-
Technischer
Bereich
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
allgemein Vibrations- und
Geräuschdämpfung in
elektromotorischen Geräten
wie Elektromotoren und Generatoren.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Die Komponenten eines konventionellen elektromotorischen
Gerätes
sind starr und befinden sich in direktem Kontakt miteinander. Diese
starren Teile sind typischerweise aus Metall. Ein direkter Kontakt
dieser starren Teile miteinander ist von einigen Standpunkten her
wünschenswert:
so erleichtert z. B. der direkte Kontakt von Metallteilen die Wärmeübertragung
und ermöglicht
es, dass das Gerät
während
des Betriebs ausreichend kühl
bleibt. Außerdem hilft
die Direktverbindung starrer Teile, bewegliche Teile in ordnungsgemäßer Ausrichtung
zu halten. Der direkte Kontakt starrer Teile erleichtert auch die Übertragung
von Vibrationen und führt
demzufolge zu hohen Geräuschpegeln.
-
Der in den 1 und 2 illustrierte
konventionelle bürstenlose
Gleichstrom- ("DC") Motor ist ein Beispiel
für diesen
Direktkontakt. Da sich der in 2 gezeigte
Rotormagnet 24 in dem Motor innerhalb des Ständers 20 befindet,
gilt der Motor als einer mit "Innen"-Bauweise. In einem
konventionellen Innenmotor befinden sich die Lager 22 in
direktem Kontakt mit der Rotorwelle 12, und Motorgehäuse 16 und Ständerstapel 20 sind
direkt mit dem Motorgehäuse verbunden.
Die Welle 12 des Rotors ist typischerweise aus Stahl. Die
Lager 22 sind ebenfalls gewöhnlich aus Stahl. Das Gehäuse 16 ist
gewöhnlich
aus Aluminium oder Stahl.
-
Auf Betriebsdrehzahl liegt ein gewisses
Maß an
Restunwucht im Rotor vor, selbst dann, wenn vor dem Gebrauch eine
Vorauswuchtung durchgeführt wurde.
Diese Unwucht erzeugt Vibrationen in den vorderen und hinteren Lagern.
Die Vibrationen werden durch den Metall-auf-Metall-Kontakt von Wellenlager
und Gehäuse
direkt auf die Montageoberfläche übertragen.
Diese Vibrationen der Montageoberfläche werden auf die den Motor
enthaltende Maschine übertragen
und erzeugen Geräusche
im Rahmen oder in anderen Komponenten der Maschine.
-
Vibrationen, die im Rotor erzeugt
werden, werden durch Variationen im Motorluftspalt auf den Motorständer übertragen.
Diese Variationen im Luftspalt verändern die radialen Kräfte auf
dem Ständer
aufgrund der Veränderung
der magnetischen Anziehung zwischen Ständer und Rotor. Ständervibrationen
werden dann auf das Motorgehäuse
und von dort auf den Rahmen der Maschine übertragen, an der der Motor
befestigt ist.
-
Zusätzliche Vibrationen im Ständer werden durch
Magnetostriktion in den Ständerlamellen
verursacht. Während
des Betriebs des Motors werden diese Lamellen ständig von rund zu oval gespannt,
während
jedes Ständerpolpaar
erregt wird. Die Magnetspannungen, die dadurch entstehen, dass Strom durch
aufeinander folgende Spulen 33 fließt, verzerrt den Ständerstapel 20,
wie in den 3A, B und C zu sehen
ist. Diese Variation der Stapelspannung bewegt das Motorgehäuse, wodurch
hörbare
Geräusche
wie bei einem Lautsprecher entstehen.
-
Der Erfinder verwendete früher Urethanbuchsen
um die Rotorlager, um Geräusche
von den Lagern zu dämpfen.
So beinhaltete z. B. das von BEI, Kimco Magnetics Division, veräußerte Modell
Nr. D1H18-23-004Z solche Urethanbuchsen. Die Verwendung von Urethanbuchsen
um die Rotorlager war jedoch nur in begrenztem Ausmaß erfolgreich, da
sie keine erhebliche Reduzierung von Vibrationen oder Geräuschen ergab.
-
Das US-Patent Nr. 3 546 504 beschreibt
einen Elektromotor mit einem Ständer,
der in einem Zylinder aus Metallblech aufgenommen ist, der an jedem
Ende durch eine Lagerabstützung
gehalten wird. Jede Lagerabstützung
beinhaltet einen Flansch, in dem ein Kugellager montiert ist, um
ein jeweiliges Ende einer Rotorwelle abzustützen, auf der der Rotor des
Motors innerhalb des Ständers
gehalten wird.
-
Der Ständer ist, ausgenommen an seiner
Innenfläche
um den Rotor herum, von einer Lage aus Material mit hohen inhärenten Dämpfungseigenschaften
umgeben. Der Zylinder aus Metallblech, der den Ständer aufnimmt,
ist auf der zylindrischen Außenfläche der
Lage aus Dämpfungsmaterial
angeordnet. Zwischen der Rotorwelle und jedem Kugellager befindet
sich ein elastischer Steg zur Dämpfung, und
zwischen jedem Kugellager und dem jeweiligen ihn abstützenden
Flansch befindet sich eine Lage aus Dämpfungsmaterial. Die Lagerabstützungen können jeweils
eine Sandwichstruktur aus zwei verschachtelten Metallblechelementen
mit einer Lage aus Synthetikmaterial dazwischen sein.
-
Die vorliegende Erfindung ist durch
Anspruch 1 definiert, auf den nunmehr Bezug genommen werden sollte.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird zum Reduzieren der Erzeugung von Vibrationen und der resultierenden
Erzeugung von hörbaren
Geräuschen in
einem elektromotorischen Gerät
Vibrationsdämpfungsmaterial
zum Isolieren von Vibrationen in dem elektromotorischen Gerät verwendet,
die sonst auf andere Teile des Gerätes übertragen würden. Dieses Vibrationsdämpfungsmaterial
kann aus einer beliebigen Substanz bestehen, die eine erhebliche
Reduzierung der Übertragung
von Vibrationen bewirkt, wie z. B. Silikongummi, Urethan, das von
E-A-R Specialty Composites aus Indianapolis, Indiana, hergestellte "ISODAMP"- Material, oder
Material wie z. B. die von der Chomerics Division, Parker Hannifin
PLC aus Woburn, Massachusetts, hergestellten "CHO-THERM" Produkte.
-
Die Anwendungen der vorliegenden
Erfindung auf einen Elektromotor werden zwar ausführlich beschrieben,
aber die Erfindung ist ebenso auf andere elektromotorische Geräte wie z.
B. Generatoren, Tachometer und Wechselstromgeneratoren anwendbar.
-
Die drastischsten Verbesserungen
im Hinblick auf die Geräuschunterdrückung resultierten
aus der Isolation der Ständervibrationen
vom Motorgehäuse
und den übrigen
Teilen der Motortragstruktur. Dies erfolgt mit Hilfe einer Lage
aus Vibrationsdämpfungsmaterial
zwischen Ständerblech
und Gehäuse oder
der Tragstruktur. Diese Lage verhindert, dass die Vibrationen von
Ständermagnetostriktions-
und Rotorzugeffekten auf das Motorgehäuse oder die Tragstruktur übertragen
werden.
-
Die wichtigste Geräuschreduzierung
wird dann erzielt, wenn Vibrationsdämpfungsmaterial zum Isolieren
zahlreicher starrer Teile verwendet wird, die zuvor miteinander
in Kontakt oder auf andere Weise vibrationsmäßig gekoppelt waren, einschließlich: (1) Ständer und
Gehäuse
oder Tragstruktur wie oben beschrieben; (2) Rotorlager und Gehäuse; (3)
Gehäuse und
Frontflansch/Endglocke oder anderes Strukturelement; und (4) Rotor
und Rotormagnet.
-
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter
Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
-
1 einen
konventionellen Motor 10, der an einem Rahmen montiert
ist;
-
2 einen
teilweisen Querschnitt eines konventionellen Motors 10 von 1 von der Mittellinie 18 der
Welle 12, radial zum Montagerahmen 14 des Motors 10;
-
3A, B und C radiale
Querschnitte des Ständers 20,
teilweise in 2 dargestellt,
die die Magnetostriktionskraft illustrieren, die durch die sequentielle
Erregung entgegengesetzter Ständerwicklungen
entsteht;
-
4 einen
teilweisen Querschnitt eines Innenmotors mit Lagerdämpfungseinsätzen 26 und 28, Ständerdämpfungseinsatz 30 und
Flanschdämpfungseinsatz 32,
gemäß einer
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
-
5 den
Magnetdämpfungseinsatz 36 zwischen
Rotorwelle 12 und Rotormagnet 24 gemäß einer
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
-
Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
-
In der bevorzugten Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung wird Vibrationsdämpfungsmaterial zum Dämpfen von
Vibrationen von Ständer,
Rotormagnet und Lagern verwendet. Vibrationsdämpfungsmaterial kann auch zwischen
anderen Teilen des elektromotorischen Gerätes platziert werden, wie z.
B. zwischen Gehäuse
und Tragstruktur oder zwischen Gehäuse und Frontflansch oder Endglocke.
-
Wenn Vibrationsdämpfungsmaterial zum Dämpfen von
Vibrationen zu und von einem bestimmten Teil eines elektromotorischen
Gerätes
verwendet wird, dann bildet das so verwendete Vibrationsdämpfungsmaterial
einen "Vibrationsdämpfungseinsatz", der nach dem Teil
benannt wird. So wird beispielsweise zum Dämpfen von Vibrationen zu oder
von einem Lager verwendetes Vibrationsdämpfungsmaterial als "Lagerdämpfungseinsatz" bezeichnet.
-
Diese Vibrationsdämpfungseinsätze können aus einem beliebigen Material
gebildet sein, das zum Dämpfen
von Vibrationen geeignet ist, wie z. B. aus Material, das die Eigenschaft
des Umwandelns einer erheblichen Menge der auftreffenden mechanischen Energie
in Wärmeenergie
hat. Beispiele für
ein solches Material sind unter anderem Silikongummi und Urethan.
Das von E-A-R Specialty Composites aus Indianapolis, Indiana, hergestellte "ISODAMP"-Material hat sich
als besonders geeignet für
die Herstellung von Vibrationsdämpfungseinsätzen herausgestellt.
Vibrationsdämpfungsmaterial
aus "SORBOTHANE" Material, das von
Sorbothane, Incorporated aus Kent, Ohio, hergestellt wird, hat sich
ebenfalls als nützlich
für die
Herstellung von Vibrationsdämpfungseinsätzen erwiesen.
Materialien wie z. B. die von Chomerics Division of Parker Hannifin
PLC aus Woburn, Massachusetts, hergestellten "CHO-THERM" Produkte haben eine äußerst wünschenswerte
Kombination von Vibrationsdämpfungs- und wärmeleiteigenschaften,
die diese Materialien für
den Einsatz als Vibrationsdämpfungseinsatz
sehr geeignet machen.
-
Gemäß 4 sind die Elemente 26 und 28 Vibrationsdämpfungseinsätze, die
verhindern, dass Vibrationen, die sonst auf das Gehäuse 16 oder
den Flansch 14 übertragen
würden,
Rotor und Rotorlager eines Innenmotors verlassen. Elemente 26 und 28 befinden
sich zwischen dem äußeren Lagerring 22 sowie
dem Flansch 14 und dem Gehäuse 16.
-
Das Element 30 von 4 ist ein Ständerdämpfungseinsatz,
der eine Lage aus Vibrationsdämpfungsmaterial
zwischen der Ständerblech 20 und
Gehäuse 16 bildet.
Diese Lage verhindert, dass die Vibrationen von den Ständermagnetostriktions- und
Rotorzugeffekten auf das Motorgehäuse 16 übertragen
werden.
-
Wenn die Erfindung mit Innenmotoren
verwendet wird, dann kann die Dicke der Lage aus Vibrationsdämpfungsmaterial
um den Ständer
wichtig sein: die Lage muss so dünn
sein, dass sie in den Raum zwischen Ständer und Gehäuse passt,
und so, dass der Motor während
des Betriebs ausreichend kühl
gehalten wird, und dabei doch dick genug, damit ein ausreichendes
Maß an
Vibrationsdämpfung
erzielt wird. Die Lagendicke kann besonders für Vibrationsdämpfungsmaterialien
wichtig sein, die Wärme ineffizient übertragen.
Diese Konfiguration verlangt einen Ausgleich zwischen der Notwendigkeit
für Wärmeableitung
und dem Maß an
Geräuschunterdrückung. Die
Anmelderin hat gefunden, dass die Bildung des Ständerdämpfungseinsatzes 30 mit
einer Dicke im Bereich von 0,102 mm bis 2,54 mm (0,004 Zoll bis
0,10 Zoll) eine ausreichende Wärmeableitung bei
einem erheblichen Niveau an Geräuschunterdrückung zulässt.
-
Es können jedoch auch andere Dicken
verwendet werden. Der Dickenbereich von 0,102 mm bis 2,54 mm ist
von verschiedenen Faktoren abhängig, wie
z. B.: dem Typ von Material, das für den Ständerdämpfungseinsatz verwendet wird;
der Größe des Motors;
der Wärmemenge,
die vom Motor während des
Betriebs erzeugt wird; und von Herstellungsüberlegungen. Im Allgemeinen
gilt, wenn das verwendete Vibrationsdämpfungsmaterial Wärme effizient
vom Ständer
ableiten kann, dann kann eine dickere Lage verwendet werden.
-
Wieder bezugnehmend auf die in 4 gezeigte Ausgestaltung,
die Querschnittsgestalt des Ständerdämpfungseinsatzes 30 ähnelt einem
Eisenbahnnagel. Die Gestalt der bevorzugten Ausgestaltung des gesamten
Ständerdämpfungseinsatzes 30 ist
jedoch ähnlich
der eines Zylinders mit einem konischen Rand, unten mit einer dickeren
Wand und einem in den Boden geschnittenen kreisförmigen Loch. Der konische Rand
lässt es
zu, dass der Ständer 20 leichter
in den Ständerdämpfungseinsatz 30 gleitet, um
eine Interferenzpassung zwischen Ständer 20 und Gehäuse 16 zu
ermöglichen.
-
In der bevorzugten Ausgestaltung
des Ständerdämpfungseinsatzes 30 für Innenmotoren
ist die untere Wand verdickt, so dass ein "Ansatz" entsteht, an den das Ende des Ständers 20 gedrückt wird, nachdem
der Ständer 20 in
den Ständerdämpfungseinsatz 30 eingesetzt
wurde. In 4 befindet
sich dieser Ansatz neben dem Pfeil, der die Position des Ständers 20 anzeigt.
-
Element 32 von 4 ist ein Flanschdämpfungseinsatz,
der aus Vibrationsdämpfungsmaterial gebildet
ist, dessen Abmessungen gemäß den Abmessungen
von Flansch 14 eingestellt werden können. Der Flanschdämpfungseinsatz 32 wird
zwischen Motorgehäuse 16 und
vom [sic] Flansch 14 oder der Endglocke platziert. Dieser
Vibrationsdämpfungseinsatz
verhindert, dass axiale Vibrationen die Endglocke erreichen, und
ergibt Vibrationsdämpfung für die flache
Endkappe.
-
Ein weiterer nützlicher Vibrationsdämpfungseinsatz
der bevorzugten Ausgestaltung, der zwischen Rotorwelle 12 und
Rotormagnet 24 angeordnet ist, ist in 5 dargestellt. Der Magnetdämpfungseinsatz 36 kann
mit einer Presspassung oder mit Epoxid an der Welle 12 befestigt
werden. Wenn Epoxid verwendet wird, dann gleitet der Magnet 24 auf
die Welle 12, und Epoxid und Vibrationsdämpfungsmaterial 36 werden
zwischen Magnet 24 und Welle 12 eingedrückt.
-
Im Rahmen der besten Art der Umsetzung der
Erfindung sollten die Faktoren, die Geräusche und/oder Vibrationen
in dem elektromotorischen Gerät
verursachen, auf ein Minimum reduziert werden: 1) die Rotorwucht
sollte nach Möglichkeit
verbessert werden; 2) der Luftspaltabstand sollte konstant gehalten
werden; 3) die Wicklungen sollten imprägniert werden; und 4) es sollten
die besten verfügbaren
Lager und Schmiermittel verwendet werden.
-
Wenn diese Vibrationsquellen minimiert
wurden, dann besteht der nächste
Schritt darin, die Übertragung
der Vibrationen durch verschiedene starre Barrierenübergänge des
elektromotorischen Gerätes mit
einem oder mehreren der folgenden Schritte zu sperren:
- A) Die Lager sollten auf Vibrationsdämpfungsmaterial ruhen, so dass
verhindert wird, dass Vibrationen die Lager verlassen und auf Gehäuse oder Tragstruktur übertragen
werden;
- B) Der Ständer
sollte auf einer Lage aus Vibrationsdämpfungsmaterial zwischen Ständer und Gehäus oder
Tragstruktur abgestützt
werden, so dass verhindert wird, dass die Vibrationen von den Ständermagnetostriktions-
und Rotorzugeffekten auf Gehäuse
oder Tragstruktur übertragen
werden;
- C) Vibrationsdämpfungsmaterial
sollte zwischen Rotor und Rotormagnet platziert werden; und
- D) Vibrationsdämpfungsmaterial
sollte zwischen Gehäuse
und Frontflansch/Endglocke oder Tragstruktur von Drehwellengeräten platziert
werden.
-
Konventionelle Innenmotoren des in 1 und 2 gezeigten Typs haben Geräuschpegel,
im Abstand von 6 Zoll von der Motorwelle 12 in Dezibel ("dB") gemessen, von 60–70 dB in
einer Umgebungsgeräuschumgebung
von 40 dB. Derselbe Motorständer
und Rotor hat, wenn gemäß den Schritten
A, B und D oben (4)
zusammengebaut, Motorgeräuschpegel
von 48–50 dB
in einer Umgebungsgeräuschumgebung
von 40 dB.
-
Der Geräuschpegel eines konventionellen Motors
betrug 20–30
dB über
Umgebungsrauschen. Der Geräuschpegel
der Ausgestaltung der in 4 gezeigten
vorliegenden Erfindung betrug 8–10
dB über
Umgebungsrauschen, was ein Verhältnis
von etwa 3 : 1 ist. Die absolute Verbesserung von 12–20 dB repräsentiert
eine Reduzierung der Geräuschenergie
auf 1/16 bis 1/64 der konventionellen Bauweise. Die Maschinengeräuschreduzierung
aufgrund dieser Veränderung
ist ebenso signifikant: der resultierende Geräuschpegel betrug 1/16 bis 1/64
des ursprünglichen
Geräuschpegels.
-
Es wurde zwar oben eine Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung in einem Elektromotor beschrieben, aber
die Erfindung ist ebenso auf andere elektromotorische Geräte wie z.
B. Generatoren, Tachometer und Wechselstromgeneratoren anwendbar.