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EINLEITUNG
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Elektrische Traktionsmotoren und Motor-Generator-Einheiten werden allgemein als rotierende elektrische Maschinen bezeichnet. Solche Maschinen haben einen Rotor und einen Stator, die durch einen Luftspalt einen geringen Abstand voneinander haben. Mehrere Statorzähne ragen radial von einem zylindrischen Statorkern in Richtung des Rotors vor, wobei benachbarte Statorzähne durch eine entsprechende Statornut voneinander getrennt sind. Jede Statornut ist mit leitfähigen Drähten oder massiven Stabsegmenten gefüllt, die zusammen einen Satz Statorwicklungen bilden. In einer mehrphasigen rotierenden elektrischen Maschine wird eine Wechselstrom-Eingangsspannung („AC“) an die Statorwicklungen angelegt, um den Stator zu erregen und dadurch ein rotierendes Statormagnetfeld zu erzeugen.
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Der Rotor einer Maschine des Typs mit inneren Permanentmagneten („IPM“) enthält einen eingebetteten Satz von Permanentmagneten. Im Gegensatz zu den Elektromagneten, die aus der sequentiellen Erregung der oben erwähnten Statorwicklungen resultieren, bauen die Rotormagnete ein zeitinvariantes Rotormagnetfeld auf. Die Stator- und Rotormagnetfelder interagieren, um Kräfte innerhalb des Stator-Rotor-Luftspalts zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, wobei diese Kräfte letztendlich dem Rotor und einer angeschlossenen Rotorwelle eine Rotation verleihen.
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Die Drehmomentleistung einer rotierenden elektrischen Maschine wird durch die Betriebstemperatur beeinflusst. Daher wird typischerweise ein Wärmemanagementsystem verwendet, um die Maschinentemperatur in Echtzeit zu regeln. Insbesondere das Drehmomentverhalten eines IPM-Traktionsmotors ist in hohem Maße von der Temperatur der Rotormagnete abhängig, die in Stahllaminatlagen des Rotors eingebettet sind. Beispielsweise tritt das Problem der Eisenverluste bei Betriebsarten mit hoher Leistung auf, wobei diese Eisenverluste letztendlich mit der Rotortemperatur zunehmen und zur Rotortemperatur beitragen. Materialbasierte Ansätze zur Milderung einiger der Probleme, die üblicherweise mit erhöhter Rotortemperatur verbunden sind, z.B. die Verwendung spezieller temperaturbeständiger Rotormagnete, können in bestimmten Anwendungen aufgrund zusätzlicher Kosten und/oder Komplexität suboptimal sein. Daher besteht ein Bedarf an effizienteren alternativen Ansätzen zur Reduzierung der Rotor-/Rotormagnettemperatur innerhalb einer rotierenden elektrischen Maschine.
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BESCHREIBUNG
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Verfahren, die auf erzwungener Konvektion basieren, und die damit verbundene Struktur zur Kühlung eines Rotors einer rotierenden elektrischen Maschine. Die hier beschriebenen Lösungen können innerhalb einer Rotorbaugruppe mit einem Satz innerer Permanentrotormagnete eingesetzt werden, die in Laminatschichten eines zylindrischen Rotors eingebettet sein können. Der Rotor kann aus Stahl oder einem anderen für die Anwendung geeigneten Eisenwerkstoff gefertigt und zwischen ringförmigen Endringen eingeschlossen sein, so dass die Endringe an gegenüberliegenden distalen Enden des Rotors angeordnet sind.
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Bei dem offenbarten Ansatz zirkuliert ein anwendungsgeeignetes Kühlmittel, z.B. Automatikgetriebeflüssigkeit („ATF“), durch ein Netzwerk von miteinander verbundenen Kühlkanälen und Hohlräumen der Rotorbaugruppe. Das Kühlmittel wird schließlich axial durch den Rotor geleitet. Erwünschte Niveaus der konvektiven Kühlung können in verschiedenen offenbarten Ausführungsformen entweder durch direkte/benetzte Kühlung der einzelnen Rotormagnete oder durch Durchleiten des Kühlmittels durch Rotorhohlräume auftreten. Solche Hohlräume werden in voridentifizierten Bereichen des Rotors definiert, die eine niedrige magnetische Flussdichte im Vergleich zu anderen Bereichen des Rotors aufweisen. Solche Bereiche mit niedriger Flussdichte tragen ansonsten weitgehend wirkungslos zur Gesamtdrehmomentleistung der elektrischen Maschine bei. Der vorliegende Ansatz ermöglicht es, die nicht unzureichend genutzten Bereiche mit niedriger Flussdichte bei der Kühlung der Rotormagnete und des umgebenden Rotors mit minimaler Beeinträchtigung der Drehmomentleistung der elektrischen Maschine vorteilhafter zu nutzen.
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In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst die rotierende elektrische Maschine einen zylindrischen Stator und eine Rotorbaugruppe, wobei der Rotor vom Stator durch einen Luftspalt getrennt ist. Die Rotorbaugruppe umfasst einen zylindrischen Rotor mit einer Rotationsachse sowie Innen- und Außendurchmesserflächen. Wie oben erwähnt, definiert der Rotor eine Vielzahl von Hohlräumen. Permanente Rotormagnete sind im Rotor in der Nähe der Außendurchmesserfläche eingebettet.
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Die Rotorbaugruppe umfasst auch eine Rotorwelle, die mit dem Rotor verbunden ist. Die Rotorwelle definiert einen länglichen Hauptkühlmittelkanal entlang der Rotationsachse. Der Hauptkühlmittelkanal, der so konfiguriert ist, dass er das Kühlmittel aufnimmt, definiert auch mehrere radiale Wellenkühlmittelkanäle. Jeder der radialen Wellenkühlmittelkanäle der Rotorwelle steht in Fluidverbindung mit dem Hauptkühlmittelkanal und jedem der Hohlräume des Rotors.
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Die Rotorbaugruppe umfasst zusätzlich einen ersten und einen zweiten Endring, die sich jeweils an den gegenüberliegenden distalen Enden des Rotors befinden. Die Endringe definieren jeweils eine ringförmige Tasche in Fluidverbindung mit dem Hauptkühlmittelkanal und den Hohlräumen des Rotors. Die Rotorwelle, der Rotor und die Endringe sind gemeinsam so konfiguriert, dass sie über den Hauptkühlmittelkanal, die radialen Wellenkühlmittelkanäle, die Hohlräume und die ringförmigen Taschen das Kühlmittel radial und axial durch den Rotor leiten und dadurch die Rotormagnete durch erzwungene Konvektion kühlen.
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Die Hohlräume des Rotors erstrecken sich bei einigen Ausführungsformen von der Innendurchmesserfläche des Rotors in Richtung der eingebetteten Rotormagnete, wobei sich die Hohlräume innerhalb der Bereiche mit niedriger Flussdichte befinden. Die Rotormagnete können in einigen Ausführungsformen in einem jeweiligen der Hohlräume angeordnet sein; in diesem Fall werden die Hohlräume hier zur besseren Klarheit als „Magnethohlräume“ bezeichnet. Alternativ können die Hohlräume auch zwischen der Rotorwelle und den Rotormagneten angeordnet sein; in diesem Fall werden die Hohlräume als „Rotorhohlräume“ bezeichnet, um sie von den oben erwähnten Magnethohlräumen zu unterscheiden.
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Die Rotorhohlräume können optional einen Hauptzweig und mindestens einen sekundären Zweig umfassen, der den Hauptzweig schneidet. Diese verzweigte Ausführungsform kann die Verteilung des Kühlmittels in den Bereichen mit niedriger Flussdichte des Rotors erleichtern.
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Die ersten und/oder zweiten Endringe definieren Drainagelöcher, die mit den Hohlräumen des Rotors, d.h. je nach Ausführungsform den Magnethohlräumen oder den Rotorhohlräumen, in Fluidverbindung stehen. Die Drainagelöcher können in gleichmäßigem Abstand zueinander und angrenzend an die Innendurchmesserfläche des Rotors angeordnet sein, wobei die Drainagelöcher so konfiguriert sind, dass sie das Kühlmittel auf den Stator ableiten, wenn das Kühlmittel den Rotor verlässt.
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In einigen Konfigurationen können die Rotormagnete in einer allgemein V-förmigen Konfiguration angeordnet sein, wenn der Rotor entlang der Rotationsachse betrachtet wird.
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In verschiedenen Ausführungsformen können die radialen Wellenkühlmittelkanäle an einem axialen Mittelpunkt des Rotors oder in der Nähe des ersten und/oder zweiten Endrings angeordnet sein.
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Der Stator kann den Rotor so umgeben, dass der Luftspalt ein radialer Luftspalt ist. Die elektrische Maschine in einer solchen Ausführungsform kann als Radialfluss-Traktionsmotor konfiguriert werden.
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Auch ein elektrisches Antriebssystem wird hier offenbart. Das elektrische Antriebssystem umfasst einen Gleichspannungs („DC“)-Bus und ein Traktionsstrom-Wechselrichter-Modul (TPIM). Das TPIM ist mit dem Gleichspannungsbus verbunden und so konfiguriert, dass es eine Gleichstrom-Eingangsspannung vom Gleichspannungsbus empfängt und eine Wechselspannung („AC“) ausgibt. Das elektrische Antriebssystem umfasst eine mehrphasige rotierende elektrische Maschine zur Verwendung mit einem Kühlmittel, die über die Wechselspannung vom TPIM gespeist wird. Die elektrische Maschine in dieser beispielhaften Ausführungsform ist wie oben beschrieben konfiguriert.
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Hierin wird auch ein Verfahren zur Kühlung einer rotierenden elektrischen Maschine mit ATF oder einem anderen geeigneten Kühlmittel offenbart. Die rotierende elektrische Maschine, die mit dem offenbarten Verfahren gekühlt wird, umfasst einen Rotor, der zwischen dem ersten und zweiten Endring positioniert ist, wobei der Rotor eine Vielzahl von Hohlräumen definiert. Das Verfahren gemäß einer Ausführungsform umfasst die Zirkulation des Kühlmittels über eine Pumpe durch einen Hauptkühlmittelkanal, der durch eine Rotorwelle der elektrischen Maschine definiert ist. Der Hauptkühlmittelkanal erstreckt sich entlang einer Rotationsachse der Rotorwelle, die ihrerseits mit dem Rotor verbunden ist.
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Das Verfahren kann beinhalten, dass das Kühlmittel von den Hauptkühlmittelkanälen durch die radialen Wellenkühlmittelkanäle, die durch die Rotorwelle definiert sind, und in einen entsprechenden Hohlraum des Rotors entweder direkt oder durch den ersten oder zweiten Endring geleitet wird. Das Kühlmittel wird dann durch Drainagelöcher, die durch den ersten und/oder zweiten Endring definiert sind, aus dem Rotor abgelassen.
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Die obige Zusammenfassung ist nicht dazu gedacht, jede mögliche Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung darzustellen. Vielmehr soll die vorstehende Zusammenfassung einige der neuartigen Aspekte und Merkmale, die hier offenbart werden, veranschaulichen. Die oben genannten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der repräsentativen Ausführungsformen und Modalitäten für die Durchführung der vorliegenden Offenbarung leicht ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen genommen wird.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Darstellung einer mobilen Plattform mit einer rotierenden elektrischen Maschine, deren Rotor intern durch erzwungene Konvektion unter Verwendung definierter Hohlräume gekühlt wird, wie hier dargelegt.
- 2 ist eine schematische Darstellung einer repräsentativen Querschnittsfläche der in 1 gezeigten elektrischen Maschine mit verschiedenen Flussdichtebereichen und Kühlkanälen, die zur Kühlung des Rotors verwendet werden.
- 3 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines beispielhaften Rotors, der als Teil der elektrischen Maschine der 1 und 2 verwendet werden kann.
- 4 ist eine schematische Darstellung eines repräsentativen Teils der in 1 gezeigten elektrischen Maschine, die eine alternative Ausführungsform der Kühlkanäle des Rotors darstellt.
- 5 und 6 sind seitliche Querschnittdarstellungen möglicher Ausführungsformen zur auf erzwungener Konvektion basierender Kühlung von Rotormagneten innerhalb der in 1 dargestellten elektrischen Maschine.
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Die vorliegende Offenbarung ist zugänglich für Änderungen und alternative Formen, wobei in den Zeichnungen repräsentative Ausführungsformen beispielhaft gezeigt und im Folgenden ausführlich beschrieben werden. Die erfinderischen Aspekte dieser Offenbarung sind nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr soll die vorliegende Offenbarung Modifikationen, Äquivalente, Kombinationen und Alternativen umfassen, die in den Anwendungsbereich der Offenbarung fallen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, wobei sich die Referenznummern auf die gleichen oder ähnliche Komponenten in den verschiedenen Figuren beziehen, ist ein elektrisches Antriebssystem 10 in 1 schematisch dargestellt. Das elektrische Antriebssystem 10 umfasst eine rotierende elektrische Maschine 12 mit einer Rotorbaugruppe 14 und einem Stator 16, die zur besseren Übersichtlichkeit auch mit „R“ bzw. „S“ bezeichnet sind. Die Rotorbaugruppe 14 ist neben dem Stator 16 angeordnet und von diesem durch einen Luftspalt G getrennt, wie in 2 am besten dargestellt. Die Rotorbaugruppe 14 in einer nicht einschränkenden beispielhaften Ausführungsform ist konzentrisch innerhalb im Stators 16 angeordnet, d.h. der Stator 16 umgibt die Rotorbaugruppe 14, so dass der Luftspalt G von 2 ein radialer Luftspalt ist und die elektrische Maschine 12 eine Radialfluss-Maschine verkörpert. Es können jedoch auch andere Ausführungsformen realisiert werden, bei denen die relativen Positionen der Rotorbaugruppe 14 und des Stators 16 umgekehrt sind, d.h. die Rotorbaugruppe 14 kann den Stator 16 umgeben. Zur Veranschaulichung wird im Folgenden die Ausführungsform von 1 beschrieben, in der die Rotorbaugruppe 14 radial innerhalb des Stators 16 liegt, ohne die Konstruktion auf eine solche Konfiguration zu beschränken.
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Die Rotorbaugruppe 14 der vorliegenden Offenbarung hat einen eingebetteten Satz von Permanentmagneten, die hier als Rotormagnete 55 bezeichnet und in 3-6 gezeigt werden. Die elektrische Maschine 10 von 1 verkörpert somit eine innere Permanentmagnet („IPM“)-Maschine. Beim Einsatz in Kraftfahrzeugen, im Antriebsstrang, beim Heben oder in anderen vorteilhaften Anwendungen kann die elektrische Maschine 10 ein elektrischer Traktionsmotor sein. Die Rotormagnete 55 können z.B. aus Ferrit, Neodym-Eisen-Bor, Samarium-Kobalt, Aluminium-Nickel-Kobalt usw. oder aus einem anderen anwendungsgeeigneten Material hergestellt sein. Die Rotormagnete 55 in einer solchen IPM-Ausführungsform der elektrischen Maschine 10 sind in einzelne Stahllaminatschichten eines Rotors 40 eingebettet (siehe 2).
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Wie hier dargelegt, werden die Rotormagnete 55 und die umgebenden oder nahegelegenen Bereiche des Rotors 40 von 2 durch erzwungene Konvektion mit einem anwendungsgeeigneten Kühlmittel 21 gekühlt, wie in 1 schematisch dargestellt, z.B. mit Automatikgetriebeflüssigkeit („ATF“). Das Kühlmittel 21 kann in einem Sumpf 22 gespeichert und über eine Kühlmittelpumpe („P“) 20 durch die Rotorbaugruppe 14 zirkuliert werden, wie unten mit Bezug auf 2-6 beschrieben.
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Mit fortgesetztem Verweis auf 1 kann das elektrische Antriebssystem 10 einen Wechselspannungs („AC“)-Bus 13 enthalten. Der Wechselspannungs-Bus 13 kann selektiv über ein Traktionsstrom-Inverter-Modul („TPIM“) 28 unter Verwendung eines Hochspannungs-Batteriepacks („BHV“) 24 mit Energie versorgt werden, z.B. mit Lithium-Ionen, Lithium-Schwefel, Nickel-Metallhydrid oder einer anderen Hochenergie-Spannungsversorgung. Der AC-Spannungsbus 13 leitet eine AC-Busspannung („VAC“) zur oder von der elektrischen Maschine 10. Das Maschinenausgangsdrehmoment (Pfeil TM) von der erregten elektrischen Maschine 10 wird, wenn sie im Antriebs- oder Motormodus betrieben wird, auf eine verbundene Rotorwelle 50 übertragen und an eine gekoppelte Last („L“) 52 geleitet, wie z.B. ein oder mehrere Laufräder eines Kraftfahrzeugs (nicht abgebildet), eine Propellerwelle, einen Antriebsriemen oder eine andere angetriebene Last, je nach Anwendung.
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Das elektrische Antriebssystem 10 kann auch einen Gleichstrom/Gleichstrom („DC-DC“)-Wandler 26 enthalten, der so konfiguriert ist, dass er bei Bedarf eine relativ hohe Gleichstrom-Busspannung („VDC“) reduziert oder erhöht. Der Gleichstrom-Gleichstromwandler 26 wird zwischen dem Batteriesatz 24 und dem TPIM 28 über positive (+) und negative (-) Schienen eines entsprechenden Gleichspannungsbusses 15 angeschlossen. In einigen Konfigurationen kann ein Hilfsbatteriepack („BAux“) 124 an den Gleichstrom-Gleichstromwandler 26 angeschlossen werden, wobei der Hilfsbatteriepack 124 möglicherweise als Bleisäurebatterie oder als Batterie mit einer anderen anwendungsgeeigneten Chemie ausgeführt ist und so konfiguriert ist, dass er eine 12-15V-Hilfsspannung („VAUX“) speichert oder an eine oder mehrere angeschlossene Hilfseinrichtungen (nicht abgebildet) liefert.
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Unter Bezugnahme auf 2 sieht die vorliegende Lösung den Einsatz einer auf erzwungener Konvektion basierenden Kühlung des Rotors 40 durch Hohlräume vor, die durch den Rotor 40 der elektrischen Maschine 12 definiert sind. Solche Hohlräume können als Magnethohlräume 42 oder als Rotorhohlräume 44 und 144, wie unten dargestellt, ausgeführt werden. Der Stator 16, der zylindrisch ist, um den ebenfalls zylindrischen Rotor 40 der Rotorbaugruppe 14 in der dargestellten beispielhaften Ausführungsform zu umgeben, ist vom Rotor 40 durch den oben erwähnten Luftspalt G getrennt. In einer solchen Konfiguration können der Stator 16 und der Rotor 40 jeweils aus einem Stapel dünner Laminatschichten aus Elektrostahl oder einem anderen eisenhaltigen Material hergestellt werden, wobei jede Schicht etwa 2-5 mm dick ist, wie es von Fachleuten erkannt wird. Der Stator 16 hat radial vorstehende Statorzähne 32, die sich jeweils von einem zylindrischen Statorgehäuse oder Kern 30 nach innen erstrecken, wobei der Statorkern 30 eine Außendurchmesserfläche 160 hat. Das heißt, die Statorzähne 32 erstrecken sich vom Statorkern 30 in Richtung einer Außendurchmesserfläche 140 des Rotors 40. Benachbarte Statorzähne 32 des Stators 16 sind durch eine entsprechende Statornut 33 voneinander getrennt, was von Fachleuten erkannt wird.
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Bei der Konstruktion der in 2 gezeigten elektrischen Maschine 12 sind die Statornuten 33 im Wesentlichen mit einem elektrischen Leiter gefüllt, typischerweise Kupferdrähte oder Kupferstäbe/„Haarnadeln“. Solche Leiter bilden zusammen die Statorwicklungen 35 (siehe 4). Ein rotierendes Statormagnetfeld wird erzeugt, wenn die Statorwicklungen 35 sequentiell durch eine Ausgangswechselspannung aus dem TPIM 28 von 1 erregt werden. Stator-Magnetpole, die aus dem resultierenden rotierenden Statorfeld gebildet werden, interagieren mit Rotorpolen, die von den verschiedenen Rotormagneten 55 bereitgestellt werden (siehe 3-6), um die Rotorwelle 50 von 1 und 3-6 zu drehen und dadurch die Last 52 von 1 mit Energie zu versorgen.
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Die Anzahl, der Typ, die Position und/oder die relative Ausrichtung der Rotormagnete 55 beeinflusst letztendlich die Größe und die Verteilung des magnetischen Flusses in den Eisenwerkstoffen der elektrischen Maschine 12. Die Rotormagnete 55 können wie in einer allgemein V-förmigen Konfiguration angeordnet werden, d.h., wenn der Rotor 40 entlang seiner Rotationsachse AA, wie in 3 dargestellt, betrachtet wird, wobei die Enden der Rotormagnete 55, die an die Außendurchmesserfläche 140 des Rotors 40 angrenzen, weiter voneinander beabstandet sind als die gegenüberliegenden Enden der Rotormagnete 55, die an eine Innendurchmesserfläche 240 angrenzen. Da der Rotor 40 rund oder ringförmig ist, befindet sich die Innendurchmesserfläche 240 gegenüber der Außendurchmesserfläche 140 benachbart zu einer Rotorwelle 50, wie in 3 dargestellt.
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Der gegenwärtige auf erzwungener Konvektion basierende Kühlungsansatz beinhaltet zunächst die Identifizierung von Bereichen mit unterschiedlicher magnetischer Flussdichte innerhalb der elektrischen Maschine 12. Einige Bereiche werden relativ schwach sein und daher bei der Drehmomenterzeugung unzureichend ausgenutzt werden, d.h. Bereiche mit niedriger Flussdichte LL. Bereiche mit mittlerer und hoher Flussdichte werden entsprechend mit MM bzw. HH bezeichnet. Da unterschiedliche Konfigurationen und beabsichtigte Endanwendungen der elektrischen Maschine 12 einzigartige Flussdichteverteilungen aufweisen werden, werden die Begriffe „hoch“, „mittel“ und „niedrig“ hier nur in einem relativen Sinn verwendet.
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Nachdem die Bereiche mit niedriger Flussdichte LL offline voridentifiziert wurden, z.B. durch Modellieren oder Testen des Rotors 40 mit seinen eingebetteten Rotormagneten 55, definiert eine Ausführungsform der vorliegenden Lehren mehrere Rotorhohlräume 44 und 144 im Rotor 40. Eine vereinfachte lineare Ausführungsform der Rotorhohlräume 44 und 144 ist zur Verdeutlichung in 2 dargestellt. Solche Rotorhohlräume 44 sind hauptsächlich in den Bereichen mit niedriger Flussdichte LL des Rotors 40 vorgesehen, wobei ein gegebener Satz der Rotorhohlräume 44 seitlich über den Rotorhohlraum 144 verbunden ist, wie für einen verbesserten Fluss des Kühlmittels 21 gezeigt (siehe 1). Die Rotorhohlräume 44 erstrecken sich in einer allgemein radialen Richtung, d.h. von der Rotorwelle 50 nach außen (siehe 3) und in Richtung der Magnethohlräume 42 und der darin positionierten Rotormagnete 55, erreichen diese aber nicht. Obwohl sich die Rotorhohlräume 44 auch teilweise in die Bereiche mittlerer Flussdichte MM erstrecken können, da solche Bereiche für eine gegebene elektrische Maschine 12 relativ willkürlich definiert sind, sind die Rotorhohlräume 44 idealerweise so weit wie möglich auf die Bereiche niedriger Flussdichte LL beschränkt, um die Verschlechterung der Drehmomentleistung zu minimieren.
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In einer anderen Ausführungsform wird das Kühlmittel 21 aus 1 durch die Magnethohlräume 42 in direktem/benetztem Kontakt mit und zur Kühlung der Rotormagnete 55 zirkuliert. In einer montierten IPM-Konfiguration der elektrischen Maschine 12 ist jeweils einer der Rotormagnete 55 in einem entsprechenden Magnethohlraum 42 positioniert. In einer solchen Ausführungsform werden die Rotormagnete 55 direkt benetzt und dadurch durch das Kühlmittel 21 gekühlt, während das Kühlmittel 21 axial durch den Rotor 40 strömt. Beide Ausführungsformen werden im Folgenden anhand der übrigen Figuren näher beschrieben.
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Unter Bezugnahme auf 3 enthält die in 1 schematisch dargestellte Rotorbaugruppe 14 den Rotor 40, die Rotorwelle 50 und die Rotormagnete 55. Die Rotorwelle 50, die am Rotor 40 gelagert oder mit dem Rotor 40 verzahnt sein kann, um zusammen mit diesem um eine Rotationsachse AA der Rotorbaugruppe 14 zu rotieren, definiert einen Hauptkühlmittelkanal 46. Der Hauptkühlmittelkanal 46 erstreckt sich entlang und ist somit koaxial mit der Rotationsachse AA. Die Zufuhr des Kühlmittels 21 zum Rotor 40 erfolgt also zunächst durch den Hauptkühlmittelkanal 46, von dem aus das Kühlmittel 21 durch von der Rotorwelle 50 definierte radiale Wellenkühlmittelkanäle 48 radial nach außen geführt wird, z.B. durch acht gleich beabstandete radiale Wellenkühlmittelkanäle 48 in einer nicht einschränkenden Ausführungsform.
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Abhängig von der Konfiguration kann das Kühlmittel 21 aus 1 in die Rotorhohlräume 44 eindringen, um einen bestimmten Satz der Rotormagnete 55 indirekt zu kühlen, d.h. durch Absenken der Temperatur des Rotors 40 in Bereichen in der Nähe der Rotormagnete 55. Alternativ kann das Kühlmittel 21 auch direkt in die Magnethohlräume 42 eintreten. Zur illustrativen Einfachheit und Klarheit ist in 3 ein einzelner Satz von Rotorhohlräumen 44 dargestellt, der sich in Richtung und zwischen benachbarten Sätzen von Rotormagneten 44 erstreckt. Bei einer tatsächlichen Konstruktion der Rotorbaugruppe würden jedoch 14 mehrere ähnliche Sätze von Rotorhohlräumen 44 in gleichen Abständen um den Umfang der Rotorwelle 50 herum angeordnet sein und sich in die in 2 dargestellten Bereiche mit niedriger Flussdichte LL des Rotors 40 erstrecken. Auf diese Weise wird das Kühlmittel 21 zu jedem der Magnethohlräume 42 geleitet.
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Die beispielhafte Ausführungsform von 4 zeigt eine mögliche Konfiguration des Rotors 40, bei der die Rotorhohlräume 44 in einer mehrfach verzweigten T-Form ausgeführt sind. Zur Referenz wird auch ein Teil des Stators 16 gezeigt, der die Statorwicklungen 35 zeigt, die die Statornuten 33 in der Nähe der Rotormagnete 55 ausfüllen. Die Rotormagnete 55 sind nahe der Außendurchmesserfläche 140 des Rotors 40 in der Nähe der Statorwicklungen 35 angeordnet, um eine starke gegenseitige Feldwechselwirkung zwischen den Magnetfeldern des Rotors 40 und des Stators 16 zu gewährleisten.
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In 4, das eine schematische Darstellung einer inneren Schicht des Rotors 40 und des Stators 16 ist, wobei die Kreuzschraffur aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen wurde, sind die Rotorhohlräume 44 als ein verzweigtes/allgemein T-förmiges Fluidverteilungsmuster dargestellt. Jeder der Rotorhohlräume 44 in der abgebildeten Ausführungsform enthält einen Hauptzweig 64, der sich von der Rotorwelle 50 radial nach außen erstreckt und in Fluidverbindung mit dem Hauptkühlmittelkanal 46 steht. Der Kühlmittelstrom (Pfeil F) geht vom Hauptkühlmittelkanal 46 durch die radialen Wellenkühlmittelkanäle 48 (siehe 3) innerhalb der Rotorwelle 50 und in den jeweiligen Hauptzweig 64 jedes der Rotorkühlmittelkanäle 44. Anstatt mehrere lineare Rotorhohlräume 44 zu verwenden, wie in der vereinfachten Darstellung von 3 dargestellt, schneidet die verzweigte Ausführungsform von 4 die Rotorhohlräume 44 mit einem sekundären Zweig 62, der in den Zweigenden 65 endet.
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Solche Zweigenden 65 können parallel zum Hauptzweig 64 verlaufen oder leicht abgewinkelt sein, wie gezeigt, um eine gewünschte Verteilung des Kühlmittels 21 zu erreichen. Die verzweigte Konfiguration von 4 kann zusätzliche sekundäre Zweige 62 verwenden, um das Kühlmittel 21 durch die Bereiche mit niedriger Flussdichte LL (siehe 2) und möglicherweise eine kurze Strecke in die ebenfalls in 2 gezeigten Bereiche mit mittlerer Flussdichte MM („LL-MM“) weiter zu verteilen, und daher ist die Ausführungsform von 4 nicht einschränkend und beispielhaft für die vorliegenden Lehren. Das heißt, die Rotorhohlräume 44 können im Rahmen der vorliegenden Offenbarung je nach Bedarf andere Formen, Größen und Konturen haben, um die gewünschte Verteilung des Kühlmittels 21 innerhalb des Rotors 40 zu erreichen.
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Unter Bezugnahme auf 5 und 6, die beide den Stator 16 der elektrischen Maschine 12 zur illustrativen Einfachheit weglassen, enthält die Rotorbaugruppe 14 erste und zweite Endringe 70A und 70B, die den Rotor 40 dazwischen umschließen. Mit anderen Worten, die Endringe 70A und 70B sind an entgegengesetzten distalen Enden des Rotors 40 angeordnet, so dass sich die Rotormagnete 55 axial zwischen den Endringen 70A und 70B erstrecken. Die Rotorwelle 50, die durch den Rotor 40 und die Endringe 70A und 70B umgeben wird, ist an ihren distalen Enden durch die Lagerbaugruppen 80A und 80B drehbar gelagert. Die Größe, Form und Konstruktion der Lagerbaugruppen 80A und 80B, die lediglich repräsentativ ist, ist für die offenbarte konvektive Kühlfunktion der Rotorbaugruppe 14 nicht relevant und wird daher nur als Referenz dargestellt.
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Die Zuführung des Kühlmittels 21 aus 1 in die Rotorbaugruppe 14 durch erzwungene Konvektion hängt von der Existenz eines geeigneten Kühlverteilers ab. Im Rahmen der Offenbarung umfasst ein solcher Verteiler die Rotorwelle 50 und die Endringe 70A und 70B. Das heißt, das Kühlmittel 21 kann in einigen Konfigurationen durch die Rotorwelle 50, in einen der Endringe 70A oder 70B, durch die Rotorhohlräume 44 oder die Magnethohlräume 42 und durch den anderen Endring 70B oder 70A heraus zirkuliert werden. Alternativ kann das Kühlmittel 21 durch die Rotorwelle 50, in die Rotorhohlräume 44 oder die Magnethohlräume 42 und aus den Endringen 70A und/oder 70B heraus zirkuliert werden. Beide Optionen sind in 5 und 6 dargestellt.
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Genauer gesagt wird der Kühlmittelstrom (Pfeil F) des oben genannten Kühlmittels 21 über den Hauptkühlmittelkanal 46, der durch die Rotorwelle 50 definiert ist, axial in den Rotor 40 geleitet. In der beispielhaften Ausführungsform von 5, die zur direkten Kühlung der Rotormagnete 55 verwendet werden kann, kann der Kühlmittelstrom (Pfeil F) in den Hauptkühlmittelkanal 46 entlang der Rotationsachse AA eintreten, z.B. von rechts aus der Perspektive von 5. Das Kühlmittel 21 tritt dann in die radialen Wellenkühlmittelkanäle 48 ein, die sich in der Nähe des Endrings 70B befinden, wobei ein solcher Kanal 48 aus der Querschnittsperspektive von 5 sichtbar ist, und tritt dann in eine ringförmige/kreisförmige Tasche 72 ein, die durch den zweiten Endring 70B in der Nähe der Außendurchmesserfläche 140 des Rotors 40 definiert ist. Ebenfalls dargestellt ist eine alternative Ausführungsform, bei der sich ein Kühlmittelkanal 48A am axialen Mittelpunkt des Rotors 40 befindet, wobei sich der Kühlmittelkanal 48A zwischen dem Hauptkühlmittelkanal 46 und den Magnethohlräumen 42 erstreckt und in diesen endet. Eine solche Position kann eine gleichmäßiger verteilte Kühlung des Rotors 40 erleichtern, z.B. durch Minimierung der Strecke, die das Kühlmittel 21 in axialer Richtung durch den Rotor 40 zurücklegen muss.
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Um eine Bündelung und gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels 21 auf die Magnethohlräume 42 zu gewährleisten, werden die Taschen 72 durch die Endringe 70A und 70B von 5 unmittelbar neben den Rotormagneten 55, d.h. an den distalen Enden des Rotors 40, definiert. Wenn das Kühlmittel 21 z.B. die Tasche 72 des Endrings 70B in der abgebildeten Ausführungsform im Wesentlichen füllt, tritt das Kühlmittel 21 in die Magnethohlräume 42 ein (siehe 3) und fließt danach axial durch den Rotor 40 durch jeden der fluidgekoppelten Magnethohlräume 42. Das Kühlmittel 21 tritt schließlich in die Tasche 72 des Endrings 70A ein, bevor es die Rotorbaugruppe 14 verlässt.
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Während die Rotormagnete 55 in einer vollständig konstruierten Ausführungsform der Rotorbaugruppe 14 den größten Teil des verfügbaren Platzes innerhalb der Magnethohlräume 42 einnehmen werden, verbleibt etwas Platz um den Umfang der Rotormagnete 55 herum. Der verbleibende Raum, der sich am besten an den Enden der in 3 dargestellten Rotormagnete 55 zeigt, ermöglicht es dem Kühlmittel 21, frei durch die angeschlossenen Magnethohlräume 42 zu fließen, d.h. vom zweiten Endring 70B zum ersten Endring 70A in der nicht einschränkenden beispielhaften Ausführungsform von 5 oder umgekehrt. Das Kühlmittel 21 strömt somit axial durch den Rotor 40 in benetztem Kontakt mit den Rotormagneten 55, was ihm über erzwungene Konvektion Wärme entzieht.
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Um die Drainage des Rotors 40 und die anschließende Verteilung des Kühlmittels 21 zu erleichtern, kann der erste Endring 70A, der distal gegenüber dem zweiten Endring 70B angeordnet ist, perforiert sein, um einen Satz Drainagelöcher 90 zu definieren. Jedes Drainageloch 90 ist so bemessen, geformt und beabstandet, dass das Kühlmittel 21 frei aus dem sich drehenden Rotor 40 austreten kann. Der zweite Endring 70B kann in einigen Ausführungsformen ähnlich perforiert sein.
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Die Drainagelöcher 90 von 5 und 6 sind so konfiguriert, dass das Kühlmittel 21 gleichmäßig verteilt wird, wenn das Kühlmittel 21 am distalen Ende (an den distalen Enden) des Rotors 40 austritt, z.B. durch Sprühen oder Gießen des ausgetretenen Kühlmittels 21 auf die proximalen Statorwicklungen 35 (siehe 4) und/oder andere geeignete freiliegende Teile des Stators 16/der elektrischen Maschine 12. Zur optimalen Verteilung des austretenden Kühlmittels 21 sollten die Drainagelöcher 90 wegen der zu erwartenden Auswirkungen der auf das Kühlmittel 21 wirkenden Zentrifugalkräfte so nahe wie möglich an der Innendurchmesserfläche 240 des Rotors 40 positioniert werden. Das Kühlmittel 21 kann danach unter der Schwerkraft in den in 1 dargestellten Sumpf 22 zurückfließen.
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6 zeigt einen alternativen Ansatz zum Bereitstellen einer erzwungenen konvektionsbasierten Kühlung des Rotors 40 gemäß der Ausführungsform der 3 und 4. Bei dieser Ausführungsform werden die Taschen 72 relativ zur Position der Taschen 72 in 5 radial nach innen zur Rotorwelle 50 hin bewegt, so dass die Taschen 72 an die Rotorhohlräume 44 angrenzen. Der Kühlmittelstrom (Pfeil F) wird entlang der Rotationsachse AA in die Kühlmittelkanäle 48A, in die Rotorhohlräume 44 und axial nach außen in beiden axialen Richtungen durch den Rotor 40 geleitet, d.h. in Richtung des ersten und zweiten Endrings 70A und 70B. Das Kühlmittel 21 tritt aus dem Rotor 40 durch die oben erwähnten Drainagelöcher 90 aus, die idealerweise so nahe wie möglich an der Innendurchmesserfläche 240 des Rotors 40 liegen, wie dies unter anwendungsspezifischen Packungsbedingungen möglich ist.
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Die Ausführungsformen von 5 und 6 bieten daher alternative Ansätze zur Kühlung der Rotormagnete 55 mittels erzwungener Konvektion. Die Hinzufügung eines konvektiven Bereichs zum Rotor 40 führt somit zu einer niedrigeren Temperatur des Rotors 40 und der darin eingebetteten Rotormagnete 55. In der beispielhaften Ausführungsform von 5 werden beispielsweise die Rotormagnete 55 durch den Kühlmittelstrom 21 axial entlang des Hauptkühlmittelkanals 46, radial in den Endring 70B und die Tasche 72 und dann axial um die Rotormagnete 55 herum über die miteinander verbundenen Magnethohlräume 42 gekühlt. Dadurch wird die Wärme direkt von den Rotormagneten 55 auf das zirkulierende Kühlmittel 21 übertragen, bevor das erwärmte Kühlmittel 21 schließlich durch die Drainagelöcher 90 abgeführt wird.
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Ebenso lässt die Ausführungsform von 6 das Kühlmittel 21 über die Rotorhohlräume 44 direkt in Bereiche niedriger Flussdichte LL innerhalb des Rotors 40 zu, wobei solche Bereiche LL in 2 dargestellt sind. Die Wärme der Rotormagnete 55 und der Laminate des Rotors 50 wird so auf das Kühlmittel 21 übertragen und das erwärmte Kühlmittel 21 wird danach aus dem Rotor 40 ausgetrieben, wie dies bei der Ausführungsform von 5 der Fall ist. Somit können die verschiedenen Ausführungsformen der 2-6 als Verbesserungen des allgemeinen Standes der Rotorkühlung einer rotierenden elektrischen Maschine, z.B. der hier beschriebenen elektrischen Maschine 12, verwendet werden.
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Ein Verfahren zur Kühlung der elektrischen Maschine 12 unter Verwendung des Kühlmittels 21 aus 1 kann im Hinblick auf die vorstehende Offenbarung ohne weiteres ins Auge gefasst werden. Ein solches Verfahren kann z.B. das Zirkulieren des Kühlmittels 21 über die Pumpe 20 durch den in 5 und 6 gezeigten Hauptkühlmittelkanal 46 beinhalten. Ein solches Verfahren kann auch das Leiten des Kühlmittels 21 vom Hauptkühlmittelkanal 46 durch die radialen Wellenkühlmittelkanäle 48 oder 48A der Rotorwelle 50 und in einen jeweiligen der Rotorhohlräume 42 oder 44 direkt oder durch den ersten oder zweiten Endring 70A oder 70B umfassen. Zusätzlich kann das Verfahren das Ablassen des Kühlmittels 21 aus dem Rotor 40 durch einen Satz Drainagelöchern 90 umfassen, die durch den ersten und/oder zweiten Endring 70A und/oder 70B definiert sind.
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Während einige der besten Modi und andere Ausführungsformen ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Designs und Ausführungsformen für die Ausübung der in den beigefügten Ansprüchen definierten vorliegenden Lehren. Fachleute werden erkennen, dass Änderungen an den offenbarten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus schließen die vorliegenden Konzepte ausdrücklich Kombinationen und Unterkombinationen der beschriebenen Elemente und Merkmale ein. Die detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen sind unterstützend und beschreibend für die vorliegenden Lehren, wobei der Umfang der vorliegenden Lehren allein durch die Ansprüche definiert wird.
