DE3837094C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Motor, bei dem supralei­ tende Materialien verwendet werden, und insbesondere einen Motor, der mit einer Kühleinrichtung versehen ist.

Bei dem herkömmlichen Induktionsmotor mit Kurzschluß­ läufer-Käfig ist ein eine Kurzschlußschleife bildender Kurzschluß in einem Kurzschlußläufer-Käfigrotor mit mehreren Stableitern ausgebildet, die durch zwei kreis­ förmige Leiter kurzgeschlossen sind, welche einander an ihren beiden Enden gegenüberliegen und zum Erzeugen eines Drehmoments durch eine elektromagnetische Induk­ tion von einer Statorseite mit Strom versorgt werden. Folglich rotiert der Kurzschlußläufer-Käfigrotor mit einer Drehzahl, die geringfügig kleiner ist als die­ jenige des durch den Stator erzeugten Drehmagnetfeldes.

Bei einem Synchronmotor wird ein Drehmagnetfeld durch einen Stator erzeugt, der demjenigen in einem Induk­ tionsmotor gleicht. Beim Anlaufen wird ein Rotor im Prinzip auf gleiche Weise wie der Rotor in dem Induk­ tionsmotor gedreht, um den Synchronmotor in Gang zu setzen, und anschließend wird der Rotor (das Magnet­ feld) durch einen Gleichstrom erregt, so daß der Rotor mit der gleichen Drehzahl gedreht wird wie diejenige des durch den Stator erzeugten Drehmagnetfeldes, d. h. synchron.

Fig. 1 ist ein Schnitt in einer durch die Drehachse hindurchgehenden Ebene und zeigt den Aufbau des be­ schriebenen herkömmlichen Kurzschlußläufer-Käfigrotors.

Fig. 2 ist eine Teilansicht einer Abwicklung in Dreh­ richtung entlang der Linie II-II in Fig. 1; und

Fig. 3 ist eine geschnittene Teilansicht rechtwinklig zur Drehachse und zeigt den Aufbau eines Eisenkerns.

Ein Eisenkern 1 ist aus einer großen Anzahl aufeinan­ dergestapelter elektromagnetischer Stahlbahnen oder zylindrisch aus Gußstahl gebildet.

Der Eisenkern 1 ist von seinen beiden Seiten und in einer Axialrichtung des Eisenkerns 1 durch zwei Klemmen 3 fest an einer Motorwelle 6 montiert, so daß die Mit­ telachse des Eisenkerns mit der Mittelachse der Motor­ welle 6 übereinstimmt.

Mehrere Nuten 2 sind durch Stanzen oder spanabheben­ de Bearbeitung in einer Richtung längs der Mittelachse des Eisenkerns 1 so ausgebildet, daß sie durch den Eisenkern 1 verlaufen, wie Fig. 2 zeigt, die ein Schnitt rechtwinklig zur Mittelachse ist.

In die jeweiligen Nuten 2 sind Stäbe 4 eingeführt, die aus Metall-Leitern bestehen, welche beispielsweise aus Kupfer, Aluminium oder Legierungen dieser Materia­ lien o. dgl. gefertigt sind. Stirnringe (kreisförmige Leiter) 5 aus metallischen Leitern, welche den Stäben 4 ähnlich ausgebildet sind, sind durch Löten oder Schwei­ ßen mit beiden Enden der jeweiligen Stäbe 4 verbunden, um einen elektrischen Kurzschluß zu erzeugen; dadurch wird der Kurzschlußläufer-Käfigrotor (Sekundärkreis) des Induktionsmotors gebildet.

Bei dem Induktionsmotor mit dem auf diese Weise aufge­ bauten herkömmlichen Kurzschlußläufer-Käfigrotor weist der Kurzschlußläufer-Käfigrotor einen Widerstand auf, so daß gemäß Fig. 4(1), welche Drehmoment-Charakteri­ stiken zeigt, im Falle einer Spannungszufuhr der In­ duktionsmotor beim Überwinden einer Last gestartet und schrittweise bis zur Drehzahl nahe an der Synchrondreh­ zahl beschleunigt wird, und dann in ausgeglichenem Zu­ stand mit dem Lastdrehmoment gedreht wird. Dabei wird der Schlupf so gehalten, daß die Drehzahl geringfügig kleiner sein kann als die Synchrondrehzahl, indem ver­ schiedene Arten von Faktoren derart vorgesehen werden, daß sich ein Anlaufdrehmoment erzeugen läßt, welches größer ist als das Lastdrehmoment (4).

Generell wird bei dem Motor zur Verbesserung der An­ laufeigenschaften der Sekundärwiderstand vergrößert; aber wenn die Abmessungen des Leiters vergrößert wer­ den, wird die Wärmekapazität erhöht. Jedoch ist bisher bei dem Induktionsmotor, in dem der Kurzschlußläufer- Käfigrotor in der beschriebenen Weise verwendet wird, der als Sekundärwiderstand verwendete Widerstand des Kurzschlußläufer-Käfigrotors nicht veränderbar. Folg­ lich ergibt sich das Problem, daß, falls der Kurz­ schlußläufer-Käfigrotor große Abmessungen hat und sein Widerstand festgelegt ist, ein Stromverlust, der dem großen Sekundärwiderstand proportional ist, auch bei dem mit konstanter Drehzahl erfolgenden Antrieb nach Beendigung des Anlaufens auftritt, so daß der Wirkungs­ grad des Antriebs merklich verringert wird.

Andererseits ist der Synchronmotor vorteilhaft vom Standpunkt des Wirkungsgrades und des Leistungsfaktors während des Betriebs nach dem Anlaufen des Motors, aber Probleme treten insofern auf, als die Feldspule iso­ liert werden muß, der Aufbau aufgrund dieser Bedingung kompliziert ist und zudem Dämpfungswicklungen erforder­ lich sind, um die beim Induktionsmotor vorhandene An­ laufstabilität und Übergangsstabilität zu erzielen, wodurch der Leiter nicht derart große Abmessungen an­ nehmen kann wie der Kurzschlußläufer-Käfigrotor des üblichen Induktionsmotors. Zudem ist das Anlaufdreh­ moment begrenzt.

Die Erfindung soll die beschriebenen Probleme lösen. Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Motor zu schaffen, der einen hohen Wirkungsgrad aufweist, wobei beim An­ laufen der Widerstand des Kurzschlußläufer-Käfigrotors eines Sekundärwiderstandes wie bei einem Induktions­ motor erhöht wird und nach dem Anlaufen der Widerstand von Feldspulen wie bei einem Synchronmotor auf null eingestellt wird.

Die Erfindung schafft ferner einen Motor, der eine Kühleinrichtung zum Kühlen der in ihm verwandten supra­ leitenden Materialien aufweist.

Bei dem erfindungsgemäßen Motor ist ein Kurzschluß­ läufer-Käfigrotor aus hohlen oder genuteten Stirnringen und Stäben gebildet, die beide mit supraleitenden Mate­ rialien gefüllt sind, und Schleifenleitungen, deren Anzahl der Polzahl gleicht, sind durch die supralei­ tenden Materialien, welche in die beiden Stäbe und die beiden Stirnringe gefüllt sind, symmetrisch in bezug auf die Mittellinie eines Magnetfeldes ausgebildet. Bei dem erfindungsgemäßen Motor werden Anlaufcharakteristi­ ken erreicht, die denjenigen des Induktionsmotors glei­ chen, welcher mit einem aus den üblichen Leitern gebil­ deten Kurzschlußläufer-Käfigrotor arbeitet, indem der beschriebene Aufbau verwendet wird und der Motor unter Raumtemperaturbedingungen anlaufen kann. Da ein perma­ nenter Gleichstrom durch die aus den supraleitenden Materialien bestehenden Feldspulen fließt, läuft fer­ ner, indem der Rotor nach dem Anlaufen auf Temperaturen unterhalb der kritischen Temperatur des supraleitenden Materials gekühlt wird, der Motor wie ein hocheffi­ zienter Synchronmotor. Zudem ist der erfindungsgemäße Motor mit einer Kühleinrichtung zum Kühlen des Motors versehen.

Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt in einer durch die Drehachse des herkömmlichen Kurzschlußläufer-Käfigrotors eines Induktionsmotors hindurchgehenden Ebene,

Fig. 2 eine Teilansicht einer Abwicklung in Drehrich­ tung des herkömmlichen Kurzschlußläufer-Käfig­ rotors;

Fig. 3 eine geschnittene Teilansicht rechtwinklig zur Drehachse des herkömmlichen Kurzschlußläufer- Käfigrotors,

Fig. 4 ein Schaubild der Drehmoment-Geschwindigkeit- Charakteristiken des erfindungsgemäßen Motors und des herkömmlichen Induktionsmotors mit Kurzschlußläuferkäfig,

Fig. 5 einen Schnitt längs einer Ebene durch die Dreh­ achse des Kurzschlußläufer-Käfigrotors des erfindungsgemäßen Motors,

Fig. 6 eine Teilansicht einer Abwicklung in Drehrich­ tung des Kurzschlußläufer-Käfigrotors;

Fig. 7 eine geschnittene Teilansicht in einer Rich­ tung im rechten Winkel zur Drehachse des Kurz­ schlußläufer-Käfigrotors,

Fig. 8 eine Frontansicht des Aufbaus eines Stirnrings;

Fig. 9 eine schematische Schnittansicht des Aufbaus einer ersten Ausführungsform des Motors; und

Fig. 10 eine schematische Schnittansicht des Aufbaus einer zweiten Ausführungsform des Motors.

Im folgenden wird die erste Ausführungsform detailliert beschrieben.

Fig. 5 ist ein Schnitt längs einer Ebene durch die Drehachse des Kurzschlußläufer-Käfigrotors und zeigt einen Teil des Aufbaus des Motors;

Fig. 6 ist eine abgewickelte Teilansicht entlang der Drehrichtung aus Richtung der Linie VI-VI von Fig. 5;

Fig. 7 ist eine geschnittene Teilansicht in einer Rich­ tung rechtwinklig zur Drehachse und zeigt den Aufbau des Eisenkerns; und

Fig. 8 ist eine Frontansicht in Richtung der Drehachse und zeigt einen Stirnring.

Die in Fig. 5 gezeigte Schnittansicht des Motors ist an der Linie V-V in Fig. 6 angesetzt.

Ein Eisenkern 1 besteht aus einer großen Anzahl aufein­ andergestapelter elektromagnetischer Stahlbleche oder ist zylindrisch aus Gußstahl oder dgl. gebildet.

Der Eisenkern 1 ist von seinen beiden Seiten in einer Axialrichtung durch Klemmen 3 fest an einer Motorwelle 6 montiert, so daß die Mittelachse des Eisenkerns iden­ tisch mit der Mittelachse der Motorwelle 6 ist.

Mehrere Nuten 2 sind durch Stanzen oder spanabheben­ de Bearbeitung in einer Richtung längs der Mittelachse des Eisenkerns 1 so ausgebildet, daß sie durch den Eisenkern 1 verlaufen, wie Fig. 7 zeigt, die ein Schnitt rechtwinklig zur Mittelachse ist.

In jeden der Nuten 2 ist ein Stab 4 eingeführt, der aus einem Metall-Leiter hergestellt ist, welcher aus Kupfer, Aluminium oder Legierungen dieser Materialien o. dgl. besteht. Stirnringe (kreisförmige Leiter) 5, die aus den Stäben 4 gleichenden Metall-Leitern beste­ hen, sind durch Löten oder Schweißen derart mit beiden Enden der jeweiligen Stäbe 4 verbunden, daß sie einen elektrischen Kurzschluß erzeugen; auf diese Weise wird der Kurzschlußläufer-Käfigrotor (Sekundärkreis) gebil­ det, wie er generell für einen Induktionsmotor verwen­ det wird.

Wie Fig. 7 zeigt, sind in dem Motor ein Teil mehrerer Stäbe 4 als Hohlkörper ausgebildet, und die Hohlräume 10 sind mit einem supraleitenden Material 13 gefüllt, etwa Keramikmaterialien aus einem Y-Ba-Cu-O-Derivat mit einer kritischen Temperatur von 90 bis 100°K.

Zudem sind, wie Fig. 8 zeigt, Nuten 11, 12 in beiden Stirnringen 5 an gegenüberliegenden Flächen der Stirn­ ringe ausgebildet, d.h. an Flächen, an denen gemäß Fig. 5 die jeweiligen Stäbe 4 montiert sind, und supra­ leitende Materialien 13, die den in die Hohlräume 10 der Stäbe 4 gefüllten Materialien gleichen, sind in die Nuten 11, 12 gefüllt. Die in die Hohlräume 10 der je­ weiligen Stäbe 4 gefüllten supraleitenden Materialien 13 und die in die Nuten 11, 12 beider Stirnringe 5 ge­ füllten supraleitenden Materialien 13 bilden eine Schleifenleitung, indem sie jeweilige Punkte A und je­ weilige Punkte B in der Nut 11 beider Stirnringe 5 durch die Stäbe 4 miteinander elektrisch verbinden, wie Fig. 5 und 6 zeigen, wobei auch die Punkte C und D in der Nut 12 jeweils durch die Stäbe elektrisch mitein­ ander verbunden sind, um eine Schleifenleitung zu bil­ den.

Die jeweiligen Schleifenleitungen, die durch die supra­ leitenden Materialien 13 gebildet sind, sind in bezug auf die Mittellinie des Magnetpols des Kurzschluß­ läufer-Käfigrotors, die in Fig. 6 bis 8 durch CC ge­ zeigt ist, symmetrisch zueinander angeordnet.

Bei der Herstellung des derart aufgebauten Kurzschluß­ läufer-Käfigrotors werden die supraleitenden Materia­ lien 13 in die Hohlräume 10 und die Nuten 11, 12 der jeweiligen Stäbe 4 bzw. der jeweiligen Stirnringe 5 gefüllt, dann gebacken und in zylindrischer, käfig­ artiger Anordnung durch Schweißen oder Löten zusammen­ gefügt, so daß die supraleitenden Materialien elek­ trisch untereinander verbunden sind. Der Motor ist der­ art aufgebaut, daß die Schleifenleitung in Form von Feldspulen, die aus den supraleitenden Materialien 13 gebildet sind, in den Kurzschlußläufer-Käfigrotor in­ tegriert ist, welcher aus dem üblichen Leiter besteht.

Der Motor mit dem beschriebenen Aufbau arbeitet wie folgt:

Zuerst läuft der Motor bei Raumtemperatur an, d.h. in einer Atmosphäre, in der die kritische Temperatur der supraleitenden Materialien 13 oder eine höhere Tempera­ tur herrscht. Zu diesem Zeitpunkt befinden sich die supraleitenden Materialien 13 nicht im supraleitenden Zustand, sondern arbeiten in der gleichen Weise wie der Kurzschlußläufer-Käfigrotor des herkömmlichen Induk­ tionsmotors insgesamt als Rotor. Zu dieser Zeit weist der Sekundärwiderstand einen verhältnismäßig hohen Wert auf, der durch den Widerstand des Metall-Leiters be­ stimmt ist, welcher die Stäbe 4 und die Stirnringe 5 bildet.

Wenn folglich dem Stator des Motors eine Spannung zuge­ führt wird, arbeitet der Kurzschlußläufer-Käfigrotor als üblicher hochohmiger Kurzschlußläufer-Käfigrotor oder Tiefnutenrotor, so daß der Motor Drehmoment- Geschwindigkeit-Charakteristiken zeigt, die denjenigen des durch (1) in Fig. 4 gezeigten herkömmlichen Induk­ tionsmotors bei der Beschleunigung gleichen.

Wenn jedoch zu dem Zeitpunkt, zu dem die Beschleunigung nach dem Anlaufen beendet worden ist, der Rotor durch Verwendung eines Kühlmittels, etwa Flüssigstickstoff, allmählich abgekühlt wird, wird der Widerstand des Metall-Leiters, der die Stäbe 4 und die Stirnringe 5 bildet, allmählich verringert, so daß der Motor die durch (2) in Fig. 4 gezeigte Drehmoment-Geschwindig­ keit-Charakteristik aufweist.

Wenn der Kurzschlußläufer-Käfigrotor weiter bis auf die kritische Temperatur des supraleitenden Materials 13 oder darunter abgekühlt wird, ändert sich der Zustand des supraleitenden Materials 13 in den supraleitenden Zustand, so daß der Widerstand des supraleitenden Ma­ terials 13 null wird, und gleichzeitig beginnt ein per­ manenter Gleichstrom als synchroner Eingangsstrom durch die jeweiligen Schleifenleitungen zu fließen, welche aus den in die beiden Stirnringe 5 und die beiden Stäbe 4 gefüllten supraleitenden Materialien 13 bestehen. Anschließend arbeiten diese Schleifenleitungen als die Feldspulen des Synchronmotors, so daß die Arbeitsweise als Synchronmotor ermöglicht wird und die durch (3) in Fig. 4 gezeigte Drehmoment-Geschwindigkeit-Charakteri­ stik erzielt wird.

Der den Kurzschlußläufer-Käfigrotor bildende Metall- Leiter hat nicht nur die Funktion als Halteteil des supraleitenden Materials 13, sondern erfüllt auch die Funktion von Dämpfungswicklungen, während der Motor als Synchronmotor läuft, so daß die Übergangsstabilität auch bei der Verwendung als Synchronmotor verbessert wird.

Obwohl die Schleifenleitung bei der bevorzugten Ausfüh­ rungsform dadurch gebildet ist, daß lediglich ein Teil mehrerer Stäbe 4 einer Gruppe von Stableitern hohl aus­ gebildet ist und die Hohlräume 10 mit dem supraleiten­ den Material 13 gefüllt sind, lassen sich, wenn auch weitere Stäbe 4 hohl sind und mit dem supraleitenden Material 13 gefüllt werden, die Eigenschaften bei der Arbeitsweise als Induktionsmotor beim Anlaufen verbes­ sern. Insbesondere kann der Sekundärwiderstand kompen­ siert werden.

Für den Betrieb des Motors wird eine Kühleinrichtung benötigt. Im folgenden wird ein Motor mit Kühleinrich­ tung erläutert.

Fig. 9 ist ein schematischer Schnitt einer ersten Aus­ führungsform des Motors.

In Fig. 9 ist der beschriebene Motor mit 20 bezeichnet. Bei der hier erläuterten Ausführungsform ist der Motor 20 hermetisch gekapselt, d.h. sein Gehäuse 21 ist ab­ gedichtet. Das Gehäuse 21 weist ein Auslaßrohr 35 und ein Kühlmittelzuführrohr 31 auf, wobei das Auslaßrohr 35 und das Kühlmittelzuführrohr 31 über ein Gebläse 33 und einen Wärmeaustauscher 32 zu einem Kreislauf mit dem Gehäuse 21 verbunden sind.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9 wird angenommen, daß ein sogenanntes Hochtemperatur-Supraleitmaterial mit einer kritischen Temperatur von beispielsweise 80°K oder mehr verwendet wird. Ein gasförmiges Kühl­ mittel, etwa Flüssigstickstoff, wird als Kühlmittel verwendet, und der Rotor wird auf die kritische Tem­ peratur oder darunter gekühlt, indem das Kühlmittel nach dem Anlaufen des Motors in das Gehäuse 21 einge­ bracht wird.

Fig. 10 ist ein schematischer Schnitt einer zweiten Ausführungsform des Motors.

Bei der zweiten Ausführungsform ist der Motor 20 ring­ förmig gekapselt. Dies bedeutet, daß eine nichtmagneti­ sche Stahlplatte 23 an der Innenseite des Stators 22 (an der dem Rotor zugewandten Seite) derart entlang­ läuft, daß sie zusammen mit dem Gehäuse 21 eine Kapsel bildet, die den Rotor 22 dicht umschließt. Ein Auslaß­ rohr 35 und ein Kühlmittelzuführrohr 31 sind mit der Kapsel verbunden, die durch das Gehäuse 21 und die nichtmagnetische Stahlwand 23 gebildet ist. Das Auslaß­ rohr 35 und das Kühlmittelzuführrohr 31 sind über einen Wärmeaustauscher 32 und eine Pumpe 34 zu einem Kreis­ lauf mit der Kapsel verbunden.

Bei der in Fig. 10 gezeigten Ausführungsform wird ein supraleitendes Material verwendet, dessen kritische Temperatur unter 80°K liegt. Es wird ein Kühlmittel, etwa Flüssigstickstoff, verwendet, und der Rotor wird auf die kritische Temperatur oder darunter gekühlt, indem das Kühlmittel in das Gehäuse 21 eingebracht wird.

Selbstverständlich läßt sich das gasförmige Kühlmittel auch bei der zweiten Ausführungsform verwenden.

Die supraleitenden Materialien können mit den üblichen Metall-Leitern beschichtet werden, so daß sie als Däm­ pfungswicklungen zur Verbesserung der Übergangsstabili­ tät beitragen können und sich zudem Verlust, Brechen und dgl. der supraleitenden Materialien auch dann ver­ meiden lassen, wenn verhältnismäßig zerbrechliche supraleitende Materialien verwendet werden.

Claims (8)

1. Motor mit einem Kurzschlußläufer-Käfigrotor, welcher mehrere Stableiter aufweist, die jeweils an ihren beiden Enden durch zwei einander gegenüberliegende kreisförmige Leiter kurzgeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor an den Stableitern (4) und den kreisförmigen Leitern (5) supraleitende Materialien (13) aufweist,
daß jeweils zwei Stableiter (4) mit beiden kreisförmigen Leitern (5) derart elektrisch verbunden sind, daß die supraleitenden Materialien in den jeweiligen Stableitern (4) und den kreisförmigen Leitern (5) Schleifenleitungen bilden, die in bezug auf die Mittellinie (CC) eines Magnetpols des Rotors symmetrisch sind und deren Anzahl gleich der Anzahl der Magnetpole ist,
und daß der Rotor mit einem Kühlfluid gekühlt ist.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor an den Stableitern (4) und den kreisförmigen Leitern (5) Räume (10, 11, 12) aufweist, in die die supraleitenden Materialien (13) gefüllt sind.

3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Räume Nuten (10, 11, 12) sind, die in den Stableitern (4) und den kreisförmigen Leitern (5) ausgebildet sind.

4. Motor nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Materialien Keramikmaterialien (13) aus einem Y-Ba-Cu-O-Derivat sind.

5. Motor nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ringförmig gekapselt ist.

6. Motor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor luftdicht gekapselt ist.

7. Motor nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlfluid ein gasförmiges Kühlmittel ist.

8. Motor nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlfluid ein flüssiges Kühlmittel ist.