DE102020133058A1

DE102020133058A1 - Elektrischer Flugzeugantrieb

Info

Publication number: DE102020133058A1
Application number: DE102020133058.8A
Authority: DE
Inventors: Frederic Pflaum; Anton Dilcher
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2020-12-10
Filing date: 2020-12-10
Publication date: 2022-06-15

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Flugzeugantrieb (10) mit mindestens einem Elektromotor (1) mit einer Spule (2), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des Materials der Spule (2) durch ein Wärmerohrsystem (5) gebildet und / oder mit dem Teil des Materials der Spule (2) thermisch gekoppelt ist, um Wärme von der Spule zu einem konvektiven Wärmetauschersystem (6) abzuführen, wobei das konvektive Wärmetauschersystem (6) durch einen beschleunigten Luftstrom (L) des Flugzeugantriebs (10) und / oder den Fahrtwind kühlbar ist.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen elektrischen Flugzeugantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Elektrische Antriebe für Flugzeuge werden zunehmend realisiert. Die dabei zum Einsatz kommenden Elektromotoren entwickeln im Betrieb erhebliche Wärmemengen, so dass sie eine Kühlung benötigen. Bei bekannten Systemen wird dies z.B. durch direkte Konvektion mit einem Kühlmedium bewirkt. Dafür wird aber ein System von Pumpen und Wärmetauschern benötigt, was zu einer zusätzlichen technischen Komplexität führt. Auch ist es z.B. aus der DE 2 330 172 OS allgemein bekannt, einen Elektromotor mit Wärmerohren (heat pipes) zu kühlen.
Allerdings ist es notwendig, Elektroantriebe für effiziente Flugzeugantriebe bereitzustellen.
Dazu wird in einem Elektroantrieb mindestens ein Teil des Materials der Spule durch ein Wärmerohrsystem gebildet und / oder ein Teil des Materials der Spule ist thermisch mit dem Wärmerohrsystem gekoppelt, um Wärme von der Spule zu einem konvektiven Wärmetauschersystem abzuführen. Wärmerohre sind insbesondere geeignet, Wärme ohne bewegliche Teile von einem Ort an einen andern zu überführen.
Das konvektive Wärmetauschersystem ist dabei so ausgebildet und angeordnet, dass es durch einen beschleunigten Luftstrom des Flugzeugantriebs und / oder den Fahrtwind kühlbar ist. Damit findet die Kühlung nicht im Elektromotor selbst statt, sondern außerhalb, wo eine hinreichende Wärmesenke vorliegt. Das Wärmerohrsystem führt die Wärme somit von einer Quelle zu einer Senke, ohne dass im Elektroantrieb selbst zusätzliche Aggregate vorgesehen werden müssen.
In einer weiteren Ausführungsform besteht das Gehäuse des Wärmerohrsystems aus Kupfer oder es weist Kupfer auf. Da auch die Spule des Elektromotors Kupfer aufweist, kann hier das Wärmerohrsystem in sinnvoller Weise integriert werden.
Ferner kann das Wärmerohrsystem einen im Wesentlichen axial in der Spule angeordneten Verdampfungsbereich aufweisen, in dem eine Phasenwechselflüssigkeit durch Wärmeaufnahme verdampft wird. Damit wird die entlang der Spule aufgenommene Wärmeenergie in effizienter Weise von dem Wärmerohrsystem aufgenommen.
Auch kann das Wärmerohrsystem mindestens einen Kondensationsbereich aufweisen, der sich mindestens teilweise radial von einer Rotationsachse des Elektromotors zum konvektiven Wärmetauschersystem erstreckt. Damit wird die Wärme auf sehr einfache Weise aus dem Elektromotor hinausgeführt, ohne die Baugröße des Elektromotors zu vergrößern.
Das konvektive Wärmetauschersystem kann in einer Ausführungsform wenigstens teilweise stromabwärts eines Propellers des Flugzeugantriebes angeordnet sein, so dass die abströmende Luft - neben dem gewünschten Vortrieb - auch als Kühlmedium einsetzbar ist. Zusätzlich oder alternativ kann das konvektive Wärmetauschersystem im Betrieb wenigstens teilweise dem Fahrtwind ausgesetzt wird. Die umgebende Luft strömt das Triebwerk im Betrieb mit einer solchen Geschwindigkeit an, dass eine effektive konvektive Kühlung möglich ist.
Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figur beschrieben; die Figur zeigt dabei eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Flugzeugantriebes.
In der Figur ist in schematische Weise ein Flugzeugantrieb 10 mit einem Elektromotor 1 dargestellt.
Der Elektromotor 1 weist dabei einen Rotor 3 auf, der mit einem Propeller 4 verbunden ist. Der Propeller 4 beschleunigt Luft, die dann in Form eines Luftstroms L nach hinten gefördert wird.
Der Elektromotor 1 weist auch einen Stator mit einer Spule 2 auf, in der Wärme generiert wird.
In der hier dargestellten Ausführungsform werden die üblicherweise verwendeten Kupferleiter durch ein Wärmerohrsystem 5 vollständig oder zumindest teilweise ersetzt. Das Gehäuse des Wärmrohrsystems 5 besteht aus Kupfer oder weist Kupfer auf. Kupfer leitet Wärme und Strom in hohem Maße.
Wärmerohre an sich sind bekannte Vorrichtungen zur Herbeiführung eines Wärmeübergangs unter Verwendung eines Phasenwechsels eines Fluides.
In einem Verdampfungsbereich A des Wärmrohrsystems 5 verdampft eine Flüssigkeit, so dass das dampfförmige Fluid die Verdampfungsenthalpie aufgenommen hat. Der Verdampfungsbereich A ist hier im Wesentlichen axial in der Spule angeordnet, so dass die entlang der Spule anfallende Wärme gut aufnehmbar ist.
Das somit erzeugte dampfförmige Fluid bewegt sich zu einem Kondensationsbereich K des Wärmrohrsystems 5, der z.B. ein Oberflächen-Kondensorabschnitt sein kann, wo der Dampf kondensiert und die Verdampfungsenthalphie über Wärmetauschersystem 6 an die Umgebung abgibt. Das Wärmetauschersystem 6 weist in der dargestellten Ausführungsform Kühlrippen auf, die von dem Luftstrom L angeströmt werden, so dass eine konvektive Kühlung bewirkt wird. Damit wird vermieden, dass Kühlluft in den Elektromotor 1 hineingeführt werden muss. Vielmehr transportiert das Wärmerohrsystem 5 die im Elektromotor 1 angefallene Wärme (Wärmequelle) an eine Stelle (Wärmesenke), an der die ohnehin vorhandene Luftströmung die Wärmeabfuhr bewirken kann.
Alternativ oder zusätzlich kann das Wärmetauschersystem 6 auch dem Fahrtwind des Flugzeugs ausgesetzt sein.
Nach dem Kondensieren strömt die Flüssigkeit aus dem Kondensationsbereich K zurück zum Verdampfungsbereich A, um dann wieder verdampft zu werden. Die Rückführung der Flüssigkeit im Wärmerohrsystem 5 kann z.B. über einen Docht erfolgen, bei dem die Flüssigkeit durch Kapillareffekte transportiert wird.
Das Wärmerohrsystem 5 ist somit fluidisch ein in sich geschlossenes System.
Bezugszeichenliste

1: Elektromotor
2: Spule des Elektromotors
3: Rotor
4: Propeller
5: Wärmerohrsystem
6: konvektives Wärmetauschersystem
10: Flugzeugantrieb
A: Verdampfungsbereich
K: Kondensationsbereich
L: Luftstrom zur konvektiven Kühlung
R: Rotationsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 2330172 [0002]

Claims

Flugzeugantrieb (10) mit mindestens einem Elektromotor (1) mit einer Spule (2), und mindestens ein Teil des Materials der Spule (2) durch ein Wärmerohrsystem (5) gebildet ist und / oder dass mindestens ein Teil des Materials der Spule (2) mit dem Wärmerohrsystem (5) thermisch gekoppelt ist, um Wärme von der Spule zu einem konvektiven Wärmetauschersystem (6) abzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass das konvektive Wärmetauschersystem (6) durch einen beschleunigten Luftstrom (L) des Flugzeugantriebs (10) und / oder den Fahrtwind kühlbar ist.
Flugzeugantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse des Wärmerohrsystems (5) aus Kupfer besteht oder Kupfer aufweist.
Flugzeugantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohrsystem (5) einen im Wesentlichen axial in der Spule (2) angeordneten Verdampfungsbereich (A) aufweist, in dem eine Flüssigkeit durch Wärmeaufnahme verdampft wird.
Flugzeugantrieb nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohrsystem (5) mindestens einen Kondensationsbereich (K) aufweist, der sich mindestens teilweise radial von einer Rotationsachse (R) zum konvektiven Wärmetauschersystem (6) erstreckt.
Flugzeugantrieb nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das konvektive Wärmetauschersystem (6) wenigstens teilweise stromabwärts eines Propellers (4) des Flugzeugantriebes (10) angeordnet ist.
Flugzeugantrieb nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das konvektive Wärmetauschersystem (6) im Betrieb wenigstens teilweise dem Fahrtwind ausgesetzt ist.