DE4230379A1 - Elektrische Maschine - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine, insbesondere einem elektrischen Antriebsmotor für Elektrowerkzeuge, Haushaltsmaschinen od. dgl. , der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Bei solchen elektrischen Maschinen hängt die Leistungsausbeute von der schnellen und umfassenden Wärmeabfuhr von den elektrischen Bauteilen ab. Üblicherweise wird hierzu mit der Rotorwelle ein Lüfterrad gekoppelt, das einen zwischen dem Stator und Motor hindurchgeführten Luftstrom erzeugt. Die von dem Lüfterrad axial angesaugte Luft tritt dabei auf der vom Lüfterrad abgekehrten Seite von Rotor und Stator radial durch im Maschinengehäuse vorgesehene Luftschlitze wieder aus der Maschine aus.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine, insbesondere der elektrische Antriebsmotor, mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil einer gesteigerten Wärmeabfuhr aus dem Rotor, wodurch der Wirkungsgrad und die Leistungsausbeute der Maschine weiter angehoben werden kann.

Das Wärmerohrprinzip ist an sich bekannt und wird beispielsweise in Wärmeplatten zur Verbesserung und Vergleichmäßigung der Wärmeabgabe an einen zu beheizenden Fahrgastraum, z. B. bei Omnibussen, verwendet.

Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine wird das Wärmerohr, auch heat-pipe genannt, durch einen in der Rotorwelle vorgesehenen koaxialen Hohlraum realisiert, der sich über die Axiallänge des Blechpakets und mindestens auf einer Seite des Blechpakets über dieses hinaus weiter in der Rotorwelle erstreckt. Der Hohlraum ist teilweise mit Flüssigkeit gefüllt. Durch die drehende Rotorwelle wird die Flüssigkeit gleichmäßig an der Hohlraumwand verteilt und nimmt dort die in der Rotorwicklung erzeugte und über das Blechpaket durch Wärmeleitung an die Rotorwelle gelangende Wärme auf. Die sich im Bereich des Blechpakets befindliche Flüssigkeit verdampft und verflüssigt sich wieder in dem außerhalb des Blechpakets liegenden Hohlraumabschnitt, der als Kondensationsraum des Wärmerohrs fungiert. Die abgekühlte Flüssigkeit fließt zurück in den unter dem Blechpaket liegenden Hohlraumabschnitt, und der Verdampfungsprozeß der Flüssigkeit wiederholt sich.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen elektrischen Maschine möglich.

Die wärmeabführende Wirkung des Wärmerohrs kann noch dadurch gesteigert werden, daß die Ströme von verdampfter und abgekühlter Flüssigkeit entkoppelt, d. h. zwangsgetrennt, werden. Hierzu wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in den Hohlraum in der Rotorwelle ein Rohr aus einem porösen Geflecht, z. B. einem Metallgeflecht oder einem Glasfaser- oder Kunststoffvlies, formschlüssig eingesetzt. Das Rohr mit netz- oder geflechtartiger Rohrwandung mündet mit Abstand vor dem Ende des über das Blechpaket hinausgehenden Hohlraumabschnitts. Die verdampfte Flüssigkeit strömt durch das hohle Innere des Rohres zum Kondensationsbereich am Ende des Hohlraumabschnitts. Die dort abgekühlte Flüssigkeit fließt durch die Kapilarität des Geflechts der Rohrwandung zurück in den Bereich des unterhalb des Blechpakets liegenden Hohlraumabschnitts, wo sie wieder verdampft.

Eine weitere Verbesserung der Wärmeableitung erreicht man, wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung am oder nahe dem Ende des über das Blechpaket hinausgehenden Hohlraumabschnitts eine Wärmestreuscheibe aus gut wärmeleitendem Material, z. B. Aluminium, auf der Rotorwelle befestigt wird. Diese Wärmestreuscheibe gibt die Kondensationswärme der Flüssigkeit besser an die Kühlluft der elektrischen Maschine ab. Bevorzugt wird die Wärmestreuscheibe propeller- oder lüfterradartig ausgebildet und kann damit gleichzeitig die Funktion des Lüfterrades übernehmen, so daß ein separates Lüfterrad auf der Maschinenwelle eingespart werden kann.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung wird der Hohlraum in der Rotorwelle durch eine Sacklochbohrung realisiert, die von der einen Stirnseite der Rotorwelle her eingebracht und am offenen Ende mit einem Stopfen flüssigkeitsdicht verschlossen wird.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines elektrischen Kleinmotors für eine Haushaltsmaschine, schematisch dargestellt,

Fig. 2 einen Querschnitt einer Rotorwelle in einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Kleinmotors.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der in Fig. 1 im Längsschnitt dargestellte Kleinmotor für Haushaltsmaschinen als Beispiel für eine elektrische Maschine allgemeiner Art, weist einen Stator 10 und einen darin drehenden Rotor 11 auf. Der Stator 10 besteht aus einem von dem Motorgehäuse 11 gebildeten magnetischen Rückschlußring, an dessen Innenumfang eine Anzahl von gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordneten Magnetpolen 12 befestigt ist. Bei dem hier zweipolig ausgeführten Kleinmotor werden als Magnetpole 12 schalenförmige, wicklungstragende Magnetkerne verwendet. Das Motorgehäuse 11 ist auf seiner einen Stirnseite mit einem Gehäusedeckel 13 abgeschlossen. Der Gehäusedeckel 13 übernimmt gleichzeitig die Funktion eines Lagerschildes in dessen Radiallager 14 eine Rotorwelle 15 eines im Stator 10 drehenden Rotors 16 aufgenommen ist.

Der Rotor 16 umfaßt ein auf der Rotorwelle 15 drehfest sitzendes laminiertes Paket 17 aus einer Vielzahl von gegeneinander isolierten Eisenblechen und eine Rotor- oder Ankerwicklung 18, die in in dem Blechpaket 17 eingestanzten Nuten einliegt. Zwischen dem Blechpaket 17 und dem Außenmantel der Rotorwelle 15 ist eine elektrische Isolierung 19 vorgesehen, die aus einem gut wärmeleitenden Material hergestellt ist. Die Isolierung kann bei einer bestimmten Ausführung entfallen. Die Ankerwicklung 18 ist an einem drehfest auf der Rotorwelle 15 sitzenden Kommutator oder Kommutator 20 elektrisch angeschlossen. Zur Stromzuführung zu dem Kollektor 20 dienen zwei Kohlebürsten 21, die diametral zueinander angeordnet sind und durch jeweils eine Bürstenandruckfeder 22 radial auf den Kommutator 20 aufgedrückt werden. Die Kohlebürsten 21 sind über Bürstenlitzen 23 mit am Motorgehäuse 11 herausgeführten Anschlußklemmen, nicht dargestellt, verbunden.

Zur verbesserten Wärmeabfuhr vom Rotor 16 ist die Rotorwelle 15 als Wärmerohr, auch heat-pipe genannt, ausgebildet. Hierzu ist in der Rotorwelle 15 eine koaxiale Sacklochbohrung 24 von der dem Kommutator 20 abgekehrten Stirnseite der Rotorwelle 15 her eingebracht. Diese Sacklochbohrung 24 erstreckt sich über mindestens die gesamte Länge des Blechpakets 17. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des Kleinmotors ist die Sacklochbohrung 24 über das Blechpaket 17 bis nahe an den Kommutator 20 herangeführt. Die Sacklochbohrung 24 ist teilweise mit Flüssigkeit gefüllt und an ihrem offenen Ende mit einem Stopfen 25 flüssigkeitsdicht abgeschlossen. Der Stopfen 25 reicht dabei nur soweit in die Sacklochbohrung 24 hinein, da in dieser zwischen dem Blechpaketende und dem Stopfen 25 ein über das Blechpaket 17 hinaus sich erstreckender Bohrungsabschnitt 241 verbleibt. Dieser Bohrungsabschnitt 241 stellt den Kondensationsbereich des Wärmerohrs dar. An oder nahe dem Ende dieses Bohrungsabschnittes 241, das durch den Stopfen 25 festgelegt ist, ist auf der Rotorwelle 15 eine Wärmestreuscheibe 26 aus gut wärmeleitendem Material, z. B. Aluminium, drehfest aufgesetzt. Die Wärmestreuscheibe 26 ist hier als Lüfterrad oder Lüfterflügel ausgebildet und dient gleichzeitig zur Erzeugung eines Kühlluftstromes durch den Luftspalt zwischen Stator 10 und Rotor 16. Der von dem Lüfterflügel erzeugte Luftstrom ist in Fig. 1 durch den Pfeil 27 symbolisiert.

Die durch die Ankerwicklung 18 erzeugte Wärme wird an das Blechpaket 17 abgegeben und gelangt durch Wärmeleitung über die elektrische Isolierung 19 an die Rotorwelle 15. Infolge der hohen Drehzahl der Rotorwelle 15 wird die Flüssigkeit in der Sacklochbohrung 24 gleichmäßig entlang der Bohrungswand verteilt und nimmt dort Wärme von der Rotorwelle 15 auf und verdampft. Der von dem Bohrungsabschnitt 241 gebildeten Kondensationsbereich des Wärmerohrs liegt außerhalb des Blechpakets 17. In diesem Bereich gibt der kondensierende Flüssigkeitsdampf seine Kondensationswärme über die Wärmestreuscheibe 26 an die Kühlluft des Motors ab. Die im Kondensationsbereich 241 abgekühlte Flüssigkeit strömt entlang der Bohrungswand wieder in den Bereich unterhalb des Blechpakets 17 zurück und verdampft erneut. Der beschriebene Verdampfungs- und Kondensationsprozeß wiederholt sich fortlaufend.

Das Wärmerohrprinzip kann noch dadurch verbessert werden, daß gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel eines elektrischen Kleinmotors durch konstruktive Maßnahmen die Strömungen von Flüssigkeitsdampf und kondensierter Flüssigkeit in der Sacklochbohrung 24 voneinander getrennt werden. Hierzu ist, wie dies aus Fig. 2, die einen Querschnitt durch eine modifizierte Rotorwelle 15′ darstellt, ersichtlich ist, in die Sacklochbohrung 24 ein Rohr 28 aus einem porösen Geflecht formschlüssig eingesetzt. Als poröses Geflecht kann z. B. ein Metallgeflecht oder ein Glasfaser- oder Kunststoffvlies verwendet werden. Das Rohr 28 reicht bis zum Sacklochgrund und mündet mit Abstand vor dem Stopfen 25, so daß der von dem Bohrungsabschnitt 241 gebildete Kondensationsbereich des Wärmerohrs freibleibt, also nicht von dem Rohr 28 belegt wird. Bei diesem modifizierten Wärmerohr strömt die an der Bohrungswand verdampfende Flüssigkeit unter Abtransport der Wärme von der Rotorwelle 15 axial durch die Innenbohrung 282 des Rohres 28 in den Kondensationsbereich 241, kondensiert dort, fließt aufgrund der Kapilarität des Geflechts der Rohrwandung 281 über den wieder zurück in den Bereich der Sacklochbohrung 24 innerhalb des Blechpakets 17.

Claims (7)

1. Elektrische Maschine, insbesondere elektrischer Antriebsmotor für Elektrowerkzeuge, Haushaltsmaschinen od. dgl., mit einem Stator und einem darin drehenden Rotor, der eine Rotorwelle, ein darauf elektrisch isoliert und drehfest sitzendes Blechpaket und eine im Blechpaket einliegende Rotorwicklung umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorwelle (15) als Wärmerohr (heat-pipe) ausgebildet ist.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rotorwelle (15) ein koaxialer Hohlraum (24) vorgesehen ist, der sich über die gesamte Länge des Blechpakets (17) und auf mindestens einer Seite über dieses hinaus erstreckt, und daß der Hohlraum (24) allseits geschlossen und teilweise flüssigkeitsgefüllt ist.

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hohlraum (24) ein Rohr (28) aus einem porösen Geflecht, z. B. einem Metallgeflecht oder einem Glasfaser- oder Kunststoffvlies, formschlüssig eingesetzt ist, das mit Abstand vor dem Ende des über das Blechpaket (17) hinausgehenden Hohlraumabschnitts (241) endet.

4. Maschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß am oder nahe dem Ende des über das Blechpaket (17) hinausgehenden Hohlraumabschnitts (241) auf der Rotorwelle (15) eine Wärmestreuscheibe (26) aus gut wärmeleitendem Material, z. B. aus Aluminium, befestigt ist.

5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmestreuscheibe (26) propeller- oder lüfterradartig ausgebildet ist.

6. Maschine nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum in der Rotorwelle (15) von einer zentralen Sacklochbohrung (24) gebildet ist, die von einer Stirnseite der Rotorwelle (15) her eingebracht und dort mit einem Stopfen (25) flüssigkeitsdicht verschlossen ist.

7. Maschine nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß eine zwischen Rotorwelle (15) und Blechpaket (17) angeordnete elektrische Isolierung (19) aus gut wärmeleitendem Material besteht.