DE102007020057A1

DE102007020057A1 - Linearmotor mit integrierter Kühlung

Info

Publication number: DE102007020057A1
Application number: DE200710020057
Authority: DE
Inventors: Mark Freudenberg; Michael Menhart
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2008-11-13
Also published as: WO2008132041A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Linearmotor mit einem Primärteil (1) und einem Sekundärteil, wobei das Primärteil (1) oder das Sekundärteil in einer Bewegungsrichtung (2) des Linearmotors bewegbar ist, wobei Primärteil (1) und Sekundärteil jeweils zumindest ein Blechpaket (3), welches aus mehreren geschichteten Einzelblechen (4) zusammengefügt ist, aufweisen und wobei der Linearmotor eine Kühlung (5) mit Kühlkanälen (6) aufweist und wobei die Einzelbleche (4) des Blechpakets (3) des Primärteils (1) und/oder des Sekundärteils derart ausgebildet sind, dass bei Zusammenfügen der Einzelbleche (4) zum Blechpaket (3) die Kühlkanäle (6) ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Linearmotor mit einem Primärteil und einem Sekundärteil, wobei das Primärteil oder das Sekundärteil in einer Bewegungsrichtung des Linearmotors bewegbar ist, wobei Primärteil und Sekundärteil jeweils zumindest ein Blechpaket, welches aus mehreren geschichteten Einzelblechen zusammengefügt ist, aufweisen und wobei der Linearmotor eine Kühlung mit Kühlkanälen aufweist.
Linearmotoren weisen ein Primärteil und ein Sekundärteil auf, wobei das Primärteil und das Sekundärteil Mittel zur Erzeugung und/oder Führung magnetischer Felder aufweisen. Das Primärteil ist das Teil, welches eine bestrombare Wicklung aufweist. Das Sekundärteil weist in der Regel Permanentmagnete auf, kann aber stattdessen auch eine bestrombare Wicklung aufweisen. Ferner besteht die Möglichkeit, dass das Primärteil zwei aktive Mittel zur Erzeugung magnetischer Felder aufweist, wie beispielsweise eine Wicklung und Permanentmagnete, wobei das Sekundärteil in diesem Fall frei von aktiven Mitteln zur Erzeugung magnetischer Felder ist und beispielsweise nur eine gezahnte Eisenreaktionsschiene aufweist.
Weiterhin weisen Linearmotoren in der Regel eine Kühlung auf, um die Verlustwärme, welche insbesondere in der Wicklung entsteht, aus dem Primärteil und/oder dem Sekundärteil entsprechend abzuführen. Insbesondere bei Direktantrieben, wie Linearmotoren oder auch Torquemotoren, muss die entstehende Verlustwärme möglichst effektiv abgeführt werden, um eine hohe Kraftdichte erzielen zu können.
Es ist bekannt, über das Blechpaket, welches das Primärteil und das Sekundärteil aufweisen, die Wärme an die Oberfläche, beispielsweise mittels einer Luftkühlung, oder zu Kühlelementen, wie beispielsweise an eine Wasserkühlung oder eine Kühl platte, abzuführen. Ferner besteht die Möglichkeit, die Wärme über ein Gehäuse des Linearmotors abzuführen.
Aus der DE 198 51 439 A1 ist eine elektrische Maschine mit einer Kühlung bekannt, wobei die elektrische Maschine einen Stator, welcher von einem Gehäuse umgeben ist, und eine mit dem Gehäuse in Verbindung stehende Kühlanordnung aufweist, wobei der Stator mit flüssigem Kühlmittel beaufschlagt ist. Dabei sind in den Stator Kühlkanäle oder Vertiefungen integriert, wobei die Kühlkanäle Kühlrohre aufweisen.
Aus der DE 101 31 119 A1 ist ein Elektromotor mit einer Kühlschlange bekannt, wobei die Kühlschlange am Primärteil befestigt ist, mäanderförmig aufgebaut ist und zumindest Teilstücke der Kühlschlange aus Kunststoffmaterial ausgebildet sind.
Nachteilig bei den bekannten Kühlsystemen ist, dass die Verlustwärme nicht direkt, sondern über zusätzliche Kühlelemente, abgeführt wird. Eine derartige Wärmeabfuhr ist ungünstig, da zwischen den verlustwärmebehafteten Motorteilen und der Kühlung ein Wärmewiderstand der Kühlsysteme, beispielsweise im Gehäuse, liegt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Linearmotor mit einer kompakten Bauweise und einer direkten Entwärmung der verlustwärmebehafteten Motorteile bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Der erfindungsgemäße Linearmotor weist ein Primärteil und ein Sekundärteil auf, wobei entweder das Primärteil oder das Sekundärteil in der Bewegungsrichtung des Linearmotors bewegbar ist.
Das Primärteil und das Sekundärteil weisen Mittel zur Erzeugung und/oder Führung magnetischer Felder auf. Das Primärteil ist das Teil, welches eine bestrombare ein- oder mehrphasige Wicklung aufweist. Das Sekundärteil weist in der Regel Permanentmagnete auf, kann aber stattdessen auch eine bestrombare Wicklung aufweisen. Ferner besteht die Möglichkeit, dass das Primärteil zwei aktive Mittel zur Erzeugung magnetischer Felder aufweist, wie beispielsweise eine Wicklung und Permanentmagnete, wobei das Sekundärteil in diesem Fall frei von aktiven Mitteln zur Erzeugung magnetischer Felder ist und beispielsweise nur eine gezahnte Eisenreaktionsschiene aufweist.
Vorzugsweise ist das Primärteil bewegbar ausgeführt. Das Sekundärteil bildet die Laufbahn für das Primärteil und ist entsprechend dem Verfahrweg des Primärteils plus der Länge des Primärteils ausgebildet. Daher ist das Primärteil wesentlich kürzer als das Sekundärteil ausgeführt, wodurch sich Kosteneinsparungen aufgrund der weniger benötigten Wicklung und/oder Permanentmagnete ergeben.
Weiterhin weisen Primärteil und Sekundärteil jeweils zumindest ein Blechpaket, welches aus mehreren geschichteten Einzelblechen zusammengefügt ist, auf.
Ferner weist der erfindungsgemäße Linearmotor eine Kühlung mit Kühlkanälen auf, wobei die Einzelbleche des Blechpakets des Primärteils und/oder des Sekundärteils derart ausgebildet sind, dass bei Zusammenfügen der Einzelbleche zum Blechpaket die Kühlkanäle ausgebildet sind. Erfindungsgemäß ist demnach der Blechschnitt der Einzelbleche so gestaltet, dass bereits eine oder mehrere entsprechende Aussparungen vorgesehen sind, wodurch die Kühlkanäle beim Paketieren der Einzelbleche zum Blechpaket entstehen.
Die Einzelbleche sind vorzugsweise mittels Stanzen hergestellt, wobei das Stanzwerkzeug die Geometrie des Blechschnitts und zugleich die Geometrie für eine oder mehrere Aussparungen zur Bildung eines Kühlkanals aufweist. Somit werden die Einzelbleche zusammen mit ihrem Anteil am Kühlkanal in einem Prozessschritt hergestellt.
Das Blechpaket weist eine integrierte Kühlung auf, wodurch eine direkte Entwärmung und sehr effiziente Kühlung des Linearmotors bereitgestellt werden kann. Es entfallen zusätzliche Komponenten, wie beispielsweise Kühlschlangen, Kühlrohre oder gekühlte Gehäusebestandteile, wodurch ein kostengünstiger und kompakter Linearmotor hergestellt werden kann.
Vorteilhafterweise sind die Einzelbleche derart ausgebildet, dass bei Zusammenfügen der Einzelbleche Kühlkanäle quer und/oder parallel zur Bewegungsrichtung des Linearmotors ausgebildet sind.
Sind die sich ergebenden Kühlkanäle nur quer oder nur parallel zur Bewegungsrichtung des Linearmotors ausgebildet, können die einzelnen zueinander im wesentlichen parallel verlaufenden Kühlkanäle mittels Verbindungsstücken an den Außenseiten des Blechpakets miteinander verbunden werden. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass alle Einzelbleche den gleichen Blechschnitt aufweisen, was kostengünstig und einfach herzustellen ist. Allerdings sind dann separate Verbindungsstücke notwendig.
Vorzugsweise sind die Einzelbleche jedoch so ausgebildet, dass Kühlkanäle vorhanden sind, welche quer und parallel zur Bewegungsrichtung des Linearmotors ausgebildet sind. Diese in verschiedenen Richtungen verlaufenden Kühlkanäle bilden gemeinsam die Kühlung des Primärteils bzw. des Sekundärteils. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass keine externen Verbindungsstücke notwendig sind und großflächige bzw. großvolumige im Blechpaket liegende Kühlkanäle möglich sind.
Um die Dichtheit eines Kühlkanals sicherzustellen und zu gewährleisten, weist der Kühlkanal eine Beschichtung auf. Insbesondere ist ein Kühlkanal im Blechpaket mit einem Dichtmittel beschichtet und gegen ein durchströmendes Kühlmittel abgedichtet. Das Dichtmittel ist zumindest zeitweise fließfähig, insbesondere bei Einbringen des Dichtmittels, und wird vor Einbringen des Kühlmittels in die Kühlkanäle in das Blechpaket eingebracht, wodurch eine Beschichtung ausgebildet wird. Insbesondere ist das Dichtmittel so ausgebildet, dass es gegen das Kühlmittel beständig ist.
Die Einzelbleche können mittels verschiedener Paketierverfahren zusammengefügt werden, wie beispielsweise Stanz-Paketieren, Stanz-Klebe-Paketieren, Schweiß-Paketieren oder Paketieren mit Nieten oder Schrauben.
Vorteilhafterweise sind die Einzelbleche mittels Backlack-Paketieren zum Blechpaket zusammengefügt. Backlack ist ein warmvernetzendes Epoxydharzsystem, welches bei vollständiger Vernetzung verklebt und elektrisch isoliert. Die Einzelbleche sind jeweils zumindest auf einer Seite mit Backlack beschichtet. Anschließend werden die Bleche auf eine Backvorrichtung gestapelt. Die Blechstapel werden unter Temperatur und Druck verbacken, wobei sich die Backlackschichten der Einzelbleche unter dem Druck unter dem Temperatureinfluss verbinden. Vorteilhaft ist, dass durch die Backlackbeschichtung der Einzelbleche zugleich eine Beschichtung bzw. eine Abdichtung der Kühlkanäle entsteht, so dass eine zusätzliche Beschichtung der Kühlkanäle nicht mehr notwendig ist. Ferner ist die Herstellung kostengünstig und es ergibt sich eine besonders hohe Klebefestigkeit zwischen den Einzelblechen.
Daneben bestehen verschiedene weitere Möglichkeiten, die Kühlkanäle zu beschichten und abzudichten. Beispielsweise können die Kühlkanäle durch elektrochemische Lackierverfahren beschichtet sein. Prinzipiell unterscheidet man zwischen anodischer (ATL) und kathodischer Elektrotauchlackierung (KTL). Das Lackiergut, d. h. das Blechpaket mit den integrierten Kühlkanälen, wird in einen elektrisch leitfähigen, wässrigen Tauchlack eingetaucht und zwischen Lackiergut, welches als Elektrode dient, und einer Gegenelektrode wird ein Gleichspannungsfeld angelegt. Es wird ein geschlossener, haftender Lackfilm erzeugt.
Die kathodische Tauchlackierung ist gut zur automatisierten Beschichtung geeignet. Es ist eine sehr umweltfreundliche Methode, da als Lösemittel heute überwiegend Wasser eingesetzt wird. Das Ergebnis der KTL ist eine sehr gleichmäßige Beschichtung von Metalloberflächen und Hohlräumen mit gleichmäßigen Schichtdicken und guten Oberflächenqualitäten.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Kühlkanäle mit einer Pulverbeschichtung zu versehen. Das Pulverbeschichten ist ein Beschichtungsverfahren, bei dem ein in der Regel elektrisch leitfähiger Werkstoff mit Pulverlacken beschichtet wird. Dabei wird das Pulver elektrostatisch oder tribostatisch auf den zu beschichtenden Untergrund aufgesprüht und anschließend eingebrannt. Typische Einbrenntemperaturen liegen zwischen 140 und 200°C und typische Pulverlacke beruhen auf Basis von beispielsweise Polyurethan, Epoxid- oder Polyesterharzen. Durch das Einbrennen wird eine dauerhafte und gleichmäßige Beschichtung erreicht. Auch besteht die Möglichkeit, die Kühlkanäle zu imprägnieren.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Blechpaket mit den integrierten Kühlkanälen einen Kühlmitteleinlass und -auslass auf. Dabei ist insbesondere an einem äußeren Einzelblech des Blechpakets sowohl der Kühlmitteleinlass als auch der Kühlmittelauslass angeordnet sind. Dadurch sind vorteilhaft Kühlmitteleinlass und -auslass auf einer Seite angeordnet, wodurch auch Kühlmittelbehälter oder Wärmetauscher kompakt auf einer Seite angeordnet werden können.
Als Kühlmittel können sämtliche zur Kühlung geeigneten Flüssigkeiten, wie beispielsweise Wasser, eingesetzt werden. Das eingesetzte Kühlmittel kann Kühlmittelzusätze aufweisen, um beispielsweise Korrosion an den Kühlkanälen im Blechpaket zu vermeiden.
Der erfindungsgemäße Linearmotor ist vorzugweise als permanentmagneterregter Synchron-Linearmotor ausgebildet. Es besteht aber auch die Möglichkeit rotatorisch ausgebildete e lektrische Maschinen, wie beispielsweise synchrone Direktantriebe, mit einer integrierten Kühlung auszustatten.
In der nachfolgenden Beschreibung werden weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei sind in einzelnen Varianten beschriebene Merkmale und Zusammenhänge grundsätzlich auf alle Ausführungsbeispiele übertragbar. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein erstes Primärteil für einen erfindungsgemäßen Linearmotor in einer Seitenansicht;
2 das Primärteil gemäß 1 in einer Draufsicht;
3 einen Ausschnitt aus einem zweiten Primärteil für einen erfindungsgemäßen Linearmotor;
4 der Ausschnitt gemäß 3 in einer perspektivischen Ansicht; und
5 der Ausschnitt gemäß 3 in einer perspektivischen Schnittdarstellung.
1 zeigt ein Primärteil 1 für einen erfindungsgemäßen Linearmotor (nicht gezeigt). Das Primärteil 1 weist eine bestrombare ein- oder mehrphasige Wicklung 9 auf. Das Primärteil 1 ist bewegbar ausgeführt, wobei mittels des Pfeils 2 die Bewegungsrichtung dargstellt ist. Das Primärteil 1 weist zumindest ein Blechpaket 3, welches aus mehreren geschichteten Einzelblechen zusammengefügt ist, auf. Die Einzelbleche sind dabei in die Zeichenebene hinein, d. h. quer zur Bewegungsrichtung 2, hintereinander geschichtet.
Ferner weist das Primärteil 1 eine Kühlung 5 mit Kühlkanälen 6 auf, wobei die Einzelbleche des Blechpakets 3 des Primärteils 1 derart ausgebildet sind, dass bei Zusammenfügen der Einzelbleche zum Blechpaket 3 die Kühlkanäle 6 ausgebildet sind. Der Blechschnitt der Einzelbleche so demnach gestaltet, dass bereits eine oder mehrere entsprechende Aussparungen, beispielsweise kreisrund, vorgesehen sind, wodurch die Kühlkanäle 6 beim Paketieren der Einzelbleche zum Blechpaket 3 entstehen. Die Aussparungen können dabei beliebige Formen, wie beispielsweise kreisrunde, ovale oder auch eckige Formen, aufweisen.
2 zeigt das Primärteil 1 gemäß 1 in einer Draufsicht. Gut zu erkennen ist, dass gemäß dieser Ausführungsform die sich ergebenden Kühlkanäle 6 nur quer zur Bewegungsrichtung 2 ausgebildet sind. Die einzelnen, im Wesentlichen zueinander parallel verlaufenden, Kühlkanäle 6 sind mittels der Verbindungsstücke 10 an den Außenseiten des Blechpakets 3 miteinander verbunden.
Weiterhin sind der Kühlmitteleinlass 7 und der Kühlmittelauslass 8 dargestellt. Dabei ist insbesondere an einem äußeren Einzelblech des Blechpakets 3 sowohl der Kühlmitteleinlass 7 als auch der Kühlmittelauslass 8 angeordnet.
Die Verbindungsstücke 10 sind durch Kleben an das Blechpaket 3 angebracht, wohingegen Kühlmitteleinlass 7 und -auslass 8 angeschraubt sind. Natürlich können die Verbindungsstücke 10 und Kühlmitteleinlass 7 und -auslass 8 mittels beliebiger Verbindungstechniken, wie beispielsweise Schrauben, Kleben, Nieten, Schweißen oder Löten angebracht sein.
3 zeigt einen Ausschnitt aus einem weiteren Primärteil 1 für einen erfindungsgemäßen Linearmotor (nicht gezeigt). Das Primärteil 1 entspricht im Wesentlichen dem Primärteil 1 gemäß 1. Allerdings zeigt der Ausschnitt, dass das Primärteil 1 gemäß 3 ein Blechpaket 3 mit einem Kühlkanal 6 aufweist, welcher sowohl quer als auch parallel zur Bewegungsrichtung 2 des Primärteils 1 verläuft.
4 zeigt den Ausschnitt gemäß 3 in einer perspektivischen Ansicht. In dieser Ansicht sind gut die Einzelbleche 4 des Blechpakets 3 zu erkennen. Die Einzelbleche 2 sind gestanzt und beim Stanzvorgang werden gleichzeitig Aussparungen ausgestanzt, welche beim Stanzpaketieren der Einzelbleche 4 zum Blechpaket 3 die Kühlkanäle 6 ergeben.
5 zeigt den Ausschnitt gemäß 3 in einer perspektivischen Schnittdarstellung. Gut zu sehen ist ein Kühlkanal 6, welcher in verschiedene Richtungen verläuft. Insbesondere verläuft der Kühlkanal 6 quer und parallel zur Bewegungsrichtung 2 des Primärteils 1. Durch derartige Kühlkanäle 6 entfallen externe Verbindungsstücke, wie beispielsweise in 2 gezeigt, wodurch ein sehr kompakter Aufbau des Primärteils 1 bzw. des Linearmotors (nicht gezeigt) möglich ist.
Der erfindungsgemäße Linearmotor weist eine integrierte Kühlung auf, wodurch eine direkte Entwärmung und sehr effiziente Kühlung des Linearmotors bereitgestellt werden kann. Es entfallen zusätzliche Komponenten, wie beispielsweise Kühlschlangen, Kühlrohre oder gekühlte Gehäusebestandteile, wodurch ein kostengünstiger und kompakter Linearmotor hergestellt werden kann. Da das Primärteil dasjenige Teil ist, welches eine Wicklung aufweist, in welcher die Verlustwärme hauptsächlich entsteht, weist insbesondere das Primärteil eine im Blechpaket integrierte Kühlung ohne zusätzliche Kühlrohre auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19851439 A1 [0005]
- DE 10131119 A1 [0006]

Claims

Linearmotor mit einem Primärteil (1) und einem Sekundärteil, wobei das Primärteil (1) oder das Sekundärteil in einer Bewegungsrichtung (2) des Linearmotors bewegbar ist, wobei Primärteil (1) und Sekundärteil jeweils zumindest ein Blechpaket (3), welches aus mehreren geschichteten Einzelblechen (4) zusammengefügt ist, aufweisen und wobei der Linearmotor eine Kühlung (5) mit Kühlkanälen (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelbleche (4) des Blechpakets (3) des Primärteils (1) und/oder des Sekundärteils derart ausgebildet sind, dass bei Zusammenfügen der Einzelbleche (4) zum Blechpaket (3) die Kühlkanäle (6) ausgebildet sind.
Linearmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelbleche (4) derart ausgebildet sind, dass bei Zusammenfügen der Einzelbleche (4) Kühlkanäle (6) quer und/oder parallel zur Bewegungsrichtung (2) des Linearmotors ausgebildet sind.
Linearmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (6) quer und parallel zur Bewegungsrichtung (2) des Linearmotors ausgebildet sind und gemeinsam die Kühlung (5) bilden.
Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelbleche (4) mittels Stanzen hergestellt sind, wobei ein Stanzwerkzeug eine Geometrie eines Blechschnitts und eine Geometrie für eine oder mehrere Aussparungen zur Bildung eines Kühlkanals aufweist.
Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelbleche (4) mittels Backlack-Paketieren zum Blechpaket (3) zusammengefügt sind.
Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (6) im Blechpaket (3) mit einem Dichtmittel beschichtet und gegen ein Kühlmittel abgedichtet sind.
Linearmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmittel zumindest zeitweise fließfähig ist, vor Einbringen eines Kühlmittels in die Kühlkanäle (6) eingebracht ist und gegen das Kühlmittel beständig ist.
Linearmotor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle mittels elektrochemischen Lackierverfahren, Pulverbeschichten, Tauchlackieren oder Imprägnieren abgedichtet und beschichtet sind.
Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an einem äußeren Einzelblech (4) des Blechpakets (3) ein Kühlmitteleinlass (7) und ein Kühlmittelauslass (8) angeordnet sind.
Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearmotor als permanentmagneterregter Synchron-Linearmotor ausgebildet ist.