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Elektromotorischer Antrieb
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Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromotorischen Antrieb,
insbesondere Verdichterantrieb für Wärmepumpen, mit in einem Gehäuse angeordneter
Statorwicklung sowie einer Kühleinrichtung zur Abfuhr der im Wicklungssystem erzeugten
Wärme.
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In der Kälte- und/oder Heizungstechnik werden häufig elektromotorische
Antriebe eingesetzt. So werden insbesondere als Verdichterantrieb für Wärmepumpen
Elektromotore verwendet. Derartige elektromotorische Antriebe entwickeln in den
Wicklungen sowie in den von den elektromagnetischen Feldern erregten Bauteilen Wärme,
und es ist erforderlich und üblich, durch geeignete Kühleinrichtungen diese Wärme
abzuführen. Es sind verschiedene Kühlsysteme an derartigen elektromotorischen Antrieben
bekannt, bei denen jedoch entweder durch äußere Oberflächen-Konvektionskühlung oder
durch geeignete Luft- oder Gasführung Wärme abgeführt wird. So sind Luftkühler,
Wassermantelkühler und Sauggas- oder Fremdgaskühleinrichtungen bekannt. Diese Kühlsysteme
an elektromotorischen Antrieben haben wesentliche Nachteile: Es wird stets die Wärme
durch die Wicklung bzw. die erwärmten Motorteile oder den sie umgebenden Raum über
einen gasförmigen Wärmeleiter mit schlechten Wärme leite igenschaften an die Kühlfläche
herangetragen, oder es werden bei der Kaltgaskühlung zur Nutzung Transformations-
und Arbeitsprozesse herangezogen, die wieder mit Wirkungsgradverlusten der Arbeitsmaschine
behaftet sind, wie dies bei der Sauggaskühlung bei Wärmepumpen und bei Kälteverdichtern
der Fall
ist, speziell bei vollhermetischen Maschinen. Auch die
halbhermetischen, durch Wassermantel gekühlten Maschinen transportieren einen beträchtlichen
Teil der Wicklungsabwärme in den kühlen Kurbelraum, da sie durch die schlechten
Wärmeleiteigenschaften der Luft um die Wicklungen ein hohes Temperaturniveau zur
Wärmeabfuhr an den Wassermantel benötigen. Wärmegefälle von 50 -K sind üblich. Allen
diesen Systemen mangelt es an einer unmittelbaren Wärme abfuhr und Wärmenutzung
für das angeschlossene bzw. das eigene Wärmesystem.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromotorischen
Antrieb der eingangs angegebenen Art und insbesondere einen Verdichterantrieb für
Wärmepumpen zu schaffen, und zwar insbesondere für Spaltrohr- und Trennhaubenmotoren,
mit der die Abwärme der Wicklung und Wicklungsbauteile ohne weitere Transformation
für das jeweils angeschlossene System genutzt werden kann. Die geschilderten Nachteile
sollen dabei vermieden werden, und es soll insbesondere das Wärmegefälle zum jeweiligen
Nutzungsniveau weitestgehend reduziert werden.
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Dies wird nach der Erfindung vor allem dadurch erreicht, daß wenigstens
der die Statorwicklung enthaltende, abgedichtete Gehäuseinnenraum mit einer Wärmeträgerflüssigkeit
gefüllt und über wenigstens einen an einem Gehäuseendbereich vorgesehenen Flüssigkeitseinlaß
und wenigstens einen am anderen Gehäuseendbereich angeordneten Flüssigkeitsauslaß
in einen Umwälzkreislauf für die Wärmeträgerflüssigkeit eingeschaltet ist und daß
in dem den Flüssigkeitsauslaß enthaltenden und von der Wärmeträgerflüssigkeit durchströmten
Gehäuseendbereich ein in einen äußeren Wärmekreislauf eingeschalteter Wärmetauscher
angeordnet ist. Als Wärmeträgerflüssigkeit kommt insbesondere ein Trägeröl zum Einsatz,
daß die
Wicklungen und Wicklungsbauteile in keiner Weise angreift
und insbesondere die herkömmlichen Isolierlacke nicht nachteilig beeinflußt. Mit
Hilfe der Windung ist es möglich, die Abwärme des Wicklungssystems nahezu auf dem
Erzeugungsniveau über den Wärmetauscher dem Jeweiligen äußeren Wärmekreislauf zuzuführen,
und zwar ähnlich einem ohmschen Heizkörper in einer zu erwärmenden Flüssigkeit.
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Es hat sich gezeigt, daß durch die Erfindung das Wärmegefälle zum
Nutzungsniveau auf 3 K reduziert werden kann.
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Durch diese unmittelbare und höchst wirksame Wärmcabfuhr lassen sich
niedrige Wicklungstemperaturen erzielen, die zu einer B-Feld-Verbesserung und einer
H-Feld-Stärkung führen. Ferner führt die hohe Wärmeabfuhr dazu, daß die Induktionswärmen
an den Bauteilen des Wicklungssystems, insbesondere am Spaltrohr oder an der Trennhaube,
nicht zu zusätzlicher Wärmeentwicklung an den Wicklungen selbst führen, da sie von
der Wärmeträgerflüssigkeit, also dem Wärmeträgeröl, direkt abgeführt werden. Ein
Feuchtigkeitsschluß an den Wicklungen kann durch ein hermetisch geschlossenes System
unter Ölabtauchung sicher ausgeschlossen werden. Schließlich führt die gesteigerte
Wärmeabfuhr auch dazu, daß das Wärmeniveau des Rotors niedrig gehalten und damit
der Verschleiß am Rotorlager herabgesetzt werden kann. Alle diese Vorteile werden
stets in Verbindung mit einer hochwirksamen Wärmeübertragung an den äußeren Wärmekreislauf
über den Wärmetauscher erzielt, so daß sich die geschilderten Vorteile für die Kühlung
des Motors selbst verbinden mit einer außerordentlich wirksamen Ausnutzung der Abwärme
für angeschlossene Wärmekreisläufe. Im Fall eines Verdichterantriebs für Wärmepumpen
wird somit die Abwärme des Antriebs unmittelbar in den Kreislauf der Wärmepumpe
eingeführt. So kann der Wärmetauscher von einem Heizwasser durchflossenwerden, dem
die Abwärme des Antriebs mit hohem Wirkungsgrad zu-
geführt wird.
Der Antrieb wird somit über den Wärmetauscher unmittelbar vom Jeweiligen Wärmeträgermedium
einer Wärmenutzungsanlage durchströmt. Die Erfindung läßt sich auf einfache Weise
derart verwirklichen, daß serienmäßige Gehäuse für derartige elektromotorische Antriebe
weiter verwendet werden und keine speziellen neuen Gehäuse entwickelt werden müssen,
auch eine nachträgliche Ausrüstung solcher Antriebe wird wesentlich erleichtert.
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Sowohl von der Konstruktion als auch insbesondere von der Funktion
hinsichtlich der Wärmeabfuhr und des Wärmetauschs her ist es von Vorteil, wenn in
weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Wärmetauscher in einem Gehäusedeckel mit
am Umfang zentral gelegenem Auslaß angeordnet ist und der Auslaß für die Wärmeträgerflüssigkeit
ebenfalls zentral gelegen im Gehäusedeckel angeordnet ist. Der Wärmetauscher kann
entweder als Platte oder als Rohrschlange ausgebildet sein. Durch die Zuordnung
der beiden Auslässe von Wärmetauscher und Wärmeträgerflüssigkeit im zentralen Bereich
des Gehäusedeckels wird erreicht, daß der Wärmetauscher radial von der Wärmeträgerflüssigkeit
angeströmt wird und wie ein Gegenstromapparat wirkt. Baulich läßt sich sowohl der
Wärmetauscher als auch der Auslaß für die Wärmeträgerflüssigkeit besonders günstig
im Gehäusedeckel anordnen, ohne die übliche Gehäuseform verlassen zu müssen. Hierbei
hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Wärmetauscher als ein im
Gehäusedeckel angeordnetes spiralförmig gewundenes Wärmetauschrohr ausgebildet ist.
Diese Ausbildung fördert ganz besonders das radiale Anströmen und die Gegenstromfunktion,
und es kommt diese Bauform zugleich der Gehäusegestaltung im Innern des Deckels
besonders entgegen, und zwar insbesondere für Elektromotore mit Trennhaube.
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Eine besonders zweckmäßige Bauform, die für Elektromotore mit Trennhaube
oder Spaltrohr besonders geeignet ist, wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung
dadurch erreicht, daß der im wesentlichen zylindrische und die Statorwicklung tragende
Gehäusehauptteil Jeweils über eine Profildichtung mit dem Gehäuseboden einerseits,
insbesondere dem Rotorflansch, und mit einem Kopfdeckel andererseits gegenüber der
Wärmeträgerflüssigkeit abgedichtet lösbar verbunden ist, daß im zum Gehäuseboden
gelegenen Umfangsbereich des Gehäusehauptteils auf dem Umfang verteilt Einlässe
für die Wärmeträgerflüssigkeit angeordnet sind und daß der Kopfdeckel innen den
Wärmetauscher mit seinem Ein- und Auslaß sowie den Auslaß für die Wärmeträgerflüssigkeit
trägt. Hierdurch wird eine Baueinheit aus Kopfdeckel, Gehäusehauptteil und Statorwicklung
erzielt, die leicht montiert und demontiert werden kann und als solche Baueinheit
auf das übrige Rotorsystem, insbesondere die Trennhaube oder das Spaltrohr, aufgeschoben
und mit dem Gehäuseboden, insbesondere dem Rotorflansch, lösbar verbunden werden
kann. Hierbei lassen sich die für die Wärmetransport- und WErmetauschfunktion erforderlichen
Anordnungen und Flüssigkeitsverläufe besonders günstig gestalten, wie sie vorstehend
im einzelnen beschrieben sind.
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Merkmale, weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben
sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Zeichnung.
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Die Zeichnung zeigt im Längsschnitt einen elektromotorischen Antrieb
für einen Verdichter, wie er bei Wärmepumpen eingesetzt wird, wobei der Elektromotor
als Trennhaubenmotor ausgebildet ist.
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Bei dem dargestellten Elektromotor trägt der in üblicher Weise ausgebildete
zylindrische Gehäusehauptteil 1 als Statorgehäuse die Statorwicklung 2 mit dem Feldpaket
11. Dieser Gehäusehauptteil 1 ist an seiner einen Stirnfläche über eine geeignete
Profildichtung 3 gegen den Flansch 4zwischen der Trennhaube 12 und dem Lagerflansch
13 für den Rotor 17 gegenüber der noch zu beschreibenden Wärmeträgerflüssigkeit
abgedichtet angeschlossen. Im Fall des Verdichterantriebs stellt der Lagerflansch
13 den Gehäuseboden gegenüber dem Kurbelraum des Verdichters dar.
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Die andere Strnfläche des den Stator 2, 11 tragenden Gehäusehauptteils
1 ist über eine weitere Profildichtung 5 abgedichtet mit einem Kopfdeckel 6 gegenüber
der Wärmeträgerflüssigkeit dicht verbunden. Diese Verbindungen sind lösbar gestaltet,
z.B. mit Hilfe geeigneter Schraubbolzen 1a.
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Der so zwischen der Trennhaube 12 und dem Gehäuse 1, 4, 13 und 6
gebildete, die Statorwicklung 2 mit dem Feldpaket 11 enthaltende Gehäuseinnenraum
14 ist mit einer Wärmeträgerflüssigkeit gefüllt, wie durch die Punktierungen im
Gehäuseinnenraum 14 wiedergegeben ist.
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In dem Lagerflansch 13 zugewandten Gehäuseendbereich sind im Gehäusehauptteil
1 auf dem Umfang verteilt Einlässe 15 für die Wärmeträgerflüssigkeit vorgesehen.
Der Kopfdeckel 6 trägt zentral gelegen einen Auslaßstutzen 10 für diese Wärmeträgerflüssigkeit.
Die Einlässe 15 und der Auslaß 10 sind, wie die Zeichnung zeigt, an einen Umwälzkreislauf
mit einer Umwälzpumpe 16 angeschlossen, so daß also der Gehäuseinnenraum 14 in diesen
Umwälzkreislauf für die Wärmeträgerflüssigkeit eingeschaltet ist.
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Der Kopfdeckel 6 trägt innen ferner einen Wärme-
tauscher
in Gestalt eines Rohrs 7 aus einem hochwärmeleitfähigen Material, insbesondere aus
Metall, welches Wärmetauscherrohr 7 derart spiralförmig geführt ist, daß es am Umfang
des Kopfdeckels 6 zu einem Einlaß 8 und unmittelbar neben dem AuslaBstutzen 10 für
die Wärmeträgerflüssigkeit zu einem zentral gelegenen Auslaß 9 geführt ist Dieses
Wärmetauscherrohr 7 ist in einen äußeren Wärmekreislauf eingeschaltet, z.B. in den
Heizwasserkreislauf einer äußeren Wärmepumpe. Der Wärmetauscher, der auch z.B. plattenförmig
ausgebildet sein kann, ist somit unmittelbar von einem Wärmeträgermedium einer Wärmenutzungsanlage
durchstr(imt. Durch die besondere Anordnung und Ausgestaltung des Wärmetauschers
7, insbesondere durch die Spiralform und die Lage des Einlasses und des Auslasses,
wird dieser Wärmetauscher 7 von der Wärmeträgerflüssigkeit radial angeströmt und
wirkt somit wie ein Gegenstromapparat.
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Die Wärmeträgerflüssigkeit ist zweckmäßig ein trägeröl, das derart
ausgewählt wird, daß es die Wicklungen des Elektromotors und insbesondere die Lackierungen
der.
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Wicklungen und der Feldpakete nicht angreift.
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Die Zeichnung zeigt lediglich ein Ausführungsbeispiel im Zusammenhang
mit einem Trennhaubenmotor. Die durch die Erfindung geschaffene Anordnung kann jedoch
mit gleichem Erfolg bei Spaltrohrmotoren wie auch bei anderen Elektromotoren eingesetzt
werden, bei denen dann der jeweils von den Wicklungen und deren Bauteilen eingenommene
Gehäuseinnenraum von der Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt wird. Die Zeichnung
macht auch deutlich, daß handelsübliche Motor- und Gehäuseformen mit den zur Verwirklichung
der Erfindung erforderlichen Teilen und Anschlüssen ausgerüstet werden können.
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