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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren zum Kühlen eines Elektromotors, indem ein Kühlmittel an einen Stator und an einen Rotor des Elektromotors geliefert wird.
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HINTERGRUND
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Elektrofahrzeuge, die Hybridfahrzeuge umfassen, verwenden Elektromotoren, etwa Induktionsmotoren und Permanentmagnetmotoren, um die Fahrzeuge anzutreiben, sowie um Bremsenergie zu gewinnen, wenn sie wie ein elektrischer Generator arbeiten. Der Elektromotor umfasst allgemein einen Rotor, der Drehmoment durch einen Zahnradsatz an die Antriebsräder des Fahrzeugs überträgt, und einen Stator, der elektrische Leiter in der Form von Motorwicklungen enthält. Im Betrieb benötigen der Stator und der Rotor allgemein eine Kühlung, die typischerweise erreicht wird, indem ein Kühlmittel, etwa ein Öl, an den Stator (Statorströmung) und an den Rotor (Rotorströmung) bereitgestellt wird. Während die Statorströmung immer benötigt wird, wenn der Elektromotor in Betrieb ist, wird es die Rotorströmung nicht, und daher wird das Kühlmittel an den Stator und an den Rotor separat geliefert.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es wird eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines Kühlmittels an einen Stator und an einen Rotor eines Elektromotors in einem Fahrzeug bereitgestellt. Das Fahrzeug weist eine Kühlmittelpumpe auf. Die Vorrichtung umfasst eine Basis und mindestens eine Wand, die sich von der Basis aus erstreckt. Die Basis definiert eine Vielzahl erster Öffnungen, wobei durch mindestens eine derselben das Kühlmittel an den Stator strömen kann. Die Basis und die mindestens eine Wand definieren einen Hohlraum, der ausgestaltet ist, um das Kühlmittel von der Kühlmittelpumpe aufzunehmen.
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Die Vorrichtung umfasst außerdem mindestens ein erstes erhöhtes Element innerhalb des Hohlraums, das sich von der Basis aus erstreckt. Das mindestens eine erste erhöhte Element definiert mindestens eine zweite Öffnung, die im Wesentlichen auf eine der ersten Öffnungen ausgerichtet ist, um mindestens einen ersten Durchgang auszubilden. Das Kühlmittel kann durch den mindestens einen ersten Durchgang an den Rotor strömen.
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Es wird auch ein System zum Liefern eines Kühlmittels an einen Stator und an einen Rotor eines Elektromotors in einem Fahrzeug bereitgestellt. Das System umfasst eine Kühlmittelpumpe, die vorstehend beschriebene Vorrichtung und einen Controller. Die Kühlmittelpumpe ist ausgestaltet, um das Kühlmittel an den Hohlraum der Vorrichtung derart zu liefern, dass sich das Kühlmittel innerhalb des Hohlraums bei einem Kühlmittelniveau befindet. Die Kühlmittelpumpe weist eine Drehzahl auf, die verstellbar ist. Der Controller ist ausgestaltet, um die Drehzahl der Kühlmittelpumpe beruhend auf mindestens einem Parameter derart zu verstellen, dass das Kühlmittelniveau innerhalb des Hohlraums variabel ist.
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Ferner wird ein Verfahren zum Liefern eines Kühlmittels an einen Stator und an einen Rotor eines Elektromotors in einem Fahrzeug mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Systems bereitgestellt. Das Verfahren umfasst, dass zuerst eine Temperatur des Elektromotors bestimmt wird. Dann umfasst das Verfahren, dass festgestellt wird, ob die Temperatur des Elektromotors unter oder über einer Schwellenwerttemperatur liegt.
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Wenn die Temperatur unter der Schwellentemperatur liegt, umfasst das Verfahren dann, dass die Kühlmittelpumpe auf eine Einstellung mit niedriger Drehzahl gesetzt wird, so dass das Kühlmittel, das an die Vorrichtung geliefert wird, den Hohlraum bis zu einem Kühlmittelniveau füllt, welches das mindestens eine erste erhöhte Element nicht überschreitet. Dies ermöglicht, dass das Kühlmittel aufgrund der Schwerkraft durch die Vielzahl der ersten Öffnungen, die durch die Basis der Vorrichtung definiert sind, nur an den Stator strömt.
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Wenn die Temperatur über der Schwellenwerttemperatur liegt, umfasst das Verfahren dann, dass die Kühlmittelpumpe auf eine Einstellung mit hoher Drehzahl gesetzt wird, so dass das Kühlmittelniveau innerhalb des Hohlraums über dem mindestens einen ersten erhöhten Element liegt. Dies ermöglicht, dass das Kühlmittel aufgrund der Schwerkraft durch die Vielzahl der ersten Öffnungen bzw. den mindestens einen ersten Durchgang sowohl an den Stator als auch an den Rotor strömt.
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Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten, um die Erfindung auszuführen, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Systems zum Kühlen eines Elektromotors mit Hilfe einer Vorrichtung;
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2 ist eine schematische fragmentarische Querschnittsansicht des Elektromotors von 1;
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3A–3C sind schematische Querschnittsansichten der Vorrichtung von 1; und
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4 ist ein schematisches Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum Kühlen des Elektromotors mit Hilfe des Systems von 1 veranschaulicht.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Der Fachmann wird erkennen, dass Begriffe wie etwa ”über”, ”unter”, ”nach oben”, ”nach unten” usw. zur Beschreibung der Figuren verwendet werden und keine Einschränkung für den Umfang der Erfindung, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, repräsentieren. Alle numerischen Bezeichnungen wie etwa ”erster” oder ”zweiter” dienen nur zur Veranschaulichung und sollen den Umfang der Erfindung in keiner Weise beschränken.
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Mit Bezug auf die Zeichnungen, bei denen gleiche Bezugszeichen gleichen oder ähnlichen Elementen überall dort entsprechen, wo es in den mehreren Figuren möglich ist, ist in 1 ein System 10 zum Kühlen eines Elektromotors 12 gezeigt. Das System 10 umfasst eine Kühlmittelpumpe 14 und eine Vorrichtung 16. Die Kühlmittelpumpe 14 ist ausgestaltet, um ein Kühlmittel an die Vorrichtung 16 zu liefern, welche das Kühlmittel wiederum an den Elektromotor 12 leitet, speziell an einen Stator 18 und an einen Rotor 20 des Elektromotors 12, wie in 2 zu sehen ist und in größerem Detail hier nachstehend beschrieben wird. Die Vorrichtung 16 ist über dem Elektromotor 12 angeordnet, so dass das Kühlmittel aufgrund der Schwerkraft von der Vorrichtung 16 zu dem Elektromotor 12 strömt. Die Kühlmittelpumpe 14 kann eine variable Drehzahl aufweisen, so dass sie die Menge an Kühlmittel, die an die Vorrichtung 16 geliefert wird, beruhend auf bestimmten Parametern wie etwa der Temperatur des Elektromotors 12, wie hier nachstehend in größerem Detail beschrieben wird, verändern kann. Bei einer Ausführungsform kann das Kühlmittel ein Öl sein und die Kühlmittelpumpe 14 kann eine Ölpumpe sein.
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Mit Bezug nun auf 2 umfasst der Elektromotor 12 allgemein den Stator 18 und den Rotor 20, die vorstehend erwähnt wurden. Der Stator 18 ist um den Rotor 20 herum positioniert, wobei sich zwischen dem Stator 18 und dem Rotor 20 ein Luftspalt 22 befindet. Im Betrieb rotiert der Rotor 20 allgemein um eine Antriebswelle 21 herum und der Stator 18 bleibt stationär. Der Stator 18 umfasst eine Vielzahl von Wicklungen 24, die durch Spalten getrennt sind. Jede Wicklung 24 weist eine Wicklungsspitze 26 auf.
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Im Betrieb weist der Elektromotor 12 eine Temperatur auf und benötigt daher eine Kühlung. Wie vorstehend erläutert wurde, wird die Kühlung erreicht, indem das Kühlmittel an den Stator 18 geliefert wird, was als die Statorströmung 28 bezeichnet wird, und an den Rotor 20 geliefert wird, was als die Rotorströmung 29 bezeichnet wird. Die Statorströmung 28 strömt allgemein zu den Wicklungsspitzen 26. Die Rotorströmung 29 strömt durch die Spalten zwischen der Vielzahl von Wicklungen 24 an den Rotor 20. Wenn die Rotorströmung 29 in Kontakt mit dem Rotor 20 kommt, welcher wie vorstehend erwähnt rotiert, wird das Kühlmittel vom Rotor 20 weg mit einer hohen Geschwindigkeit an das innere des Stators 18 geschleudert, speziell das Innere der Wicklungen 24, welches von der Statorströmung 28 nicht erreicht wird. Dies erhöht die Kühleffektivität des Kühlmittels.
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Die Rotorströmung 29 ist jedoch nur notwendig, wenn die Temperatur des Elektromotors 12 über einer Schwellenwerttemperatur liegt. Die Schwellenwerttemperatur kann von Faktoren wie etwa dem Material der Isolierung des Stators 18 abhängen. Bei einer Ausführungsform kann die Schwellenwerttemperatur zwischen 150 Grad Celsius und 180 Grad Celsius liegen. Die Temperatur des Elektromotors 12 steigt allgemein an, wenn ein höheres Drehmoment und eine höhere Leistung von dem Elektromotor 12 benötigt werden. Die Temperatur kann von einem Controller 50, der hier nachstehend in größerem Detail beschrieben wird, beruhend auf Parametern wie etwa dem Drehmoment und/oder der Leistung des Elektromotors 12 berechnet werden. Alternativ kann die Temperatur von einem (nicht gezeigten) Temperatursensor oder einer anderen Messvorrichtung, die am Elektromotor 12 angeordnet ist, gemessen werden. Die Drehzahl der Kühlmittelpumpe 14 kann proportional zu der Temperatur des Elektromotors 12 sein, so dass die Rotorströmung 29 bei der geeigneten Temperatur des Elektromotors 12 startet, d. h. der Schwellenwerttemperatur.
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Nun mit Bezug auf 3A–3C umfasst die Vorrichtung 16 allgemein eine Basis 30 und mindestens eine Wand 32, die einen Hohlraum 34 definieren. Der Hohlraum 34 ist ausgestaltet, um das Kühlmittel, das von der Kühlmittelpumpe 14 geliefert wird, aufzunehmen und zu halten. Das Kühlmittel innerhalb des Hohlraums 34 wird bis zu einem Kühlmittelniveau 36 gefüllt, welches in Abhängigkeit von der Drehzahl der Kühlmittelpumpe 14 variieren kann, wie vorstehend erwähnt wurde und hier nachstehend in größerem Detail beschrieben wird.
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Die Basis 30 definiert außerdem erste Öffnungen 38. Obwohl in 3A–3C vier erste Öffnungen 38 gezeigt sind, ist festzustellen, dass es eine beliebige Anzahl erster Öffnungen 38 geben kann. Wie vorstehend erläutert wurde, ist die Vorrichtung 16 über dem Elektromotor 12 angeordnet. Folglich kann das Kühlmittel oder die Statorströmung 28 aufgrund der Schwerkraft durch einige der ersten Öffnungen 38 an den Stator 18 strömen, speziell an die Wicklungsspitzen 26, wie vorstehend erläutert wurde. Die ersten Öffnungen 38 können in der Basis 30 derart angeordnet sein, dass das Kühlmittel direkt von den ersten Öffnungen 38 zu den Wicklungsspitzen 26 strömen kann. Alternativ kann die Vorrichtung 16 eine (nicht gezeigte) Rohrleitung oder einen anderen Durchgang umfassen, um das Kühlmittel von jeder der ersten Öffnungen 38 zu den Wicklungsspitzen 26 zu leiten.
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Die Vorrichtung 16 umfasst außerdem ein erstes erhöhtes Element 40 innerhalb des Hohlraums 34, das sich von der Basis 30 aus erstreckt. Obwohl in 3A–3C nur ein erstes erhöhtes Element 40 gezeigt ist, ist festzustellen, dass es eine beliebige Anzahl von ersten erhöhten Elementen 40 geben kann. Das erste erhöhte Element 40 kann eine Röhre, eine Rohrleitung, ein Podest oder dergleichen sein, ist aber nicht darauf beschränkt. Das erste erhöhte Element 40 definiert mindestens eine zweite Öffnung 42, die im Wesentlichen auf eine der ersten Öffnungen 38 ausgerichtet ist, um einen ersten Durchgang 43 zu bilden. Analog zu den ersten Öffnungen 38 kann das Kühlmittel oder die Rotorströmung 29 aufgrund der Schwerkraft durch den ersten Durchgang 43 hindurch an den Rotor 20 strömen. Zudem können das erste erhöhte Element 40 und der erste Durchgang 43 innerhalb des Hohlraums 34 derart angeordnet sein, dass das Kühlmittel von dem ersten Durchgang 43 direkt an den Rotor 20 strömen kann. Alternativ kann die Vorrichtung 16 eine (nicht gezeigte) Rohrleitung oder einen anderen Durchgang umfassen, um das Kühlmittel von dem ersten Durchgang 43 an den Rotor 20 zu leiten.
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Die Vorrichtung 16 kann ferner ein zweites erhöhtes Element 44 innerhalb des Hohlraums 34 umfassen, das sich von der Basis 30 aus erstreckt. Obwohl in 3A–3C nur ein zweites erhöhtes Element 44 gezeigt ist, ist festzustellen, dass es eine beliebige Anzahl von zweiten erhöhten Elementen 44 geben kann. Das zweite erhöhte Element 44 ist größer als das erste erhöhte Element 40, d. h. es erstreckt sich weiter von der Basis 30 weg als das erste erhöhte Element 40. Wie das erste erhöhte Element 40 kann auch das zweite erhöhte Element 44 eine Rohrleitung, eine Röhre, ein Podest oder dergleichen sein, ist aber nicht darauf beschränkt. Das zweite erhöhte Element 44 definiert mindestens eine dritte Öffnung 46, die im Wesentlichen auf eine der ersten Öffnungen 38 ausgerichtet ist, um einen zweiten Durchgang 47 auszubilden. Analog zum ersten Durchgang 43 kann das Kühlmittel oder die Rotorströmung 29 aufgrund der Schwerkraft durch den zweiten Durchgang 47 hindurch an den Rotor 20 strömen. Das zweite erhöhte Element 44 und der zweite Durchgang 47 können innerhalb des Hohlraums 34 derart angeordnet sein, dass das Kühlmittel von dem zweiten Durchgang 47 direkt an den Rotor 20 strömen kann. Alternativ kann die Vorrichtung 16 eine (nicht gezeigte) Rohrleitung oder einen anderen Durchgang umfassen, um das Kühlmittel von dem zweiten Durchgang 47 an den Rotor 20 zu leiten.
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Das zweite erhöhte Element 44 und der zweite Durchgang 47 ermöglichen, dass Kühlmittel fortschreitend an den Rotor 20 geliefert wird, wenn die Temperatur des Elektromotors 12 ansteigt. Es ist festzustellen, dass die Vorrichtung 16 eine beliebige Anzahl von erhöhten Elementen zusätzlich zu dem zweiten erhöhten Element 44 umfassen kann, welche in der Höhe von dem ersten erhöhten Element 40 aus zunehmen, um die fortschreitende Zufuhr von Kühlmittel an den Rotor 20 zu fördern.
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Wie vorstehend erörtert wurde, kann das Kühlmittelniveau 36 in Abhängigkeit von der Drehzahl der Kühlmittelpumpe 14 variieren, welche wiederum von Parametern wie etwa der Temperatur des Elektromotors 12 abhängen kann. Da die ersten Öffnungen 38 in der Basis 30 angeordnet sind, wird das Kühlmittel immer an den Stator 18 geliefert, wenn das System 10 in Betrieb ist. Die variierenden Höhen des ersten erhöhten Elements 40 und des zweiten erhöhten Elements 44 ermöglichen jedoch, dass das Kühlmittel selektiv an den Rotor 20 geliefert wird, wenn die Temperatur des Elektromotors 12 und damit die Drehzahl der Kühlmittelpumpe 14 zunimmt. Die Höhen werden zusammen mit der Drehzahl der Kühlmittelpumpe 14 beruhend auf der Schwellenwerttemperatur bestimmt, bei welcher die Rotorströmung 29 benötigt wird.
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Wie in 3A zu sehen ist, liegt das Kühlmittelniveau 36 unter dem ersten erhöhten Element 40 und dem zweiten erhöhten Element 44. Folglich kann das Kühlmittel nur durch die ersten Öffnungen 38 an den Stator 18 strömen. Wie in 3B zu sehen ist, liegt das Kühlmittelniveau 36 zwischen dem ersten erhöhten Element 40 und dem zweiten erhöhten Element 44. Folglich kann das Kühlmittel durch sowohl die ersten Öffnungen 38 als auch durch den ersten Durchgang 43 an den Stator 18 bzw. an den Rotor 20 strömen. Wie in 3C zu sehen ist, liegt das Kühlmittelniveau 36 über dem zweiten erhöhten Element 44 und folglich kann das Kühlmittel durch die ersten Öffnungen 38 an den Stator 18, und durch den ersten Durchgang 43 und den zweiten Durchgang 47 an den Rotor 20 strömen.
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Wieder mit Bezug auf 1 umfasst das System 10 außerdem einen Controller 50, der mit der Kühlmittelpumpe 14 und/oder dem Elektromotor 12 elektrisch verbunden sein kann. Der Controller 50 ist ausgestaltet, um die Drehzahl der Kühlmittelpumpe 14 und damit die Menge an Kühlmittel, die an die Vorrichtung 16 geliefert wird, und das Kühlmittelniveau 36 innerhalb des Hohlraums 34 der Vorrichtung 16 zu steuern. Der Controller 50 kann außerdem ausgestaltet sein, um die Temperatur des Elektromotors 12 zu berechnen oder um die Temperaturmessung von einer anderen Vorrichtung wie vorstehend erläutert zu empfangen.
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Mit Bezug auf nun auf 4 ist ein Verfahren 100 zum Liefern des Kühlmittels an den Stator 18 und/oder an den Rotor 20 mit Hilfe des Systems 10 zum Kühlen des Elektromotors 12 gezeigt. Das Verfahren 100 beginnt bei Schritt 102, bei dem der Elektromotor 12 in Betrieb ist und daher eine Temperatur aufweist.
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Nach Schritt 102 geht das Verfahren 100 zu Schritt 104 weiter. Bei Schritt 104 wird die Temperatur des Elektromotors 12 bestimmt. Wie vorstehend erläutert wurde, kann die Temperatur von dem Controller 50 beruhend auf bestimmten Parametern berechnet werden, welche das Drehmoment und/oder die Leistung umfassen, die von dem Elektromotor 12 bereitgestellt wird bzw. werden, aber nicht darauf beschränkt sind. Alternativ kann die Temperatur von einem Temperatursensor oder einer anderen Vorrichtung gemessen werden, welcher bzw. welche dann die anschließende Messung an den Controller 50 zur Verarbeitung senden kann.
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Nach Schritt 104 geht das Verfahren 100 zu Schritt 106 weiter. Bei Schritt 106 stellt der Controller 50 fest, ob die bei Schritt 104 bestimmte Temperatur über oder unter einer der Schwellenwerttemperatur liegt. Wie vorstehend erläutert wurde, kann die Schwellenwerttemperatur bei einer Ausführungsform zwischen 150 Grad Celsius und 180 Grad Celsius liegen. Wenn der Controller 50 feststellt, dass die Temperatur unter der Schwellenwerttemperatur liegt, wie in 4 durch das (–)-Zeichen angezeigt ist, geht das Verfahren 100 zu Schritt 108 weiter. Wenn der Controller 50 feststellt, dass die Temperatur über der Schwellenwerttemperatur liegt, wie in 4 durch das (+)-Zeichen angezeigt ist, geht das Verfahren 100 zu Schritt 110 weiter.
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Bei Schritt 108 setzt der Controller 50 die Kühlmittelpumpe 14 auf eine Einstellung mit niedriger Drehzahl, so dass das Kühlmittelniveau 36 innerhalb des Hohlraums 34 das erste erhöhte Element 40 nicht überschreitet. Folglich strömt das Kühlmittel aufgrund der Schwerkraft nur an den Stator 18 durch die ersten Öffnungen 38, wie vorstehend erläutert wurde. Nach Schritt 108 geht das Verfahren 100 zu Schritt 112 weiter, bei dem das Verfahren 100 endet.
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Bei Schritt 110 setzt der Controller 50 die Kühlmittelpumpe 14 auf eine Einstellung mit hoher Drehzahl, so dass das Kühlmittelniveau 36 innerhalb des Hohlraums 34 über dem ersten erhöhten Element 40 liegt. Folglich strömt das Kühlmittel aufgrund der Schwerkraft sowohl an den Stator 18 als auch den Rotor 20 durch die ersten Öffnungen 38 bzw. den ersten Durchgang 43, wie vorstehend erläutert wurde.
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Es ist festzustellen, dass das Verfahren 100 zusätzliche Schritte zum Erhöhen des Kühlmittelniveaus über beliebige zusätzliche erhöhte Elemente, etwa das zweite erhöhte Element 44, umfassen kann, um eine fortschreitende Zufuhr des Kühlmittels an den Rotor 20 wie vorstehend erläutert zu erreichen.
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Nach Schritt 110 endet das Verfahren 100 bei Schritt 112. Das Verfahren 100 kann konsistent wiederholt werden, während sich der Elektromotor 12 im Betrieb befindet und daher eine Kühlung benötigt, um Änderungen bei der Temperatur des Elektromotors 12 zu berücksichtigen, wie vorstehend erläutert wurde.
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Die genaue Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren unterstützen und beschreiben die Erfindung, aber der Umfang der Erfindung wird alleine durch die Ansprüche definiert. Obwohl einige der besten Arten und andere Ausführungsformen zum Ausführen der beanspruchten Erfindung im Detail beschrieben wurden, existieren verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen, um die in den beigefügten Ansprüchen definierte Erfindung in die Praxis umzusetzen.
