CN1727688A - 具有电机的冷却通风机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种特别用于汽车的冷风通风机(1)。为了改善对电机(2)的冷却效果，提出围住电机(2)的电机壳(3)也作为冷却体，将损耗热释放到冷却气流(12)中。对此，冷却电机(2)的气流穿过电机壳内腔(4)、接着经气流入口(5.1)区域和在风扇轮毂(8)和前电机壳部件(6)之间的排气缝隙(13.1)区域到达电机壳外侧(6.2)。通过由电机(2)驱动的风扇叶轮(7)的风扇轮毂(8)产生气流。

Description

具有电机的冷却通风机
技术领域
本发明涉及一种具有电动驱动装置的冷却通风机，特别是用于汽车的冷却通风机。
背景技术
其冷却通风机理解为通风系统，它主要包括具有风扇轮毂和风扇叶片的风扇叶轮和驱动风扇的电机。通常，这种冷却通风机安装在为它设置的架子上，该架子例如固定在汽车发动机舱或类似位置上。
为了保证电机的可靠工作，要求所使用的部件和材料在给定工作条件下不能过热。因此，要考虑在电机以最大损耗功率工作时不能过热。在不注意时，过热会缩短电机的使用寿命或导致电机完全损坏。因此，特别重要的是，冷却电机，即散出电组件产生的损耗热，特别是在整流装置、绕组以及电磁加载铁心组件中的损耗热。
现有的电机具有例如用于无刷整流或转速调节/控制的电子件，它们同时会释放很大的损耗热量。电子件通常是处于热学考虑电机的关键部件并增加了冷却要求。另外，作为汽车内燃机的冷却通风机驱动单元的部件由于环境条件变化很大如夏天操作或冬天操作提高了对使用电机热计算的要求。
对于所公知的用于驱动风扇的电机，通过电机在电机壳的进气口和出气口之间产生压差形成气流。
例如，专利文献EP 1 050 682 A2描述了一种具有电机的冷却通风机。它具有在内部卷绕的定子和永磁励磁外转子。电机的定子件置于电机所谓定子腿件外侧的容纳腔中并由独立的盖件盖住。其风扇轮毂呈锅形并在其内侧具有产生冷却气流的风扇叶片。冷却气流侧向掠过外面设置的定子腿件的冷却筋进入电机壳的内腔并在相对侧通过锅形外转子底部的开口和风扇轮毂与外转子之间的缝隙排出。
电子件通过具有独立盖件的盖罩封住，产生的损耗热仅通过导热经定子腿件散出。从电子件到定子腿件冷却筋的导热路径比较长。形成的冷却气流只在沿冷却筋较短路径的位置吸收由电子件产生的热能。由于实际上在定子和转子之间的气隙具有绝热作用，由定子绕组产生的损耗热仅通过冷却气流向后散出。因此，实际上通过电机外表面不能散热。这种结构特征不利于损耗热的有效散出。因此，设置的电子件需要封闭容纳腔的附加壳体盖。
公开文献DE 100 44 066 A1描述了特别用于汽车的另一种电风扇。在其中使用的电动机中，控制风扇的电控单元与其一起设置在同一壳体中。由风扇叶轮产生的冷却气流穿过壳体的开口。为了冷却控制单元，其控制单元至少具有一冷却体，它固定在后支承盖上，在其上形成壳体通风口，穿流冷却气流。对此，在冷却体、控制单元的印刷电路板和壳体支承盖之间需要独立的冷却体和安装连接件。由于冷却气流只一次经过产生热量的部件，由此，不能在电机壳的外侧进一步散热，即在所有变型实施方式中。
发明内容
本发明的目的在于改善对电机的冷却，从而提高相对于交替变化的极端环境条件下的热稳定性，例如通常在汽车中使用所遇到的情况。同时，简化结构、降低制造和安装成本。
本发明的目的是通过具有权利要求1特征的冷却通风机或通过权利要求10的方法实现的。在从属权利要求和参照附图的实施方式中描述本发明的优选结构。
通过改善对电机的冷却，使得在相同功率下减小了安装空间或在相同安装空间下提高了功率。同时，通过提高热稳定性保证工作寿命的提高。避免由于过热损坏电机。此外，减少了风扇零件的数量。
本发明基本构思在于，为了改善对电机的冷却效果并降低结构和安装费用，容纳电机的电机壳是冷却体，将损耗热释放给气流并由此冷却产生热量的部件。对此，冷却电机的冷却气流首先经设有气流入口的冷却件、穿过电机壳内腔并穿过在锅形风扇轮毂和电机壳之间形成的气隙沿电机壳外侧到达设有气流出口的冷却件。气流通过压差形成，压差通过在气流入口侧和气流出口侧之间的驱动电机的风扇叶轮产生。
由压差形成的冷却气流的导向不仅包括这种情况，即电机壳的余热释放到在电机内部和穿过电机内部导向的冷却气流中，而且包括这种情况，即冷却气流沿电机壳外侧导向，使得电机的余热导出。通过冷却气流多次流经与电机电子件导热接连接的电机壳部件实现对电机电子件更高的冷却要求。同时，也通过电机壳作为冷却体降低了部件成本和装配费用。
例如包括大功率半导体、线圈和电容器的电机电子件直接导热地与远离风扇叶轮电机壳部件优选后侧的轴承盖机械导热地连接。这样，电子件产生的余热直接散热到也作为冷却体的电机壳部件上。优选的是，借助导热胶粘剂实现大面积连接。
为了有效地通过冷却气流吸收热量，在后侧的电机壳部件的端区域设置入口，将冷却气流导入电机壳。在入口中或上设置冷却件。例如，入口通过彼此间隔的冷却件特别是冷却筋形成。如果冷却件由独立的冷却筋构成，其中入口位于冷却筋之间或入口由冷却筋分散或分开。
另外，后侧的后电机壳部件在电机内腔外面的径向外边框上具有设置的冷却件，用作为导入电机壳部件的电机电子件损耗热的附加冷却片。冷却件的位置根据排气缝隙相对于风扇轮毂边缘的位置确定，使得流出排气缝隙的冷却气流直接到达冷却件，即流出排气缝隙的冷却气流再一次用于对电子件的附加冷却。在可能的实施方式中，冷却件是呈环形设置在后侧电机壳圆周上或设置在相应凸缘上的冷却栓。根据安装条件的需要可以选择其它几何形状。
本发明构思的主要优点在于，从产生热的部件到气流入口中或上第一冷却件的导出损耗热的路径很短，冷却气流不仅在流入电机壳内腔而且流出在边缘侧环绕的排气缝隙时由相应在冷却气流中设置的电机壳部件的冷却件吸收损耗热、并排到周围环境中，由此对电子部件进行两次冷却。
其它优点通过电子件在电机壳中的设置实现。由此，不需要单独的盖件，电子件至少不受周围环境的严重影响。此外，可以设置一附加的罩，一方面用于附加保护封闭的部件，另一方面考虑电子件产生的损耗热不导入电机的其它区域，而直接在之前导入电机壳部件并在此由冷却气流带走。
在与入口相对的电机壳侧，在靠近风扇叶轮的电机壳部件中优选在电机风扇叶轮侧的轴承盖上设置出口，通过这些出口排出电机壳内腔的冷却气流。
在另一优选实施方式中，电机壳部件的入口和电机壳的出口这样选择和彼此确定，即使得冷却气流与电机的转子轴基本平行地进入电机壳、穿过电机，而后再从电机壳流出。这保证了冷却气流尽可能无阻碍地流过电机。以这种方式冷却气流通过进一步改变方向被限制或阻止。由此，保证冷却气流通过量的提高和提高流速，进一步改善热量的导出。
为了进一步改善良好的导热和冷却气流的有效吸收，电机壳优选由轻金属铸件例如铝压铸件制成。采用压铸件可以使得最佳冷却效果的壳体几何形状比较紧凑，这在使用通常的冲弯件或拉伸钢壳体时是不可能的。以这样的方式可以使得壳体和冷却件的几何形状和其结构任意成形，在加工时冷却件与由相同导热良好的材料制成的相应壳体一体成形。
在冷却气流离开电机壳内腔后，在风扇轮毂内侧和前电机壳部件之间形成的气隙中的冷却气流首先径向向外地并沿电机壳的外壁被导向，直到流出环形排气缝隙排到环境中。
至少部分围住前电机壳部件的风扇轮毂在内侧具有基本呈径向分布的加强筋，它们沿着气隙延伸。这些加强筋在风扇叶轮转动时作为风扇叶片，这些叶片带动冷却气流流出电机壳并在径向加速气流。
此外，优选的是，风扇轮毂的内几何形状和电机壳部件彼此协调成形。在风扇轮毂中成形的加强筋的结构在轴向上与电机壳的结构这样相匹配，即在固定的电机壳和转动的加强筋之间以恒定的间隔形成尽可能小的间隙空间，以便完全带动从电机壳内腔流出的冷却气流并尽可能有效提高流速。这种效果可以这样进一步增强，加强筋不呈径向直线分布，而呈弯曲或螺旋形类似于径向风扇的风扇叶片分布并由此根据径向风扇的类型加大气流。通过同时作为风扇叶片的加强筋优选的成形和分布，气流进一步快速穿过电机内腔并由此增强冷却效果。
加强筋经风扇轮毂向外延伸使得从环形排气缝隙出来的气流气流呈旋流并由此改善了在排气缝隙区域设置的后侧壳体部件冷却件的冷却效果。如果在风扇轮毂上设置尽可能多的加强筋，可以实现特别好的冷却效果。除了电机壳的特别结构外，风扇轮毂的特别结构也用于改善热敏感部件的冷却。
冷却通风机优选设置在周围的框架上，保证冷却气流从后侧的气流入口穿过电机并从气流出口排出不会出现冷却气流的“短路”。由此，对准的冷却气流从入口流到出口、穿过气隙直到从排气缝隙排出，不会使得变热的冷却气流再一次吸到电机后侧。
优选的是，电机这样安装在框架上，即气流入口和气流出口通过框架例如通过同时用于承接电机的框架环彼此分开。由此，防止进入电机的冷却气流与排出电机壳的变热的冷却气流不可避免的混合，保证降低冷却气流的输出温度。
在本发明的另一实施方式中，为了驱动冷却通风机，采用具有永磁励磁内转子和外置的电励磁定子绕组的无刷电机。与具有电励磁内转子电机不同的是，对于所使用的电励磁外转子，由定子绕组产生的余热直接传导到电机壳上。相对于永磁励磁外转子改善了热传导。
在冷却气流流过前电机壳部件和风扇轮毂内侧之间的气隙时，冷却气流掠过电机壳的外侧，特别是定子叠片的损耗热传导到冷却气流中。由此，排出侧的前电机壳部件用作附加的冷却体。由于前电机壳外侧的损耗热的散出主要取决于气流的流速，优选气隙的横截面这样设计，即它在冷却气流的方向不加大。这例如通过风扇轮毂底部和风扇轮毂壁距前电机壳部件的距离保持基本相等实现。
此外，限定排气缝隙的电机壳外壁具有附加的冷却件特别是冷却筋，以增大热释放表面。由此，在冷却气流流过环绕的气隙时，更多地吸收或导出余热。同时，冷却件还使得冷却气流进行旋流，因为风扇轮毂相对于固定的排出侧的电机壳部件转动。
在本发明另一实施方式的电机壳优选结构中，定子结构还用于改善冷却效果。对此，设置彼此间隔定子齿的单齿绕组。冷却气流以直接的路径流过定子齿之间的槽缝隙并流过绕组。冷却气流在电机壳内腔中吸收定子叠片的余热。特别优选的是，入口的位置和冷却件的几何形状或方向在入口区域根据定子齿的位置这样确定，即使得冷却气流以直接的路径流到定子齿绕组。
附图说明
下面参照附图描述的实施例描述本发明以及优选结构。其中：
图1示出了本发明汽车冷却通风机的简化示意图；
图2示出了具有在其上固定电子件组件的后电机壳部件的透视图；
图3示出了具有单齿绕组定子和永磁励磁内转子的输出侧前电机壳部件的透视内部图；
图4示出了具有电机壳前侧冷却件的电机透视外部图；
图5示出了具有在其中设置加强筋的风扇轮毂内部的透视图；
图6示出了具有侧冷却件的电机另一透视外部图。
具体实施方式
相同功能和名称的部件在附图中具有相同的附图标记。
图1示出了例如用于汽车上的冷却通风机实施例的简化示意图。在用虚线表示的热交换器100和用虚线表示的内燃机101之间设置冷却通风机。
该冷却通风机1包括用于驱动的具有定子2.1和转子2.2的电机2，它由电机壳3封闭。封闭电机壳内腔4的电机壳3主要包括具有集成电子组件9的后侧的后电机壳部件5和与该后电机壳部件5连接的输出侧的前电机壳部件6。在这里，整体电机壳部件由铝压铸件构成。电机壳3固定在通风机架102中，用于将冷却通风机1安装在汽车的发动机舱中。在输出侧的前电机壳部件6上设置具有风扇轮毂8和风扇叶片7.1的风扇叶轮7。在冷却通风机1工作时，旋转的风扇叶轮7在电机2的电机后侧11和电机前侧10之间形成压差。由此，产生冷却内燃机101的主气流103。
同样，通过风扇叶轮7特别是风扇轮毂8产生冷却气流12，冷却气流12穿过电机内腔4中的后电机壳部件5到定子2.1上并通过前电机壳体部件6和风扇毂8与前电机壳部件6之间的气隙13流到壳体侧壁6.2和后电机壳部件5的冷却栓5.2。冷却气流用于吸收电机组件的损耗热并汇入主气流103且冷却电机2。
图2示出了后侧的后电机壳部件5的详细内视图。该后电机壳部件具有一径向环形外边框，它包括在外边框内沉入设置的壳体底部5.3并形成锅形基本形状。壳体底部具有用于转子轴承2.23的对中设置的轴承座5.4，以便后电机壳部件5同时作为后侧的轴承盖。在壳体底部5.3上固定具有电机电子件的电子组件9。该电子组件9还包括印刷电路板9.1，它具有大功率晶体管9.2、线圈9.3和电容9.4。印刷电路板9.1由(未示出的)盖覆盖。电机部件9导热地与壳体底部5.3连接，以便余热直接导入壳体5.3。
在壳体5.3与径向外边框5.2的连接区域，壳体底部5.3具有在电机轴向方向的冷却气流的入口5.1。入口5.1的边缘区域这样形成，即径向环形分布的即由冷却筋5.10表示的冷却部分5.10由电机轴向延伸的热传导面5.11形成。这些冷却筋5.10同时作为热导体，用于将损耗热导入后电机壳部件5的径向外边框5.2。入口5.1成组地构成，这些组通过壳体底部区域5.3没有断口地彼此分开。如图2所示，冷却气流通过入口5.1在观察者的方向流入电机壳体内腔4，其中后电机壳部件5也作为电子组件9的冷却体使用。
为了从产生强热的电子组件9的元件经壳体底部5.3到冷却筋5.10和后电机壳部件5的径向外边框5.2进行有利的热传导，在壳体底部5.3形成材料聚集作为导热桥5.12。这些导热桥5.12的一部分直接与产生热的电子组件9的元件直接接触。所述的材料聚集同时提高了后电机壳体部件的热容量并由此提高对于热高峰负荷的缓冲能力。
在径向外边框上，形成具有装配面5.21的凸缘5.22，它具有连接孔5.23，以形成与前电机壳部件6的螺栓连接。通过螺栓连接，后电机壳部件5与输出侧的前电机壳部件6连接。
图3示出了输出侧的前电机壳部件6的内部视图。边侧设置的凸缘6.3具有用于与后电机壳部件5形成连接的连接孔6.31。在装配状态下，前电机壳部件6的装配面6.32抵靠在后电机壳部件5径向外边框5.2的相应装配面5.21上。在凸缘6.3上还具有固定孔6.33，用于将电机2例如固定在通风机架102的电机装配环(在图3中未示出)上。
电机2具有一在输出侧的前电机壳部件6中设置的转子2.2，它具有按轮辐形状设置的永久磁铁2.22，在它的中部设置转子轴2.2。对中围绕转子的定子2.1由各金属薄片制成的叠片组构成。在叠片组的内圆周上形成定子齿2.11，在它们之间形成槽缝2.12。定子齿2.11具有单齿绕组2.10，由此，不会形成在转子轴向突出的所谓绕组端部。冷却气流12冷却气流12从后侧的后电机壳部件5的入口5.1直接在槽缝2.12方向流入定子齿2.11之间并在冷却气流流过槽缝2.12时吸收绕组2.10的余热。对此，流过冷却气流12的并在后电机壳5电机后侧11的壳体底部5.3的所有入口5.1距转子轴的径向距离基本相等，具有单齿绕组2.10的所有定子齿也是如此，所述入口5.1直接靠近槽缝2.12设置。
图4示出了电机前侧10电机的外部视图。前电机壳部件7与图3中的相对应。但观察的方向不同。在此，前电机壳部件7已经安装在后电机壳部件5上。前电机壳部件6由输出侧的轴承盖构成并在中部具有转子轴承2.23，在其中支承转子轴2.20。前电机壳部件6主要包括与后电机壳部件5的壳体底部5.3对置的电机壳前侧10和在转子轴向(参见图1和6)环绕延伸的侧向壳体侧壁6.2。前电机壳部件6的电机壳前侧10具有五个出口6.1。通过彼此分开的圆弧形状的五个出口6.1共同形成电机壳前侧10的横截面呈圆形的开口，该开口由轮辐形设置的支承条6.10分开且其直径约等于转子2.2的直径。
通过出口6.1，从缝隙2.12流过来的冷却气体12由电机壳内腔4排出并在流动方向12.1流出电机壳前侧10和壳体侧壁6.2，冷却气流吸收电机组件的热量。
前电机壳部件6由锅形或钟形风扇轮毂8盖住，其内侧8.4由图5示出。在风扇轮毂8上固定风扇叶片7.1，以形成冷却汽车内燃机的主气流103(图4未示出)。在风扇轮毂8的中部设置转子轴2.20的转子联轴节8.5。由此径向向外延伸的加强筋8.1设置在轮毂底部8.3上。加强筋8.1类似于与前电机壳部件6的结构匹配且相对于壳体外侧的距离很小。在工作状态下，在输出侧的前电机壳部件6与风扇轮毂内侧8.4之间形成类似于环绕的气隙。加强筋8.1在圆周方向划分气隙13并在风扇叶轮7转动时起到风扇叶片的作用，形成或至少增强流过电机壳内腔4的冷却气流。在其它实施方式中，加强筋8.1呈镰刀形、弯形或螺旋形从风扇轮毂8的中部向外延伸到风扇轮毂边缘8.2。
在电机壳内腔4的冷却气流12从出口6.1排出后，冷却气流在前风扇轮毂8和前电机壳部件6之间流过输出侧轴承盖的电机壳前侧10和壳体侧壁6.2并最后经排气缝隙13.1排出冷却风扇1。输出侧的前电机壳部件6也同时可以作为定子2.1的冷却体。
如如4和6所示，风扇轮毂8固定在转子轴2.20上。排气缝隙13.1(参见图1)在侧向壳体壁6.2和风扇轮毂8的风扇轮毂内侧8.4之间形成。限制排气缝隙13.1的壳体侧壁6.2具有在转子轴向上分布的外冷却筋6.21，以增大散热表面，同时产生旋流的冷却气流。
如图6所示，电机壳前侧10具有呈台阶的结构。加强筋8.1对应地在风扇轮毂8上形成(参见图5)，以便形成相匹配的结构。在工作时，冷却气流12通过风扇轮毂8的转动在排出出口6.1时由加强筋8.1带动并在转动方向加速。通过离心力的作用，同时在径向加速气流。由此，冷却气流12离开转子轴在流动方向12.1被加速。
加强筋8.1以特定的凸出方式在转子轴方向延伸且在径向经风扇轮毂8的风扇轮毂边缘8.2延长，从而使得流出的冷却气流旋流并由此改善流过冷却件上的冷却气流的热吸收。
直接相对于排气缝隙13.1，在后电机壳部件5的径向外边框5.2上设置冷却栓5.20。这些冷却栓5.20隔开地设置在后侧的后电机壳部件5的径向外边框5.2上并轴向对准排气缝隙13.1(参见图2、4和6)。这些冷却栓5.20与径向外边框5.2一体形成并通过其外部提高后电机壳部件5的热容量，吸收电子组件9的余热。同时，它们的栓形状增大了后电机壳部件5的散热表面。通过所述的结构，冷却栓5.20直接与排气缝隙13.2相对且流出的由凸出的加强筋8.1旋流的冷却气流12从其上流过。由此，冷却栓5.20的热量被散到绕流的冷却气流12中并带到环境中。这样，冷却气流在其路径上再一次冷却电子组件。通过风扇叶轮7的旋转运动，电机2的热排气成为内燃机的主气流103。

Claims (9)

1、一种包括电机(2)和风扇叶轮(7)的冷却通风机(1)，其中电机(2)包括定子(2.1)、转子(2.2)、多件式的电机壳(3)以及电子组件(9)，电机壳(3)至少由靠近风扇叶轮(7)的且形成电机前侧(10)的前电机壳部件(6)和远离风扇叶轮(7)的且形成电机后侧(11)的后电机壳部件(5)构成；风扇叶轮(7)具有锅形风扇轮毂(8)，风扇轮毂(8)抗扭地与电机(2)的转子(2.2)连接且与电机壳(3)轴向及径向间隔地至少局部锅形地围住电机壳(3)，使得在电机壳外侧与风扇轮毂内侧之间形成一个气隙(13)，在该气隙中延伸起风扇叶片作用的风扇轮毂内侧的成型件(8.1)；风扇轮毂(8)通过与转子(2.2)的一起转动在电机(2)的电机后侧(11)和电机前侧(10)之间产生压差；电子组件(9)导热地直接固定在后电机壳部件(5)上，该后电机壳部件(5)为冷却体，导出电子组件(9)产生的热能并将其热能传到由压差形成的冷却气流(12)中，其特征在于：在电机后侧(11)的入口(5.1)中和/或上设置第一冷却件(5.10)，它们由冷却气流(12)进入电机壳内腔(4)时冷却，在由风扇轮毂(8)形成的边侧环绕的排气缝隙(13.1)出口区域的后电机壳部件(5)的径向外边框(5.2)上设置第二冷却件(5.20)，它们由冷却气流(12)排出排气缝隙(13.1)时冷却。
2.如权利要求1的冷却通风机(1)，其特征在于：电子组件(9)设置在电机(2)的电机壳内腔(4)中。
3.如权利要求1或2的冷却通风机(1)，其特征在于：在后电机壳部件(5)的电机后侧(11)上的冷却气流(12)入口(5.1)和相应的冷却件(5.10)的设置和构成使得冷却气流(12)与转子轴(2.21)基本平行地进入电机壳(3)。
4、如权利要求1-3之一的冷却通风机(1)，其特征在于：后电机壳部件(6)的电机前侧(10)具有冷却气流(12)的出口(6.1)，通过该出口(6.1)冷却气流(12)与转子轴(2.21)基本平行地排出电机壳内腔(4)。
5、如权利要求1-4之一的冷却通风机(1)，其特征在于：后电机壳部件(8)由轻金属合金制成，后电机壳部件(5)的冷却件(5.10/5.20)一体形成并由后电机壳部件(5)的材料制成。
6、如权利要求1-5之一的冷却通风机(1)，其特征在于：风扇轮毂(8)的内侧具有成型件(8.1)，它们呈直线或弯曲地在径向分布且在轴向以很小的间隔与电机壳3的结构匹配，由此，它们同时作为风扇轮毂的加强筋(8.1)和起到风扇叶片(8.1)的作用且增强冷却气流(12)。
7、如权利要求1-6之一的冷却通风机(1)，其特征在于：电机(2)包括一个设置在转子轴(2.20)上的永久磁铁励磁的内转子(2.2)和由单齿绕组(2.10)构成的且导热地与电机壳连接的定子(2.1)。
8、如权利要求7的冷却通风机(1)，其特征在于：后电机壳部件(5)的电机后侧的冷却气流(12)的入口(5.1)与定子(2.1)的单齿绕组(2.10)距转子轴的径向距离基本相等，使得流入电机内腔(4)的冷却气流(12)直接冲击到定子的单齿绕组(2.10)上。
9、如权利要求7或8的冷却通风机(1)，其特征在于：前电机壳部件(6)的电机壳外侧至少在冷却气流(12)流经的排气缝隙(13)区域具有成型件，优选为外冷却筋(6.2)，以增大冷却气流(12)流经表面。
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