DE102012204422A1 - Electric machine with PCM to catch temperature peaks - Google Patents

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DE102012204422A1
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DE102012204422A
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Inventor
Joerg Heyse
Uwe Knappenberger
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil
    • H02K9/20—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil wherein the cooling medium vaporises within the machine casing

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Abstract

Es wird eine Elektromaschine (1) für Kraftfahrzeuge vorgestellt. Die Elektromaschine (1) weist einen Rotor (3) und einen Stator (5) auf. Am Rotor (3) und/oder am Stator (5) ist ein Phasenwechselmaterial angeordnet. Das Phasenwechselmaterial ein dabei ein Alditol (7).An electric machine (1) for motor vehicles is presented. The electric machine (1) has a rotor (3) and a stator (5). A phase change material is arranged on the rotor (3) and / or on the stator (5). The phase change material is an alditol (7).

Description

Stand der TechnikState of the art

Elektromaschinen, wie z.B. Elektromotoren von Kraftfahrzeugen, erwärmen sich im Betrieb und müssen ausreichend gekühlt werden. Hierzu wird oft eine Lüftung oder eine Wasserkühlung eingesetzt. Electric machines, such as Electric motors of motor vehicles, warm in operation and must be sufficiently cooled. For this purpose often a ventilation or a water cooling is used.

In manchen Anwendungsbereichen, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, kann eine reine Luftkühlung nicht ausreichend sein. Eine Wasserkühlung kann effizienter jedoch auch kostenintensiver sein. Andererseits kann eine Kühlung bei bestimmten Anwendungen der Elektromaschine nur zeitweise benötigt werden.In some applications, especially in motor vehicles, pure air cooling may not be sufficient. Water cooling can be more efficient, but also more costly. On the other hand, cooling may only be required intermittently in certain applications of the electric machine.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es kann daher ein Bedarf an einer verbesserten effizienten Kühlungsmöglichkeit für Elektromaschinen bei Kraftfahrzeugen bestehen.There may therefore be a need for an improved efficient refrigeration capability for electric machines in automobiles.

Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. This need can be met by the subject matter of the present invention according to the independent claims. Advantageous embodiments of the present invention are described in the dependent claims.

Im Folgenden werden Merkmale, Einzelheiten und mögliche Vorteile einer Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung im Detail diskutiert.In the following, features, details and possible advantages of a device according to embodiments of the invention will be discussed in detail.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Elektromaschine, insbesondere eine Elektromaschine für Kraftfahrzeuge vorgestellt, die einen Rotor, einen Stator und ein Phasenwechselmaterial aufweist. Das Phasenwechselmaterial ist dabei ein Alditol, das am Rotor und/oder am Stator angeordnet ist. According to a first aspect of the invention, an electric machine, in particular an electric motor for motor vehicles is presented, which has a rotor, a stator and a phase change material. The phase change material is an alditol, which is arranged on the rotor and / or on the stator.

Anders ausgedrückt basiert die Idee der vorliegenden Erfindung darauf, Temperaturspitzen an Elektromaschinen dadurch abzufangen, dass die Schmelzenthalpie einer reversiblen thermodynamischen Zustandsänderung eines Speichermediums, nämlich Alditol, zur Speicherung thermischer Energie ausgenutzt wird.In other words, the idea of the present invention is based on intercepting temperature peaks on electric machines by exploiting the enthalpy of fusion of a reversible thermodynamic change of state of a storage medium, namely alditol, for storing thermal energy.

Durch Einbringen des Phasenwechselmaterials direkt in die Elektromaschine können Temperaturspitzen, die z.B. beim Beschleunigen eines Kraftfahrzeugs in der Elektromaschine entstehen, durch das Phasenwechselmaterial abgefangen werden. Alditol ist dabei als Phasenwechselmaterial besonders gut für Elektromaschinen in Kraftfahrzeugen geeignet, da es eine optimale Schmelztemperatur bei hoher Schmelzenthalpie aufweist. Beispielsweise kann die Schmelztemperatur des Alditols nahe, jedoch unterhalb der zulässigen Grenztemperatur von Bauteilen der Elektromaschine für Kraftfahrzeuge liegen. Gleichzeitig ist die Schmelzenthalpie des Alditols, verglichen mit anderen Phasenwechselmaterialien, relativ hoch.By introducing the phase change material directly into the electric machine, temperature peaks, e.g. arise when accelerating a motor vehicle in the electric machine are intercepted by the phase change material. Alditol is particularly suitable as a phase change material for electric machines in motor vehicles because it has an optimum melting temperature at high enthalpy of fusion. For example, the melting temperature of the alditol may be close to but below the allowable limit temperature of components of the electric motor for motor vehicles. At the same time, the melting enthalpy of the alditol is relatively high compared to other phase change materials.

Durch die Verwendung von Alditol als Phasenwechselmaterial in Elektromaschinen können vorgegebene Temperaturgrenzen innerhalb der Elektromaschine kostengünstig eingehalten werden. Dies trägt zur Erhaltung der Festigkeit und Lebensdauer der Elektromaschine erheblich bei. Ferner kann die Leistungsdichte hinsichtlich Abwärme und Baugröße einer Elektromaschine mit Hilfe von Alditol maximiert werden. Bauraum und Gewicht der Elektromaschine können hierbei reduziert werden. Des Weiteren kann durch die Verwendung von Alditol als Phasenwechselmaterial die Dauer einer maximal zulässigen Last, d.h. maximaler Abwärmeerzeugung verlängert werden. Dies kann beispielsweise von besonderer Wichtigkeit bei Elektrofahrzeugen sein, bei denen die Elektromaschine im Gegensatz zu einem Hybridfahrzeug nicht wegen Überhitzungsgefahr abgeregelt werden darf.By using Alditol as a phase change material in electric machines predetermined temperature limits can be met within the electric machine cost. This contributes significantly to maintaining the strength and life of the electric machine. Furthermore, the power density with respect to waste heat and size of an electric machine can be maximized with the aid of Alditol. Space and weight of the electric machine can be reduced here. Further, by using alditol as the phase change material, the duration of a maximum allowable load, i. maximum heat generation can be extended. This may, for example, be of particular importance in electric vehicles in which the electric machine, unlike a hybrid vehicle, may not be regulated because of overheating.

Des Weiteren kann durch die Verwendung von Alditol als Phasenwechselmaterial auf aufwendige bauliche Maßnahmen zur Reduzierung thermischer Widerstände im Inneren der Elektromaschine verzichtet werden. Ferner kann eine kostengünstige Luftkühlung ausreichend zum optimalen Kühlen sein, wenn zur Kühlung zusätzlich Alditol als Phasenwechselmaterial eingesetzt wird.Furthermore, the use of alditol as phase change material makes it possible to dispense with costly structural measures for reducing thermal resistances in the interior of the electric machine. Furthermore, cost-effective air cooling may be sufficient for optimal cooling when alditol is additionally used as a phase change material for cooling.

Die Elektromaschine kann dabei z.B. ein Elektromotor oder ein Elektrogenerator sein. Sie kann bei Fahrzeugen, insbesondere bei Kraftfahrzeugen wie z.B. Pkws oder LKWs verwendet werden. Alternativ kann die Elektromaschine als Industriemotor eingesetzt werden. Die Elektromaschine kann als Synchron- oder als Asynchronmaschine ausgeführt sein und weist einen Rotor und einen Stator auf. Der Rotor kann im Stator drehbar gelagert sein. Alternativ kann der Rotor um den Stator drehbar gelagert sein.The electric machine can e.g. be an electric motor or an electric generator. It can be used on vehicles, especially motor vehicles such as motor vehicles. Passenger cars or trucks are used. Alternatively, the electric machine can be used as an industrial engine. The electric machine can be designed as a synchronous or asynchronous machine and has a rotor and a stator. The rotor can be rotatably mounted in the stator. Alternatively, the rotor may be rotatably mounted around the stator.

Das Phasenwechselmaterial, auch als PCM (engl. Phase Change Material) bezeichnet, dient zum Speichern thermischer Energie. Die latente Schmelzwärme, Lösungswärme oder Absorptionswärme des Phasenwechselmaterials ist erheblich größer als die Wärme, die das Phasenwechselmaterial aufgrund seiner normalen spezifischen Wärmekapazität speichern kann. Das Phasenwechselmaterial und insbesondere das Alditol kann somit große Mengen thermischer Energie bei einer fast konstanten Temperatur aufnehmen, sobald es eine Temperatur erreicht, bei der sich der Phasenzustand des Materials ändert. Dabei nimmt das Phasenwechselmaterial so lange thermische Energie ohne eine wesentliche Temperaturänderung auf, bis das komplette Phasenwechselmaterial beispielsweise von der festen in die flüssige Phase übergegangen ist. Wenn die Umgebungstemperatur des verflüssigten Phasenwechselmaterials abfällt, geht das Phasenwechselmaterial in die feste Phase über und gibt die gespeicherte Wärme wieder an die Umgebung ab.The phase change material, also referred to as PCM (English Phase Change Material), is used to store thermal energy. The latent heat of fusion, solution heat, or heat of absorption of the phase change material is significantly greater than the heat that the phase change material can store due to its normal specific heat capacity. Thus, the phase change material, and especially the alditol, can absorb large amounts of thermal energy at an almost constant temperature as soon as it reaches a temperature at which the phase state of the material changes. The phase change material absorbs thermal energy without a significant change in temperature until the complete Phase change material, for example, has gone from the solid to the liquid phase. When the ambient temperature of the liquefied phase change material drops, the phase change material changes to the solid phase and returns the stored heat to the environment.

Die Phasenübergänge des Phasenwechselmaterials und insbesondere des Alditols beispielsweise von fest zu flüssig, d.h. Erstarren und Schmelzen, sind reversibel. Hierdurch kann wiederholt in einem kleinen durch die Schmelztemperatur des Alditols festgelegten Temperaturbereich viel Wärmeenergie in relativ wenig Masse gespeichert werden. Beispielsweise kann bei einer Schmelzenthalpie von ca. 250 kJ/kg in 0,5 kg Alditol für 40 Sekunden eine Abwärme von 3 kW gespeichert werden. Dabei kann an den entsprechenden Stellen der Elektromaschine gemäß der zu erwartenden Dauer einer Spitzenlast die passende Menge Alditol verwendet werden.The phase transitions of the phase change material, and in particular the alditol, for example, from solid to liquid, i. Solidification and melting are reversible. As a result, a large amount of heat energy can be stored in a relatively small mass repeatedly in a small temperature range determined by the melting temperature of the alditol. For example, with a melting enthalpy of about 250 kJ / kg in 0.5 kg of Alditol, a waste heat of 3 kW can be stored for 40 seconds. It can be used at the appropriate points of the electric machine according to the expected duration of a peak load the appropriate amount of Alditol.

Das als Phasenwechselmaterial verwendete Alditol kann auch als Zuckeralkohol bezeichnet werden und ist ein nicht zyklisches Polyol, das sich beispielsweise strukturell als ein Reduktionsprodukt eines Kohlenhydrats ableiten lässt. Alditole können dabei die folgende Strukturformel aufweisen:

Figure 00040001
The alditol used as a phase change material may also be referred to as a sugar alcohol and is a non-cyclic polyol which, for example, can be structurally derived as a reduction product of a carbohydrate. Alditols can have the following structural formula:
Figure 00040001

Insbesondere können folgende Alditole zum Einsatz kommen: Mannit, Isomalt, Lactit, Sorbit, Xylit, Threit, Erythrit, Glyzerin und Arabit. Erythrit kann auch als Erythritol bezeichnet werden und weist die folgende Strukturformel auf:

Figure 00040002
In particular, the following alditols can be used: mannitol, isomalt, lactitol, sorbitol, xylitol, threitol, erythritol, glycerol and arabitol. Erythritol may also be referred to as erythritol and has the following structural formula:
Figure 00040002

Unter organischen Substanzen und insbesondere unter Zuckeralkoholen hat Erythritol die höchste Speicherdichte (J/m3) und eine für Elektromaschinen geeignete Schmelztemperatur von z.B. ca. 120°C. Erythritol ist dabei besonders gut für Elektromaschinen geeignet, da die Schmelztemperatur von Erythritol unterhalb der maximalen Grenztemperatur von Baukomponenten der Elektromaschine liegt. Beispielsweise liegt die Schmelztemperatur von Erythritol unter einer Grenztemperatur von 140°C am Statoreinpass bzw. am Wickelkopf. Gleichzeitig ist die Schmelztemperatur hoch genug, um bei minimalem Materialeinsatz nur bei maximal auftretender Abwärme aufgeschmolzen zu werden. Ferner ist die spezifische Speicherkapazität von Erythritol optimal für Elektromaschinen in Kraftfahrzeugen.Among organic substances and especially among sugar alcohols erythritol has the highest storage density (J / m 3 ) and suitable for electrical machines melting temperature, for example, about 120 ° C. Erythritol is particularly well suited for electric machines, as the melting temperature of erythritol is below the maximum temperature limit of components of the electric machine. For example, the melting temperature of erythritol is below a limit temperature of 140 ° C. at the stator inlet or at the winding head. At the same time, the melting temperature is high enough to be melted with minimal use of material only at maximum occurring waste heat. Furthermore, the specific storage capacity of erythritol is optimal for electric machines in motor vehicles.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Elektromaschine mindestens einen Bereich höchster Temperatur auf. Das Phasenwechselmaterial steht dabei mit dem Bereich höchster Temperatur in direktem thermischem Kontakt. Ein Bereich höchster Temperatur, auch als hot spot bezeichnet, kann z.B. eine Stelle bzw. ein Bauteil der Elektromaschine sein, an der höhere Temperaturwerte auftreten können als an anderen Stellen bzw. Bauteilen der Elektromaschine. Z.B. können diese Bereiche Wicklungen oder Wicklungsträger bzw. Läufermagnete sein. Das Phasenwechselmaterial steht in direktem thermischem Kontakt mit diesen Bereichen, d.h. es ist ortsnah bzw. unmittelbar an den Bereichen höchster Temperatur aufgebracht.According to a further embodiment of the invention, the electric machine has at least one region of highest temperature. The phase change material is in direct thermal contact with the highest temperature region. A region of highest temperature, also referred to as hot spot, may e.g. be a body or a component of the electric machine, can occur at the higher temperature values than at other points or components of the electric machine. For example, These areas may be windings or winding carriers or rotor magnets. The phase change material is in direct thermal contact with these areas, i. It is close to the place or directly applied to the areas of highest temperature.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Bereich höchster Temperatur mindestens ein Bereich aus der folgenden Gruppe: eine elektrische Wicklung des Stators oder eine elektrische Wicklung des Rotors, ein Dauermagnet der Elektromaschine oder ein Läuferkäfig. According to a further exemplary embodiment of the invention, the region of highest temperature is at least one region from the following group: an electrical winding of the stator or an electrical winding of the rotor, a permanent magnet of the electric machine or a rotor cage.

Dabei kann der Stator ein Blechpaket mit Nuten aufweisen, an denen Wicklungen vorgesehen sind. Die Wicklungen können dabei zu einzelnen Wickelköpfen zusammengefasst sein. Das Alditol kann direkt an den Wicklungen aufgebracht sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Alditol an einem Dauermagneten am Stator bzw. am Rotor angeordnet sein. Weiterhin kann das Alditol alternativ oder zusätzlich an einem Läuferkäfig direkt aufgebracht sein, wenn die Elektromaschine als Asynchronmaschine ausgeführt ist.In this case, the stator may have a laminated core with grooves on which windings are provided. The windings can be combined to form individual winding heads. The alditol can be applied directly to the windings. Alternatively or additionally, the alditol can be arranged on a permanent magnet on the stator or on the rotor. Furthermore, the alditol may alternatively or additionally be applied directly to a rotor cage when the electric machine is designed as an asynchronous machine.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Phasenwechselmaterial zwischen einem Wickelkopf des Stators und einem Statorgehäuse eingebracht. Dabei kann das Phasenwechselmaterial in direktem thermischem Kontakt mit dem Wickelkopf und mit dem Statorgehäuse stehen. Die einzelnen Wicklungen können beispielsweise Kupfer aufweisen und, wie oben erwähnt, in Nuten eines Blechpakets angeordnet sein. Dabei können einzelne Wicklungen zu Wickelköpfen zusammengefasst sein. Das Statorgehäuse kann beispielsweise einem Gehäuse der Elektromaschine entsprechen und z.B. Aluminium aufweisen. Durch das Einbringen des Phasenwechselmaterials zwischen dem Wickelkopf des Stators und dem Statorgehäuse kann zusätzlich zur Speicherung von thermischer Energie auch eine Anbindung des Wickelkopfvergusses an das Gehäuse zur Wärmeabführung gewährleistet werden. Das heißt, der Wickelkopf des Stators wird mittels des Phasenwechselmaterials thermisch an das gut wärmeleitfähige Gehäuse angebunden, so dass die Wärme vom Wickelkopf über das Gehäuse abgeführt werden kann.According to a further embodiment of the invention, the phase change material is introduced between a winding head of the stator and a stator housing. In this case, the phase change material can be in direct thermal contact with the winding head and with the stator housing. The individual windings may, for example, comprise copper and, as mentioned above, be arranged in grooves of a laminated core. In this case, individual windings can be combined to form winding heads. The stator housing may for example correspond to a housing of the electric machine and, for example, comprise aluminum. By introducing the phase change material between the winding head of the stator and the stator housing, in addition to the storage of thermal energy, a connection of the winding head casting to the housing for heat dissipation can be ensured. That is, the winding head of the stator is thermally connected by means of the phase change material to the good thermal conductivity housing, so that the heat from the winding over the housing can be dissipated.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Phasenwechselmaterial an bzw. in eine Axialbohrung im Rotor der Elektromaschine eingebracht. Beispielsweise können hierzu am Rotor bereits aus Gewichtsgründen vorgesehene Axialbohrungen verwendet werden. Das Phasenwechselmaterial kann in die Axialbohrungen gefüllt werden und anschließend mit einem Verschlussmaterial verschlossen werden. Dabei kann das Verschlussmaterial ein elektrisch nicht leitfähiges Material mit einem höheren Schmelzpunkt bzw. einer höheren Schmelztemperatur als das Alditol sein. Beispielsweise kann hierfür Kunststoff verwendet werden. Durch das Verschlussmaterial kann ein Auslaufen des geschmolzenen Phasenwechselmaterials verhindert werden.According to a further embodiment of the invention, the phase change material is introduced into or into an axial bore in the rotor of the electric machine. For example, axial bores already provided for weight reasons may be used on the rotor for this purpose. The phase change material can be filled in the axial bores and then sealed with a closure material. In this case, the closure material may be an electrically non-conductive material having a higher melting point or a higher melting temperature than the alditol. For example, this plastic can be used. By the sealing material leakage of the molten phase change material can be prevented.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Elektromaschine ferner ein Kapselmaterial auf. Das Kapselmaterial ist dabei elektrisch isolierend und weist eine höhere Schmelztemperatur als das Phasenmaterial, insbesondere als das Alditol auf. Das Phasenwechselmaterial ist dabei vom Kapselmaterial umgeben. Das Kapselmaterial kann dabei beispielsweise ein Kunststoff sein, in den das Phasenwechselmaterial eingefüllt ist. Auf diese Weise können Patronen bereitgestellt werden, die ein Auslaufen des Phasenwechselmaterials in der flüssigen Phase verhindern.According to a further embodiment of the invention, the electric machine further comprises a capsule material. The capsule material is electrically insulating and has a higher melting temperature than the phase material, in particular as the alditol. The phase change material is surrounded by the capsule material. The capsule material may be, for example, a plastic, in which the phase change material is filled. In this way, cartridges can be provided which prevent leakage of the phase change material in the liquid phase.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist am Phasenwechselmaterial mindestens ein Dehnelement vorgesehen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Dehnelement ein Gas auf. Das Dehnelement ist dabei ausgeführt, durch eine thermische Ausdehnung des Phasenwechselmaterials komprimiert zu werden. Das Dehnelement kann beispielsweise ein schwammartiges Element direkt am Phasenwechselmaterial sein. Ferner kann das Dehnelement einem Luftanteil im abgekapselten Phasenmaterial entsprechen. Beispielsweise kann in den durch das Verschlussmaterial verschlossenen Axialbohrungen ein gewisser Luft- bzw. Gasanteil enthalten sein, so dass sich das Phasenwechselmaterial beim Phasenwechsel ausdehnen und zusammenziehen kann. Ferner kann in den oben beschriebenen Patronen ebenfalls ein Gas- bzw. Luftanteil vorgesehen sein.According to a further embodiment of the invention, at least one expansion element is provided on the phase change material. According to a further embodiment of the invention, the expansion element comprises a gas. The expansion element is designed to be compressed by a thermal expansion of the phase change material. The expansion element may, for example, be a sponge-like element directly on the phase change material. Furthermore, the expansion element can correspond to an air content in the encapsulated phase material. For example, a certain proportion of air or gas may be contained in the axial bores closed by the closure material, so that the phase change material can expand and contract during the phase change. Furthermore, in the cartridges described above, a gas or air portion may also be provided.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer oben beschriebenen Elektromaschine vorgestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen eines Stators und eines Rotors und Einbringen eines Alditols zur Aufnahme thermischer Energie in die Elektromaschine direkt an den Rotor und/oder direkt an den Stator.According to a second aspect of the invention, a method of manufacturing an electric machine as described above is presented. The method comprises the following steps: providing a stator and a rotor and introducing an alditol for absorbing thermal energy in the electric machine directly to the rotor and / or directly to the stator.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Verwendung von Alditol zur Aufnahme von thermischer Energie in einer Elektromaschine eines Kraftfahrzeugs vorgestellt.According to a third aspect of the invention, the use of alditol for receiving thermal energy in an electric machine of a motor vehicle is presented.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich.Other features and advantages of the present invention will become apparent to those skilled in the art from the following description of exemplary embodiments, which should not be construed as limiting the invention, with reference to the accompanying drawings.

1 zeigt die Schmelztemperatur und die Schmelzenthalpie unterschiedlicher Wärmespeicher-Substanzen 1 shows the melting temperature and the enthalpy of fusion of different heat storage substances

2 zeigt die Schmelztemperatur und die Speicherdichte unterschiedlicher organischer Substanzen 2 shows the melting temperature and the storage density of different organic substances

3 zeigt eine Bewertung unterschiedlicher Wärmespeicher-Substanzen bezüglich einer Anwendung in Kraftfahrzeugen 3 shows an evaluation of different heat storage substances with respect to an application in motor vehicles

4 zeigt einen Querschnitt durch eine Elektromaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung 4 shows a cross section through an electric machine according to an embodiment of the invention

5 zeigt einen Ausschnitt einer plastischen Darstellung einer Elektromaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung 5 shows a detail of a plastic representation of an electric machine according to an embodiment of the invention

6A zeigt einen Querschnitt durch die in 5 dargestellte Elektromaschine parallel zu einer Ebene des Rotors 6A shows a cross section through the in 5 illustrated electric machine parallel to a plane of the rotor

6B zeigt einen Querschnitt durch eine Patrone mit Alditol gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung 6B shows a cross section through a cartridge with alditol according to an embodiment of the invention

7A, 7B zeigen einen Vergleich der Temperatur elektrischer Wicklungen über einen Fahrzyklus, betrachtet mit und ohne den Einsatz von Alditol 7A . 7B show a comparison of the temperature of electrical windings over a drive cycle, viewed with and without the use of alditol

Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen. All figures are merely schematic representations of devices according to the invention or of their components according to embodiments of the invention. In particular, distances and size relationships are not shown to scale in the figures. In the various figures, corresponding elements are provided with the same reference numbers.

In 1 ist auf der X-Achse die Schmelztemperatur in °C von unterschiedlichen Wärmespeichersubstanzen aufgetragen. Auf der Y-Achse ist eine Schmelzenthalpie der Wärmespeichersubstanzen in kJ/mol aufgetragen. In 1 the melting temperature in ° C of different heat storage substances is plotted on the X-axis. On the Y-axis, a melting enthalpy of the heat storage substances in kJ / mol is plotted.

Aus der grafischen Darstellung geht sowohl ein Temperaturbereich als auch ein Schmelzenthalpiebereich für die folgenden Wärmespeichersubstanzen hervor: Gashydrate A, wässrige Salzlösungen B, Wasser C, Fettsäuren D, Paraffine E, Salzhydrate F, Zuckeralkohole G, Nitrate H, Hydroxide J, Chloride K, Karbonate L und Fluoride M. Die Schmelztemperatur der bei der erfindungsgemäßen Elektromaschine verwendeten Zuckeralkohole bzw. Alditole liegt im Bereich von ca. 50 bis 200°C. Die Schmelzenthalpie der Zuckeralkohole liegt in einem Bereich von ca. 250 bis 450 kJ/mol. Damit liegt die Schmelztemperatur im Bereich der maximalen Temperatur von Bauteilen der Elektromaschine. Ferner können die Alditole 7 bei einer relativ kleinen Masse eine hohe Energie aufnehmen. Andere Wärmespeicher wie z.B. Chloride K oder Karbonate L sind für einen Einsatz in Elektromaschinen nicht geeignet, da beispielsweise ihre Schmelztemperatur wesentlich höher ist als die maximale Temperatur von Komponenten der Elektromaschine. The graph shows both a temperature range and a melting enthalpy range for the following heat storage substances: gas hydrates A, aqueous salt solutions B, water C, fatty acids D, paraffins E, salt hydrates F, sugar alcohols G, nitrates H, hydroxides J, chlorides K, carbonates L and fluorides M. The melting temperature of the sugar alcohols or alditols used in the electric machine according to the invention is in the range of about 50 to 200 ° C. The melting enthalpy of the sugar alcohols is in a range of about 250 to 450 kJ / mol. Thus, the melting temperature is in the range of the maximum temperature of components of the electric machine. Furthermore, the alditols 7 can absorb a high energy at a relatively small mass. Other heat storage such as Chloride K or carbonates L are not suitable for use in electric machines, since, for example, their melting temperature is much higher than the maximum temperature of components of the electric machine.

In 2 ist auf der X-Achse die Speicherdichte in MJ/m3 der jeweiligen Wärmespeichersubstanz aufgetragen. Auf der Y-Achse ist die Schmelztemperatur in °C aufgetragen. Dabei sind in 2 organische Wärmespeichersubstanzen dargestellt.In 2 the storage density in MJ / m 3 of the respective heat storage substance is plotted on the X-axis. The melting temperature in ° C is plotted on the Y axis. Here are in 2 shown organic heat storage substances.

Die in 2 dargestellten Wärmespeichersubstanzen sind organische Substanzen. Dabei sind verschiedene Polyglykole a, Dimethylsulfoxid (DMS) b, verschiedene Paraffine c, Biphenyl d, Naphtalen e, Wasser und Wasser-Ethylenglygol-Mischungen f und Erythrit g dargestellt. Unter den gezeigten organischen Substanzen hat Erythrit die höchste Speicherdichte bei einer geeigneten Schmelztemperatur von ca. 120°C. Die Schmelztemperatur von Erythrit ist dabei für Elektromaschinen geeignet, bei denen die Grenztemperatur der Bauelemente beispielsweise am Statoreinpass bei ca. 140°C liegt. Gleichzeitig ist die Schmelztemperatur von Erythrol hoch genug, um zugunsten minimalen Materialeinsatzes nur bei maximal auftretender Abwärme aufgeschmolzen zu werden. Dies ist vorteilhaft, da beispielsweise Stator und Rotor der Elektromaschine im Regelbetrieb, d.h. beispielsweise bei typischem Fahrbetrieb nicht ständig an ihre Grenztemperatur kommen. Es gibt immer wieder Abkühlungsphasen bei niedrigerer Last. In the 2 Heat storage substances shown are organic substances. Various polyglycols a, dimethyl sulfoxide (DMS) b, various paraffins c, biphenyl d, naphthalene e, water and water-ethylene glycol mixtures f and erythritol g are shown. Among the organic substances shown, erythritol has the highest storage density at a suitable melting temperature of about 120 ° C. The melting temperature of erythritol is suitable for electric machines in which the limit temperature of the components, for example, at the stator inlet at about 140 ° C. At the same time, the melting temperature of erythrol is high enough to be melted in favor of minimum material use only at maximum occurring waste heat. This is advantageous since, for example, stator and rotor of the electric machine do not constantly reach their limit temperature during normal operation, that is to say, for example, during typical driving operation. There are always cooling phases at lower load.

Mit Hilfe von Phasenwechselmaterial wird die unter höchster Last erzeugte Abwärme im Phasenwechselmaterial insbesondere im Alditol und vorzugsweise in Erythrit durch dessen Aufschmelzen gespeichert und in den Phasen niedriger Last durch dessen Erstarrung abgegeben. Dadurch wird in einer Phase höherer Last ab Erreichen der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials ein weiterer Temperaturanstieg unterdrückt. Die Elektromaschine ist somit unter höheren Lasten betriebssicher, insbesondere in Bezug auf Festigkeit und Lebensdauer, so dass hohe Leistungsdichten ohne weitere Maßnahmen ermöglicht werden.With the help of phase change material, the waste heat generated under highest load in the phase change material is stored in the alditol and preferably in erythritol by its melting and released in the phases of low load by its solidification. As a result, a further increase in temperature is suppressed in a phase of higher load from reaching the melting temperature of the phase change material. The electric machine is thus reliable under higher loads, in particular with regard to strength and service life, so that high power densities are made possible without further measures.

In 3 sind unterschiedliche Eigenschaften von verschiedenen Wärmespeichersubstanzen bezüglich einer Anwendung in Kraftfahrzeugen gegenübergestellt. In der ersten Spalte sind dabei die Beurteilungen von Wasser zusammengefasst. Die zweite, dritte und vierte Spalte zeigen die Eignung von Salzhydraten für die Verwendung in Kraftfahrzeugen. Dabei zeigen die zweite Spalte Natriumacetat-Trihydrat, die dritte Spalte Magnesiumnitrat-Hexahydrat und die vierte Spalte Magnesiumchlorid-Hexahydrat. In der fünften Spalte ist die Eignung einer eutektischen Mischung von Salz und Salzhydrat gezeigt. Dabei wurden 14 % LiNO3 mit 86 % Mg (NO3)2 und 6 H2O verwendet. Die sechste Spalte zeigt die organische Substanz Erythrit, die erfindungsgemäß in Elektromaschinen vorteilhaft verwendet werden kann. Die siebte und die achte Spalten zeigen kommerzielle Phasenwechselmaterialien. Dabei ist in der siebten Spalte GR80 und in der achten Spalte RT82 gezeigt. In der ersten Reihe sind die verschiedenen Phasenwechselmaterialien hinsichtlich ihrer spezifischen Wärmekapazität bewertet. In der zweiten Reihe ist die jeweilige Zyklenstabilität bzw. Servicefreiheit des jeweiligen Phasenwechselmaterials beurteilt. Die dritte Reihe stellt dabei die Toxizität bzw. Umweltverträglichkeit und Sicherheit des jeweiligen Materials gegenüber. Dabei deutet ein Plus eine besonders gute Eignung für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, eine Null eine neutrale Eignung und ein Minus eine schlechte Eignung für den Einsatz in Kraftfahrzeugen. Wie aus der Auswertung in 3 hervorgeht, ist Erythrit hinsichtlich aller drei aufgezeigten Kriterien am besten für den Einsatz in Kraftfahrzeugen geeignet. In 3 are contrasted with different properties of different heat storage substances with respect to an application in motor vehicles. The first column summarizes the assessments of water. The second, third and fourth columns show the suitability of salt hydrates for use in motor vehicles. The second column shows sodium acetate trihydrate, the third column magnesium nitrate hexahydrate and the fourth column magnesium chloride hexahydrate. The fifth column shows the suitability of a eutectic mixture of salt and salt hydrate. In this case, 14% LiNO 3 with 86% Mg (NO 3 ) 2 and 6 H 2 O were used. The sixth column shows the organic substance erythritol, which according to the invention can advantageously be used in electric machines. The seventh and eighth columns show commercial phase change materials. It is shown in the seventh column GR80 and in the eighth column RT82. In the first row, the different phase change materials are evaluated for their specific heat capacity. In the second row, the respective cycle stability or service freedom of the respective phase change material is assessed. The third row compares the toxicity or environmental compatibility and safety of the respective material. A plus indicates a particularly good suitability for use in motor vehicles, a zero a neutral suitability and a minus a bad suitability for use in motor vehicles. As from the evaluation in 3 erythritol is best suited for use in motor vehicles with respect to all three criteria.

In den 4 bis 6 sind unterschiedliche Ausschnitte von Elektromaschinen 1 gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung dargestellt. Die in den 4 bis 6 gezeigten Elektromaschinen 1 sind als permanent erregte Synchronmaschinen (PSM) mit Permanentmagneten bzw. Dauermagneten 13 ausgeführt. Eine Elektromaschine 1 kann auch als Asynchronmaschine mit einem in den Figuren nicht gezeigten Läuferkäfig ausgeführt sein.In the 4 to 6 are different sections of electrical machines 1 illustrated embodiments of the invention. The in the 4 to 6 shown electric machines 1 are permanent magnet synchronous machines (PSM) with permanent magnets or permanent magnets 13 executed. An electric machine 1 can also be designed as an asynchronous machine with a rotor cage not shown in the figures.

Die Elektromaschine 1 weist dabei einen Rotor 3 und einen Stator 5 auf. Dabei ist die Elektromaschine 1 bzw. der Stator 5 von einem Statorgehäuse 19 umgeben. Zwischen Stator 5 und Rotor 3 ist ein Luftspalt 27 vorgesehen. Der Rotor 3 ist ferner mit einer Welle 33 verbunden, die an einem Kugellager 31 angeordnet ist. An der Elektromaschine 1 ist Phasenwechselmaterial, insbesondere Alditol 7 vorgesehen. Die Anordnung des Alditols 7 an der Elektromaschine 1 ist lediglich schematisch dargestellt. Das Alditol 7, welches bevorzugterweise Erythrit ist, ist dabei an Bereichen 9 höchster Temperatur vorgesehen. Diese Bereiche 9 sind z.B. Dauermagneten 13 am Rotor 3, wie beispielsweise in 5 zu sehen. Ferner können diese Bereiche elektrischen Wicklungen bzw. einem Statorwickelkopf 17 entsprechen. Beispielsweise kann der Statorwickelkopf 17 von einem Ring aus Alditol 7 umschlossen sein. Hierfür kann ca. 0,5 kg Alditol verwendet werden. Ferner kann ein Bereich höchster Temperatur einem Läuferkäfig entsprechen, der in den Figuren nicht gezeigt ist. Das Alditol 7 ist dabei beispielsweise zwischen dem Wickelkopf 17 und dem Statorgehäuse 19 eingebracht. Ferner kann das Alditol 7 direkt auf die Dauermagneten 13 aufgetragen sein. Am Rotor 3 sind Axialbohrungen 21 vorgesehen, die sich auch in einer am Rotor 3 angeordneten Wuchtscheibe 29 fortsetzen. Das Alditol 7 kann direkt in diese Axialbohrungen 21 eingefügt sein.The electric machine 1 has a rotor 3 and a stator 5 on. Here is the electric machine 1 or the stator 5 from a stator housing 19 surround. Between the stator 5 and rotor 3 is an air gap 27 intended. The rotor 3 is also with a wave 33 connected to a ball bearing 31 is arranged. At the electric machine 1 is phase change material, especially alditol 7 intended. The arrangement of alditol 7 at the electric machine 1 is shown only schematically. The alditol 7 , which is preferably erythritol, is in areas 9 highest temperature. These areas 9 are eg permanent magnets 13 on the rotor 3 , such as in 5 to see. Furthermore, these areas can be electrical windings or a stator winding head 17 correspond. For example, the Statorwickelkopf 17 from a ring of Alditol 7 be enclosed. For this purpose, about 0.5 kg Alditol can be used. Furthermore, a region of highest temperature may correspond to a rotor cage, which is not shown in the figures. The alditol 7 is for example between the winding head 17 and the stator housing 19 brought in. Furthermore, the alditol 7 directly on the permanent magnets 13 be applied. At the rotor 3 are axial bores 21 provided, which is also in a rotor 3 arranged balancing wheel 29 continue. The alditol 7 can directly into these axial bores 21 be inserted.

6B zeigt einen Querschnitt durch eine Patrone bzw. eine Kapsel mit Alditol 7, die z.B. in den in 5 und 6A dargestellten Axialbohrungen 21 angeordnet werden kann. Die die Patrone bzw. eine Hülle der Patrone weist ein Kapselmaterial 23 auf, welches elektrisch isolierend ist und eine höhere Schmelztemperatur als das Alditol 7 aufweist. Dieses Kapselmaterial 23 verhindert ein Herausfließen des Alditols 7 im flüssigen Zustand aus der Axialbohrung 21. Am Alditol 7, beispielsweise zwischen dem Alditol 7 und dem Kapselmaterial 23, ist ein Dehnelement 25 vorgesehen. Das Dehnelement kann beispielsweise ein Luftanteil im abgekapselten Alditol 7 sein. Dies ermöglicht ein Ausdehnen und Zusammenziehen des Alditols 7 beim Schmelzen und Erstarren. Ferner kann das Kapselmaterial 23 einen in 6B durch einen Pfeil gekennzeichneten elastischen Dehnbereich aufweisen, der durch das Alditol gedehnt werden kann. 6B shows a cross section through a cartridge or capsule with alditol 7 , for example, in the in 5 and 6A illustrated axial bores 21 can be arranged. The cartridge or a shell of the cartridge has a capsule material 23 which is electrically insulating and has a higher melting temperature than the alditol 7 having. This capsule material 23 prevents the alditol from flowing out 7 in the liquid state from the axial bore 21 , At the Alditol 7 for example, between the alditol 7 and the capsule material 23 , is an expansion element 25 intended. The expansion element can, for example, an air content in the encapsulated alditol 7 be. This allows for expansion and contraction of the alditol 7 when melting and solidifying. Furthermore, the capsule material 23 one in 6B have an elastic stretching region indicated by an arrow, which can be stretched by the alditol.

7A und 7B zeigen Temperaturverläufe am Wickelkopf 17 bzw. am Statoreinpass über einen Fahrzyklus von 1800 Sekunden. Auf der X-Achse ist dabei die Zeit in Sekunden und auf der Y-Achse eine Temperatur in K aufgetragen. 7A zeigt dabei den Temperaturverlauf am Statoreinpass ohne die Verwendung von Alditol 7 als Phasenwechselmaterial in der Elektromaschine 1. 7B zeigt den Temperaturverlauf am Statoreinpass mit Verwendung von Alditol 7. Wie in 7A ersichtlich, gibt es nach einer Fahrzeit von etwa 800 Sekunden eine Temperaturspitze, beispielsweise durch einen Beschleunigungsvorgang. 7B zeigt, dass bei Verwendung von Alditol 7 beispielsweise zwischen Statorgehäuse 19 und Wickelkopf 17 die Temperaturspitze durch Aufschmelzen des Alditols 7 abgefangen wird und sich nur als Plateau darstellt. Der Pfeil in 7B markiert einen Zeitpunkt, an dem das Alditol 7 komplett aufgeschmolzen ist. 7A and 7B show temperature curves at the winding head 17 or at the stator pass over a driving cycle of 1800 seconds. The time in seconds is plotted on the X axis and a temperature in K on the Y axis. 7A shows the temperature curve at the stator inlet without the use of Alditol 7 as phase change material in the electric machine 1 , 7B shows the temperature curve at the stator inlet using Alditol 7 , As in 7A can be seen, there is a temperature peak after a travel time of about 800 seconds, for example by an acceleration process. 7B shows that when using Alditol 7 for example between stator housing 19 and winding head 17 the temperature peak by melting the alditol 7 intercepted and presents itself only as a plateau. The arrow in 7B marks a time when the alditol 7 completely melted.

Abschließend wird angemerkt, dass Ausdrücke wie „aufweisend“ oder ähnliche nicht ausschließen sollen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Außerdem können in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Merkmale beliebig miteinander kombiniert werden. Es wird ferner angemerkt, dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Umfang der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.Finally, it should be noted that terms such as "having" or the like are not intended to exclude that other elements or steps may be provided. It should also be noted that "a" or "an" does not exclude a multitude. In addition, features described in connection with the various embodiments may be combined with each other as desired. It is further noted that the reference signs in the claims should not be construed as limiting the scope of the claims.

Claims (11)

Elektromaschine (1), die Elektromaschine (1) aufweisend einen Rotor (3); einen Stator (5); und ein Phasenwechselmaterial, das am Rotor (3) und/oder am Stator (5) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial ein Alditol (7) ist.Electric machine ( 1 ), the electric machine ( 1 ) having a rotor ( 3 ); a stator ( 5 ); and a phase change material attached to the rotor ( 3 ) and / or on the stator ( 5 ) is arranged; characterized in that the phase change material is an alditol ( 7 ). Elektromaschine (1) gemäß Anspruch 1, wobei das Alditol (7) Erythrit ist.Electric machine ( 1 ) according to claim 1, wherein the alditol ( 7 ) Erythritol is. Elektromaschine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die Elektromaschine (1) einen Bereich (9) höchster Temperatur aufweist; wobei das Alditol (7) mit dem Bereich (9) höchster Temperatur in direktem thermischem Kontakt steht.Electric machine ( 1 ) according to one of claims 1 and 2, wherein the electric machine ( 1 ) an area ( 9 ) highest temperature; the alditol ( 7 ) with the area ( 9 ) highest temperature is in direct thermal contact. Elektromaschine (1) gemäß Anspruch 3, wobei der Bereich (9) höchster Temperatur aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: elektrische Wicklungen (11) des Stators (5) oder des Rotors (3), ein Dauermagnet (13) der Elektromaschine (1) oder ein Läuferkäfig.Electric machine ( 1 ) according to claim 3, wherein the area ( 9 ) is selected from the following group: electrical windings ( 11 ) of the stator ( 5 ) or the rotor ( 3 ), a permanent magnet ( 13 ) of the electric machine ( 1 ) or a runner cage. Elektromaschine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Alditol (7) zwischen einem Wickelkopf (17) des Stators (5) und einem Statorgehäuse (19) eingebracht ist. Electric machine ( 1 ) according to any one of claims 1 to 4, wherein the alditol ( 7 ) between a winding head ( 17 ) of the stator ( 5 ) and a stator housing ( 19 ) is introduced. Elektromaschine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Alditol (7) in einer Axialbohrung (21) am Rotor (3) eingebracht ist. Electric machine ( 1 ) according to any one of claims 1 to 5, wherein the alditol ( 7 ) in an axial bore ( 21 ) on the rotor ( 3 ) is introduced. Elektromaschine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner aufweisend ein Kapselmaterial (23); wobei das Kapselmaterial (23) elektrisch isolierend ist und eine höhere Schmelztemperatur als das Alditol (7) aufweist; wobei das Alditol (7) vom Kapselmaterial (23) umgeben ist. Electric machine ( 1 ) according to any one of claims 1 to 6, further comprising a capsule material ( 23 ); the capsule material ( 23 ) is electrically insulating and has a higher melting temperature than the alditol ( 7 ) having; the alditol ( 7 ) of the capsule material ( 23 ) is surrounded. Elektromaschine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei am Alditol (7) ein Dehnelement (25) vorgesehen ist; wobei das Dehnelement (25) ausgeführt ist durch eine thermische Ausdehnung des Alditols (7) komprimiert zu werden.Electric machine ( 1 ) according to any one of claims 1 to 7, wherein at alditol ( 7 ) an expansion element ( 25 ) is provided; the expansion element ( 25 ) is carried out by a thermal expansion of the alditol ( 7 ) to be compressed. Elektromaschine (1) gemäß Anspruch 8, wobei das Dehnelement (25) ein Gas aufweist.Electric machine ( 1 ) according to claim 8, wherein the expansion element ( 25 ) has a gas. Verfahren zur Herstellung einer Elektromaschine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, das Verfahren aufweisend die folgenden Schritte Bereitstellen eines Stators (5) und eines Rotors (3); das Verfahren gekennzeichnet dadurch, dass es ferner den folgenden Schritt aufweist Einbringen eines Alditols (7) zur Aufnahme thermischer Energie in die Elektromaschine (1).Method for producing an electric machine ( 1 ) according to one of claims 1 to 9, the method comprising the following steps of providing a stator ( 5 ) and a rotor ( 3 ); the method characterized by further comprising the step of introducing an alditol ( 7 ) for receiving thermal energy in the electric machine ( 1 ). Verwendung von Alditol (7) in einer Elektromaschine (1) eines Kraftfahrzeugs.Use of alditol ( 7 ) in an electric machine ( 1 ) of a motor vehicle.
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