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Bezug zu verwandten Anmeldungen
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Die
vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der anhängigen amerikanischen provisorischen Patentanmeldung
mit der Seriennummer 60/482,622 (Aktenzeichen des Anwalts Nr. 2003P09183US),
die am 26. Juni 2003 eingereicht wurde und die hiermit durch die
Bezugnahme als vollständig
in die Anmeldung eingeführt
gilt.
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Hintergrund der Erfindung
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Das
amerikanische Patent
US 4,409,506 (Ito),
das hiermit durch die Bezugnahme als vollständig in die Anmeldung eingeführt gilt,
offenbart angeblich, dass „der
Verlust beim Betrieb infolge der harmonischen Oberwellen in dem
Rotor eines Induktionsmotors ansteigt, wenn der Induktionsmotor
mit einer Spannungsversorgung mit variabler Frequenz, die Thyristoren
als Umrichter umfasst, zu dessen Geschwindigkeitssteuerung betrieben
wird. Um weitere Betriebsverluste in einer angemessenen Tiefe des
Rotors zu vermeiden und dadurch auch den Betriebsverlust nicht weiter
ansteigen zu lassen, umfasst der Rotor zylindrische Elemente, die
einen umfänglichen
Widerstand aufweisen, der grösser
ist als die axialen und radialen Widerstände, und eine umfängliche
Permeabilität,
die kleiner ist als die axialen und radialen Permeabilitäten, und
einen Kern, der innerhalb der zylindrischen Elemente angeordnet
ist und eine axiale Permeabilität
aufweist, die kleiner ist als die umfänglichen und radialen Permeabilitäten". Vergleiche Zusammenfassung.
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Das
amerikanische Patent
US 4,751,417 (Krinickas),
das hiermit durch die Bezugnahme als vollständig in die Anmeldung eingeführt gilt,
offenbart angeblich, dass „die äussere Oberfläche des
Rotors inklusive der Polflächen
des Rotors eine Vielzahl von umfänglichen
Rillen aufweist um so die Effizienz der elektrischen Maschine durch
eine Abnahme der Verluste, die durch infolge von hochfrequenten
Flussraten verursachte Wirbelströme
ausgelöst
werden. Die Rillen sind in axialer Richtung beabstandet über den
Rotor verteilt. Vorzugsweise umfasst das Verfahren zur Reduzierung
der Verluste den Schritt, die Rillen durch Laserschneiden zu erzeugen,
was erlaubt, die weite und den Abstand der Rillen so stark zu minimieren,
dass die Verringerung der Verluste durch eine Erhöhung des
Widerstandes für
die Wirbelströme
maximiert werden kann".
Vergleiche Zusammenfassung.
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Das
amerikanische Patent
US 5,861,700 (Kim),
das hiermit durch die Bezugnahme als vollständig in die Anmeldung eingeführt gilt,
offenbart angeblich, dass „ein
Rotor für
einen Induktionsmotor einen Kern umfasst, der ein zentrales Loch
aufweist, das sich axial ausdehnt, um eine Welle aufzunehmen. Eine
Vielzahl von grossen Hohlräumen
sind in dem Kern ausserhalb des zentralen Lochs geformt. Die Hohlräume sind
mit einem nicht-ferritischen Metall gefüllt und Blasgänge dehnen
sich durch das nicht-ferritische Metall aus, damit Kühlluft durch
den Kern geleitet werden kann." Vergleiche
Zusammenfassung.
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Das
amerikanische Patent
US 6,483,210 (Soderberg),
das hiermit durch die Bezugnahme als vollständig in die Anmeldung eingeführt gilt,
offenbart angeblich, dass „sich
die Erfindung auf ein Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades
einer elektrischen Rotationsmaschine durch eine Verbesserung der
Kühlung bezieht,
wobei ein Kühlfluid
durch axiale Kühlkanäle (
15)
im Rotor geleitet wird, und zwar radial nach innen gerichtet in
den Rillen (
14) der Rotorwindungen, wodurch das zur Kühlung der
Maschine aktive Kühlfluid
im wesentlichen durch die axialen Kühlkanäle (
15) geleitet wird;
oder alternativ durch Gruppen von Kühlkanälen geleitet wird, die im wesentlichen
symmetrisch mit Bezug auf die Wege des magnetischen Flusses angeordnet sind,
um hierdurch eine Symmetrie des magnetischen Kreises und damit gute
elektrische Eigenschaften der Maschine zu erreichen. Die Erfindung
bezieht sich ausserdem auf eine elektrische Rotationsmaschine, einen Rotor
hierfür
und den Gebrauch desselben." Vergleiche
Zusammenfassung
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Zusammenfassung
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Gewisse
beispielhafte Ausführungsformen
umfassen ein Gerät
und/oder einen elektrischen Motor, der eine verlängerte, im wesentlichen starre
Rotorwelle aufweist, wobei die Rotorwelle eine Mehrzahl von längsgerichteten
Riefen definiert. Weiter umfassen die gewissen beispielhaften Ausführungsformen
ein Verfahren, umfassend das Formen einer verlängerten, im wesentlichen starren
Rotorwelle, die eine Mehrzahl von längsgerichteten Riefen definiert,
und das Zusammenfügen
der Rotorwelle mit dem Stator eines elektrischen Motors.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Eine
grosse Bandbreite von potentiellen Ausführungsformen können anhand
der folgenden detaillierten Beschreibung von gewissen beispielhaften
Ausführungsformen
mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen einfach verstanden werden,
wobei:
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1 ist
eine Seitenansicht auf eine beispielhafte Ausführungsform eines Motors 1000;
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2 ist
eine Querschnittsdarstellung entlang einer Linie A-A in 1;
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3 ist
eine Querschnittsdarstellung entlang einer Linie B-B in 2;
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4 ist
eine Querschnittsdarstellung entlang einer Linie C-C in 2;
und
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5 ist
ein Flussbild einer beispielhaften Ausführungsform eines Verfahrens 5000.
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Definitionen
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Bei
der Benutzung der folgenden Begriffe sollten die begleitenden Definitionen
angewendet werden:
Wechselstrom – ein elektrischer Strom, der
seine Richtung in einem Stromkreis in regelmässigen Intervallen umkehrt.
Kann – ist fähig zu,
in zumindest einigen Ausführungsformen.
Umfassend – Beinhaltend,
aber nicht darauf limitiert.
Kern – eine Vielzahl von dünnen Schichten,
die zusammengestapelt sind um einen hohlen Zylinder zu formen. Der
Kern kann eine Vielzahl von Windungen umfassen, wobei jede aus gewundenem
isolierten Draht geformt ist, und die Windungen in Aufnahmen ruhen,
die in den zusammengestapelten Schichten vorgesehen sind.
Kritische
Geschwindigkeit – ein
Geschwindigkeit, bei der eine mechanische Resonanz auftritt.
Elektrischer
Motor – ein
durch Elektrizität
angetriebener Motor. Ein elektrischer Motor kann zwei Elemente umfassen,
und zwar ein stationäres
Element, Stator genannt, und ein rotierendes Element, Rotor genannt.
Jedes der Elemente kann einen oder mehrere Magnete, Elektromagnete
und/oder ferromagnetische Komponenten verwenden.
verlängert – mehr Länge als
Breite aufweisend.
erwartet – vorhergesagt.
Riefe – eine verlängerte Rille.
Riefentiefe – eine radiale
Tiefe der längsgerichteten
Rille in einer Rotorwelle.
längsgerichtete – sich auf
die Länge
oder die longitudinale Richtung beziehend.
möge – ist für zumindest
einige Ausführungsbeispiele
zulässig.
Motor – etwas,
welches Elektrizität
in lineare und/oder rotierende Bewegung wandelt.
Betriebsgeschwindigkeit – die Geschwindigkeit
des Betriebs, die typisch zwischen einer synchronen Geschwindigkeit
und einer Volllast-Geschwindigkeit läuft.
Phase – eine Anzahl
von Anteilen von kompletten Rotationszyklen der Maschine. Ebenfalls
ein Teil eines kompletten abgelaufenen Zyklus, von einem bestimmten
Referenzpunkt aus gemessen und oft als Winkel ausgedrückt.
Pol – eine oder
zwei Regionen in einem magnetisierten Körper, in dem eine magnetische
Flussdichte konzentriert ist.
vorbestimmt – im Vorherein so bestimmt.
starr – im wesentlichen
unflexibel.
Rotor – der
rotierende Teil einer Maschine.
Welle – eine lange, im wesentlichen
zylindrische Stange, die rotiert und an welche ein Rotor gekoppelt
werden kann.
Drehzahl – eine
lineare oder Rotations-Geschwindigkeit.
Stator – der ortsfeste
Teil, in welchem oder um den herum ein anderes Teil (der Rotor)
rotiert.
im wesentlichen – zu
einem überwiegenden
Grad oder Masse.
System – eine
Ansammlung von Mechanismen, Geräten
und/oder Anordnungen, wobei die Ansammlung so gestaltet ist, dass
eine oder mehrere bestimmte Funktionen ausgeführt werden. Gänzlich gekapselter
Gebläse gekühlter Motor
(TEFC) – eine
im wesentlichen gekapselte Maschine, die für eine Kühlung von aussen durch ein
Geläse
oder mehrere Gebläse
ausgerüstet
ist, das oder die Bestandteil der Maschine, aber ausserhalb der gekapselten
Teile angeordnet sind. Die meisten TEFC Motoren haben nach aussen
gerichtete Finnen um die Wärmeabgabe über die äusseren
Flächen
zu vergrössern.
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Detaillierte Beschreibung
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Gewisse
beispielhafte Ausführungsformen
liefern eine Motoranordnung, die eine längsgerillte Rotorwelle aufweisen.
Die längsgerillte
Rotorwelle kann einen angemessenen Wellendurchmesser aufweisen,
der gross genug ist, um eine kritische Drehzahl weit oberhalb der
Betriebsdrehzahl des Motors aufzuweisen. Für die Querschnittsbelüftungsfläche, die
die Längsrillen
liefern, können
die tiefen grossen Rillen der längsgerillten Welle
vergleichsweise niedrige Reibungsverluste und/oder einen vergleichsweise
guten allgemeinen Luftfluss erzeugen.
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1 ist
die Seitenansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Motor 1000,
der eine längsgerillte
Rotorwelle 1100, einen Rotorkern 1200 und einen
Statorkern 1300 aufweist. Der Motor 1000 kann
von beliebiger Gestalt sein, wie beispielsweise ein Wechselstrom
oder ein Gleichstrommotor, ein tropfdichter Motor, ein gebläsegekühlter Motor,
ein intern belüfteter
Motor, ein total gekapselter Motor und dergleichen sein. Der Motor 1000 kann
mit einer beliebigen Anzahl von Phasen betrieben sein, wie zum Beispiel
1, 2, 3, 4 und so weiter. Der Motor 1000 kann eine Anzahl
von Polen haben, wie zum Beispiel 1, 2, 3, 4 und so weiter. Der Motor 1000 kann
jede Leistungsstufe aufweisen, wie zum Beispiel von ungefähr 0,1 PS
bis umgefähr
2000 PS, inklusive sämtlicher
Zwischenwerte und Unterbereiche.
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2 ist
ein Ansicht im Querschnitt entlang einer Schnittlinie A-A in 1.
Wie gezeigt, hat der Rotorkern 1200 einen Durchmesser DRC, und der Statorkern 1300 einen
Durchmesser DSC. Der Rotorkern 1200 und
der Statorkern 1300 haben eine Länge L. Das Verhältnis von
Länge L
zu DSC kann von ungefähr 1,25 bis ungefähr 2,0 reichen,
inklusive aller zwischenwerte und Unterbereiche.
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3 zeigt
eine Ansicht im Querschnitt von einer beispielhaften Ausführungsform
der Rotorwelle 1100 entlang einer Schnittlinie B-B in 2.
Wie gezeigt kann die Rotorwelle 1100 eine Mehrzahl von
gleichmässig beabstandeten
Rotorsektoren 1110 aufweisen, die durch eine Mehrzahl von
gleichmässig
beabstandeten, längsgerichteten
Rotorwellennuten 1120 getrennt sind, wobei die Rotorwellennuten 1120 durch
Fräsen
der Rotorwelle 1200 mit einem Fräswerkzeug geeigneter Weite
geformt werden können.
Die Rotorwelle 1100 definiert einen Durchmesser DS, und eine Rotorwellennut 1120 definiert
eine Tiefe Q, die durch Nutenböden 1130 der Rotorwelle 1100 bestimmt
sind. Das Verhältnis
von Q zu DS kann von ungefähr 0,15
bis ungefähr
0,35 reichen, inklusive aller Zwischenwerte und Unterbereiche, also
zum Beispiel von ungefähr
0,185 bis ungefähr
0,3; von ungefähr
0,2 bis ungefähr
0,28; von ungefähr
0,25 bis ungefähr
0, 32; und so weiter.
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Die
Rotorwellennuten 1120 können
sich entlang der Rotorwelle mit wenigstens einer Länge L des
Rotorkern 1200 (gezeigt in 2) ausdehnen,
und können
fortschreitend in der Tiefe abnehmen und/oder in der Weite zunehmen
bis sie von der Rotorwelle 1200 nicht mehr unterscheidbar
sind, wodurch ein weicher Übergang
für die
Luft gegeben ist, die in die Nuten 1120 zum Kühlen der Rotorwelle 1100 und/oder
des Kerns 1200 eintritt. Eine Keilnut 1140 in
der Welle 1100 kann die Kopplung der Rotorwelle 1100 and
den Rotorkern 1200 ermöglichen
(wie gezeigt in 4).
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4 ist
eine Ansicht im Querschnitt entlang einer Schnittlinie C-C in 2,
die eine beispielhafte Ausführungsform
eines Rotorschichtpaket und/oder eines Rotorkerns 1200 zeigt,
welche eine Mehrzahl von gleichmässig
beabstandeten Sektoren 1210 des Rotorkerns 1200 aufweist.
Die Sektoren 1210 sind durch eine Mehrzahl von gleichmässig beabstandeten,
längsgerichteten
Schlitzen 1220 in Rotorkern 1200 getrennt, welche
darüber
hinaus Kernwicklung umfassen kann (nicht gezeigt). Der Rotorkern 1200 definiert
einen Rotordurchmesser DRC und eine Kernlänge L (gezeigt
in 2). Eine Keilnut 1240 im Kern 1200 erlaubt
es dem Rotorkern 1200 an die Rotorwelle zu kuppeln (gezeigt
in 3).
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5 zeigt
ein Flussdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform für ein Verfahren 5000.
Bei der Tätigkeit 5100 kann
eine verlängerte,
im wesentlichen starre Rotorwelle geformt werden, die eine Mehrzahl von
längsgerichteten
Nuten aufweist. Das Verhältnis
der Tiefe jeder Nut zum Durchmesser der Welle kann dabei grösser als
etwa 0,15 sein. Bei der Tätigkeit 5200 kann
die Rotorwelle mit dem Rotorkern gekoppelt werden um den eigentlichen
Rotor zu bilden. Bei der Tätigkeit 5300 kann
der Rotor mit dem Stator des elektrischen Motors gekoppelt werden.
Bei der Tätigkeit 5400 kann
der funktionelle Motor eine kritische Drehzahl zeigen, die bei etwa
115 der erwarteten und/oder tatsächlichen
vollen Betriebsdrehzahl liegt. Bei der Tätigkeit 5500 kann
der Motor eine erhöhte
Leistung und/oder eine Bewertung zu einem Vergleichsmotor zeigen,
dessen Verhältnis
von Q zu DS kleiner als 0,15 ist. Der Leistungsanstieg
kann von etwa ungefähr
15 bis ungefähr
50%, inklusive aller Zwischenwerte und Unterbereiche.
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Die
folgenden Tabellen 1 bis 8 reflektieren das Design und den Wirkungsgrad
für einen
beispielhaften 2-Polmotor, welcher eine verlängerte, im wesentlichen starre
gerillte Rotorwelle aufweist, wie dies vorliegend erläutert wurde.
Der beispielhafte Motor hat einen Rotorwelledurchmessern von etwa
21,6 cm, einen Rotorkerndurchmesser von 30,4 cm und eine Rotorkernlänge von
81,3 cm. Der beispielhafte Motor hat ausserdem sechs Nuten in der
Rotorwelle, wobei jede davon 5,1 cm tief und 2,5 cm weit ist. Der
beispielhafte Motor hat weiter einen äusseren Durchmesser des Statorkerns
von 55 cm, eine Statorkernlänge
von 81,3 cm, was ein Verhältnis
L/D von ungefähr
1,5 ergibt. Tabelle
1. Nenngrössen
gemäss
Typenschild
Tabelle
2. Temperaturtest
Tabelle
3. Testeigenschaften
Tabelle
4. Drehmoment und Anfangsstrom
Tabelle
5. Effizienz und Leistungsfaktor
Tabelle
6. Isolationstests
Tabelle
7. Vibrationsniveau bei Lastfreiheit – ungefiltert
Tabelle
8. Vibrationsniveau bei Lastfreiheit – ungefiltert
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Natürlich erkennt
der Fachmann eine Vielzahl von weiteren Ausführungsformen durch das Lesen
der vorstehenden detaillierten Beschreibung und den Zeichnungen
zu diesen beispielhaften Ausführungsformen. Es
soll dabei verstanden sein, dass zahlreiche Variationen, Modifikationen
und zusätzliche
Ausführungsformen möglich sind
und dass entsprechend all diese Variationen, Modifikationen und
Ausführungsformen
als im Geiste und Umfang dieser Anmeldung enthalten betrachtet werden
sollen. Beispielsweise soll ungeachtet des Inhalts jedes der Teile
dieser Anmeldung (Titel, Feld, Hintergrund, Zusammenfassung der
Erfindung, Zusammenfassung, Zeichnungen usw.), es sei denn, dass
es klar als solches definiert ist, kein Erfordernis für die Einbeziehung
in irgendeinen Anspruch irgendeiner Anmeldung, die die Priorität dieser
Anmeldung beansprucht, von bestimmten beschriebenen oder illustrierten
Tätigkeiten
oder Elementen oder bestimmten ausschnitthaften Sequenzen von solchen
Tätigkeiten
oder irgendwelchen besonderen Beziehungen von solchen Elementen sein.
Vielmehr kann jede Tätigkeit
wiederholt werden, durch zahlreiche Einheiten ausgeübt werden
and/oder jedes Element als solches dupliziert werden. Weiter kann
jede Aktivität
oder jedes Element ausgeschlossen werden und die Abfolge von Aktivitäten kann
variieren und/oder die Beziehung unter den Elementen kann variieren.
Folglich werden die Beschreibung und die Zeichnungen in ihrer Art
als beispielhaft und nicht als beschränkend angesehen. Weiter wird
jede Grösse
oder Bereich, der hierin beschrieben ist, solange wie nicht ausdrücklich konstatiert,
als ungefähre
Grösse
oder ungefährer
Bereich verstanden. Wenn ein Bereich hierin beschrieben ist, sollen
in diesem Bereich alle Werte innerhalb und alle Unterbereiche umfasst
sein, sofern dies nicht explizit anders offenbart wurde. Jede Information
aus jedwedem Dokument (z.B. US Patent, US Patentanmeldung, Buch, Artikel
usw.), das in diese Anmeldung durch die Bezugnahme eingeführt worden
ist, ist nur insoweit durch die Bezugnahme eingeführt als
kein Konflikt zwischen diesen Informationen und den in dieser Anmeldung
gemachten Aussagen und Zeichnungen. Im Falle eines solchen Konflikts,
inklusive eines solches Konflikts, der einen die Priorität beanspruchenden
Patentanspruch ungültig
werden liesse, würde
die Information, die über
die Bezugnahme auf das Dokument eingeführt würde als gerade nicht über Bezugnahme
eingeführt
gelten.
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Zusammenfassung
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Ein
Gerät und/oder
ein elektrischer Motor, umfassend eine längliche, im wesentlichen starre
Rotorwelle für
einen elektrischen Motor, wobei die Rotorwelle eine Mehrzahl von
länglichen
Nuten aufweist, und/oder ein Verfahren umfassend das Formen einer
länglichen,
im wesentlichen starren Rotorwelle für einen elektrischen Motor,
wobei die Rotorwelle eine Mehrzahl von länglichen Nuten aufweist; und
das Zusammenfügen
der Rotorwelle mit einem Stator eines elektrischen Motors.
Tabelle 3. Testeigenschaften
Tabelle 4. Drehmoment und Anfangsstrom
Tabelle 5. Effizienz und Leistungsfaktor
Tabelle 6. Isolationstests
Tabelle 7. Vibrationsniveau bei Lastfreiheit – ungefiltert
Tabelle 8. Vibrationsniveau bei Lastfreiheit – ungefiltert
