DE19635196A1 - Kühlanordnung für einen Elektromotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für einen Elek­ tromotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 42 31 921 ist eine Kühlanordnung für einen Elektromotor bekannt. Bei dieser Kühlanordnung werden mittels am Rotor angebrachten Lüfterflügel zwei radiale Luftströmungen erzeugt. Diese Luftströmungen werden an einem relativ kleinen Bereich des Gehäusemantels vorbei­ geführt und umgelenkt. Insgesamt weist die Anordnung zwei Lüftungsbereiche auf, die getrennt voneinander auf der Stirnseite bzw. Rückseite des Rotors liegen. Der Wärme­ austausch erfolgt über ein Kühlwassersystem, das aus meh­ reren im Gehäusemantel verlaufenden miteinander verbunde­ nen Kanälen besteht, deren Herstellung aufwendig ist und die insbesonders zum Motorinnenraum Abdichtungen benöti­ gen. Ein wesentlicher Nachteil der Anordnung besteht darin, daß der Wärmeaustausch mit dem durch das Kühlwas­ ser gekühlten Gehäusemantel nur über einen sehr geringen Bereich erfolgt. Außerdem stellen die Kanäle einen erheb­ lichen Strömungswiderstand dar, so daß der Kühlwasser­ durchfluß stark eingeschränkt ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Kühlung des Rotors und des Stators durch zwei getrennte Luftströme nur stirnseitig bzw. rückseitig erfolgt und somit wenig effektiv ist. Dies wird noch dadurch gefördert, daß die zusätzliche Kühlung des Stators nur einseitig vom Gehäusemantel her erfolgt.

Zur Erzeugung der beiden Luftströme sind zwei getrennte Lüftervorrichtungen notwendig.

Insgesamt können nicht unerhebliche Temperaturgradienten sowohl im Rotor, wie auch im Stator auftreten, die sich nachteilig auf die Effizienz und Lebensdauer des Motors auswirken.

Insbesondere bei schnellaufenden Elektromotoren stellen zwei getrennte Lüfter, die mit der Motorwelle gekoppelt sind, einen erheblichen Verlustfaktor dar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kühlanordnung für einen Elektromotor zu schaffen, die die oben genannten Nachteile nicht aufweist, die insbesondere eine effektive und allseitige Kühlung von Rotor und Sta­ tor erlaubt, mit der eine homogene Temperaturverteilung erreichbar ist, die einen Wärmeaustausch über einen lan­ gen Bereich mit dem Gehäusemantel ermöglicht, die einfach und kostengünstig herstellbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angege­ benen Mittel. Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, im Ro­ tor mehrere Verbindungsbohrungen und im Stator bzw. Ge­ häusemantel mehrere Verbindungsnuten vorzusehen. Durch diese Bohrungen bzw. Nuten wird eine Verbindung zwischen stirnseitigem Lüftungsbereich und rückseitigem Lüftungs­ bereich hergestellt und somit eine in einem geschlossenen Kreislauf zirkulierende Luftströmung möglich, die von nur einem Lüfter angetrieben wird.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist ein separater Lüftermotor vorgesehen, der in vorteilhafter Weise über einen Temperatursensor ansteuerbar ist. Dadurch werden die Verluste verringert und die Drehzahl des Lüfters kann optimal angepaßt werden. Insbesondere beim Einsatz des Elektromotors in Kraftfahrzeugen können erhebliche Außen­ temperaturunterschiede auftreten, die eine Anpassung der Lüfterleistung erfordern.

Nachfolgend ist der Erfindung anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 Längsschnitt durch einen Elektromotor,

Fig. 2 Schnitt entlang der Linie I-I gemäß Fig. 1.

Der Elektromotor 1 weist ein Gehäuse 10 auf, das aus ei­ nem Gehäusetopf 20 und einem Gehäusedeckel 26 be­ steht (Fig. 1). Der Gehäusetopf 20 ist einstückig ausge­ bildet. Er besteht aus einem Gehäusemantel 22 und einem Gehäuseboden 24. Zwischen Gehäusetopf 20 und Gehäusedec­ kel 26 ist ein Lagerschild 30 angeordnet, das den Deckel­ bereich 102 vom Motorbereich 103 trennt. Das Lagerschild 30 weist eine Lageraufnahme 32 für ein Lager 34 auf. Dem Lager 34 liegt ein Lager 36 gegenüber, das in einer Lage­ raufnahme 38 des Gehäusebodens 24 gehalten ist. In den beiden Lagern 34 und 36 läuft die Welle 44 eines Rotors 40. Der Rotor 40 ist von einem Stator 50 umgeben. Einzel­ heiten des Stators 50 (Blechpaket, Statorwicklungen etc.) sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Stirnseitig und rückseitig weist der Stator 50 jeweils Wicklungsköpfe 54 bzw. 53 für die Statorwicklungen auf.

An der Innenseite des Stators 50 und im Gehäusemantel 22 verlaufen in axialer Richtung mehrere Verbindungsnuten 55a bzw. 55b. Diese Verbindungsnuten 55a, 55b stellen er­ findungsgemäß eine strömungsmäßige Verbindung zwischen einem stirnseitigen Lüftungsbereich 100 und einem rück­ seitigen Lüftungsbereich 101 dar. Um den Querschnitt der Verbindung noch zu vergrößern, weist der Körper 46 des Rotors 40 mehrere Verbindungsbohrungen 45 auf (Fig. 2).

Im Zwischenbereich der Verbindungsnuten 55b liegt der Stator 50 zur Wärmekopplung am Gehäusemantel 22 fest an. Der rückseitige Lüftungsbereich 101 ist durch einen am Lagerschild 30 vorgesehenen Vorsprung 31 in einen Ein­ strömbereich 107 und einen Ausströmbereich 106 getrennt. Der Ausströmbereich 106 ist über Öffnungen 80 und einen Luftkanal 81 mit dem Deckelbereich 102 verbunden. Auf dem in den Deckelbereich 102 ragenden Teil der Welle 44 sind mehrere Lüfterflügel 92 eines Lüfters 90 angeordnet. In vorteilhafter Weise sind die Lüfterflügel 92 zusätzlich als Rotorlageflügel ausgebildet. Die Enden der Lüfter­ flügel 92 sind dabei einer U-förmige Ausnehmung 94 eines Sensors 96 angepaßt. Zur Aufnahme der Rotorlage sind ins­ gesamt drei Sensoren 96 vorgesehen, die am Lagerschild 30 symmetrisch unter 120° zueinander angeordnet sind. Somit dient der Lüfter 90 gleichzeitig als Rotorlagegeber. Die Versorgungsleitungen für den Rotorlagegeber 90 und den Elektromotor 1, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind, werden über mehrere Öffnungen 27 staubdicht iso­ liert nach außen geführt.

Der Elektromotor 1 wird mit einer Wasserkühlung 70 ge­ kühlt. Die Wasserkühlung 70 besteht im wesentlichen aus einem Kühlwasserkanal 74, der durch eine im Gehäusemantel 22 verlaufende Nut und einem Rohrstück 71 als Abdeckung gebildet wird. Eine Abdichtung zum Motorbereich hin ist aufgrund der Einstückigkeit des Gehäusetopfs 20 nicht notwendig. Mit Hilfe eines Stegs 76 verläuft der Kühlwas­ serkanal 74 spiralförmig in axialer Richtung entlang der Außenwandung des Gehäusemantels 22. Der Zulauf bzw. Ab­ lauf des Kühlwassers erfolgt über Kühlwasseranschlußstut­ zen 72. Aufgrund der Form des Kühlwasserkanals 74, der nur einen geringen Strömungswiderstand darstellt, wird eine effektive Kühlung des Gehäusemantels 22 erreicht.

Gemäß einem in der Zeichnung nicht dargestellten verbes­ serten Ausführungsbeispiels ist im Deckelbereich 102 ein separater Lüftermotor vorgesehen. In diesem Fall werden die Lüfterflügel 92 durch einfache Winkelbleche ersetzt, die nicht zur Luftstromerzeugung ausgebildet sind und so­ mit keinen bzw. nur einen geringen Luftwiderstand besit­ zen. Dadurch verringern sich die Verluste erheblich. In vorteilhafter Weise ist der Lüftermotor mit einer Steue­ rung, an die ein Temperatursensor angeschlossen ist, ver­ bunden. In einer einfachen Ausführung ist der Temperatur­ sensor als Thermostat ausgebildet.

Nachfolgend ist die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Anordnung näher erläutert. Mit Hilfe des Lüfters 90 wird eine durch Pfeile dargestellte Luftströmung erzeugt. Die Luftströmung tritt durch die Öffnung 84 in den Einström­ bereich 107. Hier strömt die Luft entlang der Wicklungs­ köpfe 54 zu den Verbindungsbohrungen 45 bzw. Verbindungs­ nuten 55a. Da die Luft im Inneren und am äußeren Rand des Rotors 40 vorbeiströmt, ist seine gleichmäßige Kühlung gewährleistet. Im stirnseitigen Lüftungsbereich 100 er­ folgt eine Richtungsumkehr der Luftströmung entlang den Wicklungsköpfen 53. Über die Verbindungsnuten 55b gelangt die Luftströmung in den rückseitigen Lüftungsbereich 101 und von dort über die Öffnung 80 in den Deckelbereich 102. Durch die sehr lange Wärmeaustauschstrecke, die sich fast über die gesamte Länge des Gehäusemantels 22 er­ streckt, erfolgt eine effektive Kühlung der in einem ge­ schlossenen Kreislauf zirkulierenden Luft. Durch den ge­ schlossenen Kreislauf, der durch den Gehäusetopf 20 und den Deckel 26 begrenzt ist, wird ein Eindringen von Schutz- oder Staubpartikel in den Motorbereich wirksam verhindert. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung be­ steht darin, daß sowohl Rotor 40 und der Stator 50 gleichmäßig von mehreren Seiten her mit Kühlluft beauf­ schlagt werden. Dadurch werden Temperaturgradienten weit­ gehendst vermieden. Ein weiterer Vorteil der Wasserküh­ lung 70 besteht darin, daß ihr Strömungswiderstand rela­ tiv gering ist und somit ein großer Kühlwasserfluß er­ reichbar ist.

Im zweiten Ausführungsbeispiel, das einen separaten Lüf­ ter aufweist, wird die Temperatur des Elektromotors 1 mit dem Sensor gemessen und die Drehzahl des Lüftermotors entsprechend geregelt. Bei dem Sensor kann es sich z. B. um einen Thermostaten handeln. Insgesamt ergibt sich hierbei ein geringerer Energieverbrauch, da die Luftströ­ mung entsprechend den Kühlerfordernissen angepaßt wird. Bei bestimmten Bedingungen ist nach dem Abschalten des Elektromotors ein Nachlaufen des Lüftermotors notwendig, um den Elektromotor 1 vor Überhitzung und Zerstörung zu schützen. Dies ist bei einem Lüfter, der fest mit der Welle 44 verbunden ist nicht oder nur aufwendig möglich.

Durch die Trennung von Motorbereich 103 und Deckelbereich 102 sind alle Teile die zur Erzeugung der Luftströmung dienen bzw. die Sensoren durch Abnahme des Gehäusedeckels 26 einfach zugänglich. Da das Lagerschild 30 unabhängig vom Gehäusedeckel 26 befestigbar ist, kann dieses bei ei­ ner Wartung fest mit dem Gehäusetopf 20 verbunden blei­ ben. Somit entfällt ein aufwendiges Justieren der beiden Lager 34 und 36 zueinander. Da die Wasserkühlung 70 für sich abgeschlossen im Gehäusetopf 20 verläuft und keine Dichtungen zum Motorbereich 103 vorhanden sind, wird der Zusammenbau und die Wartung erheblich vereinfacht, weil Dichtungsprobleme entfallen. Außerdem kann der Gehäuse­ topf 20 getrennt insbesonders vor dem Zusammenbau des Elektromotors 1 einfach bzgl. Dichtigkeit im Hinblick auf die Wasserkühlung 70 überprüft werden.

Claims (7)

1. Kühlanordnung für einen Elektromotor mit einem in einem Gehäuse angeordneten Rotor und einem Stator, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (50) Verbindungsnuten (55a) und ein Gehäusemantel (22) Verbindungsnuten (55b) aufweisen, die einen stirn- und rückseitigen Lüftungs­ bereich (100, 101) des Gehäuses (10) miteinander ver­ binden.

2. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (40) Verbindungsbohrungen (45) aufweist.

3. Kühlanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Welle (44) des Rotors (44) ein Lüfter (90) mit Lüfterflügeln (92) an­ geordnet ist.

4. Kühlanordnung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lüfterflügel (92) als Rotorlagegeber (90) aus­ gebildet sind.

5. Kühlanordnung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein separater Lüfter mit Lüftermotor im Deckelbereich (102) angeordnet ist.

6. Kühlanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lüftermotor mit einem Regler, an den ein Tempe­ ratursensor angeschlossen ist, verbunden ist.

7. Kühlanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler als Thermostat ausgebildet ist.