CN101171736B - 电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有转子和定子的电机以及一种用于对一种这样的电机进行冷却的方法。为了改进电机的冷却，提出一种具有永磁激励的转子(2)和定子(38)电机(18)。所述电机(18)具有布置在所述转子(2)的圆周线上的磁铁(3)，从而围绕着所述转子(2)的中心产生无磁力作用的区域(10)，并且所述电机(18)在所述转子(2)的无磁力作用的区域(10)中具有至少一个基本上沿轴向方向(6)延伸的开口(11)用于形成从所述转子(2)中穿过的气流路径(41)，并且具有与所述转子(2)一同运动的风扇(15、56、58、59)用于形成从所述转子(2)的开口(11)中穿过的气流。

Description

电机

技术领域

本发明涉及一种具有转子和定子的电机。除此以外，本发明还涉及一种尤其用于汽车的风扇单元。

背景技术

具有转子和定子的电机一方面可以用作用于产生电流的发电机并且另一方面可以用作驱动电机。对于这种电机的稳定运行来说，有必要避免会导致电机的使用寿命缩短或电机彻底失灵的过热。在此，尤其现代电机的电子组件从热学眼光看是十分紧要的部件并且由此提高了冷却要求。为了排出所产生的损耗功率并且调节一种这样的电机的总热量预算，公开了大量的解决方案，例如其中有特殊的冷却体的应用或者水冷却的使用。此外公开了布置在A侧或B侧的附加风扇的使用，所述附加风扇则使结构空间明显加长。

申请人的具有申请号04 000 739.5-2207的欧洲专利申请展示了一种电机，其中转子具有至少一条通风道，为该通风道配设了气流导向元件，该气流导向元件保证在转子运动时足以将存在于电机内部的空气输送给所述通风道。具有公布号0 649 211 A2的欧洲专利申请说明了一种异步电机，其转子在两侧具有用于产生冷却空气流的叶片元件。这些公开的解决方案的缺点是，始终依赖于结构或功能上的约束使通风道及类似部件定位并且在此不能完全排除功能缺点。

发明内容

本发明的任务是改进电机的冷却。该任务通过一种电机或者说通过一种按独立权利要求的风扇单元得到解决。

本发明基于这样的构思，也就是将永久激励的转子的旋转运动用来在电机中产生冷却空气流。此外，所述转子具有至少一个开口用于形成穿过所述转子的空气流动路径。按本发明，在所述转子的无磁力作用的区域中布置所述至少一个开口。此外，将所必需的、优选所谓的袋装磁铁形式的磁铁布置在所述转子的圆周线上，从而围绕着所述转子的中心产生无磁力作用的区域。所述至少一个开口的尺寸优选相当于所述转子的整个无磁力作用的区域。由于因所述开口而缺少的转子材料，在电机功率相同的情况下部分显著减少了转子重量。按本发明的重量减轻能够提供很轻的电机。

尤其优选所述穿过转子的空气流动路径基本上沿轴向方向也就是说平行于转子轴线延伸，使得流到所述电机的背面上的空气可以朝该电机正面的方向穿过所述转子。实现这一点的方法是，所述至少一个开口在转子中基本上沿轴向方向延伸。

为了使从转子中流过的空气运动，设置了一个与所述转子一同运动的风扇。该风扇在一侧吸入将其本身包围的空气，并且将所述空气在另一侧排出。由此产生强制导送的穿过所述转子的冷却空气流。换句话说，从转子中穿过的冷却空气流有助于在所述电机中的全部气流，从而与传统的结构形式相比可以更好地对所述电机进行冷却。得到改进的冷却允许在电机功率相同的情况下使用更小的结构空间或者说在结构空间相同时提高功率。与此同时避免由于过热而出现的电机失灵，由此保证高的使用寿命。在此不需要使用特殊的冷却体或者水冷却或者其它开销很大的技术。

通过与转子一同运动的风扇来获得有助于对电机进行冷却的气流，而不需要为此独立于所述转子进行运动的部件。因此可以以比较简单的方式方法并且由此以特别低廉的成本提供所必需的冷却。本发明的突出之处尤其在于，仅需微不足道地加长所必需的结构空间或者甚至不需要加长所必需的结构空间就可以进行额外的冷却。

本发明可应用在大量电机上。但尤其优选将本发明应用在用于驱动汽车中的散热器风扇的电机上。

本发明的优选的设计方案在从属权利要求中得到说明。

设置一个唯一的开口，使得所述转子基本上具有空心圆筒的形状，这一点证实特别有利。而后优选布置在留下的转子“环”中心的紧固件用于固定转子轴，所述紧固件通过斜撑件或类似部件与所述转子“环”相连接。换句话说，所述转子在这种实施方式中具有一个唯一的中心开口，所述用于转子轴的紧固件处于该开口的中心。所述转子“环”和所述象辐条一样布置在所述开口中的斜撑件优选从转子叠片中冲制出来，并且因此同样由所述转子叠片的板料制成。

为了使所述风扇能够与转子一同运动，所述风扇优选与转子轴和/或转子本身相连接。特别优选风扇和转子形成一个结构单元。通过一种这样的集成的结构形式，可以明显减少制造和装配开销。一种这样的转子-风扇-组合优选通过用一种塑料材料对真正的转子进行挤压包封这种方式来制造。在此，优选同时对所述转子“环”和斜撑件一同进行挤压包封。

特别有利的是，如此构造所述电机，从而在电机运行中在所述电机的电子部件和转子之间形成稳定的气流。因为电子部件在现代电机中有时非常明显地有助于电机的变热，所以可以通过一种这样的、也可以按照气膜的形式并且由此作为一种绝热层的形式构成的气流来决定性地支持所述电机的冷却。除此以外，通过所述在电机部分和电子部件之间的空气层，可以防止从所述电机部分到所述电子部件的热传导，所述电子部件包括所述电机的在热方面更挑剔的元件。

在这方面尤其优选所述电机具有一个电机背壳件，该电机背壳件则具有至少一个进气口。优选如此布置所述至少一个进气口，使得不同的穿过电机的气流遭受尽可能小的阻力。除此以外，将所述至少一个进气口优选如此朝着所述转子的至少一个开口布置，使得从转子中穿流的空气事先在电子部件旁边沿着流过。如果所述电子部件安装在电机背壳件的里面或上面，那么为了将冷却空气流输送给所述电子部件或者使冷却空气流在这个电子部件上沿着导送，将所述至少一个进气口优选设置在所述电机背壳件的外部区域中。

由于由所述风扇产生的空气运动，冷却空气从所述进气口经过所述电子部件朝所述设置在转子中间的开口的方向流动，其中一同带走所述电子部件的热量。在从转子中穿流之后，所述冷却空气优选通过至少一个设置在电机前壳件中的排气口再度排放到周围环境中。所述电机背壳件和/或电机前壳件优选构造为用于转子轴的轴承套，从而实现了简单的结构。

在本发明的另一种优选的实施方式中，所述风扇构造为径向风扇。这意味着，在轴向上也就是说平行于转子轴吸入所述冷却空气并且通过转子的旋转转向90度并且在径向上排出。

通过以下方法对所述电机进行效果特佳的冷却，即如此构造所述电机，从而形成沿定子的绕组延伸的第二空气流动路径。如果利用所述两条空气流动路径对电机进行冷却，那就优选如此构造所述风扇，使得所述气流尽可能少地受转子和定子的影响。这一点尤其通过将所述风扇构造为径向-轴向-风扇这种方式来实现。在此，所吸入的冷却空气不再由所述风扇在径向上排出，在径向上所吸入的冷却空气会直接碰到由绕组排出的冷却空气并且导致不受欢迎的涡流。更确切地说，通过空气的转向将流出方向改为轴向或近轴向的方向。优选通过风扇叶轮的相应造型或者通过设置在风扇叶轮圆周上的空气导向叶片来进行转向。

如果在至少一个外壳件上设置依赖于旋转方向构成的冷却元件，则可以进一步改进对所述电机的冷却。所述优选布置在电机背壳件上的冷却元件用于再度将热量排放给冷却空气，尤其在冷却空气从电机中流出后。与传统的冷却元件相比，通过尤其空气导向叶片形式的冷却元件的依赖于旋转方向的造型能够更好地将热量排放给所述冷却空气。

附图说明

下面根据借助于附图得到详细解释的实施例对本发明进行说明。其中：

图1是敞开的具有风扇的转子的背面，

图2是图1所示敞开的转子的正面，

图3是在图1所示的转子中的磁通量的示意图，

图4是电机的背面的轴承盖，

图5是图1所示的、安装在图4所示的背面的轴承盖上的敞开的转子，

图6是具有敞开的转子和已安装的前面的轴承盖的电机，

图7是图6所示的电机的横截面，

图8是敞开的具有径向-轴向-风扇的转子，

图9是敞开的具有径向风扇的转子，

图10是敞开的具有轴向风扇的转子的另一种实施方式。

具体实施方式

图1示出了按本发明的转子2的背面1的透视图。所述转子2是一种无刷电磁直流电机的永久激励的内转子，该直流电机尤其作为散热器风扇电机用在汽车中。

所述转子2具有所谓的袋装磁铁3(在图2中用虚线表示)。磁铁3彼此保持间距地布置在所述转子2的圆周4上。所述磁铁3是比如基于NdFeB(钕铁硼)的稀土磁铁。所述磁铁3处于小袋5中，而小袋5则在转子的圆周4上成型在铁中。为防止氧化，用塑料材料对所述磁铁3进行挤压包封。如此埋入铁中的磁铁的优点是，所述磁铁即使在高电流时也不太会退磁。在所述接纳着磁铁3的小袋5之间，在转子2的圆周4上加入沿轴向方向6也就是平行于转子2的旋转轴线7布置的凹槽8，所述凹槽8从转子2的背面1朝转子2的正面9的方向延伸。所述凹槽8没有构成贯通的，而是在其长度上相当于所述小袋5的长度。此外，所述凹槽8用于在所述磁铁3磁化时接纳通电流的导体，并且由此实现从所述导体到所述磁铁3的尽可能小的间距并且由此实现尽可能高的充磁磁场。如果已经预磁化的磁铁在由挤压包封过程引起的温度下损失其一部分磁通量，那么所述磁铁3的后来的磁化由于用塑料材料对所述转子2进行的挤压包封总是有意义的。

此外，通过磁铁3的这种布置方式，在所述转子2的内部产生一个无磁力作用的区域10，请参照图3。换句话说，所述磁通量在这个区域中小得可以忽略不计或者不存在；无论如何对电机的正常运行来说并非必不可少。按本发明，已经去除所述转子2的整个无磁力作用的内部区域10，使得所述转子2具有空心圆筒的形状。所述转子2的由此产生的中心开口11沿轴向方向6从所述转子2的背面1朝所述转子2的正面9延伸。在所述开口11的中间，设置了一个用于转子轴13的中心紧固件12。所述紧固件12通过五个星形布置的连接片14与所述转子2相连接，所述连接片14由冲压叠装的转子片制成。

将铁从所述转子2的内部10移去，以此明显降低其重量。为进行固定，将所述转子轴13压入所述紧固件中。

在所述转子2的正面9上设置了一个由塑料材料制成的风扇15。按本发明通过用塑料材料对整个转子2进行挤压包封这种方法来制造所述风扇15。由此不仅防止所述磁铁3而且也防止叠片受到潮气及环境影响。所述风扇15优选在一个唯一的挤压包封工序中喷注在所述转子2上。换句话说，风扇15以及转子2形成一个集成的单元，同样参照图2，在图2中示出了这个转子-风扇-单元的从斜上方看的示意图。在这种情况下，这个结构单元的制造比较简单并且成本低廉。

在将电机用作用于汽车用散热器风扇的驱动装置时，通过在所述电机的背面和其输出侧之间的压差已产生穿过所述驱动装置的气流。这股气流通过本发明的使用还会再次得到增强。当然，本发明的使用不局限于散热器风扇电机。

所述电机18的将电机内室17包围的电机外壳主要包括具有集成的电机电子装置20的背面的轴承盖19以及与所述轴承盖19相连接的输出侧的外壳盖21，请参照图7。所有的电机外壳件都构造为铝压铸件。压铸件的使用允许产生比较复杂的外壳几何形状以进行冷却优化，而在使用传统的冲压弯曲件或深拉的钢外壳时就无法做到这一点。

在所述输出侧的外壳盖21上套装了一个具有扇叶23的风扇毂22。所述旋转的扇叶23在散热器风扇运行时在所述电机18的正面24和背面25之间产生压差，从而产生沿流动方向26运行的气流。这股气流作为冷却空气流沿电机外壳流动，用于排出损耗热并且由此对电机18进行冷却。在外转子上绕组和产生损耗的铁布置在里面，与具有外转子的电机相反，在所使用的内转子2上绕组和产生损耗的铁布置在外部，在所述内转子2上将废热大部分直接排放到电机外壳上，从而通过电机外壳的绕流可以排放一部分废热并且由此可以对电机18进行冷却。

所述背面的轴承盖19主要包括凸轮环27，在该凸轮环27中布置了圆形的外壳池28。所述外壳池28在中心处具有所述电机18的B侧轴承座29，从而所述轴承盖19同时用作背面的轴承盖。在所述外壳池28中，放入包括所述电机电子装置20的电子模块或者借助于导热胶使其与所述外壳池28相连接，请参照图5。此外，所述电子模块包括未详细示出的印制电路板和扼流圈、大功率晶体管、电流测量电阻和电解电容器。在此所述印制电路板已封装并且尤其被盖板30所覆盖，在该盖板30的边缘上露出三个相触点31，请参照图5。所述封装一方面用于保护所述被包围的电机电子装置20。除此以外，所述封装使通过电子装置产生的损耗热不导出到所述电机18的其它区域中，而是直接在现场排放到所述背面的外壳件19或者说盖板30上并且可以从那里被不同的冷却空气流一同带走。所有电子部件为此目的都与所述外壳池28进行导热连接。

所述固定地与转子2相连接的并且因此与所述转子2一同运动的风扇15通过低压的产生增强了本来就存在的、从电机内部穿过的气流。除此以外，在所述冷却空气事先已从所述电机电子装置20旁边经过并且在那里直接吸收了废热之后，所述风扇15还支持冷却空气从所述转子2中流过，其中所述转子2为此具有相应的开口11。

在从所述外壳池28到凸轮环27的过渡部位上，所述外壳池28具有沿流动方向26延伸的穿孔，从而产生径向伸展的自由伸出的散热片33，所述散热片33彼此间形成进气口32。所述散热片33同时用作热导体，用于将所述电机电子装置20的损耗热排放到所述凸轮环27中。所述进气口32用于将冷却空气引入所述电机内室17中，使得布置在电机内部的部件可以直接将废热排放给所述冷却空气。在所述凸轮环27上安装了具有装配面的法兰34，所述法兰34具有穿孔35用于构成螺纹连接。通过这些螺纹连接，所述轴承盖19与所述输出侧的外壳盖21相连接，所述外壳盖21则具有相应的法兰34’。

由于因所述散热器风扇的旋转而在所述电机18的背面25和正面24之间产生的普遍压差而引起并且通过所述转子2沿旋转方向36的旋转的支持，从外面通过在背面的轴承盖19中的进气口32向所述电机18的内部输送空气，请参照图4。所述进气口32在此布置在所述轴承盖19的外面的、也就是布置得离所述背面的轴承盖19的中心最远的区域中。与在传统电机上的进气口相比，所述进气口32更大，以便保证有足够的空气进入所述电机内室17中。

为说明流动曲线，在附图中用箭头示出了在转子2旁边的以及从转子2中穿过的空气流动路径。冷却空气流首先通过所述进气口32进入到电机内室17中。在进入所述电机内室17中之后，所述冷却空气在第一流动路径37上流过定子38，请参照图7。为此设置了彼此保持间距的定子齿的单齿绕组。冷却空气流从槽缝39中穿过并且直接从绕组40的旁边流过，并且吸收定子叠片的废热，也请参照图6，在图6中在所述冷却空气路径37上流出的空气从绕组40之间穿过并且离开图纸平面流向观察者。尤其优选所述作为导气口的进气口32的位置与所述定子齿的位置协调，使得冷却空气流直接到达所述定子齿的铜绕组处。

另一方面，在第二流动路径41上流经所述转子2，使得冷却空气首先朝轴承29或者说转子轴13的方向从所述集成在背面的外壳盖中的电机电子装置20旁边掠过，并且而后通过开口11从转子2中流过，请参照图7。换句话说，进入的空气从外向里流向转子2中的开口11，并且从转子2中流过，请参照图1。通过将所述进气口32布置在轴承盖中，在运行中在所述电机电子装置20的盖板30和转子2之间建立了绝热的空气层。此外，这种绝热的空气层防止或者至少大大减少废热从所述定子38转移到所述电机电子装置20上。与此同时，通过所述气流吸收废热并且将其从所述电机电子装置20排出。

在所述转子2的正面9上，空气通过大量出气口42从所述转子2中流出，请参照图2。所述出气口42作为所述转子2的内部侧表面43的延长段朝转子正面9的方向延伸。所述出气口42产生于一种环绕的出气缝隙，所述出气缝隙通过空气导向接片44划分为单个的出气口42。所述空气导向接片44布置在与所述紧固件12相连接的风扇毂45的下侧面上。所述空气导向接片44在转子2的正面9上延续并且彼此构成所述风扇叶轮的单个的风扇元件46，所述风扇元件46从所述风扇毂45朝转子2的外圆周4延伸。所述风扇元件46在此构造为向后弯曲的叶片。

从所述转子2中穿流过的空气从所述出气口42中流出，并且在所述风扇元件46中径向向外转向。所述风扇元件46在其外端部上沿轴向方向6弯曲，使得每个风扇元件46具有一种集成的转向元件47。借助于所述转向元件47使所述径向从风扇元件46中流过的冷却空气在其离开所述风扇元件46时或多或少地沿轴向方向6转向。无论如何如此进行转向，使得所述冷却空气不仅仅在径向方向上离开所述风扇15。换句话说，所述冷却空气在离开转子2之后被所述风扇15带动，并且沿轴向方向6转向地从所述输出侧的外壳盖21中排出。所述输出侧的外壳盖21为此目的具有大量穿通孔48，请参照图6。所述穿通孔48按星形方式布置在A侧轴承49的周围，并且形成一个圆形的流出区域，该流出区域布置在所述槽缝39和所述风扇元件46的上方。将所述穿通孔48彼此隔开的支撑条62相对于所述槽缝39偏置布置，使得其伸展到所述绕组40的中间。由此减少阻碍从所述绕组40中流出的冷却空气37的流动阻力。

所述从转子2中流出的冷却空气沿轴向方向6转向，这使得两股沿所述流动路径37、41一方面穿过定子绕组并且另一方面穿过转子2的气流不会碰到彼此。否则会导致气流涡旋并且由此导致冷却功率下降。在所述A侧轴承49中就象在具有球轴承50的B侧轴承29中一样支承着所述转子轴13。所述外壳盖21在此主要包括与所述轴承盖19的外壳池28对置的盖板上侧面51和沿轴向方向6延伸的环绕的侧面的外壳盖壁52，请参照图7。

所述来自槽缝39以及来自转子2的风扇15的冷却空气流穿过所述穿通孔48从所述电机内室17中流出来，并且沿流动方向从被加热的外壳盖21的上侧面51上掠过，在此过程中所述冷却空气流吸收废热。

所述输出侧的外壳盖21锅状或钟罩状地被所述散热器风扇的风扇毂22所包围，使得从所述穿通孔48中流出的冷却空气流从输出侧的盖板上侧面51上流过并且通过处于电机外壳和风扇毂22之间的、在边缘侧环绕的出气缝隙53流出来。在这种情况下，风扇毂内部几何形状和电机外壳件在其造型上彼此协调，从而在电机外壳和风扇毂22之间产生一条较窄的、具有恒定宽度的出气缝隙53，使得所述穿流的冷却空气可以获得高的速度。

换句话说，通过所述风扇毂22的旋转，所述冷却空气流在从较窄的出气缝隙53中流出时额外地得到加速，由此提高压差并且由此进一步改进冷却作用。所述风扇毂内侧设有加强筋54，使得这些加强筋54用作风扇元件、形成一种径向风扇并且再次使冷却空气流加速，请参照图7。换句话说，通过所述加强筋54的形状，气流通过电机内室17得到提升并且由此增强冷却作用。

从所述出气缝隙53中流出的冷却空气碰到布置在所述背面的轴承盖19的凸轮环27上的、根据旋转方向构成的空气导向叶片55，所述空气导向叶片55环形布置在所述背面的轴承盖19的圆周上，请参照图6。所述空气导向叶片55同样与所述电机电子装置20导热连接，使得其用于将尤其由电机电子装置20产生的废热从电机内室17中向外排出。优选这些冷却元件的位置与所述出气缝隙53的位置协调，使得所述穿过出气缝隙53流出的冷却空气流直接到达所述空气导向叶片55处。因为所述转子2具有集成的风扇15，所以确定了其旋转方向。通过所述空气导向叶片55的根据这种旋转方向选择的、尤其镰刀形状的构造来支持所排出的冷却空气定向地从电机18中流出。

在图8中示出了本发明的一种实施方式，在该实施方式中同样设置了用于与敞开的内转子57共同作用的径向-轴向-风扇56。所述从转子57中流过的冷却空气由风扇56进行径向加速并且而后在轴向方向上排出。但是所述风扇56构造为单独的部件，该部件套装在所述转子轴13上并且用未详细示出的紧固件与所述转子57相连接。

图9同样示出了单独的风扇。所述风扇是纯径向风扇58，该径向风扇58将从转子57中穿过的冷却空气在径向上排放给周围环境。

最后在图10中示出了本发明的另一种实施方式，在该实施方式中设置了一个单独的、轴向风扇59形式的风扇，该轴向风扇59装入内转子60的中心开口中。如此设置在所述转子60和开口11’中的中央紧固件12’之间的连接件14’，从而产生四个敞开的区段，所述单个的风扇元件61在安装状态中布置在所述敞开的区段中。该实施例的突出之处在于特别扁平的结构形式，因为所述风扇59安置在所述转子60的内部。

Claims (9)

1.电机(18)，

-具有定子(38)和永磁激励的内转子(2)，

-具有布置在所述内转子(2)的圆周线上的磁铁(3)，从而围绕着所述内转子(2)的中心产生无磁力作用的区域(10)，

-在所述内转子(2)的无磁力作用的区域(10)中具有至少一个基本上沿轴向方向(6)延伸的开口(11)，用于形成从所述内转子(2)中穿过的空气流动路径(41)，并且

-具有与所述内转子(2)一同运动的风扇(15、56、58、59)，用于形成从所述内转子(2)的开口(11)中穿过的气流，

其特征在于具有至少一个进气口(32)的电机背壳件(19)，所述电机背壳件(19)位于电机的轴向端部，其中相对于所述内转子(2)的开口(11)布置所述进气口(32)，使得来自所述进气口的所述气流在所述开口的方向上被沿着电子部件导引。

2.按权利要求1所述的电机(18)，其特征在于，构造所述至少一个开口(11)，使得所述内转子(2)基本上具有空心圆筒的形状，其中设置了用于转子轴(13)的中心紧固件(12)，该中心紧固件(12)借助于象辐条一样布置在所述开口(11)中的连接片(14)与所述内转子(2)相连接。

3.按权利要求1所述的电机(18)，其特征在于，所述风扇(15)和内转子(2)彼此直接相连接或者形成一个结构单元。

4.按权利要求3所述的电机(18)，其特征在于，所述风扇(15)是所述内转子(2)的塑料挤压包封的组成部分。

5.按权利要求4所述的电机(18)，其特征在于沿所述定子(38)的绕组延伸的第二空气流动路径(37)。

6.按权利要求1或2所述的电机(18)，其特征在于，所述风扇构造为径向-轴向-风扇(15、56)或者构造为径向风扇(58)或者构造为轴向风扇(59)。

7.按权利要求1-6中任一项所述的电机，其中所述电子部件被封装并被连接到所述电机背壳件，使得由所述电子部件产生的损耗热被直接排放到所述电机背壳件。

8.具有按权利要求1到7中任一项所述的电机(18)以及由所述电机驱动的风扇的风扇单元。

9.按权利要求8所述的风扇单元，其特征在于，所述由所述电机驱动的风扇是用于汽车的散热器风扇。

Images