DE68913627T2 - Elektrischer Motor. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit besonderen Leistungsfähigkeiten, einem hohen Drehmoment bei relativ niedrigen Drehzahlen, wie es bei gewissen Anwendungszwecken, beispielsweise bei Bor- und Fluidextraktionsanlagen erforderlich ist.
• Aus der EP-A-0 208 467 ist ein Elektromotor des Typs bekannt, der ein Gehäuse, das eine darin um die Wellenachse drehbar und längs der Achse bewegbar angebrachte Welle aufweist, eine elektrische Antriebseinrichtung, die von der Welle oder dem Gehäuse gehalten ist, und eine kooperierende Abtriebseinrichtung, die von dem jeweils anderen Bauteil, nämlich dem Gehäuse oder der Welle gehalten ist, wobei die Antriebs- und die Abtriebseinrichtungen kooperierende Flächen aufweisen, die quer zur Wellenachse verlaufen, sowie Energieversorgungseinrichtungen zur Energieversorgung der Antriebseinrichtung umfaßt, um auf die Abtriebseinrichtung einzuwirken. Die Energieversorgung der Antriebseinrichtung bewirkt eine axiale Bewegung der Welle gegen eine Rückstellfeder, um eine Bremswirkung zwischen der Welle und dem Gehäuse aufzuheben. Beim Abschalten der Energieversorgung der Antriebseinrichtung wird die Bremse automatisch aufgrund der axialen Rückstellbewegung infolge der Feder angezogen.
• Die US-A-3 048 723 beschreibt einen Elektromotor, bei dem zwei Rotoren in ähnlicher Weise axial zwischen einem zentralen Stator und jeweiligen Bremsflächen bewegt werden.
• Die EP-A-0 201 021 beschreibt einen elektrischen Synchronmotor mit Permanentmagnetrotoren in Ringform, die axial im Abstand längs einer Welle angeordnet sind und jeweils zwischen Unterbaugruppen eines Stators aufgenommen sind.
• Gemäß Anspruch 1 liefert die Erfindung einen Elektromotor des beschriebenen Typs, bei dem die Energieversorgungseinrichtungen wahlweise betreibbar sind, um die Antriebseinrichtung zur Einwirkung auf die Abtriebseinrichtung so mit Energie zu versorgen, daß eine Drehung der Welle- und/oder eine axial hin- und hergehende Bewegung der Welle bewirkt wird.
• Obwohl der axiale Abstand zwischen der Antriebseinrichtung und der Abtriebseinrichtung erwünscht klein ist, um den Wirkungsgrad zu maxinmieren, ist ein Zwischenraum vorgesehen, um die Axialbewegung der Welle aufzunehmen, die zeitlich und richtungsmäßig so gesteuert werden kann, daß sie beispielsweise zum Bewirken einer Bremsung der Wellendrehung oder als Hammerwirkung verwandt werden kann oder vorteilhaft sein kann, wenn der Motor einen Bohrer antreibt.
• Wenn die Antriebseinrichtung mehrere Antriebselemente umfaßt, kann die Translationsbewegung der Welle und des Gehäuses elektrisch in beide Richtungen angetrieben werden, dem Antriebshub kann jedoch durch eine geeignete Form einer Feder entgegengewirkt werden, die die Energie für den Rückstellhub liefert.
• Die Antriebseinrichtung kann Wicklungen umfassen, die in der Weise elektrischer Linearmotorwicklungen gewickelt sind jedoch um die Wellenachse herum kreisförmig verlaufen, so daß sie die Abtriebseinrichtung, die ein magnetisches Material umfassen kann, um die Achse herum tragen. Ein hohes Drehmoment kann erzielt werden, da der Motoraufbau gemäß der Erfindung einen großen wirksamen "Motorbereich" zwischen den Motorelementen, d.h. zwischen den Antriebswicklungen und dem kooperierenden Abtriebselement, zuläßt.
• Für die meisten Zwecke kann die Erfindung in Form eines Motors mit einem Gehäuse mit kreiszylindrischer Form ausgebildet sein, dessen Welle längs ihrer Achse durch geeignete Lager gelagert ist, so daß sie als Ausgangs- oder Antriebswelle wirkt. Die Abtriebseinrichtung ist zweckmäßigerweise durch die Welle gehalten und umfaßt vorzugsweise mehrere axial beabstandete Rotorscheiben oder Elemente aus einem magnetischen Material, das so gewählt sein kann, daß die Antriebswirkung der Energieversorgung der Antriebseinrichtung maximal ist. Die Antriebseinrichtung umfaßt dann mehrere ringförmige Statorwicklungen, die von Gehäuse getragen sind, derart, daß jede neben wenigstens einer Seite einer jeweiligen Rotorscheibe angeordnet ist. Jede Rotorscheibe kann vorteilhafterweise zwischen zwei der ringförmigen Statorwicklungen aufgenommen sein, die gemeinsam mit Energie versorgt werden.
• Ein Motor, der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist, kann so ausgebildet sein, daß er bei einfachen, robusten Anwendungszwecken asynchron arbeitet, wenn die Abtriebseinrichtung ein laminiertes oder festes Material umfassen kann, oder synchron arbeitet, um einen größeren Wirkungsgrad zu erzielen, wenn die Abtriebseinrichtung Permanentmagnete umfassen kann. Es kann eine wirksame Kühlung, beispielsweise durch eine Zwangszirkulierung eines Kühlfluides, beispielsweise eines Öls, erforderlich sein, das zusätzlich als Schmiermittel für die Motorlagerungen dienen kann. Die Zirkulation kann durch eine äußere Pumpe oder durch ein Flügelrad auf der Motorwelle bewirkt werden.
• Die Welle und der Rahmen oder das Gehäuse können relativ drehbar über dazwischen angeordnete herkömmliche Lager aneinander gelagert sein. Derartige Lager können auch zwischen den Motorwellenelementen und dem Gehäuse angeordnet sein. Hydrodynamische und hydrostatische Lager können mit den Motorelementen und dem Gehäuse integriert sein und die Motorelemente können so angeordnet und mit Energie versorgt sein, daß sich ein elektromagnetischer Lagereffekt ergibt.
• Mehrere kooperierende Rotor- und Statoreinrichtungen können entlang der Welle stapelartig angeordnet sein, um einen Motor zu liefern, der ein gewünschtes hohes Ausgangsdrehmoment bei problemlos steuerbarer Drehzahl liefert. Der Motor kann extrem kompakt, insbesondere was seine Querabmessungen anbetrifft, ausgebildet sein und eignet sich folglich außerordentlich zum Einbau in zusammengesetzte Rohrleitungen, die bei Bor- und Fluidextraktionssystemen verwandt werden. Er kann somit zum Antreiben von Bohrern und Bohrlochpumpen mit niedriger Drehzahl beispielsweise Schraubenspindelpumpen, verwandt werden. Der Motor kann problemlos in Pumpsysteme eingebaut werden, wie sie in der EP 0 063 444 beschrieben sind.
• Eine weitere Verbesserung der Kompaktheit kann dadurch erzielt werden, daß eine hohle Motorwelle verwandt wird, die beispielsweise zum Durchgang eines Fluids, das zu pumpen ist, oder zum Fördern von Bohrschlamm dienen kann.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Beispieles unter Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen weiter beschrieben, in denen
• Fig. 1 eine schematisch geschnittene Vorderansicht eines Elektromotors zeigt, der die Erfindung ausbildet, und
• Fig. 2 eine ähnliche Ansicht eines zweiten Elektromotors zeigt, der die Erfindung ausbildet und in eine Pumpenbaueinheit eingebaut ist.
• Der dargestellte Elektromotor umfaßt einen Rahmen oder ein Gehäuse mit einer Wand 2 eines kreiszylindrischen Querschnitts und einer Motorantriebs- oder Ausgangswelle 4, die längs der Achse 5 des Gehäuses verläuft und über dessen Enden vorsteht. Die Antriebswelle 4 trägt in Längsrichtung in gleichen Abstandsintervallen eine gewählte Anzahl von gleichen Rotorelementen 6 jeweils in Form einer koaxialen Kreisscheibe aus einem magnetischen Material, die an der Welle befestigt ist. Jedes Rotorelement 6 ist axial zwischen zwei ringförmigen Statorelementen 7 aufgenommen, die zur Welle 4 konzentrisch und an ihrem Außenumfang an der Gehäusewand befestigt sind. Die beiden äußeren Statorelemente 7 bilden Abschlußwände des Gehäuses 2 und die inneren Statorelemente sind in Paaren in Kontakt zueinander zusammengestapelt, wobei jedes Paar sich zwischen jedem benachbarten beabstandeten Paar von Rotorelementen 6 befindet.
• Die Gehäusewand 2 und die Welle 4 sind relativ zueinander um ihre gemeinsame Achse 4 drehbar gelagert und die Gehäusewand trägt in der in Fig. 1 nur oben dargestellten Weise Lagereinrichtungen 9, die zwischen der Gehäusewand und den äußeren Umfangsrändern der Rotorelemente 6 wirken. Zusätzlich oder stattdessen können derartige Lager zwischen den Statorelementen 7 und der Welle 4 verlaufen.
• Die Statorelemente 7 umfassen jeweils Wicklungen, wie sie bei elektrischen Linearmotoren verwandt werden, wobei jedoch die Wicklungen so angeordnet sind, daß sie nicht linear, sondern kreisförmig verlaufen, um eine Drehung der Elemente 6 in einer gewählten Richtung und somit der Welle 4 zu bewirken, wenn sie mit Energie versorgt werden. Die Statorelemente 7 werden asynchron oder vorzugsweise synchron über eine Wechselstrom- und/- oder Gleichstromenergieversorgung versorgt, die von einer äußeren Energiequelle 10 über einen Frequenzwandler 11 kommt.
• Der dargestellte Elektromotor ist mit axialen Abständen zwischen den Rotorelementen 6 und den Statorelmenten 7 gezeigt, wobei diese Abstände einen Betrieb des Motors in der Weise erlauben, daß die Drehbewegung der Antriebswelle 4 durch eine axial hin- und hergehende Bewegung ersetzt oder ergänzt ist, wenn beispielsweise die Welle oder das Gehäuse einen Bohrer antreibt. Um diesen Betrieb zu erzielen, wird die Energieversorgung der Statorelemente 7 in passender Weise über eine Steuereinheit 12 gesteuert. Die Lagereinrichtungen 9 sind derart, daß sie die sich ergebende begrenzte Axialbewegung der Welle 4 zulassen.
• Durch eine geeignete Energieversorgung, beispielsweise nur des unteren Statorelementes jedes Paares von Statorelementen 7, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, werden die Rotorelemente 6 und die Welle 4 nach unten bewegt, und zwar mit oder ohne Drehbewegung, und durch eine Energieversorgung nur des oberen Statorelementes jedes Paares von Statorelementen 7 wird die Welle nach oben gedrückt. Eine Hammerwirkung der Welle 4 kann in dieser Weise erzielt werden. Die Axialbewegung der Welle 4 kann über geeignete Anschlageinrichtungen, beispielsweise Anschläge 14 begrenzt sein, die an den radialen Flächen der Statorelemente 7 vorgesehen sind, wie es im unteren Teil von Fig. 1 dargestellt ist, um einen körperlichen Kontakt zwischen dem Rotor und den Statorlementen zu vermeiden. Die Anschlageinrichtungen können so ausgebildet sein, daß sie erforderlichenfalls einen Bremseffekt auf die Wellendrehung haben.
• Um die durch die Energieversorgung der Wicklungen der Statorelemente 6 entwickelte Wärme abzuführen, kann eine Zwangszirkulation eines Kühlfluids durch das Gehäuse vorgesehen sein. Das Kühlfluid kann ein Schmiermittel sein, um die Lagereinrichtungen 9 zu schmieren. Die Welle 4 kann eine Hohlwelle sein, um einen Weg zu liefern, der in den Fluidkreislauf eingeschlossen ist. Das durch den Motor zirkulierte Fluid kann eine Lagerfunktion haben, indem es eine hydrodynamische und/oder hydrostatische Lagerung liefert, und es kann Stöße absorbieren oder verteilen, die aus der Hammerwirkung der Welle resultieren.
• Der Elektromotor 20 von Fig. 2 entspricht in den wesentlichen Besonderheiten dem Motor von Fig. 1, er ist jedoch in eine Bohrlochpumpenbaueinheit eingebaut. Die Pumpeneinheit von Fig. 2 umfaßt ein Moineau-Versetzungselement 21, das mit dem unteren Ende der Motorantriebswelle 24 gekoppelt ist, so daß es durch den Motor in einem Rohr 25 gedreht wird, von dem ein Teil das Motorgehäuse 26 bildet. Das Rohr 25 ist im Produktionsgehäuse 27 aufgenommen. Wenigstens der Teil des Rohres 25 über dem Gehäuse 26 umfaßt zweckmäßigerweise elektrische Leitereinrichtungen, die die Energie für den Motor 25 liefern. Die Leitereinrichtungen können konzentrische Rohrleiter umfassen, die durch feste Isolierbuchsen oder ein diektrisches Fluid oder ein Sperrfluid getrennt sind, das durch Kanäle zirkuliert, in denen das Motorgehäuse liegen kann. Bezüglich weiterer Einzelheiten derartiger Leiter- und Fluidanordnungen kann auf die EP 063 444 Bezug genommen werden.
• Die Motorwelle 24 kann rohrförmig sein, so daß sie einen Durchgang für ein zu pumpendes Fluid in der durch Pfeile 29 angegebener Weise in das Rohr 25 liefert, was die Kompaktheit weiter verbessert.

Claims (12)

1. Elektromotor mit einem Gehäuse, das eine darin um eine Wellenachse drehbar und längs der Achse bewegbar angebrachte Welle (4) aufweist, einer elektrischen Antriebseinrichtung (7), die von der Welle oder dem Gehäuse gehalten ist, und einer kooperierenden Abtriebseinrichtung (6), die vom jeweils anderen Bauteil, nämlich dem Gehäuse oder der Welle gehalten ist, wobei die Antriebs- und die Abtriebseinrichtung kooperierende Flächen aufweisen, die quer zur Wellenachse verlaufen, sowie Energieversorgungseinrichtungen (10-12) zur Energieversorgung der Antriebseinrichtung, um auf die Abtriebseinrichtung einzuwirken, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgungseinrichtungen (10-12) zur Energieversorgung der Antriebseinrichtung (7), um auf die Abtriebseinrichtung (6) einzuwirken, wahlweise betrieben werden können, um eine Drehung der Welle (4) und/oder eine hin- und hergehende axiale Bewegung der Welle zu bewirken.

2. Elektromotor nach Anspruch 1, bei dem die Antriebseinrichtung (7) mehrere axial beabstandete Ringwicklungen umfaßt.

3. Elektromotor nach Anspruch 2, bei dem die Wicklungen linearmotorartige Wicklungen umfassen, die um die Achse herum orientiert sind.

4. Elektromotor nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Abtriebseinrichtung mehrere axial beabstandete Scheiben (6) aus einem magnetischen Material umfaßt.

5. Elektromotor nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4 mit einer Brems- oder Anschlageinrichtung (14) an wenigstens einer der kooperierenden Flächen der Antriebseinrichtung (7) und der Abtriebseinrichtung (6).

6. Elektromotor nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem das Gehäuse eine kreiszylindrische Gehäusewand (2) mit der längs ihrer Achse gelagerten Welle (4) umfaßt, wobei die Antriebseinrichtung (7) an der Gehäusewand angebracht ist und die Abtriebseinrichtung (6) an der Welle angebracht ist.

7. Elektromotor nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die oder jede Abtriebseinrichtung (6) zwischen einem jeweils zugehörigen Paar von Antriebseinrichtungen (7) angeordnet ist.

8. Elektromotor nach einem vorhergehenden Anspruch mit einer Ausbildung für einen Synchronbetrieb.

9. Elektromotor nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Welle (4; 24) im Gehäuse durch Lager (9) gelagert ist, die von der Antriebseinrichtung (7) und/oder der Abtriebseinrichtung (6) gehalten sind.

10. Elektromotor nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Energieversorgungseinrichtungen (10-12) so betreibbar sind, daß eine axiale Bewegung der Welle (4; 24) in eine Richtung bewirkt wird, wobei eine Feder die Energie für die axiale Rückbewegung liefert.

11. Elektromotor nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Welle (24) rohrförmig ausgebildet ist, so daß sich ein dort hindurchgehender Fluidkanal ergibt.

12. Elektromotor nach einem vorhergehenden Anspruch mit einer Einrichtung zum Zirkulieren eines Fluides durch das Gehäuse (1; 26), um wenigstens für eine Kühlung, Schmierung, ein hydrodynamisches Lagern, ein hydrostatisches Lagern und eine Stoßabsorption zu sorgen.