-
??Massivpol von im asynchronen Bereich anlaufenden elektrischen Motoren
Der asynchrone Anlauf eines elektrischen Motors kann durch Verwendung massiver Pole
ohne besondere Ankerwicklung erfolgen.
-
In diesem Falle treten induzierte Ströme unmittelbar in der Masse
der Pole auf und rufen dort das Auftreten des gewünschten Motordrehmoments hervor.
Diese Ströme entwickeln in der Masse der Pole eine Wärmeenergie, die von der kinetischen
Energie des Läufers der zu startenden Maschine und der Arbeit des Widerstandsmoments
abhängt. Der auf das Widerstandsmoment zurückzuführende rmeenergieanteil kann gegebenenfalls
durch verschiedene Kunstgriffe oder Einrichtungen vermindert werden, welche
das
Widerstandsmoment während des Motoranlaufs herabsetzen, beispielsweise durch einen
Pumpmotor, durch Außerbetriebsetzung, Auspumpen des Rades usw. Der auf die kinetische
Energie zurUckzuführende Wärmeenergieanteil bleibt voll bestehen und kann sogar
manchmal durch hydraulische Pumpsätze hoher Leistung mit großem Trägheitsmoment
ansteigen. Die in den Massivpolen auftretende Wärmeenergie wird durch Ströme hervorgerufen,
deren Frequenz iGh von der des Speisenetzes im Moment des Motoranlaufs bis zu einer
dem Synchronbereich unmittelbar benachbarten Frequenz progressiv ansteigt. Demzufolge
ist die Wärmeenergie in der äußeren-Oberfläche der Pole lokalisiert und dringt natürlich
nur äußerst langsam in die Tiefe des Polmetalls ein. Die Erwärmung der verschiedenen
einander konzentrischen Metallschichten ist also sehr unterschiedlich. Die äußeren
Schichten sind trotz der Belüftung im Luftspalt sehr heiß, während der größere Teil
der Polmasse während der Dauer des Motoranlaufs verhältnismäßig kalt bleibt. Hieraus
ergeben sich mechanische Spannungen thermischen Ursprungs, die mit Anwachsen der
Trägheit der Motorsätze ganz beachtlich werden. Hierdurch können sich plastische
Verformungen einstellen, und am Ende einer gewissen Betriebszeit können infolge
der auf die verschiedenen aufeinanderfolgenden Wärme zyklen zurückzuführenden Ermüdung
wesentliche Verformungen auftreten, Ja sogar Risse und Brüche des Metalls an der
Poloberfläche.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Vorkehrungen dafür zu treffen,
daß di am Polumfang sich entwickelnde Wärme zu dem mittleren Polbereich transportiert
wird, Diese Aufgabe ist bei einem solchen Massivpol von im asynchronen Bereich anlaufenden
elektrischen Motoren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß er mindestens einen geschlossenen
Kühlkreis besitzt, von dem sich wenigstens ein Teil im umfänglichen Polbereich und
ein anderer Teil im Bereich des Polfußes befindet und in dem ein Wärmeträgerfluid
enthalten ist, das während des Anlaufs des Motors unter Einwirkung von Einflußgrößen
wie Beschleunigung, Geschwindigkeit und
Erwärmung einen natürlichen
Umstrom bildet. Die Anordnung eines solchen geschlossenen Kühlkreises mit in ihm
strömenden Wärmeträgerfluid zwischen dem äußeren Umfang und dem Fuß der Massivpole
kann von Pol zu Pol oder für die Gesamtheit aller Pole durch diese untereinander
verbindende Durchbrüche erfolgen. In jedem Falle wird der von der Erfindung angestrebte
Vorteil erzielt, die zulässige Wärmeenergie während des Motoranlaufs steigern und
somit die natürlichen Grenzen in der Verwendung gewOhnlicher Massivpole auf höhere
Werte führen zu können.
-
Unter Ausnützung der auf die Beschleunigung des Motors zurückzuführenden
Trägheitskräfte ist nach einer ersten Ausfthrungsform des Massivpols nach der Erfindung
mindestens ein geschlossener Kühlkreis in einer zur Achse des Motors senkrechten
Ebene oder zumindest Bo angeordnet, daß seine Projektion auf eine solche Ebene eine
wesentliche Fläche bildet. Diese Trägheitswirkung ist äußerst wirksam in dem Falle,
in welchem die Differenz der Radien zwischen dem äußeren Umfang und dem Fuß des
betreffenden Pols groß ist. Hierbei kann es von Vorteil sein, wenn das Wärmeträgerfluid
eine Flüssigkeit ist, die beim Motoranlauf im umfanglichen Polbereich verdampft.
Die flüssige Phase wird unter der Einwirkung der Fliehkraft auf den größten Radius
des geschlossenen Kühlkreises gedrängt, und die sich dort einstellende Dampfphase
wird in Richtung auf den kleinsten Durchmesser getrieben, wo sie kondensiert. Man
erreicht mithin durch einen solchen Zyklus der Verdampfung am Umfang und Kondensation
am Fuße der Pole einen natürlichen Umstrom der Kühlflüssigkeit. Eine solche Ausführungsform
eignet sich besonders für große Wechselstrommotore für Pumpstationen.
-
Bei einer anderen Ausführungsform des Massivpols nach der Erfindung
enthält der geschlossene Kühlkreis Kanäle, die durch die üblicherweise in der Poloberfläche
vorgesehenen Nuten gebildet sind, welche von einem auf ihr hermetisch befestigten
Blech
abgedeckt sind. Hierbei benutzt man also die üblicherweise in der Poloberfläche
vorgesehenen Nuten dazu aus, durch Abdeckung derselben Kanäle zu bilden, die sich
als Kühlkreis über eine größere Poloberfläche erstrecken können, ohne dabei gewisse
Teile des Pols mechanisch ZU schwächen und ohne eine bestimmte magnetische Sättigung
des Polkerns hervorzurufen. Vorzugsweise können hierbei die üblicherweise in der
Poloberfläche vorgesehenen Nuten durch auf der Polschulterunterseite und an den
Polflanken angeordnete Nuten verlängert sein, wobei das Nutenabdeckblech sich über
die-gesamte Poloberfläche erstreckt. Hierbei enthält vorteilhafterweise der geschlossene
Kühlkreis die beiden Polflanken verbindende Kanäle, welche im Pol unter Vermeidung
dessen magnetischen Sättigung in verschiedenen Polhöhen verteilt angeordnet sind.
-
In der Zeichnung sind Massivpole der erfindungsgemäßen Art in zwei
beispielsweise gewählten Ausführungsformen schematisch veranschaulicht, bei denen
auf dem dem Pol mindestens ein geschlossener Kühlkreis vorgesehen ist, was Zwischenpolverbindungen
und damit Schwierigkeiten bei der Montage und Demontage vermeiden läßt. Es zeigen
Fig. 1 eine erste Ausführungsform, bei welcher der eschlossene Kühlkreis durch Bohrungen
erhalten ist, und Fig. 2 und 3 eine weitere Ausführungsform, bei der man für den
Kühlkreis bereits in der Poloberfläche bestehende Nuten ausnutzt.
-
Fig. 1 zeigt einen ein Wärmeträgerfluid enthaltenden geschlossenen
Kühlkreis im Inneren eines im Schnitt dargestellten Pols 1 eines Läufers 2. Dieser
Pol 1 trägt Wicklungen 3. Der Kühlkreis 4 gemäß der Erfindung enthält zwei radial
voneinander entfernt liegende Teile, von denen der Teil 5 am Polumfang, der
Teil
6 im Polinnern vorgesehen ist. Der Pfeil 7 verdeutlicht die Läuferdrehrichtung und
der Pfeil 8 die Kühlstromrichtung im Kühlkreis 4. Der Kühlkreis 4 wird beispielsweise
durch sich kreuzende Bohrungen erzielt, deren wander äußeren Oberfläche des Pols
offen auslaufenden Enden anschließend wieder zugemacht werden. Der Teil 5 nahe am
Umfang des Pols läßt sich beispielsweise dadurch herstellen, daß ein Kanal ausgedreht
und durch Schweißen oben geschlossen wird.
-
Ein solcher Pol hat folgende Wirkungsweise: Unter dem Einfluß der
Winkelbeschleunigung während des Motoranlaufs tritt ein Arbeitsdruck auf, der die
Kühlflüssigkeit umströmen läßt.
-
Es läßt sich leicht zeigen, daß dieser Druck gleich dem Produkt der
Volumenmasse der KühlflüssiPkeit und der Beschleunigung und zweimal die projizierte
Fläche jeder Windung auf eine zur Motorachse senkrechte Ebene ist. Der Umstrom der
Kühlflüssigkeit bewirkt somit einen Wärmetransport von dem Umfang der Polflächen,
wo die Wärmeenergie erzeugt wird, in Richtung auf die vom Teil 6 des Kühlkreises
4 durchzogenen inneren Bereiche, die sonst wShrend der gesamten Dauer eines Motoranlaufs
kalt bleiben würden.
-
Man erhält somit die Möglichkeit, die Temperatur der heissen Zone
zu mindern und die der kalten Zone zu steigern, womit man also den Temperaturabstand
an der Außenseite und in der Mitte des Pols herabsetzt und somit mechanische Spannungen
thermischen Ursprungs mindert, die nämlich diesem Temperaturabstand proportional
sind.
-
Dieser Trägheitswirkung fügt sich noch eine zusätzliche Wirkung hinzu,
die auf die Dichtedifferenz des Wärmeträgerfluids Strömen zwischen seinen beiden
radialen zurückzuführen ist, das nämlich in der zentripedalen Richtung heißer und
somit weniger dicht als in der zentrifugalen Bahn ist. Dicse Wirkung wird gesteigert,
und man nutzt außerdem Verdampfungs- und Kondensationswärmen aus, wenn das Wärmeträgerfluid
- wic bereits gesagt - eine Flüssigkeit
ist, die in dem Bereich
5 des Kilhlkreises 4 verdampft.
-
Wenn man von der Gesamtheit der Trägheitswirkung keinen vollen Gebrauch
machen will, können die Teile 5 und 6 des Kühlkreises 4, anstatt in einer zur Motorachse
senkrechten Ebene zu liegen, schräg oder im Grenzfalle axial angeordnet sein.
-
Eine weitere Ausführungsform ist in Fig. 2 und 3 wiedergegeben, wobei
Fig. 2 einen Teilquerschnitt eines Pols und Fig. 3 in vergrößertem Maßstab einen
Schnitt längs A-A der Fig. 2 zeigt.
-
Auf einem Massivpol 1 sind die üblicherweise vorgesehenen Nuten 9
auf der Polschulterunterseite durch Nuten 10 und an den Polflinken durch Nuten 11
verlängert. Die Gesamtheit aller dieser Nuten ist durch ein Blech 12 abgedeckt,
das allein in Fig. 2 zwecks Vereinfachung der Darstellung im Schnitt gezeichnet
und am Fuß des Pols bei 13 beispielsweise durch Schweißen hermetisch befestigt ist.
Der vorn diesen Nuten 9 bis 11 gebildete Kühlkreis ist über Kanäle 14, 15, 16 geschlossen,
die ausgebohrt und im Polkern in verschiedenen Höhen verteilt angeordnet sind, um
in ihm die magnetische Sättigung nach Möglichkeit zu vermeiden.