DE102019102365A1

DE102019102365A1 - Elektromotor mit Wärmeableitung für das Motorwellenlager

Info

Publication number: DE102019102365A1
Application number: DE102019102365.3A
Authority: DE
Inventors: Michael Kisch; Wilhelm Weisser; Jochen Scheffczyk; Hassan GHODSI-KHAMENEH; Daniel Hauer; Marcus Hellmann
Original assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2020-07-30
Also published as: KR20210120985A; WO2020156696A1; CN113169618A; EP3857683A1; US20220094237A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einem Motorgehäuse (2), das einen Wellenabschnitt zur Aufnahme einer Motorwelle (4) und einen Motorabschnitt zur Aufnahme einer Motorelektronik (5) und von Motorwicklungen (6) aufweist, wobei der Wellenabschnitt und der Motorabschnitt durch einen in dem Motorgehäuse (2) angeordneten Spalttopf (7) voneinander abgedichtet getrennt sind, wobei in dem Spalttopf (7) ein metallischer Kugellagertopf (8) angeordnet ist, in dem ein Kugellager (9) zur Lagerung der Motorwelle (4) befestigt ist, und wobei der Kugellagertopf (8) mittelbar über den Spalttopf (7) an einen einen Teil des Motorgehäuses (2) bildenden Gehäusedeckel (3) mit einem dazwischen liegenden Spalt angrenzt, so dass der Gehäusedeckel (3) als Kühlkörper fungiert und eine von dem Kugellager (9) im Betrieb erzeugte Wärme über den Kugellagertopf (8) und über den Spalttopf (7) an den Gehäusedeckel und die Außenumgebung abgeleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor in kompakter Bauweise mit einer Wärmeableitung für das Motorwellenlager.
Bei Elektromotoren, die eine hohe Drehzahl der Motorwelle erzeugen, steigt die Verlustleistung des die Motorwelle lagernden Kugellagers aufgrund von starker Wärmeentwicklung deutlich an. Vor allem bei kompakten Ausführungen des Elektromotors, bei denen das Kugellager unmittelbar angrenzend zu vielen weiteren Bauteilen angeordnet ist, kann die erzeugte Wärme nicht in ausreichendem Maße abgeführt werden.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei einem Elektromotor eine verbesserte Wärmeableitung für das die Motorwelle lagernde Kugellager bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Elektromotor mit einem Motorgehäuse vorgeschlagen, das einen Wellenabschnitt zur Aufnahme einer Motorwelle und einen Motorabschnitt zur Aufnahme einer Motorelektronik und von Motorwicklungen aufweist. Der Wellenabschnitt und der Motorabschnitt sind durch einen in dem Motorgehäuse angeordneten Spalttopf voneinander abgedichtet getrennt, wobei in dem Spalttopf ein metallischer Kugellagertopf angeordnet ist, in dem ein Kugellager zur Lagerung der Motorwelle befestigt ist. Der Kugellagertopf grenzt mittelbar über den Spalttopf an dem Gehäusedeckel, der einen Teil des Motorgehäuses bildet, mit einem dazwischen liegenden Spalt an, so dass der Gehäusedeckel als Kühlkörper fungiert und eine von dem Kugellager im Betrieb erzeugte Wärme über den Kugellagertopf und über den Spalttopf an den Gehäusedeckel und die Außenumgebung abgeleitet wird.
Der Spalttopf wird verwendet, um den Wellenabschnitt und den Motorabschnitt zu trennen und einen Gasaustausch zwischen Kurbelgehäuse und Elektronik bzw. Motorwicklungen zu verhindern.
Der Spalttopf mit dem darin angeordneten Kugellagertopf führt jedoch zu einem Aufbau, bei dem das Kugellager stark zentral eingepackt angeordnet werden muss und wenig seiner im Betrieb erzeugten Wärme nach außen abführen kann. Die Wärmeableitung erfolgt erfindungsgemäß durch eine Anbindung des Spalttopfes und Kugellagertopfes mit dem darin aufgenommenen Kugellager an den Gehäusedeckel des Motorgehäuses.
Der Spalt zwischen dem Gehäusedeckel 3 und dem Spalttopf 7 weist in einer ersten Ausführungsvariante ein Spaltmaß von Null auf. Der Gehäusedeckel liegt somit unmittelbar an dem Spalttopf an. Der wiederum in dem Spalttopf befindliche Kugellagertopf liegt somit ebenfalls in unmittelbarer Anbindung an den Gehäusedeckel, so dass die Wärme von dem Kugellagertopf über den Spalttopf auf den Gehäusedeckel an die Außenumgebung abgeleitet wird.
In einer alternativen Ausführung weist der Spalt zwischen dem Gehäusedeckel und dem Spalttopf ein geringes Spaltmaß auf, das bis zu einer Größe von 1/20 des maximalen Außendurchmessers des Kugellagers ist. Der geringe Spalt beeinträchtigt die Wärmeabfuhr von dem Kugellagertop auf den Gehäusedeckel kaum, ermöglich jedoch eine relative Anordnung der Bauteile, ohne Berührung.
In einer Ausführungsvariante des Elektromotors ist vorgesehen, dass der Spalttopf einstückig durch das Motorgehäuse um eine Rotationsachse der Motorwelle gebildet ist. Insbesondere bildet das Motorgehäuse eine umlaufende Außenwandung, an die sich auf einer axialen Seite eine Axialwandung anschließt, in die der Spalttopf eingesenkt wird. Der Spalttopf ist vorzugsweise hohlzylindrisch mit Abschnitten unterschiedlichen Durchmessers ausgebildet, wobei im axial am weitesten in das Motorgehäuse hineinragenden Abschnitt der Kugellagertopf angeordnet ist.
Dabei ist eine Ausführung günstig, bei welcher der Spalttopf und der Kugellagertopf in dem Abschnitt des Spalttopfes, in dem der Kugellagertopf angeordnet ist, formidentisch ausgebildet sind. In anderen Worten bestimmen der Kugellagertopf und der Spalttopf dieselben Außenkonturen.
Vorteilhaft ist ferner eine Ausführung des Elektromotors, bei der zwischen dem Spalttopf und dem Gehäusedeckel eine Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitkleber vorgesehen ist. Die Wärmeleitpaste bildet vorzugsweise eine Zwischenschicht und ermöglicht eine Wärmeanbindung des Gehäusedeckels an den Spalttopf, ohne dass sich die Bauteile berühren. Somit bleiben Vibrationen der einzelnen Bauteile voneinander entkoppelt. Bei der Nutzung eines Wärmeleitklebers kann neben der vorteilhaften Wirkung der Wärmeleitpaste zusätzlich die verklebte Anbindung von Gehäusedeckel an den Spalttopf erfolgen.
Der Gehäusedeckel ist in einem Ausführungsbeispiel lösbar an dem Motorgehäuse befestigt und wird auf eine axiale Seite des übrigen Motorgehäuses aufgesetzt. Der Gehäusedeckel bildet somit den Abschnitt des Motorgehäuses, der mittelbar über den Spalttopf mit dem Kugellagertopf und mithin dem Kugellager in Verbindung steht. Soweit der Spalttopf mit dem Motorgehäuse einstückig gebildet ist, kann die Montage der Bauteile des Elektromotors über die axial dem Spalttopf gegenüberliegende Seite erfolgen, auf welcher der Gehäusedeckel abnehmbar positioniert wird. Gleichzeitig bietet die Lösung mit einem Gehäusedeckel als Kühlkörper die große Fläche zur Wärmeableitung an die Außenumgebung.
Die Leistung der Wärmeableitung wird bei dem Elektromotor in einer Variante noch verbessert, bei welcher der Gehäusedeckel ein axial in Richtung der Au-ßenumgebung vorstehendes Kühlelement aufweist, das die Abkühloberfläche des Gehäusedeckels lokal vergrößert. Vorzugsweise sind an dem Gehäusedeckel als Kühlelement eine Vielzahl von über den Gehäusedeckel verteilt angeordneten Kühlrippen ausgebildet. Die Kühlrippen können insbesondere einstückig an dem Gehäusedeckel ausgebildet oder alternativ daran stoffschlüssig befestigt werden. Dabei ist zudem günstig, wenn mehrere der Kühlrippen in axialer Projektion gesehen den Kugellagertopf überstrecken, so dass die lokal anfallende Wärme am Kugellagertopf besonders schnell und effektiv an die Außenumgebung geleitet wird.
Die Wärmeableitung wird zudem dadurch begünstigt, dass der Gehäusedeckel aus Metall oder wärmeleitendem Kunststoff gebildet ist.
Der Kugellagertopf bildet in einer bevorzugten Ausführung einen Kugellagersitz, in den das Kugellager eingepresst ist.
Zudem ist eine Variante des Elektromotors dadurch gekennzeichnet, dass der Kugellagertopf zwischen dem Kugellager und dem mit der Außenumgebung in Verbindung stehenden Abschnitt des Motorgehäuses einen Freiraum aufweist. Das Kugellager kann somit unmittelbar Wärme an die Luft in den Freiraum abgeben und steht nicht in unmittelbarem Kontakt mit der Axialfläche des Kugellagertopfes, die an dem Spalttopf und dem Kühlkörper anliegt.
Ferner ist bei dem Elektromotor in einer Weiterbildung vorgesehen, dass sich der Spalttopf axial durch das Motorgehäuse bis zu dem Gehäusedeckel erstreckt. Der Spalttopf bestimmt somit in axialer Richtung, d. h. entlang der Rotationsachse der Motorwelle, einen erheblichen Teil des zentral innen liegenden Motorgehäuses um die Rotationsachse. Vorzugsweise erstreckt sich der Spalttopf in axialer Richtung über 60-95%, weiter bevorzugt über 70-95%, noch weiter bevorzugt über 80-90% der axialen Gesamterstreckung des Motorgehäuses.
Vorteilhaft ist ferner ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Motorgehäuse und der Spalttopf aus Kunststoff gebildet sind und der metallische Kugellagertopf mit dem Kunststoff unmittelbar im Spritzgussverfahren umspritzt ist.
Für eine kompakte Bauweise ist bei dem Elektromotor günstigerweise vorgesehen, dass die Wicklungen den Spalttopf in Umfangsrichtung umschließen. Gleichzeitig ist vorteilhaft, dass die Wicklungen axial zu dem Kugellager beabstandet angeordnet sind. Somit bleibt die Wärmeentwicklung der Motorwicklungen von derjenigen des Kugellagers getrennt.
Weiter vorteilhaft für eine kompakte Bauweise des Elektromotors ist, dass die Motorelektronik auf einer Leiterplatte angeordnet ist, die eine zentrale Öffnung aufweist und sich ein von dem Gehäusedeckel vorstehendes Kühlelement durch die zentrale Öffnung hindurch erstreckt. Vorzugsweise wird jedoch vorgesehenen, dass sich der Spalttopf durch die zentrale Öffnung hindurch erstreckt.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

1 eine seitliche Schnittansicht durch einen Elektromotor eines Ausführungsbeispiels;
2 eine Detailansicht aus 1.

In den 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektromotors 1 in einer seitlichen Schnittansicht bzw. Detailansicht dargestellt.
Der Elektromotor 1 umfasst das einstückige Motorgehäuse 2 mit dem Gehäusedeckel 3, der axial auf dem Motorgehäuse 2 befestigbar ist und im befestigten Zustand einen Teil des Motorgehäuses bildet. Auf der axial dem Gehäusedeckel 3 gegenüberliegenden Seite bildet das Motorgehäuse 2 einstückig den sich axial ins Innere des Motorgehäuses 2 hinein erstreckenden Spalttopf 7 aus. Zwischen der Innenwandung des Motorgehäuses 2 und dem Außenmantel des Spalttopfes 7 liegt der Motorabschnitt, in dem die Motorwicklungen 6 und die auf der Leiterplatte 14 befestigte Motorelektronik 5 aufgenommen sind. Über den Spalttopf 7 dichtend abgegrenzt liegt innerhalb des Spalttopfes 7 der Wellenabschnitt, in dem die Motorwelle 4 entlang ihrer Rotationsachse verläuft. Der Spalttopf 7 erstreckt sich in axialer Richtung im Wesentlichen durch das gesamte Motorgehäuse 2 bis zu dem Gehäusedeckel 3.
Im in axialer Richtung gesehen tiefsten Abschnitt des Spalttopfes 7 ist der aus einem wärmeleitfähigen Material, insbesondere aus Metall gebildete Kugellagertopf 8 angeordnet. Das Motorgehäuse 2 mit dem Spalttopf 7 ist aus Kunststoff im Spritzgussverfahren um den Kugellagertopf 8 gespritzt, so dass der Spalttopf 7 und der Kugellagertopf 8 dieselbe Form bzw. Innen- und Außenkontur aufweisen und unmittelbar aneinander anliegen. Der Kugellagertopf 8 bestimmt den Lagersitz für das eingepresste Kugellager 9, in dem die Motorwelle 4 gelagert ist. Zwischen dem Kugellager 9 und der axialen Innenwandfläche des Spalttopfes 7 ist der Freiraum 13 gebildet, in den sich die Motorwelle 4 mit ihrem freien Ende hinein erstreckt.
Um die Rotationsachse ist an dem Gehäusedeckel 3 einstückig ein axial in Richtung des Kugellagertopfes 8 vorstehendes Kühlelement 11 in Form eines aus Vollmaterial gebildeten Zylinders ausgebildet. Axial zwischen dem Kühlelement 11 und der axialen Außenwandfläche des Spalttopfes 7 ist der Spalt 121 mit einem Spaltmaß von maximal 1/20 des Außendurchmessers des Kugellagers. In dem Spalt 121 ist in der gezeigten Ausführung eine Schicht der Wärmeleitpaste 10 vorgesehen, die auch durch Wärmeleitkleber ersetzbar ist.
Die Wärmeableitung der durch das Kugellager 9 im Betrieb erzeugten Wärme erfolgt von dem Kugellager 9 auf den Kugellagertopf 8, weiter an den Spalttopf 7 und in axialer Richtung über die Wärmeleitpaste 10 an das Kühlelement 11 des Gehäusedeckels 3 des Motorgehäuses 2. Von dem Gehäusedeckel 3 wird die Wärme weiter an die Außenumgebung abgegeben. Das Motorgehäuse und insbesondere sein Gehäusedeckel 3 fungieren mithin als Kühlkörper. In einer nicht gezeigten alternativen Ausführung wird auf die Wärmeleitpaste 10 verzichtet und das Kühlelement 11 kontaktiert unmittelbar den Spalttopf 7. Der Spalt 121 hat dann das Spaltmaß Null.
Der Spalttopf 7 ist hohlzylindrisch und in drei axiale Abschnitte mit jeweils unterschiedlichen Innendurchmessern unterteilt. In Bereich des geringsten Durchmessers ist der Freiraum 13, im mittleren Bereich der Lagersitz mit dem Kugellager 9 und im Bereich des größten Innendurchmessers sind radial um den Spalttopf 7 die Motorwicklungen 6 angeordnet. Das Kugellager 9 ist somit gegenüber den Motorwicklungen 5 in axialer Richtung gesehen überlappungsfrei.
Die Leiterplatte 14 bestimmt um die Rotationsachse der Motorwelle 4 die zentrale Öffnung 15, durch die sich in axialer Richtung das von dem Gehäusedeckel 3 axial vorstehende Kühlelement 11 hindurch bis zu dem Spalttopf 7 erstreckt. In einer nicht dargestellten, jedoch ebenfalls zur Offenbarung gehörenden alternativen Variante erstreckt sich anstelle des Kühlelements 11 der Bereich des geringsten Durchmessers des Spalttopfes 7 durch die Öffnung 15 oder zumindest in die Öffnung 15 hinein, so dass die Kontaktierung zwischen Spalttopf 7 und Kühlelement 11 auf Höhe der Leiterplatte 14 oder axial oberhalb der Leiterplatte 14 erfolgt. In einer weiter alternativen Ausführung wird vorgesehen, den Gehäusedeckel 3 ohne Kühlelement 11 auszubilden und den Spalttopf 7 unmittelbar oder über die Wärmeleitpaste 10 oder den Wärmeleitkleber an die axiale Innenwand des Gehäusedeckels 3 zur Anlage zu bringen.
Der Gehäusedeckel 3 bildet eine Vielzahl von über seine zur Außenumgebung weisenden Oberfläche verteilt angeordnete Kühlrippen 111 aus, die sich teilweise mittig, d.h. in axialer Projektion gesehen über den Kugellagertopf 8 erstrecken. Hierdurch wird die im Bereich des Kugellagertopfes 8 anfallende Wärme schneller an die Außenumgebung geleitet.

Claims

Elektromotor mit einem Motorgehäuse (2), das einen Wellenabschnitt zur Aufnahme einer Motorwelle (4) und einen Motorabschnitt zur Aufnahme einer Motorelektronik (5) und von Motorwicklungen (6) aufweist, wobei der Wellenabschnitt und der Motorabschnitt durch einen in dem Motorgehäuse (2) angeordneten Spalttopf (7) voneinander abgedichtet getrennt sind, wobei in dem Spalttopf (7) ein metallischer Kugellagertopf (8) angeordnet ist, in dem ein Kugellager (9) zur Lagerung der Motorwelle (4) befestigt ist, und wobei der Kugellagertopf (8) mittelbar über den Spalttopf (7) an einen Gehäusedeckel (3), der einen Teil des Motorgehäuses (2) bildet, mit einem dazwischen liegenden Spalt (121) angrenzt, so dass der Gehäusedeckel (3) als Kühlkörper fungiert und eine von dem Kugellager (9) im Betrieb erzeugte Wärme über den Kugellagertopf (8) und über den Spalttopf (7) an den Gehäusedeckel und die Außenumgebung abgeleitet wird.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (121) zwischen dem Gehäusedeckel (3) und dem Spalttopf (7) ein Spaltmaß von Null aufweist und der Gehäusedeckel (3) somit unmittelbar an dem Spalttopf (7) anliegt.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (121) zwischen dem Gehäusedeckel (3) und dem Spalttopf (7) ein Spaltmaß aufweist, das bis zu einer maximalen Größe von 1/20 des maximalen Außendurchmessers des Kugellagers (9) ist.
Elektromotor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalttopf (7) einstückig durch das Motorgehäuse (2) um einen Rotationsachse der Motorwelle (4) gebildet ist.
Elektromotor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalttopf (7) und der Kugellagertopf (8) in dem Abschnitt des Spalttopfes (7), in dem der Kugellagertopf (8) angeordnet ist, formidentisch ausgebildet sind.
Elektromotor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Spalttopf (7) und dem Gehäusedeckel (3) eine Wärmeleitpaste (10) oder ein Wärmeleitkleber vorgesehen ist.
Elektromotor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusedeckel (3) lösbar auf eine axiale Seite des übrigen Motorgehäuses (2) aufsetzbar ist und einen Teil des Motorgehäuses bildet.
Elektromotor nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusedeckel (3) mindestens ein axial in Richtung der Außenumgebung vorstehendes Kühlelement aufweist, das eine mit der Außenumgebung in Kontakt stehende Abkühloberfläche des Gehäusedeckeis (3) lokal vergrößert.
Elektromotor nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kühlelement als eine Vielzahl von über den Gehäusedeckel (3) verteilt angeordnete Kühlrippen (111) ausgebildet ist.
Elektromotor nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der Kühlrippen (111) in axialer Projektion gesehen den Kugellagertopf (8) überstrecken.
Elektromotor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusedeckel (3) aus Metall oder wärmeleitendem Kunststoff gebildet ist.
Elektromotor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugellagertopf (8) zwischen dem Kugellager (9) und dem mit der Außenumgebung in Verbindung stehenden Abschnitt des Motorgehäuses (2) einen Freiraum (13) aufweist.
Elektromotor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Spalttopf (7) und der Kugellagertop (8) axial durch das Motorgehäuse (2) bis zu dem Gehäusedeckel (3) erstrecken.
Elektromotor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorwicklungen (6) den Spalttopf (7) in Umfangsrichtung umschließen und axial zu dem Kugellager (9) beabstandet angeordnet sind.
Elektromotor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorelektronik (5) auf einer Leiterplatte (14) angeordnet ist, die eine zentrale Öffnung (15) aufweist und sich der Spalttopf (7) durch die zentrale Öffnung (15) hindurch erstreckt.