SE534248C2 - Omröraraggregat med rotor innefattande sektioner av synkron och asynkron typ - Google Patents

Description

534 248 maskinen. Den ökade statorströmmen leder även till ökade statorströmsförluster och minskad motorverkningsgrad.

Magnetiseringsströmkomponenten av statorströmmen ökar då antalet poler hos motorn ökar. Verkningsgraden för en jämför- bar omrörare enligt tidigare känd teknik innefattande en asynkronmotor med ett stort antal poler är vanligtvis ganska liten för en given uteffekt.

Det finns olika sätt att öka verkningsgraden genom konstruktionsändringar. Det mest kostnadseffektiva sättet att öka verkningsgraden hos en asynkronmotor för en specifik omrörare, för en given uteffekt är emellertid att använda en större motor. Detta medför emellertid att ett större statorhus är nödvändigt vilket de facto resulterar i att en ny omrörare erhålles, och inte en förbättrad omrörare med avseende på ökad verkningsgrad för en given uteffekt för en specifik omrörare. Ökningen i verkningsgrad hos en asynkronmotor hos en specifik omrörare är emellertid inte motiverad i relation till ökningen i tillverkningskostnader.

Uppfinningens syfte Den föreliggande uppfinningen syftar till att undanröja ovannämnda nackdelar hos tidigare kända omrörare, och att tillhandahålla ett förbättrat omröraraggregat. Ett primärt syfte med den föreliggande uppfinningen är att tillhandahålla ett förbättrat omröraraggregat av inledningsvis definierad typ, vilket innefattar en oförändrad stator och att samtidigt öka effektfaktorn såväl som verkningsgraden för omrörar- aggregatet för en given uteffekt.

Uppfinningen i korthet Enligt uppfinningen uppnås åtminstone det primära syftet medelst det inledningsvis definierade omröraraggregatet som har särdragen definierade i det oberoende kravet. Föredragna utföranden av den föreliggande uppfinningen är vidare defini- erade i de beroende kraven.

Enligt en första aspekt av den föreliggande uppfinningen, tillhandahàlles ett omröraraggregat av den initialt defini- erade typen, vilket kännetecknas av att motorn innefattar en 5341 248 stator och en rotor av hybridtyp, varvid rotorn av hybridtyp innefattar en rotorkärna som innefattar en ringformad, radiellt yttre sektion av asynkron typ och en ringformad, radiellt inre sektion av synkron typ anordnad radiellt inuti nämnda yttre sektion.

Således är den föreliggande uppfinningen baserad på insikten att användandet av en uppfinningsenlig hybridrotor resulterar i att fördelen med en synkronmotor kan utnyttjas, dvs. högre effektfaktor med ett större antal poler och en högre verkningsgrad till följd av minskade rotorförluster för en given uteffekt.

I ett föredraget utförande av den föreliggande uppfin- ningen, innefattar den ringformade, radiellt yttre sektionen hos hybridrotorns rotorkärna ett antal rotorspàr anordnade däri fyllda med ett ickemagnetiskt och elektriskt ledande material, vilka rotorspàr är axiellt anordnade närliggande och fördelade utmed en mantelyta hos nämnda rotorkärna. Detta innebär att vid start av omröraren kommer motorn att fungera som en asynkronmotor. Det vill säga, statorströmmen skapar ett roterande magnetfält vilket inducerar strömmar i rotorspåren, de inducerade strömmarna skapar magnetfält vilka försöker att hinna ikapp de roterande magnetfälten i statorn.

I ett föredraget utförande av den föreliggande uppfin- ningen, innefattar den ringformade, radiella inre sektionen av rotorkärnan hos rotorn av hybridtyp ett antal permanentmag- neter. Detta betyder att när hybridrotorn har tillhandahàllits en roterande rörelse kommer permanentmagneterna att ta över från rotorspåren vilket resulterar i att hybridrotorn kommer att hinna ikapp och rotera synkront med det roterande magnet- fältet hos statorn, och rotorspåren kommer att bli inaktiva.

Således, efter start av omröraren, och under normal drift, kommer motorn att fungera som en synkronmotor. Verkningsgraden hos en permanentmagnetmotor är mycket högre till följd av reducerade rotorförluster, dvs. det är ingen ström i en rotor vid den synkrona hastigheten och således är det inga rotor- strömsförluster som i asynkrona motorer. I fallet med ett stort antal poler, är statorströmmens magnetiseringsström- 534 2113 komponent också reducerad, vilket leder till en högre effekt- faktor och således minskade statorströmsförluster.

Enligt ett föredraget utförande, innefattar den ring- formade, radiellt inre sektionen av rotorkärnan ett antal axiellt anordnade V-formade spår, vilka är orienterade för att vara öppna radiellt utåt, var och en av de två yttre ändarna av det V-formade spåret avslutas närliggande och radiellt tinnanför ett rotorspàr hos den ringformade, radiellt yttre sektionen av rotorkärnan, och är separerade från nämnda rotor- spàr med en materialbrygga hos rotorkärnan. Företrädesvis är nämnda materialbrygga i området 0,5 - 2 millimeter. Därigenom är materialbryggan för smal för att magnetfältet skall läcka därigenom och materialbryggan kommer att mättas vilket vidare förhindrar magnetfältet att kortsluta en pol med en närligg- ande pol.

Kortfattad beskrivning av ritningarna En mer fullständig förståelse av ovannämnda och andra särdrag och fördelar hos den föreliggande uppfinningen kommer att framgå från de andra beroende kraven så väl som av den följande detaljerade beskrivningen av föredragna utföranden tillsammans med de bifogade ritningarna, vari: Fig. 1 är en sidovy av omröraraggregatet, Fig. 2 är en schematisk sidovy av en drivaxelenhet innefattande en hybridrotor delvis i tvärsnitt, Pig. 3 är en schematisk perspektivvy av en stator och en hybridrotor delvis i tvärsnitt, Fig. 4 är en schematisk vy ovanifrán av en rotorkärna, Fig. 5 är en schematisk vy ovanifrán av drivaxelenheten enligt figur 2, Fig. 6 är en förstorad vy ovanifrán av en del från ett alternativt utförande av rotorkärnan, och Fig. 7 är en förstorad vy ovanifrán av en del från ett annat alternativt utförande av rotorkärnan. 534 248 Detaljerad beskrivningéav föredragna utföranden av uppfinningen I figur l visas en omrörare l, eller ett omröraraggregat.

Omröraren l innefattar ett hus 2, även känt som statorhus, och en propeller 3 med en sugsida S och en trycksida P. En elekt- risk kabel 4 sträcker sig från omröraren 1 och är anordnad att anslutas direkt till elnätet, dvs. omröraren l behöver inte någon variabelfrekvensdrivenhet (VFD) eller liknande för att stegra statorströmmen vid start av omröraren 1. En dylik omrörare 1 är också känd som en nätstartad omrörare.

Hänvisningar görs nu till figurerna 2 och 3. Omrörare 1 innefattar en motor, generellt betecknad 5, och en drivaxel 6 som sträcker sig från nämnda motor 5 till propellern 3 hos omröraren l, dvs. propellern 3 är monterad på den undre änden av drivaxeln 6. Propellern 3 är vid drift driven av motor 5 för rotation kring en propelleraxel A för att generera ett vätskeflöde fràn sugsidan S till trycksidan P hos propellern 3. Propellern 3 innefattar ett nav och en eller flera skovlar.

Motorn 5 innefattar en stator 7, vilken företrädesvis är densamme som används i en jämförbar omrörare enligt tidigare känd teknik, dvs. det uppfinningsenliga omröraraggregatet 1 innefattar samma stator 7 som det tidigare kända omrörar- aggregat som innefattar en helt asynkron motor. Emellertid bör det påpekas att en synkron stator och en asynkron stator är likvärdiga med avseende pà det uppfinningsenliga omrörar- aggregatet 1. Statorn 7, i det visade utförandet, innefattar ett antal ringformade statorplattor 8 staplade på varandra, vilka är tillverkade av ett magnetiskt material, exempelvis en metall såsom järn. Stapeln av statorplattor 8 innefattar ett antal axiellt sig sträckande tänder 9, vilka skjuter ut inåt och är separerade av statorspår 10. Statorlindning ll, vilken är schematiskt visad i figur 3, är anordnad i statorspåren 10 på ett konventionellt sätt, så att magnetfältet kommer att rotera längs stator 7 runt propelleraxeln A då omröraren l, dvs. statorlindningen ll, anslutes till elnätet.

Hänvisningar görs nu även till figurerna 4 och 5. I tillägg till stator 7 innefattar motorn 5 en hybridrotor, generellt betecknad 12. Hybridrotorn 12 innefattar en 534 248 rotorkärna 13, vilken kan vara en stapel av åtskilliga rotor- plattor 14, såsom visas i figur 2, eller kan vara gjuten i ett stycke, såsom visas i figur 3. Rotorkärnan 13 är tillverkad av ett magnetiskt material, exempelvis metall såsom järn. Det är nödvändigt att rotorkärnan 13 innefattar en ringformad, radiellt yttre sektion 15 av asynkron typ och en ringformad, radiellt inre sektion 16 av synkron typ anordnad radiellt innanför nämnda yttre sektion, se figur 4 i vilken bredden av varje ringformad sektion är indikerad. Den ringformade yttre sektionen 15 av asynkron typ är anordnad att vara aktiv enbart vid start av motor 5 och den ringformade inre sektionen 16 av synkron typ är anordnad att vara positivt aktiverad efter det att hybridrotorn 12 har erhàllit en roterande rörelse och under normal drift.

Enligt ett föredraget utförande av uppfinningen, inne- fattar den ringformade, radiellt yttre sektionen 15 av rotor- kärnan 13 hos hybridrotorn 12 ett antal rotorspàr 17 anordnade däri. I det föredragna utförandet, visat i figurerna 4 och 5, är varje rotorspàr 17 avgränsat av en rak basvägg från vilken två sidoväggar divergerar utåt, varvid nämnda sidoväggar är förbundna medelst en halvcirkulär toppvägg. Rotorspàren 17 är axiellt anordnade närliggande och fördelade utmed en mantelyta hos nämnda rotorkärna 13. Vid tillverkningen av rotorkärnan 13, är varje rotorspàr 17 företrädesvis helt avgränsad av rotorkärnan 13, för att underlätta tillverkningen av rotor- kärnan 13, exempelvis genom stansning av rotorplattorna 14.

Den färdiga hybridrotorn 12 innefattar en materialbrygga 18, anordnad mellan den radiellt mest yttersta delen av rotor- spåret 17 och mantelytan hos rotorkärnan 13, vilken material- bryggan 18 företrädesvis är inom området O-2 millimeter i radiell riktning. Den slutliga bredden hos nämnda material- brygga 18 uppnås medelst bearbetning, exempelvis svarvning av hybridrotorn 12, vilken bearbetning även görs för att balans- era hybridrotorn. Således, under normal drift av omröraren 1 då en materialbrygga saknas eller en tunn materialbrygga 18 finns mellan den radiellt mest yttersta delen av rotorspàret 17 och mantelytan hos rotorkärnan 13, kommer magnetfältet att hindras från att läcka. Antingen pà grund av att en material- 534 248 brygga saknas eller på grund av att en tunn materialbrygga kommer att mättas, vilket förhindrar magnetfältet att läcka.

Rotorspåren 17 är åtskilda av rotortänder 19, vilka ansluter den ringformade, inre sektionen 16 med mantelytan hos rotor- kärnan 13. Tack vare rotorspårens 17 föredragna form, sett från en tillverkningssynvinkel, är bredden av den huvudsakliga delen av varje rotortand 19 enhetlig, se figur 3. Således är de angränsande sidoväggarna hos två intilliggande rotorspår 17 företrädesvis parallella med varandra.

Rotorspåren 17 är fyllda med rotorspàrsfyllning 20, se figurerna 2 och 5, tillverkat av ett ickemagnetiskt material, exempelvis aluminium, i vilken en elektrisk ström kan induceras. I den övre och undre änden av hybridrotorn 12 är rotorspårsfyllningarna 20 sammanfogade medelst en övre ring 21 och en undre ring 22, av samma material som rotorspàrsfyll- ningarna 20. Den övre ringen 21, den undre ringen 22 och rotorspårsfyllningarna 20 är tillsammans kända som en rotor- bur. Rotorburen kan gjutas i ett stycke, eller rotorspárs- fyllningarna 20 kan vara förgjutna stavar, vilka är införda i rotorspàren 17 och förenade med den övre ringen 21 respektive den undre ringen 22.

Hänvisningar görs nu till figurerna 6 och 7, vilka beskriver exempel på alternativa utföranden av rotorspàren.

Rotorspåren 17' enligt figur 6 innefattar en förlängning i form av en cirkulär topp placerad på toppen av rotorspàren 17 enligt det föredragna utförandet, och rotorspàren 17" enligt figur 7 innefattar en förlängning i formen av en flaskhals placerad på toppen av rotorspàren 17 enligt det föredragna utförandet. De visade alternativa utförandena, såväl som deras ekvivalenter, är fullt utbytbara med det föredragna utförandet enligt figur 4.

Enligt ett föredraget utförande av uppfinningen innefattar den ringformade, radiellt inre sektionen 16 av rotorkärnan 13 hos hybridrotorn 12 ett antal V-formade spår 23 anordnade däri, se figur 4. De V-formade spåren 23 är axiellt anordnade i rotorkärnan 13 och är orienterade att vara öppna radiellt utåt. Var och en av ytterändarna hos de två benen hos det V- formade spåret 23 avslutas angränsande och radiellt innanför 534 248 ett rotorspår 17 hos den ringformade, radiellt yttre sektionen 15 av rotorkärnan 13, och àtskiljs från nämnda rotorspår 17 av en materialbrygga 24 hos rotorkärnan 13. I det visade utför- andet är de två angränsande benen hos två intilliggande V- formade spår 23 avslutade radiellt innanför samma rotorspår 17.

I det föredragna utförandet av hybridrotorn 12 innefattar den ringformade inre sektionen 16 av rotorkärnan 13 hos hybridrotorn 12 ett antal permanentmagneter 25, vilka är införda i nämnda V-formade spår 23 så att varje V-format spår 23 bildar en pol 26 hos hybridrotorn 12. Permanentmagneterna 25 är kubformade, och i det föredragna utförandet är två, tre eller flera axiellt anordnade permanentmagneter 25 införda i varje ben av det V-formade spåret 23. Användandet av flera permanentmagneter 25 i varje ben hos det V-formade spåret 26 kommer från svårigheten att tillverka långa, tunna och breda permanentmagneter 25. Det bör påpekas att basen hos de V- formade spåren 23 så väl som de yttre ändarna av varje ben hos de V-formade spåren 23 är fyllda med luft, eller någon annan lämplig gas. Varannan pol 26 är "positiv" och alla andra poler 26 är "negativa". I det visade utförandet innefattar hybrid- rotorn 12 tolv poler 26, detta resulterar i att under normal drift av omröraren 1 kommer hybridrotorn 12 och således propellern 3 att rotera med 500-600 rpm vid försörjning direkt från elnätet med en frekvens av 50-60 Hz. Det skall påpekas att när försörjningen sker vid en annan frekvens kommer pro- pellern 3 att rotera med en annan hastighet.

Materialbryggan 24 mellan var och en av ytterändarna hos det V-formade spåret 23 och närmaste rotorspår 17 är före- trädesvis i området 0,5-2 millimeter. Materialbryggan 24 bör vara så smal som möjligt för att undvika läckage av magnet- flöde och samtidigt så stor som möjligt för att hålla samman rotorkärnan 13. För det givna området är materialbryggan 24 tillräckligt smal för att undvika ett stort läckage av magnetflöde och materialbryggan 24 kommer att mättas vilket vidare förhindrar att magnetflödet kortsluter en pol 26 med en intilliggande pol 26. Det är viktigt att det magnetfältet hos 534 248 varje pol 26 är radiellt riktat mot mantelytan hos hybrid- rotorn 12.

I teorin är det viktigt för en god funktion hos den uppfinningsenliga hybridrotorn 12 att permanentmagneterna 25 är anordnade så nära centrum hos hybridrotorn 12 som möjligt vid start av motorn 5 eftersom de kommer att ha en negativ effekt på startprestandan hos motor 5, och anordnade så nära mantelytan av hybridrotorn 12 som möjligt under normal drift av omröraren 1. Således bör permanentmagneterna 25 placeras så nära mantelytan hos hybridrotorn 12 som möjligt utan att hindra starten av motor 5. Enligt det föredragna utförandet av den uppfinningsenliga hybridrotorn 12 är de radiellt yttre ändarna av permanentmagneterna 25 placerade på ett avstånd från hybridrotorns 12 centrum som är mindre än 80% av hybridrotorns 12 radie.

Den totala permanentmagnetarean per pol 26 sett i ett tvärsnitt enligt figur 5, är i området 100-300 kvadratmilli- meter, och permanentmagneterna är av Neodym-järn-bor (NdFeB) typ, för att uppnå en korrekt funktion hos motorn 5 vid normal drift av motorn 5 utan att hindra starten av motorn 5. Före- trädesvis är vinkeln a mellan benen hos det V-formade spåret 23, och således mellan permanentmagneterna 25 i en pol 26, i området 36-80 grader.

Den totala rotorspårsarean per pol 26, sett i ett tvär- snitt enligt figur 4, är i området 200-300 kvadratmillimeter, för att åstadkomma en korrekt funktion hos motorn 5 vid start av motorn 5 utan att hindra den normala funktionen hos motor 5. Företrädesvis är antalet rotorspår 17 per pol 26 i området 3-7. Antalet rotorspår 17 och den totala rotorspårsarean per pol 26 påverkar statorn 7 förmåga att inducera ström i rotor- spårsfyllningarna 20 vid start av motorn 5, vilkas inducerade strömmar är starka nog att generera magnetfält som är till- räckligt starka för att följa det roterande magnetfältet hos statorn 7. Således används rotorspåren 17, dvs. den ring- formade, radiellt yttre sektionen 15, för att få hybridrotorn 12 att rotera asynkront med elförsörjningen. Därefter kommer permanentmagneterna 25, dvs. den ringformade, radiellt inre 534 248 l0 sektionen 16, att få hybridrotorn 12 att rotera synkront med elförsörjningen.

Företrädesvis är den totala bredden hos rotortänderna 19 per pol 26 i omkretsriktningen, mindre än 2,5 ggr den totala bredden hos rotorspåren 17 per pol 26, i omkretsriktningen Enligt uppfinningen är verkningsgraden hos ett uppfin- ningsenligt omröraraggregat 1, enligt figurerna, innefattande samma stator 7 som en jämförbar omrörare enligt tidigare känd teknik och en hybridrotor 12 med tolv poler, omkring 10 procentenheter bättre än den jämförbara omröraren med en helt asynkron motor för en given uteffekt. Detta medför en mycket lägre energikostnad per år och det är även möjligt att få ut mer effekt från det förbättrade omröraraggregatet 1. Som ett exempel är det möjligt att få ut över 9 kW från omrörar- aggregatet 1 innefattande en hybridrotor 12, i relation till den maximala uteffekten på 5,5kW för samma omrörare inne- fattande en helt asynkron motor.

Tänkbara modifikationer av uppfinningen Uppfinningen är inte begränsad till enbart de utföranden som är beskrivna ovan och visade i ritningarna, vilka primärt har ett illustrativt och exemplifierande syfte. Denna patent- ansökning är tänkt att täcka alla justeringar och varianter av de föredragna utförandena beskrivna häri, således är den föreliggande uppfinningen definierad av ordalydelsen hos de bifogade kraven och ekvivalenter därav. Således kan omrörar- aggregatet modifieras på alla möjliga sätt inom ramen för de bifogade kraven.

Det skall påpekas att omrörare och omröraraggregat används som utbytbara uttryck.

Det skall också påpekas att all information om/rörande termer såsom över, under, undre, övre etc. skall förstås/läsas med utrustningen orienterad enligt figurerna, med ritningarna orienterade så att hänvisningarna kan läsas på ett korrekt sätt. Således indikerar dylika termer inbördes relationer i de visade utförandena, vilka relationer kan ändras om den uppfin- ningsenliga utrustningen tillhandahålls en annan konstruk- 534 248 tion/design. Till detta skall det tilläggas att figurerna inte är ritade skalenliga.

Det skall också påpekas att även om det inte är explicit uttryckt att särdrag från ett specifikt utförande kan kombi- neras med särdrag från ett annat utförande, skall kombina- tionen betraktas som självklar, om kombinationen är möjlig.

Genomgàende i denna beskrivning samt i kraven som följer, om inte sammanhanget kräver något annat, skall ordet "inne- fatta" och dess varianter såsom "innefattar" eller "innefatt- ande" tolkas att innebära medräknande av ett bestämt antal enheter eller steg eller grupper av enheter eller steg men inte undantagande av andra enheter eller steg eller grupper av enheter eller steg.

Claims (9)

534 248 Patentkrav

1. l. Omröraraggregat för qenerering och upprätthållning av rörelse i en vätskevolym, varvid omröraraggregatet (1) inne- fattar en motor (5), en drivaxel (6) och en propeller (3) förbunden med drivaxeln (6), varvid propellern (3) vid drift drivs av motorn (5) för rotation kring en propelleraxel (A), nämnda motor (5) innefattar en stator (7) och en rotor (12) av hybridtyp, varvid hybridrotorn (12) innefattar en rotorkärna (13) innefattande en ringformad, radiellt yttre sektion (15) av asynkron typ och en ringformad, radiellt inre sektion (16) av synkron typ anordnad radiellt innanför nämnda yttersektion (15), kännetecknat av att den ringformade, radiellt inre sektionen (16) hos rotorkärnan (13) innefattar ett antal axiellt löpande V-formade spår (23) vilka är orienterade att vara öppna radiellt utåt, och permanentmagneter (25) är införda i nämnda V-formade spår (23) så att varje V-format spår (23) utgör en pol (26) hos hybridrotorn (12), och vari vinkeln (u) mellan benen av respektive V-format spår (23) är i området 36-80 grader, samt vari vinkeln (a) och antalet poler (26) är vald med avseende på frekvensen hos motorns växelströmsförsörjning för att tillhandahålla omröraraggregatets propeller en rotationshastighet om 500 till 600 varv per minut.

2. Omröraraggregat enligt krav l, vari den ringformade radiellt yttre sektionen (15) hos hybridrotorns (12) rotor- kärna (13) innefattar ett antal rotorspår (17) anordnade däri fyllda med ett ickemagnetiskt och elektriskt ledande material, vilka rotorspår (17) är axiellt anordnade närliggande och fördelade utmed en mantelyta hos nämnda rotorkärna (13). 534 248 xâ

3. Omröraraggregat enligt krav l eller 2, vari var och en av ytterändarna hos de två benen hos det V-formade spåret (23) avslutas närliggande och radiellt innanför ett rotorspår (17) hos den ringformade, radiellt yttre sektionen (15) hos rotorkärnan (13), och separeras från nämnda rotorspår (17) av en materialbrygga (24) hos rotorkärnan (13).

4. Omröraraggregat enligt krav 3, vari bredden hos material- bryggan (18) mellan var och en av ytterändarna av de två benen hos det V-formade spåret (23) och närmaste rotorspår (17) är i området 0,5-2 millimeter i den radiella riktningen.

5. Omröraraggregat enligt något av föregående krav, vari den totala permanentmagnetarean per pol (26) är i området l00-300 kvadratmillimeter, och permanentmagneterna (25) är av typen Neodym-Järn-Bor (NdFeB).

6. Omröraraggregat enligt något av kraven 2-5, vari den totala rotorspårsarean per pol (26) är i området 200-300 kvadrat- millimeter.

7. Omröraraggregat enligt något av kraven 2-6, vari antalet rotorspår (17) per pol (26) är i området 3-7.

8. Omröraraggregat enligt något av föregående krav, vari den radiellt yttre änden av permanentmagneterna (25) är placerad på ett avstånd från centrum av hybridrotorn (12) som är mindre än 80% av radien hos hybridrotorn (12).

9. Omröraraggregat enligt något av föregående krav, vari antalet poler (26) hos hybridrotorn (12) är tolv.