DE102007033457A1

DE102007033457A1 - Elektrische Maschine mit einem flüssigkeitsgekühlten Rotor

Info

Publication number: DE102007033457A1
Application number: DE102007033457A
Authority: DE
Inventors: Jonathan M. Peoria Baumann; Matthew W. Brimfield Dames; Trevor N. Peoria Iund; Roy Canton Wookey
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2007-07-18
Publication date: 2008-02-14
Also published as: US7834492B2; US20080024020A1

Abstract

Eine elektrische Maschine für ein Leistungssystem wird offenbart. Die elektrische Maschine hat ein Gehäuse mit einer ersten Endkappe und einer zweiten Endkappe. Die erste Endkappe hat einen ersten Strömungsmitteldurchlassweg und die zweite Endkappe hat einen zweiten Strömungsmitteldurchlassweg. Die elektrische Maschine hat einen Stator, der fest in dem Gehäuse angeordnet ist, und einen Rotor, der drehbar radial innerhalb des Stators angeordnet ist. Der Rotor hat einen axialen Duchlassweg, der strömungsmittelmäßig den ersten Strömungsmitteldurchlassweg mit dem zweiten Strömungsmitteldurchlassweg verbindet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf eine elektrische Maschine und insbesondere auf eine elektrische Maschine mit einem flüssigkeitsgekühlten Rotor.
Hintergrund
Elektrische Maschinen, wie beispielsweise Motoren und Generatoren, können verwendet werden, um mechanische Leistung ansprechend auf eine elektrische Eingangsgröße zu erzeugen, oder um elektrische Leistung ansprechend auf eine mechanische Eingangsgröße zu erzeugen. Magnetische Verluste, Widerstandsverluste und mechanische Verluste in den Motoren und Generatoren während der Erzeugung von mechanischer und elektrischer Leistung bewirken einen Aufbau von Wärme, die abgeleitet werden kann, um eine Fehlfunktion und/oder ein Versagen der elektrischen Maschine zu vermeiden. Eine der Einschränkungen für die Leistungsausgabe der elektrischen Maschinen kann die Fähigkeit der elektrischen Maschine zur Ableitung dieser Wärme sein.
Ein Verfahren zur Ableitung von Wärme in einem Generator weist auf, ein Kühlmedium in den Generator über einen Rotor zu leiten. Beispielsweise lehrt das US-Patent 5 019 733 (das '733-Patent) von Kano u.a. einen Wechselstromgenerator der Erregungsbauart mit Stator- und Feldspulen, die durch eine Flüssigkeit gekühlt werden, die durch die sich drehende Welle eines Rotors läuft. Insbesondere wird das Strömungsmittel während der Zirkulation axial in ein Ende der Rotorwelle geleitet und dann sofort nach außen über radial gebohrte Durchlasswege, um das Strömungsmittel auf den Stator und die Feldspulen zu sprühen, wodurch die Wärme aus dem Generator abgeführt wird.
Obwohl die radial gebohrten Durchlasswege der Rotorwelle eine gewisse Entfernung der Wärme aus Teilen des Wechselstromgenerators der Erregungsbauart erleichtern, können sie zu wenig Wärme entfernen, und die Entfernung der Wärme kann unpassend oder ungleich sein. Insbesondere weil das Kühlströmungsmittel des '733-Patentes sofort weg vom Rotor geleitet wird, nachdem es in den Rotor eingetreten ist, kann es ineffektiv zur Entfernung von wesentlichen Mengen an Wärme aus dem Rotor sein. Weil das Strömungsmittel in die Rotorwelle nur von einem Ende eintritt und dann direkt weg vom Rotor geleitet wird, kann wenig oder keine Wärme vom anderen Ende des Rotors entfernt werden. Diese unzureichende und ungleichmäßige Wärmeableitung könnte die Komponenten des Generators schädigen.
Die offenbarte elektrische Maschine ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf eine elektrische Maschine gerichtet, die ein Gehäuse mit einer ersten Endkappe und einer zweiten Endkappe aufweist. Die erste Endkappe hat einen ersten Strömungsmitteldurchlassweg, und die zweite Endkappe hat einen zweiten Strömungsmitteldurchlassweg. Die elektrische Maschine weist auch einen Stator auf, der fest in dem Gehäuse angeordnet ist, und einen Rotor, der radial innerhalb des Stators drehbar angeordnet ist. Der Rotor hat einen axialen Durchlassweg, der strömungsmittelmäßig den ersten Strömungsmitteldurchlassweg mit dem zweiten Strömungsmitteldurchlassweg verbindet.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf eine elektrische Maschine gerichtet, die ein Gehäuse mit einem ersten Lager und einem zweiten Lager hat, welches axial vom ersten Lager beabstandet ist. Die elektrische Maschine weist auch einen Stator auf, der fest in dem Gehäuse angeordnet ist, und einen Rotor, der drehbar von den ersten und zweiten Lagern radial innerhalb des Stators getragen wird. Der Rotor hat einen axialen Durchlassweg, der strömungsmittelmäßig die ersten und zweiten Lager verbindet.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine gerichtet. Das Verfahren weist auf, einen Rotor zu drehen, der radial innerhalb eines Stators angeordnet ist, um eine elektrische Ausgangsgröße zu erzeugen. Das Verfahren weist auch auf, Strömungsmittel in die elektrische Maschine durch ein Gehäuse außerhalb des Stators zu leiten, weiter Strömungsmittel von dem Gehäuse axial von einem Ende des Rotors hindurch zum anderen Ende des Rotors zu leiten, und Strömungsmittel vom Rotor radial nach außen zu Wicklungen des Stators an beiden Enden des Rotors zu leiten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Veranschaulichung eines beispielhaften offenbarten Leistungs- bzw. Antriebssystems; und
2 ist eine Querschnittsdarstellung einer elektrischen Maschine zur Anwendung in dem Antriebssystem der 1.
Detaillierte Beschreibung
1 veranschaulicht ein beispielhaftes Antriebs- bzw. Leistungssystem 10 mit einer Leistungsquelle 12, mit einem Kühlkreislauf 14 und einer elektrischen Maschine 16. Das Leistungssystem 10 kann einen Teil eines mobilen Fahrzeugs bilden, wie beispielsweise von einem Dozer, einem Gelenklastwagen, einem Bagger oder einem anderen in der Technik bekannten Fahrzeug, wobei die elektrische Maschine 16 als die Hauptantriebseinheit wirkt. Es wird auch in Betracht gezogen, dass das Antriebssystem 10 einen Teil einer stationären Maschine bilden kann, wie beispielsweise einen Generatorsatz, eine Pumpe oder irgendeine andere geeignete stationäre Maschine.
Die Leistungsquelle 12 kann einen Verbrennungsmotor aufweisen, der betreibbar ist, um eine mechanische Drehausgangsgröße zu erzeugen. Beispielsweise kann die Leistungsquelle 12 einen Dieselmotor, einen Benzinmotor, einen mit gasförmigem Brennstoff angetriebenen Motor oder irgendeine andere Art eines Motors aufweisen, die dem Fachmann offensichtlich ist. Es wird auch in Betracht gezogen, dass die Leistungsquelle 12 alternativ eine nicht auf Verbrennung beruhende Leistungsquelle verkörpern kann, wie beispielsweise eine Brennstoffzelle, eine Batterie oder irgendeine andere in der Technik bekannte Leistungsquelle.
Der Kühlkreislauf 14 kann ein unter Druck gesetztes System aufweisen, welches konfiguriert ist, um Wärme zur Leistungsquelle 12 und/oder zur elektrischen Maschine 16 und/oder weg von diesen zu transportieren. Der Kühlkreislauf 14 kann einen Wärmetauscher 20, einen Ventilator 22 und eine Quelle 24 aufweisen, um ein Wärmeübertragungsmedium unter Druck zu setzen, zu konditionieren und zu zirkulieren.
Der Wärmetauscher 20 kann einen Flüssigkeit-Luft-Wärmetauscher verkörpern, um die Übertragung von Wärme zum Wärmeübertragungsmedium hin oder weg von diesem zu erleichtern. Beispielsweise kann der Wärmetauscher 20 einen Wärmetauscher mit Rohren und Finnen bzw. Lamellen aufweisen, einen Wärmetauscher mit Rohr und Hülle, einen Platten-Wärmetauscher oder irgendeine andere in der Technik bekannte Bauart eines Wärmetauschers. Der Wärmetauscher 20 kann mit der Quelle 24 über eine Versorgungsleitung 26 verbunden sein, und mit der elektrischen Maschine 16 über eine Rückleitung 28. Es wird in Betracht gezogen, dass der Wärmetauscher 20 als der Hauptradiator bzw. Hauptkühler der Leistungsquelle 12, als der Motorölkühler, der Getriebeölkühler, als der Bremsenölkühler oder als irgendeine andere Kühlkomponente der Leistungsquelle wirken kann. Es wird weiter in Betracht gezogen, dass der Wärmetauscher 20 alternativ extra dafür vorgesehen sein kann, um nur das Wärmeübertragungsmedium zu kühlen, welches zur elektrischen Maschine 16 geliefert wird.
Der Ventilator 22 kann in der Nähe des Wärmetauschers 20 angeordnet sein, um einen Luftfluss über den Wärmetauscher 20 zur Wärmeübertragung der Flüssigkeit auf die Luft zu erzeugen. Es wird in Betracht gezogen, dass der Ventilator 22 weggelassen werden könnte, falls erwünscht, und dass ein sekundärer Strömungsmittelkreislauf (nicht gezeigt), der mit dem Wärmetauscher 20 verbunden ist, Wärme zu dem Wärmeübertragungsmedium hin oder weg davon für eine Wärmeübertragung von Flüssigkeit zu Flüssigkeit überträgt.
Die Quelle 24 kann irgendeine Vorrichtung zum Unter-Druck-Setzen des Wärmeübertragungsmediums in dem Kühlkreislauf 14 verkörpern. Beispielsweise kann die Quelle 24 eine Pumpe mit fester Verdrängung, eine Pumpe mit variabler Verdrängung, eine Pumpe mit variablem Fluss oder irgendeine andere in der Technik bekannte Pumpenbauart sein. Die Quelle 24 kann zwischen dem Wärmetauscher 20 und der elektrischen Maschine 16 angeordnet sein und hydraulisch, mechanisch oder elektrisch durch die Leistungsquelle 12 angetrieben werden. Es wird in Betracht gezogen, dass die Quelle 24 alternativ entfernt von der Leistungsquelle 12 gelegen sein kann und durch andere Mittel als die Leistungsquelle 12 angetrieben sein kann. Es wird auch in Betracht gezogen, dass die Quelle 24 extra dafür vorgesehen sein kann, um nur das Wärmeübertragungsmedium unter Druck zu setzen, welches zur elektrischen Maschine 16 geleitet wird.
Das Wärmeübertragungsmedium kann ein Niederdruck- oder Hochdruckströmungsmittel sein. Niederdruckströmungsmittel können beispielsweise Wasser, Glykol, eine Wasser-Glykol-Mischung, eine mit Luft vermischte Mischung, ein Leistungsquellenöl, wie beispielsweise Getriebeöl, Motoröl, Bremsöl bzw. Bremsflüssigkeit, Dieselbrennstoff oder irgendein anderes in der Technik bekanntes Niederdruckströmungsmittel zur Wärmeübertragung aufweisen. Hochdruckströmungsmittel können beispielsweise R-134, Propan, Stickstoff, Helium oder irgendein anderes in der Technik bekanntes Hochdruckströmungsmittel aufweisen.
Die elektrische Maschine 16 kann antreibend mit der Leistungsquelle 12 über ein (nicht gezeigtes) Schwungrad, über eine (nicht gezeigte) Federkupplung, über eine (nicht gezeigte) Planetenradanordnung und/oder in irgendeiner andern in der Technik bekannten Art und Weise verbunden sein. Die elektrische Maschine 16 kann mit der Leistungsquelle 12 verbunden sein, so dass eine mechanische Ausgangsdrehung der Leistungsquelle 12 eine entsprechende Drehung einer Antriebs- bzw. Traktionsvorrichtung 43 zur Folge hat. Es wird auch in Betracht gezogen, dass eine Drehung der Traktionsvorrichtung 43 eine entsprechende mecha nische Drehung der Leistungsquelle 12 zur Folge haben kann, um Betriebsvorgänge mit umgekehrtem Leistungsfluss zu erleichtern, wie beispielsweise Bremsen, Energiewiedergewinnung oder andere solche in der Technik bekannte Betriebsvorgänge.
Die elektrische Maschine 16 kann strömungsmittelmäßig angeschlossen sein, um das unter Druck gesetzte Wärmeübertragungsmedium aufzunehmen und abzulassen. Insbesondere kann die elektrische Maschine 16 ein Gehäuse 40 haben, welches konfiguriert ist, um unter Druck gesetztes Wärmeübertragungsmedium von der Quelle 24 über eine Versorgungsleitung 38 aufzunehmen. Nach der Übertragung von Wärme bei der elektrischen Maschine 16 kann das Wärmeübertragungsmedium aus dem Gehäuse 40 über eine Rückleitung 28 zur Konditionierung bzw. Behandlung durch den Wärmetauscher 20 ausgelassen werden.
Die elektrische Maschine 16 kann aus einem antreibenden Element und einem angetriebenen Element bestehen, die elektrisch gekoppelt sind, um ein kontinuierlich variables Getriebe zu bilden. In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann das antreibende Element ein elektrischer Generator 16a sein und das angetriebene Element kann ein Elektromotor 16b sein. Bei dieser beispielhaften Anordnung haben sowohl der elektrische Generator 16a als auch der Motor 16b extra dafür vorgesehene Gehäuse oder alternativ ein einzelnes integrales Gehäuse, falls erwünscht.
2 veranschaulicht den elektrischen Generator 16a mit mehreren Komponenten, die zusammenwirken, um elektrische Leistung ansprechend auf eine mechanischen Eingangsgröße zu erzeugen. Insbesondere kann der elektrische Generator 16a eine Welle 42, einen Rotor 44 und einen Stator 46 aufweisen. Es wird in Betracht gezogen, dass der elektrische Generator 16a zusätzliche oder andere Komponenten enthalten kann, wie beispielsweise ein Steuersystem, einen Prozessor, Leistungselektronik, einen oder mehrere Sensoren, eine Leistungsspeichervorrichtung und/oder andere in der Technik bekannte Komponenten. Es wird auch in Betracht gezogen, dass der elektrische Generator 16a statt der Erzeugung einer elektrischen Ausgangsgröße ansprechend auf eine mechanische Eingangs größe alternativ mechanische Leistung ansprechend auf eine elektrische Eingangsgröße erzeugen kann, wenn die elektrische Maschine 16 in umgekehrter Richtung durch die Traktionsvorrichtung 43 angetrieben wird.
Die Welle 42 kann ein im Allgemeinen zylindrisches Koppelungsglied sein, um Leistung in den elektrischen Generator 16a hinein und aus diesem heraus zu übertragen, und kann drehbar mit dem Gehäuse 40 durch ein oder mehrere Lager 48 verbunden sein. Die Welle 42 kann sich von einem Ende des Gehäuses 40 zu einem gegenüberliegenden Ende des Gehäuses 40 erstrecken. Es wird auch in Betracht gezogen, dass die Welle 42 von einem Ende, von beiden Enden oder aus keinem Ende des Gehäuses vorstehen kann, und/oder dass mehrere Wellen in dem elektrischen Generator 16a vorgesehen sein können.
Der Rotor 44 kann fest mit der Welle 42 verbunden sein, um mit einem Magnetfeld in dem elektrischen Generator 16a ansprechend auf eine Drehung der Welle 42 in Gegenwirkung zu treten. Insbesondere kann der Rotor 44 einen Stapel von Stahllamellen 50 aufweisen, die mehrere vorstehende Teile haben, die auch als Rotorzähne bekannt sind. Die Rotorzähne können durch einen oder mehrere Aluminiumendringe 54 verbunden sein. Die Lamellen 50 können an der Welle 42 beispielsweise durch eine Übergangspassung bzw. Presspassung, eine Schweißnaht, durch Gewindebefestigungsmittel, durch eine chemische Verbindung oder in irgendeiner anderen geeigneten Weise befestigt sein. Wenn jeder vorstehende Teil gedreht wird, um mit dem Magnetfeld in Gegenwirkung zu treten, kann ein Strom erzeugt werden, der zum elektrischen Motor 16b, zu einer (nicht gezeigten) Leistungsspeichervorrichtung oder zu einer anderen (nicht gezeigten) Zusatzkomponente geleitet wird.
Der Stator 46 kann an dem Gehäuse 40 befestigt sein, um das Magnetfeld zu erzeugen, welches mit den vorstehenden Teilen der Stahllamellen 50 in Gegenwirkung tritt. Der Stator 46 kann Stahllamellen 56 mit vorstehenden Teilen aufweisen, die auch als Statorzähne bekannt sind, die sich von einem Ring nach innen erstrecken. Der Stator 46 kann auch eine Eisenhülle 60 aufweisen, die den Ring der Lamellen 60 umgibt, und Wicklungen 62 aus Kupferdraht, die um jeden vor stehenden Teil herum eingesetzt sind, und mit Epoxyd-Harz an jedem vorstehenden Teil umgeben sind, um eine Vielzahl von Polen zu bilden. Wenn der Rotor 44 gedreht wird, um mit dem Magnetfeld in Gegenwirkung zu treten, kann elektrischer Strom sequentiell aus den Wicklungen 62 durch die Vielzahl von Polen erzeugt werden.
Das Gehäuse 40 kann die Welle 42, den Rotor 44, den Stator 46 und die Lager 48 aufnehmen. Das Gehäuse 40 kann eine Hülle 64, eine erste Endkappe 66 und eine zweite Endkappe 68 aufweisen. Die Hülle 64 kann ringförmig die Welle 42, den Rotor 44 und den Stator 46 umschließen und die ersten und zweiten Endkappen 66, 68 verbinden. Die ersten und zweiten Endkappen 66, 68 können Lager 48 aufnehmen und dadurch die Drehung der Welle 42 und des Rotors 44 unterstützen bzw. lagern. Die zweite Endkappe 68 kann ein mittig gelegenes Durchgangsloch aufweisen, welches die Verlängerung der Welle 42 durch das Gehäuse 40 gestattet. Es wird in Betracht gezogen, dass eine der ersten und zweiten Endkappen 66, 68 alternativ integral mit der Hülle 64 geformt sein kann, falls erwünscht.
Wie auch in 2 veranschaulicht, kann der elektrische Generator 16a einen inneren Kühlkreislauf aufweisen, um das Wärmeübertragungsmedium durch die wärmeübertragenden Komponenten des elektrischen Generators 16a oder nahe diesen zu leiten. Insbesondere kann das Wärmeübertragungsmedium in das elektrische Gehäuse 40 über einen Verteilungsblock 70 eintreten, kann über einen axialen Durchlass 72 in der Hülle 64 weiter zu ersten Endkappe 66 laufen und dann in die Welle 42 über einen radialen Durchlassweg 74 fließen. Eine axiale Durchgangsbohrung 76 in der Welle 42 kann das Wärmeübertragungsmedium von einem Ende der Welle 42 zum gegenüberliegenden Ende der Welle 42 leiten, um Wärme vom Rotor 44 entlang seiner gesamten Länge zu entfernen. Zwei Sätze von radialen Durchlasswegen 78, die in jedem gegenüberliegenden Ende der Welle 42 gelegen sind, können gestatten, dass das Wärmeübertragungsmedium nach außen von der axialen Durchgangsbohrung 76 zu einer inneren ringförmigen Nut 80 fließt, die in jedem der Endringe 54 ausgebildet ist. Die inneren ringförmigen Nuten 80 können dabei helfen, das Wärmeübertragungsmedium am Rotor 44 zu halten, und zwar zur maximalen Wärmeübertragung mit dem Rotor 44. Wenn die inneren ringförmigen Nuten 80 sich mit dem Wärmeübertragungsmedium füllen, kann das Wärmeübertragungsmedium aus den inneren ringförmigen Nuten 80 herauslaufen und kann nach außen in Kontakt mit den Wicklungen 62 des Stators 46 geschleudert werden. Nach der Übertragung von Wärme vom Stator 46 kann sich das Wärmeübertragungsmedium in einem (nicht gezeigten) Sumpf sammeln, und zwar zur Entfernung aus dem elektrischen Generator 16a durch einen (nicht gezeigten) Anschlusskasten.
Das Wärmeübertragungsmedium kann auch axial zu den Endringen 54 geleitet werden. Insbesondere kann ein Verteilungsring 81 mit der ersten Endkappe 66 verbunden sein. Der Verteilungsring 81 kann mehrere Düsen oder Zumessöffnungen 83 aufweisen, durch welche das Wärmeübertragungsmedium vom radialen Durchlassweg 74 axial auf den näheren der Endringe 54 gespritzt werden kann, ohne jemals durch die Welle 42 zu fließen. In ähnlicher Weise kann das Wärmeübertragungsmedium von der axialen Durchgangsbohrung 76 durch einen dritten Satz von radialen Durchlasswegen 85 zu einem Verteilungsring 87 fließen, der integral mit der zweiten Endkappe 68 ist. Vom Verteilungsring 87 kann das Wärmeübertragungsmedium axial durch die Zumessöffnungen 83 zu dem übrigen Endring 54 fließen. Es wird in Betracht gezogen, dass der Verteilungsring 81 alternativ integral mit der ersten Endkappe 66 sein kann und/oder dass der Verteilungsring 87 alternativ getrennt von der zweiten Endkappe 68 sein kann, falls erwünscht. Zusätzlich zur Übertragung von Wärme vom Wärmegenerator 16a kann das Wärmeübertragungsmedium auch Teile des elektrischen Generators 16a schmieren. Insbesondere kann ein vierter Satz von radialen Durchlasswegen 86 in der Welle 42 das Wärmeübertragungsmedium von der axialen Durchgangsbohrung 76 zu dem Lager 48 leiten, welches in der zweiten Endkappe 68 gelegen ist. Das Wärmeübertragungsmedium kann auch von dem radialen Durchlassweg 74 axial zu dem Lager 48 geleitet werden, welches in der ersten Endkappe 66 gelegen ist, und zwar über den Durchlassweg 82. Nach dem Schmieren der Lager 48 kann das Wärmeübertragungsmedium mit dem Strömungsmittel kombiniert bzw. vermischt werden, welches aus den inneren ringförmigen Nuten 80 austritt, um Wärme mit den Wicklungen 62 des Stators 46 auszutauschen. Weiterhin kann ein fünfter Satz von radialen Durchlasswegen 88 in der Welle 42 das Wärmeübertra gungsmedium von der axialen Durchgangsbohrung 76 zur Schmierung des Eingriffes der Welle 42 mit einem oder mit mehreren radial versetzten (geradverzahnten) Zahnrädern 89 leiten, die betriebsmäßig von der Welle 42 angetrieben werden. Das Wärmeübertragungsmedium kann auch über die radialen Durchlasswege 85 und den Verteilungsring 87 zu den Drehlageraufhängungen der Zahnräder 89 geleitet werden.
Die äußere ringförmige Wärmeübertragung vom Stator 46 kann durch eine Eisenhülse 60 vorgesehen sein. Insbesondere kann die Eisenhülse 60 eine oder mehrere ringförmige Nuten 90 in einer Außenfläche der Eisenhülse 60 aufweisen, die zusammen mit einer inneren ringförmigen Oberfläche der Hülle 64 ringförmige Strömungsmitteldurchlasswege bilden. Das Wärmeübertragungsmedium kann in die Nuten 90 durch den Verteilungsblock 70 und einen Strömungsmitteldurchlassweg 94 eintreten. Nach der Übertragung von Wärme von der äußeren ringförmigen Oberfläche des Stators 46 kann das Medium nach innen über eine oder mehrere Einlassdüsen 96 geleitet werden, um auf die Wicklungen 62 zu spritzen und diese zu kühlen. Es wird in Betracht gezogen, dass die Eisenhülse 60 weggelassen werden könnte, falls erwünscht, oder dass sie beibehalten wird, und die Nuten 90 alternativ weggelassen werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Die offenbarte elektrische Maschine findet mögliche Anwendung bei irgendeinem Leistungs- bzw. Antriebssystem, wo es wünschenswert ist, wesentliche Wärmemengen aus einer elektrischen Maschine in gesteuerter gleichförmiger Weise abzuleiten. Die offenbarte elektrische Maschine findet spezielle Anwendung in Fahrzeugantriebssystemen. Jedoch wird der Fachmann erkennen, dass die offenbarte elektrische Maschine bezüglich anderer Antriebssysteme verwendet werden könnte, die mit einem Fahrzeug assoziiert sein können oder nicht. Der Wärmeübertragungsbetrieb der elektrischen Maschine 16 wird nun beschrieben.
Mit Bezug auf 1 kann das Wärmeübertragungsmedium, welches durch den Wärmetauscher 20 konditioniert (aufgeheizt oder gekühlt) wird, durch die Quelle 24 durch die Leistungsquelle 12 und/oder die elektrische Maschine 16 gepumpt werden, wenn das Leistungs- bzw. Antriebssystem 10 in Betrieb ist. Wenn das Wärmeübertragungsmedium durch die Leistungsquelle 12 und/oder die elektrische Maschine 16 läuft, kann kontinuierlich Wärme zur Leistungsquelle 12 und/oder zur elektrischen Maschine 16 hin oder weg von diesen übertragen werden. Auf die Erregung der elektrischen Maschine 16 hin, kann der Fluss des Wärmeübertragungsmediums von der elektrischen Maschine 16 so geleitet werden, dass er wieder mit dem Fluss des Wärmeübertragungsmediums zusammenläuft, der aus der Leistungsquelle 12 austritt, wo beide Flüsse dann durch den Wärmetauscher 20 geleitet werden können, um entweder Wärme herauszuleiten oder Wärme während eines Konditionierungsvorgangs zu absorbieren.
Wenn der Fluss des Wärmeübertragungsmediums in den elektrischen Generator 16a durch den Verteilungsblock 70 (siehe 2) eintritt, kann es zuerst axial durch die Hülle 64 zur ersten Endkappe 66 geleitet werden, wo der Fluss dann radial nach innen zum Verteilungsring 81, zum Lager 48 und zur axialen Durchgangsbohrung 76 der Welle 42 geleitet wird. Nach dem Austreten aus der axialen Durchgangsbohrung 76 kann der Fluss von einem Ende der Welle 42 zum anderen Ende und radial nach außen weg von der axialen Durchgangsbohrung 76 über die ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Sätze von radialen Durchlasswegen 78, 85, 86, 88 fließen.
Nach dem Austreten aus den ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Sätzen von radialen Durchlasswegen 78, 85, 86, 88 kann das Wärmeübertragungsmedium die inneren ringförmigen Nuten 80 füllen, kann die Lager 48 schmieren, kann den Verteilungsring 87 füllen, kann gegen die Wicklungen 62 sprühen und den Eingriff zwischen der Welle 42 und den radial versetzten Zahnrädern 89 schmieren. Das Wärmeübertragungsmedium kann dann zu einem Sumpf zur Rückzirkulation zum Wärmetauscher 20 (siehe 1) über eine Rückleitung 28 ablaufen.
Zusätzlich zum Leiten des Wärmeübertragungsmediums durch den radialen Durchlassweg 74 zum Austausch von Wärme mit dem Rotor 44 und den inneren Oberflächen des Stators 46 kann das Wärmeübertragungsmedium so geleitet werden, dass es Wärme mit einer äußeren ringförmigen Oberfläche des Stators 46 austauscht. Insbesondere kann das Wärmeübertragungsmedium gleichzeitig durch die ringförmigen Nuten 90 der Hülse 60 geleitet werden, um Wärme mit den Außenflächen der Wicklungen 62 und mit vorstehenden Teilen 58 auszutauschen. Ein größerer Kühlwirkungsgrad des elektrischen Generators 16a kann verwirklicht werden, weil das Wärmeübertragungsmedium gleichmäßig zu den Komponenten innerhalb des elektrischen Generators 16a geleitet wird, die dazu tendieren, die größte Wärmemenge zu erzeugen. Insbesondere weil das Wärmeübertragungsmedium entlang der gesamten Länge der Welle 42 geleitet wird, und zwar entlang den beiden Enden des Rotors 44 und zum Stator 46, kann eine größere Wärmemenge übertragen werden als wenn das Strömungsmittel nur ein einziges Ende des Rotors 44 berühren würde und nicht die Wärme vom Stator 46 abgeführt hätte. Da das Wärmeübertragungsmedium die Wärme gleichmäßig mit dem elektrischen Generator 16a austauscht, können weiterhin die durch Wärme eingeleiteten Spannungen verringert werden, die die Komponenten des elektrischen Generators 16a erfahren, und zwar im Vergleich zu einer ungleichmäßigen Wärmeübertragung.
Zusätzliche Vorteile können verwirklicht werden, weil die Strömungsmitteldurchlasswege des elektrischen Generators 16a das Wärmeübertragungsmedium sowohl in dem Stator 46 als auch um diesen herum leiten. Insbesondere kann der Wärmeaustausch mit sowohl inneren als auch äußeren Flächen des Stators 46 die Übertragungskapazität des elektrischen Generators 16a im Vergleich dazu steigern, dass nur Wärme mit den inneren oder äußeren Flächen des Stators 46 ausgetauscht wird.
Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an der elektrischen Maschine der vorliegenden Offenbarung vorgenommen werden können. Andere Ausführungsbeispiele der elektrischen Maschine werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung und aus einer praktischen Ausführung der hier offenbarten elektrischen Maschine offensichtlich. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang der Offenbarung durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen gezeigt wird.

Claims

Elektrische Maschine (16a), die Folgendes aufweist: ein Gehäuse (40) mit einer ersten Endkappe (66) mit einem ersten Strömungsmitteldurchlassweg (74) und einer zweiten Endkappe (68) mit einem zweiten Strömungsmitteldurchlassweg (87); einen Stator (46), der fest in dem Gehäuse angeordnet ist; und einen Rotor (44), der drehbar radial innerhalb des Stators angeordnet ist und einen axialen Durchlassweg (76) hat, der strömungsmittelmäßig den ersten Strömungsmitteldurchlassweg mit dem zweiten Strömungsmitteldurchlassweg verbindet.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei der Rotor einen Endring (54) mit einer inneren ringförmigen Nut (80) und mindestens einen radialen Durchlassweg (78) aufweist, der konfiguriert ist, um Strömungsmittel von dem axialen Durchlassweg mit Endwicklungen (62) eines Stators über die innere ringförmige Nut zu verbinden.
Elektrische Maschine nach Anspruch 2, wobei der mindestens eine radiale Durchlassweg ein erster radialer Durchlassweg ist, und wobei die elektrische Maschine weiter einen zweiten radialen Durchlassweg (78) aufweist, der um eine axiale Distanz weg von dem ersten radialen Durchlassweg getrennt ist, wobei der zweite radiale Durchlassweg auch konfiguriert ist, um Strömungsmittel von dem axialen Durchlassweg zu den Endwindungen des Stators zu leiten.
Elektrische Maschine nach Anspruch 3, die weiter Folgendes aufweist: mindestens ein Lager (48), welches in dem Gehäuse angeordnet ist und konfiguriert ist, um eine Drehung des Rotors aufzuhängen bzw. zu lagern; und einen dritten radialen Durchlassweg (86), der konfiguriert ist, um Strömungsmittel vom axialen Durchlassweg mit dem mindestens einen Lager zu verbinden.
Elektrische Maschine nach Anspruch 4, die weiter mindestens ein Zahnrad (89) aufweist, welches mit dem Rotor verbunden ist; und einen vierten radialen Durchlassweg (88), der konfiguriert ist, um Strömungsmittel vom axialen Durchlassweg mit Zähnen des mindestens einen Zahnrades zu verbinden bzw. dorthin zu leiten.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, die weiter Folgendes aufweist: eine Kühlhülse (60), die um den Stator herum angeordnet ist; und einen Verteilungsblock (70), der konfiguriert ist, um Kühlströmungsmittel zur Kühlhülse, dem ersten Strömungsmitteldurchlassweg und dem zweiten Strömungsmitteldurchlassweg zu verteilen, wobei die Kühlhülse in Strömungsmittelverbindung mit Endwicklungen (62) des Stators ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, die weiter ein Lager (48) aufweist, welches in der ersten Endkappe angeordnet ist und eine erste Stirnseite und eine zweite Stirnseite hat, wobei die erste Endkappe einen axialen Durchlassweg (82) aufweist, der den ersten Strömungsmitteldurchlassweg mit der ersten Stirnseite verbindet, und wobei die zweite Stirnseite in Strömungsmittelverbindung mit Endwicklungen des Stators ist.
Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine (16a), welches Folgendes aufweist: Drehen eines Rotors (44), der radial innerhalb eines Stators (46) angeordnet ist, um eine elektrische Ausgangsgröße zu erzeugen; Leiten von Strömungsmittel in die elektrische Maschine durch ein Gehäuse (40) von außerhalb des Stators; Leiten von Strömungsmittel aus dem Gehäuse axial von einem Ende des Rotors hindurch zum anderen Ende des Rotors; und Leiten von Strömungsmittel aus dem Rotor radial nach außen zu Wicklungen (62) des Stators an beiden Enden des Rotors.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Leiten von Strömungsmittel aus dem Rotor radial nach außen aufweist, das Strömungsmittel durch einen Rotorendring (54) zu den Wicklungen zu leiten, und wobei das Verfahren weiter aufweist, Strömungsmittel vom Gehäuse direkt zum Endring zu leiten.
Leistungssystem (10), welches Folgendes aufweist: eine Leistungsquelle (12), die betreibbar ist, um eine mechanische Drehausgangsgröße zu erzeugen; ein Kühlsystem (14), welches betreibbar ist, um die Leistungsquelle zu kühlen; und eine elektrische Maschine (16a) nach einem der Ansprüche 1-7, die betreibbar ist, um die mechanische Drehausgangsgröße aufzunehmen, um eine entsprechende elektrische Ausgangsgröße zu erzeugen und Kühlströmungsmittel von dem Kühlsystem aufzunehmen.