DE4232322A1 - Kühleinrichtung für einen Asynchronmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung insbesondere für einen Asynchronmotor oder einen Gleichstrommotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Asynchronmotoren sind Drehstrommotoren (Drehfeldmaschinen asynchroner Bauart), die den Vorteil der Wartungsfreiheit, von hohen Maximaldrehzahlen sowie einem großen Bereich konstanter Leistung aufweisen. Aufgrund der möglichen Drehzahlregelung kann auf zusätzliche Getriebe verzichtet werden. Derartige Motoren werden deshalb als Hauptantriebe von Bearbeitungszentren oder Drehmaschinen verwendet, wobei der Motor axial mit der Hauptspindel gekuppelt ist bzw. die Motorwelle selbst als Hauptspindel verwendet werden kann. Dabei wird die Motorwelle zweckmäßigerweise als Hohlwelle ausgebildet, um den Einbau von Spanneinrichtungen für das Werkzeug zu ermöglichen.

Aus der Literaturstelle "Der Konstrukteur ASB/92", Seite 82 ff., ist ein derartiger Asynchronmotor bekannt geworden, bei welchem die Motorverlustleistung mittels einer Wasserkühlung mit einem Kühlmittelkreislauf derart abgeführt wird, daß sich die Arbeitsmaschine möglichst nicht erwärmt. Dabei wird sowohl der Stator durch einen diesen umgebenden Kühlkanal als auch die stirnseitigen Lagerschilder mittels Wasser gekühlt.

Auch in dieser Literaturstelle wird die vom Motor entwickelte Warme insbesondere für die Motorwellenlager als nachteilig bezeichnet. Zwar wird der Einfluß der Motorwärme bei der Gestaltung der Lagerung berücksichtigt. Dies geschieht durch Bauart und Anordnung der Lager dahingehend, daß diese höhere thermische Belastung ertragen, so daß die Lager mit möglichst geringem Spiel beaufschlagt werden können. Hierfür wird bei der genannten Literaturstelle eine zusätzliche Kühlung bei den endseitigen Lagerschildern vorgesehen.

Die Literaturstelle führt aus, daß bereits Temperaturdifferenzen von 15 K das Lagerspiel um 0,015 mm verändern können. Aufgrund der hohen Wärmeentwicklung des Motors treten jedoch insbesondere auch durch die Kühlung des Lagerschildes Temperaturdifferenzen zwischen Innen- und Außenring des Lagers von weit mehr als 50 K auf, was zu einem entsprechend erhöhten Lagerspiel führt. Bei Motorspindeln für Präzisionswerkzeugmaschinen sollte das Lagerspiel jedoch möglichst gering sein.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung insbesondere für einen Asynchronmotor hat gegenüber den bekannten Einrichtungen den Vorteil, daß mittels einer zusätzlichen Kühleinrichtung das Temperaturgefälle an den Lagern entscheidend verringert werden kann, so daß das Lagerspiel auf geringste Werte einstellbar ist.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß ein derartiger Asynchronmotor nicht nur im Bereich des Stators, sondern aufgrund des Kurzschlußkäfigs im Rotor auch an dieser Stelle erhebliche Wärme bei Belastung produziert. Diese am Rotor entstehende Wärme wird bei herkömmlichen Maschinen nur unzureichend abgeführt, da die Kühlung des rotierenden Teils sehr schwierig ist. Aus diesem Grund erwärmt sich die Motorwelle sehr stark, wobei auch die Innenringe der Motorwellenlagerung sehr stark erwärmt werden. Aufgrund der meist vorgesehenen Kühlung des Lagerschildes entsteht ein erhöhtes Temperaturgefälle zwischen Innen- und Außenring des Lagers, so daß ein erhöhtes Lagerspiel erforderlich ist. Die Kühlung des Lagerschildes ist deshalb an sich eher nachteilig, da die dortige Wärmeabfuhr zur Vergrößerung des Temperaturgefälles zwischen Innenring und Außenring des Wellenlagers führt.

Eine Kühlung des Lagerschildes ist jedoch insbesondere auf der A-Seite, d. h. auf der Abtriebsseite des Motors, zu empfehlen, um einen zusätzlichen Wärmeeinfall durch den Motor auf die Werkzeugmaschine zu vermeiden.

Nachteilig bei der Erwärmung des Rotors und damit der Motorwelle ist auch die hiermit verbundene Längenausdehnung der Motorwelle, die zu Ungenauigkeiten bei der Werkstückbearbeitung, insbesondere bei der Bearbeitung durch Motorspindeln, führt. Auch aus diesem Grunde sollte die Motorwelle möglichst gekühlt werden.

Der Erfindung liegt demnach der Kerngedanke zugrunde, daß die durch den Kurzschlußläufer eines Asynchronmotors entstehende starke Erwärmung des Rotors und damit die Erwärmung der Motorwelle bei der Kühlung des Motors zu berücksichtigen ist. Da der Rotor nicht unmittelbar gekühlt werden kann, sieht die Erfindung insbesondere eine Kühlung der Motorwelle jeweils seitlich, zumindest jedoch auf einer Seite des Rotors, vor. Die Kühlung selbst erfolgt durch einen zusätzlichen Kühlkragen bzw. einer Art Kühlmanschette, die die Motorwelle über einen möglichst großen Flächenbereich umgibt und die Wärme der Welle über einen Kühlkreislauf abführt. Auf diese Art und Weise gelangt insbesondere die durch den Rotor entstehende Wärme nicht zu den Motorwellenlagern, d. h. das Temperaturgefälle am Lagen wird entscheidend verringert, wodurch das Lagerspiel ebenfalls verringert werden kann. Dies erhöht die Präzision des Rundlaufes, z. B. einer derartigen Motorspindel.

Selbstverständlich verringert sich durch die Kühlung der Welle auch das Maß der Längenausdehnung der Welle, was wiederum zur Erhöhung der Präzision bei der Bearbeitung führt. Weiterhin wird eine Wärmeabstrahlung über das Motorgehäuse bzw. über den Lagerschild verringert.

Die Erfindung läßt sich selbstverständlich auch bei Motoren anderer Bauart, z. B. Gleichstrommotoren oder Drehfeldmaschinen synchroner Bauart, einsetzen, da auch diese Motoren im Rotor Verlustwärme erzeugen, die ggf. abzuführen ist.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Der Kühlkragen kann beispielsweise als endseitig abgeschlossenes doppelwandiges Rohr mit entsprechendem Zu­ bzw. Ablauf für die Kühlflüssigkeit ausgebildet sein. Es kann auch jede andere Art einer Kühlmanschette verwendet werden, die sich möglichst eng an die Welle anschmiegt, um eine Wärmeübertragung zur ermöglichen.

Dabei wird die axiale Erstreckung des Kühlkragens bzw. einer Kühlmanschette möglichst groß gewählt, um die Wärmeübertragungsfläche zu optimieren.

Besonders vorteilhaft ist die Verbindung des Kühlsystems für den Kühlkragen mit den weiteren Kühlsystemen des Motors, wobei eine Steuerung oder Regelung des jeweiligen Kühlkreislaufes durchgeführt werden kann.

Der Kühlkragen kann weiterhin radial verlaufende Wärmeleitrippen aufweisen, um Wärme aus dem Motorinnenraum auf das Kühlmedium zu übertragen.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine Wuchtscheibe für den Rotor derart ausgebildet ist, daß sich deren Wandungsbereiche ebenfalls an den Kühlkragen anschmiegen, um eine Wärmeabfuhr sowohl über die Welle als auch über die Wuchtscheibe zu bewirken.

Der Kühlkragen kann auch als Kühlmanschette mit mäanderförmig verlaufenden Kühlschlangen auf einem entsprechenden Kühlmantel gefertigt sein.

Eine Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen Motorwelle und Kühlkragen kann durch eine diese Teile verbindendes Wärmeleitfett ermöglicht werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in der Zeichnung angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Motorspindel für Werkzeugmaschinen,

Fig. 2 eine Detailansicht der Abtriebsseite des Motors nach Fig. 1 mit einer zusätzlichen Wuchtscheibe und

Fig. 3 eine Vergrößerung der Darstellung der Kühlkanäle.

Beschreibung der Erfindung

In Fig. 1 ist ein Längsschnitt einer Motorspindel 1 beispielsweise für Werkzeugmaschinen dargestellt. Dabei ist lediglich die über der Symmetriemittellinie 2 obere Hälfte des Motors wiedergegeben.

Der als Asynchronmotor ausgebildete Drehstrommotor 1 weist in einem Motorgehäuse 3 einen ortsfesten Ständer bzw. Stator 4 mit entsprechenden Blechpaketen auf. Seitlich wird das Blechpaket des Stators 4 von den beiden Wickelköpfen 5 überragt. Auf einer Motorwelle 6 ist z. B. über eine Paßfeder 7 der Läufer oder Rotor 8 aufgebracht, der als Kurzschlußläufer mit Kurzschlußringen 9 ausgebildet ist. An den beiden Stirnseiten ist der Motor über jeweils ein Lagerschild 10, 11 verschlossen. Die Lagerung der Welle 6 geschieht über Präzisionskugellager 12, 13, die zwischen Motorwelle 6 und Lagerschild 10, 11 eingebracht sind. Seitlich der Kugellager befinden sich zusätzliche Lagerdeckel 14, 15, wobei die äußeren Lagerdeckel 15 als Wellendichtungen ausgebildet sind.

In Fig. 1 ist auf der rechten Abtriebsseite 16 ein kegelförmiger Anschluß 17 für das Futter einer Werkzeugmaschine vorgesehen. Selbstverständlich kann an dieser Stelle jede Form des Anschlusses, z. B. auch ein Innenkegel, zur Werkzeugaufnahme vorgesehen sein. Auf der linken Seite der Motorwelle ist ein Teil eines Gebersystems 18 zur Drehzahlerfassung oder dgl. angedeutet. Die Motorwelle 6 ist als Hohlwelle 6 mit Innenbohrung 19 ausgebildet, um beispielsweise den Einbau von Spanneinrichtungen usw. zu ermöglichen.

Die Kühlung des Motors geschieht zunächst mittels der Statorkühlung durch einen sich über nahezu die gesamte Länge des Motors erstreckenden Kühlkanal 20 im Stator bzw. Motorgehäuse 3. Dabei ist der Kühlkanal zwischen dem Motorgehäuse 3 und dem Statoraußengehäuse 21 angeordnet.

Weiterhin geschieht die Kühlung des Lagerschilds 10 und im allgemeinen auch des Lagerschilds 11 durch einen zusätzlichen Kühlkanal 22 im jeweiligen Lagerschild 10, 11. In Fig. 1 ist dieser Kühlkanal prinzipiell im rechten Lagerschild 10 dargestellt und im linken Lagerschild 11 angedeutet. Der Kühlkanal 22 erstreckt sich möglichst über die gesamte radiale Breite des Lagerschilds, um eine Wärmeabschottung in Richtung Werkzeugmaschine zu erzielen und um die Kugellager 12, 13 auf niedriger Temperatur zu halten.

Der als Kurzschlußläufer ausgebildete Rotor 8 erzeugt bei Belastung des Motors eine erhebliche Wärme, die auf die Zylinderwandung 23 der Motorwelle 6 übertragen wird. Die Zylinderwandung 23 überträgt diese entstehende Verlustwärme in Richtung der beiden Kugellager 12, 13. Durch die hohe Erwärmung der Zylinderwandung 23 würde sich ein großes Temperaturgefälle zwischen dem Innenring 24 und dem Außenring 25 des Kugellagers 12, 13 einstellen, da insbesondere der Außenring durch den Kühlkanal 22 im jeweiligen Lagerschild 10, 11, zusätzlich gekühlt ist.

Um ein solches Temperaturgefälle mit dem damit verbundenen großen erforderlichen Lagerspiel zu vermeiden, sieht die Erfindung wenigstens an einer Seite des Rotors einen zusätzlichen Kühlkragen 26, 27 vor, der als eine Art Kühlmanschette die Motorwelle 6 umschließt. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, kann dieser Kühlkragen 26, 27 aus einem endseitig verschlossenen doppelwandigen Rohr mit einer Innenwandung 28 und einer Außenwandung 29 bestehen, welches zwischen sich einen Kühlkanal 30 einschließt. Dieser Kühlkragen 26, 27 erstreckt sich über eine möglichst große axiale Länge l₁, die möglichst nahe an die zur Verfügung stehende freie Länge l₂ des jeweils freiliegenden Motorwellenabschnitts 40 herankommt. Die Motorwelle soll demnach innerhalb des Motorgehäuses über einen möglichst großen axialen Bereich von dem Kühlkragen 26, 27 umschlossen werden, um eine hohe Wärmeabfuhr über den Kühlkanal 30 zu ermöglichen.

Der Kühlkanal 30 umschließt die Welle als Ringkanal, wobei radial verlaufend ein Z-förmiger Zulauf bzw. Ablauf 31 für das Kühlmedium 32 vorgesehen ist. In Fig. 1 ist jeweils nur ein Zulauf 31 dargestellt. Der entsprechende Ablauf befindet sich auf der radial gegenüberliegenden Seite.

Der Zulauf 31 ist über eine Verbindungsleitung 33 mit einer weiteren Verbindungsleitung 34 des Stator-Kühlkanals 20 verbunden. Ein gemeinsamer Zulauf 35 des Kühlmediums zum Kühlkanal 20, 22, 30 kann vorgesehen sein, wobei die Zeichnung einen entsprechenden Verbindungskanal 36 zwischen dem Kühlkanal 22 und den Verbindungskanälen 33, 34 zeigt. Die Verbindungskanäle können jedoch auch auf einer anderen Seite des Lagerschilds angeordnet sein.

Der Kühlkragen 26, 27 muß derart ausgestaltet sein, daß er ein möglichst hohes Maß an Wärme von der Zylinderwandung 23 der Motorwelle 6 abführt. Hierfür muß dieser Kühlkragen insbesondere mit geringstem Spalt, z. B. 5/10 mm die Motorwelle umschließen. Die Innenwandung 28 des den Kühlkragen 26, 27 bildenden Rohres sollte aus einem gut wärmeleitfähigen Material zur guten Wärmeübertragung sein.

Der Kühlkragen 26, 27 kann auch in anderer Form als Kühlmanschette ausgebildet sein. Z. B. können auf einem umlaufenden Innenrohr 28 mäanderförmige Kühlschlangen aufgebracht sein, die das Kühlmedium 32 transportieren. Zur besseren Wärmeübertragung kann zwischen der Welle 6 und dem Kühlkragen 26, 27 ein Wärmeleitfett angeordnet sein, welches mit einer entsprechenden Wellendichtung entsprechend abzudichten wäre.

Die Kühlmittelführung in den einzelnen Kühlkanälen 20, 22, 30 kann je nach Wärmeanfall in den einzelnen Bereichen des Motors optimiert werden. So können durch entsprechende Drosselstellen oder durch Optimierung der Kühlflächen bestimmte Temperaturprofile erzielt werden, die insbesondere eine gleichmäßige und geringe Lagererwärmung ermöglichen. Dabei ist es maßgeblich, daß möglichst keine Temperaturdifferenzen am Lager entstehen, um mit geringsten Lagerspielen zu arbeiten.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Rotor 8 eine zusätzliche Wuchtscheibe 37 auf, die mit entsprechenden Bohrungen eine optimale Auswuchtung des Rotors 8 erlaubt. Diese Wuchtscheibe 37 ist erfindungsgemäß Z-förmig ausgestaltet, so daß der radial außenliegende Zylinderwandungsabschnitt 38 sich möglichst über eine große Länge l₃ über den Kühlkragen 26, 27 erstreckt. Hierdurch kann auch die Außenwandung 29 des Kühlkragens zur zusätzlichen Wärmeabfuhr herangezogen werden, was zur weiteren guten Abfuhr der Rotorabwärme führt. Auch in diesem Fall muß der Spalt zwischen dem Zylinderwandungsabschnitt 38 der Wuchtscheibe 37 und dem Außenwandungsabschnitt 29 möglichst gering und in der Größenordnung 5/10 mm ausgeführt sein.

Bei der Anordnung nach Fig. 1 kann der Kühlkragen 26, 27 radial in das Motorgehäuse hineinragende Kühlbleche 39 aufweisen, die auf die Außenwandung 29 des Kühlkragens 26, 27 aufgesetzt sind und die die Wärme im Inneren des Motors ebenfalls in den Kühlkanal 30 abführen können.

In Fig. 3 ist nochmals eine vergrößerte Darstellung der Zusammenführung der einzelnen Kühlkanäle schematisch dargestellt. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 dargestellt. Selbstverständlich können die Kühlkanäle 20, 22, 30 mit alternativen Zuführungen versehen sein.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie umfaßt auch vielmehr alle Weiterbildungen und Abwandlungen im Rahmen des erfindungsgemäßen Gedankens. Insbesondere ist die Erfindung nicht nur auf Asynchronmaschinen beschränkt, sondern umfaßt auch andere Elektromotoren mit der gleichen Problematik.

Claims (12)

1. Kühleinrichtung für einen Elektromotor, insbesondere für einen Asynchronmotor oder Gleichstrommotor, bestehend aus einem ortsfesten, in einem Motorgehäuse angeordneten Ständer (Stator) und einem Läufer (Rotor), mit einer mit dem Rotor verbundenen Motorwelle, die an den beiden Stirnseiten des Motors über Kugellager gegenüber Lagerschildern des Motorgehäuses gelagert ist, wobei Kanäle für eine Wasserkühlung im Bereich des Stators und/oder im Lagerschild vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der innerhalb des Motorgehäuses freiliegende Motorwellenbereich (40) zwischen dem Lagerschild (10, 11) und dem Rotor (8) mittels eines Kühlkragens oder einer Kühlmanschette (26, 27) gekühlt ist.

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkragen (26, 27) als endseitig abgeschlossenes, doppelwandiges Zylinderrohr mit einem Ringkanal (30) als Kühlkanal ausgebildet ist, welches mit geringstem Spalt die Motorwelle (6) umschließt und daß dem Kühlkanal (30) Kühlmedium zugeführt wird.

3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkragen (26, 27) eine axiale Länge (l₁) aufweist, die etwa der freiliegenden Länge (l₂) des im Motorgehäuse (3) liegenden Endes (40) der Motorwelle (6) entspricht.

4. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkragen (26, 27) auf seiner dem jeweiligen Lagerschild (10, 11) zugewandten Seite wenigstens zwei Anschlüsse (31) für einen Zu- bzw. Ablauf des Kühlmediums aufweist, wobei die Anschlüsse sich vorzugsweise radial gegenüberliegen.

5. Kühleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- bzw. Ablauf-Anschlüsse (31) des Kühlkragens (26, 27) mit den Kühlkanälen (22) im Lagerschild (10, 11) und/oder mit dem Kühlkanal (20) im Statorgehäuse zur Bildung eines gemeinsamen Kühlkreislaufes verbunden sind.

6. Kühleinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Motorinneren zugewandte Außenwandung (29) des Kühlkragens (26, 27) radiale Wärmeleitrippen oder Kühlbleche (39) aufweist.

7. Kühleinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Motorinnenraum zugewandte Außenwandung (29) des Kühlkragens (26, 27) mit einer radial innenliegenden Wandung einer zylindermantelförmigen Wuchtscheibe (37) für den Rotor (8) derart zusammenwirkt, daß eine Wärmeübertragung von der Wuchtscheibe (37) auf den Kühlkragen (26, 27) erfolgt.

8. Kühleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wuchtscheibe (37) in ihrem Längsquerschnitt Z-förmig ausgebildet ist, wobei der radial außenliegende Mantelbereich (38) zur Wärmeübertragung auf den Kühlkragen (26, 27) dient.

9. Kühleinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkragen bzw. die Kühlmanschette (26, 27) mäanderförmig verlaufende Kühlschlangen umfaßt, die vorzugsweise auf einem Blechmantel angeordnet sind, welcher die Motorwelle zur Wärmeübertragung umschließt.

10. Kühleinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübergang zwischen Motorwelle (6) und Kühlkragen bzw. Kühlmanschette (26, 27) mittels Wärmeleitfett verbessert wird.

11. Kühleinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt zwischen Motorwelle (6) und Kühlkragen (26, 27) bzw. zwischen Kühlkragen (26, 27) und Wuchtscheibe (37) 5/10 mm beträgt.

12. Kühleinrichtung flach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor als Kurzschlußläufer ausgebildet ist.