EP2404366A2 - Doppelrotormotor mit wärmeableitung - Google Patents

Doppelrotormotor mit wärmeableitung

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EP2404366A2
EP2404366A2 EP10712315A EP10712315A EP2404366A2 EP 2404366 A2 EP2404366 A2 EP 2404366A2 EP 10712315 A EP10712315 A EP 10712315A EP 10712315 A EP10712315 A EP 10712315A EP 2404366 A2 EP2404366 A2 EP 2404366A2
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EP
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electric motor
motor according
housing
channel
water
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Withdrawn
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EP10712315A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Heinz Leiber
Thomas Leiber
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CPM Compact Power Motors GmbH
Original Assignee
CPM Compact Power Motors GmbH
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a double-rotor motor according to the preamble of claim 1.
  • Cooling by convection or heat dissipation via the generator holder is usually insufficient.
  • Object of the present invention is to provide a double rotor motor with a good heat dissipation, so that the engine can be designed for higher power.
  • the invention proposes to solve the problem that either a targeted air flow over several air wings or fan is generated or in addition a water cooling is provided in the housing.
  • Most effective are water channels, which comprise the coil and are connected to channels in the housing.
  • the ventilation and water channels are particularly simple and inexpensive to implement when they are either poured into the support structures between the excitation coils or preferably injected.
  • the support structure can be closed externally by means of a lid.
  • the Hinckerkanal is connected to the return channel.
  • This cover also advantageously increases the rigidity of the support structure and can optionally be reinforced with an external reinforcement, such as ribs or reinforcing elements.
  • On the lid can be omitted if a U-shaped pipe or profile is poured or injected.
  • the electrical control unit also requires good heat dissipation.
  • the controller is connected to the cooled with water cooling housing, heat-conducting.
  • Fig. 1 Shows the basic structure of the double rotor motor with air and water cooling
  • Fig. 2 shows the yokes with excitation coils as well as integrated in the double T-beams water channels;
  • Fig. 2a shows the inlet and outlet of the water channels
  • Fig. 3 shows an extended T-beam structure with water channels at the top and bottom;
  • FIG. 1 shows the basic structure of a double rotor motor with housing 1, bearing 10, rotor shaft 9, flange 8 and double rotor 2, which has permanent magnets 3.
  • a support structure 6 is injected, which also surrounds yoke 4 and exciter coil 5.
  • the support structure 6 extends in the radial and axial direction between each two adjacent yokes 4 and excitation coils 5 and is anchored in recesses of the housing 1. The anchoring occurs during the injection process, wherein the injection molding material pours into the recesses and around the yokes and excitation coils.
  • FIGS. 2 and 3 Part of the section through the engine is shown in FIGS. 2 and 3.
  • the coil 5 is connected in a known technique via coil wire 11 with a punched grid 12, to which all the coil wires are contacted.
  • a connection pin leads to the PCB 17 of the ECU.
  • the housing contains water channels, which are described in more detail below.
  • FIG. 1 shows the air duct for cooling the exciter coil.
  • Air flow L 1 is generated by a fan wheel 8 connected to the rotor 2, 2 a, 2 b, whose air flow is guided through recesses 7 and ribbing to increase the surface area, and cools the end face of the exciter coils 5.
  • Two further air streams L2 and L3 are generated by wings 14 between the magnets 3 of the outer and inner rotor 2a, 2b and lead the cooling air at the outer poles 4a, 4b of the yokes 4 with underlying excitation coils 5 over.
  • the heat of the associated with the housing 1 excitation coils 5 is discharged directly into the housing 1 and passed over the cooling water channel 25 to the outside. 5 heat is dissipated by the entire surface of the coil.
  • the power unit of the engine ECU also requires cooling. It makes sense to use the water-cooled housing, in which preferably the power unit is screwed onto web 18 of the housing 1. This web is preferably located in the immediate vicinity of the cooler inlet channel.
  • Figure 2 shows another very effective solution for heat dissipation.
  • a water channel 20 is provided in the support structure 6 of the yokes 4, which supplies the water via 20a and discharges via 20b.
  • the side view of this mecanicsforrn is shown in Figure 2a. It shows the inflow into the support structure 6, which is injected or cast directly into the housing 1.
  • a lid 21 with seal 22 is to continue the cooling water in the adjacent support structure 6 .
  • This cover 21 can also serve as an external reinforcement with additional structure for air cooling, corresponding to Figure 1.
  • FIG. 3 shows a side view of the feed from the water channel 20 a and discharge in the channel 20 b.
  • the housing 1 must have the housing parts 1 a and 1 b in two parts. Since pressurized water is used, the channels 20a, 20b must be sealed.
  • the cover 21 is connected to the support structure 23 via rivet pins 27. Through the housing, the coil wires 11 are guided for connection to the stamped grid.
  • a U-shaped tube 24 can be injected or poured into the support structures 6, 19 for the purpose of guiding water.
  • This can also consist of a specially adapted to the carrier profile.
  • the advantage of the tube is in addition to the saving of the lid is that no special measures to the encapsulation must be made to seal.
  • 6b support structure with water channel top and bottom

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einem Außenrotor (2a) und einem Innenrotor (2b), wobei der Erregerspulen (5) tragende Stator hohlzylindrisch ausgebildet ist und in den topfförmig ausgebildeten Außenrotor (2a) eingreift und stirnseitig mit dem Gehäuse oder einem mit dem Gehäuse fest verbundenen Teil (1) des Elektromotors verbunden ist, wobei der Elektromotor eine Wasser- und eine Luftkühlung aufweist.

Description

Bezeichnung
Doppelrotormotor mit Wärmeableitung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Doppelrotormotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Bei leistungsstarken elektrischen Maschinen besteht das Problem der Wärmeableitung der Verlustleistung aus den Erregerspulen. Bekannt ist, das bei Generatoren ein zentrales Lüfterrad vorgesehen ist und zur Luftkühlung dient. Auch sind Generatoren mit Wasserkühlung im Statorge- häuse bekannt. Beides ist im Bosch Taschenbuch (Welche Auflage, ISBN-Nr.) beschrieben.
Eine Kühlung durch Konvektion oder Wärmeableitung über die Genera- torhalterung reicht in der Regel nicht aus.
Bei noch leistungsstärkeren elektrischen Maschinen, wie z. B. Motoren für bei Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, wird zur Wärmeabfuhr eine Wasserkühlung verwendet, bei der entsprechende Wasserkreisläufe im Gehäuse vorgesehen sind. Diese sogenannte Abwärme wird auch für die Fahrzeugheizung verwendet.
Aus der WO 2004/004098 ist ein Doppelrotormotor bekannt, bei dem ein Lüfterflügel an der dem Gehäuse zugewandten Stirnseite des Rotors angeordnet ist. Diese Lüfterflügel erzeugen keine gezielte Luftströmung. Anscheinend reicht für die nicht gerichtete Luftströmung für die Waschmaschinenanwendung, für die der in der WO 2004/004098 offenbarte Motor vorgesehen ist, aus.
Aufgabe und Ausführung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Doppelrotormotors mit einer guten Wärmeableitung, so dass der Motor für höhere Leistungen ausgelegt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Motor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich durch die Merkmale der Unteransprüche.
Es ist bekannt, dass der Wirkungsgrad u. a. stark von der Verlustleistung der Erregerspule und auch dem Temperaturniveau, d. h. Wärmeableitung, abhängig ist. Z. B. entspricht eine Temperaturerhöhung von 50° eine Er- höhung der Spulenverlustleistung um 20 %. Daher werden, insbesondere für elektrische Maschinen hoher Leistung, Lösungen benötigt durch die eine Wärmeabfuhr am möglichst physikalischen Optimum erfolgt.
Bei Doppelrotormotoren ergibt sich das Problem, dass die Erregerspule mit Joch freitragend ist, und nur über die dem Gehäuse zugewandte Seite bzw. Fläche der Erregerspulen eine gute Wärmeableitung zum Gehäuse hin möglicht ist. Für alle übrigen fünf Flächen der Erregerspulen bleibt nur die Möglichkeit der Konvektion, bei der ein starkes Wärmegefälle und auch ein Wärmestau die Folge ist.
Die Erfindung schlägt zur Lösung des Problems vor, dass entweder eine gezielte Luftströmung über mehrere Luftflügel oder Lüfter erzeugt wird oder zusätzlich eine Wasserkühlung im Gehäuse vorgesehen ist. Am wirksamsten sind Wasserkanäle, welche die Spule umfassen und mit Kanälen im Gehäuse verbunden sind. Hierbei sind verschiedene Ausführungen möglich. Die Lüftungs und Wasserkanäle sind besonders einfach und kostengünstig zu realisieren, wenn diese entweder in die Trägerstrukturen zwischen den Erregerspulen eingegossen oder vorzugsweise eingespritzt werden. Zur Herstellung und Abdichtung dieser Kanäle kann die Trägerstruktur außen mittels eines Deckels verschlossen werden. Hierdurch wird der Hinlaufkanal mit dem Rücklaufkanal verbunden. Dieser Deckel erhöht vorteilhaft zudem die Steifigkeit der Trägerstruktur und kann optional noch mit einer Außenverstärkung, wie z.B. Rippen oder Verstärkungselementen, verstärkt werden. Auf den Deckel kann verzichtet werden, wenn ein u-förmiges Rohr oder Profil eingegossen oder eingespritzt wird.
Auch das elektrische Steuergerät benötigt eine gute Wärmeabfuhr. Vorzugsweise wird das Steuergerät mit dem mit Wasserkühlung gekühlten Gehäuse, wärmeleitend verbunden.
Nachfolgend werden anhand von Zeichnungen verschiedene mögliche Ausführungsformen näher erläutert.
Es zeigen :
Fig. 1: Zeigt den Grundaufbau des Doppelrotormotors mit Luft- und Wasserkühlung;
Fig. 2: zeigt die Joche mit Erregerspulen sowie in den Doppel-T-Trägern integrierte Wasserkanäle;
Fig. 2a: zeigt den Zu- und Ablauf der Wasserkanäle;
Fig. 3: zeigt eine erweiterte T-Trägerstruktur mit Wasserkanälen oben und unten;
Fig. 3a: eine alternative Form des Zu- und Ablaufs des Kühlwassers. Die Figur 1 zeigt den Grundaufbau eines Doppelrotormotors mit Gehäuse 1, Lagerung 10, der Rotorwelle 9, Flansch 8 und Doppelrotor 2, welcher Permanentmagnete 3 aufweist. Im Gehäuse 1 ist eine Trägerstruktur 6 eingespritzt, welche auch Joch 4 und Erregerspule 5 umschließt. Die Trägerstruktur 6 erstreckt sich in radialer und axialer Richtung zwischen jeweils zwei benachbarten Jochen 4 und Erregerspulen 5 und ist in Ausnehmungen des Gehäuses 1 verankert. Die Verankerung entsteht beim Spritzvorgang, wobei sich die Spritzgußmasse in die Ausnehmungen und um die Joche und Erregerspulen ergießt.
Ein Teil des Schnitt durch den Motor ist in den Figuren 2 und 3 gezeigt. Die Spule 5 ist in bekannter Technik über Spulendraht 11 mit einem Stanzgitter 12 verbunden, an welches alle Spulendrähte kontaktiert sind. Ein Anschlusspin führt zur Leiterplatte 17 der ECU. Im Gehäuse sind Wasserka- näle vorgesehen, die im folgenden detaillierter beschrieben werden.
Die Figur 1 zeigt die Luftführung zur Kühlung der Erregerspule. Luftstrom Ll wird von einem mit dem Rotor 2, 2a, 2b verbundenen Lüfterrad 8 erzeugt, dessen Luftstrom durch Aussparungen 7 und Verrippungen, zur Vergrößerung der Oberfläche, geführt ist, und die Stirnseite der Erreger- spulen 5 kühlt. Zwei weitere Luftströme L2 und L3 werden durch Flügel 14 zwischen den Magneten 3 des Aussen- und Innenrotors 2a, 2b erzeugt und führen die Kühlluft an den Aussenpolen 4a, 4b der Joche 4 mit darunterliegenden Erregerspulen 5 vorbei. Die Wärme der mit dem Gehäuse 1 verbundenen Erregerspulen 5 wird direkt in das Gehäuse 1 abgeleitet und über dessen Kühlwasserkanal 25 nach außen geführt. Damit wird von der gesamten Oberfläche der Spule 5 Wärme abgeführt.
Auch der Leistungsteil der Motor ECU benötigt Kühlung. Es bietet sich an, das wassergekühlte Gehäuse zu nutzen, in dem vorzugsweise der Leistungsteil auf Steg 18 des Gehäuses 1 aufgeschraubt wird. Dieser Steg befindet sich vorzugsweise in unmittelbarer Nähe des kühleren Zulaufkanals. Die Figur 2 zeigt eine weitere sehr wirksame Lösung zur Wärmeabfuhr. Hier ist in der Trägerstruktur 6 der Joche 4 ein Wasserkanal 20 vorgesehen, der über 20a das Wasser zuführt und über 20b abführt. Die Seitenansicht dieser Ausführungsforrn ist in Figur 2a dargestellt. Sie zeigt die Einströ- mung in die Trägerstruktur 6, welche in das Gehäuse 1 direkt eingespritzt oder gegossen ist. Zur Weiterführung des Kühlwassers in die benachbarte Trägerstruktur 6 dient ein Deckel 21 mit Dichtung 22. Dieser Deckel 21 kann zugleich als Aussenverstärkung mit zusätzlicher Struktur zur Luftkühlung, entsprechend Figur 1, dienen.
In Figur 3 sind die Wasserkanäle 20a, 20b oben und unten in einer Ring- träg erstruktur 23, 24 angeordnet. Diese umschließt beide Jochzähne 4 und zeichnet sich durch besondere Steifheit sowohl in tangentialer Richtung als auch radialer Richtung aus. In Figur 3a ist eine Seitenansicht der Zuführung aus dem Wasserkanal 20a und Ableitung in Kanal 20b gezeigt. Das Ge- häuse 1 muss hierfür zweiteilig die Gehäuseteile Ia und Ib aufweisen. Da Druckwasser verwendet wird, müssen die Kanäle 20a, 20b abgedichtet werden. Aus demselben Grund ist der Deckel 21 über Nietzapfen 27 mit der Trägerstruktur 23 verbunden. Durch das Gehäuse werden die Spulendrähte 11 zum Anschluss an das Stanzgitter geführt. Zur Vermeidung des Deckels 21 kann auch ein u-förmiges Rohr 24 zur Wasserführung in die Trägerstrukturen 6, 19 eingespritzt oder gegossen werden. Dieses kann auch aus einem speziell dem Träger angepassten Profil bestehen. Der Vorteil des Rohres besteht neben der Einsparung des Deckels darin, dass an die Umspritzung keine besonderen Maßnahmen zur Dichtheit gestellt werden müssen.
Die Ausführungen zeigen, dass mit geringem Aufwand eine gute Wärmeleitung sowohl über Luft- oder Wasserkühlung oder beides zusätzlich erreicht werden kann. Damit ist die Basis vorhanden für einen ungewöhnlichen kompakten Motor mit hoher Leistung und sehr guten Wirkungsgra- den. Bezuαszeichenliste:
1 Gehäuse
Ia Außengehäuse
IU Innengehäuse
2 Doppelrotor
3 Permanentmagnete
4 Joch
5 Erregerspule
6 Trägerstruktur
6a Trägerstruktur mit Wasserkanal in der Mitte
6b Trägerstruktur mit Wasserkanal oben und unten
6c Außenverstärkung
7 Aussparungen für Luftströmung
8 Rotorflansch
9 Rotorwelle
10 Wellenlager
11 Spulendraht
12 Stanzgitter
13 Anschlusspin
14 Lüfterflügel zwischen den Magneten
15 Lüfterflügel am Innenrotor
16 ECV Gehäuse
17 Leiterplatte
18 Wärmeableitung von Leiterplatte bzw. Powerteil zu Gehäuse
19a Doppel-T-Träger innen
20a Wasserkanal Eingang
20b Wasserkanal Ausgang
21 Deckel und Aussenverstärkung
22 Dichtung
23 Ringträgerstruktur
24 Rohr
25 Wasserkanal im Gehäuse
26 Lüfterrad
27 Niet
Ll Luftstrom 1
L2 Luftstrom 2
L3 Luftstrom 3

Claims

P a te n ta n s p r ü c h e
1. Elektromotor mit einem Außenrotor (2a) und einem Innenrotor (2b), wobei der Erregerspulen (5) tragende Stator hohlzylindrisch ausgebildet ist und in den topfförmig ausgebildeten Außenrotor (2a) eingreift und stirnseitig mit dem Gehäuse oder einem mit dem Gehäuse fest verbundenen Teil (1) des Elektromotors verbunden ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Elektromotor eine Wasser- und eine Luftkühlung aufweist.
2. Elektromotor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Elektromotor mindestens ein Lüfterrad oder Lüfterflügel aufweist, die insbesondere am Rotor (20) angeordnet sind.
3. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Wasserkühlung die Erregerspulen (5) und/oder das Gehäuse (1) kühlt.
4. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen den die Erregerspulen (5) aufweisenden Joche (4) Träger (6, 19), insbesondere mit Doppel-T-Förmigen Querschnitt, angeordnet sind, die mindestens einen Kanal für die Wasserkühlung aufweisen.
5. Elektromotor nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Träger (6, 19) jeweils im Bereich zwischen benachbarten Polschuhen (4a, 4b) der Joche (4) mindestens einen Kanal (20a, 20b) aufweisen.
6. Elektromotor nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kühlkanäle durch einen Vergussprozess oder Spritzgussprozess durch entsprechende Gestaltung des Werkzeuges oder Einiegeteiie irn Werkzeug erstellt werden.
7. Elektromotor nach Anspruch 5oder θ d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass jeder Träger (6, 19) einen Hinlaufund einen Rücklaufkanal (20a, 20b) aufweist.
8. Elektromotor nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Hinlaufkanal (20a) über einen Verbin- dungskanal (26) miteinander in Verbindung sind.
9. Elektromotor nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Verbindungskanal (26) mittels eines gebogenen Rohres oder Schlauches gebildet ist.
10. Elektromotor nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t , dass der Verbindungskanal (26) mittels eines am
Stator angeordneten Deckel (21), insbesondere vom Stator und dem Deckel (21) gebildet ist.
11. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Gehäuse Kanäle (25) aufweist, die vom Wasser der Wasserkühlung durchströmt sind.
12. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Steuerungseinheit (ECU) im oder am gekühlten Gehäuse angeordnet, , insbesondere integriert ist.
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