DE4411055A1 - Hochdynamischer Elektromotor - Google Patents
Hochdynamischer ElektromotorInfo
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Description
Die Erfindung richtet sich auf einen hochdynamischen Elek
tromotor mit einem eine dreiphasige Drehstromwicklung tra
genden Ständer aus magnetischem Werkstoff, der eine kreis
zylindrische Ausnehmung für einen Innenläufer mit einem ma
gnetischen Teil entsprechender Abmessungen umschließt, wo
bei die Länge des magnetischen Teils des Läufers mindestens
etwa drei- bis viermal so groß ist wie dessen Radius.
In vielen industriellen Anwendungsbereichen besteht das Be
dürfnis nach einem hochdynamischen Antrieb. Ein Beispiel
hierfür ist die Herstellung von Papier. Das dabei auf einer
Papiermaschine erzeugte Rohpapier hat zunächst die Form ei
ner endlosen Papierbahn, welche zur Lagerung auf Papierrol
len aufgewickelt wird. Eine solche Papierbahn muß in klei
nere Einheiten, schließlich in Papierbögen geschnitten wer
den. Da die Papierbahn bei unveränderter Längsgeschwindig
keit durchtrennt werden soll, muß das hierfür verwendete
Messer von einem speziellen Antrieb kurzzeitig auf eine
entsprechende Geschwindigkeit beschleunigt und nach Ausfüh
rung des Schnitts sofort wieder zum Stillstand abgebremst
werden. Solche Anwendungsfälle erfordern Elektromotoren mit
einem Höchstmaß an Beschleunigungsvermögen.
Zu diesem Zweck sind bereits besonders leistungsstarke
Elektromotoren entwickelt worden. Hierbei ist jedoch zu be
achten, daß nicht allein das von dem Motor erzeugbare Dreh
moment ausschlaggebend für das Beschleunigungsvermögen ei
nes Antriebsmotors ist. Die effektive Winkelbeschleunigung
eines Antriebs ergibt sich vielmehr als Quotient aus dem
Motordrehmoment und dem gesamten Trägheitsmoment der zu be
schleunigenden Massen. Hieraus folgt, daß die Winkelge
schwindigkeit bei gleichbleibendem Motormoment sich umge
kehrt proportional zum Trägheitsmoment verhält, also dann
besonders groß wird, wenn das Trägheitsmoment minimal ist.
Eine Forderung bei der Entwicklung hochdynamischer Antriebe
ist es demnach, das Massenträgheitsmoment zu minimieren,
wobei insbesondere auch das durch die rotierenden Massen
des Läufers verursachte Trägheitsmoment zu berücksichtigen
ist.
Bei der Entwicklung eines hochdynamischen Antriebsmotors
wird darüber hinaus immer ein möglichst hohes Drehmoment
notwendig sein, da auch dieser Motorparameter das Beschleu
nigungsvermögen maßgeblich beeinflußt. Deshalb besteht bei
einem derartigen Motor die Gefahr, daß dieser sich bei Dau
erbetrieb an seiner Leistungsgrenze stark erwärmt und da
durch die Motorwicklung überhitzt und zerstört wird.
Zusammenfassend ergibt sich demnach das Problem, einen
hochdynamischen Elektromotor mit niedrigem Massenträgheits
moment der rotierenden Teile und einem hohen Motormoment zu
schaffen, bei dem ausreichend Sorge dafür getragen ist, daß
auch bei länger dauerndem Betrieb an der Leistungsgrenze
keine Überhitzung eintritt.
Zu diesem Zweck sieht die Erfindung einen hochdynamischen
Elektromotor mit einem eine dreiphasige Drehstromwicklung
tragenden Ständer aus magnetischem Werkstoff, der eine
kreiszylindrische Ausnehmung für einen Innenläufer mit ei
nem magnetischen Teil entsprechender Abmessungen um
schließt, vor, bei dem die Länge des magnetischen Teils des
Läufers mindestens etwa drei bis viermal mal so groß ist
wie dessen Radius, und der eine Kühlvorrichtung mit einem
Kühlkreislauf aufweist, in dem ein flüssiges Kühlmittel
zirkuliert. Die Bemessungsvorschrift für die Geometrie der
den magnetischen Teil des Innenläufers umschließenden Aus
nehmung im Ständer beeinflußt das Volumen, demzufolge auch
die Masse, weiterhin das Trägheitsmoment des Läufers. Da
das Läufervolumen und demzufolge die Läufermasse etwa pro
portional zu dem Produkt aus dem Quadrat des Läuferradius
und der Läuferlänge ist, ergibt sich für das Trägheitsmo
ment, welches aufgrund der näherungsweise durch eine Zylin
derform approximierbaren Läufergestalt durch Multiplikation
der halben Läufermasse mit dem Quadrat des Läuferradius er
halten wird, eine Proportionalität zur vierten Potenz des
Läuferradius einerseits als auch zur Läuferlänge anderer
seits.
Weiterhin ist die an der Mantelfläche des Läufers angrei
fende Magnetkraft gleich der Summe der auf jeden strom
durchflossenen Leiter ausgeübten Kräfte. Diese Magnetkräfte
sind wiederum proportional zu dem Produkt aus dem betref
fenden Leiterstrom, der diesen durchsetzenden magnetischen
Induktion sowie der Länge des von dem Magnetfeld durchsetz
ten Leiters. Insbesondere der letzte Faktor ist etwa gleich
der Läuferlänge und somit unabhängig von den sonstigen,
während des Betriebs von Leiter zu Leiter schwankenden Be
triebsparametern. Somit ist die Summe aller Magnetkräfte
ebenfalls proportional zur Läuferlänge. Das von dem Motor
erzeugte Drehmoment ergibt sich durch Multiplikation der
resultierenden Magnetkraft mit dem der Hebellänge gleich
zusetzenden Läuferradius und ist somit proportional zu dem
Produkt aus Läuferradius und Läuferlänge.
Unter Berücksichtigung dieser Zusammenhänge ergibt sich für
die maximale Winkelbeschleunigung des Antriebs, welche ge
mäß obigen Ausführungen dem Quotienten aus Motormoment und
Trägheitsmoment des Motors entspricht, ein umgekehrt pro
portionales Verhalten zur dritten Potenz des Läuferradius.
Die Läuferlänge hat demgegenüber auf die maximale Winkelbe
schleunigung keinen Einfluß, das sie gleichermaßen das Mo
tormoment als auch das Trägheitsmoment des Motors beein
flußt. Aus alledem folgt also, daß die bei unbelastetem Mo
tor erreichbare, maximale Winkelbeschleunigung mit abneh
mendem Läuferradius besonders stark ansteigt, dagegen unab
hängig von der Läuferlänge ist. Daher kann die Läuferlänge
ohne Reduzierung der maximalen Winkelbeschleunigung stark
erhöht werden, um das von dem Motor erzeugte Dauerdrehmo
ment zu erhöhen. Man erhält dann einen besonders leistungs
starken Antrieb.
In vielen Anwendungsfällen genügt es jedoch, wenn das Mo
tormoment etwa in der selben Größenordnung liegt wie bei
herkömmlichen Drehstrommotoren der betreffenden Leistungs
klasse. Das Motormoment bleibt etwa konstant, wenn das Pro
dukt aus Läuferradius und Läuferlänge etwa genauso groß ist
wie bei herkömmlichen Antriebsmotoren. In diesem Fall ist
das Gesamtvolumen der magnetischen Teile von Ständer und
Läufer etwa genauso groß wie bei herkömmlichen Elektromoto
ren. Aus diesem Umstand wiederum ist ersichtlich, daß die
in der Maschine erzeugte Verlustwärme, insbesondere Kupfer
verluste aufgrund des endlichen ohmschen Widerstands der
Wicklungen sowie Eisenverluste aufgrund der Ummagnetisie
rung der magnetischen Teile von Ständer und/oder Läufer,
etwa genauso groß ist wie bei herkömmlichen Elektromotoren
derselben Leistungsklasse.
Die Kühlung des erfindungsgemäßen Elektromotors gestaltet
sich jedoch aufgrund einer ungünstigeren Geometrie weitaus
schwieriger. Denn aufgrund der Reduzierung des Läuferradius
verkürzt sich der Umfang des Luftspalts entsprechend. Bei
gleichbleibender Dicke des Luftspalts reduziert sich dem
nach sein Querschnitt, während seine Länge proportional zur
Lauflänge ist und damit beim erfindungsgemäßen Elektromotor
stark erhöht ist. Wegen der querschnittlich reduzierten,
magnetischen Teile von Ständer und Läufer ist es auch nicht
mehr möglich, zusätzliche Lüftungskanäle vorzusehen, da
diese den magnetischen Rückschluß beeinträchtigen würden.
Eine Innenkühlung mit Hilfe eines angebauten Gebläses ist
daher nicht in der Lage, die anfallende Verlustwärme abzu
leiten.
Eine Außenkühlung ist jedoch nur ausreichend, wenn sie den
Ständer auf sehr niedrige Temperaturen abzukühlen in der
Lage ist, damit die insbesondere bei Asynchronmotoren be
sonders hohen Verluste innerhalb des Läufers ein ausrei
chendes Temperaturgefälle vorfinden, die innere Verlust
wärme demnach schnell abtransportiert wird und nicht zu ei
ner Überhitzung der Maschine führen kann. Diesen bauartbe
dingten, besonders hohen Anforderungen an das Kühlsystem
trägt die Erfindung dadurch Rechnung, daß eine Kühlvorrich
tung mit einem Kühlkreislauf, in dem ein flüssiges Kühlmit
tel zirkuliert, vorgesehen ist. Durch den intensiven Kon
takt des flüssigen Kühlmittels mit den aktiven Teilen des
Elektromotors wird ein besonders hoher Wärmeübergang und
damit eine sehr effektive Kühlung des Elektromotors gewähr
leistet. Eine solche Flüssigkeitskühlung ist insbesondere
um ein Vielfaches effizienter als die bei herkömmlichen
Elektromotoren üblicherweise verwandte Luftkühlung, selbst
wenn diese durch ein angebautes Gebläse unterstützt wird.
Als Kühlmittel kann beispielsweise Öl verwendet werden,
dessen Siedepunkt relativ hoch liegt und welches aus diesem
Grund gerade bei einer kurzzeitigen Überhitzung des hochdy
namischen Elektromotors eine einwandfreie Kühlung ermög
licht. Da die Motoraußentemperatur jedoch ohnehin auf sehr
niedrigem Niveau gehalten werden muß, ist insbesondere beim
Einbau von Temperaturfühlern auch eine Kühlung mit Wasser
ausreichend.
Die Kühlflüssigkeit durchströmt vorzugsweise einen zweiten,
außerhalb des Elektromotors angeordneten Wärmetauscher, in
welchem die Wärme auf ein weiteres Kühlmittel
(Sekundärkreislauf) übertragen oder an die umgebende Luft
abgegeben wird. Die Zirkulation des Kühlmittels kann entwe
der durch die natürliche Wärmeausdehnung des im Bereich des
hochdynamischen Elektromotors erwärmten Kühlmittels hervor
gerufen und aufrechterhalten werden, wenn der externe Wär
metauscher höher plaziert ist als der hochdynamische Elek
tromotor. Zuverlässiger ist jedoch der Einsatz einer Kühl
mittelpumpe, welche eine gleichbleibende Strömungsge
schwindigkeit des Kühlmittels sicherstellt.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß die Kühlflüssigkeit
den Ständer an dessen äußerer Mantelfläche umströmt. Dieser
Teil des Elektromotors bietet sich aus konstruktiven Grün
den als Übergangsbereich zum Kühlkreislauf an, da der Stän
der gegenüber dem ortsfesten Gehäuse unbeweglich angeordnet
ist. Darüber hinaus fällt bei Drehstrommotoren aufgrund des
Drehfeldes ein maßgeblicher Teil der Ummagnetisierungsver
luste innerhalb des Ständers und somit in unmittelbarer
Nähe des Kühlmittels an. Auch die ohmsche, in den Ständer
wicklungen anfallende Verlustwärme kann auf kürzestem Weg
zur Kühlvorrichtung abgeleitet und dort durch das Kühlmit
tel abtransportiert werden. Aufgrund der besonders hohen
Länge des erfindungsgemäßen, hochdynamischen Elektromotors
ist ein den Ständer entlang dessen gesamter Mantelfläche
umgebender Wärmetauscher in der Lage, die anfallende Ver
lustwärme aus allen Bereichen der magnetisch aktiven Motor
teile gleichermaßen abzutransportieren.
Es hat sich als günstig erwiesen, daß die Kühlflüssigkeit
in den Zwischenräumen zwischen zwei zumindest teilweise
voneinander beabstandeten, den Ständer etwa konzentrisch
umschließenden Hülsen zirkuliert. Gemäß diesem Erfindungs
merkmal ist der motorseitige Wärmetauscher aus zwei Hülsen
gebildet, welche derart voneinander beabstandet sind, daß
ein Zwischenraum für das Kühlmittel entsteht. Durch diese
Anordnung ergeben sich herstellungstechnische Vorteile, da
entsprechende, rohrartige Hülsen entweder aus fertigen Me
tallrohren bestehen oder auf einfachste Art aus gebogenen
Metallblechen zusammengeschweißt sein können. Darüber hin
aus ist jedoch auch die Herstellung als Gußteil möglich.
Ein hülsenförmiger Wärmetauscher bietet weiterhin den Vor
teil, daß der Ständer problemlos in den Wärmetauscher hin
eingeschoben werden kann.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich
dadurch aus, daß die innere Hülse aus gut wärmeleitendem
Werkstoff, vorzugsweise Metall, gefertigt ist und an der
Ständeraußenseite unter Ausbildung eines Übergangs mit ge
ringem Wärmewiderstand vollflächig anliegt. Ein geringer
Wärmewiderstand wirkt sich günstig auf den Wärmeabtransport
aus. Zur Verringerung des Wärmewiderstands dient ein mög
lichst großflächiger Kontakt zwischen der äußeren Mantel
fläche des Ständers und der inneren Hülse. Ein solcher in
niger Kontakt kann beispielsweise dadurch erzeugt werden,
daß der Innenumfang der Hülse etwas geringer ist als der
Außenumfang des Ständers. Zum Einsetzen des Ständers kann
die Hülse beispielsweise erhitzt werden, so daß sie sich
geringfügig aufweitet. Bei Verwendung eines geblechten
Ständers ist es auch möglich, das fertige Blechpaket unter
axialem Druck in die innere Hülse des Wärmetauschers hin
einzupressen.
Es hat sich als günstig erwiesen, daß die innere Hülse als
den Ständer tragendes Bauteil ausgebildet und mit den Mo
torbefestigungselementen, insbesondere Befestigungslaschen,
und/oder mit den Lagerschilden, form- und/oder reibschlüs
sig verbunden ist. Da die innere Hülse den Ständer gemäß
dem vorhergehenden Merkmal unter mechanischer Zugspannung
und damit reibschlüssig umgibt, ist der Ständer gleichsam
drehfest in die innere Hülse hineingezwängt. Aus diesem
Grund ist es möglich, die innere Hülse zur Ableitung des
auf den Ständer einwirkenden Drehmoments zu verwenden und
zu diesem Zweck reib- und/oder formschlüssig mit den
Befestigungselementen des Motors zu verbinden. Die betref
fenden Befestigungselemente, insbesondere Befestigungsla
schen, können dabei entweder direkt an der inneren Hülse
befestigt sein, oder sie befinden sich an stirnseitigen Mo
torteilen wie beispielsweise den Lagerschilden, so daß in
diesem Fall eine drehfeste Verbindung mit den stirnseitigen
Motorteilen ausreichend ist. Eine steife Verbindung mit den
Lagerschilden ist darüber hinaus unabdingbar, um die rela
tive Lage zum Läufer fest vorzugeben und dadurch für eine
konstante Dicke des Luftspalts zu sorgen.
Weitere Vorteile ergeben sich daraus, daß die äußere Hülse
einen Teil des Motorgehäuses bildet. Indem dieser äußere
Teil des motorseitigen Wärmetauschers als mantelseitiger
Gehäuseabschnitt des Elektromotors gestaltet ist, ergibt
sich bereits hier eine teilweise Wärmeabgabe an die Umge
bung, bedingt durch die natürliche Konvektion der Umge
bungsluft einerseits sowie durch die Abstrahlung der etwa
auf Kühlmitteltemperatur aufgeheizten, äußeren Hülse
andererseits. Wenn die innere Hülse erfindungsgemäß als den
Ständer tragendes und die beiden Lagerschilde miteinander
verbindendes, in sich steifes Bauteil ausgeführt ist, kann
die äußere Hülse relativ dünnwandig ausgebildet sein, so
daß die Temperaturdifferenz zwischen Kühlmittel und
Gehäuseaußenseite sehr gering ist und der zusätzliche Küh
lungseffekt so groß als möglich wird.
Die Erfindung läßt sich vorteilhaft dahin weiterbilden, daß
die innere Hülse an ihrer Außenseite Kühlrippen aufweist.
Solche Kühlrippen vergrößern die Kontaktfläche zwischen der
Außenseite der inneren Hülse einerseits und der Kühlflüs
sigkeit andererseits. Je größer diese Kontaktfläche ist, um
so intensiver kann der Wärmeaustausch zwischen der den
Ständer umschließenden Hülse und dem Kühlmittel sein. Diese
Maßnahme erhöht somit die Leistungsfähigkeit des Kühlkreis
laufs. Die Kühlrippen lassen sich ohne zusätzlichen Aufwand
direkt an die Innenhülse anformen und mit dieser zu einem
einstückigen Motorteil integrieren, wenn die innere Hülse
als Gußteil hergestellt wird.
Eine weitere Optimierung des motorseitigen Wärmetauschers
läßt sich dadurch erreichen, daß die äußere Hülse auf den
Kühlrippen aufliegt, so daß sich zwischen denselben Strö
mungskanäle für die Kühlflüssigkeit ergeben. Diese erfinde
rische Maßnahme erlaubt es der Außenhülse, sich auf einer
Vielzahl relativ gering voneinander beabstandeter Kühlrip
pen abzustützen. Hierdurch wird einerseits die Stabilität
insbesondere der äußeren Hülse des Wärmetauschers erhöht,
so daß deren Querschnitt auf die Stärke eines dünnen Blechs
reduziert werden kann. Die Folge ist ein minimaler Wärmewi
derstand zwischen dem Kühlmittel einerseits und der Umge
bungsluft andererseits. Darüber hinaus entsteht im Bereich
der Stirnseiten der Kühlrippen ein direkter Kontakt zwi
schen den beiden Hülsen des motorseitigen Wärmetauschers,
so daß ein Teil der Verlustwärme unter Umgehung des Kühl
mittels direkt an die Umgebungsluft abgegeben werden kann.
Schließlich werden zwischen Außen- und Innenhülse und den
dazwischen befindlichen Kühlrippen Strömungskanäle gebil
det, welche eine definierte Strömungsrichtung des Kühlmit
tels innerhalb des motorseitigen Wärmetauschers gewährlei
sten. Durch entsprechende Formgebung der Kühlrippen läßt
sich eine nahezu beliebige Anordnung der Strömungskanäle
innerhalb des motorseitigen Wärmetauschers erreichen, so
daß während des Betriebs übermäßig erhitzte Motorbereiche
besonders intensiv gekühlt werden können. In diesem
Zusammenhang verdient der Umstand Berücksichtigung, daß die
Menge der von dem Kühlmittel aufgenommenen Motorverlust
wärme proportional zu der Temperaturdifferenz zwischen der
Innenhülse einerseits und dem Kühlmittel andererseits ist.
Der Wärmetauscher ist also im Bereich der dem Einlaß direkt
nachgeordneten Strömungskanäle besonders effektiv, da diese
von der in einem externen Wärmetauscher abgekühlten Flüs
sigkeit durchströmt werden, so daß sich hier eine besonders
hohe Temperaturdifferenz ergibt und das Kühlmedium dem Mo
tor besonders viel Verlustwärme entziehen kann. Durch ent
sprechende Gestaltung der dem Einlaß nachgeordneten Strö
mungskanäle können also bestimmte Bereiche des Motors be
sonders effektiv gekühlt werden.
Eine günstige Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich da
durch aus, daß die Kühlrippen die innere Hülse in Form von
kreisförmigen Stegen umgeben. Diese Rippenanordnung schafft
einen besonders gleichmäßigen Auflagebereich für die Außen
hülse und verleiht dieser dadurch ein Höchstmaß an mechani
scher Stabilität.
Es hat sich als sinnvoll erwiesen, zwischen den einzelnen,
etwa kreisförmigen Strömungskanälen achsparallele Verbin
dungskanäle vorzusehen. Dadurch läßt sich ein geometrisch
optimaler Strömungsverlauf innerhalb des motorseitigen Wär
metauschers erreichen. Die Kühlflüssigkeit umströmt dabei
den Ständer auf kreisförmigen Bahnen und wird nach Durch
lauf je eines mehr oder weniger geschlossenen Vollkreises
durch einen achsparallelen Verbindungskanal in den näch
sten, kreisförmigen Strömungskanal eingeleitet. Nach und
nach bewegt sich die Kühlflüssigkeit vom Einlaß- zum Aus
laßkanal und nimmt dabei ständig Wärme auf. Um eine gleich
mäßige Kühlung des Motors zu erreichen, ist es beispiels
weise möglich, die Kühlflüssigkeit in mehrere parallele
Strömungsarme aufzuteilen und dadurch die abgekühlte Flüs
sigkeit vom Einlaß direkt bestimmten Oberflächenbereichen
des Wärmetauschers zuzuleiten. Beispielsweise kann ein Teil
des Kühlmittels vom Einlaß durch einen achsparallelen Strö
mungskanal etwa bis zur axialen Mitte des Ständers fließen
und erst ab dort in etwa kreisförmigen Mäandern den Ständer
umströmen, während die andere Hälfte der Kühlflüssigkeit
direkt ab dem Einlaß einen mäanderförmigen Verlauf nimmt
und in der zweiten Hälfte des Wärmetauschers auf direktem
Weg zum Kühlmittelauslaß fließt, wo sie sich mit dem ersten
Teil der Kühlflüssigkeit wieder vereinigt.
In Weiterbildung dieses Prinzips sieht die Erfindung zwei
achsparallele Verbindungskanäle vor, von denen einer mit
dem Einlaßkanal und der andere mit dem Auslaßkanal verbun
den ist. Es handelt sich hierbei quasi um zwei Sam
melkanäle, von denen die einzelnen, kreisförmigen Strö
mungskanäle abzweigen. Somit sind alle kreisförmigen Strö
mungskanäle mehr oder weniger parallel geschalten, und die
vom Einlaß kommende, abgekühlte Flüssigkeit wird auf alle
Strömungskanäle etwa gleichmäßig aufgeteilt. Hierdurch läßt
sich ein besonders gleichmäßiger Kühleffekt längs des ge
samten Ständers erzeugen. Die beiden Sammelkanäle können
entweder direkt nebeneinander angeordnet und durch einen
achsparallelen Steg voneinander getrennt sein, oder sie
sind an diametral einander gegenüberliegenden Bereichen der
Innenhülse angeordnet, so daß das Kühlmittel jeweils nur
einen halbkreisförmigen Kanal durchströmt, bis es in dem
Auslaßkanal wieder gesammelt wird. Dadurch bilden sich etwa
rippenförmige Strömungskanäle zwischen den mit Einlaß- und
Auslaßkanal verbundenen Sammelkanälen aus. Um zusätzlich
eine möglichst gleichförmige Aufteilung der Kühlleistung
entlang des Umfangs des Ständers zu erhalten, können meh
rere, aus je zwei, um einen bestimmten Winkel gegeneinander
versetzt angeordneten Sammelkanälen sowie aus einer Viel
zahl von zwischen diesen eingeschalteten, kreisbogen
förmigen Strömungskanälen bestehende Wärmetauscherab
schnitte über den Umfang der äußeren Hülse verteilt ange
ordnet und von dem Kühlmittel parallel durchströmt sein.
Bei einer anderen Ausführungsform umgeben die Kühlrippen
die innere Hülse in Form eines gewendelten Stegs. Hierbei
findet die Kühlflüssigkeit innerhalb des motorseitigen Wär
metauschers einen wendelförmig und daher nur minimal ge
krümmten Strömungskanal vor, so daß keinerlei Verwirbelun
gen auftreten, es bildet sich eine rein laminare Strömung
aus. Aufgrund des daraus resultierenden, besonders niedri
gen Strömungswiderstands eignet sich diese Ausführungsform
besonders für Kühlkreisläufe ohne zusätzliche
Kühlmittelpumpe, bei denen die Zirkulation des Kühlmittels
nur durch die geringere Dichte des erwärmten Kühlmittels im
Verhältnis zur abgekühlten Flüssigkeit in Gang gesetzt und
aufrechterhalten wird. Es empfiehlt sich in diesem Fall,
durch eine unsymmetrische Gestaltung von Einlaß- und Aus
laßkanal Sorge dafür zu tragen, daß auch bei horizontal
ausgerichtetem Elektromotor die Kühlflüssigkeit in einer
definieren Strömungsrichtung in Bewegung versetzt wird. Bei
Verwendung einer Kühlmittelpumpe kann diese wegen des nied
rigen Strömungswiderstands innerhalb des Kühlkreislaufs mit
einer niedrigen Leistungsaufnahme und daher energiesparend
dimensioniert werden.
Weiterhin ist es möglich, daß die Kühlflüssigkeit die
Wicklungsköpfe des Ständers durchströmt. Die Wicklungsköpfe
erwärmen sich bei hohen Ständerströmen infolge der ohmsche
Verluste sehr stark. Andererseits sind diese Bereiche eines
erfindungsgemäßen Motors nicht von Ständerblechen umgeben,
so daß die auftretende Wärmemenge kaum zur
Ständeraußenseite abgeführt werden kann. Um eine
Überhitzung der ständerseitigen Wicklungsköpfe zu
vermeiden, können diese Bereiche zusätzlich von
Kühlflüssigkeit durch- oder umflossen werden.
In Konkretisierung dieses Erfindungsmerkmals sieht die Er
findung vor, daß innerhalb jedes ständerseitigen
Wicklungsköpfe ein ringeförmiges, die Motorachse etwa
konzentrisch umgebendes Rohr für die Kühlflüssigkeit
angeordnet ist. Um ein Austreten von Kühlflüssigkeit zu
vermeiden, strömt diese innerhalb der Wicklungsköpfe durch
ein geschlossenes Rohr, welches beispielsweise beim
Herstellen der Wicklung bereits mit eingearbeitet worden
ist. Entsprechend der geometrischen Anordnung der
Wicklungsköpfe weist das Kühlrohr vorzugsweise Ringform
auf. Zumindest bei Maschinen kleinerer und mittlerer
Baugröße ist im allgemeinen eine einzige Windung des
Kühlrohrs pro Wicklungskopf ausreichend. Die in den
Wicklungsköpfen angeordneten Kühlrohre können in Reihe mit
einem den Ständer umgebenden Wärmetauscher angeordnet sein,
so daß die Kühlflüssigkeit zunächst ein Kühlrohr, daraufhin
einen den Ständer umgebenden Wärmetauscher und schließlich
das zweite Kühlrohr im Bereich des gegenüberliegenden
Wicklungskopfs durchströmt. Andererseits ist es aber auch
möglich, die Kühlrohre parallel zu dem ständerseitigen
Wärmetauscher zu schalten, so daß die einer besonders
starken Erwärmung ausgesetzten Wicklungsköpfe sehr intensiv
gekühlt werden.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß Ein- und Auslaßkanäle
des den Motor umschließenden Teils des Kühlkreislaufs sich
in der Nähe je eines der beiden einander gegenüberliegenden
Lagerschilde des Motors befinden. Dieses konstruktive Merk
mal trägt dem Umstand Rechnung, daß die Kühlflüssigkeit den
motorseitigen Wärmetauscher unabhängig von dem genauen Ver
lauf der Strömungskanäle in einer allgemeinen Vorzugsrich
tung durchströmt. Um eine bei Rückführung des erhitzten
Kühlmittels innerhalb des Wärmetauschers auftretende Redu
zierung der Kühlleistung zu vermeiden, sind die Anschlüsse
der Zuführleitungen des Kühlkreislaufs im Bereich der ein
ander gegenüberliegenden Lagerschilde des Motors angeord
net.
Zur Optimierung des Temperaturverhaltens läßt sich bei ei
nem erfindungsgemäßen Elektromotor eine zusätzliche Luft
kühlung vorsehen. Hierdurch kann einerseits die in den
Wicklungsköpfen anfallende Verlustwärme abgeführt werden,
so daß eine Durchströmung derselben durch die Kühlflüssig
keit entbehrlich ist. Andererseits kann eine zusätzliche
Luftkühlung in Form eines angebauten Gebläses je nach
Motortemperatur ein- oder ausgeschalten werden, so daß bei
Spitzenbelastung des erfindungsgemäßen Elektromotors eine
Überhitzung durch Einschalten des Gebläses verhindert
werden kann.
Schließlich entspricht es der Lehre der Erfindung, daß der
magnetisierbare Teil von Ständer und Läufer aus jeweils
mehreren, in axialer Richtung voneinander beabstandeten
Einheiten zusammengesetzt ist. Dieses ist eine weitere Maß
nahme, um der besonders starken Erwärmung eines erfindungs
gemäßen, hochdynamischen Elektromotors Herr zu werden. Denn
mit zunehmender Länge des Motors steigt auch die temperatu
rabhängige Längsdehnung von Läufer und Ständer. Da sich
hierbei aufgrund der Temperaturdifferenzen zwischen ver
schiedenen Motorteilen, beispielsweise zwischen den von
großen Strömen durchflossenen Läuferstäben eines etwa mit
dem Kippmoment belasteten Asynchronmotors einerseits und
den aufgrund des relativ geringen, dabei auftretenden
Schlupfes nur mäßig ummagnetisierten Läuferblechen anderer
seits, zur Länge des jeweiligen Blechpakets etwa proportio
nale, mechanische Spannungen aufbauen, ist es vorteilhaft,
zur Reduzierung der Länge eines Blechpakets Ständer und
Läufer in mehrere Einheiten aufzuteilen, innerhalb denen
auch bei großen Temperaturunterschieden die mechanischen
Spannungen vorgegebene Werte nicht überschreiten.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten auf der Basis
der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschrei
bung einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung
sowie anhand der Zeichnung.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Elektromotor, teilweise im
Längs schnitt sowie
Fig. 2 eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Elektromotors in einer der Fig. 1 entsprechenden
Darstellung.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung werden anhand
eines Drehstrom-Asynchronmotors 1 beispielhaft erläutert,
wobei zunächst auf die Fig. 1 Bezug genommen wird. Der Mo
tor 1 weist einen aus zwei in axialer Richtung 2 des Elek
tromotors 1 voneinander beabstandeten Einheiten 3, 4 beste
henden Ständer 5 sowie einen ebenfalls aus zwei entspre
chend voneinander beabstandeten Einheiten 6, 7 gebildeten,
magnetischen Teil 8 des Läufer auf, welcher die Motorwelle
9 konzentrisch umgibt.
Die Motorwelle 9 ist mittels eines ersten Radialkugellagers
10 im A-Lagerschild 11 um die Längsachse 2 drehbar gelagert
und ragt über diesen Lagerschild 11 unter Bildung eines Ab
triebswellenstummels 12 hervor. Im Abtriebswellenstummel 12
ist eine achsparallele Nut 13 zur Aufnahme einer das Motor
drehmoment auf ein Abtriebszahnrad oder dergleichen über
tragenden Feder vorgesehen. Ein zweites Radialkugellager 14
ist in den B-Lagerschild 15 eingesetzt und stützt die Mo
torwelle 9 im Bereich dieses Lagerschilds 15 ab. An dem B-
Lagerschild 15 sind ein Tachometer 16 sowie ein Inkremen
talgeber 17 in Längsrichtung 2 des Elektromotors 1 hinter
einander angeordnet. Beide Meßeinrichtungen 16, 17 werden
von einer über den B-Lagerschild 15 hinausragenden, stum
melartigen Verlängerung der Motorwelle 9 durchsetzt, auf
der die drehbeweglichen Teile der Meßeinrichtungen 16, 17
drehfest angeordnet sind. Die der Übertragung der Versor
gungs- und Signalspannungen dienenden elektrischen Leitun
gen sind an Kabeldurchführungen 18, 19 aus dem Tachometer
16 und aus dem Inkrementalgeber 17 herausgeführt.
Der Ständer 5 des Elektromotors 1 weist eine dreiphasige
Drehstromwicklung 20 auf, deren Wicklungsenden zu einem
Klemmenkasten 21 geführt sind, in welchem der Anschluß an
ein Drehstromnetz erfolgt. Beim Einschalten der dreiphasi
gen Netzspannung wird innerhalb des Luftspalts 22 zwischen
Ständer 5 und Läufer 8 ein Magnetfeld erzeugt, dessen Ma
xima mit einer mechanischen Winkelgeschwindigkeit um die
Motorachse 2 umlaufen, welche dem Quotienten aus der elek
trischen Winkelgeschwindigkeit des Drehstromnetzes und der
Polpaarzahl des Ständers 5 entspricht. Von diesem ma
gnetischen Drehfeld werden die in achsparallele Nuten des
Läufers 8 eingegossenen, vom Läuferstrom durchflossenen
Aluminium-Läuferstäbe der Läuferkäfige 23, 24 in tangenti
aler Richtung beschleunigt und mit einem drehmomentabhängi
gen Schlupf mitgezogen. Diese Winkelbeschleunigung über
trägt sich auf die Läufereinheiten 6, 7 und von diesen über
je eine achsparallele Feder 25, 26 auf die Motorwelle 9.
Da das in dem Luftspalt 22 ausgebildete Magnetfeld gegen
über dem Ständer 5 mit seiner mechanischen Winkelgeschwin
digkeit, relativ zum Läufer 8 dagegen mit seiner Schlupf
frequenz umläuft, treten sowohl im Ständer 5 als auch im
Läufer 8 ständig Ummagnetisierungen der Eisenteile auf. Zur
Vermeidung von Wirbelströmen sind daher sowohl die Ständer
einheiten 3, 4 als auch die Läufereinheiten 6, 7 aus Pake
ten von übereinandergeschichteten Blechen entsprechenden
Umfangs aufgebaut. Die Läuferblechpakete werden durch die
stirnseitigen, in der Zeichnung schraffiert dargestellten
Kurzschlußringe der Läuferkäfige 23, 24 zusammengepreßt.
Die Ständereinheiten 3, 4 weisen je eine kreiszylindrische,
zur Motorlängsachse 2 konzentrische Ausnehmung 27, 28 auf.
Innerhalb dieser Ausnehmungen 27, 28 befindet sich je eine
Läufereinheit 5, 6 mit identischer, achsparalleler Länge
29, 30, jedoch um die Dicke des Luftspalts 22 reduziertem
Radius 31. Die Unterteilung von Ständer 5 und Läufer 8 in
je zwei voneinander beabstandete Einheiten 3, 4; 6, 7 hat
neben einer Reduzierung der mechanischen Spannungen inner
halb des Motors bei unterschiedlicher Erwärmung desselben
vor allem herstellungstechnische Gründe und ist daher für
die Erfindung nicht zwingend erforderlich. Die entspre
chende Unterteilung von Ständer 5 und Läufer 8 hat jedoch
kaum Einfluß auf das Drehmoment des Motors 1 und auf dessen
Trägheitsmoment. Aus diesem Grund soll im folgenden abstra
hierend nur von Ständer 5 und Läufer 8 gesprochen werden.
Hierbei ergibt sich die für das mechanische Verhalten des
Elektromotors 1 bestimmende Gesamtlänge 32 des Läufers 8
bzw. der entsprechenden Ausnehmung 27, 28 im Ständer 5 als
Summe der einzelnen Längen 29, 30 der beiden Läufereinhei
ten 6, 7 bzw. Ständereinheiten 3, 4.
Wie man der Fig. 1 leicht entnehmen kann, ist die so er
mittelte Gesamtlänge 32 der Ausnehmung 27, 28 im Ständer 5
mehr als fünfmal so groß wie ihr mit dem Halbmesser 31 des
Läufers 8 nahezu identischer Radius. Diese im Verhältnis zu
herkömmlichen Elektromotoren sehr ausgefallene Läufergeome
trie verleiht dem erfindungsgemäßen Elektromotor 1 ein
hochdynamisches Betriebsverhalten mit einer sehr hohen, ma
ximalen Winkelbeschleunigung und einem kräftigen Nennmo
ment.
Bei dem in der einzigen Figur wiedergegebenen Elektromotor
1 ist die Gesamtlänge 32 des Läufers 8 etwa doppelt so groß
wie bei einem herkömmlichen Elektromotor der betreffenden
Leistungsklasse, während der Läuferradius 31 gegenüber ei
nem solchen Vergleichsmotor etwa halbiert worden ist. Bei
einer gegensinnigen Veränderung von Radius 31 und Gesamt
länge 32 des Läufers 8 wird das Motormoment kaum verändert.
Denn zwar erhöht sich aufgrund der Verdoppelung der Läufer
länge 32 auch die Länge der vom Läuferstrom durchflossenen,
dem Magnetfeld innerhalb des Luftspalts 22 ausgesetzten,
achsparallelen Stäbe des Läuferkäfigs 23, 24 (die Auftei
lung des Läuferkäfigs in zwei Einzelkäfige 23, 24 soll im
weiteren ebenfalls vernachlässigt werden), so daß die auf
die Läuferstäbe einwirkende, zu deren Gesamtlänge propor
tionale Magnetkraft ebenfalls erhöht, beim dargestellten
Elektromotor 1 etwa verdoppelt ist. Andererseits ist der
etwa dem Läuferradius 31 entsprechende Hebelarm, mit dem
die magnetische Antriebskraft an der Motorwelle 9 treibend
angreift, um ein entsprechendes Maß, bei dem gezeichneten
Elektromotor 1 etwa auf die Hälfte, reduziert. Somit ist
das durch das Produkt aus Antriebskraft und Hebelarm gege
bene Motordrehmoment insgesamt etwa gleich dem Motordrehmo
ment eines herkömmlichen Elektromotors derselben Leistungs
klasse.
Die maximale Winkelbeschleunigung des Elektromotors 1 ist
jedoch durch den Quotienten aus dem maximalen Motordrehmo
ment und dem Trägheitsmoment aller bewegten Teile, im Ex
tremfall also nur des Läufers 8 sowie der Abtriebswelle 9,
bestimmt. Dabei wird die ein Maß für die Dynamik des Elek
tromotors 1 darstellende, bestenfalls erreichbare Winkelbe
schleunigung dann maximal, wenn das Trägheitsmoment von
Läufer 8 und Abtriebswelle 9 so klein als möglich ist. Das
Trägheitsmoment der Abtriebswelle 9 läßt sich dabei kaum
beeinflussen, da deren Geometrie nach Stabilitätsgesichts
punkten festgelegt wird und sich daher kaum verändern läßt.
Da der Beitrag eines Massenelements zum Trägheitsmoment ei
nes Körpers proportional zum Quadrat seines Abstands zu der
betreffenden Rotationsachse ist, hat ein langer, schlanker
Körper mit nahezu seiner Längsachse angeordneter Masse ein
viel kleineres Trägheitsmoment als beispielsweise ein
scheibenförmiger Körper gleicher Masse mit großem Umfang.
Das Trägheitsmoment der Motorwelle 9 ist aufgrund deren ge
ringen Halbmessers 33 deutlich niedriger als das Trägheits
moment der magnetischen Teile 8 des Läufers mit dem etwa
doppelten Radius 31. Es ist also durchaus zulässig, zur
Bestimmung des Gesamtträgheitsmoments der rotierenden Teile
8, 9 des Elektromotors 1 den Abtriebswellenstummel 12 sowie
den in die Meßeinrichtungen 16, 17 hineinragenden
Wellenfortsatz zu vernachlässigen und die rotierenden Teile
durch einen homogenen Kreiszylinder zu approximieren, des
sen Radius und Länge dem Radius 31 und der Gesamtlänge 32
des Läufers 8 entsprechen.
Das Trägheitsmoment eines solchen, um seine Längsachse 2
rotierenden Kreiszylinders ist proportional zu dem Produkt
aus der vierten Potenz seines Radius 31 und aus seiner
Länge 32. Berücksichtigt man den Umstand, daß das Nenndreh
moment des erfindungsgemäßen Elektromotors 1 etwa dem Nenn
drehmoment herkömmlicher Elektromotoren der selben Lei
stungsklasse entsprechen soll und aus diesem Grund das Pro
dukt aus Radius 31 und Gesamtlänge 32 des Läufers 8 bei der
Dimensionierung des Elektromotors 1 etwa konstant gehalten
wird, so ergibt sich ein resultierendes Trägheitsmoment des
idealisierten Kreiszylinders, welches proportional zur
dritten Potenz seines Halbmessers 31 ist.
Hieraus folgt, daß bei unverändertem Höchstdrehmoment die
maximale Winkelbeschleunigung etwa umgekehrt proportional
zur dritten Potenz des Läuferradius 31 ist. Aus diesem
Grund läßt sich die maximal erreichbare Winkelbeschleuni
gung durch Halbierung des Läuferradius 31 im Idealfall etwa
auf den achtfachen Wert erhöhen. Dies ist die Ursache für
die hohe Dynamik eines Elektromotors 1 mit der
erfindungsgemäßen Läufergeometrie.
Als Nebeneffekt der geometrischen Verhältnisse eines erfin
dungsgemäßen Elektromotors 1 treten allerdings Probleme bei
der Abführung der innerhalb von Ständer 5 und Läufer 8 an
fallenden Verlustwärme auf. Obzwar die gesamte Verlustwärme
näherungsweise etwa genauso groß ist wie bei herkömmlichen
Elektromotoren der selben Leistungsklasse, ist eine Innen
kühlung vermittels eines angebauten Gebläses aufgrund der
anders gelagerten geometrischen Verhältnisse nicht so ef
fektiv wie bei herkömmlichen Elektromotoren. Denn durch die
Halbierung des Läuferradius 31 ist der Querschnitt des
Luftspalts 22 bei unveränderter Dicke desselben etwa auf
den halben Wert reduziert, während die Länge dieses vereng
ten Bereichs etwa doppelt so hoch wie üblich ist. Um den
magnetischen Rückschluß innerhalb des verjüngten Läufers
nicht zu beeinträchtigen, können in demselben keine Lüf
tungskanäle eingeformt sein. Eine vermittels eines angebau
ten Gebläses in axialer Richtung durch den Luftspalt ge
preßte Kühlluft findet daher einen relativ hohen Strömungs
widerstand vor und bewegt sich daher vergleichsweise lang
sam durch den Luftspalt 22. Hierdurch reduziert sich einer
seits der Luftdurchsatz, andererseits erwärmt sich die
Kühlluft innerhalb des Luftspalts stärker, so daß die Kühl
wirkung im Bereich des Luftaustritts stark reduziert ist.
Aufgrund der ungenügenden Innenkühlung muß der erfindungs
gemäße Elektromotor 1 von außen gekühlt werden. Die Kühl
wirkung der natürlichen Konvektion der Umgebungsluft im Be
reich des aufgeheizten Motorgehäuses ist jedoch insbeson
dere bei größeren Motorleistungen ebenfalls nicht ausrei
chend, um den Motor zu kühlen. Denn die innerhalb des Elek
tromotors 1 anfallende Verlustleistung steigt proportional
zur dritten Potenz einer charakteristischen Länge des Elek
tromotors 1, während seine Oberfläche nur mit dem Quadrat
dieser charakteristischen Länge ansteigt.
Die Anordnung eines zusätzliches Lüfterrads auf der Motor
welle 9, insbesondere im Bereich eines Lagerschilds 11, 15,
verbietet sich ebenfalls, da ein derartiges Lüfterrad das
Beschleunigungsvermögen des Elektromotors 1 einerseits
durch Erhöhung des Trägheitsmoments, andererseits durch die
bremsende Wirkung des Luftwiderstands stark reduzieren
würde. Außerdem wäre die Kühlung bei einer getakteten Be
triebsart höchst unzureichend.
Die Erfindung sieht daher zur Abführung der Verlustwärme
des Elektromotors 1 eine Flüssigkeitskühlung vor. Diese
Kühlart ist aufgrund des viel intensiveren Kontakts zwi
schen der Flüssigkeit und den abzukühlenden Bereichen des
Elektromotors 1 in der Lage, eine weitaus größere Wärme
menge abzutransportieren als eine Luft-Außenkühlung.
Zum Abtransport der Verlustwärme zirkuliert ein flüssiges
Kühlmittel 34 innerhalb eines geschlossenen Kühlkreislaufs
35. Der Kühlkreislauf 35 umfaßt einen motorseitigen Wärme
tauscher 36, in welchem sich das Kühlmittel 34 aufheizt,
einen externen Wärmetauscher 37, in dem das Kühlmittel 34
die aufgenommene Wärme an die Umgebungsluft abgibt, sowie
eine Kühlmittelpumpe 38, welche die Kühlflüssigkeit 34
ständig in Bewegung hält.
Der motorseitige Wärmetauscher 36 ist aus zwei konzentrisch
ineinandergeschobenen Hülsen 39, 40 aufgebaut. Beide Hülsen
haben etwa die Länge 32 des Ständers. Die innere Hülse 39
umschließt daher den Ständer 5 vollständig und liegt an
dessen äußerer Mantelfläche vollflächig an. Zur Erzielung
eines minimalen Wärmeübergangswiderstands zwischen Ständer
5 und innerer Hülse 39 sind die Blechpakete 3, 4 reib
schlüssig in die Hülse 39 hineingepreßt.
Die innere Hülse 39 ist im Bereich ihrer beiden Stirnseiten
41, 42 durch ringförmige Schweißnähte 43, 44 mit je einer
rundumlaufenden Manschette 45, 46 verbunden. Die Manschet
ten 45, 46 weisen Befestigungslaschen 47, 48 zur Befesti
gung des Elektromotors 1 auf einer ebenen Grundplatte auf.
Die innere Hülse 39 bildet demnach ein tragendes Bauteil
des Elektromotors 1 und ist insbesondere in der Lage, das
auf den Ständer 5 einwirkende, entgegen dem die Motorwelle
9 beschleunigenden Motormoment gerichtete Drehmoment auf
grund des intensiven Reibschlusses vom Ständer 5 aufzuneh
men und über die Manschetten 43, 44 und die Befestigungsla
schen 47, 48 auf die Grundplatte abzuleiten. Andererseits
sind die in den Radialkugellagern 10, 14 die Motorwelle 9
und damit auch den Läufer 8 abstützenden Lagerschilde 11,
15 mit Hilfe von Schraubverbindungen 49, 50 an den äußeren
Stirnseiten 51, 52 der Manschetten 43, 44 festgelegt.
Die innere Hülse 39 weist an ihrer Außenseite 53 Kühlrippen
54 gleichbleibender Höhe auf. Auf deren freien Stirnseiten
55 liegt die äußere Hülse 40 unter leichtem Anpreßdruck
auf, so daß zwischen den beiden Hülsen 39, 40 und je zwei
Kühlrippen 54 Strömungskanäle 56 für die Kühlflüssigkeit 34
entstehen. Die Kühlrippen 54 umgeben die innere Hülse 39
entlang einer wendelförmigen Linie, so daß die einzelnen
Strömungskanäle 56 sich zu einem einzigen, den Elektromotor
1 entlang einer wendelförmigen Bahn umgebenden Hohlraum er
gänzen.
Innerhalb dieses wendelförmigen Hohlraums strömt die Kühl
flüssigkeit 34 vom Einlaß 57 des motorseitigen Wär
metauschers 36 bis zu dessen Auslaß 58. Hierbei entzieht
das Kühlmittel 34 unter allmählicher Erwärmung dem Ständer
5 laufend die in diesem anfallende Verlustwärme. Diese wird
mit dem Kühlmittel 34 zum externen Wärmetauscher 37 trans
portiert und dort an die Umgebungsluft abgegeben. Das dabei
abgekühlte Kühlmittel 34 wird über die Pumpe 38 wieder dem
Einlaß 57 des motorseitigen Wärmetauschers 36 zugeführt.
Die äußere Hülse 40 bildet einen direkten Teil des Motorge
häuses 59 und kann daher an ihrer Außenfläche 60 zusätzlich
Wärme an die Umgebungsluft abgeben. Damit die Verlustwärme
auf diesem Weg einen möglichst geringen Wärmewiderstand
vorfindet, ist die äußere Hülse 40 relativ dünn ausgebil
det. Dies beeinträchtigt jedoch die Stabilität des Motorge
häuses 59 nicht, da die äußere Hülse 40 sich in relativ
kurzen Abständen auf den Stirnseiten 55 der Kühlrippen 54
abstützt. Zur Abdichtung des Kühlkreislaufs 35 ist die äu
ßere Hülse 40 an ihren beiden Stirnseiten mit den Manschet
ten 43, 44 verschweißt.
Fig. 2 zeigt einen weiteren Drehstrom-Asynchronmotor 61,
dessen Aufbau nahezu vollständig mit dem Elektromotor 1
gem. Fig. 1 übereinstimmt. Deshalb wurden einander entspre
chende Teile mit den selben Bezugszeichen versehen.
Der einzige Unterschied zu der Ausführungsform gem. Fig. 1
besteht in einer zusätzlichen Kühlvorrichtung für die bei
den ständerseitigen Wicklungsköpfe 62, 63. Da diese während
des Betriebes einer besonders starken Erwärmung ausgesetzt
sind und die dabei anfallende Verlustwärme nicht durch
Ständerblechpakete 3, 4 zu dem den Ständer 5 umgebenden
Wärmetauscher 36 abtransportiert werden kann, ist in jedem
Wicklungskopf 62, 63 ein ringförmiges, die Motorlängsachse
2 etwa konzentrisch umgebendes Kühlrohr 64, 65 angeordnet.
Die beiden Enden der zu je einem nahezu vollständig
geschlossenen Kreisring gebogenen Kühlrohre 64, 65 sind
etwa radial nach außen abgewinkelt und durchsetzen das
Motorgehäuse im Bereich der rundumlaufenden Manschetten 45,
46.
Die Kühlrohre 64, 65 sind mit dem motorseitigen
Wärmetauscher 36 in Serie geschalten. Dabei ist der Auslaß 66
des Kühlrohrs 65 mit dem Einlaß 57 des motorseitigen
Wärmetauschers 36 verbunden, so daß das Kühlrohr 65
stromaufwärts des den Ständer umgebenden Wärmetauschers 36
angeordnet ist. Andererseits ist das Kühlrohr 64
stromabwärts dieses Wärmetauschers 36 eingeschalten, indem
sein Zulauf 67 mit dem Auslaß 58 des Wärmetauschers 36
verbunden ist. Die Kühlflüssigkeit 34 strömt sodann von dem
Auslaß 68 des Kühlrohrs 64 zum Wärmetauscher 37, um dort
die innerhalb des Elektromotors 61 aufgenommene Wärmemenge
soweit als möglich an die Umgebungsluft abzuführen.
Claims (17)
1. Hochdynamischer Elektromotor (1) mit einem eine
dreiphasige Drehstromwicklung (20) tragenden Ständer
(5) aus magnetischem Werkstoff, der eine kreiszylin
drische Ausnehmung (27, 28) für einen Innenläufer mit
einem magnetischen Teil (8) entsprechender Abmessungen
umschließt, wobei die Länge (32) des magnetischen
Teils des Läufers (8) mindestens etwa drei- bis vier
mal so groß ist wie dessen Radius (31), gekennzeichnet
durch eine Kühlvorrichtung mit einem Kühlkreislauf
(35), in dem ein flüssiges Kühlmittel (34) zirkuliert.
2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kühlflüssigkeit (34) den Ständer (5) an dessen
äußerer Mantelfläche umströmt.
3. Elektromotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kühlflüssigkeit (34) in den Zwischenräumen
zwischen zwei zumindest teilweise voneinander beab
standeten, den Ständer (5) etwa konzentrisch umschlie
ßenden Hülsen (39, 40) zirkuliert.
4. Elektromotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die innere Hülse (39) aus gut wärmeleitendem Werk
stoff, vorzugsweise Metall, gefertigt ist und an der
Ständeraußenseite unter Ausbildung eines Übergangs mit
geringem Wärmewiderstand vollflächig anliegt.
5. Elektromotor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die innere Hülse (39) als den Ständer
(5) tragendes Bauteil ausgebildet und mit den Motorbe
festigungselementen (43, 44), insbesondere Befesti
gungslaschen (47, 48), und/oder mit den Lagerschilden
(11, 15) form- und/oder reibschlüssig verbunden ist.
6. Elektromotor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die äußere Hülse (40) einen Teil
des Motorgehäuses (59) bildet.
7. Elektromotor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die innere Hülse (39) an ihrer Au
ßenseite (53) Kühlrippen (54) aufweist.
8. Elektromotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die äußere Hülse (39) auf den Kühlrippen (54) auf
liegt, so daß sich zwischen denselben Strömungskanäle
(56) für die Kühlflüssigkeit (34) ergeben.
9. Elektromotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kühlrippen die innere Hülse in Form von kreis
förmigen Stegen umgeben.
10. Elektromotor nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ach
sparallele Verbindungskanäle zwischen den einzelnen
Strömungskanälen.
11. Elektromotor nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch
zwei etwa achsparallele Verbindungskanäle, von denen
einer mit dem Einlaßkanal und der andere mit dem Aus
laßkanal verbunden ist.
12. Elektromotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kühlrippen (54) die innere Hülse (39) in Form
eines gewendelten Stegs umgeben.
13. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit (34)
die Wicklungsköpfe (62, 63) des Ständers (5) durch
strömt.
14. Elektromotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß innerhalb jedes ständerseitigen Wicklungskopfes
(62, 63) ein ringförmiges, die Motorachse (2) etwa
konzentrisch umgebendes Rohr (64, 65) für die Kühl
flüssigkeit (34) angeordnet ist.
15. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß Ein- und Auslaßkanäle (57,
65, 67; 58, 66, 68) der motorseitigen Wärmetauscher
(36, 64, 65) sich in der Nähe je eines der beiden ein
ander gegenüberliegenden Lagerschilde (11, 15) des Mo
tors (1) befinden.
16. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch eine zusätzliche Luftkühlung.
17. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der magnetisierbare Teil
von Ständer (5) und Läufer (8) aus jeweils mehreren,
in axialer Richtung (2) voneinander beabstandeten Ein
heiten (3, 4; 6, 7) zusammengesetzt ist.
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