6.1 LTY Juha Pyhönen 6. PYÖRIVÄN KONEEN PÄÄMITAT Edelliiä luvuia olee takatelleet koneenuunnittelun kannalta täkeitä teoeettiia kyyykiä. Sähköagnetiin täkeiden lainalaiuukien takatelu tehtiin kaaleea 1. Kääityteoiaa tutkittiin kaaleea kaki. Kaale kole oli oitettu agneettiiieille, kaale neljä hajaannuken takatelulle ja kaale viii eitanien käyttäytyielle. Tää vaiheea eillä itäii olla kyky tattua ite ähkökoneen uunnittelukyyykeen. Pyöivän ähkökoneen uunnitteleinen aloitetaan ääitteleällä koneelle halutut eutiedot, joita täkeiiä ovat: konetyyi (tahtikone, eätahtikone, taavitakone, eluktanikone) akenneuoto, (ulkonaakone, iänaakone, akiaalivuokone, adiaalivuokone, jne.) nielliteho o Moottoeille annetaan akeliteho P N watteina o Synkonioottoeille annetaan yö tehokeoin coϕ yliagnetoituna o Geneaattoeille iloitetaan ähköinen antoteho P N watteina o Synkonigeneaattoeille iloitetaan yleenä näennäiantoteho S N volttiaeeeina. Tehokeoin yliagn annetaan yö koneen nielliyöiinoeu n 1 tai niellikulanoeu Ω N koneen naaailuku (tää on yhä ueain taajuudenuuttajakäyttöjen yötä otiointikohde) koneen niellitaajuu f N (tää on yö nykyiin otiointikohde) koneen niellijännite U N koneen vaiheluku koneen käyttötaa (S1 S9) koneen kotelointiluokka ja akenne ahdolliet uut tiedot, kuten hyötyuhde vaadittu käynnityvääntöoentti, huiuvääntöoentti, käynnityvita, yöiinoeuäätö jne. uunnittelua noudatettavat tandadit taloudelliet eunaehdot valitettavuu Suunniteltaea ähkökonetta voidaan vaaita uuttujia löytää vain unaati, ja ikäli koneen uunnittelun yhteydeä halutaan etiä otiiatkaiua, tulee tehtävätä eittäin vaikea, ellei koneen vaaiden uuttujien ääää ajoiteta illään tavalla. Monet koneen vaaita uuttujita vaihtelevat vain hiean, joten tehtävän ykinketaitaieki, ne voidaan olettaa vakioiki. Vaaiki uuttujiki voidaan valita eiekiki euaavat kyenen uuttujaa (Jokinen 1979) Staattoin levyaketin ulkohalkaiija (tandadiunkoja käytettäeä tääkin on uein ääätty) Staattoin levyaketin ituu Staattoiuan levey Staattoiuan kokeu Ilavälihalkaiija Roottoiuan levey Roottoiuan kokeu Ilavälivuontiheyden huiuavo naaailuku ja taajuu ilaväli ituu
6. LTY Juha Pyhönen Sähkökoneiden uunnittelua on kokeueäieti äädytty tiettyihin vian- ja vuontiheyavojen vaihteluväleihin, joita voidaan uunnittelun alkuvaiheea itää uuntaa-antavina. Seuaavaan taulukkoihin 6.1 ja 6. on koottu hyvin uunniteltujen tandadiähkökoneiden aituten avoja Vogtin (1996) ukaan Vainaieti koneelle allittavat aitutaot ääitellään loulta koneen eity- ja jäähdytyuunnittelun euteella. Taulukoia olevat avot antavat kokeueäitä uuntaa valinnoille. Koneenuunnittelu on eiaatteea vain oniutkainen iteointi, joa enin valitaan alkuavot koneen itoille. Sen jälkeen kone uunnitellaan ähköieti ja louki laketaan koneen jäähdyty. Mikäli uunniteltu kone ei jäähdy iittävän tehokkaati, aloitetaan uunnittelu aluta kavattaalla koneen ittoja, käyttäällä aieaa aeia ateiaaleja tai valitealla aiottua tehokkaai jäähdytytaa. Koneen ateiaalivalinnoilla voidaan vaikuttaa ekä häviöihin että läötilanketoon. Mikäli käytetään ienihäviöitä teätä ja eiteateiaalit valitaan aieaa kokeaan läöluokan ukaan, aadaan koneen tehoa kavatetuki en kokoa kavattaatta. Koneen vainainen uunnittelu alkaa koneen ääittojen valinnalla. Näillä takoitetaan koneen taattoioauketa itattavaa ilavälihalkaiijaa D (joku D δ, joka on hiean uuei kuin oottoihalkaiija D kt. kuva 3.1) ja levyydäen ähköitä ituutta l'. Sähköinen ilavälin ituu vataa itä ituutta, inkä italla koneen äävuo akiaaliuunnaa kulkee. Sähköinen levyydäen ituu ottaa huoioon eunakentän vaikutuken koneen ahdolliten jäähdytykanavien kohdalla ja koneen äädyiä. Taulukko 6.1. Eityyiille tandadiähkökoneille allittuja agneettiiiin vuontiheyavoja (Vogt 1996). vuontihey B/T taavitakoneet avonaatahtikoneet uinaatahtikoneet eätahtikoneet ilaväli 0,5... 1,1 ( B ax ) 0,8... 1,05( ˆB 1 ) 0,75... 1,05 ( ˆB 1 ) 0,55... 0,9 ( ˆB 1 ) taattoielkä tai - 1,1... 1,5 1,0... 1,45 1,1... 1,5 1,3... 1,65 (... ) 1,6...,0 1,6...,0 1,6...,0 1,4..,1 (taattoi) (koenointikääity) 1,5.., (oottoi) 1,8...,5 (ankkuikääity) 1,0... 1,5 1,0... 1,5 1,3... 1,6 0,4... 1,6 (...) oottoi-ie tai oottoielkä naaydän 1,...1,7 1,3... 1,8 1,1... 1,7 - kääntönavat... 1,3 - - - Ketoagneettikoneille voidaan valita taulukon 6.1 taavitakoneille ja tahtikoneille antaia avoja. Taulukko 6. Eityyiille ähkökoneille allittuja teholliia viantihey- ja vitakateavoja (Vogt 1996). Ketoagneettitahtikoneille voidaan koota iiuen oveltaa tahtikoneiden tai eätahtikoneiden avoja. Vitaeite on ääitelty tää A u = NuI /τ. ie haaat (näennäinen akiiavo) Taavitakoneet avonaatahtikoneet (tai PMSM taattoi) uinaatahtikoneet, eäuoa jäähdyty uoa jäähdyty eätahtikoneet Ila Vety A ka/ 0... 65 30... 65 30... 80 90... 110 160... 00 5... 65 J A/ Ankkuikääityket ankkuikääityket ankkuikääityket taattoikääityket 3,5... 9 3... 6,5 3... 5 4... 6 veijäähd. 3... 8
6.3 LTY Juha Pyhönen Naakääityket naakääityket 7... 10 oottoikääity kuaia 1,5... 5,5 1,5... 3,5 3... 8 Sivuvitakääi onikeokiet naakääityket oottoikääity vetyjäähd. aluiinia... 8... 4 3... 5 6... 13 3... 6,5 Sajakääi ykikeokiet uoalla veijäähdytykellä voidaan aavuttaa naakääitykiäkin (13... 18) A/ ja (50... 300) ka/ Taulukon 6. avoja takateltaea tulee huoata, että kavatettaea uan ittoja, itää yleenä käyttää ieneiä aituavoja kuin ienten uien taaukea. Mikäli tehdään ketoagneettikoneiden ienen utoluvun utovakokääejä levein uin, voidaan noudattaa taulukoia naakääitykille annettuja avoja oveltuvin oin. Yhtälöä (1.109) ääittelie tangentiaalien jännityken, jonka voidaan ajatella tuottavan koneen vääntöoentin jännityken vaikuttaea oottoin innalla. Tangentiaalien jännityken aikallinen avo iiuu taattoin vitaeitteen A (x) ja vuontiheyden aikalliita avoita σ Ftan (x) = A (x)b (x). Oletettaea iniuotoinen ilavälivuontihey ja huiuavo ˆB ekä vitaeitteen teholliavo A aadaan kekiäääinen tangentiaalinen jännity käyttäällä -avoja σ Bˆ = A coϕ A B coϕ. (6.1) F tan = Tää tangentiaalinen jännity tuottaa koneen vääntöoentin vaikuttaea oottoin ja tietyti yö taattoin innalla. Taulukkoon 6.3 on lakettu taulukoiden 6.1 ja 6. antaien aja-avojen euteella uuntaa-antavia aja-avoja ilavälin tangentiaalielle jännitykelle σ Ftan. Taulukko 6.3 Kekiäääiet tangentiaaliet jännityket σ Ftan lakettuna taulukoiden 6.1 ja 6.1 avoita. Jännityavoja on kole, ieniällä vitakatteella ja vuontiheydellä, kekiäääiillä avoilla ja uuiilla avoilla lakettuna. Vuontihey- ja vitakatejakauat on oletettu iniuotoiiki. Taavitakoneille on oletettu navanleveykeoin /3. Tahtikoneille on oletettu tehoketoieki ykkönen ja eätahtikoneille 0,8. taavitakoneet Avonaatahtikoneet (tai PMSM) uinaatahtikoneet, eäuoa jäähdyty uoa jäähdyty täyin uljetut eätahtikoneet Ila Vety A ka/ 0... 65 30... 65 30... 80 90... 110 160... 00 5... 65 ilavälivuon tihey ˆB 1 /T Vataavat tangentiaaliet jännityavot σ Ftan /Pa 0,5... 1,1 0,8... 1,05 0,75... 1,05 0,75... 1,05 0,75... 1,05 0,55... 0,9 6670 700 47700 1000 000 3415 1150 4750 4000 33750 45750 57750 60000 8500 105000 5480 14400 3400 Tangentiaalinen jännity antaa eille ahdolliuuden aloittaa koneenuunnittelu valitealla oottoin itat oivati halutun vääntöoentin tuottaieki. Jo oottoin äde on, ja ähköinen ituu l, ja en ilaväliä vataa oleva inta-ala S, ekä kekiäääinen tangentiaalinen jännity oottoin innalla σ Ftan, koneen vääntö on
6.4 LTY Juha Pyhönen T = σ = σ = σ = σ F tan F tan F tan F tan S ( π l' ) π l' D π l' = σ F tan V. (6.1) Tään avulla on helo ääitellä alkuavau oottoin tilavuudelle V, kun konetyyille tavanoainen jännityavo on tiedoa. Ilavälin tangentiaalien jännityken vaihtoehtona kekeienä uunnittelueutana voidaan itää vanheita teokita tunnettua hyvinuunnitellun koneen konevakiota C, joka iloittaa, inkä uuuien "iäien" näennäitehon S i tai tehon P i koneen oottoitilavuu antaa. Käyttäällä vaiheen agnetointi-induktanin L yli induoituvaa ilavälin ähköotoita voiaa E (joka laketaan koneen yhden vaiheen ilavälikääivuon huiuavon Ψ ˆ avulla, k. yhtälö 7.3) ekä taattoivaiheen vitaa I aadaan kietokenttäkoneille, jotka yöivät ynkoninoeudella n yn = f/ näennäiteho S i S = E I. (6.3) i Ilavälin v E voidaan ijoittaa yhtälöön (6.3), jolloin aadaan S i 1 1 = ω Ψˆ ˆ I = ωnkw1φ I. (6.4) Makiivuo Φ ˆ joka lävitää vaihekääin löydetään integoialla ilavälivuontihey B (x) navan innan S yli Φ ˆ = B ds. (6.5) S Mikäli ilavälivuolla on naajaon τ yli iniuotoinen vuontiheyjakaua eikä jakaua iiu oottoin ituudeta l intaintegaalia voidaan ykinketaitaa uotoon τ ˆ xπ l' Bin τ 0 Φ ˆ ˆ = dx = l' τ B. (6.6) π Käytännöä ( / π) B ˆ edutaa iniuotoien vuontiheyjakauan kekiavoa. Tää kijaa olee ääitelleet ilavälivuontiheyden kekiavon α. Siniuotoien jakauan taaukea α = / π. Muia taaukia α:lle on etittävä oikea avo integoialla navan innan yli. Mikäli PM-koneea on intaagneetit, kekiäääinen ilavälivuontihey α voidaan ääittää uhteellien agneetin leveyden avulla. Staattoin vitaeitteen teholliavo A voidaan ääittää uajaon τ ja taattoivian I = I u /N u1 avulla, kun innakkaiia haaoja ei ole. Staattoin ualuku on Q. I u A =, (6.7) τ
6.5 LTY Juha Pyhönen πd τ =. (6.8) Q Uan kääikieoluku on N N N N = u1 = =. (6.9) q Q Q Nyt aadaan vitaeitteelle I u I uq IN uq IN A = = = =. (6.10) τ πd πd πd Ratkaitaan I ja ijoitetaan I (6.4):ään S i 1 ˆ 1 ˆ AπD 1 ˆ AπD = ω Nkw1Φ I = ωnkw1φ = ωkw1φ. (6.11) N Sijoitetaan ω = πn yn ja vuon huiuavo S i = = 1 πn π nynk yn w1 k w1 ABˆ l' D πd ˆ AπD Bl' π =. (6.1) Toitetaan nyt S i = E I = CD l' n π = k yn w1 ABˆ D l' n yn (6.13) Kietokenttäkoneiden konevakio C voidaan kijoittaa nyt yhtälön (6.13) ukaieti uotoon π π C = k ˆ ˆ ˆ w1ab = kw1ab (6.14) D on koneen ilavälihalkaiija ( D D ), l' koneen ähköinen ituu ja A vitaeitteen teholliavo, joka vataa tangentiaalita kentänvoiakkuutta H tan ilaväliä, kato luku 1. Tiettyä näennäitehoa vataava oottoitilavuu V löydetään nyt π π V = S i = D l'. (6.15) 4 4 Cnyn Roottoin aino on veannollinen e tilavuuteen
6.6 LTY Juha Pyhönen π Si ~ V =. (6.16) 4 Cf Taavitakoneiden ilavälivuontihey ei ole iniuotoinen. Navan kohdalla tyhjäkäynniä ilavälivuontihey on B ax. DC-koneille iäinen teho voidaan ääittää P = π α AB D l' n = CD l' n, jolloin aadaan i DC ax yn 0 C = π α DCABax. (6.17) α DC on DC-koneen uhteellinen navanlevey (tyyillieti noin /3). Siäien näennäitehon S i iiuvuu ekaanieta tehota P ec aadaan käyttäällä tehokeointa coϕ ja hyötyuhdetta η (jotka täytyy etioida tää vaiheea). Nyt voidaan ottaa käyttöön ekaaninen konevakio C ec. U P ec = ϕ = E η UI coϕ = η co Si CecD l' nyn. (6.18) DC-koneea iäinen teho (P i = E I a ) iiuu yöttötehota P = UI E Ia Pi = P. (6.19) U I I a i the aatue cuent. Käytettäeä yhtälöitä (6.16) ja (6.14) aadaan ~ Si fabˆ δ Si =. (6.0) fσ tan Täten, itä uuei tangentiaalinen jännity ja yöttötaajuu, itä ienei on oottoin aino. Valitealla ienen naaailuvun ja uuen taajuuden f aadaan kevyt kone tietylle teholle. Tää johtuu tietyti iitä, että noeakäyntien koneen vääntöoentti on ieni veattuna hidakäyntieen aantehoieen koneeeen. Suuilla taajuukilla on käytettävä oivia eneteliä vianahdon ajoittaieki, jotta vitakatetta ei jouduttaii ienentäään. Rautahäviöiden ajoittaieki on yö valittava kokealaatuiia teäateiaaleja taattoiin. Liäki koneen jäähdytyeneteliä on uuilla noeukilla tehotettava. Suunoeukoneia koneen tehotihey ja iten yö häviötehotihey nouevat heloti kokeiki. Tutkittaea kw ajavaliteiten 50 Hz:n koneiden ainoa, aadaan ei. ABB:n koneita kuvan 6.1 ukainen käyä naaailuvun funktiona. Kuvaan katkoviivalla iietty uoa aokioi koneen ainoa naaailuvun funktiona. Havaitaan, että koneen aino noudattaa eiaatteea yhtälöä = 0 + K. (6.1) Yhtälön (6.0) ukaan koneen aino olii kääntäen veannollinen taajuuteen, joten koneen ainon tulii noudattaa yhtälöä
6.7 LTY Juha Pyhönen K = 0 +, (6.) g f iä 0, K ja g ovat vakioita. Liäki g on yleenä g < 1, koka vitakatetta ja ilavälivuontiheyttä ei voida itää vakioina koneen taajuuden kavaea. Saadaan kuva 6., joa eitetään likiäääinen kakinaaien oikoulkukoneen aino taajuuden f funktiona. /kg 500 400 300 /kg 100 90 80 00 70 100 60 50 0 0 1 3 4 5 6 40 30 0 Kuva 6.1. kw, 50 Hz, 400 V oikoulkuoottoien aino naaailuvun funktiona. Kuvaa 0 = 40 kg 10 0 0 100 00 300 400 500 600 700 800 f/hz Kuva 6.. kw kakinaaien oikoulkuoottoin ähköiten oien aino taajuuden funktiona. Yhtälön (6.10) ekonentti on noin g 0,8. Sähkökoneiden vitakate ja vuontihey iiuvat voiakkaati jäähdytytavata, kuten taulukoita 6.1 ja 6. voidaan havaita. Eityien tehokkaat jäähdytytavat kavattavat allittuja aitukia 1.5 - ketaiiki ja vataavati ähkökoneen aino utoaa 30 50 %. Vitakate ja vuontihey iiuvat hyvin uunnitelluia koneia yö koneen koota iten, että oleat uuenevat konekoon kavaea. Tään euaukena yö konevakio on iiuvainen koneen koota. Kuva 6.3 ketoo eikokoiten oikoulkukoneiden konevakion navan tehoa kohti. Ei konetyyien konevakiot eivät ole aivan aanuuuiia. Konevakioiden ääittäinen eutuu uuelta oin kokeukeen ja koneenakennueinteeeen, joten ei lähteitä voi löytyä vain itiiitaiiakin avioita konevakioille. Vakioyöttötaajuudella on kietokenttäkoneia oottoin kehänoeu veannollinen naajakoon. Sallittu ankkuivita ja iten eätahtikoneen konevakio ovat naajaon ja taajuuden funktioita. Koka koneen naajakoa ei voi äätellä en nielliavoita, annetaan konevakio uein naatehon (P ec /) funktiona. Tään enettelyn oikeutu eutuu iihen, että eätahtikoneia ituuden ja naajaon uhde on elko vakio naaailuvuta iiuatta.
6.8 LTY Juha Pyhönen C ec kw/ 3 600 500 400 300 00 100 0 = 6 8 1 = 1 4 8 1 10 100 1000 10000 (P ec /)/kw Kuva 6.3. Standadieätahtikoneiden konevakioita naatehon funktiona (Vogt 1996). Takatellaan aia eiekkiä: 4 kw:n 50 Hz:n kakinaaien (n yn = 50 1/) oikoulkuoottoin oottoin halkaiija on 98 ja ituu 8. Vääntöoentti on noin 10.6 N. Tangentiaalinen voia on kekiääin oottoin innalla 16 N. Roottoin vääntöä tuottava inta-ala on 0,05. Tangentiaalinen jännity on ii σ tan = 8560 N/. Konevakioki aadaan lakealla C ec = 101 kw/ 3. Koneen naateho on ii kw, joten tää ite ouu hyvin kuvan 6.3 = 1 käyän lähelle. 30 kw:n 50 Hz:n nelinaaien (n yn = 5 1/, 190 N) oikoulkuoottoin oottoin halkaiija on 00 ja ituu 06. σ tan = 14500 N/. Tangentiaalinen jännity ii kavaa ekittäväti konekoon kavaea. Konevakioki aadaan C ec = 145 kw/ 3. Koneen naateho on 7,5 kw. Tääkin ite ouu hyvin kuvan 6.3 = 6 alueelle. Molein uolin avonaaiten eluktanikoneiden konevakio voi ienillä tehoilla olla elväti oikoulkukoneen konevakiota uuei. Lawenonin (199) ukaan eiekiki 11 kw:n taavitakoneen, oikoulkuoottoin ja oleinuolin avonaaien eluktanikoneen konevakiot uhtautuvat kuten 1 : 1.3 : 1.74. Siten tää teholuokaa oleinuolin avonaaien eluktanikoneen konevakio olii noin 40 % uuei kuin oikoulkuoottoin. Moleinuolin avonaainen eluktanikone on vata kehitykenä alkutaialeella vaikka onkin kekintönä vanha. Sitä käytettiin jo 1900-luvun alkuuolella eiekiki englantilaiia otalaivoia tykkien uuntaaieen. Vata tehoelektoniikan kehity on tuoaa nää koneet eiin. 6.1 Mekaaninen kuoitettavuu Tehoa ja akiinoeutta ajoittavat läeneän liäki kekiakovoian aiheuttaat oottoin uuiat allitut jännityket, oinaiväähtelytaajuudet ekä uuiat allitut ähköiet ja agneettiet aituket. Kekiakovoian aiheuttaa uuin jännity σ ec oottoia on veannollinen kulanoeuden neliöön = C ρ. (6.3) σ ec ' Ω
6.9 LTY Juha Pyhönen tää 3 +ν C ' = ileälle hoogeenielle ylinteille, 8 3 +ν C ' = ylinteille, joa on ieni oau, 4 C ' 1 ohuelle ylinteille, on oottoin äde, Ω on ekaaninen kulanoeu, ρ on ateiaalin tihey, ν on ueuakeoin l. Poionin luku. Poionin luvut vaihtelevat hiean ateiaaleittain. Taulukko 6.4 antaa ketoiet joillekin uhtaille ateiaaleille. Taulukko 6.4. Eäiden uhtaiden etallien Poionin lukuja. etalli ν etalli ν aluiini Al 0,34 nikkeli Ni 0,30 kuai Cu 0,34 titaani Ti 0,34 auta Fe 0,9 koboltti Co 0,31 Yhtälöä (6.3) ei voida uoaan oveltaa eiekiki oottoilevyjen jännityten ittaaieen, koka levyjen geoetia on vain oniutkainen. Suuntaa-antavia tulokia voidaan kuitenkin aada, koka uuin jännity eiintyy aina uinaien levyn kekiiteeä tai eiällien levyn iäinnaa. Näiä iteiä ei ateiaalille allittua yötöajaa tulii ylittää. Käytettäeä avonaaiia oottoeita kiinnitetään naaungot ieniä koneia ei. uuvein. Tällöin tulee uuvikiinnityket itoittaa oivalla vauudella yötöajan ukaan. Mikäli uuvikiinnity ei tule kyeeeen, voidaan käyttää eiekiki lohenytöliitota. Kekiakovoian aiheuttaa akiijännity oottoia on yhtälön (6.3) ukaan veannollinen kehänoeuden neliöön. Täten akiaalielle kehänoeudelle ja jännitykelle löytyy kiinteät avot. Jo oletetaan koneen oottoin ittojen (halkaiija, ituu, jne.) iiuvan tekijätä λ (inta-alat ovat veannolliia λ ja tilavuudet veannolliia λ 3 ), aadaan koneen akiinoeu kääntäen iiuvaki itata λ euaavati: n ~ λ -1. (6.4) 6. Sähköinen kuoitettavuu Vitakate A ja kääityken viantihey J ovat ähköien kuoituken ittoja. Uaeiteen yli oleva läötilaeo on iiuvainen inta-alaa kohti olevita kuaihäviöitä, ja kuaihäviöt iiuvat vitakatteen ja viantiheyden tulota (Vogt 1996). Tulo AJ yyy likiääin vakiona, kun noeutta kavatetaan ja koneen dieniot ienenevät. Mekitään S Cu :lla uan kuain inta-alaa ja I:llä uan kokonaivitaa I = JS Cu ~ Jλ. (6.5) Vitakate l. uavita jaettuna uajaolla on tällöin
6.10 LTY Juha Pyhönen A ~ Jλ = Jλ. (6.6) λ Kun tuloa AJ ~ J λ idetään vakiona, aadaan Jokien ja Luoin ukaan (1988) 1 J ~ λ ~ n, (6.7) 1 A ~ λ ~. (6.8) n 6.3 Magneettinen kuoitettavuu Ilavälivuontihey ja koneen yöttötaajuu ääittelevät koneen agneettien kuoituken. Tilavuuykikköä kohti yntyvät autahäviöt ovat veannolliia likiääin vuontiheyden neliöön ja taajuuden oteniin 1. Kokeilla taajuukilla oteni lähenee kahta. Siten autahäviöiki aadaan P Fe ~ ˆ 3 B f λ ~ ˆ 3 B n λ. (6.9) Koneen läötilannouu on iiuvainen jäähdytyinta-alaa kohti eiintyvätä tehota. Mekittäeä jäähdytyalaa S:llä ja olettaalla vakio-läötilannouu ekä liäki yhtälö (6.4) huoioon aadaan P Fe B ~ vakio S c ˆ = λ. (6.30) Täten ilavälivuontiheyden täytyy olla iiuvainen dienioita ja noeudeta ˆB ~ λ ~ 1. (6.31) n Käyttäen e. yhtälöitä aadaan koneen akiiteho Jokien ja Luoin (1988) ukaan P ax ~ Cλ ~ ˆ λ A B ~ λ 3 ~ 1 3 n. (6.3) Tehoajoitu on iten kääntäen veannollinen koneen yöiinoeuden kuutioon. Kuvaa 6.4 (kehitetty lähteen Jokinen, Luoi 1988 ukaan) on eitetty eityyiten ähkökoneiden ajatehot, kun käytetään ateiaalia, jonka yötöaja on 700 MPa ja koneen yöiinoeu on valittu 0 % eniäien kiittien yöiinoeuden alauolelta.
6.11 LTY Juha Pyhönen P ax /MW 3000 1000 Kuva 6.4. Eityyiten ähkökoneiden ajatehot, kun käytettäviä olevien ateiaalien yötöaja on 700 MPa. a) Maiivioottoinen tahtikone, b) Hooolaaitahtikone, c) Lainoidulla oottoilla vautettu aynkonikone, d) Uitetulla aiivioottoilla vautettu aynkonikone. 300 100 30 10 3 1 a b 0,3 0,1 0,03 0,01 c d 10 3 4 10 4 4 n / in Mateiaalien aiheuttaat ajoituket äääävät tietyntyyiten ähkökoneiden tehojen yläajat. Nykyinen tahtikoneiden kehity on johtanut vain kokeiiin tehoihin. Nykyiin yli 1500 MW:n tehoiia 1500 in -1 ynkonikoneita uunnitellaan ydinvoialaitoten geneaattoeiki. Olkiluotoon tuloa olevan 1793 MW:n 1500 in -1 koneen oottoiitat ovat D = 1900, L = 7800. Suunoeutekniikkakin tuo eiin tehokkaita aiivioottoikoneita. Eiekkinä tällaieta voidaan ainita 8 MW, 1000 in -1 kone. Roottoin ituutta ajoittavat lähinnä en kiittiet kulanoeudet. Kiittiellä noeudella oottoilla eiintyy jokin en ekaaniita eonaneita. Jokaiella oottoiekaniikalla on ueita taivutuoodeja. Alialla kiittiellä noeudella oottoi taiuu kuin banaani ja illä on kaki oluitettä. Toiella kiittiellä noeudella oottoi taiuu kuin S ja illä on kole oluitettä. Roottoilla voi olla yö toionaaliia väähtelyoodeja, jotka voivat ajoittaa en noeutta. Yleenä koneen ituuden ja ilavälihalkaiijan uhde χ = l/d valitaan iten, että oottoi toiii alle eniäien kiittien yöiinoeuden. Kuitenkaan tätä ei voida aina taata. Jotkin uuet, noeat koneet voivat toiia ei kiittiten noeukien väliellä alueella. Roottoin akiiituu l ax äääytyy Wiatin (198) ukaan euaavati, kun halutaan yytellä alle eniäien kiittien noeuden 10 5 1 iä l ax π EI = n, (6.33) kω ρs S on ylintein oikkileikkauken inta-ala ( ),
E on oottoiateiaalin kiooduli (N/ ), I on vääntöneliöoentti ( 4 ), n on kiittien yöiinoeuden jäjetyluku, k on vauukeoin (n:nnen kiittien kulanoeuden uhde niellikulanoeuteen). 6.1 LTY Juha Pyhönen Mikäli käytetään vauukeointa yötöön k σ, aadaan oottoin ituuden ja äteen uhteelle (6.3):n ja (6.33):n avulla yhtälö k k C' E 4σ l = σ nπ 4. (6.34) Tää yhtälö antaa oottoin akiiituuden en jälkeen, kun allittu oottoiäde on ääitelty yhtälön (6.3) avulla. l/ ei ole yöiinoeuden funktio. Jo aiivieta teäketä valitettu oottoi yöii alle eniäien kiittien yöiinoeuden, tulee tään uhteen olla l/ < 7. Käytännöä uein noin l/ 5. Standadikoneia koneen kuvitellun ituuden ja ilavälihalkaiijan uhde χ vaihtelee vain ahtaia ajoia. l' χ =. (6.35) D Ei konetyyille tää uhde vaihtelee likiääin taulukon 6.5 ukaan (Jokinen 1979) euaavati: Taulukko 6.5. Eityyiten ähkökoneiden tyyilliet l'/d-uhteet. Taavitakoneet Eätahtikoneet tahtikoneet, > 1 tahtikoneet, = 1 0,8...1,6 π 3 χ χ χ π 4 χ = 1... 3 Vataavati Vogt (1996) antaa taulukon 6.6 ideaalien ituuden l' ja naajaon τ uhteelle Taulukko 6.6. Eityyiten ähkökoneiden tyyilliet l' / τ -uhteet. L '/ τ, τ = πd /( ) P = 1 > 1 Taavitakoneet 0,45...,0 Aynkonikoneet 0,6... 1 0,6... 1 Synkonikoneet 1... 4 1... 4 Taulukot 6.5 ja 6.6 antavat aanuuntaiia avoja hyvinuunnitelluille koneille. 6.4 Ilaväli Sähkökoneen ilavälin ituu vaikuttaa ekittäväti ähkökoneen oinaiuukiin. Koneia, joia agnetoiivita otetaan vekota, ilavälin ituu itoitetaan tuottaaan ahdolliian ieni agnetoiivita ja toiaalta ahdolliian hyvä hyötyuhde. Pieni ilaväli antaa eiaatteea ienen agnetoiivian, utta aalla taattoin ja oottoin innan yöevitahäviöt kavavat avonaiten tai uoliuljettujen uien aiheuttaien
6.13 LTY Juha Pyhönen eeanihaoniten vuoki. Pieni ilaväli kavattaa yö taattoin vitauan haoniten aiheuttaia intahäviöitä oottoia. Vaikka ilavälillä on uui ekity, ei en ituudelle ole ooitettu teoeettita otiia, vaan yleenä käytetään eiiiiä yhtälöitä ilavälin ituuden ääittäieki. 50 Hz:n eätahtikoneen ilaväli δ voidaan lakea tehon P funktiona yhtälöitä δ = 0,1 + 0,5 P 3 [ ] [ kw] δ = 0,1 + 0,145 P 3 [ ] [ kw], kun = 1, (6.36), kun > 1. (6.37) Vekkokäyttöiille liukuengaoottoeille 50 kw:n tehoon ja oikoulkuoottoeille 100 kw:n tehoon ati annetaan VDE 650/51:ä noi-ilavälit. Pienin teknieti toteutettavia oleva ilaväli on noin 0. ja uuin naaailukuun 5 ati käytännöä eiintyvä ilaväli on noin.5. Eityien akaia käytöiä kavatetaan Richtein (1954) ukaan ilaväliä noin 60 %. Eityien uuihalkaiijaiilla koneilla tulee ungon ja akelin ekaaniten oinaiuukien vuoki käyttää ilaväliuhdetta δ/d 0,001. Mikäli eätahtikone uunnitellaan uuille noeukille, joudutaan taattoi- ja oottoihaaiden uuten autahäviöiden välttäieki ilaväliä yleenä elväti uuentaaan yhtälön (6.36) antaata vakioähköoottoin avota. Myö taajuuuuttajayöttöien koneen ilaväliä voi kavattaa. Mikäli uunoeukoneea käytetään aiivita oottoia, tulee ilavälin ituuden ääittäieen aneutua huolella, illä aiivioottoin innan häviöt ienenevät voiakkaati ilavälin kavaea, kun taa agnetointivian kavu taattoia aiheuttaa vataavati huoattavati ieneän häviöiden kavun. Ilavälin ituudelle on löydettävä taaukohtaieti oiva avo. Taavita- ja tahtikoneia ilavälin uuuuden ääittää lähinnä ankkuieaktion allittu vaikutu. Tahtigeneaattoeia ilavälin uuentainen aantaa kuoitetun tahtikoneen jännitteen käyäuotoa. Tään vuoki voialaitogeneaattoeia käytetään uein uhteellien uuta ilaväliä. Tahtikoneea itkittäien ilavälin äääteä ekittävältä oalta koneen tahti-induktanin L d, äääytyy aalla koneen taattinen tehoniitokyky P tehokulayhtälön euteella iä EfU P = in δ ', (6.38) ωl d E f on tahtikoneen naaagnetoinnin luoan kääivuon induoian lähdejännitteen teholliavo U on tahtikoneen naaääjännitteen teholliavo δ ' on tahtikoneen vaiheen ähköotoien voian E fh ja naajännitteen U h teholliavoooitinten välinen tehokula. Saa kula eiintyy oottoin d-akelin ja taattoikääivuon Ψ välillä. Tahti- ja taavitakoneia tulee huolehtia iitä, ettei ankkuieaktio ienennä liiaki vuontiheyttä agneettinavan toielta ivulta. Tahtikoneiden ja taavitakoneiden navan kekikohdalta itattu ienin uoiteltava ilaväli δ 0 aadaan Richtein (1967) ukaan euaavata yhtälötä edellyttäen, että eityitä akiivääntöoenttivaatiuta tahtikoneelle ei ole eitetty
δ 0 [ ] [ ] [ A/] /[ T] 6.14 LTY Juha Pyhönen τ A / = γ. (6.39) Bˆ δ Ei konetyyeille γ aa taulukon 6.7 ukaiia avoja Taulukko 6.7 Keoin γ taa- ja tahtikoneiden ilavälin ääittäieki (Richte 1954,1963, 1967). Koenoiattoat taavitakoneet γ = 3,6 10-4 Koenoiattoat ja kääntönavattoat taavitakoneet γ = 5,0 10-4 Koenointikääitykillä vautetut taavitakoneet γ =, 10-4 Avonaaiet vakioilaväliet tahtikoneet γ = 7,0 10-4 Avonaaiet tahtikoneet, joiden ilaväli on uotoiltu iniuotoien vuontiheyjakauan γ = 4,0 10-4 tuottaieki Uinaaiet tahtikoneet γ = 3,0 10-4 Synkoniia eluktanikoneia on yittäeä kilaileaan uoitukyvyä eätahtikoneiden kana käytettävä oikoulkuoottoeita ieneiä ilavälejä. Moleinuolin avonaaiia eluktanikoneia ilavälit yitään tekeään ahdolliian ieniki uuen induktaniuhteen aikaanaaieki koneen itkittäien ja oikittaien aennon välille. Ketoagneettitahtikoneia ilaväli äääytyy aalla tavoin kuin tahtikoneia yleenäkin. Tahti-induktanin kokoa äädetään ilavälin ituuden avulla. Koka agneetti ite vaikuttaa voiakkaati koneen ähköieen ilaväliin, tulee tahti-induktanita heloti ieni, jolloin koneen akiivääntöoentti aadaan uueki. Kuitenkin joiain taaukia agneetin akuutta ja fyyitäkin ilaväliä voidaan joutua kavattaaan induktanin ienentäieki. Yleenä fyyinen ilaväli yitään tekeään ieneki, jotta koneen ketoagneettiateiaalin tave aataiiin ieneki. Ketoagneettikoneea ilavälin valinta on iten vaativa otiointitehtävä. Viitteet: Jokinen, T. 1979 Pyöivän ähkökoneen uunnitteleinen, oetuonite TKK ähköekaniikan laboatoio. Jokinen, T., Luoi, 1988 J., High-Seed Electical Machine, Confeence on High Seed Technology, Augut 1-4, 1988, Laeenanta, Finland,. 175-185. Lawenon, P. J. 199, A Bief Statu Review of Switched Reluctance Dive, EPE Jounal Vol. No 3 Oct. 199, 133...144 Machenoi, A. 1983, High eed heavyweight take on tubine, Electical Review, Vol. 1, No 4 Jan. 1983,. 31...33 Mille 1993, Switched Reluctance Moto and Thei Contol, Hillboo (OH) Oxfod : Magna Phyic Publihing : Claendon Pe Richte, Rudolf, 1954. Electiche Machinen, Band IV, Die Inductionachinen. Zweite Auflage. Bikhäue Velag, Bael und Stuttgat, Gean. 440. (In Gean). Richte, Rudolf, 1963. Electiche Machinen, Band II, Synchonachinen und Einankeufoe. Ditte Auflage. Bikhäue Velag, Bael und Stuttgat, Geany. 707. (In Gean).