CN102934335A - 电机冷却系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了电机模块和用于冷却电机的方法。所述电机模块包括电机和包封所述电机的壳体，其中所述电机包括具有定子端匝的定子。所述壳体的内壁限定机腔。所述电机模块还包括联接到所述壳体上且径向向内延伸到所述机腔内的盖。所述盖和所述定子端匝限定与所述机腔流体连通的定子腔。

Description

电机冷却系统及方法

背景技术

混合动力车辆由于混合动力的改进的燃料经济性和减少的排放而向车辆驾驶者提供了从事环保意识行为的机会。混合动力车辆将常规的内燃发动机与机电传动相结合。设置在机电传动内的电马达提供能量以推进车辆，减小对内燃发动机所提供的能量的需求，从而提高燃料经济性且减小排放。

就任意电机而言，混合动力传动的电马达以热形式排放一些能量。热从电马达中的有效去除能够提高电机的寿命且改进电机的运行效率。

发明内容

本发明的一些实施例提供了能够通过冷却剂冷却的电机模块。所述电机模块能够包括电机和包封所述电机的壳体，其中所述电机包括具有定子端匝的定子。所述壳体的内壁能够限定机腔。所述电机模块还能够包括联接到所述壳体上且径向向内延伸到所述机腔内的盖。所述盖和所述定子端匝能够限定与所述机腔流体连通的定子腔。

在一些实施例中，所述电机模块能够包括电机，所述电机包括转子和具有定子端匝的定子。所述电机模块还能够包括包封所述电机的壳体。所述壳体的内壁能够限定机腔。所述电机模块还能够包括联接到所述壳体上且径向向内延伸到所述机腔内的盖、以及可操作地联接到所述转子上且沿着所述定子端匝的轴向长度的至少一部分基本向外延伸的搅拌器环。所述盖、所述搅拌器环和所述定子端匝能够限定定子腔，所述定子腔与所述机腔流体连通。

本发明的一些实施例提供了用于冷却电机的方法。所述方法能够包括设置包括转子和定子的电机，所述转子具有大致相对的端面，所述定子基本包围所述转子且包括定子端匝。所述方法还能够包括将所述电机的至少一部分基本包封在壳体内且利用所述壳体的内壁限定机腔的至少一部分。所述方法还能够包括设置联接到所述壳体上且径向向内延伸到所述机腔内的盖，将冷却剂引入所述机腔内，并且使用所述盖使所述冷却剂集中到所述定子端匝附近以冷却所述定子端匝。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的电机模块的截面图。

图2是根据本发明的一个实施例的具有搅拌器构件的电机的局部截面图。

图3是根据本发明的一个实施例的电机模块的另一截面图。

图4是图2的电机的一部分的立体图。

图5是图2的电机的一部分的局部立体图。

图6是图2的电机的截面图。

图7A是根据本发明的另一实施例的电机模块的截面图。

图7B是根据本发明的又一实施例的电机模块的截面图。

具体实施方式

在详细解释本发明的任意实施例之前，应当理解的是，本发明并非在其应用方面限制于在以下描述中阐释或在以下附图中图示的构造的细节和部件的布置。本发明能够为其他实施例并且能够以多种方式实施或执行。而且，应当理解的是，本文所用的措辞和术语是为了描述的目的并且不应该视为限制。“包括”、“包含”、或“具有”、及其变型在本文的使用意为包括在其后所列的物件及其等同以及另外的物件。除非另外规定或限制，术语“安装”、“连接”、“支承”和“联接”及其变型被宽广地使用并且包括直接和间接的安装、连接、支承和联接。另外，“连接”和“联接”并非限于物理的或机械的连接件或联接件。

以下讨论被提供以使本领域的技术人员能够制造和使用本发明的实施例。图示实施例的各种修改对于本领域的技术人员而言将是显而易见的，并且本文的一般原理能够被应用到其他实施例和应用中而不偏离于本发明的实施例。因此，本发明的实施例并非旨在受限于所示实施例，而是应当被赋予与本文所公开的原理和特征相一致的最宽范围。以下详细描述应当参照附图进行阅读，在不同附图中的相似元件具有相同的附图标记。并非必然按比例绘制的附图描绘了选取实施例而非旨在限制本发明的实施例的范围。技术人员将认识到，本文所提供的示例具有落在本发明的实施例的范围内的很多有用的替代。

图1图示了根据本发明的一个实施例的电机模块10。电机模块10能够包括电机12和壳体14。电机12能够设置在至少部分地由壳体14的内壁18限定的机腔16内。电机12能够包括转子20、基本包围转子20的定子22、定子端匝24、和轴承26，并且能够绕主输出轴28设置。在一些实施例中，电机12也能够包括转子毂30或能够具有“无毂”设计（未示出）。

电机12能够为（但不限于）电马达例如混合动力电马达、发电机、或车辆交流发电机。在一个实施例中，电机12能够为感应带式交流发电机起动器（BAS）。在另一实施例中，电机12能够为用于在混合动力车辆中使用的高电压发夹式（High Voltage Hairpin,HVH）电马达。

电机12的部件（例如但不限于定子端匝24、转子20和转子毂30）能够在电机12的操作期间产生热。这些部件能够被冷却以增强电机12的性能且增加电机12的寿命。

如图1中所示，转子20能够包括大致相对端面32、34。平衡环36能够在靠近大致相对端面32、34的位置联接到转子20和/或转子毂30上。在一些实施例中，平衡环36能够使用螺纹、多个螺纹紧固件、摩擦配合、焊接或其它常规联接方式联接到转子毂30上，使得平衡环36能够在电马达12的运行期间与转子20和转子毂30基本同步地旋转。另外，平衡环36能够“桩定”（stake）到位于转子毂30的内径上的凸缘35上，并且如图3中所示，平衡环36的一部分能够被热压到转子20的叠片上（例如，用于轴向支承）。另外的部件（例如钢嵌件）也能够用来帮助将平衡环36绕凸缘35夹持到转子毂30上。平衡环36能够从转子毂30轴向延伸到机腔16内且能够在电机12的运行期间向转子20和转子毂30提供稳定性。在一个实施例中，平衡环36包括铸铝。

在其他实施例（例如包括无毂设计的那些）中，如图2中所示，平衡环36能够靠近大致相对端面32、34地联接到转子20上。平衡环36能够使用螺纹、多个螺纹紧固件、摩擦配合、焊接或其它常规联接方式联接到转子20上，使得平衡环36能够在电马达12的运行期间与转子20基本同步地旋转。平衡环36能够在电机12的运行期间向转子20提供稳定性。在无毂设计或包括转子毂30的实施例中，平衡环36由于其能够在电机的运行期间与转子20一起旋转的事实而能够可操作地联接到转子20上（例如，通过直接联接或经由转子毂30相联）。

在一些实施例中，搅拌器构件38能够为靠近大致相对端面32、34地联接到转子20、转子毂30和/或平衡环36上的环形构件。更具体地，搅拌器构件38的至少一部分能够联接到转子20、转子毂30和/或平衡环36上，使得搅拌器构件38在电机12运行时与转子20和转子毂30同步旋转。搅拌器构件38能够使用螺纹、一个或多个螺纹紧固件、摩擦配合、焊接或其它常规联接方式联接到转子20、转子毂30和/或平衡环36上。在一个实施例中，搅拌器构件38能够桩定到位于转子毂20的内径上的凸缘（未示出）上，而另外的轴向支承能够通过将搅拌器构件34的一部分热压到包围转子20的叠片中而提供。在另一实施例中，搅拌器构件38能够在转子的制造期间铸造为转子20的一部分，使得搅拌器构件38和转子20成一体。在又一实施例中，搅拌器构件38能够与平衡环36成一体。搅拌器构件38能够轴向远离转子20和/或转子毂30延伸到机腔16内。

在一些实施例中，搅拌器构件38能够利用或不利用平衡环36联接到转子20和/或转子毂30上。如果设有平衡环36，则搅拌器构件38的轴向长度能够基本等于或长于平衡环36的轴向长度。例如，在一个实施例中，搅拌器构件38的至少一部分能够轴向延伸经过平衡环36（即，轴向远离转子20）。另外，搅拌器构件38能够沿着定子端匝24的轴向长度的至少一部分基本平行于定子端匝24延伸。在一些实施例中，搅拌器构件38能够尽可能远地绕定子端匝24基本轴向向外延伸。在其他实施例中，搅拌器构件38的轴向长度能够短于或长于定子端匝24的轴向长度。

在无毂设计或包括转子毂30的实施例中，搅拌器构件38由于其能够在电机的运行期间与转子20一起旋转的事实而能够可操作地联接到转子20上（即，通过直接联接或经由转子毂30或平衡环36相联）。

在一些实施例中，如上所述，搅拌器构件38和平衡环36能够为一体式结构。在其他实施例中，平衡环36和搅拌器构件38能够包括两个或更多个独立部件。平衡环36和搅拌器构件38能够由铝、钢、不锈钢或其他类似材料制造。在一些实施例中，搅拌器构件38能够定向为使得其基本平行于转子20的旋转轴线40延伸。在其他实施例中，搅拌器构件38能够定向为相对于转子的旋转轴线40的正方向或负方向。

另外，搅拌器构件38能够包括径向远端表面42和径向近端表面44。径向远端表面42和径向近端表面44的径向位置均能够变化。例如，径向远端表面42能够具有比转子20短的半径（例如，如图4中所示，通过长度“x”），或者能够具有与转子20的半径相等的半径（如图2中所示）。在一些实施例中，径向远端表面42能够具有比转子20的半径短的半径，以提供在定子端匝24的底侧与搅拌器构件38之间的明显径向分离。

在一些实施例中，如图4中所示，多个支柱46能够向搅拌器构件38提供支承。多个支柱46能够在搅拌器构件38中铸造或以其他方式形成，使得支柱46和搅拌器构件38为整体式本体。

在一些实施例中，壳体14的至少一部分能够包括多个冷却剂孔48。冷却剂孔48能够与例如机腔16和基本绕电机12设置（例如，位于壳体14的内壁内或沿着壳体14的外侧或内侧，从而基本包围定子22的外径）的冷却剂套50流体连通。冷却剂例如传动流体、乙二醇、乙二醇/水的混合物、水、油或类似物质能够源自流体源（未示出），流过冷却剂套50，并且能够穿过冷却剂孔48分散到机腔16内。

在一个实施例中，如图2中所示，冷却剂孔48能够设置为使得冷却剂能够分散到定子端匝24内。在抵达定子端匝24之后，冷却剂能够从定子端匝24接收热能，这能够导致电机12的冷却。冷却剂中的一些能够分散经过定子端匝24或者例如从定子端匝24飞溅或滴落到搅拌器构件38的径向远端表面42上。另外，与定子端匝24相接触的一些冷却剂能够继续朝向径向远端表面42流动。当冷却剂抵达径向远端表面42时，冷却剂由于搅拌器构件38与转子20的同步旋转而能够基本径向弹回到定子端匝24上。使冷却剂朝向定子端匝24径向弹射的过程能够用来使冷却剂循环，并且由此使冷却剂的冷却潜力最大化。

在一些实施例中，使用搅拌器构件38使冷却剂朝向定子端匝24径向弹回的过程由于冷却剂能够多次抵达定子端匝24以提供另外的冷却而能够被视为“多次通过”冷却方法。常规的电机使用“单次通过”冷却方法，其中冷却剂仅仅抵达定子端匝24一次且随后远离电机12排放而没有进一步冷却的益处。另外，单次通过方法仅仅容许冷却剂抵达定子端匝24的径向外表面，而多次通过方法容许冷却剂朝向定子端匝24的径向内表面弹回。由此，多次通过冷却方法既容许冷却剂抵达定子端匝24的径向外表面也抵达定子端匝24的径向内表面，并且由此提供了增强的冷却。

在一个实施例中，如图4、图5和图6中所示，径向远端表面42能够包括纹理表面52。纹理表面52能够具有不同的纹理，例如扇形、罗纹、隆起等。在一些实施例中，纹理表面52能够形状不对称以增加弹射冷却剂的力。在另一实施例中，径向远端表面42能够缺少纹理且能够包括基本平坦或平滑的表面。

当与常规的平衡环进行比较时，包括纹理表面52或基本平坦表面的搅拌器构件38由于其提供了接收冷却剂的更大表面区域而能够增强冷却剂的径向弹射。而且，由于搅拌器构件34能够与转子20和/或转子毂30同步旋转，因此离心力能够迫使冷却剂远离搅拌器构件38，使得冷却剂能够分散到定子端匝24上。在一个实施例中，在纹理表面52上的纹理的数量和形状能够选取为提供所需的冷却量而不会使冷却剂以能够可能侵蚀定子端匝24的速度弹射。另外，当与常规的平衡环进行比较时，搅拌器构件38还能够增大机腔16内的空气循环，并且由此增强电机冷却，这是由于其更大质量（相对于单独的平衡环的）能够在冷却剂构件38运动时使更多的空气移位。在一个实施例中，纹理表面52能够定形为类似泵或风机叶片以有助于增加空气循环和/或增大冷却剂的径向弹射。

在一些实施例中，搅拌器构件38能够包括多个搅拌器通道54。如图2和图5中所示，搅拌器通道54能够径向延伸穿过搅拌器构件38。多个搅拌通道54能够延伸穿过搅拌器构件38的任意所需的径向长度，例如搅拌器构件34的整个长度或搅拌器构件38的整个长度的一部分。搅拌器通道54能够设置在沿着搅拌器构件38的轴向长度的几乎任意距离处（例如，更靠近转子20、沿着轴向长度的中央、或更远离转子20）。例如，如图5中所示，多个搅拌器通道54能够设置为轴向远离转子20。多个搅拌器通道54中的每一个的位置能够为沿着搅拌器构件38对称或不对称的（即，并非每个搅拌器通道可以设置在沿着搅拌器构件38的轴向长度的相同距离处）。

另外，任意数量的搅拌器通道54能够被包括在搅拌器构件38中，或附接到搅拌器构件38上。在一些实施例中，如图5中所示，多个搅拌通道54中的每一个能够形状为圆形的。在其他实施例中，搅拌器通道54能够具有相似或不同的形状，包括圆形、方形、矩形、椭圆形和/或其他形状。而且，多个搅拌器通道54能够包括相似或不同的半径或直径。如下述，搅拌器通道54能够为足够的尺寸以容许冷却剂的一部分穿过搅拌器通道54。搅拌器通道54能够定尺寸为且设置为使得冷却剂的抵达搅拌器构件38的另一部分能够继续朝向定子端匝24基本径向弹射。

在一些实施例中，另外的冷却剂体积也能够在转子毂30附近（例如从转子毂30的基部或从主输出轴28中）排放。在转子毂30附近排出的冷却剂能够朝向壳体12径向向外流动（例如，由于离心力）。冷却剂的一部分能够抵达搅拌器构件38的径向近端表面44，并且搅拌器通道54能够提供用于冷却剂在径向近端表面与径向远端表面之间流动的的通路。更具体地，径向向外流动到搅拌器构件38上的冷却剂50能够流过冷却剂通道54，使得其抵达径向远端表面42且朝向定子端匝24基本径向弹射，或者至少集中在定子端匝24附近。另外的冷却剂体积能够进一步辅助冷却电机12，包括定子端匝24。

图7A和图7B图示了根据本发明的另一实施例的电机模块10。如图7A中所示，盖56能够联接到内壁18上且至少部分地包围定子端匝24，使得定子端匝24中的每一个和盖56限定绕定子端匝24的定子腔58。定子腔58能够与机腔16流体连通。盖56还能够基本包围定子22。例如，图7A图示了完全包围定子22且部分包围定子端匝24的盖（例如，作为一体式定子壳体环和盖组件）。在一些实施例中，另外的帽（未示出）能够将盖56包封在壳体14内。在其他实施例中，盖56能够为壳体14的一部分（例如，在定子22的任意端部上从内壁18延伸以部分地包围定子端匝24）。

盖56能够从内壁18延伸所需的径向距离，并且在一些实施例中，如图7A和图7B中所示，能够径向向内折回。盖56也能够设置在距壳体14的所需轴向距离处。所需距离能够沿着电机12的径向部分或沿着电机12的周缘为一致或变化的，并且由此，定子腔58的尺寸能够沿着径向部分为一致或变化的。另外，在一些实施例中，定子腔58可以不绕定子端匝24的整个360度延伸（即，定子端匝24的一些径向部分未由盖56包围）。

盖56能够包括塑料、铝、钢、聚合物材料或类似材料。在一些实施例中，取决于冷却剂和制成盖56的材料的介电性能或者取决于其在电机模块10内的径向位置，定子腔58的尺寸能够变化。在一个实施例中，如图3中所示，定子腔58的尺寸能够通过以高介电强度材料（例如环氧树脂材料60）涂布盖56的最靠近定子端匝24的区域而减小。在另一实施例中，电机模块10的上部分能够包括比电机模块10的下部分明显大的定子腔58。

在一些实施例中，盖56能够通过压配合、摩擦配合、螺纹紧固件或类似联接方式联接到内壁18上。另外，盖56能够包括一个或多个零件，其中盖56的一些零件与内壁18成一体，而盖的其他零件联接到内壁18上。定子腔58能够从冷却剂套50和冷却剂孔48（类似于图2中所示的那些）、或者通过盖56的冷却剂孔61从在盖56与内壁18之间形成的冷却剂套59接收冷却剂。冷却剂套59能够从如图6-图7B中所示的与流体源流体连通的供给端口62接收冷却剂。在冷却剂流入定子腔58内之后，盖56能够有助于将流动的冷却剂集中在定子腔52内，使得冷却剂能够保持与定子端匝24相接触或保持在定子端匝24附近一个延长的时间段以有助于传递更多的热能。冷却剂最后能够离开定子腔58朝向机腔16分散。当与常规的冷却系统进行比较时，由于盖56能够防止冷却剂中的至少一些快速远离定子端匝24分散且能够有助于将冷却剂集中到辐射热能的定子端匝24附近，盖56能够极大地增强定子端匝24的冷却。

在一个实施例中，如图7B中所示，定子腔58能够由盖56和定子端匝24以及搅拌器构件38限定。如上述，定子腔58能够与机腔16流体连通。当冷却剂进入定子腔58内时，冷却剂能够流动到定子端匝24上且由于盖56的存在而能够集中到定子腔58内。另外，当冷却剂朝向搅拌器构件38流动时，其能够朝向定子端匝24和盖56径向弹回，其中冷却剂能够再次变为绕定子端匝24集中。盖56与搅拌器构件38的组合能够通过在定子端匝24附近且绕定子端匝24施加和再循环冷却剂而协同地提高冷却效率。

由于定子腔58在一些实施例中能够与机腔16流体连通，因此冷却剂中的一些能够流入机腔16内，而冷却剂的大部分能够保持在定子腔58内。在一些实施例中，另外的冷却能够使用从转子毂30附近排出的另外体积的冷却剂实现。另外体积的冷却剂能够穿过多个搅拌器通道52中的一些且朝向定子腔58径向向外流动，使得其能够被施加和再施加到定子端匝24上。另外的冷却剂流动由于冷却剂的交换和冷却剂在定子端匝24附近的冷却剂反复循环而能够导致更有效的热能传递。

在流动经过电机部件之后，冷却剂能够蓄积在壳体12的底部部分处或附近（例如，通过在盖56的外侧或穿过盖56的排放端口64在机腔16中的流动）。排放部（未示出）能够设置在底部部分处或附近以容许将蓄积的冷却剂从壳体12中移除。排放部能够联接到可将热能从所排放的冷却剂中移除的元件（例如散热器或其他合适的热交换器）上，使得其能够循环回到流体源。

应当由本领域的技术人员理解的是，尽管已经在上面结合具体的实施例和示例描述了本发明，但是本发明并非必然地如此限制，并且旨在由所附权利要求包括各种其他实施例、示例、使用、修改以及与该实施例、示例和使用的偏离。本文所引述的每个专利和公布的全部公开内容通过参引的方式并入本文，正如每个该专利或公布通过参引的方式单独地并入本文一样。在下面的权利要求中阐释了本发明的各种特征和优点。

Claims (20)

1.一种能够通过冷却剂冷却的电机模块，所述电机模块包括：

电机，所述电机包括具有定子端匝的定子；

壳体，所述壳体包封所述电机，所述壳体的内壁限定机腔；以及

盖，所述盖联接到所述壳体上且径向向内延伸到所述机腔内，所述盖和所述定子端匝限定定子腔，所述定子腔与所述机腔流体连通。

2.如权利要求1所述的电机模块，其中，所述盖延伸到所述机腔内，使得当冷却剂分散到所述机腔内时，所述盖有助于将所述冷却剂的至少一部分基本绕所述定子端匝集中到所述定子腔内。

3.如权利要求1所述的电机模块，其中，所述盖至少部分地包围所述定子端匝。

4.如权利要求1所述的电机模块，其中，所述盖完全包围所述定子。

5.如权利要求1所述的电机模块，其中，所述盖轴向向内延伸为至少部分地包围所述定子端匝。

6.如权利要求1所述的电机模块，其中，所述盖设置在远离所述壳体的轴向端部的轴向距离处，其中，所述轴向距离沿着所述壳体的周缘变化。

7.如权利要求1所述的电机模块，其中，所述盖包括塑料、铝、钢和聚合物材料中的至少一种。

8.如权利要求1所述的电机模块，还包括填充到所述定子端匝与所述盖之间的所述定子腔的至少一部分内的环氧树脂材料。

9.一种能够通过冷却剂冷却的电机模块，所述电机模块包括：

电机，所述电机包括转子和具有定子端匝的定子；

壳体，所述壳体包封所述电机，所述壳体的内壁限定机腔；

盖，所述盖联接到所述壳体上且径向向内延伸到所述机腔内；以及

搅拌器环，所述搅拌器环可操作地联接到所述转子上且沿着所述定子端匝的轴向长度的至少一部分基本向外延伸；

所述盖、所述搅拌器环和所述定子端匝限定定子腔，所述定子腔与所述机腔流体连通。

10.如权利要求9所述的电机模块，其中，所述电机还包括转子毂，并且所述搅拌器构件通过所述转子毂联接到所述转子上。

11.如权利要求9所述的电机模块，其中，所述搅拌器构件包括径向远端表面和径向近端表面，所述径向远端表面包括纹理表面。

12.如权利要求9所述的电机模块，其中，所述搅拌器构件的轴向长度为小于、大于或大约等于定子端匝的轴向长度中的一种。

13.如权利要求9所述的电机模块，还包括基本包围所述电机的冷却剂套以及与所述冷却剂套和所述机腔流体连通的冷却剂孔。

14.一种用于冷却电机的方法，包括：

设置电机，所述电机包括：

具有大致相对的端面的转子；和

基本包围所述转子且包括定子端匝的定子；

将所述电机的至少一部分基本包封在壳体内；

利用所述壳体的内壁限定机腔的至少一部分；

设置联接到所述壳体上且径向向内延伸到所述机腔内的盖；

将冷却剂引入所述机腔内；以及

使用所述盖将冷却剂集中到所述定子端匝的附近以冷却所述定子端匝。

15.如权利要求14所述的方法，还包括使用在所述大致相对端面附近可操作地联接到所述转子上的旋转搅拌器构件使冷却剂的流经所述定子端匝的一部分返回到所述定子端匝以用于冷却。

16.如权利要求15所述的方法，其中，使用所述盖和所述旋转搅拌器构件将所述冷却剂集中到所述定子端匝附近。

17.如权利要求14所述的方法，其中，经由与所述壳体的冷却剂套流体连通的冷却剂孔将冷却剂从径向经过所述定子端匝的位置引入所述机腔内。

18.如权利要求17所述的方法，还包括设置所述冷却剂孔以将冷却剂朝向所述定子端匝引导。

19.如权利要求15所述的方法，其中，将冷却剂从所述定子端匝的径向向内的位置引入所述机腔内，使得冷却剂朝向所述定子端匝径向向外分散。

20.如权利要求19所述的方法，还包括设置穿过所述搅拌器环的搅拌器通道以将冷却剂朝向所述定子端匝引导。

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