DE112015004235T5

DE112015004235T5 - Kühlanordnung für eine Endwindung einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE112015004235T5
Application number: DE112015004235.0T
Authority: DE
Inventors: Wally E. Rippel; Eric Rippel
Original assignee: Prippell Tech LLC; Prippell Technologies LLC
Current assignee: Prippell Tech LLC; Prippell Technologies LLC
Priority date: 2014-09-18
Filing date: 2015-09-17
Publication date: 2017-06-14
Also published as: WO2016044570A1; JP2017535232A; CN107078569A; JP6420471B2; US20180323676A1; US20160087509A1; KR20170043636A; KR101947292B1

Abstract

Eine Kühlanordnung für eine Endwindung von einem Stator einer elektrischen Maschine. Die Kühlanordnung umfasst eine Mehrzahl von Schichten, wobei eine Schicht von der Mehrzahl der Schichten eine Öffnung aufweist, die einen Teil von einem Fluiddurchlass ausbildet. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Kühlanordnung bereitgestellt, die folgendes aufweist: eine Mehrzahl von Schichten, wobei eine erste Schicht von der Mehrzahl der Schichten eine Öffnung aufweist, die einen Teil von einem ersten Fluiddurchlass ausbildet, und wobei die Anordnung dazu ausgelegt ist, eine Endwindung einer elektrischen Maschine zu kühlen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Ein oder mehrere Aspekte von Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf das Kühlen von elektrischen Maschinen, genauer auf eine Anordnung zum Kühlen einer Endwindung in eine elektrische Maschine.
HINTERGRUND
In nicht mit Bürsten versehenen Maschinen, wie etwa bürstenlosen DC-Maschinen mit Permanentmagnet (PM) und Induktionsmaschinen (IM), kann der Stator aus einem geschichteten Kernstapel und einer Windung bestehen. Der geschichtete Kernstapel wiederum kann eine Mehrzahl von axial ausgerichteten Schlitzen umfassen, durch die elektrische Leiter angeordnet werden, um eine Struktur auszubilden, die als eine Windung bezeichnet wird. Der Abschnitt der Windung, der innerhalb der Schlitze enthalten ist, wird die „aktive Windung“ genannt, während die beiden Endabschnitte, die außerhalb des Kerns liegen, „Endwindungen“ genannt werden. Die Endwindungen sind Elemente, die zusammen mit der aktiven Windung einen elektrischen Schaltkreis vervollständigen. Durch sich selbst tragen die Endwindungen nicht zur Energieumwandlung oder zur Drehmomenterzeugung bei, jedoch erzeugen sie Wärme, die proportional ist zu dem Quadrat des Stromflusses und folglich näherungsweise proportional zu dem Quadrat des erzeugten Drehmoments ist. Für vier-polige Maschinen kann jede Endwindung für ungefähr 12% der gesamten Maschinenverluste verantwortlich sein.
Bei Maschinen mit niedriger Leistungsfähigkeit, können Windungsstromdichten kleiner als 400 A/cm² sein. In diesen Fällen kann die Wärme, die sowohl in der aktiven Windung als auch in den Endwindungen erzeugt wird, relativ klein sein und ein mäßiger Luftstrom, der über das Stator-Gehäuse und die Endwindungen gerichtet ist, kann eine ausreichende Wärmeübertragung bereitstellen, um Temperaturen auf sichere Werte zu beschränken. In Maschinen mit hoher Leistungsfähigkeit können die Stromdichten 1000 A/cm² überschreiten, und die Wärme einer Endwindung kann gezwungen sein, in die aktive Windung zu fließen, wodurch die Temperatur der aktiven Windung erhöht wird, während auch bewirkt wird, dass die Temperatur der Endwindung beträchtlich über die der aktiven Windung ansteigt. Dies kann zu einem Versagen der Maschine führen.
Es besteht daher ein Bedarf für eine effiziente Anordnung zum Kühlen von Endwindungen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Kühlanordnung (oder Kühlstruktur) bereitgestellt, die folgendes umfasst: eine Mehrzahl von Schichten, wobei eine erste Schicht von der Mehrzahl der Schichten eine Öffnung aufweist, die einen Teil von einem ersten Fluiddurchlass ausbildet, und wobei die Anordnung (oder Struktur) dazu ausgelegt ist, eine Endwindung einer elektrischen Maschine zu kühlen.
In einer Ausführungsform ist jede Schicht: eine Schichtung (oder Laminierung) oder eine Windung von einem gewickelten Streifen.
In einer Ausführungsform weist jede Schicht von der Mehrzahl der Schichten folgendes auf: eine erste Öffnung, eine zweite Öffnung und eine dritte Öffnung, welche dieselbe Größe und Form aufweisen, und die entlang der Schicht gleichförmig beabstandet sind.
In einer Ausführungsform weist jede Schicht von der Mehrzahl der Schichten eine erste Öffnung und eine zweite Öffnung auf, wobei die erste Öffnung sich hinsichtlich der Form und/oder der Größe von der zweiten Öffnung unterscheidet.
In einer Ausführungsform weist die erste Schicht eine erste Öffnung auf und eine zweite Schicht von der Mehrzahl der Schichten weist eine zweite Öffnung auf, wobei die erste Öffnung sich hinsichtlich der Form und/oder der Größe von der zweiten Öffnung unterscheidet.
In einer Ausführungsform ist die Anordnung ein Hohlzylinder, der folgendes aufweist: eine innere oder äußere zylinderförmige Oberfläche und/oder eine ringförmige Endoberfläche, von denen eine oder beide in thermischem Kontakt mit der Endwindung ist.
In einer Ausführungsform ist die Struktur dazu ausgelegt, eine Endwindung von einer elektrischen Maschine mit axialem Spalt zu kühlen.
In einer Ausführungsform umfasst die Mehrzahl der Schichten einen gewickelten Streifen, wobei jede von den Schichten eine von einer Mehrzahl von Windungen des gewickelten Streifens ist.
In einer Ausführungsform umfasst die Mehrzahl der Schichten einen ersten gewickelten Streifen und einen zweiten gewickelten Streifen, wobei der zweite gewickelte Streifen zusammen mit dem ersten gewickelten Streifen gewickelt ist, und wobei jede von den Schichten eine Windung von dem ersten gewickelten Streifen oder von dem zweiten gewickelten Streifen ist.
In einer Ausführungsform umfasst die Anordnung die Öffnung, wobei die Anordnung ferner einen Mehrfachverteiler umfasst, welcher einen Mehrfachverteilerkanal in Fluidkommunikation mit der Mehrzahl der Fluidkanäle aufweist.
In einer Ausführungsform umfasst die Anordnung die Öffnung, wobei die Anordnung ferner eine Strömungsrichteinrichtung umfasst, die dazu ausgelegt ist, eine Flüssigkeitsströmung zu richten in eine, oder eine Flüssigkeitsströmung zu empfangen von einer, Teilmenge von der Mehrzahl der Fluidkanäle.
In einer Ausführungsform umfasst die Mehrzahl der Schichten eine Mehrzahl von Öffnungen, die abwechselnd unterschiedlich bemessen sind (unterschiedliche Abmessungen aufweisen).
In einer Ausführungsform überlappt jede der Öffnungen zwei Öffnungen in einer anderen Schicht.
In einer Ausführungsform umfasst die Anordnung die Öffnung, wobei die Anordnung ferner eine Strömungsrichteinrichtung umfasst, die dazu ausgelegt ist, eine Fluidströmung zu richten in eine, oder eine Fluidströmung zu empfangen aus einer, Teilmenge von der Mehrzahl der Fluidkanäle.
In einer Ausführungsform ist die Strömungsrichteinrichtung eine von der Mehrzahl der Schichten und weist eine Mehrzahl von Öffnungen mit einer ersten Größe auf, wobei: eine der Öffnungen der Strömungsrichteinrichtung mit einer Öffnung mit der ersten Größe von einer von der Mehrzahl der Schichten ausgerichtet ist, und wobei eine andere Öffnung mit der ersten Größe von der einen der Mehrzahl der Schichten nicht mit irgendeiner Öffnung der Strömungsrichteinrichtung ausgerichtet ist.
In einer Ausführungsform umfasst die Anordnung einen ersten Mehrfachverteiler mit einem ersten Mehrfachverteilerkanal und einen zweiten Mehrfachverteiler mit einem zweiten Mehrfachverteilerkanal, wobei jede von der Mehrzahl der Schichten eine Mehrzahl von Öffnungen aufweist, wobei die Mehrzahl der Öffnungen von der Mehrzahl der Schichten folgendes ausbildet: eine Mehrzahl von im Wesentlichen azimutalen Fluiddurchlässen in Fluidkommunikation mit dem ersten Mehrfachverteilerkanal und dem zweiten Mehrfachverteilerkanal, und eine Mehrzahl von im Wesentlichen axialen Fluiddurchlässen in Fluidkommunikation mit dem ersten Mehrfachverteilerkanal und dem zweiten Mehrfachverteilerkanal oder eine Mehrzahl von im Wesentlichen radialen Fluiddurchlässen in Fluidkommunikation mit dem ersten Mehrfachverteilerkanal und dem zweiten Mehrfachverteilerkanal, wobei jede von den im Wesentlichen azimutalen Fluiddurchlässen folgendes verbindet: ein Paar von im Wesentlichen axialen Fluiddurchlässen oder ein Paar von im Wesentlichen radialen Fluiddurchlässen, und wobei mindestens ein Fluidpfad, der den ersten Mehrfachverteilerkanal und den zweiten Mehrfachverteilerkanal verbindet, mindestens eine der im Wesentlichen azimutalen Fluiddurchlässe umfasst.
In einer Ausführungsform ist die Anordnung dazu ausgelegt, eine Endwindung von einer elektrischen Maschine mit radialer Lücke (oder Spalt) zu kühlen, wobei die Endwindung eine äußere zylinderförmige Oberfläche und eine innere zylinderförmige Oberfläche aufweist und wobei die Anordnung eine äußere Kühleinrichtung, die eine innere zylinderförmige Oberfläche aufweist, die in thermischem Kontakt mit der äußeren zylinderförmigen Oberfläche der Endwindung ist, aufweist, und eine innere Kühleinrichtung, die eine äußere zylinderförmige Oberfläche, die in thermischem Kontakt mit der inneren zylinderförmigen Oberfläche der Endwindung ist, umfasst.
In einer Ausführungsform umfasst die Anordnung einen äußeren Mehrfachverteiler mit einem ersten Mehrfachverteilerkanal und einen inneren Mehrfachverteiler mit einem zweiten Mehrfachverteilerkanal, wobei der erste Mehrfachverteilerkanal in Fluidkommunikation mit den Fluidkanälen der äußeren Kühleinrichtung ist, wobei der zweite Mehrfachverteilerkanal in Fluidkommunikation mit den Fluidkanälen der inneren Kühleinrichtung ist.
In einer Ausführungsform ist die Öffnung der ersten Schicht ein Loch in der ersten Schicht.
In einer Ausführungsform weist eine dritte Schicht von der Mehrzahl der Schichten eine dritte Öffnung auf, die einen Teil von einem zweiten Fluiddurchlass ausbildet, und ein Hohlraum zwischen der ersten Schicht und der dritten Schicht bildet einen dritten Fluiddurchlass, der den ersten Fluiddurchlass und den zweiten Fluiddurchlass verbindet, wobei der dritte Fluiddurchlass im Wesentlichen parallel zu der ersten Schicht und der dritten Schicht ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Maschine bereitgestellt, die folgendes aufweist: einen Stator, der eine Endwindung aufweist, die in einem Vergussmaterial mit einer thermischen Leitfähigkeit von größer als etwa 0,4 W/m/°C vergossen ist, und eine Kühlanordnung (oder Kühlstruktur) in thermischem Kontakt mit der Endwindung, wobei die Kühlanordnung eine Mehrzahl von Schichten umfasst, und wobei eine erste Schicht von der Mehrzahl von Schichten eine Öffnung aufweist, die einen Teil eines ersten Fluiddurchlasses ausbildet.
In einer Ausführungsform enthält die elektrische Maschine eine dielektrische Barriere (oder nicht leitfähige Sperre) zwischen der Endwindung und einer Schicht von der Mehrzahl der Schichten.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Kühlanordnung bereitgestellt, die folgendes aufweist: eine Wärmeübertragungsanordnung, die einen ersten Fluiddurchlass aufweist, wobei die Kühlanordnung dazu ausgelegt ist, eine Endwindung von einer elektrischen Maschine zu kühlen, die einen Rotor aufweist, der dazu ausgelegt ist, sich um eine Achse zu drehen, und wobei ein Teil des ersten Fluiddurchlasses nicht parallel zu der Achse ist.
In einer Ausführungsform weist die Wärmeübertragungsanordnung ferner auf: eine Mehrzahl von ersten Öffnungen, eine Mehrzahl von zweiten Öffnungen, einen zweiten Fluiddurchlass mit einem Ende bei einer von der Mehrzahl der ersten Öffnungen, einen dritten Fluiddurchlass mit einem Ende bei einer von der Mehrzahl der zweiten Öffnungen und eine Mehrzahl von vierten Fluiddurchlässen, wobei die vierten Fluiddurchlässe den zweiten Fluiddurchlass und den dritten Fluiddurchlass verbinden.
In einer Ausführungsform weisen die vierten Fluiddurchlässe folgendes auf: ein Innenvolumen, eine Innenoberfläche und eine Länge von kleiner als 2 cm, wobei für jeden Punkt in dem Innenvolumen des vierten Fluiddurchlasses der Abstand zu einem nächstliegenden Punkt auf der Innenoberfläche des vierten Fluiddurchlasses weniger als 1 mm ist.
In einer Ausführungsform umfasst die Anordnung: einen ersten Mehrfachverteiler mit einem ersten Mehrfach-Fluidkanal, der mit jeder von den ersten Öffnungen direkt verbunden ist, und einen zweiten Mehrfachverteiler mit einem zweiten Mehrfach-Verteilerfluidkanal, der mit jeder von den zweiten Öffnungen direkt verbunden ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden gewertschätzt und werden verstanden mit Verweis auf die Beschreibung, die Patentansprüche und die beigefügten Zeichnungen, für die gilt:
1 ist eine perspektivische Explosionsansicht von einem Stator einer elektrischen Maschine mit einem System zum Kühlen der Endwindung, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein schematischer Querschnitt von einer geschichteten Kühlanordnung, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine perspektivische Explosionsansicht von einem Stator einer elektrischen Maschine mit einem System zum Kühlen einer Endwindung, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Querschnittansicht von einer elektrischen Maschine mit einem System zum Kühlen des Rotors, des Stators und der Endwindungen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine perspektivische Explosionsansicht von zwei gemeinsam gewickelten Streifen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine perspektivische Explosionsansicht von einem Stator einer elektrischen Maschine mit einem System zur Kühlung der Endwindung, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine perspektivische Explosionsansicht von einem Stator einer elektrischen Maschine mit einem System zur Kühlung der Endwindung, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine perspektivische Explosionsansicht von einem Stator einer elektrischen Maschine für eine Maschine mit axialer Lücke, mit einem System zur Kühlung der Endwindung und des Stators, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine perspektivische Ansicht von einer Kühlanordnung zur Kühlung einer Endwindung, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die unten dargelegte, ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ist gedacht als eine Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen einer Kühlanordnung für eine Endwindung 106 einer elektrischen Maschine, welche Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird, und ist nicht so gedacht, dass sie die einzigen Formen darstellt, in denen die vorliegende Erfindung konstruiert oder verwendet werden kann. Die Beschreibung legt Merkmale der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit den veranschaulichten Ausführungsformen dar. Es sollte jedoch verstanden werden, dass dieselben oder äquivalente Funktionen und Anordnungen (oder Strukturen) durch verschiedene Ausführungsformen erzielt werden, die auch dazu gedacht sind, innerhalb des Geistes und des Umfangs der Erfindung umfasst zu sein. So wie das an anderer Stelle hierin angemerkt ist, ist beabsichtigt, dass gleiche Elementnummern gleiche Elemente oder Merkmale anzeigen.
Die Dauerleistung (oder kontinuierliche Nennleistung) von elektrischen Maschinen kann durch den Temperaturanstieg von kritischen Elementen bestimmt werden. In manchen Fällen sind die Endwindungen der Maschine die ersten Elemente, die einen kritischen Temperaturanstieg erreichen. In diesen Fällen kann, wenn die Kühlung der Endwindung verbessert wird, die Dauerleistung verbessert werden, wodurch ein wirtschaftlicher Vorteil bereitgestellt wird. Mit Verweis auf 1, in einer Ausführungsform, umfasst ein Stator 102 einer elektrischen Maschine eine Mehrzahl von gestapelten Stator-Schichtungen (oder Stator-Laminierungen) 104, die einen Statorkern 105 ausbilden, durch den eine Stator-Windung gewickelt ist, die eine Endwindung 106 aufweist. In einigen Ausführungsformen ist der Stator 102 als ein gewickelter Streifen anstatt als ein Stapel von Schichtungen (oder Laminierungen) ausgebildet.
Jede Endwindung 106 kann ein thermisch leitfähiges Vergussmaterial 108 (z.B. ein thermisch leitfähiges Vergussmaterial, wie etwa ein mit Aluminiumoxid gefülltes Epoxy oder ein anderes Harz, umfassen, das in 1 weggebrochen gezeigt ist, um die darin eingebettete Endwindung 106 erkennen zu lassen), das hinzugefügt ist, um einen Kontakt mit niedrigem thermischen Widerstand zwischen den Endwindungen 106 und den Mehrfach-Verteilern einzurichten. Die Endwindung 106 kann so ausgebildet sein, dass sie eine äußere Oberfläche in der Form eines kreisförmigen Zylinders aufweist, im Gegensatz dazu, dass sie eine radiale Ausbuchtung, wie in den Endwindungen 106 von manchem Stand der Technik, aufweist. Der thermisch leitfähige Vergussharz 108 kann unter Druck angebracht werden, so dass er auch in die Bereiche des aktiven Schlitzes getrieben (oder gezwungen) wird, wo er dazu beitragen kann, den thermischen Widerstand (oder den Wärmewiderstand) zwischen dem aktiven Teil der Windung und dem Statorkern 105 zu verringern. Die vergossene Endwindung 106 hat die Form eines hohlen Zylinders oder Rohrs, mit einer äußeren zylindrischen Oberfläche 110, einer ringförmigen Endoberfläche 112 und einer inneren zylinderförmigen Oberfläche 114. Eine Kühlanordnung 116, die ein Kühlanordnungsgehäuse 118 und eine Mehrzahl von Kühlschichtungen 120 umfasst, ist über die äußere zylinderförmige Oberfläche 110 der Endwindung 106 gepasst. Die Kühlanordnung 116 wird mit der Endwindung 106 zusammengebaut in einer Weise, die einen guten thermischen Kontakt zwischen der Endwindung 106 und der Kühlanordnung 116 sicherstellt. Beispielweise kann die Kühlanordnung 116 eine Presspassung (oder Festsitz) auf der vergossenen Endwindung 106 sein, oder die Endwindung 106 kann mit der Kühlanordnung 116 in situ vergossen werden, so dass der Vergussharz 108 in direktem Kontakt mit der Kühlanordnung 116 ist. In anderen Ausführungsformen wird eine Wärmeleitpaste (Wärmeschmiere) zwischen dem Kühlanordnungsgehäuse 118 und der Endwindung 106 verwendet, um einen guten thermischen Kontakt bereitzustellen. Im Betrieb fließt Wärme von den Leitern der Endwindung 106 durch den Vergussharz 108 und in die Kühlanordnung 116. Eine Kühlflüssigkeit fließt durch die Kühlstruktur 116, was die Kühlstruktur 116 kühlt, die wiederum die Endwindung 106 kühlt.
Die Kühlschichtungen 120 können kreisförmige Elemente von vier Typen (oder Arten) sein, die als Typ A Schichtung 120a, als Typ B Schichtung 120b, als Typ C Schichtung 120c und als Typ D Schichtung 120d bezeichnet werden (und die kollektiv als Kühlschichtungen 120 bezeichnet werden, die zusammen ein Kühlelement 121 ausbilden). Jede Schichtung weist eine Mehrzahl von Öffnungen auf. Jede Typ A Schichtung weist eine Mehrzahl von breiten Öffnungen 122 (z.B. 12 breite Öffnungen 122, wie in 1 gezeigt) auf. Ein Netz (oder Gewebe oder Stegblech (web)) 129 trennt jedes Paar von breiten Öffnungen 122. Jede Schichtung kann auch eine Ausrichtungsnut 126 aufweisen, die mit einer entsprechenden Rippe auf der inneren Oberfläche der äußeren zylinderförmigen Wand des Kühlanordnungsgehäuses 118 eingreift, um die azimutale Ausrichtung der Kühlschichtungen 120 in Bezug zueinander aufrechtzuerhalten. Jede Typ B Schichtung weist eine Mehrzahl von schmalen Öffnungen 128 (z.B. 12 schmale Öffnungen 128, wie in 1 gezeigt) auf. Jede Öffnung von jeder Typ B Schichtung 120b überspannt ein Netz 129 von einer benachbarten Typ A Schichtung 120a, so dass jede Öffnung von jeder Typ B Schichtung 120b zwei Öffnungen der Typ A Schichtung 120a überlappt. Die Typ C Schichtung 120c weist schmale Öffnungen 128 auf und kann halb so viele schmale Öffnungen 128 wie die Typ B Schichtung 120b aufweisen. Gleichermaßen weist auch die Typ D Schichtung 120d schmale Öffnungen 128 auf, und kann halb so viele schmale Öffnungen 128 wie eine Typ B Schichtung 120b aufweisen. Die Typ C Schichtung 120C und die Typ D Schichtung 120d haben verschiedene azimutale Orientierungen (z.B. als ein Ergebnis der Anordnung ihrer entsprechenden Ausrichtungsnuten), so dass jede Öffnung von der Typ D Schichtung 120d nicht mit irgendeiner Öffnung der Typ C Schichtung 120c ausgerichtet ist. 1 veranschaulicht die relative Anordnung von Elementen von einer Ausführungsform und ist nicht maßstabsgetreu gezeichnet. Jede Schichtung kann einen Außendurchmesser, der eine Presspassung oder eine Schrumpfpassung innerhalb des inneren Durchmessers der äußeren Gehäusewand 306 (3) ist, und ein Innendurchmesser, der ein Presssitz oder ein Schrumpfsitz auf dem Außendurchmesser der inneren Gehäusewand 308 (3) ist, aufweisen. Die Schichtungen können dann kraftschlüssig in das Kühlanordnungsgehäuse 118 eingepresst werden, wodurch die Schichtungen in dem Kühlanordnungsgehäuse 118 befestigt werden und auch einen guten thermischen Kontakt zwischen z.B. der inneren Gehäusewand 308 und den Schichtungen, ausbilden. Ein oder mehrere Passer (register) innerhalb des Kühlanordnungsgehäuses 118 (z.B. eine Stufe in dem Innendurchmesser der äußeren Gehäusewand 306) kann als ein Anschlag dienen, gegen den der Schichtungsstapel während des Zusammenbaus anstoßen kann, wodurch die axialen Position des Schichtungsstapels innerhalb des Kühlanordnungsgehäuses 118 eingerichtet wird. Die Schichtungen können auch zusammengeklebt werden, z.B. durch Aufbringen eines geeigneten Klebemittels auf die Oberflächen der Schichtungen vor dem Zusammenbau. In einer Ausführungsform sind das Kühlanordnungsgehäuse 118 und die Schichtungen beide aus Aluminium oder aus einer Legierung von Aluminium ausgebildet.
Zur Vereinfachung sind in 1 nur zwei Typ A Schichtungen 120a und eine Typ B Schichtung 120b gezeigt. In anderen Ausführungsformen können zusätzliche Paare von abwechselnden Typ A Schichtungen 120a und Typ B Schichtungen 120b zwischen der Typ C Schichtung 120c und der Typ D Schichtung 120d enthalten sein. Die Öffnungen 128 der Typ B Schichtungen 120b bilden dann eine Mehrzahl von im Wesentlichen axialen Fluiddurchlässen (z.B. 12 im Wesentlichen axiale Fluiddurchlässe, wie in 1 gezeigt). Diese im Wesentlichen axialen Fluiddurchlässe können bei jeder Typ A Schichtung 120a durch ein Netz 129 teilweise versperrt sein, was, wenn die Öffnungen 128 der Typ B Schichtungen 120b signifikant breiter als die Netze 129 sind, nicht zu nicht akzeptablen Wärmeverlusten führen kann. Jegliche zwei benachbarte, im Wesentlichen axiale Fluiddurchlässe sind durch eine Mehrzahl von im Wesentlichen azimutalen Fluiddurchlässen verbunden, von denen jeder durch eine von den breiten Öffnungen 122 der Typ A Schichtungen 120a gebildet ist. In einer Ausführungsform bildet eine Lücke zwischen dem Statorkern 105 und der Typ D Schichtung 120d einen ersten Fluidkanal, der Fluid zu einer Hälfte (jedem zweiten) der im Wesentlichen axialen Fluiddurchlässe durch die Öffnungen der Typ D Schichtung 120d zuführt. Die Lücke zwischen dem Statorkern 105 und der Typ D Schichtung 120d bildet also den Fluidkanal von einem Einlass-Mehrfachverteiler (der durch die äußere und innere Wand des Kühlanordnungsgehäuses 118, die ringförmige Endoberfläche des Statorkerns 105 und die Typ D Schichtung 120d begrenzt ist). Dieselbe Lücke kann auch als ein Einlass-Mehrfachverteiler für den Statorkern 105 wirken, der auch Öffnungen (z.B. Öffnungen 107) umfasst, die Fluidkanäle in dem Statorkern 105 zum Kühlen des Stators 102 ausbilden. Des Weiteren umfasst das Kühlanordnungsgehäuse 118 einen umlaufenden zweiten Fluidkanal, der Fluid von der Hälfte (jedem zweiten) der im Wesentlichen axialen Fluiddurchlässe durch die Öffnungen der Typ C Schichtung 120c empfängt. Fluid kann in das Kühlanordnungsgehäuse 118 durch einen radialen Gehäuseanschluss 130 fließen, und nach dem Fließen durch das Kühlelement 121 aus dem Kühlanordnungsgehäuse 118 durch zwei axiale End-Schellen-Anschlüsse (end bell ports) 132 hinausfließen. Flusskreise in einer elektrischen Maschine sind unten in näherer Einzelheit beschrieben. In einer anderen Ausführungsform fließt das Fluid in der entgegengesetzten Richtung, und Fluid wird den im Wesentlichen axialen Fluiddurchlässen durch die Öffnungen der Typ D Schichtung 120d zugeführt und von den im Wesentlichen axialen Fluiddurchlässen durch die Öffnungen der Typ C Schichtungen 120c empfangen. In anderen Ausführungsformen kann eine Kühlanordnung 116 Merkmale, die von den Schichtungen 120 verschieden sind, umfassen, um die thermische Impedanz zwischen einem flüssigen Kühlmittel und dem Kühlanordnungsgehäuse 118 zu verringern. Beispielsweise können Finnen, z.B. dicht beabstandete Finnen oder „Mikro-Finnen“, verwendet werden, um die innere Oberflächenfläche des Kühlanordnungsgehäuses 118 zu vergrößern. In einigen Ausführungsformen weist das Kühlanordnungsgehäuse 118 keine zusätzlichen inneren Merkmale auf, und die (glatte) innere Oberfläche des Kühlanordnungsgehäuses 118 wirkt als die Oberfläche, an der Wärme von dem Kühlfluid an die Kühlanordnung 116 (die in dieser Ausführungsform einfach aus dem Kühlanordnungsgehäuse 118 besteht) übertragen wird.
2 zeigt in schematischer Weise das Strömungsmuster innerhalb der Kühlanordnung 116 in einer Ausführungsform. Die Kühlanordnung der 2 umfasst einen Einlass-Mehrfachverteiler 202, ein Kühlelement 121 und einen Auslass-Mehrfachverteiler 206. Das Kühlelement 121 enthält ein Netzwerk von im Wesentlichen axialen Fluiddurchlässen 204 und im Wesentlichen azimutalen Fluiddurchlässen 122 (d.h. jeder im Wesentlichen azimutale Fluiddurchlass ist durch eine breite Öffnung 122 ausgebildet). Die Öffnungen 128 der Typ D Schichtungen 120d wirken als Einlassanschlüsse zu dem Kühlelement 121 und richten die Strömung von dem Einlass-Mehrfachverteiler 202 in eine erste Teilmenge (z.B. die Hälfte) der im Wesentlichen axialen Fluiddurchlässe 204. Die Öffnungen 128 der Typ C Schichtung 120c wirken als Auslassanschlüsse aus dem Kühlelement 121 und richten die Strömung aus einer zweiten Teilmenge (z.B. andere Hälfte) der im Wesentlichen axialen Fluiddurchlässe 204 in einen Auslass-Mehrfachverteiler 206. Dementsprechend können die Typ C Schichtung 120c und die Typ D Schichtung 120d jeweils als eine Strömungsrichteinrichtung bezeichnet werden. Weil jede von den im Wesentlichen axialen Fluiddurchlässen 204 nur mit entweder dem Einlass-Mehrfachverteiler 202 oder dem Auslass-Mehrfachverteiler 206 direkt verbunden ist, enthält jeder Fluidpfad von dem Einlass-Mehrfachverteiler 202 zu dem Auslass-Mehrfachverteiler 206 einen im Wesentlichen azimutalen Abschnitt (in 2 als horizontaler Abschnitt gezeigt) entlang von einem der im Wesentlichen azimutalen Fluiddurchlässe 122 (d.h. innerhalb von einer von den breiten Öffnungen 122 von einer Typ A Schichtung), die einen ersten im Wesentlichen axialen Abschnitt (in 2 als vertikaler Abschnitt gezeigt) entlang von einem von der ersten Teilmenge der im Wesentlichen axialen Fluiddurchlässe 204 und einen zweiten im Wesentlichen axialen Abschnitt (in 2 als vertikaler Abschnitt gezeigt) entlang von einem von der zweiten Teilmenge der im Wesentlichen axialen Fluiddurchlässe 204 verbindet.
Die im Wesentlichen azimutalen Fluiddurchlässe 122 können eine kleine axiale Abmessung aufweisen (z.B. eine axiale Abmessung, die etwa gleich der Dicke von dem Streifen ist, die etwa 0,2 mm sein kann), und infolgedessen kann der entsprechende Fluss des Fluids durch die im Wesentlichen azimutalen Fluiddurchlässe 122 zu einer effektiven Wärmeübertragung zwischen dem Fluid und den Schichtungen 120 führen. Die axialen Durchlässe 204 müssen nicht streng axial sein, so wie das gezeigt ist, sondern können beispielsweise spiralenförmig sein.
Die Abmessungen der im Wesentlichen azimutalen Fluiddurchlässe können für eine niedrige thermische Impedanz zwischen dem Kühlfluid und dem geschichteten (oder laminierten) Kühlelement 121 ausgewählt sein. Die endliche thermische Leitfähigkeit des Kühlfluids resultiert in einer ersten Komponente von diesem thermischen Widerstand (entsprechend dem Wärmefluss durch das Kühlmittel), welche mit abnehmender Breite des Kühldurchlasses (z.B. abnehmende Schichtungsdicke) abnimmt. Die endliche thermische Masse des Kühlmittels resultiert in einer zweiten Komponente des thermischen Widerstands. Diese zweite Komponente ist umgekehrt proportional zu der Strömungsrate, und, für einen konstanten Druckabfall, nimmt sie mit abnehmender Länge des Kühldurchlasses (z.B. mit abnehmender Breite der Öffnungen 122 der Typ A Schichtungen 120a) ab. Folglich kann die Breite des Kühldurchlasses so gewählt werden, dass er eine Funktion des Kühlmitteldrucks (Druckabfall) der Länge des Kühldurchlasses, der Viskosität des Kühlmittels, der spezifischen Wärme des Kühlmittels und der thermischen Leitfähigkeit des Kühlmittels ist. Wenn beispielsweise ein Öl mit niedriger Viskosität, wie etwa ein Transformatoren-Öl oder ein Automatik-Getriebeöl (ATF, automatic transmission fluid) als das Kühlfluid verwendet wird, mit einem Druckabfall in der Größenordnung von 70 kPa (10 psi), und wenn die Länge des Kühldurchlasses in der Größenordnung von 1 cm ist, dann kann eine Breite des Kühldurchlasses im Bereich von 0,12 mm bis 0,50 mm (0,005“ bis 0,020“) verwendet werden. Ein Vergrößern der Anzahl der Schichtungen 120 in dem Kühlelement 121 kann den Druckabfall für eine gegebene Fluidflussrate verringern (weil dies die Anzahl der azimutalen Durchlässe, die parallele Flusspfade zwischen jedem Paar von axialen Durchlässen bereitstellen, vergrößert), und verringert auch den thermischen Widerstand zwischen dem Fluid und dem Kühlelement 121, selbst für eine konstante Kühlmittelflussrate.
Mit Verweis auf 3, in einer Ausführungsform, wird ein Rand gewickelter Streifen 302 anstelle eines Stapels von Schichtungen als das Kühlelement 121 verwendet. Zeichnungen hierin sind nicht maßstabsgetreu, und beispielsweise kann die Dicke von Schichtungen oder von gewickelten Streifen (z.B. der gewickelte Streifen in 3) ebenso wie die Abmessungen der Kühlanordnungen relativ zu den Endwindungen in der Zeichnung zum Zweck der Klarheit übertrieben sein. Die Windungen 304 des randgewickelten Streifens führen Funktionen aus ähnlich zu denen der entsprechenden Schichtungen in 1, und es können sowohl Schichtungen als auch Windungen von einem gewickelten Streifen hierin als „Schichten“ bezeichnet werden, ein Ausdruck, der beides umfasst. Typ A Windungen 304a weisen breite Öffnungen 122, die durch Netze 129 getrennt sind, Typ B Windungen 304b weisen schmale Öffnungen 128 auf, die jeweils zwei Netze 129 überspannen, wobei ein derartiges Netz 129 in einem entsprechenden einen von zwei benachbarten Typ A Windungen 304 ist. Typ C Windungen 304c und Typ D Windungen 304d wirken als Strömungsrichteinrichtungen. In 3 ist die innere Struktur (oder der innere Aufbau) des Kühlanordnungsgehäuses 118 (das ähnlich wie das Kühlanordnungsgehäuse 118 der Ausführungsform in 1 sein kann) sichtbar. Das Kühlanordnungsgehäuse 118 kann eine äußere Gehäusewand 306, eine innere Gehäusewand 308 und eine kreisförmige Gehäuseendwand 310 umfassen. Die äußere Gehäusewand 306 und die innere Gehäusewand 308 können an die Endoberfläche des Statorkerns 105 anstoßen; eine Dichtung kann zwischen dem Kühlanordnungsgehäuse 118 und dem Statorkern 105 installiert sein, um eine gute Fluiddichtung an dieser Schnittstelle bereitzustellen. Zugstangen (nicht gezeigt) können verwendet werden, um die beiden Kühlanordnungsgehäuse 118 zusammenzuziehen, um die Dichtung aufrechtzuerhalten und dazu beizutragen, das Kühlanordnungsgehäuse 118 in Position zu blockieren.
In Betrieb kann ein Kühlfluid strömen in einer Weise analog zu derjenigen der Ausführungsform in den 1 und 2. Das Fluid kann durch eine Einlass-Strömungsrichteinrichtung, die durch eine erste Windung 304d gebildet ist, in eine erste Teilmenge von einer Menge von im Wesentlichen axialen Fluiddurchlässen (die durch schmale Aperturen 128 der Typ B Windungen 304b gebildet sind) fließen, von wo aus es durch eine Mehrzahl von im Wesentlichen azimutalen Durchlässen 122 in eine zweite Teilmenge von der Menge der im Wesentlichen axialen Fluiddurchlässe und durch eine Auslass-Strömungsrichteinrichtung, die durch die letzte Windung 304c gebildet ist, fließen kann. Auf diese Weise können die Windungen des gewickelten Streifens strukturell analog zu den Schichtungen der Ausführungsform der 1 und 2 sein.
Mit Verweis auf 4, in einer Ausführungsform, kühlt eine Kühlanordnung sowohl die äußere zylinderförmige Oberfläche als auch die innere zylinderförmige Oberfläche von einer Endwindung 106, ebenso wie die ringförmige Endoberfläche der Endwindung 106. Die Kühlanordnung kann an beiden Enden einer elektrischen Maschine eingesetzt werden, um beide Endwindungen 106 zu kühlen, so wie das in 4 dargestellt ist. Eine äußere Kühleinrichtung 401 umfasst ein erstes Kühlanordnungsgehäuse 402, das ein erstes Kühlelement 404 enthält. Die äußere Kühleinrichtung 401 kühlt die äußere zylinderförmige Oberfläche der Endwindung 104 in einer Weise, die ähnlich ist beispielsweise zu derjenigen der Ausführungsform der 1. Des Weiteren erstreckt sich ein erster Flansch 406 auf dem ersten Kühlanordnungsgehäuse 402 radial einwärts über, und in thermischem Kontakt mit, der kreisförmigen Endoberfläche der Endwindung 106, um eine Kühlung von dieser Oberfläche bereitzustellen. Eine innere Kühleinrichtung 407 umfasst ein zweites Kühlanordnungsgehäuse 408, das eine End-Schelle 408 (wie in 4 dargestellt) sein kann (oder ein Teil davon). Das zweite Kühlanordnungsgehäuse 408 enthält ein zweites Kühlelement 410, das die innere zylinderförmige Oberfläche der Endwindung 106 kühlt und einen zweiten Flansch 412 umfassen kann, der sich radial auswärts erstreckt über eine, und in thermischem Kontakt ist mit einer, kreisförmigen Oberfläche des ersten Flansches, um eine zusätzliche Kühlung der kreisförmigen Endoberfläche der Endwindung 106 bereitzustellen.
Die elektrische Maschine der 4 kann einen Kühlmitteleinlass 414 (z.B. an der Vorderseite der Maschine) und einen Kühlmittelauslass 416 (z.B. an der Rückseite der Maschine) aufweisen, wobei jeder (Einlass bzw. Auslass) mit zwei parallelen Kühlmittelkreisen verbunden ist. Ein erster Kreis kühlt den Statorkern 105. Der Statorkern 105 kann eine Mehrzahl von Schichtungen mit abwechselnd schmalen und breiten Öffnungen aufweisen, und eine Schichtung an jedem Ende kann als eine Strömungsrichteinrichtung wirken. Diese Menge von Schichtungen kann analog zu den Schichtungen des Kühlelements 121 der 1 sein. In einem zweiten, parallelen Kreis fließt ein Kühlmittel an der Vorderseite der Maschine durch die äußere Kühleinrichtung 401 in die End-Schelle 408 und durch eine innere Kühleinrichtung 407, dann durch den Rotor 415 zu der Rückseite der Maschine, durch eine innere Kühleinrichtung 407, durch eine äußere Kühleinrichtung 401 und zu einem Kühlmittelauslass 416. Um durch den Rotor zu fließen, fließt das Fluid durch eine erste Fluiddrehkupplung in ein erstes axiales Loch 419 in der Rotorwelle, durch die Kühlkanäle 420 in den Rotor zu einem zweiten axialen Loch 422 in der Rotorwelle, und durch eine zweite Fluiddrehkupplung zu der End-Schelle an der Rückseite der Maschine. Die Kühlkanäle 420 des Rotors 415 können analog zu denen des Statorkerns 105 und denen der Kühlelemente 404, 410 sein, d.h. sie können durch abwechselnd schmale und breite Öffnungen in den Schichtungen des Rotors ausgebildet sein. Jede Fluiddrehkupplung kann zwei Drehdichtungen 424 umfassen. So wie das oben erwähnt ist, kann die innere Oberfläche der äußeren Gehäusewand eine Stufe 426 aufweisen, um als ein Passer zu wirken, so dass, wenn die Schichtungen des Kühlelements 404 in das erste Kühlanordnungsgehäuse 402 gepresst wird, sie dann axial lokalisiert sind, indem sie an die Stufe 426 anstoßen.
In anderen Ausführungsformen können die Schichtungen des Rotors und/oder des Stators 102 durch eine Anordnung mit gewickelten Streifen ersetzt werden, die abwechselnd schmale und breite Öffnungen 122 aufweisen, in einer Weise analog zu der Ersetzung eines gewickelten Streifens in der Ausführungsform der 3 für die Schichtungen der Ausführungsform der 1.
Mit Verweis auf 5, in einer Ausführungsform, können zwei gemeinsam gewickelte Streifen, ein erster Streifen 502 mit schmalen Öffnungen 128 und ein zweiter Streifen 504 mit breiten Öffnungen 122 anstelle von einem einzigen gewickelten Streifen mit schmalen und breiten Öffnungen, respektive, auf abwechselnden Windungen des gewickelten Streifens verwendet werden, um ein Kühlelement 121 auszubilden. In einer derartigen Ausführungsform können die beiden Windungen an den Enden des ersten Streifens 502 weniger Öffnungen (z.B. halb so viele Öffnungen) wie die verbleibenden Windungen aufweisen, so dass die zwei Windungen an den Enden des Streifens als Strömungsrichteinrichtungen fungieren können, oder es können zwei getrennte Schichten, z.B. kreisförmige Schichtungen, zu den Streifen 502, 504 hinzugefügt werden, um als Strömungsrichteinrichtungen zu fungieren. In einer anderen Ausführungsform kann der erste Streifen 502 entlang seiner gesamten Länge gleichförmig beabstandete Öffnungen aufweisen und er kann eine Windung mehr als der zweite Streifen 504 aufweisen, so dass die Windungen an beiden Enden des Paares der gemeinsam gewickelten Streifen 502, 504 beide Windungen von dem ersten Streifen 502 sind. Zwei Mehrfachverteiler, die jeweils an den beiden Windungen an den Enden des ersten Streifens 502 gekoppelt sind, können Merkmale aufweisen, wie etwa runde Vorsprünge (oder Buckel) oder rechteckförmige Säulen (oder Pfosten), die sich in eine Teilmenge der Öffnungen hineinerstrecken und diese blockieren, so dass die Teilmenge, die aus nicht blockierten Öffnungen besteht, die Strömung direkt in eine Teilmenge der im Wesentlichen axialen Fluiddurchlässe leitet. Die Kombinationen der zwei Windungen an den Enden des Streifens und die Merkmale zum Blockieren des Flusses wirken dann als Strömungsrichteinrichtungen an den beiden Enden des Kühlelements 121.
Mit Verweis auf 6, in einer anderen Ausführungsform, kann der äußere Durchmesser der in 3 gezeigten, gewickelten Streifen verringert werden bis zu dem Punkt, bei dem der äußere Durchmesser in die Öffnungen hereinbricht, d.h. die Öffnungen, die in der Ausführungsform der 3 schmale Öffnungen 128 sind, werden zu Öffnungen 604, die Ausschnitte in den äußeren Rändern der gewickelten Streifen sind, wobei jede Öffnung 602 in der Form eines gebogenen Rechtecks oder einer Verringerung hinsichtlich des äußeren Durchmessers des Streifens entlang einer Länge des Streifens, die der Breite der Öffnung entspricht, ist. Die Typ A Windungen 604a (die den Windungen 304a mit den breiten Öffnungen 122 in der Ausführungsform der 3 entsprechen) können einen verringerten äußeren Durchmesser aufweisen. Dies resultiert in einem Hohlraum zwischen jedem Paar von Typ B Windungen, der zusammen mit der inneren Oberfläche der äußeren Gehäusewand 306 eine Menge von im Wesentlichen azimutalen Kühldurchlässen ausbildet, analog zu denjenigen der 1 und 2. In der Ausführungsform der 6 sind im Wesentlichen axiale Kühldurchlässe durch die innere Oberfläche der äußeren Gehäusewand 306 zusammen mit den schmalen Öffnungen 602 der Typ B Windungen 604b ausgebildet. Typ C Windungen 604c und Typ D Windungen 604d, zusammen mit der inneren Oberfläche der äußeren Gehäusewand 306, wirken als Strömungsrichteinrichtungen, analog zu den Strömungsrichteinrichtungen 120c und 120d der 1. In einer ähnlichen (zugehörigen) Ausführungsform mit gemeinsam gewickelten Streifen, ähnlich zu der aus der 5, kann ein erster Streifen Öffnungen in seinem äußeren Durchmesser aufweisen, und ein zweiter Streifen kann einen kleineren Durchmesser als der erste aufweisen.
In anderen, analogen Ausführungsformen kann der innere Durchmesser des in 3 gezeigten, gewickelten Streifens vergrößert werden bis zu dem Punkt, bei dem der innere Durchmesser in die Öffnungen einbricht, und die Netze 129 können ausgelassen werden. In diesem Fall werden die im Wesentlichen axialen Kühldurchlässe durch Öffnungen ausgebildet, die, anstatt, dass sie Öffnungen sind, Ausschnitte auf dem inneren Durchmesser des gewickelten Streifens sind, und die im Wesentlichen axialen Fluiddurchlässe laufen entlang der Innenseite des gewickelten Streifens oder der gewickelten Streifen (anstatt, dass sie entlang der Außenseite laufen). So wie in der Ausführungsform der 6 bildet in dieser Ausführungsform ein Hohlraum zwischen jedem Paar von Typ B Windungen zusammen mit der inneren Oberfläche der äußeren Gehäusewand 306 eine Menge von im Wesentlichen azimutalen Kühldurchlässen, analog zu denjenigen der 1 und 2. Analoge Ausführungsformen können mit geschichteten (oder laminierten) Anordnungen (oder Strukturen) anstelle von gewickelten Streifen aufgebaut werden, z.B. Typ B Schichtungen können schmale Ausschnitte in ihren inneren oder äußeren Durchmessern aufweisen und Typ A Schichtungen können einen größeren inneren Durchmesser oder einen kleinen äußeren Durchmesser als die Typ B Schichtungen aufweisen.
Mit Verweis auf 7, in einer Ausführungsform, können einige der Schichtungen eines Kühlelements 121 einen verringerten Innendurchmesser aufweisen und eine zusätzliche Kühlung der ringförmigen Endoberfläche der Endwindung 106 bereitstellen. Beispielsweise kann eine erste Teilmenge 702 der Schichtungen einen Innendurchmesser aufweisen, der über der äußeren Oberfläche der inneren Gehäusewand 308 fest passt. Der innere Durchmesser der inneren Gehäusewand 308 kann dann derselbe sein wie der innere Durchmesser der Endwindungen 106, und die kreisförmige Endoberfläche der inneren Gehäusewand 308 ebenso wie ein Abschnitt einer Schichtung 706 können überlappen und gegen die kreisförmige Endoberfläche der Endwindung 106 anstoßen, wodurch eine Kühlung der Endwindung 106 durch diese kreisförmige Endoberfläche bereitgestellt wird. In anderen Ausführungsformen kann die kreisförmige Endoberfläche durch einen Flansch (wie etwa der erste Flansch 406 in 4) gekühlt werden, und das Kühlelement kann eine ausreichend große Anzahl von Schichtungen aufweisen, um sich axial vorbei an dem Ende der Endwindung 106 zu erstrecken, wodurch eine zusätzliche Kühlung des Flansches und dadurch der kreisförmigen Endoberfläche der Endwindung 106 bereitgestellt wird.
Mit Verweis auf 8, in einer Ausführungsform, kann eine Kühlanordnung analog zu denjenigen, die oben für eine elektrische Maschine mit einer radialen Lücke beschrieben sind, bei einer elektrischen Maschine mit einer axialen Lücke verwendet werden. Der Stator 802 einer elektrischen Maschine mit axialer Lücke kann einen Stator 804 aufweisen, der aus zylinderförmigen magnetischen Schichtungen oder aus Stirnflächen-gewickelten (face-wound) magnetischen Streifen, mit Schlitzen 806 in einer Stirnfläche für die Stator-Windung 808 ausgebildet ist. Der magnetische Rückschluss (back-iron) 810 des Stators 802 kann abwechselnd schmale und breite Öffnungen enthalten, um eine Kühlung bereitzustellen in einer Weise analog zu derjenigen, die für die Ausführungsformen der 1 und 2 beschrieben ist. Ein äußeres Kühlelement 812 und ein inneres Kühlelement 814 passen fest über den (und innerhalb des) magnetischen Rückschluss(es) 810 des Statorkerns 804, respektive. Das äußere Kühlelement 812 ist in einer ausgebrochenen Ansicht dargestellt und abgewickelt, so dass Öffnungen, die anderenfalls versteckt sein würden, sichtbar sind. Das geschichtete Kühlelement, das aus der kombinierten Menge der Schichten des äußeren Kühlelements 812, des magnetischen Rückflusses 810 des Statorkerns und des inneren Kühlelements 814 besteht, weist abwechselnd schmale und breite Öffnungen auf, die sich dahindurch erstrecken, so dass, wenn beispielsweise die innerste Schicht des äußeren Kühlelements 812 eine schmale Öffnung aufweist, die äußerste Schicht des magnetischen Rückschlusses 810 des Statorkerns breite Öffnungen aufweist, oder umgekehrt. Infolgedessen stellt die gesamte geschichtete Anordnung Fluidflusspfade bereit, die denjenigen, die in 2 dargestellt sind, entsprechen, wobei jeder im Wesentlichen radiale Fluiddurchlass mit benachbarten im Wesentlichen radialen Fluiddurchlässen durch eine Mehrzahl von im Wesentlichen azimutalen Fluiddurchlässen verbunden ist. Ein Kühlanordnungsgehäuse 816 kann, um die Außenseite des äußeren Kühlelements 812 herum, einen ersten äußeren Fluidkanal 818 und einen zweiten äußeren Fluidkanal 820, die durch zwei Trennwände 822 getrennt sind, umfassen. Der erste äußere Fluidkanal 818 wird durch einen Einlassanschluss 824 gespeist und wirkt als der erste Fluidkanal eines Einlass-Mehrfach-Verteilers, und der zweite äußere Fluidkanal 820 wird durch einen Auslassanschluss 826 geleert und wirkt als der Fluidkanal eines Auslass-Mehrfach-Verteilers. Das geschichtete Kühlelement arbeitet dann als zwei semi-kreisförmige Hälften, wobei eine erste semi-kreisförmige Hälfte mit dem Einlassanschluss 824 und eine zweite semi-kreisförmige Hälfte mit dem Auslassanschluss 826 verbunden ist.
Anordnungen (oder Strukturen) analog zu den Strömungsrichteinrichtungen 120c und 120d in den 1 und 2 werden durch Schichten, die weniger Öffnungen aufweisen als die anderen Schichten, ausgebildet; z.B. wirkt die äußerste Schicht 828 des äußeren Kühlelements 812 als sowohl eine Einlass-Strömungsrichteinrichtung für die erste semi-kreisförmige Hälfte, und als eine Auslass-Strömungsrichteinrichtung für die zweite semi-kreisförmige Hälfte. Gleichermaßen wirkt die innerste Schicht des inneren Kühlelements 814 als eine Auslass-Strömungsrichteinrichtung für die erste semi-kreisförmige Hälfte und als eine Einlass-Strömungsrichteinrichtung für die zweite semi-kreisförmige Hälfte. So wie hierin verwendet, ist eine „Strömungsrichteinrichtung“ („flow director“) eine Anordnung, die ermöglicht, dass ein Fluid hinein oder heraus fließt aus einigen, jedoch nicht allen, der axialen Durchlässe in einer Anordnung, die derartige Durchlässe aufweist, oder der radialen Durchlässe in einer Anordnung, die derartige Durchlässe aufweist.
In der Ausführungsform der 8 fließt das Fluid einwärts von dem Einlass-Mehrfachverteiler durch die erste semi-kreisförmige Hälfte, um einen inneren Fluidkanal 832 (der an dem inneren Durchmesser des Kühlanordnungsgehäuses 816 ausgebildet ist) zu der zweiten semi-kreisförmigen Hälfte und nach außen durch die zweite semi-kreisförmige Hälfte. Insbesondere fließt in der ersten semi-kreisförmigen Hälfte das Fluid einwärts von dem Einlass-Mehrfachverteiler, durch die Einlass-Strömungsrichteinrichtung (die Hälfte der äußersten Schicht 828) in eine erste Teilmenge (z.B. eine Hälfte) der im Wesentlichen radialen Flussdurchlässe in der ersten semi-kreisförmigen Hälfte des geschichteten Kühlelements. Dieses Fluid fließt dann durch eine Mehrzahl von im Wesentlichen azimutalen Fluiddurchlässen zu einer zweiten Teilmenge der im Wesentlichen radialen Fluiddurchlässe in der ersten semi-kreisförmigen Hälfte, durch die innerste Windung 830 des inneren Kühlelements 814 (das als eine Auslass-Strömungsrichteinrichtung für die erste semi-kreisförmige Hälfte wirkt), um den inneren Fluidkanal 832 herum, und durch radiale und azimutale Fluiddurchlässe in der zweiten kreisförmigen Hälfte zu dem zweiten äußeren Fluidkanal 820. Der innere Fluidkanal 832 wirkt als ein Auslass-Mehrfachverteiler für die erste kreisförmige Hälfte und als ein Einlass-Mehrfachverteiler für die zweite kreisförmige Hälfte des geschichteten Kühlelements.
In anderen Ausführungsformen analog zu derjenigen der 6 können die Schichten des geschichteten Kühlelements der 8 modifiziert werden, indem die Öffnungen des äußeren Kühlelements 812, des magnetischen Rückschlusses 810 des Statorkerns und des inneren Kühlelements 814 in Richtung zu der Vorderseite des Stators (d.h. zur linken Seite, wie in 8 dargestellt) oder in Richtung der Rückseite des Stators verschoben werden, bis die Öffnungen durch entsprechende Ränder des äußeren Kühlelements 812 und des inneren Kühlelements 814 (und wenn die Öffnungen nach hinten verschoben werden, des magnetischen Rückflusses 810 des Statorkerns) brechen. Die schmalen Öffnungen werden dann schmale Öffnungen, die rechteckförmige Ausschnitte in den Schichten (z.B. Windungen des gewickelten Streifens) sind, die ursprünglich schmale Öffnungen aufweisen, und die Schichten, die ursprünglich breite Öffnungen aufweisen, werden (wenn die Netze 129 ausgelassen oder entfernt werden) Schichten, die schmaler als die benachbarten Schichten sind. Die Hohlräume zwischen benachbarten Schichten mit schmalen Öffnungen, die von abwechselnden Windungen, die schmaler sind, herrühren, bilden dann im Wesentlichen azimutale Kühldurchlässe aus.
Mit Verweis auf 9, in einer Ausführungsform, wird ein Kühlelement 902, das strukturell äquivalent zu einer geschichteten Anordnung ist, unter Verwendung eines Prozesses, wie etwa dreidimensionales (3D)-Drucken, ausgebildet. Ein derartiger Aufbau kann eine Mehrzahl von Aushöhlungen 904 analog zu den (d.h. angeordnet in einer Weise, die ähnlich ist wie die der) Öffnungen in den Ausführungsformen der 1 und 2, wodurch im Wesentlichen axiale und im Wesentlichen azimutale Fluiddurchlässe ausgebildet werden, wobei jeder der axialen Fluiddurchlässe mit benachbarten im Wesentlichen axialen Fluidkanälen durch eine Mehrzahl von im Wesentlichen azimutalen Fluiddurchlässen verbunden ist, so wie im Fall der geschichteten Anordnung in 1. Gleichermaßen kann ein 3D-gedruckter Aufbau ausgebildet werden, der eine Mehrzahl von im Wesentlichen radialen Fluiddurchlässen aufweist, von denen jeder mit benachbarten, im Wesentlichen radialen Fluidkanälen durch eine Mehrzahl von im Wesentlichen azimutalen Fluiddurchlässen verbunden ist. Unter Verwendung von 3D-Drucken kann es leicht möglich sein, einen Aufbau mit Durchlässen, die eine Vielzahl von Formen aufweisen und sich den verschiedenen Richtungen erstrecken, herzustellen. In einem derartigen Aufbau können die Vorteile einer hohen Kühleffizienz realisiert werden, wie in dem Fall der hierin beschriebenen geschichteten Anordnungen, indem bewirkt wird, dass die Kühlflüssigkeit durch eine große Anzahl von kleinen Kühldurchlässen (entsprechend z.B. den azimutalen Fluiddurchlässen in der Ausführungsform der 1) fließt. Wie in dem Fall einer geschichteten Anordnung (oder Struktur) kann mit Kühldurchlässen, die relativ kleine transversale Abmessungen aufweisen, eine gute Effizienz erzielt werden (Verringern der Komponente des thermischen Widerstands aufgrund von Wärmefluss durch das Fluid) und die relativ kurze Längen aufweisen (Verringern der Komponente des thermischen Widerstands aufgrund der endlichen thermischen Masse des Kühlmittels).
Obwohl beispielhafte Ausführungsformen einer Kühlanordnung für eine Endwindung 106 einer elektrischen Maschine hierin spezifisch beschrieben und dargestellt worden sind, werden viele Modifikationen und Variationen für einen Fachmann in dem technischen Gebiet offensichtlich sein. Dementsprechend sollte verstanden werden, dass eine Kühlanordnung für eine Endwindung einer elektrischen Maschine, die gemäß den Prinzipien dieser Erfindung aufgebaut ist, anders als das hierin spezifisch beschrieben ist, ausgeführt sein kann. Die Erfindung ist auch in den nachfolgenden Patentansprüchen und Äquivalenten derselben definiert.

Claims

Eine Kühlanordnung mit folgendem: eine Mehrzahl von Schichten, wobei eine erste Schicht von der Mehrzahl von Schichten eine Öffnung aufweist, die einen Teil von einem ersten Fluiddurchlass ausbildet, und wobei die Anordnung dazu ausgelegt ist, eine Endwindung von einer elektrischen Maschine zu kühlen.
Die Kühlanordnung gemäß Anspruch 1, wobei jede Schicht ist: eine Schichtung oder eine Windung von einem gewickelten Streifen.
Die Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei jede Schicht von der Mehrzahl der Schichten aufweist: eine erste Öffnung, eine zweite Öffnung und eine dritte Öffnung, welche dieselbe Größe und Form aufweisen und entlang der Schicht gleichmäßig beabstandet sind.
Die Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei: jede Schicht von der Mehrzahl der Schichten eine erste Öffnung und eine zweite Öffnung aufweist, wobei sich die erste Öffnung hinsichtlich der Form und/oder der Größe von der zweiten Öffnung unterscheidet.
Die Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei die erste Schicht eine erste Öffnung aufweist und eine zweite Schicht von der Mehrzahl von Schichten eine zweite Öffnung aufweist, wobei sich die erste Öffnung hinsichtlich der Form und/oder der Größe von der zweiten Öffnung unterscheidet.
Die Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Anordnung ein Hohlzylinder ist, der folgendes aufweist: eine innere oder äußere zylinderförmige Oberfläche und/oder eine ringförmige Endoberfläche, wobei eine von beiden oder beide davon in thermischem Kontakt mit der Endwindung ist.
Die Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Anordnung dazu ausgelegt ist, eine Endwindung von einer elektrischen Maschine mit axialer Lücke zu kühlen.
Die Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Mehrzahl der Schichten einen gewickelten Streifen umfasst, wobei jede von den Schichten eine von einer Mehrzahl von Windungen des gewickelten Streifens ist.
Die Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Mehrzahl der Schichten einen ersten gewickelten Streifen und einen zweiten gewickelten Streifen umfasst, wobei der zweite gewickelte Streifen zusammen mit dem ersten gewickelten Streifen gewickelt ist, und wobei jede von den Schichten eine Wicklung von dem ersten gewickelten Streifen oder von dem zweiten gewickelten Streifen ist.
Die Anordnung gemäß Anspruch 1, aufweisend eine Mehrzahl von Fluidkanälen, die Öffnung eingeschlossen, wobei die Anordnung ferner einen Mehrfachverteiler aufweist, der einen Mehrfachverteilerkanal in Fluidkommunikation mit der Mehrzahl der Fluidkanäle aufweist.
Die Anordnung gemäß Anspruch 1, aufweisend eine Mehrzahl von Fluidkanälen, die Öffnung eingeschlossen, wobei die Anordnung ferner eine Strömungsrichteinrichtung umfasst, die dazu ausgelegt ist, die Fluidströmung zu leiten in eine, oder den Fluidstrom zu empfangen von einer, Teilmenge von der Mehrzahl der Fluidkanäle.
Die Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei: die Mehrzahl der Schichten eine Mehrzahl von Öffnungen mit abwechselnden, unterschiedlich bemessenen Öffnungen umfasst.
Die Anordnung gemäß Anspruch 12, wobei jede der Öffnungen zwei Öffnungen in einer anderen Schicht überlappt.
Die Anordnung gemäß Anspruch 12, aufweisend eine Mehrzahl von Fluidkanälen, die Öffnung eingeschlossen, wobei die Anordnung ferner eine Strömungsrichteinrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, eine Fluidströmung zu richten in eine, oder eine Fluidströmung zu empfangen aus einer, Teilmenge von der Mehrzahl der Fluidkanäle.
Die Anordnung gemäß Anspruch 14, wobei die Strömungsrichteinrichtung eine von der Mehrzahl der Schichten ist und eine Mehrzahl von Öffnungen mit einer ersten Größe aufweist, wobei: eine von den Öffnungen der Strömungsrichteinrichtung mit einer Öffnung mit der ersten Größe von einer von der Mehrzahl der Schichten ausgerichtet ist, und eine andere Öffnung mit der ersten Größe von einer von der Mehrzahl der Schichten nicht mit irgendeiner Öffnung der Strömungsrichteinrichtung ausgerichtet ist.
Die Anordnung gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend einen ersten Mehrfachverteiler mit einem ersten Mehrfachverteilerkanal und einem zweiten Mehrfachverteilerkanal aufweist, wobei: jede von der Mehrzahl der Schichten eine Mehrzahl von Öffnungen aufweist, die Mehrzahl der Öffnungen in der Mehrzahl der Schichten folgendes ausbildet: eine Mehrzahl von im Wesentlichen azimutalen Fluiddurchlässen in Fluidkommunikation mit dem ersten Mehrfachverteilerkanal und dem zweiten Mehrfachverteilerkanal, und eine Mehrzahl von im Wesentlichen axialen Fluiddurchlässen in Fluidkommunikation mit dem ersten Mehrfachverteilerkanal und dem zweiten Mehrfachverteilerkanal oder eine Mehrzahl von im Wesentlichen radialen Fluiddurchlässen in Fluidkommunikation mit dem ersten Mehrfachverteilerkanal und dem zweiten Mehrfachverteilerkanal, jeder im Wesentlichen azimutalen Fluiddurchlässe folgendes verbindet: ein Paar von im Wesentlichen axialen Fluiddurchlässen oder ein Paar von im Wesentlichen radialen Fluiddurchlässen und mindestens einen Fluidpfad, der den ersten Mehrfachverteilerkanal verbindet, und der zweite Mehrfachverteilerkanal mindestens einen von den im Wesentlichen azimutalen Fluiddurchlässen umfasst.
Die Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei: die Anordnung dazu ausgelegt ist, eine Endwindung einer elektrischen Maschine zu kühlen, wobei die Endwindung eine äußere zylinderförmige Oberfläche und eine innere zylinderförmige Oberfläche aufweist, wobei die Anordnung aufweist: eine äußere Kühleinrichtung, die eine innere zylinderförmige Oberfläche aufweist, die in thermischem Kontakt mit der äußeren zylinderförmigen Oberfläche der Endwindung ist, und eine innere Kühleinrichtung, die eine äußere zylinderförmige Oberfläche aufweist, die in thermischem Kontakt mit der inneren zylinderförmigen Oberfläche der Endwindung ist.
Die Anordnung gemäß Anspruch 17, wobei die äußere Kühleinrichtung eine Mehrzahl von Fluidkanälen aufweist und die innere Kühleinrichtung eine Mehrzahl von Fluidkanälen aufweist, wobei die Anordnung ferner einen äußeren Mehrfachverteiler mit einem ersten Mehrfachverteilerkanal und einen inneren Mehrfachverteiler mit einem zweiten Mehrfachverteilerkanal umfasst, wobei der erste Mehrfachverteilerkanal in Fluidkommunikation mit den Fluidkanälen der äußeren Kühleinrichtung ist, wobei der zweite Mehrfachverteilerkanal in Fluidkommunikation mit den Fluidkanälen der inneren Kühleinrichtung ist.
Die Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Öffnung der ersten Schicht ein Loch in der ersten Schicht ist.
Die Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei: eine dritte Schicht von der Mehrzahl der Schichten eine dritte Öffnung aufweist, die einen Teil eines zweiten Fluiddurchlasses ausbildet, und ein Hohlraum zwischen der ersten Schicht und der dritten Schicht einen dritten Fluiddurchlass ausbildet, der den ersten Fluiddurchlass und den zweiten Fluiddurchlass verbindet, wobei der dritte Fluiddurchlass im Wesentlichen parallel zu der ersten Schicht und der dritten Schicht ist.
Eine elektrische Maschine, die folgendes aufweist: einen Stator, der eine Endwindung aufweist, die in einem Vergussmaterial mit einer thermischen Leitfähigkeit von größer als etwa 0,4 W/m/°C vergossen ist, und eine Kühlanordnung in thermischem Kontakt mit der Endwindung, wobei die Kühlanordnung eine Mehrzahl von Schichten umfasst, und eine erste Schicht von der Mehrzahl der Schichten die eine Öffnung aufweist, die einen Teil eines ersten Fluiddurchlasses ausbildet.
Die elektrische Maschine gemäß Anspruch 21, ferner aufweisend eine dielektrische Barriere zwischen der Endwindung und einer Schicht von der Mehrzahl der Schichten.
Eine Kühlanordnung, die folgendes aufweist: eine Wärmeübertragungsanordnung, die einen ersten Fluiddurchlass aufweist, wobei die Kühlstruktur dazu ausgelegt ist, eine Endwindung einer elektrischen Maschine, die einen Rotor aufweist, der dazu ausgelegt ist, sich um eine Achse zu drehen, zu kühlen, und wobei ein Teil des ersten Fluiddurchlasses nicht parallel zu der Achse ist.
Die Kühlanordnung gemäß Anspruch 23, wobei die Wärmeübertragungs-Anordnung ferner folgendes aufweist: eine Mehrzahl von ersten Öffnungen, eine Mehrzahl von zweiten Öffnungen, einen zweiten Fluiddurchlass, der ein Ende bei einer von der Mehrzahl der ersten Öffnungen aufweist, einen dritten Fluiddurchlass, der ein Ende bei einer von der Mehrzahl der zweiten Öffnungen aufweist, und eine Mehrzahl von vierten Fluiddurchlässen, wobei die vierten Fluiddurchlässe den zweiten Fluiddurchlass und den dritten Fluiddurchlass verbinden.
Die Kühlanordnung gemäß Anspruch 24, wobei die vierten Fluiddurchlässe folgendes aufweisen: ein Innenvolumen, eine Innenoberfläche und eine Länge von kleiner als 2 cm, und wobei für jeden Punkt in dem Innenvolumen des vierten Fluiddurchlasses der Abstand zu einem nächstliegenden Punkt auf der Innenoberfläche des vierten Fluiddurchlasses weniger als 1 mm ist.
Die Anordnung gemäß Anspruch 24, ferner aufweisend: einen erstem Mehrfach-Verteiler, der einen ersten Mehrfachverteilerkanal aufweist, der direkt mit jeder von den ersten Öffnungen verbunden ist, und einen zweiten Mehrfach-Verteiler, der einen zweiten Mehrfachverteilerkanal aufweist, der direkt mit jeder von den zweiten Öffnungen verbunden ist.
Eine Kühlanordnung, die folgendes aufweist: eine Mehrzahl von Schichten, wobei jede Schicht ist: eine ringförmige Schichtung oder eine ringförmige oder zylinderförmige Windung von einem gewickelten Streifen, einen ersten Mehrfachverteiler, der einen ersten Mehrfachverteilerkanal aufweist, und einen zweiten Mehrfachverteiler, der einen zweiten Mehrfachverteilerkanal aufweist, wobei jede von der Mehrzahl der Schichten eine Mehrzahl von Öffnungen aufweist, wobei die Mehrzahl von Öffnungen in der Mehrzahl der Schichten eines folgendes ausbildet: eine Mehrzahl von im Wesentlichen azimutalen Fluiddurchlässen in Fluidkommunikation mit dem ersten Mehrfachverteilerkanal und dem zweiten Mehrfachverteilerkanal, und eine Mehrzahl von im Wesentlichen axialen Fluiddurchlässen in Fluidkommunikation mit dem ersten Mehrfachverteilerkanal und dem zweiten Mehrfachverteilerkanal oder eine Mehrzahl von im Wesentlichen radialen Fluiddurchlässen, von denen jeder in Fluidkommunikation mit dem ersten Mehrfachverteilerkanal und dem zweiten Mehrfachverteilerkanal ist, wobei jeder im Wesentlichen azimutalen Fluiddurchlässe verbindet: ein Paar von im Wesentlichen axialen Fluiddurchlässen oder ein Paar von im Wesentlichen radialen Durchlässen, wobei mindestens ein Fluidpfad den ersten Mehrfachverteilerkanal und den zweiten Mehrfachverteilerkanal einschließlich zumindest einen von den im Wesentlichen azimutalen Fluiddurchlässen verbindet, und wobei die Anordnung dazu ausgelegt ist, eine Endwindung einer elektrischen Maschine zu kühlen.