Die Erfindung betrifft einen Elektromotor nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Elek
tromotor für Unterwasserantriebe und hohe Gasdrücke im Motorin
nenraum.
Der Elektromotor besitzt ein Motorgehäuse, vorzugsweise ein Mo
tor-Druckgehäuse, in dem ein Ständer eingebaut und ein Rotor
drehbar gelagert ist. Der Ständer besteht im allgemeinen aus
einem Ständerblechpaket und einer Ständerwicklung. An dem Motor-
Druckgehäuse ist ferner üblicherweise ein Anschlußkasten vorhan
den. Das Motor-Druckgehäuse ist vorzugsweise mit Gas gefüllt.
Insbesondere ist das Motor-Druckgehäuse mit Gas unter hohem
Druck gefüllt. Der Gasdruck kann zwischen 5 und 150 bar, aber
auch noch höher, liegen.
Für Unterwasseranlagen, z. B. zur Erdöl- und Erdgasförderung, be
sonders in großen Wassertiefen, werden Elektromotoren einge
setzt, die je nach Antriebskonzept mit einem flüssigen oder gas
förmigen Medium gefüllt sind. Das Motor-Druckgehäuse dieser An
triebe ist so konstruiert, daß es auch dem Druck in großen Was
sertiefen standhalten kann.
Ein Elektromotor der eingangs angegebenen Art ist aus der
DE 39 25 337 A1 bekannt.
Ein wesentlicher Nachteil bei dem vorbekannten, gasgefüllten
Motor besteht darin, daß die Rotor- und Lüfterkonstruktion für
die jeweiligen Kühlsysteme bei hohem Gasdruck im Motorinnenraum
hohe Reibungsverluste verursacht und dadurch die Motorverlust
wärme nicht ausreichend abgeführt werden kann.
Aus der DE 37 29 486 C1 ist ein Elektromotor bekannt, der mit
einem Kompressor in einem gemeinsamen Druckgehäuse eingebaut
ist. Das Druckgehäuse und der Motor sind gasgefüllt. Zur Motor
kühlung durchströmt das Gas den Motor und einen Ringkühler, der
das Gehäuse konzentrisch umgibt.
Aus der EP 02 97 274 und der älteren, nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung P 41 00 135.4-32 ist ein Elektromotor
bekannt, der zusammen mit der anzutreibenden Maschine in einem
wasserdicht gekapselten Gehäuse eingesetzt ist. Das Druckgehäuse
ist mit einem gasförmigen oder flüssigen Medium gefüllt. Dieses
Füllmedium umgibt den Motor, der wassergefüllt oder ölgefüllt
ist.
Obwohl die vorbekannten Motoren in bestimmten Einsatzgebieten
erfolgreich sind, sind sie in Bezug auf die hohen Reibungsverlu
ste sowie die aufwendigen Druckausgleichseinrichtungen und Kühl
systeme nicht zufriedenstellend.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ei
nen Elektromotor der eingangs angegebenen Art zu schaffen, bei
dem die anfallende Verlustwärme geringer ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Der Elektromo
tor besitzt eine Kapsel, die die Rotorstäbe umschließt. Die Kap
sel kann antriebsseitig und/oder nebenseitig angeordnet sein.
Durch die Kapsel werden die Rotorstäbe abgedeckt. Diese Rotor
stäbe wirken ohne Abdeckung wie ein Ventilator. Durch die durch
die Kapsel bewirkte Abdeckung wird diese Wirkung verhindert. Die
anfallende Verlustwärme wird dadurch erheblich reduziert. Da
durch, daß die Kapsel die Rotorstäbe umschließt, kann der im
vorzugsweise verdichteten Gas drehende Rotor keine schädliche
Reibungswärme erzeugen. Ferner können die Rotorstäbe keinen Gas
strom erzeugen und damit auch keine Druckerhöhung verursachen.
Die Kühlung des Unterwassermotors - hierzu wird die niedrige Tem
peratur des Wassers genutzt - erfolgt durch Wärmeleitung. Da we
sentlich weniger Verlustwärme erzeugt wird, werden kein Kühlwas
serstrom an der Motoroberfläche und kein Kühlkreislauf im Motor
innenraum und damit auch keine Kühlkanäle im Motor und keine
Kühlrippen und Kühlrohre oder andere Wärmetauscher am Motordruck
gehäuse benötigt. Die Konstruktion des Motors und des Druckgehäu
ses wird einfacher und zuverlässiger durch die Art der Kühlung
durch die Rotorausführung und die Ständerpaketanordnung.
Durch den erfindungsgemäßen Elektromotor wird sichergestellt,
daß auch bei hohen Motorinnendrücken - von 5 bis 150 bar und
höher - die durch den drehenden Rotor entstehenden Gasreibungs
verluste ausreichend niedrig bleiben, so daß sich der Elektro
motor nicht überhitzt. Der erfindungsgemäße Elektromotor ist
damit als gasgefüllter Elektromotor besonders geeignet als Un
terwassermotor für hohe Motorinnendrücke.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen be
schrieben.
Vorteilhaft ist es, wenn die Kapsel die Kurzschlußringe an
triebsseitig und/oder nebenseitig umschließt. Hierdurch wird die
Wirkung der Kapsel weiter verbessert. Die Erzeugung von schädli
cher Reibungswärme wird weiter vermindert, so daß die anfallende
Verlustwärme noch geringer ist.
Vorzugsweise schließt die Kapsel an den Läuferendblechen ab.
Auch hierdurch wird die reibungsvermindernde Wirkung der Kapsel
weiter verbessert. Insbesondere wird hierdurch auch die Läufer
druckplatte an ihrem Außenumfang abgedeckt. Die Rotorstäbe
durchsetzen diese Läuferdruckplatte. Um dies zu ermöglichen, ist
die Läuferdruckplatte im allgemeinen an ihrem äußeren Umfang ge
schlitzt, wobei für jeden Rotorstab ein Schlitz vorhanden ist.
Die Schlitze erzeugen bei der Rotordrehung Verlustwärme. Wenn
die Kapsel die Läuferdruckplatte überdeckt, wird diese Verlust
wärme vermieden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung schließt die
Kapsel auf der Welle ab. Auch hierdurch wird die anfallende Ver
lustwärme verringert.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung schließt die
Kapsel an der Läuferdruckplatte ab. Die Läuferdruckplatte kann
zu diesem Zweck einen zur Welle koaxialen Vorsprung bzw. Ansatz
aufweisen. In entsprechender Weise kann die Kapsel einen zur
Welle koaxialen, zur Läuferdruckplatte hin weisenden Vorsprung
bzw. Ansatz aufweisen, der den entsprechenden Ansatz der Läufer
druckplatte überdecken kann.
Nach einem weiteren Vorschlag, für den selbständig Schutz bean
sprucht wird, wird die oben angegebene Aufgabe bei einem Elek
tromotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die kenn
zeichnenden Merkmale des Anspruchs 6 gelöst. Nach diesem Vor
schlag ist in betriebskaltem Zustand zwischen Motor-Druckgehäuse
und Ständerblechpaket ein Spalt vorhanden, der derart bemessen
ist, daß sich in betriebswarmem Zustand an dieser Stelle ein
Preßsitz einstellt. Zwischen Motor-Druckgehäuse und Ständerblech
paket ist also in kaltem Zustand ein Spalt vorhanden; der für
die Wärmeleitung an dieser Stelle nötige spielfreie Sitz stellt
sich in betriebswarmem Zustand ein, wodurch ein überzogener
Preßsitz und damit gefährliche zusätzliche mechanische Spannun
gen im Druckgehäuse und im Ständerblechpaket vermieden werden,
welche ansonsten durch große Temperaturunterschiede zwischen
Wicklung und Motorgehäusewand verursacht werden. Die anfallende
Verlustwärme kann besser abgeleitet werden.
Diese soeben beschriebene Lösung der Aufgabe kann mit der an er
ster Stelle genannten Lösung der Aufgabe kombiniert werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den weiteren Unteransprü
chen beschrieben.
Die Läuferendbleche können verstärkt sein.
Die Anlageflächen für die Kapsel können mechanisch bearbeitet
sein. Vorzugsweise sind sowohl der Durchmesser als auch die
Stirnflächen der Anlageflächen für die Kapsel mechanisch bear
beitet.
Die Kapsel kann an der Außenseite der Rotorstäbe, am Umfang der
Läuferdruckplatten und an mindestens zwei Flächen der Kurzschluß
ringe anliegen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeich
net, daß der Rotor, bestehend aus Welle, Läuferblechpaket mit
Kurzschlußkäfig und Kapseln, glatte, mit hoher Rundlauf- und
Oberflächengenauigkeit hergestellte Stirn- und Mantelflächen oh
ne Nuten und Lüfterschaufeln besitzt. Der Rotor ist mit glatten
Stirn- und Mantelflächen mit hoher Rundlauf- und Oberflächen
genauigkeit, aber ohne Lüfterflügel und Kühlkanäle hergestellt.
Die Stirn- und Mantelflächen der Kapseln und des Läuferblechpake
tes können metallisch oder nicht-metallisch beschichtet sein.
Vorzugsweise ist das Ständerblechpaket mit Preßringen und ein
geschweißten Klammern oder einem Stahlring zusammengehalten und
ist die Spaltfläche zum Motor-Druckgehäuse vollflächig mecha
nisch bearbeitet.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das Ständer
blechpaket an einer Seite im Motor-Druckgehäuse mit Schrauben
oder mit einer formschlüssigen Verbindung befestigt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeich
net, daß das Motor-Druckgehäuse mit glatten Außenflächen ohne
Kühlrippen und ohne Kühlrohre ausgeführt ist, allerdings gege
benenfalls mit Hebevorrichtungen (Tragösen).
An den freien Innenseiten des Motor-Druckgehäuses kann eine wär
meleitende Beschichtung oder eine oberflächenvergrößernde wärme
leitende Vorrichtung vorhanden sein.
Vorzugsweise sind an der Innenseite des Motor-Druckgehäuses in
einer Tasche des Ständerblechpaketes ein oder mehrere Thermo
meter, beispielsweise Widerstandsthermometer, eingebettet.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeich
net, daß Verbindungsleitungen zwischen B-seitigen Überwachungs-
und Steuereinrichtungen und Anschlußraum in einer zum Gehäuse
offenen Nut im Ständerblechpaket verlegt sind.
An den Lagern, Lagerschilden, Kapseln und dem Anschlußraum kön
nen Druckausgleichseinrichtungen vorhanden sein.
Vorzugsweise ist das Motor-Druckgehäuse derart gas- und wasser
dicht ausgeführt, daß der Gasdruck innerhalb des Gehäuses höher
sein kann als der Außendruck und daß auch der Wasserdruck außer
halb des Gehäuses größer sein kann als der Gasinnendruck.
Das Motor-Druckgehäuse kann mit Schutzgas oder mit einem Förder
medium, beispielsweise Erdgas, gefüllt sein.
Vorzugsweise ist der Motor ein Asynchronmotor mit Käfigläufer.
Das Motor-Druckgehäuse kann in Verbindung mit dem Getriebegehäu
se und dem Gehäuse der angetriebenen Maschine eine Einheit bil
den.
Vorteilhafterweise ist der Motor zum Antrieb eines Kompressors
oder einer Pumpe oder eines Separators ausgeführt.
Zwischen Motor und Getriebe oder Gehäuse der angetriebenen Ma
schine kann eine druckdichte Platte und eine Dichtung eingebaut
sein.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand
der beigefügten Zeichnung im einzelnen beschrieben. In der Zeich
nung zeigt
Fig. 1 einen Motor im Längsschnitt,
Fig. 2 einen Teilschnitt durch den Rotor,
Fig. 3 einen Teilschnitt durch das Motor-Druckgehäuse
und das Ständerblechpaket,
Fig. 4 einen Teilschnitt durch den Motor mit AS-Lager
und Dichtung und
Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel in einem der
Fig. 2 entsprechenden Teilschnitt durch den Ro
tor.
Der in der Fig. 1 dargestellte Motor besteht aus einem Motor-
Druckgehäuse 1 mit Anschlußkasten 26, einem Ständerblechpaket
2 mit Ständerwicklung 3 und einem Rotor 5 mit Kurzschlußkäfig
8, 9. Der Motor ist mit Gas unter hohen Drücken zwischen 5 und
150 bar oder höher gefüllt. Die Füllung besteht aus Schutzgas
oder Fördermedium, z. B. Erdgas. Der Rotor 5 mit Welle 14 und
Kurzschlußkäfig 8, 9 ist im Motor drehbar gelagert. Der Rotor
5 ist mit glatten Stirn- und Mantelflächen mit hoher Rundlauf-
und Oberflächengenauigkeit hergestellt, wobei der Kurzschlußkä
fig bestehend aus Rotorstäben 8 und Kurzschlußringen 9 völlig
umschlossen ist, damit der im verdichteten Gas drehende Rotor
keine schädliche Reibungswärme und in Verbindung mit den
Rotorstäben 8 keinen Gasstrom erzeugt und keine Druckerhöhung
verursacht. Das Ständerblechpaket 2 ist stirnseitig im
Motor-Druckgehäuse 1 mit Schrauben oder mit einer formschlüssi
gen Verbindung befestigt. Für den Anschluß der Motorwicklung 3
und der Steuer- und Überwachungseinrichtungen (in Fig. 1 nicht
dargestellt) ist je ein Anschlußraum 21, 22 vorhanden. Die
Leitungseinführungen 23, 24 sind wasser- und gasdicht. Der Motor
wird mit Wasser gekühlt, welches die Motoroberfläche umgibt. Die
Ableitung der Verlustwärme aus Rotor 5, 6, 8, 9, 10, Ständer 4,
2, Wickelköpfen 3 und Lager erfolgt durch Wärmeleitung. Die
Auslegung der Gehäuseoberfläche (Kühlfläche) ohne Kühlrippen und
ohne zusätzlichen Wärmetauscher, z. B. Kühlrohre, ermöglicht die
ausreichende Wärmeleitfähigkeit von Stahl und Wasser.
Fig. 2 zeigt einen Teilschnitt durch den Rotor 5. Die Rotorstäbe
8 und die Kurzschlußringe 9 sind mit einer an den Läuferendble
chen 11 und auf der Welle 14 abschließenden Kapsel 10 aus
unmagnetischem Werkstoff antriebsseitig (AS) und nebenseitig
(BS) umschlossen, die Läuferendbleche 11 sind verstärkt und die
Anlageflächen 15 für die Kapsel 10, und zwar Durchmesser und
Stirnflächen, sind mechanisch bearbeitet. Die Kapsel 10 liegt an
der Außenseite der Rotorstäbe 8, am Umfang der Läuferdruckplat
ten 12 und an mindestens zwei Flächen der Kurzschlußringe 9 an.
Fig. 3 zeigt einen Teilschnitt duch das Ständerblechpaket 2.
Zwischen Motordruckgehäuse 1 und Ständerblechpaket 2 ist in
kaltem Zustand ein Spalt 18 vorhanden. Der für die Wärmeleitung
an dieser Stelle nötige spielfreie Sitz stellt sich im be
triebswarmen Zustand ein, wodurch ein überzogener Preßsitz und
damit gefährliche zusätzliche mechanische Spannungen im Druckge
häuse und im Ständerblechpaket vermieden werden.
Fig. 4 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung der Antriebsseite.
Bei Bedarf kann der Motor mit Hilfe einer Platte 28 und einer
Dichtung 29, z. B. einer Gleitringdichtung, gegen das Getriebe
oder die angetriebene Maschine druckdicht abgeschottet werden.
Die Fig. 5 zeigt eine gegenüber der Fig. 2 abgewandelte Ausfüh
rungsform, in der gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen ver
sehen sind, so daß sie nicht erneut beschrieben werden müssen.
Die Läuferdruckplatte 12 besitzt an ihrem inneren, der Welle 14
zugewandten und auf dieser aufliegenden Ende einen nach außen
(in der Zeichnung nach links) weisenden Ansatz bzw. Vorsprung,
der an einem auf der Welle 14 vorgesehenen Bund endet. Die Kap
sel 10 besitzt ebenfalls an ihrem unteren Ende einen nach innen
(in der Zeichnung nach rechts) weisenden Ansatz bzw. Vorsprung
dessen Innenumfang im Abstand vom Außenumfang der Welle 14 ver
läuft und dem Außenumfang des Ansatzes der Läuferdruckplatte 12
entspricht. Der Innenumfang des Ansatzes liegt also an der mit
13 bezeichneten Stelle auf dem Außenumfang des zugehörigen An
satzes der Läuferdruckplatte 12 auf. Die Ansätze der Kapsel und
der Läuferdruckplatte 12 überlappen sich. In der aus Fig. 5 er
sichtlichen Weise schließt die Kapsel 10 an der Läuferdruckplat
te 12 ab, und zwar in dem mit 13 bezeichneten Bereich. Es sind
allerdings auch andere Möglichkeiten denkbar: Die Ansätze der
Kapsel 10 und der Läuferdruckplatte 12 können auch auf Stoß
aneinandergrenzen.
Die Kapsel 10 ist an dem Kurzschlußring 9 befestigt. An ihrem
Außenumfang deckt die Kapsel 10 die Rotorstäbe 8 ab. Sie deckt
ferner den Außenumfang der Läuferdruckplatte 12 und die an die
sem Außenumfang befindlichen Schlitze, die den Durchtritt der
Rotorstäbe 8 ermöglichen, ab. Die Kapsel 10 reicht an ihrem Au
ßenumfang bis zu den Läuferendblechen 11. Sie umschließt den
Kurzschlußring 9 mit ihrem Außenumfang und mit ihrer recht
winklig dazu verlaufenden Stirnfläche.