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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen Wechselstrommotor, der zum Antreiben einer Pumpe
oder eines Kompressors bestimmt ist.
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Insbesondere ist er zur Realisierung
von Pumpengruppen geeignet, die in eine Flüssigkeit eingetaucht sind.
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Er wird vornehmlich in der Erdölindustrie zum
Abpumpen von Flüssigkeiten
vom Grund von Förderschächten eingesetzt,
aus denen Kohlenwasserstoffverbindungen in flüssiger, gasförmiger oder mehrphasiger
Form gefördert
werden.
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STAND DER
TECHNIK
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Die derzeit am häufigsten eingesetzten Elektromotoren
sind einphasige oder mehrphasige asynchrone Wechselstrommotoren.
Ihr Aufbau wird TECHNIQUES DE L'INGENIEUR,
Abhandlung zur Elektrotechnik, Band D 3 II, Kapitel D 3 490 – Asynchronmotoren – Auswahl
und damit zusammenhängende
Probleme beschrieben.
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Gemäß dieser Vorveröffentlichung
weisen die asynchronen Wechselstrommotoren im Wesentlichen einen
Ständer
bzw. Stator und einen Läufer bzw.
Rotor auf.
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Der Stator besteht aus Wicklungen,
die aus leitenden Drähten
in Spulenform aufgewickelt sind, welche im Inneren eines zylindrischen
Gehäuses verteilt
sind, das die Aufgabe eines Rahmens erfüllt, und sich dabei innerhalb
eines von diesem Gehäuse unterstützten Magnetkreises
befinden. Dieser Magnetkreis wird durch auf einander gestapelte
Bleche in Form runder Kränze
gebildet, in welche parallel zur Achse des Gehäuses Ausschnitte eingelassen
sind, in welche die leitfähigen
Drähte
der Spulenwicklungen eingesetzt sind.
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Im Inneren des kranzförmigen Magnetkreises,
der von auf einander gestapelten Blechen gebildet wird, befindet
sich der zylinderförmige
Rotor, welcher eine Drehachse aufweist, die sich in einem fest mit
dem Gehäuse
des Stators verbundenen Stützlager
abstützt.
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Bei dem am weitesten verbreiteten
Rotortyp handelt es sich um einen Käfigläufer, dessen Schaltung aus
leitfähigen
Stangen besteht, die zwischen zwei Metallkränzen, welche die Enden bilden,
regelmäßig zu einander
verteilt sind.
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Dieser Käfig wird in das Innere eines
Magnetkreises eingesetzt, der aus Scheiben besteht, die auf die
Drehachse gestapelt sind.
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Bei einem Motor dieser Art ist die
Versorgung mit sehr hohen Spannungen nicht möglich und ist die Anordnung
von Isolierkörpern
kritisch, da die Abstände
zwischen den Läuferwicklungen
sehr gering sind.
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Das gleiche Problem stellt sich bei
der Isolierung der Wicklungen gegenüber den Blechen des Ständerkreises.
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Bei bestimmten Anwendungsbereichen,
zum Beispiel beim Heben von Wasser von einem Grundwasserspiegel
oder von Kohlenwasserstoffverbindungen, die sich am Grund eines
Schachts gebildet haben, wird die Welle des Motors an eine Pumpe
angekoppelt und wird der gesamte Motor mit der Pumpe in das abzupumpende
Strömungsmittel
eingetaucht.
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In diesem Fall füllt sich der freie Raum zwischen
dem Läufer
und dem Ständer
mit Flüssigkeit, was
die vorstehend angesprochenen Probleme mit der elektrischen Isolierung
noch verschärft.
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Eine andere bekannte Lösung besteht
darin, den Motor von der Pumpe zu trennen, doch ist hierfür der Einsatz
einer dynamischen Dichtungsvorrichtung erfor derlich, die auf der
Welle des Motors angebracht ist. Solche Dichtungsvorrichtungen sind
empfindlich und wenig zuverlässig.
Sie sind schlecht an eine lange Einsatzdauer angepasst, die bei
Anlagen gefordert wird, bei denen der Zugang schwierig, kostspielig
und sogar gefährlich
ist.
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In der Vorveröffentlichung EP-A-0 604 762 wird
ein elektrischer synchroner Wechselstrommotor beschrieben, der insbesondere
zum Antreiben von Unterwasserpumpen einsetzbar ist. Dieser Motor weist
einen Magnetkreis auf dem Ständer
auf, der einen ersten Abschnitt umfasst, auf welchem elektrische
Wicklungen angebracht sind, sowie einen zweiten Abschnitt, welcher
einen vertieften zylinderförmigen
Bereich aufweist, in dessen Innenraum ein zylindrischer Läufer angeordnet
ist, welcher eine Drehachse aufweist, die sich in mindestens zwei
Lagern abstützt.
Der Magnetkreis des Ständers
und die elektrischen Wicklungen sind hermetisch abgeschlossen in
einer Ständerkammer
untergebracht, die eine Wandung aus einem dielektrischen Werkstoff
aufweist, und sind außerdem
in einem isolierenden Kunststoff eingebettet, welcher diese Kammer
ausfüllt.
Die Wandung der Ständerkammer
weist einen hohlen Abschnitt auf, welcher sich an die Form des vertieften
Bereichs des zweiten Abschnitts des Ständerkreises anschmiegt und
somit eine zylinderförmige
Blindlagerung begrenzt, die außerhalb
der Ständerkammer
liegt und in welche der Rotor des Motors eingesetzt ist, wobei der
Rotor sowie dessen Drehachse und die Stützlager sich außerhalb
der Ständerkammer
befinden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, unter Abhilfe bei den vorgenannten Nachteilen
insbesondere einen Wechselstrommotor zu schaffen, dessen Wicklungen
mit einer hohen elektrischen Spannung beaufschlagbar sind und sich
dank großer
Abstände,
welche die Wicklungen von einander und die Wicklungen des Magnetkreises
des Ständers
trennen, leicht herstellen lassen.
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Dieser Elektromotor eignet sich besonders gut
zur Ausbildung eines Aggregats mit eingetauchter Elektropumpe.
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Zu diesem Zweck regt die vorliegende
Erfindung einen Wechselstrommotor an, welcher einen Magnetkreis
auf dem Ständer
aufweist, der einen ersten Abschnitt umfasst, auf welchem elektrische Wicklungen
angebracht sind, sowie einen zweiten vertieften Abschnitt, einen
zylinderförmigen
Läufer mit
einer Drehachse, welche sich in mindestens zwei Lagern abstützt, wobei
der Läufer
im Inneren des vertieften Abschnitts des Ständerkreises angeordnet ist, und
eine Ständerkammer
mit dichter Wandung, von der mindestens ein Teil aus einem Isoliermaterial ausgebildet
ist und in deren Innenraum der erste Abschnitt des Ständerkreises
und die elektrischen Wicklungen angebracht sind, wohingegen sich
außerhalb
derselben der zylinderförmige
Läufer,
dessen Drehachse und die Stützlager
befinden, wobei sich der Motor dadurch auszeichnet, dass der erste Abschnitt
des Ständerkreises
außerhalb
der Ständerkammer
befindet und dass dieser zweite Abschnitt des Ständerkreises, der zylinderförmige Läufer mit seiner
Drehachse und die Stützlager
außerhalb
der Ständerkammer
in der Weise angeordnet sind, dass der Magnetkreis des Ständers durch
die Wandung der Kammer in dem Teil dieser Wandung hindurch läuft, der
aus einem Isoliermaterial hergestellt ist, wobei das Material ein
nichtmagnetisches Isoliermaterial ist.
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Entsprechend einem weiteren Merkmal
des erfindungsgemäßen Motors
sind der zweite Abschnitt des Magnetkreises des Ständers, der
Läufer
des Motors, die Stützlager
und der Läufer
einer Pumpe in einer Läuferkammer
mit dichter Wandung eingeschlossen, welche mit einem Einlass und
einem Auslass eines zu fördernden
Strömungsmittels
versehen ist, wobei die Achse des Läufers des Motors mechanisch mit
der Achse des Läufers
der Pumpe verbunden ist.
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Gemäß einem anderen Merkmal des
erfindungsgemäßen Motors
weist die dichte Wandung der Ständerkammer
eine Vorrichtung zum Ausgleichen des Druckunterschieds zwischen
dem Innenraum der Kammer und deren Außenraum auf.
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Entsprechend einem weiteren Merkmal
des erfindungsgemäßen Motors
weisen die elektrischen Wicklungen auf dem Ständer mindestens einen Abgriffpunkt
zum Abgreifen von elektrischer Energie.
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Gemäß einem anderen Merkmal des
erfindungsgemäßen Motors
weist der Magnetkreis des Ständers
eine zusätzliche
elektrische Wicklung zum Ableiten von elektrischer Energie auf.
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Entsprechend einem weiteren Merkmal
weist der erfindungsgemäße Motor
außerdem
einen Abzweiganschluss für
den Eingang und einen Abzweiganschluss für den Ausgang auf, die auf
der Wandung der Ständerkammer
für den
Anschluss einer außen liegenden
Vorrichtung zum Kühlen
eines Strömungsmittels
angebracht sind, mit welchem die Ständerkammer gefüllt ist.
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Gemäß einen letzten Merkmal weist
der erfindungsgemäße Motor
darüber
hinaus eine Ummantelung auf, die aus einem nichtmagnetischen Isoliermaterial
hergestellt ist und den ersten Abschnitt des Magnetkreises des Ständers umhüllt und
unter Abdichtung an den aus nichtmagnetischem Isoliermaterial gebildeten
Abschnitt der Kammerwandung so angeschlossen ist, dass die Kammer
abgedichtet ist.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Weitere Vorteile er Erfindung ergeben
sich aus der nachstehenden beispielhaften Beschreibung unter Bezugnahme
auf die beiliegende Zeichnung, in welcher:
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1 einen
Elektromotor gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Längsschnitt
darstellt;
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2 einen
Teil eines Elektromotors gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung in Seitenansicht zeigt;
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3 eine
perspektivische Ansicht eines Teils eines Elektromotors gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist;
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4 einen
Elektromotor gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung m Längsschnitt
darstellt, und
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5 einen
Elektromotor gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Längsschnitt
zeigt.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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1 stellt
ein erstes Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Motors
1 im Längsschnitt dar,
welcher einen aus Lamellen aufgebauten Magnetkreis am Ständer aufweist,
der folgendes umfasst:
- – einen ersten Abschnitt 2,
der aus drei Kernabschnitten 3, 4 und 5 gebildet
ist, wovon nur die Abschnitte 3 und 4 in 1 sichtbar sind und welche im
Raum um 120° versetzt
sind und dabei an einem ihrer Enden ein Poljoch 6 bilden,
sowie
- – einen
zweiten Abschnitt 10, der aus drei Kernabschnitten 11, 12 und 13 gebildet
ist, welche jeweils eine Verlängerung
der drei Abschnitte 3, 4 und 5 darstellen,
wovon jedoch nur die Abschnitte 11 und 12 in 1 zu erkennen sind, und
deren Enden eine zylinderförmige
Vertiefung bilden.
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Auf jedem der drei Kernabschnitte 3, 4 und 5 sind
elektrische Wicklungen 7, 8, 9 angebracht,
von denen nur die Wicklungen 7 und 8 in 1 zu erkennen sind.
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Die drei Abschnitte 3, 4 und 5 des
Magnetkreises des Ständers
und die darauf angebrachten elektrischen Wicklungen sind in ein
feststehendes zylinderförmiges
Gehäuse
bzw. Gestell 19 eingesetzt, das an einem Ende von einem
Boden 21 und am gegenüber
liegenden Ende mit einer Verschlussplatte 22 dicht verschlossen
ist.
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Diese Platte ist aus einem nichtmagnetischen
Isoliermaterial ausgeführt,
so dass sie keine Kurzschlusswindung um den Magnetkreis des Ständers und
auch keinen magnetischen Nebenschlusswiderstand dieses Magnetkreises
bildet.
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Das Gehäuse 19 und die Platte 22 bilden eine
abgedichtete Ständerkammer 20.
Das Gehäuse 19 weist
eine abgedichtete Kabeldurchführung
für den
Durchtritt eines Zuleitungskabels zur Versorgung der Ständerwicklungen
auf. Die Platte 22 besitzt abgedichtete Durchführungen 18 für den jeweiligen Durchtritt
von drei Kernen des Magnetkreises des Ständers, die von den Abschnitten 3, 4, 5, 11, 12 und 13 gebildet
werden.
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Die Bleche, welche den Kern des Ständerkreises
bilden, sind in Höhe
ihres Durchtritts durch die Platte 22 in dichter Weise
zusammengefügt,
beispielsweise mit Hilfe einer dünnen
Lage aus elastischem Isoliermaterial, das zwischen zwei benachbarten
Blechen angeordnet ist.
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Das Poljoch 6 des Magnetkreises
des Ständers 2 wird
von dem Träger 26 gehalten.
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Das Gehäuse weist außerdem einen
Abzweiganschluss 23 für
den Eingang und einen Abzweiganschluss 24 für den Ausgang
auf, wobei diese Anschlüsse
zum Anschließen
einer außen
liegenden Vorrichtung zum Kühlen
eines isolierenden Strömungsmittels
dienen, mit welchem die Ständerkammer 20 gefüllt ist,
das aber in der 1 nicht
dargestellt ist.
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In der Vertiefung, die sich am Ende
des zweiten Abschnitts 10 des Magnetkreises des Ständers 2 befindet,
ist ein aus Lamellen aufgebauter Läufer 14 angebracht,
welcher eine Drehwelle 15 aufweist, die auf den feststehenden
Lagern 16 und 17 aufliegt, welche mittels der
Einstellteile 41 und 42 mechanisch mit dem zweiten
Abschnitt 10 des Ständerkreises
in der Weise verbunden sind, dass die Zentrierung des Läufers und
des Ständers
sichergestellt wird. Die Einstellteile 41 und 42 sind
aus einem nichtmagnetischen Isoliermaterial hergestellt, so dass
sie um die Abschnitte der Ständerkerne
keine Kurzschlusswindung bilden und den Magnetkreis des Ständers nicht magnetisch
kurzschließen.
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2 stellt
eine Teilseitenansicht des Motors dar und zeigt die relativen Positionen
des Magnetkreises des Ständers,
welcher die Kernabschnitte 3, 4, 5 umfasst,
die mittels des Poljochs 6 verbunden sind, sowie die Kernabschnitte 11, 12 und 13,
die auf den Kernabschnitten 3, 4, 5 angebrachten
Wicklungen 7, 8, 9 und den Läufer 14 mit
seiner Achse 15.
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3 stellt
eine perspektivische Teilansicht des Motors dar, auf welchem der
Magnetkreis des Ständers 2 zu
erkennen ist, welcher die Kernabschnitte 3, 4, 5 aufweist,
die mittels des Poljochs 6 verbunden sind, sowie die Kernabschnitte 11, 12 und 13,
den Läufer 14 mit
seiner Achse 15, die auf dem Kernabschnitt 3 angebrachte
elektrische Wicklung 7 und die Platte 22, die
mit einer abgedichteten Durchführung 18 für den Durchtritt
des Abschnitts 11 versehen ist.
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Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, das
in 4 schematisch im
Längsschnitt
dargestellt wird, weist der erfindungsgemäße Motor 1 eine vertikale
Achse auf und umfasst einen Magnetkreis 2 des Ständers, elektrische
Wicklungen 7, 8, ein Gehäuse 19, eine Platte 22 und
einen Läufer 14,
wie sie für
das erste Ausführungsbeispiel
beschrieben wurden und die hier in gleicher Weise angeordnet sind.
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Gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel weist
der Motor 1 darüber
hinaus folgendes auf:
- – einen Impulsgeber 32 für die Pumpe,
welcher mit einer Welle 27 versehen ist, die mit dem Ende der
Welle 15 des Läufers 14 verbunden
ist und an ihrem unteren Ende einen axialen Anschlag 33 aufweiset,
- – ein
Gebläse 40 für den Ausgleich
des Druckunterschieds zwischen den beiden Flächen der Platte 22,
- – eine
Verlängerung 28 des
Gehäuses 19,
welches mit einem Boden 36 versehen ist und eine Läuferkammer 30 bildet,
die den zweiten Abschnitt 10 des Magnetkreises des Ständers, den Läufer 14 und
den Impulsgeber 32 der Pumpe umschließt,
- – einen
elektrischen Abgriff 38 zum Abgreifen von elektrischer
Energie, welcher durch das Gehäuse 21 in
einer abgedichteten Kabeldurchführung 37 verläuft.
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Die Wellen 15 und 27 stützen sich
in Lagern 16, 17 und 31 ab, wobei die
Lager 16 und 17 wie beim ersten Ausführungsbeispiel
mechanisch mit dem Magnetkreis des Ständers mit Hilfe von Einstellteilen 41 und 42 verbunden
sind, wobei das Lager 31 und der Anschlag 33 fest
mit der Verlängerung 28 des
Gehäuses 19 verbunden
sind.
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Die Verlängerung 28 des Gehäuses 19 weist einen
Einlass 34 und einen Auslass 35 für die vom Impulsgeber 32 umgewälzte Flüssigkeit
auf, wobei der Impulsgeber 32 vom Läufer 14 des Motors
angetrieben wird.
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Um den Motor gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel
zu betreiben, der sehr tief in eine Flüssigkeit eingetaucht ist, d.
h. unter einem sehr hohen statischen Druck steht, wird die Ständerkammer 20 mit
einer Flüssigkeit
gefüllt.
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Wegen des Gebläses 40 gleichen sich
der Druck in der Ständerkammer 20 und
der Druck in der Läuferkammer 30 aus
und somit werden die Probleme, die mit dem Druckunterschied zwischen
diesen beiden Kammer verknüpft
sind, von selbst gelöst.
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Entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel,
das schematisch im Längsschnitt
in 5 dargestellt ist,
weist der Motor 1 eine vertikale Achse auf und umfasst
einen Magnetkreis des Ständers 2,
elektrische Wicklungen 7, 8, ein Gehäuse 19,
eine Platte 22 und einen Läufer 14, so wie diese
für das
erste Ausführungsbeispiel
beschrieben wurden; diese Teile werden auch in derselben Weise angeordnet.
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Gemäß diesem dritten Ausführungsbeispiel werden
die abgedichteten Durchführungen,
die in 1 mit dem Bezugszeichen 18 angegeben
sind, durch eine Ummantelung ersetzt, die in 5 mit dem Bezugszeichen 43 bezeichnet
ist.
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Diese Ummantelung 43, die
aus einem nichtmagnetischen Isoliermaterial ausgeführt ist,
umschließt
den ersten Abschnitt 2 des Magnetkreises des Ständers und
ist unter Abdichtung mittels einer Schweißnaht 44 mit dem Abschnitt 22 der
Wandung der Ständerkammer 20 verbunden.
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Aufgrund dieser Ummantelung ist die
Abdichtung der Ständerkammer 20 gewährleistet
und befindet sich der Magnetkreis des Ständers unter den gleichen Druckbedingungen
wie die Läuferkammer 30,
wodurch das Problem mit der Abdichtung der Durchführung des
Abschnitts 22 der Wandung der Läuferkammer 30 mittels
der Bleche des Magnetkreises des Ständers und insbesondere der
Abdichtung zwi schen den Blechen nicht entsteht, wobei diese Abdichtung
schwierig zu realisieren sein kann.
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Aufgrund der Form der Wicklungen
des Ständers
und deren Anbringung auf den Abschnitten der Magnetkerne wird deren
elektrische Isolierung nicht durch die Größe der Ausschnitte begrenzt,
wie dies bei den herkömmlichen
Motoren der Fall ist; aufgrund dessen können sie mit deutlich höheren Spannungen
versorgt werden, als dies bei herkömmlichen Motoren möglich ist,
wodurch die Verwendung eines Transformators in der Nähe des Motors
vermieden wird, wenn dieser sehr weit von der Stromversorgung entfernt
ist.
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Der erfindungsgemäße Elektromotor hat auch den
Vorteil, dass er nur statische Dichtungsvorrichtungen aufweist,
welche nicht die Nachteile mit sich bringen, wie sie bei Vorrichtungen
zur dynamischen Abdichtung auftreten, weshalb sie sehr zuverlässig sind,
was bei zahlreichen Einsatzzwecken unerlässlich ist, bei denen der Motor
nur mit Schwierigkeiten zugänglich
ist, zum Beispiel am Grund eines Förderschachts bei der Erdölförderung
unter Wasser oder in einer Gefahrenzone, wie dies in der Kernindustrie
und bestimmten Zweigen der chemischen Industrie zur Herstellung
gefährlicher
Stoffe der Fall ist.
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Die in der abgedichteten Kammer 20 angebrachten
elektrischen Wicklungen 20 sind gegenüber dem sie umgebenden Medium
und dem geförderten Strömungsmittel
vollständig
isoliert, wodurch sie gegenüber
mechanischem und chemischem Angriff unempfindlich werden, der mit
der Art der geförderten Strömungsmittel
und dem umgebenden Medium verknüpft
ist.
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Der erfindungsgemäße Motor eignet sich besonders
gut zur Förderung
von Kohlenwasserstoffverbindungen in mehrphasiger Form vom Grund
von unterseeischen Förderschächten aus
sehr großer Tiefe.