DE112014001277T5

DE112014001277T5 - Mikrokanalwärmetauscher, der in einen Statorkern integriert ist

Info

Publication number: DE112014001277T5
Application number: DE112014001277.7T
Authority: DE
Inventors: Boris A. Shoykhet
Original assignee: Baldor Electric Co
Current assignee: ABB Motors and Mechanical Inc
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2015-12-03
Also published as: US20140265662A1; US9362788B2; WO2014150496A1; BR112015022986A2

Abstract

Eine Elektromaschine hat einen Stator, der eine Vielzahl von Lamellen mit einem Außenumfang aufweist, und jede der Lamellen hat Zähne um eine Mittenöffnung, sodass, wenn die Lamellen nebeneinander gestapelt werden, um den Statorkern auszubilden, die Vielzahl der Zähne der benachbarten Lamellen zusammenwirken, um Schlitze auszubilden, die umfangsmäßig um die Mittenöffnung angeordnet sind, die eingerichtet sind, eine Vielzahl von Statorwicklungen aufzunehmen. Jede der Lamellen hat eine Vielzahl von Kühlöffnungen, die winklig um die Mittenöffnung beabstandet sind. Die Kühlöffnungen der benachbarten Lamellen wirken zusammen, um Kühlsammelleitungen auszubilden, die sich entlang einer Länge der Statorkerns erstrecken. Ein Abschnitt der Lamellen hat ihre Kühlöffnungen von anderen Lamellen im Paket in einer Weise versetzt, um eine Vielzahl von Strömungspfaden quer zu den Sammelleitungen und winklig zwischen den Lamellen und benachbarten Sammelleitungen zu erzeugen.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der Anmeldung mit der Anmeldenummer 13/827,560 ist, eingereicht am 14. März 2013, deren Offenbarung hier ebenso unter Bezugnahme eingefügt wird.
Erklärung bezüglich staatlich geförderter Forschung und Entwicklung
Diese Erfindung wurde mit staatlicher Unterstützung unter DE-AR0000191 durchgeführt, die mit DOE vergeben wurde. Die Regierung hält bestimmte Rechte an dieser Erfindung.
Hintergrund und Zusammenfassung
Diese Offenbarung betrifft im Allgemeinen das Gebiet von Elektromotoren und Generatoren, und Verfahren und Vorrichtungen zum Kühlen dieser. Zum Beispiel diskutiert die Offenbarung eine Technik zum Dissipieren von Wärme in Motoren und Generatoren, indem ein Fluid entlang Innenflächen eines Statorkerns geführt wird. Obwohl sich die vorliegende Diskussion auf Elektromotoren und Generatoren konzentriert, bietet die vorliegende Erfindung für eine Anzahl von Anwendungen Nutzen, die Lamellenpakete und das Kühlen solcher Pakete betreffen.
Während eines Betriebs erzeugen konventionelle Motoren und Generatoren Wärme. In der Tat erzeugt die physikalische Interaktion der verschiedenen, sich bewegenden Komponenten der Vorrichtungen Wärme durch Reibung. Zusätzlich erzeugen die elektromagnetischen Beziehungen zwischen dem Statur und dem Rotor Ströme, die wiederum aufgrund von zum Beispiel Widerstandserwärmung Wärme erzeugen. Als noch eine weitere Wärmequelle führen AC-Magnetfelder zu Verlusten bei entsprechend magnetischem Stahl, die die Wicklungen sowie Leitern im Stator und Rotor tragen. Die Wärme wird durch das Motorkühlsystem abgeführt.
Der Hauptmagnetpfad in einem Elektromotor oder Generator verläuft im Allgemeinen durch das magnetische Material, das die Stator- oder Rotorleiter trägt. Dieses magnetische Material bildet den Stator- und Rotorkern aus. Um durch einen magnetischen Fluss erzeugte Verluste zu reduzieren, die Wärme erzeugen, wird der Magnetkern laminiert, wobei die Laminationsebene in der gleichen Ebene ist wie die Richtung des Hauptmagnetflusspfades. Bei konventionellen Radialluftspaltmotoren und -generatoren, sind der Stator und der Rotorkern deshalb aus Lamellen aufgebaut, die in ein Axialpaket zusammengesetzt werden (d. h. ein Lamellenpaket).
Die beispielhaften Lamellen werden in einem Rahmen getragen und wirken miteinander zusammen, um ein Lamellenpaket (Blechpaket) auszubilden. Jede beispielhafte Lamelle umfasst eine Mittenöffnung, die dimensioniert ist, um einen Rotor aufzunehmen, und eine Vielzahl von Schlitzen, die umfangsmäßig um die Mittenöffnung angeordnet sind. Diese Schlitze können eine Vielzahl von Wicklungen aufnehmen. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben, können zusätzliche Öffnungen in den Lamellen gefertigt sein, und die Lamellen können derart geschichtet werden, dass die Zusammenwirkung der Öffnungen benachbarter Lamellen einen Wärmetauscher mit relativ großen Axialkanälen ausbildet, und relativ kleine Winkelkanäle, welche die Axialkanäle verbinden. Die relativ großen Axialkanäle können als Sammelleitungen bezeichnet werden und die relativ kleinen Winkelkanäle als Mikrokanäle bezeichnet werden. Die Mikrokanäle erstrecken sich durch den Statorkern, indem sie durch eine Zusammenwirkung zwischen geeignet aufgebauten Öffnungen, die innerhalb der Statorlamination gelegen sind, ausgebildet sind. Die Sammelleitungen erstrecken sich längs durch das Statorlaminationspaket und radial nach innen der Außenumfangsfläche des Pakets. Die Breite der Mikrokanäle kann gleich der Laminationsdicke oder einer Vielzahl der Laminationsdicken sein (z. B. zwei Mal der Laminationsdicke); die geeignete Auswahl der Mikrokanalbreite hängt von der spezifischen Ausgestaltung ab.
Die Anordnung der Lamellenpakete kann Zuführ- und Ausstoßsammelleitungen bilden. Die Zuführsammelleitung kann zwei benachbarte Sammelleitungen speisen, und die Ausstoßsammelleitung kann das Kühlmittel von zwei benachbarten Zuführsammelleitungen sammeln. Mit einer geeigneten Auswahl der Dimensionen kann der Strom in allen Mikrokanälen im Wesentlichen der Gleiche sein. Das Kühlen kann hauptsächlich in den Mikrokanälen auftreten. Das Kühlmittel kann in die Mikrokanäle bei einer Temperatur eintreten, die im Wesentlichen der Gesamtstatorkühlmitteleinlasstemperatur entspricht. Nachdem sich das Kühlmittel im Mikrokanal aufwärmt, kann es die Mikrokanäle mit einer Temperatur verlassen, die im Wesentlichen der gesamten Statorkühlmittelauslasstemperatur entspricht. Ein Kopf kann den kälteren Einlassstrom in die Zuführsammelleitungen verteilen und den heißeren Auslassstrom von den Ausstromsammelleitungen einsammeln. Das Kühlmittelstrommuster in den Sammelleitungen kann angeordnet sein, um einen Gegenstromwärmetauscher oder einen Parallelstromwärmetauscher auszubilden.
Demnach wird durch Führen eines Fluids durch den im Stator ausgebildeten Mikrokanalwärmetauscher ein Mechanismus zum Kühlen der radial äußeren Regionen des Lamellenpakets, das den Stator ausbildet, bereitgestellt. Vorteilhafterweise kann das Flächengebiet des Mikrokanalwärmetauschers 1–2 Mal größer sein als die Außenfläche des Motors. Zusätzlich fuhrt eine geringe Breite der Mikrokanäle zu einem hohen Wert des Filmkoeffizienten. Zusätzlich verringert die Aufteilung des Gesamtstroms in eine sehr große Anzahl an parallelen Strömungen den Druck, der benötigt wird, um den Strom durch den Wärmetauscher anzutreiben. Als ein Ergebnis wird ein hocheffizienter Wärmetauscher in das Lamellenpaket integriert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die begleitenden Zeichnungen, die in die Beschreibung eingefügt werden und ein Teil dieser bilden, zeigen die Ausführungsformen. In den Zeichnungen:
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Elektromotors.
2 ist eine Teilquerschnittsansicht des Motors von 1 entlang einer Linie 2-2.
3 zeigt eine beispielhafte Statorlamelle mit Kühlöffnungen (Schlitzen für elektrische Spulen sind nicht gezeigt).
4 ist ein schematisches Lamellenpaket, bevor jede zweite Lamination relativ zur ersten Lamination gedreht wird.
5 ist eine schematische Ansicht des Lamellenpakets, nachdem jede zweite Lamelle relativ zur ersten Lamination im Winkel versetzt ist, wodurch der Wärmetauscher mit Mikrokanälen ausgebildet wird. Ebenso werden Strömungsschemata in den Zuführ- und Ausstoßsammelleitungen für den Fall der Gegenstromanordnung gezeigt.
6 ist eine vergrößerte Detailansicht von 5, die schematisch einen Strom zwischen benachbarten Lamellen in einer winklig versetzten Anordnung zeigt, wobei der Querstrom zwischen den winklig benachbarten Sammelleitungen in Mikrokanälen hervorgehoben ist.
7 zeigt benachbarte Lamellen in einer winklig versetzten Anordnung.
8 zeigt Schemata des Parallelstromwärmetauschers mit einer kegelförmigen Sammelleitungsanordnung.
9–11 stellen weitere Darstellungen von benachbarten Lamellen in einer winklig versetzten Anordnung bereit.
12–14 stellen Darstellungen einer weiteren Ausführungsform einer Lamelle mit einem asymmetrischen Querschnitt um die Rollachse bereit.
15–17 stellen Informationstabellen bereit, welche eine Anzahl der Kühlöffnungen, die Dimensionen der Kühlöffnungen und die Anzahl der Statorzähne korrelieren.
18 zeigt eine weitere Ausführungsform eines entsprechenden Abschnitts eines Statorkerns und Zuführ- und Rückführsammelleitungen.
19 stellt ein weiteres Detail des Statorkernabschnitts von 18 bereit, wobei ein Außenumfang des Statorkerns entfernt wurde, um den Strom in den Mikrokanälen zu zeigen.
20 ist eine Tabelle, die Parameter zeigt, die mit einem repräsentativen Statormikrokanalwärmetauscher mit verschiedenen Kühlmedien assoziiert sind.
21 zeigt eine Ausführungsform der Köpfe für die Zuführ- und Rückführsammelleitungen des in 18 dargestellten Statorkerns.
22 ist eine Teilquerschnittsansicht des Statorkerns und der Köpfe von 18, die eine Zuführsammelleitung durch den Statorkern zeigt.
23 ist eine Teilquerschnittsansicht des Statorkerns und der Köpfe von 18, die eine Zuführsammelleitung durch den Statorkern zeigt.
24 ist eine Explosionsansicht des Statorkerns und der Köpfe von 21–23.
25 ist eine Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform eines Kopfes zur Verwendung in einem Stator mit 8 Zuführsammelleitungen und 8 Rückführsammelleitungen.
26 ist eine Querschnittsansicht des Kopfes von 25.
27 ist eine Rückansicht des Kopfes von 25.
Detaillierte Beschreibung
Wie nachfolgend diskutiert, stellen die Ausführungsformen Vorrichtungen und Verfahren zum Kühlen von Elektromaschinen mit hoher Energiedichte bereit, welche Lamellenpakete aufweisen. Obwohl sich die Diskussion auf Elektromotoren und Generatoren konzentriert, können diese Prinzipien Vorteile für eine Anzahl von Anwendungen bieten, bei denen das Kühlen eines Lamellenpakets ein Anliegen ist. Demnach betrifft die folgende Diskussion beispielhafte Ausführungsformen und sollte als solche nicht als einschränkend für die beigefügten Ansprüche auf die beschriebenen Ausführungsformen betrachtet werden.
Bezug nehmend auf die Zeichnungen zeigt 1 einen beispielhaften Elektromotor 10. Bei der dargestellten Ausführungsform umfasst der Motor 10 einen Induktionsmotor, der in einem Motorgehäuse aufgenommen ist. Der beispielhafte Motor 10 umfasst einen Rahmen 12, der an jedem Ende durch ein Antriebsende und gegenüberliegenden Antriebsend-Endkappen 14, 16 entsprechend abgedeckt ist. Der Rahmen 12 und die Endkappen 14, 16 wirken zusammen, um eine Einhausung oder ein Motorgehäuse für den Motor 10 auszubilden. Zusätzlich, wenn gewünscht, kann der Rahmen 12 und die Endkappen 14, 16 ausgebildet sein, dass sie eine hermetisch abgedichtete Einhausung für den Motor 10 ausbilden. Der Rahmen 12 und die Vorder- und Hinterendkappen 14 und 16 können durch jegliche Anzahl von Materialien ausgebildet sein, wie Stahl, Aluminium oder andere geeignete Strukturmaterialien. Die Endkappen 14, 16 können Befestigungs- und Transportmerkmalen umfassen, wie die dargestellten Befestigungsflansche 18 und Ösenhaken 20. Fachleute werden vor dem Hintergrund der folgenden Beschreibung erkennen, dass eine große Vielzahl von Konfigurationen und Vorrichtungen die nachfolgend dargelegten Kühl- und Konzeptionstechniken einsetzen können.
Um eine Drehung des Rotors zu induzieren, wird ein Strom durch die im Stator angeordneten Statorwicklungen geführt (siehe 2). Diese Statorwindungen sind elektrisch verbunden, um Gruppen auszubilden, die wiederum in einer im Stand der Technik allgemein bekannten Art verbunden sind. Die Statorwicklungen sind ferner an Anschlussleiter (nicht gezeigt) gekoppelt, die die Statorwicklungen elektrisch mit einer externen Energiequelle 22 verbinden. Die externe Energiequelle kann jegliche Anzahl von Arten und Niveaus einer geeigneten Energie bereitstellen. Die externe Energiequelle 22 kann einen AC-Pulsweitenmodulations-(PWM)Inverter ebenso wie eine geeignete Frequenzenergiequelle umfassen. Eine Leitungsbox 24 nimmt die elektrische Leitung zwischen den Anschlussleitern und der elektrischen Energiequelle 22 auf. Die Leitungsbox 24 umfasst ein Metall- oder Plastikmaterial und stellt vorteilhafterweise einen Zugang zu bestimmten Elektrokomponenten des Motors 10 bereit. Ein Führen des Elektrostroms von der externen Energiequelle 22 durch die Statorwicklungen erzeugt ein Magnetfeld, das eine Drehung des Rotors induziert. Die Rotorwelle 26, die mit dem Rotor gekoppelt ist, dreht sich in Verbindung mit dem Rotor. Das bedeutet, eine Drehung des Rotors übersetzt sich in eine entsprechende Drehung der Rotorwelle 26. Wie den Fachleuten ersichtlich, kann die Rotorwelle 26 mit jeglicher Anzahl von angetriebenen Maschinenelementen gekoppelt sein, wodurch ein Moment zu einem bestimmten angetriebenen Maschinenelement übertragen wird. Beispielhaft können Maschinen, wie Pumpen, Kompressoren, Ventilatoren, Förderer usw. die Drehbewegung der Rotorwelle 26 für einen Betrieb nutzen. Alternativ induziert, wie für Fachleute ersichtlich, eine Drehung eines magnetisierten Rotors einen Strom in den Statorwicklungen und gestattet es der Elektromaschine, als ein Generator zu wirken.
Während eines Betriebs erzeugt der Motor 10 Wärme. Zum Beispiel erzeugt die physikalische Interaktion zwischen verschiedenen Komponenten des Motors 10 über Reibung Wärme. Zusätzlich erzeugt ein Strom in den Statorwicklungen ebenso wie im Rotor Wärme über ein Widerstandserwärmen. Darüber hinaus erzeugen im Falle von AC-Motoren Wirbelströme, die in den Statorlamellen erzeugt werden, und ebenso Hystereseverluste im Stator genauso Wärme. Falls unvermindert belassen, führt eine übermäßige Wärme zu einer Verschlechterung der Leistung des Motors 10 und kann in bestimmten Fällen zu einer Fehlfunktion des Motors führen. Um die Wärmedissipation zu verbessern, trägt der dargestellte Motor 10 eine Kühlanordnung 28, die am Motorgehäuse befestigt ist und den Motor 10 konvektiv kühlen kann. Wie nachfolgend weiter diskutiert, zirkuliert die Kühlanordnung 28 ein Fluid (z. B. ein Flüssigkühlmittel oder Luft) durch den Motor, wodurch der Motor konvektiv gekühlt wird. Einfach gesagt, kühlt die Kühlanordnung 28 den Motor 10 durch Dissipieren von Wärme in die den Motor 10 umgebende Umgebung, wie durch Pfeile 29 dargestellt. Es ist anzumerken, dass der Motor, falls gewünscht, eine Vielzahl von Kühleinheiten 28 tragen kann.
2 ist eine Teilquerschnittsansicht des Motors 10 von 1 entlang einer Linie 2-2. Um die Diskussion zu vereinfachen, wird lediglich der obere Abschnitt des Motors 10 gezeigt, nachdem ein großer Teil des Aufbaus des dargestellten Motors 10 entlang seiner Mittenlinie im Wesentlichen gespiegelt ist. Wie zuvor diskutiert, wirken der Rahmen 12 und die Endkappen 14, 16 zusammen, um eine Einhausung oder ein Motorgehäuse des Motors 10 auszubilden. Innerhalb der Einhausung oder des Motorgehäuses befindet sich eine Vielzahl von Statorlamellen 30, die nebeneinander und zueinander ausgerichtet angeordnet sind, um ein Lamellenpaket auszubilden, wie den dargestellten, benachbarten Statorkern 32. Im Beispielmotor 10 umfasst jede Statorlamelle 30 Merkmale, die miteinander zusammenwirken, um kumulative Merkmale für den benachbarten Statorkern 32 auszubilden. Zum Beispiel umfasst jede Statorlamelle 30 eine Mittenöffnung, die mit der Mittenöffnung der benachbarten Lamellen zusammenwirkt, um eine Rotorkammer 34 zu bilden, die die Länge des Statorkerns 32 verlängert und die dimensioniert ist, um einen Rotor aufzunehmen. Zusätzlich umfasst jede Statorlamelle eine Vielzahl von Schlitzen (zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt), die umfangsmäßig um die Mittenöffnung angeordnet sind. Diese Schlitze wirken zusammen, um eine oder mehrere Statorwindungen 36 aufzunehmen, die als Spulenenden in 2 dargestellt sind, die die Länge des Statorkerns 32 verlängert. Darüber hinaus, wie weiter nachfolgend diskutiert, umfasst jede Statorlamelle 30 eine Vielzahl von Kühlöffnungen, die radial innen am Außenumfang der Lamelle angeordnet sind, die, wenn in einem Lamellenpaket angeordnet, Mikrokanäle und Sammelleitungen entlang der Außenfläche des Statorkerns 32 (d. h. Lamellenpaket) ausbilden.
Die Zusammenwirkung der Vielzahl der Kühlöffnungen jeder Lamelle 30 definiert ein inkrementelles Segment einer geschlossenen und benachbarten Sammelleitung 40, die sich axial durch den Statorkern 32 radial innerhalb der Statoraußenumfangsfläche 38 erstreckt. In 2 werden Abschnitte der geschlossenen Sammelleitung 40, die hinter der Querschnittsansicht gelegen ist, mit einer gestrichelten Linie dargestellt. Die Endkappen 14, 16 umfassen jeweils Durchgänge 42, die einen Zugang zu den Sammelleitungen 40 des zusammengebauten Motors 10 erleichtern. Beispielsweise und wie nachfolgend weiter diskutiert, stellen die Durchgänge 42 einen Einlass oder einen Auslass zum Zirkulieren eines Fluids durch die Sammelleitungen 40 bereit. Weitere Beispiele der Durchgänge (z. B. Köpfe) werden nachfolgend unter Bezugnahme auf 21–27 beschrieben. Die Lamellen sollen im Wesentlichen identisch zueinander sein und somit ermöglicht ihre Anordnung eine Ausbildung der Sammelleitungen durch den benachbarten Statorkern. Die Eigenschaften der Lamellen werden nachfolgend weiter diskutiert.
Beim Beispielmotor 10 befindet sich eine Rotoranordnung 50 innerhalb der Rotorkammer 34. Ähnlich zum Statorkern 32 umfasst die Rotoranordnung 50 eine Vielzahl von Rotorlamellen 52, die zueinander ausgerichtet und benachbart angeordnet sind. Somit wirken die Rotorlamellen 52 zusammen, um einen benachbarten Rotorkern 54 auszubilden. Die beispielhafte Rotoranordnung 50 umfasst ebenso Rotorendringe 56, die an jedem Ende des Rotorkerns 54 angeordnet sind, die zusammenwirken, um die Rotorlamellen 52 aneinander zu sichern. Es ist allerdings anzumerken, dass der Rotor zum Beispiel ein gegossener Rotor oder ein hergestellter Rotor sein kann. Wenn zusammengebaut, wirken die Rotorlamellen 52 zusammen, um eine Wellenkammer auszubilden, die sich durch die Mitte des Rotorkerns 54 erstreckt und die hierhindurch die Rotorwelle 26 aufnehmen kann. Einmal eingeführt ist die Rotorwelle 26 bezüglich des Rotorkerns 54 gesichert. Demnach drehen sich der Rotorkern 54 und die Rotorwelle 26 als eine einzige Einheit, die Rotoranordnung. Die beispielhafte Rotoranordnung 50 umfasst ebenso Rotorleiterstangen 58, die im Rotorkern 54 angeordnet sind. Wie nachfolgend weiter diskutiert, verursacht ein Induzieren eines Stroms in der Rotoranordnung 50, insbesondere in den Leiterstangen 58, ein Drehen der Rotoranordnung 50. Durch Nutzen der Drehung der Rotoranordnung 50 über die Rotorwelle 26 kann eine mit der Rotorwelle 26 gekoppelte Maschine, wie eine Pumpe oder ein Förderer, arbeiten. Bei alternativen Konstruktionen kann der Rotor ohne Leiterstangen ausgebildet sein und kann magnetisch durch eine Wicklung oder Permanentmagnete angeregt werden, oder ohne Anregung, wie in einer Reluktanzmaschine.
Um die Rotoranordnung 50 zu tragen, umfasst der Beispielmotor 10 entsprechend Antriebend- und Gegenüberantriebsend-Lagersätze 60 und 62, die an der Rotorwelle 26 gesichert sind und die eine Drehung der Rotoranordnung 50 innerhalb des Statorkerns 32 erleichtern. Während eines Betriebs des Motors 10 übertragen die Lagersätze 60, 62 die Radial- und Axiallasten, die durch die Rotoranordnung 50 erzeugt werden, zum Motorgehäuse. Insgesamt erleichtern die Lagersätze 60, 62 eine Drehung der Rotoranordnung 50, während sie die Rotoranordnung 50 innerhalb des Motorgehäuses tragen, d. h. den Rahmen 12 und den Endkappen 14, 16. Um den Reibungskoeffizienten zwischen verschiedenen Komponenten der Lagersätze 60, 62 zu reduzieren, sind diese Komponenten mit einem Schmiermittel überzogen. Während eines Betriebs allerdings erzeugt die physikalische Interaktion von und mit den Lagersätzen 60, 62 Wärme.
Wie zuvor diskutiert, umfasst der Beispielmotor 10 eine Kühlanordnung 28, die eine im Motor 10 während des Betriebs erzeugte Wärme dissipiert. Die Kühlanordnung 28 kann eine Anordnung von Teilen oder alternativ eine selbst aufgenommene Einheit umfassen, die in einer einzelnen Anordnung, wie in 2 gezeigt, aufgenommen ist. Die Kühlanordnung 28 zirkuliert ein Fluid, wie ein Flüssigkühlmittel 78 oder Gebläseluft, durch den Statorkern 32, um den Motor 10 konvektiv zu kühlen. Eine Kühlanordnung 28 kann entsprechend einen Eingabe- und Ausgabespeicher 80, 82 aufweisen, der eine adäquate Zufuhr des Flüssigkühlmittels 78 beibehält. Alternativ kann ein Speicher als eine Eingabe und eine Ausgabe zur gleichen Zeit dienen. Der Eingabespeicher 80 kommuniziert mit den Sammelleitungen 40 über die Durchgänge 42, die in der hinteren Endkappe 16 gelegen sind. Demnach strömt das Flüssigkühlmittel 78 vom Eingabespeicher 80 zum Eingang der Sammelleitungen 40 über den Zuflussdurchgang 42, wie durch Pfeile 90 dargestellt. Allerdings ist wiederum anzumerken, dass das Kühlmittel ledigliches Fluid, flüssig oder gasförmig, inklusive Luft, sein kann.
Wenn das Kühlmittel 78 in die Sammelleitungen 40 eintritt, wirken impermeable Flächen der entsprechenden Statorlamellen 30 zusammen, um das Kühlmittel 78 durch die Sammelleitungen und die Mikrokanäle des Statorkerns zu führen. In der beispielhaften Ausführungsform wirken die Statorlamellen 30 zusammen, um den Strom des Kühlmittels 78 durch die Sammelleitungen und die Mikrokanäle des Statorkerns 32 zu leiten (d. h. Kühlmittel zu führen). Nachdem das Kühlmittel 78 das Ausgangsende der Rückführsammelleitung 40 erreicht, trifft ein Ausgangsdurchgang 42, der in der gegenüberliegenden Antriebsendkappe 16 in einer Querstromwärmetauscheranordnung gelegen sein kann, die Rückführsammelleitungen 40 und empfängt das Kühlmittel 78. Dieser Durchgang 42 führt das Fluid zum Ausgabespeicher 82, wie durch Pfeile 100 dargestellt.
Um eine ausreichende Druckdifferenz zum Zirkulieren des Kühlmittels 78 zu halten, umfasst die beispielhafte Kühlanordnung 28 einen Pumpmechanismus 104. Alternativ umfasst im Fall eines gasförmigen Kühlfluids der Pumpmechanismus 104 einen Ventilator. Wie dargestellt, zieht der Pumpmechanismus 104 Fluid vom Ausgabespeicher 82 und zum Eingabespeicher 80, wie durch Richtungspfeile 106 dargestellt. Vorteilhafterweise wirken der Pumpmechanismus 104, die Speicher 80, 82, die Durchgänge 42, die Sammelleitungen 40 und die Mikrokanäle zusammen, um ein geschlossenes System auszubilden. Das zirkulierende Kühlmittel 78 wird geschont. Alternativ, falls das Kühlfluid Luft ist, kann ein offenes Kühlsystem eingesetzt werden, bei dem die Luft aus der Umgebung entnommen und wieder zurück ausgestoßen wird. In diesem Fall können die Köpfe nicht erforderlich sein; die Luft könnte die Endwicklungszone an zum Beispiel einem Nichtantriebsende des Motors betreten, durch den Parallelstrommikrokanalwärmetauscher gelangen und in die Endwicklungszone am Antriebsende des Motors und weiter zurück zur Atmosphäre ausgestoßen werden.
Durch Zirkulieren eines Kühlmittels 78 durch die Sammelleitungen 40 und Mikrokanäle, zieht das Kühlmittel 78 Wärme in den Statorkern 32 ein. Die Nähe der Sammelleitungen und der Mikrokanäle zu den radial äußeren Regionen des Statorkerns 32 stellt einen Mechanismus zum Fokussieren eines Kühlens an solchen Regionen bereit. Somit kann die Wahrscheinlichkeit eines ungleichmäßigen Kühlens oder heißer Punkte im Motor verringert werden. Bei der beispielhaften Ausführungsform kommen die Sammelleitungen und die Mikrokanäle mit einem größeren Abschnitt des Statorkerns 32 in Kontakt, verglichen mit einem Direktaxialpfad, und absorbieren, als solche, mehr Wärme in das zirkulierende Kühlmittel 78.
Sobald das Kühlmittel 78 durch die Sammelleitungen 40 zirkuliert wurde, erleichtert ein Wärmetauscher 110, der im Gehäuse der Kühlanordnung 28 gelegen ist, eine Dissipation der absorbierten Wärme vom Kühlmittel 78 in die Umgebung, wie durch Pfeile 29 dargestellt. Beispielsweise kann der Wärmetauscher 110 eine Reihe von flachen Platten aufweisen, über die das Kühlmittel 78 geleitet wird. Die flachen Platten erhöhen das zirkulierende Flächengebiet des Kühlmittels 78 und erleichtern als solche eine verbesserte Dissipation der absorbierten Wärme im Kühlmittel 78 zur Umgebung. In jedem Fall wird, nachdem die absorbierte Wärme im Kühlmittel 78 dissipiert wurde, das Kühlmittel 78 zurück in den Eingabespeicher 80 geleitet und der Zirkulationszyklus wird wiederholt.
3 stellt eine Vorderansicht einer beispielhaften Statorlamelle 30 bereit. Öffnungen 200 sind Durchgänge für ein Kühlmittel und die Lamellenwickelschlitze an der Innendurchmesserfläche 202 der Lamelle sind nicht gezeigt. Die Öffnungen sind winklig beabstandet um die Lamellen und getrennt durch Brücken 204. Die Lamellen können gerundet sein und alle Lamellen können im Wesentlichen identisch sein.
In 3 stellt (ξ) den Teil des Lamellenumfangs dar, der durch die Öffnungen eingenommen wird (d. h. ξ = α / β; (α) stellt die Öffnungswinkellänge dar; (β) stellt die Winkelperiode der Kühlöffnungen dar (d. h.
stellt die Anzahl der Öffnungen der Lamelle dar. Ebenso stellt in 3(R) den Radius der Mittenlinie der Kühlöffnungen dar, und (h) stellt die Kühlöffnungsradialdimension dar. Diese Parameter können verwendet werden, um Parameter zu berechnen oder abzuschätzen, die mit dem Mikrokanalwärmetauscher assoziiert sind, der im Stator eingebettet ist, wie nachfolgend beschrieben wird.
4, 5 zeigen schematische Darstellungen einer Zylinderfläche, die durch die Mitten der Öffnungen 200 im Statorkern gelangt. Diese Fläche wird als eine Mittenfläche des Wärmetauschers bezeichnet. Der Radius der Mittenfläche wird durch (R) in 3 markiert. Die Brücke 204 jeder zweiten Lamelle 402 im Paket wird mit einer dunkleren Farbe gezeigt und die Brücke 204 jeder ersten Lamelle 404 im Paket wird zur Visualisierung mit einer helleren Farbe gezeigt. In 4 hat jede erste und zweite Lamelle im Paket ihre entsprechenden Öffnungen 200, die direkt ausgerichtet sind (d. h. mit keiner versetzten Anordnung). In 5 wird jede zweite Lamelle 504 um einen bestimmten gemeinsamen Winkel derart gedreht, dass der Abstand dieser Lamellenbrücke im Schlitz der ersten Lamelle 502 gelegen ist. Diese Drehung kann an einem Statorschlitzabstand derart festgelegt werden, dass die Statorschlitze ausgerichtet bleiben. Eine zusätzliche Platte 506 ohne Schlitze wird an eine Fläche des Pakets hinzugefügt (oben von 5). Mit dieser hinzugefügten Platte 506 sind die Kanäle 40 lediglich zu einer Axialfläche des Pakets offen (unten von 5). In 5 ist der Wärmetauscher aus relativ großen vertikalen Kanälen ('508'-Zuführsammelleitungen; '510'-Ausstoßsammelleitungen) und kleinen horizontalen Kanälen zusammengesetzt, die die vertikalen Kanäle verbinden ('512'-Mikrokanäle). Die Breite der Mikrokanäle kann gleich der Lamellendicke sein, wie in den Zeichnungen gezeigt. Bei der Alternative kann die Breite der Mikrokanäle gleich einer Mehrzahl der Dicken der Lamelle sein, zum Beispiel, falls mehrere aufeinanderfolgende, geschichtete Lamellen in der gleichen Richtung ausgerichtet sind. Zum Beispiel kann die Mikrokanalbreite auf eine Breite festgelegt werden, die dem Doppelten der Dicke der Lamelle entspricht, indem zwei Lamellen aufeinander mit dem gleichen relativen Winkelversatz angeordnet werden. Während die Zeichnungen eine gleiche Breite der Mikrokanäle über die Axiallänge des Statorkerns zeigen, kann die Breite der Mikrokanäle wie gewünscht variieren.
6 zeigt eine detailliertere schematische Darstellung des Kühlmittelstrommusters in Sammelleitungen. Die Pfeile, die nach oben weisen, kennzeichnen den (kalten) Zufuhrstrom 608 in der Zuführsammelleitung, und die Pfeile, die nach unten weisen, kennzeichnen den (heißen) Rückführstrom 610 in der Rückführsammelleitung. Dieser Strom, der in 6 gezeigt ist, stellt einen Gegenstromwärmetauscher dar, der im Inneren des Statorkerns ausgebildet ist. Die Pfeile, die nach links und rechts zeigen, kennzeichnen einen Strom durch die Mikrokanäle 612. In den Zeichnungen kann die Breite der Mikrokanäle 612 gleich der Dicke einer Lamelle sein. Die Breite der Mikrokanäle 612 in 6 ist zur besseren Sichtbarkeit deutlich übertrieben. In jeder Zuführsammelleitung 608 teilt sich der Strom zu zwei benachbarten Ausstoßsammelleitungen mittels des Stroms in den Mikrokanälen 612. In jeder Rückführ- oder Ausstoßsammelleitung 610 vereinigt sich der Strom von zwei benachbarten Zuführsammelleitungen mittels des Stroms der Mikrokanäle 612.
Die Strömungsschemata in 6 sind als der Gegenstromwärmetauscher bekannt, oder ein so genannter U-Wärmetauscher; die Einlässe und Auslässe sind an einer Seite des Stators gelegen, während an der anderen Seite des Stators die Zufuhr und der Ausstoß der Sammelleitungen geschlossen sind. 7 stellt ein weiteres Detail bereit. Die Zuführsammelleitungen sind durch ein Bezugszeichen 702 gekennzeichnet und Rückführsammelleitungen sind durch ein Bezugszeichen 704 gekennzeichnet. Ein Strom durch die Mikrokanäle wird durch ein Bezugszeichen 706 gekennzeichnet. Zur Darstellung sind die Mikrokanäle und die Sammelleitung in 7 so gezeigt, als wären sie an der Statoraußenperipherie offen. Die Öffnungen sind innen zum Statur. Ebenso in 7 sind die Dicken der Lamellen zur vereinfachten Darstellung deutlich übertrieben.
Obwohl in den Zeichnungen nicht gezeigt, kann der Strom 802 durch die Zuführ- und Ausstoßsammelleitungen 804, 806 im Statorkern in die gleiche Richtung gehen, um eine parallele Strömungsanordnung auszubilden, oder ein so genannter Z-Wärmetauscher. Zum Beispiel kann ein Einlass oder eine Zufuhr des Fluids eingeführt werden, um Sammelleitungen an einem Zufuhraxialende des Stators zu versorgen. Am gegenüberliegenden Axialende des Stators, d. h. im Ausstoßende, können die Zuführsammelleitungen derart abgedichtet sein, dass ein Fluid eher in die Mikrokanäle gezwungen wird als direkt vom Ausstoßende des Stators ausgestoßen zu werden. Auf die gleiche Weise können die Ausstoßsammelleitungen am Zuführende des Stators abgedichtet sein, so dass ein von den Mikrokanälen gesammeltes Fluid vom Ausstoßende des Stators ausgestoßen wird. Um den Strom zwischen den Lamellen gleichmäßig zu verteilen, können die Zuführ- und Ausstoßsammelleitungen kegelförmig sein 804, 806. Es kann verschieden erreicht werden. Eine Möglichkeit ist, identische Lamellen zu verwenden, jedoch den Drehwinkel jeder zweiten Lamelle um die Axiallänge 808 des Stators zu variieren. Die Breite der Sammelleitungen 804, 806 in 8 variiert in Schrittinkrementen in Abhängigkeit von der Anzahl der Spulenschlitze und der Anzahl der Kühlöffnungen, um eine lineare Variation entlang der Axiallänge 808 des Stators anzunähern. Zum Beispiel mit 36 Spulenschlitzen und 7 Kühlöffnungen sind 15 Schritte mit einem Winkelinkrement von 1,4286 Grad möglich, was eine gute Näherung für die kontinuierlich lineare Neigung bereitstellt. Eine weitere Art des Neigens ist die Verwendung einer Nomenklatur von Lamellen als identische Lamellen, zum Beispiel 10 verschiedene Gruppen von Lamellen, wobei jede Gruppe Kühlöffnungen aufweist, die winkelmäßig relativ zur vorangegangenen Gruppe derart verschoben sind, um eine kegelförmige Sammelleitung mit 10 Schrittveränderungen der Sammelleitungsbreite zu erhalten. Die Lamellenkühlöffnungen können ebenso mit einem Kegel von einer ersten Axialseite zu einer zweiten Axialseite ausgebildet sein, um eine gerade oder lineare Seitenwand in der resultierenden Sammelleitung anzunähern als einem Schrittaufbau. Wo ein Flüssigkühlmittel in den Mikrokanälen verwendet wird, werden Zuführ- und Rückführköpfe oder Durchgänge benötigt. Der Zuführkopf oder -durchgang kann alle Zuführsammelleitungen speisen, und der Ausstoß-(oder Rückführ-)Kopf oder -durchgang sammelt den Strom von allen Ausstoß-(oder Rückführ-)Sammelleitungen. Im Falle einer Luftkühlung werden in einem Z-Strömungsmuster die Köpfe nicht benötigt.
9 stellt ein weiteres Detail zum Beabstanden der Lamellen bereit, um einen Gegenstromwärmetauscher in einem Statorkern auszubilden. In 9 kann jede zweite Lamelle 904 relativ zur ersten Lamelle 902 um einen Winkel (β/2) gedreht sein, welcher in 9 (1/2) der Kühlöffnungsperiode ist (β). Der Abstand (γ) der Brücken 906 ist kleiner als die Winkellänge (α) der Öffnungen 908. Die Winkelposition des Abstands von jeder zweiten Lamelle 904 würde in der Mitte des Wicklungsschlitzes jeder ersten Lamelle liegen. 9 zeigt eine solche Anordnung, bei der die erste Lamelle 902 in einer dunkleren Farbe gezeigt ist, während die zweite Lamelle 904 in einer helleren Farbe gezeigt ist. Bei dieser Anordnung hat jede Öffnung 908 in der ersten Lamelle 902 im Wesentlichen zwei Kanäle 910, 912, die parallel zur Achse des Pakets sind, das Sammelleitungen ausbildet, die durch die Brücke 914 der zweiten Lamelle 904 getrennt sind. Das Lamellenpaket würde (2 × N_w) Sammelleitungen aufweisen. In 9 gibt es 16 Öffnungen (d. h. N_w = 16) und 32 Sammelleitungen. Die Sammelleitungen können entgegen dem Uhrzeigersinn von 1 bis (2 × N_w) variiert werden. Die Sammelleitungen 1, 3, 5 ... ((2 × N_w) – 1) sind Zuführleitungen; die Sammelleitungen 2, 4, ... (2 × N_w) sind Ausstoßsammelleitungen. Ein Kühlmittel strömt von einer Sammelleitung 1 zu einer Sammelleitung 2 und (2 × N_w), von einer Sammelleitung 3 zu Sammelleitungen 2 und 4, Sammelleitung 5 zu Sammelleitungen 4 und 6, und so weiter, durch die Mikrokanäle.
Wie am besten unter Bezugnahme auf 6 beschrieben, sind benachbarte Sammelleitungen durch Mikrokanäle verbunden. Der Mikrokanalquerschnitt kann durch (t × h) definiert werden, wobei (t) die Lamellendicke und (h) die Radialdimension der Schlitze ist. Die Winkellänge der Mikrokanäle ist gleich dem Abstand (γ). Der Großteil des Wärmetauschergebiets befindet sich in den Mikrokanälen, nachdem die Anzahl der Mikrokanäle sehr groß ist und das Wärmetauschgebiet sehr groß ist.
Die zulässigen Drehwinkel der Staffelung für die Lamellen (ϕ) (9) können durch die Gleichung bereitgestellt werden:
i = 1, 2, ... wobei N_Zähne die Anzahl der Statorzähne ist.
Die Winkelperiode (β) des Wärmetauschers kann durch die Gleichung berechnet werden:
Das Verhältnis des Drehwinkels zur Winkelperiode (λ) kann durch die Gleichung berechnet werden: [λ = ϕ / β]
Falls (λ = 0,5) (d. h. die Lamellen um ½ der Winkelperiode gedreht sind) wird das resultierende Paket in 9 und 10 gezeigt. Falls (λ = 0,5) und (N_Zähne = 72) ist, dann erhalten wir die folgenden möglichen Werte für (N_w):
Typischerweise ist (N_w) ein Mehrfaches von 4, was eine Drehung der Lamellen um 90 Grad ermöglicht. Dies erleichtert ein Schichten der Lamellen, um den Kern auszubilden.
Wie in 10 gezeigt, kann die Mikrokanalwinkellänge (γ) mittels (f) wie folgt ausgedrückt werden: [γ ≡ β·(1 – ξ)]
Wie zuvor erwähnt, kann die Sammelleitungswinkellänge (δ) mittels (ξ) wie folgt ausgedrückt werden:
Die Anzahl der Mikrokanäle (N_mc), die benachbarte Sammelleitungen verbindet, wird durch die folgende Gleichung bereitgestellt:
wobei (L_Kern) die Länge des Lamellenpakets ist und (t) die Lamellendicke ist.
Das Strömungsgebiet jedes Mikrokanals hat eine Umfangslänge, die durch die folgende Gleichung berechnet werden kann: [2·t + 2·h]
Das Flächengebiet jedes Mikrokanals ist ungefähr gleich: [R·γ(2·t + 2·h)] wobei (R) den Radius der Mittenlinie der Öffnung darstellt und (γ) die Winkellänge der Mikrokanäle ist.
Das Gesamtflächengebiet aller Mikrokanäle (S_mc) kann durch die Gleichung angenähert werden:
wobei (D) der Durchmesser der Mittenlinie der Kühlöffnungen oder (2 × R) ist; (t) die Lamellendicke ist, und (L_Kern) die Länge des Statorlamellenpakets ist.
Bei einem Beispiel, wo (λ = 0,5), [δ_klein = δ_groß = δ = β·(ξ – 0,5)]. In einer solchen Anordnung kann das Gesamtströmungsgebiet in allen Sammelleitungen (S_manifolds) angenommen werden als: ⌊S_{Sammelleitung} = πDh·(2ξ – 1)⌋
Die Durchschnitts-Einlass/-Auslassströmungsgeschwindigkeit in Sammelleitungen (V_m) kann angenähert werden als:
wobei Q die Gesamtvolumenstromrate des Kühlmittels darstellt.
Die Durchschnittsströmungsgeschwindigkeit in den Mikrokanälen (V_mc) kann angenähert werden als:
wobei Q die Gesamtvolumenströmungsrate des Kühlmittels darstellt.
Die Durchschnittsströmungsgeschwindigkeit in den Mikrokanälen (V_mc) kann ausgedrückt werden mittels der durchschnittlichen Zuführ-/Rückführströmungsgeschwindigkeit in Sammelleitungen durch die Formel:
Der Hydraulikdurchmesser der Mikrokanäle (d_mc) kann dargestellt werden durch:
Typischerweise ist die Strömung in Mikrokanälen laminar gemäß einer sehr geringen Reynolds-Zahl (Re_mc). Der Reibkoeffizient (f) für eine vollständig entwickelte laminare Strömung in engen rechtwinkligen Rohren kann angenähert werden durch:
wobei (Re_mc) die Reynolds-Zahl darstellt,
die repräsentativ für eine Strömung im Mikrokanal ist, (ρ) die Dichte des Kühlmmittels repräsentiert, und (μ) die dynamische Viskosität des Kühlmittels darstellt.
Die Nusselt-Zahl (Nu_mc) für eine vollständig ausgebildete Strömung in engen rechtwinkligen Rohren ist ungefähr 7:
wobei (H) den Filmkoeffizient im Mikrokanal darstellt, (d_mc) den Hydraulikdurchmesser des Mikrokanals darstellt, und (k_c) die thermische Leitfähigkeit des Kühlmittels darstellt.
Der Filmkoeffizient in Mikrokanälen (H) kann angenähert werden wie folgt:
Für eine typische Lamellendicke von 0,0185'' und Öl als einem Kühlmittel beträgt der Filmkoeffizient ungefähr 1070 Watt/(m²·°C). Ein Durchschnitt über den Statoraußenflächengebietfilmkoeffizienten (h_eff) kann angenähert werden mit der folgenden Gleichung:
wobei (k_s) die thermische Leitfähigkeit der Lamelle in der Ebene darstellt, und (k_c) die thermische Leitfähigkeit des Kühlmittels darstellt. Diese Formeln sind Annäherungen, die zum Evaluieren der möglichen Wirksamkeit des eingebetteten Mikrokanalwärmetauschers relativ zu anderen Verfahren der Statorkühlung verwendet werden.
Wie in 11 gezeigt, kann eine Gegenstromwärmetauscheranordnung derart aufgebaut sein, dass die Breite der Rückführsammelleitung 1102 zum Beispiel ein Faktor von (π/2) größer als die Breite der Zuführsammelleitung 1104 ist, um eine gleichmäßige Strömung in den Mikrokanälen zu erhalten. Die Breite der Rückführsammelleitung kann eine Winkellänge aufweisen, die berechnet als (α – ϕ) wird, und die Zuführsammelleitung kann eine Winkellänge aufweisen, die berechnet wird als (α + ϕ – β). Deshalb kann der Zustand der gleichmäßigen Strömung dargestellt werden durch: α – ϕ = π / 2(α + ϕ – β)]
Der Winkel des Versatzes oder der Drehung (ϕ) (gemessen entgegen dem Uhrzeigersinn in den Zeichnungen) muss nicht gleich der Hälfte der Schlitzperiode sein. Der Winkel (ϕ) ist ein Mehrfaches des Zahnabstands des Stators und kann durch eine Gleichung berechnet werden, die die Definitionen verwendet: (ϕ = λ·β), und (α = ξ·β).
Die Bedingung der gleichmäßigen Strömung kann dargestellt werden durch:
Nachdem (ξ) größer sein muss als 0,5, kann die Restriktion [N_wi < N_Zähne] angewandt werden. Für ein gegebenes (N_Zähne), das auf den Motordesignanforderungen basiert, gibt es lediglich eine begrenzte Anzahl von Kombinationen (N_w), welche die Beschränkung (0,5 < ξ < 1) erfüllt. Die Tabellen von 15–17 stellen anschauliche Beispiele bereit. Mit dem berechneten Faktor (ξ) werden der Parameter (λ) und der Winkel (ϕ) durch die folgenden Gleichungen bestimmt:
Die Winkelbreite der Zuführsammelleitungen 1104 können durch die Gleichung bereitgestellt werden: [δ_klein = β(ξ + λ – 1)]
Die Winkelbreite der Rückführsammelleitungen 1102 kann durch die Gleichung bereitgestellt werden: ⌊δ_groß = β(ξ – λ)⌋
Unter Anwendung der Beschränkung (0,5 < ξ < 1) können dann die Sammelleitungswinkelbreiten wie folgt berechnet werden (11 stellt ein weiteres Detail bereit):
Wie zuvor beschrieben, können die Lamellen winkelmäßig wie gewünscht versetzt sein, um eine gewünschte Sammelleitungsgröße zu erzeugen. Die gleichen Grundsätze können beim Auslegen eines Wärmetauschers durch „Umdrehen” der Lamellen verwendet werden, um eine gewünschte Sammelleitungsgröße zu erzeugen.
12–14 stellen eine Darstellung einer Lamelle bereit, die in Verbindung mit einem Lamellenumdrehverfahren des Zusammenbaus des Lamellenpakets verwendet wird. Beim Lamellenumdrehverfahren können die unabhängigen Parameter, die die Geometrie des Wärmetauschers definieren, unabhängig der Anzahl der Statorzähne sein. Ebenso können beim Lamellendrehverfahren die Lamellen jegliche Gestalt aufweisen, z. B. rund, quadratisch, rechtwinklig oder hexagonal. Alle Lamellen können identisch, jedoch nicht symmetrisch, sein. Als ein Ergebnis sieht die Lamelle in Abhängigkeit davon anders aus, von welcher Seite sie betrachtet wird. Die Lamelle hat eine Umdrehachse 1200, die eine Linie in der Lamellenebene ist, welche durch die Mitte der gewählten Seite gelangt („Seite A” („1202”, 12), wobei die gegenüberliegende Seite „Seite B” („1302”, 13)) ist. Die Umdrehachse 1200 ist die Symmetrielinie einer zufällig ausgewählten Öffnung, die Umdrehachse 1202 kreuzt die Kühlöffnung, und der Winkelabstand zwischen der Umdrehachse und der nächsten radialen Kante der Kühlöffnungsabstandshalter sollte gleich
sein. Die Kreuzung der Umdrehachse mit der Außenkante der Lamelle kann durch eine Positionsspitze 1204 markiert sein.
Am Anfang können alle Lamellen im Paket mit einer Seite A nach oben ausgerichtet sein. Das Lamellenpaket wird halbiert, und der zweite Teil wird umgedreht, so dass alle Lamellen im entsprechenden Paket die Seite B nach oben haben würden. Das finale Paket wird zusammengesetzt, indem die erste Lamelle von der ersten Pakethälfte, die zweite Lamelle von der zweiten Pakethälfte, die dritte Lamelle von der ersten Pakethälfte, und so weiter, genommen wird. Die Spitzen 1204 aller Lamellen können beim Ausbildungsverfahren des finalen Pakets ausgerichtet werden. Alternativ können die Lamellen ebenso gedreht werden, während sie umgedreht werden. Ein elektrischer Stahl hat typischerweise etwas andere Eigenschaften in der Rollrichtung und in der Querrichtung, und es ist eine allgemeine Praxis, ½ der Lamellen durch einen 90° Winkel zu drehen. Weil die Anzahl der Statorzähne typischerweise ein Mehrfaches von 4 ist, bleiben die Spulenschlitze unter einer solchen Drehung ausgerichtet. Die Kühlöffnungen bleiben ebenso ausgerichtet, falls die Anzahl der Kühlöffnungen ein Mehrfaches von 4 ist. Die Strömung durch die Mikrokanäle kann ebenso annähernd gleichförmig sein, falls der hydraulische Widerstand der Sammelleitungen viel kleiner ist als der hydraulische Widerstand der Mikrokanäle.
Mit den vorangegangenen Ausgestaltungsüberlegungen kann die Elektromaschine mit einem internen Wärmetauscher mit einem um eine Größenordnung größeren Gebiet bereitgestellt werden als dem Wärmetauschergebiet bei existierenden Motorkühlschemata. Der Wärmetauscher kann eine laminare Strömung in Mikrokanälen mit einer sehr geringen Geschwindigkeit haben, wodurch der Druckabfall über die Mikrokanäle deutlich abgesenkt wird. Der Wärmeaustausch kann einen relativ hohen lokalen Filmkoeffizienten aufgrund der kleinen Breite des Mikrokanals aufweisen. Der Druck, der benötigt wird, um das Kühlmittel zu bewegen, ist eine Größenordnung geringer als bei existierenden Systemen, wodurch ein Motorverlust durch Verringern der Energie der Pumpe abgesenkt wird.
18 und 19 zeigen eine weitere Ausführungsform eines Abschnitts eines Statorkerns mit einem darin ausgebildeten Mikrokanalwärmetauscher. 18 zeigt eine vergrößerte Teilansicht eines Statorkerns mit einem Mikrokanalwärmetauscher. In 19 wurde der Außenumfang der Statorlamellen entfernt, um weitere Details der Sammelleitungen und des Mikrokanals bereitzustellen. In 18 und 19 sind die Statorlamellen angeordnet, um sich axial erstreckende Zuführsammelleitungen 1802 und Rückführsammelleitungen 1804 auszubilden, wobei sich Mikrokanäle 1806 dazwischen erstrecken. Der Statorkern kann durch Umdrehen jeder weiteren Lamelle während der Stapeltätigkeit ausgebildet werden. Alle Lamellen können identisch ausgebildet sein. Weil die Anzahl der Rückführsammelleitungen und der Zuführsammelleitungen 1802, 1804 in einer Anzahl bereitgestellt werden kann, die durch vier teilbar ist, können Lamellen ebenso in 90°-Schritten gedreht werden, um ein Stapeln zu vereinfachen, wie zuvor beschrieben.
Es wurde festgestellt, dass ein Motor, der wie zuvor beschrieben mit einem Statur mit Mikrokanälen ausgebildet ist, verbesserte Kühleigenschaften aufweist. 20 stellt einen Vergleich von effektiven Filmkoeffizienten bereit, die in einem Mikrokanalwärmetauscher eines repräsentativen Motors bereitgestellt wurden. In Spalte 2002 werden die Parameter gezeigt, die einem Kühlen mit einem automatischen Übertragungsfluid entsprechen, und insbesondere kann ein effektiver Filmkoeffizient von 4864 w/m²·°C erhalten werden. In Spalte 2004 sind die Werte gezeigt, die einem Kühlen mit einer 50%-igen Wasser-Ethylen-Glykol-Mischung („WEG”) entsprechen, und insbesondere kann ein effektiver Filmkoeffizient von 8472 w/m²·°C erhalten werden. 20 zeigt ebenso, dass die Reynolds-Zahl für einen Mikrokanal laminar und extrem gering ist. Zusätzlich zeigt 20 ebenso, dass der geschätzte Druckabfall über den Mikrokanalwärmetauscher gering ist. Diese Parameter, die zum Kühlen mit einem Mikrokanalwärmetauscher erhalten wurden, wurden nachgewiesenerweise im Vergleich zu anderen Wärmetauscherszenarien, inklusive denjenigen, die eine turbulente Strömung einsetzen, verbessert.
21–24 stellen Darstellungen einer Ausführungsform einer Kopfanordnung 2100 bereit, die verwendet wird, um einen Gegenstrom, Mikrokanalwärmetauscher auszubilden. In 18 umfasst die Kopfanordnung 2100 einen Innenring 2102 und einen Außenring 2104, die zusammenwirken, um eine am Stator 2105 angebrachte Kopfanordnung auszubilden. Der Außenring 2104 kann eine Zufuhr des Kühlmittels zu den Zuführsammelleitungen 2202 des Mikrokanalwärmetauschers leiten. Wie in 21 gezeigt, empfängt der Außenring 2104 der Kopfanordnung ein einströmendes Kühlmittel von Zuführstutzen 2106, die an 3-Uhr- und 9-Uhr-Positionen des Außenrings gelegen sind. Wie in 21 gezeigt, stößt der Innenring 2102 der Kopfanordnung ein ausströmendes Kühlmittel von Ausstoßstutzen 2107 aus, die an 3-Uhr- und 9-Uhr-Positionen am Innenring gelegen sind. Wie in 22 gezeigt, umfasst der Außenring 2104 der Kopfanordnung einen Kanal 2204 mit einer Vielzahl von Auslassmündungen 2206 an einer Innenfläche des Außenrings. Wenn mit dem Innenring 2102 zusammengesetzt, kommunizieren die Außenringauslassmündungen direkt mit den Zuführsammelleitungen der Statorlamellen. Wie in 23 gezeigt, kann der Innenring 2102 einen Kanal 2302 mit Einlassmündungen 2304 umfassen, die an einer Innenfläche des Innenrings ausgebildet sind. Der Innenring 2102 kann an der äußersten Lamelle im Paket anliegen und kann derart angeordnet sein, dass Einlassmündungen 2304 mit den Ausstoßsammelleitungen 2306 des Stators ausgerichtet sind und direkt mit diesem kommunizieren. Wie in 22 gezeigt, können sich die Durchgänge 2208 über den Kanal 2302 des Innenrings 2102 erstrecken. Wenn der Innenring 2102 mit dem Außenring 2104 zusammengesetzt ist und am Statorkern befestigt ist, können die Durchgänge 2208 mit äußeren Ringauslassmündungen 2206 der Statorkernzuführsammelleitungen 2202 in Einklang gebracht werden. Auf diese Weise erstrecken sich Durchgänge 2208 zwischen dem Außenring 2204 und dem Lamellenpaket und trennen den Außenring vom Innenring. Die Durchgänge 2208 können am Außenring 2204 ausgebildet sein und sich durch den Innenringkanal 2302 erstrecken, um zu den Zuführsammelleitungen 2202 des Statorkerns verlängert zu werden. Die Durchgänge 2208 können im Innenringkanal 2302 ausgebildet sein und mit den Außenringauslassmündungen 2206 ausgerichtet sein, wenn die äußeren und inneren Ringe 2104, 2102 zusammengesetzt sind. Der Innenring 2102 bildet einen Ausstoßkopfabschnitt aus, der einen Abflussstrom von den Ausstoßsammelleitungen des Stators 2105 aufnimmt, und den Abflussstrom zu einem externen Wärmetauscher leitet ((„110” von 2). Wie in 24 gezeigt, ist eine Aufspannplatte 2402 am Axialende des Stators gegenüber der Kopfanordnung 2100 angeordnet, um den Querstrommikrokanalwärmetauscher auszubilden.
25–27 zeigen eine weitere Ausführungsform eines Kopfes 2500, der an einem Motor mit einem in einem Stator ausgebildeten Mikrokanalwärmetauscher verwendet werden kann. 25 zeigt eine Vorderansicht der Kopfplatte 2502. Die Kopfplatte hat acht Einlassmündungen 2504, die mit Zuführsammelleitungen des Statorkerns kommunizieren, um ein Zulaufkühlmittel zum Wärmetauscher bereitzustellen. Die Kopfplatte 2502 hat acht Auslassmündungen 2506, die mit Rückführsammelleitungen des Statorkerns kommunizieren, um ein Ablaufkühlmittel vom Wärmetauscher zu sammeln. Ein Trenner 2508 mit einer wellenförmigen Gestalt erstreckt sich zwischen den Einlass- und Auslassmündungen 2504, 2506 in einem wechselnden Muster, um einen Rückführkopfabschnitt 2510 und einen Zuführkopfabschnitt 2512 der Kopfplatte auszubilden. Die Kopfplatte 2502 kann am Statorkern 2510 des Motors direkt auf eine Weise angebracht sein, wo eine flache Rückfläche 2502 an der äußersten Lamelle des Lamellenpakets anliegt. Mit diesem Aufbau können die Einlass- und Auslassmündungen 2504, 2506 direkt mit entsprechenden Zuführ- und Rückführsammelleitungen des Statorkernmikrokanalwärmetauschers kommunizieren.
Die Einlässe (nicht gezeigt) für den Zuführkopf 2504 können an 3-Uhr- und 9-Uhr-Positionen vorgesehen sein, um eine gleichmäßige Strömung in die Statorkernzuführsammelleitungen bereitzustellen. Die Auslässe (nicht gezeigt) des Ausstoßkopfes 2506 sind am untersten Punkt vorgesehen (d. h. an der 6-Uhr-Position), damit das System abgelassen werden kann. Ein Ablassventil (nicht gezeigt) kann an der Kopfplatte 2202 an der 12-Uhr-Position gelegen sein, damit Gastaschen während eines Füllens vom System abgeleitet werden können. Haftmittel und andere Dichtmaterialien können zwischen der Kopfplattenrückfläche und der äußersten Statorlamelle verwendet werden, um dazwischen eine Abdichtung zu verbessern.
Die hier beschriebenen Verfahren können ebenso beim Bau von Rotoren und Kühlsystemen für Rotoren für Elektromotoren mit Lamellenrotoren eingesetzt werden, und den Bau von Transformatoren und Kühlsystemen von Transformatoren mit Lamellenkernen.
Mit Blick auf die obige Lehre ist ersichtlich, dass verschiedene Vorteile erreicht und erzielt werden. Die Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um eine praktische Anwendung am besten zu erklären, um hierdurch andere Fachleute in die Lage zu versetzen, die hiesigen Prinzipien am besten in verschiedenen Ausführungsformen und mit verschiedenen Modifikationen zu verwenden, wie sie bei einer bestimmten betrachteten Verwendung geeignet sind. Nachdem verschiedene Modifikationen bei den Konstruktionen und Verfahren, die hier beschrieben und dargestellt sind, durchgeführt werden können, ohne vom Bereich der Erfindung abzuweichen, ist es beabsichtigt, jeglichen in der vorangegangenen Beschreibung oder in den begleitenden Zeichnungen gezeigte Gegenstand eher anschaulich als beschränkend interpretiert werden sollte. Somit sollte die Breite und der Bereich der vorliegenden Erfindung nicht auf eine der zuvor beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt sein, sondern sollte lediglich gemäß den folgenden, hier beigefügten Ansprüchen und deren Äquivalente definiert werden.

Claims

Elektromaschine, aufweisend: einen ersten und zweiten Endabschnitt, einen Rotor, und einen Statorkern, der eine Vielzahl von Statorlamellen aufweist, die zwischen dem ersten und zweiten Endabschnitt angeordnet sind, wobei die Vielzahl der Statorlamellen einen Außenumfang umfassen, wobei die Vielzahl der Statorlamellen zusammenwirken, um eine Mittenöffnung auszubilden, die den Rotor aufnehmen kann, wobei jede der Lamellen Zähne um die Mittenöffnung aufweist, so dass, wenn die Lamellen nebeneinander gestapelt werden, um den Statorkern auszubilden, die Vielzahl der Zähne von benachbarten Lamellen zusammenwirken, um Schlitze auszubilden, die umfangsmäßig um die Mittenöffnung angeordnet sind, die eingerichtet sind, um eine Vielzahl von Statorwicklungen aufzunehmen, wobei jede der Lamellen eine Vielzahl von Kühlöffnungen aufweist, die um die Mittenöffnung winklig beabstandet sind, wobei die Kühlöffnungen der benachbarten Lamellen zusammenwirken, um Zuführ- und Ausstoßsammelleitungen auszubilden, die sich entlang einer Länge des Statorkerns erstrecken, wobei ein Abschnitt der Lamellen ihre Kühlöffnungen so versetzt von anderen Lamellen im Paket aufweisen, um eine Vielzahl von Strömungspfaden quer zu den Sammelleitungen und winklig zwischen Lamellen und benachbarten Sammelleitungen zu bilden, wobei die Kühlöffnungen radial innerhalb des Außenumfangs der Statorlamellen befindlich sind.
Elektromaschine gemäß Anspruch 1, bei der die Statorlamellen zueinander im Wesentlichen gleich sind.
Elektromaschine gemäß Anspruch 2, bei der eine erste Lamelle der Vielzahl der im Wesentlichen gleichen Lamellen in einer ersten Winkelausrichtung bezüglich einer Mittenachse der Maschine befindlich ist und eine zweite Lamelle der im wesentlichen gleichen Lamellen in einer zweiten Winkelausrichtung bezüglich der Mittenachse befindlich ist.
Elektromaschine gemäß Anspruch 1, bei der der Statorkern derart aufgebaut ist, dass ein Fluid in benachbarten Sammelleitungen in entgegengesetzte Richtungen strömt.
Elektromaschine gemäß Anspruch 4, bei der die Sammelleitungen, die eingerichtet sind, ein Fluid vom Querströmungspfad zwischen den Lamellen und benachbarten Sammelleitungen zu sammeln, ungefähr 1,57 mal breiter ist als die Sammelleitungen, die eingerichtet sind, ein Fluid für den Querströmungspfad zwischen den Lamellen und benachbarten Sammelleitungen zuzuführen.
Elektromaschine gemäß Anspruch 1, bei der eine Dicke der Lamelle eine Breite des Querströmungspfads definiert.
Elektromaschine gemäß Anspruch 1, bei der jede Lamelle eine erste Axialseite, die in eine erste Richtung weist, und eine zweite Axialseite, die entgegen der erste Richtung weist, aufweist, und die Lamelle einen asymmetrischen Querschnitt hat, sodass sich die erste Axialseite von der zweite Axialseite unterscheidet, wenn die Lamelle umgedreht wird und die zweite Axialseite in die erste Richtung weist.
Elektromaschine gemäß Anspruch 1, bei der eine erste Lamelle der Vielzahl der Lamellen in einer erste Ausrichtung im Statorkern ausgerichtet ist und eine zweite Lamelle in einer spiegelverkehrten Ausrichtung bezüglich der erste Ausrichtung ausgerichtet ist.
Elektromaschine gemäß Anspruch 1, die eine Kühleinheit aufweist, die eingerichtet ist, ein Fluid durch die Sammelleitungen zu zirkulieren.
Elektromaschine gemäß Anspruch 9, ferner aufweisend Köpfe, die zwischen der Kühleinheit und den Sammelleitungen kommunizieren.
Elektromaschine, aufweisend: einen Rotor, und einen Kern, der eine Vielzahl von Lamellen aufweist, wobei die Vielzahl der Lamellen zusammenwirken, um eine Mittenöffnung auszubilden, die eingerichtet ist, einen Rotor aufzunehmen, und die zusammenwirkend miteinander sind, um (i) eine Vielzahl von geschlossenen Durchgängen zum Führen eines Fluids axial entlang einer Länge des Stators, und (ii) eine Vielzahl von Kanälen auszubilden, die sich winklig zwischen den geschlossenen Durchgängen und den Lamellen erstrecken, und wobei die Lamellen einen Außenumfang und geschlossene Durchgänge aufweisen und Winkelkanäle radial innerhalb des Außenumfangs befindlich sind.
Elektromaschine gemäß Anspruch 11, bei der die Vielzahl der Lamellen identisch ist.
Elektromaschine gemäß Anspruch 11, bei der der Kern derart aufgebaut ist, dass ein Fluid in benachbarten, geschlossenen Durchgängen in entgegengesetzte Richtungen strömt.
Elektromaschine gemäß Anspruch 13, bei der die geschlossenen Durchgänge, die eingerichtet sind, ein Fluid von den Kanälen zu sammeln, ungefähr 1,57 Mal breiter sind als die geschlossenen Durchgänge, die eingerichtet sind, ein Fluid zu den Kanälen zuzuführen.
Elektromaschine gemäß Anspruch 11, bei der eine Dicke des Kanals gleich einer Dicke der Lamelle ist.
Elektromaschine gemäß Anspruch 11, bei der jede Lamelle der Vielzahl der Lamellen einen asymmetrischen Lamellenquerschnitt aufweist.
Elektromaschine gemäß Anspruch 11, bei der jede Lamelle eine erste Axialseite, die in eine erste Richtung weist, und eine zweite Axialseite, die entgegen der erste Richtung weist, aufweist, und die Lamelle einen asymmetrischen Querschnitt hat, so dass sich die erste Axialseite von der zweiten Axialseite unterscheidet, wenn die Lamelle umgedreht wird und die zweite Axialseite in die erste Richtung weist.
Elektromaschine, aufweisend: einen Rotor, und einen Statorkern, der eine Vielzahl von Statorlamellen aufweist, wobei die Vielzahl der Statorlamellen zusammenwirken, um eine Mittenöffnung auszubilden, die den Rotor aufnehmen kann, eine Vielzahl von Schlitzen, die umfangsmäßig um die Mittenöffnung angeordnet sind und eingerichtet sind, eine Vielzahl von Statorwicklungen aufzunehmen, und Zwischenöffnungen, die zwischen der Vielzahl der Schlitze und einem Außenumfang der Statorkerns winklig um die Mittenöffnung angeordnet sind, wobei die Zwischenöffnungen eingerichtet sind, ein Fluid axial durch den Statorkern strömen zu lassen, wobei sich winklig benachbarte Zwischenöffnungen durch Kanäle miteinander in Kommunikation befinden, die sich winklig um die Mittenöffnung erstrecken.
Elektromaschine gemäß Anspruch 18, bei der die Statorlamellen im Wesentlichen identisch zueinander sind.
Elektromaschine gemäß Anspruch 19, bei der eine erste Lamelle der Vielzahl der im Wesentlichen identischen Lamellen in einer ersten Winkelausrichtung im Statorkern befindlich ist und eine zweite Lamelle der im Wesentlichen identischen Statorlamellen in einer zweiten Winkelausrichtung innerhalb des Statorkern befindlich ist.
Elektromaschine gemäß Anspruch 19, bei der eine erste Lamelle der Vielzahl von Lamellen einen ersten Querschnitt aufweist und eine zweite Lamelle der Vielzahl von Lamellen einen zweiten Querschnitt aufweist, der ein Spiegelbild des ersten Querschnitts ist.
Elektromaschine gemäß Anspruch 21, bei der der Kern derart aufgebaut ist, dass ein Fluid in benachbarten Sammelleitungen in entgegengesetzte Richtungen strömt.
Elektromaschine gemäß Anspruch 19, bei der die Sammelleitungen, die eingerichtet sind, ein Fluid von einem Querströmungspfad zwischen den Lamellen und benachbarten Sammelleitungen zu sammeln, ungefähr 1,57 mal breiter sind als die Sammelleitungen, die eingerichtet sind, ein Fluid für den Querströmungspfade zwischen den Lamellen und den benachbarten Sammelleitungen zuzuführen.
Elektromaschine gemäß Anspruch 19, bei der eine Dicke der Lamelle eine Breite des Kanals definiert.
Elektromaschine gemäß Anspruch 19, bei der eine erste Lamelle der Vielzahl von Lamellen in einer ersten Ausrichtung im Statorkern ausgerichtet ist und eine zweite Lamelle in einer spiegelverkehrten Ausrichtung bezüglich der ersten Ausrichtung ausgerichtet ist.
Elektromaschine gemäß Anspruch 19, aufweisend eine Kühleinheit, die eingerichtet ist, ein Fluid durch den geschlossenen Durchgang zu zirkulieren.
Elektromaschine gemäß Anspruch 26, aufweisend Köpfe, die zwischen der Kühleinheit und den Sammelleitungen kommunizieren.