DE102008030524A1

DE102008030524A1 - Elektromotor/Generator-Kühlmechnanismus mit gegossener Nut

Info

Publication number: DE102008030524A1
Application number: DE102008030524A
Authority: DE
Inventors: Jonathan M. Peoria Baumann; David M. Groveland Fee
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2007-07-03
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2009-01-08
Also published as: CN101340120B; JP5337417B2; CN101340120A; JP2009017777A; US20090009013A1; US7626292B2

Abstract

Ein Kühlmechanismus für einen Elektromotor/Generator wird dargelegt. Der Kühlmechanismus weist einen hohlen Kühlmantel mit koaxialen Innen- und Außenflächen auf, wobei die Innenfläche einen im Allgemeinen zylindrischen Hohlraum zur Aufnahme eines Stators in Wärmeübertragungskontakt mit der Innenfläche definiert, und wobei die Außenfläche einen gegossenen Spiralnutabschnitt mit abgestuften Kühldurchlässen hat. Die Offenbarung weist ein äußeres Gehäuse mit einem oder mehreren Einlassanschlüssen, einem Auslassanschluss und einer Entlüftung für Spülluft auf, wobei Kühlströmungsmittel in fließender Weise zwischen dem Kühlmantel und dem äußeren Gehäuse eingekapselt ist, wobei es durch die abgestuften Kühldurchlässe fließt, und wobei eine Oberfläche mit Flansch an einem Ende des äußeren Gehäuses angeordnet ist, um durch eine Verschraubung den Kühlmantel mit dem äußeren Gehäuse zu verbinden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf einen Kühlmantel für eine elektrische Maschine und insbesondere auf einen Kühlmantel mit kontinuierlich gestuften Spiralnuten.
Hintergrund
Kühlmäntel sehen hervorragende Mittel zur Kühlung von Elektromotoren und Generatoren vor, wie beispielsweise für bürstenlose Permanentmagnetmotoren, die bei hohen Drehzahlen arbeiten und von durch Brennstoff mit Leistung versorgte Motoren angetrieben werden, um elektrische Leistung zu erzeugen. Elektromotoren und Generatoren erzeugen beträchtliche Wärme und erfordern ein effizientes Kühlsystem. Motoren und Generatoren sind oft mit Mitteln zur Kühlung ausgerüstet, die aus einem Kühlmantel geformt sind, der mit Nuten oder Durchlässen versehen ist, die in das Motor/Generator-Gehäuse eingebaut sind. Zirkulierendes Öl oder Wasser oder auch Luft in den Nuten oder Durchlässen sieht bzw. sehen eine Kühlung für die Motoren und Generatoren vor.
Es ist die übliche Praxis bei Bearbeitungsanwendungen, spiralförmige Nuten in ein Metallteil zu schneiden. Geschnittene bzw. maschinell eingearbeitete spiralförmige Nuten in einem Gehäuse haben erwiesener Weise gut gearbeitet, um die notwendige Wärme aus diesen Komponenten abzuführen, jedoch sind maschinell bearbeitete bzw. geschnittene spiralförmige Nuten teuer in einer Produktionsumgebung einzuschneiden. Weiterhin ist das Gießen einer kontinuierlichen spiralförmigen Nut nicht einfach zu erreichen, noch aufgrund der negativen Entlastung bzw. Steigung wünschenswert, die durch die Steigung der Spirale verursacht wird, außer bei einer Teilung an mehreren Ebenen, was ein Hauptnachteil ist. Die verschiedenen Teilungsebenen erzwingen die Anwendung von mehreren Teilungsli nien, was kompliziertere Gussverfahren und viel höhere Herstellungskosten bedeutet.
In einer Patentanmeldung von Burjes u. a. (2005/0268464 A1) wird ein Verfahren zur Herstellung eines Motor/Generator-Kühlmantels offenbart. Ein hohles zylindrisches Gehäuse wird in eine Außenumfangsfläche und ein ringförmige axial weisende Endfläche gegossen, eine Vielzahl von Nuten ist in der Außenumfangsfläche ausgeformt und eine radiale Lippe ist an einem Ende. Die Patentanmeldung von Burjes u. a. lehrt auch Einlass- und Auslassanschlüssen, die durch die Endstirnseite gebohrt sind, um mit den Nuten in Verbindung zu kommen, und Dichtungsausnehmungen und O-Ring-Dichtungen, die zur Abdichtung integriert sind. Jedoch sieht das Verfahren des Standes der Technik kein einfaches und doch effektives und effizientes Verfahren zur Herstellung vor.
Insbesondere kann die Anmeldung von Burjes u. a. getrennte Kerne für den Kühlmantel im Gehäuse erfordern. Getrennte Kerne würden die Gusskosten und andere Herstellungskosten vergrößern. Weiterhin lehrt die Erfindung von Burjes einen nicht kontinuierlichen Flusspfad, der erfordern kann, dass das Kühlströmungsmittel Kurven von 180 Grad und einen Fluss in entgegengesetzten Richtungen ausführt. Dieser nicht kontinuierliche Zirkulationspfad kann dazu führen, dass die Mittel zur gleichmäßigen Kühlung des Stators inkonsistent und ineffizient sind, und dies kann zu einem weniger effizienten System führen, was möglicherweise einen höheren Druckabfall als erwünscht am gesamten Pfad des Strömungsmittels bewirkt.
Die vorliegende Offenbarung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
Zusammenfassung
Die vorliegende Offenbarung sieht in einer Form einen Elektromotor/Generator-Kühlmechanismus vor, der einen hohlen Kühlmantel mit einer inneren und einer äußeren koaxialen Oberfläche aufweist, wobei die innere Oberfläche einen im All gemeinen zylindrischen Hohlraum definiert, um einen Stator in Wärmeübertragungskontakt mit der inneren Oberfläche aufzunehmen, und wobei die äußere Oberfläche einen gegossenen spiralförmigen Nutabschnitt mit gestuften Kühldurchlässen hat. Die Offenbarung weist ein äußeres Gehäuse mit einem oder mehreren Einlassanschlüssen, einem Auslassanschluss und einer Entlüftung zum Spülen von Luft auf, wobei Kühlströmungsmittel strömungsmittelmäßig zwischen dem Kühlmantel und dem äußeren Gehäuse eingeschlossen ist, wobei es durch die gestuften Kühldurchlässe fließt, und eine Endfläche mit Flansch an einem Ende des äußeren Gehäuses, um durch Verschraubung den Kühlmantel mit dem äußeren Gehäuse zu verbinden.
Andere neuartige Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden teilweise offensichtlich und werden teilweise im Folgenden deutlich dargestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Ausführungsbeispiels eines Kühlmantels mit gegossener Nut der vorliegenden Offenbarung.
2 ist eine Seitenansicht eines beispielhaften Ausführungsbeispiels eines Kühlmantels mit gegossener Nut der vorliegenden Offenbarung.
3 ist eine veranschaulichende Seitenansicht eines beispielhaften Kühlmechanismus der vorliegenden Offenbarung.
Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Offenbarung sieht eine Vorrichtung zum Kühlen eines Elektromotors oder Generators vor, die die Einschränkungen des Standes der Technik überwindet. In der detaillierten Beschreibung, die folgt, werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche Elemente zu bezeichnen, die in einer oder mehreren der Figuren auftreten.
1 ist eine veranschaulichende Ansicht eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Offenbarung. Der Elektromotor/Generator-Kühlmechanismus 10 besteht aus einem hohlen Kühlmantel 20, einem äußeren Gehäuse 30, einem Kühlströmungsmittel und O-Dichtungsringen, wobei das Gehäuse 30 einen oder mehrere Einlassanschlüsse 32, einen Auslassanschluss 34 und eine Entlüftung 36 für Spülluft hat. (Die letzten vier bezeichneten Elemente sind in dieser Ansicht nicht gezeigt, sondern vielmehr in 3, und sie werden im Detail später besprochen).
Der Kühlmantel 20 der vorliegenden Offenbarung hat koaxiale Innen- 22 und Außenflächen 24. Die Innenfläche 22 definiert einen im Allgemeinen zylindrischen Hohlraum, um beispielsweise einen Stator aufzunehmen. 1 bildet den Mantel 20 als einen kreisförmigen Zylinder ab, obwohl bemerkt sein, dass mehrere Geometrien von Mantelgehäusen im Umfang der vorliegenden Offenbarung in Betracht gezogen werden.
Der Kühlmantel 20 der vorliegenden Offenbarung wird durch einen Gussprozess hergestellt. Im Zusammenhang mit dieser Offenbarung sollte Guss derart verstanden werden, dass dies irgendein Herstellungsverfahren bedeutet, bei dem geschmolzenes Material, wie beispielsweise Metall oder Plastik, in eine Form eingeleitet wird, sich in der Form verfestigen kann und dann ausgestoßen wird oder herausgebrochen wird, um ein hergestelltes Teil zu ergeben. Guss wird zur Herstellung von Teilen mit komplexer Form verwendet, die durch andere Verfahren schwierig oder nicht wirtschaftlich herstellbar wären, wie beispielsweise durch das Schneiden aus vollem Material. Gussverfahren, die in der Technik bekannt sind, weisen Sandguss, Spritzguss, Formguss, Zentrifugalguss, kontinuierliche Gussverfahren bzw. Strangguss usw. auf.
Nun mit Bezug auf 2 besteht der Kühlmantel 20 der vorliegenden Offenbarung aus einem gegossenen Spiralnutabschnitt 50 auf der Außenfläche 24, der Strömungsmittel durch den (nicht gezeigten) Kanal zirkuliert, der durch das äußere Gehäuse erzeugt/abgeschlossen wird. Der Spiralnutabschnitt 50 des Kühlmantels besteht weiter aus einer Anzahl von Kühldurchlässen oder Kanälen 52, die "gestufte" sind oder sich "stufenweise" erstrecken (wie in dem bei 54 gezeigten Be reich gezeigt), um so viele gestufte Kühldurchlässe 52 zu gestatten, wie in die Konstruktion und die Größe des Teils passen.
Der gegossene Spiralnutabschnitt 50 ist viel kosteneffektiver als ein maschinell geschnittener Spiralnutabschnitt. Der gesamte Kühlnutabschnitt 50 ist ausgelegt, um die Kühlleistung des Kühlmittels zu optimieren. Anders gesagt, der Querschnitt und die Länge des einzelnen gestuften Kühldurchlasses 52 können ausgelegt sein, um zu gestatten, dass das Kühlmittel die ideale Wärmemenge vom heißen Stator abführt. Ein längerer Kühlnutpfad wird dem Kühlmittel mehr Zeit im Kontakt mit dem Kühlmantel gestatten. Ein kürzerer Pfad bedeutet, dass das Kühlmittel weniger Zeit am Kühlmantel verbringen wird. In ähnlicher Weise kann man die Kühlströmungsmittelgeschwindigkeit einstellen, indem der Querschnitt des gegossenen gestuften Kühldurchlasses 52 eingestellt wird. Diese Merkmale gestatten korrekt ausgelegte Strömungsmitteldynamik für das spezielle Kühlsystem.
Weiterhin zirkuliert der Kühlpfad 50 der vorliegenden Offenbarung das Strömungsmittel in einer kontinuierlichen Richtung und erfordert nicht, dass das Strömungsmittel irgendwelche Wendungen um 180 Grad macht (d. h., das Strömungsmittel muss nicht seine Laufflussrichtung umkehren und zurück in eine entgegengesetzte Richtung laufen), was den Druckabfall auf einem Minimum halten kann. Diese kontinuierliche Zirkulation von Kühlströmungsmittel kann weiter dabei helfen, konsistente und effiziente Mittel zur gleichmäßigen Kühlung des Stators vorzusehen (da keine Unterbrechungen des Kühlpfades 50 eine gleichmäßige Kühlung rundherum bedeuten).
Die gegossenen gestuften Kühldurchlässe 52 gestatten nicht nur, dass das Strömungsmittel ohne Unterbrechungen zirkuliert, sondern sie helfen auch dabei, die Kosten zu verringern. Es ist sehr teuer, einen Kühlmantel 20 mit Nutenabschnitten maschinell zu bearbeiten bzw. zu schneiden (auch ohne die Spiralnuten 50), und die Zeit der maschinellen Bearbeitung ist extrem lang. Das Gießen der Nuten in das Teil eliminiert den großen Umfang der maschinellen Bearbeitung und der erforderlichen assoziierten Zeit und sieht immer noch den vorteilhaften kontinuierlichen Pfad vor. Wie oben besprochen, ist es nicht möglich, eine wünschenswerte Spiralnut mit einer einzigen Teilungslinie zu gießen, und zwar aufgrund des Merkmals des negativen Reliefs. Wie bekannt ist, ist die Form nicht vom Teil ohne mehrere Teilungslinien bei jedem assoziierten Nutwinkel zu trennen. Jedoch gestatten die geraden Nuten der vorliegenden Offenbarung, dass der Mantel 20 gegossen wird und die Stufen im Spiralnutabschnitt 50 des Mantels gestatten das Formen des kontinuierlichen Pfades und sie gestatten, eine einzige Teilungsebene beizubehalten.
Die gegossenen gestuften Kühldurchlässe 52 gestatten eine "Verschiebung" des Kühlpfades nach unten entlang der Länge des Mantels, während sie gleichzeitig einen kontinuierlichen ununterbrochenen Pfad beibehalten. Zusammen mit der abrasiven Gussoberfläche helfen zusätzlich die gegossenen Stufen 54 dabei, eine Turbulenz zu erzeugen, was die Kühlleistung verbessern kann. Folgend auf das Gießen kann die Außenfläche des Kühlmantels zu einem glatten gleichförmigen Durchmesser (spanend) bearbeitet werden.
Wie in 3 gezeigt, ist der Mantel 20 mit dem äußeren Gehäuse 30 abgedichtet, um zu verhindern, dass das Kühlströmungsmittel entweicht. Das äußere Gehäuse weist einen Flansch (38) an einem seiner zwei gegenüberliegenden Enden zur Verschraubung auf, weiter einen Einlassanschluss 32, einen Auslassanschluss 34 und einen Entlüftungsanschluss 36. Der Kühlmantel 20 kann in das äußere Gehäuse 30 bis zu den letzten Millimetern des Weges des Mantels gleiten. Als nächstes kann der Mantel 20 in das äußere Gehäuse 30 eingeführt werden, und zwar für eine geringfügige Presspassung an den gegenüberliegenden Enden des Gehäuses. Der Kühlnutbereich hält eine Spielpassung (oder Gleitpassungstoleranz) bezüglich des äußeren Gehäuses 30, und die zuvor eingefügten Teile drücken geringfügig benachbart zu den O-Ringen der Kühlnut, wie in der Technik bekannt sein wird. Schrauben bzw. Bolzen können das äußere Gehäuse mit dem Kühlmantel 20 verbunden halten, und die Schrauben können eine ringförmige Ausrichtung vorsehen und eine Einweg-Verschraubung gestatten. Optional kann ein Kühlmantel 10 in das äußere Gehäuse gegossen sein, in welches der Elektromotor oder Generator-Stator eingepresst ist. Das äußere Gehäuse kann aus einem Material mit relativ hoher thermischer Leitfähigkeit bestehen, wie beispiels weise aus Metall. Vorteilhafterweise gestattet ein äußeres Gehäuse aus Metall eine effektive Wärmeübertragung.
Im Gebrauch fließt Kühlmittel durch den einen Einlassanschluss 32 oder die Vielzahl von Einlassanschlüssen 32 des äußeren Gehäuses 30 und wird entlang des Pfades geleitet, der zuvor beschrieben wurde, bevor es aus dem Mantel durch den Auslassanschluss 34 austritt. Optional kann es in einem Ausführungsbeispiel zwei Einlässe 32 geben, die an den gegenüberliegenden Enden des äußeren Gehäuses 30 gelegen sind. Einer der Einlassanschlüsse 32 kann am Ende des Flansches 38 des äußeren Gehäuses gelegen sein, und der andere kann an dem Ende nicht beim Flansch gelegen sein. Das Kühlströmungsmittel kann gleichzeitig aus einem der Einlassanschlüsse 32 in einer ersten radialen Richtung (Ü: Umfangsrichtung) und aus dem anderen Einlassanschluss 32 in einer zweiten radialen Richtung (Ü: Umfangsrichtung) zur Mitte des Kühlnutbereiches 50 fließen und aus dem Auslassanschluss 34 austreten. Der Auslassanschluss kann zwischen zwei der Einlassanschlüsse gelegen sein.
Die Entlüftung für Spülluft kann in der Mitte des Kühlnutenbereiches 50 um 180 Grad entfernt vom Auslassanschluss 34 gelegen sein. Wenn das Kühlmittel entlang dieser Pfade fließt, berührt es das Statorgehäuse oder den Kühlmantel 20 und das äußere Gehäuse 30 und führt Wärme ab, wodurch der Stator gekühlt wird. Die Abfuhr von Wärme ist insbesondere aufgrund der zuvor erwähnten gestuften Kühldurchlässe 52 effizient.
Das Gießen der Nut, wenn das Teil konstruiert wird, passt zu den meisten Gussprozessen, die schon verwendet werden, um Statorkühlmäntel des Standes der Technik ohne die gegossenen Nuten herzustellen. Daher müssen keine exotischen Werkzeuge konstruiert oder hergestellt werden, um die hier offenbarten Teile zu gießen und eine größere Auswahl von Lieferanten kann verwendet werden, die keine speziellen Maschinen haben, die eine große Spiralnut drehen können.
Industrielle Anwendbarkeit
Der hier beschriebene Kühlmechanismus für einen Elektromotor bzw. Generator kann für Kühlmäntel für die Motoren und Generatoren von irgendeinem anwendbaren System verwendet werden, welches eine geschlossene Kühlumgebung erfordert, und wo eine Luftkühlung nicht ausreicht. Während die vorliegende Offenbarung in Verbindung mit einem speziellen Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine beschrieben worden ist, sei bemerkt, dass viele Alternativen, Modifikationen und Variationen dem Fachmann im Lichte der vorangegangenen Beschreibung offensichtlich werden.
Beispielsweise könnte der Kühlmantel so modifiziert werden, dass er andere Anzahlen und eine andere Anordnung von Nuten, Finnen und Wänden hat, um unterschiedliche Flusspfade durch den Mantel vorzusehen, oder dass er mehr oder weniger parallele Abschnitte hat als die gezeigte Anzahl von Abschnitten. Weiterhin könnten die Einlass- und Auslasspunkte variiert werden, um die Anzahl der Flusspfade zu variieren. Die spezielle Anordnung, die für eine gegebene Anwendung verwendet wird, wird von der Größe, den Wärmeübertragungsanforderungen und möglichen anderen Faktoren abhängen. Entsprechend soll die Offenbarung alle diese Alternativen, Modifikationen und Variationen umfassen, die in den Kern und Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Elektromotor/Generator-Kühlmechanismus, der Folgendes aufweist: einen hohlen Kühlmantel mit koaxialen Innen- und Außenflächen; wobei die Innenfläche einen im Allgemeinen zylindrischen Hohlraum zur Aufnahme eines Stators in Wärmeübertragungskontakt mit der Innenfläche definiert; wobei die Außenfläche einen gegossenen Spiralnutabschnitt mit gestuften Kühldurchlässen hat; ein äußeres Gehäuse mit einem oder mehreren Einlassanschlüssen, einem Auslassanschluss und einer Entlüftung für Spülluft; Kühlströmungsmittel, welches zwischen dem Kühlmantel und dem äußeren Gehäuse eingeschlossen ist, welches durch die abgestuften Kühldurchlässe fließt; und Eine mit Flansch versehene Endfläche an einem Ende des äußeren Gehäuses, um durch eine Verschraubung den Kühlmantel mit dem äußeren Gehäuse zu verbinden.
Kühlmechanismus nach Anspruch 1, wobei der Auslassanschluss mittig entlang der Längsachse des äußeren Gehäuses gelegen ist.
Kühlmechanismus nach Anspruch 1, wobei der eine Einlassanschluss oder die Vielzahl von Einlassanschlüssen im Wesentlichen an entgegengesetzten Enden des äußeren Gehäuses gelegen sind.
Kühlmechanismus nach Anspruch 3, wobei das Kühlströmungsmittel durch den einen der erwähnten Einlassanschlüsse eintritt und in einer ersten radialen Richtung (Ü: Umfangsrichtung) zum Auslassanschluss fließt, während es gleichzeitig durch den anderen der Einlassanschlüsse eintritt und in einer zweiten radialen Richtung (Ü: Umfangsrichtung) zum Auslassanschluss fließt.
Kühlmechanismus nach Anspruch 1, wobei die Außenfläche des Kühlmantels zu einem glatten gleichförmigen Durchmesser maschinell bearbeitet ist.