DE1613048A1 - Elektrische Maschine mit gasgeschmiertem Lager - Google Patents

Elektrische Maschine mit gasgeschmiertem Lager

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Jean Chaboseau
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Compagnie Electro Mecanique SA
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Description

5590-67; Dr.Sd/sch
(PV 55 203 ν. 28. 5. 66)
Compagnie Electro-Mecanique, Paris, Prankreich
Elektrische Maschine mit gasgeschmiertem Lager
Man spricht davon, daß gasgeschraierte Lager für die Rotoren von elektrischen Maschinen dann gebaut werden können, wenn
entweder die Umgebung der betreffenden elektrischen Maschine unter einem hohen Gasdruck gehalten wird, wobei es sich insbesondere um die sogenannten aerostatischen Lager handelt
oder eine sehr hohe Drehgeschwindigkeit des Rotors benutzt wird, wobei man von sogenannten aerodynamischen Lagern spricht.
Es ist außerdem bekannt, daß die sogenannten VentiIationsverlußte eines sich in einem Pluldum und insbesondere in einem. Oase drehenden Rotors nach bekannten Gesetzmäßigkeiten mit der Gei6hwindigkeit des Rotors und mit dem Druck des Gases sehr stark ansteigen. Infolgedessen läßt sich
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häufig feststellen, daß die Ventilationsverluste, wenn es sich um einen elektrischen Motor handelt, einen beträchtlichen Teil der Leistung des Motors ausmachen. Diese Ventilationsverluste können entweder aus Gründen ihres Energiebetrags oder aus technologischen Gründen prohibitiv werden, da der Konstrukteur eine Überhitzung der Maschine vermeiden muß.
Es ist außerdem allgemein bekannt, daß die Höhe der aerodynamischen Verluste, die Ventilationsverluste genannt werden, zwischen zwei konzentrischen Zylindern, welche sich relativ zueinander bewegen, von dem aerodynamischen Charakter der Gasbewegung zwischen den Zylindern bestimmt werden, welche eine laminare oder eine turbulente Gasströmung darstellt. Wenn diese Gasbewegung laminar 1st, ist die Höhe dieser Verluste sowJe die Geschwindigkeit und der Druck erheblich kleiner als bei einer turbulenten Gasströmung. In der Umgebung von Rotoren von Turbomaschinen ist ebenso wie in der Umgebung von Rotoren von elektrischen Maschinen die Gasströmung turbolent.
In den Lagern von Maschinen ist die Gasströmung, wenn diese Lager mit öl oder mit Gas geschmiert werden, im allgemeinen laminar. Dieser Fall liegt normalerweise bei gasgeschmierten Lagern vor, da bei diesen ein sehr schmaler Spalt zwischen dem Wellenzapfen und der Lagerschale vorhanden ist.
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Man kann feststellen, daß die Rotor-Antriebsleistung für den Wellenzapfen klein gegenüber demjenigen Betrag ist, der aufzubringen wäre, wenn das Spiel zwischen dem Wellenzapfen und der Lagerschale den zwanzigfachen oder fünfzigfachen Betrag haben würde. Diese Größenordnung des Spieles liegt bei einem Elektromotor vor, dessen Anker den gleichen Durchmesser haben würde wie der Wellenzapfen des betrachteten Rotors.
Man kann wegen der oben geschilderten Umstände die Ventilationsverluste erheblich verkleinern, und gemäß der Erfindung wird die Bohrung eines Stators, in welcher ein Rotor angebracht werden soll, so ausgebildet, daß der Gasfilm zwischen dem Stator und dem Rotor eine tragende Wirkung ausübt.
Es genügt, wenn die einander zugewendeten Oberflächen des Rotors, d. h. des umlaufenden Elementes, das im allgemeinen der Anker' ist, und des Stators, d. h. des feststehenden Elementes, das im allgemeinen die Erregerwicklung trägt, ebenso ausgebildet werden, wie die einander zugeordneten Elemente in einem gasgeschmierten Lager. Es wird also die Tragwirkung unter Vermeidung einer Berührung zwischen dem Rotor und dem Stator in dem Luftspalt des Motors zustande kommen.
Im folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.
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Pig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen gewöhnlichen Elektromotor, dessen Rotor in einem bekannten gasgeschmierten Lager läuft.
Fig. 2 ist die entsprechende Ansicht eines gemäß der Erfindung ausgeführten Elektromotors.
Fig. 5 zeigt ebenfalls einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 4 zeigt eine Stirnansicht eines gemäß der Erfindung ausgeführten Motors.
Fig. 5 zeigt einen Teil eines Längsschnitts durch eine andere Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Rotor-Leiters.
\ Die Fig. 7-9 stellen Längsschnitte durch andere
Ausführungsformen der Erfindung dar.
In allen Figuren der Zeichnung werden für einander entsprechende Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet.
Der in Fig. 1 dargestellte Motor mit gasgeschmierten Lagern enthält einen lamellierten Stator 1, welcher die Statorleiter mit ihren Wickelköpfen 2 trägt. Im Inneren des Stators dreht sich ein Anker 4, und der Luftspalt j5 ist
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verhältnismäßig groß. Der Rotor oder Anker wird von zwei an sich bekannten - gasgeschraierten Lagern getragen. Die Lagerzapfen 10 a und 10 t> greifen mit sehr geringem Spiel in das Innere der feststellenden Lagerschalen 11 a und 11 b ein. Über die Leitungen 12 a und 12 b wird Gas unter Druck in die Lagerschalen eingeleitet, so daß es sich um ein aerostatisches Lager handelt.
Ein in Figur 2 dargestellter erfindungsgemäßer Elektromotor enthält ebenfalls einen Stator 1 mit den Statorleitern 2. Der Läufer 4 dreht sich mit einem sehr geringen Spiel 3 im Inneren des Stators 1. Das Gas zur Speisung der Lager wird über radiale Kanäle 5 in den Stator eingeleitet, welche die Rolle der Leitungen 12 in Fig. 1 übernehmen. Diese Kanäle 5 besitzen an ihrer Einmündungsstelle in den Luftspalt 3 Erweiterungen 6. Das tragende Gas tritt z. T. durch den Luftspalt nach den beiden Stirnseiten des Stators aus und zum Teil über die Kanäle 8 in den Rotor ein.
Eine derartige Ausbildung des Motors bietet die folgenden Vorteile:
Die Ventilationsverluste werden durch den Übergang zu einer aerodynamischen Gasbewegung im Luftspalt 3 vermindert.
Es wird eine vorteilhaftere Form eines gasgeschmierten Lagers durch eine vereinfachte Konstruktion geschaffen, und
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es wird die Anbringung von Wellenzapfen mit kleinerem Durchmesser an dem Anker 4, wie sie in Fig. 1 in den Wellenzapfen IO vorliegen, vermieden.
Das Gewicht des Rotors wird durch den Fortfall der Wellenzapfen 10 vermindert.
Jedoch können bei der erfindungsgemäßen Konstruktion die folgenden Schwierigkeiten auftreten. Die Herstellung der erforderlichen Bohrung in dem Stator kann - insbesondere bei großen Motoren - zu Schwierigkeiten führen.
Infolge des Unterschiedes der Wärmeausdehnung des Stators und des Rotors, kann es schwierig werden, den Luftspalt aufrechtzuerhalten.
Diese Schwierigkeiten können durch die folgenden Hilfsmittel vermieden werden:
Der Luftspalt läßt sich durch die Benutzung einer dünnen Lagerschale aus einem unmagnetischen Material aufrechterhalten, welches zwischen den Rotor und den Stator an der Stelle des Luftspaltes 3 in Fig. 1 eingeführt wird. Durch diese Lagerschale wird im übrigen ein ausreichender magnetischer Luftspalt aufrechterhalten und doch ein geringes mechanisches Spiel zwischen dem Stator und dem Rotor erreicht.
Auch der Motor in Fig. ;5 enthält eine Lagerschale 13* die feet innerhalb des Stators 1 angebracht ist und von radialen Kanälen 5 a durchstoßen wird, welche eine Verlängerung der
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radialen Kanäle 5 innerhalb des Stators darstellen. An der EinmUndungsstelle der Kanäle 5 a an der zylindrischen Innenfläche der Lagerschalen Ij3 sind wieder Erweiterungen 6 a angebracht.
Das zur Speisung des gasgeschmierten Lagers erforderliche Gas dient auch zur Kühlung des Stators und des Rotors. Wie die Fig. 3 erkennen läßt, sind nämlich in dem Stator auch noch parallel zu seiner Achse verlaufende Kanäle 14 angebracht, durch welche ein Teil des über die Leitung 15 in den Stator eintretenden Gases hindurchströmt. Die Aufteilung dieses Gasstromes kann mittels der Diaphragmen 16 beeinflußt werden. Derartige Diaphragmen können auch, wie in Fig. 4 bei 16 a dargestellt, in der Nähe der Gaseintrittsleitung 15 angebracht werden, insbesondere wenn man sie zwischen zwei Statorblechen anbringt. Beispielsweise lassen sich derartige Diaphragmen 16 a besonders leicht dadurch herstellen, daß man in den beiden beiderseits des Zwischenraumes 15 zwischen zwei Blechpaketen liegenden Blechen Löcher mit einem geringeren Durchmesser als ihn der Kanal 14 aufweist, anbringt.
Die Kühlung des Rotors kann unter Benutzung eines Teiles des zu der zylindrischen Oberfläche des Rotors durchtretenden Gases bewerkstelligt werden. Dieses Kühlgas für den Rotor wird dann über die stirnseitigen öffnungen 8 der RotorkUhlkanäle abgesaugt. Die in die Kühlkanäle des Rotors eintretende Gasmenge läßt sich duroh die Wahl einer geeigneten Größe für die Durchlaßöffnungen eines Diaphragmas 16 c
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beeinflussen.
Man kann auch die Leiter des Stators unmittelbar kühlen.
Eine solche Kühlung der Statorleiter 2 läßt sich nämlich bewerkstelligen, wenn man den Gasstrom, der über die Leitungen 15 oder über die Leitungen 5 eintritt, zum Teil durch in den Wänden der Statornuten angebrachte Aussparungen 17 a, 17 b und 17 c an den Außenflächen der Statorleiter entlangströmen läßt. Derartige Aussparungen sind in der Stirnansicht in Fig. 4 dargestellt.
Die Leiter des Rotors können, wie es die Figuren 5 und 6 zeigen durch das durch die Diaphragmen 16 c hindurchtretende und in eine kreiszylindrische Nut am Umfang des Rotors eintretende Gas gekühlt werden. Dieses Gas tritt dann aus der erwähnten kraszylindrischen Nut 17 durch die radialen Kanäle 18 in Kanäle 19 (Fig. 5 und 6) ein und verläßt den Rotor wieder durch radiale Kanäle 20 an den beiden Rotorenden, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, oder durch die in Flg. 6 dargestellten öffnungen 20 a am Ende der Rotorleiter, wenn sich die Kanäle 19 nicht bis zu den Enden der Rotorleiter 21 durchführen lassen. Wie es die Fig. 6 zeigt, können die Kanäle 19 als longitudinale Rillen zwischen den Rippen 22, welche die Lage der Rotorleiter 21 im Rotorkörper sicherstellen, angebracht werden. Wenn die Rotorleiter hohl ausgebildet werden, kann auch in den Innenraum der Rotorleiter über Öffnungen 23, welche der EinmundungsstelIe der Kanäle in Fig. 5 gegenüberliegen, Kühlgas eingeleitet werden.
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Man kann die Wirkungsweise des Motors auch wesentlich dadurch verbessern, daß man die Lagerschale vom Stator löst:
Die thermische Lösung der Lagerschale erleichtert es, die Temperatur der Lagerschale und des Rotors einander anzugleichen, da nämlich die geringe Masse der Lagerschale und die gute Wärmekonvektion über den Zwischenraum zwischen dem Rotor und der Lagerschale eine solche Temperaturangleichung m erleichtert.
Die mechanische Lösung der Lagerschale ermöglicht eine radiale Ausdehnung der Lagerschale und eine bessere Wirkungsweise des Lagers, wenn die Elastizität der Lagerschale und die Abstützung der Lagerschale auf dem Stator geeignet gewählt werden.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 ist die Lagerschale 15 vom Stator 1 wärmemässig isoliert und in diesem Stator elastisch durch die Vorrichtungen T1 bis 7^ gelagert. Diese Vorrichtungen können aus sogenannten O-Ringen aus Kunststoff oder aus dünnen Metallrohren bestehen. Man kann derartige O-Ringe auch dazu benutzen, enge Kammern zwischen dem Stator und der Lagerschale 13 zu schaffen.
Es ist normalerweise ein besonderes Organ notwendig, um die axiale Position des Rotors sicherzustellen. Diese Rolle wird von einem Endlager übernommen, welches im allgemeinen am Ende des Motors angebracht wird, und zwar entweder an der
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Seite des Motors, an welcher sich die vom Motor angetriebene Maschine befindet, oder an der entgegengesetzten Motorseite.
Ein Elektromotor mit einer Lagerung gemäß der Erfindung kann auch mit einem Spurlager ausgerüstet werden, welches die axiale Lage des Rotors sicherstellt, wie er in Pig. 6 veranschaulicht ist, welche einen aus massivem Eisen bestehenden Rotor ohne irgendwelche Rotorleiter veranschaulicht.
Die Lagerschale 13 ist in ihrer Mitte mit einem Kragen 24 versehen, welcher in eine Ringnut des Rotors 4 hineinreicht. Dieser Rotor 4 besteht aus den beiden Hälften 4 a und 4 b, welche mittels eines Schraubenbolzens 25 fest zusammengefügt sind. Der Kragen 24 und die ihn aufnehmende Ringnut des Rotors 4 stellen das Gasspurlager dar, welches über die Kanäle 16 c und 26 gespeist wird.und nach Art der bekannten gasgeschmierten Lager arbeitet. Das Speisegas des Lagers fließt durch die Kanäle 8 wieder ab und dient außerdem zur Kühlung des Rotors, wobei das erfindungsgemäße und den Rotor tragende Lager beiderseits des Spurlagers angeordnet ist und durch die Kanäle 6 a und 6 b gespeist wird.
Wenn der Rotor noch mit Leiterstäben ausgerüstet werden soll, so kann man einen Rotor aus den beiden Rotorhälften 4 a und 4 b, die wieder mittels eines Schraubenbolzens 25 zusammengehalten werden, aufbauen.
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Wenn der Elektromotor gleichzeitig ein Element einer Welle darstellen soll, die im übrigen außerhalb des Motors durch andere Lager abgestützt werden soll, so kann man innerhalb des Erfindungsgedankens gemäß Fig. 9 den Rotor 4 des Elektromotors innerhalb einer Lagerschale 13 und unter Benutzung eines gasgeschmierten Lagers gemäß der Erfindung anordnen und ein Spurlager 24 sowie ein anderes tragendes Lager 27 zwischen dem Motor und der anzutreibenden Maschine, beispielsweise einer Pumpe 28 vorsehen.
Der Einfachheit der Darstellung halber wurde im vorstehenden die elektrische Maschine stets als Motor bezeichnet. Es bedarf jedoch keiner Betonung, daß die Erfindung auch auf einen elektrischen Generator anwendbar ist.
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Claims (6)

  1. Patentansprüche
    Elektrische Maschine mit gasgeschmlertem Lager, dadurch gekennzeichnet, daß als Gasschicht des gasgeschmierten Lagers eine zwischen dem Stator (l) und dem Rotor (4) befindliche Gasschicht dient.
  2. 2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine dünne Hülse (1.2) aus unmagnetischem Material zwischen dem Rotor (4) und dem Stator (1) im Luftspalt der Maschine befindet.
  3. J). Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (1^) nur an einem Teil ihrer axialen Länge an dem Stator (1) befestigt ist (Fig. 7).
  4. 4. Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (1) und/oder der Rotor (4) longitudinale Kanäle (8, 14, 17, 19) enthalten, denen zur Kühlung eine von der Gasmenge, die der Maschine zur Schmierung des Lagers zugeführt wird, abgezweigte Gasmenge zugeleitet wird.
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  5. 5. Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein gasgesehmiertes Spurlager (24, 26).
  6. 6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das gasgeschmierte Spurlager einen flanschartigen Ring (24) an der Innenseite der Hülse (Ij5) in der Mitte ihrer axialen Lange enthält und daß der Rotor aus zwei aneinander befestigten Teilen (4a, 4b) besteht.
    0098 21/0896
    Leerseite
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