DE3710622C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen umrichtergespeisten Drehfeldmotor nach den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Motoren werden als Drehstrommotoren, insbesondere als Asynchronkäfigläufermotoren in einer Vielzahl von Antrieben an z. B. Werkzeugmaschinen und Sauggeräten eingesetzt, da sie als kollektorlose Motoren die höchste Betriebssicherheit und einfachsten Aufbau gewährleisten.

Sie arbeiten im allgemeinen bei der Netzfrequenz von 50 Hz und je nach Polpaarzahl mit einer Drehzahl von 3000 Umdrehungen/Minute oder einem Teil davon. Die bei dieser Frequenz entstehenden Wärmeverluste aufgrund der Ummagnetisierungsverluste werden im allgemeinen durch ein stark verripptes Statorgehäuse als Kühlkörper abgeleitet, über den ein von einem Axialgebläseflügel erzeugter Kühlluftstrom streicht. Um den Kühlluftstrom an den Rippen des Kühlkörpers entlangzuführen, werden teils Blechhauben vorgesehen, die sich mantelartig zumindest teilweise über das Statorgehäuse erstrecken.

Diese Art der Statorkühlung reicht bei der Netzfrequenz vollkommen aus und kann auch noch bei Frequenzen bis etwa 100 bis 150 Hz eingesetzt werden. Sollen jedoch mittels eines Frequenzumrichters höhere Betriebs­ frequenzen von etwa 300 bis 400 Hz verwirklicht werden, wie sie z. B. für Sauggeräte im Interesse einer hohen Luftleistung angestrebt werden, gelangt diese bekannte Art der Statorkühlung an Grenzen. Die abzu­ leitende Wärme in den Statorwicklungen steigt bei diesen höheren Frequenzen sehr stark an, die allein über das Statorgehäuse kaum mehr abgeleitet werden kann. Insbesondere die Wickelköpfe der Stator­ wicklungen neigen dann zum Durchbrennen, da hier keine direkte Wärme­ ableitung über die Statorbleche möglich ist.

Aufgrund dieser Probleme hat man sich zum Antrieb von hochtourigen Sauggeräten bisher meist für Wechselstrommotoren entschieden, die zwischen ihren ausgeprägten Erregerwicklungen im Stator und dem Rotor genügend Freiraum für eine starke Kühlluftdurchströmung innerhalb des Motors aufweisen. Diese Motorenart weist jedoch eine bedeutend geringere Betriebssicherheit auf, da die hierbei nötigen Kollektoren stark verschleißen. Bei Drehfeldmotoren ist diese innere Durchströmung zwischen Statorwicklungen und Rotor nicht möglich, da der ringförmige Luftspalt sehr klein bemessen ist und somit ein Luftstrom zu stark gedrosselt bzw. gar unmöglich wird.

Das DE-GM 70 16 604 zeigt einen gattungsgemäßen Drehfeldmotor, dessen Stator am Außenumfang von einem Kühlluftstrom überstrichen wird. Dieser wird durch Ausnehmungen zwischen Stator und Gehäuse hindurchgeführt, wobei die Kühlluft durch Öffnungen in den stirnseitigen Lagerschildern der Rotorlager ein- bzw. austritt. Da die Kühlluftströmung weitgehend axial ausgerichtet ist, werden die Wickelköpfe nur an der Außenseite im durchmessergrößten Bereich vom Luftstrom berührt, so daß die Kühlung insbesondere bei hoher Belastung unzureichend ist. Zudem können die Rotorlager durch den an der Mantelfläche des Stators entlanggeführten Luftstrom kaum gekühlt werden, zumal die Lagerschilder aus Isoliermaterial mit geringer Wärmeleitfähigkeit hergestellt sein sollen.

Die DE-PS 8 32 635 beschreibt eine elektrische Maschine, deren Stator in ein mit Innenrippen versehenes Gehäuse eingesetzt ist, so daß der Kühlluftstrom entlang den einlaßseitigen Wickelköpfen in dem Zwischenraum zwischen Innenrippen und Statoraußenmantel hindurchgeführt wird. Die strömungsabwärts liegenden Wickelköpfe werden von diesem ebenfalls axial orientierten Luftstrom nicht überstrichen, so daß zu deren Kühlung ein zweiter Parallel-Luftstrom durch den Rotor hindurch erforderlich ist. Dies bringt jedoch zusätzlichen Bauaufwand mit sich.

Weiterhin ist aus der US 37 01 911 ein Elektromotor bekannt, dessen Lagerschilder mehrere Durchbrüche zum Kühlluft-Ein- bzw. -Austritt aufweist. Die Lagerschilder sind hierbei tassenförmig ausgebildet, wobei an den beiden Stirnseiten des Rotors je ein Gebläserad vorgesehen ist, um Kühlluft über die Lagersitze anzusaugen und zwischen Stator und Wickelköpfen radial nach außen zu fördern. Eine Umströmung des Stators zu dessen Kühlung ist hierbei jedoch nicht vorgesehen. Zudem ist die gezeigte Befestigung der Lagerschilder am Stator aufwendig.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für einen kollektorlosen Drehfeldmotor eine Kühlluftführung zu finden, die auch bei hochfrequentem Betrieb des Motors eine ausreichende Statorwicklungs­ kühlung, insbesondere der Wickelköpfe, sowie eine verbesserte Lagerkühlung gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Kühlluftführung wird bei Hochfrequenz- Drehfeldmotoren zunächst der eine Wickelkopf, dann der Stator am Außenumfang und sodann der andere Wickelkopf wiederum unmittelbar vom Kühlluftstrom überstrichen, so daß die hoch wärmebelasteten Motor­ teile gezielt gekühlt werden. Damit ist ein zuverlässiger Betrieb mit sehr hohen Frequenzen möglich, so daß der Drehfeldmotor als Direkt­ antrieb ohne Übersetzungsgetriebe für hochtourige Anschlußgeräte wie Gebläse dienen kann.

Durch die Ein- bzw. Ausleitung des Kühlluftstroms durch nahe der Motorachse angeordnete Durchbrüche in den Lagerschilden werden zudem die bei den hohen Drehzahlen hochbelasteten Rotorwellenlager mitge­ kühlt, so daß hierdurch keine teuren, wärmefesten Lagerbauarten und Spezialschmierungen nötig sind.

Weiterhin sind vielfältige, vorteilhafte Gehäusebauarten möglich, die Gegenstand der Unteransprüche sind. Beispielsweise genügt ein einfaches äußeres Mantelrohr, das über den Stator gestülpt den Kühlringspalt bildet und zugleich als Abstandshalter für die Lagerschilder dient. Dabei können die Statorbleche durch die Spannschrauben der Lagerschilder zentriert werden und zugleich den inneren Kühlmantel bilden. Diese Bauart ist sehr einfach und erlaubt ein direktes Überstreichen der Statorbleche mit entsprechend guter Wärmeableitung.

Ein besonders geringer Bauaufwand ergibt sich bei Anwendung in einem Gebläse, wenn das zur Erzeugung des Saug- bzw. Druckluftstroms vor­ handene Gebläserad gleichzeitig zur Erzeugung des Kühlluftstroms dient bzw. der Arbeitsluftstrom auf die erfindungsgemäße Weise über die Wickelköpfe angesaugt wird und diese dabei kühlt. Dies gilt insbesondere für Radialgebläseräder, die im allgemeinen einen mittigen Einlaß aufweisen und damit in unmittelbarer Nähe eines Wickelkopfes ansaugen können. Diese Anordnung zeichnet sich durch ihre einfache, raumsparende Bauweise aus und ist weiter unten näher beschrieben.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und anhand von vier Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt die

Fig. 1 eine Schnittdarstellung des Drehfeldmotors mit verschiedenen Arten der Kühlluftführung über die Wickelköpfe.

In Fig. 1 sind vier Ausführungsbeispiele der Kühllufterzeugung durch vier verschiedene Gebläse gezeigt. Dabei bildet die Mittelachse des Motors die Symmetrieachse. Der Stator 1 ist aus den angedeuteten Statorblechen aufgebaut und wird an seinem Außenumfang vom Kühlluftstrom 2 umströmt, der vom Gebläserad 4 erzeugt wird. Dieses ist an der Rotorwelle 3 befestigt und kann als Radialgebläse 4 a oder als Axialgebläse 4 b ausgebildet sein. Auf der rechten Seite ist dabei unten ein Radialgebläse 4 a und oben ein Axialgebläse 4 b dargestellt. Auf der linken Seite sind zwei Radialgebläse 4 a gezeigt, wobei das untere im Unterschied zum erstgenannten Radialgebläse 4 a, das lediglich zur Erzeugung des gestrichelt eingezeichneten Kühlluft­ stromes 2 dient, zugleich den Arbeitsluftstrom 18 erzeugt und z. B. bei einem Staubsauger über einen Filter verschmutzte Luft ansaugt.

Das obere Radialgebläse 4 a auf der linken Seite ist in raumsparender Weise innerhalb des Lagerschilds 9 a angeordnet.

Der durch dieses Gebläse 4 erzeugte Kühlluftstrom 2 durchströmt hier von oben nach unten den Motor und tritt durch die Eintrittsöffnungen 12 a ein. Diese werden von Durchbrüchen 13 in dem Lagerschild 9 a gebildet und sind nahe dem Lagersitz 14 des Rotorwellenlagers 15 angeordnet, wobei dieses gekühlt werden kann. Sodann überstreicht der Kühlluftstrom 2 den oberen Wickelkopf 7 a der Statorwicklungen und gelangt durch die Durchtrittsöffnungen 8 in den Kühl­ ringspalt 5. Dieser wird durch das mit Abstand vom Stator 1 angeordnete Mantelrohr 6 gebildet. Auf der linken Seite ist als Mantelrohr 6 ein doppel­ wandiger Hohlzylinder 10 vorgesehen, dessen Innenrohr der besseren Wärmeab­ leitung dient und dessen Durchtrittsöffnungen 8 zum bzw. vom Kühlringspalt 5 am Außenumfang des Stators 1 z. B. durch Einstiche 11 oder auch durch axiale Öffnungen des Hohlzylinders 10 gebildet werden können. Bei der letztgenannten Bauart ragt der Wickelkopf 7 b über das stirnseitige Ende des Hohlzylinders hinaus und wird in teils axialer und teils radialer Ausrichtung angeströmt, wie dies in der Zeichnung links unten angedeutet ist, wobei die Innen­ fläche 19 des Lagerschildes als Leitfläche dient.

Nach der Durchströmung des Kühlringspalts 5 am Außenumfang des Stators 1 und innerhalb des Mantelrohrs 6 bzw. des Hohlzylinders 10 tritt der Kühlluftstrom 2 über die unteren Durchtrittsöffnungen 8, auf den unteren Wickelkopf 7 b aus, wobei dieser intensiv gekühlt wird.

Über die Austrittsöffnungen 12 b im unteren Lagerschild 9 b gelangt der Kühl­ strom 2 hier an die strömungstechnisch ausgelegten, etwa gleich großen Ansaug­ öffnungen 16 a des Radialgebläses 4 a und wird beschleunigt über die Auslaß­ öffnungen 16 b ausgestoßen.

Die links oben dargestellte Ausführung mit innerhalb des Lagerschilds 9 ange­ ordneten Radialgebläse 4 a eignet sich besonders für größere Motoren oder auch als Unterstützung des außerhalb der Lagerschilder 9 angeordneten Gebläserades. Hierbei gilt die oben beschriebene Kühlluftführung mit der doppelten Umlenkung durch die Durchtrittsöffnungen 8 und Ausrichtung unmittelbar auf die Wickel­ köpfe 7 a, b ebenso. Im Unterschied zu den anderen Gebläsearten mit teilweise axialer Anströmung der Wickelköpfe 7, wird hier der Wickelkopf 7 a durch die auf die Durchtrittsöffnungen 8 ausgerichteten Auslaßöffnungen größtenteils radial angeströmt.

All diesen vielfältigen Ausführungen, die je nach Anwendungsfall des Antriebs­ motors verschieden sein können, ist die erfindungsgemäße Kühlluftführung unter der Wirkung eines Gebläses gemeinsam. Danach strömt die Kühlluft nach etwa axialem Einlaß nahe dem Rotorlager und Umlenkung um etwa 45° über die Wickel­ köpfe durch die etwa zwischen 20° bis 70° ausgerichteten Durchtrittsöffnungen in den Kühlringspalt, überstreicht den Stator in axialer Richtung und verläßt mit Ausrichtung auf die zweiten Wickelköpfe den dadurch intensiv gekühlten Drehfeldmotor. Die Kühlung der Wickelköpfe 7 läßt sich durch deren Durch­ strömung von innen her noch steigern, wie dies bei den oberen Wickelköpfen 7 a durch den nahe am Stator entlangstreichenden Kühlluftstrom 2′ angedeutet ist. In vorteilhafter Weise dienen dabei die Innenflächen 19 der Lagerschilder als Leitflächen für den Kühlluftstrom 2′. Entsprechend erstreckt sich der Lager­ sitz 14′ bis nahe an den Wickelkopf 7 und mit seiner Außenfläche auf diesen ausgerichtet, so daß sich damit in kontinuierlicher Fortsetzung des Kühlringspaltes 5 und der Durchtrittsöffnungen 8 aerodynamisch gestaltete, kanalartige Ein- bzw. Austrittsöffnungen 12 a mit stetigen Übergängen ergeben. Damit wird neben der intensiven Kühlung eine sehr geringe Geräuschentwicklung durch den Kühlluftstrom verursacht.

Claims (7)

1. Umrichtergespeister Drehfeldmotor, insbesondere Asynchronkäfigläufermotor, dessen Stator an seinem Außenumfang von einem Kühlluftstrom überstrichen wird, der durch ein auf der Rotorwelle angeordnetes Gebläserad erzeugt wird und innerhalb eines, mit Abstand vom Stator angeordneten Mantelrohrs geführt wird, wobei Ein- bzw. Austrittsöffnungen für den Kühlluftstrom von Durchbrüchen in den Lagerschildern gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (13) unmittelbar an die Lagersitze (14) der Rotorwellenlager (15) angrenzen und die Innenflächen (19) und die Außenflächen der Lagersitze (14) Leitflächen für den Kühlluftstrom (2) bilden und diese die Ausrichtung der Durchtrittsöffnungen (8) unter etwa 20° bis 70° zur Motorachse stetig fortsetzen, wobei wenigstens ein Lagersitz (14′) eine kanalartige Ein- bzw. Austrittsöffnung (12 a) bildet und sich bis an einen Wickelkopf (7 a, 7 b) des Stators (1) erstreckt.

2. Drehfeldmotor nach Anspruch 1, wobei das Mantelrohr als Abstandshalter für die Lagerschilder ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (6) einen ringsum durchgängigen Kühlringspalt (5) bildet und der Stator (2) durch die Spannschrauben der Lagerschilder (9 a, 9 b) zentriert ist und den inneren Kühlmantel bildet.

3. Drehfeldmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ansaug- bzw. Auslaßöffnungen (16 a, 16 b) des Gebläserades (4) unmittelbar an die Ein- bzw. Austrittsöffnungen (12) anschließen.

4. Drehfeldmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gebläserad (4) ein Radialgebläse (4 a) vorgesehen ist, dessen Ansaugöffnung (16 a) in seinen Abmessungen in etwa mit der Austrittsöffnung (16 b) übereinstimmt.

5. Drehfeldmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gebläserad (4) ein Radialgebläse (4 a) vorgesehen ist, das innerhalb der Lagerschilder (9 a, 9 b) angeordnet ist und dessen Auslaßöffnungen (16 b) auf den Wickelkopf (7 a) und die Durchtrittsöffnung (8) ausgerichtet ist.

6. Drehfeldmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gebläserad (4) ein Axialgebläse (4 b) vorgesehen ist, dessen Ein-/ bzw. Abströmrichtung (17) auf einen Wickelkopf (7) ausgerichtet ist.

7. Drehfeldmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlluftstrom (18) zugleich als Arbeitsluftstrom (2) ausgebildet ist.