DE4209118C2 - Asynchronmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Asynchronmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Asyn­ chronmotor für Unterwasserantriebe und hohe Gasdrücke im Motorin­ nenraum.

Der Asynchronmotor besitzt ein Motor-Druckgehäuse, in dem ein Ständer eingebaut und ein Rotor drehbar gelagert ist. Der Stän­ der besteht im allgemeinen aus einem Ständerblechpaket und einer Ständerwicklung. An dem Motor-Druckgehäuse ist ferner üblicher­ weise ein Anschlußkasten vorhanden. Das Motor-Druckgehäuse ist mit Gas unter hohem Druck gefüllt. Der Gasdruck kann zwischen 5 und 150 bar, aber auch noch höher, liegen.

Für Unterwasseranlagen, z. B. zur Erdöl- und Erdgasförderung, be­ sonders in großen Wassertiefen, werden Elektromotoren einge­ setzt, die je nach Antriebskonzept mit einem flüssigen oder gas­ förmigen Medium gefüllt sind. Das Motor-Druckgehäuse dieser An­ triebe ist so konstruiert, daß es auch dem Druck in großen Was­ sertiefen standhalten kann.

Ein Elektromotor der eingangs angegebenen Art ist aus der DE 39 25 337 A1 bekannt.

Ein wesentlicher Nachteil bei dem vorbekannten, gasgefüllten Motor besteht darin, daß die Rotor- und Lüfterkonstruktion für die jeweiligen Kühlsysteme bei hohem Gasdruck im Motorinnenraum hohe Reibungsverluste verursacht und dadurch die Motorverlust­ wärme nicht ausreichend abgeführt werden kann.

Aus der DE 37 29 486 C1 ist ein Elektromotor bekannt, der mit einem Kompressor in einem gemeinsamen Druckgehäuse eingebaut ist. Das Druckgehäuse und der Motor sind gasgefüllt. Zur Motor­ kühlung durchströmt das Gas den Motor und einen Ringkühler, der das Gehäuse konzentrisch umgibt.

Aus der EP 0 297 274 A2 und der älteren, nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 41 00 135.4-32 ist ein Elektromotor bekannt, der zusammen mit der anzutreibenden Maschine in einem wasserdicht gekapselten Gehäuse eingesetzt ist. Das Druckgehäuse ist mit einem gasförmigen oder flüssigen Medium gefüllt. Dieses Füllmedium umgibt den Motor, der wassergefüllt oder ölgefüllt ist.

Obwohl die vorbekannten Motoren in bestimmten Einsatzgebieten erfolgreich sind, sind sie in bezug auf die hohen Reibungsverlu­ ste sowie die aufwendigen Druckausgleichseinrichtungen und Kühl­ systeme nicht zufriedenstellend.

Aus der EP 0 341 317 A1 ist ein Asynchronmotor bekannt, der als Hoch­ geschwindigkeits-Induktionsmotor ausgestaltet ist. Die in der EP 0 341 317 A1 beschriebene Ausgestaltung verfolgt das Ziel, mit Kappen hoher Festigkeit die auftretenden Fliehkräfte bei mit hoher Dreh­ zahl rotierenden Rotoren zu beherrschen. Die dort beschriebene Lösung ist anwendbar bei Rotoren mit einem Kurzschlußkäfig, dessen Kurzschlußringe (Rotorscheiben) am Blechpaket angegossen sind, oder bei hartgelöteten Stab-Ring-Verbindungen mit am Blechpaket anliegenden Kurzschlußscheiben. Diese Rotoren haben allerdings auch ohne die in der EP 0 341 317 A2 gezeigten Kappen glatte Oberflächen, so daß sich bei dem in dieser Druckschrift gezeigten Gegenstand das Problem, die anfallende Verlustwärme zu vermindern, nicht stellt.

Aus der DE-PS 29 45 194 und aus der DE-PS 4 27 917 ist das Problem der durch Luftreibung entstehenden Leistungsverluste an sich bekannt.

Die in der DE-PS 29 45 194 vorgeschlagene Lösung besteht darin, vor der Bohrung des Ständerteils Scheiben anzuordnen, welche die Bohrung abdecken. Um eine Herabsetzung der Luftreibungsverluste zu ermöglichen, weisen die Scheiben einen größeren Durchmesser als die Bohrung auf. Sie sind mit geringem axialen Spalt gegen­ über den Stirnseiten des Ständerteiles auf der Welle des Läufer­ teiles angeordnet und rotieren mit. Die Scheiben saugen bei hohen Drehzahlen die Luft aus dem Bereich des rotierenden Rotors heraus. Dies geschieht durch eine Wirkung ähnlich wie bei einer Pumpe. Durch die durch das Heraussaugen bewirkte Gasverdünnung werden die Gasreibungsverluste reduziert.

Auch beim Gegenstand der DE-PS 4 27 917 werden die Gasreibungs­ verluste durch Luftverdünnung reduziert. Dort ist eine Schwung­ radschutzhaube vorgesehen, bei der die zwischen dem bewegten Rad und der ruhenden Haube befindliche Luft gegen die Außenatmo­ sphäre so abgeschlossen ist, daß sie nur an den Schwungradau­ ßenkanten mit der Atmosphäre in Verbindung steht, so daß im Innenraum der Haube durch die Zentrifugalwirkung der durch Rei­ bung mitgerissenen Luft ein luftverdünnter Raum zwischen dem bewegten Rad und der ruhenden Umhüllung (Haube) entsteht.

Um mechanische Spannungen der Läuferstäbe, die durch Wärme, Fliehkraft etc. entstehen können, ausgleichen zu können, ist es vorteilhaft, daß der Kurzschlußring im Abstand vom Blechpaket angeordnet ist. Dadurch können sich die Stäbe zum Ausgleich der mechanischen Spannungen bewegen. Diese an sich vorteilhafte Aus­ bildung führt aber zu verhältnismäßig hohen Reibungsverlusten durch die Rotation der Läuferstäbe.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ei­ nen Elektromotor der eingangs angegebenen Art zu schaffen, bei dem die anfallende Verlustwärme geringer ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Der Asynchron­ motor besitzt eine Kapsel, die die aus dem Rotorblechpaket her­ ausragenden Rotorstäbe zumindest im Bereich zwischen den Läufer­ endblechen und dem Kurzschlußring umschließt. Im allgemeinen ist die Kapsel sowohl antriebsseitig als auch nebenseitig angeord­ net. Es ist aber auch möglich, die Kapsel entweder antriebssei­ tig oder nebenseitig anzuordnen. Durch die Kapsel werden die Rotorstäbe abgedeckt. Diese Rotorstäbe wirken ohne Abdeckung wie ein Ventilator. Durch die durch die Kapsel bewirkte Abdeckung wird diese Wirkung verhindert. Die anfallende Verlustwärme wird dadurch erheblich reduziert. Dadurch, daß die Kapsel die Rotor­ stäbe umschließt, kann der im vorzugsweise verdichteten Gas drehende Rotor keine schädliche Reibungswärme erzeugen. Ferner können die Rotorstäbe keinen Gasstrom erzeugen und damit auch keine Druckerhöhung verursachen. Die Kühlung des Unterwasser­ motors - hierzu wird die niedrige Temperatur des Wassers genutzt - erfolgt durch Wärmeleitung. Da wesentlich weniger Verlustwärme erzeugt wird, werden kein Kühlwasserstrom an der Motoroberfläche und kein Kühlkreislauf im Motorinnenraum und damit auch keine Kühlkanäle im Motor und keine Kühlrippen und Kühlrohre oder andere Wärmetauscher am Motordruckgehäuse benötigt. Die Konstruk­ tion des Motors und des Druckgehäuses wird einfacher und zuver­ lässiger durch die Art der Kühlung, durch die Rotorausführung und die Ständerpaketanordnung.

Durch den erfindungsgemäßen Elektromotor wird sichergestellt, daß auch bei hohen Motorinnendrücken - von 5 bis 150 bar und höher - die durch den drehenden Rotor entstehenden Gasreibungs­ verluste ausreichend niedrig bleiben, so daß sich der Elektro­ motor nicht überhitzt. Der erfindungsgemäße Elektromotor ist damit als gasgefüllter Elektromotor besonders geeignet als Un­ terwassermotor für hohe Motorinnendrücke.

Die Kapsel umschließt die Rotorstäbe zumindest im Bereich zwischen den Läuferendblechen und dem Kurzschlußring. Dadurch, daß die Kapsel an den Läuferendblechen abschließt, wird die reibungsvermindernde Wirkung der Kapsel verbessert. Insbesondere wird hierdurch auch die Läuferdruckplatte an ihrem Außenumfang abgedeckt. Die Rotorstäbe durchsetzen diese Läuferdruckplatte. Um dies zu ermöglichen, ist die Läuferdruckplatte im allgemeinen an ihrem äußeren Umfang geschlitzt, wobei für jeden Rotorstab ein Schlitz vorhanden ist. Die Schlitze erzeugen bei der Rotor­ drehung Verlustwärme. Dadurch, daß die Kapsel die Läuferdruck­ platte überdeckt, wird diese Verlustwärme vermieden.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen be­ schrieben.

Vorteilhaft ist es, wenn die Kapsel die Kurzschlußringe an­ triebsseitig und/oder nebenseitig umschließt. Hierdurch wird die Wirkung der Kapsel weiter verbessert. Die Erzeugung von schädli­ cher Reibungswärme wird weiter vermindert, so daß die anfallende Verlustwärme noch geringer ist.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung schließt die Kapsel auf der Welle ab. Auch hierdurch wird die anfallende Ver­ lustwärme verringert.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung schließt die Kapsel an der Läuferdruckplatte ab. Die Läuferdruckplatte kann zu diesem Zweck einen zur Welle koaxialen Vorsprung bzw. Ansatz aufweisen. In entsprechender Weise kann die Kapsel einen zur Welle koaxialen, zur Läuferdruckplatte hin weisenden Vorsprung bzw. Ansatz aufweisen, der den entsprechenden Ansatz der Läufer­ druckplatte überdecken kann.

Die Läuferendbleche können verstärkt sein.

Die Anlageflächen für die Kapsel können mechanisch bearbeitet sein. Vorzugsweise sind sowohl der Durchmesser als auch die Stirnflächen der Anlageflächen für die Kapsel mechanisch bear­ beitet.

Die Kapsel kann an der Außenseite der Rotorstäbe, am Umfang der Läuferdruckplatten und an mindestens zwei Flächen der Kurzschluß­ ringe anliegen.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeich­ net, daß der Rotor, bestehend aus Welle, Läuferblechpaket mit Kurzschlußkäfig und Kapseln, glatte, mit hoher Rundlauf- und Oberflächengenauigkeit hergestellte Stirn- und Mantelflächen oh­ ne Nuten und Lüfterschaufeln besitzt. Der Rotor ist mit glatten Stirn- und Mantelflächen mit hoher Rundlauf- und Oberflächen­ genauigkeit, aber ohne Lüfterflügel und Kühlkanäle hergestellt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen beschrieben. In der Zeich­ nung zeigt

Fig. 1 einen Motor im Längsschnitt,

Fig. 2 einen Teilschnitt durch den Rotor,

Fig. 3 einen Teilschnitt durch das Motor-Druckgehäuse und das Ständerblechpaket,

Fig. 4 einen Teilschnitt durch den Motor mit AS-Lager und Dichtung und

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel in einem der Fig. 2 entsprechenden Teilschnitt durch den Ro­ tor.

Der in der Fig. 1 dargestellte Motor besteht aus einem Motor- Druckgehäuse 1 mit Anschlußkasten 26, einem Ständerblechpaket 2 mit Ständerwicklung 3 und einem Rotor 5 mit Kurzschlußkäfig 8, 9. Der Motor ist mit Gas unter hohen Drücken zwischen 5 und 150 bar oder höher gefüllt. Die Füllung besteht aus Schutzgas oder Fördermedium, z. B. Erdgas. Der Rotor 5 mit Welle 14 und Kurz­ schlußkäfig 8, 9 ist im Motor drehbar gelagert. Der Rotor 5 ist mit glatten Stirn- und Mantelflächen mit hoher Rundlauf- und Oberflächengenauigkeit hergestellt, wobei der Kurzschlußkäfig bestehend aus Rotorstäben 8 und Kurzschlußringen 9 völlig um­ schlossen ist, damit der im verdichteten Gas drehende Rotor keine schädliche Reibungswärme und in Verbindung mit den Rotor­ stäben 8 keinen Gasstrom erzeugt und keine Druckerhöhung verur­ sacht. Das Ständerblechpaket 2 ist stirnseitig im Motor-Druck­ gehäuse 1 mit Schrauben oder mit einer formschlüssigen Verbin­ dung befestigt. Für den Anschluß der Motorwicklung 3 und der Steuer- und Überwachungseinrichtungen (in Fig. 1 nicht darge­ stellt) ist je ein Anschlußraum 21, 22 vorhanden. Die Leitungs­ einführungen 23, 24 sind wasser- und gasdicht. Der Motor wird mit Wasser gekühlt, welches die Motoroberfläche umgibt. Die Ableitung der Verlustwärme aus Rotor 5, 6, 8, 9, 10, Ständer 4, 2, Wickelköpfen 3 und Lager erfolgt durch Wärmeleitung. Die Auslegung der Gehäuseoberfläche (Kühlfläche) ohne Kühlrippen und ohne zusätzlichen Wärmetauscher, z. B. Kühlrohre, ermöglicht die ausreichende Wärmeleitfähigkeit von Stahl und Wasser.

Fig. 2 zeigt einen Teilschnitt durch den Rotor 5. Die Rotorstäbe 8 und die Kurzschlußringe 9 sind mit einer an den Läuferendble­ chen 11 und auf der Welle 14 abschließenden Kapsel 10 aus unmagnetischem Werkstoff antriebsseitig (AS) und nebenseitig (BS) umschlossen, die Läuferendbleche 11 sind verstärkt und die Anlageflächen 15 für die Kapsel 10, und zwar Durchmesser und Stirnflächen, sind mechanisch bearbeitet. Die Kapsel 10 liegt an der Außenseite der Rotorstäbe 8, am Umfang der Läuferdruckplat­ ten 12 und an mindestens zwei Flächen der Kurzschlußringe 9 an.

Fig. 3 zeigt einen Teilschnitt durch das Ständerblechpaket 2. Zwischen Motordruckgehäuse 1 und Ständerblechpaket 2 ist in kaltem Zustand ein Spalt 18 vorhanden. Der für die Wärmeleitung an dieser Stelle nötige spielfreie Sitz stellt sich im be­ triebswarmen Zustand ein, wodurch ein überzogener Preßsitz und damit gefährliche zusätzliche mechanische Spannungen im Druckge­ häuse und im Ständerblechpaket vermieden werden.

Fig. 4 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung der Antriebsseite. Bei Bedarf kann der Motor mit Hilfe einer Platte 28 und einer Dichtung 29, z. B. einer Gleitringdichtung, gegen das Getriebe oder die angetriebene Maschine druckdicht abgeschottet werden.

Die Fig. 5 zeigt eine gegenüber der Fig. 2 abgewandelte Ausfüh­ rungsform, in der gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen ver­ sehen sind, so daß sie nicht erneut beschrieben werden müssen. Die Läuferdruckplatte 12 besitzt an ihrem inneren, der Welle 14 zugewandten und auf dieser aufliegenden Ende einen nach außen (in der Zeichnung nach links) weisenden Ansatz bzw. Vorsprung, der an einem auf der Welle 14 vorgesehenen Bund endet. Die Kap­ sel 10 besitzt ebenfalls an ihrem unteren Ende einen nach innen (in der Zeichnung nach rechts) weisenden Ansatz bzw. Vorsprung, dessen Innenumfang im Abstand vom Außenumfang der Welle 14 ver­ läuft und dem Außenumfang des Ansatzes der Läuferdruckplatte 12 entspricht. Der Innenumfang des Ansatzes liegt also an der mit 13 bezeichneten Stelle auf dem Außenumfang des zugehörigen An­ satzes der Läuferdruckplatte 12 auf. Die Ansätze der Kapsel und der Läuferdruckplatte 12 überlappen sich. In der aus Fig. 5 er­ sichtlichen Weise schließt die Kapsel 10 an der Läuferdruckplat­ te 12 ab, und zwar in dem mit 13 bezeichneten Bereich. Es sind allerdings auch andere Möglichkeiten denkbar: Die Ansätze der Kapsel 10 und der Läuferdruckplatte 12 können auch auf Stoß aneinandergrenzen.

Die Kapsel 10 ist an dem Kurzschlußring 9 befestigt. An ihrem Außenumfang deckt die Kapsel 10 die Rotorstäbe 8 ab. Sie deckt ferner den Außenumfang der Läuferdruckplatte 12 und die an die­ sem Außenumfang befindlichen Schlitze, die den Durchtritt der Rotorstäbe 8 ermöglichen, ab. Die Kapsel 10 reicht an ihrem Au­ ßenumfang bis zu den Läuferendblechen 11. Sie umschließt den Kurzschlußring 9 mit ihrem Außenumfang und mit ihrer recht­ winklig dazu verlaufenden Stirnfläche.

Claims (8)

1. Asynchronmotor mit einem Motor-Druckgehäuse (1), in dem ein Ständer (4) eingebaut und ein Rotor (5) drehbar gelagert ist, welches mit Gas unter hohem Druck gefüllt ist, gekennzeichnet durch eine Kapsel (10), die die aus dem Rotorblechpaket herausra­ genden Rotorstäbe (8) zumindest im Bereich zwischen den Läuferendblechen (11) und dem Kurzschlußring (9) umschließt.

2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel (10) die Kurzschlußringe (9) umschließt.

3. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kapsel (10) auf der Welle (14) abschließt.

4. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kapsel (10) an der Läufer­ druckplatte (12) abschließt.

5. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Läuferendbleche (11) verstärkt sind.

6. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Anlageflächen (15) für die Kapsel (10), und zwar Durchmesser und Stirnflächen, mecha­ nisch bearbeitet sind.

7. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kapsel (10) an der Außenseite der Rotorstäbe (8), am Umfang der Läuferdruckplatten (12) und an mindestens zwei Flächen der Kurzschlußringe (9) an­ liegt.

8. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Rotor (5), bestehend aus Welle (14), Läuferblechpaket mit Kurzschlußkäfig (6) und Kapsel (10), glatte, mit hoher Rundlauf- und Oberflächen­ genauigkeit hergestellte Stirn- und Mantelflächen ohne Nuten und Lüfterschaufeln besitzt.