DE102011100980A1

DE102011100980A1 - Elektromotor

Info

Publication number: DE102011100980A1
Application number: DE102011100980A
Authority: DE
Inventors: James Ching Sik Lau; Xiao Jun Yang
Original assignee: Johnson Electric SA
Current assignee: Johnson Electric International AG
Priority date: 2010-05-13
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2012-05-16
Also published as: CN102244423A; CN102244423B; JP2011244686A; JP5783804B2; US9077230B2; US20110278970A1

Abstract

Ein Elektromotor hat einen Ständer und einen in dem Ständer drehbar gelagerten Läufer. Der Ständer hat einen Ständerkern und Ständerwicklungen.
Eine Wärmeableitungsvorrichtung ist um eine Außenfläche des Ständerkerns montiert und für die Absorption von davon abgestrahlter Wärme konfiguriert.
Die Wärmeableitungsvorrichtung hat eine um den Ständerkern montierte Basis und eine Vielzahl von Rippen, die sich in der radialen Richtung von der Basis nach außen erstrecken. Elektronische Komponenten sind an der Wärmeableitungsvorrichtung montiert. Ein Ventilator ist an einer Welle des Läufers montiert, um einen Luftstrom im Inneren des Ständers und durch Schlitze zwischen den Rippen zu erzeugen und dadurch den Läufer, den Ständerkern, die Ständerwicklungen und die elektronischen Komponenten zu kühlen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen Elektromotor und insbesondere einen Elektromotor mit einer Wärmeableitungsvorrichtung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Allgemein umfassen Elektrokleinmotoren wie beispielsweise PMDC-Motoren und elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren einen Ständer, einen in dem Ständer angeordneten Läufer und eine Schaltplatte, auf der eine Vielzahl von elektronischen Komponenten montiert ist. Die elektronischen Komponenten wie Leistungstransistoren erzeugen während des Betriebs des Motors Wärme. Normalerweise ist in dem Ständer eine zusätzliche Wärmeableitungsvorrichtung für die elektronischen Komponenten vorgesehen. Der Innenraum des Motors ist jedoch begrenzt, wodurch auch die Größe und die Kühlleistung der Wärmeableitungsvorrichtung begrenzt sind.
Es besteht daher der Wunsch nach einem Elektromotor mit einer verbesserten Wärmeableitungsvorrichtung für seine elektronischen Komponenten.
ÜBERSICHT DER ERFINDUNG
Demzufolge wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Elektromotor bereitgestellt, umfassend einen Ständer mit einem Ständerkern und Ständerwicklungen; einen in dem Ständer drehbar gelagerten Läufer mit einer Welle; eine um eine Außenfläche des Ständerkerns montierte, für die Absorption davon abgestrahlter Wärme konfigurierte Wärmeableitungsvorrichtung und elektronische Komponenten, die an der Wärmeableitungsvorrichtung montiert sind.
Vorzugsweise umfasst die Wärmeableitungsvorrichtung eine Basis, die um den Ständerkern montiert ist, und eine Vielzahl von Rippen, die sich von der Basis radial nach außen erstrecken.
Vorzugsweise ist an der Welle ein Ventilator montiert und ausgebildet für die Erzeugung eines Luftstroms durch das Innere des Ständerkerns und durch Schlitze zwischen den Rippen.
Vorzugsweise hat der Motor eine erste Endkappe an einem axialen Ende des Ständers, und der Ventilator ist angrenzend an eine Außenseite der ersten Endkappe angeordnet.
Vorzugsweise erstrecken sich dem Ventilator benachbarte Enden der Rippen axial über die erste Endkappe hinaus, um zwischen den Enden der Rippen und der ersten Endkappe einen Aufnahmeraum zu bilden, und der Ventilator befindet sich in diesem Aufnahmeraum.
Alternativ ist der Durchmesser des Ventilators größer als der Durchmesser der Basis der Wärmeableitungsvorrichtung, und der Ventilator ist axial von den Rippen beabstandet.
Vorzugsweise hat der Motor eine zweite Endkappe und eine Vielzahl von Verriegelungselementen zur Festlegung der Endkappe an dem Standerkern, wobei sich die Verriegelungselemente durch den Innenraum des Ständerkerns erstrecken.
Vorzugsweise hat der Motor eine Schaltplatte, mit der die elektronischen Komponenten verbunden sind.
Vorzugsweise umfassen die elektronischen Komponenten an der Wärmeableitungsvorrichtung montierte Transistoren, wobei Anschlussdrähte der Transistoren mit der Schaltplatte verbunden sind.
Vorzugsweise hat der Motor ein Gehäuse, das an der Außenfläche des Ständerkerns montiert ist, und die Wärmeableitungsvorrichtung ist an dem Gehäuse montiert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr anhand eines Beispiels beschrieben, wobei auf die Figuren der anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Figur erscheinen, tragen in sämtlichen Figuren, in denen sie erscheinen, die gleichen Bezugszeichen. Die Dimensionen von Komponenten und in den Figuren dargestellten Merkmalen sind allgemein im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Die Figuren sind im Folgenden aufgelistet.
1 ist eine isometrische Darstellung eines elektronisch kommutierten Elektrokleinmotors gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine axiale Schnittansicht des Motors von 1;
3 ist eine isometrische Darstellung eines ähnlichen Motors gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
4 ist eine axiale Schnittansicht eines ähnlichen Motors gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die 1 und 2 zeigen einen elektronisch kommutierten Elektrokleinmotor, der auch als bürstenloser Gleichstrommotor bekannt ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Begriff ”bürstenloser Gleichstrommotor” bezieht sich auf einen Motor, der keinen Kommutator hat und der für den Betrieb durch Gleichstrom ausgelegt ist, wobei Elektronik verwendet wird, um den zu den Motorwicklungen geleiteten Strom elektronisch zu kommutieren. Die Elektronik versorgt die Wicklungen mit einem gehackten Gleichstrom. Der in jüngster Zeit geprägte Begriff ”bürstenloser Wechselstrommotor” bezieht sich auf einen bürstenlosen Gleichstrommotor, bei dem der Strom, der durch die Elektronik zu den Motorwicklungen geleitet wird, sehr viel mehr als der gehackte Gleichstrom einer Sinuswellenform ähnelt. Jedoch umfasst der Begriff ”elektronisch kommutierter Motor” sowohl Wechselstrommotoren als auch Gleichstrommotoren, wohingegen der Begriff ”bürstenloser Wechselstrommotor” allgemein einen speziellen Typ oder eine Unterart des bürstenlosen Gleichstrommotors umfasst.
Der Motor hat einen Ständer 10 und einen Läufer 40, der relativ zu dem Ständer 10 drehbar ist und in dem Ständer angeordnet ist. Der Läufer 40 hat eine Welle 42, einen an der Welle 42 befestigten Läuferkern 44 und Magnete 46, die an der radial äußeren Fläche des Läuferkerns 44 befestigt sind. Der Ständer 10 hat einen Ständerkern 12 aus magnetischem Material wie zum Beispiel Eisen. Der Ständerkern 12 hat ein Joch 16 und eine Vielzahl von Zähnen, die sich von dem Joch nach innen erstrecken. Ständerwicklungen 14 sind um die Zähne herumgeführt.
Eine Wärmeableitungsvorrichtung 18 ist an der Außenfläche des Jochs 16 vorgesehen. Vorzugsweise umfasst die Wärmeableitungsvorrichtung 18 eine zylindrische Basis 182 und eine Vielzahl von in Abständen vorgesehenen Rippen 184, die sich radial und axial von der Außenfläche der Basis 182 erstrecken. Die Basis 182 ist an der Außenfläche des Jochs 16 montiert und hat an einem ihrer Enden ein Paar von axialen Vorsprüngen 186. Vorzugsweise ist die Basis 182 in einem Presssitz an dem Joch 16 befestigt.
Der Ständer 10 hat ferner zwei Endkappen 20, 22 und mehrere Verriegelungselemente 24 zur Festlegung der Endkappen 20, 22. Die Verriegelungselemente 24 erstrecken sich durch das Innere des Ständers. Vorzugsweise erstrecken sich die Verriegelungselemente 24 durch jeweilige Schlitze, die zwischen benachbarten Zähnen des Ständerkerns gebildet sind.
Der Motor hat ferner eine Schaltplatte 32 und eine Vielzahl von elektronischen Komponenten wie Leistungstransistoren 33, die mit der Schaltplatte 32 verbunden sind. Die Schaltplatte 32 ist der einen Endkappe 20 benachbart angeordnet und ist relativ zu dieser Endkappe festgelegt. Die Transistoren 33 sind an der Außenfläche der Vorsprünge 186 der Basis 182 der Wärmeableitungsvorrichtung 18 montiert, und Leitungsdrähte 34 der Transistoren 33 sind an der Schaltplatte 33 befestigt. Die Transistoren können beliebige geeignete Transistoren wie beispielsweise MOSFETs sein.
Die von den axialen Vorsprüngen 186 entfernten Enden der Rippen 184 erstrecken sich in axialer Richtung über die andere Endkappe 22 hinaus. Zwischen den Enden der Rippen 184 und der Endkappe 22 ist ein Aufnahmeraum gebildet. Ein Ventilator 48 ist an einem Ende der Welle 42 montiert und liegt in dem Aufnahmeraum. Vorzugsweise ist der Ventilator 48 ein Zentrifugalventilator mit mehreren Flügeln 49, die sich radial erstrecken. Wenn der Motor im Betrieb ist, bewegt sich der durch den Ventilator 48 erzeugte Luftstrom in die zwischen den benachbarten Zähnen des Ständers gebildeten Schlitze und in den Raum zwischen dem Ständer und dem Läufer und dann aus dem dem Ventilator 48 benachbarten Ende des Motors und durch den Luftströmungsdurchlass, der zwischen den Flügeln 49 des Ventilators 48 gebildet ist, um dadurch den Läuferkern 44, die Magnete 46 und die Ständerwicklungen 14 zu kühlen. Die aus dem Ventilator 48 austretende Luft strömt durch Schlitze, die zwischen den Enden der Rippen 184 gebildet sind, und transportiert die Wärme weg von den Rippen 184. Auf diese Weise wird die durch die Transistoren 33 erzeugte Wärme rasch zu der Wärmeableitungsvorrichtung 18 geleitet und dann an die Umgebung abgegeben. Die in dem Läuferkern erzeugte Wärme wird teilweise durch die Wärmeableitungsvorrichtung 18 abgeleitet.
Wahlweise kann die Luft in die entgegengesetzte Richtung strömen.
3 zeigt einen Elektromotor gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Der Elektromotor ist ähnlich jenem, der in 1 dargestellt ist. In dieser Ausführungsform jedoch sind die Schaltplatte 32 und die axialen Vorsprünge 186 der Wärmeableitungsvorrichtung 18 benachbart zu dem Ventilator 48. Auch ist der Durchmesser des Ventilators 48 größer als der der Basis 182 der Wärmeableitungsvorrichtung 18. Der Ventilator 48 ist an dem Ende der Welle 42 montiert und liegt außerhalb der Rippen 184. Wenn der Motor im Betrieb ist, bewegt sich der durch den Ventilator 48 erzeugte Luftstrom durch die zwischen den benachbarten Zähnen des Ständers gebildeten Schlitze und durch den Raum zwischen dem Ständer und dem Läufer und dann durch den Ventilator 48 aus dem Ende des Motors. Der Ventilator induziert auch einen Luftstrom zwischen den Rippen 184, wodurch der Läuferkern 44, die Magnete 46, der Ständerkern 12, die Ständerwicklungen 14 und die Transistoren 33 gekühlt werden.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist die Basis 182 der Wärmeableitungsvorrichtung 18 direkt an der Außenfläche des Ständerkerns 12 montiert.
4 zeigt eine alternative Anordnung, bei der ein Gehäuse 19 an der Außenfläche des Ständerkerns 12 und die Wärmeableitungsvorrichtung 18 an dem Gehäuse 19 montiert ist. Der Motor dieser dritten bevorzugten Ausführungsform ist ähnlich wie der Motor von 1, mit Ausnahme des zusätzlichen Gehäuses 19. Das Gehäuse 19 kann als Zusatzteil des Ständerkerns 12 betrachtet werden. Vorzugsweise ist das Gehäuse 19 thermisch und magnetisch leitend und bildet einen Teil des Wärmeweges zwischen dem Ständerkern und der Wärmeableitungsvorrichtung sowie einen Teil des Magnetflussweges des Ständers. Dies ist insbesondere nützlich, wenn der Ständerkern ein segmentierter Ständerkern ist.
Der Elektromotor der vorliegenden Erfindung eignet sich für Elektrowerkzeuge wie beispielsweise Bohrer.
Verben wie ”umfassen”, ”aufweisen”, ”enthalten” und ”haben” sowie deren Abwandlungen in der Beschreibung und in den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung sind in einem einschließenden Sinne zu verstehen. Sie geben an, dass das genannte Element vorhanden ist, schließen jedoch nicht aus, dass noch weitere Elemente vorhanden sind.
Wenngleich die Erfindung mit Bezug auf eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene Modifikationen möglich sind, weshalb der Schutzumfang der Erfindung durch die anliegenden Ansprüche definiert wird.
Wenngleich die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit elektronisch kommutierten Kleinmotoren beschrieben wurde, ist die Erfindung beispielsweise ebenfalls bei Servomotoren, Schrittmotoren und anderen Arten von Elektromotoren mit wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten anwendbar.

Claims

Elektromotor, umfassend: einen Ständer (10) mit einem Ständerkern (12) und Ständerwicklungen (14) und einen Läufer (40), der drehbar in dem Ständer gelagert ist und eine Welle (42) hat, gekennzeichnet durch eine Wärmeableitungsvorrichtung (18), die um eine Außenfläche des Ständerkerns (12) montiert und für das Absorbieren von davon abgestrahlter Wärme konfiguriert ist, und durch elektronische Komponenten (33), die an der Wärmeableitungsvorrichtung montiert sind.
Motor nach Anspruch 1, wobei die Wärmeableitungsvorrichtung (18) eine Basis (182) hat, die um den Ständerkern (12) montiert ist, und eine Vielzahl von Rippen (184), die sich von der Basis radial nach außen erstrecken.
Motor nach Anspruch 2, wobei ein Ventilator (48) an der Welle (42) montiert und angeordnet ist, um einen Luftstrom durch das Innere des Ständerkerns (12) und durch Schlitze zwischen den Rippen (184) zu erzeugen.
Motor nach Anspruch 3, umfassend eine erste Endkappe (22), die sich an einem axialen Ende des Ständerkerns (12) befindet, wobei der Ventilator (48) angrenzend an eine Außenseite der ersten Endkappe (22) angeordnet ist. und der ersten Endkappe zu bilden, und wobei der Ventilator (48) in dem Aufnahmeraum angeordnet ist.
Motor nach Anspruch 4, wobei der Durchmesser des Ventilators (48) größer als der Durchmesser der Basis (182) der Wärmeableitungsvorrichtung (18) ist und der Ventilator (48) axial von den Rippen (184) beabstandet ist.
Motor nach Anspruch 4, 5 oder 6, ferner umfassend eine zweite Endkappe (20) und eine Vielzahl von Verriegelungselementen (24) für die Festlegung der Endkappen (20, 22) an dem Standerkern (12), wobei sich die Verriegelungselemente durch das Innere des Ständerkerns (12) erstrecken.
Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Schaltplatte (32), mit welcher elektronische Komponenten (33) verbunden sind.
Motor nach Anspruch 8, wobei die elektronischen Komponenten (33) Transistoren umfassen, die an der Wärmeableitungsvorrichtung (18) montiert sind, wobei Leitungsdrähte (34) der Transistoren mit dem Schaltbrett (32) verbunden sind.
Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Gehäuse (19), das an der Außenfläche des Ständerkerns (12) montiert ist, wobei die Wärmeableitungsvorrichtung (18) an dem Gehäuse (19) montiert ist.