DE2005802A1

DE2005802A1 - Induktionsmotor

Info

Publication number: DE2005802A1
Application number: DE19702005802
Authority: DE
Inventors: Jimmie Joe Longview Tex. Cathey (V.St.A.)
Original assignee: Caterpillar Tractor Co., Peoria, 111. (V.St.A.)
Priority date: 1969-02-10
Filing date: 1970-02-09
Publication date: 1970-09-03
Also published as: BE745774A; AU1057170A; GB1294561A; US3531668A; FR2033954A5

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Induktionsmotor, der für hohe Drehzahlen geeignet ist. Eine Verwendungsmöglichkeit für einen derartigen Motor besteht darin, daß der Motor als Antriebsvorrichtung in einer Schwungkraft—Schweißmaschine benutzt wird, bei der der Motor mit Drehzahlen von etwa 36 000 Upm umläuft«, Hei derartigen Anwendungsfällen ist erwünscht, daß der Motor eine maximale Leistungsabgabe pro (iewichtseinheit und Volumeneinheit aufweist, während er mit den oben erwähnten hohen Drehzahlen arbeitet.

Es ist des weiteren notwendig, die großen Wärmemengeα aus dem Inneren des Motors abzuleiten, damit der Motor während ununterbrochener betriebsperioden richtig arbeiten kann.

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipi.-Wirtsch.-ing. Axel Har.smann, Dipl.-Phys. Sebastian Hermcnn

8 MDNCHEN 2, THERESIENSTRASSE 33 · Telefon: 281202 ■ T.Iegromm-Adr««.- Upotli/München Bayer. Vereinsbank München, Zweigst. Oskar-von-Miller-Ring, Kto.-Nr. 8824M · Posfsihede-Ko.ifo: München Nr. 1633 '7 Oppenauer Büro: PATENTANWALT DR. REINHOLD SCHMIDT

ÜAD ORIGINAL

Es ist bekannt, zur Kühlung innerhalb des Motors Kühlmittel oder Öl zu verwenden, bei Verwendung von Kühlmittel läßt sich eine erhebliche Menge Metall, das innerhalb des Motors und insbesondere innerhalb seines Gehäuses Verwendung findet, einsparen. So kann beispielsweise Kühlmittel durch das ganze Motorgehäuse zirkulieren, um dabei sowohl mit dem Hotor als auch mit dem Stator in berührung zu kommen. Ein Motor dieser Art ist jedoch zumindest beim betrieb mit hoher Drehzahl unerwünscht, da das durch das ganze Motorgehäuse zirkulierende Kühlmittel dazu neigt, die mit hoher Drehzahl erfolgende Drehbewegung der fbtoranordnung zu behindern.

Es ist ferner eine Konstruktion bekannt, bei der dieses spezielle Problem vermieden werden soll. Dieser bekannte Motor ist mit Hülsen ausgestattet, die sich von den Enden der Statoranordnung aus erstrecken, um einen Teil des Gehäuseinneren neben der Statoranordnung zu isolieren. Das Kühlmittel wird dann durch diesen 'feil des Gehäuses, der sich neben der Statoran— Ordnung befindet, umgewälzt, wobei es daran gehindert wird, die Drehbewegung des Rotors zu bremsen« Diese bekannte Vorrichtung ist jedoch verhältnismäßig kompliziert und läßt darüberhinaus keim; GröBeaverringerung des Motors in einem Ausmaß zu, wie sie bei dem ertindungsgeaäßen Motor möglich ist.

Die Erfindung bezieht sich also auf einen kompakten Induktionsmotor, der sich für hohe Drehzahlen eignet und mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten kann.

Ferner soll sich der Motor bezüglich seiner Größe wesentlich verkleinern lassen, indes Einrichtungen vorgesehen werden, mit denen durch den Motor hindurch Kühlmittel umgewälzt wird. Dabei soll erreicht werden, da β im Motor eine bezogen auf die Menge des umgewälzten Kühlmittels verstärkte Kühlung stattfindet, und es soll im wesentlichen verhindert werden, daß da?

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zirkulierende Kühlmittel die hohe Drehzahl des umlaufenden Motorrotor· nachteilig beeinflußt.

De· weiteren soll erfindungsgemäß die Rotoranordnung auf Lagern im Motorgehäuse gelagert werden und zur Kühlung des Motor· und zur Schmierung der Lager ein gemeinsames Strömungsmittel Verwendung finden.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung also einen Induktionsmotor, der für hohe Drehzahlen geeignet ist, einen hohen betriebswirkungsgrad aufweist und mit einer Rotoranordnung ausgerüstet ist, die von einer Statoranordnung umgeben ist, wobei letztere von dem Gehäuse mit Abstand getrennt ist, so daß ein ringförmiger Hohlraum zur Aufnahme eines Kühlmittels geschaffen wird, dessen axiale Enden durch ringförmige Elemente verschlossen sind, welche Öffnungen begrenzen, mit denen das Kühlmittel aus dem Hohlraum auf die Endteile der Statoranordnung gelenkt werden kann.

AusfUhrungsbeispiele des Erfindungegegenstandes sind in der Zeichnung, auf die sich die folgende Beschreibung bezieht, schematisch dargestellt. In der Zeichnung zeigen:

Flg. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Induktionsmotor,

Fig. 2 eine geschnittene Seitenansicht des Motorgehäuses,

Fig. 3 eine Schnittansicht längs der Linie III-III in Fig. 2 und

Fig. h eine Teilstirnansicht des Motorgehäuses und des

Stators, wobei Teile geschnitten sind, um zusätzliche Konstruktionsmerkmale des Motors sichtbar zu machen.

Der in Fig. 1 gezeigte Induktionsmotor weist ein rohrföraiges Gehäuse 11 auf, das mit Stirnplatten 12 und 13 ver-

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sehen ist. Eine Rotorwelle 14 wird in axialer Richtung inner·» halb des hohlen Innenraums des Gehäuses 11 in Lagern 16 und 17 drehbar getragen, die in den Enden des Gehäuses angeordnet sind. Der Motor besitzt außerdem einen Rotor IB, der so eingebaut ist, daü er sich mit der Welle Ik dreht, sowie einen Stator 19t der den Rotor 18 umgibt und in dem Gehäuse 11 durch ringförmige iialterungselemente 21 und 22 befestigt ist.

Der Hotor ist für Kühlmittelbetrieb ausgelegt, wobei das Kühlmittel in dem Gehäuse 11 durch eine Eintrittsleitung 23 zuströmt und den Motor durch eine Austritteleitung 2% verläßt. Die Kühlanordnung zum umwälzen des Kühlmittels durch den Motor ist so getroffen, daß sie in dem Motor eine bezogen auf die umgewalzte Kühlmittelmenge erheblich stärkere Kühlung zuläßt. Demzufolge wird die Metallmenge innerhalb des Motors wesentlich reduziert, wodurch eine ungewöhnlich hohe Leistungsdichte pro Gewichtseinheit und Volumeneinheit ermöglicht wird. Die Kühl» anordnung ist des weiteren so ausgelegt, daß sich das durch den Motor umgewälzte Kühlmittel nur minimal auf die Rotoreinrichtung auswirkt, die mit hohen Drehzahlen von etwa 36 000 Upm umläuft.

Die oben erwähnte Kühlanordnung wird innerhalb des in Fig. 1 gezeigten Motors von dem Gehäuse 11, dem Stator 19 und den iialterungselementen 21 und 22 gebildet. Der Stator 19 ist mit Abstand von dem Gehäuse 11 angeordnet, so daü ein ringförmiger Hohlraum 2b entsteht, der mit der Eintrittsleitung 23 üuer eine in dem Gehäuse 11 vorhandene Öffnung 27 in Verbindung steht. Die iialterungselemente 21 und 22 verschließen ganz allgemein die axialen Enden des Hohlraums 26 und halten außerdem den Stator 1') an Ort und Stelle fest. Die iialterungselemente 21 und 22 sind mit mehreren gewinkelten Öffnungen versehen, wie sie beispielsweise bei 28 gezeigt sind. Das von der Eintrittsleitung 23 kommende Kühlmittel zirkuliert durch den jtiohlraum 2b, um den Außenumfang des Stators 19 zu kühlen.

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SAOORiQtNAl

Das Kühlmittel läuft dann durch die Öffnungen 28, die so angeordnet sind, daß sie das Kühlmittel auf die Endteile des Stators lenken.

Im einzelnen gesehen, entspricht der Stator 19 einer gewöhnlichen jjauaxt., enthält also eine Statorwicklung, deren Endwindunge-n bei 29 gezeigt sind» Die Öffnungen 28 verlaufen vorzugsweise im Winkel so, daß sie das Kühlmittel auf die EndKin— düngen 29 lenken, die eine xiauptquelle der im Motor erzeugten Wärme darstellen. Das strahlartige Lenken des Kühlmittels auf die EndwiTidungen 29 der Wicklung ermöglicht eine seiur viel schnellere Kühlung, wenn aan diese beispielsweise mit dem vollständigen Eintauchen des Außenumfangs und der Endoberflächen des Stators 19 in dem Kühlmittel vergleicht.

Die Verwendung von Kühlmittelstrahlen zur Kühlung der End— teile des Stators 19 hilft auch verhindern, daß das Kühlmittel den Rotor 18 während seines mit hoher Drehzahl erfolgenden Umlaufs behindert« Das Kühlmittel sammelt sich in den Endteilen des Gehäuses 11 und wird durch die Querkanäle 31» die sich in dem Gehäuse Ii befinden, und durch eine mit der Leitung 24 in Verbindung stehende Austrittsöffnung 32 zur Austrittsleitung zurückgeführt.

In dem hohlraum 26 sind zur Steuerung und Regulierung des Kühlmittelstroms durch den Hohlraum hindurch und zur Sicherstellung einer kontinuierlichen Kühlmittelzufuhr zu jeder Öffnung 28 Labyrintheinrichtungen 33 angeordnet, uei der hier beschriebenen Ausführungsform/stehen die Labyrintheinrichtungen aus mehreren Elementen, die vorzugsweise in axialer Richtung mir Abstand rund um den umfang des ganzen Hohlraumes angeordnet sind. Einander abwechselnde Elemente bestehen aus einer einteiligen bzw. einer zweiteiligen Konstruktion, wobei ein einteiligen Element oder Hippe bei 3^!i gezeigt ist_ä und ein zwei—

teiliges Element oder Rippe bei 36 zu sehen ist. Auf diese Weise stellt das Labyrinth sicher, daß das Kühlmittel durch den ganzen Hohlraum zirkuliert. Jeder Öffnung 28 wird konstant kühlaittel zugeführt, wobei überschüssiges Kühlmittel aus dem Hohlraum durch die Austrittsöffnung 32 austritt. Die ualterungs— elemente 21 und 22 sind vorzugsweise L-förmig ausgebildet. Das Gehäuse 11 besitzt benachbarte Ringschlitze 37, so dall das tie hause und die ualterungselemente 21 und 22 ringförmige Reservoire 38 bilden, in denen sich aus dem nohlraum austretendes Kühlmittel sammelt und durch die Öffnungen 28 abfließt.

Die Labyrinthelemente oder Rippen J>k und 36 können entweder auf dem Gehäuse 11, dem Stator 19 oder auch unabhängig ausgebildet sein, so daß sie sich dann in den Hohlraum 2b „„ einsetzen lassen. Zur Vereinfachung der Motorkonstruktion sind die Labyrinthrippen vorzugsweise als Teil des Motorgehäuses 11 ausgebildet. Diese Konstruktion ist am besten aus den Fig. 2 und 3 ersichtliche. Die Labyrinthrippen können dann gegossen oder in anderer Weise als integraler uestandteil des Motorgehäuses hergestellt und dann maschinell oder auf andere Weise bearbeitet sein, um sich eng an den Außendurchmesser des Stators 19 anzupassen.

Weitere Einzelteile des Motors sind so angeordnet, daß sie dessen Aufbau und betrieb vereinfachen. So sind beispielsweise die Lager Ib und 17 für Druckschmierungsbetrieb ausge— legt. Den Lagern Ib und 17 wird durch Eintrittsöffnungen kl und k2_t die sich in den Enden des Motorgehäuses befinden, Schmiermittel zugeführt. Das Schmiermittel wird durch bei 43 und hk gezeigte Dichtungen daran gehindert, zwischen dem Gehäuse und der Welle I^ zu entweichen. Das Schmiermittel wird dann von den Lagern durch die Ausxrittsöf £nungen 4b und k'], die in dem Motorgehäuse ausgebildet sind und mit den inneren Endteilen des Motorgehäuses in Verbindung stehen, ausgetragen..

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Auf diese Weise kann für die Kühlung des Motors und für die Schmierung der Lager ein gemeinsames Strömungsmittel Verwendung finden.

Der Motor ist außerdem mit einer Fühlervorrichtung 48 ausgestattet, die die Drehrichtung und Drehzahl des Rotors Is und der Welle 14 ermittelt. Die Fühlervorrichtung 4b ist in dem einen Ende des Gehäuses angeordnet, wodurch sie zur kompakten bauweise der Motorkonstruktion beiträgt. Die Fühler— vorrichtung 4b entspricht etwa der üblichen Konstruktion, zu der ein Drehtransformator 31 und eine bürstenlose Synchroneinheit 52 gehören, die die Welle 14 neben dem Lager Ib umgeben. Da die Vorrichtung 4b ein Steuersignal für ein nicht gezeigtes Gerät erzeugen soll, das eine Frequenzquelle für den Motor bildet, sollte sie vor Streustrahlen des elektrischen Feldes geschützt werden und auch eine Verstärkung ihrer magnetischen Eigenschaften erhalten, damit ein Signal sehr genauer Geschwindigkeit und Richtung erhalten wird, um dies zu erreichen, ist um die Elemente 51 und 52 eine unmagnetische, L—förmige Schutzhülse 53 zusammen mit einem unmagnetischen Abstandshalter 54 angeordnet, um die Fühlvorrichtung gegen das Motorgehäuse und den Rotor und Stator abzuschirmen. Außerdem ist auf der Welle zur zusätzlichen Abschirmung der Fühlvorrichtung eine unmagnetische aülse 5o gelagert.

Damit der Motor an jedem Ende der Motoranordnung in Antriebsverbindung gebracht werden kann, durchdringt die Welle 14 beide Enden des Motorgehäuses. Eines der Lager, beispielsweise das bei 17 gezeigte, ist ein Drucklager, um die Welle 14 und den Rotor i- in bezug auf den Stator IQ axial ausgerichtet zu halten.

Die Einzelteile der hier beschriebenen Motoranordnung sind ferner so gebaut, daß sie den zusammenbau und die Wartung er-

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BAD ORIGINAL

leichtern. So 1st beispielsweise der Stator 19 in dem Gehäuse durch die Malterungselemente 21 und 22 befestigt, die bei 6l mit dem Gehäuse verschraubt sind. Die Rotorwelle hat eine gestufte Oberfläche 62, die das eine Ende des Rotors 18 feethälst. Ein Kragen 63 ist auf die Welle 14 aufgeschraubt und wird gegen einen Abstandshalter 64 an dem der Schulter 62 entgegengesetzten Ende des Rotors, um den Rotor in seiner Lage neben dem Stator 19 zu sichern. Demzufolge können sowohl der Stator als auch der Rotor rasch aus dem Gehäuse ausgebaut werden.

Der hier beschriebene Motor ist ferner mit Mitteln ausgestattet, die den Bau des Stators erleichtern und den Stator gegen Drehen im Gehäuse 11 sichern. Vie am besten aus Fig, I ersichtlich 1st, besteht der Stator 19 in der üblichen Velse aus einer großen zahl La·eilen. Vie nun aus Fig. 4 ersichtlich ist, werden diese Lamellen so zusammengehalten, daß sie den Stator bilden, beispielsweise mit Hilfe einer sich in axialer Richtung erstreckenden Schweißraupe, die in halbkreisförmigen Nuten an den Enden der Nasen angeordnet ist, wie dies bei 67 gezeigt ist. Der axiale Keil, der von den Nasen 66 gebildet wird, liegt in einem Axialschlitz 68 in dem Gehäuse 11. Bei der bevorzugten Motorgehäusekonstruktion, wie sie oben beschrieben 1st, wird der Schlitz 68 von einem benachbarten Rippenpaar 34 und 36 gebildet. Die Nasen 66 erstrecken sich nur teilweise in den Schlitz 68 hinein, so daß sie die Zirkulation des Kühlmittels durch den Motor hindurch nicht behindern. Bin von «den Nasen 66 gebildeter, axialer Kell würde ausreichen, um den Stator mit dem Motorgehäuse zu verkeilen. Jedoch sind zusätzliche Nasen erwünscht, um die einzelnen Lamellen in dem Stator in der richtigen Lage zu halten und ein Verwerfen der Lamellen aufgrund von Schweißspannungen zu verhindern.

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Claims

Patentanmeldung; InduktionsMotor

ANSPRÜCHE

Induktionsmotor für hohe Orehzahlamnd hohen betriebewirkungsgrad, mit einen rohrförmigen Gehäuse, einer in de« Gehäuse sich in axialer Richtung erstreckenden und drehbar gelagerten Rotorwelle, einen auf der Welle getragenen Rotor und einem in dem Gehäuse um den Rotor angeordneten Stator, wobei Stator und Gehäuse zwischen sich einen ringförmigen Hohlraum bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (19) eine Statorwicklung mit sich von den axialen Enden des Stators aus erstreckenden Endwindungen (29) aufweist, daß ein Kühlmitteleintritt (23) vorhanden ist, der mit dem Hohlraum (26) in Verbindung steht, daß nahe an den axialen Enden des Hohlraums (26), zwischen dem Stator (19) und dem Gehäuse (11), ringförmige Elemente (21, 22) angeordnet sind, die mehrere Öffnungen (28) bilden, welche so angeordnet sind, daß sie Kühlmittel aus dem Hohlraum (26) auf die Endwindungen (29) der Statorwicklung lenken, und daß sich in dem Gehäuse (11) eine Ablaufeinrichtung zur Aufnahme des Kühlmittels befindet.

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Patentanwälte Dipl.-tng. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann
2. Induktionsmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Labyrintheinrichtung (33)» die in des Hohlraum (26) angeordnet ist, um den KühlmittelfIuB durch den Hohlraum hindurch zu steuern.
3· Induktionsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Labyrintheinrichtung mehrere Rippen (34, 36) aufweist, die auf einer inneren Oberfläche des Gehäuses (11) ausgebildet sind.
4· Induktionsmotor nach Anspruoh 2, dadurch gekennzeichnet, daB die AbfluBeinrichtung (24) eine Austrittsleitung (32) aufweist, die in dem Gehäuse (11) etwa diametral entgegengesetzt zu dem Kühlmitteleintritt (23) angeordnet ist und mit dem ringförmigen Hohlraum (26) in Verbindung steht, daß die Labyrintheinrichtung (33) «ine gleichmäßige Kühlmittelströmung durch den Hohlraum (26) hindurch aufrechterhält, wobei überschüssiges Kühlmittel von der Austrittsleitung (32) aufgenommen wird, und daß die axialen Enden des Gehäuses (11) durch Abflußkanäle (31) "it der Austritteleitung (32) in Verbindung stehen.
5. Induktionsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorwelle (14) an den axialen Enden des Gehäuses (11) in Lagern (16, 17) getragen wird, daß das Gehäuse (11) mit Eintrittsöffnungen (42) zum Anschluß der Lager (l6, 17) an das Kühlmittel versehen ist, und daß das Gehäuse auch Austrittsöffnungen bzw. —leitungen (47) aufweist, die das Kühlmittel von den Lagern in das Gehäuse (11) führen.
6. Induktionsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Elemente (21, 22) mit dem Gehäuse (11) versohraubt sind und neben dem Stator (19) befindliche Oberflächen aufweisen, um den Stator in dem Gehäuse festzuhalten.

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7. Induktionsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daΒ die ringförmigen Elemente (21, 22) mit dem Gehäuse (Ii) zur Bildung ringförmiger Sammelleitungen (38) an den axialen Enden des Hohlraums (6) zusammenwirken, die mit den öffnungen (28) in Verbindung stehen.
8. Mit hoher Drehzahl laufender und einen hohen Wirkungsgrad aufweisender Induktionsmotor mit einem ein hohles Inneres aufweisendes Gehäuse, einer in dem Gehäuse zentral drehbar getragenen Rotorwelle, einem auf der Welle getragenen Rotor, einem in dem Gehäuse um den Rotor angeordneten Stator und mit einem zwischen dem Stator und dem Gehäuse vorhandenen ringförmigen Hohlraum, gekennzeichnet durch eine von dem Gehäuse (11) gebildete Strömungsmitteleintrittsöffnung (23), die mit dem Hohlraum (26) in Verbindung steht, nahe an dem Hohlraum (26) angeordnete, ringförmige Elemente (21, 22), die mehrere Öffnungen (28) bilden, um Strömungsmittel aus dem Hohlraum (26) auf Teile des Stators (19) zu lenken, und durch in dem Gehäuse (11) vorhandene Abflußleitungen (24, 31, 32, 47) zur Aufnahme des Strömungsmittels·
9. Induktionsmotor nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch mehrere in dem Hohlraum (26) angeordnete Elemente (34, 36), die ein Labyrinth (33) bilden und dazu dienen, den StrömungsmitteldurchfluB durch den Hohlraum (26) zu steuern.
10. Induktionsmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daB die Elemente (34, 36) in axialer Richtung rund um den Umfang mit Abrftand nebeneinander angeordnet sind und unterschiedliche Längen aufweisen, so daß von der Eintrittsöffnung (23) aus durch den Hohlraum hindurch ein gleichförmiger Strömungspfad gebildet wird.
11. Induktionsmotor nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (34, 36) auf einer inneren Oberfläche des

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Gehäuses (11) ausgebildete Rippen sind.
12. Induktionsmotor nach Anspruch 11, dadurch gekenn» zeichnet, daß die Rippen (36) in axialer Richtung rund um den Umfang mit Abstand nebeneinander angeordnet sind, um zwischen jedem Rippenpaar einen sich in axialer Richtung erstreckenden Schlitz (68) zu bilden, und daß der Stator (19) aus mehreren Lamellen besteht, von denen jede wenigstens eine einen auf dem Stator (19) in axialer Richtung angeordneten Keil bildende Nase (66) hat, die von einem der Schlitze (68) im Gehäuse aufgenommen wird.
13. Induktionsmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorwelle (14) sioh von jedem Ende des Gehäuses (18) nach außen erstreckt, und daß die Welle (14) an jedem Gehäuseende in Lagern (16, 17) getragen wird, von denen wenigstens eines ein Drucklager ist.
14. Induktionsmotor nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine elektrische Drehzahl- und DrehrichtungsfUhleinrichtung (48), die in einem Ende des Motorgehäuses (11) angeordnet ist und neben sich als Abschirmung einen unmagnetiechen Körper (53, 56) aufweist.

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