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Verfahren zum Betrieb eines gekapselten Elektromotors und nach dem Verfahren betriebener Elektromotor
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines gekapselten Elektromotors mit einem zwischen
Stator und Rotor vorhandenen Luftspalt, wobei flüssiges Kühlmittel auf den Rotor und Stator aufgebracht wird. Bei Haushaltskühlvorrichtungen ist es bekannt, dass das zur Kühlung eingesetzte Kühlmittel auch in den Luftspalt zwischen Rotor und Stator des Elektromotors gelangt und dabei eine Kühlwirkung hervorruft.
Bei diesen bekannten Vorrichtungen besteht jedoch nicht das Bedürfnis, das Ausmass des Elektromotors zu verkleinern, weil dieser ohnehin kleine Abmessungen besitzt.
Elektromotoren mit einer Leistung von 200-300 PS weisen aber eine unzweckmässige Grösse auf, die unter anderem durch die erforderlichen grossen Oberflächen zur Abkühlung bedingt ist und auf ein Mass reduziert werden soll, das die Unterbringung des Elektromotors auch auf kleinem Raum gestattet.
Beim Bau kleiner, kompakter, gekapselter Elektromotoren grosser Leistung, z. B. zum Antrieb der Kompressoren von Kühlanlagen, hat es sich gezeigt, dass es nicht genügt, die bekannten oben erwähnten Kühlverfahren anzuwenden. Diese ergeben bei der erwähnten hohen Leistung des Elektromotors nur eine ungenügende Kühlung, und ein Durchbrennen des Elektromotors nach kurzem Betrieb ist die Folge.
Überraschenderweise hat es sich gezeigt, dass nur dann eine ausreichende Kühlung solcher Elektromotoren erreicht und damit das Durchbrennen vermieden werden kann, wenn erfindungsgemäss das flüssige Kühlmittel ausschliesslich in axialer Richtung in das eine Ende des Luftspaltes zwischen dem Rotor und dem Stator des Elektromotors eingeführt wird, um zu verdampfen und dem Rotor und dem Stator Wärme zu entziehen, worauf das verdampfte Kühlmittel durch den Luftspalt in axialer Richtung bewegt wird, den Wärmeentzug fortsetzt und schliesslich beim andern Ende des Luftspaltes abgeführt wird.
Dabei wurde das Vorurteil der Fachwelt überwunden, dass zum Kühlen eines solchen Elektromotors das Einführen des flüssi- gen Kühlmittels in den Ringspalt zwischen Stator und Rotor einen grossen Aufwand an komplizierten Installationen erfordert, was bei der getrennten Kühlung von Stator und Rotor nicht der Fall ist. Die erfin- dungsgemäss erreichte Kühlwirkung ist deswegen besonders hoch, weil das Kühlmittel in erster Linie an jenen Stellen des Elektromotors eingesetzt wird, an denen besonders hohe Wärmeentwicklung entsteht. Ein mit einem auf diese Weise betriebenen Elektromotor arbeitendes Kühlsystem weist ein Mindestmass an Flüssigkeitsleitungen, Steuerventilen u. a. Einrichtungen auf, so dass die Herstellung und Montage des Systems mit relativ geringen Kosten verbunden ist.
Es kann als einfacher, verlustfrei arbeitender Mechanismus so konstruiert werden, dass ein störungsfreier Betrieb bei herabgesetzten Instandhaltungskosten möglich ist.
Die Erfindung besteht ferner darin, dass das flüssige Kühlmittel in jedes Ende des gekapselten Elektromotors eingeführt wird, wobei das Kühlmittel in axialer Richtung von jedem Ende des Motors gegen dessen Mitte bewegt und dort an einer tiefer gelegenen Stelle abgeführt wird. Es wird daher flüssiges Kühlmittel über alle Innenteile des Elektromotors verteilt, so dass die Bildung örtlicher Überhitzungspunkte vermieden und ein besserer Wirkungsgrad und eine höhere Lebensdauer des Elektromotors erreicht wird.
Ein nach dem Verfahren betriebener Elektromptor mit einem zwischen Stator und Rotor vorhandenen Luftspalt zeichnet sich besonders durch eine Austrittsstelle für flüssiges Kühlmittel bei einem Ende der Motorwelle aus, die sich dem Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator des Motors koaxial gegen- überliegend befindet, wodurch flüssiges Kühlmittel direkt in den Ringspalt gelangt, dort expandiert und
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dem Stator und Rotor Wärme entzieht.
In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung an Hand beispielsweiser Ausfilhrungsformensche- matisch veranschaulicht.
Fig. 1 zeigt in Ansicht ein Kühlsystem in Verbindung mit einem erfindungsgemäss betriebenen Elek- tromotor, vorzugsweise einen geschlossenen Motor, der zum Antrieb des Kompressors der Kühlanlage dient.
Fig. 2 ist ein Querschnitt nach der Linie 2-2 der Fig. 1 und Fig. 3 ist eine Ansicht einer Ausführungvariante des Erfindungsgegenstandes.
Das in der Zeichnung dargestellte Kühlsystem besitzt einen Verdampfer 10, der aus einem zylindrischen Behälter mit Rohrwänden 14,16 besteht, zwischen welchen mehrere Wasserrohre 18,20 angeordnet sind. An den Rohrwänden 14,16 sind gewölbte Stirnwände 22,24 als Wasserkammer ausgebildet, die ein geschlossenes Kreislaufsystem für ein Wärmeaustauschmedium bilden, das durch die Rohre 18,20 in der durch die Pfeile angedeuteten Richtung hindurchgeht. Das Wasser oder ein anderes Wärmeaustauschmedium in den Rohren 18,20 wird durch Verdampfen des flüssigen Kühlmittels, das in den Verdampfer beim Einlass 23 eintritt, gekühlt. Das gasförmige Kühlmittel geht durch das Labyrinth 25 hindurch, welches die Aufgabe hat, das Mitreissen von flüssigem Kühlmittel in das im oberen Verdampferabschnitt 27 befindliche dampfförmige Kühlmittel zu verhindern.
Das aus dem Auslass 28 des Verdampfers 10 austretende gasförmige Kühlmedium wird dem Einlass des Laufrades 30 eines Zentrifugalkompressors 31 zugeleitet. Der Kompressor 31 besteht aus einem Gehäuse 32 mit der Vorderwand 33 und der Rückwand 34, die eine kreisförmige Öffnung 35 aufweist. An der Rückwand 34 ist ein zylinderförmiger, hermetisch abgeschlossener Elektromotor befestigt, der eine zylindrische Gehäusewand 36 besitzt, die durch die Stirnwand 37 abgeschlossen wird. Im Motorgehäuse 36 ist der übliche Motorstator 38 mit den sternförmigen Trägern 40,44 untergebracht. Innerhalb des Stators 38 ist der Rotor 41 mit den Wellenstummeln 42,43 in den Lagern der sternförmigen Träger 40,44 gelagert.
Der Wellenstummel 43 ist. von einem fest angebrachten Kühlmittelverteilerring 46 umgeben, der mehrere in der Umfangsrichtung im Abstand angeordnete Düsen 46a besitzt, durch welche flüssiges Kühlmittel in den Spalt 47 zwischen Rotor 41 und Stator 38 gesprüht werden kann. Dieser Sprühvorgang dient dazu, um flüssiges Kühlmittel in solchen Abschnitten des Motors zu verteilen, welche die höchste Arbeitstemperatur annehmen, so dass der Motor sehr wirksam gekühlt und die Bildung örtlicher Überhitzungs- stellen vermieden wird.
Wie Fig. 2 zeigt, kann der Spalt 47 auch erweitert werden, um ein rascheres Strömen des Kühlmit- tels zu erleichtern, und es können auch der Stator und der Rotor mit Vertiefungen 38a und 41a ausgebildet sein, um einer hinreichenden Kühlmittelmenge den Zutritt zu den verschiedenen Teilen des Motors zu erleichtern. Verstellbare Einsätze können im Ring 46 vorgesehen sein, um die Düsen in Abhängigkeit von dem gewünschten Arbeitsdruck zu verstellen. Der Verteilerring 46 wird mit dem Kühlmittel durch eiii oder mehrere Rohre 47a versorgt, die durch die Stirnwand 37 und Träger 40 hindurchgehen. Die Rohre 47a sind mit einer Leitung 49 verbunden, die zur Schwimmerkammer 50 führt.
Das Gehäuse 50 erhält kondensiertes Kühlmittel durch die Leitung 52, die zum Auslass 53 des Kühlmittelkondensators 54 führt.
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Kondensator das Wasser in den Rohren 57,58 erhitzt, wobei eine Kondensation des Kühlmittels stattfindet. Das Kühlmittel läuft durch den Auslass 53 in die Leitung 52 und sodann in die im Gehäuse 50 vorgesehene Schwimmerkammer.
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zum Einlass 23 des Verdampfers 10 führt. Im Gehäuse 50 ist ein von einer Hohlkugel 63 gebildeter Schwimmer untergebracht. Von dem Schwimmer 63 ist ein Stab 64 nach unten geführt und mit Hebeln 65,66 gelenkig verbunden, die an einem Schmetterlingsventil 67, das bei 68 drehbar gelagert ist, befestigt sind.
Wenn während des Betriebes die Zufuhr flüssigen Kühlmittels durch die Leitung 52 nicht hinreichend ist, um den Flüssigkeitsspiegel im Gehäuse 50 etwa auf dem dargestellten Niveau 69 zu halten, senkt sich der Schwimmer 63, wodurch das Ventil 67, wie in Fig. 1 veranschaulicht, geschlossen wird. Eine Tendenz der Flüssigkeit, über das Niveau 69 zu steigen, bewirkt ein Anheben des Schwimmers 63 und ein Öffnen des Ventils 67, wodurch das Niveau wieder auf die dargestellte Höhe 69 absinkt. Auf diese Weise wird ständig eine hinreichende Menge an flüssigem Kühlmittel in der Schwimmerkammer vorrätig gehalten, um den Verteilerring 46 mit Kühlmittel zu versorgen und um einen Flüssigkeitsverschluss zwischen dem Kondensatorauslass 53 und dem Verdampfereinlass 23 aufrecht zu halten.
Um das Strömen des Kühlmittels durch den Spalt 47 zwischen Stator und Rotor des Motors zu unter-
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stützen, ist ein Ventilator in Form einer Scheibe 70 mit mehreren Flügeln 71 vorgesehen, die in dem im Motorgehäuse 36 vorhandenen Hohlraum eine Saugwirkung hervorruft. Auf diese Weise saugt während des Betriebes des Motors der Ventilator 70, 71, der mit der Welle 42 und dem Laufrad 30 umläuft, Kühlmittel aus dem Spalt 47 durch die Öffnung 35 in den Durchlass 74 im Kompressorgehäuse, und es wird mit einem Mindestmass an Leitungen ein Umlauf von Kühlmittel durch den Kompressormotor erzielt.
Es ist klar, dass solcherart ein sehr wirksamer Kühlkreislauf erreicht wird, da flüssiges Kühlmittel durch die Düsen 46a in den Spalt 47 zwischen dem Stator und dem Rotor eingespritzt wird, worauf das Kühlmittel im Motorgehäuse 36 expandiert und grosse Wärmemengen absorbiert, da das flüssige Kühlmit- tel in den gasförmigen Zustand übergeht und durch den Ventilator 70,71 in die Kompressorkammer ab- gesaugt wird, worauf es in den Kondensator 54 gelangt, wo das Kühlmittel wieder kondensiert.
Bei der Ausführungsform der Erfindung gemäss Fig. 3 ist das Gehäuse 80 des Kompressormotors zur
Aufnahme des Stators 38a bestimmt. Die zu beiden Enden aus dem Rotor 41a herausragenden Wellenstum- mel 42a, 43a sind in Lagern drehbar gelagert, die von sternförmigen Stützen getragen sind. Das Gehäuse 80 wird durch die Stirnwand 37a abgeschlossen.
Um den Kompressormotor zu kühlen, sind zwei getrennte Zuführungsvorrichtungen 88 und 89 für das flüssige Kühlmittel vorgesehen. Jede dieser Zuführungsvorrichtungen besitzt eine eine Durchtrittsöffnung aufweisende Wand 91, ein die Durchtrittsöffnung schliessendes Organ 92 und eine Druckfeder 93 oder einen Regulierstössel zur Regelung des in der Zuführungsvorrichtung auftretenden Druckabfalls. Die von der Feder 93 ausgeübte Druckkraft oder die Stellung des Regulierstössels kann von Hand aus mittels einer Mutter 95 verändert werden, um das Ausmass der Motorkühlung zu regeln.
Um das Kühlmittel aus dem Spalt 47a zwischen dem Stator 38a und dem Rotor 41a abzusaugen, sind in der Gehäusewand 80 eine oder mehrere Öffnungen 97 vorgesehen. Ein Stutzen 98 verbindet die Öffnungen 97 mit der Leitung 99, die zu einem Abschnitt des Kühlsystems mit niederem Druck führt.
Das in Fig. 3 veranschaulichte System kann mit einem (nicht dargestellten) Kondensator und Verdampfer auf die gleiche Weise betrieben werden wie das System gemäss Fig. 1.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsvariante fliesst das Kühlmittel aus den den gegenüberliegenden Enden des Stators 38a benachbarten Räumen durch den Rotorspalt 47a zu der in der Mitte angeordneten Abflussleitung 99, wobei ein inniger Kontakt des Kühlmittels mit denjenigen Teilen des Motors erzielt wird, welche die höchste Arbeitstemperatur besitzen. Das Kühlmittel wird in flüssigem Zustand eingeführt und absorbiert während seiner Expansion grosse Wärmemengen, worauf es in gasförmigem Zustand durch den Druckunterschied zwischen dem Einlassdruck und dem Abschnitt mit niederem Druck des Kühlkreislaufs abgesaugt wird. Auf diese Weise wird eine besonders wirksame Kühlung erreicht.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Betrieb eines gekapselten Elektromotors mit einem zwischen Stator und Rotor vorhandenen Luftspalt, wobei flüssiges Kühlmittel auf den Rotor und Stator aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Kühlmittel ausschliesslich in axialer Richtung in das eine Ende des Luftspaltes zwischen dem Rotor (41 bzw. 41a) und dem Stator (38 bzw. 38a) des Elektromotors eingeführt wird, um zu verdampfen und dem Rotor und Stator Wärme zu entziehen, worauf das verdampfte Kühlmittel durch den Luftspalt in axialer Richtung bewegt wird, den Wärmeentzug fortsetzt und schliesslich beim andern Ende des Luftspaltes abgeführt wird.