WO2018060011A1 - Elektrische maschine mit verbesserter kühlung - Google Patents

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WO2018060011A1
WO2018060011A1 PCT/EP2017/073645 EP2017073645W WO2018060011A1 WO 2018060011 A1 WO2018060011 A1 WO 2018060011A1 EP 2017073645 W EP2017073645 W EP 2017073645W WO 2018060011 A1 WO2018060011 A1 WO 2018060011A1
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WO
WIPO (PCT)
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heat pipe
heat
rotor
section
electrical machine
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Application number
PCT/EP2017/073645
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas REEH
Claus Zeumer
Agnieszka Makowska
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/14—Structural association with mechanical loads, e.g. with hand-held machine tools or fans
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/22—Arrangements for cooling or ventilating by solid heat conducting material embedded in, or arranged in contact with, the stator or rotor, e.g. heat bridges
    • H02K9/225—Heat pipes

Definitions

  • the resulting heat must, for example, be dissipated by utilizing the effect of heat conduction to a heat sink. Due to the less complex design, corresponding machine designs may be considerably lighter and also more robust than the machines with direct convective cooling. However, it can not be ruled out that the heat conducted via a path leading to the heat sink through various components of the machine passes through heat-sensitive and possibly poorly heat-conducting components on this path, which leads to significant and potentially harmful temperature increases there.
  • the electrical machine includes a first electromagnetically active component which is selected from a stator and a rotor ei ⁇ NEN comprehensive group of active components of the electrical machine, and a cooling system for cooling at least one of the active components.
  • the active components are at least in the operating state of the electric machine rotatable relative to each other about a rotation axis.
  • the stator comprises comprises a first magnetic means, in particular a Statorwicklungssystem, and the rotor comprises a second magnetic means, insbeson ⁇ particular a permanent magnet arrangement.
  • the first and the second magnetic means are designed and zueinan ⁇ arranged that they interact electromagnetically with each other in the operating state of the electric machine, so that the electric machine depending on the operating state as electric motor ⁇ or as a generator works. In the process, heat is generated at the magnetic means in the operating state of the electrical machine.
  • the cooling system has a heat pipe arrangement with at least one first heat pipe with a thermal working medium.
  • Each first heat pipe in turn has a Verdamp ⁇ tion section and a condensation section, wherein the respective evaporation section of the first heat pipe is thermally coupled to the selected first electromagnetically active component and in particular directly or indirectly with the first or second magnetic means of the selected first electromagnetically active component , While the respective condensation section of the first heat pipe with a heat sink assembly thermally coupled or at least is coupled in the operating state, so that at least a portion of the heat generated in the operating state of the electric machine at the magneti ⁇ rule means of the selected first electromagnetically active component heat via the first heat pipe to the heat sink assembly can be discharged.
  • the concept underlying the invention is therefore the use of heat pipes, via which a heat generated at a respective active component is dissipated to a heat sink.
  • the proposed concept makes it possible to bridge the initially explained path of the heat conduction between the heat source and the heat sink, which typically leads to less thermally conductive components and transitions between compo ⁇ len of the machine, without the complexity ⁇ complexity and the weight of the arrangement , in particular in comparison with a system with pure liquid cooling, is significantly increased.
  • a heat pipe is known to be a closed system in which a thermal working medium can circulate, thereby changing its state of aggregation between a gaseous and a liquid state.
  • the operation of a heat pipe is therefore based on a two-phase cooling, ie on a recognized comparatively efficient cooling method, which, for example, much more efficient than the pure convective cooling acts.
  • Such a heat pipe has an evaporation ⁇ section, which thermally with a component to be cooled, for example.
  • Stator winding or a permanent magnet is coupled so that heat from the respective component via the evaporation section can get into the heat pipe.
  • This transfer of heat from the component into the heat pipe causes evaporation of the thermal working fluid in the heat pipe.
  • the vaporized working fluid passes in the heat pipe to a condensation section of the heat pipe, where it passes back into the liquid state, wherein heat is delivered to a thermally coupled to the Kondensa ⁇ tion section heat sink.
  • the liquid working fluid passes through one of the real
  • the heat-pipe dependent mechanism returns to the evaporation section where the cycle begins again. The result is that the coupled to the evaporation section component is cooled, the corresponding amount of heat is dissipated to the heat sink.
  • the selected first electro ⁇ magnetically active component is the stator of the electric machine, that is, the cooling system is essentially one
  • the magnetic means of the stator can, for example, a
  • Stator winding system which has one or a plurality of stator windings, which are arranged along a circumferential direction of the stator arranged one behind the other.
  • at least a first heat pipe is provided for each stator winding, wherein the evaporation section of each first heat pipe thermally with the respective
  • Stator winding is coupled. However, it may also be sufficient if such a first heat pipe is not provided for each individual stator winding but, for example, only for every second or third winding.
  • each first heat pipe of the heat pipe assembly is arranged to extend away from the stator in a first horizontal extension direction when the electric machine is in a predetermined standard orientation.
  • standard focus is defined in connection with the figures and explained in more detail. Then before ⁇ cross should be noted at this point that the orientation of the standard orientation substantially related to the orientation of the axis of rotation of the rotor, for example.
  • Standard orientation In a helicopter the Standard orientation will be vertical, since the axis of rotation will be vertically oriented, while the standard orientation will usually be horizontal for a propeller-driven aircraft
  • the essential point in the term standard orientation is simply that these is always the same, that is independent of a current orientation of the electric machine, which ultimately depends on a current flight condition of the aircraft in which the machine is installed.
  • the direction of extension of a respective heat pipe is understood here and below to be the direction from the evaporation section to the condensation section of the respective heat pipe.
  • the first heat pipes preferably extend, when the electric machine is in the standard orientation, in a respective first horizontal direction away from the respective stator winding to which they are thermally coupled.
  • the first horizontal direction may, for example, be oriented parallel to the axial direction of the electric machine. This is typically true for alichbau ⁇ te in an aircraft electrical machine, because there the axis of rotation of the electric motor and the propeller are horizontally oriented. If the electric motor is installed in a helicopter, the axis of rotation can be oriented vertically. In this case, therefore, the horizontal direction would be oriented perpendicular to the axial direction.
  • the heat pipe arrangement preferably has, for each first heat pipe, a further heat pipe associated with the respective first heat pipe, with an evaporation section and a condensation section.
  • the evaporating section of the respective further heat pipe is thermally connected to the stator and is coupled in particular directly or indirectly with the first magnetic means, so that at least a part of the generated at the first magnetic ⁇ tables means to Be ⁇ operating state of the electric machine heat via the respective further Heat pipe to the heat sink assembly can be discharged.
  • the condensation section of the respective further heat pipe can be thermally coupled to the heat sink arrangement.
  • the respective further heat pipe is arranged such that it, when the electric machine in the given Standard orientation is located in a further horizontal extension direction away from the stator, wherein the first and the further horizontal extension direction of two mutually associated heat pipes are opposite to each other.
  • the first heat pipe and the antiparallel, further heat pipe form a heat pipe pair, wherein the two heat pipes of a respective heat pipe pair preferably with the same
  • Stator winding are thermally coupled.
  • first heat pipes preferably for each of the first heat pipes, but ideally for each first heat pipe associated with the respective first heat pipe further heat pipe with an evaporation section and a condensation section would be present in each case a further heat pipe is assigned to a first heat pipe, so that they form a heat pipe pair.
  • the two heat pipes of a heat pipe pair with the same
  • Stator winding thermally coupled. Furthermore, it would offer that each stator winding a heat pipe pair is provided.
  • the antiparallel, in the standard ⁇ orientation horizontal arrangement of two heat pipes causes that the influence of gravity on the efficiency of the respective heat pipe is compensated.
  • climb and descent in and also in the Accelerati ⁇ supply the aircraft gravitational forces and inertial forces acting ⁇ that affect the respective heat pipe from ⁇ running processes depending on the direction of action of force under- supportive and barrier to the heat pipes.
  • the heat pipe arrangement is arranged such that when the electrical machine is in a pre ⁇ added standard orientation, the location of the thermal coupling its condensation section with the
  • Heat sink assembly below, in particular vertically below, the location of the thermal coupling of its evaporation ⁇ section is located with the stator.
  • the condensation section of the first heat pipe is below and in particular vertically below its vaporization section.
  • the evaporation section of the first heat pipe can be thermally coupled to the stator by means of a connector with a ceramic, electrically insulating and heat-conducting material in order to realize the thermal coupling between the evaporation section of the respective first heat pipe and the stator.
  • a ceramic, electrically insulating and heat-conducting material for example, A1N (aluminum nitride) or A1203 (aluminum oxide) can be used as the material.
  • each first heat pipe is ⁇ nejon rotatably ver ⁇ connected with the rotor and / or with the shaft, so that it rotates during rotation of the rotor, so that upon rotation of the rotor and the shaft has a centrifugal force acts on the located in the respective heat pipe thermal working fluid of the heat pipe.
  • the magnetic means of the rotor has a plurality of magnetic field generating units, which are arranged behind one another along a circumferential direction of the rotor, wherein preferably at least one first heat pipe is assigned to each magnetic field generating unit.
  • the evaporation section of a respective first heat pipe is thermal with the respective associated magnetic field generating
  • the magnetic field generating units may be, for example, permanent magnets or energizable coils.
  • each first heat pipe is arranged and designed such that upon rotation the Verdamp ⁇ tion section of a respective first heat pipe describes a coaxial to the rotor circuit CV and the condensation section of a respective first heat pipe describes a coaxial to the rotor circuit CK.
  • the radius of the circle CV is greater than the radius of the circle CK and the intersections of the circles CK and CV with the axis of rotation are axially from each other
  • each first heat pipe at least one interim ⁇ rule section on which is located between the evaporating section and the condensing section of the respective first heat pipe and which is provided at least in the Radiozu ⁇ stand of the electrical machine, the thermal working medium of the respective first heat pipe in substantially liquid form from its condensation section to its evaporation section.
  • each first heat pipe is arranged on the shaft such that at least a part of the intermediate Section is oriented so that it forms an angle A with 0 ° ⁇ A ⁇ 90 ° with the axis of rotation, so that this ⁇ part of the intermediate section during rotation of the rotor and the shaft and the first heat pipe describes a mantle of an imaginary symmetrical truncated cone.
  • the angle A may be, for example, 30 °, but ultimately depends on the operating conditions of the electric machine.
  • the rotating first heat pipe therefore rotates together with the shaft or with the rotor.
  • the intermediate section Z is a ⁇ encloses an angle of, for example, 30 ° with the axis of rotation, the centrifugal force and the force resulting from the angle A component of the force in the direction of flow can so act on the liquid working medium, that it from the condensing section to the vaporization section is transported.
  • the centrifugal force or the ent ⁇ speaking component of the force acts such that a mixing of the liquid and the gaseous phase of the working medium is reduced, so that increases the thermal conductivity of the heat pipe.
  • the heat pipe arrangement has a plurality of first heat pipes, which imaginary such along a circumference of a first, Cl are arranged to the rotor coaxial circle that Ver ⁇ dampfungssetationen the first heat pipes along a circumference of the circle CV are arranged, the Kondensationssekti ⁇ ones of the first heat pipes along a circumference of the circle CK are arranged.
  • the heat pipe assembly has only a first heat pipe in a second embodiment of the rotor cooling.
  • the first heat pipe is arranged coaxially with the rotor and has a radially inner region and a radially outer region.
  • the radially outer region of the first heat pipe forms at least one channel, via which, at least in the operating state of the electric machine, the thermal Working medium of the first heat pipe is guided in substantially liquid form from the condensation section to the evaporation section.
  • Over the radially inward area of the thermal working medium of the first heat pipe in the gaseous We ⁇ sentlichen state from the evaporating section is guided to the condensing section at least in the operating condition of the electrical machine.
  • the shaft has at least in a partial area between the location of the thermal coupling of the
  • Evaporation section of the first heat pipe or the shaft with the second magnetic means and the location of the thermal coupling of the condensation section of the first heat pipe or the shaft with the heat sink assembly such a shape, for example.
  • the shaft and in particular its first heat pipe manufactured ⁇ deterministic portion may preferably be hollow. This should in particular include that there is no partition wall between the radially outer and the radially inner region.
  • the then separate first heat pipes may be fixed to the shaft in the above-described form, so that they possibly rotate with it and in particular have the inclined intermediate section, so that the centrifugal force acts on the liquid working medium ,
  • each channel may be formed by a tubular conduit.
  • each channel can be arranged successively as seen along two circumferential directions of the shaft, along the longitudinal extent of the shaft along a wall of the shaft and in radial direction. aler direction extending baffles be formed or limited. In contrast to the variant with pipe-like lines is in the variant with baffles no physical separation between the inner region and the outer region of the first heat pipe.
  • Statorkühlung may have the heat sink assembly at least one heat exchanger.
  • the heat exchanger is in one of a secondary cooling medium, in particular air,
  • the electrical machine is configured as an electric motor in a nacelle of a propeller drive of an aircraft, the nacelle having a duct system for conducting ambient air into which an air flow, in particular an air flow generated at least partially by the propeller, is introduced, and wherein the heat exchanger is arranged in the channel ⁇ system.
  • the electrical machine is configured as an electric motor in a nacelle of a propeller drive of an aircraft, the nacelle having a duct system for conducting ambient air into which an air flow, in particular an air flow generated at least partially by the propeller, is introduced, and wherein the heat exchanger is arranged in the channel ⁇ system.
  • the nacelle having a duct system for conducting ambient air into which an air flow, in particular an air flow generated at least partially by the propeller, is introduced, and wherein the heat exchanger is arranged in the channel ⁇ system.
  • Heat sink assembly a plurality of heat exchangers, which are arranged at suitable positions in the duct system and thermally coupled to respective heat pipes in order to ⁇ as efficient as possible cooling of the stator or the rotor to ⁇ act.
  • the cooling system is so pronounced that so ⁇ well the stator and the rotor are each cooled by means of the above-described heat pipe assemblies. It is so selected from the group of active components, therefore, an electromagnetically active second component of the electrical machine that the first and the second electro ⁇ magnetically active component are different.
  • the heat ⁇ pipe assembly of the cooling system has at least a second heat pipe with a thermal working fluid, each second heat pipe having an evaporation section and a condensation section, wherein the respective evaporation ⁇ section of the second heat pipe thermally with the selected second electromagnetically active component and in particular is coupled directly or indirectly with the magnetic means of the selected second electromagnetically active component and the respective condensation section of the two ⁇ th heat pipe with the heat sink assembly is thermally coupled or coupled at least in the operating state, so that at least a part of the operating state of the electrical ⁇ rule Machine on the magnetic means of the selected second electromagnetically active component heat dissipated via the second heat pipe to the heat sink assembly can be discharged.
  • the cooling system has at least one of the heat pipe pairs described above, which is in thermal contact with the stator of the machine, and a ro ⁇ animal heat pipe for cooling the rotor.
  • the two heat ⁇ pipes of the heat pipe pair of the stator are arranged horizontally and ⁇ tiparallel to each other, which is achieved that different, the efficiency of these two heat pipes influencing force effects are compensated.
  • the heat pipe of the rotor is formed as a co-rotating with the rotor Wär ⁇ merohr, which also has a conical shape ⁇ .
  • Show it: 1 shows a nacelle of an aircraft with an electric motor and a rotor cooling and with a stator cooling in a first embodiment
  • FIG. 2 shows the nacelle of the aircraft with electric motor and rotor ⁇ cooling and with the stator cooling in a second embodiment,.
  • FIG. 3 shows a first embodiment of a rotor cooling
  • FIG. 6 shows a second embodiment of a rotor cooling
  • the term "standard orientation" designates the electrical machine and in particular the rotor and the rotor Stators of the electrical machine that orientation in which the electrical machine is aligned when it or the entire system in which it is installed, not in Be ⁇ drive, for example, during or immediately after installation of the machine in the overall system.
  • the standard orientation normally horizontally or vertically and can, for example, be defined by means of the orientation of the axis of rotation of Ro ⁇ tors. In the case of horizontal or vertical alignment of the axis of rotation, the standard orientation is accordingly substantially horizontal or vertical.
  • Standard orientation may differ from a current orientation of the electric machine, for example when the electric machine is installed in an aircraft.
  • Currency ⁇ rend Although eg. In cornering, climb or descent changes the state-mentane orientation of the permanently installed in the aircraft electric machine defined standard ⁇ orientation remains unaffected.
  • the standard orientation may, for example, be the orientation of the electric machine or the axis of rotation when the aircraft is stationary on the ground. It is neglected that an aircraft or its longitudinal axis is often inclined when the plane is stationary on the ground or only on the ground, slightly inclined to the horizontal.
  • the default orientation is that Orientie ⁇ tion, in which the electric machine is mainly during ty ⁇ european flight and in normal use. Experience has shown that this is in an aircraft a hori zontal ⁇ orientation and in a helicopter a vertical orientation.
  • the 1 shows by way of example and simplifies a cross section of a part ⁇ a nacelle 10 of a not further ones shown, set plane.
  • the nacelle 10 has a propeller 11, which is rotated by means of a shaft 130 in rotation.
  • a channel system 12 is further formed, which can be flowed through by ambient air.
  • the propeller 11 and the channel system 12 are constructed and arranged to each other that a current generated by Rotati ⁇ on the propeller 11 air stream 13 at least partially as ⁇ enters the duct system 12 and this flows through.
  • the channel system 12 can also be arranged on the nacelle 10 in such a way that the air stream 13 in the channel system 12 is generated at least in part due to a movement of the aircraft relative to the surrounding air, ie, as a kind of airstream.
  • the propeller 11 and the shaft 130 is represented by a
  • Electric motor 100 trained electric machine 100 ben ⁇ ben can basically also be operated as a generator. It should also be noted that the structure of the machine described below is purely exemplary. It can be assumed to be known that, depending on Ausbil ⁇ dung of the electrical machine as a generator or as an electric motor and / or as eg. Radial or axial flow machine with a trained as internal or as external rotor rotor etc., the various components of the machine under - Can be arranged differently.
  • the electric motor 100 has a stator 110 and a rotor 120 designed as an internal rotor, wherein the rotor 120 is arranged inside the stator 110 and rotates about an axis of rotation R in the operating state of the electric machine 100.
  • the rotor 120 is rotatably connected to the shaft 130 verbun ⁇ , so that a rotation of the rotor 120 via the shaft 130 to the propeller 11 of the aircraft is transferable.
  • the stator 110 has a first magnetic means 111 which, for example, may comprise a plurality of stator windings. Each of the windings 111 is formed by an electrical conductor, which in the operating state of the electrical ma 100 is traversed by an electric current, so that magnetic fields are generated.
  • Stator windings 111 are in a circumferential direction of the
  • Stators 110 arranged one behind the other.
  • the rotor 120 includes a second magnetic means 121, which may comprise, for example, a plurality of permanent magnets or energized windings. In the following, it is assumed by way of example that they are permanent magnets 121.
  • the permanent magnets 121 are seen in a circumferential direction of the rotor 120 ⁇ tung arranged behind one another.
  • the first and the second magnetic means 111, 121 and the stator windings 111 and the permanent magnets 121 are formed and arranged to each other such that they interact electromagnetically with each other in the operating state ⁇ of the electric machine 100, so that the machine 100 depending on the configuration as an electric motor or works as a generator.
  • This concept including the conditions for the formation and arrangement of the magnetic means 111, 121 and of
  • Stator 110 and rotor 120 are known per se and are therefore not explained in more detail below. Suffice it to say, that are for operating the electric machine 100 as an electric motor, the stator windings applied 111 using a current source, not shown, with an electrical current which causes the windings to generate 111 accordingly speaking magnetic fields of the Magnetfel ⁇ countries Permanent magnets 121 of the rotor 120 in electromagnetic ⁇ tical interaction occur. As is known, this results in that, with a suitable design and arrangement of the said components relative to one another, the rotor 120 and with it the shaft 130 and the propeller 11 are set in rotation.
  • the electric machine 100 therefore has a cooling system 140 for cooling the stator 110 and / or the Rotor 120 or for cooling the respective magnetic means 111 and 121st
  • the cooling system 140 for cooling the stator 110 and the stator 110
  • Stator windings 111 a heat pipe assembly having at least a first heat pipe 141 with an evaporation section V and a condensation section K on, the evaporation section
  • V is thermally coupled to a stator winding 111.
  • a stator winding 111 due to the typically high thermal conductivity of the electrical conductors used for such stator windings 111, it can be assumed that sufficient homogenization of the heat distribution in the stator windings 111 occurs when only one heat pipe 141 is used, but preferably not just one, but each Stator winding 111 with at least a first heat pipe 141 thermally coupled.
  • Stator winding 111 are arranged.
  • the heat pipe arrangement preferably has at least one further heat pipe 142, which likewise has an evaporation section V and a condensation section K, wherein the evaporation section
  • V of the further heat pipe 142 is also thermally coupled to one of the stator windings 111.
  • each stator winding is per ⁇ but 111 thermally coupled to at least one further heat pipe 142nd
  • the heat pipe arrangement has two such further heat pipes 142 for each stator winding 111, which can likewise be arranged radially spaced from one another.
  • the thermal coupling of the first and the further heat pipes 141, 142 or their evaporation sections V to the respective celled stator winding 111 is effected by means of connectors 149.
  • the connectors 149 have ideally a ceramic Materi ⁇ al on, which is electrically insulating Sartorius membranes and, in particular thermally conductive. Suitable materials are, for example, AlN (aluminum nitride) or Al 2 O 3 (aluminum oxide).
  • the connectors 149 are in direct thermal contact with the stator windings 111 and the evaporating section V of the respective first and further heat pipe 141, 142 to which they are thermally coupled ⁇ ge.
  • the condensation sections K of the first heat pipes 141 are thermally connected to first heat exchangers 151 a
  • Heat sink assembly 150 coupled so that at least a portion of the heat received from the respective first heat pipe 141 via its evaporation section V of the stator winding 111, via the condensation sections K to the
  • Heat sink assembly 150 and can be discharged to the first heat exchanger 151.
  • the condensation sections K of the further heat pipes 142 are thermally coupled to further heat exchangers 152 of the heat sink assembly 150, so that at least a portion of the heat from the respective further heat pipe 142 via its evaporation section V of the
  • Stator winding 111 was received, can be discharged via the condensation sections K to the heat sink assembly 150 and to the other heat exchanger 152.
  • the working medium condenses in the respective heat pipe 141, 142 and returns to the evaporation section V.
  • the heat exchangers 151, 152 can be designed as plate heat exchangers and arranged in the duct system 12 of the nacelle 10, so that they are separated from the typically cool air stream 13 in the duct system 12 flows around and cooled accordingly.
  • the first heat pipes 141 are preferably arranged in the first embodiment of the stator cooling in such a way that in the standard orientation of the electrical machine 100 they are each in a first horizontal axial direction of extension from the stator 110 or from the respective
  • Stator winding 111 extend away.
  • a respective heat pipe 141, 142 understood the direction of the evaporation section V to the condensation section K of the respective heat pipe 141, 142.
  • the evaporation section V and the condensation section K of a respective heat pipe 141 are thus spaced apart in the axial direction.
  • the further heat pipes 142 are in turn so angeord ⁇ net, that they, when the electric machine 100 is in the predetermined standard orientation, extend away from the stator 110 in a further horizontal, axial extension direction. It is particularly true that the first and the further horizontal direction of the extension are mutually opposed or antiparallel to each other.
  • the cooling concept of the first embodiment of the stator cooling therefore used for each stator winding 111 antiparallel ⁇ arranged first and further heat pipes 141, 142.
  • the antiparal ⁇ Lele, horizontal in the default orientation arrangement of two heat pipes 141, 142 causes the influence of gravity on the efficiency of the respective heat pipe is compensated. Both in ascent and descent and in the acceleration of the aircraft gravitational forces and inertial forces act on the heat pipes 141, 142, which influence the running in the respective heat pipe 141, 142 processes depending on the direction of action of the force positive or negative.
  • the processes and thus the efficiency of a heat pipe 141, 142 particularly influenced ne ⁇ gativ when the direction of action of force entge- gene defined by the arrangement of the evaporating section V and condensing section K flow direction of the liquid working medium is oriented.
  • the anti-parallel Anord ⁇ voltage of two heat pipes 141, 142 and the intended flow direction of the liquid working media in the two heat pipes 141, 142 are anti-parallel, the influence of the said forces are compensated.
  • the arrangement described be ⁇ acts so that such adverse effects on the Pro ⁇ processes in a heat pipe 141, 142 through respective positive ve effects on the processes in an antiparallel ange ⁇ arranged heat pipe 142, 141 are compensated.
  • a second embodiment of the stator cooling which is shown in FIG. 2, differs from the first embodiment in particular in the arrangement of the heat pipes of the heat pipe arrangement.
  • the cooling system 140 for cooling the stator 110 also in the second embodiment of the stator cooling, the cooling system 140 for cooling the stator 110 and the stator 110
  • Stator windings 111 a heat pipe assembly having at least a first heat pipe 141 with an evaporation section V and a condensation section K, the evaporation section V is thermally coupled to a stator winding 111.
  • the electrical conductor used for such stator windings 111 is also due to the typically high perennialleitfä ⁇ ability to be assumed that there is in use of only one heat pipe 141 to a sufficient homogenization of the distribution of heat in the stator windings 111, but is preferably not only one, but each stator winding 111 thermally coupled to at least one first heat pipe 141, again using the connector 149 already described use.
  • the condensation sections K of the first heat pipes 141 are in turn thermally with first heat exchangers 151 of
  • Heat sink assembly 150 coupled so that at least a portion of the heat received from the respective first heat pipe 141 via its evaporation section V of the stator winding 111, via the condensation sections K to the
  • Heat sink assembly 150 and can be discharged to the first heat exchanger 151.
  • the example designed as a plate heat exchanger heat exchanger 151 may be disposed in the channel system 12 of the nacelle 10 so that they are flowed around by the typically cool air flow 13 in the channel system 12 and cooled accordingly.
  • the first heat pipe 141 extend when the electrical machine be ⁇ takes 100 in the standard orientation, in the vertical direction from the location of the thermal Kopp- the evaporating section lung K with the stator winding 111 to heat exchanger 151, ie the heat pipes 141 are so arranged ⁇ that the evaporating section V of a respective heat pipe 141 is located above its condensation section K. Accordingly, the heat exchanger 151 is disposed below the stator 110.
  • additional heat pipes 142 may also be provided in the second embodiment. These likewise extend in the vertical direction and their condensation sections K are thermally coupled to the heat exchangers 151. Due to the in Wesent ⁇ union same orientation or direction of extension of the first and further heat pipes 141, 142 in the second embodiment, there is not the beneficial ef- fect of the compensation of negative influences of different force effects.
  • the vertical orientation of all heat pipes 141, 142 has a positive effect on the efficiency of the running in the heat pipes processes.
  • further heat pipes 142 cause a cooling capacity increasing with the number of available heat pipes 141, 142.
  • the rotor 120 can also be cooled by means of a heat pipe arrangement. This rotor cooling is shown in two figures in substantially the same way, with the following description relating essentially to FIG.
  • the rotatably connected to the shaft 130 rotor 120 has magnetic means 121, for example, a plurality of in the circumferential direction of the rotor 120 seen in succession arranged Neten Permanentmagneten 121.
  • the cooling system 140 has a heat pipe arrangement with at least one heat pipe 143, which is rotatably connected to the rotor 120 and the shaft 130 so that it rotates by rotor 120 and Wel ⁇ le 130 130 rotates, which is why it can be referred to as a "rotating heat pipe.”
  • the heat pipe 143 has a
  • Vaporization section V is thermally coupled at a corresponding location with the magnetic means 121 of the rotor 120 and with a permanent magnet 121, respectively.
  • the condensation section K is in turn thermally coupled to a heat exchanger 153 of the heat sink assembly 150 at a respective location.
  • the intermediate section Z is provided in order, at least in the operating state of the electric machine 100, to guide the thermal working medium (not shown) of the heat pipe 143 in substantially liquid form from the condensation section K to the evaporation section V.
  • the heat pipe 143 is arranged and formed such that the location of the thermal coupling of the evaporation section V of the heat pipe 143 with the permanent magnet 121 and with the corresponding connector 149 during rotation of the shaft 130 with the heat pipe 143 describes a circle CV, while the location of the thermal coupling of the condensation section K of the heat pipe 143 with the heat sink assembly 150 and the heat exchanger 153 during rotation describes a circle CK.
  • the radius RCV of the circle CV is greater than that
  • RCK of the circle CK ie RCV> RCK. Furthermore, the two mentioned locations of the thermal coupling of the heat pipe 143 to the permanent magnet 121 and to the heat exchanger 153, ie the intersections of the circles CK and CV with the rotation axis R, are spaced apart in the axial direction.
  • the axis of symmetry of the truncated cone lies on the axis of rotation R.
  • FIG. 3 A first embodiment of a rotor cooling is shown in FIG. In this case, only the shaft 130 with the rotor 120 and the heat pipe 143 are shown in FIG. 3, while further components, such as, for example, the stator and parts of the rotor
  • the heat pipe 143 has in the intermediate section Z a plurality of, for example, pipe-like lines 143 ⁇ , which are each designed to transport the thermal working fluid in liquid form from the condensation section K of the first heat pipe 143 to its evaporation section V.
  • the described shape of the heat pipe 143 advantageously has an effect, since the liquid working medium is conveyed through the lines 143 ⁇ due to the part of the intermediate section Z arranged with respect to the axis of rotation R at an angle.
  • the evaporated on the evaporating section V of the heat pipe 143 working medium is passed over a white ⁇ tere line 143 ⁇ ⁇ back to the condensing section K, the further line is 143 ⁇ ⁇ half of the array of conduits 143 ⁇ in the radial direction inside, ie in the radially inner region 134 of the heat pipe 143.
  • the tubular lines 143 ⁇ are arranged in a radially outer region 133 of the heat pipe 143, for example. On the inside of a radially outer wall 132 of the heat pipe 143. This is in the cross-section shown in FIG 4, hinted at in FIG "X" is directed
  • Working medium moves in the heat pipes 143 from the condensation sections K to the evaporation sections V, while the gaseous working medium moves via a radially inner region 134 of the heat pipe 143 and there via the line 143 ⁇ ⁇ from the evaporation sections V to the condensation sections K.
  • the heat pipe assembly comprises a plurality of lines 143 each having an evaporation section V, a condensation section K and a Intermediate section Z have.
  • the heat pipe assembly comprises a plurality of lines 143 each having an evaporation section V, a condensation section K and a Intermediate section Z have.
  • the heat pipe assembly comprises a plurality of lines 143 each having an evaporation section V, a condensation section K and a Intermediate section Z have.
  • ideally only one common further line 143 ⁇ ⁇ is provided.
  • the lines 143 ⁇ can dage ⁇ conditions as channels in the radially outer region 133 may be formed over the at least in the operating state of the electric machine 100, the thermal working medium of the first heat pipe 143 in a substantially liquid form from the condensation section K to the evaporation section V out becomes.
  • About the radially inner region 134 passes thermal working medium of the first heat pipe 143 in We ⁇ sentlichen gaseous state of the evaporation section V back to the condensation section K.
  • corresponding baffles 144 may be provided, each extend in the axial and in the radial direction, so that the channels 143 ⁇ no closed pipes o.ä. form.
  • a plurality of first heat pipes 143 is provided. These are imaginary in such a way along a circumference of a first, the rotor 120 coaxial circle Cl arranged with their evaporation sections V along a circumference of the already introduced circuit CV and their condensation ⁇ sections K along a circumference of the circle CK are arranged, where the circles CV, CK again axially spaced and different radii RCV, RCK with
  • each first heat pipe 143 is a closed system, ie in each heat pipe 143 circulates a thermal working medium, wherein the circulating in different first heat pipes 143 working media do not come into contact with each other.
  • the evaporated working fluid in contrast to the first embodiment ⁇ form of the rotor cooling does not pass over the radially inner region 134 back to the condensation section K, but over there respective heat pipe 143 itself.
  • the permanent magnets ⁇ 121,143 of the second embodiment of the rotor cooling thermally coupled with one of the heat pipes.
  • the condensation section K of the heat pipes 143 in both embodiments of the rotor cooling are in turn thermally coupled to one or more first heat exchangers 153 of the heat sink assembly 150 such that at least a portion the heat that has been absorbed by the respective heat pipe 143 via its evaporation section V of the thermally coupled permanent magnet 121 can be dissipated via the condensation sections K to the heat sink assembly 150 and to the heat exchanger 153.
  • the saucetau ⁇ shear 153 are as well as the heat pipes 143 rotatably connected to the shaft 130, rotate with rotation of the shaft 130 so with.
  • the example designed as a plate heat exchanger heat exchanger 153 may, as shown in Figures 1 and 2, be arranged in the channel system 12 of the nacelle 10 so that they are flowed around by the typically cool air flow in the duct system 12 and cooled accordingly.
  • the co-rotating heat exchangers 153 can advantageously be arranged and shaped so that they cause a suction during rotation, which supports the air flow 13 in the duct system 12 or even generated.
  • the heat pipe arrangement for cooling the rotor 120 may be formed as part of the shaft 130. This is shown by way of example in FIG 7 for the first embodiment of the rotor cooling.
  • the shaft 130 is formed in ei ⁇ nem corresponding region 131 as a hollow shaft.
  • the portion 131 of the shaft 130 functions as a first heat pipe 143 according to the first embodiment of the rotor cooling, or the portion 131 includes the plurality of heat pipes 143 according to the second embodiment of the rotor cooling.
  • this variant of the shaft 130 is shown in FIG. 7 for the first embodiment of the rotor cooling.
  • the heat pipe assembly may include both heat pipes 141, 142 for cooling the stator 110 and heat pipes 143 for cooling the rotor 120. This combined cooling for rotor 120 and for
  • Stator 110 represents the preferred embodiment, since in ⁇ de active components 110, 120 can be cooled efficiently. However, it is also conceivable for only the stator 110, or only the rotor 120 with the help of heat pipes 141, 142, 143 and len to be cooled to employ a ande ⁇ res cooling method for cooling the respective other component.
  • the operation of the electric machine 100 as an electric motor has been described. It is yet JE conceivable to transmit the described cooling system with heat pipes to operating as a generator electrical machine 100 since, as mentioned in the introduction generator and electric motor ⁇ are basically the same.
  • the rotor is displaced 120 about the shaft 130 by means of a drive not represent ⁇ provided in the figures in rotation.
  • the magnetic fields of the second magnetic means 121 and the permanent magnet 121 of the rotor 120 rotate with the rotor 120 and relative to the stator windings 111 of the stator 110. This is known to induce in the stator windings 111 electrical voltages, which finally not represented electrical consumers are supplied.

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Kühlung einer elektrischen Maschine. Hierzu ist ein Kühlsystem vorgesehen, welches zumindest ein Wärmerohrpaar aufweist, das mit einem Stator der Maschine in thermischem Kontakt ist. Das Wärmerohr ist desweiteren mit einer Wärmesenkenanordnung verbunden, an die eine am Stator aufgenommene Wärme abgeführt werden kann. Ein weiteres Wärmerohr ist mit dem Rotor sowie ebenfalls mit der Wärmesenkenanordnung in thermischem Kontakt. Die beiden Wärmerohre des Wärmerohrpaares des Stators sind horizontal und antiparallel zueinander angeordnet, wodurch erreicht wird, dass verschiedene, die Effizienz dieser beiden Wärmerohre beeinflussende Kraftwirkungen kompensiert werden. Das Wärmerohr des Rotors ist dagegen als mit dem Rotor mitrotierendes Wärmerohr ausgebildet, welches zudem eine konische Form aufweist. Dies führt dazu, dass bei Rotation die in flüssiger Form vorliegende Phase des Arbeitsmediums des Wärmerohres von der Kondensationssektion zur Verdampfungssektion transportiert wird.

Description

Beschreibung
Elektrische Maschine mit verbesserter Kühlung Für mobile Anwendungen elektrischer Antriebe wie bspw. für das elektrische Fliegen oder auch für elektrisch angetriebene Wasserfahrzeuge etc. werden Elektromotoren mit hohen Leis¬ tungsdichten benötigt. Während für viele technische Anwendun¬ gen Leistungsdichten in Größenordnungen bis zu 2kW/kg ausrei- chend sind, werden bspw. für die Elektrifizierung der Luftfahrt, d. h. für elektrisch oder hybrid-elektrisch angetriebene Luftfahrzeuge, aber auch für andere, insbesondere mobile Anwendungen elektrische Maschinen mit Leistungsdichten von mindestens 20kW/kg angestrebt.
Für die genannten mobilen Anwendungen werden demnach hochleistungsdichte, elektrische Motoren benötigt, wobei mit steigender Leistungsdichte auch höhere Anforderungen an die Kühlung der elektrischen Maschine gestellt werden. In den ak- tiven Komponenten der Maschine, d. h. insbesondere bei Stator und/oder Rotor, entsteht ein signifikanter Anteil der Wärme bspw. innerhalb von Magnetspulen der Statorwicklung aufgrund des elektrischen Widerstands der Leiter sowie aufgrund des Skin-Effektes . Darüber hinaus führen Wirbelstromverluste so- wie magnetische Hystereseverluste zu zusätzlicher Wärmeent¬ wicklung in der jeweiligen Komponente der elektrischen Maschine. Dies führt zu verminderter Leistungsfähigkeit. Ent¬ sprechendes gilt für ggf. am Rotor vorgesehene Permanentmag¬ nete, bei denen eine Erwärmung dazu führt, dass ihr magneti- sches Feld und damit die Effizienz der elektrischen Maschine reduziert wird. Zusätzlich zur effizienzsteigernden Kühlung dieser aktiven Komponenten ist es notwendig, insbesondere die hitzeempfindlichen Bauteile wie bspw. die elektrische Isolie¬ rung der Leiter der elektrischen Maschine durch geeignete Wärmeabführmaßnahmen entsprechend zu schützen, um eine Beschädigung und einen Ausfall der Maschine zu verhindern. Direkte konvektive Kühlung der zu kühlenden Komponente, bspw. der Leiter, mit Hilfe von flüssigen Kühlmedien erlaubt zwar eine hohe Effizienz, ist jedoch aufgrund des benötigten komplexen Designs und der vergleichsweise aufwändigen Wartung und Instandhaltung teuer. Desweiteren schlagen sich Kühlsysteme mit flüssigen Kühlmedien negativ auf das Gesamtgewicht der Anordnung nieder, was in der Folge zu einer reduzierten Leistungsdichte führt. Eine direkte konvektive Kühlung unter Ausnutzung der Umgebungsluft ist dagegen insbesondere bei mo¬ bilen Anwendungen aufgrund der ggf. hohen Luftfeuchtigkeit und wegen eventuell in der Umgebungsluft enthaltenen Fremd¬ körpern häufig nachteilig.
Für den Fall, dass die aktiven Komponenten der elektrischen Maschine nicht direkt konvektiv gekühlt werden, muss die dort entstehende Wärme bspw. unter Ausnutzung des Effekts der Wärmeleitung zu einer Wärmesenke abgeführt werden. Entsprechende Maschinendesigns mögen zwar aufgrund der weniger komplexen Ausführung deutlich leichter sowie auch robuster sein als die Maschinen mit direkter konvektiver Kühlung. Es ist jedoch nicht auszuschließen, dass die über einen durch verschiedene Bauteile der Maschine führenden Pfad zur Wärmesenke geleitete Wärme auf diesem Pfad u.a. wärmesensitive und ggf. schlecht wärmeleitende Bauteile passiert, was dort zu signifikanten und ggf. schädlichen Temperaturerhöhungen führt. Der genannte Pfad führt ausgehend von der die Wärme entwickelnden Kompo¬ nente, bspw. ein Leiter einer Magnetspule, über die Isolie¬ rung des Leiters, eventuell vorhandene zusätzliche Papieriso¬ lierungen, nicht für die Wärmeleitung optimierte Bauteile so¬ wie über ebenfalls nicht für die Wärmeleitung optimierte Übergänge zwischen Bauteilen. Gerade bei gekapselten elektrischen Maschinen ohne spezielle, integrierte Kühlvorrichtungen, wie sie auch in den einleitend genannten mobilen Anwendungen eingesetzt werden, muss also die Wärme über derartige Pfade mit einer Vielzahl von den Wärmefluss einschränkenden Eigenschaften abgeführt werden. Dies führt zu einer ggf.
nicht ausreichenden Kühlwirkung. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Kühlmöglichkeit für eine elektrische Maschine an¬ zugeben . Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene elektrische Maschine gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen.
Die elektrische Maschine weist eine erste elektromagnetisch aktive Komponente auf, welche aus einer einen Stator und ei¬ nen Rotor umfassenden Gruppe von aktiven Komponenten der elektrischen Maschine ausgewählt ist, sowie ein Kühlsystem zum Kühlen von zumindest einer der aktiven Komponenten. Die aktiven Komponenten sind zumindest im Betriebszustand der elektrischen Maschine relativ zueinander um eine Rotationsachse rotierbar. Der Stator umfasst ein erstes magnetisches Mittel umfasst, insbesondere ein Statorwicklungssystem, und der Rotor umfasst ein zweites magnetisches Mittel, insbeson¬ dere eine Permanentmagnetanordnung. Dabei sind das erste und das zweite magnetische Mittel derart ausgebildet und zueinan¬ der angeordnet, dass sie im Betriebszustand der elektrischen Maschine elektromagnetisch miteinander wechselwirken, so dass die elektrische Maschine je nach Betriebszustand als Elektro¬ motor oder als Generator arbeitet. Dabei entsteht an den mag- netischen Mitteln im Betriebszustand der elektrischen Maschine Wärme entsteht.
Das Kühlsystem weist eine Wärmerohranordnung mit zumindest einem ersten Wärmerohr mit einem thermischen Arbeitsmedium auf. Jedes erste Wärmerohr weist seinerseits eine Verdamp¬ fungssektion und eine Kondensationssektion auf, wobei die jeweilige Verdampfungssektion des ersten Wärmerohres thermisch mit der ausgewählten ersten elektromagnetisch aktiven Komponente und insbesondere direkt oder indirekt mit dem ersten bzw. zweiten magnetischen Mittel der ausgewählten ersten elektromagnetisch aktiven Komponente gekoppelt ist, während die jeweilige Kondensationssektion des ersten Wärmerohres mit einer Wärmesenkenanordnung thermisch koppelbar bzw. zumindest im Betriebszustand gekoppelt ist, so dass zumindest ein Teil der im Betriebszustand der elektrischen Maschine am magneti¬ schen Mittel der ausgewählten ersten elektromagnetisch aktiven Komponente entstehenden Wärme über das erste Wärmerohr an die Wärmesenkenanordnung abführbar ist.
Das der Erfindung zu Grunde liegende Konzept liegt demnach in der Verwendung von Wärmerohren, über die eine an einer jeweiligen aktiven Komponente entstehende Wärme an eine Wärmesenke abgeführt wird. Das vorgeschlagene Konzept macht es möglich, den einleitend erläuterten Pfad der Wärmeleitung zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke, welcher typischerweise über wenig wärmeleitfähige Bauteile und Übergänge zwischen Bautei¬ len der Maschine führt, zu überbrücken, ohne dass die Komple¬ xität und das Gewicht der Anordnung, insbesondere im Ver¬ gleich mit einem System mit reiner Flüssigkeitskühlung, signifikant erhöht wird.
Ein Wärmerohr ist bekanntermaßen ein geschlossenes System, in dem ein thermisches Arbeitsmedium zirkulieren kann und dabei seinen Aggregatzustand zwischen einem gasförmigen und einem flüssigen Zustand ändert. Die Arbeitsweise eines Wärmerohres basiert demnach auf einer Zweiphasenkühlung, d. h. auf einer anerkanntermaßen vergleichsweise effizienten Kühlmethode, welche bspw. wesentlich effizienter als die reine konvektive Kühlung wirkt. Ein solches Wärmerohr weist eine Verdampfungs¬ sektion auf, welche thermisch mit einer zu kühlenden Komponente, bspw. in der hier vorgestellten Anwendung eine
Statorwicklung oder ein Permanentmagnet, gekoppelt wird, so dass Wärme von der jeweiligen Komponente über die Verdampfungssektion in das Wärmerohr gelangen kann. Dieser Transfer von Wärme von der Komponente in das Wärmerohr bewirkt ein Verdampfen des thermischen Arbeitsmediums im Wärmerohr. Das verdampfte Arbeitsmedium gelangt im Wärmerohr zu einer Kondensationssektion des Wärmerohres, wo es wieder in den flüssigen Zustand übergeht, wobei Wärme an eine mit der Kondensa¬ tionssektion thermisch gekoppelte Wärmesenke abgegeben wird. Das flüssige Arbeitsmedium gelangt über einen von der Reali- sierungsform des Wärmerohres abhängigen Mechanismus wieder zur Verdampfungssektion, wo der Kreislauf von neuem beginnt. Die Folge ist, dass die an die Verdampfungssektion gekoppelte Komponente gekühlt wird, wobei die entsprechende Wärmemenge zur Wärmesenke abgeführt wird.
In einer ersten Ausprägung ist die ausgewählte erste elektro¬ magnetisch aktive Komponente der Stator der elektrischen Maschine, d. h. das Kühlsystem ist im Wesentlichen eine
Statorkühlung.
Das das magnetische Mittel des Stators kann bspw. ein
Statorwicklungssystem sein, welches eine oder eine Vielzahl von Statorwicklungen aufweist, welche entlang einer Umfangs- richtung des Stators gesehen hintereinander angeordnet sind. Vorzugsweise ist für jede Statorwicklung zumindest ein erstes Wärmerohr vorgesehen, wobei die Verdampfungssektion eines jeden ersten Wärmerohres thermisch mit der jeweiligen
Statorwicklung gekoppelt ist. Es kann jedoch auch ausreichen, wenn nicht für jede einzelne Statorwicklung, sondern bspw. nur für jede zweite oder dritte Wicklung ein solches erstes Wärmerohr vorgesehen ist.
In einer ersten Ausführungsform der Statorkühlung ist jedes erste Wärmerohr der Wärmerohranordnung derart angeordnet, dass es sich, wenn sich die elektrische Maschine in einer vorgegebenen Standardorientierung befindet, in einer ersten horizontalen Erstreckungsrichtung vom Stator weg erstreckt. Der Begriff der „Standardorientierung" wird im Zusammenhang mit den Figuren definiert und näher erläutert. Darauf vor¬ greifend sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Ausrichtung der Standardorientierung im Wesentlichen mit der Ausrichtung der Rotationsachse des Rotors zusammenhängt, wobei bspw. bei einem Helikopter die Standardorientierung vertikal sein wird, da die Rotationsachse vertikal ausgerichtet ist, während die Standardorientierung bei einem Flugzeug mit Propellerantrieb in der Regel horizontal sein wird. Der wesentliche Punkt beim Begriff der Standardortientierung ist lediglich, dass diese immer gleich ist, d. h. unabhängig von einer momentanen Orientierung der elektrischen Maschine, welche letztlich von einem momentanen Flugzustand des Luftfahrzeugs abhängt, in dem die Maschine installiert ist.
Als Erstreckungsrichtung eines jeweiligen Wärmerohres wird hier und im Folgenden die Richtung von der Verdampfungssektion zur Kondensationssektion des jeweiligen Wärmerohres verstanden .
Die ersten Wärmerohre erstrecken sich vorzugsweise, wenn sich die elektrische Maschine in der Standardorientierung befindet, in einer jeweiligen ersten horizontalen Richtung weg von der jeweiligen Statorwicklung, an die sie thermisch gekoppelt sind. Die erste horizontale Richtung kann bspw. parallel zur axialen Richtung der elektrischen Maschine orientiert sein. Dies gilt typischerweise für eine in einem Flugzeug eingebau¬ te elektrische Maschine, weil dort die Rotationsachse des Elektromotors und des Propellers horizontal orientiert sind. Wenn der Elektromotor in einem Helikopter verbaut ist, kann die Rotationsachse vertikal orientiert sein. In diesem Fall wäre also die horizontale Richtung senkrecht zur axialen Richtung orientiert. Die Wärmerohranordnung weist vorzugsweise für jedes erste Wärmerohr ein dem jeweiligen ersten Wärmerohr zugeordnetes weiteres Wärmerohr mit einer Verdampfungssektion und einer Kondensationssektion auf. Die Verdampfungssektion des jeweiligen weiteren Wärmerohres ist thermisch mit dem Stator und insbesondere direkt oder indirekt mit dem ersten magnetischen Mittel gekoppelt ist, so dass zumindest ein Teil der im Be¬ triebszustand der elektrischen Maschine an dem ersten magne¬ tischen Mittel entstehenden Wärme über das jeweilige weitere Wärmerohr an die Wärmesenkenanordnung abführbar ist. Dabei ist die Kondensationssektion des jeweiligen weiteren Wärmerohres mit der Wärmesenkenanordnung thermisch koppelbar. Das jeweilige weitere Wärmerohr ist derart angeordnet, dass es sich, wenn sich die elektrische Maschine in der vorgegebenen Standardorientierung befindet, in einer weiteren horizontalen Erstreckungsrichtung vom Stator weg erstreckt, wobei die erste und die weitere horizontale Erstreckungsrichtung zweier einander zugeordneter Wärmerohre einander entgegengesetzt sind.
Das erste Wärmerohr und das antiparallele, weitere Wärmerohr bilden ein Wärmerohrpaar, wobei die beiden Wärmerohre eines jeweiligen Wärmerohrpaares vorzugsweise mit derselben
Statorwicklung thermisch gekoppelt sind.
Für den Fall, dass nicht nur eines, sondern eine Vielzahl von ersten Wärmerohren vorgesehen ist, würde vorzugsweise für einige der ersten Wärmerohre, idealerweise jedoch für jedes erste Wärmerohr ein dem jeweiligen ersten Wärmerohr zugeordnetes weiteres Wärmerohr mit einer Verdampfungssektion und einer Kondensationssektion vorhanden sein, wobei jeweils ein weiteres Wärmerohr einem ersten Wärmerohr zugeordnet ist, so dass sie ein Wärmerohrpaar bilden. Vorzugsweise sind die bei- den Wärmerohre eines Wärmerohrpaares mit derselben
Statorwicklung thermisch gekoppelt. Desweiteren würde es sich dabei anbieten, dass je Statorwicklung ein Wärmerohrpaar vorgesehen ist. Das Kühlkonzept der Statorkühlung verwendet also, vorzugswei¬ se für jede Statorwicklung, antiparallel angeordnete erste und weitere Wärmerohre. Die antiparallele, in der Standard¬ orientierung horizontale Anordnung von jeweils zwei Wärmerohren bewirkt, dass der Einfluss der Gravitation auf die Effi- zienz des jeweiligen Wärmerohres kompensiert wird. Sowohl im Steigflug als auch im Sinkflug sowie auch bei der Beschleuni¬ gung des Flugzeugs wirken gravitative Kräfte sowie Trägheits¬ kräfte auf die Wärmerohre die die im jeweiligen Wärmerohr ab¬ laufenden Prozesse je nach Wirkungsrichtung der Kraft unter- stützend oder hemmend beeinflussen. Da mit der antiparallelen Anordnung zweier Wärmerohre auch die vorgesehenen Flussrichtungen der flüssigen Anteile der Arbeitsmedien in den beiden Wärmerohren antiparallel sind, werden die Einflüsse der ge- nannten Kräfte kompensiert. Die beschriebene Anordnung be¬ wirkt also, dass derartige negative Auswirkungen auf die Pro¬ zesse in einem Wärmerohr durch entsprechende positive Auswirkungen auf die Prozesse in einem antiparallel angeordneten Wärmerohr kompensiert werden, so dass die Kühlwirkung weitestgehend unabhängig von Ausrichtung bzw. Orientierung der Maschine und von Beschleunigungen etc. ist.
In einer zweiten Ausführungsform der Statorkühlung ist jedes erste Wärmerohr der Wärmerohranordnung derart angeordnet, dass sich, wenn sich die elektrische Maschine in einer vorge¬ gebenen Standardorientierung befindet, der Ort der thermischen Kopplung seiner Kondensationssektion mit der
Wärmesenkenanordnung unterhalb, insbesondere senkrecht unter- halb, des Ortes der thermischen Kopplung seiner Verdampfungs¬ sektion mit dem Stator befindet. Mit anderen Worten befindet sich also in der Standardorientierung der elektrischen Maschine die Kondensationssektion des ersten Wärmerohres unterhalb und insbesondere senkrecht unterhalb seiner Verdamp- fungssektion .
Generell kann bei der Statorkühlung die Verdampfungssektion des ersten Wärmerohres mit Hilfe eines Verbinders mit einem keramischen, elektrisch isolierenden und wärmeleitenden Mate- rial mit dem Stator thermisch gekoppelt sein, um die thermische Kopplung zwischen der Verdampfungssektion des jeweiligen ersten Wärmerohres mit dem Stator zu realisieren. Als Material kann bspw. A1N (Aluminiumnitrid) oder A1203 (Aluminiumoxid) zum Einsatz kommen.
In einer zweiten Ausprägung ist die ausgewählte erste elekt¬ romagnetisch aktive Komponente der Rotor der elektrischen Maschine, d. h. das Kühlsystem ist im Wesentlichen eine Rotorkühlung. Der Rotor ist drehfest mit einer Welle der elektri- sehen Maschine verbunden und jedes erste Wärmerohr ist sei¬ nerseits drehfest mit dem Rotor und/oder mit der Welle ver¬ bunden, so dass es bei Rotation des Rotors mitrotiert, so dass bei Rotation des Rotors und der Welle eine Zentrifugal- kraft auf das im jeweiligen Wärmerohr befindliche thermische Arbeitsmedium des Wärmerohres wirkt.
Das magnetische Mittel des Rotors weist eine Vielzahl von magnetfelderzeugenden Einheiten auf, welche entlang einer Um- fangsrichtung des Rotors gesehen hintereinander angeordnet sind, wobei vorzugsweise jeder magnetfelderzeugenden Einheit zumindest ein erstes Wärmerohr zugeordnet ist. Dabei ist die Verdampfungssektion eines jeweiligen ersten Wärmerohres ther- misch mit der jeweiligen zugeordneten magnetfelderzeugenden
Einheit gekoppelt. Die magnetfelderzeugenden Einheiten können bspw. Permanentmagnete oder bestrombare Spulen sein.
Im Falle der Rotorkühlung ist jedes erste Wärmerohr derart angeordnet und ausgebildet, dass bei Rotation die Verdamp¬ fungssektion eines jeweiligen ersten Wärmerohres einen zum Rotor koaxialen Kreis CV und die Kondensationssektion eines jeweiligen ersten Wärmerohres einen zum Rotor koaxialen Kreis CK beschreibt. Dabei ist der Radius des Kreises CV größer als der Radius des Kreises CK und die Schnittpunkte der Kreise CK und CV mit der Rotationsachse sind axial voneinander
beabstandet .
Diese Geometrie bedeutet, dass die bei Rotation auf das erste Wärmerohr und auf das darin befindliche thermische Arbeitsme¬ dium wirkende Zentrifugalkraft eine Komponente aufweist, die das Arbeitsmedium von der Kondensationssektion in Richtung zur Verdampfungssektion befördert. Insbesondere weist jedes erste Wärmerohr zumindest eine Zwi¬ schensektion auf, welche zwischen der Verdampfungssektion und der Kondensationssektion des jeweiligen ersten Wärmerohres liegt und welche vorgesehen ist, um zumindest im Betriebszu¬ stand der elektrischen Maschine das thermische Arbeitsmedium des jeweiligen ersten Wärmerohres in im Wesentlichen flüssiger Form von seiner Kondensationssektion zu seiner Verdampfungssektion zu führen. Dabei ist jedes erste Wärmerohr derart an der Welle angeordnet, dass zumindest ein Teil der Zwi- schensektion derart orientiert ist, dass sie einen Winkel A mit 0°<A<90° mit der Rotationsachse einschließt, so dass die¬ ser Teil der Zwischensektion bei Rotation des Rotors und der Welle und des ersten Wärmerohres einen Mantel eines gedachten symmetrischen Kegelstumpfes beschreibt. Der Winkel A kann bspw. 30° betragen, ist aber letztlich abhängig von den Betriebsbedingungen der elektrischen Maschine.
Das rotierende erste Wärmerohr rotiert demnach gemeinsam mit der Welle bzw. mit dem Rotor. Dadurch, dass die Zwischensektion Z einen Winkel von bspw. 30° mit der Rotationsachse ein¬ schließt, kann die Zentrifugalkraft bzw. die aus dem Winkel A resultierende Komponente der Kraft in Flussrichtung derart auf das flüssige Arbeitsmedium wirken, dass dieses von der Kondensationssektion zur Verdampfungssektion transportiert wird. Desweiteren wirkt die Zentrifugalkraft bzw. die ent¬ sprechende Komponente der Kraft derart, dass eine Vermischung der flüssigen und der gasförmigen Phase des Arbeitsmediums reduziert wird, so dass sich die Wärmeleitfähigkeit des Wär- merohres erhöht.
Die Wärmerohranordnung weist in einer ersten Ausführungsform der Rotorkühlung eine Vielzahl von ersten Wärmerohren auf, welche derart entlang eines Umfangs eines ersten gedachten, zum Rotor koaxialen Kreises Cl angeordnet sind, dass die Ver¬ dampfungssektionen der ersten Wärmerohre entlang eines Umfangs des Kreises CV angeordnet sind, die Kondensationssekti¬ onen der ersten Wärmerohre entlang eines Umfangs des Kreises CK angeordnet sind.
Alternativ :
Die Wärmerohranordnung weist in einer zweiten Ausführungsform der Rotorkühlung lediglich ein erstes Wärmerohr auf. Das erste Wärmerohr ist koaxial zum Rotor angeordnet und weist einen radial innen liegenden Bereich und einen radial außen liegenden Bereich auf. Der radial außen liegende Bereich des ersten Wärmerohres bildet zumindest einen Kanal, über den zumindest im Betriebszustand der elektrischen Maschine das thermische Arbeitsmedium des ersten Wärmerohres in im Wesentlichen flüssiger Form von der Kondensationssektion zur Verdampfungssektion geführt wird. Über den radial innen liegenden Bereich wird zumindest im Betriebszustand der elektrischen Maschine das thermische Arbeitsmedium des ersten Wärmerohres in im We¬ sentlichen gasförmigem Zustand von der Verdampfungssektion zur Kondensationssektion geführt.
Vorteilhafterweise weist die Welle dabei zumindest in einem Teilbereich zwischen dem Ort der thermischen Kopplung der
Verdampfungssektion des ersten Wärmerohres bzw. der Welle mit dem zweiten magnetischen Mittel und dem Ort der thermischen Kopplung der Kondensationssektion des ersten Wärmerohres bzw. der Welle mit der Wärmesenkenanordnung eine derartige Form auf, bspw. die Form eines Kegelstumpfes, dessen Symmetrieach¬ se auf der Rotationsachse liegt, dass der Kanal zumindest teilweise einen Winkel A mit 0°<A<90° mit der Rotationsachse einschließt . Die Welle und insbesondere ihr als erstes Wärmerohr ausgebil¬ deter Teilbereich kann vorzugsweise hohl sein. Das soll insbesondere beinhalten, dass sich zwischen dem radial außen und dem radial innen liegenden Bereich keine Trennwand befindet. Alternativ zur Verwendung der Welle als Wärmerohr können das oder die dann separaten ersten Wärmerohre in der oben beschriebenen Form an der Welle befestigt sein, so dass sie ggf. mit ihr rotieren und insbesondere den geneigten Zwischenabschnitt aufweisen, so dass die Zentrifugalkraft auf das flüssige Arbeitsmedium wirkt.
In der zweiten Ausführungsform der Rotorkühlung kann jeder Kanal durch eine rohrartige Leitung gebildet sein. Alternativ kann in der zweiten Ausführungsform der Rotorkühlung jeder Kanal durch zwei in Umfangsrichtung der Welle gesehen hintereinander angeordnete, sich entlang der Längsausdehnung der Welle entlang einer Wand der Welle sowie in radi- aler Richtung erstreckende Leitbleche gebildet bzw. begrenzt sein. Im Unterschied zu der Variante mit rohrartigen Leitungen befindet sich in der Variante mit Leitblechen keine physikalische Trennung zwischen dem inneren Bereich und dem äußeren Bereich des ersten Wärmerohres.
Sowohl im Falle der Rotorkühlung als auch für die
Statorkühlung kann die Wärmesenkenanordnung zumindest einen Wärmetauscher aufweisen. Der Wärmetauscher ist in einem von einem sekundären Kühlmedium, insbesondere Luft,
durchströmbaren Raumbereich im Umfeld der elektrischen Maschine angeordnet. In einer vorteilhaften Anwendung ist die elektrische Maschine als Elektromotor konfiguriert in einer Gondel eines Propellerantriebs eines Luftfahrzeugs angeordnet ist, wobei die Gondel ein Kanalsystem zum Leiten von Umgebungsluft aufweist, in welches ein Luftstrom, insbesondere ein zumindest teilweise vom Propeller erzeugter Luftstrom, eingeleitet wird, und wobei der Wärmetauscher in dem Kanal¬ system angeordnet ist. Vorzugsweise umfasst die
Wärmesenkenanordnung eine Vielzahl von Wärmetauschern, welche an geeigneten Positionen im Kanalsystem angeordnet und mit jeweiligen Wärmerohren thermisch gekoppelt sind, um eine möglichst effiziente Kühlung des Stators bzw. des Rotors zu be¬ wirken .
Vorzugsweise ist das Kühlsystem derart ausgeprägt, dass so¬ wohl der Stator als auch der Rotor jeweils mit Hilfe der oben beschriebenen Wärmerohranordnungen gekühlt werden. Es ist demnach eine zweite elektromagnetisch aktive Komponente der elektrischen Maschine derart aus der Gruppe von aktiven Komponenten ausgewählt, dass die erste und die zweite elektro¬ magnetisch aktive Komponente unterschiedlich sind. Die Wärme¬ rohranordnung des Kühlsystems weist zumindest ein zweites Wärmerohr mit einem thermischen Arbeitsmedium auf, wobei jedes zweite Wärmerohr eine Verdampfungssektion und eine Kondensationssektion aufweist, wobei die jeweilige Verdampfungs¬ sektion des zweiten Wärmerohres thermisch mit der ausgewählten zweiten elektromagnetisch aktiven Komponente und insbe- sondere direkt oder indirekt mit dem magnetischen Mittel der ausgewählten zweiten elektromagnetisch aktiven Komponente gekoppelt ist und die jeweilige Kondensationssektion des zwei¬ ten Wärmerohres mit der Wärmesenkenanordnung thermisch koppelbar bzw. zumindest im Betriebszustand gekoppelt ist, so dass zumindest ein Teil der im Betriebszustand der elektri¬ schen Maschine am magnetischen Mittel der ausgewählten zweiten elektromagnetisch aktiven Komponente entstehenden Wärme über das zweiten Wärmerohr an die Wärmesenkenanordnung abführbar ist.
In der bevorzugten Ausführung weist das Kühlsystem zumindest eines der oben beschriebenen Wärmerohrpaare auf, das mit dem Stator der Maschine in thermischem Kontakt ist, sowie ein ro¬ tierendes Wärmerohr zur Kühlung des Rotors. Die beiden Wärme¬ rohre des Wärmerohrpaares des Stators sind horizontal und an¬ tiparallel zueinander angeordnet, wodurch erreicht wird, dass verschiedene, die Effizienz dieser beiden Wärmerohre beeinflussende Kraftwirkungen kompensiert werden. Das Wärmerohr des Rotors ist dagegen als mit dem Rotor mitrotierendes Wär¬ merohr ausgebildet, welches zudem eine konische Form auf¬ weist. Dies führt dazu, dass bei Rotation die in flüssiger Form vorliegende Phase des Arbeitsmediums des Wärmerohres von der Kondensationssektion zur Verdampfungssektion transportiert wird.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den Zeichnungen und der entsprechenden Beschreibung.
Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausführungsformen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Komponenten werden in verschiedenen Figuren durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.
Es zeigen: FIG 1 eine Gondel eines Flugzeugs mit einem Elektromotor und einer Rotorkühlung sowie mit einer Statorkühlung in einer ersten Ausführungsform,
FIG 2 die Gondel des Flugzeugs mit Elektromotor und Rotor¬ kühlung sowie mit der Statorkühlung in einer zweiten Ausführungsform, .
FIG 3 eine erste Ausführungsform einer Rotorkühlung,
FIG 4 einen Querschnitt einer ersten Variante der ersten
Ausführungsform der Rotorkühlung,
FIG 5 einen Querschnitt einer zweiten Variante der ersten
Ausführungsform der Rotorkühlung,
FIG 6 eine zweite Ausführungsform einer Rotorkühlung,
FIG 7 eine Variante der ersten Ausführungsform der Rotor- kühlung.
Es sei angemerkt, dass sich Begriffe wie „axial" und „radial" auf die in der jeweiligen Figur bzw. im jeweils beschriebenen Beispiel zum Einsatz kommende Welle bzw. Achse beziehen. Mit anderen Worten beziehen sich die Richtungen axial und radial stets auf eine Drehachse des Läufers.
Begriffe wie „oben", „unten", „oberhalb", „unterhalb" etc. beziehen sich auf die Richtung der Gravitationswirkung, die in den Figuren wo nötig mit einem mit „g" gekennzeichneten Pfeil symbolisiert ist. Ein „oben" befindlicher Gegenstand befindet sich also in größerer Entfernung von der Erdoberfläche, als ein „unten" befindlicher Gegenstand. Analog beziehen sich auch die Begriffe „vertikal" und „horizontal" auf die Richtung der Gravitationswirkung.
Schließlich bezeichnet der Begriff „Standardorientierung" der elektrischen Maschine und insbesondere des Rotors und des Stators der elektrischen Maschine diejenige Orientierung, in der die elektrische Maschine ausgerichtet ist, wenn sie oder das Gesamtsystem, in dem sie installiert ist, nicht in Be¬ trieb ist, bspw. beim oder unmittelbar nach der Installation der Maschine in das Gesamtsystem. Dabei ist die Standardorientierung in der Regel horizontal oder vertikal und kann bspw. mit Hilfe der Orientierung der Rotationsachse des Ro¬ tors definiert werden. Bei horizontaler bzw. vertikaler Ausrichtung der Rotationsachse ist die Standardorientierung dem- entsprechend im Wesentlichen horizontal bzw. vertikal. Die
Standardorientierung kann sich von einer momentanen Orientierung der elektrischen Maschine unterscheiden, bspw. wenn die elektrische Maschine in einem Flugzeug installiert ist. Wäh¬ rend sich zwar bspw. im Kurven-, Steig- oder Sinkflug die mo- mentane Orientierung der fest im Flugzeug installierten elektrischen Maschine ändert, bleibt die definierte Standard¬ orientierung unbeeinflusst . In diesem Fall kann die Standardorientierung bspw. die Orientierung der elektrischen Maschine bzw. der Rotationsachse sein, wenn das Flugzeug unbewegt am Boden steht. Dabei wird vernachlässigt, dass ein Flugzeug bzw. dessen Längsachse häufig, wenn das Flugzeug unbewegt am Boden steht oder lediglich am Boden fährt, leicht gegenüber der Horizontalen geneigt ist. Vorzugsweise ist die Standardorientierung diejenige Orientie¬ rung, in der sich die elektrische Maschine während eines ty¬ pischen Fluges und bei normaler Benutzung überwiegend befindet. Erfahrungsgemäß ist dies beim einem Flugzeug eine hori¬ zontale Orientierung und bei einem Helikopter eine vertikale Orientierung.
Im Folgenden wird bei allen Figuren davon ausgegangen, dass sich die elektrische Maschine jeweils in der Standardorien¬ tierung befindet, auch wenn dies im Zusammenhang mit der je- weiligen Figur evtl. nicht explizit erwähnt wird.
Die FIG 1 zeigt exemplarisch und vereinfacht einen Quer¬ schnitt eines Teils einer Gondel 10 eines nicht weiter darge- stellten Flugzeugs. Die Gondel 10 weist einen Propeller 11 auf, der mit Hilfe einer Welle 130 in Rotation versetzt wird. In der Gondel 10 ist desweiteren ein Kanalsystem 12 ausgebildet, welches von Umgebungsluft durchströmt werden kann. Ins- besondere sind der Propeller 11 und das Kanalsystem 12 derart ausgebildet und zueinander angeordnet, dass ein durch Rotati¬ on des Propellers 11 erzeugter Luftstrom 13 zumindest teil¬ weise in das Kanalsystem 12 gelangt und dieses durchströmt. Das Kanalsystem 12 kann auch derart an der Gondel 10 angeord- net sein, dass der Luftstrom 13 im Kanalsystem 12 zumindest teilweise aufgrund einer Bewegung des Flugzeugs relativ zur umgebenden Luft erzeugt wird, d. h. quasi als Fahrtwind.
Der Propeller 11 bzw. die Welle 130 wird durch eine als
Elektromotor ausgebildete elektrische Maschine 100 angetrie¬ ben. Es sei erwähnt, dass die elektrische Maschine 100 in ähnlichem Aufbau grundsätzlich auch als Generator betrieben werden kann. Weiterhin sei angemerkt, dass der Aufbau der im Folgenden beschriebenen Maschine rein exemplarisch ist. Es kann als bekannt vorausgesetzt werden, dass je nach Ausbil¬ dung der elektrischen Maschine als Generator oder als Elektromotor und/oder als bspw. Radial- oder Axialflussmaschine mit einem als Innen- oder auch als Außenläufer ausgebildeten Rotor etc. die verschiedenen Komponenten der Maschine unter- schiedlich angeordnet sein können.
Der Elektromotor 100 weist einen Stator 110 sowie einen als Innenläufer ausgebildeten Rotor 120 auf, wobei der Rotor 120 innerhalb des Stators 110 angeordnet ist und im Betriebszu- stand der elektrischen Maschine 100 um eine Rotationsachse R rotiert. Der Rotor 120 ist drehfest mit der Welle 130 verbun¬ den, so dass eine Rotation des Rotors 120 über die Welle 130 auf den Propeller 11 des Flugzeugs übertragbar ist. Der Stator 110 weist ein erstes magnetisches Mittel 111 auf, welches bspw. eine Vielzahl von Statorwicklungen umfassen kann. Jede der Wicklungen 111 wird durch einen elektrischen Leiter gebildet, der im Betriebszustand der elektrischen Ma- schine 100 von einem elektrischen Strom durchflössen wird, so dass magnetische Felder generiert werden. Die
Statorwicklungen 111 sind in einer Umfangsrichtung des
Stators 110 gesehen hintereinander angeordnet.
Der Rotor 120 weist ein zweites magnetisches Mittel 121 auf, welches bspw. eine Vielzahl von Permanentmagneten oder erregte bzw. erregbare Wicklungen umfassen kann. Im Folgenden wird exemplarisch angenommen, dass es sich um Permanentmagnete 121 handelt. Die Permanentmagnete 121 sind in einer Umfangsrich¬ tung des Rotors 120 gesehen hintereinander angeordnet.
Das erste und das zweite magnetische Mittel 111, 121 bzw. die Statorwicklungen 111 und die Permanentmagnete 121 sind derart ausgebildet und zueinander angeordnet, dass sie im Betriebs¬ zustand der elektrischen Maschine 100 elektromagnetisch miteinander wechselwirken, so dass die Maschine 100 je nach Konfiguration als Elektromotor oder als Generator arbeitet. Dieses Konzept einschließlich der Bedingungen für die Ausbildung und Anordnung der magnetischen Mittel 111, 121 bzw. von
Stator 110 und Rotor 120 sind an sich bekannt und werden da¬ her im Folgenden nicht näher erläutert. Es sei lediglich erwähnt, dass zum Betreiben der elektrischen Maschine 100 als Elektromotor die Statorwicklungen 111 mit Hilfe einer nicht dargestellten Stromquelle mit einem elektrischen Strom beaufschlagt werden, der bewirkt, dass die Wicklungen 111 dement- sprechende Magnetfelder erzeugen, welche mit den Magnetfel¬ dern der Permanentmagnete 121 des Rotors 120 in elektromagne¬ tische Wechselwirkung treten. Dies resultiert bekanntermaßen darin, dass bei geeigneter Ausbildung und Anordnung der genannten Komponenten zueinander der Rotor 120 und mit ihm die Welle 130 sowie der Propeller 11 in Rotation versetzt werden.
Im Betriebszustand der elektrischen Maschine 100 wird sowohl an den Statorwicklungen 111 als auch an den Permanentmagneten 121 Wärme entstehen. Die elektrische Maschine 100 weist daher ein Kühlsystem 140 zum Kühlen des Stators 110 und/oder des Rotors 120 bzw. zum Kühlen des jeweiligen magnetischen Mittels 111 bzw. 121.
In einer ersten Ausführungsform einer Statorkühlung weist das Kühlsystem 140 zum Kühlen des Stators 110 und der
Statorwicklungen 111 eine Wärmerohranordnung mit zumindest einem ersten Wärmerohr 141 mit einer Verdampungssektion V und einer Kondensationssektion K auf, dessen Verdampfungsssektion
V thermisch mit einer Statorwicklung 111 gekoppelt ist. Zwar ist aufgrund der typischerweise hohen Wärmeleitfähigkeit der für derartige Statorwicklungen 111 verwendeten elektrischen Leiter davon auszugehen, dass es bei Verwendung von nur einem Wärmerohr 141 zu einer ausreichenden Homogenisierung der Wärmeverteilung in den Statorwicklungen 111 kommt, doch ist vor- zugsweise nicht nur eine, sondern jede Statorwicklung 111 mit zumindest einem ersten Wärmerohr 141 thermisch gekoppelt. In der in FIG 1 dargestellten Ausführung weist die Wärmerohranordnung in Erweiterung dieses Grundgedankens für jede
Statorwicklung 111 zwei derartige erste Wärmerohre 141 auf, welche radial voneinander beabstandet an der jeweiligen
Statorwicklung 111 angeordnet sind.
Bevorzugt weist die Wärmerohranordnung in der ersten Ausführungsform der Statorkühlung zumindest ein weiteres Wärmerohr 142 auf, welches ebenfalls eine Verdampungssektion V und eine Kondensationssektion K aufweist, wobei die Verdampungssektion
V des weiteren Wärmerohres 142 ebenfalls thermisch mit einer der Statorwicklungen 111 gekoppelt ist. Vorzugsweise ist je¬ doch auch hier nicht nur eine, sondern jede Statorwicklung 111 mit zumindest einem weiteren Wärmerohr 142 thermisch gekoppelt. In der in FIG 1 dargestellten Ausführung weist die Wärmerohranordnung in Erweiterung dieses Grundgedankens für jede Statorwicklung 111 zwei derartige weitere Wärmerohre 142 auf, welche ebenfalls radial voneinander beabstandet angeord- net sein können.
Die thermische Kopplung der ersten und der weiteren Wärmerohre 141, 142 bzw. deren Verdampfungssektionen V an die jewei- lige Statorwicklung 111 erfolgt mit Hilfe von Verbindern 149. Die Verbinder 149 weisen idealerweise ein keramisches Materi¬ al auf, welches elektrisch isolierendend und insbesondere wärmeleitend ist. Geeignete Materialien sind bspw. A1N (Alu- miniumnitrid) oder A1203 (Aluminiumoxid) . Die Verbinder 149 sind in direktem thermischen Kontakt mit den Statorwicklungen 111 sowie mit der Verdampfungssektion V des jeweiligen ersten und weiteren Wärmerohres 141, 142, an das sie thermisch ge¬ koppelt sind.
Die Kondensationssektionen K der ersten Wärmerohre 141 sind thermisch mit ersten Wärmetauschern 151 einer
Wärmesenkenanordnung 150 gekoppelt, so dass zumindest ein Teil der Wärme, die vom jeweiligen ersten Wärmerohr 141 über seine Verdampfungssektion V von der Statorwicklung 111 aufgenommen wurde, über die Kondensationssektionen K an die
Wärmesenkenanordnung 150 bzw. an den ersten Wärmetauscher 151 abgeführt werden kann. Analog sind die Kondensationssektionen K der weiteren Wärmerohre 142 thermisch mit weiteren Wärme- tauschern 152 der Wärmesenkenanordnung 150 gekoppelt, so dass zumindest ein Teil der Wärme, die vom jeweiligen weiteren Wärmerohr 142 über seine Verdampfungssektion V von der
Statorwicklung 111 aufgenommen wurde, über die Kondensationssektionen K an die Wärmesenkenanordnung 150 bzw. an den wei- teren Wärmetauscher 152 abgeführt werden kann. Wie einleitend erwähnt kondensiert dabei das Arbeitsmedium im jeweiligen Wärmerohr 141, 142 und gelangt wieder zur Verdampfungssektion V. Die Wärmetauscher 151, 152 können als Plattenwärmetauscher ausgebildet und im Kanalsystem 12 der Gondel 10 angeordnet sein, so dass sie vom typischerweise kühlen Luftstrom 13 im Kanalsystem 12 umströmt und dementsprechend gekühlt werden.
Die ersten Wärmerohre 141 sind in der ersten Ausführungsform der Statorkühlung vorzugsweise derart angeordnet, dass sie sich in der Standardorientierung der elektrischen Maschine 100 jeweils in einer ersten horizontalen, axialen Erstre- ckungsrichtung vom Stator 110 bzw. von der jeweiligen
Statorwicklung 111 weg erstrecken. Dabei wird als Erstre- ckungsrichtung eines jeweiligen Wärmerohres 141, 142 die Richtung von der Verdampfungssektion V zur Kondensationssektion K des jeweiligen Wärmerohres 141, 142 verstanden. Die Verdampungssektion V und die Kondensationssektion K eines je- weiligen Wärmerohres 141 sind also in axialer Richtung voneinander beabstandet.
Die weiteren Wärmerohre 142 sind ihrerseits derart angeord¬ net, dass sie sich, wenn sich die elektrische Maschine 100 in der vorgegebenen Standardorientierung befindet, in einer weiteren horizontalen, axialen Erstreckungsrichtung vom Stator 110 weg erstrecken. Dabei gilt insbesondere, dass die erste und die weitere horizontale Richtung der Erstreckung einander entgegengesetzt bzw. antiparallel zueinander sind.
Das Kühlkonzept der ersten Ausführungsform der Statorkühlung verwendet also für jede Statorwicklung 111 antiparallel ange¬ ordnete erste und weitere Wärmerohre 141, 142. Die antiparal¬ lele, in der Standardorientierung horizontale Anordnung von jeweils zwei Wärmerohren 141, 142 bewirkt, dass der Einfluss der Gravitation auf die Effizienz des jeweiligen Wärmerohres kompensiert wird. Sowohl im Steigflug als auch im Sinkflug sowie auch bei der Beschleunigung des Flugzeugs wirken gravitative Kräfte sowie Trägheitskräfte auf die Wärmerohre 141, 142, die die im jeweiligen Wärmerohr 141, 142 ablaufenden Prozesse je nach Wirkungsrichtung der Kraft positiv oder negativ beeinflussen. So werden die Prozesse und damit der Wirkungsgrad eines Wärmerohres 141, 142 insbesondere dann ne¬ gativ beeinflusst, wenn die Wirkungsrichtung der Kraft entge- gen der durch Anordnung von Verdampfungssektion V und Kondensationssektion K definierten Flussrichtung des flüssigen Arbeitsmediums orientiert ist. Da mit der antiparallelen Anord¬ nung zweier Wärmerohre 141, 142 auch die vorgesehenen Flussrichtungen der flüssigen Arbeitsmedien in den beiden Wärme- röhren 141, 142 antiparallel sind, werden die Einflüsse der genannten Kräfte kompensiert. Die beschriebene Anordnung be¬ wirkt also, dass derartige negative Auswirkungen auf die Pro¬ zesse in einem Wärmerohr 141, 142 durch entsprechende positi- ve Auswirkungen auf die Prozesse in einem antiparallel ange¬ ordneten Wärmerohr 142, 141 kompensiert werden.
Eine zweite Ausführungsform der Statorkühlung, welche in der FIG 2 dargestellt ist, unterscheidet sich von der ersten Aus¬ führungsform insbesondere in der Anordnung der Wärmerohre der Wärmerohranordnung .
Auch in der zweiten Ausführungsform der Statorkühlung weist das Kühlsystem 140 zum Kühlen des Stators 110 und der
Statorwicklungen 111 eine Wärmerohranordnung mit zumindest einem ersten Wärmerohr 141 mit einer Verdampungssektion V und einer Kondensationssektion K auf, dessen Verdampfungsssektion V thermisch mit einer Statorwicklung 111 gekoppelt ist. Zwar ist auch hier aufgrund der typischerweise hohen Wärmeleitfä¬ higkeit der für derartige Statorwicklungen 111 verwendeten elektrischen Leiter davon auszugehen, dass es bei Verwendung von nur einem Wärmerohr 141 zu einer ausreichenden Homogenisierung der Wärmeverteilung in den Statorwicklungen 111 kommt, doch ist vorzugsweise nicht nur eine, sondern jede Statorwicklung 111 mit zumindest einem ersten Wärmerohr 141 thermisch gekoppelt, wobei wiederum die bereits beschriebenen Verbinder 149 Verwendung finden.
Die Kondensationssektionen K der ersten Wärmerohre 141 sind wiederum thermisch mit ersten Wärmetauschern 151 der
Wärmesenkenanordnung 150 gekoppelt, so dass zumindest ein Teil der Wärme, die vom jeweiligen ersten Wärmerohr 141 über seine Verdampfungssektion V von der Statorwicklung 111 aufgenommen wurde, über die Kondensationssektionen K an die
Wärmesenkenanordnung 150 bzw. an den ersten Wärmetauscher 151 abgeführt werden kann. Die bspw. als Plattenwärmetauscher ausgebildeten Wärmetauscher 151 können im Kanalsystem 12 der Gondel 10 angeordnet sein, so dass sie vom typischerweise kühlen Luftstrom 13 im Kanalsystem 12 umströmt und dementsprechend gekühlt werden. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform der Statorkühlung erstrecken sich die ersten Wärmerohre 141 jedoch, wenn sich die elektrische Maschine 100 in der Standardorientierung be¬ findet, in vertikaler Richtung vom Ort der thermischen Kopp- lung der Verdampfungssektion K mit der Statorwicklung 111 zum Wärmetauscher 151, d. h. die Wärmerohre 141 sind derart ange¬ ordnet, dass sich die Verdampfungssektion V eines jeweiligen Wärmerohres 141 oberhalb seiner Kondensationssektion K befindet. Dementsprechend ist der Wärmetauscher 151 unterhalb des Stators 110 angeordnet.
Wie in der ersten Ausführungsform der Statorkühlung können auch in der zweiten Ausführungsform weitere Wärmerohre 142 vorgesehen sein. Diese erstrecken sich ebenfalls in vertika- 1er Richtung und ihre Kondensationssektionen K sind thermisch mit den Wärmetauschern 151 gekoppelt. Aufgrund der im Wesent¬ lichen gleichen Ausrichtung bzw. Erstreckungsrichtung der ersten und der weiteren Wärmerohre 141, 142 in der zweiten Ausführungsform ergibt sich zwar nicht der vorteilhafte Ef- fekt der Kompensierung von negativen Einflüssen verschiedener Kraftwirkungen. Die vertikale Ausrichtung aller Wärmerohre 141, 142 wirkt sich jedoch positiv auf die Effizienz der in den Wärmerohren ablaufenden Prozesse aus. Desweiteren bewirken zusätzlich vorgesehenen, weiteren Wärmerohre 142 bewirken jedoch eine mit der Anzahl der verfügbaren Wärmerohre 141, 142 steigende Kühlleistung.
Zusätzlich oder alternativ zur im Zusammenhang mit den beiden Ausführungsformen in den Figuren 1 und 2 beschriebenen Küh- lung des Stators 110 kann auch der Rotor 120 mit Hilfe einer Wärmerohranordnung gekühlt werden. Diese Rotorkühlung ist beiden Figuren in im Wesentlichen gleicher Weise dargestellt, wobei sich die folgende Beschreibung im Wesentlichen auf die FIG 1 bezieht.
Der drehfest mit der Welle 130 verbundene Rotor 120 weist magnetische Mittel 121 auf, bspw. eine Vielzahl von in Um- fangsrichtung des Rotors 120 gesehen hintereinander angeord- neten Permanentmagneten 121. Zum Kühlen des Rotors 120 bzw. der magnetischen Mittel 121 weist das Kühlsystem 140 eine Wärmerohranordnung mit zumindest einem Wärmerohr 143 auf, welches drehfest mit dem Rotor 120 bzw. mit der Welle 130 verbunden ist, so dass es bei Rotation von Rotor 120 und Wel¬ le 130 mitrotiert, weswegen es als „rotierendes Wärmerohr" bezeichnet werden kann. Das Wärmerohr 143 weist eine
Verdampungssektion V, eine Kondensationssektion K und eine zwischen der Verdampfungssektion V und der Kondensationssek- tion K liegenden Zwischensektion Z auf. Die
Verdampfungsssektion V ist an einem entsprechenden Ort thermisch mit dem magnetischen Mittel 121 des Rotors 120 bzw. mit einem Permanentmagneten 121 gekoppelt. Die Kondensationssektion K ist ihrerseits an einem entsprechenden Ort thermisch mit einem Wärmetauscher 153 der Wärmesenkenanordnung 150 gekoppelt. Die Zwischensektion Z ist vorgesehen, um zumindest im Betriebszustand der elektrischen Maschine 100 das (nicht dargestellte) thermische Arbeitsmedium des Wärmerohres 143 in im Wesentlichen flüssiger Form von der Kondensationssektion K zur Verdampfungssektion V zu führen.
Das Wärmerohr 143 ist derart angeordnet und ausgebildet, dass der Ort der thermischen Kopplung der Verdampfungssektion V des Wärmerohres 143 mit dem Permanentmagneten 121 bzw. mit dem entsprechenden Verbinder 149 bei Rotation der Welle 130 mit dem Wärmerohr 143 einen Kreis CV beschreibt, während der Ort der thermischen Kopplung der Kondensationssektion K des Wärmerohres 143 mit der Wärmesenkenanordnung 150 bzw. dem Wärmetauscher 153 bei Rotation einen Kreis CK beschreibt. Da- bei ist der Radius RCV des Kreises CV größer als derjenige
RCK des Kreises CK, d. h. RCV>RCK. Desweiteren sind die beiden genannten Orte der thermischen Kopplung des Wärmerohres 143 an den Permanentmagneten 121 bzw. an den Wärmetauscher 153, d. h. die Schnittpunkte der Kreise CK und CV mit der Ro- tationsachse R, in axialer Richtung voneinander beabstandet. Diese Anordnung und Ausbildung des Wärmerohres 143 führt da¬ zu, dass das Wärmerohr 143 derart an der Welle 130 angeordnet ist, dass zumindest ein Teil der Zwischensektion Z derart orientiert ist, dass sie einen Winkel A mit 0°<A<90°, bspw. A=30°, mit der Rotationsachse R einschließt, so dass dieser konische Teil der Zwischensektion Z bei Rotation des Rotors 120 und der Welle 130 und konsequenterweise des Wärmerohres 143 einen Mantel eines gedachten symmetrischen Kegelstumpfes beschreibt bzw. überstreicht. Dabei liegt die Symmetrieachse des Kegelstumpfes auf der Rotationsachse R.
Die besonders vorteilhafte Wirkung der beschriebenen Anord- nung und insbesondere des abgewinkelten Teils der Zwischensektion ergibt sich daraus, dass die bei der Rotation auftre¬ tende Zentrifugalkraft auf das Wärmerohr 143 und insbesondere auf das darin befindliche flüssige Arbeitsmedium derart wirkt, dass sie aufgrund der Geometrie dieses flüssige Ar- beitsmedium zur Verdampfungssektion V hin befördert.
Eine erste Ausführungsform einer Rotorkühlung ist in FIG 3 dargestellt. Dabei sind in der FIG 3 lediglich die Welle 130 mit dem Rotor 120 sowie das Wärmerohr 143 dargestellt, wäh- rend weitere Komponenten wie bspw. der Stator und Teile der
Gondel nicht dargestellt sind. Das Wärmerohr 143 weist in der Zwischensektion Z eine Vielzahl von bspw. rohrartigen Leitungen 143 λ auf, die jeweils ausgebildet sind, um das thermische Arbeitsmedium in flüssiger Form von der Kondensationssektion K des ersten Wärmerohres 143 zu seiner Verdampfungssektion V zu transportieren. Hierbei wirkt sich vorteilhafterweise die beschriebene Form des Wärmerohres 143 aus, da das flüssige Arbeitsmedium aufgrund des bezüglich der Rotationsachse R unter dem Winkel A angeordneten Teils der Zwischensektion Z durch die Wirkung der Zentrifugalkraft durch die Leitungen 143 λ befördert wird. Das an der Verdampfungssektion V des Wärmerohres 143 verdampfte Arbeitsmedium wird über eine wei¬ tere Leitung 143 λ λ zurück zur Kondensationssektion K geführt, wobei die weitere Leitung 143 λ λ in radialer Richtung inner- halb der Anordnung von Leitungen 143 λ liegt, also im radial innen liegenden Bereich 134 des Wärmerohres 143. Die rohrartigen Leitungen 143 λ sind in einem radial außen liegenden Bereich 133 des Wärmerohres 143 angeordnet, bspw. innen an einer radial äußeren Wand 132 des Wärmerohres 143. Dies ist in dem in FIG 4 dargestellten Querschnitt angedeu- tet, auf den in FIG 3 mit „X" verwiesen wird. Das flüssige
Arbeitsmedium bewegt sich in den Wärmerohren 143 von den Kondensationssektionen K zu den Verdampfungssektionen V, während sich das gasförmige Arbeitsmedium über einen radial inneren Bereich 134 des Wärmerohres 143 und dort über die Leitung 143 λ λ von den Verdampfungssektionen V zu den Kondensationssektionen K bewegt.
Vorzugsweise mehrere oder sogar sämtliche der Permanentmagne¬ te 121 jeweils mit einer derartigen ersten Leitung 143 λ des einzelnen Wärmerohres 143 der ersten Ausführungsform der Rotorkühlung thermisch gekoppelt, d. h. die Wärmerohranordnung umfasst eine Vielzahl von Leitungen 143 die jeweils eine Verdampfungssektion V, eine Kondensationssektion K und eine Zwischensektion Z aufweisen. Es ist jedoch idealerweise nur eine gemeinsame weitere Leitung 143 λ λ vorgesehen.
Bei Rotation der Welle 130 wird aufgrund der Dichteverhält¬ nisse des gasförmigen bzw. flüssigen thermischen Arbeitsmediums der in flüssigem Zustand befindliche Anteil des Arbeits- mediums in den radial außen liegenden Bereich 133 des Wärme¬ rohres 143 gedrückt, d. h. an die Wand 132. Der in gasförmi¬ gem Zustand befindliche Teil des Arbeitsmediums wird sich da¬ hingegen automatisch in dem radial inneren Bereich 134 befinden. Es kann daher in einer Variante auf eine Trennwand o.ä. zwischen den Bereichen 133, 134 für gasförmiges bzw. flüssiges Arbeitsmedium verzichtet werden, d. h. die Leitungen 143 λ müssen nicht rohrartig sein. Die Leitungen 143 λ können dage¬ gen als Kanäle im radial außen liegenden Bereich 133 ausgebildet sein, über die zumindest im Betriebszustand der elekt- rischen Maschine 100 das thermische Arbeitsmedium des ersten Wärmerohres 143 in im Wesentlichen flüssiger Form von der Kondensationssektion K zur Verdampfungssektion V geführt wird. Über den radial innen liegenden Bereich 134 gelangt das thermische Arbeitsmedium des ersten Wärmerohres 143 in im We¬ sentlichen gasförmigem Zustand von der Verdampfungssektion V zurück zur Kondensationssektion K. Um das flüssige Arbeitsmedium im jeweiligen Kanal 143 λ entlang der Wand 132 zu führen, können bspw. entsprechende Leitbleche 144 vorgesehen sein, die sich jeweils in axialer und in radialer Richtung erstrecken, so dass die Kanäle 143 λ keine geschlossenen Rohre o.ä. bilden. Dies ist in dem in FIG 5 dargestellten Querschnitt angedeutet, auf den in FIG 3 mit „X" verwiesen wird, wobei der Übersichtlichkeit wegen nur einige wenige der Leitbleche 144 mit Bezugszeichen versehen sind. Der Unterschied der beiden in den FIG 4 und 5 angedeuteten Varianten der ersten Ausführungsform der Rotorkühlung liegt demnach darin, dass die Leitungen 143 λ in der ersten Variante tatsächlich rohrartige ausgebildet sind, während das thermische Arbeitsmedium in der zweiten Variante frei zirkuliert und insbesondere ohne in ra¬ dialer Richtung geschlossene Rohre auskommt. Es werden in der zweiten Variante lediglich optional die beschriebenen Leitbleche 144 eingesetzt, die die dortigen Kanäle 143 λ in Um- fangsrichtung begrenzen und damit eventuelle Scherströmungs- Interaktionen zwischen flüssiger und gasförmiger Phase des Arbeitsmediums zu vermeiden. Die in den FIG 4 und 5 angedeu¬ teten gestrichelten Linien symbolisieren den Übergang zwischen dem inneren Bereich 134 und dem äußeren Bereich 133 des Wärmerohres 143.
In einer in der FIG 6 angedeuteten zweiten Ausführungsform der Rotorkühlung ist eine Vielzahl von ersten Wärmerohren 143 vorgesehen. Diese sind derart entlang eines Umfangs eines ersten gedachten, zum Rotor 120 koaxialen Kreises Cl angeordnet, dass ihre Verdampfungssektionen V entlang eines Umfangs des bereits eingeführten Kreises CV und ihre Kondensations¬ sektionen K entlang eines Umfangs des Kreises CK angeordnet sind, wobei die Kreise CV, CK wieder axial voneinander beabstandet sind und unterschiedliche Radien RCV, RCK mit
RCV>RCK aufweisen. Im Unterschied zu den Leitungen 143 λ der ersten Ausführungsform der Rotorkühlung ist jedes erste Wärmerohr 143 ein geschlossenes System, d. h. in jedem Wärmerohr 143 zirkuliert ein thermisches Arbeitsmedium, wobei die in verschiedenen ersten Wärmerohren 143 zirkulierenden Arbeitsmedien nicht miteinander in Kontakt kommen. Das verdampfte Arbeitsmedium gelangt im Unterschied zur ersten Ausführungs¬ form der Rotorkühlung nicht über den radial innen liegenden Bereich 134 zurück zur Kondensationssektion K, sondern über da jeweilige Wärmerohr 143 selbst.
Vorzugsweise sind mehrere oder sogar sämtliche der Permanent¬ magnete 121 jeweils mit einem der Wärmerohre 143 der zweiten Ausführungsform der Rotorkühlung thermisch gekoppelt.
Während die Verdampungssektionen V der Wärmerohre 143 über die thermischen Kopplungen Wärme von den Permanentmagneten 121 aufnehmen können, sind die Kondensationssektion K der Wärmerohre 143 in beiden Ausführungsformen der Rotorkühlung wiederum thermisch mit einem oder mehreren ersten Wärmetauschern 153 der Wärmesenkenanordnung 150 gekoppelt, so dass zumindest ein Teil der Wärme, die vom jeweiligen Wärmerohr 143 über seine Verdampfungssektion V von dem thermisch gekoppelten Permanentmagneten 121 aufgenommen wurde, über die Kondensationssektionen K an die Wärmesenkenanordnung 150 bzw. an die Wärmetauscher 153 abgeführt werden kann. Die Wärmetau¬ scher 153 sind wie auch die Wärmerohre 143 drehfest mit der Welle 130 verbunden, rotieren bei Rotation der Welle 130 also mit. Die bspw. als Plattenwärmetauscher ausgebildeten Wärmetauscher 153 können, wie in den FIG 1 und 2 dargestellt, im Kanalsystem 12 der Gondel 10 angeordnet sein, so dass sie vom typischerweise kühlen Luftstrom im Kanalsystem 12 umströmt und dementsprechend gekühlt werden. Darüber hinaus können die mitrotierenden Wärmetauscher 153 vorteilhafterweise derart angeordnet und geformt sein, dass sie bei Rotation einen Sog bewirken, der den Luftstrom 13 im Kanalsystem 12 unterstützt oder sogar erzeugt.
Sowohl bei der ersten als auch bei der zweiten Ausführungs- form der Rotorkühlung kann die Wärmerohranordnung zur Kühlung des Rotors 120 als Teil der Welle 130 ausgebildet sein. Dies ist exemplarisch in der FIG 7 für die erste Ausführungsform der Rotorkühlung dargestellt. Hierzu ist die Welle 130 in ei¬ nem entsprechenden Bereich 131 als Hohlwelle ausgebildet. Der Bereich 131 der Welle 130 fungiert als erstes Wärmerohr 143, entsprechend der ersten Ausführungsform der Rotorkühlung, oder der Bereich 131 beinhaltet die Vielzahl von Wärmerohren 143, entsprechend der zweiten Ausführungsform der Rotorkühlung. Lediglich exemplarisch ist diese Variante der Welle 130 in FIG 7 für die erste Ausführungsform der Rotorkühlung dar- gestellt.
Wie in einigen der Figuren dargestellt, kann die Wärmerohranordnung sowohl Wärmerohre 141, 142 zur Kühlung des Stators 110 als auch Wärmerohre 143 zur Kühlung des Rotors 120 auf- weisen. Diese kombinierte Kühlung für Rotor 120 und für
Stator 110 stellt die bevorzugte Ausführungsform dar, da bei¬ de aktiven Komponenten 110, 120 effizient gekühlt werden können. Es ist jedoch auch denkbar, nur den Stator 110 oder nur den Rotor 120 mit Hilfe von Wärmerohren 141, 142, 143 zu küh- len und zur Kühlung der jeweils anderen Komponente ein ande¬ res Kühlverfahren einzusetzen.
Im Zusammenhang mit den Figuren wurde der Betrieb der elektrischen Maschine 100 als Elektromotor beschrieben. Es ist je- doch denkbar, das erläuterte Kühlkonzept mit Wärmerohren auf eine als Generator arbeitende elektrische Maschine 100 zu übertragen, da wie einleitend erwähnt Generator und Elektro¬ motor grundsätzlich gleich aufgebaut sind. Zum Betreiben der elektrischen Maschine 100 als Generator wird der Rotor 120 über die Welle 130 mit Hilfe eines in den Figuren nicht dar¬ gestellten Antriebs in Rotation versetzt. Die magnetischen Felder der zweiten magnetischen Mittel 121 bzw. der Permanentmagente 121 des Rotors 120 rotieren mit dem Rotor 120 und relativ zu den Statorwicklungen 111 des Stators 110. Dies be- wirkt bekanntermaßen, dass in den Statorwicklungen 111 elektrische Spannungen induziert werden, welche schließlich nicht dargestellten elektrischen Verbrauchern zuführbar sind.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Maschine (100) mit einer ersten elektromagne¬ tisch aktiven Komponente (110, 120), welche aus einer einen Stator (110) und einen Rotor (120) umfassenden Gruppe von aktiven Komponenten der elektrischen Maschine (100) ausgewählt ist, und mit einem Kühlsystem (140) zum Kühlen von zumindest einer der aktiven Komponenten (110, 120),
- wobei der Stator (110) ein erstes magnetisches Mittel (111) umfasst und der Rotor (120) ein zweites magnetisches Mittel
(121) umfasst, wobei das erste (111) und das zweite (121) magnetische Mittel derart ausgebildet und zueinander ange¬ ordnet sind, dass sie im Betriebszustand der elektrischen Maschine (100) elektromagnetisch miteinander wechselwirken, und wobei an den magnetischen Mitteln (111, 121) im Betriebszustand der elektrischen Maschine (100) Wärme ent¬ steht, und
- wobei das Kühlsystem (140) eine Wärmerohranordnung mit zumindest einem ersten Wärmerohr (141, 143) mit einem thermi- sehen Arbeitsmedium aufweist, wobei jedes erste Wärmerohr
(141, 143) eine Verdampfungssektion und eine Kondensations¬ sektion aufweist, wobei die jeweilige Verdampfungssektion thermisch mit der ersten elektromagnetisch aktiven Komponente (110, 120) und insbesondere direkt oder indirekt mit dem magnetischen Mittel (111, 121) der ersten elektromagne¬ tisch aktiven Komponente (110, 120) gekoppelt ist und die jeweilige Kondensationssektion mit einer
Wärmesenkenanordnung (150) thermisch koppelbar ist, so dass zumindest ein Teil der im Betriebszustand der elektrischen Maschine (100) am magnetischen Mittel (111, 121) der ersten elektromagnetisch aktiven Komponente (110, 120) entstehenden Wärme über das erste Wärmerohr (141, 143) an die
Wärmesenkenanordnung (150) abführbar ist. 2. Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die ausgewählte erste elektromagnetisch aktive Komponente der Stator (110) ist.
3. Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 2, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass jedes erste Wärmerohr (141) der Wärmerohr¬ anordnung derart angeordnet ist, dass es sich, wenn sich die elektrische Maschine (100) in einer vorgegebenen Standardori- entierung befindet, in einer ersten horizontalen Erstre- ckungsrichtung vom Stator (110) weg erstreckt.
4. Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 3, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Wärmerohranordnung (140) ein dem ers- ten Wärmerohr (141) zugeordnetes weiteres Wärmerohr (142) mit einer Verdampfungssektion und einer Kondensationssektion aufweist, wobei
- die Verdampfungssektion des weiteren Wärmerohres (142) thermisch mit dem Stator (110) und insbesondere direkt oder indirekt mit dem ersten magnetischen Mittel (111) gekoppelt ist, so dass zumindest ein Teil der im Betriebszustand der elektrischen Maschine (100) an dem ersten magnetischen Mittel (111) entstehenden Wärme über das weitere Wärmerohr (142) an die Wärmesenkenanordnung (150) abführbar ist, wo- bei die Kondensationssektion des weiteren Wärmerohres (142) mit der Wärmesenkenanordnung (150) thermisch koppelbar ist,
- das weitere Wärmerohr (142) derart angeordnet ist, dass es sich, wenn sich die elektrische Maschine in der vorgegebe¬ nen Standardorientierung befindet, in einer weiteren hori- zontalen Erstreckungsrichtung vom Stator (110) weg erstreckt, wobei die erste und die weitere horizontale Er¬ streckungsrichtung der einander zugeordneten Wärmerohre (141, 142) einander entgegengesetzt sind. 5. Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 2, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass jedes erste Wärmerohr (141) der Wärmerohr¬ anordnung derart angeordnet ist, dass sich, wenn sich die elektrische Maschine (100) in einer vorgegebenen Standardorientierung befindet, der Ort der thermischen Kopplung seiner Kondensationssektion mit der Wärmesenkenanordnung (150) unterhalb, insbesondere senkrecht unterhalb, des Ortes der thermischen Kopplung seiner Verdampfungssektion mit dem
Stator (110) befindet.
6. Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungssektion des ersten Wärmerohres (141) mit Hilfe eines Verbinders (149) mit einem keramischen, elektrisch isolierenden und wärmeleitenden Material mit dem Stator (110) thermisch gekoppelt ist, um die thermische Kopplung zwischen der Verdampfungssektion des jeweiligen ersten Wärmerohres (141) mit dem Stator (110) zu realisieren .
7. Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die ausgewählte erste elektromagnetisch aktive Komponente der Rotor (120) ist, wobei
- der Rotor (120) drehfest mit einer Welle (130) der elektri- sehen Maschine (100) verbunden ist und
- jedes erste Wärmerohr (143) drehfest mit dem Rotor (120) und/oder mit der Welle (130) verbunden ist und bei Rotation des Rotors (120) mitrotiert. 8. Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 7, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass jedes erste Wärmerohr (143) derart ange¬ ordnet und ausgebildet ist, dass
- bei Rotation die Verdampfungssektion eines jeweiligen ersten Wärmerohres (143) einen zum Rotor (120) koaxialen Kreis CV beschreibt,
- bei Rotation die Kondensationssektion eines jeweiligen ersten Wärmerohres (143) einen zum Rotor (120) koaxialen Kreis CK beschreibt,
wobei
- der Radius des Kreises CV größer ist als der Radius des Kreises CK und
- die Schnittpunkte der Kreise CK und CV mit der Rotation¬ sachse axial voneinander beabstandet sind. 9. Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 7 bis
8. dadurch gekennzeichnet, dass jedes erste Wärmerohr (143) zumindest eine Zwischensektion aufweist, - welche zwischen der Verdampfungssektion und der Kondensationssektion des jeweiligen ersten Wärmerohres (143) liegt und
- welche vorgesehen ist, um zumindest im Betriebszustand der elektrischen Maschine (100) das thermische Arbeitsmedium des jeweiligen ersten Wärmerohres (143) in im Wesentlichen flüssiger Form von seiner Kondensationssektion zu seiner Verdampfungssektion zu führen,
wobei
- jedes erste Wärmerohr (143) derart angeordnet ist, dass zu¬ mindest ein Teil der Zwischensektion einen Winkel A mit 0°<A<90° mit der Rotationsachse einschließt, so dass dieser Teil der Zwischensektion bei Rotation des Rotors (120) und des ersten Wärmerohres (143) einen Mantel eines gedachten symmetrischen Kegelstumpfes beschreibt.
10. Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohranordnung eine Vielzahl von ersten Wärmerohren (143) aufweist, welche derart entlang eines Umfangs eines ersten gedachten, zum Rotor (120) koaxialen Kreises Cl angeordnet sind, dass
- die Verdampfungssektionen der ersten Wärmerohre (143) entlang eines Umfangs des Kreises CV angeordnet sind,
- die Kondensationssektionen der ersten Wärmerohre (143) ent- lang eines Umfangs des Kreises CK angeordnet sind.
11. Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmerohr (143) ko¬ axial zum Rotor (120) angeordnet ist und einen radial innen liegenden Bereich (134) und einen radial außen liegenden Bereich (133) aufweist, wobei
- der radial außen liegende Bereich (133) des ersten Wärme¬ rohres (143) zumindest einen Kanal (143 λ) bildet, über den zumindest im Betriebszustand der elektrischen Maschine (100) das thermische Arbeitsmedium des ersten Wärmerohres
(143) in im Wesentlichen flüssiger Form von der Kondensationssektion zur Verdampfungssektion des ersten Wärmerohres (143) geführt wird, und - über den radial innen liegenden Bereich (134) zumindest im Betriebszustand der elektrischen Maschine (100) das thermi¬ sche Arbeitsmedium des ersten Wärmerohres (143) in im We¬ sentlichen gasförmigem Zustand von der Verdampfungssektion zur Kondensationssektion des ersten Wärmerohres (143) geführt wird.
12. Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 11, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Welle (130) zumindest in einem Teilbe- reich (131) zwischen dem Ort der thermischen Kopplung der Verdampfungssektion des ersten Wärmerohres (143) mit dem zweiten magnetischen Mittel (121) und dem Ort der thermischen Kopplung der Kondensationssektion des ersten Wärmerohres (143) mit der Wärmesenkenanordnung (150) eine derartige Form aufweist, dass der Kanal (143 λ) zumindest teilweise einen Winkel A mit 0°<A<90° mit der Rotationsachse einschließt.
13. Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kanal (143 λ) ge- bildet ist durch eine rohrartige Leitung (143 λ) .
14. Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kanal (143 λ) ge¬ bildet ist durch zwei in Umfangsrichtung der Welle gesehen hintereinander angeordnete, sich entlang der Längsausdehnung der Welle entlang einer Wand der Welle sowie in radialer Richtung erstreckende Leitbleche (144).
15. Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenkenanordnung
(150) zumindest einen Wärmetauscher (151, 152, 153) aufweist, die jeweils in einem von einem sekundären Kühlmedium, insbesondere Luft, durchströmbaren Raumbereich im Umfeld der elektrischen Maschine (100) angeordnet sind, wobei die elekt- rische Maschine (100) in einer Gondel (10) eines Propelleran¬ triebs eines Luftfahrzeugs angeordnet ist, wobei die Gondel (10) ein Kanalsystem (12) zum Leiten von Umgebungsluft aufweist, in welches ein Luftstrom (13), insbesondere ein zumin- dest teilweise vom Propeller (11) erzeugter Luftstrom (13), eingeleitet wird, und wobei der Wärmetauscher (151, 152, 153) in dem Kanalsystem (12) angeordnet ist. 16. Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite elektromagne¬ tisch aktive Komponente (120, 110) der elektrischen Maschine (100) derart aus der Gruppe von aktiven Komponenten (110, 120) ausgewählt ist, dass die erste (110, 120) und die zweite (120, 110) elektromagnetisch aktive Komponente unterschied¬ lich sind,
wobei
die Wärmerohranordnung des Kühlsystems (140) zumindest ein zweites Wärmerohr (143, 141) mit einem thermischen Arbeitsme- dium aufweist, wobei jedes zweite Wärmerohr (143, 141) eine Verdampfungssektion und eine Kondensationssektion aufweist, wobei die jeweilige Verdampfungssektion thermisch mit der zweiten elektromagnetisch aktiven Komponente (120, 110) und insbesondere direkt oder indirekt mit dem magnetischen Mittel (121, 111) der zweiten elektromagnetisch aktiven Komponente (120, 110) gekoppelt ist und die jeweilige Kondensationssek¬ tion mit der Wärmesenkenanordnung (150) thermisch koppelbar ist, so dass zumindest ein Teil der im Betriebszustand der elektrischen Maschine (100) am magnetischen Mittel (121, 111) der zweiten elektromagnetisch aktiven Komponente (110, 120) entstehenden Wärme über das zweiten Wärmerohr (143, 141) an die Wärmesenkenanordnung (150) abführbar ist.
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