BE1027955B1 - Roterende machine en werkwijze voor het koelen van een roterende machine - Google Patents

Abstract

De openbaring beschrijft een roterende machine omvattende een rotoras omvattende een koelkanaal met ten minste één inlaat voor het ontvangen van koelvloeistof, en ten minste één uitlaatsectie in vloeistofverbinding met het koelkanaal aan een buitenzijde van de rotoras en ingericht om het stromen van de koelvloeistof uit het koelkanaal toe te staan, waarbij een uitlaatopening van de ten minste ene uitlaatsectie op een grotere radiale afstand van de rotatie-aslijn is geplaatst dan een inwendige dwarsdoorsnede van het koelkanaal in de rotoras.

Description

Roterende machine en werkwijze voor het koelen van een roterende machine

VELD VAN DE UITVINDING De uitvinding heeft in het algemeen betrekking op het koelen van een roterende machine.

ACHTERGROND VAN DE UITVINDING Onder roterende machines worden machines verstaan met een rotoras die draait wanneer de machine in bedrijf is, zoals een elektrische machine of een gasturbine enz. Een elektrische machine omvat doorgaans een stator waarin een rotor roteerbaar gemonteerd is. De rotor is voorzien van een rotoras. Een gasturbine omvat een rotoras die in bedrijf gekoeld wordt.

Doorgaans is de rotoras voor koeldoeleinden ten minste gedeeltelijk hol en omvat de rotoras een koelkanaal dat ingericht is voor het ontvangen van koelvloeistof. De koelvloeistof absorbeert warmte van de holle rotoras via geleiding en / of convectieve warmteoverdracht, waardoor de rotoras gekoeld wordt. Het koelkanaal kan een uitlaat hebben waardoor de koelvloeistof het koelkanaal verlaat. De koelvloeistof wordt opgevangen in een vloeistofreservoir, bijvoorbeeld een sump. Doorgaans is een elektrische pomp verschaft die koelvloeistof van het vloeistofreservoir in het koelkanaal pompt. Ook stroomt, wanneer de elektrische machine stil staat, de koelvloeistof uit het koelkanaal en wordt het koelkanaal geleegd en gevuld door lucht. Wanneer dan de elektrische machine opnieuw opstart en de rotor begint te draaien, moet de pomp het koelkanaal eerst vullen met koelmiddel, en de lucht aanwezig in het koelkanaal moet uit het koelkanaal gedreven worden. Dit kan lawaai genereren wanneer de lucht en het koelmiddel gemengd worden. Gedurende deze opstartfase is ook het koelen nogal inefficiënt door de aanwezigheid van lucht en / of luchtbellen die eerst verwijderd moeten worden.

Er is behoefte voor een koelsysteem voor een roterende machine dat minder kostbaar is en / of minder ruimte vereist, terwijl een efficiënte koeling van de roterende machine wordt verschaft.

SAMENVATTING VAN DE UITVINDING Volgens een aspect van de uitvinding, is er voorzien in een roterende machine omvattende een rotoras omvattende een koelkanaal met ten minste één inlaat voor het ontvangen van koelvloeistof, en ten minste één uitlaatsectie in vloeistofverbinding met het koelkanaal aan een buitenzijde van de rotoras en ingericht om het stromen van koelvloeistof uit het koelkanaal toe staan, waarbij de uitlaatsectie een uitlaatopening omvat, waarbij een radiale positie van de ten minste ene uitlaatopening, gemeten vanaf de rotatie-aslijn van de rotoras, groter is dan een radiale positie van het koelkanaal in de rotoras. Door het voorzien van de uitlaatsectie die in vloeistofverbinding staat met de rotoras, maar de uitlaatopening daarvan voorzien aan een buitenste straal van de rotoras, werken centrifugale krachten in op de vloeistof in de uitlaat en is het mogelijk dat de uitlaatsectie een zuigfunctie verkrijgt. De uitlaatsectie kan dan de koelvloeistof van uit het koelkanaal zuigen zonder een aparte elektrische pomp nodig te hebben. In bedrijf genereert het roteren van de rotoras een centrifugale kracht op de koelvloeistof. Door de uitlaatopening te verschaffen op een grotere radiale afstand van de rotatie-aslijn van de rotoras dan het koelkanaal waardoor de koelvloeistof passeert, wordt een drukverschil gegenereerd. Dit drukverschil verschaft het zuigen van de koelvloeistof. De koelvloeistof wordt, in bedrijf, naar de uitlaatopening gezogen, waardoor een aparte pomp voor het pompen van de vloeistof weggelaten kan worden. Aangezien er geen pomp meer nodig 1s voor het pompen van de koelvloeistof kan het koelsysteem van de roterende machine simpeler en kost-effectiever zijn.

Op voordelige wijze heeft het koelkanaal een inlaat die in vloeistofverbinding is met een koelvloeistofreservoir, doorgaans een sump waarin de koelvloeistof wordt verzameld. Als gevolg van dat de uitlaatsectie op een grotere straal is dan het koelkanaal, kan een zuigfunctie voorzien worden die toestaat dat de uitlaatsectie koelvloeistof aanzuigt door het koelkanaal vanuit het koelvloeistofreservoir. Zodanig, kan een aparte elektrische pomp worden weggelaten, wat voordelig 1s met betrekking tot kosten en / of het gebruik van ruimte in de aandrijflijn en wat de cavitatierisico ’s in verband met een aparte elektrische pomp vermindert. De koeling kan ook efficiënter worden, omdat het zuigeffect groter kan zijn bij een hogere rotatiesnelheid, omdat het drukverschil tussen inlaat en uitlaat ten gevolge van centrifugale krachten toeneemt met snelheid. Doorgaans nemen de verliezen van de roterende machine en / of de warmtegeneratie van de roterende machine toe met rotatiesnelheid, alsook leidende tot een koelmechanisme dat efficiënte koeling levert enkel wanneer dit nodig is, namelijk meer koelvloeistof bij hogere rotatiesnelheden.

Op voordelige wijze bevindt het koelvloeistofreservoir zich op een verhoogde positie ten opzichte van het koelkanaal. Door het voorzien van het koelvloeistofreservoir op een verhoogde positie ten opzichte van het koelkanaal, in het bijzonder ten opzichte van de inlaat van het koelkanaal, kan de koelvloeistof, wanneer de rotoras stil staat, in het koelkanaal stromen en, zodanig, kan het koelkanaal vooraf gevuld zijn bij stilstand.

Bijvoorbeeld bij het starten van de rotatie vanuit stilstand kan de lucht aanwezig in het koelkanaal stapsgewijs uit het koelkanaal worden gezogen terwijl koelvloeistof in het koelkanaal wordt gezogen. Door het voorzien van een verhoogd reservoir dat gevuld is met koelvloeistof kan, wanneer de roterende machine wordt gestart, het vulproces van het koelkanaal worden versneld. Er kan dus minder menging en / of interferentie plaatsvinden tussen lucht en / of koelmiddel, waardoor het lawaai wordt verminderd en de efficiëntie wordt verbeterd.

Op voordelige wijze is het koelvloeistofreservoir geconfigureerd om passief gevuld te worden door vloeistofspatting van een roterende component die aanwezig is in dezelfde behuizing als de rotoras. Het reservoir kan, bijvoorbeeld, passief gevuld worden met koelvloeistof dat in het rond of omhoog wordt gespat door één of meer tandwielen aanwezig in dezelfde behuizing als de rotoras. De tandwielen kunnen direct of indirect gekoppeld zijn aan de rotoras. Hierdoor is geen extra energie, b.v. door een actief bedienbare pomp, vereist om de vloeistof van het elektrische motorsamenstel naar het reservoir te redigeren. Dit voorziet bijkomend in een kosteneffectief en plaats-efficiënt koelsysteem. Op voordelige wijze is de uitlaatopening voorzien aan hetzelfde uiteinde van de rotoras als de inlaat van het koelkanaal. Voor het toestaan van de koelvloeistof om langs ongeveer de axiale lengte van de rotoras te passeren, kan het koelkanaal dan voorzien zijn met een binnenkanaal en een buitenkanaal dat concentrisch ingericht is rondom het binnenkanaal. Aan het einde van de rotoras tegenover het einde met de inlaat, zijn het binnenkanaal en het buitenkanaal met elkaar in vloeistofverbinding, b.v. door radiale gaten in de rotoras, voor het toestaan van het stromen van de koelvloeistof van het binnenkanaal naar het buitenkanaal. Het buitenkanaal kan dus beschouwd worden als het terugkeerkanaal voor de koelvloeistof. Het binnenkanaal omvat, doorgaans, de inlaat die in vloeistofverbinding is met het vloeistofreservoir en het buitenkanaal bevat de uitlaatsectie met de uitlaatopening aan hetzelfde uiteinde waaraan de inlaat is voorzien. Dit bespaart bijkomend ruimte en voorziet een compacte configuratie van het koelsysteem, met koelvloeistofreservoir, inlaat en uitlaatopening. Het buitenkanaal kan, alternatief, voorzien zijn buiten de rotor en een rotoraswand kan voorzien zijn tussen het binnenkanaal in de rotoras en het buiten-, terugkeerkanaal buiten de rotoras. Dit kan voordelig zijn in configuraties waarbij de rotoras een beperkte diameter kan hebben. Zo een configuratie kan, alternatief, voordelig zijn in een elektrische machine. Het buiten kanaal kan dan b.v. voorzien zijn als een veelvoud aan axiale groeven in het rotorpakket, waardoor een efficiëntere 5 warmteoverdracht van de rotor naar de koelvloeistof wordt voorzien.

Op voordelige wijze omvat het koelkanaal een koelrib. Door het voorzien van een koelrib, is het oppervlak waarmee de koelvloeistof in contact is groter en kan dus convectie toenemen, zodanig een efficiëntere en / of effectiever koeling voorzienend. Wanneer de koelkanalen een inlaatkanaal en een uitlaakanaal omvatten, kan de koelrib oftewel in het inlaatkanaal of het uitlaatkanaal voorzien zijn.

Wanneer de roterende machine een elektrische machine is, met een rotor gemonteerd op de rotoras en een stator voorzien rondom de rotor, kan het koelsysteem van de elektrische machine dus voorzien zijn zonder een bijkomende pomp. In koelsystemen volgens de stand der techniek wordt doorgaan een elektrische pomp gebruikt, welke weggelaten kan worden in het koelsysteem volgens de uitvinding. Het koelsysteem kan dus gebaseerd zijn op gravitatie-energie, met het koelvloeistofreservoir verhoogd zijnde ten opzichte van de inlaat van het koelkanaal, op centrifugale energie, met de uitlaatopening op een grotere radiale afstand zijnde dan de inlaat, en op het spatten van koelvloeistof voor het vullen van het reservoir.

De stator van de elektrische machine kan zich uitwaarts uitstrekkende eindwikkelingen omvatten, aan ten minst één einde van de stator. De uitlaatopening kan dan op voordelige wijze ingericht zijn voor het sproeien van koelvloeistof naar de zich uitstrekkende eindwindingen voor het koelen van die eindwindingen. Zo kan bijkomende koeling van de stator voorzien worden.

In een andere uitvoeringsvorm, kan een gekoeld oppervlak voorzien zijn aan of nabij de uitlaatopening waartegen de koelvloeistof wordt gesproeid, wanneer de koelvloeistof de uitlaatopening verlaat, voor het afkoelen van de koelvloeistof voor verder gebruik. De gekoelde vloeistof kan dan terug naar het reservoir stromen waar het hergebruikt kan worden in het koelsysteem.

Op voordelige wijze omvat de uitlaatsectie een stroombeperking.

Door het voorzien van een stroombeperking in de uitlaatsectie, neemt de tegendruk in het koelkanaal toe, daardoor het stromen van koelvloeistof in richting van de uitlaatopening verminderend. De stroombeperking staat het verlaten van de koelvloeistof uit de uitlaatsectie toe maar beperkt de uitlaatstroming. Zo een stroombeperking creëert een tegendruk, waardoor de volumetrische stroming afneemt, zodanig dat de juiste hoeveelheid stroming aan de maximale rotatiesnelheid aangepast kan worden aan de benodigde koeling. Zo een stroombeperking vermindert ook de onderdruk gegeneerd binnen het koelkanaal en kan gebruikt worden voor het voorkomen van cavitatie binnen het koelkanaal, wat anders de uitvoering van het koelen zou verminderen. De stroombeperking kan bijvoorbeeld voorzien zijn als een dwarsdoorsnede in de uitlaatsectie kleiner dan het koelkanaal of dan een ander deel van de uitlaatsectie. Voor het voorzien van de kleinere dwarsdoorsnede in de uitlaatsectie, kan de uitlaatsectie lokaal zijn vernauwd, of kan een plaat of rib voorzien zijn die het versmallen van de dwarsdoorsnede in de uitlaatsectie voorziet. Een kleinere dwarsdoorsnede in de uitlaatsectie kan lokaal resulteren in een toename van zowel dynamische druk als wrijving door viskeuze krachten aan de kleiner dwarsdoorsnede. De toename van wrijving aan de kleinere dwarsdoorsnede kan, net als het deel van de uitlaatsectie, het debiet van koelvloeistof in het koelkanaal verminderen.

Alternatief en / of bijkomend, kan de uitlaatsectie een nozzle omvatten. Zo een nozzle kan gebruikt worden voor bijkomende koeltoepassingen, zoals het sproeien van koelmiddel op eindwikkelingen die zich axiaal uitstrekken van de gelamineerde ijzers van een stator van een elektrische machine of naar andere componenten, zoals, bijvoorbeeld,

tandwielen, doorgaans voorzien in dezelfde behuizing als de rotoras, bij voorkeur aan of nabij de uitlaatopening.

Op voordelige wijze is ten minste een deel van de ten minste ene uitlaatsectie op een grotere afstand van de rotatie-aslijn van de rotoras dan de uitlaatopening, daardoor een sifon vormend. Door het voorzien van een dergelijk deel op een grotere afstand in de uitlaatsectie, kan het legen van het koelkanaal wanneer de rotoras stopt met roteren ietwat worden vertraagd. Dit kan resulteren in het achterblijven van een hoeveelheid koelvloeistof in het koelkanaal, in het bijzonder in de uitlaatsectie van het koelkanaal. Een ander voordeel van een dergelijk deel in de uitlaatsectie kan zijn dat, wanneer de rotoras draait, het kan worden voorkomen dat omgevingsvloeistof het koelkanaal binnengaat. De centrifugale druk in het deel van de uitlaatsectie kan groter zijn dan de centrifugale druk aan de utlaatopening, welke op een kleinere radiale afstand van de rotatie-aslijn van de as is. Dit kan, ten minste boven een bepaalde rotatiesnelheid van de as, resulteren in dat de totale druk het hoogst is in dat deel van de uitlaatsectie en dat de totale druk afneemt tussen dat deel van de uitlaatsectie en de uitlaatopening. De afnemende totale druk naar de uitlaatopening kan ook voorkomen dat omgevingsvloeistof de kanaalsectie binnengaat. De centrifugale druk kan toenemen wanneer de rotatiesnelheid van de rotoras toeneemt. De toenemende centrifugale druk kan resulteren in een toenemend totale drukverschil tussen de inlaat van het koelkanaal en de uitlaatopening. Een toenemend totale drukverschil kan resulteren in een toename van het vermogen beschikbaar voor het pompen van de koelvloeistof door het koelkanaal. Bij voorkeur, kan het drukverschil, boven een bepaalde rotatiesnelheid van rotoras, resulteren in een voldoende beschikbaar vermogen voor het pompen van de koelvloeistof door het koelkanaal zodanig dat een externe vermogensbron en / of vloeistofpomp niet langer vereist is voor het pompen van de koelvloeistof doorheen het koelkanaal.

Het zal gewaardeerd worden dat de afname in debiet als een resultaat van de aanwezigheid van het deel van de uitlaatsectie aan een radiale afstand van de rotatie-aslijn van de rotoras hoger dan de uitlaatopening ook aanwezig is wanneer de rotoras draait. Zodanig kan dat deel van de koelsectie gevuld blijven met koelvloeistof, waardoor het wordt voorkomen dat lucht binnengaat in de koelsectie en, verder, in het koelkanaal. Dit kan ook lawaai verminderen, en kan de efficiëntie van de koeling doen toenemen. Op voordelige wijze of optioneel, kan het deel van de uitlaatsectie U-vormig zijn, zodanig dat een brug tussen benen van de U-vormige sectie op een grotere afstand van de centerlijn van de as is dan de uitlaatopening. De U-vormige sectie vormt dan de sifon, en voorziet het sifon-effect waarbij een hoeveelheid koelvloeistof in de uitlaatsectie kan blijven.

Het zal gewaardeerd worden dat zowel de toename van de dynamische druk en van de wrijving door viskeuze krachten aan de kleinere dwarsdoorsnede aanwezig kunnen zijn onafhankelijk van de rotatiesnelheid van de as. Het zal echter gewaardeerd worden dat beide effecten toenemen met toenemend debiet, waardoor het effect van toenemend debiet wordt verzwakt met de rotatiesnelheid.

Een nozzle kan worden voorzien in de uitlaatsectie die hetzelfde of gelijkaardige effect bereikt als de kleinere dwarsdoorsnede, bijkomend op, bijvoorbeeld, enig sproeien.

Op voordelige wijze kan de nozzle naast de uitlaatsectie geplaatst zijn. De nozzle kan, bij voorkeur, geplaatst zijn aan de uitlaatopening, zodat de nozzle de uitlaatopening vormt. Het plaatsen van de nozzle aan de uitlaatopening kan een gemakkelijke manier voorzien voor het construeren van de uitlaatsectie van het koelkanaal. De nozzle kan ook de kleinere dwarsdoorsnede voorzien, waardoor door de noodzaak voor het implementeren van een aparte kleinere dwarsdoorsnede wordt ontheven,

aldus resulterend in een uitlaatsectie die gemakkelijker te fabriceren kan zijn.

De nozzle naast de wtlaatsectie kan, op voordelige wijze, worden ingericht om achterwaarts gericht te zijn ten opzichte van zijn normale rotatiebewegingsrichting, voor het verminderen van het momentum van de vloeistofdeeltjes die de nozzle verlaten. Dit kan het reactiekoppel van de rotoras verlagen dat wordt veroorzaakt door het koelmechanisme zoals vergeleken met een gelijkaardig systeem waarbij stroming wordt beperkt door gebruik te maken van een kleinere dwarsdoorsnede waarbij wrijvingskrachten dominant zijn.

De roterende machine, zoals een elektrische machine, kan opgenomen zijn in een voertuigaandrijving. Op voordelige wijze kan dan de uitlaatsectie geïntegreerd zijn in een parkeervergrendelingwiel dat verbindbaar is met de rotoras. Het parkeervergrendelingswiel kan daartoe een veelvoud aan gaten omvatten die in vloeistofverbinding zijn met het koelkanaal van de rotoras waarbij de gaten in vloeistofverbinding zijn met ten minste één uitlaatopening voor het toestaan aan koelvloeistof om het koelkanaal te verlaten. De uitlaatsectie in het parkeervergrendelingswiel kan dus de gaten voorzien in het parkeervergrendelingswiel omvatten. De uitlaatopening kan dus aan een grotere radiale diameter zijn dan de inlaat van het koelkanaal, en de uitlaatsectie kan bijkomend ook een stroombeperking omvatten zoals hierboven beschreven.

De uitlaatsectie is, op voordelige wijze, geïntegreerd in de rotoras, omvattende geboorde kanalen die het koelkanaal verbinden met de ten minste ene uitlaatopening.

De rotoras kan voorzien zijn als twee asdelen die op elkaar aangrijpbaar zijn. Doorgaans kan voor het aangrijpen van de twee asdelen een schroefdraadverbinding gebruikt worden. Tussen de draden van de schroefdraadverbinding kunnen kanalen voorzien zijn voor het toelaten aan koelvloeistof om te passeren. Op voordelige wijze, is een laatste draad van een dergelijke schroefdraadverbinding op een grotere radiale afstand van de rotatie-as en doet het dienst als de uitlaatopening voor het voorzien van het zuigeffect van de koelvloeistof. Als zodanig kan, op een voordelige wijze, de schroefdraadverbinding geïntegreerd zijn in het koelsysteem, daarbij in vloeistofverbinding zijnde met het koelkanaal, voor het voorzien van een compacte configuratie van het koelsysteem. Nu kan niet enkel een pomp worden weggelaten maar kan ook een bijkomend element of een bijkomende interferentie met de rotoras voor het voorzien van de uitlaatsectie worden weggelaten.

Volgens een ander aspect van de uitvinding, is er voorzien in een elektrische of hybride voertuigaandrijving omvattende een elektrische machine zoals hierboven beschreven waarbij het koelkanaal van de rotoras is ingericht voor verbinding met een koelsysteem van de elektrische of hybride voertuigaandrijving voor het toestaan aan koelvloeistof om in het kanaal te stromen.

Volgens een ander aspect van de uitvinding, is er voorzien in een werkwijze voor het koelen van een elektrische machine, omvattende het verschaffen van een elektrische machine met een rotor en een stator die over de rotor is gemonteerd, het verschaffen van een as die vast verbonden is met de rotor, het verschaffen van ten minste één uitlaat op de as waarbij de ten minste ene uitlaat is ingericht met een uitlaatsectie voor het controleren van koelvloeistofdebiet in functie van het de rotatiesnelheid van elektrische machine.

KORTE BESCHRIJVING VAN DE TEKENING De openbaring wordt voorts toegelicht aan de hand van een schematische tekening. In de tekening worden de volgende figuren getoond.

Fig. 1 toont een aanzicht van een doorsnede van een uitvoeringsvorm van de uitvinding.

Fig. 2 toont een aanzicht van een doorsnede van een voorbeelduitvoeringsvorm van een holle as van de uitvinding.

Figs. 3a, 3b, 3c and 3d tonen voorbeeld schematische uitvoeringsvormen van een uitlaatsectie volgens de uitvinding.

Fig. 4 toont een voorbeeld van een uitlaatsectie aan een schroefdraadverbinding tussen twee asdelen.

Fig. 5 toont een alternatieve uitvoeringsvorm van het voorbeeld van Fig. 1.

Fig. 6 toont een voorbeeld van een rotoras met een uitlaatsectie.

Fig. 7 toont een voorbeeld van een koellichaam nabij de uitlaatopening.

Fig. 8 toont een grafiek van het koelvloeistofdebiet en de statische druk aan de inlaat van de uitvinding in functie van de rotatiesnelheid van de as.

GEDETAILLEERDE BESCHRIJVING De figuren worden gepresenteerd door middel van schematische weergaven van uitvoeringsvormen van de openbaarmaking. Soortgelijke kenmerken worden aangeduid met dezelfde of vergelijkbare referentienummers. De figuren zijn niet op schaal getekend en zijn slechts schematisch.

Fig. 1 toont een schematisch aanzicht van een doorsnede van een uitvoeringsvorm van de uitvinding. Fig. 1 toont een elektrische machine 1 omvattende een rotoras 2 omvattende een koelkanaal 4. De elektrische machine 1 omvat voorts een rotor 6 die vast verbonden is met de as 2, bijvoorbeeld door een interferentiepassing of door een asspiebaan. De rotor 6 en de as 2 zijn roteerbaar gemonteerd in een stator 10 met behulp van lagers 10. Meer lagers kunnen aanwezig zijn, bijvoorbeeld aan het einde van de as 2 dat zich uitstrekt buiten de rotor 6, maar deze zijn niet weergegeven om de figuur niet te complex te maken. De elektrische machine 1 omvat voorts twee uitlaatsecties 12. Het koelkanaal 4 is in vloeistofverbinding met een koelvloeistofreservoir 14 door een koelvloeistofinlaat 16. De inlaat 16 kan stationair blijven terwijl de as 2 draait, door bijvoorbeeld een afdichting, niet getoond, zoals een lipafdichting of een labyrintafdichting, gemonteerd tussen de inlaat 16 en de as 2, voor het voorkomen van Koelvloeistoflekken. De elektrische machine 1 genereert warmte in bedrijf. Het reservoir 14 voorziet koelvloeistof die van het reservoir 14 door de inlaat 16 in het kanaal 4 stroomt. Het kanaal 4, zoals geïllustreerd in Fig. 1, is verdeeld in een binnenste deel en een buitenste deel, welke in vloeistofverbinding zijn aan de zijde van de as 2 tegenover de inlaat 16. De koelvloeistof die door het kanaal 4 stroom absorbeert warmte van de as 2 door geleiding en door convectie, en koelt dus de as 2 en de rotor 6. Een uitlaatopening 32 1s gepositioneerd op een straal groter dan de koelvloeistofinlaat 16. Wanneer de rotoras 2 draait, zorgen centrifugale krachten voor een drukverschil tussen de uitlaatopening 32 and de inlaat

16. Het drukverschil staat een zuigfunctie toe voor het toestaan aan de uitlaatsectie 12 om koelvloeistof vanuit het reservoir 14 te zuigen. Aldus kan een aparte elektrische pomp worden weggelaten. Een toename in rotatiesnelheid resulteert in toenemende centrifugale krachten werkend op de koelvloeistof. De toenemende centrifugale krachten resulteren in een toenemend drukverschil tussen de inlaat 16 en de uitlaatopening 32, waardoor de invloed van de zuigfunctie toeneemt. De uitlaatsectie 12 omvat een uitlaatopening 32 voor het toestaan aan koelvloeistof om het koelkanaal te verlaten. Zoals getoond in Fig. 1, is een deel van de uitlaatsectie 12 is op een grotere afstand van de rotatie- aslijn A dan de uitlaatopening. De druk in het deel van de uitlaatsectie 12 op een grotere afstand van de rotatie-aslijn A is hoger dan de druk in de uitlaatopening 32 wanneer de as 2 draait, omdat centrifugale krachten inwerken op de koelvloeistof. De hydrostatische druk ten gevolge van de centrifugale krachten voorkomen het binnengaan van omgevingslucht in het koelkanaal 4 doorheen de uitlaatopening 32. Het voorkomen dat omgevingslucht of andere vloeistoffen in het koelkanaal 4 gaan doorheen de uitlaatopening is voordelig, aangezien omgevingslucht of andere vloeistoffen de zuigfunctie van de uitlaatsectie 12 kunnen beïnvloeden, en doorgaans lagere warmteoverdrachtseigenschappen hebben dan de koelvloeistof.

Fig. 1 illustreert de holle as 2 met het koelkanaal 4 en de uitlaatsecties 12 als een vast object. Het zal echter gewaardeerd worden dat de holle as 2 uit meerdere verbindbare onderdelen kan bestaan. De uitlaatsecties 12 kunnen bijvoorbeeld ingericht zijn in een aparte ringachtige structuur ingericht om op de holle as 2 gemonteerd te worden. Fig. 2 toont een aanzicht van een doorsnede van een voorbeelduitvoeringsvorm van de holle as 2 van de uitvinding. Zoals getoond in Fig. 2, is de holle as 2 verdeeld in een eerste assegment 2a en een tweede assegment 2b. Het eerste assegment 2a kan ingericht zijn om vast te verbinden met de rotor 6. Het tweede assegment 2b kan ingericht zijn om vast te verbinden met het eerste assegment 24, bijvoorbeeld door een schroefdraadverbinding 20 of een spievertandingsverbinding 20. Het tweede assegment 2b kan een aandrijftandwiel 22 omvatten, ingericht voor het overbrengen van koppel van de as 2 naar, bijvoorbeeld, een aandrijving. Het tweede assegment 2b omvat voorts de uitlaatsectie 12 en de inlaat 16. Het koelkanaal 4 strekt zich uit langs het eerste assegment 24 en het tweede assegment 2b en wordt verdeeld in een binnenste deel en een buitenste deel door een scheidingselement 24, zoals een buis 24. Het eerste assegment 24 omvat voorts een vastzetcomponent 26 en een warmtewisselaar 28. De warmtewisselaar 28 is ingericht in het buitenste deel van het koelkanaal 4 en strekt zich uit langsheen het eerste assegment 24 en kan bijvoorbeeld een reeks vinnen zijn. De warmtewisselaar 28 vergroot het contactoppervlak tussen het eerste assegment 24 en de koelvloeistof, voor het toestaan van een verbeterde warmteoverdracht tussen het eerste assegment en de koelvloeistof. De warmtewisselaar 28 is voorts ingericht voor het voorkomen van radiale beweging van de buis 24, alzo voorkomend dat de buis 24 weg van de rotatie-aslijn van de as 2 buigt tijdens het draaien en daardoor een onbalans creëert. De vastzetcomponent 26 is ingericht voor het voorkomen van axiale beweging van de buis 24. De vastzetcomponent 26 is voorst ingericht om koelvloeistof te geleiden van het binnenste deel van het koelkanaal 4 naar het buitenste deel van het koelkanaal 4. De vastzetcomponent 26 en / of de warmtewisselaar 28 kunnen geoptimaliseerd zijn voor het minimaliseren van drukverliezen om het drukverschil tussen de inlaat 16 en de uitlaatsectie 12 te optimaliseren. Een significant drukverlies over de vastzetcomponent 26 of de warmtewisselaar 28 kan de zuigfunctie van de uitlaatsectie 12 beïnvloeden.

De uitvoeringsvorm van de holle as 2 zoals geïllustreerd in Fig. 2 kan een werkwijze voorzien voor het samenstellen van een holle as volgens de uitvinding. Als eerste stap kunnen de warmtewisselaar 28 en de vastzetcomponent 26 kunnen bijvoorbeeld op de buis 24 gemonteerd worden. Deze combinatie van de buis 24, de vastzetcomponent 26 en de warmtewisselaar 28 kunnen dan in het eerste assegment 24 gepositioneerd worden, waarbij de buis 4 zich gedeeltelijk buiten het eerste assegment 2a uitstrekt. Het tweede assegment 2b kan nu over de buis 4 gemonteerd worden en verbonden worden met het eerste assegment 2a met de verbinding 20. Daarna kan de uitlaatsectie 12 op het tweede assegment 2b gemonteerd worden. De uitlaatsectie 12 kan ook op het tweede assegment 2b gemonteerd worden voor het verbinden van het tweede assegment 2b met het eerste assegment 24. Het samenstellen dat hierboven beschreven wordt kan ook plaatsvinden wanneer het eerste assegment 2a al reeds roteerbaar verbonden is met de stator en / of vast verbonden is met de rotor.

Figs. 3a, 3b, 3c en 3d tonen vier verschillende uitvoeringsvormen van de uitlaatsectie 12. Fig. 3a toont een uitlaatsectie 12 waarbij een inwendige dwarsdoorsnede van de uitlaatsectie 12 kleiner is dan een interne dwarsdoorsnede van het koelkanaal 4 in de rotoras 2. Elk van de Figs. 3a,

3b, 3c en 3D tonen een uitlaatsectie 12 waarbij ten minst een deel van de ten minste ene uitlaatsectie 12 op een grotere afstand van een rotatie-aslijn van de rotoras 2 waaraan de inlaat is gepositioneerd dan de uitlaat opening

32.

Fig. 3a toont een uitlaatsectie 12 omvattende een uitlaatsectielichaam 30 en uitlaatopeningen 32. De uitlaatsectie 12 is getoond als een apart onderdeel ingericht om op de holle as 2 gemonteerd te worden. In een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding kan de uitlaatsectie 12 deel uitmaken van de holle as 2. De uitlaatopening 32 zijn hier getoond als rechte gaten geïntegreerd in de holle as 2, welke bijvoorbeeld door boren vervaardig kunnen geworden. De interne dwarsdoorsnede van de uitlaten 32 kan constant zijn overheen de lengte van de uitlaatsectie 30. Dit ontwerp omvat geen interne dwarsdoorsnede binnen de uitlaatsectie op een grotere straal dan de uitlaatopening, waardoor omgevingsvloeistoffen, bijvoorbeeld lucht, mogelijks de uitlaatsectie kunnen binnengaan.

Fig. 3b toont een schematische doorsnede van een uitlaatsectie 12 omvattende een uitlaatsectielichaam 30, uitlaten 32 en een uitlaatsectiedeksel 34. Het uitlaatsectielichaam 30 is getoond als een apart onderdeel ingericht om op de holle as 2 gemonteerd te worden. In een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding kan de uitlaatsectie 12 deel uitmaken van de holle as 2. Het uitlaatsectielichaam 30 kan bijvoorbeeld gevormd worden door technieken zoals draaien en boren. Het uitlaatsectiedeksel 34 is ingericht om op het uitlaatsectielichaam 30 gemonteerd te worden. De uitlaten kunnen gevormd zijn tussen het uitlaatsectielichaam 30 en het uitlaatsectiedeksel 34. Samen met het uitlaatsectielichaam 30, vormt het uitlaatsectiedeksel een inwendige dwarsdoorsnede op een grotere straal dan de uitlaatopening 32. Dit kan voorkomen dat omgevingsvloeistof, zoals bijvoorbeeld lucht, de uitlaatsectie binnengaat. Fig. 3c toont een schematische doorsnede van een uitlaatsectie

12 omvattende een uitlaatsectielichaam 30 en de uitlaten 32. Het uitlaatsectielichaam 30 is getoond als een apart onderdeel ingericht om op de holle as 2 gemonteerd te worden. In een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding kan de uitlaatsectie 12 deel uitmaken van de holle as 2. De uitlaten 32 zijn hier weergegeven als twee rechte gaten die onder een hoek aan elkaar verbonden zijn. De twee rechte gaten kunnen bijvoorbeeld bekomen worden door het boren van gaten in het wtlaatsectielichaam 30. De hoek kan zodanig zijn dat een ten minste een deel van de ten minste ene uitlaatsectie 12 op een grotere afstand van de rotatie-aslijn van de rotoras 2 is dan de uitlaatopening. De inwendige dwarsdoorsnede kan in Fig. 3c constant zijn.

Fig. 3d toont een schematische doorsnede van een uitlaatsectie 12 omvattende een uitlaatsectielichaam 30 en uitlaten 32. De uitlaatsectie 12 is hier getoond als een apart onderdeel ingericht om aan een einde van de holle as 2 gemonteerd te worden, dit in tegenstelling tot de uitvoeringsvormen getoond in Figs. 3a, 3b en 3c welke op de holle as 2 gemonteerd kunnen worden. De uitlaten 32 hebben minder hoeken dan de uitvoeringsvormen getoond in Figs. 3b en 3c, wat voor een meer laminaire stroming van de koelvloeistof kan zorgen. Een meer laminaire stroming van de koelvloeistof kan een sterkere zuigfunctie bereiken dan een meer turbulente stroming van de koelvloeistof.

De voorbeelduitvoeringsvormen van de uitlaatsectie 12 weergegeven in Figs. 3b, 3c en 3d tonen elk de uitlaatopening 32 aan dezelfde zijde van de uitlaatsectie 12. Het zal echter gewaardeerd worden dat de uitlaatopening zich aan elke zijde van de uitlaatsectie 12 kan bevinden, bijvoorbeeld voor het richten van de koelvloeistof in een substantieel axiale richting naar de rotor, zoals in Fig. 3b, in een substantieel radiale richting weg van de holle as 2, zoals in Fig. 3a, in een substantieel axiale richting weg van de rotor, in een substantieel tangentiële richting of in elke richting liggend tussen de voornoemde richtingen.

De voorbeelduitvoeringsvormen van de uitlaatsecties 12 weergegeven in Figs. 3a, 3b en 3c zijn ingericht om op de holle as 2 gemonteerd te worden. Figs. 3a, 3b en 3c tonen een vergrote inwendige diameter van het axiale gat waardoorheen de holle as 2 zich kan uitstrekken. De vergrote inwendige diameter staat een grotere tolerantie toe wanner de uitlaatsectie 12 op de holle as 2 gemonteerd word, voor het verminderen van nadelen ten gevolgen van een slechte uitlijning tussen het koelkanaal 4 van de holle as 2 en de uitlaten 32 van de uitlaatsectie 12.

De voorbeelduitvoeringsvormen van de uitlaatsecties 12 weergegeven in Figs. 3a, 3b en 3c tonen allen een uitlaatsectie 12 met een deel 36 van de uitlaatsectie 12 dat op een grotere radiale diameter is dan de uitlaatopening 32, voor het voorzien van een sifon voor het creëren van het sifoneffect gedurende het roteren.

De uitlaatsectie 12 omvat een uitlaatkanaal 38 dat in vloeistofverbinding is met het koelkanaal 4 van de rotoras 2 dat aan een ander einde eindigt in de uitlaatopening 32. In fig. 3a is het uitlaatkanaal 38 recht, maar het kan gebogen of U-vormig zijn zoals bijvoorbeeld getoond in Fig. 3b of Fig. 3d. Het uitlaatkanaal 38 kan integraal gevormd zijn door de rotoras, of kan deel uitmaken van een uitlaatsectie 12 dat voorzien is als een bijkomend element op de rotoras. Vele varianten zijn mogelijk. In het uitlaatkanaal 38 kan een stroombeperking voorzien zijn voor het regelen van de uitlaatstroom, in het bijzonder bij hogere rotatiesnelheden. De stroombeperking kan bijvoorbeeld een deel van het uitlaatkanaal 38 zijn dat een kleinere dwarsdoorsnede heeft dan de rest van het uitlaatkanaal. Alternatief kan de stroombeperking de uitlaatopening 32 zijn met een kleinere dwarsdoorsnede dan het uitlaatkanaal 38.

Fig. 4 toont een alternatief voorbeeld van de uitlaatsectie 12. In dit voorbeeld omvat de rotoras 2 twee asdelen 24, 2b die op elkaar aangrijpen via de schroefdraadverbinding 70. De schroefdraadverbinding 70 omvat een aantal draden 71a, 71b die op elkaar aangrijpen voor het vormen van een verbinding. In deze verbinding is een kanaal 72, 73 voorzien dat het koelkanaal 4 in vloeistofverbinding brengt met de uitlaatopening 32. De kanalen 72, 73 kunnen bijvoorbeeld bekomen worden door de draden intermitterend te voorzien of door het voorzien van holtes in de draden. Aangezien de laatste draden, hier 71a, het kanaal 72, en de uitlaatopening 32 van dat kanaal op een grotere radiale positie zijn dat de rotatie-aslijn waaraan de inlaat van het koelkanaal is verbonden, wordt gedurende rotatie een zuigeffect verkregen door het drukverschil veroorzaakt door de centrifugale kracht. De koelvloeistof wordt dus uit het koelvloeistofreservoir (hier niet getoond) gezogen.

In Fig.5 wordt een voorbeeld getoond waarin de uitlaatsectie 12 voorzien is als een apart element dat aan een buitenzijde van de as 2 gemonteerd wordt. in de uitlaatsectie is het uitlaatkanaal 38 voorzien, hier met een U-vormige vorm met een deel 36 op een grotere radiale positie dan de uitlaatopening 32 voor het voorzien van het sifoneffect gedurende rotatie. Hier is het koelvloeistofreservoir 14 ook voorzien op een verhoogde positie ten opzichte van de inlaat 16, waardoor een voor-vullen van het koelkanaal 4 bij stilstand van de rotoras 2 door zwaartekracht wordt voorzien. In het voorbeeld van Fig. 5 wordt ook getoond dat het koelkanaal 4 een inlaat 16 aan één einde heeft en dat de uitlaatopening 32 aan hetzelfde einde als de inlaat 16 voorzien is. Het koelkanaal 4 omvat daartoe een binnenste kanaal 4a en een buitenste kanaal 4b opgesplitst door een kanaalwand 17. Het binnenste kanaal 4a en het buitenste kanaal 4b, welke de terugstroom van de koelvloeistof naar de uitlaatopening 32 omvatten, zijn in vloeistofverbinding met elkaar aan het einde van de rotoras 2 tegenover de inlaat 16. De koelvloeistof stroomt van het binnenste kanaal 4a naar het buitenste kanaal 4b langs de rand 4c van kanaalwand 17. Het buitenste kanaal 4b kan, alternatief, voorzien zijn buiten de rotoras 2, bijvoorbeeld als boringen in het gelamineerd rotorstel 6. In Fig. 6, is de uitlaatsectie geïntegreerd in de rotoras 2, als een simpel uitlaatkanaal 38. Uiteraard kunnen andere voorbeelden van de uitlaatsecties 12 integraal voorzien of gevormd worden in de rotoras. Hier is de rand 4c voorzien met een verplaatsing 44 voor het geleiden in radiaal uitwaartse richting van de koelvloeistof en voor het verminderen van de risico’s van cavitatie of andere vloeistofstromingsverschijnselen die vloeistofstroming slechter maken aan de rand 4c. Het vloeistof verplaatsend lid is bij voorkeur ingericht voor het genereren van een hoekversnelling van de koelvloeistof en is bij voorkeur ingericht voor het omleiden van de vloeistof van het binnenste kanaal naar het buitenste kanaal. Het helpt de koelvloeistof in feite om de scherpe bocht naar het buitenste kanaal te maken. Deze hoekversnelling kan vergemakkelijkt worden door het voorzien van verplaatsend lid ribben 44a te voorzien die zich radiaal uitwaarts uitstrekken van het verplaatsend lid zodanig dat de vloeistof nabij de ribben gedwongen is om de hoeksnelheid van de rotor te volgen. Dit kan resulteren in een effectievere en efficiëntere vloeistofstroming van de vloeistof van het binnenste kanaal naar het buitenste kanaal. De vloeistof kan radiaal uitwaarts geleidt worden door ten minste één verplaatsend lid rib. Dit kan resulteren in een verbeterde stroming van de vloeistof van het binnenste kanaal naar het buitenste kanaal. Fig. 4 toont een koellichaam 90 dat nabij de uitlaatopening 32 van de uitlaatsectie 12 gepositioneerd is. De verhitte koelvloeistof die de uitlaatopening 32 verlaat spat dan tegen het gekoelde lichaam 90, waarbij de koelvloeistof gekoeld wordt zodanig dat de koelvloeistof, eens gekoeld, terug kan keren naar het koelvloeistofreservoir 14 voor verder gebruik in het koelsysteem. Het koellichaam 90 kan voorzien zijn met kanalen 91 waardoorheen een koelvloeistof voorzien kan worden voor het koelen van het koellichaam 90.

Fig. 8 toont een grafiek van het koelvloeistofdebiet en statische druk aan een inlaat van de uitvinding in functie van de rotatiesnelheid van de as. De grafiek toont dat het debiet van koelvloeistof toeneemt en de statische druk afneemt als de rotatiesnelheid van de elektrische machine 1 toeneemt. Aan punt B is de statische druk aan de inlaat 0 Pa, wat aangeeft dat drukverschil veroorzaakt door de zuigfunctie van de kanaalsectie 12 de drukverliezen over het koelkanaal 4 opheft. Een toename van de rotatiesnelheid voorbij punt B resulteert in een negatieve statische druk aan de inlaat, wat aangeeft dat er voorbij dit punt geen externe voedingsbron zoals een aparte pomp nodig is voor het onderhouden van de koelvloeistofstroom. De grafiek toont ook dat de zuigfunctie het debiet reeds bij lage rotatiesnelheden begint te beïnvloeden.

Hoewel de uitvinding wordt toegelicht aan de hand van voorbeelden die verwijzen naar een elektrische machine, kan de uitvinding worden voorzien in elk type roterende machine met een rotoras waardoor een koelkanaal loopt en die een uitlaatopening heeft waardoor de koelvloeistof wordt afgevoerd.

Hierin wordt de uitvinding beschreven onder verwijzing naar specifieke voorbeelden van uitvoeringsvormen van de uitvinding. Het zal echter gewaardeerd worden dat daarin verschillende wijzigingen, variaties, alternatieven en veranderingen kunnen worden aangebracht, zonder af te wijken van de essentie van de uitvinding. Met het oog op duidelijkheid en een beknopte beschrijving worden hierin kenmerken beschreven als onderdeel van dezelfde of afzonderlijke uitvoeringsvormen, maar alternatieve uitvoeringsvormen met combinaties van alle of sommige van de kenmerken die in deze afzonderlijke uitvoeringsvormen worden beschreven, worden ook beoogd en worden geacht binnen het bereik van de uitvinding te vallen zoals geschetst door de conclusies. De specificaties, figuren en voorbeelden dienen dan ook eerder illustratief dan restrictief te worden beschouwd. De uitvinding is bedoeld om alle alternatieven, modificaties en variaties te omvatten die binnen het kader van de bijgevoegde conclusies vallen. Voorts zijn veel van de beschreven elementen functionele entiteiten die kunnen worden geïmplementeerd als afzonderlijke of gedistribueerde componenten of in combinatie met andere componenten, in elke geschikte combinatie en locatie.

Vele varianten zijn mogelijk en vallen binnen het bereik van de volgende conclusies.

Claims (18)

Conclusies

1. Een roterende machine omvattende: een rotoras omvattende een koelkanaal met ten minste één inlaat voor het ontvangen van koelvloeistof, en ten minste één uitlaatsectie in vloeistofverbinding met het koelkanaal aan een buitenzijde van de rotoras en ingericht om het stromen van koelvloeistof uit het koelkanaal toe staan, waarbij een radiale positie van de ten minste ene uitlaatsectie, gemeten vanaf de rotatie-aslijn van de rotoras, groter is dan een radiale positie van het koelkanaal in de rotoras.

2. De machine volgens conclusie 1, waarbij een inlaat van het koelkanaal in vloeistofverbinding is met een koelvloeistofreservoir.

3. De machine volgens conclusie 2, waarbij het koelvloeistofreservoir zich op een verhoogde positie bevindt ten opzichte van het koelkanaal.

4. De machine volgens conclusie 2 of 3, waarbij het reservoir is geconfigureerd om passief gevuld te worden door vloeistofspatting van een roterende component die aanwezig is in dezelfde behuizing als de rotoras.

5. De machine volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de uitlaatopening aan hetzelfde uiteinde van de rotoras is voorzien als de inlaat.

6. De machine volgens een der voorgaande conclusies, waarbij het koelkanaal een koelrib omvat.

7. De machine volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de uitlaatsectie een stroombeperking omvat.

8. De machine volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de uitlaatsectie een nozzle omvat.

9. De machine volgens een der voorgaande conclusies, waarbij ten minste een deel van de ten minste ene uitlaatsectie op een grotere afstand van een rotatie-aslijn van de rotoras is dan de uitlaatopening.

10. De machine volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de ten minste ene uitlaatsectie U-vormig is, zodanig dat een brug tussen benen van de U-vormige sectie op een grotere afstand van de centerlijn van de as is dan de uitlaatopening.

11. De machine volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de machine een elektrische machine is met een rotor gemonteerd op de rotoras en een stator die rondom de rotor is aangebracht.

12. De machine volgens conclusie 11, waarbij de stator zich naar buiten uitstrekkende eindwindingen aan ten minste één einde van de stator omvat, waarbij de uitlaatopening is geconfigureerd om koelvloeistof op de zich uitstrekkende wikkelingen te sproeien voor het koelen van de genoemde eindwikkelingen.

13. De machine volgens een van de conclusies 1 - 11, waarbij een gekoeld oppervlak is voorzien aan of nabij de uitlaatopening waartegen de koelvloeistof die de uitlaatopening verlaat wordt gesproeid om de koelvloeistof af te koelen voor verder gebruik.

14. De machine volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de roterende machine is opgenomen in een voertuigaandrijving, en waarbij de uitlaatsectie geïntegreerd is in een parkeervergrendelingswiel dat verbindbaar is met de rotoras.

15. De machine volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de uitlaatsectie is geïntegreerd in de rotoras, omvattende geboorde kanalen die het koelkanaal verbinden met de ten minste ene uitlaatopening.

16. De machine volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de rotoras twee asdelen omvat die op elkaar aangrijpen met een schroefdraadverbinding, waarbij de uitlaatopening is voorzien aan een laatste schroefdraad van de schroefdraadverbinding.

17. Een elektrische of hybride voertuigaandrijving omvattende; een roterende machine volgens een van de conclusies 1-16, waarbij de roterende machine een elektrische machine is;

waarbij het koelkanaal van de rotoras is ingericht voor vloeistofverbinding met een koelsysteem van de elektrische of hybride voertuigtransmissie om een koelvloeistof in het kanaal te laten stromen voor het koelen van de elektrische machine.

18. Werkwijze voor het koelen van een elektrische machine, omvattende: - het verschaffen van een elektrische machine met een rotor met een rotoras en een stator die over de rotor is gemonteerd; waarbij de rotoras een koelkanaal heeft; -het verschaffen van ten minste één uitlaat van het koelkanaal op de as; de ten minste ene uitlaat verbonden met een uitlaatsectie om de koelvloeistof het koelkanaal te laten verlaten; - waarbij een uitlaatopening geplaatst is op een grotere straal dan een inwendig dwarsdoorsnedeoppervlak van het koelkanaal binnen de rotoras.