DE102007021917A1

DE102007021917A1 - Elektrische Maschine mit verbesserter Wärmeabfuhr

Info

Publication number: DE102007021917A1
Application number: DE102007021917A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Krauth; Eckhart Nipp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-05-10
Filing date: 2007-05-10
Publication date: 2008-11-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, umfassend einen Rotor (2), einen Stator (4), einen Spalttopf (5), welcher den Rotor (2) vom Stator (4) in einer abdichtenden Weise trennt, und einen Lüfter (7, 17), welcher koaxial zum Rotor (2) angeordnet ist, wobei der Lüfter (7, 17) außerhalb des Spalttopfes (5) angeordnet ist und der Rotor (2) innerhalb des Spalttopfes (5) angeordnet ist und wobei der Lüfter (7, 17) in einem an einem axialen Ende (2a) des Rotors (2) auftretenden Streufeld (6) angeordnet ist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer verbesserten Wärmeabfuhr.
Elektrische Maschinen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Derartige elektrische Maschinen können beispielsweise Permanentmagnet-erregte, elektronisch kommutierte Motoren in geschlossener Bauweise sein. Bei der geschlossenen Bauweise ist der Rotor in einem so genannten Spalttopf angeordnet und kann im Spalttopf von einer Flüssigkeit umgeben sein. Der Stator befindet sich außerhalb des Spalttopfes im trockenen Bereich. Am Rotor ist beispielsweise ein Pumpenrad o. Ä. fixiert, um die Flüssigkeit zu fördern. Bei dieser geschlossenen Bauweise kann die Wärme insbesondere nur durch Wärmeleitung zum Gehäuse und von dort an die Umgebung abgegeben werden. Hierbei können punktuell hohe Wärmebelastungen auftreten, welche zu Schäden an der elektrischen Maschine führen können. Um eine bessere Wärmeabfuhr zu ermöglichen, ist es bekannt, Rippen o. Ä. an den Bauteilen vorzusehen. Allerdings ist bei elektrischen Maschinen, bei denen der Rotor im Spalttopf angeordnet ist, eine derartige Wärmeabfuhr nicht zweckdienlich. Derartige Maschinen werden beispielsweise zum Antrieb von Pumpen in Kraftfahrzeugen, beispielsweise als Wasserpumpen für einen Kühlkreislauf, verwendet.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sie eine verbesserte Kühlung der elektrischen Maschine bereitstellen kann. Dadurch erhöht sich die Lebensdauer der elektrischen Maschine erheblich. Hierdurch kann ferner eine verbesserte Leistungsdichte der elektrischen Maschine erreicht werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die elektrische Maschine einen Rotor, einen Stator, einen Spalttopf, in welchem der Rotor angeordnet ist, und einen Lüfter umfasst. Der Stator ist dabei außerhalb des Spalttopfes angeordnet. Der Lüfter ist ferner koaxial zum Rotor angeordnet, wobei der Lüfter ebenfalls außerhalb des Statortopfes angeordnet ist. Der Lüfter ist dabei in einem Streufeld, welches an einem axialen Ende des Rotors während des Betriebs der elektrischen Maschine gebildet wird, angeordnet. Dadurch ist der Lüfter mit dem Streufluss des Rotors gekoppelt und rotiert bei einer Rotation des Rotors ebenfalls. Hierdurch wird eine Luftbewegung außerhalb des Spalttopfes erreicht, welche insbesondere die Bildung von punktuellen Wärmebelastungen vermeidet. Dadurch kann eine hohe Lebensdauer sichergestellt werden. Dabei ist erfindungsgemäß die elektrische Maschine sehr einfach aufgebaut und kann kostengünstig bereitgestellt werden.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Vorzugsweise steht der Rotor in Axialrichtung über den Stator vor. Hierdurch wird die Ausbildung eines starken axialen Streufelds am axialen Ende des Rotors möglich. Weiter bevorzugt sind große Arbeitsluftspalte zwischen Rotor und Innenseite des Spalttopfes vorgesehen.
Weiter bevorzugt umfasst der Rotor eine Vielzahl von Permanentmagneten. Der Rotor kann beispielsweise sechs oder acht Permanentmagnete umfassen.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Anzahl von Polen des Rotors gleich einer Anzahl von Polen des Lüfters. Besonders bevorzugt ist der Lüfter dabei ebenfalls mit Permanentmagneten ausgerüstet, so dass eine synchrone Rotation zwischen Lüfter und Rotor auf einfache Weise bereitgestellt werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Lüfter einstückig ausgebildet. Bevorzugt ist der Lüfter dabei aus einem magnetisierbaren Kunststoff hergestellt und kann z. B. mittels Spritzgießen hergestellt werden. Als magnetisierbarer Kunststoff können beispielsweise Plastoferrit oder Kunststoff-gebundene Seltene Erden-Magnetmaterialien verwendet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Lüfter eine erste Magnetisierungsspur und eine konzentrisch dazu angeordnete zweite Magnetisierungsspur. Die erste und zweite Magnetisierungsspur sind dabei jeweils einander entgegengesetzt konzentrisch magnetisiert. Diese Ausgestaltung des Lüfters bietet zwar keine Maximierung des übertragbaren Drehmoments vom Rotor auf den Lüfter, stellt jedoch eine sehr kostengünstige und einfach zu realisierende Lösung bereit.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Lüfter einstückig aus einem Blechmaterial hergestellt und umfasst ausgestanzte und umgebogene Flügelbereiche. Die umgebogenen Flügelbereiche sind dabei im Wesentlichen in Axialrichtung des Lüfters angeordnet. Hierdurch ergibt sich eine einfache Form eines Reluktanzlüfters. Der Lüfter kann dabei aus einem einfachen magnetisch leitfähigen Blech sehr kostengünstig bereitgestellt werden.
Besonders bevorzugt ist der Lüfter an einem an der Außenseite eines Bodens des Spalttopfes angeordneten Sockel drehbar gelagert. Der Sockel kann dabei angespritzt, angeklebt oder angeschweißt oder auf eine andere beliebige Art befestigt werden. Alternativ ist der Lüfter an einem Gehäuse der elektrischen Maschine gelagert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die elektrische Maschine ferner eine Elektronikeinheit, welche in Axialrichtung des Rotors benachbart zum Lüfter angeordnet ist. Dabei ist der Lüfter zwischen der Elektronikeinheit und dem Rotor angeordnet. Hierdurch können EC-Motoren (elektronisch kommutierte Motoren) in geschlossener Bauweise bereitgestellt werden. Durch die Anordnung der Elektronikeinheit koaxial zum Lüfter kann dabei eine ständige Kühlung der Elektronikeinheit im Betrieb der elektrischen Maschine sichergestellt werden. Hierdurch ist ein Ausfall der Elektronikeinheit aufgrund von Wärmestauproblemen auszuschließen.
Weiter bevorzugt umfasst der Rotor an einem vom Boden des Spalttopfes abgewandten Ende ein Pumpenrad zur Förderung eines Fluids, insbesondere zur Förderung einer Flüssigkeit. Das Pumpenrad ist dabei fest mit dem Rotor verbunden und dreht sich gemeinsam mit dem Rotor. Dadurch kann beispielsweise ein elektrischer Antrieb für eine Kühlwasserpumpe für ein Fahrzeug bereitgestellt werden, welcher besonders kompakt und einfach aufgebaut ist. Da das Pumpenrad unmittelbar am Rotor fixiert ist, ergibt sich insbesondere in Axialrichtung ein sehr kleiner Aufbau bei geringem Gewicht.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine wird insbesondere in Fahrzeugen als Förderpumpe oder als Umwälzpumpe o. Ä. verwendet, da sie sehr robust ist und einfach und kostengünstig bereitgestellt werden kann. Es ist jedoch auch möglich, eine erfindungsgemäße elektrische Maschine beispielsweise in der Gebäudetechnik für Heizungspumpen oder sonstige Umwälzpumpen oder auch bei Kompressoren, die in gekapselten Spalttöpfen laufen, wie z. B. Kühlkompressoren, zu verwenden.
Zeichnung
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
1 eine schematische Schnittansicht einer elektrischen Maschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine schematische Draufsicht auf einen Lüfter des ersten Ausführungsbeispiels,
3 eine schematische Darstellung einer Verteilung von Permanentmagnetbereichen an dem in 2 gezeigten Lüfter,
4 eine schematische Darstellung einer Verteilung von Permanentmagnetbereichen bei einem Lüfter gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
5 eine schematische Draufsicht eines Lüfters gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
6 eine schematische Seitenansicht des in 5 gezeigten Lüfters.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 eine elektrische Maschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die elektrische Maschine 1 einen Rotor 2, an welchem eine Vielzahl von Permanentmagneten 3 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind vier Permanentmagnete am Rotor angeordnet. Ferner umfasst die elektrische Maschine 1 einen Stator 4, welcher einen Eisenkern 4a und Wickelköpfe 4b umfasst. Zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 4 ist ein Spalttopf 5 mit einem Boden 5a und einem zylindrischen Wandbereich 5b angeordnet. Die elektrische Maschine 1 ist somit eine permanent erregte, elektronisch kommutierte Maschine in geschlossener Bauweise. Die Elektronik ist mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnet und in einem Gehäuse 13 der elektrischen Maschine angeordnet.
Wie ferner aus 1 ersichtlich ist, ist am Rotor 2 koaxial dazu ein Laufrad 10 angeordnet, um ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, zu fördern. In Axialrichtung X-X des Rotors 2 ist ferner außerhalb des Spalttopfes 5 ein Lüfter 7 angeordnet, welcher an einem Lager 9 an der Außenseite des Bodens 5a drehbar gelagert ist. Der Lüfter 7 ist im Detail in den 2 und 3 gezeigt. Wie aus 2 ersichtlich ist, umfasst der Lüfter eine Vielzahl von Flügeln bzw. Schaufeln 7a und eine kreisförmige Grundplatte 7b, auf welcher die Schaufeln 7a angeordnet sind. Eine mittige Öffnung 7c dient zur Fixierung an dem Lager 9, welches beispielsweise ein Wellenstumpf o. Ä. ist. Der Lüfter 7 ist aus einem permanentmagnetischen Material hergestellt und weist vier Pole P auf, wie aus 3 ersichtlich ist. Somit sind die Polzahlen von Lüfter 7 und Rotor 2 gleich.
Das Laufrad 10 saugt das Fluid aus einer Saugleitung 11 an und fördert es radial in mehrere Druckleitungen 12. Durch die Verwendung des Spalttopfes 5 ist die elektrische Maschine 1 somit in einen trockenen Bereich 1a und einen mit dem Fluid in Kontakt kommenden Bereich 1b unterteilt. Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, bildet sich im Betrieb an einem axialen Ende 2a des Rotors 2 ein starkes axiales Streufeld 6, in welchem der Lüfter 7 angeordnet ist. Das Streufeld 6 geht dabei über den Spalttopf 5 hinaus. Dadurch rotiert der Lüfter 7 gemeinsam mit dem Rotor 2 mit gleicher Drehzahl. Dadurch findet eine Zirkulation der Luft im Bereich des Stators 4 und der Elektronik 8 statt. Hierdurch wird zum einen vermieden, dass sich Wärmestaubereiche bilden, an denen Stellen hoher Temperatur vorhanden sein könnten, welche insbesondere die Elektronik 8 schädigen könnten. Somit wird eine Luftzirkulation innerhalb des trockenen Bereichs 1a der elektrischen Maschine 1 erzielt, wobei ferner auch keine abgedichtete Wellendurchführung durch den Spalttopf 5 notwendig ist. Die Lagerung des Lüfters 7 erfolgt einfach an einem Lager 9 an der Außenseite des Bodens 5a. Alternativ könnte der Lüfter 7 auch auf der Seite der Elektronik 8 gelagert werden.
Aufgrund der gleichen Polzahl zwischen Lüfter 7 und Rotor 8 erfolgt eine synchrone Rotation der beiden Bauteile. Der Lüfter 7 ist dabei vorzugsweise aus einem Stück gefertigt, beispielsweise als Spritzgussteil aus einem magnetisierbaren Kunststoff.
Da das Laufrad 10 unmittelbar am Rotor 2 angeordnet ist, kann ferner auch in Axialrichtung X-X eine sehr kompakte Bauform erreicht werden. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit unmittelbar angeordnetem Laufrad 10 kann beispielsweise in Kraftfahrzeugen als Kühlwasserpumpe oder als Ölpumpe verwendet werden. Die erfindungsgemäße Maßnahme führt somit zu einem einfach aufgebauten Pumpenmotor, welcher eine sehr lange Lebensdauer aufweist.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 4 eine Alternative gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel für einen Lüfter 7 beschrieben. Wie aus 4 ersichtlich ist, weist der Lüfter 7 zwei speziell angepasste Magnetspuren, nämlich eine äußere Magnetspur 7d und eine innere Magnetspur 7e auf, welche konzentrisch zur äußeren Magnetspur 7d ist. Je Magnetspur sind dabei jeweils sechs Pole vorgesehen. Hierdurch kann insbesondere auf einen stark variierenden dreidimensionalen Verlauf des Streuflusses am Streufeld reagiert werden. In 4 bezeichnet der Buchstabe N dabei jeweils einen Nordpol und der Buchstabe S jeweils einen Südpol. Ansonsten entspricht der Lüfter 7 dem des ersten Ausführungsbeispiels, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
Die 5 und 6 zeigen einen weiteren alternativen Lüfter 17 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Lüfter 17 ist aus einem Blechmaterial ausgestanzt und einzelne Schaufeln sind um 90° zur Blechgrundplatte umgebogen. Die Schaufeln sind in den 5 und 6 mit dem Bezugszeichen 17a bezeichnet, die Grundplatte mit dem Bezugszeichen 17b. Der Lüfter 17 ist dabei an einer Hülse 17c ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel gelagert. Somit kann der Lüfter 17 des dritten Ausführungsbeispiels auf einfachste Weise aus einem magnetisch leitfähigen Blech durch Stanzen und Biegen hergestellt werden. Die Anzahl der Schaufeln 17a und damit die Lücken im Grundblech 17b stimmt dabei mit der Anzahl der Pole des Rotors der elektrischen Maschine überein, so dass sich ein zu dem Streufluss passender Reluktanzlüfter ergibt. Somit kann durch diese besonders einfache und kostengünstige Maßnahme eine ausreichende Luftzirkulation im nicht vom Fluid durchflossenen Bereich 1a der elektrischen Maschine 1 erreicht werden. Insbesondere können Schäden an der Elektronik dadurch verhindert werden.

Claims

Elektrische Maschine, umfassend einen Rotor (2), einen Stator (4), einen Spalttopf (5), welcher den Rotor (2) vom Stator (4) in einer abdichtenden Weise trennt, und einen Lüfter (7, 17), welcher koaxial zum Rotor (2) angeordnet ist, wobei der Lüfter (7, 17) außerhalb des Spalttopfes (5) angeordnet ist und der Rotor (2) innerhalb des Spalttopfes (5) angeordnet ist und wobei der Lüfter (7, 17) in einem an einem axialen Ende (2a) des Rotors (2) auftretenden Streufeld (6) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) in Axialrichtung (X-X) über eine Eisenkern (4a) des Stators (4) vorsteht.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) eine Vielzahl von Permanentmagneten (3) umfasst.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Polen des Rotors (2) gleich einer Anzahl von Polen des Lüfters (7, 17) ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lüfter (7, 17) einstückig, insbesondere aus einem magnetisierbaren Kunststoff, ausgebildet ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lüfter (7) eine erste Magnetisierungsspur (7d) und eine dazu konzentrische zweite Magnetisierungsspur (7e) umfasst, wobei die erste und zweite Magnetisierungsspur (7d, 7e) jeweils einander entgegengesetzt magnetisiert sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lüfter (17) einstückig aus einem Blechmaterial hergestellt ist und ausgestanzte und umgebogene Schaufeln (17a) umfasst.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lüfter (7, 17) an einem an einer Außenseite eines Bodens (5a) des Spalttopfes (5) angeordneten Lagerelement (9) drehbar gelagert ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Elektronik (8), welche in Axialrichtung (X-X) des Rotors (2) benachbart zum Lüfter (7, 17) angeordnet ist, so dass der Lüfter (7, 17) zwischen der Elektronik (8) und dem Spalttopf (5) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem zum Boden (5a) des Spalttopfes (5) entgegengesetzten Ende des Rotors (2) ein Pumpenrad (10) zur Förderung eines Fluids, insbesondere zur Förderung einer Flüssigkeit, angeordnet ist, welches sich gemeinsam mit dem Rotor (2) dreht.