Beschreibung
Titel
Elektrische Maschine mit verbessertem Wärmemanagement Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem
verbesserten Wärmemanagement, wobei die elektrische Maschine eine sogenannte Nassläufer-Maschine mit einem Spalttopf ist, welcher einen
Nassbereich von einem Trockenbereich trennt.
Elektrische Maschinen in Form von EC-Nassläufer-Motoren sind in
verschiedenen Ausgestaltungen bekannt und werden üblicherweise für
Anwendungen eingesetzt, bei denen eine Drehbewegung im Medium erzeugt wird und eine dynamische Dichtung vermieden wird. Ein Einsatzbereich sind beispielsweise Pumpen. Um möglichst kleine Bauformen zu erreichen, wird eine Steuerungselektronik z.B. in Form einer Leiterplatte in einen Trockenbereich der elektrischen Maschine integriert. Dabei ist der Rotor im Nassbereich und der Stator im Trockenbereich angeordnet, wobei üblicherweise nur Innenläufer- Motoren verwirklicht werden, da sonst die Plaschverluste im Nassbereich bei großen Rotordurchmessern überproportional groß sind. Durch die Integration der Steuerelektronik in den Trockenbereich der elektrischen Maschine in
Kombination mit hohen Umgebungstemperaturen kommt es zu hohen thermischen Belastungen. Durch die Integration auf engstem Bauraum entstehen sowohl an der Wicklung der elektrischen Maschine als auch in den Bauteilen der
Elektronik hohe Temperaturen. Die im Stator bzw. der Statorwicklung
entstehende Wärme wird dabei über eine gute Wärmeanbindung, z.B. über thermisch gut leitende, kurze Kupferleitungen, oft mit großen Querschnitten, geleitet und/oder über thermische Strahlung vom Stator direkt auf die
Steuerungselektronik geleitet.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass eine
Wärmebelastung der in die elektrische Maschine integrierten
Steuerungselektronik signifikant reduziert werden kann. Insbesondere kann mittels der erfindungsgemäßen Idee die Strahlungswärme vom Stator auf die Steuerungselektronik reduziert werden und auch die über elektrische Kontakte vom Stator zur Steuerungselektronik geleitete Wärme reduziert werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass einerseits ein Isolationselement verwendet wird, welches den Trockenbereich der elektrischen Maschine wärmestrahlungstechnisch in einen ersten und einen zweiten Unterbereich unterteilt. Dabei ist im ersten Unterbereich der Stator angeordnet und im zweiten Unterbereich die Steuerungselektronik. Somit bildet das Isolationselement eine Abschirmung für die Steuerungselektronik vom Stator. Dabei kann die elektrische
Maschine einen sehr kompakten und kostengünstigen Aufbau aufweisen.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Weiter bevorzugt umfasst das den elektrischen Kontakt herstellende
Verschaltungselement einen ersten und/oder einen zweiten Abschnitt in mäandrierender Form. Hierbei dienen der erste Mäander zur Verbindung mit der Steuerungselektronik und der zweite Mäander zur Verbindung mit dem Stator. Die beiden Mäander ermöglichen dabei, dass sich die einzelnen Bauteile der elektrischen Maschine aufgrund von unterschiedlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten über die im Betrieb herrschenden
verschiedenen Temperaturniveaus die verschiedenen Wärmeausdehnungen kompensieren können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass insbesondere bei einer Anwendung im Automotive-Bereich Schüttelbelastungen etc. einfacher aufgenommen werden können, da die Mäander in gewissem Umfang federnde
Eigenschaften aufweisen und insbesondere die Steuerungselektronik und die Lötstellen dadurch entlastet werden.
Weiter bevorzugt ist das Verschaltungselement zweiteilig mit einem ersten Verschaltungsteil und einem zweiten Verschaltungsteil ausgebildet. Hierdurch ergeben sich insbesondere herstellungsbedingte Vorteile. Vorzugsweise ist dabei
die erste und zweite Mäanderstruktur am zweiten Verschaltungsteil angeordnet. Hierdurch liegen die beiden Mäanderstrukturen im wärme-abgeschirmten zweiten Bereich des Trockenbereichs.
Weiter bevorzugt ist ein Bereich des Verschaltungselements vollständig vom Isolationselement umgeben. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass möglichst wenig Wärme durch Strahlung in den zweiten Bereich des
Trockenbereichs übertragen wird und möglichst viel Wärme vom
Verschaltungselement an den Spalttopf abgegeben werden kann.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Isolierelement aus Kunststoff hergestellt. Besonders bevorzugt ist dabei das Isolierelement eine Kunststoffumspritzung oder ein Kunststoffsteckteil, welches am Verschaltungselement angeordnet wird.
Weiter bevorzugt können die elektrischen Verbindungen zwischen dem
Verschaltungselement und der Steuerungselektronik auf einen oder einige wenige kleine Bereiche verringert werden. Hierdurch kann bei dem Lötvorgang zur Anbindung der Steuerungselektronik mit nur einem oder wenigen statt vieler Löttiegel gearbeitet werden. Dadurch kann insbesondere auf der
Steuerungselektronik viel Fläche eingespart werden, da nur ein oder wenige Löttiegel notwendig sind. Hierdurch kann ein noch kompakterer Aufbau ermöglicht werden. Vorzugsweise ist ein Verschaltungselement, welches einen elektrischen Kontakt zwischen dem Stator und der Steuerungselektronik herstellt, derart angeordnet, dass es teilweise am Spalttopf anliegt oder eine möglichst gute thermische Anbindung zum Spalttopf hat. Hierdurch kann eine Übertragung von Wärme vom Verschaltungselement auf den Spalttopf ermöglicht werden, so dass die über das Verschaltungselement in die Steuerungselektronik geleitete Wärme signifikant reduziert wird. Da eine Seite des Spalttopfs mit dem kühleren Nassbereich in Kontakt steht, kann der Spalttopf eine Wärmesenke bilden. Ein besonders kompakter Aufbau wird erhalten, wenn das Verschaltungselement an einem Bodenbereich des Spalttopfs anliegt.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine ist vorzugsweise ein EC-Motor. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung sind dabei in Pumpen für Fahrzeuge oder in der Haustechnik, sowie in Ventilen und in anderen
Fluidregelsystemen.
Zeichnung
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine schematische Halbschnittansicht durch eine
erfindungsgemäße elektrische Maschine, und
Figur 2 eine schematische Halbschnittansicht entlang der Linie II-II von
Figur 1.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 eine elektrische Maschine 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
Die elektrische Maschine 1 umfasst dabei einen Stator 2 und einen Rotor 3, wobei zwischen Stator und Rotor ein Spalttopf 4 angeordnet ist. Der Spalttopf 4 unterteilt die elektrische Maschine in einen Nassbereich 5 und einen
Trockenbereich 6. Der Spalttopf 4 ist dabei am Gehäuse fixiert, wobei das Gehäuse ein Motorgehäuse 14, einen Deckel 15 und ein Pumpengehäuse 16 umfasst. Der Rotor 3 ist an einer Rotorwelle 32 befestigt und umfasst
Permanentmagnete 30 und einen Rückschluss 31. Die Rotorwelle 32 ist als Hohlwelle ausgebildet und über zwei Lager 33, 34 an einer ortsfesten Achse 35 gelagert. Die Achse 35 ist dabei fest am Spalttopf 4 in einer entsprechend gebildeten Ausnehmung im Boden 40 des Spalttopfes fixiert.
Der Stator 2 umfasst ein Lamellenpaket, eine Wicklung sowie eine erste und eine zweite Isoliermaske 20, 21.
Die elektrische Maschine 1 umfasst ferner ein zweiteiliges Verschaltungselement mit einem ersten Verschaltungselement 7 und einem zweiten
Verschaltungselement 8. Das erste Verschaltungselement 7 ist mit der Wicklung über einen elektrischen Kontakt 12 verbunden und Teil des Stators 2. Weiter ist das erste Verschaltungselement 7 mit dem zweiten Verschaltungselement 8 über einen elektrischen Kontakt 13 verbunden. Das zweite Verschaltungselement 8 ist über einen elektrischen Kontakt 90 mit einer Steuerungselektronik 9 in Form einer Leiterplatte verbunden.
Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, ist die Leiterplatte 9 dabei in einem zweiten Unterbereich 61 des Trockenbereichs 6 angeordnet. Der Stator 2 ist in einem ersten Unterbereich 60 des Trockenbereichs 6 angeordnet. Der erste und zweite Unterbereich 60, 61 sind durch ein Isolierelement 10 voneinander getrennt. Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, ist im Isolierelement 10 eine Durchführung 11 ausgebildet, durch welche das erste Verschaltungselement 7 hindurchgeführt ist. Das Isolierelement 10 dieses Ausführungsbeispiels ist eine
Kunststoffumspritzung, welche das zweite Verschaltungselement 8 zumindest teilweise umgibt. We aus Figur 1 ersichtlich ist, bildet das Isolierelement 10 im Unterbereich 10a eine vollständige Isolierung des zweiten
Verschaltungselements 8 sowohl zum ersten Unterbereich 60 als auch zum zweiten Unterbereich 61 des Trockenbereichs 6. Das zweite
Verschaltungselement 8 ist, wie aus Figur 1 ersichtlich ist, dabei an oder zumindest teilweise einem Boden 40 des Spalttopfs 4 angeordnet. In diesem Bereich ist das Isolierelement 10 nur an der zur Steuerungselektronik 9 gerichteten Seite am zweiten Verschaltungselement 8 angeordnet sein. Die Pfeile A deuten dabei einen Wärmeübergang vom zweiten Verschaltungselement 8 über den Bodenbereich des Spalttopfs 4 in den Nassbereich 5 an. Das zweite Verschaltungselement 8 umfasst einen ersten Mäanderabschnitt 80 und einen zweiten Mäanderabschnitt 81. Die beiden Mäanderabschnitte 80, 81 sind im zweiten Unterbereich 61 des Trockenbereichs 6 angeordnet. Die
Mäanderabschnitte 80, 81 ermöglichen dabei insbesondere eine unterschiedliche Wärmeausdehnung von Bauteilen, ohne dass hierdurch eine Beschädigung der Bauteile auftritt. Ferner schützen die beiden Mäanderabschnitte 80, 81 insbesondere die Steuerungselektronik 9 auch bei einem Einsatz im Automotive-
Bereich weitgehend vor zu hohen statischen und dynamischen Kräften, da diese Mäanderabschnitte in gewissem Umfang eine federnde Funktion bereitstellen.
Wie weiter aus Figur 2 ersichtlich ist, sind elektrische Kontakte 90, welche eine Verbindung zwischen dem zweiten Verschaltungselement 8 und der
Steuerungselektronik 9 herstellen, auf einem oder wenigen kleinen Räumen angeordnet. Hierbei können alle elektrischen Kontakte 90 zwischen dem zweiten Verschaltungselement 8 und der Steuerungselektronik 9 an einem oder wenigen Löttiegel 91 angeordnet werden, so dass auf der Leiterplatte der Steuerelektronik 9 eine große Flächeneinsparung möglich ist, da nicht mehr, wie im Stand der
Technik, für jeden elektrischen Anschluss ein separater Löttiegel vorgesehen werden muss, sondern die elektrischen Anschlüsse 90 erfindungsgemäß an einem gemeinsamen Löttiegel 90 angeordnet werden können.
Somit kann erfindungsgemäß, wie Figur 1 verdeutlicht, die Steuerungselektronik 9 in einem zweiten Unterbereich 61 des Trockenbereichs 6 angeordnet werden, welcher thermisch durch das Isolierelement 10 vom ersten Unterbereich 60 abgeschirmt ist, in dem der Stator 2, welcher eine Hauptwärmequelle der elektrischen Maschine ist, angeordnet ist. We in Figur 1 gezeigt, reicht das Isolierelement 10 dabei von einem zylinderförmigen Bereich des Spalttopfs 4 bis zum Motorgehäuse 14. Somit kann eine Wärmestrahlung vom Stator 2 auf die Steuerungselektronik 9 verringert werden. Eine Wärmeleitung vom Stator 2 über das erste und zweite Verschaltungselement 7, 8 auf die Steuerungselektronik 9 ist hierbei ebenfalls reduziert, da das zweite Verschaltungselement 8 mit dem Boden 40 des Spalttopfs in idealer Weise in möglichst guter wärmeübertragender Verbindung steht. Hierdurch kann die vom Stator 2 in die Verschaltungselemente 7, 8 eingebrachte Wärme an den Spalttopf 4 und von dort in den Nassbereich 5 abgegeben werden. Durch die Rotation des Rotors herrscht in dem
sacklochartigen Bereich des Spalttopfes 4 eine ausreichende Verwirbelung des Mediums, so dass die über den Boden 40 in den Nassbereich 5 übertragene Wärme schnell durch das Medium abgeführt werden kann. Somit kann ein Wärmeeintrag in die Steuerungselektronik 90 signifikant reduziert werden.
Die Mäanderabschnitte 80, 81 sorgen ferner für eine flexible Anbindung der Steuerungselektronik 9 an den Stator 2, so dass auch verschiedene
Wärmeausdehnungskoeffizienten der Bauteile keine Gefahr darstellen. Ferner
kann ein Lötvorgang an der Steuerungselektronik 9 mit nur einem oder wenigen Löttiegel realisiert werden. Dabei weist die erfindungsgemäße elektrische Maschine trotzdem einen sehr kompakten Aufbau auf und kann sehr kostengünstig hergestellt werden, insbesondere, wenn das Isolierelement 10 als Spritzteil vorgesehen ist.