CN103069696A - 用于冷却混合动力电机的方法 - Google Patents

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Abstract

用于冷却电动机的系统和方法，该电动机包括限定叠片堆叠的多个叠片、冷却剂通道和电动机绕组。冷却剂泵送到冷却剂通道中，并且被迫使沿着叠片堆叠的整个长度运动。冷却剂之后喷洒到电动机绕组之上以冷却电动机绕组。

Description

用于冷却混合动力电机的方法
相关申请的陈述
本申请要求2010年7月1日提交的序列号为61/360,683的美国临时专利申请的优先权，此处通过引用包含了该申请的全部内容。
技术领域
本发明涉及用来冷却电动机的系统和方法，并且更确切地涉及用来冷却在混合动力汽车中使用的电动机的定子和定子绕组的系统和方法。
背景技术
电动机也称作E机器，在混合动力汽车中很常用。这些电动机中的许多包括在外部的固定定子内旋转的内部的转子。该定子通常由多个支撑着多个定子绕组的堆叠的叠片（即叠片堆叠）构成。
这些电动机在操作中产生相当大量的热。如果热量没有充分消散，电动机的性能和可靠性也许会削弱。早期系统结合有空气冷却技术，以便移除和消散来自电动机的热量。如果电动机的体积或尺寸较大，这些空气冷却设置大致上是可接受的。然而，E机器结合到小汽车、卡车或其它移动车辆中，使得它们的尺寸和重量成为重要的设计考虑。随着E机器变得更小和功率密度更高，它们变得很难仅通过空气来冷却。
这些设计考虑导致了液体冷却系统的发展。然而，这些冷却系统具有它们自身的不足。许多已知的液体冷却技术使用了要求在电机内或围绕其安装额外部件的复杂的系统。这样的设计导致了额外的制造成本和加工时间。更重要地是，这些复杂的系统还增加了E机器的总重量。对于混合动力汽车的情况而言，重量的增加通常导致整体车辆的动力和/或燃料效率的降低。
因此，在该领域中需要进行改进。
发明内容
本发明提供了一种改进的用于冷却电动机的系统和方法。
根据本公开的一个方面，电动机包括围绕轴线转动的转子和相对于转子径向间隔开的定子。定子包括多个堆叠的叠片。端部叠片置于叠片堆叠的每个端部处。每个叠片具有多个围绕其外周布置的开口。每个开口具有入口槽和冷却孔。相邻的堆叠叠片的入口槽重合以限定第一冷却剂通道。相邻的堆叠叠片的冷却孔重合以限定第二冷却剂通道。第一通道和第二通道延伸过叠片堆叠的整个长度。电动机壳体围绕定子布置，并且具有与入口流体连通的冷却剂管道。冷却剂管道构造和布置成提供冷却剂到第一和第二冷却剂通道。
在本公开的另一方面中，限定第二冷却剂通道的表面在端部叠片的方向上向内渐缩。在本公开的另一方面中，第二冷却剂通道的直径以台阶的形式减少。
在本公开的另一方面中，通过冷却剂管道提供给第一和第二冷却剂通道的冷却剂随着其靠近端部叠片而更大地受压。另外，端部叠片完全终结了第一冷却剂通道。端部叠片还包括置于第二冷却剂通道的端部处的开口。当冷却剂从冷却剂管道流过第一和第二通道且被迫使通过端部叠片的开口时，形成了冷却剂喷洒物。
本发明的其它形式、目的、特征、方面、益处、优势和实施方案从此处提供的详细的说明书和附图中显而易见。
附图说明
图1是使用了所公开的电动机冷却布置的一个实施方案的混合动力机电变速箱的示意性的局部剖视图；
图2是使用了所公开的电动机冷却布置的一个实施方案的混合动力机电变速箱的示意性剖视图；
图3是根据本发明的一个方面的电动机壳体的透视图；
图4是根据本公开的一个实施方案的单个叠片的端视图；
图5是根据本公开的一个实施方案的电动机冷却布置的横截面端视图；
图6是根据本公开的一个实施方案的电动机冷却布置的局部横截面端视图；
图7是沿着图6中的线A-A的电动机冷却布置的局部剖视图；
图8是根据本公开的一个实施方案的电动机冷却布置的一个端部的局部侧剖视图；
图9是根据本公开的另一实施方案的电动机冷却布置的一个端部的局部侧剖视图；
图10是根据本公开的一个实施方案的电动机冷却布置的局部横截面端视图；
图11是根据本发明的一个实施方案的电动机冷却布置的局部侧剖视图，其示出了冷却剂流动；
图12是根据本发明的一个实施方案的电动机冷却布置的局部侧剖视图，其示出了处于定子绕组之上的冷却剂喷洒物。
具体实施方式
出于更好地理解本发明原理的目的，现在将参照在附图中说明的实施方案，并且使用详细的语言来对其进行描述。然而需要理解的是，本发明的范围并不因此而受到限制。如同与本发明相关的领域的技术人员所通常想到的那样，可以构思出对在此描述的实施方案的任何修改和进一步的改进，以及对此处所描述的本发明原理的进一步应用。这里非常详细地显示了本发明的一个实施方案，然而对于本领域的技术人员来说很明显，为了简要起见，一些与本发明无关的特征也许不会显示出来。
本公开大致关于用于冷却电动机的定子叠片堆叠和定子绕组的改进的系统和方法。更确切地说，本公开的特定实施方案提供了一种冷却系统，其中冷却剂流经定子芯部并喷洒到定子绕组上，从而冷却这两者。
现在参照附图，图1显示了车辆变速箱的上半部。尽管因为对本公开来说并不重要而未提供附图标号，然而本领域的技术人员能理解，图1进一步显示了典型地围绕车辆变速箱布置的各种离合器、齿轮、扭振减振尼器等。与本讨论相关的是，电动机壳体38构造和布置成包围了电动机100。电动机100包括定子102和转子104。如所示，定子102包括定子绕组82。冷却剂通过入口42引入电动机壳体3 8。冷却剂管道40布置在电动机壳体38的上表面，并且与入口42流体连通。在所示的实施方案中，在电动机壳体3 8的敞开端通过螺栓92而栓接了壳体盖90，使得壳体盖90可被移除。在其它的实施方案中，壳体盖90通过其它的常规方式连接到电动机壳体38。壳体盖90还包括多个径向间隔开地围绕着盖90的安装扣94。安装扣94允许电动机壳体38和被封闭的电动机100能够容易地连接到合适的发动机部件，例如变速箱壳体。
如图2所示，电动机壳体38还可以包括排出口112。正如下面将要更详细地解释的那样，冷却剂通过入口42和冷却剂管道40提供到定子芯部。受压的冷却剂被迫使朝向定子102的两个端部运动，并且喷洒到定子绕组82上。自然地，重力会使冷却剂下流到电动机壳体3 8的底部。在所示的实施方案中，通过入口42引入到电动机壳体38中的累积的冷却剂100收集在壳体38的底部处，直到冷却剂的液位达到排出口112。排出口112的位置限定了所累积的冷却剂的量，并且因此可以取决于针对所期望应用的特定设计参数而布置在不同的位置。在另一个实施方案中，排出口置于电动机壳体的底部上，目的是让冷却剂立即从电动机壳体38排出。所排出的冷却剂可从此处引导到车辆的其它部件（例如离合器、齿轮、变速箱、驱动单元等），或者直接送到热交换器以进行冷却。
图3提供了电动机壳体38的单独的透视图。如前所述，冷却剂通过入口42引入到电动机壳体38中。冷却剂之后经冷却剂管道40输送到定子芯部中。如所示，冷却剂管道40布置在电动机壳体38的上表面。可以理解，冷却剂的量至少部分地由冷却剂管道40的长度限定。在所描述的实施方案中，冷却剂管道40仅向下延伸过电动机壳体38的一部分。在另一个实施方案中，冷却剂管道40完全围绕电动机壳体38延伸。
如上所述，电动机包括固定的定子。该定子由多个堆叠到一起的单个叠片制成。图4描述了根据本公开的一个实施方案的单个的叠片20。如所示，叠片20具有大致限定了后铁芯区22的围绕其外周的区域，并且叠片20的内侧部分大致限定了叠片芯部24。叠片20的后铁芯区22包括多个开口26。每个开口26包括入口槽28和冷却孔30。如所示，入口槽28提供了冷却孔30与叠片20之外的区域的连通。叠片芯部24的内侧部分包括多个绕组齿32，其限定了多个绕组槽34。定子绕组围绕着绕组槽34卷绕，并且由绕组齿32以常规方式支撑。
为了形成叠片堆叠，多个单个的叠片20堆叠并结合到一起。在一个实施方案中，叠片通过使用粘合剂或试剂彼此结合。在另一个实施方案中，单个的叠片通过机械连接件彼此结合或连接。
现在参照图5和6，叠片堆叠由电动机壳体38包围。如上面解释的，电动机壳体38包括限定了冷却剂管道40的凸起的部分。冷却剂管道40可以通过已知的技术形成到壳体38中，例如但不限于模塑或机加工。
冷却剂管道40与进入端口42处于连通的和流体式的连接。冷却剂管道40的尺寸使得限定了位于叠片20的后铁芯区22之上的冷却剂引导区域44。进入端口42提供了液体或流体冷却剂进入电动机壳体40、更具体地说是到冷却剂引导区域44的通道。冷却剂引导区域44为要被引导通过入口槽28并进入冷却剂孔30的冷却剂提供了空间。
在所示的实施方案中，冷却剂引导区域44处于冷却剂管道40的顶部120°部分处。然而，冷却剂管道40可以设计成覆盖叠片堆叠的更大的或更小的部分，这取决于具体应用。所示实施方案显示了处于叠片堆叠的中部的冷却剂管道40。然而，也可以构思出冷却剂管道40的位置取决于装配、制造和/或其它设计考虑而移动。
如可以从附图中理解的，冷却剂管道40相邻于定子芯部的仅一小部分地布置。因此，电动机壳体38的剩余部分的相邻于定子芯部的内表面限定了包封面46。包封面46与叠片20的后铁芯区22齐平地设置。
如所描述的，绝缘衬垫48覆盖在绕组齿32的内侧上。绝缘衬垫48可以由多种材料制成，例如但不限于或者任何这些或其它绝缘材料的层状组合。
图7是沿着图6中的线A-A的局部剖视图。如所示，当多个叠片20堆叠到一起时，形成了定子芯部50。多个叠片20的入口槽28对齐以形成入口槽通道52，并且冷却孔30对齐以形成冷却剂通路54。入口槽通道52和冷却剂通路54沿着定子芯部50的整个长度延伸。包封面46齐平地靠着或紧邻于入口槽通道52的顶部而布置。该布置使得冷却剂由入口槽通道52的溢出最小化。
图8显示了根据本公开的一个实施方案的本公开的电动机冷却布置的一个端部的剖视图。在该实施方案中，端部叠片56设置在定子芯部50的端部。端部叠片56完全终结了入口槽通道52，并且局部地覆盖了冷却剂通路54。每个叠片56具有开口58。在所示的实施方案中，开口58具有比冷却剂通路54更小的直径。在另一个实施方案中，端部叠片56的开口具有与冷却剂通路54相等的直径。
图9示出了根据另一个实施方案的本公开的电动机冷却布置的一个端部的剖视图。当多个单个的叠片21堆叠到一起时，形成了定子芯部60。入口槽28对齐以形成入口槽通道62。类似地，叠片21的冷却孔30对齐以形成冷却剂通路64。入口槽通道62和冷却剂通路64沿着定子芯部60的整个长度延伸。
在该实施方案中，每个外侧的叠片21的冷却孔30的直径减少。结果，限定了冷却剂通路64的表面在端部叠片66的方向上渐缩。在另一个实施方案中，冷却剂通路64的直径以阶梯的形式减少。例如，十个连续叠片的冷却孔30的直径可以相同。而后十个叠片相比先前的叠片可以具有直径略小的冷却孔30。这样，每组叠片相比内侧的相邻组将具有更小的冷却孔30的直径。
端部叠片66布置在定子芯部60的端部处。端部叠片66具有开口68。端部叠片66完全终结了入口槽通道62。在所示实施方案中，端部叠片66的开口68具有与冷却剂通路64的端部的直径相等的直径。在另一个实施方案中，端部叠片66具有直径小于冷却剂通路64的端部的直径的开口。
参照图10、11和12，现在将描述流入并经过叠片堆叠的冷却剂。随着冷却剂泵送经过进入端口42并到达冷却剂管道40中，冷却剂填充冷却剂管道40。冷却剂的流动大致由箭头72表示。根据所示的实施方案，处于压力下的冷却剂仅流动经过入口槽28，并且进入与冷却剂管道40流体连通的冷却孔30。在所示的实施方案中，冷却剂管道40位于叠片堆叠的中心的附近。
处于压力下的冷却剂之后通过入口槽通道62和冷却剂通路64被朝向定子芯部60的前端和后端引导。正如本领域技术人员可以理解的那样，冷却剂从叠片中吸收热量，并且在流经这些通道时协助定子芯部的总体冷却。
如上面所解释的且根据一个实施方案，每个外侧的叠片的冷却孔30的直径有所减少。相应地，限定冷却剂通路64的表面在端部叠片66的方向上渐缩。随着其靠近端部叠片66，冷却剂流体72因减少的冷却剂通路64的面积而变得越来越大地受压。类似地，入口槽通道64在端部叠片66处终结。结果，当冷却剂流体72经过端部叠片66的开口时，形成了冷却剂喷洒物80。冷却剂喷洒物80从定子绕组82中吸收热量。
在其它的实施方案中，端部叠片的开口可以用来促进形成冷却剂喷洒物80。参照图8所示的实施方案，冷却剂通路54的壁在向外的方向上并不渐减。而是端部叠片56的开口具有小于冷却剂通路54的直径的直径。该小开口将导致冷却剂在高压下离开端部叠片56，如同穿过喷嘴或孔口一样。这会迫使冷却剂喷洒到定子绕组上。
在一个实施方案中，冷却剂仅喷洒到顶部定子绕组82。在该情况中，重力将导致冷却剂向下流动而经过处于下部的定子绕组，从而也冷却定子绕组的剩余部分。
应当理解，在电动机100的操作中，定子102和定子绕组82产生相当大量的热。因此，这些部件应当被冷却以提升电动机100的性能和可靠性。还应当理解，冷却剂从叠片中吸收热量，并且当其流经由所公开的叠片堆叠提供的通道时协助定子芯部的整体冷却。另外，定子绕组82由冷却剂喷洒物80冷却。进一步地，处于电动机壳体38底部的定子绕组也由存储在电动机壳体38中的累积的冷却剂110来冷却。因为定子102和定子绕组82所产生的热量倾向于朝向电动机顶部升高，本公开的冷却系统和方法允许冷却剂被引入到热点所在之处。E机器被有效地且高效地冷却，从而提升了总体性能。
在所示的实施方案中，冷却孔30具有圆形的横截面。然而，可以构思出冷却孔30可形成为多种形状，例如但不限于圆形、椭圆形、正方形、长方形或三角形。
在一个实施方案中，叠片20和21由磁性材料、例如但不限于硅钢或粉末金属的片材冲成。
在本申请的上下文中，冷却剂理解为流体。流体可以是不同类型的油、能够吸收热量的非传导流体，或这些的任何组合。
虽然在附图和上面的说明书中已经详细说明和描述了本发明，然而其在特征上要理解为说明性的和非限制性的，需要理解，这里仅显示和描述了优选的实施方案，并且如下述权利要求所限定的所有符合本发明精神的变化、等效物和修改都是期望保护的。还应考虑，体现在实施例中的结构和特征可以相互间选择、重置、替换、删除、重复、组合和添加。用语“该”、“某个”和“一个”并不必然限制为仅指一个，而是包含性的和开放式的，使得可选地包括多个这样的部件。本说明书中所列举的所有的公开物、专利和专利申请通过引用包含于此，如同此处具体地和单个地指定要通过引用包含并将其整体提出的单个的公开物、专利或专利申请。

Claims (20)

1.一种电动机，包括：
限定了叠片堆叠的多个叠片；
电动机绕组；
位于叠片堆叠的一个端部处的端部叠片；以及
延伸过所述叠片堆叠的整个长度的第一冷却剂通道，所述第一冷却剂通道构造和布置成将冷却剂喷洒到电动机绕组上。
2.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于，限定了所述第一冷却剂通道的冷却孔在直径上从所述叠片堆叠的中心朝向所述端部叠片减少。
3.根据权利要求1或2所述的电动机，其特征在于，所述第一冷却剂通道的直径以台阶的形式从所述叠片堆叠的中心朝向所述端部叠片减少。
4.根据权利要求1、2或3所述的电动机，其特征在于，所述第一冷却剂通道的相邻于所述端部叠片的直径小于所述第一冷却剂通道的靠近所述叠片堆叠的中心的直径。
5.根据上述权利要求中任一项所述的电动机，其特征在于，所述叠片堆叠中的每个叠片具有多个围绕其外周布置的开口，每个开口限定了入口槽和冷却孔，所述叠片堆叠中的相邻叠片的冷却孔重合并限定了所述第一冷却剂通道，所述叠片堆叠中的相邻叠片的入口槽重合并限定了第二冷却剂通道。
6.根据权利要求5所述的电动机，其特征在于，所述第二冷却剂通道被所述端部叠片终结。
7.根据权利要求5或6所述的电动机，其特征在于，所述第一冷却剂通道的直径在整个叠片堆叠上是一致的。
8.根据权利要求5、6或7所述的电动机，其特征在于，所述端部叠片包括与所述第一冷却剂通道的端部相重合地布置的开孔。
9.根据权利要求8所述的电动机，其特征在于，所述端部叠片的开孔的直径小于相邻于所述端部叠片的冷却孔的直径。
10.根据上述权利要求中任一项所述的电动机，其特征在于，还包括：
围绕轴线转动的转子；
相对于所述转子径向间隔开的定子，所述定子包括所述叠片堆叠和端部叠片；
包围了所述定子的电动机壳体；
与所述电动机壳体处于流体式连通的入口，所述入口构造和布置成提供冷却剂到所述第二冷却剂通道。
11.根据权利要求10所述的电动机，其特征在于，所述电动机壳体包括与所述入口处于流体式连通的冷却剂管道。
12.根据权利要求11所述的电动机，其特征在于，所述冷却剂管道处于所述电动机壳体的中心。
13.一种方法，包括：
将冷却剂泵送到冷却剂通道中；
使冷却剂沿着由多个叠片限定的叠片堆叠的整个长度流动以冷却所述叠片堆叠；并且
用冷却剂喷洒电动机绕组以冷却所述电动机绕组。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括使冷却剂流过布置在处于所述叠片堆叠的轴向端部处的端部叠片上的喷嘴。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，还包括在包围所述叠片堆叠的电动机壳体的底部处累积冷却剂。
16.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使冷却剂朝向所述叠片堆叠的两个轴向端部流动。
17.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将冷却剂泵送到所述叠片堆叠的中心部分。
18.一种方法，包括：
将多个叠片堆叠起来以限定叠片堆叠，各所述叠片在其外周上具有开口；
使开口对齐，以限定延伸过所述叠片堆叠的整个长度的冷却剂通道；并且
将端部叠片布置在所述叠片堆叠的轴向端部处。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，进一步包括通过具有流体入口的壳体来包围所述叠片堆叠。
20.根据权利要求1 8或19所述的方法，其特征在于，进一步包括将电动机绕组布置成相邻于所述端部叠片。
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