[发明专利]用于冷却电机的冷却设备以及相应的电机

说明书

本发明涉及一种用于冷却电机的部件的冷却设备以及具有这种冷却设备的电机。

电机(机电转换器)例如是用于汽车的电力驱动马达、启动器、发电机或启动器-发电机，能够将电能转换成机械能(电动机)或将机械能转换成电能(发电机)。这种机电转换基于电磁感应。这种电机包含固定的定子其包含定子核心和安置其上的定子绕组，电机还包含可移动部件，其在最常见结构类型中设计为转子其可旋转地支承在环形构造的定子中。其中，由于转子可移动的磁场而在定子绕组中产生电流(发电机)，或者由于通过定子产生的磁场引起转子的机械运动/旋转(电动机)。

电机在其运行过程中由于介电损失产生废热。废热的产生尤其在定子绕组中出现并且特别在所谓的绕组端部上产生。定子的绕组端部通常由铜线绕组构成，其具有用于电绝缘的主覆层以及用于机械/几何稳定、用于化学保护但也可以用于导热的次级覆层。当前用于最高绝缘等级H所用的材料对于定子绕组的主覆层和次级覆层可以承受的最高温度为180℃。但是在运行中在绕组端部中出现的温度超过200℃。绕组中的热量尤其通过短时的电压高峰产生，其快速升高，也就是具有边缘陡度。在绕组端部中强烈生热的原因在于，侧面绕组股通过紧密贴靠的定子板可以被相对较好地冷却。反而绕组端部大多悬空并且因此不能被有效冷却。所述生热导致了介电损失因素，由此损害了效率并且更多的电能转换成了热能。这种自身加速的效果会导致主覆层的绝缘材料中的电击穿(部分放电)。部分放电导致了电机的寿命的缩短，在最糟的情况中甚至导致其失效。因此需要冷却电机、尤其冷却其定子绕组。

电机的传统冷却基于循环的、尤其液态的冷却剂，其由于其热容能够吸收和传导热量，用于将热量再次输出到热交换器中，通过冷却剂借助泵回引到热源中。

除此之外还已知一种冷却装置，其基于循环的冷却基质的吸热蒸发引起冷却，其中待冷却的部件作为蒸发器发挥功效并且在冷却剂再次输入部件之前冷凝器将冷却剂液化。例如JP60118037A和DE69121054T2描述了这种用 于电动机定子绕组的冷却系统，其利用了液态-气态的相变。

同样从液态至气态的吸热的相变利用了温差环流-冷却装置，其中冷却剂的环流基于液态介质和气态介质之间的密度差被动地进行。用于定子的绕组端部的温差环流-冷却装置由EP1547228B1和US6515383B1已知。

液态/气态介质的被动循环也可以在所谓的热管中进行。热管包含位于密封封闭空间(例如管)中的介质(例如水)，其中管的一端与热源接触并且另一端与散热片接触。在热源处吸热蒸发的介质由于蒸汽压力降低被传送至散热片，其中其被冷凝并且由于毛细力被再次传送至热源。用于电机的不同实施形式的热管-定子冷却装置由DE10258778A、US5808387A、JP60257739A和JP57062754A已知。

最后已知在不同的冷却应用中使用潜热存储器。潜热存储器使用所谓的相变材料(PCM:phase change material)的可逆的、吸热相变来存储热能。最常见地使用液态-固态相变，其中热能例如以熔融物热能或溶液热能的形式被存储。作为PCM例如使用石蜡或聚合物(EP2275510A2,DE102008027207A1,EP2043773B1)，部分以密封形式处于液态载体介质中。对于温度约为100℃时适用盐、盐的水合物和它们的混合物(DD294964A5)。PCM例如用于冷却内燃机(DE19525661C2，DE102008027207A1)，燃料电池(DE10325444A1)或冷却/加热汽车电池和其他蓄电器(DE102010013150A1,DE102010013222A1)。

此外，WO03/090254A2描述了使用相变材料来冷却电动机或发电机，其中所述PCM与绕组直接接触，尤其在绕组间隙中和直接绕组周围中。DE102009027857A1描述了一种包含PCM的用于机电装置(例如启动器发动机)的冷却设备，其中，材料的相变温度位于机器的运行温度范围中。冷却设备在壳体外部靠近定子设置或者大量的这种PCM冷却设备存在于壳体内部用于冷却启动器的不同的部件。按照US7629716B2，电磁设备的定子被嵌入固态的相变材料中，该相变材料此外包围热管。