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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einem Elektronikgehäuse und darin integrierter Motorelektronik sowie einem axial zu dem Elektronikgehäuse beabstandet angeordneten Statorgehäuse, die über ein zwei Kühlluftströme erzeugendes Kühlrad unabhängig voneinander gekühlt werden. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Elektromotor zum Antrieb eines Ventilators.
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Der Leistungsbereich sowie die Lebensdauer des Elektromotors bestimmen sich insbesondere auch nach den im Betrieb erreichten Bauteiltemperaturen, vor allem der integrierten Motorelektronik, elektrischen Leistungsbauteile, Lager und Motorantriebsbauteile.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, zur verbesserten Leistungsausnutzung und Verlängerung der Lebensdauer des Motors inklusive seiner Motorwicklung, Lagersysteme und Elektronikbauteile auf der Motorelektronik eine aktive Kühlung vorzusehen. Diese wird insbesondere durch den Einsatz eines Kühlrads erreicht, das einen Kühlluftstrom über die zu kühlenden Bauteile fördert und dabei Wärme abführt. Eine verbesserte Kühlung der temperaturempfindlichen Bauteile des Elektromotors ermöglicht eine Erhöhung des Leistungsbereichs der Bauteile bei vorgegebenen Umgebungstemperaturen beziehungsweise den längeren Einsatz des Motors bei höheren Umgebungstemperaturen.
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Beispielsweise offenbart die
DE 10 2012 107 109 A1 ein entsprechendes Kühlkonzept für einen Außenläufer-Elektromotor, bei dem über ein Kühlrad aktiv ein Kühlluftstrom über Elektronikgehäuse und Teile des Statorgehäuses gefördert wird. Die beschriebene Lösung funktioniert in der Praxis sehr gut, ist jedoch nicht auf alle Bauarten von Elektromotoren übertragbar und insbesondere dann nicht anwendbar, wenn das Elektronikgehäuse von dem Statorgehäuse axial getrennt verbaut wird.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor bereitzustellen, der eine optimierte und voneinander unbeeinflusste aktive Kühlung aller temperaturempfindlichen Bauteile im Bereich des Elektronikgehäuses und Statorgehäuses gewährleistet, selbst wenn dieses axial getrennt verbaut sind, wie dies beispielsweise bei Innenläufer-Motoren häufig der Fall ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, einen Motor zu schaffen, dessen Kühlung verbessert und dessen Leistung und Lebensdauer bei gleicher Umgebungstemperatur erhöht wird.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird ein Elektromotor vorgeschlagen, der ein Elektronikgehäuse mit darin aufgenommener Motorelektronik und ein axial zu dem Elektronikgehäuse beabstandet angeordnetes Statorgehäuse umfasst. Ein doppelflutiges Kühlrad wird axial zwischen dem Elektronikgehäuse und dem Statorgehäuse angeordnet und erzeugt im Betrieb einen ersten Kühlluftstrom entlang dem Elektronikgehäuse sowie einen zweiten Kühlluftstrom entlang dem Statorgehäuse und zusätzlich oder alternativ entlang einem axial an das Statorgehäuse angrenzenden Lagerschild erzeugt.
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Das doppelflutige Kühlrad ist definiert als ein Laufrad, das im Betrieb gleichzeitig zwei Luftströme erzeugt, die entweder aus beiden axialen Richtungen angesaugt und in radialer Umfangsrichtung ausgeblasen oder aus radialer Umfangsrichtung angesaugt und in beide axiale Richtungen ausgeblasen werden. Ein doppelflutiges Kühlrad kann auch durch die unmittelbare Verbindung von zwei herkömmlichen Laufrädern erfolgen. Die Förderrichtung der Kühlluftströme ist dabei abhängig von der Schaufelgeometrie des Kühlrades und/oder dessen Drehrichtung. Der Einsatz des doppelflutigen Kühlrads ermöglicht voneinander getrennte und somit unabhängige Kühlluftströme, die jeweils zur Kühlung von eigenen Bauteilen bzw. Bauteilgruppen eingesetzt werden. Dabei entsteht eine jeweils gesonderte „Motorkühlung” sowie „Elektronikkühlung”. Die Kühlluftströme können unabhängig voneinander und in axial unterschiedliche Richtungen unmittelbar auf die zu kühlenden Bau- und/oder Gehäuseteile gerichtet werden, ohne dass sie vorher bereits an heißen Bauteilen vorbeigeströmt und dadurch vorgewärmt wären. Sie weisen deshalb gegenüber den zu kühlenden Bauteilen jeweils einen maximalen Temperaturunterschied auf und können die größtmögliche Wärmemenge abführen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Elektromotor ein Innenläufer-Motor. In seinem Statorgehäuse ist eine Motoreinheit gebildet aus einem Rotor, einem Stator mit einem den Rotor radial umgebenden Statorblechpaket und einer zentralen Antriebswelle angeordnet. Der Innenläufer-Motor bietet gegenüber Außenläufer-Motoren hinsichtlich der Thermik den Vorteil, dass die Wärmemenge des Stators bzw. der Statorwicklung unmittelbar über das Statorgehäuse und nicht über den vergleichsweise längeren Weg einer Statorbuchse abgeführt werden kann. Zudem wird bei einem Innenläufer-Motor der Stator nicht von einer Rotorglocke thermisch gekapselt.
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Erfindungsgemäß ist in einer Ausführungsvariante vorgesehen, dass die Motoreinheit an einem Lagerschild aufgenommen ist, der in axialer Richtung an das doppelflutige Kühlrad angrenzt. An dem Lagerschild ist mindestens ein Lager zur Lagerung der Antriebswelle vorgesehen, wobei die Antriebswelle in einer kompakten Bauform den Lagerschild in axialer Richtung durchdringt und im von dem Lagerschild überstehenden Abschnitt mit dem Kühlrad drehfest verbunden ist. Somit wird die Antriebswelle des Elektromotors gleichzeitig genutzt, das integrierte Kühlrad zu betreiben.
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Der erfindungsgemäße Elektromotor weist in einer ersten Ausführungsform mindestens einen Stator-Kühlkanal auf, der sich in axialer Richtung zumindest abschnittsweise entlang dem Statorgehäuse und dem mindestens einen Lagerschild sowie in radialer Richtung entlang dem mindestens einen Lagerschild bis zu dem Kühlrad erstreckt. In einer zweiten Ausführungsvariante erstreckt sich der Stator-Kühlkanal in axialer und radialer Richtung zumindest abschnittsweise entlang dem mindestens einen Lagerschild bis zu dem Kühlrad. Bei dieser zweiten Ausführung wird das Statorgehäuse nicht effektiv mit umströmt, sondern lediglich der an das Kühlrad angrenzende Lagerschild. Das Statorgehäuse weist jedoch zur erweiterten Wärmeabgabe sich an den Stator-Kühlkanal anschließende und sich in axialer Richtung außenseitig erstreckende Kühlrippen auf. In einer derartigen Ausführungsvariante kann die Anzahl der Bauteile und mithin die Kosten reduziert werden. Der Stator-Kühlkanal ist in beiden Ausführungsformen jeweils mit dem Kühlrad strömungsverbunden und wird im Betrieb von dem ersten, durch das doppelflutige Kühlrad erzeugten Kühlluftstrom durchströmt („Motorkühlung”).
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Zur weiter verbesserten Kühlung sind in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung an dem Lagerschild zu der Motoreinheit gerichtete Kühlrippen oder Kühlpins ausgebildet. Diese vergrößern die Oberfläche des Lagerschilds und nehmen größere Wärmemengen der Motoreinheit auf, die wiederum durch den Kühlluftstrom abgeführt wird.
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Auf der axial dem Statorgehäuse gegenüberliegenden Seite des Kühlrads weist der Elektromotor vorteilhafterweise mindestens einen Elektronik-Kühlkanal auf, der sich in axialer und radialer Richtung zumindest abschnittsweise entlang dem Elektronikgehäuse bis zu dem Kühlrad erstreckt und mit diesem strömungsverbunden ist. Im Betrieb wird der Elektronik-Kühlkanal von dem zweiten, durch das doppelflutige Kühlrad erzeugten Kühlluftstrom durchströmt („Elektronikkühlung”).
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Sowohl bei dem Stator-Kühlkanal als auch dem Elektronik-Kühlkanal erfolgt die Kühlluftströmung in axialer Richtung entlang dem Statorgehäuse bzw. dem Lagerschild und dem Elektronikgehäuse in oder aus Richtung des Kühlrads. Je nach Drehrichtung und Schaufelgeometrie des Kühlrads erfolgt die strömungsrichtungsabhängige Zuströmung des Kühlluftstroms in den axialen Zentralbereich des Kühlrads oder Abströmung des Kühlluftstorms aus dem axialen Zentralbereich des Kühlrads in radialer Richtung und entlang den vorstehend beschriebenen, sich radial erstreckenden Kanälen.
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In einer Ausführungsvariante mit axial ansaugendem und radial ausblasendem Kühlrad ist der zur radialen Mitte des Kühlrads verlaufende Abschnitt des Stator-Kühlkanals und/oder des Elektronik-Kühlkanals als Ansaugkanal ausgebildet. Dieser Ansaugkanal ist in einer hinsichtlich hoher Strömungsgeschwindigkeiten und Volumenströme optimierten und vorteilhaften Ausführung mit einer Querschnittsverengung ausgestattet, die als Einströmdüse in einen axialen Ansaugbereich des Kühlrads dient. Neben den leistungstechnischen Verbesserungen reduziert die Einströmdüse zudem die Geräuschentwicklung des Kühlrads beim Ansaugen.
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Günstig ist ferner eine Ausführungsvariante der Erfindung, bei der die Motorelektronik auf einer Leiterplatte montiert ist, die in dem Elektronikgehäuse axial an das Kühlrad angrenzend angeordnet ist, der zumindest einen Teil des sich in diesem Bereich in radialer Richtung erstreckenden Elektronik-Kühlkanals bildet. Die Elektronikbauteile sind dabei von dem Elektronikgehäuse umgeben. Der Kühlluftstrom strömt entlang dem Elektronikgehäuse und kühlt mittelbar die Elektronikbauteile auf der Leiterplatte.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Elektromotor, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorgehäuse und/oder das Elektronikgehäuse in Umfangsrichtung von einer Abdeckung umgeben sind, die zumindest abschnittsweise Teile des Stator-Kühlkanals und/oder Elektronik-Kühlkanals bilden. Die jeweiligen Kanäle sind dabei mehrteilig ausgeführt und weisen jeweils eine Innenwand, die durch das Statorgehäuse bzw. Elektronikgehäuse gebildet ist, und eine durch die jeweilige Abdeckung gebildete Außenwand auf. Als Abdeckung können aufgesetzte Metall- oder Kunststoffringe verwendet werden. Anstelle einer Abdeckung sind in einer alternativen Ausführungsvariante das Elektronikgehäuse und/oder das Statorgehäuse einteilig ausgebildet und stellen selbst sowohl die Innenwand als auch die Außenwand des entsprechenden Kühlkanals.
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Zur Optimierung der von dem doppelflutigen Kühlrad erzeugten Kühlluftströme weist das Kühlrad in einer Ausführungsvariante auf beiden axialen Außenseiten Deckscheiben auf, welche die Schaufeln zumindest abschnittsweise überdecken. Die Erfindung umfasst unterschiedliche Ausführungen des Kühlrads. In einer Variante weist es gerade Schaufeln auf und ist drehrichtungsunabhängig ausgebildet. In einer alternativen Variante weist es drehrichtungsorientierte gekrümmte Schaufeln auf, über die drückende oder saugende Kühlluftströme festlegbar sind.
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Der erfindungsgemäße Elektromotor ist ferner gemäß DIN/IEC EN 60034-Teil 5 nach außen dichtend geschlossen und erfüllt den Standard nach IP-Schutzart IPX4/IPX5 oder höher. Das bedeutet, dass die Motoreinheit über das Statorgehäuse und Lagerschilde sowie die Elektronikbauteile über das Elektronikgehäuse gegenüber der Umgebung abgedichtet getrennt sind und kein Luftaustausch mit Umgebungsluft möglich ist. Die Kühlluftströme können lediglich außen an dem Statorgehäuse und Lagerschilden sowie dem Elektronikgehäuse vorbeigeführt werden. Gleichwohl ist gerade bei der dicht geschlossenen Ausführung die aktive Kühlung gemäß der Erfindung besonders effektiv und von Vorteil.
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Erfindungsgemäß sind das Elektronikgehäuse und das Statorgehäuse aus wärmeleitendem Material wie Aluminium-Druckguss oder -Strangguss erzeugt, um möglichst viel Wärme abzuführen.
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Alle vorstehend beschriebenen Merkmale sind beliebig miteinander kombinierbar, soweit dies technisch möglich ist.
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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:
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1: eine perspektivische Ansicht eines Elektromotors in einem ersten Ausführungsbeispiel;
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2: eine seitliche Schnittansicht des Elektromotors aus 1;
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3: eine perspektivische Ansicht eines Elektromotors in einem zweiten Ausführungsbeispiel;
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4: eine seitliche Schnittansicht des Elektromotors aus 2.
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Die Figuren sind beispielhaft schematisch. Sie geben Ausführungsbeispiele der Erfindung wieder und dienen zu ihrem besseren Verständnis.
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Die 1 und 2 zeigen einen Elektromotor 1 in einer ersten Ausführungsvariante in einer perspektivischer Ansicht und einer Schnittansicht. Der Elektromotor 1 ist als eine Baueinheit ausgeführt und weist in axialer Richtung gesehen ein Elektronikgehäuse 2, eine doppelflutiges Kühlrad 4 und ein Statorgehäuse 3 auf, wobei das doppelflutige Kühlard 4 axial zwischen dem Elektronikgehäuse 2 und dem Statorgehäuse 3 angeordnet ist und diese voneinander trennt. Der Elektromotor 1 ist ein Innenläufer-Motor, bei dem der Rotor 36 mit einer zentral angeordneten Antriebswelle 12 von dem Statorblechpaket 7 des Stators umgeben ist und darin rotiert. Die Antriebswelle 12 ist zweifach gelagert und erstreckt sich in axialer Richtung von außen durch einen zur Montage des Elektromotors 1 an einem anzutreibenden Apparat vorgesehenen Befestigungsflansch 25, durch den Lagerschild 5 bis zu dem Kühlrad 4, das drehfest auf der Antriebswelle 12 befestigt ist und von dieser angetrieben wird. Zwei Kugellager zur Lagerung der Antriebswelle 12 sind an dem Befestigungsflansch 25 und dem Lagerschild 5 vorgesehen. An dem Lagerschild 5 sind ferner zu dem Statorblechpaket 7 und dem Rotor 36 gerichtete Kühlpins 9 ausgebildet, welche die Oberfläche des Lagerschilds 5 und dessen Wärmeaufnahmekapazität vergrößern.
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Das Statorgehäuse 3 umfasst ein Statorgehäuseteil 6, das zusammen mit dem Lagerschild 5 und dem Befestigungsflansch 25 eine nach außen abgedichtete Einheit bilden. Im Inneren dieser Einheit sind die Bauteile der Motoreinheit (Statorblechpaket 7 und Rotor 36) aufgenommen und übertragen die im Motorbetrieb erzeugte Wärme auf das Statorgehäuseteil 6, den Lagerschild 5 und den Befestigungsflansch 25. Der Lagerschild 5 bildet die axiale Grenzfläche gegenüber dem Kühlrad 4. Um das Statorgehäuseteil 6 ist eine Abdeckung 14 in Form eines Ringes angeordnet, innerhalb der ein Stator-Kühlkanal 10 verläuft. Der Stator-Kühlkanal 10 erstreckt sich in axialer Richtung entlang dem Statorgehäuse 3 sowie entlang dem Lagerschild 5 in axialer und zusätzlich in radialer Richtung parallel zum Kühlrad 4.
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Das Elektronikgehäuse 2 umfasst ein Elektronikgehäuseteil 26, in dem die Motorelektronik 15 auf einer Leiterplatte 16 aufgenommen ist. Das Elektronikgehäuseteil 26 ist von einer ringförmigen Abdeckung 24 umgeben, so dass dazwischen ein Elektronik-Kühlkanal 11 ausgebildet wird. Der Elektronik-Kühlkanal 11 erstreckt sich in axialer und radialer Richtung entlang dem Elektronikgehäuseteil 26, wobei der sich radial erstreckende Abschnitt parallel zum Kühlrad 4 verläuft.
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Im Betrieb werden von dem doppelflutigen Kühlrad 4 ein erster Kühlluftstrom P1 entlang dem Elektronikgehäuse 2 und ein zweiter Kühlluftstrom P2 entlang dem Statorgehäuse 3 und entlang dem axial an das Statorgehäuse 3 angrenzenden Lagerschild 5 erzeugt. Das Kühlrad 4 saugt in der gezeigten Ausführung axial im Zentrumsbereich Luft an und erzeugt dabei die beiden Kühlluftströme P1, P2 durch den Elektronik-Kühlkanal 11 und den Stator-Kühlkanal 10, die schließlich von dem Kühlrad 4 radial ausgeblasen werden. Durch eine Anpassung der Schaufelgeometrie des Kühlrads 4 kann die Luftförderrichtung auch umgekehrt, d. h. drückend ausgeführt werden, wodurch die radial angesaugte Luft weniger turbulent zugeführt und die Geräuschbildung beim Ansaugen verringert wird. In beiden Fällen wird eine Kühlung aller Bauteile durch einen effektiven Wärmeabtransport erreicht.
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Sowohl der Stator-Kühlkanal 10 als auch der Elektronik-Kühlkanal 11 weisen einen zu einer radialen Mitte des Kühlrads 4 als Ansaugkanal 20, 21 radial verlaufenden Abschnitt auf. In dem Ansaugkanal wird durch eine entsprechend geformte Kanalwandgeometrie eine Querschnittsverengung 29 realisiert, die eine Einströmdüse in einen axialen Ansaugbereich des Kühlrads 4 bildet. Die Einströmdüse ermöglicht bei einer saugenden Ausbildung des Kühlrads 4 die Nutzung des Düse-/Diffusorprinzips am axialen Kühlradeinlass zu Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit, des Volumenstroms und Reduzierung der Geräuschbildung.
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Die 3 und 4 zeigen ein alternatives Ausführungsbeispiel des Elektromotors 1. Jedoch sind bis auf die im Folgenden beschriebenen alle Merkmale identisch ausgeführt. Im Unterschied zu Ausführung gemäß 1 & 2 ist das Statorgehäuseteil 6 nicht von einer Abdeckung umgeben, jedoch erstrecken sich in axialer Richtung eine Vielzahl von in Umfangsrichtung benachbarten Kühlrippen 34. Der Stator-Kühlkanal 10 verläuft in axialer und radialer Richtung entlang dem Lagerschild 5 bis zu dem Kühlrad 4, jedoch nicht effektiv über das Statorgehäuseteil 6. Der zweite Kühlluftstrom P2 wird im Bereich des Übergangs zwischen Lagerschild 5 und Statorgehäuseteil 6 angesaugt und verläuft im Wesentlichen in radialer Richtung entlang dem Lagerschild 5. Die axiale Erstreckung des Stator-Kühlkanals 10 ist vergleichsweise kürzer.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Beispielsweise kann sich der Stator-Kühlkanal auch teilweise über das Statorgehäuse und den zum Kühlrad benachbarte angeordneten Lagerschild erstrecken. Auch kann das Statorgehäuseteil und/oder das Elektronikgehäuseteil doppelwandig ausgebildet werden, so dass sich die Kühlkanäle innerhalb der jeweiligen Bauteile erstrecken. Das Gehäuse kann auch insgesamt als einteilige Gehäusekonstruktion ausgeführt werden. Ferner sind alternativ auch Ausführungen von der Erfindung umfasst, bei denen mehrere Kühlkanäle an dem Statorgehäuse und/oder dem Elektronikgehäuse vorgesehen sind, die beispielsweise in Umfangsrichtung verteilt In axialer Richtung verlaufen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012107109 A1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN/IEC EN 60034-Teil 5 [0019]
