用于冷却电机的冷却设备以及相应的电机的制作方法
【专利说明】用于冷却电机的冷却设备以及相应的电机
[0001] 本发明涉及一种用于冷却电机的部件的冷却设备以及具有这种冷却设备的电机。
[0002] 电机（机电转换器）例如是用于汽车的电力驱动马达、启动器、发电机或启动 器-发电机，能够将电能转换成机械能（电动机）或将机械能转换成电能（发电机）。这 种机电转换基于电磁感应。这种电机包含固定的定子(Stiinder)，其包含定子核心和安置其 上的定子绕组，电机还包含可移动部件，其在最常见结构类型中设计为转子([iiufer)，其可 旋转地支承在环形构造的定子中。其中，由于转子可移动的磁场而在定子绕组中产生电流 (发电机），或者由于通过定子产生的磁场引起转子的机械运动/旋转（电动机）。
[0003] 电机在其运行过程中由于介电损失产生废热。废热的产生尤其在定子绕组中出现 并且特别在所谓的绕组端部上产生。定子的绕组端部通常由铜线绕组构成，其具有用于电 绝缘的主覆层以及用于机械/几何稳定、用于化学保护但也可以用于导热的次级覆层。当 前用于最高绝缘等级H所用的材料对于定子绕组的主覆层和次级覆层可以承受的最高温 度为180°C。但是在运行中在绕组端部中出现的温度超过200°C。绕组中的热量尤其通过 短时的电压高峰产生，其快速升高，也就是具有边缘陡度。在绕组端部中强烈生热的原因在 于，侧面绕组股通过紧密贴靠的定子板可以被相对较好地冷却。反而绕组端部大多悬空并 且因此不能被有效冷却。所述生热导致了介电损失因素，由此损害了效率并且更多的电能 转换成了热能。这种自身加速的效果会导致主覆层的绝缘材料中的电击穿（部分放电）。 部分放电导致了电机的寿命的缩短，在最糟的情况中甚至导致其失效。因此需要冷却电机、 尤其冷却其定子绕组。
[0004] 电机的传统冷却基于循环的、尤其液态的冷却剂，其由于其热容能够吸收和传导 热量，用于将热量再次输出到热交换器中，通过冷却剂借助泵回引到热源中。
[0005] 除此之外还已知一种冷却装置，其基于循环的冷却基质的吸热蒸发引起冷却，其 中待冷却的部件作为蒸发器发挥功效并且在冷却剂再次输入部件之前冷凝器将冷却剂液 化。例如JP60118037A和DE69121054T2描述了这种用于电动机定子绕组的冷却系统，其 利用了液态-气态的相变。
[0006] 同样从液态至气态的吸热的相变利用了温差环流-冷却装置，其中冷却剂的环流 基于液态介质和气态介质之间的密度差被动地进行。用于定子的绕组端部的温差环流-冷 却装置由 EP1547228B1 和 US6515383B1 已知。
[0007] 液态/气态介质的被动循环也可以在所谓的热管(Wiimierohren)中进行。热管 包含位于密封封闭空间（例如管）中的介质（例如水），其中管的一端与热源接触并且另一 端与散热片接触。在热源处吸热蒸发的介质由于蒸汽压力降低被传送至散热片，其中其被 冷凝并且由于毛细力被再次传送至热源。用于电机的不同实施形式的热管-定子冷却装置 由 DE10258778A、US5808387A、JP60257739A 和 JP57062754A 已知。
[0008] 最后已知在不同的冷却应用中使用潜热存储器。潜热存储器使用所谓的相变材料 (PCM:phase change material)的可逆的、吸热相变来存储热能。最常见地使用液态-固态 相变，其中热能例如以熔融物热能或溶液热能的形式被存储。作为PCM例如使用石蜡或聚 合物（EP2275510A2, DE102008027207A1, EP2043773B1)，部分以密封形式处于液态载体介质 中。对于温度约为l〇〇°C时适用盐、盐的水合物和它们的混合物（DD294964A5)。PCM例如用 于冷却内燃机（DE19525661C2，DE102008027207A1)，燃料电池（DE10325444A1)或冷却 / 加 热汽车电池和其他蓄电器（DE102010013150A1, DE102010013222A1)。
[0009] 此外，W003/090254A2描述了使用相变材料来冷却电动机或发电机，其中所述PCM 与绕组直接接触，尤其在绕组间隙中和直接绕组周围中。DE102009027857A1描述了一种包 含PCM的用于机电装置（例如启动器发动机）的冷却设备，其中，材料的相变温度位于机器 的运行温度范围中。冷却设备在壳体外部靠近定子设置或者大量的这种PCM冷却设备存在 于壳体内部用于冷却启动器的不同的部件。按照US7629716B2,电磁设备的定子被嵌入固态 的相变材料中，该相变材料此外包围热管。
[0010] 电机的其他问题范围涉及的是机器或其部件的传感式的温度监测。为了检测定子 的绕组端部的温度通常在绕组中使用大多通过PTFE包层保护的传感器。传感器在最简单 的情况中包含双金属、但是至多一种半导体（"冷导体"PTC或"热导体"NTC)或者铂电阻 (PT100)。在所述序列中，传感器的精度提高，但是其成本也提高。除了双金属传感器，所有 系统使用随着温度线性增大的欧姆电阻。理想的传感器应该在关注的温度范围中具有在 温度和电阻之间尽可能线性的关联，也就是尽可能线性的特征曲线，并且对温度改变快速 地响应，用于快速地触发冷却措施。已知的传感器常常在较大的温度范围上（例如从-20 至200°C)不具有线性的特征区域。此外还期望传感器更快的响应特性和更长的寿命。
[0011] 因此本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于电机（例如电动机和发电 机）、和尤其用于其定子的冷却设备，其实现了更好和更可靠的冷却。该冷却设备还应该理 想地简单实施传感式的温度检测。
[0012] 所述技术问题至少部分地通过按照独立权利要求所述的冷却设备以及具有这种 冷却设备的电机解决。本发明优选的技术方案由从属权利要求所述的特征得出。
[0013] 按照本发明的用于冷却电机的部件的冷却设备包括由至少两种相变材料（PCM) 构成的组合，它们在相变温度时具有可逆的、热感应的、吸热的相变。其中，第一相变材料的 第一相变温度I tel位于待冷却部件的非临界的运行温度范围内。第二相变材料的第二相变 温度Ite2位于第一相变温度之上。
[0014] 通过按照本发明的至少两种PCM的组合可以进行相关部件的多级的冷却，其中， 第一冷却级通过第一相变材料的相变实现并且由于第一相变温度I tel位于部件的非临界的 运行温度范围中可以保证在正常运行中的排热。其中，在本发明的范畴中非临界（或正常） 的运行温度范围理解为一种范围，其中即使在长期的或持续的存在时也不会出现部件的材 料损伤。非临界的运行温度范围尤其对应部件或电机的整个（许用的）运行特征曲线，其 在电动机的情况中例如通过许用载荷和转速定义。通过第二相变材料，其相变温度I te2例 如比第一相变材料的相变温度Itel高至少20K、尤其至少25K，进行在更高温度时使用的第 二冷却级。第二PCM的相变温度处于高于正常运行温度范围的温度中，其中第二相变温度 在短期内（例如小于等于1分钟）是可承受的，但是其长期的维持将导致待冷却部件的损 伤。
[0015] 借助PCM的内在或固有冷却的优点还包括更小的结构空间需求以及相对独立的 冷却，其例如避免了现有技术中由于冷却水的突然流动导致的冲击式的温度下降。通过避 免冲击式温度变化应力可以阻止绕组的绝缘材料中的裂缝。
[0016] 所使用的相变材料的数量不局限于两种，而是在本发明的范畴中也可以更多。在 一种优选的实施形式中，冷却设备还包括具有第三相变温度T trt的第三相变材料，其位于第 二相变温度Ite2之上（例如比第一相变温度大至少10K、尤其至少15K)。通过施加第三相 变材料可以实现第三冷却级。在另一种优选的技术方案中，第三相变材料的第三相变温度 位于一温度范围中，其上限由待冷却部件的临界极限温度限定，并且比其低最多40K。通过 这种方式当构件温度接近临界的极限温度时激活第三冷却级。
[0017] 在冷却设备一种特殊的技术方案中，第一相变材料的相变温度1^在40至140°C 之间，尤其在40至120°C之间。在相变浆（参照以下说明）的情况中，其中实际相变材料细 微地分散在液态的载体介质中，上限温度有利地根据载体介质的沸点（T b)设定，用于避免 载体介质的蒸发并且因此避免压力升高，也就