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Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für einen Elektromotor mit einem den Stator umhüllenden Kühlmantel.
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Zur Wärmeabfuhr von Elektromotoren ist es bereits seit geraumer Zeit bekannt, den Stator mit einem Kühlmantel zu umhüllen, in welchem ein Kühlmittel geführt wird. Um eine gute Wärmeleitung zwischen der Wärmequelle im Stator und dem Kühlmantel sowie eine Übertragung des Drehmoments zum tragenden Bauteil zu ermöglichen, wird der Kühlmantel in der Regel durch einen Pressverbund mit dem Stator verbunden.
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Aus der
DE 198 28 406 A1 ist ein Elektromotor mit einem zwischen Gehäuse und Stator in Umfangsrichtung des Stators mäanderförmigen, axiale Kühlkanäle bildenden, selbstragenden Kühlmantel bekannt. Eine wärmeleitende Befestigung des Kühlmantels am Stator bzw. Gehäuse, als auch Umlenkvorrichtungen an den Stirnseiten des Blechpakets des Stators zur Führung eines Kühlmediums sowie Ein- und Auslassöffnungen zur Führung des Kühlmediums führen zu einer intensiven Stator- und Wickelkopfkühlung. Der Kühlmantel muss auf den Stator aufgeschrumpft oder aufgepresst werden, was die Fertigung aufwendig macht.
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Die
DE 10 2010 025 650 A1 zeigt eine Motorkühlvorrichtung mit einem zylindrischen Kühlmantel, der auf der Außenumfangsfläche des Stators angebracht ist. Der Kühlmantel ist beispielsweise durch einen Presssitz fest am Stator befestigt. Auf der Außenumfangsfläche des Kühlmantels ist ein Gehäuse durch Presssitz fest angebracht. Zur Vereinfachung des Zusammenbaus auf der Außenumfangsfläche des Kühlmantels kann das Gehäuse mit Spielsitz oder Übergangspassung befestigt werden.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Verbindung zwischen dem Kühlmantel und dem den Kühlmantel umschließenden Gehäuse auf unterschiedliche Arten auszuführen. Je nach Anwendungen kommen Spielpassungen oder Presspassungen zum Einsatz. Die Spielpassung kann durch Fertigungstoleranzen vorgegeben sein, um die Montage zu erleichtern. Ein großer Vorteil der Spielpassung ist, dass diese eine zerstörungsfreie Demontage des Elektromotors ermöglicht. Eine Spielpassung kann sich auch in Abhängigkeit der verwendeten Materialien für Stator und Kühlmantel durch Wärmedehnung infolge der im Betrieb herrschenden Temperaturen ergeben. Da die Mantelfläche des Kühlmantels ab einer gewissen axialen Länge nicht mehr glatt ausgeführt ist, sondern durch Stege oder andere Strömungsbarrieren das Kühlmittel in definierten Bahnen um die Zylindergeometrie geleitet wird, besteht der große Nachteil einer Spielpassung im sich ergebenden Leckagestrom zwischen den Kühlkanälen des Kühlmantels. Der Leckagestrom führt zu lokal reduzierten Strömungsgeschwindigkeiten, die einen Einbruch im lokalen Wärmeübergangskoeffizienten zur Folge haben. Hierdurch bilden sich stark ausgeprägte Hot Spots, welche zur lokalen Überhitzung des Elektromotors führen.
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Bei Realisierung einer Presspassung zwischen Kühlmantel und Gehäuse, kann sich kein signifikanter Leckagestrom zwischen den Kühlkanälen ergeben. Ein weiterer Vorteil einer Presspassung besteht darin, dass eine gute thermische Ankopplung des Kühlmantels an das umgebende Gehäuse gewährleistet ist. Nachteilig bei der Presspassungslösung ist, dass die Bauteile nur thermisch fügbar sind und dementsprechend auch nicht zerstörungsfrei demontiert werden können. Ein weiterer Nachteil von Presspassungen ist deren enormer Fertigungsaufwand, da derartige Passungen sehr genau ausgeführt werden müssen, was entsprechend hohe Kosten mit sich bringt. Bei Anwendungsfällen in denen der Elektromotor nicht in einem Gehäuse integriert ist und daher der Kühlmantel anstatt des Gehäuses das tragende Bauteil darstellt, kann eine Umhüllung des Kühlmantels mittels einer Presspassung ausgeführt werden. Diese Verbindung verhindert den Leckagestrom ist aber wiederum nur thermisch fügbar.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Kühlvorrichtung für einen Elektromotor zur Verfügung zu stellen, welche eine einfache Montage sowie eine spätere Demontage des Elektromotors ermöglicht und gleichzeitig einen signifikanten Leckagestrom zwischen den Kühlkanälen verhindert.
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Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient eine Kühlvorrichtung nach Anspruch 1. Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung wird in einem Gehäuse montiert und umfasst einen den Stator umhüllenden Kühlmantel, welcher auf seiner Außenumfangsfläche mindestens einen Kühlkanal aufweist. Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass den Kühlmantel mindestens ein federndes Ringblech umhüllt, wobei der Innendurchmesser des Ringblechs geringfügig kleiner als der Außendurchmesser des Kühlmantels ist, um sich in einer Presspassung an den Kühlmantel anzulegen.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist darin zu sehen, dass durch Verwendung einer zusätzlichen Umhüllung in Form von mindestens einem Ringblech aus elastisch verformbarem bzw. federndem Material ein kompaktes und leckagefreies System zur Verfügung gestellt werden kann, welches sich als Einheit in ein Gehäuse integrieren lässt. Durch die erfindungsgemäße Lösung kann auf die bislang zur Erzielung eines leckagefreien Systems erforderliche thermisch hergestellte Presspassung zwischen Gehäuse und Kühlmantel verzichtet werden. Das bzw. die verwendeten Ringbleche lassen sich wesentlich aufwandsarmer fertigen und montieren. Der Innendurchmesser der Ringbleche ist im entspannten Zustand kleiner als der Außendurchmesser des Kühlmantels. Für eine leichte Montage können die Ringbleche während der Montage federnd geweitet und dann in ihrer gewünschten Position fixiert werden. Hierdurch stellt sich eine Vorspannung ein, welche die Ringbleche fest an den Kühlmantel anpresst. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine zerstörungsfreie Demontage des Elektromotors aus dem Gehäuse, da die Ringbleche ohne weiteres wieder geweitet und entfernt werden können.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist auch in den Raum zwischen Gehäuse und Ringblech Kühlmittel eingebracht. Auf diese Weise wird eine gute thermische Ankopplung an das Gehäuse ermöglicht.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird das Ringblech zur Vermeidung eines Öffnungsschlitzes mit seinen Enden in Umfangsrichtung überlappend am Kühlmantel angebracht. In diesem Zusammenhang hat sich die Verwendung einer mechanischen Spannvorrichtung zum Spannen des Ringblechs als vorteilhaft erwiesen. Durch die mechanische Spannvorrichtung wird eine zusätzliche Vorspannung auf das umhüllende Ringblech gegeben. Für diese Spannvorrichtung muss ein entsprechender Bauraum im Gehäuse vorgesehen werden. Indem der Raum zwischen Gehäuse, Spannvorrichtung und Ringblech mit Kühlmittel gefüllt ist, wird eine thermische Anbindung an das Gehäuse ermöglicht. Die gewünschte Spannung im Ringblech kann aber auch aufgrund der diesem innewohnenden Federkraft aufrechterhalten werden.
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Weiterhin ist es zweckmäßig, in das Ringblech Durchgangsbohrungen einzubringen. Diese Durchgangsbohrungen dienen aufgrund der hindurch tretenden Kühlflüssigkeit ebenfalls der verbesserten thermischen Ankopplung an das Gehäuse.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Kühlvorrichtung vier Ringbleche. Es können natürlich auch mehr bzw. weniger als vier Ringbleche verwendet werden.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform verwendet einen als Helix ausgebildeten Kühlkanal. Bei dieser Ausführungsform ist insbesondere darauf zu achten, dass die Ringbleche im am Kühlmantel montierten Zustand einen überlappenden Abschnitt besitzen, da sich sonst ein Leckagestrom zwischen benachbarten Abschnitten des schraubenlinienförmigen Kühlkanals bilden könnte.
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Nach einer alternativen Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung eine Vielzahl von Kühlkanalstegen und zwischen diesen verlaufende Kühlkanäle auf, wobei die Kühlkanäle (07) zur Förderung von Kühlmittel zwischen den Kühlkanälen (07) miteinander verbunden sind. Hierzu weist jeder Kühlkanalsteg in Umfangsrichtung zumindest eine Unterbrechung auf. Bei dieser Ausführungsform kann das Ringblech einen Öffnungsschlitz aufweisen. Dieser Öffnungsschlitz dient zunächst zur Ermöglichung der Aufweitung des Ringblechs während der Montage und ebenfalls zur Realisierung der thermischen Ankopplung an das Gehäuse, welche dadurch ermöglicht wird, dass das Ringblech auch im montierten Zustand nicht vollständig geschlossen ist und der Raum zwischen dem Ringblech und dem Gehäuse mit Kühlmittel gefüllt ist. Durch den Öffnungsschlitz im Ringblech kann das Kühlmittel strömen. Die Öffnungsschlitze der Ringbleche sind vorzugsweise über den Kühlkanalstegen angeordnet. Damit werden unerwünschte Leckageströme in radialer Richtung vermieden. Die Unterbrechungen in den Kühlkanalstegen dienen zur Förderung des Kühlmittels zwischen den Kühlkanälen. Die Öffnungsschlitze der äußeren Ringbleche sind so verschoben, dass die Anbindung radial angebrachter Zu- und Ablaufstutzen, über welche das Kühlmittel zu- bzw. abfließt, ermöglicht wird.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1: eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung in einer Längsschnittansicht;
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2: ein Ringblech in einer perspektivischen Ansicht;
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3: eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung in einer Längsschnittansicht.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 01 in einer Längsschnittansicht. Die Kühlvorrichtung 01 ist in einem Gehäuse 02 montiert, welches hier nur durch die Schraffur angedeutet ist. Die Kühlvorrichtung 01 umfasst einen Kühlmantel 03, welcher auf der Außenumfangsfläche eines Stators 04 eines Elektromotors ausgebildet ist.
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Der Kühlmantel 03 weist an seiner Außenumfangsfläche eine Vielzahl von vorzugsweise parallel verlaufenden Kühlkanalstegen 05 auf. Zwischen den Kühlkanalstegen 05 verbleiben nutförmige Kühlkanäle 07, die sich umfangsseitig an der Außenumfangsfläche erstrecken. Die Kühlkanalstege 05 weisen Unterbrechungen auf, um einen Durchfluss von Kühlmittel zwischen den benachbarten Kühlkanälen 07 zu ermöglichen
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Den Kühlmantel 03 umhüllen bei der hier gezeigten Ausführungsform vier Ringbleche 08, 09 aus federndem, gut wärmeleitendem Material. Es können natürlich auch mehr bzw. weniger Ringbleche verwendet werden. In axialer Richtung grenzen die Ringbleche aneinander an, sodass zwischen ihnen kein Kühlmittel hindurch tritt. Die Grenzlinien zwischen den benachbarten Ringblechen verlaufen vorzugsweise auf einem der Kühlkanalstege 05, wodurch gleichzeitig eine Dichtung realisiert ist. Der Innendurchmesser der Ringbleche 08, 09 ist im entspannten Zustand geringfügig kleiner als der Außendurchmesser der Kühlkanalstege 05. Die Ringbleche 08, 09 können zur Montage geweitet und durch Entspannen in ihrer Position fixiert werden. Auf diese Weise wird eine Vorspannung erreicht, welche dafür sorgt, dass die Ringbleche 08, 09 fest an die Kühlkanalstege 05 angepresst werden. Der ggf. verbleibende Raum bzw. Spalt zwischen den Ringblechen 08, 09 und dem Gehäuse 02 ist mit Kühlmittel gefüllt, welches in bevorzugten Ausführungen mit dem Kühlmittel in den Kühlkanälen 07 kommuniziert.
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Wie 2, welche ein Ringblech 08, 09 in einer perspektivischen Ansicht zeigt, entnommen werden kann, sind die Ringbleche 08, 09 bei der gezeigten Ausführungsform nicht vollständig geschlossen, sondern weisen einen Öffnungsschlitz 10 auf. Dadurch kann auf einfache Art und Weise eine thermische Ankopplung an das Gehäuse 02 realisiert werden, da der Spalt zwischen den Ringblechen 08, 09 und dem Gehäuse 02 ebenfalls mit Kühlmittel gefüllt ist und das Strömen des Kühlmittels bis in den Spalt zwischen Gehäuse und Ringblech ermöglicht.
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Bei der in 1 gezeigten Ausführung sind die beiden mittleren Ringbleche 09 so auf dem Kühlmantel 03 angeordnet, dass sich ihre Öffnungsschlitze 10 über den Kühlkanalstegen 05 befinden. Der Längsschnitt verläuft in dem Bereich, in welchem die mittleren Kühlkanalstege 05 unterbrochen sind, um ein Strömen des Kühlmittels von den linken Kühlkanälen 07 zu den rechten Kühlkanälen 07 zu ermöglichen. Die Ringbleche 09 decken die Verbindungsbereiche zwischen den benachbarten Kühlkanälen 05 ab, um eine gezielte Strömung zwischen den Kühlkanälen 07 zu gestatten. Die Öffnungsschlitze 10 der beiden äußeren Ringbleche 08 sind in Umfangsrichtung verschoben platziert, um die Anbindung von radial anzubringenden Zulauf- und Ablaufstutzen (nicht dargestellt) zu erleichtern.
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Das Kühlmittel wird über einen Zulaufstutzen in die Kühlkanäle 07, welche sich im Bereich eines der beiden äußeren Ringbleche 08 befinden eingeleitet. Über die Unterbrechungen zwischen den Kühlkanälen 07 gelangt es schließlich über die Kühlkanäle 07, welche sich im Bereich der mittleren Ringbleche 09 befinden, bis zu den Kühlkanälen 07, welche sich im Bereich des anderen der beiden äußeren Ringbleche 08 befinden und fließt schließlich durch den Ablaufstutzen nach Draußen. Als Kühlmittel wird vorzugsweise eine Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser oder Öl verwendet.
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Der Kühlmantel 03 weist an seinen Enden jeweils eine umlaufende Ausnehmung 12 auf, welche zur Aufnahme eines zur Abdichtung dienenden O-Ringes dient.
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3 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung in einer Längsschnittansicht. Bei dieser alternativen Ausführung wird lediglich ein einziges Ringblech 08 zur Umhüllung des Kühlmantels 03 verwendet. Zur thermischen Ankopplung an das Gehäuse 02 können Durchgangsbohrungen 13 oder andere Öffnungen in das Ringblech 08 eingebracht werden.
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Hierdurch erfolgt die thermische Ankopplung nicht mehr ausschließlich über den Öffnungsschlitz 10. Derartige Öffnungen können natürlich auch bei der in 1 gezeigten Ausführungsform, welche vier Ringbleche 08, 09 verwendet, in die einzelnen Ringbleche 08, 09 eingebracht werden.
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Bei anderen Ausführungsformen können Öffnungsschlitze 10 vermieden werden, indem die Ringbleche 08, 09 überlappend am Kühlmantel 03 angebracht werden. Durch die Verwendung einer mechanischen Spannvorrichtung kann bei diesen Ausführungsformen eine zusätzliche Vorspannung auf die umhüllenden Ringbleche 08, 09 gegeben werden. Für diese Spannvorrichtung muss ein entsprechender Bauraum im Gehäuse 02 vorgesehen werden. Eine thermische Anbindung an das Gehäuse 02 wird auch bei diesen Ausführungen dadurch ermöglicht, dass der Raum zwischen Gehäuse 02, Spannvorrichtung und Ringblechen 08, 09 mit Kühlmittel gefüllt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Kühlvorrichtung
- 02
- Gehäuse
- 03
- Kühlmantel
- 04
- Stator
- 05
- Kühlkanalstege
- 06
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- 07
- Kühlkanäle
- 08
- (äußeres) Ringblech
- 09
- mittleres Ringblech
- 10
- Öffnungsschlitz
- 11
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- 12
- Ausnehmung
- 13
- Durchgangsbohrung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19828406 A1 [0003]
- DE 102010025650 A1 [0004]