DE4229395A1 - Oberflächengekühlte, geschlossene elektrische Maschine - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine oberflächengekühlte, geschlossene
elektrische Maschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1
angegebenen Art.
Die Leistung eines Elektromotors wird bekanntlich wesentlich
durch die Höchsttemperaturen bestimmt, welche seine verschiedenen
Teile ohne Zerstörung oder dauernde Schädigung ertragen können.
Um die Temperatur der inneren Teile einer elektrischen Maschinen
möglichst niedrig zu halten, ist gewöhnlich auf der Motorwelle
ein Lüfter angeordnet, der einen Umlauf der Kühlluft durch das
Motorgehäuse erzeugt. Bei geschlossenen elektrischen Maschinen,
insbesondere Asynchronmotoren mit einem Blechpaket, steht dessen
zylindrische Oberfläche mit einem Blechmantel in unmittelbarer,
wärmeleitender Berührung. Hierfür ist es üblich, das Statorblech
paket dieser Motoren mit einer Umhüllung zu umgeben, welches mit
Rippen zur Kühlung verbunden ist.
Die Forderungen nach noch kompakteren Motoren und der dadurch
bedingten höheren Betriebstemperaturen erfordern weitere Maß
nahmen zur besseren Kühlung der Motoren. Daher wurde durch das
deutsche Gebrauchsmuster 74 18 732 bereits vorgeschlagen, ther
misch hoch ausgenutzte elektrische Maschinen, bei denen die Kühl
luft nicht mehr ausreichend ist, mit einer Flüssigkeitskühlung zu
versehen. Zu diesem Zweck sind auf der Oberfläche des Motorge
häuses vorhandene, längs verlaufende Lagerschildbefestigungs
rippen mit Längsbohrungen versehen, durch welche Kühlflüssigkeit
geleitet wird. Für leistungsfähige Motoren, wie diese z. B. in
Elektrofahrzeugen benötigt werden, reicht diese Kühlung nicht
aus.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine elektri
sche Maschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die mittels
einer besonders einfachen Bauart eine höchstmögliche Kühlwirkung
ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1
gekennzeichnete Erfindung gelöst.
Die erfindungsgemäße geschlossene elektrische Maschine wird allen
technischen Anforderungen im Hinblick auf niedrige Betriebstem
peratur, kleine Abmaße bei großer Leistung und auf geringe Vibra
tionsneigung gerecht. Die elektrische Maschine arbeitet sehr
geräuscharm, da die üblichen Gebläse nicht gebraucht werden, und
die mit Flüssigkeit gefüllten Gehäuseteile dämpfen wirksam die
während des Betriebes entstehenden Geräusche. Da die elektrische
Maschine außerdem eine glatte Gehäuseoberfläche aufweist, sind
Verletzungsgefahren bei der Montage des Motors weitgehend ausge
schlossen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes
sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen. Die Erfindung
wird anhand eines Ausführungsbeispiels im folgenden näher be
schrieben. Es zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine geschlossene elek
trische Maschine,
Fig. 2 eine Draufsicht auf das Lagerschild B von der
Innenseite,
Fig. 3 eine Draufsicht auf das Lagerschild A von der
Innenseite,
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Stirnfläche des
Gehäusemantels und
Fig. 5 eine schematische Darstellung des Kühlungs
flüssigkeitsverlaufes.
Die Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine oberflächengekühlte,
geschlossene elektrische Maschine 1, insbesondere durch einen
Asynchronmotor, mit einem zylindrischen Gehäusemantel 3, der an
seinen beiden Stirnflächen 5, 7 mit je einem Wälzlager 9, 11 für
die Rotorwelle 13 eines Rotors 15 aufnehmenden Lagerschild 17, 19
verbunden ist. Mit 21 ist ein Stator bezeichnet, dessen Stator
blechpaket 23 mit der Innenwandung 25 des Gehäusemantels 3 in
wärmeleitender Verbindung steht. Der aus Metall bestehende zylin
drische Gehäusemantel 3 weist in Umfangsrichtung gleichmäßig
verteilt und achsensymmetrisch zum Rotor 15 bzw. Stator 21 ange
ordnete Längskanäle 27, 29, 30, 31, 33, 35, 37 und 39 in der Wand
41 auf, deren in die Stirnflächen 5, 7 des Gehäusemantels 3
mündende Öffnungen über Umlenkkanäle 47, 49, 51, 53, 55, 57, 59
derart miteinander verbunden sind, daß das Kühlmittel den Gehäu
semantel 3 von einem mit einem Einlaßstutzen 61 verbundenen Ver
bindungskanal 63 über die Längs- und Umlenkkanäle bis zu einem
mit einem Auslaßstutzen 65 verbundenen Verbindungskanal 67 nach
einander über den ganzen Umfang mäanderförmig durchläuft. Hier
durch wird eine schnelle und wirkungsvolle Wärmeabführung aus dem
Gehäusemantel 3 erzielt.
In vorteilhafter Ausgestaltung sind die Umlenkkanäle 47, 51, 55,
59 in dem A-seitigen Lagerschild 69 und die Umlenkkanäle 49, 53
und 57 und die Verbindungskanäle 63 und 67 in dem B-seitigen
Lagerschild 71 angeordnet. Die Lagerschilde 69, 71 sind mittels
mehrerer Schraubenverbindungen 73, 75, 77 mit dem Gehäusemantel 3
fest verbunden. Die Umlenkkanäle 47, 49, 51, 53, 55, 57 und 59
und die Verbindungskanäle 63 und 67 sind in den gegen die Stirn
flächen 5, 7 des Gehäusemantels 3 preßbaren Kontaktflächen 79, 81
der Lagerschilde 69, 71 oberflächlich eingearbeitet. Um das mä
anderförmige Durchlaufen des Kühlmittels durch den Gehäusemantel
3 zu erzielen, sind die Umlenkkanäle 47, 51, 55, 59 in der Kon
taktfläche 81 des A-seitigen Lagerschildes 69 zu den Umlenkka
nälen 49, 53, 57 und den Verbindungskanälen 63, 67 in der Kon
taktfläche 79 des B-seitigen Lagerschildes 71 derart versetzt
angeordnet, daß die Austrittsöffnungen eines Längskanales 27, 29,
30, 31, 33, 35, 37, 39 mit den Eintrittsöffnungen des in Umfangs
richtung folgenden nächsten Längskanals jeweils in flüssigkeits
leitender Verbindung stehen. Übrigens steht die Eintrittsöffnung
des ersten Längskanals 27 mit einem in der Kontaktfläche 79 des
B-seitigen Lagerschildes 71 angeordneten Verbindungskanal 63 zu
dem Einlaufstutzen 61 und die Austrittsöffnung des in Umfangs
richtung fortlaufenden letzten Längskanales 39 mit einem Ver
bindungskanal 67 zu dem Auslaufstutzen 65 in Fließverbindung.
Im Rahmen der Erfindung ist es selbstverständlich auch möglich,
den Einlaßstutzen 61 entweder mit dem Lagerschild 71 oder mit dem
Lagerschild 69 und den Auslaßstutzen 65 mit dem anderen Lager
schild 69 bzw. 71 zu verbinden.
Gemäß Fig. 2 sind der Verbindungskanal 63 zu dem Einlaßstutzen
61 und der Verbindungskanal 67 zu dem Auslaßstutzen 65 in dem
selben Lagerschild 71 nebeneinander angeordnet.
Gemäß den Fig. 4 und 5 wird jeder Längskanal 27, 29, 30, 31,
33, 35, 37, 39 durch mehrere nebeneinander angeordnete Längs
bohrungen gebildet, deren Ein- bzw. Austrittsöffnungen in den
selben Verbindungskanal 63, 67 bzw. Umlenkkanal 47, 49, 51, 53,
55, 57, 59 münden. Im Rahmen der Erfindung können die jeweils
drei parallel beaufschlagten Längskanäle 27, 29, 30, 31, 33, 35,
37, 39 durch einen gemeinsamen Kanal ersetzt werden. Die Umlenk
kanäle 47, 49, 51, 53, 55, 57, 59 in den Lagerschilden 69, 71
haben jeweils eine nierenförmige Querschnittsform. Hierdurch ist
es möglich, auch eine optimale Wärmeabführung in den Lagerschil
den 69, 71 zu erzielen.
Um ein Eindringen der Kühlflüssigkeit in das Innere des Elektro
motors und ein Austreten der Kühlflüssigkeit aus dem Elektromotor
zu verhindern, ist je ein Dichtungsring 83, 85 zwischen den Kon
taktflächen 79, 81 der beiden Lagerschilde 69,71 und den Stirn
flächen 5, 7 des Gehäusemantels 3 angeordnet. Die Dichtungs
ringe 83, 85 weisen den Ein- bzw. Austrittsöffnungen der Längskanäle
27, 29, 30, 31, 33, 35, 37, 39 und den Verbindungskanälen 63, 67
bzw. den Umlenkkanälen 47, 49, 51, 53, 55, 57, 59 entsprechende
Ausnehmungen auf.
Während des Betriebes des Elektromotors werden die Wärmeverluste
vom Statorblechpaket 23 über die Innenwand 25 an die Kühlflüssig
keit in den Längskanälen 27, 29, 30, 31, 33, 35, 37, 39 des
Gehäusemantels 3 abgeleitet. Werden keine weiteren Maßnahmen
getroffen, so würde die in den Wicklungsköpfen 99, 101 der Wick
lungen 103, 105 entstehende Wärme in das Statorblechpaket 23
übergehen, um von dort zum Kühlmittel geleitet zu werden. Unter
diesen Umständen würde die Temperatur der Wicklungsköpfe 99, 101
stark ansteigen und sehr viel höher werden als die des Stator
blechpaketes 23. Dieses wird dadurch verhindert, daß die Kurz
schlußringe 107, 109 des Rotors 15 Lüfterflügel 111, 113 auf
weisen, welche eine nach auswärts gerichtete, lebhaft zirkulie
rende Luftströmung um die Wicklungsköpfe 99, 100, 101, 102 er
zeugen. Bei Drehung des Rotors 15 wird ein kontinuierlicher Luft
strom 21 nach außen gefördert, der gezwungen ist, durch und über
die Wicklungen 103, 105 mit ihren Wicklungsköpfen 99, 100, 101,
102 zu strömen. Die Luft nimmt an den Wicklungen Wärme auf und
kühlt sie an den Innenwänden der von Kühlflüssigkeit durchström
ten Lagerschilde 69, 71 und des Gehäusemantels 3 ab. Die abge
kühlte Luft kühlt danach auch die Lagernaben 115 und 117 in den
Lagerschilden und damit die Lager 9, 11 ab. Durch die Drehung des
Rotors 15 und damit der Lüfterflügel 111, 113 wird die Kühlluft
dann wieder nach außen zu den Wicklungsköpfen 99, 100, 101, 102
gefördert, um erneut die Statorwicklungen 103, 105 zu kühlen.
Durch die wirksame Zirkulation der Luft in den geschlossenen
Teilen des Elektromotors werden auch dabei die Stirnflächen des
Rotors 15 und dessen Kurzschlußringe 107, 109 gekühlt.
Die Umlenkkanäle 47, 49, 51, 53, 55, 57, 59 und die Verbindungs
kanäle 63, 67 sind in ringförmigen Ansätzen 87, 89 an den Lager
schilden 69, 71 angeordnet, an deren freien Enden sich die Kon
taktflächen 79, 81 befinden. Hierdurch ist es möglich, daß die
Umlenkkanäle und die Verbindungskanäle in den Lagerschilden die
Wicklungsköpfe 99, 100, 101, 102 in dichtem Abstand umgeben.
Durch diese Maßnahme kann die von den Wicklungsköpfen abgegebene
Strahlungswärme zusätzlich über die Lagerschilde 69, 71 abgeführt
werden. Wegen dieser zusätzlichen Kühlung kann die Temperatur der
zirkulierenden Kühlluft so niedrig gehalten werden, daß auch der
dadurch verursachte Druckanstieg sehr klein bleibt.
Zur Erleichterung der Montage des Elektromotors und zur besseren
Abdichtung der Kontaktflächen 81, 79 mit den Stirnflächen 5, 7
des Gehäusemantels 3 weisen die Kontaktflächen 79, 81 der ring
förmigen Ansätze 87, 89 auf ihren Innenseiten 91, 93 je einen
vorstehenden, umlaufenden Kragen 95, 97 auf, welche in die bei
derseitigen Öffnungen des Gehäusemantels 3 einschiebbar sind.
Die Oberflächen gekühlte, geschlossene elektrische Maschine gemäß
der Erfindung ermöglicht eine gleichmäßige Motortemperatur, wo
durch deren Leistung gesteigert und gleichzeitig die Lebensdauer
verbessert werden. Weiterhin wird die Temperatur der im Motor
eingeschlossenen Luft soweit gesenkt, daß ein störender Druckan
stieg im Motor sicher verhindert wird.
Claims (12)
1. Oberflächengekühlte, geschlossene elektrische Maschine,
insbesondere Asynchronmotor, mit einem zylindrischen Ge
häusemantel, der an beiden Stirnseiten mit je einem Wälz
lager für die Rotorwelle eines Rotors aufnehmenden Lager
schild verbunden ist und mit einem Stator, dessen Stator
blechpaket mit der Innenwandung des Gehäusemantels in Wärme
leitender Berührung steht, wobei der Gehäusemantel achs
symmetrisch zum Stator mit Längskanälen für Kühlmittel ver
sehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die
Längskanäle (27, 29, 30, 31, 33, 35, 37, 39) in Umfangsrich
tung gleichmäßig verteilt in der Wand (41) des aus Metall
bestehenden zylindrischen Gehäusemantels (3) angeordnet sind
und daß deren in die Stirnflächen (43, 45) des Gehäuseman
tels (3) mündende Öffnungen über Umlenkkanäle (47, 49, 51,
53, 55, 57, 59) und Verbindungskanäle (63, 67) derart mit
einander verbunden sind, daß das Kühlmittel den Gehäuse
mantel (3) von einem Einlaßstutzen (61) bis zu einem Aus
laßstutzen (65) über den ganzen Umfang mäanderförmig durch
läuft.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Umlenkkanäle (47, 49, 51, 53, 55, 57,
59) und die Verbindungskanäle (63, 67) in den die Öffnungen
in den Stirnseiten des zylindrischen Gehäusemantels (3)
verschließenden Lagerschilden (69, 71) angeordnet sind.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Umlenkkanäle (47, 49, 51, 53, 55, 57,
59) und die Verbindungskanäle (63, 65) in den gegen die
Stirnflächen (5, 7) des Gehäusemantels (3) preßbaren Kon
taktflächen (79, 81) der Lagerschilde (69, 71) oberflächlich
eingearbeitet sind.
4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Umlenkkanäle (47, 51, 55, 59) in der
Kontaktfläche (81) des A-seitigen Lagerschildes (69) zu den
Umlenkkanälen (49, 53, 57) und den Verbindungskanälen (63,
67) in der Kontaktfläche (79) des B-seitigen Lagerschildes
(71) derart versetzt angeordnet sind, daß die Austrittsöff
nung eines Längskanales (27, 29, 30, 31, 33, 35, 37, 39)
mit den Eintrittsöffnungen des in Umfangsrichtung folgenden
nächsten Längskanals jeweils in flüssigkeitsleitender Ver
bindung steht, und daß die Eintrittsöffnung des ersten
Längskanals (27) mit einem in der Kontaktfläche (79) des
B-seitigen Lagerschildes (71) angeordneten Verbindungskanals
(63) zu dem Einlaufstutzen (61) und die Austrittsöffnung des
in Umfangsrichtung fortlaufenden letzten Längskanales (39)
mit einem Verbindungskanal (67) zu dem Auslaßstutzen (65)
verbunden sind.
5. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Verbindungskanal (63) zu dem Einlaß
stutzen (61) und der Verbindungskanal (67) zu dem Auslaß
stutzen (65) in demselben Lagerschild (71) nebeneinander
angeordnet sind.
6. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Längs
kanal (27, 29, 30, 31, 33, 35, 37, 39) durch mehrere neben
einander angeordnete Längsbohrungen gebildet wird, deren
Ein- bzw. Austrittsöffnungen in demselben Verbindungskanal
(63, 67) bzw. Umlenkkanälen (47, 49, 51, 53, 55, 57, 59)
münden.
7. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenk
kanäle (47, 49, 51, 53, 55, 57, 59) in Lagerschilden (69,
71) eine nierenförmige Querschnittsform aufweisen.
8. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager
schilde (69, 71) mittels Schraubenverbindungen (73, 75, 77)
mit dem Gehäusemantel (3) fest verbunden sind.
9. Elektrische Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß je ein Dichtungsring (83, 85) zwischen
den Kontaktflächen (79, 81) der Lagerschilde (69, 71) und
den Stirnflächen (5, 7) des Gehäusemantels (3) angeordnet
ist, der den Ein- bzw. Austrittsöffnungen der Längskanäle
(27, 29, 30, 31, 33, 35, 37, 39) und den Verbindungskanälen
(63, 67) und den Umlenkkanälen (47, 49, 51, 53, 55, 57, 59)
entsprechende Ausnehmungen aufweist.
10. Elektrische Maschinen nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenk
kanäle (47, 49, 51, 53, 55, 57, 59) und die Verbindungs
kanäle (63, 67) in ringförmigen Ansätzen (87, 89) an den
Lagerschilden (69, 71) angeordnet sind, an deren freien
Enden sich die Kontaktflächen (79, 81) befinden.
11. Elektrische Maschine nach Anspruch 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Kontaktflächen (79, 81) der
ringförmigen Ansätze (87, 89) auf ihren Innenseiten (91, 93)
je einen vorstehenden, umlaufenden Kragen (95, 97) auf
weisen, welche bei der Montage der Lagerschilde (69, 71) in
die beidseitigen Öffnungen des Gehäusemantels (3) einschieb
bar sind.
12. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungs
köpfe (99, 100, 101, 102) der Statorwicklungen (103, 105) in
die ringförmigen Freiräume zwischen den ringförmigen An
sätzen (87, 89) und den vorstehenden Lagernaben (115, 117)
für die Wälzlager (9, 11) hineinragen, derart, daß die Wick
lungsköpfe (99, 100, 101, 102) von strömenden Kühlflüssig
keiten in dem Gehäusemantel (3) und den Lagerschilden (69,
71) umgeben sind.
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