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Die Erfindung bezieht sich auf einen Induktionsmotor mit einem mit der Abtriebswelle verbundenen, fliegend gelagerten Läufer, der einen ringförmigen Kern aus magnetisierbarem Material aufweist, und mit einem Ständer, der auf einem ringförmigen Kern aus magnetisierbarem Material angeordnete Wicklungen trägt, wobei zwischen den einander zugekehrten Stirnflächen von Läufer und Ständer ein axialer Spalt vorhanden ist.
Bei bekannten Motoren dieser Art können Schwierigkeiten manchmal dadurch verursacht werden, dass im Betrieb des Motors infolge der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen dem Läufer und dem Ständer ein Axialschub auf den Läufer ausgeübt wird. Wenn ein Induktionsmotor mit axialem Luftspalt vom Stillstand auf die Betriebsdrehzahl anläuft, stossen der Läufer und der Ständer einander zuerst ab. Diese Abstossungskraft nimmt mit zunehmender Drehzahl ab und wird bei etwa 45% der Synchrondrehzahl gleich Null. Oberhalb dieser Drehzahl und insbesondere bei der Betriebsdrehzahl ist eine Anziehungskraft vorhanden, die sich infolge der elektromagnetischen Wirkung des Ständerstromes mit diesem verändert.
Wenn die Abtriebswelle in einem guten Axiallager gelagert ist, führt der Axialschub nur zu geringen oder gar keinen Schwierigkeiten. Wenn die Abtriebswelle dagegen nicht mit einem Axiallager versehen, oder wenn dieses abgenutzt ist, kann der Axialschub dazu führen, dass der Luftspalt zu schmal wird oder sogar der Läufer und Ständer aneinander reiben.
Es ist daher ein Ziel der Erfindung einen elektrischen Induktionsmotor der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei dem der auf die elektromagnetische Anziehung zwischen dem Läufer und Ständer zurückzuführende Axialschub zumindest teilweise kompensiert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass jeder Phase der Ständerwicklung zumindest ein am Ständer ortsfester Elektromagnet zugeordnet ist, der von dem Strom durch die entsprechende Ständerwirkung durchflossen ist, wobei der Läufer mit einem elektrisch leitenden, unmagnetischen Teil versehen ist, der im betriebsfähigen Zustand des Motors den Elektromagneten zugekehrt ist, so dass im Betrieb zwischen dem Läufer und dem Ständer eine elektrodynamische Abstossungskraft erzeugt wird, die der elektromagnetischen Anziehungskraft zwischen dem Läufer und dem Ständer entgegenwirkt.
Die in dem gegenüber dem Ständerdrehfeld im wesentlichen stillstehenden, d. h. bloss mit der Schlupfdrehzahl rotierenden Teil erzeugten elektrodynamischen Abstossungskräfte sind von gleicher Grössenordnung, wie die Anziehungskraft zwischen Läufer und Ständer.
Der Motor kann so dimensioniert werden, dass die beiden Kräfte einander vollständig kompensieren.
Da beide Kräfte von dem durch die Ständerwicklungen fliessenden Strom abhängig sind, heben sie einander im wesentlichen immer auf, weil sich die Stromstärke mit dem Belastungsmoment ändert.
Die Elektromagnete können Magnetjoche besitzen, um welche Polteilungen überbrückende Teile der Ständerwicklungen gewickelt sind. Auf diese Weise wird der Aufwand an unausgenutztem Kupfer herabgesetzt, weil man auch jene Teile der Wicklungen ausnutzt, die sonst keinen Nutzeffekt hätten. Der elektrisch leitende unmagnetische Teil und die Elektromagnete können am Innen-oder Aussenumfang des Läufers angeordnet sein.
Bei einer Ausführungsform, bei welcher zum lösbaren Befestigen des Ständerkernes eine Tragplatte vorgesehen ist, die in einem Tragring sitzt, können sich die Magnetjoche axial von jenem Teil der Tragplatte weg erstrecken, der zwischen dem Aussenumfang des Ständerkernes und dem Tragring angeordnet ist, wobei im betriebsfähigen Zustand des Motors die Joche dem elektrisch leitenden, unmagnetischen Teil zugekehrt sind, der am Aussenumfang des Läufers angeordnet ist.
Da der genannte Raum in jedem Fall zur Aufnahme der Polteilungen überbrückenden Teile der Ständerwicklung erforderlich ist, braucht zur Unterbringung der Joche die Trageinrichtung für den Ständer nicht vergrössert zu werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der elektrisch leitende, unmagnetische Teil des Läufers aus einem geschlossenen Ring, der den Aussenumfang des Läufers vollständig umgibt und in einer zu der Achse des Läufers rechtwinkeligen Ebene liegt. Ein geschlossener Ring gewährleistet auf einfache Weise, dass sich die Kraft während einer Umdrehung nicht ändert, doch kann eine konstante Kraft auch dann aufrechterhalten werden, wenn der elektrisch leitende unmagnetische Teil unterbrochen ist, sofern man die Elektromagnete entsprechend angeordnet und in einem Mehrphasenmotor auf die Phasen aufteilt.
Wenn der elektrisch leitende, unmagnetische Teil des Läufers an dessen Aussenumfang angeordnet ist, wird dieser Teil zweckmässig einstückig mit dem äusseren Kurzschlussring ausgebildet, damit diese beiden
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Teile (zusammen mit den Läuferstäben und dem inneren Kurzschlussring) in einem Arbeitsgang gemeinsam gegossen werden können.
Die Teile des erfindungsgemässen Rotors sind zwar im Vergleich zu bekannten Motoren gut gekühlt, weil der Motor nicht in einem Gehäuse eingeschlossen ist, doch kann in manchen Fällen eine Fremdkühlung erforderlich sein. In diesem Fall können die Schaufeln des Kühlgebläses einstückig mit dem elektrisch leitenden, unmagnetischen Teil des Läufers und dem äusseren Kurzschlussring ausgebildet sein.
Nachstehend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen ausführlich beschrieben. In diesen zeigt Fig. 1 in einer Stirnansicht von der Ständerseite gesehen einen Läufer für einen erfindungsgemässen Motor, Fig. 2 den Läufer in einem Querschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 in einer Stirnansicht von der Läuferseite gesehen einen zur Verwendung mit dem Läufer gemäss Fig. 1 und 2 bestimmten Ständer und seine Trageinrichtung, Fig. 4 den Ständer und seine Trageinrichtung in einem Querschnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3, wobei die Wicklungen der Klarheit halber weggelassen sind und Fig. 5 in einer Seitenansicht den Motor, der aus den in Fig.
1 bis 4 gezeigten Bestandteilen besteht und sich im betriebsfähigen Zustand zum Antrieb einer Last befindet, wobei die Kühlgebläseschaufeln des Läufers der Klarheit halber weggelassen sind.
Gemäss Fig. 1 und 2 besitzt der Läufer --10-- eines erfindungsgemässen Induktionsmotors einen ringförmigen Blechkern --12-- aus magnetisierbarem Material, genauer gesagt aus spiralförmig gewickeltem magnetisierbarem Stahlband. Der Kern --12-- ist von mehreren Bohrungen oder Vertiefungen --14-- von seinem Innenumfang zu seinem Aussenumfang durchsetzt. Diese Bohrungen --14-- dienen zur Aufnahme von Läuferstäben. Man kann die Bohrungen --14-- bohren, nachdem der Kern --12-- hergestellt worden ist. Um einen ruhigen Lauf des Motors zu gewährleisten, erstrecken sich die Bohrungen --14-- nicht genau radial, sondern sie sind um eine Polteilung schräggestellt. In Fig. 1 sind die Bohrungen --14-- nur in einem Teil des Kernes --12-- dargestellt, doch sind sie tatsächlich in gleichen Abständen voneinander um den ganzen Kern --12-- herum verteilt.
Durch jede Bohrung --14-- erstreckt sich ein Läuferstab --16-- aus einer Aluminiumlegierung. An ihrem inneren und äusseren Ende sind die Läuferstäbe --16-- einstückig mit einem inneren und einem äusseren Kurzschlussring --18 bzw. 20-- aus einer Aluminiumlegierung verbunden. Es ist weiters ein mit dem äusseren Kurzschlussring-20-- einstückiger Unwuchtausgleichsring bzw. Läuferteil --22-- aus unmagnetischem, jedoch leitfähigem Material vorgesehen, der aus einem Flansch besteht, dessen Stirnfläche mit der Stirnfläche --24-- des Kernes --12-- in einer Ebene liegt. Der Unwuchtausgleichsring - trägt mehrere Kühlgebläseschaufeln --26--.
Innerhalb des inneren Kurzschlussringes --18- ist eine hohle zylindrische Nabe --28-- aus Stahl fest angeordnet. Die Nabe --28-- ist innen mit einer Keilnut --30-- versehen, mit deren Hilfe der Läufer - auf der nicht gezeigten Welle einer anzutreibenden Maschine befestigt werden kann. Um das Festlegen des Läufers --10-- zu ermöglichen, steht das hintere Ende der Nabe --28-- von der hinteren Stirnfläche --32-- des Kernes --12-- vor und es ist mit mindestens einer radialen Befestigungsschraube - versehen, die in ein die Nabe --28-- durchsetzendes Gewindeloch --36-- eingeschraubt ist.
Zur Befestigung an der Vorderseite anstatt oder zusätzlich zu der Befestigung an der Rückseite kann die Nabe --28-- an ihrem vorderen Ende eine Vertiefung --38-- besitzen, in der mindestens eine Befestigungsschraube-40-- und ein Gewindeloch --42-- angeordnet sind.
Die Fig. 3 und 4 zeigen einen zu dem Läufer gemäss Fig. 1 und 2 gehörigen Ständer sowie eine Trageinrichtung für diesen Ständer. Den Hauptteil des Ständers bildet ein ringförmiger Blechkern --50--, der ebenso wie der Läuferkern --12-- aus magnetisierbarem, zu einer einstückigen Spirale gewickelten Stahlband besteht. In einer Stirnfläche --54-- des Kernes --50-- sind mehrere radiale Nuten --52-ausgebildet, u. zw. durch Stanzen oder durch spanabhebende Bearbeitung, z. B. Fräsen. Gemäss Fig. 4 sind die Nuten in bekannter Weise derart verjüngt, dass sie an ihren Mündungen schmäler sind als am Grund.
Fig. 3 zeigt die Anordnung von vorher auf Rahmen hergestellten Wicklungen --56-- in den Nuten - des Ständerkernes. In dieser Ausführungsform sind vier Wicklungen --56-- vorgesehen, so dass der Motor vier Pole besitzt. Gezeigt sind nur die Wicklungen --56-- für eine Phase. Die Anordnung der Wicklungen wird jedoch nicht näher beschrieben, da der vorliegende Ständer vollkommen analog einem üblichen zylindrischen Ständer gewickelt sein kann und die Wicklungsart und die Schaltung des Kernes für Ein- oder Mehrphasenbetrieb vom Fachmann ohne weiteres gewählt werden können.
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Nach dem Anbringen der Wicklungen --56-- auf dem Kern --50-- können die Wicklungen in der üblichen Weise mit Lack imprägniert und ausgeheizt werden, um ihre Feuchtigkeitsbeständigkeit zu erhöhen. Der Kern und die Wicklungen können erforderlichenfalls in Epoxydharz eingekapselt werden.
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--60-- mit- versehen, mit dessen Hilfe der Ständer in der nachstehend beschriebenen Weise lösbar an seiner Trageinrichtung befestigt ist. Die Wicklungen --56-- sind mit einem Schaltkasten --65-- verbunden, der auf der Tragplatte --60-- montiert ist, und können daher über ein ebenfalls an den Schaltkasten angeschlossenes Zuleitungskabel gespeist werden.
Die Tragplatte --60-- ist in der gezeigten Weise einstückig mit vier zylindrischen Jochen --66-- aus magnetisierbarem Material ausgebildet. Die Joche --66-- brauchen aber nicht mit der Tragplatte --60-einstückig, sondern sie können auch an ihr befestigt sein. Die äusseren der die Polteilungen überbrückenden Teile --68-- der Ständerwicklungen oder mindestens einiger Ständerwicklungen sind mit aus je eine Windung bildenden Schleifen --70-- ausgebildet, so dass nach dem Festlegen der Ständerwicklungen die Schleifen --70-- die Joche --66-- umgeben, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist.
Die Trageinrichtung für den Ständer besitzt einen an den. Enden offenen zylindrischen Tragring --72--, der mit einer flachen Grundplatte --74-- verschweisst und zusätzlich mit Stützblechen --76-- abgestützt ist, die mit dem Tragring --72-- und der Grundplatte --74-- verschweisst sind. In der Grundplatte --74-- sind mehrere Löcher --78-- ausgebildet. Wenn sich der Ständer und seine Trageinrichtung in der richtigen Stellung befinden, kann man sie fixieren, indem man Befestigungselemente durch die Löcher --78-- führt.
Der Ständerkern und die Tragplatte --60-- werden in dem Tragring --72-- mit Hilfe von vier radialen Schrauben --80-- befestigt, die Bohrungen in dem Tragring --72-- durchsetzen und in Gewindelöcher des Flansches --64-- eingeschraubt sind.
Fig. 5 zeigt, wie die in Fig. 1 bis 4 dargestellten Teile zu einem betriebsfähigen elektrischen Induktionsmotor vereinigt sind, der zum Antrieb einer Last dient. Eine mit einer Antriebswelle --92-versehene Last --90-- ist auf einer Auflagerfläche --94-- befestigt, die beispielsweise von dem Gestell einer Bearbeitungseinrichtung gebildet wird, zu der die Last --90-- gehört, oder von dem Fussboden eines Gebäudes, in dem die Anlage untergebracht ist. Der Läufer --10-- ist auf der Welle --92-- aufgekeilt und mittels der Schraube (n)-34 bzw. 40-- fixiert.
Dann wird der Tragring --72-- für den Ständerkern - gegenüber dem Läufer --10-- derart bewegt, dass die vordere Stirnfläche --54-- des Ständerkernes der vorderen Stirnfläche --24-- des Läuferkernes --12-- zugekehrt ist. Der Tragring --72-- für den Ständerkern --50-- wird bewegt, bis die beiden Kerne im wesentlichen zueinander koaxial sind und die Breite des Luftspaltes zwischen den beiden einander zugekehrten Flächen --24 und 54-- im wesentlichen dem für den Motor erforderlichen Nennwert entspricht. In einem Motor mit einer Ausgangsleistung von 1, 5 kW hat beispielsweise der Ständerkern einen Aussendurchmesser von 178 mm und der Luftspalt eine Breite von 2, 5 mm.
Wie vorstehend ausführlicher angegeben wurde, braucht der genannte Vorgang nicht mit hoher Präzision durchgeführt zu werden, so dass er von praktisch ungeschultem Personal ausgeführt werden kann. Wenn sich der Ständer und sein Tragring in der richtigen Stellung befinden, kann man den Tragring fixieren, indem Schrauben oder andere Befestigungselemente durch die Löcher --78-- in der Grundplatte --74-- in die Fläche --94-- geführt werden.
Zum Betrieb des Motors wird den Ständerwicklungen elektrische Leistung zugeführt, so dass die Ständerwicklungen ein rotierendes Magnetfeld erzeugen, das sich axial von der vorderen Stirnfläche
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und bewirkt, dass der Läufer --10-- mit einer etwas geringeren Drehzahl rotiert als das Feld, wie dies auch bei den üblichen Induktionsmotoren mit zylindrischem Luftspalt der Fall ist.
Wie vorstehend ausführlich erläutert wurde, ist während des Betriebes des Motors mit der normalen Betriebsdrehzahl zwischen dem Läuferkern und dem Ständerkern eine magnetische Anziehungskraft wirksam. Um diese Kraft mindestens zum Teil zu kompensieren, damit auf die Welle --92-- kein zu starker Axialschub ausgeübt wird, wird eine elektrodynamische Abstossungskraft erzeugt. Wie aus der Fig. 5 hervorgeht, sind die an der Tragplatte --60-- des Ständers befestigten Joche --66-- dem Unwuchtaus- gleichsring --22-- des Läufers --10-- zugekehrt. Dieser Ring --22--, der aus unmagnetischem, jedoch
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elektrisch leitendem Material besteht, erscheint im Betrieb für das Drehfeld des Ständers im wesentlichen stillstehend, d. h. er rotiert gegenüber diesem Drehfeld bloss mit der Schlupfdrehzahl.
Die Wirbelströme, die von dem von den Jochen erzeugten Feld in dem Ring --22-- induziert werden, erzeugen nach der Lenz'schen Regel ein Gegenmagnetfeld, das eine Abstossung zwischen den Jochen und dem Ring bewirkt.
Die Abstossungskraft ist von der Stromaufnahme des Ständers unabhängig, weil das von den Jochen --66-erzeugte Feld von dem Strom in den Ständerwicklungen abhängig ist. Da sowohl die elektromagnetische als auch die elektrodynamische Kraft der Stromstärke proportional sind, kompensieren die Kräfte einander unabhängig von der Stromaufnahme des Motors.
Es soll noch erwähnt werden, dass auch in tangentialer Richtung Kräfte auftreten, solange der Ring - mit anderer Drehzahl rotiert als das Drehfeld. Diese Kräfte bewirken bei normalem Betrieb des Motors (d. h. mit Schlupf) ein Drehmoment, das mit dem Antriebsmoment gleichsinnig ist.
Wenn sich der Motor in dem in Fig. 5 gezeigten betriebsfähigen Zustand befindet und der Ständerkern beispielsweise zum Austausch, zur Reinigung oder Instandsetzung aus dem Motor ausgebaut werden soll, kann dies auf sehr einfache Weise von ungeschultem Personal ausgeführt werden. Man braucht nur die Schrauben --80-- herauszuschrauben, worauf die Tragplatte --60-- und der Ständerkern --50-- als Ganzes nach hinten aus dem Tragring --72-- herausgenommen werden können. Der gereinigte oder geprüfte Kern oder ein Austauschkern kann in umgekehrter Weise eingesetzt werden und wird automatisch in der richtigen Stellung festgelegt.
Wenn der Ständerkern durchgebrannt ist und ausgetauscht werden muss, oder wenn ein neuer Kern mit einer andern Polzahl eingebaut werden soll, damit der Motor mit einer andern Drehzahl läuft, ist für diesen Austausch nur eine Stillstandszeit des Motors von insgesamt 2 bis 3 min erforderlich. Der Austauschkern kann entweder auf einer neuen Tragplatte montiert sein und zusammen mit dieser eingebaut werden, oder man kann zum Herabsetzen der Ersatzteilkosten den alten Kern von seiner Tragplatte abnehmen und durch den neuen ersetzen, indem man einfach die Schrauben - heraus-und wieder einschraubt.
Die Magnet joche --66-- und der Unwuchtausgleichsring --22--, der mit den Jochen unter Erzeugung der elektrodynamischen Kraft zusammenwirkt, welche die elektromagnetische Anziehungskraft zwischen dem Läufer und Ständer kompensiert, können anders ausgebildet sein als in den beschriebenen Ausführungsformen. Beispielsweise kann man Joche in jeder zweckmässigen Anzahl verwenden und die Joche hinsichtlich ihrer Erregung auf die Phasen verteilen, was besonders zweckmässig sein kann, wenn der Unwuchtsausgleichsring nicht in sich geschlossen, sondern beispielsweise von den Kühlgebläseschaufeln selbst gebildet ist.
Die Joche --66-- brauchen nicht wie dargestellt im Querschnitt kreisförmig zu sein, sondern können auch eine andere Querschnittsform haben. In manchen Fällen kann man einen in der Umfangsrichtung langgestreckten, beispielsweise sichelförmigen Querschnitt verwenden, besonders wenn der Unwuchtausgleichsring nicht in sich geschlossen, sondern von den Kühlgebläseschaufeln selbst gebildet ist. Die Joche können in der Umfangsrichtung so lang sein, dass sie eine Anzahl der Schaufeln überbrücken, damit eine kontinuierliche Erzeugung der elektrodynamischen Abstossungskraft gewährleistet ist.
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