DE102017107165A1

DE102017107165A1 - Statorkühlung für elektrische maschinen

Info

Publication number: DE102017107165A1
Application number: DE102017107165.2A
Authority: DE
Inventors: Prasad Dev Hanumalagutti; Michael W. Degner; Franco Leonardi
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-04-25
Filing date: 2017-04-04
Publication date: 2017-10-26
Also published as: US20170310189A1; CN107306056B; CN107306056A

Abstract

Eine elektrische Maschine eines Fahrzeugs kann einen Rotor beinhalten. Der Rotor kann mit einem Stator zusammenwirken, der einen Kern beinhaltet, der eine Stirnfläche hat, und Endwicklungen, die sich von der Stirnfläche erstrecken. Ein Kühltunnel kann die Endwicklungen umschließen, an gegenüberliegenden Seiten der Endwicklungen gegen die Stirnfläche abdichten und einen Einlass definieren, der dazu ausgelegt ist, Kühlmittel aufzunehmen. Der Kühltunnel kann so angeordnet sein, dass er das Kühlmittel während der Passage über die Endwicklungen enthält und das Kühlmittel zu einem Auslass leitet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft das Kühlen von Statorwicklungen in elektrischen Maschinen.
HINTERGRUND
Viele Fahrzeuge verlassen sich auf elektrische Maschinen als eine Quelle mechanischer Energie. Statorwicklungen empfangen elektrischen Strom, um Magnetfelder zu erzeugen, die mit gegenüberliegenden Magnetfeldern des Rotors zusammenwirken. Resistives Erwärmen der Statorwicklungen aufgrund des elektrischen Stroms kann der mechanischen Energie, die von der elektrischen Maschine erzeugt wird, Grenzen setzen.
KURZDARSTELLUNG
Eine elektrische Maschine eines Fahrzeugs kann einen Rotor beinhalten. Der Rotor kann mit einem Stator zusammenwirken, der einen Kern beinhaltet, der eine Stirnfläche hat, und Endwicklungen, die sich von der Stirnfläche erstrecken. Ein Kühltunnel kann die Endwicklungen umschließen, an gegenüberliegenden Seiten der Endwicklungen gegen die Stirnfläche abdichten und einen Einlass definieren, der dazu ausgelegt ist, Kühlmittel aufzunehmen. Der Kühltunnel kann so angeordnet sein, dass er das Kühlmittel während der Passage über die Endwicklungen enthält und das Kühlmittel zu einem Auslass leitet.
Der Kühlmitteltunnel kann den Auslass definieren. Der Auslass kann an einem Ende des Kühltunnels gegenüber dem Einlass sein. Der Kühltunnel kann sich vollständig um einen Umfang der Endwicklungen erstrecken. Der Kühltunnel kann einen bogenförmigen Querschnitt haben. Der Kühltunnel kann einen rechteckigen Querschnitt haben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Hybridfahrzeugs.
2 ist eine Seitenansicht im Querschnitt eines Teils einer beispielhaften elektrischen Maschine.
3 ist eine perspektivische Ansicht eines Stators einer elektrischen Maschine.
4 ist eine Draufsicht einer Beschichtung des in 3 gezeigten Stators.
5 ist eine perspektivische Ansicht einer elektrischen Maschine.
6 ist eine perspektivische Ansicht der Ummantelung der elektrischen Maschine, die in 5 dargestellt ist.
7 ist eine Querschnittsansicht der elektrischen Maschine entlang einer Schnittlinie 7-7.
8 ist eine perspektivische Ansicht der elektrischen Maschine, die eine Kühlvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform hat.
9 ist eine perspektivische Ansicht der in 8 gezeigten Ummantelung.
10 ist eine Querschnittsansicht der elektrischen Maschine entlang einer Schnittlinie 10-10.
11 ist eine perspektivische Ansicht der elektrischen Maschine, die eine Kühlvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform hat.
12 ist eine perspektivische Ansicht der in 11 gezeigten Ummantelung.
13 ist eine Seitenansicht im Querschnitt eines Teils eines Getriebes.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Hier werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details besonderer Komponenten zu zeigen. Die speziellen strukturellen und funktionalen Details, die hier offenbart werden, sollen deshalb nicht als einschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einen Fachmann zu lehren, wie die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise einzusetzen ist. Für einen Durchschnittsfachmann liegt auf der Hand, dass verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu schaffen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben werden. Die Kombinationen von veranschaulichten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten allerdings für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungsformen erwünscht sein.
Elektro- und Hybridfahrzeuge beinhalten Permanentmagnetfahrmotoren, um das Fahrzeug anzutreiben. Permanentmagnete sind in der Regel um den Rotor des Rotors einer elektrischen Maschine eingebettet. Gegenüberliegende Magnetfelder, die durch den Stator induziert werden, werden genutzt, um den Rotor relativ zum Stator zu drehen. Der Stator weist einen Kern auf, der aus Elektrostahl oder Material, das eine hohe relative magnetische Durchlässigkeit hat, gebildet ist. Mehrere Schlitze sind entlang einem Innendurchmesser des Stators verteilt und so dimensioniert, dass sie Wicklungen aufnehmen, die in der Lage sind, elektrischen Strom zu führen. Die Wicklungen können dazu ausgelegt sein, drei elektrische Phasen zu unterstützen, um das produzierte Magnetfeld zu verbessern. Dreiphasenwechselstrom kann durch die Statorwicklungen geführt werden, um Magnetfelder zu induzieren. Strom kann eine resistive Erwärmung der Statorwicklungen bewirken. Die Statorwicklungen können den Kern und den umgebenden Bereich erwärmen. Wegen thermischer Beschränkungen kann resistive Erwärmung die mechanische Leistung unnötig beschränken oder eine Verschlechterung der Maschine bewirken. Kühlsysteme können genutzt werden, um die resistive Erwärmung zu reduzieren und die Langlebigkeit der Maschine und die Abgabe an mechanischer Energie zu erhöhen.
Ein Kühlsystem kann Zirkulieren von Kühlmittel in oder um einen Statorkern und Wicklungen beinhalten, um Wärme zu entfernen. Eine Kühlmittelschleife kann ein Teil eines Fahrzeugkühlmittelsystems oder eines unabhängigen Systems sein. Die Kühlmittelschleife kann einen Kühler und eine Kühlmittelpumpe beinhalten. In einigen Fällen kann die Kühlmittelschleife unter Druck stehen.
Kühlmittel kann gepumpt oder anderweitig in einen Kühlmitteltunnel gezogen werden, der an einer äußeren oder Stirnfläche des Stators angebracht ist. Das Kühlmittel kann durch oder um den Statorkern strömen. Der Tunnel kann auch die Wicklungen umschließen und Kühlung für die Endwendungen bereitstellen. Die Endwendungen können sich vom Statorkern erstrecken, den Eingang und Ausgang von einzelnen Statorschlitzen gestatten und gleichzeitig Kontinuität aufrechterhalten. Der Kühlmitteltunnel kann an jeder Seite der Endwicklung gegen die Stirnfläche des Stators abdichten. Der Kühlmitteltunnel kann Aus- und Einlässe haben, die ein Eintreten und Austreten von Kühlmittel zu anderen Komponenten der elektrischen Maschine gestatten.
Der Kühlmitteltunnel kann viele Formen und Auslegungen haben. Beispielsweise kann der Tunnel bei Betrachtung der elektrischen Maschine von der Seite einen allgemein quadratischen oder runden Querschnitt haben. Bei Betrachtung entlang der Achse der elektrischen Maschine kann der Kühlmitteltunnel eine ringförmige Form haben, die alle Endwicklungen auf dieser Seite des Statorkerns umschließt. Der Kühlmitteltunnel kann ein unitäres Teil oder eine Gruppe von Teilen sein, die angeordnet sind, um die Endwicklungen adäquat zu kühlen. Der Kühlmitteltunnel kann alle Endwicklungen umschließen. In einer anderen Ausführungsform kann der Kühlmitteltunnel zwei separate Abschnitte in einander gegenüberliegenden Quadranten der Stirnfläche haben. In noch einer weiteren Ausführungsform kann der Kühlmitteltunnel nur einen Teil einer rechten Hälfte oder linken Hälfte der Stirnfläche einnehmen. Der Tunnel kann auch gegenüberliegende Sektoren der Stirnfläche umschließen, die sich zwischen 30° und 150° und 210° und 330° befinden. In einer durch die Schwerkraft geförderten Ausführungsform kann der Tunnel so über der Stirnfläche ausgerichtet sein, dass Schwerkraft Kühlmittel über und durch die Endwicklungen vom Einlass zum Auslass zieht.
Ein Teil des Kühlmitteltunnels kann gegenüber dem Statorkern abgedichtet sein, während ein anderer Teil des Kühlmitteltunnels einen offenen Rinnenabschnitt hat. Beispielsweise kann der Kühlmitteltunnel ein unitäres Teil sein, das einen Tunnelteil und einen Rinnenteil hat. Der Tunnelteil kann so angeordnet sein, dass ein durch die Schwerkraft geförderter Einlass Kühlmittel durch den Tunnelteil zieht und der Rinnenteil Kühlmittel vom Tunnelteil erhält, um das Kühlmittel zu einem Auslass zu führen. Der offene Rinnenteil kann die Kühlung der Endwicklungen und des Kühlmittels durch Konvektionskühlung erhöhen.
Der Kühlmitteltunnel kann an jeder Seite des Stators angeordnet sein, um dem gesamten Statorkern und Wicklungen Kühlmittel bereitzustellen. Das Paar Kühlmitteltunnel kann so angeordnet sein, dass es von einem gemeinsamen Einlass oder einer Kühlmittelschleife versorgt wird. Die Kühlmitteltunnel können identisch sein und einander gegenüberliegen oder eine der vorstehenden Ausführungsformen nutzen, um Asymmetrie unter den Enden der elektrischen Maschine zu begegnen. Das heißt, eine Auslegung mit zwei separaten Tunneln an jeder Stirnseite kann so ausgerichtet sein, dass sie die Hälfte der Endwendung verdeckt, jedoch kollektiv alle Wicklungen umschließt.
Ein beispielhaftes Plug-In-Hybridelektrofahrzeug (PHEV) ist in 1 abgebildet und wird hierin allgemein als ein Fahrzeug 16 bezeichnet. Das Fahrzeug 16 beinhaltet ein Getriebe 12 und wird von wenigstens einer Elektromaschine 18 mit selektiver Unterstützung von einer Kraftmaschine 20 mit innerer Verbrennung angetrieben. Die Elektromaschine 18 kann ein Wechselstrom-Elektromotor sein, der in 1 als „Elektromotor“ 18 gezeigt ist. Die Elektromaschine 18 empfängt elektrische Leistung und stellt Drehmoment für den Fahrzeugvortrieb bereit. Die Elektromaschine 18 wirkt auch als ein Generator zur Umwandlung von mechanischer Leistung in elektrische Leistung durch Rekuperationsbremsung.
Das Getriebe 12 kann eine leistungsverzweigte Auslegung aufweisen. Das Getriebe 12 beinhaltet die erste Elektromaschine 18 und eine zweite Elektromaschine 24. Die zweite Elektromaschine 24 kann ein Wechselstrom-Elektromotor sein, der in 1 als „Generator“ 24 gezeigt ist. Wie die erste Elektromaschine 18, empfängt die zweite Elektromaschine 24 elektrische Leistung und stellt Ausgangsdrehmoment bereit. Die zweite Elektromaschine 24 wirkt auch als ein Generator zum Umwandeln von mechanischer Leistung in elektrische Leistung und zum Optimieren von Leistungsfluss durch das Getriebe 12. Bei anderen Ausführungsformen weist das Getriebe keine leistungsverzweigte Auslegung auf.
Das Getriebe 12 kann eine Planetenradeinheit 26 beinhalten, die ein Sonnenrad 28, einen Planetenträger 30 und ein Hohlrad 32 beinhaltet. Das Sonnenrad 28 ist mit einer Ausgangswelle der zweiten Elektromaschine 24 zum Empfangen von Generatordrehmoment verbunden. Der Planetenträger 30 ist mit einer Ausgangswelle der Kraftmaschine 20 zum Empfangen von Kraftmaschinendrehmoment verbunden. Die Planetenradeinheit 26 kombiniert das Generatordrehmoment und das Kraftmaschinendrehmoment und stellt ein kombiniertes Ausgangsdrehmoment über das Hohlrad 32 bereit. Die Planetenradeinheit 26 wirkt als ein kontinuierlich variables Getriebe, ohne irgendwelche festen oder „abgestuften“ Verhältnisse.
Das Getriebe 12 kann auch eine Freilaufkupplung (O.W.C. – One-Way Clutch) und eine Generatorbremse 33 beinhalten. Die O.W.C ist mit der Ausgangswelle der Kraftmaschine 20 gekoppelt, um eine Drehung der Ausgangswelle nur in einer Richtung zu erlauben. Die O.W.C verhindert einen Rückwärtsantrieb der Kraftmaschine 20 durch das Getriebe 12. Die Generatorbremse 33 ist mit der Ausgangswelle der zweiten Elektromaschine 24 gekoppelt. Die Generatorbremse 33 kann aktiviert werden, um eine Drehung der Ausgangswelle der zweiten elektrischen Maschine 24 und des Sonnenrads 28 zu „bremsen“ oder zu verhindern. Alternativ können die O.W.C. und die Generatorbremse 33 eliminiert und durch Steuerstrategien für die Kraftmaschine 20 und die zweite Elektromaschine 24 ersetzt werden.
Das Getriebe 12 kann weiterhin eine Vorgelegewelle mit Zwischenzahnrädern beinhalten, zu denen ein erstes Zahnrad 34, ein zweites Zahnrad 36 und ein drittes Zahnrad 38 zählen. Ein Planetenabtriebsritzel 40 ist mit dem Hohlrad 32 verbunden. Das Planetenabtriebsritzel 40 greift mit dem ersten Zahnrad 34 ineinander, um Drehmoment zwischen der Planetenradeinheit 26 und der Vorgelegewelle zu übertragen. Ein Abtriebsritzel 42 ist mit einer Ausgangswelle der ersten Elektromaschine 18 verbunden. Das Abtriebsritzel 42 greift mit dem zweiten Zahnrad 36 ineinander, um Drehmoment zwischen der ersten Elektromaschine 18 und der Vorgelegewelle zu übertragen. Ein Getriebeabtriebsritzel 44 ist mit einer Antriebswelle 46 verbunden. Die Antriebswelle 46 ist durch ein Differenzial 50 mit einem Paar angetriebener Räder 48 verbunden. Das Getriebeabtriebsritzel 44 greift mit dem dritten Zahnrad 38 ineinander, um Drehmoment zwischen dem Getriebe 12 und den angetriebenen Rädern 48 zu übertragen.
Das Fahrzeug 16 beinhaltet eine Energiespeichervorrichtung, wie zum Beispiel eine Traktionsbatterie 52, zum Speichern elektrischer Energie. Die Batterie 52 ist eine Hochspannungsbatterie, die in der Lage ist, elektrische Leistung auszugeben, um die erste Elektromaschine 18 und die zweite Elektromaschine 24 zu betreiben. Die Batterie 52 empfängt auch elektrische Leistung aus der ersten Elektromaschine 18 und der zweiten Elektromaschine 24, wenn sie als Generatoren arbeiten. Die Batterie 52 ist ein Batteriesatz, der aus mehreren (nicht gezeigten) Batteriemodulen besteht, wobei jedes Batteriemodul mehrere (nicht gezeigte) Batteriezellen enthält. Bei anderen Ausführungsformen des Fahrzeugs 16 kommen unterschiedliche Arten von Energiespeichervorrichtungen, wie zum Beispiel Kondensatoren und Brennstoffzellen (nicht gezeigt), die die Batterie 52 ergänzen oder ersetzen, in Betracht. Ein Hochspannungsbus verbindet die Batterie 52 elektrisch mit der ersten Elektromaschine 18 und mit der zweiten Elektromaschine 24.
Das Fahrzeug beinhaltet ein Batterieenergiesteuermodul (BECM – Battery Energy Control Module) 54 zum Steuern der Batterie 52. Das BECM 54 empfängt eine Eingabe, die bestimmte Fahrzeugzustände und Batteriezustände, wie z. B. Batterietemperatur, -spannung und -strom, anzeigt. Das BECM 54 berechnet und schätzt Batterieparameter, wie z. B. den Batterieladezustand und die Batterieleistungsfähigkeit. Das BECM 54 stellt Ausgangsgrößen (BSOC, P_cap) bereit, die für andere Fahrzeugsysteme und -steuerungen einen Batterieladezustand (BSOC – Battery State of Charge) und eine Batterieleistungsfähigkeit (P_cap) angeben.
Das Fahrzeug 16 beinhaltet einen Gleichspannungswandler oder einen einstellbaren Spannungswandler (VVC – Variable Voltage Converter) 10 und einen Wechselrichter 56. Der VVC 10 und der Wechselrichter 56 sind zwischen der Traktionsbatterie 52 und der ersten Elektromaschine 18 und zwischen der Batterie 52 und der zweiten Elektromaschine 24 elektrisch verbunden. Der VVC 10 setzt das Spannungspotential der elektrischen Leistung „hoch“, die von der Batterie 52 bereitgestellt wird, oder erhöht es. Der VVC 10 setzt gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen auch das Spannungspotential der elektrischen Leistung „herab“, die der Batterie 52 bereitgestellt wird, oder verringert es. Der Wechselrichter 56 wandelt den Gleichstrom, der von der Hauptbatterie 52 (durch den VVC 10) geliefert wird, in Wechselstrom um, um die Elektromaschinen 18, 24 zu betreiben. Der Wechselrichter 56 richtet auch Wechselspannungsleistung, die von den Elektromaschinen 18, 24 bereitgestellt wird, in Gleichspannung zum Aufladen der Traktionsbatterie 52 gleich. Andere Ausführungsformen des Getriebes 12 beinhalten mehrere (nicht gezeigte) Wechselrichter, zum Beispiel einen Wechselrichter, der mit jeder Elektromaschine 18, 24 verknüpft ist. Der VVC 10 beinhaltet eine Induktorbaugruppe 14.
Das Getriebe 12 beinhaltet ein Getriebesteuermodul (TCM – Transmission Control Module) 58 zum Steuern der Elektromaschinen 18, 24, des VVC 10 und des Wechselrichters 56. Das TCM 58 ist dazu ausgelegt, um unter anderem die Stellung, die Drehzahl und den Leistungsverbrauch der Elektromaschinen 18, 24 zu überwachen. Das TCM 58 überwacht auch elektrische Parameter (z. B. Spannung und Strom) an verschiedenen Stellen innerhalb des VVC 10 und des Wechselrichters 56. Das TCM 58 stellt Ausgangssignale für andere Fahrzeugsysteme bereit, die diesen Informationen entsprechen.
Das Fahrzeug 16 beinhaltet eine Fahrzeugsystemsteuerung (VSC – Vehicle System Controller) 60, die mit anderen Fahrzeugsystemen und -steuerungen in Verbindung steht, um ihre Funktion zu koordinieren. Obgleich die VSC 60 als eine einzige Steuerung gezeigt wird, kann sie mehrere Steuerungen beinhalten, die zum Steuern mehrerer Fahrzeugsysteme gemäß einer Gesamtfahrzeugsteuerlogik oder -software verwendet werden können.
Die Fahrzeugsteuerungen, einschließlich der VSC 60 und des TCM 58, beinhalten im Allgemeinen irgendeine Anzahl von Mikroprozessoren, ASICs, ICs, Speichern (z. B. FLASH, ROM, RAM, EPROM und/oder EEPROM) und Softwarecode, um miteinander zum Ausführen einer Reihe von Operationen zu kooperieren. Die Steuerungen beinhalten weiterhin vorbestimmte Daten oder „Nachschlagetabellen“, die auf Berechnungen und Testdaten basieren und im Speicher gespeichert sind. Die VSC 60 kommuniziert mit anderen Fahrzeugsystemen und -steuerungen (z. B. dem BECM 54 und dem TCM 58) über eine oder mehrere drahtgebundene oder drahtlose Fahrzeugverbindungen unter Verwendung üblicher Busprotokolle (z. B. CAN und LIN). Die VSC 60 empfängt eine Eingabe (PRND), die eine aktuelle Stellung des Getriebes 12 (z. B. Parken, Rückwärtsgang, Leerlauf oder Fahren) darstellt. Die VSC 60 empfängt auch eine Eingabe (APP), die eine Gaspedalstellung darstellt. Die VSC 60 stellt eine Ausgabe, die ein gewünschtes Radmoment, eine gewünschte Kraftmaschinendrehzahl und Generatorbremsbefehl an das TCM 58 darstellt, und Schützsteuerung für das BECM 54 bereit.
Das Fahrzeug 16 beinhaltet ein Kraftmaschinensteuermodul (ECM – Engine Control Module) 64 zum Steuern des Verbrennungsmotors 20. Die VSC 60 stellt eine Ausgabe (gewünschtes Kraftmaschinendrehmoment) für das ECM 64 bereit, die auf einer Reihe von Eingangssignalen, einschließlich APP, basiert und einer Fahrzeugvortriebanforderung des Fahrers entspricht.
Falls das Fahrzeug 16 ein PHEV ist, kann die Batterie 52 periodisch Wechselstromenergie aus einer externen Leistungsversorgung oder dem Stromnetz über einen Ladeanschluss 66 aufnehmen. Das Fahrzeug 16 beinhaltet auch ein Onboard-Ladegerät 68, das die Wechselstromenergie aus dem Ladeanschluss 66 aufnimmt. Das Ladegerät 68 ist ein AC-DC-Wandler, der die aufgenommene Wechselstromenergie in Gleichstromenergie umwandelt, die zum Aufladen der Batterie 52 geeignet ist. Das Ladegerät 68 führt wiederum der Batterie 52 während des Wiederaufladens Gleichstromenergie zu. Wenngleich die elektrischen Maschinen 18, 24 im Zusammenhang mit einem PHEV 16 dargestellt und beschrieben wurden, versteht sich, dass sie an anderen Arten von Elektrofahrzeugen, wie zum Beispiel einem Hybridelektrofahrzeug oder einem Vollelektrofahrzeug implementierbar sind.
Bezug nehmend auf 2, 3, und 4 beinhaltet eine beispielhafte elektrische Maschine 70 einen Stator 74 mit mehreren Beschichtungen 78. Jede der Beschichtungen 78 beinhaltet eine Vorderseite 101 und eine Rückseite. Im gestapelten Zustand sind die Vorder- und Rückseiten an benachbarte Vorder- bzw. Rückseiten angrenzend angeordnet, um einen Statorkern 80 auszubilden. Jede der Beschichtungen 78 kann kreisringförmig sein und eine hohle Mitte definieren. Jede Beschichtung 78 beinhaltet auch einen Außendurchmesser (oder eine äußere Wand) 82 und einen Innendurchmesser (oder innere Wand) 84. Die Außendurchmesser 82 wirken zusammen, um eine äußere Oberfläche 86 des Statorkerns 80 zu definieren, und die Innendurchmesser 84 wirken zusammen, um einen Hohlraum 88 zu definieren.
Jede Beschichtung 78 beinhaltet mehrere Zähne 90, die sich radial nach innen zum Innendurchmesser 84 erstrecken. Angrenzende Zähne 90 wirken zusammen, um Schlitze 92 zu definieren. Die Zähne 90 und die Schlitze 92 jeder Beschichtung 78 sind mit angrenzenden Beschichtungen ausgerichtet, um Statorschlitze 94 zu definieren, die sich durch den Statorkern 80 zwischen den gegenüberliegenden Stirnflächen 112 erstrecken. Mehrere Wicklungen (auch als Spulen, Drähte, oder Leiter bekannt) 96 sind um den Statorkern 80 gewickelt und innerhalb der Statorschlitze 94 angeordnet. Die Wicklungen 96 können in einem Isolationsmaterial (nicht gezeigt) angeordnet sein. Teile der Wicklungen 96 erstrecken sich im Allgemeinen in einer Axialrichtung entlang der Statorschlitze 94. An den Stirnflächen 112 des Statorkerns biegen sich die Wicklungen, um sich umlaufend um die Stirnflächen 112 des Statorkerns 80 zu erstrecken und die Endwicklungen 98 auszubilden. Die Stirnflächen 112 definieren die gegenüberliegenden Enden des Kerns 80 und sind durch die erste und die letzte Beschichtung des Statorkerns 80 ausgebildet. Wenngleich mit verteilten Wicklungen gezeigt, können die Wicklungen auch vom konzentrierten Typ sein.
Innerhalb des Hohlraums 88 ist ein Rotor 72 angeordnet. Der Rotor 72 ist an einer Welle 76 befestigt, die mit dem Getriebe wirkverbunden ist. Wird dem Stator 74 Strom zugeführt, so wird ein Magnetfeld erzeugt, das den Rotor 72 veranlasst, sich innerhalb des Stators 74 zu drehen und ein Drehmoment zu erzeugen, das über eine oder mehrere Wellen dem Getriebe zugeführt wird. Während des Betriebs erzeugt die elektrische Maschine 70 Wärme innerhalb des Statorkerns 80 und der Wicklungen 96. Um ein Überhitzen der elektrischen Maschine zu verhindern, kann ein Fluidkreislauf bereitgestellt sein, um während des Betriebs erzeugte Wärme abzuführen.
Bezug nehmend auf 5, 6 und 7 kann die elektrische Maschine 70 durch Zirkulieren eines Kühlmediums über die Endwicklungen 98 gekühlt werden. Das Kühlmedium kann Öl (wie Getriebefluid) oder eine andere geeignete Wärmeübertragungsflüssigkeit sein. Die Kühlvorrichtung kann genutzt werden, um das Kühlmedium über die Endwicklungen 98 zu übertragen. Ein Kühltunnel 100 ist am Statorkern 80 montiert und verdeckt die Endwicklungen 98. Der Kühltunnel 100 kann gegen die Stirnflächen 112a abgedichtet sein. Der Kühltunnel 100 kann einen Einlass 102 beinhalten, um Kühlmittel von dem Kühlkreislauf aufzunehmen. Der Einlass kann abhängig vom Druck des aufgenommenen Kühlmittels eine Öffnung oder eine Verbindungsröhre sein. Beispielsweise kann ein unter Druck stehendes Kühlmittelsystem ein Fitting erfordern, um einen Kühlmittelkanal mit dem Einlass 102 zu verbinden. Ein durch Schwerkraft gefördertes System kann nur eine Öffnung erfordern, die dazu ausgelegt ist, tropfendes Kühlmittel aufzufangen. Der Kühlmitteltunnel 100 kann auch einen Auslass 104 definieren. Der Auslass kann verschiedene Auslegungen haben, was ebenfalls davon abhängt, ob der Kühlmittelkreislauf unter Druck steht. Beispielsweise kann das Kühlmittel an einen Kühlmittelsumpf freigegeben oder durch Leitungen oder Schläuche mit einem Kühlmittelrücklauf verbunden sein. Der Einlass 102 und Auslass 104 können auch als Teil des Gehäuses der elektrischen Maschine 70 ausgelegt sein. Der Auslass 104 kann relativ zum Einlass 102 so positioniert sein, dass Schwerkraft das am Einlass 102 aufgenommene Kühlmittel zum Auslass 104 leitet, nachdem es die Endwicklungen 98 passiert hat.
Der Kühlmitteltunnel 100 beinhaltet Befestigungsösen 114 zum Anbringen des Tunnels 100 an der Stirnfläche 112a. Jede Befestigungsöse 114 kann im Wesentlichen senkrecht zur Wand des Tunnels gebogen sein und beinhaltet ein Loch zum Aufnehmen eines Befestigungselements 120 zum Anbringen der Öse 114 an dem Statorkern 80.
Die elektrische Maschine 70 kann einen zweiten Kühltunnel 122 beinhalten, der mit einer zweiten Stirnfläche 112b zusammenwirkt. Der zweite Kühltunnel 122 kann dem ersten Tunnel 100 ähneln und ebenfalls Befestigungsösen zum Anbringen des Tunnels 122 an der elektrischen Maschine 70 beinhalten. Wie in 7 gezeigt, hat der Kühltunnel einen rechteckigen Querschnitt.
Nunmehr Bezug nehmend auf die 8, 9 und 10, hat ein Kühltunnel mehrere Tunnelabschnitte 200a und 200b. Jeder dieser Abschnitte 200a, 200b ist dazu ausgelegt, die elektrische Maschine 70 zu kühlen. Die Abschnitte 200a, 200b können auf unterschiedliche Art und Weise ausgerichtet werden, um die elektrische Maschine 70 adäquat zu kühlen. Die Abschnitte 200a, 200b können unterschiedliche Längen haben, um eine adäquate Kühlung zu unterstützen. Beispielsweise können sich die Abschnitte 200a, 200b in bestimmten Quadranten 230a, 230b, 230c, 230d der Stirnfläche 212a befinden. Wie gezeigt, umschließen die Abschnitte 200a, 200b die Wicklungen 98a nur im zweiten Quadranten 230b und im vierten Quadranten 230d. Jeder der Abschnitte 200a, 200b beinhaltet eine Verbindung oder unabhängige Einlässe 202a bzw. 202b. In Abhängigkeit von der Ausrichtung der Abschnitte 200a, 200b können die Einlässe 202a, 202b vom selben Kanal oder von separaten Kanälen gespeist werden. Jeder Abschnitt 200a, 200b beinhaltet Ösen 214, um den Abschnitt mit der elektrischen Maschine zu verbinden. Die Abschnitte 200a, 200b können so ausgerichtet sein, dass sie Teile des zweiten und dritten Quadranten 230b bzw. 230 und des ersten und vierten Quadranten 230a bzw. 230d belegen. In dieser Ausrichtung befindet sich der erste Einlass 202a im ersten Quadranten 230a, und der erste Auslass 204a befindet sich im vierten Quadranten 230d. Der zweite Einlass 202b befindet sich im zweiten Quadranten 230b, und der zweite Auslass 204b befindet sich im dritten Quadranten 230c. Diese Ausrichtung kann dadurch einen Nutzen bereitstellen, dass die Einlässe 202a, 202b und die Auslässe 204a, 204b sich relativ dichter zueinander befinden und für eine verbesserte durch Schwerkraft geförderte Gestaltung ausgerichtet sind. Wie in 10 gezeigt, hat der Kühltunnel einen bogenförmigen Querschnitt. Jeder der offenen Bereiche an den Enden der Abschnitte 200a und 200b kann mit Epoxid oder einem ähnlichen Stoff abgedichtet werden, um die Enden der Tunnel abzudichten (nicht gezeigt).
Nunmehr Bezug nehmend auf die 11 und 12, kann der Kühltunnel oder die Leitung 300 einen Teil des Satzes von Endwicklungen 98a umschließen. Eine Rinne 303 stellt Kühlung für den anderen Teil des Satzes von Endwicklungen 98a bereit. Der Kühltunnel 300 und die Rinne 303 sind ein unitäres Teil. Der Kühltunnel 300 beinhaltet einen Einlass 302. Die Rinne 303 beinhaltet einen Auslass 304. Kühlmittel gelangt durch den Einlass 302 in den Kühltunnel und verlässt ihn durch den Auslass 304 der Rinne 303. Diese Auslegung kann eine zusätzliche Konfektionskühlung von anderenfalls nicht verfügbaren Endwicklungen bereitstellen, wobei ein kompletter Kühltunnel den gesamten Satz von Endwicklungen umschließt.
Bezug nehmend auf 13, beinhaltet ein Hybridgetriebe 400 ein Gehäuse 402, das einen Hohlraum 404 definiert. Eine elektrische Maschine 406 (welche dieselbe oder eine ähnliche wie die elektrische Maschine 70 sein kann) ist innerhalb des Hohlraums 404 gelagert. Die elektrische Maschine 406 enthält einen Stator 408, der so am Gehäuse 402 montiert ist, dass sich der Stator 408 relativ zum Gehäuse 402 nicht drehen kann. Der Rotor 410 ist innerhalb des Stators angeordnet und an einer Welle 412 befestigt (z. B. keilverzahnt). Die Welle 412 kann mit dem Getriebe verbunden sein.
Die elektrische Maschine beinhaltet ein Paar Tunnel 100, 122 (die gleichen oder ähnliche wie die Tunnel 100, 200a, 300), die mit dem Stator 408 verbunden sind, um rings um die Endwicklungen 98a Kühlkanäle auszubilden. Der erste Tunnel 100 ist so im Getriebe positioniert, dass der Durchgang 420 durch den Einlass Öl in den Kanal des Tunnels 100 transportiert. Der zweite Tunnel 122 ist so im Getriebe positioniert, dass ein anderer Abschnitt des Durchgangs 420 durch den Einlass Öl in den Kanal des Tunnels 122 transportiert. Das Öl zirkuliert durch die Kanäle, um die Endwicklungen 98b zu kühlen. Das Öl verlässt die Kanäle durch den offenen Boden und wird über Durchgänge (nicht gezeigt) des Getriebes in den Getriebesumpf abgelassen.
Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke sind beschreibende und nicht einschränkende Ausdrücke, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder dargestellt sind. Verschiedene Ausführungsformen könnten zwar als Vorteile bietend oder bevorzugt gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungen des Stands der Technik hinsichtlich einer oder mehrerer gewünschter Eigenschaften beschrieben worden sein, jedoch können, wie für den Durchschnittsfachmann offensichtlich ist, zwischen einem oder mehreren Merkmalen oder einer oder mehreren Eigenschaften Kompromisse geschlossen werden, um die gewünschten Gesamtsystemmerkmale zu erreichen, die von der besonderen Anwendung und Umsetzung abhängig sind. Diese Eigenschaften können Kosten, Festigkeit, Langlebigkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Packaging, Größe, Wartungsfreundlichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Leichtigkeit der Montage usw. beinhalten, sind aber nicht darauf beschränkt. Ausführungsformen, die bezüglich einer oder mehrerer Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Umsetzungen des Stands der Technik beschrieben werden, liegen somit nicht außerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
Es wird ferner beschrieben:

A. Elektrische Maschine für ein Fahrzeug, die Folgendes umfasst: einen Rotor; einen Stator, der einen Kern beinhaltet, der eine Stirnfläche hat, und Endwicklungen, die sich von der Stirnfläche erstrecken; und einen Kühltunnel, der die Endwicklungen umschließt, an gegenüberliegenden Seiten der Endwicklungen gegen die Stirnfläche abdichtet und einen Einlass definiert, der dazu ausgelegt ist, Kühlmittel aufzunehmen, wobei der Kühltunnel so angeordnet ist, dass er das Kühlmittel während der Passage über die Endwicklungen enthält und das Kühlmittel zu einem Auslass leitet.
B. Elektrische Maschine für ein Fahrzeug nach A, wobei der Kühltunnel den Auslass definiert.
C. Elektrische Maschine für ein Fahrzeug nach B, wobei der Auslass an einem Ende des Kühltunnels gegenüber dem Einlass ist.
D. Elektrische Maschine für ein Fahrzeug nach A, wobei der Kühltunnel sich vollständig um einen Umfang der Endwicklungen erstreckt.
E. Elektrische Maschine für ein Fahrzeug nach A, wobei der Kühltunnel einen bogenförmigen Querschnitt hat.
F. Elektrische Maschine für ein Fahrzeug nach A, wobei der Kühltunnel einen rechteckigen Querschnitt hat.
G. Elektrische Maschine für ein Fahrzeug, die Folgendes umfasst: einen Rotor; einen Stator, der einen Kern beinhaltet, der eine Stirnfläche hat, und Endwicklungen, die sich von der Stirnfläche erstrecken; und mehrere Kühltunnel, die die Endwicklungen umschließen, an gegenüberliegenden Seiten der Endwicklungen und jedem Ende der Tunnel gegen die Stirnfläche abdichten und jeweils einen Einlass definieren, der dazu ausgelegt ist, Kühlmittel aufzunehmen, wobei die Kühltunnel so angeordnet sind, dass sie das Kühlmittel während der Passage über die Endwicklungen enthalten und das Kühlmittel zu Auslässen leiten.
H. Elektrische Maschine für ein Fahrzeug nach G, wobei jeder der Kühltunnel den Auslass definiert.
I. Elektrische Maschine für ein Fahrzeug nach H, wobei jeder der Auslässe an einem Ende der Kühltunnel gegenüber dem Einlass ist.
J. Elektrische Maschine für ein Fahrzeug nach G, wobei sich die Kühltunnel im zweiten und vierten Quadranten der Stirnseite befinden, die die Wicklungen darin verdecken.
K. Elektrische Maschine für ein Fahrzeug nach G, wobei die Kühltunnel einen bogenförmigen Querschnitt haben.
L. Elektrische Maschine für ein Fahrzeug nach G, wobei die Kühltunnel einen rechteckigen Querschnitt haben.
M. Elektrische Maschine für ein Fahrzeug, die Folgendes umfasst: einen Rotor; einen Stator, der einen Kern beinhaltet, der eine Stirnfläche hat, und Endwicklungen, die sich von der Stirnfläche erstrecken; und eine Kühlleitung, die die Endwicklungen umschließt, die einen Kühltunnelteil und einen Kühlrinnenteil hat, wobei der Kühltunnelteil an gegenüberliegenden Seiten der Endwicklungen gegen die Stirnfläche abdichtet und der Kühlrinnenteil gegen die Stirnfläche an einer der Seiten der Endwicklungen abdichtet, und einen Einlass definiert, der dazu ausgelegt ist, Kühlmittel aufzunehmen, wobei die Kühlleitung so angeordnet ist, dass sie das Kühlmittel während der Passage über den Endwicklungen enthält und das Kühlmittel in Richtung eines Auslasses leitet.
N. Elektrische Maschine für ein Fahrzeug nach M, wobei der Einlass an dem Kühltunnelteil definiert ist.
O. Fahrzeug nach N, wobei der Auslass an dem Kühlrinnenteil definiert ist.
P. Fahrzeug nach M, wobei sich die Kühlleitung vollständig rings um einen Umfang der Wicklungen erstreckt.
Q. Elektrische Maschine für ein Fahrzeug nach M, wobei die Kühlleitung einen bogenförmigen Querschnitt hat.
R. Elektrische Maschine für ein Fahrzeug nach M, wobei die Kühlleitung einen rechteckigen Querschnitt hat.

Claims

Elektrische Maschine für ein Fahrzeug, die Folgendes umfasst: einen Rotor; einen Stator, der einen Kern beinhaltet, der eine Stirnfläche hat, und Endwicklungen, die sich von der Stirnfläche erstrecken; und einen Kühltunnel, der die Endwicklungen umschließt, an gegenüberliegenden Seiten der Endwicklungen gegen die Stirnfläche abdichtet und einen Einlass definiert, der dazu ausgelegt ist, Kühlmittel aufzunehmen, wobei der Kühltunnel so angeordnet ist, dass er das Kühlmittel während der Passage über die Endwicklungen enthält und das Kühlmittel zu einem Auslass leitet.
Elektrische Maschine für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Kühltunnel den Auslass definiert.
Elektrische Maschine für ein Fahrzeug nach Anspruch 2, wobei der Auslass an einem Ende des Kühltunnels gegenüber dem Einlass ist.
Elektrische Maschine für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Kühltunnel sich vollständig um einen Umfang der Endwicklungen erstreckt.
Elektrische Maschine für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Kühltunnel einen bogenförmigen Querschnitt hat.
Elektrische Maschine für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Kühltunnel einen rechteckigen Querschnitt hat.