RU2542744C2

RU2542744C2 - Электрическая машина для гибридных или электрических транспортных средств

Info

Publication number: RU2542744C2
Application number: RU2013133789/07A
Authority: RU
Inventors: Мартин ФЮХТНЕР; Харальд РАЙЗЕР
Original assignee: Др. Инж. х.к. Ф. Порше Акциенгезелльшафт
Priority date: 2012-07-25
Filing date: 2013-07-22
Publication date: 2015-02-27
Also published as: CN103580380B; GB201312947D0; GB2506480A; DE102012106740A1; JP2014027869A; JP5744978B2; RU2013133789A; CN103580380A; US9458851B2; GB2506480B; US20140030123A1

Abstract

Данное изобретение относится к электрической машине (1) для гибридных или электрических транспортных средств. Машина содержит внешний ротор, статор (2), расположенный внутри ротора (3), ротор содержит несущий элемент (4) ротора, роторные пластины (5) и постоянные магниты (6), несущий элемент (4) ротора содержит первую, радиально проходящую часть (7) несущего элемента и вторую, проходящую в осевом направлении часть (8) несущего элемента, которая соединена с ним, вторая часть (8) несущего элемента несет роторные пластины (5) и постоянные магниты (6), а статор (2) имеет статорные пластины (9) и обмотки (10), обмотки образуют головки обмоток (11, 12), которые проходят в осевом направлении с обеих сторон над статорными пластинами (9), также имеет колесо (14) крыльчатки, которое соединено с несущим элементом (4) ротора. Колесо (14) крыльчатки расположено между головками обмоток (11), расположенных на осевой стороне статора (2), и второй частью (8) несущего элемента. Техническим результатом является повышение уровня мощности, сопровождающееся малой осевой протяженностью и оптимальным охлаждением воздуха в зоне ротора и статора. 17 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к электрической машине для гибридных или электрических транспортных средств, которая выполнена в виде внешнего ротора, содержащей статор, расположенный внутри ротора, при этом ротор содержит несущий элемент, роторные пластины и постоянные магниты, при этом несущий элемент имеет первую, радиально проходящую часть несущего элемента и вторую, проходящую в осевом направлении часть несущего элемента, которая соединена с ней, причем вторая часть несущего элемента несет роторные пластины и постоянные магниты, а статор имеет статорные пластины и обмотки, при этом обмотки образуют головки обмоток, которые проходят в осевом направлении с обеих сторон над статорными пластинами, также имеет колесо крыльчатки, которое соединено с несущим элементом ротора.

Уровень техники

Такая электрическая машина известна из документа DE 19513134 A1. В нем колесо крыльчатки отлито как одно целое, выступая свободно наружу, в дно несущего элемента ротора, которое выполнено в форме стакана. При вращении колеса крыльчатки охлаждающий воздух всасывается в несущий элемент ротора в форме стакана и пропускается через статор. Это обеспечивает достаточное охлаждение головок обмоток статора. Колесо крыльчатки расположено, по отношению к осевой протяженности несущего элемента ротора, между головками обмоток, которые расположены на осевой стороне статора, и колоколообразной крышкой корпуса, которая установлена над ротором. Крышка корпуса имеет в области колеса крыльчатки впускной воздухопровод на дне несущего элемента ротора и отверстия для выхода воздуха для охлаждения воздуха в конце соединения, содержащем концевую плиту.

Поскольку в указанной электрической машине колесо крыльчатки расположено в осевом направлении рядом с головками обмоток, которые примыкают к нему, существует недостаток в том, что электрическая машина имеет относительно большую осевую протяженность. В этом случае дополнительное осевое пространство требуется для колеса крыльчатки и не используется подобно для других компонентов электрической машины, которые функционально абсолютно необходимы. При заданном определенном уровне мощности электрической машины необходимо наличие большой осевой протяженности электрической машины.

Раскрытие изобретения

Задачей данного изобретения является создание электрической машины вышеуказанного типа таким образом, что указанная электрическая машина имеет высокий уровень мощности, а также малую осевую протяженность при оптимальном охлаждении воздуха в районе ротора и статора.

Эта задача достигается тем, что колесо крыльчатки расположено между головками обмоток, которые расположены на осевой стороне статора и во второй части несущего элемента.

Статор, таким образом, содержит обмотки, которые намотаны вокруг статорных пластин. Эти обмоточные провода проходят здесь, если рассматриваются в осевом направлении, за пределами статорных пластин с обеих сторон и образуют там головки обмоток. В результате несущий элемент ротора должен сначала быть сделан так, чтобы протянуть указанные раньше элементы в осевом направлении, головки обмоток, которые расположены на этой осевой стороне статора. Поскольку несущий элемент, если рассматривать в радиальном направлении, расположен в области второй части несущего элемента, за роторными пластинами, появляется неиспользуемое пространство в радиальном направлении в области роторных пластин. Несущий элемент ротора, расположенный радиально снаружи, должен находиться вокруг этих головок обмоток. Это свободное пространство используется для монтажа колеса крыльчатки. Поскольку несущий элемент оснащен колесом крыльчатки, ранее не использованное пространство может быть использовано для улучшения охлаждения электрической машины.

Соответственно, электрическая машина, согласно данному изобретению, оптимизирована с точки зрения натянутой одномерной цепочки в продольной структуре привода гибридного или электрического транспортного средства. Продольная структура и, таким образом, протяженность электрической машины в осевом направлении могут быть настолько короткими, насколько это возможно, в то же время с использованием максимальной мощности. Это увеличение мощности, по сути, приводит к повышенной потребности охлаждения. Это охлаждение осуществляется колесом крыльчатки, которое вращается вместе с несущим элементом ротора.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов, несущий элемент ротора имеет форму горшка, причем первая часть формирует дно несущего элемента ротора, а вторая часть несущего элемента образует область круговой стенки несущего элемента ротора. При такой конфигурации электрическая машина, которая выполнена в виде внешнего ротора, может быть сформирована конструктивно простым способом. Эта конфигурация позволяет подключить электрическую машину к двигателю внутреннего сгорания и трансмиссии транспортного средства.

Колесо крыльчатки предпочтительно расположено рядом с областью дна несущего элемента ротора. Это позиционирование колеса крыльчатки способствует сохранению как можно более короткой продольной структуры. В этом отношении предпочтительно, чтобы колесо крыльчатки располагалось рядом с шихтованным сердечником и постоянными электромагнитами. Соответственно, считается, что особенно выгодно, если колесо крыльчатки расположено как в непосредственной близости от дна несущего элемента ротора, так и в непосредственной близости от шихтованного сердечника и постоянных электромагнитов.

Считается особенно предпочтительно, если колесо крыльчатки имеет осевую протяженность, которая в значительной мере соответствует осевому избыточному размеру головок обмоток, на осевой стороне статора, расположенной у колеса крыльчатки, над роторными пластинами и/или постоянными магнитами. В результате осевая протяженность колеса крыльчатки занимает в значительной мере пространство, которое имеет такую осевую длину, которая доступна в любом случае в результате осевого превышение размера указанных головок обмоток. Установка колеса крыльчатки, следовательно, не требует никакого дополнительного осевого пространства электрической машины. Используется только то осевое пространство электрической машины, которое абсолютно необходимо в любом случае для других компонентов электрической машины.

Воздушный поток, который поступает от колеса крыльчатки, которое действует, в частности, в качестве радиального вентилятора, охлаждается посредством открытой системы охлаждения путем подачи относительно холодного воздуха через подающий воздухопровод и отвода относительно теплого исходящего воздуха, выходящего через окно. Как альтернатива, замкнутая система охлаждения обеспечивает непрерывную циркуляцию воздуха в герметичной электрической машине посредством колеса крыльчатки или радиального вентилятора.

В частности, при построении открытой системы охлаждения считается предпочтительным, если входящий воздух подается в осевом направлении в область между ротором и статором через подающие воздухопроводы в корпусе электрической машины, а исходящий воздух выпускается через отверстия несущего элемента ротора и корпуса.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов, несущий элемент и колесо крыльчатки выполнены в виде одной литой детали. В результате сложная, дорогостоящая геометрия колеса крыльчатки изготавливается путем литья. Остальная часть несущего элемента ротора обрабатывается, в частности, резкой.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом существует положение, что колесо крыльчатки содержит отверстия по окружности и лопастные элементы, которые взаимодействуют с упомянутыми отверстиями. Отдельные лопастные элементы, которые, в частности, являются пластиковыми частями, вставляются в эти отверстия и закрепляются там, в колесе крыльчатке. Лопастные элементы являются, например, зафиксированными и/или закрепленными радиально, прежде всего, также тангенциально.

В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом существует положение, что колесо крыльчатки имеет отверстия по окружности и отверстия сформированы процессом формования для формирования лопастных элементов.

Считается особенно предпочтительным, если осевое уплотнение расположено между корпусом и несущим элементом ротора. Осевое уплотнение между корпусом и несущим элементом ротора служит для направления воздуха к компонентам для охлаждения и чтобы избежать утечки воздуха для высокоэффективного охлаждение потоком объема воздуха.

С точки зрения использования электрической машины в гибридном или электрическом транспортном средстве существует положение, в частности, что несущий элемент соединен с осевым разъемом для неподвижного соединения с возможностью вращения с приводным валом трансмиссии.

Если электрическая машина используется в сочетании с гибридным транспортным средством, считается особенно выгодным, если электрическая машина имеет расположенный в осевом направлении промежуточный вал для неподвижного соединения с возможностью вращения с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания. В этом случае промежуточный вал, в частности, подсоединяется не напрямую к коленчатому валу.

В частности, когда электрическая машина используется в гибридном транспортным средстве, считается предпочтительным, если электрическая машина имеет муфту для неподвижного соединения с возможностью вращения промежуточного вала и приводного вала трансмиссии, когда муфта находится в закрытом положении. Таким образом, если муфта в открытом положении, только электрическая машина действует на трансмиссию транспортного средства. Когда муфта в закрытом положении, двигатель внутреннего сгорания действует на трансмиссию транспортного средства или электрическая машина и двигатель внутреннего сгорания действуют на нее.

Существует положение, в частности, про то, что электрическая машина должна быть установлена таким образом, что, во-первых, колесо крыльчатки и/или радиальный вентилятор вводятся в несущий элемент ротора, а затем добавляются роторные пластины, и несущий элемент затем завальцовывается или зачеканивается в его осевом конечном положении напротив колеса крыльчатки или радиального вентилятора. Эта вальцовка/чеканка закрепляет колесо крыльчатки и радиальный вентилятор в осевом направлении.

Радиальное крепление колеса крыльчатки и радиального вентилятора обеспечивается, в частности, с помощью винтов. Винты служат в то же время, чтобы завинтить нажимной диск муфты к ротору электрической машины, так как электрическая машина вставляется в привод транспортного средства.

Оригинальное расположение колеса крыльчатки обеспечивает максимальный поток воздуха между ротором и статором, в частности, через зазор между постоянными магнитами и статорными пластинами с головками обмоток. Это обеспечивает оптимальное охлаждение воздухом из этих термонагруженных областей электрической машины.

Краткое описание графических материалов

Дополнительные особенности изобретения вытекают из зависимых пунктов многозвенной формулы изобретения, прилагаемых чертежей и описания предпочтительного варианта осуществления изобретения представленного на чертежах, но не ограничивается ими.

На чертежах:

на фиг.1 изображен вертикальный разрез электрической машины согласно изобретению, в разрезе в осевом направлении электрической машины,

на фиг.2 изображен разрез электрической машины по линии II-II на фиг.1,

на фиг.3 изображен разрез электрической машины по линии III-III на фиг.1 и

на фиг.4 изображен разрез электрической машины по линии IV-IV на фиг.1.

Осуществление изобретения

Электрическая машина 1, которая показана на чертежах, используется в гибридных транспортных средствах, предпочтительно в легковых автомобилях, в частности в спортивных автомобилях, которые содержат электродвижущий привод в виде электрической машины и привод в виде двигателя внутреннего сгорания.

Электрическая машина 1 выполнена в виде внешнего ротора. Она содержит статор 2 и ротор 3. Статор 2 расположен внутри ротора 3. Ротор 3 содержит несущий элемент 4 ротора, роторные пластины 5 и постоянные магниты 6. Несущий элемент 4 ротора образован, во-первых, радиально проходящей частью 7 несущего элемента и, во-вторых, радиально проходящей частью 8 несущего элемента, которая соединена с первой. Первая часть 7 несущего элемента таким образом образует дно несущего элемента 4 ротора, а вторая часть 8 несущего элемента образует область круговой стенки несущего элемента 4 ротора. Вторая часть 8 несущего элемента, которая расположена радиально снаружи, несет роторные пластины и постоянные магниты 6, причем последние расположены радиально с внутренней стороны по отношению ко второй части 8 несущего элемента, в частности роторные пластины 5 расположены относительно радиально на внешней стороне, а постоянные магниты 6 расположены относительно радиально с внутренней стороны. Роторные пластины 5 и постоянные магниты 6 проходят здесь над той же осевой длиной, которая меньше, чем осевая длина второй части 8 несущего элемента.

Статор 2 имеет статорные пластины 9 и обмотки 10 из провода. Обмотки 10 из провода образуют головки обмоток, которые выступают в осевом направлении с обеих сторон над статорными пластинами 9. Головки обмоток на одной стороне, той, которая обращена к первой части 7 несущего элемента, обозначены ссылочным номером 11, а головки обмоток стороны статора 2 обращены от этой стороны и обозначены ссылочным номером 12.

В частности, из продольного разреза на фиг.1 видно, что между радиально внешней областью первой части 7 несущего элемента, роторными пластинами 5 и постоянными магнитами 6 находится пустое пространство 13, расположенное концентрично по отношению к оси ротора 3 и образованное между статорными пластинами 9 и головками 11 обмоток, с одной стороны, и второй частью 8 несущего элемента в области, которая обращена к первой части 7 несущего элемента. Расположенное в этом пустом пространстве колесо 14 крыльчатки действует как радиальный вентилятор. Это колесо 14 крыльчатки соединено с несущим элементом 4 ротора в области первой части 7 несущего элемента. Колесо 14 крыльчатки, соответственно, расположено между головками обмоток 11 и второй частью 8 несущего элемента. Кроме того, колесо 14 крыльчатки, которое соединено с первой частью 7 несущего элемента, расположено на небольшом расстоянии от роторных пластин 5 и постоянных магнитов 6. Последние проходят по той же осевой протяженности электрической машины 1, и, следовательно, заканчиваются на соответствующей осевой стороне в области той же осевой длины электрической машины 1.

Статор 2 установлен в корпусе 15 электрической машины 1 и соединен с ним. Корпус 15 обеспечен в своей верхней части с подающим воздухопроводом 16 для входящего воздуха и относительно холодного воздуха. Этот подающий воздухопровод 16 делится в корпусе 15 на множество подающих воздухопроводов 17, которые открываются в осевом направлении в области головок 12 обмоток в полость электрической машины 1, которая ограничена статором 2 и ротором 3, в частности в область кругового осевого зазора между роторными пластинами 5/постоянными магнитами 6 и статорными пластинами 9/головками 11 обмоток. Воздух засасывается через этот зазор с помощью колеса 14 крыльчатки и, следовательно, радиального вентилятора и выталкивается колесом 14 крыльчатки, в частности, через радиально проходящие каналы 18 во второй части 8 несущего элемента и каналы в корпусе 15, которые не проиллюстрированы и причисляются к каналам 18. В результате воздух от электрической машины 1 может быть передан через эти каналы в несущий элемент 4 ротора и корпус 15. Электрическая машина 1, следовательно, имеет открытую систему охлаждения.

В результате, относительно холодный воздух подается в область между статором 2 и ротором 3 посредством воздухопроводов 16 и 17 и нагревается там благодаря теплу электрической машины, а также сравнительно теплый исходящий воздух выводится от электрической машины 1 через каналы 18 и каналы в корпусе 15.

Основные компоненты электрической машины в соответствии с изобретением описаны ниже, в частности, с их специфическим целями использования в гибридных транспортных средствах.

Ротор 3, как правило, имеет цилиндрическую часть 19, которая соединена с первой частью 7 несущего элемента, через которую ротор 3 установлен с возможностью вращения в корпусе 15 посредством двойных шарикоподшипников 20. Двойные шарикоподшипники 20 установлены радиально снаружи в корпусе 15 и занимают часть цилиндрической части 19 радиально на внутренней стороне. Цилиндрическая часть 19 принимает игольчатые подшипники 21 в радиальном направлении с внутренней стороны, в которой установлены игольчатые подшипники 21 и промежуточный вал 22. Последний служит для непрямого соединения с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания. Таким образом, во время работы двигателя внутреннего сгорания коленчатый вал приводит в действие промежуточный вал 22. Место установки этого промежуточного вала 22 находится на стороне корпуса 15, которая расположена у головок 12 обмоток. С другой стороны корпуса 15, то есть на той стороне, которая расположена у головок 11 обмоток, колесо 23 соединено с несущим элементом 4 ротора, причем колесо 23 имеет разъем 24 для неподвижного соединения с возможностью вращения с приводным валом трансмиссии. Разъем 24 имеет зубцы для приводного вала трансмиссии, который имеет соответствующие зубцы на конце.

Ротор 3, промежуточный вал 22 и колесо 23 могут вращаться вокруг одной и той же центральной оси электрической машины 1.

На той стороне электрической машины 1, которая обращена к головкам 11 обмоток, также есть муфта 25. В закрытом положении муфты 25 она вызывает фрикционное сцепление между промежуточным валом 22 и ротором 3 и, таким образом, фрикционное сцепление между промежуточным валом 22 и разъемом 24 со стороны трансмиссии посредством фиксированного соединения между ротором 3 и разъемом 24. В отношении муфты 25 показаны нажимной диск 26, соответствующий нажимной диск 27, тарельчатая пружина 28 и разъединительный подшипник 29, установленный в корпусе 15, для тарельчатой пружины 28.

Нажимной диск 26 муфты 25 соединен с несущим элементом 4 ротора, в частности, посредством винтов 30, которые проходят в просверленных отверстиях нажимного диска 26 и вкручиваются в резьбовые отверстия в несущем элементе 4 ротора в области первой части 7 несущего элемента, примыкающей ко второй части 8 несущего элемента. Благодаря расположению винтов 30 в области колеса 14 крыльчатки последние одновременно служат для закрепления колеса 13 крыльчатки в радиальном направлении. В связи с этим свободные концы винтов 30 контактируют с колесом 14 крыльчатки и располагают его между этими концами винтов 30 и постоянными магнитами 6 ротора 3.

В частности, установка электрической машины 1 проводится таким образом, что сначала колесо 14 крыльчатки вставляется в несущий элемент 4 ротора, в дальнейшем добавляются роторные пластины 5, и затем несущий элемент 4 ротора завальцовывается или зачеканивается в его конечном осевом положении напротив колеса 14 крыльчатки. Эта вальцовка/чеканка в осевом направлении закрепляет колесо 4 крыльчатки. Конечная область 31, которая образуется вальцовкой, то есть путем придания формы, и которая проходит радиально вовнутрь, показана на фиг.1.

Наконец, показано электрическое соединение 32 электрической машины 1. Электрические кабели 33 подводятся к электрической машине 1 для трех фаз электрической машины 1. В частности, для того чтобы проводить ток на обмотки статора 2, три соединительных кольца 34 расположены радиально снаружи головок 12 обмоток. Указанные соединительные кольца 34 установлены изолированными друг от друга в пластмассовой части 35.

Claims

1. Электрическая машина (1) для гибридных или электрических транспортных средств, выполненная в виде внешнего ротора, содержащая статор (2), расположенный внутри ротора (3), причем ротор (3) содержит несущий элемент (4) ротора, роторные пластины (5) и постоянные магниты (6), при этом несущий элемент (4) ротора содержит первую, радиально проходящую часть (7) несущего элемента и вторую, проходящую в осевом направлении часть (8) несущего элемента, которая соединена с ней, причем вторая часть (8) несущего элемента вмещает роторные пластины (5) и постоянные магниты (6), а статор (2) содержит статорные пластины (9) и обмотки (10), причем обмотки (10) образуют головки (11, 12) обмоток, которые проходят в осевом направлении с обеих сторон над статорными пластинами (9), также содержащая колесо (14) крыльчатки, соединенное с несущим элементом (4) ротора, отличающаяся тем, что колесо (14) крыльчатки расположено между головками (11) обмоток, расположенными на осевой стороне статора (2), и второй частью (8) несущего элемента.

2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что несущий элемент (4) ротора имеет форму горшка, причем первая часть (7) несущего элемента образует область дна несущего элемента (4) ротора, а вторая часть (8) несущего элемента образует область круговой стенки несущего элемента (4) ротора.

3. Электрическая машина по п.2, отличающаяся тем, что колесо (14) крыльчатки расположено рядом с областью дна несущего элемента (4) ротора.

4. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что колесо (14) крыльчатки расположено рядом с роторными пластинами (5) и постоянными магнитами (6).

5. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что колесо (14) крыльчатки имеет осевую протяженность, которая в значительной мере соответствует осевому избыточному размеру головок (11) обмоток на осевой стороне статора (2), обращенной в сторону колеса (14) крыльчатки, над роторными пластинами (5) и/или постоянными магнитами (6).

6. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что колесо (14) крыльчатки образует компонент открытой или закрытой системы охлаждения.

7. Электрическая машина по п.6, отличающаяся тем, что охлаждающая система является системой открытого типа, при этом входящий воздух подается в осевом направлении в область между ротором (3) и статором (2) через подающие воздухопроводы (16, 17) в корпусе (15) электрической машины (1), а исходящий воздух выпускается через отверстия (18) в несущем элементе (4) ротора и отверстия в корпусе (15).

8. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что колесо (23) соединено с несущим элементом ротора (4), причем колесо (23) содержит разъем (24) для неподвижного соединения с возможностью вращения с приводным валом трансмиссии.

9. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что электрическая машина (1) содержит расположенный в осевом направлении промежуточный вал (22) для неподвижного соединения с возможностью вращения с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания.

10. Электрическая машина по п.9, отличающаяся тем, что электрическая машина (1) содержит муфту (25) для неподвижного соединения с возможностью вращения промежуточного вала (22) и колеса (23), когда муфта находится в закрытом положении.

11. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что колесо (14) крыльчатки действует как радиальный вентилятор.

12. Электрическая машина по п.10, отличающаяся тем, что нажимной диск (26) муфты (25) соединен с несущим элементом ротора (4) с помощью винтов (30).

13. Электрическая машина по п.12, отличающаяся тем, что винты (30) взаимодействуют с колесом (14) крыльчатки таким образом, что они располагают его в радиальном направлении.

14. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что роторные пластины (5) закреплены между колесом (14) крыльчатки, установленным в несущий элемент (4), и частью несущего элемента (4) ротора, которая обращена в сторону от колеса (14) крыльчатки.

15. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что несущий элемент (4) ротора и колесо (14) крыльчатки выполнены в виде одной литой детали.

16. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что колесо (14) крыльчатки содержит отверстия по окружности и лопастные элементы, которые взаимодействуют с упомянутыми отверстиями.

17. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что колесо (14) крыльчатки содержит отверстия по окружности и отверстия сформированы процессом формования, образуя лопастные элементы.

18. Электрическая машина по одному из пп.7-17, отличающаяся тем, что осевое уплотнение расположено между корпусом (15) и несущим элементом (4) ротора или между корпусом (15) и сборкой несущего элемента (4) ротора и колеса (14) крыльчатки.