CN111327157B - 电动马达和飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动马达，优选地是内转子电动马达，包括除特别用于输出轴(2)的轴承外全面封闭的壳体(3)，定子(5)布置在该壳体(3)中并导热连接至该壳体(3)的壁部(3a)，其中在壁部(3a)外面设置有多个大致平行于输出轴(2)延伸的突出部(6)，且其中在壳体(3)之外，输出轴(2)上布置有叶轮(8)，沿输出轴(2)观察时，所述叶轮(8)的叶片(8a)随输出轴(2)的旋转而扫过至少一个布置有突出部(6)的区域，以沿着突出部(6)产生冷却风流(KLS)。

Description

电动马达和飞行器

技术领域

本发明涉及一种电动马达，优选地是内转子电动马达，包括除特别是用于输出轴的轴承之外全面封闭的壳体，该壳体中布置有定子和转子。

本发明还涉及一种飞行器，特别是一种具有多个可由电动马达驱动或传动的旋翼(螺旋桨)的载人和/或载重的飞行器，其中，至少一个电动马达构造为根据本发明所述的电动马达。

背景技术

在电动马达(电动马达或简单马达)领域中，本领域中公知使用鼓风机来改善马达内部和/或壳体外表面的散热，其中，该鼓风机直接由电动马达来驱动。对此，例如可以参阅DE 10 2011 100 980 A1、EP 1 100 182 A1和JP-H-06169554 A。

上述大多数马达的设计都采用开放式壳体，即，空气可以流过壳体内部，并冷却马达在运行期间变热的那些部分。但相比开放的壳体，封闭、密封或封装的马达壳体具有多个优点。特别是在高压部件的绝缘方面，密封结构比开放结构更具优势。另外，在开放设计理念中，保护有源部件免遭腐蚀和其他环境影响是一项重大技术挑战。

另一方面，特别是在封闭的马达壳体设计中，由于例如转子与壳体之间存在空气间隙，因此应确保充分的散热。本领域技术人员面临的重大技术挑战在于，转子和壳体以及由于马达内部的整体封装(内部与外部之间无法进行空气交换)，散热不充分可能导致马达(瞬时)关断。这在用于驱动飞行器(多旋翼飞行器)时，可能关系到不利的(紧急)迫降。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有良好的散热性能的用于电动马达的密封壳体或具有这种壳体的电动马达。根据本发明的电动马达应适用于优选载人和/或载重的多旋翼形式的飞行器。

上述目的通过本公开提供的电动马达来实现。

在根据本发明的电动马达中，优选地是内转子电动马达，包括除特别用于输出轴的轴承之外全面封闭，即封装的壳体，其优选由金属制成，在该壳体中，定子布置在转子旁并导热连接至壳体的壁部，在壁部外面，即在壳体外侧上，设置有多个大致平行于输出轴延伸的突出部。此外，在壳体之外，输出轴上布置有叶轮，当沿输出轴观察时，叶轮的叶片随着输出轴的旋转而扫过至少一个布置有突出部的区域，以通过这种方式在电动马达的运行中沿着突出部产生冷却风流。

在根据本发明的飞行器中，特别是具有多个可由电动马达驱动或传动的旋翼的载人和/或载重的垂直升降的飞行器，其中，至少一个电动马达构造为根据本发明的电动马达。

根据本发明的解决方案的独特之处在于，与常规的强制风流和散热片相比，必需的附加重量与可实现的散热改善之间的比例得到显著改善，这在航空领域具有决定性的优势。

在根据本发明的电动马达的一种实施例中提出，在壳体外侧上每两个相邻的突出部之间，布置有至少一个附加的散热元件，特别是由金属制成的散热元件，该散热元件与两个相邻的突出部中的至少一个导热连接，优选为与两个相邻的突出部均导热连接，最优选为通过材料连接，特别是焊接。这类散热元件增大了可用于与环境进行热交换的表面积，从而改善了冷却性能。

在根据本发明的电动马达的另一种实施例中提出，散热元件由冷却风流环绕流动。这种布置通过发生对流进一步改善冷却性能。

为了确保流经散热元件或突出部的风流足以散发壳体中产生的热量，风扇经由叶轮直接连接至马达输出轴。优选地，这种风扇距马达旋转轴线或输出轴的距离与一个或多个散热元件相同，使得该区域内的冷却风流尤其强劲。

在根据本发明的电动马达的又一种实施例中提出，散热元件在第一方向上具有较大的长度，而在第二方向上具有较小的长度，其中，第一方向大致平行于输出轴，而第二方向大致垂直于输出轴。通过这种方式，获得散热元件(散热片)的层状结构，其相应具有较大的有效表面积，但冷却风流仅受相对较小的阻力。

在根据本发明的电动马达的再一种实施例中提出，在两个相邻的突出部之间具有多个散热元件，这些散热元件在第二方向上彼此间隔。该实施例以散热片组的方式进一步增大可用面积，因此进一步提高了冷却性能。

在根据本发明的电动马达的一种特别有利的实施例中提出，至少两个(这样的)散热元件一体连接在两个(相同的)相邻的突出部之间，该连接优选设置在相关的散热元件与相应的突出部的连接区域内。这样，由于不必将散热元件单独地连接至壳体或突出部，而是代表一种结构单元，从而能够实现结构的简化。

在根据本发明的电动马达的同样有利的实施例中提出，至少两个连接的散热元件通过扁平的，波浪状的或波纹状的展平元件(所谓的波纹状散热片)形成，展平元件的波纹侧面形成散热元件，其中优选地，这些波纹侧面大致平行于壳体的外表面，并且在波峰的区域内与一个突出部的连接。替代地，也可考虑具有相互稍微倾斜的手风琴式的结构的散热元件或弯曲的结构的散热元件，但本发明不限于此。从而增强上述结构上的简化。

在根据本发明的电动马达的特别优选的实施例中提出，多个突出部优选地在壳体的圆周上均匀地分布。这样可以进一步提高冷却效果，其中在整个圆周上，散热元件又相应地分布在每两个突出部之间。

在根据本发明的电动马达的另一种实施例中提出，随着距输出轴的距离增大，相邻的突出部之间的沿圆周方向的净距离基本上恒定。如果突出部(或筋)之间的间距保持基本上相同，优选随着距输出轴(或马达旋转轴线)的径向距离的增加而保持恒定时，则可以使用标准波纹状散热片作为散热元件，这对制造成本具有积极影响。

壳体可以通过例如铣削或其他适用的机械加工方法制成。在根据本发明的电动马达的又一种实施例中提出，一个或多个突出部与壳体一体成型，优选地由金属制成或通过机械加工工艺制成，特别是车削或铣削。这使得整个布置实现紧凑又稳定的设计，同时获得良好的导热性。在另一种实施例中，壳体也可以挤压成型。

在根据本发明的电动马达的再一种实施例中提出，壳体由导热率大于或等于50W/(m*K)、优选大于或等于100W/(m*K)的材料制成，最优选由金属的材料制成，特别是由铝或诸如此类金属制成。这使得可以实现良好的散热。优选地，散热元件(或者层片或波纹状散热片)也由类似的材料制成。

在根据本发明的电动马达的有利的实施例中提出，定子布置在壳体的内侧上。在此情形下，定子优选地可以触及壳体，以将运行中产生的热量直接传递到壳体。

为使(额外的)风阻保持尽可能低，可以使风扇叶片(叶轮叶片)的宽度相对较小并仅在突出部的区域内增大，从而使风阻保持相对较低。因此，在根据本发明的电动马达的相应实施例中提出，优选地叶轮在输出轴的延伸方向上的尺寸(优选地除所述区域之外)最小。

在根据本发明的电动马达的另一种实施例中提出，定子与壳体之间布置有至少一个附加导热元件，优选为热管(导热管)，最优选地，该热管的一端布置在壳体之外且在冷却风流的区域内。这能够进一步增加从壳体内部的散热。然而，在另一种实施例中，热管也可以直接形成在定子的上方或下方(沿纵向轴线方向)。也可以将热管的热侧布置在壳盖的内侧上。

在根据本发明的电动马达的又一种实施例中提出，定子与壳体之间布置有至少一个附加的导热元件，优选为具有冷侧和热侧的热电元件，该冷侧布置在壳体内侧的方向上，同时，a)热侧与壳体导热连接，或者b)热侧布置在壳体之外且在冷却风流的区域内。通过这种方式，热量可以在壳体中分布，然后散发。如果将热侧布置在壳体之外且在冷却风流的区域内，则相应地改善了散热。这同样适用于热侧连接至壳体。他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1示出根据本发明的电动马达尚无叶轮的纵向剖视图；

图2示出平行于输出轴的旋转轴线自上而下观察图1中的电动马达的细节图；

图3示出如图1所示的根据本发明的电动马达具有叶轮的纵向剖视图；以及

图4示出根据本发明的电动马达在载人多旋翼飞行器中的优选用途。

具体实施方式

图1是根据本发明的电动马达尚无叶轮的纵向剖视图。电动马达整体由附图标记1表示，纵向轴线由附图标记L表示。电动马达1构造为(但不限于)内转子电动马达并且除用于输出轴2的轴承外全面封闭的(封装的)壳体3，该壳体3包括圆柱形侧壁或壁部3a以及上盖3b和下盖3c。在壳体3中，靠内布置有转子(附图标记4)，而靠外布置有定子(附图标记5)，其中，定子优选地通过材料连接的方式从内部导热连接至壳体3的壁部3a。转子4可旋转地连接至输出轴2。壳体3优选地由金属制成，例如由铝制成，该金属重量轻且具有良好的导热性。在壁部3a或在壳体3外面设置有数个突出部6，由于选择性图示，图1中只能看出两个突出部。优选地，相应的突出部(或筋)6以规则的间距分布在壳体3的圆周上。在此情形下，突出部6大致平行于输出轴2或纵向轴线L，该纵向轴线L与电动马达1或输出轴2的旋转轴线重合。

图2以平行于纵向轴线L(图1)的观察方向示出三个上述突出部或筋6的俯视图。这些突出部或筋6布置在壳体壁部3a的外侧并彼此均匀地间隔开。优选地，突出部6向外加宽，使得两个相邻的突出部6之间的净距离A随着距纵向轴线(图1)的距离增大而保持基本恒定。每两个相邻的突出部6之间布置有波纹状的金属板7，其形成所谓的波纹状散热片。这些波纹状散热片在其波峰(附图标记7a)区域内优选地以材料连接的方式连接至突出部6，特别是焊接。各个肋部7b形成散热元件并因此构造为层状结构，其中，各个肋部7b基本上沿纵向轴线L的方向延伸(图1)。图2示出肋部7b的窄边(上边)的视图。

在电动马达1的运行期间，转子4在定子5内旋转，这使得输出轴2转动，并且相应地提供相应的输出转矩或驱动转矩。在此情形下，特别是定子5发热，其中所产生的热量传递到壁部3a并自此散发到突出部6和波纹状散热片7(通过导热)。此时，为了进一步有效散热，如图3所示，在壳体3的外侧，输出轴2上布置有叶轮(或风扇)8。当沿着输出轴观察时，其叶片8a随输出轴的旋转而扫过至少一个布置有突出部6和波纹状散热片7(图2)的区域，以沿着突出部6或波纹状散热片7产生冷却风流。

叶轮8的叶片8a(垂直于纵向轴线L)在与输出轴2的连接区域内首先构造为相对较薄(较窄)，然后在所述区域内加宽，这能够沿着突出部6和波纹状散热片7或各个肋部或者散热元件7b(图2)有效地产生冷却风流(箭头KLS)，同时尽量减小叶片8a的总风阻。这对应于根据本发明的电动马达的特定实施例，其中，叶轮在输出轴2延伸方向上的尺寸(优选除所述区域之外)得以最小化。叶片8a在其下部的外自由端(附图标记8b)处具有延伸部，该延伸部在纵向方向上叠盖突出部6。叶片8a的下轮廓(附图标记8c)也尽量匹配于壳体3的(假想)外轮廓，以便减少不理想的风流。

附图标记9示意性示出可选的附加导热元件，该导热元件布置在定子5与壳体3之间，优选为热管(或导热管)，热管的一端(外端)9a最优选布置在壳体6之外且在冷却风流KLS的区域内(例如两个突出部6之间)，而另一端9b在壳体3内布置于定子5的区域内。

然而在另一种实施例中，热管也可以直接形成在定子5的上方或下方(沿纵向轴线L的方向)。也可以将热侧布置在壳盖3b的内侧上。

附图标记10示意性示出可选的具有冷侧10b和热侧10a的热电元件，其中优选地，冷侧10b沿纵向轴线L的方向布置并背离壳体3的壁部3a，而热侧10a导热连接至壳体3或壁部3a。可替代地，热侧10a可以布置于壳体3之外且在冷却风流KLS的区域内，而这在技术上仅在壳体3本身存在不利缺口的情况下才可能实现。

最后，图4示例性示出电动马达1的优选用途，本申请人将其在载人和/或载重多旋翼飞行器100中用作旋翼(螺旋桨)101的驱动器。为清楚起见，图4中仅明确指出一个电动马达1和一个螺旋桨101。但如图所示，存在18个相应的单元。

Claims (27)

1.一种电动马达，是内转子电动马达，包括除用于输出轴(2)的轴承外全面封闭的壳体(3)，定子(5)布置在所述壳体(3)中并导热连接至所述壳体(3)的壁部(3a)，其特征在于，在所述壁部(3a)外面设置有多个大致平行于所述输出轴(2)延伸的突出部(6)，且其中在所述壳体(3)之外，所述输出轴(2)上布置有叶轮(8)，沿所述输出轴(2)观察时，所述叶轮(8)的叶片(8a)随所述输出轴(2)的旋转而扫过至少一个布置有所述突出部(6)的区域，以沿着所述突出部(6)产生冷却风流(KLS)，每两个相邻的突出部(6)之间布置有多个散热元件(7、7b)，所述散热元件(7、7b)与两个相邻的突出部(6)中的至少一个导热连接，所述散热元件(7、7b)在第一方向上具有较大的长度，而在第二方向上具有较小的长度，以使得所述散热元件(7、7b)构造为层状结构，其中，所述第一方向大致平行于所述输出轴(2)，而所述第二方向大致垂直于所述输出轴(2)，多个所述散热元件(7b)在所述第二方向上彼此间隔。

2.根据权利要求1所述的电动马达，其特征在于，所述散热元件(7、7b)与两个相邻的突出部(6)均导热连接。

3.根据权利要求2所述的电动马达，其特征在于，所述导热连接为通过材料连接。

4.根据权利要求3所述的电动马达，其特征在于，所述材料连接为焊接。

5.根据权利要求1所述的电动马达，其特征在于，在所述冷却风流(KLS)的运行中，所述散热元件(7、7b)受到环流或过流。

6.根据权利要求1所述的电动马达，其特征在于，至少两个散热元件(7b)一体连接在两个相邻的突出部(6)之间。

7.根据权利要求6所述的电动马达，其特征在于，该连接设置在相关的所述散热元件(7b)与相应的所述突出部(6)的连接区域内。

8.根据权利要求1或6或7所述的电动马达，其特征在于，至少两个连接的所述散热元件(7b)通过扁平的，波纹状或波浪状的展平元件(7)形成，所述展平元件(7)的波纹侧面形成所述散热元件(7b)。

9.根据权利要求8所述的电动马达，其特征在于，所述波纹侧面大致平行于所述壳体(3)的外表面，并且在波峰(7a)的区域内与一个所述突出部连接。

10.根据权利要求1所述的电动马达，其特征在于，多个所述突出部(6)在所述壳体(3)的圆周上均匀地分布。

11.根据权利要求10所述的电动马达，其特征在于，随着距所述输出轴(2)的距离增大，相邻的突出部(6)之间的沿圆周方向的净距离(A)基本上恒定。

12.根据权利要求1所述的电动马达，其特征在于，一个或多个所述突出部(6)与所述壳体(3)一体成型。

13.根据权利要求12所述的电动马达，其特征在于，一个或多个所述突出部(6)与所述壳体(3)通过机械加工工艺制成。

14.根据权利要求13所述的电动马达，其特征在于，所述机械加工工艺是车削或铣削。

15.根据权利要求12所述的电动马达，其特征在于，一个或多个所述突出部(6)与所述壳体(3)通过挤压制成。

16.根据权利要求1所述的电动马达，其特征在于，所述壳体(3)由导热率大于或等于50W/(m*K)的材料构成。

17.根据权利要求16所述的电动马达，其特征在于，所述壳体(3)由导热率大于或等于100W/(m*K)的材料构成。

18.根据权利要求17所述的电动马达，其特征在于，所述壳体(3)由金属的材料制成。

19.根据权利要求18所述的电动马达，其特征在于，所述壳体(3)由铝制成。

20.根据权利要求1所述的电动马达，其特征在于，所述定子(5)布置在所述壳体(3)的内侧上。

21.根据权利要求1所述的电动马达，其特征在于，所述叶轮(8)在所述输出轴(2)的延伸方向上的尺寸最小。

22.根据权利要求1所述的电动马达，其特征在于，所述定子(5)与所述壳体(3)之间布置有至少一个附加导热元件(9)。

23.根据权利要求22所述的电动马达，其特征在于，所述附加导热元件(9)为热管。

24.根据权利要求23所述的电动马达，其特征在于，所述热管的一端(9a)布置在所述壳体(3)之外且在所述冷却风流(KLS)的区域内。

25.根据权利要求1所述的电动马达，其特征在于，所述定子(5)与所述壳体(3)之间布置有至少一个附加导热元件(10)。

26.根据权利要求25所述的电动马达，其特征在于，所述附加导热元件(10)为具有冷侧(10b)和热侧(10a)的热电元件，所述冷侧(10b)布置在所述壳体(3)的内侧的方向上，同时，

a)所述热侧(10a)与所述壳体(3)导热连接，或者

b)所述热侧(10a)布置在所述壳体(3)之外且在所述冷却风流(KLS)的区域内。

27.一种飞行器，是具有多个可由电动马达(1)驱动或传动的旋翼(101)的载人和/或载重的飞行器，其特征在于，至少一个电动马达构造为根据权利要求1至26中任一项所述的电动马达(1)。

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