DE19600612A1

DE19600612A1 - Verlustabführung bei magnetisch gelagerten Rotoren

Info

Publication number: DE19600612A1
Application number: DE19600612A
Authority: DE
Inventors: Peter-Klaus Chemnitz Pro Budig
Original assignee: ELEKTRISCHE AUTOMATISIERUNGS U
Current assignee: ELEKTRISCHE AUTOMATISIERUNGS U
Priority date: 1996-01-10
Filing date: 1996-01-10
Publication date: 1997-07-17

Description

Der Trend zur Miniaturisierung technischer Produkte ist diktiert durch die Forderung nach weniger Einsatz von Material und weniger Energie bei der Herstellung und Anwendung technischer Produkte. Daher werden bei elektrischen Antrieben Drehzahlen angestrebt, die weit über der bisher durch die starre Netzfrequenz von 50 Hz gegebene Grenze liegen. Im Bereich der Pumpen und Verdichter werden je nach Leistung Drehzahlen zwischen 6000 min^-1 und 25000 min^-1 angestrebt. Damit wird es möglich, im Bereich des optimalen Wirkungsgrades dieser Maschinen arbeiten zu können. Das bedeutet Verbesserungen des Wirkungsgrades, die bis zu 10% betragen können. Bei hochtourigen Werkzeugspindeln gestatten die hohen Drehzahlen Präzisionsbearbeitung in wenigen Bearbeitungsschritten zu erreichen.

Für die hohen Drehzahlen werden entsprechende Lagerungen nötig.

Gleitlager scheiden wegen der hohen abzuführenden Verluste aus.

Wälzlager ergeben ungenügende Lebensdauer der Lager, so daß häufiges Auswechseln verbunden mit Produktionsstillstand nötig werden. Eine gewisse Abhilfe schaffen Wälzlager mit keramischen Wälzkörpern in Stahlringen oder in Keramikringen. Über die erreichbare Lebensdauer liegen ungenügende Erfahrungen vor.

Magnetische Lager erweisen sich als ausreichend zuverlässig für den Einsatz bei Drehzahlen bis zu 100 000 min^-1 und mehr. Bei diesen hohen Drehzahlen werden gemäß der Leistungsgleichung elektrischer Maschinen

P = C _* D² _* L _* n

die mechanischen Abmessungen der Motoren umgekehrt proportional zur Drehzahl kleiner. Damit ergeben sich Anordnungen mit einer Energiedichte (pro Volumeneinheit und pro Oberflächeneinheit), die wesentlich größer ist als bei den bisher bekannten und genutzten Drehzahlbereichen. Infolgedessen werden zur Abführung der Verlustenergie im Stator Methoden zur Verbesserung der Wärmeabfuhr eingesetzt. Häufig erfolgt das mittels einer Wassermantelkühlung. Wesentlich schwieriger gestaltet sich die Wärmeabfuhr aus dem Rotor. Bewegt sich dieser in Luft so kann die Verlustenergie des Rotors mittels Konvektion über den Luftspalt und den Stator an die Ständeroberfläche abgeführt werden. Dadurch erfährt der Ständer eine Erwärmung auch durch die im Rotor entstehenden Verluste. Da der Energietransport durch

δ = P_v/α_*0

mit
δ = Temperaturdifferenz,
P_v = Verlustenergie,
α = Wärmeübergangszahl,
0 = wärmeabgebende Oberfläche
beschrieben ist, ist zu erkennen, daß wegen der kleiner werdenden Oberflächen der Wärmetransport eine größere Temperaturdifferenz erfordert. Diese kann Werte annehmen, die eine unzulässige Erwärmung der Ständerwicklung bedingen. Das kann nur in begrenztem Umfang durch die Verwendung höherer Wärmebeständigkeitsklassen des Isoliersystems ausgeglichen werden.

Es ist daher erforderlich andere Methoden der Verlustabführung aus dem Rotor zu suchen.

Als solche bieten sich an:

- hohle Läuferwelle, die von Luft durchströmt wird, so daß diese die Verlustwärme aufnehmen kann. Das Verfahren ist nur bedingt anwendbar, da die Schwächung des Wellenquerschnittes nicht zulässig ist.
- Einsatz von Wärmerohren im Rotor. Da sich diese mit Rotordrehzahl bewegen, treten an den wärmeabgebenden Rohrenden sehr hohe Luftreibungsverluste auf, die den gewünschten Effekt in Frage stellen und außerdem zu Geräuschbildung führen.
- Nutzung des Rotorinneren als Wärmerohr. Auch dem kann die Schwächung des Wellenquerschnittes entgegenstehen.

Aufgabe dieser Erfindung ist es diese Nachteile zu vermeiden.

Hierzu soll die Verdampfungswärme von Flüssigkeiten genutzt werden. Die Flüssigkeit soll direkt auf die Welle und/oder die Rotoroberfläche aufgebracht werden. Dabei ist die Menge so zu dosieren, daß alle Flüssigkeit verdampft. Der Dampf gibt an der Innenfläche des Gehäuses seine Energie ab und kondensiert zur Flüssigkeit. Damit entsteht ein Wärmekreislauf zwischen dem Rotor und dem Wärme nach außen abgebenden Gehäuse des Motors.

Als Flüssigkeit eignen sich sowohl Wasser als auch andere bei Temperaturen um 100°C und darüber verdampfende Flüssigkeiten.

Das durch Abkühlung wieder verflüssigte Kühlmittel sammelt sich im tiefst gelegenen Teil des Motors und kann von hier dem Kühlkreislauf wieder zugeführt werden.

Um Korrosion im Motorinneren zu vermeiden, ist dessen Oberflächen durch z. B. eine Lackbehandlung gegen Korrosion zu schützen.

Claims

1. Magnetisch gelagerte Welle, dadurch gekennzeichnet, daß die Abführung der Verlustwärme des rotierenden Teiles so erfolgt, daß dieses dosiert von einer verdampfungsfähigen Flüssigkeit benetzt wird, diese verdampft und die zur Verdampfung erforderliche Energie dem Rotor entzogen wird, wodurch dieser gekühlt wird.

2. Magnetisch gelagerte Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Dampf enthaltene Energie am Gehäuse abgegeben wird, der Dampf durch die dabei erfolgende Abkühlung kondensiert und an der am tiefsten gelegenen Stelle gesammelt, abgeführt und dem Kühlkreislauf wieder zugeführt wird.

3. Magnetisch gelagerte Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel von außen an den Rotor herangebracht wird.

4. Magnetisch gelagerte Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel vom Rotorinneren an dessen Oberfläche gebracht wird.