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