DE4407713C1 - Bürstenloser Elektromotor und Verfahren zu dessen Betrieb - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen bürstenlosen Elektromotor mit einem flüssigkeitsdichten Gehäuse, einem innenlaufenden Rotor, der mit einer Abtriebswelle verbunden ist, einem zu dem Rotor in radialem Abstand angeordneten Statorpaket, einer in das innere des Gehäuses führenden Kühlmittelzuführung, und einer aus dem Gehäuse heraus führenden Kühlmittelab­ führung.

Derartige Elektromotoren sind im Stand der Technik in vielfachen Ausführungsformen bekannt und sind im kühlmit­ telbeschickten Betrieb geeignet, mechanische Antriebslei­ stungen abzugeben, die im ungekühlten Betrieb nicht er­ reichbar sind. Als Kühlmittel wird in der Regel ein nicht aggressives Öl mit geringer Viskosität und hohem Siede­ punkt verwendet.

Aus der DE-OS 21 45 126 ist eine derartige elektrische Maschine mit Ölsprühkühlung bekannt, bei der auf jeder Seite der Ma­ schine in ihrem inneren je ein Kühlkreis mit Sprühöffnun­ gen vorgesehen ist, die das durch diese Öffnungen austre­ tende Kühlmittel sowohl auf die Wickelköpfe des Stators, als auch auf den Rotor sprühen.

Allerdings sind bekannte Motoren meistens so ausgestaltet und dimensioniert, daß sie entweder permanent als Sprühölmotoren oder permanent als Unterölmotoren betrie­ ben werden.

Bei Anwendungen, die gleichmäßige Antriebsleistungen be­ nötigen, können derartige Motoren bei guten Leistungs­ dichten und hohem Wirkungsgrad eingesetzt werden.

Wenn eine Anwendung jedoch stark wechselnde Drehzahlen und/oder Drehmomente erfordert, wie dies z. B. beim An­ trieb von Kraftfahrzeugen der Fall ist, sinkt der Wir­ kungsgrad in der Gesamtbilanz (Gesamt-Drehzahl bzw. Ge­ samt-Drehmomentbereich) erheblich, da z. B. bei hohen Drehzahlen das Kühlmittel im Unterölmotor erhebliche Ver­ luste bringt.

Es sind daher verbesserte Kühlsysteme vorgeschlagen wor­ den.

Aus der AT 10 80 63 ist ein fremdbelüfteter Asynchronmo­ tor bekannt, bei dem die Drehzahl und damit die Leistung des Kühlventilators in Abhängigkeit von der Schlupffre­ quenz des zu lüftenden Motors derart gesteuert ist, daß die Kühlwirkung mit der Schlupffrequenz wächst.

Aus der DE 25 38 561 A1 ist ein ölgekühlter Induktionsmotor bekannt, bei dem das gesamte Gehäuseinnere vollstän­ dig mit Öl gefüllt ist. Bei diesem Induktionsmotor ist die Ölumwälzpumpe mit der Lüfterwelle verbunden. Dadurch kann eine von der Drehzahl des Induktionsmotors abhängige Kühlung erreicht werden.

Aus der DE 42 13 132 A1 ist ein wassergekühlter bürsten­ loser Elektromotor bekannt. Das Kühlwasser wird hierbei durch Wasserkanäle in dem Gehäuse geführt. Neben der Was­ serkühlung wird noch eine zusätzliche Luftkühlung für die Durchströmung des Gehäuses beschrieben, wobei das Umlau­ fen des Läufers für eine Luftzirkulation sorgt. Dabei wird die zirkulierende Luft nicht mit der Umgebungsluft ausgetauscht, sondern im inneren des Gehäuses durch einen Wärmetauscher geführt und dort wieder abgekühlt.

Aus der DE 24 55 567 A1 ist eine Kühlwasser-Mengen­ regelung für wassergekühlte Drehstrommotoren bekannt, bei der in der Kühlwasserableitung ein Regelventil mit einem Thermoregler und einem Temperaturfühler angeordnet ist.

Die Erfindung hat die Aufgabe, den Wirkungsgrad der An­ ordnung insgesamt hoch zu halten und einen Elektromotor mit einer hohen Leistungsdichte bereitzustellen. Zur Lö­ sung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung der Elektro­ motor durch eine den durch das innere des Gehäuses flie­ ßenden Volumenstrom des Kühlmittels drehzahl- und dreh­ momentabhängig einstellende Steuereinrichtung weiterge­ bildet.

Durch diese Maßnahme kann der Volumenstrom durch den Elektromotor an die Drehzahl und das Drehmoment so ange­ paßt werden, daß sowohl die Verlustwärme (bei hohem Dreh­ momenten) im gewünschten Umfang abgeführt werden kann, indem der Elektromotor als Sprühölmotor oder als Unteröl­ motor betrieben wird, als auch (bei hohen Drehzahlen) die Bremswirkung des Kühlmittels ausgeschaltet werden kann, indem der Elektromotor (weitgehend) trocken gefahren wird.

Durch die Rotation des Rotors im Betrieb des Elektromo­ tors entsteht bereits eine gewisse Pumpwirkung, die je­ doch weitgehend von der Drehzahl des Elektromotors abhän­ gig ist. Um auch bei niedrigen Drehzahlen (und hohen Drehmomenten) eine ausreichende Kühlwirkung zu erreichen, oder wenn die Pumpwirkung des Elektromotors selbst nicht ausreicht, ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinrichtung eine Pumpe ansteuert, die das Kühlmittel durch die Kühl­ mittelzuführung in das innere des Elektromotors und durch die Kühlmittelabführung aus dem Elektromotor heraus för­ dert.

Um sicherstellen zu können, daß bei hohen Drehzahlen der Elektromotor auch (weitgehend) trocken, das heißt ohne (oder nur mit geringen Mengen) Kühlmittel betrieben wer­ den kann, ist vorgesehen, daß die Steuereinrichtung ein Ventil ansteuert, durch das der Volumenstrom des Kühlmit­ tels durch die Kühlmittelzuführung in das innere des Elektromotors und durch die Kühlmittelabführung aus dem Elektromotor heraus unterbrechbar bzw. reduzierbar ist.

Der Ort des Ventils in dem Kühlmittelkreislauf ist unter anderem davon abhängig, ob die Pumpe eine Saug- oder Druckpumpe ist. Entscheidend ist lediglich, daß der Kühl­ mittelkreislauf durch das Ventil unterbrechbar ist, und daß das Kühlmittel bei unterbrochenem Kühlmittelkreislauf aus dem Innern des Elektromotors herausgepumpt werden kann.

Weiterhin kann ein Reservoir für das Kühlmittel vorgese­ hen sein, das das Kühlmittel zum Beispiel dann speichert, wenn der Elektromotor trocken läuft.

Schließlich kann zur Abkühlung des im Innern des Elektro­ motors erwärmten Kühlmittels in dem Kühlmittelkreislauf ein Wärmetauscher in Gestalt eines Radiators vorgesehen sein, der ggf. auch durch ein Gebläse zwangsgekühlt sein kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des bürstenlosen Elektromotors reicht die Kühlmittelzuführung im Bereich einer Stirnplatte des Rotors in das innere des Gehäuses. Dabei ist nicht entscheidend, ob die Durchführung radial oder tangential an dem Rotor bzw. dessen Stirnplatte mün­ det, sondern lediglich wichtig, daß das zugeführte Kühl­ mittel - im gefluteten oder im Sprühöl-Betrieb - mit dem Rotor bzw. dessen Stirnplatte im Berührung kommt, um zu­ mindest zum Teil nach außen zu den Statorwicklungen ge­ fördert zu werden.

Wenn das Kühlmittel auf die Stirnplatte des Rotors gelei­ tet wird, ist es für eine anteilige Verteilung des Kühl­ mittels von Vorteil, wenn die Stirnplatte des Rotors ei­ nen Aufnehmer für das Kühlmittel auf­ weist. Damit kann dann eine Weiterleitung des Kühlmittels zu den wichtigen zu kühlenden Teilen des Elektromotors erfolgen.

Bei einer Ausführungsform des Elektromotors geht die Kühlmittelzuführung zu dem Rotor durch dessen Rotati­ onsachse und mündet in wenigstens zwei zu dem äußeren Um­ fang des Rotors hinführende Kühlmittelleitungen. Diese Ausgestaltung bietet eine besonders gute Pumpwirkung für das Kühlmittel, da die Pumpleistung vom radialen Weg des Kühlmittels abhängig ist und mit dem Quadrat des Weges anwächst.

Bei einer anderen Ausführungsform des Elektromotors ist vorgesehen, daß der Aufnehmer kreisnutförmig ist und an seiner radial außen liegenden Wandung einen durchgehenden Steg aufweist, dessen freies Ende zu der Rotationsachse des Rotors hinweist. Dieser Steg stellt sicher, daß das Kühlmittel beim Sprühölbetrieb nicht nach vorne (von der Stirnseite des Rotors in Richtung auf die Gehäuseinnen­ wand) wegfließt, sondern das Kühlmittel für die Kühlung der Teile zur Verfügung steht, die der Kühlung besonders bedürfen.

Zur besonders einfachen Zuführung des Kühlmittels ist vorgesehen, daß die Kühlmittelzuführung gegenüber dem um laufenden Steg radial nach innen versetzt ist, und der Auslaß der Kühlmittelzuführung den durchgehenden Steg in axialer Richtung zum Grund des Aufnehmers hin überragt.

Wenn der innenliegende Rotor eine glockenförmige Gestalt mit einem freien Innenraum aufweist, ist es vorteilhaft, daß der Aufnehmer im radial außen liegenden Bereich sei­ nes Grundes bzw. die Kühlmittelleitungen (im Fall der zentralen Kühlmittelzuführung) jeweils mit wenigstens ei­ nem Kühlmittelkanal verbunden sind, der in den Innenraum des Rotors reicht. Damit können auf einfache Weise im Innern des Rotors angeordnete Teile gekühlt werden und durch das Kühlmittel auch gegenüber der Stirnplatte des Rotors zurückgesetzte Teile gekühlt werden.

Um einen sicheren Transport des Kühlmittels aus dem kreisnutförmigen Aufnehmer in andere Bereiche des Elek­ tromotors sicherzustellen, bzw. um eine vollständige Ent­ leerung des Aufnehmers zu ermöglichen, ist es vorgesehen, den Einlaß des Kühlmittelkanales am Grunde des Aufnehmers gegenüber dein Auslaß des Kühlmittelkanales in den Innen­ raum des Rotors radial nach innen zu versetzen.

Um in der Innenwandung des Rotors ein bestimmtes Volumen an Kühlmittel aufnehmen zu können, das zum einen den Rotor kühlen kann und zum anderen als Vorrat für Kühlmittel dient, das an andere Teile des Elektromotors weitergelei­ tet werden kann, ist es vorteilhaft, daß der Auslaß des Kühlmittelkanales in den Innenraum des Rotors zumindest gegenüber einem radial erweiterten Wandungsabschnitt des Innenraumes des glockenförmiges Rotor radial nach innen versetzt ist.

Um die Weiterleitung des Kühlmittels aus diesem erweiter­ ten Wandungsabschnitt zu anderen Teilen des Elektromotors zu ermöglichen, weist der erweiterte Wandungsabschnitt des Innenraumes wenigstens einen Kühlmitteldurchlaß zur Außenseite des glockenförmigen Rotors auf.

Damit durch die Fliehkraft das Kühlmittel sich von der Stirnplatte des Rotors auch zu den weiter hinten liegen­ den Teilen bewegt, ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß sich an der der Stirnplatte des Rotors entgegengesetzten Seite des Wandungsabschnittes die Wandung des Innenraumes zum freien Rand des Rotors hin konisch erweitert. Dabei können auch Rillen vorgesehen sein, um bevorzugte Strö­ mungswege für das Kühlmittel an der Innenwand des Rotors festzulegen.

Außerdem kann das Kühlmittel auch in im Innern der Rotor­ wandung liegenden Kanälen von der Stirnplatte des Rotors zu dessen freiem Ende fließen und dort wieder austreten.

Um das Kühlmittel zu den einen (hinteren) Köpfen der Sta­ torwicklung zu führen, ist vorgesehen, daß sich der freie Rand des Rotors in axialer Richtung bis vor oder zu den einen Köpfen der Statorwicklung erstreckt. Dort wird dann das Kühlmittel den Rotor verlassen und durch Zentrifugal­ kräfte zu den Köpfen der Statorwicklung geschleudert.

Um das Kühlmittel auch zu den anderen (vorderen) Köpfen der Statorwicklung zu führen, kann vorgesehen sein, daß sich von der der Stirnplatte des Rotors zugewandten Seite des erweiterten Wandungsabschnittes zu der Außenseite des Rotors in axialer Richtung bis vor oder zu den anderen Köpfen der Statorwicklung wenigstens ein Kühlmittelkanal erstreckt.

Eine weitere Möglichkeit, die Statorwickelköpfe zu küh­ len, besteht darin, Kühlmittel durch einen Kühlmittel­ durchlaß im Bereich des erweiterten Wandungsabschnitts zur Außenseite des Rotors hin zu in der äußeren Mantel­ fläche eingearbeiteten axial verlaufenden Nuten jeweils bis zu den Kurzschlußringen zu führen. Von dort wird das Kühlmittel durch die Fliehkraft zu den Kurzschlußringen hingeschleudert und kühlt diese. Von den Kurzschlußringen aus wird das Kühlmittel weiter radial nach außen zu den Statorwickelköpfen geschleudert, um auch diese zu kühlen.

Um das Kühlmittel auch zu der Außenseite des Rotors bzw. zu dort angebrachten Teilen (z. B. Rotorkäfig) zu führen, kann vorgesehen sein, daß sich von dem erweiterten Wan­ dungsabschnitt zu der Außenseite des Rotors in radialer Richtung wenigstens ein Kühlmitteldurchlaß erstreckt, durch den Kühlmittel zu an der Außenseite des Rotors an­ geordneten Stäben des Rotorkäfigs gelangen kann.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Elek­ tromotors ist in dem freien Innenraum des Rotors zumin­ dest ein Teil eines Getriebes angeordnet. Auf diese Weise wird durch das an der Innenseite des Rotors entlangge­ führte Kühlmittel gleichzeitig der dort befindliche Teil des Getriebes gekühlt, was eine besonders einfache, da gekapselte Ausführung des Getriebes bei hoher Leistungs­ dichte erlaubt.

Insbesondere wenn das Getriebe in einem flüssigkeitsdich­ ten Getriebegehäuse angeordnet ist, das zumindest mit ei­ nem Abschnitt der Wandung des Innenraumes des Rotors ei­ nen Ringspalt bildet, wird eine sehr gute Kühlung des Ge­ triebes erreicht, da dann das Kühlmittel auch im Sprühöl­ betrieb zwischen der Innenwandung des Rotors und der Au­ ßenwandung des Getriebes zwangsgeführt ist.

Damit kann das Getriebe in dem Getriebegehäuse im wesent­ lichen vollständig in Getriebeöl getaucht sein. Da das Getriebeöl oftmals reibungsverringernde Zusätze enthält, die sehr aggressiv sind und elektrische Leitungsisolie­ rungen angreifen, und außerdem Getriebeöl oft Metallspäne enthält, die in den Wicklungen des Elektromotors Kurz­ schlüsse verursachen würden, wäre bei einer Umwälzung und Kühlung des Getriebeöls ein zweiter separater Kühlkreis­ lauf erforderlich. Dieser zweite Kühlkreislauf ist durch die Kühlung des Getriebegehäuses von außen nicht mehr er­ forderlich.

Ein entscheidender Gesichtspunkt ist also bei der Erfin­ dung, daß das Kühlmittel in Abhängigkeit von der durch den Elektromotor zu erbringenden Drehzahl und dem Drehmoment so zu den jeweiligen Teilen des Elektromotors hingefördert wird, daß eine optimale Kühlung erfolgt, die der momentanen Drehzahl und dem Drehmoment angepaßt ist. Dazu wird das Kühlmittel teilweise direkt und teil­ weise nacheinander zu den einzelnen Teilen des Elektromo­ tors durch dessen Rotor bzw. die durch diesen hervorgeru­ fene Fliehkraft hingeführt.

Dabei wird der Elektromotor bevorzugt in der Weise be­ trieben, daß die Steuereinrichtung im Bereich von 0% bis etwa 30% der Dauerdrehzahl und im Bereich von etwa 60% bis etwa 100% des Maximaldrehmomentes des Elektromotors das Verhältnis des durch die Kühlmittelzuführung einge­ speisten Volumenstroms des Kühlmittels zu dem durch die Kühlmittelabführung abgeleiteten Volumenstrom des Kühl­ mittels so einstellt, daß das Gehäuse des Elektromotors vollständig mit Kühlmittel gefüllt ist.

Weiterhin wird durch die Steuereinrichtung sicherge­ stellt, daß im Bereich von 0% bis etwa 100% der Dauer­ drehzahl und im Bereich von etwa 10% bis etwa 60% des Ma­ ximaldrehmomentes des Elektromotors das Verhältnis des durch die Kühlmittelzuführung eingespeisten Volumenstroms des Kühlmittels zu dem durch die Kühlmittelabführung ab­ geleiteten Volumenstrom des Kühlmittels so einstellt ist, daß bei im wesentlichen kühlmittelsumpffreien Gehäuse des Elektromotors das Kühlmittel durch die Kühlmittelzufüh­ rung in den Aufnehmer einströmt, von dort über den Kühl­ mittelkanal in den Innenraum des Rotors in dessen radial erweiterten Wandungsabschnitt gelangt, von wo es durch den/die Kühlmittelkanal/kanäle und den Ringspalt zu den Statorköpfen bzw. zu der Außenseite des Rotors (z. B. zu den Stäben des Rotorkäfigs) gelangt.

Schließlich wird durch die Steuereinrichtung erreicht, daß im Bereich von 0% bis etwa 100% der Dauerdrehzahl und im Bereich von etwa 0% bis etwa 10% des Maximaldrehmomen­ tes des Elektromotors kein oder nur geringe Mengen des Kühlmittels in das Gehäuse des Elektromotors einströmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung erläutert, wobei

Fig. 1 eine Prinzipschaltung des Elektromotors mit der damit verbundenen Steuereinrichtung zeigt,

Fig. 2 ein Diagramm der unterschiedlichen Betriebs­ zustände zeigt,

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch einen Elektromotor gemäß der Erfindung in einer er­ sten Ausführungsform zeigt, und

Fig. 4 einen schematischen Querschnitt durch einen Elektromotor gemäß der Erfindung in einer zwei­ ten Ausführungsform zeigt.

In Fig. 1 ist ein mit EM bezeichneter bürstenloser, als Innenläufer ausgebildeter Elektromotor EM gezeigt, der an seiner Abtriebswelle 10 einen nur schematisch gezeigten ersten Sensor 12 zur Erfassung der Drehzahl (n) und einen ebenfalls nur schematisch gezeigten zweiten Sensor 14 zur Erfassung des Drehmomentes (M) aufweist. Die Ausgangs­ signale des ersten und des zweiten Sensors 12, 14 werden über die Leitungen 16, 18 einer Steuereinrichtung 20 zu­ geführt.

Die Steuereinrichtung 20 steuert über zwei Leitungen 22, 24 eine Pumpe 26 an, die in einen Kühlmittelkreislauf eingeschaltet ist, der aus einer Kühlmittelzuführung 28, die in ein flüssigkeitsdichtes Gehäuse 30 des Elektromo­ tors EM führt, einer aus dem Gehäuse 30 herausführenden Kühlmittelabführung 32, einem Kühlmittelreservoir 34 und einem Radiator 36 gebildet ist. Um den Kühlmittelkreis­ lauf unterbrechen zu können, ist vor der Pumpe 26 ein ebenfalls durch die Steuereinrichtung 20 ansteuerbares Absperrventil V in den Kühlmittelkreislauf eingeschaltet.

Die Steuereinrichtung 20 wird durch die Betriebsspannung UB gespeist und ist entweder durch eine fest verdrahtete Schaltung oder durch einen entsprechend programmierten Microprozessor mit der erforderlichen Peripherie (Analog/ Digitalwandler für die Sensorsignale, Leistungstreiber für die Pumpe und das Ventil, Daten- und Programmspeicher etc.) realisiert.

In Fig. 2 ist veranschaulicht, wie die Steuereinrichtung 20 in Abhängigkeit von der Drehzahl (n) und dem Drehmo­ ment (M) den Kühlmittelkreislauf steuert. Die Abszisse bzw. Ordinate ist jeweils in Prozent der Dauerdrehzahl bzw. des Maximaldrehmomentes bemaßt.

Durch die Steuereinrichtung 20 wird im Bereich von 0% bis etwa 30% der Dauerdrehzahl und im Bereich von etwa 60% bis etwa 100% des Maximaldrehmomentes des Elektromotors das Verhältnis des durch die Kühlmittelzuführung 28 ein­ gespeisten Volumenstromes des Kühlmittels KM zu dem durch die Kühlmittelabführung 32 abgeleiteten Volumenstrom des Kühlmittels KM so eingestellt, daß das Gehäuse 30 des Elektromotors EM vollständig mit Kühlmittel KM gefüllt ist. Dieser Bereich ist in dem Diagramm mit I bezeichnet.

Weiterhin steuert die Steuereinrichtung 20 im Bereich von 0% bis etwa 100% der Dauerdrehzahl und im Bereich von et­ wa 10% bis etwa 60% des Maximaldrehmomentes des Elektro­ motors EM das Verhältnis des durch die Kühlmittelzufüh­ rung 28 eingespeisten Volumenstromes des Kühlmittels KM zu dem durch die Kühlmittelabführung 32 abgeleiteten Vo­ lumenstrom des Kühlmittels KM so, daß bei im wesentlichen kühlmittelsumpffreien Gehäuse 30 des Elektromotors EM das Kühlmittel KM durch die Kühlmittelzuführung 28 in das in­ nere des Gehäuses 30 einströmt, dort die zu kühlenden Teile des Elektromotors EM kühlt, und dann das Gehäuse 30 des Elektromotors EM durch die Kühlmittelabführung 32 wieder verläßt. Dieser Bereich ist in dem Diagramm mit II bezeichnet.

Der Verlauf des Weges, den das Kühlmittel KM im Innern des Gehäuse 30 des Elektromotors EM im einzelnen nimmt, wird weiter unten im Zusammenhang mit der Beschreibung des Elektromotors EM selbst erläutert.

Schließlich wird durch die Steuereinrichtung die Pumpe 26 und das Ventil V so angesteuert, daß im Bereich von 0% bis etwa 100% der Dauerdrehzahl und im Bereich von etwa 0% bis etwa 10% des Maximaldrehmomentes des Elektromotors EM kein Kühlmittel KM in das Gehäuse 30 des Elektromotors EM einströmt und daß dieser trocken läuft. Dieser Bereich ist in dem Diagramm mit III bezeichnet.

Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform des Elektromo­ tors. Im Innern des Gehäuses 30 ist ein innenlaufender Rotor 40 drehbar gelagert, der - über ein nicht weiter erläutertes drehzahluntersetzendes Getriebe 42 - mit der Abtriebswelle 10 verbunden ist. Der Rotor 40 hat die Form einer Glocke, in deren Innerem 43 das Getriebe 42 zumin­ dest teilweise untergebracht ist. An seiner äußeren Man­ telfläche 44 trägt der Rotor 40 ein Läuferblechpaket 46, das durch einen aus zwei axial beabstandeten Kurzschluß­ ringen 48a, 48b und diese verbindende Kupferstäbe 50 ge­ bildeten Käfig 52 zusammengehalten ist. Zu dem Rotor ist unter Bildung eines Ringspaltes 54 in radialem Abstand ein Statorpaket 56 angeordnet. Das Statorpaket besteht aus einem Blechpaket 58 sowie Statorwicklungen, deren Wickelköpfe 60, 62 an beiden Stirnseiten des Blechpaketes 58 überstehen.

In der Rotationsachse R ist auf der der Abtriebswelle 10 entgegengesetzten Stirnseite des Gehäuses 30 des Elektro­ motors EM die Kühlmittelzuführung 28 angeordnet. Bei die­ ser Ausführungsform weist die Stirnplatte 64 des Rotors 64 eine Durchführung 66 für das Kühlmittel KM auf. Von der Durchführung 66 gehen - aus Gründen der Symmetrie - wenigstens zwei zu dem äußeren Umfang des Rotors 40 hin­ führende Kühlmittelleitungen 70a, 70b weg.

Die Kühlmittelleitungen 70a, 70b sind jeweils mit wenig­ stens einem Kühlmittelkanal 74 verbunden, der in den Innenraum 43 des Rotors 40 reicht.

Der Auslaß der Kühlmittelkanäle 74 in den Innenraum 43 des Rotors 43 ist zumindest gegenüber einem radial erwei­ terten Wandungsabschnitt 76 des Innenraumes 43 des gloc­ kenförmigen Rotors 40 radial nach innen versetzt. Damit kann sich in dem erweiterten Wandungsabschnitt 76 das Kühlmittel KM gleichmäßig verteilen.

Der erweiterte Wandungsabschnitt 76 des Innenraumes 43 weist mehrere entlang des Umfangs des Rotors 40 gleichmä­ ßig verteilte Kühlmitteldurchlässe 78 und (nicht veran­ schaulichte) Nuten zur Außenseite 44 des glockenförmigen Rotors 40 hin auf, durch die das Kühlmittel KM nach außen gelangen kann (Rotorkühlung).

Von dem erweiterten Wandungsabschnitt 76 kann Kühlmittel KM, das nicht durch die Kühlmitteldurchlässe 78 nach au­ ßen strömt, von dem erweiterten Wandungsabschnitt 76 aus entlang der inneren Wandung 80 des Rotors 40 zum freien Rand 82 des Rotors 40 hin strömen. Dies wird dadurch er­ möglicht, daß sich an der der Stirnplatte 64 des Rotors 40 entgegengesetzten Seite des Wandungsabschnittes 76 die Wandung 80 des Innenraumes 43 konisch erweitert (Getriebekühlung).

Der freie Rand 82 des Rotors 40 erstreckt sich bei der gezeigten Ausführungsform in axialer Richtung bis vor oder zu den einen Köpfen 62 der Statorwicklung.

Von der der Stirnplatte 64 des Rotors 40 zugewandten Sei­ te des erweiterten Wandungsabschnittes 76 zu der Außen­ seite 44 des Rotors 40 in axialer Richtung bis vor oder zu den anderen Köpfen 60 der Statorwicklung können sich ebenfalls mehrere Kühlmittelkanäle 84 erstrecken, die in gleicher Weise wie die Kühlmitteldurchlässe 78 entlang des Umfangs des Rotors 40 verteilt sind. Damit können auch die anderen Köpfe 60 der Statorwicklung gekühlt wer­ den. Anstatt aus dem erweiterten Wandungsabschnitt 76 ab­ zugehen, können diese Kühlmittelkanäle 84 auch Verlänge­ rungen der Kanäle 70a, 70b sein. Allerdings sind die Kühlmitteldurchlässe 84 dann entbehrlich, wenn von dem erweiterten Wandungsabschnitt 76 eine ausreichende Menge Kühlmittel KM durch die Kühlmitteldurchlässe 78 nach au­ ßen strömt, sich auch in (nicht gezeigten) axialen Nuten entlang der Mantelfläche des Rotors in Richtung der Kurz­ schlußringe des Rotors bewegt, zu diesen durch die Flieh­ kraft hingeschleudert und von dort zu den Statorwick­ lungsköpfen geschleudert wird.

Außerdem werden durch das Kühlmittel KM, das von dem freien Rand 82 des Rotors 40 in Richtung der Köpfe 60 der Statorwicklung geschleudert wird, bzw. durch das Kühlmit­ tel KM, das von den Kühlmittelkanälen 84 in Richtung der Köpfe 62 der Statorwicklung geschleudert wird, auch die jeweiligen Kurzschlußringe 48a, 48b gekühlt.

Die Kühlmitteldurchlässe 78 ermöglichen hingegen, daß das Kühlmittel KM zu den Kupferstäben 50 des Käfigs gelangen kann, um diese zu kühlen.

Wie bereits erwähnt, ist in dem freien Innenraum 43 des Rotors 40 zumindest ein Teil des Getriebes 42 angeordnet. Das Getriebe 42 ist in einem flüssigkeitsdichten Getrie­ begehäuse 86 angeordnet, das mit einem Abschnitt der Wan­ dung 80 des Innenraumes 43 des Rotors 40 einen Ringspalt 88 bildet.

Auf diese Weise wird das Getriebe 42 von außen durch das Kühlmittel KM gekühlt, so daß das Getriebe 42 in dem Ge­ triebegehäuse 86 gekapselt und im wesentlichen vollstän­ dig in Getriebeöl versenkt sein kann.

Im äußeren unteren Bereich des Gehäuses 30 des Elektromo­ tors EM sind an dessen beiden Stirnseiten Kühlmittelab­ führungen 32, 32′ vorgesehen, durch die das erwärmte Kühlmittel KM den Elektromotor wieder verläßt, um abge­ kühlt zu werden.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 4 sind gegenüber Fig. 3 zwei wesentliche Änderungen insofern vorgenommen, als hier die Kühlmittelzuführung 28 außermittig angeordnet ist und außerdem weitere Kühlmittelzuführungen 28′, 28′′ vorhanden sind, um die Köpfe 60, 62 der Statorwicklung getrennt zu kühlen. Diese Variante hat den Vorteil, daß insbesondere bei zähem Kühlmittel (z. B. wegen niedriger Umgebungstemperatur) sichergestellt ist, daß trotz seiner Zähigkeit die Köpfe 60, 62 der Statorwicklung gekühlt werden, obwohl durch die Kühlmitteldurchlässe 78, 84 und vom freien Rand 82 des Rotors 40 noch nicht ausreichend Kühlmittel KM zu den Köpfe 60, 62 der Statorwicklung hin gelangt. Außerdem kann durch diese Ausführungsform eine unabhängige Kühlung des Stators und des Rotors erfolgen. Schließlich wird so erreicht, daß nur geringere Mengen bei höheren Drehzahlen aus dem Innern des Rotors gepumpt werden müssen.

Die Kühlmittelzuführung 28 könnte auch hier zentrisch an­ geordnet sein.

Außerdem ist die Durchführung 66 für die Kühlmittelzufüh­ rung 28 in Fig. 3 relativ aufwendig, was bei der Ausfüh­ rungsform gemäß Fig. 4 einfacher gelöst ist.

Im übrigen sind gleiche Teile wie in Fig. 3 auch mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nachstehend nicht nochmals erläutert.

Die Stirnplatte 64 des Rotors weist einen Aufnehmer 90 für das Kühlmittel KM auf. Der Aufnehmer 90 ist kreisnut­ förmig ausgestaltet und weist an seiner radial außen­ liegenden Wandung 92 einen durchgehenden Steg 94 auf, dessen freies Ende 96 zur Rotationsachse R hinweist.

Die Kühlmittelzuführung 28 ist gegenüber dem umlaufenden Steg 94 bzw. dessen freiem Ende 96 radial nach innen ver­ setzt, und der Auslaß 98 der Kühlmittelzuführung 28 kann den durchgehenden Steg 94 bzw. dessen freies Ende 96 in axialer Richtung zum Grund 102 des Aufnehmers 90 hin überragen. Der Einlaß 104 des Kühlmittelkanales 74 am Grunde 104 des Aufnehmers 90 ist gegenüber dem Auslaß 106 des Kühlmittelkanales 74 in den Innenraum 43 des Rotors 40 radial nach innen versetzt. Außerdem ist der Auslaß 106 des Kühlmittelkanales 74 in den Innenraum 43 des Ro­ tors 40 gegenüber einem radial erweiterten Wandungsab­ schnitt 76 des Innenraumes 43 des Rotors 40 radial nach innen versetzt.

Der weitere Weg des Kühlmittels KM ist im übrigen gleich wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3.

Claims (24)

1. Bürstenloser Elektromotor mit

• - einem flüssigkeitsdichten Gehäuse (30),
• - einem innenlaufenden Rotor (40), der mit einer Ab­ triebswelle (10) verbunden ist,
• - einem zu dem Rotor (40) in radialem Abstand ange­ ordneten Statorpaket (56),
• - einer in das innere des Gehäuses (30) führenden Kühlmittelzuführung (28), und
• - einer aus dem Gehäuse (30) herausführenden Kühlmit­ telabführung (32),

gekennzeichnet durch

• - eine den durch das innere des Gehäuses (30) flie­ ßenden Volumenstrom des Kühlmittels (KM) drehzahl- und drehmomentabhängig einstellende Steuereinrich­ tung (20).

2. Bürstenloser Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Steuereinrichtung (20) eine Pumpe (26) ansteu­ ert, die das Kühlmittel (KM) durch die Kühlmittelzu­ führung (28) in das Innere des Elektromotors (EM) und durch die Kühlmittelabführung (32) aus dem Elek­ tromotor (EM) heraus fördert.

3. Bürstenloser Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Steuereinrichtung (20) ein Ventil (V) ansteu­ ert, durch das der Volumenstrom des Kühlmittels (KM) durch die Kühlmittelzuführung (28) in das innere des Elektromotors (EM) und durch die Kühlmittelabführung (32) aus dem Elektromotor (EM) heraus unterbrechbar ist.

4. Bürstenloser Elektromotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Kühlmittelzuführung (28) im Bereich einer Stirnplatte (64) des Rotors (40) in das Innere des Gehäuses (30) reicht.

5. Bürstenloser Elektromotor nach dem vorherigen An­ spruch, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Stirnplatte (64) des Rotors (40) einen Aufneh­ mer (90) für das Kühlmittel (KM) aufweist.

6. Bürstenloser Elektromotor nach dem vorherigen An­ spruch, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Kühlmittelzuführung (28) zu dem Rotor (40) durch dessen Rotationsachse (R) geht und in wenig­ stens zwei zu dem äußeren Umfang des Rotors (40) hinführende Kühlmittelleitungen (70a, 70b) mündet.

7. Bürstenloser Elektromotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Aufnehmer (90) kreisnutförmig ausgestaltet ist und an seiner radial außenliegenden Wandung (92) ei­ nen durchgehenden Steg (94) aufweist, dessen freies Ende (96) zur Rotationsachse (R) des Rotors (40) hinweist.

8. Bürstenloser Elektromotor nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Kühlmittelzuführung (28) gegenüber dem umlau­ fenden Steg (94) radial nach innen versetzt ist, und
• - der Auslaß (98) der Kühlmittelzuführung (28) den durchgehenden Steg (96) in axialer Richtung zum Grund (102) des Aufnehmers (90) hin überragt.

9. Bürstenloser Elektromotor nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Rotor (40) eine glockenförmige Gestalt mit einem freien Innenraum (43) aufweist.

10. Bürstenloser Elektromotor nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Aufnehmer (90) im radial außen liegenden Bereich seines Grundes (102) bzw. die Kühlmittelleitungen (70a, 70b) jeweils mit wenigstens einem Kühlmittel­ kanal (74) verbunden sind, der in den Innenraum (43) des Rotors (40) reicht.

11. Bürstenloser Elektromotor nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Einlaß (104) des Kühlmittelkanales (74) am Grunde (104) des Aufnehmers (90) gegenüber dem Auslaß (106) des Kühlmittelkanales (74) in den Innenraum (43) des Rotors (40) radial nach innen versetzt ist.

12. Bürstenloser Elektromotor nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Auslaß (106) des Kühlmittelkanales (74) in den Innenraum (43) des Rotors (40) zumindest gegenüber einem radial erweiterten Wandungsabschnitt (76) des Innenraumes (43) des Rotors (40) radial nach innen versetzt ist.

13. Bürstenloser Elektromotor nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der erweiterte Wandungsabschnitt (76) des Innenraumes (43) wenigstens einen Kühlmitteldurchlaß (78) zur Au­ ßenseite (44) des Rotors (40) aufweist.

14. Bürstenloser Elektromotor nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - sich an der der Stirnplatte (64) des Rotors (40) ent­ gegengesetzten Seite des erweiterten Wandungsab­ schnittes (76) die Wandung (80) des Innenraumes (43) zum freien Rand (82) des Rotors (40) hin konisch er­ weitert.

15. Bürstenloser Elektromotor nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - sich der freie Rand (82) des Rotors (40) in axialer Richtung bis vor oder zu den einen Köpfen (62) der Statorwicklung (56) erstreckt.

16. Bürstenloser Elektromotor nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - sich von der der Stirnplatte (64) des Rotors (40) zugewandten Seite des erweiterten Wandungsabschnittes (76) zu der Außenseite des Rotors (44) in axialer Richtung bis vor oder zu den anderen Köpfen (60) der Statorwicklung (56) wenigstens ein Kühlmittelkanal (84) erstreckt.

17. Bürstenloser Elektromotor nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - sich von dem erweiterten Wandungsabschnitt (76) zu der Außenseite (44) des Rotors (40) in radialer Rich­ tung wenigstens ein Kühlmitteldurchlaß (78) er­ streckt, durch den Kühlmittel (KM) zu an der Außen­ seite des Rotors angeordneten Stäben (50) eines Ro­ torkäfigs (52) gelangen kann.

18. Bürstenloser Elektromotor nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - in dem freien Innenraum (43) des Rotors (40) zumin­ dest ein Teil eines Getriebes (42) angeordnet ist.

19. Bürstenloser Elektromotor nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Getriebe (42) in einem flüssigkeitsdichten Ge­ triebegehäuse (86) angeordnet ist, das zumindest mit einem Abschnitt (80) der Wandung des Innenraumes (43) des Rotors (40) einen Ringspalt (88) bildet.

20. Bürstenloser Elektromotor nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Getriebe (42) in dem Getriebegehäuse (86) ge­ kapselt ist und im wesentlichen vollständig in Ge­ triebeöl getaucht ist.

21. Verfahren zum Betrieb eines bürstenlosen Elektromo­ tors mit den Merkmalen wenigstens eines der vorheri­ gen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Steuereinrichtung im Bereich von 0% bis etwa 30% der Dauerdrehzahl und im Bereich von etwa 60% bis etwa 100% des Maximaldrehmomentes des Elektromo­ tors das Verhältnis des durch die Kühlmittelzufüh­ rung eingespeisten Volumenstrom des Kühlmittels zu dem durch die Kühlmittelabführung abgeleiteten Volu­ menstrom des Kühlmittels so einstellt, daß das Ge­ häuse des Elektromotors vollständig mit Kühlmittel gefüllt ist.

22. Verfahren zum Betrieb eines bürstenlosen Elektromo­ tors mit den Merkmalen wenigstens eines der vorheri­ gen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Steuereinrichtung im Bereich von 0% bis etwa 100% der Dauerdrehzahl und im Bereich von etwa 10% bis etwa 60% des Maximaldrehmomentes des Elektromo­ tors das Verhältnis des durch die Kühlmittelzufüh­ rung eingespeisten Volumenstrom des Kühlmittels zu dem durch die Kühlmittelabführung abgeleiteten Vo­ lumenstrom des Kühlmittels so einstellt, daß bei im wesentlichen kühlmittelsumpffreien Gehäuse des Elek­ tromotors das Kühlmittel durch die Kühlmittelzufüh­ rung in den Aufnehmer bzw. die radial verlaufenden Kühlmittelkanäle einströmt, von dort über den Kühl­ mittelkanal in den Innenraum des Rotors in dessen radial erweiterten Wandungsabschnitt gelangt, von wo es durch den/die Kühlmittelkanal/kanäle und den Ringspalt zu den Statorköpfen bzw. zu der Außenseite des Rotors gelangt.

23. Verfahren zum Betrieb eines bürstenlosen Elektromo­ tors mit den Merkmalen wenigstens eines der vorheri­ gen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Steuereinrichtung im Bereich von 0% bis etwa 100% der Dauerdrehzahl und im Bereich von etwa 0% bis etwa 10% des Maximaldrehmomentes des Elektromo­ tors das Verhältnis des durch die Kühlmittelzufüh­ rung eingespeisten Volumenstroms des Kühlmittels zu dem durch die Kühlmittelabführung abgeleiteten Vo­ lumenstrom des Kühlmittels so einstellt, daß kein oder nur geringe Mengen von Kühlmittel in das Gehäu­ se des Elektromotors einströmen.