DE102017120103A1

DE102017120103A1 - Kühlmittelstromverteilung unter verwendung von beschichtungsmaterialien

Info

Publication number: DE102017120103A1
Application number: DE102017120103.3A
Authority: DE
Inventors: Myung Ki SUNG; Edward Chan-Jiun JIH; Michael W. Degner
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-09-01
Filing date: 2017-08-31
Publication date: 2018-03-01
Also published as: CN107800211A; CN107800211B; US20180062456A1; US10468920B2

Abstract

Ein Fahrzeugantriebsstrang beinhaltet einen Stator, der eine kreisförmige Öffnung mit einem Innendurchmesser definiert, und einen Rotor, um sich innerhalb der kreisförmigen Öffnung zu drehen, sodass ein Spalt zwischen einem Rotor und dem Stator an dem Innendurchmesser gebildet wird. Der Antriebsstrang beinhaltet ferner ein abweisendes Mittel, das auf den Stator und die Rotoroberfläche beschichtet ist, um den Strom des Fluids in dem Spalt zu steuern.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Anmeldung betrifft im Allgemeinen eine elektrische Maschine eines Hybrid-Elektrofahrzeugs, bei dem Stator- und Rotoroberflächen mit einem oleophoben Material beschichtet sind, um einen Kühlmittelstrom in einen Spalt dazwischen zu unterstützen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die Leistungsdichte elektronischer Vorrichtungen, wie zum Beispiel elektrische Maschinen und Leistungswechselrichter, steigt kontinuierlich, um Gewichts- und Kostenreduzierungsziele zu erreichen. Um diese Ziele zu erreichen, ist es im Allgemeinen wichtig, die Effizienz und die Leistung der elektronischen Vorrichtung zu erhöhen. Die Leistung und Effizienz elektrischer Maschinen werden im Allgemeinen durch die Temperaturbeschränkung der Kupferwicklungen und/oder den Maximalstrom eingeschränkt, der Reibungsverluste in dem Luftzwischenraum überwinden sollte. Für die thermische Verwaltung von elektrischen Maschinen kann es wichtig sein, einen gleichmäßigen Kühlmittelstrom (z. B. Wasser/Glycol, Öl oder Automatikgetriebefluid) auf den Wickelköpfen der elektrischen Maschine aufrechtzuerhalten, um die lokalisierten heißen Stellen zu beseitigen. Die Leistung und Effizienz von Leistungswechselrichtern werden im Allgemeinen durch die thermischen Beschränkungen in Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs) und/oder Dioden eingeschränkt. Für die thermische Verwaltung von Wechselrichtern kann eine Flüssigkeitskälteplatte zum Kühlen von Komponenten wie IGBTs, Dioden, Lötschichten usw. in dem Wechselrichter verwendet werden.
KURZDARSTELLUNG
Eine elektrische Maschine beinhaltet einen Stator, der eine kreisförmige Öffnung mit einem Innendurchmesser definiert, einen Rotor, der dazu ausgelegt ist, sich innerhalb der kreisförmigen Öffnung zu drehen, sodass zwischen dem Rotor und dem Stator ein Spalt gebildet wird, und eine oleophobe oder hydrophobe Beschichtung auf dem Rotor und dem Stator. Die Beschichtung dazu ausgelegt ist, einen Kontaktwinkel zwischen einem Schmierfluid und dem Rotor und dem Stator in Kontakt damit zu erhöhen, um einen Strom des Fluids zu steuern.
Ein Fahrzeugantriebsstrang beinhaltet einen Stator, der eine kreisförmige Öffnung mit einem Innendurchmesser definiert, einen Rotor, der dazu ausgelegt ist, sich innerhalb der kreisförmigen Öffnung zu drehen, sodass zwischen einer Rotoroberfläche und dem Stator am Innendurchmesser ein Spalt gebildet wird, und ein abweisendes Mittel, das an dem Stator und der Rotoroberfläche beschichtet ist und dazu ausgelegt ist, den Fluidstrom in dem Spalt zu steuern.
Ein Verfahren beinhaltet ein Auftragen von einer oder mehreren Schichten einer oleophoben oder hydrophoben Beschichtung auf einen Innendurchmesser eines Stators einer elektrischen Maschine, sodass die eine oder mehreren Schichten einen Strom eines Fluids innerhalb eines Hohlraums, der durch den Stator definiert wird, steuern.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist ein schematisches Diagramm, welches ein Beispiel für ein elektrifiziertes Fahrzeug veranschaulicht.
1B ist eine perspektivische auseinandergezogene Ansicht eines Beispiels für eine elektrische Maschine.
1C ist eine perspektivische Ansicht einer elektrischen Maschinenbaugruppe mit Darstellung eines Gehäuses mit einer Abdeckung, die teilweise davon auseinandergezogen ist.
1D ist eine Seitenansicht, im Querschnitt, eines Abschnitts der elektrischen Maschinenbaugruppe von 1C.
2 ist eine Veranschaulichung eines Wassertropfens auf einer superhydrophoben oder superoleophoben Beschichtungsoberfläche mit einem Kontaktwinkel von zumindest 140 Grad.
3 ist eine Veranschaulichung eines Wassertropfens auf einer hydrophilen oder superoleophilen Beschichtungsoberfläche mit einem Kontaktwinkel von weniger als 25 Grad.
4 ist eine Draufsicht eines Beispiels für einen Kühlmittelkanal, der zwischen zwei abweisenden Beschichtungen ausgebildet ist.
5 ist eine Fotographie eines Kühlmittelkanals, der durch eine abweisende Beschichtung in Übereinstimmung mit einem Beispiel ausgebildet ist.
6 ist eine perspektivische auseinandergezogene Ansicht eines Beispiels für eine elektrische Maschine mit teilweisen spiralförmigen Statorzähnen und entsprechend ausgerichteten Dauermagneten in einem Rotor.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind hier nach Bedarf offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen rein exemplarisch für die Erfindung stehen, welche in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt sein kann. Die Figuren sind nicht zwingend maßstabsgetreu; einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Demnach sind hierin offenbarte spezifische strukturelle und funktionelle Einzelheiten nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Basis, um den Fachmann den vielfältigen Gebrauch der vorliegenden Erfindung zu lehren.
Einige elektrische Maschinen, zum Beispiel eine elektrische Maschine für ein Hybridfahrzeug ein oder Elektrofahrzeug, arbeiten unter rauen Bedingungen. Die rauen Bedingungen können Temperatur, Feuchtigkeit, Luftstrom und Schmutz beinhalten. Die rauen Bedingungen können Umweltaspekten zuzuschreiben sein, die durch Anforderungen der elektrischen Maschine, wie etwa Beschränkungen in Bezug auf Größe Konfiguration, Eingangsleistung und Ausgangsleistung, noch weiter verstärkt werden können. Um dabei behilflich zu sein, die während des Betriebs der elektrischen Maschine erzeugte Wärme zu reduzieren, kann ein Kühlsystem verwendet werden. Das Kühlsystem kann ein Fluid beinhalten, das um eine Wicklung und Komponenten der elektrischen Maschine strömt. In einigen Fällen steht das Fluid in Kontakt mit den Wicklungen und Komponenten der elektrischen Maschine. Das Fluid kann dann zirkuliert werden, zum Beispiel durch einen Kühler, um einen Teil der Wärme von der elektrischen Maschine zu entfernen. Zum Beispiel wird bei einigen Automobilsystemen eine elektrische Maschine mit dem Automatikgetriebefluid (ATF), das um die Wicklungen und Komponenten zirkuliert wird und dann zu einem Kühler zirkuliert wird, gekühlt. In einigen Ausführungsformen werden Kühlkanäle genutzt, um dem Strom durch einen Stator der elektrischen Maschine zu leiten. Typischerweise ist die elektrische Maschine so ausgelegt, dass ein Spalt zwischen einem Rotor, der sich innerhalb des Stators und der Statorzähne dreht, gebildet wird, sodass eine Reduzierung des Beschichtungswiderstands und der Reibung zwischen dem Rotor und dem Stator ein wichtiger Aspekt ist, um die Leistung der elektrischen Maschine zu erhöhen. Der Beschichtungswiderstand beinhaltet die Reibung von Luft oder anderen Flüssigkeiten und der Oberfläche des Rotors.
Hier werden Rotordrehwiderstand und -reibung durch Anwenden von fortschrittlichen Beschichtungsmaterialien, umfassend eine abweisende Beschichtung und eine Benetzungsbeschichtung, reduziert. Zum Beispiel beinhalten abweisende Beschichtungen (hier nachfolgend bezeichnet als „abweisendes Mittel“) oleophobe, superoleophobe, hydrophobe und superhydrophobe Beschichtungen. Und Benetzungsbeschichtung (hier nachfolgend bezeichnet als „Benetzungsmittel“) beinhalten oleophile, superoleophile, hydrophile und superhydrophile Beschichtungen. Sowohl abweisende Beschichtungen als auch Benetzungsbeschichtung können auf die elektrische Maschine aufgetragen werden, um die Effizienz zu verbessern. Zum Beispiel können bei einem Hybridfahrzeug mit einer elektrischen Maschine, die unter Verwendung einer ölbasierten ATF gekühlt ist, die Statorzähne mit einem oleophoben oder superoleophoben Material beschichtet sein, während der Rotoraußendurchmesser ebenfalls mit einem oleophoben oder superoleophoben Material beschichtet ist. Dies erhöht den Kontaktwinkel des ATF auf den Statorzähnen und den Rotoraußendurchmesser, sodass Reibung des Fluids in dem Spalt (z. B. ATF) zwischen dem Stator und dem Rotor reduziert wird. In einer weiteren Ausführungsform kann die Rotor- und Statorausrichtung eine teilweise spiralförmige Konfiguration beinhalten, um den Strom eines Fluids in dem Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor zu unterstützen. In noch einer weiteren Ausführungsform kann ein oleophiles Material auf die Wicklungen zwischen den Statorzähnen aufgebracht werden, um das Fluid zu den Wicklungen zu ziehen, um bei der Wärmeentfernung zu unterstützen und um das Fluid aus dem Spalt zwischen den Statorzähnen und dem Rotoraußendurchmesser zu entfernen.
1A zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Fahrzeugantriebsstrangs für ein PHEV, das hier als ein Fahrzeug 12 bezeichnet wird. Das Fahrzeug 12 kann eine oder mehrere elektrische Maschinen 14 umfassen, die mechanisch mit einem Hybridgetriebe 16 verbunden sind. Die elektrischen Maschinen 14 können dazu in der Lage sein, als Elektromotor oder Generator zu arbeiten. Außerdem kann das Hybridgetriebe 16 mechanisch mit einem Motor 18 verbunden sein. Das Hybridgetriebe 16 kann ebenfalls mechanisch mit einer Antriebswelle 20 verbunden sein, die mechanisch mit einem Satz Räder 22 verbunden ist. Die elektrischen Maschinen 14 können Antriebs- und Abbremsfähigkeit bereitstellen, wenn der Motor 18 an- oder ausgeschaltet wird. Die elektrischen Maschinen 14 können auch als Generatoren dienen und sie können Kraftstoffverbrauchsvorteile bereitstellen, indem Energie zurückgewonnen wird, die normalerweise als Hitze dem Reibungsbremssystem verloren gehen würde. Die elektrischen Maschinen 14 können ebenfalls reduzierte Schadstoffemissionen bereitstellen, da das Hybridelektrofahrzeug 12 unter bestimmten Bedingungen in einem Elektromodus oder einem Hybridmodus betrieben werden kann, um den Kraftstoffgesamtverbrauch des Fahrzeugs 12 zu reduzieren.
Eine Antriebsbatterie oder ein Batteriepack 24 speichert und stellt Energie bereit, die von den elektrischen Maschinen 14 verwendet werden kann. Die Antriebsbatterie 24 kann einen Hochspannungsgleichstromausgang aus einem oder mehreren Batteriezellenarrays, mitunter als Batteriezellenstapel bezeichnet, innerhalb der Antriebsbatterie 24 bereitstellen. Die Batteriezellenarrays können eine oder mehrere Batteriezellen umfassen. Die Antriebsbatterie 24 kann durch ein oder mehrere Schütze (nicht dargestellt) elektrisch mit einem oder mehreren Leistungselektronikmodulen 26 verbunden sein. Das eine oder die mehreren Schütze können die Antriebsbatterie 24 von anderen Komponenten, wenn sie geöffnet sind, isolieren und können die Antriebsbatterie 24 mit anderen Komponenten, wenn sie geschlossen sind, verbinden. Das Leistungselektronikmodul 26 kann ebenfalls elektrisch mit den elektrischen Maschinen 14 verbunden sein und stellt die Fähigkeit bereit, elektrische Energie bidirektional zwischen der Antriebsbatterie 24 und den elektrischen Maschinen 14 zu übertragen. Beispielsweise kann die Antriebsbatterie 24 eine Gleichspannung bereitstellen, während die elektrischen Maschinen 14 eine Dreiphasenwechselspannung erfordern können, um zu funktionieren. Das Leistungselektronikmodul 26 kann die Gleichspannung in eine Dreiphasenwechselspannung umwandeln, wie durch die elektrischen Maschinen 14 gefordert. In einem Regenerationsmodus kann das Leistungselektronikmodul 26 die Dreiphasenwechselspannung aus den elektrischen Maschinen 14, die als Generatoren fungieren, in die Gleichspannung umwandeln, die durch die Antriebsbatterie 24 gefordert wird. Abschnitte der hier bereitgestellten Beschreibung gelten gleichermaßen für ein rein elektrisches Fahrzeug. Für ein rein elektrisches Fahrzeug kann das Hybridgetriebe 16 ein Getriebekasten sein, der mit einer elektrischen Maschine 14 verbunden ist, und der Motor 18 kann nicht vorhanden sein.
Neben dem Bereitstellen von Energie für den Antrieb kann die Antriebsbatterie 24 Energie für weitere elektrische Fahrzeugsysteme bereitstellen. Ein Gleichspannungswandlermodul 28 kann einen Hochspannungsgleichstromausgang der Antriebsbatterie 24 in eine Niederspannungsgleichstromversorgung umwandeln, die mit anderen Fahrzeuglasten kompatibel ist. Andere Hochspannungslasten, wie zum Beispiel Kompressoren und elektrische Heizgeräte, können ohne die Verwendung des Gleichspannungswandlermoduls 28 direkt mit dem Hochspannungsgleichstromausgang verbunden sein. Die Niederspannungssysteme können elektrisch mit einer Hilfsbatterie 30 verbunden sein (z. B. eine 12-V-Batterie).
Ein elektrisches Batteriesteuermodul (BECM) 33 kann mit der Antriebsbatterie 24 in Verbindung stehen. Das BECM 33 kann als eine Steuerung für die Antriebsbatterie 24 fungieren und kann außerdem ein elektronisches Überwachungssystem umfassen, das die Temperatur und den Ladestatus für jede der Batteriezellen verwaltet. Die Antriebsbatterie 24 kann über einen Temperatursensor 31 wie etwa einen Thermistor oder anderen Temperaturanzeiger verfügen. Der Temperatursensor 31 kann mit dem BECM 33 in Verbindung stehen, um Temperaturdaten in Bezug auf die Antriebsbatterie 24 bereitzustellen. Der Temperatursensor 31 kann ebenfalls an den oder in der Nähe der Batteriezellen innerhalb der Antriebsbatterie 24 angeordnet sein. Es wird ebenfalls in Betracht gezogen, dass mehr als ein Temperatursensor 31 zum Überwachen der Temperatur der Batteriezellen verwendet werden kann.
Das Fahrzeug 12 kann ein elektrifiziertes Fahrzeug sein, welches Komponenten eines PHEV, eines FHEV, eines MHEV oder eines BEV beinhaltet. Die Antriebsbatterie 24 kann durch eine externe Energiequelle 36 wieder aufgeladen werden. Die externe Energiequelle 36 kann eine Verbindung zu einer Steckdose sein. Die externe Energiequelle 36 kann elektrisch mit einem Elektrofahrzeugversorgungsgerät (EVSE) 38 verbunden sein. Das EVSE 38 kann eine Schaltung und Steuerelemente bereitstellen, um die Übertragung von elektrischer Energie zwischen der Energiequelle 36 und dem Fahrzeug 12 zu regulieren und zu verwalten. Die externe Energiequelle 36 kann dem EVSE 38 elektrische Leistung als Gleichstrom oder Wechselstrom bereitstellen. Das EVSE 38 kann einen Ladestecker 40 zum Einstecken in einen Ladeport 34 des Fahrzeugs 12 aufweisen. Der Ladeanschluss 34 kann jede Art von Anschluss sein, der ausgelegt ist, um Leistung von dem EVSE 38 an das Fahrzeug 12 zu übertragen. Der Ladeanschluss 34 kann elektrisch mit einer Ladestation oder einem fahrzeugseitigen Leistungsumwandlungsmodul 32 verbunden sein. Das Leistungsumwandlungsmodul 32 kann die Leistung konditionieren, die von dem EVSE 38 bereitgestellt wird, um der Antriebsbatterie 24 die richtigen Spannungs- und Strompegel bereitzustellen. Das Leistungsumwandlungsmodul 32 kann mit dem EVSE 38 eine Schnittstelle bilden, um die Leistungszufuhr an das Fahrzeug 12 zu koordinieren. Der EVSE-Stecker 40 kann Stifte aufweisen, die mit entsprechenden Aussparungen des Ladeports 34 zusammenpassen. Die unterschiedlichen erläuterten Komponenten können eine oder mehrere damit verknüpfte Steuerungen umfassen, um den Betrieb der Komponenten zu steuern und zu überwachen. Die Steuerungen können über einen seriellen Bus (z. B. ein Controller Area Network (CAN), Local Interconnect Network (LIN) oder Ethernet) oder über separate Leiter kommunizieren.
Aktuelle Beispiele für thermische Verwaltungsanordnungen für elektrische Maschinen können ölbasierte Kühlmittel oder polares Fluid wie etwa nicht leitendes, wasserbasiertes Fluid in Abschnitte der elektrischen Maschine für Kühlzwecke einleiten. Das Öl oder Fluid kann auf Drahtwickelköpfe der elektrischen Maschine getropft oder gesprüht werden oder kann innerhalb des Stators strömen. Diese Vorgehensweise kann jedoch aufgrund einer Ungleichmäßigkeit eines Kühlmittelstroms, wie auf die Wickelköpfe und den Stator aufgetragen, nicht sehr effektiv beim Kühlen der Wickelköpfe und des Stators sein. Eine luftgekühlte thermische Verwaltungsanordnung ist ein weiteres Beispiel für eine Anordnung zum Unterstützern der Verwaltung von thermischen Zuständen einer elektrischen Maschine.
In diesem Beispiel kann ein Lüfter oder Gebläse neben den Wickelköpfen und Kühlkanälen angeordnet sein, um ein Fluid wie etwa Luft oder eine Flüssigkeit für Kühlzwecke dahin zu drücken.
1B zeigt ein Beispiel für eine elektrische Maschine für ein elektrifiziertes Fahrzeug, das hier im Allgemeinen als eine elektrische Maschine 100 bezeichnet wird. Die elektrische Maschine beinhaltet einen Statorkern 102 mit Statorzähnen 104 und Spalten 105 zwischen den Statorzähnen 104 und einen Rotor 106. Statorwicklungen befinden sich in dem Spalt 105 und die Statorwicklungen sind um jeden Statorzahn 104 gewickelt, sodass in dem Statorzahn ein Feld erzeugt ist, um mit dem Rotor 106 zusammenzuwirken. Grundlegend enthält eine elektrische Maschine Pole, zum Beispiel hat eine zweipolige elektrische Maschine ein einzelnes Paar von Magnetpolen (Norden und Süden) und wird typischerweise als ein 2-poliger Motor bezeichnet. In einigen Ausführungsformen sind die Statorwicklungen der Nordpol und der Südpol und eine reihe von Statorwicklungen kann eine angemessene Anzahl von Polen in Bereich von 2 bis 12, wie etwa 4, 6 oder 8 Pole, sein. Typischerweise sind Motoren nicht mit mehr als 12 Polen ausgelegt. Zusammen mit einer Anzahl von Polen kann eine elektrische Maschine eine Reihe von einer Anzahl von Statorzähnen 104 haben, zum Beispiel kann der Bereich der Anzahl von Statorzähnen 104 einer elektrischen Maschine häufig von 6 bis 48 Statorzähnen 104 reichen, wie etwa 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 und andere Vielfache von 3, und kann in einigen Konfigurationen höher ausfallen. Eine elektrische Maschine mit 48 Statorzähnen ist typischerweise so ausgelegt, dass jeder Zahn von dem vorhergehenden Zahn um etwa 7,5 Grad versetzt ist, wodurch Kanäle dazwischen bereitgestellt werden, um darin einen Strom von Fluid zu leiten.
Elektrifizierte Fahrzeuge können zwei elektrische Maschinen beinhalten. Eine der elektrischen Maschinen kann primär als ein Motor fungieren und die andere kann primär als ein Generator fungieren. Der Motor kann betrieben werden, um Elektrizität in mechanische Energie umzuwandeln, und der Generator kann betrieben werden, um mechanische Energie in Elektrizität umzuwandeln. Häufig kann eine elektrische Maschine jedoch sowohl als ein Generator als auch als ein Motor betrieben werden. Eine elektrische Maschine beinhaltet einen Statorkern 102 und einen Rotor 106. Der Statorkern 102 kann einen Umfang 108 der kreisförmigen Öffnung basierend auf einem Innendurchmesser des Stators und einen Hohlraum 110 definieren. Der Rotor 106 kann dazu bemessen sein, in den Hohlraum 110 zu passen und dort betrieben zu werden. Eine Welle (nicht dargestellt) kann betriebsfähig mit dem Rotor 106 zum Antreiben von Drehung davon um eine zentrale Achse 109 verbunden sein. Wenn der Rotor 106 innerhalb des Hohlraums 110 angeordnet ist, wird ein Spalt zwischen einer Oberfläche der Statorzähne 104 und einem Außendurchmesser des Rotors 106 gebildet. Die Oberfläche der Statorzähne bildet einen Umfang 108 um eine zentrale Achse 109 der elektrischen Maschine 100, wobei der Umfang den Hohlraum 110 definiert, der so bemessen ist, dass der Rotor 106 in den Hohlraum 110 passt, wodurch ein Spalt zwischen einer Außenfläche des Rotors 106 und einem inneren Umfang des Stators, definiert durch einen durch die Statorzähne gebildeten Innendurchmesser, erzeugt wird.
Die Wicklungen 120 können innerhalb der Spalte 105 des Statorkerns 102 angeordnet sein. In einer elektrischen Maschine, die als ein Motor betrieben wird, kann zum Beispiel Strom zu den Wicklungen 120 geleitet werden, um ein Magnetfeld zu induzieren, das eine Drehkraft an dem Rotor 106 erzeugt. Alternativ kann die elektrische Maschine als ein Generator ausgelegt werden, sodass durch eine Drehung eines elektrischen Felds von dem Rotor 106 ein Strom in den Wicklungen 120 induziert wird. Abschnitte der Wicklungen 120, die hier als Wickelköpfe 126 bezeichnet werden, können aus dem Hohlraum 110 hervorragen. Während des Betriebs der elektrischen Maschine 100 kann Wärme entlang der Spalte 105 zwischen den Statorzähnen 104, in denen Wicklungen 120 verlaufen, und an den Wickelköpfen 126 erzeugt werden. Die Wicklungen 120 leiten einen Strom, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das durch die Statorzähne 104 geleitet wird, um an dem Rotor 106 eine Kraft anzulegen. Um Wärme, die in den Wicklungen 120 erzeugt wird, die sich entlang der Spalte 105 zwischen den Statorzähnen 104 und an den Wickelköpfen 126 befinden, zu entfernen, kann ein Kühlmittel von einem Kühler um und durch den Stator 102 und zurück zum Kühler strömen.
Hier kann die Anwendung eines abweisenden Mittels auf der Oberfläche der Statorzähne 104 (d. h. dem Innendurchmesser des Hohlraums) und auf der Oberfläche des Außendurchmessers des Rotors dazu verwendet werden, die Reibung des Rotors 106, der sich innerhalb des Hohlraums 110 dreht, zu verringern. Durch Erhöhen des Kontaktwinkels wird der Bereich, in dem das Fluid Kontakt mit den Oberflächen hat, reduziert, wodurch die Reibung reduziert wird. In einer weiteren Ausführungsform wird ein abweisendes Mittel wie etwa ein oleophobes, superoleophobes, hydrophobes oder superhydrophobes Mittel auf die Oberfläche der Statorzähne 104 aufgebracht, während eine Benetzungsbeschichtung wie etwa eine oleophile, superoleophile, hydrophile oder superhydrophile Beschichtung auf die Wicklungen, die sich in den Spalten 105 zwischen den Statorzähnen 104 befinden, aufgebracht wird. Diese Konfiguration erzeugt durch die Spalten 105 zwischen den Statorzähnen 104 Kanäle, während Fluid aus dem Raum zwischen den Statorzähnen 104 und der Oberfläche des Rotors 106 abgewiesen wird. Ferner kann in einer weiteren Ausführungsform durch Linien einer Beschichtung an dem Rotor 606 eine spiralförmige Spirale gebildet werden, um eine Konfiguration einer archimedischen Schraube zu erzeugen, wodurch die Bewegung von Fluid in den Kanälen, die in den Spalten 105 zwischen den Statorzähnen 104 gebildet sind, zu fördern.
1C zeigt ein beispielhaftes Gehäuse zum Aufbewahren von Fahrzeugkomponenten, das hier als ein Gehäuse 130 bezeichnet wird. Beispiele für Fahrzeugkomponenten, die innerhalb des Gehäuses 130 aufbewahrt werden können, beinhalten eine elektrische Maschine wie etwa die elektrische Maschine 100 oder ein Fahrzeuggetriebe. Eine Abdeckung 140 kann an dem Gehäuse 130 gesichert sein. Die Abdeckung 140 kann eines oder mehrere Merkmale einer äußeren Oberfläche 151 der Abdeckung 140 definieren, um das Steuern der thermischen Bedingungen der Wickelköpfe 139 und des darin enthaltenen Fluids zu unterstützen. 1D zeigt eine Querschnittsansicht eines Abschnitts von 3A. Die Abdeckung 140 kann so mit einen Statorkern 141 angeordnet sein, dass ein Kanal 149 durch die Abdeckung 140 definiert ist, um die Wickelköpfe 139 aufzunehmen, die vom Statorkern 141 hervorragen. Zum Beispiel kann der durch die Abdeckung 140 definierte Kanal 149 so bemessen sein, dass die Wickelköpfe 139, die von dem Statorkern 141 hervorstehen, darin angeordnet sein können. Ein Rotor 155 kann mit den Statorkern 141 wirkverbunden sein und dazu ausgelegt sein, sich frei in einem Hohlraum, der durch den Statorkern gebildet wird, zu drehen. In dieser Querschnittsansicht wird ein Luftspalt 112 zwischen dem Rotor 155 und dem Statorkern 141 und insbesondere zwischen dem Außendurchmesser des Rotors 155, der auch als die Außenfläche werden kann, und dem Innendurchmesser der Zähne des Statorkerns 141 gebildet. Typischerweise ist der Luftspalt 112 sehr klein, um die Interaktion des Magnetfelds des Rotors 155 und des Statorkerns 141 zu maximieren. Der Luftspalt 112 kann auch so ausgelegt sein, dass eine oder mehrere Beschichtungen wie etwa eine (super-)hydrophoben Beschichtung oder eine (super-)oleophoben Beschichtung auf den Außendurchmesser des Rotors 155 und den Innendurchmesser der Zähne des Statorkerns 141 aufgebracht werden können und es dem Rotor 155 immer noch ermöglichen, sich innerhalb des Statorkerns 141 frei zu drehen.
Hier, das Auftragen von einer Beschichtung oder Beschichtungen, um Kühlmittelverteilung auf einer elektronischen Vorrichtung, wie zum Beispiel eine elektrische Maschine oder ein Leistungsumrichter, zu beeinflussen, zu verändern und/oder zu regeln. Die Beschichtung(en) kann/können eine (super)hydrophobe, eine (super)oleophobe Beschichtung, eine (super)hydrophile oder eine (super)oleophile Beschichtung sein. Hydrophobe und oleophobe Beschichtungen sind jene, die Wasser bzw. Öl abweisen oder einen sehr hohen Kontaktwinkel damit aufweisen. Hydrophile und oleophile Beschichtungen sind jene, die Wasser bzw. Öl anziehen oder einen sehr niedrigen Kontaktwinkel damit aufweisen. Unter Bezugnahme auf 2 wird eine Veranschaulichung eines Wasser- oder Öltröpfchens 202 (z. B. Automatikgetriebefluid, ATF) auf einer superhydrophoben/-oleophoben Beschichtung 204 gezeigt. Wie gezeigt, bildet das Tröpfchen 202 aufgrund seines Abstoßungsvermögens eine fast perfekte Kugel auf der Beschichtung aus. Superhydrophobe/-oleophobe Beschichtungen können bewirken, dass Wasser-/Öltröpfchen Kontaktwinkel von 140 Grad oder mehr mit der Beschichtung ausbilden. Im Gegensatz dazu ist 3 eine Veranschaulichung eines Wasser- oder Öltröpfchens 302 (z. B. Automatikgetriebefluid, ATF) auf einer superhydrophilen/-oleophilen Beschichtung 304 gezeigt. Tröpfchen breiten sich auf superhydrophilen und -oleophilen Beschichtungen aus und bilden eine fast gleichmäßige Schicht über der Beschichtung. Superhydrophile/-oleophile Beschichtungen können bewirken, dass Wasser-/Öltröpfchen Kontaktwinkel von 25 Grad oder weniger mit der Beschichtung ausbilden.
Das Fluid kann ein Schmierfluid wie etwa Automatikgetriebefluid (ATF), Motoröl oder ein Kühlmittel für den Kühler beinhalten. ATF ist für ein Getriebe und die speziellen Anforderungen des Getriebes wie etwa Ventilbetrieb, Bremsbandreibung und Drehmomentwandlerbetrieb, sowie allgemeine Zahnradschmierung optimiert. In einigen Ausführungsformen eines Getriebes wird ein Getriebekühler verwendet, um ein Kühlen des Getriebefluids und der Komponenten zu unterstützen. Häufig werden Reibungsmodifizierer zu Schmiermitteln wie etwa ATF hinzugefügt, um die Oberflächenreibung der geschmierten Teile zu reduzieren. Typische Reibungsmodifizierer sind polare chemische Verbindungen, die eine hohe Affinität für Metalloberflächen haben und über lange Alkylketten verfügen. Zum Beispiel ist Glycerolmonooleat ein gängiges Beispiel für einen Reibungsmodifizierer.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung können alle geeigneten hydrophoben, oleophoben, superhydrophoben oder superoleophoben Beschichtungen verwendet werden. Im Allgemeinen können derartige Beschichtungen einen hohen Kontaktwinkel mit dem Wasser oder den Ölen aufweisen. Hydrophobe/oleophobe Materialien können im Allgemeinen jene sein, die einen Kontaktwinkeln von zumindest 90 Grad ausbilden, wie zum Beispiel zumindest 100, 110, 120, 130 oder 140 Grad, während superhydrophobe/-oleophobe Materialien im Allgemeinen jene sein können, die einen Kontaktwinkel mit Wasser/Öl von zumindest 140 Grad, wie etwa zumindest 145, 150, 155, 160 oder 170 Grad ausbilden. Die Beschichtungen können aufgrund einer Oberflächenstruktur im Nanobereich derartig hohe Kontaktwinkel ausbilden. Zum Beispiel kann die Oberfläche der Beschichtung in sehr kleinen Vorsprüngen bedeckt sein, wodurch die Beschichtung im Nanobereich rau wird. Die Zwischenräume zwischen den Vorsprüngen können Luft fangen und sie energetisch nachteilig für Flüssigkeiten zum Benetzen der Oberfläche machen. Gleichermaßen können in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung alle geeigneten hydrophilen, oleophilen, superhydrophilen oder superoleophilen Beschichtungen verwendet werden. Im Allgemeinen können derartige Beschichtungen einen niedrigen Kontaktwinkel mit dem Wasser oder den Ölen aufweisen. Hydrophile/oleophile Materialien können im Allgemeinen jene sein, die einen Kontaktwinkeln von höchsten 50 Grad ausbilden, wie zum Beispiel höchsten 45, 40, 35 oder 30 Grad, während superhydrophile/-oleophile Materialien im Allgemeinen jene sein können, die einen Kontaktwinkel mit Wasser/Öl von 25 Grad oder weniger, wie etwas höchstens 20, 15 oder 10 Grad, ausbilden. Als ein Beispiel sind einige fluorierte Verbindungen wie etwa Fluorcarbone und fluorierte Polymere sowohl oleophob als auch hydrophob, wie etwa Polytetrafluorethylen.
Beispiele für verschiedene (super-)hydrophobe/oleophobe und (super-)hydrophile/oleophile Zusammensetzungen und Behandlungsmethoden sind in den US-Patentanmeldungen Nr. 2013/0109261, 2012/0009396, 2010/0314575, 2012/0045954 und 2006/0029808 und auch in US-Pat. Nr. 8,007,638 , 6,103,379 , 6,645,569 , 6,743,467 , 7,985,451 , 8,187,707 , 8,202,614 , 7,998,554 , 7,989,619 , 5,042,991 , 8,361,176 , 8,258,206 , 6,458,867 , 6,503,958 und 6,723,378 und auch in Internationaler Veröffentlichung Nr. WO2013/058843 , deren Offenbarungen hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind, bereitgestellt.
Die (super)hydrophobe/-oleophobe Beschichtung kann unter Verwendung jedes geeigneten Verfahrens, welches von der Zusammensetzung der Beschichtung selbst abhängig sein kann, auf die elektronische Vorrichtung aufgetragen werden. In einer Ausführungsform kann die Beschichtung durch Sprühen aufgetragen werden. In einer anderen Ausführungsform kann die Beschichtung unter Verwendung einer Form von Abscheidung, wie zum Beispiel physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) oder chemische Gasphasenabscheidung (CVD), aufgetragen werden. In einer anderen Ausführungsform kann die Beschichtung physikalisch auf die elektronische Vorrichtung übertragen werden, wie zum Beispiel durch Walzen oder Pinselauftrag. Unabhängig von dem Auftragungsverfahren können Schablonen verwendet werden, um nur bestimmte gewünschte Flächen oder Bereiche zu beschichten.
2 ist eine Veranschaulichung eines Tröpfchens eines Fluids 202 auf einer Beschichtung 204, wie etwa ein Wassertröpfchen auf einer superhydrophoben Beschichtung oder ein Öltröpfchen aus einer superoleophoben Beschichtung, das einen Kontaktwinkel zwischen der Oberfläche und dem Fluid von zumindest 140 Grad erzeugt. Diese Veranschaulichung und das Maß des Winkels können unter Verwendung eines Kontaktwinkelgoniometers wie etwa einem Kontaktwinkelgoniometer der Reihe SL150, entwickelt von USA KINO, bereitgestellt und gemessen werden.
3 ist eine Veranschaulichung eines Tröpfchens eines Fluids 302 auf einer Beschichtung 304, wie etwa ein Wassertröpfchen auf einer superhydrophilen Beschichtung oder ein Öltröpfchen aus einer superoleophilen Beschichtung, das einen Kontaktwinkel zwischen der Oberfläche und dem Fluid von weniger als 25 Grad erzeugt.
Unter Bezugnahme auf die 4 und 5 werden ein veranschaulichendes Beispiel und ein Experimentalbeispiel einer hydrophoben/oleophoben Beschichtung gezeigt, die einen Strömungspfad 402 für eine Flüssigkeit, wie zum Beispiel ein Kühlmittel (z. B. Wasser oder ATF), ausbildet. Der Strömungspfad 402 kann durch eine/n oder mehrere Linien, Streifen, Schichten oder Flächen 404 der abweisenden Beschichtung ausgebildet sein. Hier wird ein Kanal zwischen einer ersten abweisenden Beschichtung 404A und einer zweiten abweisenden Beschichtung 404B gebildet. In dem in 4 gezeigten Beispiel bilden zwei voneinander beabstandete Linien 404A, 404B den Strömungspfad 402 aus. Die Linien 404 können gleichmäßig beabstandet sein, um einen Strömungspfad 402 mit einer konstanten oder im Wesentlichen konstanten Breite auszubilden. In anderen Ausführungsformen kann der Strömungspfad 402 jedoch eine nicht konstante Breite aufweisen. Die Linien 404 können ausgelegt sein, um einen Strömungspfad 402 mit einer beliebigen Form oder einem beliebigen Muster auszubilden. In der in 4 gezeigten Ausführungsform bilden die Linien 404A, 404B einen Zick-Zack-Strömungspfad, der ebenfalls als ein sinusförmiger, serpentinenförmiger, gewundener oder oszillierender Strömungspfad bezeichnet werden kann.
In zumindest einer Ausführungsform kann/können die Linie(n) 404 der abweisenden Beschichtung den Strömungspfad 402 ohne beliebige erhöhte Wände oder versenkte/eingeschnittene Kanäle ausbilden. Das heißt, der Strömungspfad 402 kann nur aufgrund des Abstoßungsvermögens der Flüssigkeit (z. B. Kühlmittel) von der Beschichtung ausgebildet werden. Die Verwendung von Linien, Streifen usw. der abweisenden Beschichtung kann daher Regelung oder Beeinflussung des Kühlmittelstroms ohne den Bedarf an relativ großen physischen Barrieren, wie zum Beispiel Kanalwände oder Kanalgraben oder -mulden, gestatten. Stattdessen kann eine dünne Beschichtung zum Regeln/Beeinflussen des Kühlmittelstroms verwendet werden. Wie in 5 gezeigt, kann die Beschichtung sehr dünn sein, um im Wesentlichen eben oder bündig mit der Oberfläche, auf die sie aufgetragen wurde, relativ zu der Höhe des zu regelnden Kühlmittels zu sein. Zum Beispiel kann die Beschichtung eine Dicke von weniger als 1 mm aufweisen, wie zum Beispiel weniger als 500 µm, 250 µm, 100 µm, 50 µm, 25 µm oder 15 µm.
In zumindest einer Ausführungsform kann zusätzlich zu der/den Linie(n) 404 der abweisenden Beschichtung ebenfalls eine hydrophile oder oleophile Beschichtung 406 aufgetragen werden, um den Strömungspfad 402 auszubilden. In einer Ausführungsform kann zumindest ein Abschnitt der Fläche des Strömungspfads 402 mit der hydrophilen oder oleophilen Beschichtung (hier nachfolgend „Benetzungsbeschichtung“) beschichtet werden. Zum Beispiel kann die gesamte Fläche des Strömungspfads 402 mit der Benetzungsbeschichtung beschichtet werden. In einer anderen Ausführungsform können Linien der Benetzungsbeschichtung in dem Strömungspfad 402 aufgetragen werden. Zum Beispiel können Linien aufgetragen werden, die parallel zu den Linien 404 der abweisenden Beschichtung sind. Dementsprechend kann die Benetzungsbeschichtung weiter dabei helfen, den Strom eines Kühlmittels in dem Strömungspfad zu regeln. Die Linien 404 der abweisenden Beschichtung können eine Außengrenze des Strömungspfads 402 ausbilden, während die Benetzungsbeschichtung 406 fördert, dass das Kühlmittel darüber in die gewünschte Richtung strömt.
Die in Bezug auf die 4–5 gezeigten und beschriebenen Beispiele einer Anwendung der Beschichtungen, die Strömungspfade, in welchen zwei voneinander beabstandete Linien oder Streifen von Beschichtung zum Ausbilden des Strömungspfads vorhanden sind betreffen, beinhalten Beschichtungen von einem Statorkern und einem Rotor. In einer Ausführungsform können Linien wie durch die Elemente 404A und 404B dargestellt auf einen Rotor angewendet werden. Die Linien können zu der Drehachse des Rotors parallel sein, oder die Linien können ein teilweises spiralförmiges Muster bilden, wie etwa eine archimedische Schraubenkonfiguration, um eine Bewegung eines Fluids über die Oberfläche des Rotors zu unterstützen, um ein Kühlen und eine Bewegung und ein Entfernen des Fluids von der/durch die elektrische Maschine zu unterstützen. Es können jedoch weniger Linien (z. B. eine) vorhanden sein oder es können mehr Linien (z. B. drei oder mehr) vorhanden sein, um den Strom einer Flüssigkeit, wie zum Beispiel Kühlmittel, zu regeln. Zum Beispiel kann eine einzelne Linie 404A auf eine Oberfläche aufgetragen werden, um zu verhindern, dass der Flüssigkeitsstrom diese Linie passiert, oder dies zu reduzieren und/oder um die Flüssigkeit auf einer Seite der Linie zu halten. In anderen Beispielen können drei oder mehr Linien 404A und 404B auf eine Oberfläche aufgetragen werden, um mehrere Strömungspfade 402 zu erzeugen. In einer Ausführungsform kann ein einzelner Strömungspfad 402 in mehrere Strömungspfade aufgeteilt werden, wie zum Beispiel zwei (zweigabelig), drei (dreigabelig) oder mehr Strömungspfade. Selbstverständlich können auch mehrere Sätze von Linien 404A und 404B verwendet werden, um eine Vielzahl von getrennten Strömungspfaden 402 auszubilden. Gleichermaßen können Linien, Schichten oder Streifen der Benetzungsbeschichtung 406 aufgetragen werden, um Kühlmittel anzuziehen oder dazu anzuregen, in einer Richtung oder einem Pfad der Beschichtung 406 zu strömen. Die Benetzungsbeschichtung 406 kann zusammen mit der abweisenden Beschichtung für noch bessere Regelung des Kühlmittelstroms verwendet werden.
In zumindest einer Ausführungsform kann die abweisende Beschichtung zum Ausbilden eines oder mehrerer Kühlmittelströmungspfade 402 auf einer elektrischen Maschine, wie zum Beispiel die elektrische Maschine 100, verwendet werden. Zum Beispiel kann die abweisende Beschichtung zum Ausbilden von Strömungspfaden 402 auf den Wicklungen 120, wie zum Beispiel die Wickelköpfe 126 einer elektrischen Maschine, verwendet werden. Während des Betriebs einer elektrischen Maschine kann Kühlmittel, wie zum Beispiel ein ölbasiertes Kühlmittel (z. B. ATF), auf die Wickelköpfe 126 geleitet werden, um Hitze davon zu entfernen. Das Kühlmittel kann in Abhängigkeit von der Gestaltung der konkreten elektrischen Maschine durch vielfältige Möglichkeiten auf die Wickelköpfe 126 geleitet werden. Bei einigen Gestaltungen kann Kühlmittel auf die Wickelköpfe 126 gepumpt oder anderweitig darauf abgegeben werden. Das Kühlmittel kann oben an den Wickelenden oder an einem oberen Abschnitt der Wickelenden eingebracht werden und durch Schwerkraft fallen gelassen werden, um durch/in die Kanäle zu strömen und gezogen zu werden, die zwischen den Statorzähnen gebildet sind und in denen Bewegung aufgrund der Drehung und Oberflächenspannung der Beschichtungen erfolgt, um den Rotor und den Statorkern zu kühlen.
6 zeigt ein Beispiel für eine elektrische Maschine für ein elektrifiziertes Fahrzeug, das hier im Allgemeinen als eine elektrische Maschine 600 bezeichnet wird. Die elektrische Maschine beinhaltet einen Statorkern 602 mit Statorzähnen 604 und Spalten 605 zwischen den Statorzähnen 604 und einen Rotor 606. Statorwicklungen befinden sich in dem Spalt 605 und die Statorwicklungen sind um jeden Statorzahn 604 gewickelt, sodass in dem Statorzahn ein Feld erzeugt ist, um mit dem Rotor 606 zusammenzuwirken. Ähnlich 1B enthält eine elektrische Maschine Pole, zum Beispiel hat eine zweipolige elektrische Maschine ein einzelnes Paar von Magnetpolen (Norden und Süden) und wird typischerweise als ein 2-poliger Motor bezeichnet. In einigen Ausführungsformen sind die Statorwicklungen der Nordpol und der Südpol und eine reihe von Statorwicklungen kann eine angemessene Anzahl von Polen in Bereich von 2 bis 12, wie etwa 4, 6 oder 8 Pole, sein. Typischerweise sind Motoren nicht mit mehr als 12 Polen ausgelegt. Zusammen mit einer Anzahl von Polen kann eine elektrische Maschine eine Reihe von einer Anzahl von Statorzähnen 604 haben, zum Beispiel kann der Bereich der Anzahl von Statorzähnen 604 einer elektrischen Maschine häufig von 6 bis 48 Statorzähnen 604 reichen, wie etwa 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 und andere Vielfache von 3, und kann in einigen Konfigurationen höher ausfallen. Eine elektrische Maschine mit 48 Statorzähnen ist typischerweise so ausgelegt, dass jeder Zahn von dem vorhergehenden Zahn um etwa 7,5 Grad versetzt ist.
Elektrifizierte Fahrzeuge können zwei elektrische Maschinen beinhalten und häufig kann eine elektrische Maschine sowohl als ein Generator als auch als ein Motor betrieben werden. In einigen Ausführungsformen kann eine der elektrischen Maschinen jedoch effizienter als ein Motor fungieren und die andere kann effizienter als ein Generator fungieren. Der Motor kann betrieben werden, um Elektrizität in mechanische Energie umzuwandeln, und der Generator kann betrieben werden, um mechanische Energie in Elektrizität umzuwandeln. Der Statorkern 602 kann einen Umfang 608 basierend auf einem Innendurchmesser des Stators und einen Hohlraum 610 definieren. Der Rotor 606 kann dazu bemessen sein, in den Hohlraum 610 zu passen und dort betrieben zu werden. Eine Welle (nicht dargestellt) kann betriebsfähig mit dem Rotor 606 zum Antreiben von Drehung davon um eine zentrale Achse 609 verbunden sein. Wenn der Rotor 606 innerhalb des Hohlraums 610 angeordnet ist, wird ein Spalt zwischen einer Oberfläche der Statorzähne 604 und einem Außendurchmesser des Rotors 606 gebildet. Die Oberfläche der Statorzähne bildet einen Umfang 608 um eine zentrale Achse 609 der elektrischen Maschine 600, wobei der Umfang den Hohlraum 610 definiert, der so bemessen ist, dass der Rotor 606 in den Hohlraum 610 passt, wodurch ein Spalt zwischen einer Außenfläche des Rotors 606 und dem Innendurchmesser des Stators, wie definiert durch die Statorzähne, erzeugt wird.
Die Wicklungen können innerhalb der Spalte 605 des Statorkerns 602 angeordnet sein. In einer elektrischen Maschine, die als ein Motor betrieben wird, kann zum Beispiel Strom zu den Wicklungen geleitet werden, um ein Magnetfeld zu induzieren, das eine Drehkraft an dem Rotor 606 erzeugt. Alternativ kann die elektrische Maschine als ein Generator ausgelegt werden, sodass durch eine Drehung eines elektrischen Felds von dem Rotor 606 ein Strom in den Wicklungen induziert wird. Während des Betriebs der elektrischen Maschine 100 kann Wärme entlang der Spalte 605 zwischen den Statorzähnen 604, in denen Wicklungen verlaufen. Die Wicklungen leiten einen Strom, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das durch die Statorzähne 604 geleitet wird, um an dem Rotor 606 eine Kraft anzulegen. Um Wärme, die in den Wicklungen erzeugt wird, die sich entlang der Spalte 605 zwischen den Statorzähnen 604 befinden, zu entfernen, kann ein Kühlmittel von einem Kühler um und durch den Stator 602 und zurück zum Kühler strömen.
Hier kann die Anwendung eines abweisenden Mittels auf der Oberfläche der Statorzähne 604 (d. h. dem Innendurchmesser des Hohlraums) und auf der Oberfläche des Außendurchmessers des Rotors 606 dazu verwendet werden, die Reibung des Rotors 606, der sich innerhalb des Hohlraums 610 dreht, zu verringern. Durch Erhöhen des Kontaktwinkels wird der Bereich, in dem das Fluid Kontakt mit den Oberflächen hat, reduziert, wodurch die Reibung reduziert wird. In einer weiteren Ausführungsform wird ein abweisendes Mittel wie etwa ein oleophobes, superoleophobes, hydrophobes oder superhydrophobes Mittel auf eine Oberfläche der Statorzähne 604 entlang des Umfangs 608, definiert durch den Innendurchmesser, aufgebracht, während eine Benetzungsbeschichtung wie etwa eine oleophile, superoleophile, hydrophile oder superhydrophile Beschichtung auf die Wicklungen, die sich in den Spalten 605 zwischen den Statorzähnen 604 befinden, aufgebracht wird. Diese Konfiguration erzeugt einen Kanal in den Spalten 605 zwischen den Statorzähnen 604, während Fluid aus dem Raum zwischen den Statorzähnen 604 und der Oberfläche des Rotors 606 abgewiesen wird. Ferner liegt die Ausrichtung der Statorzähne 604 in einem Winkel 612A in Bezug auf die zentrale Achse 609 des Statorkerns 602. Der Winkel 612A der Statorzähne 604 resultiert in einem gleichen Winkel von Kanälen, die zwischen den Statorzähnen 604 in den Spalten 105, in denen die Wicklungen verlaufen, gebildet sind. Der Winkel 612A ist so, dass die Statorzähne 604 eine teilweise spiralförmige Oberfläche bilden, auf die das abweisende Mittel aufgetragen wird. Die teilweise spiralförmige Oberfläche des Winkels 612A verbessert auch den Strom eines Fluids, das in dem Luftspalt zwischen dem Rotor 606 und dem Innendurchmesser der Oberfläche der Statorzähne 604 eingefangen ist. Gleichermaßen hat der Rotor 606 einen entsprechenden Winkel 612B, der dem Winkel 612A der Statorzähne entspricht. Die Winkel 612A und 612B des Rotors 606 und der Statorzähne 604 können kleiner als 20 Grad sein, wie etwa kleiner als oder gleich 15, 10, 5, 2 oder 1 Grad. Ferner kann in einer weiteren Ausführungsform durch Linien einer Beschichtung an dem Rotor 606 eine spiralförmige Spirale gebildet sein, um eine Konfiguration einer archimedischen Schraube zu erzeugen, wodurch die Bewegung von Fluid in den Kanälen, die in den Spalten 605 zwischen den Statorzähnen 604 gebildet sind, zu fördern.
Die abweisende Beschichtung kann ebenfalls verwendet werden, um zu verhindern, dass eine Flüssigkeit (z. B. ein Kühlmittel wie Wasser oder Öl) durch Luftspalten zwischen beiden Oberflächen fällt oder strömt. Die beiden Oberflächen können Oberflächen einer elektrischen Maschine, wie zum Beispiel der elektrischen Maschine, sein. Zum Beispiel können die Oberflächen die Oberfläche der Statorzähne und des Rotors sein.
Dementsprechend können (super)hydrophobe und/oder -oleophobe Beschichtungsmaterialien und/oder (super)hydrophile oder -oleophile Beschichtungsmaterialien zur thermischen Verwaltung elektrischer Maschinen eingesetzt werden. Die Verwendung dieser Beschichtungsmaterialien kann eine einheitliche Strömungsverteilung ohne (eine) zusätzliche Kühlmittelschleife(n) und Pumpleistung gestatten, was zusätzliche Kosten erfordern kann und zu Effizienzverlusten führen kann. Zusätzlich können die Beschichtungsmaterialien die Zuverlässigkeit der elektrischen Maschinen verbessern, indem lokalisierte heiße Stellen eliminiert werden und Leistungsverlust aufgrund der Senkung der Temperatur der Wickelköpfe reduziert wird. Darüber hinaus kann eine Reduzierung der Größe elektrischer Maschinen aufgrund der superhydrophob/-oleophob beschichteten Oberflächen realisiert werden.
Es wurde festgestellt, dass große Kurven in den Kühlmittelkanälen zu Bereichen oder Zonen führen können, in welchen das Kühlmittel stagniert und/oder rezirkuliert (z. B. Wirbel ausbildet). Diese Zonen, die hier als Rückführzonen bezeichnet werden, können aufgrund von niedrigen oder keinen Rutschzuständen bei den Kanalwänden resultieren. Diese Zustände können durch die Kurven mit relativ hohen Winkeln in den Kanälen verursacht werden. Die Rückführzonen können in der/den Ecke(n) einer Kurve mit hohem Winkel auftreten. Dementsprechend kann ein Teil des Kühlmittels in den Rückführzonen während des Betriebs der Kälteplatte stecken bleiben und die Effektivität und/oder Effizienz der Kälteplatte reduzieren. Ferner kann die Verwendung einer teilweise spiralförmigen Oberfläche der Statorzähne dabei behilflich sein, den Strom entlang der Kanäle innerhalb des Statorkerns 602 der Kanäle in den Spalten 605 zwischen den Statorzähnen 604 zu verbessern und zu leiten.
Ähnlich wie oben in Bezug auf die 4–5 beschrieben, kann eine Benetzungsbeschichtung ebenfalls in den Strömungskanälen aufgetragen werden, um Kühlmittel weiter dazu anzutreiben, dadurch zu strömen. Zum Beispiel kann die Benetzungsbeschichtung auf einen Abschnitt oder die Gesamtheit eines Kanals aufgetragen werden, wie zum Beispiel in der Form von Linien oder als eine kontinuierliche Schicht. In einer Ausführungsform kann die Benetzungsbeschichtung in einer bogenförmigen Richtung auf die Fläche aufgetragen werden, die durch die Strömungspfeile angezeigt wird. Die Benetzungsbeschichtung(en) kann/können daher den Kühlmittelstrom durch die Kanäle weiter erleichtern, sodass es in den Rückführzonen nicht stecken bleibt.
In zumindest einer Ausführungsform wurde herausgefunden, dass eine abweisende Beschichtung (z. B. hydrophob oder oleophob, oben beschrieben) als ein Zwischenraumfüller und/oder eine Barriere verwendet werden kann, um Querströmung von Kühlmittel zu verhindern. Schichten der abweisenden Beschichtung können auf die oberen Oberflächen der Statorzähne 104 oder 604 aufgetragen werden. Dementsprechend kann das Kühlmittel, selbst wenn Spalten zwischen den oberen Oberflächen der Statorzähne und des Rotors 106 oder 606 vorhanden sind, vom Laufen durch den Luftspalt abgehalten werden, indem es in Kanäle geleitet wird, die zwischen den Statorzähnen 104 oder 604 und den Spalten 105 oder 605 dazwischen gebildet sind. Zusätzlich zu oder anstatt des Auftragens der Beschichtung auf die oberen Oberflächen der Statorzähne 104 oder 604 kann die Beschichtung auf eine Seite der Statorzähne 104 oder 604 aufgetragen werden, um den Strom eines Fluids in Kanälen, die zwischen den Statorzähnen 104 oder 604 und den Spalten 105 oder 605 dazwischen gebildet sind, weiter zu fördern.
Dementsprechend können (super-)hydrophobe und/oder oleophobe Beschichtungsmaterialien und/oder (super-)hydrophile und/oder oleophile Beschichtungsmaterialien zur thermischen Verwaltung des Umrichters eingesetzt werden. Die Verwendung dieser Beschichtungsmaterialien kann eine einheitliche Verteilung des Stroms ermöglichen, ohne physische Kanalwände oder -stufen und Pumpleistung hinzuzufügen. Diese Hinzufügungen können die Kosten erhöhen, Druckverlust erhöhen und Effizienzverluste erhöhen. Zusätzlich können die Beschichtungen die Zuverlässigkeit des Umrichtersystems durch Eliminierung lokalisierter heißer Stellen und/oder Verringerung der Leistungsverluste aufgrund der Reduzierung der Komponententemperaturanstiege, die durch die lokalisierten heißen Stellen verursacht werden, verbessern.
Zwar wurden vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben, doch erfolgte dies nicht mit der Absicht, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke sind vielmehr beschreibende Ausdrücke als einschränkende Ausdrücke, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können die Merkmale unterschiedlicher umgesetzter Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen zu bilden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8007638 [0033]
US 6103379 [0033]
US 6645569 [0033]
US 6743467 [0033]
US 7985451 [0033]
US 8187707 [0033]
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US 7998554 [0033]
US 7989619 [0033]
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US 6503958 [0033]
US 6723378 [0033]
WO 2013/058843 [0033]

Claims

Elektrische Maschine umfassend: einen Stator, der eine kreisförmige Öffnung mit einem Innendurchmesser definiert; einen Rotor, der dazu ausgelegt ist, sich innerhalb der kreisförmigen Öffnung zu drehen, sodass ein Spalt zwischen dem Rotor und dem Stator gebildet wird; und eine oleophobe oder hydrophobe Beschichtung auf dem Rotor und dem Stator, die dazu ausgelegt ist, einen Kontaktwinkel zwischen einem Schmierfluid und dem Rotor und dem Stator in Kontakt damit zu erhöhen, um einen Strom des Fluids zu steuern.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei der Stator ferner eine Vielzahl von Zähnen mit einer Vielzahl von Oberflächen entlang des Innendurchmessers definiert, und wobei die Beschichtung einen Strom des Fluids in dem Spalt steuert.
Elektrische Maschine nach Anspruch 2, wobei der Stator ferner Zähne, die eine spiralförmige Oberfläche entlang des Innendurchmessers bilden, definiert, und wobei die Beschichtung einen Strom des Fluids entlang der teilweisen spiralförmigen Oberfläche steuert.
Elektrische Maschine nach Anspruch 2, wobei die oleophobe oder hydrophobe Beschichtung eine superoleophobe oder superhydrophobe Beschichtung ist, die einen Kontaktwinkel größer als 140° zwischen einem Tröpfchen des Fluids und einer Oberfläche entlang des Innendurchmessers des Stators bildet.
Elektrische Maschine nach Anspruch 2, wobei die oleophile oder hydrophile Beschichtung auf Wicklungen um die Zähne aufgetragen wird, um ein Magnetfeld in den Zähnen zu erzeugen, sodass ein Kanal zwischen oleophob oder hydrophob beschichteten Zähnen entlang der oleophilen oder hydrophilen Beschichtung gebildet wird, um den Strom des Fluids über die Wicklungen zu steuern.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung ein fluoriertes Polymer ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung Polytetrafluorethylen ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei das Fluid ein Automatikgetriebefluid ist.
Fahrzeugantriebsstrang, umfassend: einen Stator, der eine kreisförmige Öffnung mit einem Innendurchmesser definiert; einen Rotor, der dazu ausgelegt ist, sich innerhalb der kreisförmigen Öffnung zu drehen, sodass ein Spalt zwischen der Rotoroberfläche und dem Stator an dem Innendurchmesser gebildet wird; und ein abweisendes Mittel, das auf den Stator und die Rotoroberfläche beschichtet ist und dazu ausgelegt ist, den Strom des Fluids in dem Spalt zu steuern.
Fahrzeugantriebsstrang nach Anspruch 9, wobei das Fluid ein Automatikgetriebefluid ist.
Fahrzeugantriebsstrang nach Anspruch 9, wobei der Stator ferner eine Vielzahl von Zähnen mit einer Vielzahl von Oberflächen entlang des Innendurchmessers definiert, und wobei das abweisende Mittel einen Strom des Fluids in dem Spalt steuert.
Fahrzeugantriebsstrang nach Anspruch 11, wobei der Stator ferner Zähne, die eine spiralförmige Oberfläche entlang des Innendurchmessers bilden, definiert, und wobei das abweisende Mittel einen Strom des Fluids entlang der teilweisen spiralförmigen Oberfläche steuert.
Fahrzeugantriebsstrang nach Anspruch 12, wobei das abweisende Mittel eine superoleophobe oder superhydrophobe Beschichtung ist, die einen Kontaktwinkel größer als 140° zwischen einem Tröpfchen des Fluids und einer Oberfläche entlang des Innendurchmessers des Stators bildet.
Fahrzeugantriebsstrang nach Anspruch 12, wobei die oleophile oder hydrophile Beschichtung auf Wicklungen um die Zähne aufgetragen wird, um ein Magnetfeld in den Zähnen zu erzeugen, sodass ein Kanal zwischen oleophob oder hydrophob beschichteten Zähnen entlang der oleophilen oder hydrophilen Beschichtung gebildet wird, um den Strom des Fluids über die Wicklungen zu steuern.