DE4231921A1 - Oberflächengekühlte, geschlossene elektrische Maschine - Google Patents

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 die Stirnfläche des durch das Lagerschild B verschließbaren Gehäuse­ mantels,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Stirnfläche des durch das Lagerschild A verschließbaren Gehäuse­ mantels,

Fig. 4 einen Schnitt durch den Gehäusemantel 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 der durch das A-seitige Lagerschild 69 verschließbaren Stirnfläche 7 und die Umlenkkanäle 49, 53 und 57 und die Ver­ bindungskanäle 63 und 67 der durch das B-seitige Lagerschild 71 verschließbaren Stirnfläche 5 oberflächlich eingearbeitet. Die Lagerschilde 69, 71 sind übrigens mittels mehrerer Schraubenver­ bindungen 73, 75, 77 mit dem Gehäusemantel 3 fest verbunden. Die Umlenkkanäle 47, 49, 51, 53, 55, 57 und 59 und die Verbindungs­ kanäle 63 und 67 sind durch gegen die Stirnflächen 5, 7 des Gehäusemantels 3 preßbaren Dichtungsflächen 79, 81 an den Lager­ schilden 69, 71 verschließbar. Um das mäanderförmige Durchlaufen des Kühlmittels durch den Gehäusemantel 3 zu erzielen, sind die Umlenkkanäle 47, 51, 55, 59 in der Stirnfläche 7 zu den Umlenkka­ nälen 49, 53, 57 und den Verbindungskanälen 63, 67 in der Stirn­ fläche 5 derart versetzt angeordnet, daß die Austrittsöffnungen eines Längskanales 27, 29, 30, 31, 33, 35, 37, 39 mit den Ein­ trittsöffnungen des in Umfangsrichtung folgenden nächsten Längs­ kanals jeweils in flüssigkeitsleitender Verbindung stehen. Übri­ gens steht die Eintrittsöffnung des ersten Längskanals 27 mit einem in der Stirnfläche 5 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 Dichtungsflächen 79, 81 der beiden Lagerschilde 69, 71 und den Stirnflächen 5, 7 des Gehäusemantels 3 angeordnet. Die Dichtungs­ ringe 83, 85 weisen den Ein- bzw. Austrittsöffnungen der Längs­ kanäle 27, 29, 30, 31, 33, 35, 37, 39 und den Verbindungskanälen 63, 67 bzw. den Umlenkkanälen 47, 49, 51, 53, 55, 57, 59 ent­ sprechende 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 Lagerschilde 69, 71 und des von Kühlflüssigkeit durchströmten Gehäusemantels 3 ab. Die abgekühlte Luft kühlt danach auch die Lagernaben 115 und 117 in den Lager­ schilden 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.

In vorteilhafter Ausgestaltung umgeben die Umlenkkanäle und die Verbindungskanäle in den Stirnflächen 5, 7 der Lagerschilde 69, 71 die Wicklungsköpfe 99, 100, 101, 102 in dichtem Abstand. Durch diese Maßnahme kann die von den Wicklungsköpfen abgegebene Strah­ lungswärme noch besser abgeführt werden. Wegen dieser zusätz­ lichen Kühlung kann die Temperatur der zirkulierenden Kühlluft so niedrig gehalten werden, daß auch der dadurch verursachte Druck­ anstieg sehr klein bleibt.

Zur Erleichterung der Montage des Elektromotors und zur besseren Abdichtung der Dichtungsflächen 81, 79 mit den Stirnflächen 5, 7 des Gehäusemantels 3 können die Dichtungsflächen 79, 81 der Lagerschilde 69, 71 auf ihren Innenseiten 91, 93 je einen vor­ stehenden, umlaufenden Kragen 95, 97 aufweisen, welche in die beiderseitigen 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.

Die Lagerschilde 69, 71 können auch aus einem wasserfesten Kunst­ stoff, z. B. Polyimidamid bestehen. Hierdurch wird das Motor­ gewicht reduziert, was sich besonders bei Einsatz des wasser­ gekühlten Motors in Kraftfahrzeugen vorteilhaft auswirkt.

Claims (10)

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 über in den Stirnflächen (5, 7) des Gehäusemantels (3) angeordnete Umlenkkanäle (47, 49, 51, 53, 55, 57, 59 und Verbindungskanäle (63, 67) derart miteinander verbunden sind, daß das Kühlmittel den Gehäusemantel (3) von einem Einlaßstutzen (61) bis zu einem Auslaßstutzen (65) über den ganzen Umfang mäanderförmig durchläuft.

2. 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 Stirnflächen (5, 7) des Gehäusemantels (3) oberflächlich eingearbeitet und durch gegen diese Stirnflächen (5, 7 ) preßbaren Dich­ tungsflächen (79, 81) an den Lagerschilden (69, 71) verschließ­ bar sind.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Umlenkkanäle (47, 51, 55, 59) in der durch das A-seitige Lagerschild (69) verschließbaren Stirn­ fläche (81) zu den Umlenkkanälen (49, 53, 57) und den Ver­ bindungskanälen (63, 67) in der durch das A-seitige Lager­ schild verschließbaren Stirnfläche (79) derart versetzt angeordnet sind, daß die Austrittsöffnung eines Längskanales (27, 29, 30, 31, 33, 35, 37, 39) mit den Eintrittsöffnungen des in Umfangsrichtung folgenden nächsten Längskanals je­ weils in flüssigkeitsleitender Verbindung steht, und daß die Eintrittsöffnung des ersten Längskanals (27) mit einem in der durch das B-seitige Lagerschild (71) verschließbaren Stirnfläche (79) angeordneten Verbindungskanals (63) zu dem Einlaufstutzen (61) und die Austrittsöffnung des in Umfangs­ richtung fortlaufenden letzten Längskanales (39) mit einem Verbindungskanal (67) zu dem Auslaßstutzen (65) verbunden sind.

4. 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 derselben Stirnfläche nebeneinander angeord­ net sind.

5. 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.

6. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenk­ kanäle (47, 49, 51, 53, 55, 57, 59) in Stirnflächen (5, 7) eine nierenförmige Querschnittsform aufweisen.

7. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager­ schilde (69, 71) mit ihren Dichtungsflächen (79,81) mittels Schraubenverbindungen (73, 75, 77) gegen die Stirnflächen (5, 7) des Gehäusemantels (3) preßbar sind.

8. Elektrische Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß je ein Dichtungsring (83, 85) zwischen den Dichtungsflächen (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.

9. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungs­ köpfe (99, 100, 101, 102) der Statorwicklungen (103, 105) den Verbindungs- (63, 67) und den Umlenkkanälen (47, 49, 51, 53, 55, 57, 59) dicht gegenüberliegen.

10. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager­ schilde (69, 71) aus einem wasserfesten Kunststoff, z. B. aus einem Polyimidamid bestehen.