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Vertikaler Induktionsmotor Die Erfindung bezieht sich auf dynamoelektrische
Maschinen und insbesondere auf vertikale Induktionsmotoren, die- zum Antrieb einer
Pumpe geeignet sind, die ein Kühlmittel durch einen Kernreaktor pumpt.
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Bei Kerzkraftwerken muß ein flüssiges Kühlmittel, das typischerweise
Wasser ist, durch den Kernreaktor gepumpt werden, um die durch die Kernspaltung
erzeugte Wärme zu absorbieren. Da ein Fehler bei der Abfuhr dieser Wärme katastrophale
Folgen haben kann, ist es wünschenswert, bei einem Fehler der elektrischen Speisung
des die Pumpe antreibenden Motors für einen begrenzten Zeitraum eine fortgesetzte
Zirkulation des Wassers durch den Reaktor hindurch sicherzustellen. Dies wird normalerweise
dadurch erzielt, daß in das hydraulische Antriebssystem eine vorbestimmte Trägheit
eingebaut wird, indem beispielsweise entweder ein Schwungrad auf dem Pumpenmotor
oder ein Drehantrieb mit großer Trägheit verwendet wird, f-ie z. B. ein Moor-Generatorsatz,
um den Pumpenmotor anzutreiben. Be: solchen UUrwälzsystemen, in denen das Kühlni-ittel
durch zahlreiche Pumpen zu eine gemein samen Verteiler gepumpt wird, bevor es in
den Reaktor eintrat, ist es ferner wünschenswert, in dem Pumpenmotor eine Ar'sireversiervorrichtung
anzuordnen, um um eine Rückströmung des Wassers bei einer Betriebsstörung in irgendeiner
Pumpe innerhalb des geme in samen Ilydraulikkreises zu verhindern und um ferner
zu vermeiden, daß eine derartige Rückströmung eine umgekehrte Motordrehung zur Folge
hat.
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Unter den Pumpmotoren, die bisher zur Umwälzung von Wasser durch die
Kernreaktoren verwendet wurden, gab es vertikale Induktionsmotoren mit einem einzelnen
Schwungrad, das zwischen dem Rotor und dem Antriebsende des Motors angeordnet ist.
In derartigen Motoren kann Jedoch der Rotor für Wartungszwecke nicht von dem Stator
entfernt werden, ohne auch entweder das Schwungrad oder den Stator selbst zu entfernen.
Die Pumpmotoren verwendeten auch Schwungräder, die auf dem entgegengesetzten Antriebsende
des Motors angeordnet waren, bei denen eine Antireversiervorrichtung relativ zum
Schwungrad auf dem Umfang angeordnet war. Es sind dann Jedoch Antireversiervorrichtungen
mit einem relativ großen Durchmesser erforderlich, um das Schwungrad zu umfassen,
und el mechanischer Fehler der Antireversiervorrichtung könnte das
Schwungrad
beschädigen, wodurch die Reparatur des Motors kostspielig wird.
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Bei anderen Pumpmotoren wurden auch zwei Schwungräder verwendet, die
auf entgegengesetzten Enden des Rotors angeordnet sind, wobei eine Antireversiervorrichtung
auf dem äußersten, dem Antriebsende entgegengesetzten Ende der Motorwelle angebracht
ist. Mehrere Schwungräder, die in Abständen auf einer einzigen Welle angeordnet
sind, können Jedoch die Welle bei der Eigenfrequenz der Schwungräder verdrehen,
wodurch die Neigung besteht, die Motorwelle abzuscheren. Darüber hinaus sind die
doppelten Schwungräder typischerweise auf Kreuzstückarmen befestigt, die sich von
der Motorwelle erstrecken, damit Luft durch den Rotor zirkulieren kann, und eine
mechanische Anbringung des eine große Masse aufweisenden Schwungrades auf der Welle
ist schwierig.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuen
vertikalen Pumpmotor zu schaffen. Dieser vertikale Pumpmotor soll ein einzelnes
Schwungrad aufweisen, das leicht auf der Motorwelle anzubringen ist. Ferner beinhaltet
die Erfindung einen vertikalen Pumpmotor, bei dem der Rotor ohne Verwendung entweder
eines mit Öffnungen versehenen Schwungrades oder eines von der Welle beabstandeten
Schwungrades gekühlt wird.
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Diese und andere Aufgaben werden erfindungsgemäß allgemein durch einen
vertikalen Induktionsmotor gelöst, der eine langgestreckte Welle aufweist, die zwischen
Führungslagern drehbar gelagert ist, welche auf der axialen Länge der Welle angeordnet
sind. Auf der Welle sind zwischen den Führungslagern ein doppelt wirkendes Axiallager
und ein einheitliches Schwungrad angeordnet und eine Antireversiervorrichtung ist
auf dem äußersten, dem Antriebsende entgegengesetzten Ende des Motors starr befestigt.Ferner
sind in dem Motor Unterteilungen vorgesehen, um das Schwungrad von dem Rotor zu
trennen, und Kühlmittel strömt durch den Rotor in einer ersten radialen Richtung
über die dem Rotor benachbarten
Stirnfläche der Unterteilung. Weiterhin
sind innerhalb der Unterteilung Mittel vorgesehen, um einen Teil des Kühlmittels
abzuleiten, damit dieses über die dem Rotor abgekehrten Stirnfläche der Unterteilung
in einer radial entgegengesetzten Richtung strömt.
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Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand
der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles
näher erläutert.
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Die Zeichnung zeigt einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Pumpmotors.
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Ein erfindungsgemäßer vertikaler Induktionsmotor 10 umfaßt im allgemeinen
einen Rotor 11, der auf einer Welle 12 für eine Rotation innerhalb des durch den
Stator 13 gebildeten Zylinderraumes befestigt ist, ein unitäres Schwungrad 15, das
dem Motor die gewünschte Trägheit gibt, und eine Antireversiervorrichtung 16, um
eine umgekehrte Motordrehung zu verhindern. Ein zwischen dem Schwungrad und der
Antireversiervorrichtung angeordnetes doppelwirkendes Axiallager 17 dient zur Begrenzung
der Wellenbewegung in einer axialen Richtung, während die Führungslager 19 und 20
eine Drehbewegung der Welle erlauben und dabei die Welle in einer radialen Richtung
festhalten.
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Der Rotor 11 ist ein konventioneller Kurzschlußläufer und ist durch
ein magnetisches Joch 21 gekennzeichnet, das aus vielen gestanzten Rundblechen gebildet
ist, die Justiert angebracht sind, damit Rotorstäbe 22 axial durch nicht gezeigte
Schlitze hindurchgesteckt werden können, die auf dem Umfang der Rotorbleche eingestanzt
sind. Die Rotorbleche sind auf Kreuzstückarmen 23 befestigt, die sich von der Welle
12 in radialer Richtung nach außen erstrecken, um axiale Strömungskanäle für den
Durchlaß eines fließenden Strömungsmittels, wie beispielsweise Luft, durch den Rotorinnenraum
hindurch zu bilden. Im Abstand von etwa 5 cm
(2 Zoll) sind zwischen
den Magnetblechen nicht gezeigte Abstandsblöcke angeordnet, um radiale Führungen
24 für eine radiale Luft strömung durch den Rotor hindurch zu bilden. Üblicherweise
sind auf der Welle 12 an entgegengesetzten Rotorenden Lüfter 25 befestigt, um Luft
über die benachbarten Wickelköpfe der Statorwicklung 26 strömen zu lassen, und die
vorstehenden Enden der Rotorstäbe 22 sind durch Kurzschlußringe 27 elektrisch miteinander
verbunden, die an den Leiterstäben befestigt sind. Um eine Axialbewegung der Rotorbleche
zu hemmen und die Rotorbleche in einem kompakten Stapel auf der Rotorwelle zu halten,
sind auf dem Rotor an entgegengesetzten Enden der gestapelten Bleche kreisförmige
Halteringe 28 starr befestigt, die geeigneterweise aus Stahl bestehen.
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Der Stator 13 ist in ähnlicher Weise aus vielen segmentierten kreisförmigen
Magnetblechen aufgebaut, die mit Abstandsblöcken zwischen Blechgruppen gestapelt
sind, um für radiale Luftführungen 18 zu sorgen,die entsprechend den radialen Führungen
24 des Rotors 11 Justiert sind. Die Statorbleche sind in einem Rahmen 29 gehalten,
der axial verlaufende Unterteilungen bzw. Abtrennmittel 30 aufweist, die durch Quet
chnitte 14 bogenförmig voneinander getrennt sind, damit Luft durch die radialen
Durchlässe in dem Rotor und Stator strömen kann, die dann zwischen die auf der radial
außen liegenden Fläche des Rahmens angebrachten Kühlwicklungen 31 strömt. Ein Luftkühlgehäuse2dient
dann dazu, die durch das System strömende Luft festzuhalten, und die gekühlte Luft
wird dann durch öffnungen 35 hindurch in den Rotorinnenraum zurückgeleitet, um für
eine im wesentlichen geschlossene Ventilation des Motors zu sorgen. Die Kühlwicklungen
sind zwar in der Weise dargestellt, daß sie nur entlang einem Abschnitt von etwa
20 % auf dem Statorumfang angeordnet sind, wobei der Rest des Statorgehäuses 34
geschlossen ist. Die Kühlwicklungen könnten sich aber auch vollständig um den Statorumfang
herum erstrecken, falls dies erwünscht ist. An dem Rahmen 29 befestigte Luftleitbleche
33 aus Metall erstrecken sich radial nach innen über die
Wickelköpfe
der Statorwicklung 26, um die Wickelköpfe vor Luft abzuschirmen, die durch die Zentrifugalwirkung
des Rotors entlang des durch Pfeile dargestellten Pfades durch den Motor gepumpt
wird.
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Das Schwungrad 15 ist ein auf der Welle 12 befestigter Kreisring.
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Typischerweise ist das Schwungrad auf die Welle aufgeschrumpft.
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Wünschenswerterweise hat das Schwungrad zwei glatte planare Stirnflächen,
um die Reibungsverluste bei hohen Drehzahlen des Schwungrades zu verringern. Das
Schwungrad ist von dem Rotor durch eine ringförmige Platte 36 getrennt, die sich
über den Innenraum des Motors erstreckt. In der Platte 36 sind an toner radial innen
liegenden Stelle zahlreiche Öffnneen 37 lrorgesehen damit ein Teil der durch den
Rotor strömenden Luft in den Schwungradraum abgeleitet werden kann, wo die durch
das Schwungrad auf die Luft ausgeübte Zentrifugalkraft dafür sorgt, daß die Luft
in radialer Richtung nach außen getrieben wird, damit sie durch axiale Führungen
40 hindurch in die fiauptluftströmung im Rotor zwischen den Unterteilungen 30 zurückströmt.
Über dem Schwungrad ist an dem Motorgehäuse eine flache Platte 38 starr angebracht,
um den Motorinnenraum von dem Lagergehäuse 39 abzutrennen.
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Das doppelowirkende Axiallager 17 ist in dem Lagergehäuse 39 angeordnet
und weist im allgemeinen einen runden Druckring 41 mit einem auf die Welle 12 aufgeschrumpften
oberen Abschnitt 41a auf, um eine Passung mit Übermaß zu bilden, während der untere
Abschnitt 41b des Druckringes von der Welle getrennt ist, um dazwischen einen ringförmigen,
axial verlaufenden Kanal 42 zu bilden. Der untere Abschnitt des Druckringes steht
üblicherweise radial nach außen vor und steht in Dreheingriff mit den oberen und
unteren feststehenden Abschnitten 43a bzw. 43b des Axiallagers. Die feststehenden
Abschnitte des Axiallagers sind durch eine obere Lagerhaltung 44 in radialer Richtung
gehalten, während eine Axialbewegung der feststehenden Teile des Axiallagers durch
die Platte 38 und einen Kreisring 45 gehemmt ist, der an der oberen Oberfläche
der
Lagerhaltung 44 starr befestigt ist. Der Kreisring 45 dient auch in Verbindung mit
dem zusammengesetzten, runden, L-förmigen Stück 48 als ein Deckring für die Segmente
46, die das die radiale Bewegung der Welle hemmende obere Führungslager 47 bilden.
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Eine Hülse 49 ist auf dem Umfangzwischen der Welle und dem runden
Druckring 41 angeordnet, um die innere Seitenwand für ein ölreservoir 50 zu bilden,
das zusammen mit dem kreisförmigen Gehäuse 51 entsteht, welches die äußere Seitenwand
des Reservoirs bildet. Die Hülse 49 erstreckt sich bis zur Höhe obenialb des erforderlichen
Ölstandes, um das 01 für eine Schmierung des Lagers festzWaalten.
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Um einen Druckunterschied zu vermeiden, der zu einer Ölleckage aus
dem Reservoir 50 in den Rotor führt, sind in der Seitenwand des Gehäuses 51 Entlüftungen
52 angeordnet, die den Druck innerhalb des Gehäuses für das Axiallager mit dem des
darunter liegenden Rotorgehäuses ausgleichen. Sollte Jedoch während des normalen
Motorbetriebes eine gewisse ölmenge über den vorstehenden Rand der Hülse hinwegtreten,
gelangt das ö1 nach unten in den zwischen der Hülse und der Welle gebildeten ringförmigen
Kanal zur Schulter 53, woraufhin die Drehbewegung der Welle die Wirkung hat, das
Öl gegen die Seitenwand 54 zu werfen, die auf einem Umfang über der Schulter 53
angeordnet ist. Das Öl tropft dann von der Seitenwand und wird in einer zentrifugalen
Abdichtung 55 festgehalten, die durch ein ringförmiges Unterteil 56 und einen nach
oben ragenden Rand 57 gekennzeichnet ist, bis es durch die Gravitationskraft durch
eine Ableitung 58 hindurch an den Außenraum des Motorgehäuses abgegeben wird.
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Eine kontinuierliche Umwälzung von Öl wird mittels einer Leitung 61
herbeigeführt, die das Innere der oberen Lagerhalterung 44 mit dem Ölkühler 62 verbindet.
Das Öl wird dann von dem ölkühler über eine Leitung 63 zum Reservoir 50 zurückgeleitet.
Da die Zentrifugalkraft, die durch das Axialdrucklager bei einer
normalen
Betriebsdrehzahl von etwa 1.200 Ulmin. auf das Öl ausgeübt wird, recht beträchtlich
ist, sind keine externen Pumpen erforderlich, um das Öl durch den Ölkühler hindurch
und in das Reservoir zu drücken.
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Eine umgekehrte Rotation der Motorwelle während einer Betriebsstörung
des Motors wird durch eine Antireversiervorrichtung 16 verhindert, die auf der Motorwelle
mittels einer auf der Motorwelle befestigten ringförmigen Kupplung 64 und Bolzen
65 starr angebracht ist, die in Bohrlöcher in dem Kupplungsflansch eingeschraubt
sind. Die Antireversiervorrichtung 16 ist im allgemeinen üblich aufgebaut und besteht
aus einem ringförmigen feststehenden Abschnitt 66, der auf der oberen Stirnplatte
67 praktisch an einer Zwischenstelle relativ zu dem U-förmigen Rotationsabschnitt
68 der Antireversiervorrichtung befestigt ist. Auf dem Innenteil des Rotationsabschnittes
68 sind zahlreiche Hemmkeile 69 schwenkbar angebracht und von einer radialen Richtung
in eine übliche Lage geschwenkt, um eine Drehung des Rotationsabschnittes 68 in
einer gewählten Richtung zu gestatten, während eine umgekehrte Drehung des Abschnittes
einen Reibeingriff der Hemmkeile mit dem feststehenden Abschnitt verhindert ist,
der die Hemmkeile in eine mehr radiale Lage verschiebt. Dadurch sind der rotierende
und feststehende Abschnitt der Antireversiervorrichtung verriegelt.
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Da die Hemmkeile 69 auf dem sich drehenden Abschnitt der Antireversiervorrichtung
angeordnet sind, werden die Hemmkeile während des gewünschten Motorbetriebes durch
Zentrifugalkraft zurückgeschwenkt, um die Reibungsabnutzung der Hemmkeile gegenüber
Antireversiervorrichttg zu verringern, die auf dem feststehenden Abschnitt der Vorrichtung
angebrachte Hemmkeile aufweisen. Wünschenswerterweise besitzt der äußere Flansch
der Kupplung 64 radial verlaufende Öffnungen 71, die im gleichen Abstand über dem
Umfang des Kupplungsflansches angeordnet sind, um eine Drehzahlabtastung mit Hilfe
eines elektromagnetischen Zählers 70 zu gestatten. Dieser Zähler wird durch jede
Veränderung im elektromagnetischen
Flußverlauf aktiviert, der
durch die Einführung einer radialen Öffnung in den magnetischen Fühlbereich des
Zählers erzeugt wird.
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Die radiale Halterung der Rotorwelle am Antriebs ende des Motors besorgt
das untere Führungslager 20, das auf dem Umfang um den unteren Außenraum des Ringes
72 herum angeordnet ist. Der obere Innenteil des Ringes ist auf die Welle 12 über
der Schulter 73 entlang der Welle aufgeschrumpft, um den Ring auf der Welle starr
zu befestigen, während zwischen der Welle und dem unteren Abschnitt des Ringes ein
ringförmiger Bereich 74 gebildet wird.
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Das untere Führungslager ist in ein blreservoir 75 eingetaucht, das
zwischen dem Außengehäuse 76 des Lagers und einer ringförmigen Hülse 74 gebildet
ist, die sich zwischen der Welle und dem Führungslager konzentrisch nach oben erstreckt.
Eine Kühlspule 78, die über eine Leitung 79 mit einer Quelle eines flüssigen Kühlmittels
in Verbindung steht, dient zur Verhinderung einer Erwärmung des öles innerhalb des
unteren Führungslagers auf eine überhöhte Temperatur.
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Unmittelbar über dem unteren Gehäuse des Führungslagers ist in einer
Umfangslage bezüglich des Ringes 72 eine Ringdichtung 80 angeordnet, um eine ölleckage
in den Rotorinnenraum zu verhindern.
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Die Dichtung weist im allgemeinen drei Ringabschnitte 81a, 81b und
81c auf, die so angeordnet sind, daß zwischen den Abschnitten zwei ringförmige Kanäle
82a und 82b gebildet werden. Luft vom Motoraußenraum steht über eine Leitung 83
mit dem oberen Ringabschnitt 82a in Verbindung, um in der Dichtung für einen Überdruck
zu sorgen, während der untere Ringabschnitt 82b über eine Leitung 84 zur Atmosphäre
geführt ist. Wünschenswerterweise ist die Leitung 83 relativ zu dem erhöhten Luftdruck,
der durch die Lüfter 25 in den Wickelkopfräumen des Stators erzeugt wird, bebemessen
sondersfum für einen leichten Überdruck in dem oberen Ringraum zu sorgen, damit
eine ölströmung über den Abschnitt 81b hinweg verhindert wird.
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Während des Betriebes des erfindungsgemäßen Motors treibt die Drehbewegung
des Rotors 11 Luft in radialer Richtung in das Rotorgehäuse, damit durch diese die
ausgerichteten Luftführungen in dem Stator und Motorrahmen strömt, um durch das
in der Kühlentwicklung 31 fließende flüssige Kühlmittel gekühlt zii werden.
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Die gekühlte Luft wird dann in axial entgegengesetzte Richtungen geteilt,
um in entgegengesetzte Rotorenden durch Öffnungen 35 und den Luftkanal hindurch
zu strömen, der zwischen den metallischen Luftdeflektorblechen 33 und den gegenüber
angeordneten Platten, d. h. den Platten 36 und 38, gebildet wird, die sich über
den Motorquerschnitt erstrecken. Der an der Platte 36 entlang strömende Teil der
Luft strömung tritt auch durch die Öffnungen 37 hindurch und wird durch die Drehbewegur.g
des Schwung rades in radialer Richtung nach außen zu den Axialkanalen 40 im Rotorrahmen
gedrückt, um in den IIauptluftstrom zurückzukehren Da die iiauptluftströmung von
dem Schwungrad abgeschirmt ist, besteht minimale Interferenz zwischen der auf jeder
Seite der Platte 36 strömenden Luft und es wird eine optimale Motorkühlung bewirkt.