DE112012006221T5

DE112012006221T5 - System und Verfahren zum Kühlen eines Elektromotors

Info

Publication number: DE112012006221T5
Application number: DE112012006221.3T
Authority: DE
Inventors: Zhihai Xu; Kulfeng Li
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-04-10
Filing date: 2012-04-10
Publication date: 2015-01-15
Also published as: RU2014139858A; RU2631677C2; BR112014024138A2; RU2631677C9; CN204258515U; WO2013152473A1; BR112014024138A8; US20150097450A1

Abstract

Es sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Kühlung eines Elektromotors vorgesehen. In einem Beispiel weist ein Gehäuse für einen Elektromotor eine äußere Gehäusewand, eine innere Gehäusewand und einen zwischen der inneren Gehäusewand und der äußeren Gehäusewand positionierten Flüssigkühlmittelkanal auf, wobei die innere Gehäusewand eine erste Öffnung aufweist, um Luft aus einem Luftkanal an einem Rotor des Elektromotors zwischen der inneren Gehäusewand und der äußeren Gehäusewand und über den Flüssigkühlmittelkanal strömen zu lassen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Gegenstand der hier beschriebenen Ausführungsformen ist die Kühlung eines Elektromotors.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In verschiedenen industriellen Anwendungen, wie Bohren, Pumpen, Pipelinekomprimierung usw., verwendete Elektromotoren haben gewöhnlich einen hohen Drehmomentbedarf. Um den hohen Drehmomentbedarf derartiger Anwendungen zu decken, weist ein Elektromotor einen Stator und einen Rotor auf, die groß genug sind, um eine elektromagnetische Induktionskraft zu erzeugen, die stark genug ist, um den Drehmomentbedarf zu decken. Während des Betriebs des Elektromotors erzeugen diese großen Komponenten eine beträchtliche Wärmemenge. Zum Beispiel kann die elektromagnetische Induktion zwischen dem Stator und dem Rotor Wärme erzeugen. Wärme kann, als weiteres Beispiel, durch Reibung aufgrund der Drehung des Rotors während des Betriebs des Elektromotors erzeugt werden. Der Elektromotor kann auf verschiedene Arten gekühlt werden, um während des Betriebs erzeugte Wärme abzuleiten.
Beispielsweise kann ein externes Kühlsystem mit einem Elektromotor gekoppelt sein, um für Kühlung zu sorgen. Das externe Kühlsystem umfasst Lüfter oder Gebläse, die von einer externen Energiequelle angetrieben werden, um dem Elektromotor außen Gebläseluft zuzuführen. In einem Fall, in dem innere Bauteile (z. B. Stator und Rotor) des Elektromotors gegen eine äußere Umgebung abgekapselt sind, kann es sein, dass die Kühlleistung im Verhältnis zu einer offenen Motoranordnung geringer ist, weil die von dem externen Kühlsystem bereitgestellte Gebläseluft die inneren Bauteile des Elektromotors nicht erreicht. Dementsprechend ist der Betrieb des gekapselten Elektromotors zum Verhindern einer Überhitzung der inneren Bauteile möglicherweise eingeschränkt.
In einem Fall, in dem die inneren Bauteile des Elektromotors zur äußeren Umgebung freiliegen, kann die Kühlleistung im Verhältnis zu einer gekapselten Motoranordnung höher sein, weil die von dem externen Kühlsystem bereitgestellte Gebläseluft die inneren Bauteile des Elektromotors erreicht. Dieser Typ von Elektromotor ist aber möglicherweise gegenüber anderen Umweltbedingungen (z. B. hohe Feuchtigkeit, Staubverschmutzung) empfindlich, die eine Beeinträchtigung des Elektromotors verursachen können.
In jedem Fall übertrifft der von dem externen Kühlsystem erzeugte Lärm bei weitem den Lärmpegel, der durch des Betriebs des Elektromotors erzeugt wird. Es kann sein, dass solche Lärmpegel für Betreiber des Elektromotors unerwünscht sind. Weil das externe Kühlsystem von einer externen Energiequelle betrieben wird, verbraucht des Weiteren der Betrieb des externen Kühlsystems Energie zusätzlich zu der zum Betreiben des Elektromotors verbrauchten Energie.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Kühlung eines Elektromotors geschaffen. In einer Ausführungsform weist ein Gehäuse für einen Elektromotor eine äußere Gehäusewand, eine innere Gehäusewand und einen zwischen der inneren Gehäusewand und der äußeren Gehäusewand positionierten Flüssigkühlmittelkanal auf. Die innere Gehäusewand weist eine erste Öffnung auf, um Luft aus einem Luftkanal an einem Rotor des Elektromotors zwischen der inneren Gehäusewand und der äußeren Gehäusewand und über den Flüssigkühlmittelkanal strömen zu lassen.
Durch Bereitstellen eines Flüssigkühlmittelkanals zwischen Wänden des Gehäuses und Strömenlassen von Luft aus dem Luftkanal an den inneren Bauteilen des Elektromotors über den Flüssigkühlmittelkanal kann Wärme von Luft, die durch das Innere des Elektromotors strömt, auf flüssiges Kühlmittel übertragen werden, das durch den Flüssigkühlmittelkanal und weiter von dem Flüssigkühlmittelkanal zu einer äußeren Umgebung strömt, wenn das flüssige Kühlmittel aus dem Flüssigkühlmittelkanal ausgestoßen wird. Auf diese Weise können innere Bauteile des Elektromotors gekühlt werden.
Des Weiteren weist der Elektromotor in einigen Ausführungsformen einen Lüfter zum Blasen von Luft durch den Luftkanal auf. Der Lüfter erhöht den Luftdurchsatz über den Flüssigkühlmittelkanal, um die Kühlleistung des Elektromotors zu erhöhen. In einem Beispiel ist der Lüfter funktionell mit dem Rotor gekoppelt, so dass der Lüfter während der Drehung des Rotors Luft bläst. Da der Lüfter funktionell mit dem Rotor gekoppelt ist, funktioniert der Lüfter während des Betriebs des Elektromotors ohne zusätzlichen Verbrauch von Energie aus einer externen Energiequelle. Auf diese Weise wird im Verhältnis zu einer Anordnung, bei der ein externes Kühlsystem, das von einer externen Energiequelle angetrieben wird, zum Kühlen eines Elektromotors verwendet wird, weniger Energie zum Kühlen des Elektromotors verbraucht.
Es ist zu beachten, dass die Kurzdarstellung oben gegeben wird, um eine Auswahl von Konzepten, die in der ausführlichen Beschreibung weiter beschrieben werden, in vereinfachter Form vorzustellen. Sie soll keine Schlüssel- oder wesentlichen Merkmale des beanspruchten Gegenstands bestimmen, dessen Umfang von den Ansprüchen, die der ausführlichen Beschreibung folgen, eindeutig definiert wird. Des Weiteren ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Ausführungsformen beschränkt, die eine Lösung für irgendwelche der oben genannten oder in einem Teil dieser Offenbarung genannten Nachteile bieten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird durch Lesen der folgenden Beschreibung nichtbeschränkender Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die angehängten Begleitzeichnungen besser verständlich, wobei unten:
1 eine Querschnittansicht einer Ausführungsform eines Elektromotors gemäß der vorliegenden Beschreibung zeigt,
2 eine teilweise Querschnittansicht des Elektromotors zeigt, die zur Querschnittansicht von 1 lotrecht ist,
3 eine teilweise Ausschnittansicht eines Gehäuses für einen Elektromotor gemäß der vorliegenden Beschreibung zeigt,
4 eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Kühlen eines Elektromotors zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Beschreibung betrifft verschiedene Ausführungsformen von Systemen und Verfahren zum Kühlen eines Elektromotors. Speziell betrifft die vorliegende Beschreibung das Kühlen von inneren Bauteilen eines Elektromotors unter Verwendung einer Kombination von Flüssigkeitskühlung und Luftkühlung. 1 zeigt eine Querschnittansicht einer Ausführungsform eines Elektromotors 100 gemäß der vorliegenden Beschreibung. Der Elektromotor 100 kann in verschiedenen Industrieanwendungen wie Bohren, Pumpen usw. verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann der Elektromotor 100 stationär oder wenigstens während des Betriebs stationär sein. Zum Beispiel kann der Elektromotor 100 in Bezug auf eine Referenz fest sein, z. B. bezüglich eines Trägers oder einer Plattform fest sein. In diesem Beispiel bleibt der Elektromotor 100 während des Betriebs in fester Position auf dem Träger. Der Träger kann aber bewegt werden, wenn der Elektromotor 100 nicht in Betrieb ist, um den Elektromotor 100 umzupositionieren. In einem weiteren Beispiel könnte der Elektromotor 100 in Bezug auf zwei Referenzen fest sein, wie z. B. in Bezug auf einen Träger fest sein und der Träger ortsunveränderlich sein. In diesem Beispiel bleibt der Elektromotor 100 im Betrieb wie außer Betrieb in derselben Position fest. In einigen Anwendungen kann der Elektromotor 100 in Bezug auf einen Träger fest sein und der Träger kann bewegt werden, wenn der Elektromotor 100 in Betrieb ist.
Im typischen Fall wird der Elektromotor 100 an der Atmosphäre und nicht in Wasser untergetaucht betrieben. Von daher kann der Elektromotor 100 zum Kühlen nicht durch Wasser hindurchgeführt werden. Stattdessen wird Wasser oder ein anderes flüssiges Kühlmittel dem Motor 100 zum Kühlen zugeführt. In einem bestimmten Beispiel ist der Elektromotor 100 auf einer Bohrplattform montiert und stellt Drehmomentleistung zum Betreiben eines Bohrers bereit. Die Bohrplattform kann auf oder nahe an Salzwasser, wie in einem Meer oder an einer Küste, positioniert sein und Salzwasser wird zum Kühlen zu dem Elektromotor 100 gepumpt.
Es ist zu beachten, dass der Elektromotor 100 verschiedene geeignete Formen haben kann, ohne vom Umfang der vorliegenden Beschreibung abzuweichen. In der veranschaulichten Ausführungsform weist der Elektromotor 100 einen Rotor 102 und einen Stator 104, der den Rotor 102 umgibt, auf. Der Elektromotor 100 kann mit Wechselstrom angetrieben werden. Speziell kann der Elektromotor ein Induktionsmotor sein, wobei dem Stator 104 Strom zugeführt wird, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen, das durch elektromagnetische Induktion auf den Rotor 102 übertragen wird, welche die Drehung des Rotors 102 verursacht, um Drehmomentleistung des Elektromotors 100 bereitzustellen.
Der Elektromotor 100 weist einen Gehäuse 106 auf, das den Rotor 102 und den Stator 104 enthält. In der veranschaulichten Ausführungsform ist das Gehäuse 106 zylindrisch, obwohl zu erkennen ist, dass das Gehäuse verschiedene geeignete Formen haben kann, ohne vom Umfang der vorliegenden Beschreibung abzuweichen. Das Gehäuse 106 weist eine äußere Gehäusewand 108 und eine innere Gehäusewand 110 auf. Die äußere Gehäusewand 108 ist durch mehrere Trägerstäbe 112 von der inneren Gehäusewand getrennt. In einem speziellen Beispiel sind achtzehn Trägerstäbe voneinander beabstandet in dem Gehäuse 106 angeordnet, um die äußere Gehäusewand 108 von der inneren Gehäusewand 110 zu trennen. In einigen Ausführungsformen haben die äußere Gehäusewand 108 und die innere Gehäusewand 110 verschiedene Dicken (z. B. verschiedene radiale Dicken).
In einigen Ausführungsformen umschließt die äußere Gehäusewand den Rotor 102 und den Stator 104 und kapselt das Innere des Elektromotors 100 gegen eine äußere Umgebung ab. Das heißt, dass innere Bauteile und Kanäle des Elektromotors 100 nicht der äußeren Umgebung und mit der Umgebung verbundenen Bedingungen wie Umgebungsfeuchtigkeit und dergleichen ausgesetzt sind. Es ist zu erkennen, dass der Rotor 102 sich über die äußere Gehäusewand 108 hinaus erstrecken kann, um Drehleistung bereitzustellen, aber die äußere Gehäusewand 108 kann eine Dichtung um den Rotor 102 herum bereitstellen, um zu verhüten, dass innere Bauteile des Elektromotors 100 äußeren Umweltbedingungen ausgesetzt werden.
Die Trennung zwischen der äußeren Gehäusewand 108 und der inneren Gehäusewand 110 ermöglicht das Positionieren eines Gebildes 114, das einen Flüssigkühlmittelkanal 116 definiert, zwischen der inneren Gehäusewand 110 und der äußeren Gehäusewand 108. Der Kühlmittelkanal 116 weist einen Flüssigkühlmitteleinlass 118, der zur Aufnahme eines flüssigen Kühlmittels von einer äußeren Umgebung gestaltet ist, und einen Kühlmittelauslass 120 zum Ausstoßen des flüssigen Kühlmittels aus dem Flüssigkühlmittelkanal 116 in die äußere Umgebung hinaus auf. Flüssiges Kühlmittel, das in den Flüssigkühlmitteleinlass 118 gepumpt wird, strömt durch den Flüssigkühlmittelkanal 116 und wird aus dem Flüssigkühlmittelauslass 120 hinaus ausgestoßen, um den Elektromotor 100 zu kühlen. Speziell kann Wärme von den inneren Bauteilen (z. B. Stator, Rotor) des Elektromotors 100 auf durch den Flüssigkühlmittelkanal 116 strömendes flüssiges Kühlmittel übertragen werden, das aus dem Flüssigkühlmittelauslass 120 hinaus ausgestoßen wird, um den Elektromotor 100 zu kühlen.
In der veranschaulichten Ausführungsform umgibt der Flüssigkühlmittelkanal 116 die innere Gehäusewand 110 und erstreckt sich über eine Länge der inneren Gehäusewand 110. Das Gebilde 114, das den Flüssigkühlmittelkanal 116 definiert, ist mit der inneren Gehäusewand 110 gekoppelt. Des Weiteren füllen der Flüssigkkühlmittelkanal 116 und das Gebilde 114 nicht den Raum, der die äußere Gehäusewand 108 und die innere Gehäusewand 110 voneinander trennt. Vielmehr definieren das Gebilde 114 und die äußere Gehäusewand 108 einen Luftkanal 122, der es ermöglicht, dass sich Luft über den Flüssigkühlmittelkanal 116 bewegt. In einigen Ausführungsformen kann das Gebilde 114, das den Flüssigkühlmittelkanal 116 definiert, mit der äußeren Gehäusewand 108 gekoppelt sein, und der Luftkanal 122 kann von dem Gebilde 114 und der inneren Gehäusewand 110 definiert werden.
Der Luftkanal 122 ist mit einem oder mehreren Luftkanälen 124 gekoppelt, die sich am Rotor 102 befinden. In der veranschaulichten Ausführungsform definiert der Rotor mehrere Luftkanäle. Das heißt, der Luftkanal 124 kann in dem oder angrenzend an den Rotor positioniert sein. Luft strömt von dem Luftkanal 124 an dem Rotor 102 zum Luftkanal 122 zwischen der inneren Gehäusewand und der äußeren Gehäusewand 108 und über den Flüssigkühlmittelkanal 116, um Wärme von dem Rotor 102 und dem Stator 104 auf flüssiges Kühlmittel, das durch den Flüssigkühlmittelkanal 116 strömt, zu übertragen. Auf diese Weise wird zum Kühlen des Elektromotors 100 eine Kombination von Flüssigkeitskühlung und Luftkühlung angewendet.
In einer Ausführungsform ist ein Lüfter 126 funktionell mit dem Rotor 102 gekoppelt. Der Lüfter 126 ist zum Durchblasen von Luft durch den Luftkanal 124 während der Drehung des Rotors 102 konfiguriert, um den Luftstrom über den Flüssigkühlmittelkanal 116 zu vergrößern, um die Kühlleistung des Elektromotors 100 zu erhöhen. Da der Lüfter 126 funktionell mit dem Rotor 102 gekoppelt ist, kann der Lüfter 126 sich während des Betriebs des Elektromotors 100 ohne separate Energie drehen. Auf diese Weise kann der Lüfter 126 Luftkühlung ohne die Notwendigkeit externer Energie zum Betreiben des Lüfters 126 bereitstellen. Der Lüfter 126 braucht aber nicht mit dem Rotor 102 gekoppelt zu sein. In einigen Ausführungsformen kann der Lüfter 126 durch Energie aus einer separaten Energiequelle betrieben werden.
2 zeigt eine teilweise Querschnittansicht des Elektromotors 100, die zur Querschnittansicht von 1 lotrecht ist. Speziell zeigt diese Ansicht eine detaillierte Ansicht des Flüssigkühlmittelkanals 116 und einen Luftströmungsweg innerhalb des Elektromotors 100. In einem Beispiel umläuft der Flüssigkühlmittelkanal 116 die innere Gehäusewand 110 schraubenförmig. Das heißt, das Gebilde 114, das den Flüssigkühlmittelkanal 116 definiert, weist eine schraubenförmige Gestalt auf, die sich um die innere Gehäusewand 110 windet. Das Gebilde 114, das den Flüssigkühlmittelkanal 116 definiert, ist mit der inneren Gehäusewand 110 gekoppelt, damit Luft zwischen dem Flüssigkühlmittelkanal 116 und der äußeren Gehäusewand 110 strömen kann, um den Elektromotor 100 zu kühlen. Darüber hinaus kann von der elektromagnetischen Induktion in dem Stator 104 erzeugte Wärme direkt durch die innere Gehäusewand 110 auf den Flüssigkühlmittelkanal übertragen werden, anstatt durch Luft übertragen zu werden, die sich über den Flüssigkühlmittelkanal bewegt.
Es ist zu erkennen, dass das Gebilde 114 eine geeignete Anzahl von Windungen definieren kann, die die innere Gehäusewand 110 umlaufen, ohne vom Umfang der vorliegenden Beschreibung abzuweichen. In einigen Ausführungsformen definiert das Gebilde 114 mehrere Windungen, die voneinander beabstandet sind. In einigen Ausführungsformen definiert das Gebilde 114 mehrere Windungen, die nicht voneinander beabstandet sind, sondern stattdessen aneinandergekoppelt sind oder einander berühren. Es ist zu erkennen, dass die Windungen verschiedene Formen annehmen können, ohne vom Umfang der vorliegenden Beschreibung abzuweichen. Zum Beispiel kann jede der mehreren Windungen rund sein. In einem weiteren Beispiel kann jede der mehreren Windungen viereckig sein. Die Form des Gebildes 114 kann von Fertigungskosten, Kühlleistung (z. B. Oberflächeninhalt, der mit Luftstrom in Kontakt kommen soll, Kühlmitteldurchsatz) usw. abhängig sein. In einigen Ausführungsformen können Rippen an das Gebilde 114, das den Flüssigkühlmittelkanal definiert, angeschweißt sein, um die Wärmeübertragungsleistung zu erhöhen. In Ausführungsformen kann das Gebilde 114 rohrförmig oder anders gewundenes Rohrmaterial aus einer Legierung oder einem anderen Material umfassen.
Der Flüssigkühlmittelkanal 116 weist den Kühlmitteleinlass 118, der zur Aufnahme von flüssigem Kühlmittel aus der äußeren Umgebung gestaltet ist, und den Kühlmittelauslass 120 zum Ausstoßen des flüssigen Kühlmittels aus dem Flüssigkühlmittelkanal hinaus zur äußeren Umgebung auf. Der Kühlmitteleinlass 118 und der Kühlmittelauslass 120 erstrecken sich zum Anschluss an andere Flüssigkühlmittelbauteile (z. B. Kühlmittelschläuchen) über das Gehäuse 106 hinaus. Flüssiges Kühlmittel wird durch den Flüssigkühlmittelkanal 116 gepumpt, um Wärme von den inneren Bauteilen des Elektromotors 100 auf die äußere Umgebung zu übertragen, ohne die inneren Bauteile selbst der äußeren Umgebung auszusetzen. In der veranschaulichten Ausführungsform sind der Kühlmitteleinlass 118 und der Kühlmittelauslass 120 an einander entgegengesetzten Enden des Gehäuses 106 positioniert, wobei die mehreren Windungen zwischen dem Kühlmitteleinlass 118 und dem Kühlmittelauslass 120 positioniert sind. Es ist zu erkennen, dass der Kühlmitteleinlass und der Kühlmittelauslass an verschiedenen geeigneten Positionen am Gehäuse positioniert werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Beschreibung abzuweichen.
In einigen Anwendungen ist der Elektromotor 100 stationär und wird in der Atmosphäre und nicht in Wasser untergetaucht betrieben. Von daher kann der Elektromotor 100 zum Kühlen nicht durch Wasser hindurchgeführt werden. Stattdessen, wird Wasser oder ein anderes flüssiges Kühlmittel dem Motor 100 zum Kühlen zugeführt. In einem bestimmten Beispiel ist der Elektromotor 100 auf oder nahe an Salzwasser, wie in einem Meer oder an einer Küste, positioniert und Salzwasser wird zum Elektromotor 100 gepumpt, um als flüssiges Kühlmittel zu wirken. Von daher weist das Gebilde 114, das den Flüssigkühlmittelkanal definiert, in einigen derartigen Ausführungsformen eine Kupfer-Nickel-Legierung auf und das flüssige Kühlmittel umfasst Salzwasser, das in den Kühlmitteleinlass 118 gepumpt wird. Die Kupfer-Nickel-Legierung kann die Korrosionsrate des Gebildes 114 durch Salzwasser verringern, um die Lebensdauer des Elektromotors 100 zu verlängern. In anderen Ausführungsformen ist die Legierung eine andere Art von Metallzusammensetzung als Kupfer-Nickel, die Korrosion durch Salzwasser gegenüber beständig ist (z. B. Edelstahl, gewisse Aluminiumverbindungen), gegenüber anderen möglichen Materialien. In anderen Ausführungsformen ist das Gebilde, das den Flüssigkühlmittelkanal definiert, nichtmetallisch (z. B. ein Polymer) oder teilweise nichtmetallisch (z. B. polymerbeschichtete Legierung).
Die innere Gehäusewand 110 weist eine erste Öffnung 128 auf, um Luft aus dem Luftkanal 124 an dem Rotor 102 zwischen der inneren Gehäusewand 110 und der äußeren Gehäusewand 108 und über den Flüssigkühlmittelkanal 116 strömen zu lassen. Insbesondere koppelt die erste Öffnung 128 in der inneren Gehäusewand 110 den Luftkanal 124 an dem Rotor 102 in Strömungsverbindung mit dem Luftkanal 122, der zwischen der inneren Gehäusewand 110 und der äußeren Gehäusewand 108 positioniert ist. Ferner weist die innere Gehäusewand 110 eine zweite Öffnung 130 auf, um Luft über den Flüssigkühlmittelkanal 116 zum Luftkanal 124 strömen zu lassen. Insbesondere koppelt die zweite Öffnung 130 in der inneren Gehäusewand 110 den Luftkanal 122, der zwischen der inneren Gehäusewand 110 und der äußeren Gehäusewand 108 positioniert ist, in Strömungsverbindung mit dem Luftkanal 124 an dem Rotor 102. Die erste Öffnung 128 ist an einer ersten Seite der inneren Gehäusewand 110 positioniert und die zweite Öffnung 130 ist an einer zweiten Seite der inneren Gehäusewand 110 positioniert, die der ersten Seite entgegengesetzt ist. Die einander entgegengesetzten Öffnungen erzeugen einen Luftkühlungskreislauf, bei dem warme Luft aus dem Luftkanal 124 an dem Rotor 102 durch die erste Öffnung 128 zum Luftkanal 122 zirkuliert. Luft im Luftkanal 122 bewegt sich über den Flüssigkühlmittelkanal 116 und überträgt Wärme von der Luft auf das flüssige Kühlmittel. Des Weiteren bewegt sich die gekühlte Luft von dem Luftkanal 122 durch die zweite Öffnung 130 zum Luftkanal 124 an dem Rotor 102, um den Luftkühlungskreislauf zu schließen.
In einigen Ausführungsformen dichtet die äußere Gehäusewand 110 den Luftkanal 122 und den Luftkanal 124 zur äußeren Umgebung hin ab. Das heißt, die inneren Bauteile des Elektromotors 100 werden von der äußeren Umgebung abgekapselt. Durch Bereitstellen des Flüssigkühlmittelkanals 116 und der Luftkanäle 122 und 124 können die inneren Bauteile des Elektromotors ausreichend gekühlt werden, ohne die inneren Bauteile der äußeren Umgebung und damit verbundenen Umweltbedingungen, welche die Lebensdauer des Elektromotors potentiell verkürzen, auszusetzen.
Der Lüfter 126 ist zum Blasen von Luft durch den Luftkanal 124 konfiguriert, um Luft durch den Luftkanal 122 und über den Flüssigkühlmittelkanal 116 umzuwälzen. Der Lüfter 126 ist funktionell mit dem Rotor 102 gekoppelt, um während des Drehens des Rotors 102 Luft zu blasen. Das heißt, wenn der Rotor 102 sich während des Betriebs des Elektromotors 100 dreht, dreht sich auch der Lüfter 126, um Luft zu blasen. In einigen Ausführungsformen dreht sich der Lüfter 126 nicht und bläst keine Luft, wenn sich der Rotor 102 nicht dreht. Es ist zu erkennen, dass der Lüfter in einigen Ausführungsformen nicht mit dem Rotor gekoppelt ist und sich unabhängig von der Drehung des Rotors dreht.
In einigen Ausführungsformen ist der Lüfter 126 funktionell mit einer Energiequelle 132 gekoppelt und der Lüfter 126 kann durch von der Energiequelle 132 bereitgestellte Energie betrieben werden, wenn der Rotor 102 sich mit niedriger Drehzahl dreht oder sich nicht dreht. In einigen Ausführungsformen ist die Energiequelle 132 mit einer Steuereinheit 134 gekoppelt. Die Steuereinheit 134 kann ein Mikrocomputer sein mit einer Mikroprozessoreinheit, Ein-/Ausgabeports, einem elektronischen computerlesbaren Speichermedium für ausführbare Programme und Verfahren, die hierin beschrieben werden, wie z. B. ein Nur-Lese-Speicherchip wie in einem besonderen Beispiel, einem Direktzugriffsspeicher und einem Datenbus. Die Steuereinheit 134 ist mit einem oder mehreren Sensoren 136 gekoppelt, die Anzeigen von einem oder mehreren Betriebsparametern des Elektromotors 100 an die Steuereinheit 134 anlegen. Die Steuereinheit ist mit einem oder mehreren Stellantrieben 138 gekoppelt und die Steuereinheit 134 ist zum Betätigen des einen bzw. der mehreren Stellantriebe 138 auf der Basis der Betriebsparameter, die durch die von dem einen oder den mehreren Sensoren 136 empfangenen Signale angezeigt werden, konfiguriert.
In einem Beispiel ist die Steuereinheit 134 zum Drehen des Lüfters 126 unter Verwendung von Energie aus der Energiequelle 132 auf der Basis eines Betriebsparameters zum Kühlen des Elektromotors 100 konfiguriert. Beispiele für Betriebsparameter sind die Innentemperatur des Elektromotors, die Umgebungstemperatur usw. In einigen Fällen betreibt die Steuereinheit 134 den Lüfter 126 mit Energie aus der Energiequelle 132, wenn der Rotor 102 sich nicht dreht, um zu kühlen, wenn der Elektromotor 100 nicht in Betrieb ist. In einem Beispiel weist der Sensor 136 einen Temperatursensor auf und die Steuereinheit 134 ist zum Betreiben des Lüfters 126 mit Energie aus der Energiequelle 132 konfiguriert, wenn der Elektromotor 100 nicht in Betrieb ist und eine von dem Temperatursensor erhaltene Anzeige der Temperatur größer als ein Temperaturschwellenwert ist. In einem weiteren Beispiel ist der Stellantrieb 138 eine Kühlmittelpumpe, die zum Pumpen von flüssigem Kühlmittel durch den Flüssigkühlmittelkanal 116 funktionell ist, und die Steuereinheit 134 ist konfiguriert, um die Kühlmittelpumpe zu betreiben, wenn eine vom Temperatursensor erhaltene Temperaturanzeige größer als ein Temperaturschwellenwert ist.
3 zeigt eine teilweise Ausschnittansicht des Gehäuses 106 für den Elektromotor 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung. In dieser Ausführungsform umläuft der Flüssigkühlmittelkanal 116 schraubenförmig die innere Gehäusewand 110 des Gehäuses 106. Der Luftkanal 122 ist zwischen der äußeren Gehäusewand 108 und der inneren Gehäusewand 110 und über den Flüssigkühlmittelkanal 116 positioniert. In der veranschaulichten Ausführungsform strömt flüssiges Kühlmittel in einer ersten Richtung durch den Flüssigkühlmittelkanal 116 und die Luft, die durch den Luftkanal 122 und über den Flüssigkühlmittelkanal 116 strömt, strömt in einer zweiten Richtung, die anders als die erste Richtung ist. Insbesondere ist die zweite Richtung zur ersten Richtung im Wesentlichen lotrecht. Durch Anordnen des Flüssigkühlmittelkanals 116 und des Luftkanals 122, so dass sie verschiedene Strömungsrichtungen haben, kann die Wärmeübertragung zwischen der Luft und dem flüssigen Kühlmittel im Verhältnis zu einer Anordnung, bei der die Fluide in derselben Richtung strömen, erhöht werden.
4 zeigt eine Ausführungsform eines Verfahrens 400 zum Kühlen eines Elektromotors. In einem Beispiel wird das Verfahren mit dem in den 1 bis 3 gezeigten Motor 100 ausgeführt. In einem Beispiel wird das Verfahren von der in 2 gezeigten Steuereinheit 134 durchgeführt. An 402 weist das Verfahren 400 das Ermitteln auf, ob der Elektromotor in Betrieb ist. Der Betrieb des Elektromotors umfasst die Drehung des Rotors zur Erbringung von Drehmomentleistung. Wenn der Elektromotor in Betrieb ist, dann geht das Verfahren zu 404 über. Ansonsten geht das Verfahren 400 zu 408 über.
An 404 weist das Verfahren 400 das Pumpen eines flüssigen Kühlmittels durch einen Flüssigkühlmittelkanal auf, der zwischen einer äußeren Gehäusewand und einer inneren Gehäusewand eines Gehäuses für den Elektromotor positioniert ist. Flüssiges Kühlmittel wird durch den Flüssigkühlmittelkanal gepumpt, um zum Kühlen des Elektromotors Wärme von inneren Bauteilen des Elektromotors zur äußeren Umgebung abzuziehen. In einem Beispiel kann eine Flüssigkühlmittelpumpe gesteuert werden, um während des Betriebs des Elektromotors Flüssigkeit durch den Flüssigkühlmittelkanal zu pumpen.
An 406 weist das Verfahren 400 das Blasen von Luft durch einen Luftkanal an einem Rotor des Elektromotors, durch eine Öffnung in der inneren Gehäusewand und über den Flüssigkühlmittelkanal zum Kühlen des Elektromotors auf. In einem Beispiel ist ein Lüfter zum Blasen von Luft durch den Luftkanal konfiguriert. In einigen Ausführungsformen ist der Lüfter funktionell mit dem Rotor gekoppelt, um während der Drehung des Rotors Luft zu blasen. Der Rotor erzeugt während der Drehung Wärme durch Reibung und auch durch Erzeugen elektromagnetischer Induktion. Durch Blasen von Luft aus dem Inneren des Elektromotors am Rotor über den Flüssigkühlmittelkanal kann vom Rotor erzeugte Wärme durch Umwälzen der Luft im Inneren des Elektromotors auf das flüssige Kühlmittel übertragen werden. Dementsprechend kann zum Kühlen des Motors eine Kombination von Luftkühlung und Flüssigkeitskühlung ausgeführt werden.
Wenn der Elektromotor nicht in Betrieb ist, können Kühlvorgänge auf der Basis von einem oder mehreren Betriebsparametern des Elektromotors durchgeführt werden. Zum Beispiel weist das Verfahren 400 an 408 das Ermitteln auf, ob ein Betriebsparameter größer als ein Betriebsparameterschwellenwert ist. In einem Beispiel ist der Betriebsparameter die Innentemperatur des Elektromotors. Wenn die Innentemperatur des Elektromotors größer als eine Schwellentemperatur ist, dann geht das Verfahren 400 zu 410 über. Ansonsten kehrt das Verfahren 400 zu anderen Vorgängen zurück.
An 410 weist das Verfahren 400 das Drehen des Lüfters unter Verwendung von Energie aus einer Energiequelle auf, wenn der Elektromotor nicht in Betrieb ist, um Luft durch den Luftkanal zu blasen, um den Elektromotor zu kühlen. In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren das Pumpen von flüssigem Kühlmittel durch den Flüssigkühlmittelkanal aufweisen, wenn der Elektromotor nicht in Betrieb ist und die Temperatur größer als der Temperaturschwellenwert ist. In einigen Ausführungsformen kann der Lüfter Luft blasen und/oder das flüssige Kühlmittel gefördert werden, bis der Elektromotor auf unter den Temperaturschwellenwert abgekühlt oder eine vorbestimmte Zeitspanne lang gekühlt worden ist. In einigen Fällen kann Restwärme im Elektromotor heiß bleiben, selbst wenn der Elektromotor nicht in Betrieb ist. Um den Elektromotor auf eine geeignete Temperatur zu kühlen, kann der Lüfter mit Energie aus der Energiequelle betrieben werden, wenn der Elektromotor nicht in Betrieb ist, um den Elektromotor auf eine geeignete Temperatur zu kühlen.
In Ausführungsformen ist der Flüssigkühlmittelkanal wenigstens teilweise an anderer Stelle als zwischen der inneren Gehäusewand und der äußeren Gehäusewand positioniert. Zum Beispiel könnte der Flüssigkühlmittelkanal radial unmittelbar einwärts von der inneren Gehäusewand positioniert sein oder der Flüssigkühlmittelkanal könnte in die innere Gehäusewand eingebettet sein oder die innere Gehäusewand könnte den Flüssigkühlmittelkanal definieren. Daher betrifft eine weitere Ausführungsform einen Elektromotor. Der Elektromotor weist einen Stator und einen Rotor auf, wobei zwischen dem Stator und dem Rotor ein Luftkanal ausgebildet ist. Der Elektromotor weist ferner eine äußere Gehäusewand und eine innere Gehäusewand und einen Flüssigkühlmittelkanal auf, der wenigstens teilweise innerhalb eines von der äußeren Gehäusewand definierten Inneren des Elektromotors positioniert ist. (Das heißt, die äußere Gehäusewand definiert ein Inneres, das den Stator, den Rotor, die innere Gehäusewand usw. teilweise oder vollständig einhäust, und der Flüssigkühlmittelkanal ist wenigstens teilweise innerhalb dieses Inneren positioniert.) Die innere Gehäusewand weist eine erste Öffnung auf, um Luft aus dem Luftkanal sich zwischen der inneren Gehäusewand und der äußeren Gehäusewand und über den Flüssigkühlmittelkanal bewegen zu lassen.
In einer weiteren Ausführungsform weist ein Elektromotor ein Gehäuse auf, das eine äußere Gehäusewand und eine innere Gehäusewand aufweist, die innerhalb eines Inneren der äußeren Gehäusewand positioniert ist. Zum Beispiel kann die innere Gehäusewand mit der äußeren Gehäusewand konzentrisch sein. Der Elektromotor weist ferner einen Stator, der wenigstens teilweise innerhalb eines Inneren der inneren Gehäusewand positioniert ist, und einen funktionell mit dem Stator gekoppelten Rotor auf. Der Elektromotor weist ferner ein Gebilde auf, das einen Flüssigkühlmittelkanal definiert, wobei das Gebilde innerhalb des Inneren der äußeren Gehäusewand positioniert ist. Beispiele für mögliche Gebilde werden oben beschrieben. Die äußere Gehäusewand und die innere Gehäusewand definieren einen Luftkanal, der einen Zwischenraum zwischen und/oder um den Stator und den Rotor mit einem Äußeren des Gebildes in Strömungsverbindung koppelt. Dies ermöglicht die Übertragung von Wärme von erwärmter Luft vom Rotor und Stator auf ein flüssiges Kühlmittel innerhalb des Flüssigkühlmittelkanals, wenn der Elektromotor in Betrieb ist. (Der Elektromotor kann zusätzliche, an anderer Stelle hierin beschriebene Aspekte beinhalten).
In einer weiteren Ausführungsform ist der Flüssigkühlmittelkanal nicht in Strömungsverbindung mit dem Luftkanal gekoppelt, d. h. Luft im Luftkanal wird im Motor nicht mit Kühlmittel aus dem Kühlmittelkanal vermengt. In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Gebilde, das den Flüssigkühlmittelkanal definiert, ein Einlassgebilde, das einen Flüssigkühlmitteleinlassteil des Kanals definiert, und ein Auslassgebilde, das einen Flüssigkühlmittelauslassteil des Kanals definiert. Der Einlass und der Auslass verlaufen außerhalb des Motors, so dass sie das Versorgen des Kühlmittelkanals mit relativ kühlerem Kühlmittel von außerhalb des Motors und das Entfernen von relativ wärmerem Kühlmittel (z. B. durch Aufnehmen von Wärme aus der Luft im Motor erwärmt) aus dem Kühlmittelkanal zum Äußeren des Motors ermöglichen. In einer weiteren Ausführungsform verläuft das Gebilde, das den Flüssigkühlmittelkanal definiert, an einer ganzen oder einem Teil einer axialen Länge der inneren Gehäusewand und/oder dem Stator/Rotor entlang. In einer weiteren Ausführungsform ist das den Flüssigkühlmittelkanal definierende Gebilde mit dem Rotor/Stator konzentrisch, d. h. der Rotor/Stator sind mit bzw. in einer von dem Gebilde definierten Innenregion koaxial und positioniert. Das Gebilde kann sich zum Beispiel, wie oben angegeben, schraubenförmig um den Rotor-/Statorumfang winden.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und um dem Durchschnittsfachmann die Ausführung der Erfindung, einschließlich der Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen bzw. Systemen und der Durchführung eingebundener Verfahren zu ermöglichen. Der patentfähige Umfang der Erfindung wird von den Ansprüchen definiert und kann andere Beispiele beinhalten, die dem Durchschnittsfachmann einfallen. Es ist vorgesehen, dass derartige andere Beispiele im Umfang der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente haben, die sich nicht von der wörtlichen Sprache der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden von den wörtlichen Sprachen der Ansprüche aufweisen.

Claims

Gehäuse für einen Elektromotor, umfassend: eine äußere Gehäusewand, eine innere Gehäusewand und einen zwischen der inneren Gehäusewand und der äußeren Gehäusewand positionierten Flüssigkühlmittelkanal, wobei die innere Gehäusewand eine erste Öffnung aufweist, um Luft aus einem Luftkanal an einem Rotor des Elektromotors zwischen der inneren Gehäusewand und der äußeren Gehäusewand und über den Flüssigkühlmittelkanal strömen zu lassen.
Gehäuse nach Anspruch 1, wobei die innere Gehäusewand eine zweite Öffnung aufweist, um Luft über den Flüssigkühlmittelkanal zum Luftkanal strömen zu lassen.
Gehäuse nach Anspruch 2, wobei die erste Öffnung an einer ersten Seite der inneren Gehäusewand positioniert ist und die zweite Öffnung an einer zweiten Seite der inneren Gehäusewand positioniert ist, die der ersten Seite entgegengesetzt ist.
Gehäuse nach Anspruch 1, wobei die äußere Gehäusewand den Luftkanal zu einer äußeren Umgebung hin abdichtet.
Gehäuse nach Anspruch 1, wobei der Flüssigkühlmittelkanal die innere Gehäusewand schraubenförmig umläuft.
Gehäuse nach Anspruch 1, wobei ein Gebilde, das den Flüssigkühlmittelkanal definiert, mit der inneren Gehäusewand gekoppelt ist, um Luft zwischen dem Flüssigkühlmittelkanal und der äußeren Gehäusewand strömen zu lassen.
Gehäuse nach Anspruch 1, wobei der Flüssigkeitskühlmittelkanal einen Kühlmitteleinlass, der zur Aufnahme eines flüssigen Kühlmittels von einer äußeren Umgebung gestaltet ist, und einen Kühlmittelauslass zum Ausstoßen des flüssigen Kühlmittels aus dem Flüssigkühlmittelkanal in die äußere Umgebung hinaus aufweist.
Gehäuse nach Anspruch 7, wobei ein Gebilde, das den Flüssigkühlmittelkanal definiert, eine Legierung aufweist, und das flüssige Kühlmittel Salzwasser umfasst, das in den Kühlmitteleinlass gepumpt wird.
Elektromotor, umfassend: einen Stator, einen Rotor, wobei zwischen dem Stator und dem Rotor ein Luftkanal ausgebildet ist, ein Gehäuse, das eine äußere Gehäusewand und eine innere Gehäusewand aufweist, und einen Flüssigkühlmittelkanal, der in einem Inneren des Elektromotors positioniert ist, das von der äußeren Gehäusewand definiert wird, wobei die innere Gehäusewand eine erste Öffnung aufweist, um Luft aus dem Luftkanal zwischen der inneren Gehäusewand und der äußeren Gehäusewand und über den Flüssigkühlmittelkanal strömen zu lassen.
Elektromotor nach Anspruch 9, wobei der Flüssigkühlmittelkanal zwischen der inneren Gehäusewand und der äußeren Gehäusewand positioniert ist.
Elektromotor nach Anspruch 10, der ferner einen Lüfter aufweist, der zum Blasen von Luft durch den Luftkanal konfiguriert ist, wobei der Lüfter funktionell mit einer Energiequelle gekoppelt ist und der Lüfter mit Energie aus der Energiequelle betrieben werden kann, wenn der Rotor sich nicht dreht.
Elektromotor nach Anspruch 10, der ferner einen Lüfter aufweist, der zum Blasen von Luft durch den Luftkanal konfiguriert ist, wobei der Lüfter funktionell mit dem Rotor gekoppelt ist, so dass er während der Drehung des Rotors Luft bläst.
Elektromotor nach Anspruch 10, wobei die innere Gehäusewand eine zweite Öffnung aufweist, um Luft über den Flüssigkühlmittelkanal zum Luftkanal strömen zu lassen.
Elektromotor nach Anspruch 13, wobei die erste Öffnung an einer ersten Seite der inneren Gehäusewand positioniert ist und die zweite Öffnung an einer zweiten Seite der inneren Gehäusewand positioniert ist, die der ersten Seite entgegengesetzt ist.
Elektromotor nach Anspruch 10, wobei die äußere Gehäusewand den Luftkanal zu einer äußeren Umgebung hin abdichtet.
Elektromotor nach Anspruch 10, wobei der Flüssigkühlmittelkanal die innere Gehäusewand schraubenförmig umläuft.
Elektromotor nach Anspruch 10, wobei der Flüssigkeitskühlmittelkanal einen Kühlmitteleinlass, der zur Aufnahme eines flüssigen Kühlmittels von einer äußeren Umgebung gestaltet ist, und einen Kühlmittelauslass zum Ausstoßen des flüssigen Kühlmittels aus dem Flüssigkühlmittelkanal in die äußere Umgebung hinaus aufweist.
Elektromotor nach Anspruch 17, wobei ein Gebilde, das den Flüssigkühlmittelkanal definiert, eine Legierung aufweist, und das flüssige Kühlmittel Salzwasser umfasst, das in den Kühlmitteleinlass gepumpt wird.
Elektromotor, umfassend: ein Gehäuse, das eine äußere Gehäusewand und eine innere Gehäusewand aufweist, die innerhalb eines Inneren der äußeren Gehäusewand positioniert ist, einen Stator, der wenigstens teilweise innerhalb eines Inneren der inneren Gehäusewand positioniert ist, einen funktionell mit dem Stator gekoppelten Rotor und ein Gebilde, das einen Flüssigkühlmittelkanal definiert, wobei das Gebilde innerhalb des Inneren der äußeren Gehäusewand positioniert ist, wobei die äußere Gehäusewand und die innere Gehäusewand einen Luftkanal definieren, der einen Zwischenraum zwischen und/oder um den Stator und den Rotor mit einem Äußeren des Gebildes in Strömungsverbindung koppelt, zur Übertragung von Wärme von erwärmter Luft vom Rotor und Stator auf ein flüssiges Kühlmittel innerhalb des Flüssigkühlmittelkanals, wenn der Elektromotor in Betrieb ist.
Verfahren, umfassend: Pumpen eines flüssigen Kühlmittels durch einen Flüssigkühlmittelkanal auf, der zwischen einer äußeren Gehäusewand und einer inneren Gehäusewand eines Gehäuses für den Elektromotor positioniert ist, und Blasen von Luft durch einen Luftkanal an einem Rotor des Elektromotors durch eine Öffnung in der inneren Gehäusewand und über den Flüssigkühlmittelkanal zum Kühlen des Elektromotors.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Elektromotor einen Lüfter aufweist, der mit dem Rotor gekoppelt ist, um während der Drehung des Rotors Luft zu blasen, und wobei der Lüfter funktionell mit einer Energiequelle gekoppelt ist und wobei das Verfahren ferner Folgendes aufweist: Drehen des Lüfters unter Verwendung von Energie aus der Energiequelle auf der Basis eines Betriebsparameters zum Kühlen des Elektromotors, wenn der Rotor sich nicht dreht.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Elektromotor stationär ist und das flüssige Kühlmittel Salzwasser ist, das in den Flüssigkühlmittelkanal gepumpt wird.