DE10002657A1 - Elektromotor - Google Patents

Abstract

Es wird ein Elektromotor mit im Ständer gelagertem Läufer beschrieben. Um einen Motor mit angeschlossenem Steuermittel und/oder Abtriebsaggregat kompakt auszubilden und das Leistungsgewicht zu vermindern, wird der Läufer hohl ausgebildet und radial innerhalb des Läufers wird das den Motor steuernde bzw. vom Motor angetriebene Aggregat angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft insbesondere einen Strahlantrieb mit einem eine Wasserschraube umfas­ senden Strahlrohr eines Wasserfahrzeugs, wobei das Strahlrohr als hohler Läufer eines Elektromotors mit den Läufer umgebendem hohlen Ständer ausgebildet und die Wasserschraube an der Innenfläche des Läufers fixiert ist.

Der Welle eines Elektromotors werden Steuer- und/oder Folgeaggregate, wie Steu­ ermittel, z. B. Drehgeber, und/oder anzutreibende Geräte, z. B. Kompressoren, zuge­ ordnet. Dadurch wird die in Richtung der Motorwelle gemessene Gesamtlänge im allgemeinen deutlich vergrößert. Eine der Erfindung zugrunde liegende allgemeine Aufgabe besteht darin, einen Elektromotor mit in Richtung der Motorwelle kompak­ tem Aufbau zu schaffen.

Ein Strahlantrieb mit Wasserschraube wird in EP 0 452 538 B1 beschrieben. Dieser Strahlantrieb wird selbst als Elektromotor mit hohlem Läufer (= Rotor) und an des­ sen Innenwand fixiertem Antriebspropeller ausgebildet. Der Antriebspropeller kann die Form einer Schnecke besitzen. Der Läufer wird in einem ebenfalls rohrförmigen Ständer (= Stator) gelagert. Der Läufer soll eine Ankerwicklung tragen, die über ei­ nen Kollektor mit Strom zu versorgen ist. Am Ständer wird eine Magnetwicklung (in einer in den Ständerkörper eingelassenen Kammer) untergebracht.

Die in der genannten EP-Patentschrift vorgesehene Stromversorgung der Läufer­ wicklung ist in der Praxis nur schwierig zu realisieren. Der als Elektromotor ausgebildete Strahlantrieb muß nämlich ganz und gar im Wasser betrieben werden, so daß der Kollektor in einem isolierten Gehäuse unterzubringen ist. Ein weiterer Nach­ teil des bekannten Vorschlags besteht darin, daß für den Ständer eine in radialer Richtung (radial in Bezug auf die beschriebene Rohrform) ausgedehnte Magnet­ wicklung erforderlich ist. Die in der radialen Richtung gemessene Gesamtdicke von Ständer und Läufer in der Praxis fast 50% des Gesamtradius des rohrförmigen An­ triebs ausnimmt. Die senkrecht zur Motorachse (Rohrachse) gemessene Gesamt- Querschnittsfläche von Ständer und Läufer ist dann deutlich größer als der durch die lichte Weite definierte Durchlaßquerschnitt des Läufers und stellt einen Wasser­ widerstand dar, der einen großen Teil der durch den Strahlantrieb erstrebten Ver­ besserung des Wirkungsgrades wieder aufzehrt.

Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, den Strahlantrieb so auszubilden, daß Isolationsprobleme an drehenden Teilen nicht auftreten und der senkrecht zur Motorachse gemessene Querschnitt von Ständer und Läufer weniger als 50% des in derselben Ebene gemessenen Gesamtquerschnitt des Motorrings umfaßt.

Für den eingangs genannten Elektromotor besteht die Lösung zur allgemeinen Auf­ gabe darin, daß der Läufer ringförmig - also hohl - ausgebildet ist und daß ein den Motor steuerndes und/oder vom Motor angetriebenes Aggregat radial innerhalb des Läufers angeordnet ist. Hiernach können beispielsweise ein den Motor steuernder Drehgeber, insbesondere Winkeldrehgeber, und/oder ein vom Motor angetriebener Kompressor innerhalb des vom Läufer ringförmig umgebenen Raums positioniert werden. Mit anderen Worten, um einen Motor mit angeschlossenem Steuermittel und/oder Abtriebsaggregat kompakt auszubilden und das Leistungsgewicht zu ver­ mindern, wird der Läufer hohl ausgebildet und radial innerhalb des Läufers wird das den Motor steuernde bzw. vom Motor angetriebene Aggregat angeordnet.

Durch die ringförmige Ausbildung des Läufers wird der Gesamtdurchmesser (radial in Bezug auf die Motorwelle) gegenüber einem die Motorwelle unmittelbar um­ schließenden Läufer vergrößert. Wenn die Zahl der Ständer- und Läuferpole (bzw. Nuten) mit dem Durchmesser entsprechend vergrößert werden, ergibt sich ein zusätzlich verbessertes Leistungsgewicht des Motors. Hinzu kommt, daß die Durchmesservergrößerung, eine Verlängerung des Hebelarms, mit dem die Motor­ kraft an den Läufer angreift, zur Folge hat. Überraschenderweise läßt sich also ein Motor bestimmter Leistung mit geringerem Gewicht herstellen, wenn der Läufer ringförmig hohl und der Ständer mit entsprechend großem Durchmesser ausgebil­ det wird. Einzelheiten hierzu werden anhand der im folgenden erläuterten bevorzug­ ten Ausführung der Erfindung beschrieben.

Eine erfindungsgemäß bevorzugte Ausführungsform besteht für den eingangs ge­ nannten Strahlantrieb, dessen Strahlrohr als hohler Läufer eines ringförmigen Elek­ tromotors ausgebildet ist, darin, daß als Elektromotor ein Drehstromasynchronmotor mit Kurzschlußläufer und Stern-Dreieck-Anlauf vorgesehen ist, wobei die Ständer­ wicklung im Sinne einer Verminderung des senkrecht zur Motorachse gemessenen Ständerquerschnitts auf eine Vielzahl von Ständerpolen verteilt ist. Einige Verbesse­ rungen und weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden in den übrigen Unteran­ sprüchen beschrieben.

Ständer und Läufer werden wie üblich als gleichmäßig genutetes Blechpaket aufge­ baut. Die im Ständer vorgesehene Drehstromwicklung (Primärwicklung) wird in Stern oder Dreieck geschaltet. Der Kurzschlußläufer enthält in die Nuten seines Läuferblechpakets eingeschobene Kupferstäbe, die vorzugsweise stirnseitig mit Ringen verlötet sind. Die Leiter- und Stirnverbindungen können aber auch auf ande­ re Weise, z. B. im Gußverfahren, hergestellt werden.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines Kurzschlußläufers wird erreicht, daß Dreheinführungen einer Stromzuleitung entfallen. Bei Einsatz im Wasser wer­ den die bisher erforderlichen Isoliergehäuse also nicht mehr gebraucht. Außerdem wird durch die viel- bzw. hochpolige Ausbildung des Motors der in der radialen Ebe­ ne gemessene Ring-Querschnitt von Ständer und Läufer extrem herabgesetzt. Die untere Grenze des Ring-Querschnitts ist weniger theoretisch als durch die Praxis gegeben. Die Nutung von Ständer und Läufer kann nämlich nicht beliebig hoch ge­ wählt werden. Ein im Sinne der Erfindung hochpoliger Drehstromasynchronmotor kann beispielsweise 36 bis 96, insbesondere mehr als 60, vorzugsweise 72, Stän­ dernuten und entsprechend viele Läufernuten besitzen.

Ein insgesamt ringförmiger Motor nach der Erfindung, dessen Läufer vorzugsweise in einem Radialkugellager innerhalb des Ständers rotieren soll, wird betreffend die Größenverhältnisse, speziell von Läufernutengröße und Rückendicke des Läufers, betreffend das Mengenverhältnis von Eisen zu Kupfer sowie die Zahl der Pole in einem ersten konstruktiven Schritt so bemessen, daß der Motor selbst, z. B. betref­ fend das Anlaufmoment, optimal abgestimmt ist. Dabei können das Läufer- und Ständerpaket in üblicher Weise aus genuteten Dynamoblechen laminiert werden, so daß bereits beim Zusammensetzen des Blechpakets die Läufernuten bzw. Ständer­ pole entstehen.

In einem weiteren konstruktiven Schritt kann die Motorleistung an den jeweiligen Anwendungsfall, z. B. an den bei vorgegebener Drehzahl optimalen Wirkungsgrad einer Wasserschraube, durch Wahl der axialen Läufer- und Ständerlänge, das heißt der Zahl der im Läufer- und Ständerpaket enthaltenen Bleche, angepaßt werden. Dabei wird berücksichtigt, daß eine Wasserschraube nur eine der Schraubengeo­ metrie spezifische Leistung an das Wasser abgeben kann. Ähnliches gilt für andere in dem Läufer positionierte Aggregate.

Bei der Bemessung der Geometrie der Blechpakete, vor allem des Läuferpakets, ist zu berücksichtigten, daß die vom Ständer gelieferte Energie auch vom Läufer abge­ nommen und im wesentlichen in Bewegungsenergie umgewandelt werden kann.

Das wird gemäß weiterer Erfindung unter anderem dadurch begünstigt, daß man bei einem Läuferpaket bzw. -anker mit in die Läufernuten eingesetzten Leiterstäben den die Läufernuten enthaltenden radial äußeren Teilringbereich des Läuferpakets - gemessen in radialer Richtung - etwa halb so dick wie das ganze Läuferpaket macht. Entsprechende radiale Längenverhältnisse sollen im Ständerpaket vorgese­ hen werden. Hier sollen die Nuten der Ständerpole - von der Motorachse aus gese­ hen radial nach außen - etwa bis zur Hälfte der radialen Dicke des Ständerpakets reichen. Gegebenenfalls werden bei einem wie oben definiert hochpoligen Dreh­ stromasynchronmotor mit Kurzschlußläufer nicht nur ein gutes Anlaufmoment, son­ dern auch eine hervorragende Dauerleistung, z. B. als Schub eines Schiffsantriebs, erreicht.

Erfindungsgemäß soll beim Schiffsantrieb der hohle Läufer, an dessen Innenfläche eine Wasserschraube befestigt ist, in einem ebenfalls hohlen Ständer rotieren kön­ nen. Der Läufer soll dabei im Ständer gelagert und geführt werden. In einem bevor­ zugten allgemeinen Anwendungsbeispiel wird der Läufer in einer Anordnung von Rillenkugellagern oder Axialkegellagern aufgenommen. Solche und ähnliche Lager nehmen nicht nur Radial- sondern auch Axialkräfte auf. Beispielsweise bei dem Stahlantrieb können die Axialkräfte relativ groß werden. Alternativ können Radialla­ ger auch durch axiale Lager, z. B. Gleitlager, ergänzt werden. Als axiale Sperre in diesem Sinne kann auch je eine radial vor die axialen Läuferfrontseiten vorsprin­ gende Ständerkante vorgesehen werden.

Anhand der schematischen Darstellung von Ausführungsbeispielen eines Strahlan­ triebs werden einige Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen an einem Segelboot befestigten Strahlantrieb mit in den Läufer eines Elektromotors integrierter Wasserschraube;

Fig. 2 einen vergrößert dargestellten Strahlantrieb nach Fig. 1; und

Fig. 3 einen Abschnitt der in dem Blechpaket bzw. Anker nach Fig. 2 ver­ wendbaren Dynamobleche.

Fig. 1 zeigt ein Segelboot 1 mit unterhalb der Wasserlinie 2 angebrachtem, ringför­ migem Strahlantrieb 3. Der Strahlantrieb 3 nach der Erfindung braucht im allgemei­ nen eine Wechselstromversorgung. Die entsprechende Spannung kann mit einem an irgendeiner Stelle des Boots 1 positionierten Generator 4 erzeugt werden. Wenn Wechselstrom nicht unmittelbar zur Verfügung steht, kann Strom aus Batterien, Brennstoffzellen usw. entnommen werden und dem Strahlantrieb 3 über einen Wechselrichter zugeführt werden.

Im Ausführungsbeispiel eines Strahlantriebs 3 nach Fig. 2 besteht der entsprechen­ de Elektromotor aus einem Läufer 5 mit an dessen Innenfläche 6 fixiertem Antriebs­ aggregat z. B. als Wasserschraube 7. Der Läufer 5 wird in Radial-Kugellagern 8 in­ nerhalb eines ringförmigen Ständers 9 gelagert. Falls erforderlich können als axiale Sicherung des Läufers 5 (Ring-)Nasen 8a des Ständers 9 vor die Läuferstirnflächen 5a kragen. Der Ständer 9 besitzt eine über eine Leitung 10 an eine Stromversor­ gung 4 anzuschließende Ständerwicklung 11 auf einem Blechpaket 12. Der Läufer 5 wird - wie im wesentlichen auch der Ständer 9 - als hohles Rohr ausgebildet. Die zugehörige Achse ist in beiden Fällen die Rotorachse 13. Der Läufer 5 enthält ein Läuferblechpaket 14 mit darin integrierter, aus Kurzschlußstäben bestehender Läu­ ferwicklung 15. Die Wasserschraube 7 symbolisiert im beschriebenen Ausführungs­ beispiel irgendein den Motor steuerndes bzw. vom Motor angetriebenes Aggregat innerhalb des hohlen Läufers 5.

Um im Ausführungsbeispiel den Wasserwiderstand des Strahlantriebs 3 möglichst niedrig zu halten, soll die gesamte Dicke von Ständer- und Läuferring - gemessen radial in Bezug auf die Motorachse 13 - möglichst gering sein. Aus diesem Grunde wird erfindungsgemäß eine hochpolige, insbesondere 24-polige, Ständerwicklung 11 mit 72 Nuten in Stern-Dreieck-Schaltung verwendet.

In Fig. 3 wird ein Ausschnitt von zwei sich gegenüberstehenden einzelnen Ständer- und Läuferblechen 16, 17 dargestellt. Das Läuferblech 17 enthält Läufernuten 18, in die (nicht gezeichnete) Leiterstäbe, vorzugsweise Kupferstäbe, eingesetzt werden. Bei einer bevorzugten Ausbildung des Läuferblechs 17 wird der die Läufernuten 18 enthaltende radial außen liegende Teilringbereich 19 des Läuferblechs 17 - gemes­ sen in der radialen Richtung 20 (bezüglich der Motorachse 13) - etwa halb so breit wie das ganze Blech 17 in der radialen Richtung 20 gemacht. Der Teilringbereich 19 wird auch als Rücken des Läuferblechs 17 bezeichnet. Im vorstehenden Sinne soll also die (radial gemessene) Dicke des Rückens (= Rückendicke), etwa gleich der Tiefe sein, mit der die Läufernuten 18 in das Läuferblech 17 eingeschnitten sind.

Ähnlich optimiert sollen die Ständernuten 21 bzw. Ständerpole 22 im Ständerblech 16 geformt werden. Vorzugsweise sollen die Ständernuten 21 etwa bis zur Hälfte der in der radialen Richtung 20 gemessenen Dicke des ganzen Ständerblechs 16 reichen.

Eine weitere, im Rahmen der Erfindung vorteilhafte, Bemessungsregel betrifft das Verhältnis der in der radialen Richtung 20 gemessenen Gesamtbreiten von Stän­ derblech 16 und Läuferblech 17. Dieses Verhältnis soll in der Größenordnung von 1,5 bis 2,0 : 1, vorzugsweise 1,7 bis 1,8 : 1 liegen. Wenn die vorstehenden Verhältnis­ se eingehalten werden, sollte sich ein an sich optimal arbeitender, z. B. anlaufender Motor, ergeben. Ein solcher Motor kann aber in der Praxis nur die Leistung abge­ ben, die von seinem Verbraucher aufgenommen wird. Eine in dem Läufer befestigte Wasserschraube kann nach den bisherigen Feststellungen nicht (proportional) in dem Maße mehr Leistung abnehmen und an das Wasser abgeben, in dem mit stei­ gendem Durchmesser des Motors dessen Leistung steigt. Aus diesem Grunde kön­ nen, wenn konstruktiv von einem optimierten Motor, z. B. mit Wasserschraube, aus­ gegangen wird, bei Vergrößerung des Ringdurchmessers die radial gemessenen Ringstärken unverändert gelassen und/oder die Zahl der in den Blechpaketen 12, 14 enthaltenden Bleche vermindert werden.

Bezugszeichenliste

1

Segelboot

2

Wasserlinie

3

Strahlantrieb

4

Generator

5

Läufer

6

Innenfläche (

5

)

7

Wasserschraube

8

Kugellager

9

Ständer

10

elektrische Leitung

11

Ständerwicklung

12

Ständerblechpaket

13

Motorachse

14

Läuferblechpaket

15

Läuferwicklung

16

Ständerblech

17

Läuferblech

18

Läufernut

19

Teilringbereich

20

radiale Richtung

21

Ständernut

22

Ständerpol

Claims (10)

1. Elektromotor mit im Ständer (9) gelagertem Läufer (5), dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Läufer (5) ringförmig - also hohl - ausgebildet ist und daß ein den Motor (3) steuerndes und/oder vom Motor angetriebenes Aggre­ gat (7) radial innerhalb des Läufers (5) angeordnet ist.

2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Läu­ fer ein den Motor steuernder Drehgeber positioniert ist.

3. Elektromotor nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß im Läu­ fer ein vom Motor angetriebener Kompressor gelagert ist.

4. Elektromotor nach Anspruch 1 ausgebildet als Strahlantrieb (3) mit einem eine Wasserschraube (7) umfassenden Strahlrohr eines Wasserfahr­ zeugs (1), wobei das Strahlrohr als hohler Läufer (5) eines Elektromotors mit den Läufer umgebendem hohlen Ständer (9) ausgebildet und die Wasser­ schraube an der Innenfläche (6) des Läufers fixiert ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Elektromotor ein Drehstromasynchronmotor mit Kurz­ schlußläufer und Stern-Dreieck-Anlauf vorgesehen ist, wobei die Ständer­ wicklung (11) im Sinne einer Verminderung des senkrecht zur Motorachse (13) gemessenen Ständerquerschnitts auf eine Vielzahl von Ständerpolen (22) verteilt ist.

5. Elektromotor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Läufer (5) über Radialrillenkugellager (8) oder Axi­ alkegellager im Ständer (9) gelagert ist.

6. Elektromotor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei Verwendung eines aus Dynamoblechen laminier­ ten, genuteten Läuferpakets (14) bzw. -ankers mit in die Läufernuten (18) eingesetzten Leiterstäben der die Läufernuten enthaltende radial äußere Teilbereich (19) des Läuferpakets - gemessen in radialer Richtung (20) - et­ wa halb so dick wie das ganze Läuferpaket (14) ist.

7. Elektromotor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei Verwendung eines aus Dynamoblechen laminier­ ten, genuteten Ständerpakets (12) bzw. -ankers mit in dessen Nuten (21) vorgesehener (Primär)-Wicklung die Nuten der Ständerpole (22) - gesehen radial nach außen - etwa bis zur Hälfte der radialen Dicke des Ständerpakets reichen.

8. Elektromotor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Verhältnis der radial gemessenen Dicken von Läufer- und Ständerpaket (12, 14) in der Größenordnung von 1 : 1,5 bis 2,0, vorzugsweise 1 : 1,7 bis 1,8, liegt.

9. Elektromotor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein 72-poliger Ständer (9) vorgesehen ist.

10. Elektromotor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Motor als solcher für eine vorgegebene lichte Wei­ te des Läufers (5) durch Auswahl der Ständer-Polzahl sowie des Mengen­ verhältnisses von Eisen zu Kupfer optimiert ist und daß die Motorleistung an den bei vorgegebener Drehzahl optimalen Wirkungsgrad des angetriebenen Aggregats, insbesondere der Wasserschraube (7), durch Wahl der axialen Läufer- und Ständerlänge bzw. der Zahl der in dem Läufer- und Ständerpaket (12, 14) enthaltenen Bleche (16, 17) vorgegeben ist.