-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die
Erfindung betrifft ein Kühlsystem
einer Brennkraftmaschine und insbesondere einen Elektromotor für ein solches
System. Die Erfindung ist besonders für Brennkraftmaschinen von Fahrzeugen geeignet.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Eine
Brennkraftmaschine und insbesondere eine Brennkraftmaschine eines
Fahrzeugs erzeugen während
ihres Betriebs eine große
Menge an Wärme.
Zur Ableitung der Wärme
wird ein Brennkraftmaschinen-Kühlsystem
verwendet, das eine Beschädigung
von Komponenten der Brennkraftmaschine aufgrund von Wärme verhindert.
Ein Brennkraftmaschinen-Kühlsystem
umfasst normalerweise einen Kühlmittelbehälter, Kühlmittelleitungen
und eine Gebläseeinheit.
Die Wärme
wird durch das Kühlmittel
absorbiert, das durch die Kühlkanäle in die
Brennkraftmaschine strömt.
Nach Aufnahme der Wärme
strömt das
Kühlmittel über die
Kühlmittelleitungen
zurück
in den Kühlmittelbehälter. Die
Kühlmittelleitungen
werden von einer Gebläseeinheit
gekühlt.
Die Gebläseeinheit
umfasst hauptsächlich
einen Motor und Gebläseflügel, die
durch den Motor angetrieben werden. Der Motor hat einen Permanentmagnetstator
und einen bewickelten Rotor.
-
Die
Wicklungen eines Motors erfolgen normalerweise mit Kupferdraht,
da Kupferdraht eine gute elektrische Leitfähigkeit, Festigkeit und chemische
Beständigkeit
besitzt. Die mit dem Kupferdraht hergestellten Wicklungen werden
im Folgenden als Kupferwicklungen bezeichnet. Kupferdraht besitzt eine
hohe Härte,
so dass Blechpakete wie ein Rotorkern bei der Montage durch die
Kupferwicklungen bisweilen deformiert werden. 6 zeigt
den Kern eines Rotors, der mit Kupferwicklungen bewickelt wurde.
Die Wicklungen wurden entfernt, um die Deformation zu zeigen, die
während
des Wicklungsvorgangs an den Zähnen
des Rotors verursacht werden kann, wobei die Deformation besonders
bemerkbar ist, wenn die Zähne
lang sind. Insbesondere verursacht die durch den Kupferdraht auf
die Rotorzähne ausgeübte Kraft
ein Verbiegen der äußeren Lamellen,
wodurch die wirksame Position der Zahnmitte verfälscht wird, was den Kommutationswinkel
und dadurch die Lebensdauer und die Leistung des Motors beeinflusst.
-
Darüber hinaus
ist Kupfer teurer als Aluminium. Es ist bekannt, dass in der Vergangenheit
angesichts der schlechten wirtschaftlichen Zeiten Wicklungen aus
Aluminiumdraht hergestellt wurden. Die aus Aluminiumdraht hergestellten
Wicklungen werden im Folgenden Aluminiumwicklungen genannt.
-
Die
Verwendung von Aluminiumwicklungen bringt jedoch eine Vielzahl von
Schwierigkeiten mit sich. Es ist schwierig, Aluminiumdraht an die
Kommutatorsegmente zu löten,
die üblicherweise
aus Kupfer bestehen. Aufgrund der weichen Beschaffenheit von Aluminiumdraht
ist es ebenso schwierig, Aluminiumwicklungen durch übliche Schweiß- oder Schmelzverfahren
an den Kommutatorhaken anzubringen. Deshalb wurden Aluminiumwicklungen
bei bürstenlosen
Gleichstrommotoren als Teil des Stators des Motors und nicht als
Teil des Rotors des Motors verwendet. Der Einsatz von Aluminium
ist daher entsprechend eingeschränkt.
-
Zweitens
ist Aluminium chemisch hoch aktiv und neigt zu Korrosion und Oxidation.
Leitungsdrähte aus
Aluminium oxidieren sehr schnell, wodurch sich der spezifische Widerstand
erhöht.
Deshalb werden die Aluminiumleitungsdrähte während des Betriebs des Motors
sehr heiß und
führen
möglicherweise
zu einem Ausfall des Motors oder zu einer Beschädigung von Teilen des Motors.
-
Hinzu
kommt, dass der spezifische Widerstand von Aluminium höher ist
als der von Kupfer, so dass folglich bei gleicher Klemmenspannung
der Strom in Aluminiumwicklungen geringer ist als der Strom in Kupferwicklungen.
Dadurch wird die Leistung eines Motors mit Aluminiumwicklungen beeinträchtigt.
Mit anderen Worten: um den Strom in Aluminiumwicklungen mit dem
Strom in Kupferwicklungen gleichzusetzen, muss der Durchmesser von
Aluminiumdraht vergrößert werden.
Der Bedarf an Aluminiummaterial ist demzufolge höher, und der Motor wird größer.
-
Aus
diesem Grund sind die meisten Motoren und speziell jene, die zur
Kühlung
von Brennkraftmaschinen von Fahrzeugen eingesetzt werden, mit Kupferwicklungen
ausgestattet. Bei einem Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine
eines Fahrzeugs wird der Motor manchmal abgewürgt, wenn er aufgrund von niedrigen
Umgebungstemperaturen einfriert, oder die Schaufeln seines Gebläses werden
durch ein Hindernis blockiert. In solchen Situationen ist der Strom
in den Wicklungen beim Anlassen des Motors zu hoch und kann in einer
sehr kurzen Zeit von beispielsweise 60 Sekunden sehr viel Wärme erzeugen, mit
der Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung des Motors und einem
daraus folgenden Ausfall des Kühlsystems.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Es
besteht daher der Wunsch nach einem verbesserten Kühlsystem
einer Brennkraftmaschine und einem Motor für das Kühlsystem.
-
Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kühlsystem einer Brennkraftmaschine
bereitgestellt, umfassend eine Gebläseeinheit, Kühlleitungen,
Motorkühlkanäle und einen
Kühlmittelbehälter, wobei
der Kühlmittelbehälter, die
Kühlleitungen
und die Kühlkanäle des Motors
miteinander verbunden sind und einen Kühlkreislauf bilden, wobei die
Gebläseeinheit
für die
Kühlung
der Kühlleitungen und
des darin enthaltenen Kühlmittels
verwendet wird und einen Motor und durch den Motor angetriebene
Gebläseflügel umfasst;
wobei der Motor einen Stator und einen diesem gegenüberliegenden
drehbar gelagerten Rotor aufweist; wobei der Rotor eine Welle, einen
an der Welle montierten Kommutator, einen angrenzend an den Kommutator
an der Welle montierten Rotorkern und Wicklungen aufweist, die um
die Zähne
des Rotorkerns herumgeführt
und mit den Segmenten des Kommutators elektrisch verbunden sind;
wobei die Wicklungen aus einem Draht mit Aluminiumkern hergestellt
sind, der rund um seine Umfangsfläche einen elektrischen Isolierfilm
trägt.
-
Vorzugsweise
hat jedes der Segmente an einem Ende einen Haken, wobei der Haken
verzinnt ist, um die Leitungsdrähte
der Wicklungen elektrisch zu verbinden.
-
Vorzugsweise
ist die Oberfläche
des Hakens konkav und bildet einen größeren Raum für die Unterbringung
des Leitungsdrahts (der Leitungsdrähte) der Wicklungen.
-
Vorzugsweise
umfassen die Wicklungen eine Vielzahl von Spulen, deren jede um
einen Zahn des Rotorkerns gewickelt ist.
-
Vorzugsweise
umfassen die Wicklungen eine Vielzahl von Spulen, deren jede um
zwei oder mehr Zähne
des Rotorkerns gewickelt ist.
-
Vorzugsweise
umfasst der elektrische Isolierfilm zwei Isolierschichten.
-
Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein in einem Kühlsystem
einer Brennkraftmaschine verwendeter Elektromotor bereitgestellt,
wobei das Kühlsystem
der Brennkraftmaschine durch den Motor angetriebene Gebläseflügel zum
Kühlen
eines Motors umfasst, wobei der Motor einen Stator und einen dem
Stator gegenüberliegend drehbar
gelagerten Rotor umfasst; wobei der Rotor eine Welle, einen an der
Welle montierten Kommutator, einen angrenzend an den Kommutator
an der Welle montierten Rotorkern und Wicklungen umfasst, die um
die Zähne
des Rotors herumgeführt
und mit Segmenten des Kommutators elektrisch verbunden sind; wobei
die Wicklungen aus einem Draht mit Aluminiumkern hergestellt sind,
der rund um seine Umfangsfläche
einen elektrischen Isolierfilm trägt.
-
Vorzugsweise
umfasst jedes der Segmente an einem Ende einen Haken, der verzinnt
ist, um die Leitungsdrähte
der Wicklungen elektrisch zu verbinden.
-
Vorzugsweise
ist jeder Leitungsdraht der Wicklungen an einen entsprechenden Haken
gelötet.
-
Vorzugsweise
sind die gelöteten
Leitungsdrähte
und Haken mit einem Schutzfilm umkapselt.
-
Vorzugsweise
umfasst der elektrische Isolierfilm zwei Isolierschichten.
-
Vorzugsweise
ist der Draht mit Aluminiumkern ein kupferkaschierter Aluminiumdraht.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird nunmehr anhand eines Beispiels beschrieben, wobei
auf die 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
ein Montage-Schema eines Kühlsystems
einer Brennkraftmaschine gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erindung;
-
2 ist
eine isometrische Darstellung eines Motors, der in einem Kühlsystem
einer Brennkraftmaschine gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt;
-
3 ist
eine isometrische Darstellung eines Rotors des Motors von 2;
-
4 ist
eine Schnittansicht eines Kommutators des Rotors von 3;
-
5 ist
eine isometrische Darstellung eines Rotorkerns gemäß einer
zweiten Ausführungsform, wobei
Spulen der Wicklungen jeweils mehr als einen Rotorzahn überspannen;
und
-
6 ist
eine isometrische Darstellung eines Kerns eines konventionellen
Rotors, wobei Zähne gezeigt
sind, die durch Kupferwicklungen deformiert wurden.
-
DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
-
1 zeigt
ein Kühlsystem
einer Brennkraftmaschine gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das System umfasst einen Kühlmittelbehälter 11,
Kühlleitungen 13 und
eine Gebläseeinheit 14.
Der Kühlmittelbehälter 11 ist
mit einem Kühlmittel
gefüllt,
zum Beispiel mit Wasser. Das aus dem Kühlmittelbehälter 11 ausströmende Kühlmittel strömt in die
Kühlkanäle des Motors 12 und
absorbiert die von dem Motor 12 produzierte Wärme und über die
Kühlleitungen 13 zurück in den
Kühlmittelbehälter 11,
wodurch ein Kühlzyklus
gebildet wird. Die Gebläseeinheit 14 dient
zur Ableitung von Wärme von
den Kühlleitungen 13 und
deren Kühlmittel.
Allgemein sind der Kühlmittelbehälter und
die Kühlleitungen
zusammen als Kühler
ausgebildet.
-
Die
Gebläseeinheit 14 umfasst
einen Motor und Gebläseflügel, die
durch den Motor angetrieben werden. In 2 umfasst
der Motor einen Stator 19 und einen dem Stator 19 gegenüberliegend
drehbar gelagerten Rotor 20. Der Stator 19 hat
ein Gehäuse, und
in dem Gehäuse
sind Magnete angeordnet. In 3 umfasst
der Rotor 20 eine Welle 21, einen an der Welle
befestigten Kommutator 22, einen Rotorkern 23,
der einem Ende des Kommutators benachbart an der Welle befestigt
ist, und Wicklungen 24, die um Zähne 25 des Rotorkerns 23 herumgeführt und mit
dem Kommutator 22 elektrisch verbunden sind. Die Wicklungen 24 sind
mit einem Draht mit Aluminiumkern hergestellt, der rund um seine
Peripherie mit einem elektrischen Isolierfilm versehen ist. Zum
Beispiel kann der Draht mit Aluminiumkern ein lackisolierter Draht,
ein kupferummantelter Aluminiumdraht etc. sein. Jeder Anschlussbereich
oder Leitungsdraht von Wicklungen 24 ist mit einem entsprechenden Segment 27 des
Kommutators 22 verbunden. Für einen besseren Schutz gegen
einen Durchschlag der Isolierung kann der elektrische Isolierfilm
eine oder zwei Isolierschichten aufweisen. Der Einfachheit halber
sind die Leitungsdrähte
in 3 nicht an den Kommutator angeschlossen dargestellt,
sondern vielmehr an die Kommutatorhaken. Während Löten die bevorzugte Methode
für die
Verbindung der Leitungsdrähte
mit den Kommutatorhaken ist, sind übliche Methoden wie Heißnieten,
Verschmelzen oder Verschweißen,
bei denen der Haken und der Leitungsdraht erwärmt werden, während der
Haken zum Greifen des Drahts umgebogen wird, ebenso bevorzugt.
-
In 4 umfasst
der Kommutator 22 eine Zylinderbasis 26 aus Kunststoff
oder anderen Isoliermaterialien und eine Vielzahl von Segmenten 27,
die rund um eine Umfangsfläche
der Zylinderbasis verteilt sind. Die Segmente bestehen hauptsächlich aus Kupfer.
Jedes der Segmente hat an einem Ende einen Haken 28. Bevorzugt
ist der Haken 28 verzinnt, um eine bessere elektrische
Verbindung zu dem Wicklungsdraht herzustellen. Im verzinnten Zustand können Leitungsdrähte aus
einem Draht mit Aluminiumkern ohne weiteres an den Haken 28 gelötet werden
und schaffen eine zuverlässige
elektrische Verbindung.
-
Ferner
werden die verlöteten
Leitungsdrähte und
Haken nach dem Löten
vorzugsweise mit einem Schutzfilm eingekapselt, um eine Korrosion
der Leitungsdrähte
aus Draht mit Aluminiumkern durch Sauerstoff und/oder Feuchtigkeit
zu verhindern. Der Schutzfilm kann zum Beispiel aus Isolierharz
bestehen.
-
Wie 4 zeigt,
ist die Oberfläche
des Hakens 28 relativ zur Kontaktfläche des entsprechenden Segments
konkav und bildet so einen größeren Raum
für die
Unterbringung des Leitungsdrahts (der Leitungsdrähte).
-
In
der ersten Ausführungsform
umfassen die Wicklungen 24 eine Vielzahl von Spulen, deren
jede einen Zahn 25 umgibt. In einer alternativen Ausführungsform
ist jede der Spulen um zwei oder mehr Zähne gewickelt. 5 ist
eine isometrische Darstellung eines Rotorkerns gemäß einer
zweiten Ausführungsform,
in der die Spulen der Wicklungen 24 jeweils mehr als einen
Rotorzahn 25 umspannen.
-
In
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird zur Herstellung der Wicklungen eines Motors,
speziell eines PMDC-Motors, der für den Antrieb von Gebläseflügeln in
einem Kühlsystem
einer Brennkraftmaschine bevorzugt eingesetzt wird, Draht mit Aluminiumkern
verwendet. Draht mit Aluminiumkern ist preiswerter als Kupferdraht,
wodurch die Kosten gesenkt werden. Der Widerstand von Draht mit
Aluminiumkern ist allerdings höher
als der von Kupferdraht, so dass der Strom in Aluminiumwicklungen
bei gleicher Klemmenspannung geringer ist als in Kupferwicklungen.
Aus diesem Grunde brennt ein mit Aluminiumwicklungen ausgestatteter
Motor, wenn er abgewürgt
wird, nicht so leicht durch wie ein Motor, der mit Kupferwicklungen
ausgestattet ist.
-
Darüber hinaus
ist die Härte
von Draht mit Aluminiumkern geringer als die von Kupferdraht. Deshalb
werden die Zähne
eines Rotors beim Herstellen der Wicklungen nicht so leicht deformiert, wenn
Draht mit Aluminiumkern verwendet wird.
-
Verben
wir ”umfassen”, ”aufweisen”, ”enthalten” und ”haben” sowie
deren Abwandlungen in der Beschreibung und in den Ansprüchen 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 anhand mehrerer bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, wird
der Fachmann erkennen, dass verschiedene Modifikationen möglich sind
und der Schutzrahmen der Erfindung somit durch die anliegenden Ansprüche definiert
ist.