DE112014002106T5

DE112014002106T5 - Elektrische Maschine mit flüssigkeitsgekühltem Gehäuse

Info

Publication number: DE112014002106T5
Application number: DE112014002106.7T
Authority: DE
Inventors: Bradley D. Chamberlin; Steve Burton
Original assignee: Remy Technologies LLC
Current assignee: Remy Technologies LLC
Priority date: 2013-05-30
Filing date: 2014-05-29
Publication date: 2016-01-14
Also published as: CN105264752B; CN105264752A; KR20160014055A; WO2014194060A1

Abstract

Eine elektrische Maschine, die einen Stator, einen Rotor und eine Gehäusebaugruppe mit zwei Endkappen sowie einem inneren und einem äußeren, sich axial erstreckende Element hat. Rippen auf einem Gehäuseelement liegen in einem Zwischenraum an dem anderen Gehäuseelement an und definieren axial sich erstreckende Strömungspfadsegmente. Der Flüssigkeitskühlmittelweg kann serpentinenförmig sein. Die Rippen können eine Breite haben, die größer als die radiale Dicke des Manschettenteils ist, von dem sie sich aus erstrecken. Befestigungsmittel können die Endkappen an den Rippen mit vergrößerter Breite befestigen. Die inneren und äußeren Gehäuse sind vorteilhafter Weise extrudierbar. Eine elektronische Komponente kann thermisch mit einer Endkappe gekoppelt sein und radial nach innen angeordnet und axial angrenzend an mehrere Fluiddurchgänge. Die elektronische Komponente kann zumindest teilweise axial zwischen der distalen Grenze der Statorwicklungen und der axialen Grenze des serpentinenförmigen Weges positioniert sein. Die Endkappen können auch die Lagerbaugruppe stützen.

Description

Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 13/905,787, eingereicht am 30. Mai 2013 mit dem Titel ELECTRIC MACHINE WITH LIQUID COOLED HOUSING und der US-Patentanmeldung Aktenzeichen 13/905,953, eingereicht am 30. Mai 2013 mit dem Titel ELECTRIC MACHINE WITH LIQUID COOLED HOUSING AND END CAP, deren Offenbarungen hierin durch Verweis aufgenommen werden.
STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Maschinen und spezieller elektrische Maschinen, die ein Gehäuse haben, welches zum Kühlen der elektrischen Maschine verwendet wird.
Elektrische Maschinen umfassen einen Stator und einen Rotor, der relativ zu dem Stator rotiert. Die elektrischen Maschinen können als Motor, Generator oder Motor/Generator, der selektiv entweder als Motor oder als Generator arbeiten kann, arbeiten. Beim Betrieb als Motor wird elektrischer Strom in die elektrische Maschine geschickt, um ein mechanisches Drehmoment zu erzeugen. Beim Betrieb als Generator wird ein mechanisches Drehmoment in die elektrische Maschine eingegeben, um elektrischen Strom zu erzeugen.
In einigen Anwendungen erfordern elektrische Maschinen die Verwendung eines Kühlsystems, um Wärme aus der elektrischen Maschine während des Betriebs abzuführen. Die Statorwicklungen sind oft verantwortlich für das Erzeugen des größten Teils der Wärme während des Betriebs der elektrischen Maschine. Folglich ist es im Allgemeinen wünschenswert, den Stator zu kühlen, entweder durch direktes Abführen von Wärme aus den Statorwicklungen oder durch Entfernen von Wärme aus dem Statorkern. Ein gebräuchliches Verfahren zum Abführen von Wärme aus dem Statorkern ist es, den Stator in einem Gehäuse zu montieren, das üblicherweise als ”Wasserjackett” bezeichnet wird, wobei das Gehäuse und der Statorkern direkt ineinander greifen und das Gehäuse mehrere Flüssigkeitskühlmitteldurchgänge umfasst. Ein Kühlmittel, wie zum Beispiel Wasser, zirkuliert durch die Gehäusedurchgänge, um Wärme aus dem Gehäuse abzuführen. Das Gehäuse entfernt dadurch Wärme aus dem Statorkern und folglich aus den Statorwicklungen.
Verbesserungen in der Gehäusestruktur solcher elektrischer Maschinen und die kosteneffiziente Herstellung solcher Gehäusestrukturen bleiben wünschenswert.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung sorgt für eine elektrische Maschine mit einer Gehäusebaugruppe für die Zirkulation eines Kühlmittels, die in einer kosteneffektiven Weise hergestellt und montiert werden kann.
Die Erfindung umfasst in einer Form derselben eine elektrische Maschine, die betriebsbereit mit einem Stator verbunden ist, wobei der Stator einen Statorkern und mehrere Wicklungen aufweist und der Rotor um eine Rotationsachse drehbar ist. Die elektrische Maschine hat zudem eine Gehäusebaugruppe, die eine erste und ein zweite Endkappe sowie ein inneres und ein äußeres, sich axial erstreckendes Gehäuseelement umfasst. Der Statorkern ist innerhalb des inneren, sich axial erstreckenden Gehäuseelements angeordnet und thermisch mit demselben verbunden. Das äußere, sich axial erstreckende Gehäuseelement ist am inneren, sich axial erstreckenden Gehäuseelement angeordnet und definiert einen Zwischenraum radial dazwischen. Mehrere Rippen erstrecken sich radial entweder vom inneren oder vom äußeren Gehäuseelement in den Zwischenraum, wobei jede der Rippen ein distales Ende hat, das an dem jeweils anderen Gehäuseelement anliegt. Das andere, entgegengesetzte Gehäuseelement ist eine rohrförmige Manschette mit einer im Wesentlichen glatten, Wandfläche, die dem Zwischenraum gegenüberliegt. Die mehreren Rippen definieren mehrere sich axial erstreckende Strömungspfadsegmente innerhalb des Zwischenraums. Die ersten und zweiten Endkappen verschließen abdichtend die entgegengesetzten axialen Enden des Zwischenraums, und die Gehäusebaugruppe definiert einen Einlass und einen Auslass, wobei ein flüssiges Kühlmittel in den Einlass eintritt, entlang eines Strömungspfads fließt, der die mehreren, sich axial erstreckenden Strömungspfadsegmente umfasst, und durch den Auslass austritt.
In einigen Ausführungsformen erstrecken sich die mehreren Rippen vom inneren Gehäuseelement aus radial nach außen, und die im Wesentlichen glatte Wandfläche ist eine radial nach innen weisende zylindrische Fläche.
In anderen Ausführungsformen definieren das innere und das äußere Gehäuseelement und die erste und die zweite Endkappe einen serpentinenförmigen Pfad für das flüssige Kühlmittel, wobei das flüssige Kühlmittel in entgegengesetzten axialen Richtungen in peripher benachbarten Segmenten der Strömungspfadsegmente fließt, wobei die axiale Richtung der Strömung zwischen den benachbarten Segmenten an Positionen umgekehrt wird, die der ersten und der zweiten Endkappe benachbart sind.
In noch anderen Ausführungsformen haben das innere oder das äußere Gehäuseelement, von dem die Rippen ausgehen, einen rohrförmigen Teil, der eine radiale Dicke hat, und wobei mindestens einige der mehreren Rippen eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Breite haben, die größer als die radiale Dicke des rohrförmigen Teils ist. In solch einer Ausführungsform können die erste und die zweiten Endkappe mittels Verbindungselementen mit Gewinde befestigt werden, die sich in Bohrlöcher hinein erstrecken, welche sich in den Rippen befinden, die Umfangsbreiten größer als die radiale Dicke des rohrförmigen Teils haben.
Vorteilhafterweise haben das innere und das äußere Gehäuseelement jeweils eine axiale Länge und definieren einen Querschnitt, der im Wesentlichen gleichförmig entlang der ganzen axialen Länge des jeweiligen Gehäuseelementes ist, so dass die inneren und äußeren Gehäuseelemente jeweils extrudierbar sind.
In noch anderen Ausführungsformen definiert die erste Endkappe mehrere Durchgänge zur Strömungsumkehr, die peripher am ersten axialen Ende des Stators angeordnet sind und an dasselbe angrenzen, wobei die Strömungsumkehr-Durchgänge Fluid zwischen den benachbarten Segmenten vermitteln und wobei die elektrische Maschine ferner eine elektronische Komponente umfasst, die thermisch mit der ersten Endkappe verbunden ist, wobei die elektronische Komponente radial nach innen angeordnet ist und axial an die mehreren Durchgänge zur Strömungsumkehr angrenzt. In solch einer Ausführungsform kann der Strömungspfad einen serpentinenförmigen Pfad definieren, wobei die erste Endkappe eine erste axiale Begrenzung für den serpentinenförmigen Pfad axial jenseits einer distalen Begrenzung der Windungen am ersten axialen Ende definiert und wobei die elektronische Komponente zumindest teilweise zwischen der distalen Begrenzung der Windungen am ersten axialen Ende und der ersten axialen Begrenzung für den serpentinenförmigen Pfad angeordnet ist.
Die Erfindung umfasst in einer weiteren Form derselben eine elektrische Maschine, die einen Stator aufweist, der betriebsbereit mit einem Rotor verbunden ist, wobei der Stator einen Statorkern und mehrere Wicklungen hat und der Rotor um eine Rotationsachse drehbar ist. Die elektrische Maschine umfasst auch eine Gehäusebaugruppe, die eine erste und eine zweite Endkappe und ein inneres und ein äußeres, sich axial erstreckendes Gehäuseelement umfasst. Der Statorkern ist innerhalb des und thermisch mit dem inneren, sich axial erstreckenden Gehäuseelement gekoppelt angeordnet, und das äußere, sich axial erstreckende Gehäuseelement ist um das innere, sich axial erstreckende Gehäuseelement herum angeordnet und definiert einen Zwischenraum radial dazwischen. Mehrere Rippen erstrecken sich radial von einem der beiden Gehäuseelemente aus in den Zwischenraum, wobei jede der Rippen ein distales Ende hat, das an dem jeweils anderen Gehäuseelement anliegt. Die mehreren Rippen definieren mehrere sich axial erstreckende Strömungspfadsegmente innerhalb des Zwischenraums. Das innere und das äußere Gehäuseelement definieren jeweils eine axiale Länge und einen Querschnitt, der im Wesentlichen gleichförmig entlang der gesamten axialen Länge des jeweiligen Gehäuseelementes ist, so dass das innere und das äußere Gehäuseelement jeweils extrudierbar sind. Das eine Gehäuseelement, von dem mehrere Rippen ausgehen, weist einen rohrförmigen Teil auf, der eine radiale Dicke hat, wobei zumindest einige der mehreren Rippen eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Breite definieren, die größer als die radiale Dicke des rohrförmigen Teils ist. Mehrere Befestigungsmittel greifen in die erste und die zweite Endkappe ein und erstrecken sich in Bohrungen, die sich in den Rippen befinden, deren Breite in Umfangsrichtung größer als die radiale Dicke des rohrförmigen Teils ist, um so die erste und die zweite Endkappe an einem Gehäuseelement zu befestigen. Die erste und die zweite Endkappe verschließen die entgegengesetzten axialen Enden des Zwischenraums abdichtend und definieren einen Einlass und einen Auslass, wobei flüssiges Kühlmittel in den Einlass eintritt, entlang eines serpentinenförmigen Strömungspfads fließt, der durch das innere und das äußere Gehäuseelemente und die erste und die zweite Endkappe mit dem flüssigen Kühlmittel definiert ist, und tritt durch den Auslass aus.
Die vorliegende Erfindung kann auch eine elektrische Maschine bereitstellen, wobei im Gehäuse ein Kühlmittel zirkuliert und das Gehäuse mindestens eine Endkappe umfasst, die thermisch mit einer elektronischen Komponente verbunden ist oder einen Lagerbaugruppe stützt.
Die Erfindung umfasst in einer weiteren Form derselben eine elektrische Maschine, die einen Stator aufweist, der betriebsbereit mit einem Rotor verbunden ist, wobei der Stator einen Statorkern und mehrere Statorwicklungen aufweist, und der Rotor um eine Rotationsachse drehbar ist. Mindestens ein sich axial erstreckendes Gehäuseelement ist thermisch mit dem Statorkern gekoppelt und definiert mehrere sich axial erstreckende Strömungskanäle. Eine Endkappe definiert mehrere Durchgänge zur Strömungsumkehr, die die sich axial erstreckenden Strömungskanäle verbinden. Die Durchgänge zur Strömungsumkehr sind an einem ersten axialen Ende des Stators und angrenzend an dasselbe angeordnet, wobei die sich axial erstreckenden Strömungskanäle und die Strömungsumkehr-Durchgänge einen serpentinenförmigen Pfad definieren. Eine elektronische Komponente, die thermisch mit einer Endkappe gekoppelt ist, ist radial nach innen und axial angrenzend an die Strömungsänderungs-Durchgänge angeordnet.
In einigen Ausführungsformen definiert die Endkappe eine erste axiale Begrenzung für den serpentinenförmigen Pfad, axial jenseits einer distalen Begrenzung der Statorwicklungen am ersten axialen Ende in einer solchen Ausführungsform, die elektronische Komponente kann zumindest teilweise zwischen der distalen Begrenzung der Statorwicklungen am ersten axialen Ende und der ersten axialen Begrenzung für den serpentinenförmigen Pfad angeordnet sein.
Einige Ausführungsformen können auch eine zweite Endkappe umfassen, die an einem zweiten distalen Ende des Stators gegenüber dem ersten axialen Ende angeordnet ist, wobei die zweite Endkappe an dem sich axial erstreckenden Gehäuseelement anliegt und die sich axial erstreckenden Strömungskanäle mehrere gepaarte Kanäle definieren. Für jeden Satz von Kanalpaaren kann die zweite Endkappe konfiguriert werden, so dass sie die Strömung von einem der gepaarten Kanäle zum anderen gepaarten Kanal umlenkt und wobei die zweite Endkappe eine zweite axiale Begrenzung für den serpentinenförmigen Pfad angrenzend an eine zweite distale Begrenzung der Statorwicklungen am zweiten axialen Ende definiert.
Die Erfindung umfasst in einer weiteren Form derselben eine elektrische Maschine, die einen Stator aufweist, der betriebsbereit mit einem Rotor verbunden ist, wobei der Stator einen Statorkern und mehrere Statorwicklungen hat und der Rotor um eine Rotationsachse drehbar ist. Die elektrische Maschine umfasst auch mindestens ein sich axial erstreckendes Gehäuseelement, das thermisch mit dem Statorkern gekoppelt ist und mehrere sich axial erstreckende Strömungskanäle definiert. Mindestens eine wärmeleitende Endkappe, die mehrere Durchgänge zur Strömungsumkehr definiert, verbindet die sich axial erstreckenden Strömungskanäle. Die mehreren Strömungsumkehr-Durchgänge sind umfänglich an einem ersten axialen Ende des Stators und angrenzend an dasselbe angeordnet, wobei die sich axial erstreckenden Strömungskanäle und Strömungsumkehr-Durchgänge einen serpentinenförmigen Pfad definieren. Eine Lagerbaugruppe ist auf der Endkappe montiert und stützt drehbar die Welle.
In einigen Ausführungsformen kann die elektrische Maschine auch eine zweite thermisch leitfähige Endkappe aufweisen, die an einem zweiten axialen Ende des Stators gegenüber dem ersten axialen Ende angeordnet ist und die an dem sich axial erstreckenden Gehäuseelement anliegt. Die mehreren sich axial erstreckenden Strömungskanäle definieren mehrere Kanalpaare, wobei für jeden Satz von Kanalpaaren die zweite Endkappe die Strömung von einem der Kanalpaare zum anderen Kanalpaar umlenkt und wobei die zweite Endkappe eine zweite axiale Begrenzung für den serpentinenförmigen Pfad angrenzend an eine zweite distale Begrenzung der Statorwicklungen am zweiten axialen Ende definiert. Ein zweiter Lagerbaugruppe, der drehbar die Welle abstützt, kann auf der zweiten Endkappe montiert sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben erwähnten und anderen Merkmale dieser Erfindung und die Art und Weise, sie zu erreichen, werden besser erkennbar und die Erfindung selbst ist durch Verweis auf die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen besser zu verstehen, dabei gilt:
1 ist eine perspektivische Ansicht einer elektrischen Maschine.
2 ist eine weitere perspektivische Ansicht der elektrischen Maschine.
3 ist eine Querschnittsansicht der elektrischen Maschine.
4 ist eine perspektivische Querschnittsansicht der elektrischen Maschine.
5 ist eine perspektivische Ansicht der elektrischen Maschine mit entferntem äußeren Gehäuseelement.
6 ist eine weitere perspektivische Ansicht der elektrischen Maschine mit entferntem äußeren Gehäuseelement.
7 ist eine Teilseitenansicht der elektrischen Maschine mit entferntem äußeren Gehäuseelement.
8 ist eine Querschnittsansicht des inneren und des äußeren Gehäuseelements.
9 ist eine Seitenansicht einer Endkappe.
10 ist eine Endansicht einer Endkappe.
11 ist eine Endansicht einer alternativen Endkappe.
12 ist eine perspektivische Ansicht eines alternativen inneren Gehäuseelementes.
13 ist eine Querschnittsansicht einer alternativen elektrischen Maschine.
Entsprechende Bezugszeichen zeigen die entsprechenden Teile in den verschiedenen Ansichten an.
Obwohl die Erläuterung, die hierin dargestellt wird, Ausführungsformen der Erfindung in mehreren Formen illustriert, sind die Ausführungsformen, die unten offenbart werden, nicht als erschöpfend oder nicht als den Geltungsbereich der Erfindung auf die genauen offenbarten Formen begrenzend gedacht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine elektrische Maschine 20 wird in den 1–4 dargestellt und weist eine Rotorbaugruppe 22 und eine Statorbaugruppe 24 auf. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die elektrische Maschine 20 ein interner Permanentmagnet-Motor/Generator. Die Gehäusebaugruppe, die hierin offenbart wird, kann jedoch für andere Arten von elektrischen Maschinen verwendet werden.
Die gezeigte Rotorbaugruppe 22 ist um eine Achse 30 drehbar und hat einen konventionellen Aufbau mit einem Rotorkern 26, der aus gestapelten elektrischen Stahllamellen gebildet ist. Der Rotorkern 26 definiert auch sich axial erstreckende Schlitze, in denen die Permanentmagnete 28 angeordnet sind. Der Rotorkern 26 ist auf der Rotorwelle 32 montiert, die drehbar von den Lagerbaugruppen 34, 36 abgestützt wird. Eine Riemenscheibe 38 ist an einem Ende der Welle 32 montiert. Die Riemenscheibe 38 kann im Eingriff mit einem Riemen für die Übertragung von Drehmoment sein, zum Beispiel um die Turbine eines Kompressors in einem Fahrzeug anzutreiben. Obwohl die dargestellte elektrische Maschine 20 mit einer Riemenscheibe 38 gezeigt ist, können alternative Ausführungsformen verwendet werden für andere Anwendungen und können als Motor, Generator oder Motor/Generator eingesetzt werden.
Eine Sensorbaugruppe 40 zum Überwachen der Rotation der Welle 32 befindet sich am Ende der Welle 32 gegenüber der Riemenscheibe 38. Die Sensorbaugruppe 40 umfasst ein rotierendes Element 42 und ein stationäres Element 44 und kann die Form eines Drehmelders, Hall-Effektsensors oder eines anderen geeigneten Sensors annehmen. In dem gezeigten Beispiel ist das rotierende Element 42 ein Ring mit vorstehenden ferromagnetischen Zähnen, die diskrete Ziele für den Hall-Effektsensor 44 definieren, wobei die Drehzahl der Welle 32 überwacht werden kann. Die Verwendung von Hall-Effektsensoren und ähnlichen Sensoren ist Fachleuten auf diesem Gebiet wohl bekannt.
Statorbaugruppe 24 umfasst einen Statorkern 46, der ebenfalls aus gestapelten Stahllamellen gebildet ist. Die gezeigte Statorbaugruppe 24 hat einen Statorkern 46, der sich axial erstreckende und radial sich nach innen öffnende Schlitze definiert. Drahtspulen, die auch als Wicklungen 48 bezeichnet werden, werden in die Schlitze des Statorkerns 46 eingeführt und haben Richtungswechsel am Ende, die über die axialen Enden des Statorkerns 46 vorragen. In der illustrierten Ausführungsform ist die elektrische Maschine 20 eine dreiphasige elektrische Maschine.
Die Rotorbaugruppe 22 und die Statorbaugruppe 24 werden unter Verwendung herkömmlicher Verfahren hergestellt, die den Fachleuten auf diesem Gebiet gut bekannt sind. Zum Beispiel werden der Rotorkern 26 und der Statorkern 46 aus mehreren elektrischen Stahllamellen gebildet, die in einer fortschrittlichen Stanzengruppe gestanzt werden. Die Lamellen, die den Rotorkern 26 und den Statorkern 46 bilden, können miteinander durch Schweißen, Klebstoffe, miteinander verbundene Streifen und Schlitze in benachbarten Lamellen oder durch andere geeignete Verfahren verbunden werden. Zum Beispiel beinhaltet ein Klebeverfahren zur Sicherung der Lamellen die Verwendung eines zweiteiligen Epoxids, wobei ein Teil auf die Bodenfläche jeder der Lamellen aufgetragen wird und der andere auf die obere Fläche jeder der Lamellen aufgetragen wird. Sobald sie gestapelt sind, werden die Lamellen erwärmt, damit die beiden Teile zusammenkleben und einen verbundenen Kern bilden.
Nach dem Bilden des Statorkerns 46 werden die Wicklungen 48 in den Statorkern 46 unter Verwendung herkömmlicher Spuleneinführungsausrüstung eingeführt. Analog werden nach dem Bilden des Rotorkerns 26 Magnete 28 in den Schlitzen des Rotorkerns 26 installiert.
Die Magnete 28 können entweder vor der Installiert im Rotorkern 26 magnetisiert werden oder können nichtmagnetisiert sein, wenn sie installiert werden, und haben magnetische Eigenschaften, die ihnen nach der Installation im Rotorkern 26 verliehen werden. Die Magnete 26 können vorteilhaft aus Neodym-Eisen-Bor gebildet werden. Dysprosium kann aufgenommen werden, wenn die Magnete 26 gebildet werden, um für eine größere Temperaturstabilität zu sorgen und es dem Magnetmaterial zu ermöglichen, dem Verlust an Magnetismus besser zu widerstehen. Eine Reihe von anderen Materialien kann ebenfalls verwendet werden, um Magnete 28 zu bilden, einschließlich Seltenerdenmaterialien, wie zum Beispiel Lithium, Terbium und Samarium. Die Verwendung dieser und anderer magnetischer Materialien zum Bilden von Permanentmagneten zur Verwendung in elektrischen Maschinen ist den Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt. Die Magnete 28 können auch eine Außenschicht von Material haben, wie zum Beispiel eine Nickelschicht, die durch Elektroplattieren gebildet wird, oder eine Aluminiumschicht, die durch Dampfdiffusion gebildet wird, die eine Außenbeschichtung auf dem Magneten bildet. Solche Außenbeschichtungen können zum Erhöhen der Beständigkeit gegen Korrosion verwendet werden.
Die Magnete 28 können in den axialen Schlitzen des Kerns 26 mittels eines Klebstoffs, durch einen Pressverband mit dem Rotorkern 26 oder andere geeignete Mittel gehalten werden. Zum Beispiel kann der Rotorkern 26 erwärmt werden, damit die Größe des Rotorkerns 26 und der darin gebildeten Schlitze thermisch erhöht wird, was für einen ausreichenden Spielraum sorgt, so dass die Magnete 28 in die Schlitze eingeführt werden können. Die Magnete 28 können auch abgekühlt werden, um ihre Abmessungen zu reduzieren. Der Rotorkern 26 und die Magnete 28 können dann zu ihrer Umgebungstemperatur zurückkehren, wobei der Rotorkern 26 und die Magnete 28 so dimensioniert sind, dass die Magnete 28 fest im Eingriff mit dem Rotorkern 26 und darin festgelegt sind, wenn der Kern 26 und die Magnete 28 dieselbe Temperatur haben.
Der Rotor 22 und der Stator 24 sind in einer Gehäusebaugruppe 50 montiert. Die Gehäusebaugruppe 50 umfasst ein inneres, sich axial erstreckendes Element 52 und ein äußeres, sich axial erstreckendes Element 54, welche die Statorbaugruppe 24 umgeben. Das innere Gehäuseelement 52 umgibt den Statorkern 46 und ist in direktem Kontakt mit demselben und ist daher thermisch mit dem Statorkern 46 gekoppelt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel hat das innere Gehäuseelement 52 mehrere sich axial erstreckende, radial nach außen vorragende Rippen 56. Das äußere Gehäuseelement 54 umgibt das innere Element 52 und liegt an den distalen Enden 58 der Rippen 54 an. Ein Zwischenraum 60 ist zwischen den inneren und äußeren Gehäuseelementen 52, 54 definiert, wobei die Rippen 56 den Raum 60 in mehrere sich axial erstreckende Strömungspfadsegmente 62 unterteilen. Der Strom von Kühlmittel durch die Gehäusebaugruppe 50 wird detaillierter unten diskutiert.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel hat das äußere Gehäuseelement 54 die Form einer rohrförmigen zylindrischen Hülse mit einer im Wesentlichen glatten radial inneren Wandfläche 64 und einer im Wesentlichen glatten, radial äußeren Wandfläche 66. Der vereinfachte Querschnitt des äußeren Gehäuseelementes 54 erleichtert die kosteneffiziente Herstellung der Gehäusebaugruppe 50 und kann in einigen Anwendungen die Verwendung von handelsüblichen Rohr in Standardgrößen bei der Herstellung eines inneren oder äußeren sich axial erstreckenden Gehäuseelementes ermöglichen. Es wird darauf hingewiesen, dass zwar das gezeigte Ausführungsbeispiel Rippen 56 verwendet, die sich vom inneren Gehäuseelement 52 radial nach außen erstrecken, alternative Ausführungsformen Rippen 56 verwenden könnten, die sich auf dem äußeren Gehäuseelement 54 befinden und sich radial nach innen erstrecken, um in Kontakt mit einem inneren Gehäuseelement 52 mit einem vereinfachten Querschnitt zu kommen, zum Beispiel eine rohrförmige Hülse mit im Wesentlichen glatten radial nach innen und außen weisenden Wandflächen.
Obwohl das gezeigte Ausführungsbeispiel eine zylindrische Hülse, die innere und äußere glatte Wandflächen hat, als eines der Gehäuseelemente nutzt, können auch alternative rohrförmige Hülsen eingesetzt werden. Zum Beispiel kann das äußere Gehäuseelement 54 mit wärmeabstrahlenden Rippen auf der nach außen weisenden Fläche versehen sein, um die Abgabe von Wärme an die Umgebung zu fördern, oder Montageösen haben, die sich von dort aus nach außen erstrecken, um für die Sicherung der elektrischen Maschine 20 mit Bolzen oder anderen Befestigungsmitteln zu sorgen oder andere Merkmale haben, die auf der Außenfläche des Gehäuseelementes 54 gebildet sind. Es wird auch darauf hingewiesen, dass während die nach innen weisende Fläche 64 des Gehäuseelementes 54 bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine glatte zylindrische Wandfläche ist, deren Symmetrie die Herstellungs- und Montageeffizienz fördert, andere Formen und Konfigurationen ebenfalls eingesetzt werden können, sofern die Form und Konfiguration des gegenüberliegenden Gehäuseelementes 52 und/oder der Rippen 56 nach Bedarf modifiziert werden, um für den zusammenwirkenden Kontakt der Gehäuseelemente 52, 54 zu sorgen.
Die Endkappen 68, 70 befinden sich an den gegenüberliegenden Enden der Gehäuseelemente 52, 54 und verschließen abdichtend die entgegengesetzten axialen Enden des Zwischenraums. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel definiert die Endkappe 70 einen Einlass 72 und einen Auslass 74, wobei ein Kühlmittel, zum Beispiel Wasser oder ein Frostschutzmittel auf Wasserbasis, durch den Einlass 72 eintritt und dann entlang eines Strömungspfades 76 fließt, der die mehreren sich axial erstreckenden Strömungskanäle 62 enthält, die sich axial erstreckende Strömungspfadsegmente des größeren Strömungspfades 76 bilden. Die Strömung wird am axialen Ende jedes Strömungskanals 62 umgekehrt und tritt in das in Umfangsrichtung benachbarte Segment ein, in dem die Strömung in die entgegengesetzte Richtung fließt. Dadurch definiert der Strömungspfad 76 einen serpentinenförmigen Pfad für das flüssige Kühlmittel, bevor dieses durch den Auslass 74 austritt. Die Kanäle 73, 75 stehen in Verbindung mit dem Einlass 72 bzw. Auslass 74 und erstrecken sich nach außen, um die Verbindung von Einlass 72 und Auslass 74 mit externen Kühlmittelleitungen zu erleichtern.
Bei dem Ausführungsbeispiel, das in den 1–7 gezeigt ist, haben das innere und das äußere Gehäuseelement 52, 54 im Wesentlichen dieselbe axiale Länge 53, und jede der Rippen 56 hat eine axiale Ausdehnung 55, die im Wesentlichen dieselbe wie die axiale Länge 53 des inneren und des äußeren Gehäuseelementes 52, 54 ist. In dieser Konfiguration mit Rippen 56 voller Länge tritt die Umkehrung der Strömungsrichtung innerhalb der Durchgänge 78 auf, die durch Endkappen 68, 70 definiert sind, wobei jeder Durchgang 78 Fluid von einem sich axial erstreckenden Strömungspfadsegment 62 zu einem in Umfangsrichtung benachbarten Segment 62 transportiert. Diese Strömungsumkehr-Durchgänge 78 verbinden somit benachbarte sich axial erstreckende Strömungskanäle 62 miteinander.
Alternativ wurde zumindest bei einigen Rippen 56a ein Endteil durch maschinelle Bearbeitung entfernt, so dass diese eine kleinere axiale Ausdehnung 57 haben als die axiale Länge 53 der inneren und äußeren Gehäuseelemente 52, 54. Auf diese Weise definieren die gekürzten Rippen 56a einen Durchgang 78a, der Kühlmittel zwischen benachbarten Strömungspfadsegmenten 62 vermittelt, wie mit Verweis auf 12 zu verstehen ist. Bei Verwendung von Rippen 56a, die die Umkehrung des Kühlmittelflusses innerhalb der axialen Begrenzungen von inneren und äußeren Gehäuseelementen 52, 54 ermöglichen, kann die Endkappe 68a, die sich in der Nähe der Durchgänge 78a befindet, eine im Wesentlichen ebene Oberfläche haben, die an den axialen Enden der inneren und äußeren Gehäuseelemente 52, 54 anliegt. Dadurch wird die maschinelle Bearbeitung reduziert, die zum Herstellen der Endkappe 68a notwendig ist.
In den Ausführungsformen, die Rippen 56 mit voller Länge haben, sowie in den Ausführungsformen, die gekürzte Rippen 56a haben, definiert der Strömungspfad 76 einen serpentinenförmigen Pfad für das flüssige Kühlmittel, wobei das Kühlmittel in entgegengesetzten axialen Richtungen in peripher benachbarten Strömungspfadsegmenten 62 fließt, wobei die axiale Richtung der Strömung zwischen den benachbarten Segmenten 62 an Positionen umgekehrt wird, die den Endkappen 68, 70 nahe sind. Mit anderen Worten, definieren die Strömungspfadsegmente 62 mehrere Kanalpaare 63, wobei für jedes Kanalpaar 63 die Endkappe 68 oder 70 die Strömung von einem der Kanäle 63a des Kanalpaares zum anderen Kanal 63b des Paares umlenkt. In dieser Hinsicht wird darauf hingewiesen, dass an einem axialen Ende ein spezieller Kanal (zum Beispiel 63a) gepaart wird mit dem benachbarten Kanal (zum Beispiel 63b) auf einer peripheren Seite des speziellen Kanals, und wird am anderen axialen Ende mit dem benachbarten Kanal (zum Beispiel 63c) auf der anderen peripheren Seite des speziellen Kanals gepaart, um dadurch einen serpentinenförmigen Pfad zu definieren.
Es wird ferner darauf hingewiesen, dass zwar das gezeigte Ausführungsbeispiel einen Strömungspfad nutzt, bei dem sich die Strömungsrichtung an jedem einzelnen Durchgang ändert, alternative Ausführungsformen aber einen Strömungsweg nutzen könnten, bei dem zwei oder mehr benachbarte Strömungskanäle als ein Kanal behandelt werden und einen Fluidstrom in derselben Richtung haben. Dieser Fluidstrom würde dann umgekehrt werden und zu einer ähnlichen Gruppierung von benachbarten Durchgängen vermittelt werden, die für einen Fluidstrom in der entgegengesetzten Richtung sorgen.
Durchbrüche an den Enden der Rippen 56a können sich an beiden axialen Enden der mehreren Rippen oder nur an einem axialen Ende befinden. Wenn zum Beispiel alle Rippen Durchbrüche haben, die einen Durchgang 78a definieren, hat eine Rippe einen Durchbruch an einem Ende und die zwei Rippen auf jeder Seite haben einen Durchbruch am entgegengesetzten Ende derart, dass die Durchbrüche von einem axialen Ende zum anderen sich abwechseln und damit einen serpentinenförmigen Pfad definieren. Wenn Durchbrüche sich nur an einem axialen Ende befinden, hat jede zweite Rippe die volle Länge. Zum Beispiel kann es vorteilhaft sein, wenn eine Endkappe beide Durchgänge 78 und den Einlass 72 und den Auslass 74 definiert, während die entgegengesetzte Endkappe eine ebene Oberfläche 80 hat. In solch einer Ausführungsform würden die Rippen sich bis zur axialen Begrenzung der Gehäuseelemente 52, 54 an dem Ende erstrecken, wo die Endkappe die Durchgänge 78, den Einlass 72 und den Auslass 74 definiert, während die Endkappe mit ebener Oberfläche 80 sich am entgegengesetzten axialen Ende der Gehäuseelemente 52, 54 befindet, an denen die Durchgänge 78a, die durch Durchbrüche in den Rippen 56a definiert sind, sich befinden.
Die Durchgänge 78 in den Endkappen 68, 70 definieren eine entscheidende Fläche der Endkappen 68, 70, die in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel ist, das durch die Gehäusebaugruppe 50 fließt, und dadurch für die Übertragung von Wärmeenergie von den Endkappen 68, 70 auf das Kühlmittel in einer Weise sorgt, die ähnlich der ist, wie das innere Gehäuseelement 52 Wärmeenergie von der Statorbaugruppe 24 auf das Kühlmittel überträgt. Dies ermöglicht es, dass die Endkappen 68, 70 bei der Kühlung der Statorbaugruppe 24 helfen und/oder andere Teile der elektrischen Maschine 20 kühlen, wie detaillierter unten diskutiert wird. Während die Endkappe 68a mit ihrer im Wesentlichen ebenen Oberfläche 80 keine so große Fläche bereitstellt, wie die Durchgänge 78, trifft auf sie der Fluidstrom innerhalb des Durchgangs 78a auf. Dieser direkte Kontakt mit dem Kühlmittel koppelt thermisch die Masse der Endkappe 68a mit dem Kühlmittel, das durch die Gehäusebaugruppe 50 in einer Weise ähnlich wie die Durchgänge 78 fließt. Es ist im Allgemeinen vorteilhaft, die ebene Oberfläche 80 unter einem rechten Winkel zur Achse 30 auszurichten, wie in 13 dargestellt, um die Herstellung der Gehäusebaugruppe 50 zu vereinfachen, jedoch kann die Ausrichtung der Oberfläche 80 geändert werden, wenn eine spezielle Anwendung der elektrischen Maschine 20 von einer solchen Änderung profitieren würde. Eine weitere Modifizierung, die bei den Durchgängen 78 in Endkappen 68, 70 vorgenommen werden kann, ist die Verwendung von Vorsprüngen oder anderen Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche der Durchgänge 78, um für eine vergrößerte Oberfläche für die Wärmeübertragung zu sorgen oder um Turbulenz im Fluidstrom zu erzeugen.
Das Kühlmittel, das durch die Gehäusebaugruppe 50 fließt, zirkuliert durch ein Kühlsystem (nicht dargestellt), das eine Vorrichtung zum Entfernen von Wärme aus dem Kühlmittel umfasst, zum Beispiel einen Radiator oder eine ähnliche Wärmetauschvorrichtung, und umfasst vorteilhafterweise eine Pumpe oder ähnliche Vorrichtung zum Umwälzen des Kühlmittels durch das Gehäuse 50. So wird die Wärme, die durch das Kühlmittel während seines Durchgangs durch die Gehäusebaugruppe 50 übertragen wird, entfernt, nachdem das Kühlmittel aus der Gehäusebaugruppe durch den Auslass 74 austritt und bevor es zur Gehäusebaugruppe 50 durch den Einlass 72 zurückkehrt. Es wird auch darauf hingewiesen, dass die Gehäusebaugruppe 50 Teil eines größeren und komplexeren Kühlsystems sein kann, das das Kühlmittel durch mehrere Vorrichtungen umwälzt, die das Entfernen von Wärme erfordern. Die Verwendung eines solchen Kühlsystems, wie zum Beispiel Kühlsysteme, die in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren zu finden sind, ist den Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt.
Das innere und das äußere Gehäuseelement 52, 54 können aus einer Reihe von Materialien hergestellt werden. Das innere Gehäuseelement 52 muss aus einem Material gebildet sein, das Wärme von der Statorbaugruppe 24 zum Kühlmittel übertragen kann, und es ist allgemein vorteilhaft, das äußere Gehäuseelement 54 aus demselben oder einem ähnlichen Material zu bilden, wobei beide Gehäuseelemente 52, 54 denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind das innere und das äußere Gehäuseelement 52, 54 beide aus einem Aluminiummaterial gebildet. Die Verwendung von Aluminium zum Bilden der Gehäuseelemente 52, 54 ist vorteilhaft, wenn es wünschenswert ist, das Gewicht der elektrischen Maschine 20 zu minimieren, wie zum Beispiel wenn die elektrische Maschine 20 in einem Fahrzeug verwendet wird. Andere metallische Materialien können jedoch ebenfalls verwendet werden, um die Gehäuseelemente 52, 54 zu bilden, und können vorteilhaft sein, wenn das Minimieren des Gewichts der elektrischen Maschine 20 nicht erwünscht ist.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel erleichtert die Konfiguration der inneren und äußeren Gehäuseelemente 52, 54 ihre kosteneffiziente Herstellung. Genauer gesagt, hat jedes der Gehäuseelemente 52, 54 einen Querschnitt senkrecht zur Achse 30, der im Wesentlichen gleichförmig entlang der gesamten axialen Länge 53 der Gehäuseelemente 52, 54 ist, so dass beide Gehäuseelemente 52, 54 unter Verwendung eines Extrusionsprozesses hergestellt werden können. Nach dem Schneiden der Gehäuseelemente 52, 54 auf Länge kann weitere Bearbeitung erforderlich sein, aber solche Bearbeitungsschritte sind, falls erforderlich, relativ unbedeutend. Zum Beispiel können Bohrlöcher mit Gewinde und kreisförmige Nuten in den axialen Endflächen der Gehäuseelemente 52, 54 gebildet werden, um für die Befestigung der Endkappen 66, 68 und die Befestigungsfläche von O-Ringen oder anderen Dichtungselementen zu sorgen, um die Verbindungsstelle zwischen den Gehäuseelementen 52, 54 und den Endkappen 66, 68 abzudichten. In Ausführungsformen, die gekürzte Rippen 56a nutzen, muss das Ende der Rippen 56a durch maschinelle Bearbeitung oder ein anderes geeignetes Mittel entfernt werden, um die Durchgänge 78a zu bilden. Ein kleiner Umfang an zusätzlicher maschineller Bearbeitung kann auch wünschenswert sein, wie zum Beispiel die Bildung von Befestigungsstellen zum Befestigen der Gehäusebaugruppe 50 an einem Fahrzeugrahmen oder zum Verrasten des inneren Gehäuseelementes 52 mit der Statorbaugruppe 24 oder zum Bilden sekundärer Merkmale in der Gehäusebaugruppe 50. Es wäre auch möglich, das äußere Gehäuseelement 54 maschinell zu bearbeiten, um den Einlass 72 und den Auslass 74 zu bilden, statt diese Merkmale an einer der Endkappen zu bilden.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel müssen die Endkappen 68, 70 durch Gießen eines Aluminiummaterials gebildet werden, jedoch können auch andere geeignete Mittel und Materialien zum Bilden der Endkappen 68, 70 verwendet werden. Wie oben erwähnt, können O-Ringe oder andere Dichtungselemente 82 verwendet werden, um für eine Dichtung zwischen Endkappen 68, 70 und Gehäuseelementen 52, 54 mit zwei O-Ringen 82 an jedem axialen Ende zu sorgen. So, dass an jedem Ende ein O-Ring radial einwärts von dem des Zwischenraum 60 zwischen dem inneren Gehäuseelement 52 und der Endkappe positioniert ist, und ein O-Ring radial auswärts des Zwischenraums 60 zwischen dem äußeren Gehäuseelement 54 und der Endkappe positioniert ist. Mit anderen Worten, die O-Ringe 82 sind an jedem axialen Ende des inneren und des äußeren Gehäuseelementes 52, 54 angeordnet und zwischen dem inneren und dem äußeren Gehäuseelement 52, 54 und den Endkappen 52, 54 angeordnet. Obwohl das gezeigte Ausführungsbeispiel O-Ringe verwendet, um für eine Abdichtung zu sorgen, können auch andere Arten von Dichtungselementen, wie zum Beispiel Flachdichtungen und flüssige Dichtungsmittel, alternativ als Dichtungselemente 82 verwendet werden.
Die Endkappen 68, 70 können mit schraubbaren Befestigungsmitteln 84 oder anderen geeigneten Mitteln befestigt werden. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel haben die Endkappen 68, 70 sich axial erstreckende Bohrungen 85, durch die Befestigungsmittel 84 eingeführt werden können. Mit Gewinde versehene Bohrlöcher 86, die sich in einem oder beiden sich axial erstreckenden Gehäuseelementen 52, 54 befinden, sind im Eingriff mit Befestigungsmitteln 84, um dadurch die Endkappen 68, 70 an den Gehäuseelementen 52, 54 zu befestigen. Durch Verwendung von relativ breiten Rippen 56 können die Bohrlöcher 86 mit Gewinde vorteilhaft in den Rippen 56 platziert werden. In der illustrierten Ausführungsform hat das Gehäuseelement 52 einen rohrförmigen Teil 88, der eine radiale Dicke 90 definiert, während die Rippen 56 eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Breite 92 definieren, die größer als die radiale Dicke 90 ist. In der illustrierten Ausführungsform hat jede Rippe 56 ein Bohrloch 86 mit Gewinde an nur einem Ende, wobei benachbarte Rippen 56, die Bohrlöcher 86 an entgegengesetzten Enden haben, so dass die Endkappe 68 an jeder zweiten Rippe 56 befestigt ist, während die Endkappe 70 ebenfalls an jeder zweiten Rippe 56 befestigt ist, wobei jede Rippe 56 nur an einer der Endkappen mit einem schraubbaren Befestigungsmittel befestigt ist. Es wäre auch möglich, sowohl dünne wie auch dicke Rippen in einer einzigen Ausführungsform einzusetzen, wobei nur die dicken Rippen Gewindebohrungen für die Befestigung der Endkappen haben.
Die Verwendung von Bohrlöchern 86 mit Gewinde, die in den Rippen 56 positioniert sind, ermöglicht, dass die schraubbaren Befestigungsmittel unmittelbar am radialen Mittelpunkt des Zwischenraums 60 positioniert werden können. Dies ermöglicht, dass die Endkappen an den inneren und äußeren Gehäuseelementen 52, 54 bei im Wesentlichen äquivalenten und ausgeglichenen axial gerichteten Kräften anliegen, was den dichtenden Eingriff der Kappen 68, 70 mit den Gehäuseelementen 52, 54 über die Lebensdauer der elektrischen Maschine 20 erleichtert. Es ermöglicht auch, dass der rohrförmige Teil jedes Gehäuseelementes 52, 54 auf der Basis von strukturellen und Leistungserwägungen bemessen wird, die nicht die Notwendigkeit enthalten, dass ein Bohrloch mit Gewinde in den rohrförmigen Teilen enthalten ist. Bei vielen Anwendungen kann dies ermöglichen, dass der rohrförmige Teil eine kleinere radiale Dicke hat, als er hätte, wenn die Bohrlöcher 86 mit Gewinde in den rohrförmigen Teilen der sich axial erstreckenden Gehäuseelemente positioniert wären. Es wird ferner darauf hingewiesen, dass diese Konfiguration mit vergrößerten Rippen, die Bohrlöcher mit Gewinde definieren, auch in Ausführungsformen genutzt werden können, wo die Rippen sich vom äußere Gehäuseelement 54 aus nach innen erstrecken, statt vom inneren Gehäuseelement 52 aus nach außen.
Es wird zusätzlich darauf hingewiesen, dass statt der Verwendung von Sacklochbohrungen mit Gewinde in den Rippen 56 die Bohrungen 86 ohne Gewinde sein können und sich über die volle axiale Länge von Rippen 56 erstrecken können. In solch einer Ausführungsform können sich zur Befestigung lange Bolzen an einem Ende durch eine Endkappe durch die Rippen 56 erstrecken und durch die entgegengesetzte Endkappe. In solch einer Ausführungsform würde die gleichförmige Kompression der Dichtungselemente erleichtert werden, und die Zahl von Befestigungselementen wäre reduziert. In solch einer alternativen Ausführungsform könnten des Weiteren die Bohrungen in den Rippen 56 extrudiert sein, statt Bohrungen mit Gewinde maschinell in Rippen 56 herzustellen. Sowohl für die Ausführungsform mit langen Bolzen mit Bohrungen, die sich über die volle Länge von Rippen 56 erstrecken, als auch für Ausführungsformen, die Sacklochbohrungen in Rippen 56 verwenden, wären die Befestigungsmittel im Eingriff mit Endkappen 68, 70 und würden sich in die Bohrungen hinein erstrecken, die sich in den Rippen 56 befinden.
Wie oben erwähnt, rotieren die Welle 32 und die Rotorbaugruppe 22 zusammen um die Achse 30 und werden drehbar von den Lagerbaugruppen 34, 36 abgestützt. Die Lagerbaugruppen 34, 36 sind in Naben 35, 37 befestigt, die an den Endkappen 68, 70 gebildet sind. Im Ergebnis dessen wirken die Endkappen 68. 70 als Wärmesenken für die Lagerbaugruppen 34, 36. Da außerdem die Endkappen thermisch mit dem Kühlmittel verbunden sind, das durch die Gehäusebaugruppe 50 zirkuliert, entfernt das Kühlmittel überschüssige Wärme von den Endkappen 68, 70. Die Endkappen 68, 70 können daher Wärme aus den Lagerbaugruppen 34, 36 entfernen. Obwohl das Entfernen von Wärme aus den Lagerbaugruppen 34, 36 beschränkt sein kann, könnte es in einigen Anwendungen die Verwendung eines inkrementell kleineren Lagers ermöglichen und daher für die kosteneffizientere Herstellung der elektrischen Maschine 20 sorgen.
Eine bedeutendere sekundäre Funktion der Endkappe 70 ist das Kühlen von elektronischen Komponenten 94. In der illustrierten Ausführungsform umfassen die elektronischen Komponenten 94 eine gedruckte Schaltungsplatine mit Steuerungsschaltung zum Steuern des Betriebs der elektrischen Maschine 20 und einen Inverter zum Konvertieren von DC-Strom von der Fahrzeugbatterie in AC-Strom für den Antrieb der elektrischen Maschine 20. Alternative Ausführungsformen können jedoch verschiedene elektronische Komponenten einsetzen oder zusätzliche elektronische Komponenten umfassen. Zum Beispiel könnte die elektrische Maschine 20 auch als Generator fungieren und mit einem Gleichrichter zum Umwandeln des AC-Stroms, der von der elektrischen Maschine erzeugt wird, in DC-Strom zum Aufladen der Batterie versehen sein.
Die thermische Kopplung von elektronischen Komponenten 94 mit der Endkappe 70, zum Beispiel durch Befestigen der Komponenten 94 an der Endkappe 70, ermöglicht, dass die Endkappe 70 als Wärmesenke für die elektronischen Komponenten 94 wirkt. Außerdem entfernt die thermische Kopplung der Endkappe 70 mit dem Kühlmittel, das durch die Gehäusebaugruppe 50 zirkuliert, Wärme von der Endkappe 70 und kühlt damit aktiv die elektronischen Komponenten 94. Diese Anordnung mit der Endkappe 70 als Wärmesenke und das aktive Kühlen von elektronischen Komponenten 94 kann das Halten der elektronischen Komponenten 94 in ihrem zulässigen Temperaturbereich über einen breiten Bereich von Betriebsbedingungen für die elektrische Maschine 20 erleichtern.
Die elektronischen Komponenten 94 werden vorteilhaft radial nach innen und axial dicht bei den Durchgängen 78 mit Richtungsänderung am Ende positioniert werden, die innerhalb der Endkappe 70 definiert sind. Es wird darauf hingewiesen, dass die Statorwicklungen 48 sich axial über den Statorkern 46 hinaus erstrecken und der äußerste Teil der Wicklungen distale Begrenzungen 96, 98 der Wicklungen an entgegengesetzten axialen Enden der elektronischen Maschine definiert. Analog definiert der serpentinenförmige Pfad 76 zwei entgegengesetzte axiale Begrenzungen 100, 102 für den serpentinenförmigen Strömungspfad. Das Erweitern der axialen Begrenzungen 100, 102 des serpentinenförmigen Pfades 76 über die distalen Begrenzungen 96, 98 der Statorwicklungen 48 hinaus sorgt im Allgemeinen nicht für einen bedeutungsvollen Beitrag zur Kühlung der Statorbaugruppe 24. Im Ergebnis dessen ist es im Allgemeinen vorteilhaft für die Endkappe, die am axialen Ende ohne elektronische Komponenten 94 positioniert ist, eine axiale Begrenzung 102 für den serpentinenförmigen Pfad 76 zu definieren, die dicht bei der distalen Begrenzung 98 der Statorwicklungen 48 liegt. Nur wenn das Erweitern des serpentinenförmigen Pfades 76 über die distale Begrenzung 98 einem gewissen Zweck dient, der nicht die Kühlung der Statorbaugruppe 24 ist, führt die Erweiterung des serpentinenförmigen Pfades über die distale Begrenzung der Statorwicklungen 48 wahrscheinlich zu Vorteilen.
Am axialen Ende der elektronischen Maschine 20, wo sich elektronische Komponenten 94 befinden, d. h. die Endkappe 70 in der illustrierten Ausführungsform, kann das Konfigurieren der Endkappe, wodurch die axiale Begrenzung 100 für den serpentinenförmigen Pfad 76 axial jenseits der distalen Begrenzung 96 der Statorwicklungen 48 positioniert wird, für die Kühlung von elektronischen Komponenten 94 oder eines Merkmals der elektrischen Maschine 20, das nicht die Statorbaugruppe 24 ist, sorgen. Wie zum Beispiel durch die illustrierte Ausführungsform veranschaulicht, können elektronische Komponenten 94 vorteilhaft vollständig axial oder zumindest teilweise zwischen der distalen Begrenzung 96 der Statorwicklungen 48 und der axialen Begrenzung 100 des serpentinenförmigen Pfades 76 positioniert werden, um die effiziente Übertragung von Wärme von den elektronischen Komponenten 94 zur Endkappe 70 zu erleichtern.
Es wird auch darauf hingewiesen, dass das Erweitern des serpentinenförmigen Pfades 76 über eine oder mehrere distale Begrenzungen 96, 98 der Statorwicklungen 48 hinaus auch einen anderen Zweck als das Kühlen eines Teils der elektrischen Maschine 20 haben kann. Solch eine axiale Erweiterung des serpentinenförmigen Pfades 76 könnte zum Beispiel genutzt werden, um Wärme aus dem Kühlmittel zu entfernen. In solch einer alternativen Ausführungsform könnte die Endkappe Rippen umfassen, die Wärme aus dem Kühlmittel in die Umgebung zerstreuen, um Wärme aus dem Kühlmittel zu entfernen.
In der illustrierten Ausführungsform ist eine Abdeckplatte 104 am axialen Ende der Endkappe 70 positioniert und sorgt für Schutz für die elektronischen Komponenten 94 und die Sensorbaugruppe 40. Die Abdeckplatte 104 ist mit Befestigungsmitteln 84 befestigt, die zum Befestigen der Endkappe 70 an den Rippen 56 verwendet werden. Eine zentrale Öffnung in der Abdeckplatte 104 ist ausgekleidet mit einer Durchführungstülle 106 und ermöglicht den Eintritt von Verdrahtung (nicht dargestellt). Die Verdrahtung transportiert elektrischen Strom für den Antrieb der elektrischen Maschine 20 und transportiert auch Leitungen, die zum Übertragen von Sensordaten und Steuersignalen zwischen der Sensorbaugruppe 40, den elektronischen Komponenten 94 und einem externen Controller verwendet werden, wie zum Beispiel die elektronische Steuereinheit (”ECU”) eines Fahrzeugs.
Obwohl diese Erfindung so beschrieben wurde, dass sie eine beispielhafte Konstruktion besitzt, kann die vorliegende Erfindung ferner im Geiste und Geltungsbereich dieser Offenbarung modifiziert werden. Diese Anwendung soll daher alle Variationen, Verwendungen oder Adaptationen der Erfindung unter Verwendung ihrer allgemeinen Prinzipien abdecken.

Claims

Elektrische Maschine mit: einem Stator, der betriebsbereit mit einem Rotor gekoppelt ist, wobei der Stator einen Statorkern und mehrere Wicklungen umfasst und der Rotor um eine Rotationsachse drehbar ist; einer Gehäusebaugruppe, die eine erste und eine zweite Endkappe sowie ein inneres und ein äußeres sich axial erstreckendes Gehäuseelement umfasst, wobei: der Statorkern innerhalb des und thermisch mit dem inneren, sich axial erstreckenden Gehäuseelement gekoppelt angeordnet ist und das äußere, sich axial erstreckende Gehäuseelement um das innere, sich axial erstreckende Gehäuseelement herum angeordnet ist und radial dazwischen einen Zwischenraum definiert; mehrere Rippen sich radial von dem inneren oder dem äußeren Gehäuseelement in den Zwischenraum erstrecken, wobei jede der Rippen ein distales Element hat, das in Kontakt mit dem entgegengesetzten Gehäuseelement ist, wobei das entgegengesetzte Gehäuseelements eine rohrförmige Hülse mit einer im Wesentlichen glatten Wandfläche ist, die dem Zwischenraum zugewandt ist; wobei die mehreren Rippen mehrere sich axial erstreckende Strömungspfadsegmente innerhalb des Zwischenraums definieren; und wobei die erste und die zweite Endkappe die entgegengesetzten axialen Enden des Zwischenraums abdichtend verschließen und die Gehäusebaugruppe einen Einlass und einen Auslass definiert, wobei ein flüssiges Kühlmittel in den Einlass eintritt, entlang eines Strömungspfads fließt, der die mehreren, sich axial erstreckenden Strömungspfadsegmente umfasst, und durch den Auslass austritt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei die mehreren Rippen sich von dem inneren Gehäuseelement aus radial nach außen erstrecken und die im Wesentlichen glatte Wandfläche eine radial nach innen weisende zylindrische Fläche ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei das innere und das äußere Gehäuseelement und die erste und die zweite Endkappe einen serpentinenförmigen Pfad für das flüssige Kühlmittel definieren, wobei das flüssige Kühlmittel in entgegengesetzten axialen Richtungen Segmenten der Strömungspfadsegmente, die in Umfangsrichtung benachbart sind, fließt, wobei die axiale Richtung der Strömung zwischen den benachbarten Segmenten an Positionen umgekehrt wird, die der ersten und der zweiten Endkappe benachbart sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 3, wobei das innere und das äußere Gehäuseelement im Wesentlichen dieselbe axiale Länge haben und wobei jede der mehreren Rippen eine axiale Ausdehnung hat, die im Wesentlichen der axialen Länge des inneren und des äußeren Gehäuseelements entspricht.
Elektrische Maschine nach Anspruch 4, wobei jede der ersten und zweiten Endkappen mehrere Durchgänge zur Strömungsumkehr definiert, die Fluid zwischen den benachbarten Segmenten übermitteln.
Elektrische Maschine nach Anspruch 3, wobei das innere und das äußere Gehäuseelement im Wesentlichen dieselbe axiale Länge haben und mindestens einige der mehreren Rippen gekürzt sind und eine axiale Ausdehnung haben, die kleiner als die axiale Länge des inneren und des äußeren Gehäuseelementes ist, wobei die gekürzten Rippen einen Durchgang definieren, der Fluid zwischen den benachbarten Segmenten vermittelt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 6, wobei mindestens eine der Endkappen eine im Wesentlichen ebene Fläche definiert, die mit den inneren und äußeren Gehäuseelementen unmittelbar an den Durchgängen in Eingriff gebracht werden kann, welche durch die verkürzten Rippen definiert werden.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei das innere und das äußere Gehäuseelement jeweils eine axiale Länge haben und einen Querschnitt definieren, der im Wesentlichen gleichförmig entlang der ganzen axialen Länge des jeweiligen Gehäuseelementes ist, wobei das innere und das äußere Gehäuseelement jeweils extrudierbar sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 8, wobei das entgegengesetzte des inneren und des äußeren Gehäuseelementes eine im Wesentlichen zylindrische Hülse ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 8, die ferner vier Dichtungselemente umfasst, wobei sich eines der Dichtungselemente an jedem axialen Ende jeweils das innere und das äußere Gehäuseelemente befindet und jedes der Dichtungselemente abdichtend in Kontakt mit einer der Endkappen und dem inneren oder dem äußeren Gehäuseelement ist und zwischen denselben angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei das innere und das äußere Gehäuseelement, das mehrere Rippen hat, die sich von dort aus erstrecken, einen rohrförmigen Teil hat, der eine radiale Dicke hat, und wobei mindestens einige der mehreren Rippen eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Breite haben, die größer als die radiale Dicke des rohrförmigen Teils ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 11, wobei die erste und die zweite Endkappen mit Verbindungselementen befestigt sind, die Gewinde aufweisen und sich in Bohrlöcher hinein erstrecken, welche sich in den Rippen befinden, deren Umfangsbreiten größer als die radiale Dicke des rohrförmigen Teils sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei die erste Endkappe mehrere Durchgänge zur Strömungsumkehr definiert, die peripher am ersten axialen Ende des Stators angeordnet sind und an dasselbe angrenzen, wobei die Strömungsumkehr-Durchgänge Fluid zwischen den benachbarten Segmenten vermitteln und wobei die elektrische Maschine ferner eine elektronische Komponente umfasst, die thermisch mit der ersten Endkappe verbunden ist, wobei die elektronische Komponente radial einwärts angeordnet ist und axial an die Durchgänge zur Strömungsumkehr angrenzt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 13, wobei der Strömungspfad einen serpentinenförmigen Pfad definiert, wobei die erste Endkappe eine erste axiale Begrenzung für den serpentinenförmigen Pfad axial jenseits einer distalen Begrenzung der Windungen am ersten axialen Ende definiert und wobei die elektronische Komponente zumindest teilweise zwischen der distalen Begrenzung der Windungen am ersten axialen Ende und der ersten axialen Begrenzung für den serpentinenförmigen Pfad angeordnet ist.
Elektrische Maschine mit: einem Stator, der betriebsbereit mit einem Rotor verbunden ist, wobei der Stator einen Statorkern und mehrere Wicklungen aufweist und der Rotor um eine Rotationsachse drehbar ist; einer Gehäusebaugruppe, die eine erste und eine zweite Endkappe sowie ein inneres und ein äußeres sich axial erstreckende Gehäuseelement umfasst, wobei: der Statorkern innerhalb des und thermisch mit dem inneren, sich axial erstreckenden Gehäuseelement gekoppelt angeordnet ist und das äußere, sich axial erstreckende Gehäuseelement um das innere, sich axial erstreckende Gehäuseelement herum angeordnet ist und einen Zwischenraum radial dazwischen definiert; mehrere Rippen sich radial von dem inneren oder dem äußeren Gehäuseelement in den Zwischenraum hinein erstrecken, wobei jede der Rippen ein distales Ende hat, das in das entgegengesetzte Element des inneren oder des äußeren Gehäuseelementes eingreift; wobei die mehreren Rippen mehrere sich axial erstreckende Strömungspfadsegmente innerhalb des Zwischenraums definieren; und wobei das inneren und das äußere Gehäuseelement jeweils eine axiale Länge und einen Querschnitt definieren, der im Wesentlichen entlang der gesamten axialen Länge des jeweiligen Gehäuseelementes gleichförmig ist, wobei das inneren und das äußere Gehäuseelement jeweils durch Strangpressen hergestellt sein können; das Gehäuseelement, das einen rohrförmigen Teil aufweist, der eine radiale Dicke hat, wobei zumindest einige der mehreren Rippen eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Breite haben, die größer als die radiale Dicke des rohrförmigen Teils ist; und mehrere Befestigungsmittel, die in die ersten und zweiten Endkappen eingreifen und sich in die Bohrungen hinein erstrecken, die sich in den Rippen befinden, welche Umfangsbreiten haben, die größer als die radiale Dicke des rohrförmigen Teils sind, um so die erste und zweite Endkappe an einem der Gehäuseelemente zu befestigen, wobei die erste und die zweite Endkappe die entgegengesetzten axialen Enden des Zwischenraums abdichtend schließen und einen Einlass und Auslass definieren, wobei ein flüssiges Kühlmittel in den Einlass eintritt, entlang des serpentinenförmigen Strömungspfades fließt, der durch das innere und das äußere Gehäuseelement und die erste und die zweite Endkappen mit dem flüssigen Kühlmittel definiert ist, und durch den Auslass austritt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 15, wobei die Bohrungen, die sich in den Rippen befinden, Gewindebohrungen sind, die mit dem Gewinde in die mehreren Befestigungsmittel eingreifen.
Elektrische Maschine nach Anspruch 15, wobei das innere und das äußere Gehäuseelement und die erste und die zweite Endkappe einen serpentinenförmigen Pfad für das flüssige Kühlmittel definieren, wobei das flüssige Kühlmittel in entgegengesetzten axialen Richtungen in Segmenten des Strömungspfads, die in Umfangsrichtung benachbartsind, fließt, wobei die axiale Richtung der Strömung zwischen den benachbarten Segmenten an Positionen umgekehrt wird, die den ersten und zweiten Endkappen benachbart sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 17, wobei das innere und das äußere Gehäuseelemente im Wesentlichen dieselbe axiale Länge haben und wobei die mehreren Rippen eine axiale Ausdehnung haben, die im Wesentlichen der axialen Länge des ersten und des zweiten Gehäuseelementes entspricht, und wobei die erste und die zweite Endkappe mehrere Durchgänge definiert, die Fluid zwischen den benachbarten Segmenten vermitteln.
Elektrische Maschine nach Anspruch 18, wobei das innere und das äußere Gehäuseelement im Wesentlichen dieselbe axiale Länge haben und mindestens einige der mehreren Rippen gekürzt sind und eine axiale Ausdehnung haben, die kleiner als die axiale Länge des inneren und des äußeren Gehäuseelementes ist, wobei die gekürzten Rippen einen Durchgang definieren, der Fluid zwischen den benachbarten Segmenten vermittelt und wobei mindestens eine der Endkappen eine im Wesentlichen planare Fläche definiert, in die das innere und das äußere Gehäuseelement eingreifen können, die in der Nähe der Durchgänge sind, welche durch die verkürzten Rippen definiert werden.
Elektrische Maschine nach Anspruch 15, wobei der Rotor auf einer Welle befestigt ist und der Rotor und die Welle sich zusammen um die Rotationsachse drehen; und die elektrische Maschine zudem erste und zweite Lagerbaugruppen aufweist, die die Welle drehbar an entgegengesetzten axialen Enden stützen, wobei die erste Lagerbaugruppe auf der ersten Endkappe montiert ist und die zweite Lagerbaugruppe auf der zweiten Endkappe montiert ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 15, wobei die mehreren Rippen sich vom inneren Gehäuseelement aus radial nach außen erstrecken, und das äußere Gehäuseelement eine rohrförmige zylindrische Hülse mit im Wesentlichen glattwandigen radial nach innen weisenden und radial nach außen weisenden Flächen ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 15, die ferner vier Dichtungselemente umfasst, wobei sich eines der Dichtungselemente an jedem axialen Ende der ersten und zweiten Gehäuseelemente befindet, und jedes der Dichtungselemente abdichtend in Kontakt mit der ersten oder der zweiten Endkappe und dem inneren oder dem äußeren Gehäuseelement ist und zwischen denselben angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 15, wobei die erste Endkappe mehrere Durchgänge zur Strömungsumkehr definiert, die peripher am ersten axialen Ende des Stators angeordnet sind und an dasselbe angrenzen, wobei die Strömungsumkehr-Durchgänge Fluid zwischen den benachbarten Segmenten vermitteln und wobei die elektrische Maschine ferner eine elektronische Komponente umfasst, die thermisch mit der ersten Endkappe verbunden ist, wobei die elektronische Komponente radial einwärts angeordnet ist und axial an die mehreren Strömungsumkehr-Durchgänge angrenzt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 23, wobei die erste Endkappe eine erste axiale Begrenzung für den serpentinenförmigen Pfad definiert, axial jenseits einer distalen Begrenzung der Windungen am ersten axialen Ende, und wobei die elektronische Komponente zumindest teilweise zwischen der distalen Begrenzung der Windungen am ersten axialen Ende und der ersten axialen Begrenzung für den serpentinenförmigen Pfad angeordnet ist.