DE2365991A1 - Elektrischer induktionsmotor - Google Patents

Elektrischer induktionsmotor

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DE2365991A1
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Germany
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rotor
stator
core
induction motor
windings
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DE2365991A
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Romuald Zdzislaw Rustecki
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K17/00Asynchronous induction motors; Asynchronous induction generators
    • H02K17/02Asynchronous induction motors
    • H02K17/16Asynchronous induction motors having rotors with internally short-circuited windings, e.g. cage rotors
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/14Structural association with mechanical loads, e.g. with hand-held machine tools or fans
    • HELECTRICITY
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Description

Elektrischer Induktionsmotor
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Induktionsmotor mit einem mit der Abtriebswelle verbundenen Läufer, der einen ringförmigen Kern aus magnetischem Material und im wesentlichen radial zwischen zwei konzentrischen Kurzschlußringen verlaufende Läuferstäbe aufweist, und mit einem Ständer, der auf einem ringförmigen Kern aus magnetischem Material angeordnete "Wicklungen trägt, wobei zwischen den einander zugekehrten Stirnflächen von Läufer und Ständer ein axialer Spalt vorhanden ist.
Aus der belgischen Patentschrift 501 811 ist ein Motor bekannt, der eine Statorwicklung auf einem Kern besitzt, welcher zwischen inneren und äußeren Tragringen abgestützt ist. Da^- durch wird ein Doppelstator gebildet, der zwischen zwei Rotoren gelagert ist. Diese sind auf einer Welle befestigt, die drehbar durch den Stator hindurchgeht. Stator und Rotoren sind in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht.
Nach dem Bulletin des Schweizerischen elektrotechnischen Vereins Nr. 21 vom 12. Oktober 1957 ist ein axialer Doppelmotor bekannt, bei welchem ein Stator auf zwei Rotoren arbeitet. Dabei lassen eich besondere Statorjoche einsparen* Das Leistungegewioht ist gering, und es ergibt eine große Volumenleistung.
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Bei Induktionsmotoren mit axialem Luftspalt werden, einige
Nachteile des üblichen "zylindrischen" Induktionsmotors vermieden.. Beispielsweise kann der Läufer des Motors mit axialem Luftspalt vollständig von der Belastungseinrichtung getragen werden, die von dem Motor angetrieben werden soll, so daß der Motor selbst nicht die Lauf er lager und die ihnen, zugeordneten Teile zu enthalten braucht, wie dies in einer üblichen "zylindrischen." Maschine notwendig ist. Andererseits haben sich die Motoren mit axialem Luftspalt bisher kommerziell nicht sehr gut durchgesetzt, wahrscheinlich u.a. deshalb, weil die bisher
gebauten Motoren dieser Art noch eine große Anzahl der Nachteile und Einschränkungen der üblichen "zylindrischen" Maschinen besitzen. Beispielsweise sind derartige Motoren als Spezialmotoren mit einer Pumpe oder einem Verdichter kombiniert
worden. Dabei werden der Ständer einerseits und der Läufer und ein Teil der Pumpe oder des Verdichters andererseits in eigenen, zusammenpassenden Gehäuseteilen montiert, die unter Zwischenlage einer Dichtung zusammengebaut sind. Da ein Teil des Motors ein einstückiger Teil der Belastungseinrichtung ist
und die beiden Gehäuseteile so ausgebildet sind, daß sie zu
einem einheitlichen Gehäuse zusammengefügt werden können, kann der Motor nicht wie der übliche Motor universell verwendet
werden. Da ferner der ganze Motor vollkommen von den Gehäuseteilen umschlossen ist, ist die Kühlung des Motors erschwert.
Bin weiterer Nachteil der bekannten Induktionsmotoren der üblichen Art oder mit axialem Luftspalt besteht darin, daß ihre Drehzahl entweder überhaupt nicht oder nur bei Verwendung von aufwendigen und komplizierten Hilfseinrichtungen verändert
werden kann. In manchen Anwendungsfällen ist es sehr erwünscht, die Drehzahl eines Motors von Zeit zu Zeit zu verändern, z.B. zur Änderung der Arbeitsgeschwindigkeit eines Teils einer Anlage in Abhängigkeit von der Beschaffenheit des Behandlungs-
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gutes oder zur Veränderung der Arbeitsgeschwindigkeit der ganzen Anlagei In dem erstgenannten Fall ist im allgemeinen ein Wechselgetriebe erforderlich, das jedoch einen zusätzlichen Aufwand und eine Herabsetzung des Wirkungsgrades und der Zuverlässigkeit bedingt. In dem zuletzt angegebenen Fall kann' ein vollständiger Austausch des Motors erforderlich sein.
Es wird einbezogen, daß der elektrische Induktionsmotor weitgehend wartungsfrei ist und von praktisch ungeschulten Arbeitskräften gewartet, auf eine andere Drehzahl umgestellt und auch eingebaut werden kann.
Bei den bekannten Motoren mit axialem Luftspalt können Schwierigkeiten manchmal dadurch verursacht werden, daß im Betrieb des Motors infolge der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen dem Läufer und dem Ständer ein Axialschub auf den Läufer ausgeübt wird. Wenn ein Induktionsmotor mit axialem Luftspalt vom Stillstand auf die Betriebsdrehzahl anläuft, stoßen der Läufer und der Ständer einander zuerst ab. Diese Abstoßungskraft nimmt mit zunehmender Drehzahl ab und wird bei etwa ^5 % der Synchrondrehzahl gleich Null. Oberhalb dieser Drehzahl und insbesondere bei der Betriebsdrehzahl ist eine Anziehungskraft vorhanden, die sich infolge der elektromagnetischen Wirkung des Ständerstroms mit diesem verändert.
Wenn die Welle der Belastungseinrichtung in einem guten Axiallager gelagert ist, führt der Axialschub nur zu geringen oder gar keinen Schwierigkeiten. Wenn die Welle der Belastungseinrichtung dagegen nicht mit einem Axiallager versehen, oder wenn dieses abgenutzt ist, kann der Axialschub dazu führen, daß der Luftspalt zu schmal wird oder sogar der Läufer und Ständer aneinander re ibe η.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen eingangs bezeichneten Induktionsmotor so auszuführen, daß nicht nur eine Verbesserung in der Wartung vorliegt, sondern insbesondere der auf die elektromagnetische Anziehung zwischen Läufer und Ständer zurückzuführende Axialschub mindestens teilweise kompen-
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siert wird. **
•7*
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch mehrere gegenüber dem Ständer ortsfest angeordnete und von dem durch die Ständerwicklungen fließenden Strom erregbare Elektromagnete und die Ausführung des Läufers mit einem elektrisch leitenden, unmagnetischen Teil gelöst, der im Betriebszustand des Motors den Elektromagneten zugekehrt ist, wobei im Betrieb zwischen dem Läufer und dem Ständer eine elektrodynamische Abstoßungskraft erzeugbar ist, die der elektromagnetischen Anziehungskraft zwischen dem Läufer und dem Ständer entgegenwirkt.
Dadurch wird ein Induktionsmotor geschaffen, welcher einen Läufer mit einem ringförmigen Kern aus magnetischem Material, einen Ständer mit einem ringförmigen Kern aus magnetischem Material und darauf angeordnete Wicklungen zum Erzeugen eines
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Magnetfeldes besitzt, das sich von einer Stirnfläche des Kerns axial weg erstreckt, eine Einrichtung zum Anordnen des Läufers und Ständers in einer Stellung, in welcher die genannte Stirnfläche des Ständerkerns einer Stirnfläche des Läuferkerns zugekehrt und in einem vorherbestimmten Abstand von ihr angeordnet ist, mehrere gegenüber dem Ständer festgelegte Elektromagnete, die durch den durch die Ständerwicklungen fließenden Strom erregt werden, sowie einen an dem Läufer vorgesehenen und den Elektromagneten zugekehrten elektrisch leitfähigen unmagnetischen feil, so daß zwischen dem Läufer und dem Ständer eine elektrodynamische Abstoßungskraft erzeugt wird, die der elektromagnetischen Anziehungskraft zwischen dem Läufer und dem Ständer entgegenwirkt.
Hierzu dient in einer vorteilhaften Ausfuhrungsform auch ein Motor, der mehrere Elektromagnete besitzt, die gegenüber dem Ständer ortsfest angeordnet sind und durch den durch die Ständerwicklungen fließenden Strom erregt werden, wobei der Läufer mit einem elektrisch leitenden unmagnetischen Eeil versehen ist, der im betriebsfähigen Zustand des Motors den Elektromagneten zugekehrt ist, so daß im Betrieb zwischen dem Läufer und dem Ständer eine elektrodynamische Abstoßungskraft erzeugt wird, die der elektromagnetischen Anziehungskraft zwischen dem Läufer und dem Ständer entgegenwirkt.
In manchen Fällen kann es genügen, die elektromagnetische Anziehungskraft nur teilweise zu kompensieren. Vorzugsweise ist der Antrieb jedoch derart ausgebildet, daß die beiden Kräfte einander vollständig kompensieren. Da beide Kräfte von dem durch die Ständerwicklungen fließenden Strom abhängig sind9 heben sie einander im wesentlichen auf, weil sich die Stromstärke mit dem Belastungsmoment ändert. Da die beiden Kräfte
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jedoch auch drehzahlabhängig sind, heben sie einander ebenfalls im wesentlichen auf, weil sich die Drehzahl des Motors im Betrieb mit der Belastung ändert.
Die Elektromagnete besitzen vorteilhaft Magnetjoche, um die Polteilungen überbrückende Teile der Ständerwicklungen gewickelt sindo Auf diese Weise wird der Aufwand an unauBgenutztem Kupfer herabgesetzt, weil man auch jene Teile der Wicklungen ausnutzt, die sonst keinen Nutzeffekt hätten. Der elektrisch leitende unmagnetische Teil und die Elektromagnete sind zweckmäßig am Innen- oder Außenumfang des läufers angeordnet. In der vorstehend angegebenen Ausführungsform, in welcher der Ständerkern auf einer Tragplatte montiert ist, die passend in einem zylindrischen Tragring sitzt, können sich die Joche axial von jenem Teil der Tragplatte weg erstrecken, der zwischen dem Außenumfang des Ständerkerns und dem Tragring angeordnet ist. Da dieser Raum in jedem Fall zur Aufnahme der Polteilungen überbrückenden Teile der Ständerwicklung erforderlich ist, braucht zur Unterbringung der Joche die Trageinrichtung für den Ständer nicht vergrößert zu werden.
Unter diesem Gesichtspunkt ist vorteilhaft vorgesehen, daß der Ständer und seine Trageinrichtung aus zwei verschiedenen und in ihrer relativen Stellung zueinander festlegbaren Teilen besteht, die Trageinrichtung einen an den Enden offenen zylindrischen Tragring besitzt, der koaxial zu dem Ständerkern angeordnet ist, daß die Einrichtung zum lösbaren Befestigen des Ständerkerns ferner eine Tragplatte besitzt, die passend in dem Tragring befestigt ist, und daß sich mehrere Magnetjoche axial von jenem Teil der Tragplatte weg erstrecken, der zwisohen dem Außenumfang des Ständerkerns und dem Tragring angeordnet
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ist, und daß im betriebsfähigen Zustand des Motors die Joche dem elektrisch leitenden, unmagnetischen Teil am Außenumfang des Läufers zugekehrt sind.
Wenn der elektrisch leitende unmagnetische Teil des Läufers an dessen Außenumfang angeordnet ist, wird dieser Teil zweckmäßig einstückig mit dem äußeren Kurzschlußring ausgebildet, damit diese beiden Teile (zusammen mit den Läuferstäben und dem inneren KurζSchlußring) in einem Arbeitsgang gemeinsam gegossen werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besteht der elektrisch leitende, unmagnetische Teil des Läufers aus einem geschlossenen Ring, der den Außenumfang des Läufers vollständig umgibt und in einer zu der Achse des Läufers rechtwinkligen Ebene liegt. Ein geschlossener Ring gewährleistet auf einfache Weise, daß sich die Kraft während einer Umdrehung nicht ändert, doch kann eine konstante Kraft auch dann aufrechterhalten werden, wenn der elektrisch leitende unmagnetische Teil unterbrochen ist, sofern man die Elektromagneten entsprechend anordnet und in einem Mehrphasenmotor möglicherweise auf die Phasen aufteilt.
Die Teile des erfindungsgemäßen Motors sind zwar im Vergleich zu bekannten Motoren gut gekühlt, weil der Motor nicht in einem Gehäuse eingeschlossen ist, doch kann in manchen Fällen eine Fremdkühlung erforderlich sein. In diesem Fall sind die Schaufeln des Kühlgebläses vorteilhaft einstückig mit dem elektrisch leitenden unmagnetischen Teil des Läufers und dem äußeren KurzSchlußring ausgebildet.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung sind auf dem Ständerkern Wicklungen in Nuten in beiden Stirnflächen
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des Ständerkerns angeordnet, so daß Magnetfelder erzeugt werden, die sich von beiden Stirnflächen des Kerns -weg erstrecken, und ist ein zweiter, ebenso ausgebildeter Laufer vorgesehen, wobei die Stirnflächen des Ständerkerns einer Stirn-• fläche je eines der Läuferkerne zugekehrt und die Ständer-Wicklungen so angeordnet sind, daß die beiden Laufer in demselben Sinn rotieren. Bei dieser Anordnung kann mit einem Ständer gegebener Größe im wesentlichen das doppelte Drehmoment erzeugt werden.
In den Ständern der üblichen zylindrischen Induktionsmaschinen erzeugt das Kupfer (oder sonstiges Leitermaterial) der Polteilungen überbrückenden Teile der Wicklungen keinen nutzbaren Bewegungseffekt. Das Verhältnis dieses unausgenutzten Kupfers zu dem ausgenutzten Kupfer, das sich in den Kernnuten befindet, beträgt beispielsweise etwa 1,25 : 1. Das unausgenutzte Kupfer stellt einen beträchtlichen zusätzlichen Aufwand dar. In Motoren mit axialem Luftspalt und ringförmigen Ständerkernen ist dieses Verhältnis kleiner und kann es unter 1 t 1 herabgesetzt werden, bedeutet auch dieses Verhältnis einen großen Aufwand an unausgenutztem Kupfer. In der vorstehend beschriebenen Anordnung mit zwei Läufern kann der Aufwand an unausgenatztem Kupfer stark herabgesetzt werden. Die auf beiden Stirnflächen des Ständerkerns angeordneten Wicklungen werden gemeinsam gebildet, wobei die aus dem äußeren Ende jeder Hut austretenden Leiter sich" im wesentlichen axial über den Außenumfang des Ständerkerns zu einer benachbarten Nut auf der anderen Seite des Kerns erstrecken. In diesem Pail erstreckt sieh das unausgenutzte Kupfer nur über die axiale Dicke des Ständerkerns anstatt über einen großen Teil des Innen- und des Außenumfanges des Kerns, so daß der Anteil des unausgenutzten Kupfers nur klein ist. Da mit zunehmender Größe des Ständerkerns das Ver-
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hältnis der axialen Dicke zu dem Außendurchmesser des Kerns verkleinert werden kann, wird "bei größeren Motoren der Kupferaufwand stärker herabgesetzt. Mit zunehmender Größe des Ständerkerns nähert sich das Verhältnis des unausgenutzten Kupfers zu dem ausgenutzten Kupfer einem sehr kleinen Wert.
Nachstehend werden mehrere Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen ausführlich beschrieben« In diesen zeigt:
Fig. 1s in einer Stirnansicht von der Ständerseite
gesehen einen Läufer für einen erfindungsgemäßen Motor,
Fig. 2: den Läufer in einem Querschnitt längs der Linie II - II in Fig. 1,
Fig. 3% in einer Stirnansicht von der Läuferseite
gesehen einen zur Verwendung mit dem Läufer gemäß Fig. 1 und 2 bestimmten Ständer und seine Trageinrichtung,
Fig. 4: den Ständer und seine Trageinrichtung in einem Querschnitt längs der Linie IY - IV in Fig. 3, wobei die Wicklungen der Klarheit halber weggelassen sind,
Figo 5s in einer Seitenansicht den Motor, der aus den
in den vorherigen Figuren gezeigten Bestandteilen besteht und sich im betriebsfähigen Zustand zum Antrieb einer Belastungseinrichtung befindet, wobei die Kühlgebläseschaufeln des Läufers der Klarheit halber weggelassen sind,
!ig. 6: in einer der !ig. 5 entsprechenden Darstellung eine andere Anordnung mit einem Ständer und seiner Trageinrichtung, wobei sowohl die Befestigung des Ständers in der Trageinrichtung als auch die Befestigung der Trageinrichtung abgeändert sind,
!igο 7: stark schematisiert die Befestigung einer Ständertrageinrichtung gemäß !ig. 6,
!ig. 8: stark schematisiert eine Ausführungsform des Motors mit zwei Ständern zum Antrieb eines einzigen Läufers,
Ügo 9: ebenfalls stark schematisiert eine weitere Ausführungsform des Motors mit einem einzigen Ständer zum Antrieb von zwei Läufern.
Ein Läufer zur Verwendung in einer ersten Ausführungsform des elektrischen Induktionsmotors gemäß der Erfindung ist in !ig. 1 und 2 mit 10 bezeichnet. Der Läufer besitzt einen ringförmigen Blechkern 12 aus magnetischem Material. Der Kern 12 besteht aus einer einstückigen Spirale, die aus magnetischem Bandstahl gewickelt ist. Der Kern 12 besitzt mehrere Bohrungen oder Vertiefungen 14, die den Kern 12 von seinem Innenumfang zu seinem Außenumfang allgemein durchsetzen und zur Aufnahme von Läuferstäben dienen. Man kann die Bohrungen 14 bohren, nachdem der Kern 12 hergestellt worden ist. Um einen glatten Lauf des Motors zu gewährleisten, erstrecken sich die Bohrungen 14 nicht genau radial, sondern sind sie um eine Polteilung schräggestellt. In !ig. 1 sind die Bohrungen 14 nur in einem Teil des Kerns dargestellt, doch sind sie tatsächlich in gleichen Abständen voneinander um den ganzen Kern herum verteilt.
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Durch jede Bohrung 14 erstreckt sich ein Läuferstab 16 aus einer Aluminiumlegierung. An ihrem inneren und äußeren Ende sind die Läuferstäbe 16 einstückig mit einem inneren und einem äußeren Kurzschlußring 18 "bzw. 20 aus einer Aluminiumlegierung verbunden. Dieser scheibenförmige Läufer tritt somit an die Stelle des zylindrischen Käfigläufers, der in den üblichen zylindrischen Induktionsmotoren verwendet wird. Es ist ein mit dem äußeren Kurzschlußring 20 einstückiger Umwuchtausgleichsring 22 vorgesehen,- der aus einem Plansch besteht, der mit einer Stirnfläche 24 des Kerns 12 bündig ist. Diese Stirnfläche wird nachstehend als die vordere Stirnfläche des Kerns bezeichnet. Der Umwuchtausgleichsring 22 trägt mehrere Kühlgebläseschaufeln 26.
In dem inneren Kurzschlußring 18 ist eine hohle zylindrische Nabe 28 aus Stahl fest angeordnet. Der Ring 18 ist innen mit einer Keilnut 30 versehen, mit deren Hilfe der Läufer 10 auf der nicht gezeigten Welle einer anzutreibenden Maschine befestigt werden kann. Um das Festlegen des Läufers 10 zu ermöglichen, steht das hintere Ende der Nabe 28 von der hinteren Stirnfläche 32 des Kerns 12 vor und ist dieses hintere Ende mit mindestens einer radialen Befestigungsschraube 34 versehen, die in einem die Nabe 28 durchsetzenden Gewindeloch 36 eingeschraubt ist. Zur Befestigung auf der Vorderseite anstatt oder zusätzlich zu der Befestigung auf der Rückseite kann die Nabe 28 an ihrem vorderen Ende eine Vertiefung 38 besitzen, in der mindestens eine derartige Befestigungsschraube 40 und ein Gewindeloch 42 angeordnet sind.
Der in den Figuren 1 und 2 gezeigte Läufer 10 wird wie folgt hergestellt: Zunächst wird der Kern 12 mit den Bohrungen 14 hergestellt. Dann werden in einem einzigen Schleudergießvorgang die Lauferstäbe 16, der innere und der äußere Kurzschlußring 18 und 20, der. Umwuchtausgleichsring 22 und die Gebläse-
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schaufeln 26 an den Kern angegossen. Dazu wird der Kern 10 gedreht und wird die gewünschte legierung im schmelzflüssigen Zustand in der Mitte in den Läufer eingeleitet, so daß die Schmelze durch die Bohrungen 14 in die Gießform fließt. Während des Gießvorganges wird die Nabe 28 mit dem inneren Kurzschlußring 18 verbunden. Dieses Schleudergießverfahren ist bereits bei der Herstellung von zylindrischen Käfigläufern für übliche zylindrische Induktionsmotoren bekannt und -wird daher nicht näher beschrieben.
Die Figuren 5 und 4 zeigen einen Ständer zum Zusammenwirken mit dem Läufer gemäß Fig« 1 und 2 in einem elektrischen Induktionsmotor, sowie die Trageinrichtung für diesen Ständer. Der Hauptteil des Ständers ist ein ringförmiger Blechkern 50. Wie der Lauferkern 12 besteht der Kern 50 aus magnetischem Bandstahl, der zu einer einstückigen Spirale gewickelt ist. In einer Stirnfläche 54 des Kerns 50 sind mehrere radiale Nuten 52 ausgebildet. Diese Stirnfläche wird nachstehend als die vordere Stirnfläche bezeichnet. Die Hüten 52 können durch Stanzen oder durch spannende Bearbeitung, z.B. Fräsen, ausgebildet werden und können jede geeignete und in der Technik bekannte Form haben. Gemäß Fig. 4 sind sie in bekannter "Weise derart verjüngt, daß sie an ihren Mündungen schmaler sind als am Grund.
Fig. 5 zeigt die Anordnung von vorher auf Rahmen hergestellten Wicklungen 56 in den Hüten 52 des Ständerkerns. In dieser Ausführungsform sind vier Wicklungen 56 vorgesehen 9 so daß der Motor vier Pole besitzt. In dieser Ausführungsform sind nur die Wicklungen 56 für eine Phase gezeigt. Die Anordnung der Wicklungen wird nicht näher beschrieben, da der vorliegende Ständer vollkommen analog einem üblichen zylindrischen Ständer gewiekelt sein kann und die Wahl der Wicklungsmuster
und die Schaltung des Kerns für Bin- oder Mehrphasenbetrieb vom Fachmann ohne weiteres gewählt werden können.
Nach dem Anbringen der Wicklungen 56 auf dem Kern 50 können die Wicklungen in der üblichen Weise mit Lack imprägniert und ausgeheizt werden, um ihre Feuchtigkeitsbeständigkeit zu erhöhen. Der Kern und die Wicklungen können erforderlichenfalls in Epoxidharz eingekapselt werden.
In der hinteren Stirnfläche des Kerns 50 sind vier Gewindelöcher 58 ausgebildet. Der Kern ist an einer kreisförmigen Tragplatte 60 mit vier Schrauben 62 befestigt, die Übermaßlöcher in. der platte 60 durchsetzen und in den G-ewindelö ehern 58 des Kerns 50 eingeschraubt sind. Die Tragplatte 60 ist an ihrem Außenumfang mit einem kreisförmigen Flansch 64 versehen, mit dessen Hilfe der Ständer in der nachstehend beschriebenen Weise lösbar an der Trageinrichtung für den Ständer befestigt ist. Die Wicklungen 56 sind mit einem Schaltkasten 65 verbunden, der auf der Tragplatte 60 montiert ist, und können daher über ein ebenfalls an den Schaltkasten angeschlossenes Zuleitungskabel gespeist werden.
Die Tragplatte 60 ist in der gezeigten Weise einstückig mit vier-zylindrischen Jochen 66 aus einem magnetischen Material ausgebildet. Die Joche 66 brauchen aber nicht mit der Tragplatte 60 einstückig, sondern sie können auch an ihr befestigt sein. Die äußeren der die Polteilungen überbrückenden Teile der Ständerwieklungen oder mindestens einiger Ständerwicklungen sind mit aus Je eine Windung bildenden Schleifen 70 ausgebildet, so daß nach dem Pestlegen der Ständerwieklungen die Schleifen 70 die Joche 66 umgeben, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist.
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Die Trageinrichtung für den Ständer besitzt einen an den Enden offenen zylindrischen Tragring 72, der mit einer flachen Grundplatte 74 verschweißt und zusätzlich mit Knotenblechen 76 abgestützt ist, die mit dem Tragring 72 und der Grundplatte 74 verschweißt sind. In der Grundplatte 74 sind mehrere Löcher 78 ausgebildet. Wenn sich der Ständer und seine Trageinrichtung in der richtigen Stellung befinden, kann man sie festlegen, indem man Befestigungselemente durch die löcher 78 führt.
Der Ständerkern und die Tragplatte 60 werden in dem Tragring 72 mit Hilfe von vier radialen Schrauben 80 befestigt, die Übermaßlöcher in dem Tragring 72 durchsetzen und in Gewindelöchern des Flansches 64 eingeschraubt sind.
Fig. 5 zeigt, wie die in den Figuren 1-4 dargestellten Teile zu einem betriebsfähigen elektrischen Induktionsmotor vereinigt sind, der zum Antrieb einer Belastungseinrichtung dient. Eine mit einer Antriebswelle 92 versehene Belastungseinrichtung 90 ist auf einer Auflagerfläche 94 befestigt, die beispielsweise von dem Gestell einer Verarbeitungseinrichtung gebildet wird, zu der die Belastungseinrichtung 90 gehört, oder von dem Fußboden eines Gebäudes, in dem die Anlage untergebracht ist, welche die Verarbeitungseinrichtung umfaßt. Der Läufer 10 ist auf der Welle 92 aifgekeilt und mittels der Schraube(n) 34 und/oder 40 festgelegt, ähnlich wie eine Kupplungshälfte auf der Welle befestigt werden würde, wenn diese von einem üblichen Elektromotor angetrieben wäre, dessen Abtriebswelle mit einer entsprechenden Kupplungshälfte versehen ist. Dann wird der Tragring für den Ständer gegenüber dem Läufer derart bewegt, daß die vordere Stirnfläche 54 des Ständerkerns 50 der vorderen Stirnfläche 24 des Läuferkerns 12 zugekehrt ist. Der Tragring für den Ständer wird
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bewegt, bis die beiden. Kerne im wesentlichen koaxial sind und die Breite des Luftspaltes zwischen den beiden einander zugekehrten Flächen 24 und 54 im wesentlichen dem für den Motor erforderlichen Nennwert entspricht o In einem Motor mit einer Ausgangsleistung von 2 PS hat beispielsweise der Ständerkern einen Außendurchmesser von 178 ram und der luftspalt eine Breite von 2,5 mm. Wie vorstehend ausführlicher angegeben wurde, braucht der genannte Vorgang nicht mit hoher Präaision durchgeführt zu werden, so daß er von praktisch ungeschultem Personal ausgeführt werden kann. Wenn sich der Ständer und sein [Dragring in der richtigen Stellung befinden, kann man den Tragring festlegen, indem Schrauben oder andere Befestigungselemente durch die Löcher 78 in der Grundplatte 74 in die Fläche 94 geführt werden. In den Zeichnungen ist gezeigt, daß die Belastungseinrichtung 90 und der Tragring für den Ständer auf demselben Niveau, montiert sind. Wenn dies nicht möglich ist, weil sich die Welle 92 nicht in der gewünschten Höhe über der Auflagerfläche für die Belastungseinrichtung befindet, kann jener Teil der Fläche, auf der die Trageinrichtung für den Ständer montiert ist, entsprechend vertieft oder erhöht sein.
Zum Betrieb des Motors wird den Ständerwicklungen elektrische Leistung zugeführt, so daß die Ständerwicklungen ein rotierendes Magnetfeld erzeugen, das sich axial von der vorderen Stirnfläche 54 des Ständerkerns in den Läuferkern 12 erstreckt. Das Feld schneidet die Lauf er stäbe 16 und bewirkt, daß der Läufer 10 mit einer etwas geringeren Drehzahl rotiert als das Feld, wie dies auch in dem üblichen zylindrischen Induktionsmotor der Fall ist.
Wie vorstehend ausführlich erläutert wurde, ist während des Betriebes des Motors mit der normalen Betriebsdrehzahl zwi-
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sehen dem Läuferkern und dem Ständerkern eine magnetische Anziehungskraft wirksam. Um diese Kraft mindestens zum Teil zu kompensieren, damit auf die Welle 92 kein zu starker Axialschub ausgeübt wird, veranlaßt man die Erzeugung einer elektrodynamischen Abstoßungskraft. Wie aus der Pig. 5 hervorgeht, sind die an der Tragplatte 60 des Ständers befestigten Joche 66 dem Unwuchtausgleichsring 22 des Xäufers 10 zugekehrt. Die Ströme, die von dem von den Jochen erzeugten Feld in dem Ring 22 induziert werden, erzeugen ein Gegenmagnetfeld, das eine Abstoßung zwischen den Jochen und dem Ring bewirkt. Die Abstoßungskraft ist von der Stromaufnahme des Ständers abhängig, weil das von den Jochen 66 erzeugte Feld von dem Strom in den Ständerwicklungen abhängig ist. Da sowohl die elektromagnetische als auch die elektrodynamische Kraft der Stromstärke proportional sind, kompensieren sich die Kräfte unabhängig von der Stromaufnahme des Motors„
Wenn sich der Motor in dem in Fig. 5 gezeigten betriebsfähigen 'Zustand befindet und der Ständerkern beispielsweise zum Austausch, zur Reinigung oder Instandsetzung aus dem Motor ausgebaut werden soll, kann dies auf sehr einfache Weise von ungeschältem personal ausgeführt werden. Man braucht nur ale Schrauben 80 herauszuschrauben, worauf die Tragplatte 60 und der Ständerkern als Ganzes rückwärts aus dem Tragring 72 herausgenommen werden können. Der gereinigte oder geprüfte Kern oder ein Austauschkern kann in der entgegengesetzten Weise eingesetzt werden und wird automatisch in der richtigen Stellung festgelegt. Wenn der Ständerkern durchgebrannt ist und ausgetauscht werden muß oder wenn ein neuer Kern mit einer anderen Polzahl eingebaut werden soll, damit der Motor mit einer anderen Drehzahl läuft, und der neue Kern verfügbar ist, ist für diesen Austausch nur eine Stillstandszeit des Motors von insgesamt 2 oder 3 min erforderlich. Der Austausch-
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kern kann entweder auf einer neuen Tragplatte montiert sein und zusammen mit dieser eingebaut werden oder man kann zum Herabsetzen der Ersatzteilkosten den alten Kern von seiner Tragplatte abnehmen und durch den neuen ersetzen, indem man einfach die Schrauben 62 heraus- und wieder einschraubt.
Der Ständerkern kann somit schnell und leicht ausgetauscht werden, ohne daß ein Gehäuse auseinandergenommen und/oder verändert zu werden braucht. Die Einrichtung zum Lösen des Kerns, d.h. die Schrauben 80, und ihre Verwendung sind auch für eine ungeschulte Arbeitskraft ohne weiteres erkennbar.
Der läufer 10 rotiert in freier luft, und luft kann die Ständerwicklungen frei umstreichen. Es ist kein Gehäuse vorhanden, das die Luftumwälzung behindern und dadurch zu einer starken Erwärmung führen würde. Infolgedessen arbeitet der Motor bei einer angemessenen niedrigen Temperatur. In manchen Fällen kommt man ohne die Kühlgebläseschaufeln aus, da= der Motor auch ohne· Fremdkühlung einwandfrei arbeitet.
Figo 6 zeigt eine andere Ausführung des Ständers und seiner Trageinrichtung. Die Trageinrichtung besitzt ebenso wie die vorstehend beschriebene einen kreisförmigen Tragring 72', der auf einer flachen Grundplatte 74' montiert ist. Man kann daher auch die abgeänderte Trageinrichtung in der in Fig. 5 gezeigten Weise einbauen. Die abgeänderte Trageinrichtung ist jedoch mit einer abgeänderten Befestigungseinrichtung versehen. Diese umfaßt vier Stützen 100, die aus kurzen Stahlrohrstücken hergestellt sind und sich in der Axialrichtung des Ständerkerns und des Tragrings erstrecken und am Außenumfang des Tragrings angeschweißt sind. In dieser Ausführungsform kann der Tragring 72' an einer Fläche befestigt werden, die zu der Achse des Tragrings rechtwinklig ist, z.B. direkt an dem Gehäuse einer Belastungseinrichtung, wie dies in Figo 7 gezeigt ist.
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In diesem Fall führt man Schrauben 102 durch die Stützen. 100 und schraubt sie in Gewindelöcher 104 in der Fläche ein. Bei Verwendung dieser Befestigungseinrichtung kann es zweckmäßig oder notwendig sein, den läufer auf der Außenseite der Trageinrichtung zu montieren, wie dies in Figo 7 gezeigt ist. In diesem Fall muß natürlich der Innendurchmesser des ringförmigen Ständerkerns so groß sein, daß die inneren der die Polteilungen überbrückenden Teile der Standerwirkung die Welle der Belastungseinrichtung nicht berühren. Selbst wenn der Läufer 10 auf der Außenseite der Trageinrichtung für den Ständer montiert ist, wie dies gezeigt ist, kann man den Ständerkern auf einfache Weise austauschen. Der einzige zusätzliche Arbeitsvorgang ist der einfache Ausbau und Wiedereinbau des Läufers 10. Wenn jedoch die Fläche, an welcher der Tragring 72' befestigt ist, eine Vertiefung zur Aufnahme des Läufers 10 besitzt, kann dieser ähnlich wie in der Ausführungsform gemäß Fig. 5 auch auf der Innenseite der Trageinrichtung für den Ständer angeordnet werden.
In der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform kann die Grundplatte 74· entfallen. Gemäß Figo 7 kann diese Ausführungsform nur mit der die Stutzen 100 aufweisenden Befestigungseinrichtung versehen sein.
Fig. 6 zeigt ferner eine andere Art der Befestigung des Ständers an seiner Trageinrichtung. Diese andere Befestigungsart wird nur der Einfachheit halber anhand der Fig. 6 beschrieben und kann auch in der in Fig. 3 und 4 gezeigten Ständertrageinrichtung anstatt der dort beschriebenen Mittel verwendet werden.
In dieser Ausführungsform entfällt die Tragplatte 60 und ist der Ständerkern mit radialen Gewindelöchern 106 versehen.
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Schrauben 80' durchsetzen. Übermaßlöeher in dem kreisförmigen Tragring 72' und sind in den Gewindelöchern 106 eingeschraubt, so daß der Ständer in dem Tragring 72' sozusagen aufgehängt ist. Natürlich muß zwischen dem Außenumfang des Kerns und dem innenumfang des Tragrings 72' genügend platz für die äußeren der die Polteilungen überbrückenden Teile der Ständerwicklungen vorhanden sein.
Fig. 8 zeigt schematisch eine abgeänderte Ausführungsform, in der zwei gleiche Ständer 110, 112 einen einzigen Läufer 114 antreiben, der auf einer Welle 116 befestigt ist. Die beiden Ständer können in der vorstehend beschriebenen Weise gegenüber dem Läufer festgelegt werden. Auch in der Ausführungsform gemäß Fig. 8 können die Ständerwicklungen mit seinen Wicklungen in der vorstehend beschriebenen einfachen Weise eingebaut und ausgetauscht werden. Zum Ausbau der Ständerwicklungen wird zunächst in der vorstehend beschriebenen V/eise der Ständer 112 ausgebaut. Dann kann der Läufer gelöst und durch die Trageinrichtung für den Ständer 112 hindurch herausgezogen werden. Darauf kann der Kern des Ständers 110 in derselben Weise gelöst und herausgezogen werden.
Die in Fig. 9 gezeigte Ausführungsform stellt eine Umkehrung der Ausführungsform gemäß Fig. 8 dar. Zwei Läufer 120, sind auf einer Welle 124 befestigt und werden von einem einzigen doppelseitigen Ständer 126 angetrieben. Der doppelseitige Ständer ist auf beiden Stirnflächen seines Kerns mit Wicklungsnuten und Wicklungen versehen. Diese Ausführungsform hat einen höheren Wirkungsgrad als die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen mit einseitigem Ständer, weil der Motor die doppelte Stromaufnahme hat. Wie vorstehend erwähnt wurde, können in der Ausführungsform gemäß Fig. die Wicklungen so angeordnet werden, daß viel Kupfer eingespart wird. Dies wird durch die Kombination der beiden
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Λ*.
Wicklungen ermöglicht. Eine Wicklung, die aus einer NuI; in der einen Stirnfläche am Außenumfang herausgeführt ist, wird nicht wie in Fig. 3 um einen großen Teil des Umfangs des Kerns geführt, sondern axial über den Außenumfang des Kerns und dann in eine Hut auf der anderen Stirnfläche des Kerns geführt. Wie vorstehend erläutert wurde, führt eine derartige Wicklungsanordnung zu einer großen Kupfereinsparung und damit zu einer beträchtlichen Herabsetzung der Herstellungskosten des Ständerkerns .
In beiden in Pig. 8 und 9 gezeigten Ausführungsformen müssen natürlich die Wicklungen des Ständers oder des Läufers so angeordnet werden, daß die erzeugten Drehmomente in demselben Sinn auf die Welle einwirken. In der vorstehend anhand der Fig. 9 beschriebenen, besonders vorteilhaften Wicklungsanordnung, in der jeder radial aus einer Nut in einer Stirnfläche herausgeführte Leiter unmittelbar darauf in einer Nut in der anderen Stirnfläche einwärtsgeführt ist, fließt der Strom in den in den Nuten befindlichen Wicklungsteilen auf beiden Seiten des Ständers in jedem Augenblick in einander entgegengesetzten radialen Richtungen, so daß sich die rotierenden Magnetfelder bei Betrachtung von den entsprechenden Seiten des Ständers in einander entgegengesetzten Richtungen und bei Betrachtung von einer Seite des Ständers in ein und derselben Richtung drehen und daher auf den Läufer gleichsinnige Drehmomente ausübenο
Die in den Figuren 8 und 9 gezeigten Ausführungsformen können unbegrenzt sandwichartig vervielfacht werden, wodurch auch die Ausgangsleistung des Motors unbegrenzt erhöht werden kann, ohne daß die Radialabmessung der Gesamtanordnung oder die auf ihre Teile ausgeübte Fliehkraft vergrößert wird.
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- ie -• ft.
Im Rahmen der Erfindung können die verschiedenen vorstehend beschriebenen Teile und Merkmale des Motors auf verschiedene Weise abgeändert werden. Beispielsweise brauchen die Kurzschlußringe und die Läuferstäbe des Läufers nicht in einem Schleudergießvorgang einstückig ausgebildet zu werden. Die Kurzschlußringe können eigene Teile bilden, die beispielsweise durch Wärmeschrumpfung an dem Kern befestigt sind, und die Läuferstäbe können eigene Teile bilden, die anstatt in Bohrungen in Nuten in der vorderen Stirnfläche des Kerns eingelegt und an ihren Enden durch Hartlöten mit den Kurzschlußringen verbunden werden.
Die Magnetjoche 66 und der Unwuchtausgleichsring 22, der mit den Jochen unter Erzeugung der elektrodynamischen Kraft zusammenwirkt, welche die elektromagnetische Anziehungskraft zwischen dem Läufer und Ständer kompensiert, können anders ausgebildet sein als in den beschriebenen Ausführungsformen. Beispielsweise kann man Joche in jeder zweckmäßigen Anzahl verwenden und die Joche hinsichtlich ihrer Erregung auf die Phasen verteilen, was besonders zweckmäßig sein kann, wenn der TJnwuchtausgleiGhsring nicht in sich geschlossen ist, sondern beispielsweise von den Kühlgebläseschaufeln selbst gebildet wird.
Die Joche 66 brauohen nicht wie dargestellt im Querschnitt kreisförmig zu sein, sondern können auch jeden anderen geeigneten Querschnitt haben. In manchen Fällen kann man einen in der Umfangsrichtung langgestreckten, beispielsweise sichelförmigen Querschnitt verwenden, besonders wenn der Unwuchtaus gleicher ing nicht in sich geschlossen ist, sondern von den Kühlgebläseschaufeln selbst gebildet wird. Die Joche können in der Umfangerichtung so lang sein, daß sie eine Anzahl der Schaufeln überbrücken, damit eine kontinuierliche Erzeugung der elektrodynamischen Abstoßungskraft gewährleistet wird.
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lüULen. nafoem. die ringförmigen Eerne des L Ständers n-Ieint die dargestellte „ aj^iakernd (lestalt* Bas ¥erliältml3 der radialen. Breite der Kerne zw Iiirem JliiBendureiimessser kann, ©ω "vrerklelBert werden·» iaJi die !erne MInge "wciim geriiaigeir^iraiiiaLLer1 Breite teleHem. Im. .üßaem Fall feajQiED. es 22weekmäSig SsSiBi1, weEtBi dlie Eerrte Bdlcfefe ans gewiel;el.-feem SpiisraOLem iDestekeii.« Im. eiaer derart; AxiSfSBiirTiii^sf©rim feaEEEE. maü. eiBsm MaBseisB. WirfeiBgs^rad^ eine gerijage JüFehzaML έεϊβΪ. eist gr©ßes BreBmtaneiorfe erzielem« Ba die ITeEaaiXeisi"fecEEcg des !!©üffirsi w&b. dem. E'läeisiejasiDiiai.'te der der Eeriae "fees^feiimiEfe vuird tiiiaid der Elä,cib:e)aiiMiiäal"fe
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Im den. wrsrfcelaeEcd IsesetarielieHLeja· AicSifultrtiEgatieisgieleB isir der laarfirer efeeEiss© amsgelildet wie die KiKgplmgsiiilftej. die Ufelielner-vieise ssmm. EEtüpelm eimer elefeferisesIiieE. HascMne mil; eiaier Welle ^erweHideli; wird« BaiLeir kaan. der IMxxEer ati£ ein faeke Weise amf eimer Welle manifeiert; werdeji» Iß. maacsinen. "fre— seüJideren. lnspendiaiEgsfalleiaL 'kamm. man. JedoeM den. laoifer elnrmit der Welle amsleildem ©der aecf andere Weise auf lefestigen. ©der lanm. der lämfer In. die anzM.izr'el'feejade Ee-
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lelieben
¥örsteliieHd vroirdeEE AiissfliliiniEcgsbeispiele -ψ&η. liegend, aBgeordneten Ma-tcirem beselirieben» die eine BelastmngseiHriektiiong mit korizantEBJLer AntrJLelosweHe antreiben· ©er Motor kann aber aiieii, an iniEEiebswrellen angebaut werden» die vertikal oder gegen— •üiber der Moriisontalen rand ¥ertika!en geneigt sind.«

Claims (9)

DIPL.-ING. O. R. KRETZSCHMAR a Hamburg ι BEIM STROHHAUSE 34 PATENTANWALT O Q C C Ω Q 1 RUFO4O/2467W K/st - 5192
1. Februar 1977
Aktenzeichen : P 23 65 991.8
(Ausscheidung aus P 23 63 0750-32)
Anmelderin : Firma EDA (Overseas) Limited Anwaltsakte : 5192
Patentansprüche
1. Elektrischer Induktionsmotor mit einem mit der Abtriebswelle verbundenen Läufer, der einen ringförmigen Kern aus magnetischem Material und im wesentlichen radial zwischen zwei konzentrischen Kurzschlußringen verlaufende Läuferstäbe aufweist, und mit einem Ständer, der auf einem ringförmigen Kern aus magnetischem Material angeordnete Wicklungen trägt, wobei zwischen den einander zugekehrten Stirnflächen von Läufer und Ständer ein axialer Spalt vorhanden ist, gekennzeichnet durch mehrere gegenüber dem Ständer ortsfest angeordnete und von dem durch die Ständerwicklungen (56) fließenden Strom erregbare Elektromagnete (66, 70) und die Ausführung des Läufers (10) mit einem elektrisch leitenden, unmagnetischen Teil (20, 22), der im Betriebszustand des Motors den Elektromagneten {66, 70) zugekehrt ist, wobei im Betrieb zwischen dem Läufer (10) und dem Ständer eine elektrodynamische Abstoßungskraft erzeugbar ist, die der elektromagnetischen Anziehungskraft zwischen dem Läufer und dem Ständer entgegenwirkt.
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2. Induktionsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagneten Magnetjoche (66) besitzen, um die Polteilungen überbrückende Teile (68) der Ständerwicklungen (56) gewickelt sind. .
3. Induktionsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende, unmagnetische Teil (20, 22) des Läufers (10) am Außenumfang des Läuferkerns (12) angeordnet ist.
4. Induktionsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum lösbaren Befestigen des Ständerkerns (50) an einer Trageinrichtung eine Tragplatte (60) besitzt, die passend in dem Tragring (72) befestigt ist, und daß sich mehrere Magngtjoche (66) axial von jenem Teil der Tragplatte (60) weg erstrecken, der zwischen dem Außenumfang des Ständerkerns (50) und dem Tragring (72) angeordnet ist, und daß im betriebsfähigen Zustand des Motors die MagnetJoche (66) dem elektrisch leitenden, unmagnetischen Teil (22, 26) am Außenumfang des Läufers (10) zugekehrt sind.
5. Induktionsmotor nacfr Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende, unmagnetische Teil des Läufers (10) aus einem geschlossenen Ring (22) be* steht, der den Außenumfang des Läufers (10) vollständig umgibt und in einer zu der Achse des Läufers rechtwinkligen Ebene liegt.
6. Induktionsmotor nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende, unmagnetisehe Teil (22) des Läufers (10) mit dem äußeren Kurzschlußring (20) einstückig ausgeführt ist.
7 0 9 S 2 δ / Ö 0 ö f
7. Induktionsmotor nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Kühlgebläseschaufeln (26), die einstückig mit dem elektrisch leitenden, unmagnetischen Teil (22) des Läufers (10) und dem äußeren Kurzschlußring (20) ausgeführt sind.
8. Induktionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche
1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in beiden Stirnflächen des Ständers (126) Wicklungen (56) in Nuten (52) angeordnet sind und sich von beiden Stirnflächen des Ständerkerns weg erstreckende Magnetfelder erzeugbar sind, und daß zweite, entsprechend ausgebildete Läufer (120, 122) vorgesehen sind, wobei die Stirnflächen des Ständerkerns einer Stirnfläche je eines der Läuferkerne zugekehrt und die Ständerwicklungen so angeordnet sind, daß die beiden Läufer in demselben Sinne umlaufen.
9. Induktionsmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die auf beiden Stirnflächen des Ständers (I26) angeordneten Wicklungen zusammen ausgebildet sind und die aus dem äußeren Ende jeder Nut austretenden Leiter sich im wesentlichen axial über den Außenumfang des Ständerkerns zu einer benachbarten Nut auf der anderen Seite des Kerns erstrecken.
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