DE102010056430A1

DE102010056430A1 - Elektromotor

Info

Publication number: DE102010056430A1
Application number: DE102010056430A
Authority: DE
Inventors: James Ching Sik N.T. Lau; Xiao Jun N.T. Yang; Chun Kei N.T. Yu
Original assignee: Johnson Electric SA
Current assignee: Johnson Electric International AG
Priority date: 2009-12-29
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2011-06-30
Also published as: BRPI1005464A2; JP2011155831A; JP2011139631A; US8593022B2; DE102010056315A1; CN102111037A; JP5762012B2; JP5918468B2; US20110156511A1; US8471430B2; US20110156526A1; CN102111053B; CN102111037B; CN102111053A; BRPI1010376A2

Abstract

Ein Elektromotor hat einen Ständer und einen in dem Ständer drehbar befestigten Läufer. Der Läufer hat eine Welle und ein Gebläse ist an der Welle befestigt. Eine Luftführungsstruktur mit einem axialen Erstreckungsbereich ist an einem Ende des Ständers benachbart zu dem Gebläse angeordnet. Der Zwischenraum zwischen dem axialen Erstreckungsbereich und dem Gebläse in der axialen und/oder radialen Richtung des Motors ist eng, um Luftverwirbelungen, die durch von dem Auslass des Gebläses zu dem Einlass des Gebläses durch den Zwischenraum fließende Luft gebildet werden, zu verringern. Vorzugsweise ist die Breite des Zwischenraumes größer als 0,05 mm und kleiner als 2,0 mm. Die Kühleffizienz des Gebläses ist vergrößert und die Leistung des Motors ist verbessert.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft einen Elektromotor und insbesondere einen kleinen Elektromotor mit einem Kühlgebläse.
Hintergrund der Erfindung
Grundsätzlich umfassen kleine Elektromotoren, wie beispielsweise Permanentmagnetgleichstrommotoren (englisch: permanent magnet direct current, PMDC) und elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren einen Ständer und einen in den Ständer eingebauten Läufer. Zwei Endabdeckungen sind an den axialen Enden des Ständers angeordnet. Die beiden Endabdeckungen haben Lager, in denen die Welle eingesetzt ist. Um Hitze von dem Motor zu entfernen ist ein Gebläse an der Welle fixiert und an der inneren Seite einer der Endabdeckungen zwischen dem Ständerkern und der Endabdeckung angeordnet.
Beim Vergrößern der Motorkraft bei gleichzeitiger Verringerung der physikalischen Größe des Motors wird jedoch das Problem der Hitzeableitung immer bedeutender.
Daher besteht ein Bedürfnis nach einem Elektromotor mit verbesserter Kühlung.
Darstellung der Erfindung
Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung in einem Aspekt davon einen Elektromotor, umfassend: einen Ständer; einen in dem Ständer drehbar befestigten Läufer mit einer Welle; ein an der Welle befestigtes Gebläse, wobei das Gebläse einen Einlass und einen Auslass hat; wobei eine Luftführungsstruktur mit einem axialen Erstreckungsbereich an einem Ende des Ständers benachbart zu dem Gebläse angeordnet ist; und wobei ein Zwischenraum zwischen dem axialen Erstreckungsbereich und dem Gebläse gebildet ist, wobei der Zwischenraum eine Breite hat, die genügend eng ist, um einen Luftfluss von dem Auslass des Gebläses zu dem Einlass des Gebläses durch den Zwischenraum zu beschränken.
Vorzugsweise ist die Breite des Zwischenraumes größer als 0,05 mm und kleiner als 2,0 mm.
Vorzugsweise umfasst der Ständer weiter einen Ständerkern, Wicklungen, die um den Ständerkern gewickelt sind, und einen Endbeschirmer zum Isolieren des Kernes von den Wicklungen, wobei der Endbeschirmer integral mit dem axialen Erstreckungsbereich der Luftführungsstruktur gebildet ist.
Vorzugsweise umfasst der Ständer weiter einen Ständerkern, Wicklungen, die um den Ständerkern gewickelt sind, und einen Endbeschirmer zum Isolieren des Kernes von den Wicklungen, und wobei der Endbeschirmer weiter einen Endbereich umfasst, der sich radial erstreckt und wenigstens teilweise ein axiales Ende von Zähnen des Ständerkernes bedeckt.
Vorzugsweise umfasst der Ständer zwei Endabdeckungen, die an axialen Enden davon angeordnet sind, und das Gebläse ist benachbart zu einer äußeren Seite von einer der beiden Endabdeckungen angeordnet.
Vorzugsweise umfasst der Ständer weiter einen Ständerkern und eine Mehrzahl von Verriegelungselementen, die sich durch das Innere des Ständerkernes zum Fixieren der beiden Endabdeckungen an dem Ständerkern erstrecken.
Vorzugsweise umfasst der Ständer zwei Endabdeckungen, die an axialen Enden davon angeordnet sind, und das Gebläse ist benachbart zu einer inneren Seite von einer der beiden Endabdeckungen angeordnet.
Vorzugsweise ist das Gebläse ein Zentrifugalgebläse, das an dem Ende des axialen Erstreckungsbereiches der Luftführungsstruktur angeordnet ist, und der Zwischenraum ist zwischen dem axialen Erstreckungsbereich und dem Gebläse in der axialen Richtung des Motors gebildet.
Vorzugsweise ist ein Ende des axialen Erstreckungsbereiches benachbart zu dem Gebläse trompetenförmig.
Vorzugsweise hat das Gebläse eine Mehrzahl von Flügeln und eine Abkantung ist an einem Ende der Flügel benachbart zu dem axialen Erstreckungsbereich der Luftführungsstruktur gebildet.
Vorzugsweise ist das Gebläse ein Axialgebläse, das benachbart zu einer inneren Seite des axialen Erstreckungsbereiches der Luftführungsstruktur angeordnet ist, und der Zwischenraum ist zwischen dem axialen Erstreckungsbereich und dem Gebläse in der radialen Richtung des Motor gebildet.
Vorzugsweise ist das Gebläse ein Axialgebläse, das an der äußeren Seite des Endes des axialen Erstreckungsbereiches der Luftführungsstruktur angeordnet ist, und der äußere Radius des Gebläses ist größer als der äußere Radius des axialen Erstreckungsbereiches der Luftführungsstruktur.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird im Folgenden nur exemplarisch mit Bezug auf die Figuren der beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Figuren sind identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Figur erscheinen, grundsätzlich mit einem gleichen Bezugszeichen in allen Figuren, in denen sie erscheinen, gekennzeichnet. Abmessungen von Bauteilen und Merkmalen, die in den Figuren gezeigt sind, sind grundsätzlich zur Übersichtlichkeit und Klarheit der Darstellung gewählt und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Die Figuren sind im Folgenden aufgelistet.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Motors gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine axiale Schnittansicht des Motors von 1;
3 ist eine perspektivische Ansicht einer Luftführungsstruktur, die ein Teil des Motors von 1 ist;
4 ist eine axiale Schnittansicht eines axialen Erstreckungsbereiches der Luftführungsstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine axiale Schnittansicht des axialen Erstreckungsbereiches der Luftführungsstruktur gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 bis 8 sind schematische axiale Schnittansichten des Gebläses bei verschiedenen Ausführungsformen;
9 und 10 sind schematische Ansichten von relativen Positionen zwischen einem Zentrifugaltypgebläse und der Luftführungsstruktur in verschiedenen Ausführungsformen;
11 und 12 sind schematische Ansichten von relativen Positionen zwischen einem Axialtypgebläse und der Luftführungsstruktur in verschiedenen Ausführungsformen; und
13 ist eine axiale Schnittansicht eines Motors gemäß einer anderen Ausführungsform.
Detailbeschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1, 2 und 3 zeigen einen Motor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Motor umfasst einen Ständer 10 und einen relativ zu dem Ständer drehbaren Läufer 40. Der Läufer 40 umfasst eine Welle 42. Ein Gebläse 44 ist an einem Ende der Welle 42 befestigt. Das Gebläse 44 ist an der axialen äußeren Seite der Endabdeckung 22 angeordnet.
Der Ständer 10 umfasst einen Ständerkern 12, der aus magnetisch permeablem Material wie beispielsweise Eisen gebildet ist, und Wicklungen 14. Der Ständerkern 12 umfasst ein Joch 16 und eine Mehrzahl von sich einwärts von dem Joch erstreckenden Zähnen. Die Wicklungen 14 sind um die Zähne gewickelt. Eine Mehrzahl von Schlitzen (nicht bezeichnet) sind axial in der äußeren Oberfläche des Joches 16 zum Vergrößern von Hitzeableitungsgebieten des Joches 16 gebildet.
Der Ständer 10 umfasst weiter zwei Endabdeckungen 20, 22 und eine Mehrzahl von Verriegelungselementen 24 zum Fixieren der Endabdeckungen 20, 22. Die Verriegelungselemente 24 erstrecken sich durch das Innere des Ständers.
Vorzugsweise erstrecken sich die Verriegelungselemente 24 durch entsprechende Schlitze, die zwischen benachbarten Zähnen an der inneren Seite des Joches 16 gebildet sind. Der Ständer 10 umfasst weiter zwei Endbeschirmer 26, 27, die entsprechend an den axialen Enden des Ständerkernes 12 angeordnet sind, um die Wicklungen vor den scharfen Kanten des Ständerkernes zu schützen und zum Isolieren des Ständerkernes 12 von den Wicklungen 14.
Jede Endabdeckung 20, 22 umfasst einen Endbereich 202, 222 zum Stützen einer Welle 42 des Läufers 40 und einen axialen Erstreckungsbereich 204, 224, der sich axial von dem Endbereich 202, 222 erstreckt. Die inneren Bereiche der beiden axialen Enden der Zähne des Ständerkernes sind relativ zu den anderen Bereichen der Zähne ausgenommen, sodass Stufen 19 gebildet sind. Die Enden der axialen Erstreckungsbereiche 204, 224 der Endabdeckungen 20, 22 grenzen an die Stufen 19, um die axialen Erstreckungsbereiche 204, 224 in der axialen und radialen Richtung zu positionieren. Optional können die Enden der axialen Erstreckungsbereiche 204, 224 radial durch die inneren zylindrischen Oberflächen der Endbeschirmer 26, 27 positioniert sein und axial durch die Enden der axialen Erstreckungsbereiche 204, 224 der Endabdeckungen 20, 22 positioniert sein, wenn die inneren zylindrischen Oberflächen der Endbeschirmer 26, 27 eine genügende Präzision haben.
Der Endbeschirmer 27, der dem Gebläse 44 benachbart ist, ist integral mit einer Luftführungsstruktur 28 gebildet. Der Endbeschirmer hat einen Endbereich 282 und einen axialen Erstreckungsbereich 284, der sich axial von der Außenseite des Endbereiches 282 erstreckt. Der Endbereich 282 umfasst verschiedene radiale Erstreckungsbereiche, die den Zähnen des Ständerkernes entsprechen. Die radialen Erstreckungsbereiche sind eng an einem axialen Ende der Zähne des Ständerkernes zum Isolieren der Wicklungen 14 von dem Kern angebracht. Der axiale Erstreckungsbereich 284, der die Luftführungsstruktur 28 bildet, ist rohrförmig und umringt den Außenbereich der Endabdeckung 22. Während der rohrförmige Bereich der Luftführungsstruktur vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt hat, sind andere Querschnittsformen wie beispielsweise elliptisch, quadratisch, rechteckig, usw. möglich, um mit der Form des Ständerkernes überein zu stimmen. Beispielsweise kann der axiale Erstreckungsbereich 284 rohrförmig mit einem quadratischen Querschnitt sein, wenn der Ständer quadratisch ist. Das Ende des axialen Erstreckungsbereiches 284, das von dem Endbereich 282 entfernt liegt, erstreckt sich auswärts in radialer Richtung, sodass ein ausgestelltes oder trompetenförmiges Ende gebildet wird.
Das Gebläse 44 ist ein Zentrifugalgebläse, das verschiedene sich auswärts in der radialen Richtung erstreckende Fahnen 46 aufweist. Die Fahnen 46 liegen der Luftführungsstruktur 28 gegenüber. Ein enger axialer Zwischenraum ist zwischen den Enden der Fahnen 46 und dem Ende es axialen Erstreckungsbereiches 284 der Luftführungsstruktur 28 gebildet. Vorzugsweise ist die Breite des Zwischenraumes größer als 0,05 mm und kleiner als 2,0 mm. Wenn der Motor in Betrieb ist, fließt ein Luftfluss, der durch das Gebläse 44 erzeugt worden ist, in die zwischen benachbarten Zähnen des Ständers gebildeten Schlitze und den Raum zwischen dem Ständer und dem Läufer, fließt dann von dem Ende des Motors benachbart zu dem Gebläse raus und durch den Luftflusskanal, der zwischen den Fahnen 46 des Gebläses 44 gebildet ist, um dabei den Läuferkern, Magneten (nicht gezeigt) und die Ständerwicklungen 14 zu kühlen. Alternativ kann die Luft in der Gegenrichtung fließen. Der enge axiale Zwischenraum, der zwischen den Enden der Fahnen 46 und dem Ende des axialen Erstreckungsbereiches 284 der Luftführungsstruktur 28 gebildet ist, kann die Luft daran hindern, von der Region mit höherem Druck an der Auslassseite des Gebläses 44 zu der Region mit niedrigerem Druck an der Einlassseite des Gebläses 44 zu fließen. Es muss ein Zwischenraum zwischen dem Gebläse und der Luftführungsstruktur vorhanden sein, um dem Gebläse eine Drehung ohne Berührung der Luftführung zu ermöglichen. Gewöhnlich gibt es jedoch eine beträchtliche Rückzirkulation oder Querfluss von Luft von dem Auslass des Gebläses zu dem Einlass des Gebläses, was das Volumen der durch den Motor fließenden Luft verringert. Durch Beschränkung dieses Querflusses von Luft wird mehr Luft durch den Motor gezogen. Daher ist die Kühleffizienz des Gebläses 44 vergrößert und die Leistung des Motors ist verbessert.
Optional kann die Luftführungsstruktur 28 separat von dem Endbeschirmer 27 gebildet sein und einen axialen Endbereich, der sich radial erstreckt, und einen axialen Erstreckungsbereich, der sich axial von der Umgebung des axialen Endbereiches erstreckt, umfassen. Der axiale Endbereich ist an dem Endbeschirmer angebracht.
Das trompetenförmige Ende der Luftführungsstruktur 28 kann auch durch Mittel wie beispielsweise Abschneiden der inneren Oberfläche des Endes des axialen Erstreckungsbereiches 284 der Luftführungsstruktur 28 zu einer Abkantungskonfiguration gebildet sein, die eine konvexe, konkave oder gerade Oberfläche sein kann, wie in 4 und 5 gezeigt. Das trompetenförmige Ende, das in der Luftführungsstruktur 28 gebildet ist, kann bei der Verringerung der Erzeugung von Luftverwirbelungen helfen.
Die Enden der Fahnen 46 des Gebläses 44, die benachbart zu dem axialen Erstreckungsbereich 284 der Luftführungsstruktur 28 sind, können auch in einer Abkantungsstruktur geschnitten sein, die eine gerade, konvexe oder konkave Oberfläche sein kann, wie in 6 bis 8 gezeigt.
Das Gebläse 44 und die Luftführungsstruktur 28 können verschiedene Befestigungspositionen haben. Beispielsweise kann das Gebläse 44 komplett außerhalb des axialen Erstreckungsbereiches 284 der Luftführungsstruktur 28 angeordnet sein, wie in 9 gezeigt. Das Gebläse 44 kann teilweise in dem axialen Erstreckungsbereich 284 der Luftführungsstruktur 28 angeordnet sein, wie in 10 gezeigt.
Optional kann das Gebläse 44 ein Axialgebläse sein. Das gesamte Gebläse kann vollständig außerhalb des axialen Erstreckungsbereiches 284 der Luftführungsstruktur 28 angeordnet sein. Ein axialer Zwischenraum ist zwischen dem axialen Ende des Gebläses 44 und der axialen Endfläche des axialen Erstreckungsbereiches 284 bebildet. Der äußere Radius des Gebläses 44 ist größer als der äußere Radius des Ständerkernes, wie in 11 gezeigt. Daher fließt von dem durch das Gebläse 44 erzeugten Luftfluss ein Teil der Luft durch die Zwischenräume zwischen benachbarten Zähnen des Ständers, während ein Teil der Luft über die äußere Seite des Ständerkernes 12 zum Kühlen des Ständerkernes fließt. Wenn das Gebläse 44 ein Axialgebläse ist, kann es auch vollständig in dem axialen Erstreckungsbereich 284 der Luftführungsstruktur 28 angeordnet sein, wobei ein radialer Zwischenraum zwischen dem Außenbereich des Gebläses 44 und der inneren Oberfläche des axialen Erstreckungsbereiches 284 gebildet ist, wie in 12 gezeigt.
Optional können das Gebläse 44 und die Luftführungsstruktur 28 an der Innenseite der Endabdeckung 22 angeordnet sein, wie in 13 gezeigt.
Optional können sowohl die axialen als auch die radialen Zwischenräume zwischen dem axialen Erstreckungsbereich 284 der Luftführungsstruktur 28 und dem Gebläse gebildet sein.
Es sollte angemerkt werden, dass der axiale Erstreckungsbereich 284 der Luftführungsstruktur 28 nicht darauf beschränkt ist, sich nur in der axialen Richtung des Motors zu erstrecken. Er kann sich in einer relativ zu der Achse des Motors geneigten Richtung erstrecken.
In der Beschreibung und den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung werden die Verben „umfassen”, „einschließen”, „beinhalten”, „haben” und ihre Abwandlungen in einem einschließenden Sinne verstanden, um das Vorhandensein von bezeichneten Bauteilen anzugeben, aber nicht, um das Vorhandensein von zusätzlichen Bauteilen auszuschließen.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, soll von den Fachleuten erkannt werden, dass verschiedene Modifikationen möglich sind. Daher wird der Schutzbereich der Erfindung mit Bezug auf die nachfolgenden Ansprüche bestimmt.
Beispielsweise sollte verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf elektronisch kommutierte Motoren beschränkt ist. Die vorliegende Erfindung ist auch auf andere Typen von Motoren wie beispielsweise Universalmotoren, Permanentmagnetgleichstrommotoren u. ä. anwendbar.

Claims

Elektromotor, umfassend: einen Ständer (10); einen drehbar in dem Ständer befestigten Läufer (40) mit einer Welle (42); ein an der Welle (42) befestigtes Gebläse (44), wobei das Gebläse einen Einlass und einen Auslass hat; eine Luftführungsstruktur (28) mit einem axialen Erstreckungsbereich (284), der an einem Ende des Ständers benachbart zu dem Gebläse angeordnet ist; und einen Zwischenraum, der zwischen dem axialen Erstreckungsbereich (284) und dem Gebläse (44) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum eine Breite hat, die genügend eng ist, um Luft darin zu beschränken, von dem Auslass des Gebläses zu dem Einlass des Gebläses durch den Zwischenraum zu fließen.
Motor nach Anspruch 1, wobei die Breite des Zwischenraums größer ist als 0,05 mm und kleiner als 2,0 mm.
Motor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Ständer (10) weiter einen Ständerkern (12), Wicklungen (14), die um den Ständerkern gewickelt sind, und einen Endbeschirmer (27) zum Isolieren des Ständerkerns von den Wicklungen umfasst, wobei der Endbeschirmer (27) integral mit dem axialen Erstreckungsbereich (284) der Luftführungsstruktur (28) gebildet ist.
Motor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Ständer (10) weiter einen Ständerkern (12), um den Ständerkern gewickelte Wicklungen (14) und einen Endbeschirmer (26, 27) zum Isolieren des Ständerkernes von den Wicklungen umfasst, und wobei der Endbeschirmer (26, 27) weiter einen Endbereich (282) umfasst, der sich radial erstreckt und wenigstens teilweise ein axiales Ende der Zähne des Ständerkernes (12) bedeckt.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Ständer (10) zwei Endabdeckungen (20, 22) umfasst, die an axialen Enden davon angeordnet sind, und wobei das Gebläse (44) benachbart an einer äußeren Seite von einer der beiden Endabdeckungen (22) angeordnet ist.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Gebläse (44) ein Zentrifugalgebläse ist, das an dem Ende des axialen Erstreckungsbereiches (284) der Luftführungsstruktur (28) angeordnet ist, und wobei der Zwischenraum zwischen dem axialen Erstreckungsbereich (284) und dem Gebläse (44) in der axialen Richtung des Motors gebildet ist.
Motor nach Anspruch 6, wobei ein Ende des axialen Erstreckungsbereiches (284) benachbart zu dem Gebläse (44) trompetenförmig ist.
Motor nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Gebläse (44) eine Mehrzahl von Fahnen (46) hat und wobei eine Abkantung an einem Ende der Fahnen benachbart zu dem axialen Erstreckungsbereich (284) gebildet ist.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Gebläse (44) ein Axialgebläse ist, das benachbart zu einer Innenseite des axialen Erstreckungsbereiches (284) angeordnet ist, und wobei der Zwischenraum zwischen dem axialen Erstreckungsbereich (284) und dem Gebläse (44) in der radialen Richtung des Motors gebildet ist.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Gebläse (44) ein Axialgebläse ist, das an der Außenseite des Endes des axialen Erstreckungsbereiches (284) angeordnet ist, und wobei der äußere Radius des Gebläses (44) größer ist als der äußere Radius des axialen Erstreckungsbereiches (284) der Luftführungsstruktur (28).