JP7516539B2 - 回転子一体型クラッチを有する、電気機械のための組み合わされたオイル冷却コンセプト、電気機械、駆動トレイン、および電気機械を冷却するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、（Ｐ２）ハイブリッド車などの自動車の駆動トレインのための回転子一体型クラッチを有する電気機械であって、電気機械に（電気的に）関連付けられた固定子および回転子を有し、回転子が、キャリアを有し、キャリアには、第２の部品との摩擦接続のために準備された、摩擦クラッチの第１の部品が（少なくとも回転方向に固定される方法で）取り付けられ／締結されており、固定子および／または回転子に、オイルなどの冷却液を供給して熱の散逸を引き起こすために、冷却液ラインが提供されているか、または複数の冷却剤ラインが提供されている、電気機械に関する。

回転子一体型クラッチと、固定子および／または回転子を冷却するための冷却液ラインと、を有する、電気機械が、先行技術から既に知られている。

文献ＷＯ２０１２／０６１４３９（Ａ２）、ＪＰ２００９－１３６０７０（Ａ）、ＤＥ１１ ２０１１／１０２６０９（Ｔ５）、およびＤＥ１１ ２０１６／００２２０２（Ｔ５）もまた、先行技術から知られている。

ＷＯ２０１２／０６１４３９（Ａ２）は、電気モータのような電気機械、および冷却するための方法を開示している。日本の特許公報もまた、冷却コンセプトを有する電気機械を開示している。

ＤＥ１１ ２０１１／１０２ ６０９（Ｔ５）は、固定子冷却装置、特に、固定子冷却装置であって、回転電気機械の回転軸を中央軸として使用するシリンダ状の固定子基部と、固定子基部の半径方向外向きに突出するように固定子基部の外周領域上に形成された固定領域であって、固定領域が、固定子基部を、回転電気機械を収容するハウジング、および中に冷却剤が供給される冷却剤フローチャネルに固定し、かつ中を通って冷却剤が導入される注入孔を含み、固定領域が、中央軸を通過する水平面を横切って配置されている、固定領域と、頂点領域と、を有し、頂点領域が、中央軸の軸方向で見たときに、中央軸を通過する垂直面である第１の垂直面から変位した位置で、中央軸から最も遠く離れた固定領域に配置されており、注入孔が、固定子基部の外周領域上方の固定領域に向かって、かつ頂上領域を通過する垂直面である第２の垂直面に対して、第１の垂直面の側部に向かって開いている、固定子冷却装置として開示されている、固定子冷却装置を提示する。

ＤＥ１１ ２０１６／００２２０２（Ｔ５）は、回転式の電気機械であって、回転式の電気機械が、磁気空隙領域への冷却剤の流入を抑制して、摩擦熱の発生を抑制し、回転式の電気機械が、冷却剤を永久磁石に接触させる構築物を使用することによって、永久磁石を冷却するための冷却能力を増加させる、回転式の電気機械を開示している。本文献の冷却剤フローチャネルは、内周側の磁石受容開口部から隔置されるように形成されており、回転子コアを通って軸方向に延在する管状フローチャネルを形成する、メインフローチャネルと、永久磁石の内周側の磁石受容開口部内に受容された永久磁石に沿って形成された磁石冷却フローチャネルであって、磁石冷却フローチャネルが、回転子コアを通って軸方向に延在し、永久磁石の内周表面が、磁石冷却フローチャネルの一部を形成する、磁石冷却フローチャネルと、メインフローチャネルを磁石冷却フローチャネルに接続するように、回転子コアを通って軸方向に延在する移送フローチャネルと、を有し、第１の端板は、メインフローチャネルの第１の軸方向端部を開き、磁石冷却フローチャネルおよび移送フローチャネルの第１の軸方向端部を閉じ、第２の端板は、メインフローチャネル、磁石冷却フローチャネル、および移送フローチャネルの第２の軸方向端部を開き、第１の軸方向端部から磁気冷却フローチャネルに供給された冷却剤は、バイパスフローチャネルを通って磁気冷却フローチャネルへと流れ、磁気冷却フローチャネルを通って流れる間に、永久磁石と接触する。

ＤＥ１０ ２０１３／２１５７９０（Ａ１）は、回転子一体型クラッチからのオイルが、電気モータを冷却するために使用されているように見える配置を開示している。本文献には、電気機械およびクラッチ配置を有する自動車のための駆動配置であって、電気機械が、クラッチ配置の半径方向外側に配置されており、かつ回転方向に固定される方法でクラッチ配置に接続されていることが好ましい回転子を有し、冷却剤伝導要素も提供されており、冷却剤伝導要素が、少なくとも部分的に本質的に半径方向に延在し、冷却剤を、クラッチ装置の少なくとも部分的に外側で、回転子の半径方向内側から半径方向外側まで軸方向に誘導することができるような方法で、クラッチ装置の隣に軸方向に配置されている、駆動配置が開示されている。

しかしながら、先行技術から知られている解決策には常に、欠点がある。

これらの欠点は、排除されるか、または少なくとも低減されるべきである。

このタイプの電気機械の場合では、この目的は、１つ以上のラインが配置および提供されており、冷却液が、支配的に／唯一、重力駆動の方法により、それによって、スプレーミストを生成するために、セクションの上、好ましくは回転子の支持部の上に滴下され、かつ固定子の外面の上を流れるような方法で、１つ以上の開口部が穿孔されている、本発明により達成される。かかる重力駆動によるフローおよび／または滴下は、圧力に依存しない。ダクトの開口部の特徴は、ノズルによって異なる。対応する開口部は、開口部の長さにわたって一定の断面を有する。

したがって、ラインは、電気機械の回転軸の半径方向外側、かつ重力の方向で上方に配置されており、かつ／または重力の方向で見たときに頂部に位置する固定子の外面に配置されていることが重要である。

有利な実施形態は、従属請求項に記載されており、以下に説明される。

これは、流体ラインが、重力の方向で見て、固定子の上方および半径方向外側に配置されている場合、有利である。ポンプの動力に頼る必要なしに、例えば、１つのポンプの動力が故障した場合であっても、次いで、一次冷却および二次冷却を均等に達成することができる。

冷却流体ラインが、二次流体フローを発生させるために、固定子の長手方向で見たときに、固定子に取り付けられた巻線／コイルの（およそ／正確に）中央に、かつ重力の方向で上方（すなわち、少なくとも最高１０分の１より上）に配置されている少なくとも１つの貫通孔を有し、かつ／または冷却液ラインが、一次冷却液フローを発生させるために、重力の方向で見たときに回転子の上方に少なくとも１つの流体出口を有する場合、特に良好な冷却効果を達成することができる。これは、オイルが、回転子にしっかりと接続されたロータキャリアにスプレーされ、オイルが再び放出されることを意味する。一次冷却液フローおよび二次冷却液フローの組み合わせは、高い冷却効率につながる。

次いで、回転子の各端面の上に（少なくとも／正確に）１つの流体出口孔がある場合、安価な手段を用いて、かかる高いレベルの効率を達成することができる。

これは、過度なミスト化を回避するために、ノズル様ではない流体出口孔が、巻線ヘッドを、本質的に重力駆動により湿潤化／滴下するように、例えば、ボアのように、寸法決めされ、配置されている場合、有利である。次いで、排他的または支配的な重力の効果の下で、回転子／固定子への冷却液の供給をうまく実現することができる。ノズル様ではない流体出口孔の場合、圧力損失が低いこと、すなわち、必要なポンプ動力が少ないことが特に重要である。

これはまた、少なくとも２つの貫通孔が、冷却液ラインの長手方向軸の両側に配置されており、かつ好ましくは、複数のかかる貫通孔が、対をなして、冷却液ラインの長さにわたって分布している場合に有用であることが証明されている。次いで、特に急速な冷却効果が起こる。

これは、回転子および固定子の両方に対する最適化された冷却効果を達成するために、貫通孔および流体出口孔が同じ断面を有する場合、または貫通孔が、流体出口孔よりも少なくとも１０％～３％大きいか、もしくは１０％～２％小さい場合に有利である。

これは、例えば、クラッチ冷却システムへの接続を容易にするために、冷却液ラインが供給ラインに接続されている場合に有利である。ここで、供給ラインが通常、トランスミッションの冷却オイル流入部に接続されていることを追加する必要がある。

最終的に、本発明はまた、本発明によるタイプの電気機械を有する自動車の駆動トレインに関する。

本発明はさらに、本発明によるタイプの電気機械を冷却するための方法であって、冷却液ラインからのオイルが、重力下で回転子の上に滴下され、かつ重力下で固定子巻線の上を流れる、方法に関する。

したがって、回転子一体型クラッチを有する電気機械／電気モータのための冷却コンセプトが提示される。かかるコンセプトは、費用の節約をもたらす。かかる冷却コンセプトの信頼性も、先行技術で以前から知られているものより高い。２つの冷却コンセプトは、これらの冷却コンセプトが意味のある方法で互いに補完し合うような方法で組み合わされる。永久的に使用される一次冷却コンセプト、ならびに内部で使用される二次冷却コンセプトもまた、特に費用対効果の高い方法で実現される。知られているような以前の冷却コンセプトの欠点が、これで排除される。一次冷却コンセプトでは、スプレーオイルが使用される。回転要素の上にオイルが滴下され、回転要素は、巻線ヘッドをミスト化するために回転速度が十分に高い場合、回転要素が回転する際にオイルを吹き飛ばす。冷却用に使用されるオイルは、端部巻線を湿潤化し、端部巻線で発生した熱を散逸する。

二次冷却コンセプトは、ジャケット冷却に依存するものであり、冷却オイルの２つの流れが、固定子の上方から固定子ジャケットの上へと方向付けられており、そのため、オイルは、シリンダの両側から下に流れる。オイルの比較的高い表面接着力に起因して、オイルは、固定子ジャケットの下側にさえ流れる。固定子の外側を流れるオイルは、そこで発生した熱を運び去る。

引きずりトルクを低く保つために、回転子一体型クラッチを介して、以前は非常に少量のオイル体積フローのみが提供されていたという欠点が、これで排除される。選択的な提供による電気モータの上方の一次冷却オイル体積フローの提供が、最適化される。

本発明のコンセプトはまた、回転子一体型クラッチを有し、回転子一体型クラッチのオイルフローは、電気モータを冷却するためにも使用される。しかしながら、外側からのオイル供給との組み合わせに起因して、必要なオイルフローが変動する可能性がある。したがって、引きずり損失が低減され得る。

これで、多くの電気機械トポロジが可能になり、提供されるオイルがうまく分布するため、個々の固定子歯／固定子ヘッド／巻線ヘッド間の熱伝達は、もはや制限されない。すべてまたは可能な限りすべての固定子歯が、オイルと均等に接触する。最終的に、次いで、選択的な冷却オイル供給を有する電気機械を可能な限り均等に冷却し得る方法についての費用対効果の高い解決策が見出される。回転構成要素がオイルを通って／オイル中にはねたときに生じる引きずり損失が可能な限り低く保たれる。ノズルが回避され、これは、背圧が増加しないことを意味し、ここでは、もはやポンプ容量を増加させる必要もない。これは、費用を低減させ、動力損失を回避する。ここでは、特に費用対効果の高い方法で冷却ジャケットも設計されている。シールおよび複雑な処理ステップが回避される。

最終的には、２つの非常にシンプルな冷却コンセプトが非常に便宜的に組み合わされ、知られていたような個々の欠点が相殺される。これで、個々の冷却コンセプトは、非常に費用対効果の高い方法で実現される。これらの組み合わせによって、弱点が補償される。言い換えると、スプレーオイル冷却に基づく一次冷却コンセプトが提示される。この処理では、オイルが回転要素の上に滴下され、次に回転要素が、十分な速度でオイルを放出し、ひいては、オイルを端部巻線へと運ぶ。ここで、オイルは、巻線ヘッドを湿潤化し、ひいては、巻線ヘッドで発生した熱を効果的に散逸する。オイルを提供するためにノズルは使用されず、オイルが回転部品から放出されたときにオイルの実際の分布が生じるため、中からオイルが滴下される孔だけが使用される。これにより、ノズルの費用が節約され、より安価なポンプを使用することができる。

このコンセプトは特定の最小速度でのみ有効になるため、二次冷却パスが使用される。この二次冷却パスは、ジャケット冷却の方法で二次冷却コンセプトを実現する。冷却オイルの２つの流れは、上方から、例えば、１２時の位置から、固定子ジャケットの上へと方向付けられており、そのため、固定子ジャケットは、シリンダの両側のオイルの流れによって覆われる。オイルの比較的高い表面張力に起因して、オイルフローは、固定子ジャケットの下側にも走る。固定子の外側を通過して流れるオイルも熱を運び去る。製造費用を低く保つために、専用の冷却チャネルは使用されない。固定子ジャケットの円周に沿っては走らないが、軸方向に「損失」されるオイルは、次に、上述のスプレーオイル冷却に寄与する。

電気機械の周りを流れる、電気機械冷却のための冷却オイルが、例えば、ハウジング内の管またはボアを介して、電気機械の１２時の位置または１２時の位置の近くに提供されている。これは、供給ラインまたは複数の供給ラインを確実にする。このラインには、孔が、少なくとも３つ、４つ、５つ、または６つの位置、つまり、電気機械の２つの端面上および固定子ジャケットの中央上方にあり、これらの位置に２つの孔があることが好ましい。冷却オイルフローの分布は、孔のサイズを選択することによって規定され得る。

スプレー冷却に関して、漏れたオイルが、円周の上部領域にわたって分布する、固定子キャリア内の孔を通って滴下されるような方法で、孔が電気機械の端面上に位置決めされていることを追加する必要がある。次いで、電気機械の端面の下に滴下されるオイルが、ロータキャリアなどの回転構成要素にぶつかり、これにより次に、オイルが半径方向に放出され、オイルが固定子の端部巻線の上にスプレーされ、オイルが端部巻線を冷却する。加えて、回転構成要素、例えば、電気機械の回転子および回転子一体型クラッチが冷却される。これは、冷却オイルが最初に、この構成要素に沿って経路付けられているためである。このタイプの冷却は特定の速度より上でのみ作動するため、このタイプの冷却を別の冷却パスに接続することは理にかなっている。

この目的のために、ジャケット冷却が使用される。固定子ジャケットの中央上方に通常位置する２つの孔は、結果として生じる２つのオイルフローが、固定子ジャケットの最も高い点に正確にはぶつからないが、両側にわずかにずれており、そのため、冷却オイルフローが両側で固定子ジャケットに沿って生じるような方法で、供給ラインに導入されている。これらは、いわゆるジャケット流である。的を絞った方法で、複数の孔、すなわち、３つ以上の孔が使用される可能性もある。

孔が軸方向において固定子の中央上方に位置するため、大部分は、その外側に沿って走り、ごく一部が、自由端面に沿って走る。表面張力に起因して、オイルフローは、３時または９時の位置よりもはるか下でも固定子ジャケットに付着し、これによりまた、電気機械の下半分を冷却する。６時の位置の近くでのみ、フローは、固定子ジャケットから離脱する。しかしながら、この領域は、重力および電気機械の下部エリアにあるオイルドレンの位置に起因して、オイル体積フロー全体が、最終的にこれらのエリアの周りに流れるため、スプレーオイル冷却によって良好に冷却される。ジャケット冷却は、速度に依存するものではなく、それゆえ、最も低い速度でさえも、特定の基本的な冷却を提供することができ、これにより、スプレー冷却の弱点を補償する。ジャケット冷却に使用されるオイルは回転部品に接触しないため、これはまた、純粋なスプレーオイル冷却で生じることになる引きずり損失を低減させる。２つのコンセプトの組み合わせにより、操作中に生じる異なるオイル入口温度に関して、全体的な冷却の堅牢性も増加する。例えば、粘度および表面張力が減少するため、オイル入口温度が上昇すると、ジャケット冷却の効果は低減され、オイルフローを、より早く固定子ジャケットから離脱させる。同時に、２つの影響因子により、オイルがスプレー冷却によってよりよく分布し、より低い速度でも作動することを確実にする。これは、より小さい液滴サイズに部分的に起因する。

２つの冷却コンセプトの組み合わせにより、冷却の効率を改善することもできる。ここで、シミュレーションは、同じ総体積フローでは、生じる最大の構成要素温度は、２つの冷却コンセプトのうちの１つだけが使用された場合よりも大幅に低くなることを示している。したがって、冷却剤ポンプのポンプ容量を低減させることができ、これは次に、全体的なシステムの効率に寄与する。

本発明を、図面を用いて以下でさらに説明する。以下に記載される第１の実施形態を示す。

本発明による電気機械の部分的な長手方向断面図を示す。 図１のラインＩＩに沿った部分的な断面図を示す。

これらの図は本質的に単なる概略図であり、本発明を理解するためにのみ役立つ。同一の要素には、同一の参照記号が付与されている。

図１は、本発明による電気機械を示す。これは、回転子一体型クラッチ２を有する。電気機械は、電気機械の半径方向内側に配置されている、固定子３および回転子４の両方を有する。回転子４は、キャリア５を有する。キャリア５は、摩擦クラッチ７の第１の部品６を保持する。第１の部品６との摩擦係合のために、第２の部品８が準備されている。第１の部品６は、圧力板および摩擦板から構成されている。第２の部品８もまた、摩擦板、つまり、両側に摩擦ライニングを備えるキャリアディスクを有する。

供給ラインとして作用する冷却液ライン９がある。冷却液ライン９は、固定子および固定子巻線１１の半径方向外側、および重力の方向１０で見て上方に配置されている。

冷却液ライン９は、２つの貫通孔１２を有する。さらに、２つの流体出口孔１３が提供されている。

貫通孔１２から出てくるオイルは、二次冷却液フロー１４を具現する。一次冷却液フローは、流体出口孔１３によって具現される２つの流体出口１６で生じる。

次いで、キャリア５と合流するオイルが、再び放出され、スプレーミスト１７を作り出す。

図２は、オイルの出口、ならびに二次冷却液フロー１４および一次冷却液フロー１５の到達を示している。

毎分およそ３、４、５、６、７、８、９、または１０リットルの総オイル体積フローが目標であり、これは、一方で固定子ジャケットに沿った流体フローと、もう一方でスプレーオイル部分と、に分けられる。１：３、または１：４、または１：５～５：１、または４：１、または３：１の分割が考慮される。

１ 電気機械
２ 回転子一体型クラッチ
３ 固定子
４ 回転子
５ キャリア
６ 第１の部品
７ 摩擦クラッチ
８ 第２の部品
９ 冷却液ライン
１０ 重力の方向
１１ 固定子巻線
１２ 貫通孔
１３ 流体出口孔
１４ 二次冷却液フロー
１５ 一次冷却液フロー
１６ 流体出口
１７ スプレーミスト

Claims (9)

1. 自動車の駆動トレインのための回転子一体型クラッチ（２）を有する電気機械（１）であって、前記電気機械（１）に関連付けられた固定子（３）および回転子（４）を備え、前記回転子（４）が、キャリア（５）を有し、前記キャリア（５）の上には、第２の部品（８）との強制ロック接続のために準備された、摩擦クラッチ（７）の第１の部品（６）が取り付けられており、前記固定子（３）および／または前記回転子（４）に冷却液を供給して、熱の散逸もたらすために、冷却液ライン（９）が提供されている電気機械（１）であって、前記冷却液が、重力下で、前記回転子（４）の支持部の上に滴下し、前記支持部の回転によって前記冷却液が半径方向外側に飛ばされることで、前記固定子（３）の外面の上を流れるスプレーミスト（１７）が生成され、それにより前記固定子（３）の巻線ヘッドが湿潤化されるように、前記冷却液ライン（９）が配置および穿孔されていることを特徴とする、電気機械（１）。
2. 前記冷却液ライン（９）が、重力の方向（１０）で見て、前記固定子（３）の上方および半径方向外側に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械（１）。
3. 前記冷却液ライン（９）が、二次冷却液フロー（１４）を発生させるために、前記固定子（３）の長手方向で見たときに、中央に、かつ重力の方向（１０）で前記固定子（３）に適合されている巻線（１１）の上方に配置されている、少なくとも１つの貫通孔（１２）を有し、かつ／または前記冷却液ライン（９）が、一次冷却液フロー（１５）を発生させるために、前記重力の方向（１０）で見たときに、前記回転子（４）の上方に少なくとも１つの流体出口（１６）を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の電気機械（１）。
4. 前記重力の方向（１０）でみたとき前記回転子（４）の各端面の上方に前記冷却液ライン（９）の流体出口孔（１３）があることを特徴とする、請求項３に記載の電気機械（１）。
5. 前記流体出口孔（１３）が、ノズル様ではなく、巻線ヘッドを、重力駆動により湿潤化するように寸法決めおよび配置されていることを特徴とする、請求項４に記載の電気機械（１）。
6. 貫通孔（１２）が、前記冷却液ライン（９）の前記長手方向に沿って前記冷却液ライン（９）の中央に少なくとも２つ並んで配置されていることを特徴とする、請求項３～５のいずれか一項に記載の電気機械（１）。
7. 前記貫通孔（１２）および流体出口孔（１３）が、同じサイズの断面を有することを特徴とする、請求項３～６のいずれか一項に記載の電気機械（１）。
8. 前記冷却液ライン（９）が、送給ラインに接続されていることを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載の電気機械（１）。
9. 請求項１～８のいずれか一項に記載の電気機械（１）を有する、自動車の駆動トレイン。

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