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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor zum Antrieb von Arbeitsmaschinen mit notwendiger Medientrennung, wie es z.B. bei Pumpen, Zentrifugen oder Ascheidern der Fall ist.
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Bei derartigen Elektromotoren, die eine hohe Drehzahl der Motorwelle erzeugen, steigt die Verlustleistung des die Motorwelle lagernden Kugellagers aufgrund von starker Wärmeentwicklung deutlich an. Vor allem bei kompakten Ausführungen des Elektromotors, bei denen das Kugellager unmittelbar angrenzend zu vielen weiteren Bauteilen angeordnet ist, kann die erzeugte Wärme nicht in ausreichendem Maße abgeführt werden.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor als Antrieb von Arbeitsmaschinen mit Medientrennung bereit zu stellen, der neben einer Trennung von Motorelektronik gegenüber der Motorwelle eine verbesserte Wärmeableitung für das die Motorwelle lagernde Kugellager aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Schutzanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird ein Elektromotor mit einem Motorgehäuse vorgeschlagen, das einen Wellenabschnitt zur Aufnahme einer Motorwelle und einen Motorabschnitt zur Aufnahme einer Motorelektronik und von Motorwicklungen aufweist. Der Wellenabschnitt und der Motorabschnitt sind durch einen in dem Motorgehäuse angeordneten Spalttopf voneinander abgedichtet getrennt, um die Medientrennung sicherzustellen. In dem Wellenabschnitt sind in dem Spalttopf ein Innenläufer-Rotor und axial daran anschließend ein metallischer Kugellagertopf angeordnet, wobei in dem Kugellagertopf ein Kugellager zur Lagerung der Motorwelle und des Innenläufer-Rotors befestigt ist.
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Der Spalttopf wird verwendet, um den Wellenabschnitt und den Motorabschnitt zu trennen und einen Gasaustausch zwischen Kurbelgehäuse und Elektronik bzw. Motorwicklungen zu verhindern. Als Material eignet sich beispielsweise Polyphenylensulfid.
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Der Spalttopf mit dem darin angeordneten Kugellagertopf führt jedoch zu einem Aufbau, bei dem das Kugellager stark zentral eingepackt angeordnet werden muss und wenig seiner im Betrieb erzeugten Wärme nach außen abführen kann. Die Wärmeableitung erfolgt erfindungsgemäß durch eine Anbindung des Spalttopfes und Kugellagertopfes mit dem darin aufgenommenen Kugellager an das Motorgehäuse, insbesondere den Gehäusedeckel.
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In einer Ausführungsvariante des Elektromotors ist vorgesehen, dass der Spalttopf einstückig durch das Motorgehäuse um eine Rotationsachse der Motorwelle gebildet ist. Somit ist eine Abdichtung ohne zusätzliche Dichtelemente gewährleistet. Insbesondere bildet das Motorgehäuse eine umlaufende Außenwandung, an die sich auf einer axialen Seite eine Axialwandung anschließt, in die der Spalttopf eingesenkt wird. Der Spalttopf ist vorzugsweise hohlzylindrisch mit Abschnitten unterschiedlichen Durchmessers ausgebildet, wobei im axial am weitesten in das Motorgehäuse hineinragenden Abschnitt der Kugellagertopf angeordnet ist.
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Dabei ist eine Ausführung günstig, bei welcher der Spalttopf und der Kugellagertopf in dem Abschnitt des Spalttopfes, in dem der Kugellagertopf angeordnet ist, formidentisch ausgebildet sind. In anderen Worten bestimmen der Kugellagertopf und der Spalttopf dieselben Außenkonturen.
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Ein Spalt zwischen dem Gehäusedeckel und dem Spalttopf weist in einer ersten Ausführungsvariante ein Spaltmaß von Null auf. Der Gehäusedeckel liegt somit unmittelbar an dem Spalttopf an. Der wiederum in dem Spalttopf befindliche Kugellagertopf liegt somit ebenfalls in unmittelbarer Anbindung an den Gehäusedeckel, so dass die Wärme von dem Kugellagertopf über den Spalttopf auf den Gehäusedeckel an die Außenumgebung abgeleitet wird.
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In einer alternativen Ausführung weist der Spalt zwischen dem Gehäusedeckel und dem Spalttopf ein geringes Spaltmaß auf, das bis zu einer Größe von 1/20 des maximalen Außendurchmessers des Kugellagers ist. Der geringe Spalt beeinträchtigt die Wärmeabfuhr von dem Kugellagertopf auf den Gehäusedeckel kaum, ermöglich jedoch eine relative Anordnung der Bauteile, ohne Berührung.
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Vorteilhaft ist ferner eine Ausführung des Elektromotors, bei der zwischen dem Spalttopf und dem Gehäusedeckel eine Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitkleber vorgesehen ist. Die Wärmeleitpaste bildet vorzugsweise eine Zwischenschicht und ermöglicht eine Wärmeanbindung des Gehäusedeckels an den Spalttopf, ohne dass sich die Bauteile berühren. Somit bleiben Vibrationen der einzelnen Bauteile voneinander entkoppelt. Bei der Nutzung eines Wärmeleitklebers kann neben der vorteilhaften Wirkung der Wärmeleitpaste zusätzlich die verklebte Anbindung von Gehäusedeckel an den Spalttopf erfolgen.
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Der Gehäusedeckel ist in einem Ausführungsbeispiel lösbar an dem Motorgehäuse befestigt und wird auf eine axiale Seite des übrigen Motorgehäuses aufgesetzt. Der Gehäusedeckel bildet somit den Abschnitt des Motorgehäuses, der mittelbar über den Spalttopf mit dem Kugellagertopf und mithin dem Kugellager in Verbindung steht. Soweit der Spalttopf mit dem Motorgehäuse einstückig gebildet ist, kann die Montage der Bauteile des Elektromotors über die axial dem Spalttopf gegenüberliegende Seite erfolgen, auf welcher der Gehäusedeckel abnehmbar positioniert wird. Gleichzeitig bietet die Lösung mit einem Gehäusedeckel als Kühlkörper die große Fläche zur Wärmeableitung an die Außenumgebung.
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An dem Motorgehäuse ist zudem vorteilhafterweise integral eine Steckvorrichtung mit Anschlüssen an die Motorelektronik vorgesehen, in welche kundenspezifische Stecker einsteckbar sind. In die Steckvorrichtung ist zudem auch die Kommunikationsschnittstelle integrierbar.
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Die Leistung der Wärmeableitung wird bei dem Elektromotor in einer Variante noch verbessert, bei welcher der Gehäusedeckel ein axial in Richtung der Außenumgebung vorstehendes Kühlelement aufweist, das die Abkühloberfläche des Gehäusedeckels lokal vergrößert. Vorzugsweise sind an dem Gehäusedeckel als Kühlelement eine Vielzahl von über den Gehäusedeckel verteilt angeordneten Kühlrippen ausgebildet. Die Kühlrippen können insbesondere einstückig an dem Gehäusedeckel ausgebildet oder alternativ daran stoffschlüssig befestigt werden. Dabei ist zudem günstig, wenn mehrere der Kühlrippen in axialer Projektion gesehen den Kugellagertopf überstrecken, so dass die lokal anfallende Wärme am Kugellagertopf besonders schnell und effektiv an die Außenumgebung geleitet wird.
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Auch in die axial gegenüberliegende Richtung, d.h. dem Spalttopf zuweisend wird in einer Ausführung des Elektromotors die Leistung der Wärmeableitung dadurch verbessert, dass an dem Gehäusedeckel zum Kugellagertopf vorstehender Kühlkörper ausgebildet ist, das mittelbar über den Spalttopf eine Anbindungsfläche an den Kugellagertopf lokal vergrößert.
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Als vorteilhafte Ausführung ist vorgesehen, dass der Kühlkörper zylindrisch oder konusförmig mit einer axialen Anbindungsfläche an eine axiale Außenwandfläche des Spalttopfes ausgebildet ist. Somit überträgt sich die Wärme des Kugellagers von dem Kugellagertopf auf den Spalttopf, dann weiter von dessen axialer Außenwandfläche an die Anbindungsfläche des zylindrischen Kühlkörpers und schließlich an die gesamte Fläche des Gehäusedeckels inklusive der Kühlelemente.
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Die Wärmeableitung wird zudem dadurch begünstigt, dass der Gehäusedeckel aus Metall oder wärmeleitendem Kunststoff gebildet ist.
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Der Kugellagertopf bildet in einer bevorzugten Ausführung einen Kugellagersitz, in den das Kugellager eingepresst ist.
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Zudem ist eine Variante des Elektromotors dadurch gekennzeichnet, dass der Kugellagertopf zwischen dem Kugellager und dem mit der Außenumgebung in Verbindung stehenden Abschnitt des Motorgehäuses einen Freiraum aufweist. Das Kugellager kann somit unmittelbar Wärme an die Luft in den Freiraum abgeben und steht nicht in unmittelbarem Kontakt mit der Axialfläche des Kugellagertopfes, die an dem Spalttopf und dem Kühlkörper anliegt.
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Ferner ist bei dem Elektromotor in einer Weiterbildung vorgesehen, dass sich der Spalttopf axial durch das Motorgehäuse bis zu dem Gehäusedeckel erstreckt. Der Spalttopf bestimmt somit in axialer Richtung, d. h. entlang der Rotationsachse der Motorwelle, einen erheblichen Teil des zentral innen liegenden Motorgehäuses um die Rotationsachse. Vorzugsweise erstreckt sich der Spalttopf in axialer Richtung über 60-95%, weiter bevorzugt über 70-95%, noch weiter bevorzugt über 80-90% der axialen Gesamterstreckung des Motorgehäuses.
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Vorteilhaft ist ferner ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Motorgehäuse und der Spalttopf aus Kunststoff gebildet sind und der metallische Kugellagertopf mit dem Kunststoff unmittelbar im Spritzgussverfahren umspritzt ist.
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Für eine kompakte Bauweise ist bei dem Elektromotor günstigerweise vorgesehen, dass die Wicklungen den Spalttopf in Umfangsrichtung umschließen. Gleichzeitig ist vorteilhaft, dass die Wicklungen axial zu dem Kugellager beabstandet angeordnet sind. Somit bleibt die Wärmeentwicklung der Motorwicklungen von derjenigen des Kugellagers getrennt.
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Weiter vorteilhaft für eine kompakte Bauweise des Elektromotors ist, dass die Motorelektronik axial einseitig auf einer Leiterplatte angeordnet ist, die eine zentrale Öffnung aufweist und sich der von dem Gehäusedeckel vorstehender Kühlkörper durch die zentrale Öffnung hindurch erstreckt. Alternativ wird vorgesehenen, dass sich der Spalttopf durch die zentrale Öffnung hindurch erstreckt.
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Der Innenläufer-Rotor ist ebenfalls besonders gestaltet und weist einen Wellendurchgang auf, der eine axiale Anschlagfläche bildet. Die axiale Anschlagfläche kann beispielsweise durch einen Rücksprung der Innenmantelfläche erfolgen, der eine Stufe ausbildet. Zudem ist in dem Wellendurchgang an der Anschlagfläche anliegend eine Pressbuchse angeordnet, in welche die Motorwelle einpressbar ist. Der Wellendurchgang wird vorzugsweise durch eine Kunststoffumspritzung eines Ferrit-Permanentmagneten realisiert, in den die Pressbuchse bei einer radialen Aufweitung und einhergehenden Vergrößerung ihres Außendurchmessers zumindest ein Stück weit radial eindrückbar ist.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
- 1 eine seitliche Schnittansicht durch einen Elektromotor eines Ausführungsbeispiels;
- 2 eine Detailansicht aus 1.
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In den 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektromotors 1 in einer seitlichen Schnittansicht bzw. Detailansicht dargestellt.
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Der Elektromotor 1 umfasst das einstückige, aus PPS (Polyphenylensulfid) gebildete Motorgehäuse 2 mit dem Gehäusedeckel 3, der axial auf dem Motorgehäuse 2 befestigbar ist und im befestigten Zustand einen Teil des Motorgehäuses bildet. Auf der axial dem Gehäusedeckel 3 gegenüberliegenden Seite bildet das Motorgehäuse 2 einstückig den sich axial ins Innere des Motorgehäuses 2 hinein erstreckenden Spalttopf 7 aus. Zwischen der Innenwandung des Motorgehäuses 2 und dem Außenmantel des Spalttopfes 7 liegt der Motorabschnitt, in dem die Motorwicklungen 6 und die auf der Leiterplatte 14 axial einseitig befestigte Motorelektronik 5 aufgenommen sind. Die Bauteile der Motorelektronik 5 erstrecken sich in Hohlräume des Motorabschnitts in Richtung der Motorwicklungen 6. Über den Spalttopf 7 dichtend abgegrenzt liegt innerhalb des Spalttopfes 7 der mit den von den Arbeitsmaschinen geförderten Medien in Kontakt kommende Wellenabschnitt, in dem die Motorwelle 4 entlang ihrer Rotationsachse verläuft. Der Spalttopf 7 erstreckt sich in axialer Richtung im Wesentlichen durch das gesamte Motorgehäuse 2 bis zu dem Gehäusedeckel 3. Ferner ist am Motorgehäuse 2 die Steckvorrichtung 77 mit Anschlüssen, welche mit der Motorelektronik 5 auf der Leiterplatte 14 verbunden sind, zum Anschluss der kundenspezifischen Stecker integriert.
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Im Wellenabschnitt ist im Spalttopf 7 der Innenläufer-Rotor 44 positioniert, dessen Ferrit-Permanentmagnet 55 mit einer seine Innenmantelfläche bestimmenden Kunststoffumspritzung versehen ist, die den Wellendurchgang für die Motorwelle 4 bildet. An der Innenmantelfläche ist die Pressbuchse 22 angeordnet, die sich an einem Axialanschlag (nicht gezeigt) abstützt, um die Motorwelle 4 einpressen zu können.
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Im in axialer Richtung gesehen tiefsten Abschnitt des Spalttopfes 7 ist der aus einem wärmeleitfähigen Material, insbesondere aus Metall gebildete Kugellagertopf 8 angeordnet. Das Motorgehäuse 2 mit dem Spalttopf 7 ist aus Kunststoff im Spritzgussverfahren um den Kugellagertopf 8 gespritzt, so dass der Spalttopf 7 und der Kugellagertopf 8 dieselbe Form bzw. Innen- und Außenkontur aufweisen und unmittelbar aneinander anliegen. Der Kugellagertopf 8 bestimmt den Lagersitz für das eingepresste Kugellager 9, in dem die Motorwelle 4 gelagert ist. Zwischen dem Kugellager 9 und der axialen Innenwandfläche des Spalttopfes 7 ist der Freiraum 13 gebildet, in den sich die Motorwelle 4 mit ihrem freien Ende hinein erstreckt.
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Um die Rotationsachse ist an dem Gehäusedeckel 3 einstückig ein axial in Richtung des Kugellagertopfes 8 vorstehender Kühlkörper 11 in Form eines aus Vollmaterial gebildeten Zylinders ausgebildet. Axial zwischen dem Kühlelement 11 und der axialen Außenwandfläche des Spalttopfes 7 ist der Spalt 121 mit einem Spaltmaß von maximal 1/20 des Außendurchmessers des Kugellagers. In dem Spalt 121 ist in der gezeigten Ausführung eine Schicht der Wärmeleitpaste 10 vorgesehen, die auch durch Wärmeleitkleber ersetzbar ist.
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Die Wärmeableitung der durch das Kugellager 9 im Betrieb erzeugten Wärme erfolgt von dem Kugellager 9 auf den Kugellagertopf 8, weiter an den Spalttopf 7 und in axialer Richtung über die Wärmeleitpaste 10 an den Kühlkörper 11 des Gehäusedeckels 3 des Motorgehäuses 2. Von dem Gehäusedeckel 3 wird die Wärme weiter an die Außenumgebung abgegeben. Das Motorgehäuse und insbesondere sein Gehäusedeckel 3 fungieren mithin als Kühlkörper. In einer nicht gezeigten alternativen Ausführung wird auf die Wärmeleitpaste 10 verzichtet und der Kühlkörper 11 kontaktiert unmittelbar den Spalttopf 7. Der Spalt 121 hat dann das Spaltmaß Null.
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Der Spalttopf 7 ist hohlzylindrisch und in drei axiale Abschnitte mit jeweils unterschiedlichen Innendurchmessern unterteilt. In Bereich des geringsten Durchmessers ist der Freiraum 13, im mittleren Bereich der Lagersitz mit dem Kugellager 9 und im Bereich des größten Innendurchmessers sind radial um den Spalttopf 7 die Motorwicklungen 6 angeordnet. Das Kugellager 9 ist somit gegenüber den Motorwicklungen 5 in axialer Richtung gesehen überlappungsfrei.
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Die Leiterplatte 14 bestimmt um die Rotationsachse der Motorwelle 4 die zentrale Öffnung 15, durch die sich in axialer Richtung der von dem Gehäusedeckel 3 axial vorstehende Kühlkörper 11 hindurch bis zu dem Spalttopf 7 erstreckt. In einer nicht dargestellten, jedoch ebenfalls zur Offenbarung gehörenden alternativen Variante erstreckt sich anstelle des Kühlkörpers 11 der Bereich des geringsten Durchmessers des Spalttopfes 7 durch die Öffnung 15 oder zumindest in die Öffnung 15 hinein, so dass die Kontaktierung zwischen Spalttopf 7 und Kühlkörper 11 auf Höhe der Leiterplatte 14 oder axial oberhalb der Leiterplatte 14 erfolgt. In einer weiter alternativen Ausführung wird vorgesehen, den Gehäusedeckel 3 ohne Kühlkörper 11 auszubilden und den Spalttopf 7 unmittelbar oder über die Wärmeleitpaste 10 oder den Wärmeleitkleber an die axiale Innenwand des Gehäusedeckels 3 zur Anlage zu bringen.
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Der Gehäusedeckel 3 bildet eine Vielzahl von über seine zur Außenumgebung weisenden Oberfläche verteilt angeordnete Kühlrippen 111 aus, die sich teilweise mittig, d.h. in axialer Projektion gesehen über den Kugellagertopf 8 erstrecken. Hierdurch wird die im Bereich des Kugellagertopfes 8 anfallende Wärme schneller an die Außenumgebung geleitet.
