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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einem Gehäuse, das zumindest in einem Abschnitt wenigstens zwei Schichten, die eine innere und eine äußere Schicht umfassen, unterschiedlichen Materials aufweist.
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Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Motorgehäuses.
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Elektromotoren sind hinlänglich bekannt. Es gibt Gleichstrommotore, aber auch Wechsel- oder Drehstrommotore. Häufig werden derartige Motoren kleinerer Bauart in Bereichen der Nahrungsmittelindustrie oder chemischen Industrie eingesetzt, wo hohe Anforderungen an die Hygiene oder Sauberkeit gestellt werden. Dies setzt voraus, dass die Motore eine möglichst glatte Oberfläche, möglichst ohne enge Spalte aufweisen und leicht zu reinigen sind, auch mit chemisch aggressiven Reinigungsmitteln.
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Zur besseren Reinigung sollte das Gehäuse eine glatte, möglichst im Wesentlichen zylindrische Oberfläche haben. Kühlrippen oder ähnliche Vertiefungen und Rillen sind Orte möglicher Keimbildung und für die Reinigung kontraproduktiv. Zur Erzielung der hygienisch sauberen Oberfläche ist aus der
DE 20 2007 016 160 U1 ein Elektromotor bekannt, der eine organische, nichtmetallische Beschichtung aufweist. Es sind auch Elektromotore bekannt, die eine Kunststoffbeschichtung oder Lackierung besitzen. Eine derartige Beschichtung zeigt nicht die notwendige Haltbarkeit. Viele Elektromotorenanbieter greifen in den genannten Einsatzfällen deshalb auf Elektromotore zurück, die ein Gehäuse aus Edelstahl aufweisen.
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Allen drei Bauarten ist gemeinsam, dass die Herstellung des Gehäuses sehr aufwändig und teuer ist und/oder eine Wärmeabfuhr am Motor stark beeinträchtigt ist.
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Die Erwärmung von Elektromotoren kann für viele Anwendungen zum Problem werden. Die Ursachen sind dabei vielfältig. Im Wesentlichen sind hier der ohmsche Widerstand der Wicklungen, die Ummagnetisierung der Blechpakete und Wirbelstromverluste zu nennen. Dem einflussreichen Faktor der Spulenerwärmung wird mit der Schaffung einer möglichst hohen Effizienz in der Wärmeabfuhr durch Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung begegnet. Dabei wäre ein Gehäuse aus Aluminium ideal, weil es mit einer etwa zehnmal höheren Wärmeleitfähigkeit als Edelstahl versehen ist. Ein Gehäuse aus Aluminium ist in der Regel aber nicht geeignet bzw. nicht zulässig in Hygienebereichen in der Getränke- und Lebensmittelindustrie mit ständiger Feuchte und regelmäßiger säure- und laugenhaltiger Nassreinigung mit chemischen Reinigungsmitteln oder aber in Umgebungen mit hoher Feuchte und mittlerer atmosphärischer Verunreinigung.
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Eine unzureichende Wärmeabfuhr der Spulenerwärmung hat zur Folge, dass nicht die volle Leistung des Elektromotors abgerufen werden kann. Außerdem kommt es zu unerwünschten lokalen Erwärmungen des Gehäuses und des Innenaufbaus. Eine gleichmäßige Wärmeverteilung findet innerhalb eines Gehäuses, das vollständig aus Edelstahl gefertigt wurde, nur unzureichend statt. Dadurch sind auch die Wärmeabgabe an die Umgebung vermindert und der Wirkungsgrad des Elektromotors herabgesetzt
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Elektromotor zu schaffen, der in Hygienebereichen der Industrie einsetzbar und dabei gegenüber einem Edelstahlgehäuse verbesserte Wärmeübertragungseigenschaften hat.
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Die Aufgabe wird hinsichtlich des Elektromotors dadurch gelöst, dass die innere Schicht aus einem Leichtmetall oder einer Legierung besteht, deren Wärmeleitfähigkeit über 100 W/(m·K) liegt, während die äußere Schicht, die an der Oberfläche des Gehäuses liegt, aus Edelstahl oder einem legierten rostfreien Stahl besteht.
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Dabei ist die innere Schicht definiert als die Region der Gehäusewandung, die näher an den Spulenkörpern des Motors angeordnet ist als die äußere Schicht. Die äußere Schicht steht dagegen in Kontakt mit der Oberfläche des Gehäuses. Der Begriff Edelstahl wird verstanden wie in der Europäischen Norm EN 10020.
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Durch den zumindest teilweisen Zweischichtaufbau der Gehäusewand werden verschiedenen Vorteile erzielt. Zunächst ist durch die Nähe des gut wärmeleitenden Schichtwerkstoffs der inneren Schicht an der Wärmequelle des Elektromotors gewährleistet, dass es zu einer gleichmäßigen Wärmeverteilung über die Länge und den Umfang des Elektromotorgehäuses kommt. In einem reinen Edelstahlgehäuse wird die bei bestimmten Baugruppen erzeugte Wärme axial und radial nur sehr schlecht abgeleitet. Dies führt zu einer besonders unerwünschten lokalen Erwärmung der Bauteile. Mit einer inneren Schicht aus einem hochwärmeleitenden Material wird dieser Nachteil vermieden. Des Weiteren ist die äußere Schicht bestens geeignet, hygienisch gereinigt zu werden. Dabei muss nicht, wie bisher in den meisten Anwendungsfällen üblich, das gesamte Gehäuse aus Edelstahl hergestellt werden, so dass erheblich an Kosten und Arbeitsaufwand eingespart werden kann. Dadurch, dass die Edelstahloberfläche nur durch eine relativ dünne Schicht realisiert wird, ist auch der Wärmeabfluss an die Umgebung auf einen sehr hohen Wert bringbar, verglichen mit einem reinen Edelstahlgehäuse.
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Dabei ist es von Vorteil, wenn die äußere Schicht eine Dicke unter 4 mm, vorzugsweise unter 1 mm aufweist. Eine solche Dicke reicht aus, um eine hygienische Reinigung vornehmen zu können, behindert aber nur unwesentlich den Wärmeabfluss. Wird ein Edelstahlrohr zum Aufbau der äußeren Schicht über die innere Schicht gezogen, so ist der Zusammenbau wegen einer ausreichenden Stabilität des Edelstahlrohres, selbst wenn es eine Wandstärke unter 1 mm aufweist, einfach vorzunehmen.
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Vorzugsweise weist das Gehäuse zumindest in einem vorzugsweise zylindrischen, rohrförmigen Teil die wenigstens zwei Schichten auf. Dadurch ergibt sich, dass die größte wärmeabgebende Oberfläche, nämlich die Mantelfläche, mit einer gut wärmeleitenden inneren Schicht und mit einer leicht zu reinigenden äußeren Schicht versehen ist.
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Es ist günstig, wenn das Gehäuse an den axialen Enden Lagerschilde zur Lagerung einer ggf. aus dem Gehäuse austretenden Abtriebswelle umfasst, wobei die Lagerschilde zumindest an ihrer nach außen weisenden Fläche ebenfalls aus Edelstahl oder einem legierten rostfreien Stahl bestehen. In diesem Fall können auch die stirnseitigen Enden des Elektromotors in einem Reinigungsprozess durch Abspritzen gesäubert und keimfrei gehalten werden.
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Es ist von Vorteil, wenn die innere Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht. Dieser Werkstoff hat sich im Motorenbau bewährt. Er ist leicht und garantiert eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Versuche der Anmelderin mit einem zweischichtigen Gehäuse und einem im Vergleich reinen Edelstahlgehäuse gleicher Abmessung haben ergeben, dass bei gleichem Wärmeeintrag durch die Spulen, die Kühlung bei der Ausführung mit einer Aluminium-Innenschicht und einer 2 mm dicken Edelstahl-Außenschicht um mehr als 20% effizienter ist, als die der reinen Edelstahlaufführung. Dies führt ferner zu einer deutlichen Leistungssteigerung des Elektromotors, denn die Bauteile im Inneren des Gehäuses, beispielsweise die Spulen, sind thermisch nur bis zu einer gewissen Grenze belastbar.
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Vorzugsweise sind die wenigstens zwei Schichten kraftschlüssig miteinander verbunden. Hier bietet sich ein Presssitz eines Innen- und eines Außenrohres an, die schließlich die beiden Schichten bilden. Aber auch eine Verpressung durch Stauchung ist möglich. Die beiden Schichten haben dadurch einen fest verbunden Sitz und selbst im Übergangsbereich einen ungestörten Wärmeübergang.
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Alternativ ist bevorzugt, dass die wenigstens zwei Schichten formschlüssig unter Zwischenschaltung eines wärmeleitfähigen Materials miteinander verbunden sind. Das wärmeleitfähige Material könnte beispielsweise durch eine Wärmeleitpaste gebildet sein.
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Bei einer Verklebung der beiden Schichten ist zwar immer noch ein gewünschter erfindungsgemäßer Elektromotor zu erzielen, allerdings wirkt die Klebeschicht vielfach wärmeisolierend und deshalb weniger förderlich.
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Mit Vorteil ist dafür gesorgt, dass die Lagerschilde und der rohrförmige Gehäuseteil miteinander verschraubbar sind. Dadurch ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau des Gehäuses. Dabei ist bevorzugt, wenn der rohrförmige Gehäuseteil ein Innengewinde und der Lagerschild ein Außengewinde aufweist. Für den abschließenden Zusammenbau des Elektromotors, also nach der Einbringung von Rotor und Stator in ein Gehäuse, sind in dieser Ausführung nur noch zwei Gewinde anzuziehen.
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Wenn dabei noch vorteilhafterweise vorgesehen ist, dass zwischen wenigstens einem Lagerschild und dem rohrförmigen Gehäuseteil eine vorzugsweise nach dem Zusammenbau von außen nicht sichtbare Ringdichtung vorgesehen ist, ergibt ein besonderer Vorteil. Die Dichtung sollte so ausgelegt sein, dass möglichst kein enger Spalt mehr zwischen dem Lagerschild und dem rohrförmigen Gehäuseteil verbleibt. Sofern der Lagerschild an seiner Außenoberfläche ebenfalls aus Edelstahl oder einem legierten rostfreien Stahl besteht, kann das gesamte Motorgehäuse zur Reinigung mit chemischen Mitteln abgespritzt werden. Man hat also einen Elektromotor, der abgesehen von eventuellen Wellenaustritten oder Elektrokabeleinführungen einen zylindrischen Körper mit glatter Oberfläche am Umfang und den Stirnseiten darstellt. Dies vereinfacht jegliche Handhabung mit dem Motor. Es sind Kennziffern von IP 67 gemäß DIN EN 60529 ohne Probleme erreichbar.
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Bevorzugt ist eine dritte Schicht als Zwischenschicht zwischen der inneren und der äußeren Schicht vorgesehen. Diese kann dazu angepasst sein, für einen besseren Wärmefluss zu sorgen. Sie kann aber auch elastisch sein, um Schwingungen und Resonanzen des Motors zu vermeiden.
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Bevorzugt ist allerdings, wenn zwischen den wenigstens zwei oder innerhalb einer der wenigstens zwei Schichten ein fluiddichter Kanal vorgesehen ist. Das ortsfeste Gehäuse ist dann mit einem Kühlfluid beschickbar. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn ein an den Enden verschlossener Kanal vorgesehen ist, der mit einem Verdampfungsmedium gefüllt ist. Ein solcher Kanal ließe sich in der Zwischenschicht auf einfache Art durch Bohren oder Fräsen einbringen. Für das Gehäuse bedeutet das, dass in dem sogenannten Heat-Pipe-Kanal ein Medium eingebracht ist, das teilweise in verdampftem, teilweise in flüssigem Zustand vorliegt. Während das Medium an heißen Stellen verdampft und der Region Wärme entzieht, kondensiert es an kühleren Stellen und gibt die Kondensationswärme wieder ab. Das führt zu einer Vergleichmäßigung des Temperaturprofils über den Umfang oder die axiale Länge des Elektromotors. Als Medium eignen sich verschiedene Stoffe wie Wasser oder Ammoniak.
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Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung eines rohrförmigen Teils eines zweischichtigen Gehäuses gemäß den Vorrichtungsansprüchen des Elektromotors wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der rohrförmige Teil des Gehäuses durch Ineinanderbringen eines inneren Rohres aus einem Leichtmetall oder einer Metalllegierung und eines äußeren Rohres aus Edelstahl oder einem legierten rostfreien Stahl erfolgt, wobei ein radialer Druck zwischen den Rohren aufgebaut wird.
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Auf diese Weise entsteht ein Gehäuse, das einerseits in einem inneren Bereich besondere wärmeleitende Eigenschaften aufweist und außen wegen der Edelstahloberfläche leicht zu reinigen ist. Durch die erzeugte Presskraft zwischen den Rohren werden zwei Schichten im Gehäuse erzeugt, zwischen denen ein hoher Wärmeübergang stattfinden kann, weil isolierende Freiräume vermieden werden.
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Zwei alternative besonders günstige und einfache Verfahren zur Herstellung des rohrförmigen Teils eines zweischichtigen Gehäuses ergeben sich aus den Ansprüchen 14 und 15.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In dieser zeigt
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1 eine schematische, längsgeschnittene Darstellung eines erfindungsgemäßen Elektromotors,
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2 eine schematische Darstellung des nur leicht modifizierten erfindungsgemäßen Elektromotors im Querschnitt und
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3 einen Ausschnitt aus einer Gehäusewand mit mehreren Schichten.
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Das Ausführungsbeispiel zeigt einen permanent erregten Synchronmotor. Die Erfindung ist aber nicht auf diesen Motortyp beschränkt. Für die Erfindung kommen am ehesten permanenterregte oder felderregte Synchronmotore, Induktionsmotore oder Reluktanzmotore bzw. Synchron-Reluktanzmotore in Betracht. Speziell geht es um Elektromotore, die mit einer Leistung von 4 bis 2400 W in Bereichen eingesetzt werden, in denen hohe Anforderungen an Sauberkeit und Hygiene gestellt werden.
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1 zeigt den erfindungsgemäßen Elektromotor 1, der einen Stator 14 und einen Rotor 13 aufweist, die zumindest zum größten Teil von einem Gehäuse 2 umschlossen sind. Wie für den dargestellten Motortyp üblich, umfasst der Stator 14 ein Blechpaket 22 und Spulen 15 mit denen ein Drehfeld erzeugt wird. An den elektrischen Anschlüssen 16 sind die Kabelverbindungen aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt. Der Rotor, oder auch Läufer genannt, weist eine Welle 17 auf, die in Wälzlagern 18 gelagert ist. Auf der linken Seite tritt die Welle aus dem Gehäuse als Abtriebswelle aus. Der Rotor besitzt ebenfalls Erregerspulen oder verfügt wie in dem Ausführungsbeispiel über Permanentmagnete 24. Die Anordnung der Magnete 24 ist deutlicher in 2 zu erkennen. Sie sind auf dem äußeren Umfang des Blechpaketes 23 des Rotors 13 angeordnet. An den Enden des Rotors sind Möglichkeiten zum Auswuchten vorgesehen, wie beispielsweise die dargestellten gebohrten Wuchtscheiben 21.
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Das Gehäuse 2 besteht aus einem rohrförmigen Teil 7 und zwei Lagerschilden 10. Um das Gehäuse vor einem Eindringen von Feuchtigkeit zu schützen, sind die Lagerschilde 10 über ein Gewinde 11 in den rohrförmigen Teil 7 einschraubbar, wobei eine versteckte Ringdichtung 19 den Spalt zwischen den Bauteilen hermetisch abschließt. Zumindest in dem rohrförmigen Teil 7 des Gehäuses 2 sind zumindest zwei Schichten unterschiedlichen Materials vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel nach 1 besitzt der rohrförmige Teil als eine innere Schicht 5 eine relativ dicke Aluminiumschicht und als äußere Schicht 4 eine relativ dünne Edelstahlschicht. Die Lagerschilde 10 sind vollkommen aus Edelstahl gefertigt.
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Der Elektromotor 1 in 2 unterscheidet sich von dem in 1 nur dadurch, dass zwischen der inneren Schicht 3 und der äußeren Schicht 4 eine dritte Schicht 5 eingebracht ist.
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In beiden Fällen ist die gesamte Außenoberfläche des Gehäuses 2, die sich zusammensetzt aus der Oberfläche 6 des rohrförmigen Gehäuses 7 und der Oberfläche 12 der Lagerschilde, vollkommen aus Edelstahl gebildet. Anstelle von Edelstahl kann auch ein hochwertiger rostfreier legierter Stahl gewählt sein. Diese Oberfläche ermöglicht eine einfache Reinigung des Elektromotors mittels Abspritzen mit flüssigen chemischen Reinigungsmitteln.
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Die Nachteile der geringen Wärmeabgabe und Wärmeverteilung im Gehäuse, die ein Gehäuse, das vollständig aus Edelstahl hergestellt ist, mit sich bringen würde, wird erfindungsgemäß umgangen, indem die innere Schicht 3 aus einem Leichtmetall oder einer Metalllegierung besteht, deren Wärmeleitfähigkeit über 100 W/(m·K) liegt, also wie im Ausführungsbeispiel Aluminium.
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Einer dritten Schicht 5 in 2 kommt eine besondere Bedeutung zu. Sie beinhaltet wenigstens einen fluiddichten Kanal 25, in den ein Wärmeträgermedium eingebracht werden kann. Über das Wärmeträgermedium erfolgt eine gleichmäßigere Temperaturverteilung im Gehäuse 2. Der Kanal 25 kann auch verschlossen und mit einem Verdampfungsmedium wie Wasser oder Ammoniak gefüllt sein. In diesem Fall verdampft das Verdampfungsmedium an heißen Stellen und entzieht dort Wärme, während es an kälteren Stellen kondensiert und Wärme an die Gehäusestelle abgibt. Dadurch ist für eine gute Wärmeverteilung gesorgt. Es gibt also keine zu heißen Stellen mehr, die die Leistung des Elektromotors zur Schonung der inneren Bauteile herabsetzt. Der Kanal 25 oder die Kanäle können vorteilhaft axial oder schraubenlinienförmig angeordnet sein. Der Kanal muss auch nicht zwangsweise in einer dritten Schicht 5 angeordnet sein, sondern kann sich selbstverständlich auch innerhalb der inneren Schicht 3 oder der äußeren Schicht 4 befinden.
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3 zeigt in einer Ausschnittsvergrößerung einer dreischichtigen Gehäusewand, wie ein Kanal 25 in einer dritten Schicht 5 zwischen der inneren Schicht 3 und der äußeren Schicht 4 eingebracht sein kann. In dieser beispielhaften Ausführung ist der Kanal in die dritte Schicht 5 eingefräst oder eingedreht und die äußere Schicht 3 des Edelstahlrohres 9 bildet eine Wand des Kanals 25. Das Wärmeübertragungsmedium im Kanal 25 wirkt demnach unmittelbar auf die äußere Schicht 3.
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Ein Gehäuse 2 mit unterschiedlichen Schichten 3, 4, 5 wird am einfachsten erzeugt, indem Rohre unterschiedlichen Materials ineinander gebracht werden und form- oder kraftschlüssig miteinander in Verbindung gebracht werden. So kann beispielsweise ein Edelstahlrohr 9 mit einem durch Erwärmung vergrößertem Innendurchmesser über ein Aluminiumrohr 8 geschoben werden. Umgekehrt kann das Aluminiumrohr 8 entsprechend unterkühlt sein, dass sein Außendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Edelstahlrohrs 9. Unter Normaltemperatur und Betriebstemperatur bilden die Rohre 8, 9 einen Presssitz, so dass ein rohrförmiger Teil 7 des Gehäuses 2 gebildet wird, der aus einer inneren Schicht 3 (Aluminium) und einer äußeren Schicht 4 (Edelstahl) gebildet ist.
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Alternativ können die Rohre 8, 9 komplementär auf dem Innen- bzw. Außenumfang leicht konisch ausgeformt sein, so dass die Rohre 8, 9 unter Pressung ineinandergeschoben werden können und sich entsprechend kraftschlüssig verbinden.
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Um den Wärmeabfluss durch Konvektion nicht allzu sehr zu behindern sollte sich die Wandstärke des Edelstahlrohres 9, welche der Schichtdicke der äußeren Schicht 4 entspricht, zwischen 0,1 und 4 mm liegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektromotor
- 2
- Gehäuse
- 3
- innere Schicht
- 4
- äußere Schicht
- 5
- dritte Schicht
- 6
- Oberfläche rohrförmiges Gehäuse
- 7
- rohrförmiger Teil
- 8
- inneres Rohr, Aluminiumrohr
- 9
- äußeres Rohr, Edelstahlrohr
- 10
- Lagerschild
- 11
- Gewinde
- 12
- Oberfläche Lagerschild
- 13
- Rotor
- 14
- Stator
- 15
- Spule
- 16
- Elektroanschluss
- 17
- Abtriebswelle
- 18
- Lager
- 19
- Ringdichtung
- 20
- Endscheibe
- 21
- Wuchtscheibe
- 22
- Blechpaket Stator
- 23
- Blechpaket Rotor
- 24
- Magnet
- 25
- verschlossener Kanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202007016160 U1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Europäischen Norm EN 10020 [0010]
- DIN EN 60529 [0020]
