WO2009015946A1

WO2009015946A1 - Elektromotor

Info

Publication number: WO2009015946A1
Application number: PCT/EP2008/057981
Authority: WO
Inventors: Peter Bucher; Thomas Sippel
Original assignee: Continental Automotive Gmbh
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2008-06-24
Publication date: 2009-02-05
Also published as: DE102007035271A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Elektromotor (10) mit einem Rotor und einem Stator sowie einem Gehäuse, das den Stator wenigstens teilweise umgibt und mehrere miteinander verbundene Hohlräume (18) zur Aufnahme einer Kühlflüssigkeit aufweist, wobei wenigstens eine Zu- (22) und eine Ablauföffnung (24) zum Zuführen beziehungsweise Abführen der Kühlflüssigkeit vorgesehen sind, die über die Hohlräume (18) derart miteinander verbunden sind, dass zwischen dem Zulauf (22) und dem Ablauf (24) wenigstens ein Zirkulationspfad zum Führen der Kühlflüssigkeit ausgebildet ist. Um eine einfache und kostengünstige Kühlung des Elektromotors (10) zu schaffen, die raumsparend ist und gleichzeitig eine effiziente Wärmeabfuhr gewährleistet, weist das Gehäuse einen mittleren hohlzylindrischen Gehäusebereich (12) und zwei stirnseitige Lagerschilde (14, 16) auf, wobei in der Wandung des mittleren Gehäusebereiches (12) mehrere zu beiden Stirnseiten hin offene Hohlräume (18) ausgebildet sind und in den Lagerschilden (14, 16) und/oder in den Stirnflächen des mittleren Gehäusebereiches (12) Umlenknuten (20) ausgebildet sind, die jeweils wenigstens zwei der Hohlräume (18) verbinden.

Description

Beschreibung

Elektromotor

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Elektromotor mit einem Rotor und einem Stator sowie einem Gehäuse, das den Stator wenigstens teilweise umgibt und mehrere miteinander verbundene Hohlräume zur Aufnahme einer Kuhlflussigkeit aufweist, wobei wenigstens eine Zu- und eine AblaufÖffnung zum Zufuhren beziehungsweise Abfuhren der Kuhlflussigkeit vorgesehen sind, die über die Hohlräume derart miteinander verbunden sind, dass zwischen dem Zulauf und dem Ablauf wenigstens ein Zirkulationspfad zum Fuhren der Kuhlflussigkeit ausgebildet ist.

Zur Erfüllung der Leistungsanforderungen an elektrische Maschinen, insbesondere an elektrische Motoren, werden diese flussigkeitsgekuhlt . Bei Industriemotoren werden dazu z. B. Statorgehause mit einer rechteckigen Außenform verwendet, wobei in den Eckbereichen des Gehäuses Kuhlnuten angeordnet werden, in denen Kuhlflussigkeit eingebracht wird, um dem Motor Warme zu entziehen. Um das Kuhlmedium von einem Eckbereich zum anderen zu transportieren, müssen an den Enden Umlenkungen vorgesehen sein. Diese bedeuten jedoch einen nicht unerheblichen Mehraufwand bei der Konstruktion und der Herstellung. Daneben gibt es auch Motoren mit einem doppelwandigen Gehäuse, dessen Hohlraum mit Rippen unterteilt ist. Es hat sich jedoch als nachteilig erwiesen, dass das Kuhlmedium bei den bekannten Losungen in den Hohlräumen ungefuhrt ist, wodurch die Kuhlleistung reduziert wird. Als Folge dessen können zum Beispiel sogenannte Warmenester entstehen, d. h. Bereiche des Motorgehäuses mit einer nur unzureichenden Kühlung, was zu einer Uberhitzung des Motors beziehungsweise zu Temperaturspannungen im Gehäuse fuhren kann. Bekannt sind aus dem Fahrzeugbereich z. B.

Lichtmaschinen mit Wasserkühlung, wobei der Kuhlungsbedarf mit dem zunehmenden Strombedarf für die verschiedenen Fahrzeugkomponenten zusammenhangt. In Verbindung mit neuen Antriebskonzepten, beispielsweise dem Hybridantrieb, kommt Elektromotoren in Fahrzeugen, insbesondere in PKWs, jedoch eine völlig neue Rolle zu, da sie hierbei einerseits als Generator und andererseits direkt als Fahrzeugantrieb eingesetzt werden, wobei diese beiden Aufgaben grundsatzlich von ein und derselben elektrischen Maschine übernommen werden können. Aufgrund der damit zusammenhangenden hohen Leistungsanforderung müssen die Elektromotoren zwangsläufig gekühlt sein, wobei sich mit einem flussigen Kuhlmedium gegenüber Luft als Kuhlmedium ein höherer Wirkungsgrad erzielen lasst. Da sich auch für die Verwendung als Antrieb aufgrund der engen raumlichen Platzverhaltnisse im Fahrzeug der Bereich anbietet, an dem bisher die Lichtmaschine angeordnet war, sind solche Elektromotoren besonders gunstig, die möglichst kompakt gebaut sind.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine einfache und kostengünstige Kühlung eines Elektromotors zur Verfugung zu stellen, die raumsparend ist und gleichzeitig eine effiziente Warmeabfuhr gewahrleistet.

Erfindungsgemaß wird die Aufgabe durch einen Elektromotor der eingangs beschriebenen Art gelost, bei dem das Gehäuse einen mittleren hohlzylindrischen Gehausebereich und zwei stirnseitige Lagerschilde aufweist, wobei in der Wandung des mittleren Gehausebereiches mehrere zu beiden Stirnseiten hin offene Hohlräume ausgebildet sind und in den Lagerschilden und/oder in den Stirnflachen des mittleren Gehausebereiches Umlenknuten ausgebildet sind, die jeweils wenigstens zwei der Hohlräume verbinden.

Der Vorteil des erfindungsgemaßen Elektromotors besteht darin, dass der Elektromotor aufgrund des hohlzylindrischen Bereichs eine kompakte Außenform aufweist und sich damit für enge Raumverhaltnisse eignet, zum Beispiel im Motorraum bei Hybridfahrzeugen. Das Gehäuse ist dreiteilig aufgebaut, was insbesondere die Herstellung und Montage vereinfacht. Durch die Ausbildung der Umlenknuten ist außerdem der konstruktive Mehraufwand minimal, da separate Maßnahmen zur Umlenkung des Kuhlmediums nicht erforderlich sind. Durch die Umlenknuten wird eine definierte Verbindung zwischen den Hohlräumen gewahrleistet, wobei diese bewirken, dass das Gehäuse selbst flussigkeitsgekuhlt ist.

In einer bevorzugten Ausfuhrungsform sind die Hohlräume in dem mittleren Gehausebereich in Umfangsrichtung des Gehäuses gleichmaßig verteilt angeordnet, d. h. die Kühlung des Motors erfolgt über 360°. Dadurch wird der Elektromotor derart gleichmaßig gekühlt, dass die Bildung von Warmenestern wirksam verhindert wird.

Weiter bevorzugt ist eine Ausfuhrungsform, bei der alle Hohlräume den gleichen Querschnitt aufweisen, wodurch sich eine gleichmaßige Durchstromung erreichen lasst, so dass das Kuhlmedium möglichst viel Warme aufnehmen kann.

Vorzugsweise weisen die Hohlräume einen abgeflachten Querschnitt auf, um die Gehauseabmessungen möglichst gering zu halten und gleichzeitig die Hohlräume für den Zirkulationspfad nicht zu klein auszufuhren.

Eine vorteilhafte Durchstromung erhalt man, wenn die radiale Hohe der Hohlräume wenigstens 2 mm, vorzugsweise 3 mm betragt, da diese Dimensionen bei den üblichen Fließgeschwindigkeiten besonders gunstige Stromungsverhaltnisse ergeben. Gleichzeitig werden die radialen Abmessungen des Elektromotors durch das Vorsehen der Hohlräume für die Kühlung nicht unnötig vergrößert. Wurde man die Hohlräume in der Hohe kleiner ausfuhren, wurden die auftretenden Stromungswiderstande relativ stark ansteigen, was eine höhere Pumpenleistung erfordern wurde und zumindest eine schlechtere Kühlung bedeuten wurde. In einer besonders bevorzugten Ausfuhrungsform ist die Kuhlwasserfuhrung innerhalb der Hohlräume turbulent, damit die Wärmeaufnahme durch Konvektion möglichst groß ist, d. h. es kann möglichst viel Warme aufgenommen werden. Die turbulente Strömung verhindert eine laminare Strömung, bei der im Gegensatz zur turbulenten Strömung letztlich nur ein Teil des Kuhlmediums zur Wärmeaufnahme genutzt wurde.

Bevorzugt ist weiter eine Ausfuhrungsform, bei der die Hohlräume über die Umlenknuten maanderformig verbunden sind. Dadurch kann ein möglichst großer Bereich der Umfangsflache von Kuhlflussigkeit umströmt werden. Die Mäanderform erlaubt eine größere Fließgeschwindigkeit des Kuhlmediums bei einer auf den Umfangsbereich bezogenen großflächigen Warmeubergangsflache, wodurch die Effizienz der Kühlung verbessert wird.

Vorzugsweise weist der Zirkulationspfad eine kontinuierliche Querschnittsflache auf, um eine möglichst gleichmaßige Strömung zu ermöglichen, aufgrund derer auch die Kühlung möglichst gleichmaßig erfolgt.

In einer bevorzugten Ausfuhrung sind die Zulauf- und die Ablaufoffnung in den Lagerschilden vorgesehen. Da die Befestigung des Elektromotors an den Lagerschilden erfolgt, lassen sich die Anschlüsse einfach integrieren. Dadurch werden die Seitenflachen von Anschlüssen freigehalten, so dass sich der Elektromotor unter anderem besser einsetzen und auch platzsparender verbauen lasst. Die Ausbildung der Zu- und Ablaufoffnungen in den Lagerschilden bietet sich insbesondere dann an, wenn auch die Umlenknuten in den Lagerschilden ausgebildet sind.

Eine besonders effiziente Kühlung erhalt man, wenn die Zulauf- und die Ablaufoffnung an einem der beiden

Lagerschilde diametral entgegengesetzt angeordnet sind und in Durchstromungsrichtung zwei parallele Zirkulationspfade ausgebildet sind, die sich jeweils über einen halbschalenformigen Bereich des Gehäuses erstrecken, wobei die Zulauf- und die Ablaufoffnung jeweils mittig in eine der Umlenknuten munden.

Für einen möglichst kompakten und damit auch raumsparenden Elektromotor ist das Gehäuse außenseitig zylindrisch. Dadurch lasst sich der erfindungsgemaße Elektromotor auch bei sehr engen Verhaltnissen einbauen.

In einer bevorzugten Ausfuhrung ist das mittlere Gehauseteil stranggepresst . Neben einer einfachen und kostengünstigen Herstellung lassen sich dadurch verschieden große Elektromotoren mit der erfindungsgemaßen Kühlung anfertigen. Die Elektromotoren weisen dabei den gleichen Durchmesser auf und können durch Veränderungen in der Lange angepasst werden. Da das mittlere Gehauseteil zunächst als Strangpressprofil vorliegt, kann dieses Gehauseteil durch einfaches Ablangen auf die gewünschte Abmessung angefertigt werden. Für die Ausbildung von Umlenknuten in dem mittleren Gehausebereich können die Umlenknuten nach dem Ablangen in einem separaten Arbeitsschritt zwischen benachbarten Kanälen eingearbeitet werden, um die gewünschte Uberstromung von einem Hohlraum in den benachbarten Hohlraum zu erreichen. Die Lagerschilde können dann als einfache kreisförmige Platten mit entsprechenden Bohrungen als Zustrom- und Abfuhroffnungen ausgebildet sein. Demgegenüber bietet die Ausbildung der Umlenknuten in den Lagerschilden den Vorteil, dass das Einarbeiten der Umlenknuten in das Strangpressprofil entfallt und die Vorteile der einfachen Herstellung eines Strangpressprofils beibehalten werden können.

Nachfolgend wird anhand der beigefugten Zeichnungen naher auf ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung eingegangen. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine isometrische Darstellung eines Elektromotor mit einer maanderformigen Kühlung; Fig. 2 eine Schragansicht eines Lagerschilds des

Elektromotors nach Fig. 1 und

Fig. 3 einen Schnitt quer zur Rotationsachse durch den mittleren Gehausebereichs des Elektromotors nach

Fig. 1 mit Hohlräumen zur Kuhlflussigkeitsfuhrung.

In Fig. 1 ist ein Elektromotor 10 gezeigt, bei dem aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die Darstellung des Rotors und des Stators verzichtet wurde. Der Elektromotor 10 ist mit einem mittleren Gehausebereich 12 und zwei stirnseitigen Lagerschilden 14, 16 ausgebildet. Der mittlere Gehausebereich 12 ist hohlzylindrisch ausgebildet, so dass er den Stator umgibt. Das Gehäuse 12 ist außenseitig zylindrisch ausgebildet, so dass es auch unter beengten Platzverhaltnissen verwendet werden kann.

Wenn der Stator außenseitig ellipsoid- oder mehrkantartig ausgebildet ist, kann der Innenquerschnitt des mittleren Gehausebereichs 12 neben der gezeigten Kreisform auch entsprechend ellipsoid- oder mehrkantartig ausgebildet sein. Damit kann selbstverständlich auch eine Veränderung der äußeren Form des mittleren Gehausebereichs 12 und der Lagerschilde 14, 16 verbunden sein.

In der Wandung des mittleren Gehausebereichs 12 sind Hohlräume 18 vorgesehen (siehe Fig. 3) , die miteinander verbunden sind und der Aufnahme einer Kuhlflussigkeit dienen, welche die in dem Motor 10 erzeugte Warme aufnimmt und abtransportiert, um so den Motor 10 zu kühlen. Die Hohlräume 18 verlaufen parallel zueinander und sind über Umlenknuten 20 maanderformig verbunden, welche in dem gezeigten Ausfuhrungsbeispiel in den Lagerschilden 14, 16 vorgesehen sind (siehe Fig. 2) .

In einem der Lagerschilde 16 sind eine Zulaufoffnung 22 zum Zufuhren der Kuhlflussigkeit und eine Ablaufoffnung 24 zum Abfuhren der Kuhlflussigkeit vorgesehen, die über die Hohlräume 18 miteinander verbunden sind, welche einen Zirkulationspfad für die Kuhlflussigkeit bilden. Der Zirkulationspfad ist als zwei in Durchstromungsrichtung parallel verlaufende Zirkulationswege ausgebildet, die sich jeweils über einen halbschalenformigen Bereich des Gehäuses erstrecken. Dazu ist die ZulaufÖffnung 22 mittig in einer der Umlenknuten 20 vorgesehen, von der aus sich nach beiden Seiten je einer der Hohlräume 18 erstreckt. Die beiden Hohlräume 18 munden an ihrem gegenüberliegenden Ende jeweils in eine weitere der Umlenknuten 20, die jeweils in einen weiteren der Hohlräume 18 übergehen, wobei pro Zirkulationsweg jeweils sechs der Hohlräume 18 beziehungsweise fünf der Umlenknuten 20 passiert werden, bevor der letzte der Hohlräume 18 in diejenige der

Umlenknuten 20 mundet, in deren Mitte die Ablaufoffnung 24 vorgesehen ist.

Selbstverständlich können auch andere Zirkulationspfade ausgebildet sein, z. B. kann auch nur ein Zirkulationspfad vorgesehen sein. Auch die Anordnung der Zu- und Ablaufoffnung 22, 24 kann variiert werden, so können diese beispielsweise auch nebeneinander angeordnet sein. Je nach Breite der Querschnittsflachen der Hohlräume 18 und der Große des Motors 10 kann auch die Zahl der Hohlräume 18 und die damit zusammenhangende Zahl der Umlenknuten 20 variieren.

Die Hohlräume 18 sind gleichmaßig über die gesamte

Umfangsrichtung des mittleren Gehausebereichs 12 verteilt angeordnet, um so eine gleichmaßige Kühlung des Elektromotors 10 zu gewahrleisten, bei der die Bildung von Warmenestern vermieden wird. Die Umlenknuten 20 sind insbesondere auf in den in Stromungsrichtung gesehen äußeren Randbereichen abgerundet, beziehungsweise kurvenartig ausgebildet, um den auf das zirkulierende Kuhlmedium wirkenden Reibungswiderstand und die damit einhergehenden Verluste zu minimieren. Zwischen den Hohlräumen 18 sind in dem mittleren Gehauseteil 12 Bohrungen 26 zur Aufnahme einer Verschraubung der Lagerschilde 14, 16 vorgesehen, die auch der Motoraufhangung dienen, so dass außen auftragende Schraubaugen vermieden werden können. Je nach Motorlange können die Bohrungen 26 auch durchgehend ausgebildet sein. Je nach Anzahl der erforderlichen Schrauben können die Große und die Anzahl der Hohlräume 18 variieren. Zwischen den Lagerschilden 14, 16 und dem mittleren Gehauseteil 12 ist jeweils eine nicht dargestellte Formdichtung angeordnet.

Die Hohlräume 18 weisen alle den gleichen abgeflachten Querschnitt auf. Die radiale Hohe der Hohlräume betragt mindestens 2 mm, wobei sich eine Hohe von 3 mm als besonders vorteilhaft erwiesen hat. Aufgrund der Querschnittsform lasst sich eine turbulente Kuhlwasserfuhrung innerhalb der Hohlräume 18 zur optimalen Wärmeaufnahme erreichen. Für eine möglichst gleichmaßige Durchstromung weist der Zirkulationspfad eine kontinuierliche Querschnittsflache auf.

Der mittlere Gehausebereich 12 ist einteilig als Strangpressprofil hergestellt, wobei je nach Motorlange unterschiedlich lange Gehausebereiche 12 abgelangt werden können, um den Einsatz bei Motoren mit unterschiedlichen Leistungen zu ermöglichen. Dadurch eignet sich der erfindungsgemaße Motor 10 für den Einsatz bei Motorenbaureihen, wie sie bei Automobilherstellern zum Beispiel bei den verschiedenen Fahrzeugklassen mit ihren unterschiedlichen Leistungsklassen verwendet werden. Der mittlere Gehausebereich 12 kann aber auch als Druckgussteil hergestellt sein, was sich insbesondere dann anbietet, wenn die Umlenknuten 20 an den Stirnseiten des mittleren Gehausebereichs 12 ausgebildet sind. Für eine kostengünstige Herstellung sind die Lagerschilde 14, 16 als Aluminium- Druckgussteile ausgeführt, wobei selbstverständlich auch andere Materialien und andere Herstellungsverfahren zum Einsatz kommen können.

Claims

Patentansprüche

1. Elektromotor (10) mit einem Rotor und einem Stator sowie einem Gehäuse, das den Stator wenigstens teilweise umgibt und mehrere miteinander verbundene Hohlräume (18) zur

Aufnahme einer Kuhlflussigkeit aufweist, wobei wenigstens eine Zu- (22) und eine Ablaufoffnung (24) zum Zufuhren beziehungsweise Abfuhren der Kuhlflussigkeit vorgesehen sind, die über die Hohlräume (18) derart miteinander verbunden sind, dass zwischen dem Zulauf (22) und dem Ablauf (24) wenigstens ein Zirkulationspfad zum Fuhren der Kuhlflussigkeit ausgebildet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Gehäuse einen mittleren hohlzylindrischen Gehausebereich (12) und zwei stirnseitige Lagerschilde (14, 16) aufweist, wobei in der Wandung des mittleren Gehausebereiches (12) mehrere zu beiden Stirnseiten hin offene Hohlräume (18) ausgebildet sind und in den Lagerschilden (14, 16) und/oder in den Stirnflachen des mittleren Gehausebereiches (12) Umlenknuten (20) ausgebildet sind, die jeweils wenigstens zwei der Hohlräume (18) verbinden.

2. Elektromotor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die

Hohlräume (18) in dem mittleren Gehausebereich (12) in Umfangsrichtung des Gehäuses gleichmaßig verteilt angeordnet sind.

3. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass alle Hohlräume (18) den gleichen Querschnitt aufweisen.

4. Elektromotor nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die

Hohlräume (18) einen abgeflachten Querschnitt aufweisen.

5. Elektromotor nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die radiale Hohe der Hohlräume (18) wenigstens 2 mm , vorzugsweise 3 mm betragt.

6. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kuhlwasserstromung innerhalb der Hohlräume (18) turbulent ist.

7. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Hohlräume (18) über die Umlenknuten (20) maanderformig verbunden sind.

8. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Zirkulationspfad eine kontinuierliche Querschnittsflache aufweist .

9. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Zulauf- (22) und die Ablaufoffnung (24) in den Lagerschilden (14, 16) vorgesehen sind.

10. Elektromotor nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Zulauf- (22) und die Ablaufoffnung (24) an einem der beiden Lagerschilde (14, 16) diametral entgegengesetzt angeordnet sind und in Durchstromungsrichtung zwei parallele Zirkulationspfade ausgebildet sind, die sich jeweils über einen halbschalenformigen Bereich des Gehäuses erstrecken, wobei die Zulauf- (14) und die Ablaufoffnung (16) jeweils mittig in eine der Umlenknuten (20) munden.

11. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Gehäuse außenseitig zylindrisch ist.

12. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das mittlere Gehauseteil (12) stranggepresst ist.