DE102009053988A1

DE102009053988A1 - Elektrische Maschine

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Publication number: DE102009053988A1
Application number: DE102009053988A
Authority: DE
Inventors: Thomas Bauer; Norbert Eckmayer; Jutta Dipl.-Ing. Kinder
Original assignee: ATB TECHNOLOGIES GmbH
Current assignee: Thien Edrives At GmbH
Priority date: 2009-11-23
Filing date: 2009-11-23
Publication date: 2011-05-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer in einem Gehäuse (5) aufgenommenen Welle, die über eine Rotor-Stator-Anordnung antreibbar ist, wobei mit einem an der Welle vorhandenen Förderelement bei Drehung der Welle im Betrieb ein Kühlmediumstrom erzeugbar ist, wobei Kühlmedium zur Kühlung des Motors durch innerhalb des Gehäuses (5) der elektrischen Maschine liegende Führungsabschnitte für das Kühlmedium geführt wird. Erfindungsgemäß sind Leitmittel für das Kühlmedium vorhanden, welche das Kühlmedium nach dem Passieren der Rotor-Stator-Anordnung in einen bezüglich einer Längsachse der elektrischen Maschine radial weiter innen liegenden Bereich führen, bevor das Kühlmedium in einem radial weiter außen liegenden Bereich gelangt.

Description

Stand der Technik
Elektrische Maschinen wie Motoren oder Generatoren kommen in nahezu allen technischen Gebieten zum Einsatz. Beispielsweise werden für Pumpenantriebe bürstenlose elektronisch kommutierte Motoren bzw. EC-Motoren verwendet, welche je nach Einsatzzweck unterschiedliche Baugrößen bzw. Bautypen umfassen. Bei stromdurchflossenen Elementen der Maschine, z. B. in Spulen einer Rotor-Stator-Anordnung der elektrischen Maschine, ist die damit verbundene Wärmeentwicklung bei der Konstruktion der Maschine zu beachten.
Um die im Betrieb einer elektrischen Maschine entstehende Wärme abführen zu können, sind unterschiedliche Kühlkonzepte bekannt. Zum Beispiel die Kühlung mit einem Kühlmedienstrom, wobei beispielsweise Kühlluft an Gehäuseabschnitten der elektrischen Maschine über ein Lüfterrad zwangsweise vorbeigeführt wird, um Wärme vom Gehäuse an den Luftstrom zu übertragen und mit diesem abzuführen.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrische Maschine technisch und wirtschaftlich abgestimmt auf eine effektive Kühlung der elektrischen Maschine bzw. konstruktiv vorteilhaft bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch den Anspruch 1 gelöst.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung aufgezeigt.
Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine mit einer in einem Gehäuse aufgenommenen Welle, die über eine Rotor-Stator-Anordnung antreibbar ist, wobei die Rotor-Stator-Anordnung einen Rotor mit Permanentmagneten und einen Stator mit mindestens einer Spule umfasst und wobei mit einem an der Welle vorhandenen Förderelement bei Drehung der Welle im Betrieb ein Kühlmedienstrom erzeugbar ist, wobei Kühlmedium zur Kühlung der elektrischen Maschine durch innerhalb des Gehäuses der elektrische Maschine liegende Führungsabschnitte für das Kühlmedium geführt wird. Außen am Gehäuse ausgebildete Kühlrippen sind vorteilhaft nicht notwendig, was eine glatte Hüllfläche- bzw. Hüllform der Maschine ermöglicht. Der Kühlmedienstrom wird insbesondere kontinuierlich durch die Maschine geführt. Die Kühlung erfolgt durch Übertragung von Wärme auf das Kühlmedium, wobei dies über den Kontakt des Kühlmediums mit zu kühlenden Oberflächen der Bauteile der Maschine erfolgt. Die vom Kühlmedium aufgenommene Wärme wird mit dem Kühlmedium weitertransportiert und von der Maschine weggeführt. Das Kühlmedium kann grundsätzlich eine Flüssigkeit oder ein Gas z. B. Luft sein.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Antriebsysteme wie z. B. Motoren mit integrierter Elektronik bzw. bürstenlose elektronisch kommutierte Motoren.
Der wesentliche Aspekt der Erfindung liegt darin, dass Leitmittel für das Kühlmedium vorhanden sind, welche das Kühlmedium nach dem Passieren von Abschnitten der Rotor-Stator-Anordnung in einen bezüglich einer Längsachse der elektrischen Maschine radial weiter innen liegenden Bereich führen, bevor das Kühlmedium in einen radial weiter außen liegenden Bereich gelangt. Die Rotor-Stator-Anordnung kann insbesondere einen Umrichter umfassen.
Die Führungsabschnitte bzw. insbesondere deren mit dem Kühlmedium in Kontakt tretenden Oberflächen also z. B. Oberflächen von Kühlkanälen können glatt oder zur verbesserten Wärmeübertragung strukturiert ausgebildet sein, zum Beispiel mit Erhöhungen und/oder Vertiefungen versehen sein.
Damit ist es bei Maschinen, welche eine Kühlung nach dem Prinzip der Eigenventilation aufweisen, vorteilhaft möglich, bezüglich der Längsachse der elektrischen Maschine radial außen liegende Bereiche zu kühlen, bevor das Kühlmedium umgelenkt wird.
Das Führen des Kühlmediums radial nach innen ist insbesondere aus strömungstechnischen Betrachtungen vorteilhaft. Denn mit dem Führen des Kühlmediums in einen radial inneren Bereich bezogen auf die Längsachse der elektrischen Maschine können vorteilhafte Förderelemente eingesetzt werden. Das Förderelement kann grundsätzlich an verschiedenen Positionen an der Welle aufgenommen sein. Bei einer Vielzahl von Anwendungen ist das Kühlkonzept bzw. die realisierte Führung des Kühlmediumstroms in der elektrischen Maschine ein entscheidender Aspekt.
Das Förderelement kann zum Beispiel ein Lüfterrad sein, wenn das Kühlmedium Luft ist bzw. eine Pumpenrad, wenn es sich um Kühlflüssigkeit handelt. Wenn ausschließlich eine Luftkühlung verlangt wird, kann das Lüfterrad aus einem Kunststoff sein. Bei Anordnungen, bei denen Wärme aus der Welle abgeführt werden soll, kann das Lüfterrad aus einem metallischen Werkstoff bestehen und selbst als Kühlkörper dienen, zum Beispiel kann ein Aluminiumlüfterrad eingesetzt werden.
Der Kühlmedienstrom wird insbesondere über seine wesentliche Durchströmstrecke über der Länge der Maschine radial außen bezüglich der Längsachse geführt, bevor er nach innen in Richtung zur Längsachse strömt. So kann also z. B. erst auf den letzten wenigen Prozenten der Gesamtstrecke des Kühlmedienstroms bezüglich der Längsrichtung das Kühlmedium radial nach innen umgelenkt und dann aus der Maschine hinausgefördert werden. Das hat den Vorteil, dass in der Regel die radial außen liegenden Bereiche der elektrischen Maschine und insbesondere der Rotor-Stator-Anordnung sehr gut kühlbar sind, da hier die Wärmeübertragung vorteilhaft realisierbar ist. Dies hat unter anderem konstruktive Vorteile, da radial innenliegende Bereiche nicht ohne weiteres durchströmbar sind, z. B. weil man Bauteile kapseln bzw. nach außen abdichten möchte, z. B. um eine bestimmte Schutzklasse für einen gewünschten Einsatzzweck zu erhalten bzw. um die betreffenden Bereiche gegen Verschmutzung zu schützen.
Außerdem sind radial außen liegende Bereiche der Maschine häufig der Ort, wo im Betrieb die Wärme entsteht bzw. die nahe der Wärmeentstehungsorte liegen. Dort ist häufig insbesondere eine Spule bzw. Wicklung und ein dazugehöriges Blechpaket eines bestrombaren Stators der elektrischen Maschine positioniert. In den radial äußeren Bereichen kann daher die Wärmeabfuhr vorteilhaft erfolgen. So werden z. B. zum Wärmeentstehungsort benachbarte Teile nicht übermäßig erwärmt, was ansonsten durch Erwärmung passieren würde, wenn die Wärme auf dem Weg vom Wärmeentstehungsort bis in die vom Kühlmedium kontaktierten Bereiche zu überbrücken wären.
Bevorzugt ist das Kühlmedium über seine wesentliche Strömungsstrecke auf einem zumindest nahezu gleichbleibenden Radius zur Längsachse geführt, also ohne größere Um- bzw. Ablenkungen, was strömungstechnisch vorteilhaft ist aufgrund geringerer Strömungs- bzw. Druckverluste.
Mit der Umlenkung des Kühlmediums bezogen auf eine Längsachse der elektrischen Maschine radial nach weiter innen können vorteilhafterweise zumindest in diesem Bereich auch radial weiter innen liegende Bereiche effektiv gekühlt werden. Dies betrifft Abschnitte, die senkrecht, parallel oder schräg zur Längsachse ausgerichtet sind.
Nicht ausgeschlossen ist es, dass die Leitmittel derart vorhanden sind, dass das Kühlmedium mehrfach radial von außen nach innen und wieder nach außen usw. geführt wird, zum Beispiel durch Hintereinanderschaltung von zwei oder mehr entsprechenden Leitmitteln. Entlang der Längsachse könnte dann bei ausreichender Druckdifferenz z. B. ein mäanderartiger Verlauf des Kühlmediums realisiert werden.
Das Förderelement kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass sich die Strömungsrichtung des Kühlmediums durch die elektrische Maschine bei Umkehr der Drehrichtung des Förderelementes nicht ändert. Somit kann die elektrische Maschine bzw. der elektrisch kommutierte Motor drehrichtungsunabhängig verwendet werden, wobei jeweils eine optimale bzw. gleichbleibend hohe Kühlleistung bereitstellbar ist.
Bevorzugt ist die elektrische Maschine als elektronisch kommutierter Motor mit einer innerhalb des Gehäuses untergebrachten Elektronikeinheit zur Kontrolle der Rotor-Stator-Anordnung ausgebildet. Ein elektronisch kommutierter Motor, nachfolgend kurz als EC-Motor benannt, ist wartungsfreundlich bzw. weist aufgrund der bürstenlosen Ausführung keine daraus resultierenden Nachteile z. B. entsprechenden Verschmutzungen auf. Des Weiteren kann die Rotor-Stator-Anordnung problemlos gekapselt werden. Insgesamt ist damit eine hohe Schutzart des Motors möglich, insbesondere größer oder gleich IP 55 (IEC 60034-1).
Die Maschine kann so aufgebaut sein, dass sich z. B. ein erfindungsgemäßer EC-Motor mit niedrigen Betriebs- und Energiekosten, einer Drehzahlregelung und einer integrierten Steuerung realisieren lässt. Außerdem können Hüllmasse nach IEC 60034-1 bzw. können mechanische Schnittstellen nach IEC 60034-1 bereitgestellt werden.
Der erfindungsgemäße EC-Motor kann an Batteriespannung, Wechselspannung oder Drehspannung betrieben werden.
Leistungsbereiche des EC-Motors können weit variieren und insbesondere zwischen 90 Watt und 22 000 Watt liegen.
Der vorgeschlagene EC-Motor kann insbesondere für Anwendungen im Maschinen- und Apparatebau, bei Getriebeantrieben, bei Vakuum-Systemen, in der Medizintechnik, in der Reinraumtechnik, in der Automobilindustrie, in der Fahrzeugtechnik, in der Luft-, Heizungs- und Klimatechnik, in der Pumpen- und Dosiertechnik, in der Energietechnik oder in der Nahrungsmittelindustrie eingesetzt werden.
Vorteilhafterweise sind die Führungsabschnitte für das Kühlmedium derart vorhanden, dass der Kühlmediumstrom an Abschnitten zur Kühlung der Elektronikeinheit und anschließend an Abschnitten zur Kühlung der Rotor-Stator-Anordnung vorbeiführt. So können die Einheiten der elektrischen Maschine bzw. des EC-Motors, welche die wesentlichen Wärmequellen sind, effektiv gekühlt werden. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass das zunächst noch relativ kühle Kühlmedium an der bezüglich einer Temperaturerhöhung vergleichsweise empfindlichen Elektronikeinheit vorbeiströmt, bevor die Kühlung der Rotor-Stator-Anordnung erfolgt.
Insbesondere wird das Kühlmedium durch hohle Bereiche bzw. Bohrungen in einer jeweiligen radial außenliegenden bzw. gehäuseseitigen Ummantelung der Rotor-Stator-Anordnung und der Elektronikeinheit geführt. Die mit dem Kühlmedium in Kontakt stehenden Bereiche können mit benachbarten Abschnitten insbesondere wärmeleitend verbunden sein, so dass auch entfernt zu den Führungsabschnitten liegende und sich im Betrieb erwärmende Teile der elektrischen Maschine bzw. der Rotor-Stator-Anordnung und der Elektronikeinheit mit dem Kühlmedium abkühlbar sind.
Besonders vorteilhaft sind die innerhalb des Gehäuses liegenden Führungsabschnitte in der Art eines Doppelmantels realisiert. Dies ist konstruktiv vorteilhaft bzw. kompakt bauend und vergleichsweise günstig herstellbar. Mit den vom Kühlmittel durchströmten Bereichen im Doppelmantel kann vorteilhafterweise auf vergleichsweise schwierige Anpassungen oder Maßnahmen für weiter innen liegende Führungsabschnitte verzichtet werden. Außerdem kann über die Außenseite des Doppelmantels, also eine Gehäuseaußenseite, ein Anteil der abzuführenden Wärme von der elektrischen Maschine an das die elektrische Maschine umgebende Medium abgegeben werden. Die Wärme kann dabei von dem insbesondere bereits erwärmten Kühlmedium und/oder von benachbarten Abschnitten des Doppelmantels an die Gehäuseaußenseite gelangen.
Es ist zudem von Vorteil, wenn an einer Antriebseite des elektronisch kommutierten Motors die Welle für eine Kopplung mit einem anzutreibenden Element vorhanden ist, wobei das Förderelement zwischen der Antriebseite und der Rotor-Stator-Anordnung positioniert ist. Der Abschnitt der Welle kann an einer Antriebseite z. B. überstehen. Das Förderelement kann zwischen der Antriebseite und der Rotor-Stator-Anordnung positioniert sein und damit im Bereich einer Antriebseite benachbart bzw. beabstandet zu der Rotor-Stator-Anordnung positioniert werden. Das Förderelement könnte auch an anderer Stelle auf der Welle sitzen, was aus Konstruktions- bzw. Designgründen bzw. im Hinblick auf nötige Umlenkungen für das Kühlmedium mit mehr Umlenkungen verbunden wäre.
Über wenigstens eine Eintrittsöffnung auf einer der Antriebseite entgegengesetzt gelegenen Seite der Maschine kann Kühlmedium in den Motor gelangen. Dabei kann das Kühlmedium vorteilhaft axial bzw. zumindest nahezu parallel zur Längsachse der elektrischen Maschine in die Maschine einströmen bzw. angesaugt werden. Die Ansaugung wird durch die Rotation des Förderelements erreicht, das über die Führungsabschnitte mit der wenigstens einen Eintrittsöffnung verbunden ist.
Insbesondere radial außen im Bereich des Förderelementes ist mindestens eine Austrittsöffnung vorzusehen, durch welche das Kühlmedium vorzugsweise in radialer Richtung zur Längsachse des elektronisch kommutierten Motors aus dem Motor austritt. Dies ist im Hinblick auf die Ausgestaltung bzw. im Hinblick auf die Strömungsrichtung des Kühlmediums vorteilhaft.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Maschine ist das Förderelement derart ausgebildet, unabhängig von seiner Drehrichtung das Kühlmedium von dem bezüglich einer Längsachse der elektrischen Maschine radial weiter innen liegenden Bereich in einen radial weiter außen liegenden Bereich zu fördern. Das Strömungsverhalten des Kühlmediums stimmt damit für Links- und Rechtslauf überein, womit die Maschine völlig gleichwertig für entsprechende Anwendungen mit Links- und Rechtslauf einsetzbar ist.
Vorteilhafterweise weist das Förderelement einen scheibenförmigen Grundkörper mit in radialer Richtung längsgerichteten Stegen auf. Dies ist eine stabile und platzsparende Anordnung, insbesondere da das Förderelement in axialer Richtung zur Längsachse nur durch die Dicke des Grundkörpers und die axiale Erstreckung der Stege bestimmt ist.
Es ist überdies vorteilhaft, dass die Leitmittel einen zur Längsachse des Motors konzentrischen Ringabschnitt umfassen. Insbesondere ist der Ringabschnitt als geschlossener flacher Ringstreifen mit vergleichsweise geringer Dicke ausgebildet, dessen flächige Seiten senkrecht zur Längsachse der Maschine ausgerichtet sind. Grundsätzlich kann der Ringabschnitt z. B. aus strömungstechnischen Gründen auch profiliert bzw. mit Unterbrechungen ausgestaltet sein. Der konzentrische Ringabschnitt kann mit geringem Platz- und Materialaufwand in der Maschine untergebracht werden. Mit der vorgebbaren Ringbreite in radialer Richtung zur Längsachse ist auch festlegbar, wie weit das Kühlmittel von dem radial äußeren Bereich radial nach innen geführt wird. Dies ist bevorzugt bis zum halben Radius, also etwas bis zur Mitte zwischen der Maschinenmittel- bzw. -längsachse und der Außenseite der Maschine.
Die Leitmittel können fest positioniert oder mit der Welle verbunden bzw. mitrotierend angeordnet sein.
Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Leitmittel an dem Förderelement vorhanden sind, insbesondere an dem Förderelement nicht lösbar angebracht sind. Damit können an dem ohnehin notwendigen Förderelement, die Leitmittel aufgenommen sein. Beispielsweise kann der Ringabschnitt am Förderelement einheitlich bzw. einstückig mit dem Förderelement ausgebildet sein, zum Beispiel angegossen sein. Die Leitmittel bzw. der Ringabschnitt kann aber auch an dem Förderelement durch eine Klebe-, Schweiß- oder Lötverbindung angebracht sein. Die Leitmittel können auch angeschraubt, angeklipst oder auf andere lösbare Weise am Förderelement befestigt sein.
Vorteilhafterweise ist das Förderelement von der Antriebseite der elektrischen Maschine betrachtet vor einer antriebseitigen Lageranordnung der Welle positioniert. So kann die Maschine besonders platzsparend und montierfreundlich ausgebildet sein. Insbesondere kann im Bereich der antriebseitigen Lageranordnung besonders gut abgedichtet werden, z. B. mit einem Wellendichtring, so dass weiter innen liegende Bereiche in Längserstreckung der Maschine gekapselt bzw. dicht umschlossen ist. Die Montage und Demontage des Förderelements ist möglich, ohne die Lageranordnung bzw. die dichtenden Elemente entfernen zu müssen. Dies ist vorteilhaft für eine Einstufung der Maschine in eine hohe Schutzart IP ≥ 55 (IEC 60034-1). Insbesondere muss in der Elektronikeinheit kein Loch für die Durchführung der Welle vorgesehen werden.
Das Förderelement kann zumindest teilweise Bestandteil eines antriebseitigen Motorflansches sein, was deren einfache und separate Montage bzw. Demontage erlaubt. Das Förderelement kann getrennt zum Motorflansch oder daran fest integriert sein.
Um ein im Stillstand der Maschine freies Abfließen für eine Kühlflüssigkeit bzw. Kondenswasser bei Luftkühlung oder eine andere Flüssigkeit zu ermöglichen, können umfänglich am Gehäuse verteilt mehrerer Austrittsöffnungen vorhanden sein, so dass in allen möglichen Montagepositionen der Maschine eine Flüssigkeit abfließen bzw. bei nicht rotierendem Förderelement in der Maschine keine Flüssigkeit verbleiben kann.
Es ist auch von Vorteil, dass das Förderelement von einer Nichtantriebseite entfernt an der Welle vorhanden ist. Die Welle kann damit ohne Durchtritt auf der Nichtantriebseite vorgesehen werden. Bisher musste bei Positionierung des Förderelements auf der Nichtantriebseite die Welle durchtretend durch die Elektronikeinheit bzw. das nichtantriebseitige Gehäuse geführt werden, was nachteilig bzw. teuer ist. Die Elektronikeinheit muss hierzu z. B. mit einer Durchtrittsöffnung für die Welle versehen werden. Mit der vorgeschlagenen Anordnung wird zudem eine besonders vorteilhafte Konstruktion im Hinblick auf einen Sensor zur Erfassung der Drehstellung der Welle möglich.
Denn vorteilhafterweise ist eine im Innern der elektrischen Maschine liegende Stirnseite eines Endes der Welle beabstandet zur Elektronikeinheit positioniert. Dies ermöglicht es, den Sensor zur Erfassung der Drehstellung der Welle stirnseitig bzw. zentrisch an der Welle am inneren Wellenende zu positionieren. Der Sensor bzw. der Drehgeber kann berührungslos von der Seite an der Welle mit weiteren Sensorteilen an der Elektronikeinheit zur Ermittlung der Drehstellung der Welle zusammenwirken, was vorteilhaft ist. Der Sensor bzw. Drehgeber kann Permanentmagnete an der Wellenstirnseite und einen mit diesen zusammenarbeitenden Hall-Sensor umfassen, der an der Elektronikeinheit vorhanden ist. Der Sensor arbeitet vorteilhaft auch bei einer Kapselung der Elektronikeinheit, wenn zwischen dem stirnseitigen Wellenende mit den Permanentmagneten und der Elektronikeinheit mit dem Hall-Sensor ein Bauteil bzw. eine trennendes Element vorhanden ist.
Vorteilhafterweise ist ein Statorgehäuse für den Stator der Rotor-Stator-Anordnung vorhanden, wobei das Statorgehäuse einen Teil des Gehäuses der elektrischen Maschine bildet, in dem geschlossene Führungsabschnitte für das Kühlmedium ausgebildet sind. Damit lässt sich ein Doppelmantelkühlkonzept realisieren, unabhängig davon, ob sich das Gehäuse aus mehreren Gehäuseteilen zusammensetzt. Dies erhöht die Kompaktheit der Maschine.
Entsprechend ist es vorteilhaft, dass ein Elektronikgehäuse für die Elektronikeinheit vorgesehen ist, wobei das Elektronikgehäuse einen Teil des Gehäuses der elektrischen Maschine bildet, in dem geschlossene Führungsabschnitte für das Kühlmedium ausgebildet sind.
Das Elektronikgehäuse bzw. das Statorgehäuse kann weitere Teile umfassen, z. B. ein Lagerschild zwischen einem Außenring eines Lagers der Lageranordnung der Welle, die insbesondere über ein antriebseitiges und ein nichtantriebseitiges Lager drehgelagert ist.
Bevorzugt können die Lagerschilde zur Ableitung bzw. Abführung von Wärme aus der Rotor-Stator-Anordnung bzw. der Elektronikeinheit dienen, insbesondere wenn diese aus einem gut wärmeleitenden Stahl- oder Aluminiummaterial bestehen. Bevorzugt sind die Lagerschilde mit den Abschnitten wärmeleitend verbunden, in denen die Führungsabschnitte für die Durchleitung des Kühlmediums ausgebildet sind, die radial außen liegen. Die Bereiche mit den Führungsabschnitten sind ebenfalls aus sehr gut wärmeleitenden Materialien gebildet.
Figurenbeschreibung
Anhand eines vorteilhaften Ausführungsbeispieles des Erfindungsgegenstandes werden weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung erläutert. Im Einzelnen zeigt:
1 eine perspektivische Ansicht schräg von vorne auf einen erfindungsgemäßen EC-Motor,
2 eine Ansicht auf eine Antriebseite der Anordnung gemäß 1,
3 einen Längsschnitt durch den EC-Motor gemäß der Linie A-A aus 2,
4 eine Ansicht gemäß 1 auf den erfindungsgemäßen EC-Motor unter Weglassung eines Teils eines Lagerflansches,
5 eine perspektivische Ansicht schräg von vorne auf einen Antriebsflansch in Einzeldarstellung und
6 eine perspektivische Ansicht schräg von hinten auf den EC-Motor.
Der in den Figuren dargestellte erfindungsgemäße bürstenlose elektronisch kommutierte Motor, nachfolgend als EC-Motor 1 bezeichnet, ist insbesondere wartungsfrei ausgestaltet und in seiner Drehzahl regelbar, wobei die Steuerung im EC-Motor 1 integriert ist und eine Elektronikeinheit 2 umfasst.
Der EC-Motor 1 weist neben einer Welle 6 in seinem Inneren eine Elektromotoreinheit bzw. eine Rotor-Stator-Anordnung 3 auf und ein auf der Welle 6 drehfest aufgenommenes Lüftrad 4 zur Eigenventilation des EC-Motors 1. Ein für die Kühlluftführung als Doppelmantelgehäuse ausgebildetes Gehäuse 5 des EC-Motors 1 umfasst mehrere miteinander verschraubte Gehäuseteile bzw. -abschnitte 13, 14, 16, 22 und 32.
Die Eigenventilation dient neben der Kühlung der Rotor-Stator-Anordnung 3 insbesondere zur Kühlung der Steuerelektronik bzw. der Elektronikeinheit 2. Mit der antriebseitigen Anordnung des Lüfterrades 4, das bei Rotation unabhängig von seiner Drehrichtung immer die gleiche Strömungsrichtung für die Kühlluft durch das Doppelmantelgehäuse erzeugt, kann eine effektive Kühlung bei sehr platzsparendem Aufbau des EC-Motors 1 realisiert werden. Der Strömungsverlauf der Kühlluft durch den EC-Motor 1 ist mit Pfeilen P1 bis P4 schematisch angedeutet.
Kühl- bzw. Umgebungsluft wird in den EC-Motor 1 gemäß Pfeil P1 in 3 und 6 nichtantriebseitig axial eingesogen, wobei der Luftaustritt antriebseitig beim Lüfterrad 4 in radialer Richtung durch zwei gegenüberliegende streifenförmige Austrittsöffnungen 20 mit jeweils einer Gitterabdeckung 21 nach außen gemäß Pfeil P4 erfolgt. Ein Leitblech 23 bzw. Umlenkblech in Strömungsrichtung axial vor dem Lüfterrad 4 ermöglicht eine effektive Luftführung von radial außen liegenden Bereichen, bezogen auf eine Längsachse S des EC-Motors 1, radial nach innen und anschließend wieder nach außen gemäß Pfeil P3 (siehe 3).
Das Lüfterrad 4 ist an der Welle 6 vor einem antriebseitigen Lagerschild 22 und einem antriebseitigen Kugellager 7 montiert, die weiter innen auf der Welle 6 im EC-Motors 1 gelagert sind.
Durch die Wärmeabfuhr über den Kühlluftstrom wird die Elektronikeinheit 2 gekühlt, wobei ein nichtantriebseitiges Lagerschild 32 als Kühlkörper für die Elektronikkomponenten der Elektronikeinheit 2 dient. Die Elektronikeinheit 2 umfasst unter anderem ein Endstufen-Leistungsbauteil 33 und ein Gleichrichter-Modul 34, welche gesondert dargestellt sind und von denen auch mehrere vorhanden sein können. Außerdem ist eine Kabeldurchführung 35 zwischen Rotor-Stator-Anordnung 3 und Elektronikeinheit 2 vorhanden. Zur Drehpositionserfassung der Welle 6 ist ein Sensor zur Erfassung der Drehstellung der sich drehenden Welle 6 vorhanden. Der Sensor umfasst einen Drehgeber 38, der an einem innen im Gehäuse 5 liegenden Wellenende der Welle 6 auf einer Stirnseite 6a zentrisch positioniert ist, der mit Magneten an einem axial gegenüberliegenden Abschnitt an der Elektronikeinheit 2 zum Beispiel mit einem Hall-Sensor kontaktlos zusammenwirkt. Diese vorteilhafte Anordnung mit der nicht durch die Elektronikeinheit 2 durchgreifenden Welle 6 wird durch die vorgeschlagene Eigenventilation mit antriebseitigem Lüfterrad 4, wo die Welle innen vor der Elektronikeinheit endet, erst möglich.
Durch den Kühlluftstrom wird zudem ein Statorpaket 28 mit einer Statorwicklung 29 effektiv gekühlt, die sich bei Bestromung im Betrieb des EC-Motors 1 erwärmen.
Die Elektronikeinheit 2, die lediglich stark schematisiert gezeigt ist, und die Rotor-Stator-Anordnung 3 sind in geschlossenen Kammern bzw. nach außen dicht gekapselt innerhalb des Gehäuses 5 gegen Verschmutzung geschützt untergebracht und kommen insbesondere mit der Kühlluft nicht in direkten Kontakt.
An der über die beiden Kugellager 7, 8 drehbar aufgenommenen Welle 6 steht an einer Antriebseite 9 des EC-Motors 1 ein freier Wellenabschnitt 6a der Welle 6 über, der eine Kopplung mit einem anzutreibenden Element (nicht gezeigt) ermöglicht.
Für eine Befestigung des EC-Motors 1 an benachbarten Abschnitten ist auf der Antriebseite 9 ein antriebseitiger Flansch 10 vorgesehen, durch den die Welle 6 zentrisch durchgreift. Zur Verbindung des Flanschs 10 sind beispielhaft vier Rundbohrungen 11 zur Durchgreifung beispielsweise von Befestigungsschrauben vorgesehen.
Das Gehäuse 5 umfasst einen auf einer Nichtantriebseite 12 vorgesehenen Flansch 13, der einen Abschlussdeckel darstellt, und weitere bei Demontage trennbare Einheiten wie ein Elektronikgehäuse 14, ein Lagerschild 32, ein Statorgehäuse 16 und ein weiteres Lagerschild 22. Zum Verschrauben der Gehäuseteile bzw. dem Flansch 10 sind antriebseitige Befestigungsschrauben 30 und nicht antriebseitige Befestigungsschrauben 31 vorgesehen.
Die genannten Bauteile 13, 14, 16, 22 und 32, sind so ausgebildet, dass im zusammengebauten Zustand das Doppelmantelgehäuse mit einer innerhalb des Gehäuses 5 liegenden Führungsleitung 18 für die Kühlluftdurchleitung ausgebildet wird. Die innen liegenden Kanäle, welche die Führungsleitung 18 umfasst, können zur besseren Wärmeübertragung an das Kühlmedium mit Erhebungen oder dergleichen versehen sein.
Bei elektrisch angetriebener drehender Welle 6 wird durch Mitdrehen des Lüfterrads 4 unabhängig von der Drehrichtung der Welle 6 ein Kühlluftstrom durch den EC-Motors 1 gemäß der Pfeile P1 bis P4 geführt. Über Einlassöffnungen 19 im Flansch 13 wird die Kühlluft in die Führungsleitung 18 angesaugt, wobei eine Mehrzahl von Einlassöffnungen 19 radial außen liegend bezüglich der Längsachse S des EC-Motors 1 umfänglich verteilt am Flansch 13 stirnseitig vorhanden sind. Die über das Lüfterrad 4 in den EC-Motor 1 angesaugte Kühlluft wird beim Durchströmen des EC-Motors 1 durch Aufnahme von Wärme aus dem Innern des EC-Motors 1 erwärmt und dann radial nach außen geführt.
Wie insbesondere aus 3 ersichtlich, wird der Kühlluftstrom über einen wesentlichen Abschnitt der Gesamtlänge L des EC-Motors 1 mit gleich bleibendem radialen Abstand zur Längsachse S geführt. Hierbei wird abzuführende Wärme der im Betrieb sich erwärmenden Bauteile wie des Elektronikgehäuses 14, des Statorgehäuses 16, der Lagerschilde 22 und 32 nach außen geführt. Der Kühlluftstrom wird nach Vorbeiführen an dem Statorgehäuse 16 im Bereich des Lagerschildes 22 radial nach innen umgelenkt, was im Wesentlichen durch das Leitblech 23, welches am Lüfterrad 4 angeschraubt ist, bewirkt wird. Das Lüfterrad 4 weist an einem als flächige Lüfterradscheibe 4b ausgebildeten Grundkörper eine Vielzahl gleichartig ausgebildete und regelmäßig voneinander in Umfangsrichtung beabstandete Lüfterradrippen 4a auf, welche von radial innen Luft nach radial außen senkrecht zur Längsachse S fördern. Die Lüfterradrippen 4a stehen rippenartig in Richtung zur Führungsleitung 18 bzw. hin zum Lagerschild 22 vor.
Die dichte Kapselung der Rotor-Stator-Anordnung 3 umfasst einen wahlweise vorhandenen Wellendichtring 24 an der Welle 6 zwischen der Welle 6 und dem Lagerschild 22, womit ein Eindringen von Schmutz in den Bereich des Kugellagers 7 und damit in den Bereich der Rotor-Stator-Anordnung 3 verhindert. An der Rotor-Stator-Anordnung 3 sind Wuchtscheiben 25 vorgesehen, zwischen denen ein Rotorpaket 26 mit Permanentmagneten 27 positioniert ist. Radial weiter außen zum Rotorpaket 26 mit Permanentmagneten 27 liegt die ortsfeste Statoranordnung mit einem Statorpaket 28 samt Statorwicklung 29.
Das weitere Lagerschild 32, an welchem radial in einem wellennahen Bereich das Kugellager 8 aufgenommen ist, trennt die Rotor-Stator-Anordnung 3 von der Elektronikeinheit 2. Für eine Stromversorgung des EC-Motors 1 mittels Kabel sind außerdem Kabelverschraubungen 36 im Elektronikgehäuse 14 durchgreifend vorgesehen.
4 zeigt perspektivisch schräg von vorne den EC-Motor 1 ohne den Flansch 10. Des Weiteren ist auf einer Seite die Gitterabdeckung 21 ersichtlich ist.
Das Gehäuse 5 weist in Längsrichtung parallel zur Längsachse S an den Abschnitten des Elektronikgehäuses 14, des Lagerschildes 32, des Statorgehäuses 16 umfänglich verteilt vorhandene parallel ausgerichtete beispielsweise nur wenige Millimeter hohe Erhöhungen 37 auf, die jedoch auch entfallen können.
5 zeigt perspektivisch den Flansch 10 samt Welle 6 und Lüfterrad 4 in Einzeldarstellung von innen. Am Lüfterrad 4 sind in axialer Richtung hier beispielhaft zwanzig vorstehende stegartig geformte Lüfterradrippen 4a ausgebildet, die in ihrer Längserstreckung radial ausgerichtet und umfänglich regelmäßig voneinander beabstandet sind. Es können aber auch mehr oder weniger als zwanzig Lüfterradrippen 4a vorhanden sein. Die Ausrichtung und/oder Form der Lüfterradrippen können strömungsoptimiert bzw. anders als die dargestellten Lüfterradrippen 4a ausgebildet sein. In 5 ist beispielhaft nur eine Lüfterradrippe 4a mit einem Bezugszeichen versehen. Das Leitblech 23, das über angedeutete Schrauben 23a am Lüfterrad 4 angeschraubt ist oder z. B. aufgeklipst ist, erstreckt sich parallel zum Scheibenelement 4b über einen radial gleich bleibend breiten streifenförmigen bzw. ringstreifenförmigen Bereich, wobei sich die Lüfterradrippen 4a zwischen der Lüfterradscheibe 4b und dem Leitblech 23 befinden. Das Leitblech 23 deckt in radialer Richtung zur Längsachse S vom radial äußeren Rand der Lüfterradrippen 4a aus diese über deren etwa halbe Erstreckung in radialer Richtung ab. Zur radialen Abführung der Kühlluft tritt diese in den außenumfänglich offenen Zwischenbereichen zwischen den Lüfterradrippen 4a nach außen. Mit der gezeigten Ausbildung des Lüfterrades 4 und des Leitbleches 23 wird vorteilhaft erreicht, dass die radial eingezogene Kühlluft gemäß Pfeil P3 in 3 nach radial innen gezogen und von dort anschließend radial in etwa senkrecht zur Längsachse S nach außen durch die Austrittsöffnung 20 geführt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: EC-Motor
2: Elektronikeinheit
3: Rotor-Stator-Anordnung
4: Lüfterrad
4a: Lüfterradrippe
4b: Lüfterradscheibe
5: Gehäuse
6: Welle
6a: Stirnseite
7: Kugellager
8: Kugellager
9: Antriebseite
10: Flansch
11: Rundbohrung
12: Nichtantriebseite
13: Flansch
14: Elektronikgehäuse
15
16: Statorgehäuse
17
18: Führungsleitung
19: Einlassöffnung
20: Austrittsöffnung
21: Gitterabdeckung
22: Lagerschild
23: Leitblech
23a: Schraube
24: Wellendichtring
25: Wuchtscheibe
26: Rotorpaket
27: Permanentmagnet
28: Statorpaket
29: Statorwicklung
30: Befestigungsschraube
31: Befestigungsschraube
32: Lagerschild
33: Leistungsbauteil
34: Gleichrichter-Modul
35: Kabeldurchführung
36: Kabelverschraubung
37: Außenrippe
38: Drehgeber

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEC 60034-1 [0018]
IEC 60034-1 [0019]
IEC 60034-1 [0019]
IEC 60034-1 [0034]

Claims

Elektrische Maschine mit einer in einem Gehäuse aufgenommenen Welle (6), die über eine Rotor-Stator-Anordnung (3) antreibbar ist, wobei die Rotor-Stator-Anordnung (3) einen Rotor mit Permanentmagneten (27) und einen Stator mit mindestens einer Spule (29) umfasst und wobei mit einem an der Welle (6) vorhandenen Förderelement (4) bei Drehung der Welle (6) im Betrieb ein Kühlmedienstrom erzeugbar ist, wobei Kühlmedium zur Kühlung der elektrischen Maschine durch innerhalb des Gehäuses (5) der elektrische Maschine liegende Führungsabschnitte (18) für das Kühlmedium geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Leitmittel (23) für das Kühlmedium vorhanden sind, welche das Kühlmedium nach dem Passieren von Abschnitten der Rotor-Stator-Anordnung (3) in einen bezüglich einer Längsachse der elektrischen Maschine radial weiter innen liegenden Bereich führen, bevor das Kühlmedium in einen radial weiter außen liegenden Bereich gelangt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine als elektronisch kommutierter Motor (1) mit einer innerhalb des Gehäuses (5) untergebrachten Elektronikeinheit (2) zur Kontrolle der Rotor-Stator-Anordnung (3) ausgebildet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsabschnitte (18) für das Kühlmedium derart vorhanden sind, dass das Kühlmedium an Abschnitten zur Kühlung der Elektronikeinheit (2) und/oder der Rotor-Stator-Anordnung (3) vorbeiführt.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innerhalb des Gehäuses (5) liegenden Führungsabschnitte (18) in der Art eines Doppelmantels realisiert sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Antriebseite (9) des elektronisch kommutierten Motors (1) die Welle (6) für eine Kopplung mit einem anzutreibenden Element vorhanden ist, wobei das Förderelement (4) zwischen der Antriebseite (9) und der Rotor-Stator-Anordnung (3) positioniert ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderelement (4) derart ausgebildet ist, unabhängig von seiner Drehrichtung das Kühlmedium von dem bezüglich einer Längsachse der elektrischen Maschine radial weiter innen liegenden Bereich in einen radial weiter außen liegenden Bereich zu fördern.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderelement (4) einen scheibenförmigen Grundkörper (4b) mit in radialer Richtung längsgerichteten Stegen (4a) aufweist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitmittel (23) einen zur Längsachse des Motors konzentrischen Ringabschnitt umfassen.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitmittel (23) an dem Förderelement (4) vorhanden sind, insbesondere an dem Förderelement (4) nicht lösbar angebracht sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderelement (4) von der Antriebseite (9) der elektrischen Maschine betrachtet vor einer antriebseitigen Lageranordnung (7) der Welle (6) positioniert ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderelement (4) von einer Nichtantriebseite (12) entfernt an der Welle (6) vorhanden ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine im Innern der elektrischen Maschine liegende Stirnseite (6a) eines Endes der Welle (6) beabstandet zur Elektronikeinheit (2) positioniert ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Statorgehäuse (16) für den Stator der Rotor-Stator-Anordnung (3) vorhanden ist, wobei das Statorgehäuse (16) einen Teil des Gehäuses (5) der elektrischen Maschine bildet und geschlossene Führungsabschnitte (18) für das Kühlmedium aufweist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektronikgehäuse (14) für die Elektronikeinheit (2) vorgesehen ist, wobei das Elektronikgehäuse (14) einen Teil des Gehäuses (5) der elektrischen Maschine bildet und geschlossene Führungsabschnitte (18) für das Kühlmedium aufweist.