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Diese Erfindung betrifft einen gekapselten Motor mit einem
Stator und einem Rotor, die Voneinander durch ein
nichtmagnetisches Rohrteil getrennt sind und dazu ausgelegt ist,
ein Stellglied so wie ein Ventil anzutreiben, das in der
Umgebung einer hohen Temperatur oder eines korrosiven Fluides
betrieben werden soll.
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Der bekannte Motor zum Betätigen eines Ventiles ist zum Teil
beispielsweise in den veröffentlichen US-Patenten Nrn.
4,452,423 und 4,789,132, offenbart, wobei ein Stator, der ein
sich drehendes magnetisches Feld um die Wand des Rohrteiles
erzeugt, außerhalb des Rohrteiles vorgesehen ist, während ein
Rotor, der von Lagern drehbar gelagert ist, innerhalb des
Rohrteiles in einer Position gegenüber dem Stator vorgesehen
ist. Die Drehbewegung des Rotors wird durch einen
Schraubenmechanismus in eine lineare Bewegung eines Ventilelementes
umgewandelt, um so die Offen- und Schließoperation des
Ventiles zu steuern. Der Stator bei einem Typ des bekannten
Motors zum Betätigen eines Ventils ist in einen magnetischen
Kragen eingeformt, welcher eine Vielzahl von
Permanentmagneten umfaßt, die um die Außenseite des Rohrteiles frei
drehbar sind, während bei einem anderen Typen er so aufgebaut
ist, daß er gewöhnliche Statorspulen umfaßt. Andererseits ist
der Rotor bei diesen Typen aus Permanentmagneten oder einem
ferromagnetischen Element hergestellt, die Wirbelstrom
erzeugen können (US-Patente Nrn. 4,452,423 und 4,789,132).
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In einem Fall jedoch, in dem der Stator in der Form eines
magnetischen Kragens aufgebaut ist, ist ein Mechanismus, der
den magnetischen Kragen gleitend um die Außenseite des
Rohrteiles dreht, erforderlich. Andererseits wird, wenn der
Stator so aufgebaut ist, daß er gewöhnliche Statorspulen
umfaßt, der Durchmesser des Stators außergewöhnlich groß,
wenn die Größe der Spulen vergrößert wird, um die
magnetomotorische Kraft zu erhöhen. Weiterhin ist die Anzahl
magnetischer Pole durch Form und Größe der Statorspulen
beschränkt, so daß die Präzisioneinstellung des Drehwinkels
schwierig gemacht wird.
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Zusätzlich können in einem Fall, wenn der Rotor aus
Permanentmagneten hergestellt ist, die Betriebseigenschaften der
Permanentmagneten durch das Hochtemperaturfluid zerstört
werden, und die Verbindungsfestigkeit zwischen den
Permanentmagneten und einem Element, das dieselben trägt, wird
auch verringert werden, so daß die Möglichkeit vergrößert
wird, daß die Permanentmagnete aus dem Trägerelement fallen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen gekapselten Motor
zur Verfügung zu stellen, bei dem die oben beschriebenen
Schwierigkeiten der herkömmlichen Aufbauten im wesentlichen
ausgeschaltet werden können.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen gekapselten
Motor zu schaffen, der in der Herstellung wirtschaftlich und
mit großer Präzision und hoher Zuverlässigkeit betreibbar
ist.
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Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen
gekapselten Motor zu schaffen, bei dem die Drehelemente
leicht in der Abschalteposition gehalten werden können und
weiterhin die von den magnetische Polen erzeugten
magnetischen Flüsse magnetischen Flüssen überlagert werden, die von
den Permanentmagneten erzeugt werden, so daß die Wirksamkeit
des magnetischen Feldes wesentlich verbessert werden kann.
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Diese und weitere Aufgaben der Erfindung können durch einen
gekapselten Motor erfüllt werden, welcher einen Stator, der
außerhalb eines Rohrteiles aus einem nicht magnetischen
Material vorgesehen ist, und einen Rotor, der von Lagern
innerhalb des Rohrteiles gegenüber dem Stator drehbar
unterstützt ist, aufweist, wobei der Rotor elektromagnetisch
zum Antreiben einer Betätigungswelle derart verdreht wird,
daß diese ein Antriebsglied hin- und herbewegt, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stator einen laminierten Eisenkern
mit mehreren auskragenden Polen mit einer Statorwicklung
aufweist, die konzentriert um jeden auskragenden Pol
gewickelt ist, so wie mehrere Permanentmagneten, die an einer
gebogenen Oberfläche jedes auskragenden Poles befestigt sind,
wobei die Permanentmagnete abwechselnd in einer Anzahl
Polpaare magnetisiert sind, die längs der gebogenen
Oberfläche mit konstanter Teilung angeordnet sind, wobei der Rotor
einen äußeren Ringabschnitt, einen inneren Ringabschnitt und
einen Stegabschnitt umfaßt, der die beiden Ringabschnitten
verbindet, wobei eine Anzahl Induktionszähne längst des
Umfanges des äußeren Ringabschnitten in einer Teilung gleich
der Teilung der Polpaare der Permanentmagnete ausgebildet
ist, derart, daß die Differenz zwischen der Gesamtanzahl der
Induktionszähne und der Gesamtanzahl der Polpaare der
Permanentmagnete gleich einer geraden Zahl ist.
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Die Mitte des inneren ringförmigen Abschnittes des Rotors
kann axial mit einem Innengewinde ausgebildet sein, das mit
einem Außengewinde in Eingriff kommen kann, welches auf einer
Betätigungswellen gebildet ist, so daß das von dem gekapselten
Motor zu betätigende Element durch die Betätigungswelle und
in eine Hin- und Herbewegung umgewandelt angetrieben wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Betätigungswelle
fest an dem inneren ringförmigen Abschnitt des Rotors
angebracht und ein Außengewinde, das mit einem Innengewinde,
das in dem von dem gekapselten Motor zu betätigenden Element
ausgebildet ist, in Eingriff gebracht werden kann, ist
entlang einem Endabschnitt der Betätigungswelle ausgebildet.
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Weiterhin können die Lager, die den Rotor drehbar abstützen,
auf beiden Seiten des Rotors oder auf einer Seite des Rotors
vorgesehen sein, so daß die Lager im Kern durch die
verlängerten Abschnitte des inneren ringförmigen Abschnittes
gestützt oder zwischen den verlängerten Abschnitten des
äußeren ringförmigen Abschnittes und des Rohrteiles gehalten
werden. Bei einer weiteren Ausführungsform, bei der das
Eindringen eines Fluides in das Innere des Rohrteiles zu
verhindern gewünscht wird, kann ein Abdichtmechanismus auf
der Ausgangsseite des gekapselten Motors vorgesehen sein, um
einen Spalt abzudichten, der um die Betätigungswelle gebildet
ist.
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In den beigefügten Zeichnungen:
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Figur 1 ist eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, die
eine erste Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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Figur 2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A - A
aus Figur 1;
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Figur 3 ist eine Querschnittsansicht ähnlich der der Figur 2,
die eine zweite Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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Figur 4 ist eine Ansicht ähnlich der der Figur 1, die eine
dritte Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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Figur 5 ist eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, die
einen Rotor und dazu in Bezug stehende Teile zeigt, die bei
der dritten Ausführungsform vorliegen;
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Figur 6 ist eine Längsschnittansicht, die einen Teil einer
vierten Ausführungsform zeigt;
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Figur 7 ist eine Ansicht ähnlich der der Figur 6, die eine
fünfte Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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Figur 8 ist eine Längsschnittansicht, die eine sechste
Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
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Figur 9 ist eine Querschnittsansicht ähnlich der der Figur 2,
die eine siebte Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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Diese Erfindung betrifft einen gekapselten Motor, wobei ein
Mehrfach-Synchromotor des Types mit Permanentmagneten,
offenbart in der Japanischen Offenlegungsschrift Nr.
83565/1984, bei einem Motor angewendet wird, der dazu
ausgelegt ist, ein Stellglied in einer Hin- und Herbewegung
anzutreiben.
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Die Erfindung wird nun in Einzelheiten mit Bezug auf die
beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Elemente
mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet werden.
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Die Figuren 1 und 2 erläutern eine erste Ausführungsform
dieser Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist ein
magnetischer Kern des Typs mit auskragenden Polen mit einer
geraden Anzahl auskragender Pole 2 in einem zylindrischen
Tragwerk 1 eingeschlossen, wobei Mehrphasen-Statorspulen 3
konzentriert um die auskragenden Pole 2 gewickelt sind und
eine Vielzahl von Permanentmagneten 4 mit geringer Dicke
radial an die Innenfläche jedes auskragenden Poles befestigt
ist, so daß ein Stator gebildet wird. Die Permanentmagnete
sind abwechselnd magnetisiert, so daß sie eine Anzahl von
Polpaaren bilden, die entlang der Oberfläche der auskragenden
Pole mit einer konstanten Teilung verteilt sind. Wenn
angenommen wird, daß p die Teilung der Polpaare des
Permanentmagneten darstellt und k eine positive ganze Zahl größer
als 1 darstellt, wird ein Spalt 21, der zwischen zwei
benachbarten auskragenden Polen 2 des Statorkerns ausgebildet
wird, als p x (k-1/2) ausgedrückt.
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Ein nichtmagnetisches Rohrteil 5, hergestellt aus rostfreiem
Stahl, Kunstharz oder Keramik, ist so vorgesehen, daß es sich
in den Stator hinein erstreckt, so daß das Rohrteil 5 fest
radial an den Innenflächen der Permanentmagnete 4 befestigt
ist.
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Ein Rotor 8 mit einem äußeren ringförmigen Abschnitt 81 aus
einem ferromagnetischen Material ist innerhalb des Rohrteiles
5 vorgesehen, wobei ein Luftspalt zwischen dem Rohrteil 5 und
dem Rotor aufrechterhalten wird. Eine Anzahl von
Induktionszähnen sind um den Außenumfang des ringförmigen Abschnittes
81 gebildet, so daß jeder der Zähne 6 sich in axialer
Richtung erstreckt und eine Breite gleich der des
Permanentmagneten 4 hat. Wenn angenommen wird, daß Nt die Gesamtanzahl
der Induktionszähne darstellt, Np die Gesamtanzahl der
Polpaare der Permanentmagnete darstellt und k eine positive
ganze Zahl größer als 1 darstellt, wird eine Beziehung
Np-Nt = 2k zwischen diesen Zahlen Np und Nt beibehalten,
so daß der Rotor und der Stator so betrieben werden, daß sie
einen Schrittmotor bilden.
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Der Rotor 8 weist weiterhin einen inneren ringförmigen
Abschnitt 82 mit einem Innengewinde 9, das in der Mitte
gebildet ist, und einen Kantenabschnitt 7, der den äußeren
ringförmigen Abschnitt 81 mit dem inneren ringförmigen
Abschnitt 82 verbindet, auf. Stützen 11 und 13, jede mit
einem Lagergehäuse, sind auf beiden Seiten des Rotors 8
vorgesehen, und Lager 10, die in den Lagergehäusen
eingeschlossen sind, werden innen von beiden Enden des inneren
ringförmigen Abschnittes 82 gestützt. Bevorzugt sind die
Stützen 11 und 13 an beiden Enden des Tragwerks 1 durch
Kerben befestigt, die zwischen ihnen ausgebildet sind. jede
der Stützen 11 und 13 hat einen Flanschabschnitt, der mit
einem Stellglied mittels Bolzen 12 oder dergleichen gekoppelt
ist. Eine Anzahl axialer Lochungen sind radial durch die
Stützen 11 und 13 an in bezug auf die Lagergehäuse
außenliegenden Stellen ausgebildet.
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Die oben beschriebene Ausführungsform arbeitet wie folgt.
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Wenn die Mehrphasen-Statorspulen 3 nacheinander angeregt
werden, wird das magnetische Feld, das von den angeregten
Statorspulen 3 erzeugt wird, einem vormagnetisierten Feld
überlagert, das von den Permanentmagneten 4 in dem Luftspalt
erzeugt ist, der zwischen den Permanentmagneten und den
Induktionszähnen 6 gebildet ist, so daß das sich ergebende
magnetische Feld abwechselnd in Umfangsrichtung geändert
wird, abhängig von den Polpaaren der Permanentmagnete. Das so
sich ändernde magnetische Feld wechselwirkt mit den
Induktionszähnen 6 zum Betreiben des Motors als ein
Hybrid-Schrittmotor.
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Wenn der Rotor 8 gedreht wird, wirkt er auf eine
Betätigungswelle (nicht gezeigt) mit einem Schraubgewindeabschnitten der
in das Innengewinde 9 eingreift, welches in der Mitte des
inneren ringförmigen Abschnittes 82 ausgebildet ist, jedoch
wird die Drehung der Betätigungswelle durch lineare
Führungseinrichtungen (nicht gezeigt) verhindert, so daß ein
Wirkorgan axial hin- und herbewegt wird.
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Figur 3 erläutert eine zweite Ausführungsform, bei der eine
Vielzahl von Lochungen axial durch Löcher 71 durch den
Kantenabschnitt 7 des Rotors 8 vorgesehen sind, um das
Gewicht zu verringern und um den Fluidstrom zu erleichtern.
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Die Figuren 4 und 5 erläutern eine dritte Ausführungsform der
Erfindung, bei der der innere ringförmige Abschnitt 82 des
Rotors starr ausgebildet ist und eine Stange 17 an einem Ende
des Abschnittes 82 befestigt ist, so daß sie sich axial
erstreckt. Ein Schraubengewinde 18 ist an einem Ende der
Stange 17 ausgebildet. Die Innenflächen der Lager 19, die den
Rotor 8 abstützen, sind an beiden Enden der Stange 17 durch
feste Passung befestigt, während die Außenflächen der Lager
10 in derselben Weise in die Gehäußeabschnitte der Stützen
11 und 13 eingesetzt sind. Das axiale Ende des
Gehäuseabschnittes der Stütze 11 ist mit einer Lagerabdeckung 112
versehen, die mittels einer Vielzahl von Schrauben an dem
Gehäuseabschnitt befestigt ist. Eine mechanische Dichtung und
dergleichen 113 ist innerhalb der Lagerabdeckung 112
vorgesehen, um einen Spalt abzudichten, der um die Stange 17
ausgebildet ist.
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Figur 6 erläutert eine vierte Ausführungsform. Bei dieser
Ausführungsform werden die Lager 10 zwischen zwei
verlängerten Teilen des äußeren ringförmigen Abschnittes 81 und der
Innenfläche des Rohrteiles 5 gestützt, so daß der Rotor 8
somit drehbar unterstützt wird. Bei dieser Ausführungsform
sind die Lagergehäuse, die einteilig mit den Stützen 11 und
13 vorgesehen sind, weggelassen, um den Aufbau zu
vereinfachen.
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Figur 7 zeigt eine fünfte Ausführungsform. Diese
Ausführungsform umfaßt ein Kapselungstragwerk 14 aus einem nicht
magnetischen Material und in einer Konfiguration ausgebildet,
bei der Flanschabschnitte, ähnlich denen, die einteilig mit
den Stützen 11 und 13 vorgesehen sind, als ein Teil des
Rohrteiles 5 ausgebildet sind. Das Kapselungstragwerk 14 ist
weiterhin so aufgebaut, daß eine ringförmige Ausnehmung mit
einer axialen Breite etwas größer als der der auskragenden
Pole 2 darin vorgesehen ist, um die auskragenden Pole 2
unterzubringen, und der untere Abschnitt der ringförmigen
Ausnehmung ist extrem dünn ausgebildet, so daß das Tragwerk
14 als die zylindrische Kapselung 5 der ersten
Ausführungsform betreibbar ist. Die Außenseite des verdünnten
Abschnittes des Kapselungstragwerkes 14 ist an den radial
innenliegenden Flächen der Permanentmagnete 4, die in dem Stator
vorliegen, befestigt. Bei dieser Ausführungsform sind Lager
10, die den Rotor 8 drehbar unterstützen, in einer Stütze 11
vorgesehen, die an dem Kapselungstragwerk 14 mittels einer
Vielzahl von Schrauben befestigt ist, so daß der Rotor 8 von
den Lagern fliegend getragen wird.
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Figur 8 erläutert eine sechste Ausführungsform, bei der Lager
10, die in einem Gehäuse eingeschlossen sind, welches in dem
Kapselungstragwerk 14 befestigt ist, den Rotor 8 fliegend
unterstützen.
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Weiterhin ist eine Schraubdichtung 113 auf der Ausgangsseite
des Lagergehäuses vorgesehen, das wie in dem Fall der fünften
Ausführungsform aufgebaut ist, so daß die Ausgangsseite der
Ausführungsform somit vollständig geschlossen ist. Dies ist
zweckmäßig für die Betätigungswelle mit Außengewinde.
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Figur 9 erläutert eine siebte Ausführungsform, bei der das
Tragwerk 1 und der magnetische Kern des Stators entlang einer
Ebene 15 in zwei Teile geteilt sind. Die geteilten beiden
Teile des magnetischen Kerns werden in einen ausgenommenen
Abschnitt des Kapselungstragwerkes 14 eingelegt, die obere
und untere Hälfte des Tragwerks 1 werden zusammengesetzt und
miteinander in Eingriff gebracht, wie in Figur 9 gezeigt, und
mittels einer Vielzahl von Schrauben 16 miteinander
verklammert. Durch den oben beschriebenen Aufbau kann die Wartung im
Falle einer durchgebrannten Spule vereinfacht werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung können vielfältige Vorteile,
wie hiernach beschrieben, erhalten werden.
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(1) Da die Betätigungswelle durch einen Schrittmotor eines
Typs, der direkt antreibt, verschoben wird, kann der Aufbau
des Antriebs wesentlich vereinfacht werden.
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(2) Da das magnetische Feld der Permanentmagnete dem
magnetischen Feld, das von den magnetischen Polen, die um die
Spulen gelegt sind, überlagert wird, kann die Wirksamkeit des
magnetischen Feldes und somit der Wirkungsgrad der Operation
wesentlich verbessert werden.
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(3) Da der Motor einfach durch Beenden der Anregung selbst
angehalten wird, kann das Wirkorgan leicht in der
Abschalteposition gehalten werden.
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(4) Da der Rotor aus einem ferromagnetischen Material
hergestellt ist, das kaum durch hohe Temperaturen beeinflußt
wird, kann eine große Stabilität in den Eigenschaften und
eine starre Konstruktion des Rotors realisiert werden.
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(5) Da die Betätigungswelle von einem Schrittmotor getrieben
wird, der feine streifenförmige Permanentmagnete und
Induktionszähne hat, wird somit eine Hochpräzisionskontrolle mit
einem sehr kleinen Teilungswinkel möglich gemacht.