DE2849434A1

DE2849434A1 - Elektrische maschine mit einem drehanker und mit einer drehwelle mit einer kuehlbohrung

Info

Publication number: DE2849434A1
Application number: DE19782849434
Authority: DE
Inventors: Keiichi Harano; Shigeaki Oyama
Original assignee: Fujitsu Fanuc Ltd
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1977-11-17
Filing date: 1978-11-15
Publication date: 1979-05-23
Also published as: GB2008332B; GB2008332A; FR2409627B1; DE7833863U1; FR2409627A1; CH632614A5; US4240000A; JPS5471304A

Description

PATENTANWÄLTE
DlpL-lng. P. WIRTH · Dr. V. SCHMIED-KOWARZIK

Dlpl.-Ing. G. DANNENBERG · Dr. P. WEINHOLD · Dr. D. GUDEL

281134 GR ESCHENHEIMER STa 3Θ

telefon·, toe in _2B7(m _9Q0Q _FRANKFURTAM MAIN

8. November 1978 Gu/Be

Fujitsu Fanuc Limited

5-1, Asahigaoka 3-chome,

Hino-shi,

Tokyo,

Japan

Elektrische Maschine mit einem Drehanker und mit einer Drehwelle mit einer Kühlbohrung

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Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine sich drehende elektrische Maschine, beispielsweise einen Elektromotor, der Wärmeerzeugende Bauelemente trägt, beispeilsweise einen Läufer oder Anker und Rotor. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine sich drehende elektrische Maschine mit einem Heiz-Kühlrohr verbesserter Konstruktion, mit dem die Maschine gekühlt wird.

Es ist bekannt, ein Kühlrohr vorzusehen, welches bei derartigen Maschinen zu Kühlzwecken dient. Dies Kühlrohr ist als Bohrung oder Loch in einer Drehwelle der Maschine ausgebildet, wobei eich die Bohrung von einer Heizzone zu einer Kühlzone erstreckt. Ein Arbeitsmedium befindet sich in der Bohrung, so daß die vom Läufer und Anker der Maschine erzeugte Wärme abgeführt werden kann. Mit den bekannten Konstruktionen dieser Kühlrohre läßt sich aber nur ein nicht befriedigender Kühleffekt erzielen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine sich drehende elektrische Maschine mit einem Kühlrohr vorzuschlagen, das eine Kühlwirkung hat, und das mit geringen Kosten hergestellt werden kann, ohne daß dadurch die Einfachheit der Konstruktion und Herstellung erschwert wird. Diese Aufgabe kann dadurch gelöst werden, daß die Konstruktion eines Kühlrohres in einer sich drehenden elektrischen Maschine verbessert wird, insbesondere die Konstruktion der erwähnten Bohrung im Kühlrohr.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Maßnahmen von Anspruch 1.

Bevorzugte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, aus denen sich weitere wichtige Merkmale

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ergeben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Gleichstrommotor nach der

Erfindung;
Fig.2+3 Schnitte entsprechend Figur 1 durch das dort gezeigte

Kühlrohr bei herkömmlichen Ausführungsformen; Fig. 4 eine Schnittansicht entsprechend Figur 2 oder 3 bei einer abgeänderten Ausführungsform des Kühlrohrs nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Mittel-Längsschnitt durch einen Gleichstrommotor nach der Erfindung. Der Motor hat einen Rotor 1 und einen Stator 17. Der Rotor 1 weist eine Welle 3 und einen Läufer 5 auf, der mit der Welle 1 fest verbunden ist. Die Welle ist drehbar in Lagern 11 und 11' gelagert, die sich in Lagerschilden 7 bzw. 9 befinden. Ein Joch 13 befindet sich zwischen den Lagerschilden 7 und 9 und trägt Pole oder Feldwicklungen 15, wodurch der Stator 17 aufgebaut wird. Zeichnerisch nicht dargestellte Kommutatoren und Bürsten für die Zufuhr elektrischen Stroms zum Läufer 5 sind ebenfalls vorgesehen.

Dreht sich der in Fig. 1 gezeigte Elektromotor, so wird sein inneres über den Läufer 5 erwärmt. Für die Abfuhr der dadurch erzeugten Wärme ist ein Loch oder eine Bohrung 19 innerhalb der Welle 3 ausgebildet, wobei sich die Bohrung von einem Teil der Welle 3, wo der Läufer 5 befestigt ist (dieser Teil wird im folgenden als Heizzone 3a bezeichnet, weil dieser Teil vom Läufer 5 erwärmt wird) bis zu einem rückwärtigen Teil der Welle 3 erstreckt. Dieser rückwärtige Teil wird im folgenden als Kühlzone 3b bezeichnet, weil dort die vom Läufer 5 erzeugte Wärme abgegeben wird, wie dies weiter unten noch näher erläutert wird. Der Druck innerhalb der Bohrung 19 ist reduziert und ein Arbeitsmedium befindet sich in der Bohrung, wodurch Kühlrohr - gelegentlich auch als Heizrohr bezeichnet - erzeugt wird. Die Kühlzone 3b des Kühlrohres hat eine zylindrische Innenwand 19b mit einem Durchmesser Dp. Die Heizzone 3a

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hat ebenfalls eine zylindrische Innenwand mit einem Durchmesser D.J, der größer ist als der Durchmesser Dp. Die Innenwand der Kühlzone 3b ist mit der Innenwand der Heizzone 3a über eine Schulter 19c der Tiefe t verbunden. Mehrere Kühlrippen 23 aus wärmeleitendem Material, beispielsweise Aluminium, sind über eine zylinderförmige Manschette aus Aluminium an der Kühlzone 3b befestigt und befinden sich somit am rückwärtigen Ende der Drehwelle 3. Ein Gehäuse 29 trägt ein Gebläse 25 und ein Gitter 27, wodurch Kühlluft zugeführt wird. Das Gehäuse 29 ist am rückwärtigen Ende des Lagerschildes 9 befestigt, so daß das Gebläse 25 und das Gitter 27 den Kühlrippen 23 gegenüberstehen. Die vom Läufer 5 an das Kühlrohr über die Heizzone 3a übertragene Wärme erwärmt somit das Arbeitsmedium 21, welches dadurch verdampft. Der Dampf des Arbeitsmediums bzw. Kühlmittels erreicht die Kühlzone und wird dort abgekühlt, so daß die latente Wärme des Dampfes abgegeben wird. Diese latente Wärme wird über die Kühlrippen 23 abgestrahlt.

Die mit der neuartigen Konstruktion erzielten Vorteile werden jetzt unter Bezugnahme auf die Figuren 1-3 näher erläutert, und zwar im Vergleich mit herkömmlichen Konstruktionen des Kühlrohres. Fig. 2 zeigt eine herkömmliche Drehwelle einer konventionellen elektrischen Maschine mit einem drehbaren Anker und mit einem konventionellen Kühlrohr, Das Kühlrohr hat eine Bohrung 19'. Der Durchmesser der Innenwand 19'a der Heizzone 3^ra ist derselbe Durchmesser wie der Durchmesser der Innenwand 19^fb an der Kühlzone 3'b. Die Bohrung 19' ist zu einem geringen Betrag mit dem Arbeitsmedium 21 gefüllt. Dreht sich die Drehwelle 3', so bildet das Arbeistmedium läng der Innenwand 19'a der Heizzone und der Innenwand 19'b der KUhlzone eine dünne Schicht aus, und zwar herrührend von der Zentrifugalkraft, die von der Drehung und Viskosität des Arbeitsmediums hervorgerufen wird. Weil diese dünne flüssige Schicht des Arbeitsmediums Wärme vom Läufer 5 über die Innenwand 19'a erhält, wird das Arbeitsmedium verdampft. Die Schicht des Arbeitsmediums hat

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aber einen großen thermischen Widerstand. Die beim Kondensieren des Dampfes abgegebene latente Wärme kann daher nicht wirksam an die Innenwand der Kühlzone abgegeben werden. Daher ist die Wärmeabgabe dieses Kühlrohres nicht zufriedenstellend.

Es wurde bereits erwähnt, daß das herkömmliche KUhlrohr einen geringen thermischen Wirkungsgrad bei sich drehender Drehwelle an der Kühlzone hat. Um diesen geringen Wirkungsgrad zu verbessern wurde bereits vorgeschlagen, die Innenwand 19b der Kühlzone einer Drehwelle 3" mit einer Bohrung zu versehen, die konkav-konisch ausgebildet ist und sich dabei zum äußeren Ende hin verjüngt, wie dies Fig. 3 zeigt. Die Innenwände 19"a der Heizzone und 19"b der Kühlzone gehen dabei sanft und ohne eine Schulter ineinander über. Man nimmt an, daß bei der Konstruktion nach Fig. 3 das Arbeitsmedium 21 nur einen Teil der konkav-konischen Innenwand 19"b der Kühlzone einnimmt und daß das kondensierte Arbeitsmedium und dasjenige Arbeitsmedium, welches einen Teil dieser Innenwand 19"b einnimmt, längs dieser konkav-konischen Innenwand 19"b wegen der Schwerkraft und der Zentrifugalkraft strömt, so daß die Wärmeübertragung verbessert wird. Hat jedoch ein Kühlrohr nach Fig. 3 einen kleinen konischen Winkel der Innenwand 19"b der Kühlzone, so können die durch die konkav-konische Innenwand bewirkten Vorteile nur dann erzielt werden, wenn die Welle 3" sehr schnell dreht. Ist der konische Winkel der Innenwand I9"b steiler, wie dies in Fig. 3 gestrig chelt angedeutet ist, so verkürzt sich die Länge der Innenwand 19^wb, wodurch sich ebenfalls das Kondensationsgebiet in der Kühlzone verringert. Daraus ergibt sich also, daß auch hierbei der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung etwa so schlecht wird wie der eines Kühlrohres, daß einen großen Wärme-Widerstandswert der Innenwand 19"b hat.

Verglichen mit den vorstehend erwähnten herkömmlichen Kühlrohren hat das Kühlrohr nach der Erfindung entsprechend Fig. 1 einen Innendurchmesser D₂ der Kühlzone und einen Innendurchmesser D^

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der Heizzone, wobei D₂ kleiner als D₁ ist. Die Innenwand 19b der Kühlzone ist mit der Innenwand 19a der Heizzone über die Schulter 19c verbunden. Der Betrag an in der Bohrung befindlichem Arbeitsmedium ist so gewählt, daß das Arbeitsmedium die Innenwand 19a der Heizzone benetzt, aber die Innenwand 19b der Kühlzone bei sich drehender Welle 3 nicht benetzt, wobei vorausgesetzt wird, daß die Drehgeschwindigkeit höher liegt als eine vorbestimmte Drehgeschwindigkeit. Es folgt, daß das flüssige Arbeitsmedium von der Heizzone wegen der Schulter 19c nicht zur Kühlzone gelangen kann. Die flüssige Schicht des Arbeitsmediums bedeckt also nicht mehr die Innenwand der Kühlzone und kann dadurch auch nicht deren Wärmewiderstand vergrößern. Die elektrische Maschine mit Drehanker nach der Erfindung kann somit wirksam gekühlt werden, wenn sie sich schnell dreht. Es wird nur soviel Arbeitsmedium benötigt, daß die Innenwand der Heizzone benetzt ist. Dies ist also ein relativ geringes Volumen an flüssigem Arbeitsmedium. Die Tiefe t der Schulter 19c ist gleich der Hälfte der Differenz zwischen den Durchmessern D₁ und D₂. Wenn die Tiefe t der im folgenden angegebenen Gleichung genügt, so kann das flüssige Arbeitsmedium nicht in die Kühlzone gelangen, wenn das Kühlrohr sich mit einer Geschwindigkeit dreht, die größer ist als eine vorbestimmte Geschwindigkeit, bei der die flüssige Schicht des Arbeitsmediums nicht an der Innenwand 19b.

^Dl

oder

wobei 1 die Länge der Heizzone jbe4e«teii und Ot das Verhältnis des Betrages an Arbeitsmedium zum Volumen der Heizzone bedeu ten.

Die Tiefe t soll etwa 1 - 2 mm bei einem Heizrohr mit einem Durchmesser von 50 mm sein. Weil die Verringerung der Fläche

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der Innenwand der Kühlzone und die Vergrößerung von deren Wärmewiderstand, beruhend auf der erwähnten Schulter, sehr klein ist, ergeben sich in der Praxis keine Probleme.

Wenn die Innenwände der Heizzone und der Kühlzone zylinderförmig ausgebildet sind, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, so ist die Herstellung der Innenwände leichter als bei einer konkavkonisch ausgeformten Innenwand nach Fig. 3. Werden die Kühlrohre aus handelsüblichen Rohren hergestellt, so kann das Kühlrohr nach Fig. 1 aus einem dünneren Rohr hergestellt werden als dasjenige nach Fig. 3, welches konkav-konisch geformt ist. Dies beruht darauf, daß der kleinste Durchmesser des Rohres nach Fig. 3 üblicherweise kleiner ist als der des Rohres nach Fig. 1 und weil ein dickeres Rohr bei der Ausführungsform nach Fig. 3 benötigt wird.

Es können auch mehr als eine der Schultern vorgesehen sein.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden anhand von Fig. 4 erläutert. Alle Bauteile der elektrischen Maschine sind mit demjenigen nach Fig. 1 identisch, so daß nur das eigentliche KUhlrohr näher beschrieben wird. Die Drehwelle 3"' hat eine Heizzone 3^llfa und eine Kühlzone 3"'b sowie eine Bohrung 19"'. Diese Bohrung hat eine Innenwand 19"·a zylinderförmiger Gestalt mit einem konstanten Durchmesser innerhalb der Heizzone und eine Innenwand 19"'b konkav-konischer Formung, die sich zur Innenwand 19"'a hin öffnet. Der Durchmesser der Innenwand 19"'b ist kleiner als der Durchmesser der Innenwand 19"'a. Der Durchmesser 19"'b ist an der Kühlzone vorgesehen und eine Schulter 19"'c verbindet die Innenwände 19"'a und 19"'b miteinander.

Wegen der Schulter 19"¹C benetzt das in der Heizzone befindliche flüssige Arbeitsmedium im Betrieb nicht die Innenwand 19"'b der Kühlzone und der Wärmewiderstand wird nicht vergrößert, weil lediglich eine sehr dünne Flüssigkeitsschicht an der Innen-

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- ίο -

wand 19^IMb der Kühlzone wegen der Kondensation des Dampfes ausgebildet. Die Kühlwirkung wird also erhöht. Zusätzlich ist die Innenwand 19"'b der Kühlzone konkav-konisch geformt, so daß das kondensierte Arbeitsmedium nach Abgabe der latenten Wärme längs der Innenwand 19"'b strömt, und zwar beruhend auf der Zentrifugalkraft und Schwerkraft. Dadurch wird der Wärmeübergang weiterhin vergrößert. Der Wärmeübergang wird sehr groß, wenn das Rohr sehr schnell dreht. Die Neigung der Innenwand 19"' b der Kühlzone kann kleiner sein als die Neigung der Innenwand 19"b nach Fig. 3_f weil nur das kondensierte Arbeitsmedium längs der Innenwand 19"'b strömt.

Erfindungsgemäß kann die Kühlwirkung einer elektrischen Maschine mit Drehanker verglichen mit dem Stand der Technik fühlbar erhöht werden. Vergleichsversuche haben gezeigt, daß bei einem Oleichstrommotor nach Fig. 1 die Kühlwirkung 40 % größer war als bei einem sonst identischen Gleichstrommotor mit einem Kühlrohr nach Fig. 2.

Wesentlich für die Erfindung ist es somit, daß eine elektrische Maschine mit drehbarem Anker und einem Kühlrohr der Drehwelle vorgeschlagen wird, wobei die Drehwelle eine Bohrung hat, die sich von einer Heizzone zu einer Kühlzone erstreckt. Innerhalb der Bohrung befindet sich ein Arbeitsmedium. Der Innendurchmesser der Kühlzone ist kleiner als der Innendurchmesser der Heizzone. Die Innenwände der Kühlzone und der Heizzone sind über eine Schulter oder Stufe miteinander verbunden.

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Claims

Ansprüche

1.) Elektrische Maschine mit einem Drehanker und mit einer Drehwelle mit einer Kühlbohrung, die sich von einer Heizzone zu einer Kühlzone erstreckt und in der sich ein Kühlmittel befindet, wobei der Innendurchmesser in der Kühlzone kleiner ist als der Innendurchmesser in der Heizzone, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand der Kühlzone (3b, 3^flIb) mit der Innenwand der Heizzone (3a, 3^flla) über wenigstens eine Stufe (19c, 19^l!'c) verbunden ist.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwände der Heizzone (3a) und der Kühlzone (3b) zylinderförmig ausgebildet sind.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand der Heizzone (3¹¹¹S) zylinderförmig gestaltet ist und daß die Innenwand der Kühlzone (3'''b) konkav-konisch geformt ist, wobei sich das Profil in Richtung auf die Heizzone erweitert.

4. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (t) der Stufe (19c, 19" ¹C) wenigstens gleich 0^D₁/4 beträgt, wobei ^das Verhältnis des Betrages an Arbeitsmedium zum Volumen der Heizzone ist und D₁ der Durchmesser der Innenwand der Heizzone ist.

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine ein Gleichstrommotor ist, daß die Drehwelle (3) drehbar gelagert ist und einen Läufer (5) trägt, der

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γ-

sich in der Heizzone (3a) dreht, wobei Kühlrippen (23) an der Drehwelle in der Kühlzone (3b) befestigt sind.

Der Patentanwalt

Dr. D. Gudel

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