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Mit einem Förderaggregat zusammengebauter Elektromotor
Es sind Elektromotoren für die Förderung von flüssigen Medien, z. B. Unterwassermotoren, Motoren für Bohrlochpumpen oder Umwälzpumpen bekannt, bei denen der Rotor des Elektromotors oder das mit dem Rotor zusammengebaute Förderorgan stopfbüchsenlos zu einer konstruktiven Einheit verbunden und allseitig von der zu fördernden Flüssigkeit umgeben ist. Es sind auch derartige Elektromotoren bekannt, deren Anker Lufträume enthalten, deren Volumen im Verhältnis zum Ankervolumen jedoch unbedeutend ist oder deren Anker kleine Lufträume aufweist und gegen das Innere einer Taucherglocke zu offen ist und somit auch den Eintritt der den Anker umgebenden Förderflüssigkeit verhindert, wobei das Luftvolumen aber wieder unbedeutend klein ist gegenüber dem Volumen der im Anker eingeschlossenen elektromagnetisch aktivenBauteile.
Viele dieser Anordnungen verwenden die zu fördernde oder eine andere Flüssigkeit für die Schmierung der Lager. Insbesondere bei der Verwendung von Wasser oder andern niedrigviskosen Flüssigkeiten als Schmiermittel der Gleitlager zeigt sich im Betrieb ein Nachteil darin, dass die Lager den belastenden Kräften auf die Dauer nicht gewachsen sind, zufolge mangelhafter Schmierung oder zufolge von Verunreinigung im Fördermedium. Die elektromagnetischen Kräfte und die hydraulischen (meist Axialschub-) Kräfte, die der Rotor des Elektromotors und das Laufrad des Förderorgans auf die Lager aus- üben, können bei geschickter Dimensionierung und Anordnung der aktiven Teile weitgehend kompensiert werden.
Daher verbleibt als relativ grosse, lagerbelastende Kraft das Eigengewicht des Rotors oder des mit dem Rotor zusammengebautenFörderorgans, Bei vertikaler Achse wird das Axiallager belastet, bei horizontaler Achse von Rotor und Förderorgan die Radiallager. Durch diese Belastung werden die Laufeigenschaften verschlechtert und die Lebensdauer der Lager verkürzt, indem statt des gewollten FlUssigkeits- schmierfilmes ein direkter, bei starkerExzentrizität zwischenWellenbüchseundLagerschale denReibungs- koeffizient erhöhender und die Abnutzung verstärkender Kontakt zwischen Wellenbüchse und Lagerschalen auftritt und indem Fremdkörper die engeren Partien der Spalte zwischen Lager und Wellenbüchse ausschleifen bzw. abnutzen.
Beim Anlauf des Rotors, bevor sich der Flüssigkeitsschmierfilm in den Lagern gebildet hat, tritt ein, zufolge trockener Reibung, noch höheres Reibungsdrehmoment in den Lagern auf, welches vom Motordrehmoment überwunden werden muss. Das Motordrehmoment muss stärker sein als das (trockene) Reibungsdrehmoment im Anlauf, damit die andern Widerstände ausserhalb der Lager überwunden werden können und ein Restdrehmoment für die Beschleunigung der Rotormasse verbleibt.
Bei Förderaggregaten kleiner Leistung, wie z. B. bei Umwälzpumpen ist das vom Motor erzeugte Anlaufdrehmoment, insbesondere bei Speisung mit einphasigem Wechselstrom, äusserst gering. Oft ist es so, dass die Motorabmessungen nicht auf denLeistungsbedarf des Förderorgans im Lauf abgestimmt sind, sondern auf ein genügend hohes Anlaufdrehmoment, das mit Sicherheit grösser ist als das Reibungsdrehmoment der Lager bei Stillstand.
Daher ergibt sich oft eine unnötig grosse und teure Motorbauart für einen im Betrieb geringfügigen Leistungsbedarf des Förderorgans, deshalb wird das ganze Aggregat schwer und teurere"
Es ist Gegenstand der Erfindung, diese Mängel dadurch zu beheben, dass der Rotor mindestens einen Schwimmkörper besitzt, dessen mittleres spezifisches Gewicht kleiner ist als jenes des Fördermediums.
Wesentlich ist dabei, dass das mittlere spezifische Gewicht des Rotors kleiner als 5 gemacht wird.
Dieses geringe spezifische Gewicht des Rotors kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung z. B. dadurch erreicht werden, dass die der Flüssigkeitszufuhr dienende Hohlwelle zusammen mit dem die Welle koaxial umgebenden Rotorring einen im Querschnitt ringförmigen hohlen und in sich geschlossenen
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Schwimmkörper bildet, dessen mittleres spezifisches Gewicht höchstens 5 beträgt.
Die bisher normalerweise verwendeten Rotoren der Elektromotoren bestehen vornehmlich aus Eisen und Kupfer, deren spezifische Gewichte zwischen 7,7 und 8, 9 liegen, und ergeben ein mittleres spezifisches Gewicht des gesamten Rotorkörpers von etwa 8.
Die Lagerbelastung rechnet sich aus dem Volumen des Rotorkörpers mal dessen mittlerem spezifischen Gewicht abzüglich dem spezifischen Gewicht des den Rotorkörper umgebenden flüssigen Mediums. Im Falle der Förderung vonWasser mit dem spezifischen Gewicht 1, rechnet sich die Lagerbelastung aus dem Volumen des massiven Körpers mal dem spezifischen Gewicht, im vorliegenden Beispiel 8, abzüglich dem spezifischen Gewicht der Flüssigkeit 1, also aus dem Volumen des massiven Körpers in cm mal 7.
Dies bedeutet die Lagerbelastung in Gramm.
Die Verwendung des leichteren Aluminiums statt des Kupfers für die Wicklungen des Rotors ergibt eine unbedeutende Verringerung des mittleren spezifischen Gewichtes des Rotors, vielleicht von 8 auf 7 (unter Berücksichtigung der üblicherweise verwendeten kleinenAluminiummengen) und die Lagerbelastung rech-
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glocke gebaut sind, wobei der Luftpolster und die Förderflüssigkeit miteinander in Verbindung sind. Ausserdem gibt es noch Elektromotoren, deren Rotor mit dem Laufrad stopfbüchsenlos verbunden ist und kleine, an sich bedeutungslose Hohlräume aufweist.
Um die Lagerbelastung bei gleichenAbmessungen und gleichen Leistungen von Rotor und Förderorgan wesentlich zu reduzieren, z. B. auf die Hälfte, ist es nötig, das mittlere spezifische Gewicht des Rotors (oder von Rotor und Fötderorgan) von z. B. 8 auf 4. oder weniger zu reduzieren. Dies kann, wie erwähnt, durch die erfindungsgemäss angegebenen Massnahmen und durch weitgehende Verwendung von Kunststoffen für die elektromagnetisch nicht aktivenBauteile des Rotors und für das Förderorgan geschehen, wobei auch zwei verschiedene Arten von Kunststoffen verwendet werden können, wie z. B. :
1.
Die wenig elastischen Bauteile für Welle, Förderorgan usw. aus thermoplastischen oder härtbaren Kunststoffen als Trägergerüst von Rotor und Förderorgan, und
2. hochelastische Kunststoffe, Schaumstoffe, aus vielen einzelnen kleinen Zellen als volumenmehrende. luftgefüllte, auftriebbewirkende Bauteile von Rotor und Förderorgan.
Natürlich können auch, an Stelle von Schaumstoffen, im Inneren von Rotor und Förderorgan grosse luft- oder gasgefüllte Hohlräume geschaffen werden, die allseitig von einer Aussenhaut des Rotors und des Förderorgans umschlossen und gegen die sich ausserhalb des Rotorsbefindliche Flüssigkeit abgedichtet sind und Auftrieb erzeugen.
In den Fig. 1 und 2 sind zwei beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung im Axialschnitt dargestellt.
In Fig. 1 ist ein Beispiel einer erfindungsgemässen Anordnung, eine Umwälzpumpe, dargestellt, bei der Rotor und Förderorgan stopfbüchsenlos zusammengebaut sind. 1 ist das Gehäuse, dem die zu fördernde Flüssigkeit zu- und von dem sie abströmt, 2 ist ein Lagerschild, das mit dem Gehäuse fest verbunden ist, 3 ist das Laufrad mit zusammengebauter Welle 4, eingangsseitigem Lager 5, motorseitigen Lager 6. 7 ist das Statorblechpaket, das in bekannter Weise die Wicklung 8 trägt, 9 ist ein Spaltrohr, das den Stator 7 mit den Wicklungen 8 und eventuellHarzumguss 12 trägt und auf das Lagerschild 2 flüssigkeitsdicht aufgesteckt werden kann. 10 ist der magnetische Teil des Rotors, z. B. ein genuteter oder nutenloser Ring aus Eisenblech oder einStahlrohr, 11 ist eine elektrisch gut leitende Schicht, z. B.
Kupfer, die den Rotorring teilweise oder ganz umgibt und für die Drehmomentbildung des Motors genügend stark bemessen sein soll, 13 ist ein zwischen Laufrad und motorseitigem Lager angeordne ter, volumenmehrender Körper aus Schaum- stoff oder ein Hohlraum, der durch Welle, Förderorgan und eine Aussenhaut 14 aus starrem Kunststoff (z. B. glasfaserverstärkte Kunstharze) oder Metall gebildet wird. 15 ist der Tragkörper für den Rotorring 10 und 11. Derselbe kann aus Schaumstoff bestehen und, wenn die grosse Elastizität desselben unerwünscht ist, durch eine Aussenhaut 16 aus Metall oder starrem Kunststoff verstärkt sein.
Die elastische Eigenschaft kann aber auch erwünscht sein, indem bei Eintritt von Fremdkörpern in die Förderflüssigkeit in den Spalt zwi- schenRotor 10/11 und Spaltrohr 9 derRotor etwas nachgiebig ist und daher von Fremdkörpern nicht blokkiert werden kann.
Durch die Anordnung in Fig. 2 ist eine andere Ausführungsform des Erfindungsgedankens dargestellt, ebenfalls eine Umwälzpumpe, bei der 1 das Gehäuse, 2 das Lagerschild, 3 das Förderorgan und 4 das Tragrohr darstellt, 5 ist das eingangsseitige Lager, 6 das ausgangsseitige Lager, 7 das Statorblechpaket mit den Wicklungen 8 und dem umgebenden Harzkörper 12. Der feststehende Lagerteil 6 ist einstellbar mit Hilfe eines Gummiringes, der fest auf einem Zapfen 19 im Lagerschild 2 montiert ist. 10 ist der
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magnetisch aktive Teil des Rotors, 11 ein drehmomentbildender Kupfermantel um denselben, der seitlich gegen den Teil 4 abschliesst und damit einen Hohlraum 15 bildet.
Der gesamte Rotorkörper mit Laufrad und eingeschlossenem Hohlraum 15 und 13 lässt bei genügend grosser Ausbildung des Hohlraumes in der praktischen Ausführung ein mittleres spezifisches Gewicht von 6 bis 1 erreichen. Bei Verwendung von Wasser als Fördermedium erhält der Rotorhohlkörper einen Auftrieb, der die Lagerbelastung vermindert.
Die Lagerbelastung rechnet sich dann für das mittlere spezifische Gewicht 5 des Rotors mit eingeschlossenem Hohlraum aus dem entsprechenden Volumen mal 5-1. Somit ist die Lagerbelastung ungefähr auf die Hälfte derLagerbelastung der üblichen Ausführung, bei der der Rotorhohlraum ganz aus Eisen besteht, reduziert, was eine Verminderung des Anlaufdrehmomentes auf die Hälfte und damit eine entsprechende Verbesserung und Verbilligung des Motors zur Folge hat.
Ist das mittlere spezifische Gewicht von Rotor inklusive eingeschlossenem Hohlraum durch besonders grosse Ausbildung des Hohlraumes bis auf den Wert l vermindert worden, so ist für den Fall Rotor in Wasser der Auftrieb so gross, dass die resultierende Lagerbelastung bei horizontaler oder vertikaler oder schräger Achse des Motors stets Null wird, weil der Hohlraum den Rotor zum Schwimmkörper macht. In diesem Idealfall ist das Reibungsdrehmoment natürlich am kleinsten und die vorhin erwähnten günstigen Einflüsse kommen voll zur Geltung.
Damit der Hohlraum 15 in Fig. 2 möglichst gross und die Masse der magnetisch und elektrisch wirk- samenBauteile 0desRotors 10 und 11 möglichst klein sind, ist die Kombination Schwimmkörper mit nutenlosem Rotor bevorzugt. Im Gegensatz zum genuteten Rotor, dessen Konstruktion eine grössere Wandstärke von 10 bedingt, lässt sich der nutenlose Rotor 10, dessen Drehmomentbildung vornehmlich im Kupfermantel 11 erfolgt, mit minimaler Wandstärke und leichtestem Rotorgewicht bei maximalem Volumen des Hohlraumes 15 ausführen.
Es ist selbstverständlich möglich, auch bei andern in Flüssigkeit laufenden Motoren das Prinzip des schwimmenden Rotors anzuwenden oder die Auftriebskraft mit den andern elektromagnetischen, hydrau- lischen und Gewichtskräften so zu kombinieren, dass minimale Lagerbelastungskräfte entstehen. Es ist auch möglich, die Anordnungen mit Hohlraum oder spezifisch besonders leichtem Füllstoff in mehrstufigen Bohrlochpumpen, Unterwassermotoren usw. sinngemäss anzuwenden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Mit einem Förderaggregat. zusammengebauter Elektromotor. dessen Anker und das Förderorgan zu
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per besitzt, dessen mittleres spezifisches Gewicht kleiner ist als jenes des Fördermediums.