DE102020105788A1

DE102020105788A1 - Cooling concept for direct fluid cooling of vertically installed electrical machines using a phase change material (PCM)

Info

Publication number: DE102020105788A1
Application number: DE102020105788.1A
Authority: DE
Inventors: Patrick Gramann; Jonas Kniel; Peter Maximilian Schnorrenberg; Paul Tullius
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-03-04
Filing date: 2020-03-04
Publication date: 2021-09-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem sich drehenden Rotor, einem mit Wicklungen versehenen Stator, einem Kühlkanal und einem im Kühlkanal strömenden Kühlmittel, wobei die elektrische Maschine senkrecht zur Fahrzeuglängsachse und parallel zur Gravitationskraft eingebaut ist, wobei das Kühlmittel ein Phasenwechselmaterial (PCM) enthält.The invention relates to an electrical machine with a rotating rotor, a stator provided with windings, a cooling duct and a coolant flowing in the cooling duct, the electrical machine being installed perpendicular to the longitudinal axis of the vehicle and parallel to the force of gravity, the coolant containing a phase change material (PCM) .

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to an electrical machine having the features according to the preamble of claim 1.

Da elektrische Maschinen thermisch hoch sensibel sind, ist ein leistungsstarkes Kühlsystem erforderlich. Mit der Temperatur steigt auch der ohmsche Widerstand der Kupferwicklungen, was zu einer höheren Verlustleistung in den Wicklungen führt und den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine verschlechtert. Bei permanenterregten elektrischen Maschinen findet mit steigender Temperatur eine Entmagnetisierung der Dauermagnete statt, bis hin zu einem kompletten Verlust des magnetischen Felds, sobald die sogenannte Curie-Temperatur erreicht ist. Aus diesem Grund können die elektrischen Maschinen oft nur bei 60% der Peakleistung dauerhaft betrieben werden. Daher wird ein effizientes Konzept zur Kühlung von elektrischen Antrieben benötigt.Since electrical machines are highly thermally sensitive, a powerful cooling system is required. The ohmic resistance of the copper windings also increases with the temperature, which leads to a higher power loss in the windings and worsens the efficiency of the electrical machine. With permanently excited electrical machines, the permanent magnets are demagnetized as the temperature rises, up to a complete loss of the magnetic field as soon as the so-called Curie temperature is reached. For this reason, the electrical machines can often only be operated continuously at 60% of the peak power. Therefore, an efficient concept for cooling electric drives is required.

Konzepte zur Kühlung von elektrischen Maschinen gibt es in verschiedenen Ausführungen. Im Wesentlichen sind diese in passive und direkte Konzepte zu unterteilen. Luftgekühlte Konzepte beruhen auf Kühlung der Maschine durch die Umgebungsluft. Passiv flüssigkeitsgekühlte Konzepte sehen eine Kühlung der elektrischen Maschine mit einer Flüssigkeit vor, meist Wasser oder Öl, welche aber keinen Kontakt zu den aktiven Komponenten der elektrischen Maschine hat. Direkte flüssigkeitsgekühlte Konzepte sehen vor, dass die Flüssigkeit in direktem Kontakt, mit beispielsweise der Kupferwicklung oder anderen aktiven Komponenten steht. Voraussetzung für die direkte Kühlung ist eine nichtleitende Flüssigkeit.There are various designs for cooling electrical machines. Essentially, these can be divided into passive and direct concepts. Air-cooled concepts are based on the machine being cooled by the ambient air. Passive liquid-cooled concepts provide for the electrical machine to be cooled with a liquid, usually water or oil, which, however, has no contact with the active components of the electrical machine. Direct liquid-cooled concepts provide that the liquid is in direct contact with, for example, the copper winding or other active components. A non-conductive liquid is required for direct cooling.

Eine Vorrichtung zur direkten Kühlung des Stators einer elektrischen Maschine über ein thermisch leitfähiges Element, welches zwischen dem Gehäuse und dem Spulenende des Stators eingesetzt wird, ist aus der Druckschrift DE 10 2016 007 278 A1 bekannt. Nachteilig bei diesem Kühlkonzept ist es, dass die Spulen des Stators nur einseitig gekühlt werden, wodurch es zu einem erhöhten Temperaturgradienten innerhalb des Stators kommt. Außerdem ist die Kühlung durch Konduktion über das leitfähige Element nicht so effizient wie die Kühlung durch Konvektion. Eine direkte Kühlung des Stators durch Konvektion ist beispielsweise aus der Druckschrift US 2018/0123409 A1 bekannt, wo einen durch die Wicklungen des Stators verlaufenden Kühlkanal das Kühlmittel durch den Stator transportiert.A device for direct cooling of the stator of an electrical machine via a thermally conductive element, which is inserted between the housing and the coil end of the stator, is from the publication DE 10 2016 007 278 A1 known. The disadvantage of this cooling concept is that the coils of the stator are only cooled on one side, which leads to an increased temperature gradient within the stator. In addition, cooling by conduction via the conductive element is not as efficient as cooling by convection. A direct cooling of the stator by convection is for example from the publication US 2018/0123409 A1 known where a cooling channel running through the windings of the stator transports the coolant through the stator.

Aus der EP 3 070 815 A1 ist ein Kühlkonzept bekannt, bei welchem der Stator der elektrischen Maschine über Ausnehmungen, in welchen sich thermisch leitfähige Einlegeteile befinden, gekühlt wird. Nachteilig hier ist der Temperaturgradient, der beim Stator entsteht.From the EP 3 070 815 A1 a cooling concept is known in which the stator of the electrical machine is cooled via recesses in which thermally conductive inserts are located. The disadvantage here is the temperature gradient that arises in the stator.

Bezüglich weiteren Standes der Technik hinsichtlich Kühlkonzepte bei Statoren wird auf die Druckschrift EP 3 070 815 A1 und auf die Druckschrift JP 2016 149 900 A2 verwiesen.With regard to further prior art with regard to cooling concepts for stators, reference is made to the publication EP 3 070 815 A1 and on the print JP 2016 149 900 A2 referenced.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kühlmöglichkeiten ist man heute an Grenzen gestoßen, da die Anforderungen an der Kühlung durch die Weiterentwicklung der elektrischen Maschinen weiter gestiegen sind. Kühlkonzepte für elektrische Maschinen im Bereich der E-Mobilität sollen für eine geringere Temperatur der aktiven Komponenten sorgen. Durch geringe Betriebstemperaturen können höhere Dauerleistungen von der Maschine abverlangt werden. Ein weiter Aspekt eines effektiven Kühlkonzepts ist, dass der ohmsche Widerstand der Wicklungen geringgehalten wird, was der Wirkungsgrad der Maschine, hinsichtlich Wandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie, verbessert. Ein hoher Wirkungsgrad der elektrischen Maschine sorgt für geringe Anforderungen an die Batterie. Des Weiteren können bei permanenterregten Maschinen kostengünstigere Dauermagneten eingesetzt werden, da die Anforderungen an die thermische Stabilität des Magnetfelds sinken und auf den Einsatz von seltenen Erden verzichtet werden kann.The cooling options known from the prior art have now reached their limits, since the requirements for cooling have increased further due to the further development of electrical machines. Cooling concepts for electrical machines in the field of e-mobility should ensure a lower temperature of the active components. Due to the low operating temperatures, higher continuous outputs can be demanded from the machine. Another aspect of an effective cooling concept is that the ohmic resistance of the windings is kept low, which improves the efficiency of the machine in terms of converting electrical energy into mechanical energy. A high degree of efficiency of the electric machine ensures low demands on the battery. In addition, more cost-effective permanent magnets can be used in permanently excited machines, since the requirements for the thermal stability of the magnetic field are reduced and the use of rare earths can be dispensed with.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere ein Kühlkonzept anzugeben, das eine hohe und effiziente Wärmeabfuhr aus dem Stator erlaubt.Proceeding from this, the present invention is based on the object of at least partially overcoming the problems known from the prior art and, in particular, of specifying a cooling concept that allows high and efficient heat dissipation from the stator.

Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.This object is achieved with the features of independent claim 1. Further advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims. The features listed individually in the dependently formulated claims can be combined with one another in a technologically meaningful manner and can define further embodiments of the invention. In addition, the features specified in the claims are specified and explained in more detail in the description, with further preferred embodiments of the invention being presented.

Das Kühlkonzept zur Kühlung von vertikalen elektrischen Maschinen durch Phasenübergang von PCM mit direktem Kontakt beruht auf der Ausnutzung der latenten Wärme des PCMs. Der Phasenwechsel des PCMs vom flüssigen in den gasförmigen Zustand verbraucht dabei Wärmeenergie in Höhe der spezifischen Verdampfungsenthalpie des Fluids. Der Phasenwechsel des PCMs vom festen in den flüssigen Zustand verbraucht dabei Wärmeenergie in Höhe der spezifischen Schmelzenthalpie des Fluids.The cooling concept for cooling vertical electrical machines through phase transition of PCM with direct contact is based on the utilization of the latent heat of the PCM. The phase change of the PCM from the liquid to the gaseous state consumes thermal energy in the amount of the specific enthalpy of vaporization of the fluid. The phase change of the PCM from the solid to the liquid state consumes thermal energy in the amount of the specific melting enthalpy of the fluid.

Vorteilhafterweise wird beim Stator Wärme sowohl über sensible als auch über latente Wärmespeicherung entnommen. Das Kühlmittel wird dem elektrischen Motor über einen Kühlkanal eingeführt. Bis zur Phasenübergangstemperatur des im Kühlmittel enthaltenen PCMs wird dem Stator Wärme über eine sensible Wärmespeicherung entzogen. Wenn das PCM des Kühlmittels die Phasenübergangstemperatur erreicht hat, wird dem Stator Wärme zusätzlich über eine latente Wärmespeicherung im Kühlmittel entzogen, indem das PCM die Phase wechselt. Insbesondere durch die latente Wärmespeicherung des PCMs sind höhere Energiespeicherdichten als mit der aus dem Stand der Technik bekannten sensiblen Wärmespeicherung erreichbar, da es für den Phasenübergang des PCMs eine höhere Energiemenge benötigt wird, die aus dem Stator zum Zweck der Kühlung entzogen werden kann. Insbesondere ist das Kühlmittel ein Phasenwechselfluid, das bei einer bestimmten Temperatur seine Phase ändert und dabei je nach Wärmezufuhr oder Wärmeabfuhr Phasenwechselenthalpie aufnimmt oder abgibt.Advantageously, heat is extracted from the stator via both sensible and latent heat storage. The coolant is introduced into the electric motor through a cooling duct. Up to the phase transition temperature of the PCM contained in the coolant, heat is extracted from the stator via sensible heat storage. When the PCM of the coolant has reached the phase transition temperature, heat is also extracted from the stator via latent heat storage in the coolant, as the PCM changes phase. In particular, through the latent heat storage of the PCM, higher energy storage densities can be achieved than with the sensible heat storage known from the prior art, since a higher amount of energy is required for the phase transition of the PCM, which can be withdrawn from the stator for the purpose of cooling. In particular, the coolant is a phase change fluid that changes its phase at a certain temperature and, depending on the supply or removal of heat, absorbs or emits phase change enthalpy.

Das Kühlmittel zur Kühlung der elektrischen Maschine besteht vorteilhafterweise ausschließlich aus einem PCM oder ausschließlich aus einer Mischung mehrerer PCM. Der Phasenübergang des PCMs kann von einer flüssigen Phase auf einer gasförmigen Phase erfolgen. Dadurch kann man im Kühlkreislauf die gasförmige von der flüssigen Phase des Kühlmittels trennen und den Kühlkreislauf darauf optimieren. Beispielsweise kann man im Bereich des Kühlkreislaufs, bei welchem das Kühlmittel in der gasförmigen Phase strömt, druckresistente Leitungen und Überdruckventile einbauen. Weiter kann man im Bereich des Kühlkreislaufs, bei welchem das Kühlmittel in der flüssigen Phase strömt, Rückschlagventile einbauen, damit das Kühlmittel in die gleiche Richtung fließt. Die Temperatur des Fluids kann nicht über die Siedetemperatur steigen, sodass sämtliche Wärmeenergie über dem Siedetemperaturniveau für den Phasenübergang aufgewendet wird. Weiterhin kann die Siedetemperatur durch den Systemdruck variiert werden.The coolant for cooling the electrical machine advantageously consists exclusively of one PCM or exclusively of a mixture of several PCMs. The phase transition of the PCM can take place from a liquid phase to a gaseous phase. This allows you to separate the gaseous from the liquid phase of the coolant in the cooling circuit and optimize the cooling circuit accordingly. For example, in the area of the cooling circuit in which the coolant flows in the gaseous phase, pressure-resistant lines and pressure relief valves can be installed. Furthermore, check valves can be installed in the area of the cooling circuit in which the coolant flows in the liquid phase so that the coolant flows in the same direction. The temperature of the fluid cannot rise above the boiling temperature, so that all thermal energy above the boiling temperature level is used for the phase transition. Furthermore, the boiling point can be varied through the system pressure.

Das Konzept sieht einen vertikalen Einbau der elektrischen Maschine vor. Unter vertikalem Einbau wird gemeint, dass die Rotorwelle der elektrischen Maschine senkrecht zu einer Längsachse des Fahrzeugs und somit parallel zu der Richtung der Gravitationskraft eingebaut ist, wodurch das Kühlmittel ablaufen kann. Zusätzlich entsteht eine gleichmäßige Fluidverteilung entsteht und das Kühlmittel kann in der gasförmigen Phase leichter entweichen. Zusätzlich kann der Kühlkreis um eine Kühlung der Leistungselektronik erweitert werden.The concept provides for the electrical machine to be installed vertically. Vertical installation means that the rotor shaft of the electrical machine is installed perpendicular to a longitudinal axis of the vehicle and thus parallel to the direction of the gravitational force, as a result of which the coolant can run off. In addition, the fluid is evenly distributed and the coolant can more easily escape in the gaseous phase. In addition, the cooling circuit can be expanded to include cooling for the power electronics.

In einer weiteren Ausführungsform besteht das Kühlmittel aus einem PCM und einem flüssigen Kühlmittel. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die latente Wärmespeicherung des PCMs durch den Phasenübergang fest-flüssig, den Phasenübergang flüssig-gasförmig oder beide Phasenübergänge fest-flüssig und flüssig-gasförmig. Das PCM ist mit dem flüssigen Kühlmittel derart zusammengemischt, dass es sowohl zu einer sensiblen als auch zu einer latenten Wärmespeicherung kommt. Außerdem sind hier die Druckanforderungen im System nicht so hoch wie bei einem System, wo das Kühlmittel ausschließlich aus einem PCM besteht.In a further embodiment, the coolant consists of a PCM and a liquid coolant. In this embodiment, the latent heat storage of the PCM takes place through the solid-liquid phase transition, the liquid-gas phase transition, or both solid-liquid and liquid-gaseous phase transitions. The PCM is mixed with the liquid coolant in such a way that both sensible and latent heat storage occurs. In addition, the pressure requirements in the system are not as high as in a system where the coolant consists exclusively of a PCM.

Vorteilhafterweise liegt die Phasenübergangstemperatur des PCMs unter der im Betrieb der elektrischen Maschine maximal erreichbaren Temperatur des Stators, in der Regel bis maximal 50°C unter der maximal erreichbaren Temperatur des Stators, bevorzugt 30°C unter dieser Temperatur, besonders bevorzugt 20°C unter dieser Temperatur.The phase transition temperature of the PCM is advantageously below the maximum achievable temperature of the stator during operation of the electrical machine, usually up to a maximum of 50 ° C below the maximum achievable temperature of the stator, preferably 30 ° C below this temperature, particularly preferably 20 ° C below this Temperature.

Im Zuge einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kühlmittel eine fließfähige nicht elektrisch leitfähige Flüssigkeit ist, beispielsweise eine High-Tech-Flüssigkeit 3M™ Novec™ oder dergleichen.In the course of a preferred embodiment of the invention it is provided that the coolant is a flowable, non-electrically conductive liquid, for example a high-tech liquid 3M ™ Novec ™ or the like.

Die aus der elektrischen Maschine über das Kühlmittel entzogene Wärme wird durch den Kühlkreislauf bis zu einem Wärmetauscher transportiert. Der Wärmetauscher, beispielsweise ein Kondensator, kühlt das Kühlmittel ab und führt es wieder in die elektrische Maschine ein.The heat extracted from the electrical machine via the coolant is transported through the cooling circuit to a heat exchanger. The heat exchanger, for example a condenser, cools the coolant and feeds it back into the electrical machine.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform übergreift der Kühlkanal den Stator radial außen in axialer Richtung.In a particularly preferred embodiment, the cooling channel overlaps the stator radially on the outside in the axial direction.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform umgibt der Kühlkanal den Stator komplett. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Kühlkanal mit dem Stator großflächig in Kontakt ist, um optimale Bedingungen für die Wärmeübertragung zu haben und den Temperaturgradienten innerhalb des Stators zu minimieren.In a further particularly preferred embodiment, the cooling channel completely surrounds the stator. It is particularly advantageous if the cooling duct is in contact with the stator over a large area in order to have optimal conditions for heat transfer and to minimize the temperature gradient within the stator.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform verläuft der Kühlkanal durch die Wicklungen des Stators. Somit wird eine direkte Kühlung der Wicklungen erreicht.In a further particularly preferred embodiment, the cooling channel runs through the windings of the stator. Direct cooling of the windings is thus achieved.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform steht ein Flüssigkeitspegel der flüssigen Phase des Kühlmittels im Ruhezustand der elektrischen Maschine über die Wicklungen des Stators. Das bedeutet, dass der Flüssigkeitspegel mindestens auf gleiche vertikale Höhe wie die oberste Wicklung ist. Je höher der Flüssigkeitspegel ist, desto besser werden Zentrifugalkräfte innerhalb des Kühlkanals kompensiert, um während des Betriebs der elektrischen Maschine eine Wärmeübertragung vom ganzen Wicklungsbereich auf das Kühlmittel gewährleisten zu können.In a further particularly preferred embodiment, a liquid level of the liquid phase of the coolant in the idle state of the electrical machine is above the windings of the stator. This means that the liquid level is at least at the same vertical height as the top winding. The higher the liquid level, the better centrifugal forces are compensated within the cooling channel in order to be able to ensure heat transfer from the entire winding area to the coolant during operation of the electrical machine.

Die Kühlung erfolgt durch ein Kühlmittel, welches direkten Kontakt mit der Kupferwicklung der Maschine hat. Dabei wird das Kühlmittel in die Nuten des Stators der Maschine geleitet. Das Fluid wird bei Bedarf innerhalb der Nuten verdampft und in einem externen Kondensator oder Wärmetauscher wieder verflüssigt.The cooling is done by a coolant which is in direct contact with the copper winding of the machine. The coolant is fed into the slots in the stator of the machine. If necessary, the fluid is evaporated within the grooves and liquefied again in an external condenser or heat exchanger.

Die Erfindung soll nun beispielhaft anhand von Figuren veranschaulicht werden. Es zeigen:

1 eine elektrische Maschine mit einem Kühlkanal nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
2 einen erfindungsgemäßen Kühlkreislauf mit einer elektrischen Maschine gemäß 1,
3 eine elektrische Maschine mit einem Kühlkanal nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
4 einen erfindungsgemäßen Kühlkreislauf mit einer elektrischen Maschine gemäß 2

The invention will now be illustrated by way of example with the aid of figures. Show it:

1 an electrical machine with a cooling channel according to a first embodiment of the invention,
2 a cooling circuit according to the invention with an electrical machine according to 1 ,
3 an electrical machine with a cooling duct according to a second embodiment of the invention,
4th a cooling circuit according to the invention with an electrical machine according to 2

In 1 ist ein schematischer Aufbau einer elektrischen Maschine 1 dargestellt. Die elektrische Maschine 1 ist senkrecht zur Fahrzeuglängsachse und parallel zur Gravitationskraft eingebaut. Die elektrische Maschine 1 kann eine Permanentmagnetsynchronmaschine oder eine Elektrosynchronmaschine oder eine Reluktanzmaschine sein. In 1 stellt eine Rotationsachse 6 auch eine Symmetrieachse der Darstellung dar. Die elektrische Maschine 1 umfasst einen Stator 3, in welchem Wicklungen 8 elektrischer Spulen angeordnet sind. Im Inneren des Stators 3 befindet sich ein Rotor 2, der drehfest mit einer Welle 5 verbunden ist. Die Welle 5 ist um die Rotationsachse 6 drehbar in dem Stator 3 gelagert. Durch die Bestromung der Statorwicklungen entsteht ein magnetisches Feld in einem Luftspalt 7 zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 3.In 1 is a schematic structure of an electric machine 1 shown. The electric machine 1 is installed perpendicular to the vehicle's longitudinal axis and parallel to the gravitational force. The electric machine 1 can be a permanent magnet synchronous machine or an electric synchronous machine or a reluctance machine. In 1 represents an axis of rotation 6th also represents an axis of symmetry of the representation. The electrical machine 1 includes a stator 3 in which windings 8th electrical coils are arranged. Inside the stator 3 there is a rotor 2 that rotates with a shaft 5 connected is. The wave 5 is around the axis of rotation 6th rotatable in the stator 3 stored. The energization of the stator windings creates a magnetic field in an air gap 7th between the rotor 2 and the stator 3 .

Das Kühlmittel 10 wird durch einen in dieser Figur nicht näher dargestellten Kühlkreislauf 11 über einen Eingang 12 auf Höhe der Oberkante des Stators 3 der elektrischen Maschine 1 eingeführt. Ein Kühlkanal 9 verläuft durch die elektrische Maschine 1, um die elektrische Maschine 1 zu kühlen. Der Kühlkanal 9 übergreift den Stator 3 radial außen in axialer Richtung, um eine Kühlung der radialen Außenseite des Stators 3 zu gewährleisten. Der Kühlkanal 9 führt das Kühlmittel 10 des Kühlkreislaufs 11 durch die Wicklungen 8 des Stators 3, um eine direkte Kühlung der Wicklungen 8 zu ermöglichen. Durch das Bauteil 4 wird sichergestellt, dass das Kühlmittel 10 nicht in den Luftspalt 7 gelangen kann, sodass der Rotor 2 trocken bleibt. Nachdem das Kühlmittel 10 durch die Wicklungen 8 des Stators 3 geführt wurde, verlässt das Kühlmittel 10 die elektrische Maschine 1 über den Ausgang 13 und wird dem Kühlkreislauf 11 zurückgeführt. Der Bereich des Kühlkanals 9, wo der Kühlkanal 9 den Stator 3 radial außen in axialer Richtung übergreift, bildet ein Reservoir 14 für die flüssige Phase des Kühlmittels 10. Der Bereich des Kühlkanals 9 nach den Wicklungen 8 des Stators 3, wo sich das Kühlmittel 10 in gasförmige Phase 17 befindet, bildet ein Reservoir für die Dampfphase 15 des Kühlmittels 10.The coolant 10 is through a cooling circuit not shown in detail in this figure 11 via an entrance 12th at the level of the upper edge of the stator 3 of the electric machine 1 introduced. A cooling duct 9 runs through the electric machine 1 to the electric machine 1 to cool. The cooling duct 9 overlaps the stator 3 radially outside in the axial direction in order to cool the radial outside of the stator 3 to ensure. The cooling duct 9 guides the coolant 10 of the cooling circuit 11 through the windings 8th of the stator 3 for direct cooling of the windings 8th to enable. Through the component 4th ensures that the coolant 10 not in the air gap 7th can get so that the rotor 2 stays dry. After the coolant 10 through the windings 8th of the stator 3 the coolant leaves 10 the electric machine 1 over the exit 13th and becomes the cooling circuit 11 returned. The area of the cooling duct 9 where the cooling duct 9 the stator 3 overlaps radially on the outside in the axial direction, forms a reservoir 14th for the liquid phase of the coolant 10 . The area of the cooling duct 9 after the windings 8th of the stator 3 where the coolant is 10 in gaseous phase 17th forms a reservoir for the vapor phase 15th of the coolant 10 .

Die Rückführung des aus dem Ausgang 13 ausgetretenen Kühlmittels 10 erfolgt wieder beim Eingang 12 auf Höhe der Oberkante des Stators 3. Dadurch stellt sich ein Flüssigkeitspegel 18 innerhalb der elektrischen Maschine 1 ein, was ein trockenlaufen der Nuten verhindern soll. Es erfolgt eine direkte Kühlung des Stators 3 ohne Phasenübergang und eine Kühlung des Stators 3 mit Phasenübergang innerhalb der Nut.The return of the from the exit 13th leaked coolant 10 takes place again at the entrance 12th at the level of the upper edge of the stator 3 . This creates a liquid level 18th inside the electrical machine 1 one that should prevent the grooves from running dry. The stator is cooled directly 3 without phase transition and cooling of the stator 3 with phase transition within the groove.

Das Kühlmittel 10 ist ein Phasenwechselfluid. Somit befindet sich das Kühlmittel 10 vor der Entnahme der Wärme der elektrischen Maschine 1 in einer flüssigen Phase 16 und nach der Entnahme der Wärme der elektrischen Maschine 1 in einer gasförmigen Phase 17. Im Ruhezustand der elektrischen Maschine 1, also bei stehender Welle 5 und kalter elektrischen Maschine 1 ist es von Vorteil, wenn der Flüssigkeitspegel 18 des Kühlmittels 10 über den Stator 3 beziehungsweise über die Wicklungen 8 des Stators 3 steht. Somit kann im heißen Zustand der elektrischen Maschine 1 die latente Wärmespeicherung bei allen Wicklungen 8 gewährleistet werden. Der Flüssigkeitspegel 18 des Kühlmittels 10 ist bei dieser Ausführungsform so gewählt worden, dass alle Wicklungen 8 im Ruhezustand der elektrischen Maschine 1 mit dem Kühlmittel 10 in der flüssigen Phase 16 bedeckt sind. Es ist aber auch möglich, den Flüssigkeitspegel 18 höher zu setzen, damit trotz der Wirkung der Zentrifugalkraft bei der rotierenden elektrischen Maschine 1 alle Wicklungen 8 bedeckt werden. Es ist auch möglich, den Flüssigkeitspegel 18 tiefer zu setzen, obwohl in diesem Fall der Bereich der Wicklungen 8, der sich oberhalb des Flüssigkeitspegels 18 befindet, nicht optimal gekühlt werden kann, da sich da das Kühlmittel 10 in gasförmiger Phase 17 befindet.The coolant 10 is a phase change fluid. So there is the coolant 10 before the heat is extracted from the electrical machine 1 in a liquid phase 16 and after removing the heat from the electrical machine 1 in a gaseous phase 17th . In the idle state of the electrical machine 1 , i.e. with a standing wave 5 and cold electric machine 1 it is beneficial if the liquid level 18th of the coolant 10 about the stator 3 or over the windings 8th of the stator 3 stands. Thus, when the electrical machine is hot 1 the latent heat storage in all windings 8th guaranteed. The liquid level 18th of the coolant 10 has been chosen in this embodiment so that all windings 8th in the idle state of the electrical machine 1 with the coolant 10 in the liquid phase 16 are covered. But it is also possible to adjust the liquid level 18th to set higher, despite the effect of centrifugal force on the rotating electrical machine 1 all windings 8th to be covered. It is also possible to change the liquid level 18th to set lower, although in this case the area of the windings 8th that is above the liquid level 18th cannot be optimally cooled because the coolant is there 10 in gaseous phase 17th is located.

2 zeigt einen Kühlkreislauf 11 mit einer elektrischen Maschine 1 gemäß 1. Das Kühlmittel 10, in diesem Fall ein Kühlfluid, tritt aus den Ausgängen 13 der Kühlung der elektrischen Maschine 1 und wird der elektrischen Maschine 1 über einen Kühlkreislauf 11 zurückgeführt. Das Kühlmittel 10 liegt zwischen den Ausgängen 13 der Kühlung der elektrischen Maschine 1 und dem Wärmetauscher 19, hier als Kondensator dargestellt, in einer gasförmigen Phase 17 und nach dem Wärmetauscher 19 bis zu den Eingängen 12 der Kühlung der elektrischen Maschine 1 in einer flüssigen Phase 16. 2 shows a cooling circuit 11 with an electric machine 1 according to 1 . The coolant 10 , in this case a cooling fluid, emerges from the outlets 13th the cooling of the electrical machine 1 and becomes the electric machine 1 via a cooling circuit 11 returned. The coolant 10 lies between the exits 13th the cooling of the electrical machine 1 and the heat exchanger 19th , shown here as a condenser, in a gaseous phase 17th and after the heat exchanger 19th to the entrances 12th the cooling of the electrical machine 1 in a liquid phase 16 .

3 zeigt eine elektrische Maschine 1, ähnlich zu 1, wobei der Kühlkanal 9 den Stator 3 komplett umgibt. In dieser Ausführungsform verläuft das Fluid auch direkt durch die Wicklungen 8 des Stators 3. Der Flüssigkeitspegel 18 des Kühlmittels 10 ist so gewählt worden, dass alle Wicklungen 8 im Ruhezustand der elektrischen Maschine 1 mit dem Kühlmittel 10 in der flüssigen Phase 16 bedeckt sind. Es ist aber auch möglich, den Flüssigkeitspegel 13 höher zu setzen, damit trotz der Wirkung der Zentrifugalkraft bei der rotierenden elektrischen Maschine 1 alle Wicklungen 8 bedeckt werden. Es ist auch möglich, den Flüssigkeitspegel 18 tiefer zu setzen, obwohl in diesem Fall der Bereich der Wicklungen 8, der sich oberhalb des Flüssigkeitspegels 18 befindet, nicht optimal gekühlt werden kann, da sich da das Kühlmittel 10 in gasförmiger Phase 17 befindet. 3 shows an electrical machine 1 , similar to 1 , the cooling channel 9 the stator 3 completely surrounds. In this embodiment, the fluid also runs directly through the windings 8th of the stator 3 . The liquid level 18th of the coolant 10 has been chosen so that all windings 8th in the idle state of the electrical machine 1 with the coolant 10 in the liquid phase 16 are covered. But it is also possible to adjust the liquid level 13th to set higher, despite the effect of centrifugal force on the rotating electrical machine 1 all windings 8th to be covered. It is also possible to change the liquid level 18th to set lower, although in this case the area of the windings 8th that is above the liquid level 18th cannot be optimally cooled because the coolant is there 10 in gaseous phase 17th is located.

4 zeigt einen Kühlkreislauf 11 mit einer elektrischen Maschine 1 gemäß 3. Das Kühlmittel 10, in diesem Fall ein Kühlfluid, tritt aus den Ausgängen 13 der Kühlung der elektrischen Maschine 1 und wird der elektrischen Maschine 1 über einen Kühlkreislauf 11 zurückgeführt. Die Rückführung erfolgt auf höher der Unterkante des Stators 3. Durch eine hier nicht gezeigte Pumpe muss der Flüssigkeitspegel 18 auf der Höhe der Oberkante des Stators 3 gehalten werden. Das Kühlmittel 10 liegt zwischen den Ausgängen 13 der Kühlung der elektrischen Maschine 1 und dem Wärmetauscher 19, hier als Kondensator dargestellt, in einer gasförmigen Phase 17 und nach dem Wärmetauscher 19 bis zu den Eingängen 12 der Kühlung der elektrischen Maschine 1 in einer flüssigen Phase 16. 4th shows a cooling circuit 11 with an electric machine 1 according to 3 . The coolant 10 , in this case a cooling fluid, emerges from the outlets 13th the cooling of the electrical machine 1 and becomes the electric machine 1 via a cooling circuit 11 returned. The return takes place higher up the lower edge of the stator 3 . The liquid level must be measured by a pump not shown here 18th at the level of the upper edge of the stator 3 being held. The coolant 10 lies between the exits 13th the cooling of the electrical machine 1 and the heat exchanger 19th , shown here as a condenser, in a gaseous phase 17th and after the heat exchanger 19th to the entrances 12th the cooling of the electrical machine 1 in a liquid phase 16 .

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: elektrische Maschineelectric machine
22: Rotorrotor
33: Statorstator
44th: BauteilComponent
55: Wellewave
66th: RotationsachseAxis of rotation
77th: LuftspaltAir gap
88th: WicklungenWindings
99: KühlkanalCooling duct
1010: KühlmittelCoolant
1111: KühlkreislaufCooling circuit
1212th: Eingangentry
1313th: Ausgangexit
1414th: Reservoir für FlüssigphaseReservoir for liquid phase
1515th: Reservoir für DampfphaseReservoir for vapor phase
1616: flüssige Phase des Kühlmittelsliquid phase of the coolant
1717th: gasförmige Phase des Kühlmittelsgaseous phase of the coolant
1818th: FlüssigkeitspegelLiquid level
1919th: WärmetauscherHeat exchanger

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102016007278 A1 [0004]
US 2018/0123409 A1 [0004]
EP 3070815 A1 [0005, 0006]
JP 2016149900 A2 [0006]

Claims

Electric machine (1) with a rotating rotor (2), a stator (3) provided with windings (8), a cooling channel (9) and a coolant (10) flowing in the cooling channel (9), the electric machine (1 ) is installed perpendicular to the longitudinal axis of the vehicle and parallel to the force of gravity, characterized in that the coolant (10) contains a phase change material (PCM).

Electric machine (1) according to Claim 1 , characterized in that the coolant (10) consists exclusively of a PCM.

Electric machine (1) according to Claim 1 , characterized in that the coolant (10) consists of a combination of a PCM and a liquid coolant (10).

Electric machine (1) according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the phase transition of the PCM takes place from a liquid phase (16) to a gaseous phase (17).

Electric machine (1) according to Claim 3 , characterized in that the phase transition of the PCM takes place from a solid phase to a liquid phase (16).

Electrical machine (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the phase transition temperature of the PCM is below the maximum temperature of the stator (3) that can be achieved during operation of the electrical machine (1).

Electrical machine (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the coolant (10) flows in a cooling circuit (11), heat being extracted from the coolant (10) by a heat exchanger (19).

Electrical machine (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling channel (9) overlaps the stator (3) radially on the outside in the axial direction and / or completely surrounds it.

Electrical machine (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling channel (9) runs through the windings (8) of the stator (3).

Electrical machine (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a liquid level (18) of the liquid phase (16) of the coolant (10) in the idle state of the electrical machine (1) via the windings (8) of the stator (3) stands.