DE10348214A1

DE10348214A1 - Elektromotor mit konzentrierter Wicklung und optimierter Wicklungskühlung und Schlitzfüllung

Info

Publication number: DE10348214A1
Application number: DE10348214A
Authority: DE
Inventors: Khwaja M. Torrance Rahman; Steven E. Torrance Schulz
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2002-11-26
Filing date: 2003-10-16
Publication date: 2004-06-17
Also published as: JP2004180498A; US20040100154A1

Abstract

Eine optimierte Wicklungskühlung und Schlitzfüllung eines Elektromotors mit konzentrierter Wicklung schaffen ein Mittel, um eine Wicklungskühlung eines Motors zu maximieren, ohne dessen Schlitzfüllfaktor zu verringern, wodurch die Drehmomentdichte und der Wirkungsgrad des Motors verbessert werden. Der Motor nutzt einen Stator mit trapezförmigen Statorzähnen, die durch rechtwinklige Statorschlitze getrennt sind. Um jeden Statorzahn platzierte Wicklungen füllen teilweise die Statorschlitze, wobei rechtwinklige Räume zwischen jeder Gruppe von Wicklungen übrigbleiben. Kühlrohre sind in diesen übriggebliebenen Räumen platziert. Die rechtwinklige Geometrie der Kühlrohre ermöglicht, dass die Rohre jede äußere Windung der benachbarten Statorwicklungen berühren, was eine effiziente thermische Leitung zwischen den Kühlrohren und Wicklungen schafft. Da die Kühlrohre in einem normalerweise ungenutzten Teil des Stators platziert sind, verringern sie nicht den Schlitzfüllfaktor des Motors. Die effiziente Kühlung des Motors ermöglicht, dass er unter hohem Strom läuft, was folglich die Drehmomentdichte und den Wirkungsgrad des Motors verbessert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Elektromotor mit konzentrierter Wicklung und konkreter auf eine optimierte Wicklungskühlung und Schlitzfüllung eines Elektromotors mit konzentrierter Wicklung, der einen hohen Füllfaktor und eine hohe Drehmomentdichte aufweist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es gibt zwei primäre Änderungen, die am Stator eines Elektromotors vorgenommen werden können und die Drehmomentdichte oder das Drehmoment pro Einheitsgewicht des Motors erhöhen. Eine primäre Änderung besteht darin, die Anzahl von Statorwicklungen erhöhen. Je größer der Schlitzfüllfaktor oder der prozentuale Anteil des Volumens des Motors ist, das von Wicklungen belegt wird, desto größer ist das Drehmoment des Motors. Ein Erhöhen eines Schlitzfüllfaktors des Motors erhöht ebenfalls den Wirkungsgrad des Motors. Dieses Verfahren zum Verbessern des Drehmoments ist jedoch durch die Gestalt und Größe des Stators physikalisch beschränkt. Die andere primäre Änderung, die genutzt wird, um die Drehmomentdichte des Motors zu erhöhen, ist mit einem Erhöhen des Strombetrages verbunden, der durch die Statorwicklungen fließt.
Dieses Verfahren ist ebenfalls durch physikalische Probleme beschränkt. Erhöhungen des durch die Statorwicklungen fließenden Stroms bewirken aufgrund einer Widerstands- oder ohmschen Heizung eine zunehmende Erhitzung des Motors.
Es gibt Kühlverfahren, um dabei zu helfen, die Statorwicklungen bei einer akzeptablen Betriebstemperatur zu halten, wenn ein erhöhter Strombetrag durch die Statorwicklungen fließt. Diese Verfahren beinhalten Kühlumhüllungen, die den Elektromotor umgeben, Kühlrohre in Kontakt mit den Wicklungen und sogar ein Eintauchen der Wicklungen in ein Kühlmittel. Kühlumhüllungen um die Außenseite des Elektromotors können die Wicklungen nicht effizient kühlen, welche zu tief innerhalb des Motors liegen, um von einem innerhalb der Umhüllung zirkulierenden Kühlmittel effektiv gekühlt zu werden. Kühlrohre können eine Kühlung der Wicklungen besser leisten; sie sind aber mit einer Umgestaltung des Stators und Verringerung der Anzahl von Wicklungen verbunden, um die Kühlrohre im Inneren des Motors zu befestigen. Folglich verringern die bestehenden Entwürfe mit Kühlrohren den Schlitzfüllfaktor und opfern Drehmomentdichte, um die Wicklungen auf eine optimale Temperatur gekühlt zu halten. Außerdem berühren im Allgemeinen bestehende Entwürfe mit Kühlrohren nicht jede Wicklung des Motors, was somit zu heißen Punkten und einer ungleichmäßigen Kühlung führt. Das gleiche gilt für eine direkte Eintauchung der Wicklung in ein Kühlmittel; für das Kühlmittel muss Platz geschaffen werden, indem einige der Wicklungen eliminiert werden, was folglich die Drehmomentdichte des Motors verringert.
Dementsprechend besteht ein Bedarf an einer optimierten Wicklungskühlung und Schlitzfüllung eines Elektromotors mit konzentrierter Wicklung, so dass eine Wicklungskühlung maximiert wird, während gleichzeitig der zum Kühlen genutzte Raum im Stator minimiert ist, was den maximalen Schlitzfüllfaktor und somit ein Maximieren der Drehmomentdichte und des Wirkungsgrades des Motors erlaubt.
Die Erfindung und das Anwendungsverfahren werden nach Besprechung der folgenden Beschreibung verstanden, die zusammen mit den Zeichnungen betrachtet wird, in denen:
1 im Querschnitt einen Motor 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
2 im Querschnitt einen Teil eines Stators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht; und
3 und 4 in Perspektive bzw. im Querschnitt ein Kühlrohr 18 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Ein eine optimierte Wicklungskühlung und Schlitzfüllung nutzender Motor mit konzentrierter Wicklung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung nutzt optimierte Kühlrohre, die eine effiziente Kühlung ohne Verringern des Schlitzfüllfaktors ermöglichen. Elektromotoren mit konzentrierter Wicklung gemäß der Erfindung, die eine solche optimierte Wicklungskühlung nutzen, finden z.B. in Hybrid-Kraftfahrzeugen Anwendung. Es ist jedoch nicht beabsichtigt, den Umfang oder die Anwendung der Erfindung auf irgendeine besondere Anwendung zu beschränken.
1 veranschaulicht schematisch einen Elektromotor 10 zur Verwendung in einem Hybrid-Kraftfahrzeug. 2 veranschaulicht einen Teils eines Stators 12 zur Verwendung in dem Elektromotor 10. Der Elektromotor 10 kann z.B. ein Motor mit geschalteter Reluktanz oder dergleichen sein. Der Elektromotor 10 besteht aus einem Rotor 14, der innerhalb eines Stators 12 rotiert. Der Stator weist mehrere Statorzähne 20 auf, die jeweils durch einen Statorschlitz 22 getrennt ist. Gemäß der veranschaulichten Ausführungsform werden in dem Motor vierundzwanzig Statorzähne verwendet, obgleich je nach Entwurf des Motors eine größere öder geringere Anzahl von Statorzähnen genutzt werden kann. Elektrisch leitende Wicklungsspulen 16, vorzugsweise aus Kupfer und mit rechtwinkeligem Querschnitt, umgeben die Statorzähne 20 und füllen teilweise die Statorschlitze 22. Die Wicklungsspulen 16 können z.B. hochkant gewickelt (engl. edge wound) oder dergleichen sein, obgleich in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Wicklungsspulen hochkant gewickelt sind. In dem Raum, der in jedem Statorschlitz übrig ist, befinden sich Kühlrohre 18 und stehen mit den benachbarten Wicklungen in Kontakt. Die Kühlrohre 18 sind vorzugsweise aus einem Material konstruiert, das einen hohen elektrischen spezifischen Widerstand und eine geringe magnetische Permeabilität hat, wie z.B. nicht-magnetischer rostfreier Stahl, Kupfer-Nickel (cupra-nickel) oder dergleichen. Die Verwendung eines Materials, das einen hohen elektrischen spezifischen Widerstand und eine geringe magnetische Permeabilität hat, minimiert einen Wirbel stromverlust im Motor. Die Begriffe "hoher elektrischer spezifischer Widerstand" und "niedrige magnetische Permeabilität" sind Ausdrücke, die dem Fachmann für die Konstruktion von Elektromotoren bekannt sind, und der Fachmann weiß, wie diesen Begriffen entsprechende Materialien auszuwählen sind, wie sie zur Verwendung in einer bestimmten Anwendung gebraucht werden. Etwaige Luftspalte zwischen den Wicklungsspulen und den Kühlrohren sind mit einem thermisch leitenden Klebstoff gefüllt (der nicht dargestellt ist, um in den Zeichnungen nicht zu verwirren), der die Motorkomponenten klebend verbindet und beim Leiten von Wärme von den Spulen zu den Kühlrohren hilft. Dieses Material kann z.B. thermisch leitendes Verbindungsepoxydharz oder dergleichen sein. Das Material sorgt für einen effektiven Wärmetransport von den Wicklungsspulen zu den Kühlrohren und hält die Kühlrohre an Ort und Stelle.
Wieder mit Verweis auf 2 ist der Stator 12 so entworfen, dass die Statorzähne 20 einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen, d.h. die Statorzähne haben näher zum Rotor 14 einen schmäleren Querschnitt und weiter weg vom Rotor einen breiteren. Diese Geometrie von Statorzähnen verbessert die Drehmomentdichte gegenüber den Statorzähnen, die eine konstante, Breite hat, indem die Reluktanz des magnetischen Weges in den Statorzähnen reduziert wird. Außerdem ergibt die trapezförmige Gestalt der Statorzähne einen rechtwinkeligen Querschnitt der Schlitze 22, was die Komplexität der Motormontage reduziert, wie unten erläutert wird. Die Schlitze 22 sind so entworfen, dass jede Schlitzöffnung breiter als die Breiten von zwei Wicklungsspulen, d.h. die Breite der Wicklungen von zwei benachbarten Spulen ist. Diese Statorschlitzbreite erlaubt, dass eine vorgewickelte Wicklungsspule ohne Behinderung während der Montage einfach um jeden der Statorzähne eingesetzt wird. Nachdem eine Wicklungsspule um jeden der Statorzähne eingesetzt ist, bleibt ein nicht belegter rechtwinkeliger Teil jedes Statorschlitzes übrig. In den nicht belegten Teil jedes Statorschlitzes wird dann ein Kühlrohr vorzugsweise in physikalischem und thermischem Kontakt mit den benachbarten Wicklungsspulen platziert. Die Anzahl von Statorschlitzen und somit die Anzahl von Wicklungsspulen und Kühlrohren hängt von der Anzahl der Statorzähne ab. Gemäß der veranschaulichten Ausführungsform werden in dem Motor 24 Statorschlitze und somit 24 Wicklungsspulen und 23 Kühlrohre genutzt, obgleich eine größere oder geringere Anzahl von Schlitzen, Kühlrohren oder Wicklungsspulen genutzt werden kann. Die nicht belegten Teile der Statorschlitze, die für eine einfache Montage der Wicklungsspulen auf den Statorzähnen sorgen, würden ungenutzt bleiben, falls sie nicht für die Kühlrohre verwendet würden. Folglich ermöglichen die Kühlrohre aufgrund ihrer Anordnung in einem ansonsten ungenutzten Teil des Stators eine effiziente Kühlung, ohne den Schlitzfüllfaktor des Motors zu verringern.
3 und 4 veranschaulichen schematisch die Gestalt eines Kühlrohres gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Kühlrohr 18 hat einen rechtwinkeligen Querschnitt in dem Abschnitt des Rohrs, der in den Schlitz 22 eingesetzt wird, und einen kreisförmigen Querschnitt an beiden Enden des Rohrs mit einem kurzen Stück an beiden Enden des Rohrs, wo das Rohr von kreisförmig in rechtwinklig übergeht. Der Entwurf der Kühlrohre ermöglicht, dass ein Kühlmittel ungehindert von einem Ende des Rohrs zum anderen strömt. Die kreisförmigen Enden der Kühlrohre sind zum Abdichten zu den Einlaß- und Auslassrohrleitungen konfiguriert, die Kühlmittel durch die Kühlrohre pumpen. Solche Rohrleitungen sind bekannt und nicht veranschaulicht. Eine Beschichtung 24 aus einem elektrisch isolierenden Material bedeckt den rechtwinkeligen Teil des Kühlrohrs und verhindert einen etwaigen Kurzschluss um die Wicklungen entweder von Spule zu Spule oder von Windung zu Windung. Diese Beschichtung kann z.B. ein um den rechtwinkeligen Teil des Rohrs gewickeltes elektrisches isolierendes Band oder dergleichen sein. Die Kühlrohre sind ebenfalls von den Rohrleitungen elektrisch isoliert, um eine Zirkulation induzierter Ströme um aufeinanderfolgende Kühlrohre zu verringern. Dies kann z.B. erreicht werden, indem Kunststoffdichtungen und O-Ringe auf den Rohrleitungen genutzt werden, was somit eine elektrische Isolierung erzeugt sowie eine lecksichere Dichtung schafft. Alternativ dazu gibt es mehrere Verfahren, um die Kühlrohre von den Wicklungen und der Rohrleitung elektrisch zu isolieren, z.B. Beschichten der Enden der Kühlrohre mit einem elektrisch isolierendem Material wie z.B. Lack oder dergleichen. Die Endkappen (engl. end bells) des Motors können abgewandelt werden, um die Rohrleitungen vorzusehen oder unterzubringen. Der Teil mit rechtwinkeligem Querschnitt des Kühlrohrs, der mit der Statorgeometrie kombiniert wird, die für einen rechtwinkeligen Querschnitt des Schlitzes 22 sorgt, ermöglicht, dass das Kühlrohr mit jeder äußeren Windung der benachbarten Wicklungsspulen in Kontakt steht. Für eine hochkant gewickelte Spule steht der rechtwinkelige Teil des Kühlrohrs in Kontakt mit jeder Windung der Wicklung. Die Kühlrohre können somit einen sehr effizienten thermischen Transfer zwischen den Kühlrohren und den Wicklungsspulen erreichen.
Es ist folglich offensichtlich, dass gemäß der Erfindung eine optimierte Wicklungskühlung und Schlitzfüllung eines Elektromotors mit konzentrierter Wicklung geschaffen wurde, der die oben dargelegten Anforderungen erfüllt. Der Motor liefert eine effiziente Wicklungskühlung und einen maximierten Schlitzfüllfaktor, was folglich den Wirkungsgrad des Motors verbessert und erlaubt, dass der Motor unter hohem Strom läuft, wodurch die Drehmomentdichte des Motors erhöht wird. Obgleich die Erfindung mit Verweis auf ihre spezifischen Ausführungsformen beschrieben und veranschaulicht wurde, ist nicht beabsichtigt, dass die Erfindung auf solche veranschaulichten Ausführungsformen beschränkt ist. Beispielsweise müssen die Wicklungsspulen nicht mit rechtwinkeligen Drähten gewickelt und müssen nicht hochkant gewickelt sein. Die Kühlrohre können aus Materialien mit geringer Leitfähigkeit und niedriger magnetischer Permeabilität hergestellt sein, die von den aufgezählten verschieden sind, wobei das Material für die spezielle Anwendung in bekannter Weise ausgewählt wird. Eine optimierte Wicklungskühlung und Schlitzfüllung eines Elektromotors mit konzentrierter Wicklung schaffen ein Mittel, um eine Wicklungskühlung eines Motors zu maximieren, ohne dessen Schlitzfüllfaktor zu verringern, wodurch die Drehmomentdichte und der Wirkungsgrad des Motors verbessert werden. Der Motor nutzt einen Stator mit trapezförmigen Statorzähnen, die durch rechtwinkelige Statorschlitze getrennt sind. Um jeden Statorzahn platzierte Wicklungen füllen teilweise die Statorschlitze, wobei rechtwinkelige Räume zwischen jeder Gruppe von Wicklungen übrig bleiben. Kühlrohre sind in diesen übriggebliebenen Räumen platziert. Die rechtwinkelige Geometrie der Kühlrohre ermöglicht, dass die Rohre jede äußere Windung der benachbarten Statorwicklungen berühren, was eine effiziente thermische Leitung zwischen den Kühlrohren und Wicklungen schafft. Da die Kühlrohre in einem normalerweise ungenutzten Teil des Stators platziert sind, verringern sie nicht den Schlitzfüllfaktor des Motors. Die effiziente Kühlung des Motors ermöglicht, dass er unter hohem Strom läuft, was folglich die Drehmomentdichte und den Wirkungsgrad des Motors verbessert.

Claims

Elektromotor, umfassend: einen Stator mit mehreren Statorzähnen, wobei jeder der Statorzähne einen trapezförmigen Querschnitt aufweist; jeder der Statorzähne von einem benachbarten Statorzahn durch einen Statorschlitz beabstandet ist; eine Wicklungsspule, die jeden der Statorzähne umgibt und einen Teil des Statorschlitzes belegt und einen nicht belegten restlichen Teil des Statorschlitzes übrig lässt; und ein Kühlrohr, das im nicht belegten restlichen Teil jedes Statorschlitzes angeordnet ist.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Statorschlitz einen rechtwinkeligen Querschnitt hat.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlrohr ein langgestrecktes Rohr mit einem flachen rechtwinkeligen Querschnitt umfasst.
Elektromotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlrohr ferner einen Endabschnitt mit einem kreisförmi gen Abschnitt aufweist, der für eine Verbindung mit einer Rohrleitung für ein Fluid angepasst ist.
Elektromotor nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine elektrische Isolierung auf dem Kühlrohr.
Elektromotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlrohr ein Material mit einem hohen elektrischen spezifischen Widerstand und einer geringen magnetischen Permeabilität umfasst.
Elektromotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlrohr nicht-magnetischen rostfreien Stahl umfasst.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsspule eine hochkant gewickelte Wicklungsspule umfasst.
Elektromotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsspule eine Wicklung eines Leiters mit einem rechtwinkeligen Querschnitt umfasst.
Elektromotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlrohr jede Wicklung der hochkant gewickelten Spule berührt.
Elektromotor nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen thermisch leitenden Klebstoff, der Lücken zwischen dem Kühlrohr und der Wicklungsspule füllt.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsspule eine Wicklung aus einem Leiter mit einem rechtwinkeligen Querschnitt umfasst.
Elektromotor, umfassend: einen Stator mit mehreren Statorzähnen, wobei jeder der Statorzähne einen trapezförmigen Querschnitt aufweist; mehrere vorgewickelte, hochkant gewickelte Wicklungsspulen, wobei eine der mehreren vorgewickelten, hochkant gewickelten Wicklungsspulen so angeordnet ist, dass sie je einen der Statorzähne umgibt, wobei jede der mehreren vorgewickelten, hochkant gewickelten Wicklungsspulen eine Dicke aufweist; mehrere Kühlrohre, wobei je eines der mehreren Kühlrohre zwischen jeweiligen benachbarten Spulen der mehreren vorgewickelten Wicklungsspulen angeordnet ist und jedes der mehreren Kühlrohre eine Dicke aufweist; und mehrere Statorschlitze, wobei jeder der mehreren Statorschlitze einen rechtwinkeligen Querschnitt aufweist und benachbarte Zähne der mehreren Statorzähne trennt und jeder der mehreren Statorschlitze eine Breite aufweist, die sich der kombinierten Dicke der vorgewickelten Wicklungsspulen, die benachbarte Statorzähne umgeben, plus der Dicke eines Kühlrohres annähert.
Elektromotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Kühlrohre mehrere Kühlrohre aus nicht-magnetischem rostfreiem Stahl umfassen.
Elektromotor nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch einen thermisch leitenden Klebstoff zwischen jedem der mehreren Kühlrohre und den benachbarten Spulen der mehreren vorgewickelten Wicklungsspulen.
Elektromotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der mehreren Kühlrohre einen flachen Abschnitt mit einem rechtwinkeligen Querschnitt aufweist.
Elektromotor nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine Rohrleitung für ein Fluid, die mit jedem der mehreren Kühlrohre gekoppelt ist.
Elektromotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass jede der mehreren vorgewickelten, hochkant gewickelten Wicklungsspulen mit einem der mehreren Kühlrohre in thermischem Kontakt steht.
Elektromotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren vorgewickelten, hochkant gewickelten Wicklungsspulen hochkant gewickelte Wicklungsspulen aus Leitern mit einem rechtwinkeligen Querschnitt umfassen.
Elektromotor nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch ein elektrisch isolierendes Material auf den mehreren Kühlrohren.