DE102013109913A1

DE102013109913A1 - Elektrische Maschine mit Wärmeübertragung durch Flüssigkeit

Info

Publication number: DE102013109913A1
Application number: DE102013109913.0A
Authority: DE
Inventors: Joshua King
Original assignee: Remy Technologies LLC
Current assignee: Remy Technologies LLC
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2013-09-10
Publication date: 2014-03-20
Also published as: US20140077632A1; CN103683672A

Abstract

Ein Läufer einer elektrischen Maschine mit inneren Permanentmagneten (IPM) beinhaltet einen Kern mit einem ersten und einem zweiten axialen Ende, zwischen den Enden verlaufenden Längskanälen und einer Vielzahl von in den Kanälen angeordneten Permanentmagneten. An dem ersten axialen Ende ist eine erste konische Federscheibe mit einem Umfangsrand befestigt und an dem zweiten axialen Ende ist eine zweite konische Federscheibe mit einem Umfangsrand befestigt. Ein Raum zwischen der ersten konischen Federscheibe und dem ersten axialen Ende steht über die Kanäle mit einem Raum zwischen der zweiten konischen Federscheibe und dem zweiten axialen Ende in Fluidkommunikation. Ein Verfahren beinhaltet Stapeln und Ausrichten von Kernblechen auf einer Welle, um dadurch einen Läuferkern zu bilden, Aufsetzen einer konischen Federscheibe auf die Welle an jedem axialen Ende des Kernblechstapels und Festziehen der konischen Federscheiben auf die Welle, so dass die konischen Federscheiben den Kernblechstapel zusammendrücken. Ein Verfahren zum Kühlen von Magneten einer elektrischen Maschine mit inneren Permanentmagneten (IPM) beinhaltet Umschließen jedes axialen Endes eines Läuferkerns mit einer konischen Federscheibe zum Bilden von zwei jeweiligen Endhohlräumen und Leiten von Kühlmittel zwischen den Endhohlräumen, wodurch das Kühlmittel an den Magneten vorbeigeführt wird.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Verbesserung der Leistung und Effizienz eines Motors/Generators des Typs mit inneren Permanentmagneten (IPM) und speziell die Wärmeübertragung von einem Läuferkern.
Die Verwendung von Permanentmagneten verbessert im Allgemeinen die Leistung und Effizienz von elektrischen Maschinen. Zum Beispiel hat eine Maschine des IPM-Typs ein magnetisches Drehmoment und ein Reluktanzmoment mit hoher Drehmomentdichte und stellt allgemein eine konstante Leistungsabgabe über ein breites Spektrum von Betriebsbedingungen bereit. Eine IPM-elektrische Maschine arbeitet allgemein mit geringer Drehmomentwelligkeit und geringer hörbarer Geräuschentwicklung. Die Permanentmagneten können am äußeren Umfang des Läufers der Maschine (z. B. oberflächenmontiert) oder in einem inneren Teil davon platziert sein. IPM-elektrische Maschinen können in Hybrid- oder vollelektrischen Fahrzeugen zum Einsatz kommen, wobei sie z. B. als Generator arbeiten, wenn das Fahrzeug bremst, und als Motor, wenn das Fahrzeug beschleunigt wird. Andere Anwendungen können IPM-elektrische Maschinen ausschließlich als Motoren einsetzen, z. B. für den Antrieb von Bau- und Landmaschinen. Eine IPM-elektrische Maschine kann auch ausschließlich als Generator verwendet werden.
Im Allgemeinen gibt es eine maximale Leistungsabgabe gemäß dem elektromagnetischen Grenzwert einer elektrischen Maschine, wobei diese ideale Höchstleistung theoretisch in einem Fall besteht, in dem die elektrische Maschine keine Verluste erfährt. Eine derartige ideale Leistung kann als eine Höchstleistung für eine kurze Zeitdauer ausgedrückt werden. Bei einer tatsächlichen elektrischen Maschine, die in der Realität betrieben wird, gibt es Verluste aufgrund von Wärme, Reibung, Entkopplung und anderem. Eine maximale Dauerleistung, die erzeugt wird, wenn die elektrische Maschine kontinuierlich läuft, kann durch Abführen von Wärme von der elektrischen Maschine erhöht werden. Ein Wärmestau begrenzt die Fähigkeit der Maschine, kontinuierlich in Betrieb zu sein. Durch Abführen von Wärme wird die Dauerleistungskapazität der elektrischen Maschine erhöht.
Eine Wärmequelle in IPM-elektrische Maschinen sind die Permanentmagneten im Läufer. Die typische Ausgestaltung von Magnetkanälen beinhaltet ein passendes Profil in der Magnetisierungsrichtung und ein kreisförmiges oder gekrümmtes Profil in der nicht magnetisierenden Richtung und dieses grundlegende Ausgestaltungskonzept lenkt den Flussweg effektiv und effizient. In den Permanentmagnete umgebenden Räumen ist das Wärmemanagement aber entscheidend, weil die Magnete wärmeempfindlich sind und entmagnetisiert werden, wenn sie starker Hitze ausgesetzt werden, die von Leistungsverlusten im Motor erzeugt wird. Konventionelle IPM-Läufer werden nicht ausreichend gekühlt, was zu einer geringeren Effizienz und einer geringeren Leistung der Maschine führt, und starke Hitze kann zur Entmagnetisierung von Permanentmagneten und/oder mechanischen Problemen führen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher erwünscht, die oben erwähnten Nachteile durch Vorsehen eines Läuferkühlsystems zu vermeiden, das Wärme von Permanentmagneten weg transportiert, indem es ein Kühlmittel dicht an den Magneten vorbeiströmen lässt. Der Kühlmitteldruck wird teilweise von einer Läuferkonstruktion geregelt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel hat ein Läufer einer elektrischen Maschine mit inneren Permanentmagneten (IPM) einen Kern mit einem ersten und einem zweiten axialen Ende, zwischen den Enden verlaufenden Längskanälen und mehrere in den Kanälen angeordneten Permanentmagneten. An dem ersten axialen Ende ist eine erste konische Federscheibe mit einem Umfangsrand befestigt und an dem zweiten axialen Ende ist eine zweite konische Federscheibe mit einem Umfangsrand befestigt. Ein Raum zwischen der ersten konischen Federscheibe und dem ersten axialen Ende steht über die Kanäle mit einem Raum zwischen der zweiten konischen Federscheibe und dem zweiten axialen Ende zur Fluidübertragung in Verbindung.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel beinhaltet ein Verfahren Stapeln und Ausrichten von Kernblechen auf einer Welle, um dadurch einen Läuferkern zu bilden, Aufsetzen einer konischen Federscheibe auf die Welle an jedem axialen Ende des Kernblechstapels und Festziehen der konischen Federscheiben auf die Welle, so dass die konischen Federscheiben den Kernblechstapel zusammendrücken.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel beinhaltet ein Verfahren zum Kühlen von Magneten einer elektrischen Maschine mit inneren Permanentmagneten (IPM) Umschließen jedes axialen Endes eines Läuferkerns mit einer konischen Federscheibe zum Bilden von zwei jeweiligen Endhohlräumen und Leiten von Kühlmittel zwischen den Endhohlräumen, wodurch das Kühlmittel an den Magneten vorbeigeführt wird.
Die vorangehende Kurzdarstellung begrenzt die Erfindung nicht, die von den angehängten Ansprüchen definiert wird. Desgleichen darf weder der Titel noch die Zusammenfassung als den Umfang der beanspruchten Erfindung in irgendeiner Weise begrenzend betrachtet werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSFIGUREN
Die oben erwähnten Aspekte von Ausführungsbeispielen werden durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung der Ausführungsformen in Verbindung mit den Begleitzeichnungen offensichtlicher und besser verstanden, wobei:
1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften elektrischen Maschine ist, die einen Ständer hat, der Ständerwicklungen beinhaltet,
2 eine perspektivische Darstellung eines IPM-Läufers 24 ist, der eine Nabenanordnung hat,
3 einen beispielhaften Permanentmagneten zeigt,
4 eine Draufsicht einer Läuferanordnung mit Sätzen von Magnetkanälen ist,
5 eine vergrößerte Draufsicht eines Magnetkanalsatzes für die Läuferanordnung von 4 ist,
6 eine schematische Querschnittansicht einer Läuferanordnung eines Ausführungsbeispiels ist,
7 eine schematische Querschnittansicht einer beispielhaften konischen Federscheibe ist,
8 eine beispielhafte Explosionszeichnung einer Stapelanordnung für konische Federscheiben ist und
9 eine Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer elektrischen Maschine mit einem Kühlmittelsystem, das eine konische Federscheibe verwendet.
Einander entsprechende Bezugszeichen zeigen einander entsprechende oder ähnliche Teile in den diversen Darstellungen an.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es ist nicht vorgesehen, dass die unten beschriebenen Ausführungsbeispiele abschließend sind oder die Erfindung auf die genauen offenbarten Formen begrenzen. Vielmehr sind die Ausführungsformen so gewählt und beschrieben, dass andere fachkundige Personen die Grundsätze und Ausführungen dieser Lehren erkennen und verstehen können.
1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften elektrischen Maschine 1 mit einem Stator 2, der Statorwicklungen 3 wie eine oder mehrere Spulen beinhaltet. Ein ringförmiger Läuferkörper 4 enthält Permanentmagnete. Der Läuferkörper 4 ist Teil eines Läufers, der eine Abtriebswelle 5 beinhaltet, die von einer vorderen Lageranordnung 6 und einer hinteren Lageranordnung 7 getragen wird. Die Lageranordnungen 6, 7 sind an einem Gehäuse 8 befestigt. Im typischen Fall haben der Stator 2 und der Läuferkörper 4 eine im Wesentlichen zylindrische Form und sind mit einer zentralen Längsachse 9 konzentrisch. Der Läuferkörper 4 ist zwar radial einwärts des Stators 2 dargestellt, in verschiedenen Ausführungsformen kann der Läuferkörper 4 aber alternativ radial auswärts vom Stator 2 ausgebildet sein. Die elektrische Maschine 1 kann ein Drehstrom-Asynchronmotor/-generator oder eine andere Vorrichtung sein. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die elektrische Maschine 1 ein Fahrmotor für ein Fahrzeug des Hybrid- oder Elektrotyps sein. Das Gehäuse 8 kann eine Vielzahl von längs verlaufenden Rippen (nicht gezeigt) haben, die zum Ableiten von in den Statorwicklungen 3 erzeugter Wärme voneinander beabstandet an einer Gehäuseaußenfläche ausgebildet sind.
Ein Läuferkern 4 einer IPM-elektrischen Maschine wird gewöhnlich durch Ausstanzen und Stapeln einer großen Anzahl von Kernblechen hergestellt. Axial oder längs verlaufende Magnetkanäle können von Magnetschlitzen von Kernblechen gebildet werden, die aufeinander gestapelt und ausgerichtet werden. Magnetkanäle zum Aufnehmen von einem oder mehreren Permanentmagneten befinden sich gewöhnlich nahe der dem Stator 2 zugekehrten Läuferfläche. Die Motoreffizienz wird im Allgemeinen durch Minimieren der Entfernung zwischen den Läufermagneten und dem Stator verbessert. Zum Einbauen von Permanentmagneten in die Magnetkanäle des Läufers wurden verschiedene Verfahren verwendet. Diese Verfahren können nach dem Einbauen des Magneten einen Leerraum/eine Öffnung im Magnetkanal hinterlassen. Derartige Öffnungen sind gewöhnlich speziell dafür ausgelegt, um zu helfen, den Magnetfluss im Läufer zu konzentrieren, und dadurch die Leistung der elektrischen Maschine zu optimieren.
2 ist eine perspektivische Darstellung eines IPM-Läufers 24, der eine Nabenanordnung 33 mit einer mittleren Aussparung 13 zur Befestigung des Läufers 24 an der Welle 5 hat. Der Läufer 24 hat einen Läuferkern 15, der z. B. auf eine bekannte Weise als ein Stapel aus einzelnen Kernblechen aus Metall, z. B. Stahl, ausgebildet sein kann. Der Läuferkern 15 beinhaltet eine Vielzahl von axial verlaufenden Magnetkanälen/-schlitzen 17, 19, 21, 23, die jeweils eine längliche Form haben, z. B. eine längliche ovale Form. Die Magnetkanäle 17, 19, 21, 23 sind zwar hierin verschiedentlich mit scharfen Ecken und Enden dargestellt, haben aber gewöhnlich abgerundete Enden zum Verringern von Belastungskonzentrationen in den Läuferkernblechen.
3 zeigt einen beispielhaften Permanentmagneten 10, der als rechteckige Säule mit einer Breite, die als die lineare Dimension eines Rands 11 definiert ist, einer Länge, die als die lineare Dimension eines Rands 12 definiert ist, und einer Höhe, die als die lineare Dimension eines Rands 14 definiert ist, ausgebildet ist. Zwecks Einfachheit der Erörterung wird zwar ein regelmäßiger rechteckiger Körper beschrieben, ein Permanentmagnet der diversen Ausführungsformen kann aber eine beliebige geeignete Form haben. Zum Beispiel können die Magnete 10 abgerundete Enden, Seiten und/oder Ecken haben. Jeweils von Kanten 11, 12 begrenzte Bereiche können hierin als Magnetoberseite bzw. -unterseite bezeichnet werden. Jeweils von Kanten 11, 14 begrenzte Bereiche können hierin als Magnetenden bezeichnet werden. Jeweils von Kanten 12, 14 begrenzte Bereiche können hierin als laterale Magnetseiten bezeichnet werden. Die Magnete 10 können eine beliebige geeignete Größe für den Einbau in die diversen Magnetkanäle/-schlitze 17, 19, 21, 23 haben. Der Magnet 10 kann als eine Gruppe einzelner Magnetstücke ausgebildet sein, wie ein axial segmentierter Magnet 10, um der Wärmeausdehnung und anderen Gesichtspunkten gerecht zu werden. Die Magnete 10 sind typisch aus Seltene-Erden-Materialien wie Nd (Neodym) hergestellt, die eine hohe magnetische Flussdichte haben. Im Fall, dass die Betriebstemperatur zu hoch ist, können Nd-Magnete beeinträchtigt und entmagnetisiert werden. Wenn eine elektrische Maschine unter einer Hochtemperaturbedingung läuft, werden Permanentmagneten überhitzt. Wenn ein Nd-Magnet beispielsweise etwa 320 Grad Celsius erreicht, wird er alleinstehend entmagnetisiert. Wenn eine Kombination der Temperatur und des elektrischen Stroms der Maschine groß wird, kann es ebenfalls zu einer Entmagnetisierung kommen. Die Entmagnetisierung kann zum Beispiel bei einer Temperatur von einhundert Grad Celsius und einem Strom von zweitausend Ampere oder einer Temperatur von zweihundert Grad Celsius und einem Strom von zweihundert Ampere stattfinden. Wenn eine elektrische Maschine zur Erzielung einer größeren Leistung gedrängt wird, wird die Stabiliät der Magnete bereits durch die höhere Leistungsaufnahme der Maschine und die damit verbundenen Leistungsverluste in der Form von Wärme auf die Probe gestellt. Daher muss möglicherweise Dy (Dysprosium) zu der Magnetverbindung hinzugefügt werden, um die Beständigkeit der Magnete gegenüber einer Entmagnetisierung zu erhöhen. Zum Beispiel können bei einem Neodym-Eisen-Bor-Magnet bis zu sechs Prozent des Nd durch Dy ersetzt werden, wodurch die Koerzitivfeldstärke und Belastbarkeit der Magneten 10 erhöht wird. Dysprosium kann zwar zur Verhütung einer Entmagnetisierung der Magnete 10 eingesetzt werden, es ist aber teuer und die Ersetzung von Nd durch einen Füllstoff verringert die Nenn-Magnetfeldstärke. Die Ersetzung durch Dy kann es einer elektrischen Maschine ermöglichen, heißer zu laufen, aber mit einer geringeren relativen Magnetfeldstärke.
Das Beispiel von 2 zeigt zehn Sätze von Magnetkanälen, wobei jeder Satz die Magnetkanäle 17, 19, 21, 23 beinhaltet und wobei die Sätze abwechselnde Pole (z. B. N-S-N-S usw.) in der Umfangsrichtung definieren. Für eine gegebene Anwendung kann jeweils eine geeignete Anzahl von Magnetsätzen verwendet werden. Die Magnetkanäle 17, 19, 21, 23 und die entsprechenden Magnete 10 können sich im Wesentlichen über die gesamte axiale Länge des Läuferkerns 15 erstrecken. Wie oben erwähnt, kann ein Magnet 10 als eine Gruppe einzelner Magnetstücke ausgebildet sein, z. B. durch axiale Segmentierung des Magneten 10.
4 ist eine Draufsicht einer Läuferanordnung 16 mit zehn Sätzen von Magnetkanälen 17, 19, 21, 23 und 5 ist eine vergrößerte Draufsicht von einem Magnetsatz 18 davon. Verschiedene der Magnetkanäle 17, 19, 21, 23 werden zwar mit scharfen Kanten gezeigt, derartige Kanten können aber abgerundet sein. Eines der einfachsten Verfahren zum Einbauen eines Permamentmagneten in einen Läufer ist es, einfach den Magneten in den Magnetkanal einzuschieben und den Magneten durch Presspassung in dem Magnetkanal zu halten. Dieser Einbautyp führt gewöhnlich zu um den Magneten befindlichen, axial verlaufenden Leerräumen oder Zwischenräumen. Nachdem ein Permanentmagnet 28 in den Magnetkanal 17 gesetzt worden ist, gibt es zwischen den Enden des Magneten 28 und der Innenwand des Kanals 17 Zwischenräume 34, 35. Desgleichen gibt es zwischen den Enden des Magneten 29 und der Innenwand des Kanals 19 Zwischenräume 36, 37, nachdem ein Permanentmagnet 29 in den Magnetkanal 19 gesetzt worden ist. Nachdem ein Permanentmagnet 30 in den Magnetkanal 21 gesetzt worden ist, gibt es zwischen den Enden des Magneten 30 und der Innenwand des Kanals 21 Zwischenräume 38, 39. Nachdem ein Permanentmagnet 31 in den Magnetkanal 23 gesetzt worden ist, gibt es zwischen den Enden des Magneten 31 und der Innenwand des Kanals 23 Zwischenräume 34, 35. Die Zwischenräume 34–41 verhüten einen Kurzschluss des magnetischen Flusses, wenn eine Magnetisierungsrichtung orthogonal zu den Magnetenden ist, und trägt zur Sättigung des Kernblechstahls bei. Die Ausrichtung der Zwischenräume 34–41 bildet längs verlaufende Magnetkanäle 17, 19, 21, 23. Wenn die Magnetkanäle sehr nahe am Äußeren des Läufers angeordnet werden, um die Motoreffizienz zu maximieren, trennt nur eine dünne Brücke aus dem von den gestapelten Kernblechen des Läufers gebildeten Läuferkernmaterial die Magnetkanäle 17, 19, 21, 23 von der Außenfläche 27 des Läufers.
6 ist eine schematische Querschnittansicht einer Läuferanordnung 20 eines Ausführungsbeispiels. Die Welle 5 verläuft durch den Läuferkern 15, der eine Anzahl längs verlaufender Magnetkanäle 17, 19, 21, 23 (2) hat. Die Magnete 22, 23 sind in einem Magnetkanal angeordnet und bilden zusammen einen axial segmentierten Magneten. Die Magnete 42, 43 sind in einem weiteren Magnetkanal angeordnet und bilden zusammen einen weiteren axial segmentierten Magneten. In den Räumen 26 zwischen den axial segmentierten Magneten 10 befindet sich ein wärmeleitfähiges Material (nicht gezeigt). Zur Befestigung von NdFeB-Magneten im Läuferkern 15 kann/können ein Expoxidharz, Kunstharz, Duroplast (Vergussmasse), Nylon oder ähnliche Materialien eingespritzt werden. Axial segmentierte Permanentmagnete 22, 32 können zum Beispiel zusammen in Form hergestellt werden, zu einem einteiligen Stück gehärtet, in einen Magnetkanal des Läuferkörpers 15 eingesetzt und darin ausgerichtet werden und können dann, falls erforderlich, mit zusätzlichem Klebstoff oder Kunstharz befestigt werden. In einigen Ausführungsformen kann ein vakuumunterstütztes Harzspritzpressverfahren verwendet werden. In einem solchen Fall können die Magnetkanäle 17, 19, 21, 23 abgedeckt werden, um die axialen Strömungswege in ihnen zu erhalten. In anderen Ausführungsformen kann ein wärmeleitfähiges Klebemittel (nicht gezeigt) zwischen einem axial segmentierten Paar von Magneten 10 angebracht werden. Das Klebemittel und die Magnete werden in einen Magnetkanal eingesetzt und, wenn der Läufer erhitzt wird, wird das Magnetepaar dadurch axial zusammengeklebt, ohne den Kühlmittelstrom durch den Kanal zu blockieren. Zum Einbauen, thermischen Verbinden und Befestigen von Permanentmagneten 10 ohne Blockieren des Kühlmittelstroms durch die Magnetkanäle können andere Verfahren verwendet werden, wie hierin unten beschrieben. Wenn die Permanentmagneten 10 aber eingebaut, befestigt und magnetisiert worden sind, ist eine spätere Magnetbewegung aufgrund der Stärke des von einem typischen Neodym-Eisen-Bor-Magneten erzeugten Magnetfelds sehr unwahrscheinlich.
Ein Ende der Welle 5 hat eine Mittelbohrung 44 und einen Fluideinlass 45. Die Bohrung 44 verläuft axial zu einem Verteiler, der eine Anzahl radial verlaufender Löcher 46 aufweist. Eine erste konische Federscheibe 47 ist so auf die Welle 5 aufgesetzt, dass ihr äußerer Umfangsrand 49 am axialen Ende 48 des Läuferkörpers 15 in Anlage ist. Eine zweite konische Federscheibe 51 ist so auf die Welle 5 aufgesetzt, das ihr äußerer Umfangsrand 52 am axialen Ende 53 des Läuferkörpers 15 in Anlage ist. Eine Mutter 50 und eine zugeordnete Struktur (nicht gezeigt), wie z. B. Unterlegscheiben, Federträger, O-Ring usw. wird auf einen Gewindeteil von Welle 5 festgezogen, um die erste konische Federscheibe 47 zu befestigen, und eine Mutter 54 oder andere geeignete Struktur befestigt die konische Federscheibe 51 an der Welle 5. Die Mutter 50, 54 werden festgezogen, so dass die konischen Federscheiben 47, 51 die Kernbleche des Läuferkörpers 15 zusammendrücken und die Ringränder 49, 52 Abdichtungen zum jeweiligen axialen Ende 48, 53 bilden. Die Kuppelform der konischen Federscheiben 47, 51 bildet Hohlräume 55, 56 zwischen den Federn 47, 51 und dem jeweiligen axialen Ende 48, 53. Der Begriff „konische Federscheibe”, wie hierin verwendet, bezieht sich auf einen Scheiben- oder Federtyp, zu dem Tellerfedern und ähnliche Vorrichtungen gehören. Jede konische Federscheibe 47, 51 kann eine einzelne Feder sein oder als Federstapel bereitgestellt werden, wie unten weiter besprochen wird. Der von den konischen Federscheiben 47, 51 erbrachte Druck gegen die axialen Enden 48, 53 kann ausreichen, um die konventionelle Notwendigkeit, Kernbleche zusammenzufügen/aneinander zu befestigen, wie z. B. durch Schweißen, Kerben, Anhaften usw., zu müssen, aufzuheben. Dies reduziert Kosten und elektrische Verluste und verbessert die Leistung und Effizienz der elektrischen Maschine 1. Zum Beispiel kann eine als Stahl-Tellerfeder ausgebildete konische Federscheibe mit einer Dicke von 4 mm an jedem Ende des Kernblechstapels eine Kraft von etwa 13 kN (Kilonewton) liefern.
Im Betrieb wird ein Kühlmittel wie Öl in den Einlass 45 gepumpt und strömt durch die Bohrung 44 und die Löcher 46 in den Hohlraum 55. Der Hohlraum 55 füllt sich und das Kühlmittel strömt durch die Magnetkanäle 17, 19, 21, 23 und um die Magnete 22, 32, 42, 43. Der allgemein axiale Kühlmittelstrom 59, 60 entfernt Wärme von den Magneten 22, 32, 42, 43 durch Konvektion und erbringt dadurch eine direkte Kühlwirkung. Das erwärmte Kühlmittel wird an den Magneten und Kernblechen entlang und in den Hohlraum 56 gezwungen. Der Hohlraum 56 füllt sich mit Kühlmittel. Der kontinuierliche Druck hält die Läuferanordnung 20 mit Kühlmittel gerillt. Der fortgesetzte Durchfluss zwingt heißes Kühlmittel durch die Austrittsdüsen 57, 58 aus dem Hohlraum 56 hinaus. Der innere Kühlmitteldruck wird teilweise durch dieses Ausstoßen von heißem Kühlmittel geregelt. Dadurch wird Wärme vom Läuferkern 15 und den Magneten 10 weg transportiert, was zu einer höheren Leistungskapazität und/oder einer kleineren Größe der elektrischen Maschine 1 führt. Die Zwischenräume 34–41 (z. B. 5) sind gewöhnlich groß genug, um Kühlmittel über einen großen Anteil der Magnetoberfläche strömen zu lassen, besonders dann, wenn die Magnete 10 durch ihre Anlage an einer minimierten Ausrichtungsstruktur (nicht gezeigt), die in den Magnetkanälen 17, 19, 21, 23 angeordnet ist, in Solllage gehalten werden. Der Innendruck reicht gewöhnlich aus, um einen hohen Durchfluss und den Dauerbetrieb mit vollständig mit Kühlmittel gerilltem und vollständig luftlosem Läuferkern 15 zu gewährleisten. Speziell bleiben die Hohlräume 55, 56 und die Magnetkanäle 17, 19, 21, 23 während des Dauerbetriebs mit durchfließendem Kühlmittel gerillt.
Im Fall eines zu hohen Drucks zwingt der Kühlmitteldruck die konischen Federscheiben 47, 51 von den jeweiligen axialen Enden 48, 53 des Läuferkörpers 15 weg, bis der Druck auf eine Höhe zurückgeht, auf der die Federkraft der konischen Federscheiben 47, 51 die Kraft eines solchen Drucks überwinden kann. Ein derartiges Überdruckereignis kann aber auf einem katastrophalen Systemausfall beruhen und dementsprechend findet eine axiale Bewegung einer konischen Federscheibe 47, 51, die vom Läuferkern 15 wegbricht, gewöhnlich nur unter extremen Umständen statt. Tatsächliches Wegbrechen kann sich dadurch zeigen, dass ein kleiner Teil einer konischen Federscheibe sich für kurze Zeit leicht abhebt oder, im Fall eines katastrophalen Druckanstiegs, durch Abheben mit längerer Zeitdauer und/oder größerer Verschiebung. Es kann einen gewählten Teil von einer oder beiden konischen Federscheiben 47, 51 geben, der als Druckabblassstelle ausgelegt ist, z. B. indem sie in einem solchen Teil ein dünnwandigeres Material haben. Die Verwendung von mehreren gestapelten konischen Federscheiben kann die Verformung des Federmaterials im Fall einer relativ großen Verdrängung möglicherweise verhüten. In einer beispielhaften Ausführungsform kann ein Leitungsdruck von 30 PSI in den Hohlräumen 55, 56 einen Druck von über 1000 Pfund erzeugen. Unter normalen Bedingungen haben konische Federscheiben 47, 51 vergleichsweise eine Federstruktur und -zusammensetzung, die ein leichtes vorübergehendes Biegen aufgrund von höherem Innendruck zulassen, wodurch die Abdichtung zwischen den konischen Federscheiben 47, 51 und den jeweiligen axialen Enden 48, 53 nicht unterbrochen wird. Unter derartigen normalen Bedingungen üben die konischen Federscheiben 47, 51 eine axiale Kraft aus, die den Läuferkörper 15 zusammendrückt und an jedem axialen Ende eine dichte ringförmige Abdichtung aufrecht erhält.
7 ist eine schematische Querschnittansicht einer beispielhaften konischen Federscheibe 61. Die konische Federscheibe 61 ist gewöhnlich aus Federstahl mit hohem Legierungsanteil oder anderen Metallen zur Erfüllung spezifischer Leistungsanforderungen, wie hohe Dauerfestigkeit, minimale Entspannung, Federkonstante, Durchbiegung in Prozent, Größe, Gewicht und andere, hergestellt. Die konische Federscheibe 61 ist zwar mit einem im Wesentlichen linearen Profil mit geraden Federteilen 63 dargestellt, sie hat aber gewöhnlich eine konturierte Form wie etwa eine Kegelstumpfform und kann zu Montagezwecken ein flaches Oberteil haben. Konische Federscheiben 61 sind gewöhnlich nur für die Belastung in der axialen Richtung und für eine kleine Durchbiegung ausgelegt. Die Abmessung D₁ ist der Durchmesser der Mittelöffnung 62, zum Beispiel annähernd der Durchmesser der Welle 5. Die Abmessung D₂ ist der Außendurchmesser der Feder 61, t ist die Dicke des Federmaterials, d ist die maximale Durchbiegung der Feder 61 im zusammengedrückten Zustand und e ist die Gesamthöhe/-dicke der Feder 61 im nicht zusammengedrückten Zustand. Da die konische Federscheibe 61 eine einfache Struktur hat, lässt sie sich leicht modifizieren und herstellen. Zum Beispiel kann der Federteil 63 unterschiedliche Dicken haben und/oder in gewissen Sektoren mit verschiedenen Materialzusammensetzungen ausgebildet sein, wie z. B. zum Erhalten einer spezifischen Federkonstante bei einer gegebenen Last und Temperatur. Allgemein hat die konische Federscheibe 61 eine konvexe Seite 64 und eine konkave Seite 65. Der äußere Umfang der konkaven Seite 65 hat einen ebenen, ringförmigen abgeschrägten Teil 70, so dass der abgeschrägte Teil 70 beim Zusammendrücken der konischen Federscheibe 61 gegen ein axiales Ende 48, 53 des Läuferkörpers 15 flach an diesem äußeren Ende 48, 53 anliegt, so dass eine dichte Abdichtung gebildet wird. Alternativ kann der ringförmige Außenrand/können die ringförmigen Außenränder der konischen Federscheiben 47, 51 als ein Grat oder erhabener Teil, der abgeschrägt ist, ausgebildet sein. Andere Ausführungen, wie z. B. diejenigen, die eine Flachdichtung oder dergleichen verwenden, können eingesetzt werden, um einen engen und gleichförmigen Oberflächenkontakt zwischen dem/den ringförmigen Außenrand/-rändern der konischen Federscheiben 47, 51 und den jeweiligen axialen Enden 48, 53 zu gewährleisten, ohne punktuelle Belastungen oder Zwischenräume entstehen zu lassen.
8 ist eine beispielhafte Explosionszeichnung einer Stapelanordnung für konische Federscheiben 61. Mehrere konische Federscheiben 61 können gestapelt werden, um die Federkonstante oder die Durchbiegung zu modifizieren. Das Stapeln in derselben Richtung bzw. mit derselben Ausrichtung addiert die Federkonstanten parallel und erzeugt eine steifere Verbindung. Das Stapeln in abwechselnder Richtung (z. B. zwei nebeneinanderliegende/sich berührende konvexe Seiten oder zwei nebeneinanderliegende konkave Seiten) ist eine Reihenkonfiguration, die zu einer kleineren Federkonstante und einer größeren Durchbiegung führt. Durch Ändern des Stapelmusters lassen sich leicht eine spezifische Federkonstante und eine spezifische Durchbiegung erzielen. Wie gezeigt, sind zwei konische Federscheiben 61 auf der Welle 5 gestapelt. Die Abmessung D₁, Durchmesser der Mittelöffnung 62 (7), ist gewöhnlich ein wenig größer als der Durchmesser der Welle 5. Fakultativ kann ein Federträger 66 bereitgestellt werden, um die Federn 61 präzise um einen kleinen Abstand voneinander zu beabstanden und um die Abdichtung zwischen den Federn 61 und der Welle 5 zu verbessern. Die veranschaulichte obere konische Federscheibe 61 hat eine Oberseite 67 und eine Unterseite 68. Die untere Feder 61 hat eine Oberseite 69. Wenn die untere konische Federscheibe 61 auf den Läuferkörper 15 aufgesetzt wird, ist die Oberfläche 69 konvex. Wenn in einem solchen Fall die benachbarte Seite 68 konkav ist, ist der Stapel eine parallele Anordnung, wenn die benachbarte Seite 68 konvex ist, hat der Stapel eine Reihenanordnung.
Indem das Festziehen der Mutter 50, 54 bestimmt und quantifiziert wird (z. B. Drehmoment in ft-lbs) und indem eine Anzahl von konischen Federscheiben 61 in verschiedenen Reihen- und Parallelanordnungen kombiniert wird, kann in einer bespielhaften Ausführungsform der Betrag des Zusammendrückens der konischen Federscheiben 47, 51 gegen den Läuferkörper 15 genau eingestellt werden, um die strukturelle Gesamtheit eines Läuferkerns 15, der aus einzelnen Kernblechen zusammengesetzt ist, zu gewährleisten und um die Federkraft so festzulegen, dass eine Entlastung bereitgestellt wird, wenn der Innendruck in den Hohlräumen 55, 56 eine größere Kraft als eine solche Federkraft erzeugt, Durch Optimierung dieser Federkraft und das zugeordnete Profil der dynamischen Leistung konischer Federscheiben werden die einzelnen Kernbleche des Läuferkörpers 15 zusammengehalten, die inneren Permanentmagnete werden gekühlt und der innere Kühlmitteldruck wird teilweise geregelt. Während des normalen Betriebs wird die teilweise Druckregelung durch das Ausstoßen von Kühlmittel durch die Düsen 57, 58 realisiert. Durch Variieren von Anzahl und Durchmesser der Düsen 57, 58 werden der Durchfluss und der Druckabbau geregelt. Zusätzliche Druckregelvorrichtungen (nicht gezeigt) können in einer Kühlmittelpumpe und zugeordneten Ventilen oder dergleichen bereitgestellt werden. Des Weiteren wirken die Zusammensetzung, Form, Größe und andere technische Daten in Bezug auf die konische Federscheibe 61 zum Regeln des Drucks. Zum Beispiel bestimmen das Festziehen der Mutter 50, 54, die Materialzusammensetzung der Biegeteile davon und die Zahl der einzelnen konischen Federscheiben 61 einen Durchbiegungsbetrag und eine resultierende teilweise Druckregelung.
Zu geeigneten Kühlmitteln können Getriebeöl, Ethylenglykol, Ethylenglykol-Wasser-Gemisch, Wasser, Öl, Motoröl, ein Gas, ein Nebel, eine beliebige Kombination davon oder ein anderer Stoff zählen.
9 ist eine Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer elektrischen Maschine 1 mit einem Kühlmittelsystem, das eine konische Federscheibe verwendet, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. In dem Gehäuse 72 ist ein Kühlmitteleinlassanschluss 71 zur Anbringung eines Kühlmittelschlauchs oder -rohrs (nicht gezeigt) bereitgestellt. Der Einlass 71 kann ein Gewinde oder eine andere Verbindungsstruktur zum Anschließen eines Endverbinders des Kühlmittelschlauchs aufweisen. Eine radial verlaufende Bohrung 73 stellt einen Kühlmitteldurchgang zwischen dem Einlass 71 und einer kreisförmigen inneren Kammer 74 bereit, die als integrierter Teil des Gehäuses 72 ausgebildet ist. Der Innendurchmesser der Kammer 74 ist ein wenig größer als der Außendurchmesser der Welle 75, so dass sich die Welle 75 frei dreht. Die Welle 75 hat eine Mittelbohrung 76, die von einem nächsten Ende innerhalb der Kammer 74 bis zu einer Stelle 77 verläuft, die auf der Basis des Durchmessers der Bohrung 76, der Auswuchtung und Festigkeit der Welle 75 und anderer Kriterien bestimmt werden kann. Eine Reihe von Löchern 78, z. B. 3 mm, verläuft radial von der Bohrung 76 durch die äußere Umfangsfläche der Welle 75. Eine konische Federscheibe 79 hat einen ringförmigen Innenrand 80, der mit einem rotierenden Innenteil der Lageranordnung 81 verbunden ist. Der nichtrotierende, feste Teil der Lageranordnung 81 ist fest am Gehäuse 72 befestigt. Die ringförmige axial einwärts liegende Oberfläche 82 der konischen Federscheibe 79 wird durch ihre Anlage an der Lageranordnung 81 oder alternativ durch ihre Befestigung an der Welle 75 mit einer Mutter und Unterlegscheibe (nicht gezeigt) oder einer anderen Struktur gegen die axial äußere Oberfläche 84 des Läuferkerns 83 vorgespannt. Infolge dessen, dass die konische Federscheibe 79 gegen die Oberfläche 84 gepresst wird, verbindet ein ringförmiger Zwischenraum 85 die Kammer 86 fluidisch unter der Kuppel der konischen Federscheibe 79 mit längs verlaufenden Fluidkanälen 87, die im Läuferkern 83 ausgebildet sind. Die Fluidkanäle 87 können auch Permanentmagneten 22, 32, 42, 43 (6) enthalten. An den axialen Enden einer Nabe 91 kann/können (eine) Abdeckplatte(n) 90 angebracht sein, z. B. daran abgedichtet und/oder befestigt sein.
Im Betrieb wird Kühlmittel wie Öl in den Einlass 71 gepumpt. Das Kühlmittel füllt schnell Bohrung 73, Kammer 74, Bohrung 76, Kammer 76 und die Kanäle 87. Das Kühlmittel wird dann durch Düsenblöcke (nicht gezeigt) auf eine Weise ausgestoßen, bei der das Kühlmittel auf Endwindungen der Statorwicklungen gesprüht wird. Das Kühlmittel verlässt die elektrische Maschine 1 dann durch einen Sammelbereich (nicht gezeigt) in dem Gehäuse 72, so dass Wärme von einem externen Wärmetauscher abtransportiert werden kann. Der gesamte Kühlmittelweg kann so ausgebildet werden, dass Leerräume vermieden oder verringert werden, weil eine unerwünschte Ölansammlung in derartigen Leerräumen eines Läufers zu einer Läuferunwucht führen kann.
Bei einem Ausführungsbeispiel können die Ständerspulen 3 als einzelne Leitersegmente (nicht gezeigt) ausgebildet sein, die nach dem Einsetzen in einen Statorkern aneinandergeschweißt werden. Derartige Spulen werden dadurch so ausgebildet, dass sie ein Schweißungsende und ein Kopfende haben. Aufgrund der zur Schaffung von Schweißungsflächen erforderlichen Geometrie und anderer logistischer Gründe ist das Schweißungsende der Statorspulen 3 im Allgemeinen heißer als das Kopfende. Infolgedessen wird das aus der Läuferanordnung 20 (6) ausgestoßene Kühlmittel gewöhnlich von den Düsen 57, 58 auf die Schweißungsenden der Statorspulen 3 gesprüht. Das von den Düsen 57, 58 ausgestoßene Kühlmittel kann zum Beispiel eine Temperatur von 80°C haben, die Temperatur der Schweißungsenden kann aber 180°C oder mehr sein, so dass das ausgestoßene Kühlmittel, das durch das Hindurchströmen durch die Magnetkanäle 17, 19, 21, 23 und die Hohlräume 55, 56 erwärmt wurde, selbst nach dem Kühlen der Permanentmagneten 10 noch für einen großen Grad an Kühlung für derartige Leiter am Schweißungsende sorgt. Das heiße Kühlmittel wird dann gewöhnlich in einem Sammelteil (nicht gezeigt) des Gehäuses 8 der elektrischen Maschine 1 gesammelt und in einem Wärmetauscher wie einem Ölkühler des Radiatortyps gekühlt. Eine Kühlmittelpumpe (nicht gezeigt) führt das gekühlte Kühlmittel dann wieder zum Einlass 45 zurück.
Obwohl verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben wurden, können fachkundigen Personen weitere Modifikationen und Adaptionen der Erfindung einfallen. Es versteht sich jedoch ausdrücklich, dass derartige Modifikationen und Adaptionen im Sinn und Umfang der vorliegenden Erfindung liegen.

Claims

Läufer einer elektrischen Maschine mit inneren Permanentmagneten (IPM), umfassend: einen Kern mit einem ersten und einem zweiten axialen Ende, zwischen den Enden verlaufenden Längskanälen und mehreren in den Kanälen angeordneten Permanentmagneten, eine erste konische Federscheibe mit einem Umfangsrand, die an dem ersten axialen Ende befestigt ist, und eine zweite konische Federscheibe mit einem Umfangsrand, die an dem zweiten axialen Ende befestigt ist, wobei ein Raum zwischen der ersten konischen Federscheibe und dem ersten axialen Ende über die Kanäle mit einem Raum zwischen der zweiten konischen Federscheibe und dem zweiten axialen Ende zur Übertragung von Fluid in Verbindung steht.
Läufer nach Anspruch 1, wobei die Permanentmagneten axial segmentiert sind.
Läufer nach Anspruch 1 oder 2, der ferner eine Welle aufweist, die teilweise in dem Kern angeordnet ist und eine Außenfläche, eine Mittelbohrung und wenigstens ein Loch hat, das von der Mittelbohrung radial zur Außenfläche verläuft, wobei die erste konische Federscheibe das wenigstens eine Loch umschließt.
Läufer nach Anspruch 3, wobei die zweite konische Federscheibe wenigstens eine Austrittsöffnung hat.
Läufer nach Anspruch 4, wobei die wenigstens eine Austrittsöffnung eine Reihe von Düsen umfasst.
Läufer nach Anspruch 5, wobei die Düsen wenigstens zwei verschiedene Düsengrößen aufweisen.
Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die konischen Federscheiben mit einer Kraft gegen den Kern vorgespannt werden, wobei die Kraft überwindender Druck in den Räumen die konischen Federscheiben von den axialen Enden weg bewegt, bis solch ein übermäßige Druck abgebaut ist.
Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und/oder die zweite konische Federscheibe eine Vielzahl von einzelnen konischen Federscheiben beinhaltet, die als Reihe angeordnet sind.
Läufer nach Anspruch 8, der ferner einen Federträger aufweist, der zum Beabstanden benachbarter einzelner konischer Federscheiben voneinander ausgebildet ist.
Verfahren, umfassend: Stapeln und Ausrichten von Kernblechen auf einer Welle, um dadurch einen Läuferkern zu bilden, Aufsetzen einer konischen Federscheibe auf die Welle an jedem axialen Ende des Kernblechstapels und Festziehen der konischen Federscheiben auf die Welle, so dass die konischen Federscheiben den Kernblechstapel zusammendrücken.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Stapeln und Ausrichten von Kernblechen längliche Kühlkanäle im Läuferkern bildet und wobei das Setzen der konischen Federscheiben einen Hohlraum bildet, der an jedes axiale Ende des Läuferkerns angrenzt, wobei das Verfahren ferner das Füllen der Kühlmittelkanäle und Hohlräume mit Kühlmittel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner das Druckbeaufschlagen des Kühlmittels beinhaltet, so dass einer der Hohlräume als Druckverstärker wirkt und der andere Hohlraum als Zugverstärker wirkt, um das Kühlmittel durch den Kernblechstapel strömen zu lassen.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner das Bereitstellen wenigstens einer Öffnung in einer der konischen Federscheiben aufweist, wodurch ein Druck in dem zugeordneten, die Zugwirkung erzeugenden Hohlraum veringert wird.
Verfahren zum Kühlen von Magneten in einer elektrischen Maschine mit inneren Permanentmagneten (IPM), umfassend: Umschließen jedes axialen Endes eines Läuferkerns mit einer konischen Federscheibe zum Bilden von zwei jeweiligen Endhohlräumen und Leiten von Kühlmittel zwischen den Endhohlräumen, wodurch das Kühlmittel an den Magneten vorbeigeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, das ferner das Aufrechterhalten von Druck in einem Kühlmittelraum, der die Endhohlräume beinhaltet, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 15, das ferner das Festziehen der konischen Federscheiben gegen die jeweiligen axialen Enden aufweist, so dass ein Druck, der einen Schwellenwert übersteigt, bewirkt, dass sich die konischen Federscheiben von den axialen Enden weg bewegen, bis der überschüssige Druck abgebaut ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Aufrechterhalten von Druck das Einpumpen von Kühlmittel in einen der Endhohlräume beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Aufrechterhalten von Druck das Regeln des Drucks beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Regeln von Druck das Bereitstellen von wenigstens einer Austrittsdüse in einer der konischen Federscheiben zum Auslassen von Kühlmittel beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die wenigstens eine Austrittsdüse eine Reihe von Austrittsdüsen umfasst, die wenigstens zwei verschiedene Volumenstromeinstellungen haben.