DE102018218988A1

DE102018218988A1 - Luftkühlung der Elektronik eines BLDC-Motors

Info

Publication number: DE102018218988A1
Application number: DE102018218988.9A
Authority: DE
Inventors: Brain Havel
Original assignee: Hanon Systems EFP Deutschland GmbH
Current assignee: Hanon Systems EFP Deutschland GmbH
Priority date: 2018-11-07
Filing date: 2018-11-07
Publication date: 2020-05-07
Also published as: US20200139785A1; US11279201B2; KR20200052854A; CN111162636A; CN111162636B; KR102173886B1

Abstract

Eine Lüftereinheit (10) für ein Kühlsystem in einem Kraftfahrzeug umfasst einen Elektromotor (14), der einen Rotor (30) und einen Stator (16) umfasst, wobei der Stator (16) in der Mitte des Elektromotors (14) ausgebildet ist und der Rotor (30) radial außerhalb um den Stator (16) herum angeordnet ist, eine Wärmesenke (40) neben der Statorwelle, die elektronische Bauteile (42) umfasst, umfassend Kühllamellen (44) die am Umfang der Wärmesenke (40) befestigt sind, und eine Lüfternabe (50), die mit dem Rotor (30) des Elektromotors fest verbunden ist und sich radial außerhalb des Rotors (30) befindet, wobei sich die Lüfternabe (50) in Richtung der Wärmesenke (40) erstreckt und Lüfterschaufeln (52) zur Erzeugung eines Luftstroms umfasst, wobei die Lüfternabe (50) ferner ein Radiallaufrad (56) umfasst, das sich neben den Kühllamellen (44) des Laufrads befindet.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Lüftereinheit zum Kühlen eines Kühlsystems in einem Kraftfahrzeug.
Stand der Technik
Im Allgemeinen werden Lüfter zum Kühlen eines Kühlsystems in einem Kraftfahrzeug wie einer Kraftmaschine durch einen bürstenlosen Elektromotor angetrieben. Der bürstenlose Elektromotor wird unter Verwendung einer integrierten Leistungselektronikeinheit, die Wärme erzeugt, kommutiert. Diese Wärme muss von dem bürstenlosen Elektromotor abgezogen werden, da die elektronischen Bauteile ansonsten aufgrund von übermäßiger Wärme beschädigt werden können. Die Umgebungstemperatur des Motorraums ist mit bis zu 120°C sehr hoch. Die Elektronik sollte jedoch unter 150° gehalten werden. Da die Elektronik auch abgedichtet werden muss, um eine Beaufschlagung durch Wasser zu verhindern, und sie sich aufgrund der Kraftmaschinenzwänge in einem sehr engen Raum befindet, muss eine effektive Kühlung der Elektronik gewährleistet werden.
Die Kühlung von Elektronik kann auf vielfältige Weise erreicht werden. Eine der einfachsten und effektivsten Weisen besteht darin, die elektronische Steuereinheit (ECU) extern in einem Kasten zu platzieren, der durch den Lüfter erzeugter Hochgeschwindigkeitshauptströmungsluft ausgesetzt ist. Die elektromagnetische Abstrahlung solcher Systeme erhöht jedoch die Komplexität und die Kosten, und ferner ist der Einfluss auf Luftstromeffizienz und Akustik des Lüftersystems negativ. Wenn die ECU von dem Lüfter entfernt ist, ist des Weiteren die Lüftereinheit weniger kompakt gebaut, und die Montage der Lüftereinheit ist komplizierter.
Bei integrierten Elektronikeinheiten, bei denen der Motor und die ECU im gleichen Gehäuse gebaut sind, gestaltet sich die Kühlung jedoch schwieriger. Bestehende Konstruktionen enthalten eine große Anzahl von Stiften oder Lamellen, die in der Form des Elektronikgehäuses integriert sind. Bei dieser Konstruktion ist die Wärmeübertragungsfläche innerhalb eines gegebenen zur Verfügung stehenden Volumens vergrößert. Der Mechanismus der Wärmeübertragung erfolgt in erster Linie durch natürliche Konvektion, wobei es sich um die Energieübertragung von einer Fläche aufgrund der lokalen Erwärmung des umgebenden Fluids handelt, das sich mit seiner Erwärmung langsam in Bewegung setzt. Da sich diese Lamellen in der Regel an einer Stelle mit wenig Luftstrom befinden, ist die Wärmeübertragung stark eingeschränkt, und das ECU-Gehäuse muss eine sehr große Oberfläche haben.
Eine weitere Lösung ist die Verwendung von Kühllamellen, die radial von dem Motor in durch den Hauptmotorlüfter erzeugte Luft ragen. Der Nachteil besteht in einer sehr sperrigen Konstruktion, die oftmals nicht in die gängigsten Anwendungen passt, die kompakte Lösungen erfordern. Ferner ist diese Konstruktion schwer.
Die US6384494 offenbart zum Beispiel einen motorgetriebenen Lüfter, der einen Elektromotor, welcher einen Rotor und einen Stator aufweist, wobei der Rotor eine Kappe mit einer im Wesentlichen becherförmigen Gestalt, die sich zumindest teilweise um den Stator erstreckt und neben der Bodenwand mehrere laterale Austrittsöffnungen aufweist, enthält, und ein Laufrad oder einen Lüfter, das bzw. der eine Hohlnabe enthält, von der sich mehrere Hauptaußenlüfterschaufeln erstrecken, enthält. Diese Nabe weist eine Vorderwand, die an der Rückwand der Kappe des Rotors befestigt ist, und eine seitliche Schürze, die die Seitenwand der Kappe in einer radial beabstandeten Beziehung umgibt, auf.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Verbesserung der Kühlung der elektrischen Bauteile des Steuersystems ohne starke Vergrößerung des erforderlichen Raums.
Die Aufgabe wird durch eine Lüftereinheit nach Anspruch 1 gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen gezeigt.
Eine erfindungsgemäße Lüftereinheit für ein Kühlsystem in einem Kraftfahrzeug gemäß der Erfindung umfasst einen Elektromotor, der einen Rotorteil und einen Statorteil umfasst, wobei der Statorteil als eine Welle ausgebildet ist und der Rotorteil radial nach außen um den Stator herum angeordnet ist, eine Wärmesenke neben der Statorwelle, die elektronische Bauteile insbesondere zur Steuerung des Elektromotors und am Umfang der Wärmesenke befestigte Kühllamellen umfasst, und eine Lüftereinheitsnabe, die mit dem Rotorteil des Motors fest verbunden ist und sich radial außerhalb des Rotorteils befindet, wobei sich die Lüftereinheitsnabe in Richtung der Wärmesenke erstreckt und Lüfterschaufeln zur Erzeugung eines Luftstroms umfasst, wobei die Lüftereinheitsnabe ferner ein Radiallaufrad umfasst, das sich neben den Kühllamellen des Laufrads befindet. Das Laufrad neben den Kühllamellen verbessert den Luftstrom an den Kühllamellen der ECU, indem es die Luft radial nach außen drückt, wodurch die Luft aus den Kühllamellen herausgesaugt wird und eine ordnungsgemäße Luftbewegung direkt an der Wärmesenke erzeugt wird.
Die Lüftereinheit kann ferner einen Motorlagerungsring umfassen, der die Wärmesenke umschließt. Durch Bereitstellen einer Wand am Umfang der Kühllamellen ermöglicht der Lagerungsring, dass der Raum zwischen den Kühllamellen als Fluidtunnel für den Strom der durch das Laufrad von den Kühllamellen abgesaugten Luft wirkt.
Vorzugsweise erstreckt sich das Radiallaufrad über den Motorlagerungsring, um zu gewährleisten, dass der Saugstrom von den Kühllamellen in das Laufrad ordnungsgemäß über den gesamten Durchmesser der Sauglamellen geführt wird.
Der maximale Abstand zwischen dem Radiallaufrad und der Wärmesenke beträgt 10 mm, vorzugsweise 5 mm, besonders bevorzugt 2 mm oder weniger. Der Abstand ist für die Saugwirkung durch das auf die Kühllamellen einwirkende Laufrad optimal. Es wird jedoch auch bevorzugt, dass er nicht enger als 1 mm ist, um Kontakt des sich drehenden Laufrads und der stationären Kühllamellen zu vermeiden.
Das Radiallaufrad ist vorzugsweise an der zu der Wärmesenke gerichteten Seite der Lüftereinheitsnabe befestigt.
Die Lüftereinheit umfasst einen bürstenlosen Motor als den Elektromotor.
Vorzugsweise ist die Anzahl von Kühllamellen in dem Bereich der Wärmesenke mit stärkerer Wärmeerzeugung höher als in anderen Bereichen der Wärmesenke. Auf diese Weise kann die Übertragung von Wärme von den Wärmeerzeugungselementen weg verbessert werden.
Figurenliste

1 zeigt einen schematischen Axialschnitt durch eine Lüftereinheit gemäß der Erfindung;
2 zeigt einen vergrößerten Teil von 1;
3 zeigt einen Querschnitt durch die Wärmesenke bei Betrachtung von unten; und
4 zeigt den Querschnitt von 3, der den Motorlagerungsring enthält.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Im Folgenden werden die Begriffe „axial“, „radial“ und „um den Umfang“ verwendet. „Axial“ bezieht sich auf eine Richtung entlang der Achse A in 1, „radial“ auf eine Richtung senkrecht zur Achse A und „um den Umfang“ auf eine Richtung um die Achse A herum (in den 3 und 4 zum Beispiel um die Wärmesenke herum). Ferner werden die Begriffe „nach oben“ und „nach unten“ und alle verwandten Begriffe wie „oberhalb“, „unterhalb“, „oben“ und „unten“ und andere unter Bezugnahme auf die 1 und 2 verwendet, wenn nicht anders definiert.
1 zeigt einen Längsschnitt der Lüftereinheit 10 entlang der Achse A. Die Lüftereinheit 10 umfasst allgemein ein Gitter 12, einen Elektromotor 14, der einen Stator 16 und einen Rotor 18 aufweist, und eine Wärmesenke 40, die die elektrischen Bauteile 42 zur Steuerung des Elektromotors 14 enthält.
Der Elektromotor 12 umfasst einen Stator 16 und einen Rotor 18. Der Stator 16 ist am Innenteil des Elektromotors 14 vorgesehen und umfasst eine Welle 18 und Spulen 20. Der Rotor 30 wird mit Lagern 22 am Stator 16, insbesondere an seinem oberen Ende, gestützt und ist um den Stator 16 herum vorgesehen. Bei dem in den 1 und 2 gezeigt bürstenlosen Motor umfasst der Rotor 30 die Permanentmagnete 32.
Die Lüfternabe 50 ist so am Rotor befestigt, dass sie gedreht werden kann. Die Lüfternabe 50 kann an den Rotor 30 angeschweißt sein, sie kann aber auch mit Schrauben oder Bolzen am Rotor 30 befestigt sein. In den 1 und 2 werden die Befestigungsmittel 34 lediglich schematisch gezeigt. Die Lüfternabe erstreckt sich in Richtung der Wärmesenke 40 nach unten und umfasst mehrere Lüfterschaufeln 52, die am Umfang der Lüfternabe befestigt sind. Die Lüfterschaufeln 52 erzeugen den Luftstrom für das durch die Lüftereinheit 10 zu kühlende Element.
Der Elektromotor 12 ist an einer Wärmesenke 40 angebracht, die die elektrischen Bauteile 42 zum Steuern des Elektromotors 12 aufnimmt. Die Wärmesenke wird in den 3 und 4 in einem Querschnitt gezeigt und ist in der Regel aus einem Metall wie Aluminium oder Stahl hergestellt, um die Wärmeübertragung zu verbessern. Die Wärmesenke 40 der vorliegenden Erfindung ist hohl und auf der Unterseite offen. Ein Deckel 43 ist zum Schließen der Öffnung an der Wärmesenke 40 befestigt. Das Befestigen des Deckels 43 an der Wärmesenke 40 kann durch Kleben, Verschrauben, Bolzenverbindung oder andere Befestigungsverfahren erfolgen. Am Umfang der Wärmesenke 40 sind Kühllamellen 44 vorgesehen, die dazu dienen, die Fläche der Wärmesenke zur Verbesserung der Wärmeübertragung an die Umgebung zu vergrößern. Die Kühllamellen 44 können verschiedene Längen aufweisen und können in nicht gleichmäßigen Abständen voneinander über den Umfang der Wärmesenke 40 platziert sein. Die einzelnen Lamellen 44 können eine Dicke von 2 mm oder weniger aufweisen und weisen einen Abstand von mindestens 2 mm, vorzugsweise 5 mm oder mehr, auf. Die Anzahl von Kühllamellen 44 ist in einem Bereich des Umfangs, in dem die Wärme erzeugt wird, das heißt dort, wo mehr elektrische Bauteile vorhanden sind, höher. In den 3 und 4 gibt es zum Beispiel mehr Kühllamellen 44 im oberen rechten Teil, wo sich auch ein Großteil der elektrischen Bauteile befindet.
Wie in 4 zu sehen ist, ist ein Motorlagerungsring 46 vorzugsweise um die Wärmesenke herum in einem vorbestimmten Abstand zur Spitze der längsten Lamellen angeordnet. Der vorbestimmte Abstand beträgt maximal 10 mm, vorzugsweise 5 mm oder 2 mm. Dann ist der Motorlagerungsring mit einer oder mehreren Streben 13 an einem Gehäuse 11 oder einem Rahmen 11, das bzw. der die Lüftereinheit in Position hält, befestigt. Der Lagerungsring erzeugt einen Führungskanal für den durch ein unten erwähntes Laufrad 56 erzeugten Luftstrom.
Das Laufrad 56 ist am unteren Ende der Lüftereinheit 50 zu den Kühllamellen 44 weisend angeordnet. Das Laufrad ist (zum Beispiel durch Kleben, Verschweißen, Verschrauben usw.) an der Lüfternabe befestigt und ist neben den Kühllamellen 44 vorgesehen. Der Abstand zwischen dem oberen Ende der Kühllamellen und dem sollte 10 mm oder weniger, vorzugsweise 5 mm oder 2 mm oder weniger betragen. Das Laufrad umfasst geneigte Schaufeln oder Wände, die bei Drehung der Lüfternabe (und der sich ergebenden Drehung des Laufrads) die Luft dazu zwingen, von dem Laufrad radial nach außen zu strömen, wodurch die Luft von den Kühllamellen abgesaugt wird. Das Laufrad erstreckt sich vorzugsweise in einer radialen Richtung über den Motorlagerungsring 46. Die Öffnung, durch die die Luft von den Kühllamellen in das Laufrad gesaugt wird, kann jedoch auf den Teil beschränkt sein, der sich direkt gegenüber den Kühllamellen befindet.
Bei Aktivierung der Lüftereinheit 10 wird der Elektromotor 12 gestartet, und die Spulen 20 werden mit elektrischem Strom versorgt. Der Rotor 30 beginnt wiederum, sich zusammen mit der Lüfternabe 50, die am Rotor 30 befestigt ist, zu drehen. Die Lüfterschaufeln 52 erzeugen den Luftstrom für die Kühlung, und das Laufrad 56 dreht sich mit der Lüfternabe. Die durch die elektrischen Bauteile 42 erzeugte Wärme wird zur Wärmesenke 40, die die Kühllamellen 44 enthält, und an die unmittelbare Umgebung übertragen. Da sich das Laufrad 56 mit der Lüfternabe 50 dreht, erzeugt das Laufrad 56 auch einen Luftstrom, der durch die Pfeile in 2 gezeigt wird, wodurch der Luftstrom zwischen den Kühllamellen und somit die Wärmeübertragung auf die Luft stark erhöht wird. Auf diese Weise wird die Kühlung der Wärmesenke wesentlich verbessert.
Bezugszeichenliste

10: Lüftereinheit
11: Gehäuse/Rahmen
12: Gitter
13: Strebe
14: Elektromotor
16: Stator
18: Welle
20: Spulen
22: Lager
30: Rotor
32: Magnet
34: Befestigungsmittel
40: Wärmesenke
42: elektrische Bauteile
43: Deckel
44: Kühllamellen
46: Motorlagerungsring
50: Lüfternabe
52: Lüfterschaufeln
56: Laufrad

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6384494 [0006]

Claims

Lüftereinheit (10) für ein Kühlsystem in einem Kraftfahrzeug, umfassend - einen Elektromotor (14), der einen Rotor (30) und einen Stator (16) umfasst, wobei der Stator (16) in der Mitte des Elektromotors (14) ausgebildet ist und der Rotor (30) radial außerhalb um den Stator (16) herum angeordnet ist; - eine Wärmesenke (40) neben der Statorwelle, die elektronische Bauteile (42) umfasst, umfassend Kühllamellen (44) die am Umfang der Wärmesenke (40) befestigt sind; und - eine Lüfternabe (50), die mit dem Rotor (30) des Elektromotors fest verbunden ist und sich radial außerhalb des Rotors (30) befindet, wobei sich die Lüfternabe (50) in Richtung der Wärmesenke (40) erstreckt und Lüfterschaufeln (52) zur Erzeugung eines Luftstroms umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass, die Lüfternabe (50) ferner ein Radiallaufrad (56) umfasst, das sich neben den Kühllamellen (44) des Laufrads befindet.
Lüftereinheit (10) nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Motorlagerungsring (46), der die Wärmesenke umschließt.
Lüftereinheit (10) nach Anspruch 1, wobei sich das Radiallaufrad (56) über den Motorlagerungsring (46) erstreckt.
Lüftereinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der maximale Abstand zwischen dem Radiallaufrad (56) und der Wärmesenke (40) 10 mm beträgt.
Lüftereinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Radiallaufrad (56) auf der zu der Wärmesenke (40) gerichteten Seite der Lüfternabe befestigt ist.
Lüftereinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elektromotor (12) ein bürstenloser Motor ist.
Lüftereinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anzahl von Kühllamellen (44) im Bereich der Wärmesenke (40) mit stärkerer Wärmeerzeugung höher als in anderen Bereichen der Wärmesenke (40) ist.