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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein eine Baugruppe einer elektrischen Maschine, bei der eine Isolierung zwischen dem Gehäuse und der elektrischen Maschine vorgesehen ist.
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Hintergrund und Zusammenfassung
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Elektrische Maschinen können als Elektromotor oder als elektrischer Generator betrieben werden. Bei jeder der Umwandlungen: Elektrizität in mechanische Energie oder mechanische Energie in Elektrizität treten Verluste auf, die zu einer Aufheizung der elektrischen Maschine führen. Häufig dient ein Gehäuse, in dem die elektrische Maschine angeordnet ist, als Wärmesenke, wobei dann der Übergang zwischen der elektrischen Maschine und dem Gehäuse so gestaltet ist, dass der Wärmeübergang begünstigt wird. Mitunter weist das Gehäuse auf seiner äußeren Oberfläche Rippen auf, um die Abgabe von Wärme an die Umgebung zu verbessern. In machen Anwendungen befindet sich die elektrische Maschine in der Nähe von Elementen, die eine höhere Temperatur aufweisen als das Gehäuse, so dass Energie auf die elektrische Maschine übertragen wird, was eine Überhitzung der Maschine weiter verstärkt und die Kühlung der Maschine zusätzlich erschwert. In solchen Anwendungen ist es wünschenswert, den Wärmeübergang zwischen der elektrischen Maschine und dem Gehäuse zu vermindern. Eine solche Konfiguration, bei der sich ein heißes Element in der Nähe des Gehäuses der elektrischen Maschine befindet, ist ein elektronisch gesteuerter Turbolader (ECT), bei dem das Turbinengehäuse Temperaturen über 1000°C annehmen kann. Da das Gehäuse der elektrischen Maschine kälter ist als das, strahlt das Turbinengehäuse auf das Gehäuse der elektrischen Maschine ab.
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Um zumindest ein Problem des Stands der Technik zu überwinden, wird eine elektrische Maschine bereitgestellt, die ein Gehäuse mit einer inneren Oberfläche aufweist, wobei zumindest ein Teil der inneren Oberfläche eine im wesentlichen zylindrische Kavität, eine Kavität am ersten Ende und eine Kavität am zweiten Ende bildet; erste und zweite Lager, die in dem Gehäuse angeordnet sind; eine Welle, die innerhalb der ersten und zweiten Lager angeordnet ist; einen an der Welle befestigten und zwischen den Lagern angeordneten Rotor; einen Stator, der in dem Gehäuse angeordnet ist. Der Stator weist eine im Wesentlichen zylindrische äußere Oberfläche auf. Zwischen der im Wesentlichen zylindrischen Kavität des Gehäuses und der im Wesentlichen zylindrischen äußeren Oberfläche des Stators befindet ein Spalt. Der Spalt ist über dem Großteil der im Wesentlichen zylindrischen äußeren Oberfläche des Stators vorgesehen. Die Kavität am ersten Ende steht in Fluidverbindung mit dem Spalt. Die Kavität am zweiten Ende steht in Fluidverbindung mit dem Spalt.
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In manchen Ausführungsformen kann die Baugruppe ferner eine Hülle umfassen, die in den Spalt eingefügt ist, wobei die Hülle ein Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit aufweist.
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In manchen Ausführungsformen weist die innere Oberfläche des Gehäuses erste und zweite umlaufende Nuten auf, wobei ein erster Spaltring in der ersten umlaufenden Nut angeordnet ist und ein zweiter Spaltring in der zweiten umlaufenden Nut angeordnet ist, wobei die im Wesentlichen zylindrische äußere Oberfläche des Stators innere Oberflächen des ersten und des zweiten Spaltrings kontaktiert. In einer anderen Ausführungsform weist die innere Oberfläche des Gehäuses erste, zweite und dritte axiale Nuten auf, wobei ein erster Stab in der ersten Nut angeordnet ist; ein zweiter Stab in der zweiten Nut angeordnet ist und ein dritter Stab in der dritten Nut angeordnet ist, wobei die im Wesentlichen zylindrische äußere Oberfläche des Stators die inneren Oberflächen des ersten, zweiten und dritten Stabes kontaktiert. Die Stäbe können eine polygonale Querschnittsform aufweisen.
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In manchen Ausführungsformen sind mehrere Gehäuseteile aneinander gekoppelt, um das Gehäuse zu bilden.
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In manchen Alternativen ist zumindest auf einen Teilbereich der inneren Oberfläche des Gehäuses und zumindest auf einen Teilbereich der im Wesentlichen zylindrischen äußeren Oberfläche des Stators eine Anti-Benetzungs-Beschichtung aufgebracht. In anderen Alternativen ist eine reflektierende Beschichtung aufgebracht zumindest auf einem von: einem Teilbereich einer inneren Oberfläche des Gehäuses und einem Teilbereich der im Wesentlichen zylindrischen äußeren Oberfläche des Stators.
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Die Offenbarung kann vorteilhaft genutzt werden in einem elektronisch gesteuerten Turbolader (ECT), der umfasst: eine Welle, auf der ein Turbinenrad, ein Verdichterrad und ein Rotor einer elektrischen Maschine befestigt sind; eine Gehäuse, das eine im Wesentlichen zylindrische innere Oberfläche, eine Kavität am ersten Ende und eine Kavität am zweiten Ende aufweist; erste und zweite auf der Welle angeordnete Lager, wobei das Gehäuse auf den ersten und zweiten Lagern angeordnet ist, und einen Stator, der in dem Gehäuse angeordnet ist. Der Stator hat eine im Wesentlichen zylindrische äußere Oberfläche. Zwischen der im Wesentlichen zylindrischen inneren Oberfläche des Gehäuses und der im Wesentlichen zylindrischen äußeren Oberfläche des Stators befindet sich über einem Großteil der im Wesentlichen zylindrischen äußeren Oberfläche des Stators ein Spalt. Der Spalt steht in Fluidverbindung mit der Kavität am ersten Ende. Der Spalt steht in Fluidverbindung mit der Kavität am zweiten Ende.
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In manchen Ausführungsformen kann der ECT eine Hülle mit niedriger Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die in den Spalt eingefügt ist.
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In manchen Ausführungsformen weist die zylindrische innere Oberfläche des Gehäuses erste und zweite umlaufende Nuten auf, wobei ein erster Spaltring in der ersten umlaufenden Nut und ein zweiter Spaltring in der zweiten umlaufenden Nut angeordnet sind. Die äußere Oberfläche des Stators kontaktiert innere Oberflächen des ersten und zweiten Spaltrings. In einer alternativen Ausführungsform weist die zylindrische innere Oberfläche des Gehäuses erste, zweite und dritte axiale Nuten auf, wobei ein erster Stab in der ersten Nut, ein zweiter Stab in der zweiten Nut und ein dritter Stab in der dritten Nut angeordnet sind.
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In manchen Alternativen erstrecken sich zumindest drei Abstandshalter von der inneren Oberfläche des Gehäuses nach innen und die äußere Oberfläche des Stators ist in dem Gehäuse durch die Abstandshalter gehalten.
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Es wird ferner eine elektrische Maschine offenbart mit einem Gehäuse; ersten und zweiten Lagern, die in dem Gehäuse angebracht sind; einer Welle, die in den ersten und zweiten Lagern angeordnet ist; einem Rotor, der auf der Welle befestigt und zwischen den ersten und zweiten Lagern angeordnet ist; einem Stator, der in dem Gehäuse angeordnet ist; und einem Material, das zwischen dem Stator und dem Gehäuse angeordnet ist. Zumindest ein Teilbereich einer äußeren Oberfläche des Stators ist im Wesentlichen zylindrisch; und in manchen Ausführungsformen ist das Material eine Hülle mit niedriger Wärmeleitfähigkeit. In einem nicht einschränkenden Beispiel ist das Material eine Keramik. In manchen Ausführungsformen wird das Material auf zumindest einen Abschnitt der im Wesentlichen zylindrischen inneren Oberfläche des Gehäuses gesprüht, beispielsweise mittels thermischen Plasmaspritzens. Das Material weist eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und/oder eine hohe Reflektivität auf.
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Gemäß hierin offenbarten Ausführungsformen kann Energie, die dem Elektromotor mittels Strahlung und Leitung von einem externen Hochtemperaturelement wie einem Turbinengehäuse eines Turboladers zugeführt wird, weitgehend abgeschwächt werden, indem der Stator isoliert wird oder Kühlmittel zwischen den Stator und das Gehäuse getropft wird, um Energie abzuführen.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 ist eine Querschnittsdarstellung eines elektronisch gesteuerten Turboladers (ECT), der eine elektrische Maschine für Hochgeschwindigkeiten umfasst; und
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2, 3 und 5 sind Querschnittsdarstellungen mehrerer Ausführungsbeispiele einer elektrischen Maschine; und
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4 ist eine Darstellung eines axialen Querschnitts eines Abschnitts eines Gehäuses für eine elektrische Maschine.
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Detaillierte Beschreibung
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Wie der Fachmann verstehen wird, können verschiedene Merkmale von Ausführungsformen, die mit Bezug auf irgendeine der Figuren dargestellt und beschrieben sind, mit Merkmalen, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, kombiniert werden, um alternative Ausführungsformen zu ergeben, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die Kombinationen von dargestellten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen dar. Verschiedene Kombinationen und Abwandlungen von Merkmalen, die mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung vereinbar sind, können jedoch für bestimmte Verwendungszwecke oder Anwendungen wünschenswert sein. Ein Fachmann wird ähnliche Verwendungszwecke oder Anwendungen erkennen, ob sie explizit beschrieben und dargestellt sind oder nicht.
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Die vorliegende Offenbarung kann auf jede elektrische Maschine in der Nähe einer Hochtemperaturkomponente angewendet werden, wie einen elektronisch gesteuerten Turbolader (ECT). Ein ECT 40 ist in 1 in dem Querschnitt eines ECT 40 gezeigt. Der ECT umfasst einen Verdichterabschnitt 50, einen Abschnitt 52 einer elektrischen Maschine und einen Turbinenabschnitt 54. Auf einer gemeinsamen Welle 60 gekoppelt sind: Ein Verdichterrad 62, das axial durch die Mutter 64 fixiert ist, ein Rotor 66 der elektrischen Maschine und ein Turbinenrad 68 (geschweißt). Alternativ kann das Turbinenrad 68 auf die Welle 60 aufgeschraubt werden.
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Die Ausführungsform in 1 schließt vier Gehäuseabschnitte ein, die aneinander gekoppelt sind: einen Verdichtergehäuseabschnitt 70, zwei Gehäuseabschnitte einer elektrischen Maschine 72 und 73 und einen Turbinengehäuseabschnitt 74. In anderen Anwendungen kann das Gehäuse mehr oder weniger Abschnitte aufweisen. Die rotierende Welle 60 ist in den Gehäusen durch die Lager 76 und 78 gelagert. Ein Axiallager 58 ist zwischen dem Verdichter und dem Gehäuse vorgesehen. Ein elektrischer Anschluss 56, der Verbindungen mit Leistungselektronik (nicht gezeigt) herstellt, führt aus dem ECT 40 heraus.
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Ein unter Druck stehendes Schmiermittel, das in einer Ausführungsform Maschinenöl ist, wird dem ECT 40 durch den Einlass 80 zugeführt. Schmiermittel aus dem Einlass 80 füllt die Sammelleitung 82. Die Sammelleitung 82 steht in Fluidverbindung mit den Ölpassagen 84 und 86, wobei die Passage 84 dem Lager 76 Schmiermittel zur Verfügung stellt und die Passage 86 dem Lager 78 Schmiermittel zur Verfügung stellt. Ein Stopfen 85 ist an dem äußeren Ende der Passage 84 bereitgestellt, um die Bohrung, die die Passage 84 bildet, zu verschließen. Die Kühlung der elektrischen Maschine wird dadurch erschwert, dass der Turbinengehäuseabschnitt 74 auf die Gehäuseabschnitte der elektrischen Maschine 72 und 73 abstrahlt.
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In 2 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer elektrischen Maschine 100 eine Welle 112, auf der ein Rotor 110 befestigt ist. Ein Gehäuse 102, in das ein Stator 106 eingesetzt ist, weist eine Hülle 104 mit niedriger Leitfähigkeit auf, die zwischen der inneren Oberfläche des Gehäuses 102 und der äußeren Oberfläche des Stators 106 vorgesehen ist. Ein Spalt 108 ist zwischen dem Rotor 110 und dem Stator 106 vorgesehen. Die Hülle 104 mit niedriger Leitfähigkeit stellt eine Barriere für Wärmeenergie zwischen dem Gehäuse 102 und dem Stator 106 bereit. Die Hülle 104 kann aus einer Keramik mit niedriger Leitfähigkeit oder einem anderen geeigneten Material geformt sein.
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In einer anderen Ausführungsform, die im Querschnitt in 3 gezeigt ist, ist ein Spalt 124 zwischen einer äußeren Oberfläche 126 des Stators 106 und einer inneren Oberfläche 130 eines Gehäuses 122 vorgesehen. Das Gehäuse 122 weist mehrere axiale Nuten 132 auf. Ein rechteckiger Stab 136 ist in einer der Nuten dargestellt. In einer alternativen Ausführungsform sind alle Nuten mit rechteckigen Stäben wie 136 gefüllt. Eine andere der Nuten in der Darstellung in 3 weist einen dreieckigen Stab 134 auf. In einer solchen Situation kann die Nut eine Hinterschneidung bilden mit dem in die hinterschneidende Nut eingeführten Stab 134, der nicht aus der Nut entfernt werden kann, außer durch Herausgleiten an einem der Enden. In einer anderen Ausführungsform weisen alle Nuten denselben Querschnitt auf, um dreieckige Stäbe aufzunehmen. In einer solchen Ausführungsform ist der Stator 106 auf den Spitzen der dreieckigen Stäbe abgestützt, wobei weniger Fläche in Kontakt mit dem Stator 106 steht als bei den rechteckigen Stäben.
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In der Ausführungsform in 3 gibt es drei Nuten. Es ist wünschenswert, drei mit Stäben gefüllte Nuten zu haben, um den Stator 106 an seinem Platz zu halten. Um den Stator 106 geeignet zu halten, sind drei oder mehr Paare aus Nuten und Stäben vorgesehen. Ferner ist es wünschenswert, wenn die drei Nuten dieselbe Querschnittsform haben. Die Darstellung in 3, die zwei Nutentypen zeigt, dient lediglich dazu, zwei Alternativen in einer Darstellung zu zeigen und soll in keiner Weise beschränkend sein.
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In 4 ist ein Querschnitt eines Teil eines Gehäuses 142 gezeigt. Das Gehäuse 142 ist ohne den Stator im Innern des Gehäuses dargestellt. Ein Pfeil zeigt ein Beispiel der Richtung, in die der Stator in das Gehäuse 142 beim Zusammenbau eingeführt würde. Das Gehäuse 142 weist zwei umlaufende Nuten 144 in seiner inneren Oberfläche auf. Ein Spaltring 146 wird in einer der Nuten 146 angebracht. In einer Ausführungsform weist der Spaltring 146 einen größeren Durchmesser auf als die Nut 144, in der er angebracht werden soll. Enden des Spalts in dem Ring 146 werden zusammengebracht, um den Ring 146 ausreichend klein zu machen, um in ihn das Gehäuse 142 einzupassen. Der Ring 156 wird entlang der inneren Oberfläche des Gehäuses 142 gleiten gelassen und dann in die Nut 144 gesetzt. Wenn der Ring 146 in die Nut 144 expandiert, wird der Spalt zwischen den beiden Enden größer. Um den Stator (nicht gezeigt) in dem Gehäuse 142 geeignet zu stützen, wird in zwei oder mehr Nuten ein Ring vorgesehen. In einer Ausführungsform, beide der
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In 5 ist eine elektrische Maschine 150 bereitgestellt, die ein Gehäuse 162 mit einer inneren Oberfläche 160 aufweist, von der aus sich Abstandhalter 166 nach innen erstrecken. Ein Spalt 174 ist zwischen dem Gehäuse 162 und der äußeren Oberfläche 126 des Stators 106 vorgesehen.
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In Ausführungsformen, bei denen sich zwischen der inneren Oberfläche (130, 148, 160) des Gehäuses (122, 142, 162) und der äußeren Oberfläche (126) des Stators (106) ein Spalt befindet, wie in den 2, 4 und 5, kann eine Strahlungsbarriere auf eine oder beide der inneren Oberfläche des Gehäuses und der äußeren Oberfläche des Stators aufgebracht sein. Beispielsweise kann eine reflektive Beschichtung oder Ummantelung auf eine oder beide der Oberflächen aufgebracht sein.
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In manchen Ausführungsformen wird dem Spalt ein Kühlmittel zugeführt und es wird ein Ablauf für die Entfernung des Kühlmittels vorgesehen. In 5 ist ein Einlass 180 oben und ein Ablauf 182 in dem Gehäuse 162 vorgesehen. Unter dem Einfluss der Schwerkraft fließt dem Einlass 180 zugeführtes Kühlmittel durch den Ablauf 182 ab. Mit dem Kühlmittel wird Energie abgeführt.
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In anderen Ausführungsformen, in denen dem Spalt nicht absichtlich Flüssigkeit zugeführt wird, ist es nicht wünschenswert, dass sich eine ruhende Flüssigkeit in dem Spalt sammelt, da dies einen Pfad für eine Energieübertragung von dem Gehäuse auf den Stator darstellt, die größer ist als bei einem mit Luft gefüllten Spalt. Derartige Flüssigkeit könnte aus Kühlmittel und/oder Schmiermittel, die anderen Bereichen der elektrischen Maschine zugeführt werden, in diesen Raum sickern. Um unerwünschte Flüssigkeit bequem entfernen zu können, können die innere Oberfläche des Gehäuses und die äußere Oberfläche des Stators mit einer Anti-Benetzungs-Beschichtung beschichtet sein, um die Flüssigkeit zum tiefsten Punkt des Spaltes laufen zu lassen. Der Ablauf 182 in 5 erlaubt es unerwünschter Flüssigkeit, abzulaufen und sich nicht in dem Spalt zwischen Gehäuse und Stator zu sammeln.
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In einer anderen Ausführungsform ist eine Anti-Benetzungs-Beschichtung auf der inneren Oberfläche des Gehäuses und der äußeren Oberfläche des Stators aufgebracht, so dass jede Flüssigkeit, die die Oberfläche kontaktiert, von Adsorptionskräften im Wesentlichen unberührt bleibt, so dass die Flüssigkeit unter dem Einfluss der Schwerkraft den tiefsten Punkt in dem Spalt findet. Ein Ablauf kann am tiefsten Punkt in dem Gehäuse vorgesehen sein, um das Entfernen jeder fehlgeleiteten Flüssigkeit aus dem Spalt zu erlauben.
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Während der beste Modus ausführlich mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden ist, werden Fachleute verschiedene alternative Ausgestaltungen und Ausführungsformen erkennen, die im Rahmen der folgenden Ansprüche liegen. Während verschiedene Ausführungsformen als vorteilhaft oder als gegenüber anderen Ausführungen zu bevorzugen beschrieben sein können im Hinblick auf eine oder mehrere Eigenschaften, erkennt der Durchschnittsfachmann, dass unter verschiedenen Merkmalen Kompromisse gemacht werden können, um gewünschte Systemattribute zu erzielen, was von der spezifischen Anwendung oder Implementierung abhängen kann. Zu diesen Attributen zählen unter anderem: Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Vermarktbarkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Betriebsfähigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Leichtigkeit der Montage usw. Diejenigen Ausführungsformen, die so beschrieben sind, dass sie bezüglich eines oder mehrerer Charakteristika relativ zu anderen Ausführungsformen oder zum Stand der Technik weniger wünschenswert sind, liegen nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung, wie beansprucht und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
