DE19849573A1 - Elektromotor mit Kühlung - Google Patents

Abstract

Elektromotor, mit einem Stator mit in einem Blechpaket eingebetteten Wicklungen und einem Rotor, insbesondere einer Werkzeugmaschine mit einer Motorspindel, wobei Stator und Rotor über einen dazwischenliegenden Luftspalt elektrodynamisch wechselwirken und wobei die dem Luftspalt abgewandte Seite des Stators wenigstens eine Kühlschicht (1, 2) aufweist, die mit mehreren Kühlkanälen (4) versehen ist, wobei mindestens zwei über und/oder nebeneinander angeordnete Kühlschichten (1, 2) vorgesehen sind, mit wenigstens zwei Kühlkreisläufen, wobei zumindest zwischen Kühlschichten (1, 2) getrennter Kühlkreisläufe eine thermisch isolierende Schicht (3) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einem Stator mit in einem Blechpaket eingebetteten Wicklungen und einem Rotor, insbesondere eine Werkzeugmaschine mit einer Motor­ spindel, wobei Stator und Rotor über einen dazwischenliegen­ den Luftspalt elektrodynamisch wechselwirken und wobei die dem Luftstrom abgewandte Seite des Stators wenigstens eine Kühlschicht aufweist, die mit mehreren Kühlkanälen versehen ist.

Bei derartigen Elektromotoren speziell Werkzeugmaschinen und Motorspindeln werden als Hauptmotoren u. a. regelbare Asyn­ chrondrehstrommotoren eingesetzt, welche sehr hoch belastbar sind und über einen weiten Regelbereich eine gleichbleibende Leistung abgeben. Bei diesen Motorspindeln ist die Tempera­ turstabilisierung des Hauptmotors besonders kritisch, da der Hauptmotor selbst Bestandteil einer hochgenauen Arbeitsspin­ del ist, so daß starke Temperaturschwankungen Ungenauigkeiten durch Verformung des Spindelgehäuses verursachen würden. Da­ her ist bei allen Motorspindeln für eine ausreichende Fremd­ kühlung zu sorgen, die unabhängig vom Arbeitspunkt des Motors stets die Verlustwärme ab führt und die Motortemperatur unter­ halb gewünschter Grenzen hält.

Aus der EP 0 415 138 A1 ist eine Motorspindel bekannt gewor­ den, bei der in eine Außenumfangsfläche eines den Stator um­ gebenden, in seiner Form einem hohlen Kreiszylinder entspre­ chenden Bereichs des eigentlichen Spindelgehäuses eine zur Spindelachse konzentrische, in radialer Richtung nach außen offene schraubenlinienförmige Nut eingearbeitet, welche zu­ sammen mit einem dünnwandigen gleichfalls hohlzylindrischen und gegen die Außenumfangsfläche dieses Spindelgehäusesbe­ reichs anliegenden Mantel, welche die Nut abdeckt, einen den Stator umschließenden schraubenlinienförmigen Kühlmittelkanal bildet. In das eine axiale Ende dieses schraubenlinienförmi­ gen Kühlmittelkanals mündet eine Kühlmittelzufuhrleitung, in das andere axiale Ende eine Kühlmittelabführleitung. Infolge der beim Betrieb dieser Motorspindel im Motor entwickelten Verlustwärme erwärmt sich das dem schraubenlinienförmigen Kühlmittelkanal durchströmende Kühlmittel längs seines Weges vom einen zum anderen axialen Ende dieses Kühlmittelkanals stetig, seine Kühlwirkung nimmt also in Richtung der Spindel­ achse stetig ab, so daß immer größere Teile der Verlustwärme des Motors vor allem auf das Spindelgehäuse übergehen, was gleichfalls die erwähnten nachteiligen Folgen für die Maßge­ nauigkeit von auf der Werkzeugmaschine zu bearbeitenden Werk­ stücken hat.

Bei einer Kühlmittel gekühlten Motorspindel nach der EP 0 094 680 A1 ist ein zur Spindelachse konzentrischer ring­ förmiger Hohlraum vorgesehen, welcher unmittelbar an das Ge­ häuse der Motorspindel angrenzt und zwischen diesem und dem Stator angeordnet ist. Dieser ringförmige Hohlraum kommuni­ ziert mit einem Kühlmitteleinlaß und einem Kühlmittelauslaß, die beide der einen Stirnseite des Spindelgehäuses benachbart sowie bezüglich der Spindelachse ungefähr auf ein und demsel­ ben Radius angeordnet sind. In dem Kühlmittelauslaß mündet ein zur Spindelachse parallel verlaufender Kühlmittelauslaß­ kanal, welcher einerseits an einen Statorumfang angrenzt und andererseits einen radialen Abstand vom Spindelgehäusemantel innerhalb des Letzteren verläuft sowie im axialen Abstand von demjenigen stirnseitigen Ende des ringförmigen Hohlraums en­ det, welches der genannten Spindelgehäusestirnseite gegen­ überliegt. Auf diese Weise ergibt sich folgender Kühlmittel­ verlauf:
Das Kühlmittel strömt über den Kühlmitteleinlaß in den ring­ förmigen Hohlraum ein, durchströmt diesen dann in axialer Richtung bis zum gegenüberliegenden stirnseitigen Ende des ringförmigen Hohlraumes, worauf es in den Kühlmittelauslaßka­ nal einströmt und die Motorspindel über den Kühlmittelauslaß verläßt. Bei dieser bekannten kühlmittelgekühlten Motorspin­ del soll also ein winkelmäßig nur verhältnismäßig kleiner Sektor des ringförmigen Hohlraumes einen Kühlmittelkanal bil­ den, und aufgrund der notwendigen Druckdifferenz zwischen dem Kühlmitteleinlaß und Kühlmittelauslaß kann das Kühlmittel auch nur diesen engen Sektor des ringförmigen Hohlraumes durchströmen, und zwar in Richtung der Spindelachse, während ein umströmter Stator in Umfangsrichtung wegen der Lage und der Gestaltung des Kühlmittelauslasses ausgeschlossen ist.

Auch bei dieser bekannten kühlmittelgekühlten Motorspindel läßt sich also nicht vermeiden, daß ein Teil der Verlustwärme des Motors auf die Werkstückspindel auf das Spindelgehäuse übergeht, was die erwähnten nachteiligen Folgen für die Maß­ genauigkeit von auf der Werkzeugmaschine zugearbeiteten Werk­ stücken hat.

Aus der DE 43 11 431 C2 ist eine kühlmittelgekühlte Motor­ spindel für eine Werkzeugmaschine bekannt, wobei die Motor­ spindel eine Werkstückspindel und einen Drehstrommotor auf­ weist, welcher einen die Werkstückspindel umgebenden, zu letzteren konzentrischen und mit der Werkstückspindel dreh­ fest verbunden Rotor sowie einen den letzteren umgebenden und zu diesem konzentrischen Stator besitzt, und mit einem den Drehstrommotor aufnehmenden Spindelgehäuse, in dem die Werk­ stückspindel um die Spindelachse drehbar gelagert ist, sowie mit den Stator umschließenden Kühlmittelkanälen, die in Ebe­ nen senkrecht zur Spindelachse sowohl ein den Stator zumin­ dest überwiegend umschließender äußerer Kühlmittelkanal als auch wenigstens ein in den Stator gleichfalls zumindest über­ wiegend umschließender äußerer Kühlmittelkanal vorgesehen sind, wobei zur Kühlung mittels in Umfangsrichtung strömenden Kühlmittel der äußere Kühlmittelkanal in auf die Spindelachse bezogener radialer Richtung außerhalb des inneren Kühlmittel­ kanals liegt, und daß ein Kühlmitteleinlaß mit dem ersten En­ de des äußeren Kühlmittelkanals, das zweite Ende des äußeren Kühlmittelkanals mit dem ersten Ende des inneren Kühlmittel­ kanals und das zweite Ende des inneren Kühlmittelkanals mit einem Kühlmittelauslaß verbunden ist.

Nachteilig bei dem zitierten Stand der Technik ist jeweils unzureichende Entkopplung der äußeren und inneren Kühlmittel­ kreisläufe.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, einen durch Kühlmittel gekühlten Elektromotor, insbesondere für ei­ ne Motorspindel einer Werkzeugmaschine zu schaffen, bei dem die Verlustwärme keinen nennenswerten Einfluß insbesondere thermische Dehnungen im oder am Stator verursacht. Außerdem soll die anfallende Verlustwärme möglichst direkt von ihren Entstehungsorten abgeführt werden.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß dadurch, daß mindestens zwei über und/oder nebeneinander angeordnete Kühlschichten vorgesehen sind, mit wenigstens zwei Kühlkreis­ läufen, wobei zumindest zwischen Kühlschichten getrennter Kühlkreisläufe eine thermisch isolierende Schicht vorgesehen ist.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung von zwei oder mehreren übereinander und/oder nebeneinander angeordneter getrennter Kühlkreisläufe, die gegeneinander thermisch isoliert sind, wird die Hauptwärme des die Verlustwärme erzeugenden Aktiv­ teils an den am nächsten angeordneten Kühlkreislaufs abge­ führt. Die zur Motoroberfläche hin angeordneten Teilkühlkanä­ le dienen der Abfuhr der Restwärme. Somit wird die Oberflä­ chentemperatur auf einem niedrigeren Temperaturniveau gehal­ ten, ohne daß sich die abgegebene Wärme störend, d. h. über eine Deformation des Elektromotors bemerkbar macht.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die Kühlschichten im wesentlichen durch ein Strangpreßprofil rea­ lisiert, wobei dazu vorzugsweise eine Aluminiumlegierung ver­ wendet wird. Dadurch läßt sich die Herstellung derartiger Kühlschichten wirtschaftlich und ohne großen Zeitaufwand rea­ lisieren. Eine Anpassung an dementsprechende Blechpaketlängen eines Stators ist einfach möglich.

Damit auch die Wickelköpfe der in den Stator eingelegten Wicklung ausreichend gekühlt werden; ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform zumindest die dem Stator nächst­ liegende Kühlschicht axial über die Wickelköpfe gezogen und bedarfsweise über eine wärmeleitende Vergußmasse mit den Wic­ kelköpfen verbunden. Damit ergibt sich ein ausreichender Wär­ mefluß des Aktivteils und der Wicklungsköpfe zu der dem Sta­ tor am nächstliegenden Kühlschicht. Sind die Kühlschichten an unterschiedliche Kühlkreisläufe angeschlossen, ist es vor­ teilhaft, zwischen den Kühlschichten thermische Isolations­ schichten auszubilden, um ein Wärmeübertrag von einem Kühlme­ dium auf das andere zu vermeiden. Die thermische Isolations­ schicht kann aus einem Feststoff, einer Flüssigkeit oder ei­ nem mit speziellem Gas gefüllten Hohlkörper bestehen.

Durch spezielle Ausbildung der Kühlkanäle in Form von kreis­ förmigen, quaderförmigen oder auch kreis- und quaderförmigen Kühlkanälen mit Längsrippen kann der Herstellungsprozeß bzw. die Kühleffizienz gesteigert werden. Durch spezielle Ausbil­ dungen des Verlaufs der Kühlkanäle, wie z. B. mäander- oder schraubenlinienförmig, wird eine Steigerung der Kühleffizienz und eine Vergleichmäßigung der Oberflächentemperatur des Elektromotors erreicht.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Kühl­ schicht in mehrere axiale und/oder Umfangsrichtung des Sta­ tors verlaufende Segmente unterteilt, die je nach Größe des Elektromotors dem Stator angepaßt werden können. Es sind völ­ lig selbständige Segmente, so daß keine umfangreichen An­ schlußarbeiten der einzelnen Kühlschichten vorgenommen werden müssen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform befinden sich an den Stirnseiten des Stators Umlenkvorrichtungen der Kühl­ kanäle, um einen vorzugsweise mäanderförmigen Verlauf des Kühlmediums zu erreichen. Dabei ist es vorteilhaft, für das Kühlmedium der inneren und äußeren Kühlschicht entgegenge­ setzte Strömungsrichtungen festzulegen, um eine Vergleichmä­ ßigung der Oberflächentemperatur des Elektromotors zu errei­ chen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die dem Stator abgewandte äußere Kühlschicht als Gehäuseoberfläche des Elektromotors ausgebildet, dabei sind vorzugsweise Gehäu­ seanschlußteile oder Funktionsteile des Elektromotors (Montageösen, Klemmenkasten etc.) bereits integriert.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmal der Unteransprüche wird im folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 angeordnete Kühlschichten eines rotatorischen Elektro­ motors,

Fig. 2 angeordnete Kühlschichten eines Linearmotors.

Fig. 1 zeigt radial angeordnete Kühlschichten 1, 2 bzw. eine thermische Isolationsschichte 3 um ein nicht näher darge­ stelltes Statorblech eines rotatorischen Elektromotors. Die Gesamtheit dieser Schichten 1, 2, 3 ist ein- oder mehrstückig in einem Strangpreßprofil oder anderen urformenden Verfahren hergestellt.

Die Kühlkanäle 4 der einzelnen Kühlschichten 1, 2 sind vor­ zugsweise kreisförmig ausgeführt und verlaufen im wesentli­ chen parallel zur Motorachse 5. Vorzugsweise sind dabei die Kühlkanäle 4 über ihre axiale Länge mit dem gleichen Quer­ schnitt beaufschlagt. Es sind aber auch durchaus Quer­ schnittsverengungen zur Kühlflußmengenregulierung an thermi­ schen Extrempunkten des Elektromotors denkbar. Außerdem kön­ nen die Querschnitte der Kühlkanäle 4 unterschiedliche Quer­ schnittsmuster aufweisen, so sind sternförmige, ovale, qua­ derförmige oder andere querschnittsvergrößernde Formen denk­ bar.

Ebenso ist der Verlauf der Kühlkanäle 4 vorzugsweise wendel- oder schraubenförmig um das Statorblechpaket ausführbar. Bei wendel- oder schraubenförmig verlaufenden Kühlkanälen 4 einer Kühlschicht 1, 2 ist es vorteilhaft, wenn die wendel- oder schraubenförmig verlaufenden Kühlkanäle 4 der radial weiter außenliegenden Kühlschicht 2 entgegen der Vorzugsrichtung der Kühlkanäle 4 der inneren Kühlschicht 1 verlaufen.

Die thermische Isolationsschichte 3 umfaßt einen Feststoff oder einen mit einem Feststoff, einer Flüssigkeit oder einem Gas gefüllten Hohlraum 6 oder eine Kombination dieser Mög­ lichkeiten. Bei Unterteilung der Isolationsschicht 3 in meh­ rere Umfangsrichtung gesehenen kreissegmentartige Teile sind die jeweils vorhandenen Hohlräume 6 vorzugsweise mit ei­ nem, dem jeweiligen Einsatzgebiet des Elektromotors angepaß­ ten Isolierstoff versehen.

Fig. 2 zeigt Kühlschichten 1, 2 und eine Isolationsschichte 3, die in einem Strangpreßteil geformt sind und sich vorzugswei­ se für einen Linearmotor eignen. Die einzelnen Kühlschichten 1, 2 sind sowohl hier als auch in dem in Fig. 1 geschilderten Anordnung bedarfsweise als autarke Kühlsysteme ausgeführt. Es ist ebenfalls eine Reihenschaltung der Kühlschichten möglich.

Eine weitere Ausführungsform als Kombination der oben ge­ schilderten Anordnungen stellt ein Art Zwischenkühler zwi­ schen den jeweils in Reihe geschalteten Kühlschichten dar, welche Zwischenkühler vorzugsweise außerhalb des Elektromo­ tors liegen.

Nicht näher dargestellte Umlenkmechanismen an den Stirnseiten des Statorblechpakets ermöglichen einen mäanderförmigen Ver­ lauf des Kühlmediums über den Gehäuseumfang. Bei einer se­ quentiellen Durchströmung der Kühlschichten wird zweckmäßi­ gerweise die Kühlschicht mit der geringsten Wärmeabfuhr zu­ erst durchströmt.

Claims (11)

1. Elektromotor, mit einem Stator mit in einem Blechpaket eingebetteten Wicklungen und einem Rotor, insbesondere einer Werkzeugmaschine mit einer Motorspindel, wobei Stator und Ro­ tor über einen dazwischenliegenden Luftspalt elektrodynamisch wechselwirken und wobei die dem Luftspalt abgewandten Seite des Stators wenigstens eine Kühlschicht (1, 2) aufweist, die mit mehreren Kühlkanälen (4) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei über und/oder nebeneinander angeordnete Kühlschichten vorgesehen sind, mit wenigstens zwei Kühlkreisläufen, wobei zumindest wischen Kühlschichten (1, 2) getrennter Kühlkreisläufe eine thermisch isolierende Schicht (3) vorgesehen ist.

2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kühlschicht (1, 2) im we­ sentlichen aus einem Strangpreßprofil, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung gebildet ist.

3. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich zumindest die dem Stator nächstliegende Kühlschicht (1, 2) axial über die Wickelköpfe erstreckt und bedarfsweise über eine wärmeleitende Verguß­ masse mit den Wickelköpfen verbunden ist.

4. Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Kühlschichten (1, 2) befindliche thermi­ sche Isolationsschicht (3) einen Feststoff, eine Flüssigkeit, ein Gas oder eine Kombination dieser Stoffe aufweist.

5. Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (4) im Bereich des Blechpakets des Stators zumindest einer Kühlschicht (1, 2) im wesentlichen axial ver­ laufen.

6. Elektromotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß we­ nigstens ein Kühlkanal (4) zumindest einer Kühlschicht (1, 2) eine axial durchgehende außerhalb der Direktverbindung der beiden Stirnseiten des Stators verlaufende Verbindung bildet oder wendelförmig oder schraubenförmig ausgeführt ist.

7. Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeisolierenden Isolationsschichten (3) entspre­ chend der Aufteilung der Kühlschichten (1, 2) in axiale und/oder in Umfangsrichtung des Stators verlaufende Segmente unterteilt sind.

8. Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Umlenkvorrichtungen der Kühlkanäle (4) insbesondere in und/oder an den Stirnseiten des Stators vorgesehen sind.

9. Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindestens die dem Stator abgewandte Kühlschicht (1, 2) als Gehäuseoberfläche des Elektromotors ausgebildet ist.

10. Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der einzelnen Kühl- (1, 2) und Isolations­ schichten (3) eine jeweils rotations- oder quaderförmige Kon­ tur aufweist.

11. Elektromotor nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zumindestens eine Kühlschicht (1, 2) oder die Kombination mehrerer Kühlschichten (1, 2) mit den zugehörigen Isolationsschichten (3) einstückig ausgeführt ist.