CN115398784A - 用于对电动机进行油冷却的系统 - Google Patents

Abstract

披露了一种用于对电动机(10)进行冷却的系统，该系统包括：‑能够使冷却液体与电动机的主动部分接触的循环回路(20)，‑位于电动机外壳的下部部分中的主储器(21)，‑用于将冷却液体注入循环回路中的泵(22)，当泵停止时，外壳中冷却液体的液位(30)与转子的下部部分界接，用于控制泵的装置(100)适合于在冷却液体的温度低于给定阈值时使该泵保持停止，并且适合于在液体的温度一旦达到阈值就控制泵的启动，使得液体被主储器泵抽向副储器，从而降低外壳中冷却液体的液位。

Description

用于对电动机进行油冷却的系统

技术领域

本发明涉及用于对车辆的电动马达进行冷却的系统，更确切地，涉及用于对机动车辆中使用的电动机进行冷却和润滑的系统。

背景技术

电动机通常具有定子和转子，它们同轴地设置成一个在另一个的内部。转子由承载磁通量发生器(比如永磁体或绕组)的转子本体形成。此转子通常容置在定子内部，该定子承载绕组形式的磁通量发生器以产生磁场，使得可以驱动转子的与由转子的磁体或绕组产生的磁场相关联的旋转。

对电动机的绕组的冷却起着至关重要的作用，因为在电动机的性能损失中，焦耳损失占了很大一部分，这些焦耳损失与绕组的线的温度成比例。

用于通过在这些电动机的主动部分(尤其是它们的绕组)上循环油类型的冷却液体来对电动机进行冷却的系统是已知的。专利文件WO2018/206890因此披露了这样一种系统，该系统主要具有：油循环回路，该油循环回路能够使油经由使得可以将油喷洒到主动部分上的喷射器与电动机的主动部分接触；储器，该储器能够收集已经冷却了这些主动部分的油；泵，该泵使得可以将油从储器朝向循环回路重新注入；以及热交换器，该热交换器使得可以将油温保持在温度阈值以下。这种布置使得可以保证该电动机的旋转部件(动态密封件和滚动轴承)的润滑和该电动机的主动部分(转子和定子)的冷却两者，使得所述电动机不会过热。

这种冷却系统通常是繁重的，尤其是由于泵(该泵是电动泵而不是机械泵)的存在，这是由于在低速高扭矩需求下，将必须提供对该电动机的最大冷却。

此泵的尺寸是关于系统的要求来确定的。在密封的电动机的情况下，必须对密封件和滚动轴承进行连续润滑。换言之，为了润滑的目的，需要泵保持运行，以便始终确保最小的油流量，而不管状况如何，并且特别是不管油温如何。因此，当冷、在负油温范围内和低于某个阈值时，不需要冷却，并且由回路的泵确保的油的循环仅用于对该电动机的密封件和滚动轴承进行润滑。

然而，泵的尺寸确定取决于油粘度。这种粘度在负温度下非常高，并且从温度阈值起迅速降低以收敛到低粘度。当冷时，高的油粘度在回路中强加很大的压力，这就需要对泵有更大的扭矩需求，因此泵的大小过大，不利于成本。

另一个问题在于泵发出的噪声，特别是在马达低速下，例如在停车场中或在爬坡时的交通拥堵中的机动期间。在这些状况下，泵发出的噪声大于电动马达发出的噪声，并且这显然是不希望的。

此外，用于通过转子在其运行期间的飞溅润滑进行冷却的系统是已知的，其中通过转子在其旋转时推进的油来对该电动机的主动部分进行冷却以及对密封件和滚动轴承进行润滑。然而，在这种情况下，该电动机的旋转速度是限制该电动机的正常运行的因素。具体而言，从某个运行速度开始，旋转速度的增加会显著增加由于气隙中和转子的表面上的油引起的摩擦损失。换言之，此系统仅允许在马达旋转速度的除了降低该电动机的性能以外的相对有限的变化范围内的高效操作。

因此，需要一种用于对电动机、特别是电动或混合动力车辆的牵引电动机进行冷却的系统，该系统至少部分不受上述限制。

发明内容

为此，本发明涉及一种用于对电动机进行冷却的系统，该电动机具有转子和定子，该转子具有转轴，该定子固定到该电动机的外壳的内壁并围绕所述转子，该外壳包括至少一个轴承壳体，该轴承壳体通过滚动轴承接纳所述转轴的端部，所述系统包括：

-循环回路，该循环回路能够使冷却液体与电动机的主动部分接触，

-位于外壳的下部部分中的主储器，所述主储器能够容装该冷却液体，

-连接到所述主储器的泵，所述泵能够将所述冷却液体注入所述循环回路中，

所述系统的特征在于，在停机状态下，所述主储器中的液体的体积达到外壳中的与所述转子的下部部分界接的冷却液体的液位，所述循环回路通向位于外壳的上部部分中的副储器，所述系统包括控制装置，该控制装置用于至少根据冷却液体的温度来控制泵，所述控制装置被设计成：一方面，当冷却液体的温度低于给定阈值时保持泵处于停机状态，使得所述冷却液体通过转子的飞溅润滑被推进到外壳中并积聚在附接到外壳的在所述轴承壳体的侧面上的表面的接收部中，所述接收部能够将所述液体朝向所述轴承壳体引导以便对所述滚动轴承进行润滑和冷却；另一方面，冷却液体的温度一旦达到所述阈值，就命令泵启动，使得液体被泵从主储器吸入所述循环回路中并朝向所述副储器，从而降低外壳中冷却液体的液位。

因此，凭借这种布置，当冷却液体(典型地是油)的温度低于被设计成与油的粘度高的冷运行相对应的给定阈值、也就是说例如0℃的阈值时，仅通过转子的飞溅润滑来确保对转子和定子的冷却以及对该电动机的润滑，这使得可以在不使用泵的情况下将油推进到外壳中、特别是到被设计成将油朝向轴承壳体引导的接收部中。因此，所述泵的尺寸不需要确定成响应于油粘度方面的高要求，因为在需要润滑或冷却的冷运行阶段期间不使用该泵。因此可以降低泵的所需功率和所需的最大扭矩，该泵仅在涉及低的油粘度的、高于预定义的阈值的油温下使用。

因此，油温一旦达到预定义的阈值、主要是对于正温度，就命令泵启动，因此油在循环回路中被引导，这将确保副储器被填充，而外壳中的油位将同时下降，使得将限制转子的下部部分与油之间的接触，这种受限的接触特别有利于电动机针对高旋转速度的运行，因为引起了由于油引起的摩擦压力下降的显著减少。然后基本上通过油经由泵在循环回路中的循环来确保冷却和润滑，该循环回路被设置用于喷洒该电动机的主动部分。这种冷却模式不受马达的旋转速度的限制，与仅通过转子的飞溅润滑的冷却和润滑模式相比，这使得可以在不影响该电动机的性能的情况下增加该电动机的运行速度。

换言之，本发明的系统所允许的根据油温在其中泵处于停机状态、仅通过转子在油中的飞溅润滑的冷却和润滑模式与其中泵处于运行、基本上通过经由循环回路和副储器将油推进到该电动机的要冷却和润滑的部分上的冷却和润滑模式之间的选择有利地使得可以提供泵的最佳尺寸确定，同时增加该电动机的运行速度，而不影响该电动机的性能(主要是在正温度下)。

有利地，所述副储器具有至少一个排放口，该至少一个排放口设置在定子的周边处并且设置有能够将冷却液体喷洒到所述定子的纵向外表面的一部分上的可变流量喷嘴。

有利地，所述副储器具有位于彼此相对侧上的两个排放口或喷洒所述定子的中央周边部分的一个排放口。

有利地，所述循环回路具有设置在外壳中的可变流量喷嘴，以喷洒转子和所述轴承壳体的绕组悬垂部。

有利地，所述控制装置被设计成根据外壳中的油位来控制泵的流量。

有利地，所述控制装置被设计成根据该电动机的主动部分的温度来控制泵的流量。

有利地，所述控制装置被设计成根据该电动机的润滑要求来控制泵的流量。

有利地，所述控制装置被设计成当泵发出的噪声大于所述电动机发出的噪声时至少限制泵的速度，或者甚至使泵停止。

有利地，所述接收部被设计成接纳该接收部被设置在其上的轴承壳体的上部角部分，并通过穿过轴承壳体的该上部角部分的管与位于滚动轴承和动态密封件之间的空间连通，该动态密封件延伸了外壳壁，以在转轴的退出点处密封该电动机。

本发明还涉及一种电动或混合动力机动车辆，该电动或混合动力机动车辆包括牵引电动机和如上所述的用于对所述电动机进行冷却的冷却系统。

附图说明

本发明的进一步的特征和优点将从以下通过参考附图以完全非限制性的指示的方式给出的本发明的描述中变得清楚明显，在附图中：

[图1]示意性地示出了由根据本发明的冷却系统冷却的电动机的纵向截面；

[图2]示意性地示出了与泵相关联的控制装置的操作。

具体实施方式

根据图1中示出的本发明的实施例，根据本发明的冷却系统被设置用于对电动机10、特别是电动或混合动力车辆的牵引电动机进行冷却。此电动机10具有外壳11，在该外壳中固定有定子12，该定子主要由磁性叠片的堆叠体和插入叠片堆叠体的槽中的铜绕组构成。在定子12中容纳有转子13，根据本发明的此实施例，该转子由形成突出的磁极的磁性叠片堆叠体构成，铜绕组14缠绕在该突出的磁极周围。转子13安装在转轴15上，该转轴一方面固定到转子13，另一方面固定到电动机的外壳。转轴15的端部固持在滚动轴承16(尤其是球轴承)中，该滚动轴承安装在转轴上并且容纳在大体上圆柱形的轴承壳体17中，该轴承壳体形成在外壳11的竖直壁中。尤其地，球轴承16容纳在轴承壳体的圆柱形内部部分中。动态密封件18在球轴承16处气密地密封电动机的轴向端部。

根据本发明的冷却系统用于对电动机10的主动部分(这些主动部分是定子12和转子13)进行冷却以及用于对密封件和滚动轴承进行润滑和冷却。

为此，冷却系统尤其具有循环回路20，使得可以通过冷却液体(优选地为油)的推进来使此液体与电动机10的这些元件接触，油通过泵22从位于该电动机下方、在外壳的下部部分中的主储器21被注入循环回路20中。包括过滤器23和管道的系统将油从储器21引导至泵22，该泵本身被将泵送的油引导到热交换器24的管道连接，该热交换器旨在对从泵22接收的油进行冷却，然后该油被重新注入到循环回路20，使得可以将已经在热交换器24处冷却的油直接引导和推进到电动机的发热元件上。被如此推进的油回收了该电动机产生的热能，然后通过重力返回到储器21。

为此，循环回路在交换器24的出口处具有线路，所述线路将经冷却的油引导到位于电动机10的外壳底部上的入口25，该外壳底部形成电动机10的外壳11的竖直壁。此入口25将在交换器中冷却的油引导至通道26，该通道设置在外壳底部中并且一方面通向位于与电动机10的转轴15的滚动轴承16相对的喷嘴，另一方面通向位于转子的绕组悬垂部14a对面的喷嘴26a。这些喷嘴优选地是可变流量喷嘴。入口25还将在交换器中冷却的油引导到位于电动机的顶部处、外壳的上部部分中的副储器27的上部入口41和42。此副储器27在定子的周边处基本上在定子的整个长度上延伸。该副储器旨在被填充油，并且在其下部部分上具有中央排放口28，该中央排放口设置在定子的周边处并且设置有喷嘴、优选地可变流量喷嘴，使得可以将油喷洒到定子12的纵向外表面的中央部分上。在变型中，储器27可以包括设置在彼此相对侧上、优选地基本上在副储器27的相应纵向端部处的两个排放口。优选地，储器27具有附加的溢流出口43，用于防止对储器的完全填充。

来自设置成面向转子的绕组悬垂部14a和定子的周边的冷却喷嘴、已经冷却了定子和转子的油通过重力下降到油主储器21中。同时，来自设置成面向滚动轴承16的润滑喷嘴的油也通过重力下降到油储器中。润滑喷嘴的流量优选地被调节的方式为使得其低于冷却喷嘴的流量。

此外，根据本发明，主储器21中的液体的体积被适配成使得外壳中的油位在泵的停机状态下达到与转子下部部分界接的液位30。如图1所示，电动机10的下部部分中的油位30位于转子13的下部绕组处。因此，转子的下部部分浸在油中。

有利地，油温由安装在主储器21中的温度传感器31测量。

现在将给出对当传感器31测量的油温低于预定义的温度阈值时的第一冷却模式的描述，该第一冷却模式称为冷冷却模式。此阈值有利地使得可以定义下述温度，在这些温度处，油的粘度水平使得将对泵需要显著的扭矩需求以使油在回路中循环。例如，此阈值优选地设置成0℃，油的粘度在负温度下非常高。此外，为了避免必须因此确定泵的尺寸，当传感器31测量的油温低于预定义的温度阈值时，命令泵处于停机状态。由于外壳中的油位如图1所示处于液位30，使得转子的下部部分浸在油中，因此当该电动机运行时，因为联接到转轴的转子的旋转，油将通过转子的飞溅润滑而被推进到外壳中。更确切地，浸在油中的转子的旋转移动将油引导到转子的整个圆柱形表面上，这使得可以对转子的绕组进行冷却。此外，油被转子推进到定子的圆柱形内表面上，从而冷却了定子的绕组。被推进的油的一部分也积聚在接收部32中，该接收部附接到外壳的在轴承壳体17的侧面上的表面。此接收部被设置用于将如此回收的油朝向轴承壳体引导，以便对安装在该轴承壳体中的密封件和滚动轴承进行润滑和冷却。例如，接收部被夹持或拧到外壳的在轴承壳体的侧面上的表面。更确切地，接收部32被设计成接纳该接收部被设置在其上的轴承壳体的上部角部分，并通过穿过轴承壳体的此上部角部分的管与位于滚动轴承和动态密封件之间的空间连通，该动态密封件延伸了外壳壁，以便在转轴的退出点处密封该电动机。油因此高效地对球轴承和动态密封件进行润滑。还设置了切口，使得在动态密封件与球轴承之间流动的油不会完全填充密封壳体，而是可以倒到外壳的下部部分中。

因此，在这种冷冷却模式下，该电动机的主动部分仅被转子在其旋转时推进的油冷却，并且该电动机的滚动轴承也被转子在其运行期间推进的油润滑。油循环回路20的泵22在这种情况下处于停机状态，因此不用在油的粘度高的这种冷冷却模式，这由于所述泵所需的功率的减少而有利地使泵的较小尺寸确定成为可能，这意味着泵的成本降低，有利于由本发明的系统冷却的电动机的竞争力。

相比之下，油温一旦达到预定义的阈值、例如0℃(油的粘度从该预定义的阈值迅速收敛到低值)，就实施称为热冷却模式的第二冷却模式，在该第二冷却模式中，泵22被启动。因此，泵22的启动有利地由温度传感器31测量的油温控制。由于泵22被启用，因此油通过过滤器系统23和热交换器24在循环回路20中被引导，然后一方面被引导到设置在外壳底部中的通道26以喷洒转子和滚动轴承，另一方面被引导到位于外壳的上部部分中的副储器27，所述副储器被填充。

随着泵22的启动和副储器27的填充，外壳中的油位30将下降，直到油位达到图1中新的参考油位40，油与转子之间的接触因此受到限制。这有利地使得可以减少由于与转子接触和在气隙中的油产生的阻力扭矩引起的机械摩擦损失、特别是在该电动机的运行速度增加期间，从而提高该电动机在高于预定义的阈值的油温下的性能。特别地，由于将在大于所述阈值的油温下是正常运行的泵，因此可以在不降低性能的情况下将旋转速度增加到大于14000rpm、直至16000至20000rpm。

可以根据几个标准以优化的方式控制泵22。参考图2，描述了用于控制泵22的控制装置100。控制装置100尤其被设计成根据接收到的对油温T油的测量来命令泵的停机/启动，如上所述。泵控制装置100还被设计成根据该电动机的冷却要求来控制泵22的流量，该冷却要求根据该电动机的主动部分的温度并且考虑到油温进行定义。该电动机的主动部分的温度例如通过对转子的温度T转子的估计和通过对定子的温度T定子的测量来提供，所述测量通过安装在定子处的温度传感器33获得。

控制装置也可以被设计成根据外壳中的油位来控制泵的流量。在这方面，控制装置100被设置用于确保泵的最小流量，以便排空油主储器，以便获得适合于限制油-转子接触的油位。

控制装置还可以设计成根据该电动机的润滑要求来控制泵的流量，该润滑要求例如基于集成到控制装置中的映射Map来定义，使得可以保证泵出于润滑目的递送的最小流量。

在泵发出的噪声大于该电动机发出的噪声的情况下，控制装置100也可以设计成限制泵的速度，或者甚至使泵停止。为了客观地量化运行中的该电动机或泵发出的噪声，可以使用各种方法来评估噪声，例如通过分析所产生的声功率。在运行状况对该电动机强加润滑要求或冷却要求的情况下，如果泵停机或其速度被限制，该电动机通常处于达到其热极限的风险和/或密封件或滚动轴承处于劣化的风险。然而，在根据本发明的系统中，即使泵被停机或被限制使得其噪声低于该电动机的噪声，任何润滑缺陷或冷却缺陷也被有利地避免，因为于是油副储器将被排空以对该电动机进行冷却，使得外壳中的油位再次增加到图1所示的液位30，并且转子将浸在油中，以通过转子的飞溅润滑确保冷却的正确运行。

Claims (10)

1.一种用于对电动机(10)进行冷却的系统，该电动机具有转子(13)和定子(12)，该转子具有转轴(15)，该定子固定到该电动机的外壳(11)的内壁并围绕所述转子，该外壳(11)包括至少一个轴承壳体(17)，该至少一个轴承壳体通过滚动轴承(16)接纳所述转轴的端部，所述系统包括：

-循环回路(20)，该循环回路能够使冷却液体与该电动机的主动部分接触，

-位于所述外壳的下部部分中的主储器(21)，所述主储器能够容装该冷却液体，

-连接到所述主储器的泵(22)，所述泵能够将所述冷却液体注入所述循环回路中，

所述系统的特征在于，在停机状态下，所述主储器中的液体的体积达到该外壳中的与所述转子的下部部分界接的冷却液体的液位(30)，所述循环回路通向位于该外壳的上部部分中的副储器(27)，所述系统包括控制装置(100)，该控制装置用于至少根据该冷却液体的温度(T油)来控制该泵，所述控制装置被设计成：一方面，当该冷却液体的温度低于给定阈值时保持该泵(22)处于该停机状态，使得所述冷却液体通过该转子的飞溅润滑被推进到该外壳中并积聚在附接到该外壳的在所述轴承壳体的侧面上的表面的接收部(32)中，所述接收部能够将所述液体朝向所述轴承壳体引导以便对所述滚动轴承进行润滑和冷却；另一方面，该冷却液体的温度一旦达到所述阈值，就命令该泵(22)启动，使得该液体被该泵从该主储器吸入所述循环回路中并朝向该副储器，从而降低该外壳中冷却液体的液位。

2.如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述副储器(27)具有至少一个排放口(28，29)，该至少一个排放口设置在该定子的周边处并且设置有能够将冷却液体喷洒到所述定子的纵向外表面的一部分上的可变流量喷嘴。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述副储器具有位于彼此相对侧上的两个排放口或喷洒所述定子的中央周边部分的一个排放口。

4.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征在于，所述循环回路(20)具有设置在该外壳中以喷洒该转子的绕组悬垂部和所述轴承壳体的可变流量喷嘴。

5.如前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制装置(100)被设计成根据该外壳中的油位(30)来控制该泵(22)的流量。

6.如前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制装置(100)被设计成根据该电动机的主动部分的温度(T定子，T转子)来控制该泵(22)的流量。

7.如前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制装置(100)被设计成根据该电动机的润滑要求来控制该泵(22)的流量。

8.如前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制装置(100)被设计成当该泵发出的噪声大于所述电动机发出的噪声时至少限制该泵的速度，或者甚至使该泵停止。

9.如前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述接收部(32)被设计成接纳该接收部被设置在其上的该轴承壳体(17)的上部角部分，并通过穿过该轴承壳体的该上部角部分的管与位于滚动轴承(16)和动态密封件(18)之间的空间连通，该动态密封件延伸了外壳壁，以便在该转轴(15)的退出点处密封该电动机。

10.一种电动或混合动力机动车辆，包括牵引电动机和如前述权利要求中任一项所述的用于对所述电动机进行冷却的冷却系统。

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