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Die
Erfindung betrifft einen Asynchronmotor, insbesondere für den Unterwasserbetrieb
von Wasserpumpen in Brunnenbohrungen, mit einem langgestreckten
zylindrischen Motorgehäuse,
gemäß dem Obergebrift
des Anspruchs 1.
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Es
sind Unterwassermotoren dieser Art bekannt, die zum Antrieb von
Pumpen in Brunnenbohrungen verwendet werden. Brunnenbohrungen, die häufig mehrere
hundert Meter in das Erdreich eingebracht werden, werden wegen des
hohen Bohraufwands mit möglichst
kleinem Bohrungsdurchmesser ausgeführt. Dementsprechend werden
hierfür
Wasserpumpen und Unterwassermotoren in langgestreckter, schlanker
Bauweise bevorzugt. Für
die verschiedenen Standardbrunnendurchmesser von beispielsweise
8, 10 und 12 Zoll werden unterschiedliche Typen von Unterwassermotoren
eingesetzt. Der Unterwassermotor befindet sich im Betrieb regelmäßig im unteren
Bereich der Motor-Pumpenkombination. Der Unterwassermotor wird deshalb
außenseitig von
dem zu pumpenden Wasser umströmt,
das im Wärmeaustausch über die
Gehäusewand
zugleich zur Motorkühlung
verwendet wird. Der erfindungsgemäße Unterwassermotor ist als
Asynchronmotor ausgebildet. Durch die Beaufschlagung der Statorwicklungen
mit einem Wechsel- oder Drehstrom erzeugt der Stator ein Drehfeld,
in dem sich der als Kurzschlussläufer
ausgebildete Rotor dreht. Die Leistung eines Asynchronmotors ist
abhängig
von der effektiven Länge
des Stators und des Rotors. Diese Länge ist bei gegebenem Durchmesser
aus mechanischen Gründen
begrenzt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Unterwassermotor der
eingangs genannten angegebenen Art zu entwickeln, der bei gegebenem Motordurchmesser
eine signifikante Leistungserhöhung
ohne Einbuße
an mechanischer Stabilität
erbringt.
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Um
dies zu erreichen, wurde bereits vorgeschlagen, zwei Asynchronmotoren
der genannten Art so hintereinander zu schalten, dass ihre Rotoren durch
eine Kupplung miteinander verbunden sind. Dabei musste in Kauf genommen
werden, dass sich am Gehäuse
im Kupplungsbereich wegen des vorgeschriebenen Au ßendurchmessers
eine Einschnürung
ergibt, die zu einer Verminderung der mechanischen Stabilität führt. Weiter
muss an der Trennstelle die Statorwicklung des ersten Motors mit
der Statorwicklung des zweiten Motors verbunden werden, und zwar
so flexibel, dass auch eine Demontage möglich ist. Im Kupplungsbereich
ist daher für
jede Statorwicklung eine Wicklungsschleife erforderlich. Der an der
Kupplungsstelle zur Verfügung
stehende Raum reicht allerdings nicht aus, um auch noch eine Materialverstärkung unterzubringen.
Die Stabilität
in diesem Bereich ist daher ausschließlich durch die Wandstärke des
Motorgehäuses
bestimmt. Insbesondere fehlen im Kupplungsbereich die Stator- und Rotorblechpakete,
die beim einfachen Asynchronmotor wesentlich zur mechanischen Stabilität beitragen. Hinzu
kommt, dass Mehrfachmotoren relativ lang bauen, weil an beiden Rotorenden
eines jeden Einzelmotors voneinander unabhängige Endlager vorgesehen sind.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung der Gedanke zugrunde, dass der Stator
mindestens zwei über
ein gehäusefestes
Zwischenlager axial miteinander verbundene Statorpartien und der
Rotor mindestens zwei gemeinsam in dem zugehörigen Zwischenlager drehbar
gelagerte Rotorpartien aufweist, wobei die Statorwicklungen sich über das
mindestens eine Zwischenlager hinweg über alle Statorpartien erstrecken.
Da das erfindungsgemäße Zwischenlager
mit den benachbarten Statorpartien eine Einheit bildet, trägt es wesentlich
zur mechanischen Festigkeit bei. Dadurch kann bei gegebenem Gehäusedurchmesser
eine signifikante Erhöhung
der Statorlänge
ohne Einbuße
an mechanischer Stabilität
erzielt werden. Dabei weisen die Rotorpartien an ihren einander
zugewandten Enden jeweils einen Kupplungszapfen auf. Zwischen den
einander zugewandten Stirnflächen
der Kupplungszapfen ist zusätzlich eine
Druckplatte bzw. Druckscheibe angeordnet, über die die beim Pumpvorgang
von der Pumpe auf die Motorwelle ausgeübten Axialkräfte auf
ein rückwärtiges Axiallager übertragen
werden.
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Eine
weitere Verbesserung in dieser Hinsicht erhält man dadurch, dass das statorseitige
Zwischenlager ein Blechpaket aus nicht magnetisierbarem Material
aufweist, das mindestens eine Lagerbüchse für die einander benachbarten
Rotorpartien trägt.
Vorteilhafterweise enthält
das Blechpaket achsparallele Nuten zur Aufnahme der das Zwischenlager übergreifenden
Statorwicklungen.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die
Rotorpartien an ihren einander zugewandten Enden jeweils einen Kupplungszapfen
aufweisen, die über
eine gemeinsame Schutzhülse
drehfest miteinander gekuppelt sind, wobei die Schutzhülse unter
Bildung eines Gleitlagers in die statorseitige Lagerbüchse eingreift.
Die Kupplungszapfen sind zweckmäßig mit
mindestens einer Passfeder bestückt,
die in je eine achsparallele Passfedernut der Schutzhülse einrastbar
ist. Zur Montageerleichterung kann einer der Kupplungszapfen in
seiner eingerasteten Stellung mit der Schutzhülle verschiebefest verbunden,
vorzugsweise verschraubt werden, während der andere Kupplungszapfen
in Verschieberichtung lose in die Schutzhülse eingreift.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die
Lagerbüchse
des Zwischenlagers aus einem nicht magnetisierbaren Material besteht,
das weicher als das Material der Schutzhülse ist. Vorteilhafterweise
besteht die Lagerhülse des
Zwischenlagers aus Bleibronze oder Grafit. Die Schutzhülse bildet
gemäß der Erfindung
also eine Kupplungshülse
für die
benachbarten Rotorpartien. Außerdem
enthält
sie eine Außenlauffläche für das Gleitlager.
Zu diesem Zweck besteht die Schutzhülse aus einem nicht magnetisierbarem
Material und weist eine reibungsarme, vorzugsweise verchromte glatte Oberfläche auf.
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Das
Blechpaket des Zwischenlagers ist zweckmäßig zwischen zwei Endscheiben
eingespannt, die ebenfalls aus einem nicht magnetisierbarem Material
bestehen. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung
sieht vor, dass eine der Rotorpartien einen durch das andere Endlager
hindurchgreifenden Antriebszapfen und die andere Rotorpartie einen
durch das andere Endlager hindurchgreifenden, gegen ein Axiallager
abgestützten
Stützzapfen
aufweist. Das Axiallager ist dabei zweckmäßig als Mitchell-Lager ausgebildet,
das eine hohe Schubaufnahme gewährleistet.
Andererseits ist die den endseitigen Antriebszapfen tragende Rotorpartie an
einem gehäusefesten
axialen Notlager abstützbar,
das dafür
sorgt, dass sich der Rotor nur begrenzt innerhalb des Stators axial
verschieben kann.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die
den endseitigen Stützzapfen
tragende Rotorpartie ein in einen Umlaufkanal für eine Kühlflüssigkeit, vorzugsweise für Wasser, eingreifendes
Umwälzrad
trägt.
Der Umlaufkanal ist dabei zweckmäßig an der
Innenfläche
der einen Wärmeaustauscher
bildenden, außenseitig
wassergekühlten
Gehäusewand
vorbeigeführt.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
die Blechpakete der Statorpartien und des Zwischenlagers miteinander
kommunizierende Axialnuten aufweisen, die zumindest einen Teil der
Umlaufkanäle
und/oder der Wicklungsnuten bilden. Zweckmäßig weisen also die das Blechpaket
des Zwischenlagers bildenden Bleche die gleiche Umrisskontur wie
die Statorbleche auf. Zur Erleichterung des Kühlmitteltransports können die
Bleche des Zwischenlagers innerhalb der Nuten für den Kühlmittelumlauf längs verschweißt werden. Vorteilhafterweise
wird das Zwischenlager im montierten Zustand in das Motorgehäuse eingeschweißt, so dass
zwischen Stator und Motorgehäuse
eine unverschiebbare Verbindung entsteht.
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Im
Folgenden wird de Erfindung anhand eines in der Zeichnung in schematischer
Weise dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen
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1 einen
Längsschnitt
durch einen Unterwassermotor mit Zwischenlager;
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2a, b, c vergrößerte Ausschnitte
aus 1.
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Der
in der Zeichnung dargestellte Asynchronmotor ist als Unterwassermotor
für den
Antrieb einer Wasserpumpe bestimmt. Er weist ein langgestrecktes
zylindrisches Motorgehäuse 10 auf,
dessen Gehäusewand 12 an
der Außenfläche 14 von
dem zu pumpenden Wasser umströmt
ist und als Wärmeaustauscher
gegenüber
einem im Inneren des Gehäuses umgewälzten, vorzugsweise
aus Wasser bestehenden Flüssigkeitsstrom
fungiert. In dem Motorgehäuse 10 befindet
sich ein gehäusefest
angeordneter Stator 16, der über ein gehäusefestes Zwischenlager 18 aus
axial miteinander verbundenen Statorpartien 16', 16" zusammengesetzt
ist. Die Statorpartien 16', 16" weisen jeweils
ein Statorblechpaket 20', 20" aus magnetisierbarem
Material, beispielsweise aus Dynamoblech auf, während das Zwischenlager 18 ein
zwischen zwei Endplatten 22 eingespanntes Bleckpaket 24 aus
nicht magnetisierbarem Material aufweist. Die Bleche der Blechpakete 20', 20", 24 der
Statorpartien 16', 16" und des Zwischenlagers 18 weisen
die gleiche Umrissgestalt auf. Die Randausnehmungen der Bleche ergänzen sich
zu Axialnuten, die sich über das
Zwischenlager 18 hinweg zwischen den Statorpartien 16', 16" erstrecken.
Die Axialnuten sind zur Aufnahme von Statorwicklungen 26 bestimmt,
die sich zwischen den beiden Wickelkopfräumen 28, 30 im
Bereich der beiden Enden des Motorgehäuses 10 erstrecken.
Die Statorwicklungen 26 werden über die an einem Ende des Motorgehäuses 10 über einen Isolatorschlauch 32 wasserdicht
zugeführten
Stromkabel mit Wechsel- oder Drehstrom beaufschlagt.
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Die
Wickelkopfräume 28 sind
als Ringräume außerhalb
der beiden Endlager 34, 36 ausgebildet und sind
zur Aufnahme der Wickelköpfe 38 der durchgehenden
Statorwicklungen bestimmt. Die beiden Endlager 34, 36 und
das Zwischenlager 18 sind radial nach innen jeweils durch
eine Lagerbüchse 40, 42, 44 begrenzt,
die an je einem Lagerbüchsenträger 46, 48, 50 statorfest
angeordnet sind. Die Lagerbüchsen 40, 42, 44 bestehen
aus einem relativ weichen Material, beispielsweise aus Bleibronze
oder aus Grafit.
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Die
Statorblechpakete 20', 20" bilden einen zentralen
Hohlraum, der über
einen durch die Lagerbüchse 44 des
Zwischenlagers 18 begrenzten Hohlraum zwischen den beiden
Endlagern 34, 36 und deren Lagerbüchsen 40, 42,
durchgehend ist und für den
Einsatz eines Rotors 52 bestimmt ist. Der Rotor 52 besteht
aus zwei Rotorpartien 52', 52", die an ihren
einander zugewandten Enden jeweils einen axial überstehenden Kupplungszapfen 54', 54" aufweisen, die über eine
gemeinsame, durch die Lagerbüchse 44 im
Bereich des Zwischenlagers 18 unter Bildung eines Gleitlagers 56 eingreifende
Schutzhülse 58 drehfest
miteinander gekuppelt sind. Die Kupplungszapfen 54', 54" sind zu diesem
Zweck mit mehreren, über
den Umfang verteilt angeordneten Passfedern 60 bestückt, die
in je eine in der Zeichnung nicht dargestellte achsparallele Passfedernut
der Schutzhülse 58 einrastbar
sind. Die Schutzhülse 58 erfüllt somit die
Funktion einer Kupplungshülse
für die
beiden benachbarten Rotorpartien 52', 52". Außerdem hat sie an ihrer Außenfläche die
Funktion einer Außenlauffläche 62 des
Gleitlagers 56, die zu diesem Zweck eine glatte Hartchromschicht
trägt.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der obere Kupplungszapfen 54' zusätzlich mit einer Arretierschraube 64 verschiebefest
mit der Schutzhülse 58 verbunden.
Der untere Kupplungszapfen 54" greift dagegen frei in die Schutzhülse 58 ein
und ist dort über
die Passfedern 60 drehfest mit der Schutzhülse 58 und
damit auch mit dem darüber
befindlichen Kupplungszapfen 54' verbunden. Zwischen den Stirnseiten
der beiden Kupplungszapfen 54', 54" befindet sich zusätzlich eine
Druckscheibe bzw. Druckplatte 66, über die beim Pumpvorgang auftretende
Axialkräfte
von der oberen Rotorpartie 52' zur unteren Rotorpartie 52" und von dort
aus auf das untere Axiallager 74 übertragen werden können.
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Die
Rotorpartien 52', 52" weisen jeweils
ein Rotorblechpaket 68', 68" aus magnetisierbarem
Material, beispielsweise aus Dynamoblech, auf, die von einem Käfig 70 aus
elektrisch leitenden Rotorstäben 70' und Kurzschlussringen 70" durchdrungen
sind. Der Rotor ist demgemäß als Kurzschlussläufer ausgebildet.
Die Gleitlager im Bereich der beiden Endlager 34, 36 und
des Zwischenlagers 18 sorgen dafür, dass zwischen den einander
zugeordneten Stator- und Rotorpartien 16', 52' und 16", 52" bei rotierendem Rotor 52 ein
konstanter Luftspalt 72', 72" erhalten bleibt
und sich Stator und Rotor nicht berühren.
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Die
axiale Abstützung
des Rotors 52 im Motorgehäuse 10 erfolgt über ein
als Mitchell-Lager ausgebildetes Axiallager 74, das eine
hohe Schubaufnahme gewährleistet.
Das Mitchell-Lager 74 umfasst eine Spurscheibe 76,
beweglich gelagerte Lagersegmente 78 und einen auf einer
Kalotte beweglich gelagerten Spurlagerteller 82. Außerdem befindet
sich im unteren Teil des Motors ein an der Rotorwelle 84 angeordnetes
Umwälzrad 86,
das sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Rotor 52 dreht
und für
die Innenumlaufkühlung
sorgt. Zur Innenaufkühlung
wird eine vorzugsweise aus Wasser bestehende Kühlflüssigkeit umgewälzt und
an der Innenfläche 88 der
als Wärmeaustauscher
fungierenden Gehäusewand 12 vorbeigeführt. Im
unteren Bereich kommuniziert die Kühlflüssigkeit mit einem durch eine
dehnbare Membran 90 begrenzten Ausgleichsraum 92, über den Axialbewegungen
des Rotors 52 gegenüber
dem Stator 16 und eventuelle Flüssigkeitsverluste volumenmäßig ausgeglichen
werden.
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Die
obere Rotorplatte 52' ist
durch eine als axiales Notlager ausgebildete Anlaufscheibe 94 im Bereich
des oberen Wickelkopfraums 28 fixiert. Weiter weist die
obere Rotorpartie 52' einen
achszentral aus dem Motorgehäuse 10 herausragenden
Wellenstumpf 96 für
den Anschluss eines Rotors der nicht dargestellten Wasserpumpe auf,
deren Gehäuse
mit dem Motorgehäuse 10 starr
verbunden wird. Die Längen
der Rotor- und Statorpartien 16', 52' bzw. 16", 52" sind
in der Zeichnung im Bereich der Trennstellen 98 stark verkürzt dargestellt.
Bevorzugt sind die oberen und unteren Stator- und Rotorpartien gleich lang
ausgebildet. Grundsätzlich
ist es jedoch auch möglich,
die oberen und unteren Stator- und Rotopartien mit unterschiedlichen
Längen
auszuführen,
um so bei ansonsten gleichen Abmessungen Motoren mit stufenweise
verschiedenen Ausgangsleistungen zur Verfügung stellen zu können.
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Zusammenfassend
ist folgendes festzuhalten: Der erfindungsgemäße Asynchronmotor weist ein
langgestrecktes zylindrisches Motorgehäuse 10, einen gehäusefesten
Stator 16 und einen in einen zentralen Hohlraum des Stators 16 eingreifenden, und
in zwei gehäusefesten,
in axialem Abstand voneinander angeordneten Endlagern 34, 36 drehbar gelagerten
Rotor 52 auf. Der Stator enthält ein Statorblechpaket 20', 20" aus magnetisierbarem
Material sowie mit Wechselstrom oder Drehstrom beaufschlagte Statorwicklungen,
die in achsparallele Nuten des Statorblechpakets eingreifen. Der
Rotor 52 ist als Kurzschlussläufer ausgebildet, der ein Rotorblechpaket 68', 68" aus magnetisierbarem
Material sowie einen elektrisch leitenden Kurzschlusskäfig aufweist.
Um ohne Stabilitätseinbuße bei gegebenem
Durchmesser eine signifikante Leistungserhöhung durch Verlängerung
des wirksamen Stators und Rotors erzielen zu können, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen,
dass der Stator 16 mindestens zwei über ein gehäusefestes Zwischenlager 18 axial
miteinander verbundene Statorpartien 16', 16" und der Rotor mindestens zwei
gemeinsam in dem zugehörigen
Zwischenlager 18 drehbar gelagerte Rotorpartien 52', 52" aufweist. Die
Statorwicklungen erstrecken sich über das Zwischenlager hinweg über alle Statorpartien 16', 16". Zweckmäßig weist
das stationäre
Zwischenlager 18 ein Blechpaket 24 auf, das zur
Vermeidung magnetischer Streuverluste aus nicht magnetisierbarem
Material besteht und eine Lagerbüchse 44 für die einander
benachbarten Rotorpartien 52', 52" sowie Nuten
für die
Statorwicklungen 26 enthält.