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Title:
ELECTRICAL MACHINE WITH MORE EFFICIENT COOLING
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/024699
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an electrical machine, in particular to cooling an electrical system of the machine. For the purpose of cooling the electrical system, a two-phase cooling system is used, which cooling system operates as a thermosiphon cooling means with a primary cooling agent which is provided in the liquid state in the space and thermally interacts with the electrical system. In this case, the cooling agent is selected in such a way that it at least partially completes a change in phase from the liquid state to a gaseous state and, in the process, evaporates during operation of the electrical machine within the space on account of the thermal interaction with the electrical system, so that the cooling agent is present in two phases in the space during operation of the electrical machine.

Inventors:
DANOV, Vladimir (Taunusstr. 18, Erlangen, 91056, DE)
FILIPENKO, Mykhaylo (Ginsterweg 23, Erlangen, 91058, DE)
GLEIXNER, Thomas (Im Heuschlag 25, Erlangen, 91054, DE)
IPPISCH, Stephan (Hindenburgstr. 18, Erlangen, 91054, DE)
REEH, Andreas (Wunderburggasse 12, Nürnberg, 90403, DE)
Application Number:
EP2017/069374
Publication Date:
February 08, 2018
Filing Date:
August 01, 2017
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
H02K9/20
Foreign References:
US5770903A1998-06-23
FR2882202A12006-08-18
US20100014990A12010-01-21
US3906261A1975-09-16
US3675056A1972-07-04
US3866438A1975-02-18
CN101854094A2010-10-06
Other References:
None
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zum Kühlen eines elektrischen Systems (110, 120) einer elektrischen Maschine (100) mit einem Zwei-Phasen- Kühlsystem (170) der elektrischen Maschine (100), wobei

- das elektrische System (100) insbesondere einen Rotor (120) und/oder einen Stator (110) der elektrischen Maschine (100) umfasst und

- das elektrische System (110, 120) in einem von einer gas- dichten Wandung (140) umschlossenen Raum (150) der elektrischen Maschine (100) angeordnet ist,

wobei

- das Kühlsystem (170) als Thermosiphonkühlung mit einem primären Kühlmittel (171) arbeitet, welches in dem Raum (150) in flüssigem Zustand bereitgestellt wird und mit dem elekt¬ rischen System (110, 120) thermisch wechselwirkt, wobei das Kühlmittel (170) derart ausgewählt ist, dass es beim Be¬ trieb der elektrischen Maschine (100) innerhalb des Raumes (150) aufgrund der thermischen Wechselwirkung mit dem elektrischen System (110, 120) zumindest teilweise einen

Phasenwechsel von dem flüssigen Zustand in einen gasförmigen Zustand vollzieht und dabei verdampft, so dass das Kühlmittel (171) im Betrieb der elektrischen Maschine (100) im Raum (150) in zwei Phasen vorliegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

- das in dem Raum (150) verdampfte primäre Kühlmittel (171) im Raum (150) aufsteigt, den Raum (150) verlässt und zu ei¬ ner Wärmesenke (175) des Kühlsystems (170) gelangt,

- das primäre Kühlmittel (171) in der Wärmesenke (175) zumin¬ dest teilweise kondensiert,

- das kondensierte primäre Kühlmittel (171) in einer Fluid- verbindung (172) des Kühlsystems (170) aufgrund der Gravi¬ tationswirkung absinkt,

- das abgesunkene, kondensierte primäre Kühlmittel (171) in den Raum (150) eingeleitet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass

- das primäre Kühlmittel (171) das elektrische System (110, 120) im Betrieb der elektrischen Maschine (100) um- und/oder durchströmt und dabei mit dem elektrischen System

(110, 120) thermisch wechselwirkt, so dass das primäre Kühlmittel (171) Wärme vom elektrischen System (110, 120) aufnimmt und dabei in dem Raum (150) aufgrund der thermi¬ schen Wechselwirkung zumindest teilweise den Phasenwechsel vollzieht und verdampft, und

- zumindest ein Teil des verdampften primären Kühlmittels (171) aus dem Raum (150) abgeleitet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Raum (150) vor einem Befüllen mit dem flüssigen primären Kühlmittel (171) evakuiert wird.

5. Elektrische Maschine (100) aufweisend ein zu kühlendes elektrisches System (110, 120), welches insbesondere einen Rotor (120) und/oder einen Stator (110) der elektrischen Maschine (100) umfasst, sowie ein Zwei-Phasen-Kühlsystem (170) zum Kühlen des elektrischen Systems (110, 120), wobei

- das elektrische System (110, 120) innerhalb eines von einer gasdichten Wandung (140) umschlossenen Raumes (150) ange- ordnet ist,

- das Kühlsystem (170) als Thermosiphonkühlung mit einem flüssigen primären Kühlmittel (171) ausgebildet ist, wel¬ ches in dem Raum (150) mit dem elektrischen System (110, 120) thermisch wechselwirkt, wobei das Kühlmittel (171) derart ausgewählt ist, dass es beim Betrieb der elektri¬ schen Maschine (100) innerhalb des Raumes (150) aufgrund der thermischen Wechselwirkung mit dem elektrischen System (110, 120) zumindest teilweise einen Phasenwechsel von ei¬ nem flüssigen Zustand in einen gasförmigen Zustand voll- zieht und dabei verdampft, so dass das Kühlmittel (171) im

Betrieb der elektrischen Maschine (100) im Raum (150) in zwei Phasen vorliegt.

6. Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 5, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Raum (150) eine Einrichtung (160) auf¬ weist, um flüssiges primäres Kühlmittel (171) in den Raum (150) einzuleiten und um gasförmiges primäres Kühlmittel (171) aus dem Raum (150) abzuleiten, wobei das Kühlsystem und das elektrische System (110, 120) derart ausgebildet und im Raum (150) angeordnet sind, dass das primäre Kühlmittel in flüssigem und/oder in gasförmigem Zustand das elektrische System nach dem Einleiten in den Raum (150) und vor dem Ab- leiten aus dem Raum (150) um- und/oder durchströmen kann.

7. Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 6, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Einrichtung (160) einen ersten (161, 161 λ) und einen zweiten Anschluss (162, 162 λ) umfasst, wobei der erste Anschluss (161, 161 λ) vorgesehen ist, um flüssiges primäres Kühlmittel (171) in den Raum (150) einzuleiten, und wobei der zweite Anschluss (162, 162 λ) vorgesehen ist, um gasförmiges primäres Kühlmittel (171) aus dem Raum (150) ab¬ zuleiten .

8. Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 7, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der zweite Anschluss (162, 162 λ) oberhalb des ersten Anschlusses (161, 161 λ) angeordnet ist. 9. Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anschluss (162, 162 λ) fluidisch mit einem Rückkühler (175) des Kühlsystems (170) verbunden ist, dem das primäre Kühlmittel (171) in gas¬ förmigem Zustand über den zweiten Anschluss (162, 162 λ) zu- führbar ist, wobei das primäre Kühlmittel (171) im Rückkühler (175) mit einem sekundären Kühlmittel (176) thermisch wechselwirkt und dabei Wärme an das sekundäre Kühlmittel (176) überträgt . 10. Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 9, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Rückkühler (175) oberhalb des Raums (150) angeordnet ist.

11. Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 7 bis

10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (170) eine Fluidverbindung (172) aufweist, mit der der erste Anschluss (161, 161 λ) und der zweite Anschluss (162, 162 λ) außerhalb des Raumes (150) fluidisch verbunden sind, so dass zumindest ein Teil des den Raum (150) durch den zweiten Anschluss (162, 162 λ) verlassenden gasförmigen primären Kühlmittels (171) über die Fluidverbindung (172) zum ersten Anschluss (161, 161 λ) führbar ist.

12. Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 5 bis

11, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische System (110, 120) ein Stator (110) der elektrischen Maschine (100) ist. 13. Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 12, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Stator (110) ein Statorblechpaket (111) umfasst, welches Einrichtungen (114) zum Leiten des primären Kühlmittels (171) durch das Statorblechpaket (111) aufweist, wobei die Einrichtungen (114) vom primären Kühlmit- tel (171) durchströmbar sind, so dass das primäre Kühlmittel (171) mit den Einrichtungen (114) und damit mit dem

Statorblechpaket (111) thermisch wechselwirken kann.

14. Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in radialer Richtung zwischen Stator (110) und Wandung (140) ein Raumbereich (151) ausgebildet ist, in dem das primäre Kühlmittel (171) strömen kann . 15. Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Rotor (120) mit einer Rotationsachse R aufweist, welche in einer Standardori¬ entierung der elektrischen Maschine (100) in vertikaler Richtung orientiert ist, wobei das primäre Kühlmittel (171) in flüssigem Zustand unten in den Raum (150) eingeleitet wird und oben aus dem Raum (150) abgeleitet wird.

Description:
Beschreibung

Elektrische Maschine mit effizienterer Kühlung Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesonde ¬ re die Kühlung eines elektrischen Systems der Maschine.

Zur Klassifizierung einer elektrischen Maschine kann unter anderem die sogenannte Leistungsdichte verwendet werden, wel- ches die von der Maschine erbringbare Leistung ins Verhältnis zu ihrem Gewicht setzt und in der Regel in kW/kg angegeben wird. Während für viele technische Anwendungen Leistungsdichten in Größenordnungen bis zu 2kW/kg ausreichend sind, werden bspw. für die Elektrifizierung der Luftfahrt, d.h. für elekt- risch oder hybrid-elektrisch angetriebene Luftfahrzeuge, elektrische Maschinen mit Leistungsdichten von mindestens 20kW/kg angestrebt.

Für das elektrische Fliegen werden demnach hochleistungsdich- te, elektrische Generatoren benötigt, wobei die Leistungs ¬ dichte offensichtlich durch eine Erhöhung der erbringbaren Leistung sowie durch eine Reduzierung des Bauteilgewichts er ¬ zielbar ist. Die Umsetzung der Anforderung nach geringem Bauteilgewicht und damit tendenziell kleineren Baugrößen zieht jedoch erhöhte Verlustleistungsdichten im Rotor und Stator des Generators nach sich. Die Verwendung eines leistungsfähigeren Kühlsystems würde es zum Einen erlauben, dass weniger Leitermaterial im Rotor und/oder Stator eingesetzt wird. Zum Anderen wäre es möglich, die Eigenschaften des Leitermateri- als im Rotor und/oder Stator stärker auszunutzen bzw. auszu- reizen, d.h. es kann mit höheren Strömen gearbeitet werden. Letztlich verspricht die Verwendung eines leistungsfähigeren Kühlsystems zwar eine verbesserte Leistungsdichte, jedoch ist die Realisierung sehr aufwändig, da aufgrund des komplexen Aufbaus des Generators die Orte der Entstehung der Wärme häu ¬ fig nur schlecht zugänglich sind. Zur Kühlung einer elektrischen Maschine kann zwischen Außen- kühlverfahren und Innenkühlverfahren unterschieden werden. Bei der Außenkühlung gibt ein im Inneren der Maschine umlaufendes primäres Kühlmittel seine Wärme durch die geschlossene Maschinenwandung an ein die Maschine umgebendes Fluid, das sog. Sekundärmittel, ab. Dabei kann die Wärme durch die Wan ¬ dung der Maschine, an der sich ggf. eine zusätzliche

Berippung zur Vergrößerung der Oberfläche befinden kann, an das Sekundärmittel abgegeben werden. Im Falle der Innenkühlung wird das primäre Kühlmittel bei vergleichsweise niedri ¬ ger Temperatur von außerhalb der Maschine in das Innere an die Heißteile bspw. von Rotor und/oder Stator geführt. Dort nimmt es die Wärme von den Heißteilen auf, was zu einer Kühlung der Heißteile und zu einem Aufwärmen des primären Kühlmittels führt. Das aufgewärmte primäre Kühlmittel trägt die aufgenommene Wärme aus der Maschine heraus und gibt sie bspw. in einem Rückkühler an ein sekundäres Kühlmittel ab.

Derartige Rückkühler unter Ausnutzung eines solchen sekundären Kühlmittels, bspw. Außenluft, werden zu unterschiedlichen Anwendungszwecken in unterschiedlichen Bauweisen und Auslegungen realisiert. Ein zentrales Bauteil bildet in der Regel ein Wärmetauscher, bspw. ein Plattenwärmetauscher. Der Wärmetauscher wird mit dem primären Kühlmittel durchströmt, wel ¬ ches die Wärme in dem zu kühlenden Objekt, im oben aufgeführten Beispiel die elektrische Maschine bzw. deren Rotor und/oder Stator, aufnimmt und sie nach außen führt, um die aufgenommene Wärme schließlich im Wärmetauscher an das sekundäre Kühlmittel abzugeben, welches den Wärmetauscher bzw. den Rückkühler ebenfalls durchströmt.

Die entsprechenden Überlegungen gelten nicht nur für Generatoren, sondern in analoger Weise auch für Elektromotoren, d.h. in der Konsequenz für elektrische Maschinen im Allgemeinen. Dabei wird unter einer elektrischen Maschine eine u.a. einen Rotor und einen Stator umfassende Maschine verstanden, die im Betrieb der Maschine elektromagnetisch miteinander wechselwirken, so dass die Maschine als Elektromotor oder als Generator betrieben werden kann. Diese Konzepte sind an sich bekannt, werden daher im Folgenden nicht näher erläutert.

Typische, derartige Kühltechniken sind bspw. die Durchzugsbe- lüftung, die Kreislaufkühlung, Überdruckkühlverfahren, Gaskühlung, Hohlleiterkühlung sowie auch die direkte Wasserkühlung. Auch wird zwischen ein- und mehrphasigen Kühlsystemen bzw. -verfahren unterschieden, bspw. Verdampfungskühlung unter verschiedenen Rahmenbedingungen sowie einphasige Verfah- ren unter Ausnutzung von Pumpen oder Kompressoren. Bei den für das elektrische Fliegen angestrebten extrem hohen Leistungsdichten können die gängigen Kühltechniken jedoch an ihre Grenzen gelangen. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effizientere Kühltechnik für eine elektrische Maschine anzu ¬ geben .

Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 beschriebene Ver- fahren sowie durch die in Anspruch 5 beschriebene elektrische Maschine gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen .

Das Verfahren zum Kühlen eines elektrischen Systems einer elektrischen Maschine setzt ein Zwei-Phasen-Kühlsystem der elektrischen Maschine ein. Das elektrische System umfasst insbesondere einen Rotor und/oder einen Stator der elektrischen Maschine und ist in einem von einer gasdichten Wandung umschlossenen Raum der elektrischen Maschine angeordnet. D.h. insbesondere für den konkreten Fall, dass das System den Ro ¬ tor und den Stator umfasst, sind diese derart zueinander an ¬ geordnet, dass sie beim Betrieb der elektrischen Maschine elektromagnetisch miteinander wechselwirken und so die elektrische Maschine als Generator oder als Elektromotor

betreibbar ist. Das Kühlsystem arbeitet als Thermosiphonküh- lung mit einem primären Kühlmittel, welches in dem Raum in flüssigem Zustand bereitgestellt wird und mit dem elektri ¬ schen System thermisch wechselwirkt, so dass das primäre Kühlmittel innerhalb des Raumes aufgrund der thermischen Wechselwirkung Wärme vom elektrischen System aufnehmen kann. Das Kühlmittel ist derart ausgewählt, dass es beim Betrieb der elektrischen Maschine innerhalb des Raumes aufgrund der thermischen Wechselwirkung mit dem elektrischen System zumindest teilweise einen Phasenwechsel von dem flüssigen Zustand in einen gasförmigen Zustand vollzieht und dabei verdampft, so dass das Kühlmittel im Betrieb der elektrischen Maschine im Raum in zwei Phasen vorliegt und so dass auch das nunmehr gasförmige primäre Kühlmittel im Betrieb der elektrischen Ma ¬ schine mit dem elektrischen System thermisch wechselwirkt, so dass das gasförmige primäre Kühlmittel innerhalb des Raumes aufgrund der thermischen Wechselwirkung Wärme vom elektrischen System aufnehmen kann.

Die Auswahl des Kühlmittels zur Erfüllung der Anforderung, dass es im Betrieb der Maschine im Raum aufgrund der thermi ¬ schen Wechselwirkung mit Rotor und/oder Stator verdampft, hängt im Wesentlichen von den Bedingungen bzw. Gegebenheiten innerhalb des Raumes ab, d.h. insbesondere von Temperatur und Druck. Es kann davon ausgegangen werden, dass diese Bedingungen für die jeweils betrachtete elektrische Maschine aus der Design- und Konstruktionsphase für die Maschine bekannt sind. Dementsprechend lässt sich für jede derartige Maschine ohne weiteres ein geeignetes Kühlmittel auswählen.

Der Raum, in dem sich Stator und/oder Rotor befinden, wird demnach mit dem primären Kühlmittel in flüssigem Zustand geflutet, wobei das primäre Kühlmittel derart ausgewählt ist, dass es bei einer geeigneten Temperatur verdampft, bspw. bei T<180°C. Durch die Verdampfung entsteht eine Pumpwirkung, welche das flüssige primäre Kühlmittel auch entgegen der Wir ¬ kung der Gravitation transportiert. Dies führt zum Einen zu einem verbesserten Flüssigkeitstransport zu den Orten, an welchen die Flüssigkeit verdampft, und zum Anderen zu einem verbesserten konvektiven Wärmeübertrag an Orte, an welchen keine Verdampfung stattfindet. Des Weiteren wirkt sich vorteilhaft aus, dass mit einem Kühlverfahren mit Phasenwechsel vom flüssigen zum gasförmigen Zustand höhere Wärmeübertra ¬ gungskoeffizienten erreicht werden können, als mit einer einphasigen Kühltechnik.

Die Arbeitsweise der Thermosiphonkühlung wird dadurch vervollständigt, dass das in dem Raum verdampfte primäre Kühl ¬ mittel im Raum aufsteigt, den Raum verlässt und zu einer Wär mesenke des Kühlsystems gelangt. Das primäre Kühlmittel kon ¬ densiert in der Wärmesenke zumindest teilweise und das kon ¬ densierte primäre Kühlmittel sinkt in einer Fluidverbindung des Kühlsystems aufgrund der Gravitationswirkung ab. Das ab ¬ gesunkene, kondensierte primäre Kühlmittel wird schließlich in den Raum eingeleitet. Dabei wird flüssiges primäres Kühlmittel über einen ersten Anschluss des Kühlsystems in den Raum eingeleitet und das gasförmige primäre Kühlmittel wird über einen zweiten An ¬ schluss des Kühlsystems aus dem Raum abgeleitet, wobei der zweite Anschluss bevorzugt oberhalb des ersten Anschlusses angeordnet ist.

Das primäre Kühlmittel um- und/oder durchströmt in flüssigem und/oder in gasförmigem Zustand das elektrische System im Betrieb der elektrischen Maschine und wechselwirkt dabei mit dem elektrischen System thermisch, so dass das primäre Kühlmittel innerhalb des Raumes aufgrund der thermischen Wechsel ¬ wirkung Wärme vom elektrischen System aufnimmt und dabei in dem Raum aufgrund der thermischen Wechselwirkung zumindest teilweise den Phasenwechsel vollzieht und verdampft. D.h. das primäre Kühlmittel geht vom flüssigen in den gasförmigen Zustand über, so dass das nunmehr gasförmige primäre Kühlmittel im Betrieb der elektrischen Maschine mit dem elektrischen System thermisch wechselwirkt, so dass das gasförmige primäre Kühlmittel innerhalb des Raumes aufgrund der thermischen Wechselwirkung Wärme vom elektrischen System aufnehmen kann. Zumindest ein Teil des verdampften primären Kühlmittels wird aus dem Raum abgeleitet. Bevorzugt wird der Raum vor einem Befüllen mit dem flüssigen primären Kühlmittel, d.h. bspw. vor einer Erstinbetriebnahme und/oder nach einer Wartung der elektrischen Maschine, evakuiert. Damit wird erreicht, dass ein möglichst ideales Zwei ¬ phasengebiet in dem Raum geschaffen wird. Eine derartige Erstinbetriebnahme liegt dann vor, wenn die elektrische Ma ¬ schine bspw. nach Auslieferung und Installation am Betriebsort zum ersten Mal in Betrieb genommen wird.

Eine entsprechende elektrische Maschine weist ein zu kühlen ¬ des elektrisches System auf, welches insbesondere einen Rotor und/oder einen Stator der elektrischen Maschine umfasst, sowie ein Zwei-Phasen-Kühlsystem zum Kühlen des elektrischen Systems. Das elektrische System ist innerhalb eines von einer gasdichten Wandung umschlossenen Raumes angeordnet, d.h. insbesondere für den konkreten Fall, dass das System den Rotor und den Stator umfasst, sind diese derart zueinander angeord ¬ net, dass sie beim Betrieb der elektrischen Maschine elektro ¬ magnetisch miteinander wechselwirken und so die elektrische Maschine als Generator oder als Elektromotor betreibbar ist. Das Kühlsystem ist als Thermosiphonkühlung mit einem flüssigen primären Kühlmittel ausgebildet, welches in dem Raum mit dem elektrischen System thermisch wechselwirkt, so dass das primäre Kühlmittel innerhalb des Raumes aufgrund der thermi ¬ schen Wechselwirkung Wärme vom elektrischen System aufnehmen kann. Dabei ist das Kühlmittel derart ausgewählt, dass es beim Betrieb der elektrischen Maschine innerhalb des Raumes aufgrund der thermischen Wechselwirkung mit dem elektrischen System zumindest teilweise einen Phasenwechsel von einem flüssigen Zustand in einen gasförmigen Zustand vollzieht und dabei verdampft. Das nunmehr gasförmige primäre Kühlmittel wechselwirkt im Betrieb der elektrischen Maschine mit dem elektrischen System thermisch, so dass das gasförmige primäre Kühlmittel innerhalb des Raumes aufgrund der thermischen Wechselwirkung Wärme vom elektrischen System aufnehmen kann.

Der Raum weist eine Einrichtung auf, um flüssiges primäres Kühlmittel in den Raum einzuleiten und um gasförmiges primä- res Kühlmittel aus dem Raum abzuleiten, wobei das Kühlsystem und das elektrische System derart ausgebildet und im Raum an ¬ geordnet sind, dass das primäre Kühlmittel in flüssigem und/oder in gasförmigem Zustand das elektrische System nach dem Einleiten in den Raum und vor dem Ableiten aus dem Raum um- und/oder durchströmen kann.

Die Einrichtung umfasst einen ersten und einen zweiten An- schluss, wobei der erste Anschluss vorgesehen ist, um flüssi- ges primäres Kühlmittel in den Raum einzuleiten, und wobei der zweite Anschluss vorgesehen ist, um gasförmiges primäres Kühlmittel aus dem Raum abzuleiten. Dabei ist der zweite An ¬ schluss bevorzugt oberhalb des ersten Anschlusses angeordnet. Der zweite Anschluss ist fluidisch mit einem Rückkühler des Kühlsystems verbunden, dem das primäre Kühlmittel in gasför ¬ migem Zustand über den zweiten Anschluss zuführbar ist, wobei das primäre Kühlmittel im Rückkühler mit einem sekundären Kühlmittel thermisch wechselwirkt und dabei Wärme an das se- kundäre Kühlmittel überträgt und dabei kondensiert. Dabei ist der Rückkühler bevorzugt oberhalb der elektrischen Maschine bzw. des Raumes angeordnet.

Das Kühlsystem weist eine Fluidverbindung auf, mit der der erste Anschluss und der zweite Anschluss außerhalb des Raumes fluidisch verbunden sind, so dass zumindest ein Teil des den Raum durch den zweiten Anschluss verlassenden primären Kühlmittels über die Fluidverbindung zum ersten Anschluss führbar ist. Dabei ist der Rückkühler in die Fluidverbindung inte- griert, d.h. das Kühlmittel gelangt aus dem zweiten Anschluss in den Rückkühler, wobei sich zwischen dem zweiten Anschluss und dem Rückkühler ggf. ein erster Abschnitt der Fluidverbindung befinden kann. Alternativ kann der Rückkühler direkt mit dem zweiten Anschluss verbunden sein. Anschließend gelangt das primäre Kühlmittel aus dem Rückkühler über einen ggf. zweiten Abschnitt der Fluidverbindung in flüssiger Form zum ersten Anschluss. Das elektrische System kann bspw. ein Stator der elektrischen Maschine sein. Dabei umfasst der Stator ein Statorblechpaket, welches Einrichtungen zum Leiten des primären Kühlmittels durch das Statorblechpaket aufweist. Die Einrichtungen sind vom primären Kühlmittel in gasförmigem und/oder flüssigem Zustand durchströmbar, so dass das primäre Kühlmittel mit den Einrichtungen und damit mit dem Statorblechpaket thermisch wechselwirken kann. In radialer Richtung zwischen Stator und Wandung ist ein

Raumbereich ausgebildet, in dem das primäre Kühlmittel strö ¬ men kann. Damit kann das Kühlmittel das zu kühlende elektri ¬ sche System auch von außen erreichen. Die elektrische Maschine weist einen Rotor mit einer Rotati ¬ onsachse auf, welche in einer Standardorientierung der elektrischen Maschine in vertikaler Richtung orientiert ist, wobei das primäre Kühlmittel in flüssigem Zustand unten in den Raum eingeleitet wird und oben aus dem Raum abgeleitet wird.

Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den Zeichnungen und der entsprechenden Beschreibung.

Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausfüh- rungsformen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dort werden gleiche Komponenten in verschiedenen Figuren durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.

Es zeigen:

FIG 1 eine erste Ausführungsform einer elektrischen Maschine in axialer Blickrichtung,

FIG 2 die elektrische Maschine in der ersten Ausführungs- form in radialer Blickrichtung,

FIG 3 eine zweite Ausführungsform der elektrischen Maschine in radialer Blickrichtung. Gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren kennzeichnen gleiche Komponenten. Weiterhin sei angemerkt, dass sich Be ¬ griffe wie "axial" und "radial" auf die in der jeweiligen Fi- gur bzw. im jeweils beschriebenen Beispiel verwendete Rotati ¬ onsachse R beziehen.

Der Vollständigkeit halber sei weiterhin angemerkt, dass Aus ¬ drücke wie "innen" und "außen" und hiermit verwandte Begriffe sich stets auf die elektrische Maschine und insbesondere auf ein Gehäuse bzw. eine Wandung der Maschine beziehen, von dem der Stator und der Rotor der elektrischen Maschine umgeben sind. "Innen" bedeutet demzufolge innerhalb des genannten Ge ¬ häuses, "außen" bezeichnet einen Bereich, der außerhalb des vom Gehäuse umschlossenen Raums liegt.

Begriffe wie "oben", "unten", "über", "unter" etc. beziehen sich auf die Richtung der Gravitationswirkung, die in den Figuren wo nötig mit einem mit "G" gekennzeichneten Pfeil sym- bolisiert 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 Rich ¬ tung der Gravitationswirkung.

Schließlich bezeichnet die "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 Ge- samtsystem, in dem sie installiert ist, nicht in Betrieb 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 Rotors definiert wer- den. Bei horizontaler bzw. vertikaler Ausrichtung der Rotationsachse ist die Standardorientierung dementsprechend hori ¬ zontal bzw. vertikal. Die Standardorientierung kann sich von einer momentanen Orientierung der elektrischen Maschine un- terscheiden, bspw. wenn die elektrische Maschine in einem Flugzeug installiert ist. Während sich zwar bspw. im Kurven ¬ oder Steigflug die momentane Orientierung der elektrischen Maschine ändert, bleibt die definierte Standardorientierung unbeeinflusst . In diesem Fall kann die Standardorientierung bspw. die Orientierung der elektrischen Maschine bzw. der Rotationsachse sein, wenn das Flugzeug unbewegt am Boden steht.

Die FIG 1 zeigt exemplarisch und vereinfacht eine elektrische Maschine 100. Es sei erwähnt, dass die elektrische Maschine 100 in ähnlichem Aufbau grundsätzlich als Generator oder als Elektromotor 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 Ausbildung der elektrischen Maschine als Generator oder als Elektromotor und/oder als bspw. Radial- oder Axialflussmaschine mit einem als Innen- oder auch als Außen ¬ läufer ausgebildeten Rotor etc. die verschiedenen Komponenten der Maschine unterschiedlich angeordnet sein können.

Die elektrische Maschine 100 weist einen Stator 110 sowie ei ¬ nen als Innenläufer ausgebildeten Rotor 120 auf, wobei der Rotor 120 innerhalb des Stators 110 und konzentrisch zum Sta ¬ tor 110 angeordnet ist und im Betriebszustand der elektri- sehen Maschine 100 um eine Rotationsachse R rotiert. Hierzu kann der Rotor 120 mit Hilfe eines nicht dargestellten Motors angetrieben bzw. in Rotation versetzt werden. Die Rotationsachse R ist bei der in FIG 1 dargestellten Ausführungsform in horizontaler Richtung orientiert.

Der Stator 110 weist ein Statorblechpaket 111 mit Stator ¬ zähnen 112 auf, wobei auf die Statorzähne 112 Stator ¬ wicklungen 113 aufgebracht sind. Jede der Wicklungen 113 wird durch einen elektrischen Leiter gebildet, der im Betriebszu- stand der elektrischen Maschine 100 von einem elektrischen

Strom durchflössen wird. Der Rotor 120 weist magnetische Mit ¬ tel auf (nicht dargestellt) , die bei rotierendem Rotor 120 mitrotieren. Die magnetischen Mittel können bspw. als Permanentmagnete oder als Rotorwicklungen ausgebildet sein.

Im Betriebsmodus der Maschine 100 als Generator wird bei Ro- tation des Rotors 120 mit den Permanentmagneten in den

Statorwicklungen 113 des Stators 110 in bekannter Weise eine Spannung induziert, welche über nicht dargestellte elektri ¬ sche Anschlüsse abgegriffen und bspw. einem elektrischen Verbraucher zur Verfügung gestellt werden können.

Zum Betreiben der elektrischen Maschine 100 als Elektromotor wird mit Hilfe einer externen Stromquelle ein elektrischer Strom in die Statorwicklungen 113 eingespeist, welcher in bekannter Weise bewirkt, dass die Statorwicklungen 113 dement- sprechende Magnetfelder erzeugen, welche mit den Magnetfel ¬ dern der Permanentmagnete des Rotors 120 in Wechselwirkung treten. Dies resultiert bekanntermaßen darin, dass bei geeig ¬ neter Anordnung der genannten Komponenten zueinander der Rotor 120 in Rotation versetzt wird. Diese Rotation kann mit Hilfe geeigneter Mittel wie bspw. mit einer Welle an eine an ¬ zutreibende Komponente übertragen werden.

Im Betriebszustand der elektrischen Maschine 100 rotiert also der Rotor 120 gegenüber dem Stator 110. Rotor 120 und Stator 110 sind so zueinander angeordnet, dass das Magnetfeld der

Permanentmagnete und die Statorwicklungen 113 derart in Wech ¬ selwirkung miteinander treten, dass die elektrische Maschine 100 aufgrund der Wechselwirkung in einem ersten Betriebsmodus als Generator und/oder in einem zweiten Betriebsmodus als Elektromotor arbeitet.

Die elektrische Maschine 100 umfasst eine gasdichte Wandung 140, die einen Raum 150 umgibt, in dem der Stator 110 und der Rotor 120 angeordnet sind. Die Wandung 140 bzw. der Raum 150 weist eine Einrichtung 160 mit einem ersten Anschluss 161 und einem zweiten Anschluss 162 auf, durch die ein primäres Kühlmittel 171 eines Kühlsystems 170 in den bzw. aus dem Raum 150 geleitet werden kann. Mögliche Ausbreitungspfade des Kühlmit- tels 171 im Raum 150 sind durch entsprechende Pfeile symboli ¬ siert. Das Kühlmittel 171 dient dazu, in dem Raum 150 ein elektrisches System zu kühlen. Das elektrische System kann bspw. der Stator 110 oder der Rotor 120 sein. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass der Stator 110 gekühlt werden soll, da dieser die Statorwicklungen 113 trägt, von denen im Betrieb der Maschine 100 eine erhebliche Wärmeentwicklung ausgeht . Über den ersten Anschluss 161 gelangt flüssiges primäres

Kühlmittel 171 in den Raum 150, der u.a. Raumbereiche 151, 152, 153 umfasst.

Das Kühlmittel 171 strömt zunächst in einen bspw. als Außen- kanal ausgebildeten Raumbereich 151, welcher sich in radialer Richtung zwischen Stator 110 und Wandung 140 befindet und in dem das Kühlmittel 171 in thermische Wechselwirkung mit dem zu kühlenden Stator 110 treten kann. Desweiteren strömt das primäre Kühlmittel 171 wie in der FIG 2 angedeutet auch in einen weiteren Raumbereich 152, welcher in axialer Richtung zwischen der Wandung 140 und Stator 110 bzw. Rotor 120 ausgebildet ist. Das Kühlmittel 171 kann über den weiteren Raumbereich 152 in einen als mechanischer Luftspalt zwischen Stator 110 und Rotor 120 ausgebildeten Raumbereich 153 gelangen und auch dort bzw. auf dem Weg dorthin thermisch mit Komponenten der elektrischen Maschine 100 wechselwirken, die es dabei um- bzw. durchströmt.

Das Statorblechpaket 111 weist Einrichtungen 114 zum Leiten des primären Kühlmittels 171 auf. Die Einrichtungen 114 können bspw. als Schlitze und/oder als im Wesentlichen radial orientierte Kanalöffnungen ausgebildet sein, die das primäre Kühlmittel 171 durchströmen kann, wobei es mit den Einrichtungen 114 thermisch wechselwirkt. Insbesondere für den Fall, dass die Einrichtungen 114 oder zumindest Teile davon als ra- dial orientierte Kanalöffnungen ausgebildet sind, kann das Kühlmittel vorteilhafterweise derart geleitet werden, dass es die Statorzähne 112 und die Statorwicklungen 113 um- bzw. durchströmt und damit direkt mit der stärksten Wärmequelle der elektrischen Maschine 100 in der hier dargestellten Ausführungsform in thermischen Kontakt kommt. Dabei können die Kanalöffnungen 114, wie durch die Pfeile angedeutet, in bei ¬ den Richtungen durchströmt werden, d.h. ausgehend vom Raumbe ¬ reich 151 radial nach innen zum Raumbereich 153 oder ausge- hend vom Raumbereich 153 radial nach außen zum Raumbereich

151. In beiden Fällen überstreicht das primäre Kühlmittel 171 die Statorzähne 112 und die Statorwicklungen 113.

Das Kühlsystem 170 ist demnach derart ausgebildet, dass das im Raum befindliche, zunächst flüssige primäre Kühlmittel 171 im Betrieb der elektrischen Maschine 100 mit dem zu kühlenden elektrischen System, im dargestellten Fall also mit dem Stator 110, thermisch wechselwirkt, so dass das primäre Kühlmit ¬ tel 171 innerhalb des Raumes 150 aufgrund der thermischen Wechselwirkung Wärme vom Stator 110 aufnehmen kann. Der Stator 110 ist seinerseits derart ausgebildet und im Raum 150 angeordnet, dass das primäre Kühlmittel 171 den Stator 110 nach dem Einleiten in den Raum 150 und vor dem Ableiten aus dem Raum 150 um- und/oder durchströmen kann. Das primäre Kühlmittel 171 ist nun vorteilhafterweise derart ausgewählt, dass es beim Betrieb der elektrischen Maschine 100 innerhalb des Raumes 150 aufgrund der thermischen Wechselwirkung mit dem Stator 110 zumindest teilweise einen Phasenwechsel voll ¬ zieht und dabei verdampft, d.h. vom flüssigen in den gasför- migen Zustand übergeht. Das nunmehr gasförmige primäre Kühl ¬ mittel 171 λ steigt im Raum 150 über die verschiedenen zur Verfügung stehenden Pfade auf und wechselwirkt dabei weiter ¬ hin thermisch mit dem Stator 110 und ggf. mit anderen Kompo ¬ nenten der elektrischen Maschine 100, so dass es innerhalb des Raumes 150 aufgrund der thermischen Wechselwirkung weiterhin Wärme vom Stator 110 sowie auch von anderen Komponenten der elektrischen Maschine 100 aufnehmen kann. Nach Durchströmen des Raumes 150 über die verschiedenen Pfade und durch die Raumbereiche 151, 152 und/oder 153 verlässt das gasförmi ¬ ge primäre Kühlmittel 171 λ den Raum 150 über den zweiten An- schluss 162. Dies zusammenfassend wird also dem Raum 150, in dem sich das zu kühlende elektrische System bzw. der Stator 110 befindet, primäres Kühlmittel 171 in flüssigem Zustand zugeführt, wobei das primäre Kühlmittel 171 derart ausgewählt ist, dass es bei einer geeigneten Temperatur T verdampft, bspw. bei T<180°C. Durch die Verdampfung entsteht eine Pumpwirkung, welche das flüssige primäre Kühlmittel 171 auch entgegen der Wirkung der Gravitation G transportiert. Dies führt zum Einen zu einem verbesserten Flüssigkeitstransport zu den Orten im Raum 150, an welchen die Flüssigkeit 171 verdampft, und zum Anderen zu einem verbesserten konvektiven Wärmeübertrag an Orte, an welchen keine Verdampfung stattfindet.

Ein geeignetes primäres Kühlmittel 171, welches die oben er ¬ läuterte Bedingung erfüllt, dass es im Betrieb der elektri- sehen Maschine verdampft, ist bspw. das unter dem Markennamen "Novec" bekannte Produkt der Firma 3M. Generell zeichnen sich geeignete Flüssigkeiten durch eine gute Materialverträglichkeit mit den verbauten Materialien der elektrischen Maschine 100, eine hohe Isolationsfestigkeit sowie geringe Toxizität und Brennbarkeit aus. Zusätzlich sollten das sogenannte "glo ¬ bal warming potential" und das "ozone depletion potential" möglichst gering sein.

Das den Raum 150 über den zweiten Anschluss 162 verlassende gasförmige primäre Kühlmittel 171 λ gelangt über einen ersten Abschnitt 173 einer Fluidverbindung 172 des Kühlsystems 170 zu einem Rückkühler 175 des Kühlsystems 170. Die Fluidverbindung 172 ist in der FIG 1 nicht sichtbar. In dem Rückkühler 175 wird das primäre Kühlmittel 171 λ mit einem sekundären Kühlmittel 176 in thermischen Kontakt gebracht, wobei Wärme vom primären Kühlmittel 171 λ an das sekundäre Kühlmittel 176 übertragen wird. Dabei kondensiert das primäre Kühlmittel 171. Das sekundäre Kühlmittel 176 kann bspw. Luft sein. Ins- besondere für den Fall, dass die elektrische Maschine 100 in einem Luftfahrzeug installiert ist, bietet es sich an, Luft als sekundäres Kühlmittel einzusetzen, da die Luft in größere Höhen in der Regel eine geringe Temperatur aufweist und dem- entsprechend gut zum Kühlen geeignet ist. Das nunmehr wieder in flüssigem Zustand vorliegende primäre Kühlmittel 171 wird über einen zweiten Abschnitt 174 der Fluidverbindung 172 aus dem Rückkühler 175 abgeleitet und über den ersten Anschluss 161 wieder dem Raum 150 zugeführt. Das beschriebene Kühlsys- tem 170 arbeitet demnach nach dem Prinzip einer Thermosiphon- kühlung. Der Kreislauf kann ggf. durch eine optionale, in den zweiten Abschnitt 174 der Fluidverbindung 172 integrierte Pumpvorrichtung 177 unterstützt werden. Idealerweise ist die elektrische Maschine 100 derart ausge ¬ bildet, dass in der Standardorientierung der Rückkühler 175 oberhalb der elektrischen Maschine 100 bzw. oberhalb des Rau ¬ mes 150 sowie der zweite Anschluss 162 oberhalb des ersten Anschlusses 161 angeordnet sind. Diese Anordnung unterstützt die Arbeitsweise der Kühlung 170 der elektrischen Maschine

100 als Thermosiphonkühlung, da insbesondere das verdampfte, gasförmige primäre Kühlmittel 171 in natürlicher Weise auf ¬ steigt und so zum oben liegenden zweiten Anschluss 162 gelangt. Nach Abkühlung im Rückkühler 175 sinkt das nunmehr wieder flüssige primäre Kühlmittel 171 über die Fluidverbin ¬ dung nach unten und gelangt dort zum ersten Anschluss 161.

Bei der in den FIG 1, 2 dargestellten ersten Ausführungsform der elektrischen Maschine 100 mit horizontaler Standardorien- tierung ist das Statorblechpaket 111 derart gestaltet, dass das in gasförmigem oder auch in flüssigem Zustand aufsteigende primäre Kühlmittel 171 durch die Einrichtungen 114, die bspw. als Schlitze und/oder als im Wesentlichen radial orientierte Kanalöffnungen ausgebildet sein können, hindurchtreten kann.

In der alternativen, zweiten Ausführungsform der elektrischen Maschine 100 in vertikaler Standardorientierung, welche in FIG 3 dargestellt ist, weist die elektrische Maschine 100 im Wesentlichen dieselben Bauteile auf wie diejenige der FIG 1 und 2. Diese Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und arbeiten nach der gleichen Funktionsweise wie in der ersten Ausführungsform, weswegen auf eine tiefer gehende Beschreibung verzichtet wird. Im Unterschied zur ersten Aus ¬ führungsform kann in der zweiten Ausführungsform jedoch auf eine Verwendung von Einrichtungen 114 zum gezielten Leiten des primären Kühlmittels 171 verzichtet werden. Dabei kann das primäre Kühlmittel 171 im Betrieb der elektrischen Ma ¬ schine 100 insbesondere in gasförmigem Zustand im Wesentli ¬ chen gerade entlang der axialen Erstreckung des Rotors 120 und an der Statorwicklung 113 entlang aufsteigen, so dass in der Konsequenz wieder ein natürlicher Umlauf über den Rück- kühler 175 und die Fluidverbindung 172 geschaffen wird. Im Vergleich zur ersten Ausführungsform ist zu erwarten, dass zum Einen der Strömungswiderstand geringer und dass zum Ande ¬ ren die Strömungsverteilung im radialen Querschnitt deutlich homogener ist.

Zusätzlich zur ersten Ausführungsform sind in der zweiten Ausführungsform ein zusätzlicher erster Anschluss 161 λ sowie ein zusätzlicher zweiter Anschluss 162 λ vorgesehen. Durch den zusätzlichen ersten Anschluss 161 λ wird wie auch durch den ursprünglichen ersten Anschluss 161 primäres Kühlmittel 171 in flüssigem Zustand in den Raum 150 eingeleitet, während der zusätzliche zweite Anschluss 162 λ wie schon der ursprünglich zweite Anschluss 162 dazu dient, gasförmiges primäres Kühl ¬ mittel aus dem Raum 150 abzuleiten. Die ersten Anschlüsse 161, 161 λ sowie auch die zweiten Anschlüsse 162, 162 λ sind unterhalb bzw. oberhalb des Raumes 150 derart an der Wandung 140 angeordnet, dass ihre Positionen in radialer Richtung im Wesentlichen den radialen Positionen der Statorzähne 112 und der Statorwicklungen 113 entsprechen. Dies hat zur Folge, dass das Kühlmedium 171 beim Eintritt in den Raum 150 ohne Umwege auf den Bereich mit der im Betrieb der elektrischen Maschine 100 stärksten Wärmeentwicklung trifft. Die in FIG 3 dargestellte vertikale Anordnung der elektri ¬ schen Maschine 100 ist der horizontalen Anordnung hinsichtlich der angewendeten Kühltechnik mittels Verdampfungskühlung überlegen, da eine Verwendung von geschlitzten Blechpaketen bzw. Einrichtungen 114 hier nicht notwendig ist.

Auch wenn in den FIG 1, 2 nur jeweils ein erster und zweiter Anschluss 161, 162 dargestellt ist, können natürlich auch in der ersten Ausführungsform mehrere erste und/oder zweite An- Schlüsse vorgesehen sein.

Das zu kühlende elektrische System kann grundsätzlich den Stator 110 oder den Rotor 120 oder aber Stator 110 und Rotor 120 umfassen.