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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein massives Läufermittel eines Elektromotors
gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren
gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 9 zur Verbesserung der Charakteristik von massiven
Läufermitteln.
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Elektromotoren
die nach dem Prinzip von Induktionsmaschinen laufen, waren gewöhnlich Maschinen
die sogenannte laminierte Läufer
verwenden. Damit verbundene Probleme sind Vibrationen die schon
bei relativ niedriger Rotationsgeschwindigkeiten auftreten und von
der Struktur des Läufers
verursacht sind, insbesondere durch geringe Biegesteifigkeit und
zum Teil auch wegen ihrer geringen Torsionssteifigkeit und Änderungen/Wanderungen
von deren Gleichgewicht. Die sogenannte kritische Frequenz des mehrschichtigen
Läufers
tritt bei relativ niedrigen Rotationsgeschwindigkeiten auf, die
deutlich zu niedrig sind, insbesondere hinsichtlich von Rotationsgeschwindigkeiten
die über
dem normalen liegen. Die Herstellung mehrschichtiger Läufer erfordert auch
mehrere Arbeitsschritte und spezielle Werkzeuge und Maschinen, deren
Herstellung daher langsam und teuer durchzuführen ist.
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Es
ist daher bisher bei der Verwendung von Elektromotoren, die bei
hohen Drehzahlen betrieben werden bekannt, sogenannte Massivläufer aus
Stahl z.B. von einem Rohling abzudrehen, wodurch eine wesentlich
festere und steifere Struktur erreicht wird. Der Massivläufer gewährleistet
auch eine gute und präzise
Balance und der Läufer
verbleibt auch in diesem Gleichgewicht bei unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten.
Dies ermöglicht
die Verwendung von Kugellagern für
die Läuferlagerung.
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Jedoch
bewirkt der Massivläufer
auch eine Zunahme des Läuferwiderstandes
und einen wesentlichen Abfall eines Leistungsverhältnisses
der Maschine typischerweise von etwa 0,6–0,7. Der Wirkungsgrad ist
bei dieser Läuferart
gering. Massivläufer,
die aus einem Stück
gefertigt sind und die in den meisten Fällen an ihrer äußeren Peripherie
glatt sind, werden hingegen allgemein in Kurzschlussmotoren mit
Rotationsgeschwindigkeiten verwendet, die wesentlich höher sind,
als bei normalen Motoren, wie etwa bis zu 200 000 1/Min. Jedoch
besteht auch hier das Problem des oben erwähnten Wirkungsgrades und der Überhitzung
sogar in den Fällen,
wo kleinere Rotationsgeschwindigkeiten, d.h. sogenannte Normalgeschwindigkeiten
wie Geschwindigkeiten unter 20 000 1/Min gewünscht werden.
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Ein
Beispiel einer verbesserten Massivläuferanwendung ist durch die
GB 1,427,818 offenbart. Ein
Läufer
umfasst einen zylindrischen Läuferschaft aus
Eisen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, der mit einem sogenannten
Kurzschlusskäfig
aus Kupfer ausgestattet ist, um den Läuferwiderstand zu senken.
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Obwohl
diese Lösung
Vorteile hinsichtlich der Festigkeit des Rotors gewährleistet
und den Widerstand herabsetzt, ist der niedrige Wirkungsgrad dennoch
ein Problem. Die Verluste führen
zusätzlich zum
niederen Wirkungsgrad zu einer merklichen Überhitzung im Betrieb. Es wurden
verschiedene Kühlsysteme
vorgesehen, um das Überhitzungsproblem
zu lösen,
jedoch hat der durch sie erforderliche Energiebedarf weiter die
Netzwirksamkeit vermindert. Ein beträchtliches Problem bei der Herstellung war
die Schwierigkeit der Befestigung der sehr breiten halbkugelförmigen Kupferabschnitte
des Kurzschlusskäfigs
und dessen Festigkeit im Läufer,
insbesondere bei höheren
Rotationsgeschwindigkeiten. Weiterhin offenbart dieses Zitat nicht
oder schlägt nicht
vor, irgendeine Art der Verwendung des dargestellten Läufermittels
in anderen Motortypen als Hochgeschwindigkeitsmotoren. Die vorgeschlagene Lösung führte z.B.
aus obigen Gründen
nicht zu einem allgemeinen Erfolg im Gebiet der Elektromotoren.
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Das
Patent
FI 92114 offenbart
einen Läufer für eine elektrische
Induktionsmaschine dessen Umfang mit einer elektrisch leitenden
Schicht belegt ist, zum Zweck der Überwindung der oben erwähnten Probleme.
Jedoch ist die Beschichtung schwierig zu verwirklichen und ihre
Festigkeit hat sich als problematisch erwiesen. Ein zusätzlicher
Nachteil wird durch die Tatsache verursacht, dass bei vielen Beschichtungsverfahren
der Läufer
stark erwärmt
wird, was einen negativen Effekt auf die mechanischen Eigenschaften
des Läufers
ausübt.
Damit war diese Lösung
nicht imstande, die Probleme von Maschinen mit massiven Läufern auf ökonomisch
befriedigende Weise zu lösen.
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Das
US-Patent 4,577,128 zeigt eine Lösung für einen
Induktionsmotor nach dem Stand der Technik, der z.B. in Tauchpumpen
verwendet wird, mit einem zylindrischen ferromagnetischen Läufer mit Längsrinnen,
die parallel zur Rotationsachse verlaufen, die verbunden sind mit
Umfangsrinnen an jedem Ende des Läufers.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Überwindung von Nachteilen des
Standes der Technik und die Schaffung eines insgesamt neuen Typs einer
Lösung
zur Verbesserung der Charakteristika eines massiven Läufers für einen
Elektromotor. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung
einer Lösung
für einen
elektrischen Induktionsmotor, der eine wesentlich verbesserte Wirksamkeit
und andere Eigenschaften im Vergleich mit bekannten Lösungen besitzt
und keine signifikanten Überhitzungsprobleme
aufweist, wie dies bei Antrieben des Standes der Technik der Fall
ist.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
Läufermittels
mit sehr geringem Läuferwiderstand.
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Es
ist ebenso Ziel der vorliegenden Erfindung eine Struktur und ein
Verfahren zur Herstellung eines Motors zu schaffen, der in einem
weiteren Drehzahlbereich einsetzbar ist.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Zurverfügungstellung
einer Massivläufer-Motor-Struktur
mit sehr niedrigem Feldschwächungspunkt.
Dies ermöglicht
die Speisung der Maschine mit konstantem Netzstrom in beträchtlich
weitem Bereich von Drehzahlen.
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Ein
Gegenstand der Erfindung ist ferner die Schaffung eines Läufermittels
das leicht herstellbar und damit ökonomisch einsetzbar ist.
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Ein
Ziel der Erfindung ist ferner die Schaffung einer Motorstruktur
mit einem massiven Läufer, bei
welcher ein sehr kleiner Luftspalt ohne nachteilige Effekte verwendet
werden kann, wodurch es möglich ist,
den Wirkungsgrad zu steigern.
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Ein
Ziel der Erfindung ist das Zurverfügungstellen einer Elektromotorstruktur
mit Größe und Gewicht
die geringer sind als jene bekannter Lösungen von Induktionsmotoren
mit vergleichbarer Leistung.
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Die
Erfindung basiert auf der überraschenden
Beobachtung, dass Charakteristika, die gegenüber herkömmlichen Massivläufermotoren
verbessert sind, erreicht werden können durch ein massives Läufermittel,
dass an den Endseiten mit Kurzschlussringen versehen ist, die aus
einem Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit gefertigt sind.
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Präziser ist
die Struktur gemäß der vorliegenden
Erfindung hauptsächlich
gekennzeichnet durch den Inhalt der beiliegenden Ansprüche 1–8 und insbesondere
durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist hauptsächlich
gekennzeichnet durch den Inhalt der beiliegenden Ansprüche 9–11 und
insbesondere durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 9. Mit
Hilfe der vorliegenden Erfindung werden beträchtliche Vorteile erzielt.
Die Leistungsfähigkeit
des Antriebsdrehmoments und die Effektivität eines Massivläufermotors
wird im Vergleich mit bekannten Lösungen erheblich verbessert,
wohingegen das Überhitzungsproblem
der Maschine deutlich kleiner ist. Mit Hilfe der Erfindung werden
Größe und Gewicht des
Motors im Vergleich mit bekannten Motoren vergleichbarer Leistung
vermindert. Der erfindungsgemäße Motor
ergibt eine im Wesentlichen gleichmäßige Maximalleistung in sehr
weitem Drehzahlenbereich. Dank der guten Eigenschaften, wie geringe Größe und Gewicht
und dem weiten Drehzahlbereich und der ebenen Leistungskurve sind
die Struktur des Elektromotors und das Verfahren der vorliegenden Erfindung
in vielen Bereichen einsetzbar, da derselbe Motor bei mehreren unterschiedlichen
Anwendungen einsetzbar ist. Die Herstellung des erfindungsgemäßen Läufers ist
leicht zu verwirklichen unter Aufrechterhaltung eines durablen Aufbaus,
z.B. hinsichtlich der Festigkeit der Kurzschlussringe.
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Nachfolgend
werden die Erfindung und andere Ziele und Vorteile dieser mit Hilfe
von Beispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben, in welchen gleiche Bezugszeichen sich in den verschiedenen
Figuren auf gleiche Merkmale beziehen. Es sollte daher verstanden
werden, dass die folgende beispielhafte Erfindungsbeschreibung die
Erfindung nicht auf die spezifischen Formen in diesem Zusammenhang
einschränkt,
sondern sich auf alle Modifikationen, Ähnlichkeiten und Alternativen
erstreckt, die im Sinne und dem Umfang der vorliegenden Erfindung
liegen, wie in den beiliegenden Ansprüchen definiert.
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1 ist
eine vereinfachte schematische Seitenansicht eines massiven Läufermittels
einer elektrischen Maschine.
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2 offenbart
eine Seitenansicht im Schnitt einer erfindungsgemäßen Ausführung des
Läufermittels.
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3 zeigt
einen Schnitt durch eine zusätzliche
Ausführungsform
der Erfindung.
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4 zeigt
eine Prüfanordnung
für die
Tafel 5.
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5 zeigt
die Tafel mit Prüfergebnissen
auf Basis eines Vergleichs.
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1 veranschaulicht
ein massives Läufermittel 10,
welches aus einem einheitlichen Rundstahl hergestellt ist. 1 zeigt
auch Kurzschlussringe 18 aus Kupfer, die auf den Enden
des Rotormittels 10 befestigt sind, d.h. deren Endoberflächen. Es
ist möglich,
die Kupferringe 18 an den Enden 11 des Läufer 10 anzubringen,
z.B. durch Reibung, Explosions- oder Laserschweißen. Die Parameter, die lediglich
als Beispiel von möglichen
Läuferparametern
eines gebauten Testläufers
angegeben werden, waren wie folgt: Material Fe52, Durchmesser 98,5
mm und Länge
100 mm, die Dicke des verwendeten Kurschlussringes aus Kupfer betrug
10 mm. Die Kurzschlussringe können
sich im Wesentlichen über
den gesamten Bereich der freien Stirnfläche 11 erstrecken,
wie in 1 gezeigt ist oder lediglich innerhalb eines Bruchteils
von ihnen.
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Die
Kurzschlussringe 18 bewirken eine wesentliche Herabsetzung
des Läuferwiderstandes
des Massivmotors 10, was andererseits einen vorteilhaften
Effekt auf die Wirksamkeit der Maschine hat. Mit dieser Lösung ist
es möglich,
die Länge
des Läufers zu
kürzen
und eine kompaktere Maschine gegenüber solchen des Standes der
Technik zu schaffen.
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Ein
bevorzugtes Material für
den Kurschlussring ist z.B. Kupfer. Andere Möglichkeiten sind z.B. Aluminium,
Bronze, Messing, Silber, Gold und die verschiedenen Kombinationen
dieser, die ausreichende Eigenschaften gewährleisten um genügend elektrische
Leitfähigkeit
durch die Stirnfläche 11 des Läufers 10 zu
schaffen, um derart den Läuferwiderstand
zu senken.
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2 zeigt
eine Lösung,
die aus Fertigungsgründen
bevorzugt ist, in welcher der Endring 18 aus so genanntem
Fe Cu Blech (Stahl-Kupferblech) hergestellt ist.
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Diese
Bi-Metallstruktur 18', 18'' kann aus anderen Kombinationen
wie Stahl-Aluminium, Stahl-Messing
etc. ebenso geschaffen werden. Diese Art vorgefertigten Bimetall-Blech-Materials,
in welchem die unterschiedlichen Materialien wie Kupfer und stahl 18' und 18'' aneinander angeheftet sein können, z.B.
durch Walzen, Explosionsschweißen oder
Druckverdichtung durch Stoßwellentechnologie ist
dem Fachmann bekannt und verschiedene Arten von Zweikomponentenblechen
sind im Handel erhältlich.
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In
der Lösung
gemäß 2 können die Stahlbereiche 18'' der Endplatte 18 z.B.
durch Elektronenstahlschweißung
(EB-welding) oder Laserschweißen
vorzugsweise auf das Läufermaterial 10 aus
Positionen, die mit einem Pfeil angezeigt sind angeschweißt sein.
Derart ist das Läufermittel 10 der 2 besonders
einfach herzustellen, da es möglich ist,
das Bimetall-Blech anzuschweißen
oder anderweitig zu befestigen, von dem Ort aus der mit dem Pfeil
gekennzeichnet ist und lediglich von dessen Stahlbereichsseite auf
den aus Stahl hergestellten Läufer 10.
Mit anderen Worten ermöglich
dies eine Befestigung von zwei glatten miteinander verbundenen Oberflächen aus
im Wesentlichen ähnlichem Material
aneinander durch einfache und billige Befestigungsverfahren, wobei
die sehr schwierige Befestigung von Kupfer oder ähnlichem Kurzschlussläufermaterial
auf Stahl oder ähnliches
als Massenproduktion in industrieller Umgebung ausgeführt werden kann.
Eine weitere Einsparung wird z.B. dank der Tatsache erhalten, dass
die Erfordernisse für
die Herstellung wie hinsichtlich der Glätte und dem Niveau der Oxidation
der verbundenen Oberflächen
nicht so strikt sind, wie es z.B. Kupfer-Eisen-Verbindungen gemäß 1 sind.
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Eine
bevorzugte weitere Ausführungsform des
Läufermittels 10 ist
in der schematischen Querschnittsansicht der 3 gezeigt,
in welcher der Läufer 10 mit
Nuten 14 auf dessen Umfangsfläche versehen ist. Gemäß dieser
Alternative ist jedes der Nutenmittel 14 zusätzlich mit
Stäbe aus
einem geeigneten Metallblech ausgestattet, das geeigneterweise ein Eisenkupferblech
(FeCu) ist, wie oben erörtert.
Der sich axial erstreckende Läuferstab 15 des
Kurzschlusskäfigmittels,
der innerhalb der Nut angeordnet ist, kann von lediglich einer Seite 31 an
dieser befestigt sein. Die Befestigung kann vorzugsweise z.B. durch
Elektronenstahlschweißung
(EB-welding) oder Laserschweißen
vorgenommen werden. Mit Hilfe dieser Lösung ist es möglich, Vorteile
z.B. hinsichtlich des erforderlichen Schweißaufwandes zu erzielen.
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Zusätzlich,
obwohl nicht immer erforderlich, kann es vorteilhaft sein, sogar
einen kleinen Luftspalt zwischen der Nut 14 und dem Abschnitt 15 zu
belassen. Der Luftspalt kann vorzugsweise etwa 0,1–2 mm sein.
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Die
Form der Nuten, die die Läuferstäbe 15 aufnimmt,
kann so ausgelegt sein, dass sie im Wesentlichen tief ist, relativ
zu ihrer Breite. Es ist festzuhalten, dass, obwohl die Stäbe der 3 einen
im Wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt haben, sie auch, falls
erforderlich, davon abweichen und z.B. keilförmig oder fassförmig oder
konkav und/oder geneigt von einigen ihrer Oberflächen sein können, ohne die allgemeine Idee
der Erfindung zu verlassen.
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Zusätzlich zu
den Vorteilen im Bereich der Herstellung, sowie Vereinfachung der
Befestigung, herabgesetzter Schweißbedarf und schnellere Fertigung,
ist es weiterhin möglich,
die Bildung von Tangentialströmen
des Läuferstabmittels 15,
der nur von seiner anderen Seite befestigt ist zu unterbinden, wobei
die Charakteristika des Massivmotors 10 im Wesentlichen
denen eines schichtförmigen
Läufers
in diesem Sinne entsprechen und es ist möglich, den magnetischen Kreis
und den elektrischen Kreis voneinander zu trennen. Wenn ein Ziel
im allgemeinen z.B. darin besteht, dass der Strom axial im Rotor 10 wandert,
z.B. in Richtung des Läuferstabes 15,
verbessert diese Art der Läuferanordnung
weiter die Motoreigenschaften, die durch diese Erfindung erhältlich sind,
insbesondere den Motorwirkungsgrad.
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Es
ist leicht möglich,
das Kurzschlussringmittel 18 und möglicherweise die Nut- und Stabmittel 14, 15 am
Läufermittel 10 derart
anzuordnen, dass kein negativer Effekt auf die Stabilität der Balance
des Läufermittels
ausgeübt
wird. Dadurch wird die Verwendung von Wälzlagern, wie Kugellagern für die rotierende
Lagerung des Läufermittels
ermöglich,
da das erfindungsgemäße Läufermittel
gut im Gleichgewicht bei unterschiedlichen Drehzahlen bleibt. Der gut
ausgewogene Massivläufer "lebt" nicht und verursacht
dadurch auch keine anwachsenden Lasten auf die Lager.
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4 offenbart
eine Testanordnung, welche die Testergebnisse für einen Massivläufermotor zeigt,
der mit Kurzschlussringen in Übereinstimmung mit
der Erfindung versehen ist. Im Test wurde ein sogenannter Frequenzwandler 6 zwischen
den Motor 1 und der Stromzufuhr 3 eingepasst,
die im Test das öffentliche
Stromnetz war. Die Anordnung weist ferner einen Generator 4 auf
sowie einen Drehmomentsensor zwischen dem Generator 4 und
dem Motor 1. Zusätzlich
sind zweite Frequenzwandlermittel 7 gezeigt, die zwischen
den Generator und das elektrische Netz 3 geschlossen sind.
Die Versuchsanordnung ist so, dass alle Energie, die den Antriebsverlusten
gleich ist, von Netz 3 entnommen wird und dass die Motorleistung 1 im
Generator in elektrische Energie umgesetzt wird, die in den Zwischenkreis
zurückgespeist wird,
den die Konverter gemeinsam aufweisen und der parallel angeschlossen
ist.
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In
einem anderen Test wurde die Anordnung zur Prüfung des Effekts verwendet,
der bei der erfindungsgemäßen Anordnung
durch eine Filterlösung erhältlich ist,
die durch die zum Anmeldedatum nicht veröffentlichte FI-Patentanmeldung
Nr. 962485 offenbart ist. Diese FI-Anmeldung wird durch Bezugnahme
eingeführt.
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Die
Diagramme der 5 zeigen die Testergebnisse
die für
die Wirksamkeit aus einem Vergleich erhalten wurden, bei welchem
die erfindungsgemäße Massiv läuferkonstruktion
unter Verwendung von 140 Hz Strom mit und ohne Filterung untersucht
wurde, wobei
- Kurve 1: einen Läufer mit
einem Cu-Kurzschlussring gemäß Erfindung
ohne Filterung und
- Kurve 2: einen Läufer
mit Cu-Kurzschlussring gemäß Erfindung
unter Filterung wiedergibt.
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Die
Vertikalachse stellt die gemessene Wirkung [%] und die Horizontalachse
die Stromstärke Pmek [kW] dar.
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Wie
aus der Figur ersichtlich, wird eine gute Wirksamkeit mit Hilfe
des Kurzschlussringes erhalten, Es ist möglich, eine wesentliche Wirksamkeitsverbesserung
des Motors
1 der das erfindungsgemäße Läufermittel einschließt zu erhalten,
der nicht mit einer Filterung gemäß der genannten FI-Anmeldung
FI 962485 (Kurve
1)
versehen ist, insbesondere bei höheren
Stromstärken
als die bekannten Lösungen zu
schaffen in der Lage sind.
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Eine
besonders gute Wirkung wird durch eine Lösung erhalten, in welcher die
erfindungsgemäßen Kurzschlussringe
mit einer Filteranordnung gemäß
FI 962485 (Kurve
2)
kombiniert sind, In Übereinstimmung
mit der Kurve
2 ist die durch diese Lösung erzielte Maximalleistung
wesentlich höher
als durch den Stand der Technik erreichbar.
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In
einigen weiteren Versuchen wurde die auf den Kurzschlussringen basierende
erfindungsgemäße Läuferlösung auch
verglichen mit Läufern,
die mit verschiedenen Beschichtungen (z.B. AlFe + Cu und AlFe-Beschichtungen
mit unterschiedlichen Aluminiumgehalten) versehen waren. Dabei wurde
z.B. gefunden, dass durch eine Maschine mit den erfindungsgemäßen Kurzschlussringen
wesentlich bessere Eigenschaften hinsichtlich Drehmoment und Leistung
als bei Läufern,
die am Läuferumfang
beschichtet waren. Es ist festzuhalten, dass die Herstellung und
Anbringung der erfindungsgemäßen Kurzschlussringe
zudem leichter und ökonomischer
zu verwirklichen ist, als die bekannten Beschichtungsverfahren und
somit weist die Erfindung einige deutliche Vorteile gegenüber den
Beschichtungen des Standes der Technik auf.
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Damit
schafft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren, mit deren
Hilfe eine wesentliche Verbesserung bei den Eigenschaften von Massivläufermaschinen
erreicht wird, bei welchen die Motoren in Anwendungen einsetzbar
sind, die ein verbessertes Anfangsdrehmoment und höhere Drehzahlen
erfordern. die erfindungsgemäße Läuferstruktur
ist dennoch hinsichtlich ihres Aufbaus einfach und leicht herstellbar,
ebenso ökonomisch
einsetzbar und im Betrieb zuverlässig.
Die erfindungsgemäße Massivläuferstruktur
schafft eine Wirksamkeit, die gleich dem laminierten Läufer ist
und einen verbesserten Anfangsdrehmomentverlauf bei Netzbetrieb
aufweist und höhere
Drehzahlen unter gemeinsamer Verwendung mit Invertern zulässt. Die
Struktur ist bei elektrischen Maschinen (Motoren und Generatoren)
in den meisten Stromstärkebereichen
sogar bis zu 1 MW anwendbar.
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Es
ist festzuhalten, dass die vorstehenden Beispiele von Ausführungsformen
der Erfindung den durch die Ansprüche definierten Schutzbereich
nicht einschränken.