NO333881B1

NO333881B1 - Rotor omfattende segmentert åk

Info

Publication number: NO333881B1
Application number: NO20120365A
Authority: NO
Inventors: Gunnar Johnsen; Charles Skar
Original assignee: Rolls Royce Marine As
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2013-10-07
Also published as: KR20140143356A; BR112014022516A2; NO20120365A1; ES2769501T3; KR102269299B1; EP2831979A4; WO2013147615A1; US20150048701A1; BR112014022516A8; EP2831979A1; EP2831979B1; PL2831979T3; DK2831979T3; US10468925B2

Abstract

Rotor for motor eller generator, hvilken rotor (11) omfatter en rotorring (12), hvilken rotor omfatter et åk dannet av åksegmenter (13) som ved anordning til rotorringen (12) danner et komplett åk. Åksegmentene (13) er forsynt med ett eller flere magnetemner (19), hvilke magnetemner (19) er dannet av en eller flere permanentmagneter (18).

Description

Rotor omfattende segmentert åk

Den foreliggende oppfinnelsen gjelder en rotor for motor eller generator hvor rotoren omfatter et segmentert åk, spesielt for motorer og generatorer basert på permanentmagneter, i samsvar med innledningen til patentkrav 1.

Bakgrunn

Permanentmagnetmotorer har stadig blitt mer populære på grunn av deres anvendelighet. Det er et stadig er mer fokus på produksjonskostnader, fremstilling av monteringsvennlige løsninger, samt at løsningene skal være servicevennlige, noe dagens løsninger feiler med å oppvise. Dagens løsninger medfører også at vedlikehold av motorer og generatorer er kompliserte og kostbare.

Normalt så blir åket til en rotor for en motor eller generator laget som en komplett ring, noe som fordyrer og kompliserer fremstillingen, spesielt i forbindelse med store motorer eller generatorer. Ved bruk av et åk som en ring så er man avhengig av å maskinere et stort åk og antallet maskiner som kan håndtere dette er begrenset. Det er derfor et stort behov for å komme med løsninger som forenkler fremstillingen, gir bedre produksjonsmuligheter, sparte kostnader, enklere sammenstilling av sluttproduktet, samt med høyre servicevennlighet.

Fra tidligere er det kjent å seksjonere stator for en permanentmagnetmotor med tanke på enklere produksjon og sammenstilling av sluttproduktet.

Fra NO 331238 Bl er det kjent arrangement og fremgangsmåte for beskyttelse, montering og fastholding av magnetiske poler bestående av permanentmagneter i store elektriske maskiner. Hver pol omfatter en eller flere permanentmagnet-polelementer, hvilket polelement er tiltenkt å monteres på rotoråket til en elektrisk maskin.

US 2005/0225192 Al beskriver et rotorarrangement for en elektrisk maskin som har en rotorkropp og permanentmagneter innkapslet i rotorkroppen.

Fra US 2005/0225190 Al er det kjent rotor for børsteløs motor og børsteløs motor. Oppfinnelsen tilveiebringer en innretning som sikkert kan forhindre tomgangskjøring og spredning av magnet samtidig som den medfører så lave produksjonskostnader som mulig for en rotor som skal brukes i en børsteløs motor.

Formål

Hovedformålet med den foreliggende oppfinnelsen er å tilveiebringe en rotor som løser de ovenfor nevnte ulempene med kjent teknikk.

Det er videre et formål med den foreliggende oppfinnelsen å tilveiebringe en rotor som omfatter et segmentert åk som kan brukes til en motor eller generator.

Det er videre et formål at permanentmagneter kan monteres til rotoren før eller etter at segmentene er montert sammen til et komplett åk.

Det er også et formål med den foreliggende oppfinnelsen å tilveiebringe en rotor som omfatter et segmentert åk hvor segmentene er innrettet slik at propellblad, akslinger eller tilsvarende kan monteres direkte til segmentene.

Oppfinnelsen

En rotor for motor eller generator i samsvar med oppfinnelsen er angitt i patentkrav 1. Fordelaktige trekk ved rotoren er angitt i de øvrige patentkravene.

Den foreliggende oppfinnelsen beskriver oppbygging av en rotor basert på permanentmagnet-teknologi. Spesielt er den foreliggende oppfinnelsen rettet mot bruken av en rotor med et segmentert åk hvor sluttproduktet kan være enten en motor eller en generator.

Utformingen og antallet åksegmenter er tilpasset de ønskede spesifikasjonene for rotoren.

Med en rotor med segmentert åk kan permanentmagnetene produseres separat og deretter monteres på åksegmentene, fortrinnsvis som magnetemner, hvilket vil si at flere permanentmagneter er anordnet til hverandre før anordning til åksegmentet.

Antallet permanentmagneter i hvert magnetemne og på hvert åksegment er tilpasset deønskede spesifikasjonene for rotoren.

Selve åksegmentet kan være dannet av stål, et materiale som tilfredsstiller det elektriske

designet eller lignende, eller åksegmentet kan f. eks. være dannet av lamineringsblikk av samme type blikk som stator for motoren eller rotoren er laget av. En fordel med å benytte lamineringsblikk er at man da reduserer tapet i rotoren, dvs. tap som er generert av virvelstrømmer ("eddy currents"), samt at hysterese blir redusert.

Lamineringsblikk som danner et åksegment kan ligge i radiell eller aksiell retning.

Etter at åksegmentene er ferdig produsert anordnes de fast på en rotorring ved hjelp av egnede festemidler, så som bolter eller lignende. Rotorringen kan eksempelvis være propellrøret til en thruster, vinsj, rormaskin, asimut-thruster eller lignende.

Magnetemnene kan monteres før eller etter at åksegmentene er montert sammen for å danne et komplett åk.

Normalt så blir et åk for en rotor laget som en komplett ring, hvilket i mange tilfeller gjør produksjon og sammenstilling av rotor komplisert.

Ved å dele opp åket i flere segmenter vil man oppnå forenklet produksjon og sammenstilling av rotor. Ved bruk av en rotor som omfatter et komplett åk så er man avhengig av å maskinere et stort åk, dvs. en stor ring, og antallet maskiner som kan håndtere dette er begrenset. Ved å produsere åket i segmenter som i den foreliggende oppfinnelsen så oppnår man langt større produksjonsmuligheter (kapasitet). Ettersom åksegmentene gjør at man får mindre og lettere deler å håndtere gjør det at sammenstillingen av åket, samt sluttproduktet blir enklere.

En annen fordel med den foreliggende oppfinnelsen er at ved vedlikehold av en motor eller generator som omfatter en rotor i samsvar med oppfinnelsen så kan magnetene enkelt skiftes ut dersom de er ødelagt.

Som nevnt ovenfor så monteres magnetemner omfattende permanentmagneter til hvert segment, hvorav antallet Nord- og Sør-magneter kan variere. Flere permanentmagneter kan limes sammen for å danne magnetemner før de anordnes til åksegmentet.

Magnetemnene kan monteres til åksegmentet og korrosjonssikres på forskjellige måter. En måte er at magnetemnene er anordnet i en egnet innkapsling som er tilpasset for festing til åksegmentet. Et annet alternativ er at magnetemnene festes direkte til åksegmentet ved hjelp av liming, i kraft av permanentmagnetenes magnetisk kraft eller lignende, hvoretter permanentmagnetene innkapsles mens de er montert til åksegmentet. Et tredje alternativ er at magnetemner som allerede er innkapslet limes til åksegmentet. Et fjerde alternativ er at magnetemnene er anordnet til en bærer som er tilpasset for å festes til åksegmentet og at en innkapsling tilpasses til åksegmentet etter montering av magnetemnene. Andre egnede varianter kan også benyttes.

Innkapslingene kan være av flere typer, så som et egnet materiale som tilordnes permanentmagnetene før eller etter at de er anordnet til åksegmentet eller som en egen innkapsling av for eksempel et rustfritt metall, kompositt, glassfiber, elastomer eller lignende. For å gjøre innkapslingen tett kan det tilpasses en pakning eller tetningsmiddel mellom innkapslingen og åksegmentet eller at innkapslingen påføres et tetningsmiddel etter montering.

Alternativt kan både åksegmentet og magnetene innkapsles sammen i et egnet materiale, eksempelvis komposittmateriale, glassfiber, elastomer eller lignende.

De ovenfor nevnte alternativene for innkapsling kan også kombineres.

Permanentmagnetene er fortrinnsvis avmagnetisert i forbindelse med anordning til åksegmentet, men kan også være magnetisert avhengig av ønsket monteringsmåte. Eksempelvis kan et åksegment omfatte tre magnetemner som hver inneholder fire permanentmagneter.

Åksegmentet har fortrinnsvis en utforming som er tilpasset slik at det totale åket med magnetemner danner en rotor med en nøyaktig ytre eller indre omkrets.

Ytterligere fordelaktige trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av den etterfølgende eksempelbeskrivelsen.

Eksempel

Oppfinnelsen vil nedenfor bli detaljert beskrevet med henvisning til de vedlagte tegningene, hvor:

Fig. 1 viser en perspektiv/tegning av en rotor i samsvar med oppfinnelsen,

Fig. 2a-b viser ulike snitt av rotoren i Fig. 1,

Fig. 3a-c viser detaljer ved et åksegment,

Fig. 4 viser detaljer ved permanentmagneter,

Fig. 5 viser et eksempel på innkapslinga av åksegmenter, og

Fig. 6a og 6b viser eksempler på åksegmenter dannet av lamineringsblikk.

Henviser nå til Fig. 1 som viser en rotor 11 for en motor eller generator i samsvar med oppfinnelsen. Rotoren 11 omfatter en rotorring 12, eksempelvis i form av et propellrør for en thruster, hvilket er en applikasjon hvor den foreliggende oppfinnelsen er anvendbar. Videre omfatter rotoren 11 i samsvar med oppfinnelsen et åk dannet åksegmenter 13 som er anordnet til rotorringen 12 ved hjelp av egnede festemidler 14, så som bolter.

Henviser nå til Fig. 2a-b som viser to ulike snitt av rotoren i Fig. 1. Som vist i Fig. 2a så er rotorringen 12 fortrinnsvis forsynt med en utragende del 15 som strekker seg sentralt med en gitt bredde og høyde langs hele rotorringens 12 omkrets. Som vist i Fig. 2b omfatter den utragende delen 15 festemidler 16, så som gjengede hull, tilpasset festemidlene 14 for fiksering av åksegmenter 13 til rotorringen 12. Hvert åksegment 13 er videre forsynt med en eller flere styrepinner 17 (vist i Fig. 2b), i eksempelet bare vist en styrepinne, og rotorringen 12 er forsynt med et eller flere hull for en styrepinne 17, eller vice versa, hvilke(n) styrepinne(r) 17 og hull benyttes for å posisjonere åksegmentene 13 i forhold til rotorringen 12 og i forhold til hverandre.

Henviser nå til Fig. 3a-c som viser detaljer ved et åksegment 13 forsynt med permanentmagneter 18. Permanentmagnetene 18 er fortrinnsvis tilordnet i magnetemner 19, i eksempelet tre magnetemner 19 for hvert åksegment 13, hvor hvert magnetemne 19 består av fire permanentmagneter 18, hvor antallet Nord- og Sør-magneter kan variere, anordnet i lengderetning av åksegmentet 13. Antallet magnetemner 19/permanentmagneter 18 på hvert åksegment 13 kan variere og er tilpasset deønskede spesifikasjonene for rotoren 11.

For at åksegmentene 13 med magnetemner 19 skal danne et komplett åk med nøyaktig ytre omkrets har åksegmentene 13 en utforming som er tilpasset slik at når alle åksegmentene 13 med magnetemner 19 er montert til rotorringen 12 vil sluttproduktet ha en ring med nøyaktig ytre omkrets. Dersom det er en ytre rotor vil åksegmentene være anordnet på innsiden av rotorringen 12 og dermed danne en nøyaktig indre omkrets.

Etter at åksegmentene 13 er ferdigprodusert, dvs. forsynt med permanentmagneter 18 så blir åksegmentene 13 montert til rotorringen 12 ved hjelp av de egnede festemidlene 14. Som det kan ses av Fig. 3c så er festemidlene for festing av åksegmentene 13 til rotorringen 13 anordnet slik at de er plassert utenfor permanentmagnetene, og på denne måten vil de ikke forringe permanentmagnetenes virkning.

Fortrinnsvis monteres åksegmentene 13 med sin lengderetning i tverretning av rotorringen 12, men det motsatte er også en mulig løsning. Det vil også være mulig å montere magnetemnene 19/permanentmagnetene 18 til åksegmentene 13 etter at åksegmentene 13 er montert sammen for å danne et komplett åk, dvs. montert til rotorringen 12.

De ovenfor nevnte magnetemnene 19 er fortrinnsvis dannet ved at permanentmagnetene 18 er limt sammen. Magnetemnene 19 kan anordnes til åksegmentene 13 på flere måter. En måte er å feste magnetemnene 19 direkte til åksegmentene 13 ved hjelp av liming, magnetisk kraft eller lignende. Magnetemnene 19 er videre fordelaktig innkapslet i et materiale som sikrer permanentmagnetene 18 mot korrosjon. Et alternativ til dette vil eksempelvis være å anordne en egnet innkapsling til magnetemnene 19 etter at magnetemnene 19 er anordnet til åksegmentet 13. Magnetemnene 19 kan også være anordnet i en egnet innkapsling før de monteres til åksegmentet 13. Et annet alternativ er at magnetemnene 19 er anordnet til en bærer som er tilpasset for å festes til åksegmentet 13 sammen med en av de ovenfor beskrevne alternativene for innkapsling. Andre egnede varianter kan også benyttes.

Innkapslingene kan være av flere typer, så som et egnet materiale som tilordnes på magnetemnene 19 før eller etter at de er anordnet til åksegmentet 13 eller som en egen innkapsling av et rustfritt metall, et komposittmateriale, glassfiber, elastomer eller lignende. Ved bruk av en egen innkapsling er det fordelaktig tilpasset en pakning eller et tetningsmiddel mellom innkapslingen og åksegmentet 13, eller at innkapslingen påføres et tetningsmiddel etter montering for å gjøre den fullstendig tett. En annen variant kan være sveising av skjøten mellom innkapsling og åksegment 13. Dersom sveising benyttes er det en fordel at permanentmagnetene 18 er avmagnetiserte når sveisingen utføres slik at permanentmagnetene ikke skades av varmen under denne prosessen.

Det vil også være mulig å danne magnetemnene 19 gjennom at permanentmagnetene 18 limes både til hverandre og til åksegmentet 13 ved montering dersom det erønskelig.

En fordelaktig innkapsling av åksegmentene 13 og magnetemnene 19 er vist i Fig. 5.1 Figur 5 er det vist en løsning hvor både åksegmentet 13 og magnetemnene 19 er innkapslet i et egnet materiale, eksempelvis glassfiber, elastomer, kompositt eller lignende, slik at åksegmentet 13 og magnetemnene 19 utgjør en innkapslet enhet 50 som er tilpasset for montering til rotorringen 12.

Videre er åksegmentene 13 spesielt utformet slik at de ved anordning til rotorringen 12 danner et komplett åk. Åksegmentene 13 er for dette eksempelvis utformet med en hovedsakelig flat base 20 som ved sine ender har oppad ragende sider 21a-b som rager svakt skrått utover fra basen 20 mot en øvre overflate 22 som har en noe lengre utstrekning enn basen 20. Den øvre overflaten 22 har et midlere flatt parti 22a som strekker seg parallelt med basen 20, samt på hver side av det midlere partiet 22a svakt skrånende flater 22a-b som skrår ned mot sidene 21a-b. På denne måten vil åksegmentene 13 anordnes tett inntil nærliggende åksegmenter 13 og når rotorringen 12 er dekket av åksegmenter 13 langs sin omkrets er det dannet et komplett åk med permanentmagneter 18 på rotorringen 12 som har en nøyaktig ytre omkrets for en indre rotor.

Åksegmentene 13 anordnes fordelaktig med sin lengderetning i tverretning av rotorringen 12 og har fordelaktig en størrelse i lengderetning som tilsvarer bredden til den utragende delen 15 av rotorringen 12. Videre har åksegmentene 13 en tykkelse som er tilpasset slik at magnetemnene 19 anordnet på åksegmentene 13 danner en del av den ytre omkretsen til rotoren.

Åksegmentene vil dermed sikre at det er lik avstand mellom magnetemnene etter montering. Avstanden mellom magnetemnene vil være naturligvis være avhengig av design og sluttprodukt, men det fakta at det er en avstand mellom magnetemnene, dvs. magnetene, vil gjøre det lettere å magnetisere magnetene etter at de er montert, da denne avstanden gjør at magnetiseringspulsen kan styres korrekt. Denne avstanden sikrer med andre ord at man ikke får uønsket N-S-magnetkonflikt i forbindelse med magnetisering.

Nøyaktigheten i selve monteringen av åksegmentene til rotorringen ivaretas gjennom korrekt maskinering i henhold til toleranser og bruken av styrepinne(r) og tilsvarende hull.

De ovenfor beskrevne utførelsesformene har tatt utgangspunkt i et åksegment utformet i støpestål, men åksegmentet kan også være dannet plater 61 av lamineringsblikk, dvs. av samme type blikk som stator er laget av, som er limt sammen og varmeherdet for å gi en fast konstruksjon. Bruk av lamineringsblikk vil redusere tapet i rotoren, dvs. tap som er generert av virvelstrømmer ("eddy currents"), samt at hysterese blir redusert.

I Fig. 6a er det vist en løsning hvor plater 61 av lamineringsblikk som strekker seg i tversgående retning av åksegmentet 13.

I Fig. 6b er det vist en løsning hvor plater 61 av lamineringsblikk som strekker seg i langsgående retning av åksegmentet 13.

Modifikasjoner

Rotorringen kan være forsynt med flate partier eller kurver der hvor åksegmentene skal anordnes for lettere montering.

Åksegmentene kan være forsynt med en base som er tilpasset den ytre omkretsen til rotorringen slik at de ved montering til rotorringen kommer helt inntil rotorringen, eksempelvis kurvet slik at de følger profilen til rotorringen.

Rotorringen kan også være delt opp i seksjoner som monteres sammen til en komplett rotorring. Fortrinnsvis er segmentene da tilpasset slik at åksegmentene kan anordnes til rotorring-segmenter og at rotorring-segmentene med åksegmenter settes sammen til slutt og danner en komplett rotor for motor eller generator.

Claims

1. Rotor for motor eller generator, hvilken rotor (11) omfatter en rotorring (12),karakterisert vedat rotoren omfatter et åk dannet av åksegmenter (13), hvilke åksegmenter (13) ved anordning til rotorringen (12) danner et komplett åk.

2. Rotor i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat åksegmentene (13) er forsynt med ett eller flere magnetemner (19), hvilke magnetemner (19) er dannet av en eller flere permanentmagneter (18).

3. Rotor i samsvar med patentkrav 2,karakterisert vedat magnetemnenes (19) permanentmagneter (18) er limt sammen eller dannet av permanentmagneter (18) anordnet til en bærer innrettet for å festes til åksegmentene (13).

4. Rotor i samsvar med patentkrav 1-3,karakterisert vedat magnetemnene (19) er anordnet til åksegmentene (13) ved hjelp av liming, magnetisk kraft eller lignende.

5. Rotor i samsvar med patentkrav 2,karakterisert vedat magnetemnenes (19) permanentmagneter (18) er forsynt med korrosjonssikring i form av en innkapsling av egnet materiale.

6. Rotor i samsvar med patentkrav 5,karakterisert vedat magnetemnene (19) er anordnet i en innkapsling av rustfritt metall, kompositt, elastomer, glassfiber eller lignende.

7. Rotor i samsvar med patentkrav 6,karakterisert vedat det er anordnet en pakning eller et tetningsmiddel mellom innkapslingen og åksegmentet (13), eller at innkapslingen påføres et tetningsmiddel etter montering for å gjøre den fullstendig tett.

8. Rotor i samsvar med patentkrav 6,karakterisert vedat en skjøt mellom innkapslingen og åksegment (13) er sveiset og eventuelt påført tetningsmiddel for sikker tetting.

9. Rotor i samsvar med et av patentkravene 1-8,karakterisert vedat: - magnetemnene (19) er anordnet til åksegmentene (13) før anordning av åksegmentene (13) til rotorringen (12), eller - magnetemnene (19) er anordnet til åksegmentene (13) etter anordning av åksegmentene (13) til rotorringen (12).

10. Rotor i samsvar med ett av patentkravene 1-9,karakterisert vedat både åksegmentet (13) og magnetemnene (19) er innkapslet i det samme materialet for å danne en innkapslet enhet (50).

11. Rotor i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat rotorringen (12) er forsynt med en sentralt utragende del (15) med en gitt høyde og bredde langs hele rotorringens (12) omkrets.

12. Rotor i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat åksegmentene (13) omfatter en hovedsakelig flat eller kurvet base (20) som ved sine ender omfatter sider (21a-b), hvilke sider (21a-b) rager oppover og svakt skrått utover fra basen (20) mot en øvre overflate (22) som har en noe lengre utstrekning enn basen (20).

13. Rotor i samsvar med patentkrav 12,karakterisert vedat den øvre overflaten (22) har et hovedsakelig midlere flatt parti (22a) som strekker seg parallelt med basen (20), samt på hver side av det midlere partiet (22a) svakt skrånende flater (22a-b) som skrår ned mot sidene (21a-b).

14. Rotor i samsvar med patentkrav 12,karakterisert vedat magnetemnene (19) har en kurvet utforming tilpasset den kurvede basen (20) til åksegmentene (13).

15. Rotor i samsvar med ett av patentkravene 1-14,karakterisert vedat: - åksegment (13) eller den innkapslede enheten (50) omfattende åksegment (13) og magnetemner (19) er forsynt med en eller flere styrepinner (17) tilpasset ett eller flere hull anordnet i rotorringen (12), eller - åksegmentet (13) eller den innkapslede enheten (50) omfattende åksegment (13) og magnetemner (19) er forsynt med ett eller flere hull tilpasset en eller flere styrepinner (17) anordnet i rotorringen (12), hvilke(n) styrepinne(r) (17) og hull benyttes for å posisjonere åksegmentene (13) i forhold til rotorringen (12) og i forhold til hverandre.

16. Rotor i samsvar med et av patentkravene 1-15,karakterisert vedat rotorringen (12) og åksegmentene (13) er forsynt med gjensidige tilpassede festemidler (14,16) for festing av åksegmentene (13) til rotorringen (12).

17. Rotor i samsvar med patentkrav 2,karakterisert vedat permanentmagnetene (18) er avmagnetisert eller magnetisert ved montering.

18. Rotor i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat rotorringen (12) er dannet av rotorring-segmenter.