DE19950660A1 - Kühlanordnung für einen Motor - Google Patents

Abstract

Zur Fluidkühlung eines Motors mit zylindrischem Abschnitt der äußeren Gehäuseoberfläche, wird mittels eines in geringem Abstand um das Gehäuse liegenden Hüllrohr ein durch elastische Dichtmittel seitlich abgedichteter Kühlmantelraum geschaffen, in welchem durch eine eingelegte Wendel eine definierte Fluidführung in einem gewendelten Kühlkanal erzielt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für einen Motor.

Bei einem Elektromotor kann es beispielsweise zur Erzielung einer hohen Wellenleistung und/oder zur Vermeidung der Wärmeabstrahlung an die Umge­ bung zweckmäßig oder auch notwendig sein, durch Umströmung des Motorge­ häuses mit einem Kühlmittel Verlustwärme des Motors abzuführen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vorteilhafte solche Kühlanordnung anzugeben.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Durch die zylindrische Außenfläche des Motorgehäuses und das gleichfalls zy­ lindrische Hüllrohr ergibt sich ein besonders einfacher und kostengünstiger Aufbau bei gleichzeitig großer Kühlfläche. Der Abstand zwischen Außenfläche des Motorgehäuses und Hüllrohr ist vorzugsweise klein gegen den Innen­ durchmesser des Hüllrohrs und beträgt vorteilhafterweise wenigstens 1 mm und höchstens 20 mm, insbesondere höchstens 10 mm. Der Raum zwischen Hüllrohr und Motorgehäuse ist seitlich durch Dichtelemente abgeschlossen zur Bildung eines Kühlmittels zwischen einem Kühlmittelzufluß und einem Kühl­ mittelabfluß führenden Kühlmantelraums.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei welcher ein über einen Teil der Gehäuseoberfläche des Motors sich erstreckender Kühlmantelraum durch Leitelemente so unterteilt ist, daß ein von einem Kühlmittelzufluß zu einem Kühlmittelabfluß führender Kanal entsteht, dessen Breite klein ist gegen die Kanallänge, insbesondere wenigstens um den Faktor 10 kleiner. Der Verlauf des Kanals umfaßt insbesondere den gesamten Kühlmantelraum. Durch die Leitelemente ist ein gezielter, beispielsweise gleichmäßiger Kühlmittelfluß über alle Flächenbereiche des gekühlten Gehäuseabschnitts erreichbar.

Neben dem Hüllrohr ist vorzugsweise auch das Motorgehäuse durch ein Rohr gebildet, wodurch sich besonders kostengünstige und einfach zu bearbeitende Bauteile für die Anordnung ergeben. Das Motorgehäuse besteht zur guten Ab­ leitung der Verlustwärme vorzugsweise aus Aluminium. Der Kühlmantelraum kann vorteilhafterweise durch elastische, insbesondere gummielastische Dicht­ elemente zwischen Motorgehäuse und Hüllrohr in den Endbereichen des Hüll­ rohrs seitlich abgedichtet sein. Eine solche Anordnung bildet einen Kühlmantel­ raum mit einem ringzylindrischen Volumen für das Kühlmittel. Ohne die Unter­ teilung dieses Volumens durch Leitelemente ergibt sich eine nur in geringem Maß durch die relative Anordnung von Kühlmittelzufluß und Kühlmittelabfluß kontrollierbare Verteilung des Kühlmittelflusses, was eine über die Gehäuse­ oberfläche ungleichmäßige Kühlleistung zur Folge haben kann. Durch die Aus­ bildung eines Kühlkanals mit geringer Kanalbreite, gemessen parallel zur Ge­ häuseoberfläche, wird jedes Flächenelement mit im wesentlichen der gleichen Kühlmittelstromdichte überstrichen, soweit die Kanalbreite über die Kanallänge nicht zu stark variiert. Die Variation der Kanalbreite zwischen größter und klein­ ster Breite ist dabei vorzugsweise kleiner als 5, insbesondere kleiner als 2,5. Vorzugsweise ist die Kanalbreite außer in den Bereichen von Zufluß und Abfluß annähernd konstant.

Der Kanalverlauf ist vorzugsweise wendelförmig mit achsial entgegengesetzt angeordneten Anschlüssen für Kühlmittelzufuhr und Kühlmittelabfuhr. Die wen­ delförmige Kanalführung ist auch strömungstechnisch bevorzugt gegenüber anderen beispielsweise mäanderförmigen Verläufen. Der Kanal kann über den gesamten Verlauf zwischen Zufluß und Abfluß oder in Abschnitten in parallele und/oder serielle Teilkanäle aufgespalten sein.

Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, durch Strömungsstörelemente im Kanalverlauf turbulente Strömungen zu erzeugen, welche vorteilhaft für die Wärmeaufnahme des Kühlmediums von der Gehäusewandung ist. Solche Störelemente können beispielsweise durch Unterbrechung von Leitelementen gebildet sein, was auch durch die Bildung einer Leitelementstruktur aus mehre­ ren Teilstücken realisiert sein kann.

Der Kanal kann durch Abtragen von Material von der Gehäuseaußenwand oder durch ein Gehäuse beispielsweise als Gußteil mit einer Leitstruktur in der Au­ ßenfläche gebildet sein. Vorzugsweise ist der Kanal durch auf die Gehäuse­ oberfläche aufgesetzte Leitelemente gebildet. Zur Lagesicherung solcher aufge­ setzter Leitelemente können in der Gehäuseaußenfläche Vertiefungen vorge­ sehen sein, in welchen die Leitelemente, vorzugsweise unter Vorspannung, einliegen. Die Leitelemente können aus mehreren Teilen, beispielsweise meh­ reren Wendelabschnitten bestehen, die durch Lücken als Störelemente sepa­ riert sind und zusammen die Leitelementstruktur bilden.

Die Leitelemente können gemäß einer bevorzugten Ausführungsform gut wär­ meleitend sein und insbesondere aus Kupfer oder Aluminium bestehen. Durch die gute Wärmeleitung in Verbindung mit gutem Wärmekontakt zu dem Motor­ gehäuse tragen die seitlich mit dem Kühlmedium in Kontakt stehenden Leit­ elemente dann zu einer Erhöhung der Wärmeaustauschfläche zum Kühlmedi­ um bei. Die Kontaktflächen der Leitelemente mit dem Hüllrohr sind vorteilhaf­ terweise gering, was durch eine Wölbung des Leitelementquerschnitts zum Hüllrohr hin mit einer schmalen Berührungslinie erreicht werden kann. Der Querschnitt der Leitelemente kann insbesondere kreisförmig sein.

Der radiale Abstand zwischen Gehäuseoberfläche und Hüllrohr ist vorzugswei­ se klein gegen den Innendurchmesser des Hüllrohrs, welcher vorzugsweise wenigstens das 20fache des radialen Abstands beträgt. Der radiale Abstand beträgt vorteilhafterweise wenigstens 1 mm und höchstens 20 mm, insbeson­ dere höchstens 10 mm.

Das Hüllrohr kann aus an sich beliebigem Material, insbesondere Aluminium oder Kunststoff bestehen. Als Kühlmittel findet typischerweise Wasser, evtl. mit darin gelösten Zusätzen Einsatz.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt

Fig. 1 eine teilaufgeschnittene Motoranordnung.

Fig. 2 ein Motorgehäuse-Mittelteil.

Aus Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau einer Motoranordnung nach der Erfindung ersichtlich. Das Motorgehäuse weist ein sich in Motorlängsrichtung erstrecken­ des Mittelteil mit einer im wesentlichen zylindrischen, insbesondere kreiszylin­ drischen Außenfläche auf. Eine wesentliche zylindrische Form soll dabei Ab­ weichungen von der genau zylindrischen Form, welche klein sind gegen den Zylinderdurchmesser, mit einschließen, solange diese dem Erfindungsgedan­ ken nicht entgegenstehen. Das Mittelteil ist vorzugsweise durch ein kreiszylin­ drisches Rohr gebildet.

Das Mittelteil trägt an seiner Innenseite den Stator ST des Motors und ist an den Enden durch Lagerschilde LS abgeschlossen, welche Lager zur drehbaren Aufnahme der Rotoranordnung RO mit der nach außen ragenden Antriebswelle AW tragen.

Die im wesentlichen zylindrische Außenfläche des als Mantelrohr MR ausge­ führten Gehäuse-Mittelteils ist in geringem Abstand von einem Hüllrohr HR um­ geben, welches mit dem Mantelrohr einen Kühlmantelraum KR bildet. Der Kühlmantelraum KR ist seitlich durch elastische Dichtelemente abgedichtet. Über im Hüllrohr HR vorgesehene Anschlüsse für Zufluß und Abfluß eines Kühlmittels kann ein Kühlmittelstrom durch den Kühlmantelraum strömen und dabei Verlustwärme des Motors von der den Kühlmantelraum begrenzenden Oberfläche des Mantelrohrs MR abführen. Vorteilhafterweise erstreckt sich der Kühlmantelraum KR parallel zur Motorlängsachse in beiden Richtungen über den mit dem Gehäuse in Wärmekontakt stehenden Teil des Stators hinaus.

Eine besonders wirkungsvolle und gleichmäßige Kühlung des Mantelrohrs kann erreicht werden, wenn in dem Kühlmantelraum KR durch Strömungsleitele­ mente LE, welche sich zwischen Mantelrohr und Hüllrohr erstrecken, ein Kühl­ kanal gebildet ist, welcher in seiner Gesamtheit wieder den Kühlmantelraum ergibt. Der Kühlkanal verläuft entlang den im Abstand DR gegenüberstehenden Oberflächen von Mantelrohr MR und Hüllrohr HR und ist seitlich durch die Leitelemente LE sowie in den Endbereichen des Kühlmantelraums einseitig durch die Dichtelemente DI begrenzt.

Die Breite BK des Kühlkanals KK ist über den gesamten Verlauf gemittelt klein gegenüber der Länge LK des Kühlmantelraums in Motorlängsrichtung. Die durch den Abstand DR von Mantelrohr und Hüllrohr bestimmte Dicke ist noch­ mals deutlich kleiner als die mittlere Kanalbreite. Die Breite der Leitelemente ist gleichfalls klein gegen die Kanalbreite.

Die Leitelemente können als Struktur an der Innenwand des Hüllrohrs und/oder vorzugsweise an der Außenwand des Mantelrohrs als Bestandteil dieser Bau­ teile ausgebildet sein.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher die Leitelemente durch eine mit keinem der beiden Rohre fest verbundene separate Struktur gebildet sind, welche vorteilhafterweise positionsstabil zwischen den beiden Rohren liegt. Die Leitelemente weisen vorzugsweise einen kreisrunden Querschnitt auf und kön­ nen insbesondere aus Draht- bzw. Stangenmaterial als Halbzeug hergestellt sein.

Besonders vorteilhaft ist eine aus Fig. 2 ersichtliche Anordnung, bei welcher in die Außenfläche des Mantelrohrs MR eine wendelförmige Rille RI eingebracht ist, welche sich über die Länge des Kühlmantelraums mehrfach um das Mantel­ rohr windet. Die Tiefe der Rille ist klein gegen die Dicke des Mantelrohrs und klein gegen den gegenseitigen Abstand DR von Mantelrohr und Hüllrohr. Die Schnurdicke der Wendel ist so bemessen, daß die Wendel zwischen Hüllrohr und Mantelrohr auf jeden Fall gegen seitliche Verschiebung gesichert ist. Vor­ zugsweise ist die Wendel durch ein geringes Übermaß der Schnurstärke zwi­ schen Hüllrohr und Mantelrohr verspannt. Die Wendel kann einfach aus Draht oder Stangenmaterial gewickelt werden und besteht vorzugsweise aus Alumini­ um.

Für die Herstellung der Anordnung wird vorteilhafterweise die mit Untermaß des Wendeldurchmessers gegen den Mantelrohr-Außendurchmesser gewickelte Wendel (oder mehrere Wendelabschnitte) in die gewendelte Nut des Mantel­ rohrs eingelegt, wo sie aufgrund des Untermaßes auch bei Abweichung der Wendelsteigung im entspannten Zustand gegen die Wendelsteigung der Rille die Position beibehält. Das Hüllrohr wird vorteilhafterweise durch Erwärmung soweit aufgeweitet, daß es über die Wendel geschoben werden kann, ohne deren Positionen zu verändern. Bei Abkühlung des Hüllrohrs wird vorzugsweise die Wendel gegen das Mantelrohr verspannt. Die elastischen Dichtmittelringe DI werden seitlich des Wendelbereichs auf das Mantelrohr aufgezogen und zwischen Mantelrohr und Hüllrohr unter elastischer Deformation eingedrückt, wofür beispielsweise Ringnuten im Mantelrohr vorbereitet sein können. Zur seitlichen Abstützung der Dichtelemente gegen hohe Kühlmitteldrücke können seitliche Abstützelemente STR auf den dem Kühlmittel abgewandten Seiten der Dichtmittel vorgesehen sein.

Die Leitelemente LE bestehen vorzugsweise aus gut wärmeleitendem Material und stehen vorteilhafterweise, insbesondere über querschnittsangepaßte Form der gewendelten Nut, in gutem Wärmekontakt zu dem Motorgehäuse. Die Leitelemente tragen dadurch zur Erhöhung der Wärmekontaktfläche zum Kühlmedium und damit zur Wärmeabfuhr bei.

In Fig. 2 ist eine Ausführung angedeutet, bei welcher die Leitelemente aus mehreren Teilen bestehen und gegeneinander separiert sind, insbesondere in Form von aufeinanderfolgenden Wendelabschnitten LEA, LEB, die lediglich auszugsweise gezeichnet sind. Durch die Lücke zwischen den Wendelab­ schnitten werden turbulente Strömungsanteile verursacht, welche zu einer ver­ besserten Wärmeabgabe an das Kühlmedium führen.

Die Wärmeübertragung von den Leitelementen zum Hüllrohr ist in Anwen­ dungsfällen, in welchen eine Wärmeabgabe durch Strahlung und/oder Konvek­ tion an die Umgebung vermieden werden soll, vorzugsweise gering, wozu eine geringe Kontaktfläche und/oder Material des Hüllrohrs beitragen können.

Die vorstehend angegebenen und die den Abbildungen entnehmbaren Merk­ male sind sowohl einzeln als auch in verschiedenen Kombinationen vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens auf mancherlei Weise abwandelbar. Beispielsweise kann unter Beibehaltung der Wendelform der Kühlkanal in zwei in der Mitte zusammentreffende Kanäle mit entgegenge­ setztem Kühlmittelstrom aufgeteilt sein. Für den Drahtquerschnitt der Wendel sind verschiedene Formen geeignet.

Claims (12)

1. Kühlanordnung für einen Motor mit einem im wesentlichen zylindrischen Motorgehäuseabschnitt, welcher von einem Hüllrohr umgeben ist und mit diesem einen seitlich durch ringförmig umlaufende Dichtmittel abgeschlos­ senen Kühlmantelraum bildet, der von einem Kühlmittel von einem Kühlmittelzufluß zu einem Kühlmittelabfluß durchströmbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Leitelemente innerhalb des Kühlmantelraums, welche für den Kühlmittelstrom zwischen Kühlmittel­ zufluß und Kühlmittelabfluß einen Kanal definieren, dessen mittlere Kanal­ breite klein ist gegen die Kanallänge.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitele­ mente als abstehende Stege des Motorgehäuses ausgebildet sind.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitele­ mente auf das Motorgehäuse aufgesetzt sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitele­ mente unter Spannung an dem Motorgehäuse anliegen.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitelemente in Vertiefungen des Motorgehäuses eingesetzt sind.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitelemente zumindest abschnittsweise wendelförmig ausgeführt sind.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitelemente aus gut wärmeleitendem Material bestehen.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Kanalverlauf Strömungsstörelemente zur Erzeugung turbulenter Strömungen vorgesehen sind.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Störele­ mente durch Lücken zwischen Leitelementen gebildet sind.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Abstand zwischen Motorgehäuse und Hüllrohr klein ist ge­ gen den Innendurchmesser des Hüllrohrs.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Abstand zwischen Motorgehäuse und Hüllrohr wenigstens lmm und höchstens 20 mm, insbesondere höchstens 10 mm beträgt.