-
Die Erfindung betrifft einen als Außenläufermotor ausgebildeten Elektromotor mit verbesserter Kühlung.
-
Bei Außenläufermotoren ist die Leistung des Elektromotors oft durch die Wicklungstemperatur begrenzt. Durch die die Wicklungen umschließende Rotorglocke lässt sich die Wärme der Wicklungen nur beschränkt in die Umgebung abführen. Deshalb sind im Stand der Technik Lösungen bekannt, welche im Betrieb des Außenläufermotors über die Rotation der Rotorglocke einen Kühlluftstrom erzeugen, der den Motor als Ganzes kühlen soll.
-
Eine Kühlung der äußeren Mantelfläche der Rotorglocke ist jedoch hinsichtlich der Kühlleistung der Motorbauteile im Inneren der Rotorglocke wenig effektiv.
-
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, zur Vergrößerung der Leistungsdichte des Elektromotors bei gleichem Materialeinsatz eine verbesserte Kühlung, insbesondere der Statorwicklungen im Inneren der Rotorglocke, bereitzustellen.
-
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
-
Erfindungsgemäß wird ein Elektromotor ausgebildet als Außenläufermotor vorgeschlagen, der eine hohlzylindrische Rotorglocke mit einer axialen Stirnwand umfasst, auf der mindestens eine Einströmöffnung ins Innere der Rotorglocke ausgebildet ist. Auf der axialen Stirnwand der Rotorglocke ist zudem ein Kühlrad mit Schaufeln angeordnet, das im Betrieb zusammen mit der Rotorglocke rotiert und einen Kühlluftstrom erzeugt. Das Kühlrad weist eine Trennscheibe auf, welche an dem Kühlrad zumindest zwei getrennte Strömungskanäle für den Kühlluftstrom bildet, wobei ein erster Strömungskanal mit der mindestens einen Einströmöffnung auf der axialen Stirnwand der Rotorglocke und ein zweiter Strömungskanal mit einer äußeren Mantelfläche der Rotorglocke in Strömungsverbindung stehen.
-
Durch die Verwendung des Kühlrads und die Bereitstellung von zwei über die Trennscheibe getrennten Strömungskanälen sowohl zur äußeren Mantelfläche der hohlzylindrischen Rotorglocke als auch ins Innere der Rotorglocke über entsprechende Öffnungen an der axialen Stirnwand werden über das Kühlrad zwei Strömungspfade erzeugt. Entlang der beiden Strömungspfade strömen im Betrieb des Elektromotors zwei Kühlluftströme und erzeugen mithin eine Innenkühlung der in der Rotorglocke angeordneten Motorbauteile, insbesondere der in unmittelbarer Nachbarschaft zur axialen Stirnwand angeordneten Statorwicklungen, und eine Außenkühlung an der äußeren Mantelfläche zur Abführung der Wärme der Rotorglocke. Die Trennscheibe ist vergleichbar einer Bodenscheibe eines Radiallaufrads ausgebildet und erstreckt sich vorzugsweise von einem achszentralen Ansaugbereich mit zunächst einem im Wesentlichen axialen und anschließend radialen Verlauf gekrümmt nach radial außen.
-
Das Kühlrad ist vorzugsweise als Radialkühlrad ausgebildet, das den Kühlluftstrom axial ansaugt und über die zwei Strömungskanäle jeweils radial ausbläst.
-
Das Kühlrad weist in einer vorteilhaften Ausführung zur Erzeugung des Kühlluftstroms auf seiner der Rotorglocke abgewandten axialen Ansaugseite einen oberen Schaufelkranz gebildet aus einer Mehrzahl der Schaufeln auf, die bei einer Rotation der Rotorglocke den Kühlluftstrom ansaugen. Durch die Trennscheibe getrennt umfasst das Kühlrad ansaugseitig eine erste achszentrale Ansaugöffnung und eine zweite zur achszentralen Ansaugöffnung koaxiale Ansaugöffnung. Von den Ansaugöffnungen ausgehend verlaufen die beiden getrennten Strömungskanäle oberseitig und unterseitig entlang der Trennscheibe, wobei der oberseitige Strömungskanal vorzugsweise zur äußeren Mantelfläche der Rotorglocke, der gegenüberliegend unterseitige, d.h. zur axialen Stirnwand weisende Strömungskanal vorzugsweise zu der mindestens einen Einströmöffnung der axialen Stirnwand verläuft. Die achszentrale Ansaugöffnung steht somit vorzugsweise mit der mindestens einen Einströmöffnung auf der axialen Stirnwand der Rotorglocke und die koaxiale Ansaugöffnung mit der äußeren Mantelfläche der Rotorglocke in Strömungsverbindung.
-
Bevorzugt ist, auf der axialen Stirnwand eine Vielzahl von Einströmöffnungen vorzusehen, so dass eine ausreichend große Menge an Kühlluft ins Innere der Rotorglocke gelangt. Hierzu können beispielsweise in der axialen Stirnwand in Umfangsrichtung verteilt Einströmöffnungen in die Rotorglocke eingebracht werden.
-
Eine Weiterbildung des Elektromotors ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Mehrzahl der Schaufeln des oberen Schaufelkranzes aus einem Bereich der achszentralen Ansaugöffnung entlang der Trennscheibe über einen Bereich der koaxialen Ansaugöffnung nach radial außen erstrecken. Der aus Schaufeln gebildete Schaufelkranz steht somit in unmittelbarer Wirkverbindung mit beiden Ansaugöffnungen und erzeugt gleichzeitig die beiden getrennten Kühlluftströme.
-
Dabei sieht eine vorteilhafte Ausführungsvariante der Schaufeln vor, dass sich ihre im Bereich der achszentralen Ansaugöffnung befindlichen Stirnkanten bogenförmig in die achszentrale Ansaugöffnung hinein erstrecken. Eine derartige Ausgestaltung ist günstig hinsichtlich der Erzeugung eines ausreichend großen Kühlluftstroms bei einer vergleichsweise kleinen achszentralen Ansaugöffnung und gleichzeitig geringer Geräuschbildung.
-
Die Trennscheibe des Kühlrads liegt in einer günstigen Ausführung an der Rotorglocke mit einer Dichtung abgedichtet an, so dass die mindestens zwei Strömungskanäle abgedichtet voneinander getrennt sind. Die Dichtung zwischen der Trennscheibe und der axialen Stirnkante der Rotorglocke wird radial außerhalb der Einströmöffnungen vorgesehen, so dass eine Vermischung und ein geräuschbildender Austausch der beiden Kühlluftströme durch die Trennscheibe auf der axialen Stirnkante verhindert sind. Die Trennscheibe weist zur positionsfesten Aufnahme der Dichtung vorzugsweise eine umlaufende Nut auf.
-
Eine Weiterbildung des Kühlrads des Außenläufermotors sieht zudem vor, dass das Kühlrad auf einer zur Rotorglocke weisenden Unterseite der Trennscheibe einen Schaufelkranz gebildet aus Leitschaufeln aufweist. Die Leitschaufeln leiten den einen axial angesaugten Kühlluftstrom nach radial außen. Über die Trennscheibe wird die Strömung unmittelbar auf die Einströmöffnungen gerichtet. Vorzugsweise sind die Schaufeln und die Leitschaufeln bogenförmig in dieselbe Umfangsrichtung gekrümmt ausgebildet und erzeugen somit jeweils einen richtungsmäßig gleichen Kühlluftstrom.
-
Ferner ist eine Ausführungsvariante bevorzugt, bei der die Anzahl der ansaugseitigen Schaufeln größer ist als die Anzahl der rückseitig ausgebildeten Leitschaufeln. Insbesondere ist die Anzahl der Schaufeln doppelt so groß ist wie die Anzahl der Leitschaufeln.
-
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist an einer ansaugseitigen Stirnkante der Schaufeln ein Wuchtring ausgebildet, an dem Wuchtklammern oder vergleichbare Wuchtgewichte angebracht werden können. Der Wuchtring umspannt vorzugsweise einen radialen Außenrand der Stirnkanten der Schaufeln des ansaugseitigen Schaufelkranzes. Auf der der Ansaugseite gegenüberliegenden axialen Seite, d.h. auf der zur Rotorglocke weisenden Seite, sind an dem Wuchtring in einer Weiterbildung in Umfangsrichtung verteilt mehrere Leitstege ausgebildet, die sich in radialer Richtung gesehen an die Trennscheibe und die Leitschaufeln anschließen. Die Leitstege verlaufen vorzugsweise geradlinig nach radial außen und stellen in axialer Projektion gesehen eine radiale Verlängerung der an der Trennscheibe ausgebildeten Leitschaufeln dar.
-
Das Kühlrad ist in einer vorteilhaften Ausführungsvariante unmittelbar auf der axialen Stirnkante der Rotorglocke aufliegend befestigt. Zudem weist es vorzugsweise einen maximalen Kühlrad-Durchmesser auf, der in einem Bereich von ±10% eines Rotorglocken-Außendurchmessers liegt. In einer vorteilhaften Ausführung ist der maximale Kühlrad-Durchmesser um 1-10% geringer als der Rotorglocken-Außendurchmesser.
-
Zur Reduzierung der Bauteilzahl ist vorteilhaft, dass das Kühlrad einstückig und vorzugsweise aus Kunststoff ausgebildet ist.
-
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
- 1 eine seitliche Schnittansicht durch ein Ausführungsbeispiel eines Außenläufermotors,
- 2 eine Detailansicht des Kühlrads an der Rotorglocke aus 1,
- 3 eine perspektivische Ansicht des Kühlrads aus 1,
- 4 eine ansaugseitige axiale Draufsicht auf das Kühlrad aus 1, und
- 5 eine unterseitige axiale Draufsicht auf das Kühlrad aus 1,
- 6 ein bevorzugter geometrischer Verlauf der Trennscheibe.
-
Die 1 - 5 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines als Außenläufermotor 1 ausgebildeten Elektromotors, bei dem die Statorwicklungen 7 auf der Statorbuchse 15 in der hohlzylindrischen Rotorglocke 12 positioniert sind. Die Rotorglocke 12 ist von einer Motorschutzkappe 11 umschlossen, die auf ihrer axialen Stirnseite offen ausgebildet, jedoch mit dem Schutzgitter 14 abgedeckt ist. Durch das Schutzgitter 14 hindurch ist ein Luftaustausch und eine Ansaugung des Kühlluftstroms möglich. Auf für die Erfindung nicht relevante Merkmale wie die Lagerung der Statorbuchse 15 und die Befestigung der Motorschutzkappe 11 wird nicht im Detail eingegangen, sie ergeben sich unzweideutig aus der 1.
-
Auf der axialen Stirnwand 41 der Rotorglocke 12 ist unmittelbar das einstückige Kühlrad 10 über Nietbolzen 35 befestigt. Es kann jedoch auch auf andere Weise mit der Rotorglocke 12 verbunden, beispielsweise auf das Wellenende der Motorwelle 75 aufgepresst werden.
-
Eine Ausgestaltung des auf der Rotorglocke 12 befestigten Kühlrads 10 ist in den 3 - 5 detailliert dargestellt. Das Kühlrad 10 ist wie ein Radiallaufrad ausgestaltet und saugt im Betrieb axial Luft an und bläst diese radial aus. Es umfasst ansaugseitig den Schaufelkranz mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung angeordneten und bogenförmig gekrümmt verlaufenden Schaufeln 16, die sich auf der Trennscheibe 22 von der achszentralen Ansaugöffnung 18 nach radial außen erstrecken. Die Trennscheibe 22 grenzt die achszentrale Ansaugöffnung 18 von der radial außerhalb liegenden koaxialen Ansaugöffnung 17, welche durch die Abschnitte zwischen den Schaufeln 16 gebildet ist, ab. An ihrem axialen Stirnkanten 21 weisen die Schaufeln 16 im Bereich der achszentralen Ansaugöffnung 18 einen bogenförmigen Verlauf auf. Die Schaufeln 16 durchdringen die Trennscheibe 22 bis hinein in die achszentrale Ansaugöffnung 18, wie es gut in der ansaugseitigen Draufsicht der 4 zu erkennen ist.
-
An der ansaugseitigen Stirnkante der Schaufeln 16 ist im radial äußersten Abschnitt der Wuchtring 27 positioniert. An dem Wuchtring 27 können Wuchtelemente (nicht dargestellt) zum Auswuchten des Kühlrads 10 und der Rotorglocke 12 befestigt werden. Bezugnehmend auf 5, welche die gegenüberliegende Rückseite des Kühlrads 10 zeigt, sind die an dem Wuchtring 27 radial angrenzend zur Trennscheibe 22 und in Umfangsrichtung verteilt ausgebildete Leitstege 24 zu erkennen. Zudem sind an der Trennscheibe 22 mehrere Leitschaufeln 29 ausgebildet, die entsprechend der Schaufeln 16 auf der gegenüberliegenden axialen Seite bogenförmig in dieselbe Umfangsrichtung gekrümmt sind. Die Leitstege 24 erstrecken sich hingegen nicht bogenförmig gekrümmt, sondern geradlinig nach radial außen. Sie verlaufen in radialer Verlängerung der Leitschaufeln 29.
-
Bezugnehmend auch auf 1 bestimmt die Trennscheibe 22 im Kühlrad 10 auf ihren zwei axialen Seiten zwei getrennte Strömungskanäle zur Erzeugung zwei getrennter Kühlluftströme S1 und S2. Die axiale Stirnwand 41 der Rotorglocke 12 weist in Umfangsrichtung verteilt mehrere Einströmöffnungen 9 auf. Die achszentrale Ansaugöffnung 18 verläuft zur Rückseite des Kühlrads 10, wo der zugehörige ebenfalls achszentrale Auslass 30 gegeben ist, von dem aus der Kühlluftstrom S1 nach radial außen verläuft. Der Kühlluftstrom S1 wird durch die achszentrale Ansaugöffnung 18 angesaugt und von dem Auslass entlang der Trennscheibe 22 über die Leitschaufeln 19 direkt in die Einströmöffnungen 9 hinein geführt, wo er auf die Statorwicklungen 7 trifft und die Statorwicklungen 7 direkt über erzwungene Konvektion kühlt.
-
An ihrem radialen Außenrand weist die Trennscheibe zudem die Nut 36 auf, in welche eine Dichtung eingelegt ist, um die beiden Strömungskanäle und Kühlluftströme S1 und S2 zu trennen. Der zweite Kühlluftstrom S2 wird durch die koaxiale Ansaugöffnung 18 axial angesaugt und unmittelbar ansaugseitig entlang der Trennscheibe 22 nach radial außen zur äußeren Mantelfläche 40 der Rotorglocke 12 geführt, wo er Wärme der Rotorglocke 12 abführt.
-
Der Strömungskanal für den ersten Kühlluftstrom S1 wird mithin von der achszentralen Ansaugöffnung 18 zum Auslass 30 und der Unterseite der Trennscheibe 22 sowie die Leitschaufeln 29 bis zu den Einströmöffnungen 9 gebildet. Der Strömungskanal für den zweiten Kühlluftstrom S2 wird durch die Schaufeln 16 durch die koaxiale Ansaugöffnung 17 entlang der Oberseite der Trennscheibe 22 bis zu dem radialen äußeren Ende des Kühlrads 10 gebildet.
-
Die Trennscheibe 22 weist eine geometrisch spezielle Form auf, um die achszentrale Ansaugöffnung 18 sowie auf ihren beiden Axialseiten vorgesehenen Führungsflächen für die beiden Kühlluftströme S1 und S2 nach radial außen, jedoch in zwei unterschiedliche Bereiche zu gewährleisten. Dies ist in 6 angedeutet mit dem Radius r1* im Bereich der Ansaugöffnung 18, dem Radius der Trennscheibe ra* im sich anschließenden Übergangsbereich mit axialer und radialer Komponente und rb* im radial äußersten Abschnitt, bei dem der radiale Verlauf in einen axialen Verlauf übergeht und sich eine axiale Höhe h* des Radialabschnitts auf Null, d.h. bis zur axialen Stirnwand 41 reduziert. Der maximale Radius ist durch r2* bestimmt. Die Trennscheibe 22 wird in dimensionslosen Koordinaten (x, y) durch eine Funktion bestimmt, die folgendermaßen beschrieben ist:
-
Im Bereich der durchgezogenen Linie von ra*:
-
Im Radialabschnitt der strichpunktartigen Linie von h*:
-
Im radial äußersten Bereich der gepunkteten Linie von rb*:
