DE102007054364A1

DE102007054364A1 - Kühlsystem für einen Elektromotor

Info

Publication number: DE102007054364A1
Application number: DE102007054364A
Authority: DE
Inventors: Timothy J. Fishers Alfermann; Arthur L. Plainfield Mc Grew jun.
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-11-17
Filing date: 2007-11-14
Publication date: 2008-05-29
Also published as: CN101183805A; CN101183805B; US20080136271A1; US7705495B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Statorbaugruppe für ein elektromechanisches Hybridgetriebe bereit. Die Statorbaugruppe ist allgemein ringförmig und definiert eine zentral gelegene Rotoröffnung, die ausgestaltet ist, um einen Rotor aufzunehmen. Die Statorbaugruppe umfasst einen Statorkern mit mehreren sich radial nach innen erstreckenden Statorzähnen und einen Statordraht, der um jeden der Statorzähne herum gewickelt ist, um mehrere Statorspulen zu bilden. Epoxydharz wird zwischen jedes Paar benachbarter Statorzähne aufgebracht. Das Epoxydharz definiert mehrere Statorkühlkanäle, die in unmittelbarer Nähe der Statorspulen gelegen sind, und mehrere Rotorkühlkanäle, die in unmittelbarer Nähe der Rotoröffnung gelegen sind. Ein Kühlmedium wird in den Statorkühlkanälen und den Rotorkühlkanälen derart angeordnet, dass die Statorspulen und ein später eingebauter Rotor gekühlt werden können.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Elektromotor und insbesondere ein Kühlsystem für den Elektromotor.
Elektrische Einrichtungen, wie z.B. Motoren und Generatoren, die einen in einem Gehäuse des Motors/Generators befestigten Stator aufweisen, sind wohlbekannt. Ein an einer Welle angebrachter Rotor ist in dem Stator koaxial angeordnet und ist relativ zu dem Stator um die Längsachse der Welle drehbar. Das Fließen eines Stroms durch den Stator erzeugt ein Magnetfeld, das dazu neigt, den Rotor und die Welle zu drehen. Es ist auch wohlbekannt, dass es notwendig ist, den Stator und den Rotor in einem vordefinierten Temperaturbereich zu halten, um eine optimale Leistung und Zuverlässigkeit der elektrischen Einrichtung sicherzustellen.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Statorbaugruppe für ein elektromechanisches Hybridgetriebe bereit. Die Statorbaugruppe ist allgemein ringförmig und definiert eine zentral gelegene Rotoröffnung, die ausgestaltet ist, um einen Rotor aufzunehmen. Die Statorbaugruppe umfasst einen Statorkern mit mehreren sich radial nach innen erstreckenden Statorzähnen und einem Statordraht, der um jeden der Statorzähne herumgewickelt ist, um mehrere Statorspulen zu bilden. Zwischen jedem Paar benachbarter Statorzähne wird Epoxydharz aufgebracht. Das Epoxydharz definiert mehrere Statorkühlkanäle, die in unmittelbarer Nähe der Statorspulen gelegen sind, und mehrere Rotorkühlkanäle, die in unmittelbarer Nähe der Rotoröffnung gelegen sind. Ein Kühlmedium ist in den Statorkühlkanälen und den Rotorkühlkanälen derart angeordnet, dass die Statorspulen und ein später eingebauter Rotor gekühlt werden können.
Mehrere Rotorsprühlöcher in Fluidverbindung mit den mehreren Rotorkühlkanälen sind ausgestaltet, um eine vorbestimmte Menge an Kühlmedium auf den Rotor zu übertragen. Es werden auch ein bevorzugtes Verfahren und ein alternatives Verfahren zur Produktion der Statorbaugruppe bereitgestellt.
Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:
1 eine schematische Querschnittszeichnung eines Elektromotors ist;
2 eine Schnittansicht einer Statorbaugruppe ist;
3 eine genauere Schnittansicht der Statorbaugruppe von
2 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
4 eine genauere Schnittansicht der Statorbaugruppe von
2 gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
5 eine teilweise Querschnittsseitenansicht eines elektromechanischen Hybridgetriebes ist, das die Statorbaugruppe von 2 umfasst.
Auf die Zeichnungen Bezug nehmend, in denen gleiche Bezugszeichen in den mehreren Figuren gleiche oder ähnliche Komponenten bezeichnen, ist in 1 eine schematische Darstellung eines Elektromotors 10 gezeigt.
Der Elektromotor 10 ist zu Darstellungszwecken gemäß der bevorzugten Ausführungsform gezeigt; es ist jedoch festzustellen, dass die vorliegende Erfindung zur Verwendung mit anderen Elektromotorkonfigurationen und anderen elektrischen Einrichtungen, wie z.B. einem Generator, geeignet ist. Der Elektromotor 10 umfasst ein Gehäuse 12, eine Statorbaugruppe 14, eine Welle 16 und einen Rotor 18. Die Statorbaugruppe 14 ist im Wesentlichen ringförmig und ist ausgestaltet, um relativ zu dem Gehäuse 12 während eines Betriebs des Motors 10 stationär zu bleiben. Der Rotor 18 ist an der Welle 16 für eine einheitliche Drehung mit derselben befestigt und ist allgemein von dem Stator 14 umgeben. Der Rotor 18 und die Welle 16 sind relativ zu dem Gehäuse 12 und dem Stator 14 drehbar.
Auf 2 Bezug nehmend umfasst die Statorbaugruppe 14 vorzugsweise einen Statorkern 20, der in einer Statormanschette oder Außenhaut 22 enthalten ist. Der Statorkern 20 umfasst mehrere Statorzähne 24, die sich in eine Richtung radial nach innen erstrecken. Ein Statordraht 26 ist um jeden der Statorzähne 24 herum gewunden oder gewickelt, um eine Statorspule 28 zu bilden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann sich der Ausdruck "ein Statordraht" auf einen einzelnen Draht beziehen, der um jeden der mehreren Statorzähne 24 herum gewickelt ist, oder er kann sich alternativ auf mehrere Statordrähte 26 beziehen, von denen jeder um einen einzelnen Statorzahn 24 herum gewickelt ist und die dann miteinander verbunden werden.
Die Statorspule 28 wird mit Epoxydharz 30 derart getränkt, dass die Wicklungen der Statorspule 28 voneinander elektrisch isoliert sind. Für das Epoxydharz 30 wird vorzugsweise ein Epoxydharz vom Typ 66-2251 verwendet, das bei Wabash Magnetics LLC. in 1450 1^st Street, Wabash, Indiana 46992 käuflich erhältlich ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Statorkern 20 aus einem weichmagnetischen Kom posit (SMC von soft magnetic composite), um Kosten zu verringern und die Herstellung zu vereinfachen, und der Statordraht 26 besteht aus Kupfer. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann der Statorkern 20 aus Stahlblechen bestehen. Das Hinzufügen des Epoxydharzes 30 auf die hier voranstehend beschriebene Weise erhöht die Festigkeit der Statorbaugruppe 14 und stellt eine zusätzliche Dämpfung bereit. Diese Erhöhung der Festigkeit der Statorbaugruppe 14 ist bei der bevorzugten Ausführungsform besonders vorteilhaft, in welcher der Statorkern 20 aus einem weichmagnetischen Komposit besteht. Die Dämpfungseigenschaften des Epoxydharzes 30 ermöglichen die Absorption von Vibrationen, welche von dem Elektromotor 10 erzeugt werden, die andernfalls hinderlich sein können, wodurch ein gleichmäßigerer Betrieb bereitgestellt wird. Es ist jedoch festzustellen, dass ein alternatives Epoxydharz, alternative Statorkern- und/oder Statordrahtzusammensetzungen in Betracht gezogen werden können.
Weiterhin mit Bezug auf 2 werden jeder Statorzahn 24 und jede Statorspule 28 zusammen als ein "Pol" 32 bezeichnet. Jeder Pol 32 ist vorzugsweise separat gewickelt, um die Anzahl an Wicklungen in einem gegebenen Schlitzvolumen zu maximieren, welche manchmal als die Schlitzfüllung bezeichnet wird, wodurch die Leistung des (in 1 gezeigten) Elektromotors 10 optimiert wird. Der Stator 14 umfasst wie gezeigt zwölf Pole 32; Fachleute werden jedoch erkennen, dass mehr oder weniger Pole 32 vorgesehen werden können, wobei man im Schutzumfang dessen bleibt, was beansprucht ist. Die zwölf Pole 32 werden durch die Außenhaut 22 in Bezug zueinander gehalten und die jeweiligen Statorspulen 28 sind elektrisch verbunden, so dass ein Strom zwischen den Polen 32 übertragbar ist. Alle Statorzähne 24 enden in einem vorspringenden Endabschnitt 34. Die vorspringenden Endabschnitte 34 der zwölf Pole 32 definieren eine zentral gelegene Rotoröffnung 33, die zur Aufnahme des (in 1 gezeigten) Rotors 18 geeignet ist.
Mehrere Statorkühlkanäle 37, Rotorkühlkanäle 38 und Rotorsprühlöcher 39 sind vorzugsweise durch das Epoxydharz 30 definiert und sind vorgesehen, um den (in 1 gezeigten) Elektromotor 10 zu kühlen. Ein Kühlmedium, wie z.B. das (in 5 gezeigte) Öl 40 wird durch die Statorkühlkanäle 37 zirkulieren gelassen, um von dem Stator 14 erzeugte Wärme zu absorbieren. Da die Statorspulen 28 eine primäre Wärmequelle sind, dient die Nähe der Statorkühlkanäle 37 zu diesen zum effektiven Kühlen des Stators 14. Öl 40 wird auch in die Rotorkühlkanäle 38, durch die Sprühlöcher 39 und auf den (in 5 gezeigten) Rotor 18 übertragen, um den Rotor 18 zu kühlen. Die Größe, Anzahl und Position der Sprühlöcher 39 kann variiert werden, um die Kühlerfordernisse einer speziellen Anwendung bestmöglich zu erfüllen. Wie am besten in 5 gezeigt ist, sind die Sprühlöcher 39 vorzugsweise nahe bei den axialen Enden des Rotors 18 angeordnet.
Auf 3 Bezug nehmend ist ein bevorzugtes Verfahren zur Erzeugung der Kanäle 37, 38 und der Löcher 39 gezeigt. Gemäß dem bevorzugten Verfahren wird eine einzige Schicht aus Epoxydharz 30 auf jeden Pol 32 aufgebracht, um die Spule 28 zu tränken und den Zahn 24 auf die gezeigte Weise zu bedecken, und danach werden die Pole 32 zusammengebaut, um die Kanäle 37, 38 und die Löcher 39 vollständig zu definieren. Das Aufbringen des Epoxydharzes 30 definiert eine Hälfte eines Statorkühlkanals 37 und eine Hälfte eines Rotorkühlkanals 38 an gegenüberliegenden Endabschnitten eines jeden Pols 32. Wenn zwei benachbarte epoxydbedeckte Pole 32 zusammengebaut werden, werden ein vollständiger Statorkühlkanal 37 und ein vollständiger Rotorkühlkanal 38 ausgebildet. Daher werden durch ein Aufbringen von Epoxydharz 30 auf jeden Pol 32 auf die beschriebene Weise und dann durch ein Zusammenbauen der Pole 32, um die (in 2 gezeigte) Statorbaugruppe 14 zu erzeugen, ein vollständiger Statorkühlkanal 37 und ein vollständiger Rotorkühlkanal 38 zwischen jedem Paar benachbarter Pole 32 ausgebildet. Die Rotorsprühlöcher 39. können während des Aufbringens des Epoxydharzes 30 ausgebildet werden, oder können alternativ nach dem Aushärten des Epoxydharzes 30 unter Verwendung eines Bearbeitungsprozesses ausgebildet werden.
Auf 4 Bezug nehmend ist ein alternatives Verfahren zur Erzeugung der Kanäle 37, 38 und der Löcher 39 gezeigt. Gemäß dem alternativen Verfahren wird die Statorspule 28 eines jeden Pols 32 mit einer ersten Schicht aus Epoxydharz 36 getränkt und dann werden mehrere der Pole 32 in einem kreisförmigen Muster zusammengebaut. Eine zweite Schicht aus Epoxydharz 41 wird auf die zuvor zusammengebauten Pole 32 aufgebracht, um die Statorkühlkanäle 37, die Rotorkühlkanäle 38 und die Rotorsprühlöcher 39 zu definieren. Die zweite Schicht aus Epoxydharz 41 wird vorzugsweise mit einem "Um- oder Überspritz"-Prozess aufgebracht, während welchem eine oder mehrere (nicht gezeigte) Einsätze bzw. Einlagen verwendet werden, um die Kühlkanäle 37, 38 und die Sprühlöcher 39 zu definieren. Genauer gesagt werden die Einsätze zwischen benachbarte Pole 32 eingebracht; dann wird die zweite Schicht des Epoxydharzes 41 über die zuvor zusammengebauten Pole 32 in der Region aufgebracht, die radial zwischen der Innenwand 29 des Statorkerns 20 und den vorspringenden Endabschnitten 34 der Statorzähne 24 definiert ist; und die Einsätze werden entfernt, nachdem das Epoxydharz 36 ausgehärtet ist. Gemäß einer alternativen Ausführungsform können ein oder mehrere der Kühlkanäle 37, 38 und der Sprühlöcher 39 mit einem Bearbeitungsprozess anstelle einer Verwendung von Einsätze ausgebildet werden, nachdem das Epoxydharz 36 ausgehärtet ist.
Nun auf 5 Bezug nehmend ist eine teilweise Querschnittsansicht eines Abschnitts eines beispielhaften elektromechanischen Hybridgetriebes 42 gezeigt. Das elektromechanische Hybridgetriebe 42 umfasst ein Gehäuse 44, das ausreichend ausgestaltet ist, um zwei Motoreinheiten 10 zu beherbergen, von denen nur eine in 5 gezeigt ist. Fachleute werden erkennen, dass die Motoreinheiten 10 abhängig von der Betriebsart des Fahrzeugs, das mit dem elektromechanischen Hybridgetriebe 42 ausgerüstet ist, zeitweise als Generatoreinheiten verwendet werden können. Wie mit Bezug auf 1 erörtert wurde, ist der Stator 14 koaxial um den Rotor 18 herum angeordnet.
Es ist ein Kühlmittelvorratsbehälter 46 bereitgestellt, um ein Kühlmedium, wie z.B. das Öl 40, zu speichern. Der Kühlmittelvorratsbehälter 46 ist vorzugsweise die Getriebeölwanne, welche auch ausgestaltet ist, um die Kühl-, Druck- und Schmierungserfordernisse des Getriebes 42 zu erfüllen. Eine Pumpe 48 überträgt durch Pfeile angezeigtes Öl 40 über einen ersten Fluidströmungsdurchgang 50 an die Statorkühlkanäle 37 und über einen zweiten Fluidströmungsdurchgang 52 an die Rotorkühlkanäle 38. Die Pumpe 48 dient dazu, eine wählbare Menge an Öl 40 durch den ersten Strömungsdurchgang 50 und durch die Statorkühlkanäle 37 zu übertragen, so dass der Stator 14 ausreichend gekühlt wird. Nach einem Durchlaufen der Statorkühlkanäle 37 kann das Öl 40 an den Vorratsbehälter 46 zurückgeführt werden oder verwendet werden, um irgendwelche anderen Kühl-, Schmierungs- und/oder Druckerfordernisse zu erfüllen. Die Pumpe 48 dient auch dazu, eine wählbare Menge an Öl 40 durch den zweiten Strömungsdurchgang 52, durch die Rotorkühlkanäle 38, durch die Sprühlöcher 39 und auf den Rotor 18 zu übertragen, so dass der Rotor 18 ausreichend gekühlt wird. Das vorliegende System zur Kühlung sowohl des Stators 14 als auch des Rotors 18 ist geeignet, um eine optimale Leistung und Zuverlässigkeit des Elektromotors 10 aufrechtzuerhalten.
Zusammengefasst stellt die vorliegende Erfindung eine Statorbaugruppe für ein elektromechanisches Hybridgetriebe bereit. Die Statorbaugruppe ist allgemein ringförmig und definiert eine zentral gelegene Rotoröffnung, die ausgestaltet ist, um einen Rotor aufzunehmen. Die Statorbaugruppe umfasst einen Statorkern mit mehreren sich radial nach innen erstreckenden Statorzähnen und einen Statordraht, der um jeden der Statorzähne herum gewickelt ist, um mehrere Statorspulen zu bilden. Epoxydharz wird zwischen jedes Paar benachbarter Statorzähne aufgebracht. Das Epoxydharz definiert mehrere Statorkühlkanäle, die in unmittelbarer Nähe der Statorspulen gelegen sind, und mehrere Rotorkühlkanäle, die in unmittelbarer Nähe der Rotoröffnung gelegen sind. Ein Kühlmedium wird in den Statorkühlkanälen und den Rotorkühlkanälen derart angeordnet, dass die Statorspulen und ein später eingebauter Rotor gekühlt werden können.

Claims

Allgemein ringförmige Statorbaugruppe, die eine zentral gelegene Rotoröffnung definiert, welche zur Aufnahme eines Rotors ausgestaltet ist, wobei die Statorbaugruppe umfasst: einen Statorkern, der mehrere sich radial nach innen erstreckende Statorzähne umfasst; einen Statordraht, der um jeden der mehreren Statorzähne herumgewickelt ist, um mehrere Statorspulen zu bilden; und ein zwischen jedem Paar benachbarter Statorzähne angeordnetes Epoxydharz, wobei das Epoxydharz mehrere Statorkühlkanäle definiert, die in unmittelbarer Nähe zu den Statorspulen gelegen sind, wobei das Epoxydharz ferner mehrere Rotorkühlkanäle definiert, die in unmittelbarer Nähe der Rotoröffnung gelegen sind.
Statorbaugruppe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Kühlmedium, das in den Statorkühlkanälen und den Rotorkühlkanälen derart angeordnet ist, dass die Statorspulen und ein später eingebauter Rotor, der in der Rotoröffnung gelegen ist, gekühlt werden können.
Statorbaugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium ein Öl ist.
Statorbaugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Epoxydharz ferner mehrere Rotorsprühlöcher in Fluidverbindung mit den mehreren Rotorkühlkanälen definiert, wobei die Rotorsprühlöcher ausgestaltet sind, um eine vorbestimmte Menge an Öl von den mehreren Rotorkühlkanälen in die Rotoröffnung zu übertragen, so dass der später eingebaute Rotor gekühlt werden kann.
Elektromechanisches Hybridgetriebe, das umfasst: einen Rotor; eine im Wesentlichen ringförmige Statorbaugruppe, die den Rotor allgemein umgibt, wobei die Statorbaugruppe umfasst: einen Statorkern, der mehrere sich radial nach innen erstreckende Statorzähne umfasst; einen Statordraht, der um jeden der mehreren Statorzähne herum gewickelt ist, um mehrere Statorspulen zu bilden; und ein zwischen jedem Paar benachbarter Statorzähne angeordnetes Epoxydharz, wobei das Epoxydharz mehrere Statorkühlkanäle definiert, die in unmittelbarer Nähe der Statorspulen gelegen sind, wobei das Epoxydharz ferner mehrere Rotorkühlkanäle definiert, die in unmittelbarer Nähe des Rotors gelegen sind; und ein in den Statorkühlkanälen und den Rotorkühlkanälen angeordnetes Kühlmedium, um die Statorspulen und den Rotor zu kühlen.
Elektromechanisches Hybridgetriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Epoxydharz ferner mehrere Rotorsprühlöcher in Fluidverbindung mit den mehreren Rotorkühlkanälen definiert, wobei die Rotorsprühlöcher ausgestaltet sind, um eine vorbestimmte Menge des Kühlmediums von den mehreren Rotorkühlkanälen auf den Rotor derart zu übertragen, dass der Rotor gekühlt wird.
Elektromechanisches Hybridgetriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium ein Öl ist.
Elektromechanisches Hybridgetriebe nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Kühlmittelvorratsbehälter in Fluidverbindung mit den mehreren Statorkühlkanälen und den mehreren Rotorkühlkanälen, wobei der Kühlmittelvorratsbehälter ausgestaltet ist, um das Kühlmedium zu speichern.
Elektromechanisches Hybridgetriebe nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Pumpe in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelvorratsbehälter, wobei die Pumpe ausgestaltet ist, um eine wählbare Menge des Kühlmediums durch die mehreren Statorkühlkanäle und die mehreren Rotorkühlkanäle zu übertragen.
Verfahren zur Erzeugung einer Statorbaugruppe, das umfasst, dass: mehrere Statorzähne bereitgestellt werden; ein Statordraht um jeden der mehreren Statorzähne herum gewickelt wird, um mehrere Statorspulen zu bilden; ein Epoxydharz auf jeden der mehreren Statorzähne derart aufgebracht wird, dass das Epoxydharz einen Abschnitt eines Statorkühlkanals und einen Abschnitt eines Rotorkühlkanals definiert; und die mehreren Statorzähne in einem allgemein kreisförmigen Muster derart zusammengebaut werden, dass mehrere Statorkühlkanäle und mehrere Rotorkühlkanäle gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Rotorsprühlöcher in Fluidverbindung mit den mehreren Rotorkühlkanälen bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorbestimmte Menge an Kühlmedium in die mehreren Statorkühlkanäle und die mehreren Rotorkühlkanäle übertragen wird.
Verfahren zur Erzeugung einer Statorbaugruppe, das umfasst, dass: mehrere Statorzähne bereitgestellt werden; ein Statordraht um jeden der mehreren Statorzähne herum gewickelt wird, um mehrere Statorspulen zu bilden; eine erste Schicht aus Epoxydharz auf die mehreren Statorspulen aufgebracht wird; die mehreren Statorzähne in einem allgemein kreisförmigen Muster zusammengebaut werden; und eine zweite Schicht aus Epoxydharz auf die mehreren Statorzähne derart aufgebracht wird, dass die zweite Schicht aus Epoxydharz mehrere Statorkühlkanäle und mehrere Rotorkühlkanäle definiert.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Rotorsprühlöcher in Fluidverbindung mit den mehreren Rotorkühlkanälen bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorbestimmte Menge an Kühlmedium in die mehreren Statorkühlkanäle und die mehreren Rotorkühlkanäle übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einsätze zwischen den mehreren Statorzähnen angeordnet werden, bevor eine zweite Schicht aus Epoxydharz aufgebracht wird, und die mehreren Einsätze entfernt werden, nachdem die zweite Schicht aus Epoxydharz ausgehärtet ist, so dass die mehreren Statorkühlkanäle und die mehreren Rotorkühlkanäle gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht aus Epoxydharz bearbeitet wird, um die mehreren Statorkühlkanäle und die mehreren Rotorkühlkanäle zu erzeugen.