(57)【要約】【課題】  自動車用の電気機械および電気機械を冷却するための方法を提供する。【解決手段】  自動車（１０）用、特に自動車（１０）のドライブトレイン（１２）用の電気機械（１４、１６）であって、コイル装置と、コイル装置に対して回転可能に取り付けられた回転子と、流体ラインであって、電気機械（１４、１６）の少なくとも１つの構成要素に熱的に接続されて、電気機械（１４、１６）に冷却流体（３６）を供給し、電気機械（１４、１６）の少なくとも１つの構成要素を冷却する、流体ラインと、ファン装置（３０、３２）であって、電気機械（１４、１６）を冷却するために電気機械に冷却空気（４２）を供給するように設計される、ファン装置（３０、３２）と、ファン装置（３０、３２）を制御するための制御ユニット（３４）とを備え、制御ユニット（３４）が、電気機械（１４、１６）の速度（ｎ）および／またはトルク（Ｍ）に応じてファン装置（３０、３２）および冷却空気供給を制御するように設計される、電気機械（１４、１６）。【選択図】  図１
2015233404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車（１０）用、特に自動車（１０）のドライブトレイン（１２）用の電気機械（１４、１６）であって、
コイル装置と、前記コイル装置に対して回転可能に取り付けられた回転子と、
流体ラインであって、前記電気機械（１４、１６）の少なくとも１つの構成要素に熱的に接続されて、前記電気機械（１４、１６）に冷却流体（３６）を供給し、前記電気機械（１４、１６）の前記少なくとも１つの構成要素を冷却する、流体ラインと、
ファン装置（３０、３２）であって、前記電気機械（１４、１６）を冷却するために前記電気機械に冷却空気（４２）を供給するように設計される、ファン装置（３０、３２）と、
前記ファン装置（３０、３２）を制御するための制御ユニット（３４）と
を備える電気機械（１４、１６）において、
前記制御ユニット（３４）が、前記電気機械（１４、１６）の速度（ｎ）および／またはトルク（Ｍ）に応じて前記ファン装置（３０、３２）および前記冷却空気供給を制御するように設計されることを特徴とする、
電気機械（１４、１６）。
【請求項２】
前記制御ユニット（３４）が、前記電気機械（１４、１６）の速度（ｎ）および／またはトルク（Ｍ）に応じて前記流体ライン内への前記冷却流体（３６）の供給を制御するようにさらに設計されることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
【請求項３】
前記制御ユニット（３４）が、前記速度（ｎ）および／または前記トルク（Ｍ）に応じて前記ファン装置（３０、３２）および／または前記流体供給を作動または停止するように設計され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。
【請求項４】
前記制御ユニット（３４）が、前記電気機械（１４、１６）の速度が所定の速度（ｎ）よりも低いとき、前記ファン装置（３０、３２）を作動させるように設計されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項５】
前記制御ユニット（３４）が、前記電気機械（１４、１６）の速度が所定の速度よりも高く、かつ前記電気機械（１４、１６）のトルクが所定のトルクよりも低いとき、前記流体供給を停止するように設計されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項６】
前記流体ラインが冷却回路（２８）に接続され、かつ前記制御ユニット（３４）が、前記流体供給を制御するために前記冷却回路（２８）を制御するように設計されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項７】
前記ファン装置（３０、３２）が、周囲空気（４６）を吸引し、前記周囲空気（４６）を冷却空気（４２）として前記電気機械（１４、１６）に供給するように設計されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項８】
前記ファン装置（３０、３２）が、前記電気機械（１４、１６）からの加熱された排気を前記自動車（１０）の少なくとも１つの構成要素に供給するように設計されることを特徴とする、請求項７に記載の電気機械。
【請求項９】
空気フィルタ（４８）が、前記吸引された周囲空気（４６）を濾過するために前記ファン装置（３０、３２）に割り当てられることを特徴とする、請求項７または８に記載の電気機械。
【請求項１０】
自動車（１０）の電気機械（１４、１６）を冷却するための方法であって、前記電気機械（１４、１６）が、コイル装置と、前記コイル装置に対して回転可能に取り付けられた回転子とを有し、前記電気機械（１４、１６）を冷却するために、冷却流体（３６）が流体ラインを通して前記電気機械（１４、１６）に供給され、前記電気機械（１４、１６）を冷却するために、ファン装置（３０、３２）によって冷却空気（４２）を前記電気機械（１４、１６）に供給することができ、前記ファン装置（３０、３２）および前記冷却空気供給が、前記電気機械（１４、１６）の速度（ｎ）および／またはトルク（Ｍ）に応じて制御される、方法。
【請求項１１】
駆動力を提供するための請求項１〜９のいずれか一項に記載の電気機械（１４、１６）を有するドライブトレインを備える自動車。
【請求項１２】
前記自動車（１０）の車室の換気装置が、前記電気機械（１４、１６）からの加熱された排気（５２）を前記車室に供給することができるように前記電気機械（１４、１６）の前記ファン装置に接続されることを特徴とする、請求項１１に記載の自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用、特に自動車のドライブトレイン用の電気機械であって、コイル装置と、コイル装置に対して回転可能に取り付けられた回転子と、流体ラインであって、電気機械の少なくとも１つの構成要素に熱的に接続されて、電気機械に冷却流体を供給し、電気機械の少なくとも１つの構成要素を冷却する、流体ラインと、ファン装置であって、電気機械を冷却するために電気機械に冷却空気を供給するように設計される、ファン装置と、ファン装置を制御するための制御ユニットとを備える電気機械に関する。
【０００２】
さらに、本発明は、自動車の電気機械を冷却するための方法であって、電気機械が、コイル装置と、コイル装置に対して回転可能に取り付けられた回転子とを有し、電気機械を冷却するために、冷却流体が流体ラインを通して電気機械に供給され、電気機械を冷却するために、ファン装置によって冷却空気を電気機械に供給することができる方法に関する。
【０００３】
最後に、本発明は、駆動力を提供するための電気機械を有するドライブトレインを備える自動車に関する。
【背景技術】
【０００４】
自動車駆動技術の分野において、ハイブリッド駆動または純電気駆動の形式において自動車の個々の車輪または自動車の１つの車軸を駆動するために、電気機械を使用することが一般に知られている。電気機械に供給される高い電流により、電気機械の界磁コイルにおいて多量の熱が発生する。電気機械の熱過負荷を防止し、同時に、比較的高い電力を電気機械に印加することを可能にするために、上記の熱を相応に放散させる必要がある。
【０００５】
電気機械は、冷却の目的で、一般に自動車の冷却水回路に接続される。電気機械に冷却水を供給し、次いで自動車冷却デバイスによって電気機械を冷却する。
【０００６】
しかしながら、自動車の特定の駆動状況では、電気機械の界磁コイルの電力損失が非常に大きくなり、したがって短期間でかなり高温になることがあるため、または、例えば外部温度が高いときに自動車を始動した後などの特定の状況においては、相応に熱制御された冷却流体が利用可能でないため、上記のような冷却水による冷却によって十分な冷却力を得ることができない。これらの特定の状況に関しては、過熱を防止するために、冷却水による冷却に加えて、さらなる冷却を行う必要がある。水冷および空冷からなる自動車の電気機械の上記冷却は、例えば（特許文献１）から知られている。
【０００７】
上記における欠点の１つは、自動車を駆動するための電気機械の追加的な冷却は、エネルギー要求量が高く、したがって自動車のエネルギー消費が全体として増加することにある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０  ２００９  ０００  ５９１  Ａ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、本発明の目的は、効率的に、かつ低いエネルギー消費で冷却することができる自動車用の電気機械を提供することにある。
【００１０】
本発明のさらなる目的は、自動車の電気機械を冷却するための対応する方法、および自動車ドライブトレインを備える自動車を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的は、冒頭で述べた電気機械において、電気機械の速度および／またはトルクに応じてファン装置および冷却空気供給を制御するように制御ユニットが設計されることによって達成される。
【００１２】
上記の目的は、冒頭で述べた方法において、電気機械の速度および／またはトルクに応じてファン装置および冷却空気供給が制御されることによって達成される。
【００１３】
最後に、上記の目的は、冒頭で述べたタイプの自動車において、駆動力を提供するための本発明による電気機械によって達成される。
【００１４】
ファン装置およびそれに対応して冷却空気供給が電気機械の速度および／またはトルクに応じて制御されることにより、必要に応じて追加的な冷却を電気機械に供給することができ、必要に応じて相応により多くの廃熱を放散させることができる。結果的に、自動車の特定の駆動状況において、ピーク負荷を緩和することができ、電気機械の熱過負荷を防止することができる。その結果、電気機械を、効果的にかつ必要に応じて、複雑な技術をほとんど用いることなく冷却することができる。
【００１５】
したがって、本発明の目的が完全に達成される。
【００１６】
好ましい実施形態では、制御ユニットが、電気機械の速度および／またはトルクに応じて流体ライン内への冷却流体の供給を制御するように設計される。
【００１７】
その結果、冷却流体による冷却を、必要に応じて電気機械の動力損失に適合させることができ、結果的に冷却の効率を全体として増加させることもできる。
【００１８】
制御ユニットが、速度および／またはトルクに応じてファン装置および／または流体供給を作動または停止するように設計されるとさらに好ましい。
【００１９】
その結果、ファン装置および／または流体供給を相応してオンまたはオフに切り替えるだけでよいため、複雑な技術をほとんど用いることなしに異なるタイプの冷却の制御を実現することができる。
【００２０】
制御ユニットが、電気機械の速度が所定の速度よりも低いとき、ファン装置を作動させるように設計されるとさらに好ましい。
【００２１】
その結果、例えば自動車の始動中、高い動力損失が生じるときに、複雑な技術をほとんど用いることなしに、追加的な冷却力を提供することができる。
【００２２】
制御ユニットが、電気機械の速度が所定の速度よりも高く、かつ電気機械のトルクが所定のトルクよりも低いとき、流体供給を停止するように設計されるとさらに好ましい。
【００２３】
その結果、高い速度および低いトルクの場合（このとき電気機械の電力損失が低い）、電気機械の冷却のエネルギー消費をさらに減少させることができるように適合を行うことができる。
【００２４】
流体ラインが冷却回路に接続され、制御ユニットが、流体供給を制御するために冷却回路を制御するように設計されるとさらに好ましい。
【００２５】
その結果、複雑な技術をほとんど用いることなしに冷却流体供給を制御することができる。
【００２６】
好ましい実施形態では、ファン装置が、周囲空気を吸引し、周囲空気を冷却空気として電気機械に供給するように設計される。
【００２７】
その結果、複雑な技術をほとんど用いることなしに冷却空気を提供することができる。
【００２８】
この場合、ファン装置が、電気機械からの加熱された排気を自動車の少なくとも１つの構成要素に供給するように設計されると特に好ましい。
【００２９】
その結果、加熱された排気を、例えば自動車の車室など、自動車の少なくとも１つの構成要素を暖めるために使用することができる。その結果、自動車でのエネルギー消費をさらに減少させることができ、効率をさらに高めることができる。
【００３０】
空気フィルタが、吸引された周囲空気を濾過するためにファン装置に配置されるとさらに好ましい。
【００３１】
その結果、上記方法で濾過された電気機械からの加熱された排気を、例えば、自動車の車室を暖めるために車室に通すことができる。
【００３２】
自動車の特定の実施形態では、車室の換気装置が、電気機械からの加熱された排気を車室に供給することができるように電気機械のファン装置に接続される。
【００３３】
その結果、電気機械の加熱された排気を使用することができ、自動車のエネルギー消費を全体として減少させることができる。
【００３４】
当然、上述した特徴、および以下にさらに述べる特徴は、それぞれ提示した組合せでのみならず、他の組合せでも、または単独でも、本発明の範囲から逸脱することなく使用することができる。
【００３５】
本発明の例示的実施形態が図面に示されており、以下の説明でより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】電気駆動機構および追加的な空気冷却を備える自動車の概略図を示す。
【図２】自動車用の電気駆動機械の空気冷却の概略詳細図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図１は、自動車を概略的に示す。自動車は全体として参照符号１０で示されている。自動車１０は、一般にドライブトレイン１２を有する。本発明の場合、ドライブトレイン１２には、駆動力を提供するための２つの電気機械１４、１６が含まれる。ドライブトレイン１２は、自動車１０の駆動輪１８Ｌ、１８Ｒを駆動するために使用される。電気機械１４、１６により、駆動輪１８Ｌ、１８ＲにトルクＭが提供される。電気機械１４、１６は速度ｎで回転する。
【００３８】
電気機械１４、１６は、それぞれインバータ２０、２２を介してＤＣ電圧源２４に接続される。前記ＤＣ電圧源は、充電式電池またはバッテリ２４の形態である。インバータ２０、２２により、バッテリ２４から提供されるＤＣ電圧または提供される直流をそれぞれ３相交流に変換し、それに対応して電気機械１４、１６を作動させるか、または電気機械１４、１６に通電させる。
【００３９】
図１に示される実施形態では、ドライブトレイン１２は、駆動アセンブリとして２つの電気機械１４、１６のみを有する。代替実施形態では、ドライブトレイン１２は、並列ハイブリッドドライブトレインまたは直列ハイブリッドドライブトレインの形態とすることができる。駆動力は、少なくとも一部は内燃機関によって、機械的または電気的に提供される。
【００４０】
図１に示される実施形態では、駆動輪１８Ｌ、１８Ｒの各１つが、シャフトを介して電気機械１４、１６の１つに機械的に接続される。当然、駆動輪１８Ｌ、１８Ｒを単一の電気機械１４、１６によって駆動することもできる。このとき、駆動輪１８Ｌ、１８Ｒは、対応する差動歯車機構を介して電気機械１４、１６の出力シャフトに接続される。
【００４１】
自動車１０は、液体冷却デバイス２６を有する。液体冷却デバイス２６は、一般に、冷却回路２８を介してドライブトレイン１２の構成要素に冷却液を供給し、相応に前記構成要素を冷却するように設計される。電気機械１４、１６は冷却回路２８に接続される。それにより、電気機械１４、１６を液体冷却デバイス２６の冷却液によって冷却することができる。特に、上記の場合、電気機械１４、１６に熱交換器が設けられる。熱交換器により、冷却液と例えば電気機械１４、１６の界磁コイルとの間の熱輸送を保証する。
【００４２】
電気機械１４、１６の構成要素、特に電気機械１４、１６の界磁コイルは、特に走行状況および駆動状況で、特に高い電流によって特に強く加熱されるため、電気機械１４、１６の冷却を保証するためおよび熱過負荷を防止するために、追加的な冷却力が電気機械１４、１６に提供される必要がある。
【００４３】
上記の場合、液体冷却デバイス２６による液体冷却に加えて、電気機械１４、１６にそれぞれ１つのファン３０、３２すなわち１つのブロワ３０、３２が割り当てられる。これらのファンすなわちブロワは、中央制御ユニット３４によって制御される。これらのファンすなわちブロワにより、電気機械１４、１６に冷却空気を供給し、液体冷却に加えて電気機械１４、１６を冷却する。
【００４４】
追加的なファン３０、３２およびその結果として可能な追加的な冷却力によって、例えば自動車１０の始動後、例えば外部温度が高い結果、相応に温度制御された冷却液が利用可能でないとき、ファン３０、３２によって電気機械１４、１６を冷却することができる。結果的に、電気機械１４、１６によって始動時に最大動力を提供することができ、構成要素の熱過負荷を防止することができる。
【００４５】
液体冷却デバイス２６の冷却力により、一般に、電気機械１４、１６の通常駆動状態では十分な冷却力を提供することができるため、ファン３０、３２は、電気機械１４、１６の動力損失に応じて制御ユニット３４によって作動され、それにより、必要に応じて空気冷却を提供することができる。
【００４６】
制御ユニット３４は、電気機械１４、１６および／またはインバータ２０、２２に接続される。制御ユニット３４により、電気機械１４、１６の速度ｎおよび／または提供される電気機械１４、１６のトルクＭを検出し、そのようにして検出された速度ｎおよび／またはそのようにして検出されたトルクＭに応じてファン３０、３２を作動させ、それに対応して冷却空気を電気機械１４、１６に供給する。電気機械１４、１６の電力損失は速度に依存する、またはトルクに依存するため、追加的な冷却力に関する要件は、検出された速度ｎまたは検出されたトルクＭに基づいて単純な手段を使用して決定することができる。それに対応してファン３０、３２を作動させることができる。
【００４７】
好ましくは、この場合、必要に応じてファン３０、３２がオンに切り替えられ、追加的な冷却力が必要とされない場合にはオフに切り替えられる。
【００４８】
ファン３０、３２は、高いトルクが必要とされるとき、または高いトルクが必要とされると予想され得るときに、低速で、好ましくはオンに切り替えられる。したがって、所定の速度よりも低い速度に関して、ファン３０、３２は、制御ユニット３４によってオンに切り替えられる。
【００４９】
より高い速度で、必要とされるトルクが低いときには、必要とされる冷却力も相応により低い。結果的に、追加的な空気冷却は必要とされないか、電気機械１４、１６の回転子にあるファンホイールによる冷却によって、追加的な空気冷却を提供することができ、それによりファン３０、３２による空気冷却は必要とされない。したがって、好ましくは、所定の速度よりも高い速度で、ファン３０、３２はオフに切り替えられる。
【００５０】
さらに、制御ユニット３４は液体冷却デバイス２６に接続され、電気機械１４、１６への冷却液の供給を制御する。電気機械１４、１６の速度が高く、特に所定の速度よりも高く、かつトルクが低く、特に所定のトルクよりも低い特定の状況では、電気機械１４、１６の冷却が必要とされない。結果的に、液体冷却デバイス２６による冷却液の供給を中断することができる。
【００５１】
したがって、全体として、電気機械１４、１６の必要に応じた冷却を提供することができる。これにより、特定の駆動状況でのみ追加的な冷却力が提供されるため、自動車１０のエネルギー消費が減少する。
【００５２】
当然、さらなる空気冷却および対応する制御も、電気機械１４、１６の発電機動作モードに適用されるか、または適用可能である。
【００５３】
図２は、動作モードを説明するために、電気機械１４をファン３０と共に概略的に示す。
【００５４】
電気機械１４をインバータ２０によって３相で作動または通電させ、対応する駆動力を駆動輪１８Ｒで提供する。電気機械は、冷却回路２８に接続される。冷たい冷却液３６が電気機械１４に供給され、それに対応して加熱された冷却液３８が排出される。
【００５５】
さらに、電気機械１４に冷却空気４２を供給するために、電気機械１４は、ファンパイプ４０を介してファン３０に接続される。ファン３０により、吸引管４４を通して周囲空気４６を吸引し、この周囲空気４６を空気フィルタ４８によって濾過する。ファン３０は制御ユニット３４によって作動される。制御ユニット３４を電気機械１４に接続して、電気機械１４の速度ｎおよび／または電気機械１４のトルクＭを検出する。電気機械１４、１６のトルクを検出するため、および電気機械１４、１６の速度を検出するために、電気機械１４、１６はそれぞれ、トルクセンサおよび速度センサを有することができる。さらに、制御ユニット３４を液体冷却デバイス２６に接続して、検出される速度ｎおよび検出されるトルクＭに基づいて液体冷却デバイス２６を相応に制御し、また、冷却回路２８を介する電気機械１４への冷却液供給を相応に制御または設定する。その結果、必要に応じて電気機械１４全体を冷却できるようになる。
【００５６】
特定の実施形態では、電気機械１４の排気管５０が、加熱された排気５２を自動車１０の構成要素に提供し、この構成要素を暖めるように設計される。好ましくは、排気５２を自動車１０の車室または自動車１０の乗客室に導き入れて、必要に応じて前記車室または前記乗客室を暖める。空気フィルタ４８によって、ダストまたは他の粒子を乗客室に入れずに、排気５２を乗客室内に直接導き入れることができる。したがって、全体として、必要に応じて電気機械１４からの廃熱を放散して使用することができる。その結果、車両エネルギーの使用の効率がさらに高められる。
【符号の説明】
【００５７】
１０  自動車
１２  ドライブトレイン
１４  電気機械
１６  電気機械
１８Ｒ、１８Ｌ  駆動輪
２０、２２  インバータ
２４  ＤＣ電圧源
２６  液体冷却デバイス
２８  冷却回路
３０、３２  ファン
３４  制御ユニット
３６、３８  冷却流体
４０  ファンパイプ
４２  冷却空気
４４  吸引管
４６  周囲空気
４８  空気フィルタ
５０  排気管
５２  排気
【図１】
2015233404.tif 000003
【図２】
2015233404.tif 000004