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Dokumentenidentifikation DE102007003247A1 09.08.2007
Titel Kühlsystem und -verfahren für Elektromotoren mit konzentrierten Wicklungen
Anmelder General Motors Corp., Detroit, Mich., US
Erfinder Holmes, Alan G., Clarkston, Mich., US;
Ordo, Richard A., Greenwood, Ind., US;
El-Antably, Ahmed M., Indianapolis, Ind., US
Vertreter Manitz, Finsterwald & Partner GbR, 80336 München
DE-Anmeldedatum 23.01.2007
DE-Aktenzeichen 102007003247
Offenlegungstag 09.08.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.08.2007
IPC-Hauptklasse H02K 9/19(2006.01)A, F, I, 20070418, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02K 5/20(2006.01)A, L, I, 20070418, B, H, DE   H02K 1/20(2006.01)A, L, I, 20070418, B, H, DE   
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem und -verfahren für die konzentrierten Motorstatorwicklungen eines Elektromotors. Das Kühlsystem und -verfahren liefert ein Kühlmittel direkt auf die Motorstatorwicklungen und zwischen alle benachbarten Statorwicklungen. Das Motorgehäuse hilft bei der Verteilung von Kühlmittel zwischen allen Statorwicklungen der Elektromotorbaugruppe. Darüber hinaus kann eine isolierte Materiallage und/oder eine Röhre zwischen die konzentrierten Motorstatorwicklungen eingesetzt sein. Jedes bzw. jede kann so ausgebildet sein, dass es ein Kühlmittel direkt auf die Statorwicklungen leitet.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem für eine Elektromotorbaugruppe mit konzentrierten Statorwicklungen und ein Mittel zur direkten Verteilung von Kühlmittel auf die Motorwicklungen.

Elektromotoren bestehen typischerweise aus einem Stator, der einen im Wesentlichen zylindrischen, an einer Welle befestigten Rotor umgibt. Der Stator kann konzentrierte Wicklungen aufweisen, welche typischerweise aus Kupferdrähten bestehen, die fest um einzelne Eisenzähne gewickelt sind, welche sich nach innen in Richtung des Rotors erstrecken. Diese Art von Statorwicklungsaufbau führt zu relativ kurzen Endbiegungen der Wicklungen im Vergleich zu verteilten Wicklungen. Nur ein kleiner Betrag der Länge entlang der Motorachse muss dann für Wicklungsendbiegungen aufgebracht werden, und der größte Teil der Länge kann Statorzähne umfassen und direkt zur Erzeugung von Drehmoment nützlich sein.

Elektromechanische Getriebe erfordern im Allgemeinen die Verwendung von zwei Elektromotoren zum Übertragen von Energie an die Abtriebswelle des Getriebes. Elektromotoren können während des Betriebs eine bedeutende Wärmemenge erzeugen. Elektromotoren mit konzentrierten Motorwicklungen erzeugen oft mehr Wärme als Motoren mit verteilten Wicklungen und können anfälliger für Überhitzung sein, was zu einer weniger effizienten Leistungsfähigkeit führen kann. Ein Kühlen des Elektromotors kann eine Motoreffizienz und ein Dauerdrehmoment positiv beeinflussen. Die Leistungsfähigkeitsthemen umfassen den Motorzug, parasitäre Motorverluste beim Pumpen von Kühlmittel, den Motorwicklungswiderstand, Rundlaufverluste und die Nennleistung.

Am häufigsten wird Luft oder Öl verwendet, um Wärme von den elektrischen Motoren weg zu befördern. Die Kühlung eines Elektromotors kann die Getriebebaugröße und -masse in Fahrzeugen stark beeinflussen. Ein in ein elektromechanisches Getriebe eingebautes Motorkühlsystem sollte den für den Elektromotor benötigten axialen oder radialen Raum nicht wesentlich erhöhen, da der für Fahrzeuggetriebe verfügbare Raum sehr begrenzt sein kann.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem für eine Elektromotorbaugruppe, das ausgelegt ist, um die konzentrierten Statorwicklungen der Baugruppe direkt mit einem Kühlmittel zu versorgen, um die Systemeffizienz zu erhöhen. Die Motorbaugruppe umfasst ein Motorgehäuse, das mit einem Einlass- und Auslassabschnitt ausgestattet ist, welche dazu dienen, ein Kühlmittel über die Motorstatorwicklungen zu leiten.

Bei einer Ausführungsform ist eine isolierte Materiallage zwischen benachbarte Motorstatorwicklungen eingefügt. Bei einer alternativen Anordnung derselben Ausführungsform ist die isolierte Materiallage ausgehöhlt, um mindestens eine sich axial erstreckende Röhre in der isolierten Materiallage zu schaffen.

Bei einer anderen Ausführungsform ist eine Röhre zwischen die Motorstatorwicklungen eingefügt, die dazu dient, das Kühlmittel direkt auf die Seiten der Statorwicklungen zu leiten.

Genauer gesagt weist eine Elektromotorbaugruppe umgebend angeordnete, benachbarte, konzentrierte Motorstatorwicklungen auf, welche beabstandet sind, um mindestens einen Kanal zu definieren, um ein Kühlmittel in einer Wärmeübertragungsbeziehung an die Wicklungen zu leiten. Ein Motorgehäuse ist ausgelegt, um die Motorstatorwicklungen abzudecken, und ein Einsatz passt zwischen die Motorstatorwicklungen und ist ausgelegt, um eine Kühlmittelströmung aus dem Inneren des Kanals direkt auf die Motorstatorwicklungen zu leiten.

Zusätzlich umfasst die vorliegende Erfindung eine Elektromotorbaugruppe mit einem Motorgehäuse, das ausgelegt ist, um ein Kühlmittel, einen Rotor und mehrere sich axial erstreckende konzentrierte Motorstatorwicklungen aufzunehmen, die in dem Motorgehäuse um den Rotor herum in einer Luftspaltenbeziehung zu dem Rotor angeordnet sind. Jedes Paar der Statorwicklungen ist voneinander beabstandet, um einen Kanal zwischen den Statorwicklungen zu definieren, um ein durch das Gehäuse zugeführtes Kühlmittel in Wärmeübertragungsbeziehung mit den Statorwicklungen zu verteilen. Darüber hinaus ist eine Kühlmittelaufnahme eingeschlossen, welche ausgebildet ist, um den Kanal an dem Luftspalt mit dem Rotor ausreichend zu umschließen, so dass das Kühlmittel bezüglich der Elektromotorbaugruppe axial entlang der Statorwicklungen geleitet wird, um Abwärme direkt von den Statorwicklungen zu entfernen.

Darüber hinaus ist in der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Kühlen eines hybridelektrischen Hochleistungsfahrzeugmotors umfasst. Das Verfahren umfasst: ein Konzentrieren der Statorverdrahtung des Elektromotors in mehrere rundum laufend angeordnete Wicklungsspulen, welche konzentrierte Motorstatorwicklungen definieren; ein Beabstanden einer der konzentrierten Motorstatorwicklungen von einer benachbarten anderen der konzentrierten Motorstatorwicklungen, um einen Kanal zu bilden; und ein Strömenlassen eines Kühlmittels bei ausreichender Geschwindigkeit und ausreichendem Widerstand durch den Kanal, um Wärme von den konzentrierten Motorstatorwicklungen an das Kühlmittel zu übertragen.

Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:

1 eine axiale perspektivische Ansicht des Statorabschnitts einer Elektromotorbaugruppe mit in einem Motorgehäuse rundum laufend angeordneten benachbarten konzentrierten Motorstatorwicklungen ist, welche voneinander beabstandet sind, um erfindungsgemäß Kühlmittelkanäle zu bilden;

2 eine schematische Abwicklungsansicht der konzentrierten Wicklungen von 1 ist, wobei Teile weggebrochen sind, um eine Ende-zu-Ende-Statorkühlmittelströmung zur Darstellung eines Strömungswiderstands in Rohrverzweigungsabschnitten des Motorgehäuses im Vergleich zu den Kanalabschnitten zu zeigen;

3 eine schematische Querschnittsansicht der Erfindung ist, welche einen Motorrotor umfasst und eine axiale Kühlmittelströmung zwischen den Rohrverzweigungsabschnitten und den konzentrierten Motorstatorwicklungen darstellt;

4 eine fragmentarische schematische Endansicht eines Paars der rundum laufend angeordneten konzentrierten Motorwicklungen ist, die beabstandet sind, um einen Kanal zur Verteilung eines Kühlmittels zwischen den Motorwicklungen zu bilden;

5a–c fragmentarische vergrößerte schematische Ansichten verschiedener Einsätze für die zwischen den rundum laufend angeordneten konzentrierten Motorwicklungen gebildeten Kanäle sind, die ausgebildet sind, um die gewünschte Verwirbelung oder den gewünschten Strömungswiderstand in dem Kanal zwischen den Wicklungen zu erhalten, um dadurch eine gewünschte Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und den Wicklungen zu erreichen; und

6 eine fragmentarische vergrößerte schematische radiale Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist, die eine axiale Kühlmittelströmung von einem zentralen Loch oder einer zentralen Röhre an die Endbiegungen der Motorwicklungen darstellt.

Auf die Zeichnung, 1 bis 6, Bezug nehmend, in denen gleiche Zeichen gleiche oder entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten bezeichnen, ist in 1 eine axiale Ansicht des Statorabschnitts 11 einer Elektromotorbaugruppe 10, wie sie in 3 gezeigt ist, gezeigt. Grundsätzlich betrifft die vorliegende Erfindung eine Elektromotorbaugruppe 10 mit rundum laufend angeordneten benachbarten konzentrierten Motorstatorwicklungen 14, welche beabstandet sind, um dazwischen mindestens einen Statorkanal 30 für einen Kühlmitteldurchgang zu definieren (wie in 2 und 46 dargestellt ist). Ein Motorgehäuse 12 ist ausgelegt, um die Motorstatorwicklungen 14 abzudecken und zu unterstützen. Eine einsetzbare Materiallage, beispielsweise 38 wie in 5a–c gezeigt, ist in jeden Kanal zwischen den Motorstatorwicklungen 14 einpassbar und ausgebildet, um jeden Kanal 30 aufzuteilen, um ein Kühlmittel in jedem Kanal 30 direkt an die jeweiligen Motorstatorwicklungen 14 zu leiten, welche die Materiallage 38 flankieren oder an gegenüberliegenden Seiten davon liegen.

Insbesondere stellt 1 den Statorabschnitt 11 der wie in 3 gezeigten Elektromotorbaugruppe 10 dar, welche ein Motorgehäuse 12 und konzentrierte Motorstatorwicklungen 14 umfasst. Das Motorgehäuse 12 umfasst sich axial erstreckende Schlitze 13 für einen Durchgang von Fluid, um den Statorabschnitt 11 der Elektromotorbaugruppe 10 zu kühlen. Elektrische Versorgungsleitungen 18 sind angeordnet, um die Statorwicklungen 14 mit elektrischer Energie zu versorgen. Während des Betriebs transportieren die konzentrierten Motorstatorwicklungen 14 einen elektrischen Strom, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Es können alternative Anordnungen verwendet werden, um eine Energieversorgung der Elektromotorbaugruppe 10 zu erreichen.

Die konzentrierten Wicklungen 14 sind auf einzelne Pole 15 gewickelt (wie in 5a und 6 gezeigt ist). Mehrere Wicklungen 14 definieren zumindest teilweise den Statorabschnitt 11 der Elektromotorbaugruppe 10. In der konzentrierten Wicklungsanordnung sind die Platzierung und die Größe der Wicklungsspulen genau kontrolliert. Die Wicklungsseiten 25, wie sie in 23, 5b und 6 gezeigt sind, sind voneinander beabstandet, um einen Kanal 30 zwischen den Wicklungen 14 an benachbarten Polen 15 zu definieren. In dieser Hinsicht kann die Platzierung und die Größe der Spulen genau kontrolliert werden, so dass Öl bei Betriebstemperaturen größtenteils oder teilweise durch "kapillare" Anziehung an den Wicklungsseiten 25 oder Wänden gehalten wird. Auch kann eine Materiallage 38 aus elektrisch isoliertem Material zwischen den benachbarten Wicklungen entlang der Mitte jedes Statorkanals 30 platziert werden, um den Kanal in zwei parallele Durchgänge 30', 30'' aufzuteilen, wie es in 1, 5b–c gezeigt ist. Diese Erfindung verwendet den Kanal 30 oder das Paar von Kanälen 30', 30'' zwischen jedem Paar von benachbarten Wicklungen, um ein Strömen von Kühlöl in einer Wärmeübertragungsbeziehung durch die Motorwicklungen 14 zu ermöglichen, wobei Abwärme direkt von den Wicklungen entfernt wird. Dieses System ermöglicht es Öl, mit einem größeren Oberflächenbereich der Wicklungen in Kontakt zu treten, als ein Sprühen auf die Endbiegungen 23 (wie in 24 und 6 gezeigt ist) der Wicklungen 14, wodurch die Elektromotorbaugruppe (in 3 gezeigt) mit einer minimalen Anzahl von zusätzlichen Teilen wirksam gekühlt wird. Dieses System schafft auch eine im Wesentlichen gleiche Verteilung zwischen jedem Pol 15, obwohl die Ausrichtung des Kanals 30 und der sich darin befindenden Einsätze 38 unterschiedlich sein kann.

Eine Ölströmung von jedem Ende des Statorabschnitts 11 wird durch die Verwendung von zwei Endabdeckungen oder Kühlmittelaufnahmen (20 bzw. 22) an entgegengesetzten Enden der Elektromotorbaugruppe 10 erreicht oder definiert. Zusätzlich umschließen eine innere Hülse 32 (oder Stator-"Schuhe") und eine äußere Hülse 21 (oder ein Stator-"Rückeisen", welches Teil des Motorgehäuses 12 sein kann) den Statorabschnitt 11 oder die Elektromotorbaugruppe 10, um Öl zu speichern. Das Öl wird an einem Ende der Motorbaugruppe 10 durch eine Einlassöffnung 24 (wie in 2 gezeigt ist) in eine ringförmige Einlasskammer 28 eingeleitet, welche zwischen der Endabdeckung 20 und den Endbiegungen 23 der konzentrierten Wicklungen 14 gebildet ist. Nachdem es um die Einlasskammer 28 herumgeströmt und in einer Wärmeübertragungsbeziehung zu den Wicklungsseiten 25, welche jeden Kanal 30 flankieren, geströmt ist, strömt das Öl um die Auslasskammer 29 herum, die durch die andere Endabdeckung 22 und die Endbiegungen 23 gebildet ist. Schließlich verlässt das Kühlmittel die Umschließung an dem entgegengesetzten axialen Ende des Statorabschnitts 11 der Motorbaugruppe 10, so dass Luft aus dem System gespült wird. Eine gleichmäßige Verteilung des Öls wird durch Schaffen gleicher Strömungspfade um den Umfang des Statorabschnitts 11 und zwischen den Endbiegungen 23 der Wicklungen 14 aufrechterhalten.

Mit Bezug auf 2 ist ein viel geringerer Strömungswiderstand bei den Endabdeckungen 20, 22 und ihren Hohlräumen 28, 29 zu sehen, als er in den Strömungsbereichen entlang der Wicklungsseiten 25 in dem Kanal 30 und den geteilten Kanälen 30' und 30'' durch die Räume zwischen benachbarten Wicklungspaaren 14 auftritt. Je größer der Einlasshohlraum 28, desto geringer der Widerstand beim Strömen um und durch den Hohlraum. Gleichermaßen beeinflusst die Weite oder Größe jedes Kanals 30 den Widerstand beim Strömen in jedem Kanal. Die Motorstatorwicklungen 14 sind voneinander beabstandet, um einen kleinen Kanal 30 zwischen jeder Statorwicklung zu definieren. Je kleiner der Kanal 30, desto mehr Widerstand beim Durchströmen. Wenn die Statorwicklungen jedoch weit beabstandet sind, wird ein Fluid weniger Widerstand erfahren und bereitwilliger zwischen den Statorwicklungen 14 strömen. Mit Bezug auf die schematische Strömungsanordnung von 2 ist die Motorbaugruppe ausgebildet, um das Fluid gleichmäßig durch den Einlasshohlraum 28 und in jeden Kanal (beispielsweise 30a, 30b, 30c, 30d, etc.), der zwischen jedem Paar von benachbarten Statorwicklungen 14 definiert ist, zu verteilen. Dies wird durch Vergrößern oder Ausdehnen des Einlassendabdeckungsabschnitts 20 (3) des Motorgehäuses erreicht, wodurch der Widerstand des Fluids beim Strömen in den Einlasshohlraum 28 vermindert wird. Bei der gezeigten Ausführungsform strömt Fluid in dem Einlasshohlraum 28 herum und durch rundum laufend benachbarte Kanäle 30 – zwei davon sind in 3 als die Seitenbiegungen 25 der jeweiligen Statorwicklungen 14 gezeigt. Ein höherer Strömungswiderstand in den Statorkanälen 30 als in dem Einlasshohlraum 28 ermöglicht es dem Kühlmittel, sich von dem Einlasshohlraum 28 gleichmäßig durch die verschiedenen Statorkanäle 30 zu verteilen. Diejenigen Statorkanäle 30, welche der Einlassöffnung 24 am Nächsten gelegen sind, werden so ausgebildet sein, dass sie der hindurchgehenden Strömung mehr Widerstand entgegen setzen als diejenigen Statorkanäle 30, die von der Einlassöffnung weiter entfernt sind. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Strömung durch alle Kanäle wie 30a, 30b, 30c, 30d, etc. Auf diese Weise werden diejenigen Kanäle, die der Einlassöffnung 24 am Nächsten liegen, im Wesentlichen dieselbe Strömung aufweisen wie diejenigen Kanäle, die von der Einlassöffnung 24 der Motorbaugruppe 10 weiter entfernt sind. Bei der bevorzugten Ausführungsform kann eine gleichmäßige Verteilung von Luft oder Fluid durch Einrichten des Einlasshohlraums 28 (oder der Rohrverzweigung) mit einem niedrigen Strömungswiderstand im Vergleich zu den zwölf Kanälen 30 zwischen den Wicklungen 14 erreicht werden. Wenn es beispielsweise eine Einheit von Strömungswiderstand in dem ringförmigen Einlasshohlraum 28 von der Einlassöffnung 24 zu dem entferntesten Kanal 30a und 30b und neun Einheiten von Strömungswiderstand in solchen Kanälen 30a und 30b gibt, würde dies einem gesamten Strömungswiderstand von elf Einheiten entlang des Strömungspfads entsprechen. Ein solcher Ausgleich des Strömungswiderstands wird zu einer gleichmäßigen Strömung zwischen allen Kanälen 30 führen.

3 stellt ferner die Einlass- und Auslass-Endabdeckungsabschnitte 20 und 22 des Motorgehäuses dar, welche einen Einlass- und Auslasshohlraum (28 bzw. 29) definieren, durch welche ein Fluid in einer Wärmeübertragungsbeziehung gegen die Endbiegungen 23 der Motorbaugruppe 10 strömt. Die Hohlräume (28 und 29) sind, wie in 3 gezeigt ist, teilweise durch eine innere Hülse 32 definiert, die ausgebildet ist, um Kühlöl am Fließen aus den Einlass- und Auslasshohlräumen (28 und 29) auf den Rotor 16 zu hindern. Fluid wird über die Motorwicklungen 14 zwischen den Hohlräumen (28 und 29) und entlang der Durchgänge 30 zugeführt, um Wärme von den Statorwicklungen 14 der Elektromotorbaugruppe zu übertragen. Das Abdichten von Fluid in den vorbestimmten Bereichen der Motorbaugruppe zwischen den Wicklungen und dem Rotor schafft ein geschlossenes System, um eine effiziente Wärmeübertragungsströmung zwischen den Statorwicklungen 14 zu ermöglichen. Darüber hinaus ermöglichen es die in 2 und 3 gezeigten niedrigen Einlass- und hohen Auslassöffnungen (24 und 26), dass Luft aus dem Kühlsystem der Elektromotorbaugruppe 10 gespült wird.

Bei einer anderen Kühlmittelströmungsausführungsform der Erfindung und mit Bezug auf 4 und 6 wird eine Ölströmung durch einen Satz von zentralen radialen Öffnungen 34 durch die äußere Hülse 21 (welche durch das Motor-"Rückeisen" gebildet sein kann) entlang des Umfangs der Statorwicklungen eingeführt. Vorzugsweise ist die Öffnung 34 bezüglich der benachbarten Motorstatorwicklungen 14 im Kanal 30 axial zentriert, wie es in 4 und 6 gezeigt ist. Die Geometrie oder Konfigurationen der Öffnung 34 und der jeweiligen Strömungsdurchgänge innerhalb der Spalten oder Kanäle 30 sind so, dass die Strömungsgeschwindigkeit durch jede der Öffnungen 34 ähnlich ist. Das Kühlöl wird durch den Zwischenraum, der zwischen den Wicklungen relativ zueinander oder relativ zu der Isolationsmateriallage 38 oder einer Sperre, welche verwendet werden kann, um den Zwischenraum 30 in zwei Durchgänge 30' und 30'' (wie in 1 gezeigt ist) ausreichend zu unterteilen, zurückgehalten, so dass das Öl bei Betriebstemperatur durch die Viskosität und Oberflächenspannung des Öls in einer Wärmeübertragungsbeziehung gegenüber den Wicklungen 14 auf jeder Seite des Durchgangs gehalten wird. Das Kühlöl wird dann durch einen Damm 44 (4) in der axialen Richtung entlang der Seiten 25 des Stators umgeleitet. Alternativ kann die innere Hülse 32 (oder "Statorzahn, T,") ausgebildet sein, um die Kanäle 30 zwischen der inneren Hülse 32 an dem Luftspalt 46 oder zwischen dem Rotor 16 und dem Statorabschnitt 11 zu schließen, und sich entlang der Motorachse 50 und um die Statorzähne, T, erstrecken, um Öl daran zu hindern, auf die Enden des Rotors 16 zu fallen. Eine derartige Kühlmittelaufnahme ist ausgelegt, um den Kanal 30 an dem Luftspalt ausreichend abzuschließen, so dass das Kühlmittel entlang der Statorwicklungen 14 axial geleitet wird, um Abwärme direkt von den Statorwicklungen zu entfernen. Die Isolationsmateriallage 38 kann optional ein Teil mit dem Luftspaltendamm 44 bilden.

Dieses System kann ferner durch die Wahl eines Materials der Materiallage 38 und/oder eine Konfiguration, welche zur Aufteilung jedes Kanals 30 eingefügt werden kann, ausgeführt werden. Beispielsweise kann die elektrische Isolation tatsächlich aus einer hohlen Materiallage 38 bestehen (wie in 5b gezeigt ist) und ein deformierbares Material aufweisen (wie in 5c gezeigt ist), so dass ein Großteil des Zwischenraums zwischen den benachbarten Wicklungen durch das Volumen der Isolationsmateriallage 38 gefüllt ist. Alternativ kann die ausgehöhlte Materiallage 38 mit einer ausreichend dicken Struktur gefüllt sein, um die Dicke der Kanäle 30' und 30'' zu vermindern, wodurch die Geschwindigkeit oder der Strömungswiderstand innerhalb der Kanäle (30', 30'') erhöht wird. Bei einer solchen Ausführungsform bleibt in den Kanälen 30' und 30'' nur eine kleine Schicht oder ein kleiner Strömungsraum für die Ölströmung, was effektiv dessen Geschwindigkeit und dessen Retention (oder Dispersion) in Abhängigkeit von der Viskosität und der Oberflächenspannung des Öls (oder Kühlmittels) erhöht. Auch ermöglicht es ein deformierbares Material bei einer solchen Ausführungsform dem Öl, in den unterteilten Kanälen 30' und 30'' vorüber zu strömen, was bei den Herstellungstoleranzen für kostengünstige Arbeit nicht einfach durchgeführt werden könnte. Auf diese Weise wird eine ununterbrochene Ölschicht entlang der Wicklungen immer noch aufrechterhalten, sogar wenn die Größe der Wicklungen 14 während der Herstellung variiert.

Die Materiallage 38 kann aus einer Vielzahl von Materialien aufgebaut sein, welche nicht auf diejenigen beschränkt sind, die hier erörtert werden. Eine andere Wahl für eine Isolationsmateriallage 38 besteht beispielsweise in einem (nicht gezeigten) Schaum mit geschlossenen Zellen. Die Isolationsmateriallage kann eine hohle Struktur oder einen anderen dicken Aufbau aufweisen, welcher dick genug ist, um die Dicke für den Öldurchgang auf eine dem unterteilten Kanal 30 vergleichbare Größe zu vermindern, wodurch die Geschwindigkeit und/oder der Strömungswiderstand des Kühlöls erhöht wird. Noch eine andere Materialwahl für die Isolationsmateriallage 38 besteht in einem rauen Filz oder einem offenzelligen Schaum, wobei der Filz oder Schaum zum Rückhalten des Öls dient und dabei hilft, die Bedingungen der Wärmeübertragung in das Öl zu verbessern. In dieser Hinsicht kann die Isolationsmateriallage 38 ein geformtes Muster aus Lagenmaterial aufweisen und wie ein typischer Wärmetauscher aus gefalteten Rippen bestehen, aber mit ausreichend kleinen Durchgängen, besonders an den Enden, um das Öl ausreichend zurückzuhalten, so dass das Öl mit den gewünschten Strömungsgeschwindigkeiten und Betriebstemperaturen strömt. Kurz gesagt kann die Isolationsmateriallage 38 zwischen den konzentrierten Wicklungen strukturelle Merkmale aufweisen, die eine Verwirbelung für mehr Wärmetransfer schaffen.

Die konzentrierten Wicklungen 14 sind vorzugsweise aus einer Kupferverdrahtung aufgebaut. Die Kupferverdrahtung ist für einen kürzeren oder konzentrierteren Flußweg geschachtelt gewickelt. Konzentrierte Motorwicklungen erzeugen mehr Leistung als nicht-konzentrierte Wicklungen, da der darin fließende elektrische Strom in der konzentrierten Anordnung durch mehr Draht fließt. Eine konzentrierte Verdrahtung erzeugt jedoch auch mehr Wärme, nicht nur als ein Ergebnis des zusätzlichen Stromweges, sondern auch aufgrund der engen Nachbarschaft der Verdrahtung, die thermische Energie ausstrahlt.

Die isolierten Materiallagen 38 können zwischen der äußeren Hülse 21 und der inneren Hülse 32 der Motorbaugruppe 10 gesichert sein und sich zwischen dem Einlasshohlraum 28 und dem Auslasshohlraum 29 erstrecken (2). Die isolierte Materiallage 38 definiert bei jedem Paar von benachbarten Statorwicklungen 14 eine Wand zwischen jeder Wicklung. Bei einer zusätzlichen Ausführungsform ist die isolierte Materiallage 38 hohl, um ein deformierbares Material (wie zum Beispiel 40a, 40b und 40c) zu beherbergen, um einen turbulenteren Fluiddurchgang zu verursachen. Die isolierte Materiallage 38 ist durch das deformierbare Material (40a, 40b und 40c) deformierbar und kann eine raue Oberfläche definieren, um dies zu erreichen.

Diese Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Kühlen eines hybridelektrischen Hochleistungsfahrzeugmotors. Bei diesem Verfahren wird die Statorverdrahtung des Elektromotors auf mehrere rundum laufend angeordnete Verdrahtungsspulen konzentriert, welche konzentrierte Statorwicklungen definieren. Die konzentrierten Motorstatorwicklungen werden von einander beabstandet, um durch den Kanal mit genügender Geschwindigkeit und genügendem Widerstand zu strömen, um Wärme von den konzentrierten Statorwicklungen an das Kühlöl zu übertragen.

Zusammengefasst betrifft die vorliegende Erfindung ein Kühlsystem und -verfahren für die konzentrierten Motorstatorwicklungen eines Elektromotors. Das Kühlsystem und -verfahren liefert ein Kühlmittel direkt auf die Motorstatorwicklungen und zwischen alle benachbarten Statorwicklungen. Das Motorgehäuse hilft bei der Verteilung von Kühlmittel zwischen allen Statorwicklungen der Elektromotorbaugruppe. Darüber hinaus kann eine isolierte Materiallage und/oder eine Röhre zwischen die konzentrierten Motorstatorwicklungen eingesetzt sein. Jedes bzw. jede kann so ausgebildet sein, dass es ein Kühlmittel direkt auf die Statorwicklungen leitet.


Anspruch[de]
Elektromotorbaugruppe, umfassend:

umlaufend angeordnete benachbarte konzentrierte Motorstatorwicklungen, die beabstandet sind, um mindestens einen Kanal für einen Kühlmitteldurchgang zu definieren;

ein Motorgehäuse, das ausgebildet ist, um die Motorstatorwicklungen abzudecken; und

einen zwischen die Motorstatorwicklungen einpassbaren Einsatz, der ausgebildet ist, um eine Kühlmittelströmung in dem Kanal direkt auf die Motorstatorwicklungen zu leiten.
Motorbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorgehäuse einen Einlass- und einen Auslassabschnitt definiert, die dazu dienen, eine Endbiegung der konzentrierten Motorstatorwicklungen abzudecken;

wobei der Einlassabschnitt eine Einlasskammer definiert, die dazu dient, ein Kühlmittel an die Endbiegungen der konzentrierten Motorstatorwicklungen zu verteilen; und

wobei der Auslassabschnitt eine Auslasskammer definiert, die dazu dient, ein Kühlmittel von der Endbiegung der konzentrierten Motorstatorwicklungen weg zu verteilen.
Motorbaugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass- und der Auslassabschnitt des Motorgehäuses ferner eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung definiert, die dazu dienen, den Durchgang von Kühlmittel in das Motorgehäuse bzw. den Durchgang von Kühlmittel aus dem Motorgehäuse zu erleichtern. Motorbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz eine Röhre ist, die dazu dient, das Kühlmittel zwischen die Motorstatorwicklungen zu leiten. Motorbaugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhre mehrere Öffnungen für eine Kühlmittelströmung von einem äußeren Umfang der Röhre direkt auf die konzentrierten Motorstatorwicklungen definiert. Motorbaugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen der Röhre eine einheitliche Größe auf eine Weise besitzen, die ausreicht, um eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit einer Kühlmittelströmung aus der Röhre in dem Kanal zu schaffen. Motorbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorgehäuse eine äußere Hülse umfasst, die ausgebildet ist, um die Motorstatorwicklungen abzudecken, wobei die äußere Hülse eine Öffnung definiert, die mit den Motorstatorwicklungen in Verbindung stehen kann. Motorbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz eine isolierte Materiallage ist, welche in den Kanal der konzentrierten Motorstatorwicklungen einsetzbar ist und dazu dient, eine Kühlmittelströmung zwischen benachbarten Motorstatorwicklungen aufzuteilen. Motorbaugruppe nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch mindestens eine sich axial erstreckende Röhre in der isolierten Materiallage, wobei die isolierte Materiallage ausgehöhlt ist. Motorbaugruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine sich axial erstreckende Röhre mit einem deformierbaren Material gefüllt ist, welches ausgebildet ist, um eine Dispersion von Kühlmittel zwischen der isolierten Materiallage und den konzentrierten Motorwicklungen zu fördern. Motorbaugruppe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine sich axial erstreckende Röhre auf eine Weise ausgebildet ist, um eine äußere Oberfläche der isolierten Materiallage zu deformieren, um dadurch die Verwirbelung des Kühlmittels zu erhöhen, wenn es zwischen den konzentrierten Motorstatorwicklungen und der isolierten Materiallage hindurch strömt. Elektromotorbaugruppe, umfassend:

ein Motorgehäuse, das ausgebildet ist, um ein Kühlmittel aufzunehmen;

einen Rotor;

mehrere sich axial erstreckende konzentrierte Motorstatorwicklungen, die in dem Motorgehäuse um den Rotor herum in einer Luftspaltbeziehung zu dem Rotor umlaufend angeordnet sind; wobei jedes Paar von Statorwicklungen voneinander beabstandet ist, um einen Kanal zwischen den Statorwicklungen zu definieren, um ein von dem Gehäuse aufgenommenes Kühlmittel in eine Wärmeübertragungsbeziehung mit den Statorwicklungen zu verteilen; und

eine Kühlmittelaufnahme, die ausgebildet ist, um den Kanal an dem Luftspalt zu dem Rotor ausreichend zu umschließen, so dass das Kühlmittel bezüglich der Elektromotorbaugruppe axial und entlang der Statorwicklungen gelenkt wird, um Abwärme direkt von den Statorwicklungen zu entfernen.
Motorbaugruppe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelaufnahme ferner eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung definiert, die jeweils dazu dienen, den Durchgang von Kühlmittel durch die Kühlmittelaufnahme zu erleichtern. Motorbaugruppe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Einlass- und Auslassöffnungen nahe eines Axialmittelpunkts bezüglich der Kühlmittelaufnahme radial erstrecken; und wobei das Kühlmittel durch die Einlassöffnung in den Kanal eingeführt wird. Motorbaugruppe nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen zwischen die Motorstatorwicklungen einpassbaren Einsatz, der ausgebildet ist, um ein Kühlmittel aus dem Inneren des Kanals direkt an die Motorstatorwicklungen zu leiten. Motorbaugruppe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz eine Röhre ist, die dazu dient, das Kühlmittel zwischen den Statorwicklungen zu leiten. Motorbaugruppe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhre mehrere Öffnungen für eine Kühlmittelströmung von einem äußeren Umfang der Röhre auf die konzentrierten Motorstatorwicklungen definiert, wobei die Öffnungen der isolierten Röhre eine einheitliche Größe auf eine Weise besitzen, um eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit einer Kühlmittelströmung aus der isolierten Röhre zu dem Kanal zu schaffen. Motorbaugruppe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz aus einer isolierten Materiallage besteht, die in den Kanal der konzentrierten Motorstatorwicklungen eingesetzt werden kann und dazu dient, eine Kühlmittelströmung zwischen allen benachbarten Motorstatorwicklungen zu trennen. Motorbaugruppe nach Anspruch 18, ferner umfassend:

mindestens eine sich in der isolierten Materiallage axial erstreckende Röhre, wobei die isolierte Materiallage hohl ist; und

wobei die mindestens eine sich axial erstreckende Röhre mit einem deformierbaren Material gefüllt ist, welches ausgebildet ist, um eine Dispersion von Kühlmittel zwischen der isolierten Materiallage und den konzentrierten Motorwicklungen zu fördern, wenn das Kühlmittel durch die konzentrierten Motorstatorwicklungen hindurchströmt.
Motorbaugruppe nach Anspruch 19, ferner umfassend:

mindestens eine sich axial erstreckende Röhre, die in die isolierte Materiallage eingefügt werden kann, wobei die isolierte Materiallage hohl ist, um die mindestens eine sich axial erstreckende Röhre aufzunehmen; und

wobei die mindestens eine sich axial erstreckende Röhre auf eine Weise ausgebildet ist, um eine äußere Oberfläche der isolierten Materiallage zu deformieren und dadurch die Verwirbelung des Kühlmittels zu erhöhen, wenn es zwischen den konzentrierten Motorstatorwicklungen und der isolierten Materiallage hindurchströmt.
Motorbaugruppe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorgehäuse eine äußere Hülse umfasst, welche ausgebildet ist, um die Motorstatorwicklungen abzudecken, wobei die äußere Hülse eine Öffnung definiert, welche mit den Motorstatorwicklungen in Verbindung treten kann. Verfahren zum Kühlen eines hybridelektrischen Fahrzeugmotors, das umfasst, dass

die Statorverdrahtung des Elektromotors auf mehrere rundum laufend angeordnete Verdrahtungsspulen, die konzentrierte Motorstatorwicklungen definieren, konzentriert wird;

eine der konzentrierten Motorstatorwicklungen von einer benachbarten anderen der konzentrierten Motorstatorwicklungen beabstandet wird, um einen Kanal zu bilden; und

ein Kühlmittel mit ausreichender Geschwindigkeit und ausreichendem Widerstand durch den Kanal strömen gelassen wird, um Wärme von den konzentrierten Motorstatorwicklungen an das Kühlmittel zu übertragen.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Sperre zum Zurückhalten des Kühlmittels in dem Kanal im Wesentlichen verhindert wird, dass das Kühlmittel in einen durch einen Rotor und die Statorverdrahtung definierten Spalt strömt.






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