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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.