DE10259047B4

DE10259047B4 - Zentrifugalflüssigkeitskühlsystem für einen Elektromotor

Info

Publication number: DE10259047B4
Application number: DE10259047A
Authority: DE
Inventors: Shijian Carmel Zhou; Andrew T. Fishers Hsu; Yanhu Indianapolis Guo; Linda J. Mc Cordsville Ludek Brouns; John C. Noblesville Morgante
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: General Motors LLC
Priority date: 2002-01-17
Filing date: 2002-12-17
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2022-12-18
Also published as: DE10259047A1; US20030132673A1; JP2003219607A

Abstract

Elektromotor mit:
einem Stator (12) zur Erzeugung eines Magnetfeldes,
einem Rotor (14), der durch das Magnetfeld gedreht wird,
einer Motorwelle (18), die mit dem Rotor (14) gekoppelt ist, wobei die Motorwelle (18) einen Strömungskanal (20) mit einem Einlass (22) und einem Auslass (24) umfasst, um ein flüssiges Kühlmittel durch den Strömungskanal (20) zu leiten und somit den Elektromotor (10) zu kühlen,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich der Strömungskanal (20) von dem Einlass (22) zu dem Auslass (24) konusförmig erweitert.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Elektromotor ist aus der DE 29 00 133 C2 , der DE 614 536 A , der DE 198 10 437 A1 oder aus der DE 36 01 089 A1 bekannt.

Die DE 29 00 133 C2 offenbart eine Rotorwelle für elektrische Maschinen, die ein hohlzylindrisches Rohr mit Querbohrungen aufweist, wobei sich das Rohr von einem zentralen Öleinlass zu einem Auslass erstreckt.

In der DE 614 536 A ist eine Flüssigkeitskühlung für die Läufer elektrischer Maschinen offenbart, die ein hohlzylindrisches Rohr aufweist, das sich von einem Einlass zu einem Auslass des Kühlkreislaufs erstreckt.

Die DE 198 10 437 A1 offenbart eine elektrische Maschine mit einer abgestuften Hohlbohrung, an deren Ende sich winklig zur Rohrachse angeordnete Querbohrungen anschließen.

Aus der EP 0 152 785 A1 ist ein Elektromotor mit Wärmerohr-Kühlung bekannt, bei dem die Motorwelle einen gasdicht abgeschlossenen Hohlraum aufweist, der einen zylindrischen und mehrere konische Abschnitte besitzt.

Ein Elektromotor kann so beschrieben werden, dass er im Allgemeinen einen Stator und einen Rotor umfasst. Der Stator ist in seiner Stellung fest, und der Rotor bewegt sich relativ zum Stator. In AC-Motoren ist der Stator typischerweise das stromführende Bauteil des Motors und erzeugt ein Magnetfeld, um mit dem Rotor in Wechselwirkung zu treten. Der Rotor in einem AC-Motor kann einen Kurzschlusskäfig oder einen magnetischen Rotor aufweisen. Das durch den Stator erzeugte Feld treibt den Rotor relativ zum Stator durch das Magnetfeld an oder dreht ihn. Bei DC-Motoren ist typischerweise der Rotorläufer das stromführende Bauteil des Motors und mit Bürsten und Schleifringen versehen, um den Strom zum Rotor gleichzurichten. Der Stator eines DC-Motors ist mit einer Vorrichtung wie zum Beispiel Dauermagneten oder stromführenden Spulen versehen, die ein Magnetfeld erzeugt. Das Magnetfeld, das durch den Strom im Rotor eines DC-Motors erzeugt wird, tritt mit dem Magnetfeld des Stators in Wechselwirkung, um den Rotor relativ zum Stator zu drehen oder anzutreiben.

Der Betrieb eines Elektromotors erzeugt Wärme in der Form von Strom-/Widerstands- oder I²R-Verlusten, Eisenverlusten, Streuverlusten und mechanischen Verlusten im Rotor und Stator. Der Stator und der Rotor werden gekühlt, um Überhitzen zu vermeiden, was zur Entmagnetisierung von Magneten im Motor und dem Schmelzen oder Verbrennen von anderen Teilen des Motors führen würde. Wärmeabgabe ist der begrenzende Faktor bei der Motorauslegung und Nennleistung. Der Motorstrom steht in direktem Zusammenhang mit der Leistungsabgabe sowie mit der im Motor erzeugte Wärme. In Elektromotoranwendungen, in denen Platz an einer vorderen Stelle steht, wie zum Beispiel in elektrischen und hybrid-elektrischen Fahrzeugen, werden Motoren mit einer verhältnismäßig kleinen Grundfläche und hoher Nennleistung gewünscht. Entsprechend ist die Grundfläche eines Motors für eine bestimmte Nennleistung umso kleiner, je effizienter die Wärmeabfuhr ist.

Wärme vom Stator eines Elektromotors kann auf verhältnismäßig einfache Weise mit Kühlmänteln, Lüftern und anderen Kühlvorrichtungen abgeführt werden, aber es ist schwierig, die Wärme im Rotor abzuführen, da es hier typischerweise einen Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator gibt, um die Rotordrehung zuzulassen. Luft ist kein wirkungsvoller Leiter, und die Wärmeübertragung vom sich bewegenden Rotor zu dem Stator ist verhältnismäßig ineffizient verglichen mit der Wärmeleitung von Metall zu Metall oder Flüssigkeit.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Elektromotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu verbessern, dass mit einfachen Mitteln die Kühlung des Motors verbessert wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen eines Elektromotors unter Verwendung eines zentrifugalen Flusses von Kühlmittel wie zum Beispiel Öl. Der Elektromotor der vorliegenden Erfindung umfasst eine Hohlwelle, die einen konusförmigen hohlen Innenraum aufweist, einen ersten Satz von Durchgängen durch den Rotor und einen zweiten Satz von Durchgängen zwischen dem Rotor und der Hohlwelle. Wenn der Rotor und die Hohlwelle rotieren, wird Kühlflüssigkeit mittels Zentrifugalkraft durch die Hohlwelle und den ersten und zweiten Satz von Durchgängen gedrängt. Die konische Form des hohlen Innenraumes der rotierenden Welle erzeugt eine Zentrifugalkraft, die die Kühlflüssigkeit durch die Hohlwelle bewegt. Die Öffnungen im Rotor stehen unter einem Winkel zur Rotorachse. Die Kombination aus diesem Winkel und der Drehbewegung des Rotors erzeugt eine Zentrifugalkraft, die das Kühlmittel in den Durchgängen bewegt.

Die Geschwindigkeit des Kühlmittels durch die Hohlwelle und den ersten und zweiten Satz von Durchgängen kann durch Wahl des Konuswinkels des Welleninnenraums, der Breite und der radialen Lage des ersten und zweiten Satzes von Durchgängen gesteuert werden. Je größer der Konuswinkel des Welleninnenraums ist, desto höher ist die Durchflussrate, wenn eine konstante Drehzahl zugrunde gelegt wird. Eine radial weiter außen befindliche Lage der ersten und zweiten Durchgänge kann eine höhere Kühlmitteldurchflussrate erzeugen. Der Kühlmittelfluss durch die Hohlwelle und den ersten und zweiten Satz von Durchgängen ist außerdem proportional zur Rotordrehzahl. Je höher die Drehzahl des Motors ist, desto größer ist der Stromfluss mit einem gleichzeitigen Anstieg von Wärme. Das Kühlsystem der vorliegenden Erfindung ist selbstregulierend, da es die Wärmeübertragungsrate automatisch einstellt, um die Anforderungen des Motors in Bezug auf die Wärmeabgabe zu erfüllen. Bei höheren Drehzahlen erzeugt der Motor mehr Wärme und der Kühlmittelfluss durch die Hohlwelle und die ersten und zweiten Durchgänge steigt an. Auf diese Weise kann der Rotor durch Kühlmittelfluss gekühlt werden.

Die Kühlung des Rotors unter Verwendung eines Kühlmittelflusses kombiniert mit der leitenden Wärmeabgabe an den Außenseiten des Rotors erhöht die von einem Elektromotor, der mit dem Kühlsystem der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist, bereitgestellte Leistungsdichte stark.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt:
1 eine schematische Schnittzeichnung, die den Elektromotor der vorliegenden Erfindung erläutert; und
2 eine schematische Schnittzeichnung vom Rotor des Elektromotors der vorliegenden Erfindung.
1 ist eine Schnittansicht des Elektromotors 10 der vorliegenden Erfindung. Der Elektromotor 10 umfasst einen Stator 12 und einen Rotor 14, die durch einen Luftspalt 16 getrennt sind. In alternativen Ausführungen der vorliegenden Erfindung kann der Luftspalt mit einer Kühlflüssigkeit 26 gefüllt sein, um Wärme vom Rotor 14 zum Stator 12 zu leiten. Der Elektromotor der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise ein AC-Induktionsmotor mit einem Kurzschlusskäfigrotor, aber jede Elektromotortechnik wird als im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung liegend angesehen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Synchronmotoren, Reluktanzmotoren, DC-Motoren, bürstenlose DC-Motoren und AC-Dauermagnetläufermotoren. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Rotor 14 ein Aluminiumkurzschlusskäfig, der mit Stahllamellen ausgestattet ist. Der Elektromotor 10 umfasst weiterhin eine hohle Motorwelle 18, die an den Rotor 14 gekoppelt ist. Die hohle Motorwelle 18 überträgt die Drehbewegung des Rotors 14 an eine externe Vorrichtung.
In 2 ist ein Schnitt des Rotors 14 und der hohlen Motorwelle 18 gezeigt. Die Hohlwelle 18 enthält einen konischen Innenraum 20. Der konische Innenraum ist in Bezug auf die Mittellinie 19 der Motorwelle 18 unter einem Winkel θ geneigt, um einen anwachsenden Durchmesser von einer ersten Öffnung 22 zu einer zweiten Öffnung 24 der Hohlwelle 18 zu bilden. Sobald die Kühlflüssigkeit 26 in die erste Öffnung 22 eintritt, erzeugt die Rotation des Rotors 14 einen Zentrifugalkraftgradienten von der ersten Öffnung 22 zur zweiten Öffnung 24, und drängt dabei einen Film aus Kühlflüssigkeit 26 über die Länge der Hohlwelle 18 an dem konischen Innenraums 20 der Hohlwelle 18 entlang.
Die Pfeile 34 in 2 veranschaulichen die Bewegung vom Film des Kühlmittels 26 entlang des konischen Innenraums 20 der Hohlwelle 18. Es wird automatisch eine Temperaturkompensationsschleife zur Filmkühlung gebildet, um die vorliegende Erfindung robuster zu machen. Das flüssige Kühlmittel 26 nimmt Wärme auf und seine Temperatur steigt an, während es sich von der ersten Öffnung 22 zur zweiten Öffnung 24 bewegt. Die Wärme vermindert die Viskosität der Kühlflüssigkeit 26 und führt zu einer Abnahme der Filmdicke und zu einer Zunahme der Geschwindigkeit des flüssigen Kühlmittels 26. Diese beiden Faktoren helfen dabei, das Wärmeübertragungsvermögen während des gesamten Kühlvorgangs zu steigern oder beizubehalten und führen zu einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung entlang der Achse 19. Die Kühlflüssigkeit 26 oder das Kühlfluid 26 leitet daher Wärme von der Achse des Rotors 14 durch Wärmeleitung von der Welle 18 an eine externe Wärmesenke.
Der Winkel θ kann gewählt werden, um die Stärke der Zentrifugalkraft zu bestimmen. Je größer der Winkel θ ist, desto größer und desto höher ist die Stärke der Zentrifugalkraft. Die Stärke vom Fluss und/oder der Geschwindigkeit des Films des flüssigen Kühlmittels 26 ist proportional zur Drehzahl des Rotors 14, wodurch ein selbstregulierendes Kühlsystem geschaffen wird. Je höher die Drehzahl von Rotor 14 ist, desto mehr Wärme wird erzeugt, aber desto höher ist die Durchflussrate der Kühlflüssigkeit 26 und die Wärmeabgabe.
In den 1 und 2 ist weiterhin eine alternative Anzahl von Wärmeabgabemechanismen dargestellt, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Die Pfeile 30 veranschaulichen die Wärmeleitung durch Durchgänge 32 in den Rotor 14 über die Kühlflüssigkeit 26. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Durchgänge 32 winklig in Bezug auf die Mittellinie 19 der Motorwelle 18 und äquidistant in radialer Weise um die Motorwelle 18 herum angeordnet. Die Anordnung der Durchgänge 32 bildet im allgemeinen eine konische Gestalt, wobei die Eingangsöffnungen der Durchgänge in einem Abstand bei einem ersten Durchmesser um die Mittellinie 19 der Motorwelle herum und die Ausgangsöffnungen bei einem zweiten Durchmesser um die Mittellinie herum angeordnet sind, wobei der zweite Durchmesser größer ist als der erste Durchmesser. In der bevorzugten Ausführungsform weisen die Durchgänge 32 äquidistante Abstände voneinander auf. Die Kühlung, die in Durchgängen 32 auftritt, kann als Rohrkühlung (Pipe-Cooling) beschrieben werden. Rohrkühlung ist ein Kühlmittelfluss, bei dem das Kühlmittel den ganzen Durchgang füllt.
Die Pfeile 36 zeigen Kühlmittelfluss zwischen der Kühlmittelwelle 18 und dem Rotor 14 durch die Durchgänge 38. Die Durchgänge sind durch eine konusförmige Innenfläche des Rotors 14 gebildet, der mit der Hohlwelle 18 verbunden ist. Die Außenfläche der Hohlwelle 18 ist ebenso konusförmig, so dass sie zu der Innenfläche des Rotors 14 passt. Ähnlich wie die vorherigen Ausführungsformen erzeugt die Drehung des Rotors 14 eine Zentrifugalkraft, die das flüssige Kühlmittel 26 durch die Kanäle 38 drängt. In den Kanälen 38 tritt sowohl Film- als auch Rohrkühlung auf.

Claims

Elektromotor mit: einem Stator (12) zur Erzeugung eines Magnetfeldes, einem Rotor (14), der durch das Magnetfeld gedreht wird, einer Motorwelle (18), die mit dem Rotor (14) gekoppelt ist, wobei die Motorwelle (18) einen Strömungskanal (20) mit einem Einlass (22) und einem Auslass (24) umfasst, um ein flüssiges Kühlmittel durch den Strömungskanal (20) zu leiten und somit den Elektromotor (10) zu kühlen, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Strömungskanal (20) von dem Einlass (22) zu dem Auslass (24) konusförmig erweitert.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (12) stromführende Wicklungen umfasst, um das Magnetfeld zu erzeugen.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (14) ein Kurzschlussläuferrotor ist.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (14) Permanentmagnete umfasst.
Elektromotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen ersten Satz von Durchgängen (32) durch den Rotor (14), um ein flüssiges Kühlmittel zu leiten.
Elektromotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Satz von Durchgängen (32) Eingangsöffnungen und Ausgangsöffnungen aufweist, die Eingangsöffnungen um die Mittellinie der Motorwelle herum bei einem ersten Durchmesser angeordnet sind, die Ausgangsöffnungen um die Mittellinie (19) der Motorwelle (18) herum bei einem zweiten Durchmesser angeordnet sind, und dass der erste Durchmesser kleiner als der zweite Durchmesser ist.
Elektromotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zweiten Satz von Durchgängen (38) zwischen dem Rotor (14) und der Motorwelle (18).
Elektromotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Satz von Durchgängen (38) Eingangsöffnungen und Ausgangsöffnungen aufweist, die Eingangsöffnungen um die Mittellinie (19) der Motorwelle (18) herum bei einem ersten Durchmesser angeordnet sind, die Ausgangsöffnungen um die Mittellinie (19) der Motorwelle (18) herum bei einem zweiten Durchmesser angeordnet sind, und dass der erste Durchmesser kleiner als der zweite Durchmesser ist.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Kühlmittel Öl ist.