具有冷却单元的驱动单元

文档序号:1895282 发布日期:2021-11-26 浏览:22次 >En<

阅读说明:本技术 具有冷却单元的驱动单元 (Drive unit with cooling unit ) 是由 克里斯蒂安·德格 哈拉尔德·库恩 米沙·迈多恩 斯特凡·梅希特尔 汉斯·蒂施曼彻 于 2020-03-05 设计创作,主要内容包括:本发明涉及一种驱动器(1),其具有:-至少一个电动旋转机器(2),-至少一个位于封闭的壳体装置中的电子附件(13),-至少一个风扇单元(15),-其中这些部件沿轴向彼此相继布置,使得电子附件(13)沿轴向布置在电动旋转机器(2)与风扇单元(15)之间,-其中至少在壳体装置与风扇单元之间、和/或在壳体装置与电动旋转机器(2)的轴承盖之间、和/或在壳体装置和/或电动旋转机器(2)的轴(9)之间设有自由空间,-其中在风扇单元(15)运行期间,根据主流路、风扇罩(16)、电子附件(13)的和电机壳体(10))的表面并且借助于文丘里效应,自由空间同样能够被加载冷却气流,-其中风扇单元实施为双区风扇,-其中双区风扇在轮毂区域的区域中具有第一区,第一区基本产生轴向气流,双区风扇还具有与第一区径向邻接的第二区,第二区基本产生径向气流,-其中设有两个彼此独立布置的风扇叶片组-径向和轴向风扇叶片。(The invention relates to a drive (1) having: -at least one electric rotating machine (2), -at least one electronic accessory (13) in a closed housing arrangement, -at least one fan unit (15), -wherein the components are arranged axially one after the other such that the electronic accessory (13) is arranged axially between the electric rotating machine (2) and the fan unit (15), -wherein a free space is provided at least between the housing arrangement and the fan unit, and/or between the housing arrangement and a bearing cover of the electric rotating machine (2), and/or between the housing arrangement and/or a shaft (9) of the electric rotating machine (2), -wherein during operation of the fan unit (15) a venturi effect is used in dependence on the surfaces of the main flow path, the fan cover (16), the electronic accessory (13) and the motor housing (10), the free space can likewise be loaded with a cooling air flow, -wherein the fan unit is embodied as a two-zone fan, -wherein the two-zone fan has a first zone in the region of the hub region, the first zone generating a substantially axial air flow, and the two-zone fan also has a second zone radially adjoining the first zone, the second zone generating a substantially radial air flow, -wherein two fan blade sets arranged independently of one another-radial and axial fan blades are provided.)

具有冷却单元的驱动单元

技术领域

本发明涉及一种驱动单元,其具有电动旋转机器、至少一个电子附件和至少一个冷却单元。

背景技术

这种类型的驱动单元例如由DE 198 12 729 A1公开。该发明描述了一种电机,其尤其具有用于形成轴向和径向风扇的风扇轮,还具有驱动单元和带控制装置壳体的控制单元,其中,驱动单元具有定子、转子和至少一个电线圈,并且其中控制单元具有用于控制或调节线圈电流供应的电子电路。驱动单元和控制单元由模块形成,并且彼此对应的接触元件设置用于互相电连接。

同样,这种类型的装置由DE 38 42 588 A1公开。该发明描述了一种无刷直流外转子电机,其具有带定子绕组的并固定在电机法兰上的定子,在其背离电机法兰的一侧包围定子的外转子、以及驱控定子绕组的电子电路装置。该电路装置具有在法兰侧朝向定子布置的、承载电子部件的电路板以及多个电连接至电路板的并布置成与电机法兰导热接触的功率半导体。功率半导体通过环形盘状冷却体与电机法兰间接地导热连接。冷却体与电路板和保持电路板的载体元件形成预组装组件。

发明内容

以此为出发点,本发明的目的是提出一种紧凑的驱动单元,其确保驱动单元的充分冷却。

所提出的目的由一种驱动器实现,其具有:

-至少一个电动旋转机器,

-至少一个位于封闭的壳体装置中的电子附件,

-至少一个风扇单元

-其中,这些部件沿轴向彼此相继布置,使得电子附件沿轴向布置在电动旋转机器与风扇单元之间,

-其中,至少在壳体装置与风扇单元之间、和/或在壳体装置与电动旋转机器的轴承盖之间、和/或在壳体装置和/或电动旋转机器的轴之间设有自由空间,

-其中,在风扇单元运行期间,根据主流路(风扇罩、电子附件的和电机壳体的表面)并且借助于文丘里效应,自由空间同样能够被加载冷却气流。

根据本发明,现在通过主流路以及这些自由空间提供冷却效果,其中由于文丘里效应同样产生气流,气流有助于冷却相邻的驱动部件。由此避免了在这些自由空间中积聚热量。

这种冷却变体方案的基础在于,风扇单元实施为双区风扇,该双区风扇以抗扭方式连接到轴上。由此,在电动旋转机器运行时,会产生两股相互独立运行的气流。因此,根据本发明,驱动器可以被制造得更紧凑,尤其在轴向方向上更紧凑。

双区风扇在风扇的轮毂区域的区域中具有第一区,第一区基本上产生轴向气流。基本上产生径向气流的第二区与第一区径向邻接。该径向气流产生主流路,其中大约80%至90%的吸入空气到达主流路中。

自由空间和/或在主流路的侧面的部件具有表面增大结构体,这些结构体基本上平行于相应的流动路径地定向。例如,结构体是在轴承盖和壳体装置处尤其沿径向延伸的肋片。由此提高了冷却效率。

用于提高冷却效率的另外的措施提出,包围电动旋转机器的壳体至少在外环周上在局部具有肋片。也用于主流路的引导装置的附加的风扇罩通过如下方式增强文丘里效应,即风扇罩从BS轴承盖起至少延伸超过电子附件以及电动旋转机械壳体的轴向长度的大约30%。

电子附件具有实施为执行器或转换器的部件。

由此获得非常紧凑和性能卓越的驱动器,驱动器的组件、特别是壳体装置上的电子附件以及电动旋转机器、例如定子和转子以及设在它们之间的自由空间被冷却。

壳体装置由导热性相对良好的材料、例如铝或铝合金制成。

壳体装置可以是柱形或漏斗形的,其中漏斗具有圆柱形部分和轴向渐缩部分,它们可以由相同材料、由具有不同材料的多个部分以及由具有相同材料的多个部分一体制成。

壳体装置具有留空部,轴穿过该留空部伸出,该轴尤其形成冷却单元、特别是风扇的驱动轴。

执行器或转换器部件也可以尤其仅布置在壳体装置的柱形部分中,在这种情况下,轴向渐缩部分用作具有热缓冲作用的热容器。由此即使在变化的运行条件下也确保驱动器得到充分冷却。

电动旋转机器的转子还由轴冷却。此外,转子的热量也散发到电动旋转机器的内部,从而使轴承盖、轴承和壳体也可能因此变热。来自自由空间的热量输入通过在壳体和轴承盖周围流动的空气、尤其通过文丘里效应的气流被排出。

电动旋转机器的定子也同样产生热量,其也使电动旋转机器的内部升温。该热量输入同样通过在壳体和轴承盖周围流动的空气被排出。此外,为了获得从定子的叠片组到壳体和壳体肋片的相对良好的热传递,定子优选地收缩到壳体护套中。主气流然后从那里带走大部分热量。

当电动旋转机器运行时,设计为集成风扇的冷却单元产生一股或多股冷却气流,气流至少沿壳体装置的表面和自由空间沿径向和/或轴向流动。

附图说明

根据以原理示出的实施例更详细地说明本发明和本发明的另外的有利设计方案,附图示出:

图1示出了根据本发明的驱动器的纵向截面原理图,

图2示出了根据本发明的驱动器的纵向截面原理图,驱动器具有可形成热量积聚的区域,

图3示出了带有冷却气流的驱动器的纵向截面原理图,

图4示出了双区风扇的前视图,

图5示出了双区风扇的侧视图,

图6示出了带风扇元件的双区风扇的前视图,

图7示出了双区风扇的立体图,

图8示出了双区风扇的剖面正视图,

图9示出了双区风扇的侧剖视图,

图10示出了细节视图。

具体实施方式

图1示出了具有电动旋转机器2的驱动器1,该电动旋转机器具有带叠片组5的定子3。在定子3的叠片组5中,绕组系统朝向气隙19布置,该绕组系统在定子3的叠片组5的端侧处形成绕组头4。转子6的叠片组8与轴9抗扭连接,转子的叠片组与定子3的通电绕组系统发生电磁相互作用,从而导致轴9围绕轴线18旋转。

轴9抗扭地保持在两个轴承、AS轴承11(朝向待驱动工作机器)和BS轴承12(背离待驱动工作机器)之中。电动旋转机械2被壳体10包围,该壳体被限制在轴承的端侧处。电子附件13在轴向上与BS侧轴向间隔开并形成自由空间,该电子附件至少包含转换器或执行器的部件。电子附件13是位置固定的并且与轴9抗扭地连接。电子附件13与BS轴承盖14和/或壳体10机械连接并且安装在壳体装置31中。同样地,在保持相应的保护等级的情况下,供电线和/或传感器线铺设在轴承盖和/或壳体10上。

沿轴向相邻的是风扇15,其尤其是双区风扇,其又与轴9抗扭地连接并且产生冷却气流,该冷却气流至少一部分被引导穿过风扇罩16。供给空气经由风扇罩16的吸入口17被提供给风扇15。

在驱动器1中,尤其在电子附件13和朝向其的轴承盖14之间,和/或在根据图4的风扇15的盖板22与电子附件13之间,即在自由空间中,在驱动器1运行期间发生热量积聚20。除了其自身产生的热量之外,附加的热量因此可以从两个轴向侧被引到电子附件13上。因此,来自转换器或执行器的热损失、以及来自机器2通过轴承盖14的热量导致该热量积聚20。机器2的热量由定子3和转子6的热损耗等组成。这附加地加热了相邻的轴承11、12,这对轴承11、12的润滑剂产生不利影响,损害润滑性能并导致轴承11、12的再润滑周期缩短。

热量还通过轴9传输,尤其从电动旋转机械2的转子6传输,并输送给在此用作散热元件的风扇15。风扇15(作为集成风扇)通常仅在电动旋转机器2运行时产生冷却气流,因为风扇15和轴9以抗扭的方式耦联。

现在,图3以示例的方式示出了冷却气流,其通过特别提供的自由空间或冷却剂路径尤其导致热量积聚20的减少。

为了说明冷却气流的走向,图3示出了在轴线18上方的主冷却气流21(风扇罩16、电子附件13的表面和壳体10的表面)、以及在轴线18下方的尤其通过文丘里效应和/或风扇的第一区引起的冷却气流22。实际上,这些冷却气流21、22存在于整个环周上。

图4示出了具有轮毂25的双区风扇的前视图,该轮毂抗扭地连接到轴9。此外,径向布置的风扇叶片23从轮毂25开始延伸,根据图5,风扇叶片的窄边布置在盘29上。通道24围绕轮毂25布置。

图6示出了布置在通道24中并且首先产生支持上述文丘里效应的轴向气流的风扇元件26。

图7以立体图示出了风扇元件26的布置。

图8示出了穿过双区风扇的截面IX,其中,图9示出了该截面图。在通道24中有风扇元件26,其具有根据图10的接头27。这意味着无论旋转方向如何,双区风扇都可以沿轴向输送。接头27在弹性区域中具有足够的恢复力以保持轴向输送。

通过使用根据本发明的两区风扇15,还确保了自由空间中的充分冷却(基于文丘里效应)。因此避免了热量积聚20。

为了即使在电动旋转机械2的低转速的情况下也能获得对驱动器1的部件的充分冷却,与轴9耦联的双区风扇还能具有外部风扇。

壳体装置31的柱形部分和/或轴向渐缩部分的内侧是多边形的,以便能够将电子附件13的执行器或转换器部件直接布置在壳体装置31的内侧上。这确保了相对良好的热连接。

执行器或转换器部件也可以尤其仅布置在柱形部分中,在这种情况下,轴向渐缩部分用作具有热缓冲作用的热容器。该部分因此实施为固体材料。

驱动器1或驱动单元基本上以紧凑的方式构造。在此,上面描述的和下面的特征可以单独地或以任意组合来设计驱动器1。在此,紧凑的驱动器1应尽量被冷却。

为此目的,至少一个电子附件13或其部件、例如一个或多个功率半导体、扼流圈、电容器和控制模块沿轴向设置在电动旋转机器2上。电子附件13的这些部件布置在封闭的壳体装置31中。驱动器1及其相应的部分/部件由一个或多个冷却单元冷却,冷却单元可以实施为液体冷却装置(壳体装置31和/或电动旋转机械2的壳体10处的冷却套)。优选提供空气冷却装置,其风扇15布置在壳体装置31的背离电动旋转机器2的一侧上,从而设有风扇15、电子附件13的壳体装置31和电动旋转机器2的轴向顺序。

风扇15也可以作为风扇单元由一个或多个内部或外部风扇构成,内部或外部风扇也可以至少部分地集成在风扇罩16之上或之中。

为了提高冷却效果,在电动旋转机器2的壳体装置31和/或壳体10上设有表面扩大措施。肋片、凸粒或壳体延伸部形式的附加热容器设置在那里,当驱动器1相应地运行时,它们可以缓冲热负荷。

此外,通过在电动旋转机械2之间的特殊设计或凹槽、特别是其轴承盖14和壳体装置获得冷却通道,其通过相应的设计和主气流在凹槽中实现用于冷却的文丘里效应。

壳体装置31也可以是漏斗形的,漏斗具有圆柱形部分和轴向渐缩部分,它们可以由相同材料、具有不同材料的多个部件以及具有相同材料的多个部件一体制成。

为了扩大电子附件13的壳体装置31的表面,圆柱形部分和/或轴向渐缩部分在其外侧具有轴向或准径向延伸的肋片。

圆柱形部分和/或轴向渐缩部分的内部实施为多边形的,以便能够将执行器或转换器部件直接布置在壳体装置31的内部。由此确保了相对良好的热连接。

执行器或转换器部件也可以特别地专门布置在壳体装置31的圆柱形部分中,在这种情况下,轴向渐缩部分26用作具有热缓冲作用的热容器。该部分26因此实施为固体材料,其同时满足风扇15的盖板的功能。因此可以使用轴向较短的风扇15,以获得驱动器1的更紧凑的设计。

同样可以在电子附件13中提供一个或多个集成风扇,这导致封闭的电子附件13内的内部冷却回路。内部风扇在此可以根据温度作为外部风扇被单独控制,或者与轴9磁耦联,使得一旦轴9旋转就存在电子附件13的自通风形式。

内部风扇的驱动器通过定位在轴9上的磁体和电子附件13内例如在内部风扇的轮毂上的相应布置的磁体的磁耦合实现。

可替代地,内部风扇也可以从电动旋转机器2的旋转场中获得其驱动能量、特别是其谐波。

内部风扇的电驱动能量也可以直接从电子附件13内的执行器或转换器部件获取。

在每个设计方案中,内部风扇20可旋转地安装在固定的附件13内。

在此,实际温度经由温度模型和/或电动旋转机器2和/或电子附件13中的一个或多个温度传感器来确定。

如果两个风扇15、20之一发生故障,则两个风扇15、20也可以至少暂时保持驱动器1的冗余运行。

为了进行调节,驱动器1还可具有从各种传感器接收数据的调节单元,传感器包括温度传感器、振动传感器和声音传感器。在该驱动器1中,温度传感器布置在相关的安装位置。温度传感器设计用于外部空气、电子附件13、电子附件13中的功率半导体、轴承11、12、绕组系统和/或绕组头4、机器2的内部空间,以及用于壳体10和周围环境。

设置在驱动器1、也就是机器2和/或电子附件13中的传感器有线或无线地与位于电子附件单元13中或机器2的壳体10上、尤其在接线盒中或机器2中的调节单元连接。

振动传感器连接到轴9和/或壳体10。声音传感器主要设置在发声源、例如肋片或轴承盖14处。此外,还设有用于调节驱动器1的转速传感器。

根据所有这些数据,调节单元调节或控制外部风扇的转速和/或转换器的时钟频率等。换言之,如果外部温度特别高和/或轴9以低速旋转,则根据温度开启外部风扇。外部风扇26的转速以及体积流也能被(开环)控制或(闭环)调节。

实际温度、优选整个驱动器1的实际温度通过上面列出的一个或多个温度传感器来检测。此外,可以使用温度模型验证记录的值或使用存储在调节单元和/或云中的预定义算法(例如使用数字孪生)。

这意味着驱动器1能够以节能的方式运行,也可以更好地规划驱动器1及其组件的维护期限、例如轴承的再润滑周期。

传感器在此是振动传感器、温度传感器、湿度传感器等。有利地,传感器以有线或无线连接将它们的数据传输到调节单元。通过直接接触或光学方式(例如红外温度测量)记录数据。

不同的驱动器1的调节单元也可以通过云进行联系,并在此交换它们的驱动器的可预设的数据。

这导致非常紧凑和性能优良的驱动器1,其由于调节单元而确保驱动器1的热和/或能源高效运行。在此,调节单元干预电子附件的转换器的时钟频率、调制程度和/或控制角、以及例如外部风扇的转速。在驱动器1的热限制和/或能量效率方面,由此导致电机2的部件和电子附件13之间的最佳和可控的损耗分布。通过冷却单元、至少一个基本冷却单元、集成通风装置15和/或增压冷却单元来特别地冷却电动旋转机器2的部件、例如定子和转子、以及电子附件13、例如功率和控制电子设备、调节单元等,因此也保证了驱动器1的热可控或可调节的最佳运行。

例如,转换器的时钟频率的特定设置导致转换器中较低的损耗,但是增加了电机2中的损耗。相反,电机2的热高效的设置会将更大的热负荷施加到转换器上。根据驱动器1的这些子系统中的哪一个仍然具有热储备量,可以通过调节单元27相应地设置转换器。此外,调节单元27还可以干预冷却,例如通过打开或关闭驱动器1的一个或多个外部风扇或通过以相应的转速运行它们实现。

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