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Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung
für einen
Motor. Bei einem Elektromotor kann es beispielsweise zur Erzielung
einer hohen Wellenleistung und/oder zur Vermeidung der Wärmeabstrahlung
an die Umgebung zweckmäßig oder
auch notwendig sein, durch Umströmung
des Motorgehäuses
mit einem Kühlmittel
Verlustwärme
des Motors abzuführen.
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Aus der
DE 196 24 519 A1 ist eine
elektrische Maschine mit einem flüssigkeitsgekühlten Gehäuse bekannt,
bei welcher in den Außenmantel
des Motorgehäuses
eine vertiefte, in Schlaufen sich mäanderförmig um das Motorgehäuse windende Leitstruktur
eingebracht ist, welche mit einem aufgeschobenen Gehäuseaußenteil
Kühlkanäle für ein flüssiges Kühlmittel
bildet.
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Bei einer aus der
JP 07111758 A bekannten Anordnung
sind in einem durch wenige Gehäuseabschnitte
zick-zack-förmigen
Kühlkanalverlauf
gegen ein Hüllrohr
mit nur zwei symmetrischen Schlaufen und großer Kanalbreite in den Kanal
gewellte Elemente eingefügt.
Die kanalbegrenzenden Elemente des Motorgehäuses stehen jeweils in flächigem Kontakt
mit dem Gehäuseaußenteil
mit dem Hüllrohr.
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Die
US
5 731 643 zeigt eine Kühlanordnung für den Stator
eines Elektromotors, bei welchem das Motorgehäuse zwischen achsial beabstandeten Kühlmittelanschlüssen eine
gewendelte Vertiefung im Gehäuse
als Kühlmittelkanal
aufweist, welcher radial nach außen durch ein im wesentlichen
zylindrisches Außenteil
abgeschlossen ist. Ähnliche
Kühlanordnungen
mit einer gewendelten Vertiefung in der Gehäuseaußenfläche und einem umgebenden Hüllrohr oder
zylindrischen Gehäuseteil
sind auch aus der
JP
08111966 A und der
JP
03150048 A bekannt. Bei einer Kühlstruktur für eine elektrische
Maschine nach der
JP
08019218 A sind von einer internen und einer externen Wand
und diese verbindenden Stegen Kanäle für ein Kühlmittel gebildet.
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Bei einem aus der
DE 77 35 181 U bekannten
Wechselstrommotor mit einem flüssigkeitsgekühlten Ständer ist
auf die zylindrische Außenfläche des
Motors ein Blechmantel aufgesetzt, welcher mit der Gehäuseaußenfläche einen
von Kühlmittel durchströmten Hohlraum
bildet. In dem Hohlraum sind Leitbleche angeordnet. Die
DE 196 17 265 A1 zeigt
eine Luftkühlung
für einen
schnelllaufenden Elektromotor, bei welchem einem achsialen Luftstrom
ein schraubenförmiger
Verlauf um das Motorgehäuse
aufgeprägt
wird. Hierzu dienen schraubenförmige
Strömungsleitelemente,
die zwischen dem Motorgehäuse
und einem Leitelementgehäuse
verlaufen und bevorzugt als Kunststoffspritzteil einstückig mit
dem Leitelementgehäuse
verbunden sein können.
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Andere konstruktive Ausbildungen
zur Kühlung
von Elektromotoren mittels Luftströmung benutzen Wellblechkränze, welche
auf den Motorständer oder
einen diesen umgebenden Mantel aufgesetzt sind und eine Mehrzahl
von zur Drehachse des Motors parallelen Strömungskanälen bilden. Eine derartige
Anordnung ist beispielsweise aus der AT 126779 B bekannt, wo ein
Wellblechkranz auf den Ständer aufgesetzt
ist und sowohl eine Tragkonstruktion für ein äußeres Hüllrohr als auch Strömungskanäle für eine interne
und eine hiervon getrennte externe Luftströmung bildet. Eine aus der
DE 22 33 860 A1 bekannte
Luftkühlung
für einen
Elektromotor sieht alternativ zu einer Zweikreis-Kühlung vor,
innere und äußere Strömungskanäle des Wellblechkranzes
mit Umgebungsluft zu durchströmen.
Bei einer aus der
DE
3888676 A bekannten Vorrichtung ist ein stabiler Wellblechkranz
als einen unterteilten Ständer
zusammenhaltendes Gehäuse
vorgesehen. Der Ständer kann
Längsriefen
enthalten, in welche Wellen des Wellblechkranzes zur weiteren Stabilisierung
einliegen. Die zwischen Ständer
und Wellblechkranz gebildeten Kanäle können wiederum als Kühlluftkanäle dienen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, eine wirkungsvolle und kostengünstige Kühlanordnung
der einleitend genannten Art anzugeben.
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Die Erfindung ist im Patentanspruch
1 beschrieben. Die abhängigen
Ansprüche
enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
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Durch die zylindrische Außenfläche des
Motorgehäuses
und das gleichfalls zylindrische Hüllrohr ergibt sich ein besonders
einfacher und kostengünstiger
Aufbau bei gleichzeitig großer
Kühlfläche. Der Abstand
zwischen Außenfläche des
Motorgehäuses und
Hüllrohr
ist vorzugsweise klein gegen den Innendurchmesser des Hüllrohrs
und beträgt
vorteilhafterweise wenigstens 1 mm und höchstens 20 mm, insbesondere
höchstens
10 mm. Der Raum zwischen Hüllrohr
und Motorgehäuse
ist seitlich durch Dichtelemente abgeschlossen zur Bildung eines
Kühlmittels
zwischen einem Kühlmittelzufluß und einem Kühlmittelabfluß führenden
Kühlmantelraums.
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Besonders vorteilhaft ist, dass der über einen Teil
der Gehäuseoberfläche des
Motors sich erstreckende Kühlmantelraum
durch Leitelemente so unterteilt ist, daß ein von einem Kühlmittelzufluß zu einem
Kühlmittelabfluß führender
Kanal entsteht, dessen Breite klein ist gegen die Kanallänge, insbesondere
wenigstens um den Faktor 10 kleiner. Der Verlauf des Kanals umfaßt insbesondere
den gesamten Kühlmantelraum.
Durch die Leitelemente ist ein gezielter, beispielsweise gleichmäßiger Kühlmittelfluß über alle
Flächenbereiche
des gekühlten
Gehäuseabschnitts
erreichbar.
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Neben dem Hüllrohr ist vorzugsweise auch das
Motorgehäuse
durch ein Rohr gebildet, wodurch sich besonders kostengünstige und
einfach zu bearbeitende Bauteile für die Anordnung ergeben. Das Motorgehäuse besteht
zur guten Ableitung der Verlustwärme
vorzugsweise aus Aluminium. Der Kühlmantelraum kann vorteilhafterweise
durch elastische, insbesondere gummielastische Dichtelemente zwischen
Motorgehäuse
und Hüllrohr
in den Endbereichen des Hüllrohrs
seitlich abgedichtet sein. Eine solche Anordnung bildet einen Kühlmantelraum
mit einem ringzylindrischen Volumen für das Kühlmittel. Ohne die Unterteilung
dieses Volumens durch Leitelemente ergibt sich eine nur in geringem
Maß durch die
relative Anordnung von Kühlmittelzufluß und Kühlmittelabfluß kontrollierbare
Verteilung des Kühlmittelflusses,
was eine über
die Gehäuseoberfläche ungleichmäßige Kühlleistung
zur Folge haben kann. Durch die Ausbildung eines Kühlkanals
mit geringer Kanalbreite, gemessen parallel zur Gehäuseoberfläche, wird
jedes Flächenelement
mit im wesentlichen der gleichen Kühlmittelstromdichte überstrichen,
soweit die Kanalbreite über
die Kanallänge
nicht zu stark variiert. Die Variation der Kanalbreite zwischen größter und
kleinster Breite ist dabei vorzugsweise kleiner als 5, insbesondere
kleiner als 2,5. Vorzugsweise ist die Kanalbreite außer in den
Bereichen von Zufluß und
Abfluß annähernd konstant.
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Der Kanalverlauf ist vorzugsweise
wendelförmig
mit achsial entgegengesetzt angeordneten Anschlüssen für Kühlmittelzufuhr und Kühlmittelabfuhr.
Die wendelförmige
Kanalführung
ist auch strömungstechnisch
bevorzugt gegenüber
anderen beispielsweise mäanderförmigen Verläufen. Der
Kanal kann über
den gesamten Verlauf zwischen Zufluß und Abfluß oder in Abschnitten in parallele
und/oder serielle Teilkanäle
aufgespalten sein.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform
sieht vor, durch Strömungsstörelemente
im Kanalverlauf turbulente Strömungen
zu erzeugen, welche vorteilhaft für die Wärmeaufnahme des Kühlmediums
von der Gehäusewandung
ist. Solche Störelemente
können
beispielsweise durch Unterbrechung von Leitelementen gebildet sein,
was auch durch die Bildung einer Leitelementstruktur aus mehreren
Teilstücken
realisiert sein kann.
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Der Kanal ist durch auf die Gehäuseoberfläche aufgesetzte
Leitelemente gebildet. Zur Lagesicherung solcher aufgesetzter Leitelemente
können
in der Gehäuseaußenfläche Vertiefungen
vorgesehen sein, in welchen die Leitelemente, vorzugsweise unter
Vorspannung, einliegen. Die Leitelemente können aus mehreren Teilen, beispielsweise
mehreren Wendelabschnitten bestehen, die durch Lücken als Störelemente separiert sind und
zusammen die Leitelementstruktur bilden.
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Die Leitelemente können gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
gut wärmeleitend
sein und können
insbesondere aus Kupfer oder Aluminium bestehen. Durch die gute
Wärmeleitung
in Verbindung mit gutem Wärmekontakt
zu dem Motorgehäuse
tragen die seitlich mit dem Kühlmedium
in Kontakt stehenden Leit elemente dann zu einer Erhöhung der
Wärmeaustauschfläche zum
Kühlmedium bei.
Die Kontaktflächen
der Leitelemente mit dem Hüllrohr
sind vorteilhafterweise gering, was durch eine Wölbung des Leitelementquerschnitts
zum Hüllrohr
hin mit einer schmalen Berührungslinie
erreicht werden kann. Der Querschnitt der Leitelemente kann insbesondere
kreisförmig
sein.
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Der radiale Abstand zwischen Gehäuseoberfläche und
Hüllrohr
ist vorzugsweise klein gegen den Innendurchmesser des Hüllrohrs,
welcher vorzugsweise wenigstens das 20-fache des radialen Abstands
beträgt.
Der radiale Abstand beträgt
vorteilhafterweise wenigstens 1 mm und höchstens 20 mm, insbesondere
höchstens
10 mm.
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Das Hüllrohr kann aus an sich beliebigem Material,
insbesondere Aluminium oder Kunststoff bestehen. Als Kühlmittel
findet typischerweise Wasser, evtl. mit darin gelösten Zusätzen Einsatz.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand
bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei
zeigt
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1:
eine teilaufgeschnittene Motoranordnung.
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2:
ein Motorgehäuse-Mittelteil.
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Aus 1 ist
der prinzipielle Aufbau einer Motoranordnung nach der Erfindung
ersichtlich. Das Motorgehäuse
weist ein sich in Motorlängsrichtung erstreckendes
Mittelteil mit einer im wesentlichen zylindrischen, insbesondere
kreiszylindrischen Außenfläche auf.
Eine wesentliche zylindrische Form soll dabei Abweichungen von der
genau zylindrischen Form, welche klein sind gegen den Zylinderdurchmesser,
mit einschließen,
solange diese dem Erfindungsgedan ken nicht entgegenstehen. Das Mittelteil ist
vorzugsweise durch ein kreiszylindrisches Rohr gebildet.
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Das Mittelteil trägt an seiner Innenseite den Stator
ST des Motors und ist an den Enden durch Lagerschilde LS abgeschlossen,
welche Lager zur drehbaren Aufnahme der Rotoranordnung RO mit der
nach außen
ragenden Antriebswelle AW tragen.
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Die im wesentlichen zylindrische
Außenfläche des
als Mantelrohr MR ausgeführten
Gehäuse-Mittelteils
ist in geringem Abstand von einem Hüllrohr HR umgeben, welches
mit dem Mantelrohr einen Kühlmantelraum
KR bildet. Der Kühlmantelraum
KR ist seitlich durch elastische Dichtelemente abgedichtet. Über im Hüllrohr HR
vorgesehene Anschlüsse
für Zufluß und Abfluß eines
Kühlmittels
kann ein Kühlmittelstrom
durch den Kühlmantelraum
strömen
und dabei Verlustwärme
des Motors von der den Kühlmantelraum
begrenzenden Oberfläche
des Mantelrohrs MR abführen.
Vorteilhafterweise erstreckt sich der Kühlmantelraum KR parallel zur
Motorlängsachse
in beiden Richtungen über
den mit dem Gehäuse in
Wärmekontakt
stehenden Teil des Stators hinaus.
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Eine besonders wirkungsvolle und
gleichmäßige Kühlung des
Mantelrohrs kann erreicht werden, wenn in dem Kühlmantelraum KR durch Strömungsleitelemente
LE, welche sich zwischen Mantelrohr und Hüllrohr erstrecken, ein Kühlkanal
gebildet ist, welcher in seiner Gesamtheit wieder den Kühlmantelraum
ergibt. Der Kühlkanal
verläuft
entlang den im Abstand DR gegenüberstehenden
Oberflächen
von Mantelrohr MR und Hüllrohr
HR und ist seitlich durch die Leitelemente LE sowie in den Endbereichen
des Kühlmantelraums
einseitig durch die Dichtelemente DI begrenzt.
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Die Breite BK des Kühlkanals
KK ist über
den gesamten Verlauf gemittelt klein gegenüber der Länge LK des Kühlmantelraums
in Motorlängsrichtung. Die durch
den Abstand DR von Mantelrohr und Hüllrohr bestimmte Dicke ist
nochmals deutlich kleiner als die mittlere Kanalbreite. Die Breite
der Leitelemente ist gleichfalls klein gegen die Kanalbreite.
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Die Leitelemente sind durch eine
mit keinem der beiden Rohre fest verbundene separate Struktur gebildet,
welche vorteilhafterweise positionsstabil zwischen den beiden Rohren
liegt. Die Leitelemente weisen vorzugsweise einen kreisrunden Querschnitt auf
und können
insbesondere aus Draht- bzw. Stangenmaterial als Halbzeug hergestellt
sein.
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Besonders vorteilhaft ist eine aus 2 ersichtliche Anordnung,
bei welcher in die Außenfläche des
Mantelrohrs MR eine wendelförmige
Rille RI eingebracht ist, welche sich über die Länge des Kühlmantelraums mehrfach um das
Mantelrohr windet. Die Tiefe der Rille ist klein gegen die Dicke
des Mantelrohrs und klein gegen den gegenseitigen Abstand DR von
Mantelrohr und Hüllrohr.
Die Schnurdicke der Wendel ist so bemessen, daß die Wendel zwischen Hüllrohr und
Mantelrohr auf jeden Fall gegen seitliche Verschiebung gesichert
ist. Vorzugsweise ist die Wendel durch ein geringes Übermaß der Schnurstärke zwischen
Hüllrohr
und Mantelrohr verspannt. Die Wendel kann einfach aus Draht oder
Stangenmaterial gewickelt werden und besteht vorzugsweise aus Aluminium.
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Für
die Herstellung der Anordnung wird vorteilhafterweise die mit Untermaß des Wendeldurchmessers
gegen den Mantelrohr-Außendurchmesser gewickelte Wendel
(oder mehrere Wendelabschnitte) in die gewendelte Nut des Mantelrohrs
eingelegt, wo sie aufgrund des Untermaßes auch bei Abweichung der
Wendelsteigung im entspannten Zustand gegen die Wendelsteigung der
Rille die Position beibehält. Das
Hüllrohr
wird vorteilhafterweise durch Erwärmung soweit aufgeweitet, daß es über die
Wendel geschoben werden kann, ohne deren Positionen zu verändern. Bei
Abkühlung
des Hüllrohrs
wird vorzugsweise die Wendel gegen das Mantelrohr verspannt. Die
elastischen Dichtmittelringe DI werden seitlich des Wendelbereichs
auf das Mantelrohr aufgezogen und zwischen Mantelrohr und Hüllrohr unter elastischer
Deformation eingedrückt,
wofür beispielsweise
Ringnuten im Mantelrohr vorbereitet sein können. Zur seitlichen Abstützung der
Dichtelemente gegen hohe Kühlmitteldrücke können seitliche
Abstützelemente
STR auf den dem Kühlmittel
abgewandten Seiten der Dichtmittel vorgesehen sein.
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Die Leitelemente LE bestehen vorzugsweise aus
gut wärmeleitendem
Material und stehen vorteilhafterweise, insbesondere über querschnittsangepaßte Form
der gewendelten Nut, in gutem Wärmekontakt
zu dem Motorgehäuse.
Die Leitelemente tragen dadurch zur Erhöhung der Wärmekontaktfläche zum
Kühlmedium
und damit zur Wärmeabfuhr
bei.
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In 2 ist
eine Ausführung
angedeutet, bei welcher die Leitelemente aus mehreren Teilen bestehen
und gegeneinander separiert sind, insbesondere in Form von aufeinanderfolgenden
Wendelabschnitten LEA, LEB, die lediglich auszugsweise gezeichnet sind.
Durch die Lücke
zwischen den Wendelabschnitten werden turbulente Strömungsanteile
verursacht, welche zu einer verbesserten Wärmeabgabe an das Kühlmedium
führen.
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Die Wärmeübertragung von den Leitelementen
zum Hüllrohr
ist in Anwendungsfällen,
in welchen eine Wärmeabgabe
durch Strahlung und/oder Konvek tion an die Umgebung vermieden werden
soll, vorzugsweise gering, wozu eine geringe Kontaktfläche und/oder
Material des Hüllrohrs
beitragen können.
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Die vorstehend angegebenen und die
den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch
in verschiedenen Kombinationen vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung
ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern
im Rahmen fachmännischen
Könnens
auf mancherlei Weise abwandelbar. Beispielsweise kann unter Beibehaltung
der Wendelform der Kühlkanal
in zwei in der Mitte zusammentreffende Kanäle mit entgegengesetztem Kühlmittelstrom
aufgeteilt sein. Für den
Drahtquerschnitt der Wendel sind verschiedene Formen geeignet.