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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor mit einem Rotor.
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Ein
Elektromotor ist eine elektrische Maschine, die mit Hilfe von magnetischen
Feldern hauptsächlich
elektrische in mechanische Arbeit umwandelt. Elektromotoren setzen üblicherweise
die Kraft, die ein Magnetfeld auf die Leiter einer Spule ausübt, in Bewegung
um. Elektromotoren erzeugen bauartbedingt meist rotierende Bewegungen,
sie können aber
auch translatorische Bewegungen ausführen. Typischerweise bestehen
Elektromotoren aus einem beweglichen und einem feststehenden Hauptelement.
Es gibt verschiedene Bauformen des Elektromotors.
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Bei
der Ausführung
des Elektromotors als Gleichstrommotor besteht der Stator aus Hauptpolen mit
Polkernen und Polschuhen, der Erregerwicklung, die auf den Polkernen
sitzt, und dem Jochring, dem Gehäuse.
Bei permanent erregten Gleichstrommotoren wird die Erregerwicklung
oft von Permanentmagneten ersetzt. Zudem können in den Polschuhen der Hauptpole
Kompensationswicklungen angebracht sein.
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Der
Universalmotor ist eine einfache Form des Wechselstrommotors, dessen
Prinzip vom Gleichstrommotor abgeleitet ist. Der Betrieb eines Universalmotors
geschieht allerdings nicht über
Dauermagnete, sondern über
Spulen, die um einen Eisenkern gewickelt sind, da die Polarität des Stroms wechselt,
beispielsweise mit der Frequenz von 50Hz. Aufgrund des Polaritätswechsels
kann auf den Leiterschleifen im Anker kein Drehmoment entwickelt werden.
Bei der Verwendung einer Spule wechselt die Polarität auf der
Rotor- und Statorwicklung gleichzeitig. Somit kann die Funktion
eines Universalmotors mit der eines Gleichstrommotors verglichen
werden.
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Der
Universal- oder Wechselstrommotor eignet sich aufgrund seiner üblicherweise
geringen Größe, seines
hohen Drehmomentes und seiner benutzerseitig einstellbaren Drehzahl
für viele
Geräte
und Werkzeuge des täglichen
Gebrauchs.
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Beim
Betrieb eines Elektromotors entsteht typischerweise Wärme, die
sich oberhalb einer bestimmten Temperatur, deren Grenzwert von der
jeweiligen Bauart und den verwendeten Materialien des Elektromotors
abhängig
ist, negativ auf die vom Motor abzugebende Leistung auswirkt und
im Extremfall sogar zum Versagen des Elektromotors, dem so genannten
Wärmetod,
führen
kann.
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Diese
entstehende Wärme
sollte abgeleitet werden, um den Motor nicht Temperaturen auszusetzen,
die sich als leistungsreduzierend oder schädlich für die Lebensdauer erweisen.
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Bei
offenen Elektromotoren können
beispielsweise Lüfter
vorgesehen sein, die extern angeordnet sind und für eine Durchströmung des
Elektromotors mit Luft sorgen. Bei geschlossenen Elektromotoren
findet üblicherweise
eine Luftumwälzung
im Inneren statt, um die auftretende Wärme von Wärmequellen zu so genannten
Wärmesenken
zu transportieren.
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Die
Realisierung derartiger Maßnahmen
ist allerdings bauartbedingt mit einer Vergrößerung der axialen Länge der
Elektromotoren verbunden, wenn Elektromotoren mit Kühlsystemen
ausgestattet sind, die in der einfachsten Ausführung für eine Luftzirkulation und
den Abtransport von warmer Luft sorgen. Diese Kühlsysteme, die oftmals ein
Lüfterrad
umfassen, das außerhalb
des Rotors angebracht ist, vergrößern aber
die axiale Länge
des Elektromotors, so dass der Elektromotor mehr Bauraum benötigt.
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Ein
vorgegebener Bauraum ist oftmals nur durch Verzicht auf die genannten
Maßnahmen
zur Kühlung
zu erreichen. Dann allerdings reicht die durch Luftturbulenzen entstehende
Kühlung des Elektromotors üblicherweise
nicht aus, so dass Temperaturbereiche erreicht werden können, die
den Elektromotor in seiner Leistung und Lebensdauer beeinträchtigen.
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Eine
Lösung,
die innerhalb des Elektromotors angeordnet ist und dadurch keinen
zusätzlichen Bauraum
in Anspruch nimmt, aber die Temperaturspitzen sowie dauerhaft höhere Temperaturen
zuverlässig
vermeidet, ist gewünscht.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor der
oben genannten Art anzugeben, der besonders wenig Bauraum beansprucht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem
der Rotor einen Axiallüfter
umfasst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Erfindung geht von der Überlegung
aus, dass bei mechanischer Arbeit grundsätzlich Wärme entsteht. Dies gilt auch
für den
Betrieb von Elektromotoren. Die entstehende Wärme muss abgeleitet werden,
um die Leistung und die Funktionsfähigkeit des Elektromotors sicherzustellen.
Diese Ableitung kann über
Luftzirkulation im Elektromotor geschehen, wobei dazu Lüfter vorzusehen
sind. Um durch die Verwendung von Lüftern den benötigten Bauraum
des Elektromotors nicht zu vergrößern, sollte vorhandenes
Volumen im Rotor zu Kühlzwecken nutzbar
gemacht werden. Der innere Teil des Rotors, der nicht für den Magnetfluss
vonnöten
ist, bietet die Möglichkeit,
diesen freien Bereich für
Kühlzwecke
zu nutzen.
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Um
die Fertigungskosten besonders niedrig halten zu können, wird
bei der Bereitstellung des Axiallüfters vorteilhafterweise auf
ohnehin vorhandene Elemente des Elektromotors zurückgegriffen,
so dass keine weiteren Bauelemente vorgesehen werden müssen. Dazu
wird eine Anzahl von Einzelblechen des Rotorblechpaketes zweckmäßigerweise derart
in der Längsachse
gegenüber
ihrer vorherigen Positionierung verdreht, dass sie in ihrer Gesamtheit in
der neuen Position ein Schaufelprofil aufweisen und somit die Lüfterschaufeln
eines Axiallüfters
bilden.
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Um
den benötigten
Bauraum des Elektromotors nicht durch zusätzliche, außerhalb des Rotors vorgesehene
Bauelemente zur Kühlung
zu vergrößern, ist
der freie, nicht für
den Magnetfluss benötigte Bereich
des Innenteils des Rotorblechpaketes des Rotors vorteilhafterweise
als Axiallüfter
ausgebildet.
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Um
keine zusätzlichen
Bauelemente, die den Bauraum vergrößern und die Fertigungskosten erhöhen können, in
den Elektromotor integrieren zu müssen und ohnehin vorhandene
Elemente durch geeignete Modifikationen für den Lufttransport und somit
zur Kühlung
nutzen zu können,
ist der Innenteil einer üblicherweise
bei einem Rotor vorgesehenen Stirnisolation des Rotorblechpaketes
vorteilhafterweise als Axiallüfter
ausgeführt.
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Um
den vorzugsweise frei gestanzten Innenteil eines Rotorblechpaketes
besonders wirkungsvoll nutzen und die Fertigungskosten für den Elektromotor
niedrig halten zu können
sowie einen bereits bestehenden Elektromotor geeignet nachrüsten zu
können,
ist in den genannten Innenteil vorteilhafterweise ein Axiallüfter eingebaut.
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Um
eine zur Nutisolation vorgesehene Umspritzung des Rotorblechpaketes
auch zu Kühlzwecken
nutzen zu können,
ist diese vorteilhafterweise als Axiallüfter ausgebildet.
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Im
herkömmlichen
Aufbau eines Elektromotors mit einem Rotor bildet eine Rotorwelle
die zentrale Achse des Rotors. Die Rotorwelle wird von einem Innenring
umschlossen, der ein Joch aufnimmt, auf dem das Rotorblechpaket
angebracht ist. Da aber nicht die gesamte Jochbreite für den Magnetfluss
benötigt
wird, reicht es aus, wenn das Joch über eine Anzahl von Ste gen
mit dem Innenring verbunden ist und der Bereich zwischen den Stegen
frei bleibt.
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Um
die Funktion eines Axiallüfters
im Innenteil eines Elektromotors mit geringem fertigungstechnischen
Aufwand zu erreichen zu können
und auch eine nachträglich
Aufrüstung
bereits bestehender Elektromotoren zu ermöglichen, weist eine Anzahl von
das Joch mit dem Innenring verbindenden Stegen vorteilhafterweise
jeweils eine aufgesetzte Flügelkappe
auf. Diese Flügelkappe
ist derart ausgebildet, dass sie bei Drehung des Rotors die Luft
im Innern des Rotors in axialer Richtung transportiert.
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Um
die den Innenring des Rotors und das die Rotorwelle als zentrale
Achse umschließende
Joch verbindenden Stege für
eine besonders gute Luftzirkulation in axialer Richtung nutzen und
den Aufwand für
die Gestaltung eines Axiallüfters
im Rotor möglichst
gering halten zu können,
sind die Stege vorteilhafterweise als Lüfterblätter eines Axiallüfters ausgebildet.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass durch die Ausgestaltung des Rotors als Axiallüfter die
Luftzirkulation zur Kühlung
des Elektromotors beibehalten werden kann, ohne den benötigten Bauraum
zu vergrößern.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 einen
Rotor in herkömmlicher
Bauweise im Schnitt, und
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2 einen
Rotor in erfindungsgemäßer Bauweise
im Schnitt.
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Gleiche
Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt
schematisch den Rotor 1 eines hier nicht dargestellten
Elektromotors mit seinen typischen Komponenten. Der Aufbau entspricht
dem üblicherweise
für Rotoren 1 von
Elektromotoren gewählten
Aufbau. Zentraler, stationärer
Mittelpunkt und Achse für
die Drehbewegung des Rotors ist die Rotorwelle 2.
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Auf
der Rotorwelle 2 dreht sich der Innenring 4, an
dem zur Aufnahme des Jochs 6 eine Anzahl von Stegen 8 angeordnet
ist. Das Joch 6 kann auf verschiedene Arten mit den Stegen 8 verbunden sein;
hierzu zählen
Verschraubung, Vernietung, Verklebung, Verschweißung sowie die Ausbildung als fertigungstechnische
Einheit.
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In
einem Rotor, insbesondere einem Rotor eines Elektromotors mit einer
Polpaarzahl > 1, ist
der Bereich zwischen der Rotorwelle 2 und einem Nutgrund 10 bei
Kommutatorankern und zwischen der Magnetinnenseite und der Rotorwelle 2 bei
Permanentmagnetrotoren nicht vollständig für die magnetische Flussführung vonnöten und
kann auf eine definierte Breite des Jochs 6 reduziert werden.
Der Bereich zwischen dem Joch 6 und einem verbleibenden Innenring 4 zur
Befestigung des Rotors 1 mit dem Rotorblechpaket 12 auf
der Rotorwelle 2 wird üblicherweise
bis auf wenige verbleibende Stege 8 frei gestanzt. Die
dadurch gewonnene freie Fläche 14 dient
als Luftdurchtrittsfläche
zur Kühlung
der Elemente des Elektromotors.
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Der
Bereich 14 zwischen den Stegen 8 ist üblicherweise
offen. In diesem offenen Bereich kann die Luft zirkulieren, wird
aber in der hier gezeigten Ausführung,
die typisch für
einen Elektromotor herkömmlicher
Bauweise ist, in ihrer Bewegung nicht wesentlich durch die Drehbewegung
des Rotors 1 beeinflusst.
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Bei
offenen Elektromotoren kann ohne die Einleitung von besonderen Maßnahmen
eine geringfügige
Zirkulation der Luft und eine Vermengung mit der Luft außerhalb
des Rotors 1 erfolgen, wodurch nur eine bedingt wirkungsvolle
Kühlung
erreicht werden kann. Zur besseren Kühlung wird beispielsweise durch
besondere intern oder extern vorgesehene Lüfter für eine Durchströmung des
Rotors 1 mit Luft gesorgt.
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Bei
geschlossenen Elektromotoren dagegen wird ohne weitere Maßnahmen
keine Luftzirkulation stattfinden, da die Luft durch die Drehbewegung
des Rotors 1 nicht axial in Bewegung gesetzt wird. Dadurch
kann auch keine Kühlung
des Elektromotors erfolgen. Daher ist es angestrebt, dass eine stetige Luftumwälzung im
Inneren erfolgt, so dass eine Unterstützung des Transports der erwärmten Luft
von Wärmequellen
zu Wärmesenken
stattfindet. Dazu können
zusätzliche
Lüfterräder auf
der Rotorwelle 2 aufgebracht sein oder an die hier nicht
dargestellte Stirnisolation angebrachte Flügel zum Einsatz als Lüfterschaufeln
kommen.
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Durch
jede dieser Maßnahmen ändert sich allerdings
die axiale Länge
des Elektromotors. Die 2 zeigt dagegen einen Rotor 1,
der für
eine Luftzirkulation im Innenteil ausgebildet ist. Die Stege 8, die
den Innenring 4 mit dem Joch 6 verbinden, sind als
Lüfterblätter ausgebildet
und verursachen somit bei Drehung des Rotors 1 eine axiale
Durchströmung des
Rotors 1. Dieser Effekt kann auch erreicht werden, wenn
die Stege 8 jeweils eine aufgesetzte Flügelkappe aufweisen. Dies hat
den Vorteil, dass beispielsweise eine nachträgliche Ausrüstung vorhandener Stege 8 mit
Flügelkappen
zur Ausbildung eines Axiallüfters
möglich
ist.
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Bei
Drehung des Rotors 1 um die Rotorwelle 2 findet
durch die besondere Ausgestaltung der Stege 8 oder der
Flügelkappen
auf den Stegen 8 ein Lufttransport in axialer Richtung
durch die freien Bereiche 14 im Inneren des Rotors 1 zwischen
den Stegen 8 statt. Je höher die angeforderte und vom
Elektromotor abzugebende Leistung ist, desto höher ist auch die erzeugte Wärme. Da
somit aber auch die Drehzahl des Rotors 1 steigt, wird
durch die schnellere Drehung des Axiallüfters im Rotor 1 auch
mehr Luft durch die freien Bereiche 14 zwischen den Stegen 8 transportiert
und die erzeugte Wärme
besser abgeleitet.
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In
manchen Ausführungen
eines Elektromotors wird das Rotorblechpaket 12 zur Bildung
einer Nutisolation mit einem elektrisch nicht leitenden Material,
beispielsweise Kunststoff, umspritzt. Diese Nutisolation verfügt üblicherweise über eine
Mittelbohrung, in der die Rotorwelle 2 eingebracht wird
und aufgrund des elektrisch nicht leitenden Materials der Nutisolation
gegenüber
dem Rotorblechpaket 12 isoliert ist. Die Nutisolation kann
in der Fertigung als Axiallüfter
zum Lufttransport innerhalb des freien Bereichs 14 im Innenteil
des Jochs 6 ausgebildet werden.
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- 1
- Rotor
- 2
- Rotorwelle
- 4
- Innenring
- 6
- Joch
- 8
- Steg
- 10
- Nutgrund
- 12
- Rotorblechpaket
- 14
- freie
Fläche