DE4411032A1 - Einzelmotorischer Antrieb eines schaftlosen Spinnrotors einer Offenend-Spinnmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen einzelmotorischen Antrieb eines schaftlosen Spinnrotors einer Offenend-Spinnmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1. Dabei ist im Sinne der Erfindung unter einem schaftlosen Spinnrotor ein mechanisch radial nicht geführter Rotor zu verstehen.

Bei der Weiterentwicklung von Rotorspinnmaschinen kommt es neben einer Qualitätsverbesserung der erzeugten Garne vor allem auch darauf an, die Produktionsleistung zu erhöhen. Eine Schlüsselposition bezüglich der Produktionsleistungserhöhung nimmt dabei die Drehzahl des Spinnrotors ein. Aus diesem Grunde wurden verschiedenste Antriebs- und Lagervarianten für Spinnrotoren entwickelt, um Drehzahlen von deutlich über 100 000 U/min zu erreichen. Die Verminderung des Rotordurchmessers und seiner Masse sowie der Reibungsverluste gestatten nicht nur eine höhere Drehzahl, sondern auch eine reduzierte Energieaufnahme beim Antrieb.

Als besonders vorteilhaft in dieser Hinsicht können schaftlose Spinnrotoren eingestuft werden, die als Läufer eines Axialfeldmotors ausgebildet sind. Ein kombiniertes Magnet/Gaslager sorgt für relativ geringe Reibungsverluste.

Durch die gattungsbildende WO 92/01096 ist ein Axialfeldmotor mit kombiniertem Magnet/Gaslager bekannt. Der Spinnrotor liegt mit einer der Rotoröffnung abgewandten Lagerfläche einer durch einen Luftspalt beabstandeten statorseitigen Lagerfläche gegenüber. Diese beiden Lagerflächen bilden das kombinierte Magnet/Gaslager. Der Axialfeldmotor besitzt stator- sowie rotorseitige Mittel zum Leiten des Magnetflusses für Antriebs- und Führungsmagnetfelder. Der ringförmige Stator besitzt eine symmetrisch zur Drehachse des Rotors segmentartig angeordnete Wicklung zur Erzeugung des umlaufenden Antriebsmagnetfeldes. Diese Wicklung ist als sogenannte Spaltwicklung ausgeführt, das heißt, sie ist um den ungenuteten Statorkern gelegt, so daß sie im Bereich der Lagerfläche im Spalt zwischen Statorkern und Rotorboden verläuft. Eine derartige Spaltwicklung erfordert die Begrenzung auf eine bestimmte Wickelgeometrie, da aufgrund der nichtmagnetischen Eigenschaften von Kupfer die Spaltbreite zwischen den magnetisch leitenden Materialien des Statorkernes und des Rotorbodens zur Begrenzung des magnetischen Widerstandes gering gehalten werden muß. So wird bei einer derartigen Spaltwicklung üblicherweise nur eine Lage gewickelt, wobei üblicherweise die Kupferdrähte auch noch einen abgeflachten Querschnitt besitzen. Damit ist die Anzahl der Wicklungen je Phase und in Folge die erzeugbare magnetische Durchflutung begrenzt. Des weiteren kann bei einer Beschädigung der statorseitigen Lagerfläche unmittelbar die stromführende Wicklung freigelegt und beschädigt werden. Dabei spielen zusätzlich arbeitsschutztechnische Gesichtspunkte eine Rolle.

Um die unüberwindbaren Nachteile einer Spaltwicklung in Form des großen magnetischen Widerstandes im Spaltbereich und der aufgrund der maximalen Windungszahl begrenzten erzeugbaren magnetischen Feldstärke zu umgehen, wurde versucht, die Wicklung zumindest im Lagerbereich in Nuten des Statorkerns zu verlegen. Dies führte jedoch zu einer starken lokalen Erwärmung insbesondere der den Magnetfluß leitenden Rotorteile. Folge dieser Erwärmung waren thermische Spannungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der Rotorkomponenten sowie eine Verformung der Lagerfläche, die bei den im Bereich von 100stel Millimetern liegenden Lagerspaltbreiten besonders kritisch ist. Eine zur Vermeidung von Beschädigungen der Lagerfläche in diesem Fall erforderliche Vergrößerung des Spaltes führt zu einer deutlichen Erhöhung des Luft- und damit Energieverbrauches. Bei Einsatz von Antriebsmagneten im Rotor eines bürstenlosen Gleichstrommotors kann über eine längere Zeitdauer die Erwärmung zu temperaturbedingter umkehrbarer oder unumkehrbarer Entmagnetisierung oder Lösung des Verbundstoffes der Pulvermagnetmasse der Magnete führen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Magente in der Regel in Kohlefasern eingebettet sind, die aufgrund ihrer schlechten Wärmeleitfähigkeit den Wärmestau nicht abbauen können.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, den bekannten einzelmotorischen Antrieb eines schaftlosen Spinnrotors einer Offenend-Spinnmaschine so weiterzuentwickeln, daß sich eine verbesserte Leistungsübertragung sowie verbesserte Laufeigenschaften ergeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erfüllt. Die verwendete Formulierung, daß die Kanäle "im wesentlichen" radial verlaufen, bedeutet, daß im Rahmen der Erfindung Kanäle erfaßt sind, die nicht exakt auf die Rotationsachse des Rotors zulaufen. Allerdings handelt es sich bei dieser Abweichung vom radialen Verlauf um eine nur geringfügige Abweichung.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß neben der synchron mit dem Rotor umlaufenden Grundwelle Oberwellen auftreten, die in der gleichen Richtung, aber mit abweichender Winkelgeschwindigkeit oder entgegengesetzter Richtung gegenüber der Grundwelle verlaufen und damit eine mehr oder weniger große Relativgeschwindigkeit zum Rotor mit der Folge der Erwärmung durch Wirbelströme besitzen. Da die Frequenz quadratisch in die Berechnung der Wirbelstromverluste eingeht, nehmen die Wirbelströme bei mit der hohen Drehzahl verbundenen hohen Frequenzen ein Ausmaß an, durch welches die Wärmeentwicklung stark geprägt wird.

Bei der bereits beschriebenen Wicklungsform, bei der die Wicklung in Nuten des Statorkerns eingelegt ist, konzentriert sich der Strombelag auf die Nutöffnungen. Als Konsequenz hat die Durchflutung im Luftspalt den Charakter einer Treppenfunktion mit scharfen Kanten. Entsprechend der Nutanordnung ändert sich auch die Permeanz des Luftspaltes sprunghaft im Bereich der Nutöffnungen. Dadurch kommt es zur Ausbildung der beschriebenen Oberwellen mit hohen Frequenzen und Amplituden. Folge ist das schnelle Ummagnetisieren des Rotorjoches und der Magnete sowie auch nichtmagnetischen elektrisch leitenden Teilen des Rotors mit der Folge von Leistungsverlusten und der bereites erwähnten Erwärmung.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Statorkerns sowie der Statorwicklung werden die Durchflutungssprünge und starken Veränderungen der Statorpermeanz im Luftspaltbereich gemindert und die Wärmeentwicklung deutlich reduziert. Die Bearbeitung und Planhaltung der Lagerfläche des Stators wird wesentlich erleichtert. Die thermischen Spannungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten entfallen. Aufgrund der Minderung der Probleme der Verformung der Lagerfläche kann der Effektivluftspalt kleiner gehalten werden. Dies führt zur Luft- und damit Energieeinsparung. Außerdem können aufgrund des dadurch geringeren magnetischen Widerstandes des Luftspaltes kleinere Antriebsmagnete eingesetzt werden, die aufgrund ihres verringerten Gewichtes die Festigkeitsprobleme im Rotor entschärfen.

Die Dicke des magnetisch leitenden Materials zwischen den Kanälen und der Lagerfläche (Steghöhe) sollte dabei so gering gewählt werden, daß sehr schnell eine magnetische Sättigung erreicht ist und sich möglichst geringe Fluß und damit Leistungsverluste ergeben. Die Untergrenze für die Steghöhe ergibt sich aus einem Mindestmaß des magnetischen Flusses, um die Treppenfunktion der Durchflutung beziehungsweise der Permeabilität ausreichend glätten zu können, sowie aus Gründen der mechanischen Stabilität. Demgegenüber ist auf der dem einen Teil der Lagerfläche bildenden Steg gegenüberliegenden Seite der Kanäle ein Joch zur Ausbildung des magnetischen Hauptflusses so zu dimensionieren, daß sich ein Verhältnis von Hauptfluß zu Streufluß von wenigstens 10 : 1 ergibt, welches in etwa dem Verhältnis der Jochhöhe zur Steghöhe entspricht.

Dadurch, daß die statorseitige Lagerfläche nicht mehr durch eine Vergußmasse, die die Spaltwicklung überdeckt, sondern durch den massiven Statorkern selbst gebildet wird, besteht die Möglichkeit, die statorseitige Lagerfläche gleichzeitig durch Beschichtung oder chemische Behandlung verschleißfest zu gestalten. Dies kann beispielsweise von Bedeutung sein, wenn bei Ausfall des Lagergases der Rotor bei noch hoher Rotationsgeschwindigkeit auf die statorseitige Lagerfläche aufsetzt.

Die Erfindung ist vorteilhaft durch die Merkmale der Ansprüche 2 bis 14 weitergebildet.

Die Erwärmung des Rotors ist im Randbereich, insbesondere aufgrund der mit zunehmendem Abstand von der Rotationsachse wachsenden Relativgeschwindigkeit der beiden Lagerflächen und der damit entsprechend ansteigenden Luftreibung besonders hoch. Deshalb ist in diesem Randbereich die Reduzierung der Wärmeerzeugung aufgrund der durch die Oberwellen hervorgerufenen Wirbelströme von besonderer Bedeutung. Außerdem kann durch das teilweise Nichtschließen der Kanäle auf der Lagerseite im Innenbereich des Stators die Entstehung eines Streuflusses im Bereich der Stege minimiert werden, während die Rotorerwärmung in diesem Bereich keinen signifikanten negativen Einfluß hat.

Das Zusammensetzen des Stators aus mehreren Teilen bringt als Hauptvorteil mit sich, daß das Einbringen der Wicklungen von der offenen Kanalseite aus wesentlich einfacher durchführbar ist. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, eine toroidale Wicklung auf dem Hauptjoch des Stators aufzubringen, wobei die einzelnen Wicklungsteile beim Fügen des Stators durch die zunächst offenen Kanäle übergriffen werden.

Die mehrteilige Ausbildung des Statorkerns läßt es auch zu, diesen aus unterschiedlichen Werkstoffen herzustellen. Dabei hat der Einsatz eines aus gepulvertem und mit Isolationsstoff gebundenen magnetischen Materials nicht nur den Vorteil, daß sich dieses als Formteil mit geringem Aufwand fertigen läßt und hinsichtlich der erforderlichen Gebrauchseigenschaften optimal geformt werden kann. Es hat zusätzlich den Vorteil, daß die Wirbelstromverluste, insbesondere die Verluste aufgrund des Streuflusses im Bereich der die Kanäle nach der Lagerseite hin abdeckenden Stege, gering gehalten werden können. Dies resultiert daraus, daß die pulverisierten magnetisch leitenden Teilchen voneinander isoliert sind und demzufolge die Wirbelströme reduzieren. Für den durch das der Lagerseite abgewandte Joch geleiteten Hauptfluß ist das für diesen Teil des Statorkernes eingesetzte weichmagnetische laminierte Material mit seiner aufgrund des geringen magnetischen Widerstandes guten magnetischen Leitfähigkeit von Vorteil. Da jedoch das der Lagerfläche zugewandte Formteil optimal in seiner Formgebung dem Magnetfluß angepaßt werden kann, ist auch in diesem Teil der magnetische Widerstand so stark begrenzbar, daß sich die durch die geringere Permeanz bedingten Verluste minimieren lassen. Damit kann letztlich die für den Betrieb des Axialfeldmotors erforderliche Durchflutung begrenzt werden, was gleichzeitig zur Verringerung der Kupferverluste führt.

Allerdings besteht die Möglichkeit, auch den der Lagerfläche abgewandten jochbildenden Teil des Statorkernes (Joch) aus einem gepulverten und mit Isolationsstoff gebundenen magnetischen Material herzustellen. In diesem Falle müßte dieses Joch gegenüber einem aus laminierten Material bestehenden Teil etwas überdimensioniert werden, um die geringere Permeanz im Joch zu kompensieren. Gleichzeitig wäre aufgrund der von diesem Material möglichen nahezu beliebigen Formgebung die Möglichkeit vorhanden, das Joch im unteren Teil entsprechend abzurunden, um auch damit die Kupferverluste zu reduzieren. Diese Möglichkeit der beliebigen Formgebung ist bei einem Laminat, dessen Schichtung durch Wicklung hergestellt wird, stark begrenzt.

Die mehrteilige Ausbildung des Statorkernes bringt zusätzlich die Möglichkeit mit sich, die Statorbestandteile mechanisch voneinander zu entkoppeln. So kann beispielsweise das der Lagerfläche zugewandte Teil des Statorkernes gegenüber dem anderen Statorteil beziehungsweise dem Motorgehäuse elastisch aufgehängt werden. Dadurch wird das Schwingungsverhalten des Motors verbessert, indem die Amplitude von eventuellen Rotorschwingungen aufgrund der geringeren Masse des die Schwingungsenergie vom Rotor aufnehmenden Teiles verringert wird.

Diese mechanische Entkopplung ist im einfachen Fall auch dadurch möglich, daß zwischen den Statorteilen eine vorteilhaft magnetisch leitende elastische Schicht vorhanden ist, die ohne nennenswerte magnetische Verluste die beiden Statorkernteile mechanisch voneinander entkoppelt. Dabei wirkt die elastische Schicht gleichzeitig dämpfend.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Ausbildung des Stators schließt die Möglichkeit der Anordnung der Wicklungen in verschiedenen Ebenen ein, die jeweils zu einem tangentialen Ringfluß im Joch entsprechend der Antriebsdrehung oder einem Axialfluß, der im Joch umläuft, führen. Beide Varianten von Magnetflüssen sind für diesen Antrieb geeignet.

Bei einer parallel zur Lagerfläche verlaufenden Statorwicklung lassen sich die einzelnen Wicklungen auf segmentartige Einzelkerne aufbringen, die nach ihrer ringförmigen Anordnung von beiden Seiten so abgedeckt werden, daß sich die erfindungsgemäßen radialen Kanäle ausbilden. Die aus einem Verbundmaterial bestehenden Kerne können mit der Bewicklung zusammen verbacken werden. Diese vorgefertigten Spulen werden mit einer Leiterplatine verschaltet. Auf diese Weise läßt sie eine sehr rationelle Fertigung des gesamten Statorkernes realisieren.

Die bei Verwendung des gepulverten und mit Isolationsstoff gebundenen magnetischen Materials bereits erwähnte nahezu beliebige Formgebung läßt es auch zu, an beliebigen Stellen Nischen anzubringen, in die zum Beispiel elastische Halterungen oder Sensoren eingesetzt werden können. Außerdem ist es möglich, die Gaszufuhr direkt in den Statorkern zu integrieren. Dabei ist es von Vorteil, in durchgehende vorgeformte Öffnungen in die statorseitige Lagerfläche mündende Röhrchen einzusetzen, die an eine Druckluftversorgung angeschlossen werden. Derartige in größerem Abstand von der Rotationsachse mündende Gasaustrittsöffnungen haben den Vorteil einer sichereren Lagerung insbesondere bei relativ großen Rotoren. Außerdem kann die mittige Öffnung des Statorkerns mit dem Ergebnis der Verringerung des magnetischen Widerstandes kleiner gehalten werden.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Stators mit der erfindungsgemäßen Kanalanordnung sowie Wicklung,

Fig. 2 eine Explosivdarstellung einer Variante eines erfindungsgemäßen Stators, bei der der Stator aus mehreren vorgefertigten Teilen besteht,

Fig. 3 eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Stators mit gegenüber Fig. 2 alternativem Wicklungsverlauf,

Fig. 4 eine weitere Alternative eines mehrteiligen erfindungsgemäßen Stators mit spezifischer Formgebung,

Fig. 5 eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Stators mit einer Anordnung segmentartiger Einzelkerne,

Fig. 5a bis 5c eine Darstellung des mehrphasigen Wicklungsverlaufes für einen in Fig. 5 dargestellten Stator,

Fig. 6 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Stator mit seinen zentralen Bauteilen einschließlich einer veränderten Gaszufuhr zur Lagerfläche und

Fig. 7 den Verlauf der Permeanz sowie des Strombelages in Abhängigkeit vom Umlaufwinkel ϕ.

Zunächst soll anhand der Fig. 7 kurz erläutert werden, welcher Verlauf der Permeanz und des Strombelages sich ergibt, wenn die Bewicklung des Statorkernes in nach der Lagerseite hin magnetisch offenen Nuten erfolgt. An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, daß eine Nutschließung durch magnetisch nicht leitendes Material mit dem Ziel des Erreichens einer möglichst glatten Oberfläche keine Auswirkungen auf den Verlauf von Permeanz und Strombelag hat.

Mit dem Bezugszeichen 102 ist die Verlaufskurve der Permeanz λ in Abhängigkeit vom Umlaufwinkel ϕ dargestellt. Mit 102′ sind jeweils die im Nutbereich vorhandenen Einbrüche der Permeanz bezeichnet. Die Strombelagkurve 103 ist jeweils bei den gleichen Winkeln ϕ scharfkantig abgestuft, da er sich auf die Nuten des Statorkernes konzentriert.

Durch die resultierende Treppenfunktion der Durchflutung kommt es zur Ausbildung von Oberwellen mit hohen Frequenzen und Amplituden. Daraus wiederum resultieren hohe Verluste im Rotor sowie dessen Erwärmung mit den weiteren bereits beschriebenen Folgen.

Fig. 1 zeigt einen kompakten Stator 1, dessen Statorkern 2 radial verlaufende Kanäle 4 besitzt. Diese Kanäle 4 sind jeweils durch Stege 5 gegenüber der statorseitigen Lagerfläche 2′ des Statorkernes 2 getrennt (mit 2′ ist nur ein Teil der statorseitigen Lagerfläche bezeichnet, die durch innerhalb des ringförmigen Statorkernes 2 liegende Bauteile ergänzt wird). Die mehrphasige Wicklung 3 ist durch die Kanäle 4 im Statorkern 2 gelegt. Dabei ist gegenüber der bekannten Spaltwicklung sowohl eine beliebige Querschnittsform des die Wicklung bildenden Kupferdrahtes als auch eine mehrlagige Bewicklung möglich. Auf diese Weise läßt sich die von der Windungszahl abhängige magnetische Feldstärke deutlich erhöhen, wodurch eine entsprechend hohe Motorleistung erzielt werden kann. Damit wird der Einsatz des Stators nicht auf bürstenlose Gleichstrommotoren beschränkt, sondern läßt sich ohne weiteres auf Hysteresemotoren oder Asynchronmotoren ausdehnen.

Durch die Stege 5, in denen ein magnetischer Streufluß entsteht, werden die in Fig. 7 beschriebenen und entsprechend erläuterten Kurven 102 und 103 deutlich geglättet. Diese Glättung der Kurven bewirkt, daß die die dem Antrieb dienende Grundwelle überlagernden Oberwellen stark abgeschwächt werden. Diese Abschwächung der Oberwellen wiederum führt unmittelbar zur Reduzierung der Wirbelstromverluste sowie der Erwärmung auf der Rotorseite. Um die statorseitigen Verluste durch den Streufluß im Bereich der Stege 5 gering zu halten, sollte die Höhe dieser Stege 5 sehr gering sein. Dadurch kommt es relativ schnell zur magnetischen Sättigung im Bereich der Stege, wodurch der genannte Streufluß deutlich begrenzt werden kann. Die Höhe des den Hauptfluß leitenden Joches, welches sich im wesentlichen zwischen den Kanälen 4 und der der Lagerfläche 2′ gegenüberliegenden Unterseite 2′′ des Statorkernes 2 erstreckt, sollte mindestens das Zehnfache der Höhe der Stege 5 betragen. Dementsprechend wird der hierdurch geleitete Hauptfluß gegenüber dem durch die Stege übertragenen Streufluß ebenfalls mindestens das Zehnfache betragen. Je nach Erfordernis kann dieses Verhältnis verändert werden, um damit zielgerichtet die Motoreigenschaften beeinflussen zu können. Dabei spielen vor allem Überlegungen der möglichen und unschädlichen Rotorerwärmung im Verhältnis zu tolerierbaren Verlusten im Bereich der Stege des Statorkerns eine Rolle. Allerdings ist davon auszugehen, daß die im Bereich der Stege auftretenden statorseitigen Verluste geringer sind, als die Verlustreduzierung auf der Rotorseite.

In Fig. 1 ist noch zu erkennen, daß Gasleitungen 6 für die Gaszufuhr in den Lagerspalt direkt durch den Statorkern 2 geführt sind. Diese Gasleitungen 6 münden mit ihren Gasaustrittsöffnungen 6′ im Bereich der Lagerfläche 2′. Die Gasleitungen 6 verlaufen im Statorquerschnitt jeweils zwischen den Kanälen 4. Dabei kann es sich entweder um durchgehende Bohrungen oder auch in das Material des Statorkernes 2 eingesetzte Röhrchen handeln. Derartige Röhrchen werden vor allem dann zum Einsatz kommen, wenn für den Statorkern 2 ein gepulvertes und mit Isolationsstoff gebundenes magnetisches Material eingesetzt wird. Dieses Material hat vor allem noch dem Vorteil, daß sich die Statorform, die vor allem die Kanäle 4 miteinschließt, ohne weiteres herstellen läßt. Dabei lassen sich auch entsprechende durchgehende Öffnungen herstellen, in die dann die die Gasleitungen 6 bildenden Röhrchen eingesetzt werden können.

Wird das genannte Material für den Statorkern 2 eingesetzt, ergeben sich noch weitere Möglichkeiten hinsichtlich der Formgebung, die weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 4 näher erläutert werden.

Ein zylindrischer Hohlraum 7 innerhalb des Statorkernes 2 dient der Aufnahme zentraler Teile des Stators, vor allem Mitteln zur Erzeugung von Führungsmagnetfeldern. Weitere Erläuterungen hierzu werden im Zusammenhang mit Fig. 6 gegeben.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Variante eines erfindungsgemäßen Stators 8 ist ein oberes Statorteil 9 ("oberes" Statorteil soll dabei nicht bedeuten, daß dieses Teil im eingebauten Zustand oben sein muß, sondern bezieht sich nur auf die Darstellung in den Zeichnungen) mit radial verlaufenden offenen Kanälen 10 versehen. Dieses Statorteil 9 besitzt eine Lagerfläche 9′ sowie zwischen den Kanälen 10 und dieser Lagerfläche 9′ Stege 9′′. In der Mitte des ringförmig ausgebildeten oberen Statorteiles 9 befindet sich ein zylindrischer Hohlraum 11, der nach dem Zusammensetzen des Stators 8 mit dem zylindrischen Hohlraum 31 eines Joches 30 fluchtet und der Aufnahme von zentralen Einrichtungen dient, wie das bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben worden ist.

Das Joch 30 weist auch hier eine Höhe auf, die ein Vielfaches der Höhe der Stege 9′′ beträgt, um das entsprechende Verhältnis zwischen Streufluß und Hauptfluß herzustellen.

Wicklungen 12a bis 12c für die drei Phasen eines bürstenlosen Gleichstrommotors werden vor dem Anfügen des Joches 30 durch die Kanäle 10 des Statorteiles 9 in der in Fig. 2 dargestellten Anordnung verlegt. Daraufhin werden Anschlüsse 14, 16, 19, 21, 24 und 26 mit entsprechenden, nicht einzeln dargestellten Kontakten einer eine mit dem zylindrischen Hohlraum 31 übereinstimmende Öffnung 28′ aufweisenden Leiterplatine 28 gekoppelt. Auch die Leitungsverbindungen 17, 22 und 27 können über diese Leiterplatine 28 in an sich bekannter Weise verbunden werden. Die Leiterplatine 28 besitzt ihrerseits Anschlußleitungen 29 für die drei Phasen, die mit der entsprechenden Energieversorgung des Axialfeldmotors, zum Beispiel einem Inverterausgang, verbunden sind.

Spulen 13 und 19, 18 und 20 und 23 und 25 sind parallel zur Lagerfläche 91 angeordnet. Dadurch wird im Gegensatz zu einem tangentialen Ringfluß, wie er bei der Wicklungsanordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel entsteht ein im Joch umlaufender Axialfluß erzeugt. Beide Flußarten eignen sich für den Betrieb eines Axialfeldmotors.

Die mehrteilige Ausbildung des Statorjoches gemäß Fig. 2 erlaubt es, das obere Statorteil 9 aus gepulvertem und mit Isolationsstoff gebundenen magnetischen Material und das Joch 30 aus einem weichmagnetischen laminierten Material herzustellen. Dadurch läßt sich einerseits für den oberen Statorteil 9 die problemlose und nahezu beliebige Formgebung des Materials nutzen, während beim Joch 30 der Vorteil des geringeren magnetischen Widerstandes zum Leiten des Hauptflusses genutzt werden kann. Dabei ist zu berücksichtigen, daß das Joch 30 keine Ansprüche an die Formgebung stellt und dessen Schichtung durch Wicklung ohne weiteres realisierbar ist. Im oberen Statorteil 9 wird außerdem noch die geringere Permeanz dazu genutzt, den Streufluß im Bereich der Stege 9′ noch weiter zu begrenzen.

Fig. 3 zeigt eine weitere Variante der Erfindung, bei der ein Stator 32 eine dem ersten Beispiel analoge Bewicklung trägt. Lediglich ist hier zum besseren Aufbringen der Bewicklung ebenfalls der Stator aus zwei Teilen, einem oberen Statorteil 33 und einem Joch 37 gebildet. Dabei ist jedoch das Legen der Wicklung gegenüber dem ersten Beispiel wesentlich einfacher durchführbar. Im Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel wird die Wicklung 38 auf das Joch 37 aufgebracht, während das obere Statorteil 33 mit seinen Kanälen 34 den der Lagerfläche 33′ zugewandten Teil der Bewicklung 38 umschließt.

Sowohl das obere Statorteil 33 als auch das Joch 37 besitzen konzentrische zylindrische Hohlräume 35 und 39. Allerdings besitzt der zylindrische Hohlraum 35 einen geringeren Durchmesser als der zylindrische Hohlraum 39. Das ergibt sich daraus, daß in diesem zylindrischen Hohlraum 35 des oberen Statorteiles 33 keine Wicklung mehr verläuft und demzufolge der gesamte Durchmesser dieses Hohlraumes 35 für das Einbringen zentraler Teile im Stator 32 zur Verfügung steht.

Stege 33′′ weisen auch hier eine gegenüber der Jochhöhe nur sehr geringe Höhe auf, um den Streufluß zu minimieren.

Die Kanäle 34 des oberen Statorteiles 33 sind im Gegensatz zu den vorangehenden Beispielen nicht bis hin zum zylindrischen Hohlraum 35 geschlossen, sondern besitzen vielmehr sich vom zentrischen Hohlraum 35 aus erstreckende Stegaussparungen 36. Diese Stegaussparungen 36 führen dazu, daß in diesem Bereich der die Kanäle 34 überbrückende Streufluß unterbunden wird.

Dadurch werden zwar in diesem Bereich die Wirbelströme erzeugenden und durch die offenen Nuten entstehenden Oberwellen nicht unterdrückt. Das ist jedoch im zentrumsnahen Bereich des Rotors nicht so problematisch, weil die gegenüber den Außenbereichen deutlich geringere Relativgeschwindigkeit zwischen Rotor und Stator auch nur eine geringe Erwärmung durch Luftreibung verursacht. Die kritischen äußeren Bereiche des Rotors mit hoher Erwärmung durch Luftreibung werden durch die Unterdrückung der Oberwellen mittels der Stege 33′′ durch magnetische Induktion nicht so stark erwärmt. Je nach Rotorgröße, Material, Motorart und Umdrehungszahl des Rotors kann die Höhe und auch die radiale Länge der Stege 33′′ jeweils optimiert werden. Dabei ist immer zu berücksichtigen, daß die Verluste gering gehalten werden und die Erwärmung einen kritischen Wert nicht übersteigt.

Ein viertes Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ähnelt dem zweiten Ausführungsbeispiel, indem die Bewicklung auf das obere Statorteil 41 aufgebracht wird und parallel zur Lagerfläche 41′ angeordnet ist. Allerdings erstrecken sich die einzelnen Spulen 44 und 45 jeweils nur auf eine Zwischenwand zwischen zwei benachbarten Kanälen 43. Auf diese Weise kann das Drehfeld durch die Anordnung dieser Spulen in nur zwei Ebenen gegenüber drei Ebenen in Fig. 2 erfolgen. Die Spulen 44 und 45 sind über eine Leiterplatine 46 verschaltet, die ihrerseits über Anschlußleitungen 47 mit der Energieversorgung des Motors verbunden ist. Die Verschaltung der Spulen 44 und 45 entspricht der in den Fig. 5a bis 5c dargestellten Verschaltung, auf die im Zusammenhang mit dem darauffolgenden Ausführungsbeispiel näher eingegangen wird.

Der Stator 40 gemäß Fig. 4 ist zwar mehrteilig ausgeführt, besteht aber nicht nur in seinem oberen Statorteil 41 sondern auch in seinem Joch 48 aus einem gepulverten und mit Isolationsstoff gebundenen magnetischen Material. Der Querschnitt 50 des Joches 48 zeigt jedoch in Abwandlung zu der in den vorangehenden Ausführungsbeispielen gezeigten Jochform eine deutliche Abrundung. Diese auf Grund des Materials mögliche Abrundung führt zur Reduzierung des magnetischen Widerstandes. Eine weitere Maßnahme zur Reduzierung des magnetischen Widerstandes des gegenüber einem laminierten Material eine geringere Permeanz aufweisenden Materials besteht in der Vergrößerung der Jochhöhe. Diese Jochhöhe kann gegenüber der Darstellung in Fig. 4 noch deutlich vergrößert werden. Auch hier lassen sich Optimalwerte bezüglich der Motorlaufeigenschaften ohne weiteres ermitteln.

Neben der veränderten Formgebung des Joches 48 ist in Fig. 4 auch noch zu erkennen, daß das obere Statorteil 41 in seiner Form ebenfalls von den bisherigen Ausführungsbeispielen abweicht. Auch diese Formgebung dient der optimalen Führung des Magnetflusses mit dem Ziel der Verringerung des magnetischen Widerstandes.

Bei der Montage des Stators 40 ist, wie in den vorangegangenen Beispielen, dafür Sorge zu tragen, daß die zentralen Hohlräume 42 und 49 sowie die ringförmige Ausnehmung 46′ der Leiterplatine 46 zueinander fluchten, um das problemlose Einfügen zentraler Statorteile zu ermöglichen.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches in Fig. 5 dargestellt ist, ist ein oberes Statorteil lediglich durch eine Scheibe 52 mit einer mittigen Ausnehmung 52′′ gebildet. Diese Scheibe 52 enthält auch einen Teil der statorseitigen Lagerfläche 52′. Die Bewicklung ist hier auf sechs Segmente 53 aufgebracht, die auf den Umfang des Stators 51 bei dessen Montage verteilt werden. Dabei sind von diesen Segmenten 53 aus Übersichtsgründen in Fig. 5 nur zwei dargestellt.

Die Segmente 53 werden aus Kernen 54 und je zwei übereinanderliegenden Spulen gebildet. Die aus einem Verbundmaterial bestehenden Kerne 54 können mit den Spulen zusammen verbacken werden. Diese vorgefertigten Spulen werden mit einer Leiterplatine 83 verschaltet. Durch Verbinden der Teile des Stators 51 bilden sich zwischen den zueinander beabstandeten Segmenten 53 die bei den bisherigen Ausführungsbeispielen vorgefertigten Kanäle ebenfalls aus. Die Dicke der Scheibe 52 ergibt direkt die Steghöhe, die in dem entsprechenden Verhältnis zur Höhe des Joches 85 stehen muß. Die mittige Ausnehmung 52′′ der Scheibe 52, eine mittige Ausnehmung 83′ der Leiterplatine 83 und ein zylindrischer Hohlraum 86 des Joches 85 müssen beim Fügen wieder fluchten, um die zentralen Statorteile einbringen zu können. Die Leiterplatine 83 ist auch hier mit Anschlußleitungen 84 für die Stromversorgung versehen. Die Anordnung der Spulen und ihre Verdrahtung ist im wesentlichen aus den Fig. 5a bis 5c zu erkennen, wobei die drei möglichen Phasen mit Phasensprüngen von jeweils 120° dargestellt sind.

Wird für die in Fig. 5a dargestellte Phase der Winkel ϕ = 0° angesetzt, ist die Phase in Fig. 5a ϕ = 120° und in Fig. 5c ϕ = 240°.

Durch die Pfeile ist die jeweilige Stromflußrichtung erkennbar. Im Berührungsbereich benachbarter bestromter Spulen ist erkennbar, daß die Stromflußrichtung entgegengesetzt ist, wodurch sich die entsprechenden Magnetfelder gegenseitig aufheben. Das wirkt sich so aus, als ob benachbarte stromdurchflossene Spulen praktisch eine Flußrichtung bilden und demzufolge je einer einzigen Spule gleichzusetzen sind. Das trifft für die Spulen 61 und 69, 55 und 67, 57 und 71, 63 und 73, 75 und 77 sowie 79 und 81 zu. Die Anschlüsse 56, 68, 62, 70, 58, 72, 64, 74, 76, 78, 80 und 82 sind jeweils mit der in Fig. 5 dargestellten Leiterplatine 53 verschaltet. Ebenso sind die jeweils benachbarten Spulen vorteilhaft über die Leiterplatine 83 so miteinander verschaltet, daß sich die durch Pfeile dargestellte Stromflußrichtung ergibt.

In Fig. 6 ist ein kompletter Stator 87 dargestellt, der auch die zentrischen Statorbestandteile enthält. Diese zentrischen Bestandteile, vor allem Magnete zur Erzeugung von Führungsmagnetfeldern, das heißt, Halte- und Zentriermagnetfeldern, sind bei derartigen Axialfeldmotoren in der Nähe der Rotorrotationsachse besonders vorteilhaft einsetzbar.

Ein oberes Statorteil 88 und ein Joch 89 sind über eine elastische Schicht 90 miteinander verbunden, wodurch sie mechanisch voneinander entkoppelt sind. Das bedeutet, daß zum Beispiel das Joch 89 am Rotorgehäuse fest angebracht ist, während das obere Statorteil 88 lediglich über diese elastische Schicht 90 befestigt ist und demzufolge innerhalb vorgegebener Grenzen unabhängig vom Joch 89 beziehungsweise vom Rotorgehäuse schwingen kann. Dadurch hat das eine wesentliche geringere Masse gegenüber einem kompakten Stator aufweisende obere Statorteil 88 die Möglichkeit, Rotorschwingungen aufzunehmen, wodurch sich die Rotorlaufruhe signifikant verbessern kann. Dieser Effekt wird noch verstärkt, da das obere Statorteil 88 durch eine weitere elastische Schicht 88′′ auch noch vom Zentralteil 98 mechanisch entkoppelt ist. Zu beachten ist hierbei noch, daß die zentrische Magnetanordnung für die Erzeugung der Führungsmagnetfelder von den Antriebsmagnetfeldern entkoppelt sein sollte, um vor allem eine Beeinflussung der konstanten magnetischen Felder der Führungsmagneten durch die magnetischen Felder der außenliegenden, eine zeitlich räumlich wechselnde Komponente aufweisenden Antriebsmagnete deutlich einzuschränken. Einzelheiten einer mechanischen Entkopplung im Bereich des Stators wurden jedoch bereits in der deutschen Patentanmeldung P 43 42 582.8 beschrieben, weshalb hier weitere Erläuterungen verzichtbar sind.

Der in Fig. 6 dargestellte Schnitt ist zwischen zwei Kanäle, innerhalb der die Statorwicklungen verlaufen, gelegt. Die Wicklungen sind in eine Vergußmasse 88 eingebettet. Das Zentralteil 98 des Stators 87 besitzt im Bereich der Lagerfläche 88′ einen zentrischen Magneten 93, der beabstandet durch eine Isoliermasse 92 von einem Ringmagneten 101 umgeben ist. Über dieser Magnetanordnung ist eine Deckschicht 100 angeordnet, die die Magnete vor Beschädigungen schützen soll. Auf der Rückseite der Magnetanordnung ist ein Joch 91 vorhanden, welches die Führungsmagnetfelder leiten soll. Eine entsprechende Magnetanordnung kann auf der gegenüberliegenden Lagerseite am Rotor ebenfalls vorhanden sein. Da jedoch derartige Anordnungen unter anderem aus der gattungsbildenden WO 92/01096 bekannt sind, wurde hier auf die Darstellung des Rotors verzichtet.

Im Zentralteil 98 ist des weiteren ein Gasbehälter 97 für das Gas, welches für das Magnetgaslager erforderlich ist, vorhanden. Von diesem Gasbehälter 97 geht eine Verbindungsleitung 96 ab, die in einen Ringkanal 95 mündet. Von diesem Ringkanal wiederum zweigen abgewinkelte Gasleitungen 94 ab, die im Bereich der Lagerfläche 88′ in gleichem Abstand zueinander und konzentrisch zur Rotationsachse des Rotors münden. Diese Anordnung von Gaszuführungsleitungen außerhalb des Zentralteiles 98 des Stators 87 bringt einerseits den Vorteil mit sich, daß, insbesondere bei großen Rotoren, Taumelbewegungen entgegengewirkt werden kann. Außerdem kann die mittige Öffnung im oberen Jochteil 88 mit einem geringeren Durchmesser ausgebildet werden, da durch diese Öffnung nicht mehr die Gaszuführungsleitungen treten müssen. Dieser geringere Innendurchmesser des oberen Jochteils 88 trägt zur Reduzierung des magnetischen Widerstandes bei. Der Gasbehälter 97 ist über eine Gaszufuhrleitung 99 und einen daran angeschlossenen Schlauch 99′ mit einer zentralen Gasversorgung, die hier nicht dargestellt ist, verbunden.

Die Verwendung von gepulvertem und mit Isolationsstoff gebundenen magnetischen Materials bietet neben dem Vorteil der optimalen Formgebung zur Leitung des Magnetflusses beziehungsweise Reduzierung des magnetischen Widerstandes auch noch den Vorteil, an beliebigen Stellen Halterungen, Sensoren oder ähnliches einzubringen, indem entsprechende Nischen hierfür vorgesehen werden.

Claims (14)

1. Einzelmotorischer Antrieb eines schaftlosen Spinnrotors einer Offenend-Spinnmaschine, wobei der Spinnrotor als Läufer eines Axialfeldmotors ausgebildet ist und mit einer der Rotoröffnung abgewandten Lagerfläche einer durch einen Luftspalt beabstandeten statorseitigen Lagerfläche gegenüberliegt und mit dieser statorseitigen Lagerfläche ein kombiniertes Magnet-/Gaslagers bildet, wobei stator- sowie rotorseitige Mittel zum Leiten des Magnetflusses für Antriebs- und Führungsmagnetfelder vorhanden sind und der ringförmige Stator eine symmetrisch zur Drehachse des Rotors segmentartig angeordnete Wicklung zur Erzeugung des umlaufenden Antriebsmagnetfeldes aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (3; 13, 18, 19, 20, 23, 25; 38; 44, 45; 55, 57, 61, 63, 67, 69, 71, 73, 75, 77, 79, 81) durch im Statorkern (2; 9; 33; 41; 51; 87) im wesentlichen radial verlaufende zumindest über einen Teil ihrer Länge durch magnetisch leitendes Material geschlossene Kanäle (4; 10; 34; 43) geführt ist.

2. Einzelmotorischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (34) im außenliegenden Teil ihrer Länge durch magnetisch leitendes Material geschlossen sind.

3. Einzelmotorischer Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Statorkern (9; 33; 41; 51; 87) axial aus mehreren Teilen so gefügt ist, daß die zum Einbringen der Wicklung offenen Kanäle (10; 34; 43) erst beim Fügen der Teile schließbar sind.

4. Einzelmotorischer Antrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die Kanäle (4; 10; 34; 43) bildende Teil (9; 33; 41; 54; 88) des Statorkerns (2; 8; 32; 40; 51; 87) aus einem gepulverten und mit Isolationsstoff gebundenen magnetischen Material besteht.

5. Einzelmotorischer Antrieb nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der sich axial an die Kanäle (4; 10; 34; 43) anschließende, der Lagerfläche abgewandte jochbildende Teil (30; 37; 85; 89) des Statorkernes (8; 32; 51) aus weichmagnetischem laminierten Material besteht.

6. Einzelmotorischer Antrieb nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das der Lagerfläche zugewandte Teil (9; 33; 41; 54; 88) des Statorkernes mechanisch so vom übrigen Statorkern entkoppelt ist, daß sich eine selbständige Schwingungsfähigkeit ergibt.

7. Einzelmotorischer Antrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile (88; 89) über eine elastische Schicht (90) miteinander verbunden sind.

8. Einzelmotorischer Antrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Schicht (90) magnetisch leitend ist.

9. Einzelmotorischer Antrieb nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein die statorseitige Lagerfläche (9′; 33′; 41′; 88′) enthaltendes Teil (9; 33; 41; 88) des Statorkernes (8; 32; 40; 87) auf der der Lagerfläche abgewandten Seite offene Radialnuten (10; 34; 43) besitzt, die beim axialen Zusammenfügen des Statorkernes durch das jochbildende andere Teil (30; 37; 85; 89) des Statorkernes schließbar sind.

10. Einzelmotorischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die segmentartig angeordnete Wicklung (3; 38) des Stators (1; 32) toroidal ausgebildet ist und die Windungen in Ebenen liegen, die senkrecht zur Lagerfläche angeordnet sind.

11. Einzelmotorischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die segmentartig angeordnete Wicklung (13, 18, 19, 20, 23, 25; 44, 45; 55, 57, 61, 63, 67, 69, 71, 73, 75, 77, 79, 81) des Stators (8; 40; 51) so ausgebildet ist, daß die Windungen in einer parallel zur Lagerfläche liegenden Ebene verlaufend angeordnet sind.

12. Einzelmotorischer Antrieb nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen auf segmentartige Einzelkerne (54) aufgebracht sind, die ringförmig angeordnet und mit einem lagerseitigen Ring (52) und dem jochbildenden Teil (85) des Stators (51) unter Ausbildung der radialen Kanäle axial fügbar sind.

13. Einzelmotorischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß konzentrisch angeordnete Gaszufuhrkanäle (6; 94) für den Transport des Stützgases des Magnet-/Gaslagers durch die zwischen den magnetisch geschlossenen Kanälen liegenden Abschnitte des Stators (1; 87) verlaufen.

14. Einzelmotorischer Antrieb nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß auch das jochbildende Teil (2; 48) des Statorkernes aus gepulvertem und mit Isolationsstoff gebundenen magnetischem Material besteht und die Gaszufuhrkanäle (6) als gerade Durchbohrungen durch den gesamten Statorkern (2) verlaufen.