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Die
Erfindung betrifft eine Baugruppe für einen druckresistenten Elektromotor
für den
Einsatz bei großen
Druckunterschieden zwischen dem Motorraum des Elektromotors und
der Umgebung.
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Solche
Motoren kommen beispielsweise bei der Förderung von Rohstoffen im Tiefseeeinsatz
unterhalb von 1000 Meter Wassertiefe zum Einsatz. Bei derartigen
Tiefseeeinsätzen
können
große
Druckdifferenzen zwischen dem Inneren des Motors und der Umgebung
bestehen. Bekannte Unterwassermotoren sind daher mit Druckgehäusen versehen,
welche den gesamten Elektromotor druckdicht von der Umgebung entkoppeln.
Problematisch bei solchen Druckgehäusen ist, dass die Ansteuerung
des Elektromotors und die Stromversorgung, also die Verkabelung
von außen
durch ein solches Druckgehäuse hindurch
geführt
werden muss. Solche Durchführungen
durch Druckgehäuse
sind grundsätzlich Schwachstellen
eines solchen Druckgehäuses
und daher besonders massiv sowie konstruktiv komplex und damit kostenaufwendig
auszuführen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, die beschriebenen Probleme
bekannter Elektromotoren zu lösen
und insbesondere eine kostengünstigere
und konstruktiv einfachere Ausführungsmöglichkeit
für Elektromotoren
für den
Einsatz bei großen
Druckunterschieden zwischen dem Motorraum des Elektromotors und
der Umgebung vorzusehen.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch eine Baugruppe für einen druckresistenten Elektromotor
mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie einen Elektromotor mit
wenigstens einer solchen Baugruppe gemäß Anspruch 22.
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Eine
erfindungsgemäße Baugruppe
für einen
druckresistenten Elektromotor für
den Einsatz bei großen
Druckunterschieden zwischen Motorraum des Elektromotors und der
Umgebung, weist einen Rotor und wenigstens einen den Rotor umschließenden Stator
auf. Dabei ist zumindest in einem zwischen dem Rotor und Stator
befindlichem Spalt ein einstückiger
Druckmantel aus zumindest teilweise hochfestem Material vorgesehen,
welcher Anschlussmittel aufweist, um mit weiteren Elementen ein
separates Druckgehäuse
zu bilden. Der einstückige
Druckmantel als Teil eines Druckgehäuses ist bei einem erfindungsgemäßen Elektromotor
für große Druckunterschiede
ausgelegt. Dabei verstehen sich große Druckunterschiede im Sinne
dieser Erfindung als Druckunterschiede von im Wesentlichen über 100
bar. Die Form des Druckmantels ist dabei im Rahmen der geometrischen
Umgebungsparameter im Wesentlichen frei wählbar. So kann der Druckmantel
grundsätzlich
zylindrisch oder auch in Form eines Rohres mit einseitigem Verschluss
durch einen Boden, wie beispielsweise einem Klöpperboden, ausgebildet sein.
Eine erfindungsgemäße Baugruppe
für einen
druckresistenten Elektromotor bildet den wesentlichen Bestandteil
eines solchen druckresistenten Elektromotors. Die erfindungsgemäße Baugruppe
ist somit die Untereinheit, welche bereits alleine genommen die
wesentliche erfinderische Idee beinhaltet um einen druckresistenten
Elektromotor zu bilden. Damit kann die erfindungsgemäße Baugruppe
für einen
druckresistenten Elektromotor gleichzeitig auch als eine Liefereinheit
für die
Endmontage des Elektromotors dienen. Üblicherweise ist es das Bestreben
den Spalt zwischen dem Rotor und dem Stator möglichst klein zu halten, da
proportional zur Größe des Spaltes
die Verluste beim Antrieb des Rotors steigen. Bei einer erfindungsgemäßen Baugruppe
für einen
druckresistenten Elektromotor wird dieser Spalt entgegen diesem
Bestreben bewusst vergrößert, um
in diesem Spalt einen Druckmantel für ein separates Druckgehäuse anzuordnen.
Das Druckgehäuse
ist eigenständig,
also separat von sämtlichen
anderen Elementen, insbesondere anderen Gehäuseteilen des druckresistenten
Motors. Auf diese Weise wird zwar einerseits eine gewisse Minderleistung
des Elektromotors in Kauf genommen, jedoch wird ein Teil des gebildeten
separaten Druckgehäuses
von Aussen in diesen Spalt verlagert. Auf diese Weise ist die Ansteuerung
und die Stromversorgung des Stators direkt möglich und muss nicht mehr durch
das Druckgehäuse,
welches teilweise durch den Druckmantel gebildet wird, hindurch
geführt
werden. So wird eine Konstruktion erzielt, bei welcher auf kostenintensive,
aufwendige und fehleranfällige Durchführungen
für Kabel
durch das Druckgehäuse zum
Stator verzichtet werden kann. Eine solche erfindungsgemäße Baugruppe
für einen
druckresistenten Elektromotor ist so einerseits kostengünstiger
in der Herstellung, andererseits deutlich weniger fehleranfällig im
Betrieb. Insbesondere beim Einsatz eines erfindungsgemäßen Elektromotors
in Tiefseebereichen, beispielsweise in den Bereichen unterhalb einer
Wassertiefe von 1000 Metern, ist eine geringere Fehleranfälligkeit
von sehr großem
Vorteil, da ein Ausfall des Elektromotors beispielsweise beim Pumpen
von Erdöl
oder Erdgas direkt mit dem Ausfall der gesamten Förderstation
und damit mit einem sehr großen
finanziellen Verlust einhergehen würde. Ein erfindungsgemäßer Elektromotor
ist durch die geringere Fehleranfälligkeit auch deutlich wartungsärmer, was
wiederum die Ausfallzeiten durch Wartung vermindert. Bei der Ausführung einer
erfindungsgemäßen Baugruppe
für einen
druckresistenten Elektromotors ist es dabei unerheblich, durch welche und/oder
wie viele weitere Teile das Druckgehäuse gebildet wird. Insbesondere
kann der Druckmantel zur Bildung des Druckgehäuses an andere Elemente einer
Förderstation,
bzw. Leistungsabnehmern des Rotors wie beispielsweise ein Pumpgehäuse angeschlossen
ist. Wesentlich ist, dass die druckdichte Trennung durch den Druckmantel
im Spalt zwischen dem Rotor und dem Stator geschieht und damit der Stator
außerhalb
des Druckmantels und somit auch ausserhalb des Druckgehäuses angeordnet
ist.
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Vorteilhafterweise
ist eine erfindungsgemäße Baugruppe
für einen
druckresistenten Elektromotor derart ausgestaltet, dass der Druckmantel
zumindest im axialen Bereich zwischen dem Rotor und dem Stator aus
einem nicht magnetischen Material gefertigt ist. Demnach kann die
Gestaltung des Druckmantels durchaus einen Materialmix oder verschiedene
Materialien für
verschiedene Bereiche vorsehen. Jedoch ist es hinsichtlich der Verlustleistung
des Elektromotors vorteilhaft, wenn wenigstens im axialen Bereich
zwischen dem Rotor und dem Statur in welchem der Antrieb des Rotors
durch Induktion erzeugt wird, das Material des Druckmantels nicht magnetisch
ist. Ein nicht magnetischer Teil des Druckmantels erzeugt nur eine
sehr geringe Verzerrung des Magnetfelds und blockiert somit die
Leistungsübertragung
durch das Magnetfeld auf den Rotor nur in sehr geringem Maße. Trotz
der Vergrößerung des
Spaltes zwischen Rotor und Statur wird damit die Verlustleistung
auf ein Minimum reduziert.
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Ebenfalls
vorteilhaft kann es sein, wenn der Druckmantel einer erfindungsgemäßen Baugruppe für einen
druckresistenten Elektromotors zumindest im axialen Bereich zwischen
dem Rotor und dem Statur aus einem Material gefertigt ist, welches
nicht elektrisch leitend ist. Insbesondere weist dieses Material
eine elektrische Leitfähigkeit
kleiner als 10–10 S/cm auf. Auch eine
solche Materialwahl zielt auf die Verminderung der Verlustleistung
beim Betrieb des Elektromotors ab. Insbesondere die Verwendung elektrisch
isolierender Materialien erhöht
die Einsatzstabilität
des Elektromotors und verhindert bei Verformungen des Druckmantels
und/oder bei Unwucht des Rotors und folgenden Kontakten zwischen
dem Rotor, dem Druckmantel und/oder dem Statur sonst evtl. mögliche Kurzschlüsse.
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Um
den für
den Druckmantel notwendigerweise erweiterten Spalt zwischen dem
Rotor und dem Statur trotzdem möglichst
klein zu halten und damit ebenfalls die Verlustleistung des durch
die Baugruppe für
einen druckresistenten Elektromotors gebildeten Elektromotors auf
ein Minimum zu begrenzen, kann es sinnvoll sein, ein Material für den gesamten
Druckmantel zu verwenden, welches hochfest ist. Auf diese Weise
kann trotz geringer Materialstärke
die geforderte Druckfestigkeit gegenüber Druckunterschieden erzielt
und dennoch der Spalt zwischen Rotor und Statur möglichst
klein gehalten werden. Unter dem Begriff hochfest sind dabei Materialien
zu verstehen, welche bereits bei geringen Wandstärken eine hohe Zugfestigkeit
aufweisen. Insbesondere weisen solche Materialien im Bereich der elastischen
Verformung im Spannungs-Dehnungsdiagramm eine sehr steile Kurve
auf. Solche Materialien verformen sich also auch bei hoher Spannung nur
relativ wenig. Ein solche geringe Verformung auch unter hoher Spannung
hat unter anderem den Vorteil, dass der Spalt in welchem der Druckmantel angeordnet
ist weiter minimiert werden kann, da weniger Variationsbereich,
bzw. Pufferbereich für
die elastischen Verformungen des Druckmantels unter unterschiedlichen
Druckdifferenzen vorgesehen sein muss. Somit gelingt es den für den Druckmantel selbst
notwendigen Spalt und damit auch die verbundene Verlustleistung
auf ein Minimum zu reduzieren.
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Während des
Betriebs eines durch erfindungsgemäße eine Baugruppe für einen
druckresistenten Elektromotors gebildeten Elektromotors wird üblicherweise
Verlustleistung innerhalb des Rotors in Form von Wärmeentwicklung
frei. Um die Abfuhr der entstehenden Wärme, insbesondere im Hinblick
auf lang andauernde und stetige Einsätze zu gewährleisten, kann es vorteilhaft
sein das Material, aus welchem der Druckmantel gefertigt ist, derart
zu wählen, dass
es einen hohen Wärmedurchgangskoeffizienten
aufweist. Auf diese Weise kann sicher gestellt werden, dass durch
den Antrieb des Rotors entstehende Wärme durch den zusätzlich eingezogenen Druckmantel
nicht blockiert sondern nach Aussen abtransportiert werden kann.
Das Material weist demnach insbesondere einen geringen Wärmeleitungswiderstand
sowie auch geringe Wärmeübergangswiderstände hinsichtlich
des jeweils anwesenden Fluides auf beiden Seiten des Druckmantels
auf. Dabei kann die Struktur des Materials auch derart ausgestaltet
sein, dass die Wärme
nicht direkt radial nach Aussen abgegeben wird, sondern radial an
der Innenseite des Druckmantels aufgenommen wird und axial innerhalb
des Druckmantels transportiert wird um wiederum radial vom Druckmantel
nach Aussen in einem Bereich abgegeben zu werden, welcher nicht
mehr zwischen dem Rotor und dem Stator liegt. Ein solcher radial-axial-radial
Wärmedurchgang
hat den Vorteil, dass dem Stator von Innen nur ein geringer Anteil
der vom Rotor entwickelten Wärme
zugeführt
wird. Diese Funktionalität
kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass im axialen Bereich zwischen
dem Rotor und dem Stator der Druckmantel im Wesentlichen dreischichtig
aufgebaut ist. Die Innenseite des Druckmantels weist dabei einen
geringen Wärmeleitungswiderstand
und einen geringen Wärmeübergangswidersand
hinsichtlich des Fluides im Rotorbereich auf. Die Zwischenschicht
des Druckmantels weist ein Material mit geringem Wärmeleitungswiderstand
insbesondere in axialer Richtung auf. Die Aussenseite des Druckmantels
ist dagegen mit einem hohen Wärmeleitungswiderstand
und mit einem hohen Wärmeübergangswiederstand
hinsichtlich des Fluides im Statorbereich ausgebildet. Sie bildet
also einen Wärmeisolation.
Erst axial ausserhalb des Spaltes zwischen Rotor und Stator weist
die Aussenseite des Druckmantels ein Material mit geringem Wärmeleitungswiderstand
und geringem Wärmeübergangswiderstand
hinsichtlich des Fluides ausserhalb des Druckmantels auf, so dass
die Wärme
aus dem Druckmantel nach Aussen abgegeben werden kann.
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Eine
Möglichkeit
der Materialwahl für
den Druckmantel ist die Kombination zumindest eines Kunststoffwerkstoffes
und eines Karbonwerkstoffes. Solche Kombinationswerkstoffe erzielen
ihre Festigkeit beispielsweise durch eine Vielzahl von wechselnden
Schichten, welche insbesondere hinsichtlich ihrer Faserausrichtung
derart zueinander angeordnet sind, dass sie bereits bei geringen
Schichtdicken große
Festigkeiten erreichen. Die beiden Werkstoffe bilden in ihrer Kombination
damit einen Faserverbundwerkstoff. Dabei weist der Karbonwerkstoff
insbesondere anisotrope Kohlenstofffasern auf, welche eine hohe
Festigkeit bei gleichzeitig geringer Bruchdehnung aufweisen. Die
Kohlenstofffasern dienen dabei als Verstärkungsfasern in einer Kunststoffmatrix.
Dabei sind die Kohlenstofffasern vorzugsweise derart in der Kunststoffmatrix
orientiert, dass sie die Steifigkeit des Faserverbundwerkstoffes
hinsichtlich der Druckbelastung optimieren. Die bei Druckbehältern höchste Spannung
ist die Tangentialspannung, weshalb die Kohlenstofffasern vorteilhafter
Weise entgegen dieser Tangentialspannung in der Kunststoffmatrix
orientiert sind.
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Alternativ
kann als Material eine Kombination aus zumindest einem Keramikwerkstoff
und einem Karbonwerkstoff für
den Druckmantel vorgesehen sein. Die Kombination von Keramik und
Karbon ermöglicht
es, die Eigenschaften dieser der beiden Materialien, nämlich die
hohe Festigkeit der Keramik mit der hohen Flexibilität von Karbon
zu vereinen, so dass im Resultat ein hochbelastbarer Werkstoff entsteht,
welcher den Druckmantel bereits bei geringen Wandstärken gegen
hohe Drücke
sichert. Dabei ist der Aufbau eines solchen Keramikverbundwerkstoffes
dem Aufbau eines Kunststofffaserverbundverkstoffes sehr ähnlich.
Die Matrix, in welcher die Kohlenstofffasern eingebettet sind, besteht jedoch
hier aus Keramik. Alternativ kann auch eine reine Verbundkeramik
mit einer Keramikmatrix und darin eingebetteten keramischen Fasern
für die
Herstellung des Druckmantels verwendet werden.
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Um
insbesondere während
des Betriebes aber auch während
der Rüstzeiten
des Elektromotors die durch Druckunterschiede entstehenden Volumenänderungen
möglichst
gering zu halten, ist die erfindungsgemäße Baugruppe für einen
druckresistenten Elektromotor vorteilhafterweise sowohl innerhalb,
als auch außerhalb
des Druckmantels mit einem inkompressiblen Medium versehen. Die
Füllung des
inkompressiblen Mediums ist dabei durch geeignete Füllverfahren
gasreduziert, also nur mit einem Minimum an Restgas versehen. Stator-
und Rotorbereich, welche den Stator, bzw. den Rotor umgeben, sind
nach dem Befüllen
mit dem inkompressiblen Fluid ein- oder mehrfach entlüftet worden.
Zu diesem Zweck kann beispielsweise der Druckmantel oder weitere
Elemente der Baugruppe für
einen druckresistenten Elektromotor wenigstens eine Entlüftungseinrichtung,
beispielsweise in Form eines Entlüftungsventils, aufweisen.
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Als
inkompressibles Medium kann bei einer erfindungsgemäßen Baugruppe
für einen
druckresistenten Elektromotor im den Rotor umgebenden Rotorbereich
und/oder im den Stator umgebenden Statorbereich beispielsweise eine
Glykolmischung verwendet sein. Alternativ dazu kann jedoch gerade
im Statorbereich, welcher außerhalb
des Druckmantels liegt, das inkompressible Medium auch durch andere Fluide,
beispielsweise sogar durch das umgebende Meerwasser bei einer Tiefseeanwendung
gebildet sein. Die Verwendung von Glykolmischungen hat den Vorteil
eines relativ tiefen Schmelzpunktes, weshalb auch ein Einsatz in
der Tiefsee bei ca. 4°C
Umgebungstemperatur, also der Wassertemperatur, möglich ist.
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Eine
erfindungsgemäße Baugruppe
für einen
druckresistenten Elektromotor ist vorzugsweise derart ausgelegt,
dass der Druckmantel als Teil des separaten Druckgehäuses einer
Druckdifferenz von bis zu 1000 bar im Betrieb des Elektromotors
unter voller Last wiederstehen kann. Durch die Materialwahl und
die geometrische Ausbildung und Anordnung des Druckmantels ist die
Widerstandskraft hinsichtlich der Druckdifferenz von bis zu 1000
bar in beide Richtungen gegeben. Das bedeutet, dass sowohl einem Überdruck
von bis zu 1000 bar innerhalb des Druckmantels, aber auch einem Überdruck
von bis zu 1000 bar außerhalb
des Druckmantels widerstanden werden kann. Dabei kann die Druckdifferenz im
realen Einsatz deutlich unterhalb der Grenze von 1000 bar liegen,
da auf diese Weise eine konstruktive Drucksicherheit mit einer hohen
Sicherheitszahl gewährleistet
wird. Beim Einsatz eines erfindungsgemäßen Elektromotors in der Tiefsee
liegt, beispielsweise bei einer Druckdifferenz von ca. 300 bar,
die zugehörige
konstruktive Sicherheitszahl damit bei ca. 3,4.
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Um
die Ansteuerungen des Elektromotors noch weiter zu vereinfachen,
kann es vorteilhaft sein den Elektromotor als Asynchronmotor, insbesondere ohne
Schleifringläufer
am Rotor auszuführen.
Solche Motoren sind durch ihre geringe Fehleranfälligkeit und definierte Arbeitsbedingungen
darüber
hinaus grundsätzlich
sehr gut für
den wartungsarmen Betrieb einsetzbar. Der Rotor kann bei der Ausbildung als
Asynchronmotor durch den Druckmantel und die weiteren Elemente des
gesamten Druckgehäuses vollständig abgeschlossen
sein.
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Alternativ
kann der Elektromotor auch als Permanentmagnetmotor (PMM), also
als Synchronmotor mit einem mit Permanentmagneten bestückten Rotor,
ausgeführt
sein. Da auch ein PMM als bürstenloser
Motor, also ohne Schleifringläufer,
ausgebildet sein kann, ergeben sich damit die gleichen Vorteile, wie
voranstehend hinsichtlich des Asynchronmotors beschrieben. Solch
ein PMM kann beispielsweise mit einer Leistung von 5 MW ausgeführt sein.
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Neben
dem Druckmantel kann es sinnvoll sein, dass der Stator der erfindungsgemäßen Baugruppe
für einen
druckresistenten Elektromotor mit einem Gehäuse zur Umgebung abgeschlossen
ist. Insbesondere bei der Verwendung von inkompressiblen Medien
ausserhalb des Druckmantels, welche sich nicht mit dem, den gesamten
Elektromotor umgebendem Medium wie beispielsweise Meerwasser vermischen
sollen, ist ein solches Gehäuse
zum Abschluss sinnvoll. Durch die Tatsache, dass die Druckdifferenz,
welche beispielsweise im Betrieb des Rotors durch eine angeschlossene
Pumpe erzeugt wird bereits durch den Druckmantel als Teil des Druckgehäuses druckisoliert
ist, kann das Gehäuse
um den Stator der Baugruppe für
einen druckresistenten Elektromotor deutlich einfacher und kostengünstiger ausgeführt sein.
Eine Druckdifferenz zwischen dem den Stator umgebenden Statorbereich
und der Umgebung des Elektromotors muss nämlich nicht ausgeglichen werden.
Das Gehäuse
dient weiter zur Absicherung des Stators, beispielsweise gegen mechanische
Einwirkungen während
des Einsatzes oder während
des Transportes des Elektromotors. Durch das Gehäuse wird auch der gesamt Elektromotor
als Einheit nach Aussen abgeschlossen, so dass nach der Endmontage
des Elektromotors mittels einer Baugruppe für einen druckresistenten Elektromotor ein
nachträgliches
Eingreifen in die Konstruktion zumindest erschwert ist. Insbesondere
hinsichtlich des Druckmantels ist ein solches Abschließen für die Sicherheit
des Elektromotors hilfreich.
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Um
sicher zu stellen, dass ein äußeres Gehäuse, welches
den Stator des Elektromotors umgibt auch bei geringeren Druckunterschieden,
wie beispielsweise Temperaturveränderungen
im Wasser beim Tiefseeeinsatz, oder Verlagerung des Einsatzortes
in unterschiedliche Wassertiefen nicht zerstört wird, kann es vorteilhaft
sein ein Druckausgleichselement insbesondere in Form eines Membranelementes
vorzusehen. Durch das Vorsehen eines solchen Druckausgleichselementes
kann das Gehäuse
auch beim Einsatz in unterschiedlichen Wassertiefen unabhängig von
daraus resultierenden geringen Druckunterschieden einfach und kostengünstig gestaltet werden.
Das Druckausgleichselement kann dabei in der Lage sein in einem
gewissen Rahmen Volumenänderungen
des Statorbereichs zu ermöglichen.
Für Anwendungen,
bei welchen keine Notwendigkeit für einen vollständigen Abschluss
durch das Gehäuse benötigt wird,
kann das Druckausgleichselement auch ohne Volumenausgleich, jedoch
mit einer Fluidaustauschmöglichkeit
versehen sein. Eine solche Fluidaustauschmöglichkeit kann beispielsweise durch
ein Doppelventil mit entgegengesetzten Öffnungsrichtungen gebildet
sein. Unabhängig
von der Ausbildung des Druckausgleichselementes kann dieses zusätzlich ein
Sicherheitsventil aufweisen, welches ab einer bestimmten Druckdifferenz
schlagartig öffnet
und damit sowohl eine Implosion, als auch eine Explosion des Gehäuses verhindert.
Um, beispielsweise bei der Verwendung in der Tiefsee, den Austritt des
Fluides zu verhindern, kann es sinnvoll sein, dass Sicherheitsventil
ausschließlich
mit einer Öffnungsrichtung
von Aussen nach Innen zu versehen.
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Weiterhin
kann es vorteilhaft sein, wenn eine erfindungsgemäße Baugruppe
für einen
druckresistenten Elektromotor an seinem Druckmantel wenigstens ein
Anschlussmittel an einem Ende in Form eines umlaufenden Flansches
zur Verbindung mit weiteren druckabdichtenden Elementen und damit
zur Vervollständigung
des Druckgehäuses
aufweist. Solche druckabdichtenden Elemente können insbesondere Deckelelemente
oder Elemente eines Pumpgehäuses
sein, so dass zusammen mit dem Druckmantel und eventuell weiterer
Elemente insgesamt ein Druckgehäuse
entsteht. Die Flansche erfüllen
dabei sowohl den Zweck der mechanischen Verbindung des Druckmantels
mit weiteren druckabdichtenden Elementen, darüber hinaus gewährleisten
sie jedoch auch die Montierbarkeit und die Transportierbarkeit des
Elektromotors. Die Flansche weisen in ihrer Ausbildung die Möglichkeit
für eine
Druckdichtung auf, welche beispielsweise in Form einer Nut für einen Dichtungsring
oder einer Oberflächenbearbeitung
für eine
Weichmetalldichtung ausgebildet ist.
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Bei
einer erfindungsgemäßen Baugruppe
für einen
druckresistenten Elektromotor kann ein solcher Flansch beispielsweise
aus Edelstahl gefertigt sein, und sich nicht in den Spalt zwischen
Rotor und Stator erstrecken. Das Material, welches zwischen Rotor und
Stator den Druckmantel bildet, ist mit einem solchen Edelstahlflansch über eine
Verbindungsnaht druckdicht und irreversibel verbunden. Auf diese Weise
kann eine erfindungsgemäße Baugruppe
für einen
druckresistenten Elektromotor beispielsweise in bestehenden Systemen,
welche korrespondierende Edelstahlflansche aufweisen, zum Einsatz
kommen, ohne das solche bereits existierenden Systeme an eine erfindungsgemäße Baugruppe
für einen druckresistenten
Elektromotor adaptiert werden müssten.
Die erfindungsgemäße Baugruppe
für einen
druckresistenten Elektromotor ist somit schnittstellenkonform.
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Bei
Elektromotoren muss der Rotor drehbar gelagert werden. Dabei kann
es vorteilhaft sein, insbesondere bei längeren Rotoren die Lagerung
nicht nur an den beiden Enden des Rotors oder der Welle, auf welcher
der Rotor befestigt ist, vorzusehen, sondern darüber hinaus Lagerelemente im
Wesentlichen mittig im inneren Bereich des Druckmantels anzuordnen,
so dass zusätzlich
oder alternativ zu den beiden Lagerelementen an den Enden des Rotors
oder der entsprechenden Welle, ein oder mehrere zentrale Lagerelemente
vorgesehen sein können.
Diese zentralen Lagerelemente stützen
sich radial nach Aussen auf der Innenseite des Druckmantels ab.
Dabei können
im Druckmantel Druchmesserabsätze
vorgesehen sein, um die zentralen Lagerelemente axial zu sichern.
Insbesondere bei langen Rotoren sind solche zentralen Lagerelemente
von Vorteil, da sie die Durchbiegung des Rotors über dessen gesamte axiale Erstreckung
verringern. Um den Spalt zwischen Rotor und Stator möglichst
gering zu halten und darüber
hinaus direkte Kontakte zwischen Rotor und Druckmantel weitgehend
zu vermeiden, ist die Reduktion einer solchen Durchbiegung sinnvoll,
da für das
Durchbiegen und eventuelle Unwuchten der Rotorwelle oder des Rotors
kein zusätzlicher
Spaltraum vorgesehen werden muss. Das Spaltmaß wird auch durch diese Maßnahme wieder
auf ein Minimum reduziert. Neben einer Ausführung der Lagerelemente als
Wälzlager
in Form von Kugel- oder Rollenlagern, kann im Rahmen der vorliegenden
Erfindung auch eine Ausführung
als Gleitlager sinnvoll sein.
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Auch
hinsichtlich der Rotation des Rotors selbst kann der Druckmantel
dahingehend weiter optimiert werden, dass geringere Verluste entstehen. So
ist es beispielsweise möglich
die Innenfläche
des Druckmantels derart auszugestalten, dass eine geringe Reibungszahl
mit dem innerhalb des Druckmantels befindlichen Mediums vorliegt.
Beispielsweise kann bei der Verwendung von Glykolmischungen durch
die Oberflächenbehandlung
der Innenseite des Druckmantels eine geringe Fluidreibung zwischen der
Glykolmischung und der Innenwand des Druckmantels erzeugt werden.
Bei der Rotation des Rotors wird durch Reibung zwischen Rotor und
Fluid mit der Zeit das Fluid, beispielsweise eine Glykolmischung, ebenfalls
in Rotation versetzt. Das rotierende Fluid bewegt sich damit relativ
zu und in direktem Kontakt mit der Innenseite des Druckmantels.
Da der Druckmantel keine Rotation durchführt, kommt es aufgrund der
Relativbewegung zwischen Fluid und Innenwand des Druckmantels zu
Reibungsverlusten der Fluidrotation, welche sich wiederrum bremsend
auf die Rotation des Rotors auswirken. Durch die Oberflächengestaltung
der Innenseite des Druckmantels kann die zugehörige Reibung reduziert werden,
wodurch wiederum die Bremsleistung durch das Fluid auf den rotierenden
Rotor ebenfalls reduziert wird.
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Neben
der Reibungszahl zwischen dem Fluid und der Innenseite des Druckmantels,
kann es vorteilhaft sein die Innenseite des Druckmantels dahingehend
auszugestalten, dass bei Strömung
des Fluides an der Innenseite des Druckmantels entlang eine laminare
Strömung
ausgebildet wird. Die Vermeidung turbulenter Bereiche bei der Strömung des
Fluides dient zur weiteren Reduzierung der Verlustleistung des Rotors
durch das umgebende und mit rotierende Fluid. Insbesondere die turbulenten
Bereiche oder Wirbelablösungen
in diesem turbulenten Bereich wurden ansonsten zu einer Bremswirkung
auf den rotierenden Rotor führen.
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Je
nach Ausführung
des Motors und dessen Einsatzbereich kann es vorteilhaft sein die
Baugruppe für
einen druckresistenten Elektromotor dahingehend auszulegen, dass
diese Umdrehungszahlen von bis zu 3600 U/min leisten kann. Diese
Drehzahl entspricht beispielsweise der Synchrondrehzahl bei 60 Hz
und 2-poliger Ausführung ohne
die Verwendung eines Frequenzumrichters.
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Für andere
Anwendungen, beispielsweise im Hochgeschwindigkeitsbereich, kann
es vorteilhaft sein die Baugruppe für einen druckresistenten Elektromotor
und insbesondere den Rotor für
Drehzahlen bis zu 10000 U/min und mehr auszulegen. Gerade bei der
Auslegung für
höhere
Drehzahlen sind die Anforderungen an die maximale Unwucht des Rotors,
die Lagerelemente, die Verlustleistung, die Wärmeabfuhr, etc. noch deutlich
höher,
als bei langsamer laufenden Rotoren. Insbesondere im Hinblick auf
die Einsatzstabilität,
die gewünschte
Wartungsarmut und die Reduktion der Fehleranfälligkeit ist daher ein besonderes
Augenmerk auf die adäquate
Auslegung der einzelnen Komponenten zu legen.
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Je
nach Anwendungsbereich einer erfindungsgemäßen Baugruppe für einen
druckresistenten Elektromotors kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn
zumindest eines der folgenden elektronischen Bauteile ausserhalb
des Druckmantels und gegebenenfalls weiterer das Druckgehäuse bildender
Elemente angeordnet ist:
- – Transformator
- – Schütze
- – Frequenzumrichter
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Insbesondere
beim Transport von Strom über
eine große
Länge,
wie beispielsweise von einem Versorgungsschiff bis in eine Tiefe
von unter 1000 Meter unter der Meeresoberfläche, kann es vorteilhaft sein,
um den Verlust bei der Übertragung
zu verringern, über
Transformatoren eine Hochspannungsleitung zu verwenden. Für den Einsatz
in der Tiefsee ist somit ein weiterer Transformator notwendig, welcher
die notwendige Strom/Spannungskorrelation für den Elektromotor wieder herstellt.
Insbesondere bei der Verwendung von Asynchronmaschinen ist darüber hinaus
ein Frequenzumrichter sinnvoll, um eine feinjustierbare Steuerung
der Drehzahl der Asynchronmaschinen durchführen zu können. Dies ist insbesondere
im Hinblick auf die An- und Abfahrprozesse des Elektromotors von
großem
Vorteil. Alternativ zu einem Frequenzumrichter kann hinsichtlich
des Anlaufprozesses auch eine Schütze verwendet werde, um den
Anlaufstrom zu begrenzen.
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Ebenfalls
Gegenstand dieser Erfindung ist ein Elektromotor aufweisend mindestens
eine erfindungsgemäße Baugruppe
für einen
druckresistenten Elektromotor. Durch die Verwendung einer solchen Baugruppe
kann ein druckresistenter Elektromotor in einer Endmontage gefertigt
werden, welcher den Anforderungen bei großen Druckunterschienden zwischen
dem Motorraum des Elektromotors und der Umgebung gerecht wird.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindungen ist weiter die Verwendung eines erfindungsgemäßen Elektromotors
zur Tiefseeanwendung, insbesondere bei der Förderung von Öl- und/oder
Gasgemischen in der Tiefsee.
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Ein
weiterer Verwendungsbereich eines erfindungsgemäßen Elektromotors liegt im
Bereich der Umwälzpumpen
in Druckwasserboilern. Grundsätzlich
ist ein erfindungsgemäßer Elektromotor
jedoch überall
dort einsetzbar, wo eine große
Druckdifferenz zwischen dem Motorraum und der Umgebung vorliegt.
Dabei spielt es für
die Erfindung keine Rolle auf welcher Seite des Druckmantels sich
der Überdruck und
auf welcher Seite sich der Unterdruck befindet.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie mehrere Ausführungsbeispiele
hierzu werden nachstehend in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren
näher erläutert. Die
in der Beschreibung der Ausführungsbeispiele
verwendeten Begriffe „links”, „rechts”, „oben” und „unten” beziehen
sich auf die Zeichnungsfiguren in einer Ausrichtung mit normal lesbaren
Figurenbezeichnungen und Bezugszeichen. Hierbei ist:
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1 ein
Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektromotors;
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2 ein
Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektromotors;
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3 ein
Querschnitt durch eine Ausführungsform
eines Druckausgleichsgehäuses
mit Druckausgleichelement;
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4 eine
weitere Ausführungsform
eines Druckausgleichsgehäuses
mit Druckausgleichselement; und
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5 eine
Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Baugruppe
für einen
druckresistenten Elektromotors
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in 1 ist
eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Elektromotors 10 dargestellt.
Ein solcher Elektromotor 10 besteht im Wesentlichen aus
einem Rotor 20 und einem Stator 30. Der Rotor 20 ist
dabei im Inneren des Stators 30 angeordnet. Den Stator 30 umgibt
ein Statorbereich 32. Die statische Lagerung des Stators 30 ist
in 1 nicht dargestellt. Innerhalb des Stators 30 befindet der
rotierend gelagerte Rotor 20, welchen ein Rotorbereich 22 umgibt.
Zur Lagerung des Rotors 20 sind Lagerelemente 24 vorgesehen.
Bei der Ausführungsform
gemäß 1 weist
der Rotor 20 eine zentrale Welle 28 auf, deren
Wellenenden 28a und 28b axial über den Rotor 20 am
oberen und unteren Ende des Rotors 20 überstehen und auf welcher der
Rotor 20 drehfest befestigt ist. Die Lagerelemente 24 sind
an diesen Wellenenden 28a und 28b des Rotors 20 vorgesehen
und sorgen für
eine stabile Lagerung des Rotors 20. Beide Lagerelemente 24 sind
als Wälzlager
in Form von Rollenlagern ausgebildet, welche auch hohen radialen
Lagerkräften
wiederstehen können.
Alternativ können
die Lager 24 jedoch auch in Form von Gleitlagern ausgebildet
sein. Nach Aussen stützen
sich die Lagerelemente 24 radial in einem einstückigen Druckmantel 50 aus
hochfestem Material ab. Die axiale Sicherung der Lagerelemente 24 erfolgt
durch Durchmesserabsätze
auf der Innenseite des Druckmantels 50 aus hochfestem Material,
welche jedoch in der 1 nicht dargestellt sind.
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Zwischen
dem Stator 30 und dem Rotor 20 des Elektromotors 10 befindet
sich ein Spalt 14, welcher notwendig ist um direkten Kontakt
zwischen dem Rotor 20 und dem Stator 30 zu vermeiden.
Dieser Spalt 14 zwischen Rotor 20 und Stator 30 ist
bei der Ausführungsform
gemäß 1 gegenüber üblichen
Elektromotoren vergrößert, so
dass in diesem Spalt der Druckmantel 50 angeordnet werden
konnte. Dieser Druckmantel 50 ist im vorliegenden Fall
im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Darüberhinaus ist der zylindrische
Druckmantel 50 einstückig
aus einem hochfesten, nicht magnetischen und nicht elektrisch leitenden
Material gefertigt. Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 ist
das Material für
den Druckmantel eine Kombination aus einem Kunststoff und Kohlenstofffasern,
also ein Kohlenstofffaserverbundwerkstoff. Die Kohlenstofffasern
sind dabei in einer Kunststoffmatrix derart angeordnet, dass sie
der durch Druckunterschiede hervorgerufenen Tangentialspannung im
Druckmantel 50 optimiert widerstehen können. Der Druckmantel 50 befindet
sich im Spalt 14 zwischen Rotor 20 und Stator 30,
berührt
jedoch sowohl im Stillstand des Rotors 20, als auch im
Betriebszustand des Elektromotors 10 weder den Stator 30 noch
den Rotor 20. Vielmehr füllt der Druckmantel 50 in
jeder Betriebssituation nur einen Teil des Spaltes 14 aus.
Zwischen Druckmantel 50 und dem Stator 30 besteht
somit immer ein geringer Spalt, wie auch zwischen dem Druckmantel 50 und
dem Rotor 20 ein kleiner Spalt verbleibt.
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Der
Druckmantel 50 gemäß der Ausführungsform
in 1 ist einstückig
weist an beiden Enden Anschlussmittel 52 in Form von Flanschen 52 auf.
Diese Flansche 52 sind dafür geeignet mit weiteren Elementen
verbunden zu werden, welche zusammen mit dem Druckmantel 50 ein
druckdichtes Druckgehäuse
bilden können.
Das Ausführungsbeispiel
des Elektromotors 10 gemäß 1 ist für eine Pumpe
im Tiefseeeinsatz vorgesehen. Für
eine solche Anforderung ist der Elektromotor 10 gemäß 1 mit
seinem oberen Flansch 52 mit einem Deckelelement 54 verbunden,
welches die im Wesentlichen kreisförmige obere Öffnung des
zylindrischen Druckmantels 50 druckdicht verschließt. Auch
das Deckelelement 54 weist einen zum Flansch 52 des Druckmantels 50 korrespondierenden
Flansch 52 auf. Zwischen den beiden Flanschen des Druckmantels 50 und
des Deckelelementes 54 ist dabei eine Druckdichtung vorgesehen,
welche eine Abdichtung für
Druckgefälle
in beide Richtungen, nämlich
für Überdruck
innerhalb des Druckmantels 50 aber auch für Überdruck
außerhalb
des Druckmantels 50 vorsieht. Eine solche Dichtung ist
eine Weichmetalldichtung, die ihre Dichtkraft über plastische Verformung zwischen
den beiden Flanschen erzielt. Bei einer Ausführungsform gemäß 1 ist
das Deckelelement 54 über
die Flansche mit dem Druckmantel 50 über Schraubverbindung gekoppelt.
Diese Schraubverbindungen definieren über die aufgebrachte Axialspannung
der einzelnen Schrauben die Dichtkraft und damit die plastische
Verformung des Dichtelementes zwischen den beiden Flanschen.
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Am
unteren Ende des zylindrischen Druckmantels 50 ist ebenfalls
ein Flansch 52 vorgesehen. Dieser Flansch 52 am
unteren Ende des Druckmantels 50 ragt hinter dem unteren
Wellenende 28a des Rotors 20 zurück. Anders
ausgedrückt
steht das untere Wellenende 28a des Rotors 20 aus
dem Druckmantel 50 hervor. Am unteren Wellenende 28a des Rotors 20 ist
darüberhinaus
eine Kupplung 26 vorgesehen, welche mit den anzutreibenden
Getriebeelementen gekoppelt werden kann. Solche Getriebeelemente
können
direkt oder indirekt für
den Antrieb unterschiedlicher Pumpsysteme, insbesondere für Pumpen
für Öl, Gas,
oder Gemischen aus beidem verwendet werden. Da sowohl ein anschließendes Getriebe,
als auch ein direkter Anschluss an ein Pumpsystem eine deutlich
größere radiale
Erstreckung benötigt,
als der Rotor 20 selbst, ist der Druckmantel 50 kürzer ausgebildet
als das untere Wellenende 28a des Rotors 20. Auf
diese Weise kann am unteren Flansch 52 des Druckmantels 50 eine
Erweiterung des Druckgehäuses
angebracht werden, welche genug Raum für die Anordnung eines Getriebes oder
den direkten Anschluss eines Pumpsystems ermöglicht. Beim Ausführungsbeispiel
gemäß 1 ist am
unteren Flansch 52 des Druckmantels 50 ein Pumpgehäuse 56 angeschlossen.
Das Pumpgehäuse 56 ist
dabei nicht mehr aus einem teuren hochfesten Material wie Kohlenstofffaserverbund,
sondern aus hochfestem Stahl, nämlich
V4A gefertigt. Der untere Flansch 52 des Druckmantels 50 bildet
somit die Schnittstelle, um mit weiteren, nicht mehr zum Elektromotor 10 gehörenden Elementen,
wie hier zum Beispiel dem Pumpgehäuse 56, das Druckgehäuse bilden
zu können.
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Um
den Stator 30 herum ist bei der Ausführungsform gemäß 1 ein
Gehäuse 100 angeordnet.
Dieses Gehäuse 100 ist
aus einem relativ einfachen Material gefertigt, da der den Stator 30 umgebende
Statorbereich 32 und die Umgebung um das Gehäuse 100 im
Wesentlichen identische, jedoch zumindest sehr ähnliche Drücke aufweisen. Die Druckdifferenz
zwischen dem Statorbereich 32 und der Umgebung um das Gehäuse 100 ist
somit relativ gering, insbesondere im Vergleich zur Druckdifferenz zwischen
dem den Rotor 20 umgebenden Rotorbereich 22 und
dem Statorbereich 32. Auf diese Weise kann ein kostengünstiges
Gehäuse 100 gewählt werden.
Bei der Ausführungsform
gemäß 1 ist
das Gehäuse 100 aus
korrosionsbeständigem
Stahl, nämlich
V4A, mit einer deutlich geringeren Wandstärke als das Pumpgehäuse 56 ausgebildet.
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Der
Elektromotor 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel
in 1 ist als Asynchronmotor ausgebildet. Dieser Asynchronmotor
hat einen freilaufenden Rotor 20 und benötigt Stromzufuhr
ausschließlich
am Stator 30. Um den Stator 30 mit Strom zu versorgen
ist ein Anschlusskabel 36 vorgesehen, welches von einer
externen, nicht dargestellten Stromquelle über die Zwischenschritte eines
Transformators und eines Frequenzumrichters den Stator 30 versorgt.
An der rechten Seite des Gehäuses 100 ist eine
Durchführung 102 vorgesehen,
welches die Durchführung
des Kabels 36 von der Umgebung durch das Gehäuse 100 zum
Stator 30 ermöglicht. Aufgrund
der Tatsache, dass das Gehäuse 100 relativ
einfach, insbesondere hinsichtlich der bestehenden nur geringen
Druckunterschiede ausgeführt
sein kann, ist auch die notwendige Durchführung 102 konstruktiv
einfach und kostengünstig
lösbar.
Eine Möglichkeit
ist dabei das Vorsehen einer kreisförmigen Öffnung im Gehäuse 100 für die Durchführung 102, welches
mit einer Gummidichtung im Inneren der kreisförmigen Öffnung versehen ist, deren
Innendurchmesser kleiner ist als der Außendurchmesser des Anschlusskabels 36,
welches durch diese Öffnung
hindurch geführt
ist. Neben dem Vorteil, dass durch diese Ausgestaltung der Durchführung 102 konstruktive
Aufwände
eingespart werden, besteht der weitere Vorteil, dass eine solche
Durchführung 102 auch
Axialbewegungen des Anschlusskabels 36 ermöglicht.
So ist, bei der Verwendung einer voranstehend beschriebenen Gummidichtung
in einer Durchführung 102,
beispielsweise ein Herausziehen des Anschlusskabels 36 sowie
ein Zurückschieben des
Anschlusskabels 36 aus bzw. in das Gehäuse 100
in gewissen
Grenzen möglich.
Damit wird ein Abreißen
des Anschlusskabels 36 bei mechanischer Belastung des Anschlusskabels 26 wie
beispielsweise durch Wellengang oder Strömung vermieden. Die Abdichtung
in der Durchführung 102 ist
hauptsächlich
zur Abdichtung gegen das das Gehäuse 100 umgebende
Meerwasser bei Tiefseeanwendungen vorgesehen.
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Ein
Elektromotor 10 gemäß 1 ist
im Inneren mit inkompressiblen Medien gefüllt. So befindet sich sowohl
im den Rotor 20 umgebenden Rotorbereich 22, als
auch im den Stator 30 umgebenden Statorbereich 32 eine
Glykolmischung. Jedoch sind beide Glykolmischungen durch den Druckmantel 50 und
die weiteren Elemente, nämlich
das Deckelelement 54 und das Pumpgehäuse 56 voneinander
nicht nur flüssigkeitsdicht,
sondern auch druckdicht getrennt. Beide Glykolmischungen sind nach
dem Einfüllen
in den Rotorbereich 22 und den Statorbereich 32 mehrfach
entlüftet
worden, so dass der Restgasgehalt unter einer bestimmten Maximalgrenze
liegt.
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2 zeigt
eine modifizierte Ausführungsform
eines Elektromotors 10, wie er bereits zu 1 beschrieben
worden ist. Ein solch modifizierter Elektromotor 10 hat
ein Gehäuse 100,
welches am oberen Ende eine Öffnung
aufweist. Diese Öffnung
ist wiederum mit einem Druckausgleichselement 90 verschlossen.
Dieses Druckausgleichselement 90 ist aus einem flexiblen
Material, nämlich
einem korrosionsbeständigen
Elastomer gefertigt, welches druck- und temperaturstabil hinsichtlich
Korrosion ist. Im Hinblick auf Druckunterschiede zwischen dem Statorbereich 32 und
der Umgebung um das Gehäuse 100 kann
das Druckausgleichselement 90 mit Bewegung im elastischen
Bereich reagieren und somit in gewissen Grenzen eine Volumenänderung
des Statorbereichs 32 herbeiführen. Für den Fall, dass der Druck
außerhalb
des Gehäuses 10 zunimmt,
wölbt sich
somit das Druckausgleichselement 90 in Richtung des Inneren
des Gehäuses 100,
also in der Darstellung gemäß 2 nach
unten. Für
den Fall das der Druck außerhalb
des Gehäuses 100 abfällt, wölbt sich
das Druckausgleichselement 90 nach außen, also in 2 nach
oben, und vergrößert damit
das Volumen des Statorbereichs 32. Das Druckausgleichselement 90 ist
unlösbar
am Gehäuse 100 angebracht.
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Die
Notwendigkeit eines solchen Druckausgleichselements 90 ist
vor allem im Hinblick auf die Tatsache sinnvoll, dass bei der Befüllung des
Statorbereichs mit einem inkompressiblen Medium, nämlich der
Glykolmischung, nie zu hundert Prozent ausgeschlossen werden kann,
dass noch Gasreste, insbesondere Luftreste, im Statorbereich verbleiben. Auch
ein mehrfaches Entlüften
nach dem Befüllvorgang
kann die Restgasmenge nur auf ein Maximum reduzieren, jedoch nicht
vollständig
eliminieren. Insbesondere bei hohen Druckunterschieden zwischen dem
Ort der Befüllung
des den Stator umgebenden Statorbereichs 32 und dem Einsatzort
des Elektromotors 10, wie beispielsweise bei Tiefseeanwendungen,
bei welchen der Statorbereich 32 bei ca. 1 bar Umgebungsdruck
befüllt
wird, und bei 300 bar auf 3000 Meter Meerestiefe eingesetzt wird,
können auch
kleine Gasreste innerhalb des Statorbereichs 32 große Volumenänderungen
erzeugen. Da große Volumenänderungen
vom relativ kostengünstig
und einfach ausgeführten
Gehäuse 100 nicht
vollständig kompensiert
werden können
und damit die Gefahr eines Explodierens oder Implodierens des Gehäuses 100 besteht,
dient ein Druckausgleichselement 90 zum verhindern solcher
Schadensfälle.
Auch das Versetzen des Elektromotors 10 während des
Einsatzes auf unterschiedliche Druckniveaus, also auch auf unterschiedliche
Wassertiefen, kann mit Hilfe des Druckausgleichselementes 90 hinsichtlich
der unterschiedlichen Druckdifferenzen kompensiert werden.
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Ein
weiterer Grund, welcher das Druckausgleichselement 90 zu
einem sehr sinnvollen Element eines Elektromotors 10 macht,
ist die Tatsache, das bei Druckänderungen
innerhalb des Rotorbereichs 22 der Druckmantel 50 zumindest
in gewissem Maß elastische
Verformungen erfährt.
Solche elastische Verformungen erfolgen bei Überdruck im den Rotor 20 umgebenden
Rotorbereich 22 nach außen gerichtet, das heißt, der
Radius des im Wesentlichen zylindrisch geformten Druckmantels 50 vergrößert sich. Durch
die Radiusvergrößerung des
Druckmantels 50 wird direkt ein verringernder Einfluss
auf das Volumen des den Stator 30 umgebenden Statorbereichs 32 ausgeübt. Auch
eine solche, nämlich
von Innen herbeigeführte
Volumenänderung
und damit Druckänderung
im Statorbereich 32 kann durch das Druckausgleichselement 90 durch
Wölbung
nach außen
ausgeglichen werden. In gleichem Maße ist auch eine nach Innen
gerichtete Druckdifferenz mit entsprechendem Verringern des Innendurchmessers des Druckmantels 50 und
nachfolgender Volumenvergrößerung des
Statorbereichs 32 durch das Druckausgleichselement 90 kompensierbar.
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In
den 3 und 4 sind alternative Ausführungsformen
für ein
Druckausgleichselement 90 dargestellt. Die dort dargestellten
Druckausgleichselemente 90 sind nicht direkt am Gehäuse 100 angebracht,
sondern in ein eigenes Druckausgleichsgehäuse 92 eingebaut.
Dies hat den Vorteil, dass in relativ kleinen Dimensionen des Druckausgleichsgehäuses 92 eine
definierte und vor allem druckdichte Anordnung des Druckausgleichselementes 90 im Druckausgleichsgehäuse 92 sichergestellt
werden kann. Bei der Ausführungsform
des Druckausgleichsgehäuses 92 gemäß 3 weist
das Druckausgleichsgehäuse 92 im
Innendurchmesser einen Absatz auf, gegen welchen das Druckausgleichselement 90 geschoben
und damit axial in eine Richtung gesichert wird. Anschließend wird
in eine ebenfalls im Druckausgleichselement 92 befindliche
umlaufende Nut ein Sicherungsring 94 eingespannt, welcher
das Herausfallen oder heraus Bewegen des Druckausgleichselementes 90 nach
unten, also in die andere axiale Richtung, verhindert. Das Druckausgleichsgehäuse 92 weist
am unteren Ende einen umlaufenden Flansch auf, mit welchem es am
Gehäuse 100 des Elektromotors 10 befestigt
werden kann. Dieser Flansch ist mit einer Oberfläche versehen, welche für geringe
Druckdifferenzen dicht mit dem Gehäuse 100 verbunden
werden kann. Die obere Öffnung
des Druckausgleichsgehäuses 92 kann
mittels einer nicht dargestellten Deckelplatte, welche Öffnung in
Richtung des Druckausgleichselementes 90 aufweist, abgedeckt
sein. Eine solche Deckelplatte schützt das Druckausgleichselement 90 vor
mechanischen Beschädigungen
von Aussen.
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In 4 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Druckausgleichselementes 90 und
einem dazugehörigen
Druckausgleichsgehäuse 92 dargestellt.
Das Druckausgleichsgehäuse 92 ist
deutlich kompakter ausgeführt
als dies bei der Ausführungsform
gemäß 3 der
Fall ist. So weist das Druckausgleichsgehäuse 92 in 4 im Wesentlichen
einen einzelnen Ring auf, welcher in seinem inneren Bereich zwei
Vertiefungen zur Aufnahme des Druckausgleichselementes 90 aufweist. Nach
Aufnahme des Druckausgleichselementes 90, welches in den
dafür vorgesehen
Vertiefungen des Druckausgleichsgehäuses 92 aufgenommen
worden ist, wird ein Sicherungsring 94 über das Druckausgleichselement 90,
insbesondere dessen außenliegende
Flansche gelegt. Der Sicherungsring 94 ragt dabei teilweise über das
Druckausgleichselement 90 und teilweise über den äußeren Bereich
des Druckausgleichsgehäuses 92.
Die Verbindung zwischen Druckausgleichsgehäuse 92 und Sicherungsring 94 erfolgt
im vorliegenden Fall durch in 4 nicht
dargestellter Schraubverbindungen, welche gleichzeitig dazu dienen
die notwendige Dichtkraft zwischen Druckausgleichselementen 90 und
Druckausgleichsgehäuse 92 zur
Verfügung
zu stellen. Der äußere Bereich
des im Wesentlichen ringförmigen
Druckausgleichsgehäuses 92 gemäß 4 dient
als Flansch zur Befestigung des fertig montierten Druckausgleichsgehäuses 92 am
Gehäuse 100 eines
Elektromotors 10.
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Zur
Verdeutlichung des Umfangs der vorliegenden Erfindung ist in 5 ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Baugruppe
eines druckresistenten Elektromotors 10 dargestellt, welches
eine Möglichkeit
eines Auslieferungszustandes darstellt. Die Baugruppe eines druckresistenten
Elektromotors 10 gemäß 5 ist
vollständig
vormontiert. Das bedeutet, dass der Rotor 20 und der Stator 30 im
richtigen Abstand zueinander angeordnet sind. Darüber hinaus
befindet sich im Spalt 14 zwischen Rotor 20 und
Stator 30 bereits der einstückige Druckmantel 50 aus
hochfestem Material. Die Befestigung des Stators 30 ist
hier nicht dargestellt, jedoch vorhanden, um die Position des Stators 30 zu
definieren und insbesondere ein Abrutschen des Stators 30 von der
vorgesehenen Position zu verhindern. Auch Lagerelemente 24 sind
bereits im Inneren des Druckmantels 50 vorgesehen, welche
die Position des Rotors 20 festlegen. Da für manche
Einsatzsituationen der Anschluss des Rotors 20 nur an einer
Seite erfolgen muss, wie dies beispielsweise in 1 dargestellt
ist, ist bei einer Möglichkeit
der Auslieferung einer erfindungsgemäßen Baugruppe eines druckresistenten
Elektromotors 10 gemäß 5 bereits
das Deckelelement 54 druckdicht am Flansch 52 des oberen
Endes des Druckmantels 50 angebracht. Alternativ könnte auch
das Deckelelement 54 einstückig, beispielsweise in Form
eines Klöpperbodens, mit
dem Druckmantel 52 ausgebildet sein.
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In
dem in 5 dargestellten Zustand kann die erfindungsgemäße Baugruppe
eines druckresistenten Elektromotors 10 ausgeliefert und
an seinen Bestimmungsort der Elektromotor 10 endmontiert werden.
Das Druckgehäuse,
in welchem sich später auch
der Rotor 20 des Elektromotors 10 befindet, wird
durch die Elemente des Druckmantels 50 und des Deckelelementes 52 nach
der Endmontage komplettiert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Elektromotor
- 14
- Spalt
- 20
- Rotor
- 22
- Rotorbereich
- 24
- Lager
- 26
- Kupplung
- 28
- Rotorwelle
- 28a
- unteres
Ende der Rotorwelle
- 28b
- oberes
Ende der Rotorwelle
- 30
- Stator
- 32
- Statorbereich
- 34
- Statorblech
- 36
- Anschlusskabel
- 50
- Druckmantel
- 52
- Anschlussmittel
- 54
- Deckelelement
- 56
- Pumpgehäuse
- 90
- Druckausgleichselement
- 92
- Druckausgleichsgehäuse
- 94
- Sicherungsring
- 100
- Gehäuse
- 102
- Durchführung
