DE112011102812B4 - Scheibenförmige Zentrifugalpumpe - Google Patents
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Abstract
Ein elektrisches Maschinensystem umfasst einen Elektromotor und eine Ölpumpe, die in einem Gehäuse angeordnet ist. Die Ölpumpe ist ausgelegt, Öl in einem Muster um eine Drehachse innerhalb des Elektromotors zu verteilen. Ein Verfahren zum Betreiben des elektrischen Maschinensystems ist ebenfalls offenbart.
Description
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Beispielhafte Ausführungsformen betreffen das Gebiet der elektrischen Maschinen und insbesondere eine elektrische Maschine mit einer Ölkühlung, die eine scheibenförmige Zentrifugalpumpe verwendet.
- Elektrofahrzeuge (EVs) oder hybridelektrische Fahrzeuge (HEVs) gewinnen bei steigenden Kraftstoffpreisen an Popularität und die Verbraucher haben ein größeres Bewusstsein für die Umwelteinwirkungen, die durch herkömmliche Fahrzeuge verursacht werden. Sowohl EVs als auch HEVs verwenden einen Fahrmotor, der für den Antrieb mit Elektrizität versorgt wird, um Emissionen zu verringern.
- Während des Betriebs erzeugt der Fahrmotor Wärme, die entfernt werden muss, um eine Beschädigung des Fahrmotors zu vermeiden. Typischerweise werden die Leistungselektronik, die in EVs und HEVs verwendet wird, und die Verbrennungsmotoren, die in HEVs verwendet werden, durch Wasser gekühlt. Somit kommt Wasser ebenfalls in Betracht, den Fahrmotor direkt zu kühlen. Eine Ölkühlung kann jedoch für bestimmte Anwendungen bevorzugt sein, da Öl eine thermisch effiziente und kostengünstige Lösung zur Wärmeabfuhr von den inneren Komponenten des Fahrmotors bietet. Das Verbessern der Kühltechnologie von Fahrmotoren ist ein Weg in Richtung einer erhöhten Betriebseffizienz von Elektromotoren.
- Die
DE 10 2004 049 795 A1 offenbart eine Kühlvorrichtung für eine mit einer Kühlflüssigkeit kühlbare elektrische Maschine. Die Kühlvorrichtung umfasst eine Zuführeinrichtung, mit welcher Kühlflüssigkeit der elektrischen Maschine zuführbar ist. - Die
DE 44 07 713 C1 beschreibt einen bürstenlosen Elektromotor mit einem flüssigkeitsdichten Gehäuse, einem innenlaufenden Rotor, der mit einer Abtriebswelle verbunden ist, einem zu dem Rotor in radialem Abstand angeordneten Statorpaket, einer in das Innere des Gehäuses führenden Kühlmittelzuführung und einer aus dem Gehäuse herausführenden Kühlmittelabführung. - Die
DE 695 05 813 T2 beschreibt einen elektrischen Fahrzeugmotor und ein darauf bezogenes Verfahren zur Kühlung wobei ein Kühlmittel einer Kühlmittelzuführung des Motorgehäuses bereitgestellt wird, durch eine Vielzahl von radialen Schlitzen eines in dem Motorgehäuse eingeschlossenen Statorkerns geführt wird und wobei das Kühlmittel aus einem Kühlmittelabfluss des Motorgehäuses austrit. In den radialen Schlitzen sind die Statordrähte derart untergebracht, dass das Kühlmittel dazu gezwungen wird, in Kontakt mit der gesamten äußeren Oberfläche der Statordrähte zu kommen. - Die
US 2 687 695 A betrifft Motorpumpen und speziell Motorpumpen des „nassen” Typs, also Motorpumpen bei denen der Motor in ein Rotorabteil, zu dem die Pumpenflüssigkeit Zugang hat, und in ein Statorabteil, welches von der Pumpenflüssigkeit abgeschirmt ist, unterteilt ist. - Die
US 3 217 193 A betrifft eine dynamo-elektrische Maschine oder einen elektrischen Motor und insbesondere Mittel zur Kühlung solcher Maschinen durch Flüssigkeitsinjektion unter Druck. - Die
JP 2008 128 112 A1 - Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine betriebseffiziente Kühlung sicherzustellen.
- KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
- Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine elektrisches Maschinensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Maschinensystems mit den Merkmalen des Patentanspruchs 19.
- Offenbart ist ein elektrisches Maschinensystem, das einen Elektromotor und eine Ölpumpe umfasst, die in einem Gehäuse angeordnet ist, das den Elektromotor umschließt. Die Ölpumpe ist ausgelegt, Öl in einem Schema um eine Drehachse innerhalb des Elektromotors zu verteilen.
- Ebenfalls offenbart ist ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine. Das Verfahren umfasst das Drehen einer rotierenden Scheibe, die einen Abstand D von einer stationären Scheibe beabstandet ist, um Öl in einen Zwischenraum zwischen der rotierenden Scheibe und der stationären Scheibe anzusaugen. Das Verfahren umfasst ebenfalls das Verteilen des Öls in einem Schema um eine Drehachse innerhalb des Elektromotors unter Verwendung mehrerer Leitwände, die mit der rotierenden Scheibe verbunden sind.
- KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Die folgende Beschreibung ist nicht einschränkend in irgendeiner Weise aufzufassen. Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen sind gleiche Elemente gleich nummeriert:
-
1 stellt ein elektrisches Maschinensystem mit einer elektrischen Maschine und einer internen Ölkühlpumpe dar; -
2 (dargestellt als2A und2B ) veranschaulicht Aspekte der internen Ölkühlpumpe, die ausgelegt ist, Öl in einem 360-Grad-Schema um eine Drehachse innerhalb der elektrischen Maschine zu verteilen; -
3 stellt weitere Aspekte der internen Ölkühlpumpe dar; und -
4 stellt ein Beispiel eines Verfahrens zum Betreiben eines elektrischen Maschinensystems mit einem Elektromotor und der internen Ölkühlpumpe dar. - AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
- Eine ausführliche Beschreibung einer oder mehrerer Ausführungsformen der offenbarten Vorrichtung und des Verfahrens ist hierin veranschaulichend und nicht einschränkend mit Bezug auf die Figuren dargelegt.
- Ein elektrisches Maschinensystem in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform ist allgemein bei
2 in1 angegeben. Das elektrische Maschinensystem2 umfasst ein Gehäuse3 . Innerhalb des Gehäuses3 ist eine elektrische Maschine angeordnet, die in Form eines Elektromotors4 dargestellt ist. Der Elektromotor4 umfasst einen Stator5 mit mehreren Statorwicklungen6 . Innerhalb des Stators5 befindet sich ein Rotor7 mit mehreren Rotorwicklungen8 oder Permanentmagneten (ebenfalls durch das Element8 dargestellt). Ein rotierendes Magnetfeld, das durch die Statorwicklungen6 erzeugt wird, interagiert mit den Rotorwicklungen8 oder den Permanentmagneten, um den Rotor7 zum Drehen anzutreiben. - Das elektrische Maschinensystem
2 verwendet Öl als Medium zum Kühlen des Elektromotors4 . Zusätzlich kann das Öl zum Schmieren und Kühlen sich drehender Komponenten, wie zum Beispiel dem Rotor7 , verwendet werden. In dem Gehäuse3 befindet sich eine Ölpumpe10 . Die Ölpumpe10 erhält Öl aus einem Ölsumpf11 und verteilt das Öl in einem Verteilschema, um den Stator5 , die Statorwicklungen6 , den Rotor7 und/oder die Rotorwicklungen8 gleichmäßig zu kühlen. In einer Ausführungsform ist das Verteilschema 360 Grad um die Längsachse (d. h. Rotorachse) des Elektromotors4 . Das Gehäuse3 definiert ein abgeschlossenes Kühlsystem, welches keine externen Verbindungen für ein Kühlmedium erfordert. Das abgeschlossene Kühlsystem erhöht die Zuverlässigkeit und verringert die Kosten des elektrischen Maschinensystems2 . - Die Ölpumpe
10 mit dem Ölsumpf11 , der am Boden des Gehäuses3 angeordnet ist, hat den Vorteil, dass das Ansaugen an dem Boden des Gehäuses3 das Abfließen des Öls von dem Elektromotor4 im Haupthohlraum verbessern helfen kann. - Bezug wird nun auf die
2 genommen, die Aspekte der Ölpumpe10 darstellt. Wie in einer Querschnittsansicht in2A dargestellt ist, umfasst die Ölpumpe10 eine stationäre Scheibe20 und eine rotierende Scheibe21 , die einen Abstand D von der stationären Scheibe20 beabstandet ist. Die rotierende Scheibe21 umfasst eine zentrale Scheibe22 und mehrere Schaufeln oder Leitwände23 (wie zum Beispiel flügelradähnliche Schaufeln oder Leitwände), die sich radial von der zentralen Scheibe22 erstrecken.2B veranschaulicht eine Seitenansicht der Ölpumpe10 , welche die zentrale Scheibe22 und die mehreren Leitwände23 bezüglich der stationären Scheibe21 darstellt. Die Spitzen der Leitwände23 können sich über den Umfang der stationären Scheibe20 hinaus erstrecken, mit diesem gleich sein oder kürzer sein als dieser. - Während des Betriebs erzeugt die Drehung der zentralen Scheibe
22 in Bezug auf die stationäre Scheibe20 ein Vakuum oder einen niedrigen Druck zwischen der Scheibe20 und der Scheibe22 , um Öl aus dem Ölsumpf11 anzusaugen. Die Ölspannung zwischen der Scheibe20 und der Scheibe22 trägt ebenso zum Ansaugen des Öls bei. Während das Ansaugen des Öls weitergeht, strömt das Öl in Richtung der mehreren Leitwände23 . Wenn das Öl die mehreren Leitwände23 erreicht, wird das Öl durch die mehreren Leitwände23 in einem 360-Grad-Schema um die Drehachse der rotierenden Scheibe22 verteilt. Das Öl wird durch eine Wurf- oder Schleuderaktion aus jeder Leitwand23 verteilt. Sobald das Anfangsvakuum den Ölfluss herstellt, helfen die Fluidspannungsaktivität und die Zentrifugalkräfte an dem durch die rotierende Scheibe21 herausgeschleuderten Öl, die gesamte Ölpumpaktivität zu verbessern. Zusätzlich ermöglichen die mehreren Leitwände23 , dass die Ölpumpe10 selbstansaugend ist. - Zusätzlich zu dem 360-Grad-Schema kann das Öl axial entlang der Längsachse des Motors
4 verteilt werden. Diese axiale Verteilung kann durch Ausbilden eines Winkels eines Endabschnitt an einigen oder allen Leitwänden23 in Bezug auf die Drehachse erreicht werden. Der Winkel kann ebenfalls variiert werden, um eine gleichmäßige axiale Verteilung zu erreichen. Anstelle der oder zusätzlich zu den gewinkelten Leitwänden23 können eine oder mehrere der Leitwände23 unterschiedliche Längen aufweisen, so dass der durch die Spitzen der Leitwände23 definierte Umfang nicht kreisrund ist, um das Verteilungsschema zu ändern. - Die rotierende Scheibe
21 kann auf verschiedene Weise in unterschiedlichen Ausführungsformen angetrieben werden. In einer Ausführungsform ist die rotierende Scheibe21 koaxial mit dem Rotor7 verbunden und wird direkt durch den Rotor7 angetrieben. In einer anderen Ausführungsform wird die rotierende Scheibe21 indirekt durch den Rotor7 angetrieben, wie zum Beispiel mit einer Ausgestaltung, die Zahnräder, eine Kette oder Riemenscheiben und Riemen verwendet. In einer weiteren Ausführungsform wird die rotierende Scheibe21 durch einen Hilfsmotor30 angetrieben, wie in3 dargestellt ist. Ein Vorteil des Hilfsmotors30 ist, dass die Ölpumpe10 Kühlung bereitstellen kann, selbst wenn der Rotor7 angehalten ist oder sich mit einer niedrigen Drehzahl dreht. Der Hilfsmotor30 wird in einer Ausführungsform elektrisch betrieben. - Eine Durchflusssteuerung des Öls kann bereitgestellt werden, um den Ölfluss innerhalb eines gewählten Bereichs zu halten, um einen zu geringen Durchfluss oder einen zu hohen Durchfluss zu vermeiden. Die Durchflusssteuerung kann durch Variieren der Drehzahl des Hilfsmotors
30 oder durch Variieren des Abstands D zwischen der stationären Scheibe20 und der rotierenden Scheibe21 bereitgestellt werden. Das Variieren des Abstands zwischen der stationären und der rotierenden Scheibe kann unter Verwendung eines Aktuators31 der rotierenden Scheibe erreicht werden, der, wie in3 dargestellt ist, mit der rotierenden Scheibe21 verbunden ist. In einer Ausführungsform ist der Aktuator31 der rotierenden Scheibe eine elektrische Servoeinrichtung. Ein aktiver Aktuator31 der rotierenden Scheibe kann mit einem Durchflusssensor32 und/oder einem Drehzahlsensor33 verbunden sein, um einen Durchflussregelkreis bereitzustellen. In einer Ausführungsform ist der Aktuator31 der rotierenden Scheibe eine passive Vorrichtung, wie zum Beispiel eine federbelastete Vorrichtung, die die Scheiben bei hohen Drehzahlen und/oder hohen Öldrücken auseinander zieht. - An dieser Stelle ist zu verstehen, dass die Ölpumpe
10 ein symmetrisches 360-Grad-Schema bereitstellen kann, um den Stator5 und die mehreren Statorwicklungen6 gleichmäßig zu kühlen. In einer Ausführungsform ist die Drehachse des Rotors7 im Wesentlichen dieselbe wie die Drehachse der rotierenden Scheibe22 , so dass das Ölverteilungsschema in dem Stator5 symmetrisch ist. Das symmetrische Kühlschema verhindert das Hervorbringen heißer Stellen und verringert somit Belastungen, die die Komponenten des Elektromotors4 erfahren. - Es ist ebenfalls zu verstehen, dass das elektrische Maschinensystem
2 mehr als eine Hauptölpumpe10 umfassen kann. In einer Ausführungsform umfasst das elektrische Maschinensystem2 zwei Hauptölpumpen10 , wobei eine Hauptölpumpe10 an einem Ende des Rotors7 angeordnet ist und die andere Hauptölpumpe10 an dem anderen Ende des Rotors7 angeordnet ist, um ein gleichmäßiges Kühlen bereitzustellen. - In bestimmten Ausgestaltungen kann das elektrische Maschinensystem
2 eine sekundäre Ölpumpe erfordern um zu funktionieren, während der Rotor7 angehalten ist oder sich mit einer sehr niedrigen Drehzahl dreht. Die sekundäre Ölpumpe weist Merkmale ähnlich jenen der Hauptölpumpe10 auf, wie in den1 –3 dargestellt ist. Die sekundäre Ölpumpe kann elektrisch unter Verwendung eines Motors, wie zum Beispiel des Hilfsmotors30 , angetrieben werden und laufen, wann immer Strom angelegt wird. Alternativ kann der Elektromotor, der die sekundäre Ölpumpe antreibt, durch den Durchflusssensor32 eingeschaltet werden, wenn der Ölfluss zu niedrig ist, und/oder durch den Drehzahlsensor33 , wenn die Drehzahl der rotierenden Scheibe22 zu niedrig ist. - Wenn das elektrische Maschinensystem
2 in EV- und HEV-Anwendungen verwendet wird, muss sich der Elektromotor allgemein in beide Richtungen für die Vorwärts- und Rückwärtsbewegung drehen. Einer der Vorteile des elektrischen Maschinensystems2 ist, dass die Ölpumpe10 den Ölfluss bereitstellt, wenn sich die rotierende Scheibe22 in beide Richtungen dreht. - Ein weiterer Vorteil des elektrischen Maschinensystems
2 ist, dass die Energie, die zum Betreiben der Ölpumpe10 erforderlich ist, minimal ist und hauptsächlich das Anheben und die Beschleunigung des Öls durch die rotierende Scheibe22 betrifft. Die Ölpumpe10 arbeitet bei sehr niedrigen Drücken und weist minimale Ölkanäle auf, die alle in ein einziges Teil gegossen oder gefräst werden können. - Das elektrische Maschinensystem
2 , das die Ölpumpe10 in dem Gehäuse3 aufweist, eignet sich für einen abgeschlossenen, ölgekühlten Motorentwurf, der ein sekundäres, externes Kühlsystem35 einsetzen kann, wie in3 dargestellt ist. In einer Ausführungsform entfernt das sekundäre, externe Kühlsystem35 Wärme von dem Öl in dem Ölsumpf11 und entsorgt die Wärme in einer Wärmesenke, wie zum Beispiel einem Radiator. Ein nicht einschränkendes Beispiel eines sekundären Kühlmediums ist Wasser. Somit sind die einzigen externen Verbindungen, die für das elektrische Maschinensystem2 mit dem sekundären, externen Kühlsystem35 erforderlich sind, Verbindungen für den elektrischen Strom und für das sekundäre Kühlmedium. -
4 stellt ein Beispiel eines Verfahrens40 zum Betreiben des elektrischen Maschinensystems2 dar. Das Verfahren40 verlangt (Schritt41 ) das Drehen der rotierenden Scheibe21 , die einen Abstand D von der stationären Scheibe20 beabstandet ist. Ferner verlangt das Verfahren40 (Schritt42 ) das Verteilen des Öls in einem 360-Grad-Schema um eine Drehachse innerhalb des Elektromotors4 unter Verwendung mehrerer Leitwände23 . - Elemente der Ausführungsformen wurden eingeführt mit dem Artikel „ein”. Der Artikel bedeutet, dass es ein oder mehrere der Elemente gibt. Die Ausdrücke „umfassen” und „aufweisen” sind derart einschließend beabsichtigt, dass es zusätzliche, andere Elemente zu den aufgelisteten Elementen geben kann. Die Konjunktion „oder” bedeutet, wenn sie mit einer Liste von wenigstens zwei Begriffen verwendet wird, irgendeinen Begriff oder eine Kombination der Begriffe. Der Ausdruck „verbinden” bezieht sich auf eine Komponente, die entweder direkt mit einer anderen Komponente oder indirekt mit der anderen Komponente über eine oder mehrere Zwischenkomponenten verbunden ist.
- Obwohl die Erfindung mit Bezug auf eine veranschaulichende Ausführungsform oder Ausführungsformen beschrieben wurde, ist von den Fachleuten zu verstehen, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können und Elemente hiervon durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne den Geltungsbereich der Erfindung zu verlassen. Außerdem können viele Modifikationen durchgeführt werden, um eine bestimmte Situation oder Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne den wesentlichen Geltungsbereich hiervon zu verlassen. Daher ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die spezielle Ausführungsform beschränkt ist, die als die beste erachtete Art zur Ausführung dieser Erfindung offenbart ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen einschließt, die in den Geltungsbereich der Ansprüche fallen.
Claims (19)
- Elektrisches Maschinensystem, aufweisend: ein Gehäuse; einen Elektromotor, der in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei der Motor einen Stator und einen Rotor aufweist; eine Ölpumpe, die in dem Gehäuse angeordnet ist und ausgelegt ist, Öl in einem Schema um eine Drehachse innerhalb des Elektromotors zu verteilen, wobei die Ölpumpe eine stationäre Scheibe und eine rotierende Scheibe aufweist, die in einem Abstand D zu der stationären Scheibe beabstandet ist, wobei der Zwischenraum ausgelegt ist, Öl aus einem Ölsumpf anzusaugen.
- Elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 1, wobei das Schema ein 360-Grad-Schema ist.
- Elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse ausgelegt ist, das Öl in dem Gehäuse einzuschließen.
- Elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 1, wobei die rotierende Scheibe eine zentrale Scheibe und mehrere Leitwände aufweist, die sich radial von der zentralen Scheibe erstrecken, wobei die mehreren Leitwände ausgelegt sind, das in den Zwischenraum angesaugte Öl zu verteilen.
- Elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 4, wobei jede Leitwand der mehreren Leitwände einen Winkel in Bezug auf eine Drehachse aufweist.
- Elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 4, wobei ein Umfang, der durch ein Ende jeder Leitwand der mehreren Leitwände definiert ist, nicht kreisrund ist.
- Elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 1, wobei die rotierende Scheibe durch den Rotor in dem Elektromotor angetrieben wird.
- Elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend einen Hilfsmotor, der ausgelegt ist, die rotierende Scheibe anzutreiben.
- Elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 8, wobei der Hilfsmotor ein Motor mit variabler Drehzahl ist.
- Elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend einen Aktuator der rotierenden Scheibe, der ausgelegt ist, den Abstand D zu variieren.
- Elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 10, wobei der Aktuator der rotierenden Scheibe eine elektrische Servoeinrichtung aufweist.
- Elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 10, wobei der Aktuator der rotierenden Scheibe eine passive mechanische Vorrichtung aufweist.
- Elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 1, wobei die rotierende Scheibe ausgelegt ist, sich in jede Drehrichtung zu drehen, um das Öl aus dem Sumpf anzusaugen und das Öl zu verteilen.
- Elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend ein Wasserkühlsystem, das außerhalb des Gehäuses angeordnet ist und ausgelegt ist, Wärme von dem Öl in dem Gehäuse zu entfernen.
- Elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 14, wobei das Wasserkühlsystem Wärme von dem Öl in dem Ölsumpf entfernt.
- Elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine weitere Ölpumpe, wobei die weitere Ölpumpe ausgelegt ist, Öl zu pumpen und zu verteilen, wenn der Rotor angehalten ist oder sich mit einer niedrigen Drehzahl dreht.
- Elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 16, wobei die weitere Ölpumpe durch einen weiteren Elektromotor angetrieben wird.
- Elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 17, wobei der weitere Elektromotor wenigstens mit einem Drehzahlschalter, der eine Drehzahl des Rotors erkennt, oder einem Durchflussschalter, der einen Ölfluss durch die Hauptölpumpe erkennt, verbunden ist.
- Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Maschinensystems, das einen Elektromotor aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Drehen einer rotierenden Scheibe, die einen Abstand D von einer stationären Scheibe beabstandet ist, um Öl in einen Zwischenraum zwischen der rotierenden Scheibe und der stationären Scheibe anzusaugen; und Verteilen des Öls in einem Schema um eine Drehachse innerhalb des Elektromotors unter Verwendung mehrerer Leitwände, die mit der rotierenden Scheibe verbunden sind.
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