-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Läufer für einen Elektromotor, der besonders für einen Unterwasserpumpenmotor geeignet ist.
-
Unterwasser-Motorpumpen, die auch U-Motorpumpen genannt werden, kommen z. B. bei der Gewinnung von Trinkwasser als Bohrlochpumpen sowie bei der Entwässerung von Bergbauanlagen zum Einsatz. Der Leistungsbereich der U-Motorpumpen beginnt unterhalb von einem Kilowatt und reicht in den Megawattbereich hinein. Wegen des im Regelfall begrenzenden Bohrlochdurchmessers müssen Unterwasser-Motorpumpen schlank ausgeführt sein, sodass sie in den Bohrschacht eingeführt werden können. Typischerweise ist eine Kreiselpumpe mit dem Pumpenmotor starr gekoppelt und oberhalb des Pumpenmotors angeordnet. Die zu fördernde Flüssigkeit strömt so an dem Gehäuse des Pumpenmotors entlang und kühlt dieses dabei. Der Standardantrieb bei Unterwasser-Motorpumpen ist nach wie vor der Käfigläufermotor. Ein wichtiges Weiterentwicklungsziel bei Unterwasser-Motorpumpen ist die Steigerung der Energieeffizient. Neben einer evtl. Steigerung dieser durch Übergang auf eine drehzahlveränderbare Prozessführung ist es jedoch zunächst notwendig, den Wirkungsgrad der einzelnen Antriebskomponenten zu steigern.
-
Teilweise ist es jedoch nicht möglich, mit Hilfe eines in seiner Drehzahl veränderbaren Pumpenantriebs die Energieeffizienz ausreichend zu verbessern. Bei entsprechenden Anwendungsgebieten kommt daher auch in Zukunft eine am starren Drehstromnetz betriebene Pumpe zum Einsatz.
-
Da das Wirkungsprinzip des Asynchronmotors, der mittels eines Frequenzumrichters in seiner Drehzahl veränderbar ist, die Existenz der Stromwärmeverluste in Käfigläufern mit sich bringt, sind die Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung physikalisch begrenzt. Von daher ist der Übergang zur PM-Synchrontechnik ein nächster Innovationsschritt für Unterwasser-Pumpenmotoren. Im Vergleich zu einem am Umrichter betriebenen Käfigläufermotor weist der permanentmagneterregte Synchronmotor, der ebenfalls am Umrichter betrieben wird, konstruktionsbedingt einen deutlich höheren Systemwirkungsgrad auf.
-
Typischerweise sind Unterwasser-Pumpenmotoren aufgrund ihres Einsatzgebietes hohen Drücken ausgesetzt. Dabei hat es sich bewährt, den Motorinnenraum mit einer Flüssigkeit zu befüllen. Dies ist in der Regel Wasser, das mit einem Frostschutz angereichert sein kann. Die Aktivteile von Ständer und Läufer des Motors sind so bestimmungsgemäß „nass” und werden von der Füllflüssigkeit umspült.
-
Aufgrund der sehr schlanken Bauform, die bei Unterwasser-Pumpenmotoren von Vorteil ist, kommt für den Läufer des permanenterregten Pumpenmotors besonders eine Ausführung mit am Luftspalt angeordneten Magneten in Betracht.
-
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein möglichst einfaches und kostengünstiges Läuferdesign vorzusehen, bei dem Korrosionseffekte an Magnet- und Läufermaterial verhindert werden. Dabei wäre besonders von Vorteil, wenn im Sinne der Verbesserung der Energieeffizienz das Läuferdesign einen besonders kleinen hydraulischen Widerstand besitzt, so dass die hieraus bedingten Reibungsverluste, insbesondere bei hohen Drehzahlen, gering sind.
-
Die Optimierung des Betriebsverhaltens von permanentmagneterregten Synchronmaschinen führt oft auch zu dem Einsatz von Bruchlochwicklungen oder Zahnspulenwicklungen im Ständeraktivteil. Diese Wicklungssysteme können sogenannte „Subharmonische” im Luftspaltfeld zur Folge haben. Diese breiten sich bei einem Läuferdesign mit massivem Läuferjoch gut aus und führen dort zu parasitären Wirbelstromverlusten, die dem Ziel einer Energieeffizienzsteigerung entgegenstehen. Es ist dabei ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Läuferdesign vorzusehen, dass in der Lage ist, die Ausbreitung von „Subharmonischen” möglichst stark zu unterbinden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Läufer gelöst, der die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst.
-
Demnach weist der Läufer für einen Elektromotor, vorzugsweise für einen permanenterregten Unterwasser-Pumpenmotor, einen Läufergrundkörper auf, der entlang seiner Längsausdehnung rotationssymmetrisch ist, wobei der Läufergrundkörper zwei Endabschnitte und einen zwischen den zwei Endabschnitten angeordneten Mittelabschnitt umfasst, und der Mittelabschnitt einen größeren Durchmesser aufweist als die beiden Endabschnitte. Der Läufer ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Läufergrundkörper aus Duplexstahl ist.
-
Duplexstahl hat einerseits die Eigenschaft korrosionsbeständig zu sein und ist andererseits nicht komplett amagnetisch wie beispielsweise Edelstahl. Duplexstahl besitzt eine relative Permeabilität von ca. μR = 8–10. Für höhenpolige Magnetanordnungen ist Duplexstahl daher noch als magnetischer Rückschluss einsetzbar. Der Innenabschnitt entspricht in seiner Längsausdehnung einem Überdeckungsbereich mit dem Statorblechpaket.
-
Vorzugsweise umfasst der Mittelabschnitt des Läufers ferner zwei Außenabschnitte, die jeweils an einen der beiden Endabschnitte angrenzen, und einen Innenabschnitt, der zwischen den zwei Außenabschnitten angeordnet ist, wobei der Durchmesser des Innenabschnitts kleiner ist als der Durchmesser der beiden Außenabschnitte. Die Außenabschnitte werden auch als Endringe bezeichnet und sind in ihren Abmessungen in Längsrichtung sehr viel dünner als der Innenabschnitt. Der Läufer besitzt also in seiner Längsrichtung einen symmetrischen Aufbau, der mit einem Endabschnitt beginnt, dann einen Außenabschnitt aufweist, der in seinem Durchmesser gegenüber dem Endabschnitt vergrößert ist, und geht dann in einen Innenabschnitt über, dessen Durchmesser gegenüber dem Endabschnitt größer und gegenüber dem Außenabschnitt kleiner ist.
-
Dabei ist der Innenabschnitt in Längsrichtung von zwei Außenabschnitten begrenzt, von denen wiederum je ein Endabschnitt abgeht.
-
Nach einer optionalen Modifikation der Erfindung umfasst der Läufer mindestens eine Magnetschale, die einen Umfangsbereich des Innenabschnitts umgibt. Dabei kann die Magnetschale eine Seltenerde-Magnetschale sein, da diese besonders vorteilhafte Eigenschaften als Magnetschalen aufweisen. Ferner ist es möglich, dass die Magnetschale auf einen Außenbereich des Innenabschnitts aufgeklebt wird. Optional kann vorgesehen sein, dass die gesamte Außenfläche des Innenabschnitts mit mindestens einer Magnetschale abgedeckt ist. Dabei kann die mindestens eine auf den Innenabschnitt aufzubringende Magnetschale ebenfalls zur Rotationsachse des Läufers rotationssymmetrisch ausgebildet sein, oder in Längsrichtung also parallel zur Rotationsrichtung des Läufers verlaufen.
-
Vorzugsweise umgibt die mindestens eine Magnetschale den Innenabschnitt derart, dass die beiden Außenabschnitte über die mindestens eine Magnetschale miteinander verbunden sind.
-
Dabei ist ferner von Vorteil, wenn die Dicke der mindestens einen Magnetschale so gewählt ist, dass der Außenabschnitt bündig zu der auf dem Innenabschnitt angebrachten mindestens einen Magnetschale ist. Das heißt, die Dicke der Magnetschale ist kleiner oder gleich der Hälfte der Differenz von Außenabschnittdurchmesser zu Innenabschnittdurchmesser.
-
Alternativ kann die Dicke der mindestens einen Magnetschale so gewählt werden, dass mindestens einer der zwei Außenabschnitte einen größeren oder den gleichen Durchmesser aufweist wie der Innenabschnitt und die darauf angeordnete mindestens eine Magnetschale zusammen.
-
Nach einer weiteren optionalen Fortbildung des Läufers umfasst dieser ein Läufer-Spaltrohr, das die zwei Außenabschnitte und den mit mindestens einer Magnetschale umgebenen Innenabschnitt in einem Umfangsbereich umschließt. Dabei kann das Läufer-Spaltrohr so ausgebildet sein, dass es koaxial zur Rotationsachse des Läufers angeordnet ist und sowohl die beiden Außenabschnitte als auch den Innenabschnitt des Mittelabschnitts aufnimmt. Der Mittelabschnitt ist also von dem Läufer-Spaltrohr umgeben. Vorzugsweise (legt das Läufer-Spaltrohr auf den zwei Außenabschnitten auf.
-
Dabei ist möglich, dass das Läufer-Spaltrohr verschweißt oder verklebt ist, Vorzugsweise mit den zwei Außenabschnitten. Das Läufer-Spaltrohr ist also an seiner Innenseite über eine Klebung oder über eine Schweißung mit den zwei Außenabschnitten in Kontakt. Ein Verschweißen kommt dabei nur in Betracht, wenn das Läufer-Spaltrohr metallisch ist.
-
Vorzugsweise ist das Läufer-Spaltrohr so an dem Läufer angeordnet, dass die auf den Innenabschnitt angebrachte mindestens eine Magnetschale abgedichtet, vorzugsweise hermetisch, abgedichtet ist. Dadurch kommt die an der Außenseite des Läufers bestehende Befüll-Flüssigkeit nicht mit der mindestens einen Magnetschale in Kontakt.
-
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist das Läufer-Spaltrohr nicht metallisch und ist vorzugsweise aus Kunststoff gefertigt oder in Form einer Bandage ausgeführt. In diesem Fall bietet sich ein Läuferverguss an.
-
Dabei ist es möglich, dass das Läufer-Spaltrohr metallisch dünn ist und vorzugsweise aus Hastelloy oder Edelstahl gefertigt ist.
-
In einer weiteren optionalen Ausführungsform wird das Läufer-Spaltrohr als Dämpferwicklung genutzt, vorzugsweise zusammen mit dem massiven Duplex-Läuferkörper, wenn beispielsweise ein PM-Unterwasserpumpenmotor nicht feldorientiert sondern am einfachen U-f-Umrichter betrieben werden soll.
-
In einer anderen Ausführungsform ist das Läufer-Spaltrohr metallisch dick und ist vorzugsweise aus Hastelloy oder Edelstahl gefertigt.
-
Vorzugsweise wird hierbei das Läufer-Spaltrohr als Anlaufkäfig genutzt, wobei dies in bevorzugter Weise zusammen mit dem Duplex-Läuferkörper erfolgt. Grundsätztich kann so ein PM-Line-Start Motor geschaffen werden.
-
Auch ist es möglich, dass das Läuferspaltrohr in unterschiedlichen Bereichen metallisch dick, metallisch dünn und/oder nicht metallisch ist.
-
Darüber hinaus umschreibt die Erfindung einen Unterwasser-Pumpenmotor mit einem Läufer nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung, die weitere Vorteile und Merkmale offenbaren, sind in den Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
-
1: einen Längsschnitt eines mit Wasser gefüllten Unterwasser-Pumpenmotors mit dem erfindungsgemäßen Läufer, und
-
2–4: verschiedene Fertigungsstufen eines erfindungsgemäßen Läufers im Längsschnitt.
-
1 zeigt einen wassergefüllten Unterwasser-Pumpenmotor 10 im Längsschnitt. Man erkennt den Läufer 1, der mit seiner Ausgangswelle mit einer nicht dargestellten Pumpe zur Förderung des zu fördernden Guts in Verbindung steht. Der Pumpenmotor 10 weist ein Gehäuse 40 auf, das einen Stator 20 und den Läufer 1 umgibt. Zwischen dem Stator und dem Läufer 1 ist eine Flüssigkeit 30, in diesem Fall Wasser, vorhanden, die den Stator und den Läufer 1 komplett umspült. Die Flüssigkeit ist vorzugsweise Wasser, das mit einem Frostschutz angereichert ist.
-
2 zeigt den Läufergrundkörper 2 mit seinen zwei Endabschnitten 3 und dem zwischen den Endabschnitten 3 liegenden Mittelabschnitt 4. Dabei grenzen die Endabschnitte 3 an einen jeweiligen Außenabschnitt 5 an, zwischen dem der Innenabschnitt 4 angeordnet ist. Der Läufergrundkörper ist rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei der Durchmesser der Endabschnitte 3 geringer ist als der des Mittelabschnitts 4 bzw. geringer ist als der der Außenabschnitte. Zudem ist der Durchmesser der Außenabschnitte 5 größer als der des Innenabschnitts 4.
-
Dabei ist die Dicke der Außenabschnitte 5 in Längsrichtung gegenüber der Dicke des Innenabschnitts 4 sehr klein, da die Umfangsflächen der Außenabschnitte 5 nur zur Auflage des in 4 gezeigten Läufer-Spaltrohrs 7 dienen. Der Innenabschnitt 4 hingegen erstreckt sich über den Überdeckungsbereich mit dem nicht gezeigten Statorblechpaket.
-
Zur Herstellung des Läufergrundkörpers 2 wird die Vollwelle aus Duplexstahl, wie bei üblicher Wellenstahlausführung, auf einer Drehmaschine bearbeitet. Im Überdeckungsbereich mit dem Ständerblechpaket wird die Vollwelle auf das Maß für die Bestückung mit mindestens einer Magnetschale abgedreht. Von daher ergibt sich der in seinem Durchmesser verringerte Innenabschnitt 4 bezüglich der daran angrenzenden Außenabschnitte 5. Die Außenabschnitte 5 können auch als Endringe bezeichnet werden, die als Auflage für das Läufer-Spaltrohr dienen.
-
3 zeigt den Läufergrundkörper 2 mit auf dem Innenabschnitt 4 angebrachten Magnetschalen 6.
-
Die Magnetschalen können hierbei zunächst unmagnetisiert sein, da eine nachträgliche Magnetisierung am fertigen Läufer 1 möglich ist. Die Magnetisierung erfolgt entsprechend der Motorpolzahl (Arbeitspolzahl). Man erkennt, dass die Magnetschalen 6 so auf den Umfangsbereich des Innenabschnitts 4 aufgebracht sind, dass diese mit den Außenabschnitten 5 bündig abschließen.
-
4 zeigt den Läufer mit einem Läufer-Spaltrohr 7, das den Mittelabschnitt 4 und die Außenabschnitte 5 umschließt. Die beiden Außenabschnitte 4 dienen dabei als Auflagefläche für das Spaltrohr. Typischerweise ist auch das Spaltrohr 7 an den beiden Außenabschnitten 5, die auch als Endringe bezeichnet werden können, verklebt oder im Falle eines metallischen Spaltrohrs 7 direkt verschweißt.
-
Die im Vergleich zum Wellendurchmesser geringe Magnethöhe ist vorteilhaft für den bei Unterwasser-Pumpenmotoren notwendigen schlanken Läuferaufbau.
-
Durch die Verwendung von Duplexstahl ist die Läuferwelle korrosionsbeständig und die vorzugsweise aus Seltenerde gefertigten Magnete werden über das Läufer-Spaltrohr 7 geschützt.
-
Der erfindungsgemäße Läufer ist demnach konstruktiv und fertigungstechnisch einfach, wobei der gesamte Läufer nicht korrosionsanfällig ist. Zudem sorgt das Läufer-Spaltrohr 7 für einen kleinen hydraulischen Widerstand, da es an seiner Außenseite vorzugsweise glatt ist.
-
Auch sind die von einem Ständerwicklungssystem erzeugten subharmonischen Luftspaltfelder im Vergleich zur Arbeitspolzahl deutlich niederpoliger und besitzen daher einen längeren magnetischen Pfad. Aufgrund der geringen Permeabilität von Duplexstahl können sich diese subharmonischen Luftspaltfelder daher nur gering ausbilden und führen so nur zu geringen Wirbelstromverlusten im massiven Läuferjochgebiet.
