SE526286C2 - Roterande elektrisk maskin med lagerorgan anordnat i eller intill luftgapet, samt kraftverk med sådan maskin - Google Patents

Description

526 286 u n øaoø 0 nosa 0 I oo erforderlig styvhet hos maskinens båda huvuddelar till en- bart intill luftgapet belägna partier hos dessa. Detta inne- bär att såväl statorn som rotorn kan utföras betydligt lätta- re än vad som tidigare varit möjligt och att maskinen kan ges en betydligt ökad diameter, vilket är av särskild bety- delse vid kraftverksgeneratorer, som är avsedda att drivas direkt av làgvarviga vattenturbiner och vindturbiner. Anled- ningen till att det är fördelaktigt att utföra dylika genera- torer med så stor diameter som möjligt är att man härigenom kan reducera mängden elektriskt och magnetiskt aktivt mate- rial. Detta sammanhänger med att den möjliga effekten hos en roterande elektrisk maskin med radiellt luftgap är proportio- nell mot luftgapsdiametern i kvadrat och linjärt proportionell mot luftgapets längd, medan den behövliga mängden elektriskt och magnetiskt aktivt material är linjärt proportionell mot såväl luftgapsdiametern som luftgapets längd.

Lagerorganen kan företrädesvis innefatta minst en vid den ena huvuddelen anordnad, i dennas omkretsriktning kontinuerligt förlöpande lagerbana samt minst en uppsätt- ning av vid den andra huvuddelen anordnade, i dennas om- kretsriktning på inbördes avstånd belägna lagerkroppar, som är inrättade att anligga mot en med dem samverkande lagerbana hos nämnda ena huvuddel.

Lagerkropparna kan härvid lämpligen utgöras av vid nämnda andra huvuddel roterbart lagrade rullkroppar. Alter- nativt kan de dock i stället utgöras av vid nämnda andra huvuddel anordnade glidelement.

Vidare kan lagerkropparna företrädesvis vara inrätta- de att anligga fjädrande mot lagerbanan. Maskinen kan härvid med fördel vara inrättad att medge en inställning av anligg- ningstrycket mellan lagerkropparna och lagerbanan.

På liknande sätt som vid tidigare kända roterande elektriska maskiner kan rotorn utgöras av ett radiellt inre element och statorn av ett radiellt yttre element, som sträcker sig ringformigt kring rotorn.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen kan dock i stället statorn utgöras av ett radiellt inre 526 286 element, medan rotorn kan utgöras av ett radiellt yttre element, som sträcker sig ringformigt kring statorn och omger denna. En dylik omkastad placering av rotorn i för- hållande till statorn underlättar uppnåendet av en låg vikt hos maskinen.

Uppfinningen beskrivs nedan ytterligare under hänvis- ning till bifogade ritningar, på vilka fig. 1 schematiskt illustrerar den principiella upp- byggnaden av en elektrisk maskin enligt uppfinningen, fig. 2 en längdsektionsvy av en elektrisk maskin en- ligt en enbart såsom exempel vald praktisk utföringsform av uppfinningen, fig. 3 en ändvy, i sektion, av maskinen enligt fig. 2, fig. 4 en mot fig. 3 svarande delvy i förstorad skala, fig. 5 en delvy, i sektion utmed linjen A-A i fig. 4, fig. 6 en sidovy, i sektion, av en av ett flertal i maskinen ingående, såsom lagerorgan tjänande rullkroppar samt fig. 7 en delvy i sektion, áskàdliggörande ett alter- nativt sätt för infästning av nämnda rullkroppar.

Fig. 1 åskådliggör schematiskt den allmänna principen för en roterande elektrisk maskin enligt uppfinningen, vilken företrädesvis har en i förhållande till dess längd stor dia- meter och mànga poler och vilken är avsedd att arbeta vid lågt varvtal. Med i förhållande till längden stor diameter avses här att diametern uppgår till minst dubbla längden.

Maskinen innefattar en generellt med 1 betecknad rotor, som kan rotera kring maskinens längsgående centrumaxel 2 och är omsluten av en generellt med 3 betecknad stator. Mellan de båda av rotorn 1 och statorn 3 bestående huvuddelarna hos maskinen finns ett radiellt luftgap 4.

Rotorn 1 är roterbart lagrad vid statorn 3 med hjälp av endast schematiskt antydda lagerorgan 5, som i fig. 1 visats anordnade i luftgapet 4 men även kan vara anordnade utanför men intill detta. De elektriskt och magnetiskt ak- tiva delarna hos rotorn och statorn har betecknats med 6 resp. 7, 8 och omfattar nödvändiga järnkärnor, lindningar 526 286 one-oo n o o I co oooooo o o o oo oo oo o o o o o o o o oooooo och i förekommande fall permanentmagneter. Uppfínningens grundprincip består i att rotorn är roterbart lagrad vid statorn med hjälp av i eller intill luftgapet anordnade lagerorgan, dvs. med lagerorgan, som är belägna på åtmins- tone närmelsevis samma radiella avstånd från maskinens centrum som luftgapet, i stället för med hjälp av lagerorgan, som uppbär en med rotorn stelt förbunden central axel.

Denna princip kan enligt uppfinningen tillämpas även vid maskiner med axiellt eller transversellt luftgap och vid maskiner, som till följd av att statorn och/eller rotorn är uppdelad på flera med varandra förbundna, i axiell eller radiell led på inbördes avstånd belägna sektioner uppvisar två eller flera luftgap.

Vid en enligt den ovan beskrivna grundprincipen för uppfinningen utförd elektrisk maskin med stor diameter är det ofördelaktigt resp. omöjligt att såsom erforderliga lagerorgan utnyttja konventionella glid- eller rullnings- lager. Vid den i fig. 2 - 6 visade utföringsformen utnyttjas därför lagerorgan av annat slag.

Dessutom är rotorn 1 vid utföringsformen enligt fig. 2 - 6 utförd såsom ett radiellt yttre element, som sträcker sig ringformigt kring den såsom ett radiellt inre element utförda statorn 3. Rotorns poler kan vara bildade av perma- nentmagneter 6, vilka av tillverkningsskäl var och en kan bestå av flera delar. Magneterna är anbringadef företrädesvis genom limning, vid en bärande ringformig stomme 9 hos rotorn.

Statorn 3 är uppbyggd av ett stort antal plåtlameller 7 och försedd med lindningar 8. Plåtlamellerna sammanhålles med hjälp av dragstänger 10, som sträcker sig i axiell rikt- ning genom det av lamellerna bildade paketet och två på var sin sida om detta belägna ríngformiga flänsar 11. Statorn kommer härigenom att uppvisa en ringformig yttre stomme med hög styvhet. Denna är i sin tur fäst vid en inre central statordel med hjälp av ekerliknande dragstänger 12, som bidrar till den önskade styvheten hos statorn. Flänsarna 11 kan lämpligen bestå av ett flertal cirkelbågformigt krökta och med varandra förbundna sektioner. 526 286 De för roterbar lagring av rotorn 1 vid statorn 3 tjänande lagerorganen innefattar två av ett inåtbockat änd- parti hos var sin av de båda flänsarna 11 bildade, i flänsar- nas omkretsriktning kontinuerligt förlöpande lagerbanor 16 samt två uppsättningar av vid rotorstommen anordnade och i dennas omkretsriktning på inbördes avstånd belägna lager- kroppar 5, som är utförda såsom parvis anordnade rullkroppar, vilka är inrättade att anligga mot en med respektive uppsätt- ning samverkande lagerbana 16. Varje rullkropp 5 kan exempel- vis innefatta ett yttre ringformigt element 19 av stål eller annat slitstarkt material, som är roterbart monterat på en lagertapp 26, som är anbringad vid ett av rotorstommen 9 uppburet fjädrande fäste 14. I syfte att medge en inställ- ning av anliggningstrycket mellan ringen 19 och den samver- kande lagerbanan 16 hos statorn 3 kan lagertappen 26 vara inrättad att medge en begränsad förskjutning av den i radiell led i förhållande till fästet 14, exempelvis genom att den är försedd med en på densamma anbringad excenterhylsa 20. För att befrämja en jämn och tyst gång hos varje rullkropp 5 kan ringen 19 vara monterad på lagertappen 26 under förmedling av ett innanförliggande ringformigt element 18 av elastiskt material. Alternativt kan ringen 19 i stället vara försedd med en yttre beläggning av elastiskt material.

Enligt en alternativ utföringsform av uppfinningen kan man i stället för såsom roterbara rullkroppar utförda lagerkroppar 5 utnyttja vid rotorn 1 anbringade, med lager- banorna 16 samverkande glidelement. Åtminstone de för anligg- ning mot lagerbanorna avsedda delarna hos dessa glidelement kan bestå av lämpligt plastmaterial med eller utan i detsamma innesluten olja eller av sintrade och oljepreparerade metall- material. Även i detta fall kan lagerkropparna bringas att anligga fjädrande och med inställbart tryck mot lagerbanorna.

Det skall även nämnas att man i stället för vid statorn anbringade lagerbanor och vid rotorn anbringade lagerkroppar kan utnyttja vid rotorn anbringade lagerbanor och vid sta- torn anbringade lagerkroppar.

Lagerkropparna 5 kan, oavsett om de utgöres av rull- 526 286 kroppar eller glidelement, vara utförda för att säkerställa en styrning av rotorn i axiell led i förhållande till sta- torn. Exempelvis kan såsom visats i fig. 5 rullkropparna uppvisa rotationsaxlar som bildar en vinkel u med gene- ratorns centrumaxel 2.

Såväl rotorn som statorn kan vara uppbyggd av ett flertal i omkretsriktningen efter varandra följande sek- tioner, vilka kan vara sammanfogade med varandra på god- tyckligt lämpligt sätt. _ För överföring av vridmoment från en yttre axel 27 till rotorn 1 eller omvänt kan maskinen vara försedd med en i fig. 2 endast schematiskt antydd medbringare 13.

Om maskinen utgör en av en vindturbin driven elektrisk generator kommer den att utsättas för ett med varvtalet pe- riodiskt varierande vridmoment, vilket kan ge upphov till torsionssvängningar. Vidare uppkommer i alla elektriska maskiner vid eventuell kortslutning kraftiga periodiska svängningar. I syfte att undvika eller i varje fall mini- mera verkningarna av dylika svängningar kan det vara för- delaktigt att åstadkomma en viss elasticitet och/eller dämp- ning i systemet. För detta ändamàl kan den av stängerna 12 bildade förbindningen mellan statorns 3 yttre och inre de- lar utformas fjädrande och/eller dämpande. Alternativt, eller dessutom, kan medbringaren 13 ges dylika egenskaper.

Med hänsyn till egenskaperna vid kortslutning bör systemets egenfrekvens, som är en funktion av masströghetsmoment och fjäderkonstant, vid växelströmsmaskiner vara av storleks- ordningen 2/3 av den elektriska frekvensen.

I syfte att undvika att de starka magnetiska krafter, som verkar mellan rotorn och statorn, skall ge upphov till olämpligt stora lagerkrafter och friktionsförluster, är det lämpligt att utforma maskinen så, att nämnda magnetiska krafter till stor del kan tas upp som materialspänningar i rotorn i stället för enbart av lagerorganen 5, 16. För detta ändamål kan anliggningstrycket mellan lagerorganen inställas, exempelvis genom utnyttjande av justeringsfunk- tionen hos excenterhylsorna 20. 526 286 Såväl rotorn som statorn kommer under drift att er- hålla en förhöjd temperatur. En avsevärd temperaturskillnad kan härvid uppkomma mellan statorn och rotorn. För att und- vika att detta skall ge upphov till alltför stora lager- krafter är det därför fördelaktigt att såsom tidigare nämnts montera lagerkropparna 5 i fjädrande fästen 14.

Temperaturskillnaden mellan rotorn och statorn kan i vissa fall anta stora värden (flera tiotal grader). För maskiner med mycket stor diameter kan det ovan beskrivna arrangemanget härvid var otillräckligt. Maskinen kan av denna anledning kompletteras med en anordning som själv justerar luftgapets storlek och lagertrycket. Fig. 7 visar ett möjligt utförande av en dylik anordning. De magnetiska krafterna strävar att attrahera rotorn 1 till statorn 3 och härvid minska luftgapet 4 samt förskjuta intill varand- ra belägna rotorsektioner 25 i riktning mot varandra. För àstadkommande av den önskade justeringsfunktionen är lager- kroppen 5 lagrad vid en hävarm 23, som vid radiell rörelse hos lagerkroppen via en excenter 24 framkallar en tangentiell relativrörelse mellan sektionerna 25. Denna rörelse medges till följd av att det beslag 21, som förbinder de båda ro- torsektionerna 25 med varandra, är kopplat till den ena rotorsektionen med hjälp av i ovala hål 22 i denna upptagna tappar eller på annat liknande sätt. Excentern 24 är så utformad att utväxlingen mellan hävarmens 23 rörelse och rotorsektionernas inbördes rörelse varierar med nämnda ele- ments lägen. Genom att dimensionera de olika komponenterna på lämpligt sätt kan man säkerställa att ett jämviktstill- stånd uppnås vid önskad storlek hos lagertrycket och luft- gapet 4. Om statorn 3 blir varmare än rotorn 1 ökar den i storlek i förhållande till rotorn, varvid lagerorganet 5 förskjuts i riktning radiellt utåt. De båda rotorsektioner- na 25 förskjuts härvid i riktning från varandra, varigenom luftgapet 4 och lagertrycket kan återställas åtminstone när- melsevis till önskade värden.

Av ekonomiska skäl kan man inte driva kraven på styv- het och formriktighet hos statorn och rotorn alltför långt. 526 286 Större toleranser kan medges om rotorn avsiktligt göres eftergivlig i en eller flera dimensioner,_vilket medför att den utan stora materialspänningar eller lagerkrafter kan kombineras med en stator med vissa formfel. Rotorn kom- mer härvid under dess rotation att deformeras något. Den aktuella eftergivligheten kan åstadkommas dels genom att rotorsektionerna i sig själva göres eftergivliga, dels genom att skarvelementen 21 mellan dem göres eftergivliga. Alter- nativt kan maskinen uppvisa en eftergivlig stator och en styv rotor. De ovan nämnda lösningarna underlättas av att elektriska maskiner med stor diameter arbetar vid låga varvtal, vilket innebär måttliga lokala accelerationer och därmed måttliga krafter vid eventuella formfel.

En generering och spridning av buller från lagerorga- nen kan såsom tidigare nämnts motverkas genom utnyttjandet av rullkroppar med en elastisk yttre beläggning eller ett elastiskt mellanlägg. Statorns plåtpaket utgör ett konstruk- tionselement med stor inre dämpning, vilket också medför en begränsning av bullret. Även den tidigare nämnda eftergiv- liga karaktären hos de ekerliknande statorstängerna 12 resp. hos den till rotorn kopplade medbringaren 13 kan bidra till att förhindra en spridning av vibrationer och buller.

Vidare kan stängerna 12 förses med svängningsdämpare, som på i och för sig känt sätt kan bestå av en massa samt en fjäder och en dämpare, som förbinder den aktuella massan med det föremål, vars svängningar skall dämpas. I vissa fall kan den önskade funktionen uppnås utan dämpare och eventuellt även utan fjäder. Ett annat sätt att begränsa bullerspridningen är att bekläda fria ytterytor hos rotorn och statorn eller fylla hålrum i dessa med material med stor inre dämpning, exempelvis vissa viskoelastiska material eller betong.

Tillverkningen av maskinen kan lämpligen inledas med en ihopmontering av statorn. Härefter kan rotorsektionerna monteras en i sänder vid statorn och sammanfogas med tidigare monterade sektioner genom lämplig hopfogning med dessa.

Om rotorn skall förses med permanentmagneter kan rotor- 526 286 sektionerna monteras med permanentmagheterna 6 i omagneti- serat eller magnetiserat tillstånd. I det förstnämnda fallet kan magnetiseringen åstadkommas genom att en eller flera av statorns poler utformas och dimensioneras för detta ända- mål samt genom utnyttjande av en lämplig temporär strömkälla.

Denna utrustning kan även användas för avmagnetisering av rotorns permanentmagneter om detta skulle var önskvärt, t.ex. av hanteringsskäl vid en eventuell demontering. Alter- nativt kan en separat magnetiseringsutrustning anbringas temporärt vid statorn.

Sammanfattningsvis kan nämnas att uppfinningen gör det möjligt att framställa elektriska maskiner, särskilt kraftverksgeneratorer för låga varvtal, med mindre material- åtgàng än tidigare, vilket medför betydande ekonomiska för- delar.

Claims (17)

10 lx) (J: 526 286 ga, 10 Patentkrav

1. Roterande elektrisk maskin, innefattande tva av en stator (3) och en rotor (1) bestående inbördes roterbara huvuddelar (l, 3), kännetecknad av - att rotorn (1) är roterbart lagrad vid statorn (3) med hjälp av i eller intill ett mellan de båda huvuddelarna (1, 3) befintligt luftgap (4) anordnade lagerorgan (5, 16) för säkerställande av en hög noggrannhet hos luftgapet (4), och - att huvuddelarnas (1, 3) diameter är väsentligen större än deras längd.

2. Elektrisk maskin enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att statorn (3) utgöres av ett radiellt inre element och rotorn (1) av ett radiellt yttre element, som sträcker sig ringformigt kring statorn (3).

3. Elektrisk maskin enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att statorn (3) uppvisar en yttre ringformig stomme, som uppbäres av en inre central statordel med hjälp av ekerlíknande dragstänger (12).

4. Elektrisk maskin enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att dragstängerna (12) är försedda med svängningsdämpare.

5. Elektrisk maskin enligt krav 3 eller 4, k ä n n e t e c k n a d av att dragstängerna (12) är inrättade att bilda en fjädrande förbindning mellan statorns yttre ringformiga stomme och den inre centrala statordelen. (Ju nu vi 5 2 6 2 8 6 šjj; 513 f; _ ';:= H

6. Elektrisk maskin enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att lagerorganen (5, 16) innefattar minst en vid den ena huvuddelen (3) anordnad, i dennas omkretsriktning kontinuerligt förlöpande lagerbana (16) samt minst en uppsättning av vid den andra huvuddelen (1) anordnade, i dennas omkretsriktning på inbördes avstånd belägna lagerkroppar (5), som är inrättade att anligga mot en med dem samverkande lagerbana (16) hos nämnda ena huvuddel (3).

7. Elektrisk maskin enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att lagerkropparna utgöres av vid nämnda andra huvuddel (1) roterbart lagrade rullkroppar (5).

8. Elektrisk maskin enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att lagerkropparna (5) utgöres av vid nämnda andra huvuddel (1) anbringade glidelement.

9. Elektrisk maskin enligt något av krav 6 - 8, k ä n n e t e c k n a d av att lagerkropparna (5) är inrättade att anligga fjädrande mot lagerbanan (16).

10. Elektrisk maskin enligt krav 9, k ä n n e t e c k n a d av att den är inrättad att medge en inställning av anliggningstrycket mellan lagerkropparna (5) och lagerbanan (16).

11. 1 1. Elektrisk maskin enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att lagerorganen (5, 16) är inrättade att verka såsom kombinerade radial- och axiallagerorgan. 'Ju l0 IJ| 5 2 6 2 8 6 ._ _ °::=

12. Elektrisk maskin enligt något av krav 6 - 11, k ä n n e t e c k n a d av att lagerkropparna (5) är försedda med inre eller yttre skikt (18) av elastiskt material.

13. Elektrisk maskin enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att den är försedd med organ i stånd att justera storleken hos luftgapet och anliggningstrycket mellan samverkande lagerorgan (5, 16).

14. Elektrisk maskin enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att rotorn (1) är elastiskt förbunden med en yttre axel (27) medelst för överföring av vridmoment mellan nämnda axel (27) och rotorn (1) tjänande medbringarorgan (l 3).

15. Elektrisk maskin enligt något av föregående krav, kä n n e t ec k n ad av att åtminstone en (1) av de båda huvuddelarna (1, 3) är uppbyggd av ett flertal i maskinens omkretsriktning efter varandra följande, med varandra förbundna sektioner (25).

16. Elektrisk maskin enligt krav 15, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda sektioner (25) är begränsat inbördes rörliga.

17. Kraftverk, innefattande en generator bestående av en roterande elektrisk maskin innefattande två av en stator (3) och en rotor (1) bestående inbördes roterbara huvuddelar (1, 3), vari - rotorn (1) är roterbart lagrad vid statorn (3) med hjälp av i eller intill ett mellan de båda huvuddelarna (1, 3) befintligt luftgap (4) anordnade lagerorgan (5, 16) för säkerställande av en hög noggrannhet hos luftgapet, och - huvuddelarnas diameter är väsentligen större än deras längd.