CN104782029B - 用于冷却电机的冷却设备和具有该冷却设备的电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于冷却电机(10)的部件(14)、例如电动机的定子的冷却设备(26)。冷却设备(26)包括由至少两种相变材料(PCM)构成的组合，它们在相变温度(Ttr)时具有可逆的、热感应的、吸热的相变，其中，第一相变材料(28)的第一相变温度(Ttr1)位于待冷却部件(14)的非临界的运行温度范围内，并且第二相变材料(30)的第二相变温度(Ttr2)位于第一相变温度(Ttr1)之上。
Description
本发明涉及一种用于冷却电机的部件的冷却设备以及具有这种冷却设备的电机。
电机(机电转换器)例如是用于汽车的电力驱动马达、启动器、发电机或启动器-发电机，能够将电能转换成机械能(电动机)或将机械能转换成电能(发电机)。这种机电转换基于电磁感应。这种电机包含固定的定子其包含定子核心和安置其上的定子绕组，电机还包含可移动部件，其在最常见结构类型中设计为转子其可旋转地支承在环形构造的定子中。其中，由于转子可移动的磁场而在定子绕组中产生电流(发电机)，或者由于通过定子产生的磁场引起转子的机械运动/旋转(电动机)。
电机在其运行过程中由于介电损失产生废热。废热的产生尤其在定子绕组中出现并且特别在所谓的绕组端部上产生。定子的绕组端部通常由铜线绕组构成，其具有用于电绝缘的主覆层以及用于机械/几何稳定、用于化学保护但也可以用于导热的次级覆层。当前用于最高绝缘等级H所用的材料对于定子绕组的主覆层和次级覆层可以承受的最高温度为180℃。但是在运行中在绕组端部中出现的温度超过200℃。绕组中的热量尤其通过短时的电压高峰产生，其快速升高，也就是具有边缘陡度。在绕组端部中强烈生热的原因在于，侧面绕组股通过紧密贴靠的定子板可以被相对较好地冷却。反而绕组端部大多悬空并且因此不能被有效冷却。所述生热导致了介电损失因素，由此损害了效率并且更多的电能转换成了热能。这种自身加速的效果会导致主覆层的绝缘材料中的电击穿(部分放电)。部分放电导致了电机的寿命的缩短，在最糟的情况中甚至导致其失效。因此需要冷却电机、尤其冷却其定子绕组。
电机的传统冷却基于循环的、尤其液态的冷却剂，其由于其热容能够吸收和传导热量，用于将热量再次输出到热交换器中，通过冷却剂借助泵回引到热源中。
除此之外还已知一种冷却装置，其基于循环的冷却基质的吸热蒸发引起冷却，其中待冷却的部件作为蒸发器发挥功效并且在冷却剂再次输入部件之前冷凝器将冷却剂液化。例如JP60118037A和DE69121054T2描述了这种用于电动机定子绕组的冷却系统，其利用了液态-气态的相变。
同样从液态至气态的吸热的相变利用了温差环流-冷却装置，其中冷却剂的环流基于液态介质和气态介质之间的密度差被动地进行。用于定子的绕组端部的温差环流-冷却装置由EP1547228B1和US6515383B1已知。
液态/气态介质的被动循环也可以在所谓的热管中进行。热管包含位于密封封闭空间(例如管)中的介质(例如水)，其中管的一端与热源接触并且另一端与散热片接触。在热源处吸热蒸发的介质由于蒸汽压力降低被传送至散热片，其中其被冷凝并且由于毛细力被再次传送至热源。用于电机的不同实施形式的热管-定子冷却装置由DE10258778A、US5808387A、JP60257739A和JP57062754A已知。
最后已知在不同的冷却应用中使用潜热存储器。潜热存储器使用所谓的相变材料(PCM:phase change material)的可逆的、吸热相变来存储热能。最常见地使用液态-固态相变，其中热能例如以熔融物热能或溶液热能的形式被存储。作为PCM例如使用石蜡或聚合物(EP2275510A2,DE102008027207A1,EP2043773B1)，部分以密封形式处于液态载体介质中。对于温度约为100℃时适用盐、盐的水合物和它们的混合物(DD294964A5)。PCM例如用于冷却内燃机(DE19525661C2，DE102008027207A1)，燃料电池(DE10325444A1)或冷却/加热汽车电池和其他蓄电器(DE102010013150A1,DE102010013222A1)。
此外，WO03/090254A2描述了使用相变材料来冷却电动机或发电机，其中所述PCM与绕组直接接触，尤其在绕组间隙中和直接绕组周围中。DE102009027857A1描述了一种包含PCM的用于机电装置(例如启动器发动机)的冷却设备，其中，材料的相变温度位于机器的运行温度范围中。冷却设备在壳体外部靠近定子设置或者大量的这种PCM冷却设备存在于壳体内部用于冷却启动器的不同的部件。按照US7629716B2，电磁设备的定子被嵌入固态的相变材料中，该相变材料此外包围热管。
电机的其他问题范围涉及的是机器或其部件的传感式的温度监测。为了检测定子的绕组端部的温度通常在绕组中使用大多通过PTFE包层保护的传感器。传感器在最简单的情况中包含双金属、但是至多一种半导体(“冷导体”PTC或“热导体”NTC)或者铂电阻(PT100)。在所述序列中，传感器的精度提高，但是其成本也提高。除了双金属传感器，所有系统使用随着温度线性增大的欧姆电阻。理想的传感器应该在关注的温度范围中具有在温度和电阻之间尽可能线性的关联，也就是尽可能线性的特征曲线，并且对温度改变快速地响应，用于快速地触发冷却措施。已知的传感器常常在较大的温度范围上(例如从-20至200℃)不具有线性的特征区域。此外还期望传感器更快的响应特性和更长的寿命。
因此本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于电机(例如电动机和发电机)、和尤其用于其定子的冷却设备，其实现了更好和更可靠的冷却。该冷却设备还应该理想地简单实施传感式的温度检测。
所述技术问题至少部分地通过按照独立权利要求所述的冷却设备以及具有这种冷却设备的电机解决。本发明优选的技术方案由从属权利要求所述的特征得出。
按照本发明的用于冷却电机的部件的冷却设备包括由至少两种相变材料(PCM)构成的组合，它们在相变温度时具有可逆的、热感应的、吸热的相变。其中，第一相变材料的第一相变温度Ttr1位于待冷却部件的非临界的运行温度范围内。第二相变材料的第二相变温度Ttr2位于第一相变温度之上。
通过按照本发明的至少两种PCM的组合可以进行相关部件的多级的冷却，其中，第一冷却级通过第一相变材料的相变实现并且由于第一相变温度Ttr1位于部件的非临界的运行温度范围中可以保证在正常运行中的排热。其中，在本发明的范畴中非临界(或正常)的运行温度范围理解为一种范围，其中即使在长期的或持续的存在时也不会出现部件的材料损伤。非临界的运行温度范围尤其对应部件或电机的整个(许用的)运行特征曲线，其在电动机的情况中例如通过许用载荷和转速定义。通过第二相变材料，其相变温度Ttr2例如比第一相变材料的相变温度Ttr1高至少20K、尤其至少25K，进行在更高温度时使用的第二冷却级。第二PCM的相变温度处于高于正常运行温度范围的温度中，其中第二相变温度在短期内(例如小于等于1分钟)是可承受的，但是其长期的维持将导致待冷却部件的损伤。
借助PCM的内在或固有冷却的优点还包括更小的结构空间需求以及相对独立的冷却，其例如避免了现有技术中由于冷却水的突然流动导致的冲击式的温度下降。通过避免冲击式温度变化应力可以阻止绕组的绝缘材料中的裂缝。
所使用的相变材料的数量不局限于两种，而是在本发明的范畴中也可以更多。在一种优选的实施形式中，冷却设备还包括具有第三相变温度Ttr3的第三相变材料，其位于第二相变温度Ttr2之上(例如比第二相变温度大至少10K、尤其至少15K)。通过施加第三相变材料可以实现第三冷却级。在另一种优选的技术方案中，第三相变材料的第三相变温度位于一温度范围中，其上限由待冷却部件的临界极限温度限定，并且比其低最多40K。通过这种方式当构件温度接近临界的极限温度时激活第三冷却级。
在冷却设备一种特殊的技术方案中，第一相变材料的相变温度Ttr1在40至140℃之间，尤其在40至120℃之间。在相变浆(参照以下说明)的情况中，其中实际相变材料细微地分散在液态的载体介质中，上限温度有利地根据载体介质的沸点(Tb)设定，用于避免载体介质的蒸发并且因此避免压力升高，也就是Ttr1≤Tb。如果载体介质是水，则第一相变温度Ttr1位于40至100℃之间，优选在位于40至80℃之间。第二相变材料的第二相变温度Ttr2优选位于120至180℃之间，特别优选位于140至160℃之间。最后优选规定，第三相变材料的第三相变温度Ttr3优选位于140至200℃之间，尤其在160至180℃之间。前述温度范围尤其与尤其用于汽车驱动的电动机的冷却一致，其通常的运行温度位于100至140℃的范围中。相对地在140至160℃之间的温度范围表示了一种偏离正常运行的范围，其在任何情况下短期地还不会是临界的，但是更多的散热是期望的，用于抑制继续的温度升高。第三PCM的温度上限为180℃，最高为200℃，其对应当前电动机的临界的极限温度，其长期的施加产生有害作用。
相变材料具有可逆的热力学的相变，其中在达到/超过材料的相变温度时热能被消耗并且潜在地存储在材料中。其中温度在相变温度时这样长时间地保持恒定直至整个PCM已经完成相变。那时继续的热量输入才会导致PCM和待冷却部件的温度继续升高。需要说明的是，在低于相变温度冷却时相变放热地进行。在本发明的范畴中优选仅利用这些相变，它们不包含PCM的气态的状态，因为向气态的过渡导致不利的压力升高并且此外气体具有较小的热容。优选使用固态-液态或固态-固态的相变。优选这在全部使用的相变材料的相变中出现。这些相变指的是熔化相变(例如在聚合物、金属或其合金或低分子量的化合物)，再结晶相变(例如在聚合物、金属或其合金中)和溶解相变(例如过饱和的盐熔液或通过水和盐中结晶水的分解)。如果导电性能随着相变的改变是期望的，用于通过测量导电性能来检测相变温度(参照以下说明)，则通常固-液相变是优选的。
理想的PCM应该具有很高的相变焓值(尤其熔化焓值)以及很高的比热容，因此它们在相变之外也具有冷却效果。PCM的导热性能，尤其也在相变温度之上的导热性能应该尽可能的高。
PCM优选应该对应其工作应用在化学和物理上是稳定的，一致地熔化，具有较小的蒸汽压力，具有可复制和可逆的相变，并且其中表现出尽可能小的过冷却(滞后)。在本发明的范畴中可以原理上作为相变材料的可以是金属、金属合金、有机聚合物、低分子量的有机或无机化合物，无机的盐或水合盐。其中，相变材料也可以以封闭形态存在并且封闭物分散地存在于(在整个工作范围中液态的)载体介质、如水中。这种相变浆(PCS:phase changeslurry)一方面的优点是，通过载体介质提供了附加的很高的比热容，其用于连续的热量吸收。相变浆的另一优点在于，在封闭的和固化的PCM的相变之上相变浆保持可流动并因此可传输。例如在DE19749731A1和EP2043773B1中描述了微封装的石蜡，其在本发明的范畴中，尤其优选用于第一相变材料。由DD294964A5已知水合盐(Salzhydrate)，其在此同样可以用作PCM。
按照本发明一种特别优选的实施形式，冷却设备还包括用于检测所述相变材料中至少一种的相变的检测器件。优选第二和/或第三相变材料、特别优选的是第二和第三相变材料的相变通过一个/多个检测器件检测。因为各种PCM的相变温度是已知的，通过检测相变可以确定出现相变温度。因此检测器件具有逐点的温度传感器的功能。多种相变材料的相变例如可以通过对导电性能的测量进行，因为相变常常导致导电性能的阶跃式改变。这尤其适用于许多固-液相变。相对现有技术使用的温度传感器，按照本发明的温度检测的形式非常耐用、可简单实施并且具有快速的响应性能。
按照另一种优选的结构设计，冷却设备包括控制或调节设备，其设置用于，当通过一个/多个检测器件检测到相变材料之一的相变时，触发至少一种措施用于阻止被冷却的部件的温度继续升高。其中，所述措施例如包含主动的冷却措施，例如加强的冷却剂循环，调低电机转速和/或关闭电机。此外，冷却措施可以根据哪种相变材料到达其相变温度而实施，也就是说根据电动机的定子中到达什么温度来实施。若例如检测到第二相变材料的相变，也就是达到第二相变温度，则结果是调低电机转速。当相对地检测到第三相变材料的相变，也就是到达第三相变温度，则关闭电机，用于阻止其损伤。
在本发明一种优选的技术方案中，至少一种相变材料、优选第一相变材料以持续可输送(可循环)的形式存在。如前所述，这可以通过PCM悬浮或弥散在液态的载体介质(其自身没有PCM)中实现，也就是通过所谓的PCM相变浆(PCS)。PCM微粒优选可以以封闭形式、尤其在聚合物壳体中存在。在这种技术方案中，冷却设备还包括用于将持续可输送的相变材料转移至外部的散热器的输送设备。例如持续可传输的相变材料被引导至热交换器，其中其热能被输出并且在另外方面被使用。在汽车的情况中例如热能被用于加热汽车内部空间或用于加热/预热其他的设备或部件。
本发明还涉及一种具有待冷却部件以及按照本发明的冷却设备的电机。
待冷却的部件尤其是指电机的定子和/或转子，优选是电机的绕组端部。
在定子作为待冷却部件的情况中，冷却设备在一种优选的技术方案中包括至少部分包围定子的绕组端部的罩盖，其包围相变材料并且对外密封。所述罩盖优选由弹性的聚合物材料、例如硅酮构成。
在另一种优选的实施形式中，至少一种相变材料、尤其第一相变材料以持续可输送的形式存在，例如作为PCM悬浮液或相变浆(PCS)，并且绕流定子的绕组端部。在这种情况中，优选在绕组端部和PCS之间设置尤其弹性材料(例如硅酮)的薄的分隔层，因此PCM不会直接与绕组接触，也就是说，热交换通过薄的分隔层进行。由此在绕组端部和可传输的PCM之间形成较大的接触面和因此很高的冷却功率。优选与之相关地实现已述的输送设备，其实现了持续可输送的PCM的持续的或按照需求的循环。
按照另一种优选的设计，至少一种PCM、尤其第二和/或第三相变材料在至少一个封闭的、与待冷却部件热接触的体积中存在。在此没有进行相关PCM的输送/循环，反而其保持在待冷却部件处的位置固定。在该实施形式中，相应的相变材料不被输送，而是位置固定地设置在待冷却的部件上。在绕组端部的情况中，第二和/或第三相变材料分别存在于环绕封闭的软管中，该软管接触绕组端部的内部和/或外部的圆周。备选地相关相变材料在例如销形或球形的(多个)嵌件中存在，所述嵌件设置在定子绕组内或定子绕组上。
以下在实施例中结合附图进一步阐述本发明。
图1A-1B分别以立体视图示出电动机的定子；
图2示出具有按照本发明第一技术方案的冷却设备的定子的绕组端部的示意侧视图；
图3示出按照界面A-A剖切图2的冷却设备和绕组端部的截面图；
图4示出绕组端部和按照本发明第二结构设计的冷却设备的部分剖切的立体图；
图5示出具有按照本发明第三技术方案的冷却设备的定子的绕组端部的示意截面图。
以下在用于电动机或其定子的冷却设备的实施例中进一步阐述本发明。但是应该说明的是，按照本发明的冷却设备也可以与其他机器或部件关联地使用。
电动机的定子的典型的原理性结构结合图1A和1B阐述。
图1A示出整体标以10的电动机，其中其主要部件的一部分、例如其转子没有显示。电动机10具有电动机壳体12，其中仅示出打开的下部壳体件，其与未示出的上壳体例如通过法兰连接装置螺栓连接。在壳体12中设置位置固定的定子14。定子14包括绕组16以及定子芯18，其通常由层叠的叠片组构成。在图1A所示的实施形式中，定子芯18具有两个环，它们在内侧以及外侧连接定子绕组16。在按照图1B的实施形式中，定子芯18的叠片组具有多个穿孔或槽，绕组16穿过它们。绕组16的在定子芯18上方和下方突出的区域也称为绕组端部20。在定子14内部，未示出的转子可围绕筒杆24转动地被支承并且驱动支承在筒杆24中的轴(未显示)。
绕组16通常包括铜线，其具有配有漆包线漆的连续的多层的覆层。其中，所谓的主覆层用于电绝缘并且通常基于聚酰亚胺或聚酯酰胺。位于其上的次级覆层用于绕组的机械和几何的稳定，用于阻止打滑、滑移或摩擦；用于抵御脆化和裂缝生成；用于抵御盐水、油或其他运行材料的化学作用；用于电绝缘和附加地也用于热传递。当中部的、纵向绕组股通过定子芯18较好地冷却时，而这没有出现在悬空的绕组端部20上。因此如果不采取冷却措施，则在绕组端部20上出现特别高的200℃或更高的温度峰值。但是当前商业上可用的用于绝缘材料的材料最大承受180℃。由于这种原因本发明提供一种冷却设备，其结合以下的附图进一步阐述。
本发明的第一技术方案结合图2和3示出。图2示出剖切定子14的绕组端部的水平截面，和图3示出按照图2的截面AA的横截面视图，但是其中仅示出定子的绕组端部。定子14配备按照本发明的、整体标以26的冷却设备。冷却设备26包含由三种相变材料28、30、32构成的组合，其与定子14热接触。每种相变材料具有在专属的相变温度Ttr时具有可逆的、热感应的吸热的相变。其中，第一相变材料28的第一相变温度Ttr1位于在定子14的非临界的正常工作中出现的工作温度范围中，例如在40℃至140℃的范围中(在水基PCS的情况中为40至100℃)，优选在40至120℃(或在PCS情况中是40至80℃)。第二相变材料30具有第二相变温度Ttr2，其位于第一相变温度Ttr1之上(Ttr2>Ttr1)。Ttr2优选处于一温度内，该温度不同于正常运行，但是在短期存在时还不是临界的或损伤材料的。第二相变温度Ttr2例如在120至180℃之间，优选在140至160℃之间。冷却设备26的第三相变材料32具有第三相变温度Ttr3，其位于第二相变温度Ttr2之上(Ttr3>Ttr2)。Ttr3优选是严重偏离正常运行的并且在较长时间作用下已经临界的损伤材料的温度。Ttr3例如在140至200℃之间，优选在160至180℃之间。适用于相变材料28、30、32的材料以下继续阐述。整体上对于所述的相变材料的相变温度具有以下等级(Ttr3>Ttr2>Ttr1)。
在该实施例中，第一相变材料28是持续流动和因此可传输的材料，例如是扩散物，其中相变材料以细微分散的形式被包含(PCS参照以下)。第一相变材料28包围绕组端部20的绕组16，并且仅通过薄的、未示出的分隔层与绕组隔开。借助传输设备34可以将第一相变材料28输入散热器36中，材料28通过其输出其热能。散热器例如是热交换器，其中热量被输出到液态的冷却介质或空气气流中。通过热交换器36输出的热量优选用为外部的加热目的。这在汽车的情况中可以是内部空间加热或其他汽车部件的加热。
第二和第三相变材料30、32位于密封封闭的空间中，在此例如是环绕的、封闭的软管中，其物理力上接触绕组16或者通过其他部件与绕组16热接触。在所示实施例中第二PCM30位于贴靠绕组16的内侧的软管中并且第三PCM32位于从外侧贴靠绕组16的软管中。
冷却设备26还具有罩盖38(图3，在图2中未示出)，其至少包围定子14的绕组端部20以及第一相变材料28。罩盖38优选由弹性材料、例如硅酮构成，并且在图3的视图中例如具有倒转的双壁式的“U”形，其缝隙状的空腔以第一相变材料28填充。罩盖38的外壁具有一定强度，其保证了所需的机械稳定性。与图3不同地，罩盖38可选地也附加地包围第二和第三相变材料30、32的体积。罩盖通过聚合的注塑工艺制成。
在图2中还示出检测器件40和42，其设置用于检测第二PCM30或第三PCM32的相变。在该实施例中，检测器件40、42测量第二和第三相变材料30、32的导电性能。为此通过两个、与各个相变材料30、32接触的电极在PCM的短距离上施加电压并且测量电流强度。一旦各种PCM30、30到达其相变温度Ttr2或Ttr3，则开始相变，例如熔融转变，其使得材料的导电性能提高以及被测量的电流强度提高。导电性能的提高因此是各种相变温度的出现的指标。
检测器件40、42输出与被检测的导电性能相关的输出信号(虚线箭头)，其被传输到控制或调节设备44，其设置用于，当检测器件40和/或42检测到相变材料30或32的相变时，采取用于阻止待冷却的定子绕组15的继续的温度升高的措施。所述措施以下进一步阐述。
不同于图3所示，罩盖38也可以具有实心构造，其具有实心外壁。
图4示出了图2和3所示的本发明实施形式的变型。在图4所示的实施形式中，整个定子14包括其定子芯18通过按照本发明的冷却设备26冷却。其中，罩盖38以PCM28包围整个定子14。包围第二和第三PCM30、32的软管仅设置在绕组16的下部绕组端部20的区域中。
图5以剖切定子14的绕组端部20的水平的截面图示出按照本发明的冷却设备26的另一种造型。该实施形式主要在第二相变材料30和第三相变材料32的设置方面不同于图2所示的实施形式。它们在该实施形式中以很小的、例如针形或球形封闭的体积嵌入绕组16中和/或从外面设置在绕组16上。为了检测第二和第三PCM30、32的相变，第一和第二检测器件40、42的相应的电流回路与多个PCM体积相连。但是检测在各个单独的体积中的导电性能原则上也可能就够了。
在图2至5中所示的冷却设备26显示了以下的功能方式。
在电机10的运行中，第一相变材料28借助传输设备34进行连续或非连续的循环。因为第一PCM28作为弥散物或扩散物(PCS)、尤其微密封地存在于液态的载体介质中，其在其相变温度(Ttr1＝40-100摄氏度)以下也具有传输性能，即使其自身是固态状态。因此PCS的整体粘性在相变时实际不改变，而是仅微密封的PCM的粘度改变。因为第一PCM28具有位于电动机10和其定子14的正常工作范围(正常工作温度约为100-140℃)中或之下的相变温度Ttr1，则其在正常运行中已经到达和超过相变温度Ttr1，因此第一PCM28经历吸热的相变，例如从固态向液态的熔化过程，因此其吸收(绕组16)的周围的热量并且冷却绕组。因此在相变过程中PCM28的温度保持恒定。一旦全部PCM28熔化，则出现PCM28的继续生热。从绕组16吸收的热能在热交换器36中再次输出给冷却剂，因此PCM28再次被冷却到Ttr1以下，并且此时实现了放热的相变(例如从液态向固态)。释放的潜热同样输出给热交换器36。被冷却和更新的PCM28再次流向绕组16并且循环从新开始。
如果在绕组16中出现温度升高，且该温度偏离正常运行并且到达第二PCM30的相变温度Ttr2，则出现PCM30的相变，例如熔化。通过这种过程的吸热，绕组16释放热能并且潜在地存储在PCM30中并且绕组16被冷却。此外由于PCM30的导电性能的升高，通过检测器件40检测相变。一旦是这种情况，则控制设备44接收到信息，即绕组16具有温度Ttr2，并且触发至少一种用于阻止继续的温度升高的措施。这些措施例如包含电机10的做功功率被下调。作为备选或补充也可以进行主动的冷却措施，例如提高传送设备34的循环功率或者启动另外的冷却设备。到达温度Ttr2因此一方面导致通过第二PCM30的吸热产生的冷却，并且另一方面导致进一步的冷却措施，例如调低电动机。
如果绕组16中的温度继续升高，其严重偏离正常运行并且达到第三PCM32的相变温度Ttr3，则出现PCM32的相变，例如熔化。通过这种过程的吸热，绕组16释放热能并且潜在地存储在PCM32中并且绕组16被冷却。此外由于第三PCM32的导电性能的升高，通过第二检测器件42检测相变。一旦是这种情况，则控制设备44接收到信息，即绕组16具有温度Ttr3，并且触发至少一种用于阻止继续的温度升高的措施。因为温度Ttr3已经接近极限温度，则这些措施例如包括断开电机10。作为备选或补充—如在第二PCM30的相变中那样—也可以进行主动的冷却措施，例如提高传送设备34的循环功率或者启动另外的冷却设备。到达温度Ttr3因此一方面导致通过第三PCM32的吸热产生的冷却，并且另一方面导致进一步的冷却措施，例如调低或关闭电动机。
以下阐述用于不同PCM的要求以及适用的材料。
1.第一PCM28如所述优选在全部使用范围中是可流动和可传输的(可循环的)。因此其用于通过其相变自身地冷却，其位于机器正常的运行范围(100℃至140℃)内或之下，因此为了连续主动吸热并且—通过其独立于相变而存在的热容而输出热量。这样输出的热量然后可以用于其它方面。PCM28优选是PCM相变浆(PCS)，其包含分散在液态载体介质中的PCM，所述PCM优选被封装，例如在聚合物壳中。由于很高的热容只需要较小的流体速度以及较小的循环回路的通道直径。优选DPS具有的相变温度Ttr1在40至100℃之间，尤其在40至80℃之间。这例如适用于含水的、微封闭的石蜡相变浆，其在EP2043773B1和DE19749731A1中被描述。也可以使用优选再次微封闭的、无机的盐和盐混合物，尤其是硝酸盐、亚硝酸盐、醋酸盐、氢氧化硫酸盐、卤化物(例如Mg(NO3)2·6H2O:Ttr＝89℃；Mg(NO3)2·6H2O和MgCl2·6H2O或LiNO3的混合物：Ttr＝60-70℃；Na-Acetat·3H2O：Ttr＝58℃；所有可由K-UTEC股份有限公司的盐技术获得)。
2.第二PCM30具有的相变温度处于偏离正常运行，但是还未临界或损伤材料的温度范围中。该温度范围在当今的电动机中例如为约140至160℃。到达第二PCM30的相变温度表示第一(下限)阈值，超过它则触发用于抑制继续温度升高的措施，例如调低机器。
对于第二PCM30尤其适用这样的材料，其导电能力在相变时、尤其熔化时阶跃时升高。这种效果实现了通过测量导电能力的传感式检测。优选考虑盐类相变材料，如无机的盐和水合盐，电离的液体或所述材料的混合物。例如混合物、优选低共融混合物、无机的盐硝酸钾、钠硝酸盐和钠亚硝酸盐具有处于140至150℃的范围中的熔化温度(例如NaNO3/KNO3/NaNO2Ttr＝142℃，K-UTEC股份有限公司的盐技术)。硝酸钾和硝酸锂混合物的熔化温度在大约130至140℃之间。有机的电离液体1-Dodecyl-3-methylimidazoliumchlorid具有的熔点约为150℃并且因此同样适用。
3.第三PCM32具有的相变温度位于严重偏离正常运行并且在较长时间作用于已经临界的、损伤材料的温度范围内。该温度范围在当今的电动机中位于160至180℃中。到达第三PCM32的相变温度表示第二(上限)阈值，超过它则触发另外的(紧急)措施用于抑制继续的温度升高，例如继续调低或甚至关闭电动机(紧急运行)。
对于第三PCM32尤其适用这样的材料，其导电能力在相变时、尤其熔化时阶跃性升高。这种效果实现了通过测量导电性的传感式检测。优选考虑盐类相变材料，如无机的盐和水合盐，电离的液体或所述材料的混合物。例如混合物、优选低共融混合物、无机的盐硝酸锂和硝酸钠具有175至195℃范围内的熔化温度。作为电离液体例如1-Butyl-4-methylpyridiniumchlorid(熔点：162℃)和1,3-Didecyl-2-methylimidazoliumchlorid(熔点：165℃)适合作为第三PCM32的材料。
附图标记清单
10 电机/电动机
12 壳体
14 定子
16 绕组
18 定子芯
20 绕组端部
24 筒杆
26 冷却设备
28 第一相变材料
30 第二相变材料
32 第三相变材料
34 传输设备
36 散热器/热交互器
38 罩盖
40 第一相变检测器件
42 第二相变检测器件
44 控制设备或调节设备
Claims (20)
1.一种用于冷却电机(10)的部件(14)的冷却设备(26)，其包括由至少两种相变材料(PCM)构成的组合，所述至少两种相变材料在相变温度(Ttr)时具有可逆的、热感应的、吸热的相变，其中，第一相变材料(28)的第一相变温度(Ttr1)位于待冷却部件(14)的非临界的运行温度范围内，并且第二相变材料(30)的第二相变温度(Ttr2)位于第一相变温度(Ttr1)之上并且位于非临界的运行温度范围之上，其中在非临界的运行温度范围内不会出现部件的由温度决定的材料损伤，并且其中第二相变材料(30)在与待冷却部件(14)热接触的封闭体积中存在，
其中，第一相变材料(28)以持续可输送的形式存在，并且冷却设备(26)还包括用于将所述第一相变材料循环传输至外部散热器(36)的传输设备(34)。
2.按照权利要求1所述的冷却设备(26)，该冷却设备还包括具有第三相变温度(Ttr3)的第三相变材料(32)，第三相变温度位于第二相变温度(Ttr2)之上。
3.按照权利要求2所述的冷却设备(26)，其中，第三相变温度位于从待冷却部件(14)的临界极限温度(TG)至比该极限温度低40K的温度的温度范围中。
4.按照权利要求1所述的冷却设备(26)，其中，第一相变材料(28)的相变温度(Ttr1)在40至140℃之间。
5.按照权利要求1所述的冷却设备(26)，其中，第一相变材料(28)的相变温度(Ttr1)在40至100℃之间。
6.按照权利要求1所述的冷却设备(26)，其中，第二相变材料(30)的相变温度(Ttr2)在120至180℃之间。
7.按照权利要求1所述的冷却设备(26)，其中，第二相变材料(30)的相变温度(Ttr2)在140至160℃之间。
8.按照权利要求2所述的冷却设备(26)，其中，第三相变材料(32)的相变温度(Ttr3)在140至200℃之间。
9.按照权利要求2所述的冷却设备(26)，其中，第三相变材料(32)的相变温度(Ttr3)在160至180℃之间。
10.按照权利要求1所述的冷却设备(26)，其中，至少一种相变材料(PCM)的相变从固-液相变或固-固相变中选择。
11.按照权利要求1所述的冷却设备(26)，其还包括用于检测所述相变材料(PCM)中至少一种相变材料的相变的检测器件(40,42)。
12.按照权利要求2所述的冷却设备(26)，其还包括用于检测第二相变材料(PCM2)和/或第三相变材料(PCM3)的相变的检测器件(40,42)。
13.按照权利要求11所述的冷却设备(26)，其还包括控制或调节设备(44)，其设置用于，当检测器件(40,42)检测到相变材料(PCM)之一的相变时，触发至少一种措施用于阻止被冷却的部件(14)的温度继续升高，其中，所述措施包括调低电机转速(10)和/或关闭电机(10)。
14.按照权利要求1所述的冷却设备(26)，其中，所述持续可输送的形式是作为相变浆(PCS)，在所述相变浆(PCS)中相变材料以分散或悬浮形式存在于载体介质中。
15.按照权利要求2所述的冷却设备(26)，其中，第三相变材料(32)在与待冷却部件(14)热接触的封闭体积中存在。
16.一种电机(10)，具有待冷却部件(14)以及按照权利要求1至15之一所述的冷却设备(26)。
17.按照权利要求16所述的电机(10)，其中，待冷却部件(14)是定子(14)和/或转子。
18.按照权利要求16所述的电机(10)，其中，待冷却部件(14)是定子(14)和/或转子的绕组端部(20)。
19.按照权利要求16至18之一所述的电机(10)，其中，至少一种相变材料(PCM)以持续可输送的形式存在并且绕流待冷却部件(14)。
20.按照权利要求19所述的电机(10)，其中，第一相变材料(28)以持续可输送的形式存在并且绕流待冷却部件(14)。
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