DE2503561A1

DE2503561A1 - Rotor fuer einen elektromotor

Info

Publication number: DE2503561A1
Application number: DE19752503561
Authority: DE
Inventors: John Workman
Original assignee: S B W ENGINEERS Ltd
Current assignee: S B W ENGINEERS Ltd
Priority date: 1974-01-31
Filing date: 1975-01-29
Publication date: 1975-08-14
Also published as: GB1458587A; JPS50109405A; GB1470082A

Description

DR.-ING. VON KREISLER DR.-ING. SCHÖN WALD DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES DI PL.-CHEM. ALE K VON K RE IS LE R

DIPL-CHEM. CAROLA KELLER BU(£XNXX3MX3K9&H DIPL.-ING. SELTING

i Dr.-Ing. Eishold

KÖLNLDEICHMANNHAUS

Köln, den 28. Jan. 1975 Sg/in

S.B.W. ENGINEERS LIMITED, ?14 Ravenhill Road, Belfast, Nord Irland.

Rotor für einen Elektromotor.

Die Erfindung betrifft einen Rotor für einen Elektromotor.

Eine Schwierigkeit, die bei Elektromotoren und insbesondere bei Gleichstrommotoren auftritt, besteht darin, die in Folge des Stromes ,der in der Rotorwicklung fließt, erzeugte Wärme abzuleiten. Eine Lösung dieses Problems sieht vor, Luft durch den Rotor hindurchzublasen und ihn dadurch zu kühlen. Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, daß der Rotor in irgend einer Form mit einem Gebläse versehen werden muß ,oder daß ein separat vom Motor angetriebenes Gebläse vorhanden sein muß. Ferner müssen Durchtrittswege im Rotor vorgesehen sein, damit die Luft über die die Leiteroberflächen hinwegstreichen kann. Durch all diese Maßnahmen werden die Gesamtabmessungen des Motors vergrößert«

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Rotor zu schaffen, der mit einer Kühlvorrichtung

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ausgestattet ist, durch die seine Gesamtabmessungen nicht wesentlich vergrößert werden. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß ein axial im Rotor verlaufendes Wärmerohr vorgesehen ist, das einen innerhalb des Rotors liegenden Verdampfungsteil und einen aus dem Rotor herausragenden Kondensationsteil aufweist.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Elektromotor, der mit einem Rotor der oben genannten Art ausgestattet ist.

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Im Folgenden werden einige Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.

Figur 1 zeigt einen Teil-Längsschnitt eines zweipoligen Gleichstrommotors dessen Rotor ein Wärmerohr mit einem Verdampferteil und einem Kondensationsteil aufweist,

Figur 2 zeigt in vergrößertem Maßstab eine andere Äusführungsform des Kondensationsteiles des Wärmerohres nach Figur 1,

Figur 3 zeigt in vergrößertem Maßstab eine weitere Ausführungsform des Kondensat!onsteiles des Wärmerohres nach Figur 1,

Figur 4 zeigt einen Querschnitt des Kondensationsteiles des Wärmerohres nach Figur 1 zur Verdeutlichung alternativer Ausführungsformen der Innenfläche,

Figur 5 zeigt einen Längsschnitt des Kondensationsteiles des Wärmerohres nach Figur 1, mit einer weiteren möglichen Ausbildung der Innenfläche und

Figur 6 zeigt im Längsschnitt einen Teil des Rotors zur Erläuterung einer weiteren Modifikation der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 besitzt ein zweipoliger elektrischer Gleichstrommotor 10 einen Stator 11 und einen Rotor 12 sowie eine in dem Motorgehäuse I9 mit Lagern 20 gelagerte drehbare Welle 14. Der Rotor ist mit zahlreichen (nicht dargestellten) Windungen versehen, die zwischen den beiden Wicklungsflanschen Γ5 verlegt sind und von (nicht dargestellten) Bürsten,die gegen einen auf der Welle 14 angeordneten Kommutator 16 drücken mit Energie versorgt werden. Die Welle 14 ist in Form eines Wärmerohres ausgebildet, in-dem sie einen hohlen Bereich I5 aufweist, der von dem nicht-angetriebenen Ende des Rotors bis in

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das von der Wicklung und dem Kommutator 16 bedeckte Gebiet hineinragt und auf einen geeigneten Durchmesser aufgebohrt ist. Dieser hohle Bereich bildet den Verdampfungsteil 18 des Wärmerohres. Ein Kondensationsteil 9 des Wärmerohres wird von dem verjüngt ausgebildeten Wellenteil IJ gebildet, dessen Innendurchmesser sich ebenfalls nach außen hin verjüngt,und das an der Welle 14 des Rotors 12 fest angebracht ist. Der Kondensationsteil 9 besitzt eine Wärmeableitvorrichtung mit abstehenden Kühlrippen 21. Die Wärmeableitvorrichtung besteht aus Aluminium oder Magnesium und ist auf der Welle IJ mit Keilen, Nuten oder einem (nicht dargestellten) Keil und einer Mutter 23 befestigt, die auf einen Gewindeansatz 29 der Welle 12 aufgeschraubt ist.

In den hohlen Bereich 15 der Welle 14 wird ein Arbeitsfluid, z.B. Wasser, eingefüllt. Die in dem hohlen Bereich 15 vorhandene Luft wird durch einen Kanal 24 im Gewindestutzen 29 abgezogen und der Kanal anschließend abgedichtet. /¹Uf diese Weise wird das Wärmerohr gebildet.

Zur Erhöhung der Kondensationsrate in dem Kondensationsteil des Wärmerohres ist die konische Innenfläche des Kondensationsteiles mit axial verlaufenden Rippen versehen. Außerdem sind die Kühlrippen 21 zur Ermöglichung der Luftzirkulation mit öffnungen 22 versehen.

Zur Erhöhung der Gesamtleistung des Wärmerohres empfiehlt es sich, die gesamte Innenfläche des Wärmerohres mit einem Material zu beschichten, das mit dem Arbeitsfluid kompatftibel ist, wie im vorliegenden Falle Kupfer. Es ist ebenfalls empfehlenswert, Materialien

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hoher Leitfähigkeit und, wenn nötig, geringer Festigkeit in Bereichen hoher radialer Wärmeflußdichte zu verwenden, beispielsweise in der Nabe des Kondensators.

In dem Verdampfungsteil des Rohres ist eine Sicherheitseinrichtung in Form einer Öffnung 26 vorgesehen, die mit einem Durchtrittskanal 27 im Wicklungsflansch 13 in Verbindung steht. Die Durchtrittsleitung 27 ist zur Atmosphäre hin offen. Die Öffnung 26 ist mit einem schmelzbaren Stopfen 7 verschlossen, der bei einer unzulässig hohen Erwärmung des Rotors, beispielsweise bei Temperaturen bei denen Brandgefahr besteht, schmilzt und das sichere Entweichen des in dem Wärmerohr vorhandenen Druckes ermöglicht.

Damit die in dem Rotor erzeugte Wärme dem Wärmerohr zugeführt wird, sind die Außenflächen von Rotor 12 und Kommutator 16 mit einem Hitzeschild 28 bedeckt der darüber hinaus verhindert, daß die in dem Rotor erzeugte Wärme in den Stator hinein entweicht.

Während des Betriebes wird das in dem Wärmerohr vorhandene Wasser durch die in der Wicklung erzeugte Wärme verdampft. Dabei wird Wärme von der Wicklung absorbiert. Der Dampf wandert axial durch das Rohr in den Kondensationsteil 9, wo er kondensiert und seine latente Wärme abgibt, die von den Kühlrippen 21 absorbiert wird. Infolge der Zentrifugalkräfte, die entstehen wenn die Welle rotiert μηά der nach außen hin verjüngten Innenfläche des Kondensationsteiles des Wärmerohres wird das Kondensat das sich an den Rohrwänden bildet, an diesen Rohrwänden ent-

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lang in den Verdampfungsteil 18 des Rohres zurückgetrieben. Auf diese Weise wird die Wärme innerhalb der Wicklung längs des Wärmerohres axial zu der Kühlvorrichtung 21 übertragen.

Bei Wärmerohren verrringert sich im allgemeinen der Wirkungsgrad mit der Zeit infolge der Ansammlung nichtkondensibler Gase. In Fig. 2 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, mit der diese Schwierigkeit ausgeräumt werden kann. Der Kondensationsteil des Wärmerohres ist mit einer Gasfalle JO in Form einer Axialbohrung versehen, die mit einer aus Kufper bestehenden Stirnseitigen Kappe J>1 verschlossen ist. Die Wände der Kappe 3I sind, verglichen mit den Wänden des Wärmerohres, verhältnismäßig dünn. Die Kappe jjl ist im wesentlichen zylindrisch und erstreckt sich in die Axialbohrung hinein, ohne jedoch mit ihrer Wandung an der Bohrungswand anzuliegen. Nicht-kondensibles Gas,das etwa in dem Wärmerohr vorhanden ist, sammelt sich in der Gasfalle j50 um die Wände der zylindrischen Kappe 3I herum. In dem Kondensor entsteht auf diese Weise ein scharfer Grenzbereich zwischen dem Dampf und dem Gas. Mit einer in den Ring raum eingesetzten Temperatürsonde kann man bei montiertem Rotor die Position des Gas-/Dampf-Grenzbereiches ermitteln. Hierdurch kann man eine Anzeige derjenigen Menge an nicht-kondensiblem Gas erhalten, das sich jeweils angesammelt hat.

Wenn eine Gasmenge gemessen worden ist, die so groß ist, daß sie die Wirksamkeit des Wärmerohres wesentlich beeinträchtigt, kann der Rotor aus dem Betrieb gezogen und das Wärmerohr re-evakuiert werden, um das Gas zu entfernen. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, mit einem ganz einfachen Test bei montiertem Rotor festzustellen,

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wieviel nicht-kondensibles Gas sich in dem Wärmerohr angesammelt hat. Bei Wärmerohren mit einer Gasfalle der beschriebenen Art ist / der Welle 14, vorzugsweise im Bereich des Gewindeansatzes 29, ein radialer Kanal 24 vorgesehen, der mit einem Stopfen 32 verschließbar ist.

In Figur 3 ist eine andere Ausführungsform einer Gasfalle abgebildet, bei der in dem Stutzen 29 der Welle 14 eine ringförmige Ausnehmung 35 vorgesehen ist. Der Mittelteil des Ansatzes ist hohl, damit sich nichtkondensible Gase ansammeln können. Auch hier kann eine in die ringförmige Ausnehmung eingebrachte Temperatursonde die Position des Dampf/Gas-Grenzbereiches und somit die Menge an .nicht-kondensiblen Gasen, die sich in der Gasfalle angesammelt haben, ermitteln. Bei dieser Anordnung verläuft der Kanal 24 axial in dem Ansatz 29 und ist mit einem Stopfen 36 verschlossen.

In Figur 4 zeigt Sektor 1 eine gefüllte Kondensat!onsflache, Sektor 2 eine Kondensationsfläche mit zahlreichen teilausgebohrten Löchern, die eine Reihe von Rippen oder Graten bilden, Sektor 3 eine Kondensations■ fläche mit mehreren an ihr befestigten Leitblechen und Sektor 4 eine Kondensationsfläche mit mehreren Reihen axial gebohrter Löcher.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 5 sind kleine Metallkugeln, von solcher Konfiguration an der Innenfläche des Kondensors angelötet, daß ausreichend Zwischenräume für die Rückzirkulation des Kondensats zur Verfügung stehen und daß infolge des schnellen Abzugs des Kondensats von den Kugelflächen durch die Zentrifugalkräfte genügend neue Flächen für die

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Kondensation freiliegen.

Alle die in den Figuren 4 und 5 dargestellten Oberflächen, bilden Kondensationsflächen, die von dem ringförmigen Auffüll- und Arbeitsfluid, das in dem Kondensationsbereich des Wärmerohres vorhanden sein kann, freibleiben.

Gemäß Figur 6 kann die Kühlwirkung des in Fig. 1 abgebildeten Wärmerohres noch erhöht werden, indem mehrere Hilfsrohre 40 zwischen jeder Windung 41 eingebaut werden. Jedes Hilfsrohr ist elektrisch gegenüber den Windungen 4l isoliert und mit einem Ende mit dem Verdampfungsteil 18 des Wärmerohres über mehrere radial angeordnete Öffnungen 42 verbunden. Das Arbeitsfluid steht auf diese Weise mit den Hilfsrohren in Verbindung und zieht durch Verdampfung und Wärme aus den angrenzenden Windungen ab. In die Nabe können außerdem Kupferscheiben 43 eingebaut sein, die die Wärmeableitung von den Windungen 41 zum Wärmerohr unterstützen.

Obwohl bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen die Innenfläche des Kondensationsbereiches konisch ausgebildet ist, ist dies nicht unbedingt erforderlich. Wenn die Innenfläche des Kondensationsteiles lediglich zylindrisch wäre, würde die Kondensatansammlung an der Innenfläche das Bestreben haben, entlang des Rohres des Verdampfungsbereiches zurückzufließen.

Bei einer weiteren Abwandlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Innenfläche des Kondensationsbereiches des Wärmerohres mit Edelmetallen beschichtet, vorzugsweise mit Silber mit einer Goldoberfläche

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Hierdurch wird die Leistung des Kondensationsbereiches bei einem tropfenweisen Betrieb erhöht, was insbesondere bei geringen Motorgeschwindigkeiten günstig ist, wenn die hohen Zentrifugalkräfte, die das Kondensat aus dem Kondensationsbereich hinaustreiben, nicht vorhanden sind.

Bei einer anderen Pusführungsform der Erfindung kann die Warmeableitvorrichtung in Form der Rippen 21 durch eine Antriebsscheibe ersetzt werden, die sowohl als Antriebsausgang des Motors wirkt als auch gleichzeitig eine Kühlfunktion, ausübt.

Die erfindungsgemäß Kühlvorrichtung eignet sich insbesondere für zweipolige und vierpolige Gleichstrommotore sowie gewickelte Rotoren und Käfigläuferrotoren für Induktionsmaschinen.

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Claims

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Ansprüche

Rotor für einen Elektromotor, dadurch g e k e η ni c h η et, daß ein axial im Rotor verlaufendes Wärmerohr (L5) vorgesehen ist, das einen innerhalb des Rotors (12) liegenden Verdampfungsteil und einen aus dem Rotor (12) herausragenden Kondensationsteil (9) aufweist.
2.) Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr (15) bimetallisch ist und daß der Verdampfungsteil (18) aus einem Metall hoher mechanischer Festigkeit und der Kondensationsteil (9) aus einem Metall hoher thermischer Leitfähigkeit besteht.
3.) Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennzeichnet, daß in die Wicklung (4l) auf dem Rotor (12) Hilfsrohre (4θ) eingebettet sind, von denen jedes ein verschlossenes Ende besitzt, während das andere Ende in Fluidverbindung mit dem Verdampfungsteil (18) des Wärmerohres (15) steht.
4.) Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gek en nzeichn et durch eine den Rotor (12) umgebende Wärmeabschirmung (28).
5«) Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gek ennzeichnet daß an dem Kondensationsteil des Wärmerohres (15) eine Gasfalle (30) zum Einfangen inkondensibler Gase,die sich in dem Wärmerohr (15) bilden, angeschlossen ist.
6.) Rotor nach Anspruch 5, dadurch gek en η zeichnet, daß die Gasfalle (30) eine über den

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Kondensationsteil (9) des Wärmerohres (15) hinausragende Axialbohrung (30) aufweist, die stirnseitig durch eine ringförmige Kappe (31) verschlossen ist, wobei zwischen der Seitenwand der Axialbohrung (30) und der Seitenwand der ringfömigen Kappe (31) ein Ringraum verbleibt.
7.) Rotor nach Anspruch 5* dadurch g e k e η η zeichn et, daß die Gasfalle (30) in einem mit dem Kondensationsteil (9) des Wärmerohres (15) verbundenen Wellenansatz (29) untergebracht ist, der eine in FJaidverbindung mit dem Kondensationsteil des Wärmerohres (9) stehende Axialbohrung aufweist und daß der Wellenansatz (29) an einer Stirnseite eine ringförmige Ausnehmung (35) besitzt, die einen Teil der Axialbohrung umgibt.
8.) Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzei chn e t, daß das Wärmerohr (15) eine das Rohrinnere mit der Atmosphäre verbindende öffnung (26) aufweist, die mit einem Stopfen (7) aus schmelzbarem Material verschlossen ist.
9·) Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzei chnet, daß die Innenfläche des Kondensationsteils (9) geriffelt ist.
10.) Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzei chne t, daß die Innenfläche des Kondensationsteils {"9) mehrere längslaufende Grate oder Wülste aufweist.
11.) Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da-

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durch gekennzei chne t, daß die Innenfläche des Kondensationsteils (9) nach innen abstehende Leitbleche aufweist.
12.) Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennze i chne t, daß an der Innenfläche des Kondensationsteils (9) mehrere Metallkugeln angebracht sind.
13.) Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzei chne t, daß die Innenfläche des Kondensationsteils (9) zum nicht-treibenden Ende des Rotors (12) verjüngt ist.
14.) Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gek ennzeichnet, daß die Innenfläche des Kondensationsteils (9) mit einem Film aus einem Edelmetall beschichtet ist.
15.) Rotor nach Anspruch 14,, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelmetall Gold ist.
16.) Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß thermisch gut leitende Scheiben (4^) mit gegenseitigem Abstand entlang des Rotors (12) angebracht sind, um die in der Wicklung erzeugte Wärme dem Verdampfungsteil (18) des Wärmerohres (15) zuzuleiten.
17·) Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzei cftne t, daß an dem Kondensationsteil (9) des Wärmerohres (I5) Kühlflächen (21) oder Kühlrippen angebracht sind.

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18.) Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennze i chne t, " ■ daß an dem Kondensationsteil (9) des Wärmerohres (15) eine thermisch leitende Antriebsscheibe montiert ist.

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