DE102012220557A1

DE102012220557A1 - Kühlung für elektromechanische Wandler

Info

Publication number: DE102012220557A1
Application number: DE102012220557.8A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Danov; Bernd Gromoll
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2014-05-15
Also published as: WO2014072341A2; WO2014072341A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Wandler (1), insbesondere für Flug- und Fahrzeugantriebe, welcher zumindest einen Einlass (2) und einen Auslass (3) für zumindest eine hohle Leitung (4) zur Aufnahme eines Kühlfluids (5) aufweist, wobei die hohle Leitung (4) in oder an einem Rotor (6) und/oder einem Stator (7) und/oder einer Welle (8) und/oder einem Gehäuse (9) des elektromechanischen Wandlers (1) anordenbar ist, und wobei die hohle Leitung (4) als Verdampfer (10) zur Aufnahme von Wärmeenergie aus dem elektromechanischen Wandler (1) mittels des Kühlfluids (5) eingerichtet ist. Durch Kühlen ist es möglich den Wirkungsgrad des elektromechanischen Wandlers (1) zu steigern und eine kompaktere Bauweise zu ermöglichen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlung für elektromechanische Wandler.
Elektromechanische Wandler sind schon seit längerem bekannt. Beispielsweise ist ein Elektromotor ein solcher elektromechanischer Wandler, der elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. Dabei wird eine Kraft, die von einem Magnetfeld auf stromdurchflossene Leiter einer Spule ausgeübt wird, in Bewegung umgesetzt. Solche Elektromotoren werden zum Antrieb verschiedener Arbeitsmaschinen und Fahrzeuge – vor allem Schienenfahrzeuge, Oberleitungsbusse, Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge – eingesetzt.
In einem elektromechanischen Wandler fallen verschiedene Verluste an. Die dabei auftretende Verlustleistung muss abgeführt werden, damit sich der elektromechanische Wandler nicht überhitzt. Nicht zuletzt sind die Verluste sowie die zulässige Erwärmung Randbedingungen für die Bestimmung der Größe eines Motors. Zu den Verlusten tragen Wirbelstromverluste durch geblechte Eisenpakete, Ummagnetisierungsverluste wegen Hysterese, Reibungsverluste durch Lager und Dichtungen usw. bei, die eine Erwärmung des elektromechanischen Wandlers verursachen. Die damit verbundene Temperaturerhöhung hat eine große Auswirkung auf die Effizienz des elektromechanischen Wandlers. Generell bedeutet eine erhöhte Temperatur automatisch einen höheren elektrischen Widerstand der Leiter in den Wicklungen, was wiederum zu der Erhöhung Ohmscher Verluste in dem elektromechanischen Wandler führt. Aus den oben genannten Gründen ist eine Kühlung von elektrischen Antrieben bzw. elektromechanischen Wandlern erforderlich.
Allerdings bieten die bisherigen Konzepte zur Kühlung von elektromechanischen Wandlern noch viel Verbesserungspotential. Zu den bisherigen Konzepten zur Kühlung gehört beispielsweise eine indirekte Kühlung, bei der das Gehäuse des elektromechanischen Wandlers luftgekühlt wird. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, dass Teile des elektromechanischen Wandlers, die sich beispielsweise in der Mitte des elektromechanischen Wandlers befinden, ungenügend gekühlt werden.
In einem anderen Fall wird mit Hilfe eines geöffneten Gehäuses gekühlt. Allerdings gelangen dadurch Schmutzpartikel in den elektromechanischen Wandler, die zu höheren Reibverlusten führen können.
Neuere Entwicklungen bedienen sich einer Direktwasserkühlung der Welle oder einer Thermosiphonkühlung. Allerdings stellt eine Direktwasserkühlung erhöhte Anforderungen an das Design des elektromechanischen Wandlers und ist kostspielig.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen elektromechanischen Wandler bereitzustellen, der eine kompakte Bauweise aufweist und gegenüber herkömmlichen elektromechanischen Wandlern einen höheren Wirkungsgrad aufweist.
Diese Aufgabe wird mittels eines elektromechanischen Wandlers gelöst, welcher zumindest einen Einlass und einen Auslass für zumindest eine hohle Leitung zur Aufnahme eines Kühlfluids aufweist, wobei die hohle Leitung in oder an einem Rotor und/oder einem Stator und/oder einer Welle und/oder einem Gehäuse des elektromechanischen Wandlers anordenbar ist, und wobei die hohle Leitung als Verdampfer zur Aufnahme von Wärmeenergie aus dem elektromechanischen Wandler mittels des Kühlfluids eingerichtet ist. Ein wesentlicher Vorteil dabei ist, dass elektromechanische Wandler, die mit hohlen Leitern versehen sind direkt mit einem Kühlfluid gekühlt werden können. Dieses kann beispielsweise bei elektromechanischen Wandlern, deren Leiter der Wicklung als kleine Röhrchen ausgeführt sind, besonders effektiv und effizient umgesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist eine solche Kühlung für Antriebe bzw. elektromechanische Wandler, die in einem Kraftfahrzeug oder einem Flugzeug eingebaut werden, da es dort in den meisten Fällen schon eine Wasserkühlung gibt. In anderen Worten sieht die Erfindung vor, dass ein hohler Leiter oder ein hohles Gehäuse sowie eine hohle Welle eines elektromechanischen Wandlers als Verdampfer einer Wärmepumpe genutzt wird. Dadurch ist es auf einfache Art und Weise möglich, die Effizienz eines elektrischen Antriebes bzw. eines elektromechanischen Wandlers zu erhöhen. Darüber hinaus können solche elektromechanische Wandler kompakter hergestellt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der elektromechanische Wandler eingerichtet, über den Auslass der Leitung das Kühlfluid zum Komprimieren an einen Kompressor zu leiten, der wiederum das Kühlfluid zur Wärmeabgabe einem Kondensator zuführt, von dem es anschließend an eine Drossel zum expandieren weiterleitbar ist, und von der Drossel erneut über den Einlass, der als Verdampfer wirkenden hohlen Leitung des elektromechanischen Wandlers, zur Aufnahme von Wärmeenergie zuführbar ist.
In anderen Worten macht sich der elektromechanische Wandler die Eigenschaften einer Kompressionskältemaschine zunutze. Dabei wird der Effekt der Verdampfungswärme bei einem Wechsel des Aggregatszustandes von flüssig zu gasförmig genutzt. Das Kühlfluid, das in einem geschlossenen Kreislauf bewegt wird, erfährt dabei nacheinander verschiedene Aggregatszustandsänderungen. Dabei wird in diesem Fall das gasförmige Kühlfluid zunächst durch einen Kompressor komprimiert. Vom Kompressor aus, wird das Kühlfluid unter Wärmeabgabe einem Kondensator zugeführt. Anschließend wird das flüssige Kühlfluid an eine Drossel zum Expandieren weitergeleitet, wobei sich gleichzeitig dessen Druck verringert. Das nun entspannte Kühlfluid wird erneut über den Einlass der als Verdampfer wirkenden hohlen Leitung des elektromechanischen Wandlers zur Aufnahme von Wärmeenergie zugeführt. Der oben beschriebene Kreislauf kann nun von vorne beginnen. Der Prozess muss von außen durch Zufuhr von mechanischer Arbeit über den Kompressor in Gang gehalten werden. Auf diese Art und Weise nimmt das Kühlfluid eine Wärmeleistung – hier über die als Verdampfer wirkende hohle Leitung des elektromechanischen Wandlers – auf einem niedrigen Temperaturniveau auf und gibt anschließend die Wärmeleistung unter Zufuhr von mechanischer Arbeit – von dem Kompressor – auf einem höheren Temperaturniveau an die Umgebung ab. Dabei erhöht sich die Effizienz der als Kompressionskältemaschine wirkenden Kühlung des elektromechanischen Wandlers mit sinkenden Temperaturen der Umgebung. Dieses trifft insbesondere bei Kühlern von Flugzeugen zu, da diese einer sehr niedrigen Umgebungstemperatur ausgesetzt sind.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, ist der elektromechanische Wandler derart eingerichtet, dass über den Auslass der Leitung das Kühlfluid mittels einer Strahlpumpe zu entnehmen ist, in dem mittels eines beschleunigten Treibmediums der Strahlpumpe ein Unterdruck erzeugbar ist und dadurch das sich expandierende Kühlfluid über den Auslass ansaugbar ist, und wobei das angesaugte Kühlfluid mit dem Treibmedium von der Strahlpumpe einem Kondensator zum Abkühlen zuführbar ist, von dem es anschließend erneut über den Einlass der hohlen Leitung zum Verdampfer zuführbar ist. Ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass kein Kompressor, sondern nur eine vergleichsmäßig einfach gebaute Pumpe benötigt wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Treibmedium der Strahlpumpe eine ionische Flüssigkeit. Da ionische Flüssigkeiten nur einen äußerst geringen Dampfdruck aufweisen, ist es möglich, mit einer Strahlpumpe einen starken Unterdruck zum Ansaugen des Kühlfluids aus der hohlen Leitung des elektromechanischen Wandlers zu erreichen. Dieser Effekt wird dazu genutzt, das Kühlfluid zu verdampfen. Dabei wird beim Verdampfen des Kühlfluids der Umgebung Wärme entzogen. Auf diese Weise wird die Kühlung des elektromechanischen Wandlers erreicht.
Um die Wirksamkeit der Kühlung zu erhöhen, ist das Kühlfluid eine leicht flüchtige Substanz. Dadurch kann besonders effektiv und effizient gekühlt werden.
Ein Kondensator, der als separater Kühler eines Fahrzeugs ausgebildet ist oder bereits in einem Kühler eines Fahrzeugs integriert ist, kann vorteilhaft zur Kühlung des elektromechanischen Wandlers – elektrischen Antriebs – des Fahrzeugs selbst verwendet werden. Dadurch kann Bauraum und Gewicht beim Fahrzeug eingespart werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Kondensator des elektromechanischen Wandlers – elektrischen Antriebs – als separater Kühler eines Flugzeugs ausgebildet oder in einem bereits vorhandenen Kühler eines Flugzeugs integriert. Hierbei kann beim Bauraum des Flugzeugs eingespart werden und gleichzeitig Gewicht reduziert werden.
Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausführungsformen anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen elektromechanischen Wandler mit einer integrierten hohlen Leitung zum Kühlen, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Prinzipskizze einer Strahlpumpe zum Kühlen eines elektromechanischen Wandlers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und deren Implementation.
In 1 wird ein elektromechanischer Wandler 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der elektromechanische Wandler 1 ist in der in 1 dargestellten Ausführungsform als elektrischer Antrieb ausgebildet. Vereinfacht werden dabei die wesentlichen Komponenten des elektromechanischen Wandlers 1 gezeigt. Dabei handelt es sich um einen auf einer Welle 8 befindlichen Rotor 6 der innerhalb eines Stators 7 drehbar gelagert ist, wobei die einzelnen Komponenten in einem Gehäuse 9 aufgenommen sind.
Beim Betrieb des elektromechanischen Wandlers 1 treten Verlustleistungen auf, die zu einer Erwärmung der einzelnen Komponenten führen und dadurch den Wirkungsgrad des elektromechanischen Wandlers 1 vermindern. Um dem entgegenzuwirken ist bei dieser Ausführungsform der Stator 7 mit hohlen Leitungen 4 versehen, die zur Aufnahme und Leitung eines Kühlfluids 5 geeignet sind. In der 1 wird vereinfachend nur eine hohle Leitung 4 dargestellt, um die Funktionsweise einer Kühlung des elektromechanischen Wandlers 1 zu veranschaulichen.
Um eine möglichst hohe und gleichmäßige Kühlung des elektromechanischen Wandlers 1 zu ermöglichen, kann der elektromechanische Wandler 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bei mehreren oder allen Komponenten des elektromechanischen Wandlers 1 hohle Leitungen 4 zur Aufnahme des Kühlfluids 5 aufweisen. Die hohle Leitung 4 verfügt über einen Einlass 2 und einen Auslass 3, durch welche ein Kühlfluid 5 einer hohlen Leitung 4 zu- bzw. abgeführt wird. Dabei übernimmt die hohle Leitung 4 die Funktion eines Verdampfers 10 zur Aufnahme von Wärmeenergie aus dem elektromechanischen Wandler 1 mittels des darin befindlichen Kühlfluids 5. Über den Einlass 2 bzw. den Auslass 3 ist die als Verdampfer 10 wirkende hohle Leitung 4 an einen Kreislauf angeschlossen, dessen weitere Komponenten sich zu einer Kompressionskältemaschine ergänzen.
Anhand der Pfeile in 1 wird die Richtung eines Kreislaufs veranschaulicht, bei dem das Kühlfluid 5 nacheinander verschiedene Aggregatszustandänderungen durchläuft. Dabei wird das von dem elektromechanischen Wandler 1 in seiner hohlen Leitung 4 erhitze Kühlfluid 5 über den Auslass 3 einem Kompressor 11 zugeführt, der das Kühlfluid 5 komprimiert – verflüssigt – und an einen Kondensator 12 weiterleitet, bei dem das Kühlfluid 5 unter Wärmeabgabe abgekühlt wird. Anschließend wird das Kühlfluid 5 über eine Drossel 13 expandiert, wobei das Kühlfluid 5 wieder in einen gasförmigen Zustand übergeführt wird. In einem weiteren Schritt wird das gekühlte Fluid 5 über einen Einlass 2 erneut der als Verdampfer 10 wirkenden hohlen Leitung 4 zugeführt. Das Kühlfluid 5 kann nun erneut Wärmeenergie des elektromechanischen Wandlers 1 aufnehmen. Damit beginnt der oben beschriebene Kreislauf von vorn.
Um den Kreislauf am Laufen zu halten, ist die Zufuhr von mechanischer Arbeit über den Kompressor 11 notwendig. Dabei ist die zur mechanischen Arbeit notwendige Energie geringer als die durch die Kühlung des elektromechanischen Wandlers 1 gewonnene Energie.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei im darin dargestellten Fall die Kühlung des Kühlfluids 5 mittels einer Strahlpumpe 14 erfolgt. Vereinfachend wird in 2 lediglich die als Verdampfer 10 wirkende hohle Leitung 4 zur Aufnahme von Wärmeenergie aus dem elektromechanischen Wandler 1 mittels eines Kühlfluids 5 gezeigt. Dabei ist die Strahlpumpe 14 eine Pumpe, in der die Pumpwirkung durch einen weiteren Fluidstrahl hier einem Treibmedium erzeugt wird, der durch Impulsaustausch ein anderes Medium hier das Kühlfluid 5 ansaugt, beschleunigt und verdichtet/fördert. Die Strahlpumpe 14 ist sehr einfach aufgebaut und deswegen besonders robust, wartungsarm und vielseitig einsetzbar. In der vorliegenden Ausführungsform wird als Treibmedium 15 eine ionische Flüssigkeit verwendet. Ionische Flüssigkeiten weisen einen äußert geringen Dampfdruck auf und ermöglichen dadurch der Strahlpumpe 14 besonders tiefe Drücke – Saugdrücke – zu erreichen. Das Treibmedium 15 wird mit sehr hoher Geschwindigkeit durch die Strahlpumpe 14 getrieben, wobei in der Strahlpumpe ein Unterdruck entsteht, der das in der als Verdampfer 10 wirkenden hohlen Leitung 4 erhitze Kühlfluid 5 aus der hohlen Leitung 4 des elektromechanischen Wandlers 1 heraussaugt und zusammen mit dem Treibmedium 15 einem Kondensator 12 zuführt. Dadurch, dass das Kühlfluid 5 – eine leicht flüchtige Substanz ist – wird diese aus dem Verdampfer 10 angesaugt. Die zum Verdampfen nötige Wärmeenergie wird einem Kühlfluid im Verdampfer 10, entzogen wobei sich das Kühlfluid bzw. der elektromechanischen Wandler 1 abkühlt.
In dem Kondensator 12 wird der Dampf verflüssigt und das entstandene Gemisch aus Kühlfluid 5 und Treibmedium 15 anschließend über eine Drossel 13 entspannt. Anschließend wird das Gemisch dem Verdampfer 10 erneut über den Einlass 2 zugeführt. Im Verdampfer 10 erfolgt dann durch Verdampfen wieder die Trennung des Kühlfluids 5 von dem Treibmedium 15. Anschließend beginnt der Kreislauf von vorn. Diese Art der Kühlung benötigt keinen Kompressor sondern nur eine vergleichsmäßig einfache Pumpe bzw. Strahlpumpe 14. Dadurch erlaubt die in 2 dargestellte Ausführungsform höhere Kostenersparnisse beim Betrieb.
Vorzugsweise werden die in 1 und 2 dargestellten Kondensatoren 12 als Teil eines Fahrzeugs oder Flugzeugs realisiert. Beispielsweise kann ein Kondensator 12 am Rumpf eines Flugzeugs befestigt werden und dabei von der Umgebungsluft gekühlt werden – hier nicht gezeigt.
Im Falle eines Fahrzeugs wird der Kondensator 12 ein Fahrzeugkühler sein. Auf diese Weise ist es möglich, den elektromechanischen Wandler 1 weit unterhalb einer Umgebungstemperatur abzukühlen. Die dazu benötigte Energie fällt weniger ins Gewicht als die Ersparnis, die sich aus der Effizienzerhöhung des elektromechanischen Wandlers 1 ergibt. Eine eventuelle Massenzunahme aufgrund des Kompressors 12 kann durch eine kleinere und kompaktere Bauweise des elektromechanischen Wandlers 1 kompensiert werden.

Claims

Elektromechanischer Wandler (1), insbesondere für Flug- und Fahrzeugantriebe, welcher zumindest einen Einlass (2) und einen Auslass (3) für zumindest eine hohle Leitung (4) zur Aufnahme eines Kühlfluids (5) aufweist, wobei die hohle Leitung (4) in oder an einem Rotor (6) und/oder einem Stator (7) und/oder einer Welle (8) und/oder einem Gehäuse (9) des elektromechanischen Wandlers (1) anordenbar ist, und wobei die hohle Leitung (4) als Verdampfer (10) zur Aufnahme von Wärmeenergie aus dem elektromechanischen Wandler (1) mittels des Kühlfluids (5) eingerichtet ist.
Elektromechanischer Wandler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Wandler (1) eingerichtet ist, über den Auslass (3) der Leitung (4) das Kühlfluid zum Komprimieren an einen Kompressor (11) zu leiten, der das Kühlfluid (5) zur Wärmeabgabe einem Kondensator (12) zuführt, von dem es anschließend an eine Drossel (13) zum Expandieren weiter leitbar ist, und von der Drossel (13) erneut über den Einlass der als Verdampfer (10) wirkenden hohlen Leitung (4) des elektromechanischen Wandlers (1) zur Aufnahme von Wärmeenergie zuführbar ist.
Elektromechanischer Wandler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Wandler (1) eingerichtet ist, über den Auslass (3) der Leitung (4) das Kühlfluid (5) mittels einer Strahlpumpe (14) zu entnehmen, indem mittels eines beschleunigten Treibmediums (15) der Strahlpumpe (14) ein Unterdruck erzeugbar ist und dadurch das sich expandierende Kühlfluid (5) über den Auslass (3) ansaugbar ist, und wobei das angesaugte Kühlfluid (5) mit dem Treibmedium (15) von der Strahlpumpe (14) einem Kondensator (12) zum Abkühlen zuführbar ist, von dem es anschließend erneut über den Einlass (2) der hohlen Leitung (4) zum Verdampfer/n (10) zuführbar ist.
Elektromechanischer Wandler (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibmedium (15) der Strahlpumpe (14) eine ionische Flüssigkeit ist.
Elektromechanischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid (5) eine leicht flüchtige Substanz ist.
Elektromechanischer Wandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (12) als separater Kühler eines Fahrzeugs ausgebildet ist oder in einem Kühler eines Fahrzeugs integriert ist.
Elektromechanischer Wandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (12) als separater Kühler eines Flugzeugs ausgebildet ist oder in einem Kühler eines Flugzeugs integriert ist.