rotoms 524 857 .3 mantelyta och ett andra avstånd mellan avlöpande kant, sett i den tidigare nämnda riktningen, och rotoms mantelyta, i stånd att forma det magnet fält som under drift alstras mellan ytan hos respektive tand och rotoms mantelyta så att fältets flödestäthet blir väsentligen jämn över hela tandens bredd i tangentiell riktning.

Enligt en tredje aspekt av föreliggande uppfinning tillhandahålles en roterande elektrisk maskin som innefattar en stator och en rotor, vilken rotor har ett flertal tänder som var och en har väsentligen samma utformning i varje enskilt radiellt tvärsnitt. Tändema är anordnade på lika avstånd från varandra på rotoms mot statom riktade periferi. Vidare är tänderna så anordnade att ett luftgap bildas mellan statoms mantelyta och respektive tands mot statom riktade yta. Åtminstone en del av nämnda yta hos respektive tand, sett i statoms axiella riktning, är anordnad med ett förhållande mellan ett första avstånd mellan anlöpande kant, sett tangentiellt i rotoms rotationsriktning, hos respektive tand och rotorns mantelyta och ett andra avstånd mellan avlöpande kant, sett i nämnda riktning, hos respektive tand och rotoms mantelyta, i stånd att forma det magnet fält som under drift alstras mellan närrmda yta hos respektive tand och statorns mantelyta så att fáltets flödestäthet blir väsentligen jämnt fördelad över hela tandens bredd i tangentiell riktning.

Det har visats sig att tändernas utformning har en avsevärd influens eller påverkan på det magnetfält som vid drift alstras mellan statoms tänder och rotoms mantelyta och därmed det magnetiska flödet mellan respektive tand och rotoms mantelyta. Detta gäller i syrmerhet förhållandet mellan det första avståndet och det andra avståndet vid respektive tand. Man kan således påverka och forma det magnetiska flödet mellan rotoms mantelyta och tandens yta över hela dess bredd genom utfominingen av detta förhållande i varje enskilt radiellt tvärsnitt.

Exempelvis kan en del av tandens mot rotoms mantelyta riktade yta ha ett visst förhållande mellan det första avståndet och det andra avståndet medan resten av ytan har ett annat förhållande. En enskild tand kan alltså ha en utforrrming som inte är densamma utefter dess axiella utsträckning, vilket innebär att luftgapets utfomining kan skilja sig åt i olika enskilda radiella tvärsnitt utefter den axiella utsträckningen av luftgapet. Genom en noggrarm anpassning av detta förhållandet kan man följaktligen åstadkomma en väsentligen jämnt fördelad magnetisk flödestäthet i tangentiell riktning och således uppnå en betydande reduktion av det tidigare diskuterade peak-värdet. Därmed induceras endast mycket små strömmar i statoms tänder och följaktligen begränsas eller reduceras temperaturförhöjning nästan helt.

En roterande elektrisk maskin enligt uppfinningen medför alltså ett flertal fördelar jämfört med kända lösningar. Exempelvis förbättras verkningsgraden avsevärt och effekttätheten blir högre. Vidare medför den temperatursänkning som man uppnår genom användningen av uppfinningen i en elektrisk maskin att maskinens livslängd förlängs väsentligt eftersom det termiska påkänningen på maskinen minskar. Därmed blir också underhållskostnadema och reparationskostnadema lägre. Maskinens reliability och availablity förbättras också avsevärt.

Andra fördelar är att tillverkningskostnadema och installationskostnadema för en maskin enligt uppfinningen blir betydligt lägre jämfört med konventionella maskiner då man inte behöver utrusta den roterande elektriska maskinen enligt uppfinningen med någon förstärkt kylning för just de drabbade tandområdena. Vidare blir driftsäkerheten högre på grund av att den tenniska påkänningen i en maskin enligtuppfinningen är avsevärt mindre jämfört med konventionella maskiner. Då man inte behöver använda någon speciell kylning innebär att underhållskostnadema och reparationskostnaderna kan reduceras ytterligare. 524 857 4 Ytterligare en fördel med en uppfinningen är att man undviker plåtskador eller ”plåtbrand” som är ett problem i roterande elektriska maskiner. Plåtbrand innebär att statorplattoma, vilka statom är sammansatt av, får elektrisk kontakt eller smälter ihop på grund av en temperaturförhöjning som uppstår bland annat om den speciella kylningen för statortänderna inte är tillräckligt effektiv eller om den går sönder. Plåtbrand är ett allvarligt fel och i värsta fall leder plåtbrand till att statorplattoma även kortsluts med statoms lindning med maskinhaveri som följd, vilket erfordrar kostsamma reparationsarbeten för att göra maskinen operationsduglig igen och leder till produktíonsbortfall.

Ovannämnda fördelar bidrar samtliga dessutom till att maskinens LCC (”Life cycle cost”), d.v.s. samtliga kostnader som maskinen ger upphov till under hela dess livscykel, blir betydligt lägre jämfört med konventionella elektriska maskiner, vilket är en viktig faktor vid investeringsbeslut.

I en föredragen utföringsform är hela den mot rotom riktade ytan hos respektive tand, sett i statoms axiella riktning, anordnad med väsentligen samma förhållande mellan det första avståndet och det andra avståndet. Följaktligen har varje enskild statortand enligt denna utföringsform väsentligen samma utformning utefter hela tandens axiella utsträckning. Det innebär att luftgapet kommer att ha väsentligen samma utseende i varje enskilt radiellt tvärsnitt utefter rotoms rotationsaxel.

Enligt en fördragen utföringsforrn är respektive tand utformad så att avståndet mellan den anlöpande kanten hos statortanden och rotoms mantelyta är mindre än avståndet mellan den avlöpande kanten hos statortanden och rotoms mantelyta. Genom detta förhållande mellan avstånden eller genom denna utformning åstadkommer man ett luftgap mellan respektive tand och rotoms mantelyta vars höjd vid tandens anlöpande sida alltså är mindre än dess höjd vid tandens avlöpande sida. Denna utforrrming av statoms tänder har visats sig vara fördelaktig vad gäller att forma eller påverka magnetfältet så att den magnetiska flödestätheten mellan respektive tand och rotoms mantelyta uppvisar en jämnare fördelning, vilket hämmar temperaturutvecklingen ytterligare.

Enligt en föredragen utföringsform är respektive tands yta utfonnad så att luftgapets höjd ökar kontinuerligt, betraktat tangentiellt i nämnda rotationsriktning. Därmed åstadkommer man ett luftgap som successivt blir större, axiellt betraktat. Denna utfomrning av statoms tänder har visats sig vara särskilt fördelaktig vad gäller att påverka och forma magnetfältet. Man kan genom denna utformning av tandens mot rotom riktade yta uppnå en jämnare fördelad flödestäthet över hela tandens bredd (i tangentiell riktning) och begränsar således temperaturutvecklingen än mer. På så sätt förstärks eller förbättras med andra ord de gynnsamma effektema avseende förlustreduktion, verkningsgrad, effekttäthet, livslängd, reliability, availability och LCC.

Enligt en föredragen utföringsforrn har den mot rotom riktade ytan hos statoms samtliga tänder i varje radiellt tvärsnitt formen av en cirkelbåge som har samma medelpunkt som rotoms mantelyta, men då det första avståndet är mindre än det andra avståndet kommer cirkelbågen och rotoms mantelyta inte att vara koncentriska. I andra föredragna utföringsformer är ytan i varje radiellt tvärsnitt hos samtliga tänder väsentligen konkav eller väsentligen konvex sett i en riktning vinkelrätt mot rotoms mantelyta.

I en föredragen utföringsform är ett centralt parti av ytan hos respektive tand, sett i en axiell riktning, anordnad med ett första förhållande mellan det första avståndet och det andra 52487 i s avståndet och ändpartier hos respektive tand, sett i nämnda axiella riktning, anordnade med ett andra förhållande mellan det första avståndet och det andra avståndet. (fl Enligt en föredragen utföringsform är det första avståndet är väsentligen samma som det andra avståndet i det första förhållandet och det första avståndet är mindre än det andra avståndet i det andra förhållande. Enligt ett altemativ är statoms ändpartier, axiellt sett, anordnade med det andra förhållandet och att statoms centrala parti är anordnat med det första förhållandet. Vidare är respektive tands mot rotoms mantelyta riktade yta, i respektive parti, så utformad att medelluftgapet, d.v.s. det genomsnittliga luftgapet, är lika stort i det första och det andra förhållandet. Denna konstruktion är tördelaktig i maskiner där det axiella läckflödet från rotorlindningama är betydande och temperaturíörhöjningen är särskilt stor i tändema på statoms axiella ändpartier och man kan med denna konstruktion åstadkomma en väsentligen jämnt fördelad magnetisk flödestäthet i tangentiell riktning och således uppnå en betydande reduktion av peak-värdet i flödestätheten. Därmed induceras endast mycket små strömmar i statoms tänder och följaktligen begränsas eller reduceras temperaturförhöjning avsevärt.

Ytterligare syften och fördelar med uppfinningen kommer att diskuteras nedan med hjälp av exemplifierande utföringsformer.

Beskrivning av figgrer Exemplifierande utföringsfomier av uppfinningen kommer att beskrivas nedan med hänvisning till bifogade ritningar på vilka: F ig. IA visar schematiskt den magnetiska flödestätheten i luftgapet Bö mellan en statortand och rotoms mantelyta i en konventionell roterande elektrisk maskin, betraktat i en axiell riktning; Fig. lB visar schematiskt den magnetiska flödestätheten i luftgapet Bf, mellan en statortand och rotoms mantelyta i en roterande elektrisk maskin enligt en uppfinningen, betraktat i en axiell riktning; Fig. 2 visar schematiskt ett radiellt tvärsnitt av en första utföringsfonn av en roterande elektrisk maskin enligt uppfinningen; Fig. 3 visar schematiskt ett radiellt tvärsnitt av en andra utföringsform av en roterande elektrisk maskin enligt uppfinningen; F ig. 4 visar schematiskt ett radiellt tvärsnitt av en tredje utföringsform av en roterande elektrisk maskin enligt uppfinningen; Fig. 5 visar schematiskt ett axiellt tvärsnitt, utefter en statortands avlöpande yta, av en fjärde utföringsform av en roterande elektrisk maskin enligt uppfinningen; Fig. 6A visar schematiskt ett radiellt tvärsnitt av statortanden i fig. 5 utefter linjen A-A°; och Fig. 6B visar schematiskt ett radiellt tvärsnitt av statortanden i fig. 5 utefter linjen B-B”.

Beskrivning av föredragna utíöringsforrner (TI 524 -e Med hänvisning först till fig. IA och fig. IB kommer en generell beskrivning av den teoretiska bakgrunden att ges. I fig. IA och fig. IB anges den magnetiska flödestätheten Bö i luftgapet på y-axeln och rotoms mantelyta, i ett radiellt tvärsnitt, på x-axeln. Vidare visas ett radiellt tvärsnitt av statortand enligt konventionell utformning respektive en statortand enligt uppfinningen med streckade linjer i fig. IA respektive IB. I figurerna 2-6 visas schematiskt olika utföringsforrner av uppfinningen. För tydlighetsskull visas statortändema i samtliga flgurer 2-6 utan lindning. Vidare visas i samtliga figurer endast det nedre partiet av statortändema. 7 Fig. 1A visar schematiskt hur den magnetiska flödestätheten H5 i luftgapet mellan en statortand 2 av konventionell och rotoms mantelyta i en konventionell roterande elektrisk maskin varierar över statortandens bredd b,, vilket indikeras med hjälp av linjen 1. Såsom kan ses är flödestätheten Bö i luftgapet ojämnt fördelad över luftgapet i tangentiell riktning.

Flödestätheten Bö i luftgapet ökar successivt från tandens anlöpande kant 3 till ett peak-värde eller maximivärde Bs, peak vid tandens avlöpande kant 4 för att därefter mycket snabbt avta.

Detta ger en mycket stor gradient, vilket inducerar mycket stora strömmar i tanden. Dessa strömmar induceras i synnerhet i området vid tandens avlöpande kant, vilket i sin tur medför en avsevärd temperaturförhöjning i detta område.

I fig. IB visas schematiskt hur den magnetiska flödestätheten i luftgapet Bg, vilket indikeras med hjälp av linjen 5, mellan en statortand 6 enligt uppfinningen och rotorns mantelyta varierar över statortandens bredd b,. I fig. IB framgår det tydligt att flödestätheten i luftgapet Bf, i en maskin enligt uppfinningen uppvisar en jämn fördelning, till skillnad mot den i fig.

IA visade flödestätheten i luftgapet Bö som uppvisar en mycket ojämn fördelning med en kraftig peak Bö, peak. Det i fig. IA visade peak-värde Bg, mk hos flödestätheten elimineras i det närmaste eller blir åtminstone mycket litet. Därigenom blir gradienten mycket små strömmar induceras i tanden och följaktligen undertrycks temperaturförhöjningen nästan helt.

Med hänvisning till fig. 2 visas schematiskt ett radiellt tvärsnitt av en första utföringsform av en del av en roterande elektrisk maskin enligt uppfinningen. I denna utföringsforrn har respektive statortand väsentligen samma utfomining utefter hela den axiella utsträckningen, vilket innebär att varje tand har väsentligen samma utseende i varje enskilt radiellt tvärsnitt utefter rotoms rotationsaxel R. Då roterande elektriska maskiner och dess utforrrming, fimktion och användning är välkända för fackmannen inom området kommer endast de delar som är relevanta för uppfinningen att behandlas i detalj i det följande.

I fig. 2 innefattar den roterande elektriska maskinen 21 en stator 22 och en rotor 23. Statom 22 är på sin inre periferi försedd med ett flertal tänder 25, varav endast två visas. Tillämpas uppfinningen i en ytterrotorrnaskin är tänderna anordnade på statoms yttre periferi och rotorn är anordnad att rotera kring statom. Vidare visas endast statortändemas 25 nedre parti. Såsom nämnts ovan visas statortändema 25 utan lindning för ökad tydlighet. Tändema 25 på statom 22 är väsentligen lika utformade i varje enskilt radiellt tvärsnitt och har således väsentligen lika tandbredd b, i respektive radiellt tvärsnitt. Tandhöjden definieras som avståndet mellan den mot rotoms mantelyta 26 riktade yta 27 hos respektive tand 25 och en tänkt linje som utgör en förlängning av spårbottens cirkelbåge genom respektive tand 25. Statortändema 25 är anordnade på lika avstånd eller spårbredd d från varandra. Mellan tandytan 27 hos respektive tand 25 och rotoms mantelyta 26 är ett luftgap ö definierat, vars fonn bestäms av tandytans 27 utformning. Rotom 23 är anordnad att rotera kring en central axel (som ej visas) inuti statom 22. Vidare är lindningar (som inte visas) anbringade i statoms spår och vid drift leder lindningama ström samtidigt som rotom 23 roterar i statom 22, varvid ett magnetfält alstras =7 / 524 8 7 mellan rotorn 23 och statom 22. Därmed uppstår ett magnetiskt flöde mellan respektive statortand 25 och rotorn 23, vars flödestäthet Bö bl. a. är en funktion av luftgapets ö utseende eller med andra ord utformningen av den yta 27 hos respektive tand 25 som är riktad mot rotorn 23. Hur detta magnetfält alstras är väl känt för fackmannen inom området varför detta inte behandlas närmare här.

(TI Respektive tand 25 utformad så att avståndet a mellan anlöpande kant 28 och rotoms mantelyta 26 är mindre än avståndet b mellan avlöpande kant 29 och rotoms mantelyta 26, m.a.o. gäller förhållandet a förhållandet a < b S 4a , och mer företrädesvis förhållandet a < b S 2a utefter hela tandens axiella utsträckning. Vidare kan man som ett altemativ anordna anlöpande kant 28 och avlöpande kant 29 med avrundningar, där avrundningen vid anlöpande kant 28 företrädesvis är mindre än avrundningen vid avlöpande kant 29. Detta påverkar på ett gynnsamt sätt fördelningen av magnetfältet i luftgapet under de anlöpande och avlöpande kantema.

Eftersom a Därigenom kommer luftgapet ö inte att ha samma höjd över hela tandens 25 bredd t, utan att ha en, betraktat tangentiellt i rotoms rotationsriktning R, ökande höjd. Givetvis påverkar också mantelytans krökning luftgapets Ö höjd, men den krökning som den cirkulära mantelytan ger upphov till är i allmänhet mycket liten över en enskilds tands bredd bt. Genom att man utformar respektive tand enligt det ovan beskriva sättet, kommer man att forma eller påverka det alstrade magnetfältet så att en väsentligen jämn fördelad flödestäthet Ba över respektive tands bredd b, erhålls.

Enligt den i fig. 2 visade utföringsformen har, i varje radiellt tvärsnitt, ytan 27 mellan tandens 25 anlöpande kant 28 och dess avlöpande kant 29 fonnen av en cirkelbåge som har samma medelpunkt som rotorn, men då a rotoms mantelyta. Luftgapet Ö kommer då att öka kontinuerligt från den anlöpande kanten 28 till den avlöpande kanten 29, betraktat tangentiellt i rotoms rotationsriktning R. Även denna ytas 27 form är en funktion av i huvudsak av tandens bredd bt, rotoms periferihastighet v, luftgapets höjd ö, flödestätheten Bg och maskintypen. Fackmannen inser därför att det finns en mängd olika tänkbara ytformer som ryms inom ramen för föreliggande uppfinning, varav ytterligare två tänkbara ytfonner kommer att behandlas nedan i exemplifierande syfte.

Med hänvisning till fig. 3 och fig. 4 visas schematiskt radiella tvärsnitt av en andra respektive en tredje utföringsforrn av en del roterande elektrisk maskin enligt uppfinningen. I dessa två utföringsformer har respektive statortand väsentligen samma utformning utefter tandens hela axiella utsträckning. Liksom i fig. 2 visas endast statortändemas nedre parti. Vidare visas statortändema utan lindning för tydlighets skull.

Med hänvisning först till fig. 3 visas en del av en roterande elektriska maskin 31 enligt en andra utföringsform av föreliggande uppfinning, vilken maskin 31 innefattar en stator 32 och en rotor 33. Statom 32 är på sin inre periferi försedd med ett flertal tänder 35, varav endast två visas. Tillämpas uppfinningen i en ytterrotormaskin är tändema anordnade på statoms yttre periferi och rotom är anordnad att rotera kring statom. Tändema 35 på statom 32 är väsentligen lika utformade i varje enskilt radiellt tvärsnitt och har således väsentligen lika tandbredd bf i varje radiellt tvärsnitt. Tandhöjden definieras som avståndet mellan den mot rotoms mantelyta 36 riktade yta 37 hos respektive tand 35 och en tänkt linje som utgör en förlängning av spårbottens cirkelbâge genom respektive tand 35. Statortändema 35 är anordnade på lika avstånd d” från varandra. Mellan tandytan 37 och rotoms mantelyta är ett 524 8.57 8 luftgap ö' definierat, vars form väsentligen bestäms av tandytans 37 utformning. Vidare är respektive tand 35 utfonnad så att avståndet a' mellan anlöpande kant 38 och rotoms mantelyta 36 är mindre än avståndet b' mellan avlöpande kant 39 och rotoms mantelyta 36, m.a.o. gäller förhållandet a' gäller förhållandet a'< b'S 4a' , och mer företrädesvis förhållandet a'< b'S 2a' utefter hela tandens axiella utsträckning. Vidare kan man som en option anordna anlöpande kant 38 och avlöpande kant 39 med avrundningar, där avrundningen vid anlöpande kant 38 företrädesvis är mindre än avrundningen vid avlöpande kant 39. Detta påverkar på ett gynnsamt sätt fördelningen av magnetfältet i luftgapet under de anlöpande och avlöpande kanterna.

I denna andra utföringsforrn är tandens 35 mot rotoms mantelyta vända yta 37 i varje radiellt tvärsnitt väsentligen konvex. Därmed minskar tandhöjden kontinuerligt i rotoms rotationsriktning R. Vidare kommer luftgapet ö' att växa kontinuerligt i rotorns 33 rotationsriktning R. Genom att man utformar respektive tand enligt det ovan beskriva sättet, kommer man att forma eller påverka det vid drift alstrade magnetfältet så att en väsentligen jämn fördelad flödestäthet Bf, över respektive tands bredd bt' erhålls.

Med hänvisning till ñg. 4 visas schematiskt ett radiellt tvärsnitt av en tredje utföringsform av en roterande elektrisk maskin 41 enligt uppfinningen. Den roterande elektriska maskinen 41 innefattar en stator 42 och en rotor 43. Statorn 42 är på sin inre periferi försedd med ett flertal tänder 45, varav endast två visas. Tillämpas uppfinningen i en ytterrotormaskin är tänderna anordnade på statoms yttre periferi och rotorn är anordnad att rotera kring statorn. Tändema 45 på statom 42 är väsentligen lika utformade i varje enskilt radiellt tvärsnitt och har således väsentligen lika tandbredd bf' i respektive radiellt tvärsnitt. Tandhöjden definieras som avståndet mellan den mot rotoms mantelyta 46 riktade yta 47 hos respektive tand 45 och en tänkt linje som utgör en förlängning av spårbottens cirkelbåge genom respektive tand 45.

Mellan tandytan 47 och rotoms mantelyta är ett luftgap ö” definierat, vars form bestäms av tandytans 47 utforrrming. Vidare är respektive tand 45 utformad så att avståndet a" mellan anlöpande kant 48 och rotorns mantelyta 46 är mindre än avståndet b" mellan avlöpande kant 49 och rotoms mantelyta 46, m.a.o. gäller förhållandet a' ' utsträckning och företrädesvis gäller förhållandet a"< b"S 4a" , och mer företrädesvis förhållandet a"< b"5 2a" utefter hela tandens axiella utsträckning. Såsom nämnts tidigare definieras anlöpande och avlöpande tangentiellt i rotoms rotationsriktning, vilken indikeras med en pil med beteckningen R. Vidare kan man som en option anordna anlöpande kant 48 och avlöpande kant 49 med avrundningar, där avrundningen vid anlöpande kant 48 företrädesvis är mindre än avrundningen vid avlöpande kant 49. Detta påverkar på ett gynnsamt sätt fördelningen av magnetfältet i luftgapet under de anlöpande och avlöpande kanterna.

Enligt denna tredje utföringsforrn är tandens 45 mot rotorns mantelyta vända yta 47 i varje radiellt tvärsnitt väsentligen konkav. Även i denna utföringsforrn kommer alltså tandhöjden inte att vara konstant över tandens 45 bredd bf' utan att kontinuerligt minska eller avta i rotoms rotationsriktning R och luftgapet ö" kommer följaktligen att växa eller öka kontinuerligt, betraktat i rotorns 43 rotationsriktning R. Genom att man utformar respektive tand enligt det ovan beskriva sättet, kommer man att forma eller påverka det vid drift alstrade magnetfältet så att en väsentligen jämn fördelad flödestäthet Bö över respektive tands bredd bt' ' erhålls.

Såsom antytts ovan är förhållandet mellan avståndet a och avståndet b och utforrrmingen av den yta hos tanden som är riktad mot rotoms mantelyta en funktion av ett flertal faktorer eller 524 857 q variabler varför de i figurema 2-4 visade ytforrnema enbart skall ses som belysande exempel.

Exempelvis kan tandens mot rotom riktade yta i varje radiellt tvärsnitt vara trappstegsformad, d.v.s. luftgapet ökar stegvis i rotoms rotationsriktning R.

Med hänvisning nu till fig. 5, fig. 6A och fig. 6B visas en fjärde utföringsforrn av en roterande elektrisk maskin enligt uppfinningen. I fig. 5 visas schematiskt ett axiellt tvärsnitt utefter en statortands avlöpande yta. I fig. 6A visas ett radiellt tvärsnitt av statortanden 55 utefter linjen A-A', d.v.s. i ett ändparti d av statortanden, och i fig. 6B visas ett radiellt tvärsnitt av statortanden 55 utefter linjen B-B*, d.v.s. i statortandens centrala del c. Den roterande elektriska maskinen 5l innefattar en stator 52 och en rotor 53. Rotoms rotationsriktning indikeras i fig. 5 med R och är riktad ut ur figuren. Statorn 52 är på sin inre periferi försedd med ett flertal tänder 55 (enbart en tand visas). Den mot rotom 53 riktade ytan (ej visad i fig. 5) hos respektive tand 55 på statom 52 är i denna utföringsform anordnad med ett förhållande mellan avståndet mellan anlöpande kant 58 och rotoms mantelyta 56 och avståndet mellan avlöpande kant 59 och nämnda rotors yttre mantelyta 56 som inte är konstant utefter tandens axiella utsträckning, d.v.s. utefter tandens axiella längd 60.

Enligt den i fig. 5 visade utföringsforrnen är den anlöpande kanten 58 respektive den avlöpande kanten 59 stegvist utfonnade. I respektive tands centrala del c (där c S maskinens axiella längd) är avståndet ä detsamma som avståndet ä (ä =ä ) och utefier sträckan d vid respektive ändparti, axiellt sett, hos tanden 55 är avståndet ä är mindre än avståndet b (ä <5 ). Vidare har den mot rotom 53 riktade ytan i det centrala omrâdet c i varje radiellt tvärsnitt formen av en cirkelbåge som är koncentrisk med rotoms mantelyta som i konventionella maskiner. Luftgapets höjd i det centrala området c är ähc , se fig. 6B. I respektive område d är den mot rotom 53 riktade ytan i varje radiellt tvärsnitt formad som en cirkelbåge som har samma medelpunkt som rotom, men eftersom ä <5 kommer cirkelbågen inte att vara koncentrisk med rotorns mantelyta. Vidare är förhållandet mellan ä och ä samt tandytan i respektive område d anordnat så att luftgapets medelhöjd ähdflnede, är lika med ähc , se fig. 6A. Därmed kan man påverka eller forma magnetfältet så att en jämn magnetisk flödestäthet, tangentiellt sett, erhålls och således kan man kraftigt reducera temperaturförhöjningen vid området vid den avlöpande kanten i respektive område.

Fackmannen inser givetvis att det finns en mängd olika tänkbara sätt på vilket man kan utforma tänderna axiellt. Vidare inser fackmannen även att det finns en mängd olika tänkbara ytformer som kan kombineras med ovan visade utföringsforrrr, exempelvis en konkav eller konvex form, hos ytan vid ändpartiema.

Enligt en utföringsform av en roterande elektrisk maskin med en rotor och en stator, används maskinen som en ytterrotormotor, där rotom roterar kring statom. Statom är försedd med ett flertal tänder som var och en har en väsentligen likadan utforrrming, både i en axiell utsträckning och i varje enskilt radiellt tvärsnitt. Tänderna är anordnade på statoms mantel med lika avstånd till varandra och är separerade från varandra med axiellt utsträckta spår.

Respektive tands mot rotom riktade yta har i varje radiellt tvärsnitt formen av en cirkelbåge som har samma medelpunkt som rotoms inre yta, men då tandytan är anordnad så att avståndet mellan anlöpande kant och rotoms inre yta är mindre än avståndet mellan avlöpande kant och rotoms inre yta kommer cirkelbågen inte att vara koncentrisk med den inre ytan hos rotom. Vidare kan ytan hos samtliga statortänder, i varje radiellt tvärsnitt, vara väsentligen konkav eller väsentligen konvex i en riktning vinkelrätt mot statoms mantelyta. Såsom 524 857 -IO nämnts tidigare definieras anlöpande och avlöpande kant tangentiellt i rotoms rotationsriktning. Genom att man utformar respektive tand enligt det ovan beskriva sättet, kommer man att forma eller påverka det vid drift alstrade magnetfältet så att en väsentligen jämn fördelad flödestäthet Bö över respektive statortands bredd erhålls.

Enligt ytterligare en utföringsforrn av en roterande elektrisk maskin med en rotor och en stator, är rotom försedd med ett flertal tänder som var och en har en väsentligen likadan utformning, både i en axiell utsträckning och i varje enskilt radiellt tvärsnitt. Tändema är anordnade på rotoms mantelyta med lika avstånd till varandra och är separerade från varandra med axiellt utsträckta spår. Rotortändema är anordnade så att avståndet mellan varje rotortands anlöpande kant och statorns inre mantelyta är mindre än avståndet mellan den avlöpande kanten och statorns mantelyta. Vidare är varje polyta (där sådan förekommer) på rotom anordnad så att avståndet mellan den anlöpande kanten och statoms inre mantelyta är mindre än den avlöpande kanten och statoms inre mantelyta. Respektive rotortands mot statom riktade yta samt respektive polyta kan utformas enligt någon de tidigare beskrivna tandutforrnningarna. Genom att ge rotortändema en utformning motsvarande de ovan visade kommer man att forma eller påverka det vid drift alstrade magnetfältet så att en väsentligen jämn fördelad flödestäthet Bö över respektive rotortands bredd (i tangentiell riktning) erhålls.

Såsom har antytts ovan är tändemas utformning är i huvudsak en funktion av tandens bredd bt, rotoms periferihastighet v, luftgapets höjd ö och flödestätheten Bö. Den påverkas även av vilken typ av maskin som uppfinningen skall användas i och vilken storlek den roterande elektriska maskinen har, d.v.s. rotoms och statoms dimensioner. Genom att ta hänsyn till de ovan nämnda faktorerna och variablema vid utformningen av tänderna (även rotortändema) kan man således modifiera den roterande elektriska maskinen enligt uppfinningen.

Uppfinningen är därför lämplig att användas som motor, generator eller som maskin av typen ytterrotorrnaskin (asynkron eller synkron). I synnerhet är den roterande elektriska maskinen lämplig att användas som asynkron maskin, synkron maskin, roterande synkronkompensator, permanentmagnet maskin av den typ där magnetema är inbäddade i rotom (”buried magnets”), permanent magnet maskin av den typ där magnetema är ytmonterade på rotom (”surfacemounted magnets”), eller liknande.

F ackmannen inom området inser alltså att en mängd olika utforrrmingar och konstruktioner av statortändema är möjliga inom ramen för denna uppfinning. Denna ansökan är avsedd att täcka alla anpassningar och förändringar av de utföringsforrner som har diskuterats häri.

Följaktligen definieras föreliggande uppfinning av de bifogade kravens ordalydelse och dess ekvivalenter.

Claims (1)

1. 524 857 H KRAV Roterande elektrisk maskin som innefattar en stator och en rotor, vilken stator har ett flertal tänder som var och en har väsentligen samma utfonnning i varje enskilt radiellt tvärsnitt av statom och som är anordnade på lika avstånd från varandra på statoms mot rotorn riktade periferi och så att ett lufigap bildas mellan nämnda rotors mantelyta och respektive tands mot rotorn riktade yta, k ä n n e t e c k n a d av att åtminstone en del av nämnda yta hos respektive tand, sett i statoms axiella riktning, är anordnad så att ett första avstånd mellan anlöpande kant, sett tangentiellt i rotoms rotationsriktning, och nämnda rotors mantelyta är mindre än ett andra avstånd mellan avlöpande kant, sett i nämnda riktning, och nämnda rotors mantelyta och så att luftgapets höjd ökar över hela tanden sett tangentiellt i rotoms rotationsriktning, varvid det magnetfält som under drift alstras mellan nämnda yta hos respektive tand och rotoms mantelyta påverkas så att fältets flödestäthet blir väsentligen jämnt fördelad över hela tandens bredd i tangentiell riktning. Roterande elektrisk maskin enligt krav 1, varvid hela nämnda yta hos respektive tand, sett i nämnda axiella riktning, är anordnad med väsentligen samma förhållande mellan det forsta avståndet och det andra avståndet. Roterande elektrisk maskin enligt krav 1 eller 2, varvid nämnda yta hos respektive tand är så utformad att luftgapets höjd vid respektive tand ökar kontinuerligt, sett tangentiellt i nämnda rotationsriktning. Roterande elektrisk maskin enligt något av ovanstående krav, varvid nämnda yta hos respektive tand i varje radiellt tvärsnitt har formen av en cirkelbåge. Roterande elektrisk maskin enligt något av kraven 1-3, varvid nämnda yta hos respektive tand i varje radiellt tvärsnitt är väsentligen konkav. Roterande elektrisk maskin enligt något av kraven 1-3, varvid nämnda yta hos respektive tand i varje radiellt tvärsnitt är väsentligen konvex. Roterande elektrisk maskin enligt krav 1, varvid ett centralt parti av nämnda yta hos respektive tand, sett i nämnda axiella riktning, är anordnat så att det första avståndet och det andra avståndet är väsentligen samma och ändpartier hos respektive tand, sett i nämnda axiella riktning, är anordnade enligt krav 1. Stator för en roterande elektrisk maskin som innefattar en rotor, vilken stator har ett flertal tänder som var och en har väsentligen samma utfomming i varje enskilt radiellt tvärsnitt av statom och som är anordnade på lika avstånd från varandra på statoms periferi och så att ett luftgap, vid användning i nämnda maskin, bildas mellan nämnda rotors mantelyta och respektive tands mot rotom riktade yta, k ä n n e t e c k n a d av att åtminstone en del av nämnda yta hos respektive tand, sett i statoms axiella riktning, är anordnad så att ett första avstånd mellan anlöpande kant, sett tangentiellt i rotoms rotationsriktning, och nämnda rotors mantelyta är mindre än ett andra avstånd mellan avlöpande kant, sett i nämnda riktning, och nämnda rotors mantelyta och så att luftgapets höjd ökar över hela tanden sett tangentiellt i rotoms rotationsriktning, varvid det magnetfält som under drift alstras mellan nämnda yta hos respektive tand 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 524 857 -IZ och rotoms mantelyta påverkas så att fáltets flödestäthet blir väsentligen jämnt fördelad över hela tandens bredd i tangentiell riktning. Stator enligt krav 8, varvid hela respektive tands yta, sett i nämnda axiella riktning, är anordnad med väsentligen samma förhållande mellan det första avståndet och det andra avståndet. Stator enligt krav 8 eller 9, varvid respektive tands mot rotorn riktade yta är så utformad att luftgapets höjd vid respektive tand ökar kontinuerligt, sett tangentiellt i nämnda rotationsriktning. Stator enligt något av kraven 8-10, varvid nämnda yta hos respektive tand i varje radiellt tvärsnitt har fonnen av en cirkelbåge. Stator enligt något av kraven 8-10, varvid nämnda yta hos respektive tand i varje radiellt tvärsnitt är väsentligen konkav. Stator enligt något av kraven 8-10, varvid nämnda yta hos respektive tand i varje radiellt tvärsnitt är väsentligen konvex. Stator enligt krav 8, varvid ett centralt parti av nämnda yta hos respektive tand, sett i nämnda axiella riktning, är anordnad så att det första avståndet och det andra avståndet är väsentligen samma och ändpartier hos respektive tand, sett i nämnda axiella riktning, är anordnade enligt krav 8. Användning av en stator enligt något av kraven 8-14 i en roterande elektrisk maskin som innefattar en rotor. Roterande elektrisk maskin som innefattar en stator och en rotor, vilken rotor har ett flertal tänder som var och en har väsentligen samma utfornming i varje enskilt radiellt tvärsnitt och som är anordnade på lika avstånd från varandra på rotoms mot statom riktade periferi och så att ett luftgap bildas mellan nämnda stators mantelyta och respektive tands mot statom riktade yta, k ä n n e t e c k n a d av att åtminstone en del av nämnda yta hos respektive tand, sett i rotorns axiella riktning, är anordnad så att ett första avstånd mellan anlöpande kant, sett tangentiellt i rotoms rotationsriktning, och nämnda stators mantelyta är mindre än ett andra avstånd mellan avlöpande kant, sett i nämnda riktning, och nämnda stators mantelyta och så att luftgapets höjd ökar över hela tanden sett tangentiellt i statoms rotationsriktning, varvid det magnetfält som under drift alstras mellan nämnda yta hos respektive tand och statoms mantelyta påverkas så att faltets flödestäthet blir väsentligen jämnt fördelad över hela tandens bredd i tangentiell riktning.