DE4230379A1

DE4230379A1 - Electric drive motor for power tool or domestic appliance - with rotor shaft acting as heat pipe having hollow space partially filled with liquid

Info

Publication number: DE4230379A1
Application number: DE4230379A
Authority: DE
Inventors: Corneliu Dipl Ing Lungu
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1992-09-11
Filing date: 1992-09-11
Publication date: 1994-03-17

Abstract

The motor has a stator (10) and a rotor (16) mounted on a rotor shaft (15) in the form of a heat pipe, with a coaxial hollow space (24) extending over the full length of the rotor laminations packet (17) and projecting beyond the latter on at least one side. The hollow space is fully sealed and is partially filled with a liquid. Pref. the hollow space contains a porous metal mesh sleeve (28) or a glass fibre or plastics fibre cuff terminating in a hollow end section (241) on the outside of the rotor laminations packet, contacted by a Al heat dissipation disc (26). ADVANTAGE - Provides effective, uniform heat dissipation.

Description

State of the art

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.The invention is based on an electrical machine, especially an electric drive motor for Power tools, household machines or the like, which in Preamble of claim 1 defined genus.

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. With such electrical machines it depends Power output from the fast and comprehensive Heat dissipation from the electrical components. For this purpose, a fan wheel is usually used with the rotor shaft coupled, the one between the stator and motor generated air flow generated. The fan wheel axially sucked air occurs on the fan wheel opposite side of the rotor and stator radially through in Louvres provided from the machine housing Machine off.

Advantages of the invention

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.The electrical machine according to the invention, in particular the electric drive motor, with the distinctive Features of claim 1 has the advantage of a increased heat dissipation from the rotor, causing the Efficiency and the performance of the machine can be raised.

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.The heat pipe principle is known per se and will for example in hot plates for improvement and Uniformization of the heat emission to a heated one Passenger compartment, e.g. B. used on buses.

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.In the electrical machine according to the invention Heat pipe, also called heat pipe, through one in the Rotor shaft provided coaxial cavity realized the the axial length of the laminated core and at least one side of the laminated core beyond this further in the rotor shaft extends. The cavity is partly with Liquid filled. The rotating rotor shaft turns the Liquid evenly distributed on the cavity wall and there takes the generated in the rotor winding and over that Laminated core reaching the rotor shaft by heat conduction Heat up. The one located in the area of the laminated core Liquid evaporates and liquefies again in the cavity section lying outside the laminated core, the acts as a condensation space for the heat pipe. The cooled liquid flows back into the under the Lamination stack lying cavity section, and the Evaporation process of the liquid is repeated.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen elektrischen Maschine möglich. By the measures listed in the other claims are advantageous developments and improvements in Claim 1 specified electrical machine possible.

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.The heat-dissipating effect of the heat pipe can still can be increased in that the flows of evaporated and cooled liquid decoupled, d. H. are forcibly separated. For this, according to a preferred Embodiment of the invention in the cavity in the Rotor shaft a tube made of a porous mesh, e.g. B. one Metal mesh or a glass fiber or plastic fleece, positively used. The pipe with net or braid-like pipe wall opens at a distance from the end of the cavity section going beyond the laminated core. The vaporized liquid flows through the hollow interior of the pipe to the condensation area at the end of the Cavity section. The liquid cooled there flows due to the capillary nature of the braid of the pipe wall in the area below the sheet stack Cavity section where it evaporates again.

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.A further improvement in heat dissipation can be achieved if according to a further embodiment of the invention on or near the end of the beyond the laminated core Cavity section a heat diffusing screen made of good thermally conductive material, e.g. B. aluminum, on the rotor shaft is attached. This heat diffuser gives the Condensation heat of the liquid better to the cooling air the electrical machine. The is preferred Heat spreading disc like propeller or fan wheel trained and can simultaneously function as Take over fan wheel, so that a separate fan wheel on the machine shaft can be saved.

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. In an expedient embodiment of the invention the cavity in the rotor shaft through a blind hole realized from one end of the rotor shaft inserted and at the open end with a stopper is sealed liquid-tight.

drawing

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:The invention is illustrated in the drawing Exemplary embodiments in the description below explained in more detail. Show it:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines elektrischen Kleinmotors für eine Haushaltsmaschine, schematisch dargestellt, Fig. 1 is a longitudinal section of a small electric motor for a household machine, shown schematically,

Fig. 2 einen Querschnitt einer Rotorwelle in einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Kleinmotors. Fig. 2 shows a cross section of a rotor shaft in a further embodiment of a small motor.

Description of the embodiments

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.The small motor shown in longitudinal section in FIG. 1 for household machines as an example of an electrical machine of a general type has a stator 10 and a rotor 11 rotating therein. The stator 10 consists of a magnetic yoke ring formed by the motor housing 11 , on the inner circumference of which a number of magnetic poles 12 are fastened, distributed uniformly over the circumference. In the case of the small motor designed here with two poles, 12 shell-shaped, winding-carrying magnetic cores are used as magnetic poles. The motor housing 11 is closed on one end side with a housing cover 13 . The housing cover 13 also takes on the function of a bearing plate in whose radial bearing 14 a rotor shaft 15 of a rotor 16 rotating in the stator 10 is received.

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.The rotor 16 comprises a laminated package 17 made of a multiplicity of mutually insulated iron sheets, which is seated in a rotationally fixed manner on the rotor shaft 15, and a rotor or armature winding 18 which lies in grooves punched into the sheet package 17 . Electrical insulation 19 is provided between the laminated core 17 and the outer jacket of the rotor shaft 15 and is made of a material that is a good conductor of heat. The insulation can be omitted for a certain version. The armature winding 18 is electrically connected to a commutator or commutator 20 seated in a rotationally fixed manner on the rotor shaft 15 . Two carbon brushes 21 , which are arranged diametrically to one another and are each pressed radially onto the commutator 20 by a brush pressure spring 22, serve to supply current to the collector 20 . The carbon brushes 21 are connected via brush strands 23 to terminals, not shown, which lead out to the motor housing 11 .

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.For improved heat dissipation from the rotor 16 , the rotor shaft 15 is designed as a heat pipe, also called a heat pipe. For this purpose, a coaxial blind hole 24 is made in the rotor shaft 15 from the end face of the rotor shaft 15 facing away from the commutator 20 . This blind hole 24 extends over at least the entire length of the laminated core 17 . In the embodiment of the small motor shown in FIG. 1, the blind hole 24 is brought close to the commutator 20 via the laminated core 17 . The blind hole 24 is partially filled with liquid and closed at its open end with a plug 25 in a liquid-tight manner. The plug 25 extends only so far into the blind hole 24 , since a bore section 241 extending beyond the laminated core 17 remains in the latter between the end of the laminated core and the plug 25 . This bore section 241 represents the condensation area of the heat pipe. At or near the end of this bore section 241 , which is defined by the plug 25 , on the rotor shaft 15, a heat scattering disk 26 made of a good heat-conducting material, e.g. B. aluminum, rotatably attached. The heat scattering disk 26 is designed here as a fan wheel or fan blade and at the same time serves to generate a cooling air flow through the air gap between the stator 10 and the rotor 16 . The air flow generated by the fan blade is symbolized by the arrow 27 in FIG. 1.

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.The heat generated by the armature winding 18 is released to the laminated core 17 and reaches the rotor shaft 15 by heat conduction via the electrical insulation 19 . As a result of the high speed of rotation of the rotor shaft 15 , the liquid in the blind hole 24 is distributed uniformly along the wall of the hole and absorbs heat from the rotor shaft 15 and evaporates there. The condensation area of the heat pipe formed by the bore section 241 lies outside the laminated core 17 . In this area, the condensing liquid vapor releases its heat of condensation via the heat diffusion disk 26 to the cooling air of the engine. The liquid cooled in the condensation area 241 flows back along the bore wall into the area below the laminated core 17 and evaporates again. The evaporation and condensation process described is repeated continuously.

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.The heat pipe principle can be further improved in that, according to a further exemplary embodiment of a small electric motor, the flows of liquid vapor and condensed liquid in the blind bore 24 are separated from one another by constructive measures. For this purpose, as can be seen from FIG. 2, which shows a cross section through a modified rotor shaft 15 ', a tube 28 made of a porous mesh is inserted into the blind hole 24 in a form-fitting manner. As a porous mesh, for. B. a metal mesh or a glass fiber or plastic fleece can be used. The pipe 28 extends to the bottom of the blind hole and opens at a distance from the plug 25 , so that the condensation area of the heat pipe formed by the bore section 241 remains free, ie is not occupied by the pipe 28 . In this modified heat pipe, the liquid evaporating on the bore wall flows axially away from the rotor shaft 15 through the inner bore 282 of the tube 28 into the condensation region 241 , condensed there, and flows there again due to the capillary nature of the braid of the tube wall 281 Area of the blind hole 24 within the laminated core 17 .

Claims

1. Electrical machine, in particular an electric drive motor for power tools, household machines or the like, with a stator and a rotor rotating therein, which comprises a rotor shaft, an electrically insulated and non-rotatably seated laminated core and a rotor winding lying in the laminated core, characterized in that the rotor shaft ( 15 ) is designed as a heat pipe.

2. Machine according to claim 1, characterized in that in the rotor shaft ( 15 ) a coaxial cavity ( 24 ) is provided which extends over the entire length of the laminated core ( 17 ) and on at least one side beyond this, and that Cavity ( 24 ) is closed on all sides and partially filled with liquid.

3. Machine according to claim 2, characterized in that in the cavity ( 24 ) a tube ( 28 ) made of a porous mesh, for. B. a metal mesh or a glass fiber or plastic fleece is used in a form-fitting manner, which ends at a distance before the end of the cavity section ( 241 ) going beyond the laminated core ( 17 ).

4. Machine according to claim 2 or 3, characterized in that at or near the end of the laminated core ( 17 ) going out cavity section ( 241 ) on the rotor shaft ( 15 ), a heat scattering disc ( 26 ) made of good heat-conducting material, for. B. made of aluminum.

5. Machine according to claim 4, characterized in that the heat scattering disc ( 26 ) is designed like a propeller or fan wheel.

6. Machine according to one of claims 2-5, characterized in that the cavity in the rotor shaft ( 15 ) is formed by a central blind hole ( 24 ) which is introduced from an end face of the rotor shaft ( 15 ) and there with a stopper ( 25 ) is sealed liquid-tight.

7. Machine according to one of claims 1-6, characterized in that between the rotor shaft ( 15 ) and laminated core ( 17 ) arranged electrical insulation ( 19 ) consists of good heat-conducting material.