DE102014213777A1 - Electric drive machine - Google Patents

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Abstract

Eine elektrische Antriebsmaschine, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, hat einen Rotor (14) und einen Stator (16). Im Rotor (14) und/oder im Stator (16) ist ein Latentwärmespeicher (24) angeordnet, wobei der Latentwärmespeicher (24) ein Speichermaterial enthält, das beim Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine (10) anfallende Wärme aufnimmt.An electric drive machine, in particular for an electrically driven vehicle, has a rotor (14) and a stator (16). In the rotor (14) and / or in the stator (16), a latent heat accumulator (24) is arranged, wherein the latent heat accumulator (24) contains a storage material which absorbs heat accumulating during operation of the electric drive machine (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsmaschine, z. B. einen Elektromotor, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug.The invention relates to an electric drive machine, for. B. an electric motor, in particular for an electrically driven vehicle.

Die Nennleistung von elektrischen Antriebsmaschinen in der Fahrzeugtechnik ist nach der Prüfvorschrift ECE R85 definiert als jene Leistung, welche der Elektromotor, bei vorgegebenen thermischen Randbedingungen, konstant für 30 Minuten liefern kann, ohne dabei seine Temperaturgrenzen zu überschreiten. Die Nennleistung liegt aufgrund der Wärmeentwicklung deutlich unter der eigentlich möglichen Maximalleistung. Begrenzende Faktoren sind hier vor allem die maximal zulässigen Temperaturen der Wickelköpfe des Stators sowie des Rotors. Während der Körper des Stators noch verhältnismäßig einfach auch durch eine Flüssigkeitskühlung von außen kühlbar ist, wird für den Rotor normalerweise eine Luftkühlung verwendet, über die jedoch nur eine begrenzte Wärmemenge abgeführt werden kann.The rated power of electric drive machines in vehicle technology is according to the test specification ECE R85 defined as the power which the electric motor can deliver, under given thermal boundary conditions, constantly for 30 minutes without exceeding its temperature limits. The rated power is due to the heat development significantly below the actual maximum power possible. Limiting factors here are above all the maximum permissible temperatures of the windings of the stator and the rotor. While the body of the stator is still relatively coolable by a liquid cooling from the outside, an air cooling is used for the rotor, but only a limited amount of heat can be dissipated.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Leistungsfähigkeit eines Elektromotors, ins-besondere dessen Nennleistung, zu erhöhen.The object of the invention is to increase the performance of an electric motor, in particular its rated power.

Dies wird erfindungsgemäß bei einer elektrischen Antriebsmaschine, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, erreicht, die einen Rotor und einen Stator aufweist, indem ein Latentwärmespeicher vorgesehen ist, der im Rotor und/oder im Stator angeordnet ist. Der Latentwärmespeicher enthält ein Speichermaterial, das beim Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine anfallende Wärme aufnimmt. Im Rahmen seiner Speicherkapazität erhöht der Latentwärmespeicher die Wärmekapazität des Rotors und/oder des Stators und nimmt von der Antriebsmaschine erzeugte Wärmeenergie in seinem Speichermaterial auf. Effektiv bewirkt der Latentwärmespeicher so eine Kühlung der elektrischen Antriebsmaschine, wodurch innerhalb der 30-minütigen Prüfzeit nach ECE R85 eine höhere Nennleistung abgegeben werden kann.This is inventively achieved in an electric drive machine, in particular for an electrically driven vehicle, having a rotor and a stator by a latent heat accumulator is provided, which is arranged in the rotor and / or in the stator. The latent heat accumulator contains a storage material which absorbs heat generated during operation of the electric drive machine. As part of its storage capacity, the latent heat storage increases the heat capacity of the rotor and / or the stator and absorbs heat energy generated by the engine in its storage material. Effectively causes the latent heat storage so a cooling of the electric drive machine, which within the 30-minute test time after ECE R85 a higher rated power can be delivered.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Speichermaterial ein Material, das im Betrieb der Antriebsmaschine einen Phasenübergang von fest nach flüssig durchläuft, wobei die von der Antriebsmaschine abgegebene Wärme in Schmelzwärme des Speichermaterials umgesetzt wird.In a preferred embodiment, the storage material is a material which undergoes a phase transition from solid to liquid during operation of the drive machine, wherein the heat emitted by the drive engine is converted into heat of fusion of the storage material.

Geeignete Speichermaterialien sind beispielsweise Paraffine, Zuckeralkohole oder anorganische Salze, gegebenenfalls auch anorganische Salzhydrate. Diese Stoffe sind für die Verwendung in Latentwärmespeichern bekannt, da sie eine hohe Schmelzwärme aufweisen, sodass mit einer relativ geringen Menge an Speichermaterial eine große Wärmemenge aufgenommen werden kann.Suitable storage materials are, for example, paraffins, sugar alcohols or inorganic salts, optionally also inorganic salt hydrates. These materials are known for use in latent heat storage, since they have a high heat of fusion, so that a large amount of heat can be absorbed with a relatively small amount of storage material.

Insbesondere bei der Verwendung im Rotor ist es möglich, das Speichermaterial des Latentwärmespeichers in eine Trägermatrix einzubringen oder verkapselt zu verwenden, um Flüssigkeitsbewegungen im Rotor zu vermeiden.In particular, when used in the rotor, it is possible to introduce the storage material of the latent heat storage in a carrier matrix or encapsulated to avoid liquid movements in the rotor.

Es wäre auch denkbar, als Speichermaterial ein thermochemisches Material zu verwenden, insbesondere ein Silicagel oder ein Zeolith, das Wärmeenergie in einer chemischen Reaktion beispielsweise unter Abspaltung von Wasser aufnimmt. Der Vorteil von thermochemischen Speichermaterialien liegt darin, dass höhere Wärmemengen aufgenommen werden können.It would also be conceivable to use as storage material a thermochemical material, in particular a silica gel or a zeolite, which absorbs thermal energy in a chemical reaction, for example with elimination of water. The advantage of thermochemical storage materials is that higher amounts of heat can be absorbed.

Bei gängigen Rotorkonstruktionen sind im Rotorkörper oftmals Aussparungen zur Gewichtsreduzierung vorgesehen. Diese Aussparungen im Körper des Rotors können genutzt werden, um dort mit das Speichermaterial enthaltende Gehäuse anzuordnen, die Teil des Latentwärmespeichers sind. Dies bietet sich vor allem an, wenn der Rotor als Blechkörper ausgebildet ist. Vorzugsweise sind die Aussparungen formschlüssig mit den das Speichermaterial enthaltenden Gehäusen ausgefüllt. Die mit der Anordnung des Speichermaterials am Rotor verbundene Gewichtszunahme kann gegebenenfalls durch die Wahl eines Speichermaterials mit geringer Dichte reduziert werden. Die Wahl des exakten Volumens des Latentwärmespeichers und des jeweiligen Speichermaterials obliegt dem Fachmann im Rahmen der jeweiligen Gegebenheiten.In common rotor designs recesses are often provided in the rotor body for weight reduction. These recesses in the body of the rotor can be used to arrange there with the memory material containing housing, which are part of the latent heat storage. This is especially useful when the rotor is designed as a sheet metal body. Preferably, the recesses are positively filled with the housing containing the storage material. Optionally, the weight gain associated with the location of the storage material on the rotor may be reduced by the choice of low density memory material. The choice of the exact volume of the latent heat storage and the respective storage material is the expert in the context of the respective circumstances.

Analog zur Ausbildung des Rotors ist es möglich, dass der Stator einen Körper mit Aussparungen aufweist und in den Aussparungen das Speichermaterial enthaltende Gehäuse angeordnet sind, die Teil des Latentwärmespeichers sind.Analogous to the design of the rotor, it is possible that the stator has a body with recesses and in the recesses of the memory material containing housing are arranged, which are part of the latent heat storage.

Es ist auch möglich, im Bereich der Wicklungen von Rotor und/oder Stator, insbesondere dem Wickelkopf des Stators, das Speichermaterial enthaltende Gehäuse anzuordnen, die Teil des Latentwärmespeichers sind.It is also possible to arrange in the region of the windings of the rotor and / or stator, in particular the winding head of the stator, the housing containing memory material, which are part of the latent heat accumulator.

Die Wärmekapazität des Latentwärmespeichers beträgt beispielsweise etwa 100 bis 2000 kJ, insbesondere ca. 150 kJ. So lässt sich beispielsweise bei einer Erwärmung von Raumtemperatur auf die Maximaltemperatur der elektrischen Antriebsmaschine eine Erhöhung der aufzunehmenden Energie um etwa 15% erreichen, bei einer angenommenen Verlustleistung der elektrischen Antriebsmaschine von etwa 250 W.The heat capacity of the latent heat storage is for example about 100 to 2000 kJ, in particular about 150 kJ. Thus, for example, when heating from room temperature to the maximum temperature of the electric drive machine, an increase in the energy to be absorbed can be achieved by about 15%, assuming an assumed power loss of the electric drive machine of about 250 W.

Vorzugsweise wird ein Speichermaterial gewählt, das einen Arbeitspunkt des Latentwärmespeichers bei ca. 60°C bis 300°C und insbesondere bei 140°C bis 150°C erlaubt. Wenn sich der Arbeitspunkt auf Temperaturen über 100°C und insbesondere auf 140°C bis 150°C anheben lässt, ist eine Wärmeaufnahme im Speichermaterial mit dem damit verbundenen Phasenübergang vor allem bei einer Volllast der elektrischen Antriebsmaschine möglich, während bei niedrigeren Arbeitspunkten ein Teil des Speichermaterials seinen Aggregatzustand bereits bei Teillastbetrieb wechselt.Preferably, a memory material is selected which allows an operating point of the latent heat storage at about 60 ° C to 300 ° C and especially at 140 ° C to 150 ° C. When the operating point to temperatures above 100 ° C and in particular on 140 ° C can raise to 150 ° C, heat absorption in the memory material with the associated phase transition, especially at full load of the electric drive machine is possible, while at lower operating points, a part of the storage material changes its state already at partial load operation.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:The invention will be described in more detail below with reference to an embodiment with reference to the accompanying drawings. In the drawings show:

1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsmaschine; und 1 a schematic sectional view of an electric drive machine according to the invention; and

2 eine schematische Schnittansicht eines Rotors der elektrischen Antriebsmaschine aus 1. 2 a schematic sectional view of a rotor of the electric drive machine 1 ,

1 zeigt eine elektrische Antriebsmaschine 10, hier einen Elektromotor für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug. 1 shows an electric drive machine 10 , here an electric motor for an electrically driven vehicle.

Ein auf einer Rotorwelle 12 angeordneter Rotor 14 dreht sich innerhalb eines feststehenden Stators 16. Rotor 14 und Stator 16 sind mit nicht dargestellten Wicklungen versehen, wie dies von Elektromotoren bekannt ist.One on a rotor shaft 12 arranged rotor 14 rotates within a fixed stator 16 , rotor 14 and stator 16 are provided with windings, not shown, as is known by electric motors.

In diesem Beispiel haben sowohl der Rotor 14 als auch der Stator 16 einen Körper, der auf bekannte Weise aus Elektroblechen gefertigt ist.In this example, both have the rotor 14 as well as the stator 16 a body which is made in a known manner from electrical sheets.

Im Rotor 14 sind über dessen Umfang verteilt mehrere Aussparungen 18 vorgesehen, die der Gewichtsersparnis dienen. In diesem Beispiel sind auch im Körper des Stators 16 über dessen Umfang verteilt mehrere Aussparungen 20 ausgebildet.In the rotor 14 are distributed over the circumference several recesses 18 provided, which serve the weight saving. In this example are also in the body of the stator 16 distributed over the circumference several recesses 20 educated.

In die Aussparungen 18 des Rotors 14 sowie in die Aussparungen 20 des Stators 16 sind an die Form der Aussparungen 18, 20 angepasste Gehäuse 22 eingesetzt, die ein Speichermaterial enthalten, das durch einen Phasenübergang oder eine chemische Reaktion Wärmeenergie aufnehmen kann. Sämtliche Gehäuse 22 mit dem in ihnen enthaltenen Speichermaterial bilden zusammen einen Latentwärmespeicher 24.In the recesses 18 of the rotor 14 as well as in the recesses 20 of the stator 16 are due to the shape of the recesses 18 . 20 adapted housing 22 used, which contain a storage material that can absorb heat energy by a phase transition or a chemical reaction. All cases 22 Together with the storage material contained in them together form a latent heat storage 24 ,

Natürlich ist es auch möglich, den Latentwärmespeicher 24 nur auf den Rotor 14 oder nur auf den Stator 16 zu beschränken. Es ist auch denkbar, alternativ oder zusätzlich Gehäuse mit Speichermaterial im Bereich der Wicklungen von Rotor 14 und/oder Stator 16, insbesondere im Bereich der Wickelköpfe, vorzusehen.Of course it is also possible, the latent heat storage 24 only on the rotor 14 or just on the stator 16 to restrict. It is also conceivable, alternatively or additionally, housing with storage material in the region of the windings of the rotor 14 and / or stator 16 , in particular in the field of winding heads, provide.

Als Speichermaterial wird hier ein Material verwendet, das bei den im Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine 10 erreichten Temperaturen einen Phasenübergang von fest nach flüssig durchläuft. Hier kommt beispielsweise ein geeignetes Paraffin, ein Zuckeralkohol oder ein anorganisches Salz oder Salzhydrat in Frage. Die Phasenübergangstemperaturen dieser Materialien liegen bei etwa 60°C bis 200°C. Bevorzugt werden Materialien oder Materialmischungen eingesetzt, die eine Schmelztemperatur von etwa 140°C bis 150°C aufweisen.As a storage material here is a material used in the operation of the electric drive machine 10 reached temperatures passes through a phase transition from solid to liquid. Here, for example, a suitable paraffin, a sugar alcohol or an inorganic salt or salt hydrate in question. The phase transition temperatures of these materials are about 60 ° C to 200 ° C. Preferably, materials or material mixtures are used which have a melting temperature of about 140 ° C to 150 ° C.

Es ist möglich, das Speichermaterial innerhalb der Gehäuse 22 in einer Trägermatrix aufzunehmen oder es in kleine Kunststoffkapseln abzufüllen und diese in die Gehäuse 22 einzufüllen, um insbesondere im Rotor 14 Bewegungen des Speichermaterials in seiner flüssigen Phase zu unterbinden oder zu reduzieren.It is possible to store the storage material inside the case 22 in a carrier matrix or to fill it in small plastic capsules and these in the housing 22 to fill in particular in the rotor 14 To prevent or reduce movements of the storage material in its liquid phase.

Die Gesamtwärmekapazität des Speichermaterials des Latentwärmespeichers 24 liegt hier bei etwa 50 bis 300 kJ, insbesondere bei etwa 150 kJ.The total heat capacity of the storage material of the latent heat storage 24 here is about 50 to 300 kJ, in particular about 150 kJ.

Beim Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine 10 entsteht insbesondere in den Wicklungen des Stators 16 und im Rotor 14 Verlustwärme, die diese Bauteile aufheizt. Bei Erreichen des Arbeitspunkts des Speichermaterials des Latentwärmespeichers 24 wird diese Wärmeenergie im Speichermaterial aufgenommen, indem dieses den Aggregatzustand wechselt. Die überschüssige, von der elektrischen Antriebsmaschine 10 abgegebene Wärmeenergie wird dabei in Schmelzwärme des Speichermaterials umgesetzt und so als latente Wärme im Speichermaterial aufgenommen. Effektiv bedeutet dies eine Kühlung der elektrischen Antriebsmaschine 10 im Rahmen der Speicherkapazität des Latentwärmespeichers 24. Ist das gesamte Speichermaterial in den flüssigen Aggregatszustand übergegangen, so ist die Speicherkapazität des Latentwärmespeichers 24 erschöpft.During operation of the electric drive machine 10 arises in particular in the windings of the stator 16 and in the rotor 14 Loss of heat that heats these components. Upon reaching the operating point of the storage material of the latent heat storage 24 This heat energy is absorbed in the storage material by changing its state of aggregation. The excess, from the electric drive machine 10 emitted heat energy is converted into heat of fusion of the storage material and so absorbed as latent heat in the storage material. Effectively, this means cooling the electric drive machine 10 in the context of the storage capacity of the latent heat storage 24 , If the entire storage material has gone into the liquid state of aggregation, then the storage capacity of the latent heat storage 24 exhausted.

Beim Abkühlen auf Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur des Speichermaterials, beispielsweise nach Abschalten der elektrischen Antriebsmaschine 10 oder auch bei Teillastbetrieb, bei dem weniger Verlustwärme abfällt und die normal vorgesehene Kühlung der elektrischen Antriebsmaschine 10 ausreicht, um die Temperatur unter die Schmelztemperatur des Speichermaterials im Latentwärmespeicher 24 zu bringen, gibt das Speichermaterial die aufgenommene Wärmeenergie wieder ab und wechselt dabei erneut den Aggregatzustand, sodass das Speichermaterial für eine erneute Wärmeaufnahme zur Verfügung steht.When cooling to temperatures below the melting temperature of the storage material, for example after switching off the electric drive machine 10 or even at partial load operation, in which less heat loss drops and the normally provided cooling of the electric drive machine 10 sufficient to the temperature below the melting temperature of the storage material in the latent heat storage 24 bring the storage material, the absorbed heat energy again and it changes again the state of matter, so that the storage material is available for a new heat absorption.

Geeignete Materialien, insbesondere bezüglich des Schmelzpunktes sowie der Dichte des Speichermaterials, die geeignete Menge sowie die Anordnung, Größe und Zahl der Aussparungen 18, 20 in Rotor 14 und Stator 16 erfolgen im Ermessen des Fachmanns in Abhängigkeit von den jeweiligen Gegebenheiten.Suitable materials, in particular with respect to the melting point and the density of the storage material, the appropriate amount and the Arrangement, size and number of recesses 18 . 20 in rotor 14 and stator 16 at the discretion of the skilled person depending on the particular circumstances.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • ECE R85 [0002] ECE R85 [0002]
  • ECE R85 [0004] ECE R85 [0004]

Claims (8)

Elektrische Antriebsmaschine, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, mit einem Rotor (14) und einem Stator (16), sowie einem Latentwärmespeicher (24), der im Rotor (14) und/oder im Stator (16) angeordnet ist, wobei der Latentwärmespeicher (24) ein Speichermaterial enthält, das beim Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine (10) anfallende Wärme aufnimmt.Electric drive machine, in particular for an electrically driven vehicle, with a rotor ( 14 ) and a stator ( 16 ), as well as a latent heat storage ( 24 ) in the rotor ( 14 ) and / or in the stator ( 16 ), wherein the latent heat storage ( 24 ) contains a memory material which during operation of the electric drive machine ( 10 ) absorbs accumulating heat. Elektrische Antriebsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermaterial ein Material ist, das im Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine (10) einen Phasenübergang von fest nach flüssig durchläuft.Electric drive machine according to claim 1, characterized in that the storage material is a material which, during operation of the electric drive machine ( 10 ) undergoes a phase transition from solid to liquid. Elektrische Antriebsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermaterial ein Paraffin, ein Zuckeralkohol oder ein anorganisches Salz ist.Electric drive machine according to claim 2, characterized in that the storage material is a paraffin, a sugar alcohol or an inorganic salt. Elektrische Antriebsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (14) einen Körper mit Aussparungen (18) aufweist und in den Aussparungen (18) mit dem das Speichermaterial enthaltende Gehäuse (22) angeordnet sind, die Teil des Latentwärmespeichers (24) sind.Electric drive machine according to one of the preceding claims, characterized in that the rotor ( 14 ) a body with recesses ( 18 ) and in the recesses ( 18 ) with the housing containing the memory material ( 22 ), which are part of the latent heat store ( 24 ) are. Elektrische Antriebsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (16) einen Körper mit Aussparungen (20) aufweist und in den Aussparungen (18) mit dem das Speichermaterial enthaltende Gehäuse (22) angeordnet sind, die Teil des Latentwärmespeichers (24) sind.Electric drive machine according to one of the preceding claims, characterized in that the stator ( 16 ) a body with recesses ( 20 ) and in the recesses ( 18 ) with the housing containing the memory material ( 22 ), which are part of the latent heat store ( 24 ) are. Elektrische Antriebsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Wicklungen von Rotor (14) und/oder Stator (16), insbesondere dem Wickelkopf des Stators (16), mit dem das Speichermaterial enthaltende Gehäuse angeordnet sind, die Teil des Latentwärmespeichers (24) sind.Electric drive machine according to one of the preceding claims, characterized in that in the region of the windings of rotor ( 14 ) and / or stator ( 16 ), in particular the winding head of the stator ( 16 ), with which the storage material containing housing are arranged, the part of the latent heat storage ( 24 ) are. Elektrische Antriebsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekapazität des Latentwärmespeichers (24) etwa 100–2000 kJ, insbesondere ca. 150 kJ, beträgt.Electric drive machine according to one of the preceding claims, characterized in that the heat capacity of the latent heat accumulator ( 24 ) is about 100-2000 kJ, in particular about 150 kJ. Elektrische Antriebsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitspunkt des Latentwärmespeichers (24) bei ca. 60 C bis 300°C, insbesondere bei 140°C bis 150°C liegt.Electric drive machine according to one of the preceding claims, characterized in that the operating point of the latent heat accumulator ( 24 ) at about 60 C to 300 ° C, especially at 140 ° C to 150 ° C.
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