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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Elektromotor/Generator und einen Antriebsstrang, der einen Elektromotor/Generator enthält.
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HINTERGRUND
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Einige Fahrzeuge enthalten einen Antriebsstrang mit einem Elektromotor/Generator zum Antrieb. Im Betrieb wandelt der Elektromotor/Generator elektrische Energie in mechanische Energie in der Form von Drehmoment um. Das von dem Elektromotor/Generator erzeugte Drehmoment kann zum Antreiben des Fahrzeugs verwendet werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Im Betrieb eines Elektromotors/Generators rotiert ein Rotor relativ zu dem Stator. Als Konsequenz von elektromagnetischen Verlusten im Stator und im Rotor wird im Elektromotor/Generator Wärme erzeugt. Das Temperaturmanagement eines Elektromotors/Generators ist sehr schwierig. Die Temperaturen der Isolation der Statorwicklungen und des Rotors sollten für einen effizienten und kontinuierlichen Betrieb des Motors/Generators eigentlich immer innerhalb vorbestimmter Grenzen liegen. Es ist nützlich, den Elektromotor/Generator während seines Betriebs zu kühlen, um seinen Wirkungsgrad zu maximieren. In einem Fahrzeug kann beispielsweise Öl verwendet werden, um den Rotor des Elektromotors/Generators zu kühlen. Das Öl kann aus dem Sumpf oder der Ölwanne eines Antriebsstrangs stammen. Es ist daher nützlich, das Öl aus dem Sumpf zu dem Rotor zu transportieren, um den Elektromotor/Generator zu kühlen. Zu diesem Zweck beschreibt die vorliegende Offenbarung einen Antriebsstrang, der einen Durchgang enthält, der das Strömen eines Kühlfluids, etwa eines Öls, aus dem Sumpf zu dem Rotor des Elektromotors/Generators ermöglicht, ohne unbedingt eine Pumpe zu benötigen.
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In einer Ausführungsform enthält der Antriebsstrang einen Sumpf, der ausgestaltet ist, um ein Kühlfluid zu halten, und einen Elektromotor/Generator, der ausgestaltet ist, um elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Der Elektromotor/Generator enthält einen Stator und einen Rotor, der zumindest teilweise innerhalb des Stators angeordnet ist. Der Rotor enthält eine hohle Rotorwelle und einen Rotorkern, der auf der Welle montiert ist. Der Rotorkern kann einen Stapel von Magneten enthalten. Der Rotor ist ausgestaltet, um relativ zu dem Stator um eine Wellenachse herum zu rotieren. Der Antriebsstrang enthält ferner eine Ausgabewelle, die um die Wellenachse herum drehbar ist und sich entlang der Wellenachse durch die Rotorwelle hindurch erstreckt. Die Ausgabewelle und die Rotorwelle definieren dazwischen gemeinsam einen im Wesentlichen kreisringförmigen Spalt. Der Elektromotor/Generator enthält außerdem ein Motorgehäuse, das den Stator und den Rotor bedeckt. Das Motorgehäuse definiert einen Gehäusedurchgang in Fluidverbindung mit dem Sumpf und mit dem im Wesentlichen kreisringförmigen Spalt, um zu ermöglichen, dass das Kühlfluid zwischen dem Sumpf und dem im Wesentlichen kreisringförmigen Spalt durch den Gehäusedurchgang hindurchströmt. Der Gehäusedurchgang enthält einen Abschnitt, der im Wesentlichen wie eine Abwicklungskurve oder Evolvente geformt ist, um das Strömen des Kühlfluids aus dem Sumpf zu dem im Wesentlichen kreisringförmigen Spalt zu ermöglichen. Der im Wesentlichen wie eine Abwicklungskurve geformte Abschnitt des Gehäusedurchgangs ermöglicht die direkte Verwendung der Rotationsenergie der Ausgabewelle, um eine Kühlfluidströmung in der Rotorwelle zu ermöglichen. Darüber hinaus sind keine Modifikationen an der Welle notwendig, um den wie eine Abwicklungskurve geformten Abschnitt des Gehäusedurchgangs zu implementieren. Der Gehäusedurchgang ermöglicht zusammen mit seinen wie eine Abwicklungskurve geformten Abschnitten die Verwendung einer Schmierungs- und Kühlungsstrategie der Antriebseinheit durch Schwerkraft. Da keine Pumpe notwendig ist, um die Strömung des Kühlfluids in die Rotorwelle hinein zu ermöglichen, wird darüber hinaus der Raum minimiert, der für den Antriebsstrang benötigt wird, wodurch der Einbau erleichtert wird. Die vorliegende Offenbarung betrifft außerdem einen Elektromotor/Generator mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen.
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Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten, um die Lehren auszuführen, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Seitenansicht im Querschnitt eines Antriebsstrangs, der einen Elektromotor/Generator, Zahnräder und ein Differenzial enthält; und
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2 ist eine schematische Vorderansicht im Querschnitt des Elektromotors/Generators entlang einer Schnittlinie 2-2 von 1.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Mit Bezug auf die Zeichnungen, bei denen gleiche Elemente überall durch identische Bezugszeichen bezeichnet sind, veranschaulicht 1 auf schematische Weise einen Antriebsstrang 12, der ein Differenzial 16 und einen Elektromotor/Generator 18 enthält. Der Antriebsstrang 12 kann Teil eines Fahrzeugs 10 sein. Als Beispiele, die nicht einschränken sollen, kann das Fahrzeug 10 ein Personenauto, ein Lastwagen, ein Motorrad, ein Schiff oder ein beliebiges anderes geeignetes Kraftfahrzeug sein. Unabhängig davon kann der Antriebsstrang 12 das Fahrzeug 10 antreiben.
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Der Antriebsstrang 12 enthält Ausgabewellen 20 und 22, die mit der (nicht gezeigten) Achse wirksam gekoppelt sind, und die mit den (nicht gezeigten) Rädern gekoppelt sind. Die Ausgabewellen 20 und 22 können auch als die Achswellen bezeichnet werden und sie erstrecken sich entlang der Wellenachse X. Im Betrieb des Antriebsstrangs 12 kann die Ausgabewelle 20 um die Wellenachse X herum rotieren, um Drehmoment an das Differenzial 16 zu übertragen. Das Differenzial 16 ist durch eine Zahnradübersetzung mit einer Rotorwelle 32 wirksam gekoppelt. Daher kann Drehmoment von der Rotorwelle 32 durch das Differenzial 16 an die Ausgabewellen 20 und 22 übertragen werden.
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Der Elektromotor/Generator 18 kann elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln und er enthält ein Motorgehäuse 24, einen an dem Motorgehäuse 24 befestigten Stator 26 und einen Rotor 28, der ausgestaltet ist, um relativ zu dem Stator 26 um die Wellenachse X herum zu rotieren. Da der Stator 26 an dem Motorgehäuse 24 befestigt ist, bleibt der Stator 26 relativ zu dem Motorgehäuse 24 im Wesentlichen stationär. Der Rotor 28 andererseits kann relativ zu dem Stator 26 und zu dem Motorgehäuse 24 um die Wellenachse X herum rotieren. Das Motorgehäuse 24 bedeckt den Stator 26 und den Rotor 28.
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Der Rotor 28 enthält einen Rotorkern 30 und eine Rotorwelle 32, die mit dem Rotorkern 30 gekoppelt ist. Im Betrieb des Rotors 28 rotieren der Rotorkern 30 und die Rotorwelle 32 gemeinsam. Die Rotorwelle 32 erstreckt sich entlang der Wellenachse X durch den Rotorkern 30 hindurch und umgibt den gesamten Umfang (beispielsweise die Ausdehnung) der Ausgabewelle 20. In der dargestellten Ausführungsform ist die Rotorwelle 32 im Wesentlichen hohl, um zu ermöglichen, dass sich die Ausgabewelle 20 durch die Rotorwelle 32 hindurch erstreckt. Folglich definiert die Rotorwelle 32 einen Welleninnenhohlraum 35, der sich entlang der Wellenachse X erstreckt. Die Ausgabewelle 20 und die Rotorwelle 32 definieren zwischen sich einen im Wesentlichen kreisringförmigen Spalt G. Wie nachstehend im Detail erörtert wird, ist der Spalt G im Wesentlichen kreisringförmig, um das Fließen eines Kühlfluids F, etwa eines Öls, um die Ausgabewelle 20 herum und durch die Rotorwelle 32 hindurch zu ermöglichen. Als Beispiel, das nicht einschränken soll, kann das Kühlfluid F ein Automatikgetriebefluid (ATF) sein. Das durch die Rotorwelle 32 hindurchlaufende Kühlfluid F kann den Rotorkern 30 herunterkühlen. Der Rotor 28 definiert ferner mindestens eine Öffnung 34, die sich radial durch die Rotorwelle 32 hindurch erstreckt. Die sich radial erstreckenden Öffnungen 34 können zu der Wellenachse X im Wesentlichen rechtwinklig sein, um zu ermöglichen, dass das Kühlfluid F durch den im Wesentlichen kreisringförmigen Spalt G hindurchfließt, um auszutreten und den Rotorkern 30 und den Stator 26 zu kontaktieren, wodurch der Rotorkern 30 und der Stator 26 gekühlt werden. Obwohl die dargestellte Ausführungsform vier sich radial erstreckende Öffnungen 34 zeigt, kann der Rotor 28 mehr oder weniger sich radial erstreckende Öffnungen 34 enthalten. Unabhängig von der Menge oder der axialen Position steht jede sich radial erstreckende Öffnung 34 in Fluidverbindung mit dem im Wesentlichen kreisringförmigen Spalt G und dem Welleninnenhohlraum 35.
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Das Kühlfluid F stammt aus einem Sumpf 36 oder einem beliebigen anderen Behälter, der zum Halten des Kühlfluids F geeignet ist. Der Sumpf 36 kann das Kühlfluid F speichern und halten und er ist an einer Position angeordnet, die höher als die Wellenachse X liegt. Insbesondere ist der Sumpf 36 von der Wellenachse X um eine vorbestimmte Höhe H beabstandet, die ermöglicht, dass das Kühlfluid F ohne die Hilfe einer Pumpe oder einer beliebigen anderen Vorrichtung, die zum Bewegen von Fluiden in der Lage ist, aus dem Sumpf 36 zu dem kreisringförmigen Spalt G strömt. Folglich verlagert die Schwerkraft das Kühlfluid F aus dem Sumpf 36 durch den Gehäusedurchgang 38 hindurch zu dem im Wesentlichen kreisringförmigen Spalt G. Zwar trägt die mit Bezug auf die Wellenachse X höhere Anordnung des Sumpfes 36 zum Verlagern des Kühlfluids F zu dem kreisringförmigen Spalt G bei, jedoch nimmt der Widerstand gegen die Kühlfluidströmung in den kreisringförmigen Spalt G hinein mit einer Zunahme der Drehzahlen der Ausgabewelle 20 und der Rotorwelle 32 zu. Es ist daher nützlich, einen Mechanismus zum Ermöglichen einer Strömung von Kühfluid F aus dem Sumpf 36 zu dem kreisringförmigen Spalt G unabhängig von den Drehzahlen der Ausgabewelle 20 und der Rotorwelle 32 zu entwickeln.
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Das Motorgehäuse 24 definiert einen Gehäusedurchgang 38 in Fluidverbindung mit dem Sumpf 36 und dem im Wesentlichen kreisringförmigen Spalt G. Der Gehäusedurchgang 38 ermöglicht das Strömen des Kühlfluids F zwischen dem Sumpf 36 und dem im Wesentlichen kreisringförmigen Spalt G. Insbesondere ermöglicht der Gehäusedurchgang 38 das Strömen des Kühlfluids F aus dem Sumpf 36 zu dem kreisringförmigen Spalt G unabhängig von den Drehzahlen der Ausgabewelle 20 und der Rotorwelle 32 und ohne die Hilfe einer Pumpe oder einer beliebigen anderen geeigneten Vorrichtung, die zum Verlagern von Fluiden in der Lage ist. In der dargestellten Ausführungsform koppelt ein Sumpfdurchgang 40 den Sumpf 36 fluidtechnisch mit dem Gehäusedurchgang 38. Der Gehäusedurchgang 38 befindet sich näher bei einem ersten Gehäuseende 42 als bei einem zweiten Gehäuseende 44 des Motorgehäuses 24. Das erste Gehäuseende 42 befindet sich entgegengesetzt zu dem zweiten Gehäuseende 44. Das zweite Gehäuseende 44 befindet sich näher bei dem Differenzial 16 als das erste Gehäuseende 42.
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Mit Bezug auf 2 enthält der Gehäusedurchgang 38 einen Verbindungsabschnitt 48 in direkter Fluidverbindung mit dem Sumpfdurchgang 40. In der dargestellten Ausführungsform ist der Verbindungsabschnitt 48 im Wesentlichen linear und er erstreckt sich entlang einer Durchgangsachse P. Die Durchgangsachse P kann relativ zu der Wellenachse X (1) schräg gewinkelt sein. Im Speziellen definiert die Gehäusedurchgangsachse P einen ersten schrägen Winkel α relativ zu der Wellenachse X (1). Der erste schräge Winkel α kann beispielsweise zwischen 1° und 89° liegen, um das Strömen des Kühlfluids F aus dem Sumpf 36 zu dem im Wesentlichen kreisringförmigen Spalt G zu ermöglichen. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass der Verbindungsabschnitt 48 des Gehäusedurchgangs 38 im Wesentlichen rechtwinklig zu der Wellenachse X (1) sein kann. Die Gehäusedurchgangsachse P, die durch den Verbindungsabschnitt 48 definiert wird, ist außerdem relativ zu einer Motorachse M schräg gewinkelt, die rechtwinklig zu der Wellenachse X (1) verläuft. Die Motorachse M ist eine horizontale Achse. Die Gehäusedurchgangsachse P definiert einen zweiten schrägen Winkel β relativ zu der Motorachse M. Der zweite schräge Winkel β kann beispielsweise zwischen 1° und 89° liegen, um das Strömen des Kühlfluids F aus dem Verbindungsabschnitt 48 zu einem im Wesentlichen kreisringförmigen Spalt G zu ermöglichen.
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Der Gehäusedurchgang 38 enthält ferner einen im Wesentlichen wie eine Abwicklungskurve geformten Abschnitt 46 in direkter Fluidverbindung mit dem Verbindungsabschnitt 48. In der vorliegenden Offenbarung bezeichnet der Begriff „Abwicklungskurve” eine Kurve, die aus einer anderen gegebenen Kurve erhalten wird, indem ein imaginärer straffer Faden an einem Punkt auf der gegebenen Kurve befestigt wird und sein freies Ende verfolgt wird, während er auf diese gegebene Kurve gewickelt wird. Beispielsweise ist die Abwicklung eines Kreises eine Spirale. Der im Wesentlichen wie eine Abwicklungskurve geformte Abschnitt 46 des Gehäusedurchgangs 38 steht in direkter Fluidverbindung mit dem im Wesentlichen kreisringförmigen Spalt G. Daher verbindet der im Wesentlichen wie eine Abwicklungskurve geformte Abschnitt 46 den im Wesentlichen kreisringförmigen Spalt G und den Verbindungsabschnitt 48, wodurch ermöglicht wird, dass das Kühlfluid F zwischen dem Verbindungsabschnitt 48 und dem im Wesentlichen kreisringförmigen Spalt G strömt. Der im Wesentlichen wie eine Abwicklungskurve geformte Abschnitt 46 kann wie die Abwicklung eines Kreises geformt sein. In diesem Fall weist der im Wesentlichen wie eine Abwicklungskurve geformte Abschnitt 46 im Wesentlichen eine Spiralform (2) auf. Jedoch kann der im Wesentlichen wie eine Abwicklungskurve geformte Abschnitt 46 wie die Abwicklung anderer Kurven geformt sein. Als Beispiele, die nicht einschränken sollen, kann der im Wesentlichen wie eine Abwicklungskurve geformte Abschnitt 46 wie die Abwicklung einer Herzkurve, wie eine logarithmische Spirale oder eine Ellipsenabwicklung, wie eine Archimedes-Spirale, eine Fibonacci-Spirale, eine goldene Spirale, eine Nautilus-Spirale, eine Euler-Spirale, eine Fermat-Spirale, eine hyperbolische Spirale oder die Spirale von Theodorus geformt sein. Unabhängig von der speziellen Form ist des im Wesentlichen wie eine Abwicklungskurve geformten Abschnitts 46 so ausgestaltet, geformt und dimensioniert, dass das Strömen von Kühlfluid F aus dem Sumpf 36 (1) zu dem im Wesentlichen kreisringförmigen Spalt G ohne die Hilfe einer Pumpe oder einer beliebigen anderen Vorrichtung, die zum Verlagern von Fluiden in der Lage ist, ermöglicht wird. Insbesondere ermöglicht die Form des im Wesentlichen wie eine Abwicklungskurve geformten Abschnitts 46 die Drehung der Ausgabewelle 20, um die Fluidströmung in den im Wesentlichen kreisringförmigen Spalt G hinein zu ermöglichen. In der dargestellten Ausführungsform umgibt der im Wesentlichen wie eine Abwicklungskurve geformte Abschnitt 46 die gesamte Ausgabewelle 20 um die Wellenachse X herum. Zur Herstellung des Motorgehäuses 24 mit dem im Wesentlichen wie eine Abwicklungskurve geformten Abschnitt 46 kann ein Spritzguss verwendet werden. Der im Wesentlichen wie eine Abwicklungskurve geformte Abschnitt 46 kann im Wesentlichen auch als der Abwicklungskurven-Hohlraum bezeichnet werden.
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Obwohl die besten Arten zum Ausführen der Lehren im Detail beschrieben wurden, wird der Fachmann auf dem Gebiet, das diese Offenbarung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen erkennen, um die Lehren im Umfang der beigefügten Ansprüche in die Praxis umzusetzen.
