用于冷卻電機(jī)的冷卻設(shè)備以及相應(yīng)的電機(jī)的制作方法
【專利說明】用于冷卻電機(jī)的冷卻設(shè)備以及相應(yīng)的電機(jī)
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于冷卻電機(jī)的部件的冷卻設(shè)備以及具有這種冷卻設(shè)備的電機(jī)。
[0002] 電機(jī)（機(jī)電轉(zhuǎn)換器）例如是用于汽車的電力驅(qū)動馬達(dá)、啟動器、發(fā)電機(jī)或啟動 器-發(fā)電機(jī)，能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換成機(jī)械能（電動機(jī)）或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能（發(fā)電機(jī)）。這 種機(jī)電轉(zhuǎn)換基于電磁感應(yīng)。這種電機(jī)包含固定的定子(Stiinder)，其包含定子核心和安置其 上的定子繞組，電機(jī)還包含可移動部件，其在最常見結(jié)構(gòu)類型中設(shè)計為轉(zhuǎn)子([iiufer)，其可 旋轉(zhuǎn)地支承在環(huán)形構(gòu)造的定子中。其中，由于轉(zhuǎn)子可移動的磁場而在定子繞組中產(chǎn)生電流 (發(fā)電機(jī)），或者由于通過定子產(chǎn)生的磁場引起轉(zhuǎn)子的機(jī)械運(yùn)動/旋轉(zhuǎn)（電動機(jī)）。
[0003] 電機(jī)在其運(yùn)行過程中由于介電損失產(chǎn)生廢熱。廢熱的產(chǎn)生尤其在定子繞組中出現(xiàn) 并且特別在所謂的繞組端部上產(chǎn)生。定子的繞組端部通常由銅線繞組構(gòu)成，其具有用于電 絕緣的主覆層以及用于機(jī)械/幾何穩(wěn)定、用于化學(xué)保護(hù)但也可以用于導(dǎo)熱的次級覆層。當(dāng) 前用于最高絕緣等級H所用的材料對于定子繞組的主覆層和次級覆層可以承受的最高溫 度為180°C。但是在運(yùn)行中在繞組端部中出現(xiàn)的溫度超過200°C。繞組中的熱量尤其通過 短時的電壓高峰產(chǎn)生，其快速升高，也就是具有邊緣陡度。在繞組端部中強(qiáng)烈生熱的原因在 于，側(cè)面繞組股通過緊密貼靠的定子板可以被相對較好地冷卻。反而繞組端部大多懸空并 且因此不能被有效冷卻。所述生熱導(dǎo)致了介電損失因素，由此損害了效率并且更多的電能 轉(zhuǎn)換成了熱能。這種自身加速的效果會導(dǎo)致主覆層的絕緣材料中的電擊穿（部分放電）。 部分放電導(dǎo)致了電機(jī)的壽命的縮短，在最糟的情況中甚至導(dǎo)致其失效。因此需要冷卻電機(jī)、 尤其冷卻其定子繞組。
[0004] 電機(jī)的傳統(tǒng)冷卻基于循環(huán)的、尤其液態(tài)的冷卻劑，其由于其熱容能夠吸收和傳導(dǎo) 熱量，用于將熱量再次輸出到熱交換器中，通過冷卻劑借助泵回引到熱源中。
[0005] 除此之外還已知一種冷卻裝置，其基于循環(huán)的冷卻基質(zhì)的吸熱蒸發(fā)引起冷卻，其 中待冷卻的部件作為蒸發(fā)器發(fā)揮功效并且在冷卻劑再次輸入部件之前冷凝器將冷卻劑液 化。例如JP60118037A和DE69121054T2描述了這種用于電動機(jī)定子繞組的冷卻系統(tǒng)，其 利用了液態(tài)-氣態(tài)的相變。
[0006] 同樣從液態(tài)至氣態(tài)的吸熱的相變利用了溫差環(huán)流-冷卻裝置，其中冷卻劑的環(huán)流 基于液態(tài)介質(zhì)和氣態(tài)介質(zhì)之間的密度差被動地進(jìn)行。用于定子的繞組端部的溫差環(huán)流-冷 卻裝置由 EP1547228B1 和 US6515383B1 已知。
[0007] 液態(tài)/氣態(tài)介質(zhì)的被動循環(huán)也可以在所謂的熱管(Wiimierohren)中進(jìn)行。熱管 包含位于密封封閉空間（例如管）中的介質(zhì)（例如水），其中管的一端與熱源接觸并且另一 端與散熱片接觸。在熱源處吸熱蒸發(fā)的介質(zhì)由于蒸汽壓力降低被傳送至散熱片，其中其被 冷凝并且由于毛細(xì)力被再次傳送至熱源。用于電機(jī)的不同實(shí)施形式的熱管-定子冷卻裝置 由 DE10258778A、US5808387A、JP60257739A 和 JP57062754A 已知。
[0008] 最后已知在不同的冷卻應(yīng)用中使用潛熱存儲器。潛熱存儲器使用所謂的相變材料 (PCM:phase change material)的可逆的、吸熱相變來存儲熱能。最常見地使用液態(tài)-固態(tài) 相變，其中熱能例如以熔融物熱能或溶液熱能的形式被存儲。作為PCM例如使用石蠟或聚 合物（EP2275510A2, DE102008027207A1, EP2043773B1)，部分以密封形式處于液態(tài)載體介質(zhì) 中。對于溫度約為l〇〇°C時適用鹽、鹽的水合物和它們的混合物（DD294964A5)。PCM例如用 于冷卻內(nèi)燃機(jī)（DE19525661C2，DE102008027207A1)，燃料電池（DE10325444A1)或冷卻 / 加 熱汽車電池和其他蓄電器（DE102010013150A1, DE102010013222A1)。
[0009] 此外，W003/090254A2描述了使用相變材料來冷卻電動機(jī)或發(fā)電機(jī)，其中所述PCM 與繞組直接接觸，尤其在繞組間隙中和直接繞組周圍中。DE102009027857A1描述了一種包 含PCM的用于機(jī)電裝置（例如啟動器發(fā)動機(jī)）的冷卻設(shè)備，其中，材料的相變溫度位于機(jī)器 的運(yùn)行溫度范圍中。冷卻設(shè)備在殼體外部靠近定子設(shè)置或者大量的這種PCM冷卻設(shè)備存在 于殼體內(nèi)部用于冷卻啟動器的不同的部件。按照US7629716B2,電磁設(shè)備的定子被嵌入固態(tài) 的相變材料中，該相變材料此外包圍熱管。
[0010] 電機(jī)的其他問題范圍涉及的是機(jī)器或其部件的傳感式的溫度監(jiān)測。為了檢測定子 的繞組端部的溫度通常在繞組中使用大多通過PTFE包層保護(hù)的傳感器。傳感器在最簡單 的情況中包含雙金屬、但是至多一種半導(dǎo)體（"冷導(dǎo)體"PTC或"熱導(dǎo)體"NTC)或者鉑電阻 (PT100)。在所述序列中，傳感器的精度提高，但是其成本也提高。除了雙金屬傳感器，所有 系統(tǒng)使用隨著溫度線性增大的歐姆電阻。理想的傳感器應(yīng)該在關(guān)注的溫度范圍中具有在 溫度和電阻之間盡可能線性的關(guān)聯(lián)，也就是盡可能線性的特征曲線，并且對溫度改變快速 地響應(yīng)，用于快速地觸發(fā)冷卻措施。已知的傳感器常常在較大的溫度范圍上（例如從-20 至200°C)不具有線性的特征區(qū)域。此外還期望傳感器更快的響應(yīng)特性和更長的壽命。
[0011] 因此本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種用于電機(jī)（例如電動機(jī)和發(fā)電 機(jī)）、和尤其用于其定子的冷卻設(shè)備，其實(shí)現(xiàn)了更好和更可靠的冷卻。該冷卻設(shè)備還應(yīng)該理 想地簡單實(shí)施傳感式的溫度檢測。
[0012] 所述技術(shù)問題至少部分地通過按照獨(dú)立權(quán)利要求所述的冷卻設(shè)備以及具有這種 冷卻設(shè)備的電機(jī)解決。本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案由從屬權(quán)利要求所述的特征得出。
[0013] 按照本發(fā)明的用于冷卻電機(jī)的部件的冷卻設(shè)備包括由至少兩種相變材料（PCM) 構(gòu)成的組合，它們在相變溫度時具有可逆的、熱感應(yīng)的、吸熱的相變。其中，第一相變材料的 第一相變溫度I tel位于待冷卻部件的非臨界的運(yùn)行溫度范圍內(nèi)。第二相變材料的第二相變 溫度Ite2位于第一相變溫度之上。
[0014] 通過按照本發(fā)明的至少兩種PCM的組合可以進(jìn)行相關(guān)部件的多級的冷卻，其中， 第一冷卻級通過第一相變材料的相變實(shí)現(xiàn)并且由于第一相變溫度I tel位于部件的非臨界的 運(yùn)行溫度范圍中可以保證在正常運(yùn)行中的排熱。其中，在本發(fā)明的范疇中非臨界（或正常） 的運(yùn)行溫度范圍理解為一種范圍，其中即使在長期的或持續(xù)的存在時也不會出現(xiàn)部件的材 料損傷。非臨界的運(yùn)行溫度范圍尤其對應(yīng)部件或電機(jī)的整個（許用的）運(yùn)行特征曲線，其 在電動機(jī)的情況中例如通過許用載荷和轉(zhuǎn)速定義。通過第二相變材料，其相變溫度I te2例 如比第一相變材料的相變溫度Itel高至少20K、尤其至少25K，進(jìn)行在更高溫度時使用的第 二冷卻級。第二PCM的相變溫度處于高于正常運(yùn)行溫度范圍的溫度中，其中第二相變溫度 在短期內(nèi)（例如小于等于1分鐘）是可承受的，但是其長期的維持將導(dǎo)致待冷卻部件的損 傷。
[0015] 借助PCM的內(nèi)在或固有冷卻的優(yōu)點(diǎn)還包括更小的結(jié)構(gòu)空間需求以及相對獨(dú)立的 冷卻，其例如避免了現(xiàn)有技術(shù)中由于冷卻水的突然流動導(dǎo)致的沖擊式的溫度下降。通過避 免沖擊式溫度變化應(yīng)力可以阻止繞組的絕緣材料中的裂縫。
[0016] 所使用的相變材料的數(shù)量不局限于兩種，而是在本發(fā)明的范疇中也可以更多。在 一種優(yōu)選的實(shí)施形式中，冷卻設(shè)備還包括具有第三相變溫度T trt的第三相變材料，其位于第 二相變溫度Ite2之上（例如比第一相變溫度大至少10K、尤其至少15K)。通過施加第三相 變材料可以實(shí)現(xiàn)第三冷卻級。在另一種優(yōu)選的技術(shù)方案中，第三相變材料的第三相變溫度 位于一溫度范圍中，其上限由待冷卻部件的臨界極限溫度限定，并且比其低最多40K。通過 這種方式當(dāng)構(gòu)件溫度接近臨界的極限溫度時激活第三冷卻級。
[0017] 在冷卻設(shè)備一種特殊的技術(shù)方案中，第一相變材料的相變溫度1^在40至140°C 之間，尤其在40至120°C之間。在相變漿（參照以下說明）的情況中，其中實(shí)際相變材料細(xì) 微地分散在液態(tài)的載體介質(zhì)中，上限溫度有利地根據(jù)載體介質(zhì)的沸點(diǎn)（T b)設(shè)定，用于避免 載體介質(zhì)的蒸發(fā)并且因此避免壓力升高，也就