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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor mit Kühlrippen einer an sich bekannten Bauart mit einem Rotor und einem Stator, die in einem Motorgehäuse angeordnet sind. Das Motorgehäuse besitzt zur Vergrößerung der Oberfläche und zur damit einhergehenden Verbesserung der konvektiven Kühlung an seiner Außenumfangswand Kühlrippen, die sich üblicherweise in Axialrichtung des Motorgehäuses erstrecken und in Umfangsrichtung des Motorgehäuses so verteilt und angeordnet sind, daß zumindest zwischen einigen benachbarten Kühlrippen zur Außenseite offene Kanäle für Kühlluft gebildet sind.
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Es ist auch bekannt, bei einem derartigen Elektromotor ein Lüfterrad vorzusehen, das im Betrieb Kühlluft über die Außenumfangswände des Motorgehäuses und damit zumindest teilweise in die Kühlluftkanäle zuführt.
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Werden derartige Elektromotoren in Hochtemperaturumgebungen eingesetzt, beispielsweise in Gehäusen oder Schaltschränken von Anlagen, die im Wesentlichen geschlossen sind und/oder zahlreiche Einbauten, Leitungen und Aggregate in dicht gedrängter Anordnung aufweisen, kann eine ausreichende Abfuhr der durch den Motor und die verschiedenen anderen Aggregate erzeugten Abwärme u. U. nicht im ausreichenden Maße gewährleistet sein, wodurch eine ausreichende Kühlung des Elektromotors und anderer Aggregate nicht mehr möglich ist.
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Besonders relevant ist dieses Problem bei Dampfsterilisatoren oder Autoklaven, die häufig in der Medizin oder Biotechnologie eingesetzt werden, um Operationsbestecke, Instrumente, Behälter oder Nährmedien etc. zu sterilisieren oder zu desinfizieren.
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Bei diesen Geräten ist häufig eine Saug-/Druck-Pumpe, welche durch einen Elektromotor angetrieben wird, zusammen mit anderen wärmeabstrahlenden Aggregaten wie dem Dampfkessel in einem im Wesentlichen geschlossenen Gehäuse aufgenommen. Mit fortschreitendem Betrieb wird das Gehäuse der Saug-/Druck-Pumpe so weit aufgeheizt, dass die Pumpenfunktion aufgrund eines geringeren Temperaturdifferentials zur Umgebungsluft in dem Gehäuse des Dampfsterilisators immer weiter abnimmt, bis die Saug-/Druck-Pumpe bei Überschreiten einer bestimmten Temperaturgrenze zwangsweise abgeschaltet wird. Bei einer solchen Anwendung sind selbst geringfügige Verbesserungen der Kühlung der Saug-/Druck-Pumpe von erheblicher Bedeutung, weil sie eine Verlängerung der Betriebsdauer der Pumpeneinheit bis zu einer Temperaturabschaltung ermöglichen. Entsprechendes gilt, wenn derartige Pumpen oder Elektromotoren generell in Einsatzgebieten mit hoher Umgebungstemperatur eingesetzt werden sollen.
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Saug-/Druck-Pumpen sind an sich bekannt und umfassen eine Pumpeneinheit mit Saug- und Druckanschlüssen, die mit einem Elektromotor gekoppelt und durch den Rotor des Motors, beispielsweise über ein Pleuel oder einen anderen Getriebemechanismus, wenn die Rotation in eine Linearbewegung gewandelt werden soll, angetrieben ist. Üblicherweise wird sowohl die Pumpeneinheit als auch das Motorgehäuse im Betrieb durch einen Luftstrom gekühlt, der über ein Lüfterrad, das mit dem Rotor des Motors gekoppelt und durch diesen angetrieben ist, erzeugt wird.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Elektromotor hinsichtlich der Kühlung des Motorgehäuses zu verbessern, um seinen Einsatz insbesondere in Hochtemperaturumgebungen zu ermöglichen.
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Zur Lösung bringt die Erfindung einen Elektromotor gemäß Anspruch 1 in Vorschlag. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Erfindung betrifft auch eine Saug-/Druck-Pumpe mit einem erfindungsgemäßen Elektromotor sowie ein Verfahren, mit dem die Kühlung eines Elektromotors mit einem Motorgehäuse, das an seiner Außenumfangswand zur Außenseite vorstehende Kühlrippen in an sich bekannter Ausgestaltung aufweist, die sich in Axialrichtung des Motorgehäuses erstrecken und in Umfangsrichtung des Motorgehäuses so verteilt und angeordnet sind, daß zumindest zwischen einigen benachbarten Kühlrippen zur Außenseite offene Kanäle für Kühlluft gebildet sind, nachträglich auf einfache und kostengünstige Weise ohne Modifikation des Motorgehäuses selbst verbessert werden kann.
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Im Folgenden wir die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
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1 eine Seitenansicht einer typischen Motorpumpe mit Pumpeneinheit und erfindungsgemäßem Elektromotor,
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2 eine Vorderansicht der Motorpumpe von 1,
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3 eine Schnittansicht der Motorpumpe von 1,
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4 eine Querschnittansicht des Motorgehäuses des erfindungsgemäßen Elektromotors,
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5 eine Seitenansicht des Motorgehäuses von 4,
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6 eine der Darstellung von 4 entsprechende Querschnittansicht einer Abwandlung des Motorgehäuses eines erfindungsgemäßen Elektromotors und
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7 eine der Darstellung von 4 entsprechende Schnittansicht einer weiteren Abwandlung des Motorgehäuses eines erfindungsgemäßen Elektromotors.
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Die 1 bis 3 zeigen eine typische Saug-/Druck-Pumpe mit einem erfindungsgemäßen Elektromotor, der mit der Pumpeneinheit 12 so gekoppelt ist, dass die Pumpeneinheit 12 über den Rotor des Elektromotors angetrieben ist. Dazu sind ein Pumpengehäuse 13 und ein Motorgehäuse 3 mechanisch miteinander verbunden. Der Elektromotor besitzt ein Lüfterrad 9, das in der 3 deutlicher gezeigt ist und hier als Axial-Lüfterrad ausgebildet ist, das an einem axialen Ende des Elektromotors angeordnet und über den Rotor 1 des Elektromotors direkt antreibbar ist. Im Betrieb wird ein durch das Axial-Lüfterrad erzeugter axialer Luftstrom Luftstrom über die Außenseite des Motorgehäuses geleitet. Bei Motoren ohne Pumpeneinheit kann gegebenenfalls ein (hier nicht gezeigtes) eigenes Lüftergehäuse, beispielsweise in Form einer Lüfterhaube, vorgesehen sein, das bzw. die den Luftstrom entsprechend leitet.
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Bei der in 3 gezeigten Saug-/Druck-Pumpe übernimmt das Pumpengehäuse 13 der Pumpeneinheit 12 die Funktion des Lüftergehäuses 10 und leitet einen Teil des Luftstroms gemäß der schematischen Darstellung durch den Pfeil A durch mehrere Öffnungen am Umfang in Axialrichtung in später noch detailliert beschriebene Kühlluftkanäle 6 am Außenumfang des Motorgehäuses 3. Ein anderer Teil des Kühlluftstroms wird gemäß der symbolischen Darstellung durch den Pfeil B durch das Lüftergehäuse 10 in radialer Richtung in Kühlluftkanäle 16, die durch das Innere des Pumpengehäuses 13 führen und die wesentlichen Abschnitte der Saug-/Druck-Pumpeneinheit 12 kühlen, geleitet.
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Das Motorgehäuse 3 des mit der Pumpeneinheit 12 verbundenen Elektromotors nimmt in an sich bekannter Weise einen Rotor 1 und einen Stator 2 auf. An seiner Außenumfangswand 4 weist das Motorgehäuse 3 zur Außenseite vorstehende Kühlrippen 5 auf, die sich typischerweise in Axialrichtung des Motorgehäuses 3 und parallel zueinander und zu der Rotorachse erstrecken und in Umfangsrichtung des Motorgehäuses 3 so verteilt und angeordnet sind, dass zumindest zwischen einigen benachbarten Kühlrippen 5 zur Außenseite offene Kühlluftkanäle 6 gebildet sind. Diese Anordnung geht aus der Zusammenschau der 4 und 5 hervor, die das Motorgehäuse 3 im Querschnitt und in Seitenansicht zeigen.
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Bei der dargestellten Ausführungsform erstrecken sich die Kühlrippen 5 radial und sind in der Umfangsrichtung im Wesentlichen mit gleichmäßigen Abständen angeordnet. Die Anordnung ist allerdings nicht zwingend, wobei die Kühlrippen auch in unregelmäßigen Abständen und unter einem anderen Winkel als senkrecht zur Tangente an die Außenumfangswand 4 des Motorgehäuses angeordnet sein können. Außerdem ist es nicht notwendig, dass alle Kühlrippen 5 dieselbe Querschnittform besitzen, was durch die breiter ausgeführten Kühlrippen 5a in der Darstellung von 4 verdeutlicht ist. Diese breiteren Kühlrippen umgeben beispielsweise innenliegende Montagenuten zur Aufnahme von Montagestangen oder Erweiterungen für Gewindelöcher. Ferner müssen die Kühlrippen nicht stets über die gesamte axiale Länge des Motorgehäuses durchgehen.
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Außer den Kühlrippen können weitere funktionale Rippen und Vorsprünge an der Außenumfangswand 4 des Motorgehäuses vorgesehen sein, beispielsweise Bereiche zur Montage von Anbauteilen oder Montagefüßen 5b des Motors, wie ebenfalls in 4 angedeutet ist.
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Die erfindungsgemäße Gestaltung besteht nun darin, dass zumindest bei einigen der Kühlkanäle 6 eine der Kühlrippen 5, die einen jeweiligen Kühlluftkanal 6 seitlich begrenzen, einen Vorsprung 8 aufweist, der sich in einem radialen Abstand von der Außenumfangswand 4 des Motorgehäuses 3 zur jeweils anderen Kühlrippe 5, die denselben Kühlluftkanal 6 seitlich begrenzt, hin erstreckt, so dass dadurch die Öffnung 7 des Kühlluftkanals 6 zur Außenseite teilweise verschlossen bzw. gegenüber der Breite des darunter liegenden Kühlluftkanals verringert ist.
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Bei gleichmäßiger Ausgestaltung dieser Vorsprünge 8 in axialer Richtung ist die Öffnung 7 der Kühlluftkanäle zur Außenseite daher insgesamt schlitzförmig, wie aus der Darstellung der 5 hervorgeht.
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Sind an einer Kühlrippe beispielsweise wie in 4 gezeigt Vorsprünge 8 in beiden Richtungen, d. h. zu den beiden jeweils benachbarten Kühlrippen hin vorgesehen, die die benachbarten Kühlluftkanäle seitlich begrenzen, ergibt sich damit im Querschnitt der Kühlrippen senkrecht zur Axialrichtung des Motorgehäuses ein T-förmiges Profil. Die einander zugewandten Enden der T-Querschenkel benachbarter Kühlrippen begrenzen also die schlitzartige Öffnung 7 des Kühlkanals 6 zwischen diesen Kühlrippen 5.
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Allerdings ist auch eine Anordnung möglich, die in 7 angedeutet ist, bei der die Vorsprünge 8 zumindest bei einigen Kühlrippen nur von einer der einen jeweiligen Kühlluftkanal 6 seitlich begrenzenden Kühlrippen 5 ausgehen, wobei auch hier die Öffnung 7 des jeweiligen Kühlluftkanals 6 zur Außenseite schlitzartig ist und teilweise verschlossen wird. Diese Kühlrippen haben also einen umgekehrt L-förmigen Querschnitt und das freie Ende des L-Querschenkels begrenzt zusammen mit der jeweils benachbarten Kühlrippe die schlitzartige Öffnung des Kühlkanals zwischen diesen benachbarten Kühlrippen.
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Weitere alternative Ausgestaltungen können daher im Querschnitt auch S- oder Z-förmig sein. Ferner können Kombinationen verschiedener Querschnittformen an einem Motorgehäuse vorgesehen werden.
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Durch die Verringerung der Größe der Öffnung 7 des Kühlluftkanals zur Außenseite wird die in Axialrichtung durch das Lüfterrad 9 und das Lüftergehäuse 10 über die Außenseite des Motorgehäuses 3 gelenkte Kühlluft über eine größere axiale Strecke in den Kühlluftkanälen geführt, wodurch der Wärmeabtransport durch Konvektion und damit die Kühlung des Motorgehäuses verbessert wird. Im Stand der Technik, bei dem zwar zur Außenseite offene Kühlluftkanäle durch parallele, radiale Kühlrippen gebildet sind, entweicht die Kühlluft schon nach relativ kurzer Strecke fächerartig vollständig zur Außenseite und wird verteilt, so dass sie nur noch in geringem Maße oder gar nicht mehr zur Kühlung des Motorgehäuses beiträgt. Die erfindungsgemäße Verkleinerung der Öffnung, insbesondere als schlitzartige Öffnung in Axialrichtung des Motorgehäuses, bewirkt eine Rückhaltung und Führung des axialen Kühlluftstroms über einer größeren Strecke entlang dem Motorgehäuse, während gleichzeitig ein definierter aber begrenzter Teil der erwärmten Kühlluft durch die Schlitze nach Außen entweichen kann, so dass die konvektive Kühlung insgesamt erheblich verbessert wird. Durch entsprechende Dimensionierung der Größe der schlitzartigen Öffnungen im Verhältnis zu der Breite und Länge der Kühlluftkanäle und dem Druck des Luftstroms kann das Verhältnis zwischen entweichender Luft und in den Kühlluftkanälen geleiteter Luft beeinflusst werden.
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Es hat sich herausgestellt, dass die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kühlluftkanäle, bei denen die Größe der zur Außenseite gerichteten Öffnungen der Kühlluftkanäle über der Breite der Kühlluftkanäle vorzugsweise schlitzartig verringert ist, nicht nur gegenüber ganz offenen Kühlluftkanälen sondern auch gegenüber vollständig geschlossenen Kühlluftkanälen hinsichtlich der Wärmeabfuhr verbessert ist.
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Zur weiteren Verbesserung der Führung des Luftstroms in den Kühlluftkanälen können einer oder mehrere Stege 11 in den jeweiligen Kühlluftkanälen 6 vorgesehen sein, wie das in 6 angedeutet ist. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung besteht darin, axiale Stege 11, wie dargestellt, etwa mittig unter der jeweiligen schlitzartigen Öffnung 7 und parallel dazu am Grund des jeweiligen Kühlluftkanals vorzusehen, wobei die Stege 11 eine geringere Höhe besitzen als die Kühlrippen 5, welche die Kühlluftkanäle 6 seitlich begrenzen. Weitere Stege oder Rippen in Axialrichtung können an den Kühlrippen in den Kühlluftkanälen vorgesehen sein, um Turbulenzen zu verringern.
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Die Breite der schlitzartigen Öffnung 7, die durch die Vorsprünge 8 im Abstand von der Außenumfangswand 4 des Motorgehäuses 3 definiert und begrenzt ist, ist erheblich geringer als die Breite der Kühlluftkanäle 6 selbst, wobei eine Verringerung auf etwa die Hälfte der Breite bevorzugt ist.
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Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Außenumfangswand 4, die Kühlrippen 5 und die Vorsprünge 8 an den Kühlrippen 5 des Motorgehäuses 3 integral ausgebildet. Dies kann vorzugsweise durch Herstellung des Motorgehäuses als Strangpreßprofil oder als Gußteil erreicht werden. Eine Herstellung des Motorgehäuses durch Dreh- und Fräsbearbeitung ist bei geringen Stückzahlen ebenfalls denkbar.
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Bei einer nicht gezeigten Abwandlung sind die Außenumfangswand und die Kühlrippen des Motorgehäuses in an sich bekannter Weise integral, beispielsweise als Strangpreßprofil oder als Gußteil ausgebildet. Die erfindungsgemäß im Abstand von der Außenumfangswand des Motorgehäuses an den Kühlrippen vorgesehenen Vorsprünge, welche die Größe der Öffnungen der durch die Kühlrippen seitlich begrenzten Luftkanäle verringern, ist aber durch ein separates Bauteil in Form einer Metallhülse gebildet, die axial Außen auf die Kühlrippen aufgesetzt wird und diese zumindest teilweise umgibt. Die Hülse ist dabei mit Öffnungen, vorzugsweise in Form von Schlitzen, versehen, die so angeordnet und dimensioniert sind, dass die Öffnungen der Kühlluftkanäle zur Außenseite hin teilweise verschlossen und dadurch verkleinert werden und die zuvor beschriebene erfindungsgemäße Wirkung erzielt wird. Diese Ausgestaltung ist besonders bevorzugt, wenn ein an sich bestehendes Motorgehäuse mit einfachen, axialen parallelen Kühlrippen zur Verbesserung der Kühlung nachgerüstet werden soll. Die Metallhülse kann vorzugsweise eine Zylinderform besitzen, wobei auch eine Teilzylinderform denkbar ist. Durch die Teilzylinderform kann bei entsprechender Wahl der Abmessungen eine relativ enge, elastische Fixierung der Hülse auf dem Außenumfang der Kühlrippen erreicht werden.
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Die Erfindung erstreckt sich damit auch auf ein Verfahren zum Verbessern der Kühlung eines solchen an sich bekannten Elektromotors, das im Bereitstellen einer mit solchen Öffnungen versehenen Hülse besteht, die so gestaltet ist, dass sie auf die Kühlrippen des bestehenden Motorgehäuses Außen aufsetzbar ist und dieses zumindest teilweise umgibt, wobei im aufgesetzten Zustand das Material der Hülse die Öffnungen zumindest einiger Kühlluftkanäle in einem Abstand von der Außenumfangswand des Motorgehäuses zur Außenseite teilweise verschließt, während die Öffnungen in der Hülse Öffnungen der Kühlkanäle bilden, vorzugsweise in Form von schlitzartigen Durchlässen, die sich in Axialrichtung des Motorgehäuses erstrecken.
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Damit können ohne Modifikation der jeweiligen Motorgehäuse existierende Antriebsmotoren, beispielsweise für Saug-/Druck-Pumpen, die in thermisch belasteten Umgebungen und Einbausituationen verwendet werden sollen, auf einfache Weise nachgerüstet werden.
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In einer ebenfalls nicht gezeigten Abwandlung kann anstelle des durch den Rotor des Elektromotors angetriebenen Lüfterrads auch ein Fremdantrieb für das Lüfterrad vorgesehen sein. Diese Gestaltung ermöglicht eine Modulation der Lüfterradgeschwindigkeit unabhängig von der Drehgeschwindigkeit des Motors.
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Um den durch das Lüfterrad im Betrieb erzeugten Luftstrom axial in die Kühlluftkanäle zu leiten, besitzt das Pumpengehäuse 13 eine Anzahl von Durchgangsöffnungen 18 (siehe 3), die von dem Gehäuseabschnitt 17, in dem das Lüfterrad aufgenommen ist und das als Lüftergehäuse 10 dient, in die Kühlluftkanäle 6 des Motorgehäuses 3 führen.
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Bei der in 3 gezeigten Motorpumpe ist außerdem an der dem Lüfterrad 9 entgegengesetzten axialen Seite des Elektromotors ein zweites Axial-Lüfterrad 19 vorgesehen, das ebenfalls über den Rotor 1 angetrieben ist und zur Kühlung der gleichseitigen Köpfe der Statorwicklung dient.
