電機熱管理的製作方法

2023-05-26 05:28:46

本公開涉及用於電氣化車輛的電機的熱管理系統。

背景技術：

用於電氣化車輛(例如,電池電動車輛(「bev」)和插電式混合動力車輛(「phev」))的延長行駛裡程的技術正在不斷提高。然而，相比於之前的bev和phev，獲得這些增加的裡程通常需要牽引電池和電機具有更高的電力輸出，並且需要相關的熱管理系統具有增加的容量。

技術實現要素：

一種用於車輛的系統包括變速器殼體和電機，電機包括設置在變速器殼體中的定子芯，使得變速器殼體和定子芯限定圍繞定子芯的主體的通道，所述通道被構造為使加壓的變速器冷卻劑循環並且允許冷卻劑滲入到變速器殼體和定子芯之間的間隙中以利用冷卻劑包圍定子芯，所述間隙由變速器殼體和定子芯的表面粗糙度產生。

一種用於車輛的冷卻劑循環系統包括變速器殼體，變速器殼體具有內表面，所述內表面限定用於接納定子芯的腔並且限定通道，所述通道被構造為使加壓的變速器冷卻劑圍繞定子芯的一部分循環，並允許冷卻劑滲入到所述內表面和定子芯之間的間隙中，以利用冷卻劑包圍定子芯。

根據本公開的一個實施例，所述變速器殼體還限定被構造為允許冷卻劑進入所述通道的多個入口和被構造為允許冷卻劑流出所述通道的出口。

根據本公開的一個實施例，所述定子芯限定用於將定子芯安裝到所述變速器殼體的多個安裝點，其中，所述多個入口被設置為靠近所述多個安裝點或徑向地設置在所述多個安裝點之間。

根據本公開的一個實施例，所述入口中的至少一個還被構造為選擇性地限制冷卻劑進入所述通道並影響利用冷卻劑對定子芯的包圍。

根據本公開的一個實施例，所述出口限定排出口，使得當車輛處於水平坡度時朝向並通過所述出口的冷卻劑的位移基本上無需克服重力。

根據本公開的一個實施例，所述定子芯和變速器殼體還包括在前表面周圍施加並且被構造為將包圍定子芯的冷卻劑引向所述出口的密封材料。

根據本公開的一個實施例，所述通道被構造為使冷卻劑圍繞定子芯的與所述內表面熱連通的一部分的中心循環，並允許成比例地分配包圍定子芯的冷卻劑。

根據本公開的一個實施例，所述通道的橫截面限定三角形、梯形、矩形或圓角矩形。

根據本公開的一個實施例，所述系統還包括被構造為保持所述冷卻劑的循環的變速器冷卻劑泵。

一種用於車輛的系統包括泵，所述泵被構造為使冷卻劑循環通過通道網絡。所述通道網絡中的至少一個是由變速器殼體的內表面和定子芯的外表面限定的通道。所述通道允許冷卻劑滲入到所述內表面和定子芯之間的間隙中以利用冷卻劑包圍定子芯，所述間隙由所述內表面和定子芯的粗糙度的差異產生。

根據本公開的一個實施例，所述變速器殼體限定被構造為使包圍定子芯的冷卻劑排出的出口，使得當車輛處於水平坡度時朝向並通過所述出口的冷卻劑的位移基本上無需克服重力。

附圖說明

圖1是示出電氣化車輛的示例的框圖；

圖2是電機和殼體的示例的透視圖；

圖3是用於諸如圖2的電機的電機的殼體的透視圖；

圖4a是圖2的電機的一部分的側視截面圖；

圖4b是圖2的電機的一部分的詳細截面圖；

圖5是圖2的電機的一部分的側視截面圖；

圖6a至圖6f是圖2的電機和殼體的一部分的透視圖；

圖7是圖2的電機的一部分的主視截面圖；

圖8a至圖8b是圖2的電機的一部分的俯視圖；

圖9a至圖9c是圖2的電機的一部分的主視截面圖；

圖10是圖2的電機的一部分的主視圖。

具體實施方式

在此描述本公開的實施例。然而，應理解的是，所公開的實施例僅為示例，並且其它實施例可採用各種和替代的形式。附圖不必按比例繪製；可誇大或最小化一些特徵以示出特定部件的細節。因此，在此公開的具體結構和功能細節不應被解釋為限制，而僅為用於教導本領域技術人員以多種形式採用本發明的代表性基礎。如本領域的普通技術人員將理解的，參考任一附圖示出和描述的各種特徵可與一個或更多個其它附圖中示出的特徵進行組合以產生未明確示出或描述的實施例。示出的特徵的組合為典型應用提供代表性實施例。然而，與本公開的教導一致的特徵的各種組合和變型可被期望用於特定應用或實施方式。

圖1描繪了phev的示例的示意圖，在此稱為車輛12。車輛12可包括機械地連接至混合動力變速器16的一個或更多個電機14。電機14能夠作為馬達或發電機運轉。此外，混合動力變速器16可機械地連接至發動機18。混合動力變速器16還可機械地連接至驅動軸20，驅動軸20機械地連接至車輪22。電機14能在發動機18開啟或關閉時提供推進和減速能力。電機14還可用作發電機，並且可通過回收在摩擦制動系統中通常作為熱損失掉的能量來提供燃料經濟效益。由於混合動力電動車輛12在特定狀況下可以以電動模式或混合動力模式運轉以降低車輛12的整體燃料消耗，因此，電機14還可提供減少的汙染物排放。

牽引電池或電池組24儲存並提供可被電機14使用的能量。牽引電池24可從牽引電池24中的一個或更多個電池單元陣列(有時稱為電池單元堆)提供高電壓dc輸出。電池單元陣列可包括一個或更多個電池單元。牽引電池24可通過一個或更多個接觸器(未示出)電連接至一個或更多個電力電子模塊26。一個或更多個接觸器可在打開時將牽引電池24與其它組件隔離，並且在閉合時將牽引電池24連接到其它組件。電力電子模塊26還可電連接至電機14，並提供在牽引電池24和電機14之間雙向傳輸電能的能力。例如，牽引電池24可提供dc電壓，而電機14可需要三相ac電壓來運轉。電力電子模塊26可將dc電壓轉換為電機14需要的三相ac電壓。在再生模式下，電力電子模塊26可將來自用作發電機的電機14的三相ac電壓轉換為牽引電池24所需要的dc電壓。這裡的部分描述同樣適用於純電動車輛。對於純電動車輛，混合動力變速器16可以是連接至電機14的齒輪箱，並且發動機18可以不存在。

除了提供用於推進的能量之外，牽引電池24還可為其它車輛電力系統提供能量。dc/dc轉換器模塊28可將牽引電池24的高電壓dc輸出轉換成與其它車輛負載兼容的低電壓dc供應。其它高電壓負載(諸如，壓縮機和電加熱器)可以在不使用dc/dc轉換器模塊28的情況下直接連接至高電壓。低電壓系統可電連接至輔助電池30(例如，12v電池)。

電池電氣控制模塊(becm)33可與牽引電池24通信。becm33可用作牽引電池24的控制器並且還可包括管理每個電池單元的溫度和荷電狀態的電子監控系統。牽引電池24可具有溫度傳感器31，諸如熱敏電阻或其它溫度計。溫度傳感器31可與becm33通信以提供關於牽引電池24的溫度數據。溫度傳感器31也可位於牽引電池24內的電池單元上或位於牽引電池24內的電池單元附近。也可考慮使用多於一個的溫度傳感器31來監測電池單元的溫度。

車輛12可以是(例如)包括用於phev、fhev、mhev或bev的組件的電氣化車輛。牽引電池24可由外部電源36進行再充電。外部電源36可以連接到電源插座。外部電源36可電連接至電動車輛供電設備(evse)38。evse38可提供用於調節和管理電源36與車輛12之間的電能傳輸的電路和控制。外部電源36可向evse38提供dc或ac電力。evse38可具有充電連接器40，充電連接器40插入車輛12的充電埠34。充電埠34可以是被配置為從evse38向車輛12傳輸電力的任意類型的埠。充電埠34可被電連接至充電器或車載電力轉換模塊32。電力轉換模塊32可對從evse38供應的電力進行調節，以向牽引電池24提供合適的電壓水平和電流水平。電力轉換模塊32可與evse38進行接口連接，以協調至車輛12的電力傳輸。evse連接器40可具有與充電埠34的相應凹入匹配的插腳。

所討論的各種組件可具有一個或更多個相關聯的控制器，以控制和監控組件的操作。所述控制器可通過串行總線(例如控制器區域網(can))或通過離散導體進行通信。

電機的熱管理可將冷卻劑、油或其它物質引入到電機的一部分用於冷卻。在一個示例中，冷卻劑或油可被滴到或噴射到電機的線端繞組。在另一個示例中，空冷式熱管理組件可輔助管理電機的熱狀態。在這樣的示例中，可將風扇或鼓風機置於端部繞組附近以推動空氣到端部繞組，從而達到冷卻的目的。

圖2示出了電氣化車輛的電機的示例，在此統稱為電機42。電機42可包括定子芯44和轉子46。電氣化車輛可包括兩個電機。一個電機可主要用作馬達，另一個電機可主要用作發電機。馬達可操作為將電力轉換為機械動力，發電機可操作為將機械動力轉換為電力。定子芯44可限定外表面48、內表面50和腔52。轉子46具有可以放置在腔52內並在腔52內運轉的尺寸。軸(未示出)可以可操作地連接到轉子46以驅動轉子46旋轉。

繞組54可設置在定子芯44的腔52內。在電機馬達的示例中，電流可被供應至繞組54以獲得轉子46上的旋轉力。在電機發電機的示例中，通過轉子46的旋轉在繞組54中產生的電流可被移除以向車輛部件供電。繞組54的一部分(在此稱為端部繞組56)可從腔52突出。在電機42運轉期間，熱會沿著繞組54和端部繞組56產生。

電機42可設置在由殼體58限定的腔59內，使得殼體58的內表面68和定子芯44的外表面48限定包圍定子芯44的主體並被構造為使加壓的冷卻劑循環的通道。殼體58包括多個凹入57a至57c，多個凹入57a至57c被構造為接納由定子芯44限定並被構造為將定子芯44安裝到殼體58的多個安裝點78a至78c。殼體58限定前表面75a和對應的後表面(未示出)，其中，前表面和後表面中的每個被構造為與定子芯44的前表面73a和後表面73b中的一個對齊。在一個示例中，沿著殼體58的前表面75a和定子芯44的前表面73a兩者的至少一部分施加密封劑和/或沿著殼體58的後表面和定子芯44的後表面73b兩者的至少一部分施加密封劑可在殼體58的內表面68和定子芯44的外表面48之間限定空間。

圖3示出了被構造為保持車輛部件的殼體58的示例。可被保持在殼體58內的車輛部件的示例包括電機42或車輛變速器。蓋60可被固定到殼體58。蓋60可以與定子芯44布置在一起使得蓋60限定用於接納從定子芯44延伸的端部繞組56的腔。例如，由蓋60限定的腔可以具有這樣的尺寸，該尺寸使得從定子芯44伸出的端部繞組56可設置在該腔中。

殼體58和蓋60可進一步包括設置在其中用於循環加壓的冷卻劑的通道和通路的網絡。在一個示例中，冷卻劑可以是液體，諸如變速器油。冷卻劑可以從電機42的一部分或更多部分去除(例如)當電流在導體中循環時產生的熱。圖4a中所示的是設置在殼體58和蓋60中的通道62。通道62可使加壓的冷卻劑循環以輔助電機42的熱管理。冷卻劑可在入口64處進入殼體58並循環通過蓋60，然後在出口(未示出)處離開。在出口處離開系統的冷卻劑的溫度可高於冷卻劑通過入口64時的溫度。在一個示例中，離開電機42的一部分的冷卻劑的溫度可通過使冷卻劑通過熱交換器(未示出)而降低。然後，變速器冷卻劑泵(未示出)可再次輸送冷卻劑通過電機42的一部分，重複熱管理的過程。

冷卻劑可通過接觸電機42的一部分(例如，通過經由孔口66滴在端部繞組56上)來去除熱。端部繞組56還可利用來自轉子46的離心衝擊冷卻或噴射冷卻而被冷卻。與繞組54熱接觸的定子芯44可因此(諸如通過與被引入到電機42的相鄰部分的冷卻劑接觸)被間接冷卻。圖4b示出了定子芯44的設置為鄰近殼體58的內表面68的外表面48。在一個示例中，定子芯44可以容許使用預定的間隙配合(例如，滑動配合)裝配在殼體58內。

如圖4b所示，定子芯44的外表面48和殼體58的內表面68可以限定間隙70。在一個示例中，間隙70由定子芯44的外表面48和殼體58的內表面68的表面粗糙度的差異來限定。降低外表面48和內表面68之間的接觸熱阻可改善定子芯44的熱管理。例如，在間隙70內引入加壓的冷卻劑可使從定子芯44去除的熱的量增加。在另一個示例中，間隙70可適應冷卻劑滲到其上，使得冷卻劑可包圍定子芯44。如將參照圖5進一步詳細描述的，殼體58的內表面68可進一步限定用於將冷卻劑供應到定子芯44的外表面48的通道。

圖5示出了殼體58和電機42的一部分的側視截面圖。殼體58的內表面68可在其中限定用於將加壓的冷卻劑供應到定子芯44的外表面48的通道72。殼體58可限定通道72，使得當定子芯44放置在殼體58內時，通道72外接於定子芯44的主體的外表面48。殼體58可以進一步限定通道72，使得通道72沿著限定定子芯44的主體的外表面48的圓周的至少一部分延伸。加壓的冷卻劑可以通過例如由通道62限定的通道入口74進入通道72。在通道72中循環的加壓的冷卻劑與定子芯44的外表面48熱連通。還可設想用於限定通道入口74和通道72的其它構造。在一個示例中，通道72可允許冷卻劑滲入到間隙70中，使得冷卻劑包圍定子芯44。

圖6a至圖6f示出了殼體58和定子芯44的一部分的透視圖。通道72可根據多個幾何形狀中的一個限定橫截面，這些幾何形狀例如但不限於如圖6b、6c和6f中的相對寬度和深度變化的矩形、如圖6d中的三角形、如圖6e中的梯形等等。通道72的橫截面的幾何形狀可以被構造為適應預定的壓力、速度和熱傳遞閾值。此外，如圖6a所示，通道72可以是徑直的，例如，通道72的路徑不側向地改變方向。

圖7示出了電機42和殼體58的一部分的主視截面圖。冷卻劑可以利用由殼體58限定的一個或更多個通道入口74進入通道72。在一個示例中，殼體58可限定一個或更多個通道入口74a至74c。如將參照圖9a至9c進一步詳細討論的，殼體58可相對於定子芯44的一個或更多個安裝點限定一個或更多個通道入口74。

在通道72中循環的加壓的冷卻劑與定子芯44的外表面48熱連通，並且從定子芯44去除例如由於電流在電機42的一部分中循環而產生的熱。冷卻劑可利用由殼體58限定的通道出口76離開通道72。在一個示例中，通道出口76可以被設置在殼體58和蓋60中的通道和通路的網絡(例如，通道62)共享。在另一個示例中，通道出口76限定排出口，使得當車輛處於水平坡度時朝向並通過出口的冷卻劑的位移基本上不受重力的阻力。

參考圖8a至8b，示出了電機42的一部分的俯視圖。如圖8a中的虛線所示，冷卻劑可利用由殼體58限定的一個或更多個通道入口74進入通道72。在通道72中循環的冷卻劑與定子芯44的外表面48熱連通並且從定子芯44去除例如由於電機42的一部分內的電流的循環而產生的熱。冷卻劑可沿著定子芯44的外表面48離開通道72。

在一個示例中，如圖8a中的虛線箭頭所示，冷卻劑可以經由間隙70(由定子芯44的外表面48和殼體58的內表面68之間的表面粗糙度的差異來限定)離開通道72。通道72可允許冷卻劑滲入到間隙70中，使得冷卻劑包圍定子芯44。在另一示例中，分別與殼體58的前表面75a和後表面對齊定子芯44的前表面73a和後表面73b可被密封以將通道72中的加壓的冷卻劑和/或間隙70中的加壓的冷卻劑基本上朝向通道出口76引導。

圖8b中示出了電機42的一部分的示例性構造，其中，沿著分別與殼體58的前表面75a和後表面對齊的定子芯44的前表面73a和後表面73b沒有密封劑，從而冷卻劑可沿著定子芯44的外表面48離開通道72。在一個示例中，如圖8b中的虛線箭頭所示，冷卻劑可經由間隙70(由定子芯44的外表面48和殼體58的內表面68之間的表面粗糙度的差異來限定)離開通道72。通道72可允許冷卻劑滲入到間隙70中，使得冷卻劑包圍定子芯44。如參照圖10進一步詳細解釋的，冷卻劑可以沿著與殼體58的前表面75a和後表面對齊的定子芯44的前表面73a和後表面73b的至少一部分離開。

如參照圖7所述的，在通道72中循環的冷卻劑與定子芯44的外表面48熱接觸，並從定子芯44去除熱(包括通過包圍定子芯44)。因此，離開系統(例如，通過間隙70滲出)的冷卻劑的溫度可高於加壓的冷卻劑通過一個或更多個通道入口74時的溫度。在一個示例中，沿著定子芯44的外表面48離開通道72(例如通過間隙70滲出)的加壓的冷卻劑的溫度可通過使冷卻劑通過熱交換器而降低。然後變速器冷卻劑泵可再次將冷卻劑送回到通道72，重複熱管理過程。

上面概述的熱管理策略考慮了通道、通道入口、通道出口和其它部件的不同的尺寸、位置和/或幾何構造，以滿足製造、生產、設計或其他要求、性能規範或標準。該策略還考慮調節冷卻劑流量、壓力和其它特性以實現期望的系統操作。

圖9a至9c中示出了電機42和殼體58的一部分的主視截面圖。殼體58可相對於定子芯44的一個或更多個安裝點78a至78c限定一個或更多個通道入口74a至74c。在一個示例中，如圖9a所示，殼體58可以將一個或更多個通道入口74a至74c限定為靠近多個安裝點78a至78c中的至少一個。在另一個示例中，如圖9b和9c所示，殼體58可限定如徑向地設置在多個安裝點78a至78c之間的一個或更多個通道入口74a、74d和74e以及如徑向地設置在多個安裝點78d至78g之間的一個或更多個通道入口74f至74j。還設想了一個或更多個通道入口74和多個安裝點78位置的相對布置的其他構造。

圖10中示出了電機42的一部分的正視圖，其中，沿著分別與殼體58的前表面75a和後表面對齊的定子芯44的前表面73a和後表面73b沒有密封劑。冷卻劑可以沿著間隙70並且沿著分別與殼體58的前表面75a和後表面對齊的定子芯44的前表面73a和後表面73b的至少一部分(例如，沿著一個或更多個路徑80)離開通道72。

說明書中所使用的詞語是描述性詞語而非限制性詞語，並且應理解的是，可在不脫離本公開的精神和範圍的情況下做出各種改變。如前所述，可將各個實施例的特徵進行組合以形成本發明的可能未被明確描述或示出的進一步的實施例。儘管各個實施例已經被描述為提供優點或在一個或更多個期望特性方面優於其它實施例或現有技術實施方式，但是本領域的普通技術人員應認識到，根據特定應用和實施方式，一個或更多個特徵或特性可被折衷以實現期望的整體系統屬性。這些屬性可包括但不限於成本、強度、耐用性、生命周期成本、市場性、外觀、包裝、尺寸、可維修性、重量、可製造性、易組裝性等。因此，被描述為在一個或更多個特性方面不如其它實施例或現有技術實現方式合意的實施例並非在本公開的範圍之外，並可被期望用於特定應用。