DE102023113041A1

DE102023113041A1 - Kühlsystem für motor mit hoher dichte

Info

Publication number: DE102023113041A1
Application number: DE102023113041.2A
Authority: DE
Inventors: Benoit BLANCHARD ST-JACQUES; Anthony Riendeau; Hakim NECHADI
Original assignee: Dana TM4 Inc
Current assignee: Dana TM4 Inc
Priority date: 2022-05-18
Filing date: 2023-05-17
Publication date: 2023-11-23
Also published as: CN117097082A; US20230402896A1

Abstract

Es werden Verfahren und Systeme für einen Elektromotor angegeben. In einem Beispiel kann der Elektromotor einen Stator mit Wicklungsenden, die axial, entlang einer zentralen Drehachse des Elektromotors, von einem ersten Ende des Stators vorstehen, und eine erste Stirnplatte, die an dem ersten Ende des Stators angeordnet ist, aufweisen. Die erste Stirnplatte kann eine Innenfläche mit Vertiefungen aufweisen, die eingerichtet sind, die Wicklungsenden aufzunehmen, wobei die Vertiefungen ein wärmeleitendes Material zum Ankoppeln an die Wicklungsenden enthalten. Außerdem kann die erste Stirnplatte mindestens einen Kühlkanal für einen Kühlmittelstrom aufweisen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Beschreibung betrifft allgemein Verfahren und Systeme für ein Wärmemanagement eines Elektromotors.
HINTERGRUND UND ABRISS
In Automobilanwendungen kann ein Elektromotor für viele Zwecke verwendet werden, unter anderem als Startermotor, elektrische Antriebshilfe (z.B. Schubkraftverstärker), ebenso wie als reiner Elektroantrieb, als Generator, der elektrische Leistung für elektrische Verbraucher an Bord und zum Aufladen von Batteriebänken bereitstellt, und als Regenerator, der so agiert, dass er während einer Bremsung/Verzögerung des Fahrzeugs die kinetische Energie des Fahrzeugs in elektrische Leistung zum Laden der Batteriebank umwandelt. Zum Beispiel kann ein Radialfluss-Elektromotor verwendet werden, um in einem Elektrofahrzeug elektrische Energie bereitzustellen. Der Radialfluss-Elektromotor, und insbesondere eine Art von Radialfluss-Elektromotor, die als Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) bezeichnet wird, kann einen stationären Stator und einen rotierenden Rotor, in den Permanentmagnete eingebettet sind, aufweisen. Eine Mehrzahl von elektrisch leitenden Wicklungen kann in einen Kern des Stators integriert sein, um Elektromagnete zu bilden. Ein Magnetflussfeld kann in einem Luftspalt zwischen den Permanentmagneten und den Elektromagneten entlang einer in Bezug auf den Radialfluss-Elektromotor radialen Richtung erzeugt werden, z.B. entlang einer Richtung, die senkrecht ist zu einer Drehachse des Elektromotors.
In Elektromotoren ist ein von dem Motor bereitgestelltes Drehmoment proportional zu einem Produkt des Stromes, der in Leitern (z.B. den elektrisch leitenden Wicklungen und Rotorstäben) zirkuliert, und einer Änderungsrate einer Magnetflussdichte an den Leitern im Zeitverlauf. Sowohl die Magnetflussdichte als auch die Stromkomponenten des Drehmoments weisen Verlustkomponenten auf, die einen Wirkungsgrad des Elektromotors herabsetzen. Zum Beispiel kann beim PMSM ein Statorstrom mit steigender Drehzahl abnehmen, während eine konstante Leistungsausgabe aufrechterhalten wird, was zu strombedingten Verlusten, z.B. einem Kupferverlust, führt. Ferner kann der Kupferverlust zusammen mit anderen Arten von Verlusten im Betrieb eine Erwärmung der elektrisch leitenden Wicklungen bewirken. Um die Leiter in dem Elektromotor während des Betriebs zu kühlen, kann ein Kühlmittel durch Hohlräume geleitet werden, die in eine Struktur des PMSM eingegliedert sind, wie etwa durch ein äußeres Gehäuse des PMSM.
Eine Ausgabe des Elektromotors bezüglich Wirkungsgrad und Leistungsdichte wird daher durch eine Wärmeableitung aus dem Elektromotor beschränkt. In manchen Beispielen wird das Wärmemanagement von einem Flüssigkühlsystem bereitgestellt, wie etwa von einem flüssiggekühlten Aluminiummantel, der den Statorkern umgibt. Jedoch kühlt der flüssiggekühlte Aluminiummantel Wicklungsenden des Stators, z.B. blinde Enden der leitenden Wicklungen, die axial von dem Statorkern überstehen, nicht direkt. An den Wicklungsenden können während eines Betriebs des Elektromotors Hotspots erzeugt werden, die sich nachteilig auf die Motorleistung auswirken und zu einer Beschädigung der Isolierung des Elektromotors sowie einer herabgesetzten Lebensdauer führen.
Versuche, die Kühlung der Wicklungsenden des Stators zu bewerkstelligen, schließen eine Modifizierung eines Gehäuses des Stators ein, um Wärme von den Wicklungsenden weg zu leiten. Eine Beispielsmethode wird von Bahr et al. in U.S. 9,077,210 gezeigt. Dort wird ein Gehäuse des Stators hergestellt, das eine Beherbergungsregion für eine Endregion des Stators aufweist. Die Beherbergungsregion ist eingerichtet, Wicklungsenden in der Endregion des Stators zu umgeben und fest auf die Wicklungsenden zu drücken. Der Kontakt zwischen der Beherbergungsregion und den Wicklungsenden ermöglicht eine Ableitung von Wärme, die an den Wicklungsenden erzeugt wird, auf das Gehäuse.
Jedoch haben die Erfinder mögliche Probleme mit solchen Systemen erkannt. Zum Beispiel ist das von Bahr beschriebene Gehäuse spezifisch eingerichtet, um Wicklungsenden von runden Drähten zu kühlen, die flexible Bündel aus zufällig orientierten Drahtsträngen bilden. Die von der Beherbergungsregion des Gehäuses bereitgestellte Kompression ist nicht auf Wicklungsenden anderer Arten von leitenden Wicklungen anwendbar, wie etwa Hairpin-Drähte, die nicht komprimiert werden können. Ferner lässt eine Kompression der Wicklungsenden in der Beherbergungsregion immer noch Luft zwischen den Wicklungsenden und dem Gehäuse zu, was die Kühlwirkung des Gehäuses schmälert. Außerdem werden trotz der Kompression Schwingungen auf die Wicklungsenden übertragen, was mit der Zeit zu einer Beschädigung der Wicklungsenden führen kann.
In einem Beispiel können die oben beschriebenen Probleme durch einen Elektromotor gelöst werden, der aufweist: einen Stator mit Wicklungsenden, die axial, entlang einer zentralen Drehachse des Elektromotors, von einem ersten Ende des Stators vorstehen, und eine erste Stirnplatte, die an dem ersten Ende des Stators angeordnet ist, wobei die erste Stirnplatte aufweist: eine Innenfläche mit Vertiefungen, die eingerichtet sind, die Wicklungsenden aufzunehmen, wobei die Vertiefungen ein wärmeleitendes Material zum Ankoppeln an die Wicklungsenden enthalten, und mindestens einen Kühlkanal für einen Kühlmittelstrom. Auf diese Weise wird eine Dichte der von dem Elektromotor ausgegebenen Leistung erhöht, während Verluste und eine Beschädigung von Elektromotorkomponenten als Folge einer Wärmeerzeugung an den Wicklungsenden verringert werden.
Zum Beispiel können die Wicklungsenden unter Beibehaltung eines Spaltes zwischen den Wicklungsenden und Oberflächen der Vertiefungen in die Vertiefungen der Stirnplatte eingebracht werden. Der Spalt kann von einem Füll- oder Vergussmaterial ausgefüllt sein, das flexibel ist, um eine Ausdehnung der Wicklungsenden zu ermöglichen, und das wärmeleitend ist, um Wärme effektiv von den Wicklungsenden zu der Stirnplatte zu leiten. Außerdem kann das Vergussmaterial elektrisch isolierend sein. Ferner werden die Wicklungsenden durch Einbetten der Wicklungsenden in die mit Vergussmaterial gefüllten Vertiefungen der Stirnplatte mechanisch gestützt, wodurch sie für eine Beschädigung aufgrund von Stößen und Schwingungen weniger anfällig sind. Unerwünschte Schwingungen (Noise, Vibrations and Harshness, NVH), die an den Wicklungsenden zumindest zum Teil aufgrund einer Luftzirkulation durch die Wicklungsenden auftreten, können ebenfalls durch das Vergussmaterial gedämpft werden. Eine Kühlung der Wicklungsenden, die von dem Kühlmittel bereitgestellt wird, ermöglicht eine gleichmäßigere Kühlung des Elektromotors, wodurch eine Bildung von Hotspots abgeschwächt wird und eine Lebensdauer des Stators verlängert wird.
Außerdem kann die von der Stirnplatte ermöglichte Kühlung, wie hierin beschrieben, die Wicklungsenden unabhängig und gleichmäßig kühlen, ohne eine Integrität eines Luftspalts des Elektromotors zu beeinträchtigen. Die Kühlung kann Vorteile gegenüber anderen Verfahren zum Kühlen von Wicklungsenden bereitstellen, z.B. gegenüber einer direkten Ölkühlung, da sie eine Entfernung von Partikeln durch eine Filtration des Kühlmittels ebenso wie eine Abhängigkeit eines Wirkungsgrads der Kühlung von einer Viskosität des Kühlmittels umgeht. Ferner kann eine Reihe verschiedener Kühlmittelarten verwendet werden, einschließlich elektrisch leitender Kühlmittel. Im Gegensatz dazu können für eine direkte Ölkühlung zusätzliche Pumpen und Rohre erforderlich sein, ebenso wie eine komplexe Steuerung einer Ölströmungsroute durch den Elektromotor, wo ein Ölstrom durch Variablen wie Viskosität und Temperatur beeinflusst wird. Eine Isolierung der Wicklungsenden kann im Laufe der Zeit aufgrund eines direkten Kontakts mit dem Öl abgenutzt werden und/oder leitende Partikel können sich in dem Öl ansammeln, was zu einer Beschädigung des Motors führen kann. Verschiedene weitere Probleme können sich aus einer direkten Ölkühlung ergeben, einschließlich einer Ansammlung von Öl in dem Luftspalt und einer Bildung von Hotspots an Leitern aufgrund variabler Öltemperaturen. Durch Implementieren eines hierin beschriebenen Kühlsystems an dem Elektromotor können die Probleme, die mit anderen, herkömmlichen Kühlsystemen verbunden sind, gemildert werden.
Man beachte, dass der vorstehende Abriss bereitgestellt wird, um in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorzustellen, die in der ausführlichen Beschreibung näher beschrieben werden. Er soll nicht dazu dienen, wichtige oder essenzielle Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu kennzeichnen, dessen Schutzumfang durch die der ausführlichen Beschreibung folgenden Ansprüche eindeutig definiert wird. Darüber hinaus ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Implementierungen beschränkt, die irgendwelche oben oder in anderen Teilen dieser Offenbarung genannten Nachteile beheben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 zeigt eine Stirnansicht eines Elektromotors
2 zeigt ein Beispiel für einen Stator, der in dem Elektromotor von 1 enthalten sein kann, wobei der Stator Wicklungsenden aufweist, die als Hairpin-Wicklungsenden gestaltet sind.
3 zeigt eine schematische Skizze eines Elektromotors, der so gestaltet ist, dass er mindestens eine Stirnplatte zum Kühlen von Wicklungsenden des Elektromotors aufweist.
4 zeigt ein Beispiel für eine Stirnplatte, die mit dem Stator von 2 gekoppelt sein kann.
5 zeigt die Stirnplatte von 4, die mit dem Stator von 2 gekoppelt ist.
6 zeigt eine Querschnittsansicht einer Vertiefung der Stirnplatte.
7 zeigt ein erstes Beispiel für einen Elektromotor, der mindestens eine Stirnplatte zum Kühlen und Stützen von Wicklungsenden des Elektromotors aufweist.
8 zeigt ein zweites Beispiel für einen Elektromotor, der mindestens eine Stirnplatte zum Kühlen und zum Stützen von Wicklungsenden des Elektromotors aufweist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung betrifft eine Elektromotor mit einer Radialfluss-Statorkonfiguration. Ein Beispiel für den Elektromotor, das eine allgemeine Konfiguration des Elektromotors zeigt, ist in 1 abgebildet. Der Elektromotor kann Wicklungsenden aufweisen, die von mindestens einem Ende des Stators vorstehen und die während des Betriebs des Elektromotors Wärme erzeugen können, die von einem Kühlmantel, der den Stator ringsum umgibt, nicht ohne Weiteres abgeleitet werden kann. In einem Beispiel kann der Stator leitende Hairpin-Wicklungen aufweisen, wie in 2 gezeigt, die verschweißte Spitzen an einem Ende des Stators und miteinander verschweißte U-förmige Drähte an einem gegenüberliegenden Ende des Stators einschließen. In anderen Beispielen kann der Stator stattdessen „I-förmige“ Wicklungsenden aufweisen, die verschweißte Spitzen an beiden Enden des Stators aufweisen. Um eine Kühlung der Wicklungsenden zu verstärken, kann der Elektromotor mit mindestens einer Stirnplatte ausgestattet sein, die mit dem Kühlmantel gekoppelt ist. Eine schematische Skizze eines Elektromotors mit Stirnplatten, die mit einander gegenüberliegenden Enden eines Stators des Elektromotors gekoppelt sind, ist in 3 gezeigt, und ein Beispiel einer Stirnplatte, die so gestaltet ist, dass sie eine Mehrzahl von Vertiefungen in einer Innenfläche der Stirnplatte aufweist, ist in 4 dargestellt. Die Stirnplatte von 4 kann mit dem Stator mit den leitenden Hairpin-Wicklungen so gekoppelt sein, dass die Wicklungsenden, wie in 5 gezeigt, in die Mehrzahl von Vertiefungen eingesenkt sind, die ein Füll- oder Vergussmaterial enthalten können, das an die Wicklungsenden ankoppelt. Zum Beispiel kann die Mehrzahl von Vertiefungen mit dem Vergussmaterial gefüllt sein, um Räume zwischen einer Oberfläche der Vertiefungen und den Wicklungsenden aufzufüllen. Eine Positionierung der Wicklungsenden innerhalb von einer von der Mehrzahl von Vertiefungen ist in 6 in einer Querschnittsansicht abgebildet. Beispiele für Layouts von Elektromotoren mit einer oder mehreren Stirnplatten zum Kühlen von Wicklungsenden, Dichtungen und Lagern der Elektromotoren sind in 7 und 8 dargestellt. Man beachte, dass die Stirnplatte auf ähnliche Weise mit Wicklungsenden, die als verschweißte Spitzen gestaltet sind, und mit Wicklungsenden, die als U-förmige Drähte gestaltet sind, wie etwa solchen, die in den leitenden Hairpin-Wicklungen enthalten sind, gekoppelt sein kann. Zum Beispiel können die Vertiefungen in der Stirnplatte, die mit U-förmigen Wicklungsenden gekoppelt wird, so geformt sein, dass sie die U-förmigen Wicklungsenden aufnehmen können, ohne direkt mit den Wicklungsenden in Kontakt zu kommen. Spalte innerhalb der Vertiefungen, zwischen Oberflächen der Vertiefungen und den Wicklungsenden, können auf ähnliche Weise mit dem Vergussmaterial gefüllt sein.
2-8 zeigen beispielhafte Konfigurationen mit relativer Positionierung der verschiedenen Komponenten. Wenn gezeigt ist, dass diese Elemente einander direkt berühren oder direkt gekoppelt sind, können sie zumindest in einem Beispiel als einander direkt berührend bzw. als direkt gekoppelt bezeichnet werden. Ebenso können in mindestens einem Beispiel Elemente, die aneinander angrenzend oder einander benachbart gezeigt sind, aneinander angrenzen bzw. einander benachbart sein. Beispielsweise können Komponenten, die in einem Flächenkontakt miteinander stehen, als in Flächenkontakt stehend bezeichnet werden. Als ein anderes Beispiel können Elemente, die nur über einen Zwischenraum voneinander getrennt und ohne andere, dazwischen liegende Komponenten positioniert sind, in mindestens einem Beispiel als solche bezeichnet werden. Als noch ein weiteres Beispiel können Elemente, die über- bzw. untereinander, auf einander gegenüberliegenden bzw. gegenüberliegenden Seiten oder links bzw. rechts voneinander gezeigt sind, in Bezug aufeinander als solche bezeichnet werden. Ferner kann, wie in den Figuren gezeigt, in mindestens einem Beispiel ein oberstes Element oder ein oberster Punkt eines Elements als „an der Oberseite“ der Komponente liegend bezeichnet werden und ein unterstes Element oder ein unterster Punkt des Elements kann als „an der Unterseite“ der Komponente liegend bezeichnet werden. Wie hierin verwendet, können an der Oberseite/Unterseite liegend, obere/untere, oberhalb/unterhalb relativ zu einer vertikalen Achse der Figuren gemeint sein und zur Beschreibung des Positionierens von Elementen der Figuren relativ zueinander verwendet werden. Daher sind zum Beispiel Elemente, die oberhalb von anderen Elementen gezeigt sind, vertikal über den anderen Elementen positioniert. Als noch ein weiteres Beispiel können Formen der Elemente, die innerhalb der Figuren abgebildet sind, als diese Formen aufweisend bezeichnet werden (beispielsweise als rund, gerade, eben, gewölbt, abgerundet, gefast, abgewinkelt oder dergleichen). Ferner können in mindestens einem Beispiel Elemente, die einander schneidend gezeigt sind, als einander schneidende Elemente oder als einander schneidend bezeichnet werden. Ferner kann zum Beispiel ein Element, das innerhalb eines anderen Elements oder außerhalb eines anderen Elements gezeigt ist, als solches bezeichnet werden. 2-8 sind annähernd maßstabgerecht gezeigt.
1 zeigt eine erste Stirnansicht 100 eines Elektromotors 10. Der Elektromotor 10 weist ein Gehäuse 102 auf, das innere Komponenten umschließt. In einem Beispiel kann das Gehäuse 102 auch ein Kühlmantel mit darin angeordneten Kühlmittelkanälen für einen Kühlmittelstrom sein. Ein Stator 104, der ein Wicklungsende 106 aufweist, kann von dem Gehäuse 102 umschlossen sein. Das Wicklungsende 106 kann eine Mehrzahl von gewundenen oder Hairpin-Drähten (z.B. runden Drähten, rechteckigen Drähten, flachen Drähten usw.) aufweisen, die sich außerhalb eines Kerns des Stators 104 befinden. Die gewundenen oder Hairpin-Drähte können über eine Phasen-Sammelschiene 113 mit einer Eingangsleistungsquelle verbunden sein, wobei eine Kopplung mit den Hairpin-Drähten in dem Wicklungsende 106 untergebracht ist, die von einem Pfeil 126 angegeben. Man beachte, dass der Statorkern auch Drahtabschnitte aufweist, die sich durch ihn hindurch erstrecken und die in den Statorkern integriert, z.B. mit diesem zusammenhängend ausgebildet, sein können.
Die Phasen-Sammelschiene 113 kann mit einem Traktionswechselrichter 107 gekoppelt sein, um elektrische Energie aus einer Energiespeichervorrichtung 108 (z.B. einer Batterie, einem Kondensator und dergleichen) an den Stator 104 abzugeben. In manchen Fällen, wie etwa, wenn der Motor so gestaltet ist, dass er regenerationsfähig ist, kann der Elektromotor 10 elektrische Energie auf die Energiespeichervorrichtung 108 übertragen. Der Traktionswechselrichter 107 kann eine Umwandlung von elektrischer Leistung zwischen Wechselstrom- und Gleichstrommodi ermöglichen und kann auch eine Drehzahl des Elektromotors 10 durch Variieren einer Frequenz eines Wechselstroms anpassen. Ein Pfeil 109 bezeichnet eine Energieübertragung zwischen dem Elektromotor 10 und dem Traktionswechselrichter 107, und ein Pfeil 110 bezeichnet eine Energieübertragung zwischen dem Traktionswechselrichter 107 und der Energiespeichervorrichtung 108.
Der Elektromotor 10 weist ferner einen Rotor 112 auf mit einem Kern 114 und einer Rotorwelle 116, die sich um eine Drehachse 118 dreht. Man beachte, dass eine radiale Richtung jede Richtung ist, die senkrecht zur Drehachse 118 ist. Außerdem ist ein Achsensystem 190, das eine x-Achse, eine y-Achse und eine z-Achse einschließt, als Bezug angegeben. In einem Beispiel kann die z-Achse eine vertikale Achse sein, kann die x-Achse eine laterale Achse sein und/oder kann die y-Achse eine longitudinale Achse sein, so dass die Drehachse 118 parallel zu der y-Achse sein kann. In anderen Beispielen können die Achsen jedoch auch andere Orientierungen haben. Man beachte, dass der Elektromotor 10 so gestaltet sein kann, dass er eine Drehung erzeugt, die in einer ersten Drehrichtung und, in manchen Beispielen, in einer zweiten Drehrichtung ausgeben wird. Ferner kann der Elektromotor 10 in manchen Beispielen dafür ausgelegt sein, in einem Regenerationsmodus zu arbeiten, wo der Motor eine Eingabe in Form einer Drehung empfängt und als Reaktion auf den Empfang der Eingabe in Form einer Drehung elektrische Energie erzeugt.
Der Rotorkern 114 kann eine Mehrzahl von Metallblechungen 115 (z.B. aus laminiertem magnetischem Stahl oder Eisen) oder ein massives magnetisches Metall aufweisen. Somit weist der Rotorkern 114 einen magnetisch interaktiven Teil (z.B. einen Permanentmagneten oder Elektromagneten) auf. Man beachte, dass sich zumindest ein Teil des Rotors 112 während des Motorbetriebs drehen kann, während der Stator 104 relativ stationär gehalten wird.
In einem Anwendungsfallbeispiel sind der Stator 104 und der Rotor 112 eingerichtet, elektrisch zu wechselwirken, um eine Ausgabe in Form einer Drehung zu erzeugen und um in manchen Fällen als Reaktion auf den Empfang einer Drehung, die von einer externen Quelle, wie etwa einem Fahrzeuggetriebezug, eingegeben wird, elektrische Energie zu erzeugen. Jedoch kann der Motor, wie bereits erörtert, in einer Reihe ganz verschiedener Betriebsumgebungen verwendet werden. Somit ist der Elektromotor 10 dafür ausgelegt, eine Ausgabe in Form einer Drehung zu erzeugen und in manchen Fällen in einem Regenerationsmodus eine Eingabe in Form einer Drehung zu empfangen und eine Ausgabe in Form von elektrischer Energie zu erzeugen. Somit kann der Elektromotor 10 dafür ausgelegt sein, elektrische Energie aus der Energiespeichervorrichtung 108 zu empfangen und in manchen Fällen Energie auf die Energiespeichervorrichtung zu übertragen. Drahtgebundene und/oder drahtlose Energieübertragungsmechanismen können verwendet werden, um diese Energieübertragungsfunktion zu ermöglichen.
Es ist gezeigt, dass eine erste Auswuchtplatte 120 an einem Ende des Rotorkerns 114 an dem Rotorkern 114 angebracht ist. Eine zweite Auswuchtplatte kann mit einem gegenüberliegenden Ende des Rotorkerns 114 gekoppelt sein. Die erste Auswuchtplatte 120 (und die zweite Auswuchtplatte) kann so gestaltet sein, dass sie Unwuchten in dem Rotor 112 Rechnung tragen kann. Genauer können die Masse und eine Masseverteilung der ersten Auswuchtplatte 120 und der zweiten Auswuchtplatte so ausgewählt sein, dass sie Restunwuchtkräfte in dem Motor ausgleichen. Anders ausgedrückt können die Auswuchtplatten in einem Beispiel eine Kühlluftstromdynamik sowie eine weitgehende Ausgleichsfunktionalität bereitstellen.
Ein Flüssigkühlsystem 122, das eingerichtet ist, ein Arbeitsfluid, wie etwa ein wenig viskoses Kühlmittel, durch den Elektromotor 10 zu wälzen, kann hierin eingeschlossen sein. Wie gezeigt, kann das Flüssigkühlsystem 122 Fluidleitungen 124 aufweisen, die von dem Flüssigkühlsystem 122 genutzt werden können, um ein Kühlmittel durch den Elektromotor 10 zu wälzen. In einem Beispiel kann das Flüssigkühlsystem 122, wie hierin beschrieben, mit einem Kühlmittelkreislauf eines Fahrzeugs gekoppelt oder darin enthalten sein. Das Flüssigkühlsystem 122 kann daher ein Kühlmittel umwälzen, das dasselbe ist, das verwendet wird, um verschiedene Fahrzeugkomponenten zu kühlen. Das Kühlmittel kann eine wässrige Lösung eines Glycols, wie etwa eines Ethylen- oder Propylenglycols, sein und kann in kleineren Mengen auch zusätzliche Bestandteile, wie etwa anorganische Additive, organische Säuren usw. aufweisen.
In einem Beispiel kann das Kühlmittel elektrisch leitend sein und kann einen elektrischen Erdungspfad zwischen einem statischen Teil des Elektromotors 10 und einem rotierenden Teil des Elektromotors 10 bereitstellen. Zum Beispiel kann das stationäre Teil der Stator 104 sein, und das rotierende Teil kann der Rotor 112 oder zumindest ein Teil des Rotors 112 sein, der den Rotorkern 114 und die Rotorwelle 116 einschließt. Das elektrisch leitende Kühlmittel kann das statische und das rotierende Teil des Elektromotors 10 kühlen, wie nachstehend beschrieben, während es eine elektrische Durchgängigkeit zwischen den Teilen und einer elektrischen Masse ermöglicht. Die elektrische Erdung, die von dem Kühlmittel ermöglicht wird, kann eine Lochkorrosion an den Lagern des Elektromotors oder an einem mit dem Elektromotor 10 gekoppelten Getriebekasten verringern, ohne dafür auf zusätzliche oder teure spezialisierte Komponenten angewiesen zu sein.
In anderen Beispielen kann das Kühlmittel Öl sein. In einem noch anderen Beispiel kann in einem hybriden Kühlsystem eine Kühlung, die von dem Flüssigkühlsystem 122 bereitgestellt wird, mit einem direkten Ölkühlungssystem kombiniert sein, das verwendet wird, um das Wicklungsende 106 des Elektromotors 10 zu kühlen. Zum Beispiel kann das wässrige, auf Glycol basierende Kühlmittel verwendet werden, um einen Wassermantel des Elektromotors 10 und Teile des Wicklungsendes 106, die von einer Stirnplatte gekühlt werden (wie hierin beschrieben, in 1 nicht gezeigt), zu kühlen. Die Teile des Wicklungsendes 106, die von dem wässrigen, auf Glycol basierenden Kühlmittel gekühlt werden, können in Vertiefungen der Stirnplatte eingebracht und mit einem Vergussmaterial umgeben sein. Das Öl kann verwendet werden, um Teile der Wicklungsenden, die von dem wässrigen, auf Glycol basierenden Kühlmittel nicht gekühlt werden, direkt zu kühlen.
Die Stirnplatte kann in dem Motorgehäuse 102 enthalten sein, um den Elektromotor 10 einzuschließen, und kann beispielsweise mit dem Wassermantel fluidisch gekoppelt sein. Somit kann das Kühlmittel, das durch den Wassermantel zirkuliert, auch durch die Stirnplatte strömen. Die Vertiefungen der Stirnplatte können Ausnehmungen oder Nuten sein, die eingerichtet sind, das Wicklungsende 106 aufzunehmen, ohne in direkten Kontakt mit dem Wicklungsende 106 zu kommen. Wärme kann durch das in den Vertiefungen befindliche Vergussmaterial hindurch aus dem Wicklungsende 106 in das Kühlmittel gezogen werden. Weitere Einzelheiten zu der Stirnplatte sind nachstehend, unter Bezugnahme auf 2-8 angegeben.
Der Elektromotor 10 kann mit einem Steuersystem 150 mit einer Steuereinrichtung 152 gekoppelt sein. Die Steuereinrichtung 152 weist einen Prozessor 154 (z.B. eine Mikroprozessoreinheit und/oder andere Arten von Schaltungen) und einen Speicher 156 (z.B. einen Random Access Memory, einen Read Only Memory, einen Keep Alive Memory, Kombinationen davon usw.) auf. Die Steuereinrichtung 152 kann eingerichtet sein, Steuerbefehle an Systemkomponenten 158 zu senden sowie Signale von Sensoren 160 und anderen geeigneten Komponenten zu empfangen. Die steuerbaren Komponenten können den Elektromotor 10 (z.B. den Stator des Motors) einschließen. Es sei klargestellt, dass die steuerbaren Komponenten Stellglieder einschließen können, um eine Einstellung der Komponenten zu ermöglichen. Die Sensoren können einen Motortemperatursensor 162, einen Rotorpositionssensor 164 usw. einschließen. Somit kann die Steuereinrichtung 152 ein Signal empfangen, das eine Drehzahl des Motors angibt, und die Ausgabe des Motors auf Basis des Drehzahlsignals anpassen. Die anderen steuerbaren Komponenten in dem Elektromotor können auf ähnliche Weise funktionieren. Ferner sei klargestellt, dass die Steuereinrichtung 152 Signale mittels drahtgebundener und/oder drahtloser Kommunikation senden und empfangen kann.
Wie oben beschrieben, kann der Elektromotor leitende Hairpin-Wicklungen aufweisen, die sich axial, z.B. entlang der Drehachse 118 von 1, durch den Stator erstrecken und die von mindestens einem Ende des Stators vorstehen, wenn der Stator eine Radialflusskonfiguration aufweist. Ein Beispiel für einen Radialfluss-Stator 200 mit einer Hairpin-Wicklung 202 für einen Elektromotor ist in 2 dargestellt. Der Stator 200 weist einen Statorkern 203 auf, der ein zylindrisches Rohr sein kann, das aus einem starren, haltbaren Material, wie etwa einem Metall gebildet ist, mit einer zentralen Öffnung 250, die sich durch die gesamte Länge 205 des Statorkerns 203 hindurch erstreckt. Ein Rotor, wie etwa der Rotor 112 von 1, kann in die zentrale Öffnung 250 des Statorkerns 203 eingebracht sein.
Die Hairpin-Wicklungen 202 können sich axial/longitudinal durch den Statorkern 203 erstrecken, parallel zu sowohl einer Drehachse 201 des Stators 200 (die auch eine Drehachse des Elektromotors sein kann) als auch der y-Achse, und zwar durch die gesamte Länge 205 des Statorkerns 203. Ferner kann eine Länge 207 der Hairpin-Wicklungen 202 größer sein als die Länge 205 des Statorkerns 203, weswegen die Hairpin-Wicklungen 202 an einem ersten Ende 204 des Statorkerns 203 und an einem zweiten Ende 206 des Statorkerns 203 axial aus dem Statorkern 203 vorstehen. Die Hairpin-Wicklungen können beschichtete Drähte mit einem Metallkern sein, etwa aus Kupfer, das mit einem Isoliermaterial, wie etwa einem aus Harz gebildeten Lack, beschichtet ist. Alternativ dazu kann das Isoliermaterial auf den Metallkern extrudiert werden, und in manchen Beispielen können Schichten, die aus unterschiedlichen Metallen mit unterschiedlichen mechanischen und elektrischen Festigkeiten gebildet sind, verwendet werden, um das Isoliermaterial zu bilden.
An dem ersten Ende 204 des Statorkerns 203 kann ein vorstehender Teil der Hairpin-Wicklungen 202 ein Satz von Scheitel-Wicklungsenden 208 sein. Der Satz von Scheitel-Wicklungsenden 208 kann aus Scheitelenden (z.B. unterbrechungsfreien Biegungen) der Hairpin-Wicklungen 202 gebildet sein. An dem zweiten Ende 206 des Statorkerns 203 kann ein vorstehender Teil der Hairpin-Wicklungen 202 ein Satz von verschweißten Wicklungsenden 210 sein. Der Satz von verschweißten Wicklungsenden 210 kann aus blinden Enden der Hairpin-Wicklungen 202 gebildet sein, wobei jede Hairpin-Wicklung, die wie eine Haarnadel geformt ist, zwei blinde Enden aufweist, die in der gleichen Richtung (z.B. entlang der positiven y-Achse) aus dem zweiten Ende 206 des Statorkerns 203 vorstehen. Zumindest ein Teil der blinden Enden ist paarweise zusammengeschweißt und bildet verschweißte Spitzen 212 der Hairpin-Wicklungen 202. Die blinden Enden können zum Beispiel mittels Laserschwei-ßens oder anderer Schweißverfahren verschweißt werden. In anderen Beispielen müssen die verschweißten Spitzen 212 nicht verschweißt sein, sondern können stattdessen verlötet sein, zum Beispiel mit Silber.
Die verschweißten Spitzen 212 können in radial ausgerichteten Kolonnen angeordnet sein, wie von gestrichelten Rechtecken 209 angegeben. Die einzelnen radial ausgerichteten Kolonnen können in einer radialen Richtung, z.B. einer Richtung, die senkrecht ist zu der zentralen Drehachse 201, entlang der x-z-Ebene ausgerichtet und um einen Umfang des Statorkerns 203 herum gleichmäßig beabstandet sein. Die radial ausgerichteten Kolonnen können mindestens vier von den verschweißten Spitzen 212 einschließen, wie in 2 gezeigt, können in anderen Beispielen aber auch andere Mengen an verschweißten Spitzen 212 einschließen.
Die verschweißten Spitzen 212 können entlang der x-z-Ebene auch so angeordnet sein, dass die verschweißten Spitzen 212 einer kontinuierlichen spiraligen Route folgen, wobei ein erster, innerer Ring der verschweißten Spitzen 212 konzentrisch von einem zweiten Ring der verschweißten Spitzen 212 umgeben ist, der zweite Ring konzentrisch von einem dritten Ring der verschweißten Spitzen 212 umgeben ist und der dritte Ring konzentrisch von einem vierten, äußersten Ring der verschweißten Spitzen 212 umgeben ist. Ein erstes Ende der spiraligen Route der verschweißten Spitzen 212, das entlang des ersten, inneren Rings der verschweißten Spitzen 212 positioniert ist, kann einen ersten Satz von unverschweißten blinden Enden 214 der Hairpin-Wicklungen 202 einschließen. Außerdem kann ein zweites Ende der spiraligen Route der verschweißten Spitzen 212, der entlang des vierten, äußersten Rings der verschweißten Spitzen 212 positioniert ist, einen zweiten Satz von unverschweißten blinden Enden 216 der Hairpin-Wicklungen 202 einschlie-ßen. Auch wenn der Stator 200 in 2 mit vier konzentrischen Ringen der spiralig ausgerichteten verschweißten Spitzen 212 abgebildet ist, sei klargestellt, dass der Stator 200 ein nicht-beschränkendes Beispiel ist und dass jeweils andere Mengen der Hairpin-Wicklungen 202, der radial ausgerichteten Kolonnen und der konzentrischen Ringe möglich sind, ohne vom Bereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Ferner können andere Beispiele alternative Orientierungen der Wicklungsenden aufweisen, wie etwa nicht-spiralige Routen oder eine Ausrichtung in Richtungen, die keine radialen Richtungen sind.
Der erste und der zweite Satz der unverschweißten blinden Enden 214, 216 einschließlich von Teilen, von denen das Isoliermaterial abgetragen ist, können direkt mit Phasen-Sammelschienen, wie etwa der Phasen-Sammelschiene 113 von 1 gekoppelt sein. Bei dem zweiten Satz von verschweißten Wicklungsenden 210, der den ersten und den zweiten Satz der unverschweißten blinden Enden 214, 216 nicht einschließt, kann es sich jedoch um freistehende Strukturen handeln, die in einem herkömmlichen Elektromotor nicht mechanisch abgestützt sind. Ferner kann der Satz von verschweißten Wicklungsenden 210 über eine Strecke aus dem zweiten Ende 206 des Statorkerns 203 vorstehen, die größer ist als eine Strecke, über die der Satz von Scheitel-Wicklungsenden 208 von dem ersten Ende 204 des Statorkerns 203 vorsteht, um Platz für ein Schweißen der verschweißten Spitzen 212 zu bieten. Anders ausgedrückt kann eine Länge des Satzes von verschweißten Wicklungsenden 210 größer sein als eine Länge des Satzes von Scheitel-Wicklungsenden 208, wobei die Längen entlang der zentralen Drehachse 201 definiert sind. Der Satz von verschweißten Wicklungsenden 210 kann daher anfällig sein für eine Bewegung, die eine Folge von Stößen und Schwingungen ist. Eine wiederholte Einwirkung von Stößen und Schwingungen kann zu einer Beschädigung des Isoliermaterials führen, das den Satz von verschweißten Wicklungsenden 210 überzieht. Ebenso kann wegen der größeren Länge des Satzes von verschweißten Wicklungsenden 210, durch die zumindest Teile des Satzes von Wicklungsenden 210 weiter weg von einem mit dem Elektromotor gekoppelten Kühlmantel positioniert sind, ein Wärmeschaden an dem Satz von verschweißten Wicklungsenden 210 ausgeprägter sein (z.B. gegenüber dem Satz von Scheitel-Wicklungsenden 208).
Auch wenn der Radialfluss-Stator Vorteile bietet, die eine effiziente und einfache Herstellung, geringe Kosten (beispielsweise im Vergleich zu Axialfluss-Statoren) und eine leichtere Installation im Vergleich zu anderen Arten von Statoren einschließen, und ist eine Dichte der von dem Radialfluss-Stator ausgegebenen Leistung durch eine Kühlung des Stators und eine Geometrie des Stators beschränkt. Genauer hängt die Leistung des Radialfluss-Stators von einer Beherrschung der von dem Stator erzeugten Wärme ab. Durch Verringern einer Temperatur des Radialfluss-Stators kann eine elektrische Resistivität von leitenden Materialien, wie etwa Kupfer, herabgesetzt werden, was Verlusten entgegenwirkt, die während eines Betriebs des Elektromotors erzeugt werden. Zum Beispiel kann der Stator durch einen Kühlmantel gekühlt werden, der den Stator entlang der Drehachse ringsum umgibt, wie etwa das Gehäuse 102 von 1. Der Kühlmantel kann flüssiggekühlt sein, wobei ein Kühlmittel beispielsweise durch Kühlmittelleitungswege oder -kanäle in dem Mantel strömt, um Wärme beispielsweise aus dem Stator in eine Wärmesenke zu ziehen.
Der Kühlmantel kühlt jedoch nicht die Wicklungsenden des Stators oder den Rotor, der von dem Stator umgeben ist. Wärme, die an den Wicklungsenden erzeugt wird, kann durch Konduktion auf Teile des Statorkerns, die sich z.B. durch den Stator erstrecken, und durch Konduktion durch den Stator hindurch auf den Kühlmantel abgeleitet werden. Ein Wirkungsgrad der Wärmeableitung von den Wicklungsenden kann von einem Wärmegradienten zwischen den Wicklungsenden und den Teilen der leitenden Wicklungen, die mit dem Stator in Kontakt stehen, abhängen. Der Wärmegradient kann jedoch eine Wärmeübertragung in den Stator bewirken, die geringer ist als eine Wärmeübertragung von den Teilen der leitenden Wicklungen, die sich durch den Stator erstrecken. Infolgedessen können sich Hotspots an den Wicklungsenden bilden, und insbesondere an dem Satz von verschweißten Wicklungsenden, wegen dessen im Vergleich zu dem Satz von Scheitel-Wicklungsenden größerer Länge. Um eine Wärmeschädigung des Isoliermaterials der leitenden Wicklungen abzuschwächen und um eine Lebensdauer des Stators zu verlängern, ist es notwendig, die Hotspot-Temperaturen unterhalb einer Schwellentemperatur, wie etwa 150 °C, 180 °C, oder einer Temperatur dazwischen zu halten.
Außerdem kann auch eine Wärmeerzeugung an dem Rotor des Elektromotors die Leistung und den Zustand des Elektromotors beeinträchtigen. Verluste, die zu einer Wärmeerzeugung an dem Rotor führen, können durch einen radialen Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator thermisch isoliert sein, was zu einer Erwärmung des Rotors führt. Außerdem kann Wärme, die an dem Rotor erzeugt wird, auf mechanische Komponenten, wie etwa Lager und Wellendichtungen des Elektromotors, übertragen werden, die aufgrund einer Reibung während des Betriebs des Elektromotors eine weitere Erwärmung durchmachen können. Ein örtlich konzentrierter Temperaturanstieg kann an Lagern und Wellendichtungen auftreten, was sich nachteilig auf die Integrität der Komponenten auswirken kann. In manchen Beispielen kann ein Austausch der Komponenten gegen teure, wärmetolerante Ersatzteile oder können Änderungen an einer Konfiguration des Elektromotors notwendig sein.
In einem Beispiel können die oben beschriebenen Probleme zumindest zum Teil durch Bereitstellen eines Kühlmantels für einen Stator gelöst werden, der mindestens eine Stirnplatte aufweist, die als Wärmesenke eingerichtet ist, um Wärme aus Wicklungsenden des Stators zu ziehen und abzuleiten. Die Stirnplatte kann eine genutete Fläche einschließen, die Nuten oder Vertiefungen aufweist, die eingerichtet sind, Wicklungsenden des Stators aufzunehmen. Die Stirnplatte kann ferner mit mindestens einem Kühlkanal für einen hindurchfließenden Kühlmittelstrom versehen sein, wobei das Kühlmittel Wärme effizient von den Wicklungsenden abzieht. Die Nuten der Stirnplatte können mit einer wärmeleitenden Füllmasse, z.B. einem Vergussmaterial, gefüllt sein, welches das Leiten von Wärme vom Stator zum Kühlmantel unterstützt und eine mechanische Stütze für die Wicklungsenden bereitstellt, während es gleichzeitig Platz für eine Wärmeausdehnung der Wicklungsenden macht. Das Vergussmaterial kann auch elektrisch isolierend sein. Genauer kann die Stirnplatte mit dem Satz von verschweißten Wicklungsenden gekoppelt sein, wenn nur eine einzige Stirnplatte des Elektromotors eingerichtet ist wie oben beschrieben, was erstrebenswert sein kann, wenn danach gestrebt wird, eine Größe, ein Gewicht und die Kosten für den Elektromotor klein zu halten. Eine Geometrie der Stirnplatte und ihre Eingliederung in den Elektromotor können eine Verringerung der Gesamtlänge des Elektromotors ermöglichen.
Ein Beispiel für einen Radialfluss-Elektromotor 300 ist in 3 in einer vereinfachten schematischen Darstellung eines Querschnitts des Elektromotors 300 abgebildet. Man beachte, dass der Querschnitt einen Teil des Elektromotors 300 abbildet, wobei der im Querschnitt gezeigte Teil eine Hälfte des Elektromotors 300, z.B. eine Hälfte des Elektromotors 300 oberhalb einer zentralen Drehachse 301 des Elektromotors 300 repräsentiert. Man beachte, dass der Elektromotor 300 verschiedene zusätzliche Komponenten aufweist, die der Übersichtlichkeit wegen aus 3 weggelassen wurden. Der Elektromotor 300 weist einen Stator 303 auf, der einen Statorkern 302 einschließt, mit Wicklungsenden 304, die axial (z.B. entlang der zentralen Drehachse 301) von jedem Ende des Statorkerns 302 vorstehen. In einem Beispiel kann der Stator 303 dem Stator 200 von 2 ähneln, und die Wicklungsenden 304 können Wicklungsenden von leitenden Hairpin-Wicklungen sein. Somit können die Wicklungsenden 304 einen Satz von Scheitel-Wicklungsenden und einen Satz von verschweißten Wicklungsenden aufweisen. In anderen Beispielen kann der Stator 303 verschiedene andere Arten von leitenden Wicklungen aufweisen, wie etwa andere Arten von Wicklungen, für die Runddrähte verwendet werden, einschließlich eingezogener Wicklungen (z.B. wilder Wicklungen), Litzenwicklungen, verteilte oder konzentrierte Wicklungen, für die runde, rechteckige oder Litzendrähte verwendet werden, usw. Die Wicklungsenden 304 können daher an den jeweiligen Enden des Statorkerns 302 voneinander verschieden sein, wie etwa dann, wenn die leitenden Wicklungen die Hairpin-Wicklungen sind, oder sie können einander ähneln, wenn die leitenden Wicklungen zu einer anderen Art gehören, wie etwa „I-förmige“ Wicklungen.
Der Statorkern 302 kann einen Rotor 306 des Elektromotor 300 ringsum umgeben und kann durch einen Luftspalt 308 (z.B. einen radialen Luftspalt) von dem Rotor 306 beabstandet sein. Der Rotor 306 weist einen Rotorkern 310 auf, der Permanentmagnete einschließen kann, um Magnetflussfelder zu erzeugen und eine Drehung des Rotors 306 mit synchronen Drehzahlen als Reaktion auf einen eingespeisten Strom zu ermöglichen. Der Rotorkern 310 ist mit einer Welle 312 des Rotors 306 gekoppelt, so dass sich der Rotorkern 310 und die Welle 312 als eine Einheit drehen. In einem Beispiel kann eine Länge der Welle 312, definiert entlang der zentralen Drehachse 301, größer sein als eine Länge des Rotorkerns 310, die einer Länge des Statorkerns 302 ähnlich sein kann. Der Rotor 306 kann aus verschiedenen Materialien gebildet sein, abhängig von einer Anwendung und einem Rotor-Teilabschnitt. Zum Beispiel kann die Welle 312 aus Stahl oder einem ähnlichen Metall gebildet sein, das in der Lage ist, ein Drehmoment zu übertragen und das eine gewünschte Steifigkeit aufweist. Ein Kern des Rotors 306 kann beispielsweise aus einem laminierten Stapel aus Ferrosilizium(FeSi)-Legierung mit eingebetteten Permanentmagneten gebildet sein. In einem Beispiel können die Permanentmagnete Neodym-Eisen-Borid sein.
Der Stator 303 und der Rotor 306 können von einem Gehäuse 314 umschlossen sein, das einen Kühlmantel einschließen kann. Das Gehäuse 314 weist einen Hülsenteil 316, eine erste Stirnplatte 318 und eine zweite Stirnplatte 320 auf, wobei der Hülsenteil 316 und die Stirnplatten weiter unten beschrieben werden. Das Gehäuse 314 kann den Statorkern 302 vollständig umgeben und kann aus einem steifen, wärmeleitenden Material, wie etwa Aluminium, gebildet sein, das leicht und preiswert und dabei mechanisch fest und haltbar ist. Durch Positionieren des Gehäuses 314 in direkten Kontakt mit dem Statorkern 302 kann Wärme, die an dem Statorkern 302 erzeugt wird, von dem Statorkern 302 weg und in das Gehäuse 314 geleitet werden, wie von Pfeilen 307 angegeben. In manchen Fällen kann das Gehäuse 314 luftgekühlt sein und Wärme aus dem Gehäuse 314 auf Luft übertragen, die über den Elektromotor 300 strömt, In anderen Beispielen kann das Gehäuse 314 flüssiggekühlt sein und an einem Kühlmittel, das durch einen oder mehrere Kühlmittelkanäle des Gehäuses 314 strömt, einen Wärmetausch ermöglichen.
Zum Beispiel kann der Hülsenteil 316 des Gehäuses 314 den Statorkern 302 entlang einer Richtung, die parallel ist zu der zentralen Drehachse 301, ringsum umgeben. Wenn das Gehäuse 314 für eine Flüssigkühlung eingerichtet ist, kann der Hülsenteil 316 des Gehäuses 314 mindestens einen Kühlmittelkanal aufweisen, der mit einem Kühlmittelkreislauf 309 von beispielsweise einem Fahrzeug fluidisch gekoppelt ist, wie von Pfeilen 305 angegeben. Eine Kühlung des Stators 303 erfordert daher kein zusätzliches Kühlsystem, wie etwa ein auf Öl basierendes Kühlsystem, das eine Implementierung des Elektromotors komplexer und teurer macht. Das Gehäuse 314 kann auch die erste Stirnplatte 318 und die zweite Stirnplatte 320 aufweisen, wobei die Stirnplatten senkrecht zu der zentralen Drehachse 301 angeordnet sind und mit Enden des Hülsenteils 316 des Gehäuses 314 gekoppelt sind. Die Stirnplatten können aus dem gleichen oder aus einem anderen Material als das Gehäuse 314 gebildet sein. In manchen Beispielen können die Stirnplatten aus Aluminium gebildet sein, um eine hohe Wärmeleitfähigkeit bereitzustellen und gleichzeitig ein Gewicht der Stirnplatten niedrig zu halten. Die erste Stirnplatte 318 weist eine zentrale Öffnung 322 auf (z.B. eine Öffnung, deren Zentrum die zentrale Drehachse 301 ist), um Platz für eine Anordnung von Komponenten zu bieten, die mit dem Rotor 306 gekoppelt sind, wie etwa Lager, Dichtungen usw. (in 3 nicht gezeigt).
Innenflächen der ersten und der zweiten Stirnplatte 318, 320 können die Wicklungsenden 304 an jeweiligen Enden des Elektromotors 300 aufnehmen. Jedoch können die Wicklungsenden 304 aufgrund einer genuteten Konfiguration der Innenflächen von den Innenflächen der Stirnplatten beabstandet sein, wie weiter unten unter Bezugnahme auf 4 beschrieben wird. Zum Beispiel können Nuten oder Vertiefungen in den Innenflächen der Stirnplatten an den Wicklungsenden 304 ausgerichtet sein, so dass Spitzen der Wicklungsenden 304 in die Nuten eingebracht werden können, ohne dass ein Kontakt mit den Wicklungsenden 304 hergestellt wird, und daher ohne irgendwelche mechanischen Kräfte auf die Wicklungsenden 304 auszuüben. Räume zwischen den Stirnplatten und den Wicklungsenden 304 innerhalb der Nuten können mit einem flexiblen, wärmeleitenden Vergussmaterial gefüllt sein, um eine mechanische Stütze für die Wicklungsenden 304 bereitzustellen und gleichzeitig eine konduktive Übertragung von Wärme von den Wicklungsenden 304 auf die Stirnplatten zu ermöglichen.
Die erste und die zweite Stirnplatte 318, 320 können in einem Beispiel so mit dem Hülsenteil 316 des Gehäuses 314 gekoppelt sein, dass die Stirnplatten und das Gehäuse 314 eine einzige, zusammenhängende Einheit bilden. Alternativ dazu können die Stirnplatten von dem Hülsenteil 316 separate Einheiten sein und können durch Schweißen, durch Befestigungsmittel usw. an dem Hülsenteil 316 angebracht sein. Die Stirnplatten können durch Leiten von Wärme von den Wicklungsenden 304 zum Hülsenteil 316 des Gehäuses 314 eine Ableitung von Wärme aus den Wicklungsenden 304 ermöglichen, wie von Pfeilen 307 angegeben. Im Vergleich zu einer Wärmeableitung durch den Rotorkern hindurch zum Gehäuse 314 stellt eine Wärmeübertragung über die Stirnplatten zusätzliche Wärmeübertragungsrouten für Wärme bereit, die am Wicklungsende 304 erzeugt wird. Das Wärmemanagement der Wicklungsenden kann aufgrund einer hohen Wärmeleitfähigkeit des Wicklungsendenmaterials schneller und effizienter sein.
In manchen Beispielen weisen die Stirnplatten jeweils mindestens einen Kühlmittelkanal auf, der mit dem mindestens einen Kühlmittelkanal des Hülsenteils 316 fluidisch gekoppelt ist, wie von Pfeilen 305 angegeben, wodurch eine Zirkulierung von Kühlmittel vom Kühlmittelkreislauf 309 zu den Stirnplatten ermöglicht wird, wodurch eine Kühlungskapazität der Stirnplatten erhöht wird. In noch anderen Beispielen kann es sein, dass nur eine von den Stirnplatten den mindestens einen Kühlmittelkanal aufweist und die andere Stirnplatte keine Kühlmittelkanäle aufweist. Zum Beispiel kann die Stirnplatte, die mit dem Satz von verschweißten Wicklungsenden (z.B. dem Satz von verschweißten Wicklungsenden 210 von 2) gekoppelt ist, so eingerichtet sein, dass sie mindestens einen Kühlmittelkanal aufweist, weil an dem Satz von verschweißten Wicklungsenden eine Tendenz zur Erzeugung von Hotspots besteht. Die Hotspots können sich als Folge einer im Vergleich zu dem Satz von Scheitel-Wicklungsenden größeren Länge des Satzes von verschweißten Wicklungsenden bilden, wenn die leitenden Wicklungen Hairpin-Wicklungen sind.
Durch Konfigurieren des Gehäuses 314 mit der ersten und der zweiten Stirnplatte 318, 320, die jeweils eingerichtet sind, die Wicklungsenden 304 des Stators 303 aufzunehmen, wird eine zusätzliche Wärmeflussroute für den Stator 303 bereitgestellt. Zum Beispiel kann ohne die hierin beschriebene Konfiguration der Stirnplatten Wärme, die an den Wicklungsenden 304 erzeugt wird, stattdessen an den Enden des Statorkerns 302 zu dem Statorkern 302 und durch den Statorkern 302 hindurch zum Hülsenteil 316 des Gehäuses 314 geleitet werden. Dadurch kann sich eine Kühllast des Hülsenteils 316 erhöhen, wodurch ein Wirkungsgrad der Kühlung des Gehäuses 314 gesenkt wird. Da jedoch die Stirnplatten mit dem Hülsenteil 316 des Gehäuses 314 gekoppelt sind, kann die Wärme aus den Stirnplatten 304 stattdessen vom Statorkern 302 weg geleitet werden, wodurch die Gesamt-Wärmeableitung aus dem Stator 303 erhöht wird.
In manchen Fällen kann der Rotor 306 auch für einen Kühlmittelstrom durch ihn hindurch eingerichtet sein, wenn das Gehäuse 314 flüssiggekühlt ist. Wie in 3 gezeigt, kann beispielsweise die Welle 312 des Rotors 306 einen Kühlmittelkanal 324 aufweisen, der sich entlang eines Teils der Länge der Welle 312 erstreckt. Der Kühlmittelkanal 324 kann in einem Teil des Rotors 306 angeordnet sein, der stationär bleibt und sich nicht dreht. Der Kühlmittelkanal 324 kann mit mindestens einem Kühlmittelkanal von einer von den Stirnplatten gekoppelt sein, so dass das Kühlmittel von der Stirnplatte in den Kühlmittelkanal 324 abgegeben wird. Auf diese Weise kann Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreislauf 309 des Fahrzeugs, zum Hülsenteil 316 des Gehäuses 314, in die erste und/oder die zweite Stirnplatte 318, 320 und in die Welle 312 des Rotors 306 zirkuliert werden, bevor es zurück zu einer Wärmesenke des Kühlmittelkreislaufes 309, wie etwa einem Wärmetauscher, strömt. Eine Wärmeextraktion über einen Kühlmittelstrom an den Stirnplatten und der Rotorwelle ermöglicht es, Temperaturen der Wicklungsenden, des Rotors sowie von Lagern und Dichtungen, die mit dem Rotor gekoppelt sind, unterhalb einer Schwellentemperatur, wie beispielsweise 100 °C, zu halten. Ferner wird durch eine Fluidverbindung des Kühlmittelkanals 324 mit dem Kühlmittelkanal einer der Stirnplatten ein Temperaturdifferential klein gehalten, das zwischen irgendeiner sich drehenden Komponente des Elektromotors und einer stationären Komponente gebildet wird. Eine Lebensdauer der verschiedenen Elektromotorkomponenten wird dadurch verlängert.
Um eine Kühlung der Wicklungsenden durch die Stirnplatten zu maximieren, kann es erstrebenswert sein, die Wicklungsenden so nahe wie möglich an den Stirnplatten zu positionieren, aber gleichzeitig ausreichend Freiraum bereitzustellen, um Platz für eine Wärmeausdehnung der Wicklungsenden zu lassen. Dies kann durch Konfigurieren von Innenflächen der Stirnplatten, z.B. Flächen der Stirnplatten, die den Wicklungsenden zugewandt sind, mit Nuten oder Vertiefungen zum Aufnehmen der Wicklungsenden erreicht werden. Zum Beispiel können Spitzen des Satzes von verschweißten Wicklungsenden zumindest zum Teil in die Vertiefungen eingesenkt sein, wodurch ein Maß einer Extralänge, die aufgrund einer Verkappung des Stators mit den Stirnplatten an jedem Ende hinzugefügt wird, verringert wird.
Ein Beispiel für eine Innenfläche 402 einer Stirnplatte 400 für ein Gehäuse eines Elektromotors ist in 4 abgebildet, und die Stirnplatte 400 ist in 5 gekoppelt mit dem Stator 200 von 2 gezeigt. Die Stirnplatte 400 kann eine beispielhafte Ausführungsform der ersten Stirnplatte 318 oder der zweiten Stirnplatte 320 von 3 sein und kann, wie in 5 dargestellt, mit dem Satz von verschweißten Wicklungsenden 210 des Stators 200 gekoppelt sein. Jedoch kann in manchen Beispielen eine ähnlich eingerichtete Stirnplatte mit dem Satz von Scheitel-Wicklungsenden 208 des Stators 200 gekoppelt sein. Ferner kann in einem Beispiel eine Außenfläche der Stirnplatte 400, z.B. eine Fläche der Stirnplatte, die der Innenfläche 402 gegenüberliegend ist, glatt und gleichmäßig sein. In anderen Beispielen kann die Außenfläche einen Kühlmittelkanal und/oder elektrische Verbindungen aufweisen.
Die Stirnplatte 400 weist eine kreisförmige Außengeometrie mit einem Durchmesser 401 auf, der größer ist als ein Außendurchmesser 502 des Stators 200, wie in 5 gezeigt. In manchen Beispielen kann der Außendurchmesser 502 des Stators 200 einem Innendurchmesser eines Hülsenteils eines Kühlmantels, wie etwa des Hülsenteils 316 des Gehäuses 314, entsprechen. Der Hülsenteil 316 kann sich axial so erstrecken, dass er die Stirnplatte 400 ringsum umgibt, z.B. ist die Stirnplatte 400 innerhalb des Hülsenteils des Kühlmantels positioniert. in anderen Beispielen kann die Stirnplatte 400 außerhalb des Hülsenteils und angrenzend an dessen Enden positioniert sein, wie in 3 gezeigt.
Die Innenfläche 402 der Stirnplatte 400 kann, wie in 4 gezeigt, eine zentrale Öffnung 404, die ebenfalls kreisförmig ist, ebenso wie eine erste schlitzförmige Durchgangsbohrung 406 und eine zweite schlitzförmige Durchgangsbohrung 408 aufweisen. Die Stirnplatte 400 weist auch eine Mehrzahl von Vertiefungen 410 auf, wobei ein Teil der Mehrzahl von Vertiefungen 410 zwischen der ersten schlitzförmigen Durchgangsbohrung 406 und der zweiten schlitzförmigen Durchgangsbohrung 408 angeordnet ist, wobei eine Randlippe 412 entlang der y-Achse von der Innenfläche 402 nach außen übersteht, wie in 5 gezeigt, und eine äußere Umrandung 414 um die Randlippe 412 herum verläuft. Wie in 5 dargestellt, kann die Randlippe 412 einen Außendurchmesser aufweisen, der dem Außendurchmesser 502 des Stators 200 ähnlich ist, während der Durchmesser 401 der äußeren Umrandung 414 (ebenso wie der Gesamtdurchmesser der Stirnplatte 400) größer ist als der Außendurchmesser 502 des Stators 200.
Wie in 4 gezeigt, kann die Innenfläche 402 drei konzentrische Teile aufweisen: einen ersten konzentrischen Teil 403 in der Nähe der zentralen Öffnung 404, einen zweiten konzentrischen Teil 405, der den ersten konzentrischen Teil 403 ringsum umgibt, und einen dritten konzentrischen Teil 407, der den zweiten konzentrischen Teil 405 ringsum umgibt und einen äußersten Teil der Innenfläche 402 bildet. Der erste konzentrische Teil 403 weist die erste schlitzförmige Durchgangsbohrung 406 und Befestigungsmittellöcher 416 auf. Die Befestigungsmittellöcher 416 können eingerichtet sein, Befestigungsmittel zum Festlegen der Stirnplatte 400 in Bezug auf den Stator 200 aufzunehmen, und können nahe an und innerhalb einer äußersten Grenze des ersten konzentrischen Teils 403 der Innenfläche 402 ausgerichtet sein. In manchen Beispielen kann die Stirnplatte 400 ferner Spannstifte und Führungsbohrungen zum Ausrichten der Stirnplatte 400 an dem Stator 200 und dem Hülsenteil des Kühlmantels aufweisen. Jedoch können in anderen Beispielen die Befestigungsmittellöcher 416, die Spannstifte und die Führungsbohrungen weggelassen sein.
Die erste schlitzförmige Durchgangsbohrung 406 kann sich vollständig durch eine Dicke (definiert entlang der y-Achse) der Stirnplatte 400 hindurch erstrecken und kann die Form einer gekrümmten länglichen Nut haben, wobei sich eine Länge 420 der ersten schlitzförmigen Durchgangsbohrung 406 entlang eines Teils eines Umfangs des ersten konzentrischen Teils 403 der Innenfläche 402 erstreckt. Die erste schlitzförmige Durchgangsbohrung 406 kann auch nahe an und innerhalb der äußersten Grenze des ersten konzentrischen Teils 403 ausgerichtet sein, so dass die erste schlitzförmige Durchgangsbohrung 406 entlang der zentralen Drehachse 201 an dem ersten Satz von unverschweißten blinden Enden 214 von 2 ausgerichtet sein kann (wie in 5 gezeigt). Der erste Satz von unverschweißten blinden Enden 214 kann sich daher ungehindert durch die Stirnplatte 400 erstrecken, um mit einer Phasen-Sammelschiene gekoppelt zu sein, wie oben beschrieben. Ebenso kann sich der zweite Satz von unverschweißten blinden Enden 214 von 2 durch die zweite schlitzförmige Durchgangsbohrung 408 der Stirnplatte 400 erstrecken. Die zweite schlitzförmige Durchgangsbohrung 408 kann eine Länge aufweisen, die größer ist als die Länge 420 der ersten schlitzförmigen Durchgangsbohrung 406, und kann an dem zweiten Satz von unverschweißten blinden Enden ausgerichtet sein, um dem zweiten Satz von unverschweißten blinden Enden ebenfalls zu ermöglichen, sich mit einer Phasen-Sammelschiene zu koppeln.
Auch wenn die abgebildeten unverschweißten Spitzen größere axiale Längen, z.B. entlang der zentralen Drehachse 201 in 2, aufweisen als der Satz von verschweißten Wicklungsenden (z.B. der Satz von verschweißten Wicklungsenden 210 von 2), können die unverschweißten Spitzen in anderen Beispielen axiale Längen aufweisen, die denen des Satzes von verschweißten Wicklungsenden ähnlich sind. Anders ausgedrückt können die unverschweißten Spitzen kürzer sein als in 2 gezeigt und können sich die Phasen-Sammelschienen entlang der zentralen Drehachse gesehen näher am Statorkern (z.B. dem Statorkern 203 von 2) befinden. Die Phasen-Sammelschienen können Verlängerungen aufweisen, die zumindest mit einigen der unverschweißten Spitzen gekoppelt sind, ähnlich wie verschweißte Paare des Satzes von verschweißten Wicklungsenden. Die unverschweißten Spitzen können dadurch auf ähnliche Weise durch die Stirnplatte 400 gekühlt werden wie der Satz von verschweißten Wicklungsenden. Die Phasen-Sammelschiene kann radial durch den Kühlmantel des Elektromotors geführt sein, um eine Verbindung der Phasen außerhalb des Elektromotors zu ermöglichen.
Der zweite konzentrische Teil 405 der Innenfläche 402 der Stirnplatte 400, der an den Wicklungsenden ausgerichtet sein kann, die entlang der zentralen Drehachse 201 von dem Statorkern 203 vorstehen, weist die Mehrzahl von Vertiefungen 410 auf. Die Mehrzahl von Vertiefungen 410 können jeweils die Form einer länglichen Aussparung in einer Oberfläche der Innenfläche 402 aufweisen, wobei eine Länge 422 von jeder von der Mehrzahl von Vertiefungen 410 in einer radialen Richtung ausgerichtet ist (z.B. senkrecht ist zu der zentralen Drehachse 201 und sich entlang der x-z-Ebene auswärts und weg von einer Mitte der Stirnplatte 400 und von der zentralen Drehachse 201 erstreckt). Die Länge 422 der Mehrzahl von Vertiefungen kann sich über den größten Teil eines Abstands zwischen einer inneren Grenze und einer äußeren Grenze des zweiten konzentrischen Teils 405 erstrecken. An dem Teil der Mehrzahl von Vertiefungen 410, der sich zwischen der ersten schlitzförmigen Durchgangsbohrung 406 und der zweiten schlitzförmigen Durchgangsbohrung 408 befindet, kann die Mehrzahl von Vertiefungen 410 durch die erste schlitzförmige Durchgangsbohrung 406 unterbrochen sein, und die Länge der Mehrzahl von Vertiefungen 410 kann verringert sein.
Die Mehrzahl von Vertiefungen 410 kann um einen Umfang des zweiten konzentrischen Teils 405 der Innenfläche 402 herum gleichmäßig beabstandet sein. Eine Tiefe der Mehrzahl von Vertiefungen 410, z.B. wie entlang der y-Achse definiert, kann sich in einen Teil der Dicke der Stirnplatte 400, aber nicht ganz durch die Dicke hindurch, erstrecken. Zum Beispiel kann sich die Dicke der Mehrzahl von Vertiefungen 410 bis auf 50 % der Dicke der Stirnplatte 400 oder auf zwischen 30 % bis 70 % der Dicke der Stirnplatte 400 erstrecken. In noch anderen Beispielen kann die Mehrzahl von Vertiefungen 410 stattdessen als Durchgangsbohrungen gestaltet sein, die sich ganz durch die Dicke der Stirnplatte 400 hindurch erstrecken. In solchen Beispielen können während des Füllens der Durchgangsbohrungen mit einem Vergussmaterial temporäre Stopfen nötig sein, wobei das Vergussmaterial nachstehend beschrieben wird. Wenn sich die Mehrzahl von Vertiefungen 410 durch die gesamte Dicke der Stirnplatte 400 hindurch erstreckt, können die Wicklungsenden gekühlt werden, während gleichzeitig ermöglicht wird, die unverschweißten Spitzen der Wicklungsenden mit den Phasen-Sammelschienen zu koppeln, wie von den in 2 gezeigten unverschweißten Spitzen und den entsprechenden schlitzförmigen Durchgangsbohrungen der Stirnplatte 400 angegeben wird. Oberflächen der Mehrzahl von Vertiefungen 410 können glatt und gekrümmt sein, z.B. ohne jegliche spitzen Winkel oder Kanten, wie in 6 gezeigt ist und weiter unten beschrieben wird.
Jede von der Mehrzahl von Vertiefungen 410 kann an einer radial ausgerichteten Kolonne von verschweißten Spitzen ausgerichtet sein, wie etwa den radial ausgerichteten Kolonnen der verschweißten Spitzen 212, die von den gestrichelten Rechtecken 209 von 2 angegeben werden. In anderen Beispielen kann es jedoch sein, dass die Mehrzahl der Vertiefungen 410 keine längliche Geometrie aufweist wie sie in 4 gezeigt ist, und stattdessen als einzelne Taschen ausgebildet sein kann, wobei jede einzelne Tasche einer der verschweißten Spitzen entspricht und so geformt ist, dass sie die verschweißte Spitze aufnehmen kann, wie hierin beschrieben. Die verschweißten Spitzen können in jede von der Mehrzahl von Vertiefungen 410 eingebracht sein, ohne in direkten Kontakt mit Oberflächen der Innenfläche 402 der Stirnplatte 400 zu kommen, einschließlich der Oberflächen der Mehrzahl von Vertiefungen 410 und der Oberflächen zwischen der Mehrzahl von Vertiefungen 410 entlang der Innenfläche 402. Auf diese Weise kann jede radial ausgerichtete Kolonne der verschweißten Spitzen verschachtelnd in eine von der Mehrzahl von Vertiefungen 410 eingebracht sein. Somit kann als Teil einer Länge der Wicklungsenden (der Wicklungsenden, welche die verschweißten Spitzen aufweisen) in die Mehrzahl von Vertiefungen 410 eingesenkt sein.
Der dritte konzentrische Teil 407 der Innenfläche 402 weist die Randlippe 412 und die äußere Umrandung 414 auf. Die Randlippe 412 kann in der Nähe von, aber nicht direkt in Kontakt mit dem zweiten Ende 206 des Stators 200 positioniert sein, wie in 5 gezeigt, und kann eine Mehrzahl von Graten entlang einer äußeren Oberfläche der Randlippe 412 aufweisen. Eine Dichtung 504 kann zwischen der Randlippe 412 und dem zweiten Ende 206 des Stators 200 angeordnet sein, wobei die Dichtung 504 eingerichtet ist, zwischen der Randlippe 412 und dem zweiten Ende 206 komprimiert zu werden, wenn die Stirnplatte 400 mit dem Stator 200 gekoppelt wird (z.B. durch Befestigungsmittel).
In einem anderen Beispiel kann die Stirnplatte, wie in 8 gezeigt, so von dem Statorkern beabstandet sein, dass die Stirnplatte keinen Kontakt mit dem Statorkern hat, und Komponenten zur Bereitstellung einer Abdichtung zwischen ihnen überflüssig sind. Der Stator und die Stirnplatte können über eine Positionierung einer Wärmesenke (z.B. eines Kühlmantels 822 von 8) an ihrem Platz gehalten werden.
Wie oben beschrieben, kann die Stirnplatte 400 mit mindestens einem internen Kühlmittelkanal oder -leitungsweg für einen Kühlmittelstrom ausgestattet sein. Die Stirnplatte 400 kann daher auch Durchlässe oder Auslässe (in 4 und 5 nicht gezeigt) zum Empfangen des Kühlmittels aus dem Hülsenteil des Gehäuses und optional zum Abgeben des Kühlmittels an einen Rotor des Elektromotors aufweisen. Der Kühlmittelkanal kann dem Kühlmittel ermöglichen, ausreichend nahe an der Mehrzahl von Vertiefungen 410 zu strömen, um Wärme aus den verschweißten Spitzen der Wicklungsenden abzuziehen, und zwar durch eine wärmeleitende Füllmasse, die einen Raum zwischen Oberflächen der Mehrzahl von Vertiefungen und der verschweißten Spitzen der Wicklungsenden ausfüllt, und durch ein Material der Stirnplatte 400 hindurch. In einem Beispiel kann sich der mindestens eine Kühlmittelkanal zwischen der Mehrzahl von Vertiefungen 410 hindurch winden, ähnlich wie bei einem Stiftkühlkörper-Leistungstransistormodul, aber es kommen auch andere Konfigurationen in Betracht.
In anderen Beispielen kann die Stirnplatte 400 stattdessen eine massive Platte sein, z.B. ganz ohne internen Kühlmittelkanal, die aus einem wärmeleitfähigen Material, wie etwa Aluminium, gebildet ist. Das Material der Stirnplatte 400 kann Wärme von den Wicklungsenden zum Hülsenteil des Gehäuses leiten, durch das ein Kühlmittel strömen kann. Die Stirnplatte 400 kann dadurch eine Kühlung der Wicklungsenden über einen direkten Kontakt mit dem Hülsenteil des Gehäuses, und ohne dafür auf ein Kühlmittel angewiesen zu sein, verstärken.
Das verschachtelnde Einbringen der verschweißten Spitzen der Wicklungsenden in die Mehrzahl von Vertiefungen 410 der Stirnplatte 400 ermöglicht eine Kühlung und mechanische Stützung der verschweißten Spitzen, ohne dass diese an den Oberflächen der Mehrzahl von Vertiefungen 410 anstoßen, wenn die Wicklungsenden wärmer werden und sich ausdehnen. In 6 ist ein Querschnitt 600 gezeigt, der eine Positionierung der verschweißten Spitzen 212 des Satzes von verschweißten Wicklungsenden 210 von 2 innerhalb einer von der Mehrzahl von Vertiefungen 410 von 4 darstellt, wobei der Querschnitt 600 entlang einer Linie A-A' von 5 (z.B. entlang der y-z-Ebene) genommen ist.
Die verschweißten Spitzen 212 können in einer von den radial ausgerichteten Kolonnen der verschweißten Spitzen 212 enthalten sein (z.B. wie in 2 gezeigt) und können vollständig in die eine von der Mehrzahl von Vertiefungen 410 (im Folgenden die Vertiefung 410) eingebracht sein, ohne direkt mit einer Oberfläche 602 der Vertiefung 410 in Kontakt zu kommen. Durch Bereitstellen eines Raumes 604 zwischen der Oberfläche 602 der Vertiefung 410 und den verschweißten Spitzen 212 kann für eine Ausdehnung der verschweißten Spitzen 212, ebenso wie für eine Fertigungstoleranz, z.B. für Abweichungen der Abmessungen der verschweißten Spitzen 212 Platz gelassen werden. Wie oben beschrieben, kann die Oberfläche 602 glatt, nicht unterbrochen und gekrümmt sein. In dem Raum 604 zwischen der Oberfläche 602 der Vertiefung 410 und den verschweißten Spitzen 212 kann ein Vergussmaterial angeordnet sein, das an die verschweißten Spitzen 212 und an die Oberfläche 602 ankoppeln kann.
Das Vergussmaterial kann eine wärmeleitende Vergusskapselungsmasse sein, wie etwa ein Silikonverguss, der auch mechanisch flexibel ist. Man beachte, dass eine Reihe verschiedener leitender und elektrisch isolierender Füllmassen als Vergussmaterial verwendet werden kann. Eine Flexibilität des Vergussmaterial kann eine Ausdehnung der verschweißten Spitzen 212 während eines Betriebs des Elektromotors ermöglichen, ohne dass diese auf einen Widerstand stoßen, der eine Verdrehung und Verbiegung der verschweißten Spitzen 212 bewirken würde. Das Vergussmaterial kann Stöße und Schwingungen zumindest zum Teil absorbieren, wodurch eine Übertragung einer solchen Bewegung auf die Wicklungsenden verringert wird. Das Vergussmaterial hat somit mehrere Aufgaben, einschließlich einer effizienten Leitung von Wärme von den Wicklungsenden zu dem Kühlmittel, einer Bereitstellung einer mechanischen Stützung der Wicklungsenden und einer Verringerung einer zufälligen Bewegung der Wicklungsenden. Durch Platzieren des Vergussmaterials nur in den Räumen zwischen den Oberflächen der Vertiefungen und den Wicklungsenden wird ein zusätzliches Gewicht des Vergussmaterials im Vergleich zu herkömmlichen Strategien für eine Verkapselung von Wicklungsenden minimiert. In manchen Fällen kann das Vergussmaterial auch verwendet werden, um andere Räume in dem Elektromotor um die Wicklungsenden herum zu füllen, um Luft zu ersetzen und um zusätzliche Wärmeleitungsrouten ebenso wie zusätzliche mechanische Stützung bereitzustellen. Ferner kann das Vergussmaterial verwendet werden, um Räume in statischen Regionen des Elektromotors (z.B. Bereiche, die sich nicht an dem / um den Motor befinden) aufzufüllen. Zum Beispiel kann der Stator mit einer optionalen zusätzlichen Hülse innerhalb seines Innendurchmessers ausgestattet sein, und das Vergussmaterial kann verwendet werden, um Lücken um die zusätzliche Hülse herum aufzufüllen.
Ferner kann in manchen Fällen eine dünne Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material, wie etwa eine Pulverbeschichtung, auf die Innenfläche der Stirnplatte und/oder auf die leitenden Wicklungen aufgebracht werden, um den Stator elektrisch zu isolieren. In einem Beispiel kann die Pulverbeschichtung eine Epoxid-Pulverbeschichtung sein. Außerdem kann ein isolierender Überzug oder Lack an den Wicklungsenden in bestimmten Regionen der Wicklungsenden abgetragen sein, wie etwa in Regionen, wo Drähte der Wicklungsenden ausreichend weit voneinander beabstandet sind, um einen gegenseitigen Kontakt zu minimieren. Dadurch kann ein Wärmewiderstand verringert werden, während das elektrisch isolierende Material eine elektrische Isolierung aufrechterhalten kann.
Die Stirnplatten des Gehäuses des Elektromotors können daher mehrere Vorteile bereitstellen. Zum Beispiel kann eine Kühlungskapazität der Stirnplatten die Kühlung einer Welle, die den Elektromotor mechanisch mit einem Getriebekasten koppelt, weiter unterstützen, wodurch eine Wärmeableitung an dem Getriebekasten verstärkt wird. Die Stirnplatten können auch die Wicklungsenden mechanisch stützen, ohne dem Elektromotor eine ungünstige Länge hinzuzufügen, und eine gleichmäßigere Kühlung des Stators und des Rotors ermöglichen.
Die gleichmäßigere Kühlung kann Hotspot-Temperaturen in den Wicklungsenden senken und dadurch eine Temperatur der Hotspots herunterziehen, so dass sie einer Gesamttemperatur der Wicklungsenden während eines Betriebs des Elektromotors ähnlicher wird. Infolgedessen kann eine Lebensdauer von Isoliermaterial in dem Elektromotor verlängert werden.
Die von den Stirnplatten bereitgestellte Kühlung kann auch die Kühlung von Lagern und Dichtungen, die mit dem Rotor gekoppelt sind, verstärken. Als Beispiel ist in 7 eine erste Ausführungsform eines Elektromotors 700, der mindestens eine Stirnplatte aufweist, die eingerichtet ist, Wicklungsenden eines Stators zu kühlen, wie hierin beschrieben, in einer Querschnittsansicht des Elektromotors 700 abgebildet. Der Elektromotor 700 kann beispielsweise dem Elektromotor 10 von 1 oder dem Elektromotor 300 von 3 entsprechen. Man beachte, dass der Elektromotor 700 ein nicht-beschränkendes Beispiel für eine Positionierung und Anordnung von Komponenten in einem Elektromotor ist und dass andere Beispiele Variationen der Orientierung, der Abmessungen und der Orte, wo sich die Komponenten befinden, einschließen können. Außerdem können andere Beispiele mehr oder weniger Komponenten als die in 7 gezeigten aufweisen. Der Elektromotor 700 weist einen Stator 702 auf, der dem Stator 200 von 2 und 5 ähneln kann, mit einem Statorkern 704, der einen Rotor 706 umgibt. Der Elektromotor 700 kann in einem Fahrzeug verwendet werden, beispielsweise um eine Drehung einer mit Antriebsrädern des Fahrzeugs gekoppelten Achswelle zu bewirken, um während eines Anlassens des Motors als Startermotor zu dienen und/oder zur Erzeugung von elektrischer Leistung.
Der abgebildete Stator 702 weist Blöcke 708 auf, die von jedem Ende des Statorkerns 704 axial vorstehen, z.B. entlang einer zentralen Drehachse 701 des Elektromotors 700. Die Blöcke 708 können eine vereinfachte Darstellung einer geometrischen Kontur von Wicklungsenden des Stators 702 sein. Zum Beispiel wird an einem ersten Ende 712 des Stators 702 ein Satz von Scheitel-Wicklungsenden (wie etwa der Satz von Scheitel-Wicklungsenden von 2) von den entsprechenden Blöcken 708 angegeben. An einem zweiten, gegenüberliegenden Ende 714 des Stators 702 schließt ein Satz von verschweißten Wicklungsenden 716 die entsprechenden Blöcke 708 ebenso wie verschweißte Spitzen, die entlang der zentralen Drehachse 701 von den Blöcken 708 vorstehen, ein.
Eine erste Stirnplatte 718 kann mit dem ersten Ende 712 des Stators 702 gekoppelt sein, und eine zweite Stirnplatte 720 kann mit dem zweiten Ende 714 des Stators 702 gekoppelt sein. Innere Oberflächen 719, z.B. Flächen der Stirnplatten, die den Wicklungsenden (wie von den Blöcken 708 angegeben) nahe sind, können so konturiert sein, dass sie entlang der x-z-Ebene Platz für ein Profil des Stators 702 lassen. Zum Beispiel können die inneren Oberflächen 719 Ausnehmungen 722 aufweisen, um die Stirnplatten von den Wicklungsenden am ersten Ende 712 des Stators 702 und von dem Satz von verschweißten Wicklungsenden 716 am zweiten Ende 714 des Stators 702 beabstandet zu halten. Die Ausnehmungen 722 der inneren Oberflächen 719 der ersten und der zweiten Stirnplatte 718, 720 können auch eine Mehrzahl von Vertiefungen 721 aufweisen, ähnlich der Mehrzahl von Vertiefungen 410 von 4 und 6, in die der Satz von verschweißten Wicklungsenden 716 eingebracht sein kann. Wie oben beschrieben, können die Mehrzahl von Vertiefungen 721 mit einem Vergussmaterial gefüllt sein.
Die erste und die zweite Stirnplatte 718, 720 können jeweils eine zentrale Öffnung 724 aufweisen, um zu ermöglichen, dass sich eine Welle 706a des Rotors 706 (z.B. eine Rotorwelle 706a) dort hindurch erstreckt. An der zentralen Öffnung 724 jeder Stirnplatte können eine Dichtung 726 und ein Lager 728 zwischen dem Rotor 706 und den inneren Oberflächen der zentralen Öffnung 724 jeder Stirnplatte angeordnet sein. Die Dichtung 726 und das Lager 728 können jeweils die Rotorwelle 706a ringsum umgeben, wobei sie sowohl mit der Rotorwelle 706a als auch den Stirnplatten in Kontakt stehen. Die Dichtung 726 kann eine Scheibe sein, die aus einem flexiblen Material, wie etwa Gummi, Silikon usw., gebildet ist, und kann Dichtungsgrenzflächen mit jeder von den Stirnplatten und der Rotorwelle 706a bilden. Somit können sich Luft und Fluid außerhalb des Elektromotors 700 aufgrund der Dichtungsgrenzflächen, die von der Dichtung 726 gebildet werden, nicht mit Luft und Fluid innerhalb des Elektromotors 700 austauschen.
Das Lager 728 kann eine Ringgeometrie aufweisen, und wie in 7 gezeigt, kann es ein Kugellager mit einer Mehrzahl von darin eingebetteten Kugeln 730 sein. Das Lager 728 kann eine Position des Rotors 706 innerhalb des Statorkerns 704 stabilisieren, z.B. zentriert entlang der zentralen Drehachse 701, wobei der Rotorkern 706b durch einen Luftspalt 703 von inneren Oberflächen des Statorkerns 704 beabstandet wird, während eine Drehung des Rotors 706 mit verringerter Reibung ermöglicht wird. Zum Beispiel kann das Lager 728 aus einem Metall, wie etwa Edelstahl, gebildet sein.
Der Rotor 706 kann auch einen Rotorkern 706b aufweisen, der die Rotorwelle 706a ringsum umgibt und fest mit dieser gekoppelt ist. Der Rotorkern 706b kann ein zylindrisches Rohr sein, das parallel zu der zentralen Drehachse 701 und um diese zentriert ist und das eine Länge aufweist, definiert entlang der zentralen Drehachse 701, die einer Länge des Statorkerns 704 ähnlich ist und kürzer ist als eine Länge des Rotorkerns 706b. Der Rotorkern 706b kann, abhängig von dem Rotortyp, verschiedene magnetische Komponenten aufweisen, wie etwa Elektromagnete, Permanentmagnete, leitende Wicklungen usw.
Die Länge der Rotorwelle 706a führt zu einem Überstehen der Rotorwelle 706a aus der zentralen Öffnung 724 der ersten Stirnplatte 718 an einem ersten Ende 732 des Stators 702. An einem zweiten, gegenüberliegenden Ende 734 des Rotors 706 kann die Rotorwelle 706a mit einer äußeren Oberfläche der zweiten Stirnplatte 720 (der äußeren Oberfläche, die der inneren Oberfläche 719 gegenüberliegend ist) bündig sein. Eine Kappe 736 kann über die zentrale Öffnung 724 der zweiten Stirnplatte 720 gepasst sein und mit der Rotorwelle 706a am zweiten Ende 734 des Rotors 706 in Kontakt stehen. Die Rotorwelle 706a kann auch ein inneres Rohr 738 innerhalb eines inneren Hohlraums 707 der Rotorwelle 706a umschließen, wobei sich das innere Rohr 738 entlang eines Teils der Länge der Rotorwelle 706a zwischen der Kappe 736 und der ersten Stirnplatte 718 erstreckt. Das innere Rohr 738 kann statisch sein, z.B. dreht sich das innere Rohr 738 nicht um die zentrale Drehachse 701, und kann einen inneren Leitungsweg aufweisen, der sich entlang einer gesamten Länge des inneren Rohrs 738 erstreckt.
Im Betrieb kann die Temperatur des Elektromotors 700 aufgrund von Verlusten innerhalb der leitenden Wicklungen an den Wicklungsenden, an Magneten des Rotors 706 usw. steigen. Um eine Temperatur des Elektromotors 700 zu steuern, kann ein Kühlsystem mit dem Elektromotor 700 gekoppelt sein. Das Kühlsystem kann einen Kühlmantel 740 aufweisen, der beispielsweise ein flüssiggekühltes Gehäuse sein kann, das rings um den Stator 702 angeordnet ist. Der Kühlmantel 740 kann verschiedene innere Leitungswege für einen Kühlmittelstrom aufweisen und kann anhand eines Durchlasses mit einem Kühlmittelkreislauf eines Fahrzeugs verbunden sein. Wärme kann durch ein Material des Kühlmantels 740 hindurch vom Statorkern 704 in das Kühlmittel geleitet werden, wodurch eine Temperatur des Statorkerns 704 ebenso wie von den leitenden Wicklungen, die sich durch den Statorkern 704 erstrecken, gesenkt wird.
Das Kühlsystem des Elektromotors 700 kann auch Kühlkanäle aufweisen, die in zumindest der zweiten Stirnplatte 720 und in manchen Beispielen auch in der ersten Stirnplatte 718 angeordnet sind. Wie in 7 gezeigt ist, weist die zweite Stirnplatte 720 beispielsweise einen Kühlkanal 742 auf, der mit dem Kühlmantel 740 fluidisch gekoppelt ist. Kühlmittel kann zwischen dem Kühlmantel 740 und dem Kühlkanal 742 ausgetauscht werden, wodurch der Kühlkanal 742 mit dem Kühlmittelkreislauf des Fahrzeugs in Fluidverbindung gebracht wird. Auf diese Weise kann Kühlmittel, das durch das Kühlsystem des Elektromotors 700 zirkuliert, ständig aufgefrischt und ersetzt werden, wodurch es möglich ist, eine Kühlkapazität des Kühlmittels konsistent zu halten.
Durch Konfigurieren einer oder mehrerer von den Stirnplatten mit mindestens einem Kühlkanal, z.B. dem Kühlkanal 742, kann Kühlmittel über Wärmekonduktion durch das mit den Wicklungsenden in Kontakt stehende Vergussmaterial und durch ein Material der Stirnplatten hindurch Wärme direkt aus den Wicklungsenden extrahieren. Ferner kann das Kühlmittel, das durch mindestens eine von den Stirnplatten strömt, Wärme von dem Lager 728 und der Dichtung 726 der jeweiligen Stirnplatte abziehen. Das Lager 728 und die Dichtung 726 können während eines Betriebs des Elektromotors 700 für eine örtlich konzentrierte Erwärmung, die eine Schädigung des Lagers 728 und der Dichtung 726 verursacht, aufgrund von Reibungsverlusten anfällig sein. Eine Wärmeableitung, die durch einen Kühlmittelstrom in mindestens einer der Stirnplatten bewirkt wird, kann daher eine Lebensdauer des Lagers 728 und der Dichtung 726 verlängern.
Außerdem kann der Kühlkanal 742 über einen Durchlass 744 in der Kappe 736 am zweiten Ende 734 des Rotors 706 mit dem inneren Leitungsweg des inneren Rohres 738 der Rotorwelle 706a fluidisch gekoppelt sein. Das innere Rohr 738 kann daher ebenfalls in dem Kühlsystem des Elektromotors 700 enthalten sein. Kühlmittel kann von der zweiten Stirnplatte 720 an das innere Rohr 738 der Rotorwelle 706a abgegeben werden und eine direkte Kühlung des Rotors 706 ermöglichen. Auf diese Weise können der Statorkern 704, die Wicklungsenden des Stators 702, der Rotor 706, eines oder mehrere von dem Lager 728 und eine oder mehrere von der Dichtung 726 des Elektromotors 700 im Betrieb effektiv gekühlt werden. Somit wird der Elektromotor 700 durch ein zusammenhängendes Kühlsystem gekühlt, das ein Kühlmittel kontinuierlich durch den Kühlmantel, die Stirnplatten und den Rotor strömen lässt. Das zusammenhängende Kühlsystem kann einen Kühlkreislauf des Kühlsystems durch Eingliedern von zwei Kühlmitteleinlässen und zwei Kühlmittelauslässen zum Umwälzen des Kühlmittels vereinfachen.
Eine zweite Ausführungsform eines Elektromotors 800 ist in 8 dargestellt. Der Elektromotor 800 kann dem Elektromotor 10 von 1 entsprechen und kann einen Stator 802 aufweisen, der ähnlich gestaltet ist wie der Stator 200 von 2 und 5, mit einem Statorkern 804, der einen Rotor 806 umgibt. Man beachte, dass der Elektromotor 800 ein nicht-beschränkendes Beispiel eines Elektromotors ist, der Stirnplatten zum Verkapseln und Kühlen von Wicklungsenden eines Stators aufweisen kann wie hierin beschrieben. Der Stator 802 weist leitende Hairpin-Wicklungen 808 auf, mit einem Satz von Scheitel-Wicklungsenden 809, die entlang einer zentralen Drehachse 801 des Elektromotors 800 an einem ersten Ende 810 des Stators 802 von dem Statorkern 804 vorstehen. Ein Satz von verschweißten Wicklungsenden 812 steht, ebenfalls entlang der zentralen Drehachse 801, an einem zweiten, gegenüberliegenden Ende 814 des Stators 802 von dem Statorkern 804 vor.
Der Elektromotor 800 von 8 kann Komponenten und ein Gesamt-Layout aufweisen, die er mit dem Elektromotor 700 von 7 gemeinsam hat. Der Elektromotor 700 von 7 kann jedoch kompakter sein, z.B. ist eine axiale Länge des Elektromotors 700 kürzer als die des Elektromotors 800. Außerdem ist der Elektromotor 700 an beiden Stirnplatten mit Kühlkanälen ausgestattet, während der Elektromotor 800 eine kühlende Stirnplatte und eine herkömmliche Stirnplatte (z.B. eine Stirnplatte, die nicht mit Kühlmittelkanälen oder Vertiefungen, die mit Vergussmaterial gefüllt sind, ausgestattet ist) aufweist. Komponenten des Elektromotors 700 können durch ein zusammenhängendes Kühlsystem gekühlt werden, während der Elektromotor 800 von einem Kühlsystem mit voneinander abgegrenzten Abschnitten gekühlt werden kann.
Der in 8 abgebildete Elektromotor 800 kann eine kühlende Stirnplatte 816, die in der Nähe des zweiten Endes 814 des Stators 802 angeordnet ist, und eine herkömmliche, nicht-kühlende Stirnplatte 817 (im Folgenden: eine vordere Platte 817), die in der Nähe des ersten Endes 810 des Stators 802 angeordnet ist, aufweisen, wobei „kühlend“ eine Implementierung von mindestens einem Kühlmittelkanal in der Stirnplatte bezeichnet. Ähnlich der ersten und der zweiten Stirnplatte 718, 720 von 7 kann die kühlende Stirnplatte 816 verschiedene Ausnehmungen und Konturen entlang einer Innenfläche der kühlenden Stirnplatte 816 aufweisen, um Platz für Profile des Statorkerns 804 und des Satzes von verschweißten Wicklungsenden 812 zu lassen. Die kühlende Stirnplatte 816 kann auch eine Mehrzahl von Vertiefungen aufweisen, wie etwa die Mehrzahl von Vertiefungen 410 von 4 und 6, in die der Satz von verschweißten Wicklungsenden 812 eingesetzt sein kann. Die Mehrzahl von Vertiefungen kann mit einem Vergussmaterial gefüllt sein, das eine mechanische Stützung des Satzes von verschweißten Wicklungsenden 812 bereitstellt und Wärme von dem Satz von verschweißten Wicklungsenden 812 zu der kühlenden Stirnplatte 816 leitet.
Die kühlende Stirnplatte 816 weist eine zentrale Öffnung 818 auf, durch die sich der Rotor 806 erstreckt. Die kühlenden Stirnplatte 816 kann auch Nuten 820 aufweisen, die sich vollständig durch eine Dicke der kühlenden Stirnplatte 816 erstrecken (wobei die Dicke entlang der zentralen Drehachse 801 definiert ist). Die Nuten 820 können eine Koppelung von unverschweißten Spitzen des Satzes von verschweißten Wicklungsenden 812 (z.B. ähnlich dem Satz von unverschweißten Wicklungsenden 214, 216 von 2) mit Phasen-Sammelschienen ebenso wie eine Durchführung verschiedener Kabel und Verbinder durch die kühlende Stirnplatte 816 und ihre Verbindung mit dem Stator 802 ermöglichen. Am ersten Ende 810 des Stators 802 kann der Stator 802 mit einem Kühlmantel 822 des Elektromotors 800 gekoppelt sein.
Der Kühlmantel 822 kann ein Gehäuse mit einem ersten Teil 822a, der den Stator 802 entlang der zentralen Drehachse 801 ringsum umgibt, und einem zweiten Teil 822b, der eine Oberfläche bildet, die senkrecht ist zu der zentralen Drehachse 801, aufweisen. Die vordere Platte 817 kann mit dem zweiten Teil 822b des Kühlmantels 822 gekoppelt sein, wo die vordere Platte 817 an dem zweiten Teil 822b befestigt sein kann, um eine Abdeckung des ersten Endes 810 des Stators 802 mit der vorderen Platte 817 zu ermöglichen.Der erste Teil 822a kann in den zweiten Teil 822b übergehen und eine einzige, zusammenhängende Struktur bilden, die von der vorderen Platte 817 getrennt ist. Jedoch kann die vordere Platte 817 in anderen Beispielen mit dem Kühlmantel 822 zusammenhängen. Der Kühlmantel 822 kann verschiedene innere Kanäle für einen Kühlmittelstrom aufweisen und kann mittels Durchlässen, äußeren Rohren und Leitungen usw. mit einer Kühlmittelleitung eines Fahrzeugs verbunden sein.
Die kühlende Stirnplatte 816 kann mit dem ersten Teil 822a des Kühlmantels 822 gekoppelt sein und kann mindestens einen inneren Kanal aufweisen, der mit den inneren Kanälen des Kühlmantels 822 gekoppelt ist (z.B. durch äußere Rohre/Leitungen). Kühlmittel, das durch den Kühlmantel 822 strömt, kann daher auch durch die kühlende Stirnplatte 816 strömen. Der mindestens eine innere Kanal der kühlenden Stirnplatte 816 kann auch mit einem inneren Kanal 824 eines innerhalb des Rotors 806 eingeschlossenen stationären inneren Rohrs 826 fluidisch gekoppelt sein. Der innere Kanal 824 kann mit dem mindestens einen inneren Kanal der kühlenden Stirnplatte 816 fluidisch gekoppelt sein, z.B. durch externe Rohre/Leitungen, so dass Kühlmittel von der kühlenden Stirnplatte 816 aus in das innere Rohr 826 abgegeben wird.
Ähnlich wie der Rotor 706 von 7 kann der Rotor 806 eine Rotorwelle 806a aufweisen, die entlang der zentralen Drehachse 801 am ersten Ende 828 des Rotors 806 aus dem zweiten Teil 822b des Kühlmantels 822 vorsteht (z.B. durch eine Öffnung im zweiten Teil 822b). Ein zweites, gegenüberliegendes Ende 830 der Rotorwelle 806a kann von einer Nabe 832 des Elektromotors 800 umschlossen sein. Ein Rotorkern 806b des Rotors 806 kann so mit der Rotorwelle 806a gekoppelt sein, dass sich der Rotorkern 806b im Einklang mit der Rotorwelle 806a dreht, während er von einer inneren Oberfläche des Statorkerns 804 über einen Luftspalt 807 beabstandet ist. Eine Länge des Rotorkerns 806b, z.B. entlang der zentralen Drehachse 801, kann einer Länge des Statorkerns 804 ähnlich sein und kürzer sein als eine Länge der Rotorwelle 806a. Das innere Rohr 826, das innerhalb des Rotors 806 angeordnet ist, kann sich zwischen dem ersten Ende 810 des Stators 802 und der Nabe 832 innerhalb der Rotorwelle 806a erstrecken und entlang der zentralen Drehachse 801 über das zweite Ende 830 des Rotors 806 überstehen. Das innere Rohr 826 kann direkt mit der Nabe 832 in Eingriff stehen und eine abgedichtete Grenzfläche zwischen dem inneren Rohr 826 und der Nabe 832 bilden.
Die Nabe 832 kann eine Abdeckung sein, die senkrecht zu der zentralen Drehachse 801 angeordnet und mit einer Seite des Elektromotors 800, die nahe an dem Satz von verschweißten Wicklungsenden 812 und fern von dem Satz von Scheitel-Wicklungsenden 809 liegt, gekoppelt ist. Die Kopplung der Nabe 832 mit der Seite des Elektromotors 800 kann einen Dichtungseinschluss von Kühlmittel in dem mindestens einen Kanal der kühlenden Stirnplatte 816 ermöglichen. Wie in 8 gezeigt, können verschiedene zusätzliche Komponenten des Elektromotors 800 mit der Nabe 832 sowie mit anderen Regionen des Elektromotors 800 gekoppelt sein, die aber der Kürze halber hierin nicht beschrieben werden.
Bei dem Elektromotor 800 von 8 kann es sein, dass ein Kühlsystem, das eingerichtet ist, ein Kühlmittel an sowohl den Rotor 806 als auch die kühlende Stirnplatte 816 als auch den Kühlmantel 822 abzugeben, kein unterbrechungsfreier Kreislauf ist, den die genannten Komponenten gemeinsam haben. Zum Beispiel kann die kühlende Stirnplatte 816 einen ersten Satz von Kühlmitteldurchlässen (z.B. einen Einlass und einen Auslass) aufweisen, kann der Rotor 806 einen zweiten Satz von Kühlmitteldurchlässen aufweisen und kann der erste Teil 822a des Kühlmantels 822 einen dritten Satz von Kühlmitteldurchlässen aufweisen. Die Sätze von Kühlmitteldurchlässen können über externe Rohre fluidisch gekoppelt sein, um die Sätze von Durchlässen in Reihe zu verbinden. Somit kann das unterbrechungsfreie Kühlsystem des Elektromotors 700 von 7 aufgrund der Einfachheit und der kompakten Grundfläche des Elektromotors 700 für einen Kunden attraktiver sein.
Auf diese Weise wird eine Ableitung von Wärme an einem Elektromotor verstärkt, ohne zusätzliche Kosten zu verursachen oder ein Gewicht des Elektromotors zu erhöhen. Der Elektromotor kann eine oder mehrere Stirnplatten aufweisen, die mit Vertiefungen oder Nuten versehen sind, um Wicklungsenden des Elektromotors aufnehmen zu können, ohne in direkten Kontakt mit den Wicklungsenden zu kommen. Die Wicklungsenden können von einer wärmeleitenden Füllmasse, z.B. einem Vergussmaterial eingekapselt sein, das in die Vertiefungen beigegeben ist, um die Wicklungsenden zu stabilisieren und um Schwingungen zu absorbieren. Mindestens eine von der einen oder den mehreren Stirnplatten kann mindestens einen internen Fluidkanal aufweisen, der mit einem Kühlmantel des Elektromotors fluidisch gekoppelt ist. Der mindestens eine interne Kühlkanal der Stirnplatte kann Wärme von den jeweiligen Wicklungsenden effizient ableiten, wodurch auch Lager und Dichtungen gekühlt werden, die mit der Stirnplatte in Kontakt stehen oder dieser sehr nahe sind. Der mindestens eine interne Kühlkanal kann auch mit einem internen Kühlungsleitungsweg eines Rotors des Elektromotors fluidisch gekoppelt sein. Durch Eingliedern der einen oder der mehreren Stirnplatten in den Elektromotor, wobei mindestens eine von den Stirnplatten so eingerichtet ist, dass sie mindestens einem internen Kühlkanal aufweist, kann eine Kühlung des Elektromotors anhand eines preiswerten, einfachen Systems verstärkt werden, das eine kleine Grundfläche des Elektromotors bewahrt.
Es versteht sich, dass die hier offengelegten Konfigurationen und Abläufe exemplarischen Charakter haben und dass diese spezifischen Ausführungsbeispiele nicht im einschränkenden Sinne zu betrachten sind, da zahlreiche Variationen möglich sind. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung beinhaltet alle neuen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen sowie weitere Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hierin offenbart wurden.
Die Offenbarung unterstützt auch einen Elektromotor, der aufweist: einen Stator mit Wicklungsenden, die axial, entlang einer zentralen Drehachse des Elektromotors, von einem ersten Ende des Stators vorstehen, eine erste Stirnplatte, die an dem ersten Ende des Stators angeordnet ist, wobei die erste Stirnplatte aufweist: eine Innenfläche mit Vertiefungen, die eingerichtet sind, die Wicklungsenden aufzunehmen, wobei die Vertiefungen ein wärmeleitendes Material zum Ankoppeln an die Wicklungsenden enthalten, und mindestens einen Kühlkanal für einen Kühlmittelstrom. In einem ersten Beispiel für das System ist die erste Stirnplatte senkrecht zu der zentralen Drehachse des Elektromotors ausgerichtet, und wobei zumindest ein Teil einer Länge der Wicklungsenden in die Vertiefungen der Innenfläche eingebettet wird, ohne mit Oberflächen der Vertiefungen in Kontakt zu kommen. In einem zweiten Beispiel für das System, das optional das erste Beispiel einschließt, sind Räume zwischen den Oberflächen der Vertiefungen und den Wicklungsenden von dem wärmeleitenden Material ausgefüllt, und wobei das wärmeleitende Material auch elektrisch isolierend ist. In einem dritten Beispiel für das System, das optional eines oder beide vom ersten und zweiten Beispiel einschließt, sind die Vertiefungen als längliche Aussparungen geformt, die sich von einer Mitte der ersten Stirnplatte aus um eine Region der ersten Stirnplatte, die entlang der zentralen Drehachse des Elektromotors an den Wicklungsenden ausgerichtet ist, radial auswärts erstrecken. In einem vierten Beispiel für das System, das optional eines oder mehrere vom ersten bis dritten Beispiel einschließt, weist die erste Stirnplatte eine zentrale Öffnung auf zum Aufnehmen eines Rotors des Elektromotors, und wobei eine Dichtung und Lager zwischen der ersten Stirnplatte und dem Rotor liegen. In einem fünften Beispiel für das System, das optional eines oder mehrere vom ersten bis vierten Beispiel einschließt, umfasst das System ferner: eine zweite Stirnplatte, die mit einem zweiten, dem ersten Ende gegenüberliegenden Ende des Stators gekoppelt ist, wobei die zweite Stirnplatte ähnlich gestaltet ist wie die erste Stirnplatte und Vertiefungen aufweist zum Aufnehmen von Wicklungsenden, die axial von dem zweiten Ende des Stators vorstehen, und wenigstens eines der Wicklungsenden die von dem ersten Ende des Stators und dem zweiten Ende vorstehen, verschweißte Spitzen sind. In einem sechsten Beispiel für das System, das optional eines oder mehrere vom ersten bis fünften Beispiel einschließt, steht der mindestens eine Kühlkanal der ersten Stirnplatte mit einem Kühlmantel des Elektromotors und mit einem internen Kühlungsleitungsweg eines Rotors des Elektromotors in Fluidverbindung, und wobei der Kühlmantel des Elektromotors mit einem Kühlmittelkreislauf eines Fahrzeugs fluidisch gekoppelt ist, wobei der Kühlmittelkreislauf eingerichtet ist, das Kühlmittel zirkulieren zu lassen. In einem siebten Beispiel für das System, das optional eines oder mehrere vom ersten bis sechsten Beispiel einschließt, ist das Kühlmittel elektrisch leitend und stellt einen elektrischen Erdungspfad zwischen einem statischen Teil des Elektromotors und einem rotierenden Teil des Elektromotors bereit, und wobei das statische Teil den Stator einschließt und das rotierende Teil zumindest einen Teil eines Rotors des Elektromotors einschließt.
Die Offenbarung unterstützt auch einen Elektromotor für ein Fahrzeug, der umfasst: einen Stator, ein Gehäuse, das mit dem Stator in Kontakt steht, wobei das Gehäuse aufweist: einen Kühlmantel, der den Stator ringsum umgibt, eine erste Stirnplatte, die an einem ersten Endes des Stators positioniert ist, und eine zweite, der ersten Stirnplatte gegenüberliegende Stirnplatte, die an einem zweiten Ende des Stators positioniert ist, wobei die erste und die zweite Stirnplatte jeweilige Innenflächen aufweisen, die so gestaltet sind, dass sie Vertiefungen aufweisen, die sich von einer zentralen Drehachse des Stators aus entlang radialer Richtungen auswärts erstrecken, wobei die Vertiefungen mit einer Verkapselungsfüllmasse gefüllt sind, um eine Position von Sätzen von Wicklungsenden, die von jedem Ende des Stators in die Vertiefungen der ersten bzw. der zweiten Stirnplatte vorstehen, zu halten, um Wärme zu leiten und um Luft zwischen sowohl der ersten Stirnplatte als auch der zweiten Stirnplatte und dem jeweiligen Satz von Wicklungsenden zu entfernen. In einem ersten Beispiel für das System sind die erste Stirnplatte und die zweite Stirnplatte massive Platten, die aus Aluminium gebildet sind, und wobei die erste Stirnplatte mit einem ersten Ende des Mantels in Kontakt steht und die zweite Stirnplatte mit einem zweiten, dem ersten Ende gegenüberliegenden Ende des Mantels in Kontakt steht. In einem zweiten Beispiel des Systems, das optional das erste Beispiel einschließt, ist der Elektromotor ein Radialfluss-Elektromotor. In einem dritten Beispiel für das System, das optional eines oder beide vom ersten bis zweiten Beispiel einschließt, weist mindestens eine von der ersten Stirnplatte und der zweiten Stirnplatte einen internen Kühlkanal auf, der mit Kühlmittelkanälen des Mantels fluidisch gekoppelt ist, und wobei ein Kühlmittel, das durch die Kühlmittelkanäle des Mantels strömt, aus den Kühlmittelkanälen in den internen Kühlkanal abgegeben wird. In einem vierten Beispiel für das System, das optional eines oder mehrere vom ersten bis drittenBeispiel einschließt, steht der interne Kühlkanal von mindestens einer von der ersten Stirnplatte und der zweiten Stirnplatte mit einem inneren Leitungsweg eines Rotors des Elektromotors in Fluidverbindung, und wobei das Kühlmittel von dem internen Kühlkanal aus in den inneren Leitungsweg des Rotors abgegeben wird. In einem fünften Beispiel für das System, das optional eines oder mehrere vom ersten bis vierten Beispiel einschließt, windet sich der interne Kühlkanal zwischen den Vertiefungen in einer jeweiligen Innenfläche von mindestens einer von der ersten Stirnplatte und der zweiten Stirnplatte. In einem sechsten Beispiel für das System, das optional eines oder mehrere vom ersten bis fünften Beispiel einschließt, weisen die Wicklungsenden Punkte entlang der Wicklungsenden auf, wo ein isolierender Lack in Regionen, wo die Wicklungsenden voneinander beabstandet sind, abgetragen ist, um einen Wärmewiderstand der Wicklungsenden zu verringern. In einem siebten Beispiel für das System, das optional eines oder mehrere vom ersten bis sechsten Beispiel einschließt, ist die Verkapselungsfüllmasse, zusätzlich zu Räumen zwischen den Wicklungsenden und den Vertiefungen, in Räume um die Wicklungsenden innerhalb einer statischen Region des Elektromotors beigegeben.
Die Offenbarung unterstützt auch ein Fahrzeug, das umfasst: einen Elektromotor mit einem Radialfluss-Stator, wobei der Radialfluss-Stator Hairpin-Wicklungsenden aufweist, die axial von mindestens einem Ende des Radialfluss-Stators vorstehen, einem Kühlsystem, das mit dem Radialfluss-Stator gekoppelt ist, wobei das Kühlsystem eine oder mehrere Stirnplatten aufweist mit einem Kühlkanal für einen Strom eines elektrisch leitenden Kühlmittels, einer Oberfläche, die mit einer Mehrzahl von Vertiefungen gestaltet ist, um die Hairpin-Wicklungsenden aufzunehmen, und einem flexiblen, wärmeleitenden Material, das zwischen den Hairpin-Wicklungsenden und der einen oder den mehreren Stirnplatten innerhalb der Mehrzahl von Vertiefungen positioniert ist. In einem ersten Beispiel für das System weisen die Hairpin-Wicklungsenden einen Satz von Scheitel-Wicklungsenden und einen Satz von verschweißten Wicklungsenden auf, wobei der Satz von Scheitel-Wicklungsenden und der Satz von verschweißten Wicklungsenden von einander gegenüberliegenden Enden des Radialfluss-Stators vorstehen, und wobei eine Stirnplatte von der einen oder den mehreren Stirnplatten mit dem Satz von verschweißten Wicklungsenden gekoppelt ist. In einem zweiten Beispiel für das System, das optional das erste Beispiel einschließt, ist zumindest ein Teil einer Länge des Satzes von verschweißten Wicklungsenden in die Mehrzahl von Vertiefungen der Stirnplatte eingesenkt, ohne mit Oberflächen der Mehrzahl von Vertiefungen direkt in Kontakt zu kommen, und wobei das flexible, wärmeleitende Material Schwingungen absorbiert und eine Übertragung der Schwingungen auf den Satz von verschweißten Wicklungsenden hemmt. In einem dritten Beispiel für das System, das optional eines oder beide vom ersten und zweiten Beispiel einschließt, sind die eine oder die mehreren Stirnplatten mit einer Isolierschicht überzogen.
Die folgenden Ansprüche heben insbesondere bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen hervor, die als neuartig und nicht naheliegend betrachtet werden. Diese Ansprüche können sich auf „ein“ Element oder „ein erstes“ Element oder das Äquivalent davon beziehen. Solche Ansprüche sind so zu verstehen, dass sie eine Einbeziehung eines oder mehrerer solcher Elemente einschließen und zwei oder mehr solcher Elemente weder erfordern noch ausschließen. Weitere Kombinationen und Teilkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch eine Änderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Vorlage neuer Ansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche, sei ihr Umfang nun breiter, enger, gleich oder anders als derjenige der ursprünglichen Ansprüche, werden ebenfalls als innerhalb des Gegenstands der vorliegenden Offenbarung eingeschlossen betrachtet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 9077210 [0005]

Claims

Elektromotor, umfassend: einen Stator mit Wicklungsenden, die axial, entlang einer zentralen Drehachse des Elektromotors, von einem ersten Ende des Stators vorstehen; und eine erste Stirnplatte, die an dem ersten Ende des Stators angeordnet ist, wobei die erste Stirnplatte eine Innenfläche mit Vertiefungen aufweist, die eingerichtet sind, die Wicklungsenden aufzunehmen, wobei die Vertiefungen ein wärmeleitendes Material zum Ankoppeln an die Wicklungsenden enthalten, und mindestens einen Kühlkanal für einen Kühlmittelstrom.
Elektromotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Stirnplatte senkrecht zu der zentralen Drehachse des Elektromotors ausgerichtet ist, und wobei zumindest ein Teil der Länge der Wicklungsenden in die Vertiefungen der Innenfläche eingebettet ist, ohne Oberflächen der Vertiefungen zu kontaktieren.
Elektromotor nach Anspruch 2, wobei Räume zwischen den Oberflächen der Vertiefungen und den Wicklungsenden von dem wärmeleitenden Material aufgefüllt sind, und wobei das wärmeleitende Material auch elektrisch isolierend ist.
Elektromotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vertiefungen als längliche Aussparungen geformt sind, die sich von einer Mitte der ersten Stirnplatte aus um eine Region der ersten Stirnplatte, die entlang der zentralen Drehachse des Elektromotors an den Wicklungsenden ausgerichtet ist, radial auswärts erstrecken.
Elektromotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Stirnplatte eine zentrale Öffnung zum Aufnehmen eines Rotors des Elektromotors aufweist, und wobei eine Dichtung und Lager zwischen der ersten Stirnplatte und dem Rotor liegen.
Elektromotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner eine zweite Stirnplatte umfassend, die mit einem zweiten, dem ersten Ende gegenüberliegenden Ende des Stators gekoppelt ist, wobei die zweite Stirnplatte ähnlich konfiguriert ist wie die erste Stirnplatte und Vertiefungen aufweist zum Aufnehmen von Wicklungsenden, die axial von dem zweiten Ende des Stators vorstehen, und wobei wenigstens eines der Wicklungsenden, die von dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Stators vorstehen, verschweißte Spitzen sind.
Elektromotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Kühlkanal der ersten Stirnplatte mit einem Kühlmantel des Elektromotors und mit einem internen Kühlungsleitungsweg eines Rotors des Elektromotors fluidisch gekoppelt ist und wobei der Kühlmantel des Elektromotors mit einem Kühlmittelkreislauf eines Fahrzeugs fluidisch gekoppelt ist, wobei der Kühlmittelkreislauf eingerichtet ist, das Kühlmittel zirkulieren zu lassen, und wobei das Kühlmittel elektrisch leitend ist und einen elektrischen Erdungspfad zwischen einem statischen Teil des Elektromotors und einem rotierenden Teil des Elektromotors bereitstellt, und wobei das statische Teil den Stator einschließt und das rotierende Teil zumindest einen Teil eines Rotors des Elektromotors einschließt.
Elektromotor für ein Fahrzeug, umfassend: einen Stator; ein Gehäuse, das mit dem Stator in Kontakt steht, wobei das Gehäuses aufweist: einen Mantel, der den Stator ringsum umgibt; eine erste Stirnplatte, die an einem ersten Ende des Stators positioniert ist; und eine zweite, der ersten Stirnplatte gegenüberliegende Stirnplatte, die an einem zweiten Ende des Stators positioniert ist, wobei die erste und die zweite Stirnplatte jeweils eine Innenfläche aufweisen, die mit Vertiefungen ausgebildet sind, die sich von einer zentralen Drehachse des Stators aus entlang radialer Richtungen auswärts erstrecken; wobei die Vertiefungen mit einer Verkapselungsfüllmasse gefüllt sind, um Sätze von Wicklungsenden, die von jeweiligen Ende des Stators in die Vertiefungen der ersten bzw. der zweiten Stirnplatte vorstehen, festzulegen, um Wärme zu leiten und um Luft zwischen der ersten Stirnplatte und der zweiten Stirnplatte und dem jeweiligen Satz von Wicklungsenden abzuführen.
Elektromotor nach Anspruch 8, wobei die erste Stirnplatte und die zweite Stirnplatte massive Platten sind, die aus Aluminium gebildet sind, und wobei die erste Stirnplatte mit einem ersten Ende des Mantels in Kontakt steht und die zweite Stirnplatte mit einem zweiten, dem ersten Ende gegenüberliegenden Ende des Mantels in Kontakt steht.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 8 und 9, wobei der Elektromotor ein Radialfluss-Elektromotor ist.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei mindestens eine von der ersten Stirnplatte und der zweiten Stirnplatte einen internen Kühlkanal aufweist, der mit Kühlmittelkanälen des Mantels fluidisch gekoppelt ist, und wobei ein Kühlmittel, das durch die Kühlmittelkanäle des Mantels strömt, aus den Kühlmittelkanälen in den internen Kühlkanal abgegeben wird.
Elektromotor nach Anspruch 11, wobei der interne Kühlkanal von mindestens einer von der ersten Stirnplatte und der zweiten Stirnplatte mit einem inneren Leitungsweg eines Rotors des Elektromotors fluidisch gekoppelt ist, und wobei das Kühlmittel von dem internen Kühlkanal in den inneren Leitungsweg des Rotors abgegeben wird.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 11 und 12, wobei sich der interne Kühlkanal zwischen den Vertiefungen in einer Innenfläche von mindestens einer der ersten Stirnplatte und der zweiten Stirnplatte windet.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei die Wicklungsenden Punkte entlang der Wicklungsenden aufweisen, wo ein isolierender Lack in Regionen, wo die Wicklungsenden voneinander beabstandet sind, abgetragen ist, um einen Wärmewiderstand der Wicklungsenden zu verringern.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei die Verkapselungsfüllmasse, zusätzlich zu Räumen zwischen den Wicklungsenden und den Vertiefungen, in Räume um die Wicklungsenden innerhalb einer statischen Region des Elektromotors beigegeben ist.