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TECHNISCHER BEREICH
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Kühlung einer elektrischen Maschine. Aspekte der Erfindung beziehen sich auf eine elektrische Maschine, ein elektrisches System und auf ein Fahrzeug.
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HINTERGRUND
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Es ist bekannt, dass eine elektrische Maschine verwendet wird, um eine Traktionskraft zu erzeugen, die ein Fahrzeug, wie beispielsweise ein Automobil, antreibt. Die elektrische Maschine kann allein in einem Elektrofahrzeug verwendet werden, oder die elektrische Maschine kann in Kombination mit einem Verbrennungsmotor (ICE) in einem Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV) verwendet werden.
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Die elektrische Maschine kann als Motor verwendet werden, um eine Traktionskraft zum Antreiben des Fahrzeugs bereitzustellen. Die elektrische Maschine kann auch als Generator zur Erzeugung elektrischer Energie während einiger Betriebszeiten des Fahrzeugs, wie beispielsweise beim regenerativen Bremsen, verwendet werden.
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Elektrische Maschinen können während des Betriebs eine beträchtliche Menge an Wärme erzeugen. Arten von elektrischen Maschinen, die in einem Fahrzeug eingesetzt werden, sind Permanentmagnetmaschinen (z.B. Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM)) und geschaltete Reluktanzmaschinen. Ein PMSM und eine geschaltete Reluktanzmaschine haben einen Ringstator. Ein Rotor und eine Welle sind im Inneren des Stators montiert. Ein Luftspalt trennt Rotor und Stator. Der Rotor dreht sich um eine Längsachse der Welle. Eine bekannte Lösung zur Kühlung einer elektrischen Maschine ist die Bereitstellung eines Kühlkörpers um die Außenseite des Stators herum. Wasser wird um den Kühlkörper herum geleitet, um den Kühlkörper zu kühlen. Dies wird als Wassermantel bezeichnet. Diese Kühllösung kann den Stator kühlen, hat aber eine begrenzte Wirksamkeit bei der Kühlung des Rotors. Die Wärme wird vom Rotor thermisch auf die Lamellen und Wicklungen des Stators über den Luftspalt übertragen und anschließend thermisch auf den äußeren Kühlkörper übertragen. Ein Nachteil der oben genannten Kühllösung ist, dass die vom Rotor über den Stator übertragene Wärmemenge relativ gering ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen der Erfindung können unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche verstanden werden.
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Aspekte der vorliegenden Erfindung sind eine elektrische Maschine und ein Fahrzeug.
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In einem Aspekt der Erfindung, für den Schutz beantragt wird, ist eine elektrische Maschine vorgesehen, die umfasst:
- einen Stator;
- ein Rotor;
- eine Welle mit einer Drehachse in Längsrichtung; und
- eine Wärmeübertragungsvorrichtung, die sich innerhalb mindestens eines Teils des Rotors befindet, wobei die Wärmeübertragungsvorrichtung einen Vorratsbehälter umfasst, der eine Menge eines Phasenwechselmaterials enthält, wobei die Wärmeübertragungsvorrichtung konfiguriert ist, um Wärme radial zur Welle zu übertragen, worin das Phasenwechselmaterial ein Material ist, das sich bei den Betriebstemperaturen der elektrischen Maschine zwischen festen und flüssigen Zuständen ändert.
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Die Wärmeübertragungsvorrichtung kann einen radialen Speicherabschnitt und einen axialen Speicherabschnitt umfassen, der innerhalb des Rotors angeordnet ist, wobei der radiale Speicherabschnitt in Fluidverbindung mit dem axialen Speicherabschnitt des Rotors steht.
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Die Wärmeübertragungsvorrichtung kann einen radialen Speicherabschnitt, der innerhalb des Rotors angeordnet ist, und einen axialen Speicherabschnitt, der innerhalb der Welle angeordnet ist, umfassen, worin der radiale Speicherabschnitt in Fluidverbindung mit dem axialen Speicherabschnitt der Welle steht.
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Der Rotor kann einen ringförmigen Abschnitt und eine radiale Verbindungsstruktur umfassen, wobei der axiale Speicherabschnitt innerhalb des ringförmigen Abschnitts des Rotors und der radiale Speicherabschnitt innerhalb der radialen Verbindungsstruktur vorgesehen ist.
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Der Rotor kann einen ringförmigen Abschnitt und eine radiale Verbindungsstruktur umfassen, wobei sich die Wärmeübertragungsvorrichtung nur innerhalb der radialen Verbindungsstruktur befindet, wobei die Wärmeübertragungsvorrichtung ein erstes radiales Ende aufweist, das dem ringförmigen Abschnitt am nächsten liegt, und ein zweites radiales Ende, das der Welle am nächsten ist.
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Der Rotor kann einen ringförmigen Abschnitt und eine radiale Verbindungsstruktur umfassen, wobei sich die Wärmeübertragungsvorrichtung nur innerhalb des ringförmigen Abschnitts des Rotors befindet.
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Der Rotor kann einen ringförmigen Abschnitt und eine radiale Verbindungsstruktur umfassen, wobei die radiale Verbindungsstruktur ein erstes radiales Element, das dem Rotor am nächsten liegt, und ein zweites radiales Element, das der Welle am nächsten liegt, umfasst, wobei das erste radiale Element und das zweite radiale Element miteinander verbunden sind, und die Wärmeübertragungsvorrichtung einen ersten Speicher umfasst, der sich innerhalb des ersten radialen Elements befindet, und einen zweiten Speicher, der sich innerhalb des zweiten radialen Elements befindet, worin der erste Speicher nicht in Fluidverbindung mit dem zweiten Speicher steht.
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Die Wärmeübertragungsvorrichtung kann eine Vielzahl von radialen Speichern umfassen, die in axialer Richtung entlang des Rotors beabstandet sind.
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Die Wärmeübertragungsvorrichtung kann eine Vielzahl von radialen Speichern umfassen, die winklig um den Rotor herum angeordnet sind.
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Der Speicher der Wärmeübertragungsvorrichtung kann ringförmig sein.
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Der Rotor kann koaxial zur Welle und der Stator koaxial zur Welle und zum Rotor montiert werden.
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Der Rotor kann sich innerhalb des Stators befinden. Alternativ kann sich der Rotor auch außerhalb des Stators befinden.
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Das Phasenwechselmaterial kann eines von folgenden sein: Natrium, Wachs, Quecksilber.
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Der Rotor kann aus Permanentmagneten bestehen.
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Die elektrische Maschine kann als Elektromotor und/oder als elektrischer Generator verwendet werden.
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In einem weiteren Aspekt ist ein elektrisches System für ein Fahrzeug vorgesehen, das eine elektrische Maschine gemäß dem vorherigen Aspekt umfasst.
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In einem weiteren Aspekt ist ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine nach einem der vorhergehenden Aspekte vorgesehen.
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Ein Vorteil mindestens einer Ausführungsform ist eine verbesserte Kühlung des Rotors. Dies kann eine Betriebszeit der elektrischen Maschine verlängern, wie z.B. eine Zeitspanne, in der die elektrische Maschine in einem Hochstrom-/Hochdrehmomentmodus betrieben werden kann, wenn eine große Menge an Wärme im Rotor erzeugt wird. Zusätzlich oder alternativ kann dadurch die elektrische Maschine mit einem höheren Leistungsniveau (z.B. höherer Strom, höheres Drehmoment) betrieben werden, da die elektrische Maschine die höhere Wärme effizienter ableiten kann.
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Ein Vorteil mindestens einer Ausführungsform ist eine längere Lebensdauer der elektrischen Maschine.
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Im Rahmen dieser Anwendung ist ausdrücklich vorgesehen, dass die verschiedenen Aspekte, Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen, die in den vorstehenden Absätzen, in den Ansprüchen und/oder in den folgenden Beschreibungen und Zeichnungen dargelegt sind, und insbesondere die einzelnen Merkmale davon, unabhängig oder in beliebiger Kombination übernommen werden können. Das heißt, alle Ausführungsformen und/oder Merkmale einer Ausführungsform können in beliebiger Weise und/oder Kombination kombiniert werden, es sei denn, diese Merkmale sind nicht kompatibel. Der Anmelder behält sich das Recht vor, eine ursprünglich eingereichte Forderung zu ändern oder eine neue Forderung entsprechend einzureichen, einschließlich des Rechts, eine ursprünglich eingereichte Forderung zu ändern, um von einer anderen Forderung abhängig zu sein und/oder eine Eigenschaft einer anderen Forderung aufzunehmen, obwohl sie ursprünglich nicht auf diese Weise geltend gemacht wurde.
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Zur Vermeidung von Zweifeln ist zu verstehen, dass die in Bezug auf einen Aspekt der Erfindung beschriebenen Merkmale in jeden anderen Aspekt der Erfindung aufgenommen werden können, allein oder in geeigneter Kombination mit einem oder mehreren anderen Merkmalen.
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Figurenliste
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Eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung werden nun exemplarisch nur noch mit Bezug auf die Begleitpersonen beschrieben:
- zeigt schematisch ein Fahrzeug mit einem elektrischen System;
- zeigt einen Querschnitt durch eine elektrische Maschine;
- zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer elektrischen Maschine mit einem Rotorkühlungsschema;
- zeigt ein Reservoir mit Phasenwechselmaterial;
- 5 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer elektrischen Maschine mit einem Rotorkühlungsschema mit mehreren in axialer Richtung versetzten Speichern;
- zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer elektrischen Maschine mit einem Rotorkühlkonzept mit einem axialen Speicherabschnitt innerhalb des Rotors;
- zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer elektrischen Maschine mit einem Rotorkühlungsschema mit einem axialen Speicherabschnitt innerhalb der Welle;
- zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer elektrischen Maschine mit einem Rotorkühlkonzept mit Zugang zum Speicher;
- zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer elektrischen Maschine mit einer radialen Verbindungsstruktur mit zwei Teilen und einem Rotorkühlungsschema;
- zeigt eine Ausführungsform einer elektrischen Maschine mit einem Stator in einem Rotor und einem Rotorkühlungsschema;
- Die bis zeigen zwei Ausführungsformen einer elektrischen Maschine mit axial gerichteten Flusswegen und einem Rotorkühlungsschema.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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zeigt ein Beispiel für ein Fahrzeug 10, in dem eine elektrische Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. zeigt ein Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV), aber das Fahrzeug kann ein Elektrofahrzeug sein. Das Fahrzeug 10 weist einen Verbrennungsmotor (ICE) 21 auf, der über eine Kupplung 22 lösbar mit einem integrierten Kurbelwellenmotor/Generator (CIMG) 23 gekoppelt ist. Das CIMG 23 ist mit einem Getriebe 24 gekoppelt, das wiederum mit dem Antriebsstrang 30 des Fahrzeugs 10 gekoppelt ist. Das Fahrzeug 10 ist betreibbar, um das Antriebsmoment für das Getriebe 24 mittels des Motors 21 allein in einem ICE-Modus, des CIMG 23 allein in einem EV-Modus oder des Motors 21 und CIMG 23 parallel in einem HEV-Modus bereitzustellen.
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Das Getriebe 24 kann ein Schaltgetriebe, ein halbautomatisches Schaltgetriebe mit Paddelschaltung, ein Automatikgetriebe, ein sequentielles Schaltgetriebe, ein Gleichlaufgetriebe, ein elektrisches Verstell- oder Power-Sharing-Getriebe oder ein anderes geeignetes Getriebe sein. Das Getriebe 24 kann so angeordnet sein, dass es nur ein Paar Vorderräder 11, 12 (d.h. Vorderradantrieb) antreibt, nur ein Paar Hinterräder 13, 14 (d.h. Hinterradantrieb) antreibt oder alle vier Räder (d.h. Allradantrieb) antreibt. Ausführungsformen der Erfindung sind auch für Fahrzeuge mit weniger als vier Rädern oder mehr als vier Rädern geeignet.
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Das Fahrzeug 10 verfügt über eine elektrische Energiequelle 50, wie beispielsweise eine Batterie oder eine Vielzahl von Batterien.
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Ein Wechselrichter 51 ist mit einem Ausgang der Batterie 50 verbunden. Der Wechselrichter 51 erzeugt eine dreiphasige elektrische Versorgung, die dem CIMG 23 zugeführt wird, wenn das CIMG 23 in einem ersten Modus als Motor betrieben wird. Die Batterie 50 ist so angeordnet, dass sie elektrische Energie vom CIMG 23 empfängt, wenn das CIMG 23 in einem zweiten Modus als elektrischer Generator betrieben wird. Die Batterie 50 speichert die vom elektrischen Generator erzeugte elektrische Energie. Das Fahrzeug 10 weist eine Steuerung 40 auf, die konfiguriert ist, um das Fahrzeug 10 zu steuern, um in einem von mehreren Modi zu arbeiten, einschließlich der vorgenannten Modi.
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Zusätzlich zu den vorgenannten ICE-, EV- und HEV-Modi kann das Fahrzeug 10 so angeordnet werden, dass es in einem der folgenden Betriebsarten arbeitet: Parallellademodus, Küstenlademodus, Parallelküstenmodus und Bremsmodus. Im Parallellademodus legt der Motor 21 ein positives oder Antriebsmoment an, während das CIMG 23 ein negatives oder Ladedrehmoment anlegt, wodurch vom CIMG 23 eine Ladung erzeugt wird, um die Batterie 50 zu laden, unabhängig davon, ob das Fahrzeug 10 stillsteht oder sich bewegt. Im Küstenladebetrieb ist die Kupplung 22 geöffnet, der Motor 21 wird abgeschaltet und das CIMG 23 erzeugt ein wählbares Negativ- oder Ladedrehmoment, wodurch vom CIMG 23 eine Ladung erzeugt wird, um die Batterie 50 aufzuladen und das Fahrzeug 10 verlangsamt wird. Im Parallelküstenbetrieb ist die Kupplung 22 geöffnet, der Motor 21 wird abgeschaltet und das CIMG 23 erzeugt im Wesentlichen kein Drehmoment. Im Bremsmodus, der typischerweise durch das Betätigen eines Bremspedals ausgelöst wird, ist die Kupplung 22 geöffnet, der Motor 21 wird abgestellt und ein Reibungsbremsmechanismus (nicht dargestellt) angewendet, der in Verbindung mit dem CIMG 23 durchgeführt werden kann, das ein negatives oder Ladedrehmoment aufbringt, um die Batterie 50 gemäß einer von der Steuerung 40 bestimmten und/oder gesteuerten Beziehung zu laden.
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zeigt einen Teil eines Längsquerschnitts durch eine elektrische Maschine 100. Diese elektrische Maschine 100 ist ein Beispiel für den Maschinentyp, in dem ein Rotorkühlungsschema implementiert werden kann. Die elektrische Maschine 100 kann in der in dargestellten CIMG 23 verwendet werden. Die elektrische Maschine 100 umfasst einen Stator 120, einen Rotor 110 und eine Welle 130. Der Stator 120 ist ein ringförmiges (ringförmiges) Element. Ein Rotor 110 befindet sich innerhalb des Stators 120. Zwischen dem Rotor 110 und dem Stator 120 ist ein Luftspalt 109 vorgesehen. Der Rotor 110 und der Stator 120 sind koaxial zu einer Längsachse 131 der Welle 130. Der Rotor 110 kann je nach Typ der elektrischen Maschine aus Permanentmagneten bestehen. In der folgenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „axial“ auf eine Abmessung entlang oder parallel zur Längsachse 131 der Welle 130 und der Begriff „radial“ auf eine Abmessung, die senkrecht zur Längsachse 131 der Welle 130 steht.
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In diesem Beispiel umfasst der Rotor 110 einen ringförmigen Abschnitt 111 und eine Verbindungsstruktur 112, 115, die den ringförmigen Abschnitt 111 radial mit der Welle 115 verbindet. Der ringförmige Abschnitt 111 ist der Hauptbereich der Maschine, in dem magnetische Flusswege auftreten. Die Verbindungsstruktur 112, 115 dient zur mechanischen Abstützung des Ringabschnitts 111 und verbindet den Ringabschnitt 111 mit der Welle 130. Die Verbindungsstruktur kann eine axiale Nabe 112 umfassen, die radial innerhalb des Ringabschnitts 111 des Rotors angeordnet ist. Die Nabe 112 kann eine separate Komponente vom Ringabschnitt 111 sein oder mit dem Ringabschnitt 111 des Rotors integriert sein.
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In diesem Beispiel wird die Verbindungsstruktur 112, 115 als ein einziges Element dargestellt. Die Verbindungsstruktur 112, 115 kann sich kontinuierlich um die Welle 130 erstrecken oder die Verbindungsstruktur 112, 115 kann diskontinuierlich um die Welle herum verlaufen. Beispiele für diskontinuierliche Verbindungsstrukturen sind: eine Verbindungsstruktur mit in der Struktur definierten Öffnungen, um die Masse der Struktur zu reduzieren; eine Verbindungsstruktur, die einen Speichensatz umfasst. Ein Abschnitt 115 der Verbindungsstruktur kann scheibenförmig sein, wobei die Welle 130 in der Mitte der Scheibe liegt. In anderen Beispielen kann die Verbindungsstruktur zwei oder mehr miteinander verbundene Elemente umfassen, wie beispielsweise einen ersten Flansch, der sich radial nach innen vom Ringabschnitt 111 oder von der Nabe 112 erstreckt, und einen zweiten Flansch, der sich radial nach außen von der Welle 130 erstreckt. Der Rotor 110 umfasst eine Vielzahl von Lamellen aus einem ferromagnetischen Material, um ein Rotor-Eisen zu bilden. Die Lamellen werden in axialer Richtung gestapelt, um einen Rotor einer bestimmten Länge zu bilden. Zwischen der Welle 130 und einer Halterung (nicht dargestellt) sind Lager 132 vorgesehen. Im Einsatz drehen sich der Rotor 110 und die Welle 130 unisono um die Längsachse 131.
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In diesem Beispiel umfasst der Rotor 110 eine einzige Verbindungsstruktur 115, die im Vergleich zum Ringabschnitt 111 des Rotors eine geringere Dicke (d.h. die Abmessung in Richtung der Wellenlängsachse) aufweist. In anderen Beispielen kann die elektrische Maschine mehr als eine Verbindungsstruktur 115 umfassen, wie beispielsweise eine Verbindungsstruktur an oder nahe jedem axialen Ende der Maschine.
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In anderen Beispielen, wie beispielsweise Rotoren für geschaltete Reluktanzmaschinen, werden Flusswege über den gesamten Rotor 110 erzeugt. Der Rotor kann eine im Wesentlichen gleichmäßige Dicke (d.h. die Abmessung in Richtung der Längsachse der Welle) aufweisen, ohne dass ein separater Ringabschnitt 111 und eine Verbindungsstruktur 112, 115 vorgesehen sind.
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Der Stator 120 kann eine Vielzahl von Radialzähnen umfassen, die durch radiale Hohlräume getrennt sind. Ein Zahn und ein angrenzender Hohlraum können als Statorschlitz bezeichnet werden. Die Statorhohlräume tragen Spulenwicklungen. Durch die Erregung der Spulenwicklungen wird ein Drehmoment erzeugt, um den Rotor 110 um die Längsachse 131 zu drehen.
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Im Betrieb wird im Rotor 110 Wärme erzeugt. So erzeugen beispielsweise Wirbelstromflüsse innerhalb des Rotors 110 aufgrund von Widerstandsverlusten Wärme.
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zeigt eine elektrische Maschine 300, die der in dargestellten elektrischen Maschine 100 ähnlich ist. Die elektrische Maschine 300 weist eine Ausführungsform eines Rotorkühlplans auf. Aus Gründen der Übersichtlichkeit zeigt nur die Hälfte des Querschnitts von . Merkmale, die gleich oder ähnlich sind, wie in dargestellt, haben die gleichen Referenznummern. Eine Wärmeübertragungsvorrichtung 340 ist in den Rotor 110 integriert. In dieser Ausführungsform ist die Wärmeübertragungsvorrichtung 340 in die radiale Verbindungsstruktur 115 der elektrischen Maschine integriert. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 340 erstreckt sich radial zwischen der Rotornabe 112 und der Welle 130. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 340 umfasst einen Speicher oder einen Hohlraum, 341, der innerhalb der radialen Verbindungsstruktur 115 ausgebildet ist. Der Behälter 341 kann in einer Ebene senkrecht zur Längsachse 131 ringförmig sein, d.h. er kann sich kontinuierlich um die radiale Verbindungsstruktur 115 erstrecken. Alternativ kann die Wärmeübertragungsvorrichtung 340 einen Satz diskreter radialer Rohre umfassen, die um die Verbindungsstruktur 115 herum angeordnet sind. Der Speicher 341 enthält eine Menge Phase-Change-Material (PCM). Ein Phasenwechselmaterial ist ein Material, das in der Lage ist, Wärmeenergie zu speichern und freizusetzen, wenn das Material die Phase (den Zustand) ändert. Im Betrieb wird thermische Energie (d.h. Wärme) von der Rotornabe 112 und dem Rotor 110 an einem ersten Ende 341A der Wärmeübertragungsvorrichtung 340 auf das Phasenwechselmaterial übertragen. Durch die Wärme ändert sich der Zustand des Phasenwechselmaterials, z.B. von fest zu flüssig. Die Wärme wird entlang der Wärmeübertragungsvorrichtung 340 zum zweiten Ende 341B geleitet. Am zweiten Ende wird 341B Wärme auf die Welle 130 übertragen. Der Vorratsbehälter 341 ist thermisch mit der umgebenden Struktur der elektrischen Maschine gekoppelt. Wenn der Speicher beispielsweise innerhalb einer radialen Eisenverbindungsstruktur 115 gebildet ist, findet ein thermischer Transfer durch das Eisen zwischen dem ringförmigen Abschnitt 111 des Rotors (und der Rotornabe 112, falls vorhanden) zum Speicher 341 und dem Phasenwechselmaterial innerhalb des Speichers 341 statt. In dieser Ausführungsform erstreckt sich die Wärmeübertragungsvorrichtung 340 radial zwischen der Rotornabe 112 und der Welle 130. In anderen Ausführungsformen kann sich die Wärmeübertragungsvorrichtung 340 um einen kürzeren Radialabstand erstrecken und vor der Welle 130 anhalten.
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Eine typische maximale Betriebstemperatur des Rotors liegt bei etwa 140°C. Eine typische maximale Betriebstemperatur der Welle liegt bei etwa 90°C. Die Wärme wird auf die Welle 130 übertragen und es bildet sich ein Temperaturgradient über den Rotor 110, wobei ein heißestes Ende dem Ringabschnitt 111/Nabe 112 und das kälteste Ende der Welle 130 am nächsten liegt.
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zeigt einen Querschnitt durch die Wärmeübertragungsvorrichtung 340. Ein Beispiel wird mit einem Phasenwechselmaterial (z.B. Natrium) beschrieben, das bei den Betriebstemperaturen der elektrischen Maschine zwischen festen und flüssigen Zuständen wechselt. Am heißen Ende 341A der Wärmeübertragungsvorrichtung befindet sich ein Phasenwechselfeststoff → Flüssigkeit. Am Kühlerende 341B der Wärmeübertragungsvorrichtung befindet sich eine Phasenwechselflüssigkeit → fest. Es gibt einen kontinuierlichen Betriebszyklus mit einem Fluss von PCM, wie die Pfeile zeigen. Der Materialfluss kann durch eine Änderung der Dichte des PCM bei Zustandsänderung in Kombination mit Zentrifugal- und Zentripetalkräften auf das PCM durch Drehung der Wärmeübertragungsvorrichtung erreicht werden. PCM am heißen Ende 341A wechselt in einen flüssigen Zustand und bewegt sich (aufgrund der geringeren Dichte) in Richtung 345 zum kühleren Ende 341 B. Wenn das flüssige PCM das Ende 341B erreicht, gibt es Wärme ab und kehrt in einen festen Zustand zurück. Das dichtere Feststoffmaterial wird durch die Unterstützung der höheren Zentrifugalkraft auf das Feststoffmaterial zum heißen Ende 341A zurückgeführt.
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In weiteren Beispielen wechselt das PCM bei den Betriebstemperaturen der elektrischen Maschine zwischen Flüssig- und Gaszustand. Die Wärmeübertragungsvorrichtung arbeitet als Wärmerohr. Das Wärmerohr kann einen Docht beinhalten, um die Rückführung des Kondensats zum heißen Ende des Wärmerohrs zu unterstützen.
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Ein Beispiel für ein geeignetes Phasenwechselmaterial, das bei den Betriebstemperaturen der elektrischen Maschine zwischen festen und flüssigen Zuständen wechselt, ist Natrium (Na). Natrium hat einen Schmelzpunkt um 97,8°C. Weitere Beispiele für geeignete Phasenwechselmaterialien, die bei den Betriebstemperaturen der elektrischen Maschine zwischen festen und flüssigen Zuständen wechseln, sind: Wachs; Quecksilber. Beispiele für geeignete Phasenwechselmaterialien, die bei den Betriebstemperaturen der elektrischen Maschine zwischen Flüssig- und Gaszustand wechseln, sind: Ammoniak; Methanol; Wasser.
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zeigt eine elektrische Maschine 500, die eine weitere Ausführungsform eines Rotorkühlungsschemas beinhaltet. Merkmale der elektrischen Maschine 500, die gleich oder ähnlich sind, wie in den vorangegangenen Abbildungen dargestellt, haben die gleichen Referenznummern. Eine Wärmeübertragungsvorrichtung 540 ist in den Rotor 110 integriert. In dieser Ausführungsform ist die Wärmeübertragungsvorrichtung 540 in die radiale Verbindungsstruktur 115 der elektrischen Maschine integriert. Ähnlich wie in umfasst die Wärmeübertragungsvorrichtung 540 einen Speicher 541 aus Phasenwechselmaterial, der sich radial zwischen der Rotornabe 112 und der Welle 130 erstreckt. In dieser Ausführungsform umfasst die Wärmeübertragungsvorrichtung 540 zwei separate Speicher 541 aus Phasenwechselmaterial. Die Behälter 541 sind in axialer Richtung der elektrischen Maschine versetzt. Eine größere Anzahl von Behältern 541 kann vorgesehen werden. Jeder der Behälter kann die gleiche Länge oder unterschiedliche Längen aufweisen. Die Behälter können sich über eine kürzere oder längere Strecke erstrecken, als in dargestellt. Jeder der Speicher kann den gleichen Typ von PCM oder verschiedene PCMs enthalten, wie beispielsweise PCMs mit unterschiedlichen Eigenschaften (z.B. unterschiedliche Schmelzpunkte).
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zeigt eine elektrische Maschine 600, die eine weitere Ausführungsform eines Rotorkühlungsschemas beinhaltet. Merkmale der elektrischen Maschine 600, die gleich oder ähnlich sind, wie in den vorangegangenen Abbildungen dargestellt, haben die gleichen Referenznummern. Eine Wärmeübertragungsvorrichtung 640 ist im Rotor 110 integriert (eingebettet). In dieser Ausführungsform ist die Wärmeübertragungsvorrichtung 640 in die radiale Verbindungsstruktur 115 der elektrischen Maschine integriert. Ähnlich wie in umfasst die Wärmeübertragungsvorrichtung 640 einen Speicher 641. Der Speicher 641 umfasst einen radialen Speicherabschnitt 651, der sich radial zwischen der Rotornabe 112 und der Welle 130 erstreckt. In dieser Ausführungsform umfasst die Wärmeübertragungsvorrichtung 640 auch einen axialen Speicherabschnitt 652, der sich axial innerhalb der Rotornabe 112 erstreckt. Der radiale Speicherabschnitt 651 steht in Fluidverbindung mit dem axialen Speicherabschnitt 652. Der Speicher 641 enthält eine Menge eines Phasenwechselmaterials.
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zeigt eine elektrische Maschine 700, die eine weitere Ausführungsform eines Rotorkühlungsschemas beinhaltet. Merkmale der elektrischen Maschine 700, die gleich oder ähnlich sind, wie in den vorangegangenen Abbildungen dargestellt, haben die gleichen Referenznummern. Eine Wärmeübertragungsvorrichtung 740 ist im Rotor 110 integriert (eingebettet). In dieser Ausführungsform ist die Wärmeübertragungsvorrichtung 740 in die radiale Verbindungsstruktur 115 der elektrischen Maschine integriert. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 740 umfasst einen Speicher 741. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 740 umfasst: einen radialen Speicherabschnitt 751, der sich radial zwischen der Rotornabe 112 und der Welle 130 erstreckt; einen axialen Speicherabschnitt 752, der sich axial innerhalb der Rotornabe 112 erstreckt; und einen axialen Speicherabschnitt 753, der sich axial innerhalb der Welle 130 erstreckt. Der radiale Speicherabschnitt 751 steht in Fluidverbindung mit den axialen Speicherabschnitten 752, 753. Der Speicher 741 enthält eine Menge eines Phasenwechselmaterials. Der Abschnitt 753 kann helfen, die Wärme aus dem Schacht 130 auf ein umgebendes Element der Maschine oder auf einen Kühlkörper an einem oder beiden Enden des Schachtes 130 zu übertragen.
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zeigt eine elektrische Maschine 800, die eine weitere Ausführungsform eines Rotorkühlungsschemas beinhaltet. Merkmale der elektrischen Maschine 800, die gleich oder ähnlich sind, wie in den vorangegangenen Abbildungen dargestellt, haben die gleichen Referenznummern. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 840 umfasst einen Speicher 841. Der Behälter 841 ist derselbe wie in dargestellt. Der Speicher 841 umfasst: einen radialen Speicherabschnitt 851, der sich radial zwischen der Rotornabe 112 und der Welle 130 erstreckt; einen axialen Speicherabschnitt 852, der sich axial innerhalb der Rotornabe 112 erstreckt; und einen axialen Speicherabschnitt 853, der sich axial innerhalb der Welle 130 erstreckt. Eine Abdeckplatte 846 ist vorgesehen. Eine oder mehrere Leitungen 847 kommunizieren zwischen dem Speicherabschnitt 851 und einer Außenfläche der radialen Verbindungsstruktur 115. Wenn die Abdeckplatte 846 entfernt wird, kann Phasenwechselmaterial über die Leitung(en) 847 dem Behälter zugegeben oder entnommen werden. Die ringförmige Abdeckung kann sich vollständig um die Verbindungsstruktur 15 herum erstrecken, oder sie kann sich nur in Bereichen befinden, in denen die Leitungen 847 mit der Außenfläche kommunizieren.
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In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen besteht die radiale Verbindungsstruktur aus einem einzigen scheibenförmigen Element. zeigt eine weitere Ausführungsform eines Rotorkühlungsschemas. Die elektrische Maschine 900 ist ähnlich wie die zuvor dargestellte. Der Hauptunterschied besteht darin, dass die radiale Verbindungsstruktur 115 ein Paar von miteinander verbundenen Elementen 116, 117 umfasst. Die Verbindungsstruktur umfasst ein erstes radiales Element 116, das dem Rotor 110 am nächsten liegt, und ein zweites radiales Element 117, das der Welle 130 am nächsten liegt. Das erste radiale Element 116 und das zweite radiale Element 117 sind miteinander verbunden. Wie in dargestellt, können das erste radiale Element 116 und das zweite radiale Element 117 ein Paar Flansche umfassen. Die Rotornabe 112 weist einen radial verlaufenden Flansch 116 auf, der sich von der Rotornabe 112 radial nach innen erstreckt. Die Welle 130 weist einen radial verlaufenden Flansch 117 auf, der sich von der Welle 30 radial nach außen erstreckt. Die Flansche 116, 117 werden durch eine geeignete Befestigung 118 miteinander verbunden, die durch die Flansche 116, 117 verläuft. Eine Wärmeübertragungsvorrichtung ist in die radiale Verbindungsstruktur 116, 117 der elektrischen Maschine integriert (eingebettet). Da die radiale Verbindungsstruktur ein Paar miteinander verbundener Elemente 116, 117 umfasst, umfasst die Wärmeübertragungsvorrichtung zwei separate Speicher 941, 942. Der erste Behälter 941 erstreckt sich radial nach innen von der Rotornabe in Richtung des Bereichs, in dem der Flansch 116 mit dem Flansch 117 verbunden ist. Der erste Behälter 941 kann sich auch axial entlang der Rotornabe 112 erstrecken, wie dargestellt. Der zweite Behälter 942 erstreckt sich radial nach außen von der Welle 130 in Richtung des Bereichs, in dem der Flansch 117 mit dem Flansch 116 verbunden ist. Der zweite Behälter 942 kann auch einen Abschnitt 953 umfassen, der sich, wie dargestellt, axial entlang der Welle 130 erstreckt. Im Gebrauch erfolgt die Wärmeübertragung vom Rotor 110 und der Rotornabe 112 auf den ersten Speicher 941. Die Wärmeübertragung erfolgt zwischen dem radial innersten Ende des ersten Speichers 941 und dem Bereich, in dem der Flansch 116 mit dem Flansch 117 verbunden ist. Die Wärmeübertragung erfolgt vom Flansch 116 auf den Flansch 117. Die Wärmeübertragung erfolgt zwischen dem Flansch 117 und dem radial äußersten Ende des zweiten Speichers 942. Die Wärme wird auf das radial innerste Ende des zweiten Speichers 942 und auf die Welle 130 übertragen.
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Die Wärmeübertragungsvorrichtung 940 kann eine einfachere Form als die in dargestellte aufweisen. Zum Beispiel: Es kann nur den ersten Behälter 941 aufweisen; es kann nur den zweiten Behälter 942 aufweisen; der erste Behälter 941 kann den axial verlaufenden Abschnitt oder den radial verlaufenden Abschnitt aufweisen; der zweite Behälter 942 kann den axial verlaufenden Abschnitt 953 aufweisen.
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Die vorgenannte einfachere Form der mit Bezug auf beschriebenen Wärmeübertragungsvorrichtung 940 kann in Verbindung mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden, wenn die radiale Verbindungsstruktur des Rotors aus einem einscheibenförmigen Element besteht. In einer solchen Ausführungsform (nicht dargestellt) darf die Wärmeübertragungsvorrichtung nur den ersten Speicher 941 ohne den sich radial erstreckenden Abschnitt aufweisen und sich im Rotor befinden. Als solches kann die Wärmeübertragungsvorrichtung eine ähnliche Konfiguration aufweisen wie in dargestellt, jedoch ohne den radialen Speicherabschnitt 651.
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Die bisher beschriebenen Ausführungsformen zeigen eine Maschine mit einem Rotor, der sich in einem Stator befindet, d.h. der Stator umschließt den Rotor. zeigt eine Ausführungsform einer elektrischen Maschine 1000 mit einem Stator, der sich in einem Rotor befindet, d.h. Stator 1020 befindet sich im Rotor 1010. Rotor 1010 und Stator 1020 sind koaxial zu einer Welle 1030 montiert. Der Stator 1020 umfasst die Wicklungen 1025. Im Stator 1020 ist ein Gehäuse 1052 vorgesehen. Eine radiale Verbindungsstruktur 1015 verbindet den Rotor 1010 mit der Welle 1030. Eine Wärmeübertragungsvorrichtung 1040 ist in den Rotor 1010 integriert. In dem in dargestellten Beispiel ist die Wärmeübertragungsvorrichtung 1040 in die radiale Verbindungsstruktur 1015 integriert. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 1040 erstreckt sich radial innerhalb der radialen Verbindungsstruktur 1015 zur Welle 130. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 1040 umfasst einen Speicher oder einen Hohlraum, der innerhalb der radialen Verbindungsstruktur 1015 ausgebildet ist. Der Behälter enthält eine Menge PCM. Jede der zuvor beschriebenen Eigenschaften der Wärmeübertragungsvorrichtung(en) kann auf die in dargestellte Wärmeübertragungsvorrichtung angewendet werden. So kann beispielsweise die Wärmeübertragungsvorrichtung ringförmig sein oder einen Satz radialer Rohre umfassen.
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Alle oben beschriebenen elektrischen Maschinen haben radial gerichtete Flusswege, d.h. der Fluss wird radial zwischen Stator und Rotor gerichtet. Die 11A bis 11C zeigen zwei Ausführungsformen einer elektrischen Maschine mit axial gerichteten Flusswegen. zeigt eine elektrische Maschine mit einem Rotor 1110, einem Stator 1120 und einer Welle 1130. Der Stator umfasst zwei Abschnitte, die axial entlang der Welle 1030, jede Seite des Rotors 1110, verschoben sind. Anders ausgedrückt, befindet sich der Rotor 1110 zwischen den beiden Statorabschnitten 1120. Ein Gehäuse 1152 umschließt den Stator 1120. Der Rotor 1110 und die Statoren 1120 sind koaxial um die Welle 1130 gelagert. Eine radiale Verbindungsstruktur 1115 verbindet den Rotor 1110 mit der Welle 1130. zeigt eine elektrische Maschine mit einem Rotor 1110, einem Stator 1120 und einer Welle 1130. Der Rotor 1110 umfasst zwei Abschnitte, die axial entlang der Welle 1030, jede Seite des Stators 1120, verschoben sind. Anders ausgedrückt, befindet sich der Stator 1120 zwischen den beiden Rotorabschnitten 1110. Der Rotor 1110 und die Statoren 1120 sind koaxial um die Welle 1130 gelagert. Eine radiale Verbindungsstruktur 1115 verbindet den Rotor 1110 mit der Welle 1130. zeigt den Rotor 1110 dieser Maschinen. In diesem Beispiel umfasst die Wärmeübertragungsvorrichtung 1140 eine Vielzahl von radialen Speicherabschnitten 1141, die radial um den Rotor versetzt sind. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 1140 umfasst auch einen ringförmigen Speicherabschnitt 1142 nahe einem radial äußersten Teil des Rotors und einen ringförmigen Speicherabschnitt 1143 nahe einem radial innersten Teil des Rotors.
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In der in den 11A bis 11C dargestellten elektrischen Maschine ist im Rotor 1110 eine Wärmeübertragungsvorrichtung 1140 integriert. Der Rotor kann eine radiale Verbindungsstruktur 1115 aufweisen. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 1140 umfasst einen Speicher oder einen Hohlraum, der innerhalb des Rotors oder innerhalb der radialen Verbindungsstruktur 1115 ausgebildet ist. Der Behälter enthält eine Menge PCM. Jede der zuvor beschriebenen Eigenschaften der Wärmeübertragungsvorrichtung(en) kann auf die in den 11A bis 11C dargestellte Wärmeübertragungsvorrichtung angewendet werden. So können sich beispielsweise die Speicherabschnitte über eine kürzere oder längere Strecke erstrecken, als in den 11A bis 11C dargestellt. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 1140 kann einen sich axial erstreckenden Speicherabschnitt innerhalb des Rotors 1110 umfassen. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 1140 kann einen axial verlaufenden Speicherabschnitt innerhalb der Welle 1130 umfassen.
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Die elektrische Maschine kann Umfangsflusswege, Querflusswege oder eine Kombination aus einem oder mehreren von Radialflusswegen, Axialflusswegen, Umfangsflusswegen, Querflusswegen verwenden. Ähnlich wie die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen umfasst die elektrische Maschine eine Wärmeübertragungsvorrichtung innerhalb mindestens eines Teils einer radialen Verbindungsstruktur der elektrischen Maschine.
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In jeder der Ausführungsformen kann die elektrische Maschine einen Kühlkörper (150, ) umfassen, der thermisch am Stator 120 montiert ist. Ein Gehäuse 152 umschließt den Kühlkörper. Die Abstände 151 zwischen dem Kühlkörper 150 und dem Gehäuse 152 bilden einen Kühlmantel. Im Gebrauch wird eine Flüssigkeit durch den Kühlmantel zirkuliert. Die Flüssigkeit kann eine Kühlflüssigkeit oder Luft sein.
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In der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen dieser Spezifikation sind die Wörter „umfassen“ und „enthalten“ und Variationen der Wörter, zum Beispiel „umfassen“ und „umfassen“, Mittel „einschließlich, aber nicht beschränkt auf“, und sind nicht dazu bestimmt, andere Einheiten, Zusatzstoffe, Komponenten, ganze Zahlen oder Schritte auszuschließen (und nicht).
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In der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen dieser Spezifikation umfasst das Singular den Plural, sofern der Kontext nichts anderes erfordert. Insbesondere wenn der unbestimmte Artikel verwendet wird, ist die Spezifikation so zu verstehen, dass sie sowohl Pluralität als auch Singularität betrachtet, sofern der Kontext nichts anderes erfordert.
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Merkmale, ganze Zahlen, Merkmale, Verbindungen, chemische Einheiten oder Gruppen, die in Verbindung mit einem bestimmten Aspekt, einer Ausführungsform oder einem Beispiel der Erfindung beschrieben werden, sind so zu verstehen, dass sie auf jeden anderen Aspekt, jede andere Ausführungsform oder jedes andere hierin beschriebene Beispiel anwendbar sind, es sei denn, sie sind damit nicht vereinbar.
