WO2023079024A1 - Impellermaschine und verfahren zum betreiben einer impellermaschine - Google Patents

Impellermaschine und verfahren zum betreiben einer impellermaschine Download PDF

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WO2023079024A1
WO2023079024A1 PCT/EP2022/080722 EP2022080722W WO2023079024A1 WO 2023079024 A1 WO2023079024 A1 WO 2023079024A1 EP 2022080722 W EP2022080722 W EP 2022080722W WO 2023079024 A1 WO2023079024 A1 WO 2023079024A1
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impeller
motor
impeller machine
cooling air
housing
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PCT/EP2022/080722
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Daniel Schübeler
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Mdgroup Germany Gmbh
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • F05D2260/212—Heat transfer, e.g. cooling by water injection

Definitions

  • the invention relates to an impeller machine and a method for operating an impeller machine.
  • the impeller machine includes an aerorotor for generating airflow along an annulus enclosed between an impeller housing and a motor housing.
  • the motor housing is arranged in an interior space of the impeller housing.
  • An electric motor is arranged in an interior space of the motor housing, the electric motor comprising a motor stator connected to the motor housing and a magnet rotor connected to the aerorotor.
  • a significant amount of heat is generated during the operation of an impeller machine. For example, if 5-10% of the drive power is converted into heat in an impeller machine with a power rating of a few kilowatts, components of the impeller can overheat if the heat is not sufficiently dissipated.
  • the invention is based on the object of presenting an impeller with improved heat dissipation.
  • the problem is solved with the features of the independent claim.
  • Advantageous embodiments are specified in the dependent claims.
  • the impeller machine comprises a cooling air duct which extends in the interior of the motor housing between an inlet end and an outlet end.
  • the impeller machine includes a liquid duct with an orifice which is arranged in a section of the cooling air duct which is arranged upstream of the electric motor.
  • the invention is based on the idea of using the evaporation energy of a liquid to cool the electric motor. By adding a liquid to a cooling air flow fed to the electric motor upstream of the electric motor, a liquid medium is fed to the electric motor, which medium can completely or partially evaporate while absorbing thermal energy from components of the electric motor. It has been shown that a combination of air cooling by the cooling air flow and evaporative cooling by a liquid medium supplied with the cooling air flow enables very effective cooling of components of the electric motor.
  • An impeller machine within the meaning of the invention is an axial flow machine.
  • the airflow driven by the aerorotor has a flow direction that is parallel to the axis of the aerorotor.
  • the aerorotor has rotor blades located in the same radial section relative to the axis as the annulus located between the impeller housing and the motor housing.
  • the distinction between impeller machines and other types of turbomachines is based on the in FIG. 11 Cordier diagram shown, in which the running number o (speed number) is plotted against the diameter number ö (diameter number).
  • the impeller machines according to the invention differ from radial and flow machines by a higher value for the running number o and by a lower value for the diameter number ö.
  • the impeller machines according to the invention differ from jacketless propeller machines by a lower value for the running number o and by a higher value for the diameter number ö.
  • the running number o of the impeller machine according to the invention can be between 1, 8 and 10.
  • the number of diameters ⁇ of the impeller machine according to the invention can be between 0.8 and 1.5.
  • the running number o used in the Cordier diagram is a dimensionless index defined as follows.
  • the diameter number 5 is also a dimensionless number defined as follows.
  • the annulus enclosed between the impeller housing and the motor housing has a front end and a rear end when viewed in the axial direction, with the direction of flow of the air flow driven by the aerorotor being directed from the front end to the rear end.
  • the information at the front and rear are directional information related to the axial direction of the impeller machine.
  • the inlet end of the cooling air duct can be arranged in an area in which a higher pressure is present during operation of the impeller machine than at the outlet end. In this way, the flow of cooling air can be driven through the cooling air duct by the pressure difference.
  • the inlet end of the cooling air duct can have a greater distance to the front end of the impeller machine than the outlet end of the cooling air duct.
  • the direction of the cooling air flow in the cooling air duct then has a component that is opposite to the flow direction of the air flow in the annular space.
  • the inlet end of the cooling air duct may be located at a position aft of the aft end of the annulus.
  • the inlet end of the cooling air duct is formed at the rear end of the motor housing concentrically to the axis of the impeller machine.
  • a concentric arrangement of the inlet end has the advantage that a concentric spread of the cooling air flow within the motor housing can be promoted.
  • the cooling air duct can be routed through an annular gap between the magnet rotor and the motor stator.
  • the cooling air duct can extend radially inside the motor stator and radially outside the magnet rotor. This can lead to an intimate flow around the electrical or magnetic components of the electric motor, so that the heat generated is effectively dissipated.
  • the section of the cooling air duct between the electric motor and the inlet end is located upstream.
  • the mouth of the liquid channel can be arranged at an axial distance from the motor ring gap enclosed between the magnet rotor and the motor stator.
  • the axial stand is preferably not less than 20%, more preferably not less than 50%, more preferably not less than 100% of the radius of the aerorotor.
  • the axial distance is preferably not less than 20%, more preferably not less than 50%, more preferably not less than 100%.
  • the length of the motor ring gap corresponds to the axial section of the impeller machine in which the magnet rotor and the motor stator interact electromagnetically. If the liquid is fed to the cooling air duct at an axial distance from the motor, the liquid can be distributed radially within the distance to be covered, so that the motor is cooled evenly over its circumference.
  • the opening of the liquid channel is arranged radially inside the motor ring gap.
  • the distance between the axis of the impeller machine and the mouth of the liquid passage is smaller than the radius of the inner surface of the motor stator.
  • the distance between the axis of the impeller machine and the mouth of the liquid channel can be less than 80%, preferably less than 50% of the radius of the inner surface of the motor stator.
  • a guiding surface can be formed in the axial section between the opening of the liquid channel and the motor annular gap, along which the liquid exiting the liquid channel is guided to the motor.
  • the guide surface can be rotationally symmetrical and concentric to the axis of the impeller machine.
  • the contour of the guide surface can be smooth, i.e. free of steps and edges, so that an air flow is guided in the direction of the motor ring gap with as little turbulence as possible.
  • the guide surface can be radially in- be arranged within the motor ring gap.
  • the fluid is directed to the motor annulus between a first baffle disposed radially inward of the motor annulus and a second baffle disposed radially outward of the motor annulus.
  • the opening of the liquid channel can be arranged close to the inlet end of the cooling air channel. It is advantageous if the cooling air duct has an outlet end which is arranged further forward than the electric motor, so that the cooling air can flow around the electric motor over its entire length. The outlet end can open into the annular space, so that the liquid emerging from the liquid channel can be distributed in the cooling air flow. It is advantageous for this if the amounts of liquid are introduced into the cooling air flow in a finely divided form.
  • the mouth of the liquid channel can be provided with a nozzle, so that the liquid emerges from the liquid channel in a finely divided form. It is also possible to achieve a fine distribution of the liquid simply by the cooling air flow flowing past the mouth of the liquid channel at high speed.
  • the liquid channel can have a section that intersects the cooling air channel, which therefore extends through the cross section of the cooling air channel.
  • the flow of cooling air then sweeps along the outer surface of the liquid channel on both sides. Openings in the wall of the liquid channel can be formed as the opening of the liquid channel. The openings can point in the direction in which the flow of cooling air is moving. In this way, a good distribution of the liquid in the cooling air flow can be achieved.
  • the invention also includes embodiments in which the liquid is condensed and recovered downstream of the electric motor.
  • the aero rotor can be arranged at a front end of the impeller machine and thus in a position in front of the magnet rotor of the electric motor.
  • a portion of the annulus located between the aerorotor and the rear end of the annulus may be at least 50%, preferably at least 70%, more preferably at least 80% of the axial length of the annulus.
  • a portion of the impeller case may extend around the outer perimeter of the aerorotor.
  • the aero rotor may include a rotor hub and a plurality of rotor blades attached to the rotor hub.
  • the rotor hub can be connected to a shaft of the impeller machine that is driven by the engine.
  • the impeller machine may include one or more aerostats that extend between the inside of the impeller housing and the outside of the motor housing and that hold the impeller housing and motor housing in a fixed position relative to one another.
  • the impeller machine can include more than two aerostators, for example three or five aerostators.
  • the aerostators can be arranged evenly distributed over the circumference of the motor housing.
  • the aerostats can form a profile that is curved in the direction of flow.
  • the profile can be designed in such a way that the rotary component of the airflow generated with the aerorotor is taken up and directed longitudinally.
  • the aerostats can span an airfoil profile around which the airflow flows, with a pressure side and a suction side. In the When operating the impeller machine, the pressure on the pressure side is higher than the pressure on the suction side.
  • a section of the cooling air duct located downstream of the electric motor can be routed to the outside through the motor housing.
  • the exit end of the cooling air duct is arranged in the motor housing, so that the cooling air flow exits the cooling air duct directly after passing through the motor housing and combines with the air flow in the annular space. It is also possible for the cooling air duct to be routed through the motor housing into the interior of an aerostator.
  • the wall of the aerostat can have an opening which forms the exit end of the cooling air duct and through which the cooling air flow can exit into the annular space. The exit end may be located on the suction side of the aerofoil forming an airfoil.
  • the cooling air flow is divided by the cooling air duct comprising several paths via which the cooling air flow can exit from the interior of the motor housing into the annular space.
  • the cooling air duct can have a plurality of openings to the annular space distributed over the circumference of the motor housing.
  • the cooling air duct extends through the interior of a plurality of aerostators, preferably through the interior of all aerostators.
  • Each of the aerostators, which form a section of the cooling air duct can have an opening arranged on the suction side towards the annular space, which corresponds to an outlet end of the cooling air duct.
  • the annular space enclosed between the impeller housing and the motor housing may have a section with a constant cross section.
  • the section can extend over at least 50%, preferably at least 70%, more preferably at least 80% of the axial length of the annular space.
  • Constant cross section means that the distance between the inside of the impeller housing and the outside of the motor housing is constant and that the outer diameter and inner diameter of the annulus are constant. Aerostators and/or cooling structures within the annulus are not considered a change in cross section for this purpose.
  • the aerorotor can have rotor blades which, viewed in the radial direction of the impeller machine, cover the constant cross section of the annular space.
  • the impeller machine can include a liquid supply from which the liquid is supplied to the liquid channel.
  • the liquid supply can be contained in a tank which is connected to the liquid channel, so that the liquid can be guided from the tank through the liquid channel to the cooling air channel.
  • Water for example, in particular distilled water, can be used as the liquid.
  • the interior of the tank can be pressurized to drive the movement of liquid through the liquid passage.
  • the pressure can be fed, for example, from the fact that the tank itself forms a pressure reservoir or the tank is connected to a pressure reservoir.
  • the pressure is tapped from the air flow generated by the aerorotor.
  • the impeller machine can include a pressure line that extends between the interior of the tank and an area of the annular space in which the air flow has a high pressure.
  • the pressure line can extend through the interior of an aerostator and be connected to the annulus through an inlet opening in the wall of the aerostator.
  • the inlet opening can be arranged, for example, on the pressure side of an aerostat designed as an airfoil profile.
  • the inlet opening can be arranged in an end face of the aerostator, on which the air flow impinges frontally before it separates between the suction side and the pressure side.
  • a partition can be arranged inside the aerostator, which separates the two areas from one another.
  • the impeller machine can therefore be designed in such a way that it is possible to switch between a first operating state in which liquid emerges from the liquid channel and a second operating state in which no liquid emerges from the liquid channel.
  • the impeller machine can be set up in such a way that the amount of liquid that emerges can be adjusted.
  • the impeller machine can have a valve arranged in the liquid channel which is under the control of a control unit of the impeller machine can be switched between an open state and a closed state.
  • the valve can be designed in such a way that the amount of liquid can be variably adjusted when it is open.
  • the valve can be arranged in the liquid line between the liquid supply and the cooling air channel.
  • the control unit can control the valve as a function of an input variable, such as the instantaneous performance of the impeller machine or the temperature of a component of the impeller machine.
  • a casing component can be arranged behind the motor housing.
  • the outer surface of the shell member may be flush with the motor housing.
  • the shell component can taper towards the rear end, so that the air flow from the annular space behind the impeller machine is combined to form a closed air flow.
  • the jacket component can include an inner jacket that forms the outer wall of the cooling air duct.
  • the rear end of the inner shell can enclose the inlet end of the cooling air duct.
  • the diameter of the inner shell can widen towards the front end of the shell component.
  • a cavity can be formed between the outer wall of the casing component and the inner casing.
  • a portion of the liquid channel may extend within the cavity.
  • One end of the liquid channel can be connected to an opening in the inner jacket and thus form the mouth of the liquid channel.
  • the liquid channel can extend through an opening in the outer wall of the shell component. Between the outer wall of the jacket component and its mouth, the liquid channel can be routed around the inner jacket in a turn be .
  • the winding can extend over at least 180°, preferably at least 360°.
  • the valve, with which the liquid supply to the cooling air channel is controlled, can be arranged between the position in which the liquid channel passes through the outer wall of the casing component and the mouth. The valve can be connected to the outer wall of the shell component.
  • the liquid channel can include a section in which the liquid channel is formed by a flexible hose.
  • a flexible hose forms at least 50%, preferably at least 80%, of the length of the liquid channel between the liquid reservoir and the orifice.
  • the outside of the motor housing can be provided with a plurality of cooling fins.
  • the cooling ribs can be adapted to the course of the air flow in the annular space.
  • the cooling fins can have the features mentioned below individually or in combination.
  • a front section of the cooling fins can be arranged in a different circumferential position than a rear section of the cooling fins.
  • the circumferential position of the cooling fin change continuously with the course of the cooling fin.
  • the cooling rib can extend in the axial direction over at least 60%, preferably at least 80%, more preferably at least 90% of the length of the motor housing.
  • the component that surrounds the motor is referred to as the motor housing in this sense.
  • the course of the cooling fin along the outside of the motor housing can be a non-linear course.
  • a front section of the cooling fins can enclose a larger angle with the longitudinal direction than a rear section of the cooling fins.
  • the front end of the cooling fin can have an angle of more than 10°, for example an angle between 10° and 50°, preferably an angle between 20° and 40° to the longitudinal direction.
  • the rear end of the cooling fin can enclose an angle of less than 8°, preferably an angle of less than 5°, with the longitudinal direction.
  • the cooling fin can have a continuous curvature. The curvature can be designed in such a way that the angle between the cooling fin and the longitudinal direction becomes continuously smaller from the front end to the rear end of the cooling fin.
  • the cooling fin can extend from the outside of the motor housing to a peripheral end, with the peripheral end being arranged inside the annular space and being at a distance from the inner wall of the impeller housing.
  • the height of the cooling fin corresponds to the distance between the base of the cooling fin and the peripheral end of the cooling fin.
  • the height of the cooling fin above the outside of the motor housing can be between 2% and 20%, preferably between 5% and 15%, based on the diameter of the motor housing.
  • the height of the cooling rib can be between 2% and 20%, preferably between 5% and 15%. With a greater height of the cooling rib, the cooling effect could possibly be further improved.
  • the cooling fin also offers resistance to the air flow, so that the greater the height of the cooling fin, the efficiency of the impeller would also decrease.
  • the specification refers to the largest diameter of the motor housing.
  • the radial extent of the annular space changes over the length of the impeller, the information relates to the greatest radial extent of the annular space.
  • the cooling rib can have a constant height over its length. If the height of the cooling rib changes over the length of the impeller, the specification refers to the greatest height of the cooling rib.
  • the airflow through the annulus driven by the aerorotor has an axial component and a circumferential component.
  • the forward end of the cooling fin may be oriented such that the airflow enters the annulus substantially parallel to the end of the cooling fin. With its shape curved along the annular space, the cooling fin can help guide the air flow in such a way that it is directed essentially in the axial direction when it exits the annular space.
  • the rotor arranged in front of the motor housing can be arranged inside the impeller housing.
  • the rear end of the motor housing may extend rearwardly past the rear end of the impeller housing.
  • the cooling fin may include a rear portion that is outside of the annulus surrounded by the impeller case. This has the advantage that the air flow in the area of the motor housing is still subject to guidance even when passing from the annular space into the environment.
  • the cooling ribs can be distributed over the circumference of the motor housing and can be shaped to match.
  • Two cooling fins are shaped in the same way if they can be mapped into one another by rotating the impeller machine around its axis.
  • the lateral distance between two cooling fins can be between 25% and 200% of the height of the cooling fins.
  • a plurality of cooling fins can be arranged between each two adjacent aerostators, for example at least three cooling fins, preferably at least five cooling fins, more preferably at least eight cooling fins. This can apply to any pair of adjacent stators.
  • the invention also relates to an aircraft whose drive comprises such an impeller machine.
  • It can be an aircraft taking off vertically.
  • the aircraft can be set up in such a way that the impeller machine is used during a starting process or landing process generates a driving force acting in the vertical direction.
  • the aircraft can be set up in such a way that during forward flight the impeller machine generates a propulsion force acting in the horizontal direction.
  • the impeller machine can be pivotably connected to a frame of the aircraft.
  • the aircraft can be equipped with a number of impeller machines. Each of the impeller machines can have the features mentioned individually or in combination.
  • impeller machines such as generating an air flow to cool a battery, generating an air flow to influence the aerodynamic conditions on the wing of an aircraft or generating an air flow to exert driving forces in self-controlled robots.
  • the invention further relates to a method for operating an impeller machine.
  • an aerorotor is used to generate an airflow along an annular space enclosed between an impeller housing and a motor housing.
  • An electric motor arranged in an interior space of the motor housing is cooled by directing a flow of cooling air through a cooling air duct which extends in the interior space of the motor housing between an inlet end and an outlet end.
  • a liquid is supplied to a section of the cooling air duct arranged upstream of the electric motor. This opens up the possibility of effectively cooling the electric motor by means of evaporative cooling.
  • the method can be developed with further features that are relevant in connection with the impeller machine according to the invention. are written.
  • the impeller machine can be developed with additional features that are described in connection with the method according to the invention.
  • Fig. 3-5 further views of the impeller machine from Fig.
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a cooling fin of an impeller according to the invention.
  • Fig. 1 an aircraft according to the invention is shown, which is suitable for transporting a plurality of people
  • Hull body 10 has. Connected to the fuselage body 10 are two wings 11 which are mounted relative to the fuselage body 10 so as to be pivotable about a horizontal axis. At the rear end of the fuselage body 10, a tail unit 13 is formed.
  • the fuselage body 10 is provided with two impeller machines 12 acting in the vertical direction.
  • a housing in which seven impeller machines 12 are arranged is formed on the upper side of each of the wings.
  • the wings 11 are pivoted relative to the fuselage body 10 in such a way that the impeller machines 12 connected to the wings 11 act in the vertical direction and the aircraft can take off in the vertical direction. After reaching a sufficient altitude, the wings 11 are in Fig. 1 pivoted position shown to allow a forward flight of the aircraft.
  • An impeller machine within the meaning of the invention is an axial flow machine with high efficiency, which in the Cordier diagram (FIG. 11) has a running number o between 1.8 and 10 and a diameter number ö between 0.8 and 1.5.
  • the impeller machine according to the invention differs from high-efficiency radial flow machines in that it has a higher value for the running number o and a lower value for the diameter number ö.
  • the impeller machine according to the invention differs from fan guns without a jacket by a lower value for the run number o and a higher value for the diameter number ö.
  • An impeller machine comprises according to FIG. 4 an aero rotor 14 which is arranged in an impeller housing 15 .
  • An electric motor 16 drives a shaft 17 so that the aerorotor 14 connected to the shaft 17 is rotated.
  • the shaft 17 extends along a central axis 18 of the impeller machine.
  • the longitudinal direction of the impeller machine is parallel to the central axis 18 .
  • the motor 16 is held in a motor housing 19 which is arranged in the interior of the impeller housing 15 .
  • a plurality of aerostators 20 are formed, with which the motor housing 19 is held in position relative to the impeller housing 15 .
  • Aerorotor 14 includes a plurality of rotor blades 21 rotating at a forward end of annulus 31 .
  • the rotation of the aero rotor 14 generates an air flow which, starting from the aero rotor 14, extends through the annular space 31 to the opposite, rear end of the impeller machine.
  • the front end of the impeller machine corresponds to the upstream end in relation to the air flow in the annulus 31 , the downstream end is the rear end of the impeller machine.
  • the front end of the impeller housing 15 is located further upstream than the front end of the motor housing 19 .
  • the impeller housing 15 surrounds the rotor 14 arranged in front of the motor housing 19 so that the rotor rotates in the interior of the impeller housing 15 .
  • the rear end of the motor housing 19 is located further downstream than the rear end of the impeller housing 29 .
  • the motor housing 19 thus includes a rear section which projects rearwardly beyond the impeller housing 15 .
  • cooling fins 21 On the outside of the motor case 19 are formed cooling fins 21 extending longitudinally between the front end and the rear end of the motor case 19 .
  • the air flow in the annular space 31 sweeps over the surface of the cooling fins 21 and removes heat from the cooling fins 21 .
  • the heat given off by the motor during operation of the impeller machine propagates through the motor housing 19 to the cooling fins 21 and is absorbed there by the air flow.
  • a plurality of cooling ribs 21 is in each case formed between two adjacent aerostators 20 .
  • the cooling ribs 21 have an identical shape and are at a constant distance from one another, so that a cooling channel with a substantially constant cross section, which is open to one side, extends between each of two cooling ribs 21 .
  • the air flow can follow the cooling channels without major turbulence occurring.
  • a larger section of the cooling fins 21 is arranged within the annular space 31 between the impeller housing 15 and the motor housing 19 .
  • a shorter section of the cooling fins 21 protrudes to the rear out of the annular space 31 .
  • the cooling ribs 21 end with the rear end of the motor housing 19 .
  • the rear end of the motor housing 19 is followed by a casing component 30 with which the motor is covered at the rear.
  • the cooling fins 21 extend longitudinally along a curved path from the front end 22 to the rear end 23 of the motor housing 19 .
  • the longitudinal direction of the cooling fin 21 includes according to the schematic representation in FIG. 9 forms an angle 25 of approximately 45° with the longitudinal direction 24 at the front end 22 of the motor housing 19 .
  • the angle between the cooling fin 21 and the longitudinal direction 24 becomes continuously smaller with increasing distance from the front end 22 of the motor housing 19 .
  • the angle 26 between the longitudinal direction of the cooling fin 21 and the longitudinal line 24 is still approximately 5°.
  • the arrow 27 indicates the direction of rotation with which the rotor 14 passes through this peripheral section of the motor housing 19 .
  • the angle between the longitudinal direction of the cooling fin 21 at the front end 22 of the motor housing 19 and the moving direction of a part of the rotor 14 adjacent thereto is less than 90°.
  • the cooling fins 21 according to the schematic illustration in FIG. 4 substantially rectangular.
  • the cooling ribs 21 have a cross section which is essentially constant over their length.
  • the cooling fins 21 enclose a right angle with the surface of the motor housing 19 .
  • the aerostators 20 each have a cavity inside, which extends over the entire radial extent of the annular space 31.
  • Cables 32 are routed in the hollow space and extend from the interior of the motor housing 19 to the exterior of the impeller housing 15 .
  • the cables 32 include supply lines with which electrical energy is supplied from a battery arranged outside the impeller to the electric motor 16 in the motor housing 19 .
  • the cables 32 can also be control lines and/or sensor lines, via which signals are transmitted during operation of the impeller machine.
  • a control circuit board is arranged at the rear end of the motor housing 19 and is used to control the motor 16 .
  • a jacket component 30 arranged at the rear end of the impeller machine is provided with an inlet opening 33 of a cooling air duct 40 .
  • the cooling air duct 40 extends from the inlet opening 33 through the interior of the motor housing 19 to an outlet opening 35 which opens into the annular space 31 .
  • the outlet opening 35 extends through the wall of the motor housing 19 and is arranged in an area in which a vacuum is present when the impeller machine 19 is in operation.
  • the outlet opening 35 of the cooling air duct 40 is arranged on the suction side of an aerostator 20 .
  • the outlet opening 35 formed in the wall of the aerostator 20 is connected to a cavity inside the aerostator 20, which in turn is connected to the interior of the motor housing 19. If there is negative pressure at the outlet opening 35 while essentially atmospheric pressure prevails in the area of the inlet opening 33 , during operation of the impeller machine the pressure difference generates a cooling air flow through the cooling air duct 40 .
  • the cooling air duct 40 has a plurality of outlet openings 35 for effective internal cooling of the electric motor 16 .
  • An outlet opening 35 is assigned to each of the three aerostators 20 , with the outlet opening 35 being arranged on the suction side of the aerostator 20 in each case.
  • the entry of the cooling air at the rear end of the impeller machine takes place via the entry opening 33 concentric to the central axis 18 .
  • the outer wall of the cooling air duct 40 is formed by an inner jacket 41 of the jacket component 30 .
  • the inner shell 41 expands toward the engine 16 so that the flow of cooling air is supplied to the peripheral area of the engine 16 .
  • Inside the cooling air duct 40 there is a core component 42 which also widens towards the motor 16 so that the cooling air flow is guided in a section of the cooling air duct 40 which is arranged in a ring around the core component 42 .
  • the cooling air duct 40 continues through an annular gap between the magnet rotor 43 and the motor stator 44 of the electric motor 16 to the outlet openings 35 .
  • the cooling air flow combines with the air flow in the annular space 31 .
  • the core member 42 forms a first Guide surface according to the invention.
  • the inner shell 41 forms a second guide surface within the meaning of the invention.
  • the impeller machine includes a tank 45 filled with distilled water, which is connected to the cooling air duct 40 via a liquid line 46 .
  • the opening 47 of the liquid channel 46 is arranged between the inlet end 33 of the cooling air channel 40 and the motor 16 and thus in an upstream section of the cooling air channel 40 .
  • the liquid channel 46 is provided with a switchable valve 48 which either opens or closes the path from the tank 45 to the mouth 47 of the liquid channel 46 .
  • the valve 48 is controlled by a control unit 49 via control signals.
  • the liquid in the tank 45 is under pressure, so that when the valve 48 is open, liquid emerges from the orifice 47 and is supplied to the cooling air flow in the cooling air duct 40 .
  • the liquid is distributed in fine droplets and is fed with the cooling air flow to the magnet rotor 43 and the motor stator 44 of the motor 16, where the liquid at least partially evaporates and absorbs heat in the process.
  • the steam is carried away with the air flow in the annular space 31 and is lost.
  • the tank 45 must be regularly refilled with new liquid.
  • the liquid channel 46 between the tank 45 and the cooling air channel 40 is designed as a flexible hose 46 .
  • the liquid channel 46 is routed through the outer wall of the shell component 30 and extends within a cavity between the outer wall and the inner shell 41 to the valve 48, see FIG. 6 . From there it continues to the mouth 47 of the liquid channel 46 .
  • the excess pressure in the tank 45 is generated via a pressure line 50 which is connected to the tank 45 and the other end of which opens out into the annular space 31 as an inlet opening 52 .
  • the pressure line 50 is routed through the impeller housing 15 into the interior of an aerostator 20 .
  • the aerostat 20 has two inlet openings 52 on its end face 51 through which the pressure line 50 is fed.
  • the air flow generated by the aerorotor 14 strikes frontally the end face 51 of the aerostator 20 and thus generates the desired overpressure.
  • a partition wall is arranged in the interior of the aerostat 20, with which the overpressure brought in through the inlet openings 52 of the pressure line 50 is separated from the negative pressure which is present at the outlet opening 35 of the air duct 40.

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Abstract

Impellermaschine mit einem Aerorotor (14) zum Erzeugen eines Luftstroms entlang eines zwischen einem Impellergehäuse (15) und einem Motorgehäuse (19) eingeschlossenen Ringraums (31), wobei das Motorgehäuse (19) in einem Innenraum des Impellergehäuses (15) angeordnet ist und wobei in einem Innenraum des Motorgehäuses (19) ein elektrischer Motor (16) angeordnet ist. Der elektrische Motor (16) umfasst einen mit dem Motorgehäuse (19) verbundenen Motorstator (44) und einen mit dem Aerorotor (14) verbundenen Magnetrotor (43). Ein Kühlluftkanal (40) erstreckt sich in dem Innenraum des Motorgehäuses (19) zwischen einem Eintrittsende (33) und einem Austrittsende (35). Ein Flüssigkeitskanal (46) hat eine Mündung (47), die in einem stromaufwärts des elektrischen Motors (16) angeordneten Abschnitt des Kühlluftkanals (40) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Impellermaschine.

Description

Impellermaschine und Verfahren zum Betreiben einer
Impellermaschine
Die Erfindung betri f ft eine Impellermaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer Impellermaschine . Die Impellermaschine umfasst einen Aerorotor zum Erzeugen eines Luftstroms entlang eines zwischen einem Impellergehäuse und einem Motorgehäuse eingeschlossenen Ringraums . Das Motorgehäuse ist in einem Innenraum des Impellergehäuses angeordnet . In einem Innenraum des Motorgehäuse ist ein elektrischer Motor angeordnet , wobei der elektrische Motor einen mit dem Motorgehäuse verbundenen Motorstator und einen mit dem Aerorotor verbundenen Magnetrotor umfasst .
Beim Betrieb einer Impellermaschine wird in erheblichem Umfang Wärme erzeugt . Werden beispielsweise bei einer Impellermaschine mit einer Leistung in der Größenordnung von einigen Kilowatt 5- 10 % der Antriebsleistung in Wärme umgesetzt , kann es zu einer Überhitzung von Komponenten des Impellers kommen, falls die Wärme nicht ausreichend abgeführt wird .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , einen Impeller mit einer verbesserten Wärmeabfuhr vorzustellen . Die Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs . Vorteilhafte Aus führungs formen sind in den Unteransprüchen angegeben .
Die erfindungsgemäße Impellermaschine umfasst einen Kühlluftkanal , der sich in dem Innenraum des Motorgehäuses zwischen einem Eintrittsende und einem Austrittsende erstreckt . Die Impellermaschine umfasst einen Flüssigkeitskanal mit einer Mündung, die in einem stromaufwärts des Elektromotors angeordneten Abschnitt des Kühlluftkanals angeordnet ist . Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, die Verdampfungsenergie einer Flüssigkeit zum Kühlen des elektrischen Motors zu nutzen . Indem ein dem elektrischen Motor zugeführter Kühlluftstrom stromaufwärts des elektrischen Motors mit einer Flüssigkeit versetzt wird, wird dem elektrischen Motor ein flüssiges Medium zugeführt , das unter Aufnahme von Wärmeenergie von Komponenten des elektrischen Motors ganz oder teilweise verdampfen kann . Es hat sich gezeigt , dass eine Kombination aus der Luftkühlung durch den Kühlluftstrom und der Verdampfungskühlung durch ein mit dem Kühlluftstrom zugeführtes flüssiges Medium eine sehr wirksame Kühlung von Komponenten des elektrischen Motors ermöglicht .
Eine Impellermaschine im Sinne der Erfindung ist eine Axial- Strömungsmaschine . Der mit dem Aerorotor angetriebene Luftstrom hat eine Strömungsrichtung, die parallel zu der Achse des Aerorotors ist . Der Aerorotor hat Rotorblätter, die bezogen auf die Achse in demselben radialen Abschnitt angeordnet sind wie der zwischen dem Impellergehäuse und dem Motorgehäuse angeordnete Ringraum .
Die Unterscheidung zwischen Impellermaschinen und anderen Arten von Strömungsmaschinen erfolgt anhand des in Fig . 11 gezeigten Cordier-Diagramms , in dem die Lauf zahl o ( Speed number ) gegen die Durchmesserzahl ö ( Diameter number ) aufgetragen ist . Von Radial- und Strömungsmaschinen unterscheiden sich die erfindungsgemäßen Impellermaschinen durch einen höheren Wert für die die Lauf zahl o sowie durch einen niedrigeren Wert für die Durchmesserzahl ö . Von mantellosen Propellermaschinen unterscheiden sich die erfindungsgemäßen Impellermaschinen durch einen niedrigeren Wert für die die Lauf zahl o sowie durch einen höheren Wert für die Durchmesserzahl ö . Die Lauf zahl o der erfindungsgemäßen Impellermaschine kann zwischen 1 , 8 und 10 liegen . Die Durchmesserzahl ö der erfindungsgemäßen Impellermaschine kann zwischen 0 , 8 und 1 , 5 liegen . Die im Cordier-Diagramm verwendete Lauf zahl o ist eine dimensionslose Kennzahl , die wie folgt definiert ist .
Figure imgf000005_0001
Die Durchmesserzahl 5 ist ebenfalls eine dimensionslose Kennzahl , die wie folgt definiert ist .
Figure imgf000005_0002
Beide Formeln berücksichtigen den Volumenstrom Q und die spezi fische Stutzenarbeit Y ( speci fic head) . Betrachtet man diese beiden Größen als vorgegeben durch die vorgesehene Verwendung der Strömungsmaschine , so hängt die Lauf zahl o nur noch von der Drehzahl n und die Durchmesserzahl 5 nur noch von dem Durchmesser D des Aerorotors ab . Nähere Erläuterungen dazu finden sich beispielsweise in Epple et al . , A theoretical derivation of the Cordier diagram for turbomachines , Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers , Part C : Journal of Mechanical Engineering Science 2011 225 : 354 .
Der zwischen dem Impellergehäuse und dem Motorgehäuse eingeschlossene Ringraum hat in Axialrichtung betrachtet ein vorderes Ende und ein hinteres Ende , wobei die Strömungsrichtung des vom Aerorotor angetriebenen Luftstroms vom vorderen Ende zum hinteren Ende gerichtet ist . Die Angaben vorne und hinten sind in diesem Sinne auf die Axialrichtung der Impellermaschine bezogene Richtungsangaben . Das Eintrittsende des Kühlluftkanals kann in einem Bereich angeordnet sein, in dem im Betrieb der Impellermaschine ein höherer Druck anliegt als beim Austrittsende . Auf diese Weise kann der Kühlluftstrom durch den Kühlluftkanal hindurch durch die Druckdi f ferenz angetrieben werden . Das Eintrittsende des Kühlluftkanals kann einen größeren Abstand zum vorderen Ende der Impellermaschine haben als das Austrittsende des Kühlluftkanals . Die Richtung des Kühlluftstrom in dem Kühlluftkanal hat dann eine zu der Strömungsrichtung des Luftstroms im Ringraum entgegengesetzte Komponente .
Das Eintrittsende des Kühlluftkanals kann in einer Position angeordnet sein, die hinter dem hinteren Ende des Ringraums liegt . In einer Aus führungs form ist das Eintrittsende des Kühlluftkanals am hinteren Ende des Motorgehäuses konzentrisch zu der Achse der Impellermaschine ausgebildet . Eine konzentrische Anordnung des Eintrittsendes hat den Vorteil , dass eine konzentrische Ausbreitung des Kühlluftstrom innerhalb des Motorgehäuses gefördert werden kann .
Im Bereich des elektrischen Motors kann der Kühlluftkanal durch einen Ringspalt zwischen dem Magnetrotor und dem Motorstator hindurchgeführt sein . Insbesondere kann der Kühlluftkanal sich radial innerhalb des Motorstators und radial außerhalb des Magnetrotors erstrecken . Dabei kann es zu einer innigen Umströmung der elektrischen bzw . magnetischen Komponenten des elektrischen Motors kommen, so dass die entstehende Wärme wirksam abgeführt wird . Im Sinne der Erfindung ist der Abschnitt des Kühlluftkanals zwischen dem elektrischen Motor und dem Eintrittsende stromaufwärts gelegen .
Die Mündung des Flüssigkeitskanals kann in einem axialen Abstand zu dem zwischen dem Magnetrotor und dem Motorstator eingeschlossenen Motorringspalt angeordnet sein . Der axiale Ab- stand ist vorzugsweise nicht kleiner als 20 % , weiter vorzugsweise nicht kleiner als 50 % , weiter vorzugsweise nicht kleiner als 100 % des Radius des Aerorotors . Bezogen auf die Länge des Motorringspalts ist der axiale Abstand vorzugsweise nicht kleiner als 20 % , weiter vorzugsweise nicht kleiner als 50 % , weiter vorzugsweise nicht kleiner als 100 % . Die Länge des Motorringspalts entspricht dem axialen Abschnitt der Impellermaschine , in dem der Magnetrotor und der Motorstator in einer elektromagnetischen Wechselwirkung miteinander stehen . Wird die Flüssigkeit dem Kühlluftkanal mit einem axialen Abstand zu dem Motor zugeführt , so kann die Flüssigkeit innerhalb der zurückzulegenden Strecke radial verteilt werden, sodass der Motor über seinen Umfang gleichmäßig gekühlt wird .
Für die gleichmäßige Verteilung der Kühlwirkung über den Umfang des Motors ist es außerdem von Vorteil , wenn die Mündung des Flüssigkeitskanals radial innerhalb des Motorringspalts angeordnet ist . Mit anderen Worten ist der Abstand zwischen der Achse der Impellermaschine und der Mündung des Flüssigkeitskanals kleiner als der Radius der Innenfläche des Motorstators . Insbesondere kann der Abstand zwischen der Achse der Impellermaschine und der Mündung des Flüssigkeitskanals kleiner sein als 80 % , vorzugsweise kleiner sein als 50 % des Radius der Innenfläche des Motorstators .
In dem axialen Abschnitt zwischen der Mündung des Flüssigkeitskanals und dem Motorringspalt kann eine Leitfläche ausgebildet sein, entlang derer die aus dem Flüssigkeitskanal austretende Flüssigkeit zu dem Motor geleitet wird . Die Leitfläche kann rotationssymmetrisch und konzentrisch zu der Achse der Impellermaschine sein . Die Kontur der Leitfläche kann glatt , also frei von Absätzen und Kanten sein, sodass ein Luftstrom möglichst frei von Verwirbelungen in Richtung des Motorringspalts geleitet wird . Die Leitfläche kann radial in- nerhalb des Motorringspalts angeordnet sein . In einer Aus führungs form wird die Flüssigkeit zwischen einer ersten Leitfläche , die radial innerhalb des Motorringspalts angeordnet ist , und einer zweiten Leitfläche , die radial außerhalb des Motorringspalts angeordnet ist , zu dem Motorringspalt geleitet .
Die Mündung des Flüssigkeitskanals kann nahe dem Eintrittsende des Kühlluftkanals angeordnet sein . Es ist von Vorteil , wenn der Kühlluftkanal ein Austrittsende hat , das weiter vorne angeordnet ist als der elektrische Motor, so dass die Kühlluft dem elektrischen Motor über seine gesamte Länge umströmen kann . Das Austrittsende kann in den Ringraum münden, so dass die aus dem Flüssigkeitskanal austretende Flüssigkeit sich in dem Kühlluftstrom verteilen kann . Von Vorteil dafür ist es , wenn die Flüssigkeitsmengen in feinverteilter Form in den Kühlluftstrom eingebracht werden . Dazu kann die Mündung des Flüssigkeitskanals mit einer Düse versehen sein, so dass die Flüssigkeit fein verteilt aus dem Flüssigkeitskanal austritt . Möglich ist auch, eine feine Verteilung der Flüssigkeit allein dadurch zu erreichen, dass der Kühlluftstrom mit hoher Geschwindigkeit an der Mündung des Flüssigkeitskanals vorbeiströmt .
Der Flüssigkeitskanal kann einen Abschnitt haben, der den Kühlluftkanal schneidet , der sich also durch den Querschnitt des Kühlluftkanals hindurch erstreckt . Der Kühlluftstrom streicht dann zu beiden Seiten an der Außenfläche des Flüssigkeitskanals entlang . Als Mündung des Flüssigkeitskanals können Öf fnungen in der Wand des Flüssigkeitskanals ausgebildet sein . Die Öf fnungen können in die Richtung weisen, in die sich der Kühlluftstrom bewegt . Auf diese Weise kann eine gute Verteilung der Flüssigkeit in dem Kühlluftstrom erreicht werden .
In dem Kühlluftstrom enthaltene Flüssigkeitsmengen können durch Aufnahme von Wärme von dem elektrischen und magnetischen Komponenten des Motors verdampfen und zusammen mit dem Kühlluftstrom in den Ringraum austreten . Bei dieser Vorgehensweise ist die Flüssigkeit verloren . Von der Erfindung umfasst sind auch Aus führungs formen, bei denen die Flüssigkeit stromabwärts des elektrischen Motors kondensiert und zurückgewonnen wird .
Der Aerorotor kann an einem vorderen Ende der Impellermaschine und damit in einer Position vor dem Magnetrotor des elektrischen Motors angeordnet sein . Ein zwischen dem Aerorotor und dem hinteren Ende des Ringraums angeordneter Abschnitt des Ringraums kann wenigstens 50 % , vorzugsweise wenigstens 70 % , weiter vorzugsweise wenigstens 80 % der axialen Länge des Ringraums ausmachen . Ein Abschnitt des Impellergehäuses kann sich um den Außenumfang des Aerorotors herum erstrecken . Der Aerorotor kann eine Rotornabe und eine Mehrzahl von an der Rotornabe angebrachten Rotorblättern aufweisen . Die Rotornabe kann mit einer Welle der Impellermaschine verbunden sein, die von dem Motor angetrieben wird .
Die Impellermaschine kann ein oder mehrere Aerostatoren umfassen, die sich zwischen der Innenseite des Impellergehäuses und der Außenseite des Motorgehäuses erstrecken und die das Impellergehäuse und das Motorgehäuse in fester Position relativ zueinander halten . Die Impellermaschine kann mehr als zwei Aerostatoren umfassen, beispielsweise drei oder fünf Aerostatoren . Die Aerostatoren können gleichverteilt über den Umfang des Motorgehäuses angeordnet sein .
Die Aerostatoren können ein in Strömungsrichtung gebogenes Profil bilden . Das Profil kann so gestaltet sein, dass die mit dem Aerorotor erzeugte Drehkomponente des Luftstroms aufgenommen und in Längsrichtung gerichtet wird . Insbesondere können die Aerostatoren ein von dem Luftstrom umströmtes Tragflächenprofil mit einer Druckseite und einer Saugseite aufspannen . Im Betrieb der Impellermaschine ist der auf der Druckseite anliegende Druck höher als der auf der Saugseite anliegende Druck .
Ein stromabwärts des elektrischen Motors gelegener Abschnitt des Kühlluftkanals kann durch das Motorgehäuse hindurch nach außen geführt sein . In einer Aus führungs form ist das Austrittsende des Kühlluftkanals in dem Motorgehäuse angeordnet , so dass der Kühlluftstrom direkt nach dem Passieren des Motorgehäuses aus dem Kühlluftkanal austritt und sich mit dem Luftstrom in dem Ringraum vereinigt . Möglich ist auch, dass der Kühlluftkanal durch das Motorgehäuse hindurch in den Innenraum eines Aerostators geführt wird . Die Wand des Aerostators kann eine Öf fnung aufweisen, die das Austrittsende des Kühlluftkanals bildet und durch die der Kühlluftstrom in den Ringraum hinein austreten kann . Das Austrittsende kann auf der Saugseite des ein Tragflächenprofil bildenden Aerostators angeordnet sein .
Für eine gleichmäßige Verteilung des Kühlluftstrom über den Umfang des elektrischen Motors kann es förderlich sein, wenn der Kühlluftstrom aufgeteilt wird, indem der Kühlluftkanal mehrere Wege umfasst , über die der Kühlluftstrom aus dem Innenraum des Motorgehäuses in den Ringraum austreten kann . Beispielweise kann der Kühlluftkanal mehrere über den Umfang des Motorgehäuses verteilte Öf fnungen zum Ringraum hin haben . In einer Aus führungs form erstreckt der Kühlluftkanal sich durch den Innenraum von mehreren Aerostatoren, vorzugsweise durch den Innenraum von allen Aerostatoren hindurch . Jeder der Aerostatoren, die einen Abschnitt des Kühlluftkanals bilden, kann eine auf der Saugseite angeordnete Öf fnung zum Ringraum hin aufweisen, die einem Austrittsende des Kühlluftkanals entspricht . Der zwischen dem Impellergehäuse und dem Motorgehäuse eingeschlossene Ringraum kann einen Abschnitt mit konstantem Querschnitt aufweisen . Der Abschnitt kann sich über wengistens 50 % , vorzugsweise wenigstens 70 % , weiter vorzugsweise wenigstens 80 % der axialen Länge des Ringraums erstrecken . Konstanter Querschnitt bedeutet , dass der Abstand zwischen der Innenseite des Impellergehäuses sowie der Außenseite des Motorgehäuses konstant ist und dass Außendurchmesser sowie Innendurchmesser des Ringraums konstant sind . Aerostatoren und/oder Kühlstrukturen innerhalb des Ringraums gelten nicht als Änderung des Querschnitts in diesem Sinne . Der Aerorotor kann Rotorblätter aufweisen, die in Radialrichtung der Impellermaschine betrachtet den konstanten Querschnitt des Ringraums abdecken .
Die Impellermaschine kann einen Flüssigkeitsvorrat umfassen, aus dem die Flüssigkeit zu dem Flüssigkeitskanal zugeführt wird . Der Flüssigkeitsvorrat kann in einem Tank enthalten sein, der an dem Flüssigkeitskanal angeschlossen ist , so dass die Flüssigkeit aus dem Tank durch den Flüssigkeitskanal hindurch zu dem Kühlluftkanal geführt werden kann . Als Flüssigkeit kann beispielsweise Wasser, insbesondere destilliertes Wasser verwendet werden . Möglich sind auch andere Flüssigkeiten, wie beispielsweise Alkohol oder Öle .
Der Innenraum des Tanks kann unter Druck gesetzt werden, um die Bewegung der Flüssigkeit durch den Flüssigkeitskanal hindurch anzutreiben . Der Druck kann beispielsweise daraus gespeist sein, dass der Tank selbst ein Druckreservoir bildet oder der Tank an ein Druckreservoir angeschlossen ist . In einer Aus führungs form wird der Druck aus dem von dem Aerorotor erzeugten Luftstrom abgegri f fen . Dazu kann die Impellermaschine eine Druckleitung umfassen, die sich zwischen dem Innenraum des Tanks und einem Bereich des Ringraums erstreckt , in dem der Luftstrom einen hohen Druck hat . Die Druckleitung kann sich durch den Innenraum eines Aerostators hindurch erstrecken und durch eine Einlassöf fnung in der Wand des Aerostators an den Ringraum angeschlossen sein . Die Einlassöf fnung kann beispielsweise auf der Druckseite eines als Tragflächenprofil ausgebildeten Aerostators angeordnet sein . Für einen besonders hohen Druck in der Druckleitung kann die Einlassöf fnung in einer Stirnfläche des Aerostators angeordnet sein, auf die der Luftstrom frontal auftri f ft , bevor er sich zwischen Saugseite und Druckseite trennt . Hat ein Aerostator sowohl eine Einlassöf fnung für die Druckleitung als auch eine Austrittsöf fnung des Kühlluftkanals , so kann im Inneren des Aerostators eine Trennwand angeordnet sein, die die beiden Bereiche voneinander trennt .
Es besteht die Möglichkeit , im Betrieb der Impellermaschine kontinuierlich Flüssigkeit aus der Mündung des Flüssigkeitskanals austreten zu lassen . Dies kann dann sinnvoll sein, wenn die Impellermaschine dauerhaft mit hoher Leistung betrieben wird . In der praktischen Anwendung ist es aber häufig so , dass es einen Wechsel zwischen Betriebsphasen mit hoher Leistung und Betriebsphasen mit geringer Leistung gibt . Wünschenswert ist es , von der zusätzlichen Verdampfungskühlung nur dann Gebrauch zu machen, wenn der normale Kühlluftstrom nicht in ausreichendem Umfang Wärme aufnimmt . Die Impellermaschine kann deswegen so ausgelegt sein, dass umgeschaltet werden kann zwischen einem ersten Betriebs zustand, in dem Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitskanal austritt und einem zweiten Betriebs zustand, in dem keine Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitskanal austritt . Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Impellermaschine so eingerichtet sein, dass die Menge der austretenden Flüssigkeit einstellbar ist .
Die Impellermaschine kann ein in dem Flüssigkeitskanal angeordnetes Ventil aufweisen, das unter der Kontrolle einer Steu- ereinheit der Impellermaschine zwischen einem geöf fneten Zustand und einem geschlossenen Zustand umgeschaltet werden kann . Das Ventil kann so gestaltet sein, dass im geöf fneten Zustand die Flüssigkeitsmenge variabel einstellbar ist . Das Ventil kann in der Flüssigkeitsleitung zwischen dem Flüssigkeitsvorrat und dem Kühlluftkanal angeordnet sein . Die Steuereinheit kann das Ventil in Abhängigkeit von einer Eingangsgröße , wie beispielsweise der momentanen Leistung der Impellermaschine oder der Temperatur einer Komponente der Impellermaschine , ansteuern .
Hinter dem Motorgehäuse kann ein Mantelbauteil angeordnet sein . Die äußere Fläche des Mantelbauteils kann bündig mit dem Motorgehäuse abschließen . Zum hinteren Ende hin kann das Mantelbauteil sich verj üngen, so dass der Luftstrom aus dem Ringraum hinter der Impellermaschine zu einem geschlossenen Luftstrom zusammengeführt wird .
Das Mantelbauteil kann einen Innenmantel umfassen, der die Außenwand des Kühlluftkanals bildet . Das hintere Ende des Innenmantels kann das Eintrittsende des Kühlluftkanals umschließen . Der Durchmesser des Innenmantels kann sich zum vorderen Ende des Mantelbauteils hin aufweiten .
Zwischen der Außenwand des Mantelbauteils und dem Innenmantel kann ein Hohlraum ausgebildet sein . Ein Abschnitt des Flüssigkeitskanals kann sich innerhalb des Hohlraums erstrecken . Ein Ende des Flüssigkeitskanals kann an eine Öf fnung in dem Innenmantel angeschlossen sein und damit die Mündung des Flüssigkeitskanals bilden .
Der Flüssigkeitskanal kann sich durch eine Öf fnung in der Außenwand des Mantelbauteils hindurch erstrecken . Zwischen der Außenwand des Mantelbauteils und seiner Mündung kann der Flüs- sigkeitskanal in einer Windung um den Innenmantel herumgeführt sein . Die Windung kann sich über wenigstens 180 ° , vorzugsweise wenigstens 360 ° erstrecken . Zwischen der Position, in dem der Flüssigkeitskanal die Außenwand des Mantelbauteils durch tritt , und der Mündung kann das Ventil angeordnet sein, mit dem die Flüssigkeits zufuhr zu dem Kühlluftkanal gesteuert wird . Das Ventil kann mit der Außenwand des Mantelbauteils verbunden sein .
Der Flüssigkeitskanal kann einen Abschnitt umfassen, in dem der Flüssigkeitskanal durch einen flexiblen Schlauch gebildet wird . In einer Aus führungs form bildet ein flexibler Schlauch mindestens 50 % , vorzugsweise mindestens 80 % der Länge des Flüssigkeitskanals zwischen dem Flüssigkeitsvorrat und der Mündung .
Zur weiteren Verbesserung der Wärmeabfuhr kann die Außenseite des Motorgehäuses mit einer Mehrzahl von Kühlrippen versehen sein . Die Kühlrippen können in Längsrichtung an den Verlauf des Luftstroms in dem Ringraum angepasst sein . Dazu können die Kühlrippen die nachfolgend genannten Merkmale einzelnen oder in Kombination aufweisen . Ein vorderer Abschnitt der Kühlrippen kann in einer anderen Umfangsposition angeordnet als ein hinterer Abschnitt der Kühlrippen . Die Umfangsposition der Kühlrippe sich mit dem Verlauf der Kühlrippe kontinuierlich ändern . Die Kühlrippe kann sich in Axialrichtung über wenigstens 60 % , vorzugsweise wenigstens 80 % , weiter vorzugsweise wenigstens 90 % der Länge des Motorgehäuses erstrecken . Als Motorgehäuse in diesem Sinne wird das Bauteil bezeichnet , das den Motor umgibt . Der Verlauf der Kühlrippe entlang der Außenseite des Motorgehäuses kann ein nicht-linearer Verlauf sein . Ein vorderer Abschnitt der Kühlrippen kann einen größeren Winkel mit der Längsrichtung einschließen als ein hinterer Abschnitt der Kühlrippen . Das vordere Ende der Kühlrippe kann einen Winkel von mehr als 10 ° , beispielsweise einen Winkel zwischen 10 ° und 50 ° , vorzugsweise einen Winkel zwischen 20 ° und 40 ° mit der Längsrichtung einschließen . Das hintere Ende der Kühlrippe kann einen Winkel von weniger als 8 ° , vorzugsweise einen Winkel von weniger als 5 ° mit der Längsrichtung einschließen . Die Kühlrippe kann eine kontinuierliche Krümmung aufweisen . Die Krümmung kann so gestaltet sein, dass der Winkel zwischen der Kühlrippe und der Längsrichtung vom vorderen Ende zum hinteren Ende der Kühlrippe kontinuierlich kleiner wird .
In Radialrichtung kann die Kühlrippe sich ausgehend von der Außenseite des Motorgehäuses bis zu einem peripheren Ende erstrecken, wobei das periphere Ende innerhalb des Ringraums angeordnet ist und einen Abstand zu der Innenwand des Impellergehäuses hat . Die Höhe der Kühlrippe entspricht dem Abstand zwischen dem Fuß der Kühlrippe und dem peripheren Ende der Kühlrippe . Die Höhe der Kühlrippe über der Außenseite des Motorgehäuses kann zwischen 2 % und 20 % , vorzugsweise zwischen 5 % und 15 % bezogen auf den Durchmesser des Motorgehäuses sein . Bezogen auf die radiale Ausdehnung des Ringraums zwischen der Innenseite des Impellergehäuses und der Außenseite des Motorgehäuses kann die Höhe der Kühlrippe zwischen 2 % und 20 % , vorzugsweise zwischen 5 % und 15 % liegen . Mit einer größeren Höhe der Kühlrippe könnte die Kühlwirkung zwar möglicherweise weiter verbessert werden . Allerdings setzt die Kühlrippe auch dem Luftstrom einen Widerstand entgegen, so dass mit größerer Höhe der Kühlrippe auch der Wirkungsgrad des Impellers sinken würde . Ändert sich der Durchmesser des Motorgehäuses über die Länge des Impellers , so bezieht die Angabe sich auf den größten Durchmesser des Motorgehäuses . Ändert sich die radiale Ausdehnung des Ringraums über die Länge des Impellers , so bezieht die Angabe sich auf die größte radiale Ausdehnung des Ringraums . Die Kühlrippe kann eine über ihre Länge konstante Höhe haben . Ändert sich die Höhe der Kühlrippe über die Länge des Impellers , so bezieht die Angabe sich auf die größte Höhe der Kühlrippe . Der mit dem Aerorotor angetriebene Luftstrom durch den Ringraum hat eine Komponente in Axialrichtung und eine Komponente in Umfangsrichtung . Das vordere Ende der Kühlrippe kann so ausgerichtet sein, dass der Luftstrom im Wesentlichen parallel zu dem Ende der Kühlrippe in den Ringraum eintritt . Die Kühlrippe kann mit ihrer entlang dem Ringraum gebogenen Form dazu beitragen, den Luftstrom so zu leiten, dass er beim Austritt aus dem Ringraum im Wesentlichen in Axialrichtung gerichtet ist . Der vor dem Motorgehäuse angeordnete Rotor kann innerhalb des Impellergehäuses angeordnet sein .
Das hintere Ende des Motorgehäuses kann nach hinten über das hintere Ende des Impellergehäuses hinausragen . Die Kühlrippe kann einen hinteren Abschnitt umfassen, der außerhalb des von dem Impellergehäuse umgebenen Ringraums liegt . Dies hat den Vorteil , dass der Luftstrom im Bereich des Motorgehäuses auch beim Übergang von dem Ringraum in die Umgebung noch einer Führung unterliegt .
Die Kühlrippen können über den Umfang des Motorgehäuses verteilt sein und übereinstimmend geformt sein . Zwei Kühlrippen sind übereinstimmend geformt , wenn sie durch eine Drehung der Impellermaschine um seine Achse ineinander abgebildet werden können . Der seitliche Abstand zwischen zwei Kühlrippen kann zwischen 25 % und 200 % der Höhe der Kühlrippen liegen . Zwischen j eweils zwei benachbarten Aerostatoren kann eine Mehrzahl von Kühlrippen angeordnet sein, beispielsweise mindestens drei Kühlrippen, vorzugsweise mindestens fünf Kühlrippen, weiter vorzugsweise mindestens acht Kühlrippen . Dies kann für j edes Paar von benachbarten Statoren gelten .
Die Erfindung betri f ft auch ein Fluggerät , dessen Antrieb eine solche Impellermaschine umfasst . Es kann sich um ein senkrecht startendes Fluggerät handeln . Das Fluggerät kann so eingerichtet sein, dass die Impellermaschine bei einem Startvorgang oder Landevorgang eine in senkrechter Richtung wirkende Antriebskraft erzeugt . Das Fluggerät kann zusätzlich oder alternativ dazu so eingerichtet sein, dass beim Vorwärts flug die Impellermaschine eine in hori zontaler Richtung wirkende Antriebskraft erzeugt . Um Antriebskräfte in verschiedenen Richtungen erzeugen zu können, kann die Impellermaschine schwenkbar mit einem Rahmen des Fluggeräts verbunden sein . Das Fluggerät kann mit einer Mehrzahl von Impellermaschinen ausgestattet sein . Jede der Impellermaschinen kann die genannten Merkmale einzelnen oder in Kombination aufweisen .
Es gibt andere Anwendungs felder für erfindungsgemäße Impellermaschinen, wie beispielsweise das Erzeugen eines Luftstroms zum Kühlen einer Batterie , das Erzeugen eines Luftstroms zum Beeinflussen der aerodynamischen Verhältnisse am Flügel eines Flugzeugs oder das Erzeugen eines Luftstroms zum Ausüben von Antriebskräften bei selbstgesteuerten Robotern .
Die Erfindung betri f ft weiter ein Verfahren zum Betreiben einer Impellermaschine . Bei dem Verfahren wird mit einem Aerorotor ein Luftstrom entlang eines zwischen einem Impellergehäuse und einem Motorgehäuse eingeschlossenen Ringraums erzeugt . Ein in einem Innenraum des Motorgehäuses angeordneter elektrischer Motor wird gekühlt , indem ein Kühlluftstrom durch einen Kühlluftkanal geleitet wird, der sich in dem Innenraum des Motorgehäuses zwischen einem Eintrittsende und einem Austrittsende erstreckt . Einem stromaufwärts des elektrischen Motors angeordneten Abschnitt des Kühlluftkanals wird eine Flüssigkeit zugeführt . Damit wird die Möglichkeit eröf fnet , den elektrischen Motor im Wege einer Verdampfungskühlung wirksam zu kühlen .
Das Verfahren kann mit weiteren Merkmalen fortgebildet werden, die im Zusammenhang der erfindungsgemäßen Impellermaschine be- schrieben sind. Die Impellermaschine kann mit weiteren Merkmalen fortgebildet werden, die im Zusammenhang des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben sind.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand vorteilhafter Aus führungs formen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1: ein erfindungsgemäßes Fluggerät;
Fig. 2: eine Aus führungs form einer erfindungsgemäßen Im- pellermas chine ;
Fig. 3-5: weitere Ansichten der Impellermaschine aus Fig.
2;
Fig .6-8 : Details der Impellermaschine aus Fig. 2 in vergrößerter Darstellung;
Fig. 9: eine schematische Darstellung einer Kühlrippe eines erfindungsgemäßen Impellers;
Fig. 10: eine vereinfachte Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Motorgehäuses;
Fig. 11: ein Cordier-Diagramm zur Unterscheidung verschiedener Arten von Strömungsmaschinen.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Fluggerät gezeigt, das einen zum Transport einer Mehrzahl von Personen geeigneten
Rumpf körper 10 aufweist. Mit dem Rumpf körper 10 verbunden sind zwei Tragflächen 11, die um eine horizontale Achse schwenkbar relativ zu dem Rumpfkörper 10 gelagert sind. Am hinteren Ende des Rumpf körper 10 ist ein Leitwerk 13 ausgebildet. Der Rumpfkörper 10 ist mit zwei in senkrechter Richtung wirkenden Impellermaschinen 12 versehen . Auf der Oberseite von j eder der Tragflächen ist j eweils ein Gehäuse ausgebildet , in dem sieben Impellermaschinen 12 angeordnet sind .
Zum Start des Fluggeräts werden die Tragflächen 11 gegenüber dem Rumpfkörper 10 so geschwenkt , dass die mit den Tragflächen 11 verbundenen Impellermaschinen 12 in senkrechter Richtung wirken und dass das Fluggerät in senkrechter Richtung abheben kann . Nach Erreichen einer ausreichenden Flughöhe werden die Tragflächen 11 in die in Fig . 1 gezeigte Stellung geschwenkt , um einen Vorwärts-Flug des Fluggeräts zu ermöglichen .
Eine Impellermaschine im Sinne der Erfindung ist eine Axial- Strömungsmaschine mit hohem Wirkungsgrad, die im Cordier-Diagramm ( Fig . 11 ) eine Lauf zahl o zwischen 1 , 8 und 10 und eine Durchmesserzahl ö zwischen 0 , 8 und 1 , 5 hat . Von Radial-Strö- mungsmaschinen mit hohem Wirkungsgrad unterscheidet sich die erfindungsgemäße Impellermaschine durch einen höheren Wert für die Lauf zahl o und einen niedrigeren Wert für die Durchmesserzahl ö . Von mantellosen Propellermaschinen unterscheidet sich die erfindungsgemäße Impellermaschine durch einen niedrigeren Wert für Lauf zahl o und einen höheren Wert für die Durchmesserzahl ö .
Eine erfindungsgemäße Impellermaschine umfasst gemäß Fig . 4 einen Aerorotor 14 , der in einem Impellergehäuse 15 angeordnet ist . Ein elektrischer Motor 16 treibt eine Welle 17 an, so dass der mit der Welle 17 verbundene Aerorotor 14 in Drehung versetzt wird . Die Welle 17 erstreckt sich entlang einer zentralen Achse 18 der Impellermaschine . Die Längsrichtung der Impellermaschine ist parallel zu der zentralen Achse 18 . Der Motor 16 ist in einem Motorgehäuse 19 gehalten, das im Innenraum des Impellergehäuses 15 angeordnet ist . In einem Ringraum 31 , der radial außerhalb des Motorgehäuses 19 und radial innerhalb des Impellergehäuses 15 eingeschlossen ist , ist eine Mehrzahl von Aerostatoren 20 ausgebildet , mit denen das Motorgehäuse 19 relativ zu dem Impellergehäuse 15 in Position gehalten wird . Der Aerorotor 14 umfasst eine Mehrzahl von Rotorblättern 21 , die an einem vorderen Ende des Ringraums 31 umlaufen . Durch die Drehung des Aerorotors 14 wird ein Luftstrom erzeugt , der sich ausgehend von dem Aerorotor 14 durch den Ringraum 31 hindurch bis zum entgegengesetzten, hinteren Ende der Impellermaschine erstreckt . Das vordere Ende der Impellermaschine entspricht bezogen auf den Luftstrom in dem Ringraum 31 dem stromaufwärts gelegenen Ende , das stromabwärts gelegene Ende ist das hintere Ende der Impellermaschine .
Das vordere Ende des Impellergehäuses 15 ist weiter stromaufwärts gelegen als das vordere Ende des Motorgehäuses 19 . Das Impellergehäuse 15 umgibt den vor dem Motorgehäuses 19 angeordneten Rotor 14 , so dass der Rotor sich im Innenraum des Impellergehäuses 15 dreht .
Das hintere Ende des Motorgehäuses 19 ist weiter stromabwärts gelegen als das hintere Ende des Impellergehäuses 29 . Das Motorgehäuse 19 umfasst auf diese Weise einen hinteren Abschnitt , der nach hinten über das Impellergehäuse 15 hinausragt .
Auf der Außenseite des Motorgehäuses 19 sind Kühlrippen 21 ausgebildet , die sich in Längsrichtung zwischen dem vorderen Ende und dem hinteren Ende des Motorgehäuses 19 erstrecken . Der Luftstrom in dem Ringraum 31 überstreicht die Oberfläche der Kühlrippen 21 und führt Wärme von Kühlrippen 21 ab . Die im Betrieb der Impellermaschine vom Motor abgegebene Wärme breitet sich durch das Motorgehäuse 19 hindurch zu den Kühlrippen 21 aus und wird dort von dem Luftstrom aufgenommen . Zwischen zwei benachbarten Aerostatoren 20 ist j eweils eine Mehrzahl von Kühlrippen 21 ausgebildet . Die Kühlrippen 21 sind identisch geformt und haben einen gleich bleibenden Abstand zueinander, so dass sich zwischen zwei Kühlrippen 21 j eweils ein zu einer Seite hin of fener Kühlkanal mit im Wesentlichen konstantem Querschnitt erstreckt . Der Luftstrom kann den Kühlkanälen folgen, ohne dass sich große Verwirbelungen einstellen .
In Längsrichtung betrachtet ist ein größerer Abschnitt der Kühlrippen 21 innerhalb des Ringraums 31 zwischen dem Impellergehäuse 15 und dem Motorgehäuse 19 angeordnet . Ein kürzerer Abschnitt der Kühlrippen 21 ragt nach hinten aus dem Ringraum 31 heraus . Die Kühlrippen 21 schließen mit dem hinteren Ende des Motorgehäuses 19 ab . An das hintere Ende des Motorgehäuses 19 schließt ein Mantelbauteil 30 an, mit dem der Motor nach hinten abgedeckt ist .
Die Kühlrippen 21 erstrecken sich in Längsrichtung entlang eines gekrümmten Wegs vom vorderen Ende 22 zum hinteren Ende 23 des Motorgehäuses 19 . Die Längsrichtung der Kühlrippe 21 schließt gemäß der schematischen Darstellung in Fig . 9 am vorderen Ende 22 des Motorgehäuses 19 einen Winkel 25 von etwa 45 ° mit der Längsrichtung 24 ein . Der Winkel zwischen der Kühlrippe 21 und der Längsrichtung 24 wird mit zunehmendem Abstand vom vorderen Ende 22 des Motorgehäuses 19 kontinuierlich kleiner . Am hinteren Ende 23 des Motorgehäuses 19 ist der Winkel 26 zwischen der Längsrichtung der Kühlrippe 21 und der Längslinie 24 noch etwa 5 ° .
Der Pfeil 27 zeigt die Drehrichtung an, mit der der Rotor 14 diesen Umfangsabschnitt des Motorgehäuses 19 passiert . Der Winkel zwischen der Längsrichtung der Kühlrippe 21 am vorderen Ende 22 des Motorgehäuses 19 und der Bewegungsrichtung eines dazu benachbarten Teils des Rotors 14 ist kleiner als 90 ° . Im Querschnitt betrachtet sind die Kühlrippen 21 gemäß der schematischen Darstellung in Fig . 4 im Wesentlichen rechteckig . Die Kühlrippen 21 haben einen über ihre Länge im Wesentlichen konstanten Querschnitt . Mit der Oberfläche des Motorgehäuses 19 schließen die Kühlrippen 21 einen rechten Winkel ein .
Bei der Aus führungs form gemäß den Fig . 2-5 haben die Aerostatoren 20 im Inneren j eweils einen Hohlraum, der sich über die gesamte radiale Ausdehnung des Ringraums 31 erstreckt . In dem Hohlraum sind Kabel 32 geführt , die sich aus dem Innenraum des Motorgehäuses 19 zum Außenraum des Impellergehäuses 15 erstrecken . Die Kabel 32 umfassen Versorgungsleitungen, mit denen elektrische Energie von einer außerhalb des Impellers angeordneten Batterie zu dem elektrischen Motor 16 im Motorgehäuse 19 zugeführt wird . Die Kabel 32 können weiter Steuerleitungen und/oder Sensorleitungen, über die im Betrieb der Impellermaschine Signale übertragen werden . Am hinteren Ende des Motorgehäuses 19 ist eine Steuerplatine angeordnet , über die der Motor 16 angesteuert wird . Indem die Kabel 32 innerhalb der Aerostatoren 20 geführt sind, kann vermieden werden, dass der Luftstrom zwischen den Kühlrippen 21 durch Kabel beeinträchtigt wird .
Ein am hinteren Ende der Impellermaschine angeordnetes Mantelbauteil 30 ist mit einer Eintrittsöf fnung 33 eines Kühlluftkanals 40 versehen . Der Kühlluftkanal 40 erstreckt sich von der Eintrittsöf fnung 33 durch den Innenraum des Motorgehäuses 19 bis zu einer Austrittsöf fnung 35 , die in den Ringraum 31 mündet . Die Austrittsöf fnung 35 erstreckt sich durch die Wand des Motorgehäuses 19 hindurch und ist in einem Bereich angeordnet , in dem im Betrieb der Impellermaschine 19 ein Unterdrück anliegt . Bei der Aus führungs fom gemäß Fig . 2 ist die Austrittsöf fnung 35 des Kühlluftkanals 40 auf der Saugseite eines Aerostators 20 angeordnet . Die in der Wand des Aerostators 20 ausgebildete Austrittsöf fnung 35 ist an einen Hohlraum im Inneren des Aerostators 20 angeschlossen, der seinerseits in Verbindung mit dem Innenraum des Motorgehäuses 19 steht . Wenn an der Austrittsöf fnung 35 ein Unterdrück anliegt , während im Bereich der Eintrittsöf fnung 33 im Wesentlichen Atmosphärendruck herrscht , wird im Betrieb der Impellermaschine durch die Druckdi f ferenz ein Kühlluftstrom durch den Kühlluftkanal 40 hindurch erzeugt .
Für eine wirksame Innenkühlung des elektrischen Motors 16 hat der Kühlluftkanal 40 eine Mehrzahl von Austrittsöf fnungen 35 . Jedem der drei Aerostatoren 20 ist eine Austrittsöf fnung 35 zugeordnet , wobei die Austrittsöf fnung 35 j eweils auf der Saugseite des Aerostators 20 angeordnet ist . Der Eintritt der Kühlluft am hinteren Ende der Impellermaschine erfolgt über über die zu der zentralen Achse 18 konzentrische Eintrittsöf fnung 33 .
Ausgehend von der Eintrittsöf fnung 33 wird die Außenwand des Kühlluftkanals 40 durch einen Innenmantel 41 des Mantelbauteils 30 gebildet . Der Innenmantels 41 weitet sich zum Motor 16 hin auf , so dass der Kühlluftstrom dem peripheren Bereich des Motors 16 zugeführt wird . Im Inneren des Kühlluftkanals 40 ist ein Kernbauteil 42 angeordnet , das sich ebenfalls zum Motor 16 hin aufweitet , so dass der Kühlluftstrom in einem ringförmig um das Kernbauteil 42 herum angeordneten Abschnitt des Kühlluftkanals 40 geführt ist . Von dort setzt sich der Kühlluftkanal 40 durch einen Ringspalt zwischen dem Magnetrotor 43 und dem Motorstator 44 des elektrischen Motors 16 fort bis zu den Austrittsöf fnungen 35 . Nach dem Durchqueren der Austrittsöf fnungen 35 vereinigt sich der Kühlluftstrom mit dem Luftstrom in dem Ringraum 31 . Das Kernbauteil 42 bildet eine erste Leitfläche im Sinne der Erfindung . Der Innenmantel 41 bildet eine zweite Leitfläche im Sinne der Erfindung .
Die Impellermaschine umfasst einen mit destilliertem Wasser gefüllten Tank 45 , der über eine Flüssigkeitsleitung 46 an den Kühlluftkanal 40 angeschlossen ist . Die Mündung 47 des Flüs- sigkeitskanals 46 ist zwischen dem Eintrittsende 33 des Kühlluftkanals 40 und dem Motor 16 angeordnet und damit in einem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Kühlluftkanals 40 . Der Flüssigkeitskanal 46 ist mit einem schaltbaren Ventil 48 versehen, das den Weg von dem Tank 45 zu der Mündung 47 des Flüs- sigkeitskanal 46 entweder freigibt oder verschließt . Das Ventil 48 wird über Steuersignale von einer Steuereinheit 49 angesteuert .
Die Flüssigkeit in dem Tank 45 steht unter Druck, so dass bei geöf fnetem Ventil 48 Flüssigkeit aus der Mündung 47 austritt und dem Kühlluftstrom in dem Kühlluftkanal 40 zugeführt wird . Die Flüssigkeit verteilt sich in feinen Tropfen und wird mit dem Kühlluftstrom dem Magnetrotor 43 und dem Motorstator 44 des Motors 16 zugeführt , wo die Flüssigkeit wenigstens teilweise verdampft und dabei Wärme aufnimmt . Nach dem Austritt aus dem Kühlluftkanal 40 wird der Dampf mit dem Luftstrom in dem Ringraum 31 abgeführt und ist verloren . Der Tank 45 muss regelmäßig mit neuer Flüssigkeit aufgefüllt werden .
Bei der Aus führungs form gemäß Fig . 6 ist der Flüssigkeitskanal 46 zwischen dem Tank 45 und dem Kühlluftkanal 40 als flexibler Schlauch 46 ausgebildet . Der Flüssigkeitskanal 46 ist durch die Außenwand des Mantelbauteils 30 hindurch geführt und erstreckt sich innerhalb eines Hohlraums zwischen der Außenwand und dem Innenmantel 41 zu dem Ventil 48 , siehe Fig . 6 . Von dort geht es weiter zu der Mündung 47 des Flüssigkeitskanals 46 . Der Überdruck in dem Tank 45 wird erzeugt über eine Druckleitung 50 , die an den Tank 45 angeschlossen ist und deren anderes Ende als Einlassöf fnung 52 in dem Ringraum 31 mündet . Gemäß Fig . 7 ist die Druckleitung 50 durch das Impellergehäuse 15 hindurch in den Innenraum eines Aerostators 20 geführt . Der Aerostator 20 hat an seiner Stirnseite 51 zwei Einlassöf fnungen 52 , durch die die Druckleitung 50 gespeist wird . Der mit dem Aerorotor 14 erzeugte Luftstrom tri f ft frontal auf die Stirnseite 51 des Aerostators 20 und erzeugt damit den gewünschten Überdruck .
Im Innenraum des Aerostators 20 ist eine Trennwand angeordnet , mit der der durch die Einlassöf fnungen 52 der Druckleitung 50 eingebrachte Überdruck getrennt wird von dem Unterdrück, der an der Austrittsöf fnung 35 des Luftkanals 40 anliegt .

Claims

Patentansprüche Impellermaschine mit einem Aerorotor (14) zum Erzeugen eines Luftstroms entlang eines zwischen einem Impellergehäuse (15) und einem Motorgehäuse (19) eingeschlossenen Ringraums (31) , wobei das Motorgehäuse (19) in einem Innenraum des Impellergehäuses (15) angeordnet ist, wobei in einem Innenraum des Motorgehäuses (19) ein elektrischer Motor (16) angeordnet ist, wobei der elektrische Motor (16) einen mit dem Motorgehäuse (19) verbundenen Motorstator (44) und einen mit dem Aerorotor (14) verbundenen Magnetrotor (43) umfasst, wobei zwischen dem Motorstator (44) und dem Magnetrotor (43) ein Motorringspalt ausgebildet ist, mit einem Kühlluftkanal (40) , der sich in dem Innenraum des Motorgehäuses (19) zwischen einem Eintrittsende (33) und einem Austrittsende (35) erstreckt, und mit einem Flüssigkeitskanal (46) , wobei der Flüssigkeitskanal (46) eine Mündung (47) aufweist, die in einem stromaufwärts des elektrischen
Motors (16) angeordneten Abschnitt des Kühlluftkanals (40) angeordnet ist. Impellermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mündung (47) des Flüssigkeitskanals (46) radial innerhalb des Motorringspalts angeordnet ist. Impellermaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass radial innerhalb des Motorringspalts eine Leitfläche (42) ausgebildet ist, entlang derer die aus dem Flüssigkeitskanal austretende Flüssigkeit zu dem Motor (16) geleitet wird. Impellermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufzahl o zwischen 1,8 und 10 liegt und/oder dass die Durchmesserzahl ö zwischen 0,8 und 1 , 5 liegt .
5. Impellermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Eintrittsende (33) des Kühlluftkanals (40) in einem Bereich angeordnet sein, in dem im Betrieb der Impellermaschine ein höherer Druck anliegt als beim Austrittsende (35) .
6. Impellermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorgehäuse (19) durch einen Aerostator (20) relativ zu dem Impellergehäuse (15) gehalten ist und dass das Austrittsende (35) des Kühlluftkanals (40) in einer Wand des Aerostators (20) angeordnet ist.
7. Impellermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Tank (45) , aus dem die Flüssigkeit zu dem Flüssigkeitskanal (46) zugeführt wird.
8. Impellermaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum des Tanks (45) im Betrieb der Impellermaschine unter Überdruck steht.
9. Impellermaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckleitung (50) sich zwischen dem Tank (45) und dem Ringraum (31) erstreckt.
10. Impellermaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckleitung (50) sich durch den Innenraum eines Aerostators (20) hindurch erstreckt.
11. Impellermaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckleitung (50) eine Einlassöffnung (52) hat, die in einer Stirnfläche (51) des Aerostators (20) angeordnet ist.
12. Impellermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Flüssigkeitskanal (46) ein Ventil (48) angeordnet ist, das unter der Kontrolle einer Steuereinheit (49) zwischen einem geöffneten Zustand und einem geschlossenen Zustand umgeschaltbar ist.
13. Impellermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass hinter dem Motorgehäuse (19) ein Mantelbauteil (30) angeordnet ist, wobei das Mantelbauteil (30) einen Innenmantel (41) umfasst und wobei ein Abschnitt des Flüssigkeitskanals (46) in einem Hohlraum zwischen dem Innenmantel (41) und einer Außenwand des Mantelbauteils (30) angeordnet ist.
14. Fluggerät, wobei der Antrieb des Fluggeräts eine Impellermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13 umfasst.
15. Verfahren zum Betreiben einer Impellermaschine, bei dem mit einem Aerorotor (14) ein Luftstrom entlang eines zwischen einem Impellergehäuse (15) und einem Motorgehäuse (19) eingeschlossenen Ringraums (31) erzeugt wird, bei dem ein in einem Innenraum des Motorgehäuses (19) angeordneter elektrischer Motor (16) gekühlt wird, indem ein Kühlluftstrom durch einen Kühlluftkanal (40) geleitet wird, der sich in dem Innenraum des Motorgehäuses (19) zwischen einem Eintrittsende (33) und einem Austrittsende (35) erstreckt, und bei dem einem stromaufwärts des elektrischen Motors (16) angeordneten Abschnitt des Kühlluftkanals (40) eine Flüssigkeit zugeführt wird.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014209410A1 (de) * 2014-05-19 2015-11-19 Daniel Schübeler Kühlsystem für einen Elektromotor
US20210317835A1 (en) * 2020-04-09 2021-10-14 Hamilton Sundstrand Corporation Cooling system for electric machines

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014209410A1 (de) * 2014-05-19 2015-11-19 Daniel Schübeler Kühlsystem für einen Elektromotor
US20210317835A1 (en) * 2020-04-09 2021-10-14 Hamilton Sundstrand Corporation Cooling system for electric machines

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
EPPLE ET AL.: "A theoretical derivation of the Cordier diagram for turbomachines", PROCEEDINGS OF THE INSTITUTION OF MECHANICAL ENGINEERS, PART C: JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING SCIENCE, vol. 225, 2011, pages 354

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