9. Pyörivän sähkökoneen jäähdytys

Transkriptio

1 81 9. Pyörivän sähkökoneen jäähdytys Sähkökoneen lämmönsiirron suunnittelu on yhtä tärkeää kuin koneen sähkömagneettinenkin suunnittelu, koska koneen lämpenemä määrittää sen tehon. Lämmön- ja aineensiirto sähkökoneessa on itseasiassa monimutkaisempi ja vaikeammin hallittavissa kuin sähkökoneen tavanomainen sähkömagneettinen suunnittelu. Koko lämpenemään liittyvä suunnitteluongelma voidaan välttää käyttämällä perimätietoa konevakiosta, joka ilmoittaa periaatteessa, minkä suuruisen sisäisen tehon koneen roottoritilavuus antaa. Konevakiosta ja pyörivän sähkökoneen suunnittelusta on kerrottu mm. kirjassa J. Pyrhönen: Pyörivän sähkökoneen suunnitteleminen. Koneen sähkömagneettinen suunnittelu määrittää tarkasti koneen geometrian, ja koneen osat valmistetaan tarkkojen toleranssien mukaan. Koneen mitoitus määrää sen, tuottaako kone vaaditun vääntömomentin vai ei. Mitoitus määrää myös tarkasti koneen jännitteet ja virrat sekä siten mahdollisen taajuusmuuttajan tai reluktanssikoneen ohjaimen tehoelektroniikan mitoituksen. Alkeellisia menetelmiä lämmönsiirron laskemiseksi voidaan perustella sillä, että kun koneen eristyksille sallittuja maksimilämpötiloja ei ylitetä, määrää koneen lämpenemä ainoastaan koneen kestoiän eikä lämpenemällä ole suurta merkitystä koneen tuottaman vääntömomentin kannalta. Lämpenemäongelma voidaan jakaa kahteen kysymykseen. Useimmissa moottoreissa riittävä lämmön poisto saavutetaan soveltamalla sekä konvektiota, johtumista että säteilyä. Suuren tehotiheyden koneissa voidaan käyttää myös suoria jäähdytysmenetelmiä. Joskus jopa koneen käämitys on tehty kupariputkesta, jonka sisällä jäähdytysvesi virtaa koneen toimiessa. Sähkökoneiden lämmönsiirtoa voidaan analysoida auttavasti muutaman melko yksinkertaisen lämmön- ja aineensiirron yhtälön avulla. Toiseksi, lämmön poistamisen lisäksi tulee kyseeseen lämpötilan jakautuminen koneen eri osissa. Tämä on hankala kolmidimensioinen diffuusio-ongelma, johon liittyy runsaasti vaikeita kysymyksiä yksityiskohdista kuten, miten lämpö siirtyy kuparijohtimesta eristyksen yli staattorirunkomateriaaliin. Erilaisia empiirisiä yhtälöitä tulee käyttää harkiten. Lämpötilan jakautuminen koneessa voidaan laskea, kun tunnetaan tarkasti koneen häviöiden jakautuminen koneen osiin ja lämmön poistoteho. Muutostiloissa lämpötila jakautuu täysin erilailla kuin stationaarisessa tilassa. Sähköisen eristyksen kestoikää voidaan arvioida ainoastaan tilastollisin menetelmin, mutta laajalla lämpötila-alueella kestoiän voidaan olettaa olevan verrannollinen koneen lämpötilannousuun T ja vieläpä eksponentiaalisesti siten, että jatkuva 10 C lämpötilannousu lyhentää sähkökoneen eristyksen kestoikää jopa 50 %. Koneet voivat kestää lyhyitä korkeita lämpötiloja useinkin toistuvasti riippuen lämpötilapiikin kestosta ja korkeudesta. Samantapainen eliniän lyheneminen koskee myös moottoreiden laakereita, joissa voidaan käyttää kuumankestävää rasvaa tai monissa kriittisissä käytöissä öljysumuvoitelua, jolloin öljy jäähdytetään muualla ja syötetään kylmänä laakereihin. Sähkökoneen käämityksen lämpötilannousu kasvattaa käämityksen resistanssia. 50 C lämpötilannousu kasvattaa resistanssia 0 % ja 135 C lämpötilannousu 53 %. Mikäli koneen virta säilyy samana, kasvavat kuparihäviöt vastaavasti. Käämityksen resistanssin mittausta käytetään joskus määritettäessä koneen käämityksen lämpötilaa, mutta tällä menetelmällä

2 8 saadaan ainoastaan keskimääräinen lämpötila. Kuumimmissa pisteissä käämityksen lämpötila saattaa olla C keskiarvoa korkeampi. Kuva 9.1 esittelee tyypillisen nykyaikaisen 4 kw:n oikosulkumoottorin tehotasapainoa. 15 % sähköenergiasta muuttuu lämmöksi koneen nimellisteholla. Erityisesti koneen kupari- l. kuormitushäviöiden osuus on suuri - 77 % häviöistä. Kuparihäviöiden suuri osuus kaupallisissa koneissa johtuu kuparin kalliista hinnasta. Rautahäviöiden osuus jää pieneksi, vaikka koneiden rautapiiritkin on yleensä mitoitettu varsin ahtaiksi nykyaikaisissa koneissa. Kuvan 9.1 koneen lämpenemä on mitoitettu B-luokan mukaan ja eristys on tehty F-luokan mukaisesti. (ks. taulukko 8.1). P s 100 %, 4.7 kw P Fe 1,9% 55 P Cus 6,9% P δ P l 0,5% P a 85 %, 4.0 kw P Cur P µ 1,0% 4,7% 300 Kuva 9.1 Erään 4 kw:n kaksinapaisen oikosulkumoottorin Sankey-diagrammi. P Fe, rautahäviöt, P Cus, staattorin kuparihäviöt, P l, lisähäviöt, P δ, ilmaväliteho, P Cur, roottorin kuparihäviöt, P µ, kitkahäviöt. Häviöitä on siis kaikkiaan noin 700 W, ja ne pitää pystyä poistamaan koneesta sen lämmettyä käynnin aikana B-luokan mukaisesti. Taulukossa 9.1 on esitetty IEC-normin mukaiset lämpötilat ja aiemmin käytössä olleet, joskin vielä yleiset, lämpötilaluokat kirjaimin. Rajalämpötila ilmaisee korkeimman lämpötilan, jonka eristyksen lämpimin osa saa saavuttaa. Lämpenemä tarkoittaa suurinta käämitylselle sallittua lämpötilannousua nimelliskuormituksella. Taulukko 9.1. Eristeaineiden lämpötilaluokat IEC 34-1:n mukaisesti. Luokka Kuumimman pisteen rajalämpötila [ C] Sallittu lämpenemä [ C], kun ympäristön lämpötila on 40 C. Sallittu vastusmittauksella määritetty lämpenemä [ C] Y 90 A E B F H C >180

3 Lämmön poisto Lämmön poistamiseksi on käytettävissä konvektio, johtuminen ja säteily. Yleensä ilman, nesteen tai höyryn välityksellä tapahtuva konvektio on tärkein. Mikäli moottori on laippaasennettava, saattaa koneen laipan kautta siirtyä merkittävä määrä lämpöä moottorin käyttämään laitteeseen. Säteilylämmönsiirron osuus on yleensä vaatimaton, muttei merkityksetön. Erityisesti musta koneen pinta edistää säteilylämmönsiirtoa. Johtuminen Sähkökoneissa liitospintojen lämpövastukset muodostavat suurimman epävarmuustekijän. Tärkeimpiä liitospintoja ovat johtimien ja uraeristeen, uraeristeen ja staattori- tai roottoripaketin ja staattoripaketin ja staattorirungon väliset lämpövastukset. Näiden määrittäminen voi olla hyvin vaikeaa ilman mittauksia. Juuri nämä kosketuslämpövastukset määräävät kuitenkin pääasiassa koneen lämmönsiirron, joten lämmönsiirron laskemiseksi on tunnettava kokeellisia liitoslämpövastusten arvoja. Käämitykset pyritään kyllästämään mahdollisimman hyvin lämpöä johtavilla hartseilla, joiden lämmönjohtavuus on huomattavasti pienempi kuin metallien, mutta kuitenkin parempi kuin ilman lämmönjohtavuus. Tehotiheydeltään suurimmissa koneissa esimerkiksi lentolaitteiden moottoreissa ei häviölämpötehoa kyetä siirtämään useiden lämpövastusten yli, vaan joudutaan käyttämään käämitysten suoraa jäähdytystä. Konvektio Konvektiokertoimen arvo riippuu väliaineen viskositeetista, lämmönjohtavuudesta, ominaislämpökapasiteetista, väliaineen virtausnopeudesta, jne. Perinteisesti konvektiokerroin on määritetty erilaisten empiiristen korrelaatioiden avulla. Miller (1993) käyttää sähkökoneen laskennassa vaakasuoraan asennetun, rivattoman, halkaisijaltaan D u :n suuruisen sylinterin luonnolliselle konvektiolle ilmassa ympäristön lämpötilan ollessa lähellä huoneenlämpötilaa sylinterin ja ympäristön välisestä lämpötilaerosta riippuvaa korrelaatiota α th T 13. D u 05. W mk. (9.1) Esimerkiksi halkaisijaltaan 0.1 m:n sylinterin ollessa 50 C ympäristöä korkeammassa lämpötilassa luonnollisen konvektion lämmönsiirtymiskerroin saa arvon 6.4 W/(m K) ja lämpötilaeron ollessa T = 30 C lämpövirran tiheydeksi saadaan 187 W/m. Luonnollinen konvektio on siten samaa luokkaa kuin säteilylämmönsiirto edellisessä esimerkissä. Pakotettu konvektio kasvattaa konvektiokerrointa jopa kertaiseksi riippuen ilman nopeudesta. Konvektiokerroin on likimäärin verrannollinen nopeuden v neliöjuureen (Miller 1993) 389. v L α th W mk. (9.)

4 84 Tässä L on koneen vaipan pituus metreinä ja nopeus v ilmoitetaan [m/s]. Esimerkiksi 0.1 m:n pituisen sylinterin pinnalla virtausnopeuden ollessa 4 m/s saadaan konvektiokertoimeksi 4.6 W/(m K). Tämä on noin nelinkertainen verrattuna aiemmin luonnolliselle konvektiolle saatuun arvoon. Lämpötilaeron ollessa 30 C saadaan lämpövuoksi 738 W/m. Sähkökoneiden kannalta mielenkiintoinen esimerkki on Holmanin (1989) antama: 1 m kuparilanka, jonka halkaisija on 1 mm on upotettu veteen ja siinä tapahtuu W resistiivinen lämpöhäviö. Tämä häviö on riittävä keittämään vettä, joka ympäröi lankaa. Langan pintalämpötila oli kokeessa 114 C ja konvektiokerroin 5000 W/m. Lämpövuo langasta on 7 MW/m. Johtimen virrantiheys kokeessa oli 35 A/mm. Tarkistus: Kuparilangan vastus on 114 C:n lämpötilassa Virta on 1 1m. m 1+94K 4 10 = Ω.. K π m 8-3 R Cu = Ω A I = 35 π 0. 5 mm = 7. 5A, mm ja virtalämpöhäviö PCu = I RCu =. 7W. Normaalissa sähkökoneessa ei lämmönsiirto voi tapahtua läheskään edellisen esimerkin kaltaisella tehokkuudella. Toisin sanoen 35 A/mm virrantiheyksiä voidaan käyttää vain hyvin lyhyen aikaa, jolloin koneen osien voi varastoida lämmön, jota ei ehditä siirtää pois. Tämä virrantiheys on riittävän suuri höyrystämään kuparilangan sen ollessa vapaasti ilmassa. Maksimitaso, jolla vapaa konvektio ja säteily voi siirtää lämpöä sähkökoneen pinnalta 40 C lämpötilaerolla on noin 800 W/m. Pakotetulla konvektiolla lämpövirran tiheys voi nousta koneen pinnalla arvoon 3000 W/m ja suoralla nestejäähdytyksellä arvoon 6000 W/m. Moottorit, jotka kehittävät enemmän lämpötehoa, kuin näillä arvoilla on mahdollista poistaa joutuvat varastoimaan ylimääräistä lämpöenergiaa rakenteisiinsa. Tämä on täysin hyväksyttävä menetelmä lyhytaikaisessa käytössä. Edellä mainitut arvot rajoittavat tilavuutta kohti syntyvän lämpötehon likimain arvoon 1 kw/m 3 vapaalla konvektiolla, arvoon 300 kw/m 3 metallisella johtumisella, arvoon 400 kw/m 3 pakotetulla konvektiolla ja arvoon 600 kw/m 3 suoralla nestejäähdytyksellä. Mikäli nimellistä vääntömomenttia vaaditaan alhaisella pyörimisnopeudella, ei koneen akselille kiinnitetty puhallin riitä tuottamaan riittävän voimakasta pakotettua konvektiota. DCmoottoreissa ja vektorisäädetyissä AC-moottoreissa käytetään usein erillistä jäähdytyspuhallinta, koska niitä käytetään pitkiä aikoja suurella vääntömomentilla hitailla pyörimisnopeuksilla. Koska DC-koneissa suurin osa lämpötehosta syntyy roottorissa, tarvitaan koneen sisällä tehokas jäähdytysvirtaus. Sama pätee osittain oikosulkumoottoriin. Tahtikoneissa ja reluktanssikoneissa suurimmat häviöt tapahtuvat staattorissa, joten niiden

5 85 jäähdytys on periaatteessa hieman helpompi järjestää kuin DC-koneiden ja oikosulkumoottoreiden jäähdytys. 9. Sisäinen lämpötilajakauma Lämmön poistoon liittyvä laskelma kertoo vain, voidaanko koneen pinnasta poistaa riittävä lämpöteho stationaaritilassa. Lisäksi se avulla voidaan päättää myös koneen jäähdytystapa. Koneen toiminnan kannalta on kuitenkin tärkeää pystyä määrittämään koneen sisäinen lämpötilajakauma, jonka määräävät koneen osissa esiintyvät vaihtovuontiheydet ja taajuudet sekä virrantiheydet. Usein sisäisen lämpötilajakauman määrittämiseksi käytetään lämpöverkkoa, jonka avulla koneen lämmönsiirrolle hahmotellaan sijaiskytkentä. Sijaiskytkentää laadittaessa voidaan käyttää sähköverkkoanalogiaa. Tässä tapauksessa lämpöä kehitetään "virtalähteissä" ja lämpötilan ja jännitteen välillä vallitsee analogia. Häviötehon ja poistuvan lämpövirran yksikkö on watti. Lämpöresistanssin yksikkö on C/W. Kuormitushäviöt, rautahäviöt ja tuuletus- sekä kitkahäviöt esitetään itsenäisinä virtalähteinä. Levysydänten, eristyksen, rungon jne. lämpövastukset esitetään resistansseina. Kuva 9. esittää tyypillisen sähkökoneen lämmönsiirron yksinkertaista sijaiskytkentää. Sähkökoneen geometria tekee lämmönjohtumista kuvaavan differentiaaliyhtälön analyyttisen ratkaisun niin vaikeaksi, että yhtälö ratkaistaan parhaiten numeerisesti esimerkiksi elementtimenetelmällä. Kuitenkin suurimpaan osaan käytännön laskutehtävistä soveltuu kuvan esittämä vastusverkkoratkaisu, joka voidaan koota helpohkosti. Mallin tulisi ihannetilassa ottaa huomioon laitteen anisotropia. Esimerkiksi levypaketin lämmönjohtavuus on heikompi akselin suunnassa kuin säteen suunnassa. johtuminen alustaan konvektio ympäristöön säteily rungon suora johtimien jäähdytys staattoripaketin ja rungon liitos staattoripaketti konvektio suoraan runkoon johtuminen akselia pitkin suora akselin jäähdytys roottorilaminoinnit ilmaväli uraeriste uraeriste staattorin kuparihäviö ja käämin staattorin rautahäviö ja pakan roottorin kuparihäviö ja käämin roottorin rautahäviö ja pakan sekä akselin tuuletusja kitkahäviö Kuva 9. Sähkökoneen yksinkertaistettu lämmönsiirron sijaiskytkentä.

6 86 Lämmön poistotielle pinnasta on varattu kuvassa kolme reittiä. Vastus kuvaa kutakin lämmönsiirtotapaa koneen rungosta ympäristöön. Konvektion lämpövastus määritellään R conv 1 = αa C W. (9.3) Lämmönsiirtymiskerroin α on usein lämpötilan funktio, jolloin sijaiskytkennästä tulee epälineaarinen ja sen ratkaisu täytyy suorittaa iteroimalla. Virrantiheys Virrantiheyden ja lämpötilannousun välille ei ole olemassa yksiselitteistä yhtälöä. Kuitenkin voidaan virrantiheyksille antaa joitakin ohjearvoja riippuen koneen jäähdytystavasta. Hendershot (1991) antaa seuraavanlaisen taulukon sallituille virrantiheyksille yleensä. Taulukko 9. Tyypillisiä virrantiheyksiä eri tavoin jäähdytetyissä sähkökoneissa Jäähdytysmenetelmä Virrantiheys A/mm täysin suljettu rakenne luonnollinen jäähdytys täysin suljettu, ulkoinen tuuletin läpituuletettu nestejäähdytetty '' Läpituuletetulle rakenteelle voidaan määrittää teoriassa tarvittava ilman massavirta q m dm/dt [kg/s] ilman ominaislämpökapasiteetin c p avulla seuraavan yhtälön avulla. = q = c p Tq. (9.4) '' m Ilman ominais vakiopaineessa on noin c p = 1 kj/(kgk).