DE102017212798A1

DE102017212798A1 - Elektromotor mit Kühleinrichtung

Info

Publication number: DE102017212798A1
Application number: DE102017212798.8A
Authority: DE
Inventors: Gabriele Teofili
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2017-07-26
Filing date: 2017-07-26
Publication date: 2019-01-31
Also published as: US11271455B2; US20200144894A1; WO2019020684A1; DE112018003826A5

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einer integrierten Kühleinrichtung, welche als primäres Kühlmittel zum Kühlen von Komponenten des Stators und/oder des Rotors insbesondere Zapfluft einsetzt. Als Zapfluft kommt hierbei die von einem vom Elektromotor angetriebenen Vortriebsmittel, beispielsweise von einem Propeller, beschleunigte Umgebungsluft zum Einsatz. In das Statorgehäuse ist ein Kanalsystem integriert, welches einen oder mehrere Kanäle zum gezielten Führen des primären Kühlmittels zur zu kühlenden Komponente aufweist. Im Fall der Kühlung des Stators ist im Statorgehäuse desweiteren ein beispielsweise ringförmiger und koaxial zum Stator angeordneter Wärmetauscher integriert, dem das primäre Kühlmittel zugeführt wird. Zur Kühlung des Rotors ist eine Kühmittelpassage vorgesehen, die beispielsweise auch den Luftspalt der elektrischen Maschine umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einer integrierten Kühleinrichtung, welche als primäres Kühlmittel insbesondere Zapfluft einsetzt.
Zum Antrieb von Luftfahrzeugen, beispielsweise für Flugzeuge oder Helikopter, werden als Alternative zu den gebräuchlichen Verbrennungskraftmaschinen Konzepte beruhend auf elektrischen Antriebssystemen untersucht und eingesetzt. Ein derartiges elektrisches oder hybrid-elektrisches Antriebssystem weist in der Regel zumindest eine elektrische Maschine auf, die zum Antreiben des Vortriebsmittels des Luftfahrzeugs als Elektromotor betrieben wird. Weiterhin sind eine entsprechende Quelle elektrischer Energie zur Versorgung des Elektromotors sowie in der Regel eine Leistungselektronik vorgesehen, mit deren Hilfe der Elektromotor betrieben wird.
Im Falle eines hybrid-elektrischen Antriebssystems ist desweiteren ein Verbrennungsmotor vorgesehen, der seriell oder parallel in das Antriebssystem integriert ist und beispielsweise einen Generator antreibt, welcher seinerseits elektrische Energie zur Verfügung stellt, die in einer Batterie gespeichert und/oder einem Elektromotor zugeführt werden kann.
Derartige Systeme werden beispielsweise in WO2015106993A1 , WO2015128121A1 oder auch in WO2017025224A1 beschrieben.
Die für derartige mobile Anwendungen einzusetzenden elektrischen Antriebe sowie die entsprechenden Maschinen müssen sich, um die benötigten Leistungen erzeugen zu können, durch extrem hohe Leistungsdichten auszeichnen. Während für viele technische Anwendungen Leistungsdichten in Größenordnungen bis zu 2kW/kg ausreichend sind, werden beispielsweise für die Elektrifizierung der Luftfahrt, d.h. für elektrisch oder hybrid-elektrisch angetriebene Luftfahrzeuge, aber auch für andere -insbesondere mobile- Anwendungen elektrische Maschinen mit Leistungsdichten von mindestens 20kW/kg angestrebt. Eine solche Maschine bzw. ein für eine solche Maschine geeigneter Rotor werden beispielsweise in der DE102016206909 beschrieben.
Für die genannten mobilen Anwendungen werden demnach hochleistungsdichte, elektrische Motoren benötigt, wobei mit steigender Leistungsdichte insbesondere die Kühlung der Maschine eine wesentliche Rolle spielt. Dies wird üblicherweise mit Hilfe von Wärmetauschern oder, wie in der DE102016218741 erläutert, auch mit Hilfe von Wärmerohren erreicht. Es ist jedoch davon auszugehen, dass weitere Ansätze benötigt werden, um eine hocheffiziente Kühlung des Elektromotors zu gewährleisten.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Möglichkeit anzugeben, einen Elektromotor zu kühlen.
Diese Aufgabe wird durch den in Anspruch 1 beschriebenen Elektromotor gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen.
Eine erfindungsgemäße Elektromotoranordnung zum Antreiben eines Vortriebsmittels weist eine Gruppe von Komponenten sowie eine Kühleinrichtung zur Kühlung von zumindest einer der Komponenten auf, wobei die Gruppe als Komponenten zumindest einen Stator mit einem Statorgehäuse sowie einen gegenüber dem Stator rotierbaren Rotor. In dem Statorgehäuse sind ein Blechpaket des Stators sowie eine auf dem Blechpaket angeordnete Statorwicklung angeordnet, und der Rotor weist zumindest ein magnetisches Mittel auf, wobei die Statorwicklung und das magnetische Mittel derart ausgebildet und angeordnet sind, dass sie im Betriebszustand des Elektromotors über einen zwischen ihnen gebildeten Luftspalt elektromagnetisch miteinander wechselwirken. Die Kühleinrichtung weist ein Mittel zum Erzeugen eines beispielsweise radial nach außen orientierten Kühlmittelstroms eines bevorzugt gasförmigen primären Kühlmittels auf sowie ein in dem Statorgehäuse ausgebildetes Kanalsystem zum Aufnehmen und anschließenden Führen des Kühlmittelstroms zu der zu kühlenden Komponente. Insbesondere das Mittel zum Erzeugen des Kühlmittelstroms ist derart ausgebildet und angeordnet, dass es Zapfluft, welche dem Mittel insbesondere, aber nicht notwendigerweise, vom Vortriebsmittel zugeführt wird, als primäres Kühlmittel einsetzt.
Die hier als primäres Kühlmittel Verwendung findende „Zapfluft“ ist insbesondere diejenige Luft in der Umgebung des Vortriebsmittels, die im Betriebszustand des Elektromotors von dem vom Elektromotor angetriebenen Vortriebsmittel, d.h. beispielsweise vom Propeller, in axialer Richtung zum Elektromotor hin beschleunigt wird. Diese als primäres Kühlmittel zum Einsatz kommende Luft kann natürlich einen gewissen, wenn auch vergleichsweise kleinen und im Folgenden vernachlässigten Anteil von Luft umfassen kann, der nicht vom Propeller stammt. Den wesentlichen Anteil des primären Kühlmittels, welcher hier als „Zapfluft“ bezeichnet wird, soll aber im Sinne der hier vorliegenden Anwendung vom Vortriebsmittel stammen.
Das der Erfindung zu Grunde liegende Konzept liegt demnach darin, dass die ohnehin zur Verfügung stehende Zapfluft als primäres Kühlmittel Verwendung findet.
Das Vortriebsmittel kann als Teil der Elektromotoranordnung angesehen werden, wobei der Rotor mit dem Vortriebsmittel derart verbunden ist, dass der Rotor das Vortriebsmittel im Betriebszustand der elektrischen Maschine antreibt. Dies hat zur Folge, dass zumindest ein Teil der als primäres Kühlmittel einzusetzenden Zapfluft vom angetriebenen Vortriebsmittel zum Mittel zum Erzeugen des Kühlmittelstroms beschleunigt wird. Zur Kühlung der zu kühlenden Komponente steht demnach stets ein vergleichsweise frisches, sauberes und kühles Medium zur Verfügung, welches im Betriebszustand des Elektromotors aufgrund der Funktion des Vortriebsmittels ohnehin verfügbar wäre, und nun aufgrund der vorteilhaften Anordnung genutzt werden kann.
Das Mittel zum Erzeugen des Kühlmittelstroms ist ausgebildet, um die ihm zugeführte Zapfluft zunächst zu komprimieren und die komprimierte Zapfluft zum Kanalsystem weiter zu leiten.
In das oder an das Statorgehäuse ist ein Wärmetauscher integriert, wobei das Kanalsystem derart angeordnet und ausgebildet ist, dass dem Wärmetauscher zumindest ein Teil des primären Kühlmittels über das Kanalsystem zuführbar ist. Das Statorblechpaket wird zur Kühlung desselben von einem Statorkühlmittel, beispielsweise von einem Silikonöl, um- und/oder durchströmt, wobei das Statorkühlmittel in einem Kreislaufsystem zwischen dem Statorblechpaket und dem Wärmetauscher zirkuliert. Hiermit wird Wärme aus dem Statorblechpaket abgeführt und zum Wärmetauscher transportiert. Im Wärmetauscher kommt es zu einer thermischen Wechselwirkung zwischen dem Statorkühlmittel und dem primären Kühlmittel, so dass zumindest ein Teil der mit dem Statorkühlmittel aus dem Statorblechpaket abgeführten Wärme auf das primäre Kühlmittel übertragen wird. Das hierbei im Wärmetauscher abgekühlte Statorkühlmittel wird anschließend zurück zum Statorblechpaket geführt.
Im Unterschied zu gängigen Wärmetauschern für elektrische Maschinen, bei denen der Wärmetauscher beispielsweise außen am Gehäuse der jeweiligen Maschine positioniert ist, ist der hier beschriebene Wärmetauscher in das Motorsystem und insbesondere in das Gehäuse des Stators integriert. Dabei ist der Wärmetauscher im Statorgehäuse im Wesentlichen ringförmig ausgebildet und koaxial zum ebenfalls im Wesentlichen ringförmigen Stator angeordnet. Insbesondere ist der Wärmetauscher in axialer Richtung vom Vortriebsmittel aus gesehen vor oder hinter dem Statorblechpaket, insbesondere zwischen Vortriebsmittel und Statorblechpaket, angeordnet, d.h. insbesondere nicht radial innerhalb oder außerhalb des Blechpakets, wobei die Radien des Wärmetauschers und des Statorblechpakets im Wesentlichen gleich sind.
Dies, d.h. die Gleichheit der Radien, ist so zu verstehen, dass insbesondere die mittleren Radien des Statorblechpakets und des Wärmetauschers im Wesentlichen gleich sind. Ein jeweiliger mittlerer Radius liegt dabei mittig zwischen dem jeweiligen Innen- und Außenradius des jeweiligen ringförmigen Bauteils. Die Dimensionierung von Wärmetauscher und Statorblechpaket kann dabei auch derart sein, dass in axialer Blickrichtung der Wärmetauscher das Statorblechpaket im Wesentlichen verdeckt und/oder umgekehrt. Durch diese diversen die Anordnung und die Dimensionierung betreffenden Merkmale ergibt sich der Vorteil, dass das Statorgehäuse und damit auch die Elektromotoranordnung vergleichsweise klein gebaut werden können, insbesondere in radialer Richtung.
Um zusätzlich oder alternativ zur Kühlung des Statorblechpakets den Rotor kühlen zu können, ist das Kanalsystem ausgebildet, um zumindest einen Teil des ihm zugeführten primären Kühlmittels über eine Kühlmittelpassage zu führen, welche zu dem magnetischen Mittel des Rotors und an dem magnetischen Mittel vorbei führt.
Vorteilhafterweise kann die Kühlmittelpassage den Luftspalt umfassen, so dass das Kühlmittel direkt an den magnetischen Mitteln des Rotors, d.h. beispielsweise an Permanentmagneten, vorbei geleitet werden kann.
Die Kühlmittelpassage umfasst zusätzlich einen in Strömungsrichtung des primären Kühlmittels gesehen vor dem Luftspalt angeordneten Raum, in dem das primäre Kühlmittel rezirkuliert bzw. verwirbelt wird.
Für eine besonders kompakte Bauform der Elektromotoranordnung ist das Mittel zum Erzeugen des Kühlmittelstroms in den Rotor integriert und erzeugt den Kühlmittelstrom dementsprechend insbesondere dann, wenn der Rotor rotiert.
In diesem Fall kann der Rotor flügelartige Einrichtungen aufweisen, mit denen bei Rotation des Rotors der Kühlmittelstrom erzeugt wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Rotor eine mit im Wesentlichen radial orientierten Speichen ausgestattete Deckelsektion aufweisen, wobei die Speichen ausgebildet sind, um bei Rotation des Rotors den Kühlmittelstrom zu erzeugen. „Im Wesentlichen radial“ beinhaltet hierbei auch, dass die Speichen nicht im rechten Winkel zur Rotationsachse stehen, sondern beispielsweise derart orientiert sind, dass sie bei Rotation des Rotors eine Mantelfläche eines Konus überstreichen.
Der Rotor kann beispielsweise glockenförmig mit einer sich von der Deckelsektion in einer ersten axialen Richtung weg erstreckenden zylindrischen Sektion ausgebildet sein, wobei das magnetische Mittel an der zylindrischen Sektion angeordnet ist.
Die Deckelsektion kann eine im Wesentlichen konische Form mit einer Spitze und mit einer der Spitze in der ersten axialen Richtung gegenüberliegenden gedachten Grundfläche aufweisen, so dass die Speichen des Rotors bei Rotation des Rotors im Wesentlichen die konische Mantelfläche der konischen Form überstreichen. Diese Formgebung erlaubt eine besonders kompakte Bauform und eine effiziente Erzeugung des Kühlmittelstroms.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den Zeichnungen und der entsprechenden Beschreibung.
Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausführungsformen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dort werden gleiche Komponenten in verschiedenen Figuren durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.
Es zeigen:

1 eine elektrische Maschine,
2 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Elektromotoranordnung.

Es sei angemerkt, dass sich Begriffe wie „axial“, „radial“, „tangential“ etc. auf die in der jeweiligen Figur bzw. im jeweils beschriebenen Beispiel zum Einsatz kommende Welle bzw. Achse beziehen. Mit anderen Worten beziehen sich die Richtungen axial, radial, tangential stets auf eine Drehachse des Läufers. Dabei beschreibt „axial“ eine Richtung parallel zur Rotationsachse, „radial“ beschreibt eine Richtung orthogonal zur Rotationsachse, auf diese zu oder auch von ihr weg, und „tangential“ ist eine Bewegung bzw. Richtung, die in konstantem radialen Abstand zur Rotationsachse und bei konstanter Axialposition kreisförmig um die Rotationsachse herum gerichtet ist.
Die 1 zeigt exemplarisch eine als Elektromotor ausgebildete elektrische Maschine 100. Es sei erwähnt, dass die elektrische Maschine 100 in ähnlichem Aufbau grundsätzlich auch als Generator betrieben werden kann. Weiterhin sei angemerkt, dass der Aufbau der im Folgenden beschriebenen Maschine stark vereinfacht ist und insbesondere die im Zusammenhang mit den weiteren Figuren erläuterten Details nicht zeigt, sondern lediglich zur Veranschaulichung der Funktionsweise des Elektromotors dient. Es kann als bekannt vorausgesetzt werden, dass je nach Ausbildung der elektrischen Maschine als Generator oder als Elektromotor und/oder als beispielsweise Radial- oder Axialflussmaschine mit einem als Innen- oder auch als Außenläufer ausgebildeten Rotor etc. die verschiedenen Komponenten der Maschine unterschiedlich angeordnet sein können.
Der Elektromotor 100 weist einen Stator 120 sowie einen als Innenläufer ausgebildeten Rotor 110 auf, wobei der Rotor 110 innerhalb des Stators 120 angeordnet ist und im Betriebszustand des Elektromotors 100 um eine Rotationsachse A rotiert. Der Rotor 110 ist drehfest mit einer Welle 130 verbunden, so dass eine Rotation des Rotors 110 über die Welle 130 auf eine nicht dargestellte anzutreibende Komponente, beispielsweise auf einen Propeller eines Flugzeugs, übertragbar ist.
Der Stator 120 weist ein Statorblechpaket 122 sowie erste magnetische Mittel 121 auf, die beispielsweise als Statorwicklungen 121 auf Statorzähnen 123 des Statorblechpakets 122 realisiert sein können. Jede der Wicklungen 121 wird durch einen elektrischen Leiter gebildet, der im Betriebszustand des Elektromotors 100 von einem elektrischen Strom durchflossen wird. Der Rotor 110 weist zweite magnetische Mittel 111 auf, die beispielsweise als Permanentmagnete oder als erregte bzw. erregbare Wicklungen ausgebildet sein können. Im Folgenden wird exemplarisch angenommen, dass es sich um Permanentmagnete 111 handelt. Die ersten und die zweiten magnetischen Mittel 111, 121 sind derart ausgebildet und durch einen Luftspalt voneinander beabstandet zueinander angeordnet, dass sie im Betriebszustand des Elektromotors 100 elektromagnetisch miteinander wechselwirken. Dieses Konzept einschließlich der Bedingungen für die Ausbildung und Anordnung der magnetischen Mittel 111, 121 bzw. von Rotor 110 und Stator 120 sind an sich bekannt und werden daher im Folgenden nicht näher erläutert. Es sei lediglich erwähnt, dass zum Betreiben der elektrischen Maschine 100 als Elektromotor die Statorwicklungen 121 mit Hilfe einer nicht dargestellten Stromquelle mit einem elektrischen Strom beaufschlagt werden, der bewirkt, dass die Wicklungen 121 dementsprechende Magnetfelder erzeugen, welche mit den Magnetfeldern der Permanentmagnete 111 des Rotors 110 in elektromagnetische Wechselwirkung treten. Dies resultiert bekanntermaßen darin, dass bei geeigneter Ausbildung und Anordnung der genannten Komponenten zueinander der Rotor 110 und mit ihm die Welle 130 sowie der genannte Propeller in Rotation versetzt werden.
Die 2 zeigt eine radiale Sicht auf einen Schnitt eines erfindungsgemäßen Elektromotors 100, der auf dem im Zusammenhang mit der 1 beschriebenen Funktionsprinzip beruht, sich von der elektrischen Maschine der 1 jedoch im Aufbau unterscheidet. Es sei darauf hingewiesen, dass die Statorwicklungen in der 2 der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt sind.
Der Elektromotor 100 treibt im Betriebszustand ein Vortriebsmittel 200 an, beispielsweise einen Propeller. Der Propeller 200 ist hierzu an einer Anschlussstelle 210 mit Hilfe einer Verbindung 220, beispielsweise mit einem Flansch, an die Welle 130 gekoppelt und somit über die Welle 130 mit dem Rotor 110 des Elektromotors 100 verbunden. Im hier gezeigten Beispiel sind die Welle 130 und der Rotor 110 als einstückiges, integriertes Bauteil ausgeführt. Der Rotor 110 ist insbesondere glockenförmig ausgebildet und weist dabei eine Deckelsektion 112 auf. Die Deckelsektion 112 umfasst eine Vielzahl von Speichen 113, die sich in im Wesentlichen radialer Richtung von der Welle 130 weg erstrecken. Der Ausdruck „im Wesentlichen radial“ soll dabei auch beinhalten, dass die Speichen 113 nicht im rechten Winkel zur Rotationsachse bzw. zur Welle 130 stehen, sondern beispielsweise derart orientiert sind, dass sie bei Rotation des Rotors eine Mantelfläche eines geraden Kreiskegels bzw. eines geraden Kreiskegelstumpfes überstreichen (im Folgenden „Kegel“ oder „Konus“). Dementsprechend weist also die Deckelsektion 112 eine im Wesentlichen konische Form mit einer gedachten Spitze und mit einer der Spitze in einer ersten axialen Richtung gegenüberliegenden gedachten Grundfläche auf, so dass die Speichen 113 des Rotors 110 bei Rotation des Rotors 110 im Wesentlichen die konische Mantelfläche der konischen Form überstreichen. Die Glockenform des Rotors 110 beinhaltet auch, dass sich eine zylindrische Sektion 114 von der Deckelsektion 112 in der ersten axialen Richtung weg erstreckt. An der zylindrischen Sektion 114 sind die Permanentmagnete 111 des Rotors positioniert.
Vom Stator 120 des Elektromotors 100 sind in der 2 lediglich das im Wesentlichen ringförmige, zum Rotor 110 koaxial angeordnete Statorblechpaket 122 sowie ein Statorgehäuse 124 dargestellt. Die Statorzähne 123 des Statorblechpakets 122 sowie die Statorwicklungen 121 sind der Übersichtlichkeit wegen nicht gezeigt, da die folgende Beschreibung im Zusammenhang mit dem Stator 120 insbesondere darauf bezogen sein wird, dass das Blechpaket 122 gekühlt werden soll. Die Zähne 123, die ohnehin als Teil des Blechpakets 122 angesehen werden können, sowie die Wicklungen 121 und spielen dabei keine tragende Rolle.
Das Statorgehäuse 124 ist derart ausgebildet und angeordnet, dass es die übrigen Bauteile 121, 122, 123 des Stators 120 umgibt. Insbesondere beherbergt das Statorgehäuse 124 zusätzlich zu den genannten Bauteilen 121, 122, 123 ein Statorkühlsystem 125. Das Statorkühlsystem 125 weist einen Wärmetauscher 126 auf, der über Leitungen 127 mit dem Statorblechpaket 122 verbunden ist. Das Statorblechpaket 122 wird von einem Statorkühlmittel 149, beispielsweise von einem Silikonöl, um- und/oder durchströmt, wobei das Statorkühlmittel 149 wie durch die Pfeile angedeutet über die Leitungen 127 in einem Kreislauf zwischen dem Statorblechpaket 122 und dem Wärmetauscher 126 zirkuliert. Dabei führt das Statorkühlmittel 149 Wärme aus dem Statorblechpaket 122 ab und transportiert sie zum Wärmetauscher 126. Im Wärmetauscher 126 wird das vergleichsweise warme Statorkühlmittel 149 mit einem weiteren, primären Kühlmittel 148 in thermischen Kontakt gebracht und dabei abgekühlt. Das somit abgekühlte Statorkühlmittel 149 wird anschließend zurück zum Statorblechpaket 122 geführt, um dieses weiter abzukühlen.
Der Wärmetauscher 126 ist wie das Statorblechpaket 122 vorzugsweise ringförmig ausgebildet und koaxial zum Rotor 110 angeordnet. Dabei befindet sich der Wärmetauscher 126 insbesondere auch im oder am Statorgehäuse 124. In axialer Richtung gesehen ist der Wärmetauscher 126 zwischen dem Vortriebsmittel 200 und dem Statorblechpaket 122 angeordnet, wobei der Wärmetauscher 126 im Wesentlichen den gleichen Radius aufweist, wie das Statorblechpaket 122. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Elektromotor 100, dessen Baugröße im Wesentlichen von den Dimensionen des Statorgehäuses 124 abhängt, vergleichsweise klein gebaut werden kann. Insbesondere in radialer Richtung ergibt sich aufgrund der beschriebenen Form und Anordnung des Wärmetauschers 126 eine kompakte Bauform, da das maximale radiale Ausmaß vom Statorblechpaket 122 bestimmt wird, nicht aber vom Wärmetauscher 126. In axialer Richtung ist zwar das Statorgehäuse 124 länger als üblich, jedoch ist der Einfluss auf die Gesamtgröße des Elektromotors 100 weniger relevant, weil der zwischen Vortriebsmittel 200 und Blechpaket 122 positionierte Wärmetauscher 126 in einem Bereich angeordnet ist, der ohnehin vom Elektromotor 100 und insbesondere vom Rotor 110 beansprucht wird.
Das primäre Kühlmittel 148, mit dessen Hilfe dem Statorkühlmittel 149 im Wärmetauscher 126 Wärme entzogen werden soll, wird dem Wärmetauscher 126 in Form eines Kühlmittelstroms über einen ersten Kanal 142 eines ebenfalls im Statorgehäuse 124 ausgebildeten Kanalsystems 141 einer Kühleinrichtung 140 des Elektromotors 100 zugeführt. Die Kühleinrichtung 140 verfügt desweiteren über Mittel 144 zum Erzeugen des Kühlmittelstroms des insbesondere gasförmigen primären Kühlmittels 148, wobei das in dem Statorgehäuse 124 ausgebildete Kanalsystem 141 angeordnet und ausgebildet ist, um den erzeugten Kühlmittelstrom aufzunehmen und gezielt weiter zu führen, beispielsweise über den ersten Kanal 142 zum Wärmetauscher 126. Die Ströme des primären Kühlmittels 148 sind durch entsprechende Pfeile symbolisiert.
Das Kanalsystem 141 weist zumindest einen weiteren Kanal 143 auf, über den zumindest ein Teil des primären Kühlmittels 148 zur Kühlung der Permanentmagnete 111 des Rotors 110 abgeleitet werden kann. Hierzu ist eine Kühlmittelpassage 145 vorgesehen, in die der weitere Kanal 143 mündet, so dass der Teil des über den weiteren Kanal 143 zugeführten primären Kühlmittels 148 in die Passage 145 gelangt. Die Kühlmittelpassage 145 führt zu den Permanentmagneten 111 des Rotors 110 und an diesen vorbei, so dass der Teil des primären Kühlmittels 148 zur Kühlung der Permanentmagnete 111 beiträgt. Die Kühlmittelpassage 145 umfasst dabei den zwischen dem Stator 120 und den Permanentmagenten 111 ausgebildeten Luftspalt 150, über den die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen Statorwicklungsssystem 121 und Permanentmagneten 111 erfolgt. Zusätzlich kann die Kühlmittelpassage 145 einen in Strömungsrichtung des primären Kühlmittels 148 gesehen vor dem Luftspalt 150 angeordneten Raum 146 umfassen, in dem das primäre Kühlmittel 148 rezirkuliert bzw. verwirbelt wird, bevor es durch den Luftspalt 150 strömt.
Wie beschrieben kann also zumindest ein Teil des vom Mittel 144 zum Erzeugen des Kühlmittelstroms bereitgestellten Stroms des primären Kühlmittels 148 über den ersten Kanal 142 des Kanalsystems 141 zum Wärmetauscher 126 gelangen und so zur Kühlung des Stators 120 beitragen. Je nach Ausführungsform des Kanalsystems 141, welches den ersten Kanal 142 oder den weiteren Kanal 143 oder beide Kanäle 142, 143 aufweisen kann, kann zusätzlich oder alternativ zumindest ein Teil des bereitgestellten Stroms des primären Kühlmittels 148 über den weiteren Kanal 143 und über die Kühlmittelpassage 145 geleitet werden und so zur Kühlung der Permanentmagnete 111 beitragen.
Das Mittel 144 zum Erzeugen des Stroms des primären Kühlmittels 148 ist insbesondere ein integrales Teil des Rotors 110 und erzeugt den Kühlmittelstrom dementsprechend insbesondere dann, wenn der Rotor 110 rotiert. Beispielsweise können an dem Rotor 110, beispielsweise an der Deckelsektion 112, flügelartige Einrichtungen 113 vorgesehen sein, die bei Rotation des Rotors 110 einen Strom der am Ort des Rotors 110 verfügbaren umgebenden Luft bewirken, wobei die flügelartigen Einrichtungen 113 derart am Rotor 110 angeordnet sind, dass der Luftstrom in einen Einlass 147 des Kanalsystems 141 dirigiert wird. Der so erzeugte Luftstrom stellt demnach den Strom des primären Kühlmittels 148 dar.
Vorteilhafterweise stellen die Speichen 113 des Rotors 110 die flügelartigen Einrichtungen und damit das Mittel 144 zum Erzeugen des Stroms des primären Kühlmittels 148 dar. Die Speichen 113 sind hierzu beispielsweise nach Art eines Kompressorblechs geformt und angeordnet, so dass sie bei rotierendem Rotor 110 eine Radiallüfterwirkung erzielen und das primäre Kühlmittel 148 zum Einlass 147 des Kanalsystems 141 befördern.
Es sei angemerkt, dass die flügelartigen Einrichtungen 113 auch als separate, zusätzlich zu den Speichen 113 am Rotor 110 vorgesehene Bauteile ausgebildet sein können. Dies ist jedoch nicht dargestellt.
Im einfachsten, jedoch nicht dargestellten Fall, kann das Mittel 144 zum Erzeugen des Stroms des primären Kühlmittels 148 auch in Form eines oder mehrerer Leitbleche realisiert sein. Diese sind derart angeordnet, dass die vom Propeller 200 beschleunigte Umgebungsluft 20 allein durch die Anordnung der Leitbleche zum Einlass 147 des Kanalsystems 141 befördert wird.
Beiden Ausführungsformen des Mittels 144 zum Erzeugen des Kühlmittelstroms ist gemeinsam, dass sie auf die gleiche Quelle des primären Kühlmittels 148 zurückgreifen, nämlich die im Betriebszustand des Elektromotors 100 vom Vortriebsmittel 200, d.h. vom Propeller 200, in axialer Richtung beschleunigte Umgebungsluft L. Diese als primäres Kühlmittel 148 zum Einsatz kommende Luft, welche natürlich auch einen gewissen, wenn auch vergleichsweise kleinen und im Folgenden vernachlässigten Anteil von Luft umfassen kann, der nicht vom Propeller 200 stammt, wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Anwendung als „Zapfluft“ bezeichnet. Die Zapfluft und damit das primäre Kühlmittel 148 zeichnen sich also insbesondere dadurch aus, dass sie im Wesentlichen vom rotierenden Propeller 200 bereitgestellt werden. Dementsprechend sind auch das Mittel 144 zum Erzeugen des Kühlmittelstroms sowie die gesamte Kühleinrichtung 140 darauf eingestellt, dass sie die Zapfluft als primäres Kühlmittel 148 verwenden.
Der im Betriebszustand rotierende Propeller 200 saugt bekanntermaßen Umgebungsluft 10 an und stößt sie in axialer Richtung nach „hinten“ aus, d.h. im hier gezeigten Beispiel in Richtung des Elektromotors 100, um den Schub für das anzutreibende Fahrzeug bzw. Flugzeug zu erzeugen. Die Umgebungsluft 10 ist typischerweise vergleichsweise kühl und kann dementsprechend vorteilhaft als primäres Kühlmittel 148 eingesetzt werden. Da die vom Propeller 200 nun beschleunigte Umgebungsluft 20 in im Wesentlichen axialer Richtung strömt, muss sie durch das beschriebene Mittel 144 zum Erzeugen des Kühlmittelstroms zumindest teilweise umgelenkt werden, um in das Kanalsystem 141 zu gelangen und dort als primäres Kühlmittel 148 zu fungieren. Hierzu werden, wie ebenfalls bereits beschrieben, die flügelartigen Einrichtungen 113 bzw. die dementsprechend ausgebildeten Speichen 113 verwendet.
Die beschriebene Kühleinrichtung macht sich demnach vorteilhafterweise die Verfügbarkeit der in der Regel kühlen und sauberen Umgebungsluft 10 zu Nutze. Dadurch, dass die Bauteile der Kühleinrichtung 140 weitestgehend im Statorgehäuse 124 untergebracht sind, ergibt sich als weiterer Vorteil eine vergleichsweise geringe Baugröße des Elektromotors 100.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015106993 A1 [0004]
WO 2015128121 A1 [0004]
WO 2017025224 A1 [0004]
DE 102016206909 [0005]
DE 102016218741 [0006]

Claims

Elektromotoranordnung (100) zum Antreiben eines Vortriebsmittels (200), wobei die Elektromotoranordnung (100) eine Gruppe von Komponenten (110, 120) sowie eine Kühleinrichtung (140) zur Kühlung von zumindest einer der Komponenten (110, 120) aufweist, wobei die Gruppe umfasst: - zumindest einen Stator (120) mit einem Statorgehäuse (124), wobei in dem Statorgehäuse (124) ein Statorblechpaket (122) sowie eine auf dem Statorblechpaket (122) angeordnete Statorwicklung (121) angeordnet sind, - einen gegenüber dem Stator (120) rotierbaren Rotor (110) mit einem magnetischen Mittel (111), wobei die Statorwicklung (121) und das magnetische Mittel (111) über einen zwischen ihnen gebildeten Luftspalt (150) elektromagnetisch miteinander wechselwirken, und wobei - die Kühleinrichtung (140) ein Mittel (144) zum Erzeugen eines Kühlmittelstroms eines primären Kühlmittels (148) aufweist, - die Kühleinrichtung (140) ein in dem Statorgehäuse (124) ausgebildetes Kanalsystem (141) zum Aufnehmen und anschließenden Führen des Kühlmittelstroms zu der zu kühlenden Komponente (110, 120) aufweist, - die Kühleinrichtung (140) ausgebildet und angeordnet ist, um Zapfluft, welche insbesondere vom Vortriebsmittel (200) zugeführt wird, als primäres Kühlmittel (148) einzusetzen.
Elektromotoranordnung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromotoranordnung (100) das Vortriebsmittel (200) umfasst, wobei der Rotor (110) mit dem Vortriebsmittel (200) derart verbunden ist, dass der Rotor (110) das Vortriebsmittel (200) im Betriebszustand der Elektromotoranordnung (100) antreibt, so dass zumindest ein Teil der als primäres Kühlmittel (148) einzusetzenden Zapfluft vom angetriebenen Vortriebsmittel (200) zum Mittel (144) zum Erzeugen des Kühlmittelstroms beschleunigt wird.
Elektromotoranordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (144) zum Erzeugen des Kühlmittelstroms ausgebildet ist, um die ihm zugeführte Zapfluft zunächst zu komprimieren und die komprimierte Zapfluft zum Kanalsystem (141) weiter zu leiten.
Elektromotoranordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in das Statorgehäuse (124) ein Wärmetauscher (126) integriert ist, wobei das Kanalsystem (141) derart ausgebildet ist, dass dem Wärmetauscher (126) zumindest ein Teil des primären Kühlmittels (148) über das Kanalsystem (141) zuführbar ist, wobei - das Statorblechpaket (122) von einem Statorkühlmittel (149) um- und/oder durchströmt wird, welches in einem Kreislaufsystem zwischen dem Statorblechpaket (122) und dem Wärmetauscher (126) zirkuliert, um Wärme aus dem Statorblechpaket (122) abzuführen und zum Wärmetauscher (126) zu transportieren, - das primäre Kühlmittel (148) und das Statorkühlmittel (149) im Wärmetauscher (126) derart thermisch miteinander wechselwirken, dass zumindest ein Teil der mit dem Statorkühlmittel (149) aus dem Statorblechpaket (122) abgeführten Wärme auf das primäre Kühlmittel (148) übertragen wird.
Elektromotoranordnung (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (126) im Wesentlichen ringförmig ausgebildet und koaxial zum Stator (120) angeordnet ist.
Elektromotoranordnung (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (126) in axialer Richtung vor oder hinter dem Statorblechpaket (122), insbesondere zwischen Vortriebsmittel (200) und Statorblechpaket (122), angeordnet ist, wobei ein Radius des Wärmetauschers (126) und ein Radius des Statorblechpakets (122) im Wesentlichen gleich sind.
Elektromotoranordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalsystem (141) ausgebildet ist, um zumindest einen Teil des ihm zugeführten primären Kühlmittels (148) über eine Kühlmittelpassage (145) zu führen, welche zu dem magnetischen Mittel (111) des Rotors (110) und an dem magnetischen Mittel (111) vorbei führt.
Elektromotoranordnung (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelpassage (145) den Luftspalt (150) umfasst.
Elektromotoranordnung (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelpassage (145) einen in Strömungsrichtung des primären Kühlmittels (148) gesehen vor dem Luftspalt (150) angeordneten Raum (146) umfasst, in dem das primäre Kühlmittel (148) verwirbelt wird.
Elektromotoranordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (144) zum Erzeugen des Kühlmittelstroms in den Rotor (110) integriert ist.
Elektromotoranordnung (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (110) flügelartige Einrichtungen (113) aufweist, mit denen bei Rotation des Rotors (110) der Kühlmittelstrom erzeugt wird.
Elektromotoranordnung (100) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (110) eine mit im Wesentlichen radial orientierten Speichen (113) ausgestattete Deckelsektion (112) aufweist, wobei die Speichen (113) die flügelartigen Einrichtungen (113) darstellen und ausgebildet sind, um bei Rotation des Rotors (110) den Kühlmittelstrom zu erzeugen.
Elektromotoranordnung (100) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (110) glockenförmig mit einer sich von der Deckelsektion (112) in einer ersten axialen Richtung weg erstreckenden zylindrischen Sektion (114) ausgebildet ist, wobei das magnetische Mittel (111) an der zylindrischen Sektion (114) angeordnet ist.
Elektromotoranordnung (100) nach den Ansprüchen 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckelsektion (112) eine im Wesentlichen konische Form mit einer Spitze und mit einer der Spitze in der ersten axialen Richtung gegenüberliegenden gedachten Grundfläche aufweist, so dass die Speichen (113) des Rotors (110) bei Rotation des Rotors (110) im Wesentlichen die konische Mantelfläche der konischen Form überstreichen.