CN109219917A - 具有热虹吸管的电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空心轴(6)，其形成闭合的空腔，该空腔在轴向上具有至少一个蒸发区(8)和冷凝区(9)，其中，至少一个冷凝区(9)具有微尺寸结构(16)，并且其中，蒸发区(8)和冷凝区(9)分别与环绕它们的元件能导热地连接，还涉及用于制造这样的空心轴(6)的方法以及在电动机中的应用。

Description

具有热虹吸管的电动机

技术领域

本发明涉及一种空心轴，其形成了闭合的空腔，该空腔在轴向上具有至少一个蒸发区和冷凝区，本发明涉及一种用于制造这样的空心轴的方法以及其在电动机中的应用。

背景技术

旋转式电机还有其转子通常利用由于轴向通风装置引起的冷却气流冷却。然而，如果转子的热负载较大，这样的冷却气流就不足够。在此随后设置有空心轴，在其中包含冷却介质，其引出转子的热量并且经由该轴轴向地向外排出。

因此，例如DE 10 2009 051 114 A1示出了具有转子的电机，其中，转子具有空心轴，并且其中，借助于空心轴设置闭合的空腔，其中，闭合的空腔设置用于容纳冷却剂，其中，在闭合的空腔中设置有用于输送冷却剂的三维输送结构。因此累积的热量经由输送结构轴向地向外提供并且在那里经由冷却气流再冷却。

在此的缺点在于，为了实现再冷却必须设置有相应大小的再冷却面，以便维持对转子的充分冷却。

发明内容

由此出发，本发明的目的在于，提供一种具有足够再冷却面的空心轴。在此，空心轴的轴向伸展长度应当最小化。另外，应当由此在相同的紧凑度下实现电动机的相对更高的效率。

该目的的解决方案通过空心轴实现，其形成了闭合的空腔，该空腔在轴向上具有至少一个蒸发区和冷凝区，其中，至少冷凝区具有微尺寸结构，并且其中，蒸发区和冷凝区能够与它们的分别围绕的元件导热地连接。

该目的的解决方案同样通过具有权利要求1至2中任一项所述的空心轴的转子实现，其中，特别是蒸发区布置在转子的叠片组的区域中。

该目的的解决方案同样通过具有转子的电动机实现，该转子具有这样的空心轴。

该目的的解决方案同样通过用于制造空心轴的方法实现，该空心轴形成了闭合的空腔，该空腔在轴向上具有至少一个蒸发区和冷凝区，其中，至少一个冷凝区具有微尺寸结构，并且其中，蒸发区和冷凝区通过下述步骤能够分别与环绕其的元件导热地连接：

-提供空心轴区段，其中，空心轴区段通过切削加工制造并且具有至少一个中心孔，

-通过增材制造、特别是通过3D打印在轴向上加装另外的轴部段，其中，使得在空心轴区段的轴向延伸上制造有微尺寸结构。

因此，由于冷凝区中的微尺寸结构而使冷凝面设计得相对较大，并且也在轴向上看相对较小的结构空间上实现了对之前蒸发的冷却介质的充分再冷却。因此，现在根据本发明提供一种具有热虹吸管的转子，其在冷凝区中具有提高的效率。因此有利地，其也电动机的效率和紧凑度上起效果。

有利地，该微尺寸结构通过增材制造方法提供。在此，现在将冷凝器的区域作为冷凝区轴向地直接“压靠”到空心轴区段上。因此，该制造工艺表现了传统的制造方法和新的制造方法、增材制造的结合。

在此，现在例如对空心轴区段进行铸造、车削、钻孔，即借助于传统的制造方法来提供，其中，在其上轴向的区域、特别是具有其借助于增材制造的结构元件的冷凝区形成微尺寸结构，如肋、接片、销柱、凸起、小孔或空心体。因此尤其地将空心区段与冷凝区的壁至少以机械的方式连接。

在另一个实施方案中，冷凝区具有多种材料，以便保证有关冷凝区的相应的部段(例如壁、微尺寸结构、销柱)的导热、硬度和强度的各种要求。

因此根据本发明，借助于冷凝区的内轮廓通过专门的结构、例如微小的棍状元件、孔状网等来提升电动机的效率。根据本发明，这通过增材制造方法实现，在其中，细小的材料片能实现为从0.1mm至几毫米，以及间隙能实现为从0.01mm至大约2mm或更多。材料片的优选厚度为大约1mm，优选间隙宽度为大约0.5mm。由此造成的尤其在冷凝区的内部中的表面的显著增大提高了该冷凝器的再冷却的效率。利用其它常规的制造方法、例如切削加工法不能或仅能耗费非常高地实现这样的微尺寸的3D结构。

此外，通过增材制造方法实现空心轴区段与冷凝区、尤其是冷凝区的壁之间的稳定的气密性和保留的强度。通过蒸发器液体在该微尺寸结构中的冷凝，现在在冷凝器的内侧形成膜。然而迄今为止，该膜妨碍了蒸汽与特别是较冷的表面的接触，由此阻碍或至少妨碍了冷凝过程。通过根据本发明通过增材制造方法制成细小的接片、肋、间隙或小孔，现在在任何情况下保证了蒸汽贴靠相对较冷的内轮廓并且因此能够发生冷却介质的冷凝、即蒸发器液体。

附加地，该冷凝器的内部区域在蒸发区的方向上构造为锥形，以便在电动机运行时通过离心力的轴向分量在蒸发区的方向上将冷凝物从冷凝面输送走。因此在空心轴内实现了更足够的对冷却介质的输送效果。

特别地，环绕冷凝区的冷却装置构造为通风装置，其包含较高的导热值。这与通过通风装置生成的气流一起在电动机运行时使得对冷凝区的冷却效率更高。

优选地，通风装置由导热良好的材料、如铝、铜或铝合金或铜合金制成。现在为了从冷凝区中获得热量，有利的是，冷凝区同样由导热性好的材料、如铝、铜或铝合金或铜合金制成。

在另一个实施方案中，冷凝区具有多种材料，以便保证有关冷凝区的相应的部段的导热、硬度和强度的各个要求。

材料、如铝、铜或铝合金或铜合金是柔性材料。然而在更换轴承时需要轴向地将通风装置从空心轴取下。为了在取下通风装置时避免通风装置的内径和冷凝区的外径两者的边缘区域的冷焊，冷凝区的外层、即通风装置的配合面至少逐段地具有比柔性金属更硬的结构。适用于更硬的金属的例如是钢。

因此阻止的是，在取下冷却装置时发生通风装置的内径的和冷凝区的外径的边缘区域两者的冷焊。

在另一个实施方案中，冷凝区的表面具有两种材料，即导热良好的材料根据预定的图案与相对较硬的部段并可能导热较差的材料交替。因此实现了从冷凝区到通风装置的足够的热排放。导热良好的材料逐段地，即在不存在较硬的材料的部段中，凸出直到冷凝区的外径。在卸下冷却装置时较硬的材料承担承载功能，其中，避免了表面的磨损、即冷焊。

因此，冷凝区向内具有微尺寸结构，同时其向外具有两种不同的材料，以便不仅在维护需要的取下通风装置时避免到通风装置的热传递、还有冷焊。

附图说明

根据原理性示出的实施例详细描述本发明以及另外的有利的设计方案。在此：

图1示出穿过旋转式电机的原理性纵剖面，

图2示出冷凝区的微尺寸结构，

图3示出冷凝区的透视图，

图4示出冷凝区的另一种微尺寸结构，

图5示出冷凝区中锥形成型的元件上的轴向延伸的肋，

图6示出穿过空心轴的纵剖面。

具体实施方式

图1示出了旋转式电动机1，其具有定子2和转子5。转子5在该实施方式中实施为笼型转子，然而其也能够是永磁励磁的转子、磁阻电机的转子或具有绕组***的转子。

转子5抗扭地与空心轴6连接，其中，空心轴8支承在轴承11中。在此，抗扭的连接理解为传递转矩的连接，例如转子5的叠片组和空心轴8之间的热缩连接或键连接或其它轴毂连接。电机1的壳体承载轴承座。在定子2的径向在外的壳体上存在有轴向延伸的冷却肋14，其沿着壳体引导由通风装置12生成的冷却气流。在此，通风装置12安装在通风装置罩13中，其可选地具有开口22。

在该实施方案中，空心轴6通过中央的轴向接收部7、例如孔而实施为中空的，并且根据图6在转子5的区域中具有蒸发区8，可选地具有输送区域10和冷凝区9。空心轴6的蒸发区8的轴向延伸至少对应于转子5的叠片组的轴向延伸。

在该实施方案中，空心轴6具有中心孔，但也能想到，存在多个轴平行的孔，它们汇入到相应设计的冷凝区9中。

在冷凝区9中进行冷却介质、例如蒸发器液体的再冷却。在此区分的是，在相对而言轴向较短的区域、即冷凝区9中进行蒸发器液体的有效率的再冷却，以便因此保证整个电动机1的足够的冷却效率。此外，冷凝区9的相对而言轴向较短的部段保证了电动机1的紧凑的结构。

这样的冷凝区9能够通过增材制造方法实施为如图2和图4所示那样尺寸非常微小的。各个接片宽度，肋高度、接片直径、接片/肋的间距在毫米范围中和/或之下。因此得到了保证冷却介质的有效再冷却的足够面积。图2示出了冷凝区9的核心，其设计为类似辊刷的。内部空腔7的微尺寸冷凝器表面与销柱18良好地热接触。在该销柱18周围布置有较硬的材料，例如轴材料17。经由该销柱18将热量传导至通风装置12。

选择性的激光烧结和采用专门适用于该制造的1.6至2.5Ws/mm²的大约最大的标称激光功率(NLP)的能量输入的选择性的激光熔融尤其适用作为用于加工用于制造冷凝区9的材料的增材制造方法。因此，在空心轴区段20和冷凝区9之间得到足够的密封性和机械稳定性。在该能量输入之上必须在过热的基础上考虑到局部的不期望的效果。在能量输入之下开始形成更多的孔，其可能影响气密性和/或机械稳定性。

此外，通过合适的增材制造方法能实现具有多种材料、特别是两种材料的冷凝区9。

图3示出了冷凝区9的压靠到空心轴区段20上的区域，其随后共同形成空心轴6。在冷凝区9的表面上存在有不同的硬度和导热性的材料，以便保证用作冷却装置的通风装置12在冷凝区9上足够的配合面。

在此，导热良好的销柱18和较硬的轴材料17不仅在轴向方向上还在周向方向上交替。在此，两种材料的面积的比例是按照所要求的热传递以及通风装置12在冷凝区上的紧固的。

冷凝区9中或上的两种不同材料的组合避免了在从空心轴7取下通风装置时冷凝区9的和通风装置12内径的材料之间的冷焊。而这对于换轴承的实施来说是必须的。

冷凝区9、即连接到空心轴区段20上的轴向部段现在如下地构造：

存在再冷却区域，其具有如上所述的微尺寸结构16，其中，该结构16导热地与冷凝区9的壁19连接。在壁19的径向外部设置有相应的基本上轴向布置的导热元件、如径向凸起或销柱18。其中，这些导热元件能够具有多种几何横截面形状。因此冷凝区9不仅能够具有相同的凸起或销柱形状、还能够具有不同的凸起形状。

图4和5示出了另外的细小微尺寸结构16，其部分地在蒸发区8方向的内部以基本上锥形的走向实施，以便实现将冷却介质相应地输送回到空心轴6的蒸发区8中。

在此，微尺寸结构16原则上具有肋和/或棱柱和/或空心体和/或表面增大的结构。

图5示出了空心轴区段20的纵剖面，冷凝区9轴向地连接到其上。能导热的销柱基本上径向地从导热的壁19中伸出。在销柱18之间、如上实施的那样设置有较硬的材料，其如当前情况那样能够由空心轴区段20的材料制成，但同样能够是另外的较硬的材料。

图6示出了空心轴6的轴向延伸的部段，其中，特别是压靠在冷凝区9的轴向端部上。构造为热虹吸管的空心轴6在轴向方向上具有蒸发区8，可选地具有输送区域10和冷凝区9。在该实施方案中，空心轴区段20具有蒸发区8和输送区域10。在蒸发区8中冷却介质在接收热量的情况下蒸发并且在冷凝区9中再冷却。特别地，在输送区域10中，空心轴6中的合适的填充体改善了对蒸发的和/或再冷却的冷却介质的输送。这主要的优点在于，在不同的空间布置中使用空心轴6，例如在通行艰难的道路上的车辆中的空心轴。

冷凝区9具有轴向延伸的套管21，经由其例如能够供应冷却剂和/或设置热虹吸管的工作压力。套管21在电动机1运行时是封闭的，以便能够维持冷却循环。

现在，转子5作为磁导通的元件具有轴向分层的叠片组或设计为一体式的基本上柱形的磁导通的部分。该磁导通的元件抗扭地与空心轴6、特别是与蒸发区8或空心轴区段20连接。

此外，这样的电动机1应用为驱动器，特别是在车辆工艺、电动汽车、轨道车辆、矿山卡车中，因为现在在没有通风的情况下实现了对转子5的充分冷却。通风在含灰尘较多的空气和/或发动机的具有待机时间的交替运行的情况中，尤其导致对转子5的冷却不充分。

在车辆技术中，由于在那里预定的有限的位置条件而要求紧凑的、大功率的驱动器，其现在由紧凑的电动机1所满足。

Claims (10)

1.一种空心轴(6)，所述空心轴形成闭合的空腔，所述空腔在轴向上具有至少一个蒸发区(8)和冷凝区(9)，其中，至少所述冷凝区(9)具有微尺寸结构(16)，并且其中，所述蒸发区(8)和所述冷凝区(9)能够与分别围绕所述蒸发区和所述冷凝区的元件导热地连接，其中，所述微尺寸结构(16)设计为肋型结构和/或销柱型结构和/或孔状网，其中，这种结构(16)与所述冷凝区(9)的壁(19)导热地连接，其中，所述空心轴(6)至少在所述冷凝区(9)的区域中具有不同的材料，其中，所述冷凝区(9)由于基本上径向布置的导热元件而在表面具有不同的材料。

2.根据权利要求1所述的空心轴(6)，其特征在于，

所述冷凝区(9)具有内锥度，所述内锥度特别地在所述蒸发区(8)的方向上扩大。

3.一种转子(5)，具有根据权利要求1或2所述的空心轴(6)，其中，

特别是蒸发区(8)布置在所述转子(5)的叠片组或其它磁导通元件的区域中。

4.一种电动机(1)，具有定子(2)和根据权利要求3所述的转子(5)以及冷却装置。

5.根据权利要求4所述的电动机(1)，其特征在于，所述冷却装置是通风装置(12)，所述通风装置与冷凝区(9)导热地连接。

6.一种用于制造空心轴(6)的方法，所述空心轴形成闭合的空腔，所述空腔在轴向上具有至少一个蒸发区(8)和冷凝区(9)，其中，至少所述冷凝区(9)具有微尺寸结构(16)，并且其中，所述蒸发区(8)和所述冷凝区(9)能够与分别围绕所述蒸发区和所述冷凝区的元件导热地连接，所述方法通过下述步骤实现：

-提供空心轴区段，其中，所述空心轴区段通过切削加工制造并且具有至少一个中心孔，

-通过增材制造、特别是通过3D打印在轴向上加装另外的轴部段，其中，使得在所述空心轴区段的轴向延伸中的孔制造所述微尺寸结构(16)。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述微尺寸结构(16)由至少两个在导热性和/或硬度方面不同的材料制成。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，由不同的材料至少在所述冷凝区(9)的所述表面上形成预定的图案。

9.一种用于制造转子(5)的方法，所述转子具有根据权利要求7至8中任一项所述的方法制造的空心轴(6)，其中，所述转子(5)的叠片组或其它磁导通元件与所述空心轴(6)、特别是所述空心轴(6)的所述蒸发区(8)抗扭地连接。

10.一种车辆、电动汽车、轨道车辆、矿山卡车，具有至少一个根据权利要求4或5所述的电动机(1)。