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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor.
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Die Erfindung bezieht sich spezifisch
auf einen rotativen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor,
wobei der Rotor in wenigstens zwei Lagerschilden drehbar gelagert
ist. Der Stator ist an einem Gehäusemantel
fixiert, der starr mit den Lagerschilden verbunden ist. Der Rotor,
d.h. der Läufer
des Elektromotors kann generell mit Permanentmagneten bestückt sein,
stromkommutierte Spulen für
die Magnetfelderzeugung aufweisen, oder als so genannter Kurzschlussläufer einer
Asynchronmaschine ausgebildet sein.
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Bei Betrieb eines derartigen Elektromotors entstehen
insbesondere im Bereich des Stators erhebliche Wärmemengen. Um den Wirkungsgrad
und die Lebensdauer derartiger Elektromotoren zu erhöhen weisen
diese typischerweise Kühlvorrichtungen auf.
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Ein Elektromotor mit einer integrierten
Kühlvorrichtung
ist aus der
DE 197
57 605 C2 bekannt. Der dort beschriebene Elektromotor weist
ein System von Kühlkanälen auf,
die im Stator und im Gehäusemantel
verlaufen.
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Zur Herstellung der Kühlkanäle während eines
Gießprozesses
werden Montagedorne in vorgegebenen Sollpositionen so angeordnet,
dass die Ausgänge
der damit hergestellten Kühlkanäle mit Luftdurchtrittsöffnungen
in den Lagerschilden fluchten. In die Luftdurchtrittsöffnungen
werden Endstutzen eingeführt.
Diese dienen als Anschlussmittel der Kühlkanäle an Umlenkelemente, die in
verschiedenen Orientierungen auf die Lagerschilde aufgesteckt werden.
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Die Umlenkelemente weisen selbst
Kanäle auf.
Damit bilden die Umlenkelemente in den Lagerschilden mit den Kühlkanälen im Gehäusemantel
und Stator ein sich über
den gesamten Elektromotor erstreckendes Kanalsystem in welchem ein
Kühlmedium,
insbesondere Wasser, zur Kühlung
des Elektromotors geführt
wird. Durch verschiedenartiges Positionieren der Umlenkelemente
kann eine Reihen- und/oder Parallelschaltung der Kühlkanäle erzielt werden
kann.
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Nachteilig hierbei ist der hohe konstruktive Aufwand
für die
Ausbildung des Kühlsystems,
welcher zu unerwünscht
hohen Herstellkosten des Elektromotors führt. Insbesondere die dichte
Ankopplung der Umlenkelemente an die Kühlkanäle im Stator und im Gehäusemantel
erfordert einen erheblichen Fertigungsaufwand.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen Elektromotor bereitzustellen, welcher mit möglichst
geringem Fertigungsaufwand effizient gekühlt werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind die
Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Der erfindungsgemäße Elektromotor weist einen
Rotor, einen Stator sowie Lagerschilde zur Aufnahme eines Gehäusemantels
und des Stators auf. Zur Kühlung
mittels Wärmeleitung
wird der Stator und/oder der Gehäusemantel über Wärmeübergänge bildende
Kontaktstellen mit den Lagerschilden verbunden. In den Lagerschilden
verlaufen Kühlkanäle zur Führung des
Kühlmediums.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht somit
darin, dass zur Kühlung
des Elektromotors ein Kühlmedium
führende
Kühlkanäle allein
in den Lagerschilden vorgesehen sind. Der Stator und der Gehäusemantel
werden dagegen über Wärmeleitung mittelbar
gekühlt.
Wesentlich hierbei ist, dass die Kontaktstellen, die den Lagerschild
mit dem Stator und/oder dem Gehäusemantel
verbinden, Wärmeübergänge mit
hoher Wärmeleitfähigkeit
bilden. Damit wird die in den Lagerschilden mittels der Kühlkanäle bewirkte
Abkühlung
effizient auf den Gehäusemantel und
insbesondere den Stator, in welchem bei Betrieb des Elektromotors
eine besonders starke Erwärmung auftritt, übertragen.
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Da bei dem erfindungsgemäßen Elektromotor
nur in den Lagerschilden Kühlkanäle zur Kühlung des
gesamten Elektromotors vorgesehen werden müssen, weist dieser einen einfachen,
robusten Aufbau auf und ist zudem kostengünstig herstellbar.
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Bei bekannten Kühlsystemen für Elektromotoren,
die Kühlkanäle sowohl
in den Lagerschilden als auch im Gehäusemantel und im Stator aufweisen, sind
Adapter oder Schnittstellenelemente zur Verbindung der Kühlkanäle in den
einzelnen Einheiten erforderlich. Da diese Komponenten bei dem erfindungsgemäßen Elektromotor
entfallen, treten bei diesem deutlich geringere Dichtungsprobleme,
insbesondere auch nach Alterung von Komponenten des Elektromotors
auf.
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Gemäß einer ersten Variante der
Erfindung kann der Stator in den Gehäusemantel des Elektromotors
eingegossen sein. Gemäß einer
zweiten Variante kann der Stator durch eine Presspassung mit dem
Gehäusemantel
verbunden sein. In beiden Fällen
können
Kontaktstellen von dem Lagerschild sowohl zu dem Gehäusemantel
als auch zu dem Stator vorgesehen sein, wodurch ein effizienter
Wärmeübergang
von dem Lagerschild zum Stator und dem Gehäusemantel erzielt wird.
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Alternativ kann nur der Gehäusemantel über Kontaktstellen
mit dem Lagerschild verbunden sein. In diesem Fall erfolgt die Kühlung des
Gehäusemantels
durch Wärmeleitung,
wobei die Kontaktstellen Wärmeübergänge zwischen
den Lagerschilden und den Gehäusemantel
bilden. Der Stator wird dann mittelbar durch Wärmeleitung zwischen dem Gehäusemantel
und dem Stator gekühlt.
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Insbesondere für diese Variante ist es vorteilhaft,
dass der Gehäusemantel
aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit
besteht. Vorteilhafterweise besteht der Gehäusemantel aus Aluminium. Weiterhin
weist der Gehäusemantel
eine möglichst
große Manteldicke
auf. Dadurch ist eine gute Wärmeleitfähigkeit
gewährleistet
und insbesondere ein effizienter Wärmetransfer von dem Lagerschild über den
Gehäusemantel
zu dem Stator, der dadurch effizient gekühlt wird.
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Der Wärmeübergang an den Kontaktstellen kann
auf einfache und kostengünstige
Weise dadurch verbessert werden, dass auf diese eine Wärmeleitpaste
aufgebracht wird. Mit dieser Wärmeleitpaste
werden insbesondere auch kleinste Luftpolster zwischen den aufeinander
aufliegenden Einheiten vermieden, wodurch der Wärmeübergang zusätzlich verbessert wird.
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Die Kühlkanäle verlaufen in den Lagerschilden
vorzugsweise mäanderförmig oder
spiralförmig, so
dass eine große
wirksame Fläche
zwischen dem Kühlmedium,
dem Material des Lagerschilds erhalten wird, welches bevorzugt eine
hohe Wärmeleitfähigkeit
aufweist. Dadurch wird der Kühleffekt
erheblich verbessert. Insbesondere können dann auch an die Lagerschilde
anzuschließende
externe Einheiten, wie Getriebe auf einer ersten, der so genannten A-Seite
des Elektromotors und Messgeber auf einer zweiten, der so genannten
B-Seite des Elektromotors effizient mitgekühlt werden.
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Die Erfindung wir im Nachstehenden
anhand der Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
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1:
Schnitt durch einen Elektromotor mit einem Rotor, einem Stator und
Lagerschilden zur Aufnahme eines Gehäusemantels.
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2:
Darstellung eines Details des Elektromotors gemäß 1.
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3:
Längsschnitt
durch ein erstes Ausführungsbeispiel
eines Lagerschilds des Elektromotors gemäß 1.
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4:
Querschnitt durch den Lagerschild gemäß 3.
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5:
Längsschnitt
durch ein zweites Ausführungsbeispiel
eines Lagerschilds des Elektromotors gemäß 1.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines rotativen Elektromotors 1 mit integriertem Kühlsystem.
Der Elektromotor 1 weist einen stationären Stator 2 und einen
Rotor 3 auf, der auf einer Welle 4 drehbar gelagert
ist. Die Welle 4 ist in zwei Lagern 5, 5' gelagert. Jedes
Lager 5, 5' ist
in einem Lagerschild 6, 6' gelagert. Zur Aufnahme eines Lagers 5, 5' weist jedes
Lagerschild 6, 6' eine
zentrale Bohrung 7, 7' auf.
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Der erste Lagerschild 6 liegt
an der Lastseite, der so genanten A-Seite des Elektromotors 1,
an welcher ein nicht dargestelltes Getriebe oder dergleichen an
den Elektromotor 1 angeschlossen wird. Der zweite Lagerschild 6' liegt an der
Geberseite, der so genannten B-Seite des Elektromotors 1 an,
an welchem ein nicht dargestellter Messgeber oder dergleichen angeschlossen
werden kann.
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Die Lagerschilde 6, 6' sind im Wesentlichen identisch
ausgebildet und bestehen aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit.
Im vorliegenden Fall bestehen die Lagerschilde 6, 6' aus Aluminium.
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Die Lagerschilde 6, 6' weisen an ihren äußeren Rändern Kontaktstellen
als Aufnahmen für
einen Gehäusemantel 8 auf.
Eine derartige Kontaktstelle ist in 2 detailliert
dargestellt. Der Gehäusemantel 8 weist
eine hohlzylindrische Form auf und besteht ebenfalls aus einem Material
mit hoher Wärmeleitfähigkeit.
Im vorliegenden Fall besteht der Gehäusemantel 8 aus Aluminium.
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Der Stator 2 ist im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
durch eine Presspassung mit dem Gehäusemantel 8 verbunden
und liegt jeweils in Abstand zu dem Lagerschild 6, 6'. Alternativ
kann der Stator 2 auch an weiteren Kontaktstellen an den
Lagerschilden 6, 6' anliegen.
Schließlich
kann der Stator 2 auch in den Gehäusemantel 8 eingegossen
werden.
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Wie aus 1 und insbesondere aus 2 ersichtlich, sind zur Ausbildung der
Kontaktstellen in die Ränder
der Lagerschilde 6, 6' stufenförmige Absätze eingearbeitet. Diese Absätze sind
durch im rechten Winkel zueinander verlaufende Oberflächensegmente
der Lagerschilde 6, 6' begrenzt, welche Kontaktflächen 9 bilden,
auf welchen die Ränder
des Gehäusemantels 8 aufsitzen.
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Durch die Ausbildung der Kontaktstellen
in Form von stufenförmigen
Kontaktflächen 9,
die über den
gesamten Umfang am Gehäusemantel 8 anliegen,
werden große
wirksame Flächen
erreicht, über welche
der Gehäusemantel 8 an
den Lagerschilden 6, 6' anliegt. Dadurch bilden die Kontaktstellen
Wärmeübergänge, über welche
ein guter Wärmetransfer zwischen
den Lagerschilden 6, 6' und dem Gehäusemantel 8 erfolgt.
Die Wärmeübergänge werden
im vorliegenden Fall dadurch noch weiter verbessert, in dem auf
die Kontaktflächen 9 eine
Wärmeleitpaste 10 aufgebracht
wird. Mit der Wärmeleitpaste 10 werden insbesondere
die Wärmeleitfähigkeit
an den Kontaktstellen mindernde Luftpolster zwischen den Lagerschilden 6, 6' und dem Gehäusemantel 8 vermieden.
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Die 3 und 4 zeigen eine detaillierte
Darstellung des Aufbaus eines ersten Ausführungsbeispiel eines Lagerschilds 6.
Wie aus den 3 und 4 ersichtlich, verlaufen
in dem Lagerschild 6 Kühlkanäle 11,
in welchen ein Kühlmedium
zur Kühlung
des Lagerschilds 6 geführt
ist. Als Kühlmedium
können generell
Kühlgase
wie zum Beispiel Luft verwendet werden. Im vorlie genden Fall wird
als Kühlmedium eine
Kühlflüssigkeit
verwendet. Als Kühlflüssigkeit wird
besonders vorteilhaft Wasser eingesetzt.
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Wie aus 3 ersichtlich weist der Lagerschild 6, 6' einen Zufluss 12 auf, über welchen
die Kühlflüssigkeit
in die Kühlkanäle 11 eingespeist
wird. Weiterhin ist ein Abfluss 13 vorgesehen, über welchen
Kühlflüssigkeit
aus den im Lagerschild 6, 6' verlaufenden Kühlkanälen 11 austritt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 3 und 4 weist der Lagerschild 6, 6' einen mäanderförmigen Kühlkanal 11 auf,
welcher einen einzelnen Zufluss 12 und Abfluss 13 aufweist.
Generell sind auch spiralförmige
Anordnungen von Kühlkanälen 11 denkbar.
Vorteilhafterweise ist die Struktur des jeweiligen Kühlkanals 11 wie
bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß den 3 und 4 derart ausgebildet, dass sich dieser über einen
möglichst
großen
Bereich des Lagerschilds 6, 6' erstreckt. Dadurch wird eine große wirksame
Fläche
zwischen dem Kühlmedium
und dem Material des Lagerschilds 6, 6' und damit eine
entsprechend hohe Wärmeleitung
erzielt, wodurch letztlich eine effiziente, gleichmäßige Kühlung des
gesamten Lagerschilds 6, 6' erzielt wird.
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Im vorliegenden Fall sind die Kühlkanäle 11 als
Fräskanäle in dem
aus Aluminium bestehenden Lagerschild 6, 6' ausgebildet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform
können
die Kühlkanäle 11 von
in den Lagerschilden 6, 6' verlaufenden Röhren gebildet sein. Die Röhren bestehen
dabei vorzugsweise aus Edelstahl. Insbesondere können die Röhren aus Chrom-Nickel-Stählen bestehen.
Derartig ausgebildete Röhren weisen
eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit
auf. Weiterhin zeichnen sich derartige Röhren durch eine gute Druckfestigkeit
aus. Weiterhin weisen die Röhren
glatte Oberflächen
auf, so dass diese unempfindlich gegen Verstopfungen sind. Schließlich sind
aus Chrom-Nickel-Stählen
bestehende Röhren
unempfindlich gegen abrasiv wirkende Partikel als Beimengungen in
der Kühlflüssigkeit.
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Die mit Röhren versehenen Lagerschilde 6, 6' sind bevorzugt
als Gussteile ausgebildet. Zur Herstellung derartiger Lagerschilde 6, 6' werden die Röhren in
die Gießformen
zur Erstellung der die Lagerschilde 6, 6' bildenden Gussteile
eingelegt.
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Mit den Kühlkanälen 11 erfolgt eine
unmittelbare Kühlung
der Lagerschilde 6, 6' des Elektromotors 1.
Der Gehäusemantel 8 und
der Stator 2 werden mittelbar durch Wärmeleitung von den Lagerschilden 6, 6' aus gekühlt.
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Durch die Wärmeübergänge bildenden Kontaktstellen
erfolgt eine gute Wärmeleitung
zwischen den Lagerschilden 6, 6' und dem Gehäusemantel 8. Dadurch
wird der Gehäusemantel 8 effizient über die in
den Kühlkanälen 11 der
Lagerschilde 6, 6' erzeugte
Kälte gekühlt. Da
der Gehäusemantel 8 selbst
aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit
besteht, ist eine gleichmäßige, gute
Kühlung
des Gehäusemantels 8 gewährleistet.
Der Kühleffekt
wird weiterhin dadurch noch verbessert, dass der Gehäusemantel 8 eine
möglichst
hohe Manteldicke aufweist. Beispielsweise kann durch Erhöhung der
Manteldicke des Gehäusemantels 8 von
3 mm, die bei gängigen Elektromotoren 1 üblich ist,
auf eine Manteldicke von etwa 5 mm die Wärmeleitfähigkeit des Gehäusemantel 8 signifikant
erhöht
werden, ohne dass das Gesamtgewicht des Elektromotors 1 nennenswert
erhöht
wird.
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Die Kühlung des Stators 2 erfolgt
durch die Schnittstelle zu dem Gehäusemantel 8. Da die Grenzfläche zwischen
dem Gehäusemantel 8 und dem
Stator 2 sehr groß ist
und zudem durch den Einpressvorgang des Stators 2 in den
Gehäusemantel 8 eine
enge Verbindung ohne Luftpolster zwischen diesen Einheiten gegeben
ist, ist die Wärmeleitfähigkeit zwischen
dem Gehäusemantel 8 und
dem Stator 2 groß und
der Kühleffekt
für den
Stator 2 entsprechend hoch.
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Zweckmäßigerweise kann der Wärmeübergang
zwischen dem Gehäusemantel 8 und
dem Stator 2 durch Einbringen einer Wärmeleitpaste 10 noch weiter
verbessert werden.
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Für
den Fall, dass der Stator 2 in den Gehäusemantel 8 eingegossen
wird, ist der Kühleffekt
für den
Stator 2 noch weiter verbessert, da dann direkte Kontaktstellen
zwischen dem Stator 2 und den Lagerschilden 6, 6' vorhanden sind.
Auch in diesem Fall können
prinzipiell die Wärmeübergänge an den
Kontaktstellen durch den Einsatz von Wärmeleitpaste 10 weiter
verbessert werden.
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5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Lagerschilds 6 mit einer Anordnung von Kühlkanälen 11.
In diesem Fall wird das Kühlmedium über den
Zufluss 12 in eine erste konzentrisch zur Bohrung 7 verlaufende,
von Kühlkanälen 11 gebildete Ringleitung
eingespeist. An dieser Ringleitung münden in radialer Richtung verlaufende
Kühlkanäle 11 aus,
die auf eine zweite konzentrisch zur Bohrung 7 verlaufende
Ringleitung bestehend aus weiteren Kühlkanälen 11 geführt sind.
Vorzugsweise bestehen die Kühlkanäle aus Röhren, wobei
die radial verlaufenden Kühlkanäle 11 an
die die Ringleitungen bildende Kühlkanäle 11 angeschweißt sind.
Das über den
Zufluss 12 in die innere Ringleitung eingespeiste Kühlmedium
gelangt über
die radial verlaufende Kühlkanäle 11 in
die äußere Ringleitung
und wird von dort über
den Abfluss 13 aus dem Lagerschild 6 herausgeführt.
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Bezugszeichenliste
- 1
- Elektromotor
- 2
- Stator
- 3
- Rotor
- 4
- Welle
- 5
- Lager
- 5'
- Lager
- 6
- Erstes
Lagerschild
- 6'
- Zweites
Lagerschild
- 7
- Bohrung
- 7'
- Bohrung
- 8
- Gehäusemantel
- 9
- Kontaktfläche
- 10
- Wärmeleitpaste
- 11
- Kühlkanäle
- 12
- Zufluss
- 13
- Abfluss