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Elektrische Maschine Bei den bisher bekannten elektrischen Maschinen
sind zur Lagerung des beweglichen, in der Regel drehbeweglichen Teils besondere
Bauelemente, meist Wälz- oder Gleitlager, vorgesehen, die getrennt von den elektrisch
bzw. magnetisch aktiven Teilen angeordnet sind.
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Abweichend hiervon stellen erfindungsgemäß die benachbarten Oberflächen
der relativ zueinander beweglichen aktiven Teile (Ständer und Läufer) einer elektrischen
Maschine zugleich die Führungsflächen der Lagerung des beweglichen Teils dar. Die
Flächen können besonders bearbeitet oder durch Schichten aus besonderen Stoffen
gebildet sein und während des Laufs der Maschine aufeinandergleiten. Dabei kann
zur Verminderung der Reibung und zur Zentrierung des umlaufenden Teils in dem Spielraum
der Lagerung ein flüssiges oder gasförmiges Schmiermittel vorgesehen sein.
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Besonders günstig ist die Anwendung der Erfindung bei rasch laufenden
elektrischen Maschinen und dabei wieder in erster Linie bei solchen, an denen keine
oder nur geringfügige Belastungen in der Richtung senkrecht zur Drehachse auftreten.
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Ein besonderer Effekt, der sich bei der Erfindung in neuartiger Weise
ausnutzen läßt, sei im folgenden an Hand von Fig. i erläutert: In Fig. i ist i i
ein Lagerzapfen und 1a die Bohrung eines dazugehörigen Gleitlagers, im Querschnitt
gesehen. Bei ruhendem Zapfen wird durch die an ihm angreifende, radial gerichtete
Kraft der Schmiermittelfilm zerquetscht, und es besteht eine unmittelbare Berührung
von Zapfen und Bohrung,
Dreht, sich aber der Zapfen, so wird das
Schmiermittel infolge seiner Adhäsion mitgenommen und damit die unmittelbare Berührung
von Zapfen und Bohrung aufgehoben.
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Dieser Effekt an sich ist bei Gleitlagern und auch bei Segmentspurlagern
schon lange bekannt. Beim Gegenstand derErfindungaber wird er in neuartiger Weise
dazu benutzt, den umlaufenden aktiven Teil einer elektrischen Maschine gegenüber
dem feststehenden aktiven Teil zu zentrieren, d. h. ein unmittelbares Aneinanderhaften
infolge der magnetischen Kräfte (Kleben) zu vermeiden und den bisher bei elektrischen
Maschinen als Luftspalt bezeichneten Abstand zwischen dem feststehenden und dem
beweglichen Teil. soweit erforderlich, sicherzustellen.
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Das diesen Abstand füllende Medium kann beim Gegenstand der Erfindung
eine ähnliche Funktion erfüllen wie das Schmiermittel bei einem Gleitlager. Dieses
Medium kann eine Flüssigkeit, aber auch, insbesondere bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten,
Luft oder ein sonstiges Gas oder eine Mischung aus verschiedenen Medien sein. Die
durch die Bewegung der Maschine hervorgerufene Bewegung des Schmiermittels bewirkt,
wie bereits erwähnt, eine Zentrierung. Die Bewegung der Maschine kann aber auch
in einer noch zu erläuternden Art und Weise ein ständiges Nachsaugen des Schmiermittels
von außen her durch besondere. Offnungen bewirken. Außerdem kann es zweckmäßig sein,
den Schmiermittelnachschub noch durch äußeren Druck beispielsweise mit Hilfe von
besonderen Schmiermittelfördereinrichtungen zu unterstützen. Das Maß des Abstandes
zwischen den relativ zueinander beweglichen aktiven Teilen kann einen Bruchteil
der hierfür bisher bei elektrischen Maschinen gebräuchlichen Werte betragen. Dadurch
lassen sich die elektrischen Eigenschaften der Maschine erheblich verbessern. Außerdem
hat die durch die Erfindung erreichte elastische Zentrierung des umlaufenden Teils
gegenüber der bisher gebräuchlichen starren Lagerung eine wesentliche Verbesserung
der Laufeigenschaften zur Folge, besonders bei hohen Drehzahlen.
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Um die durch innere Reibung des Schmiermittels auftretende Wärme abzuführen
und außerdem noch zur Kühlung der elektrischen Maschine beizutragen, kann man, wie
bereits erwähnt, z. B. durch eine getrennt angeordnete und direkt von denelektrischen
Maschine aus angetriebene Pumpe für eine hinreichende Erneuerung des Schmiermittels
sorgen. Es kann aber auch der umlaufende aktive Teil der Maschine so ausgebildet
sein, daß er in Verbindung mit dem feststehenden Teil eine Beförderung bzw. einen
Nachschub des Schmiermittels bewirkt.
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Beim Durchlaufen großer Drehzahlbereiche kann es vorteilhaft sein,
einen geeigneten Wechsel des Schmiermittels, z. B. von flüssigen und gasförmigen
Mitteln, vorzusehen.
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Die Anwendbarkeit der Erfindung beschränkt sich nicht auf elektrische
Maschinen einer bestimmten Bauart. Sie ist vielmehr ebenso wie bei Maschinen mit
senkrecht angeordneter Läuferachse auch bei solchen mit, waagerecht angeordnetem
Läufer gegeben.
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Besonders vorteilhaft kann es sein, die Erfindung in Verbindung mit
sogenannten Radial- oder Scheibenmotoren anzuwenden,, d. h. bei Maschinen, bei denen
der spaltförmige Raum (Luftspalt) zwischen Ständer und Läufer nicht wie üblich konzentrisch,
sondern senkrecht zur Läuferachse liegt.
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Im folgenden ist die Erfindung an Hand der in den Fig. 2 bis 7 gezeigten
Ausführungsbeispiele erläutert.
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Fig.2 zeigt die Ausführung eines nach dem angegebenen Prinzip gebauten
Motors. Es bedeuten 21 den Läufer, 22 den in ihm untergebrachten Käfig, 23 den Ständer
und 24 die Ständerwicklung. Der Deutlichkeit halber ist der Luftspalt bzw. Abstand
zwischen Läufer 21 und Ständer 23 verhältnismäßig groß gezeichnet, während er gerade
bei der nach der vorliegenden Erfindung gebauten Maschine wesentlich kleiner sein
kann als bisher üblich. Die vorn magnetischen Hauptfluß durchsetzten, hier zylindrischen
Oberflächen von Läufer und Ständer, die gleichzeitig als Arbeitsflächen eines Gleitlagers
wirken, werden durch geeignete Maßnahmen möglichst glatt ausgeführt. Sie können
auch mit einer zusätzlichen Schicht eines vorzugsweise nicht ferromagnetischen Lagermetalls
überzogen sein, die z. B. auch von einer darübergeschobenen Büchse gebildet sein
kann. Die Läuferbohrung ist bei diesem Motor mit senkrechter Achse durch eine Platte
25 abgeschlossen, die nach dem Prinzip des Segmentspurlagers gebaut oder sonst irgendwie
so ausgebildet ist, daß ein tragender Schmiermittelfilm an den Auflagestellen des
Läufers auf der Platte zustande kommt.
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Durch eine zweckmäßig zentral in der Platte angebrachte Bohrung 26
tritt das Schmiermittel ein und tritt oben am Luftspalt aus.
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Der Raum zwischen Platte 25 und Läufer 21 wirkt gleichzeitig als Zentrifugalpumpe,
die die Förderung des Schmiermittels übernehmen oder unterstützen kann. Die Einhaltung
der Betriebslage des Läufers kann insbesondere bei senkrechter, aber auch bei waagerechter
Anordnung dadurch bewirkt werden, daß das bei Betrieb vorhandene Magnetfeld den
Läufer in Achsrichtung (beim Ausführungsbeispiel also nach oben) verlagert. Es ist
dann nur für eine mechanische Begrenzung .der axialen Beweglichkeit des Läufers
zu sorgen, durch welche seine Ruhelage im ausgeschalteten Zuständ des Motors bestimmt
wird. Die mechanische Begrenzung kann gleichzeitig auch als Hilfsmittel für die
Erleichterung des Anlaufs ausgebildet sein, z. B. Lagerkugeln, die nach dem Anheben
des Läufers durch die Magnetkräfte ihren Kontakt mit diesem verlieren.
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Schwierigkeiten heim Anlauf lassen sich, unabhängig von der Art der
Ausführungsform im.einzelnen, auf verhältnismäßig einfache Weise z. B. auch dadurch
vermeiden, daß das magnetische Feld während des Anlaufs verringert wird:-In Fig.
3 ist eine Ausführungsform mit . Maßnahmen zur Erleichterung des Anlaufs dargestellt.
Der
Läufer 31 und ebenso der Ständer 32 sind hier konisch gestaltet, und der
Läufer 31 liegt im Ruhezustand auf Kugeln 33. Wird nun das magnetische Feld
evtl. zunächst nur schwach erregt, so rollt der Läufer zuniichst auf den Kugeln;
infolge der konischen Form wird der Läufer bei voller Erregung mit in an sich bekannter
Weise verstärkter Zugkraft in das Hauptfeld hineingezogen und damit von dem Kugellager
abgehoben. 34 ist eine Schicht aus Lagermetall, z. B. Bronze.
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Fig.4 veranschaulicht noch eine Ausführungsform besonders günstiger
Zentrierwirkung. Der Läufer 4i und der Ständer 42 (beide ausschnittsweise dargestellt),
deren Abstand voneinander beim Gegenstand der Erfindung ohnehin verhältnismäßig
klein sein kann, sind hier an sich zylindrisch, aber mit konischen Buchsen (Hohlzylindern)
43, 44 überkleidet, die leim Betrieb der Maschine, d. h. in (las Hauptfeld
hineingezogenem Läufer, mit sehr kleinem Abstand ineinanderlaufen. Mittels einer
solchen Ausführungsform läßt sich beim Hineinziehen des Läufers in das Hauptfeld
während des Anlaufs von vornherein eine besonders gute und sichere Einführung bzw.
Zentrierung erreichen. Werden die Buchsen 43. 44 aus ferromagnetischem Stoff hergestellt,
so läßt sich dadurch eine wesentliche herstellungstechnische Vereinfachung gegenüber
der vorher l)esc'lirielyenen Ausführungsform (Fig. 3) erreichen, da im Gegensatz
zu jener einheitliche Schnittwerkzeuge für die Bleche verwendet werden können. Die
Buchsen können dann noch einen Überzug bzw. eine Hülse aus nichtferromagnetischem
Lagermetall erhalten. Die Buchsen können aber unter Umständen auch ganz aus nichtferromagnetischem
Stoff bestehen, da der Abstand von Läufer 4i und Ständer 42 ohnehin verhältnismäßig
klein gewählt sein kann.
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Ein besonderes, aber nicht ausschließliches Anwendungsgebiet der vorliegenden
Erfindung sind die Spinn-, Zwirn- und Spulspindelantriebe der Textilindustrie.
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Es zeigt Fig. 5 eine nach dem angegebenen Prinzip gebaute Ringspindel,
wobei der'Spindelschaft 54 direkt in den im Schmiermittel während des Betriedes
schwimmenden Läufer 5 i eingesetzt ist. Mit 53 ist der Ständer der -Maschine bezeichnet.
55 ist eine Bodenplatte mit Zuströinöffnung _5 0.
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In Fig. 6 ist die Anwendung der Erfindung auf einen sogenannten Hängeflügel
gezeigt. Der durchbohrte Läufer 61 trägt mittels eines eingesetzten rohrförmigen
Körpers 62 den Spinnflügel 64. 63 ist der Ständer der Maschine. Die Schmiermittelzuführung
ist hierbei als ringförmiger Kanal 66
ausgebildet, wobei eine Abdichtung des
durch eine Platte 65 nach unten begrenzten Schmiermittelraumes gegenüber dem rotierenden
Röhr 62 durch ein nachgiebiges Mittel, z. B. eine Filzdichtung 67, geschaffen ist.
68 ist der Spinnfaden.
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In Fig. 7 ist ein nach den vorstehend beschriebenen Grundsätzen gebauter
-Motor dargestellt, bei dem der Läufer 71 gleichzeitig als Spinntopf ausgebildet
ist. 73 ist der Ständer, 72 eine Zuführungsöffnung für das Schmiermittel, 74 die
Ständerwick-Jung, 75 die Bodenplatte des Schmiermittelraumes. 78 ist der Spinnfaden,
der durch ein Führungsrohr 79 in den Topf einläuft.
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Die wiedergegebenen Ausführungen sind nur Beispiele für die vielseitige
Anwendbarkeit des Grundgedankens der Erfindung. Sie können insbesondere unter Auswertung
der vielen für Textilspindeln bekanntgewordenen Konstruktionsprinzipien noch weitgehend
abgewandelt werden, z. B. durch Anwendung der schwanken Welle, des hängenden Spinntopfes,
der Glockenspindel und anderer mehr.
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Auch für außerhalb des Textilgebietes liegende Aufgaben kann die Anwendung
der neuartigen Konstruktionsprinzipien zweckmäßig sein, z. B. für rasch laufende
Pumpen und Lüfter.