DE2125270A1 - Lagerträger - Google Patents

Description

SKP KUGElIiAGERFAERIKEN GIVBH Schweinfurt, 19. Mai I97I

TP/Gl/ie

Lagerträger

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrische Maschinen mit einem Stator und Rotor, und betrifft insbesondere einen Lagerträger für Elektromotoren und andere rotierende elektrische Maschinen, der kappenartig ausgebildet, mit Kühlluftöffnungen versehen und mit seinem .Außenrand innerhalb der Wicklungsköpfe am Statorkern befestigt ist sowie in seiner Bohrung ein Rotorlager aufnimmt.

Die wirksame Kühlung von Elektromotoren ist oft von großer Wichtigkeit. Zu diesem Zweek ist es üblich, die Lagerschilde der Motore - sofern es mit dem Anwendungsgebiet des Motors in Einklang zu bringen ist - mit KUhI-luftöffnungen zu versehen, wobei diese Öffnungen in ihrer gesamten Fläche oft so groß ausgeführt sind wie es die Anforderungen an die Stabilität des Lagerschildes und andere Umstände erlauben. Manchmal sind die Lagerschilde innen mit besonderen Führungsblechen für die Kühlluft versehen, wenn die Kühlluftöffnungen allein keine ausreichende Kühlung bewirken. Diese Führungsbleche bedingen eine komplizierte und kosteespielige Anordnung und Ausbildung und die erzielte Verbesserung ist gering. Um die Kühlung von Elektromotoren zu verbessern, ist es darüber hinaus schon lange bekannt, die Motoren mit besonderen Gebläsen zu versehen. Wenn die Motoren kleine Außenabmessungen aufweisen sollen, ist es ein offensichtlicher Nachteil, diese konventionellen Gebläse außerhalb des Motors anzuordnen. Diese Gebläse verursachen weiterhin ein Geräusch, das zu einem erhöhten Geräuschpegel des gesamten Motors führt. Außerdem erhöhen diese besonderen Gebläse noch die Herstellungskosten des Motors nicht unerheblich.

Es ist bereits bekannt, Elektromotoren zu bauen, bei denen die Lagerträger innerhalb der Wicklungsköpfe angeordnet sind. Auf diese Weise können Motore mit kleinen Abmessungen erhalten werden, die darüber hinaus auch höchste Ansprüche in bezug auf ruhigen Lauf erfüllen. Schließlich werden bei dieser Ausführung auch die Herstellungskosten sehr niedrig gehalten. Die Anordnung

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der Lagerträger innerhalb der Statorwicklungen, so nahe an den Endflächen des Rotors wie nur möglich, führt zu Motoren mit absolut minimalen Außenabmessungen. Auf diese Weise wird die Konstruktion kompakt mit kleinen Lufträumen, was jedoch wieder zu einem besonderen Problem, nämlich der Abführung der Wärme, die im Rotorraum erzeugt wird, führt. Die Wärmeprobleme werden noch größer bei Konstruktionen, bei denen die kappenartigen Lagerträger aus einem nichtmetallischen Werkstoff mit schlechten Wärmeleitfähigkeitseigenschaften gefertigt werden. Im letztgenannten Fall sind auch die Bedingungen für die Kühlung der Lager des Rotors wesentlich schlechter. Weiterhin haben die Lagerträger, die innerhalb der Statorwicklungen angeordnet sind, gegenüber den konventionellen Lagerschilden, die auf eine andere Art und Weise am Motorgehäuse befestigt sind, eine kleinere Oberfläche und so ist es nicht möglich, Kühlluftöffnungen mit der gleichen totalen Fläche vorzusehen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb eine wirksame Kühlung der elektrischen Maschinen der eingangs beschriebenen Art zu schaffen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß bei einem Lagerträger, der kappenartig ausgebildet, mit KUhlluftöffnungen versehen und mit seinem Außenrand innerhalb der Wicklungsköpfe am Statorkern befestigt ist sowie in seiner Bohrung ein Rotprlager aufnimmt, die Kühlluftöffnungen so radial zueinander angeordnet und/oder individuell mit als Leitflächen ausgebildeten Kanten versehen sind, daß ein wirksamer Kühlluftstrom zu und von dem Rotorraum hin bzw· weg und durch mindestens einen Teil dieses Rotorraumes hindurch geleitet wird. Dieser Luftstrom wird dabei so geführt, daß er über die Wicklungsköpfe außerhalb der Lagerträger und vorzugsweise über die Rotorlager streicht. Diese Kühlluftöffnungen arbeiten mit dem Rotor und der in dem Rotorraum befindliehen Luft zusammen, die ungestört durch irgendwelche Teile des Motors als Folge der Rotation des Rotors rotiert.

Gerade bei den weiter oben beschriebenen kompakten Elektromotoren, die in Hinblick auf die Wärmeentwicklung gewisse Kühlprobleme aufwerfen und erwarten lassen, die nicht so leicht lösbar sind, bietet der Rotorraum, der bei dieser Motortype duroh die Lagerträger gebildet wird, unter Anwendung der Erfindung überraschenderweise gute Möglichkeiten zur Erzielung einer sehr wirksamen Kühlung des Rotors, der Lager, der Lagerträger und der Statorwicklungen. 1Q9849/1332

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Nach einem Merkmal der Erfindung werden die Kühlluftöffnungen jedes Lagerträgers in zwei Gruppen am Umfang verteilt angeordnet, und zwar die eine Gruppe nahe - vorzugsweise so nahe wie möglich - am Rotorlager und die andere Gruppe nahe am Außenumfang des Lagerträgers, wobei die beiden Gruppen von KUhlluftöffnungen durch eine ringförmige Zone ohne solche KUhlluftöffnungen voneinander getrennt sind.

Zweckmäßigerweise werden die Abschnitte des Lagerträgers, auf denen die beiden Gruppen von KUhlluftöffnungen angeordnet sind, als Kegelabschnitte mit unterschiedlicher Neigung in bezug auf die Lagerachse ausgeführt, wobei der Abschnitt mit den in der Nähe des Rotorlagers liegenden KUhlluftöffnungen einen größeren und der Abschnitt mit den in der Nähe des Außenumfanges des Lagerträgers liegenden KUhlluftöffnungen einen kleineren Kegelwinkel aufweist.

Um die Kühlfläche des Lagerträgers zu vergrößern, kann die zwischen den beiden die Kühlluftöffnungen tragenden Abschnitten liegende ringförmige Zone balgartig ausgebildet werden. In gleicher Weise ist es möglich, in den Fällen, in denen an den Stirnseiten des Rotors Vorsprünge. KUhIflügel od. dgl. angeordnet sind, den Lagerträger diesen Vorsprüngen anzupassen, um den Zirkulationseffekt der Luft zu erhöhen.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die Kanten der KUhlluftöffnungen als Führungs- und Leitflächen für die Kühlluft ausgebildet. Dies kann durch eine entsprechend geneigte Ausbildung der - in Umfangsrichtung liegenden - Kanten der Kühlluftöffnungen oder durch die Anordnung von entsprechend geformten Zungen oder Lappen an diesen Kanten geschehen.

Mit den Lagerträgern gemäß der Erfindung kann eine direkte Kühlwirkung in radialer Richtung ausgehend vom Zentrum des Motors nach außen oder durch den Rotorraum in seiner Längsrichtung erzielt werden.

Der starke KUhlluftstrom ventiliert wirksam den Rotorraum und kühlt den Rotor, so daß die besonderen Wärmeprobleme bei dem vorliegenden Motortyp gelöst werden. Durch die Führung des Luftstromes wird, verglichen mit den

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konventionellen ohne Gebläse ausgerüsteten Motoren eine verbesserte Kühlung der liicklungsköpfe und so des gesamten Motors ebenso wie der Rotorlager erzielt. Die Kühlwirkung gemäß der Erfindung kann ohne irgendwelche maßliohen Vergrößerungen des Motors und ohne zusätzliche Herstellungskosten für die Lagerträger und für den Motor erreicht werden. Das Geräuschniveau wird durch die erfindungsgemäße Anordnung nicht erhöht.

Im folgenden soll die Erfindung anhand einiger in den beigefügten Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben werden.

In Fig. 1 ist ein schematischer Längsschnitt eines Elektromotors mit kappenartigen Lagerträgern, die gemäß der Erfindung gestaltet sind, dargestellt.

Pig. 2 und j5 zeigen zwei Ausführungsbeispiele des Lagerträgers im vergrößerten Maßstab

Fig. 4 ist eine teilweise perspektivische Ansicht eines Motors mit getrennt gewickelten Statorpolen und mit Lagerträgern gemäß der Erfindung.

Fig. 5 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen Elektromotor mit Lagerträgern, die so ausgebildet sind, daß ein axialer Kühlluftstrom entsteht.

Fig. 6-15 zeigen Einzelheiten der Lagerträger ^nd der Kühlluftöffnungen.

Der Elektromotor nach Fig. 1 besteht im wesentlichen aus dem Statorkern 1 mit den Statorwicklungen 2. Die Lagerträger J5 sind mit ihren am Außenumfang der Lagerträger angeordneten Zentrieransätzen 4 radial innerhalb der Statorwioklungen 2 am Statorkern 1 befestigt. Diese Befestigung kann beispielsweise durch eine Klebsohioht oder Vergußmasse

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erfolgen. Die in der zylindrischen Bohrung 6 des Lagerträgers 3 angeordneten Wälzlager 7 tragen die Rotorwelle 8 und den Rotor 9· Die Lagerträger 5 sind mit zwei Gruppen von Kühlluftöffnungen versehen, von denen die eine Gruppe von Kühlluftöffnungen 10 vorzugsweise so nahe wie möglich am Wälzlager, und die andere Gruppe von Kühlluftöffnungen 11 im Bereich des Außenumfanges des Lagerträgers 3 und den Wicklungskopfen 2 gegenüberliegend angeordnet ist. Wenn der Motor läuft, wird die Luft, die sich in der Rotorkammer 12 befindet, rotieren, wobei kühle Luft aus der Umgebung durch die Kühlluftöffnungen 10 hereingesaugt und durch die Kühlluftöffnungen 11 wieder hinausgedrückt wird, so wie es durch die Pfeile 13 und 14 dargestellt ist. Wenn die Kühlluft über den zylindrischen Mittelabschnitt 15 des Lagerträgers 3 hinwegstreift, wird dieser gekühlt. Wenn infolge Rotation die Kühlluft durch die Kühlluftöffnungen 11 hinausgedrückt wird, streicht die Luft direkt über und durch die Wicklungsköpfe und kühlt auch diese. Da die Wicklungsköpfe 2 außerhalb des Lagerträgers angeordnet sind, wird der Kühlluftstrom in der Rotorkammer 12 nicht durch irgendwelche Teile des Motors gestört oder gestoppt.

In Figur 2 ist ein vergrößerter Ausschnitt des Lagerträgers nach Figur 1 dargestellt. Der kappenartige Lagerträger 3 ist abgewinkelt, d. h. er weist zwei Abschnitte mit unterschiedlicher Konizität auf, einen Abschnitt mit geringerer Konizität im Bereich des Außenumfanges des Lagerträgers 3 und einen Abschnitt mit größerer Neigung in der Nähe der Bohrung 6 des Lagerträgers 3· Der Rotor 9 des Motors ist an den Stirnseiten 16 mit Vorsprüngen 17 versehen, die in den Raum des abgewinkelten Lagerträgers 3 eingreifen. Diese Vorsprünge I7 sind in gewissen Formen bei Rotoren für Kurzschlußläufertypen oder bei gegossenen Rotoren vorhanden, bei denen diese Vorsprünge durch die vorstehenden Angußstellen gebildet werden. Durch die Vorsprünge I7 am Rotor 9 wird die Wirkung der Luftrotation noch verstärkt. Im Lagerträger 3 sind die Kühlöffnungen 10 in dem Abschnitt mit der größeren Neigung in der Nähe der Aufnahmebohrung 6 für das Rotorlager J und die Kühlöffnungen 11 in dem Abschnitt mit der geringeren Neigung am Außenumfang des Lagerträgers 3 vorgesehen. Der Verlauf der Kühlluft von außen durch den verhältnismäßig kleinen Rotorraum 12 und an den Wicklungsköpfen vorbei oder durch diese hindurch, ist durch die Pfeile I3 und 14

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markiert. Die Kühlluftöffnungen 11 sind so angeordnet, daß sie die Luft an den Wicklungsköpfen vorbei, um diese herum und zwischen den Wicklungsköpfen und den Lamellen des Stators hindurchführen. Durch den natürlichen Verlauf von innen, d. h. vom Zentrum nach außen*wird eine wirksame Kühlung der Wicklungen des Motors erreicht, gleichzeitig wird auch der das Rotorlager tragende Abschnitt I5 des Lagerträgers 3 ^und die Stirnfläche des Rotors wirkungsvoll durch die Luft gekühlt.

Figur 3 zeigt eine abgewandelte Form des Lagerträgers 3· Der Abschnitt l8 zwischen den beiden Gruppen von Kühlluftöffnungen ist hier balgartig ausgebildet. Dies ermöglicht eine gewisse axiale Versetzung des Rotorlagers 7> während die Kühloberfläche des Lagerträgers 3 vergrößert und ein verbesserter Zentrifugaleffekt bei den äußeren Kühlöffnungen 11 erreicht wird. Die Pfeile IjJ und 14 zeigen auch hier wie die Kühlluft in die Rotorkammer hinein und aus diese herausgeführt wird und wie die Wicklungsköpfe vom Kühlluftstrom überstrichen werden.

Figur k zeigt eine teilweise perspektivische Ansicht eines Zweipolmotors, bei dem die beiden Pole 19 von den Wicklungen 2 umgeben sind, während der Rotor 9 in den Lagerträgern 3 gelagert ist. Eotore dieser Art ebenso wie andere Maschinen mit getrennt gewickelten Polen weisen - ähnlich wie Statoren von Synchronmotoren - zwischen den Polen in axialer Richtung längs des Rotors verlaufende offene Abschnitte auf. Bei diesen Motortypen kann der erfindungsgemäße Kühleffekt der Statorwicklungen dann nicht erzielt werden, wenn die Kühlluft zwischen den Lagerträgern und den offenen Abschnitten des Stators ausströmt. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Lagerträger 3 mit einer Gruppe von im Mittelabschnitt angeordneten Kühlluftöffnungen 10 versehen durch welche der Luftstrom 13 eingesaugt wird. Diese Luft wird durch innerhalb der Wicklungsköpfe 2 angeordnete Öffnungen 12 an die Wicklungsköpfe 2 geführt, so daß die ausströmende Kühlluft IA die Temperatur der Wicklungen herabsetzt» Um zu verhindern, daß der Kühleffekt durch am Rotor 9 zwischen den Polen austretende Luft verringert wird, ist der Lagerträger J- an dieser Stelle mit einem die Endfläche des Rotors 9 umschließenden Ansatz 20 versehen. Die Luftjdie nun zwischen dem Lagerträger 3 und dem Rotor 9 austreten kann, stellt somit nur noch einen

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vernachlässigbar kleinen Teil der Kühlluft dar.

Figur 5 zeigt einen Längsschnitt durch einen Elektromotor, dessen Statorkern 1 mit den Wicklungen 2 vollständig in eine Kunststoffmasse 21, in der die Lagerträger 3 befestigt sind, eingegossen ist. Diese Lagerträger bestehen aus einem Lagergehäuse 22, an dem ein konischer Kunststoffflansch angegossen ist. Dieser Kunststoff flansch 23 ist an seinem Außenumfang so ausgebildet, daß er am Statorkern .1 innerhalb der Wicklungen 2 befestigt werden kann. Eine Gruppe von Kühlluftöffnungen 24 in dem Kunststoffteil des kappenartigen Lagerträgers 3 ist mit schrägen Kanten 25, 2β ausgebildet, die bei einer Rotation des Rotors die Kühlluft an einem Ende des Motors hereinsaugen, wie es durch den Pfeil 27 dargestellt ist. Wenn der Motor auf beiden Seiten des Rotors 9 «nit ähnlich ausgebildeten Lagerträgern 3 ausgerüstet ist, wird aufgrund der Tatsache, daß die Lagerträger 3 gegeneinander eingebaut sind, die Kühlluft bei der Rotation des Rotors durch den einen Lagerträger hereingesaugt und durch den anderen Lagerträger wieder hinausgedrückt (Pfeil 28). Auf diese Weise wird die Kühlluft in axialer Richtung durch den Rotorraum hlndurohgeführt. Beim Durchströmen des Motors kühlt diese Luft sowohl den Rotor als auch den Stator. Weiterhin übt die angesaugte Luft eine Kühlwirkung auf den das Rotorlager aufnehmenden Abschnitt des einen Lagerträgers und auf die Wicklungen des Stators aus. Ein ähnlicher Effekt wird selbstverständlich erzielt, wenn die Luft am anderen Ende des Motors hinausgepreßt wird.

Während der Lagerträger nach Fig. 5 teilweise aus Kunststoff hergestellt ist, sind die Lagerträger, die in den Figuren 6-8 dargestellt sind, ausschließlich aus Blech gefertigt. Der Lagerträger nach Fig. 6-8 hat einen zylindrischen Abschnitt 15, der das Wälzlager 7 aufnimmt. Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf diesen Lagerträger mit den Kühlluftöffnungen 29 und den zwischen zwei Kühlluftöffnungen 29 befindlichen Stegen 30. Fig. 8 zeigt einen Schnitt durch eine Kühlluftöffnung 29 mit zwei Stegen 30. Die Stege 30 sind, wie aus Fig. 8 ersichtlich, schaufelartig verwunden, so daß die Kühlluft, die in dem Rotorraum rotiert, wie durch den Pfeil 31 dargestellt, abgeleitet wird.

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Die Pig. 9» 10 und 11 zeigen einen ähnlichen Lagerträger aus Blech. Um einen verbesserten Einsträn- bzw. Ausströmeffekt zu erzielen sind Teile der Stege 32 nach innen oder außen abgebogen (33 und 34). Diese Zungen oder Lappen 33, 34 werden durch Ausklinken des zur Bildung der Kühlluftöffnungen 35 aus dem Lagerträger herausgearbeiteten Materials hergestellt. Den beiden Ausbildungsformen in den Fig. 6-8 und 9 - H ist gemeinsam, daß diese billig herzustellen sind. Die den Steuerungseffekt des Lagerträgers auf die Kühlluft ausübende Teile können durch eine Herstellungsmethode erzielt werden, die sehr einfach ist.

Die Abb. 12, 13 und 14 zeigen, wie ein Lagerträger aus Kunststoff ausgeführt sein kann. Die Kanten 36 der Stege 37, die geneigt sind, haben einen gewissen Anstellwinkel gegenüber der rotierenden Luft, so daß diese sowohl durch die Öffnungen 38 hinein- als auch hinausgeleitet werden kann, wie es durch den Pfeil 39 dargestellt ist.

Fig. 15 schließlich zeigt, wie die Richtung der Kühlluft und die Kühlwirkung noch durch einen lappenartigen Ansatz 40 im Bereich der Kanten der Kühlluftöffnungen verbessert werden kann. Natürlich können ähnliche Abschnitte auch innerhalb des Lagerträgers vorgesehen werden.

Selbstverständlich können die in den Abb. 1-3 kurz beschriebenen Ausführungen mit Kühlöffnungen entsprechend den Abb. 6 - 15 versehen werden, um eine verbesserte Zirkulierung der Kühlluft zu erzielen.

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Claims (8)

212527G SKP KÜOEIIAGERPABRIKEN GMBH Schweinfurt, 19. Mai 1971 Patentansprüche

1. !Lagerträger für elektrische Maschinen, der kappenartig ausgebildet, mit Offnungen für die Kühlluft versehen und mit seinem Außenrand innerhalb der Wicklungsköpfe am Statorkern befestigt ist sowie in seiner Bohrung ein Rotorlager trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlluftöffnungen so radial zueinander angeordnet und/oder individuell mit als Leitflächen ausgebildetenKanten versehen sind, daß ein wirksamer Kühlluftstrom zum und vom Rotorraum hin bzw. weg und durch wenigstens einen Teil dieses Rotorrautns hindurchgeleitet wird, wobei dieser Kühlluftstrom so geführt wird, daß er über die außerhalb des Lagerträgers liegenden Wicklungsköpfe und vorzugsweise über das Rotorlager hinwegstreicht.

2. Lagerträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlluftöffnungen in zwei Gruppen am Umfang verteilt angeordnet sind, und zwar die eine Gruppe nahe - vorzugsweise so nahe wie möglich am Rotorlager und die andere Gruppe nahe dem Außenumfang des Lagerträgers, und daß die beiden Gruppen von Kühlluftöffnungen durch eine ringförmige Zone ohne solche Kühlluftöffnungen voneinander getrennt sind.

J). Lagerträger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gruppen von Kühlluftöffnungen auf kegeligen Abschnitten mit unterschiedlicher Ne gung in bezug auf die Lagerachse angeordnet sind, wobei der Abschnitt mit den in der Nähe des Rotorlagers liegenden Kühlluftöffnungen einen größeren und der Abschnitt mit den in der Nähe des Außenumfanges des Lagerträgers liegenden Kühlluftöffnungen einen kleineren Kegelwinkel aufweist.

4. Lagerträger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone ohne Kühlluftöffnungen balgartig ausgebildet ist und die Kühlluftöffnungen in zwei Gruppen zu beiden Seiten dieses balgartigen Abschnittes angeordnet sind.

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5. Lagerträger nach einem der Ansprüche 1 bis h, dadurch gekennzeichnet, daß dieser den an der Stirnfläche des Rotors angeordneten Vorsprüngen, Kühlflügeln od. dgl. angepaßt ist, welche den Zirkulationseffekt des Rotors erhöhen.

6. Lagerträger nach einem der Ansprüche 1 bis 5 für Statoren mit getrennt gewickelten Polen und mit einem oder mehreren axial längs des Rotors zwischen den Polen verlaufenden offenen Abschnitten, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerträger im Bereich dieser offenen Abschnitte mit einem Ansatz versehen ist. der die Endfläche des Rotors mit einem engen Spalt zwischen Rotor und Lagerträger umgibt.

7· Lagerträger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pührungsflächen für die Kühlluft in der V/eise ausgebildet sind, daß die Luft, die in der Rotorkammer rotiert bei einer Drehrichtunrj des Rotors aus den Kühlluftöffnungen heraus- und bei der anderen Drehrichtung des Rotors in die Kühlluftöffnungen hineingeführt wird, wobei im Falle, daß je ein Lagerträger an beiden Ehden eines Elektromotors angeordnet ist, die Kühlluft durch einen dieser Lagerträger hinein- und durch die Rotorkammer hindurch und aus dem anderen Lagerträger herausgeführt wird.

8. Lagerträger nach einem der Ansprüche 1 bis J, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten der Kühlöffnungen abgeschrägte Führungsflächen für die Kühlluft aufweisen.

9· Lagerträger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Bildung der Kühlluftöffnungen aus dem Lagerhalter herausgearbeitete Material zumindest teilweise in Form von nach innen oder außen abgebogenen Zungen oder Lappen an den Rändern der Kühlluftöffnungen stehenbleibt.

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