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Spaltrohrmotor, insbesondere für Hochdruckpumpen Die Erfindung betrifft
einen Spaltrohrmotor, insbesondere für Hochdruckpumpen, mit einem inneren, von Pumpenflüssigkeit
durchspülten Rotorbereich und einem dazu konzentrischen äußeren Statorbereich, wobei
diese Bereiche mittels eines dünnen Spaltrohrs flüssigkeitsdicht voneinander getrennt
sind und der Statorbleche aufweisende StatorbereXch vom Motorgehäuse umgeben ist.
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Bei bekannten Spaltrohrmotorpumpen-Aggregaten, also einer Einheit
aus einer Pumpe und einem damit verbundenen Spaltrohrmotor, wird die zu fördernde
Flüssigkeit gleichzeitig als Schmierittel für die Lager der Motorwelle und zur Wärmeabfuhr
verwendet. Ein Spaltrohr dichtet dabei den flüssigkeitsdurchspülten Rotorbereich
vom Statorbereich des Motors ab.
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Beim Einsatz in Anlagen mit hohem Systemdruck muß dieser Druck im
Statorbereich vom relativ dünnen Spaltrohr aufgenommen werden. Damit das Spaltrohr
diesem Druck ohne unzulässig große Formveränderungen standhalten kann, ist bereits
die Maßnahme bekannt, das Spaltrohr mit einem FlUssigkeits-Gegendruck ababstützen,
der
vom Statorbereich aus aufgebracht wird. Für diese Maßnahme sind aber aufwendige
Zusatzeinrichtungen erforderlich und es ergibt sich eine Störanfälligkeit. Nicht
selten können schon geringere Störungen zur Beschädigung des Motors bis zu dessen
völliger Unbrauchbarkeit auftreten.
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Aufgabe der Erfindung ist es vor allem, unter Vermeidung der vorbeschriebenen
Nachteile einen Spaltrohrmotor zu schaffen, der extrem hohe Systemdrücke verträgt
und einfach gebaut sowie störunanfällig ist. Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die
Erfindung bei einem Spaltrohrmotor der eingangs erwähnten Art vor, daß das Spaltrohr
zumindest innerhalb des Bereiches der Statorbleche außen praktisch vollständig mechanisch
abgestützt ist.Im Gegensatz zu bekannten Spaltrohrmotoren mit außen hydraulisch
abgestützten Spaltrohren können aufwendige Ausdehnungs- und Druckkompensatoren vermieden
werden; dabei ist diese mechanische AbstUtzung sehr viel störungssicherer und dennoch
billiger in der Herstellung.
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Vorzugsweise können die Statorbleche als mechanische Abstützung für
den mittleren Bereich des Spaltrohres ausgebildet sein und seitlich von dieser Abstützung
Stützhülsen das Spaltrohr außen umschließen und/oder Innenhülsen, die das im Spaltraum
befindliche Druckmedium vom Spaltrohr fernhalten, dieses innen einschließen. Dadurch
erhält man insbesondere die erwünschte
mechanische Abstützung in
den Bereichen, die -in axialer Richtung gesehen- seitlich neben den Statorblechen
liegen.
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Zweckmäßigerweise sind die Statorbleche zu mindestens einem stabilen
Statorpaket zusammengefaßt und besitzen vorzugswese eine äußere Einfassung, welche
diese Statorbleche radial sowie insbesondere axial verklammert. Man erhält dadurch
eine Einfassung der Statorbleche an deren äußeren Rand, insbesondere auch in axialer
Richtung, wodurch ein Knicken bzw. axiales Ausweichen der unter Druck stehenden
Statorbleche vermieden wird.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, daß die das-Spaltrohr
außen umschließenden Stützhülsen die Statorbleche axial abstützen. Diese Stützhülsen
sind dazu in der Regel unmittelbar bis an den inneren Ringbereich der Statorbleche
herangeführt und spannen das Statorpaket dort axial ein. Auf diese Weise ergänzen
die Stützhülsen die äußere Einfassung der Statorbleche.
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Zweckmäßigerweise sind im Statorpaket zur Aufnahme der Statorwicklungen
vorgesehene Nuten zum Spaltrohr hin mittels unmagnetischer, nicht leitender Abschlußstücke
und/oder dergl. Abschlußelemente gegenüber dem Spaltrohr mechanisch stabil verschlossen,
wobei
die Nuten sowie die darin befindlichen Statorwicklungen entsprechend der radialen
Erstreckung dieser Abschlußelemente innerhalb des Statorpaketes etwas radial nach
außen gelegt sind. Diese Abschlußelemente für die Nuten im Statorpaket verteilen
den vom Spaltrohr kommenden Druck auf zwischen die Nuten der Statorbleche in deren
inneren Ringbereich sich ergebenden Zwischenstege der Statorbleche, von wo aus sie
von den einzelnen Statorblechen bzw. vom gesamten Statorpaket aufgenommen bzw. weitergeleitet
werden können; der vom Spaltrohr ausgehende Druck wird dadurch von den Statorwicklungen
ferngehalten. Dadurch, daß die Statorwicklungen und die sie aufnehmenden Nuten innerhalb
des Statorpaketes etwas radial nach außen wiegt sind, erhält man den notwendigen
Platz, um die erwähnten Abschlußelemente im inneren Ringbereich der Statorbleche
unterzubringen.
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Vorzugsweise sind die Wickelköpfe der Statorwicklung ggf. zusätzlich
seitlich etwas aus dem Bereich der Statorbleche herausverlegt derart, daß die äußeren
Stützhülsen bis an die Statorbleche heranreichen können. Die Stützhülsen reichen
bis mindestens an oder bis etwas in den vom unmittelbaren Mag.-netfluß -nicht vom
Streufluß- zu Uberbrückenden Bereich des Magnetspaltes. Die auf die vorerwähnte
Lage der Statorwicklungen gestimmte, seitlich etwas aus dem Bereich der Statorbleche
herausverlegten
Wickelköpfe schaffen durch diese Lage die erforderlichen Platzverhältnisse für die
äußeren Stützhülsen.
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Zweckmäßigerweise dienen als Abschlußstücke für die Nuten des Statorpaketes
Rundstäbe und die an das Spaltrohr angrenzenden Enden dieser Nuten sind mit einem
Gießharz od.
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dgl. praktisch in kompressiblem Medium ausgefüllt bzw. ausgegossen
. Die Verwendung von Rundstäben als Abschlußstücke ist fertigungstechnisch ulld
festigkeitsmäßig vorteilhaft; das Ausfüllen der an das Spaltrohr angrenzenden Enden
der Nuten mit einem Gießharz ermöglicht, das Spaltrohr auch im Bereich dieser Nuten
mechanisch abzustützen, so daß es praktisch auf seiner ganzen Umfangsfläche abstützend
eingehüllt ist.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele mit ihren erfindungswesentlichen Einzelheiten noch näher erläutert.
Es zeigen in unterschiedlichen Maßstäben: Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Hochdruckpumpe
mit einem Spaltrohrmotor, Fig. 2 in etwas vergrößertem Maßstab einen Querschnitt
ge mäß der Schnittlinie II-II in Fig. 1 und
Fig. 5 in nochmals vergrößertem
Maßstab einen Teilausschnitt aus einem Längsschnitt gemäß Fig. 1 bei einer etwas
abgewandelten Ausführung der Hochdruckpumpe.
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Das Spaltrohrmotorpumpen-Aggregat nach Fig. 1 besteht im wesentlichen
aus dem eigentlichen Pumpenteil 1 und einem im ganzen mit 2 bezeichneten Spaltrohrmotor,
der das Pumpenrad 5 antreibt. Dabei wird das zu fördernde Medium in den Pumpeneinlaß
4 gesaugt und zum Pumpenauslaß 5 herausgedrückt.
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Der Spaltrohrmotor 2 weist einen Rotor 6 auf, der auf einer Welle
7 sitzt, die in den Lagern 8 und 9 gehalten ist. Koaxial zum Rotor 6 befindet sich
der im ganzen mit 10 bezeichnete Motorstator. Er ist in bekannter Weise durch ein
dünnes Spaltrohr 11 flüssigkeitsdicht gegenüber dem Rotorraum 40 abgetrennt. In
dem Ausführungsbeispiel, das im oberen Teil von Fig. 1 sowie leicht abgewandelt
in Fig. 3 dargestellt ist, erstreckt sich zu diesem Zweck das Spaltrohr 11 axial
über äußere Stützhülsen 12 und 15 hinweg und endet mit dichtend eingeklemmten, abgewinkelten
Flanschen lla an einem Zwischenflansch 41 bzw. einem ähnlichen, am Spaltrohrmotor
2 vorgesehenen Flansch 42.
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Den Bereich des Stators 10 umschließt ein starker Mantel 14, der zu
einem entsprechend stabilen, mehrteiligen Motorgehäuse gehört, das im ganzen mit
15 bezeichnet ist. Der Pumpenteil 1 ist mit dem Motor 2 über Schraubbolzen 16 lösbar
verbunden. Ein verhältnismäßig kleiner Teil des Fördermediums dringt von der Druckseite
der Pumpe 1 durch die Kanäle 17 in bekannter Weise in den Rotorraum 40 ein und dient
dort zur Abfuhr der Motorwärme sowie zur Schmierung der vorerwähnten Lager 8 und
9. Die Rückleitung dieses in den Rotorraum 40 abgezweigten Teilstromes des Fördermediums
erfolgt in der ebenfalls bekannten, nicht näher dargestellten Weise vom Rotorraum
40 aus über das pumpennahe Lager 8 bzw. das pumpenferne Lager 9 und einen axialen
Kanal 7a in der Motorwelle 7.
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Arbeitet das Spaltrohrmotorpümpen-Aggregat in einem System, wo beispielsweise
Drücke von mehreren hundert atü auftreten, müssen besondere Maßnahmen getroffen
werden,damit nicht das vorerwähnte, im Rotorraum 40 befindliche Fördermedium das
Spaltrohr 11 verformt. Dieses darf nämlich auch bei Aggregaten, die in Systemen
mit sehr hohen Drücken arbeiten, nur sehr dünn ausgebildet werden, damit der Magnetfluß
zwischen dem Stator 10 und dem Rotor 6 des Motors 2 möglichst wenig Verluste erfährt.
Aus diesem Grunde ist das Spaltrohr 11 erfin- -dungsgemäß zumindest innerhalb des
Bereiches der Statorbleche lOa
außen praktisch vollständig mechanisch
abgestützt. Dazu sind die einzelnen Statorbleche lOa des Stators gegeneinander verklammert,
so daß man ein stabiles Statorplatten-Paket erhält, das zumindest im Bereich der
Wicklungsstränge 21 das Spaltrohr 11 mechanisch abstützt. Dazu ist an diesen Statorblechen
lOa eine äußere Einfassung 19 vorgesehen, welche diese Statorbleche lOa außen radial
und auch axial verklammert (vgl. insbesondere Fig. 1, aber auch Fig. 5). Die Einfassung
19 ist von einem sehr druckfesten Gehäusemantel 14 umschlossen. Im Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1, oben, und Fig. 3 sind StUtzhülsen 12 und 15 vorgesehen, welche das
Spaltrohr 11 außen abstützend umschließen. Dabei schließen sie sich,in axialer Richtung
gesehen, seitlich an das Paket mit den Statorblechen lOa an und reichen bis zu einem
sehr stabilen Gehäusedeckel 50, der durch Schrauben 16a, (vgl. Fig.5) fest mit dem
Gehäusemantel 14 in Verbindung steht. Dabei liegen diese äußeren Stützhülsen 12
und 13 mit ihren zum Stator gewandten Stirnseiten im inneren Ringbereich 51 (vgl.
Fig.2)an dem Statorblech-Paket an und spannen es in axialer Richtung ein. Die an
sich dünnen und gegen seitliches Ausknicken verhältnismäßig empfindlichen Statorbleche
lOa können deshalb auch bei sehr hohen radialen, vom Spaltrohr 11 kommenden Belastungen
nicht axial ausweichen. Diese in Fig. 1 oben und Fig. 3 dargestellten Stützhülsen
12 und 15 ergänzen die Einfassung 19 der Statorbleche sehr günstig.
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Versuche haben gezeigt, daß ein derartiger Stator Druckbelastungen
bis über eintausend atü aushalten kann.
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Im Ausführungsbeispiel, das in Fig. 1 unten dargestellt ist, sind
anstelle der vorbeschriebenen Stützhülsen 12 und 13 Innenhülsen 26 und-27 vorgesehen,
die sich auch in den oberen Bereich von Fig. 1 erstrecken. Man erkennt daran, daß
die Ausführung mit den äußeren Stützhülsen 12 und 13, wie sie in Fig. 5 dargestellt
ist, auch in Kombination mit den letzterwähnten Innenhülsen 26 und 27 ausgeführt
sein kann. Diese Innenhülsen passen eng in das Spaltrohr ii und sind an ihrem rotorraumseitigen
Ende mit Dichtungen 26a und 27a versehen.
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Auf diese Weise halten sie beim unteren Beispiel von Fig. 1 das im
Rotorraum 40 befindliche Druckmedium von demjenigen Teil des Spaltrohres 11 fern,
der nicht mehr durch die Bleche 10a des Statorpaketes abgestützt ist.Für erheblich
unter eintausend atü liegende Druckbereiche, die noch sicher durch die vorerwähnten
Abdichfingen 26 a und 27 a'beherrscht werden können,stellt die Ausführungsform,
die alleine die Innenhülsen 26 und'27 aufweist, eine verhältnismäßig einfache und
leicht ein- und ausbaubare Ausführungsform dar. Dagegen hat die Ausführungsform
nach Fig. 3 den Vorteil, daß sie, von Dichtungen unabhängig, störunempfindlich ist
und für höhere und höchste Drücke besser geeignet ist als die Ausführung, die alleine
Innenhülsen 26 und 27 aufweist.
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In besonderen Fällen kann man die äußeren Stützhülsen 12 und 15 mit
den Innenhülsen 26 und 27 kombinieren; dies kann beispielsweise dann vorteilhaft
sein, wenn die Platzverhältnisse für die äußeren Stützhülsen 13 etwas beengt sind
und man mittels der Innenhülsen 26, 27 eine Entlasten, der äußeren Stützhülsen 12
und 15 erreichen kann.
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Besonders aus Fig. 2 ist gut zu erkennen, daß das Paket der Statorplatten
10a nach innen offene, buchtartige Nuten 20 aufweist. Jedem einzelnen Statorblech
10a erstrecken sich diese Nuten 20 in radialer Richtung, im gesamten Statorpaket,
wie es in Fig. 1 gut erkennbar ist, erstrecken sich diese Nuten in axialer Richtung.
Durch die im Querschnitt (vgl. Fig.2) besonders ausgebildete Nuten 20 laufen die
aus elektrischen Leitungen aufgebauten Wicklungsstränge 21. Diese sind innerhalb
jeder Nute in bekannter Weise durch eine zweiteilige Nutenisolation 22a, b umgeben.
Zum Spaltrohr 11 hin sind die Nuten 20 mechanisch durch Rundstäbe 24 aus unmagnetischem
und nicht leitendem Werkstoff verschlossen. Die an das Spaltrohr 11, das in Fig.
2 der besseren Ubersicht wegen nur im oberen Teil als dick ausgezogene Linie dargestellt
ist, angrenzenden Enden 25 der Nuten 20,sind mit einem Gießharz 52 ausgegossen,
das punktiert in Fig. 1 und 2 und im linken unteren Teil von Fig. 3 dargestellt
ist. Der vom Spaltrohr 11 kommende Druck kann über das Gießharz 52 auf die Rundstäbe
24 und von dort
aus auf die Statorbleche 10a weitergeleitet werden
und wird so von den Wickelsträngen 21 ferngehalten. Vom Gießharz 52 und den im inneren
Ringbereich 51 der Statorbleche 10a zwischen den unten 20 und insbesondere deren
Enden 25 verbleibenden Zwischenstegen 53 kann der gesamte in diesem Spaltrohr kommende
Druck aufgenommen und auf die Einfassung 19 des Statorpaketes bzw. gegebenenfalls
auf den stabilen Gehäusemantel 14 weitergeleitet werden. Als Gießharz kommt z. B.
ein unter dem Warenzeichen "Araldit" bekanntes Gießharz in Frage, das auch nach
dem Erhärten noch vergleichsweise wenig spröde bleibt.
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In Fig. 2 ist zwischen den Rundstäben 24 und der Nutenisolation 22a,
b noch ein überbrückungsteil 23 zu erkennen. Er soll keine Kräfte vom Spaltrohr
in Richtung auf die Wickelstränge 21 weiterleiten, sondern im Bedarfsfalle die Nutenisolation
22a, b ruhigstellen. Zu den Wickelsträngen 21 gehörige Wickelköpfe 54 ragen seitlich
etwas aus dem Bereich der Statorbleche lOa heraus derart, daß die Stützhülsen 12,
13 bis an die Statorbeche 10a heranreichen können, wie dies in Fig. 3 und in Fig.
1, oben, erkennbar ist. Da der Rotor 6 von Hause aus massiv und druckstabil ist,
erhält man insgesamt einen Spaltrohr-Motor 2, durch den in der üblichen, vorteilhaften
Weise ein abgezweigter Teilstrom des Fördermediums hindurchgeführt weraen kann.
Der erfindungsgemäße Spaltrohr-Motor kann dabei jedoch sehr hohe Druckbelastungen
aushalten, worunter hier Belastungen bis zu 1000 atü und darüber verstanden werden.
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Dabei wird das dünne Spaltrohr sehr günstig mechanisch abgestützt,
so daß keine wesentlichen, nachteiligen Verformungen bei ihm auftreten. Die Statorwicklungen
brauchen nur wenig radial nach außen, also vom Spaltrohr 11 bzw. vom Rotor 6 entfernter
untergebracht zu werden, so daß der Wirkungsgrad des Elektromotors nicht wesentlich
beeinträchtigt wird, man aber eine einfache und störunanfällige Konstruktion erhält.
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Aus Fig. 2, untere Hälfte, erkennt man noch gut die räumliche Ausgestaltung
und Unterbringung der in den Statorblechen lOa befindlichen Nuten 20. Der radial
äußere, verbreiterte Teil 20a, der zur Aufnahme der Statorwicklungen 21 dient, ist
etwa um die radiale Erstreckung der Rundstäbe 24, d. h. hier etwa um den Durchmesser
dieser Rundstäbe 24 radial nach außen verlegt. Auf diese Weise schafft man den Platz,
um diese Nuten 20 so verschließen zu können, daß die Statorbleche lOa mit ihrem
Innenrand, der das Spaltrohr einschließt, dieses praktisch durchgehend abstützen
können; außerdem wird vermieden, daß KrRfte auf die eigentlichen Wicklungsdrähte
der Statorwicklungen 21 ausgeübt und diese beschädigt werden können und ferner wira
vermieden, daß die Statorwicklungen 21 zu weit vom Spalt 55 entfernt zu liegen kommen,
der sich zwischen dem Spaltrohr 11 und dem Rotor 6 befindet.
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Alle vorbeschriebenen Merkmale können einzeln oder in beliebiger Kombination
miteinander errindungswesentlich sein.
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Patentansprüche -