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Dynamoelektrische Maschine mit einem zur Abdichtung gegen Flüssigkeiten
oder Gase dienenden Spaltrohr zwischen Ständer- und Läuferraum Die Erfindung bezieht
sich auf dynamoelektrische Maschinen von derjenigen Bauart, bei der entweder die
Ständer- oder Läuferwicklungen eingekapselt sind, um sie gegen die Einwirkung von
Wasser oder anderen Flüssigkeiten oder von schädlichen Gasen oder Staub und anderen
unerwünschten Einflüssen zu schützen. Ein solcher Schutz ist beispielsweise bei
tauchfähigen Motoren erwünscht, die zum Pumpen von Wasser, Öl usw. aus tiefen Bohrlöchern
Verwendung finden, ist jedoch auch für viele andere Zwecke von Nutzen. Nach einem
bekannten Verfahren werden die Ständerwicklungen von tauchfähigen. Motoren in der
Weise geschützt, daß im Luftspalt zwischen dem Ständer und dem Läufer ein als Spaltrohr
bezeichnetes dünnwandiges, flüssigkeitsdichtes Schutzrohr angeordnet wird, das an
seinen Enden durch Klemm- oder Druckringe an den Stirnplatten oder Flanschen des
Ständergehäuses befestigt wird. Bei diesen Maschinen bedarf gewöhnlich nur der Ständer
eines Schutzes, da der Läufer mit Kurzschluß-bzw. Käfigwicklung versehen ist, die
dem Wasser
oder anderen Flüssigkeiten ohne Schaden ausgesetzt werden
darf. Es ist erwünscht, das Schützrohr so dünn wie möglich zu machen, weil der Leistungsfaktor
der Maschine mit zunehmendem Luftspalt schnell abfällt, während ein dickes Schutzrohr
wesentlich erhöhte Wirbelstromverluste zur Folge haben würde, sofern dasselbe aus
leitendem Stoff besteht. Das Schutzrohr muß an die Oberfläche der Ständerbleche
aufgewalzt werden und muß daher fest genug sein, um diese Dehnung auszuhalten und
auch um den verhältnismäßig hohen inneren wie äußeren Drücken zu widerstehen, denen
es ausgesetzt ist. Innere Drücke können durch eine hohe Wassersäule oder sonstige
Flüssigkeitssäule bedingt werden, die auf der eingetauchten Maschine lastet, während
äußere Drücke auf das Schutzrohr durch Gasentwicklung in der Ständerisolierüng infolge
von Überhitzung aus verschiedenen Ursachen entstehen können. Eine solche Gasentwicklung
kann mit der Erzeugung hoher Drücke verknüpft sein, die das Schutzrohr eindrücken
kann, lange bevor für die Isolierung der Ständerspulen eine ernste Gefahr der Beschädigung
durch Hitz besteht. Wenn aber das Schutzrohr irgendwo eingedrückt würde, würde der
Schutz schnell zerstört werden, da der Läufer den nach innen vorspringenden Teil
des Schutzrohres durchschleifen würde.
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Die Schwierigkeiten nehmen mit wachsender Größe der Maschine zu, was
die Verwendung von dickeren Schutzrohren erforderlich macht, wodurch wiederum höhere
Wirbelstromverluste und ein weiteres Absinken des Leistungsfaktors bedingt sind,
und diese Verluste sind im wesentlichen der dritten Potenz der Dicke proportional.
Diese Zusammenhänge haben die Größe der Maschinen begrenzt, die mit solchen Schutzrohren
versehen wurden; da der Wirkungsgrad zu rasch mit der Größe der Maschine sinkt,
konnten solche Schutzrohre nur für kleine und mittlere Maschinen verwendet werden.
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Es ist bekannt, bei tauchfähigen Motoren mit einfachen Spaltrohren
die Räume im Stator, welche durch die Wicklungsköpfe der Statorspulen nicht ausgefüllt
werden, mit bestimmten Stoffen zu füllen, um der Neigung des Spaltrohres, sich auszubeulen,
entgegenzuwirken. Dieser Weg hat sich jedoch als unbefriedigend erwiesen, weil in
diesem Fall das Spaltrohr aus verhältnismäßig dickem Werkstoff hergestellt werden
muß, um den verschiedenen auf es einwirkenden mechanischen Beanspruchungen standzuhalten.
Als weitere nachteilige Erscheinung hat sich gezeigt, daß erhebliche Wirbelstromverluste
auftreten, die den Wirkungsgrad des Motors ungünstig beeinflussen. Ferner wird der
Leistungsfaktor infolge der Vergrößerung des-Spaltes zwischen Stator und Rotor vermindert.
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Es ist ferner bekannt, einen Stapel von stark zusammengepreßten ringförmigen
Schichtblechen zu verwenden, welche Zwischenlagen von isolierenden und dichtenden
Scheiben aufweisen und welcher zwischen Stator und Rotor eingesetzt ist. Die Nachteile
dieser Methode bestehen darin, daß die Schichtbleche die Entstehung eines beträchtlichen
Streuflusses ermöglichen, der am Rotor vorbeigeht, so daß der Leistüngsfäkfor (cos
p) eines derartigen Motors sehr niedrig ist.
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Die Erfindung bezweckt in erster Linie, Maschinen der angegebenen
Art derart auszubilden, daß viel dünnere Schutzrohre verwendet werden können, als
dieses bisher möglich war, dadurch eine Erhöhung des Wirkungsgrads und Leistungsfaktors
dieser Maschinen zu ermöglichen und andererseits Maschinen von praktisch jeder erforderlichen
Größe herzustellen und mit gutem Wirkungsgrad betreiben zu können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einer dynamoelektrischen
Maschine mit genutetem Ständerblechpaket und einem zur Abdichtung gegen Flüssigkeiten
oder Gase dienenden Spaltrohr zwischen Ständer- und Läuferraum innerhalb des dünnwandigen
Spaltrohres ein hohler Stützzylinder aus magnetisch leitfähigem Material angeordnet
ist, durch den das Spaltrohr gegen den inneren Umfang des Ständerblechpaketes gepreßt
wird, wobei der einen Teil des Kraftlinienweges zwischen Ständer und Läufer bildende
Stützzylinder im Bereich des Ständerfeldes geblättert ist und abwechselnd Zahnköpfe
und Nuten oder Zwischenräume aufweist. Hierbei sind in die Nuten oder Zwischenräume
zweckmäßig Füll- bzw. Abstandstücke aus magnetisch nicht leitfähigem Material eingesetzt,
um so ein Einbeulen des Spaltrohres wirksam zu verhindern.
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Ferner ist der hohle Stützzylinder dehnbar ausgebildet, derart, daß
er durch Einsetzen von einem oder mehreren Keilpaaren in die Zwischenräume gedehnt
und so gegen die Innenseite des Spaltrohres gepreßt werden kann.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß nach
dem Einsetzen des hohlen Stützzylinders am inneren Umfang desselben so viel Material
entfernt wird, daß die zwischen den Nuten liegenden Zahnköpfe voneinander getrennt
werden. Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung kann das Stützrohr durch
ringförmige Stanzlinge gebildet werden, die als Teil der Ständerbleche von diesen.
in der Stanzmaschine abgetrennt und dann zu einem rohrförmigen Stützzylinder zusammengepreßt
worden sind.
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Ferner können die über das Ständerblechpaket vorstehenden Enden des
Spaltrohres ebenfalls, und zwar entweder innen und außen oder nur an einer Seite,
durch Verstärkungszylinder abgestützt werden. .
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Das Spaltrohr selbst kann aus irgendeinem Metall bestehen, das nicht
unbedingt ferromagnetisch sein muß, vorausgesetzt, daß es die notwendige hohe Zugfestigkeit
besitzt, doch ist einem Stoff von geringer elektrischer Leitfähigkeit der Vorzug
zu geben, -um die Wirbelstromverluste herabzusetzen. Ein solcher Werkstoff ist beispielsweise
rostfreier Stahl. Das Spaltrohr kann aus Blech gebogen und, an den Rändern überlappt,
verschweißt werden.
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Die Erfindung ermöglicht, für die Abdichtung zwischen Ständer und
Läuferraum ein sehr dünnes Spaltrohr zü verwenden, da die notwendige mechanische
Festigkeit
desselben gegen Einbeulen durch den Stützzylinder erzielt wird. Die dünne Wandstärke
des Spaltrohres sichert auch bei großen. Maschinen einen hohen Leistungsfaktor derselben,
da der radiale Spalt zwischen Ständer und Läufer nicht größer als bei gewöhnlichen
Maschinen ohne Spaltrohr zu sein braucht. Außerdem wird der elektrische Widerstand
des Spaltrohres auf einem hohen Wert gehalten, so daß Wirbelstromverluste möglichst
klein bleiben und auch der elektrische Wirkungsgrad der Maschine verbessert wird.
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Andererseits ist der innere Stützzylinder, der dem dünnen Spaltrohr
die mechanische Festigkeit verleiht, so ausgebildet, daß die elektrischen und magnetischen
Eigenschaften der Maschine nicht verschlechtert werden können. Durch die geblätterte
Form des Stützzylinders werden die Wirbelstromverluste auf einem erträglichen Wert
gehalten,, und die Unterteilung in Zahnköpfe und Nuten bzw. Zwischenräume trägt
zu einer niedrigen magnetischen Leitfähigkeit in der Umfangsrichtung bei, so daß
die magnetische Ableitung bzw. der magnetische Nebenschluß nur ganz gering ist,
während die Zahnköpfe als innere Fortsätze der Ständerpole eine hohe magnetische
Leitfähigkeit in radialer Richtung gewährleisten.
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Nach einem bekannten Vorschlag soll ein Spaltrohr aus feinverteiltem
magnetischem Material mit einem Bindemittel in der Weise mit einem veränderlichen
Eiseninhalt hergestellt werden, daß die vor den Nuten liegenden. Teile des Spaltrohres
einen geringeren. Eiseninhalt als die übrigen Teile aufweisen sollen und so der
magnetische Widerstand der Streuwege durch eisenarme Schichten vergrößert wird.
Abgesehen davon, daß ein derartiges Spaltrohr selbst bei großer Wandstärke verhältnismäßig
geringe mechanische Festigkeit besitzt, ist dieser Vorschlag praktisch auch nur
sehr schwierig zu verwirklichen.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an Ausführungsbeispielen veranschaulicht,
und zwar zeigt Fig. r im Längsschnitt eine Anwendung der Erfindung bei dem Ständer
eines tauchfähigen Motors mit eingekapselten Ständerwicklungen, Fig. 2 im Querschnitt
ein Stück des Ständers mit dem Stützzylinder für das Schutzrohr und Fig.3 einen
Querschnitt durch einen Teil des Stützzylinders in größerem Maßstab, Fig. q: im
Längsschnitt eine Anwendung der Erfindung bei einem anderen Elektromotor, der einen
eingekapselten Läufer aufweist, Fig. 5 bis 7 Beispiele von Blechen, die für die
Anfertigung des Ständerblechpaketes, des Stützzylinders und des Läufers verwendbar
sind und sämtliche aus demselben Ausgangsblech gestanzt sind.
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Gemäß Fig. r bis 3 ist in einem zylindrischen Gehäuse a ein lamelliertes
Stän.derblechpaket b angebracht, an dessen. innerem Umfang Nuten c (Fig.
2) für die Aufnahme der Ständerwicklungen. d ausgebildet sind. Diese Nuten sind
vorzugsweise rechteckig und am inneren Umfang des Ständer-1>lechpaketes offen. Die
Wickelköpfe, die aus dem Ständerblechpaket herausragen, sind in Hohlräumen untergebracht,
die teilweise durch das Gehäuse a und die am Gehäuse ausgebildeten oder an denselben
"befestigten Endflansche e begrenzt werden.
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Der Abschluß der Ständerwicklungen ist durch ein dünnes zylindrisches
Schutzrohr f erzielt, das sich eng an die Innenseite des Ständerblechpaketes anlegt
und sich von einem Endflansch zum anderen erstreckt. Dieses Schutzrohr kann aus
einem geeigneten magnetischen oder unmagnetischen Metall, vorzugsweise aber aus
einem unmagnetischen Metall von hoher Zugfestigkeit gefertigt sein, und es ist erwünscht,
daß sein elektrischer Leitwiderstand möglichst groß ist. Dieses Schutzrohr wird
an seiner Innenseite durch eine Stützvorrichtung in Form eines Hohlzylinders in
seiner Lage gesichert, die aus abwechselnd angeordneten geblätterten Zahnköpfen
und längs gerichteten Isolierstücken aufgebaut ist, wobei eines oder mehrere dieser
letzteren als Keilpaar ausgebildet sind. Der Stützzylinder hat im wesentlichen dieselbe
Länge wie das Ständerblechpaket; er kann jedoch beiderseits desselben etwas überstehen,
wie aus Fig. z ersichtlich ist. Der Eisenteil dieses Stützzylinders ist aus Blechringen
g geschichtet, die am äußeren Umfang Nuten von geeigneter Form aufweisen, derart,
daß zwischen ihnen Zahnköpfe h gebildet werden. Diese geschichteten Bleche sind
elektrisch voneinander isoliert und sind aus einem magnetisch gut leitenden Werkstoff
gefertigt, der zweckmäßigerweise korrosionsfest ist. Die Flanken der Nuten in diesen
Blechen sind vorzugsweise parallel zueinander, wodurch das Einsetzen der Isolierstücke
i erleichtert ist.
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Die für den. Aufbau des Ständerblechpaketes, des Stützzylinders und
des Läufers verwendeten Schichtbleche werden vorteilhaft aus denselben Blechtafeln
ausgestanzt, wobei die äußeren. ringförmigen Abschnitte gemäß Fig. 5 für den Aufbau
des Ständers, die mittleren ringförmigen Abschnitte gemäß Fig. 6 für den Aufbau
des Stützzylinders und die inneren Abschnitte gemäß Fig. 7 für den Aufbau des Läufers
dienen.
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Die für den. Aufbau des Stützzylinders verwendeten Schichtbleche sind
am inneren Umfang zusammenhängend ausgebildet, indem die Zahnköpfe durch schmale
Brücken x verbunden sind, die Bestandteile des inneren Umfangs des Schichtbleches
bilden. Die Nuten zwischen den Zahnköpfen h dienen der Aufnahme der Isolierstücke
i, die vorzugsweise aus einem Isoliermaterial auf Harzgrundlage gefertigt sind,
beispielsweise aus Hartleinen, das aus Leinenschichten besteht, die mit dem unter
dem Warenzeichen »Bakelit« im Handel befindlichen Stoff verbunden sind. Zwecks Zusammensetzen
des Stützzylinders aus seinen Bestandteilen werden die Ringe des Eisenteils auf
einen Dorn gebracht und alsdann die Isolierstücke eingesetzt. Nach diesem Zusammenbau
wird. die Außenfläche auf einen solchen Durchmesser abgeschliffen, daß sie, eng
anliegend, in das Innere des Schutzrohres f hineinpaßt. Beim Ausstanzen der Schichtbleche
wird eine der
die Zahnköpfe verbindenden und den inneren Umfang
bildenden schmalen Brücken aufgetrennt, wie bei k in Fig. 2 ersichtlich ist, so
daß die Schichtbleche auf diese Weise dehnbar sind. Statt dessen kann auch nach
dem Zusammensetzen der Bleche und Isolierstücke an der mit k bezeichneten Stelle
in der Längsrichtung eine Nut eingeschnitten werden: An der Trennstelle k werden
in die für das Ioslierstück vorgesehene Nut zwei Keile j (Fig. 2) eingesetzt, von
denen der eine oder beide aus un magnetischem Metall von hohem elektrischem Leitwiderstand
bestehen. Nachdem der Stützzylinder in der vorstehend beschriebenen Weise vorbereitet
worden ist, wird er nach Herausnehmen der Keile von dem Kern abgenommen. Hierbei
zieht sich auf Grund der Lücke k der Zylinder im Durchmesser etwas zusammen, so
daß er dann leicht in das Schutzrohr eingesetzt werden kann, das bereits an seinen
Platz gebracht worden ist.
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Nachdem der Stützzylinder im Innern der Maschine genau ausgerichtet
worden ist, derart, daß seine Zahnköpfe genau den Zähnen des Ständers b gegenüberstehen,
werden die Keile j wieder eingesetzt und angezogen, wodurch der Stützzylinder geweitet
und das Schutzrohr in innige Berührung mit den Zähnen des Ständerblechpaketes b
gepreßt wird. Schließlich kann der innere Umfang des Stützzylinders einer Schleif-
oder Drehbearbeitung unterzogen werden, durch die die Dicke der dünnen Brücken x,
die die Zahnköpfe des Stützzylinders miteinander verbinden, verringert wird oder
durch die die Brücken sogar gänzlich entfernt werden, so daß die Zahnköpfe voneinander
getrennt werden. Der durch diese Bearbeituizg erzielte innere Umfang des Stützzylinders
ist in Fig. 2 durch die gestrichelte Linie l angedeutet. Die getrennten: Zahnköpfe
werden durch die Wirkung der Keile j in dichter Berührung mit dem Schutzrohr und
in der richtigen Lage festgehalten. Unter Umständen kann die Lücke k zum Schluß
durch einen unmagnetischen oder einen isolierenden Füllstreifen m (Fig. 3) ausgefüllt
werden. Die Lücke k kann entweder mit parallelen Flanken wie in Fig. 2 oder mit
zueinander geneigten Flanken wie in Fig. 3 ausgebildet sein. Die über das Ständerblechpaket
hinausragenden Enden des Schutzrohres sind je durch eine äußere Hülse u und eine
innere Hülse o aus Metall od. dgl. verstärkt. Die Hülse o besitzt ungefähr dieselbe
Dicke wie der oben beschriebene Stützzylinder g. Auf den am Schutzrohr anliegenden
Innenflächen mancher oder aller Isolierstücke kann eine Längsnut p ausgebildet werden,
so daß Kühlkanäle für den Durchtritt von Flüssigkeit oder Luft entstehen, und in
der angrenzenden Stirnseite jeder Hülse o sind gegenüber den- Nuten p Einschnitte
q vorgesehen,, um das Kühlmittel in die Nuten p eintreten und aus den Nuten
austreten zu lassen. Wenn eine derartige Kühlmöglichkeit nicht erforderlich ist,
können die Einschnitte bzw. Nuten p und q auch wegfallen.
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Die Enden des Schutzrohres können in geeigneter Weise gegen die Endflanschen
des Gehäuses abgedichtet sein. Vorzugsweise werden Gummi- oder andere Ringe r in
Aussparungen der Endflansche angeordnet und durch metallische Druckringe s, die
in die Deckel eingeschraubt werden können, zusammengedrückt und dadurch allseitig
zu dichter Anlage gebracht.
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Ein Vorteil der in der Zeichnung dargestellten Ausführung besteht
darin, daß fertig hergerichtete, umwickelte und imprägnierte Wicklungen in die offenen
Ständerauten eingebracht werden können und diese Wicklungen die Nuträume wirksam
ausfüllen, wie aus Fig. 2 ersichtlich, so daß die Isolierstücke i lediglich das
Schutzrohr f gegen eine feste Unterlage drücken, ohne das Schutzrohr zu deformieren.
Die Hülsen o und u für die Unterstützung der Enden des Schutzrohres f sollen aus
unmagnetischem Material von möglichst hohem elektrischem Widerstand bei ausreichender
Festigkeit bestehen. Falls ein Metall von hohem elektrischem Widerstand verwendet
wird, ist es erwünscht, daß die Enden des Stützzylinders g über das Ständerblechpaket
vorstehen, wie in Fig. r dargestellt ist, so daß die inneren Enden der Hülsen o
sich außerhalb des Bereichs des verhältnismäßig starken Streuflusses an den Enden
des Ständerblechpaketes befinden. Wenn die Hülsen aus Isoliermaterial bestehen,
kann diese Forderung entfallen.
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Bei der in Fig. q. dargestellten .Anwendung der Erfindung auf einen
Elektromotor, wie er für Kühlmaschinen für Haushalts- oder andere Zwecke verwendet
wird, wo nur der Läufer t eingeschlossen zu sein braucht, wird für den Ständer ein
Blechpaket b der oben beschriebenen Art verwendet und in einem Gehäuse a angebracht,
das offen ist und einen freien Umlauf von Luft oder einem anderen Kühlmittel um
die Ständerwicklungen herum gestattet. Das Schutzrohr f ist im Inneren des Ständerblechpaketes
durch einen Stützzylinder in der oben beschriebenen Weise befestigt. Das an der
einen Seite des Ständerblechpaketes überstehende Ende des Schutzrohres ist durch
elektrische Schweißung oder in anderer Weise dicht und fest mit einem Verstärkungszylinder
u verbunden, der einen Teil der Umschließung des Läufers bildet, und das an der
anderen Seite des Ständerblechpaketes überstehende Ende des Schutzrohres ist durch
elektrische Schweißung oder in anderer Weise dicht und fest mit einem Verstärkungszylinder
u verbunden, der einen Teil der Umschließung des Läufers bildet, und das an der
anderen Seite des Ständerblechpaketes überstehende Ende des Schutzrohres ist durch
elektrische Schweißung oder in anderer Weise dicht und fest mit einer Verstärkungskappe
v verbunden, die den Läufer auf dieser Seite umschließt. Über das offene Ende des
Ständers kann eine Staubkappe w gesetzt sein. Der Verstärkungszylinder u ist am
Untergestell durch einen Bolzen U' befestigt und durch einen eingesetzten Ring r'
aus Gummi od. dgl. abgedichtet, der in eine Nut am Untergestell eingepreßt wird.
Die Läuferwelle kann unmittelbar einen kleinen rotierenden Kompressor antreiben,
der in dem Gehäuse y untergebracht ist. Die beiden Teile u und
v sind vorzugsweise
aus unmagnetischem Werkstoff von hoher
Festigkeit und möglichst großem elektrischem Widerstand.