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EINFÜHRUNG
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Der hier offenbarte Gegenstand bezieht sich im Allgemeinen auf elektrische Maschinen und insbesondere auf Systeme, Geräte und Verfahren zur Temperaturregelung von elektrischen Maschinen.
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Elektrische Maschinen werden häufig in Fahrzeugsystemen eingesetzt, um eine Vielzahl von Funktionen zu erfüllen. Beispiele für Fahrzeugsysteme, die elektrische Maschinen verwenden, sind Fahrzeugantriebe und Antriebssysteme für Türen, Fenster, Umweltkontrollsysteme und andere Komponenten eines Fahrzeugs.
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Temperaturregelungstechniken werden häufig eingesetzt, um die Temperatur einer elektrischen Maschine oder Teilen davon zu regeln. Verschiedene Kühlsysteme können verwendet werden, um Temperaturen und Temperaturgradienten zu steuern oder zu reduzieren, um eine Überhitzung zu verhindern, die die Leistung beeinträchtigen kann und dazu führt, dass die elektrische Maschine unterhalb der Spezifikationen arbeitet. Beispiele für Kühlsysteme sind Luft-, Wasser- und Ölkühlsysteme.
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Dementsprechend ist es wünschenswert, eine verbesserte Kühlvorrichtung oder ein verbessertes System für elektrische Maschinen vorzusehen.
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KURZBESCHREIBUNG
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In einer exemplarischen Ausführungsform beinhaltet eine Vorrichtung zum Kühlen einer elektrischen Maschine eine Vielzahl von Fluidkanälen, die in einer ersten Oberfläche angeordnet sind, die mindestens einen Teil der elektrischen Maschine umgibt, wobei die elektrische Maschine einen von einem zylindrischen Stator umgebenen Rotor beinhaltet, wobei der Rotor und der Stator eine zentrale Längsachse aufweisen. Die elektrische Maschine hat ein erstes Ende und ein zweites Ende, wobei das erste Ende einen ersten Umfang um die Längsachse und das zweite Ende dem ersten Ende gegenüberliegt und einen zweiten Umfang um die Längsachse definiert. Jeder der Vielzahl von Fluidkanälen definiert einen Umfangsweg in der ersten Oberfläche, einschließlich eines ersten Kanalabschnitts, der sich mindestens im Wesentlichen parallel zum ersten Umfang und zum zweiten Umfang erstreckt, und einschließlich eines zweiten Kanalabschnitts, der eingerichtet ist, um eine Kühlflüssigkeit zwischen einem zentralen Bereich der ersten Oberfläche und einem Endbereich der ersten Oberfläche zu leiten. Die Vorrichtung beinhaltet auch eine Außenschale, die eingerichtet ist, um die erste Oberfläche zu umgeben und eine fluiddichte Kammer zwischen der ersten Oberfläche und der Außenschale zu definieren, wobei sich die Vielzahl von Fluidkanälen in Umfangsrichtung durch die Kammer erstreckt, wobei die Außenschale mindestens einen Einlass aufweist, durch den die Kühlflüssigkeit in die Kammer eingeführt wird, und mindestens einen Ausgang, aus dem die Kühlflüssigkeit aus dem Volumen austritt.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet der mindestens eine Einlass einen ersten Einlass, der in der Nähe eines ersten Endbereichs der ersten Oberfläche angeordnet ist, und einen zweiten Einlass, der in der Nähe eines zweiten Endbereichs der ersten Oberfläche angeordnet ist, und der mindestens eine Auslass ist in der Nähe des zentralen Bereichs angeordnet.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale ist der mindestens eine Einlass in der Nähe des zentralen Bereichs angeordnet, und der mindestens eine Auslass beinhaltet einen ersten Ausgang, der in der Nähe eines ersten Endbereichs der ersten Oberfläche angeordnet ist, und einen zweiten Ausgang, der in der Nähe eines zweiten Endbereichs der ersten Oberfläche angeordnet ist.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale ist die Kühlflüssigkeit Öl, der Stator beinhaltet eine Vielzahl von Wicklungen mit gegenüberliegenden Endwicklungen und einem Statorjoch, und der erste Auslass und der zweite Auslass sind als Öltropfauslässe mit Endwicklung eingerichtet.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale werden die mehreren Fluidkanäle durch eine Vielzahl von Rippen gebildet, die umlaufende Fluidbahnen auf der ersten Oberfläche festlegen.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet jede der Vielzahl von Rippen einen geraden Abschnitt, der zumindest im Wesentlichen parallel zum ersten Umfang und zum zweiten Umfang ist, und einen gekrümmten Abschnitt, der sich in Richtung des zentralen Bereichs erstreckt.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet die Vorrichtung ferner eine den Stator umgebende Innenschale, die zwischen dem Stator und der Außenschale angeordnet ist, wobei die Innenschale die erste Oberfläche definiert.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale definieren die Außenschale und die Innenschale die fluiddichte Kammer, und die Fluidkanäle sind innerhalb der fluiddichten Kammer begrenzt.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet der Stator eine Vielzahl von Wicklungen und ein Statorjoch, und die erste Oberfläche beinhaltet eine Außenfläche des Statorjochs, wobei die Vielzahl von Fluidkanälen auf der Außenfläche des Statorjochs ausgebildet ist.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale werden die Fluidkanäle durch Lamellen gebildet, die das Statorjoch bilden.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale ist die Kühlflüssigkeit mindestens eines von einem ölbasierten Fluid und einem wasserbasierten Fluid.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale ist die elektrische Maschine ein Synchronmotor, ein Synchrongenerator, ein Asynchronmotor und/oder ein Indukti onsgenerator.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale ist die elektrische Maschine als Bestandteil eines Kraftfahrzeugs eingerichtet.
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In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform beinhaltet eine Vorrichtung zum Kühlen einer elektrischen Maschine eine Vielzahl von Fluidkanälen, die in einer ersten Oberfläche angeordnet sind, die mindestens einen Teil der elektrischen Maschine umgibt, wobei die elektrische Maschine einen von einem zylindrischen Stator umgebenen Rotor beinhaltet, wobei der Rotor und der Stator eine zentrale Längsachse aufweisen. Die elektrische Maschine hat ein erstes Ende und ein zweites Ende, wobei das erste Ende einen ersten Umfang um die Längsachse definiert, das zweite Ende dem ersten Ende gegenüberliegt und einen zweiten Umfang um die Längsachse definiert. Jeder der Vielzahl von Fluidkanälen definiert einen Umfangsweg in der ersten Oberfläche, wobei die Vielzahl von Fluidkanälen eingerichtet ist, um eine Kühlflüssigkeit zwischen einem zentralen Bereich der ersten Oberfläche und einem Endbereich der ersten Oberfläche zu leiten. Die Vorrichtung beinhaltet auch eine äußere Schale, die eingerichtet ist, um die erste Oberfläche zu umgeben und eine fluiddichte Kammer zwischen der ersten Oberfläche und der äußeren Schale zu definieren. Die Vielzahl von Fluidkanälen erstreckt sich in Umfangsrichtung durch die Kammer, wobei die Außenschale mindestens einen Einlass aufweist, durch den die Kühlflüssigkeit in die Kammer eingeleitet wird, und mindestens einen Auslass, aus dem die Kühlflüssigkeit aus der Kammer austritt. Der mindestens eine Einlass beinhaltet einen ersten Einlass, der in der Nähe eines ersten Endbereichs der ersten Oberfläche angeordnet ist, und einen zweiten Einlass, der in der Nähe eines zweiten Endbereichs der ersten Oberfläche angeordnet ist, oder der mindestens eine Auslass beinhaltet einen ersten Auslass, der in der Nähe des ersten Endbereichs angeordnet ist, und einen zweiten Auslass, der in der Nähe des zweiten Endbereichs angeordnet ist.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale ist der mindestens eine Einlass oder der mindestens eine Auslass nahe dem zentralen Bereich angeordnet.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet jeder der Vielzahl von Fluidkanälen einen ersten Kanalabschnitt, der sich zumindest im Wesentlichen parallel zum ersten Umfang und zum zweiten Umfang erstreckt, und einen zweiten Kanalabschnitt, der eingerichtet ist, um die Kühlflüssigkeit zwischen dem zentralen Bereich und dem ersten Endbereich oder dem zweiten Endbereich zu leiten.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet die Vorrichtung auch eine den Stator umgebende innere Schale, die zwischen dem Stator und der äußeren Schale angeordnet ist, wobei die innere Schale die erste Oberfläche definiert. Die Außenschale und die Innenschale definieren die fluiddichte Kammer, und die Fluidkanäle sind innerhalb der fluiddichten Kammer begrenzt.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet der Stator eine Vielzahl von Wicklungen und ein Statorjoch, und die erste Oberfläche beinhaltet eine Außenfläche des Statorjochs, wobei die Vielzahl von Fluidkanälen auf der Außenfläche des Statorjochs ausgebildet ist.
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In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform beinhaltet eine Vorrichtung zum Kühlen einer elektrischen Maschine eine Vielzahl von Fluidkanälen, die in einer ersten Oberfläche angeordnet sind, die mindestens einen Teil der elektrischen Maschine umgibt, wobei die elektrische Maschine einen von einem zylindrischen Stator umgebenen Rotor beinhaltet, wobei der Rotor und der Stator eine zentrale Längsachse aufweisen. Die elektrische Maschine hat ein erstes Ende und ein zweites Ende, wobei das erste Ende einen ersten Umfang um die Längsachse definiert, das zweite Ende dem ersten Ende gegenüberliegt und einen zweiten Umfang um die Längsachse definiert. Jeder der Vielzahl von Fluidkanälen definiert einen Umfangsweg in der ersten Oberfläche, wobei einer oder mehrere der Vielzahl von Fluidkanälen eingerichtet sind, um eine Kühlflüssigkeit zwischen einem zentralen Bereich der ersten Oberfläche und einem Endbereich der ersten Oberfläche zu leiten. Die Vorrichtung beinhaltet auch eine äußere Schale, die eingerichtet ist, um die erste Oberfläche zu umgeben und eine fluiddichte Kammer zwischen der ersten Oberfläche und der äußeren Schale zu definieren. Die Vielzahl von Fluidkanälen erstreckt sich in Umfangsrichtung durch die Kammer, wobei die Außenschale mindestens einen Einlass aufweist, durch den die Kühlflüssigkeit in die Kammer eingeleitet wird, und mindestens einen Auslass, aus dem die Kühlflüssigkeit aus der Kammer austritt. Der mindestens eine Einlass beinhaltet einen ersten Einlass, der in der Nähe eines ersten Endbereichs der ersten Oberfläche angeordnet ist, und einen zweiten Einlass, der in der Nähe eines zweiten Endbereichs der ersten Oberfläche angeordnet ist, und der mindestens eine Auslass ist in der Nähe des zentralen Bereichs angeordnet.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet jeder der Vielzahl von Fluidkanälen einen ersten Kanalabschnitt, der sich zumindest im Wesentlichen parallel zum ersten Umfang und zum zweiten Umfang erstreckt, und einen zweiten Kanalabschnitt, der eingerichtet ist, um die Kühlflüssigkeit zwischen dem zentralen Bereich und dem ersten Endbereich oder dem zweiten Endbereich zu leiten.
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Die vorgenannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der Offenbarung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale, Vorteile und Details erscheinen exemplarisch nur in der folgenden Detailbeschreibung, die sich auf die Figuren bezieht:
- 1 ist eine Querschnittsansicht einer elektrischen Maschine und einer Kühlanordnung, die Kühlkanäle zwischen einer Innenschale und einer Außenschale gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet;
- 2 ist eine perspektivische Ansicht der Kühlanordnung von 1 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
- 3 stellt die Innenschale von 1 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar;
- 4 zeigt ein Beispiel für Rippen, die Kühlkanäle einer Kühlanordnung einer elektrischen Maschine gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen definieren;
- Die 5A-5C zeigen Beispiele für Ein- und Auslässe einer Kühlanordnung für elektrische Maschinen gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
- 6 stellt ein Beispiel für die Innenschale von 1 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar;
- 7 stellt ein Beispiel für die Innen- und Außenschale von 1 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar;
- 8 stellt einen Stator einer elektrischen Maschine mit Kühlkanälen gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar;
- 9 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Kühlen einer elektrischen Maschine gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen darstellt; und
- 10 veranschaulicht die Strömungseigenschaften der Kühlflüssigkeit durch die Kühlanordnung von 1 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die folgende Beschreibung ist lediglich exemplarischer Natur und soll die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendung nicht einschränken.
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Gemäß einer oder mehreren exemplarischen Ausführungsformen sind Vorrichtungen, Systeme und Verfahren zur Kühlung von elektrischen Maschinen vorgesehen. Eine Ausführungsform einer Kühlvorrichtung oder -anordnung beinhaltet eine Vielzahl von Kühlkanälen, die innerhalb einer Kammer gebildet sind, die eine elektrische Maschine umgibt. In einer Ausführungsform werden die Kühlkanäle durch Rippen oder Rippen auf einer Kühlfläche definiert, die einen Stator der elektrischen Maschine umgibt. Die Kammer kann durch eine äußere zylindrische Schale definiert werden, die an der Innenfläche befestigt ist und eine fluiddichte Dichtung bildet.
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Die Kühlfläche ist in einer Ausführungsform eine Oberfläche einer Innenschale mit einer Vielzahl von Rippen oder Rippen, die fest auf der Oberfläche angeordnet sind. So werden beispielsweise die Grate oder Rippen an der Oberfläche befestigt oder sind integraler Bestandteil der Innenschale. In einer weiteren Ausführungsform ist die Kühlfläche eine Oberfläche des Stators, und die Kühlkanäle werden durch Grate oder Rippen (oder andere Merkmale) definiert, die an der Oberfläche des Statorjochs befestigt oder mit dem Statorjoch integriert sind (z.B. werden die Kühlkanäle durch Lamellen gebildet, aus denen das Statorjoch besteht).
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In einer Ausführungsform sind die Kühlkanäle so eingerichtet, dass sie Kühlflüssigkeit (z.B. Wasser oder Öl) um die elektrische Maschine herum entlang von Fluidbahnen zirkulieren, die sich in Umfangsrichtung innerhalb der Kammer erstrecken. Die Kühlkanäle leiten Kühlflüssigkeit von einem zentralen Bereich in Richtung Endbereiche der Kammer oder direkte Kühlflüssigkeit von den Endbereichen in Richtung des zentralen Bereichs. Ein oder mehrere Einlässe und ein oder mehrere Auslässe sind auf der Außenschale angeordnet, um Kühlflüssigkeit in die Kammer einzubringen und die Kühlflüssigkeit aufzunehmen, nachdem die Kühlflüssigkeit entlang der Fluidbahnen zirkuliert ist. So wird beispielsweise ein Einlass im zentralen Bereich und ein Auslass in den Endbereichen positioniert. In einem weiteren Beispiel werden die Einlässe in den Endbereichen positioniert und die Kühlflüssigkeit über einen Auslass im Zentralbereich gesammelt.
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Die hierin beschriebenen Ausführungsformen bieten eine Reihe von Vorteilen und technischen Effekten. Ausführungsformen der Kühlanordnung, einschließlich der Kühlkanäle und der Konfigurationen der Ein- und Ausgänge, gewährleisten eine effektive Kühlung der Statoroberfläche einer elektrischen Maschine, um eine Überhitzung zu vermeiden, die zu Leistungseinbußen führen kann. Darüber hinaus verhindern Ausführungsformen der Konfiguration und Form der Kühlkanäle die Bildung von Totzonen, die die Fähigkeit der Kühlflüssigkeit, Wärme vom Stator wegzuleiten, beeinträchtigen. Weitere Vorteile sind verbesserte effektive Wärmeübertragungskoeffizienten, niedrigere Wicklungstemperaturen, längere Haltbarkeit und Lebensdauer der Isolierungen sowie ein verbesserter Motorwirkungsgrad.
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Die 1-3 veranschaulichen eine Ausführungsform eines elektrischen Maschinensystems 100, das eine Kühlanordnung 102 beinhaltet, die an einer elektrischen Maschine 104 befestigt ist. In einer Ausführungsform ist die elektrische Maschine 104 eine permanentmagnetische elektrische Maschine, wie beispielsweise ein permanentmagnetischer Synchronmotor (PMSM). PMSMs werden häufig in Stellgliedern und in Fahrzeugantriebssystemen eingesetzt. Es wird darauf hingewiesen, dass die hierin beschriebenen Ausführungsformen nicht auf Permanentmagnetmaschinen beschränkt sind und mit jeder geeigneten elektrischen Maschine (z.B. einem Elektromotor oder Generator) verwendet werden können.
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Die elektrische Maschine 104 beinhaltet einen Rotor 106 mit einem oder mehreren Permanentmagneten darin und einen Stator 108 mit leitenden Wicklungen 110, die von einem Statorjoch 112 getragen werden. Die Wicklungen 110 erstrecken sich durch das Joch 112 und bilden die Endwindungen 114 und 116 (auch als Endwicklungen 114 und 116 bezeichnet) an jedem gegenüberliegenden Ende des Stators 108. Der den Wicklungen 110 zugeführte elektrische Strom erzeugt ein rotierendes Magnetfeld, das mit einem von den Permanentmagneten erzeugten Magnetfeld zusammenwirkt, wodurch sich der Rotor 106 um eine zentrale Längsachse 118 dreht. Die Achse 118 ist gleichzeitig die Mittelachse des zylindrischen Stators 108. Der Rotor 106 kann mit einer Antriebswelle 120 oder einem anderen Mechanismus verbunden sein, um die Drehbewegung auf eine gewünschte Vorrichtung oder Komponente zu übertragen.
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Die Kühlanordnung 102 beinhaltet eine Vielzahl von Kühlkanälen 130, die Umfangsbahnen in einer Oberfläche 131 (auch als erste Oberfläche oder Kühlfläche 131 bezeichnet) folgen, die mindestens einen Teil der elektrischen Maschine 104 umgibt. Die Kühlkanäle 130 führen direkte Kühlflüssigkeit, wie Öl oder Wasser, entlang umlaufender Fluidbahnen um die elektrische Maschine 104 herum, um Wärmeenergie von der elektrischen Maschine 104 aufzunehmen und zu transportieren. Wie im Folgenden näher erläutert, kann die Kühlfläche 131 durch eine separate Komponente definiert werden, die den Stator 108 ganz oder teilweise umgibt. So kann beispielsweise die Oberfläche eine Außenfläche einer Innenschale 132 sein, die sich axial entlang der Ausdehnung des Statorjochs 112 und der Endwicklungen 114 und 116 erstreckt.
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Es wird darauf hingewiesen, dass sich eine „axiale“ Richtung oder eine „axial verlaufende“ Komponente auf eine Richtung oder Komponente bezieht, die sich zumindest teilweise parallel zur Längsachse 118 erstreckt. Eine „Umfangsrichtung“ oder ein „Umfang“ bezieht sich auf einen Umfang, der orthogonal zur Längsachse 118 ist und einen Mittelpunkt in der Längsachse 118 aufweist.
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In einer Ausführungsform, die in den 1-3 dargestellt ist, werden die Kühlkanäle 130 durch Merkmale definiert, die an der Innenschale 132 befestigt oder an ihr ausgebildet sind. Die Innenschale 132 kann ein zylindrischer Körper mit einem Innendurchmesser sein, der größer oder gleich einem Durchmesser des Stators 108 und/oder des Statorjochs 112 ist. So ist beispielsweise die Innenschale 132 konturiert oder geformt, so dass sie über das Statorjoch 112 eingeführt und fest mit diesem verbunden werden kann. In einer Ausführungsform weist die Innenschale 132 einen Abdeckabschnitt 134 an einem Ende der elektrischen Maschine 104 und einen Flanschabschnitt 136 auf, der an einer Trägerplatte 138 oder einer anderen Trägerstruktur der elektrischen Maschine 104 befestigt ist. Die Innenschale 132 kann in flüssigkeitsdichter Konfiguration an der Trägerplatte 138 oder einer anderen Struktur befestigt werden und kann ein Luftvolumen um den Stator 108 bilden.
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Die Kühlanordnung 102 kann auch einen Mantel oder eine Außenschale 140 beinhalten, die die Kühlfläche 131 umgibt und eine fluiddichte Kammer dazwischen definiert. In einer Ausführungsform ist die Außenschale 140 an der Innenschale 132 befestigt, so dass zwischen der Innenschale 132 und der Außenschale 140 eine Ringkammer gebildet wird.
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In einer weiteren Ausführungsform, die im Folgenden näher erläutert wird, wird die Kühlfläche 131 durch eine Oberfläche des Statorjochs 112 definiert und bildet eine Ringkammer um das Statorjoch 112. In dieser Ausführungsform sind die Kühlkanäle 130 direkt auf der Oberfläche des Statorjochs 112 angeordnet.
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Unter Bezugnahme auf 3 sind die Kühlkanäle 130 in einer Ausführungsform so eingerichtet, dass während des umfänglichen Strömens der Kühlflüssigkeit um mindestens ein Teil der Kühlkanäle die Kühlflüssigkeit zwischen den Endbereichen 152 und 154 der Kammer und einem zentralen Bereich 156 der Kammer leitet. Wie hierin beschrieben, ist ein „zentraler Bereich“ ein Umfangsvolumen oder ein Bereich der Kammer, der sich zentral entlang der Längsachse 118 zwischen den Enden der elektrischen Maschine 104 befindet. „Endbereiche“ beziehen sich auf Umfangsvolumen oder Bereiche der Kammer, die sich entlang der Längsachse 118 an oder nahe den Enden der elektrischen Maschine 104 befinden.
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In einer Ausführungsform sind die Merkmale der Kühlfläche 131 (z.B. auf der Innenschale 132 oder auf einer Oberfläche des Stators) längliche erhobene Merkmale auf der Außenfläche der Innenschale. Alternativ oder zusätzlich zu den Erhöhungsmerkmalen kann das Merkmal Rillen oder andere längliche Vertiefungen beinhalten, die Fluidbahnen festlegen.
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Wie beispielsweise in 3 dargestellt, beinhalten die Merkmale Grate oder Rippen 142, die längliche erhobene Merkmale auf der Außenfläche der Innenschale 132 sind. Alle oder einige der Rippen 142 weisen einen geraden Abschnitt 144 auf, der sich in Umfangsrichtung und zumindest im Wesentlichen parallel zu dem durch die Enden der elektrischen Maschine 104 definierten Umfang erstreckt. Alle oder einige der Rippen 142 weisen auch einen gekrümmten oder spiralförmigen Abschnitt 146 auf, der sich in Richtung des zentralen Bereichs 156 erstreckt oder von diesem weggeht. Die Rippen 142 definieren somit einen oder mehrere Fluidwege 148, die die Kühlflüssigkeit in eine Richtung parallel zum Umfang und in eine Richtung zum oder vom zentralen Bereich 156 leiten. Parallele Kanäle an oder in der Nähe der Endbereiche 152 und 154 sorgen dafür, dass es keine „Totzonen“ gibt, in denen Kühlflüssigkeit in der Kühlanordnung 102 eingeschlossen sein können.
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In einer Ausführungsform können zusätzlich zu den Rippen 142 zusätzliche Rippen oder andere Merkmale auf der Kühlfläche 131 angeordnet sein. In dieser Ausführungsform werden die Rippen 142 als Primärrippen 142 bezeichnet. Wie in 3 dargestellt, beinhaltet die Innenschale 132 beispielsweise die Primärrippen 142 und Sekundärrippen 150, die die Führung der Kühlflüssigkeit entlang der Fluidwege 148 erleichtern und die Oberfläche der Kühlfläche 131 und/oder der Innenschale 132 vergrößern. Obwohl die Sekundärrippen 150 als entlang gerader Abschnitte der Fluidwege 148 angeordnet dargestellt sind, können die Sekundärrippen 150 an anderen Abschnitten (z.B. gekrümmten Abschnitten der Fluidwege 148) angeordnet sein.
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In einer Ausführungsform erstrecken sich die Rippen 142 von der Kühlfläche 131 nach außen zur Außenschale 140. Unter Bezugnahme auf 4 können die Rippen 142 längliche rechteckige Vorsprünge sein, die eingerichtet sind, um die Kühlkanäle 130 dazwischen zu bilden. Die Rippen 142 können so eingerichtet werden, dass die Spitzen der Rippen eine Innenfläche der Außenschale 140 berühren oder in der Nähe einer Innenfläche liegen. Wie beispielsweise in 4 dargestellt, weisen die Rippen 142 eine Höhe auf, die einem ausgewählten Spiel oder Spalt zwischen den Rippen 142 und der Innenfläche der Außenschale 140 zugeordnet ist. In einem Beispiel wird das Spiel auf etwa 0,25 Millimeter gewählt, obwohl jeder geeignete Spielwert gewählt werden kann.
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Die Breite der Kühlkanäle 130 und die Breite und Höhe der Rippen 142 können aus einer Reihe von Überlegungen ausgewählt werden. Beispiele für solche Überlegungen sind Maschinenabmessungen, beabsichtigte Joule-Verlustleistung und/oder Druckverlust.
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Es wird darauf hingewiesen, dass, obwohl Ausführungsformen beschrieben werden, in denen sich die Rippen 142 und/oder die Sekundärrippen 150 von der Kühlfläche 131 erstrecken, sie nicht einschränkend sind. So können beispielsweise die Rippen 142 und/oder die Sekundärrippen 150 an der Außenschale befestigt oder mit dieser verbunden werden und sich von einer Innenfläche der Außenschale 140 erstrecken.
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Unter erneuter Bezugnahme auf die 1-3 beinhaltet die Kühlanordnung 102 in einer Ausführungsform einen oder mehrere Einlässe 160, die mit einer Kühlflüssigkeitsquelle verbunden sind und eingerichtet sind, um Kühlflüssigkeit in die zwischen der Kühlfläche 131 und der Außenschale 140 gebildete Kammer einzubringen. Die Kühlanordnung 103 beinhaltet auch einen oder mehrere Auslässe 162, aus denen die Kühlflüssigkeit nach dem Zirkulieren entlang der Fluidwege 148 aus der Kammer austritt. Die Kühlflüssigkeit kann in einem geschlossenen System zirkulieren, z.B. wird Wasser oder anderes Fluid kontinuierlich durch die Kühlanordnung zurückgeführt.
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In einer Ausführungsform sind der eine oder die mehreren Einlässe 160 und der eine oder die mehreren Auslässe 162 so positioniert, dass Kühlflüssigkeit zwischen den Endbereichen 152 und 154 und dem zentralen Bereich 156 fließt. Der/die Einlass(e) 160 und der/die Auslass(e) 162 können integral mit der Außenschale 140 ausgebildet oder an der Außenschale 140 befestigt sein. Die einen oder mehreren Einlässe 160 sind mit einer Fluidquelle, wie beispielsweise einer Wasserquelle oder einer Ölquelle, verbunden und so eingerichtet, dass sie Kühlflüssigkeit in die und aus der zwischen der Kühlfläche 131 und der Außenschale 140 gebildeten Kammer leiten. Der eine oder die mehreren Einlässe 160 und/oder der eine oder die mehreren Auslässe 162 können Komponenten beinhalten oder mit diesen verbunden sein, die den Flüssigkeitskreislauf erleichtern, wie beispielsweise ein oder mehrere Ventile.
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In einer Ausführungsform beinhaltet die Außenschale 140 zwei Einlässe 160, die sich an oder nahe den Endbereichen 152 und 154 befinden. Die Außenschale 140 beinhaltet auch einen Auslass 162, der sich im zentralen Bereich 156 befindet.
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Die 5A-5C zeigen Beispiele für verschiedene Konfigurationen des/der Einlass(e) 160 und des/der Auslass(e) 162. In einem Beispiel, das in 5A dargestellt ist, befinden sich die Einlässe 160 an oder in der Nähe der Endbereiche 152 und 154 (ähnlich der Ausführungsform der 1-3) und ein Auslass 162 befindet sich am zentralen Bereich 156. In einem weiteren Beispiel, das in 5B dargestellt ist, befindet sich ein Einlass 160 im zentralen Bereich 156 und zwei Auslässe 162 im oder nahe den Endbereichen 152 und 154.
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In einem weiteren Beispiel, das in 5C dargestellt ist, befinden sich die Auslässe 162 in der Nähe der Endbereiche 152 und 154 und in der Nähe der Endwicklungen 114 und 116 (z.B. als Kollektoren für Öltropfen in der Endwicklung). So ist beispielsweise die Kühlanordnung 102 für die Öltropfenkühlung eingerichtet, bei der das Öl durch den zentralen Einlass 160 eingeleitet und durch die Kühlkanäle 130 in die Endbereiche 152 und 154 gefördert wird, wo das Öl aus den Auslässen 162 getropft und über eine Wanne gesammelt wird.
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Die Kühlanordnung 102 kann mit anderen Kühltechniken und -systemen kombiniert werden. So kann beispielsweise die Kühlanordnung 102 mit anderen Kühltechniken wie dem Ölsprühen der Endwicklung (z.B. durch Rotordüsen) oder dem Vergießen der Endwicklung kombiniert werden.
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Die Innen- und Außenschalen können aus jedem geeigneten Material, wie beispielsweise einem wärmeleitenden Metall oder einem anderen Material, hergestellt werden. So zeigen beispielsweise die 6 und 7 eine Ausführungsform der Innenschale 132 und der Außenschale 140, die aus Aluminium gefertigt sind. Die Schalen können gegossen, bearbeitet oder auf andere geeignete Weise hergestellt werden.
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Unter Bezugnahme auf 8 sind die Kühlkanäle 130 in einer Ausführungsform direkt auf oder in der Nähe einer Außenfläche des Stators 108 ausgebildet. Die Kühlkanäle 130 können durch Rippen 142, Sekundärrippen 150 und/oder andere erhöhte Merkmale definiert werden, die an einer Außenfläche des Statorjochs 112 befestigt oder integral mit dem Statorjoch 112 ausgebildet sind. So beinhaltet beispielsweise das Statorjoch 112 Kühlkanäle 130, die in der Oberfläche des Statorjochs 112 ausgebildet sind (z.B. definiert durch Vertiefungen oder Nuten im Statorjoch 112). Wie in 8 dargestellt, werden die Kühlkanäle durch die Rippen 142 definiert. In einer Ausführungsform werden die Kühlkanäle 130 bei der Herstellung des Statorjochs 112 durch die Montage von ungleichen oder unebenen Lamellen gebildet.
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9 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Verfahrens 200 zum Betreiben einer elektrischen Maschine und Kühlen der elektrischen Maschine während des Betriebs. Aspekte des Verfahrens 200 können manuell, über mechanische Stellglieder und/oder durch einen Computer oder Prozessor durchgeführt werden. Obwohl das Verfahren 200 in Verbindung mit dem System 100 diskutiert wird, ist das Verfahren 200 nicht so begrenzt. Das Verfahren 200 wird in Verbindung mit den Blöcken 201-204 diskutiert. Das Verfahren 200 ist nicht auf die Anzahl oder Reihenfolge der Schritte darin beschränkt, da einige Schritte, die durch die Blöcke 201-204 dargestellt werden, in einer anderen Reihenfolge als der nachstehend beschriebenen ausgeführt werden können oder weniger als alle Schritte ausgeführt werden können.
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Bei Block 201 wird die elektrische Maschine 104 als Motor oder Generator betrieben. So ist beispielsweise die elektrische Maschine 104 Teil eines Fahrzeugantriebs oder eines Stellglieds (z.B. für verschiedene Fahrzeugsysteme und -vorrichtungen).
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Bei Block 202 wird die Kühlflüssigkeit über einen oder mehrere Einlässe 160 eingeleitet. So wird beispielsweise Wasser durch eine Fluidleitung in einen Einlass 160 gepumpt, der sich im zentralen Bereich 156 der Kammer befindet. In diesem Beispiel wird die Kammer durch die Kühlfläche 131 (z.B. eine Fläche der Innenschale 132) und die Außenschale 140 definiert.
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Bei Block 203 wird die Kühlflüssigkeit entlang der Fluidwege 148 zirkuliert, die durch die Rippen 142 und die Sekundärrippen 150 festgelegt sind. Während sich die Kühlflüssigkeit in Umfangsrichtung bewegt, wird die Kühlflüssigkeit vom zentralen Bereich 156 weg und zu den Endbereichen 152 und 154 der Kammer geleitet.
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Bei Block 204 tritt die zirkulierende Kühlflüssigkeit über einen oder mehrere Ausgänge 162 aus der Kammer aus. So tritt beispielsweise die Kühlflüssigkeit über die Ausgänge 162 in den Endbereichen 152 und 154 aus.
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10 veranschaulicht ein Beispiel für den Fluidstrom durch die Kühlanordnung 102. In diesem Beispiel wird die Kühlflüssigkeit 164 durch die Einlässe 160 in den Endbereichen 152 und 154 der Kühlanordnung 102 eingeführt, wie im Bereich 170 dargestellt. Die Kühlflüssigkeit 164 zirkuliert entlang verschiedener Fluidwege 148 und tritt durch einen zentralen Auslass 162 aus, wie im Bereich 172 dargestellt.
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Dieses Beispiel veranschaulicht, wie der elektrischen Maschine Wärme entzogen wird. Wenn das Fluid zirkuliert, erhöht die Wärme an den Endbereichen die Temperatur des Fluids. Die Fluidtemperatur wird wieder erhöht, wenn Wärmeenergie von den Endbereichen auf den Zentralbereich übertragen wird, sich im Zentralbereich ansammelt und über den zentralen Auslass 162 aus der elektrischen Maschine 104 entnommen wird. Dieses Beispiel zeigt auch, wie Kühlflüssigkeit effektiv umgewälzt wird, ohne dass es zu Totzonen in den Endbereichen kommt.
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Obwohl die vorstehende Offenbarung mit Bezug auf exemplarische Ausführungsformen beschrieben wurde, wird von den Fachleuten verstanden, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente durch Elemente davon ersetzt werden können, ohne von ihrem Umfang abzuweichen. Darüber hinaus können viele Änderungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne vom wesentlichen Umfang der Offenbarung abzuweichen. Daher ist beabsichtigt, dass sich die vorliegende Offenbarung nicht auf die einzelnen offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern alle in den Anwendungsbereich fallenden Ausführungsformen umfasst.
