-
Elektrischer Reihenschlußmotor für Verdichter von Abgasentgiftern.
-
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Reihenschlußmotor für Verdichter
von Abgasentgiftern für Verbrennungsmotoren.
-
Bei Abgasentgiftern, die mit Gas, insbesondere Luft fördernden Gebläsen
arbeiten, ist es erforderlich, drehzahuteuerbare Antriebsmotoren für das Gebläse
zu verwenden. Darüberhinaus besteht die Forderung, die Baueinheit aus Verdichter
und Elektromotor möglichst klein und wartungsfrei zu gestalten. Darüberhinaus muß
der Antriebsmotor für den Verdichter möglichst drehzahlstabil sein.
-
Für die Lösung des genannten Problems bieten sich verschiedene Möglichkeiten
an. Eine genaue technische Analyse der Vorgänge in einem Abgasentgifter, der mit
einem Verdichter arbeitet, läßt erkennen, daß es notwendig ist, einen zwar drehzahlstabilen
Antriebsmotor für das Gebläse eines Abgaentgifters zu schaffen, daß dieser Antriebsmotor
andererseits aber drehzahlsteuerbar sein muß. Der durchschnittliche Fachmann wird
bei dieser Problemstellung an die Lösung mit Hilfe einer kontinuierlichen,
stufenlosen
Drehzahlsteuerung, beispielsweise mit Hilfe von Tyristoren denken. Eine solche Steuerung
ist wegen der erforderlichen zusätzlichen teueren Bauelemente sehr aufwendig. Sie
ist außerdem platzraubend und kann infolgedessen die gestellten Forderungen nicht
erfüllen.
-
Nach Kenntnis des Problems, ein Gebläse für Abgasentgifter zu schaffen,
liegt der erste erfinderische Schritt bereits darin, daß der Erfinder erkannt hat,
daß es genügt, einen in Drehzahlstufen steuerbaren Motor zu verwenden. Für die Drehzahlsteuerung
in einzelnen Stufen bietet sich für den Durchschnittsfachmann ein Permanent-Magnet-Motor
mit zuschaltbaren Vorwiderständen an. Ein solcher Motor kann jedoch die gestellte
Aufgabe nicht lösen, da er einen für die erforderliche Leistung zu großen Raumbedarf
hat.
-
Ein wesentliches Verdienst des Erfinders besteht nun darin, daß er,
durch gründliche technische Analyse des Abgasentgiftungsvorgangs, erkannt hat, daß
der Antriebsmotor für den Verdichter lediglich etwa 2mal am Tag kurzzeitig mit Höchstleistung
arbeiten muß, und zwar während der nur 2mal am Tag erforderlichen Aufheizperioden
des Abgasentgifters. Die Zahl der Aufheizvorgänge des Abgasentgifters ist auch bei
häufigem Start des Verbrennungsmotors nicht größer. Die Erfindung schlägt zum Antrieb
des Verdichters einen elektrischen Reihenschlußmotor vor, der dadurch gekennzeichnet
ist, daß er in Reihe schaltbare Bereiche der Feldwicklung aufweist; deren Ohm'scher
Widerstand zur Erzeugung der den Drehzahlstufen zugeordneten Spannungsabfälle verwendet
wird, wobei durch die erzeugbaren unterschiedlichen Spannungsstufen eine
Drehzahl
in mindestens vier Drehzahlstufen in einem Abgabeleistungsbereich von größer oder
gleich 1:8 ohne zusätzliche Bauelemente allein durch die Unterteilung der Feldwicklung
erzielt wird. Ein solcher Reihenschlußmotor wird so ausgelegt, daß er kurzzeitig,
nämlich während der nur 2mal am Tag auftretenden Anheizperioden des Abgasentgifters
überlastet wird,und daß er in der übrigen Zeit nur im Dauer-Betriebspunkt arbeitet.
Ein wesentliches Verdient des Erfinders besteht also darin, erkannt zu haben, daß
es genügt, einen Motor zu verwenden, der kurzzeitig überlastbar ist. Diese Erkenntnis
hat dazu geführt, daß als Antriebsmotor für den Verdichter ein Reihenschlußmotor
verwendet wird. Die an sich naheliegende Verwendung eines Permanent-Magnet-Motors
würde bedingen, daß dieser größer dimensioniert sein müßte, um einen nur 2mal am
Tag erreichten Betriebs zustand überhaupt erreichen zu können. Ein Permanent-Magnet-Motor
als Antrieb müßte also eine nur 2mal am Tag ausgelastete Überkapazität aufweise».
-
Diese Steuerung eines Permanent-Magnet-Motors mit äußeren Vorwiderständen
weist außerdem zusätzlich erforderlichen Raumbedarf folgendenNachteil auf: Bei einer
Steuerung mit Hilfe von Vorschaltwiderständen muß sich der Wirkungsgrad eines solchen
Motors verringern. Die Erfindung vermeidet diesen wesentlichen Nachteil, indem sie
zur Erzeugung der verschiedenen Spannungsstufen statt eines nur Ohm'schen Widerstandes
einen Feldwicklungsanteil hinzuschaltet, der nicht nur einen Ohm'schen Widerstand
aufweist, sondern gleichzeitig zur Feldverstärkung dient. Die Vereinigung von Ohm'schem
Widerstand und feldoerzeugendem Widerstand führt dazu, daß durch den Ohmschen Anteil
die erforderliche Spannungsabsenkung eintritt und durch den feldoerzeugenden Anteil
eine Feldverstärkung.
-
Die Windungszahlen, die Wicklungsanordnung, der Drahtdurchmesser
und das Drahtmaterial werden neben den magnetischen Erfordernissen so gewählt, daß
eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Verlustwärme erreicht wird. Wie bereits
geschildert, wird die für die niedrige Drehzahl zusätzlich zur Erhöhung des dagnetischen
Flusses nötige Spannungsabsenkung für den Anker ausschließlich durch die Feldwindungen
be-.alsnJ ~ wirkt. Äußere Vorwiderstände werden ollständig vermieden. Bei den niedrigen
Drehzahlstufen wird unter diesen Voraussetzungen selbst im Bereich höherer magnetischer
Sättigung des Polringes die zugeführte elektrische Leistung weitestmöglich zur-
Erzeugungder magnetischen Induktion und damit zur Drehzahlabsenkung ausgenützt.
-
Die Erfindung schlägt gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung
ferner vor, daß die
Beldwicklungsanteile für die höchste Drehzahlstufe symmetrisch angeordnet sind,
und daß die Wicklungsanteile für die niedrigeren Drehzahlstufen asymmetrisch angeordnet
und zugeschaltet werden.
-
Für erhöhte Ansprüche an Wirkungsgrad und thermische Ausnützung sowie
für die Verwendung eines möglichst einfachen Stufenschalters hat es sich als zweckmäßig
erwiesen, alle Wicklungsanteile symmetrisch zuzuschalten.
-
Für die bauliche Ausgestaltung der Reihenschlußmotor-Verdichtereinheit
wird gemäß einem weiteren Kennzeichen der Erfindung vorgeschlagen, daß das Laufrad
des Verdichters auf der Ankerwelle des Antriebsmotors angeordnet ist, wobei der
dem Verdichter zugewandte Lagerschild des Antriebsmotors und ein zumindest teilweise
von der geförderten Luft bestrichener
Teil des Gebläsegehäuses (7)
ein einteiliges, einziges Bauteil bilden. hierdurch wird erreicht, daß eine besonders
einfache, leicht herstellbare und wenig störanfällige Baueinheit entsteht. Dadurch,
daß der die eine Lagerung des Motors tragende Gehäuseteil des Verdichters zumindest
teilweise von der geförderten Luft bestrichen wird, ist eine besonders gute Wärmeabfuhr
aus dem Antriebsmotor gewährleistet. Außerdem ist die vorgeschlagene Baueinheit
besonders kompakt und klein.
-
Die Erfindung schlägt ferner vor, daß der als Lagerschild des Antriebsmotors
ausgebildete Gehäuseteil des Vabichtgs einen erheblichen Teil des Motorgehäuses
bildet. Eine derartige Ausführung hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da
bei einer.
-
solchen Ausführung das gesamte Motorgehäuse nur eine Teilfuge aufweisen
muß, und weil ein mit einem solchen Gehäuse ausgestatteter Motor besonders kostengünstig
montiert werden kann.
-
Die Erfindung schlägt ferner vor, daß das Laufrad auch eine Nabe
aufweist, wobei ein Teil dieser Nabe mit Schiebesitz auf der Ankerwelle sitzt, und
wobei ein weiterer Teil der Nabe mittels eines radiale Kräfte ausübenden Federelements
in kraftschlüssiger Verbindung mit der Welle gehalten wird.
-
Eine solche Befestigung des Laufrades auf der Motorwelle hat sich
als besonders vorteilhaf erwiesen, da bei den geringen, zwischen dem Laufrad und
den Gehäuse teilen des Verdichters verbleibenden Luftspalten ein Ausrichten des
Laufrades nach der Montage des Motors in axialer Richtung auf der Ankerwelle erforderlich
ist. Diese Ausrichtung in axialer Etíchtunz kann bei einer kraftschlijssigen Verbisxdurlg
in besonders einfacher Weise erfolgen.
-
Es hat sich ferner als zweckmäßig erwiesen, daß das radiale Kräfte
ausübende Federlement ein Toleranzring ist. Ein solcher Toleranzring besitzt die
Form eines reifenartigen, runden, zylindrischen Blechstreifens von gleicher Breite.
In den Blechstreifen sind Erhebungen bzw. Vertiefungen eingestanzt, die sich beim
Aufschieben des Laufrades auf die Ankerwelle an die Innenwand der Laufradnabe bzw.
an den Nutgrund- der den Toleranzring tragenden Nut auf der Ankerwelle anlegen.
-
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die Nabe des Laufrades
auch auf der Motorwelle festgeklebt sein.
-
Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.
Es zeigen; Fig. 1 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der brfindungsgemäßen
Baueinheit, Fig. 2 die Ansicht gemäß Fig. 1, jedoch teilweise im Schnitt, Fig. 3
die Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 4 ein-vergrößert
dargestelltes Detail aus Fig. 2, nämlich die festigung der Laufradnabe auf der Ankerwelle,
Fig. 5 ein erstes Schaltschema der einzelnen Feldwicklungsanteile, saig 6 ein zweites
Schaltschema d, FeldwiekLungsanteile des AntriebsmotorsJ
Der Verdichter
weist einen Deckel 1 und ein Laufrad 2 auf. Das Laufrad 2 ist auf der Ankerwelle
3 des Motors fliegend gelagert. Die Ankerwelle ist an ihrem rechten Ende im rechten
Lagerschild 4 in einem Kugellager 5 gelagert. Auf ihrem linken Ende ist die Ankerwelle
3 mit Hilfe eines Kugellagers 6 gelagert, das in einem Ansatz 8 des Gebläse-Gehäuseteils
7 sitzt. Bei beiden Ausführungsformen wird der rechte Lagerschild 4 für das Kugellager
5 vom Motordeckel 9 gebildet.
-
In Figur 2 ist außerdem die obere Hälfte des Ankers 13 im Schnitt
ersichtlich, sowie ein Polschuh 14 und die Wickelköpfe 15 und 16 der Feldspule.
-
In Figur l ist, ebenso wie im unteren Teil der Figur 2, die Außenfläche
des Polrings 17 dargestellt.
-
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 3 ist der Polring nicht sichtbar,
sondern er wird vollständig von dem rechten Gehäuseteil des Gebläses, das gleichzeitig
einen erheblicherkreil des Motorgehäuses bildet, umschlossen.
-
Figur 4 zeigt im einzelnen, wie das Laufrad 2 auf der Ankerwelle
3 befestigt ist: Das Laufrad 2 besitzt eine Nabe 10, deren dem Motor zugewandter
Teil mit Schiebesitz auf der Ankerwelle 3 angeordnet ist. Etwa in der Mitte der
Nabe befindet sich auf dem Ber ,Bereichg e gegenüberliegendennkerwelle 3 eine Nut
ll, in die ein Toleranzring 12 eingelegt ist. Dieser Toleranzring übt radial nach
außen bzw. nach innen gerichtete Kräfte aus, und zwar einerseits auf den Grund der
Nut 11 und andererseits auf das Innere der Nabe 10. Durch diese Spreizwirkung des
Toleranzrings wird das Laufrad 2 in kraftschlüssiger Verbindung mit der Ankerwelle
gehalten.
-
Figur 5 zeigt die Wicklungsaufteilung der Wicklungsanteile bei einer
ersten Schaltung. Die Wicklungsanteile Wlt W2t, W2, W3 und W4 sind in Reihe schaltbar
und werden. über die einzelnen Anschlüsse 1,2,3,4 und 5 stufenweise wie folgt geschaltet:
Stufe I Anschlüsse 1,2 Stufe II Anschlüsse 1,3 Stufe III Anschlüsse 3,4 Stufe IV
Anschlüsse 4,5.
-
Es genügt in den meisten Fällen, nur den Feldwicklungsanteil der
höchsten Drehzahlstufe, nämlich W1' und W111 zu symmetrieren und die übrigen Wicklungs
teile für die niedrigeren Stufen (W2, W3, W4) asymmetrisch zuzuschalten.
-
Bei besonders hohen Anforderungen an Wirkungsgrad. und thermischer
Ausnützung und dann, wenn ein besonders einfacher Stufenschalter verwendet werden
soll, wird zweckmäßig die in Figur 6 dargestellte symmetrische Anordnung gewählt.
Die Schaltung der einzelnen Stufen ist ohne weiteres aus der Darstellung gemäß Figur
6 ersichtlich. In beiden Schaltschemen sind die Bürsten und der-Anker des Antriebsmotors
lediglich schematisch angedeutet.
-
An den Klemmen a und b liegt die Klemmenspannung UN an.