DE102007035271A1

DE102007035271A1 - Elektromotor

Info

Publication number: DE102007035271A1
Application number: DE102007035271A
Authority: DE
Inventors: Peter Bucher; Thomas Sippel
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2009-01-29
Also published as: WO2009015946A1

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

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 Kühlflüssigkeit aufweist, wobei wenigstens eine Zu- und eine Ablauföffnung zum Zuführen beziehungsweise Abführen der Kühlflüssigkeit vorgesehen sind, die über die Hohlräume derart miteinander verbunden sind, dass zwischen dem Zulauf und dem Ablauf wenigstens ein Zirkulationspfad zum Führen der Kühlflüssigkeit ausgebildet ist.
Zur Erfüllung der Leistungsanforderungen an elektrische Maschinen, insbesondere an elektrische Motoren, werden diese flüssigkeitsgekühlt. Bei Industriemotoren werden dazu z. B. Statorgehäuse mit einer rechteckigen Außenform verwendet, wobei in den Eckbereichen des Gehäuses Kühlnuten angeordnet werden, in denen Kühlflüssigkeit eingebracht wird, um dem Motor Wärme zu entziehen. Um das Kühlmedium 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 Kühlmedium bei den bekannten Lösungen in den Hohlräumen ungeführt ist, wodurch die Kühlleistung reduziert wird. Als Folge dessen können zum Beispiel sogenannte Wärmenester entstehen, d. h. Bereiche des Motorgehäuses mit einer nur unzureichenden Kühlung, was zu einer Überhitzung des Motors beziehungsweise zu Temperaturspannungen im Gehäuse führen kann. Bekannt sind aus dem Fahrzeugbereich z. B. Lichtmaschinen mit Wasserkühlung, wobei der Kühlungsbedarf mit dem zunehmenden Strombedarf für die verschiedenen Fahrzeugkomponenten zusammenhängt. 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 grundsätzlich von ein und derselben elektrischen Maschine übernommen werden können. Aufgrund der damit zusammenhängenden hohen Leistungsanforderung müssen die Elektromotoren zwangsläufig gekühlt sein, wobei sich mit einem flüssigen Kühlmedium gegenüber Luft als Kühlmedium ein höherer Wirkungsgrad erzielen lässt. Da sich auch für die Verwendung als Antrieb aufgrund der engen räumlichen Platzverhältnisse im Fahrzeug der Bereich anbietet, an dem bisher die Lichtmaschine angeordnet war, sind solche Elektromotoren besonders günstig, die möglichst kompakt gebaut sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine einfache und kostengünstige Kühlung eines Elektromotors zur Verfügung zu stellen, die raumsparend ist und gleichzeitig eine effiziente Wärmeabfuhr gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Elektromotor der, eingangs beschriebenen Art gelöst, bei dem das Gehäuse einen mittleren hohlzylindrischen Gehäusebereich und zwei stirnseitige Lagerschilde aufweist, wobei in der Wandung des mittleren Gehäusebereiches mehrere zu beiden Stirnseiten hin offene Hohlräume ausgebildet sind und in den Lagerschilden und/oder in den Stirnflächen des mittleren Gehäusebereiches Umlenknuten ausgebildet sind, die jeweils wenigstens zwei der Hohlräume verbinden.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Elektromotors besteht darin, dass der Elektromotor aufgrund des hohlzylindrischen Bereichs eine kompakte Außenform aufweist und sich damit für enge Raumverhältnisse 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 Kühlmediums nicht erforderlich sind. Durch die Umlenknuten wird eine definierte Verbindung zwischen den Hohlräumen gewährleistet, wobei diese bewirken, dass das Gehäuse selbst flüssigkeitsgekühlt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Hohlräume in dem mittleren Gehäusebereich in Umfangsrichtung des Gehäuses gleichmäßig verteilt angeordnet, d. h. die Kühlung des Motors erfolgt über 360°. Dadurch wird der Elektromotor derart gleichmäßig gekühlt, dass die Bildung von Wärmenestern wirksam verhindert wird.
Weiter bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der alle Hohlräume den gleichen Querschnitt aufweisen, wodurch sich eine gleichmäßige Durchströmung erreichen lässt, so dass das Kühlmedium möglichst viel Wärme aufnehmen kann.
Vorzugsweise weisen die Hohlräume einen abgeflachten Querschnitt auf, um die Gehäuseabmessungen möglichst gering zu halten und gleichzeitig die Hohlräume für den Zirkulationspfad nicht zu klein auszuführen.
Eine vorteilhafte Durchströmung erhält man, wenn die radiale Höhe der Hohlräume wenigstens 2 mm, vorzugsweise 3 mm beträgt, da diese Dimensionen bei den üblichen Fließgeschwindigkeiten besonders günstige Strömungsverhältnisse ergeben. Gleichzeitig werden die radialen Abmessungen des Elektromotors durch das Vorsehen der Hohlräume für die Kühlung nicht unnötig vergrößert. Würde man die Hohlräume in der Höhe kleiner ausführen, würden die auftretenden Strömungswiderstände relativ stark ansteigen, was eine höhere Pumpenleistung erfordern würde und zumindest eine schlechtere Kühlung bedeuten würde.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Kühlwasserführung innerhalb der Hohlräume turbulent, damit die Wärmeaufnahme durch Konvektion möglichst groß ist, d. h. es kann möglichst viel Wärme aufgenommen werden. Die turbulente Strömung verhindert eine laminare Strömung, bei der im Gegensatz zur turbulenten Strömung letztlich nur ein Teil des Kühlmediums zur Wärmeaufnahme genützt würde.
Bevorzugt ist weiter eine Ausführungsform, bei der die Hohlräume über die Umlenknuten mäanderförmig verbunden sind. Dadurch kann ein möglichst großer Bereich der Umfangsfläche von Kühlflüssigkeit umströmt werden. Die Mäanderform erlaubt eine größere Fließgeschwindigkeit des Kühlmediums bei einer auf den Umfangsbereich bezogenen großflächigen Wärmeübergangsfläche, wodurch die Effizienz der Kühlung verbessert wird.
Vorzugsweise weist der Zirkulationspfad eine kontinuierliche Querschnittsfläche auf, um eine möglichst gleichmäßige Strömung zu ermöglichen, aufgrund derer auch die Kühlung möglichst gleichmäßig erfolgt.
In einer bevorzugten Ausführung sind die Zulauf- und die Ablauföffnung in den Lagerschilden vorgesehen. Da die Befestigung des Elektromotors an den Lagerschilden erfolgt, lassen sich die Anschlüsse einfach integrieren. Dadurch werden die Seitenflächen von Anschlüssen freigehalten, so dass sich der Elektromotor unter anderem besser einsetzen und auch platzsparender verbauen lässt. Die Ausbildung der Zu- und Ablauföffnungen in den Lagerschilden bietet sich insbesondere dann an, wenn auch die Umlenknuten in den Lagerschilden ausgebildet sind.
Eine besonders effiziente Kühlung erhält man, wenn die Zulauf- und die Ablauföffnung an einem der beiden Lagerschilde diametral entgegengesetzt angeordnet sind und in Durchströmungsrichtung zwei parallele Zirkulationspfade ausgebildet sind, die sich jeweils über einen halbschalenförmigen Bereich des Gehäuses erstrecken, wobei die Zulauf- und die Ablauföffnung jeweils mittig in eine der Umlenknuten münden.
Für einen möglichst kompakten und damit auch raumsparenden Elektromotor ist das Gehäuse außenseitig zylindrisch. Dadurch lässt sich der erfindungsgemäße Elektromotor auch bei sehr engen Verhältnissen einbauen.
In einer bevorzugten Ausführung ist das mittlere Gehäuseteil stranggepresst. Neben einer einfachen und kostengünstigen Herstellung lassen sich dadurch verschieden große Elektromotoren mit der erfindungsgemäßen Kühlung anfertigen. Die Elektromotoren weisen dabei den gleichen Durchmesser auf und können durch Veränderungen in der Länge angepasst werden. Da das mittlere Gehäuseteil zunächst als Strangpressprofil vorliegt, kann dieses Gehäuseteil durch einfaches Ablängen auf die gewünschte Abmessung angefertigt werden. Für die Ausbildung von Umlenknuten in dem mittleren Gehäusebereich können die Umlenknuten nach dem Ablängen in einem separaten Arbeitsschritt zwischen benachbarten Kanälen eingearbeitet werden, um die gewünschte Überströmung von einem Hohlraum in den benachbarten Hohlraum zu erreichen. Die Lagerschilde können dann als einfache kreisförmige Platten mit entsprechenden Bohrungen als Zuström- und Abführöffnungen ausgebildet sein. Demgegenüber bietet die Ausbildung der Umlenknuten in den Lagerschilden den Vorteil, dass das Einarbeiten der Umlenknuten in das Strangpressprofil entfällt und die Vorteile der einfachen Herstellung eines Strangpressprofils beibehalten werden können.
Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eingegangen. Es zeigen:
1 schematisch eine isometrische Darstellung eines Elektromotor mit einer mäanderförmigen Kühlung;
2 eine Schrägansicht eines Lagerschilds des Elektromotors nach 1 und
3 einen Schnitt quer zur Rotationsachse durch den mittleren Gehäusebereichs des Elektromotors nach 1 mit Hohlräumen zur Kühlflüssigkeitsführung.
In 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 Gehäusebereich 12 und zwei stirnseitigen Lagerschilden 14, 16 ausgebildet. Der mittlere Gehäusebereich 12 ist hohlzylindrisch ausgebildet, so dass er den Stator umgibt. Das Gehäuse 12 ist außenseitig zylindrisch ausgebildet, so dass es auch unter beengten Platzverhältnissen verwendet werden kann.
Wenn der Stator außenseitig ellipsoid- oder mehrkantartig ausgebildet ist, kann der Innenquerschnitt des mittleren Gehäusebereichs 12 neben der gezeigten Kreisform auch entsprechend ellipsoid- oder mehrkantartig ausgebildet sein. Damit kann selbstverständlich auch eine Veränderung der äußeren Form des mittleren Gehäusebereichs 12 und der Lagerschilde 14, 16 verbunden sein.
In der Wandung des mittleren Gehäusebereichs 12 sind Hohlräume 18 vorgesehen (siehe 3), die miteinander verbunden sind und der Aufnahme einer Kühlflüssigkeit dienen, welche die in dem Motor 10 erzeugte Wärme aufnimmt und abtransportiert, um so den Motor 10 zu kühlen. Die Hohlräume 18 verlaufen parallel zueinander und sind über Umlenknuten 20 mäanderförmig verbunden, welche in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in den Lagerschilden 14, 16 vorgesehen sind (siehe 2).
In einem der Lagerschilde 16 sind eine Zulauföffnung 22 zum Zuführen der Kühlflüssigkeit und eine Ablauföffnung 24 zum Abführen der Kühlflüssigkeit vorgesehen, die über die Hohlräume 18 miteinander verbunden sind, welche einen Zirkulationspfad für die Kühlflüssigkeit bilden. Der Zirkulationspfad ist als zwei in Durchströmungsrichtung parallel verlaufende Zirkulationswege ausgebildet, die sich jeweils über einen halbschalenförmigen 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 münden 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 mündet, in deren Mitte die Ablauföffnung 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 Ablauföffnung 22, 24 kann variiert werden, so können diese beispielsweise auch nebeneinander angeordnet sein. Je nach Breite der Querschnittsflächen der Hohlräume 18 und der Größe des Motors 10 kann auch die Zahl der Hohlräume 18 und die damit zusammenhängende Zahl der Umlenknuten 20 variieren.
Die Hohlräume 18 sind gleichmäßig über die gesamte Umfangsrichtung des mittleren Gehäusebereichs 12 verteilt angeordnet, um so eine gleichmäßige Kühlung des Elektromotors 10 zu gewährleisten, bei der die Bildung von Wärmenestern vermieden wird. Die Umlenknuten 20 sind insbesondere auf in den in Strömungsrichtung gesehen äußeren Randbereichen abgerundet, beziehungsweise kurvenartig ausgebildet, um den auf das zirkulierende Kühlmedium wirkenden Reibungswiderstand und die damit einhergehenden Verluste zu minimieren.
Zwischen den Hohlräumen 18 sind in dem mittleren Gehäuseteil 12 Bohrungen 26 zur Aufnahme einer Verschraubung der Lagerschilde 14, 16 vorgesehen, die auch der Motoraufhängung dienen, so dass außen auftragende Schraubaugen vermieden werden können. Je nach Motorlänge können die Bohrungen 26 auch durchgehend ausgebildet sein. Je nach Anzahl der erforderlichen Schrauben können die Größe und die Anzahl der Hohlräume 18 variieren. Zwischen den Lagerschilden 14, 16 und dem mittleren Gehäuseteil 12 ist jeweils eine nicht dargestellte Formdichtung angeordnet.
Die Hohlräume 18 weisen alle den gleichen abgeflachten Querschnitt auf. Die radiale Höhe der Hohlräume beträgt mindestens 2 mm, wobei sich eine Höhe von 3 mm als besonders vorteilhaft erwiesen hat. Aufgrund der Querschnittsform lässt sich eine turbulente Kühlwasserführung innerhalb der Hohlräume 18 zur optimalen Wärmeaufnahme erreichen. Für eine möglichst gleichmäßige Durchströmung weist der Zirkulationspfad eine kontinuierliche Querschnittsfläche auf.
Der mittlere Gehäusebereich 12 ist einteilig als Strangpressprofil hergestellt, wobei je nach Motorlänge unterschiedlich lange Gehäusebereiche 12 abgelängt werden können, um den Einsatz bei Motoren mit unterschiedlichen Leistungen zu ermöglichen. Dadurch eignet sich der erfindungsgemäße 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 Gehäusebereich 12 kann aber auch als Druckgussteil hergestellt sein, was sich insbesondere dann anbietet, wenn die Umlenknuten 20 an den Stirnseiten des mittleren Gehäusebereichs 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

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, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse einen mittleren hohlzylindrischen Gehäusebereich (12) und zwei stirnseitige Lagerschilde (14, 16) aufweist, 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.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (18) in dem mittleren Gehäusebereich (12) in Umfangsrichtung des Gehäuses gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Hohlräume (18) den gleichen Querschnitt aufweisen.
Elektromotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (18) einen abgeflachten Querschnitt aufweisen.
Elektromotor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Höhe der Hohlräume (18) wenigstens 2 mm, vorzugsweise 3 mm beträgt.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlwasserströmung innerhalb der Hohlräume (18) turbulent ist.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (18) über die Umlenknuten (20) mäanderförmig verbunden sind.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zirkulationspfad eine kontinuierliche Querschnittsfläche aufweist.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zulauf-(22) und die Ablauföffnung (24) in den Lagerschilden (14, 16) vorgesehen sind.
Elektromotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zulauf-(22) und die Ablauföffnung (24) an einem der beiden Lagerschilde (14, 16) diametral entgegengesetzt angeordnet sind und in Durchströmungsrichtung zwei parallele Zirkulationspfade ausgebildet sind, die sich jeweils über einen halbschalenförmigen Bereich des Gehäuses erstrecken, wobei die Zulauf-(14) und die Ablauföffnung (16) jeweils mittig in eine der Umlenknuten (20) münden.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse außenseitig zylindrisch ist.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mittlere Gehäuseteil (12) stranggepresst ist.