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Die
Erfindung betrifft ein Primärteil
für eine elektrische
Maschine mit zumindest einem Blechpaket, wobei das Blechpaket Nuten
und Zähne
aufweist und aus mehreren parallel angeordneten Blechen zusammengefügt ist,
und zumindest einer Kühleinrichtung.
Ferner betrifft die Erfindung einen Linearmotor mit einem derartigen
Primärteil.
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Elektrische
Maschinen weisen ein Primärteil und
ein Sekundärteil
auf. Das Sekundärteil
ist beispielsweise ein Läufer
einer rotatorisch arbeitenden elektrischen Maschine oder auch ein
bewegtes Teil eines Linearmotors. Das Primärteil ist beispielsweise als
Ständer
bzw. als feststehendes Teil mit einer ein- oder mehrphasigen Wicklung
ausgebildet. Bei Linearmotoren kann sowohl das Primärteil als
auch das Sekundärteil
als bewegtes Teil ausgebildet sein.
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Bei
linear ausgeführten
elektrischen Maschinen steht dem Primärteil das Sekundärteil gegenüber, wobei
Primärteil
und Sekundärteil
durch einen Luftspalt voneinander beabstandet sind. Sowohl das Primärteil als
auch das Sekundärteil
weisen magnetische Mittel zur Generierung und/oder Führung magnetischer
Felder auf.
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Um
den magnetischen Fluss zu führen,
werden beim wicklungstragenden Teil eines Linearmotors (Primärteil) üblicherweise
gezahnte Bleche verwendet. In den Nuten des Primärteils ist eine ein- oder mehrphasige
Wicklung angeordnet.
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Linearmotoren
werden bei modernen Produktionsmaschinen aufgrund ihrer besonderen Schnelligkeit
und Präzision
immer häufiger
anstelle von konventionellen Rotationsmotoren und deren mechanischen
Transmissionsgliedern verwendet, wobei in der Regel das Primärteil des
Linearmotors direkt an das zu bewegende Maschinenteil angekoppelt
ist. Da jedoch in der Wick lung des Primärteils infolge des ohmschen
Widerstandes und im Sekundärteil
infolge von Wirbelströmen
erhebliche Verlustwärme
entsteht, fallen in unmittelbarer Nähe des zu bewegenden Maschinenteils
unerwünschte
Wärmemengen
an. Wenn diese Wärme
nicht effektiv abgeführt,
sondern in die Maschinenkonstruktion geleitet wird, verschlechtert
sich die Genauigkeit der Maschine.
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Es
ist bekannt, zur Wärmeabfuhr
mit Kühlflüssigkeit
durchströmte
Kühlrohre
im Grunde der Nuten anzuordnen, die die Primärteilwicklung enthalten. Diese
Einlegeart ist jedoch zeitaufwändig
und sehr schwierig durchzuführen,
wenn die Nutöffnungen
Verengungen aufweisen.
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Aus
der
DE 196 04 643
A1 ist ein Linearmotor mit einer Kühleinrichtung bekannt, wobei
das Primär-
und/oder Sekundärteil
mit Kühlmittel
durchströmte
Kühlrohre
aufweist, wobei die Kühlrohre
auf den, den Nuten abgewandten, Rückenflächen der Blechpakete in Kühlnuten
angeordnet sind.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine alternative Kühleinrichtung
für ein
Primär- oder
Sekundärteil
bereitzustellen, welche die anfallende Verlustwärme möglichst direkt abführt und
einfach herzustellen ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 13 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Ein
erfindungsgemäßes Primärteil für eine elektrische
Maschine umfasst zumindest ein Blechpaket, wobei das Blechpaket
Nuten und Zähne
aufweist und aus mehreren parallel angeordneten Blechen zusammengefügt ist.
Die Bleche, beispielsweise Elektrobleche, sind mit kammartigen Ausstanzungen
versehen, so dass nach Zusammenfügen
der einzelnen Bleche sich am Blechpaket Nuten und Zähne ausbilden.
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Das
Primärteil
weist zumindest eine Kühleinrichtung
auf. Die Kühleinrichtung
ist derart ausgebildet, dass diese ebenso Nuten und Zähne aufweist, welche
zu den Nuten und Zähnen
des Blechpakets korrespondierenden. Die Kühleinrichtung weist, ebenso
wie die Bleche des Blechpakets, eine kammartige Struktur auf und
wird am und/oder in das Blechpaket integriert angeordnet. Dabei
kann die Kühleinrichtung
an den Außenseiten
des Blechpakets angeordnet sein oder auch zwischen einzelne Teilblechpakete
angeordnet sein. Die Nuten der Kühleinrichtung
und die Nuten der Bleche ergeben zusammen eine Nutstruktur und die
Zähne der
Kühleinrichtung
und die Zähne
der Bleche ergeben eine Zahnstruktur.
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Die
Kühleinrichtung
muss dabei nicht die gleiche Anzahl von Zähnen und Nuten wie das Blechpaket
aufweisen. Weist das Blechpaket beispielsweise sieben Zähne (sechs
Nuten) auf, so kann die Kühleinrichtung
ebenso sieben Zähne
aufweisen. Die Kühleinrichtung
kann aber auch nur vier Zähne
aufweisen, wobei sich dann die Anzahl der Nuten ebenso reduziert
(drei Nuten). Die vier Zähne
können dann
beispielsweise so angeordnet sein, dass diese jedem zweiten Zahn
des Blechpakets zugeordnet sind. Weist die Kühleinrichtung weniger Zähne und Nuten
als das Blechpaket auf, können
die Zähne
der Kühleinrichtung
beliebig angeordnet sein, wobei ein Zahn der Kühleinrichtung jeweils zu einem
Zahn des Blechpakets korrespondiert.
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Vorteilhafterweise
weist das Primärteil
mehrere Kühleinrichtungen
auf. Dabei wird das Blechpaket in mehrere Teilblechpakete unterteilt
und zwischen zwei Teilblechpaketen ist jeweils zumindest eine Kühleinrichtung
angeordnet. Dadurch ergibt sich ein schichtartiger Aufbau von Teilblechpakten
und Kühleinrichtungen,
wobei abwechselnd Teilblechpakt und Kühleinrichtung angeordnet ist.
Durch einen schichtartigen Aufbau wird eine effektive Kühlung im Primärteil gewährleistet.
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In
einer weiteren Ausgestaltung weist das Primärteil mehrere Kühleinrichtungen
auf, wobei die Kühleinrichtungen
mittels eines variabel vorgebbaren Abstands im oder am Blechpaket
po sitionierbar sind. Beispielsweise können im inneren Bereich des Blechpakets
mehrere Kühleinrichtungen
zwischen einzelnen oder mehreren Blechen des Blechpakets angeordnet
sein, weil die Wärmeentwicklung
im inneren Bereich größer als
in den äußeren Bereichen
des Primärteils
ist. Zudem können
die Kühleinrichtungen in
einem engeren Abstand zueinander positioniert sein als die Kühleinrichtungen
die in Richtung der äußeren Bereiche
des Blechpakets angeordnet sind.
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In
der Nutstruktur, welche sich aus den Nuten der Bleche und der Kühleinrichtung
ergibt, ist eine ein- oder mehrphasige Wicklung angeordnet. Die Wicklung
ist beispielsweise aus Zahnspulen aufgebaut. Die kammartige Kühleinrichtung,
auch als Kühlkamm
bezeichnet, greift dabei direkt über
die Zahnspulen, wodurch diese direkt gekühlt werden und die Wärme direkt,
beispielsweise an einen Wärmetauscher,
abgeführt
werden kann.
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Die
Kühleinrichtung
weist vorteilhafterweise Material auf, welches sehr gut wärmeleitfähig ist.
Dieses Material ist beispielsweise Kupfer oder Aluminium.
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Die
Kühleinrichtung
kann ganz oder teilweise ebenso aus einem so genannten Metall-Kunststoff-Hybrid
hergestellt sein. Ein Metall-Kunststoff-Hybrid umfasst i. d. R.
einen Thermoplasten, eine Metallverbindung und einen elektrisch
leitenden und/oder metallischen Füllstoff. Als Thermoplast sind alle
am Markt angebotenen Thermoplaste verwendbar, die je nach gefordertem
Eigenschaftsprofil ausgewählt
werden können.
Die metallische Verbindung umfasst im Wesentlichen Metalle, kann
aber beliebige Zusätze,
insbesondere auch nichtmetallische Zusätze und Additive haben. Als
elektrisch leitfähiger und/oder
metallischer Füllstoff
kommen alle gängigen
elektrisch leitenden Füllstoffe
wie Fasern und/oder Partikel aus Metall, Metalllegierungen, Kohlefaser
etc. zum Einsatz. Derartige Hybride weisen einen niedrigen spezifischen
Durchgangswiderstand auf, wodurch das Entstehen von Verlustwärme in Bauteilen
stark begrenzt wird, wobei die Verlustwärme überdies in Kombination mit
der hohen thermischen Leitfähigkeit
der Hybride sehr effektiv abgeführt
werden kann.
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Es
kann aber auch jedes andere geeignete wärmeleitfähige Material eingesetzt werden.
Die Kühleinrichtung
gibt die Wärme
beispielsweise an die Umgebung ab.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Kühleinrichtung
einen mit Kühlmittel,
wie beispielsweise Wasser, durchströmten Kühlkanal auf. Der Kühlkanal
ist vorzugsweise oberhalb der Zähne
der Kühleinrichtung
angeordnet. Der Bereich oberhalb der Zähne wird auch als Joch bezeichnet, so
dass der Kühlkanal
vorzugsweise im Jochbereich der Kühleinrichtung verläuft.
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Vorzugsweise
weist das Blechpaket mehrere Teilblechpakete auf, wobei zwischen
zwei Teilblechpaketen jeweils zumindest eine Kühleinrichtung mit einem Kühlkanal
angeordnet ist und wobei die Kühlkanäle der einzelnen
Kühleinrichtungen
miteinander verbunden sind. Dadurch wird ein Kühlkreislauf realisiert und
das Kühlmittel
kann durch die vorhandenen Kühlkanäle fließen, wobei
ein erster und ein letzter Kühlkanal
als Zufluss bzw. als Abfluss dienen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung weist das Primärteil auf seiner, den Nuten
gegenüberliegende Seite,
ebenen Rückenfläche eine
befestigte Kühlplatte
auf. Die Kühlplatte
dient ebenso zur Entwärmung des
Primärteils
und ist beispielsweise aus massivem Aluminium hergestellt und beispielsweise
mit dem Blechpaket verschraubt. Vorteilhafterweise sind die Kühleinrichtungen
an die Kühlplatte
thermisch gekoppelt, beispielsweise verschraubt oder verklebt. Die
Kühlplatte
ist beispielsweise als Plattenwärmetauscher
ausgebildet, wobei die Wärme
beispielsweise an die Umgebung abgegeben wird.
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Die
Kühlplatte
ist vorteilhafterweise mit Kühlrohren,
die einen separaten Kühlkreislauf
ergeben, durchsetzt. Somit können
sowohl die Kühleinrichtungen
als auch die Kühlplatte
jeweils einen eigenen Kühlkreislauf
aufweisen. Weist jedoch die Kühlplatte Kühlrohre
auf, so können
die Kühlkanäle in den
Kühleinrichtungen
entfallen, da bei einer Kopplung von Kühleinrichtungen mit Kühlplatte
eine ausreichende Kühlung
gegeben ist.
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Die
beschriebene Kühleinrichtung
ist sowohl für
ein Primärteil
als auch für
ein Sekundärteil
einer elektrischen Maschine, die linear oder rotatorisch ausgebildet
ist, anwendbar.
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Erfindungsgemäß werden
ein Primärteil
und ein Linearmotor mit einem effektiven Kühlsystem bereitgestellt. Durch
die Anordnung der einzelnen kammartigen Kühleinrichtungen wird die Wärme direkt von
der Wicklung bzw. den einzelnen Spulen abgeleitet. Es wird ein bauhöhenoptimierter
Linearmotor bereitgestellt, welcher insbesondere eine flache Bauweise
aufweist.
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In
der nachfolgenden Beschreibung werden weitere Merkmale und Einzelheiten
der Erfindung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen anhand von
Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Dabei
sind in einzelnen Varianten beschriebene Merkmale und Zusammenhänge grundsätzlich auf alle
Ausführungsbeispiele übertragbar.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Kühleinrichtung
in einer ersten Ausgestaltung;
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2 eine
Kühleinrichtung
in einer zweiten Ausgestaltung;
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3 ein
erfindungsgemäßes Primärteil in einer
ersten Ausgestaltung;
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4 ein
erfindungsgemäßes Primärteil in einer
zweiten Ausgestaltung;
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5 ein
erfindungsgemäßes Primärteil in einer
dritten Ausgestaltung;
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6 eine
Kühleinrichtung
in einer dritten Ausgestaltung; und
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7 ein
Primärteil
in einer vierten Ausgestaltung.
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1 zeigt
eine Kühleinrichtung 1 in
einer ersten Ausgestaltung. Die Kühleinrichtung 1 weist
die Zähne 2 und
die Nuten 3 auf, wodurch sich eine kammartige Form der
Kühleinrichtung 1 ergibt.
Die Bereiche oberhalb der Nuten 3 werden als Joch 4 bezeichnet.
Die Kühleinrichtung 1,
auch als Kühlkamm 1 bezeichnet,
ist beispielsweise aus massivem Aluminium hergestellt.
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2 zeigt
eine Kühleinrichtung 1 gemäß 1,
wobei die Kühleinrichtung 1 gemäß einer zweiten
Ausführung
einen Kühlkanal 5 aufweist.
Der Kühlkanal 5 ist
im Bereich der Joche 4 in der Längsausdehnung des Kühlkamms 1 angeordnet
und wird von einem Kühlmittel
durchströmt.
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3 zeigt
ein erfindungsgemäßes Primärteil 13 in
einer ersten Ausgestaltung in einer Seitenansicht, insbesondere
in einer Stirnseitenansicht. Zwischen zwei Teilblechpaketen 6a, 6b, 6c ist
jeweils eine Kühleinrichtung 1 mit
jeweils einem Kühlkanal 5 angeordnet.
Es können
jedoch auch Kühleinrichtungen 1 ohne
Kühlkanäle in das
Primärteil 13 integriert sein.
Dadurch ergibt sich ein schichtartiger Aufbau von Teilblechpakten 6a, 6b, 6c und
Kühleinrichtungen 1,
wobei abwechselnd Teilblechpaket 6a, 6b, 6c und
Kühleinrichtung 1 angeordnet
sind. Durch einen schichtartigen Aufbau wird eine effektive Kühlung im Primärteil 13 gewährleistet.
Der schichtartige Aufbau des Primärteils 13 schließt vorzugsweise
jeweils mit einem Teilblechpaket 6a, 6c ab, so
dass an den Randbereichen keine Kühleinrichtung 1 angeordnet ist.
Weiterhin ist die Wicklung 7 dargestellt, die in den nicht
gezeigten Nuten der Teilblechpakete 6a, 6b, 6c und
der Kühleinrichtungen 1 angeordnet
ist.
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4 zeigt
ein erfindungsgemäßes Primärteil 13 in
einer perspektivischen Ansicht in einer zweiten Ausgestaltung.
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Das
Primärteil 13 für eine elektrische
Maschine umfasst die Teilblechpakete 6a bis 6e,
wobei die Blechpakete 6a bis 6e Nuten 9 und
Zähne 8 aufweisen
und aus mehreren parallel ange ordneten Blechen zusammengefügt, beispielsweise
stanzpaketiert, sind. Die einzelnen Bleche, beispielsweise Elektrobleche,
sind mit kammartigen Ausstanzungen versehen, so dass nach Zusammenfügen der
einzelnen Bleche sich an einem Blechpaket 6a bis 6e Nuten 9 und
Zähne 8 ergeben.
Das Primärteil 13 weist
mehrere Kühleinrichtungen 1 auf.
Die Kühleinrichtungen 1 weisen,
ebenso wie die Blechpakete 6a bis 6e, eine kammartige
Struktur auf und werden zwischen die Blechpakete 6a bis 6e integriert
angeordnet. Die Nuten 3 der Kühleinrichtungen 1 und
die Nuten 9 der Blechpakete 6 ergeben zusammen
eine Nutstruktur und die Zähne 2 der
Kühleinrichtungen 1 und
die Zähne 8 der
Blechpakete 6a bis 6e ergeben eine Zahnstruktur.
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In
der Nutstruktur ist eine ein- oder mehrphasigen Wicklung 7 angeordnet.
Die Wicklung 7 ist beispielsweise aus Zahnspulen aufgebaut.
Die kammartigen Kühleinrichtungen 1 greifen
dabei direkt über die
Zahnspulen der Wicklung 7, wodurch diese direkt gekühlt werden
und die Wärme
direkt abgeführt
werden kann.
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Des
Weiteren weisen die Kühleinrichtungen 1 jeweils
einen Kühlkanal 5 auf.
Die einzelnen Kühlkanäle 5 erstrecken
sich in Bewegungsrichtung R (eines nicht gezeigten Linearmotors)
und sind mittels flexibler oder vorgefertigter Verbindungsstücke 12 miteinander
verbunden. Dadurch wird ein Kühlkreislauf
realisiert und ein Kühlmittel
kann durch die Kühlkanäle fließen, wobei
ein erster und ein letzter Kühlkanal
als Zufluss 10 bzw. als Abfluss 11 dienen. Vorteilhafterweise
sind Zufluss 10 und Abfluss 11, d. h. Anfang und
Ende des Kühlkreislaufes,
an einer Seite des Primärteils 13 angeordnet.
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5 zeigt
ein Primärteil 13 in
einer dritten Ausgestaltung in einer Seitenansicht, insbesondere in
einer Stirnseitenansicht. Gemäß dieser
dritten Ausgestaltung weist das Primärteil 13 auf seiner,
den Nuten gegenüberliegende
Seite, ebenen Rückenfläche eine
Kühlplatte 14 auf.
Die Kühlplatte 14 dient auch
zur Entwärmung
des Primärteils 13 und
ist beispielsweise aus massivem Aluminium hergestellt und beispielsweise
mit den Teilblechpaketen 6a bis 6e verschraubt.
Vorteilhafterweise sind die Kühleinrichtungen 1 und
die Kühlplatte 14 thermisch
gekoppelt. Die Kühlplatte 14 ist
beispielsweise als Plattenwärmetauscher
ausgebildet.
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Die
Kühlplatte 14 kann
mit Kühlrohren,
die einen eigenen Kühlkreislauf
ergeben, durchsetzt sein (nicht gezeigt). Die Kühlrohre können sowohl in Bewegungsrichtung
als auch quer zur Bewegungsrichtung ausgebildet sein. Somit können sowohl
die Kühleinrichtungen 1 als
auch die Kühlplatte 14 jeweils
einen separaten Kühlkreislauf
aufweisen, wobei die separaten Kühlkreisläufe auch
gekoppelt sein können und
einen Gesamtkühlkreislauf
ergeben. Gemäß 5 weisen
die Kühleinrichtungen 1 jedoch
keine Kühlkanäle auf.
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6 zeigt
einen Ausschnitt einer Kühleinrichtung 1 in
einer dritten Ausgestaltung. Die Kühleinrichtung 1 weist
mehrere Ausbuchtungen 15 auf, die zur Aufnahme von Kühlrohren
dienen. Gemäß dieser Ausführungsform
sind Kühlrohre
quer zur Bewegungsrichtung R eines nicht gezeigten Linearmotors angeordnet
und erstrecken sich quer über
Blechpakete und Kühleinrichtungen.
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7 zeigt
ein Primärteil 13 in
einer vierten Ausgestaltung, wobei das Primärteil 13 Kühleinrichtungen 1 gemäß 6 mit
den Ausbuchtungen 15 aufweist. Die Teilblechpakete 6a bis 6c weisen
ebenso Ausbuchtungen 15 auf, so dass in den Ausbuchtungen 15 Kühlrohre
angeordnet werden können.