KR20210150552A - 전기차 또는 하이브리드 자동차의 전기 파워 트레인을 냉각 및 윤활시키기 위한 장치 - Google Patents

전기차 또는 하이브리드 자동차의 전기 파워 트레인을 냉각 및 윤활시키기 위한 장치 Download PDF

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바셀 아사드
줄리엥 보리
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르노 에스.아.에스.
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Abstract

감속기(20)에 연결되고 권취 로터를 구비한 전기 기계(10)를 포함하는 자동차의 파워 트레인을 냉각시키기 위한 장치가 제공되는바, 상기 장치는: 상기 전기 기계를 냉각시키기 위한 오일 냉각 회로(30)로서, 상기 자동차의 라디에이터를 통하여 상기 파워 트레인의 구성요소들을 연결하는 물 회로와 오일 탱크(31)에 연결되는 열교환기(36); 상기 열교환기의 유출부에서 상기 전기 기계를 가열시키기 위한 구성요소들로 오일을 투사하는 배분 회로(37-40)로 공급되는 오일 유동의 온도를 조정하기 위한 수단; 상기 감속기를 윤활시키는 회로로서, 상기 감속기를 윤활시키기 위하여 오일 저장부(22)를 형성하는 저부를 구비한 감속기 하우징(21); 및 오일 저장부를 냉각시키기 위하여 상기 감속기 하우징(21)의 저부와 접촉하고 온도가 조정된 오일의 일부분을 운반하기 위하여 상기 열교환기의 유출부에 있는 우회 채널(41)을 포함한다.

Description

전기차 또는 하이브리드 자동차의 전기 파워 트레인을 냉각 및 윤활시키기 위한 장치
본 발명은 권취 로터를 구비한 전기 기계 및 전기 기계에 연결된 감속기를 포함하는 유형의 전기 파워 트레인을 냉각 및 윤활시키기 위한 장치에 관한 것이다.
전기차 또는 하이브리드 자동차에 대한 적용을 위하여 의도된 전기 기계의 파워 밀도가 증가됨에 따라서, 이 기계의 냉각 효율의 향상이 주요한 이슈가 되었다. 공지된 방안들 중에서도, 전기 기계의 가열 요소들에 대한 오일의 직접적인 주입에 의한 냉각이 특히 유리하다.
특허 문헌 WO2018/206890 에는 권취 로터를 구비한 전기 기계의 오일 냉각 회로가 개시되어 있는바, 이것은 전기 모터의 로터, 스테이터, 조인트들, 및 베어링들의 냉각을 보장한다. 또한 상기 오일 냉각 회로는 조인트들 및 베어링들의 윤활도 보장한다. 이 회로는, 한편으로는 예를 들어 자동차의 물/공기 교환 라디에이터를 통과하는 물 회로로부터의 냉각 액체를 제거하기 위한 파이프에 연결되고 다른 한편으로는 전기 기계의 하측 부분에 배치된 오일 저장부로부터 오일을 제거하기 위한 파이프에 연결된 열교환기와, 제어 수단을 포함한다. 상기 제어 수단은, 온도를 기준으로 제어되는 열교환기의 유출부에서의 오일 유동을, 열교환기로부터의 온도를 기준으로 제어되고 오일을 전기 기계의 가열 요소들에 대해 투사(project)하는 냉각 회로의 오일 배분 회로로 공급함을 가능하게 하는 한다. 이와 같은 방식으로 투사된 오일은 중력에 의하여 오일 저장부 내로 회수된다.
특히, 상기 열교환기의 유출부에서 배분되는 오일의 온도가 제어됨을 가능하게 하는 수단은 왁스 캡슐에 의하여 활성화되는 써모스태틱 밸브를 포함하는데, 이것은 냉각 회로 내에서 순환하는 오일의 온도가 온도 문턱값보다 낮은 때에 상기 모터와 관련된 열교환기를 단락(short-circuit)시키기 위하여 상기 모터의 오일 냉각 회로에 배치된다. 특히 상기 열교환기의 단락은, 전기 모터가 저온에서 시동되는 때에 오일의 온도 증가가 가속됨을 가능하게 한다. 이와 달리 상기 오일의 온도가 온도 문턱값보다 큰 때에는, 상기 밸브는 상기 오일이 열교환기만을 향하여 지나가게 허용하고, 이로 인하여 저장부를 떠나는 오일은 냉각된 이후에 냉각 작용을 수행하고 나서 상기 모터의 가열 요소들의 상류측에 있는 배분 회로로 복귀한다. 또한 상기 오일의 온도가 상기 문턱값을 초과하는 때에는, 상기 열교환기의 유출부에서의 오일의 유동의 일부가 상기 기계의 가열 요소들을 경유하지 않고서 전기 기계의 아래에 위치한 오일 저장부 안으로 직접 우회될 수 있는바, 이는 고온 열교환기의 영역에서 상기 오일의 냉각을 증진하기 위한 것이다.
그러나, 저온에서의 작동 동안에 열교환기가 단락됨을 가능하게 하고 고온 작동 동안에 오일을 상기 기계의 가열 요소들을 경유하지 않고서 오일 저장부로 직접 복귀시키기 위하여 상기 오일 회로 내에 왁스 써모스탯(wax thermostat)을 구비한 밸브를 통합시키는 방안은 몇가지 단점들을 가지고 있다. 첫째, 이와 같은 구성은 왁스 써모스탯의 작동에 관한 신뢰성의 관점에서 위험을 유발할 수 있는데, 왁스 써모스탯은 한편으로는 냉각 회로 내에서 사용되는 오일과 왁스 캡슐의 호환성에 관한 문제와 연계되며, 다른 한편으로는 왁스 써모스탯을 제어하기 위하여 부여되는 작동 온도의 범위에 관한 문제와 연계된다. 또한, 오일 회로 내에 왁스 써모스탯을 통합함에 있어서는 써모스탯의 진단을 수행하기 위하여, 특히 오일 회로 내부와 밸브 내부의 오일 간의 압력 차이로 인하여 왁스 캡슐의 움직임이 방해받지 않음을 보장하기 위하여 압력 센서의 이용이 필요하다. 만일 왁스 써모스탯이 차단되면, 전기 기계에 관한 안전상 위험이 발생한다.
또한, 감속기와 연계된 권취 로터를 구비하는 전기 기계를 포함하는 전기 파워 트레인의 냉각 시스템으로부터, 특히 예를 들어 특허 문헌 EP3363103 에서 전기 기계의 가열 요소들의 직접적 냉각을 위하여 전기 기계의 유출부에 연결된 감속기의 윤활 오일을 이용하는 방안이 알려져 있다. 이 문헌에서는, 감속기의 윤활 오일과 전기 기계의 냉각 오일을 공유하는 회로 내에서 유동하는 동일한 오일을 이용하여 전기 기계와 감속기가 냉각되는 방안이 개시되어 있다. 전기 기계의 가열 구성요소들을 냉각시키기 위하여 감속기의 윤활 오일을 이용함은, 저속에서 오일의 온도가 신속히 증가됨을 가능하게 하고 또한 마찰 손실이 감소됨을 가능하게 한다. 그러나 전기 기계와 감속기를 위하여 동일한 오일을 이용하는 때에는, 감속기의 오염물에 의한 오일의 오염, 전형적으로는 전기 모터의 코일들의 구리 와이어들과 상기 공통 오일에 의하여 운반되는 금속 입자들 사이에서 생성되는 마찰 접촉으로 인하여, 감속기의 기어 메카니즘으로부터 분리되는 미세 금속 입자들이 권취된 코일을 구비한 모터의 전기 절연에 영향을 줄 위험이 있다.
또한, 전기차 또는 하이브리드 자동차의 후방 액슬에서의 적용을 위한 그러한 전기 파워 트레인의 개발 관점에서, 감속기의 윤활 오일의 냉각이 문제시된다. 이는, 전술된 문헌 WO2018/206890 에서 예시된바와 같이 전기 기계의 냉각 회로 내에서 순환하는 오일이, 전기 기계의 오일 냉각 회로 내에 배치되고 자동차의 물/공기 라디에이터 및 물 회로와 관련된 오일/물 열교환기에 의해 냉각될 수 있기 때문이다. 이에 반하여 감속기 내에서 발생되는 열과 관련하여, 자동차의 후방 액슬에 대한 적용의 관점에서, 열이 공기 유동을 통하여 배출되어야 할 필요가 있다면, 자동차의 후방 후드 아래에서의 공기 유동은 요망되는 열교환을 보장하기에 불충분할 수 있다.
그러므로, 본 발명은, 적어도 부분적으로 전술된 문제점들을 해결하는, 권취 로터를 구비한 전기 기계 및 상기 전기 기계에 연결된 감속기를 포함하는, 전기차 또는 하이브리드 자동차의 전기 파워 트레인을 냉각 및 윤활시키는 장치를 제공함을 목적으로 한다.
상기 목적을 위하여, 권취 로터(wound rotor)를 구비한 전기 기계(electric machine) 및 상기 전기 기계에 연결된 감속기를 포함하는, 전기차 또는 하이브리드 자동차의 전기 파워 트레인(electric power train)의 냉각 및 윤활을 위한 장치가 제공되는바,
상기 냉각 및 윤활 장치는:
오일이 공급되는 전기 기계의 냉각 회로로서, 한편으로는 자동차의 라디에이터를 거쳐서 전기 파워 트레인의 구성요소들을 연결하는 냉각 액체 회로로부터 나오는 냉각 액체를 제거하기 위한 파이프에 연결되고 다른 한편으로는 전기 기계의 하측 부분에 배치된 오일 저장부로부터 나오는 오일를 제거하기 위한 파이프에 연결되는 열교환기를 포함하는 냉각 회로;
상기 열교환기의 유출부에서 온도를 기준으로 제어되는 오일의 유동을 상기 냉각 회로의 오일 배분 회로로 공급하기 위한 제어 수단으로서, 상기 오일 배분 회로는 온도를 기준으로 제어되고 상기 열교환기로부터 오는 오일을 상기 전기 기계의 가열 요소들에 대해 투사(project)할 수 있으며, 상기 투사된 오일은 오일 저장부에서 회수되는, 제어 수단; 및
하우징을 포함하는 감속기의 윤활 회로(lubrication circuit)로서, 상기 하우징 내부에는 감속기가 배치되고, 상기 하우징의 베이스는 상기 오일 스토어와 접촉하는 상기 감속기의 구성요소들의 회전에 의해 발생되는 소정 체적의 오일을 움직임으로써 감속기가 윤활될 수 있게 하는 오일 스토어(oil store)를 이루는 형상을 갖는, 윤활 회로;를 포함하고,
상기 냉각 및 윤활 장치는, 상기 상기 오일 스토어의 오일이 냉각됨을 가능하게 하기 위하여, 상기 열교환기로부터 나오고 온도를 기준으로 제어되는 상기 오일의 일부분을 상기 감속기의 하우징의 베이스와 접촉하게 배치된 열교환 파이프들의 네트워크의 유입부로 운반할 수 있는 우회 파이프를 상기 열교환기의 유출부에 포함하고, 상기 열교환 파이프들의 네트워크의 유출부는 오일 저장부에 연결되는 것을 특징으로 한다.
이로써, 오일/오일 열교환 파이프들의 네트워크로 인하여 감속기에 의해 발생되는 열을 제거하기 위하여 상기 전기 기계의 냉각 회로의 열교환기로부터 나오는 제어된 냉각 오일이 사용되어, 전기 기계와 감속기 간에 오일을 공유하거나 또는 감속기 전용인 물/오일 열교환기로서 다른 특정의 열교환기를 설치하지 않고서도 감속기 내에 담겨진 윤활 오일과 전기 기계의 냉각 오일 간의 열교환이 보장된다. 다시 말하면, 전기 기계와 감속기에서 발생되는 열을 제거하기 위하여, 전형적으로는 물 회로인 냉각 액체 회로와 자동차의 물/공기 열교환 라디에이터에 의해 보완되는 오일/액체 냉각용 열교환기가 전기 기계와 감속기 간에 공유될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 열교환 파이프들은 상기 감속기의 하우징 내에 형성된다. 다시 말하면, 상기 열교환 파이프들은 감속기 내에 통합된다.
일 실시예에 따르면, 상기 열교환 파이프들은 상기 감속기의 하우징의 외부에 배치된다.
유리하게는, 상기 냉각 회로는 오일 저장부로부터 오일을 인출할 수 있는 오일 펌프를 포함하고, 상기 오일 펌프는 오일 제거 파이프에 연결된다.
유리하게는, 상기 제어 수단은, 상기 열교환기에 연결된 냉각 액체 제거 파이프의 상류측에서 냉각 액체 회로 내에 배치된 밸브를 포함하고, 상기 밸브는, 한편으로는 상기 제거 파이프에 연결되되 다른 한편으로는 상기 열교환기를 단락시키기 위하여 냉각 액체 회로로부터 탭핑되는 우회 브랜치(diversion branch)에 연결되며, 상기 밸브는 상기 냉각 액체 회로 내에서 유동하는 냉각 액체의 적어도 일부분이 주위 온도에 따라서 우회 브랜치로 우회되게 할 수 있다.
유리하게는, 상기 밸브는, 상기 냉각 액체 회로 내에서 상기 전기 파워 트레인의 파워 인버터(power inverter)와 열교환기 사이에 배치된다.
유리하게는, 상기 밸브가 솔레노이드 밸브, 또는 왁스 캡슐(wax capsule)에 의하여 활성화되는 써모스태틱 밸브(thermostatic valve)일 수 있다.
유리하게는, 상기 냉각 회로의 오일 배분 회로는, 전기 기계의 로터의 일측 및 타측에 배치된 조인트(joint) 및 베어링(bearing)으로 오일을 운반할 수 있는 오일 유입 채널들, 및 상기 오일 유입 채널들에 고정된 유연성 노즐들을 포함하고, 상기 유연성 노즐들은 상기 오일 유입 채널들로부터 상기 조인트 및 베어링으로 배출되는 오일의 유동을 제어하도록 마련된다.
유리하게는, 상기 냉각 회로의 오일 배분 회로는 스테이터(stator)의 주변부로 오일을 운반할 수 있는 오일 유입 채널들을 포함하고, 상기 오일 유입 채널들은 상기 스테이터의 주변부에 배치되고 상기 스테이터의 중심 종축에 대해 원위에 있는 두 개의 대향된 노즐들로 개방된다.
또한 본 발명은 권취 로터를 구비한 전기 기계 및 상기 전기 기계에 연결된 감속기를 구비한 전기 파워 트레인을 포함하는 전기차 또는 하이브리드 자동차에 관한 것인바, 상기 자동차는 전술된 파워 트레인을 냉각 및 윤활시키기 위한 장치를 포함한다.
첨부 도면들을 참조로 하여 비제한적인 예로서 제시되는 아래의 설명으로부터 본 발명의 다른 특징들 및 장점들이 보다 명확히 이해될 것이다.
도 1 에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 파워 트레인의 냉각 및 윤활 장치의 개략도가 도시되어 있다.
도 2 에는 도 1 의 장치의 냉각 회로의 열교환기에 연결되고 자동차의 라디에이터를 통해 지나가는 냉각 액체 회로의 개략도가 도시되어 있다.
도 1 에 도시된 실시예에서, 본 발명에 따른 냉각 및 윤활 장치는, 전기차 또는 하이브리드 자동차의 전기 파워 트레인의 기계적 감속기(20)에 연결되는 전기 기계(10)를 냉각시키기 위하여 제공되는바, 이것은 자동차의 후방 액슬(rear axle)에 적용되도록 의도된 것이다.
구체적으로, 전기 기계(10)는 실린더 헤드에 제공되어 있는 스테이터(11)와 돌출된 자극들을 구비하고 그 주위에 구리 코일(13)들이 권취되어 있는 로터(12)를 포함한다. 로터(12)는 샤프트(14) 상에 장착되는데, 샤프트는 한편으로는 상기 로터에 고정되고 다른 한편으로는 베어링 및 조인트(16)에 의하여 전기 기계의 하우징(15)에 장착된다.
기계적 감속기(20)는 감속기 하우징(21) 내에 통합되고, 로터 샤프트(14)의 출력부에 연결된다. 감속기는 전기 기계의 회전 속도 및 토크를 변화시키도록 의도되는 기어들의 조립체로 구성된다. 감속기 하우징(21) 내부의 베이스 영역에는 윤활 오일 스토어(22)가 포함되는바, 이것은 상기 조립체에 걸쳐서의 버블링(bubbling), 다시 말하면 오일 스토어와 접촉하는 감속기의 구성요소들의 회전에 의해 발생되는 소정 부피의 오일의 이동에 의하여 상기 감속기의 구성요소들이 윤활 및 냉각됨을 가능하게 하도록 의도된 것이다.
또한, 본 발명의 장치는 전기 기계(10)의 오일 냉각 회로(30)를 포함하는데, 이것은 로터(12) 및 로터(12)인 전기 기계의 가열 요소들을 냉각시키도록 의도된 것이고, 또한 오일의 투사에 의하여 상기 로터 샤프트가 장착되어 있는 베어링 및 조인트(16)의 구성요소들을 냉각 및 윤활시킨다. 이를 위하여, 오일 냉각 회로(30)는 전기 기계의 하우징의 하측 부분에 배치되어 있는 오일 저장부(31)를 포함하는바, 상기 오일 저장부(31)는 전기 기계의 냉각 오일(32)의 저장분을 저장하도록 의도된다. 오일 유출 파이프(33)는 저장부(31) 외부로 개방되고 오일 펌프(34)에 연결되는바, 이와 같은 구성은 오일 저장부(31) 내에 저장된 냉각 오일이 인출됨을 가능하게 한다. 오일 펌프(34)는 그 유출부에서 오일 제거 파이프(35)에 연결되고, 상기 오일 제거 파이프(35)는 펌프(34)에 의하여 제거된 오일을 열교환기(36) 안으로 운반하며, 상기 열교환기(36)는 오일 제거 파이프(35)로부터 받아들어젼 오일을 냉각시키도록 의도된 것으로서, 상기 오일은 냉각 후에 다시 오일 배분 회로로 주입되며, 오일 배분 회로는 열교환기(36)에서 냉각된 오일을 운반하여 전기 기계의 가열 요소들에 직접 투사됨을 가능하게 한다. 이와 같은 방식으로 투사된 오일은 전기 기계에 의해 발생된 열을 회수하고, 중력에 의하여 오일 저장부(31)로 복귀한다.
전기 기계의 냉각 회로의 오일 배분 회로는 스테이터를 향하는 유입부(37)를 포함하며, 이로부터 전기 기계의 로터(12)의 일측 및 타측에 배치된 베어링 및 조인트(16)의 하우징에 대해 냉각된 오일을 운반할 수 있는 오일 유입 채널(38)들로 배분된다. 바람직하게는 이 채널들에 유연성 노즐들이 제공되며, 이 노즐들은 이 채널들로부터 베어링 및 조인트(16)의 하우징들을 향하여 배출되는 오일의 유동이 제어됨을 가능하게 하기 위하여 오일 유입 채널들에 고정된다. 또한 상기 오일 유입 채널(38)들은 상기 로터의 코일 헤드의 반대측에서 로터(12)의 일측 및 타측에 위치한 인젝터(39)들을 향하여 상기 냉각된 오일을 운반하도록 구성된다.
또한, 오일 배분 회로의 스테이터를 향하는 유입부(37)는 상기 오일을 스테이터의 주변부에 대해 운반할 수 있다. 바람직하게는, 상기 유입부(37)가 채널(40)들에 연결되며, 상기 채널(40)들은 스테이터의 중심 종축에 대해 원위에서 스테이터의 주변부에 위치한 두 개의 대향된 노즐들로 개방된다. 따라서, 이와 같은 방식으로 배치된 두 개의 노즐들로 인하여, 스테이터의 실질적인 중심으로 오일이 투사되는 구조의 경우와 달리, 투사된 오일의 일부분만이 스테이터의 실린더 헤드의 표면과 접촉하게 되고, 다른 부분은 저장부를 향하여 직접 유동하게 된다. 이것은 유리하게도, 위와 같은 방식으로 투사되는 오일의 가열이 제한됨을 가능하게 하며, 이것은 그 내구성에 있어서 중요하다. 또한, 상기 두 개의 대향된 노즐들에 의해 투사되고 상기 스테이터의 실린더 헤드의 표면과 접촉하지 않고서 저장부를 향하여 유동하는 오일은, 열교환기(36)로부터 오는 냉각된 오일이므로, 저장부에 담겨진 상대적으로 따뜻한 오일과 혼합됨으로써 상기 저장부 내에 저장되는 냉각 오일의 전체적인 온도를 감소시키는데 기여한다.
오일 제거 파이프(35)를 통하여 상기 펌프(34)로부터의 오일을 냉각시키기 위하여, 열교환기(36)가 냉각 액체 제거 파이프(51)에 연결되는바, 상기 냉각 액체 제거 파이프(51)는 예를 들어 부동액과 물의 혼합물을 가진 유형의 것으로서, 전기 구동 트레인의 구성요소들을 열교환기(36)에 연결하는 냉각 액체 회로로부터 오는 것이다. 도 2 를 참조하면, 냉각 오일을 냉각시키도록 의도된 열교환기(36)는 전기 구동 트레인의 영역에 고정된 물/오일 열교환기이고, 이것은 자동차의 물/공기 열교환 라디에이터(53)를 통해 지나가는 물 회로(50)를 거쳐서 전기 구동 트레인의 다른 구성요소들에 의해 공유된다. 물/오일 열교환기(36)의 물 유출부(52)는, 오일/물 열교환기(36)의 물 유입부를 이루는 파이프(51)의 영역에서보다 더 따뜻한 온도의 물을 제공하는바, 그 물은 열교환기(36)를 거쳐서 상기 오일로부터 열을 흡열한 것이다. 이와 같은 방식으로 가열되어 열교환기(36)의 물 유출부(52)로부터 나오는 물은 자동차의 물/공기 열교환 라디에이터(53)를 향하여 운반되어 냉각된 다음에, 물 회로(50)를 거쳐서 물 펌프(54)로 공급되는바, 상기 물 펌프(54)는 그 유출부에서 상기 자동차의 전기 구동 트레인의 다른 부품들을 통하여 열교환기(36)의 물 유입부(51)에 연결되고, 상기 다른 부품들은 전기 기계에 전력을 공급하기 위한 충전기(55), Dc/Dc 컨버터(56), 및 파워 인버터(57)의 유닛들이다. 이와 같은 방식으로, 상기 물 펌프(54)는 다양한 구성요소들 간의 순환을 보장하고, 라디에이터(53)는 공기에 의한 물의 냉각을 보장한다.
전술된 바와 같이 전기 기계의 냉각 오일은 전기 기계의 조인트 및 베어링을 윤활시키는데 사용된다. 특히 -30℃ 내지 +5℃ 범위 내의 낮은 온도에서 사용되는 오일은 점성이 매우 높은데, 이는 요망되는 윤활 기능을 위하여 바람직하지 못하다. 이와 같은 윤활이 없다면 상기 전기 기계의 조인트 및 베어링 부품들이 첫 번째 움직임에 의하여 결함을 갖게 될 것이고, 이에 따라 이 부품들로 소량의 오일을 보내는 것이 필요하다.
또한 낮은 온도에서는 전기 기계의 냉각 회로의 물/오일 열교환기(36)의 영역에서, 자동차의 차가운 환경 및 라디에이터에 의해 냉각되고 물 회로 내에서 유동하는 물이 열교환기(36)를 통과하는 오일을 낮은 온도로 유지시키는데 기여할 것이다. 전기 기계의 가열 요소들로 투사되는 오일이 낮은 온도로 유지된 상태로 투사되면 열 충격을 유발할 수 있는바, 특히 작동 동안에 가열되는 로터의 코일들의 표면에 있어서 그러하다. 이와 같은 열 충격은 코일의 내구성을 저해하고, 전기 기계가 조기에 수명을 다하는 결과를 초래할 수 있다. 또한, 저온에서의 오일의 높은 점성은 결과적인 마찰의 증가로 인하여 전기 기계의 작동에 바람직하지 못하다.
또한, 특히 5℃초과인 고온에서의 전기 기계의 작동 동안에는 고온 오일에 의한 전기 기계의 냉각이 다른 문제를 수반한다. 따라서, 상기 냉각 회로의 열교환기의 영역에서 효율적인 물/오일 열교환을 보장하고, 이에 따라 전기 기계의 열손실의 적절한 배출을 보장하기 위하여는, 열교환기에서 상당히 충분한 오일 유량을 특정할 필요가 있다. 특정 작동 속도에 의한 오일 유량의 증가는 오일이 공기 내에 갇힐 수 있기 때문에 오일로 인한 전기 기계에서의 마찰 손실을 유발할 수 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 전기 기계의 온도 및 작동 상태를 고려하여, 전기 기계를 냉각 및 윤활시키기 위해서 전기 기계의 상류에서 운반되는 오일의 온도를 제어할 필요가 있다.
유리하게는 상기 제어 수단이 제어 밸브(58)을 포함하는데, 이것은 전기 기계의 냉각 회로의 물/오일 열교환기(36)에 연결된 물 회로(50)에 통합된다. 밸브(58)는 물 회로(50) 내에서 물/오일 열교환기(36)와 파워 인버터 유닛(57) 사이에 통합된다. 상기 밸브(58)는 물/오일 열교환기(36)의 물 유입부(51)의 직접 상류측에 배치되고, 한편으로는 물 유입부(51)에 그리고 다른 한편으로는 물/오일 열교환기(36)의 단락을 위하여 물 회로로부터 탭핑(tapping)되어 분기된 우회 브랜치(59)에 연결된다. 따라서, 상기 밸브는 3방향 밸브(three-way valve)이며, 이것은 상기 분기된 물 회로의 물 파이프, 물/오일 열교환기(36)의 물 유입부(51)로부터의 두 개의 파이프들 중 어느 하나, 그리고 물/오일 열교환기(36)를 단락시키는 우회 브랜치(59) 간의 물의 통행 또는 순환을 제어함을 가능하게 한다. 이로써, 밸브(58)는 물/오일 열교환기(36)에 도달하는 물의 적어도 일부분이 주의 온도에 따라서 우회 브랜치(59)로 우회되게 할 수 있다. 따라서 이 밸브(58)의 기능은 상기 온도에 따라서 물/오일 열교환기(36)를 통과하는 물의 유동을 제어하여, 물/오일 열교환기(36)를 통과하는 오일의 유량의 온도 관점에서 제어하는 것이다. 상기 밸브(58)는 예를 들어 젠기 제어 유닛에 의하여 제어되는 솔레노이드 밸브, 또는 써모스태틱 밸브, 예를 들어 대응되는 채널 안으로의 통과가 차단 또는 개방됨을 가능하게 하고 왁스 캡슐에 의하여 활성화되는 써모스탯을 포함하는 써모스태틱 밸브일 수 있다.
이와 같은 방식으로, 물의 온도가 온도 문턱값보다 낮은 저온에서의 전기 기계의 작동 모드에서, 밸브(58)는 물/오일 열교환기(36)를 단락시키는 우회 브랜치(59)에서만 통과하도록 허용하여 물이 공기/물 라디에이터(53)의 유입부로 직접 운반되거나, 또는 변형예에서는 상기 물/오일 열교환기(36)로 보내질 물의 유량이 허용된다. 이와 같은 방식으로, 저온에서 전기 기계의 작동 상태에 대응되는 미리 정해진 온도 문턱값보다 물의 온도가 낮은 때에는, 밸브(58)가 물/오일 열교환기(36)와 물 회로(50) 간의 물의 순환이 방지되게 하거나, 또는 변형예에서는 상기 열교환기를 향하는 물의 매우 낮은 유량만을 허용한다. 이로써, 상기 온도가 문턱값보다 낮은한, 온도가 증가하는 단계 동안에는, 전기 기계의 가열 요소들의 상류측에서 운반되는 전기 기계의 냉각 오일이 물/오일 열교환기에 의해 냉각되지 않거나, 또는 변형예에 따라서는 매우 적게 냉각되는바, 이것은 저온에서의 작동 상태 하에 있는 오일의 신속한 가열을 보장한다. 따라서 이 작동 모드에서 밸브(58)의 제어는, 우회 브랜치(59) 내에서만 물의 순환을 제어함으로써 온도 증가 단계 동안에 물/오일 열교환기가 단락됨을 가능하게 한다.
이와 같은 구성의 결과로서, 저온에서 오일의 점성과 연계된 오일 펌프(34)의 과열은 방지된다는 잇점이 있다. 따라서 펌프는 그 크기를 크게 하지 않아도 그 내구성이 향상된다. 또한, 저온에서의 오일의 신속한 가열로 인하여, 오일이 투사되는 전기 기계의 코일들의 표면들과 오일 간의 열 충격이 방지된다. 그러므로, 마찰 손실도 현저히 감소된다.
상기 물 회로의 다른 부품들(충전기/DC-DC 컨버터/파워 인버터)의 냉각 통제(cooling constraints)는 상기 회로의 물 펌프의 제어에 의한 상기 물/오일 열교환기에 진입하는 물의 유량의 제어가 고려됨을 허용하지 않는다는 점에 유의한다. 이 점에 있어서 상기 물 회로에 대한 밸브(58)의 추가는 특히 유리하다.
물의 온도가 미리 정해진 온도 문턱값보다 큰 고온의 전기 기계의 작동 모드에서, 밸브(58)는 도착하는 물이 물/오일 열교환기(36)의 물 유입부(51)의 영역에서 물/오일 열교환기(36)를 향하여만 지나가도록 할 수 있다. 다시 말하면, 이 모드에서는 물/오일 열교환기(36)가 단락되지 않고, 따라서 물/오일 열교환기(36)는 오일 펌프로부터 오는 전기 기계의 냉각 오일을 냉각시키고, 이를 전기 기계의 가열 요소들로 배분한다. 물/오일 열교환기(36)의 영역에서 오일의 냉각의 효율을 향상시키기 위하여, 물 펌프(54)는 물/오일 열교환기(36)를 통과하는 물의 추가적인 유동을 제공하도록 제어될 수 있는바, 따라서 상기 열교환기에서의 냉각은 열교환기에서의 오일 유량이 증가되지 않고서도 향상될 수 있는데, 이는 그렇지 않았다면 마찰 손실을 증가시킬 수 있는 것이다.
그러므로, 상기 물 회로를 떠나는 물의 온도가 미리 정해진 온도 문턱값보다 낮은 때에 상기 전기 기계의 냉각 회로의 물/오일 열교환기(36)를 단락시키고, 그렇지 않은 때에는 전기 기계로 복귀시키기 전에 전기 기계로부터 오는 냉각 오일을 냉각시키기 위하여 모든 물을 상기 물/오일 열교환기를 통해서 지나가게 하도록, 밸브(58)가 전기 파워 트레인의 물 회로(50)에 배치된다.
전술된 바와 같이, 물/오일 열교환기(36)의 유출부에서, 온도를 기준으로 제어되고 물/오일 열교환기(36)로부터 오는 냉각 오일은 오일 배분 회로(37-40)로 공급되고, 오일 배분 회로(37-40)는 상기 물/오일 열교환기(36)에 의해 공급되는 오일이 운반되어 전기 기계의 가열 요소들로 투사됨을 가능하게 한다.
본 발명에 따르면, 상기 냉각 및 윤활 장치는 우회 파이프(41)도 포함하는데, 우회 파이프(41)의 유입부는 물/오일 열교환기(36)의 유출부에서 탭핑되는 것으로서, 이는 상기 물/오일 열교환기(36)로부터 오는 제어되는 오일의 일부분을 열교환 파이프들의 네트워크(42)의 유입부로 운반하기 위한 것이고, 상기 열교환 파이프들은 감속기의 윤활 오일 스토어로부터의 오일이 냉각될 수 있도록 하기 위해서 감속기(20)의 하우징(21)의 베이스와 접촉하도록 구성된다. 이것은, 작동 동안에는 열을 발생시키며, 이 열은 감속기의 기계 부품들의 우수한 윤활을 보장하고 감속기의 윤활 오일이 과열됨을 방지하기 위하여 배출되어야 하기 때문이다. 이로서, 온도를 기준으로 제어되고 또한 감속기(20)의 하우징의 베이스와 접촉하는 열교환 파이프들의 네트워크(42)를 통해 유동하여 물/오일 열교환기(36)로부터 오는 오일은, 상기 감속기의 하우징의 베이스에 담겨진 오일의 열이 제거됨을 가능하게 하며, 이는 그 자체로 감속기의 열 손실의 배출이 보장됨을 가능하게 한다. 다시 말하면, 감속기 내에 담겨진 오일과 요망되는 열교환을 수행하기 위하여 물/오일 열교환기(36)로부터의 오일이 운반되는 열교환 파이프들의 네트워크(42)는 감속기 내에 담겨진 오일의 냉각을 위한 오일/오일 열교환기를 이룬다. 오일/오일 열교환기(42)의 유출부는, 오일 저장부(31)로 오일을 운반하는 유출 파이프(43)를 거쳐서, 전기 기계 아래에 배치된 냉각 오일 저장부(31)에 연결된다.
물/오일 열교환기(36)의 유출부로부터의 전기 기계의 냉각 오일을 상기 감속기의 윤활 오일을 구비한 오일/오일 열교환기로 운반하는 우회 파이프(41)는 감속이의 하우징에 대해 외부 파이프 또는 내부 파이프일 수 있다. 또한, 오일/오일 열교환기를 형성하기 위하여 상기 감속기의 하우징의 베이스와 접촉하도록 배치되는 열교환 파이프들은 감속기 하우징의 내부 또는 외부에 형성될 수 있다.

Claims (10)

  1. 권취 로터(wound rotor)(10)를 구비한 전기 기계(electric machine) 및 상기 전기 기계에 연결된 감속기(20)를 포함하는, 전기차 또는 하이브리드 자동차의 전기 파워 트레인(electric power train)의 냉각 및 윤활을 위한 장치로서,
    상기 냉각 및 윤활 장치는:
    오일이 공급되는 전기 기계의 냉각 회로(30)로서, 한편으로는 자동차의 라디에이터(54)를 거쳐서 전기 파워 트레인의 구성요소들을 연결하는 냉각 액체 회로(50)로부터 나오는 냉각 액체(51)를 제거하기 위한 파이프에 연결되고 다른 한편으로는 전기 기계(10)의 하측 부분에 배치된 오일 저장부(31)로부터 나오는 오일(35)를 제거하기 위한 파이프에 연결되는 열교환기(36)를 포함하는 냉각 회로(30);
    상기 열교환기의 유출부에서 온도를 기준으로 제어되는 오일의 유동을 상기 냉각 회로의 오일 배분 회로(37-40)로 공급하기 위한 제어 수단으로서, 상기 오일 배분 회로는 온도를 기준으로 제어되고 상기 열교환기로부터 오는 오일을 상기 전기 기계의 가열 요소들에 대해 투사(project)할 수 있으며, 상기 투사된 오일은 오일 저장부에서 회수되는, 제어 수단; 및
    하우징(21)을 포함하는 감속기의 윤활 회로(lubrication circuit)로서, 상기 하우징 내부에는 감속기가 배치되고, 상기 하우징의 베이스는 상기 오일 스토어와 접촉하는 상기 감속기의 구성요소들의 회전에 의해 발생되는 소정 체적의 오일을 움직임으로써 감속기가 윤활될 수 있게 하는 오일 스토어(oil store)(22)를 이루는 형상을 갖는, 윤활 회로;를 포함하고,
    상기 냉각 및 윤활 장치는, 상기 상기 오일 스토어의 오일이 냉각됨을 가능하게 하기 위하여, 상기 열교환기(36)로부터 나오고 온도를 기준으로 제어되는 상기 오일의 일부분을 상기 감속기의 하우징의 베이스와 접촉하게 배치된 열교환 파이프(42)들의 네트워크의 유입부로 운반할 수 있는 우회 파이프(41)를 상기 열교환기(36)의 유출부에 포함하고, 상기 열교환 파이프(42)들의 네트워크의 유출부는 오일 저장부(31)에 연결되는 것을 특징으로 하는, 냉각 및 윤활을 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열교환 파이프들은 상기 감속기의 하우징(21) 내에 형성되는 것을 특징으로 하는, 냉각 및 윤활을 위한 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열교환 파이프들은 상기 감속기의 하우징(21)의 외부에 있는 것을 특징으로 하는, 냉각 및 윤활을 위한 장치.
  4. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 회로는 오일 저장부(31)로부터 오일을 인출할 수 있는 오일 펌프(34)를 포함하고, 상기 오일 펌프는 오일 제거 파이프(35)에 연결되는 것을 특징으로 하는, 냉각 및 윤활을 위한 장치.
  5. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 열교환기(36)에 연결된 냉각 액체 제거 파이프(51)의 상류측에서 냉각 액체 회로(50) 내에 배치된 밸브(58)를 포함하고,
    상기 밸브(58)는, 한편으로는 상기 제거 파이프(51)에 연결되되 다른 한편으로는 상기 열교환기(36)를 단락시키기 위하여 냉각 액체 회로(50)로부터 탭핑되는 우회 브랜치(diversion branch)(59)에 연결되며, 상기 밸브(58)는 상기 냉각 액체 회로 내에서 유동하는 냉각 액체의 적어도 일부분이 주위 온도에 따라서 우회 브랜치(59)로 우회되게 할 수 있는 것을 특징으로 하는, 냉각 및 윤활을 위한 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 밸브(58)는, 상기 냉각 액체 회로 내에서 상기 전기 파워 트레인의 파워 인버터(power inverter)(57)와 열교환기(36) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는, 냉각 및 윤활을 위한 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 밸브(58)는 솔레노이드 밸브, 또는 왁스 캡슐(wax capsule)에 의하여 활성화되는 써모스태틱 밸브(thermostatic valve)인 것을 특징으로 하는, 냉각 및 윤활을 위한 장치.
  8. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 회로의 오일 배분 회로는, 전기 기계의 로터의 일측 및 타측에 배치된 조인트(joint) 및 베어링(bearing)(16)으로 오일을 운반할 수 있는 오일 유입 채널(38)들, 및 상기 오일 유입 채널들에 고정된 유연성 노즐들을 포함하고, 상기 유연성 노즐들은 상기 오일 유입 채널들로부터 상기 조인트 및 베어링으로 배출되는 오일의 유동을 제어하도록 마련된 것을 특징으로 하는, 냉각 및 윤활을 위한 장치.
  9. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 회로의 오일 배분 회로는 스테이터(stator)(11)의 주변부로 오일을 운반할 수 있는 오일 유입 채널(40)들을 포함하고, 상기 오일 유입 채널(40)들은 상기 스테이터의 주변부에 배치되고 상기 스테이터의 중심 종축에 대해 원위에 있는 두 개의 대향된 노즐들로 개방되는 것을 특징으로 하는, 냉각 및 윤활을 위한 장치.
  10. 권취 로터를 구비한 전기 기계 및 상기 전기 기계에 연결된 감속기를 구비한 전기 파워 트레인을 포함하는 전기차 또는 하이브리드 자동차로서,
    앞선 청구항들 중 어느 한 항에 따른 파워 트레인을 냉각 및 윤활시키기 위한 장치를 포함하는, 전기차 또는 하이브리드 자동차.
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