JP7518131B2

JP7518131B2 - 電気機械

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Publication number: JP7518131B2
Application number: JP2022109415A
Authority: JP
Inventors: ランゲヨハネス
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2021-07-20
Filing date: 2022-07-07
Publication date: 2024-07-17
Anticipated expiration: 2042-07-07
Also published as: US12237741B2; DE102021118752A1; US20230024530A1; JP2023016010A

Description

本発明は、特に電気駆動可能な自動車用の駆動機械の形態での電気機械に関する。

電気駆動可能な自動車は、先行技術で知られている。そのような自動車は、自動車を走行するために使用される電気機械を備える。これらの電気機械は典型的には回転子及び固定子を備え、回転子及び固定子は、電気機械の導体（そこを通って電流が流れる）を流れる電流により、並びに渦電流損失及び他の損失により、電気機械の動作中に熱負荷を受け、したがって電気機械の冷却が必要である。

電気機械の固定子を冷却するための様々な固定子冷却法が先行技術で知られている。これについては、特許文献１及び特許文献２を参照されたい。

特許文献１には、固定子の端部巻線にそれぞれ互いに独立して冷却流体が供給され、冷却目的で冷却剤を固定子の両方の端部巻線に供給できるようにするために冷却剤流入部及び冷却流体流出部が固定子の両方の軸方向端部領域に提供される、電気機械が開示されている。

特許文献２には、一方の軸方向端部にある冷却剤流入部を通して固定子に冷却剤が供給され、冷却剤は、固定子を冷却する目的で、上記固定子を通って軸方向に、周方向全体に分配されて流れ、冷却剤は、他方の軸方向端部にある冷却剤流出部を通って再び出て、冷却剤流出部は、冷却剤流入部に対して反対の周方向側に配置されている、電気機械が開示されている。

冷却剤による固定子冷却機能を備えたこの種の電気機械は、冷却剤が固定子を通って第１の軸方向側から反対側の第２の軸方向側へ軸方向に流れるが、その際、冷却剤が流入する第１の軸方向側での第１の周方向側から、上記冷却剤が流出する第２の軸方向側での反対側の第２の周方向側に流れるという欠点を有する。これにより、第２の軸方向側において第１の周方向側の領域にある端部巻線の領域では冷却剤が小さい流量でしか流れず、これは、この局所領域での冷却に悪影響を及ぼし、そこでの固定子の温度が他の箇所での固定子の温度よりも高くなり、したがってより急速に固定子の最大許容温度に達する、さらには最大許容温度を超えることがあり、これにより、制限プロセスを開始する必要があるので電気機械の出力が低下する可能性があり、又はこの領域で過度の高温が長く続きすぎる場合には固定子が損壊を受ける可能性がある。

独国特許出願公開第１０２０１６１０１７０５号明細書独国特許出願公開第１０２０１９１１７８９３号明細書

したがって、本発明の目的は、電気機械の性能、特に電気機械の連続出力が増加され、且つ過度に高い局所温度による損壊を回避することができるように、改良された冷却機能を備える電気機械を提供することである。

この目的は、請求項１の特徴によって実現される。

本発明の一例示的実施形態は、特に電気駆動自動車の駆動機械の形態での電気機械であって、回転子及び固定子を備え、固定子が、略中空円筒形の空間領域を占め、固定子巻線を備えた固定子コアを有し、固定子が、固定子内で第１の軸方向側から反対側の第２の軸方向側へ軸方向に延びる流体ダクトを有し、冷却剤流入部を備える流体分配チャンバが第１の軸方向側に提供され、冷却剤流入部が流体分配チャンバと連通し、流体分配チャンバが、流入する冷却剤を流体ダクトに分配する目的で流体ダクトと連通し、冷却剤流出部を備える流体収集チャンバが第２の軸方向側に提供され、流体収集チャンバが冷却剤流出部と連通し、流体収集チャンバが、流体ダクトから到達する冷却剤を収集し、冷却剤を冷却剤流出部に導き、冷却剤流入部が第１の軸方向側で第１の周方向側に配置され、冷却剤流出部が第２の軸方向側で第２の周方向側に配置され、バイパスダクトが設けられ、バイパスダクトが、冷却剤流入部から流体入口に向かって流体収集チャンバに通じ、流体入口が第２の軸方向側で第１の周方向側に配置される、電気機械に関する。その結果、主冷却剤の流れの流通形状により冷却が妨げられる固定子の領域に、バイパスダクトを通してさらに冷却剤が送られ、したがってこの領域でも適切な改良された冷却が確立される。

また、一例示的実施形態では、固定子が、外側で固定子の境界を画す固定子ハウジングを有し、バイパスダクトが、固定子ハウジングに沿って第１の軸方向側から第２の軸方向側へ軸方向に延びていると有利である。その結果、バイパスダクトを安定して恒久的に確実に配置することができ、したがって自動車での過酷な条件下でも長期にわたって高い動作信頼性で諸要件を満たす。

また、さらなる例示的実施形態では、バイパスダクトが固定子ハウジングに統合される、又は固定子ハウジングに接続されると有利である。バイパスダクトは、このようにして恒久的に確実に配置される。さらに、統合構成により、簡略化された費用対効果の高い製造が実現されるという利点を得ることができる。

また、バイパスダクトが、固定子ハウジングの外側に延びるパイプラインの形態をしていると有利である。出力要件が常に非常に高いというわけではないスロットル電気機械もあるので、このようにすると、固定子ハウジングの一部でのみバイパスダクトが必要とされるときに解決策を見つけることができ、したがって、より少数の電気機械に関して、高い費用対効果で好適に製造することができる解決策を見つけることができる。

ここで、パイプラインが固定子ハウジングに接続される、特に、はんだ付け、溶接、又は接着結合されると特に有利である。このようにすると、非常に簡単に、確実で恒久的な接続を実現することができる。

また、さらなる例示的実施形態では、流体ダクトとしてのバイパスダクトが、特に鋳造、射出成形、又は穴開けなどの機械加工によって、固定子ハウジングの壁と一部片に統合されると好適である。したがって、固定子ハウジングの製造中にバイパスダクトを直接一体に統合することができ、製造がより容易になる。

一例示的実施形態では、流体ダクト及びバイパスダクトは、バイパスダクトを通る冷却剤体積流量が、固定子に供給される冷却剤体積流量の最大１／３に対応し、流体ダクトを通る冷却剤体積流量が、固定子に供給される冷却剤体積流量の少なくとも２／３に対応するように寸法設定されると特に有利である。これは、主体積流量が固定子ハウジング全体を通って流れ、実質的に上記固定子ハウジング全体を冷却し、さらに、冷却剤の全体積流量の一部のみが脆弱領域に使用されて、上記領域に冷却剤をさらに供給し、そこでの確実な冷却を実現するという効果を有する。

また、さらなる例示的実施形態では、第２の周方向側が、第１の周方向側と実質的に反対側である、すなわち固定子の対称軸又は回転子の回転軸に関して実質的に１８０°の角度で配置されると好適である。これは、新鮮で冷たい冷却剤が基本的に第２の軸方向側全体を通ってさらに流れるという効果を有する。

さらなる例示的実施形態では、バイパスダクトを通して輸送される冷却剤の体積流量は、第２の軸方向側の円周全体に分配されるように複数の点で供給され、高温の局所領域、いわゆるホットスポットの生成を的確に防ぐことができる。それに対応して、バイパスダクトは円周全体に分配された出口を有し、バイパスダクトを使用して流体を円周全体に分配できるようにする。

また、固定子が、第１の軸方向側及び／又は第２の軸方向側に固定子巻線の端部巻線を有すると有利である。これは、固定子を効果的に製造することができるという効果を有する。

また、固定子巻線の端部巻線が流体分配チャンバ内に配置される、若しくは流体分配チャンバに流体接続された空間内に配置される、及び／又は固定子巻線の端部巻線が、流体収集チャンバ内に配置される、若しくは流体収集チャンバに流体接続された空間に配置されると好適である。このようにすると、端部巻線を効果的に冷却することができる。

以下、図面を参照しながら例示的実施形態を用いて本発明をより詳細に説明する。

回転子軸に沿った断面での、電気機械の本発明による例示的実施形態の概略断面図である。回転子軸に垂直な断面での、図１による本発明による例示的実施形態の電気機械の断面図である。

図１及び２は、本発明による電気機械１の例示的実施形態の異なる概略断面図を示す。電気機械１は、特に、電気駆動自動車の駆動機械として使用される電気機械１である。したがって、この種の電気機械１は、自動車において、例えば自動車の１つの車軸の車輪又は自動車の全ての車輪を駆動するためのただ１つの電気機械１として使用することができる。電気機械１は、例えばさらなる電気機械１と共に使用することもでき、例えば、それぞれの電気機械１が、自動車の関連する車軸の駆動輪のために提供される。

電気機械１は、回転子２及び固定子３を有する。ここで、回転子２は、軸ｘ－ｘを中心に回転可能に配置され、センサ３は、モータハウジングに対して固定して配置される。

ここで、固定子３は、例えば固定子ハウジング４としての外壁を備えて略中空円筒形に形成され、略円筒形の空間領域５を取り囲み、空間領域５内に回転子２が回転可能に配置される。固定子３は、略中空円筒形であるか、又は略中空円筒形の空間領域５を占める。

回転子２は、軸ｘ－ｘを中心に回転可能に取り付けられて配置された回転子シャフト６を有する。

固定子３は、固定子巻線８を備える固定子コア７を有する。

固定子は、固定子３内で第１の軸方向側１０から反対側の第２の軸方向側１１まで軸方向に延びる流体ダクト９を有する。

第１の軸方向側１０には、冷却剤流入部１３を備えた流体分配チャンバ１２が設けられており、冷却剤流入部１３は流体分配チャンバ１２と連通し、流体分配チャンバ１２は、冷却剤流入部１３から流入する冷却剤を流体ダクト９に分配する目的で流体ダクト９と連通している。

第２の軸方向側１１には、冷却剤流出部１５を備えた流体収集チャンバ１４が設けられている。流体収集チャンバ１４は冷却剤流出部１５と連通し、流体収集チャンバ１４は、流体ダクト９から流れてくる冷却剤を収集し、冷却剤を冷却剤流出部１５に導く。

流体ダクト９は固定子３内で実質的に軸方向に延び、多数の流体ダクト９が固定子３の周囲に分配されて配置されている。ここで、各流体ダクト９は流体分配チャンバ１２に接続され、流体分配チャンバ１２は、冷却剤流入部１３から流入する冷却剤を流体ダクト９に分配するために、第１の軸方向側１０で実質的に径方向及び周方向に広がりを有する。ここで、各流体ダクト９は流体収集チャンバ１４に接続され、流体収集チャンバ１４は、流体ダクト９から流れてくる冷却剤を収集するために及びその冷却剤を冷却剤流出部１５に導くために、第２の軸方向側１１で実質的に径方向及び周方向に広がりを有する。

冷却剤流入部１３は、第１の軸方向側１０で第１の周方向側１６に配置され、冷却剤流出部１５は、第２の軸方向側１１で第２の周方向側１７に配置される。これにより、流体ダクト９、流体分配チャンバ１２、及び流体収集チャンバ１４を通る流れに不均一性が生じる。

したがって、本発明は、冷却剤流入部１３から流体入口１９に向かって流体収集チャンバ１４に通じるバイパスダクト１８を提供し、流体入口１９は、第２の軸方向側１１で第１の周方向側１６に配置される。

固定子３は、外側で固定子３の境界を画す固定子ハウジング４を有する。バイパスダクト１８は、例えば固定子ハウジング４に沿って第１の軸方向側１０から第２の軸方向側１１へ軸方向に延びる。

ここで、バイパスダクト１８は、固定子ハウジング４に統合することができる、又は固定子ハウジング４に接続することができる。

したがって、バイパスダクト１８は、例えば固定子ハウジング４の外側に延びるパイプラインの形態でよい。

ここで、このパイプラインは、例えば固定子ハウジング４に接続することができ、特に、はんだ付け、溶接、又は接着結合することができる。

代替形態として、流体ダクトとしてのバイパスダクト１８は、特に鋳造、射出成形、又は穴開けなどの機械加工によって、固定子ハウジング４の壁２０と一部片に統合することもできる。

固定子３の所望の冷却を実現するために、流体ダクト９及びバイパスダクト１８は、バイパスダクト１８を通る冷却剤体積流量が、固定子３に供給される冷却剤体積流量の最大で１／３に対応し、流体ダクト９を通る冷却剤体積流量が、固定子３に供給される冷却剤体積流量の少なくとも２／３に対応するように寸法設定されると好適である。

図２から、第２の周方向側１７は、第１の周方向側１６と実質的に反対側である、すなわち固定子３の対称軸ｘ－ｘ又は回転子の回転軸ｘ－ｘに対して実質的に１８０°の角度で配置されることが明らかである。

さらなる着想によれば、固定子３は、第１の軸方向側１０及び／又は第２の軸方向側１１に固定子巻線の端部巻線２１を有する。この場合、固定子巻線の端部巻線２１は、流体分配チャンバ１２内に配置することができ、若しくは流体分配チャンバ１２に流体接続された空間内に配置することができ、及び／又は固定子巻線の端部巻線２１は、流体収集チャンバ１４内に配置することができ、若しくは流体収集チャンバ１４に流体接続された空間内に配置することができる。その結果、それぞれの端部巻線２１の特に良好な冷却が実現される。

１電気機械
２回転子
３固定子
４固定子ハウジング
５空間領域
６回転子シャフト
７固定子コア
８固定子巻線
９流体ダクト
１０第１の軸方向側
１１第２の軸方向側
１２流体分配チャンバ
１３冷却剤流入部
１４流体収集チャンバ
１５冷却剤流出部
１６第１の周方向側
１７第２の周方向側
１８バイパスダクト
１９流体入口
２０壁
２１端部巻線

Claims

特に電気駆動自動車の駆動機械の形態での電気機械（１）であって、回転子（２）及び固定子（３）を備え、前記固定子（３）が、略中空円筒形の空間領域（５）を占め、固定子巻線（８）を備えた固定子コア（７）を有し、前記固定子（３）が、前記固定子（３）内で第１の軸方向側（１０）から反対側の第２の軸方向側（１１）へ軸方向に延びる流体ダクト（９）を有し、冷却剤流入部（１３）を備える流体分配チャンバ（１２）が前記第１の軸方向側（１０）に提供され、前記冷却剤流入部（１３）が前記流体分配チャンバ（１２）と連通し、前記流体分配チャンバ（１２）が、流入する冷却剤を前記流体ダクト（９）に分配する目的で前記流体ダクト（９）と連通し、冷却剤流出部（１５）を備える流体収集チャンバ（１４）が第２の軸方向側（１１）に提供され、前記流体収集チャンバ（１４）が冷却剤流出部（１５）と連通し、前記流体収集チャンバ（１４）が、前記流体ダクト（９）から到達する前記冷却剤を収集し、前記冷却剤を前記冷却剤流出部（１５）に導き、前記冷却剤流入部（１３）が前記第１の軸方向側（１０）で第１の周方向側（１６）に配置され、前記冷却剤流出部（１５）が前記第２の軸方向側（１１）で第２の周方向側（１７）に配置される、電気機械（１）において、バイパスダクト（１８）が設けられ、前記バイパスダクト（１８）が、前記冷却剤流入部（１３）から流体入口（１９）に向かって前記流体収集チャンバ（１４）に通じ、前記流体入口（１９）が前記第２の軸方向側（１１）で前記第１の周方向側（１６）に配置され、前記第２の周方向側（１７）が、前記第１の周方向側（１６）と実質的に反対側であり、すなわち前記固定子（３）の対称軸又は前記回転子（２）の回転軸に関して実質的に１８０°の角度で配置され、前記冷却剤流入部（１３）から前記流体分配チャンバ（１２）に流入する前記冷却剤は、前記流体ダクト（９）のみを経て前記流体収集チャンバ（１４）に導かれることを特徴とする、電気機械（１）。
前記固定子（３）が、外側で前記固定子（３）の境界を画す固定子ハウジング（４）を有し、前記バイパスダクト（１８）が、前記固定子ハウジング（４）に沿って前記第１の軸方向側（１０）から前記第２の軸方向側（１１）へ軸方向に延びることを特徴とする請求項１に記載の電気機械（１）。
前記バイパスダクト（１８）が、前記固定子ハウジング（４）に統合される、又は前記固定子ハウジング（４）に接続されることを特徴とする請求項２に記載の電気機械（１）。
前記バイパスダクト（１８）が、前記固定子ハウジング（４）の外側を延びるパイプラインの形態であることを特徴とする請求項３に記載の電気機械（１）。
前記パイプラインが、前記固定子ハウジング（４）に接続され、特に、はんだ付け、溶接、又は接着結合されることを特徴とする請求項４に記載の電気機械（１）。
流体ダクトとしての前記バイパスダクト（１８）が、特に鋳造、射出成形、又は例えば穴開けなどの機械加工によって、前記固定子ハウジング（４）の壁（２０）と一部片に統合されることを特徴とする請求項３に記載の電気機械（１）。
前記流体ダクト（９）及び前記バイパスダクト（１８）は、前記バイパスダクト（１８）を通る冷却剤体積流量が、前記固定子（３）に供給される冷却剤体積流量の最大１／３に対応し、前記流体ダクト（９）を通る冷却剤体積流量が、前記固定子（３）に供給される前記冷却剤体積流量の少なくとも２／３に対応するように寸法設定されることを特徴とする請求項３に記載の電気機械（１）。
前記固定子（３）が、前記第１の軸方向側（１０）及び／又は前記第２の軸方向側（１１）に前記固定子巻線（８）の端部巻線（２１）を有することを特徴とする請求項１に記載の電気機械（１）。
前記固定子巻線（８）の端部巻線（２１）が前記流体分配チャンバ（１２）内に配置される、若しくは前記流体分配チャンバ（１２）に流体接続された空間内に配置される、及び／又は前記固定子巻線（８）の端部巻線（２１）が、前記流体収集チャンバ（１４）内に配置される、若しくは前記流体収集チャンバ（１４）に流体接続された空間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の電気機械（１）。