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Die Erfindung betrifft einen Spaltrohrmotor mit einem Gehäuse, einem innerhalb des Gehäuses angeordneten Stator, der ein Blechpaket und eine Wicklung mit Wickelköpfen aufweist, die an Stirnseiten des Blechpakets aus dem Blechpaket hervorstehen, einem gegenüber dem Stator drehbar gelagerten Rotor, einem zwischen dem Stator und dem Rotor angeordneten Spaltrohr, und einem Dichtelement, welches zwischen einer Stirnseite des Spaltrohrs und einem mit einer Innenwandung des Gehäuses verbundenen Tragelement angeordnet ist.
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Derartige Spaltrohrmotoren werden als elektrische Antriebsmaschinen, beispielsweise als permanenterregte Synchronmaschinen ausgeführt. Spaltrohrmotoren können über eine direkte Wickelkopfkühlung gekühlt werden, bei welcher die Wickelköpfe der Statorwicklung von einem flüssigen Kühlmedium umspült werden. Ferner ist es möglich, den in einer Nut des Stators aufgenommen Bereich der Statorwicklung von einem flüssigen Kühlmedium zu umspülen.
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Ein Spaltrohrmotor der eingangs genannten Art ist aus der
DE 10 2017 102 141 A1 bekannt. Bei diesem Spaltrohrmotor ist das Dichtelement an einem Tragelement gelagert, welches einstückig mit einem metallischen Gehäuse des Spaltrohrmotors ausgebildet ist. Der bekannte Spaltrohrmotor hat sich im Einsatz durchaus bewährt, als nachteilig hat sich jedoch herausgestellt, dass in dem metallischen Tragelement Wirbelströme induziert werden, welche zu Verlusten führen. Der Wirkungsgrad der Maschine wird durch diese Verluste beeinträchtigt.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, den Wirkungsgrad des Spaltrohrmotors zu erhöhen.
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Zur Lösung der Aufgabe wir ein Spaltrohrmotor vorgeschlagen, mit
- - einem Gehäuse,
- - einem innerhalb des Gehäuses angeordneten Stator, der ein Blechpaket und eine Wicklung mit Wickelköpfen aufweist, die an Stirnseiten des Blechpakets aus dem Blechpaket hervorstehen,
- - einem gegenüber dem Stator drehbar gelagerten Rotor,
- - einem zwischen dem Stator und dem Rotor angeordneten Spaltrohr, und
- - einem Dichtelement, welches zwischen einer Stirnseite des Spaltrohrs und einem mit einer Innenwandung des Gehäuses verbundenen Tragelement angeordnet ist,
wobei das Tragelement aus einem Kunststoff ausgebildet ist
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Der Kunststoff des Tragelements weist eine im Vergleich zu einem Metall reduzierte elektrische Leitfähigkeit auf. Durch das aus einem Kunststoff ausgebildete Tragelement kann die Entstehung von Wirbelströmen in dem Tragelement stark reduziert werden. Hierdurch kann der Wirkungsgrad des Spaltrohrmotors erhöht werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Tragelement aus einem faserverstärkten Kunststoff, insbesondere einem glasfaserverstärkten Kunststoff, ausgebildet. Ein derartiges Tragelement kann eine besonders hohe Steifigkeit bei geringen Wirbelstromverlusten aufweisen.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass das Dichtelement an einem Verbindungsabschnitt des Tragelements anliegt, wobei der Verbindungsabschnitt und das Spaltrohr hohlzylindrisch ausgebildet und koaxial zueinander angeordnet sind. Dadurch, dass das Tragelement ebenso wie das Spaltrohr hohlzylindrisch ausgebildet ist, kann der für die Wickelköpfe zur Verfügung stehende Raum vergrößert werden. Hierdurch kann der Freiheitsgrad bei der Gestaltung des Wickelkopfs vergrößert werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn das Dichtelement an der Stirnseite des Spaltrohrs und an dem Tragelement, insbesondere in dem Verbindungsbereich, anliegt. Durch eine solche Anordnung des Dichtelements kann eine flüssigkeitsdichte Abdichtung zwischen dem Tragelement und dem Spaltrohr ermöglicht werden. Der Raum an der Außenseite des Spaltrohrs, insbesondere der Bereich des Stators, kann von einem Kühlmedium durchströmt werden, beispielsweise um eine direkte Kühlung der Wickelköpfe bzw. des Blechpakets des Stators zu verwirklichen. Bevorzugt ist das Dichtelement in axialer Richtung, d.h. in Richtung einer Drehachse des Rotors, zwischen dem Spaltrohr und dem Tragelement verspannt, d.h. mit einer Druckkraft in axialer Richtung beaufschlagt. Durch eine solche Druckbeaufschlagung in axialer Richtung kann die Dichtwirkung nochmals verbessert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Dichtelement aus einem Elastomer, insbesondere aus einem Gummi, ausgebildet ist. Bei dem Elastomer kann es sich um einen Synthesekautschuk handeln. Besonders bevorzugt ist das Dichtelement aus StyrolButadien-Kautschuk, Butadien-Kautschuk (BR), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Butylkautschuk (IIR), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Chloropren-Kautschuk (CR), Fluorkautschuk (FKM), Ethylen-Acrylat-Kautschuk (AEM) oder Polyisopren-Kautschuk (IR) ausgebildet.
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Bevorzugt ist es, wenn das Dichtelement an einer Innenseite des Spaltrohrs anliegt. Hierdurch kann der Raum im Inneren des Spaltrohrs wirkungsvoll abgedichtet werden. Vorteilhaft ist es, wenn eine Dichtlippe des Dichtelements an der Innenseite des Spaltrohr anliegt. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das Dichtelement mehrere, insbesondere zwei oder drei, Dichtlippen aufweist. Besonders bevorzugt liegt das Dichtelement sowohl an der Innenseite als auch an der Stirnseite des Spaltrohrs an, so dass an einer inneren, stirnseitigen Kante des Spaltrohrs eine flüssigkeitsdichte Abdichtung bewirkt wird.
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In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das Dichtelement, insbesondere eine Dichtfläche des Dichtelements an einer der Innenseite gegenüberliegenden Außenseite des Spaltrohrs oder an einem an der Außenseite des Spaltrohrs angeordneten Stützring anliegt. Bei einer derartigen Ausgestaltung kann das Dichtelement das Spaltrohr an der Stirnseite umgreifen, so dass eine flüssigkeitsdichte Abdichtung sowohl an einer äußeren Kante der Stirnseite als auch an der inneren Kante der Stirnseite verwirklicht wird. Das Dichtelement kann hierzu einen c-förmigen Querschnitt aufweisen. Der c-förmige Querschnitt kann eine, insbesondere ringförmige, Ausnehmung oder Nut umfassen. Die Breite der Ausnehmung oder Nut ist bevorzugt an die Materialdicke des, insbesondere hohlzylindrischen, Spaltrohrs oder die Materialdicke des Stapels aus Spaltrohr und Stützring angepasst.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Spaltrohrmotor eine an einer Stirnseite des Blechpakets anliegende Endscheibe mit Ausnehmungen zur Durchführung der Wicklung auf, welche aus einem Kunststoff, insbesondere einem faserverstärkten Kunststoff, ausgebildet ist. Durch eine solche Endscheibe kann wirkungsvoll verhindert werden, dass eine Nutgrundisolation an der scharfkantigen Blechkontur an der Stirnseite des Blechpakets beschädigt werden kann.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Spaltrohrmotor einen im Bereich der Wickelköpfe an der Außenseite des Spaltrohrs konzentrisch zu dem Spaltrohr angeordneten Stützring aufweist, der aus einem Kunststoff, insbesondere einem faserverstärkten Kunststoff, ausgebildet ist. Über den Stützring kann das Spaltrohr im Bereich der Wickelköpfe gestützt und damit die die Festigkeit und/oder Steifigkeit des Aufbaus besteht aus Spaltrohr und Stützring im Bereich der Wickelköpfe erhöht werden. Bevorzugt liegt der Stützring an dem Spaltrohr, insbesondere an dessen Außenseite, an.
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Bevorzugt weist der Spaltrohrmotor eine an einer Stirnseite des Blechpakets anliegende Endscheibe mit Ausnehmungen zur Durchführung der Wicklung auf, welche aus einem Kunststoff, insbesondere einem faserverstärkten Kunststoff, ausgebildet ist, und einen im Bereich der Wickelköpfe an der Außenseite des Spaltrohrs konzentrisch zu dem Spaltrohr angeordneten Stützring, der aus einem Kunststoff, insbesondere einem faserverstärkten Kunststoff, ausgebildet ist, wobei die Endscheibe und der Stützring als einstückige Stützendscheibe ausgebildet sind. Die einstückige Stützendscheibe kann sowohl die Funktion der Endscheibe als auch die Funktion des Stützrings übernehmen, so dass die Anzahl der erforderlichen Bauteile reduziert werden kann. Bei der Montage des Spaltrohrmotors ist es nicht erforderlich, die Endscheibe und den Stützring aufeinander auszurichten. Vielmehr kann die einstückige Stützendscheibe an der Stirnseite des Stators angeordnet werden, um die Endscheibe und den Stützring zu montieren. Somit ergibt sich ein verringerter Montageaufwand. Ferner weist die Stützendscheibe im Vergleich zu einer Konstruktion mit separat ausgebildeter Endscheibe und Stützring eine erhöhte Steifigkeit und Tragfähigkeit auf. Dies hat zur Folge, dass die Endscheibe und der Stützring mit einer verringerten Wandstärke ausgebildet werden können, wodurch eine kompaktere Ausgestaltung ermöglicht wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken. Hierin zeigt:
- 1 einen Spaltrohrmotor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Schnittdarstellung;
- 2 das Dichtelement des Spaltrohrmotors gemäß 1 in einer geschnittenen, perspektivischen Darstellung;
- 3 ein weiteres Dichtelement, welches alternativ bei dem Spaltrohrmotor gemäß 1 zum Einsatz kommen kann in einer geschnittenen, perspektivischen Darstellung;
- 4 einen Spaltrohrmotor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der
- Erfindung in einer schematischen Schnittdarstellung; und Fig, 5 das Dichtelement des Spaltrohrmotors gemäß 2 in einer geschnittenen, perspektivischen Darstellung.
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In der 1 ist ein Spaltrohrmotor 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, der eine direkte Kühlung eines Wickelkopfes 4 einer Statorwicklung ermöglicht. Der Spaltrohrmotor 1 weist ein Gehäuse 20 und einen innerhalb des Gehäuses 20 angeordneten Stator 2 auf, der ein Blechpaket 3 und eine Wicklung umfasst, von der in der Darstellung die an den Stirnseiten des Blechpakets 3 hervorstehenden Wickelköpfe 4 sichtbar sind. Ein weiterer Bestandteil des Spaltrohrmotors 1 ist ein Rotor 5, der drehbar gegenüber dem Stator 2 gelagert ist. Der Rotor 5 ist konzentrisch innerhalb des im Wesentlichen zylinderringförmigen Stators 2 angeordnet und drehfest mit einer nicht gezeigten Welle verbunden. Zwischen dem Stator 2 und dem Rotor 5 ist ein zylinderringförmiger Luftspalt vorhanden, in welchem ein Spaltrohr 7 angeordnet ist. Das Spaltrohr 7 weist eine hohlzylindrische Gestalt auf. Über das Spaltrohr 7 wird der Bereich des Stators 2 gegenüber dem innenliegenden Rotor 5 flüssigkeitsdicht abgedichtet, so dass der Stator 2, insbesondere die Wickelköpfe 4 flüssigkeitsgekühlt werden können. Im Bereich eines Wickelkopfes 4 wird ein Innenraum 8 des Gehäuses gebildet, der mit von einer Kühlflüssigkeit durchströmbar ist. Hierzu weist der Spaltrohrmotor einen Einlauf und einen Ablauf für eine Kühlflüssigkeit auf, die nicht dargestellt sind.
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Das Spaltrohr 7 des Spaltrohrmotors 1 ist als Liner ausgebildet, der auf die Innenkontur des Blechpakets 3 laminiert ist. Um das Spaltrohr 7 im Bereich der Wickelköpfe 4 zu verstärken, ist bei dem Spaltrohrmotor 1 an den Stirnseiten des Blechpakets 3 jeweils eine Stützendscheibe 10 vorgesehen, die einen konzentrisch zu dem Spaltrohr 7 angeordneten Stützring 12 umfasst, der an der Außenkontur des Spaltrohrs 7 anliegt und dieses umschließt. Die Stützendscheibe 10 umfasst ferner eine Endscheibe 11, die an einer Stirnseite des Blechpakets 3 anliegt und Ausnehmungen zur Durchführung der Wicklung aufweist. Die Endscheibe 11 verhindert, dass eine Nutgrundisolation an der scharfkantigen Blechkontur an der Stirnseite des Blechpakets 3 beschädigt werden kann. Die gesamte Stützendscheibe 10, also sowohl die Endscheibe 11 als auch der Stützring 12 sind aus einem Kunststoff, bevorzugt aus einem faserverstärkten Kunststoff, so dass unerwünschte Wirbelstromverluste beim Betrieb des Spaltrohrmotors 1 reduziert werden.
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Das Gehäuse 20 des Spaltrohrmotors 1 weist eine im Wesentlichen hohlzylindrische Gehäuseseitenwand 22 und einen Gehäusedeckel 21 auf, welcher mit der Gehäuseseitenwand 22 verbunden ist. Um eine flüssigkeitsdichte Verbindung des Spaltrohrs 7 und des Gehäuses 20 zu ermöglichten, umfasst der Spaltrohrmotor 1 ein Dichtelement 6, das zwischen einer Stirnseite 7.1 des Spaltrohrs 7 und einem mit einer Innenwandung des Gehäuses 20 verbundenen Tragelement 23 angeordnet ist. Das Tragelement 23 ist aus einem Kunststoff ausgebildet, so dass die Entstehung von Wirbelströmen in dem Tragelement 23 im Vergleich zu einem aus Metall gebildeten Tragelement stark reduziert ist. Hierdurch werden Wirbelstromverluste verringert und der Wirkungsgrad des Spaltrohrmotors weiter erhöht. Das Tragelement 23 ist im Wesentlichen ringförmig ausgebildet und mit einer Innenseite des Gehäuses 20, hier des Gehäusedeckels 21, verbunden. Das Tragelement 23 kann stoffschlüssig mit dem Gehäuse 20 verbunden sein, beispielsweise durch Verkleben oder Vernieten oder thermisches Direktfügen. Alternativ oder zusätzlich kann das Tragelement 23 zwischen dem Spaltrohr 7 und dem Gehäuse 20, hier dem Gehäusedeckel 21, verspannt werden.
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Das Tragelement 23 ist bei dem Ausführungsbeispiel aus einem faserverstärkten Kunststoff, insbesondere einem glasfaserverstärkten Kunststoff, gebildet. Wie der Darstellung in 1 weiter entnommen werden kann, liegt das Dichtelement 6 an einem Verbindungsabschnitt 24 des Tragelements 23 an, der hohlzylindrisch ausgebildet und koaxial zu dem Spaltrohr 7 angeordnet ist. Das Tragelement 23 umfasst zudem einen Stützabschnitt 25, der sich senkrecht zu dem Verbindungsabschnitt 24 erstreckt. Der Stützabschnitt 25 liegt ebenfalls an dem Dichtelement 6 an und überträgt eine Druckkraft auf das Dichtelement 6, die in einer Richtung parallel zu einer Drehachse des Rotors 5, also parallel zu der Längsachse des Spaltrohrs 7, wirkt.
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Das Dichtelement 6 ist bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Elastomer, insbesondere aus einem Gummi, ausgebildet und soll nachfolgend anhand der Darstellungen in 1 und 2 näher erläutert werden. Das Dichtelement 6 weist eine im ringförmige bzw. Gestalt mit einem C-förmigen Querschnitt auf. Eine ringförmige Ausnehmung des Dichtelements 6 ist an die Summe der Materialdicken von Spaltrohr 7 und Stützring 12 angepasst, so dass das Dichtelement 6 auf die Stirnseite 7.1 des Spaltrohrs 7 und die Stirnseite des Stützrings 12 aufgeschoben bzw. aufgesteckt werden kann. Innerhalb der Ausnehmung sind an dem Dichtelement mehrere, hier zwei Dichtlippen 9 vorgesehen, die von der Oberfläche des Dichtelements 6 abstehen. In dem in 1 gezeigten zusammengebauten Zustand liegen die Dichtlippen 9 des Dichtelements 6 an der Innenseite des Spaltrohr 7 an. Die Dichtlippen sind an einem ersten Schenkel des Dichtelements 6 angeordnet. Die Innenseite eines zweiten Schenkels des Dichtelements 6 liegt in dem zusammengebauten Zustand an der Außenseite des Stützrings 12 an. Ein den ersten und den zweiten Schenkel verbindender Verbindungsbereich des Dichtelements 6 liegt in dem zusammengebauten Zustand an der Stirnseite 7.1 des Spaltrohrs 7 an. Somit umschließt das Dichtelement 6 den Zusammenbau aus Spaltrohr 7 und Stützring 12 im Bereich ihrer Stirnseiten 7.1 von drei Seiten.
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In der 3 ist ein weiteres Dichtelement 6 gezeigt, welches alternativ in dem Spaltrohrmotor 1 gemäß 1 Verwendung finden kann. Das Dichtelement 6 entspricht im Wesentlichen dem Dichtelement 6 gemäß 2, weshalb auf die Beschreibung zu 2 verwiesen wird. Im Unterschied zu dem in Fig, 2 gezeigten Dichtelement 6 weist das Dichtelement 6 gemäß 3 drei Dichtlippen 9 auf.
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Die Darstellung in 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Spaltrohrmotors 1 gemäß der Erfindung. Der Spaltrohrmotor 1 gemäß 4 unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Spaltrohrmotor 1 durch das Dichtelement 6, welches im Detail in 5 dargestellt ist. Das Dichtelement 6 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist als ringförmiges Dichtelement 6 mit einem L-förmigen Querschnitt ausgestaltet. Insofern weist das Dichtelement 6 einen koaxial zu dem Spaltrohr 7 angeordneten Schenkel auf, an dem mehrere, hier zwei, Dichtlippen 9 angeordnet sind. Ein senkrecht zu dem Schenkel verlaufender Basisbereich des Dichtelements 6 liegt an dem Stützabschnitt 25 des Tragelements 23 an. Da das Dichtelement 6 im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel nach 1 keinen zweiten Schenkel aufweist, wird der Innenraum 8 des Gehäuses 20 vergrößert. Die Ausgestaltung des Wickelkopfes 4 ist daher weniger stark eingeschränkt, so dass der Wickelkopf in radialer Richtung eine größere Ausdehnung haben kann. Hierdurch wird es möglich, die axiale Erstreckung des Wickelkopfes und damit des Spaltrohrmotors 1 zu reduzieren.
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Die vorstehend beschriebenen Spaltrohrmotoren 1 umfassen jeweils ein Gehäuse 20 und einen innerhalb des Gehäuses 20 angeordneten Stator 2, der ein Blechpaket 3 und eine Wicklung mit Wickelköpfen 4 aufweist, die an Stirnseiten des Blechpakets 3 aus dem Blechpaket 3 hervorstehen. Ferner umfassen die Spaltrohrmotoren 1 einen gegenüber dem Stator 2 drehbar gelagerten Rotor 5, ein zwischen dem Stator 2 und dem Rotor 5 angeordnetes Spaltrohr 7, und ein Dichtelement 6, welches zwischen einer Stirnseite 7.1 des Spaltrohrs 7 und einem mit einer Innenwandung des Gehäuses 20 verbundenen Tragelement 23 angeordnet ist, wobei das Tragelement 23 aus einem Kunststoff ausgebildet ist. Hierdurch können Wirbelstromverluste reduziert und der Wirkungsgrad des Spaltrohrmotors 1 erhöht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017102141 A1 [0003]
