DE4411055A1 - Hochdynamischer Elektromotor - Google Patents

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.