EP2828955A2 - Elektromaschine mit pcm zum abfangen von temperaturspitzen - Google Patents
Elektromaschine mit pcm zum abfangen von temperaturspitzenInfo
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- EP2828955A2 EP2828955A2 EP13702957.5A EP13702957A EP2828955A2 EP 2828955 A2 EP2828955 A2 EP 2828955A2 EP 13702957 A EP13702957 A EP 13702957A EP 2828955 A2 EP2828955 A2 EP 2828955A2
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- 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
Definitions
- 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.
- 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.
- an electric machine in particular an electric motor for motor vehicles is presented, which has a rotor, a stator and a phase change material.
- Phase change material is an alditol, which is arranged on the rotor and / or on the stator.
- the idea of the present invention is based on
- phase change material 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 good as a phase change material for
- Electric machinery suitable in motor vehicles as it is an optimal
- 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.
- Phase change materials relatively high.
- alditol as a phase change material
- Electric machines can preset temperature limits within the
- Electric machine can be maintained cost-effectively. 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. Furthermore, through the use of
- Alditol as 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
- Overheating hazard may be stencilt.
- 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, a
- the electric machine can be eg an electric motor or an electric generator. It can be used in vehicles, especially in motor vehicles such as cars or trucks. Alternatively, the electric machine as
- 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.
- the rotor may be rotatably mounted around the stator.
- phase change material also referred to as PCM (English Phase Change Material) is used to store thermal energy.
- PCM English Phase Change Material
- Phase change material is significantly larger than the heat that the
- Phase change material can save due to its normal specific heat capacity.
- 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 takes up so long 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.
- 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.
- Alditol for example, from solid to liquid, i. Solidification and melting are reversible. This can be repeated in a small by the
- Heat energy can be stored in relatively little mass. 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 to the
- the alditol used as phase change material may also be referred to as sugar alcohol and is a non-cyclic polyol, for example structurally derived as a reduction product of a carbohydrate.
- Alditols can have the following structural formula:
- 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:
- 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 building components of the
- 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 at minimum
- Electric machine at least a range 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 be, for example, a point or a component of the electric machine, at which higher temperature values may occur than at other points or components of the electric machine.
- these areas may be windings or winding carriers or rotor magnets.
- the phase change material is in direct thermal contact with these areas, ie it is close to the place or applied directly to the areas of highest temperature.
- 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.
- 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 may be attached to a
- Permanent magnet can be arranged on the stator or on the rotor.
- the alditol may alternatively or additionally be applied directly to a rotor cage when the electric machine is designed as an asynchronous machine.
- phase change material between a winding head of the stator and a stator housing introduced.
- 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.
- Stator housing may for example correspond to a housing of the electric machine and e.g. Have aluminum.
- Phase change materials between the winding head of the stator and the stator can be ensured in addition to the storage of thermal energy and a connection of the winding overhang to the housing for heat dissipation. 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.
- phase change material can be filled in the axial bores and then sealed with a closure material.
- the closure material may be an electrically non-conductive material having a higher melting point or a higher melting temperature than the alditol.
- this plastic can be used.
- Closure material may leak the melted
- Phase change material can be prevented.
- the capsule material is electrically insulating and has a higher melting temperature than that
- Phase material especially as the alditol on.
- 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.
- Phase change material provided at least one expansion element.
- the expansion element comprises a gas.
- the expansion element is carried out by a thermal
- Expansion element can be, for example, a sponge-like element directly on the phase change material.
- the expansion element can correspond to an air content in the encapsulated phase material.
- the closure material axial bores a certain amount of air or gas, so that the phase change material during
- Phase change can expand and contract. Furthermore, in the cartridges described above, a gas or air portion may also be provided.
- a method of manufacturing an electric machine as described above comprises the following steps: providing a stator and a rotor and Introducing an alditol to absorb thermal energy in the
- Fig. 1 shows the melting temperature and the enthalpy of fusion of different heat storage substances
- Fig. 2 shows the melting temperature and the storage density of different organic substances
- Fig. 3 shows an evaluation of different heat storage substances with respect to an application in motor vehicles
- Fig. 4 shows a cross section through an electric machine according to a
- Fig. 5 shows a detail of a plastic representation of a
- Fig. 6A shows a cross section through the electric machine shown in Fig. 5 parallel to a plane of the rotor
- Fig. 6B shows a cross section through a cartridge with alditol according to a
- FIGS 7A, 7B show a comparison of the temperature of electrical windings over a drive cycle, viewed with and without the use of alditol 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.
- 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.
- the melting temperature is in the range of the maximum temperature of components of the electric machine.
- the alditols 7 can absorb a high energy at a relatively small mass.
- Other heat storage such as Chloride K or Carbonate L are not suitable for use in electric machines, because, for example, their melting temperature is much higher than the maximum temperature of components of the electric machine.
- the heat storage substances shown in Fig. 2 are organic
- erythritol has the highest storage density at a suitable melting temperature of about 120 ° C.
- the melting temperature of Erythrit is suitable for electric machines where the limit temperature of the components, for example at the stator inlet, is approx. 140 ° C.
- the melting temperature of erythrol is high enough, in favor of minimal material use, only at maximum occurring waste heat
- stator and stator are advantageous because, for example, stator and stator
- Rotor of the electric machine in regular operation i. For example, do not constantly come to their limit temperature in typical driving. There are always cooling phases at lower load. With the help of phase change material is generated under highest load
- 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.
- Fig. 3 are different characteristics of different
- 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% LiN0 3 with 86% Mg (N0 3 ) 2 and 6 H 2 0 were used.
- the sixth column shows the organic substance erythritol, which according to the invention in
- FIGS. 4 to 6 different sections of electric machines 1 are shown according to embodiments of the invention.
- the electric machines 1 shown in FIGS. 4 to 6 are designed as permanent-magnet synchronous machines (PSM) with permanent magnets or permanent magnets 13.
- An electric machine 1 can also be designed as an asynchronous machine with a rotor cage not shown in the figures.
- the electric machine 1 has a rotor 3 and a stator 5.
- the electric machine 1 or the stator 5 is surrounded by a stator housing 19.
- an air gap 27 is provided between stator 5 and rotor 3, an air gap 27 is provided.
- the rotor 3 is further connected to a shaft 33, which is arranged on a ball bearing 31.
- At the electric machine 1 is phase change material,
- Electric machine 1 is shown only schematically.
- the stator winding head 17 may be enclosed by a ring of Alditol 7. For this purpose, about 0.5 kg Alditol can be used.
- a region of highest temperature may correspond to a rotor cage, which is not shown in the figures.
- the alditol 7 is introduced, for example, between the winding head 17 and the stator housing 19. Furthermore, the Alditol 7 can directly on the
- Permanent magnet 13 may be applied.
- Axial bores 21 are provided on the rotor 3 and continue in a balancing disk 29 arranged on the rotor 3. Alditol 7 may be inserted directly into these axial bores 21.
- FIG. 6B shows a cross section through a cartridge or a capsule with Alditol 7, which can be arranged, for example, in the axial bores 21 shown in FIGS. 5 and 6A.
- the cartridge or a shell of the cartridge has a Capsule material 23, which is electrically insulating and a higher
- This capsule material 23 prevents outflow of the alditol 7 in the liquid state from the
- an expansion element 25 is provided at the Alditol 7, for example, between the alditol 7 and the capsule material 23, an expansion element 25 is provided.
- the expansion element can be, for example, an air fraction in the encapsulated Alditol 7. This allows expansion and contraction of the alditol 7 during melting and solidification.
- the capsule material 23 may have an elastic stretching region, indicated by an arrow in FIG. 6B, which can be stretched by the alditol.
- FIGS. 7A and 7B show temperature profiles on the winding head 17 and on the winding head 17, respectively
- the time in seconds is plotted on the X axis and a temperature in K on the Y axis.
- 7A shows the temperature profile at the stator inlet without the use of Alditol 7 as the phase change material in the electric machine 1.
- FIG. 7B shows the temperature profile at the stator pass with the use of Alditol 7.
- a temperature peak for example by a
- Fig. 7B shows that when using Alditol 7, for example, between the stator housing 19 and end winding 17, the
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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).
Description
Beschreibung
Elektromaschine mit PCM zum Abfangen von Temperaturspitzen
Stand der Technik
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.
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.
Offenbarung der Erfindung
Es kann daher ein Bedarf an einer verbesserten effizienten Kühlungsmöglichkeit für Elektromaschinen bei Kraftfahrzeugen bestehen.
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.
Im Folgenden werden Merkmale, Einzelheiten und mögliche Vorteile einer Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung im Detail diskutiert.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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. 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.
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:
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:
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.
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.
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.
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.
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
Phasenwechsel materials 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.
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.
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.
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.
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.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Verwendung von Alditol zur Aufnahme von thermischer Energie in einer Elektromaschine eines
Kraftfahrzeugs vorgestellt.
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.
Fig. 1 zeigt die Schmelztemperatur und die Schmelzenthalpie unterschiedlicher Wärmespeicher-Substanzen
Fig. 2 zeigt die Schmelztemperatur und die Speicherdichte unterschiedlicher organischer Substanzen
Fig. 3 zeigt eine Bewertung unterschiedlicher Wärmespeicher-Substanzen bezüglich einer Anwendung in Kraftfahrzeugen
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine Elektromaschine gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung
Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt einer plastischen Darstellung einer
Elektromaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
Fig. 6A zeigt einen Querschnitt durch die in Fig. 5 dargestellte Elektromaschine parallel zu einer Ebene des Rotors
Fig. 6B zeigt einen Querschnitt durch eine Patrone mit Alditol gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung
Fig. 7A, 7B zeigen einen Vergleich der Temperatur elektrischer Wicklungen über einen Fahrzyklus, betrachtet mit und ohne den Einsatz von 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.
In Fig. 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.
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.
In Fig. 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 Fig. 2 organische
Wärmespeichersubstanzen dargestellt.
Die in Fig. 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. 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. In Fig. 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 % LiN03 mit 86 % Mg (N03)2 und 6 H20 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 Fig. 3 hervorgeht, ist Erythrit hinsichtlich aller drei
aufgezeigten Kriterien am besten für den Einsatz in Kraftfahrzeugen geeignet.
In den Fig. 4 bis 6 sind unterschiedliche Ausschnitte von Elektromaschinen 1 gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung dargestellt. Die in den Fig. 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.
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 Fig. 5 zu sehen. Ferner können diese Bereiche elektrischen Wicklungen bzw. einem Statorwickel köpf 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.
Fig. 6B zeigt einen Querschnitt durch eine Patrone bzw. eine Kapsel mit Alditol 7, die z.B. in den in Fig. 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 Fig. 6B durch einen Pfeil gekennzeichneten elastischen Dehnbereich aufweisen, der durch das Alditol gedehnt werden kann.
Fig. 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. Fig. 7A zeigt dabei den Temperaturverlauf am Statoreinpass ohne die Verwendung von Alditol 7 als Phasenwechselmaterial in der Elektromaschine 1. Fig. 7B zeigt den Temperaturverlauf am Statoreinpass mit Verwendung von Alditol 7. Wie in Fig. 7A ersichtlich, gibt es nach einer Fahrzeit von etwa 800 Sekunden eine Temperaturspitze, beispielsweise durch einen
Beschleunigungsvorgang. Fig. 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 Fig. 7B markiert einen Zeitpunkt, an dem das Alditol 7 komplett aufgeschmolzen ist.
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.
Claims
1 . 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.
2. Elektromaschine (1 ) gemäß Anspruch 1 ,
wobei das Alditol (7) Erythrit ist.
3. 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.
4. Elektromaschine (1 ) gemäß Anspruch 3,
wobei der Bereich (9) höchster Temperatur aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: elektrische Wicklungen (1 1 ) des Stators (5) oder des Rotors (3), ein Dauermagnet (13) der Elektromaschine (1 ) oder ein Läuferkäfig.
5. 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.
6. Elektromaschine (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5,
wobei das Alditol (7) in einer Axialbohrung (21 ) am Rotor (3) eingebracht ist.
7. 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.
8. 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.
9. Elektromaschine (1 ) gemäß Anspruch 8,
wobei das Dehnelement (25) ein Gas aufweist.
10. 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 ).
1 1 . Verwendung von Alditol (7) in einer Elektromaschine (1 ) eines
Kraftfahrzeugs.
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