DE2256142A1

DE2256142A1 - Elektromotor mit kuehlvorrichtung

Info

Publication number: DE2256142A1
Application number: DE2256142A
Authority: DE
Inventors: Stig Lennart Hallerbaeck
Original assignee: SKF Industrial Trading and Development Co BV
Current assignee: SKF Industrial Trading and Development Co BV
Priority date: 1971-11-18
Filing date: 1972-11-16
Publication date: 1973-05-24
Also published as: IT1044868B; GB1404485A; DD100591A5; FR2160660A2; DE7242113U; JPS4886007A

Description

Patentanwälte

Dipl.-Ing.W.Beyer .. ^; Dipl.-Wirtsch.-Ing· B.Jochem

Frankfurt am Hain Freiherr-vom-Steln-Str.

In Sachen:

SKF Industrial Trading and
Development Company B.V.
Amsterdam / Niederlande
Overtoom

Elektromotor mit Kühlvorrichtung.

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einem Stator, einem Rotor und radial innerhalb der stirnseitigen Wicklungsköpfe am Stator befestigten, schalenförmigen, die Lager der Rotorwelle aufnehmenden Lagergehäusen, welche konzentrische Reihen Durchtrittslöcher für zwischen den Räumen vor den Stirnseiten des Rotors und den Räumen vor den Stirnseiten des Stators sowie um die Wicklungsköpfe zirkulierende Kühlluft aufweisen.

In der modernen Industrie steigen die Anforderungen an die Produktionsmaschinen ständig, und man erwartet von diesen eine immer vollkommenere Wirkungsweise. Dies führt u.a. zu einer kontinuierlichen Vergrößerung der Zahl der Elektromotoren, die mit immer besserem Wirkungsgrad, schneller und mit weniger Vibrationen laufen sollen, gleichzeitig aber kleiner und leichter als bisher sein sollen. Oft ist es auch erwünscht, daß die während des Betriebs entwickelten Temperaturen gesenkt werden.

Die angestrebten Eigenschaften der modernen Elektromotoren sind technisch nicht leicht zu verwirklichen, und weitere

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Schwierigkeiten erwachsen neuerdings aus dem Umweltbewußtsein. Dieses verträgt sich oft nicht mit den erhöhten Forderungen nach technischer Leistungsfähigkeit, z.B. dann nicht, wenn gleichzeitig das Lärmniveau in der Werkstatt oder im Büro gesenkt werden soll.

Die erhöhten Temperaturen und die hohen Drehzahlen moderner Elektromotoren machen eine verbesserte Zwangskühlung, z.B. durch wirkungsvollere Kühlluftgebläse, erforderlich. Dies erhöht jedoch wiederum den Geräuschpegel in solchem Maße, daß sich eine schallisolierende Verkapselung der gesamten

Motoreinheit mit dem zugehörigen Luftleitungssystem als notwendig erwiesen hat, um den Lärm auf ein annehmbares Niveau zu senken. Wirksame Verkapselungen brauchen jedoch so viel Raum, daß sie ein Hindernis für die verbreitete Anwendung der Elektromotoren im Maschinenbau darstellen. Druckunterschiede in den Luftleitungen, in der Luft enthaltener Staub, Feuchtigkeit und Schmutz sind weitere Faktoren, welche die auf eine Verringerung des Lärms gerichteten Versuche behindern. Besondere Kühlluftgebläse können außerdem aerodynamische und Resonanzschwingungen verursachen, die nicht nur die menschlichen Arbeitsbedingungen, sondern auch die Eigenschaften der mit solchen Elektromotoren ausgerüsteten Maschinen verschlechtern.

Die Hersteller von Elektromotoren streben kleinere Baumaße an, aber jeder in dieser Richtung erreichte Fortschritt hat für die Praxis nur geringen Wert wegen der höheren Betriebstemperaturen kompakterer Motoren. Hohe Drehzahlen und wärmebeständige Materialien sind in diesem Zusammenhang kein Allheilmittel, weil der Druck im Inneren des Motors während des Betriebs infolge des Temperaturanstiegs so hoch wird, daß die erforderlichen Wellendichtungen nicht richtig funktionieren können. Als Folge davon kommt es zum Luftaustausch zwischen dem Inneren des Motors und der umgebenden Atmosphäre, welche oft mit Verunreinigungen überladen ist. Dies bringt "

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die Go fahr oinoR Zusammenbruchs oder schwerer Ungl on. chp;«- wichtigkeiten mit sich.

Um die bei luftgekühlten Elektromotoren bestehenden Probleme zu lösen oder auszuschalten, ist versucht worden, bestimmte Motorentypen mit einem Flüssigkeitskühlsystera, "wie z.B. einem Kühlwassermantel, zu versehen. Diese. Art des Abtransports der Wärmeverluste ist sehr viel wirksamer als die herkömmlichen Anordnungen mit Luftkühlung. Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Kühlvorrichtungen mit Wasserkühlung bestand gedoch bisher noch darin, daß sich während des Betriebs verhältnismäßig starke Temperaturdiefferenzen zwischen den verschiedenen Teilen des Motors einstellten. Das in direkter metallischer Berührung mit dem Kühlwassermantel stehende Statorb.lechpaket wird nämlich sehr viel wirksamer gekühlt als die inneren Bereiche des Stators und die stirnseitigen Wicklungsköpfe der Statorwindungen. Diese Temperaturunterschiede haben einen abträglichen Einfluß auf die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer des Motors» Mit einer gleichmäßigeren Motortemperatur könnten die Leistung gesteigert und gleichzeitig andere wichtige Eigenschaften sowie die Lebensdauer verbessert werden. Wenn außerdem die Temperatur der im Motor eingeschlossenen Luft so weit gesenkt werden könnte, daß sie nur wenige Grad über der Umgebungstemperatur liegt, ließe sich der Druckanstieg im Motor infolge Temperaturerhöhung so niedrig halten, daß die Wellendichtungen und andere druckempfindliche Bauteile einwandfrei funktionierten und verhindert wäre, daß Verunreinigungen in das Innere des Motors gelangen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Motor der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem eine Flüssigkeits- und eine Luftkühlung derart sinnvoll kombiniert sind, daß sie gegenseitig ihre wesentlichen Nachteile aufheben.

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Vorstehende Aufgabe wird "bei einem Elektromotor mit einer Luftkühlung der in bezug genommenen Art dadurch gelöst, daß der Stator von einem mit ihm wärmeleitend verbundenen, sich axial über die Wicklungskopfe hi neun erntreckenden Kühl— flüssigkeitsmantel umgeben ist, dessen Innenwand zusammen mit Motorendwänden, die mit ihm und den Lagergehäusen verbunden sind, die Räume stirnseitig vor dem Stator begrenzt, welche Strömungswege für durch den Rotor geförderte, über bestimmte Löcher in den Lagergehäusen an den Wicklungsköpfen und dann an der Innenwand des Kühlflüssigkeitsmantels entlanggeführte Kühlluft bilden, welche im Kreislauf nach ihrer Abkühlung am Kühlflüssigkeitsmantel über andere Löcher in den Lagergehäusen wieder in die Räume vor den Stirnseiten des Rotors zurückführbar ist.

Ein entsprechend dem neuen Vorschlag ausgebildeter Elektromotor wird allen technischen Anforderungen im Hinblick auf geringe Vibrationsneigung, niedrige Betriebstemperatur, kleine Maße bei großer Leistung sowie auch eine gleichförmige innere Temperaturverteilung erfüllen. Der Motor arbeitet sehr leise, da die üblichen starken Gebläse nicht gebraucht werden, und die mit Flüssigkeit gefüllten Gehäuseteile dämpfen wirksam die während des Betriebs entstehenden Geräusche. Eine Störung der Arbeitsbedingungen im Bereich des Motors durch Kühlluftkanäle, Isolierkammern und ähnliche besondere Vorkehrungen, die manchmal auch das Bedienungspersonal einem unangenehmen Zug aussetzen und die Gesundheit gefährden, entfällt.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Ed zeigen:

Fig. 1 einen vereinfachten einseitigen Axialschnitt durch einen Elektromotor gemäß der Erfindung,

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Fig. 2 einen vereinfachten einseitigen Axialschnitt

eines Motorendes eines weiteren Ausführungsbeispiels,

Fig. 3 eine Abwandlung einer Einzelheit-der Ausführung nach Fig·. 2 in einer dieser entsprechenden Ansicht. . ■ *

In den verschiedenen Zeichnungsfiguren sind für identische . Teile dieselben Bezugszeichen benutzt worden.

Fig. 1 zeigt einen Elektromotor mit einem Statorblechpaket 1 mit einer Wicklung 22, deren stirnseitige Wicklungsköpfe mit 2 bezeichnet sind. Ein auf einer Rotorwelle 4- sitzender Rotor 3 ist mittels Lagern 24 koaxial zum Stator ausgerichtet und geführt, welche in schalenförmigen Lagergehäusen 5 und 6 aufgenommen sind, die z.B. durch Schweißen und über ringförmige Ansätze 7 und 8 an den Stirnseiten des Stators befestigt sind. Die Lagergehäuse liegen dabei an einer koaxial zur Statorachse ausgerichteten Schulterfläche an. Die schalenförmigen Lagergehäuse 5 und 6 sind radial innerhalb der Wicklungsköpfe 2 der Statorwicklung angeordnet.

Das Statorblechpaket 1 ist umgeben von einem Kühlflüssigkeit smant el, dessen Innenwand 9 dicht am Statorblechpaket anliegt und sich axial bis über die Wicklungsköpfe 2 erstreckt. Außerhalb der Innenwand 9 befindet sich ein Kanalsystem mit in Umfangsrichtung verlaufenden Kanälen 10 und 11 an den Enden des Kühlflussigkeitsmantels. Die Umfangskanäle sind durch eine Vielzahl mit gegenseitigem Zwischenabstand angeordneter axialer Kanäle 12 verbunden. Nach außen wird das Kanalsystem durch eine die Außenwand des Kühlflussigkeitsmantels bildende Hülle abgeschlossen. Die Kühlflüssigkeit wird über eine Einlaßleitung 14 zugeführt und über eine Auslaßleitung 15 abgeleitet. Die zugeführte Kühlflüssigkeit ist mit 16 bezeichnet. Die Strömungsrichtung der Flüssigkeit entlang der Kanäle des

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Mantels ist durch Pfeile 17 angedeutet. Während des Betriebs des Motors werden die Wärmeverluste vom Statorblechpaket über die Innenwand 9 an die Kühlflüssigkeit abgeleitet. Wären keine weiteren Maßnahmen getroffen, so würde die in den Vicklungsköpfen 2 entstehende Wärme in das Statorblechpaket übergehen, um von dort zum Kühlmittel geleitet zu werden. Unter diesen Umständen würde die Temperatur der Wicklungsköpfe stark ansteigen und sehr viel höher werden als die des Statorblechpakets. Wenn nicht ein kräftiger, nach auswärts gerichteter Luftstrom gegen die Wicklungsköpfe gelenkt wird, bewirkt die Wärmeabstrahlung von den Wicklungsköpfen 2 zu der dieser ausgesetzten Fläche 18 des Kühlmantels nur eine sehr geringe Ermäßigung der Temperatur der Wicklungsköpfe. Indem jedoch eine nach auswärts gerichtete, lebhaft zirkulierende Luftströmung um alle Wicklungsköpfe geführt wird, wird eine sehr wirkungsvolle Zwangskühlung derselben erreicht. Dieser Strömungskreislauf der Luft kommt dadurch zustande, daß in den Lagergehäusen 5 und 6 ein System von radial inneren, mit gegenseitigem Abstand in Reihe liegenden Durchtritts-Iöchem19 und einer Reihe radial äußerer Durchtrittslöcher vorgesehen ist. Bei Drehung des Rotors 3 wird ein kontinuierlicher Luftstrom 21 nach außen durch die Löcher 20 gefördert, der gezwungen ist, durch und über die Wicklungen 22 mit ihren Wicklungsköpfen 2 zu strömen. Die Luft nimmt an den Wicklungen Wärme auf und kühlt sie dadurch. Der Luftstrom streicht danach weiter nach außen und kommt mit der gekühlten inneren Fläche 18 des Kühlflüssigkeitsmantels in Berührung, wo die durch die Luft von den Wicklungen aufgenommene Wärme sehr schnell abgegeben wird. Die Kühlfläche 18 kann als durch besondere Maßnahmen vergrößerte Fläche ausgebildet sein. Nachdem die Kühlluft die aufgenommene Wärme an den Kühlflussigkeitsmantel abgegeben hat, wird sie entlang einer Motorendwand 23 > welche dicht mit dem Kühlflussigkeitsmantel verbunden ist, zu der radial inneren Reihe Durchtrittlöchern 19 geleitet. Dahinter kühlt die Luft die Lagernabe des Lagergehäuses und das Lager 24. Durch die Drehung

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des Rotors wird die Kühlluft dann wieder nach außen durch die Löcher 20 gefördert, um erneut die ihr ausgesetzten Statorwicklungen zu kühlen. Auf dem Weg durch das Lagergehäuse kühlt sie dabei die Stirnfläche 25 des Rotors und dessen Kurzschlußringe 26. Wegen der wirksamen Kühlimg der die Wicklungsköpfe 2 aufnehmenden Räume 27? kann die Temperatur der zirkulierenden Kühlluft so niedrig gehalten werden, daß auch der dadurch verursachte Druckanstieg sehr klein bleibt. Von einer Dichtung 28 am herausgeführten Ende der Rotorwelle 4- ist deshalb zu erwarten, daß sie störungsfrei arbeitet.

Die Hülle 13 und die Motorendwände 23 können aus jedem geeigneten Material bestehen. Wenn die Wärmeabstrahlung optimal sein soll, wäre Metall vorzuziehen. Hat dagegen die Lärmdämpfung Vorrang, sollten diese Gehäuseteile vorzugsweise aus Kunststoff oder Gummi bestehen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. und 3 dargestellt, wo ein Elektromotor gezeigt ist, welcher außer einem Kühlflüssigkeitsmantel um den Stator auch flüssigkeitsgekühlte Endwände aufweist:

Die Motorendwand 23 besteht aus gepreßtem Metallblech und ist hohl, um in dem Hohlraum 29 eine Kühlflüssigkeit, z.B. Wasser, aufzunehmen. Das Kühlwasser wird durch die Einlaßleitung 14- über einen Kanal 30 dem Hohlraum 29 zugeführt. Neben dem Rotorlager 24 ist die Innenwand der doppelten Motcrrendwand nach einwärts gebogen, um das Wasserreservoir und die Kühlfläche zwischen dem Wasser und dem Lager zu vergrößern. Außerdem wird auf diese Weise der Liiftstrom im Motor in geeigneter Weise umgelenkt.

Das Kühlwasser strömt aus der Endwand durch einen nicht gezeigten Auslaß, welcher vorzugsweise diametral gegenüber dem Einlaß 10 Diegt, um Bereiche mit stehendem Wasser zu '

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vermeiden. Dor Auslaß kann sich in den das Statorblechpakct umgebenden Kühlwassermantel erstrecken.

Um beiden hohlen Endwänden Kühlwasser zuzuführen, kann eine Konstruktion nach Fig. 3 gewählt werden. Dabei sind zwei getrennte Rohre oder Leitungen 31 innerhalb der Einlaßleitung 14- angebracht, von denen jede einen Wasserstrom zur zugehörigen Endwand führt. Die Leitungen 31 können z.B. aus Gummi bestehen. Alternativ können sie aber auch gegossen sein. Dies kann z.B. dann zweckmäßig sein, wenn die Hülle bzw. Außenwand 13 ?in Gußteil aufweist.

•Da die Motorendwände keinen großen Beanspruchungen ausgesetzt sind, weil die Lager in am Statorblechpaket abgestützten Lagergehäusen aufgenommen sind, können die Endwände in einfacher und eleganter Weise befestigt und abgedichtet werden. Fig. 2 zeigt z.B. eine Endwand 23 aus Metallblechpreßlingen und eine Hülle 13 aus Gummi. Die Endwand ist im Beispielsfall mittels O-Ringen 32 sowohl mit dem Lagergehäuse 5 als auch mit dem Kuhlflussigkeitsmantel 9 verbunden. Ein Klemmring 33 hält die Gummihülle 13 in dichter Anlage an einem axialen Flansch 34 der Endwand. Es bedarf in diesem Fall keiner Schraubverbindungen oder ähnlicher teurer und komplizierter Konstruktionsteile.

Patentansprüche /

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Claims

Patentansprüche

Elektromotor mit einem Stator, einem Rotor und radial innerhalb der stirnseitigen Wicklungsköpfe am Stator befestigten, schalenförmigen, die Lager der Rotorwelle aufnehmenden Lagergehäusen, welche konzentrische Reihen Durchtrittslöcher für zwischen den Räumen vor den Stirnseiten des Rotors und den Räumen vor den Stirnseiten'des Stators sowie um die Wicklungsköpfe zirkulierende Kühlluft aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (1) von einem mit ihm wärmeleitend verbundenen, sich axial über die Wicklungsköpfe (2) hinaus erstreckenden Kühlflüssigkeitsmantel (9, 13) umgeben ist, dessen Innenwand (9) zusammen mit Motorenendwänden (23), die mit ihm und den Lagergehäusen (5, 6) verbunden sind, die Räume (27) stirnseitig vor dem Stator (1) begrenzt, welche Strömungswege für durch den Rotor (3) geförderte, über bestimmte Löcher (20) in den Lagergehäusen (5, 6), an den Wicklungsköpfen (2) und dann an der Innenwand (9, 18) des Kühlflüssigkeitsmantels (9, 13) entlanggeführte Kühlluft (21) bilden, welche im Kreislauf nach ihrer Abkühlung am Kühlflüssigkeitsmantel über andere Löcher (19) in. den Lagergehäusen (5, 6) wieder in die Räume vor den Stirnseiten' des Rotors ($) zurückführbar ist.
2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch ge-· kennzeichnet , daß wenigstens eine der Motorendwände (23) hohl und an das Flüssigkeit skü'hlsystem (14) angeschlossen ist.
3· Elektromotor nach Anspruch 2 mit zwei hohlen Motorendwänden, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Einlaßleitung (14) des Kühlflüssigkeitsmantels (9» 13) getrennte Leitungen oder Rohre (31) angeordnet sind,

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welche Kühlflüssigkeit zu den hohlen Motorendwänden (23) führen.
4. Elektromotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßleitung der hohlen Motorendwände (23) diametral gegenüber ihrer Einlaßleitung (30; 31) angeordnet ist.
5. Elektromotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens eine hohle Motorendwand (23) aus Metallblechpreßlingen hergestellt ist.
6. Elektromotor nach Anspruch 2, dadurch g e kennzeichnet, daß an den Verbindungsstellen zwischen der Motorendwand (23) und dem Kühlflüssigkeits~ mantel (9) sowie dem Lagergehäuse (5, 6) O-Ringe (32) aus elastischem Material angeordnet sind, welche eine unmittelbare Berührung zwischen der Kühlflüssigkeit und dem Lagergehäuse (5» 6) gestatten.

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L e e r s e i t e