周边液冷电机和集成功率逆变器

技术领域

本发明涉及在诸如某些混合动力电动车辆发电和存储系统中使用的电动机的应用中集成电动机和功率逆变器。

背景技术

具有与电动发电机和电能存储系统相结合的内燃机的混合动力电动车辆已经成为汽车领域特别是乘用车领域中相当关注的焦点。混合动力电动汽车系统的开发直到最近才开始引起人们对商用和越野车辆(例如2-8类车辆中的卡车和公共汽车)、土方设备和铁路应用以及固定式内燃机动力装置的浓厚兴趣。

混合动力电动技术提供许多优点，包括燃料效率的改进、内燃机排放和车辆噪音的减少以帮助满足政府监管要求、改进的车辆性能和降低车队运营成本。这些优势在很大程度上是通过混合动力系统回收能量的能力获得的，否则这些能量会被浪费(例如来自制动的机械能，否则将作为热能消散到环境中)并且在需要时在另一时间返回所捕获的能量，例如为车辆部件提供动力，而不是使用内燃机作为动力源，或协助车辆推进。

通常，混合动力电动车辆的电动发电机已被布置为独立于内燃机(例如，使用单独的电动机为前轮提供动力和回收能量，同时发动机为后轮提供推进动力)，或者已经连接到发动机，例如集成到发动机的“后部”(即发动机飞轮所在的一端)或在发动机和用于车辆的传动系统之间。这种“在发动机后面”的位置允许电动发电机设备直接将扭矩传递到车辆的动力传动系统和车轮，并由动力传动系统直接驱动，例如，在再生制动事件期间。后者的例子包括飞轮式电动发电机，其中传统发动机的飞轮被修改为电动发电机转子并且同心安装的定子位于飞轮周围，以及在发动机和驱动轮之间布置的独立电动机。通用汽车在2009年GMC Silverado轻型皮卡中提供的所谓“双模式混合动力”变速箱包括一个变速箱，该变速箱可容纳两个用于车辆推进和发电的电动机。

将电动发电机添加到内燃机的另一种形式是使用所谓的起动发电机。这种方法直接将电动机连接到发动机，既用作发电机(传统上由传统皮带驱动交流发电机执行的功能)又用作发动机起动器，从而减少重复交流发电机和起动器电动机的重量和成本。这种起动发电机装置在所谓的发动机停止-起动系统中特别有用，该系统在车辆停止期间关闭发动机以节省燃料并减少空转排放。起动发电机位于发动机后面(例如，适当设计的飞轮电动发电机也可用作起动机)，以及安装在发动机前端，其中起动发电机可以驱动皮带，该皮带直接连接到发动机曲轴。后一种系统的一个例子是“皮带交流发电机起动器”系统，该系统由通用汽车公司提供，作为2007年Saturn Vue运动型多功能车的一个选项。这些系统很难适应大型发动机，例如商用车柴油发动机，因为电动机必须更大才能应对这些重型发动机更高的扭矩需求，例如起动和操作各种部件(例如，发动机冷却风扇可能需要高达50千瓦的功率，这种负载需要大量扭矩来驱动风扇皮带)。此外，这种扩大系统中的皮带传动将需要具有传递大扭矩的能力，这可能是不可能的，或者至少不实用，因为足以处理扭矩需求的更厚和更宽的驱动皮带和皮带轮可能比它们的汽车同类产品更大更重，以至于它们的重量、尺寸和/或成本令人望而却步。

在美国专利申请第15/378,139号，现为美国专利第__、___、___号中描述了提供混合电动车辆能力的进一步方法。在该方法中，电动发电机以几乎不需要或不需要车辆前部长度延伸的方式布置。如本说明书中所用，发动机的“前端”是与发动机产生的扭矩输出传输至主要扭矩消耗装置的一端相对的一端，例如车辆的变速器和驱动桥或固定发动机装置的负载，例如泵驱动。通常，发动机的后端是发动机飞轮所在的位置，前端是发动机驱动附件等部件所在的位置(例如，空调和压缩空气压缩机、发动机冷却风扇、冷却液泵、动力转向泵)。虽然下面的讨论主要集中在发动机曲轴与车辆的纵向轴线对齐的商用车辆实施例上，但本发明不限于前置发动机、纵向对齐的发动机应用，还可以用于横向安装的发动机(包括位于车辆前部或后部的横向安装发动机)一起使用，这些发动机在与飞轮端相对的发动机端部邻近的区域中也可能具有高度空间受限的环境。

该前端电动发电机系统具有位于发动机前部区域的电动发电机。优选地，电动发电机单元包括共同定位的功率逆变器和控制电子设备。这种电动发电机单元通常必须提供一种方式，以空间、能量和成本高效的方式有效地去除在电能产生、扭矩产生和功率转换过程中产生的热量。在径向通量电机的情况下，大部分热量通过定子散发，该定子与转子旋转轴同心。

一种冷却方法是在定子的外围表面上尽可能多的提供具有围绕电动发电机的周边的冷却通道的液体冷却。然而，这样的配置在电动机周围产生了障碍，难以通过该障碍对将电动机连接到诸如功率逆变器的其他部件的电连接进行布线。类似地，在功率逆变器布置在电动机侧面的空间受限的应用中，冷却路径入口和出口以及电连接的布置是有问题的。

发明内容

本发明通过提供一种液冷集成电动发电机和功率逆变器系统来解决这些和其他问题，其中功率逆变器布置在垂直于电动机的旋转轴线的平面中，优选地在与电动机大致相同的平面内，并且在电动机的径向外侧。位于功率逆变器单元内部的电力电子设备的输出之间的连接，在一个实施例中，最靠近电动机壳体，使用位于冷却通道上方的预成型柔性母线，然后通过上部电动机壳体中的窗口向下到达端子块，端子块与定子部分相连。柔性的母线允许紧密弯曲，从而实现紧凑的部件放置。母线使用不导电的端子块固定到位。

集成电动机和逆变器设计的一个优点是由密封件的组合提供的免受环境污染。电动机和逆变器之间有密封件，逆变器顶部和电动机壳体顶部有单独的密封件。进一步地，电机和逆变器的顶部覆盖有单个中间壳体；然后中间壳体的顶部由单个盖板密封。因此，虽然电动机和功率逆变器是独立的部件，但整个组件都是密封的，不会受到污染。

本发明可以使电动机和功率逆变器具有它们自己独立的冷却剂回路，但优选地通过一个冷却剂通道连通。这种方法最大限度地减少了管道连接和泄漏点，组件中只有两个冷却剂连接：位于电动机壳体中的冷却剂输入端口和位于功率逆变器壳体中的出口端口。冷却介质可以是例如内燃机的流体，例如发动机冷却剂、润滑油或传动液。

在进一步的实施例中，如果例如由于空间限制，功率逆变器可以远程安装，提供多用途歧管块以在电动机和功率逆变器壳体之间分配电连接和冷却剂连接。在这样的实施例中，液体冷却剂将通过单个通道在电动机和功率逆变器壳体之间行进，该通道可以容易地配置有配件和管道。

电动机和功率逆变器壳体部分可以集成或可以形成为单独的壳体，优选地构造成使得壳体部分可以通过协作的配件和连接而彼此连接，所述配件和连接用于在壳体之间传输冷却剂和/或电流和信号。更优选地，电动机和功率逆变器壳体部分可以被配置成使得当壳体部分组装在一起时，协作的冷却剂连接以无泄漏的方式同时完成。

当体现为分离的壳体部分时，例如当空间限制不允许功率逆变器壳体直接径向相邻布置时，这些部分通过在壳体之间延伸的电导管和冷却剂导管连接。在这样的实施例中，优选地，在电动机壳体侧的电连接或者联接到母线或者直接延伸到母线端子。在冷却剂经由电动机壳体处的入口进入并在功率逆变器壳体侧离开的实施例中，在电动机和功率逆变器壳体之间只需要单个冷却剂导管，通过消除壳体之间的冷却剂回流管线来降低成本和复杂性。远程定位的实施例还可具有附接到电动机壳体或功率逆变器壳体的多用途歧管块。歧管块将提供接口，优选地具有标准化连接，以促进电动机和功率逆变器壳体的组装和安装。当连接到电动机壳体时，歧管块的电连接将联接到母线的功率逆变器侧端部。

虽然本公开主要涉及本发明的周边冷却电机在车辆应用(特别是商用车辆应用)中的使用，该电机也非常适合与固定发动机装置(例如，备用柴油发电机)、越野发动机应用(如，自走式建筑设备)和其他发动机应用。类似地，虽然本发明可以与连接到电动机转子的内燃机一起使用，但不需要使用发动机，并且转子旋转能量的替代源可以连接到本发明的周边冷却电机。

当结合附图考虑时，根据本发明的以下详细描述，本发明的其他目的、优点和新颖特征将变得显而易见。

附图说明

图1A和1B是根据本发明的实施例的具有电动机液体冷却的电机的斜视图。

图2和图3是图1中电机的部件的视图。

图4是本发明另一实施例的俯视图。

具体实施方式

图1A示出了根据本发明实施例的电机，其中电动机壳体101和功率逆变器壳体110在该实施例中通过将单独的壳体部分彼此联接而彼此集成。功率逆变器壳体110布置在与旋转轴线垂直的平面中，电动机进入电动机壳体101。在图1A中，垂直平面与电动机壳体相交，具体地，与位于其中的电动机转子102和定子103相交。电动机壳体还包含周边冷却阵列111，其布置成从定子103的外周表面接收热量。液体冷却的具体构造不限于冷却阵列111的大体扁平管配置，而是包括有效地从电动机中去除热量的任何导管布置。冷却剂入口连接106和冷却剂出口连接107(见图1B)布置在壳体的外表面上，并且与冷却阵列111流体连通。下面进一步讨论该实施例中的冷却布置。

如图2所示，中间壳体盖105在电动机和功率逆变器壳体上延伸，外壳体盖104在中间壳体盖105上延伸并封闭。

电动机和功率逆变器之间的电连接是通过从功率逆变器壳体110的电动机端向电动机壳体101延伸的预制柔性母线108。母线是柔性的并且足够薄以通过液体冷却管阵列到电动机壳体101的中间区域，同时足够厚和宽以提供足够的横截面来处理预期由母线108承载的电流和电压。

母线108电连接到相应的电动机端子，可通过在功率逆变器壳体110和电动机壳体101之间的中间壳体盖105中的至少一个通道(在该实施例中，孔122(又名窗口))进入，端子由非导电端子块109引导和/或保持在适当位置。母线108可以通过穿过孔112到达端子或者通过在中间壳体盖的功率逆变器侧连接到延伸穿过孔122的端子109而联接到电动机端子109。

此外，如图1A所示，到电动机位置解析器125的诸如信号线126的较轻导体可以沿着母线108布线到功率逆变器的控制电子设备112。在安装母线108之后，外壳体盖104可以附接到中间壳体盖105上以将功率逆变器部件和电动机部件与外部污染物隔离。通过使用壳体盖密封件117-118和电动机壳体101和功率逆变器壳体110之间的密封件119来增强壳体的覆盖部分与环境和它们自身的密封。

在该实施例中，到功率逆变器电子设备112的外部电连接位于功率逆变器壳体110的末端。因为低压连接115和高压连接116分别用于信号传输和电能传输是已知的，所以不需要进一步描述去往/来自这些连接的信号和电力的路径。

在本发明的另一个实施例中，如图2和图3所示，还可以为功率逆变器部件提供液体冷却。虽然电动机和功率逆变器可以设置有单独的冷却回路，但在该实施例中，功率逆变器冷却回路是分别通过入口连接106和出口连接107接收和释放冷却剂的支路。具体地，通过入口106进入壳体的冷却剂经由冷却剂通道127的上支路120a流入周边冷却阵列111，并且在循环通过阵列之后经由下支路120b传递到冷却回路的功率逆变器部分。冷却剂然后通过热交换器128，在其中冷却剂从功率逆变器电子设备112吸收热量，并通过出口连接107离开壳体。冷却剂通道127可以实施为管和/或穿过固体材料的孔。

在该实施例中，随着所有冷却剂和外部电连接被合并为两个冷却剂连接和两个电连接，冷却剂从电机泄漏，以及连接配件从环境泄漏到电机中的潜在来源被最小化。

图3示出了周边液冷电机的主要部件(作为相关组件紧固件)的分解图。在该实施例中，电动机壳体101通过紧固件联接到功率逆变器壳体110。或者，这些壳体可以一体地形成。电动机壳体101接收转子102、定子103和定子周边冷却阵列111。在该实施例中，冷却阵列111还包括壳体101的后盖板。类似地，功率逆变器壳体110接收功率逆变器电子设备112(为清楚起见，省略了该壳体中的其他电气组件)。

在壳体101、110上方是中间壳体盖105。中间壳体盖105包括窗口121，在该实施例中为弧形，位于对应于电动机壳体101中的孔122的位置。非导电端子块109的形状类似，使得它可以提供母线108和电动机之间连接的绝缘通路连接。在该实施例中，母线108通过螺母124联接到螺栓123，每个与相邻端子电绝缘，例如通过非导电端子块109的通孔中的垫圈。如在前面的实施例，母线108在它们各自相对的端部穿过电动机冷却管阵列的侧壁连接到功率逆变器电子设备112，同时在转子102的旋转轴线方向上保持最小轮廓。在安装母线108之后，外壳体盖104固定在中间壳体盖105上。用于感测转子102的位置和/或旋转速度的解析器125也受到保护，在中间壳体盖105内免受环境的影响，其信号导体为沿着中间壳体盖的侧壁通向电子设备112。在壳体和壳体盖接触表面处提供合适的密封件和/或密封剂，以密封电机以防止液体和其他有害污染物进入，并将电动机和功率逆变器壳体彼此密封。

图4示出了本发明的另一个实施例，其中电动机壳体和功率逆变器壳体是分开的，在该实施例中，功率逆变器壳体仍然在垂直于电动机转子旋转轴线的平面中。在该实施例中，母线108联接到歧管块130的对应端子129。歧管块130提供用于标准化电导管132的连接131，该电导管132在电动机壳体101和功率逆变器壳体110处的电连接133之间延伸。在电动机和功率逆变器壳体部分之间从流体连接134延伸的是冷却剂导管135，用于在壳体之间传输冷却剂。在该实施例中，便于母线108在周边冷却阵列111上的连接的中间壳体盖105仅在电动机壳体部分和歧管块130上方延伸，而功率逆变器壳体部分接收单独的盖136。

上述公开内容仅是为了说明本发明而提出的，并非旨在进行限制。因为本领域技术人员可以想到对所公开的实施例进行的包含本发明的精神和实质的这些修改，所以本发明应当被解释为包括所附权利要求及其等同物范围内的所有内容。

附图标记列表：

101电动机壳体

102转子

103定子

104外壳体盖

105中间壳体盖

106冷却液入口连接

107冷却液出口连接

108母线

109非导电端子块

110功率逆变器壳体

111周边冷却阵列

112电力逆变器控制电子设备

115低压连接

116高压连接

117密封件

118密封件

119密封件

120a、120b上下冷却支路

121中间壳体盖窗口

122电动机壳体孔

123螺栓

124螺母

125解析器

126信号导体

127冷却剂通道

128热交换器

129歧管块母线端子

130歧管块

131电连接

132电导管

133电连接

134流体连接

135冷却剂导管

136功率逆变器壳体盖