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Die Erfindung betrifft ein Spaltrohr für einen Elektromotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Ein Elektromotor mit einem derartigen Spaltrohr ist aus der CH-PS 4 81 513 bekannt. Das bekannte Spaltrohr besteht aus einem ferromagnetischen Material, das anisotrop magnetisierbar ist. Angaben über die Art der ferromagnetischen Anisotropie, die Lage von weichmagnetischen und hartmagnetischen Richtungen sowie die Struktur des für das Spaltrohr verwendeten anisotropen ferromagnetischen Materials sind dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.
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Aus der Zeitschrift ETZ-A, Band 85, 1964, Heft 15, Seiten 454 bis 457, sind verschiedene Anwendungsmöglichkeiten von Würfeltexturblechen bekannt, bei denen die Gefügestruktur derart ausgerichtet ist, daß eine ausgeprägte magnetische Anisotropie erreicht wird.
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Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Spaltrohr für einen Elektromotor mit einem in einem Topf eingeschlossenen Läufer so weiterzubilden, daß der Streufluß des Elektromotors vermindert wird.
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Diese Aufgabe wird bei einem Spaltrohr der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird der Wirkungsgrad des Elektromotors dadurch verbessert, daß die Umfangsrichtung des Abdichtkörpers senkrecht zu den Statorschlitzen des Elektromotors in die hartmagnetische Richtung der Gefügestruktur der weichmagnetischen Metallplatte ausgerichtet wird und die Richtung der Normalen der Platte des Abdichttopfes in die weichmagnetische Richtung der Gefügestruktur der weichmagnetischen Metallplatte ausgerichtet wird, so daß der magnetische Fluß leicht längs der Richtung der Normalen der zylindrischen Abdichtplatte bei seinem Fluß vom Stator zum Rotor fließen kann.
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Weitere, die besondere Ausbildung des neuen Abdichttopfes betreffende Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Im einzelnen zeigt
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Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen abgedichteten Elektromotor, der einen neuen Abdichttopf benutzt,
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Fig. 2 eine einen Teil des neuen Abdichtkörpers zeigende Seitenansicht,
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Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht eines Teiles des abgewickelten Abdichtkörpers,
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Fig. 4 einen vergrößerten Längsschnitt eines Teiles des abgewickelten Rotors und Stators,
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Fig. 5 eine dreidimensionale Projektionsdarstellung eines raumzentrierten kubischen Metalles,
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Fig. 6 eine dreidimensionale Projektionsdarstellung eines flächenzentrierten kubischen Metalles,
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Fig. 7 eine dreidimensionale Projektionsdarstellungeines dichtgepackten hexagonalen Metalles,
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Fig. 8 eine herkömmliche dreidimensionale Projektionsdarstellung eines kubischen Kristalles,
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Fig. 9 eine Darstellung der Kennwertkurven eines abgedichteten Elektromotors bei Verwendung unterschiedlicher Abdichttöpfe,
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Fig. 10a eine dreidimensionale Projektionsdarstellung von Kristallen in Umfangsrichtung der zylindrischen Abdichtung, und
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Fig. 10b eine dreidimensionale Projektionsdarstellung von Kristallen in Richtung der Normalen des Abdichttopfes.
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In den Fig. 1 bis 4 weist ein abgedichteter Induktionsmotor 1 einen zylindrischen Abdichtkörper 2, einen Stator 3, eine Statorwicklung 4, einen Statorschlitz 5, einen Rotor 6, eine Drehachse 7 des Rotors 6 und einen Luftspalt 8 auf. Beide Enden des Abdichtkörpers 2 sind mit Flanschen versehen, die Lager zur Aufnahme der sich drehenden Achse 7 des Rotors 6 aufweisen. An einem Ende der sich drehenden Achse 7, die sich durch das Lager hindurch erstreckt, ist die Drehachse einer Pumpe oder eines Kompressors angebracht.
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Der zylindrische Abdichtkörper 2, der aus weichmagnetischen Metallplatten gefertigt ist, ist so angeordnet, daß seine hartmagnetische Richtung in der Richtung ausgerichtet ist, in der sich die Statorschlitze 5 des Motors erstrecken, d. h. in die Umfangsrichtung b, die senkrecht zur axialen Richtung a des Abdichtkörpers 2 verläuft, wie dieses in Fig. 2 gezeigt ist. Die weichmagnetische Richtung ist dagegen in der Richtung der Normalen c des Abdichtkörpers 2 ausgerichtet. Einige Beispiele von weichmagnetischen Metallplatten, die eine solche Gefügestruktur haben, sind nachfolgend aufgeführt: &udf53;vu10&udf54;&udf53;vz15&udf54; &udf53;vu10&udf54;
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Werden die Magneteigenschaften nach praktischen Gesichtspunkten ausgesucht, so sind Siliziumstahl-Platten das am besten geeignete Material für den Abdichtkopf. Da jedoch ein abgedichteter Elektromotor oftmals unter korrosionsgefährdenden Bedingungen eingesetzt wird, ist es günstiger, nichtkorrodierende ferritische Edelstahlplatten zu benutzen. Es ist besondes vorteilhaft, nichtkorrodierende weichmagnetische Metallplatten zu benutzen, deren magnetische Eigenschaften durch Hinzufügen von Silizium zu einem ferritischen Edelstahl verbessert sind. Permalloy mit einem flächenzentrierten kubischen Kristallgefüge, Kobalt mit einem hexagonalen Kristallgefüge extrem großer Anisotropie oder dgl. können ebenfalls benutzt werden.
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Nachfolgend wird die Funktion eines Abdichttopfes aus den zuvor erwähnten Abdichtmaterialien erläutert.
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Wird das sich drehende Magnetfeld durch die Spule 4, die in die Statorschlitze 5 des Motors 1 eingepaßt ist, erzeugt, so fließt der magnetische Fluß vom Stator 3 durch den zylindrischen Abdichtkörper 2 längs der Richtung (c) seiner Normale, dann durch den Luftspalt 8, den Rotor 6 und erneut durch den Luftspalt 8, den Abdichtkörper 2 und zurück zu dem Stator 3, wodurch die Drehung des Rotors 6 bewirkt wird. Der magnetische Fluß, der in eine Richtung senkrecht zur Drehachse 7, nämlich in die Umfangsrichtung b des zylindrischen Abdichtkörpers 2 fließt, ist ein nutzloser, jedoch nachteiliger Überbrückungsfluß im Gegensatz zu dem Hauptfluß, der in Richtung c der Normalen des zylindrischen Abdichtkörpers 2 fließt und dem Rotor 6 das Drehmoment erteilt. Dieser Überbrückungsfluß fließt bei dem neuen Abdichttopf in die hartmagnetische Richtung des Materials, das den Abdichtkörper 2 bildet, und wird daher stark vermindert.
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Die weichmagnetischen Achsen des Kristalles sind im wesentlichen ⟪110⟫ in einem raumzentrierten kubischen Kristallgefüge, ⟪111⟫ in einem flächenzentrierten kubischen Kristallgefüge und ⟪001⟫ in dem hexagonalen dichtgepackten Kristallgefüge. Jedoch selbst wenn die Achse ein wenig aus ihrer Richtung herausgeschwenkt wird, d. h. ⟪100⟫, ⟪111⟫ oder ⟪001⟫ in jedem Fall, wird die Magnetisierung der Kristalle niemals sehr schnell schwierig, sondern näherungsweise proportional zum Kosinus der Winkelverschiebung. Im Gegensatz dazu haben die hartmagnetischen Achsen ⟪110⟫ und ⟪111⟫ in dem raumzentrierten kubischen Kristallgefüge die Eigenschaft, daß die Schwierigkeit der Magnetisierung sehr schnell vermindert wird, wenn die Achsen nur ein bißchen aus der Lage ⟪110⟫ oder ⟪111⟫ nach ⟪100⟫ verschoben werden.
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Die weich- und hartmagnetischen Richtungen geben in diesen Fällen nicht immer die genauen kristallographischen Achsen an und insbesondere die hartmagnetische Richtung weist alle Richtungen auf, die ausreichend gegenüber der weichmagnetischen Achsenrichtung der Kristalle verschoben ist. Die Fig. 5 bis 7 zeigen die Bereiche, die die weich- und hartmagnetischen Richtungen in jedem Fall eines raumzentrierten kubischen Kristallgefüges, eines flächenzentrierten kubischen Kristallgefüges und eines hexagonalen dichtgepackten Kristallgefüges umfassen, wobei diese Bereiche auf den Ergebnissen von Eigenschaftsmessungen basieren und Eigenschaften angeben, die die den Abdichtkörper 2 bildenden Materialien aufweisen müssen.
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Nachfolgend wird ein Verfahren angegeben, mit dem festzustellen ist, ob die Gefügestruktur eines Materials, z. B. von Siliziumstahlplatten des raumzentrierten kubischen Gefüges für den Abdichtkörper 2 geeignet sein kann. Fig. 8 ist eine herkömmliche dreidimensionale Projektion eines kubischen Kristalles. Wenn kleine Kreise mit einem Radius von 35° entsprechend der Fig. 8 gezogen werden, wobei ihre Mittelpunkte auf die weichmagnetischen Achsen des Kristalles, wie ⟪001⟫, ⟪100⟫ und ⟪010⟫, gelegt werden, so entsprechen die Bereiche der Kreise den Bereichen der weichmagnetischen Richtung. Es wird angenommen, daß ein Punkt A in diesem Bereich die Richtung der Normalen des zylindrischen Abdichtkörpers 2 mit einer einzigen Gefügestruktur ist. Dann wird ein großer Kreis B, C, D, E, F, G mit dem Punkt A als seine Zonenachse gezogen. C, D, E und F geben Punkte an, an denen der große Kreis mit denen des Radius 35° sich schneidet. Wenn die Umfangsrichtung des zylindrischen Abdichtkörpes 2 zwischen C und D oder zwischen E und F auf dem Kreisbogen des großen Kreises liegt, ist eine Abdichtung mit ausgezeichneten Eigenschaften zu erwarten. Stärker bevorzugt ist, daß der Winkel zwischen C und D oder zwischen E und F größer ist. Wenn der große Kreis, der den zylindrischen Abdichtkörper 2 zeigt, so gewählt wird, daß er nicht sich mit dem Kreis schneidet, der die weichmagnetische Richtung angibt, so kann die erhaltene Analyse nur den Überbrückungsfluß in Betracht ziehen. Aus Fig. 8 ist daher zu erkennen, welche Art von Gefügestrukturen von Materialien für den Abdichtkörper 2 geeignet sind.
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Bei dem neuen Abdichttopf ist vorgesehen, daß der aus weichmagnetischen Metallplatten gefertigte zylindrische Abdichtkörper mit seiner hartmagnetischen Richtung in der Richtung senkrecht zu dem Statorschlitz des Motors ausgerichtet ist, so daß nach dem Einsetzen des Abdichtkörpes in den Luftspalt zwischen den Stator und den Rotor des Motors die Erzeugung eines Überbrückungsflusses, der in die Umfangsrichtung des Abdichtkörpes fließt, sehr schwierig ist, während der Abdichtkörper mit seiner weichmagnetischen Richtung in der Richtung seiner Normalen ausgerichtet ist, so daß die andererseits auftretende Vergrößerung des magnetischen Luftspaltes durch Einfühung des Abdichtkörpers in den Motor wieder vermindert ist, wodurch der Hauptfluß durch die Abdichtung unmittelbar verstärkt und damit eine Verschlechterung der Motoreigenschaften, die durch das Einsetzen des Abdichtkörpers bedingt sind, vermieden wird.
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Außerdem ist darauf hinzuweisen, daß Metallplatten mit einer solchen Gefügestruktur ausgezeichnete Anti-Korrosionseigenschaften haben. Dieses liegt daran, daß die Flächen normal zu den weichmagnetischen Richtungen eine hohe Atomdichte haben und chemisch sehr beständig sind. Da abgedichtete Elektromotoren oftmals unter korrodierenden Umgebungsbedingungen benutzt weden, ist diese ausgezeichnete Anti-Korrosionseigenschaft ein besonders vorteilhaftes Merkmal zusammen mit den ausgezeichneten magnetischen Eigenschaften. Der neue Abdichttopf kann daher auch ausgezeichnete Anti-Korrosionseigenschaften in gleicher Weise haben.
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Zusätzlich muß die Temperatur, bei der der Abdichtkörper benutzt wird, unterhalb des Curie-Punktes des Abdichtmaterials sein und es ist zu erwarten, daß je niedriger die Temperatur wird, um so höher die Magnetisierung wird, wobei Raumtemperatur in dieser Hinsicht tief genug ist.
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Die Eigenschaften eines abgedichteten Elektromotors, der den neuen Abdichttopf benutzt, werden nachfolgend erläutert. Für die Versuchsreihe wurde ein kleiner vierpoliger Dreiphasen- Induktionsmotor von 1,5 KW benutzt, der von Hitachi Ltd., Japan hergestellt ist und bei dem ein Zwischenraum zum Einsetzen einer zylindrischen Abdichtung durch Ausschneiden der äußeren Umfangsfläche des Rotors mit einem Radius von 475 mm um 0,4 mm geschaffen wurde. Die zylindrische Abdichtung wurde aus einer ebenen Platte bzw. einem ebenen Blech durch Verbinden seiner beiden Enden mit Hilfe einer Mikro-Plasma-Schweißmaschine hergestellt. Der Abdichttopf wurde in den Motor eingebracht und an dem Stator unter Benutzung von Hydrodruck befestigt.
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Die Eigenschaften des abgedichteten Motors, der Abdichttöpfe aus α-Eisen, wie Siliziumstahl od. dgl. benutzt, sind gezeigt. In dieser Versuchsreihe wurden die elektrischen Eigenschaften des abgedichteten Motors gemessen und auch die Gefügestrukturen der Abdichtungen durch Röntgenstrahlen-Beugung untersucht. Die elektrische Erprobung bestand aus einer Leichtlauf-Prüfung und einer Begrenzungs-Prüfung. Der durch die Motorwicklung fließende Strom, der Schlupfwinkel, der Leistungsfaktor und der Wirkungsgrad des Motors wurden mit Hilfe eines Kreisdiagrammes aus den elektrischen Eigenschaften errechnet, die bei dem elektrischen Versuch erhalten wurden.
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Als Beispiel sind die Wirkungsgrade von Motoren, die die Gesamteigenschaften eines Motors angeben, in Fig. 9 gezeigt. In Fig. 9 wurden die Werte so korrigiert, um die Eigenschaften von Motoren zu zeigen, die jeweils eine Abdichtung von 0,4 mm Dicke haben, um den Vergleich zu erleichtern, da die tatsächlich in den abgedichteten Motoren benutzten Abdichtungen 0,3 bis 0,4 mm Dicke hatten.
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In Fig. 9 gibt S eine Kurve für einen Fall an, bei dem ein austenitischer Edelstahl als Abdichtmaterial benutzt wurde, was den Eigenschaften eines herkömmlichen abgedichteten Motors entspricht. T 1 zeigt eine Kurve für einen Fall, bei dem ein 3%- Siliziumstahl mit einer Gefügestruktur benutzt wurde, bei der die Umfangsrichtung der Abdichtung etwa {110} ist. T 2 zeigt eine Kurve für einen Fall, bei dem ein 3%-Siliziumstahl mit einer Gefügestruktur benutzt wurde, bei der die Umfangsrichtung etwa ⟪110⟫ ist.
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U und V zeigen Kurven von Fällen, bei denen jeweils ein 3%- Siliziumstahl mit einer Gefügestruktur benutzt wurden, die von der der Kurven T 1 oder T 2 verschieden ist.
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Fig. 10(a) zeigt eine Gefügestruktur in einer Umfangsrichtung der Abdichtung und Fig. 10(b) zeigt eine Gefügestruktur in der Richtung der Normalen der Abdichtung. Die Richtung der Normalen der Abdichtung von T 1 oder T 2 ist die hartmagnetische Richtung, da sie nahe ⟪110⟫ liegt. Jedoch hat T 2 eine ausgezeichnete Eigenschaft, da die Umfangsrichtung der Abdichtung die weichmagnetische Richtung ist, verglichen mit T 1, bei der die Umfangsrichtung die hartmagnetische Richtung ist. U liegt in seinen Eigenschaften zwischen T 1 und T 2, da die Richtung der Normalen von U ⟪111⟫ und die hartmagnetische Richtung ist, jedoch die Umfangsrichtung sich nahe der Grenze des weichmagnetischen Bereiches und des hartmagnetischen Bereiches befindet.
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V hat die günstigsten Eigenschaften, da die Abdichtung aus Siliziumstahl hergestellt ist und die Umfangsrichtung ⟪011⟫ und die hartmagnetische Richtung sowie die Richtung der Normalen ⟪100⟫ und die weichmagnetische Richtung sind.
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Die gleichen Ergebnisse wurden auch bei ferritischen Edelstählen od. dgl. beobachtet.
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Die Fig. 10(a) und 10(b) zeigen bevorzugte Bereiche der Umfangsrichtung und der Richtung der Normalen eines Abdichttopfes für einen abgedichteten Elektromotor.