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Die
Erfindung betrifft einen Elektromotor.
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Elektromotoren
umfassen eine Statorwicklung, deren Wärme an die Umgebung abzuführen ist. Im
einfachsten Fall wird der größte Teil
der Wärme vom
Statorblechpaket ans Motorgehäuse
und von dort an die Umgebung abgegeben.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Wärmeabfuhr
an die Umgebung zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe bei dem Elektromotor nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen
gelöst.
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Wichtige
Merkmale der Erfindung bei dem Elektromotor sind, dass er ein mit
dem Motorgehäuse verbundenes
Statorblechpaket umfasst, wobei
axiale Strömungskanäle für ein Kühlmedium, insbesondere für ein flüssiges Kühlmedium,
vom Motorgehäuse
und Statorgehäuse
begrenzt sind, insbesondere in radialer Richtung.
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Von
Vorteil ist dabei, dass eine gute Wärmeabfuhr erzeugbar ist, da
ein geringer Wärmeübergangswiderstand
von der Statorwicklung zur Umgebung hin erzeugbar ist. Außerdem ist
die Fertigung der Kühlkanäle besonders
einfach ausführbar,
indem entsprechende Vertiefungen im Statorblechpaket vorgesehen
sind, die beim Ausstanzen der einzelnen Blechteile vorsehbar sind.
Alternativ sind auch Vertiefungen in der Innenseite des Motorgehäuses vorsehbar,
die beispielsweise als axial verlaufende Nuten vorsehbar sind.
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Somit
sind in beiden Fällen
die Kühlkanäle einfach
und kostengünstig
herstellbar.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Statorwicklung mit Vergussmasse
umgossen, wobei zumindest ein axialer Endbereich der Statorwicklung axial
das Statorblechpaket überragt,
wobei
in diesem Endbereich ein Stützteil
vorgesehen ist, insbesondere eine radial weiter innen vorgesehene
Hülse.
Von Vorteil ist dabei, dass die Wärme wegen der wärmeleitenden
Vergussmasse schnell aufgespreizt wird und außerdem die Wicklungen mechanisch
stabilisierend gehalten werden. Darüber hinaus ermöglicht das
Stützteil,
dass die Wicklung zumindest im Endbereich nur wenig oder gar keine
Abstützung
durch Vergussmasse benötigt
und somit sogar direkter Kontakt zwischen Kühlmedium und Wicklungsdrähten ermöglicht ist.
Insbesondere ist der Hotspot direkt für das Kühlmedium zugänglich.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Hülse zumindest Carbonfasermaterial.
Von Vorteil ist dabei, dass auch bei höheren Temperaturen eine hohe
mechanische Stabilität
gewährleistbar ist – auch wenn
die Vergussmasse bei diesen Temperaturen erweicht.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Statorwicklung mit Vergussmasse
umgossen, wobei zumindest ein axialer Endbereich der Statorwicklung axial
das Statorblechpaket überragt,
wobei
in diesem Endbereich ein direkter Kontakt des Kühlmediums mit Wicklungsdrahtbereichen
der Statorwicklung vorgesehen ist, insbesondere um den Hotspot der
Statorwicklung herum, insbesondere um den Raumbereich der Statorwicklung
mit höchster Temperatur.
Von Vorteil ist dabei, dass ein geringer Wärmeübergangswiderstand zum Kühlmedium
vorsehbar ist und somit eine hohe Leistungsdichte erreichbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der axiale Endbereich
den Wickelkopf der Statorwicklung, insbesondere also die Umlenkung
der Wicklungsdrähte.
Von Vorteil ist dabei, dass dort ein Hotspot auftritt und somit
ein großer
Wärmestrom
abführbar
ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Motorgehäuse aus
Aluminium vorgesehen und das Statorblechpaket ist aus Stahlblechen
zusammengesetzt. Von Vorteil ist dabei, dass ein Aufschrumpfen schon
mit kleinen Temperaturdifferenzen erreichbar ist. Außerdem ist
mittels des Aluminiums wegen dessen hoher Wärmeleitfähigkeit ein Teil der Wärme an die äußere Umgebung
des Motorgehäuses
ableitbar.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung überragt der axiale Endbereich
der Statorwicklung axial den axialen Bereich der Permanentmagnete,
insbesondere wobei diese Permanentmagnete mit der Rotorwelle verbunden
sind. Von Vorteil ist dabei, dass weniger mechanische Kräfte auf
den Endbereich wirken und somit die Abstützung durch das Stützelement,
insbesondere die Hülse,
genügt.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Permanentmagnete mit
einem Rotorwellenstück als
Träger
verbunden sind, das kraftschlüssig
mit der Rotorwelle verbunden ist, insbesondere mittels Pressverband.
Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache leistungsfähige Verbindung
herstellbar ist und der Innenbereich radial unter den Magneten mit
großem
Hohlanteil ausführbar
ist, um eine hohe Dynamik des Motors zu ermöglichen.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
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In
der 1 ist ein erfindungsgemäßer Elektromotor in aufgeschnittener
Ansicht gezeigt, wobei in 1a ein
vergrößerter Ausschnitt
gezeigt ist.
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In
der 2 ist ein ähnlicher
erfindungsgemäßer Elektromotor
in Schnittansicht gezeigt, wobei in 2a ein
vergrößerter Ausschnitt
gezeigt ist.
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Bei
diesen Ausführungsbeispielen
ist im Motorgehäuse 1 ein
Statorblechpaket 2 aufgenommen, das an seiner Außenseite
Vertiefungen aufweist, die zusammen mit der Innenseite des Motorgehäuses 1 axiale
Strömungskanäle 3 bilden.
Dabei sind stets einige Kanäle,
insbesondere drei, zu Gruppen zusammengefasst, wobei die Kanäle einer
Gruppe zueinander näher
entfernt liegen als die Schwerpunkte der jeweils nächstbenachbarten
Gruppen.
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Das
Motorgehäuse 1 ist
auf das Statorblechpaket 2 aufgeschrumpft, also bei der
Herstellung mittels vor Verbinden in axialer Richtung erzeugtem Temperaturunterschied
kraftlos oder kraftarm aufgeschoben und nach Abkühlen kraftschlüssig verbunden
und aufgeschrumpft.
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Die
Statorwicklungen 4 sind mit Vergussmasse vergossen mit
Ausnahme ihres axialen Endbereichs, an dem ein flüssiges Kühlmedium,
wie Öl, in
Kontakt tritt mit den Wicklungsdrähten. Somit ist es ermöglicht direkt
am Hot Spot, also an einem Raumbereich hoher oder gar höchster Temperatur
der Statorwicklung das Kühlmedium
direkt, also mit einem geringen Wärmeübergangswiderstand in Kontakt
zu bringen, um eine hocheffiziente Entwärmung zu erreichen.
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Diese
axialen Endbereiche der Wicklungen ragen axial über das Statorblechpaket heraus
und sind in der Vergussmasse fixiert.
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Radial
unterhalb der Vergussmasse ist in diesen Bereichen eine Carbonfaserhülse 5 vorgesehen,
die insbesondere bei hohen Temperaturen und somit Erweichen der
Vergussmasse eine Abstützung bewirkt.
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Das
Kühlmedium
wird über
eine Einlassbohrung 21 des Flanschlagerschildes 22 in
umlaufende Kühlkanäle 20 eingepresst,
von denen es in die axialen Verbindungskanäle 6 einströmt, die
in der Vergussmasse ausgeformt sind.
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Die
Dauermagnete 7 sind mit dem Rotorwellenstück 8 verbunden,
das wiederum mit der Rotorwelle 9 verbunden ist, die über Lager 23 im
Flanschlagerschild 22 beziehungsweise im Motorgehäuse 1 vorgesehen
sind.
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Die
O-Ring-Dichtung 24 dichtet die Carbonfaserhülse 5 ab
gegen das Flanschlagerschild 22. Somit tritt bei dem außengekühlten Elektromotor
kein Kühlmedium
in den hohl ausgeführten
Innenbereich des Rotors.
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Der Ölablass 25 ist
im Motorgehäuse 1 vorgesehen.
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In 3 ist
ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
gezeigt, bei dem der drehende Teil mit einer sehr geringen Masse
und großem Durchmesser
ausgeführt
ist. Somit ist eine hohe Leistungsdichte erreichbar. In 3a ist
ein vergrößerter Ausschnitt
gezeigt.
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Das
Rotorwellenstück 30 ist
als Topf ausgeführt,
an dessen axialen bodenseitigen Endbereich eine Lagerung in einem
Gehäuseteil,
wie Flansch, ausgeführt
ist. Im axial gegenüberliegenden
Endbereich ist ein Abtriebswellenstück 31 mittels Verbindungsschraube 37 mit
dem Rotorwellenstück 30 verbunden.
Dieses Abtriebswellenstück 31 ist
mittels des Lagers 39 in einem topfförmigen Gehäuseteil, das ein Flanschteil 36 darstellt,
gelagert.
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Somit
ist das drehende Teil, also der Rotor des Motors zweistückig ausgeführt, wobei
jedes Stück
jeweils einzeln gelagert ist und die beiden Stücke schraubverbunden sind.
Außerdem
ist das Abtriebswellenstück 31 vom
Rotorwellenstück 30 umgeben.
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Das
Abtriebswellenstück 31 umfasst
eine Innenverzahnung 38, in der ein abtriebsseitiges Ritzelwellenstück vorsehbar
und somit antreibbar verbindbar ist.
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Das
Innere des Rotors ist somit hohl und abgedichtet ausgeführt. Auf
diese Weise ist eine hohe Dynamik des Motors erreichbar, das das
Trägheitsmoment
des Rotors sehr klein ist.
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Eine
Ausnehmung 32 ist im axial bodenseitigen Endbereich des
Rotorwellenstücks 30 vorgesehen
ist.
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Ein
Winkelsensor oder Winkelgeschwindigkeitssensor, der einen Stator
und einen Rotor umfasst ist vorgesehen. Der Stator 33 des
Winkelsensors oder Winkelgeschwindigkeitssensors ist mit dem Flanschteil 44 verbunden,
insbesondere verschraubt. Der zugehörige Rotor 34 des
Winkelsensors oder Winkelgeschwindigkeitssensors ist mit dem topfförmigen Rotorwellenstück 30 verbunden.
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In 3b ist
der in den 3 und 3a dargestellte
Motor in Schrägansicht
von außen
gezeigt. Dabei ist ein Sammelkanal 40 für Kühlmedium vorgesehen. Dabei
strömt
das Kühlmedium
durch den Sockel 42 zu, wird im Verteilerkanal 43 an
die verschiedenen Einlässe
im Motorgehäuse
verteilt und nach Durchfließen
der axialen Kühlkanäle zwischen
Motorgehäuse
und Statorblechpaket durch den Sockel 41 abgeführt.
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Im
Flanschteil 44 ist ein Lager 45 vorgesehen, über das
der Rotor gelagert ist. Das Flanschteil 44 ist mit dem
Motorgehäuse
verbunden. Der Stator 33 des Winkelsensors ist mit dem
Flanschteil 44 drehfest über die Verbindungsschraube 35 verbunden,
der Rotor 34 des Winkelsensors drehfest mit dem Rotor des
Motors.
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Das
Kühlmedium
wird durch den Sockel 42 dem in Umfangsrichtung umlaufend
vorgesehenen Kühlkanal 50 zugeleitet.
Von diesem strömt
das Kühlmedium
durch einen radial innerhalb des Motorgehäuses liegenden Kühlkanal 51 axial
bis zur ungefähren
axialen Mitte des Motorgehäuses
und von dort durch einen Kühlkanal 52 axial
außen
zurück.
Vom anderen axialen Ende her wird ebenfalls Kühlmedium eingeströmt und durch
entsprechende axial verlaufende Kühlkanäle Kühlmedium geführt. Am
Sockel 41 tritt das im Sammelkanal 40 gesammelte Kühlmedium
dann wieder aus. In jedem Fall strömt das Kühlmedium wesentliche Zeiten
oder Strecken in axialer Richtung.
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Wichtig
ist auch, dass der Rotor als Hohlwelle ausgeführt ist und somit ein geringes
Trägheitsmoment,
also auch hohe Dynamik, ermöglicht.
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Die
aus dem Statorblechpaket herausstehenden Wicklungsbereiche 53 umfassen
auch die Umlenkbereiche, welche besonders heiß sind und auch als Hotspots
bezeichnet werden. Diese herausstehenden Wicklungsbereiche 53 sind
mit Vergussmasse vergossen und werden durch frisch durch den Sockel 42 eintretendes
Kühlmedium,
insbesondere Öl,
direkt beströmt.
Somit weisen die Hotspots einen sehr geringen Wärmeübergangswiderstand auf zum Kühlmedium,
wodurch sie sehr gut entwärmbar
sind.
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Die
erhärtete
Vergussmasse ermöglicht
es auch, dass die mit Vergussmasse vergossenen herausstehenden Wicklungsbereiche 53 auf
den Flansch 44 auflegbar sind und mittels der Dichtungen 54 eine
Abdichtung bewirkbar ist. Die Vergussmasse stabilisiert hierzu die
herausstehenden Wicklungsbereiche, so dass sogar die Abstützung am
Flansch 44 ausführbar
ist. Hierzu ist dieser Bereich vorgeformt und in eine umlaufende
Nut des Flansches 44 eingepresst.
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- 1
- Motorgehäuse
- 2
- Statorblechpaket
- 3
- axiale
Strömungskanäle
- 4
- Statorwicklungen
mit Vergussmasse
- 5
- Carbonfaserhülse
- 6
- Verbindungskanal
- 7
- Dauermagnete
- 8,
30
- Rotorwellenstück
- 9
- Rotorwelle
- 20
- umlaufende
Kühlkanäle
- 21
- Einlassbohrung
- 22
- Flanschlagerschild
- 23,
39
- Lager
- 24
- O-Ring-Dichtung
- 25
- Ölablass
- 31
- Abtriebswellenstück
- 32
- Ausnehmung
- 33
- Stator
des Winkelsensors
- 34
- Rotor
des Winkelsensors
- 35
- Verbindungsschraube
- 36
- topfförmiger Flansch
- 37
- Verbindungsschraube
- 38
- Innenverzahnung
- 40
- Sammelkanal
für Kühlmedium
- 41
- Sockel
für Kühlmittelabfluss
- 42
- Sockel
für Kühlmittelzufuhr
- 43
- Verteilerkanal
für Kühlmittel
- 44
- Flanschteil
- 50
- Kühlkanal
in Umfangsrichtung umlaufend
- 51
- Kühlkanal
axial innen
- 52
- Kühlkanal
axial außen