JP2021515144A - 電気機械およびギアボックスを備える構成および車両 - Google Patents

Abstract

電気機械（２）と、ギアボックス（３）と、電気機械（２）をギアボックス（３）に連結するとともに、シャフト（９）の機械側端（１９）からギアボックス（３）に延在する軸方向ブラインド孔（１８）を有するシャフト（９）と、冷却剤を孔（１８）内に供給するように構成された冷却剤導入要素（２１）と、孔（１８）の内部を機械側端（１９）からギアボックス（３）内へ延在し、導入された冷却剤の流路（２３）を画定する冷却剤誘導要素（２２）とを備える構成（１）。

Description

本発明は、電気機械およびギアボックスを備える構成に関する。また、本発明は車両に関する。

電気機械とギアボックスを備える構成は、特に電気自動車の統合駆動システムとして使用される場合には、電力密度に関する高い要件を満たす必要がある。その結果、構成の各構成要素は、その熱制限の近傍で動作するように設計される。ギアボックスに関しては、オイル溜めに収集された潤滑油の温度は、所定期間に亘って典型的には１２０℃〜１４０℃の最大定格温度を超えてはならない。さもなければ、ギアボックスの転がり接触によって発生する熱が十分に放散されず、潤滑膜が潰れて、摩耗が大きくなる可能性がある。これにより、ギアボックスが加熱されて損傷し得る。

不利には、ロータの熱損失が、電気機械をギアボックスと連結するシャフトを加熱する。シャフトは、シールおよび軸受を介して、ギアボックスに熱を伝達する。

ＷＯ２０１６／０５０５３４Ａ１は、軸孔が形成されたシャフトを有するロータと、軸孔内に冷却液が流れ得るように軸孔内に延在する流れガイド要素とを備える電気機械を開示している。流れガイド要素には、冷却剤入口を介して冷却剤が供給される。

本発明の目的は、電気機械とギアボックスを備える改良された構成を提供することであり、特にギアボックスからの改善された放熱を可能にすることである。

本発明によれば、電気機械と、ギアボックスと、電気機械をギアボックスに連結するとともに、シャフトの機械側端からギアボックスに延在する軸方向ブラインド孔を有するシャフトと、冷却剤を孔内に供給するように構成された冷却剤導入要素と、孔の内部を機械側端からギアボックス内へ延在し、導入された冷却剤の流路を画定する冷却剤誘導要素とを備える構成によって上記目的は解決される。

本発明は、シャフトの液体冷却をギアボックスまで延長する考えに基づいている。ロータによって発生した熱がシャフトによってギアボックスに伝達されるときに、有利には、機械側端とギアボックスとの間のシャフトを冷却することにより、熱がギアボックスに侵入する位置で熱を効果的に放散される。さらに、ギアボックスのギアの転がり接触によって発生する熱は、冷却剤によって放散される。ここで、シャフトをウェットにする潤滑剤膜は、シャフトを介して効果的に冷却されて、ギアボックス内の潤滑剤全体の熱接続が形成される。

典型的には、電気機械とギアボックスとは、同じハウジング内に配置される。そこで、この構成は、特に車両のための統合駆動システムを実現することができる。好ましくは、電気機械は、非過負荷動作範囲内で、１２．０００ｍｉｎ^−１、好ましくは１５．０００ｍｉｎ^−１、さらに好ましくは２０．０００ｍｉｎ^−１の回転速度で動作するよう構成される。上記の回転速度は、最新の自動車駆動システムに求められる高電力密度を達成することが可能である。特に、電気機械は永久磁石同期機である。シャフトは、この構成の主軸とみなすことができる。ロータおよび／またはギアは、耐トルクとなるようにシャフトに取り付けられてよい。典型的には、冷却剤は水および／またはグリコールを含む。機械側端は、シャフトの非駆動端（ＮＤＥ）とみなすことができる。

好ましくは、孔は、閉鎖要素によって軸方向に閉じられる貫通孔を有するシャフトによって実現される。閉鎖要素はプラグ、スタッド、またはナットを備えてよい。シャフトは、管状の非加工材によって形成されてよく、あるいは貫通孔を穿設することで形成されてよい。

ここで、シャフトを支持する軸受および／またはギアボックスのギアは、閉鎖要素により取り付けられる。特に、軸受および／またはギアに取り付けられるナットは、シャフトのギアボックス側端の貫通穴にねじ込まれてよい。さらに、冷却剤がギアボックス内の潤滑剤と接触することを避けるために、シール手段を閉鎖要素に配置してもよい。

有利には、シャフトのブラインド端部は、冷却剤を旋回させるように構成された偏向手段を有する。冷却剤が偏向手段に向けて流れると、放熱を改善する乱流が発生する。偏向手段は、シャフトの回転軸に対して非垂直である孔側面を有する。換言すれば、孔側面の法線と回転軸とは、０°より大きい角度、好ましくは少なくとも１°より大きい角度、より好ましくは少なくとも５°より大きい角度をなしてよい。

好ましくは、偏向手段は、閉鎖要素によって実現される。したがって、機械側端に面する閉鎖要素の領域は、非垂直である孔側面を有するように形成されてよい。

冷却剤誘導要素は、シャフトが冷却剤誘導要素の周りを回転するように構成されてよい。しかし、例えばロータに対して耐トルクであるように配置されることによって、冷却剤誘導要素がロータとともに回転することも可能である。ここで、冷却剤誘導要素は、冷却剤導入要素に対して回転可能であってよい。

本発明の構成に関しては、冷却剤誘導要素が孔を内側領域と外側領域とに分離し、うち一方の領域が流路を実現するように構成されていることが好ましい。冷却剤誘導要素は、内側領域を囲む閉じた断面を有してよい。特に、冷却剤誘導要素はパイプまたは管である。したがって、冷却剤誘導要素は、冷却ランスとみなすことができる。

好ましくは、内側領域は流路を実現する。ここで、冷却剤は、冷却剤誘導要素の内部をブラインド端部まで流れ、そこで内部領域から流出してシャフトと接触する。内側領域から流出した後、冷却剤はシャフトと接触しながら機械側端に流れ戻る。あるいは、冷却剤は外側領域を通って孔内を流れ、内側領域を通って機械側端まで流れ戻るよう案内される。

冷却剤誘導要素は、シャフトの軸方向に延在して外側領域に突出した、円周方向に開いた外形、特に螺旋状の外形をさらに備えてよい。したがって、機械側端に流れ戻ると、外形によって乱流が発生する。さらに、外形がシャフトの回転に追従しないことから、シャフトの回転は冷却剤の軸方向の動きを発生させる。

冷却剤誘導要素及び外形は単一の部品で形成され得るが、外形は、冷却剤誘導要素の周りに配置された外形要素によって実現されることが好ましい。外形要素は、ワイヤまたはリボンであってよく、および／または、ポリマーおよび／または金属で形成されてよい。好ましくは、外形要素は、冷却剤誘導要素の上に押しつけられたまたは周囲に巻かれた成型部品である。外形要素は、圧入によって固定されてよい。あるいは、外形要素は、冷却剤誘導要素上に成型することによって実現してよい。

さらに、この構成は、シャフトに取り付けられたロータとギアとの間に配置されたラジアルシャフトシールを備えてよく、ラジアルシャフトシールは冷却剤によって冷却され得る。典型的には、ラジアルシャフトシールは、潤滑剤が電気機械の空隙に入るのを防止する。したがって、ラジアルシャフトシールは、電気機械の駆動端シールド（ＤＥシールド）内に配置された軸受とロータとの間に配置されていることが好ましい。ラジアルシャフトシールは過熱時に高い摩耗を受け得るので、本発明の冷却方法は、ラジアルシャフトシールの長寿命化を可能にする。

さらに、本発明は、車両を駆動するように構成された、本発明の構成を備える車両に関する。

本発明の構成に関する記載はすべて本発明の車両にも同様に適用され、したがって本発明の構成の上述した利点も同様に達成される。

さらなる詳細および本発明の利点は、概略図を参照しながら以下に開示される。

電気機械およびギアボックスを備える本発明の構成の一実施形態の斜視図である。 図１に示す断面ＩＩに沿った構成の断面図である。 冷却剤誘導要素の断面図である。 本発明の車両の一実施形態のブロック図である。

図１は、電気機械２およびギアボックス３を備える構成１の一実施形態の斜視図である。構成１は高出力密度を有する車両のための統合駆動システムであり、電気機械２は、非過負荷動作範囲内で最大２２．０００ｍｉｎ^−１の回転速度で動作可能である。

構成１は、電気機械２に電気的供給を行うように構成されたインバータ４をさらに備える。電気機械２、ギアボックス３、およびインバータ４は、機械ハウジング６とギアボックスハウジング７と共通のハウジング５を有する。ハウジング５は、機械ハウジング６およびギアボックスハウジング７が対応するハウジング区域である１つの部品のハウジングによって、あるいは、２つまたは複数の部品のハウジングによって実現されてよい。

ギアボックス３は、２つの側軸８を有し、図１においては１つの側軸は隠されている。側軸８は、ギアボックス３の差動ギアによって連結され、車両のホイールハブに取り付け可能である。

図２は、図１に示す断面ＩＩに沿った構成１の断面図である。構成１は、電気機械２のロータ１０とギヤボックス３のギヤ１１とに取り付けられたシャフト９を備えている。したがって、シャフト９は、ロータ１０とギア１１とを直接連結しており、構成１の主軸とみなすことができる。

構成１は、機械ハウジング６の駆動端シールド１３（ＤＥシールド）においてロータ１０とギア１１との間に配置された第１軸受１２と、ギアボックスハウジング７のハウジング構造１５内に配置された第２軸受１４と、機械ハウジング６の非駆動端シールド１７（ＮＤＥシールド）に配置された第３軸受１６とをさらに備える。

シャフト９は、シャフト９の機械側端１９からギアボックス３内へ、第２軸受１４が配置されているシャフト９の領域まで延びる軸方向ブラインド孔１８を備える。孔１８は、閉鎖要素２０によって軸方向に閉鎖される貫通孔を有するシャフト９によって実現されている。閉鎖要素２０はナットであり、ギアボックス３の第２軸受１４及びギア１１も取り付ける。あるいは、閉鎖要素はプラグまたはスタッドである。シャフト９は、貫通孔を有する管状の非加工材によって形成されてもよい。あるいは、貫通孔をシャフト９に穿設してもよい。

さらに、構成１は、機械側端１９に配置され、例えば水とグリコールの混合物等の冷却剤を孔１８に導入および供給するように構成された冷却剤導入要素２１を備える。冷却剤導入要素２１は、ＷＯ２０１６／０５０５３４Ａ１に記載されているように構成されてもよい。冷却剤は孔１８に入ると、構成１の冷却剤誘導要素２２によって案内される。冷却剤誘導要素２２は、シャフト９が冷却剤誘導要素２２の周りを回転するように配置されている。すなわち、冷却剤誘導要素２２およびシャフト９は、互いに耐トルクとなるように接続されていない。

冷却剤誘導要素２２は、機械側端１９からギアボックス３内への冷却剤用の流路２３に沿って孔１８内を延在する。冷却剤誘導要素２２は、自由ブラインド端部２４まで孔１８内を延在する。冷却剤誘導要素２２は、管状であり、孔１８と同軸状に配置されている。したがって、冷却剤誘導要素２２は、孔１８を内側領域２５と外側領域２６とに分離し、内側領域２５が流路２３を実現する。

冷却剤導入要素２１によって冷却剤が冷却剤誘導要素２２に供給および導入されると、ブラインド端部２４において冷却剤誘導要素２２から冷却剤が流出する。これにより、ブラインド端部２４に配置された偏向手段２７と接触する。偏向手段２７は、冷却剤を旋回させるように構成され、その結果、冷却効果が向上するように乱流が発生する。そして、偏向手段２７の孔側面２８は、シャフト９の回転軸２９に対して非垂直である。偏向手段２７は、閉鎖要素２０により実現される。したがって、閉鎖要素２０を形成するナットは、その孔側に傾斜面２８を有する。旋回した後、冷却剤は機械側端１９に流れ戻る。そして、冷却剤導入要素２１は出口を有する。さらに、構成１は、閉じた冷却回路に沿って冷却剤を圧送するように構成された不図示のポンプを備える。

さらに、冷却剤誘導要素２２は、シャフト９の軸方向に延在して外側領域２６に突出した、円周方向に開いた、すなわち螺旋状の外形３０を備える。外形３０は、冷却剤誘導要素２２の周囲に配置された外形要素３１によって実現される。したがって、シャフト９が回転すると、冷却剤誘導要素２２は静止しており、軸ポンプと同様の効果を有する外形３０によって冷却剤の逆流が増大する。

図３は、冷却剤誘導要素２２の断面図である。図から分かるように、外形要素３１は、冷却剤誘導要素２２の上に押しつけられたまたは周囲に巻かれたリボンである。外形要素３１は、成型部品としてのポリマーで形成されている。あるいは、外形要素３１は、金属、またはポリマーと金属との組合せで形成されている。外形要素３１は、冷却剤誘導要素２２の両端に圧入されている。図３においてはリボンとして描かれているが、冷却剤誘導要素２２は、あるいはワイヤであってもよい。

このようにして、構成１は、冷却剤が冷却流路２３に沿って孔１８に運ばれることを可能にする。ブラインド端部２４において冷却流路２３から流出するとき、冷却剤は後方に流れてロータ１０によって加熱されているシャフト９を冷却する。さらに、ギアボックス３内のシャフト９の周りの潤滑剤膜が、ギアボックス３内からシャフト９に熱を運ぶことによって、ギアボックス３の熱を放散させる。さらに、冷却剤は、軸受１２、１４、１６と、電気機械２の空隙に潤滑剤が入り込むことを防止するために第１軸受１２とロータ１１との間に配置されたラジアルシャフトシール３２とを冷却する。このようにして、ラジアルシャフトシール３２は、ウェットなギアボックス３とドライな電気機械２との間にシステムバリア３３を形成する。

構成１の別の実施形態によれば、冷却剤の流れる方向は上記実施形態とは反対の方向である。この場合、冷却剤は、冷却剤導入要素２１から外部領域２６を通ってブラインド端部２４に流入し、内部領域２５を通って流れ戻る。

構成１の別の実施形態によれば、冷却剤誘導要素２２はロータ１０とともに回転するように構成されている。これにより、冷却剤誘導要素２２は、ロータ１０に対して耐トルクとなるように接続され、冷却剤導入要素２１に対して相対的に回転する。

図４は、上記実施形態の１つに係る構成１を備える車両３４の一実施形態のブロック図であり、構成１は車両３４を駆動するように構成されている。

Claims (13)

1. 電気機械（２）と、ギアボックス（３）と、前記電気機械（２）を前記ギアボックス（３）に連結するとともに、シャフト（９）の機械側端（１９）から前記ギアボックス（３）に延在する軸方向ブラインド孔（１８）を有する前記シャフト（９）と、冷却剤を前記孔（１８）内に供給するように構成された冷却剤導入要素（２１）と、前記孔（１８）の内部を前記機械側端（１９）から前記ギアボックス（３）内へ延在し、導入された前記冷却剤の流路（２３）を画定する冷却剤誘導要素（２２）とを備える構成（１）。
2. 前記孔（１８）は、特にプラグ、スタッド、またはナットを備える閉鎖要素によって軸方向に閉じられる貫通孔を有する前記シャフト（９）によって実現される、請求項１に記載の配置。
3. 前記シャフト（９）を支持する軸受（１４）および／または前記ギアボックス（３）のギア（１１）は、前記閉鎖要素（２０）により取り付けられる、請求項２に記載の構成。
4. 前記シャフト（９）のブラインド端部（２４）は、前記冷却剤を旋回させるように構成された偏向手段（２７）を有する、請求項１から３のいずれか１つに記載の構成。
5. 前記偏向手段（２７）は前記閉鎖要素（２０）によって実現される、請求項２および４または請求項３および４に記載の構成。
6. 前記偏向手段（２７）は、前記シャフト（９）の回転軸（２９）に対して非垂直である孔側面（２８）を有する、請求項４または５に記載の構成。
7. 前記冷却剤誘導要素（２２）は、前記シャフト（９）が前記冷却剤誘導要素（２２）の周りを回転するように配置されている、請求項１から６のいずれか１つに記載の構成。
8. 前記冷却剤誘導要素（２２）は、前記孔（１８）を内部領域（２５）と外部領域（２６）とに分離し、一方の領域（２５、２６）、特に前記内部領域（２５）が前記流路（２３）を実現する、請求項１から７のいずれか１つに記載の構成。
9. 前記冷却剤誘導要素２２は、前記シャフト（９）の軸方向に延在して前記外側領域（２６）に突出した、円周方向に開いた外形（３０）、特に螺旋状の外形を備える、請求項８に記載の構成。
10. 前記外形（３０）は、前記冷却剤誘導要素（２２）の周囲に配置された外形要素（３１）によって実現される、請求項９に記載の構成。
11. 前記外形要素（３１）は、ワイヤまたはリボンであり、および／またはポリマーから特に成型によって形成されており、および／または金属によって形成されている、請求項１０に記載の構成。
12. 前記構成は、前記シャフト（９）に取り付けられたロータ（１０）とギア（１１）との間に配置されたラジアルシャフトシール（３２）を備え、前記ラジアルシャフトシール（３２）は冷却剤によって冷却され得る、請求項１から１１のいずれか１つに記載の構成。
13. 車両（３４）を駆動するように構成された請求項１から１２のいずれか１つに記載の構成（１）を備える、車両（３４）。

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