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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere einen
Elektromotor, mit einem Stator und einem Rotor, die zwischen einem
ersten Lagerschild und einem zweiten Lagerschild angeordnet sind,
mit einer Belüftungseinrichtung zur Erzeugung eines axialen
Kühlluftstromes zwischen mindestens einem Lufteinlass und
mindestens einem Luftauslass eines den Stator und den Rotor aufnehmenden
Innenraums, wobei zumindest ein Teil des Kühlluftstromes
durch den Stator und/oder den Rotor leitbar ist.
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Aus
der
DE 10 2004
031 399 B4 ist eine elektrische Maschine mit einem Gehäuse
bekannt, in dem ein Stator, ein Rotor sowie eine Belüftungseinrichtung
angeordnet sind. Die in dem Gehäuse integrierte Belüftungseinrichtung
umfasst einen Lüfter, der über eine Trennwand
von dem Rotor und dem Stator getrennt angeordnet ist. Die Belüftungseinrichtung
weist neben diesem Lüfter Luftleitbleche auf, so dass eine
zwischen einem Lagerschild der Maschine und der Trennwand angeordnete
elektrische Ansteuereinrichtung für die Maschine gekühlt
werden kann. Zur Kühlung des Rotors bzw. des Motors umfasst
die Belüftungseinrichtung einen außerhalb des
Gehäuses bzw. des topfförmigen Lagerschild angeordneten Lüfter.
Nachteilig an der bekannten elektrischen Maschine ist, dass zur
Kühlung der elektrischen Ansteuereinrichtung und des aus
dem Stator und dem Rotor gebildeten Aktivteils zwei Lüfter
erforderlich sind, die einen relativ großen Platzbedarf
erfordern.
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Aus
der
DE 94 08 559 U1 ist
eine elektrische Maschine mit einem Gehäuse bekannt, in
dem zwischen einem ersten Lagerschild und einem zweiten Lagerschild
des Gehäuses ein Stator und ein Rotor als Aktivteil angeordnet
sind. Auf einer dem Aktivteil abgewandten Seite des zweiten Lagerschildes
ist eine als Lüfter ausgebildete Belüftungseinrichtung vorgesehen,
mittels derer der Aktivteil gekühlt wird. Zur Ausbildung
eines axial verlaufenden Kühlluftstroms durch den Aktivteil
weist derselbe im Bereich des Rotors und des Stators axiale Durchleitungen auf,
so dass im Zusammenwirken mit Luftdurchlässen an dem ersten
Lagerschild und dem zweiten Lagerschild durch den Lüfter
eine axiale Kühlluftdurchströmung des Aktivteils
ermöglicht wird. Diese Durchzugsbelüftung beschränkt
sich allerdings auf die Kühlung des Aktivteils.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrische Maschine derart
weiterzubilden, dass auf platzsparende Weise sowohl die Kühlung
eines aus einem Stator und einem Rotor gebildeten Aktivteils der
Maschine als auch einer elektrischen Ansteuereinrichtung gewährleistet
ist.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit
dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass
die Belüftungseinrichtung in einem Bereich zwischen dem ersten
Lagerschild und dem zweiten Lagerschild angeordnet ist und dass
in einem Axialabschnitt des Innenraums zwischen dem ersten Lagerschild und/oder
dem zweiten Lagerschild einerseits und dem Rotor und dem Stator
andererseits zumindest ein Teil einer elektrischen Ansteuereinrichtung
angeordnet ist.
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Der
besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die erfindungsgemäße
Belüftungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie
zum einen einen Aktivteil (Stator, Rotor) der Maschine und zum anderen
eine in dem Innenraum der Maschine integrierte elektrische Ansteuereinrichtung
kühlt. Nach der Erfindung ist die elektrische Ansteuereinrichtung
in einem Axialabschnitt des Innenraumes zwischen dem Aktivteil und
einem Lagerschild angeordnet. Die Belüftungseinrichtung
ist ebenfalls im Innenraum angeordnet, wobei sowohl die Belüftungseinrichtung
als auch die elektrische Ansteuereinrichtung zwischen einem Lagerschild
und dem Aktivteil der Maschine positioniert sind. Grundgedanke der
Erfindung ist es, dass die Belüftungseinrichtung ohne Vorsehen
von Trennwänden unmittelbar auf den Aktivteil und/oder die
elektrische Ansteuereinrichtung durch Ausbildung eines Kühlluftstromes
wirken kann. Durch die konzentrierte Anordnung der Belüftungseinrichtung einerseits
und der elektrischen Ansteuereinrichtung andererseits an dem Aktivteil
kann eine optimale Kühlung des Aktivteils einerseits und
der elektrischen Ansteuerung andererseits mit einem relativ geringen Leistungsaufwand
realisiert werden.
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Vorzugsweise
weist die Belüftungseinrichtung lediglich einen einzigen
Lüfter auf, der unmittelbar benachbart zu dem Aktivteil
und/oder der elektrischen Ansteuereinrichtung angeordnet ist. Es
werden mehrere Kühlluftströme über die
gesamte Querschnittsfläche der elektrischen Maschine angesaugt, wobei
sich die Kühlluftströmungen durch axiale Durchleitungen
im Aktivteil ausbilden. Vorzugsweise weist der Rotor axiale Bohrungen
auf, so dass sich mehrere Kühl luftströmungen verteilt über
die gesamte Querschnittsfläche des Aktivteils ausbilden
können.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in
einem Axialabschnitt des Innenraumes, in dem sich die elektrische
Ansteuereinrichtung befindet, ein Kühlkörper angeordnet,
an dem elektrische Bauelemente der elektrischen Ansteuereinrichtung
befestigt sind. Vorteilhaft kann hierdurch die insbesondere von
Leistungshalbleitern erzeugte Wärme entlang der Fläche
des Kühlkörpers abgeführt werden.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist der Kühlkörper
sternförmig angeordnet mit einer Mehrzahl von in Umfangsrichtung
verteilt angeordneten Radialstegen. Vorteilhaft kann hierdurch die
Kühlkörperfläche und somit die Wärmeabfuhrleistung
erhöht werden.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung sind elektrische Bauelemente der
elektrischen Ansteuereinrichtung auf einer koaxial zum Rotor angeordneten
radialen und/oder vertikalen Ringfläche angeordnet, an
der der Kühlluftstrom entlang streicht und eine verbesserte
Wärmeabfuhr ermöglicht.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand
der Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 einen
Längsschnitt durch einen Elektromotor nach einer ersten
Ausführungsform der Erfindung,
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2 einen
Querschnitt durch den Elektromotor entlang Schnittlinie II-II in 1,
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3 einen
Querschnitt durch den Elektromotor entlang Schnittlinie III-III
in 1 und
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4 einen
Längsschnitt durch einen Elektromotor nach einer zweiten
Ausführungsform der Erfindung.
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Eine
elektrische Maschine nach der Erfindung kann beispielsweise als
ein Elektromotor 1 (Synchron- oder Asynchronmotor) ausgebildet
sein. Der Elektromotor 1 kann gehäuselos ausgebildet sein,
wobei ein aus einem Stator 3 und einem Rotor 4 gebildeter
Aktivteil 5 als auch eine elektrische Ansteuereinrichtung 6 zur
Ansteuerung des Elektromotors 1 zwischen einem ersten Lagerschild 8 (B-Lagerschild)
und einem gegenüberliegenden zweiten Lagerschild 9 (A-Lagerschild)
angeordnet sind. Das topfförmige erste Lagerschild 8 und
das topfförmige zweite Lagerschild 9 sind jeweils
randseitig an einer Außenseite 7 des Stators 3 befestigt.
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Nach
einer ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß 1 ist
im Bereich zwischen dem zweiten Lagerschild 9 und dem Aktivteil 5 eine
Belüftungseinrichtung 10 angeordnet, die im Wesentlichen durch
einen Lüfter 10 (Radiallüfter) gebildet
ist. Auf einer gegenüberliegenden Seite des Aktivteils 5 ist ein
konzentrisch orientierter Kühlkörper 11 angeordnet,
an dem die elektrische Ansteuereinrichtung 6 befestigt
ist. Der Kühlkörper 11 erstreckt sich
somit in einem ersten Axialabschnitt 12 im Innenraum 31 (Motorinnenraum)
des Elektromotors 1 zwischen dem Aktivteil 5 und
dem ersten Lagerschild 8. Der Lüfter 10 erstreckt
sich in einem zweiten Axialabschnitt 13 des Motorinnenraumes 31 zwischen
dem Aktivteil 5 und dem zweiten Lagerschild 9.
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In
einem Eckbereich des ersten Lagerschildes 8 sind seitliche
Lufteinlässe 14 und in einem Eckbereich des zweiten Lagerschildes 9 Luftauslässe 15 angeordnet,
so dass sich in Verbindung mit dem Lüfter 10 ein
axialer Kühlluftstrom 16 zwischen dem ersten Lagerschild 8 und
dem zweiten Lagerschild 9 ausbilden kann. Der Lufteinlass 14 und
der Luftauslass 15 sind vorzugsweise ringförmig
oder als in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Langlöcher
ausgebildet.
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Der
von dem Lüfter 10 angesaugte Kühlluft 16 aus
der Umgebung umströmt zum einen den Kühlkörper 11 und
spaltet sich dann auf in einen ersten Teilkühlluftstrom 17,
der unmittelbar entlang von Statorwicklungen 18, und zwar
entlang eines Jochs des Stators 3 sowie zwischen benachbarten
Statorwicklungen 18, strömt. Ein zweiter Teilkühlluftstrom 19 fließt
zwischen Statorpolschuhen 20 und dem Rotor 4.
Ein dritter Teilkühlluftstrom 21 verläuft
innerhalb des Rotors 4, der zu diesem Zweck axiale Durchgangsbohrungen 22 aufweist.
Es werden somit axiale Durchleitungen innerhalb des Stators 3 und
des Rotors 4 gebildet, so dass die Teilluftströme 17, 19, 21 auf
einer dem Lüfter 10 zugewandten Seite gemeinsam
als Kühlluftstrom 16 durch die Luftauslässe 15 wieder
austreten können.
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Der
Kühlluftstrom 16 verläuft somit konzentrisch
um eine Welle 23, die über Lager 24 drehbar
an dem ersten Lagerschild 8 und dem zweiten Lagerschild 9 gelagert
ist. Der Lüfter 10 ist drehfest mit der Welle 23 verbunden.
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Der
Kühlkörper 11 weist eine radiale Ringfläche 25 und
eine unmittelbar anschließende axiale Ringfläche 26 auf,
an der elektrische Bauelemente 27 der elektrischen Ansteuereinrichtung 6 unmittelbar
befestigt sind. Die Leiterplatte 30 kann unmittelbar an
der radialen bzw. axialen Ringfläche 25, 26 oder
beabstandet zu derselben angeordnet sein. Die radiale Ringfläche 25 ragt
senkrecht von einer Innen seite eines Umfangsabschnitts des ersten
Lagerschildes 8 ab. Die axiale Ringfläche 26 erstreckt
sich koaxial zu dem Rotor 4 in einem radialen Abstand zu dem
Umfangsabschnitt des ersten Lagerschildes 8. An einer Innenseite
der axialen Ringfläche 26 schließen sich
sternförmig angeordnete Radialstege 28 an, die
sich konzentrisch um die Welle 23 erstrecken. Die Radialstege 28 weisen
axiale Durchgangsschlitze 29 (axiale Durchleitungen) auf,
mittels derer der angesaugte Kühlluftstrom 16 aufgeteilt
wird, wobei sich in Umfangsrichtung gleichmäßig
verteilt ausbildende Teilkühlluftströme bilden.
Der im Längsschnitt winkelförmig ausgebildete
Kühlkörper 11 bildet zusammen mit dem
ersten Lagerschild 8 einen radialen Kühllufteintrittskanal,
in dem die angesaugte Kühlluft 16 radial nach
innen strömt. An den radialen Kühllufteintrittskanal
schließt sich ein axialer Kühlluftkanal an, der sich
zwischen der axialen Ringfläche 26 und der Welle 23 ausbildet.
Unter überstreichen der Radialstege 28 wird der
Kühlluftstrom 16 in axialer Richtung weitergeleitet
und in die Teilkühlluftströme 17, 19, 21 aufgeteilt.
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Vorzugsweise
sind an der axialen Ringfläche 26 Leistungshalbleiter
oder andere elektrische Bauelemente 27 angeordnet, die
eine relativ große Wärmemenge erzeugen. Die Radialstege 28 des
Kühlkörpers 11 erstrecken sich bis in
einen achsennahen Bereich des Motorinnenraumes 31, in dessen
axialer Verlängerung ein Flansch des Lagerschildes 8 zur Aufnahme
des Lagers 24 angeordnet ist.
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Nach
einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform
der Erfindung kann der zuvor beschriebene Elektromotor 1 ein
Gehäuse aufweisen, an dessen erster Stirnseite das erste
Lagerschild 8 und an dessen zweiter Stirnseite das zweite
Lagerschild 9 befestigt ist. Dem mit gegebenen falls mit Kühlrippen
versehenen Gehäuse kann ein weiterer Lüfter zugeordnet
sein.
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Nach
einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gemäß 4 ist
ein Elektromotor 1' vorgesehen, der im Unterschied zu dem
vorgenannten Ausführungsbeispiel eine Belüftungseinrichtung 10' in
einem ersten Axialabschnitt 12 zwischen dem Rotor 4 und
der elektrischen Ansteuereinrichtung 6 aufweist.
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Gleiche
Bauteile bzw. Bauteilfunktionen der Ausführungsbeispiele
sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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Im
Unterschied zu der ersten Ausführungsform ist ein den Lüfter 10' und
die elektrische Ansteuereinrichtung 6 aufnehmendes erstes
Lagerschild 8' in Axialrichtung länger ausgebildet
als das erste Lagerschild 8 der ersten Ausführungsform.
Ein zweites Lagerschild 9' ist im Vergleich zur ersten
Ausführungsform in axialer Richtung kürzer ausgebildet. Das
erste Lagerschild 8' weist in dem ersten Axialabschnitt 12 eine
zusätzliche ringförmige Öffnung auf, die
in etwa in radialer Verlängerung zu dem Lüfterrad 10' angeordnet
ist. Sie dient als Luftauslass für die Kühlung
des Aktivteils 5 bzw. der elektrischen Ansteuereinrichtung 6.
Vorteilhaft kann hierdurch Luft abgeführt werden zur Kühlung
des Aktivteils 5 bzw. der elektrischen Ansteuereinrichtung 6.
Alternativ kann der Luftauslass auch als Lufteinlass dienen, insbesondere
dann wenn der Elektromotor 1' in entgegengesetzter Drehrichtung
arbeitet. Die Öffnungen können somit wechselweise
als Lufteinlass und Luftauslass dienen.
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Nach
einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann ein
Teil der elektrischen Ansteuereinrichtung 6, der vorzugsweise
als ein Frequenzumrichter ausgebildet ist, im Motorinnenraum 31 und
ein anderer Teil der elektrischen Ansteuereinrichtung außerhalb
des Motorinnenraums 31 angeordnet sein. Beispielsweise
kann nur ein Teil des Frequenzumrichters zusammen mit weiteren elektrischen
Bauteilen 17 im Motorinnenraum 31 angeordnet sein.
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Nach
einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann der
Lüfter auch als Fremdlüfter ausgebildet sein,
der über einen eigenen Antrieb verfügt. Eine solche
Ausführung ist dann angezeigt, wenn der Elektromotor 1 in
einem niedrigen Drehzahlbereich arbeitet, wobei die hierbei erzeugte
Wärme allein durch Eigenbelüftung nicht mehr ausreichend
abführbar ist.
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Vorteilhaft
ermöglicht die Erfindung einen erhöhten Integrationsgrad
der elektrischen Bauelemente 27 im Motorinnenraum 31 des
Elektromotors 1. Insbesondere kann hierdurch auf Anschlussleitungen
zwischen dem Frequenzumrichter und der Ansteuerelektronik der elektrischen
Ansteuereinrichtung 6 verzichtet werden. Der Frequenzumrichter
ist Teil der elektrischen Ansteuereinrichtung 6 und kann teilweise
oder ganz innerhalb des Motorinnenraums 31 angeordnet sein.
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Der
erfindungsgemäße Elektromotor 1 kann beispielsweise
für Fahrzeuge mit Elektroantrieb, insbesondere Flurförderzeuge,
oder Haushaltsgeräte, insbesondere für Gargeräte
(z. B. Kombidämpfer), eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004031399
B4 [0002]
- - DE 9408559 U1 [0003]