DE102023129059A1 - Elektromaschine mit Verdampfungskühlung, Verdampfungskühlsystem sowie Verdampfungskühlverfahren - Google Patents

Abstract

Eine Elektromaschine mit rotierbarer Rotorwelle als Teil ihres Rotors weist wenigstens eine außenliegende Statorwicklung auf. Die Elektromaschine hat wenigstens zwei, mittels ihres Kühlmittels in Kommunikation stehende Verdampfer 28, 28I, 30, 30I, die eine Verdampfungskühlung ermöglichen. Die Verdampfer führen das Kühlmittel in einer um die Rotorwelle als Zentrum zumindest teilweise herumlaufenden Richtung. Jeder Verdampfer umfasst zueinander parallel angeordnete Kanäle 40, 40I, 42, 42I. Einer der Kanäle ist ein Kühlmittelzuführkanal 40, 40I. Einer der Kanäle ist ein Dampfabführkanal 60, 60I. Ein Verdampfungskühlsystem mit einer solchen Elektromaschine ist mit einer Kühlmittelzuführeinrichtung und einer Kühlmittelrückgewinnung ausgestattet. Die Kühlmittelrückgewinnung dient als Kühlmittelquelle für die Kühlmittelzuführeinrichtung. In einem Verdampfungskühlverfahren, bei dem mindestens eine Statorwicklung von wenigstens zwei mittels ihres Kühlmittels in Kommunikation stehenden Verdampfern umgeben ist, kann das Kühlmittel in einen Kühlmittelzuführkanal des Verdampfers gelangen und dort durch Einwirkung von Wärme einer Wärmeaustragsfläche, die eine neben der Statorwicklung befindliche, umlaufende Innenfläche ist, zu Kühlmitteldampf vaporisieren. Vorteilhafterweise gelangt der Kühlmitteldampf durch durchgängige Trennwandporen in einen Dampfabführkanal.

Description

• Die vorliegende Erfindung behandelt eine Elektromaschine, die für eine Verdampfungskühlung ausgebildet ist und die durch die Verdampfungskühlung einen Austrag thermischer Energie erfahren kann, sowie ein geeignetes Verdampfungskühlsystem, das eine Elektromaschine, eine Kühlmittelzuführeinrichtung und eine Kühlmittelrückgewinnung umfasst. Des Weiteren behandelt die vorliegende Erfindung ein Verdampfungskühlverfahren für eine Elektromaschine.
• Mit anderen Worten, die vorliegende Erfindung behandelt eine Elektromaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, ein Verdampfungskühlsystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 14 sowie ein Verdampfungskühlverfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 15.
• Technisches Gebiet
• Verdampfungskühlungen kommen vielfältig zum Einsatz, um z. B. eine Betriebstemperatur von Brennkraftmaschinen, z. B. gemäß der DE 10 2010 012 295 A1 (Anmelder: A. Faber et al.; Offenlegungstag: 29.09.2011), z. B. von Stromkabeln, z. B. gemäß der DE 21 50 113 A (Anmelderin: Sumitomo Electric Industries Ltd.; Offenlegungstag: 13.04.1972), z. B. von Brennstoffzellen, z. B. gemäß der DE 10 2008 042 005 A1 (Anmelderin: Hyundai Motor Company; Offenlegungstag: 27.08.2009), und z. B. von Halbleiteranordnungen, z. B. gemäß der DE 36 85 909 T2 (Inhaberin: Fujitsu Ltd.; Erstveröffentlichung durch das EPA: 30.04.1986), daneben aber auch von weiteren Wärme produzierenden Gegenständen, zu begrenzen oder sogar zu regulieren. In der Offenlegungsschrift DE 29 16 747 A1 (Anmelderin: Westinghouse Electric Corp.; Offenlegungstag: 08.11.1979) wird z. B. als weiteres Einsatzgebiet die Kühlung eines Leistungstransformators beschrieben. Innerhalb eines Gehäuses des Leistungstransformators soll mittels einer Pumpe, mittels einer Leitung und mittels einer Verteilerdüse Isolationsflüssigkeit ausgebracht werden. Die Flüssigkeit soll sich über die Wicklungen gleichmäßig verteilen und anschließend abfließen oder verdampfen. In einem externen Außenkühler kondensierte Flüssigkeit wird in einen Speicherbehälter rückgeführt. Eine Fluidführung kann dabei durch Ventile und Leitungssysteme erfolgen, wie beispielsweise auch in der WO 2015/192 710 A1 (Anmelderin: Dong-Fang Electric Machinery Co. Ltd.; Veröffentlichungstag: 23.12.2015) beschrieben ist. In Verdampfungskühlungen wird zur Verbesserung bzw. zur effizienten Kühlung die physikalische Gegebenheit genutzt, dass die Wärmemenge, die als Verdampfungswärme von einem flüssigen Kühlmittel aufnehmbar ist, deutlich größer ist als eine Wärmemenge, die von einer entsprechenden Menge flüssigen Kühlmittels aufgrund von deren spezifischen Wärmekapazität abtransportiert werden kann, z. B. wenn die Wärme durch eine Wärmequelle eingebracht wird. Es wird bei der Bestimmung der Energiebilanz auch von Verdampfungsenthalpie gesprochen, d. h. von der Energie, die aufzubringen ist, um bei der Verdampfung zwischenmolekulare Bindungen, wie Van-der-Waals-Bindungen oder Wasserstoffbrückenbindungen, aufzubrechen. Es wird in diesem Zusammenhang auch von Dipolwechselwirkungen bzw. induzierten Dipolwechselwirkungen gesprochen, die beim Verdampfen zu überwinden sind. Hierzu kommt noch eine Wärmeabfuhr durch die Zunahme der inneren Energie des Dampfes.
• Stand der Technik
• Die Kühlung eines Stators einer Elektromaschine mittels zugeführten und abgeleiteten flüssigen Kühlmittels mit einer Rohr-in-Rohr-Konstruktion wird in der DE 10 2017 205 729 B4 (Inhaberin: Efficient Energy GmbH; Veröffentlichungstag: 03.03.2022) beschrieben. In einem Innenrohr soll zunächst einmal kaltes Kühlwasser an einen Stator herangeführt werden, erwärmtes Kühlwasser soll dann aus dem Zwischenraum zwischen Innenrohr und Außenrohr entnommen werden und anschließend durch ein Kühlaggregat hindurchgeleitet wieder heruntergekühlt werden.
• Ein geschlossenes Kühlsystem für eine dynamoelektrische Maschine oder einen Elektromotor wird in der US 3 217 193 B (Inhaberin: Worthington Corporation; Veröffentlichungstag: 09.11.1965) beschrieben. Das Kühlmittel soll unter Druck in ein Motorgehäuse eingespritzt werden und im Kontakt mit erhitzten Flächen verdampfen. Der Abstand zwischen Rotor und Stator wird als Teil der Kühlmittelführung mit genutzt. Es kann somit auch von einem „Tränken des Motors“ mit zu verdampfendem Kühlmittel gesprochen werden.
• Gemäß der DE 29 16 747 A1 (Anmelderin: Westinghouse Electric Corp.; Offenlegungstag: 08.11.1979) soll eine Verdampfungskühlung einer elektrischen Induktionsmaschine bereitgestellt werden, bei der ein freies Innenvolumen eines Gehäuses bis zu einem unterhalb der Wicklungen liegenden Niveau mit einer verdampfungsfähigen Isolationsflüssigkeit gefüllt wird. Mittels einer Pumpe kann die Flüssigkeit abgesaugt und im Gehäuse verteilt werden. Der dabei erzeugte Dampf soll in einem mit dem Gehäuseinneren kommunizierenden Speicherbehälter aufgefangen werden.
• Aus der internationalen Anmeldung WO 2010/119281 A2 (Anmelderin: Isis Innovation Ltd.; Veröffentlichungstag: 21.10.2010) geht eine Kühlung in einem Elektromotor hervor, bei der von einer Rotoranordnung eines außenliegenden Rotors ausgegangen wird. Flüssiges Kühlmittel wird mit Schaufeln vorwärtsbewegt. Es werden in dem Dokument aber auch Varianten von Elektromotoren vorgestellt, bei denen der Rotor von dem Stator umschlossen ist.
• Ein Verdampferkühlsystem für einen Motor mit einer vertikalen Welle wird in der WO 2015/192 710 A1 (Anmelderin: Dong-Fang Electric Machinery Co. Ltd.; Veröffentlichungstag: 23.12.2015) beschrieben. Zu dem Kühlungssystem sollen ein Kondensator mit einem zylindrischen Körper, wobei mehrere Kühlleitungen in dem zylindrischen Körper vorhanden sein sollen, mit einem Dampfeinlass und mit einem Flüssigkeitsauslass sowie eine Entlüftungspumpe gehören. Außerdem sollen für eine Flüssigkeitsrückführung zwei Pumpen, eine Förderpumpe und eine Saugpumpe, zwei Rückführleitungen und mehrere Ventile in dem System vorhanden sein.
• In der US 6 515 383 B1 (Inhaberin: SatCon Technology Corporation; Veröffentlichungstag: 04.02.2003) ist eine Anordnung von Kanälen oder Röhren, z. B. in 3 parallel zu der Wellenachse, über einem Stator einer Elektromaschine gezeigt. Als ein zusätzliches Element mit einer Kühlwirkung wird eine Matrix mit Dochtwirkung erwähnt (Englisch: „wicking matrix“), die dazu dient, flüssiges Kondensat gleichmäßig über die Enden der Windungen zu verteilen.
• Ein Verdampfungskühlsystem, das speziell den Statormantel kühlt, ist in der US 2016/285 345 A1 (Anmelderin: Hamilton Sundstrand Corporation; Anmeldetag: 27.03.2015) beschrieben. Zur Verbesserung der Kühlung sind zur Wärmeübertragung sog. „fin pins“ oder „pin fins“ von dem Statorgehäuse in die Kühlflüssigkeit vorgesehen.
• Auch die US 3 088 042 B (Inhaberin: The Louis Allis Company; Anmeldetag: 23.11.1959) behandelt Maßnahmen zur Kühlung eines vollständig abgeschlossenen bzw. gekapselten elektrischen Motors. Allerdings wird, wie z. B. in 6 der US 3 088 042 B durch Strömungspfeile angedeutet ist, das Kühlmittel so ausgeströmt, dass es zunächst unter anderem in den Spalt zwischen Rotor und Stator gelangt. Nach seiner Verdampfung gelangt das Kühlmittel als ein Gas durch in radialer Richtung (in Bezug auf die Motorwelle) im Statorkern sich erstreckende Kanäle hindurch und wird nach außen abgeleitet.
• Gemäß der US 2006/0 113 851 A1 (Anmelderin: Nissan Motor Co. Ltd.; Veröffentlichungstag: 01.01.2006) soll es möglich sein, Kühlflüssigkeit in axialen Röhren, die sich durch den Stator bzw. durch den Rotor eines Elektromotors also in Axialrichtung erstrecken, zur Kühlung des Motors verdampfen zu lassen. Das Kühlsystem soll u. a. auch einen Inverter kühlen. In verschiedenen Ausführungsbeispielen werden Anordnungen von Kondensatoren für die Verflüssigung von Kühlmitteldampf im Kühlsystem beschrieben. Mithilfe von Rückschlagventilen soll ein Rückströmen von Kühlmittel in den Versorgungspfad zu einer Reservoirkammer hin bzw. in den Kondensator hinein verhindert werden.
• In der Patentanmeldung EP 2 509 196 A1 (Inhaberin: Siemens AG; Veröffentlichungstag: 10.10.2012) wird eine Statoranordnung beschrieben, bei der die Wärme von sog. „heat pipes“ abgeführt wird, die in „radialen“ Kanälen angeordnet sein sollen. Diese Kanäle seien ursprünglich für die konventionelle Luftkühlung der Maschine vorgesehen gewesen. Als Beispiel für einen geeigneten Maschinetyp mit einem solchen Kühlsystem wird der Maschinentyp „Windturbine“ genannt. Anhand der 3 der EP 2 509 196 A1 ergibt sich, dass eine Strömung von Dampf sowie von Flüssigkeit zur Kühlung in dem geschlossenen System der „heat pipes“ verbleibt. Weil nur die „heat pipes“ zu befüllen sind, könne die Vorrichtung mit deutlich geringeren Kühlmittelmengen auskommen. Die „heat pipes“ sollen hierbei abgeschlossene, jeweils autark ausgestaltete Steckkomponenten sein, die an der Stelle der Löcher für die Luftdurchströmung in den Stator einzustecken sind.
• Die US 2016/0 226 345 A1 (Anmelderin: Siemens AG; Veröffentlichungstag: 04.08.2016) schlägt als geeignete Maßnahme für eine Kühlung einer elektrischen Maschine das Hineinstecken von in sich geschlossenen Kapillarröhrchen in senkrecht bzw. radial bis in einzelne Zähne des Stators verlaufende Aussparungen vor. Damit lässt sich nur lokal, dort wo ein Kapillarröhrchen steckt, eine Kühlung realisieren.
• Die US 2005/0 194 847 A1 (Anmelderin: Siemens AG; Veröffentlichungstag: 08.09.2005) möchte am Ende der Wicklungen, also an den Wickelköpfen, Kühlungen vorsehen. Wie dies hydraulisch dicht in dem von den Wickelköpfen komplett beanspruchten Bauraum zu bewerkstelligen ist, wird in der US 2005/0 194 847 A1 nicht erklärt.
• Die DE 10 2004 038 722 A1 (Anmelderin: Siemens AG; Offenlegungstag: 23.02.2006) schlägt vor, die Kühlung einer Elektromaschine unmittelbar in die Statorwicklungen einzubringen. Es solle nicht indirekt über die Statorbleche gekühlt werden. Weil aber viele Kühlflüssigkeiten leiten, scheiden diese anscheinend aus, um keine Kurzschlüsse in den Wicklungen hervorzurufen.
• Die internationale Anmeldung WO 2018/100 120 A1 (Anmelderin: Elaphne Pogonske Tehnologije D.O.O.; Veröffentlichungstag: 07.06.2018) beschäftigt sich mit einem passiv angetriebenen Kühlsystem für einen Elektromotor, bei dem das Kühlmittel aus einem Reservoir stammt. Das System soll eine Leitung von einem Verdampfer direkt oder ggf. über einen Kondensator zu dem Reservoir und eine weitere Leitung von dem Reservoir zu dem Verdampfer aufweisen. Über einen Docht des Verdampfers bilde sich laut der WO 2018/100 120 A1 ein Druckunterschied aus, der das Kühlsystem „passiv“ antreibt. Hierbei soll der Docht das Kühlmittel in der flüssigen Phase weitgehend von dem Kühlmittel in der Dampfphase trennen. Gemäß den in der WO 2018/100 120 A1 beschriebenen Verdampferanordnungen dürfte ein Bereich, der den Dampf enthält, möglichst nahe an der Wärmequelle des elektrischen Motors zu platzieren sein, damit der Dampf nicht kondensiert. Der Bereich mit dem flüssigen Kühlmittel soll möglichst so angeordnet sein, dass er kühler als der Docht ist und die Verdampfung hauptsächlich in dem Docht stattfindet. Es wird auch von einer guten thermischen Anbindung des Dochts an die Wärmequelle, d. h. an den Stator, gesprochen. Ein thermisch isolierendes Element wird für den Bereich des flüssigen Kühlmittels vorgeschlagen, damit ein Druckgradient über den Docht nicht gestört wird. Ein sog. Kapillardruck würde in einer solchen Anordnung die Kühlmittelströmung antreiben. Der Docht könne aus einem porösen Polymer oder einem gesinterten Metallpulver hergestellt sein. Wie aus dem in 11 der WO 2018 100 120 A1 gezeigten Ausführungsbeispiel zu entnehmen ist, können die Kanäle ringartig ausgeführt sein, wobei ein radial äußerer Ring der Flüssigkeitseinführkanal und ein innerer Ring der Dampfkanal wäre. Dazwischen befindet sich der Docht. Wird die in der WO 2018 100 120 A1 vorgestellte Konstruktion näher analysiert, kommt ein Konstrukteur von Kühlsystemen zu der Befürchtung, dass tatsächlich eine zusätzliche äußere Kühlung erforderlich ist, um ein Verdampfen des flüssigen Kühlmittels in dem äußeren Kanal zu verhindern, damit der „passive“ Strömungsantrieb nicht kollabiert.
• Die DE 25 29 914 A1 (Anmelderin: BBC AG Brown, Boverie & Cie; Offenlegungstag: 29.01.1976) schlägt vor, einen Verdampfer in eine Nut einer elektrischen Maschine einzulegen. Dies hat zur Folge, dass der in vielen Fällen sowieso nicht reichende Platz für die Wicklungen reduziert wird, weil, wie anhand der 2 und 4 der DE 25 29 914 A1 gut zu erkennen ist, damit der zur Verfügung stehende Bauraum für die Kupferleitungen der Wicklungen von den Verdampfern teilweise ausgefüllt wird.
• Das Patent GB 1 354 247 B (Inhaberin: General Electric Company; Anmeldetag: 22.05.1974) beschreibt dynamoelektrische Maschinen, wie z. B. Induktionsmotoren. In einem in 1 gezeigten Beispiel der GB 1 354 247 B ist durch Pfeile eine Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit angedeutet, die zunächst von radial außen (in Bezug auf die Statorerstreckung) in einen in radialer Richtung verlaufenden Kanal des Stators hineinführen soll. Der Dampf wird durch einen Spalt zwischen Rotor und Stator hindurch zurückgeführt. Gemäß einem weiteren Beispiel nach 3 soll die Flüssigkeit in einem annularen Reservoir vorhanden sein und durch Öffnungen in den Bereich der „Kanäle“ gelangen. Das Kühlmittel wird in axial unterschiedliche Richtungen geleitet. Allgemeiner betrachtet handelt es sich bei der GB 1 354 247 B um eine Beschreibung eines Kühlmittelumlaufs, bei dem das Kühlmittel in verschiedenen Phasenzuständen einen „Induktionsmotor“ durchströmt.
• Noch weitere Konzepte zur Kühlung elektrischer Motoren sind z. B. auch aus der bereits oben angesprochenen US 2006 0 113 851 A1 (Anmelderin: Nissan Motor Co., Ltd.; Veröffentlichungstag: 01.01.2006) zu entnehmen.
• Die zuvor genannten Druckschriften gelten mit ihrer Benennung als vollumfänglich in vorliegende Erfindungsbeschreibung inkorporiert. Hierdurch soll vermieden werden, erneut und wiederholt allgemein bekannte Zusammenhänge, die den Aufbau elektrischer Maschinen und die Auswahl geeigneter Materialien, z. B. für Statoren und deren Wicklungen, betreffen, erörtern zu müssen, sondern durch Verweis auf die Druckschriften sollen sie als ebenfalls definiert für vorliegende Erfindung angesehen werden dürfen.
• Aufgabenstellung
• Entwickler elektrischer Maschinen müssen sich fortwährend damit befassen, die Leistungsfähigkeit der von ihnen entwickelten elektrischen Maschine bei einer vorgegebenen Baugröße im Vergleich mit bisher bekannten Maschinen zu erhöhen, was u. a. zu besonderen Anforderungen an die Kühlung der Maschinen führt. In vielen Fällen ist eine passive Abgabe von Wärme, z. B. über Komponentenoberflächen, an die umgebende Atmosphäre nicht ausreichend. Daher gibt es einen Bedarf nach möglichst effizienten, aktiven Kühlungskonzepten, die dafür sorgen, dass dauerhaft ein sicherer Betrieb der elektrischen Maschine unter Berücksichtigung von Umweltstandards ermöglicht wird. Eine gute Ausnutzung der für die elektrische Maschine und deren Betrieb eingesetzten Ressourcen ist in diesem Zusammenhang besonders erstrebenswert. Es ist u. a. nach Möglichkeiten und Techniken für eine effiziente Abführung von in den elektrischen Maschinen entstehender Wärme aus einer Umgebung des Entstehungsorts zu suchen.
• Erfindungsbeschreibung
• Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Elektromaschine nach Anspruch 1 sowie durch ein Verdampferkühlsystem nach Anspruch 14 gelöst, ein geeignetes Verdampfungskühlverfahren lässt sich Anspruch 15 entnehmen. Vorteilhafte Weiterbildungen lassen sich den abhängigen Ansprüchen entnehmen.
• Eine Elektromaschine, wie ein Elektromotor oder ein Generator, weist mindestens einen Rotor und mindestens einen Stator auf, die gegeneinander drehbeweglich angeordnet sind. Zu dem Rotor gehört eine Rotorwelle. Die Rotorwelle ist um eine Zentralachse rotierbar bzw. drehbar. Mindestens ein Lager (üblicherweise jedoch zwei oder mehr als zwei Lager) sorgt für eine Drehbarkeit des Rotors im Vergleich mit Befestigungspunkten der Elektromaschine.
• Der Stator ist mit mindestens einer Statorwicklung ausgestattet, die, insbesondere in Bezug auf den Rotor, als außenliegend bezeichnet werden kann. Die Statorwicklung ist vorzugsweise im Stator rotornah angeordnet. Der Stator erstreckt sich insbesondere um einen Umfang des Rotors bzw. um eine Zylinderoberfläche des Rotors herum. Zwar ist der Stator rotornah angeordnet, aber vorteilhafterweise zwischen dem Rotor und dem Stator erstreckt sich ein hohlzylinderartiger Spalt bzw. Luftspalt.
• In die elektrische Maschine eingebrachte elektrische Energie oder eingebrachte mechanische Energie wird, kurz gesagt, in der elektrischen Maschine teilweise in thermische Energie gewandelt. Die thermische Energie fällt zumeist als Verlustleistung an. Wenn jene thermische Energie nicht ausreichend durch Wärmestrahlung oder durch Luftströmung austragbar ist, kann ein Wärmeaustrag mittels einer aktiven Kühlung durch Zufuhr eines flüssigen Kühlmittels ergänzend oder ersatzweise in der elektrischen Maschine realisiert werden bzw. realisiert sein. Aufgrund des Energieverbrauchs bei einem flüssig-zu-gasförmigen Phasenübergang eines Kühlmittels arbeitet eine Verdampfungskühlung bzw. Verdampferkühlung besonders effizient. Die Kühlung kommt zumeist mit weniger Kühlmittel aus. Durch die Verdampfung ergibt sich eine Verkürzung einer Fließstrecke des Kühlmittels in flüssiger Phase. In einer Energiebilanz wird somit bei einer Verdampfungskühlung u. a. weniger Energie zur Zuführung von Kühlmittel verbraucht, als bei einer Kühlung, die nur die Wärmekapazität eines Kühlmittels (ohne Übergang in einen anderen Aggregatzustand) ausnutzt, wobei das Kühlmittel zur Ausleitung von hochtemperiertem, flüssigem Kühlmittel aus der elektrischen Maschine umgewälzt werden muss. Die Verdampfungswärme lässt sich technisch präziser durch die thermodynamische Größe Verdampfungsenthalpie charakterisieren. Das Verdampfen ist üblicherweise mit einer Volumenzunahme verbunden. Anders gesagt, wird der Kühlmitteldampf expansionsgetrieben aus der elektrischen Maschine abgeführt. Komplementär hierzu ist die Kondensationsenthalpie. Die Kondensation ist mit einer Volumenabnahme verbunden. Das Kühlsystem, genauer das (innere) Verdampfungskühlsystem, ist also dafür ausgelegt, expandierende und kontrahierende Kühlmittel leiten zu können.
• Wenigstens zwei Verdampfer sind im Stator der Elektromaschine angelegt. Besonders vorteilhaft für eine wirksame und effiziente Kühlung ist es, wenn es mehrere Verdampfer gibt, die im Stator verteilt angeordnet sind. Die Verdampfer wandeln ein flüssiges Kühlmittel unter Verbrauch von thermischer Energie in einen Dampf. Ein Aggregatzustand des Kühlmittels wird im Verdampfer geändert. Der Verdampfer begrenzt eine Temperaturerhöhung in dem Stator, wenn der Verdampfer ausreichend mit Kühlmittel versorgt wird. Außerdem wird durch eine Kühlung des Stators eine Übertragung von Wärme in den Rotor, z. B. durch Wärmestrahlung und Konvektion oder auch z. B. durch Strömung von am Stator aufgeheizter Luft zum Rotor, zumindest begrenzt.
• Zwei Verdampfer, die mittels Kühlmittel in Kommunikation stehen, können eine besonders gleichmäßige Kühlwirkung entfalten, indem z. B. beide Verdampfer mit einem gleichmäßigen Zufluss eines gleichtemperierten Kühlmittels arbeiten.
• Mehrere Verdampfer können z. B. äquidistant über den Umfang oder über eine Axialerstreckung des Stators bzw. entlang einer Statorlängsachse verteilt angeordnet sein. Damit kann eine gleichmäßigere Temperaturverteilung im Inneren des Stators eingestellt werden. Vorteilhafterweise ist der Stator derart ausgerichtet, dass sich die Statorlängsachse parallel zur Zentralachse erstreckt.
• Zu dem Verdampfer gehören vorteilhaft mindestens zwei Kanäle. Jeder Verdampfer weist einen Kühlmittelzuführkanal und einen Dampfabführkanal auf. Die beiden Kanäle erstrecken sich vorzugsweise nebeneinander. Beide Kanäle können, vorzugsweise mit einem lateralen Versatz, aneinander grenzen. Jeder Kanal nimmt insbesondere seinen eigenen Bereich im Stator ein. Bei einem zueinander parallelen Verlauf der Kanäle können flüssiges Kühlmittel und Dampf benachbart (im Sinne von nahe, z. B. in einem Abstand von weniger als 5 mm), d. h. beieinander geführt werden. Damit wird eine vorzeitige Abkühlung des Dampfs vermieden.
• Der Kühlmittelzuführkanal kann auch unter dem Gesichtspunkt der Dampfbildung als Verdampfungskammer bezeichnet werden, weil eine Verdampfung von Kühlmittel über eine Gesamtlänge des Kühlmittelzuführkanals im Verdampfer erfolgen kann. Die Verdampfung erfolgt vorzugsweise in einem Ringkanal, damit sich möglichst kein störender Temperaturgradient entlang eines Statorumfangs ausbildet.
• Der Kühlmittelzuführkanal ist zur Leitung von Kühlmittel, vorzugsweise zu mindestens einer im Stator liegenden, z. B. innenliegenden, Fläche bzw. entlang einer im Stator innenliegenden Kühlfläche, ausgebildet. Die innenliegende Fläche kann zu einer Wand eines Verdampfers oder zu einem Stator(-blech-)paket gehören. Wenn der Stator aus mehreren Stator(-blech-)paketen zusammengesetzt ist, kann von zwei Stator(-blech-)endpaketen und einem oder mehreren Stator(-blech-)zwischenpaketen gesprochen werden. Weil sich Stator(-blech-)zwischenpakete in einem Paketstapel stärker aufheizen können, ist es zur Ausbildung eines über eine Statoraxialerstreckung möglichst gleichmäßigen Temperaturprofils vorteilhaft, wenn jedes Statorblechzwischenpaket beidseitig, z. B. mit einer Wärmeabführung von dessen Stirnseiten, mithilfe eines Verdampferkühlers, insbesondere mit einem für jedes Statorblechzwischenpaket bzw. jedes Statorblechpaket eigenen Verdampferkühler, kühlbar ist. Die innenliegende Fläche ist vorzugsweise in einer Radialrichtung von einem Außengehäuse der Elektromaschine bzw. von einem Statormantel zur Zentralachse hin beabstandet. Ein mögliches starkes Aufheizen des Außengehäuses kann vermieden werden, wenn z. B. ein Isolationsspalt wie ein Luftspalt oder ein nichtmetallisches Mittel, z. B. ein Schaum, zwischen dem Kühlmittelzuführkanal und dem Außengehäuse vorhanden ist. Der Schaum kann zusätzlich zur Vibrationsdämpfung zwischen Statorpaketen und Außengehäuse dienen.
• Eine Expansion des Kühlmittels als Kühlmitteldampf treibt den Dampf in den Dampfabführkanal sowie anschließend durch den Dampfabführkanal hindurch. Der Kühlmittelzuführkanal kann in den Dampfabführkanal übergehen. Der Dampfabführkanal ist, insbesondere in einer Radialrichtung, von einem Gehäuse der Elektromaschine, wie deren Außengehäuse, z. B. durch einen Luftspalt oder durch ein Dämpfungsmittel, thermisch entkoppelt. Damit wird eine mögliche Kondensation von Dampf im Dampfabführkanal, die durch eine Kühlung an dem Gehäuse bzw. durch eine Wärmeableitung auf das Gehäuse erfolgen könnte, weitgehend unterdrückt.
• In einem kompakten Ausführungsbeispiel kann jene im Stator innenliegende Fläche des Kühlmittelzuführkanals auch eine Begrenzung des Dampfabführkanals bilden.
• Ein (inneres) Verdampfungskühlsystem für eine Elektromaschine weist im Verbund mit der Elektromaschine vorzugsweise mindestens eine Kühlmittelzuführungseinrichtung, die auch als Kühlflüssigkeitszuführung bezeichnet werden kann, und mindestens eine Kühlmittelrückgewinnung, die auch als Einrichtung zur Kühlflüssigkeitsrückgewinnung bezeichnet werden kann, auf. Jene Einrichtungen können jeweils als ein Modul des Verdampfungskühlsystems ausgebildet sein. Kühlflüssigkeitszuführung und Kühlmittelrückgewinnung können in einem Kühlmittelkreislaufmodul zusammengefasst sein. Die Elektromaschine ist mit der Kühlmittelzuführungseinrichtung und mit der Kühlmittelrückgewinnung vorzugsweise über Leitungen verbindbar bzw. verbunden. Im eingebauten Zustand, z. B. als Antriebsmodul oder als Generatormodul, z. B. in einem Kraftfahrzeug, ist die Elektromaschine mit dem Verdampfungskühlsystem verbunden. Die Kühlmittelzuführungseinrichtung ist vorzugsweise fluidtechnisch an den Kühlmittelzuführkanal bzw. an die Kühlmittelzuführkanäle angeschlossen. Die Kühlmittelrückgewinnung ist vorzugsweise fluidtechnisch an den Dampfabführkanal bzw. die Dampfabführkanäle angeschlossen. Anders gesagt, ein Verdampfer der Elektromaschine weist mindestens einen Kühlmitteleingang, wie eine Kanalöffnung, für vorzugsweise flüssiges Kühlmittel und mindestens einen Kühlmittelausgang für vorzugsweise dampfförmiges Kühlmittel auf.
• Kühlmittel gelangt aus dem (äußeren) Verdampferkühlsystem vorzugsweise durch mindestens eine erste Leitung zur Elektromaschine und durch mindestens eine zweite Leitung von der Elektromaschine in das (äußere) Verdampferkühlsystem. Unter einem Blickwinkel, der die Anlagenkomponenten in den Vordergrund rückt, kann davon gesprochen werden, dass die Elektromaschine eine Wärmequelle ist, die mit einem Verdampfer ausgestattet ist, wobei durch eine Einbindung des Verdampfers in das Verdampfungskühlsystem die Einhaltung einer Temperaturobergrenze für die Elektromaschine sichergestellt wird. Die Kühlmittelrückgewinnung dient als Kühlmittelquelle. Die Kühlmittelrückgewinnung weist insbesondere einen Kondensierer auf. Das Wort „Kondensierer“ kann hierbei als ein Synonym für das (mehrdeutige) Wort „Kondensator“ verwendet werden. In einem Kondensierer wird durch Abkühlung bzw. durch Entzug thermischer Energie ein dampfförmiges Kühlmittel in ein flüssiges Kühlmittel gewandelt. Es findet eine Aggregatzustandsänderung des Kühlmittels statt. Ein dampfförmiges Kühlmittel kann auch als ein kondensierbares Gas bezeichnet werden. Eine Kühlmittelzuführeinrichtung bezieht, insbesondere flüssiges, Kühlmittel aus der Kühlmittelquelle. Das Verdampfungskühlsystem ist Teil eines geschlossenen Systems, bei dem im regulären Betrieb kein Kühlmittel in die Umwelt freigesetzt wird.
• In einem Verdampfungskühlverfahren für eine zuvor beschriebene Elektromaschine ist mindestens eine Statorwicklung zumindest bereichsweise von wenigstens zwei Verdampfern umgeben. Die Verdampfer stehen mittels eines im Verdampfer enthaltenen Kühlmittels in Kommunikation miteinander. Ein Beispiel für eine Kommunikation ist die Zusammenführung von Dampf, der in beiden Verdampfern gebildet werden kann, wenn der Stator eine zur Dampfbildung ausreichende Temperatur, wie eine Siedetemperatur des Kühlmittels, erreicht hat. Beide Verdampfer weisen Kühlmittel auf, das Wärme von der Statorwicklung, insbesondere aus einer Umgebung der Statorwicklung, aufnehmen kann. Ein vorteilhaft verwendbares Kühlmittel hat, insbesondere bei Einbringung in einen Kühlmittelzuführkanal des Verdampfers, eine Viskosität, die eine Fließfähigkeit des Kühlmittels, insbesondere oberhalb typischer Wintertemperaturen wie eine Temperatur oberhalb von - 30 °C, erlaubt. Die Viskosität kann als hoch bezeichnet werden, wenn die Kühlflüssigkeit bzw. das Kühlmittel zähflüssiger als Wasser ist. Die Viskosität des flüssigen Kühlmittels kann also größer als die Viskosität von Wasser sein. An einer Wärmeaustragsfläche des Verdampfers gelangt das Kühlmittel unter den Einfluss der Wärme, die in der Wicklung im Stator generiert wird. Die Wärmeaustragsfläche befindet sich neben der Statorwicklung. Anders gesagt, zwischen der Wärmeaustragsfläche und der Wicklung bzw. einer Isolation der Wicklung erstreckt sich ein wärmeleitendes Material, wie ein Metall. Die Wärmeaustragsfläche ist eine nach Innen gewandte Fläche des Stators, wie eine Innenfläche, die sich unterhalb einer Mantelfläche des Stators axial und/oder radial erstreckt.
• Wenn die Temperatur der Wärmeaustragsfläche sich einem Siedepunkt des Kühlmittels annähert bzw. die Siedetemperatur des Kühlmittels überschreitet, nimmt der Dampfdruck des Kühlmittels zu. Der Dampfdruck kann den normalen Atmosphärendruck (1013 hPa) übersteigen. Es entsteht ein Kühlmitteldampf. Der Phasenübergang des Kühlmittels ist näherungsweise mit der Gleichung von Clausius-Clapeyron beschreibbar. Das Kühlmittel wird unter Hitzeeinwirkung vaporisiert.
• Im Inneren des Stators bzw. des Verdampfers befinden sich zwischen dem Kühlmittelzuführkanal und dem Dampfabführkanal eine Vielzahl von Poren, sog. durchgängige Trennwandporen. Die Trennwandporen sind vorzugsweise gleichmäßig auf einer Trennwand verteilt. Ein mittlerer Abstand zwischen jeweils zwei Trennwandporen kann kleiner als 1 mm sein. Die Trennwandporen können sich ununterbrochen von dem Kühlmittelzuführkanal zu dem Dampfabführkanal erstrecken. Expandierender Kühlmitteldampf dringt durch die Trennwandporen hindurch und gelangt in den Dampfabführkanal. In dem Dampfabführkanal kann der Kühlmitteldampf von der Viskosität des Kühlmittels ungehindert, d. h. in Gasform, abströmen. Der Kühlmitteldampf kann keine thermisch abschirmende Schicht vor der Wärmeaustragsfläche in dem Kühlmittelzuführkanal aufbauen bzw. aufrechterhalten. Damit wird ein Wärmeaustrag aus der Elektromaschine verbessert.
• Nachfolgend werden vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dargelegt, die für sich gesehen, sowohl einzeln als auch in Kombination, ebenfalls erfinderische Aspekte offenbaren können.
• Wenn zwei Kühlmittelzuführkanäle, ein erster Kühlmittelzuführkanal und ein zweiter Kühlmittelzuführkanal, vorhanden sind, sind die beiden Kühlmittelzuführkanäle vorzugsweise zusammen mit einem Dampfabführkanal gruppiert. Die drei Kanäle können sich parallel zueinander erstrecken. Vorzugsweise ist der Dampfabführkanal auf einer ersten Seite und auf einer zweiten Seite von jeweils einem Kühlmittelzuführkanal begrenzt. Es kann auch von einer sandwichartigen Anordnung jener drei Kanäle gesprochen werden. Eingebettet zwischen zwei Kühlmittelzuführkanälen ist der Dampfabführkanal im Inneren des Stators angeordnet. Besonders vorteilhaft für eine gleichmäßige Kühlung ist eine Anordnung von einem Dampfabführkanal und zwei Kühlmittelzuführkanälen, die eine Spiegelsymmetrie bezüglich einer konstruktiven Ebene aufweisen, wobei jene als Konstruktionshilfe fiktiv zu betrachtende Ebene die Rotorwelle in einem rechten Winkel schneidet.
• Der Kühlmittelzuführkanal und der Dampfabführkanal können jeweils als Ringkanal in dem Stator vorhanden sein. Ein Ringkanal weist entlang seiner Längserstreckung eine Krümmung auf, die vorzugsweise einen Winkelbereich von 360 Grad überdeckt. Jeder Ringkanal weist mindestens einen Übergang in eine Kühlmittelzuführöffnung oder in eine Kühlmittelabführöffnung auf. Vorzugsweise gehen die Kühlmittelzuführöffnung und/oder die Kühlmittelabführöffnung über ein T-Stück in den Ringkanal über, wobei die Verzweigung des T-Stücks über einen Kanalring zusammengeführt ist. Zwischen der Kühlmittelzuführöffnung und dem Ringkanal kann ein Kühlmittelverteilerkanal, wie ein axialer Kühlmittelverteilerkanal, angeordnet sein. An dem Kühlmittelverteilerkanal können zwei oder mehr Ringkanäle für flüssiges Kühlmittel angeschlossen sein. Die Ringkanäle liegen vorzugsweise parallel zu einander. Zwischen der Kühlmittelabführöffnung und dem Ringkanal für Kühlmitteldampf kann ein axialer Kühlmitteldampfsammelkanal angeordnet sein. Vorzugsweise sind an einen Kühlmitteldampfsammelkanal zwei oder mehr Ringkanäle für Kühlmitteldampf angeschlossen. Eine axiale Erstreckung des Kühlmittelverteilerkanals ist vorzugsweise größer als ein Durchmesser des Kühlmittelverteilerkanals. Auf diese Weise ist eine besonders gleichmäßige Verteilung von Kühlmittel im Stator möglich.
• Die Ringkanäle der Elektromaschine, die für die Kühlung des Stators vorgesehen sind, können sich innerhalb eines Stator-Hohlzylinder-Körpers erstrecken. Der Hohlbereich des Zylinderkörpers ist dem Rotor vorbehalten. Eine um die Rotorwelle herum möglichst symmetrische Kühlung des Stators ergibt sich, wenn der eine einzige Kühlmittelzuführkanal oder die (mehreren) Kühlmittelzuführkanäle und der Dampfabführkanal um die Rotorwelle als Zentrum herum angeordnet sind. Anders gesagt, die Ringkanäle weisen einen jeweils gleichmäßigen Abstand in Richtung auf die Rotorwelle auf. Vorzugsweise sind alle Ringkanäle von Verdampfern eines Stators parallel zueinander angeordnet.
• Für einen Austausch bzw. eine Ein- und/oder Ausleitung des Kühlmittels geht der jeweilige Kanal, z. B. der Kühlmittelzuführkanal, an seinem Ende vorteilhafterweise in einen Stutzen, z. B. in einen Kühlmittelzufuhrstutzen, über. Der Kühlmittelzufuhrstutzen dient dem Anschluss des Kühlmittelzuführkanals an eine Kühlmittelquelle. Ein Ende von jedem Dampfabführkanal geht vorzugsweise in einen Dampfabfuhrstutzen über. Die Dampfabfuhrstutzen dienen dem Anschluss der Abführkanäle an eine Kühlmittelrückgewinnung. Damit ist ein abgeschlossenes System zur Bereitstellung von Kühlmittel ausgebildet. Kühlmittelleitungen lassen sich besonders gut an dem Stator montieren, wenn sich die Stutzen (Kühlmittelzufuhrstutzen und/oder Dampfabfuhrstutzen) von einer Statoroberfläche abheben. Vorzugsweise weisen die Stutzen von der Statoroberfläche in einer ersten Radialrichtung weg. Der eine (einzige) Stutzen des Kühlmittelzuführkanals bzw. die (mehreren) Stutzen der Kühlmittelzuführkanäle können zu dem Dampfabfuhrstutzen in Radialrichtung versetzt angeordnet sein. Vorteilhaft ist eine Stutzenanordnung, bei der ein Kühlmittelzuführkanal und ein Dampfabführkanal an der Statoroberfläche einander gegenüberliegend vorhanden sind. Damit steht für die jeweiligen Stutzen ein größerer Montageraum zur Verfügung. Wenn einer, zwei oder mehrere Dampfabfuhrstutzen in einer Axialrichtung nebeneinander von der Statoroberfläche abstehen, kann von einer Dampfabfuhrstutzenanordnung gesprochen werden. Zwischen zwei Dampfabfuhrstutzen kann ein Abstand vorhanden sein, der etwa einem Durchmesser eines Dampfabfuhrstutzens oder einem Durchmesser eines Kühlmittelzufuhrstutzens entspricht. Wenn die Dampfabfuhrstutzenanordnung dem Kühlmittelzufuhrstutzen diametral gegenüber liegt, liegt eine besonders günstige Strömungsführung von Kühlmittel vor. Es ist auch möglich, eine Kühlmittelzufuhrstutzenanordnung, d. h. eine Anordnung von einem, zwei oder mehr in axialer Richtung oder in radialer Richtung zueinander beabstandeten Kühlmittelzufuhrstutzen, auf einer Statoroberfläche (entlang seines Umfangs platziert und) gegenüberliegend zu einer Dampfabfuhrstutzenanordnung, insbesondere in diametraler Orientierung bzw. Anordnung zueinander, zu positionieren. Der bei einer diametralen Anordnung in Bezug genommene Durchmesser kann entweder der Durchmesser eines Rotors der Elektromaschine und/oder der Durchmesser eines Stators der Elektromaschine sein. Vorzugsweise handelt es sich bei der Dampfabfuhrstutzenanordnung und bei der Kühlmittelzufuhrstutzenanordnung um eine in Richtung der Rotorwelle lineare Anordnung von mehreren Dampfabfuhrstutzen bzw. von mehreren Kühlmittelzufuhrstutzen, die zu einem oder zu mehreren Verdampfern gehören können. Zwei Dampfabfuhrstutzen und/oder zwei Kühlmittelzufuhrstutzen eines Verdampfers können paarweise, z. B. mit einem Versatzwinkel, wie einem Winkel zwischen 2 und 20° bezogen auf eine Stutzenmitte, auf einer zylindrischen Statoroberfläche zueinander angeordnet sein. Bei einem Versatzwinkel, der in einem Bereich von 160° und 180° liegt, kann von einer gegenüberliegenden Anordnung gesprochen werden.
• Bei derart geschickter Orientierung der Kühlmittelzufuhrstutzen und der Dampfabfuhrstutzen des Stators bzw. der Elektromaschine kann die Schwerkraft, die auf das Kühlmittel wirkt, bei dessen Zufuhr und Abfuhr besonders gut ausgenutzt werden.
• Es ist in einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel auch möglich, den Kühlmittelzuführkanal zusätzlich zum Kühlmittelzufuhrstutzen mit einem Kühlmittelabfuhrstutzen auszustatten. Wenn beide Stutzen am Ringkanal, dem Kühlmittelzuführkanal, benachbart angeordnet sind, weist der Ringkanal zwischen den beiden Stutzen vorzugsweise eine Durchflusssperre auf. Die Durchflusssperre kann als ein Rückschlagventil ausgebildet sein, das einen Kühlmittelfluss durch den Ringkanal hindurch erzwingt. Auf diese Weise ist ein Verdampfer-Durchfluss-Kühlsystem für flüssiges Kühlmittel an dem Stator geschaffen. Der Ringkanal ist durchspülbar. Ein Aufheizen des Stators kann verlangsamt werden. Ausfließendes Kühlmittel ist, z. B. in eine Reservoirkammer, rückführbar bzw. recycelbar, d. h., das Kühlmittel wird in einem geschlossenen Kreislauf immer wieder verwendet.
• Wird versucht, einen (energetisch) vorteilhaften Verdampfer zu schaffen, kann der Verdampfer mindestens eine Wärmeleitplatte, wie ein Wärmeleitblech oder wie ein Paket von Wärmeleitblechen, insbesondere laminierte Wärmeleitbleche, besitzen. Es kann auch gesagt werden, ein Teil des Verdampfers ist die Wärmeleitplatte.
• Ein geeignetes Material für eine solche Wärmeleitplatte eines Verdampfers ist ein Metall. Hierzu gehören Stahl, Kupfer und Aluminium. Eine Wärmeleitplatte dient dazu, Wärmeenergie von (denjenigen) Bereichen abzuleiten bzw. abzuziehen, durch die ein Strömen eines flüssigen Kühlmittels nicht gegeben ist („(be-)strömungsfreie Bereiche“), bzw. von Bereichen abzuleiten bzw. abzuziehen, die während eines Betriebs der Elektromaschine möglichst trocken bleiben sollen. Durch Verwendung einer Wärmeleitplatte als Mittel zur Kühlung kann sich der Verdampfer in dem Stator, z. B. in eine Radialrichtung zu einem Rotor hin, besonders weit erstrecken. Ein erster Bereich der Wärmeleitplatte ist vorzugsweise mit dem Kühlmittelzuführkanal verbunden. Ein zweiter Bereich der Wärmeleitplatte grenzt vorzugsweise an den Spalt der Elektromaschine, der den Rotor der Elektromaschine umgibt.
• Der Kühlmittelzuführkanal und der Dampfabführkanal können besonders kompakt geführt werden, wenn die beiden Kanäle Kühlmittelzuführkanal und Dampfabführkanal zumindest bereichsweise entlang ihrer Längserstreckung lediglich durch wenigstens eine Scheidewand voneinander getrennt sind. Das trennende Element zwischen dem Kühlmittelzuführkanal und Dampfabführkanal ist zumindest die eine Scheidewand. Zwischen den beiden Kanälen können sich aber auch mehrere Scheidewände befinden. Die ein- oder mehrschichtige Scheidewand ist vorzugsweise semipermeabel, d. h. teildurchlässig. Ist die Scheidewand semipermeabel kann kein flüssiges Kühlmittel von dem Kühlmittelzuführkanal durch die Scheidewand in den Dampfabführkanal gelangen. Die Scheidewand blockiert, wie ein Rückschlagventil, einen Durchfluss der Kühlmittelflüssigkeit (in die eine Richtung). Die Scheidewand kann aber teildurchlässig für Kühlmitteldampf ausgeführt sein. Durch eine semipermeable Scheidewand hindurch kann ein Kühlmitteldampf, der sich im Kühlmittelzuführkanal befindet, in den Dampfabführkanal abströmen. Auf diese Weise kann der Kühlmitteldampf dem Dampfabführkanal folgend ausströmen. Die Scheidewand hält Kühlmittelflüssigkeit von dem Dampfabführkanal fern.
• Der Dampfabführkanal kann so gestaltet sein, dass der Dampfabführkanal von zwei Stegen seitlich begrenzt ist. Beide Stege bilden vorzugsweise jeweils eine dampfdurchlässige Dampfabführkanalwand. Mindestens eine Dampfabführkanalwand kann dampfundurchlässig ausgeführt sein. Ein Dampfaustritt wird nicht in alle Richtung gewährt, sondern der Kanal lässt Dampf nur in ausgewählte Richtungen austreten. Vorzugsweise wird ein Dampfaustritt in einer Richtung auf die Rotorwelle hin aus dem Dampfabführkanal heraus verhindert. Die undurchlässige Kanalwand des Dampfabführkanals ist insbesondere in einer zweiten Radialrichtung, d. h. zur Zentralachse hin, angeordnet. Damit wird sichergestellt, dass Kühlmitteldampf nicht direkt in den Spalt zur Rotorwelle hin gelangt. Ein mögliches Abbremsen der Rotorwelle aufgrund eines Ansammelns von Kühlmitteldampf wird vermieden.
• Zwischen dem Kühlmittelzuführkanal und dem Dampfabführkanal kann eine Zwischenwand angeordnet sein; über jene Zwischenwand sind dann der Kühlmittelzuführkanal und der Dampfabführkanal aneinandergekoppelt. Die Zwischenwand hat vorzugsweise Poren, insbesondere Mikroporen. In der Zwischenwand sind Poren vorhanden. Poren können als kleine Öffnungen, wie Mikroöffnungen oder wie Mikrokanäle, ausgebildet sein. Es kann auch von Mikroporen gesprochen werden, die Durchbrüche durch die Zwischenwand bereitstellen. Die Poren können mit einer bestimmten Verteilung in der Wand vorhanden sein. Die Durchmesser dieser Poren unterliegen einer bestimmten Verteilung. Die Größe der Durchmesser liegt vorteilhafterweise in einer bestimmten Bandbreite. Vorzugsweise sind die Poren mit einer gleichmäßigen Dichte über die Zwischenwand verteilt. Ein vorteilhafter Wertebereich für einen mittleren Durchmesser von Poren liegt in einem Bereich von 10 Nanometer (nm) bis 10 Mikrometer (µm), vorzugsweise bis maximal 2 µm.
• Zur Bildung der Zwischenwand stehen Bauteile wie eine Membran, wie eine Keramikplatte und wie ein Lochblech zur Verfügung. Diese Komponenten Membran, Keramikplatte und Lochblech für die Zwischenwand können einzeln eine Zwischenwand ausmachen. Sie können aber auch kombiniert werden. Die Zwischenwand kann zumindest eines der drei Bauteile Membran, Keramikplatte oder Lochblech umfassen. Es ist auf diese Weise möglich, eine Zwischenwand auszubilden, bei der eine Membran mit Porendurchmessern in dem bevorzugten Durchmesserwertebereich (z. B. weniger als 2 µm) einseitig durch ein auf die Membran aufgelegtes Lochblech oder sogar beidseitig durch zwei aufgelegte Lochbleche mechanisch stabilisiert wird. Das Lochblech bzw. die Lochbleche können Öffnungen aufweisen, die größer als 10 Mikrometer sind. Z. B. können die Öffnungen mit einem Durchmesser von einem Millimeter realisiert sein, und insbesondere können die Abstände zwischen den Öffnungen ebenfalls 1 mm betragen. Die Poren und der Porenabstand werden durch die Membran gebildet. Zusätzlich gibt es ein Lochblech, das mit anderen Öffnungen und Öffnungsabständen realisiert ist.
• Anders gesagt, durch Einbringung einer Zwischenwand in einen im Stator vorgesehenen Ringkanal kann eine semipermeable Abtrennung zwischen einem Kühlmittelzuführkanal und einem Dampfabführkanal geschaffen werden. Die Zwischenwand kann die Aufgabe eines Kanalteilers übernehmen. Mithilfe von Kanalteilern ist ein Verdampfer einer Elektromaschine besonders einfach herstellbar. Wenn es sich bei dem Kanal um eine vorgefertigte Aussparung in dem Stator der Elektromaschine handelt, brauchen nur noch eine bzw. zwei Zwischenwände eingesetzt werden, um die Kanalanordnung des Verdampfers auszubilden.
• Mindestens eine Kühlmittelzuführkanalwand ist vorzugsweise als eine Wärmeaustragsfläche ausgebildet. Eine Wärmeaustragsfläche weist eine Vielzahl von Ausbuchtungen auf, die auch als Vertiefungen oder als Erhöhungen bezeichnet werden können. Beispielsweise können beulenförmige Ausbuchtungen in einer Kühlmittelzuführkanalwand vorhanden sein, durch die eine Flächengröße der Kühlmittelzuführkanalwand vergrößert, z. B. verdoppelt, wird. Damit kann das Kühlmittel die Wärme besonders effizient von der Kanalwand aufnehmen. Außerdem kann durch Unebenheiten der Wärmeaustragsfläche eine Ablösung von Blasen, z. B. an Ecken bzw. Kanten, an der Kühlmittelzuführkanalwand gefördert werden. Sich ablösende und expandierende Blasen können bei Kontakt mit einer porösen Begrenzung in den Dampfabführkanal durch eine Dampfabgabe relaxieren. Die Vertiefungen, die Ausbuchtungen bzw. die Erhöhungen sind vorzugsweise punktuell ausgebildet. Wenn sich die Kühlmittelzuführkanalwand ringartig erstreckt, können jene oberflächenvergrößernden Ausformungen der Kühlmittelzuführkanalwand entlang der gesamten Kühlmittelzuführkanalwand vorhanden sein. Es ist möglich, durch eine größere Dichte von Ausbuchtungen bzw. von Vertiefungen und von Erhöhungen in einem ersten Bereich der Kühlmittelzuführkanalwand einen stärkeren Wärmeaustrag zu ermöglichen im Vergleich zu einem Bereich der Kühlmittelzuführkanalwand, die eine kleinere Dichte von Vertiefungen bzw. Ausbuchtungen aufweist. Die Ausbuchtungen sind vorzugsweise jeweils uniform ausgebildet. Durch Verwirbelungen von Kühlmittel an den Ausbuchtungen wird ein Transport von Mikrobläschen bzw. Dampf bzw. siedendem Kühlmittel zu den Poren gefördert.
• Mindestens eine Kühlmittelzuführkanalwandaußenfläche kann, insbesondere wenn der Kanal modulartig in die Elektromaschine bzw. in den Verdampfer einsetzbar ist, mit dem Stator verbindbar sein. Vorzugsweise schließt die Kühlmittelzuführkanalwandaußenfläche an ein Statorpaket an. Die Kühlmittelzuführkanalwandaußenfläche kann auf einem Statorblech aufliegen. Eine Kühlmittelzuführkanalwandaußenfläche kann mit einem Statorgehäuse verbunden sein, z. B. um ein Überhitzen von Halterungen oder Schwingungsdämpfern der Elektromaschine zu vermeiden. Die Verbindung erfolgt vorzugsweise über eine Wärmeleitfläche. Mithilfe eines während eines Zusammenbaus eingebrachten Wärmeleitmittels kann ein (besonders guter) Wärmekontakt zwischen Kühlmittelzuführkanalwandaußenfläche und Statorpaket hergestellt werden. Mögliche luftgefüllte Lücken zwischen Kontaktflächen werden vermieden, damit eine besonders gleichmäßige und effiziente Kühlung des Stators bzw. der Elektromaschine erfolgen kann.
• Eine Statorkühlung kann noch effizienter gestaltet werden, wenn mindestens ein Bereich eines Kühlmittelzuführkanals, vorzugsweise eine Seite eines gesamten Kühlmittelzuführringkanals, von mindestens einem Statorblech, vorzugsweise von einer Gruppe von Statorblechen mit abgedichtet nebeneinander angeordneten Statorblechkanten, begrenzt ist.
• Eine vorteilhafte Verdampfergeometrie liegt z. B. vor, wenn eine Erstreckung des Kühlmittelzuführkanals in einer Richtung entlang einer Zentralachse bzw. Rotorwelle größer ist als eine Erstreckung des Dampfabführkanals in der Richtung entlang der Zentralachse bzw. entlang der Rotorwelle.
• Wenn die Rotorwelle nicht als Hohlwelle ausgebildet ist, kann die Rotorwelle auch als Zentralwelle bezeichnet werden. Anders gesagt, kann sich durch eine als Hohlwelle ausgebildete Rotorwelle eine Zentralwelle, z. B. ausgehend von einem durch die Rotorwelle antreibbaren Getriebe oder einem antreibbaren Differenzial als Antriebswelle für eine Fahrzeugfelge, hindurch erstrecken.
• Vorzugsweise sind die Länge des Kühlmittelzuführkanals und die Länge des Dampfabführkanals, bezogen auf eine ganz bestimmte Richtung, z. B. entlang der Zentralachse, die auch als Erstreckung des Kühlmittelzuführkanals und als Erstreckung des Dampfabführkanals bezeichnet werden können, möglichst lang bzw. groß. Wenn der Verdampfer zwei Kühlmittelzuführkanäle aufweist, ergibt sich, wenn die Kühlmittelzuführkanäle konsekutiv ausgeführt sind, die maximale Erstreckung des Kühlmittelzuführkanals aus der Erstreckung des ersten Kühlmittelzuführkanals und aus der Erstreckung des zweiten Kühlmittelzuführkanals. Beide Erstreckungen können aufsummiert werden. Damit kann sich das Kühlmittel über eine größere Weite entlang der Zentralachse ausbreiten und somit einen besonders guten Wärmeaustrag bereitstellen. Das verdampfte Kühlmittel kann nur noch vergleichsweise wenig Wärme aufnehmen, weshalb ein engerer Dampfabführkanal ausreichend ist.
• Ergänzend kann auch an eine Richtung rechtwinklig zur Zentralachse bei der Gestaltung der Kanäle gedacht werden. Vorteilhaft ist ein Durchmesser des Kühlmittelzuführkanals und des Dampfabführkanals rechtwinklig zur Zentralachse. So wie, in diesem Fall, der Verlauf (bzw. die Verläufe) ist (bzw. sind), ergeben sich die Erstreckungen der Kanäle jeweils entlang der Zentralachse.
• Bei Versuchen, wie ein erfindungsgemäßer Stator besonders gut zusammengebaut und betrieben werden kann, hat sich als vorteilhaft ein rechteckiger Querschnitt sowohl für den Dampfabführkanal als auch für den Kühlmittelzuführkanal herausgestellt, wobei der Querschnitt in einer Schnittebene entlang der Zentralachse genommen ist. Eine Querschnittsfläche des Kühlmittelzuführkanals ist vorzugsweise größer als eine Querschnittsfläche des Dampfabführkanals, wodurch eine besonders effiziente Verdampfungskühlung der Elektromaschine bereitstellbar ist.
• Um die Kühlwirkung noch weiter zu steigern, können Teile der Verdampfer vorzugsweise so ausgelegt sein, dass eine Statorwicklung von zumindest einem der Verdampfer durchsetzt ist.
• Mindestens zwei Verdampfer können zwischen Windungen des Stators hineinreichen. Damit lässt sich die Wärme von den Wicklungen besonders gut abführen. Anders gesagt, der Statorwicklung wird eine Kälte des Kühlmittels zugeführt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Verdampfer in einer radialen Baurichtung im Stator auf die Rotorwelle hinführen und insbesondere vor dem Spalt zwischen Rotor und Stator enden.
• Vorteilhafte Aspekte und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung können mit anderen Worten auch wie folgt beschrieben werden.
• Es sei hervorgehoben, dass die Rotorwelle der Elektromaschine als Zentralwelle ausgeführt sein kann. Wenn die Rotorwelle als eine Zentralwelle ausgebildet ist, eignet sich die Elektromaschine u. a. für einen Antriebsstrang, der einen Versatz zwischen Radachse bzw. Getriebeeingangsachse und Zentralachse der Elektromaschine besitzt.
• Wenn sich die Rotorwelle als Hohlwelle um eine Zentralwelle herum erstreckt, können Rotorwelle und Zentralwelle einen zueinander entgegengesetzten Drehsinn aufweisen. Eine solche Elektromaschine eignet sich u. a. für einen Antriebsstrang, der eine geradlinige Ausrichtung von z. B. einer Getriebeeingangswelle und einer Zentralachse der Elektromaschine besitzt, also zueinander. Der Antriebsstrang ist vorzugsweise ein Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs. In diesem Zusammenhang sei hervorgehoben, dass mit dem Begriff „Zentralachse“ ein so geartetes geometrisches Verständnis einer Achse adressiert wird, bei dem die Achse als Konstruktionshilfe dient.
• Durch die Statorwicklung eines Motors kann z. B. ein Wechselstrom zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes geleitet werden, das dem Antrieb des Rotors dient. In dem Stator entsteht aus einem Anteil der von dem Stromfluss erzeugten Wechselfelder aufgrund eines elektrischen Leitungswiderstands der Statorwicklung im Betrieb u. a. thermische Energie, d. h. Wärme. Die Wärme muss, insbesondere bei Hochleistungsmotoren, z. B. bei Motoren, die mehr als 10.000 Umdrehungen/Minute, z. B. 50.000 U/min, als übliche Drehgeschwindigkeit bieten können, abgeführt werden. Das Abführen der Energie ist notwendig, um eine Verschlechterung der Materialien (z. B. Isolationslacke, elektrische Kontaktstellen, Magnetisierungen sowie ferromagnetische Eigenschaften) oder sogar eine Deformationen von Materialien durch Unterschiede bei den Wärmedehnungskoeffizienten von verbundenen Materialien, die im Rotor und/oder im Stator eingesetzt werden, möglichst zu vermeiden.
• Wie zuvor schon angesprochen, ist ein guter Austausch zwischen Dampfabführkanal und Kühlmittelzuführkanal vorteilhaft. Verdampftes Kühlmittel kann besonders gut in den Dampfabführkanal gelangen, wenn der eine Kanal durch den anderen Kanal umgeben ist z. B. der Dampfabführkanal von mindestens einem Kühlmittelzuführkanal umgeben ist. Der Dampfabführkanal kann auf einer Kanalseite von einem Kühlmittelzuführkanal flankiert sein. Es ist möglich, einen einzigen Kühlmittelzuführkanal vorzusehen, der den Dampfabführkanal auf mindestens zwei Seiten oder sogar auf drei Seiten umgibt.
• Auch ist die Ausgestaltung möglich, dass der Dampfabführkanal röhrenförmig ausgebildet ist und in einen Kühlmittelzuführkanal eingesetzt ist, sodass von einer allseitigen Einbettung des Dampfabführkanals in einen Kühlmittelzuführkanal gesprochen werden kann (vielseitige Einfassung des Dampfabführkanals). Ein Kanalquerschnitt kann rundartig oder auch mehreckig gestaltet sein, um eine ausreichend große Kontaktfläche zwischen Kühlmittelzuführkanal und Dampfabführkanal zum Abströmen des Dampfes zu schaffen. Wenn der Kühlmittelzuführkanal mit eigenen Kanalwänden ausgestattet ist, ist eine formschlüssige Verbindung durch eine Überdruckexpansion oder vorzugsweise durch Einsetzen eines tiefgekühlten Kanals in den Stator herstellbar, wobei der Kanal durch thermische Expansion einen formschlüssigen Sitz einnehmen kann.
• Zusätzlich kann mithilfe von Temperaturgradienten das Austragen thermischer Energie in den Dampfabführkanal verbessert, sogar gesteuert werden. So kann der Fall eintreten, dass bei einer Abkühlung der Elektromaschine Kühlmitteldampf, der in den Dampfabführkanal gelangt ist, (aufgrund der abgesenkten Temperatur) zu Kühlmittelflüssigkeit kondensiert und sich an Wänden des Dampfabführkanals niederschlägt. Jene Flüssigkeit wird bei einer Erwärmung der Elektromaschine durch Wiederinbetriebnahme in Dampf rückgewandelt. Die Flüssigkeit kann aus dem Dampfabführkanal ausgetragen werden, wenn das Kühlmedium wieder als Dampf vorliegt.
• Für einen besonders guten Durchtritt und damit für eine besonders gute Ableitung des Kühlmitteldampfs sollte mit dünnen trennenden Schichten operiert werden. Besonders gut ist es z. B., wenn die Membran, die Keramikplatte und/oder das Lochblech eine Dicke von weniger als 5 mm, z. B. 1 mm, haben bzw. hat. Eine ausreichende Stabilität ist, je nach Zwischenwandgröße, zumeist mit einer Dicke von mehr als 0,01 mm realisierbar.
• Das Kühlmittel besitzt (idealerweise) eine Viskosität, die temperaturabhängig ist. Die Viskosität eines geeigneten Kühlmittels ist bei der Verdampfungskühlung zu berücksichtigen. Wird ein Kühlmittel gewählt, dessen Viskosität im Betriebs- und/oder Kühlpunkt ungünstig ist, kann ein Eindringen des Kühlmittels in eine Pore aufgrund der Viskosität erschwert, eventuell sogar verhindert werden. Vorzugsweise ist eine bevorzugte Porengröße der trennenden Schicht auf ein geeignetes Kühlmittel, d. h. auf ein Kühlmittel mit einer für die Kühlung geeigneten Dampfdruckkennlinie, abgestimmt. In diesem Zusammenhang ist auch die Oberflächenspannung des Kühlmittels zu berücksichtigen. Welche Porengröße aus dem oben genannten Wertebereich auszuwählen ist, ist auf die Parameter wie Viskosität, Oberflächenspannung und Dampfdruckkennlinie im Bereich der Verdampfungskühlung abzustimmen.
• Es ist auch möglich, die verwendete Membran, das Lochblech oder eine verwendete poröse Keramik zumindest bereichsweise mit einer hydrophoben Schicht, wie mit einer Schicht eines expandierten Polytetrafluorethylens, zu überziehen. Auch ist es möglich, die poröse Membran aus einem Schichtmaterial, z. B. aus Polytetrafluorethylen, aus Perfluoralkoxylalkan oder aus Perfluorethylenpropylen, zu bilden. Als wirkgleiche Membranen können auch Membranen verwendet werden, die eigentlich porenlose Membranen sind. Porenlose Membranen sind Membranen, die z. B. aus einem Blockcopolymer, wie eine Verkettung von Polyester- und Polyethermolekülen, gebildet sind, und einen Dampf aufnehmen können und einen Durchtritt einer wässrigen Kühlmittelflüssigkeit weitgehend verhindern, jedoch in bestimmten Umfängen erlauben. Eine hydrophobe Beschichtung kann u. a. vorteilhaft für die Ausbildung eines jeweils großen Kontaktwinkels zwischen einer Blase und einer Membran bzw. einem Lochblech sein.
• Eine semipermeable Membran kann vorteilhaft aus einem Laminat aus, vorzugsweise unterschiedlichen, Schichtmaterialien bzw. Membranschichten gebildet sein. Eine dem Zuführkanal für flüssiges Kühlmittel zugewandte Schicht kann eine Dampfaufnahmeschicht sein. Eine dem Dampfabführkanal zugewandte Schicht bzw. Membran kann eine kühlmittel- bzw. kühlwasserabweisende oder flüssigkeitsabweisende Schicht bzw. Membran sein.
• Vorteilhafte semipermeable Membranen können auch als Nanogewebe aus vernetzten oder gewobenen Nanofasern, wie Kohlenstoff-Nanofasern oder Polymer-Nanofasern, hergestellt sein, wobei die Fasern vorzugsweise einen Durchmesser von weniger als 1000 nm (Nanometer) haben. Zur Herstellung solcher Fasern kann auf verschiedene Herstellverfahren zurückgegriffen werden.
• Vorteilhafte Membranen können eine Superhydrophobizität, vergleichbar mit dem Lotoseffekt, zumindest bereichsweise, wie auf einer Dampfabführkanalseite, aufweisen.
• Es ist auch möglich, eine semipermeable Membran auf ein Trägermaterial, wie auf ein Trägernetz, auf ein Trägergitter oder auf ein Trägergewebe, aufzubringen und damit eine Trennwand oder eine Scheidewand zu bilden. Das Trägermaterial kann Öffnungen mit Durchmessern aufweisen, die in einem Bereich von 0,1 mm bis 5 mm liegen. Das Trägermaterial kann eine Dicke in einem Bereich von 0,1 mm bis 5 mm haben. Eine unterstützte Membran oder ein unterstütztes Laminat, das z. B. zwei Membranen aufweist, kann mechanischen Belastungen, die z. B. durch Vibrationen oder durch Temperaturänderungen entstehen können, besonders gut Stand halten. Eine Richtungsabhängigkeit bezüglich der Richtung, in die eine Durchlässigkeit der Flüssigkeit bevorzugt gegeben ist, bleibt bei der Membran - trotz mechanischer Belastungen und trotz Belastungen durch Umwelt- und Betriebsbedingungen - erhalten.
• Die Trennwand bzw. Scheidewand kann zumindest kühlmittelzuführkanalseitig mit Partikeln beschichtet sein, die zur Ausbildung von Blasenkeimen dienen bzw. eine Blasenbildung befördern. Die Trennwand bzw. die Scheidewand kann, z. B. wenn sie als Lochblech ausgebildet ist, zumindest auf der kühlflüssigkeitsführenden Seite mit einer Rauigkeit ausgestattet sein, die nach Art von Siedesteinen (wie Zeolithe) vorteilhaft für eine Blasenbildung ist. Als Blasenkeime können auch Gasreste in Wandvertiefungen oder Poren dienen. Beispielsweise können Mikroblasen mit einem Durchmesser von weniger als 10 µm, die an Oberflächenstrukturen anhaften, als Blasenkeime dienen. Durch eine strukturell geförderte Dampfbildung an der Trennwand bzw. an der Scheidewand bzw. an der Membran wird verhindert, dass sich im Kühlmittelzuführkanal größere flüssigkeitsfreie Bereiche ausbilden können, die einen Zustrom von Kühlmittelflüssigkeit verzögern könnten. Der Innendruck von Blasen gegenüber einem Außendruck kann z. B. durch eine Laplace-Gleichung beschrieben werden, die einen Zusammenhang zwischen der Druckdifferenz, der Oberflächenspannung und dem Blasendurchmesser herstellt.
• Wenn die Trennwand, Scheidewand oder Membran mit einer eine Benetzbarkeit fördernden Schicht bzw. Oberflächenstruktur zum Kühlmittelzuführkanal hin ausgestattet ist, bildet sich Kühlmitteldampf vorzugsweise auf der Trennwand bzw. auf der Scheidewand bzw. auf der Membran. Die Benetzbarkeit kann durch eine hydrophile Beschichtung gefördert werden. Es kann auch von einer Beschichtung mit einer grenzflächenaktiven Substanz gesprochen werden, die die Dampfbildung fördert.
• Besonders vorteilhaft sind durchgängige Poren in der Trennwand bzw. in der Scheidewand bzw. in der Membran, die kühlmittelzuführkanalseitig eine Weite haben, die für die Blasenbildung vorteilhaft ist, und die dampfabführkanalseitig eine Weite haben, die vorteilhaft für den Durchtritt von Dampf und das Zurückhalten von Flüssigkeit ist.
• Auch die einzelnen Poren können besonders gestaltet sein. Eine Pore kann z. B. eine konische oder eine kegelartige Form haben. Eine Pore kann eine Struktur haben, die einen Hohlraum schafft, der der Form einer Kopfweide entspricht.
• Eine Trennwand zwischen einem Kühlmittelzuführkanal und einem Dampfabführkanal kann mit Mikroklappen und/oder Millimeterklappen bzw. mit Lamellenklappen ausgestattet sein. Die Klappen sind vorzugsweise im Bereich einer Siedetemperatur z. B. aufgrund eines Wärmeverzugs eines Bimetallschalters bzw. eines Thermobimetalls für das Ablassen von Dampf in den Dampfabführkanal hinein selbsttätig von einem geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand verstellbar. Metalle, wie Zink, Messing oder Stahl, sowie Legierungen, wie Invar, sind in geeigneter Weise anhand ihrer Wärmedehnungskoeffizienten für die Ausbildung bzw. Betätigung von Klappen vor durchgängigen Öffnungen der Trennwand mit der Trennwand kombinierbar. Eine Klappenbetätigung kann auch mithilfe eines thermischen Dehnstoffs, wie ein gekapseltes Wachs, das mit einer Feder an der Trennwand zusammenwirkt, realisiert sein. Die Klappen können sich in einer Trennwand innerhalb des Gehäuses der Elektromaschine oder in einer Bypassleitung befinden, die, vorzugsweise außerhalb des Gehäuses bzw. außerhalb des Stators, den Kühlmittelzuführkanal mit dem Dampfabführkanal bzw. mit der Einrichtung für die Kühlflüssigkeitsrückgewinnung verbindet. Das Vorhandensein von Klappen ist bei einer starken Dampfentwicklung besonders vorteilhaft, denn die Klappen fördern ein schnelles Abströmen des Dampfes in den Dampfabführkanal.
• Der Stator der Elektromaschine kann modulartig aufgebaut sein, wobei auf ein erstes Statorpaket ein erster Verdampfer, auf den ersten Verdampfer ein zweites Statorpaket und auf das zweite Statorpaket ein dritter Verdampfer und auf den dritten Verdampfer ein viertes Statorpaket folgt. Jedes Statorpaket kann aus mehreren Statorblechen zusammengesetzt sein - die Statorbleche werden zu Statorblechpaketen zusammengefasst. Die Statorpakete und die Verdampfer können mithilfe von Spannschrauben zusammengepresst sein. Damit ist ein vorteilhafter Stator besonders zeiteffizient herstellbar.
• Das (äußere) Verdampferkühlsystem, insbesondere die Kühlmittelzuführeinrichtung, kann einen Partikelabscheider aufweisen. Der Partikelabscheider kann vorteilhaft als elektrostatischer und/oder magnetostatischer Partikelabscheider ausgebildet sein. Damit können Partikel aufgrund von deren magnetischen und/oder dielektrischen Materialeigenschaften aus einem flüssigen Kühlmittel abgesondert werden, insbesondere bevor das Kühlmittel der elektrischen Maschine zugeführt wird. Vorzugsweise ist das Kühlmittel ein elektrischer Isolator. Wenn der Partikelabscheider als ein z. B. keramischer, Porenfilter ausgebildet ist, können alle Verunreinigungen mit Partikelgrößen, die größer als eine maximale Porengröße sind, aus dem flüssigen Kühlmittel entfernt werden, insbesondere bevor das Kühlmittel in den Verdampfer gelangt. Vorzugsweise wird ein Partikelabscheider mit einer Pumpe kombiniert. Der Partikelabscheider kann mit einem Spülzweig ausgestattet sein. Der Spülzweig wäscht mittels flüssigen Kühlmittels abgeschiedene Partikel aus dem Partikelabscheider in vorgegebenen Zeitintervallen, z. B. in einen Verunreinigungsbehälter, auswäscht. Der Spülzweig kann z. B. durch mindestens ein Wegeventil vor bzw. nach dem Partikelabscheider aktivierbar sein. Damit kann der Kühlmittelkreis des (gesamten) Verdampferkühlsystems möglichst frei von Partikelverunreinigungen gehalten werden.
• Flüssiges Kühlmittel wird vorzugsweise dem Verdampfer aktiv zugeführt. Das Kühlmittel gelangt, je nach Verdampferkonfiguration, schwerkraftgetrieben oder von einer Pumpe gefördert in den Verdampfer. Ein Massestrom eines Kühlmittelzustroms kann, z. B. in einem Durchflusskühler, über ein Proportionalregelventil eingestellt werden. Mithilfe der Pumpe kann das Kühlmittel vorteilhaft mit einem Druck beaufschlagt werden, der etwas höher als ein Umgebungsluftdruck ist; der Druck kann z. B. in einem Bereich von 1,1 bar bis 1,5 bar liegen. Durch ein Leitungs- oder ein Kanalsystem hindurch, von dem Kondensierer oder von einem Reservoir kommend, wird das Kühlmittel bzw. die Kühlflüssigkeit in den Verdampfer bzw. in die Verdampfer eingespeist. Die Pumpe kann auch als Kondensatpumpe bezeichnet werden. Zwischen dem Kondensierer und dem Verdampfer kann eine Sammel- oder Reservoirkammer zur zwischenzeitlichen Verwahrung des Kühlmittels angeordnet sein.
• Der Kondensierer und die Reservoirkammer (falls eine Reservoirkammer vorhanden ist) können mit einem oder jeweils mit einem Wärmetauscher verbunden oder in (einen) Wärmetauscher integriert sein. Aus der Reservoirkammer ist, insbesondere bei einem Schwund von Kühlmittel fehlendes, Kühlmittel in den Kühlmittelkreislauf nachführbar bzw. auf diesem Weg ergänzbar.
• Der Wärmetauscher ermöglicht eine Zweitnutzung von Wärmeenergie, z. B. für eine Fahrzeuginnenraumheizung oder ganz allgemein für eine Raumheizung. Wenn ein Wärmetauscher operativ mit der Reservoirkammer verbunden ist, kann der Wärmetauscher eine Heizung aufweisen. Die Heizung ermöglicht die Bereitstellung des Kühlmittels mit einer vorteilhaften Betriebstemperatur, wie eine Betriebstemperatur von 10 °C bis 20 °C, wenn das Kühlmittel H₂O-haltig ist. Damit kann ein Zufrieren von Kühlkanälen und ggf. vorhandenen Ventilen, Drosseln oder durchflussregelnden Thermostaten, z. B. bei einem stehenden Motor im Winter, verhindert werden.
• Ein H₂O-haltiges Kühlmittel eignet sich aufgrund von Wasserstoffbrückenbindungen, die beim Verdampfen zu brechen sind, besonders gut als Verdampferkühlmittel. Die Kühlmitteleigenschaften, wie die Viskosität oder der Siedepunkt, sind anhand von Beimischungen, z. B. eines mehrwertigen Alkohols, im Kühlmittel einstellbar.
• Das Verdampferkühlmittel kann Ethanol zumindest als Beimischung enthalten. Ethanol ist ein vorteilhaftes Kühlmittel, weil es eine hohe Verdampfungsenthalpie besitzt. Die Verdampfungsenthalpie bei einer Siedetemperatur von 78 °C für Ethanol beträgt 40,5 kJ/mol. Ein Kühlmittel-Siedepunkt von ca. 65 °C (z. B. für Methanol) bis ca. 100 °C (z. B. für Wasser) kann für einen effizienten Wärmeaustrag durch Dampf sorgen. Damit kann, wenn ein ausreichendes Kühlmittelvolumen als Flüssigkeit, z. B. mittels Pumpe, zugeführt wird, ein Überhitzen eines Verdampfers sowie eines mit dem Verdampfer verbundenen Blechpakets verhindert werden.
• Wenn das Verdampferkühlmittel eine leichtflüchtige Komponente, wie Ethanol, und eine schwerer flüchtige Komponente, wie n-Propanol aufweist, kann die Kühlung zunächst durch Ausleitung von Dampf der leichter flüchtigen Komponente von statten gehen. In einem Sammelbehälter, insbesondere für flüssiges Kühlmittel, kann ein Mischungsverhältnis der Komponenten des Verdampferkühlmittels sensorisch überwacht und ggf. durch Zuführung einer der Komponenten aus einem Reservoir auf ein Soll-Mischungsverhältnis eingestellt werden.
• Das (äußere) Verdampferkühlsystem kann mit einem Überdruckventil, das sich vorzugsweise vor dem Kondensierer befindet, ausgestattet sein. Damit kann in einem Fehlerfall, insbesondere bei einem sich im Kühlsystem aufbauenden Überdruck, ein Teil des Dampfs abgelassen werden. Der Stator wird durch das Überdruckventil vor einem Überdruck (z. B. einem Druck von mehr als 5 bar) geschützt.
• Es kann bei dem Kühlsystem für eine Elektromaschine auch von einem Kammer-Verdampfungskühlsystem gesprochen werden. Vorteilhaft für einen gleichmäßigen Wärmeaustrag aus zwei unterschiedlichen Richtungen ist insbesondere ein Drei-Kammer-Verdampfer. Es kann auch von einem Drei-Kammer-Verdampfungskühlsystem gesprochen werden.
• Ein Kammer-Verdampfungskühlsystem, das mehrere, in einem Stator angeordnete, in einer Radialrichtung erstreckende Kanäle (jeweils zwei äußere Kanäle, die Kühlmittelzuführkanäle, und ein innerer Kanal, den Dampfabführkanal) aufweist, kann derart gestaltet sein, dass jeweils die zwei äußeren Kanäle gespiegelt an einer Spiegelachse zueinander platziert sind, und mit Kühlungsfluid bzw. Kühlmittel befüllt sind, um über einen auf der Spiegelachse innenliegenden Dampfabführkanal, der auch als Verdampfungskanal bezeichnet werden kann, weil in diesen Kanal hinein das Kühlmittel verdampft, ein geschlossenes System zu bilden.
• Das Kühlmittel bzw. Kühlungsfluid soll hierbei von radial außen in den jeweils äußeren Kanälen eingeleitet werden und in Kontakt mit dem Stator verdampfen. Der hierbei entstehende Dampf soll durch eine Trennwand hindurch in den inneren Kanal eintreten. Durch diesen Kanal kann der Dampf, insbesondere in entgegengesetzter Strömungsrichtung (im Vergleich mit der Flussrichtung im äußeren Kanal), zum Einlauf hin austreten bzw. durch den entstandenen Überdruck zu einem Kondensator gelangen.
• Als Möglichkeiten für die Gestaltung der Zwischenwand, die die konzentrischen Kanäle, nämlich einen der äußeren Kanäle und den inneren Kanal trennt, kommen z. B.
• • Lochbleche,
• • Diffusionsmembranen und
• • eine Innengeometrie der Verdampferkammer
in Betracht.
• Ein Lochblech mit geeigneter Lochgröße kann z. B. durch Stanzen von Löchern in ein Metallblech mittels Stanzwerkzeug bereitgestellt werden. Durchgängige Löcher in einem Lochblech oder in einer Membran können mittels einem oder mehreren fokussierten Laserstrahlen hergestellt werden. Besonders günstige Lochformen in einem Lochblech lassen sich durch Materialabtrag mit einem Kurzpulslaser erzeugen. Vorzugsweise kommen Pulszüge mit vorgegebener Pulsdauer zum Einsatz, wobei eine Pulsdauer in einem Bereich von weniger als 100 Nanosekunden bis mehr als 10 Femtosekunden vorgebbar ist. Durch Wahl einer Laserlichtquelle und vorzugsweise einer geeigneten Laseroptik für die Materialbearbeitung kann bei einem Durchbohren ein für eine Lochform potenziell ungünstiges Aufschmelzen des Materials, insbesondere des Blechs, durch das Laserlicht vermieden werden. Löcher mit hinreichend kleiner Apertur sind in einem Blech oder einer Membran durch Laserablation herstellbar.
• Die Kammer des (inneren) Verdampferkühlsystems ist ein abgeschlossener Raum, in den das Kühlungsfluid z. B. oben eingeleitet und der Dampf am unteren Ende ausgeleitet wird. Diese Kammer kann, bei Betrachtung einer Einbaulage der Elektromaschine, entweder vertikal zwischen den Statorblechen liegen oder sich um den Statormantel bzw. entlang dem Statormantel erstrecken, je nach bevorzugter Ausgestaltung. Vorzugsweise wird das Kühlungsfluid direkt am Statormaterial entlanggeführt. Dieses besitzt eine höhere Temperatur als die Siedetemperatur des Kühlungsfluides, wodurch das Kühlungsfluid verdampft. Das Statormaterial wird dementsprechend gekühlt. Der Dampf setzt sich vom Wandmaterial in die Mitte der Kammer ab, von wo er durch den Überdruck zum Kondensator abfließt. Der Fluidbereich bzw. Kühlflüssigkeitsbereich an der Statorwand kann durch Lochbleche, Diffusionsmembranen oder durch die Innengeometrie der Kammer vom Dampfbereich abgetrennt werden. Die senkrecht zwischen den Statorblechen liegenden Kammern bieten eine direkte Kühlung an der Wärmequelle im Stator. Ein Wärmeleitwiderstand von der Wärmequelle zur Kühleinheit fällt somit im Vergleich zu bekannten Verdampfungskühlsystemen geringer aus, was die Kühlleistung und die Energieeffizienz verbessert.
• Wenn der Verdampfer scheibenartig ausgebildet ist, kann der Verdampfer bzw. können die Wärmeleitflächen des Verdampfers bis zu 95% einer, insbesondere schlitzfreien, Materialquerschnittsfläche eines Blechpakets als zu kühlender Gesamtquerschnitt abdecken. Damit können besonders kompakte Elektromaschinen gebaut werden, die auf engem Bauraum eine besonders hohe Energiedichte bereitstellen können.
• Folgende Verfahrensschritte können in dem Kammer-Verdampfungskühlsystem stattfinden:
• 1) Einlauf des flüssigen Kühlungsfluids in den Verdampfer;
• 2) Verteilen des Kühlungsfluids an einem Statorwandbereich;
• 3) Aufheizen und Verdampfen des Kühlungsfluids an der Statorwand;
• 4) Übergang des Dampfs von der Kühlungsfluidkammer in die Dampfkammer durch eine Trennwand zwischen den Kammern (bspw. Membran oder Lochblech etc.);
• 5) Strömen des Dampfs durch die Dampfkammer zum Dampfkammer- Auslass;
• 6) Ausströmen des Dampfes in einen Kondensator und Rückgewinnung des flüssigen Kühlungsfluids für den Einlauf in den Verdampfer.
• Besonders vorteilhaft sind vertikale Verdampfer-Kammern, die zwischen Statorblechen angeordnet sind. Eine an der Vertikalseite in Radialrichtung vorhandene Kontaktfläche ist günstig für eine effiziente Kühlung, weil die Kontaktfläche zur Wärmeausleitung besonders groß ausgestaltet sein kann. Einige zusätzliche vorteilhafte Aspekte einer erfindungsgemäßen Kühlung einer Elektromaschine am bzw. im Stator sind wie folgt zu nennen:
• - Verdampfung und Kühlung direkt am Statormaterial,
• - Speicherung der Verlustenergie in der Dampfphase,
• - durch Verdampfung besseren Wärmeübergangskoeffizient,
• - weniger benötigtes Fluid (im Vergleich zu Fluidkühlsystem), somit wird weniger Pumpleistung benötigt,
• - hohe Kühlleistungsdichte im Vergleich zum Flüssigkeitskühlsystem (ohne Aggregatzustandsänderung),
• - Energie wird in der Dampfphase gespeichert und kann z. B. durch eine zusätzliche Niederdruckdampfturbine, wie eine Kleinstdampfturbine, teilweise zurückgewonnen werden,
• - in das (äußere) Verdampferkühlsystem können z. B. im automobilen Bereich andere Fahrzeugkomponenten wie Inverter oder Batterie, insbesondere zu deren Kühlung, vorzugsweise durch Verdampfung eines flüssigen Kühlmittels, mit eingebunden sein und
• - Rotor und Welle, insbesondere die Rotorwelle, werden aufgrund eines geringeren Wärmeleitwiderstandes im Stator in der Elektromaschine besser mitgekühlt.
• Die zuvor dargestellten Kombinationen und Ausführungsbeispiele lassen sich auch in zahlreichen weiteren Verbindungen und Kombinationen betrachten.
• Das (äußere) Verdampferkühlsystem und der Elektromotor sind vorzugsweise mit mindestens einem Temperatursensor ausgestattet. Ein Durchflussregler des Verdampferkühlsystems und, falls erforderlich, eine Kühlmittelheizung des Verdampferkühlsystems, können von einem elektronischen Fahrzeugsteuergerät mittels programmtechnischer Regelung zur Stabilisierung einer vorteilhaften Betriebstemperatur des Elektromotors angesteuert werden.
• Beispielsweise kann der Stator einer erfindungsgemäßen Elektromaschine je nach Art der Maschine, wie Synchronmaschine oder Asynchronmaschine, mit unterschiedlichen Arten von Wicklungen ausgestattet sein. Insbesondere können Wicklungen mithilfe von Stableitern oder Litzenleitern in einem Hairpin-Design gebildet sein. Die Effizienz der Kühlung mit den beschriebenen Verdampfern wird durch die Art der Wicklungen des Stators nur unwesentlich beeinflusst. Außerdem haben die Art und der Aufbau von Rotoren zur Komplettierung der Elektromaschinen keinen wesentlichen Einfluss auf die Verdampfungskühlung. Ein Aufheizen der Wicklungen kann jedoch über deren Wärmeleitungskontakt zum (äußeren) Verdampferkühlsystem zumindest in jenem Wärmeleitungskontaktbereich begrenzt werden.
• Ein Verdampferkühlsystem, das an einen Elektromotor angeschlossen ist, also mit einem Elektromotor kann in ein elektrisch zu betreibendes Kraftfahrzeug eingebaut sein. Der Strom für den Betrieb der elektrischen Maschine ist aus einem elektrochemischen Speicher des Kraftfahrzeugs bereitstellbar. Das (äußere) Verdampferkühlsystem kann auch in Kraftfahrzeugen, die mit mehreren Elektromotoren ausgestattet sind, wie ein elektrischer Antriebsmotor für jedes Straßenrad, vorteilhaft eingesetzt werden. Aufgrund der guten Kühlleistung eignen sich das Verdampferkühlsystem und das Verdampferkühlverfahren auch für Schwerlasttransportfahrzeuge.
• Eine vorteilhafte mit einem Verdampfer ausgestattete und hierdurch kühlbare Elektromaschine kann auch wie folgt beschrieben bzw. zusammengefasst werden.
• Die Elektromaschine ist mit einer rotierbaren Rotorwelle als Teil eines Rotors und dazu wenigstens einer außenliegenden Statorwicklung ausgestattet, die von wenigstens zwei, mittels ihres Kühlmittels in Kommunikation stehenden Verdampfern durchsetzt ist. Die Elektromaschine, z. B. ein elektrischer Fahrantriebsmotor, ist durch eine Verdampfungskühlung, insbesondere durch einen Kühlmittelverdampfer, kühlbar. Jeder Verdampfer umfasst zueinander parallel angeordnete Kanäle, von denen einer ein Kühlmittelzuführkanal und einer ein Dampfabführkanal ist. Die Kühlung kann mittels Verdampfungskühlsystem mit einer Kühlmittelzuführeinrichtung und einer Kühlmittelrückgewinnung, die mit der Elektromaschine verbunden sind, erfolgen. In einem Verdampfungskühlverfahren wird mindestens eine Statorwicklung, die von wenigstens zwei mittels ihres Kühlmittels in Kommunikation stehenden Verdampfern umgeben ist, gekühlt. Das Kühlmittel gelangt in einen Kühlmittelzuführkanal des Verdampfers und wird dort durch Einwirkung von Wärme, abgegeben von einer Wärmeaustragsfläche, die eine neben der Statorwicklung befindliche, umlaufende Innenfläche ist, zu Kühlmitteldampf vaporisiert. Der Kühlmitteldampf gelangt durch durchgängige Trennwandporen hindurch in einen Dampfabführkanal. Aus dem Dampfabführkanal kann der Kühlmitteldampf ausströmen und außerhalb der Elektromaschine wird flüssiges Kühlmittel durch Kondensation des Kühlmitteldampfs rückgewonnen. Damit ist eine effektive Kühlung einer Elektromaschine möglich, wobei schonend unter anderem mit den Ressourcen Energie, insbesondere durch Nutzung elektrischer Energie mit einem guten Wirkungsgrat, und Kühlmittel umgegangen wird.
• Die einen möglichst großen Bogen, idealerweise (fast) 360° umfassende Mantelfläche, abdeckenden Ringkanäle verlaufen vorteilhafterweise in oder an den Statorblechen bzw. den Statorblechpaketen. Ein solcher Ringkanal kann eine Ausnehmung in einem der Statorblechpakete, z. B. in einem Statorblechzwischenpaket oder z. B. zwischen zwei Statorblechzwischenpaketen, sein. Die Ringkanäle sind kreisbogenförmig außerhalb des Rotors und vorteilhafterweise innerhalb des Stators platziert, z. B. an einer seiner Außenseiten. Ein Ringkanal kann in eine Mantelfläche des Stators, insbesondere in eine Mantelfläche eines Statorblechpakets, z. B. in eine Mantelfläche eines Statorblechzwischenpakets, eingearbeitet sein.
• Zumindest bildet ein Ringkanal einen Bogenabschnitt als Teil des Stators, wodurch ein Bereich des Stators gekühlt werden kann. Vorteilhafterweise hat ein Ringkanal in jedem seiner Abschnitte einen gleichen Abstand zu einer Rotorwelle bzw. zu einer Zentralachse der Elektromaschine. Folglich kann auch gesagt werden, die Ringkanäle der Elektromaschine sind radial geformt bzw. in Bezug auf ein Radialzentrum hin mit einem festen Radius ausgestattet. Der Ringkanal ist zu einem Zentrum der Elektromaschine äquidistant angeordnet. Ein Ringkanal überspannt einen Bogen oder Abschnitt des Stators, um in diesem Bereich mittels Verdampfungskühlung Wärme aus dem Material des Stators auszutragen.
• Wie tief der Ringkanal in den Stator eingearbeitet ist, wird u. a. durch die größten Wärmequellen und festgelegte Grenztemperaturen bestimmt. Je tiefer ein Ringkanal in den Stator eingearbeitet ist, desto näher verläuft der Ringkanal zu den Wicklungen. Der Ringkanal kann unmittelbar neben den Wicklungen verlaufen.
• An einen Ringkanal können Stichkanäle angeschlossen sein. Ein solcher Stichkanal kann in einen Zahn eines Stators hineinragen. Durch einen solchen Stichkanal wird Kühlmittel, das verdampfen soll, in den Bereich der Statorwicklung gebracht. Das Kühlmittel, das in einen Nahbereich einer Wicklung bzw. in eine Nachbarschaft zu den Wicklungen geführt wird, verdampft in jenem Bereich, insbesondere wenn dieser Bereich ein Bereich mit einer lokal höchsten Temperatur in der Elektromaschine ist.
• Das Verdampfungskühlsystem bringt Kühlmittel in und/oder an den Stator. Vorteilhafterweise bringt das Verdampfungskühlsystem Kühlmittel bis in einzelne Zähne bzw. zwischen die Schlitze, die für die Aufnahme der Statorwicklung dienen.
• Obwohl eine Elektromaschine als bevorzugtes Anschlussgerät im Sinne eines bevorzugten Einsatzbereichs des Verdampferkühlsystems in den Zeilen zuvor beschrieben wird, ist das als Mehrkammerkühlsystem ausgebildete Verdampferkühlsystem auch vorteilhaft in einer Leistungselektronik wie einem Inverter und/oder in einem elektrochemischen Energiespeicher, wie einem Akkumulator, implementierbar. Die Leistungselektronik, insbesondere deren Halbleiterbauteile, sowie der Energiespeicher, die zum Betrieb der Elektromaschine dienen, können jeweils mit mindestens einem eigenen Verdampfer des Verdampferkühlsystems, vorzugsweise bedarfsabhängig, gekühlt werden. Aufgrund von einer hohen Wärmeaustragseffizienz kann das Verdampferkühlsystem mit einer kleineren Kühlmittelmenge sowie mit einem kleineren Kühlmittelvolumenstrom auskommen als eine durchflussgeregelte Wärmetauscherkühlung, die z. B. konventionell zur Kühlung von Verbrennern eingesetzt wird.
• Figurenkurzbeschreibung
• Die vorliegende Erfindung kann noch besser verstanden werden, wenn Bezug auf die beiliegenden Figuren genommen wird, die beispielhaft besonders vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten darlegen, ohne die vorliegende Erfindung auf diese einzuschränken, wobei
• 1 ein Verdampfungskühlsystem mit einer Elektromaschine zeigt,
• 2 einen Querschnitt durch einen Stator zeigt, der dem in 1 gezeigten Stator ähnelt und eine Ansicht in Richtung „A“ gem. 1 darstellt,
• 3 einen vergrößert herausgezeichneten, aus 2 entnommenen Ausschnitt „B-B“ zeigt,
• 4 einen vergrößert herausgezeichneten, aus 2 entnommenen Ausschnitt „C-C“ zeigt,
• 5 eine zweite Ausführungsvariante eines Verdampferpaarmoduls in einem 4 ähnlichen Ausschnitt bzw. in einer Darstellung eines Ausschnitts zeigt, der dem Ausschnitt „C-C“ aus 2 ähnelt,
• 6 eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform eines Stators mit mehreren Verdampfern zeigt,
• 7 eine vierte Ausführungsform eines Stators mit mehreren Verdampfern in Querschnitt entlang einer Zentralachse zeigt,
• 8 den Stator nach 7 in der Schnittebene „D-D“ zeigt,
• 9 eine perspektivische Ansicht des in den 7 und 8 gezeigten Stators zeigt,
• 10 eine Explosionsdarstellung eines Ausschnitts aus einer fünften Ausführungsform eines Stators zeigt,
• 11 einen Ausschnitt entlang der Linie F-F des in 10 im Ausschnitt dargestellten Stators, wenn seine Statorpakete und seine Verdampfermodule zusammengebaut sind, und 12 eine sechste Ausführungsform eines Stators in Explosionsdarstellung in einer zu
• 10 ähnlichen Ansicht zeigt.
• Figurenbeschreibung
• In den Figuren 1 bis 9 sind verschiedene Ansichten von sowie Ausschnitte aus erfindungsgemäßen Statoren 16, 16^I, 216, 416 gezeigt, bei denen zur besseren Übersichtlichkeit in den Darstellungen einige Details, z. B. die in dem jeweiligen Stator 16, 16^I, 216, 416 einzulegenden Wicklungen sowie z. B. der die in die Statoren einzufügenden Rotoren (vgl. Rotor 12 in 1), weggelassen wurden.
• Weitere Ausführungsbeispiele sind in den 10 bis 12 gezeigt, bei denen ein Schwerpunkt der Kühlung bei einer die Statorwicklung 18 (vgl. 1) durchdringenden bzw. einzelne Spulenabschnitte durchsetzenden Kühlung liegt, indem Kühlmittelflüssigkeit 108 bis (nahezu) zu der Innenseite des Stators 616, 816 gebracht wird.
• Für den in 2 gezeigten Stator 16 sind Wicklungen vorgesehen, die vorzugsweise von in Schlitzen 19, 19^I des Stators 16 eingewickeltem Spulendraht (nicht eingezeichnet) zu bilden sind. Bei dem in 5 ausschnittsweise dargestellten Stator 16^I sind die Wicklungen von Hairpin-Stableitern hergestellt. Soll ein Stator 216, 416 eines solchen Typs, wie er in den Figuren von 6 bis 8 dargestellt ist, Wicklungen aufweisen, werden für die Herstellung des Stators 216, 416 vorzugsweise aus einem Hairpin-Hybrid gebildete Wicklungen verwendet, bei solchen Statoren 216, 416 sind die Wicklungen zumindest abschnittsweise aus einem formgepressten Litzendraht gebildet.
• Weitere, ebenfalls vereinfachte Ausführungsbeispiele werden in den 10 bis 12 gezeigt, bei denen - neben weiteren Vereinfachungen - ebenfalls der aus 1 bekannte Rotor 12 weggelassen worden ist.
• Zwischen den Bezugszeichen zu dem Ausführungsbeispiel nach 1 bis 4 einschließlich die in diesem Zusammenhang offenbarte Variante eines Verdampferpaarmoduls 29 nach 5, den Bezugszeichen zu dem Ausführungsbeispiel nach 6 und den Bezugszeichen zu dem in den Figuren 7 bis 9 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Nummerierungen jeweils um die Zahl 200 von Ausführungsbeispiel zu Ausführungsbeispiel erhöht.
• 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Verdampfungskühlsystem 2 mit einer Elektromaschine 10. Das Verdampfungskühlsystem 2 umfasst eine Kühlmittelzuführeinrichtung 4, die mit einer Reservoirkammer 5 ausgestattet ist. Durch eine Kühlmittelleitung 112 hindurch ist aus der Reservoirkammer 5 Kühlmittelflüssigkeit 108 der Elektromaschine 10 zuführbar. Ein Kühlmittelabfluss aus der Reservoirkammer 5 kann schwerkraftgetrieben erfolgen.
• Optional, daher nur durch eine gestrichelte Linie eingezeichnet, kann eine Pumpe 126 in der Kühlmittelleitung 112 einen Kühlmittelzustrom zur Elektromaschine 10 bzw. deren Kühlmittelzufuhrstutzen 76 hin befördern oder unterstützen. Eine Kühlmittelförderleistung der Pumpe 126 ist durch ein Steuergerät (nicht graphisch dargestellt) regelbar.
• Durch den Kühlmittelzufuhrstutzen 76 gelangt das Kühlmittel 108 aus der Kühlmittelleitung 112 in einen ersten Verdampfer 28 und in einen zweiten Verdampfer 30. Die Verdampfer 28, 30 sind ringförmig ausgebildet. Die beiden Verdampfer 28, 30 überdecken einander in der Ansicht von 1. An dem Kühlmittelzufuhrstutzen 76, der den Kühlmittelzuführkanal 40 umfasst, befindet sich ein Durchflusssensor 122. Der Durchflusssensor 122 kann einen schwerkraftgetriebenen Durchfluss bzw., sofern die Pumpe 126 Teil des Verdampfungskühlsystems 2 ist, die Förderleistung von Kühlmittelflüssigkeit 108 durch die Pumpe 126 messen. Der Kühlmittelzufuhrstutzen 76 erstreckt sich durch ein Außengehäuse 22 der Elektromaschine 10 hindurch. Die Elektromaschine 10 weist einen von dem Außengehäuse 22 drehfest eingeschlossenen Stator 16 auf, der einen drehbaren Rotor 12 umgibt. Der Rotor 12 und der Stator 16 sind voneinander durch einen Spalt 24 separiert. Außerhalb des Spalts 24 sind zum Außengehäuse 22 hin Wicklungen 18 des Stators 16 angeordnet. Der exakte Verlauf der Wicklungen ist zur besseren Übersichtlichkeit des Verdampfungskühlsystem 2 in der schematischen Darstellung von 1 sowie der in 2 bis 9 gezeigten Statorkühlungen nicht wiedergegeben. Der Rotor 12 ist auf einer Rotorwelle 14 befestigt, die sich entlang einer Zentralachse 15 erstreckt.
• Dem Kühlmittelzufuhrstutzen 76 diametral gegenüber befindet sich an dem Außengehäuse 22 ein Dampfabfuhrstutzen 78, in bzw. an dem ein Dampfabführkanal 60 ausmündet. Kühlmittelzufuhrstutzen 76 und Dampfabfuhrstutzen 78 sind in dem Statorgehäuse 26 integriert. An dem Dampfabfuhrstutzen 78 ist ein Temperatursensor 124 angebracht, mit dem eine Austrittstemperatur eines Kühlmitteldampfes 110 aus dem Dampfabführkanal 60 zumindest näherungsweise bestimmbar ist. Der Dampfabführkanal 60 ist mit einer Dampfleitung 114 verbunden, durch die der Dampf 110 von der Elektromaschine 10 zur Kühlmittelrückgewinnung 6 gelangt. Anders gesagt, geht der Dampfabfuhrstutzen 78 in eine Dampfleitung 114 über, die eine fluidische Verbindung, d. h. einen Durchfluss leitende Verbindung, zur Kühlmittelrückgewinnung 6 bildet. Der Abstrom von Kühlmitteldampf 110 aus dem Dampfabführkanal 60 erfolgt getrieben durch thermodynamische Expansion des Dampfs 110.
• Die Kühlmittelrückgewinnung 6 weist einen Kondensierer 7 und einen Wärmetauscher 9 auf. Mithilfe des Wärmetauschers 9 wird dem Dampf 110 Wärmeenergie entzogen, sodass sich der Dampf 110 in dem Kondensierer 7 in ein Kondensat, d. h., in einen flüssigen Aggregatzustand des Kühlmittels, rückverwandelt.
• Optional kann der Dampf 110 durch eine in der Dampfleitung 114 gestrichelt eingezeichnete Dampfturbine 128 von der Elektromaschine 10 kommend in den Kondensierer 7 geleitet werden. Die Dampfturbine 128 wird von dem heißen Dampf 110 angetrieben und kann mithilfe eines Generators (nicht dargestellt) der Dampfturbine 128 einen Anteil der in dem energiereichen Dampf 110 enthaltenen Energie durch Wandlung in elektrischen Strom rückgewinnen.
• In dem Wärmetauscher 9 rückgewonnene thermische Energie kann z. B. zum Heizen eines Kraftfahrzeuginnenraums (nicht dargestellt) weiterverwendet werden. Die Kühlmittelrückgewinnung 6 kann durch eine Kühlmittelüberleitung 116 hindurch die Reservoirkammer 5 mit Kühlmittelflüssigkeit 108 auffüllen. Somit arbeitet die Kühlmittelrückgewinnung 6 als eine Kühlmittelquelle 8 bzw. als eine Quelle 8 für flüssiges Kühlmittel der Kühlmittelzuführungseinrichtung 4.
• Durch die Stutzen 76, 78, die in der schematischen Darstellung von 1 eingezeichnet sind, hindurch ist eine mit den Buchstaben „A“ bezeichnete Schnittebene angedeutet, die zu einer Ansicht, ähnlich der in 2 dargestellten Ansicht, die eine vereinfachte Konstruktionsdarstellung ist, führt.
• In der schematischen Darstellung von 2 sind mehrere Statorpakete, wie die Statorpakete 20, 20^I, und Verdampfer, wie die Verdampfer 28, 30, 28^I, 30^I, des Stators 16 zu sehen, die koaxial zur zentralen Achse 15 nebeneinander angeordnet sind. Zwischen zwei Statorpaketen 20, 20^I befinden sich jeweils zwei Verdampfer 28, 30. Es kann auch von einer Stapelanordnung von Statorpaketen 20, 20^I gesprochen werden, die den Stator 16 bilden. Durch den Stator 16 hindurch erstrecken sich parallel zur Zentralachse 15 -je nach gewähltem Statordurchmesser - vier bis acht Montagebohrungen, wie die Montagebohrungen 32, 32^I, in denen Bolzen (nicht dargestellt) die Statorpakete 20, 20^I und die Verdampfer 28, 30, 28^I, 30^I aufeinandergepresst sowie gegeneinander abdichtend fixieren.
• Entlang der Zentralachse 15 erstrecken sich durch den Stator 16 durchgängige Schlitze, die auch als Nuten, siehe z. B. die Nuten 19, 19^I, bezeichnet werden können. Die Nuten 19, 19^I dienen zur Aufnahme der Statorwicklungen 18 (siehe 1).
• Ein erster Verdampfer 28 und ein zweiter Verdampfer 30 sind zwischen einem ersten Statorpaket 20 und einem zweiten Statorpaket 20^I bezüglich einer konstruktiven Ebene 70 spiegelsymmetrisch angeordnet. Der erste Verdampfer 28 umfasst den (ersten) Kühlmittelzuführkanal 40 und den Dampfabführkanal 60. Der zweite Verdampfer 30 umfasst einen (zweiten) Kühlmittelzuführkanal 42 und den Dampfabführkanal 60. Die Kühlmittelzuführkanäle 40, 42 sind jeweils als voneinander beabstandete Ringkanäle 72, 72^I ausgebildet. Die Kühlmittelzuführkanäle 40, 42 sind jeweils durch einen Kühlmittelzufuhrstutzen, wie den Kühlmittelzufuhrstutzen 76 mit flüssigem Kühlmittel versorgbar. Der Dampfabführkanal 60 ist als ein eingebetteter Ringkanal 74 zwischen den beabstandeten Ringkanälen 72, 72^I ausgebildet. Der eingebettete Ringkanal 74 erlaubt den Austritt von Dampf aus dem Stator 16 durch den Dampfabfuhrstutzen 78 hindurch.
• Zu jedem der Verdampfer 28, 30 gehört jeweils eine Wärmeleitplatte 51, 51^I, durch die alle Nuten, wie die Nuten 19, 19^I hindurchreichen. Die Wärmeleitplatten 51, 51^I sind vorzugsweise aus einem Stück Metall (Kupfer) gebildet. Eine Wärmeleitplatte 51, 51^I ist zur stirnseitigen Auflage auf einem Statorpaket 20 oder in einer andere Ausführungsform zur Auflage auf den Stirnseiten (vgl. Stirnseiten 21, 21^I in 5) von zwei zueinander benachbarten Statorpaketen 20, 20^I ausgebildet. Die Wärmeleitplatten 51, 51^I sind für einen benetzenden Kontakt mit flüssigem Kühlmittel aus einem gegenüber der Einwirkung des Kühlmittels korrosionsbeständigen Metall gebildet.
• Einer Richtung 106 entlang der Zentralachse 15 folgend schließen sich an das zweite Statorpaket 20^I ein dritter Verdampfer 28^I und an den dritten Verdampfer 28^I ein vierter Verdampfer 30^I an, die aufgrund ihrer gleichartigen Ausgestaltung, wie die zuvor beschriebenen Verdampfer erster Verdampfer 28 bzw. zweiter Verdampfer 30, ebenfalls als erster Verdampfer 28 und zweiter Verdampfer 30^I bezeichnet werden können. Somit kann im Hinblick auf einen modular erweiterbaren Aufbau des Stators 16 auch von einem ersten Verdampferpaar 27 und einem zweiten Verdampferpaar 27^I sowie einem dritten Verdampferpaar 27^II und ggf. weiteren (viertem etc.) Verdampferpaaren des Stators 16 gesprochen werden, auf die jeweils genau ein Statorpaket, wie die Statorpakete 20, 20^I folgt. Somit weist der Stator 16 zwei endseitige Statorpakete, wie das Statorpaket 20 und genau zwei Statorzwischenpakete, wie das Statorzwischenpaket 20^I, auf. Die Statorzwischenpakete, wie das Statorzwischenpakete 20^I sind zwischen den Statorendpaketen 20 angeordnet.
• Nach einer weiteren Ausführungsform kann ein Stator ein einziges Statorzwischenpaket, wie das Statorzwischenpaket 20^I, aufweisen. Es ist auch möglich, dass ein Stator ohne ein Statorzwischenpaket auskommt, z. B. wenn ein in Axialrichtung sehr enger Bauraum vorgegeben ist. Außerdem sind besonders leistungsstarke Ausführungsformen möglich, die mehr als zwei, z. B. sechs Statorzwischenpakete, aufweisen.
• Jedes Statorzwischenpaket, wie das Statorzwischenpaket 20^I, ist mit zwei Verdampfern, wie dem zweiten Verdampfer 42 und dem dritten Verdampfer 40^I, auf seinen beiden Stirnseiten (vgl. Stirnseiten 21, 21^I in 5) kühlbar.
• Das erste Verdampferpaar 27 ist aus einer ersten Gruppe von parallel zueinander verlaufenden Kanälen 40, 42, 60 zusammengesetzt. Das zweite Verdampferpaar 27^I bzw. die zweite Gruppe von parallelen Kanälen 40^I, 42^I, 60^I, das den dritten Verdampfer 28^I und den vierten Verdampfer 30^I umfasst, ist mit zwei Kühlmittelzufuhrstutzen, wie dem Kühlmittelzufuhrstutzen 76^I, ausgestattet. Beide Kühlmittelzufuhrstutzen, wie das Beispiel des Kühlmittelzufuhrstutzens 76^I veranschaulicht, gehen jeweils in genau einen eigenen Kühlmittelzufuhrkanal 42^I über. Der Kühlmittelabführkanal 60^I mündet in den Kühlmittelabfuhrstutzen 78^I aus. Alle Kühlmittelzufuhrstutzen, wie die Kühlmittelzufuhrstutzen 76, 76^I, erstrecken sich in einer Richtung 102 radial von dem Stator 16 weg. Von den Kühlmittelzufuhrstutzen 76, 76^I ausgehend bzw. von dem Dampfabfuhrstutzen 78, 78^I ausgehend, führt ein Kanal 40, 42, 40^I, 42^I in einer zur Richtung 102 entgegengesetzten Radialrichtung 104 näher zur Zentralachse 15 bzw. einer dort zu verortenden Rotorwelle 14 (vgl. 1) hin. Die Kanäle 40, 42, 40^I, 42^I verlaufen ringartig mit gleichmäßigem Abstand 73 zur Zentralachse 15, der auch als Ringkanalradius 73 (der größer als ein Spaltradius ist) bezeichnet werden kann, um den Rotor (vgl. Rotor 12, Spalt 24 in 1) herum.
• Aus dem Bereich des mit dem Buchstaben „B“ bezeichneten Ausschnitts, der in 2 dargestellt ist, sind vergrößert in 3 verschiedene Details herausgezeichnet. Ein mit dem Buchstaben „C“ bezeichneter Ausschnitt, der in 2 markiert ist, ist ebenfalls in Teilen und vergrößert in 4 herausgezeichnet wiedergegeben. Bezugszeichen, die in 2 eingetragen sind, haben, sofern sie sich ebenso in 3 bzw. 4 wiederfinden, die gleiche Bedeutung wie in 2.
• In 3 ist besonders gut zu sehen, dass der in dem Stator 16 angeordnete Ringkanal 74 für Kühlmitteldampf sowohl zum ersten Verdampfer 28 als auch zum zweiten Verdampfer 30 gehört. Im Bereich der Kühlmittelzufuhrstutzen, wie dem Kühlmittelzufuhrstutzen 76, ist der Ringkanal 74 für Kühlmitteldampf in der ersten Radialrichtung 102 (siehe 2) abgeschlossen. In der Richtung 106 entlang der Rotorwelle (siehe 2) wird der Ringkanal 74 für Kühlmitteldampf beidseitig von einer Scheidewand 88, 88^I flankiert. Eine erste Scheidewand 88 trennt den Ringkanal 74 für Kühlmitteldampf von dem Ringkanal 72 für flüssiges Kühlmittel. Die zweite Scheidewand 88^I trennt den Ringkanal 74 für Kühlmitteldampf von dem zweiten Ringkanal 72^I für flüssiges Kühlmittel. Die Ringkanäle 72, 72^I für flüssiges Kühlmittel gehören jeweils zu den Kühlmittelzuführkanälen 40 bzw. 42 und sorgen dafür, dass sich flüssiges Kühlmittel rings um den Stator 16 bzw. um den Rotor (siehe Rotor 12 in 1) für eine umfänglich gleichmäßige Kühlung verteilen kann. Die Scheidewände 88, 88^I sind als semipermeable Zwischenwände, wie die Zwischenwand 94, raumteilerartig ausgebildet. Teildurchlässigkeit (Semipermeabilität) besagt, dass durch die Scheidewände 88, 88^I hindurch in den Ringkanal 74 für Kühlmitteldampf solcher Kühlmitteldampf eindringt, aber Kühlmittelflüssigkeit zurückgehalten wird.
• An den Ringkanälen 72, 72^I für flüssiges Kühlmittel, die sich von den Stutzen, wie dem Stutzen 76, aus in der zweiten Radialrichtung 104 erstrecken, sind gegenüber den Scheidewänden 88, 88^I jeweils Wärmeaustragsflächen 50, 50^I vorhanden. Die Wärmeaustragsflächen 50, 50^I werden jeweils von Kühlmittelzuführkanalwänden, wie der Kühlmittelzuführkanalwand 44, gebildet, die Vertiefungen, wie die Vertiefung 46, und Ausbuchtung, wie die Ausbuchtung 48, aufweist. Die Kühlmittelzuführkanäle 28, 30 weisen im Bereich der Ringkanäle 72, 72^I einen rechteckigen Querschnitt, wie den Querschnitt 58, auf, wobei der Querschnitt 58 in Richtung entlang der Zentralachse 106 (vgl. 2) eine kleinere Weite 54 hat als der Durchmesser 56 der beiden Kühlmittelzuführkanäle in Radialrichtung 104 (vgl. 2). Die Weiten 52, 54 der beiden Ringkanäle 72, 72^I die auch als deren maximale Erstreckung (in Axialrichtung) bezeichnet werden kann, sind gleich groß. Die konstruktive Ebene 70 ist als Konstruktionshilfe zur Veranschaulichung durch den Ringkanal 74 für Kühlmitteldampf exakt mittig zwischen den Scheidewänden 88, 88^I eingezeichnet. Die konstruktive Ebene 70 halbiert den Ringkanal 74 für Kühlmitteldampf. Der erste Ringkanal 72 für flüssiges Kühlmittel grenzt an das Statorendpaket 20 und der zweite Ringkanal 72^I für flüssiges Kühlmittel grenzt an das Statorzwischenpaket 20^I. An die Ringkanäle 72, 72^I, 74 schließt sich in der Radialrichtung 104 (vgl. 2) die Wärmeleitplatte 51, 51^I mit deren beiden Bereichen symmetrisch zur konstruktiven Ebene 70 liegend an.
• Besonders gut ist anhand von 2 zu sehen, dass es mehrere Dampfabführkanäle 60, 60^I, 60^II gibt.
• Wie der in 4 gezeigte Ausschnitt „C“ noch besser veranschaulicht, ist der Ringkanal 74 für Kühlmitteldampf durch eine erste Seite 62, ausgebildet als Langseite 62, und eine zweite Seite 64, ausgebildet als Langseite 64, die sich jeweils radial (vgl. Radialrichtung 104 in 2) erstrecken, zu den Ringkanälen 72, 72^I für flüssiges Kühlmittel hin, d. h., quer zu deren radialer Erstreckung, begrenzt. Eine dritte Seite 66, die sich als Schmalseite 66 entlang der Zentralachse (vgl. Zentralachse 15 in 2) erstreckt, begrenzt den Ringkanal 74 für Kühlmitteldampf in radialer Richtung (vgl. Radialrichtung 104 in 2). Die dritte Seite 66 ist kühlmittelundurchlässig. An eine vierte Seite 68, ausgebildet als Schmalseite 68 des Ringkanals 74 für Kühlmitteldampf, schließt sich der Dampfabfuhrstutzen 78 an. Der Dampfabfuhrstutzen 78 bildet eine einzige, quasi punktuelle Unterbrechung der ansonsten kühlmittelundurchlässigen vierten Seite 68. Der Dampfabführkanal 60 hat in Radialrichtung (vgl. Radialrichtung 104 in 2) im Bereich des Ringkanals 74 einen Durchmesser 84, der größer ist als die Erstreckung 82 des Dampfabführkanals 60 in Richtung der Zentralachse 106. Die Erstreckung 82 und der Durchmesser 84 spannen eine Querschnittsfläche 86 des Ringkanals 74 auf, die kleiner ist als die beider Querschnittsflächen der zwei Ringkanäle 72, 72^I für flüssiges Kühlmittel zusammengenommen (vgl. Querschnitt 58 in 3). Kühlmitteldampf kann bereits bei einem Dampfdruck, der z. B. höher als Umgebungsluftdruck ist, schnell aus dem Dampfabführkanal 60 über den Dampfabfuhrstutzen 78 abströmen, sodass sich in dem Dampfabführkanal 60 kein ggf. siedepunkterhöhender Gegendruck (vgl. Druckbildung im Dampfdruckkochtopf) aufbauen kann.
• In einer Dampfabführkanalwand 80, d. h. entlang der ersten Seite 62 und entlang der zweiten Seite 64, befinden sich zahlreiche Poren, wie die Poren 100, 100^I, die durch die Dampfabführkanalwand 80 hindurch durchgängig sind und für einen Durchtritt von Kühlmitteldampf ausgelegt sind. Die Poren 100 bzw. 100^I zweigen von dem Ringkanal 74 für Kühlmitteldampf ab und erstrecken sich bis in den ersten Ringkanal 72 für flüssiges Kühlmittel bzw. in den zweiten Ringkanal 72^I für flüssiges Kühlmittel. Anders gesagt, sind die Poren 100, 100^I, beiderseits der konstruktiven Ebene 70 vorhanden, wobei erste Poren, wie die Pore 100, der Wärmeabfuhr von dem ersten Statorpaket 20 und zweite Poren, wie die Pore 100^I, der Wärmeabfuhr von dem zweiten Statorpaket 20^I des Stators 16, jeweils mittels Ableitung von Kühlmitteldampf, dienen.
• Ein in 5 gezeigter Stator 16^I ist eine vorteilhafte Weiterbildung des in 2 bis 4 gezeigten Stators 16. In 5 ist nur ein Ausschnitt das Stators 16^I zu sehen, der der Größe des Ausschnitts „C“ gem. 2 bzw. 4 entspricht. Zwei in dem Ausschnitt von 5 nicht zu sehenden Kühlmittelzufuhrstutzen entsprechen jenem Stutzen 76, der in 3 gezeigt ist. Der Stator 16^I weist einen ersten Verdampfer 28^II und einen zweiten Verdampfer 30^II auf, die beide zwischen einem ersten Statorpaket 20^II und einem zweiten Statorpaket 20^III eingebettet sind. Der erste Verdampfer 28^II liegt auf einer Stirnseite 21 eines Statorblechs 23 des ersten Statorpakets 20^II auf. Der zweite Stator 30^II liegt auf einer Stirnseite 21^I eines Statorblechs 23^I des zweiten Statorpakets 20^III auf. Die Verdampfer 28^II, 30^II sind zu einem Verdampferpaarmodul 29 zusammengefasst, zu dem ein Verdampferringkanalsegment 75, eine erste Wärmeleitplatte 51^II und eine zweite Wärmeleitplatte 51^III gehören. Die Wärmeleitplatten 51^II, 51^III sind jeweils aus Gruppen von zueinander isolierten, einen magnetischen Fluss unterstützenden Wärmeleitblechen (nicht dargestellt) zusammengesetzt. Die Verdampferpaaranordnung 28^II, 30^II bzw. das Verdampferpaar 28^II, 30^II weist eine Erstreckung 83 in einer Axialrichtung (vgl. Axialrichtung 106 von 2) auf, die kleiner ist, als ein Durchmesser 85 des Verdampferringkanalsegments 75 in Radialrichtung 102^I, 104^I. Der Ringkanal 74^I für Kühlmitteldampf ist zwischen einem ersten Ringkanal 72^II und einem zweiten Ringkanal 72^III, jeweils zur Führung von flüssigem Kühlmittel ausgebildet, eingebettet. Der Ringkanal 74^I für Kühlmitteldampf gehört zu dem Dampfabführkanal 60". Eine konstruktive Ebene 70^I erstreckt sich als Spiegelebene durch den Dampfabführkanal 60^II und dessen Ringkanal 72^I. Ein erster Steg 90 und ein zweiter Steg 92 bilden beidseitig zu dem Ringkanal 74^I Kanalunterteilungen innerhalb des Verdampferringkanalsegments 75. Beide Stege sind durchlässig für Kühlmitteldampf, aber halten flüssiges Kühlmittel in den Ringkanälen 72^II, 72^III zurück.
• In beiden Stegen 90, 92 ist jeweils eine gleichartig ausgebildete Diffusionsmembran vorhanden, wie die Membran 93, die von dem Steg 92 gestützt ist. Die Diffusionsmembran 93 erlaubt ein Eindringen von Dampf aus dem Ringkanal 72^III für flüssiges Kühlmittel in den Ringkanal 74^I für Kühlmitteldampf.
• Von vier Seitenwänden 62^I, 64^I, 66^I, 68^I des Ringkanals 74^I bilden die größeren Seitenwände, nämlich eine erste Seitenwand 62^I und eine zweite Seitenwand 64^I jeweils eine Dampfabführkanalwand, wie die Dampfabführkanalwand 80^I. Eine dritte Seite 66^I des Ringkanals 74^I blockiert einen Dampfdurchtritt in einer Radialrichtung 104^I nach Innen. Die setzt sich entlang der benachbarten Ringkanäle 72^II, 72^III für das flüssige Kühlmittel fort und verhindert auch einen Durchtritt von flüssigem Kühlmittel in Rotorrichtung (vgl. Radialrichtung 104 gem. 2). Durch eine Öffnung in einer vierten Seitenwand 68^I, durch die der Dampfabführkanal 60^II hindurch führt, kann gemäß der Anordnung nach 5, Kühlmitteldampf aus dem Stator 16^I in einer Radialrichtung 102^I austreten.
• Die Stege 90, 92 sind ringförmig ausgebildet und an den Kühlmittelzufuhrstutzen (nicht dargestellt) sowie dem Dampfabfuhrstutzen 78^II befestigt. Zum Ringkanalsegment 75 gehören auch zwei äußere Kühlmittelzuführkanalwände 47, 47^I, die jeweils kanalseitig Ringstrukturen in Gestalt von Ausbuchtungen und Vertiefungen aufweisen. Zwischen den Stutzen, wie dem Stutzen 78^II ist das Ringkanalsegment 75 flüssigkeitsdicht und dampfdicht abgedeckt.
• Eine Kühlmittelzuführkanalwandaußenfläche 45 der Kühlmittelzuführkanalwand 47 liegt auf dem Statorblech 23 im Bereich einer Wärmeleitfläche 49 stirnseitig auf. Entlang der Wärmeleitfläche 49 weist die mit der Wärmeleitfläche 49 verbundene Wärmeaustragsfläche 50^II, eine Welligkeit als Struktur auf, die in den Ringkanal 72^II hinein eine vergrößerte benetzbare Fläche für den Wärmeaustrag bietet. Eine in Radialrichtung angeordnete, zweite Kühlmittelzuführkanalwandaußenfläche 45^I ist von den Wärmeleitplatten 51^II, 51^III bzw. deren Kanten gebildet, die das Verdampferringkanalsegment 75 in der Radialrichtung 104^I abschließen.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung kann eine Kühlmittelzuführkanalwandaußenfläche stoffschlüssig an die Wärmeleitplatten angepasst sein.
• Der Stator 16^I ist zusätzlich mit einem Axialverdampfer 31 ausgestattet, der sich in Axialrichtung (vgl. Axialrichtung 106 in 2) durch den Stator 16^I hindurch erstreckt. In dem Stator 16^I sind gleichmäßig verteilt angeordnete Axialverdampfer, wie der Axialverdampfer 31 vorhanden. Der Axialverdampfer 31 umfasst einen axialen Kühlmittelzuführkanal 41 und einen axialen Dampfabführkanal 61, zwischen denen sich eine axiale, semipermeable Trennwand 97 befindet. Die Trennwand 97 ist an mehreren Stützstellen (nicht dargestellt) in dem Stator 16^I fixiert. Der axiale Dampfabführkanal 61 ist in Radialrichtung 102^I nach außen hin von dem axialen Kühlmittelzuführkanal 41 abgesetzt. Der Axialverdampfer 31 kann bei Bedarf, d. h. bei Umsetzung einer hohen elektrischen Leistung, in der Elektromaschine zu den Verdampfern 28^II, 30^II, die auch als Ringverdampferpaar bezeichnet werden können, zugeschaltet werden.
• Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform eines Stators, wie der Stator 16^I, weist acht Axialverdampfer, wie der Axialverdampfer 31, auf.
• In 6 ist ein Stator 216 für eine Elektromaschine (vgl. Elektromaschine 10 in 1) gezeigt, in dessen Statorpaket 220 sechs Verdampfer 228, 228^I, 228^II, 230, 230^I, 230^II angeordnet sind. Die sechs Verdampfer 228, 228^I, 228^II 230, 230^I, 230^II können auch als Ringverdampfer 228, 228^I, 228^II, 230, 230^I, 230^II bezeichnet werden. Jeweils zwei Verdampfer, wie ein erster Verdampfer 228 und ein zweite Verdampfer 230, bilden ein Verdampferpaar 227. Zu dem Verdampferpaar 227 gehören eine erste Wärmeleitplatte 251 und eine zweite Wärmeleitplatte 251^I.
• Als eine weitere vorteilhafte Detaillierung sei angesprochen, dass die Wärmeleitplatte eines Verdampferpaares einstückig ausgebildet sein kann. Damit wird eine Wärmeausleitung aus dem Stator noch effektiver und sicherer, weil jeder der beiden Verdampfer eines Verdampferpaares die Kühlung übernehmen kann, falls der andere Verdampfer ausfällt.
• Die Wärmeleitplatten 251, 251^I schließen die Windungsnuten, wie die Windungsnute 219, 219^I, ein. Anders gesagt, erstrecken sich die Windungsnute 219, 219^I in Axialrichtung 306 durch die Wärmeleitplatten 251, 251^I hindurch. Die Wärmeleitplatten 251, 251^I erstrecken sich bis zum Spalt 224 hin. Ein Rotor, der zur Ausbildung einer Elektromaschine in den Stator 216 gehört, wurde zur besseren Übersichtlichkeit in 6 nicht eingezeichnet. Montagenuten, wie die Montagenut 233, dienen der Befestigung des Stators 216 in einem Maschinengehäuse (nicht dargestellt). Kühlmittelzufuhröffnungen, wie die Kühlmittelzufuhröffnung 234 des ersten Verdampfers 228 und die Kühlmittelzufuhröffnung 234^I des zweiten Verdampfers 230, sind radial nach Außen gerichtet. Außerdem werden von jedem Verdampfer 228, 228^I, 228^II, 230, 230^I, 230^II auch Kühlmittelabführöffnungen, wie die Kühlmittelabführöffnung 236 des ersten Verdampfers 228 und die Kühlmittelabführöffnung 236^I des zweiten Verdampfers 230, radial nach außen geführt. Mithilfe der Kühlmittelabführöffnung 236, 236^I kann flüssiges Kühlmittel zirkuliert werden. Außerdem wird ein Ablassen des Kühlmittels erleichtert. Zwischen den Kühlmittelzuführöffnungen 234, 234^I des ersten Verdampfers 228 und des zweiten Verdampfers 230 befindet sich im Stator 216 ein - in der gezeigten Darstellung nicht einsehbarer - Dampfabführkanal 260, der ebenfalls als Ringkanal 274 ausgebildet ist. Der Dampfdurchtritt kann in jedem Verdampfer 228, 228^I, 228^II, 230, 230^I, 230^II nur durch eine Trennwand, wie die Trennwand 296 erfolgen und zugeführtes Kühlmittel kann als Dampf durch den Dampfabführkanal 260 hindurch abströmen.
• Die Kühlmittelabführöffnung 236, 236^I sind zusätzlich als Kühlmittelzuführöffnungen 236, 236^I, wie die Kühlmittelzuführöffnungen 234, 234^I betreibbar, sodass auch von Halbringverdampfern 228, 230 gesprochen werden kann. Damit ist es möglich, Kühlmittel z. B. aus zwei separaten Verdampferkühlsystemen bzw. zwei Kühlmittelquellen (vgl. 1) zusammenzuführen und somit die Versorgungssicherheit mit Kühlmittel für den Betrieb der Elektromaschine noch weiter zu erhöhen.
• Außerdem gibt es Kühlmitteldampfabführöffnungen, die aber in der Ansicht, die in 7 zu sehen ist, nicht zu erkennen sind.
• Ein weiteres Beispiel eines - in vorteilhafter Weise - kühlbaren Stators 416 für eine Elektromaschine ist in 7 als schematischer Schnitt entlang einer zentralen Achse 415 gezeigt. Die Darstellung der 7 wird durch die 8 und 9 ergänzt, ergo sollten alle drei 7 bis 9 zusammen betrachtet werden.
• Die Zentralachse 415 ist eine Konstruktionshilfe. Der Stator 416 umfasst vier Verdampfer, wie einen ersten Verdampfer 428 und einen zweiten Verdampfer 430. Der erste Verdampfer 428 dient zur Kühlung eines ersten Statorpakets 420 und der zweite Verdampfer 430 dient zur Kühlung eines zweiten Statorpakets 420^I. Die Statorpakete 420, 420^I können auch als Teile der Verdampfer 428, 430 betrachtet werden. Die Verdampfer 428, 430 sind von einem Statormantel 426 umgeben. Zu den Verdampfern, wie dem ersten Verdampfer 428, gehören ein Kühlmittelzuführkanal 440 und ein Dampfabführkanal 460, die jeweils in einen eigenen Stutzen 476, 478, einem Kühlmittelflüssigkeitzufuhrstutzen 476 und einem Kühlmitteldampfabfuhrstutzen 478, ausmünden. Der Dampfabführkanal 460 weist einen Ringkanal 474 auf, der mittels einer teildurchlässigen Scheidewand 488 von einem Ringkanal 472 des Kühlmittelzuführkanals 440 separiert ist. Verdampftes Kühlmittel wird aus dem Ringkanal 472 für Kühlmittelflüssigkeit in den Ringkanal 474 für Kühlmitteldampf abgeleitet. Sowohl die Ringkanäle 472, 474 als auch die Scheidewand 488 weisen in einer Richtung entlang der Zentralachse 415 eine größere Erstreckung auf, als in einer senkrecht zur Zentralachse 415 zu verortenden Radialrichtung. Die Scheidewand erstreckt sich zwischen dem Statorpaket 420 bzw. den Statorpaketen 420, 420^I, und dem Statormantel 426.
• Eine Ringkanalstützstruktur 487 sorgt dafür, dass die ringförmige Scheidewand 488 in einer vorgegebenen Position als ein Kanalteiler zum Separieren von flüssigem Kühlmittel und Kühlmitteldampf zwischen den Ringkanälen 472, 474 fixiert ist.
• Eine in dem Stator 416 entlang der mit dem Buchstaben „D“ gekennzeichneten Achse (siehe 7) geführter Schnitt ist in 8 dargestellt. Der Stator 416 weist eine ringförmige, gleichmäßig beabstandete Abfolge von Statornuten bzw. Schlitzen, wie die Statornut 419, auf, die der Aufnahme einer oder mehrerer Statorwicklungen dienen. Die Statornut erstreckt sich durch die Blechpakete, wie das Blechpaket 420, und deren Statorbleche, wie das Statorblech 423, hindurch. Der Kühlmittelzuführkanal 440 ist über den ersten Stutzen 476 des ersten Verdampfers 428 befüllbar. Generierter Dampf kann aus dem Dampfabführkanal 460 über den zweiten Stutzen 478 abströmen. Der Kühlmittelzuführkanal 440 ist von dem Dampfabführkanal 460 überlagert und beide Kanäle 440, 460 sind im Wesentlichen zwischen dem Statorpaket 420 und dem Statormantel 426 angeordnet. Axiale Kühlmittelverteilerkanäle, wie der Kühlmittelverteilerkanal 443, erstrecken sich im Stator 416 entlang der Zentralachse 415, die in 7 eingetragen ist. Der Kühlmittelverteilerkanal 443 sorgt dafür, dass flüssiges Kühlmittel, das über den einen Stutzen 476 eingeleitet wird, sich über eine Länge des Stators, insbesondere durch alle Verdampfer, wie die Verdampfer 428, 430 hindurch, entlang der Zentralachse 415 bidirektional verteilen kann. Das Kühlmittel gelangt somit in alle Kühlmittelzuführkanäle, wie den Kühlmittelzuführkanal 440, des Stators 416. Damit wird eine gleichmäßige Verteilung des flüssigen Kühlmittels sichergestellt. Es wird ausgeschlossen, dass einzelne Verdampfer, wie die Verdampfer 428, 430, bzw. Bereiche in einem Ringkanal für flüssiges Kühlmittel, wie dem Ringkanal 472 in 7, trockenfallen können.
• Der Kühlmittelzuführkanal 440 erstreckt sich von dem ersten Kühlmittelzufuhrstutzen 476 bis in den axialen Kühlmittelverteilerkanal 443 und von dem Kühlmittelverteilerkanal 443 durch den Ringkanal 472 hindurch. Zwischen dem Kühlmittelzufuhrstutzen 476 und dem Kühlmittelverteilerkanal 443 bzw. dem Ringkanal 472 gibt es keine Scheidewand 488. Die Scheidewand 488 separiert den Ringkanal 472 für flüssiges Kühlmittel von dem Ringkanal 474 für Kühlmitteldampf.
• In 9 ist eine perspektivische Ansicht des Stators 416 gezeigt, bei der im Vergleich mit der Darstellung von 8 eine äußere Schicht bzw. Hülle an den mit dem Buchstaben „E“ kenntlich gemachten Stellen des Statormantels 426 abgenommen ist. Die vier dicht aneinander aufgereihten Statorpakete 420, 420^I, 420^II, 420^III sind jeweils durch einen Stutzen, wie den Stutzen 476 mit Kühlmittelflüssigkeit versorgbar. Das Kühlmittel kann sich auf den Wärmeaustragsflächen, wie den Wärmeaustragsfläche 450, 450^I der Verdampfer 428, 430 ausbreiten. Die Wärmeaustragsflächen 450, 450^I weisen jeweils mehrere Vertiefungen und Ausbuchtungen, wie die Vertiefung 446 und die Ausbuchtung 448 für den Kühlmittelkontakt bzw. zur Vergrößerung einer Kühlmittelkontaktfläche auf. Die Vertiefungen 446 und Ausbuchtung 448 sind von unterschiedlich weit vorstehenden Statorblechkanten wie der Statorblechkante 425 gebildet. Die ringförmigen Ausbuchtungen, wie die Ausbuchtung 448, dienen einer gleichmäßigen Vergrößerung der Wärmeaustragsflächen 450, 450^I und können außerdem als eine Art Kanalteiler zur Strömungsleitung von flüssigem Kühlmittel dienen. Scheidewandunterstützungen, wie Scheidewandunterstützung 498, die zu einer Ringkanalstützstruktur 487 gehören (siehe 7), sorgen dafür, dass sowohl der Kühlmittelzuführkanal 440 als auch der Dampfabführkanal 460 (vgl. 8) über den Umfang des Stators 416 eine gleichbleibende Querschnittsgröße aufweisen. Der ebenfalls mit Scheidewandunterstützungen ausgestattete Statormantel 426 schließt alle Verdampfer, wie die Verdampfer 428, 430, gemeinsam nach außen hin ein.
• Die in den einzelnen Figuren gezeigten Ausgestaltungsmöglichkeiten lassen sich auch untereinander in beliebiger Form verbinden.
• Beispielsweise können zwei Verdampfer an einer Langseite oder an einer Schmalseite aneinander grenzen. Kühlmittelzuführkanäle und Dampfabführkanäle können in einer Radialrichtung überlappend und/oder in einer Axialrichtung einander überlappend ausgebildet sein, wobei jeweils eine Zwischenwand zwischen den Kanälen einen Durchtritt von verdampftem Kühlmittel erlaubt oder sogar unterstützt und flüssiges Kühlmittel zurückhält.
• Bei dem in den Figuren 7 bis 9 gezeigten Verdampfer können z. B. die Ausbuchtungen 448 als ringförmige Scheidewandunterstützungen für die teildurchlässigen Scheidewand 488 dienen. Jeder Ringkanal 472 für flüssiges Kühlmittel kann aus mehreren, voneinander separierten Sub-Ringkanälen aufgebaut sein. Die Sub-Ringkanäle erstrecken sich vorzugsweise parallel zueinander. Jeder Sub-Ringkanal kann von einer Vertiefung, wie der Vertiefung 446 im Statorpaket 420 (siehe 9), gebildet sein. Die Vertiefung ist z. B durch Anordnung von einem Statorblech mit einem ersten Maximalradius zwischen zwei Statorblechen, die jeweils einen gleichen zweiten Maximalradius aufweisen, wobei der zweite Maximalradius größer als der erste Maximalradius ist, ausbildbar. Der Maximalradius ist jeweils einer Statorblechkante, wie der Statorblechkante 425, zugeordnet. Jeder Sub-Ringkanal bildet zusammen mit den angrenzenden Statorblechen, wie dem Statorblech 423, der Scheidewand 488 und den Ringkanälen für den Kühlmitteldampf, wie dem Ringkanal 474, einen eigenen Verdampfer. Demnach können auch mehr als zwei Ringkanäle für flüssiges Kühlmittel einem Ringkanal für Kühlmitteldampf zugeordnet sein. Alle Sub-Ringkanäle für flüssiges Kühlmittel münden in mindestens einen axialen Kühlmittelverteilerkanal, wie den Kühlmittelverteilerkanal 443 für flüssiges Kühlmittel.
• 11 ist ein in einer 3-D-Ansicht dargestellter Ausschnitt entlang der mehrfach gestuften Schnittlinie F-F aus einem Ausschnitt eines Stators 616 in einer Explosionsdarstellung, die in 10 gezeigt ist. 10 und 11 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, wie ein Stator 616 gestaltet sein kann, der mittels Verdampfungskühlung bzw. mittels Enthalpieänderung der (in 1 gezeigten) Kühlmittelflüssigkeit 108 (bzw. mittels Verdampfungsenthalpie) selbst im Bereich der Schlitze 619, 619^I (bzw. der Statornuten) Abwärme und Verlustwärme ausbringen kann. In dem Stator 616 ist jeder Zahn 730 mit einer Vertiefung 732 ausgestattet. Auf diese Weise haben die Zahnflanken 734 der Zähne 730 Kanalstrukturen eingearbeitet, wodurch auf das Zentrum der Elektromaschine 10 (vgl. 1) hin auch Verdampfungskühlungen durchgeführt werden können und nicht nur im Bereich des Statormantels 426 (vgl. 7).
• Ein Stator, der dem Stator 616 entspricht oder ähnelt, hat nicht nur eine Oberflächenkühlung 536 (siehe 7), sondern die Ringkanäle 672 für Kühlmittelflüssigkeit 108 sind durch abgehende Kanäle bzw. Stichleitungen bis in die Zähne 730 des Stators 616 verzweigt.
• Der in 10 gezeigte Stator 616 setzt sich aus Statorpaketen 620, 620^I zusammen, die gekühlt werden müssen. Zwischen zwei Statorpaketen 620, 620^I gibt es ein Verdampferpaarmodul 629. In dem Verdampferpaarmodul 629 sind ebenfalls Statornuten 619 eingearbeitet, sodass ein Verdampferpaarmodul 629 die Statorpakete 620, 620^I in axialer Richtung 706 weiterführt. Das Verdampferpaarmodul 629 ist ein umlaufendes, ringförmiges Modul, das in Bezug auf die Radialrichtung 704 in jedem seiner Segmente, d. h. über jeden Kreisbogenabschnitt gleichbeabstandet zum Zentrum des Stators 616 ist.
• Ein Verdampferpaarmodul 629 umfasst zwei Scheidewände 688, 688^I mit Poren 700 und bietet, wie anhand von 11 zu sehen ist, für jeden Kühlabschnitt einen Kühlmittelzufuhrstutzen 676. Der Kühlmittelzufuhrstutzen 676 stellt die Zufuhröffnung für die Kühlmittelzuführeinrichtung 4 dar.
• Wie besonders gut anhand der 10 zu erkennen ist, hat ein vorteilhaft gestaltetes Statorpaket 620^I eine Wärmeaustragsfläche 650, die eine vergrößerte Oberfläche hat. Die Wärmeaustragsfläche 650 hat Vertiefungen, wie die Vertiefung 646, und Ausbuchtungen, wie die Ausbuchtung 648.
• Wie anhand von 11 zu sehen ist, die verschiedene Bereiche zeigt, zum einen sind Bereiche, wie der Kühlmittelzuführkanal 640, 640^I, mit Kühlmittelflüssigkeit 108 und zum anderen Bereiche, wie die Bereiche um die Poren 700, mit Kühlmitteldampf 110 markiert, gelangt Kühlmittelflüssigkeit 108 bis in den Bereich mit Zähnen, wie dem Zahn 730, aufgrund einer Vertiefung 732 in einem Zahn 730. Dort im Zahn 730, also neben den Statornuten 619, 619^I verdampft die Kühlmittelflüssigkeit 108 und kann als Kühlmitteldampf 110 durch die Poren 700 durchtreten.
• Der Stator 616 hat, wie ebenfalls anhand von 11 zu sehen ist, Wärmeaustragsflächen, wie die Wärmeaustragsfläche 650, die unmittelbar an den Ringkanal 672 (für Kühlmittel 108) anschließt und Wärme des Stators 616 dem Kühlmittel 108 übergibt, sodass das Kühlmittel 108 verdampft und in den Ringkanal 674 für Kühlmitteldampf 110 gelangt.
• Um mehr Wärme aus dem Stator 616 austragen zu können, hat der Stator 616 mehrere Verdampferpaarmodule 629, 629^I. Jedes Verdampferpaarmodul 629, 629^I umfasst einen ersten Verdampfer 628 und einen zweiten Verdampfer 630. Zu jedem Verdampfer 628, 630 gibt es einen Kühlmittelzuführkanal 640.
• Aus Stabilitätsgründen ist es vorteilhaft, wenn die Vertiefung 732 eines Zahnes 730 zur Leitung der Kühlmittelflüssigkeit 108 in einer Zahnflanke 734, genauer unter einer Abdeckung des Zahnes 730 geführt ist. Durch den Zahn 730 wird die Statorwicklung, z. B. die Statorwicklung 108 gem. 1, mit Kühlmittelflüssigkeit 108 durchsetzt.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Stators 816 ist in 12 gezeigt. Der Stator 816 ähnelt dem Stator 616, der in den 10 und 11 zu sehen ist. Der Stator 816 ist ebenfalls ein tiefengekühlter Stator, der bis in den Bereich der Statorwicklung 18 (vgl. 1) reicht. In dem Stator 816 ist nur jeder zweite Zahn 830 mit einer Vertiefung 832 in der Zahnflanke 834 ausgestattet. Ein weiterer Typ Zahn 830^I ist vertiefungslos ausgeführt, das heißt, er ist ohne eine Vertiefung 832 und somit ungekühlt. Die Vertiefung 832 im Zahn 830 kann Kühlmittel 108 (vgl. 1) bis in den Bereich der Statorwicklung (nicht in 12 eingezeichnet, sondern nur die Wicklung aufnehmenden Nuten 819, 819^I), also bis in den Bereich der Nuten 819, 819^I bringen, wo das Kühlmittel 108 verdampft.
• Natürlich können auch andere Kühlkanalabstände gewählt werden, z. B. nur in jedem dritten, vierten oder fünften Zahn.
• Durch eine derart geschickte Kühlmittelführung kann z. B. eine elektrische Leistungsaufnahme und eine mechanische Drehmomentenabgabe bzw. eine mechanische Drehmomentenaufnahme und eine Gewinnung elektrischer Energie in einem kompakten Aufbau einer elektrischen Maschine noch weiter erhöht werden.
• In vorteilhaften Weiterbildungen (zu denen es keine graphischen Darstellungen gibt) weist die Kühlmittelzuführeinrichtung 4, die aus 1 bekannt ist, zumindest ausgangsseitig ein Absperrventil und/oder ein Rückschlagventil und/oder ein Durchflussregelventil auf.
• Bezugszeichenliste

2

Verdampfungskühlsystem, insbesondere Kondensationskühlkreislauf

4

Kühlmittelzuführeinrichtung, insbesondere Zuführung für flüssiges Kühlmittel

5

Reservoirkammer

6

Kühlmittelrückgewinnung

7

Kondensierer

8

Kühlmittelquelle

9

Wärmetauscher

10

Elektromaschine

12

Rotor

14

Rotorwelle, insbesondere Zentralwelle

15,415,

Zentralachse

16, 16I, 216, 416, 616, 816

Stator, insbesondere Stator-Hohlzylinderkörper

18

Statorwicklung

19, 19I, 219, 219I, 419, 619, 6191, 819, 819I

Schlitz zur Aufnahme einer Statorwicklung, auch Statornut genannt

20, 20I, 420, 420III, 620

Statorpaket, insbesondere Statorendpaket, wie ein Blechpaket

20I, 20III, 420I, 420II, 620I

Statorpaket, insbesondere Statorzwischenpaket, wie ein Blechpaket

220

Statorpaket, insbesondere Blechpaket eines Stators

21, 21I

Stirnseite des Statorpakets

22

Außengehäuse

23, 23I, 423

Statorblech

24, 224

Spalt zwischen Rotor und Stator

425

Statorblechkante

26, 426

Statorgehäuse oder Statormantel bzw. Statoroberfläche

27, 27I, 27II, 227

Verdampferpaar

28, 28I, 28II, 228, 228I, 228II, 428, 628

erster Verdampfer

29, 629, 629I

Verdampferpaarmodul

30, 30I, 30II, 230, 230I, 230II, 430, 630

zweiter Verdampfer

31

Axialverdampfer

32, 32I

Montagebohrung

233

Montagenut

234, 234I

Kühlmittelzuführöffnung

236, 236I

Kühlmittelabführöffnung

40, 40I, 440, 640, 640I

Kühlmittelzuführkanal

41

axialer Kühlmittelzuführkanal

42, 42I

Kühlmittelzuführkanal

443

axialer Kühlmittelverteilerkanal

44

Kühlmittelzuführkanalwand

45, 45I

Kühlmittelzuführkanalwandaußenfläche

46

Vertiefung

446, 646

Vertiefung, insbesondere Sub-Ringkanal im Ringkanal für flüssiges Kühlmittel

47, 47I

Kühlmittelzuführkanalwand, insbesondere Kanalwand mit Ringstrukturen

48

Ausbuchtung

448, 648

Ausbuchtung, insbesondere Kanalteiler für Sub-Ringkanäle im Ringkanal für flüssiges Kühlmittel

49

Wärmeleitfläche

50, 50I, 50II, 450,

Wärmeaustragsfläche, insbesondere Seite eines Kühlmittelzuführkanals,

450I, 650

die als umlaufende Innenfläche ausgebildet ist

51, 51I, 51II, 51III, 251, 251I

Wärmeleitplatte, insbesondere Paket von Wärmeleitblechen

52

maximale Erstreckung, insbesondere des ersten Kühlmittelzuführkanals

54

maximale Erstreckung, insbesondere des zweiten Kühlmittelzuführkanals

56

Durchmesser des Kühlmittelzuführkanals, insbesondere Durchmesser in einer Radialrichtung

58

Querschnitt eines Kühlmittelzuführkanals

60, 60I, 60II, 60III, 260, 460

Dampfabführkanal

61

axialer Dampfabführkanal

62, 62I

erste Seite des Dampfabführkanals

64, 64I

zweite Seite des Dampfabführkanals

66, 66I

dritte Seite des Dampfabführkanals

68, 68I

vierte Seite des Dampfabführkanals

70, 70I

konstruktiven Ebene

72, 72I, 72II, 72III, 472, 672

Ringkanal für flüssiges Kühlmittel

73

Ringkanalradius

74, 74I, 274, 474, 674

Ringkanal für Kühlmitteldampf

75

Verdampferringkanalsegment, insbesondere Ringkanalbereich eines Verdampferpaares

76, 76I, 476, 676

Kühlmittelzufuhrstutzen

78, 78I, 78II, 478

Dampfabfuhrstutzen

80, 80I

Dampfabführkanalwand

82

Erstreckung des Dampfabführkanals, insbesondere Erstreckung in einer Axialrichtung, wie eine Erstreckung entlang der Zentralachse

83

Erstreckung der Verdampferpaaranordnung

84

Durchmesser des Dampfabführkanals, insbesondere Durchmesser in einer Radialrichtung

85

Durchmesser des Verdampferringkanalsegments, insbesondere Durchmesser eines Tripelkanalsegments in einer Radialrichtung

86

Querschnitt des Dampfabführkanals, insbesondere Querschnittsfläche des Ringkanals für den Kühlmitteldampf

487

Ringkanalstützstruktur

88, 88I, 488, 688, 688I

Scheidewand

90

erster Steg

92

zweiter Steg

93

Membran

94

Zwischenwand

296

Trennwand

97

axiale Trennwand

498

Scheidewandunterstützung

100, 100I, 700

Pore, insbesondere Trennwandpore mit Durchgangsöffnungen zum Kühlmittelzuführkanal und zum Dampfabführkanal

102, 102I

erste Radialrichtung, insbesondere Baurichtung von einer Statoroberfläche weg

104, 104I, 704

zweite Radialrichtung, insbesondere Baurichtung auf die Rotorwelle hin

106, 306, 706

Richtung entlang der Rotorwelle bzw. Richtung entlang der Zentralachse

108

Kühlmittelflüssigkeit, insbesondere zugeführte Kühlmittelflüssigkeit

110

Kühlmitteldampf, insbesondere abgeführter Kühlmitteldampf

112

Kühlmittelleitung

114

Dampfleitung

116

Kühlmittelleitung

122

Durchflusssensor

124

Temperatursensor

126

Pumpe

128

Dampfturbine

730, 830, 830I

Zahn

732, 832

Vertiefung

734, 834

Zahnflanke

536

Oberflächenkühlung

A

Schnittebene

B

Ausschnittsbereich

C

Ausschnittsbereich

D

Schnittebene

E

Segmentausschnitt aus dem Stator, unterhalb dessen Gehäuse

F

Segmentausschnitt aus einem Stator

• 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 102010012295 A1 [0003]
• DE 2150113 A [0003]
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• DE 102017205729 B4 [0004]
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• WO 2010119281 A2 [0007]
• US 6515383 B1 [0009]
• US 2016285345 A1 [0010]
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• US 20060113851 A1 [0012, 0020]
• EP 2509196 A1 [0013]
• US 20160226345 A1 [0014]
• US 20050194847 A1 [0015]
• US 2005/0194847 A1 [0015]
• DE 102004038722 A1 [0016]
• WO 2018100120 A1 [0017]
• DE 2529914 A1 [0018]
• GB 1354247 B [0019]

Claims (15)

1. Elektromaschine (10) mit rotierbarer Rotorwelle (14) als Teil eines Rotors (12) und dazu wenigstens einer außenliegenden Statorwicklung (18), die durch eine Verdampfungskühlung einen Austrag thermischer Energie erhalten kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (10) wenigstens zwei, mittels ihres Kühlmittels (108, 110) in Kommunikation stehende Verdampfer (28, 28^I, 28^II, 228, 228^I, 228^II, 428; 30, 30^I, 30^II, 230, 230^I, 230^II, 430; 31) hat, wobei die Verdampfer (28, 28^I, 28^II, 228, 228^I, 228^II, 428; 30, 30^I, 30^II, 230, 230^I, 230^II, 430; 31) in einer um die Rotorwelle (14) als Zentrum zumindest teilweise herumlaufenden Richtung (104, 104^I) das Kühlmittel (108, 110) führen, und wobei jeder Verdampfer (28, 28^I, 28^II, 228, 228^I, 228^II, 428; 30, 30^I, 30^II, 230, 230^I, 230^II, 430; 31) zueinander parallel angeordnete Kanäle (40, 40^I, 40^II, 40^III, 41, 42, 42^I, 240, 440, 640, 640^I; 60, 60^I, 60^II, 60^III, 61, 260, 460) umfasst, von denen ein Kanal ein Kühlmittelzuführkanal (40, 40^I, 40^II, 40^III, 41, 42, 42^I, 240, 440, 640, 640^I) ist und ein Kanal ein Dampfabführkanal (60, 60^I, 60^II, 60^III, 61, 260, 460) ist.
2. Elektromaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfabführkanal (60, 60^I, 60^II, 60^III, 260, 460) sandwichartig zwischen einem ersten Kühlmittelzuführkanal (40, 40^I, 40^II, 40^III, 440, 640, 640^I) und einem zweiten Kühlmittelzuführkanal (42, 42^I), insbesondere in spiegelsymmetrischer Anordnung bezüglich einer die Rotorwelle (14) rechtwinklig schneidenden, konstruktiven Ebene (70, 70^I), eingebettet ist oder der Dampfabführkanal (60, 60^I, 60^II, 60^III, 61, 260, 460) insbesondere auf mindestens zwei Seiten (62, 62^I, 64, 64^I), vorzugsweise auf drei Seiten (62, 62^I, 64, 64^I, 68, 68^I), von einem, insbesondere einem einzigen, Kühlmittelzuführkanal (40, 40^I, 40^II, 40^III, 41) begrenzt oder umgeben ist.
3. Elektromaschine (10) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelzuführkanal (40, 40^I, 40^II, 40^III, 41, 440, 640, 640^I) und der Dampfabführkanal (60, 60^I, 60^II, 60^III, 61, 260, 460) jeweils als Ringkanal (72, 72^I, 72^II, 72^III, 74, 74^I, 274, 472, 474, 672, 674) ausgebildet sind, wobei die Ringkanäle (72, 72^I, 72^II, 72^III, 74, 74^I, 274, 472, 474, 672, 674) innerhalb eines Stator-Hohlzylinderkörpers (16, 16^I, 216, 416, 616, 816), insbesondere bezüglich der Rotorwelle (14) zentriert, liegen.
4. Elektromaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelzuführkanal (40, 40^I, 40^II, 40^III, 41, 440, 640, 640^I) einen Kühlmittelzufuhrstutzen (76, 76^I, 476) aufweist und jeder Dampfabführkanal (60, 60^I, 60^II, 60^III, 61, 260, 460) einen Dampfabfuhrstutzen (78, 78^I, 478) aufweist, wobei sich vorzugsweise der Kühlmittelzufuhrstutzen (76, 76^I, 476) und der Dampfabfuhrstutzen (78, 78^I, 478) in einer ersten Radialrichtung (102, 102^I) von einer Statoroberfläche (26, 426) weg erstrecken, wobei insbesondere der Kühlmittelzufuhrstutzen (76, 76^I, 476) zu einer Kühlmittelzufuhrstutzenanordnung gehört und der Dampfabfuhrstutzen (78, 78^I, 478) zu einer Dampfabfuhrstutzenanordnung gehört, und wobei die Kühlmittelzufuhrstutzenanordnung auf der Statoroberfläche (26, 426) über einen Durchmesser des Rotors (12) hinweg der Dampfabfuhrstutzenanordnung gegenüberliegend angeordnet ist.
5. Elektromaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (28, 28^I, 28^II, 228, 228^I, 228^II, 428; 30, 30^I, 30^II, 230, 230^I, 230^II, 430; 31) mindestens eine Wärmeleitplatte (51, 51^I, 51^II, 51^III, 251, 251^I) aufweist, die sich in dem Stator (16, 16^I, 216, 416, 616, 816), insbesondere zwischen zwei Statorpaketen (20, 20^I, 20^II, 20^III, 220, 420, 420^I, 420^II, 620), von dem Kühlmittelzuführkanal (40, 40^I, 40^II, 40^III, 240, 440, 640, 640^I) bis zu einem Spalt (24, 224) der Elektromaschine (10) erstreckt.
6. Elektromaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelzuführkanal (40, 40^I, 40", 40^III, 41) und der Dampfabführkanal (60, 60^I, 60^II, 60^III, 61, 260, 460) durch mindestens eine, insbesondere semipermeable, Scheidewand (88, 88^I, 488, 688, 688^I) voneinander getrennt sind, wobei die Scheidewand (88, 88^I, 488, 688, 688^I) vorzugsweise einen Durchfluss von Kühlmittelflüssigkeit (108) unterbindet und insbesondere einen Durchtritt von Kühlmitteldampf (110) erlaubt.
7. Elektromaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfabführkanal (60, 60^I, 60^II, 60^III, 61, 260, 460) von zwei dampfdurchlässigen Stegen (90, 92) seitlich begrenzt ist und mindestens eine in einer zweiten Radialrichtung angeordnete Dampfabführkanalwand (80, 80^I) aufweist, die zumindest in eine Richtung (104, 104^I) auf die Rotorwelle (14) hin einen Dampfaustritt aus dem Dampfabführkanal (60, 60^I, 60^II, 60^III, 61, 260, 460) verhindert.
8. Elektromaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelzuführkanal (40, 40^I, 40^II, 40^III, 41) und der Dampfabführkanal (60, 60^I, 60^II, 60^III, 61, 260, 460) über Poren (100, 100^I, 700) in einer Zwischenwand (94) verbunden sind, wobei die Poren (100, 100^I, 700) jeweils einen Durchmesser haben und insbesondere die Durchmesser der Poren (100, 100^I, 700) eine Größenverteilung von Durchmessern bilden, deren mittlerer Wert vorzugsweise in einem Durchmesserwertebereich zwischen 10 nm und 10 µm liegt, wobei vorzugsweise die Zwischenwand (94) eine Membran (93), eine Keramikplatte und/oder ein Lochblech umfasst.
9. Elektromaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlmittelzuführkanalwand (44) eine Wärmeaustragsfläche (50, 50^I, 50^II, 450, 650) ist, die eine Mehrzahl von Vertiefungen (46, 446) und/oder Ausbuchtungen (48, 448) aufweist, wobei insbesondere die Vertiefungen (46, 446) und/oder die Ausbuchtungen (48, 448) sich ringartig entlang der Kühlmittelzuführkanalwand (44) erstrecken.
10. Elektromaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kühlmittelzuführkanalwandaußenfläche (45, 45^I) mit mindestens einem Statorpaket (20, 20^I, 20^II, 20^III, 220, 420, 420^I, 420^II) und/oder mit mindestens einem Statorblech (23, 23^I, 423), vorzugsweise über ein Wärmeleitmittel oder eine Wärmeleitfläche (49), verbunden ist.
11. Elektromaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Bereich, wie eine Seite (50, 50^I, 50^II, 450, 650), eines Kühlmittelzuführkanals (40, 40^I, 40^II, 40^III, 41, 42, 42^I, 240, 440, 640, 640^I) von mindestens einem Statorblech (23, 23^I, 423), wie von einer Statorblechkante (425), begrenzt ist.
12. Elektromaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Erstreckung (52, 54) des Kühlmittelzuführkanals (40, 40^I, 40^II, 40^III, 41, 42, 42^I, 240, 440, 640, 640^I), die sich insbesondere summarisch aus den Erstreckungen des ersten Kühlmittelzuführkanals (40, 40^I, 40^II, 40^III) und des zweiten Kühlmittelzuführkanals (42, 42^I) ergibt, in einer Richtung (106, 306) entlang einer Zentralachse (15, 415) größer ist als eine Erstreckung (82) des Dampfabführkanals (60, 60^I, 60^II, 60^III, 61, 260, 460) in der Richtung (106, 306) entlang der Zentralachse (15) und vorzugsweise Durchmesser (56; 84, 84^I) des Kühlmittelzuführkanals (40, 40^I, 40^II, 40^III, 41, 42, 42^I, 240, 440, 640, 640^I) und des Dampfabführkanals (60, 60^I, 60^II, 60^III, 61, 260, 460) in einer Richtung (104, 104^I) rechtwinklig zur Zentralachse (15, 415) größer sind als die Erstreckungen (52, 54; 82) entlang der Zentralachse (15, 415), wobei insbesondere der Dampfabführkanal (60, 60^I, 60^II, 60^III, 260, 460) und der Kühlmittelzuführkanal (40, 40^I, 40^II, 40^III, 42, 42^I, 240, 440) in einer Schnittebene (A, D) entlang der Zentralachse (15, 415) jeweils einen rechteckigen Querschnitt (58, 86) aufweisen.
13. Elektromaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklung (18) von Verdampfern (28, 28^I, 28^II, 228, 228^I, 228^II, 428; 30, 30^I, 30°, 230, 230^I, 230^II, 430; 31) in einer radial auf die Rotorwelle (14) hinlaufenden Baurichtung (104, 104^I) durchsetzt ist.
14. Verdampfungskühlystem (2) mit mindestens einer Elektromaschine (10), mit mindestens einer Kühlmittelzuführeinrichtung (4) und mit mindestens einer Kühlmittelrückgewinnung (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist und kühleingangsseitig mit der Kühlmittelzuführeinrichtung (4) und kühlausgangsseitig mit der Kühlmittelrückgewinnung (6) verbunden ist, wobei die Kühlmittelrückgewinnung (6) als Kühlmittelquelle (8) für die Kühlmittelzuführeinrichtung (4) dient.
15. Verdampfungskühlverfahren für eine Elektromaschine (10), insbesondere eine Elektromaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, vorzugsweise mit einem Verdampfungskühlsystem (2) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Statorwicklung (18) von wenigstens zwei mittels ihres Kühlmittels (108, 110) in Kommunikation stehenden Verdampfern (28, 28^I, 28^II, 228, 228^I, 228^II, 428; 30, 30^I, 30^II, 230, 230^I, 230^II, 430; 31) umgeben ist und das Kühlmittel (108, 110), das eine Viskosität aufweist, die vorzugsweise größer als die Viskosität von Wasser ist, in einen Kühlmittelzuführkanal (40, 40^I, 40^II, 40^III, 41, 42, 42^I, 240, 440) des Verdampfers (28, 28^I, 28^II, 228, 228^I, 228^II, 428; 30, 30^I, 30^II, 230, 230^I, 230^II, 430; 31) gelangt, dort durch Einwirkung von Wärme einer Wärmeaustragsfläche (50, 50^I, 50", 450, 650), die eine neben der Statorwicklung (18) befindliche, umlaufende Innenfläche (50, 50^I, 50", 450, 650) ist, thermisch unter Bildung von Kühlmitteldampf (110) vaporisiert, und der Kühlmitteldampf durch durchgängige Trennwandporen (100, 100^I, 700) hindurch (110) in einen Dampfabführkanal (60, 60^I, 60", 60^III, 61, 260, 460) gelangt.