CN102575563B - 带有电动机的混合动力型风扇驱动器 - Google Patents

Abstract

用于车辆发动机的多种热管理系统，这些系统包括多种混合动力型风扇驱动器，而这些混合动力型风扇驱动器具有多个粘性离合器和电动机，具体是无刷直流电机(BLDC)。一个实施方案将一种皮带轮驱动的、电控粘性离合器机构与一个内转子BLDC电机合并在一起。另一个实施方案包括一个安装在发动机曲轴上的电控粘性离合器机构，该粘性离合器机构带有一个束缚的电动机，具体是一个BLDC电机。一个进一步的实施方案是一个安装在发动机气缸体上的电控粘性离合器机构，该电控粘性离合器机构带有一个整合的外转子BLDC电机。

Description

带有电动机的混合动力型风扇驱动器

技术领域

本发明涉及混合动力型驱动器，具体地是带有一个粘性离合器机构和一个电动机的风扇驱动器。

背景技术

随着国家强制的燃油经济性和排放法规的不断地收紧，车辆生产商越发迫于压力而去寻找提高燃油经济性并且使内燃发动机的排放物降到最低的新技术。处于新型排放与燃油经济性技术前沿的是车辆动力传动系的电气化。对于传统上被直接与发动机速度相关联的动力传动系部件而言，电气化实现了多种复杂的控制选择。此外，混合动力化正引入新的燃料节省技术，例如起动/停止技术。

这些动力传动系技术的变化具有对于先进的热管理系统的一种要求。发动机与变速器的摩擦、前端辅助驱动器(FEAD)的损失、发动机的预热、停机时的热浸、发动机的燃烧效率、发动机的可靠性、座舱的舒适度、电池的效率、电马达(eMotor)的效率、转换器的效率以及许多其他参数都直接或间接地受到发动机和动力传动系的热管理的影响。而且，电气化使得能够适配复杂的控制系统，在该控制系统中各个动力传动系部件具体地相对于热管理可以是单独控制的。

这些热管理系统可以在其中起作用的领域之一涉及用于驱动冷却风扇的系统。冷却风扇久已被用于车辆发动机系统中，以便使空气穿过一个散热器从而使得发动机的冷却剂保持在一个可接受的温度极限内。用于这些风扇的驱动器对于发动机而言是一个附件，并且利用来自发动机的动力，因而影响发动机及车辆的动力和汽油里程比率。

本发明的一个目的是提供一种改进的风扇驱动系统，这种风扇驱动系统是在现有风扇驱动系统上具体相对于提高燃油经济性并且降低不希望的排放物的一种改进。本发明的又一目标是提供一种混合动力型风扇驱动系统，这种混合动力型风扇驱动系统允许以电动和机械方式来运行风扇。

发明内容

本发明的优选实施方案包括多种混合动力型风扇驱动系统，这些混合动力型风扇驱动系统都具有机械控制和电子控制。这些风扇驱动器优选地使用一个电控粘性离合器机构用于可变地控制该机械式风扇的速度。该电驱动器优选地由一个电动机来运转，具体是一个无刷直流(BLDC)电机。本发明的一个实施方案将一种皮带轮驱动的、电控粘性离合器机构与一个内转子BLDC电机合并在一起。本发明的一个第二实施方案包括一个安装在发动机曲轴上的电控粘性离合器机构，该电控粘性离合器机构带有一个束缚的BLDC电机。本发明的一个第三实施方案包括一个安装在发动机气缸体上的电控粘性离合器机构，该离合器机构具有一个整合的外转子BLDC电机。

当通过附图以及所附权利要求来考虑时，本发明的其他益处、特征和优点将从本发明的以下说明中变得清楚。

附图说明

图1展示了本发明的一个实施方案，该实施方案带有一个BLDC电机的皮带轮驱动的粘性离合器机构。

图2展示了本发明的一个实施方案，该实施方案带有一个BLDC电机的一个安装在曲轴上的粘性离合器机构。

图3展示了本发明一个实施方案，该实施方案带有一个外转子的BLDC电机的一个皮带轮驱动的粘性离合器机构。

具体实施方式

出于促进和理解本发明的原理的目的，现在将参见在图中所展示的这些实施方案并且将使用特定的语言对它们进行说明。尽管如此，应理解在此并不旨在限制本发明的范围。本发明包括在所展示的装置和所说明的方法中以及本发明的原理的进一步应用中的任何替代方案以及其他修改，这些将是在本发明所涉及的领域中的人员或者普通技术人员通常会想到的。

本发明总体上涉及用于对发动机和车辆的热进行管理方面的混合动力型风扇驱动系统。这些风扇驱动系统主要被用于使得车辆发动机(尤其是内燃发动机)内冷却剂的温度维持在某些的范围内。本发明的优选实施方案包括与电驱动的风扇驱动系统组合的机械驱动的风扇驱动系统。

虽然下面说明了本发明的三个不同的实施方案，但是本发明并不受限于这三个实施方案。当回顾这些实施方案，在本领域的技术人员的技术范围内利用一个离合器构件以及一个电动机(尤其一个BLDC电机)的混合动力型风扇驱动系统的其他实施方案都包括在本发明的范围内。

在图1中示出了本发明的一个第一实施方案，并且总体上由参考号10表示。这个实施方案包括带有一个整合的无刷直流(BLDC)电机的一个皮带轮驱动的电粘性离合器。系统10被用于驱动一个冷却风扇12。系统10包括一个粘性离合器14和一个BLDC电机16，它们二者都被附接到一个安装支架或壳体20上或者它们都被包括这个安装支架或壳体中。粘性离合器14被定位在一个粘性离合器壳体22中。壳体22被附接到一个皮带轮构件24上，该皮带轮构件被适配成附接到一个蛇形附件皮带构件上，该蛇形附件皮带构件典型地被定位在车辆发动机的前面。皮带轮构件24和粘性离合器壳体22是通过轴承26而附接到处于静止的这个壳体或支架构件20上。壳体或支架构件20典型地被附接到车辆发动机的前面。

粘性离合器壳体22以及皮带轮构件24以皮带轮的输入速度转动。风扇构件12被安装在纵向轴构件30上，该纵向轴构件通过一对轴承32和34被安装在该支架或者壳体20上。当启动了该粘性离合器时，该离合器将以所希望的速度来驱动这个风扇构件12，这个所希望的速度是将该发动机内的冷却剂维持在一个适当的温度范围内所需要的速度。一个单向轴承40是围绕轴构件30定位的并且被用于允许该粘性离合器仅在一个方向上转动。

电动机16被连接到环绕这个轴构件30的一个单向轴承42上。该电动机包括一个定子构件44和一个转子构件45。该电动机可以是任何类型的电动机，例如步进电机或者其他电动机，不过优选的是一个无刷直流(BLDC)电机。

单向轴承40和42可以是任何类型的常规单向轴承，例如楔块式支撑或滚子型轴承。

该粘性离合器构件(通常称作电粘性(eViscous)离合器)可以是目前已知的电子粘性离合器的任何一种。例如，这些粘性离合器机构可以是美国专利号7,083,032、7,178,656或7,249,644中示出的那些。

到该粘性离合器和电动机的电力是由电源52提供的。该离合器和电机的运行是由车辆的电控件54来控制的。多个传感器56对该电控件提供输入。这些传感器典型地输入发动机内冷却剂的温度。电控件54将电信号发送至电动机58以便控制电动机的运行，并且将电信号发送至螺线管59，该螺线管控制该粘性离合器的运行。

如所表明的，多个单向离合器/轴承被用于将该BLDC转子和该粘性离合器转子连接到主轴30上，该风扇安装在该主轴上。这使得在电驱动时一个风扇轴能够超速运行该粘性离合器转子，并且同样地在机械驱动时超速运行该BLDC转子。

这种粘性离合器偶联优选是常用于车辆冷却风扇的一种连接，在这种冷却风扇中扭矩是通过在一个相互交错的迷宫区域内的粘性流体的剪切而从该输入构件传递到该输出构件上的。离合器接合的量是通过对粘性流体在剪切区域内的量进行调节来电控制的。电流体调节是通过在已知的粘性风扇驱动器中目前所采用的任何方法之一来实现，不过优选的是使用一种可变流体摩擦给送泵技术来控制。

一个优选的可变流体摩擦给送泵系统，使用一种皮托类型的流体泵以将流体从该储存器移动至该迷宫区域。这些在例如美国专利号7,178,656和7,249,644中进行了说明。泵送的流体量是通过调节该旋转的储存器与该皮托管50之间的差动速度来控制的，这进而控制了在该皮托泵前面的流体的速度压力。在该储存器与该泵之间的这个差动速度是通过一个整合的涡流制动装置来电控制的。这种泵设计还提供了一种比常规电粘性控制方法更加稳定的开环控制。这使得该装置能够实现比常规电粘性风扇驱动器更好的风扇速度控制性能。

图2展示了根据本发明的一个混合动力型风扇驱动系统的一个第二实施方案。这个实施方案包括安装在发动机曲轴上的、带有一个束缚的BLDC电机的一个电控粘性离合器机构，并且总体上是通过图2中的参考号60来表示的。这个实施方案类似于以上参照图1所讨论实施方案之处在于，该实施方案具有两种基本的驱动模式，其中第一种驱动模式是使用一种电控的粘性流体偶联来实现的一种机械驱动，而第二种驱动模式是通过一个电动机，具体是一个BLDC电机的一种直接电驱动。这两个实施方案的主要区别在于图2中所示的实施方案60是配置用于曲轴安装的应用。

再者，就像以上在图1中说明的实施方案，图2中所示的实施方案60包括一个粘性驱动机构62和一个电动机机构64，它们二者都是安装在一个附接到发动机曲轴上的中心轴66上。一个冷却风扇(未示出)被安装在前面(即在图2中所示的实施方案的左侧)以便对散热器中的冷却剂进行冷却。

粘性离合器机构62具有一个转子构件70、一个粘性流体储存器72、以及一个差动速度可变流体摩擦皮托泵74。粘性离合器转子构件70通过单向轴承76被安装在中心轴66上。电动机定子92和转子93被定位在一个转子架或支撑件94中。类似地，电动机64被安装在静止壳体78上。另外的常规轴承构件82和84被用于将整个机构安装在安装构件或者支架66上。滚针轴承95和96被用于辅助允许这些部件相对于彼此转动。

这些单向轴承以及电功率供给装置和控制系统优选是与以上通过参照图1而披露的那些相同。

在这个实施方案中，轴构件66被直接附接到该发动机的曲轴上或者一个发动机驱动皮带轮上。在这种机械驱动模式中，来自输入轴的扭矩通过单向轴承76被传递到该粘性离合器盘上，并且随后通过一种粘性流体在迷宫区域中的剪切而传递到输出轴88。该风扇被直接安装到如上所述的输出壳体上。

对于粘性离合器的可变速度控制是通过控制流体在迷宫区域内的量来实现的。这在当今已知的粘性离合器中是常见的。给送泵速率是通过电子地改变流体储存器与给送泵皮托管74之间的差动速度来控制的。

图2中所示的实施方案还包括一个滞后制动器90(hysteresis break)，用于控制该流体储存器与该给送泵皮托管之间的差动速度。该皮托管围绕轴承89转动。一个线圈91被用于增添对皮托管的拖曳。该滞后制动器使用该线圈来产生一个磁场，这个磁场在多个有齿的槽缝中集中，一个被附接到给送泵皮托管上的拖曳杯从这些有齿的槽缝中穿过。随着该托杯的旋转，这些磁极在该杯中引发涡流，这就产生了反对这种转动的磁场从而产生一个与施加到该线圈上的电流成比例的拖曳扭矩。在没有功率的情况下，转子70以风扇速度旋转。在功率被加给滞后制动器90中的线圈后，它就对该皮托管以及该皮托管与该风扇之间的差动速度添加拖曳。这允许流体被泵送到皮托管进入该工作室中。

电机壳体78被束缚98到发动机上，这样它不以一种类似于大多数电控粘性风扇驱动器的方式来旋转。这种束缚98是与，例如，一个橡胶垫圈构件99相顺应的。当该装置在电驱动模式下运行时，该电动机(优选地一个BLDC电机)转动转子92，然后该转子将扭矩传递通过单向轴承80到该离合器壳体上。

用于控制该给送泵的差动速度的滞后制动器90不要求永磁体。这使得该系统对于制造而言较不昂贵。

由于该流体储存器以及该粘性离合器被附接到输出构件上，因此在低的风扇速度下可能没有足够的差动速度可供使用来将流体泵送通过这个给送泵并且接合该驱动器。在这种情况下，该BLDC电机被用于旋转该输出壳体上至一个速度，在该速度下该给送泵能够有效地运行。

在这种电驱动模式过程中，束缚98反作用该风扇的扭矩。该束缚还可以被用于将电力线携带到该BLDC电机、该给送泵的制动器线圈、以及这些传感器。

在图3中示出了本发明的一个第三实施方案，并且总体上通过参考号100来表示。这个实施方案是带有一个整合的外转子BLDC电机的一个安装在发动机气缸体上的电控粘性离合器机构。

这个系统100包括一个静止的安装支架102、一个外转子BLDC电机104、一个粘性离合器机构106以及一个中心轴构件108。一个风扇适配器构件110被安装到轴构件108的末端上。该粘性离合器机构包括一个壳体120和一个内转子122。该转子通过一个单向轴承124而附接到轴构件108上。该粘性离合器还具有一个差动速度皮托泵130。外壳体140具有一个合并在其中的皮带轮构件142用于附接到用于该发动机的蛇形驱动皮带构件上。一个“杯状”壳体构件150定位为环绕该外部BLDC转子和电机。BLDC转子160被定位在转子承载杯150内。构件160还具有一个定子，该定子由一个空气间隙与该转子分隔开的。

这个第三实施方案还包括一个连带有滞后线圈172的滞后制动器170。常规的轴承构件114和116被用于将这些部件安装在中心轴构件108上。滚针轴承180、182也被用于支撑该轴以及该皮带轮。这些单向轴承、电源以及电控件优选是类似于以上对应图1和图2所讨论的这些实施方案。

与以上讨论的前两个实施方案类似，图3中示出的实施方案具有两种特殊的运行模式。在这种机械运行模式下，该皮带轮构件是通过前端辅助驱动器(FEAD)来驱动的，并且将扭矩传递到该粘性离合器壳体上。然后，该扭矩通过该迷宫区域中的粘性剪切而被选择性地传递到该离合器上。该离合器扭矩被传递通过一个单向轴承到该输出轴上。以与上述关于图2所示的实施方案所说明的相同的方式，该粘性离合器的可变速度控制是通过该皮托泵以及滞后制动器来实现的。在一种电动运行模式中，该外转子BLDC电机将扭矩直接传递到该输出轴上。

该转子承载杯是由一种非磁性材料(例如不锈钢)制成的，从而使得该线圈产生的磁通量被引导通过该滞后制动器孔、通过该转子承载杯以使该磁回路完整。

在图3所示的实施方案的一个替代实施方案，这种滞后制动器被取消并且该给送泵皮托管通过一个单向轴承而直接附接到该转子承载杯上。该BLDC电机被用于提供产生差动速度所要求的制动扭矩，而这种差动速度是该给送泵调节这种对于粘性离合器的流体填充所需要的。这种替代还要求在控制器中增添高功率制动阻滞器。

虽然已经通过优选实施方案对本发明进行了说明，但是还应理解的是本发明不是如此限制的，因为在此可以作出多种改变和修改，而这些改变和修改都在通过以下权利要求所详细阐述的本发明的整个范围内。

Claims (7)

1.一种混合动力型风扇驱动系统，包括：

一个风扇构件；

一个粘性离合器机构，用于以一个预定的速度来转动所述风扇构件，以便为一个车辆发动机的冷却剂提供冷却；

一个电动机，用于转动所述风扇构件；以及

控制机构，用于选择性地运行所述粘性离合器构件和所述电动机来转动所述风扇构件，

其中，所述风扇构件为车辆冷却风扇，在所述车辆冷却风扇中扭矩是通过在一个相互交错的迷宫区域内的粘性流体的剪切而从输入构件传递到输出构件上的，所述粘性离合器机构是具有一个皮托管构件的电粘性离合器机构，所述皮托管构件是通过一个单向轴承安装到该电动机的转子上的。

2.如权利要求1所述的混合动力型风扇驱动系统，其中所述电动机是一个无刷直流电动机。

3.如权利要求1所述的混合动力型风扇驱动系统，其中所述粘性离合器机构是通过一个皮带轮构件由一个车辆发动机来直接驱动的，并且所述电动机具有一个内转子。

4.如权利要求1所述的混合动力型风扇驱动系统，其中所述粘性离合器机构是一个安装在发动机曲轴上的受电控的机构，并且所述电动机是一个束缚的无刷电动机。

5.如权利要求1所述的混合动力型风扇驱动系统，其中所述粘性离合器机构被安装在一个车辆发动机气缸体上，并且所述电动机具有一个整合的外转子。

6.如权利要求1所述的混合动力型风扇驱动系统，进一步包括一个滞后制动器。

7.如权利要求1所述的混合动力型风扇驱动系统，其中所述电动机是带有一个转子和定子的一个无刷直流电机，并且所述转子被用于控制该皮托管构件。