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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einer verbesserten Kühlung.
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Elektromotoren finden heute vielfältige Anwendungen in unterschiedlichsten technischen Vorrichtungen (bspw. in Autos, Flugzeugen, Robotern, DVD-Playern, Tonbandgeräten, etc.). Beim Betrieb von Elektromotoren entsteht bei der Wandlung elektrischer in mechanische Energie aufgrund von Wirkungsgraden < 1 und mechanischen und elektrischen Energieverlusten Wärme. Die mögliche Wärmeableitung bestimmt bei Elektromotoren unter anderem operativ erreichbare Motorlasten wesentlich mit und ist daher ein Auslegungskriterium für Elektromotoren.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Elektromotor mit einer verbesserten Wärmeabfuhr anzugeben.
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Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
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Während des Betriebs eines Elektromotors entsteht im Rotor Verlustwärme, die möglichst effektiv abgeführt werden soll. Dies geschieht durch Konvektion und Wärmestrahlung einerseits in radialer Richtung (d.h. senkrecht zur Rotorachse) über einen Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor und andererseits in axialer Richtung (d.h. entlang der Rotorachse) über die Stirnseiten des Rotors in Richtung Gehäuse des Elektromotors. Da jedoch die über Konvektion und Wärmestrahlung pro Fläche übertragene Wärmemenge klein ist, im Vergleich zu der mittels Wärmeleitung beispielsweise in Metallen erzielbaren Wärmeübertragung, ist es erforderlich, einerseits die Austauschflächen möglichst groß und andererseits die Spaltmaße, die der Wärmestrom überwinden muss, möglichst klein zu halten, um eine möglichst gute Wärmeabfuhr vom Rotor zu erreichen.
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die Wärmeabfuhr/übertragung an den Stirnflächen des Rotors, d.h. in axialer Richtung entlang der Rotorachse zu verbessern.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Elektromotor, bei dem zumindest an einem Endbereich einer Rotorachse des Rotors ein Scheibenelement fixiert ist, dessen Scheibenebene senkrecht zur Rotorachse angeordnet ist, das Scheibenelement auf seiner vom Rotor wegweisenden Seite eine Anzahl N um die Rotorachse zentrierte ringförmige Erhebungen, die jeweils einen Ringradius rn aufweisen, aufweist, wobei die ringförmigen Erhebungen jeweils entweder als geschlossener Kreisring KRn mit einer Erhebungshöhe hKRn oder als eine Anzahl M um die Rotorachse zentriert und voneinander beabstandet angeordnete Kreisringsegmente KRSn,m mit einer Erhebungshöhe hKRSn,m ausgeführt sind, mit:
- n:
- Index, der einen geschlossenen oder kreisringsegmentförmig gegliederten Kreisring KRn, KRSn,m mit einem Radius rn angibt,
- m:
- Index, der ein Kreisringsegment KRSn,m angibt,
- n = 1, 2, ..., N und N ≥ 2,
- m = 1, 2, ..., M und M ≥ 2,
und wobei die kreisringförmigen Erhebungen KRn, KRSn,m jeweils zumindest teilweise in zugeordnete ringförmige Ausnehmungen AN einer Wärmesenke berührungsfrei eingreifen, wobei die Ausnehmungen AN eine Ausnehmungstiefe TAN aufweisen.
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Es wird somit davon ausgegangen, dass der Rotor an einem oder an beiden Endbereichen der Rotorachse ein Scheibenelement aufweist. Vorliegend dient das Scheibenelement durch die erfindungsgemäße Gestaltung insbesondere dazu, eine verbesserte Wärmeableitung von dem Scheibenelement zu der Wärmesenke zu erzeugen. Das Scheibenelement ist insbesondere als Kreisschreibe ausgebildet, einseitig aufweisend die erwähnten kreisringförmigen Erhebungen KRn, KRSn,m.Das Scheibenelement kann als Wuchtscheibe und/oder als Kurzschlussring ausgeführt sein. Ein als Wuchtscheibe ausgeführtes Scheibenelement dient dazu, fertigungsbedingte Unwuchten des Rotors zu kompensieren, so dass während des Betriebes des Elektromotors Vibrationen verhindert werden, die einen übermäßigen Verschleiß zur Folge hätten.
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Das zumindest eine Scheibenelement hat eine axial vom Rotor wegweisende Seite. Erfindungsgemäß weist diese wegweisende Seite eine Anzahl N um die Rotorachse zentrierte ringförmige Erhebungen auf, die jeweils einen Ringradius rn aufweisen, wobei die ringförmigen Erhebungen jeweils entweder als geschlossener Kreisring KRn mit einer Erhebungshöhe hKRn oder als eine Anzahl M um die Rotorachse zentriert und voneinander beabstandet angeordnete Kreisringsegmente KRSn,m mit einer Erhebungshöhe hKRSn,m ausgeführt sind.
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In einer Weiterbildung ist der Elektromotor als Asynchronmotor ausgebildet, wobei das Scheibenelement zudem vorteilhaft gleichzeitig den Kurzschlussring darstellt.
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In einer einfachen Ausführungsform weist das Scheibenelement zwei (N = 2) ringförmige Erhebungen auf, wobei beide Erhebungen als geschlossene Kreisringe KRn=1, KRn=2 ausgebildet sind und wobei der Kreisring KRn=1 einen Ringradius rn=1 und der Kreisring KRn=2 einen Ringradius rn=2 aufweist. Die Kreisringe KRn=1 bzw. KRn=2 weisen dabei eine Erhebungshöhe hKRn=1 bzw. hKRn=2 gegenüber einer Oberflächenebene des Scheibenelements auf.
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In einer weiteren einfachen Ausführungsform weist das Scheibenelement zwei (N = 2) ringförmige Erhebungen auf, wobei jede ringförmige Erhebung eine Anzahl M = 4 um die Rotorachse zentrierte und voneinander beabstandet angeordnete Kreisringsegmente KRSn,m mit einer Erhebungshöhe hKRSn,m aufweist, mit n = 1, 2 und m = 1, 2, 3, 4.
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Die Kreisringssegmente KRSn=1,m bilden demzufolge einen unterbrochenen Kreisring mit dem Ringradius rn=1. Die Kreisringssegmente KRSn=2,m bilden demzufolge einen unterbrochenen Kreisring mit dem Ringradius rn=2.
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Natürlich sind auch ringförmige Erhebungen möglich, bei denen einer oder mehrere als geschlossene Kreisringe und einer oder mehrere als unterbrochene Kreisringe (d.h. die um die Rotorachse zentrierte und voneinander beanstandet angeordnete Kreisringsegmente aufweisen) ausgeführt sind.
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Die kreisringförmigen Erhebungen KRn, KRSn,m greifen jeweils zumindest teilweise in zugeordnete ringförmige Ausnehmungen AN einer Wärmesenke berührungsfrei ein, wobei die Ausnehmungen AN eine Ausnehmungstiefe TAN aufweisen.
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Die Wärmesenke kann als Teil eines Gehäuses des Elektromotors, bspw. als Lagerschild, oder als eine zusätzliche in den Elektromotor integrierte Vorrichtung ausgeführt sein. Die dem Scheibenelement gegenüberliegende Seite der Wärmesenke weist vorteilhaft eine kreisförmige Oberfläche aufweisend die Ausnehmungen AN auf. Der Mittelpunkt der kreisförmigen Oberfläche der Wärmesenke liegt vorteilhaft auf der Rotorachse. Der Durchmesser der kreisförmigen Oberfläche der Wärmesenke ist vorteilhaft gleich dem oder größer als der Durchmesser des Scheibenelements. Der Abstand zwischen der Oberfläche des Scheibenelements (inkl. den ringförmigen Erhebungen) und der Oberfläche der Wärmesenke (inkl. den Ausnehmungen AN) ist vorteilhaft gewählt aus dem Bereich zwischen 0,4 mm und 4 mm. Vorteilhaft weisen insbesondere die in die Ausnehmungen AN der Wärmesenke eingreifenden Erhebungen KRn, KRSn,m von Wandungen der Ausnehmungen AN einen Abstand in diesem Bereich auf. Vorteilhaft ist der Abstand zwischen beiden Oberflächen konstant. Der Abstand wird vorzugsweise in diesem Bereich optimiert für einerseits den bestmöglichen Wärmeübergang (d.h. möglichst geringer Abstand), andererseits das Vermeiden von Kontakt zwischen dem Scheibenelement und der Wärmesenke beispielsweise durch Wärmeausdehnung der Materialien (d.h. ein entsprechend vergrößerter Abstand).
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Vorteilhaft steht die Wärmesenke, insbesondere das die Ausnehmungen AN umgebende Material der Wärmesenke, insbesondere das die zuvor genannte kreisförmige Oberfläche bildende Material der Wärmesenke, in thermisch leitender Verbindung mit einem Wärmetauscher, insbesondere mit einem Wärmetauscher mit indirekter Wärmeübertragung zur Abfuhr der am Rotor bzw. innerhalb des Elektromotors entstehenden Wärme.
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Unter indirekter Wärmeübertragung wird vorliegend verstanden, dass Wärme transportierende Stoffströme räumlich durch eine wärmedurchlässige Wand getrennt sind. Wärmetauscher dieser Klasse werden auch als „Rekuperatoren“ bezeichnet. Natürlich kann die Wärmesenke auch als Wärmetauscher ausgebildet sein oder mit einem solchen wärmeleitend verbunden sein, der nach einem anderen Wärmetauscher-Prinzip arbeitet.
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Vorteilhaft greifen die Erhebungen KRn, KRSn,m mit jeweils zumindest 20 % oder 30 % oder 40 % oder 50 % oder 60 % oder 70 % oder 80 % oder 90% ihrer Erhebungshöhe hKRn, hKRSn,m in die jeweilige Ausnehmung AN ein.
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Die effektive Fläche, die Wärme von dem Scheibenelement zur Wärmesenke überträgt, kann durch folgende Maßnahmen vergrößert werden, was die Wärmeübertragung verbessert:
- • Vergrößern der Erhebungshöhen hKRn hKRSn,m und entsprechendes Vergrößern der Ausnehmungstiefe TAN.
- • Ausbilden von Oberflächenstrukturen, bspw. durch Erhöhen der Oberflächenrauigkeit, an den kreisringförmigen Erhebungen KRn, KRSn,m
- • Ausbilden von Oberflächenstrukturen, bspw. durch Erhöhen der Oberflächenrauigkeit, an den Wandlungen der Ausnehmungen AN
- • Optimieren der Querschnittsform der Erhebungen KRn, KRSn,m
- • Optimieren der Querschnittsform der Ausnehmungen AN.
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Durch strukturierte Oberflächen der Erhebungen KRn, KRSn,m bzw. der Ausnehmungen AN wird einerseits die Wärmeaustauschoberfläche vergrößert und andererseits erreicht, dass eine Luftströmung, die sich zwischen den in die Ausnehmungen AN eingreifenden Erhebungen KRn, KRSn,m beim Betrieb des Elektromotors ausbildet, eine erhöhte Turbulenz aufweist, wodurch die konvektive Wärmeübertragung verbessert wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Flanken der Erhebungen KRn, KRSn,m und/oder die Innenflächen/Wandungen der Ausnehmungen AN flächig strukturiert ausgeführt, mit Strukturhöhen insbesondere im Bereich von 10 µm - 500 µm.
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Anstelle einer erhöhten Oberflächenrauigkeit können die Oberflächen der Erhebungen KRn, KRSn,m bzw. der Ausnehmungen AN alternativ oder zusätzlich mit makroskopischen Unebenheiten ausgestattet werden, beispielsweise mit einer Riffelung oder einem wellenartigen Oberflächenverlauf, wobei eine Vorzugsstrukturrichtung der Unebenheiten vorteilhaft quer, schräg oder gleichgerichtet zur Luftströmung ausgerichtet ist. Auch können die Unebenheiten Kugelsegment-förmige oder Pin-Fin-artige Strukturen aufweisen.
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Durch die Gestaltung der Querschnitte der Erhebungen KRn, KRSn,m, beispielsweise kann die Querschnittsbreite vorteilhaft wesentlich kleiner als die Erhebungshöhe hKRn, hKRSn,m gewählt werden, wird eine erhebliche Oberflächenvergrößerung und damit eine deutlich verbesserte Wärmeübertragung erzielt.
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Durch das Eingreifen der ringförmigen Erhebungen KRn, KRSn,m in die zugeordneten (natürlich ebenfalls ringförmigen) Ausnehmungen AN entsteht eine Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche zwischen Rotor und Lagerschild.
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Vorteilhaft weisen die Erhebungen KRn, KRSn,m Flanken auf, die relativ zu einer Scheibenebene des Scheibenelements einen Winkel aus dem Bereich von 45°- 90°, insbesondere von 60° - 99°, insbesondere 75°, oder 80° oder 85° oder 90° oder 95° einschließen. Dies optimiert einerseits den über Wärmeleitung innerhalb der Erhebungen KRn, KRSn,m transportierten Wärmefluss (um eine möglichst konstante Wärmestromdichte zu erzielen), andererseits erleichtert dies die Herstellung der strukturierten Wuchtplatte beispielsweise mittels eines Gussverfahrens (insbesondere Aluminiumdruckguss).
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Vorteilhaft bestehen das Scheibenelement oder zumindest die Erhebungen KRn, KRSn,m aus Aluminium, aus einer Aluminiumlegierung, aus Kupfer, aus einer Kupferlegierung, oder aus einer Keramik mit einer vergleichbaren Wärmeleitfähigkeit.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des vorgeschlagenen Elektromotors zeichnet sich dadurch aus, dass die Flanken zumindest einer Erhebung KRn, KRSn,m, welche in eine Ausnehmung AN eingreift, zu den Wandungen der jeweiligen Ausnehmung AN unterschiedlich beabstandet sind. D.h., dass eine Flanke einer Erhebung KRn, KRSn,m einen Abstand D1 von einer Wandung der zugeordneten Ausnehmung AN aufweist, während die andere Flanke der Erhebung KRn, KRSn,m einen Abstand D2 von der anderen Wandung der zugeordneten Ausnehmung AN aufweist. Vorteilhaft gilt für die Abstände: D1 ≥ D2, insbesondere D1 ≥ k * D2, mit k ∈ [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10].
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Dabei bilden sich in den Bereichen mit den kleineren Abständen D2 Taylor-Wirbel aus, während in den Bereichen mit den größeren Abständen D1 keine Taylor-Wirbel auftreten. Der Wärmeübergang ist in den Bereichen mit Taylor-Wirbeln deutlich größer als in den Bereichen ohne Taylor-Wirbel. Durch eine entsprechende Optimierung kann in den Bereichen mit kleinen Abständen D2 die Wärmeübertragung gesteigert werden und gleichzeitig in den Bereichen mit größeren Abständen D1 die Luftreibungsverluste gering gehalten werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des vorgeschlagenen Elektromotors zeichnet sich dadurch aus, dass die Innenflächen/Wandungen der Ausnehmungen AN und/oder die Oberflächen der Erhebungen KRn, KRSn,m jeweils eine Materialschicht, insbesondere eine Farbschicht, mit einem Emissionsgrad ε für Wärmestrahlung von > 0,5 aufweisen. Vorteilhaft ist eine Schichtdicke dieser Materialschicht aus dem Bereich 1 µm - 100 µm gewählt.
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Ein erfindungsgemäßer Elektromotor weist eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Wärmeableitung, insbesondere in axialer Richtung der Rotationsachse des Motors auf. Die verbesserte Wärmeableitung ermöglicht verbesserte Leistungsdaten des Elektromotors bei annähernd unverändertem Bauvolumen des Elektromotors.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, ein Luftfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug mit einem Elektromotor wie vorstehend beschrieben. Vorteilhaft dient der Elektromotor dabei dem Antrieb des entsprechenden Fahrzeugs.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnungen - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
- 1 eine Längsschnittansicht eines ersten schematisierten erfindungsgemäßen Elektromotors
- 2 eine Längsschnittansicht eines zweiten schematisierten erfindungsgemäßen Elektromotors
- 3 eine schematisierte Aufsicht auf ein Scheibenelement mit darauf angeordneten ringförmigen Erhebungen.
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1 zeigt eine Längsschnittansicht eines ersten schematisierten erfindungsgemäßen Elektromotors. Der Elektromotor weist einen Rotor mit Rotorachse 101 und einem Anker 106 mit Ankerwicklungen und/oder Magneten auf. An dem dargestellten oberen Endbereich der Rotorachse 101 ist ein Scheibenelement 102 fixiert, dessen Scheibenebene senkrecht zur Rotorachse 101 angeordnet ist. Das Scheibenelement 102 weist auf seiner von einem Anker des Rotors wegweisenden Seite eine Anzahl N = 2 um die Rotorachse 101 zentrierte ringförmige Erhebungen 103 auf. Die ringförmigen Erhebungen weisen jeweils einen Ringradius rn=1,2 auf. Die kreisringförmigen Erhebungen 103 greifen jeweils in zugeordnete ringförmige Ausnehmungen AN 104 einer Wärmesenke 105 berührungsfrei ein. Die Wärmesenke ist mit einem Wärmetauscher (nicht dargestellt) wärmeleitend verbunden, der die vom Rotor bzw. im Innenraum des Elektromotors erzeugte Wärme nach außen ableitet.
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Die Erhebungen 103 weisen Flanken auf, die gegenüber einer Senkrechten zur Ebene des Scheibenelements vorteilhaft einen Winkel aus dem Bereich von 1 °bis 10° aufweisen. Damit ist die Basis der Erhebungen 103 breiter als die Spitze der Erhebungen 103.
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Die ringförmigen Erhebungen 103 können jeweils entweder als geschlossener Kreisring KRn mit einer Erhebungshöhe hKRn oder als eine Anzahl M um die Rotorachse zentriert und voneinander beabstandet angeordnete Kreisringsegmente KRSn,m mit einer Erhebungshöhe hKRSn,m ausgeführt sein.
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Vorliegend sind die zwei kreisringförmigen Erhebungen 103, wie in 3 schematisiert dargestellt, zum einen als geschlossener Kreisring KRn=2 mit einem Ringradius rn=2 und als innenliegender unterbrochener Kreisring mit 4 Kreisringsegmenten KRSn=1 ,m=1,2,3,4 jeweils mit einem Ringradius rn=1 ausgeführt.
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Der Abstand des Scheibenelements inkl. der ringförmigen Erhebungen von der Wärmesenke ist in 1 flächig konstant.
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2 zeigt eine Längsschnittansicht eines zweiten schematisierten erfindungsgemäßen Elektromotors. Der Unterschied zum in 1 dargestellten Elektromotor betrifft nur eine asymmetrische Beabstandung der in die Ausnehmungen AN 104 eingreifenden Erhebungen von den Innenwänden der Ausnehmungen AN 104.
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3 zeigt eine schematisierte Aufsicht auf ein Scheibenelement 102 mit darauf angeordneten ringförmigen Erhebungen 103a, 103b. Vorliegend sind die zwei kreisringförmigen Erhebungen zum einen als geschlossener Kreisring KRn=2 103a mit einem Ringradius rn=2 und als innenliegender unterbrochener Kreisring mit 4 Kreisringsegmenten KRSn=1,m=1,2,3,4 103b jeweils mit einem Ringradius rn=1 ausgeführt.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Rotorachse
- 102
- Scheibenelement
- 103
- kreisringförmige Erhebungen
- 103a
- Erhebungen KRn,
- 103b
- Erhebungen KRSn,m
- 104
- Ausnehmungen AN
- 105
- Wärmesenke
- 106
- Anker mit Wicklungen
