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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine mit einem Lüfterrad nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Lüfterräder werden in elektrischen Maschinen zur Kühlung eingesetzt und können zur Erzeugung eines Kühlluftstromes mit der Welle der elektrischen Maschine umlaufen. Beispielsweise aus der
DE 692 01 498 T2 ist ein Stromgenerator für Kraftfahrzeuge bekannt, auf dessen Rotorwelle zu beiden Seiten einer Erregerwicklung jeweils ein Lüfterrad zur Erzeugung des gewünschten Kühlluftstroms angeordnet ist. Aus der
US 5,977,668 ist ein Wechselstromgenerator mit einem Lüfterrad an einer Stirnseite der auf der Rotorwelle angeordneten Erregerwicklung bekannt.
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Die Lüfterräder müssen so dimensioniert bzw. konstruiert sein, dass eine ausreichende Kühlung der elektrischen Maschine gewährleistet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen eine effiziente Kühlung einer elektrischen Maschine zu gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor wie z.B. einen Gleichstrommotor, der beispielsweise in Elektrohandwerkzeugen wie einem Akkuschrauber oder Akku-Bohrer eingesetzt wird. Die elektrische Maschine wird mechanisch kommutiert (Kohlebürstenmotor) oder elektronisch kommutiert und kann auf der Rotorwelle einen Permanentmagneten tragen, der mit einem Wechselfeld interagiert, das in statorseitigen Phasenwicklungen erzeugt wird.
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Die elektrische Maschine ist außerdem zur Kühlung mit einem Lüfterrad versehen, das auf der Rotorwelle der elektrischen Maschine aufsitzt und mit dieser umläuft.
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In den Rotor der elektrischen Maschine ist mindestens ein Kühlungskanal eingebracht, der auf der dem Lüfterrad zugewandten Seite mit einem ersten Strömungsweg durch das Lüfterrad kommuniziert. Der vom Lüfterrad erzeugte Luftstrom wird somit durch den Kühlungskanal im Rotor geleitet, so dass eine besonders effiziente Kühlung des Rotors gegeben ist. Da das Lüfterrad gemeinsam mit dem Rotor umläuft, kann der Kühlungskanal durch den Rotor zum Erzeugen eines durchgehenden Strömungsfadens auf den ersten Strömungsweg im Lüfterrad angepasst werden, beispielsweise dadurch, dass der Kühlungskanal im Rotor und der erste Strömungsweg im Lüfterrad unmittelbar miteinander verbunden sind und einen durchgehenden Strömungsweg bilden. Hierbei ist es zweckmäßig, dass der Kühlungskanal axial durch den Rotor verläuft. Über den Umfang verteilt können mehrere Kühlungskanäle in den Rotor eingebracht sein. Das Lüfterrad befindet sich vorzugsweise an der Abströmseite des Kühlungskanals und erzeugt einen Saugluftstrom durch den Rotor.
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Der Rotor der elektrischen Maschine umfasst neben der Rotorwelle auch ein Rotorpaket, durch das der Kühlungskanal verläuft. Das Rotorpaket ist Träger mindestens eines Permanentmagneten 8, der ein Magnetfeld erzeugt, wobei im Stator bestrombare Spulenwicklungen angeordnet sind, welche ein mit dem Magnetfeld des Permanentmagneten interagierendes Wechselfeld erzeugen.
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Das Lüfterrad ist mit einer Nabe zur Befestigung auf einer antreibenden Welle sowie mit Lüfterschaufeln zur Erzeugung eines Kühlluftstroms versehen. Das Lüfterrad weist einen die Nabe umgreifenden Stutzen auf, in welchem der erste Strömungsweg gebildet ist, der bezogen auf die Lüfterradachse, um die das Lüfterrad umläuft, axial gerichtet ist. Die Luftströmung im ersten Strömungsweg wird hierbei über erste Lüfterschaufeln des Lüfterrades erzeugt. Des Weiteren ist vorteilhafterweise radial außerhalb des Stutzens ein zweiter Strömungsweg gebildet, wobei die Luftströmung im zweiten Strömungsweg über zweite Lüfterschaufeln erzeugt wird, die außerhalb des Stutzens angeordnet sind.
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Das Lüfterrad weist somit zweckmäßigerweise erste und zweite Lüfterschaufeln auf, die separat voneinander ausgebildet sind. Die Lüfterschaufeln sind jeweils fester Bestandteil des Lüfterrades und erzeugen beim Umlaufen des Lüfterrades jeweils einen Luftstrom, der zur Kühlung der elektrischen Maschine, insbesondere sowohl des Rotors als auch des Stators genutzt werden kann.
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Vorteilhaft ist des Weiteren, dass die Strömungswege in radial verschiedenen Bereichen verlaufen. Innerhalb des die Nabe umgreifenden Stutzens ist der erste, radial innen gelegene und in Achsrichtung verlaufende Strömungsweg gebildet. Gegenüber dem ersten Strömungsweg ist der zweite Strömungsweg radial nach außen versetzt angeordnet, wobei der zweite Strömungsweg im oder am Lüfterrad zweckmäßigerweise in Radialrichtung verläuft, jedoch bevorzugt in Achsrichtung auf das Lüfterrad auftrifft. Es können somit zwei zumindest weitgehend voneinander unabhängige Luftströmungen erzeugt werden, die jeweils zumindest außerhalb des Lüfterrades in Achsrichtung verlaufen.
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Das Lüfterrad befindet sich üblicherweise an der Stirnseite der elektrischen Maschine und erzeugt einen Saugluftstrom, so dass die axial in unterschiedlichen radialen Abständen verlaufenden Luftströme verschiedene Teile der elektrischen Maschine kühlen können. Beispielsweise kann der radial weiter innen verlaufende, in Achsrichtung strömende Luftstrom im Falle eines als Innenläufer ausgebildeten Elektromotors den Rotor kühlen, wohingegen die radial weiter außen gelegene, außerhalb des Lüfterrades ebenfalls in Achsrichtung strömende Luftströmung die Innenseite des Stators sowie die Oberfläche des Rotors kühlt. Die innen gelegene Luftströmung kann durch den Kühlungskanal in einem Rotorblech des Rotors geführt sein, wohingegen die radial weiter außen gelegene Luftströmung durch den Luftspalt zwischen Rotor bzw. Ankerpaket und Stator hindurchströmen kann.
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Am Lüfterrad befinden sich auf der der elektrischen Maschine zugewandten Seite Ansaugöffnungen, über die die Luftströmung jeweils in den ersten bzw. zweiten Strömungsweg im Lüfterrad eintreten kann. Abströmseitig sind in das Lüfterrad erste und zweite Abströmöffnungen für die separaten Strömungswege in das Lüfterrad eingebracht, wobei die ersten Abströmöffnungen vorteilhafterweise axial den ersten Ansaugöffnungen gegenüber liegen, so dass ein axial durchgehender erster Strömungsweg im Lüfterrad gebildet ist. Beim zweiten Strömungsweg liegt die Ansaugöffnung ebenfalls an der axialen, der elektrischen Maschine zugewandten Stirnseite des Lüfterrades, um den axialen Saugluftstrom durch die elektrische Maschine zu erzeugen. Innerhalb des Lüfterrades erfolgt dagegen eine radiale Umlenkung, die zweiten Abströmöffnungen befinden sich vorteilhafterweise an der außenliegenden Umfangsseite des Lüfterrades, so dass der zweite Luftstrom das Lüfterrad in Radialrichtung nach außen verlässt.
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Der radial innen liegende Kühlluftstrom kann ggf. auch dazu genutzt werden, ein Getriebe zu kühlen, welches sich an das Lüfterrad anschließt, so dass das Lüfterrad zwischen der elektrischen Maschine und dem Getriebe liegt. Der radial innere Kühlluftstrom dient in diesem Fall ansaugseitig zur Kühlung des Rotors und abströmseitig zur Kühlung des Getriebes.
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Es kann zweckmäßig sein, das Lüfterrad mit zwei parallel zueinander angeordneten, beabstandeten Deckplatten zu versehen, zwischen denen der zweite Strömungsweg gebildet ist, welcher sich in Radialrichtung erstreckt. In die der elektrischen Maschine zugewandte Deckplatte ist eine oder mehrere Ansaugöffnungen eingebracht, über die die angesaugte Luft in den zweiten Strömungsweg im Lüfterrad geleitet wird. Die Umlenkung von der axialen Anströmung in die radiale Abströmung erfolgt beispielsweise über die Außenwandung des Stutzens, welche im Bereich der Deckplatten gebogen ausgeführt ist und sich in einem 90°-Bogen vom axialen Abschnitt zu einem radialen Abschnitt erstreckt, welcher zweckmäßigerweise identisch mit einer der Deckplatten ist. Innerhalb der Deckplatten befinden sich auch die dem zweiten Strömungsweg zugeordneten Lüfterschaufeln, welche radial außerhalb des Stutzens angeordnet sind. Die Lüfterschaufeln, die dem ersten Strömungsweg durch den Stutzen zugeordnet sind, erstrecken sich zweckmäßigerweise in den Stutzen hinein und weisen außerdem einen dem Stutzen axial vorgelagerten Abschnitt auf, der sich an der der elektrischen Maschine abgewandten Stirnseite des Lüfterrades befindet. Der axial vorgelagerte Abschnitt der Lüfterschaufeln sowie der in den Stutzen einragende Abschnitt der Lüfterschaufeln sind zweckmäßigerweise einteilig ausgeführt. Der axial vorgelagerte Abschnitt der Lüfterschaufeln kann sich radial zumindest annähernd bis zum Außenumfang des Lüfterrades erstrecken.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 einen Schnitt durch eine elektrische Maschine mit einem axial vorgelagerten Lüfterrad, das auf der Rotorwelle der elektrischen Maschine aufsitzt und mit dieser umläuft,
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2 das Lüfterrad der Rotorwelle einschließlich Rotorpaket,
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3 eine perspektivische Ansicht des Lüfterrades,
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4 eine weitere perspektivische Ansicht des Lüfterrades,
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5 eine perspektivische Ansicht eines Rotors einer elektrischen Maschine mit einem auf der Rotorwelle aufsitzenden Lüfterrad, wobei in den Rotor axiale Kühlungskanäle eingebracht sind und der Rotor Träger eines Magnetrings ist,
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6 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Rotors mit axialen Kühlungskanälen eingebracht sind und in den Rotor eingesetzten Stabmagneten.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine elektrische Maschine 1 dargestellt, die als Gleichstrommotor ausgebildet ist. Die elektrische Maschine ist als Innenläufermotor ausgeführt und umfasst einen außen liegenden Stator 3 sowie einen darin umlaufenden Rotor 4 mit einer Rotorwelle 5 und einem Rotorpaket 6, bestehend aus einer Mehrzahl aufeinandergeschichteter Rotorbleche und einem umgreifenden Magnetring 8, der als Permanentmagnet ausgebildet ist. In die Rotorbleche 6 ist ein in Achsrichtung – parallel zur Rotorlängsachse 9 – verlaufender, durchgehender Kühlungskanal 7 eingebracht. Der Stator 3 ist mit bestrombaren Spulenwicklungen versehen, die bei Bestromung ein Wechselfeld erzeugen, welches mit dem Magnetfeld des Magnetringes 8 interagiert. Zwischen der Außenseite des Rotors 4 und der Innenseite des Stators 3 liegt ein ringförmiger Luftspalt.
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Wie 1 in Verbindung mit den weiteren Figuren zu entnehmen, ist das Lüfterrad 2 der elektrischen Maschine 1 axial vorgelagert und sitzt mit einer innen liegenden Nabe 10 drehfest auf der Rotorwelle 5 auf. Auf der der elektrischen Maschine abgewandten Seite des Lüfterrades 2 kann ggf. ein Getriebe angeordnet sein, welches von der Rotorwelle 5 angetrieben wird. Das Getriebe kann ebenso wie die elektrische Maschine 1 von einem Kühlluftstrom gekühlt werden, der von dem Lüfterrad 2 erzeugt wird.
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Die Nabe 10 des Lüfterrades 2 ist von einem Stutzen 11 umgriffen, in dem ein erster, axial verlaufender Strömungsweg 12 für eine erste Kühlluftströmung gebildet ist, deren Verlauf mit den Pfeilen 13 dargestellt ist. Der erste Kühlluftstrom 13 verläuft im radial innen liegenden Bereich durch den axialen Kühlungskanal 7 im Rotor 4 und tritt anschließend über Ansaugöffnungen 14 (3) in den ersten Strömungsweg 12 ein, der ringförmig ausgebildet ist. Der ersten Strömungsweg 12 weist die gleiche radiale Erstreckung wie der Kühlungskanal 7 auf und schließt sich unmittelbar an den Kühlungskanal 7 an. Auf diese Weise ist ein axial durchgehender Strömungsweg durch den Rotor 4 und das Lüfterrad 2 gemäß den Pfeilen 13 gegeben.
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Abströmseitig verlässt der erste Kühlluftstrom 13 das Lüfterrad 2 über stirnseitige Abströmöffnungen 15. Die Abströmung kann, wie in 1 dargestellt, axial sowie auf Grund des sich tulpenförmig nach außen öffnenden Querschnittes der Abströmöffnung 15 gegebenenfalls auch mit einer radial nach außen gerichteten Komponente erfolgen.
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Die erste Kühlluftströmung gemäß den Pfeilen 13 wird durch Ansaugung über erste Lüfterschaufeln 16 erzeugt (3, 4), die jeweils einen sich in den Stutzen 11 hinein erstreckenden Abschnitt und einen auf der Abströmseite gelegenen, stirnseitigen Abschnitt mit radialer Erstreckung (4) aufweisen. Bei der Rotation des Lüfterrades 2 wird über die ersten Lüfterschaufeln 16 Luft angesaugt, die gemäß den Pfeilen 13 durch den Rotor 4 hindurchgeleitet und über die Ansaugöffnungen 14 in den Stutzen 11 geführt wird. Abströmseitig kann die Kühlluft das Lüfterrad 2 über die Abströmöffnungen 15 verlassen.
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Im Lüfterrad 2 ist außerdem ein zweiter Strömungsweg 17 gebildet, der unabhängig vom ersten Strömungsweg 12 ausgebildet ist. Durch die elektrische Maschine 1 und das Lüfterrad 2 strömt eine zweite Kühlluftströmung 18, so wie dies mit den Pfeilen gekennzeichnet ist. Die zweite Kühlluftströmung 18 liegt radial weiter außen im Vergleich zur ersten Kühlluftströmung 13 und kühlt sowohl den Stator 3 als auch die Außenseite des Rotors 4.
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Innerhalb des Lüfterrades 2 ist der zweite Strömungsweg 17, der im Lüfterrad in Radialrichtung verläuft, von zwei parallelen Deckplatten 19 und 20 des Lüfterrades gebildet. Der zweite Kühlluftstrom 18 tritt über Ansaugöffnungen 21 in der Deckplatte 20, welche der elektrischen Maschine 1 zugewandt ist, in den Zwischenraum zwischen den beiden Deckplatten 19 und 20 und wird dort von der axialen Anströmung in eine radial nach außen gerichtete Strömung umgelenkt. Über die in der Umfangsseite liegenden Abströmöffnungen 22 verlässt der zweite Kühlluftstrom 18 radial nach außen das Lüfterrad 2.
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Die Deckplatte 19, welche die der elektrischen Maschine 1 abgewandte Stirnseite des Lüfterrades 2 bildet, ist einteilig mit der Wandung des Stutzens 11 ausgebildet, wie den Schnittdarstellungen gemäß den 1 und 2 zu entnehmen ist. Die Wandung 11 weist auf der der elektrischen Maschine 1 abgewandten Seite einen 90°-Bogen auf und geht in die radiale Deckplatte 19 über.
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Der zweite Kühlluftstrom 18 wird durch zweite Lüfterschaufeln 23 erzeugt, die radial außerhalb des Stutzens 11 zwischen den Deckplatten 19 und 20 angeordnet sind.
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5 zeigt den Rotor 4 der elektrischen Maschine mit dem Rotorpaket 6 auf der Rotorwelle 5, wobei in das Rotorpaket 6 die axial verlaufenden, durchgehenden Kühlungskanäle 7 eingebracht sind. Über den Umfang verteilt sind in regelmäßigen Abständen mehrere Kühlungskanäle 7 vorgesehen. Das Rotorpaket 6 trägt einen als Permanentmagneten ausgebildeten Magnetring 8. Auf der Abströmseite der Kühlungskanäle 7 ist das Lüfterrad 2 drehfest mit der Rotorwelle 5 verbunden. Es werden wie beim ersten Ausführungsbeispiel radial versetzt laufende, erste und zweite Strömungswege durch die Kühlungskanäle 7 bzw. radial weiter außen gelegen an der Außenseite des Rotors 4 vom Lüfterrad 2 erzeugt.
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Auf der dem Lüfterrad 2 axial gegenüberliegenden Seite ist die Rotorwelle 5 in einem Lagerteil 24 drehbar aufgenommen.
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6 zeigt eine weitere Alternative eines Rotors 4, bei dem die Permanentmagnete 8, die in das Rotorpaket 6 eingebracht sind, als Stabmagnete ausgebildet sind, welche sich in Achsrichtung erstrecken. In das Rotorpaket 8 sind außerdem über den Umfang verteilt mehrere axial verlaufende Kühlungskanäle 7 eingebracht. Die Permanentmagnete 8 befinden sich radial weiter außen liegend im Rotorpaket 6 als die Kühlungskanäle 7.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69201498 T2 [0002]
- US 5977668 [0002]
