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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
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.

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.


Anspruch[de]
  1. 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. 2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlschicht (1, 2) im wesentlichen aus einem Strangpreßprofil, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung gebildet ist.
  3. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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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