電的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電機，該電機具有獨立的端蓋熱交換器，其中有液體冷卻劑通過。在一個示例性實施例中，在具有內燃機的混合動力汽車中，電機是牽引電動機或電動發(fā)電機。此外，在一個實施例中，熱交換器具有低溫冷卻劑回路，被配置為用于從電機冷卻劑中提取能量。所述電機可被安裝在各種車輛中或其他具有較大差異的冷卻需求的應用中。通過在端蓋中布置熱交換器和控制組件，可通過選擇具有合適的傳熱特性的端蓋以及控制組件來改變電機的冷卻能力，以提供期望的冷卻。因此，單個電機連同各種端蓋選擇可用于各種應用中。
【專利說明】電機
[0001]本申請是申請日為2010年5月12日、申請?zhí)枮?01010176738.5、發(fā)明名稱為“電機”的發(fā)明專利申請的分案申請。
【技術領域】
[0002]本發(fā)明涉及一種電機，尤其涉及一種電機的冷卻系統(tǒng)。
【背景技術】
[0003]在車輛中，電機可用作動力源。眾所周知，根據(jù)電機所承受的工況的嚴重程度，電機可能會過熱。
[0004]大多數(shù)汽車制造商出售各種電動汽車及混合動力汽車。出售的各種電動汽車及混合動力汽車在重量、運輸能力及負載循環(huán)(duty cycle)方面有所不同。對于包括牽引電動機或電動發(fā)電機或其他大功率電機的汽車，電機的最大功率需求取決于其應用而大不相同。最大功率影響電機的冷卻需求。通過在電機內部循環(huán)液體而實現(xiàn)冷卻，這在現(xiàn)有技術中是已知的。盡管如此，針對在有特定冷卻需求的特定車輛結構中使用的特定電機需要設計冷卻系統(tǒng)。對于另一車輛結構，例如，使用相同的電機系統(tǒng)但是具有更高的功率級的車輛結構需要更強的冷卻。為特定的冷卻需求而設計的這樣的系統(tǒng)必須對每個冷卻需求級別進行重新設計以確保合適的熱傳遞、冷卻劑體積流量(volumetric coolant flow)和流量方向控制及其他考慮。

【發(fā)明內容】

[0005]為了克服為每個應用重新設計整個電機系統(tǒng)的難題，公開了一種電機，該電機具有與其結合的端蓋，該端蓋具有多個組件，所述多個組件致力于為所述電機提供期望的冷卻。例如，所述端蓋可包括熱交換器，該熱交換器具有高溫冷卻劑通道、低溫冷卻劑通道、使高溫冷卻劑通過高溫冷卻劑通道進行循環(huán)的泵以及用于液壓控制和熱控制的相關組件，例如電子閥，溫度傳感器和壓力傳感器及電控單元。在一個實施例中，設置機械式調溫閥來控制通過高溫冷卻劑回路的流量。在另一實施例中，在高溫冷卻劑回路中設置電控閥，該閥門由電控單元ECU控制。在一個實施例中，所述ECU被設置在所述端蓋中，所述ECU基于來自與其電連接的溫度傳感器和/或壓力傳感器的信號控制閥門的位置。在一個實施例中，所述電機的輸出軸穿過所述端蓋。在該實施例中，所述端蓋包括軸封和軸承。所述端蓋還可具有液壓蓄壓器(hydraulic accumulator),注油口和排油口及用于將所述端蓋結合至所述電機的緊固件?；诒旧暾埡推谕睦鋮s級別，結合至所述電機的端蓋包括用于冷卻系統(tǒng)的合適的控制組件、用于流體的浮雕(boss)以及電輸入/輸出等。通過在所述端蓋中包括這些組件，所述電機連同包括在所述端蓋中的所有必要的改變能夠作為所有應用的標準，所述所有必要的改變用于兼容各種應用所需的冷卻速度和液壓流速。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的實施例，本發(fā)明公開了 一種電機，在其內部具有高溫冷卻劑。所述電機具有與其結合的帶有整體式熱交換器的端蓋。所述熱交換器具有高溫冷卻劑通道，使高溫冷卻劑通過高溫冷卻劑通道進行循環(huán)的泵及用于液壓控制和熱控制的相關組件，例如電子閥，傳感器及電控單元。所述端蓋和所述電機分開裝配。在一個實施中，高溫冷卻劑為油。
[0007]在液-氣熱交換器的實施例中，所述端蓋的外表面具有散熱片。在液-液熱交換器的實施例中，所述熱交換器具有結合至所述端蓋外部的低溫冷卻劑回路的低溫冷卻劑通道。在一個實施例中，低溫冷卻劑回路具有自動調溫器，自動調溫器通常包含熱致動閥。在一個例子中，高溫冷卻劑通道和低溫冷卻劑通道在所述端蓋中形成交錯的螺旋。
[0008]在一個例子中，在熱交換器中存在低溫冷卻劑通道，該低溫冷卻劑通道為低溫冷卻劑回路的一部分。并且，外部熱交換器和泵被布置在回路中。所述外部熱交換器將熱量從低溫冷卻劑傳遞至另一介質，如空氣。
[0009]在另一實施例中，電機的端蓋包括液壓和熱管理組件，液壓和熱管理組件包括(例如)電子閥、電控單元、低溫冷卻劑泵、電子傳感器及液壓蓄壓器。這些組件被用來修改電機的冷卻。例如，可期望部分地關閉高溫冷卻劑通道中的閥門以允許電機更快地預熱。通過允許電機更快地預熱，可降低由電機潤滑劑所引起的寄生阻力。
[0010]在另一實施例中，電機被布置在汽車中。存在與已述電機分離的發(fā)熱單元。該發(fā)熱單元可以是內燃機、動力轉向泵或驅動橋。所述發(fā)熱單元具有適于使液體冷卻劑循環(huán)的冷卻回路、在發(fā)熱單元冷卻回路中的泵、在發(fā)熱單元冷卻回路中的熱交換器以及連接至電機低溫冷卻劑回路的發(fā)熱單元冷卻回路分支。低溫冷卻劑可以是(例如)水基冷卻劑、動力轉向液、液壓液、電解質液、傳動液或潤滑油。
[0011]在一個實施例中，低溫通道連接至空調回路的分支，空調回路連接至空氣調節(jié)單元或任意制冷單元。在該實施例中制冷劑為工作液。
[0012]本發(fā)明還公開了一種混合動力汽車包括:具有內部冷卻路徑的內燃機、連接至發(fā)動機中的內部冷卻路徑的冷卻回路、外部熱交換器(例如布置在冷卻回路中的散熱器)以及布置在冷卻回路中的水泵。所述汽車還具有帶有熱交換器的電機，所述熱交換器布置在電機的端蓋中。電機的熱交換器包括高溫冷卻通道，高溫冷卻通道的入口連接至循環(huán)泵，高溫冷卻通道的出口連接至電機內部。電機的端蓋中的熱交換器還具有適于使水基冷卻劑循環(huán)的低溫冷卻通道。低溫冷卻通道連接至發(fā)動機冷卻回路。端蓋還可包括熱管理組件，例如，電子閥和熱傳感器。電機的端蓋組件是與電機分離的組件。非限制性實施例顯示電機被用作電動發(fā)電機，牽弓I電動機或兩者兼用。
[0013]本發(fā)明還公開了一種為電機提供冷卻系統(tǒng)的方法。選擇帶有整體式熱交換器的端蓋，該端蓋具有預定的傳熱特性。具有這些特性的端蓋被結合至電機外殼。所述方法還包括在針對其設計負載循環(huán)而最苛刻的工況下確定電機的冷卻需求?；谒_定的冷卻需求計算提供所需冷卻的預定的傳熱特性。端蓋中的熱交換器具有低溫冷卻劑通道和高溫冷卻劑通道。預定的傳熱特性考慮以下因素:端蓋的材料、高溫冷卻劑和低溫冷卻劑之間的有效傳熱表面積、期望的冷卻劑流速、期望的溫度、低溫冷卻劑的性能以及高溫冷卻劑的性能。
[0014]本發(fā)明的一個優(yōu)點在于具有布置在端蓋中的用于冷卻電機的熱交換器和液壓組件，可通過選擇具有期望的冷卻能力的端蓋組件來滿足電機應用所需的冷卻級別，而電機本身改變很少或不作改變。這樣，單個電機設計連同各種端蓋可用于多種車輛應用中，所述端蓋可被結合至所述電機以滿足特定車輛結構的冷卻需求。
[0015]上述冷卻劑通道被描述為高溫和低溫。然而，根據(jù)本發(fā)明的實施例，當電機內部冷卻劑溫度比外部冷卻劑溫度低時，所述電機可預熱。在這種情況下，能量被供應至電機，從而通過使電機更加快速地達到其期望的工作溫度為本發(fā)明提供了另一優(yōu)點。所述通道可被稱為第一冷卻劑通道和第二冷卻劑通道，在某些情況下，當電機正在冷卻時，第一冷卻劑通道和第二冷卻劑通道分別為高溫冷卻劑通道和低溫冷卻劑通道；在其他情況下，當電機正在預熱時，第一冷卻劑通道和第二冷卻劑通道分別為低溫冷卻劑通道和高溫冷卻劑通道。
[0016]通過下面結合附圖對本公開進行詳細的描述，本公開的上述和其他優(yōu)點、特點將會變得更加清楚。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是電機截面的側視圖；
[0018]圖2是以截面顯示的端蓋的端視圖，示出了內部冷卻通道；
[0019]圖3是以截面顯示的端蓋的端視圖，示出了內部冷卻通道；
[0020]圖4是部分電機截面的側視圖；
[0021]圖5是以截面顯示的端蓋的端視圖，示出了內部冷卻通道；
[0022]圖6是部分電機截面的側視圖；
[0023]圖7是在其外表面具有散熱片的端蓋的末端的外部視圖；
[0024]圖8是連接至內燃機冷卻系統(tǒng)的電機冷卻系統(tǒng)的簡圖；
[0025]圖9是電機冷卻系統(tǒng)的簡圖；
[0026]圖10是用于電機外殼內包括齒輪組的實施例的部分電機截面的側視圖；
[0027]圖11是部分干式電機的側視圖，其中，定子通過在其罩內的流體循環(huán)來冷卻；
[0028]圖12是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的端蓋的等軸測視圖；
[0029]圖13至15為分別具有本公開的三個實施例的端蓋的電機組件的簡圖。
【具體實施方式】
[0030]在圖1中示出了具有端蓋12的電機10。電機10具有定子20及插入定子20的轉子22。輸出軸24連接至轉子22。輸出軸24的一端穿過端蓋12。取決于期望的結構，輸出軸24可僅在電機10的一端伸出或在電機10的兩端伸出。端蓋12具有密封和軸承26，密封和軸承26可以是集成組件或分離的組件。電機10具有在其內部循環(huán)的液體冷卻劑，液體冷卻劑與定子和轉子均接觸或只與定子接觸。在一個實施例中，液體為油。通過冷卻劑循環(huán)從電機10中提取熱能。通過由軸24驅動的泵34進行泵送，冷卻劑在30處進入端蓋12并在32處離開端蓋12。泵34具有在電機10的底部的冷卻劑傳感器31。在端蓋12的內部為液-液熱交換器，在36處供應第二液體冷卻劑并在38處移除。在一個實施例中，第二液體冷卻劑可以是水基冷卻劑。在另一選擇中，泵34位于在轉子22的另一端的軸上并被包含在端蓋組件中。在另一選擇中，泵34為不與軸24相連接的電泵。在圖1所示的結構中，軸24穿過帶有密封和軸承組件26的端蓋12，密封和軸承組件26防止液體滲漏到電機10外并支撐軸24。
[0031]在圖2中示出了端蓋12的端視圖。示出在電機中循環(huán)的高溫流體在30處進入端蓋12并在32處離開端蓋12。低溫流體在36處進入端蓋12并在38處離開端蓋12。兩種流體的通道成同軸螺旋狀。如從圖1中的側視圖可見，通道的有效傳熱表面積取決于圖2中螺旋的長度及通道的截面形狀。通過改變端蓋12的長度(如圖1所示的端蓋12的尺寸L)，冷卻能力受到影響。[0032]在圖3和圖4中示出了端蓋12 ’的另ー實施例，其中，低溫流體和高溫流體通過在彼此之間彎折的通道進行傳導。在圖3中所示的流道具有并流式結構，其中，高溫流體和低溫流體均從相同端(30 '和36')進入，彼此之間平行行進并分別在32 '和38'處離開?；蛘呖墒褂媚媪魇浇Y構，其中，低溫流體的出口靠近高溫流體的入口。這種結構將具有與圖3中低溫流體或高溫流體(并非兩者)相反的流向。
[0033]在圖5和圖6中示出了端蓋12 ' ’的另ー選擇，其中，低溫流體進入端蓋12' ’的空腔內。高溫流體管道39沿著空腔的中心線布置以使攜帯高溫流體的管道被低溫流體包圍。在圖5中示出了逆流式結構。然而，認為逆流式結構和并流式結構的實施例均適用于圖2、圖3和圖5中示出的任ー實施例。在截面平面上，管道39被顯示為一個連續(xù)環(huán)路。然而，希望影響低溫流體和高溫流體之間的接觸表面積以允許各種冷卻級別。因此，管道39可在沿端蓋12'丨的長度方向上多重彎曲以提供比圖5中所述的平滑彎管更強的冷卻?；蛘撸艿?9可在形成于端蓋12 ' ’中的空腔內包括多個回路。在圖5中，管道39包含在其內部循環(huán)的高溫流體，低溫流體在管道39外部的空腔內循環(huán)。或者，冷流體通過管道39進行循環(huán)，熱流體在端蓋12 '丨中的空腔內進行循環(huán)。
[0034]圖2，圖3和圖5示出了具有液-液熱交換器的端蓋12，12 ^，和C ’。圖7中不出了另ー選擇，其中，端蓋12 '''的外表面為氣-液熱交換器,氣-液熱交換器具有一排排布置在端蓋12'丨丨外部的散熱片40。
[0035]在圖8所示的示例性結構中,低溫流體為發(fā)動機冷卻劑。內燃機50具有通過發(fā)動機50進行循環(huán)的冷卻劑及帶有調節(jié)流量的自動調溫器54的散熱器52。發(fā)動機50具有水泵56和皮帶輪58。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的分支被供應至電機10的端蓋12。在一個實施例中，將發(fā)動機冷卻劑供應至電機10的分支具有調溫閥60，用來控制到達端蓋12的流量。如圖8所示，調溫閥60在端蓋12的外部?；蛘?，調溫閥60及附屬的液壓控制組件與端蓋12集成為一體。
[0036]在圖9中的另ー示例性實施例中，電機10具有其自身的低溫冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)(自帶泵(未顯示))和外部熱交換器62。在一個實施例中，低溫冷卻劑泵與端蓋12集成為一體。在一個實施例中，低溫流體為水基冷卻剤，或者，在另ー實施例中，低溫流體為油。
[0037]在圖7中示出的端蓋12的實施例避免使用低溫流體冷卻回路?？稍O置冷卻風扇(未顯示)以用于驅使氣流流過散熱片40。冷卻風扇例如可通過軸24由電機10、獨立的電機(未顯示)或通過其他動カ源驅動。在一個實施例中，冷卻風扇和驅動機構與端蓋12集成為一體。
[0038]參照圖10，電機10 ’在其內部安裝元件。所述元件可以是齒輪組或其他任何元件，所述元件可擴展電機的功能并將從電機10丨內部可用的潤滑和冷卻中受益。
[0039]圖1和圖10中示出的實施例設想冷卻劑在電機10 (10 ’ )的內部晃動和四處噴酒。在這些實施例中，冷卻劑可以是為轉子、定子、齒輪箱(圖10中的元件64)及電機10的其他任何組件提供潤滑和冷卻的潤滑液壓油。在圖11中示出了另ー結構，其中，組件66包括轉子22'和定子20'。定子20'在罩68的內部被提供潤滑剤。在圖11中，冷卻劑通過入口 70提供并通過出口 72返回。在該實施例中，電機內部是干燥的，冷卻劑僅僅提供給定子20丨。
[0040]在圖12中的根據(jù)本公開的實施例的端蓋的等軸測視圖示出了低溫冷卻劑的入口36和出口 38。提供分別用于密封和支撐軸(圖1的24)的密封和軸承26。電控單元(ECT)80設置在端蓋12中。在電機組件被安裝在汽車中的實施例中，可使用安裝在汽車中的其他部位的ECU，其中，箱體元件80為用于在遠處安裝的ECU和端蓋12內部的電氣組件之間實現(xiàn)電連接的連接器。電驅動泵78安裝在端蓋12上。端蓋12通過緊固件76結合至電機
10。端蓋12可以以任意已知的方式裝配至電機10。
[0041]在圖13中示出了端蓋12的線路圖。端蓋12被結合至電機10。在一個實施例中，電機10為連接至汽車車軸的牽引電動機。在某些實施例中，電機10具有排氣口 88及排油口 90。端蓋12具有高溫冷卻回路，高溫冷卻回路在32處將冷卻劑供應至電機10并在30處返回。冷卻劑通過由電機10軸驅動的泵34進行循環(huán)。在冷卻劑回路中有過濾器92，溫度傳感器100和102及閥門94。E⑶80電連接至閥門94以控制流過氣-液熱交換器96的冷卻劑流量份額(fraction)以及從旁路86流過熱交換器96的冷卻劑流量份額。注意:在圖13至圖15中，表示電氣線路的線條比表示液壓線路的線條更粗。ECU80基于來自溫度傳感器100和102的溫度信息確定控制閥門94的位置?；蛘?，閥門94為機械式閥門，如蠟馬達(wax-motor)驅動的自動調溫器，基于與蠟馬達連通的流體溫度確定其位置。
[0042]在圖14中示出另一實施例，其中，端蓋12在其內部具有高溫流體循環(huán)和低溫流體循環(huán)。高溫流體冷卻劑回路為電機10提供冷卻。這樣的回路具有內部過濾器92、溫度傳感器100和102及內部熱交換器104。通過高溫流體回路的冷卻劑循環(huán)由電機10軸驅動的泵34提供。在熱交換器104內部，借助通過冷流體回路循環(huán)的低溫流體提取來自的高溫流體的能量。通過低溫流體回路的流量由閥門94的位置來確定，通過閥門94的脈寬調制控制或通過閥門94受控到達中間位置，閥門94控制流向熱交換器108、旁路86或兩者的結合的流量。通過低溫流體回路的流量由泵110提供?；蛘?，如果低溫流體是另一冷卻系統(tǒng)(如汽車中發(fā)動機冷卻系統(tǒng))的一部分，通過低溫流體回路的流量可由提供給其他冷卻系統(tǒng)的泵提供，從而避免使用泵110。閥門94電連接至E⑶80。E⑶80基于由E⑶80從溫度傳感器100、102和106接收的輸入來控制閥門94的位置以維持期望的冷卻級別和/或組件溫度。
[0043]在圖15中示出的另一實施例中，提供由電機78驅動的電泵112以用于通過高溫流體回路使冷卻劑循環(huán)。電泵112連接至泵110，泵110用于使通過低溫流體回路的流體循環(huán)。因此，在該實施例中，電機78驅動泵110和112。線路的其余部分與圖14相似。
[0044]對于到目前為止所描述的實施例，熱交換器被用于將能量從電機組件中傳遞出去?；蛘?，熱交換器可被用于將能量傳遞至電機組件。當電機及其內部流體冷時，這可用于減少寄生阻力損耗。這可通過使用相同的硬件來實現(xiàn)，除了外部流體比電機冷卻劑溫度高的情況，這樣允許能量從外部流體傳遞至電機冷卻劑以使電機更快地預熱。在下文，冷卻劑回路被描述為第一冷卻劑回路和第二冷卻劑回路，冷卻劑通道被稱為第一冷卻劑通道和第二冷卻劑通道。當電機正在冷卻時，第一冷卻回路可被稱為高溫冷卻劑回路，第二冷卻回路可被稱為低溫冷卻劑回路。在較少常見的情況下，當電機正在預熱時，第一冷卻劑回路可被稱為低溫冷卻劑回路，第二冷卻劑回路可被稱為高溫冷卻劑回路。相同的命名法適用于冷卻劑通道，并取決于能量流是為了使電機預熱而進入電機還是為了使電機冷卻下來而離開電機。
[0045] 盡管已經(jīng)描述了本發(fā)明的具體實施例，本領域的技術人員應當意識到本發(fā)明的各種變動和可選實施例。所有這些變動和可選實施例及其等同物均由所附權利要求限定。
【權利要求】
1.一種電機,所述電機包括: 端蓋，結合至所述電機； 內部熱交換器，布置在所述端蓋中，所述內部熱交換器具有第一冷卻劑通道和第二冷卻劑通道，第一冷卻劑通道傳輸流過穿過電機的第一冷卻劑回路的第一冷卻劑，第二冷卻劑通道傳輸流過電機外部的第二冷卻劑回路的第二冷卻劑，以在第一冷卻劑和第二冷卻劑之間進行熱交換， 其中，所述電機被布置在汽車中，所述汽車包括: 除了所述電機以外的發(fā)熱單元； 發(fā)熱單元冷卻回路，適于使第二冷卻劑循環(huán)； 外部熱交換器，布置在發(fā)熱單元冷卻回路中；及 發(fā)熱單元冷卻回路分支，連接至第二冷卻劑通道。
2.如權利要求1所述的電機，其中，所述發(fā)熱單元是內燃機、動力轉向泵、功率電子單元、齒輪箱和變速器中的一個。
3.如權利要求1所述的電機，其中，所述第二冷卻劑是水基冷卻劑、電解質液、油和潤滑劑中的一種。
4.一種電機組件，所述電機組件被布置在汽車內，所述電機組件包括: 電機主體，具有定子和轉子；及 端蓋，可移除地結合至所述電機主體，所述端蓋包括: 內部熱交換器，包括第一冷卻劑通道、第二冷卻劑通道和泵，所述第一冷卻劑通道攜帶第一冷卻劑，所述第二冷卻劑通道攜帶第二冷卻劑，所述泵適于使第二冷卻劑通過第二冷卻劑通道進行循環(huán)； 至少一個溫度傳感器，布置在第一冷卻劑通道中； 閥門，布置在第二冷卻劑通道中 '及 電控單元，連接至所述至少一個溫度傳感器和所述閥門，其中，所述電控單元響應于來自所述至少一個溫度傳感器的信號控制所述閥門的位置。
5.如權利要求4所述的電機組件，其中，所述汽車是混合動力電動汽車，所述電機是電動發(fā)電機和牽引電動機中的一個。
【文檔編號】H02K5/20GK103560609SQ201310415384
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2010年5月12日 優(yōu)先權日:2009年5月19日
【發(fā)明者】威廉·保羅·伯金斯 申請人:福特全球技術公司