CN101895172A - 电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电机，该电机具有独立的端盖热交换器，其中有液体冷却剂通过。在一个示例性实施例中，在具有内燃机的混合动力汽车中，电机是牵引电动机或电动发电机。此外，在一个实施例中，热交换器具有低温冷却剂回路，被配置为用于从电机冷却剂中提取能量。所述电机可被安装在各种车辆中或其他具有较大差异的冷却需求的应用中。通过在端盖中布置热交换器和控制组件，可通过选择具有合适的传热特性的端盖以及控制组件来改变电机的冷却能力，以提供期望的冷却。因此，单个电机连同各种端盖选择可用于各种应用中。

Description

电机
技术领域
本发明涉及一种电机，尤其涉及一种电机的冷却***。
背景技术
在车辆中，电机可用作动力源。众所周知，根据电机所承受的工况的严重程度，电机可能会过热。
大多数汽车制造商出售各种电动汽车及混合动力汽车。出售的各种电动汽车及混合动力汽车在重量、运输能力及负载循环(duty cycle)方面有所不同。对于包括牵引电动机或电动发电机或其他大功率电机的汽车，电机的最大功率需求取决于其应用而大不相同。最大功率影响电机的冷却需求。通过在电机内部循环液体而实现冷却，这在现有技术中是已知的。尽管如此，针对在有特定冷却需求的特定车辆结构中使用的特定电机需要设计冷却***。对于另一车辆结构，例如，使用相同的电机***但是具有更高的功率级的车辆结构需要更强的冷却。为特定的冷却需求而设计的这样的***必须对每个冷却需求级别进行重新设计以确保合适的热传递、冷却剂体积流量(volumetric coolant flow)和流量方向控制及其他考虑。
发明内容
为了克服为每个应用重新设计整个电机***的难题，公开了一种电机，该电机具有与其结合的端盖，该端盖具有多个组件，所述多个组件致力于为所述电机提供期望的冷却。例如，所述端盖可包括热交换器，该热交换器具有高温冷却剂通道、低温冷却剂通道、使高温冷却剂通过高温冷却剂通道进行循环的泵以及用于液压控制和热控制的相关组件，例如电子阀，温度传感器和压力传感器及电控单元。在一个实施例中，设置机械式调温阀来控制通过高温冷却剂回路的流量。在另一实施例中，在高温冷却剂回路中设置电控阀，该阀门由电控单元ECU控制。在一个实施例中，所述ECU被设置在所述端盖中，所述ECU基于来自与其电连接的温度传感器和/或压力传感器的信号控制阀门的位置。在一个实施例中，所述电机的输出轴穿过所述端盖。在该实施例中，所述端盖包括轴封和轴承。所述端盖还可具有液压蓄压器(hydraulic accumulator)，注油口和排油口及用于将所述端盖结合至所述电机的紧固件。基于本申请和期望的冷却级别，结合至所述电机的端盖包括用于冷却***的合适的控制组件、用于流体的浮雕(boss)以及电输入/输出等。通过在所述端盖中包括这些组件，所述电机连同包括在所述端盖中的所有必要的改变能够作为所有应用的标准，所述所有必要的改变用于兼容各种应用所需的冷却速度和液压流速。
根据本发明的实施例，本发明公开了一种电机，在其内部具有高温冷却剂。所述电机具有与其结合的带有整体式热交换器的端盖。所述热交换器具有高温冷却剂通道，使高温冷却剂通过高温冷却剂通道进行循环的泵及用于液压控制和热控制的相关组件，例如电子阀，传感器及电控单元。所述端盖和所述电机分开装配。在一个实施中，高温冷却剂为油。
在液-气热交换器的实施例中，所述端盖的外表面具有散热片。在液-液热交换器的实施例中，所述热交换器具有结合至所述端盖外部的低温冷却剂回路的低温冷却剂通道。在一个实施例中，低温冷却剂回路具有自动调温器，自动调温器通常包含热致动阀。在一个例子中，高温冷却剂通道和低温冷却剂通道在所述端盖中形成交错的螺旋。
在一个例子中，在热交换器中存在低温冷却剂通道，该低温冷却剂通道为低温冷却剂回路的一部分。并且，外部热交换器和泵被布置在回路中。所述外部热交换器将热量从低温冷却剂传递至另一介质，如空气。
在另一实施例中，电机的端盖包括液压和热管理组件，液压和热管理组件包括(例如)电子阀、电控单元、低温冷却剂泵、电子传感器及液压蓄压器。这些组件被用来修改电机的冷却。例如，可期望部分地关闭高温冷却剂通道中的阀门以允许电机更快地预热。通过允许电机更快地预热，可降低由电机润滑剂所引起的寄生阻力。
在另一实施例中，电机被布置在汽车中。存在与已述电机分离的发热单元。该发热单元可以是内燃机、动力转向泵或驱动桥。所述发热单元具有适于使液体冷却剂循环的冷却回路、在发热单元冷却回路中的泵、在发热单元冷却回路中的热交换器以及连接至电机低温冷却剂回路的发热单元冷却回路分支。低温冷却剂可以是(例如)水基冷却剂、动力转向液、液压液、电解质液、传动液或润滑油。
在一个实施例中，低温通道连接至空调回路的分支，空调回路连接至空气调节单元或任意制冷单元。在该实施例中制冷剂为工作液。
本发明还公开了一种混合动力汽车包括：具有内部冷却路径的内燃机、连接至发动机中的内部冷却路径的冷却回路、外部热交换器(例如布置在冷却回路中的散热器)以及布置在冷却回路中的水泵。所述汽车还具有带有热交换器的电机，所述热交换器布置在电机的端盖中。电机的热交换器包括高温冷却通道，高温冷却通道的入口连接至循环泵，高温冷却通道的出口连接至电机内部。电机的端盖中的热交换器还具有适于使水基冷却剂循环的低温冷却通道。低温冷却通道连接至发动机冷却回路。端盖还可包括热管理组件，例如，电子阀和热传感器。电机的端盖组件是与电机分离的组件。非限制性实施例显示电机被用作电动发电机，牵引电动机或两者兼用。
本发明还公开了一种为电机提供冷却***的方法。选择带有整体式热交换器的端盖，该端盖具有预定的传热特性。具有这些特性的端盖被结合至电机外壳。所述方法还包括在针对其设计负载循环而最苛刻的工况下确定电机的冷却需求。基于所确定的冷却需求计算提供所需冷却的预定的传热特性。端盖中的热交换器具有低温冷却剂通道和高温冷却剂通道。预定的传热特性考虑以下因素：端盖的材料、高温冷却剂和低温冷却剂之间的有效传热表面积、期望的冷却剂流速、期望的温度、低温冷却剂的性能以及高温冷却剂的性能。
本发明的一个优点在于具有布置在端盖中的用于冷却电机的热交换器和液压组件，可通过选择具有期望的冷却能力的端盖组件来满足电机应用所需的冷却级别，而电机本身改变很少或不作改变。这样，单个电机设计连同各种端盖可用于多种车辆应用中，所述端盖可被结合至所述电机以满足特定车辆结构的冷却需求。
上述冷却剂通道被描述为高温和低温。然而，根据本发明的实施例，当电机内部冷却剂温度比外部冷却剂温度低时，所述电机可预热。在这种情况下，能量被供应至电机，从而通过使电机更加快速地达到其期望的工作温度为本发明提供了另一优点。所述通道可被称为第一冷却剂通道和第二冷却剂通道，在某些情况下，当电机正在冷却时，第一冷却剂通道和第二冷却剂通道分别为高温冷却剂通道和低温冷却剂通道；在其他情况下，当电机正在预热时，第一冷却剂通道和第二冷却剂通道分别为低温冷却剂通道和高温冷却剂通道。
通过下面结合附图对本公开进行详细的描述，本公开的上述和其他优点、特点将会变得更加清楚。
附图说明
图1是电机截面的侧视图；
图2是以截面显示的端盖的端视图，示出了内部冷却通道；
图3是以截面显示的端盖的端视图，示出了内部冷却通道；
图4是部分电机截面的侧视图；
图5是以截面显示的端盖的端视图，示出了内部冷却通道；
图6是部分电机截面的侧视图；
图7是在其外表面具有散热片的端盖的末端的外部视图；
图8是连接至内燃机冷却***的电机冷却***的简图；
图9是电机冷却***的简图；
图10是用于电机外壳内包括齿轮组的实施例的部分电机截面的侧视图；
图11是部分干式电机的侧视图，其中，定子通过在其罩内的流体循环来冷却；
图12是根据本发明的一个实施例的端盖的等轴测视图；
图13至15为分别具有本公开的三个实施例的端盖的电机组件的简图。
具体实施方式
在图1中示出了具有端盖12的电机10。电机10具有定子20及***定子20的转子22。输出轴24连接至转子22。输出轴24的一端穿过端盖12。取决于期望的结构，输出轴24可仅在电机10的一端伸出或在电机10的两端伸出。端盖12具有密封和轴承26，密封和轴承26可以是集成组件或分离的组件。电机10具有在其内部循环的液体冷却剂，液体冷却剂与定子和转子均接触或只与定子接触。在一个实施例中，液体为油。通过冷却剂循环从电机10中提取热能。通过由轴24驱动的泵34进行泵送，冷却剂在30处进入端盖12并在32处离开端盖12。泵34具有在电机10的底部的冷却剂传感器31。在端盖12的内部为液-液热交换器，在36处供应第二液体冷却剂并在38处移除。在一个实施例中，第二液体冷却剂可以是水基冷却剂。在另一选择中，泵34位于在转子22的另一端的轴上并被包含在端盖组件中。在另一选择中，泵34为不与轴24相连接的电泵。在图1所示的结构中，轴24穿过带有密封和轴承组件26的端盖12，密封和轴承组件26防止液体渗漏到电机10外并支撑轴24。
在图2中示出了端盖12的端视图。示出在电机中循环的高温流体在30处进入端盖12并在32处离开端盖12。低温流体在36处进入端盖12并在38处离开端盖12。两种流体的通道成同轴螺旋状。如从图1中的侧视图可见，通道的有效传热表面积取决于图2中螺旋的长度及通道的截面形状。通过改变端盖12的长度(如图1所示的端盖12的尺寸L)，冷却能力受到影响。
在图3和图4中示出了端盖12′的另一实施例，其中，低温流体和高温流体通过在彼此之间弯折的通道进行传导。在图3中所示的流道具有并流式结构，其中，高温流体和低温流体均从相同端(30′和36′)进入，彼此之间平行行进并分别在32′和38′处离开。或者可使用逆流式结构，其中，低温流体的出口靠近高温流体的入口。这种结构将具有与图3中低温流体或高温流体(并非两者)相反的流向。
在图5和图6中示出了端盖12″的另一选择，其中，低温流体进入端盖12″的空腔内。高温流体管道39沿着空腔的中心线布置以使携带高温流体的管道被低温流体包围。在图5中示出了逆流式结构。然而，认为逆流式结构和并流式结构的实施例均适用于图2、图3和图5中示出的任一实施例。在截面平面上，管道39被显示为一个连续环路。然而，希望影响低温流体和高温流体之间的接触表面积以允许各种冷却级别。因此，管道39可在沿端盖12″的长度方向上多重弯曲以提供比图5中所述的平滑弯管更强的冷却。或者，管道39可在形成于端盖12″中的空腔内包括多个回路。在图5中，管道39包含在其内部循环的高温流体，低温流体在管道39外部的空腔内循环。或者，冷流体通过管道39进行循环，热流体在端盖12″中的空腔内进行循环。
图2，图3和图5示出了具有液-液热交换器的端盖12，12′，和12″。图7中示出了另一选择，其中，端盖12″′的外表面为气-液热交换器，气-液热交换器具有一排排布置在端盖12″′外部的散热片40。
在图8所示的示例性结构中，低温流体为发动机冷却剂。内燃机50具有通过发动机50进行循环的冷却剂及带有调节流量的自动调温器54的散热器52。发动机50具有水泵56和皮带轮58。发动机冷却***的分支被供应至电机10的端盖12。在一个实施例中，将发动机冷却剂供应至电机10的分支具有调温阀60，用来控制到达端盖12的流量。如图8所示，调温阀60在端盖12的外部。或者，调温阀60及附属的液压控制组件与端盖12集成为一体。
在图9中的另一示例性实施例中，电机10具有其自身的低温冷却剂循环***(自带泵(未显示))和外部热交换器62。在一个实施例中，低温冷却剂泵与端盖12集成为一体。在一个实施例中，低温流体为水基冷却剂，或者，在另一实施例中，低温流体为油。
在图7中示出的端盖12的实施例避免使用低温流体冷却回路。可设置冷却风扇(未显示)以用于驱使气流流过散热片40。冷却风扇例如可通过轴24由电机10、独立的电机(未显示)或通过其他动力源驱动。在一个实施例中，冷却风扇和驱动机构与端盖12集成为一体。
参照图10，电机10′在其内部安装元件。所述元件可以是齿轮组或其他任何元件，所述元件可扩展电机的功能并将从电机10′内部可用的润滑和冷却中受益。
图1和图10中示出的实施例设想冷却剂在电机10(10′)的内部晃动和四处喷洒。在这些实施例中，冷却剂可以是为转子、定子、齿轮箱(图10中的元件64)及电机10的其他任何组件提供润滑和冷却的润滑液压油。在图11中示出了另一结构，其中，组件66包括转子22′和定子20′。定子20′在罩68的内部被提供润滑剂。在图11中，冷却剂通过入口70提供并通过出口72返回。在该实施例中，电机内部是干燥的，冷却剂仅仅提供给定子20′。
在图12中的根据本公开的实施例的端盖的等轴测视图示出了低温冷却剂的入口36和出口38。提供分别用于密封和支撑轴(图1的24)的密封和轴承26。电控单元(ECU)80设置在端盖12中。在电机组件被安装在汽车中的实施例中，可使用安装在汽车中的其他部位的ECU，其中，箱体元件80为用于在远处安装的ECU和端盖12内部的电气组件之间实现电连接的连接器。电驱动泵78安装在端盖12上。端盖12通过紧固件76结合至电机10。端盖12可以以任意已知的方式装配至电机10。
在图13中示出了端盖12的线路图。端盖12被结合至电机10。在一个实施例中，电机10为连接至汽车车轴的牵引电动机。在某些实施例中，电机10具有液压蓄压器和排气口88及排油口90。端盖12具有高温冷却回路，高温冷却回路在32处将冷却剂供应至电机10并在30处返回。冷却剂通过由电机10轴驱动的泵34进行循环。在冷却剂回路中有过滤器92，温度传感器100和102及阀门94。ECU 80电连接至阀门94以控制流过气-液热交换器96的冷却剂流量份额(fraction)以及从旁路86流过热交换器96的冷却剂流量份额。注意：在图13至图15中，表示电气线路的线条比表示液压线路的线条更粗。ECU 80基于来自温度传感器100和102的温度信息确定控制阀门94的位置。或者，阀门94为机械式阀门，如蜡马达(wax-motor)驱动的自动调温器，基于与蜡马达连通的流体温度确定其位置。
在图14中示出另一实施例，其中，端盖12在其内部具有高温流体循环和低温流体循环。高温流体冷却剂回路为电机10提供冷却。这样的回路具有内部过滤器92、温度传感器100和102及内部热交换器104。通过高温流体回路的冷却剂循环由电机10轴驱动的泵34提供。在热交换器104内部，借助通过冷流体回路循环的低温流体提取来自的高温流体的能量。通过低温流体回路的流量由阀门94的位置来确定，通过阀门94的脉宽调制控制或通过阀门94受控到达中间位置，阀门94控制流向热交换器108、旁路86或两者的结合的流量。通过低温流体回路的流量由泵110提供。或者，如果低温流体是另一冷却***(如汽车中发动机冷却***)的一部分，通过低温流体回路的流量可由提供给其他冷却***的泵提供，从而避免使用泵110。阀门94电连接至ECU 80。ECU 80基于由ECU 80从温度传感器100、102和106接收的输入来控制阀门94的位置以维持期望的冷却级别和/或组件温度。
在图15中示出的另一实施例中，提供由电机78驱动的电泵112以用于通过高温流体回路使冷却剂循环。电泵112连接至泵110，泵110用于使通过低温流体回路的流体循环。因此，在该实施例中，电机78驱动泵110和112。线路的其余部分与图14相似。
对于到目前为止所描述的实施例，热交换器被用于将能量从电机组件中传递出去。或者，热交换器可被用于将能量传递至电机组件。当电机及其内部流体冷时，这可用于减少寄生阻力损耗。这可通过使用相同的硬件来实现，除了外部流体比电机冷却剂温度高的情况，这样允许能量从外部流体传递至电机冷却剂以使电机更快地预热。在下文，冷却剂回路被描述为第一冷却剂回路和第二冷却剂回路，冷却剂通道被称为第一冷却剂通道和第二冷却剂通道。当电机正在冷却时，第一冷却回路可被称为高温冷却剂回路，第二冷却回路可被称为低温冷却剂回路。在较少常见的情况下，当电机正在预热时，第一冷却剂回路可被称为低温冷却剂回路，第二冷却剂回路可被称为高温冷却剂回路。相同的命名法适用于冷却剂通道，并取决于能量流是为了使电机预热而进入电机还是为了使电机冷却下来而离开电机。
尽管已经描述了本发明的具体实施例，本领域的技术人员应当意识到本发明的各种变动和可选实施例。所有这些变动和可选实施例及其等同物均由所附权利要求限定。

Claims (9)

1.一种电机，在其内部适于具有第一冷却剂，所述电机包括：
端盖，结合至所述电机；及
内部热交换器，布置在所述端盖中，所述内部热交换器具有第一冷却剂通道。
2.如权利要求1所述的电机，还包括：
穿过所述电机的第一冷却剂回路，所述第一冷却剂回路连接至所述端盖中的第一冷却剂通道。
3.如权利要求1所述的电机，还包括：
轴流体密封，布置在所述端盖中；
电机轴，经由所述轴流体密封穿过所述端盖；及
轴承，布置在所述轴附近的所述端盖中。
4.如权利要求2所述的电机，还包括：泵，布置在所述第一冷却剂回路中，用于使通过第一冷却剂回路的第一冷却剂循环。
5.如权利要求2所述的电机，其中，上述端盖还包括：
旁路，平行于所述第一冷却剂通道；
阀门，连接至所述第一冷却剂通道及旁路；
热传感器，布置在所述第一冷却剂回路中；及
电控单元，连接至所述阀门和所述热传感器，所述电控单元基于来自所述热传感器的信号控制所述阀门的位置。
6.如权利要求1所述的电机，还包括：
第二冷却剂通道，布置在所述内部热交换器中；及
在所述端盖的外部的第二冷却剂回路，所述第二冷却剂回路连接至所述第二冷却剂通道。
7.如权利要求1所述的电机，还包括：
在所述热交换器中的第二冷却剂通道；
第二冷却剂回路，连接至所述第二冷却剂通道；
外部热交换器，连接至所述第二冷却剂回路；及
泵，布置在第二冷却剂回路中。
8.如权利要求1所述的电机，其中，所述端盖能够无损地从所述电机中移除。
9.如权利要求1所述的电机，其中，所述电机为电动发电机和牵引电动机中的一个。
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