DE4229395C2 - Oberflächengekühlte, geschlossene elektrische Maschine - Google Patents
Oberflächengekühlte, geschlossene elektrische MaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine oberflächengekühlte, geschlossene elektrische Maschine der
im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art (DE-OS 20 05 802).
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
Maschine 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 Statorblechpaket
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 Maßnahmen zur besseren Kühlung der
Motoren. Daher wurde durch das deutsche Gebrauchsmuster 74 18 732 bereits
vorgeschlagen, thermisch hoch ausgenutzte elektrische Maschinen, bei denen die
Kühlluft nicht mehr ausreichend ist, mit einer Flüssigkeitskühlung zu versehen. Zu
diesem Zweck sind auf der Oberfläche des Motorgehäuses vorhandene, längs
verlaufende Lagerschildbefestigungsrippen mit Längsbohrungen versehen, durch
welche Kühlflüssigkeit geleitet wird. Für leistungsfähige Motoren, wie diese z. B. in
Elektrofahrzeugen benötigt werden, reicht diese Kühlung nicht aus.
Durch die DE-OS 20 05 802 ist ein Induktionsmotor mit einer Kühlervorrichtung
bekannt, wobei das Motorgehäuse mit einem Kühlmitteleintritt und einem
Kühlmittelaustritt versehen ist. Hierbei wird das Kühlmittel auf die Endwindungen (Wickelköpfe) der
Statorwicklung gelenkt.
Auch offenbart die DE 41 04 740 A1 eine Kühlvorrichtung für eine elektrische Maschine,
wobei die elektrische Maschine in einem Behälter angeordnet ist. Das Kühlmittel wird
mäanderförmig um das Gehäuse gelenkt.
Weiterhin ist durch die europäische Patentanmeldung 02 53 903 A1 eine Anordnung zum
Kühlen einer Wirbelstrombremse bekannt, bei der die Umlenkkanäle versetzt
angeordnet sind. Hierdurch wird zwischen Ein- und Austritt der zu kühlenden
Wirbelstrombremse eine gleichmäßige Wärmeabfuhr bei gleichem Wärmeübergang
zwischen Kühlmedium und zu kühlendem Bauteil erzielt.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine elektrische 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 (8)
1. Oberflächengekühlte, geschlossene elektrische Maschine, insbesondere
Asynchronmotor, mit einem zylindrischen Gehäusemantel, der an beiden
Stirnseiten mit je einem Wälzlager für die Rotorwelle eines Rotors
aufnehmenden Lagerschild verbunden ist und mit einem Stator, dessen
Statorblechpaket mit der Innenwandung des Gehäusemantels in wärme
leitender Berührung steht, wobei der Gehäusemantel achssymmetrisch zum
Stator mit Längskanälen für Kühlmittel versehen ist, welche in Umfangsrichtung
gleichmäßig verteilt in der Wand des aus Metall bestehenden
zylindrischen Gehäusemantels angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß
die in die Stirnflächen (5, 7) des Gehäusemantels (3) mündende Öffnungen
der Längskanäle (27, 29, 30, 31, 33, 35, 37, 39) über Umlenkkanäle (47, 49, 51,
53, 55, 57, 59) und zwei Verbindungskanäle (63, 67) derart miteinander
verbunden sind, daß das Kühlmittel den Gehäusemantel (3) von einem
Einlaßstutzen (61) an dem einen Verbindungskanal (63) bis zu einem
Auslaßstutzen (65) an dem anderen Verbindungskanal (67) über den ganzen
Umfang mäanderförmig durchläuft, daß die Umlenkkanäle (47, 49, 51, 53, 55,
57, 59) und Verbindungskanäle (63, 67) in den gegen die Stirnflächen (5, 7)
des Gehäusemantels (3) preßbaren Kontaktflächen (79, 81) der Lagerschilde
(69, 71) oberflächlich eingearbeitet sind und 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 Austrittsöffnungen eines Längskanales (27, 29, 30,
31, 33, 35, 37, 39) mit den Eintrittsöffnungen des in Umfangsrichtung
folgenden nächsten Längskanals jeweils in flüssigkeitsleitender Verbindung
stehen.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Verbindungskanal (63) zu dem Einlaßstutzen (61) und der Verbindungskanal
(67) zu dem Auslaßstutzen (65) in demselben Lagerschild (71) nebeneinander
angeordnet sind.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
jeder Längskanal (27, 29, 30, 31, 33, 35, 37, 39) durch mehrere
nebeneinander angeordnete Längsbohrungen gebildet wird, deren Ein- bzw.
Austrittsöffnungen in demselben Verbindungskanal (63, 67) bzw.
Umlenkkanälen (47, 49, 51, 53, 55, 57, 59) münden.
4. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Umlenkkanäle (47, 49, 51, 53, 55, 57, 59) in
Lagerschilden (69, 71) eine nierenförmige Querschnittsform aufweisen.
5. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, 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.
6. Elektrische Maschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Umlenkkanäle (47, 49, 51, 53, 55, 57, 59) und die
Verbindungskanäle (63, 67) in ringförmigen Ansätzen (87, 89) an den
Lagerschilden (69, 71) angeordnet sind, an deren freien Enden sich die
Kontaktflächen (79, 81) befinden.
7. Elektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kontaktflächen (79, 81) der ringförmigen Ansätze (87, 89) auf ihren
Innenseiten (91, 93) je einen vorstehenden, umlaufenden Kragen (95, 97)
aufweisen, welche bei der Montage der Lagerschilde (69, 71) in den
beidseitigen Öffnungen des Gehäusemantels (3) einschiebbar sind.
8. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wicklungsköpfe (99, 100, 101, 102) der
Statorwicklungen (103, 105) in die ringförmigen Freiräume zwischen den
ringförmigen Ansätzen (87, 89) und den vorstehenden Lagernaben (115, 117)
für die Wälzlager (9, 11) hineinragen, derart, daß die Wicklungsköpfe (99, 100,
101, 102) von strömenden Kühlflüssigkeiten in dem Gehäusemantel (3) und
den Lagerschilden (69, 71) umgeben sind.
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