DE2533184C2

DE2533184C2 - Elektromotor des Frontstatortyps zum Antrieb eines Pumpenaggregats mit einer Membran im Luftspalt

Info

Publication number: DE2533184C2
Application number: DE2533184A
Authority: DE
Inventors: Ronald John Sidmouth Devon Clark
Original assignee: Sealed Motor Construction Co Ltd
Current assignee: Sealed Motor Construction Co Ltd
Priority date: 1974-07-25
Filing date: 1975-07-24
Publication date: 1984-10-18
Also published as: DE2533184A1; FR2280226A1; DK144229B; ES440480A1; NL7508849A; SE7508310L; IT1040111B; CH596700A5; NO141330C; US4311937A; ATA568675A; DK144229C; GB1508428A; JPS5136604A; FR2280226B1; AT343752B; NO141330B; JPS5410082B2; BE831720A; NO752609L

Description

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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Elektromotoren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art zeigen gute Laufruhe und sind vergleichsweise einfach und kostengünstig herzustellen. Sie sind dadurch beispielsweise geeignet zur Verwendung als Umwälzpumpe in Warmwasserheizanlagen.

Bei einem bekannten Motor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art (BE-PS 8 00 249) ist in der zwischen dem Nabenbereich und dem AuBenwandbereioh des Rotors gebildeten Ringausnehmung nur ein kleiner Teil des Rückschlußkernmateria.JS angeordnet, während der größere Teil dieses Materials an einem stationären Lagerbock angeordnet ist. Bei dieser Ausführung müssen die magnetischen Kraftlinien durch zwei Luftspalte hindurchgehen, nämlich durch den Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor und durch den Luftspalt zwischen dem in der genannten Ringausnehmung angeordneten Ruckschlußkernmaterial und dem am Lagerbock angeordneten Ruckschlußkernmaterial. Hierdurch wird aber der Motorwirkungsgrad herabgesetzt Als Folge der Anordnung von Rückschlußkemmaterial in der genannten Ringausnehmung des Rotors ergibt sich eine axiale Anziehungskraft zwischen dem Stator und diesem Rückschlußkernmaterial, wodurch auf die Lageranordnung des Rotors Axialkräfte ausgeübt werden. Bei dem bekannten Motor ist die in der genannten Ringausnehmung angeordnete Menge des Rückschlußkernrnaterials so gewählt, daß bei Nennleistung der Pumpe die dann auftretenden hydraulischen Kräfte, die axial entgegengesetzt wirken, die durch die genannte Anziehungskraft ausgeübten Axialkräfte kompensieren.

Das bedeutet aber, daß bei einer Abweichung von der Nennpumpleistung axiale Kräfte entweder in Richtung zum Stator oder in Richtung zum Pumpenflügel auftreten. Besonders kritisch wirkt sich ein Abfall der hydraulischen Kräfte aus, wie er beispielsweise auftritt, wenn die Pumpe unbeabsichtigterweise in der Heizanlage vorhandene Luft pumpt oder wenn die Drehzahl absinkt, beispielsweise wenn der Motor mangels ausreichender Schmierung durch das Fördermedium (weil er Luft pumpt oder weil das Fördermedium zu stark verschmutzt ist) trocken läuft. In diesem Fall wirkt die magnetische Anziehungskraft zwischen dem Stator und dem Rotor voll auf die Lageranordnung des Rotors. Bei dem bekannten Motor besteht die Lageranordnung des Rotors aus einer sich mit der Rotorwelle drehenden Stahlhülse, die in einer stationären Hülse aus Polytetrafluoräthylen läuft. Das Lager wird durch das Fördermedium geschmiert, welches auch die im Lager entstehende Reibungswärme abführt. Wenn bei dem bekannten Motor Luft in das System gelangt oder das Pumpenaggregat trocken läuft, entsteht beträchtliche Wärme im Lager, die nicht abgeführt wird. Daher kommt es zu einer Überhitzung. Erschwerend kommt hinzu, daß in dieser Situation die auf den Pumpenflügel wirkende, vom Stator weg gerichtete hydraulische Axialkraft schnell abnimmt, so daß die magnetische Anziehungskraft zwischen dem Stator und dem Rotor voll wirksam wird. Dies führt zu starker axialer Druckbelastung des Lagers, die wiederum zu übermäßiger Lagerabnutzung, unangenehmer Geräuschentwicklung und oftmals zu einem Ausfall unter ungünstigen Betriebsbedingungen führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Elektromotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so auszuführen, daß unter Beibehaltung guter Laufruhe und einfacher und kostengünstiger Herstellung höherer Motorwirkungsgrad erhalten wird, ohne die Zuverlässigkeit zu

beeinträchtigen. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst

Dadurch, daß gemäß der Erfindung das gesamte Rückschlußkernmaterial in der Ringausnehmung des Rotors angeordnet ist, brauchen die magnetischen Kraftlinien nur durch einen Luftspalt hindurchzugehen, so daß sich ein beträchtlich höherer Motorwirkungsgrad ergibt. Weiterhin ist überraschend gefunden worden, daß, obwohl als Folge der Anordnung des gesamten Rückschlußkemmaterials in der Ringausnehmung des Rotors eine beträchtlich höhere Anziehungskraft zwischen dem Stator und dem Rotor hervorgerufen wird, dennoch gute Laufruhe und gute Zuverlässigkeit des Motors erhalten werden, wenn gemäß der Erfindung die Teile der Lageranordnung des Rotors aus Keramikmaterial bestehen. Es hat sich gezeigt, daß ein Keramiklager vergleichsweise hohe Temperaturen und dauernde starke Axiallast ohne Beeinträchtigung der Zuverlässigkeit ertragen kann. Weiterhin ist eine sehr genaue axiale Festlegung des Rotors ermöglicht, wodurch der Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator auf ein Minimum reduziert werden kann. Ferner können die L.auf- bzw. Gleittoleranzen sehr eng gehalten werden. Schließlich wird durch die Anordnung des gesamten Rückschlußkernmaterials in der Ringausnehmung des Rotors auch auf vergleichsweise einfache Weise ermöglicht, die genau richtige Menge des magnetischen Rückschlußkemmaterials vorzusehen, so daß keine unnötigen Axialkräfte hervorgerufen werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen unter Schutz gestellt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Darstellungen an mehreren Ausführungsbeispielen noch näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch ein Pumpengehäuse und den darin gelagerten Rotor mit dem Pumpen-Flügelrad;

F i g. 2 in einem Schnitt wie F i g. 1 ein Detail des Rotors in einer abgewandelten Ausführungsform; und

F i g. 3 in einem Schnitt wie F i g. 1 ein Detail des Rotors in einer weiter abgewandelten Ausführungsform.

Zunächst wird das in F i g. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Die Ausführung besitzt ein Gehäuse 10 mit einem etwa radial angeordneten Einlaß 12 und einem etwa radial angeordneten Auslaß 14 für die zu pumpende Flüssigkeit, beispielsweise Wasser. Im inneren des Gehäuses 10 sind der Einlaßbereich und der Auslaßbereich axial durch eine Trennwand 16 mit einer kreisförmigen, zentralen öffnung 18 voneinander abgeteilt. In Strömungsrichtung hinter der Trennwand 16 ist ein Zentrifugal-Pumpen-Flügelrad 20 angeordnet, das mit radialen Flügeln 22 versehen ist, die sich von einem zentralen axialen Einlauf 23 aus nach außen erstrecken. Der Einlauf 23 hat eintrittsseitig die Form eines zylindrischen Stutzens, der in der öffnung 18 angeordnet ist, so daß von dort Wasser von der Einlaßseite des Gehäuses 10 zuströmt. Das Pumpen-Flügelrad 20 ist an einem Ende einer Welle 24 befestigt, die sich durch den Zentralbereich eines etwa kreisförmigen Lagerbocks 26 erstreckt, der als Einsatz in eine offene Stirnseite 28 des Gehäuses 10 mit geeigneter Passung axial eingeschoben ist. Am anderen Ende der Welle 24 ist eine Rotorscheibe 30 eines Antriebsmotors für die Pumpe befestigt. Die Welle 24 ist als Schraubbolzen ausgebildet. Der Schraubbolzen hat an einem Ende einen Kopf 32, der in der Rotorscheibe 30 aufgenommen ist, und am anderen Ende ein Gewinde, auf das eine Haltemutter 34 aufgeschraubt ist. Ein Lagerelement 36 in Form einer die Rotorwelle 24 aufnehmenden Büchse aus Keramikmaterial ist mittels der Haltemutter 34 zwischen der Rotorscheibe 30 und dem Flügelrad 20 eingespannt wobei das flügelradseitige Ende des Lagerelementes 36 mit einem nach außen gerichteten Flansch 38 ausgebildet ist. um eine axiale Druck-Stirnlagerfläche zu schaffen. Ein stirnseitig ebenflächiger Ring 40 aus keramischem Material ist an der Rotorscheibe 30 befestigt und umgibt das Lagerelement 36 an dessen anderem ίο Ende und bildet eine gegenüberliegende Druck-Stirnlagerfläche. Auf diese Weise ist eine insgesamt zusammengesetzte Lagerfläche gebildet, die sich mit dem Rotor 30 und dem Flügelrad 20 dreht und eine zylindrische, sich axial erstreckende Oberfläche sowie zwei nach innen einander zugewandte Lagerflächen zur Aufnahme der Axialkräfte aufweist Diese zusammengesetzte Lagerfläche rotiert innerhalb einer stationären Lagerfläche, die durch zwei Elemente 42, 44 eines Ringes bzw. einer Büchse aus keramischem Material gebildet ist.

Diese Elemente 42, 44 sind in den Lagerbock 26 eingepaßt bzw. an ihm befestigt und self,!"fen eine sich axial erstreckende, zylindrische Lagerfläcne und zwei beidseitig nach außen gerichtete Drucklagerflächen zur Übertragung der Axialkräfte. Die Elemente 42, 44 sind zusammengepaßt und haben einander zugewandte Schult'-m 43 und 45, zwischen denen ein ringförmiger Bereich 47 des Lagerbockes 26 aufgenommen ist. Beim Element 42 dient die Stirnfläche als Schulter 43, während beim Element 44 ein Absatz als Schulter 45 dient.

Das Element 44 nimmt den größten Teil der axialen Länge der beiden Elemente 42 und 44 ein und dient mit seinem Innenumfang als radiale Lagerfläche. Der flügelradseitige Endbereich des Elementes 44 ist in einem Bohrungsbereich mit entsprechend erweitertem Durchmesser des Elementes 42 aufgenommen. Durch die Zusammenpassung der Elemente 42, 44 oder auch durch entsprechende Befestigungsmittel ist die Lageranordnung axial festgelegt. Auf diese Weise ist die drehbare Kombination aus Flügelrad und Rotor im Lagerbock 26 mit Lagerflächen gelagert, die axialem Druck in beiden Richtungen Sorge tragen.

Die Rotorscheibe 30 ist von zusammengesetzter Konstruktion und weist einen Bestandteil hoher elektrischer Leitfähigkeit, beispielsweise aus Kupfe- oder AIuminium, und einen ferromagnetischen Restandteil, z. B. aus gegossenem oder gesintertem Eisenwerkstoff, auf. Der hochleitfähige Bestandteil besitzt einen Nabenbereich 46 und einen Außenwandbereich 48, die auf der der Stirnseite 28 zugewandten Seite durch eine Scheibe 50 geringer Wandstärke miteinander verbunden sind Der Nabenbereich 46 und der Außenwandbereich 48 sind ausgehend von der Scheibe 50 in Richtung auf das Flügelrad 20 axial um ein bestimmtes Maß verdickt und l:esk._ei! außerdem eine bestimmte nicht unwesentliche radiale Ausdehnung. Durch die beschriebene Ausbildung des Nabenbueichs 46 und des Außenwandbereiches 48 ist in der dem Flügelrad 20 zugewandten Rückseite der Rotorscheibe 30 eine ringförmige Ausnehmung in dem hoehleitfähigen Bestandteil gebildet, die mit dem magnetischen Bestandteil 52 ausgefüllt ist.

Der mit der Rotorscheibe 30 zusammenwirkende Stator kann von einer Konstruktion sein, wie sie für Elektromotoren mit axialem Luftspalt üblich ist. Der Stator kann in einem separaten Statorgehäuse 54 aufgenommen sein, das lösb?r an der offenen Stirnseite 28 des Gehäuses 10 befestigt ist. Der Stator ist gegenüber dem in der Pumpe befindlichen Wasser durch eine dünne Membran 56 abgedichtet, die sich über die gesamte of-

fene Stirnseite 28 erstreckt. Der Stator liegt direkt gegenüber und korrespondiert mit seiner radialen Anordnung mit dem magnetischen Bestandteil 52 des Rotors 30, so daß der magnetische Bestandteil 52 als Kern dient, der den axial über den Luftspalt und durch die dünne leitende Scheibe 50 des Rotors 30 laufenden magnetischen Fluß aufnimmt und einen Rückschluß für djesen darstellt. Diese Menge des magnetischen Rückschlußkernmaterials 52 im Rotor 30 ist so gewählt, daß sie zur Aufnahme und Rückführung für im wesentlichen den gesamten magnetischen Fluß wirkt, der die Scheibe 50 durchsetzt. Selbstverständlich existiert in einem gewissen Ausmaß ein äußerer magnetischer Fluß, der außerhalb des Kernes 52 verläuft; die diesbezügliche Wirksamkeit des Kernes 52 ist jedoch so, daß — beispielsweise wenn der Lagerbock 26 aus magnetischem Material bestünde — dies keinen Beitrag zum Weg des magnetischen Flusses lieferte und somit keine Auswirkung auf

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dem Stator herrühren. Das kann bei bestimmten Anwendungsgebieten des Motors zum axialen Druckausgleich von Vorteil sein.

Es kann auch eine Mehrzahl von Lagern an verschiedenen Stellen längs der Rotorwelle vorgesehen werden, falls gewünscht. Auf der entgegengesetzten Seite des Rotors kann ein zweiter Stator angeordnet werden; in diesem Fall ist vorzugsweise eine zweite ringförmige, leitende Scheibe auf dieser Seite des Rotors vorgesehen, die den Nabenbereich mit dem Außenwandbereich verbindet, so daß das magnetische Rückschlußkernmaterial des Rotors durch das leitfähige Material eingeschlossen ist.

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bock 26 aus jedem beliebigen, herkömmlichen Material bestehen, beispielsweise auch aus geformtem, insbesondere gegossenem, gespritztem oder gepreßtem, Kunststoffmaterial.

Die axiale Dicke der Scheibe 50 bzw. entsprechender Stege stellt notwendigerweise einen Kompromiß dar zwischen der Notwendigkeit, einerseits den Eisen-Eisen-Spalt für den Weg des magnetischen Flusses so schmal wie möglich zu halten und andererseits zugleich die Leitfähigkeit des nichtmagnetischen Bestandteils des Rotors so hoch wie möglich zu halten. Die elektrisehe Leitfähigkeit des Rotors ist dadurch erhöht, daß merkliche Mengen hochleitfähigen Materials im Nabenbereich 46 und im Außenwandbereich 48 vorgesehen sind. Da diese Mengen radial innerhalb und radial außerhalb des Statorkerns liegen, liefern sie keinen wesentlichen Beitrag zum Drehmoment des Motors, sondern wirken als Kurzschlußelemente für in Radialrichtung in der leitfähigen Scheibe induzierte Ströme.

Der Lagerbock 26 ist mit kreisförmig verteilten, axialen Öffnungen 27 versehen, wodurch eine freie Strömung des Wassers um den Rotor 30 herum ermöglicht wird. Der Lagerbock 26 wird durch das Statorgehäuse 54 an seiner Stelle gehalten, so daß nach Abnahme des Statorgehäuses 54 der Lagerbock 26 zusammen mit dem in ihm gelagerten Flügelrad 20 und Rotor 30 einfach herausgezogen werden kann. Hierdurch wird insbesondere ein leichter Zugang für Wartungs- und Reparaturarbeiten ermöglicht

Bei der in F i g. 2 dargestellten Abwandlung der Rotorkonstruktion ist die Nabe des Rotors von dem magnetischen Bestandteil statt von dem hochleitfähigen Bestandteil gebildet Der leitfähige Bestandteil besitzt einen inneren Kurzschlußring 47, der eine größere axiale Dicke als die Scheibe 50 hat Der ferromagnetische Bestandteil 52 ist einstückig mit einem sich radial nach innen erstreckenden Ringflansch 49 versehen, über den der Rotor an der Rotorwelle befestigt ist Die Drucklagerscheibe 40 ist in dem Winkelbereich zwischen dem Ringflansch 49 und dem Magnetkern 52 befestigt

F i g. 3 zeigt eine weitere Abwandlung der Rotorkonstruktion nach Fig.2. Bei dieser Abwandlung ist die leitende Scheibe 50 von der dem Stator zugewandten Stirnfläche des Rotors leicht zurückgesetzt und die auf diese Weise entstehende ringförmige Aussparung ist mit einer ringförmigen ferromagnetischen Plattest von beispielsweise bis zu einem Millimeter Dicke ausgefüllt Diese Anordnung ergibt veränderte Axialdruckverhältnisse, die von der Anziehung zwischen dem Rotor und Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektromotor (Wirbelstromläufer) des Frontstatortyps zum Antrieb eines Pumpenaggregates, mit einer Membran im Luftspalt,

mit einem im gemeinsamen Gehäuse angeordneten und durch die Membran vom Fördermedium getrennten Stator mit ebener Stirnfläche,
mit einem im Axialluftspalt im Fördermedium sich drehenden Rotor in Form einer dünnen Scheibe aus elektrisch hochleitendem Material, die einen axial dickeren Nabenbereich und einen axial dickeren Außenwandbereich besitzt,

mit einem magnetischen Rückschlußkern, der sich auf der dem Stator abgewandten Seite des Rotors befindet, wobei die zwischen dem Nabenbereich und dem Außenwandbereich gebildete Ringausnehmung auf der dem Stator abgewandten Seite mit Rückschlußkernmaterial versehen ist, und mit einer Radial- und Axialkräf'.e aufnehmenden (Gleit)-Lageranordnung für den mit dem Pumpen-Flügelrad vereinigten Rotor, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte magnetische Rückschlußkern (52) in der Ringausnehmung angeordnet ist, und daß die Teile der Gleitlageranordnung (36, 38,40,42,44) aus Keramikmaterial bestehen.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Teil der Gleitlageranordnung zwei Elemente aufweist, von denen das eine (36,38) als eine die Rotorwelle (24) aufnehmende Büchse ausgebildet ist, die eine zylindrische Außenlagerfläche bildet una an einem Ende einstückig einen nach außen gerichteten Flansch (Ji) besitzt, durch den eine Druck-Stirnlagerfläche gebildet ist, und das andere als stirnseitig ebenflächigei Ring (40) ausgebildet ist, durch den eine gegenüberliegende Druck-Stirnlagerfläche gebildet ist, ein zweiter Teil der Gleitlageranordnung zwei Elemente aufweist, von denen das eine als Büchse (44) ausgebildet ist, die die Büchse (36, 38) des ersten Teils umgibt, mit dieser gepaart ist und an ihrem einen Ende eine der nach außen gerichteten Druck-Stirnlagerflächen bildet, und das andere (42) ringförmig ist, die Büchse (36) des ersten Teils umgibt und die andere nach außen gerichtete Druck-Stirnlagerfläche bildet.

3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Elemente (42,44) des zweiten Teils der Gleitlageranordnung mit nach innen einander zugewandten Schultern (43, 45) versehen sind, und daß zwischen den Schultern (43,45) ein ringförmiger Bereich (47) einer stationären Abstützung (26) für die Rotorwelle (24) aufgenommen ist, wodurch die Lageranordnung (36, 38, 40, 42, 44) axial festgelegt ist.

4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorwelle (24) an ihrem vom Rotor (30) entfernten Ende mit einem Schraubelement (34) versehen ist, durch welches das eine Element (36, 38) des ersten Teils derart gegen den Rotor (30) gespannt ist, daß es zur Demontage der Lageranordnung (36,38,40,42,44) lösbar ist.