Dokumentenidentifikation |
DE19849573A1 11.05.2000 |
Titel |
Elektromotor mit Kühlung |
Anmelder |
Siemens AG, 80333 München, DE |
Erfinder |
Greubel, Klaus, Dipl.-Ing., 97616 Bad Neustadt, DE; Knauff, Axel, Dipl.-Ing., 97702 Münnerstadt, DE |
DE-Anmeldedatum |
27.10.1998 |
DE-Aktenzeichen |
19849573 |
Offenlegungstag |
11.05.2000 |
Veröffentlichungstag im Patentblatt |
11.05.2000 |
IPC-Hauptklasse |
H02K 9/02
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Zusammenfassung |
Elektromotor, mit einem Stator mit in einem Blechpaket eingebetteten Wicklungen und einem Rotor, insbesondere einer Werkzeugmaschine mit einer Motorspindel, wobei Stator und Rotor über einen dazwischenliegenden Luftspalt elektrodynamisch wechselwirken und wobei die dem Luftspalt abgewandte Seite des Stators wenigstens eine Kühlschicht (1, 2) aufweist, die mit mehreren Kühlkanälen (4) versehen ist, wobei mindestens zwei über und/oder nebeneinander angeordnete Kühlschichten (1, 2) vorgesehen sind, mit wenigstens zwei Kühlkreisläufen, wobei zumindest zwischen Kühlschichten (1, 2) getrennter Kühlkreisläufe eine thermisch isolierende Schicht (3) vorgesehen ist.
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Beschreibung[de] |
Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einem Stator
mit in einem Blechpaket eingebetteten Wicklungen und einem
Rotor, insbesondere eine Werkzeugmaschine mit einer
Motorspindel, wobei Stator und Rotor über einen
dazwischenliegenden Luftspalt elektrodynamisch wechselwirken und wobei die
dem Luftstrom abgewandte Seite des Stators wenigstens eine
Kühlschicht aufweist, die mit mehreren Kühlkanälen versehen
ist.
Bei derartigen Elektromotoren speziell Werkzeugmaschinen und
Motorspindeln werden als Hauptmotoren u. a. regelbare
Asynchrondrehstrommotoren eingesetzt, welche sehr hoch belastbar
sind und über einen weiten Regelbereich eine gleichbleibende
Leistung abgeben. Bei diesen Motorspindeln ist die
Temperaturstabilisierung des Hauptmotors besonders kritisch, da der
Hauptmotor selbst Bestandteil einer hochgenauen
Arbeitsspindel ist, so daß starke Temperaturschwankungen Ungenauigkeiten
durch Verformung des Spindelgehäuses verursachen würden.
Daher ist bei allen Motorspindeln für eine ausreichende
Fremdkühlung zu sorgen, die unabhängig vom Arbeitspunkt des Motors
stets die Verlustwärme ab führt und die Motortemperatur
unterhalb gewünschter Grenzen hält.
Aus der EP 0 415 138 A1 ist eine Motorspindel bekannt
geworden, bei der in eine Außenumfangsfläche eines den Stator
umgebenden, in seiner Form einem hohlen Kreiszylinder
entsprechenden Bereichs des eigentlichen Spindelgehäuses eine zur
Spindelachse konzentrische, in radialer Richtung nach außen
offene schraubenlinienförmige Nut eingearbeitet, welche
zusammen mit einem dünnwandigen gleichfalls hohlzylindrischen
und gegen die Außenumfangsfläche dieses
Spindelgehäusesbereichs anliegenden Mantel, welche die Nut abdeckt, einen den
Stator umschließenden schraubenlinienförmigen Kühlmittelkanal
bildet. In das eine axiale Ende dieses
schraubenlinienförmigen Kühlmittelkanals mündet eine Kühlmittelzufuhrleitung, in
das andere axiale Ende eine Kühlmittelabführleitung. Infolge
der beim Betrieb dieser Motorspindel im Motor entwickelten
Verlustwärme erwärmt sich das dem schraubenlinienförmigen
Kühlmittelkanal durchströmende Kühlmittel längs seines Weges
vom einen zum anderen axialen Ende dieses Kühlmittelkanals
stetig, seine Kühlwirkung nimmt also in Richtung der
Spindelachse stetig ab, so daß immer größere Teile der Verlustwärme
des Motors vor allem auf das Spindelgehäuse übergehen, was
gleichfalls die erwähnten nachteiligen Folgen für die
Maßgenauigkeit von auf der Werkzeugmaschine zu bearbeitenden
Werkstücken hat.
Bei einer Kühlmittel gekühlten Motorspindel nach der
EP 0 094 680 A1 ist ein zur Spindelachse konzentrischer
ringförmiger Hohlraum vorgesehen, welcher unmittelbar an das
Gehäuse der Motorspindel angrenzt und zwischen diesem und dem
Stator angeordnet ist. Dieser ringförmige Hohlraum
kommuniziert mit einem Kühlmitteleinlaß und einem Kühlmittelauslaß,
die beide der einen Stirnseite des Spindelgehäuses benachbart
sowie bezüglich der Spindelachse ungefähr auf ein und
demselben Radius angeordnet sind. In dem Kühlmittelauslaß mündet
ein zur Spindelachse parallel verlaufender
Kühlmittelauslaßkanal, welcher einerseits an einen Statorumfang angrenzt und
andererseits einen radialen Abstand vom Spindelgehäusemantel
innerhalb des Letzteren verläuft sowie im axialen Abstand von
demjenigen stirnseitigen Ende des ringförmigen Hohlraums
endet, welches der genannten Spindelgehäusestirnseite
gegenüberliegt. Auf diese Weise ergibt sich folgender
Kühlmittelverlauf:
Das Kühlmittel strömt über den Kühlmitteleinlaß in den
ringförmigen Hohlraum ein, durchströmt diesen dann in axialer
Richtung bis zum gegenüberliegenden stirnseitigen Ende des
ringförmigen Hohlraumes, worauf es in den
Kühlmittelauslaßkanal einströmt und die Motorspindel über den Kühlmittelauslaß
verläßt. Bei dieser bekannten kühlmittelgekühlten
Motorspindel soll also ein winkelmäßig nur verhältnismäßig kleiner
Sektor des ringförmigen Hohlraumes einen Kühlmittelkanal
bilden, und aufgrund der notwendigen Druckdifferenz zwischen dem
Kühlmitteleinlaß und Kühlmittelauslaß kann das Kühlmittel
auch nur diesen engen Sektor des ringförmigen Hohlraumes
durchströmen, und zwar in Richtung der Spindelachse, während
ein umströmter Stator in Umfangsrichtung wegen der Lage und
der Gestaltung des Kühlmittelauslasses ausgeschlossen ist.
Auch bei dieser bekannten kühlmittelgekühlten Motorspindel
läßt sich also nicht vermeiden, daß ein Teil der Verlustwärme
des Motors auf die Werkstückspindel auf das Spindelgehäuse
übergeht, was die erwähnten nachteiligen Folgen für die
Maßgenauigkeit von auf der Werkzeugmaschine zugearbeiteten
Werkstücken hat.
Aus der DE 43 11 431 C2 ist eine kühlmittelgekühlte
Motorspindel für eine Werkzeugmaschine bekannt, wobei die
Motorspindel eine Werkstückspindel und einen Drehstrommotor
aufweist, welcher einen die Werkstückspindel umgebenden, zu
letzteren konzentrischen und mit der Werkstückspindel
drehfest verbunden Rotor sowie einen den letzteren umgebenden und
zu diesem konzentrischen Stator besitzt, und mit einem den
Drehstrommotor aufnehmenden Spindelgehäuse, in dem die
Werkstückspindel um die Spindelachse drehbar gelagert ist, sowie
mit den Stator umschließenden Kühlmittelkanälen, die in
Ebenen senkrecht zur Spindelachse sowohl ein den Stator
zumindest überwiegend umschließender äußerer Kühlmittelkanal als
auch wenigstens ein in den Stator gleichfalls zumindest
überwiegend umschließender äußerer Kühlmittelkanal vorgesehen
sind, wobei zur Kühlung mittels in Umfangsrichtung strömenden
Kühlmittel der äußere Kühlmittelkanal in auf die Spindelachse
bezogener radialer Richtung außerhalb des inneren
Kühlmittelkanals liegt, und daß ein Kühlmitteleinlaß mit dem ersten
Ende des äußeren Kühlmittelkanals, das zweite Ende des äußeren
Kühlmittelkanals mit dem ersten Ende des inneren
Kühlmittelkanals und das zweite Ende des inneren Kühlmittelkanals mit
einem Kühlmittelauslaß verbunden ist.
Nachteilig bei dem zitierten Stand der Technik ist jeweils
unzureichende Entkopplung der äußeren und inneren
Kühlmittelkreisläufe.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, einen
durch Kühlmittel gekühlten Elektromotor, insbesondere für
eine Motorspindel einer Werkzeugmaschine zu schaffen, bei dem
die Verlustwärme keinen nennenswerten Einfluß insbesondere
thermische Dehnungen im oder am Stator verursacht. Außerdem
soll die anfallende Verlustwärme möglichst direkt von ihren
Entstehungsorten abgeführt werden.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß dadurch,
daß mindestens zwei über und/oder nebeneinander angeordnete
Kühlschichten vorgesehen sind, mit wenigstens zwei
Kühlkreisläufen, wobei zumindest zwischen Kühlschichten getrennter
Kühlkreisläufe eine thermisch isolierende Schicht vorgesehen
ist.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung von zwei oder mehreren
übereinander und/oder nebeneinander angeordneter getrennter
Kühlkreisläufe, die gegeneinander thermisch isoliert sind,
wird die Hauptwärme des die Verlustwärme erzeugenden
Aktivteils an den am nächsten angeordneten Kühlkreislaufs
abgeführt. Die zur Motoroberfläche hin angeordneten
Teilkühlkanäle dienen der Abfuhr der Restwärme. Somit wird die
Oberflächentemperatur auf einem niedrigeren Temperaturniveau
gehalten, ohne daß sich die abgegebene Wärme störend, d. h. über
eine Deformation des Elektromotors bemerkbar macht.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die
Kühlschichten im wesentlichen durch ein Strangpreßprofil
realisiert, wobei dazu vorzugsweise eine Aluminiumlegierung
verwendet wird. Dadurch läßt sich die Herstellung derartiger
Kühlschichten wirtschaftlich und ohne großen Zeitaufwand
realisieren. Eine Anpassung an dementsprechende Blechpaketlängen
eines Stators ist einfach möglich.
Damit auch die Wickelköpfe der in den Stator eingelegten
Wicklung ausreichend gekühlt werden; ist in einer weiteren
bevorzugten Ausführungsform zumindest die dem Stator
nächstliegende Kühlschicht axial über die Wickelköpfe gezogen und
bedarfsweise über eine wärmeleitende Vergußmasse mit den
Wickelköpfen verbunden. Damit ergibt sich ein ausreichender
Wärmefluß des Aktivteils und der Wicklungsköpfe zu der dem
Stator am nächstliegenden Kühlschicht. Sind die Kühlschichten an
unterschiedliche Kühlkreisläufe angeschlossen, ist es
vorteilhaft, zwischen den Kühlschichten thermische
Isolationsschichten auszubilden, um ein Wärmeübertrag von einem
Kühlmedium auf das andere zu vermeiden. Die thermische
Isolationsschicht kann aus einem Feststoff, einer Flüssigkeit oder
einem mit speziellem Gas gefüllten Hohlkörper bestehen.
Durch spezielle Ausbildung der Kühlkanäle in Form von
kreisförmigen, quaderförmigen oder auch kreis- und quaderförmigen
Kühlkanälen mit Längsrippen kann der Herstellungsprozeß bzw.
die Kühleffizienz gesteigert werden. Durch spezielle
Ausbildungen des Verlaufs der Kühlkanäle, wie z. B. mäander- oder
schraubenlinienförmig, wird eine Steigerung der Kühleffizienz
und eine Vergleichmäßigung der Oberflächentemperatur des
Elektromotors erreicht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die
Kühlschicht in mehrere axiale und/oder Umfangsrichtung des
Stators verlaufende Segmente unterteilt, die je nach Größe des
Elektromotors dem Stator angepaßt werden können. Es sind
völlig selbständige Segmente, so daß keine umfangreichen
Anschlußarbeiten der einzelnen Kühlschichten vorgenommen werden
müssen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform befinden sich
an den Stirnseiten des Stators Umlenkvorrichtungen der
Kühlkanäle, um einen vorzugsweise mäanderförmigen Verlauf des
Kühlmediums zu erreichen. Dabei ist es vorteilhaft, für das
Kühlmedium der inneren und äußeren Kühlschicht
entgegengesetzte Strömungsrichtungen festzulegen, um eine
Vergleichmäßigung der Oberflächentemperatur des Elektromotors zu
erreichen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die dem
Stator abgewandte äußere Kühlschicht als Gehäuseoberfläche
des Elektromotors ausgebildet, dabei sind vorzugsweise
Gehäuseanschlußteile oder Funktionsteile des Elektromotors
(Montageösen, Klemmenkasten etc.) bereits integriert.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung gemäß Merkmal der Unteransprüche wird im folgenden
anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der
Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 angeordnete Kühlschichten eines rotatorischen
Elektromotors,
Fig. 2 angeordnete Kühlschichten eines Linearmotors.
Fig. 1 zeigt radial angeordnete Kühlschichten 1, 2 bzw. eine
thermische Isolationsschichte 3 um ein nicht näher
dargestelltes Statorblech eines rotatorischen Elektromotors. Die
Gesamtheit dieser Schichten 1, 2, 3 ist ein- oder mehrstückig
in einem Strangpreßprofil oder anderen urformenden Verfahren
hergestellt.
Die Kühlkanäle 4 der einzelnen Kühlschichten 1, 2 sind
vorzugsweise kreisförmig ausgeführt und verlaufen im
wesentlichen parallel zur Motorachse 5. Vorzugsweise sind dabei die
Kühlkanäle 4 über ihre axiale Länge mit dem gleichen
Querschnitt beaufschlagt. Es sind aber auch durchaus
Querschnittsverengungen zur Kühlflußmengenregulierung an
thermischen Extrempunkten des Elektromotors denkbar. Außerdem
können die Querschnitte der Kühlkanäle 4 unterschiedliche
Querschnittsmuster aufweisen, so sind sternförmige, ovale,
quaderförmige oder andere querschnittsvergrößernde Formen
denkbar.
Ebenso ist der Verlauf der Kühlkanäle 4 vorzugsweise wendel-
oder schraubenförmig um das Statorblechpaket ausführbar. Bei
wendel- oder schraubenförmig verlaufenden Kühlkanälen 4 einer
Kühlschicht 1, 2 ist es vorteilhaft, wenn die wendel- oder
schraubenförmig verlaufenden Kühlkanäle 4 der radial weiter
außenliegenden Kühlschicht 2 entgegen der Vorzugsrichtung der
Kühlkanäle 4 der inneren Kühlschicht 1 verlaufen.
Die thermische Isolationsschichte 3 umfaßt einen Feststoff
oder einen mit einem Feststoff, einer Flüssigkeit oder einem
Gas gefüllten Hohlraum 6 oder eine Kombination dieser
Möglichkeiten. Bei Unterteilung der Isolationsschicht 3 in
mehrere Umfangsrichtung gesehenen kreissegmentartige Teile
sind die jeweils vorhandenen Hohlräume 6 vorzugsweise mit
einem, dem jeweiligen Einsatzgebiet des Elektromotors
angepaßten Isolierstoff versehen.
Fig. 2 zeigt Kühlschichten 1, 2 und eine Isolationsschichte 3,
die in einem Strangpreßteil geformt sind und sich
vorzugsweise für einen Linearmotor eignen. Die einzelnen Kühlschichten
1, 2 sind sowohl hier als auch in dem in Fig. 1 geschilderten
Anordnung bedarfsweise als autarke Kühlsysteme ausgeführt. Es
ist ebenfalls eine Reihenschaltung der Kühlschichten möglich.
Eine weitere Ausführungsform als Kombination der oben
geschilderten Anordnungen stellt ein Art Zwischenkühler
zwischen den jeweils in Reihe geschalteten Kühlschichten dar,
welche Zwischenkühler vorzugsweise außerhalb des
Elektromotors liegen.
Nicht näher dargestellte Umlenkmechanismen an den Stirnseiten
des Statorblechpakets ermöglichen einen mäanderförmigen
Verlauf des Kühlmediums über den Gehäuseumfang. Bei einer
sequentiellen Durchströmung der Kühlschichten wird
zweckmäßigerweise die Kühlschicht mit der geringsten Wärmeabfuhr
zuerst durchströmt.
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Anspruch[de] |
- 1. Elektromotor, mit einem Stator mit in einem Blechpaket
eingebetteten Wicklungen und einem Rotor, insbesondere einer
Werkzeugmaschine mit einer Motorspindel, wobei Stator und
Rotor über einen dazwischenliegenden Luftspalt elektrodynamisch
wechselwirken und wobei die dem Luftspalt abgewandten Seite
des Stators wenigstens eine Kühlschicht (1, 2) aufweist, die
mit mehreren Kühlkanälen (4) versehen ist, dadurch
gekennzeichnet, daß mindestens zwei über
und/oder nebeneinander angeordnete Kühlschichten vorgesehen
sind, mit wenigstens zwei Kühlkreisläufen, wobei zumindest
wischen Kühlschichten (1, 2) getrennter Kühlkreisläufe eine
thermisch isolierende Schicht (3) vorgesehen ist.
- 2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kühlschicht (1, 2) im
wesentlichen aus einem Strangpreßprofil, insbesondere aus einer
Aluminiumlegierung gebildet ist.
- 3. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß sich zumindest die dem Stator
nächstliegende Kühlschicht (1, 2) axial über die Wickelköpfe
erstreckt und bedarfsweise über eine wärmeleitende
Vergußmasse mit den Wickelköpfen verbunden ist.
- 4. Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die zwischen den Kühlschichten (1, 2) befindliche
thermische Isolationsschicht (3) einen Feststoff, eine Flüssigkeit,
ein Gas oder eine Kombination dieser Stoffe aufweist.
- 5. Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kühlkanäle (4) im Bereich des Blechpakets des Stators
zumindest einer Kühlschicht (1, 2) im wesentlichen axial
verlaufen.
- 6. Elektromotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens ein Kühlkanal (4) zumindest einer Kühlschicht (1, 2)
eine axial durchgehende außerhalb der Direktverbindung der
beiden Stirnseiten des Stators verlaufende Verbindung bildet
oder wendelförmig oder schraubenförmig ausgeführt ist.
- 7. Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die wärmeisolierenden Isolationsschichten (3)
entsprechend der Aufteilung der Kühlschichten (1, 2) in axiale
und/oder in Umfangsrichtung des Stators verlaufende Segmente
unterteilt sind.
- 8. Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß Umlenkvorrichtungen der Kühlkanäle (4) insbesondere in
und/oder an den Stirnseiten des Stators vorgesehen sind.
- 9. Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß zumindestens die dem Stator abgewandte Kühlschicht (1, 2)
als Gehäuseoberfläche des Elektromotors ausgebildet ist.
- 10. Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Querschnitt der einzelnen Kühl- (1, 2) und
Isolationsschichten (3) eine jeweils rotations- oder quaderförmige
Kontur aufweist.
- 11. Elektromotor nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindestens eine Kühlschicht
(1, 2) oder die Kombination mehrerer Kühlschichten (1, 2) mit
den zugehörigen Isolationsschichten (3) einstückig ausgeführt
ist.
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Patente PDF
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