CN105026000A - 具有冷却装置的电机及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机(1)及其制造方法，该电机具有壳体(2)以及容纳在壳体处的定子(3)和至少一个布置在定子(3)径向内部的转子(4)、至少一个径向在外地包围定子(3)的软磁体(5)的塑料体(7)以及在定子(3)与壳体(2)之间的冷却装置(10)。为了改进冷却装置(10)，在壳体(2)与定子(3)之间引入至少部分在塑料体(7)的外周边中的、引导冷却介质的至少一个凹部(11)。

Description

具有冷却装置的电机及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种电机及其制造方法，该电机具有壳体、容纳在壳体处的定子和至少一个布置在定子径向内部的转子以及至少径向在外地包围定子的软磁芯的塑料体和在定子与壳体之间的冷却装置。

背景技术

例如机动车辆的驱动器中的电动机和/或发电机形式的电机在相应的构造方式中具有带软磁芯的定子、在定子中或在定子之间卷绕的由铜线材或铜棒材制成的绕组以及以能扭转的方式布置在定子中的转子。在线圈通电时，线圈除了将电能转变为机械能以及将机械能转变为电能之外还产生热能，其可以作为热负荷导致构件中的温度提升并且由此导致电机损坏并且导致电机效率减小。特别是在混合驱动的情况下，这可以导致电机性能受限。因此，尤其是提出了一种具有冷却液体的冷却装置，该冷却液体通过对流或传导或它们的组合将在定子上产生的损耗热量导出。在最简单的情况下，整个电机封装在壳体中并且冷却液体环流过定子和转子。在这种情况下，出现了转动的转子的搅动损耗，从而如在DE 101 22 425 A1中示出的那样，冷却装置借助冷却液体朝向定子限界。此外，在壳体中设置有沿着定子并排布置的凹部、如沟纹或凹槽，它们通过片材套筒径向向内封闭并且相对彼此密封。通过这些沟纹，从外部导入或导出冷却介质。这种冷却装置的制造是非常耗费的，这是因为必须设置冷却套的带沟纹的附加套筒，或者必须给壳体的内周边设置相应的沟纹。备选地，将由金属制成的冷却套置入定子芯与壳体之间，其中，冷却套在外周侧面中具有凹部，其与壳体共同形成冷却通道。这类冷却套的制造和装配是非常耗费的，并且在冷却套与定子之间由于表面粗糙度而出现了很多小空腔，它们使传热阻力提高。

发明内容

因此，本发明的任务是通过冷却装置的简单且成本低廉的构造以有利的方式改进电机，并且提出其制造方法。此外，还应当提出具有改进的冷却效果的冷却装置。

该任务通过权利要求1的主题以及权利要求10的方法的特征来解决。引用这些权利要求的从属权利要求描述了有利的实施方式。

所提出的电机包含壳体和容纳在壳体处的定子以及布置在定子径向内部的转子。在定子中设置有软磁芯和绕组，用以产生电磁场。绕组可以是由线材或在端侧彼此连接的棒材(优选由铜制成)形成，并且在端侧具有绕组端部。至少是软磁芯以及优选还有绕组端部径向向外相对壳体借助至少一个塑料体密封。至少一个塑料体可以多件式地由一种或多种塑料构成。此外，塑料体还可以一件式地由多种塑料制造。塑料体可以借助注塑成型方法、借助半成品材料去除式地或者由灌封材料形成。这些方法的混合方式也是可行的。以特别有利的方式，注塑成型的塑料体可以通过如下方式直接喷射在定子上，即，定子在注塑成型模具中充当插入件并且塑料体在注塑成型方法中与定子连接。冷却装置形成在塑料体与壳体之间并且具有至少一个冷却通道，冷却液体(优选水)流过该冷却通道。至少一个冷却通道至少部分构造在塑料体中。优选地，冷却通道的制造脱模地在注塑成型方法期间或在灌封材料硬化时进行。在这种情况下，以有利方式实现了冷却剂与定子芯之间的微小的壁厚，以及也有利地实现了至少一个绕组端部。在包封或喷射塑料体时，在很大程度上避免了定子与冷却装置之间的小空腔。结合使用通过填充材料而良好导热的塑料，可以实现在产生热量的定子构件与冷却剂之间的低热阻。除了用于定子的以流体方式冷却的冷却装置之外，还可以设置额外的用于转子的空气或液体冷却。

为了形成至少一个冷却通道，可以在塑料体的外周边设置径向向外敞开的凹部，如凹槽、沟纹或类似物，其借助壳体的光滑的内周面封闭。以这种方式，壳体的内周面可以基本上平坦地构造，而凹部的成型部分以简单方式设置在塑料体的外周边上，从而可以取消用于形成壳体与塑料体(例如灌封材料)之间的冷却装置的其他构件。为此，特别有利的是，凹部的制造及其成型在定子或软磁芯和绕组端部灌封期间一起进行。特别是为了改进冷却装置的导热性，可以将预制的、由于混杂物而具有高传导性并且设置有凹部的塑料体一起利用灌封材料进行灌封。这种单独预制的塑料体优选布置在绕组端部附近并且改进导入冷却剂的热流。

凹部的横截面可以在没有侧凹的情况下，例如半圆地，向外扩宽地锥状地或以类似方式设置。有利地，在喷射冷却通道形状时以微小的额外耗费在注塑成型模具中制造出波浪式的冷却通道底部。因此，可以用简单方式增大冷却套与冷却剂的接触面。由此，还可以减小导热的塑料与冷却剂之间的传导阻力。

凹部可以围绕转子的转动轴线螺旋状地构造在塑料体的外周边上，其中，相邻的凹部区段的间距选择为如下大小，即，使在内周面与凹部区段间的中间面之间的间隙处的液体交换可以保持得忽略不计。特别是在冷却剂的高压的情况下，在塑料体与壳体的接触面之间可以设置密封的中间层。这种中间层以有利方式由弹性材料构成，该弹性材料在其特性方面与塑料材料的材料不同，例如更有弹性地构造，并且优选在双组分注塑成型方法中与塑料体连接，从而获得了塑料体与壳体之间牢固且密封的连接。

定子相对于壳体的扭矩支撑有利地不是经由塑料体，而是通过“扭矩支撑元件”，例如借助形状锁合(Formschluss)来进行。由此，塑料体可以在很小的结构空间中薄壁地实施并且实施有弹性层。

如果设置有多个、例如关于转子转动轴线并排地布置的冷却通道，那么并排设置有相应更多的螺旋线，例如两个或多个螺旋状布置的凹部。此外，为了在几何结构上相同的位置处共同供应和排出冷却剂，可以在定子的同一端侧端部上设置凹部的出口和入口。在此，凹部优选在相反的端侧端部的区域中具有反转点。此外，可以设置沿轴向构造在两个半壳中的冷却通道。在这种情况下，冷却介质可以在一个半壳中沿一个方向运送，而冷却剂在另一个半壳中沿相反的方向运送回来。显然，本发明包括在壳体的同一侧上的其他有利的冷却通道引导部，特别是用于构造接口。

此外，可以有利的是，至少一个凹部在端侧，例如借助环形密封件相对壳体密封。为此，塑料体可以设有在凹部与壳体端面之间的足够的间距，并且/或者设有带壳体与凹部之间的环形密封件的例如环状的不通槽(Blindnut)，以便防止冷却液体流出到转子腔中。备选地，冷却作用特别是在构建得很短的电机中通过如下方式被提高，即，使冷却通道在至少一个端侧上扩宽。为了径向向内密封冷却装置，沿径向在塑料体与壳体之间或定子与壳体之间的冷却通道内部可以设置环形密封件，例如O形环。

电机可以作为驱动马达和/或发电机直接设置在机动车辆的混合驱动或纯电动驱动的动力总成中。

在提出的用于制造前述电机的方法中，至少一个冷却通道通过引入塑料体中的凹部和光滑的、将凹部径向向外封闭的壳体内周面来制造。壳体可以例如由铝或轻金属合金以连铸或压铸方法来制造，并且为了构造出内周面以切削的方式进行加工。由此，通过将内周面构造为光滑的表面，可以实现特别简单的制造。在特殊的情况下，壳体或部分壳体可以利用脱模的内周面来制造。例如，带脱模的内周面的片材套筒可以牢固地装入壳体的在制造过程之后基本上未经加工的开口中。为了扭矩支撑，可以在软磁体的周侧面上构造出轴向延伸的沟纹，销钉形式的扭矩支撑元件嵌入该沟纹中。扭矩支撑元件又例如借助壳体的形成形状锁合的部件(例如借助壳体护板)锚固。

凹部可以在相应的用于制造电机的方法中以材料去除的方式引入例如借助注塑成型方法或以切削方式由半成品制成的塑料体中。以特别有利的方式，凹部可以在制造期间借助塑料体的确定形状的模具，例如在注塑成型或灌封方法期间优选脱模地构造。

根据本发明，通过如下方式特别是获得了简单的设计方案和改进的冷却效率的优点，即，通过将灌封件与冷却装置联接可以取消要耗费地制造的构件，并且冷却装置的凹部部分以(注塑成型)浇注方法来制造。使用的灌封材料在此高导热性地构造。该灌封材料直接在成型过程中成型为具有处在中间的冷却片的凹部结构，这些冷却片于是在直接与冷却介质接触的情况下导出热损耗。

在高成本效益的同时实现热导出的进一步改进可以通过在多级成型过程中将两种或多种能导热的塑料相结合来实现。这可以例如通过浸渍定子的线圈绕组的方式通过后续的包封或者在多组分注塑成型中的包封来实现。

在此，借助良好导热并且电绝缘的塑料确保了线圈绕组的电导线的直接的电绝缘和机械固定。为此，由于所要求的高流动性，优选可以设置具有高的金属氧化物或氮化物填充度(例如分别单独地或组合地在10％至80％之间的例如氧化铝或氮化硼)的热固性材料。与冷却介质的热连接以及凹部和/或冷却片的构造可以在第二步骤中借助其他材料进行。其可以借助成本低廉的、高导热性但不再强制性电绝缘的填充材料改性。这种材料在此可以具有热固性的和热塑性的基材，并且优选含有导热和导电的添加材料的高填充度，例如10％至80％份额的金属粉末(例如铝粉末)或石墨粉末。

从软磁芯(例如片材组)伸出的绕组端部优选在利用高导热性的最终灌封材料包封之前就已经成型，并且因此获得了限定的尺寸。优选地，绕组端部成型在引入绝缘塑料之后立即进行，其中，其硬化有利于绕组端部形状的稳定。有利地，在以这种方式设计的绕组端部和软磁芯上随后可以薄地施加均衡机械应力的中间层。这优选通过浸入静电加载的粉末浴中进行或者通过喷涂进行。在此，定子通过弹性柱体在气隙面处固定，从而使气隙面保持不被污染，特别是保持没有塑料。

均衡应力的中间层优选非常薄，例如在0.1mm至0.3mm之间，并且优选同样含有导热的填充材料。

根据一种有利的实施方案，为了构造出冷却装置，凹部的表面在至少一个塑料体中直接在灌封过程中产生，或者借助无切削的制造方法直接引入灌封材料中。灌封材料在此具有改进的导热性以及相应的耐温性和耐介质性。为了确保灌封材料和带绕组、软磁芯以及可能的其他组成部分的线圈体的持久连接，设置匹配的长度-温度系数以及可能的均衡应力的中间层。灌封件还可以仅为凹部的横截面的一部分，从而以有利的方式构造出相对封闭凹部横截面的壳体部分的针对冷却介质密封的连接。为了确保可靠的密封，优选选择以下材料，这些材料在其预先给定尺寸和公差的影响、例如膨胀和温度变化方面彼此协调。备选地，在壳体与塑料体之间的密封可以借助额外的密封环来设置。对力的支撑可以经由灌封件周侧面在壳体中的过盈配合进行，或者可以经由专门成型/设置的单独的紧固元件进行。

在凹槽腔中处在绕组端部内部的第一塑料材料具有优选电绝缘且导热的填充材料。

围绕外定子芯面并且围绕绕组端部可以设置带导电且导热的填充材料的第二塑料材料。导电且导热改性的塑料的优点是，在更小的填充材料成本下，其具有比电绝缘材料更高的导热性。

综上所述，所提出的冷却装置的有利构造的实施例可以同时实现冷却效率的改进和成本优化。作为对此的备选或附加，下列设计特点也可以是有利的：

与(例如前面作为现有技术实施的)传统的冷却套相比，冷却介质与软磁体或绕组端部之间的间距可以实施得小很多。与金属的、单独切削实施的冷却通道相比，在注塑成型方法中可以设置小很多的壁厚。这种更小的壁厚一方面避免了热阻，并且另一方面需要很小的塑料体结构空间，或者定子可以在预先给定的结构空间下更大地并且因此更有效率地构造。

在直接喷射塑料体，例如塑料冷却套的情况下，可以获得与软磁体的粗糙周侧面的整面的接触，从而在定子与塑料体之间的热阻可以保持得很小。而在根据现有技术的过盈装配(Pressverband)的情况下，在冷却套与定子芯之间的空腔提高了这种热阻。

在借助注塑成型方法构造有利的冷却通道形状的情况下，可以用很小的额外耗费以注塑成型模具制造出较高的表面的复杂结构，例如波浪式的实施方案。因此，可以用简单的方式增大冷却套与冷却剂的接触面。由此，也可以减小导热的塑料与冷却剂之间的这种传导阻力。

附图说明

参考唯一的附图来详细阐述本发明。该附图以在电机转子的转动轴线附近的纵剖面图示出了电机的实施例。在该附图中仅示出了电机的关于转动轴线的上部分。

具体实施方式

唯一的附图以部分剖面图示出电机1，其具有壳体2、固定地容纳在其中的定子3以及能围绕转动轴线x扭转的转子4。定子由软磁芯5和容纳在其中的绕组形成，该绕组具有绕组端部6。塑料体7在壳体2的方向上密封定子3。在驱动轴8与转子4之间布置有摩擦离合器9，其布置在转子4的径向轴向内部。

在壳体2与定子3之间设置有冷却装置10。其通过作为凹部11引入塑料体中的冷却通道12形成。导出定子的热损耗热量的冷却介质被引导到该冷却通道中。凹部11沿着转动轴线x螺旋状地布置在塑料体7的外周边上，并且基本上覆盖定子3的整个轴向宽度。为了在塑料体7以简化的方式制造出凹部11，例如以材料去除的方式、在注塑成型方法中或在灌封定子3期间，将该凹部径向向外敞开地构造，并且随后在壳体2中拼接定子3时，将该凹部借助为了在壳体2中引入定子3而设置的开口14的内周面13封闭。内周面13相应地光滑地构造，也就是说以微小的粗糙度构造，用以形成塑料体7的接触面21在凹部11的两个区段之间的充分密封。在接触面21上和/或在内周面13上可以设置有用于改进密封的中间层。

在所示实施例中，在塑料体7的端侧端部17的区域中并排地布置有两个用于供应和排出冷却介质的接口15、16，从而凹部11在相反的端侧端部18上具有反转点19。塑料体7的端侧端部18使冷却装置10相对壳体2的止挡部20密封。所示实施例示出了混合驱动器的电机1并且被设置成用于安装在内燃机与变速器之间，从而使敞开的端侧端部17相对内燃机或变速器的壳体密封。

附图标记列表

1      电机

2      壳体

3      定子

4      转子

5      软磁芯

6      绕组端部

7      塑料体

8      驱动轴

9      摩擦离合器

10     冷却装置

11     凹部

12     冷却通道

13     内周面

14     开口

15     接口

16     接口

17     端侧端部

18     端侧端部

19     反转点

20     止挡部

21     接触面

x      转动轴线

Claims (10)

1.一种电机(1)，所述电机具有壳体(2)和容纳在所述壳体处的定子(3)、布置在所述定子(3)径向内部的转子(4)以及在定子(3)与壳体(2)之间的冷却装置(10)，其特征在于，至少一个塑料体(7)径向在外地包围所述定子(3)的软磁芯(5)，其中，所述冷却装置(10)的引导冷却介质的至少一个凹部(11)至少部分地引入所述至少一个塑料体(7)的外周侧面中。

2.根据权利要求1所述的电机(1)，其特征在于，所述至少一个塑料体(7)由用于灌封所述软磁芯(5)和绕组端部(6)的灌封材料制成，并且/或者由切削加工的和/或注塑成型的材料制成。

3.根据权利要求2所述的电机(1)，其特征在于，围绕由绕组和软磁芯(5)形成的定子体布置有电绝缘且设有导热的填充材料的第一塑料，并且所述至少一个凹部在由导电且导热的第二塑料制成的主体内部形成。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的电机(1)，其特征在于，在所述软磁芯(5)与所述至少一个塑料体(7)之间的接触面上设置有中间层。

5.根据权利要求3或4所述的电机(1)，其特征在于，包含在所述第一塑料中的填充材料是金属氧化物和/或氮化物。

6.根据权利要求3至5中任意一项所述的电机(1)，其特征在于，包含在所述第二塑料中的填充材料是金属粉末和/或石墨粉末。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的电机(1)，其特征在于，所述至少一个凹部(11)围绕所述转子(4)的转动轴线(x)以螺旋状环绕地设置在所述塑料体(7)中。

8.根据权利要求1至6中任意一项所述的电机(1)，其特征在于，所述至少一个凹部(11)的出口和入口布置在所述塑料体(7)的同一端侧端部(17)上，并且所述至少一个凹部(11)在相反的端侧端部(18)上具有反转点(19)。

9.根据权利要求2至6中任意一项所述的电机(1)，其特征在于，所述至少一个凹部(11)在至少一个端侧上扩宽。

10.一种用于制造根据权利要求1至9中任意一项所述的电机(1)的方法，其特征在于，冷却装置通过至少在所述至少一个塑料体(7)的外周边中引入的至少一个凹部(11)以及所述壳体(2)的光滑的、将所述至少一个凹部(11)径向向外封闭的内周面(13)来制造。