DE112015001505T5

DE112015001505T5 - Elektrische Maschine mit Wärmeübertragungsverstärker

Info

Publication number: DE112015001505T5
Application number: DE112015001505.1T
Authority: DE
Inventors: Bradley D. Chamberlin; Dave Fulton; Jeffrey H. Burns
Original assignee: Remy Technologies LLC
Current assignee: Remy Technologies LLC
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2015-03-24
Publication date: 2017-02-16
Also published as: US20150280526A1; WO2015148537A1; CN106133855A

Abstract

Eine elektrische Maschine weist einen Kern auf, welcher ein erstes axiales Ende, ein zweites axiales Ende gegenüber dem ersten axialen Ende und eine Vielzahl von Schlitzen definiert, welche sich zwischen dem ersten axialen Ende und dem zweiten axialen Ende erstrecken. Windungen sind auf den Kern aufgewickelt. Die Windungen weisen in Schlitzen angeordnete Bereiche, welche in der Vielzahl von Schlitzen angeordnet sind, und Wendebereiche auf, welche an dem ersten axialen Ende und dem zweiten axialen Ende angeordnet sind. Ein Kühlrohr ist mit den Wendeabschnitten der Windungen verbunden. Ein Wärmeübertragungselement erstreckt sich zwischen dem Kühlrohr und den Windungen und steht in Kontakt mit dem Kühlrohr und den Windungen.

Description

GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der elektrischen Maschinen, insbesondere Kühlanordnungen für elektrische Maschinen.
HINTERGRUND
Elektrische Maschinen gibt es in verschiedenen Formen, und finden in verschiedenen Applikationen Verwendung. Herkömmliche beispielhafte elektrische Maschinen weisen AC- und DC-Motoren, Induktionsmaschinen, Permanentmagnetmaschinen, Synchronmaschinen, Asynchronmaschinen, sowie zahlreiche andere Typen und Konfigurationen elektrischer Maschinen auf. Die meisten elektrischen Maschinen weisen einen Rotor und einen Stator auf, mit Windungen, welche wenigstens auf einem von dem Stator und dem Rotor angeordnet sind. Eine herkömmliche Verwendung der elektrischen Maschine ist die einer Lichtmaschine im Automobilbereich und in Schwerlastfahrzeug-Applikationen. Eine andere herkömmliche Verwendung der elektrischen Maschine ist die eines Antriebssystems in Elektro- und Hybridfahrzeugen. Diese Applikationen erfordern oft elektrische Maschinen mit relativ hoher Leistung, welche dazu geeignet sind, ein relativ hohes Drehmoment zu erzeugen.
In Hochleistungsmaschinen mit hohem Drehmoment wird in den Windungen der elektrischen Maschine viel Wärme erzeugt. Es ist gewünscht diese Wärme von den elektrischen Maschinen abzuleiten, um die Lebensdauer, die Ausfallsicherheit und die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine zu erhöhen. Dies trifft insbesondere auf die Statoreinheit in dicht gewickelten elektrischen Maschinen zu, da übermäßige Hitze das mit den Windungen der elektrischen Maschinen verbundene Isolationssystem zerstören kann und dadurch auch die Leistung und die Effizienz der elektrischen Maschine verringern kann.
Eine Statoranordnung einer typischen dicht gewickelten elektrischen Maschine ist in den 1 bis 3 gezeigt. Wie in 1 dargestellt, weist die elektrische Maschine einen Stator 12 mit einem Statorkern 14 und Drei-Phasen-Wicklungen 16 auf, welche auf dem Statorkern 14 angeordnet sind. Die Drei-Phasen-Wicklungen 16 sind in Schlitzen 38 gewunden, welche in dem Statorkern gebildet sind. In einigen elektrischen Maschinen wird ein Windungsisolator 18 (welcher im Folgenden auch als Spulenkörper bezeichnet wird) an den Enden des Statorkerns 14 in die Schlitze 38 eingeführt, wie in 2 dargestellt. Der Spulenkörper 18 trennt die Wicklungen 16 von dem Statorkern 14 und stellt sowohl eine elektrische, als auch eine thermische Isolation zwischen den Wicklungen 16 und dem Statorkern 14 bereit. Der Spulenkörper 18 kann zwei Abschnitte 18A und 18B aufweisen, welche, wie durch die Pfeile 20 angedeutet, in die Enden des Statorkerns eingeführt werden. In anderen elektrischen Maschinen wird kein Spulenkörper 18 als Isolator verwendet und andere Isolationsmittel werden dazu verwendet, um die Wicklungen 16 von dem Kern 14 zu isolieren, wie beispielsweise flammenbeständiges Meta-Aramid-Papier und Emaille.
Wie in 3 dargestellt, ist der Stator 12 über einem Luftspalt 24 eines Rotors 22 der elektrischen Maschine 10 angeordnet. Wie oben festgestellt wurde, wird in den Statorwicklungen 16 und dem Kern 14 während des Betriebs der elektrischen Maschine 10 Wärme erzeugt. Verschiedene Verfahren und Anordnungen zum Kühlen der elektrischen Maschine sind bekannt. Gemäß einem Verfahren wird der Stator 12 von einem Gehäuse umschlossen und Kühlöl wird in das Gehäuse hinein gepumpt. Gemäß einem anderen Verfahren wird ein Kühlmantel um den Statorkern herum angeordnet, welcher einen Kanal bereitstellt und Kühlflüssigkeit, wie beispielsweise Wasser-Ethylenglykol (WEG), wird durch den Kanal gepumpt um die Wärme von dem Stator weg zu führen. Die Kühlmantelanordnung kann auch in Verbindung mit Luft verwendet werden, welche über den Statorkern 14 und die Wicklungen 16 geblasen wird, um den Stator 12 zu kühlen, wie von Fachleuten auf dem Gebiet erkannt werden wird.
Obwohl verschiedene Verfahren zum Kühlen elektrischer Maschinen bekannt sind, ist das Ableiten von Wärme von dicht gewickelten elektrischen Maschinen häufig besonders schwer. Ein Grund hierfür ist, dass die Endwindungen in dicht gewickelten elektrischen Maschinen typischerweise eine geringe Höhe aufweisen mit einer geringen Oberfläche zum Ableiten von Wärme. Zusätzlich haben die Wicklungen in diesen elektrischen Maschinen typischerweise eng gebildete Endwindungen und in den Schlitzen befindliche Bereiche, wodurch die Oberfläche der Wicklungsleiter noch weniger frei liegt. Es kann auch ein Wicklungsisolator / thermischer Isolator (im Weiteren auch als Spulenkörper bezeichnet) zwischen den Leiterwicklungen und dem Statorblechpaket (welches im Weiteren auch als Statorkern bezeichnet werden kann) angeordnet sein. Lufttaschen zwischen dem Spulenkörper und dem Statorkern, sowie Lufttaschen zwischen den Wicklungen und dem Spulenkörper stellen zusätzlichen thermischen Widerstand bereit, wodurch die elektrische Maschine noch schwieriger zu kühlen ist.
Im Hinblick auf das Vorangehende wäre es vorteilhaft, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Anordnung bereitzustellen, welche eine Wärmeabführung von den Wicklungsleitern der elektrischen Maschine weg bereitstellen, einschließlich elektrischer Maschinen mit dicht gewickelten Wicklungen. Es wäre ebenso vorteilhaft, wenn ein solches verbessertes Verfahren oder Anordnung zu Wärmeableitung relativ einfach und kostengünstig gemeinsam mit der elektrischen Maschine herzustellen wäre
ÜBERBLICK
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist eine elektrische Maschine einen Kern auf, welcher ein erstes axiales Ende, ein zweites axiales Ende gegenüber dem ersten axialen Ende und eine Vielzahl von Schlitzen definiert, welche sich zwischen dem ersten axialen Ende und dem zweiten axialen Ende erstrecken. Windungen sind auf den Kern gewickelt, wobei die Windungen in den Schlitzen angeordnete Abschnitte und Wendeabschnitte aufweisen, welche an dem ersten axialen Ende und dem zweiten axialen Ende angeordnet sind. Ein Kühlrohr ist mit den Wendeabschnitten der Windungen verbunden. Ein Wärmeübertragungselement erstreckt sich zwischen dem Kühlrohr und den Windungen und steht mit dem Kühlrohr und den Windungen in Verbindung.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird ein Kern mit Windungen bereitgestellt, welche auf dem Kern angeordnet sind. Ein Kühlrohr ist mit den Windungen verbunden und eine Wärmeübertragungsplatte erstreckt sich von den Windungen zu dem Kühlrohr. In wenigstens einer Ausführungsform weist die Wärmeübertragungsplatte einen ersten Bereich, welcher sich zumindest teilweise um das Kühlrohr herum erstreckt, und einen zweiten Bereicht auf, welcher die Vielzahl von Leitern kontaktiert und zwischen der Vielzahl von Leitern eingeklemmt ist.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine bereitgestellt. Das Verfahren weist das Bereitstellen von Energie an die Windungen, welche um den Kern gewickelt sind, und das Leiten eines Fluids durch ein Kühlrohr auf, welches in Kontakt zu den Windungen steht. Das Verfahren weist weiterhin das Übertragen von in den Windungen erzeugter Wärme an das Kühlrohr durch eine Wärmeübertragungsplatte auf, welche sich von den Windungen zu dem Kühlrohr erstreckt.
Die oben beschriebenen Merkmale und Vorteile, wie auch weitere, werden für Fachleute leichter ersichtlich durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen. Während es wünschenswert ist, eine Kühlanordnung für eine elektrische Maschine bereit zu stellen, welche eines oder mehrere dieser oder anderer vorteilhafter Merkmale aufweist, erstrecken sich die hier offenbarten Lehren auch auf solche Ausführungsformen, welche unter den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen, unabhängig davon, ob sie einen oder mehrere der oben genannten Vorteile erreichen
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Stators einer beispielhaften dicht gewickelten elektrischen Maschine nach dem Stand der Technik;
2 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Stator- und Spulenkörperanordnung für eine beispielhafte elektrische Maschine nach dem Stand der Technik;
3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Stators und eines Rotors einer beispielhaften elektrischen Maschine nach dem Stand der Technik;
4 zeigt eine Querschnittsansicht einer elektrischen Maschine mit einem Statorkern und Statorwindungen, mit Kühlrohren, welche mit den Statorwindungen verbunden sind;
5 zeigt eine Seitenansicht eines der Kühlrohre aus 4, mit Ausführungsformen von Oberflächeneigenschaften, welche auf dem Kühlrohr ausgebildet sind;
6 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der elektrischen Maschine aus 4, mit einem Kühlmantel der mit den Kühlrohren verbunden ist;
7 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der Kühlrohre aus 4 in Bezug auf die Wendeabschnitte der Windungen, wobei die Windungen linear und im Querschnitt dargestellt sind;
8 zeigt eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform der Kühlrohre aus 7, wobei sich die Kühlrohre um die Wendeabschnitte herum erstrecken;
9 zeigt eine Draufsicht auf eine andere alternative Ausführungsform der Kühlrohre aus 7, wobei sich die Kühlrohre durch die Wendeabschnitte hindurch erstrecken und aus den Wendeabschnitten alternativ auch an einer inneren Durchmesserseite und an einer äußeren Durchmesserseite der Wendeabschnitte heraustreten;
10 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere alternative Ausführungsform der Kühlrohre aus 7, wobei sich die Kühlrohre zwischen und durch den Wendeabschnitten in einer umlaufenden Richtung erstrecken;
11 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Wärmeübertragungsplatte, welche dazu ausgebildet ist, das Kühlrohr aus 4 mit den Windungen zu verbinden;
12 zeigt eine Querschnittsansicht in umlaufender Richtung einer Anordnung mit einem Spulenkörper und Wendeabschnitten, wobei die Wärmeübertragungsplatte aus 11 das Kühlrohr mit den Wendeabschnitten verbindet;
13 zeigt eine alternative Ausführungsform zu der Anordnung aus 12 mit einer Wärmeübertragungsplatte, welche zwei Fortsätze aufweist, welche in die Windungen eingreifen;
14 zeigt eine weitere Ausführungsform der Anordnung aus 12 mit zwei Wärmeübertragungsplatten, welche Kühlrohre mit den Wendeabschnitten verbinden;
15 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform der Anordnung aus 12, wobei sich die Wärmeübertragungsplatte zwischen der Spule und den Windungen erstreckt;
16 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform der Anordnung aus 12, wobei sich die Wärmeübertragungsplatte über eine axial äußerste Schicht der Windungen erstreckt;
17 zeigt eine perspektivische Ansicht der Wärmeübertragungsplatte, welche in der Anordnung in 16 verwendet wird;
18 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform des Spulenkörpers und der Wärmeübertragungsplatte aus 15, wobei der Spulenkörper über der Wärmeübertragungsplatte ausgebildet ist, um eine einheitliche Komponente zu bilden;
19 zeigt eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform des Spulenkörpers aus 15, wobei der Spulenkörper zusammen mit der Wärmeübertragungsplatte ausgebildet wird, um eine einheitliche Komponente zu bilden; und
20 zeigt ein Blockschaltbild eines Verfahrens zum Herstellen eines Statorkerns mit einem Spulenkörper und einem Wärmeübertragungsverstärker.
BESCHREIBUNG
Bezugnehmend auf 4 weist eine elektrische Maschine 110 in wenigstens einer Ausführungsform einen Stator 112 und einen Rotor 122 mit Kühlrohren 150 auf, welche dazu ausgebildet sind, eine Wärmeübertragung von der elektrischen Maschine bereit zu stellen. Wie im Folgenden in größerem Detail beschrieben wird, sind die Kühlrohre 150 mit dem Stator verbunden und sind dazu ausgebildet, Kühlflüssigkeit in den Stator 112 zu leiten.
Der Stator 112 weist ein Kernelement in Form eines Statorkerns 114 auf, welcher Blechplatten aufweist, die übereinander gestapelt sind um ein Blechpaket zu bilden. Der Statorkern 114 weist eine im Wesentlichen zylindrische Form auf und definiert einen inneren Durchmesser 130, einen äußeren Durchmesser 132, ein erstes Ende 134 und ein gegenüberliegendes zweites Ende 136. Schlitze 138 erstrecken sich in einer axialen Richtung zwischen dem ersten Ende 134 und dem zweiten Ende 136 des Statorkerns 114 (in 4 ist einer der Schlitze durch gestrichelte Linien dargestellt, da sich der Schlitz hinterhalb der in der Figur dargestellten Ebene befindet).
Drei-Phasen-Wicklungen 116 sind auf dem Statorkern 114 angeordnet. Die Drei-Phasen-Wicklungen 116 weisen Bahnen von Draht (z.B. Kupferdraht) auf, welche durch die Statorschlitze 138 gewunden sind um Spulen zu bilden, wie von Fachleuten auf dem Gebiet erkannt werden wird. Daher weisen die Windungen 116 in den Schlitzen angeordnete Bereiche 140 und Wendeabschnitte 142, 144 auf. Die in den Schlitzen angeordneten Bereiche 140 weisen die Bahnen von Leitern auf, welche innerhalb der Statorschlitze 138 angeordnet sind und die Wendeabschnitte 142, 144 weisen die Bahnen der Leiter auf, welche außerhalb der Statorschlitze 138 angeordnet sind und welche zwei verschiedene Schlitze in dem Statorkern 114 überbrücken. Die Wendeabschnitte 142, 144 sind im Wesentlichen gebogen und können auch als U-förmige Bereiche bezeichnet werden. Die Drähte, welche die Windungen ausbilden, können mit einem Emaillematerial überzogen sein, um eine elektrische Isolation zwischen dem Draht und dem Statorkern 114 bereitzustellen. In wenigstens einer Ausführungsform ist ein Spulenkörper (in 4 nicht dargestellt) an einem oder mehreren Enden 134, 136 des Statorkerns 114 angeordnet. Der Spulenkörper erstreckt sich in die Schlitze 138 hinein, um eine zusätzliche elektrische Isolation zwischen dem Draht und dem Statorkern 114 bereitzustellen. Während die Windungen 116 im Vorangehenden als aus Bahnen von Leitern bestehend beschrieben werden, welche sich durch die Schlitze des Statorkerns 114 winden, wird erkannt werden, dass in anderen Ausführungsformen die Windungen 116 unterschiedlich gebildet sein können, wie beispielsweise Windungen, welche durch ein Zusammenfügen von Leitersegmenten gebildet werden, wie Fachleute auf dem Gebiet erkennen werden.
Wie in 4 dargestellt, ist der Stator 112 durch einen Luftspalt 124 beabstandet von einem Rotor 122 der elektrischen Maschine 10 angeordnet. Der Rotor kann in jeglicher von verschiedenen Ausführungsformen bereitgestellt werden, in Abhängigkeit von der Art des elektrischen Motors. Beispielsweise kann der Rotor eine Anzahl von Permanentmagneten aufweisen, wenn die elektrische Maschine eine Permanentmagnet-Maschine ist, oder kann Pakete von geschlitztem ferromagnetischem Material aufweisen, mit in den Schlitzen ausgebildeten Windungen, wenn die elektrische Maschine ein Drei-Phasen-Induktionsmotor ist. Es wird von Fachleuten auf dem Gebiet erkannt werden, dass andere Arten von Rotor ebenfalls möglich sind für andere Arten elektrischer Maschinen.
Kühlrohre verbunden mit den Statorwindungen
Weiterhin Bezugnehmend auf 4 sind ein oder mehrere Kühlrohre 150 mit der elektrischen Maschine 110 verbunden, so dass die Rohre 150 in direktem Kontakt oder nahezu in direktem Kontakt mit den Windungen 116 stehen. Die Rohre 150 sind dazu ausgebildet, ein Kühlmittel zu führen und es dem Kühlmittel zu erlauben, durch einen durch das Rohr 150 definierten Durchgang zu fließen. In der Ausführungsform in 4 ist jedes Rohr 150 als ein hohler lang gestreckter Zylinder dargestellt, welcher sich in einer umlaufenden Richtung um den äußeren Durchmesser 146 der Windungen 116 erstreckt. In verschiedenen hierin offenbarten Ausführungsformen sind die Rohre 150 mit einem runden Querschnitt dargestellt, es wird jedoch erkannt werden, dass die Rohre 150 in anderen Ausführungsformen unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen können, wie beispielsweise quadratische, rechteckige oder dreieckige Formen. Der Querschnittsdurchmesser des Rohrs ist im Allgemeinen eine Funktion der Größe des Statorkerns. Für Statorkerne mit einem größeren äußeren Durchmesser ist der Durchmesser des Kühlrohres größer. Für Statorkerne mit einem kleineren äußeren Durchmesser ist der Durchmesser des Kühlrohres kleiner. Beispielhafte Größen von Kühlrohren weisen größere Rohre mit einem Durchmesser von etwa 50mm und kleinere Rohre mit einem Durchmesser von etwa 2mm oder jeglichem Durchmesser dazwischen auf. In weiteren Ausführungsformen können die Kühlrohre Durchmesser außerhalb dieser angegebenen Bereiche aufweisen. In der Ausführungsform in 4 sind weiterhin sowohl ein erstes Rohr 150a, als auch ein zweites Rohr 150b in Kontakt mit den Windungen 116 bereitgestellt. Das erste Rohr 150 steht in Kontakt mit den ersten Wendeabschnitten 142 an dem ersten Ende 134 des Statorkerns 112, und ein zweites Rohr 150b steht in Kontakt mit den zweiten Wendeabschnitten 144 auf der zweiten Seite 136 des Statorkerns 112.
Die Rohre 150 können eines aus einer Vielzahl thermisch leitender Materialien aufweisen. Beispielsweise weisen in wenigstens einer Ausführungsform die Rohre 150 ein Aluminiummaterial auf. In dieser Ausführungsform ist ein thermisch leitendes aber elektrisch isolierendes Material, wie beispielsweise Epoxid, zwischen den Windungen 116 und Rohren 150 angeordnet. Vorteile von Rohren, welche ein metallisches Material aufweisen, weisen eine gute thermische Leitfähigkeit und eine stabile Struktur auf. In wenigstens einer alternativen Ausführungsform weisen die Rohre 150 einen Polymerwerkstoff auf, welcher selbst elektrisch isolierend aber thermisch leitend ist, wie beispielsweise ein ultrahochmolekulares Polyethylen oder ein thermisch leitendes Polypropylen. Ein solcher Polymerwerkstoff kann mit einem Polyimid-Film überzogen sein, um zusätzliche dielektrische Eigenschaften bereitzustellen, während die relativ hohe thermische Leitfähigkeit erhalten bleibt. Vorteile von Rohren, welche einen Polymerwerkstoff aufweisen, weisen eine nachgiebige und leichter formbare Struktur und Korrosionsbeständigkeit auf.
Zusätzlich dazu, dass die Rohre 150 ein thermisch leitfähiges Material aufweisen, können die Rohre 150 auch zusätzliche Merkmale aufweisen, welche die Wärmeübertragung verbessern. Insbesondere können die Rohre eine Vielzahl von Oberflächeneigenschaften aufweisen, welche die Oberfläche der Rohre vergrößern um die Wärmeableitung von dem Rohr zu fördern, wenn Luft über das Rohr fließt. Beispiele solcher zusätzlicher oder Flächeneigenschaften weisen Dellen, Blasen oder sogar Wärme-Finnen auf. 5 zeigt verschiedene Oberflächeneigenschaften, welche auf einem Rohr 150 bereitgestellt sind. Ein erster Bereich des Rohres 150 weist Blasen 160 an einem Äußeren des Rohres auf, um die Oberfläche für aus dem Rohr austretende Wärme zu vergrößern, wenn Luft über die vergrößerte Oberfläche fließt. Ein zweiter Bereich des Rohres 150 weist Dellen 162 an einer inneren und einer äußeren Oberfläche des Rohres auf. Die Dellen 162 vergrößern nicht nur die Oberfläche des Rohres 150, sondern erzeugen auch Turbulenzen in dem Rohr 150, um die Wärmeübertragung von dem in dem Durchgang 152 fließenden Fluid zum Äußeren des Rohres weiter zu fördern. Ein dritter Bereich des Rohres weist Wärme-Finnen 164 auf, welche auf dem Rohr angeordnet sind um die Oberfläche des Rohres zu vergrößern und es der Wärme zu erlauben, aus dem Rohr heraus zu treten wenn Luft über die Finnen fließt.
Wieder bezugnehmend auf 4 können die Rohre 150a und 150b mit den Wendeabschnitten 142 und 144 auf jegliche Art und Weise verbunden sein. Beispielsweise kann ein thermisch leitendes Haftmaterial verwendet werden, um die Rohre 150a und 150b direkt mit den Windungs-Wendeabschnitten 142, 144 zu verbinden. In einer weiteren Ausführungsform kann eine mechanische Verbindung, wie beispielsweise ein Kabelbinder aus Kunststoff oder ein Bindedraht verwendet werden, um die Rohre 150a und 150b mit den Windungs-Wendeabschnitten 142, 144 zu verbinden. Zusätzliche Möglichkeiten sind ebenfalls vorhanden um die Rohre 150a und 150b mit den Wendeabschnitten 142, 144 entweder direkt oder indirekt zu verbinden, aufweisend die Verwendung eines Spulenkörpers und einer Wärmeübertragungsplatteneinheit, wie weiter unten unter Bezugnahme auf die 11 bis 17 beschrieben wird.
Jegliches von verschiedenen Kühlmitteln kann innerhalb der Rohre 150a und 150b verwendet werden. Beispielsweise kann das Kühlmittel WEG, Wasser, Öl oder jegliches anderes Mittel sein, welches dazu ausgebildet ist, Wärme von der elektrischen Maschine weg durch das Rohr zu transportieren. Die Rohre 150a und 150b sind mit einer Pumpe verbunden, welche dazu ausgebildet ist, das Kühlmittel innerhalb der Rohre 150a und 150b zu bewegen. Die Pumpe kann in der Nähe der elektrischen Maschine 110 angeordnet sein oder entfernt von der elektrischen Maschine 110 angeordnet sein, und mit den Rohren 150a und 150b durch eine oder mehrere lang gestreckte Fluidleitungen verbunden sein. Weiterhin kann in wenigstens einer Ausführungsform ein aktiver Kühlkreislauf im Zusammenhang mit dem Kühlmittel verwendet werden, um weitere Kühlleistung für die elektrische Maschine bereitzustellen.
In wenigstens einer Ausführungsform, wie in 6 dargestellt, ist ein Kühlmantel 126 mit dem Stator 112 der elektrischen Maschine 110 verbunden. Der Kühlmantel 126 erstreckt sich im Wesentlichen um den Statorkern 114 und weist einen Kanal 128 auf, der dazu ausgebildet ist ein Kühlmittel zu führen, wie beispielsweise WEG, und Wärme von dem Stator 112 wegzuführen. Der Kühlmantel 126 kann einen thermisch leitfähigen Polymerwerkstoff aufweisen und ist direkt mit dem äußeren Umfang des Statorkerns 14 verbunden. Eine Fluidleitung 127 erstreckt sich von dem Kühlmantel 126 und stellt einen Durchgang für das Fluid zwischen dem Kanal 128 des Kühlmantels 126 und den Rohren 150a und 150b bereit. Ein Kühlmittel, welches durch den Kanal 128 des Kühlmantels 126 fließt, wird somit durch die Rohre 150a und 150b geleitet. In der Ausführungsform in 6 werden zwei zusätzliche Rohre 150c und 150d an der Seite des inneren Umfangs 148 der Windungen 116 bereitgestellt. Zusammen bilden der Kühlmantel 126 und die Rohre 150a bis 150d eine Kühlanordnung für die elektrische Maschine 110.
Während des Betriebs der elektrischen Maschine 110 wird in den Statorwindungen 116 und dem Statorkern 114 Wärme erzeugt. Wärme von den Statorwindungen 116 und dem Statorkern 114 wird mittels Wärmeleitung zu den Rohren 150a und 150b, welche mit den Windungen der elektrischen Maschine 110 verbunden sind, geleitet. In der Ausführungsform in 6 wird Wärme auch von der elektrischen Maschine 110 mittels dem Kühlmantel 126, welcher sich um den Statorkern 114 herum erstreckt, und den zusätzlichen Rohren 150c und 150d auf der Seite des inneren Durchmessers 148 der Windungen 116 weg geleitet. Da der Kanal 128 des Kühlmantels 126 in fließender Kommunikation mit dem Rohr 150b steht, und da das Rohr 150b in fließender Kommunikation mit den Rohren 150a, 150c und 150d steht, kann Vorteilhafterweise eine einzige Pumpe dazu verwendet werden, ein Fluid dazu zu bewegen, durch den Kühlmantel 126 und die Rohre 150a bis 150d zu fließen. Kühlmittel kann auf verschiedene Art und Weise durch das System fließen, in Abhängigkeit von den Verbindungen zwischen dem Kühlmantel 126 und den Rohren 150a und 150b. Beispielsweise kann Kühlmittel nacheinander von dem Kühlmantel zu dem ersten Rohr 150a und dann zu dem zweiten Rohr 150b fließen. In einem anderen Beispiel können eine Vielzahl von Verbindungen zwischen dem Kühlmantel 126 und den Rohren 150a und 150b einen parallelen Fluss durch den Kühlmantel 126 und die Rohre 150a und 150b erlauben.
Nun bezugnehmend auf die 7 bis 10 werden mehrere verschiedene beispielhafte Anordnungen zum Herstellen eines Kontaktes zwischen den Rohren 150 und den Windungen 116 dargestellt. In jeder der 7 bis 10 sind die Wendeabschnitte 142 der Windungen 116 der Einfachheit halber auf lineare Art und Weise in einer (axialen) Draufsicht dargestellt, welche das erste Ende 134 des Stators 112 mit vier Leitergruppen 116a bis 116d der dargestellten Windungen darstellt, wobei jede Leitergruppe eine Gruppe von Leitern ist, welche sich durch einen Schlitz in dem Statorkern 114 erstreckt. Jede Leitergruppe 116a bis 116d verbindet sich mit einer anderen Leitergruppe, um einen oder mehrere Wendeabschnitte am ersten Ende des Stators 112 zu bilden. Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass die kompletten Windungen 116 typischerweise mehr Leitergruppen als die vier Leitergruppen 116a bis 116d welche in den 7 bis 10 dargestellt sind aufweisen, und dass sich die kompletten Windungen umlaufend um den gesamten Statorkern erstrecken.
Nun insbesondere bezugnehmend auf 7 erstreckt sich in wenigstens einer Ausführungsform ein erstes Rohr 150a umlaufend um den Stator 112 an einer Seite des äußeren Durchmessers 146 der Windung 116, und ein zweites Rohr 150c erstreckt sich umlaufend um den Stator 112 auf einer Seite des inneren Durchmessers 148 der Windung 116. Diese Rohre 150a und 150c stehen in Kontakt mit und sind befestigt an den Leitergruppen 116a bis 116d auf der Seite des inneren Durchmessers 146a und auf der Seite des äußeren Durchmessers 148 der Windung 116. Während die Rohre 150a und 150c in Kontakt mit der Seite des inneren Durchmessers 146 und mit der Seite des äußeren Durchmessers 148 der Windung 116 stehen, erstrecken sie sich nicht in oder zwischen die Gruppen von Windungsleitern (z.B. Leitergruppen 116a bis 116d wie in 7 dargestellt). Daher ist der Verlauf jedes Rohres 150a und 150b ein im Wesentlichen direkt umlaufender Verlauf, welcher sich nicht krümmt oder windet, so dass der Verlauf eine radiale Komponente im Verlauf um den Stator 112 aufweist. Während in den Ausführungsformen der 6 bis 9 lediglich ein oder zwei Rohre 150 dargestellt sind, wird festgestellt werden, dass zusätzliche Rohre benutzt werden können, aufweisend zusätzliche Rohre an jedem der Enden 134, 136 des Stators 112 oder an der Seite des inneren oder äußeren Durchmessers der Wendeabschnitte 142, 144. Beispielsweise können zwei oder drei Rohre in axialer Richtung oberhalb oder unterhalb des Rohres 150a übereinander gestapelt sein und den selben Verlauf in dem äußeren Durchmesser des Stators nehmen, wie das Rohr 150a an dem ersten Ende 134 des Stators 112, wie in 7 dargestellt. Weiterhin können zusätzliche Rohre an der inneren oder äußeren Seite der Wendeabschnitte 142, 144 oder an dem ersten Ende 134 oder dem zweiten Ende 136 des Stators 112 den selben oder einen ähnlichen Verlauf nehmen.
Nun bezugnehmend auf 8 erstrecken sich das erste Rohr 150a und das zweite Rohr 150b in wenigstens einer alternativen Ausführungsform umlaufend um den Stator 112 entlang von Pfaden, welche sich im Wesentlichen mit einer Vielzahl von Bögen winden, so dass die Rohre 150a und 150b beide die Seite des äußeren Durchmessers 146 und die Seite des inneren Durchmessers 148 der Wendeabschnitte 142 kontaktieren. Insbesondere schlängelt sich der Pfad jedes Rohres 150a und 150c zwischen den Leitergruppen 116a bis 116d (ein Windungsverlauf mit einer Vielzahl von Bögen kann im Weiteren auch als "schlängelnder" Pfad bezeichnet werden). Das erste Rohr 150a weist einen umlaufenden Bereich 154 auf, welcher abwechselnd die Seite des äußeren Durchmessers 146 ungerader Leitergruppen (z.B. 116a, 116c, etc.) und eine Seite des inneren Durchmessers 148 gerader Leitergruppen (z.B. 116b, 116d, etc.) kontaktiert. Beim sich Schlängeln zwischen der Seite des äußeren Durchmessers 146 und der Seite des inneren Durchmessers 148 der Leitergruppen weist das Rohr 150a auch einen radialen Bereich 156 auf, welcher die rechte Seite der Leitergruppe kontaktiert, egal ob gerade oder ungerade. Auf ähnliche Art und Weise weist das zweite Rohr 150c einen umlaufenden Bereich auf, welcher abwechselnd die Seite des inneren Durchmessers 148 ungerader Leitergruppen (z.B. 116a, 116c, etc.) und die Seite des äußeren Durchmessers 146 gerader Leitergruppen (z.B. 116b, 116d, etc.) kontaktiert. Beim sich Schlängeln zwischen der Seite des äußeren Durchmessers 146 und der Seite des inneren Durchmessers 148 der Leitergruppen/ Wendeabschnitte weist das Rohr 150c ebenfalls einen radialen Bereich auf, welcher die linke Seite der Leitergruppen kontaktiert, egal ob gerade oder ungerade. In der Ausführungsform in 8 umschließen die Rohre 150a und 150c Vorteilhafterweise jede Leitergruppe und stellen eine Wärmeübertragung von mehreren Seiten der Wendeabschnitte weg bereit.
Nun bezugnehmend auf 9 wird in wenigstens einer alternativen Ausführungsform ein einzelnes Rohr 150a verwendet, um die Wendeabschnitte 142 an dem ersten Ende 134 des Stators zu kontaktieren. In dieser Ausführungsform erstreckt sich das Rohr 150a umlaufend um den Stator 112 entlang eines gewundenen Pfades, welcher sowohl einen umlaufenden Bereich 154, als auch einen radialen Bereich 156 aufweist. Der radiale Bereich 156 erstreckt sich radial durch jede Leitergruppe 116a bis 116d und bewegt sich zwischen der Seite des äußeren Durchmessers 146 und der Seite des inneren Durchmessers 148 jeder Leitergruppe. In dieser Ausführungsform weist der Pfad des Rohres 150a einen umlaufenden Bereich 154 auf, welcher sich zwischen benachbarten Leitergruppen 116a bis 116d erstreckt und zwischen der Seite des äußeren Durchmessers 146 und der Seite des inneren Durchmessers 148 der Wendeabschnitte 142 wechselt. Mit der Anordnung in 9 wird vorteilhafterweise eine Kühlung direkt zu dem Inneren jeder Windungsgruppe bereitgestellt, wenn eine Wärmeübertragung anders schwer zu fördern ist. Da das Rohr 150 zwischen Leitern welche eine Leitergruppe bilden verläuft, sollte das Rohr 150 in dieser Anordnung in Bezug auf den Statorkern 114 angeordnet werden, bevor die Leiter auf den Statorkern 114 gewickelt werden, um die Windungen 116 zu bilden. In anderen Worten sollten die Windungen 116 während der Herstellung des Stators 112 um das Rohr 150a gebildet werden (z.B. kann der Leiter das Rohr während des Herstellungsprozesses der Windungen umgeben).
Nun bezugnehmend auf 10 wird ein einzelnes Rohr 150a in wenigstens einer alternativen Ausführungsform dazu verwendet, um die Wendeabschnitte 142 an dem ersten Ende 134 des Stators zu kontaktieren. Ähnlich zu der Anordnung in 9 erstreckt sich das Rohr 150a in der Anordnung in 10 umlaufend um den Stator 112 entlang eines gewundenen Pfades, welcher sich radial durch jede Leitergruppe 116a bis 116d erstreckt, und sich zwischen der Seite des äußeren Durchmessers 146 und der Seite des inneren Durchmessers 148 jeder Leitergruppe bewegt. In der Anordnung in 10 erstreckt sich der umlaufende Bereich 154 des Pfades jedoch zwischen benachbarten Leitergruppen 116a bis 116d an Positionen zwischen der Seite des äußeren Durchmessers 146 und der Seite des inneren Durchmessers 148 der Leitergruppen 116a bis 116d. Daher sind die umlaufenden Bereiche des Pfades nur komplett an der Seite des äußeren Durchmessers 146 oder an der Seite des inneren Durchmessers 148 der Leitergruppen 116a bis 116d angeordnet. Mit der Anordnung in 10 wird Vorteilhafterweise eine Kühlung direkt zum Inneren jeder Windungsgruppe bereitgestellt, wo Wärmeübertragung sonst schwer zu ermöglichen ist. In der Anordnung in 10 werden die Windungen 116 auch während der Herstellung des Stators 112 um das Rohr 150a herum ausgebildet, da es schwer oder unmöglich sein kann, das Rohr zwischen den Windungen 116 einzuführen, nachdem die Windungen in den Schlitzen des Statorkerns 114 ausgebildet wurden.
Wärmeübertragungseinheit, welche das Rohr und die Windungen umgreift
Nun bezugnehmend auf die 11 und 12 ist in wenigstens einer Ausführungsform ein Wärmeübertragungsverstärker (welcher auch als Wärmeübertragungseinheit bezeichnet werden kann) in Form einer Wärmeübertragungsplatte 170 dargestellt. Die Wärmeübertragungsplatte 170 ist dazu ausgebildet und dimensioniert, sowohl Wärme von den Windungen 116 zu dem Rohr 150 zu übertragen, als auch das Rohr 150 mit den Windungen 116 zu verbinden. Die Wärmeübertragungsplatte 170 weist einen Rohrbereich 172 an einem Ende auf und einen Windungsbereich 174 an einem gegenüberliegenden Ende.
In der in 11 dargestellten Ausführungsform weist der Rohrbereich 172 der Wärmeübertragungsplatte 170 eine halbkreisförmige Form auf, mit zwei gegenüberliegenden gebogenen Armen 171a, 171b, welche zusammen eine schalenförmige Oberfläche 173 bilden die dazu ausgebildet ist, einen Teil des Rohres 150 zu halten indem sie sich zumindest teilweise um das Rohr 150 erstreckt. Entsprechend weist der halbkreisförmige Teil des Rohrbereiches 172 einen Durchmesser auf, welcher geringfügig größer ist als der des Rohres 150, um es dem Rohr 150 zu erlauben in den halbkreisförmigen Teil des Rohrbereiches 172 zu passen. In wenigstens einer Ausführungsform ist die schalenförmige Oberfläche 173 dazu ausgebildet und dimensioniert, sich wenigstens 180° um das Rohr 150 zu erstrecken. Während die schalenförmige Oberfläche 173 in den hier dargestellten Ausführungsformen als im Wesentlichen glatt und mit einer halbkreisförmigen Form dargestellt ist, wird festgestellt werden, dass die schalenförmige Oberfläche 173 in anderen Ausführungsformen durch zwei oder mehr im Wesentlichen glatte Oberflächen bereitgestellt werden kann, welche sich an einem Winkel treffen, um eine schalenförmige Oberfläche zu bilden.
Das Rohr 150 kann mit dem Rohrbereich 172 auf jegliche von verschiedenen Arten verbunden werden, aufweisend die Verwendung von Klebstoffen, Löten, Vergießen, Friktionspassung, Crimpen, oder mechanischer Befestigungsmittel, wie beispielsweise Kabelbinder. Wenn Crimpen verwendet wird um das Rohr 150 mit dem Rohrbereich 172 zu verbinden, erstrecken sich die Arme des Rohrbereiches 172 im Wesentlichen um das Rohr 150 und sind flexibel aber nicht federnd. Wenn die Enden der Arme aufeinander zu bewegt werden, halten die Arme das Rohr 150 in Position. In Ausführungsformen, in welchen Löten oder Klebstoffe verwendet werden um das Rohr 150 mit dem Rohrbereich 172 zu verbinden, können die Arme 171a, 171b des Rohrbereiches kürzer sein und sich nur ein kurzes Stück um das Rohr 150 herum krümmen, oder können nicht vorhanden sein, wobei der Rohrbereich 172 im Wesentlichen flach ist und das Rohr 150 auf die Wärmeübertragungsplatte 170 im Bereich des Rohrbereiches 172 aufgelötet, geklebt oder anders verbunden wird.
Der Windungsbereich 174 der Wärmeübertragungsplatte wird als dünne flache Platte bereitgestellt, mit einer im Wesentlichen rechteckigen Form. Es wird jedoch erkannt werden, dass der Windungsbereich 174 in anderen Ausführungsformen andere Formen aufweisen kann. Der Windungsbereich 174 erstreckt sich von dem Rohrbereich 172 weg und erlaubt es dem Windungsbereich 174 in die Leiter der Windungen 116 einzugreifen (wie in 12 dargestellt). Der Windungsbereich 174 weist eine ausreichende Breite auf (z.B. in der Richtung welche sich von dem Rohrbereich 172 weg erstreckt), so dass sich der Windungsbereich 174 über die meisten oder alle der Leiter in einer Schicht von Leitern einer Leitergruppe erstreckt (z.B. über eine Schicht einer der Leitergruppen 116a bis 116d).
Die Wärmeübertragungsplatte 170 ist im Wesentlichen eine einstückige Komponente, welche einstückig mittels eines Spritzgussverfahrens oder eines Stanzprozesses hergestellt werden kann. Die Wärmeübertragungsplatte 170 kann eines einer Vielzahl thermisch leitender Materialien aufweisen, aufweisend metallische Materialien oder thermisch leitende dielektrische Kunststoffe. In wenigstens einer Ausführungsform weist die Wärmeübertragungsplatte 170 beispielsweise Aluminium auf. In wenigstens einer alternativen Ausführungsform weist die Wärmeübertragungsplatte 170 ein thermisch leitfähiges Polypropylen oder einen Polyamidwerkstoff auf, wie beispielsweise eines der Polymere, wie sie von Cool Polymers, Inc. unter der Marke COOL POLYMERS^® verkauft werden.
Wie oben festgestellt wurde, ist der Rohrbereich 172 der Wärmeübertragungsplatte 170 dazu ausgebildet, in das Rohr 150 einzugreifen und dieses neben den Windungen 116 zu halten, während der Windungsbereich 174 dazu ausgebildet ist, sich in (oder über) die Windungen 116 zu erstrecken und in die Windungen 116 einzugreifen. Da die Wärmeübertragungsplatte 170 einen hoch wärmeleitfähigen Werkstoff aufweist, und auf einer Seite in die Windungen 116 eingreift, und auf der anderen Seite in das Kühlrohr 150 eingreift, stellt die Wärmeübertragungsplatte 170 ein direkteres Verfahren zur Wärmeübertragung von den Windungen zu dem Kühlrohr 150 bereit. In den Windungen erzeugte Wärme wird an dem Windungsbereich 174 und dann heraus an den Rohrbereich 172 übertragen. Das durch das Rohr 150 fließende Kühlmedium trägt die Wärme dann von dem Rohrbereich 172 weg, und kühlt die elektrische Maschine 110. Die Wärmeübertragungsplatte 170 kann mit oder ohne einen Spulenkörper 118 verwendet werden, wie im Weiteren in größerem Detail beschrieben wird.
Nun bezugnehmend auf 12 wird die Wärmeübertragungsplatte 170 dargestellt, welche sich durch einen Spulenkörper 118 erstreckt welcher die Windungen 116 an dem Statorkern (in 12 nicht dargestellt) hält. Der Spulenkörper 118 weist eine Wand am äußeren Durchmesser 180 und eine Wand am inneren Durchmesser 182 auf, wobei die Wendeabschnitte 142 der Windungen 116 zwischen der Wand am äußeren Durchmesser und der Wand am inneren Durchmesser 182 gehalten werden. Der Spulenkörper 118 weist auch Schlitzverlängerungen 184 auf, welche sich in die Schlitze des Statorkerns 114 erstrecken. Der Rohrbereich 172 der Wärmeübertragungsplatte 170 erstreckt sich radial nach außen von der Wand am äußeren Durchmesser 180. Der Windungsbereich 174 der Wärmeübertragungsplatte erstreckt sich radial nach innen von der Wand des äußeren Durchmessers 180.
Wie in 12 dargestellt, umhüllt der Rohrbereich 172 der Wärmeübertragungsplatte 170 teilweise das Rohr 150 und hält das Rohr 150 sicher in direktem Kontakt mit dem Spulenkörper 118 und in nahezu direktem Kontakt mit den Windungen 116. Daher befindet sich das Rohr 150 nur in geringer Entfernung von den Windungen 116 und wird von den Windungen 116 nur durch die Dicke der Wand 180, welche am Durchmesser des Spulenkörpers 118 angeordnet ist, getrennt. Das Rohr 150 kann auf dem Rohrbereich 172 auf jegliche von unterschiedlichen Arten gehalten werden, wie beispielsweise eine Schnappanordnung oder eine Klippanordnung, bei welchen das Rohr zwischen dem Spulenkörper 118 und dem Rohrbereich 172 eingeschlossen ist. Andere beispielhafte Befestigungselemente weisen eine gelötete Verbindung (z.B. Zusammenlöten des Rohres 150 und der Wärmeübertragungsplatte 170 oder des Spulenkörpers 118), eine Crimpverbindung (z.B. Crimpen der Enden des Rohrbereiches 172 aufeinander zu um das Rohr auf der Wärmeübertragungsplatte 170 in Position zu halten), eine geklebte Verbindung (z.B. Klebstoff zwischen dem Rohrbereich 172 und dem Rohr 150), eine Vergussverbindung (z.B. Vergießen des Rohres 150 in einem Epoxid oder einem anderen Vergussmaterial innerhalb des Rohrbereiches 172 der Wärmeübertragungsplatte), oder mechanische Befestigungselemente (z.B. Kabelbinder um das Rohr 150 in Bezug auf den Spulenkörper 118 in Position zu halten), sowie verschiedene andere Verbindungsmittel auf. Während das Rohr in 12 in direktem Kontakt mit dem Spulenkörper 118 dargestellt ist, wird festgestellt werden, dass in wenigstens einer alternativen Ausführungsform der Rohrbereich 172 der Wärmeübertragungsplatte sich zwischen dem Rohr 150 und dem Spulenkörper 118 erstrecken kann.
Der Windungsbereich 174 der Wärmeübertragungsplatte 170 erstreckt sich durch einen Durchgang in der Wand des äußeren Durchmessers 180 des Spulenkörpers 118 und in die Anordnung von Leitern hinein, welche die Windungen 116 bilden. In der Ausführungsform in 12 erstreckt sich der Windungsbereich 174 der Wärmeübertragungsplatte 170 zwischen den Leitern und ist zwischen diesen in einer zweiten Lage und einer dritten Lage der Wendeabschnitte 172 eingeklemmt. In dieser Ausführungsform ist die Wärmeübertragungsplatte 170 daher in Kontakt mit Leitern auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Windungsbereiches 174. Während des Betriebs der elektrischen Maschine leitet die Wärmeübertragungsplatte 170 Wärme von den Windungen 116 zu dem Kühlrohr 150, was in einer signifikanten Kühlung der Leiter in den Wendeabschnitten 152 resultiert, wie in der Ausführungsform in 12 dargestellt. Weiterhin, während die Wärmeübertragungsplatte 170 der 11 und 12 als sich nur über eine relativ kurze Entfernung in umlaufender Richtung erstreckend dargestellt wurde, wird festgestellt werden, dass die Wärmeübertragungsplatte in anderen Ausführungsformen zusätzliche Krümmungen aufweisen kann, und sich in der umlaufenden Richtung weiter erstrecken kann. Die Länge der Wärmeübertragungsplatte 170 in der umlaufenden Richtung kann zumindest teilweise von dem Design der elektrischen Maschine und der Länge der Wendeabschnitte 172 in der umlaufenden Richtung abhängen. Weiterhin wird festgestellt werden, dass verschiedene Formen und eine unterschiedliche Anzahl von Wärmeübertragungsplatten möglich ist, aufweisend solche beispielhaften Ausführungsformen, wie sie unten unter Bezugnahme auf die 13 bis 17 beschrieben werden.
In der Ausführungsform in 13 bildet der Rohrbereich 172 der Wärmeübertragungsplatte 170 einen kompletten oder im Wesentlichen kompletten Zylinder. Der komplette oder im Wesentlichen komplette Zylinder weist einen Durchgang in der umlaufenden Richtung der elektrischen Maschine auf, welcher es dem Rohr 150 erlaubt durch den Zylinder eingeführt zu werden, ohne das Rohr 150 zu beschädigen. Wenn der Rohrbereich 172 einen im Wesentlichen kompletten Zylinder bereitstellt, bedeckt der im Wesentlichen komplette Zylinder die Außenseite des Rohres 150 (zum Beispiel diejenige Seite des Rohres welche in der radialen Richtung am Weitesten entfernt von dem Spulenkörper 118 angeordnet ist) und umgibt wenigstens 180° des Rohres 150. Der im Wesentlichen komplette Zylinder ist jedoch auf der Innenseite des Rohres 150 offen (z.B. die Seite des Rohres, welche in radialer Richtung am Nächsten zu dem Spulenkörper 118 angeordnet ist) und erlaubt es der Innenseite des Rohres 150 den Spulenkörper zu kontaktieren. Der Windungsbereich der Wärmeübertragungsplatte 170 in 13 weist einen oberen Windungsbereich 174a und einen unteren Windungsbereich 174b auf. Der obere Windungsbereich 174a ist mit einer ersten axialen Seite (z.B. eine Oberseite) des Rohrbereiches 172 verbunden und erstreckt sich von dem Rohrbereich in einer radialen Richtung weg. Auf ähnliche Art und Weise ist der untere Windungsbereich 174 mit einer zweiten axialen Seite (z.B. eine untere Seite) des Rohrbereiches 172 verbunden und erstreckt sich von dem Rohrbereich in einer radialen Richtung weg. Die oberen und unteren Windungsbereiche 174a und 174b erstrecken sich durch Durchgänge in der Wand des äußeren Durchmessers 180 des Spulenkörpers 118 und in die Ansammlung von Leitern hinein, welche die Windungen 116 bilden. In der in 13 dargestellten Ausführungsform ist der obere Windungsbereich 174a zwischen Leitern der dritten und vierten Lage der Wendeabschnitte 142 eingeklemmt und der untere Windungsbereich 174b ist zwischen Leitern in der ersten und zweiten Lage der Wendeabschnitte 172 eingeklemmt. Entsprechend erstreckt sich die Wärmeübertragungsplatte 170 in dieser Ausführungsform zwischen und steht in Kontakt mit dem Leitern von vier verschiedenen Lagen des Windungsbereiches 174. Während des Betriebs der elektrischen Maschine leitet die Wärmeübertragungsplatte 170 Wärme weg von den Windungen 116 zu dem Kühlrohr 150, was in einer signifikanten Kühlung der Leiter der Wendeabschnitte 142 resultiert.
Nun bezugnehmend auf 14 können in wenigstens einer Ausführungsform zwei oder mehr Wärmeübertragungsplatten 170 für einen einzigen Wendeabschnitt 142 verwendet werden. Die Wärmeübertragungsplatten in 14 weisen eine obere Wärmeübertragungsplatte 170a und eine untere Wärmeübertragungsplatte 170b auf. Die Wärmeübertragungsplatten 170a und 170b weisen die selbe Form auf, wie die Wärmeübertragungsplatten der 11 und 12. Die Wärmeübertragungsplatte 170a weist einen Windungsbereich auf, welcher zwischen die Leiter der Lagen 3 und 4 der Wendeabschnitte 142 eingeklemmt ist und die Wärmeübertragungsplatte 170b weist einen Windungsbereich auf, welcher zwischen die Leiter in den Lagen 1 und 2 der Wendeabschnitte 142 eingeklemmt ist.
15 zeigt eine weitere Ausführungsform der Wärmeübertragungsplatte 170. Die Wärmeübertragungsplatte in 15 weist die selbe Form auf, wie die Wärmeübertragungsplatte der 11 und 12. Der Windungsbereich 174 der Wärmeübertragungsplatte 170 in 15 steht jedoch nur mit einer einzelnen Lage von Leitern der Wendeabschnitte in Verbindung, insbesondere mit einer axial innersten Lage der Leiter. Die entgegengesetzte Seite des Windungsbereiches 174 steht in Kontakt mit dem Spulenkörper 118. Infolgedessen ist die Wärmeübertragungsplatte in 15 zwischen den Spulenkörper 118 und die erste Lage von Leitern der Wendeabschnitte 142 eingeklemmt.
Die 16 und 17 zeigen eine weitere Ausführungsform der Wärmeübertragungsplatte 170. Die Wärmeübertragungsplatte ist ähnlich zu der in 11 dargestellten, jedoch weist die Wärmeübertragungsplatte 170 in der Ausführungsform der 16 und 17 zwei Rohrbereiche 172a und 172b auf, welche an entgegen gesetzten Enden des Windungsbereiches 174 angeordnet sind. Jeder Rohrbereich 172a und 172b weist eine schalenförmige Oberfläche auf, welche dazu ausgebildet ist ein Kühlrohr 150 aufzunehmen. Wie in 16 dargestellt, ist der Rohrbereich 172a benachbart zu der Wand des äußeren Durchmesser 180 des Spulenkörpers 118 angeordnet und der Rohrbereich 172b ist benachbart zu der Wand des inneren Durchmessers 182 des Spulenkörpers 118 angeordnet, wenn die Wärmeübertragungsplatte 170 in die Windungen 16 eingreift. Der Windungsbereich 174 der Wärmeübertragungsplatte 170 steht lediglich mit den Leitern der äußersten Lage der Wendeabschnitte in Kontakt. Der Windungsbereich 174 erstreckt sich nicht durch den Spulenkörper 118, sondern kontaktiert den äußersten axialen Rand des Spulenkörpers 118. Vorteilhafterweise erlaubt es diese Anordnung, dass ein Kühlrohr 150 sowohl auf der Seite des äußeren Durchmessers der Windungen 116, als auch auf der Seite des inneren Durchmessers der Windungen 116 angeordnet ist. Da der Rohrbereich 172b und das zugehörige Rohr 150 in axialer Richtung ausreichend außerhalb des Statorkerns angeordnet sind, beeinträchtigt die Anordnung nicht den Rotor während des Betriebs des elektrischen Motors.
Wärmeübertragungselement und Spulenkörper als einheitliche Komponente
Nun bezugnehmend auf die 18 bis 19 wird der Spulenkörper 118 in wenigstens einer alternativen Ausführungsform einstückig mit der Wärmeübertragungsplatte 170 ausgebildet, um eine einheitliche Komponente bereitzustellen. Der Begriff "einheitliche Komponente" wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf eine Komponente bei welcher die Bestandteile der Komponente nicht trennbar miteinander verbunden sind, ohne die Komponente zu zerstören. Beispielsweise können Teile, welche zusammen einstückig mittels Spritzgussverfahren oder anderen Gussverfahren hergestellt werden, aufweisend zwei Teile welche gleichzeitig zum selben Zeitpunkt geformt werden, oder einem ersten Teil, welcher über einem zweiten Teil hergestellt wird, als eine "einheitliche Komponente" bildend angesehen werden. Als ein anderes Beispiel können zwei Teile, welche miteinander verschweißt sind, so dass die Teile nicht voneinander getrennt werden können ohne eines oder mehrere der Teile zu beschädigen, als eine einheitliche Komponente angesehen werden. Zwei Teile, die ganzheitlich miteinander sind oder zwei Teile welche einstückig hergestellt wurden, stellen eine einheitliche Komponente bereit.
Insbesondere bezugnehmend auf 18 ist eine Querschnittsansicht eines Spulenkörpers 118 dargestellt, mit einer Wand des äußeren Durchmessers 180 und einer Wand des inneren Durchmessers 182 und einer Schlitzverlängerung 184. Der Spulenkörper 118 ist mit einer Wärmeübertragungsplatte 170 als einheitliche Komponente ausgebildet. In dieser Ausführungsform ist der Spulenkörper 118 aus einem ersten Material hergestellt, welches thermisch leitfähig aber elektrisch isolierend ist, wie beispielsweise ein thermisch hoch leitfähiges Polyamid oder Polypropylen. Die Wärmeübertragungsplatte 170 ist aus einem zweiten Material gebildet, welches ebenfalls thermisch leitfähig ist, wie beispielsweise Aluminium. Wenn das Wärmeübertragungselement 170 ein anderes Material aufweist als der Spulenkörper 118, kann das Wärmeübertragungselement 170 eine höhere thermische Leitfähigkeit aufweisen als der Spulenkörper 118. Dementsprechend fließt in den Windungen 116 erzeugte Wärme im Allgemeinen leichter durch das Wärmeübertragungselement 170 ab, als über den Spulenkörper 118.
Die Wärmeübertragungsplatte 170 wird durch den Spulenkörper 118 getragen und ist mit der Wärmeübertragungsplatte 170 als einheitliche Komponente ausgebildet, wobei der Spulenkörper auf der Wärmeübertragungsplatte ausgeformt ist. Um die in 18 dargestellte Anordnung herzustellen, wird zuerst die Wärmeübertragungsplatte 170 gebildet, wie beispielsweise mittels eines Stanzverfahrens oder eines Spritzgussverfahrens. Die Wärmeübertragungsplatte wird dann in einer Spulenkörperform in einer vorgegebenen Position angeordnet. Wenn das Harz des Spulenkörpers in die Spulenkörperform eingebracht wird, fließt das Harz um die Wärmeübertragungsplatte 170 herum und umgibt Teile der Wärmeübertragungsplatte. Wenn das Harz aushärtet, wird die Wärmeübertragungsplatte 170 in ihrer Position auf dem Spulenkörper fixiert und der Spulenkörper und die Wärmeübertragungsplatte sind als einheitliche Komponente ausgebildet. Kleine Oberflächeneigenschaften, welche in der Wärmeübertragungsplatte 170 ausgebildet werden, wie beispielsweise Löcher oder Dellen 178, fixieren die Wärmeübertragungsplatte 170 zusätzlich in ihrer Position zu dem Spulenkörper 118, da das ausgehärtete Harz dieser Oberflächeneigenschaften eine Bewegung der Wärmeübertragungsplatte relativ zu dem Spulenkörper 118 verhindert.
Bezugnehmend auf 19 ist eine Querschnittsansicht eines Spulenkörpers 118 dargestellt, mit einer Wand des äußeren Durchmessers 180 und einer Wand des inneren Durchmessers 182 und einer Schlitzverlängerung 184. Der Spulenkörper 118 ist mit der Wärmeübertragungsplatte 170 als eine einheitliche Komponente ausgebildet. In dieser Ausführungsform werden der Spulenkörper 118 und die Wärmeübertragungsplatte 170 gleichzeitig aus dem gleichen Material gebildet, so dass das Material, welches die Teile bildet, zwischen den Teilen durchgehend und nicht unterbrochen ist. Wenn man sich die Querschnittsansicht des Teiles ansieht, sind daher keine Linien von Materialabgrenzungen zwischen den Teilen der einheitlichen Komponente sichtbar. In der Anordnung in 19 sind sowohl der Spulenkörper 118, als auch die Wärmeübertragungsplatte 170 aus dem selben thermisch leitfähigen, aber elektrisch isolierenden Material hergestellt, wie beispielsweise ein thermisch leitfähiges Polyamid oder Polypropylen. Um die in 19 dargestellte Anordnung herzustellen, wird eine einzige Form bereitgestellt, die dazu ausgebildet ist, gleichzeitig sowohl den Spulenkörper 118, als auch die Wärmeübertragungsplatte 170 als eine einheitliche Komponente herzustellen. Harz wird in die Form eingeführt und fließt durch die Kanäle der Form um sowohl den Spulenkörper 118, als auch die Wärmeübertragungsplatte 170 zu bilden. Wenn das Harz aushärtet, wird die Wärmeübertragungsplatte 170 in Position auf dem Spulenkörper fixiert und der Spulenkörper und die Wärmeübertragungsplatte sind als einheitliche Komponente ausgebildet. In dieser Ausführungsform verhält sich der Spulenkörper 118 selber als ein Teil der Wärmeübertragungsplatte 170, so dass durch den Spulenkörper 118 geleitete Wärme direkt in die Rohrabschnitte 172 fließt, ohne einen Materialgradienten. Die von der Wärmeübertragungsplatte gehaltenen Kühlrohre tragen die Wärme weg von dem einheitlichen Spulenkörper 118 und Wärmeübertragungsplatte.
Wieder bezugnehmend auf 4 erfolgt ein Betrieb der elektrischen Maschine 110, wenn die Statorwindungen 116 mit Energie versorgt werden. Die Energieversorgung der Windungen 116 kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen, wie beispielsweise durch Verbindung der Windungen mit einer Gleichstromversorgung (nicht dargestellt), wie beispielsweise einer Fahrzeugbatterie, welche einen elektrischen Strom dazu bewegt durch die Windungen 116 zu fließen. Die Energieversorgung der Windungen erzeugt eine elektro-motorische Kraft auf dem Rotor 122, was in einer Rotation des Rotors resultiert. Wenn während des Betriebs der elektrischen Maschine Strom durch die Windungen 116 fließt, wird in den Windungen 116 Wärme erzeugt. Das Kühlrohr 150 steht entweder direkt oder indirekt durch einen Wärmeübertragungsverstärker (wie beispielsweise die Wärmeübertragungsplatte 170) mit den Windungen 116 in Verbindung. Daher wird die in den Windungen 116 erzeugte Wärme zu dem Kühlrohr 150 übertragen. Diese Wärme wird dann auf ein Fluid übertragen, welches durch das Kühlrohr 150 fließt und welches die Wärme zu einem Ort entfernt von der elektrischen Maschine überträgt. Auf diese Art und Weise wird die elektrische Maschine 110 durch die hierin offenbarte Anordnung gekühlt, aufweisend Kühlrohre in direktem oder indirektem Kontakt mit den Statorwindungen.
Nun bezugnehmend auf 20 stellt ein Blockdiagramm verschiedene Schritte in einem Verfahren 200 zum Herstellen der Windungen auf dem Spulenkörper und dem Statorkern dar. Die vom Hersteller durchgeführten Schritte hängen von der gewünschten Anordnung des Wärmeübertragungsverstärkers in Bezug auf den Spulenkörper und die Windungen ab. Wie in Block 202 dargestellt, wird ein Statorkern bereitgestellt, bevor irgendwelche Windungen auf dem Statorkern hergestellt werden. Im Entscheidungsblock 204 wird bestimmt, ob sich der Wärmeübertragungsverstärker (in 20 "HTE") zwischen verschiedenen Windungslagen erstrecken wird (z.B. zwischen Leitern eingeklemmt sein wird). Wenn sich der Wärmeübertragungsverstärker zwischen den Windungslagen erstrecken wird, werden der Wärmeübertragungsverstärker und der Spulenkörper separat hergestellt, wie in Block 210 dargestellt, wobei der Spulenkörper Bereiche aufweist, die dazu ausgebildet sind, den Wärmeübertragungsverstärker aufzunehmen. Der Spulenkörper wird dann auf dem Statorkern angeordnet. Wie in Block 212 dargestellt, werden dann teilweise Windungen auf dem Statorkern ausgebildet. Wenn die teilweisen Windungen bis zu einer Lage abgeschlossen sind, in welche der Wärmeübertragungsverstärker eingreifen wird, wird der Wickelprozess unterbrochen und der Wärmeübertragungsverstärker wird durch den Spulenkörper und in Verbindung mit den Windungen eingebracht, wie in Block 240 dargestellt. Wie in Block 242 dargestellt, wird dann der Wicklungsprozess fertig gestellt, wobei sich der Wärmeübertragungsverstärker in die fertig gestellten Windungen hinein erstreckt. Danach werden die Kühlrohre mit dem Wärmeübertragungsverstärker verbunden, wie in Block 260 dargestellt. Ein Anbringen der Kühlrohre an dem Wärmeübertragungsverstärker in Block 260 kann auf verschiedene Art und Weisen erfolgen, aufweisend Klebstoffe, Löten, Vergießen, Friktionspassung, Crimpen oder mechanische Befestigungsmittel, wie oben bereits ausgeführt. Wenn die Kühlrohre mit dem Stator verbunden wurden, wird der Stator fertig gestellt, und ist mit verbesserten Kühlfähigkeiten während des Betriebs der elektrischen Maschine ausgebildet.
Zurückkehrend zu Block 204, werden andere Schritte durchgeführt, um die Windungen fertig zu stellen, wenn sich der Wärmeübertragungsverstärker nicht in die Windungen hinein (z.B. zwischen Windungslagen) erstrecken wird. Im Entscheidungsblock 230 wird insbesondere bestimmt, ob der Wärmeübertragungsverstärker einheitlich mit dem Spulenkörper geformt wird. Wenn der Spulenkörper und der Wärmeübertragungsverstärker nicht einheitlich geformt werden, werden im Block 232 der Spulenkörper und der Wärmeübertragungsverstärker separat vorbereitet und der Spulenkörper wird auf dem Statorkern positioniert. In Block 234 wird eine Entscheidung getroffen, ob der Wärmeübertragungsverstärker oberhalb der Windung (z.B. in 16 dargestellt) oder unterhalb der Windungslagen (z.B. in 15 dargestellt) angeordnet wird. Wenn der Wärmeübertragungsverstärker unterhalb der Windungslagen angeordnet wird, wird der Wärmeübertragungsverstärker auf dem Spulenkörper angeordnet, wie in Block 240 dargestellt. Wie in Block 242 dargestellt, werden dann die kompletten Windungen auf dem Spulenkörper und dem Statorkern gebildet. Danach werden die Kühlrohre mit dem Wärmeübertragungsverstärker verbunden, wie in Block 260 dargestellt.
Zurückkehrend zum Entscheidungsblock 234, werden die Windungen zuerst auf dem Spulenkörper und dem Statorkern fertig gestellt, wie in Block 236 dargestellt, wenn der Wärmeübertragungsverstärker oberhalb der Windungslagen angeordnet wird. Wie im Block 238 dargestellt, wird dann der Wärmeübertragungsverstärker auf dem Spulenkörper positioniert, so dass er sich über die äußerste Lage der Windungen erstreckt. Darauf folgend werden die Kühlrohre mit dem Wärmeübertragungsverstärker verbunden, wie in Block 260 dargestellt.
Noch einmal zurückkehrend zum Entscheidungsblock 230, werden der Wärmeübertragungsverstärker und der Spulenkörper einheitlich ausgebildet, wenn sie nicht separat ausgebildet werden, wie in Block 250 dargestellt. Wie in Block 252 dargestellt, werden dann die Windungen auf dem Spulenkörper aufgewickelt. Danach werden die Kühlrohre mit dem Wärmeübertragungsverstärker verbunden, wie in Block 260 dargestellt.
Die vorangegangene detaillierte Beschreibung eines oder mehrerer Ausführungsformen des Wärmeübertragungsverstärkers für eine elektrische Maschine wurde lediglich anhand von Beispielen beschrieben und ist nicht auf diese beschränkt. Es versteht sich, dass bestimmte hierin beschriebene Merkmale und Funktionen verschiedene Vorteile aufweisen, welche erreicht werden können ohne andere hierin beschriebene Merkmale und Funktionen zu realisieren. Während beispielsweise verschiedene beispielhafte Ausführungen des Wärmeübertragungselementes oben dargestellt wurden, aufweisend verschiedene Formen, Positionen und Anzahl von Wärmeübertragungselementen, wird festgestellt werden, dass eine Vielzahl zusätzlicher Ausbildungen möglich ist. Weiterhin versteht es sich, dass verschiedene Alternativen, Modifikationen, Variationen oder Verbesserungen der oben offenbarten Ausführungsformen und andere Merkmale und Funktionen oder Alternativen davon in vielen verschiedenen unterschiedlichen Ausführungsformen, Systemen oder Anwendungen kombiniert werden können. Derzeit ungeahnte oder unvorhergesehene Alternativen, Modifikationen, Variationen oder Verbesserungen können von Fachleuten in der Folge erreicht werden, welche ebenfalls von den beigefügten Ansprüchen umfasst sein sollen. Deshalb sollen der Geist und der Schutzumfang der beigefügten Ansprüche nicht auf die Beschreibung der hierin enthaltenen Ausführungsformen eingeschränkt werden.

Claims

Eine elektrische Maschine mit: einem Kern, welcher ein erstes axiales Ende, ein zweites axiales Ende gegenüber dem ersten axialen Ende und eine Vielzahl von Schlitzen definiert, welche sich zwischen dem ersten axialen Ende und dem zweiten axialen Ende erstrecken; auf dem Kern gewickelte Windungen, wobei die Windungen in den Schlitzen angeordnete Bereiche, welche in der Vielzahl von Schlitzen angeordnet sind, und Wendeabschnitte aufweisen, welche an dem ersten axialen Ende und dem zweiten axialen Ende angeordnet sind; einem Kühlrohr, welches mit den Wendeabschnitten der Windungen verbunden ist; und einem Wärmeübertragungselement, welches sich zwischen dem Kühlrohr und den Windungen erstreckt und in Kontakt mit dem Kühlrohr und den Windungen steht.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei das Wärmeübertragungselement mittels einer Lötverbindung, einer Crimpverbindung, einer Klebeverbindung, einer Vergussverbindung oder einer Klemmverbindung mit dem Kühlrohr verbunden ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 2, wobei das Wärmeübertragungselement einen ersten Bereich, welcher sich zumindest teilweise um das Kühlrohr herum erstreckt, und einen zweiten Bereich aufweist, welcher eine Vielzahl von Leitern eines der Wendeabschnitte kontaktiert.
Elektrische Maschine nach Anspruch 3, wobei der erste Bereich des Wärmeübertragungselements ein schalenförmiger Bereich ist, welcher sich teilweise um das Kühlrohr herum erstreckt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 4, wobei sich der schalenförmige Bereich um etwa 180° um das Kühlrohr herum erstreckt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 3, wobei der zweite Bereich des Wärmeübertragungselements ein plattenförmiger Bereich ist, welcher die Leiter kontaktiert.
Elektrische Maschine nach Anspruch 6, wobei die Leiter in Lagen angeordnet sind und der plattenförmige Bereich zwischen einer ersten Lage und einer zweiten Lage der Vielzahl von Leitern eingeklemmt ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 7, wobei der plattenförmige Bereich einen ersten Plattenbereich, welcher sich von einem ersten axialen Ende des Kühlrohres erstreckt, und einen zweiten Plattenbereich aufweist, welcher sich von der zweiten axialen Seite des Kühlrohres erstreckt, wobei der erste Plattenbereich zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage der Vielzahl von Leitern eingeklemmt ist und der zweite Plattenbereich zwischen der dritten Lage und der vierten Lage der Vielzahl von Leitern eingeklemmt ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 6, wobei der Plattenbereich zwei gegenüberliegende Seiten aufweist und nur eine der zwei gegenüberliegenden Seiten in Kontakt mit den Leitern steht.
Elektrische Maschine nach Anspruch 9, wobei der Plattenbereich in Kontakt mit einer axial äußersten Lage der Leiter in Verbindung steht.
Elektrische Maschine nach Anspruch 9, wobei der Plattenbereich in Kontakt mit einer axial innersten Lage der Leiter steht.
Elektrische Maschine nach Anspruch 6, wobei der Plattenbereich flach ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, welche weiterhin einen Spulenkörper aufweist der mit dem Kern verbunden ist, wobei die Windungen auf dem Spulenkörper aufgewickelt sind, wobei der Spulenkörper eine Wand aufweist welche sich in einer axialen Richtung von dem ersten axialen Ende oder dem zweiten axialen Ende des Kerns erstreckt, und wobei das Kühlrohr in Kontakt mit der Wand steht.
Elektrische Maschine nach Anspruch 13, wobei sich das Wärmeübertragungselement durch die Wand hindurch erstreckt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 13, wobei das Wärmeübertragungselement fest in die Wand eingebaut ist.
Eine elektrische Maschine mit: einem Kern; Windungen, welche auf dem Kern angeordnet sind; einem Kühlrohr, welches mit den Windungen verbunden ist; und einer Wärmeübertragungsplatte, welche sich von den Windungen zu dem Kühlrohr hin erstreckt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 16, wobei die Wärmeübertragungsplatte einen ersten Bereich, welcher sich zumindest teilweise um das Kühlrohr herum erstreckt, und einen zweiten Bereicht aufweist, welcher eine Vielzahl von Leitern der Windungen kontaktiert.
Elektrische Maschine nach Anspruch 17, wobei die Wärmeübertragungsplatte zwischen der Vielzahl von Leitern eingeklemmt ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 18, wobei der Kern ein Statorkern ist, und die Vielzahl von Leitern an einem Wendeabschnitt der Windungen bereitgestellt werden.
Ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit: Versorgen der auf einem Kern aufgewickelten Windungen mit Energie; Leiten eines Fluids durch ein Kühlrohr, welches in Kontakt mit den Windungen steht; und Übertragen von in den Windungen erzeugter Wärme zu dem Kühlrohr durch eine Wärmeübertragungsplatte, welche sich von den Windungen zu dem Kühlrohr erstreckt.