EP4010965A1

EP4010965A1 - Elektromotor mit einem luftleitelement

Info

Publication number: EP4010965A1
Application number: EP20746613.7A
Authority: EP
Inventors: Philipp NEIDHARDT
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-08-09
Filing date: 2020-07-24
Publication date: 2022-06-15
Also published as: WO2021028192A1; US20220294305A1; DE102019211972A1; CN114207999A

Abstract

Es wird ein Elektromotor (100) beschrieben, umfassend einen Rotor (104) und einen Stator (103) mit einer Statorwicklung (105) und mit einem stirnseitigen Wickelkopf (105a) und ein diese Elemente umgebendes Gehäuse (101 ) mit einer Umfangswand (101 a) und mit zumindest einer Stirnwand (101 b). Der Elektromotor weist zudem ein Luftleitelement (106) auf, welches axial zwischen der Stirnwand (101 b) und einer Stirnfläche (104a) des Rotors (104) angeordnet ist. Es wird vorgeschlagen, das Luftleitelement (106) gehäusefest anzuordnen, wobei dieses einen ersten Abschnitt (106a) aufweist, der scheibenförmig um die Achse (A) ausgebildet ist und axial zu der Stirnwand (101 b) beabstandet ist und der sich in radialer Richtung zu der Stirnwand (101 b) erstreckt und wobei das Luftleitelement (106) einen zweiten Abschnitt (106b) aufweist, der rohrförmig um die Achse A ausgebildet ist und der sich radial innen an den ersten Abschnitt (106a) anschließt und der sich in Richtung der Stirnfläche (104a) des Rotors (104) erstreckt und wobei das Luftleitelement (106) einen Luftkanal (120) ausbildet mit einem zwischen dem ersten Abschnitt (106a) und der Stirnwand (101 b) befindlichen Wärmetauschbereich (120a) und einem innerhalb des zweiten Abschnitts (106b) verlaufenden Ansaugbereich (120b).

Description

Elektromotor mit einem Luftleitelement

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einem Luftleitelement gemäß dem Oberbe griff von Patentanspruch 1 , wie dieser beispielsweise mit der EP 1 642230 B1 bekannt geworden ist.

Elektromotoren sind seit langem in vielfältigen Anwendungen aus der Praxis bekannt. Bei Betrieb von Elektromotoren entstehen beispielweise durch ohmsche Verluste, Wir belströme und durch periodische Magnetisierungsvorgänge Wärmeverluste, welche die Komponenten eines Motors thermisch belasten und welche die dauerhaft abrufbare Leistung und die Effizienz eines Motors begrenzen. Es sind daher gezielte Maßnahmen zur Abführung dieser Verlustwärme und zur Begrenzung einer maximalen Betriebstem peratur von Elektromotoren erforderlich.

Der Einbau von Elektromotoren als Antriebsquelle für Elektro- oder Hybridfahrzeuge er fordert aufgrund der hohen Leistungsanforderungen und der vorgegebenen und für Kühlungszwecke oft nicht optimalen Einbauposition an einem Fahrzeugantriebsstrang besondere Anstrengungen, den thermisch zulässigen Betriebsbereich einzuhalten. Es ist bekannt und gängige Praxis, solche Elektromotoren mittels eines thermisch mit dem Stator in Verbindung stehenden Fluidkühlmantels zu kühlen. Damit kann zumindest der Stator mit dessen Blechpaket und der darauf befindlichen Statorwicklung thermisch in nerhalb eines Grenzbereichs gehalten werden. Problematisch sind jedoch die an beiden Stirnseiten aus dem Statorblechpaket frei herausstehenden Wicklungsköpfe, welche sich außerhalb des Kühlungsbereichs einer Fluidkühlung befinden und die gegenüber den axial dazwischenliegenden Wicklungsabschnitten eine höhere Temperatur aufwei sen. Die Wickelköpfe geben ihre Wärme auf die in deren Umgebung angeordneten Ele mente der Maschine ab. Insbesondere sind davon die Stirnseiten des Rotors betroffen, welche insbesondere bei axial vergleichsweise kurzen Maschinen gegenüber einen axial mittleren Rotorbereich eine höhere Temperatur annehmen können.

Eine zur Umgebung offene Luftkühlung, wie in der EP 1 642230 B1 erläutert, ist selbst bei Einsatz von Luftfiltern für derartige Fahrzeugantriebsmotoren aufgrund der beste henden Verschmutzungsgefahr und einem damit in Folge auftretenden Ausfall des Elektromotors und des Antriebssystems keine bevorzugte Lösung. Antriebsmotoren werden daher oft mit einem geschlossenem Gehäuse ausgebildet, wodurch ein aktiver Luftaustausch in Form eines Kühlluftstroms mit der Umgebung nicht möglich ist.

Bei permanenterregten Elektromotoren wird die Effizienz wesentlich durch die im Rotor angeordneten Permanentmagnete bestimmt, deren Magnetisierung mit steigender Tem peratur fällt und wodurch in Folge die Leistung des Antriebs reduziert wird. Durch hohe Temperaturen am Wickelkopf des Stators können mittels Wärmestrahlung und durch Konvektion die Rotorstirnflächen, insbesondere auf einer Verschaltungsseite der Stator wicklung erhitzt werden. Häufig erzeugt der Rotor durch seine Rotation einen Luftstrom, welcher die Wärme von einem Wickelkopf direkt zu den Permanentmagneten transpor tiert. Beim Betrieb eines Elektromotors weisen die Permanentmagnete in der Regel eine niedrigere Temperatur als der Wickelkopf auf. Die Permanentmagnete weisen aller dings auch eine geringe thermische Belastbarkeit auf, wodurch diese bei hohen Tempe raturen entmagnetisieren und so die Leistungsfähigkeit des Elektromotors dauerhaft be einträchtigen können.

Bei Asynchronmotoren werden durch die Wärmestrahlung der Wickelköpfe die an bei den Stirnseiten des Rotors befindlichen Kurzschlussringe einer häufig als Stabwicklung ausgebildeten Rotorwicklung zusätzlich thermisch belastet, was die Effizienz des Mo tors nachteilig beeinflusst.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen Elektromotor mit einer verbesserten Küh lung der Wickelköpfe des Stators anzugeben.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Elektromotor mit den Merkmalen von Anspruch 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in der nachfolgen den Beschreibung, den Figuren und mit den abhängigen Ansprüchen angegeben.

An einem Elektromotor wird bei einer Rotation des Rotors an der Stirnfläche ein Luft strom erzeugt, welcher von der Rotorachse nach radial außen geführt und in diese Richtung beschleunigt wird und der radial außerhalb des Rotors an einem Wickelkopf mit einer vergleichsweise höheren Temperatur vorbeiströmen und/oder diesen durch strömen kann. Die dadurch weiter erwärmte Luft kann sich in einem radial äußeren Be reich innerhalb des Gehäuses, insbesondere im Bereich der Wickelköpfe der Stator wicklung stauen und dort in einem vergleichsweise kleinem Raumbereich Wirbel und Konvektionsrollen ausbilden. Ein effektiver Wärmeaustausch mit der Umgebung kann nicht stattfinden.

Bei dem hier vorgeschlagenen Elektromotor ist zwischen einer Stirnwand des Gehäu ses und einer Stirnfläche des Rotors ein Luftleitelement vorgesehen, welches bei einer Rotation des Rotors einen innerhalb der Elektromotors in diesem Bereich zirkulierenden Luftstrom gezielt beeinflussen und die genannten Wirbel und Konvektionsrollen aufbre chen kann. Dazu ist das Luftleitelement gehäusefest angeordnet und umfasst einen ers ten Abschnitt der scheibenförmig um die Achse ausgebildet ist und axial zu der Stirn wand beabstandet ist und der sich in radialer Richtung zu der Stirnwand erstreckt. Das Luftleitelement umfasst weiter einen zweiten Abschnitt, der rohrförmig um die Rotations achse A des Rotors ausgebildet ist und der sich radial innen an den ersten Abschnitt anschließt und der sich in Richtung der Stirnfläche des Rotors erstreckt. Durch diese Ausgestaltung bildet das Luftleitelement einen Luftkanal aus mit einem zwischen dem ersten Abschnitt und der Stirnwand befindlichen Wärmetauschbereich und mit einem innerhalb des zweiten Abschnitts verlaufenden Ansaugbereich.

Die Ausbildung des Ansaugbereichs bewirkt, dass der Rotor gezielt Luft von axial ent fernter als bisher liegenden Bereichen, insbesondere nahe der Stirnwand des Gehäu ses liegenden Bereichen ansaugen, zum Rotor hin transportieren und radial entlang der Stirnfläche des Rotors beschleunigen kann. Die am Rotor radial nach außen geführte und durch die Wickel köpfe erwärmte Luft verspürt im Bereich der Wickelköpfe des Sta tors einen Sog bzw. einen Unterdrück, welcher von dem radial außen befindlichen Be reich des Wärmeaustauschbereichs ausgeht und in dem die Luft vergleichsweise höhe rer Temperatur radial außen eintreten kann und in dem Luftkanal nach radial innen ge führt wird. Beim Vorbeiströmen an der Stirnwand des Gehäuses kann die Luft zumin dest einen Teil der aufgenommenen Wärme an das Gehäuse, insbesondere an die axial benachbarte Stirnwand abgegeben, sich abkühlen und dann mit einer niedrigeren Temperatur wiederum in den radial innen befindlichen Ansaugbereich eintreten. Auf diese Weise erfolgt in einem stirnseitigen Rotorbereich eine ständige Umwälzung von Luft unter Abgabe einer von dem Elektromotor aufgenommenen Verlustwärmemenge und es kann an den Wickelköpfen ein Temperaturanstieg begrenzt werden.

Der erste und der zweite Abschnitt des Luftleitelements sind zur Erzielung einer effekti ven Kühlung bevorzugt umfangsmäßig geschlossen um die Drehachse des Rotors aus gebildet. Das Luftleitelement kann entweder am Gehäuse, zum Beispiel an der Um fangswand oder an der Stirnwand oder an einem mit dem Gehäuse verbundenen Teil festgelegt sein. Die dazu erforderlichen Strukturen und Befestigungsmittel können be vorzugt so ausgewählt werden, dass diese eine zirkulierenden Luftstrom nicht oder nur unwesentlich beeinflussen. Für eine einfache Montage bieten sich kostengünstige Rast verbindungen an. Der axiale Abstand des ersten, scheibenförmigen Abschnitts des Luft leitelements zur Stirnwand hängt von der konkreten Ausgestaltung des Elektromotors ab. Dieser Abstand kann mittels Versuchen so eingestellt bzw. so optimiert werden, dass im gesamten oder nur in einem vorbestimmten Drehzahlbereich des Rotors eine entsprechende Kühlwirkung spürbar ist. Ein zu großer oder ein zu kleiner Abstand kann die Kühlwirkung verschlechtern.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Luftleitelement mit dem zweiten Abschnitt radial innerhalb des Wickelkopfes angeordnet ist und sich mit dem Wickelkopf axial überdeckt. Auf diese Weise wird das Luftleitelement axial di rekt bis an den Rotor herangeführt und sichergestellt, dass der nach radial außen drän gende Luftstrom den Wickelbereich des Stators möglichst vollständig erfasst.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Luftleitelement einen dritten Ab schnitt aufweisen, der scheibenförmig ausgebildet ist und der sich radial innen an den zweiten Abschnitt anschließt und der sich mit einem axialen Abstand radial zur Stirnflä che des Rotors nach radial außen erstreckt. Dadurch ergibt sich für das Luftleitelement insgesamt eine außenumfangsseitig offene donatförmige oder toroidförmige Struktur, welche stirnseitig eine ebensolche Strömungszelle der innerhalb des Motors einge schlossenen zirkulierenden Luft zur Folge hat. Durch das Vorsehen des dritten Ab schnitts kann an der Stirnfläche des Rotors eine gezielt geführte und nach radial außen gerichtete Luftströmung erfolgen, welche zunächst die Stirnfläche des Rotors erfasst und kühlt und danach durch den dazu benachbarten Wickelkopf hindurchtreten kann. Der axiale Abstand des dritten Abschnitts zur Stirnwand des Rotors kann wiederum durch Versuche optimiert werden, um in Abhängigkeit von einer Drehzahl oder einem Drehzahlbereich eine möglichst hohe Kühlwirkung der Wickelköpfe der Statorwicklung zu erzielen.

Mit weiterem Vorteil kann das Luftleitelement aus einem Isolationswerkstoff, insbeson dere einem temperaturbeständigen Kunststoff gebildet sein. Die Herstellung aus Kunst stoff hat den Vorteil, dass vor allem Luftstrecken vom Wickelkopf zum Gehäuse nicht reduziert werden. Vorzugsweise erfolgt die Befestigung des Luftleitelements gleichfalls mittels Kunststoffelementen, so dass sich unter Umständen zudem die Kriechstrecke ebenfalls zum Teil sogar gegenüber einer einfachen Gehäusewand erhöhen kann. Der dritte, scheibenförmige Abschnitt des Luftleitelements kann für die in Richtung der Stirn wand befindlichen Elemente des Elektromotors eine thermische Barriere bilden und diese Elemente zuverlässig vor einem unerwünschten Temperaturanstieg schützen.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung kann der Elektromotor als eine permanenter regte Innenläufermaschine ausgebildet sein. Bei dieser Maschine kann der Rotor meh rere umfangsmäßig beabstandete und sich axial erstreckende Permanentmagnete auf weisen, welche sich radial innerhalb der Statorwicklung und der Wickelköpfe befinden. Die an den Stirnflächen des Rotors angeordneten Magnete oder Magnetabschnitte be finden sich im Wärmeübertragungsbereich eines Wickelkopfes und können unter einer unerwünschten Temperaturerhöhung eine Strahlungswärme von diesen aufnehmen. Durch die Ausbildung des Luftleitelements kann die mittels des Ansaugbereichs ange saugte und vergleichsweise kältere Luft zunächst die radial innen liegenden Magnete oder ein stirnseitiges mit diesen in Wärmekontakt stehendes Abdeckblech kühlen und dann die radial weiter außen liegenden Wickel köpfe kühlen. Die durch die Wickelköpfe verursachte thermische Belastung der Magnete kann dadurch merklich sinken. Die axi ale T emperaturverteilung innerhalb der Magnete, das heißt über die axiale Erstreckung des Rotors kann homogenisiert und werden. Bei einer Ausbildung des Elektromotors als eine permanenterregte Außenläufermaschine können die radial innen zu den Perma nentmagneten des Rotors angeordneten Wickel köpfe und die Permanentmagnete gleichfalls durch die Wirkung des Luftleitelements gekühlt werden. Gemäß einer alternativen besonderen Ausgestaltung kann der Elektromotor als eine Asynchronmaschine ausgebildet sein, wobei der Rotor stirnseitig einen Kurzschlussring aufweist, der sich radial innerhalb der Statorwicklung und der Wickelköpfe befindet.

Eine Asynchronmaschine weist üblicherweise eine in Nuten des Rotors eingebrachte Stabwicklung auf, wobei die einzelnen Stableiter am Rotor stirnseitig mit einem Kurz schlussring verbunden, insbesondere vergossen oder verschweißt sind. Wie voranste hend anhand der Kühlwirkung auf Permanentmagnete erläutert, kann durch das vorge schlagene Luftleitelement analog ebenso der Kurzschlussring einer Asynchronma schine effektiv gekühlt bzw. vor einer unerwünschten Überhitzung geschützt werden.

Gemäß einer noch weiteren Ausgestaltung des Elektromotors kann vorgesehen sein, dass der Stator eine Verschaltungseinrichtung zur Verschaltung der Statorwicklung auf weist. Diese Verschaltungseinrichtung kann bevorzugt radial innerhalb eines Wickelkop fes angeordnet sein und sich axial zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Ab schnitt befinden und sich radial zumindest teilweise innerhalb des dritten Abschnitt er strecken. Die Verschaltungseinrichtung kann mehrere Ring- oder ringsegmentförmige Leiter mit einer gegenüber einzelnen Leitern der Statorwicklung vergleichsweise hohen Stromtragfähigkeit umfassen, welche auch thermisch hoch belastet werden. Die vorge schlagene Anordnung der Verschaltungseinrichtung kann bewirken, dass der Rotor ge genüber einer von dieser abgestrahlten Wärme zumindest teilweise abgeschirmt wird. Die Verschaltungseinrichtung ist auf diese Weise u-förmig von dem Luftleitelement um schlossen. Eine dadurch verursachte thermische Belastung des Rotors kann somit be grenzt werden.

Eine weitere Verbesserung der Kühlwirkung durch das Luftleitelement kann erzielt wer den, indem die Stirnwand einen sich axial in Richtung des Rotors erstreckenden Lager flansch zur Lagerung einer Rotorwelle aufweist. Zum einen ist der Ansaugbereich zwi schen dem zweiten Abschnitt und dem Lagerflansch ausgebildet und zum anderen kann auch die dort strömende Luft eine weitere Wärmemenge an den Lagerflansch ab geben und noch weiter abkühlen. Zur noch weiteren Verbesserung der Kühlwirkung kann die Stirnwand des Gehäuses an der Innenseite insbesondere radial verlaufende Kühlrippen aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können an der die Stirnwand an der dem Luftleitelement gegenüberliegenden Außenseite Kühlrippen ausgebildet sein. Insgesamt können durch solche Kühlrippen die Oberfläche und der Wärmeaustausch gesteigert werden.

Die Kühlwirkung kann durch eine aktive Kühleinrichtung des Elektromotors, also durch eine Zwangskühlung noch weiter verbessert werden. Zu diesem Zweck kann der Elekt romotor einen geschlossenen Fluidkühlkreislauf mit einem Wärmetauscher und das Ge häuse Kühlkanäle zur Führung eines Kühlfluids aufweisen. Die erforderlichen Kühlka näle können in oder an der Umfangswand des Gehäuses verlaufen, wobei von der der Stirnwand aufgenommene Wärme zunächst durch Wärmeleitung in den Bereich der Umfangswand transportiert und dort an das Kühlfluid übergeben wird. Mit weiterem Vor teil können die Kühlkanäle auch in oder an der Stirnwand, also als Stirnwandkühlung und/oder auch im Bereich eines Lagerflansches ausgebildet sein, so dass dadurch ein noch effektiverer Wärmeabtransport aus dem Elektromotor möglich ist.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Axialschnittdarstellung eines als permanenterregte Synchron maschine ausgebildeten Elektromotors mit einem Luftleitelement;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines im Gehäuse des Elektromotors zwischen der Gehäusewand und der Rotorstirnfläche unter dem Einfluss des Luftleitele ments ausgebildeten Luftstroms;

Fig. 3 eine schematische Teildarstellung eines als Asynchronmaschine ausgebildeten Elektromotors mit einem Luftleitelement.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines als permanenterregte Synchronma schine in Innenläuferbauweise ausgebildeten Elektromotors 100. Der Elektromotor 100 ist als ein Fahrantrieb in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug vorgesehen. Der Elektro motor 100 umfasst einen auf einem Statorträger 102 festgelegten Stator 103 mit einer auf einem Statorblechpaket 103a angeordneten Statorwicklung 105. Stirnseitig am Sta tor 103 stehen Wickel köpfe 105a, b axial über ein Statorblechpaket 103a hinaus. Die Statorwicklung ist vorliegend als eine Hairpin-Wicklung ausgebildet und umfasst in Statornuten eingelegte und als Hairpins ausgebildete Leiterelemente 105c. Die einzel nen Leiterelemente 105c sind an einer Stirnseite des Elektromotors 100 an Kontaktstel len 105d durch Verschweißen oder Verlöten der freien Enden miteinander zu mehreren Spulen verbunden. Die Spulen sind wiederum in einer vorbestimmten Weise mittels ei ner Verschaltungseinrichtung 107 mit mehrere ring- oder ringsegmentförmigen Verbin dungsleitern entsprechend der vorgesehenen Phasenanzahl und einer vorbestimmten Verschaltungsart verbunden. Die Verschaltungseinrichtung 107 ist weiterhin mittels hier zeichnerisch nicht dargestellten Anschlussleitern mit einer Energiequelle, beispiels weise einem Fahrakkumulator oder einem Generator verbindbar oder verbunden.

Der Elektromotor 100 umfasst weiter einen um eine Achse A drehbaren Rotor 104 und ein Gehäuse 101 , welches den Stator 103 und den Rotor 104 mit einer Umfangs- wand 101a und mit zwei Stirnwänden 101 b; 101 c umgibt. Das Gehäuse 101 ist vorlie gend zumindest teilweise durch den Statorträger 102 ausgebildet. Die Stirnwände 101 b; 101 c weisen jeweils einen sich axial in Richtung des Rotors 104 erstreckenden Lager flansch 122a, b zur Lagerung einer Rotorwelle 108 auf. Weiterhin sind in Taschen inner halb des Rotors 104 mehrere umfangsmäßig beabstandete und sich axial erstreckende Permanentmagnete 104c eingesetzt, welche sich somit radial innerhalb der Statorwick lung 105 und der Wickelköpfe 105a, 105b befinden. Die Permanentmagnete 104c wer den in deren axialseitigen Endbereichen thermisch von einer von den Wickelköpfen 105a, b abgegebenen Wärmestrahlung beeinflusst und können sich gegenüber einem axial dazwischenliegenden Bereich aufheizen, also eine höhere Temperatur annehmen.

In den Figuren 1 -3 ist weiter ein Luftleitelement 106 erkennbar, welches axial zwischen der Stirnwand 101 b und einer Stirnfläche 104a des Rotors 104 angeordnet ist und wel ches eine innerhalb der Elektromaschine 100 zirkulierende Luftströmung gezielt zur Er möglichung einer Kühlwirkung auf den Rotor 104 und den Stator 103 beeinflussen kann. Das Luftleitelement 106 ist aus einem Isolationswerkstoff, vorzugsweise einem Kunststoff, zum Beispiel einem unter Betriebsbedingungen thermisch formstabilen Thermo- oder Duroplast hergestellt und weist allgemein eine außenumfangsseitig of- fene etwa donatförmige oder toroidförmige Struktur auf. Das Luftleitelement 106 ist vor liegend mittels Kunststoffelementen an der Stirnwand 101 b und an dem Lager flansch 122a festgelegt, welche zeichnerisch nicht dargestellt sind.

Das Luftleitelement 106 weist einen ersten Abschnitt 106a auf, der scheibenförmig um die Achse A ausgebildet ist und axial zu der Stirnwand 101 b beabstandet ist und der sich in radialer Richtung zu der Stirnwand 101 b erstreckt. Wie in der Fig. 1 , 2 erkenn bar, ist der axiale Abstand des ersten Abschnitts 106a zu der Stirnwand 101 b ver gleichsweise gering gegenüber dessen axialen Abstand zu der Stirnfläche 104a des Rotors 104. Das Luftleitelement 106 weist einen zweiten Abschnitt 106b auf, der rohr förmig um die Achse A ausgebildet ist und der sich radial innen an den ersten Ab schnitt 106a anschließt und der sich in Richtung der Stirnfläche 104a des Rotors 104 erstreckt. Es ist erkennbar, dass das Luftleitelement 106 einen Luftkanal 120 ausbildet mit einem zwischen dem ersten Abschnitt 106a und der Stirnwand 101 b befindlichen Wärmetauschbereich 120a und einem innerhalb des zweiten Abschnitts 106b verlaufen den Ansaugbereich 120b. Der Ansaugbereich 120b verläuft im Ausführungsbeispiel zwi schen dem zweiten Abschnitt 106a und dem Lagerflansch 122a.

Das Luftleitelement 106 weist weiter einen dritten Abschnitt 106c auf, der scheibenför mig ausgebildet ist und der sich radial innen an den zweiten Abschnitt 106b anschließt und der sich mit einem axialen Abstand radial zur Stirnfläche 104a des Rotors 104 nach radial außen erstreckt.

Es ist sichtbar, dass das Luftleitelement 106 mit dem zweiten Abschnitt 106a radial in nerhalb des Wickelkopfes 105a angeordnet ist und sich mit dem Wickelkopf 105a axial überdeckt. Es ist weiter erkennbar, dass die Verschaltungseinrichtung 107 radial inner halb eines Wickelkopfes 105a angeordnet ist und dass sich diese axial zwischen dem ersten Abschnitt 106a und dem zweiten Abschnitt 106b befindet und sich radial zumin dest teilweise innerhalb des dritten Abschnitt 106c erstreckt.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt des Elektromotors in einer schematischen Darstellung mit dem zuvor erläuterten Luftleitelement 106, welches im Gehäuse 101 zwischen der als Lagerschild ausgebildeten Stirnwand 101 b mit dem Lagerflansch 122a einerseits und andererseits der Rotorstirnfläche 104a angeordnet ist. Das Luftleitelement 106 ist ge genüber der Darstellung von Fig. 1 leicht modifiziert und weist zwischen dem ersten Ab schnitt 106a und dem zweiten Abschnitt 106b, sowie zwischen dem zweiten Ab schnitt 106b und dem dritten Abschnitt 106c jeweils einen etwa konusförmigen Brücken abschnitt 106d auf. Die Brückenabschnitte 106d können in deren Größe unterschiedlich und je nach den konkret vorliegenden Gegebenheiten ausgebildet werden. In Fig. 1 sind die Brückenabschnitt 106d lediglich als verrundete Übergänge erkennbar. Befesti gungsmittel zur Anordnung des Luftleitelements 106 sind in Fig. 2 nicht dargestellt. Die Strömungsrichtung eines unter dem Einfluss des Luftleitelements 106 dort ausgebilde ten Luftstroms ist mit den Pfeilen angegeben.

In dem zwischen dem Luftleitelement 106 und der Stirnwand 101 a mit dem Lager flansch 122a gebildeten Luftkanal 120 ist eine laminare Luftströmung ausgebildet.

Diese Strömung wird durch eine Rotation des Rotors 104 angetrieben, wobei mittels des Wärmeaustauschbereichs 120a und mittels des Ansaugbereichs 120b Luft aus dem der Stirnwand 101 b nahen Gebiet über den Lagerflansch 122a zum Rotor 104 hin ange saugt wird. Diese Luft weist durch einen Wärmeaustausch mit der Stirnwand 101 b und dem Lagerflansch 122a eine vergleichsweise niedrigere Temperatur auf und wird in ei nem Beschleunigungsbereich 120c des Luftkanals 120 an der Stirnfläche 104a nach ra dial außen beschleunigt. Auf ihrem Weg kann die vorbeiströmende Luft die dort am Ro tor 104 befindlichen und im Betrieb erwärmten Permanentmagnete 104c stirnseitig küh len. Die Abkühlung in diesem Bereich kann eine Auswirkung auf den Mittelwert der Temperaturverteilung entlang der gesamten axialen Erstreckung des Permanentmag net 104c haben. Dieser Temperaturmittelwert kann um bis zu 5K verringert werden.

Die Luftströmung reißt an einer Außenumfangsfläche 104d des Rotors 104 ab und bil det einen sich nach radial außen auflösenden Wirbel, welcher durch den Wickel kopf 105a weiter nach radial außen hindurchtreten kann und dadurch gleichfalls den Wi ckel köpf 105a kühlt und die in diesem Bereich erwärmte Luft mitnimmt. Die Temperatur des Wickelkopfes 105a kann hierbei um ca. 1 K reduziert werden. Der Luftstrom ver spürt dann infolge des Unterdrucks im Luftkanal 120 einen Sog und kann wieder in den radial äußeren Bereich des Luftleitelements 106 eintreten. Dieser Strömungskreis wird aufrechterhalten solange sich der Rotor 104 in Rotation befindet. In dem vom Luftlei telement 106 eingeschlossenen Bereich, in welchem sich die Verschaltungseinrich tung 107 befindet, bildet sich gleichfalls ein Strömungskreis gemäß dem dort einge zeichneten Pfeil aus, welcher zudem in einem gewissen Maße auch im Luftaustausch mit der zuvor erläuterten Luftströmung steht. Ein Kühleffekt ist damit ebenso an der Ver schaltungseinrichtung 107 vorhanden.

Zur Unterstützung des Kühleffekts sind zur verbesserten Wärmeaufnahme an der In nenseite der Stirnwand 101 b radial verlaufende Kühlrippen 124 vorgesehen. Gleichfalls können an der dem Luftleitelement 106 gegenüberliegenden Außenseite der Stirn wand 101 b Kühlrippen 126 zur verbesserten Wärmeabgabe ausgebildet sein.

An dem Elektromotor 100 kann darüber hinaus mit Blick auf Fig. 1 zur Erhöhung der Kühlwirkung ein geschlossenen Fluidkühlkreislauf vorgesehen sein, wozu zwischen der Umfangswand 101 a und dem Statorträger 102 oder allein an der Umfangswand 101a und/oder an der Stirnwand 101 b des Gehäuses 101 Kühlkanäle 128; 130 zur Führung eines Kühlfluids ausgebildet sind.

Gemäß einem weiteren und zu Fig. 1 alternativen Ausführungsbeispiel kann der Elekt romotor 100, wie das abgewandelt ausschnittweise mit Fig. 3 gezeigt ist, als eine Asyn chronmaschine ausgebildet sein. Die Asynchronmaschine soll hierbei identisch zu der mit Fig. 1 erläuterten Maschine ausgeführt sein, wobei der Rotor 104 lediglich anstelle der Permanentmagnete 104c eine in Nuten eingelegte Stabwicklung mit Leiterelemen ten 105c und mit einem an der Stirnfläche 104a angeordneten Kurzschlussring 104e aufweist. Dieser Kurzschlussring 104e befindet sich radial innerhalb der Statorwick lung 105 und der Wickelköpfe 105a. Es tritt ebenso die zu Fig. 1 erläuterte Luftströmung auf, wobei die an der Stirnfläche 104a radial vorbeiströmende Luft nunmehr den Kurz schlussring 104e erfasst und kühlt, bevor die Luft in der zuvor erläuterten Weise durch den Wickelkopf 105a hindurchtritt.

In den Ausführungsbeispielen ist das Luftleitelement 106 lediglich an einer Stirnseite des Elektromotors angeordnet. Selbstverständlich kann ein solches Luftleitelement 106 auch an beiden Stirnseiten angeordnet sein. Bezuqszeichen Elektromotor Gehäuse a Umfangswand b Stirnwand c Stirnwand Statorträger Stator a Blechpaket Rotor a Stirnfläche b Stirnfläche c Permanentmagnet d Außenumfangsfläche e Kurzschlussring Statorwicklung a Wickelkopf b Wickelkopf c Leiterelement d Kontaktstelle Luftleitelement a erster Abschnitt b zweiter Abschnitt c dritter Abschnitt d Brückenabschnitt Verschaltungseinrichtung Rotorwelle Permanentmagnet Luftkanal a Wärmetauschbereich b Ansaugbereich c Beschleunigungsbereich 122 Lagerflansch 124 Kühlrippen 126 Kühlrippen 128 Kühlkanal 130 Kühlkanal

A Achse

Claims

Patentansprüche

1 . Elektromotor (100), umfassend

- einen Stator (103) mit einer Statorwicklung (105) und mit einem stirnseitigen Wi ckel köpf (105a),

- einen um eine Achse A drehbaren Rotor (104);

- ein Gehäuse (101 ), welches den Stator (103) und den Rotor (104) mit einer Um fangswand (101a) und mit zumindest einer Stirnwand (101 b) umgibt,

- ein Luftleitelement (106), welches axial zwischen der Stirnwand (101 b) und einer Stirnfläche (104a) des Rotors (104) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass

- das Luftleitelement (106) gehäusefest angeordnet ist und dass

- das Luftleitelement (106) einen ersten Abschnitt (106a) aufweist, der scheiben förmig um die Achse A ausgebildet ist und axial zu der Stirnwand (101 b) beab- standet ist und der sich in radialer Richtung zu der Stirnwand (101 b) erstreckt und wobei

- das Luftleitelement (106) einen zweiten Abschnitt (106b) aufweist, der rohrförmig um die Achse A ausgebildet ist und der sich radial innen an den ersten Ab schnitt (106a) anschließt und der sich in Richtung der Stirnfläche (104a) des Ro tors (104) erstreckt, wobei

- das Luftleitelement (106) einen Luftkanal (120) ausbildet mit einem zwischen dem ersten Abschnitt (106a) und der Stirnwand (101 b) befindlichen Wärme tauschbereich (120a) und einem innerhalb des zweiten Abschnitts (106b) verlau fenden Ansaugbereich (120b).

2. Elektromotor (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Luftleitele ment (106) mit dem zweiten Abschnitt (106a) radial innerhalb des Wickelkopfes (105a) angeordnet ist und sich mit dem Wickelkopf (105a) axial überdeckt.

3. Elektromotor (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das Luftleitele ment (106) einen dritten Abschnitt (106c) aufweist, der scheibenförmig ausgebildet ist und der sich radial innen an den zweiten Abschnitt (106b) anschließt und der sich mit einem axialen Abstand radial zur Stirnfläche (104a) des Rotors (104) nach radial außen erstreckt.

4. Elektromotor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftleitelement (106) aus einem Isolationswerkstoff, insbesondere einem tempera turbeständigen Kunststoff gebildet ist.

5. Elektromotor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (100) als eine permanenterregte Innenläufermaschine ausgebildet ist und der Rotor (104) mehrere umfangsmäßig beabstandete und sich axial erstreckende Permanentmagnete (104c) aufweist, welche sich radial innerhalb der Statorwick lung (105) und der Wickelköpfe (105a, 105b) befinden.

6. Elektromotor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (100) als eine Asynchronmaschine ausgebildet ist und der Rotor (104) stirnseitig einen Kurzschlussring (104e) aufweist, der sich radial innerhalb der Stator wicklung (105) und der Wickelköpfe (105a) befindet.

7. Elektromotor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator eine Verschaltungseinrichtung (107) zur Verschaltung der Statorwick lung (105) aufweist, welche radial innerhalb eines Wickelkopfes (105a) angeordnet ist und welche sich axial zwischen dem ersten Abschnitt (106a) und dem zweiten Ab schnitt (106b) und radial zumindest teilweise innerhalb des dritten Abschnitt (106c) er streckt.

8. Elektromotor (100) nach einem Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnwand (101b) einen sich axial in Richtung des Rotors (104) erstreckenden Lager flansch (122) zur Lagerung einer Rotorwelle (108) aufweist, wobei der Ansaugbe reich (120b) zwischen dem zweiten Abschnitt (106a) und dem Lagerflansch (122) aus gebildet ist.

9. Elektromotor (100) nach einem Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnwand (101b) an der Innenseite radial verlaufende Kühlrippen (124) aufweist und/o der dass die Stirnwand (101 b) an der dem Luftleitelement (106) gegenüberliegenden Außenseite Kühlrippen (126) aufweist.

10. Elektromotor (100) nach einem Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (101) Kühlkanäle (128; 130) zur Führung eines Kühlfluids aufweist.