DE1118340B - Verringerung der Lagerbelastung bei in Fluessigkeit umlaufenden Elektromotoren durch Ausbildung des Rotors als Schwimmkoerper - Google Patents

Verringerung der Lagerbelastung bei in Fluessigkeit umlaufenden Elektromotoren durch Ausbildung des Rotors als Schwimmkoerper

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DE1118340B
DE1118340B DEM47369A DEM0047369A DE1118340B DE 1118340 B DE1118340 B DE 1118340B DE M47369 A DEM47369 A DE M47369A DE M0047369 A DEM0047369 A DE M0047369A DE 1118340 B DE1118340 B DE 1118340B
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rotor
liquid
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conveyor
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Dr-Ing Hans Moser
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HANS MOSER DR ING
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HANS MOSER DR ING
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/08Structural association with bearings
    • H02K7/086Structural association with bearings radially supporting the rotor around a fixed spindle; radially supporting the rotor directly
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    • H02K7/00Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
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    • H02K7/086Structural association with bearings radially supporting the rotor around a fixed spindle; radially supporting the rotor directly
    • H02K7/088Structural association with bearings radially supporting the rotor around a fixed spindle; radially supporting the rotor directly radially supporting the rotor directly

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  • Power Engineering (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)

Description

  • Verringerung der Lagerbelastung bei in Flüssigkeit umlaufenden Elektromotoren durch Ausbildung des Rotors als Schwimmkörper Es sind in Flüssigkeit umlaufende Elektromotoren, z. B. Unterwassermotoren, Förderaggregate für flüssige Medien, wie Bohrlochpumpen oder Umwälzpumpen bekannt, bei denen der Rotor des Elektromotors oder das mit dem Rotor zusammengebaute Förderorgan stopfbüchslos zu einer konstruktiven Einheit verbunden und allseitig von der zu fördernden Flüssigkeit umgeben ist. Viele dieser Anordnungen verwenden die zu fördernde oder eine andere Flüssigkeit für die Schmierung der Lager. Insbesondere bei der Verwendung von Wasser oder anderen 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 Verunreinigungen im Fördermedium. Die elektromagnetischen Kräfte und die hydraulischen (meist Axialschub-) Kräfte, die der Rotor des Elektromotors und das Laufrad des Förderorgans auf die Lager ausüben, 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 zusammengebauten Förderorgans. 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 Flüssigkeitsschmierfiims ein direkter, bei starker Exzentrizität zwischen Wellenbüchse und Lagerschale den Reibungskoeffizienten 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 Lager auf, welches vom Motordrehmoment überwunden werden muß. Das Motordrehmoment muß stärker sein als das (trockene) Reibungsdrehmoment im Anlauf, damit die anderen Widerstände außerhalb der Lager überwunden werden könnzn und ein Restdrehmoment für die Beschleunigung de: Rotormasse verbleibt.
  • Bei Förderaggregaten kleiner Leistung, wie z. B. bei Umwälzpumpen, ist das vom Motor erzeugte Anlaufdrehmoment, insbesondre bei Speisung mit einphasigem Wechselstrom, äußerst gering. Oft ist es so, daß die Motorabmessungen nicht auf den Leistungsbedarf 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, und das ganze Aggregat wird schwer und teuer.
  • Es ist Gegenstand der Erfindung, diese Mäng--l dadurch zu beheben, daß der Rotor und das mit ihm eventuell zusammengebaute Förderorgan sehr leicht an Gewicht ausgeführt werden können unter Benutzung möglichst vieler spezifisch leichter Kunststoffe und/oder den Einbau von Schwimmkörpern, Schaumstoffen oder von Hohlräumen in das Innere des Rotors und des Förderorgans, welche spezifisch leichter sind als die Förderflüssigkeit und daher Auftrieb bewirken.
  • Die heute 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 B. Die Lagerbelastung errechnet sich aus dem Volumen des Rotorkörpers mal dessen mittlerem spezifischem Gewicht abzüglich dem spezifischen Gewicht des den Rotorkörper umgebenden flüssigen Mediums. Im Falle der Förderung von Wasser mit dem spezifischen Gewicht 1 errechnet sich die Lagerbelastung aus dem Volumen des massiven Körpers mal dem spezifischen Gewicht, im vorliegenden Beispiel 8, abzüglich dem spezifischen Gewichi 1 der Flüssigkeit. Also aus dem Volumen des massiven Körpers in Kubikzentimetern mal sieben ergibt sich 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 kleinen Aluminiummengen), und die Lagerbelastung errechnet sich dann aus dem Volumen des massiven Körpers mal 7 - 1= 6.
  • Um die Lagerbelastung bei gleichen Abmessungen 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 T'örderorgan) von z. B. 8 auf 4 oder weniger zu reduzieren. Dies kann, wie erwähnt, geschehen durch weitgehende Verwendung von Kunststoffen für die-elektromagnetisch nicht aktiven Bauteile des Rotors und für das Förderorgan, oder es sollen z. B. zwei Arten von Kunststoffen verwendet werden: 1. die wenig elastischen Bauteile für Welle, Förderorgan usw. aus thermoplastischen oder hartbaren Kunststoffen als= Trägergerüst von Rotor und Förderorgan, 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 Innern 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 Rotors befindliche Flüssigkeit abgedichtet sind und Auftrieb erzeugen.
  • In Fig. 1 ist ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung, eine Umwälzpumpe, dargestellt, bei der Rotor und Förderorgan stopfbüchslos zusammengebaut sind. 1 ist das Gehäuse, dem die zu fördernde Flüssigkeit zu- und abströmt, 2 ist ein Lagerschild, das mit dem Gehäuse fest verbunden ist, 3 ist das Laufrad mit zusammengebauter Welle 4, eingangsseitigem Lager 5, motorseitigem 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 eventuell Harzumguß 12 trägt und auf das Lagerschild 2 flüssigkeitsdicht aufgesteckt werden kann. 10 ist der magnetische Teil des Rotors, z. B. ein genuteter oder putenloser Ring aus Eisenblech oder ein Stahlrohr, 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 angeordneter volumenmehrender Körper aus Schaumstoff 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 zwi4chen Rotor 10, 11 und Spaltrohr 9 der Rotor etwas nachgiebig ist und daher von Fremdkörpern nicht blockiert werden kann.
  • In Fig. 2 ist eine andere Ausführungsform des Erfindungsgedankens dargestellt, und zwar ebenfalls eine Umwälzpumpe, bei der 1 das Gehäuse, 2 das Lagerschild, 3 das Förderorgan und 4 die Tragwelle 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 9 im Lagerschild 2 montiert ist. 10 ist der magnetisch aktive Teil des Rotors, 11 ein drehmomentbildender Kupfermantel um denselben, der seitlich gegen den Teil a. 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 errechnet 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 der Lagerbelastung 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 einschließlich eingeschlossenem Hohlraum durch besonders große Ausbildung des Hohlraumes bis auf den Wert 1 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 Einflüssse kommen voll zur Geltung.
  • Damit der Hohlraum 15 in Fig. 2 möglichst groß und die Maße der magnetisch und elektrisch wirksamen Bauteile des Rotors 10 und 11 möglichst klein sind, soll der Erfindungsgegenstand auf die Kombination Schwimmkörper mit putenlosem Rotor ausgedehnt werden. Im Gegensatz zum genuteten Rotor, dessen Konstruktion'eine größere Wandstärke von 10 bedingt, läßt sich der putenlose 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 anderen in Flüssigkeit umlaufenden Motoren das Prinzip des schwimmenden Rotors anzuwenden oder die Auftriebskraft mit den anderen elektromagnetischen, hydraulischen 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.

Claims (7)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verringerung der Lagerbelastung eines in Flüssigkeit umlaufenden Elektromotors, insbesondere für Flüssigkeitsumwälzpurnpen und Unterwasserantriebe, durch Angleichen des mittleren spezifischen Gewichts des Rotorkörpers an das spezifische Gewicht der ihn umgebenden Flüssigkeit, z. B. Förderflüssigkeit, dadurch gekenn- zeichnet:, daß der Rotorkörper mit einem mittleren spezifischen Gewicht kleiner als 5 weitgehend als Schwimmkörper ausgebildet ist und damit einen gewissen Auftrieb in der ihn umgebenden Flüssigkeit erfährt.
  2. 2. Rotorkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor mindestens teilweise Hohlräume enthält, in die die den Rotor umgebende Flüssigkeit nicht eintreten kann.
  3. 3. Rötorkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß derselbe Räume aus spezifisch leichtem Material, z. B. Schaumstoff, enthält.
  4. 4. Rotorkörper nach Anspruch 1, stopfbüchslos zusammengebaut mit dem Förderorgan, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht elektromagnetischen Rotorteile mindestens teilweise aus Kunststoff bestehen.
  5. 5. Rotorkörper nach Anspruch 1, stopfbüchslos zusammengebaut mit dem Förderorgan, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens an das Förderorgan und zwischen demselben und dem motorseitigen Lager ein Schwimmkörper (spezifisch leichter als die Förderflüssigkeit) angebaut ist, der konzentrisch im Innern des Lagerschildes umläuft (Fig. 1).
  6. 6. Rotorkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens im Raum zwischen Welle und dem das Drehmoment bildenden, elektromagnetisch aktiven Rotorringkörper ein elastisches Material angeordnet ist, das spezifisch leichter ist als die den Rotor umgebende Flüssigkeit.
  7. 7. Rotorkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetisch und elektrisch aktive Rotorkörper nutenlos ausgeführt wird.
DEM47369A 1960-02-23 1960-12-12 Verringerung der Lagerbelastung bei in Fluessigkeit umlaufenden Elektromotoren durch Ausbildung des Rotors als Schwimmkoerper Pending DE1118340B (de)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1233481B (de) * 1962-05-03 1967-02-02 James Beresford & Son Ltd Tauchfaehiger Elektromotor
DE1282157B (de) * 1963-12-05 1968-11-07 Licentia Gmbh Verfahren zur Herstellung eines durch eine Gussmasse allseitig geschlossenen elektrischen Kleinmotors
DE4244413A1 (de) * 1992-12-29 1994-06-30 Friedhelm Schneider Füllrohr für hochviskose Flüssigkeiten
DE10009376A1 (de) * 2000-02-29 2001-08-30 Wilo Gmbh Saugseitiger Rotor

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