DE112008001594T5 - Kühlstruktur für eine elektrische Rotationsmaschine - Google Patents

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Tomoka Toyota-shi Sonohara
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Toyota Motor Corp
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Abstract

Eine Kühlstruktur für eine elektrische Rotationsmaschine, die aufweist:
eine Vielzahl von Spulen (12040) mit rechteckigem Draht (12050), der in mehreren Lagen um ein umfangsseitig einen Kern (12000) bedeckendes, isolierendes Teil (12021) gewickelt ist, wobei bei jeder der vielen Spulen zwischen dem isolierenden Teil (12021) und dem rechteckigen Draht (12050) ein Spalt vorgesehen ist, und
einen Zuführabschnitt (12012), um ein Kühlmedium zuzuführen, damit dieses durch den Spalt strömt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Struktur für eine elektrische Rotationsmaschine, die an einem Fahrzeug montiert ist, und insbesondere auf eine Struktur für eine elektrische Rotationsmaschine mit einer hochkant gewickelten Spule bzw. Spule mit Kantenausrichtung, die aus einem rechteckigen Draht ausgebildet ist.
  • Stand der Technik
  • Bei dem Betrieb einer elektrischen Rotationsmaschine erzeugt der Draht einer Spule Wärme, wodurch sich die Temperatur erhöht. Es ist bekannt, dass ein Fehler beim ausreichenden Kühlen des Drahtes die Ausgangsleistung der elektrischen Rotationsmaschine verringert und die Lebensdauer bzw. Alterungsbeständigkeit des Drahtes verschlechtert.
  • Ein rechteckiger Draht ist in einigen Fällen für eine Statorwicklung einer solchen elektrischen Rotationsmaschine in Verwendung, um eine Spule mit Kantenausrichtung zu bilden. Bei einem solchen rechteckigen Draht hat die Spule einen größeren Querschnittsbereich als mit einem gewöhnlichen runden Draht, woraus sich ein verringerter Gleichstromwiderstand, ein verbessertes Frequenzverhalten und ähnliches ergibt. Dementsprechend kann die Spule in der Größe verringert und in der Leistung verbessert werden.
  • Jedoch zeigt der rechteckige Draht einen großen Krümmungsradius, wenn Krümmungen vorgenommen werden, wo die Wahrscheinlichkeit besteht, dass der Draht Zwischenräume von einem Zahn eines Stators (Eisenkern) der elektrischen Rotationsmaschine lässt. Genauer gesagt ist es beim Wickeln des rechteckigen Drahtes um einen Wicklungsbereich mit einem rechteckigen Querschnitt eines Isolierelements, das den Eisenkern bedeckt, schwierig, den Draht in einer exakten rechteckigen Form zu wickeln. Es ist unsausweichlich, dass der Draht von den Seiten des Rechtsecks abgehoben wird, während sich dieser mit den Ecken in Berührung befindet, woraus sich Zwischenräume zwischen dem Draht und den Seiten des Rechtecks ergeben. Durch die Zwischenräume, die als Wärme-Isolierraum wirken, ergibt sich das Problem, dass die durch den Draht erzeugte Hitze mit geringerer Wahrscheinlichkeit über das Isoliermaterial zum Eisenkern übertragen wird, woraus sich eine verschlechtertes Kühlverhalten des Drahtes ergibt, selbst wenn der Eisenkern gekühlt wird.
  • Im Hinblick auf einen solchen Nachteil offenbart die japanische Patentoffenlegung Nr. 2004-343877 (Patentdokument 1) Spulen einer elektrischen Rotationsmaschine, deren Drähte mit einer einfachen Struktur in effizienter Weise gekühlt werden können. Jede Spule der elektrischen Rotationsmaschine hat einen Draht, der in mehreren Schichten um einen Wicklungsbereich eines Isolierelementes gewickelt ist, das den Eisenkern bedeckt, und ist dadurch gekennzeichnet, dass Zwischenräume zwischen dem Wicklungsbereich des Isolierelementes und dem Draht mit einem thermisch leitfähigen Material gefüllt sind, dass über einen im Isolierelement ausgebildeten Kanal zugeführt wird.
  • Bei den Spulen der elektrischen Rotationsmaschine, bei denen die Zwischenräume, die zwischen dem Wicklungsbereich des den Eisenkern bedeckenden Isolierelementes und dem um den Wicklungsbereich gewickelten Draht vorgesehen sind, mit einem thermisch leitfähigen Material gefüllt sind, das durch den im Isolierelement ausgebildeten Kanal zugeführt wird, gestattet die Übertragung der Wärme des Drahtes zum Eisenkern über das thermisch leitfähige Element und das Isolierelement das effektive Ableiten der Wärme, um den Draht zu kühlen. Ferner besteht keine Notwendigkeit, ein Kühlmittel, eine Pumpe zum Umführen von diesem und ähnliches vorzusehen, was zu verringerten Kosten beiträgt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Jedoch wird die Spule der elektrischen Rotationsmaschine, die im vorstehend genannten Patentdokument 1 offenbart ist, nicht direkt gekühlt, sondern durch die Über tragung einer größeren Menge von Wärme der Spule (Draht) zum Eisenkern lediglich indirekt gekühlt. Dieses kann eine unzureichende Kühlung des rechteckigen Drahtes bewirken.
  • Die vorliegende Erfindung wurde zur Lösung des vorstehend beschriebenen Problems getätigt. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlstruktur für eine elektrische Rotationsmaschine vorzusehen, die eine effiziente Kühlung der elektrischen Rotationsmaschine mit einer Spule mit Kantenausrichtung, die aus einem rechteckigen Draht gebildet ist, gestattet.
  • Eine Kühlstruktur für eine elektrische Rotationsmaschine entsprechend einem ersten Aspekt ist für das Kühlen einer elektrischen Rotationsmaschine vorgesehen, die eine Vielzahl an Spulen mit einem rechteckigen Draht aufweist, der in mehreren Schichten um ein Isolierelement, das einen Eisenkern in Umfangsrichtung bedeckt, gewickelt ist. Die Kühlstruktur hat in jeder der Spulen einen Zwischenraum zwischen dem Isolierelement und dem rechteckigen Draht, der aufgrund eines großen Radius der Krümmung des rechteckigen Drahtes an den Krümmungen vorgesehen ist, und weist eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines Kühlmediums zum Strömen durch den Zwischenraum auf.
  • Entsprechend dem ersten Aspekt ist die Vielzahl an Spulen entsprechend der Polanzahl der elektrischen Rotationsmaschine ausgebildet. Die Spulen sind jeweils durch das Wickeln des rechteckigen Drahtes in mehreren Schichten um das Isolierelement, das den Eisenkern in Umfangsrichtung bedeckt, ausgebildet. Aufgrund eines großen Krümmungsradius des rechteckigen Drahtes an den Krümmungen ist es schwierig, den rechteckigen Draht um das Isolierelement, das den rechteckigen Eisenkern (Zahn) in Umfangsrichtung bedeckt, ohne Zwischenräume zwischen diesen zu wickeln (den rechteckigen Draht mit einem rechteckigen Querschnitt zu einem Rechteck ohne Zwischenräume zwischen diesem zu wickeln), woraus sich unausweichlich ein Zwischenraum zwischen dem Isolierelement und dem rechteckigen Draht ergibt. Die Zuführeinrichtung führt ein Kühlmedium über den Zwischenraum, so dass der Zwischenraum als ein Kanal des Kühlmediums dient. Im Unterschied zum herkömmlichen Verfahren des Unterbringens eines thermisch leitfähigen Elementes in dem Zwischenraum, um die Kühleffizienz indirekt zu verbessern, gestattet die Zuführung des Kühlmediums über den Zwischenraum das direkte Kühlen des Eisenkerns. Als ein Ergebnis kann eine Kühlstruktur einer elektrischen Rotationsmaschine verbessert werden, die ein effizientes Kühlen der elektrischen Rotationsmaschine mit einer (kantenbezogenen) Spule bzw. Spule (mit Kantenausrichtung) gestattet, die aus einem rechteckigen Draht gebildet ist.
  • Bei einer Kühlstruktur für eine elektrische Rotationsmaschine entsprechend einem zweiten Aspekt strömt zusätzlich zur Struktur entsprechend dem ersten Aspekt das Kühlemedium von einer der Spulen zur anderen.
  • Entsprechend dem zweiten Aspekt wird, wenn die Rotationswelle der elektrischen Rotationsmaschine beispielsweise horizontal angeordnet ist, ein Kühlmittel einer obersten Statorspule zugeführt. Das Kühlmedium strömt aufgrund der Schwerkraft zu einer benachbarten Spule. Dieses setzt sich aufeinanderfolgend fort, so dass die Vielzahl an Spulen gekühlt werden kann.
  • Eine Kühlstruktur für eine elektrische Rotationsmaschine entsprechend einem drittem Aspekt weist ferner zusätzlich zur Struktur entsprechend dem ersten oder zweiten Aspekt ein Isoliermaterial auf, das einen Querschnittsbereich des Zwischenraumes verringert.
  • Entsprechend dem dritten Aspekt erhöht eine Verringerung beim Querschnittsbereich des Zwischenraumes die Strömungsrate des Kühlmediums (hier Flüssigkeit). Dieses begünstigt weiter den Wärmeaustausch, wodurch eine verbesserte Kühleffizienz erzielt wird.
  • Bei einer Kühlstruktur für eine elektrische Rotationsmaschine entsprechend einem vierten Aspekt weist die Zuführeinrichtung zusätzlich zur Struktur entsprechend einem aus dem ersten und zweiten Aspekt einen Kanal, der das Kühlmedium zu einem mit dem Zwischenraum in Verbindung stehendem Loch zuführt, und eine Pumpe auf, die bewirkt, dass das Kühlmedium durch den Kanal strömt.
  • Entsprechend dem vierten Aspekt wird das Kühlmittel durch den Zwischenraum der Spule der elektrischen Rotationsmaschine vermittels der Pumpe zugeführt und wird das Kühlmittel, das absorbierte Wärme aufweist, einem Kühler zugeführt. Die elektrische Rotationsmaschine kann dadurch effizient gekühlt werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Gesamt-Steuerblockschaubild eines Hybridfahrzeugs mit Motorgeneratoren entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 2 zeigt einen Leistungsaufteilmechanismus.
  • 3 ist ein Gesamtstrukturschaubild eines Kühlsystems eines Hybridfahrzeugs.
  • 4 ist eine Schnittansicht eines Motorgenerators entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 5 ist eine Perspektivansicht des Motorgenerators entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 6 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht entsprechend 5.
  • 7 ist eine Schnittansicht entsprechend 6.
  • 8 ist eine Seitenansicht eines Motorgenerators (der mit Kühlrohren versehen ist) entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 9 ist eine Perspektivansicht des Motorgenerators, der mit den Kühlrohren entsprechend 8 versehen ist.
  • 10A zeigt ein Statorspulenende 12010, das von der Oberseite eines Motorgenerators 140 gesehen wird, wobei dieses eine (erste) Art und Weise darstellt, in der das Kühlwasser strömt.
  • 10B ist eine Schnittansicht an der Linie XB-XB in 10A.
  • 11A zeigt ein Statorspulenende 12010, das von der Oberseite des Motorgenerators 140 betrachtet wird und eine (zweite) Art und Weise darstellt, in der das Kühlwasser strömt.
  • 11B ist eine Schnittansicht an der Linie XIB-XIB in 11A.
  • 12 ist eine teilweise geschnittene Perspektivansicht eines Motorgenerators entsprechend einer Modifikation des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
  • Beste Modi zur Ausführung der Erfindung
  • Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden nachstehend und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung sind ähnliche Teile durch ähnliche Bezugszeichen bezeichnet und haben diese den gleichen Namen und ebenfalls die gleiche Funktion. Daher wird die detaillierte Beschreibung von diesen nicht wiederholt. Es ist festzuhalten, dass die Größenverhältnisse und ähnliches zwischen den Zeichnungen unterschiedlich sein können. Es ist beabsichtigt zu zeigen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf einen Motorgenerator angewendet wird, der auf ein spezielles Größenverhältnis begrenzt ist.
  • Unter Bezugnahme auf 1 wird eine Beschreibung eines gesamten Steuerblockschaubildes eines Hybridfahrzeugs mit den Motorgeneratoren, die eine Kühlstruktur aufweisen, entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Es ist festzuhalten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf das in 1 gezeigte Hybridfahrzeug begrenzt ist. Die vorliegende Erfindung kann auf ein Fahrzeug angewendet werden, dessen Verbrennungsmotor als eine Energie- bzw. Leistungsquelle, wie zum Beispiel ein Benzinmotor (auf den sich nachfolgend als ein Verbrennungsmotor bezogen wird), sowohl als eine Antriebsquelle zum Antreiben des Fahrzeugs als auch als eine Antriebsquelle eines Generators dient. Die vorliegende Erfindung kann alternativ dazu auf ein Fahrzeug angewendet werden, das durch den Verbrennungsmo tor und einen Motorgenerator mit Leistung versorgt wird und das vermittels der Leistung des Motorgenerators (entweder mit ausgeschaltetem Verbrennungsmotor oder ohne ausgeschaltetem Verbrennungsmotor) fahren kann, oder ein Hybridfahrzeug angewendet werden, das einen anderen Modus hat, bei dem eine Batterie zum Antreiben montiert ist (wobei keine Begrenzung auf Hybridfahrzeuge mit sogenannter Serien- oder Parallelschaltung besteht, jedoch eine Begrenzung auf Fahrzeuge, die ein EV-Fahren bzw. Elektrofahrzeug-Fahren nach der Systemaktivierung ausführen können). Die Batterie kann durch beispielsweise eine Nickelmetallhydridbatterie oder eine Lithiumionenbatterie implementiert sein und der Typ von dieser ist nicht besonders begrenzt. Alternativ dazu kann die Batterie durch einen Kondensator ersetzt sein. Der Motorgenerator mit der Kühlstruktur entsprechend dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann ebenfalls auf ein Elektrofahrzeug anwendbar sein, an dem kein Verbrennungsmotor montiert ist.
  • Das Hybridfahrzeug weist einen Verbrennungsmotor 120 und einen Motorgenerator (MG) 140 auf. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit wird der Motorgenerator 140 nachstehend als ein Motorgenerator 140A (oder MG(2) 140A) und ein Motorgenerator 140B (oder MG(1) 140B) ausgedrückt. Jedoch kann in Abhängigkeit vom Fahrzustand des Hybridfahrzeugs der Motorgenerator 140A als ein Generator dienen und der Motorgenerator 140B als ein Motor. Wenn der Motorgenerator als einen Generator dient, wird das regenerative Bremsen ausgeführt. Wenn der Motorgenerator als ein Generator dient, wird die kinetische Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie umgewandelt, woraus sich eine Verlangsamung des Fahrzeugs ergibt.
  • Das Hybridfahrzeug weist ebenfalls eine Geschwindigkeitsverringerungseinrichtung 180 zum Übertragen der Leistung, die durch den Verbrennungsmotor 120 und/oder dem Motorgenerator 140 erzeugt wird, zu einem getriebenen Rad 160 und zum Übertragen des Antreibens des getriebenen Rades 160 zum Verbrennungsmotor 120 und Motorgenerator 140, einen Leistungsaufteilmechanismus (zum Beispiel einen Planetengetriebemechanismus, der nachstehend beschrieben wird) 200, der die durch den Verbrennungsmotor 120 erzeugte Leistung zu zwei Pfaden zum Antreiben des getriebenen Rades 160 und des Motorgenerators 140B (MG(1) 140B) verteilt, eine Antriebsbatterie 220 zum Sammeln von elektrischer Leistung zum Antrieben des Motorge nerators 140, einen Inverter 240 zum Ausführen der Stromsteuerung, während zwischen einem Gleichstrom zum Antreiben der Batterie 220 und einem Wechselstrom des Motorgenerators 140A (MG(2) 140A) und des Motorgenerators 140B (MG(1) 140B) umgewandelt wird, eine Batteriesteuereinheit (auf die sich nachfolgend als eine Batterie-ECU (Electronic Control Unit bzw. Elektronische Steuereinheit)) 260 zum Verwalten und Steuern des Lade- oder Entladezustandes (zum Beispiel SOC bzw. Ladezustand) der antreibenden Batterie 220, eine Verbrennungsmotor-ECU 280 zum Steuern der Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors 120, eine MG-ECU 300 zum Steuern des Motorgenerators 140, einer Batterie-ECU 260, eines Inverter 240 und von ähnlichem entsprechend dem Zustand des Hybridfahrzeugs, eine HV-ECU 320 bzw. Hybridfahrzeug-ECU 320 zum Verwalten und Steuern der Batterie-ECU 260, der Verbrennungsmotor-ECU 280, der MG-ECU 300 und von ähnlichem in interaktiver Weise, um das gesamte Hybridsystem zu steuern, so dass das Hybridfahrzeug mit optimaler Effizienz und ähnlichem fahren kann.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Verstärkungswandler 242 zwischen der Antriebsbatterie 220 und dem Inverter 240 vorgesehen. Da die Nennspannung der Antriebsbatterie 220 niedriger als die des Motorgenerators 140A (MG(2) 140A) und des Motorgenerators 140B (MG(1) 140B) ist, verstärkt der Verstärkungswandler 242 die elektrische Leistung vor der Zuführung der elektrischen Leistung zum Motorgenerator 140A (MG(2) 140A) und Motorgenerator 140B (MG(1) 140B) von der Antriebsbatterie 220.
  • Obwohl die jeweiligen ECU bzw. Elektronische Steuereinheiten in 1 getrennt vorgesehen sind, können zwei oder mehr ECUS in eine ECU integriert sein, beispielsweise können die MG-ECU 300 und AV-ECU 320 in eine ECU integriert sein, wie es durch gestrichelte Linien in 1 gezeigt ist.
  • Der Leistungsaufteilmechanismus 200 ist durch einen Planetengetriebemechanismus (Planetengetriebe) implementiert, um die Leistung des Verbrennungsmotors 120 sowohl zu den getriebenen Rädern 160 als auch zu dem Motorgenerator 140B (MG(1) 140B) zu verteilen. Durch die Steuerung der Anzahl der Umdrehungen des Motorgenerators 140B (MG(1) 140B) dient der Leistungsaufteilmechanismus 200 ebenfalls als ein stufenlos veränderbares Getriebe. Die Rotationskraft des Verbrennungsmotors 120 wird durch einen Träger (C) aufgenommen, um zum Motorgenerator 140B (MG(1) 140B) durch ein Sonnenrad (S) und zum Motorgenerator 140A (MG(2) 140A) und zu einer Abtriebswelle (an der Seite des angetriebenen Rades 160) durch ein Hohlrad (R) übertragen zu werden. Zum Ausschalten des Rotierens des Verbrennungsmotors 120 wird die kinetische Energie der Rotation des rotierenden Verbrennungsmotors 120 in elektrische Energie beim Motorgenerator 140B (MG(1) 140B) umgewandelt, um die Drehzahl des Verbrennungsmotors 120 zu verringern.
  • Bei einem Hybridfahrzeug, das mit einem Hybridsystem, wie dieses in 1 gezeigt ist, ausgerüstet ist, steuert, wenn Bedingungen, die in Bezug auf den Zustand des Fahrzeugs vorbestimmt sind, erfüllt sind, die AV-ECU 320 den Verbrennungsmotor 120 über den Motorgenerator 140A (MG(2) 140A) und die Verbrennungsmotor-ECU 280, so dass das Hybridfahrzeug nur vermittels des Motorgenerators 140A (MG(2) 140A) des Motorgenerators 140 läuft. Beispielsweise weisen die vorbestimmten Zustände einen Zustand auf, dass die treibende Batterie 220 einen SOC bzw. Ladezustand eines vorbestimmten Wertes oder oberhalb von diesem hat. Bei einer solchen Steuerung kann das Hybridfahrzeug nur vermittels des Motorgenerators 140A (MG(2) 140A) angetrieben werden, selbst wenn der Verbrennungsmotor 120 mit niedriger Effizienz beim Starten des Antreibens betrieben wird, während des Fahrens mit niedrigerer Geschwindigkeit oder von ähnlichem. Als ein Ergebnis kann der SOC der Antriebsbatterie 220 verringert werden (die Antriebsbatterie 220 kann bei einem nachfolgenden Stopp des Fahrzeugs geladen werden).
  • In einem Normalfahrzustand wird die Leistung des Verbrennungsmotors 120 durch den Leistungsaufteilmechanismus 200 in zwei Pfade aufgeteilt, so dass das angetriebene Rad 160 direkt angetrieben wird, während der Motorgenerator 140B (MG(1) 140B) für die Leistungserzeugung angetrieben wird. In diesem Stadium wird der Motorgenerator 140A (MG(2) 140A) vermittels der erzeugten elektrischen Leistung zum Unterstützen des Antreibens des Rades 160 angetrieben. Während des Fahrens mit hoher Geschwindigkeit wird die elektrische Leistung von der Antriebsbatterie 220 ferner dem Motorgenerator 140A (MG(2) 140A) zum Erhöhen der Leistungsausgabe des Motorgenerators 140A (MG(2) 140A) zugeführt, so dass eine zusätzliche Antriebskraft auf die angetriebenen Räder aufgebracht wird. Bei der Verlangsamung dient der Motorgenerator 140A (MG(2) 140A), der den getriebenen Räder 160 folgend angetrieben wird, als ein Generator, um die Regenerierung auszuführen, und wird die wieder gewonnene elektrische Leistung in der Antriebsbatterie 220 gespeichert. Wenn die Antriebsbatterie 220 eine verringerte Menge der Ladung hat und speziell ein Laden erforderlich ist, wird die Ausgabe des Verbrennungsmotors 120 zum Erhöhen des Betrages der Leistungserzeugung des Motorgenerators 140B (MG(1) 140B) erhöht, wodurch die Lademenge der Antriebsbatterie 220 erhöht wird.
  • Ferner ist ein Ladezustand SOC der Antriebsbatterie 220 gewöhnlich auf ungefähr 60 Prozent gesetzt, so dass die Energie jedes Mal dann wieder gewonnen werden kann, wenn die Regenerierung ausgeführt wird. Um zu verhindern, dass sich die Antriebsbatterie 220 verschlechtert, werden der obere und untere Grenzwert des SOC auf 80 Prozent bzw. 30 Prozent gesetzt. Die HV-ECU 320 steuert über die MG-ECU 300 die Leistungserzeugung und die Regenerierung durch den Motorgenerator 140 sowie die Motorausgangsleistungen bzw. Elektromotorausgabe, so dass der SOC die obere Grenze nicht überschreitet und unter die untere Grenze sinkt. Die Werte, die hier genannt sind, sind lediglich Beispiele und es ist nicht beabsichtigt, dass diese begrenzende Werte sind.
  • Unter Bezugnahme auf 2 wird der Leistungsaufteilmechanismus 200 weiter beschrieben. Der Leistungsaufteilmechanismus 200 wird durch ein Planetengetriebe mit einem Sonnenrad (S) 202 (auf das sich nachfolgend kurz als Sonnenrad 202 bezogen wird), einem Ritzel 204, einem Träger (C) 206 (auf den sich nachfolgend als Träger 206 bezogen wird) und einem Hohlrad (R) 208 (auf das sich nachfolgend kurz als Hohlrad 208 bezogen wird) implementiert.
  • Das Ritzel 204 steht mit dem Sonnenrad 202 und dem Hohlrad 208 in Eingriff. Der Träger 206 stützt das Ritzel 204 in rotationsfähiger Weise. Das Sonnenrad 202 ist mit der Rotationswelle des MG(1) 140B gekoppelt. Der Träger 206 ist mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 120 gekoppelt. Das Hohlrad 208 ist mit der Rotationswelle des MG(2) 140A und der Geschwindigkeitsverringerungseinrichtung 180 gekoppelt.
  • Das Koppeln des Verbrennungsmotors 120, von MG(1) 140B und MG(2) 140A miteinander vermittels das Leistungsaufteilmechanismus 200, der durch das Planetengetriebe implementiert wird, bringt den Verbrennungsmotor 120, MG(1) 140B und MG(2) 140A in eine Beziehung, in der ihre Drehzahlen mit einer geraden Linie in einer Nomogramdarstellung verbunden sind.
  • Unter Bezugnahme auf 3 wird nun die Gesamtstruktur eines Hybridkühlsystems mit einem Motorgenerator 140, der die Kühlstruktur entsprechend dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat, beschrieben. Wie es in 3 gezeigt ist, ist dieses Hybridkühlsystem (auf das sich nachfolgend ebenfalls als ein Kühlsystem bezogen wird), ein System, bei dem das Kühlwasser (LLC (Long Life Coolant bzw. Kühlmittel mit hoher Lebensdauer) als ein Kühlmedium) als ein flüssiges Kühlmittel vom/zum Motorgenerator 140 und von/zu einer PCU 2200 zu/von einem HV-Kühler 2330 vermittels einer HV-Wasserpumpe 2310 strömt, um den Motorgenerator 140 und die PCU 2200 zu kühlen.
  • Zusätzlich zur vorstehend genannten HV-Wasserpumpe 2310 und zum vorstehend genannten HV-Kühler 2330 weist das Kühlsystem ein Rohr 2320 mit Bestimmung für den HV-Kühler zum Zuführen von Hochtemperaturkühlwasser mit absorbierter Wärme beim Motorgenerator 140 und bei der PCU 2200, ein HV-Kühler-Rückführrohr 2340 zum Rückführen eines Kühlwassers, dessen Temperatur durch den Wärmeaustausch beim HV-Kühler 2330 gefallen ist, vom HV-Kühler 2330 und einen Aufnahmetank 2300 auf.
  • Der Aufbewahrungsbehälter 2300 dient als ein Hilfstank für das Kühlwasser und ist vorgesehen, um Änderungen bei der Temperatur des Kühlwassers in den Rohren dieses Kühlsystems und Änderungen bei der Kapazität der Rohre, die durch die Umführung des Kühlwassers bedingt ist, aufzunehmen. Genauer gesagt bewirkt in dem Fall, in dem der Aufbewahrungsbehälter 2310 nicht vorgesehen ist, ein unzureichendes Volumen von Kühlwasser in Bezug auf die Kapazität der Kühlrohre, dass Luft in die Kühlrohre eintritt. In einem solchen Fall wird Luft, die in die Rohre des Kühlsystems eintritt, in die HV-Wasser-Pumpe 2310 eingelassen, wodurch bewirkt wird, dass die HV-Wasserpumpe 2310 luftabgeschlossen bleibt. Dann kann das Kühlwasser nicht länger zirkulieren. Um eine solche Situation zu vermeiden, ist der Aufbewahrungstank 2310 vorgesehen.
  • Bei dem in 3 gezeigten Kühlsystem wird das Kühlwasser über den HV-Kühler 2330, die PCU 2200, den Aufbewahrungsbehälter 2300, die HV-Wasser-Pumpe 2310 und den Motorgenerator 140 in dieser Reihenfolge umgeführt. Die PCU 2200 weist in sich eine IPM zum Antreiben des Motorgenerators 140 auf und befindet sich daher in der Nähe zum Motorgenerator 140, wie es in 3 gezeigt ist. Dementsprechend befinden sich, wenn der Verbrennungsmotor 120 an der Vorderseite des Fahrzeugs montiert ist, der Motorgenerator 140 und die PCU 2200 in der Nähe des Verbrennungsmotors 120.
  • Es ist festzuhalten, dass die Position des Motorgenerators 140 und der PCU 2200 nicht auf das vorstehende beschriebene begrenzt ist. Obwohl das Kühlsystem beschrieben ist, dass es von einem Kühlsystem des Verbrennungsmotors 120 getrennt ist, ist das Kühlsystem, das durch die Steuereinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung gesteuert werden, nicht auf das vorstehend beschriebene begrenzt. Genauer gesagt kann das Kühlsystem die Kühlrohre mit dem Kühlsystem von Verbrennungsmotor 120 teilen. Alternativ dazu kann ein Kühler geteilt werden, während Rohre unabhängig vorgesehen sind (anders ausgedrückt dient der Kühler des Verbrennungsmotors 120 ebenfalls als der HV-Kühler) oder ein beliebiger anderer Modus zum Aufteilen kann angewendet werden (zum Beispiel das Teilen von nur einem Kühllüfter bzw. Kühlgebläse zwischen den Kühlern).
  • Unter Bezugnahme auf 4 wird nun die innere Struktur des Motorgenerators 140 mit der Kühlstruktur entsprechend dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Der Motorgenerator 140 ist an dem vorstehend beschriebenen Hybridfahrzeug montiert, wobei die Rotationswelle horizontal oder im Wesentlichen horizontal, wie es in 4 gezeigt ist, angeordnet ist.
  • 4 ist eine Querschnittsansicht eines solchen Motorgenerators 140. Dieser Motorgenerator weist einen Rotorabschnitt mit einem Rotor 11010, der durch zwei Lager als 11020 drehbar gelagert wird, und einen Statorabschnitt mit einem Stator kern 12000, der an der Peripherie des Rotors 11010 angeordnet ist, auf. Der Rotor 11010 wird durch Lager 11020 gelagert und dreht sich um eine Rotationswelle 11000 um ein Rotationsdrehmoment zum Antriebsstrang des Fahrzeugs zu übertragen (vorstehend beschriebener Leistungsaufteilmechanismus 200).
  • Der Statorkern 12000 befindet sich an einer Position gegenüber dem Rotor 11010, wodurch ein schmaler Zwischenraum zwischen diesen gelassen wird. Der Statorkern 12000 hat Schlitze, die sich durch diesen in einer Richtung parallel zur Rotationswelle erstrecken, und eine Spule ist in einer solchen Weise gewickelt, dass diese entlang der Schlitze läuft. Ein Strom fließt durch die Spule, um zu bewirken, dass der Statorkern 12000 ein Magnetfeld zum Rotieren des Rotors 11010 erzeugt.
  • Enden der Statorspule, die um den Statorkern 12000 gewickelt ist, bilden Statorspulenenden 12010. Die Statorspule ist in einer solchen Weise gewickelt, dass diese entlang der Schlitze des Statorkerns 12000 läuft, wobei ein Isolierpapier 12021 zwischen diese zwischengefügt ist. Zähne sind zwischen den Schlitzen vorgesehen.
  • Es ist festzuhalten, dass der Rotor 11010 aus einem Stapel einer Vielzahl von elektromagnetischen Stahlplatten (dünne Platten von ungefähr 0,3 mm bis 0,5 mm Dicke) gebildet oder eine einstückige Einheit sein kann. Die Komponenten einschließlich der Rotationswelle 11000, des Rotors 11010, der Lage 11020, des Statorkerns 12000 und der Statorspulenenden 12010, sind in einem Gehäuse 13000 eingeschlossen.
  • Die Statorspule 12040, die um den Statorkern 12000 gewickelt ist und in 4 gezeigt ist, ist aus einem rechteckigen Draht ausgebildet, um eine Spule mit Kantenausrichtung bzw. eine hochkant gewickelte Spule bzw. eine kantenbezogene Spule zu bilden. Dieser rechteckige Draht hat einen größeren Krümmungsradius, wenn dieser Krümmungen beschreibt, als ein runder Draht, woraus ein größerer Zwischenraum von dem Zahn des Stators (Eisenkern) der elektrischen Rotationsmaschine resultiert. Eine primäre Eigenschaft des Kühlsystems entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht in der Verwendung des Zwischenraums als der Kanal des Kühlmediums (Kühlwasser oder Kühlöl).
  • 5 ist eine perspektivische Ansicht eines Motorgenerators 140 mit dem Kühlsystem entsprechend dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Isolierplatten (Isolatoren), die die Statorkernenden 12010 bedecken, sind mit Kühlwassereinlässen 12011 versehen, die zu Zwischenräumen führen. Der Modus der Starterspulenenden 12010 ändert sich in Abhängigkeit von der Polanzahl des Motorgenerators 140 zum Beispiel. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Gruppe von zwei Einlässen für jede Isolierplatte vorgesehen.
  • 6 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts mit einer Spule mit Kantenausrichtung entsprechend einem Pol. 7 ist eine Schnittansicht, die 6 entspricht. Wie es in den 6 und 7 gezeigt ist, ist ein rechteckiger Draht 12050 um den Zahn 12018 gewickelt, um eine Spule mit Kantenausrichtung zu bilden. Wie es in 7 gezeigt ist, ist es schwierig, einen rechteckigen Draht 12050 um den rechteckigen Zahn 12018 zu wickeln, ohne dass Zwischenräume zwischen diesen verbleiben (es ist schwierig, den rechteckigen Draht 12050 mit einem rechteckigen Querschnitt genau als Rechteck ohne Zwischenräume zwischen diesen zu wickeln). Jedoch sind, wie es in 7 gezeigt ist, Stützabschnitte 12013 zum Bestimmen der Position der Spule mit Kantenausrichtung in Bezug auf den Zahn 12018 vorgesehen. Dieses ergibt einen Kühlwasserkanal 12012 zwischen der Spule mit Kantenausrichtung, die aus dem rechteckigen Draht 12050 gebildet ist, und dem Zahn 12018 (genauer gesagt mit Isoliermaterialien (Isolatoren), die zwischen diese zwischengefügt sind).
  • Kühlwassereinlässe 12011, die in 6 gezeigt sind, entsprechen in der Position dem Kühlwasserkanal 12012, der in 7 gezeigt ist. Dementsprechend gestattet die Zuführung von Kühlwasser (LLC) zu Kühlwassereinlässen 12011 (von der externen Seite des Motorgenerators 140 zur Rotationswelle (zur inneren oder zentralen Seite) hin), dass Kühlwasser durch den Kühlwasserkanal 12012 strömt. Dieses gestattet das direkte Kühlen der Spule mit Kantenausrichtung mit dem Kühlwasser.
  • Unter Bezugnahme auf die 8 und 9 wird nun die Zuführung von Kühlwasser in den Motorgenerator 140 beschrieben. Wie es in den 8 und 9 gezeigt ist, sind Kühlwassereinlässe 12011, die in 5 gezeigt sind, entlang des gesamten Umfanges der Statorspulenenden 12010 des Motorgenerators 140 vorgesehen. Kühlwas serzuführrohre 12014 sind entlang des gesamten Umfangs der Statorspulenenden 12010 in einer Weise vorgesehen, dass die Kühlwassereinlässe 12011, die entlang des gesamten Umfangs vorgesehen sind, abgedeckt sind. Kühlwasserzuführrohre 12014 haben Auslässe, die in der Position den Kühlwassereinlässen 12011 entsprechen. Wie es durch Pfeile in 8 angezeigt ist, läuft Kühlwasser, das durch die Auslässe ausgegeben wird, durch Kühlwassereinlässe 12011, um in den Kühlwasserkanal 12012 zu strömen. Da das Kühlwasser von der Oberseite zur Unterseite des Motorgenerators 140 durch Schwerkraft strömt, können die Auslässe nur an der Oberseite der Kühlwasserzuführrohre 12014 vorgesehen sein.
  • Wie es vorstehend unter Bezugnahme auf 3 beschrieben wurde, ist das vorliegende Hybridkühlsystem konfiguriert, um das Kühlwasser vermittels der HV-Wasser-Pumpe 2310 umzuführen, um am HV-Kühler 2330 die Wärme, die am Motorgenerator 140 absorbiert wurde, abzuleiten. Dementsprechend läuft das Kühlwasser, das durch den Kühlwasserkanal 12012 strömt, der sich von der äußeren Seite zur mittleren Seite des Motorgenerators 140, gezeigt in 4, öffnet, über ein Ablaufloch (nicht gezeigt), das sich am Boden des Motorgenerators 140 befindet, und strömt dieses über das Rohr 2320 mit Bestimmung für den HV-Kühler, um in den HV-Kühler 2330 geleitet zu werden.
  • Unter Bezugnahme auf die 10A und 10B wird die Strömung von Kühlwasser beschrieben. 10A ist ein Schaubild des Statorspulenendes 12010 bei Betrachtung von der Oberseite des Motorgenerators 140, wobei Kühlwassereinlässe 12011, die in den Isolierplatten vorgesehen sind, gezeigt sind.
  • 10B ist eine Schnittansicht an der Linie XB-XB in 10A. Wie es in 10B gezeigt ist, ist eine Vielzahl von kantenbezogenen Spulen bzw. Spulen mit Kantenausrichtung 12015 (Statorspulenenden 12010) für jeden Pol vorgesehen. Das Kühlwasser, das in die Kühlwasserkanäle 20000, 20010, 20020 und 20030, die durch Isolatoren 12016 und 12017 gebildet sind, strömt, tauscht Wärme mit den Statorspulen aus, um die Temperatur der Statorspulen zu verringern.
  • Unter Bezugnahme auf die 11A und 11B wird die Strömung von Kühlwasser, wenn eine kantenbezogene Spule bzw. Spule mit Kantenausrichtung 22015, einen Isolator 22017 mit unterschiedlicher Form in Bezug auf den Isolator 12015 hat, beschrieben. In ähnlicher Weise wie 10A ist 11A ein Schaubild eines Statorspulenendes 12010 bei Betrachtung von der Oberseite des Motorgenerators 140, wobei die Kühlwassereinlässe 12011, die in den Isolierplatten vorgesehen sind, gezeigt sind. 11B ist eine Schnittansicht an der Linie XIB-XIB in 11A.
  • Bei der Spule mit Kantenausrichtung 22015 (Statorspulenenden 12010) ist der Isolator 22017 kürzer als der Isolator 12017, der in den 10A und 10B gezeigt ist. Daher strömt das Kühlwasser, das in einen Kühlwasserkanal 30000 durch einen, einer Gruppe von zwei Kühlwassereinlässen 12011 strömt, in einen Kühlwasserkanal 30010, der mit dem anderen Kühlwasserkanal 12011 in Verbindung steht. Ferner strömt das Kühlwasser, das vom Kühlwasserkanal 30010 ausgegeben wird, in einen Kühlwasserkanal 30020 durch einen der Kühlwassereinlässe 12011 einer anderen Spule mit Kantenausrichtung, die sich abwärts befindet, um in einen Kühlwasserkanal 30030 zu strömen, der mit dem anderen der Kühlwassereinlässe 12011 in Verbindung steht. Ferner strömt das Kühlwasser, das aus dem Kühlwasserkanal 30010 ausgegeben wurde, in die andere Spule mit Kantenausrichtung, die sich abwärts befindet. Ferner tauscht das Kühlwasser, das aufeinanderfolgend in die Kühlwasserkanäle 30000, 30010, 30020 und 30030 strömt, wobei jeder durch Isolatoren 22016 und 22017 gebildet wird, Wärme mit den Statorspulen aus, um die Temperatur der Statorspulen zu verringern.
  • Gemäß Vorbeschreibung ist der Motorgenerator mit der Kühlstruktur entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel konfiguriert, damit das Kühlwasser durch die Zwischenräume strömt, die aus einem großen Krümmungsradius resultieren, wenn die Spule mit Kantenausrichtung aus dem rechteckigen Draht mit einem großen Krümmungsradius an den Krümmungen ausgebildet ist. Dieses gestattet das direkte Kühlen der Statorspulen, um verbesserte thermische Eigenschaften des Motorgenerators zu erzielen.
  • Modifikationen
  • Unter Bezugnahme auf 12 wird eine Modifikation des Motorgenerators mit der Kühlstruktur entsprechend dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • 12 entspricht 7 (obwohl die Ausrichtung unterschiedlich ist). Ein Unterschied von der in 7 gezeigten Kühlstruktur besteht darin, dass statt der Stützabschnitte 40010 ein Isolator 40002 zu einem Isolator 40000 hinzugefügt ist und ein Stützabschnitt 40010 auf diesen vorgesehen ist.
  • Genauer gesagt wird ein Kühlwasserkanal 40030, der schmaler als der Kühlwasserkanal 12012 ist, erhalten. Ein rechteckiges Drahtelement 40020 ist angeordnet, um den Kühlwasserkanal 40030 zu umgeben. Ein solcher schmalerer Kühlwasserkanal bringt eine höhere Strömungsrate des Kühlwassers mit sich. Dadurch wird eine verbesserte Wärmeaustauscheffizienz erzielt, was zu einer höheren Kühlleistung führt.
  • Es sollte verstanden werden, dass hier offenbarte Ausführungsbeispiele in jeglicher Hinsicht illustrierend, jedoch nicht begrenzend sind. Es ist beabsichtigt, dass der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung durch die Ansprüche und nicht durch die vorstehende Beschreibung definiert ist und alle Modifikationen und Variationen aufweist, die in der Bedeutung und im Inhalt der Ansprüche äquivalent sind.
  • Zusammenfassung
  • Eine elektrische Rotationsmaschine mit einer Spule mit Kantenausrichtung, die aus einem rechteckigeckigen Draht gebildet wird, wird effizient gekühlt. Die Spule mit Kantenausrichtung bzw. kantenbezogene Spule ist durch das Wickeln des rechteckigen Drahtes um einen Zahn (12018) ausgebildet. Um den rechteckigen Draht um den Zahn (12018) mit rechteckiger Form zu wickeln, sind Stützabschnitte (12013) vorgesehen, die die Position der Spule mit Kantenausrichtung in Bezug auf den Zahn (12018) bestimmen. Ein Kühlmittel strömt über einen Kühlwasserkanal (12012), der zwischen dem Zahn und der Spule mit Kantenausrichtung ausgebildet ist, die aus dem rechteckigen Draht ausgebildet ist und durch die Stützabschnitte (12013) positioniert ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 2004-343877 [0005]

Claims (4)

  1. Eine Kühlstruktur für eine elektrische Rotationsmaschine, die aufweist: eine Vielzahl von Spulen (12040) mit rechteckigem Draht (12050), der in mehreren Lagen um ein umfangsseitig einen Kern (12000) bedeckendes, isolierendes Teil (12021) gewickelt ist, wobei bei jeder der vielen Spulen zwischen dem isolierenden Teil (12021) und dem rechteckigen Draht (12050) ein Spalt vorgesehen ist, und einen Zuführabschnitt (12012), um ein Kühlmedium zuzuführen, damit dieses durch den Spalt strömt.
  2. Die Kühlstruktur für eine elektrische Rotationsmaschine nach Anspruch 1, wobei das Kühlmedium von einer der vielen Spulen zur anderen Spule strömt.
  3. Die Kühlstruktur für eine elektrische Rotationsmaschine nach Anspruch 1, die ferner ein einen Querschnittsbereich des Spalts reduzierendes, isolierendes Material (40002) aufweist.
  4. Die Kühlstruktur für eine elektrische Rotationsmaschine nach Anspruch 1, wobei der Zuführabschnitt aufweist: einen Kanal (12012), der das Kühlmedium einem mit dem Spalt in Verbindung stehenden Loch zuführt, und eine Pumpe (10P), die bewirkt, dass das Kühlmedium durch den Kanal strömt.
DE112008001594T 2007-06-13 2008-06-12 Kühlstruktur für eine elektrische Rotationsmaschine Pending DE112008001594T5 (de)

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