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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Induktorbaugruppe eines DC-DC-Wandlers und Komponenten für das Wärmemanagement der Induktorbaugruppe.
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Der Ausdruck „Elektrofahrzeug“, wie er hierin verwendet wird, beinhaltet Fahrzeuge mit einer elektrischen Maschine für den Fahrzeugantrieb, wie etwa Batteriefahrzeuge (BEV – Battery Electric Vehicles), Hybridfahrzeuge (HEV – Hybrid Electric Vehicles) und Plug-in-Hybridfahrzeuge (PHEV – Plug-in Hybrid Electric Vehicles). Ein BEV enthält eine elektrische Maschine, wobei die Energiequelle für die elektrische Maschine eine Batterie ist, die von einem externen Stromnetz wieder aufgeladen werden kann. In einem BEV ist die Batterie die Energiequelle für den Fahrzeugantrieb. Ein HEV enthält einen Verbrennungsmotor und ein oder mehrere elektrische Maschinen, wobei die Energiequelle für den Verbrennungsmotor Kraftstoff ist und die Energiequelle für die elektrische Maschine eine Batterie ist. In einem HEV ist der Verbrennungsmotor die Hauptenergiequelle für den Fahrzeugantrieb, wobei die Batterie ergänzende Energie für den Fahrzeugantrieb liefert (die Batterie puffert die Kraftstoffenergie und gewinnt Bewegungsenergie in elektrischer Form zurück). Ein PHEV ist wie ein HEV, doch besitzt das PHEV eine Batterie mit größerer Kapazität, die von dem externen Stromnetz wieder aufgeladen werden kann. In einem PHEV ist die Batterie die Hauptenergiequelle für den Fahrzeugantrieb, bis die Batterie auf einen niedrigen Energiepegel erschöpft ist, wobei dann das PHEV wie ein HEV für den Fahrzeugantrieb arbeitet.
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Elektrofahrzeuge können einen Spannungswandler (DC-DC-Wandler) enthalten, der zwischen die Batterie und die elektrische Maschine geschaltet ist. Elektrofahrzeuge mit elektrischen AC-Maschinen enthalten auch einen Wechselrichter, der zwischen den DC-DC-Wandler und jede elektrische Maschine geschaltet ist. Ein Spannungswandler erhöht („verstärkt“) oder senkt („erniedrigt“) das Spannungspotential, um eine Drehmomentfähigkeitsoptimierung zu erleichtern. Der DC-DC-Wandler enthält eine Induktorbaugruppe (oder Reaktorbaugruppe), Schalter und Dioden. Eine typische Induktorbaugruppe enthält eine leitende Spule, die um einen Magnetkern gewickelt ist. Die Induktorbaugruppe erzeugt Wärme, wenn Strom durch die Spule fließt.
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Bei einer Ausführungsform enthält ein Getriebe ein Gehäuse, das eine Kammer definiert, und eine Induktorbaugruppe, die eine Spule mit äußeren Oberflächenabschnitten enthält, die einem Inneren der Kammer ausgesetzt sind. Mindestens ein Zahnrad ist innerhalb des Gehäuses angeordnet und konfiguriert zum Drehen relativ zum Gehäuse und Verspritzen von Fluid auf die äußeren Oberflächenabschnitte, um die Induktorbaugruppe zu kühlen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Fahrzeug ein Getriebe, das durch Getriebefluid geschmierte Zahnräder enthält, und einen variablen Spannungswandler, der einen Induktor enthält, der derart ausgelegt ist, dass das Getriebefluid den Induktor kontaktiert, um den Induktor zu kühlen.
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Bei noch einer weiteren Ausführungsform enthält ein Fahrzeugstromsystem einen variablen Spannungswandler. Der variable Spannungswandler enthält eine Induktorbaugruppe mit einem Gehäuse, das eine Kammer definiert, die dielektrisches Fluid enthält. Ein Induktor ist innerhalb der Kammer angeordnet und steht mit dem Fluid in Kontakt. Das Stromsystem enthält auch eine Pumpe, die konfiguriert ist zum Zirkulieren des dielektrischen Fluids, um den Induktor zu kühlen.
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1 ist ein Schemadiagramm eines Fahrzeugs;
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2 ist eine Vorderansicht eines Getriebes und eines variablen Spannungswandlers (VVC-Variable Voltage Converter) mit einer Induktorbaugruppe und veranschaulicht die Struktur zum Stützen der Induktorbaugruppe innerhalb des Getriebes;
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3 ist ein Schemadiagramm eines Leistungselektronikgehäuses;
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4 ist ein Schaltplan des VVC von 2;
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5 ist ein Schemadiagramm eines Induktorkühlsteuersystems;
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6 ist ein Schemadiagramm eines Sprühinduktorkühlsystems;
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7 ist ein Schemadiagramm eines Induktorkühlregelungssystems;
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8 ist eine vergrößerte perspektivische Vorderansicht einer Induktorbaugruppe mit einer Stützstruktur gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
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9 ist eine Schnittansicht der Induktorbaugruppe von 8 entlang der Schnittlinie VI-VI;
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10 ist eine auseinandergezogene Ansicht der Induktorbaugruppe von 8;
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11 zeigt eine Induktorbaugruppe für das Induktorkühlregelungssystem und
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12 ist ein Flussdiagramm zum Steuern des Betriebs eines Induktorkühlsystems.
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Wie erforderlich, werden hier ausführliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen für die Erfindung lediglich beispielhaft sind, die in verschiedenen und alternativen Formen verkörpert werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details von bestimmten Komponenten zu zeigen. Deshalb sind hierin offenbarte spezifische strukturelle und funktionale Details nicht als beschränkend auszulegen, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um dem Fachmann zu lehren, wie er die vorliegende Erfindung unterschiedlich einsetzen kann.
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Unter Bezugnahme auf 1 wird ein Getriebe 12 innerhalb eines Plug-In-Hybridfahrzeugs (PHEV) 16 dargestellt, das ein Elektrofahrzeug ist, das durch eine elektrische Maschine 18 mit Unterstützung von einem Verbrennungsmotor 20 angetrieben wird und an ein externes Stromnetz angeschlossen werden kann. Die elektrische Maschine 18 kann ein Wechselstrommotor sein, der in 1 als „Elektromotor“ 18 dargestellt ist. Die elektrische Maschine 18 empfängt elektrische Leistung und liefert ein Antriebsdrehmoment für den Fahrzeugantrieb. Die elektrische Maschine 18 funktioniert auch als Generator zum Umwandeln mechanischer Leistung in elektrische Leistung durch regeneratives Bremsen.
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Das Getriebe 12 kann eine leistungsverzweigte Konfiguration besitzen. Das Getriebe 12 enthält die erste elektrische Maschine 18 und eine zweite elektrische Maschine 24. Die zweite elektrische Maschine 24 kann ein Wechselstrommotor sein, der in 1 als „Generator“ 24 dargestellt ist. Wie die erste elektrische Maschine 18 empfängt die zweite elektrische Maschine 24 elektrische Leistung und liefert Abtriebsdrehmoment. Die zweite elektrische Maschine 24 funktioniert auch als ein Generator zum Umwandeln mechanischer Leistung in elektrische Leistung und Optimieren des Leistungsflusses durch das Getriebe 12.
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Das Getriebe 12 enthält eine Planetenradeinheit 26, die ein Innenrad 28, einen Planetenträger 30 und ein Hohlrad 32 enthält. Das Innenrad 28 ist an eine Abtriebswelle der zweiten elektrischen Maschine 24 angeschlossen, um Generatordrehmoment zu empfangen. Der Planetenträger 30 ist an eine Abtriebswelle des Verbrennungsmotors 20 angeschlossen, um Verbrennungsmotordrehmoment zu empfangen. Die Planetenradeinheit 26 kombiniert das Generatordrehmoment und das Verbrennungsmotordrehmoment und liefert ein kombiniertes Abtriebsdrehmoment um das Hohlrad 32. Die Planetenradeinheit 26 funktioniert als ein stufenloses Getriebe ohne irgendwelche festen Übersetzungen oder „Stufenübersetzungen“.
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Das Getriebe 12 kann auch eine Freilaufkupplung (O.W.C. – One-Way Clutch) und eine Generatorbremse 33 enthalten. Die O.W.C. ist an die Abtriebswelle des Verbrennungsmotors 20 gekoppelt, damit sich die Abtriebswelle nur in einer Richtung drehen kann. Die O.W.C. verhindert, dass das Getriebe 12 den Verbrennungsmotor 20 rückwärts antreibt. Die Generatorbremse 33 ist an die Abtriebswelle der zweiten elektrischen Maschine 24 gekoppelt. Die Generatorbremse 33 kann aktiviert werden, um die Drehung der Abtriebswelle der zweiten elektrischen Maschine 24 und des Innenrads 28 zu „bremsen“ oder zu verhindern. Alternativ können die O.W.C. und die Generatorbremse 33 eliminiert und durch Steuerstrategien für den Verbrennungsmotor 20 und die zweite elektrische Maschine 24 ersetzt werden.
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Das Getriebe 12 enthält eine Vorgelegewelle mit Zwischenrädern einschließlich einem ersten Rad 34, einem zweiten Rad 36 und einem dritten Rad 38. Das Planetenabtriebsrad 40 ist an das Hohlrad 32 angeschlossen. Das Planetenabtriebsrad 40 kämmt mit dem ersten Rad 34 um Drehmoment zwischen der Planetenradeinheit 26 und der Gegenwelle zu transferieren. Ein Abtriebsrad 42 ist mit einer Abtriebswelle der ersten elektrischen Maschine 18 verbunden. Das Abtriebsrad 42 kämmt mit dem zweiten Rad 36, um Drehmoment zwischen der ersten elektrischen Maschine 18 und der Vorgelegewelle zu transferieren. Ein Getriebeabtriebsrad 44 ist an eine Antriebswelle 46 angeschlossen. Die Antriebswelle 46 ist durch ein Differential 50 an ein Paar Antriebsräder 48 gekoppelt. Das Getriebeabtriebsrad 44 kämmt mit dem dritten Rad 38, um Drehmoment zwischen dem Getriebe 12 und den Antriebsrädern 48 zu transferieren. Das Getriebe enthält auch einen Wärmetauscher oder einen automatischen Getriebefluidkühler 49 zum Kühlen des Getriebefluids.
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Das Fahrzeug 16 enthält eine Energiespeichereinrichtung wie etwa eine Batterie 52 zum Speichern elektrischer Energie. Die Batterie 52 ist eine Hochspannungsbatterie, die elektrische Leistung zum Betreiben der ersten elektrischen Maschine 18 und der zweiten elektrischen Maschine 24 ausgeben kann. Die Batterie 52 empfängt auch elektrische Leistung von der ersten elektrischen Maschine 18 und der zweiten elektrischen Maschine 24, wenn sie als Generatoren arbeiten. Die Batterie 52 ist ein Batteriepaket, das aus mehreren nicht gezeigten Batteriemodulen besteht, wobei jedes Batteriemodul mehrere nicht gezeigte Batteriezellen enthält. Andere Ausführungsformen des Fahrzeugs 16 ziehen verschiedene Arten von Energiespeichereinrichtungen in Betracht, wie etwa Kondensatoren und Brennstoffzellen (nicht gezeigt), die die Batterie 52 ergänzen oder ersetzen. Ein Hochspannungsbus verbindet die Batterie 52 elektrisch mit der ersten elektrischen Maschine 18 und der zweiten elektrischen Maschine 24.
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Das Fahrzeug enthält ein Batterieenergiesteuermodul (BECM) 54 zum Steuern der Batterie 52. Das BECM 54 empfängt eine Eingabe, die Fahrzeugbedingungen und Batteriebedingungen wie etwa Batterietemperatur, Spannung und Strom anzeigt. Das BECM 54 berechnet und schätzt Batterieparameter wie etwa einen Batterieladezustand und die Batterieleistungsfähigkeit. Das BECM 54 liefert eine Ausgabe (BSOC, Pcap), die einen Batterieladezustand (BSOC) und eine Batterieleistungsfähigkeit anzeigt, an andere Fahrzeugsysteme und -kontroller.
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Das Getriebe 12 enthält einen DC-DC-Wandler oder einen variablen Spannungswandler (VVC) 10 und einen Wechselrichter 56. Der VVC 10 und der Wechselrichter 56 sind elektrisch zwischen die Hauptbatterie 52 und die erste elektrische Maschine 18 und zwischen die Batterie 52 und die zweite elektrische Maschine 24 geschaltet. Der VVC 10 „verstärkt“ oder erhöht das Spannungspotential der durch die Batterie 52 gelieferten elektrischen Leistung. Der VVC 10 „erniedrigt“ oder senkt auch das Spannungspotential der durch die Batterie 52 gelieferten elektrischen Leistung gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Der Wechselrichter 56 invertiert den durch die Hauptbatterie 52 (durch den VVC 10) gelieferten Gleichstrom in Wechselstrom zum Betreiben der elektrischen Maschinen 18, 24. Der Wechselrichter 56 richtet auch durch die elektrischen Maschinen 18, 24 gelieferten Wechselstrom in Gleichstrom zum Laden der Hauptbatterie 52. Zu anderen Ausführungsformen des Getriebes 12 zählen Mehrfachwechselrichter (nicht gezeigt), wie etwa ein Wechselrichter, der mit jeder elektrischen Maschine 18, 24 assoziiert ist. Der VVC 10 enthält eine Induktorbaugruppe 14.
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Das Getriebe 12 enthält ein Getriebesteuermodul (TCM) 58 zum Steuern der elektrischen Maschinen 18, 24, des VVC 10 und des Wechselrichters 56. Das TCM 58 ist konfiguriert, um unter anderem die Position, die Drehzahl und den Stromverbrauch der elektrischen Maschinen 18, 24 zu überwachen. Das TCM 58 überwacht auch elektrische Parameter (z.B. Spannung und Strom) an verschiedenen Stellen innerhalb des VVC 10 und des Wechselrichters 56. Das TCM 58 liefert diesen Informationen entsprechende Ausgangssignale an andere Fahrzeugsysteme.
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Das Fahrzeug 16 enthält einen Fahrzeugsystemcontroller (VSC) 60, der mit anderen Fahrzeugsystemen und -controllern kommuniziert, um ihre Funktion zu koordinieren. Wenngleich er als ein einzelner Controller gezeigt ist, kann der VSC 60 mehrere Controller beinhalten, die zum Steuern mehrerer Fahrzeugsysteme gemäß einer Fahrzeugsteuergesamtlogik oder -software verwendet werden können.
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Die Fahrzeugcontroller, einschließlich des VSC 60 und des TCM 58, enthalten allgemein eine beliebige Anzahl an Mikroprozessoren, ASICs, ICs, Speicher (z.B. FLASH, ROM, RAM, EPROM und/oder EEPROM) und einen Softwarecode zum Zusammenarbeiten miteinander, um eine Reihe von Operationen durchzuführen. Die Controller enthalten auch vorbestimmte Daten oder „Nachschlagetabellen“, die auf Berechnungen und Prüfdaten basieren und innerhalb des Speichers gespeichert sind.
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Der VSC 60 kommuniziert mit anderen Fahrzeugsystemen und -controllern (z.B. dem BECM 54 und dem TCM 58) über eine oder mehrere verdrahtete oder drahtlose Fahrzeugverbindungen unter Verwendung üblicher Busprotokolle (z.B. CAN und LIN). Der VSC 60 empfängt eine Eingabe (PRND), die eine aktuelle Position des Getriebes 12 darstellt (z.B. Parken, Rückwärts, Neutral oder Fahren). Der VSC 60 empfängt auch eine Eingabe (APP), die eine Fahrpedalposition darstellt. Der VSC 60 liefert eine Ausgabe, die ein Radsolldrehmoment, eine Motorsolldrehzahl und einen Generatorbremsbefehl darstellt, an den TCM 58; und eine Schaltschützsteuerung an das BECM 54.
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Das Fahrzeug 16 enthält ein nicht gezeigtes Bremssystem, das ein Bremspedal, einen Verstärker, einen Hauptzylinder sowie mechanische Verbindungen zu den Antriebsrädern 48 enthält, um ein Reibungsbremsen zu bewirken. Das Bremssystem enthält auch Positionssensoren, Drucksensoren oder eine gewisse Kombination davon, um Informationen wie etwa Bremspedalposition (BPP) zu liefern, die einer Fahreranforderung nach Bremsdrehmoment entspricht. Das Bremssystem enthält auch ein Bremssystemsteuermodul (BSCM) 62, das mit dem VSC 60 kommuniziert, um das regenerative Bremsen und das Reibungsbremsen zu koordinieren. Das BSCM 62 kann einen Befehl zum regenerativen Bremsen an den VSC 60 liefern.
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Das Fahrzeug 16 enthält ein Motorsteuermodul (ECM) 64 zum Steuern des Verbrennungsmotors 20. Der VSC 60 liefert eine Ausgabe (Verbrennungsmotorsolldrehmoment) an das ECM 64, die auf einer Anzahl von Eingangssignalen einschließlich APP basiert und einer Fahreranforderung nach Fahrzeugantrieb entspricht.
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Das Fahrzeug 16 kann als ein Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV) konfiguriert sein. Die Batterie 52 empfängt periodisch Wechselstromenergie von einer externen Stromversorgung oder einem Netz über einen Ladeport 66. Das Fahrzeug 16 enthält auch ein Bordladegerät 68, das die Wechselstromenergie von dem Ladeport 66 empfängt. Das Ladegerät 68 ist ein AC-DC-Wandler, der die empfangene Wechselstromenergie in Gleichstromenergie umwandelt, die sich für das Laden der Batterie 52 eignet. Das Ladegerät 68 wiederum liefert die Gleichstromenergie während des Wiederaufladens an die Batterie 52.
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Wenngleich im Kontext eines PHEV 16 dargestellt und beschrieben, versteht sich, dass der VVC 10 an anderen Arten von Elektrofahrzeugen wie etwa einem HEV oder einem BEV implementiert werden kann.
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Unter Bezugnahme auf 2 wird eine Vorderansicht des Getriebes 12 und des VVC 10 gezeigt. Das Getriebe 12 enthält ein Getriebegehäuse 90, das ohne eine Abdeckung dargestellt ist, um innere Komponenten zu zeigen. Wie oben beschrieben, enthalten der Verbrennungsmotor 20, der Elektromotor 18 und der Generator 24 Abtriebsräder, die mit entsprechenden Rädern der Planetenradeinheit 26 kämmen. Diese mechanischen Verbindungen treten innerhalb einer inneren Kammer 92 des Getriebegehäuses 90 auf. Ein Leistungselektronikgehäuse 94 ist an einer äußeren Oberfläche des Getriebes 12 montiert. Der Wechselrichter 56 und das TCM 58 sind innerhalb des Leistungselektronikgehäuses 94 montiert.
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Der VVC 10 ist eine Baugruppe mit Komponenten, die sowohl innerhalb als auch außerhalb eines Getriebes 12 montiert werden können. Der VVC 10 enthält eine Induktorbaugruppe 14. Bei dieser Ausführungsform befindet sich die Induktorbaugruppe 14 innerhalb des Getriebegehäuses 90. Bei anderen Ausführungsformen kann sich die Induktorbaugruppe 14 außerhalb des Getriebes befinden. Der VVC 10 enthält auch eine Anzahl von Schaltern und Dioden (in 4 gezeigt), die in dem Leistungselektronikgehäuse 94 montiert sind, das sich außerhalb des Getriebes 12 befindet, und operativ an die Induktorbaugruppe 14 gekoppelt sind. Durch Montieren der Induktorbaugruppe 14 innerhalb des Getriebes 12 kann der exponierte Oberflächenbereich der Induktorbaugruppe 14 durch Getriebefluid direkt gekühlt werden, was eine verbesserte thermische Leistung gestattet. Das Getriebe 12 enthält eine zusätzliche Struktur zum Tragen der Induktorbaugruppe 14, während sie gestattet, dass das Getriebefluid durch die Struktur fließt, um den exponierten Oberflächenbereich zu kontaktieren.
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Das Getriebe 12 enthält ein Fluid 96 wie etwa Öl oder ein Automatikgetriebeöl (ATF – Automatic Transmission Fluid) zum Schmieren und Kühlen der innerhalb der Getriebekammer 92 angeordneten Räder (z.B. der Zwischenräder 34, 36, 38). Die Getriebekammer 92 ist abgedichtet, um das Fluid 96 zurückzuhalten. Das Getriebe 12 kann auch Ventile, Pumpen und Kanäle (nicht gezeigt) enthalten, um das Fluid 96 durch die Kammer 92 zu zirkulieren. Ein Wärmetauscher oder ATF-Kühler 49 kann zum Kühlen des Fluids 96 verwendet werden. Das Fluid 96 kann auch zum Kühlen der Induktorbaugruppe 14 verwendet werden.
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Sich drehende Elemente (z.B. Räder und Wellen) können Fluid 96 auf andere Komponenten verlagern oder „verspritzen“. Ein derartiges „Verspritzungsgebiet“ ist in 2 durch den Buchstaben „A“ bezeichnet und befindet sich in einem oberen Abschnitt der Kammer 92. Falls die Induktorbaugruppe 14 im Gebiet A angeordnet ist, kann die Induktorbaugruppe 14 durch Getriebefluid 96 gekühlt werden, das von den sich drehenden Elementen (z.B. dem zweiten Zwischenrad 36 und dem Differential 50) abspritzt, während sie sich drehen.
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Das Getriebe 12 kann Düsen 98 zum direkten Sprühen von Getriebefluid 96 auf Komponenten innerhalb des Gehäuses 90 gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen enthalten. Ein derartiges „Sprühgebiet“ wird in 2 durch den Buchstaben „B“ bezeichnet und befindet sich in einem Zwischenabschnitt der Kammer 92. Die Induktorbaugruppe 14 kann innerhalb des Gebiets B montiert sein und durch Getriebefluid 96 gekühlt werden, das von der Düse 98 absprüht. Die Induktorbaugruppe 14 kann auch Getriebefluid 96 empfangen, das nahe sich drehenden Elementen (z.B. der Planetenradeinheit 26) abspritzt. Andere Ausführungsformen des Getriebes 12 ziehen mehrere Düsen und an anderen Orten der Kammer 92 montierte Düsen (z.B. eine im Gebiet A montierte Düse) in Betracht.
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Weiterhin sammelt sich das Getriebefluid 96 innerhalb eines unteren Abschnitts, auch als Reservoir oder Sumpf 99 der Kammer 92 bezeichnet. Ein derartiges „Eintauchgebiet“ ist in 2 mit dem Buchstaben „C“ bezeichnet und befindet sich in einem unteren Abschnitt 99 der Kammer 92. Die Induktorbaugruppe 14 kann innerhalb des Gebiets C montiert sein und in das Getriebefluid 96 eintauchen.
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Unter Bezugnahme auf 3 wird ein Leistungselektronikgehäuse 94 in einer alternativen Ausführungsform gezeigt. In dieser Ausführungsform sind der VVC 10, der Wechselrichter 56, das TCM 58 und die Induktorbaugruppe 108 alle innerhalb des Gehäuses 94 angeordnet. Das Gehäuse 94 enthält eine erste Öffnung 100 und eine zweite Öffnung 102. Eine Einlassfluidleitung 104 wird durch die erste Öffnung 100 aufgenommen und liefert Fluid an die Induktorbaugruppe 108. Eine Auslassfluidleitung 106 wird durch die zweite Öffnung 102 aufgenommen und liefert einen Rückweg für das Fluid. Das Fluid wird durch die Induktorbaugruppe 108 zirkuliert, um die Induktorbaugruppe 108 zu kühlen. Die Induktorbaugruppe 108 ist abgedichtet, um zu verhindern, dass das Fluid die anderen elektrischen Komponenten innerhalb des Gehäuses 94 beschädigt. Die Einlass- und Auslassfluidleitung 104, 106 können mit der Getriebeinstallation verbunden sein oder können Teil einer unabhängigen Fluidschleife sein. Falls eine unabhängige Fluidschleife verwendet wird, müssen möglicherweise zusätzliche Pumpen und Wärmetauscher vorgesehen werden.
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Alternativ kann der Induktor 108 in seinem eigenen zugehörigen Gehäuse angeordnet sein. Das zugehörige Gehäuse kann auch Verspritzungs-, Sprüh- und Eintauchkühlzonen ähnlich den Zonen A, B und C in dem Getriebe 12, wie oben beschrieben, enthalten.
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Unter Bezugnahme auf 4 enthält der VVC 10 eine erste Schalteinheit 78 und eine zweite Schalteinheit 80 zum Verstärken der Eingangsspannung (Vbat), um eine Ausgangsspannung (Vdc) bereitzustellen. Die erste Schalteinheit 78 enthält einen ersten Transistor 82, der parallel zu einer ersten Diode 84 geschaltet ist, wobei aber ihre Polaritäten geschaltet sind (antiparallel). Die zweite Schalteinheit 80 enthält einen zweiten Transistor 86, der antiparallel zu einer zweiten Diode 88 geschaltet ist. Jeder Transistor 82, 86 kann von einer beliebigen Art von steuerbarem Schalter sein (z.B. ein IGBT (IGP Transistor) oder ein FET). Außerdem wird jeder Transistor 82, 86 individuell durch das TCM 58 gesteuert. Die Induktorbaugruppe 14 ist als ein Eingangsinduktor dargestellt, der zwischen der Hauptbatterie 52 und den Schalteinheiten 78, 80 in Reihe geschaltet ist. Der Induktor 14 generiert einen Magnetfluss, wenn ein Strom geliefert wird. Wenn sich der durch den Induktor 14 fließende Strom ändert, wird ein zeitlich variierendes Magnetfeld erzeugt und eine Spannung wird induziert. Der VVC 10 kann auch andere Schaltungskonfigurationen (z.B. mehr als zwei Schalter) beinhalten.
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Unter Bezugnahme auf 5 wird ein Schemadiagramm eines Induktorkühlsteuersystems 110 dargestellt. Das System 110 enthält eine Hydraulikpumpe 112 zum Zirkulieren eines dielektrischen Fluids 114 wie etwa eines ATF. Eine erste Versorgungsleitung 116 ist an der Pumpe 112 angebracht und verbindet die Pumpe 112 mit einem Wärmetauscher oder ATF-Kühler 118. Eine zweite Versorgungsleitung 120 ist mit dem Wärmetauscher 118 an einem ersten Ende 122 verbunden. Ein zweites Ende 124 der zweiten Versorgungsleitung 120 ist nahe einer Oberseite 126 der Induktorbaugruppe 128 positioniert. Im Betrieb wird das Fluid 114 aus mindestens einer Öffnung 130 im zweiten Ende 124 gepumpt und tropft auf die Oberseite 126 der Induktorbaugruppe 128. Die Oberseite 126 ist entweder offen oder enthält Öffnungen wie etwa Löcher oder Schlitze, damit das Fluid 114 in der Baugruppe 128 tropfen und die internen Komponenten der Induktorbaugruppe 128 kontaktieren kann. Das Fluid 114 fließt dann aufgrund der Schwerkraft über die Induktorbaugruppe 128. Die Induktorbaugruppe 128 wird gekühlt, während das Fluid 114 um die Induktorbaugruppe 128 herum und durch sie hindurch fließt. Ein optionales sekundäres Objekt 132 kann unter der Induktorbaugruppe 114 angeordnet sein. Das Fluid 114 tropft von der Induktorbaugruppe 128 auf das sekundäre Objekt 132, um das sekundäre Objekt 132 zu kühlen. Das sekundäre Objekt 132 kann eine Komponente innerhalb des Getriebes 12 oder irgendeine andere Komponente sein, die innerhalb des Gehäuses enthalten ist, das die Induktorbaugruppe 128 enthält und Kühlen erfordert. Das Fluid 114, das vom Induktor 128 und/oder dem sekundären Kühlobjekt 132 heruntertropft, wird in einem Reservoir oder in einem Sumpf 134 gesammelt. Ein Aufnahmerohr 136 ist im Sumpf 134 vorgesehen und mit der Pumpe 112 verbunden, um das Fluid 114 an die Pumpe 112 zum erneuten Zirkulieren durch das System 110 zu liefern.
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Mindestens eine Ventilbaugruppe 138 kann in einer oder mehreren der Fluidleitungen vorgesehen sein. Die Ventilbaugruppe 128 wird zum Steuern des Fluidflusses verwendet. Die Ventilbaugruppe kann einen Aktuator und ein Ventil enthalten. Der Aktuator kann mit einem oder mehreren Controllern in elektrischer Kommunikation stehen und konfiguriert sein zum Öffnen und Schließen des Ventils gemäß durch den einen oder die mehreren Controller gesendeten Signalen. Eine Bypassleitung 140 kann vorgesehen sein, um das Fluid 114 an das Reservoir 134 oder das sekundäre Objekt 132 zu liefern, wenn die Ventilbaugruppe 138 mindestens teilweise geschlossen ist.
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Das Induktorkühlsteuersystem 110 kann in die Getriebeinstallation integriert sein oder kann eine unabhängige Fluidschleife sein. Das Integrieren des Systems 110 in die Getriebeinstallation kann zu Kosteneinsparungen führen, indem aufgrund einer gemeinsamen Teilenutzung die Anzahl erforderlicher Teile reduziert wird. Beispielsweise kann das Integrieren des Systems 110 mit dem Getriebe 12 dem System 110 gestatten, das ATF, die Getriebepumpe, den Wärmetauscher und das Reservoir zu verwenden, um redundante Teile zu reduzieren.
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Unter Bezugnahme auf 6 wird eine schematische Ansicht eines Sprühinduktorkühlsystems 150 gezeigt. Das System 150 enthält eine Hydraulikpumpe 152 zum Zirkulieren eines Fluids 154. Eine erste Versorgungsleitung 156 ist an der Pumpe 152 angebracht und verbindet die Pumpe 152 mit einem Wärmetauscher oder ATF-Kühler 158. Eine zweite Versorgungsleitung 160 ist mit dem Wärmetauscher 158 an einem ersten Ende 162 verbunden. Ein zweites Ende 164 der Versorgungsleitung 160 ist nahe einer Oberseite 168 der Induktorbaugruppe 170 positioniert. Mindestens eine Düse 166 ist am zweiten Ende 164 angebracht. In Betrieb wird das Fluid 154 aus der mindestens einen Düse gepumpt und auf die Oberseite 168 der Induktorbaugruppe 170 gesprüht. Die Öffnung 168 ist entweder offen oder enthält Öffnungen wie etwa Löcher oder Schlitze, damit das Fluid 154 in der Baugruppe 170 tropfen und die internen Komponenten der Induktorbaugruppe 168 kontaktieren kann. Die Fluidtröpfchen sammeln sich auf der Induktorbaugruppe 170 und tropfen aufgrund der Schwerkraft über die Induktorbaugruppe 170. Die Induktorbaugruppe 170 wird gekühlt, während das Fluid 154 um die Induktorbaugruppe 170 herum und durch sie hindurch fließt. Ein optionales sekundäres Objekt 174 kann unter der Induktorbaugruppe 170 angeordnet sein. Das Fluid 154 tropft von der Induktorbaugruppe 128 auf das sekundäre Objekt 174, um das sekundäre Objekt 174 zu kühlen. Das sekundäre Objekt 174 kann eine Komponente innerhalb des Getriebes 12 oder irgendeine andere Komponente sein, die innerhalb des Gehäuses enthalten ist, das die Induktorbaugruppe 170 enthält. Das Fluid 154, das vom Induktor 170 und/oder dem sekundären Kühlobjekt 174 heruntertropft, wird in einem Reservoir oder in einem Sumpf 176 gesammelt. Ein Aufnahmerohr 178 ist im Sumpf 176 vorgesehen und mit der Pumpe 152 verbunden, um das Fluid 154 an die Pumpe 152 zum erneuten Zirkulieren durch das System 150 zu liefern.
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Mindestens eine Ventilbaugruppe 179 kann in einer oder mehreren der Fluidleitungen vorgesehen sein. Die Ventilbaugruppe 179 kann ähnlich der Ventilbaugruppe 138 sein. Die Ventilbaugruppe 179 wird zum Steuern des Fluidflusses verwendet. Die Ventilbaugruppe 179 kann elektrisch an einen Controller angeschlossen sein, um das Ventil zu öffnen und zu schließen, wie analog oben bezüglich der Ventilbaugruppe 138 beschrieben. Eine Bypassleitung 177 kann vorgesehen sein, um Fluid 154 an das Reservoir 176 oder das sekundäre Objekt 174 zu liefern, wenn die Ventilbaugruppe 179 zumindest teilweise geschlossen ist.
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Das Sprühinduktorkühlsystem 150 kann wie das Kühlsystem 110 in die Getriebeinstallation integriert sein oder kann eine unabhängige Fluidschleife sein. Das Integrieren des Systems 150 in die Getriebeinstallation kann aufgrund der gemeinsamen Teilenutzung zu Kosteneinsparungen führen durch Reduzieren der Anzahl an erforderlichen Teilen.
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Alternativ können die Sprühdüsen 166 das Fluid 154 auf ein sich drehendes Objekt wie etwa eines der Getrieberäder sprühen. Die Getrieberäder können die Induktorbaugruppe 170 kühlen, indem das Fluid 154 auf die Induktorbaugruppe 170 gespritzt wird.
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Unter Bezugnahme auf 7 wird eine schematische Ansicht eines Induktorkühlregelungssystems 180 gezeigt. Das System 180 enthält eine Hydraulikpumpe 181 zum Zirkulieren eines Fluids 182. Eine erste Versorgungsleitung 183 ist an der Pumpe 181 angebracht und verbindet die Pumpe 181 mit einem Wärmetauscher oder ATF-Kühler 185. Eine zweite Versorgungsleitung 186 ist an den Wärmetauscher 185 an einem ersten Ende 187 angeschlossen. Ein zweites Ende 188 der zweiten Versorgungsleitung 186 ist an die Induktorbaugruppe 189 gekoppelt. Die Induktorbaugruppe 189 enthält eine Einlassöffnung 190 zum Aufnehme von Fluid 182 von der zweiten Versorgungsleitung 186 in die Induktorbaugruppe 189. Eine Ausgangssöffnung 191 ist in der Induktorbaugruppe 189 vorgesehen. Eine Zwischenleitung 192 ist an die Induktorbaugruppe 189 an der Auslassöffnung 191 gekoppelt, um Fluid 182 von der Auslassöffnung 191 zu empfangen. Die Induktorbaugruppe 189 kann abgedichtet sein, um ein Fluidleck zu verhindern. Die Induktorbaugruppe 189 wird gekühlt, während das Fluid 182 durch die Induktorbaugruppe 189 zirkuliert. Die Zwischenleitung 192 kann mit einem optionalen sekundären Objekt 193 gekoppelt sein. Das sekundäre Objekt 193 kann das Getriebe 12 oder irgendeine andere Komponente sein, die gekühlt werden muss. Eine Rückleitung 194 kann das sekundäre Objekt mit einem Reservoir 195 verbinden. Falls das sekundäre Objekt das Getriebe 12 ist, kann die Rückleitung entfallen und das Fluid 182 kann innerhalb des Getriebes frei fließen und durch Schwerkraft in das Reservoir oder den Sumpf 195 abfließen. Ein Aufnahmerohr 196 ist im Reservoir 195 vorgesehen und ist mit der Pumpe 182 verbunden, um Fluid 182 an die Pumpe 181 zur erneuten Zirkulation durch das System 180 zu liefern.
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Mindestens eine Ventilbaugruppe 198 kann in einer oder mehreren der Fluidleitungen vorgesehen sein. Die Ventilbaugruppe 198 wird verwendet, um den Fluidfluss zu steuern. Die Ventilbaugruppe 198 kann die gleiche sein wie die Ventilbaugruppen 138 und/oder 179. Eine Bypassleitung 184 kann vorgesehen sein, um Fluid 182 an das Reservoir 195 oder das sekundäre Objekt 193 zu liefern, wenn die Ventilbaugruppe 138 zumindest teilweise geschlossen ist.
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Das Induktorkühlregelungssystem 180 ist ein in sich geschlossenes System und besitzt den Vorteil, dass die Induktorbaugruppe 189 innerhalb ölfreier Gehäuse oder Abteilungen platziert werden kann. Beispielsweise kann die Induktorbaugruppe 189 innerhalb des Leistungselektronikgehäuses 94 platziert werden. Analog zu dem Kühlsteuersystem 110 und dem Sprühkühlsystem 150 kann das Regelungssystem 180 in die Getriebeinstallation integriert sein oder kann eine unabhängige Kühlmittelschleife sein.
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8 zeigt die Induktorbaugruppe 200 gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Die Induktorbaugruppe kann an verschiedenen Orten am Fahrzeug wie etwa innerhalb des Getriebegehäuses 90, des Leistungselektronikgehäuses 94 oder an einem beliebigen anderen geeigneten Ort platziert werden. Die Induktorbaugruppe 14 enthält einen Leiter 210, der zu zwei benachbarten rohrförmigen Spulen gebildet ist, einen Kern 212 und einen Isolator 214. Die Induktorbaugruppe 200 enthält den Isolator 214, der als eine zweistückige Klammerung ausgebildet ist und den Leiter 210 und den Kern 212 stützt. Außerdem trennt der Isolator 214 den Leiter 210 physisch von dem Kern 212 und ist aus einem elektrisch isolierenden Polymermaterial wie etwa Polyphenylensulfid (PPS) ausgebildet.
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Unter Bezugnahme auf die 8–10 wird der Leiter 210 aus einem leitenden Material wie etwa Kupfer oder Aluminium gebildet und zu zwei benachbarten spiralförmigen Spulen, eine erste Spule 211 und eine zweite Spule 213, gewickelt. Die Spulen können unter Verwendung eines rechteckigen (oder flachen) leitenden Drahts durch einen kantenmäßigen Prozess gebildet werden. Eingangs- und Ausgangsleitungen erstrecken sich von dem Leiter 210 und verbinden sich mit anderen Komponenten.
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Der Kern 212 kann zu einer Doppel-„C“-Konfiguration ausgebildet sein. Der Kern 212 enthält ein erstes Ende 216 und ein zweites Ende 218, die jeweils zu einer gekrümmten Gestalt geformt sind. Der Kern 212 enthält auch einen ersten Schenkel 220 und einen zweiten Schenkel 222 zum Verbinden des ersten Endes 216 mit dem zweiten Ende 218, um kollektiv einen ringförmigen Kern 212 zu bilden. Jeder Schenkel 220, 222 enthält mehrere Kernelemente 224, die beabstandet sind, um Luftspalten zu bilden (9). Der Kern 212 kann aus einem magnetischen Material wie etwa einem Eisen-Silizium-Legierungspulver gebildet sein. Keramische Abstandshalter 226 können zwischen den Kernelementen 224 platziert sein, um die Luftspalten aufrechtzuerhalten. Ein Kleber kann auf den Kern 212 aufgebracht sein, um die Positionen der Enden 216, 218 und der Schenkel 220, 222 einschließlich der Kernelemente 224 und der Abstandshalter 226 aufrechtzuerhalten. Alternativ kann ein Riemen 228, wie in 8 in Umrissen gezeigt, um einen Außenumfang des Kerns 212 gesichert sein, um die Position der Enden 216, 218 und Schenkel 220, 222 beizubehalten.
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Unter Bezugnahme auf 10 kann der Isolator 214 als eine Spulenträgerstruktur mit einem ersten halben Abschnitt 230 und einem zweiten halben Abschnitt 230‘ gebildet werden, die allgemein symmetrisch zueinander sind. Jeder halbe Abschnitt 230, 230‘ enthält eine Basis 234, 234’ zum Anbringen der Baugruppe 14. Die Basis 234, 234‘ enthält Öffnungen 236, 236’ zum Aufnehmen nicht gezeigter Befestigungselemente zum Montieren der Induktorbaugruppe 14 an einer Tragstruktur wie etwa einem Getriebe oder einem anderen Gehäuse. Ein Träger 238, 238’ erstreckt sich quer von der Basis 234, 234’. Ein Paar Spulen, einschließlich einer ersten Spule 240 und einer zweiten Spule 242, erstreckt sich von dem Träger 238 des ersten halben Abschnitts 230, um eine entsprechende erste Spule 240‘ und eine entsprechende zweite Spule 242‘ in Eingriff zu nehmen, die sich von dem Träger 238‘ des zweiten halben Abschnitts 230‘ erstrecken. Bei einer Ausführungsform sind die ersten Spulen 240, 240‘ koaxial entlang einer ersten nicht gezeigten Längsachse ausgerichtet, und die zweiten Spulen 242, 242‘ sind koaxial einer nicht gezeigten zweiten Längsachse, die parallel zur ersten Längsachse verläuft, ausgerichtet. Die Spulen 240, 240‘, 242, 242‘ sind jeweils zu einer Rohrform mit einem allgemeinen quadratischen Querschnitt ausgebildet.
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Wie in 10 gezeigt, trägt der Isolator 214 den Leiter 210 und den Kern 212. Die ersten Spulen 240, 240’ nehmen einander in Eingriff, um zusammen eine externe Oberfläche 244 zum Tragen der ersten Spule 211 bereitzustellen. Die ersten Spulen 240, 240‘ definieren auch einen Hohlraum 246 zum Aufnehmen des ersten Schenkels 220 des Kerns 212. Analog nehmen die zweiten Spulen 242, 242’ einander in Eingriff, um zusammen eine externe Oberfläche 248 zum Tragen der zweiten Spule 213 bereitzustellen, und definieren einen Hohlraum 250 zum Aufnehmen des zweiten Schenkels 222 des Kerns 212. Gemäß der dargestellten Ausführungsform enthalten die Spulen 240, 240’, 242, 242’ mehrere Löcher 252 zum Erleichtern des Wärmetransfers von den Schenkeln 220, 222, indem sie gestatten, dass das Fluid 96 leicht durch die Spulen 240, 240’, 242, 242’ hindurchtritt. Andere Ausführungsformen des Isolators 214 enthalten unsymmetrische halbe Abschnitte (nicht gezeigt). Beispielsweise können sich die Spulen von einem der halben Abschnitte erstrecken und werden durch den Träger des anderen halben Abschnitts aufgenommen (nicht gezeigt).
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Unter Bezugnahme auf 11 wird eine alternative Induktorbaugruppe 251 zur Verwendung mit dem Induktorkühlregelungssystem 180 gezeigt. Die Induktorbaugruppe 251 enthält ein Gehäuse 253. Das Gehäuse 253 enthält Seitenwände 254 und eine Bodenwand 256, die zusammen eine Hülle 258 definieren. Der Induktor 260 ist innerhalb der Hülle 258 angeordnet. Eine Gussmasse kann vorgesehen sein, um die Hülle 258 teilweise zu füllen. Löcher können durch die Gussmasse vorgesehen werden, um die Zirkulation des Fluids zu vereinfachen. Eine entfernte und nicht gezeigte Abdeckung ist konfiguriert, auf einem oberen Abschnitt 262 der Seitenwände 254 angeordnet zu werden. Die Abdeckung kann mit einer Dichtung oder einem anderen Dichtmittel an das Gehäuse 253 geschweißt sein, um eine fluiddichte Hülle 258 zu bilden. Die Seitenwand 254 enthält eine Öffnung 266. Eine Einlassfluidleitung 268 ist an die Öffnung 266 gekoppelt, um gepumptes Fluid in die Hülle 258 zu lassen. Die Bodenwand 256 enthält ebenfalls eine Öffnung 270. Eine Auslassfluidleitung 272 ist an die Öffnung 270 gekoppelt, um das Austreten von Fluid aus der Hülle 258 zu gestatten. Die Auslassfluidleitung 272 und die Öffnung 270 können in der Seitenwand 254 anstatt in der Bodenwand 256 vorgesehen sein. Während das Fluid 96 durch die Hülle 258 zirkuliert wird, wird der Induktor 260 gekühlt. Ein Temperatursensor 274 kann vorgesehen sein, um die Temperatur des Induktors 260 und die Temperatur des Fluids zu messen. Falls die Gussmasse vorgesehen ist, kann der Temperatursensor 274 in der Gussmasse eingebettet sein.
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Das Fluid kann ein vom Getriebe 12 geliefertes ATF sein. Alternativ kann es sich bei dem Fluid um ein anderes geeignetes Öl handeln, und es kann durch eine unabhängige Fluidschleife geliefert werden. In diesem Fall können eine zusätzliche Pumpe, ein zusätzliches Reservoir und ein zusätzlicher Wärmetauscher für die unabhängige Fluidschleife vorgesehen sein. Die Induktorbaugruppe 251 ist eine abgedichtete Einheit, die kein Fluidleck besitzt. Somit besitzt die Induktorbaugruppe 251 den Vorteil, dass die Induktorbaugruppe 189 innerhalb ölfreier Gehäuse oder Abteilungen platziert werden kann.
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Unter Bezugnahme auf 12 wird ein Flussdiagramm 300 zum Steuern eines beliebigen der oben beschriebenen Induktorkühlsysteme gezeigt. Das Flussdiagramm wird unter Verwendung eines Softwarecodes implementiert, das in einem oder mehreren der Controller enthalten ist, wie etwa dem VSC 60, dem TCM 58 und/oder dem ECM 64. Bei Betrieb 302 wird Strom an den Induktor angelegt. Bei Betrieb 304 bestimmt der Controller, ob die Induktortemperatur über einer Schwellwerttemperatur liegt. Der Controller kann die Induktortemperatur bestimmen, indem er ein Temperatursignal von einem Induktortemperatursensor empfängt, das die Induktortemperatur anzeigt. Die gemessene Induktortemperatur kann dann mit einer Schwellwerttemperatur verglichen werden. Die Schwellwerttemperatur kann in einer Nachschlagetabelle oder einem anderen Speicher innerhalb des Controllers gespeichert werden.
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Bei Operation 306 wird bestimmt, ob der Strom immer noch an den Induktor angelegt wird. Falls Strom immer noch angelegt wird, läuft die Schleife weiter und die Operation 304 wird wiederholt, so weit wie erforderlich. Falls Strom nicht mehr immer noch angelegt wird, signalisiert der Controller bei Operation 308 der Pumpe, auszuschalten, und dem Ventil, zu schließen.
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Falls die Induktortemperatur über der Schwellwerttemperatur liegt, geht das System weiter zu Operation 312. Bei Operation 312 bestimmt der Controller die Position des Ventils. Die Ventilposition kann bestimmt werden, indem veranlasst wird, dass der Controller ein Signal von dem Ventil empfängt, das die Ventilposition anzeigt. Falls bei Operation 312 bestimmt wird, dass das Ventil geschlossen ist, wird das Ventil dann bei Operation 314 um eine Stufe geöffnet und die Pumpe wird bei Operation 316 aktiviert. Falls bei Operation 312 bestimmt wird, dass das Ventil offen ist, wird dann bei Operation 310 die Ventilöffnung vergrößert. Der Controller überwacht weiter die Induktortemperatur und vergrößert weiter die Ventilöffnung bis zu einem Maximum, solange die Induktortemperatur über der Schwellwerttemperatur liegt.
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Wenngleich oben Ausführungsbeispiele beschrieben werden, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Patentschrift verwendeten Wörter Wörter der Beschreibung anstatt der Beschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Außerdem können die Merkmale verschiedener implementierender Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung auszubilden.
