EP1797640A1 - Vorrichtungen zur entwärmung von elektrischen maschinen - Google Patents

Vorrichtungen zur entwärmung von elektrischen maschinen

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EP1797640A1
EP1797640A1 EP05774080A EP05774080A EP1797640A1 EP 1797640 A1 EP1797640 A1 EP 1797640A1 EP 05774080 A EP05774080 A EP 05774080A EP 05774080 A EP05774080 A EP 05774080A EP 1797640 A1 EP1797640 A1 EP 1797640A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
shaft
bearing
electrical machine
machine according
armature
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05774080A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Kopf
Markus Liedel
Bernd Wieland
Hans-Peter Dommsch
Michael Schermann
Albrecht Steinborn
Hinnerk Lepthin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1797640A1 publication Critical patent/EP1797640A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02K7/003—Couplings; Details of shafts
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    • H02K9/22—Arrangements for cooling or ventilating by solid heat conducting material embedded in, or arranged in contact with, the stator or rotor, e.g. heat bridges
    • H02K9/227—Heat sinks
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    • H02K1/28—Means for mounting or fastening rotating magnetic parts on to, or to, the rotor structures
    • H02K1/30—Means for mounting or fastening rotating magnetic parts on to, or to, the rotor structures using intermediate parts, e.g. spiders
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    • H02K5/1672—Means for supporting bearings, e.g. insulating supports or means for fitting bearings in the bearing-shields using sliding-contact or spherical cap bearings radially supporting the rotary shaft at both ends of the rotor
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    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/32—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation
    • H02K3/38—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation around winding heads, equalising connectors, or connections thereto

Definitions

  • the present invention relates to an electrical machine with a device for cooling.
  • the service life is usually determined by the wear of the carbon brushes. It has been found that different factors determine the wear. Among other things, the wear depends on the coal mixture, the smooth running of the commutator, the self-heating by the operation and the ambient temperature. In order to improve the service life of the electrical machines, it is therefore useful to make measures to heat the electric machine.
  • An electrical machine according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that during operation of the electric machine forced cooling takes place.
  • This is inventively achieved in that devices for generating a cooling air flow are arranged on the shaft or connected to the shaft, rotating components.
  • the devices for generating a cooling stream are preferably ribs and / or blades and / or wings.
  • Particularly preferred devices for generating a cooling air flow are arranged on a side surface of a commutator of the electric machine.
  • such devices are preferably provided on an axial insulation of an anchoring iron.
  • the devices for producing an airflow such as ribs, blades, wings, etc., can be made simultaneously with the insulation.
  • the tie rod has axial vent holes and insulation is formed on a first axial side and a second axial side of the tie rod, wherein the devices for generating a cooling air flow formed on the first axial side generate an axial cooling air flow such that cooling air is passed through the axial vent holes and the devices for generating a cooling air flow formed on the opposite second axial side of the insulation generate a radial air flow for discharging the air flows guided through the axial ventilation bores of the armature iron radially outward.
  • the devices generating the radial airflow are preferably arranged on the side of the armature iron on which a movable bearing of the shaft is also arranged. This prevents heated air from being conducted to the bearing of the shaft and contributing to excessive heating of the bearing.
  • the anchoring iron is formed from a plurality of sheets and a device for generating a cooling air flow is formed on at least one of the axially lying outer sheets.
  • the devices for generating the cooling air flow can be integrally formed in the sheet by a stamping and / or forming step.
  • the devices formed in an outermost sheet for generating a cooling air flow blades which in particular have the shape of a spherical segment or a crescent.
  • the anchor iron is formed from a plurality of sheets, which each have at least one axial passage opening.
  • the individual sheets are arranged in such a way to each other that at least two adjacent through holes of two sheets to each other in Circumferentially arranged offset.
  • the bearing comprises a bearing component and a bearing carrier, via which the bearing is fixed to the electric machine.
  • the bearing component comprises a hollow cylindrical portion and a cover portion.
  • the covering area is arranged outside of a bearing carrier in order to enable heat removal from the bearing via the hollow cylindrical area and the covering area.
  • the shaft is stored in the hollow cylindrical area. As a result, heat can be emitted from the shaft via the cover area arranged on the outside, so that excessive heating of the bearing point can be prevented.
  • the bearing carrier is preferably a part of a housing of the electric machine and the cover region and / or the hollow cylindrical region of the bearing contact the housing, so that a heat transfer to the housing can take place.
  • an electric machine comprises a shaft supported at a first and a second bearing point, the first bearing point comprising a bearing, a bearing holder and a bearing carrier and an opening being formed in the bearing carrier.
  • the bearing holder has at least one extended portion, which is passed through the opening in the bearing carrier to heat after to be able to deliver outside. Thus, heat can be released directly from the storekeeper to the outside.
  • the extended portion of the bearing holder preferably has a size which is at least a quarter of a total surface area of the bearing holder. As a result, sufficient heat dissipation can be ensured.
  • the bearing holder has a region which is arranged above an opening formed in the bearing carrier.
  • the area of the bearing holder covers the opening completely or partially. This can be done by the bearing holder through the opening in the bearing carrier to the outside an additional heat.
  • an electrical machine comprises a shaft with an armature, wherein the armature comprises an armature bar and an element for isolating the armature bar from the shaft is arranged between the armature bar and the shaft.
  • the insulating element is an insulating bush, preferably made of plastic. More preferably, the bushing is part of an insulating mask of the armature iron, which separates a winding from the anchor iron. As a result, the insulation element can be produced particularly inexpensively.
  • an electric machine comprises a shaft which has a recess, in particular a blind hole, at at least one bearing point.
  • the shaft is thus formed in the region of the bearing as a hollow shaft. It can thereby be achieved that a heat flow emitted by the armature is for the most part discharged into the region of the shaft in which no recess is formed.
  • a bore depth or a bore diameter can be determined individually depending on the electrical machine.
  • a heat-conducting cross section of the shaft can be selectively reduced only in the region of the bearing. The heat flow can thus be dissipated away from the camp in less critical areas of the electric machine over the full wave cross section.
  • a commutator is disposed on the hollow portion of the shaft. This prevents that an unwanted heat flow through the commutator is guided to the brushes.
  • the Hohlwellenbreich is formed over the entire length of the shaft.
  • a diameter of the hollow shaft area changes continuously or stepwise over the length of the shaft, ie in one or more stages.
  • a substantially aligned in the radial direction of the shaft bore is formed for additional cooling.
  • the radial bore thus extends from the interior of the hollow shaft portion to the outside of the shaft. It should also be noted that in the region of the hollow shaft, improved cooling is possible by supplying cooling air into the hollow region of the shaft.
  • the above-described individual measures for the cooling of an electric machine can be used alone or in any desired combination.
  • the heat removal measures according to the invention are used to defrost the brushes and / or a bearing close to the brushes.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of an electrical machine with devices integrated on the rotating components for generating a cooling air flow according to a first exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a perspective view of an electrical machine with devices for generating a cooling air flow integrated on the rotating components according to a second exemplary embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a schematic side view of an electrical machine with integrated devices on the rotating components for generating a cooling air flow according to a third embodiment of the present invention
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view of an electrical machine with a device for cooling the electric machine according to a fourth exemplary embodiment of the present invention
  • FIGS. 5a and 5b are views of an electric machine with a cooling device according to a fifth exemplary embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a schematic sectional view of an electric machine with a cooling device according to a sixth embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a schematic sectional view of an electric machine with a cooling device according to a seventh embodiment of the present invention.
  • Embodiment in Figure 1 comprises an armature shaft 1 and an armature 2.
  • an anchor bracket 3 is fixed to the shaft 1 in a known manner.
  • eight axial through holes 4 are formed, which over the Whole length of the anchor wire 3 run.
  • a plurality of blades 5 is formed at armature 2, more precisely at the outermost in an axial direction of the armature plate.
  • the blades 5 are arranged outside the outer circumference of the axial passage openings 4 as shown in FIG.
  • the blades 5 thereby provide a radial air flow to discharge heated air, which emerges from the axial vents 4, radially outward. This prevents that the air heated in the axial passage openings 4 can flow off in the axial direction and thereby heat a commutator or brushes or a bearing of the shaft 1.
  • vanes or ribs or vanes, etc. are formed to generate an axial flow of air through the axial through-holes 4.
  • vanes or ribs or vanes, etc. are formed to generate an axial flow of air through the axial through-holes 4.
  • the device for generating a cooling air flow such as blades, vanes, ribs, etc., for example, on the commutator and / or an insulating mask of the armature and / or the armature itself can be formed.
  • the devices for generating an air flow are integrally formed with the respective components, so that they are particularly inexpensive to produce.
  • FIG. 2 shows an electrical machine according to a second exemplary embodiment of the present invention.
  • the electric machine of the second exemplary embodiment comprises a shaft 1 and an armature 2.
  • An armature bar 3 is also arranged on the shaft 1.
  • Embodiment is formed of a plurality of steel sheets. As shown in FIG. 2, a blade profile 6 is integrally formed on the outermost steel sheet of the armature iron 3 in the region of each axial passage opening 4.
  • the blade profiles 6 are formed as spherical sections, more precisely as a quarter of a ball.
  • the blade profiles 6 can be made easily and inexpensively, for example, by punching and forming in the sheet.
  • the blade profiles shown in FIG. 2 serve, in particular, as axial fans in order to allow air to enter into the tie bar 3 for cooling the tie bar.
  • the blade profiles 6 can also be produced via a drawing or embossing process.
  • FIG. 3 shows an electric machine according to a third exemplary embodiment of the present invention. Identical or functionally identical parts are again denoted by the same reference numerals as in the preceding embodiments.
  • the electric machine of the third embodiment includes a commutator 7 on which a plurality of fins 8 are integrally formed. More specifically, six fins 8 are formed on an axial side surface of the commutator so that the fins rotate together with the shaft 1 upon rotation of the shaft 1 and generate a cooling air flow.
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view of an electrical machine according to a fourth exemplary embodiment of the present invention.
  • the device for cooling of electric motors of the fourth embodiment is a special bearing component 9, in which the shaft 1 is mounted as a plain bearing.
  • the bearing member 9 comprises a hollow cylindrical portion 9a and a cover portion 9b.
  • the hollow cylindrical portion 9a receives the end of the shaft 1.
  • the cover area 9b is substantially a circular area and is arranged outside a housing 10 of the electric machine.
  • an opening 10a is provided, in which the bearing member 9 is arranged.
  • a connection between the housing 10 and the bearing member 9 may be frictionally engaged or, for example, by welding or gluing o. ⁇ . getting produced.
  • FIGS. 5a and 5b show an electrical machine according to a fifth exemplary embodiment of the invention.
  • a bearing 11 of the shaft of the electric machine is arranged in a bearing receptacle 10b of a housing 10 of the electric machine.
  • the bearing receptacle 10b can be generated in a simple manner by means of forming.
  • first Through holes 10c and second through holes 10d are also also formed. As can be seen from FIG. 5a, the bearing becomes
  • the storage holder comprises
  • the bearing holder 12 also has two covering regions 12c, which partially cover the opening 10d in the housing 10. Heat can also be released through the openings 10d to the surroundings via the cover regions 12c.
  • the heat output is shown schematically by the arrows Q.
  • the extended portions 12b of the bearing holder 12 thus act as a cooling lug, which project outwardly from the electric machine.
  • an excessive heating of the shaft 1 can be prevented and thus also the bearing or the brush, which contact a commutator attached to the shaft.
  • FIG. 6 shows an electric machine according to a sixth embodiment of the present invention.
  • an insulation 13 is provided between a shaft 1 and an anchor iron 3. Since the anchor bar 3 due to a relatively large blockage by an anchor insulation and the armature winding relatively quickly In the prior art, this heat has hitherto been transmitted via the connection with the shaft 1 to the shaft 1 and thus to the bearings or a commutator and contact brushes. Therefore, as the inventive measure for heat dissipation of the bearings or the brushes in the sixth embodiment, the insulation 13 was formed such that it has a sleeve-like portion 13a and two axially end-face portions 13b and 13c.
  • the sleeve-like portion 13a is thus disposed between the shaft 1 and the tie bar 3, and isolates the tie bar from the shaft. It should be noted that particularly preferably the female portion 13a of the insulation is a single component and the two end-side insulating portions 13b and 13c are also integral parts, so that easy manufacture and assembly is possible.
  • a positive connection between the shaft and the tie bar 3 is advantageous since a frictional connection can be relatively easily destroyed due to the plastic relaxation in the female portion 13a. It should be noted that the positive connection must of course be isolated in order to prevent the unwanted heat release into the shaft.
  • FIG. 7 shows an electric machine according to a seventh embodiment of the present invention.
  • a blind hole 15 is formed in the shaft 1, so that the shaft 1 has a hollow shaft area 1a.
  • the Hollow shaft portion Ia a length such that a bearing 11 and a commutator 14 are arranged on the shaft at the hollow shaft portion Ia.
  • the hollow shaft portion Ia has the effect that an outgoing of an anchor iron 3 heat flow in the two axial directions of the shaft occurs in different sizes.
  • a first large heat flow Q 1 is generated, which is guided by the anchor iron 3 in the shaft with full material cross-section and a second heat flow Q 2 is directed in the direction of the hollow shaft portion Ia.
  • a second heat flow Q 2 is directed in the direction of the hollow shaft portion Ia.
  • the measures illustrated in the embodiments for the cooling of electrical machines can be combined in any way.
  • the hollow shaft regions shown in FIG. 7 can be combined as desired with each of the exemplary embodiments shown in FIGS. 1 to 6.
  • the other draining measures at the bearings of the fourth and fifth embodiments may be arbitrarily combined with the air flow generating devices in the first to third embodiments. This also applies to the sixth embodiment, which in any way can be combined with the other embodiments shown.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, und insbesondere einen Bürstenmotor, mit Vorrichtungen zur Entwärmung des Elektromotors, wobei insbesondere Lagerstellen und Bürsten gekühlt werden.

Description

Vorrichtungen zur Entwärmung von elektrischen Maschinen
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer Vorrichtung zur Entwärmung.
Bei elektrischen Maschinen und insbesondere bei Elektromotoren, welche eine Kontaktierung über Bürsten aufweisen, ist die Standzeit üblicherweise durch den Verschleiß der Kohlebürsten bestimmt. Hierbei hat sich herausgestellt, dass unterschiedliche Faktoren den Verschleiß bestimmen. Unter anderem hängt der Verschleiß von der Kohlemischung, der Laufruhe am Kommutator, der Eigenerwärmung durch den Betrieb sowie der Umgebungstemperatur ab. Um die Standzeit der elektrischen Maschinen zu verbessern, ist es deshalb sinnvoll, Maßnahmen zur Entwärmung der elektrischen Maschine vorzunehmen.
Eine weitere Problematik hinsichtlich der Lebensdauer elektrischer Maschinen ergibt sich aus der Standzeit der Lager der Ankerwelle. Durch übermäßige Erwärmung der Lager kann es dabei leicht zu einem Lagerschaden kommen. Im Gegensatz zu einem Motorstillstand aufgrund abgenutzter Kohlebürsten kann ein Lagerschaden schwere Folgeschäden an der elektrischen Maschine verursachen. Somit muss sichergestellt sein, dass bei Maßnahmen zur Verhinderung der Erwärmung der Bürsten der elektrischen Maschine keine zusätzliche Wärme an die Lagerstellen der Ankerwelle gelangen kann und dort zu einem Lagerschaden führen kann.
Vorteile der Erfindung
Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass beim Betrieb der elektrischen Maschine eine Zwangskühlung erfolgt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass an der Welle oder an mit der Welle verbundenen, rotierenden Bauteilen Vorrichtungen zur Erzeugung eines Kühlluftstromes angeordnet sind. Somit wird bei sich drehender Welle bzw. sich mit der Welle drehenden Bauteilen ein Kühlluftstrom erzeugt, welcher Bürsten und/oder Lager der Welle kühlen kann. Die Vorrichtungen zur Erzeugung eines Kühlungsstromes sind vorzugsweise Rippen und/oder Schaufeln und/oder Flügel.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Besonders bevorzugt sind Vorrichtungen zur Erzeugung eines Kühlluftstromes an einer Seitenfläche eines Kommutators der elektrischen Maschine angeordnet.
Um eine besonders kompakte und kostengünstige Herstellbarkeit der integrierten Vorrichtungen zur Erzeugung eines Kühlluftstromes zu erreichen, sind derartige Vorrichtungen vorzugsweise an einer axialen Isolation eines Ankereisens vorgesehen. Wenn die Isolation beispielsweise aus Kunststoff hergestellt wird, können die Vorrichtungen zur Erzeugung eines Luftstromes, wie z.B. Rippen, Schaufeln, Flügel usw., gleichzeitig mit der Isolation hergestellt werden. Besonders bevorzugt weist das Ankereisen axiale Lüftungsbohrungen auf und eine Isolation ist an einer ersten Axialseite und einer zweiten Axialseite des Ankereisens gebildet, wobei die an der ersten Axialseite gebildeten Vorrichtungen zur Erzeugung eines Kühlluftstromes einen axialen Kühlluftstrom derart erzeugen, dass Kühlluft durch die axialen Lüftungsbohrungen geführt wird, und die an der gegenüberliegenden zweiten Axialseite der Isolation gebildeten Vorrichtungen zur Erzeugung eines Kühlluftstromes einen radialen Luftstrom erzeugen, um die durch die axialen Lüftungsbohrungen des Ankereisens geführten Luftströmungen radial nach außen abzuführen. Dabei sind vorzugsweise die den radialen Luftstrom erzeugenden Vorrichtungen an der Seite des Ankereisens angeordnet, an welcher auch ein Loslager der Welle angeordnet ist. Dadurch wird verhindert, dass erwärmte Luft zum Lager der Welle geführt wird und zu einer übermäßigen Erwärmung des Lagers beiträgt.
Besonders bevorzugt ist das Ankereisen aus einer Vielzahl von Blechen gebildet und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Kühlluftstromes ist an wenigstens einem der in Axialrichtung liegenden äußeren Bleche gebildet. Die Vorrichtungen zur Erzeugung des Kühlluftstroms können dabei integral im Blech durch einen Stanz- und/oder Umformschritt gebildet werden. Besonders bevorzugt sind die in einem äußersten Blech gebildeten Vorrichtungen zur Erzeugung eines Kühlluftstromes Schaufeln, welche insbesondere die Form eines Kugelabschnitts bzw. eines Halbmondes aufweisen.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Ankereisen aus einer Vielzahl von Blechen gebildet, welche jeweils mindestens eine axiale Durchgangsöffnung aufweisen. Die einzelnen Bleche sind dabei derart zueinander angeordnet, dass wenigstens zwei benachbarte Durchgangsöffnungen zweier Bleche zueinander in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind. Durch diese versetzte Anordnung der Durchgangsöffnungen der Bleche kann ebenfalls ein Kühlluftstrom bei einer Rotation des Ankereisens erzeugt werden.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst eine elektrische Maschine, einen Anker und eine Welle, welche an einem Lager gelagert ist. Das Lager umfasst ein Lagerbauteil und einen Lagerträger, über welchen das Lager an der elektrischen Maschine fixiert ist. Das Lagerbauteil umfasst einen hohlzylindrischen Bereich und einen Abdeckbereich. Der Abdeckbereich ist dabei außerhalb eines Lagerträgers angeordnet, um eine Wärmeabfuhr vom Lager über den hohlzylindrischen Bereich und den Abdeckbereich zu ermöglichen. Die Welle ist dabei im hohlzylindrischen Bereich gelagert. Dadurch kann Wärme von der Welle über den außen angeordneten Abdeckbereich abgegeben werden, so dass eine zu große Erwärmung der Lagerstelle verhindert werden kann.
Der Lagerträger ist vorzugsweise ein Teil eines Gehäuses der elektrischen Maschine und der Abdeckbereich und/oder der hohlzylindrische Bereich des Lagers kontaktieren das Gehäuse, so dass auch eine Wärmeübertragung auf das Gehäuse erfolgen kann.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst eine elektrische Maschine eine an einer ersten und einer zweiten Lagerstelle gelagerte Welle, wobei die erste Lagerstelle ein Lager, einen Lagerhalter und einen Lagerträger umfasst und im Lagerträger eine Öffnung gebildet ist. Der Lagerhalter weist dabei wenigstens einen verlängerten Bereich auf, welcher durch die Öffnung im Lagerträger hindurchgeführt ist, um Wärme nach außen abgeben zu können. Somit kann Wärme unmittelbar vom Lagerhalter nach außen abgegeben werden.
Der verlängerte Bereich des Lagerhalters weist vorzugsweise eine Größe auf, welche mindestens ein Viertel einer Gesamtfläche des Lagerhalters beträgt. Dadurch kann eine ausreichende Wärmeabgabe sichergestellt werden.
Weiter bevorzugt weist der Lagerhalter einen Bereich auf, welcher über einer im Lagerträger gebildeten Öffnung angeordnet ist. Der Bereich des Lagerhalters deckt dabei die Öffnung vollständig oder teilweise ab. Dadurch kann eine zusätzliche Wärmeabgabe vom Lagerhalter durch die Öffnung im Lagerträger nach außen erfolgen.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst eine elektrische Maschine eine Welle mit einem Anker, wobei der Anker ein Ankereisen umfasst und ein Element zur Isolation des Ankereisens von der Welle zwischen dem Ankereisen und der Welle angeordnet ist. Dadurch kann verhindert werden, dass das Ankereisen, welches eine relativ große Fläche aufweist, seine Wärme über die Welle an benachbarte Bauteile, insbesondere die Bürsten und/oder die Lager, abführt.
Besonders bevorzugt ist das Isolationselement eine isolierende Buchse, vorzugsweise aus Kunststoff. Weiter bevorzugt ist die Buchse dabei ein Teil einer Isoliermaske des Ankereisens, welche eine Wicklung vom Ankereisen trennt. Dadurch kann das Isolationselement besonders kostengünstig hergestellt werden.
Um bei einer Erwärmung im Betrieb eine Beschädigung des sich ebenfalls erwärmenden Isolationselements zu verhindern, ist zwischen der Welle und dem Ankereisen vorzugsweise eine formschlüssige Verbindung gebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst eine erfindungsgemäße elektrische Maschine eine Welle, welche an zumindest einer Lagerstelle eine Ausnehmung, insbesondere eine Sacklochbohrung, aufweist. Die Welle ist somit im Bereich des Lagers als Hohlwelle ausgebildet. Dadurch kann erreicht werden, dass ein vom Anker abgegebener Wärmestrom zum Großteil in den Bereich der Welle abgeführt wird, in welchem keine Ausnehmung gebildet ist. Eine Bohrungstiefe bzw. ein Bohrungsdurchmesser können dabei individuell abhängig von der elektrischen Maschine bestimmt werden. Somit kann gezielt ein wärmeführender Querschnitt der Welle nur im Bereich des Lagers verringert werden. Der Wärmestrom kann somit vom Lager fort in weniger kritische Bereiche der elektrischen Maschine über den vollen Wellenquerschnitt abgeführt werden.
Weiter bevorzugt ist ein Kommutator an dem hohlen Bereich der Welle angeordnet. Dadurch wird verhindert, dass ein ungewollter Wärmestrom über den Kommutator zu den Bürsten geführt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Hohlwellenbreich über die gesamte Länge der Welle gebildet.
Weiter bevorzugt ändert sich ein Durchmesser des Hohlwellenbereichs über die Länge der Welle kontinuierlich oder schrittweise, d.h. in einer oder mehreren Stufen. Vorzugsweise ist eine im Wesentlichen in Radialrichtung der Welle ausgerichtete Bohrung zur zusätzlichen Kühlung gebildet. Die Radialbohrung verläuft somit vom Inneren des Hohlwellenbereichs zur Aussenseite der Welle. Ferner sei angemerkt, dass im Bereich der hohlen Welle eine verbesserte Kühlung durch Zuführen einer Kühlluft in den Hohlbereich der Welle möglich ist.
Es sei angemerkt, dass die oben beschriebenen einzelnen Maßnahmen zur Entwärmung einer elektrischen Maschine allein oder in beliebiger Kombination angewandt werden können. Insbesondere werden die erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Entwärmung dazu verwendet, die Bürsten und/oder ein den Bürsten nahe liegendes Lager zu entwärmen.
Zeichnung
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine schematische Seitenansicht einer elektrischen Maschine mit an den rotierenden Bauteilen integrierten Vorrichtungen zur Erzeugung eines Kühlluftstromes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 eine perspektivische Ansicht einer elektrischen Maschine mit an den rotierenden Bauteilen integrierten Vorrichtungen zur Erzeugung eines Kühlluftstromes gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Figur 3 eine schematische Seitenansicht einer elektrischen Maschine mit an den rotierenden Bauteilen integrierten Vorrichtungen zur Erzeugung eines Kühlluftstromes gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Figur 4 eine schematische Schnittansicht einer elektrischen Maschine mit einer Vorrichtung zur Kühlung der elektrischen Maschine gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Figuren 5a und 5b Ansichten einer elektrischen Maschine mit einer Kühlvorrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Figur 6 eine schematische Schnittansicht einer elektrischen Maschine mit einer Kühlvorrichtung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und
Figur 7 eine schematische Schnittansicht einer elektrischen Maschine mit einer Kühlvorrichtung gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figur 1 eine elektrische Maschine mit einer Kühlvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die elektrische Maschine gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel in Figur 1 umfasst eine Ankerwelle 1 und einen Anker 2. Am Anker 2 ist in bekannter Weise ein Ankereisen 3 an der Welle 1 befestigt. Im Ankereisen 3 sind acht axiale Durchgangsöffnungen 4 gebildet, welche über die gesamte Länge des Ankereisens 3 verlaufen. An Anker 2, genauer am in einer Axialrichtung äußersten Ankerblech, ist eine Vielzahl von Schaufeln 5 gebildet. Die Schaufeln 5 sind wie in Figur 1 gezeigt außerhalb des äußeren Umfangs der axialen Durchgangsöffnungen 4 angeordnet. Die Schaufeln 5 stellen dabei einen radialen Luftstrom bereit, um erwärmte Luft, welche aus den axialen Lüftungsöffnungen 4 austritt, radial nach außen abzuleiten. Dadurch wird verhindert, dass die in den axialen Durchgangsöffnungen 4 erwärmte Luft in Axialrichtung abströmen kann und dabei einen Kommutator bzw. Bürsten bzw. ein Lager der Welle 1 erwärmen kann.
Es sei angemerkt, dass vorzugsweise an dem nicht gezeigten anderen axialen Ende des Ankers 2 ebenfalls Schaufeln oder Rippen oder Flügel usw. angeformt sind, um eine Axialströmung von Luft durch die axialen Durchgangsöffnungen 4 zu erzeugen. Somit kann durch diese Schaufeln usw. eine axiale Strömung erzeugt werden und sich die Luft in den axialen Durchgangsöffnungen 4 erwärmen und die erwärmte Luft über die Schaufeln 5 radial nach außen abgeführt werden. Dadurch kann die elektrische Maschine gekühlt werden.
Es sei angemerkt, dass die Vorrichtung zur Erzeugung eines Kühlluftstromes, wie Schaufeln, Flügel, Rippen, usw. beispielsweise auch am Kommutator und/oder einer Isoliermaske des Ankereisens und/oder des Ankereisens selbst gebildet sein können. Besonders bevorzugt sind die Vorrichtungen zur Erzeugung eines Luftstroms dabei integral mit den jeweiligen Bauteilen gebildet, so dass sie besonders kostengünstig herstellbar sind.
Figur 2 zeigt eine elektrische Maschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In Figur 2 sind gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 bezeichnet. Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, umfasst die elektrische Maschine des zweiten Ausführungsbeispiels eine Welle 1 und einen Anker 2. An der Welle 1 ist ferner ein Ankereisen 3 angeordnet. Das Ankereisen 3 des zweiten
Ausführungsbeispiels ist aus einer Vielzahl von Stahlblechen gebildet. Wie aus Figur 2 gezeigt, sind am äußersten Stahlblech des Ankereisens 3 im Bereich jeder axialen Durchgangsöffnung 4 jeweils ein Schaufelprofil 6 angeformt. Die Schaufelprofile 6 sind als Kugelabschnitte, genauer als ein Viertel einer Kugel, gebildet. Die Schaufelprofile 6 können beispielsweise durch Stanzen und Umformen im Blech einfach und kostengünstig hergestellt werden.
Die in Figur 2 gezeigten Schaufelprofile dienen insbesondere als Axiallüfter, um einen Lufteintritt in das Ankereisen 3 zur Kühlung des Ankereisens zu ermöglichen. Die Schaufelprofile 6 können auch über einen Zieh- oder Prägeprozess hergestellt werden.
Figur 3 zeigt eine elektrische Maschine gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind wieder mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet.
Wie in Figur 3 gezeigt, umfasst die elektrische Maschine des dritten Ausführungsbeispiels einen Kommutator 7, an welchem eine Vielzahl von Rippen 8 integral ausgebildet ist. Genauer sind sechs Rippen 8 an einer axialen Seitenfläche des Kommutators ausgebildet, so dass sich die Rippen bei einer Drehung der Welle 1 gemeinsam mit der Welle 1 drehen und eine Kühlluftströmung erzeugen. Figur 4 zeigt eine schematische Schnittansicht einer elektrischen Maschine gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung zur Entwärmung von Elektromotoren des vierten Ausführungsbeispiels ist ein spezielles Lagerbauteil 9, in welchem die Welle 1 als Gleitlager gelagert ist. Wie in Figur 4 gezeigt, umfasst das Lagerbauteil 9 einen hohlzylindrischen Bereich 9a und einen Abdeckbereich 9b. Der hohlzylindrische Bereich 9a nimmt das Ende der Welle 1 auf. Der Abdeckbereich 9b ist im Wesentlichen eine Kreisfläche und ist außerhalb eines Gehäuses 10 der elektrischen Maschine angeordnet. Im Gehäuse 10 ist eine Öffnung 10a vorgesehen, in welcher das Lagerbauteil 9 angeordnet ist. Eine Verbindung zwischen dem Gehäuse 10 und dem Lagerbauteil 9 kann dabei reibschlüssig sein oder z.B. mittels Schweißen oder Kleben o.Ä. hergestellt werden.
Wenn sich somit während des Betriebes die Welle 1 erwärmt, kann eine sehr gute Wärmeübertragung von der Welle 1 auf das Lagerbauteil 9 und dann in die Umgebung erreicht werden. In Figur 4 ist dies mit den Pfeilen Q dargestellt. Ein weiterer Vorteil des Ausführungsbeispiels ist, dass das Lagerbauteil 9 die Welle vor unerwünschten Umgebungseinflüssen wie Salz und Wasser o.Ä. schützen kann. Dadurch wird weiter verhindert, dass Lageröl ausgewaschen wird. Die Fläche des Abdeckbereichs 9b wird hierbei so bemessen, dass eine sehr gute Wärmeabgabe möglich ist.
In den Figuren 5a und 5b ist eine elektrische Maschine gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Bei diesem fünften Ausführungsbeispiel ist ein Lager 11 der Welle der elektrischen Maschine in einer Lageraufnahme 10b eines Gehäuses 10 der elektrischen Maschine angeordnet. Die Lageraufnahme 10b kann auf einfache Weise mittels Umformen erzeugt werden. Im Gehäuse 10 sind ferner erste Durchgangsöffnungen 10c und zweite Durchgangsöffnungen 1Od gebildet. Wie aus Figur 5a ersichtlich ist, wird das Lager
11 mittels eines Lagerhalters 12 am Gehäuse 10 befestigt. Dies wird vorzugsweise mittels einer reibschlüssigen Verbindung zwischen dem Lagerhalter 11 und dem Gehäuse 10 realisiert. Wie in Figur 5a gezeigt, umfasst der Lagerhalter
12 einen Haltebereich 12a, an welchem das Lager 11 gehalten wird, und einen verlängerten Bereich 12b, welcher durch die Öffnung 10c im Gehäuse 10 hindurchgeführt ist. Somit steht der verlängerte Bereich 12b durch die Öffnung 10c aus dem Gehäuse 10 vor. Dadurch kann eine Wärmeabgabe von einer Welle 1 über das Lager 11 und den Lagerhalter 12 zum verlängerten Bereich 12b und von dort an die Umgebungsluft erfolgen. Wie aus Figur 5b ersichtlich ist, sind in diesem Ausführungsbeispiel zwei verlängerte Bereiche 12b vorgesehen. Ferner weist der Lagerhalter 12 auch zwei Abdeckbereiche 12c auf, welche die Öffnung 10d im Gehäuse 10 teilweise abdecken. Auch über die Abdeckbereiche 12c kann eine Wärmeabgabe durch die Öffnungen 10d an die Umgebung erfolgen.
In Figur 5a ist die Wärmeabgabe durch die Pfeile Q schematisch dargestellt. Die verlängerten Bereiche 12b des Lagerhalters 12 wirken somit wie eine Kühlfahne, welche aus der elektrischen Maschine nach außen vorstehen. Somit kann eine übermäßige Erwärmung der Welle 1 verhindert werden und somit auch der Lager bzw. der Bürsten, welche einen an der Welle befestigten Kommutator kontaktiere.
Figur 6 zeigt eine elektrische Maschine gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel ist zwischen einer Welle 1 und einem Ankereisen 3 eine Isolation 13 vorgesehen. Da sich das Ankereisen 3 aufgrund einer relativ großen Verblockung durch eine Ankerisolation und die Ankerwicklung relativ schnell erwärmen kann, wurde im Stand der Technik diese Wärme bisher über die Verbindung mit der Welle 1 auf die Welle 1 und somit auf die Lager bzw. einen Kommutator und Kontaktbürsten übertragen. Von daher wurde als erfindungsgemäße Maßnahme zur Entwärmung der Lager bzw. der Bürsten beim sechsten Ausführungsbeispiel die Isolation 13 derart ausgebildet, dass sie einen buchsenartigen Bereich 13a und zwei axial stirnseitige Bereiche 13b und 13c aufweist. Der buchsenartige Bereich 13a ist somit zwischen der Welle 1 und dem Ankereisen 3 angeordnet und isoliert das Ankereisen von der Welle. Es sei angemerkt, dass besonders bevorzugt der buchsenartige Bereich 13a der Isolation ein einzelnes Bauteil ist und die beiden stirnseitigen Isolationsbereiche 13b und 13c ebenfalls einstückige Teile sind, so dass eine einfache Herstellung und Montage möglich ist.
Durch diese Isolation des Ankereisens 3 muss der Anker mehr Wärme an die ihn umgebende Luft abgeben. Daher ist an der radial äußeren Seite des Ankereisens 3 keine zusätzliche Isolation vorgesehen.
Da für die Isolation 13 vorzugsweise Kunststoff verwendet wird, ist eine formschlüssige Verbindung zwischen der Welle und dem Ankereisen 3 vorteilhaft, da eine reibschlüssige Verbindung aufgrund der Kunststoff-Relaxation in dem buchsenartigen Bereich 13a relativ einfach zerstört werden kann. Es sei angemerkt, dass die formschlüssige Verbindung selbstverständlich auch isoliert sein muss, um die unerwünschte Wärmeabgabe in die Welle zu verhindern.
Figur 7 zeigt eine elektrische Maschine gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie aus Figur 7 ersichtlich ist, ist in der Welle 1 ein Sackloch 15 ausgebildet, so dass die Welle 1 einen Hohlwellenbereich Ia aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Hohlwellenbereich Ia eine Länge derart auf, dass ein Lager 11 und ein Kommutator 14 an der Welle am Hohlwellenbereich Ia angeordnet sind. Wie aus den Pfeilen zur Wärmeübertragung in Figur 7 schematisch dargestellt ist, hat der Hohlwellenbereich Ia die Wirkung, dass ein von einem Ankereisen 3 ausgehender Wärmestrom in den beiden Axialrichtungen der Welle in unterschiedlicher Größe auftritt. Genauer wird ein erster großer Wärmestrom Q1 erzeugt, welcher vom Ankereisen 3 in die Welle mit vollem Materialquerschnitt geleitet wird und ein zweiter Wärmestrom Q2 wird in Richtung des Hohlwellenbereichs Ia geleitet. Durch das vorsehen des Sacklochs 15 wird der wärmeführende Querschnitt der Welle 1 gezielt reduziert. Dadurch ist es möglich, dass das Lager 11 und der Kommutator 14 am Hohlwellenbereich Ia angeordnet werden können, so dass die Wärmeabgabe vom Hohlwellenbereich Ia auf das Lager 11 bzw. den Kommutator 14 im Vergleich mit dem Stand der Technik deutlich reduziert ist. Dadurch ist eine Wärmebelastung für das Lager bzw. die den Kommutator 14 kontaktierenden Bürsten deutlich reduziert. Der auftretende Wärmestrom wird somit in weniger kritische Bereiche über den Wellenbereich mit vollem Querschnitt geführt.
Es sei angemerkt, dass die in den Ausführungsbeispielen dargestellten Maßnahmen zur Entwärmung von elektrischen Maschinen in beliebiger Weise kombiniert werden können. Insbesondere können die in Figur 7 gezeigten Hohlwellenbereiche beliebig mit jedem der in den Figuren 1 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispielen kombiniert werden. Ferner können die anderen entwärmenden Maßnahmen an den Lagern aus dem vierten und fünften Ausführungsbeispiel (Fig. 4 und 5a, 5b) in beliebiger Weise mit den Vorrichtungen zur Erzeugung eines Luftstromes in den ersten bis dritten Ausführungsbeispielen kombiniert werden. Dies gilt auch für das sechste Ausführungsbeispiel, welches in beliebiger Weise mit den anderen gezeigten Ausführungsbeispielen kombinierbar ist.

Claims

Ansprüche
1. Elektrische Maschine, umfassend eine Welle (1) mit einem Anker (2) , wobei an der Welle (1) oder an mit der Welle gemeinsam rotierenden Bauteilen Vorrichtungen (5, 6, 8) zur Erzeugung eines Kühlluftstromes, insbesondere Rippen und/oder Schaufeln und/oder Flügel, angeordnet sind.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Seitenfläche eines Kommutators (7) Vorrichtungen (8) zur Erzeugung eines Kühlluftstromes angeordnet sind.
3. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem in Axialrichtung gerichteten Isolationsbauteil eines Ankereisens (3) Vorrichtungen zur Erzeugung eines Kühlluftstromes gebildet sind.
4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ankereisen (3) axiale Durchgangsöffnungen (4) aufweist und an einer ersten Axialseite des Ankereisens (3) die an dem in Axialrichtung ausgerichteten Isolationselement gebildeten Vorrichtungen zur Erzeugung eines Kühlluftstromes einen axialen Kühlluftstrom erzeugen, welcher Luft durch die axialen Durchgangsöffnungen (4) hindurchführt und an einer gegenüberliegenden Axialseite des Ankereisens an einem in Axialrichtung gerichteten Isolationselement gebildeten Vorrichtungen zur Erzeugung eines Kühlluftstromes einen radialen Luftstrom erzeugen, um die durch die axialen Durchgangsöffnungen (4) geführten Luftströme radial abzuführen.
5. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ankereisen (3) aus einer Vielzahl von einzelnen Blechen gebildet ist und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Kühlluftstromes an einem oder an beiden des in Axialrichtung gerichteten äußersten Bleches gebildet sind.
6. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungen zur Erzeugung eines Kühlluftstromes integral im Blech, insbesondere in Form eines Kugelabschnitts, an den axialen Durchgangsöffnungen (4) gebildet sind.
7. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ankereisen (3) aus einer Vielzahl von einzelnen Blechen gebildet ist, wobei die einzelnen Bleche jeweils mindestens eine axiale Durchgangsöffnung aufweisen und wobei die einzelnen Bleche derart zueinander angeordnet sind, dass wenigstens zwei benachbarte Durchgangsöffnungen von einander benachbarten Blechen in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind.
8. Elektrische Maschine, umfassend eine Welle (1) und einen Anker (2) , wobei die Welle (1) an einer ersten Lagerstelle und an einer zweiten Lagerstelle gelagert ist, wobei die erste Lagerstelle als Loslager ausgebildet ist und ein Lagerbauteil (9) einen hohlzylindrischen Bereich (9a) und einen Abdeckbereich
(9b) aufweist, wobei der Abdeckbereich (9b) außerhalb eines Lagerträgers (10) angeordnet ist, um eine Wärmeabfuhr von der Welle (1) über den hohlzylindrischen Bereich (9a) und den Abdeckbereich
(9b) zu ermöglichen.
9. Elektrische Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerträger (10) eine Öffnung
(10a) aufweist, in welcher das Lagerbauteil (9) reibschlüssig fixiert ist.
10. Elektrische Maschine, umfassend eine Welle (1) und einen Anker (2) , wobei die Welle (1) an einer ersten Lagerstelle und an einer zweiten Lagerstelle gelagert ist und wobei die erste Lagerstelle ein Lager (11), einen Lagerhalter (12) und einen Lagerträger (10) umfasst, wobei im Lagerträger (10) wenigstens eine Öffnung (10c) ausgebildet ist und der Lagerhalter (12) wenigstens einen verlängerten Bereich (12b) aufweist, welcher durch die Öffnung (10c) im Lagerträger (10) zur Wärmeabgabe hindurchgeführt ist.
11. Elektrische Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der verlängerte Bereich (12b) eine Größe aufweist, welche mindestens einem Viertel einer Gesamtfläche des Lagerhalters (12) entspricht.
12. Elektrische Maschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerhalter (12) einen Abdeckbereich (12c) aufweist, welcher über einer im Lagerträger (10) gebildeten weiteren Öffnung (1Od) angeordnet ist, wobei der Abdeckbereich (12c) die Öffnung (1Od) vollständig oder teilweise abdeckt.
13. Elektrische Maschine, umfassend eine Welle (1) und einen Anker (2) , wobei der Anker (2) ein Ankereisen (3) umfasst und ferner ein Element zur Isolation des Ankereisens (3) von der Welle (1) zwischen dem Ankereisen (3) und der Welle (1) angeordnet ist.
14. Elektrische Maschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Element zur Isolation eine isolierende Buchse (13a) ist.
15. Elektrische Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (13a) ein Teil einer Isoliermaske des Ankereisens (3) ist, welche eine Wicklung vom Ankereisen (3) trennt.
16. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Welle (1) und dem Ankereisen (3) eine formschlüssige, insbesondere ebenfalls isolierte, Verbindung ausgebildet ist.
17. Elektrische Maschine, umfassend eine Welle (1) und einen Anker (2) , wobei die Welle (1) an einer ersten Lagerstelle und an einer zweiten Lagerstelle gelagert ist, und wobei die Welle (1) an der ersten Lagerstelle eine Ausnehmung (15) derart aufweist, dass die Welle
(1) an der ersten Lagerstelle einen Hohlwellenbereich (Ia) umfasst.
18. Elektrische Maschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass am Hohlwellenbereich (Ia) eine erste Lagerstelle der Welle angeordnet ist.
19. Elektrische Maschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass am Hohlwellenbereich (Ia) ein Kommutator (14) angeordnet ist.
20. Elektrische Maschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass am Hohlwellenbereich (Ia) ein Kommutator (14) angeordnet ist.
21. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 17 bis
20, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlwellenbreich über die gesamte Länge der Welle gebildet ist.
22. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 17 bis
21, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Durchmesser des Hohlwellenbereichs (Ia) über die Länge der Welle kontinuierlich oder schrittweise ändert.
23. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 17 bis
22, dadurch gekennzeichnet, dass am Hohlwellenbereich (Ia) wenigstens eine im Wesentlichen in Radialrichtung ausgerichtete Bohrung zum Aussenumfang der Welle ausgebildet ist.
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