DE102016214405A1

DE102016214405A1 - Electric machine with more efficient cooling

Info

Publication number: DE102016214405A1
Application number: DE102016214405.7A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Danov; Mykhaylo Filipenko; Thomas Gleixner; Stephan Ippisch; Andreas Reeh
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2016-08-04
Filing date: 2016-08-04
Publication date: 2018-02-08
Also published as: WO2018024699A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere die Kühlung eines elektrischen Systems der Maschine. Zum Kühlen des elektrischen Systems wird ein Zwei-Phasen-Kühlsystem eingesetzt, das Kühlsystem als Thermosiphonkühlung mit einem primären Kühlmittel arbeitet, welches in dem Raum in flüssigem Zustand bereitgestellt wird und mit dem elektrischen System thermisch wechselwirkt. 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 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.The invention relates to an electrical machine, in particular the cooling of an electrical system of the machine. For cooling the electrical system, a two-phase cooling system is employed, the cooling system operating as thermosiphon cooling with a primary coolant provided in the space in a liquid state and thermally interacting with the electrical system. In this case, the coolant is selected such that it at least partially undergoes a phase change from the liquid state to a gaseous state during operation of the electrical machine within the room due to the thermal interaction with the electrical system and thereby evaporates, so that the coolant during operation of the electric Machine in space is present in two phases.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere die Kühlung eines elektrischen Systems der Maschine. The invention relates to an electrical machine, in particular the cooling of an electrical system of the machine.

Zur Klassifizierung einer elektrischen Maschine kann unter anderem die sogenannte Leistungsdichte verwendet werden, welches 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 elektrisch oder hybrid-elektrisch angetriebene Luftfahrzeuge, elektrische Maschinen mit Leistungsdichten von mindestens 20kW/kg angestrebt. For the classification of an electrical machine, among other things, the so-called power density can be used, which sets the achievable by the machine power in relation to their weight and is usually specified in kW / kg. While power densities of up to 2kW / kg are sufficient for many technical applications, for example, for the electrification of aviation, i. for electric or hybrid electric powered aircraft, electrical machines with power densities of at least 20kW / kg.

Für das elektrische Fliegen werden demnach hochleistungsdichte, elektrische Generatoren benötigt, wobei die Leistungsdichte offensichtlich durch eine Erhöhung der erbringbaren Leistung sowie durch eine Reduzierung des Bauteilgewichts erzielbar 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 Leitermaterials im Rotor und/oder Stator stärker auszunutzen bzw. auszureizen, 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 häufig nur schlecht zugänglich sind. For electric flying therefore high power density, electrical generators are needed, the power density is obviously achievable by increasing the achievable performance and by reducing the weight of the component. The implementation of the requirement for low component weight and thus tends to smaller sizes, however, entails increased power dissipation densities in the rotor and stator of the generator by itself. The use of a more efficient cooling system would allow, on the one hand, less conductor material to be used in the rotor and / or stator. On the other hand, it would be possible to make better use of the properties of the conductor material in the rotor and / or stator, ie. it can be worked with higher currents. Although the use of a more efficient cooling system ultimately promises improved power density, the realization is very complex since, due to the complex structure of the generator, the places where the heat is generated are often only poorly accessible.

Zur Kühlung einer elektrischen Maschine kann zwischen Außenkühlverfahren 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 Wandung 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 niedriger 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. For cooling an electric machine, a distinction can be made between the external cooling method and the internal cooling method. In the case of external cooling, a primary coolant circulating inside the machine releases its heat through the closed machine wall to a fluid surrounding the machine, the so-called secondary agent. In this case, the heat through the wall of the machine, which may possibly be an additional ribbing to increase the surface, are delivered to the secondary agent. In the case of internal cooling, the primary coolant at a comparatively low temperature from outside the machine in the interior of the hot parts, for example. Run from the rotor and / or stator. There it absorbs the heat from the hot parts, resulting in cooling of the hot parts and warming up of the primary coolant. The heated primary coolant carries the absorbed heat out of the machine and delivers it, for example, in a recooler to a secondary coolant.

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, welches 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. Such recoolers using such a secondary coolant, for example. Outside air, are realized for different applications in different designs and designs. A central component usually forms a heat exchanger, for example. A plate heat exchanger. The heat exchanger is flowed through by the primary coolant, which absorbs the heat in the object to be cooled, in the above-mentioned example, the electric machine or its rotor and / or stator, and leads them to the outside, the heat finally absorbed in the heat exchanger to the dispense secondary coolant, which also flows through the heat exchanger and the recooler.

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. The corresponding considerations apply not only to generators, but analogously also to electric motors, i. in consequence for electrical machines in general. In this case, an u.a. understood machine comprising a rotor and a stator, which interact electromagnetically with each other during operation of the machine, so that the machine can be operated as an electric motor or as a generator. These concepts are known per se and will therefore not be explained in detail below.

Typische, derartige Kühltechniken sind bspw. die Durchzugsbelüftung, 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 Verfahren 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. Typical, such cooling techniques are, for example, the draft ventilation, the circulation cooling, overpressure cooling, gas cooling, waveguide cooling and direct water cooling. A distinction is also made between single-phase and multi-phase cooling systems or methods, for example evaporative cooling under various conditions and single-phase methods using pumps or compressors. At the extremely high power densities intended for electric flying, however, the common cooling techniques can reach their limits.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effizientere Kühltechnik für eine elektrische Maschine anzugeben. It is therefore an object of the present invention to provide a more efficient cooling technique for an electric machine.

Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 beschriebene Verfahren sowie durch die in Anspruch 5 beschriebene elektrische Maschine gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen. This object is achieved by the method described in claim 1 and by the electrical machine described in claim 5. The subclaims describe advantageous embodiments.

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 Rotor und den Stator umfasst, sind diese derart zueinander angeordnet, 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 Thermosiphonkühlung mit einem primären Kühlmittel, welches in dem Raum in flüssigem Zustand bereitgestellt wird und mit dem elektrischen 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 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. The method for cooling an electrical system of an electric machine employs a two-phase cooling system of the electric machine. The electrical system comprises in particular a rotor and / or a stator of the electric machine and is in one of a gas-tight wall enclosed space of the electrical machine arranged. That is, in particular for the specific case that the system includes the rotor and the stator, they are arranged to each other such that they interact electromagnetically with each other during operation of the electric machine and so the electric machine is operable as a generator or as an electric motor. The cooling system operates as thermosiphon cooling with a primary coolant provided in the space in a liquid state and thermally interacting with the electrical system so that the primary coolant within the space can absorb heat from the electrical system due to the thermal interaction. The coolant is selected such that during operation of the electrical machine within the space due to the thermal interaction with the electrical system, it at least partially undergoes a phase change from the liquid state to a gaseous state and thereby evaporates, so that the coolant during operation of the electric machine is present in space in two phases and so that the now gaseous primary coolant during operation of the electrical machine with the electrical system thermally interacts so that the gaseous primary coolant can absorb heat from the electrical system within the room due to the thermal interaction.

Die Auswahl des Kühlmittels zur Erfüllung der Anforderung, dass es im Betrieb der Maschine im Raum aufgrund der thermischen 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. The selection of the coolant to meet the requirement that it evaporate in the operation of the machine in the room due to the thermal interaction with the rotor and / or stator depends essentially on the conditions within the room, i. in particular of temperature and pressure. It can be assumed that these conditions are known for the respective considered electrical machine from the design and construction phase for the machine. Accordingly, a suitable coolant can be readily selected for each such machine.

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 Wirkung 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 Wärmeübertragungskoeffizienten erreicht werden können, als mit einer einphasigen Kühltechnik. The space in which the stator and / or rotor are located is thus flooded with the primary coolant in the liquid state, the primary coolant being selected such that it evaporates at a suitable temperature, for example at T <180 ° C. The evaporation creates a pumping action, which also transports the liquid primary coolant against the effect of gravity. This leads on the one hand to an improved liquid transport to the places where the liquid evaporates, and on the other hand to an improved convective heat transfer to places where no evaporation takes place. Furthermore, it has an advantageous effect that with a cooling process with a phase change from the liquid to the gaseous state, higher heat transfer coefficients can be achieved than with a single-phase cooling technology.

Die Arbeitsweise der Thermosiphonkühlung wird dadurch vervollständigt, dass das in dem Raum verdampfte primäre Kühlmittel im Raum aufsteigt, den Raum verlässt und zu einer Wärmesenke des Kühlsystems gelangt. Das primäre Kühlmittel kondensiert in der Wärmesenke zumindest teilweise und das kondensierte primäre Kühlmittel sinkt in einer Fluidverbindung des Kühlsystems aufgrund der Gravitationswirkung ab. Das abgesunkene, kondensierte primäre Kühlmittel wird schließlich in den Raum eingeleitet. The operation of the thermosyphon cooling is completed by the fact that the primary refrigerant vaporized in the room rises in the room, leaves the room and reaches a heat sink of the cooling system. The primary coolant at least partially condenses in the heat sink and the condensed primary coolant decreases in fluid communication of the cooling system due to the gravitational effect. The sunken, condensed primary coolant is finally introduced into the room.

Dabei wird flüssiges primäres Kühlmittel über einen ersten Anschluss des Kühlsystems in den Raum eingeleitet und das gasförmige primäre Kühlmittel wird über einen zweiten Anschluss des Kühlsystems aus dem Raum abgeleitet, wobei der zweite Anschluss bevorzugt oberhalb des ersten Anschlusses angeordnet ist. In this case, liquid primary coolant is introduced into the space via a first connection of the cooling system and the gaseous primary coolant is discharged from the space via a second connection of the cooling system, wherein the second connection is preferably arranged above the first connection.

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 Wechselwirkung 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. The primary coolant circulates and / or flows through in the liquid and / or gaseous state, the electrical system during operation of the electric machine and interacts with the thermal system thermally, so that the primary coolant within the room due to the thermal interaction heat from the electrical system absorbs and at least partially completes the phase change in the room due to the thermal interaction and evaporates. That the primary coolant passes from the liquid to the gaseous state so that the now gaseous primary coolant thermally interacts with the electrical system during operation of the electric machine so that the gaseous primary coolant within the space can absorb heat from the electrical system due to the thermal interaction , At least part of the vaporized primary coolant is discharged from the room.

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 Zweiphasengebiet in dem Raum geschaffen wird. Eine derartige Erstinbetriebnahme liegt dann vor, wenn die elektrische Maschine bspw. nach Auslieferung und Installation am Betriebsort zum ersten Mal in Betrieb genommen wird. Preferably, the space is filled prior to filling with the liquid primary coolant, i. For example, before a first commissioning and / or after a maintenance of the electrical machine, evacuated. This ensures that an ideal two-phase area is created in the room. Such a first start-up occurs when the electrical machine is, for example, after startup and installation at the site for the first time in operation.

Eine entsprechende elektrische Maschine weist ein zu kühlendes 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 angeordnet, dass sie beim Betrieb der elektrischen Maschine elektromagnetisch 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 thermischen 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. A corresponding electric machine has an electrical system to be cooled, which in particular comprises a rotor and / or a stator of the electric machine, and a two-phase cooling system for cooling the electric System. The electrical system is arranged within a space enclosed by a gas-tight wall, ie in particular for the specific case that the system comprises the rotor and the stator, they are arranged in such a way that they interact electromagnetically with one another during operation of the electric machine and so electric machine is operated as a generator or as an electric motor. The cooling system is formed as a thermosiphon cooling with a liquid primary coolant which thermally interacts with the electrical system in the space so that the primary coolant within the space can absorb heat from the electrical system due to the thermal interaction. In this case, the coolant is selected such that it at least partially undergoes a phase change from a liquid state to a gaseous state during operation of the electrical machine within the room due to the thermal interaction with the electrical system and thereby evaporates. The now gaseous primary refrigerant thermally interacts with the electrical system during operation of the electrical machine so that the gaseous primary refrigerant within the room can absorb heat from the electrical system due to the thermal interaction.

Der Raum weist eine Einrichtung auf, um flüssiges primäres Kühlmittel in den Raum einzuleiten und um gasförmiges primäres Kühlmittel aus dem Raum abzuleiten, wobei das Kühlsystem und das elektrische System derart ausgebildet und im Raum angeordnet 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. The space includes means for introducing liquid primary refrigerant into the space and for discharging gaseous primary refrigerant out of the space, the cooling system and the electrical system being configured and arranged in space such that the primary refrigerant is in liquid and / or in liquid form gaseous state, the electrical system after the introduction into the room and before draining from the room and / or can flow through.

Die Einrichtung umfasst einen ersten und einen zweiten Anschluss, wobei der erste Anschluss vorgesehen ist, um flüssiges 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 Anschluss bevorzugt oberhalb des ersten Anschlusses angeordnet. The device includes a first and a second port, the first port being provided to introduce liquid primary coolant into the space, and the second port being provided to discharge gaseous primary coolant from the space. In this case, the second connection is preferably arranged above the first connection.

Der zweite Anschluss ist fluidisch mit einem Rückkühler des Kühlsystems verbunden, dem das primäre Kühlmittel in gasförmigem Zustand über den zweiten Anschluss zuführbar ist, wobei das primäre Kühlmittel im Rückkühler mit einem sekundären Kühlmittel thermisch wechselwirkt und dabei Wärme an das sekundäre Kühlmittel überträgt und dabei kondensiert. Dabei ist der Rückkühler bevorzugt oberhalb der elektrischen Maschine bzw. des Raumes angeordnet. The second port is fluidly connected to a recooler of the refrigeration system to which the primary refrigerant in the gaseous state is supplied via the second port, the primary refrigerant in the recooler thermally interacting with a secondary refrigerant while transferring heat to and condensing the secondary refrigerant. In this case, the recooler is preferably arranged above the electric machine or the room.

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 integriert, 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. The cooling system has a fluid connection to which the first port and the second port are fluidly connected outside of the space such that at least a portion of the primary coolant exiting the space through the second port is feasible via the fluid connection to the first port. In this case, the recooler is integrated into the fluid connection, i. the coolant passes from the second port into the recooler, with a first portion of the fluid communication possibly being between the second port and the recool. Alternatively, the recooler may be directly connected to the second port. Subsequently, the primary coolant passes from the recooler via a possibly second portion of the fluid connection in liquid form to the first port.

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. The electrical system may, for example, be a stator of the electrical machine. In this case, the stator comprises a laminated stator core, which has means for conducting the primary coolant through the laminated stator core. The devices can be flowed through by the primary coolant in gaseous and / or liquid state, so that the primary coolant can thermally interact with the devices and thus with the stator lamination stack.

In radialer Richtung zwischen Stator und Wandung ist ein Raumbereich ausgebildet, in dem das primäre Kühlmittel strömen kann. Damit kann das Kühlmittel das zu kühlende elektrische System auch von außen erreichen. In the radial direction between the stator and the wall, a space region is formed, in which the primary coolant can flow. Thus, the coolant can reach the electrical system to be cooled from the outside.

Die elektrische Maschine weist einen Rotor mit einer Rotationsachse 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. The electric machine has a rotor with an axis of rotation which is oriented in a standard orientation of the electric machine in the vertical direction, wherein the primary refrigerant is introduced in the liquid state down into the room and is discharged from the top of the room.

Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den Zeichnungen und der entsprechenden Beschreibung. Further advantages and embodiments will become apparent from the drawings and the corresponding description.

Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausführungsformen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dort werden gleiche Komponenten in verschiedenen Figuren durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. In the following the invention and exemplary embodiments will be explained in more detail with reference to drawings. There, the same components in different figures are identified by the same reference numerals.

Es zeigen: Show it:

1 eine erste Ausführungsform einer elektrischen Maschine in axialer Blickrichtung, 1 a first embodiment of an electric machine in the axial direction,

2 die elektrische Maschine in der ersten Ausführungsform in radialer Blickrichtung, 2 the electric machine in the first embodiment in the radial direction,

3 eine zweite Ausführungsform der elektrischen Maschine in radialer Blickrichtung. 3 a second embodiment of the electric machine in the radial direction.

Gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren kennzeichnen gleiche Komponenten. Weiterhin sei angemerkt, dass sich Begriffe wie "axial" und "radial" auf die in der jeweiligen Figur bzw. im jeweils beschriebenen Beispiel verwendete Rotationsachse R beziehen. Like reference numerals in different figures indicate like components. It should also be noted that terms such as "axial" and "radial" refer to the rotational axis R used in the respective figure or in the example described in each case.

Der Vollständigkeit halber sei weiterhin angemerkt, dass Ausdrücke 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 Gehäuses, "außen" bezeichnet einen Bereich, der außerhalb des vom Gehäuse umschlossenen Raums liegt. For the sake of completeness, it should further be noted that terms such as "inside" and "outside" and related terms always refer to the electrical machine and more particularly to a housing or wall of the machine of which the stator and the rotor of the electrical machine are surrounded. Accordingly, "inside" means inside said housing, "outside" means an area outside the space enclosed by the housing.

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 symbolisiert ist. Ein "oben" befindlicher Gegenstand befindet sich also in größerer Entfernung von der Erdoberfläche, als ein "unten" befindlicher Gegenstand. Analog beziehen sich auch die Begriffe "vertikal" und "horizontal" auf die Richtung der Gravitationswirkung. Terms such as "top", "bottom", "above", "below" etc. refer to the direction of the gravitational effect, symbolized in the figures where necessary with an arrow marked "G". An object located "above" is therefore located at a greater distance from the earth's surface than an object "below". Analogously, the terms "vertical" and "horizontal" refer to the direction of the gravitational effect.

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 Gesamtsystem, 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 werden. Bei horizontaler bzw. vertikaler Ausrichtung der Rotationsachse ist die Standardorientierung dementsprechend horizontal bzw. vertikal. Die Standardorientierung kann sich von einer momentanen Orientierung der elektrischen Maschine unterscheiden, bspw. wenn die elektrische Maschine in einem Flugzeug installiert ist. 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. Finally, the "standard orientation" of the electric machine and in particular of the rotor and the stator of the electric machine designates the orientation in which the electric machine is aligned when it or the entire system in which it is installed is not in operation, for example or immediately after the machine has been installed in the overall system. The standard orientation is usually horizontal or vertical and can be defined, for example, with the aid of the orientation of the axis of rotation of the rotor. With horizontal or vertical alignment of the axis of rotation, the standard orientation is accordingly horizontal or vertical. The standard orientation may differ from a current orientation of the electric machine, for example when the electric machine is installed in an aircraft. While the instantaneous orientation of the electric machine changes, for example, when cornering or climbing, the defined standard orientation remains unaffected. In this case, the standard orientation may, for example, be the orientation of the electric machine or the axis of rotation when the aircraft is stationary on the ground.

Die 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 Außenläufer ausgebildeten Rotor etc. die verschiedenen Komponenten der Maschine unterschiedlich angeordnet sein können. The 1 shows an example and simplifies an electrical machine 100 , It should be noted that the electric machine 100 in a similar structure basically as a generator or as an electric motor can be operated. It should also be noted that the structure of the machine described below is purely exemplary. It can be assumed as known that depending on the design of the electric machine as a generator or as an electric motor and / or as, for example. Radial or axial flow machine with a formed as an internal or external rotor rotor, etc., the various components of the machine may be arranged differently can.

Die elektrische Maschine 100 weist einen Stator 110 sowie einen als Innenläufer ausgebildeten Rotor 120 auf, wobei der Rotor 120 innerhalb des Stators 110 und konzentrisch zum Stator 110 angeordnet ist und im Betriebszustand der elektrischen 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 1 dargestellten Ausführungsform in horizontaler Richtung orientiert. The electric machine 100 has a stator 110 and a rotor formed as an inner rotor 120 on, with the rotor 120 inside the stator 110 and concentric with the stator 110 is arranged and in the operating state of the electrical machine 100 rotated about a rotation axis R. For this purpose, the rotor 120 be driven by a motor, not shown, or set in rotation. The axis of rotation R is at the in 1 illustrated embodiment oriented in the horizontal direction.

Der Stator 110 weist ein Statorblechpaket 111 mit Statorzähnen 112 auf, wobei auf die Statorzähne 112 Statorwicklungen 113 aufgebracht sind. Jede der Wicklungen 113 wird durch einen elektrischen Leiter gebildet, der im Betriebszustand der elektrischen Maschine 100 von einem elektrischen Strom durchflossen wird. Der Rotor 120 weist magnetische Mittel auf (nicht dargestellt), die bei rotierendem Rotor 120 mitrotieren. Die magnetischen Mittel können bspw. als Permanentmagnete oder als Rotorwicklungen ausgebildet sein. The stator 110 has a stator core 111 with stator teeth 112 on, taking on the stator teeth 112 stator windings 113 are applied. Each of the windings 113 is formed by an electrical conductor, which is in the operating state of the electric machine 100 is traversed by an electric current. The rotor 120 has magnetic means (not shown), with the rotor rotating 120 co-rotate. The magnetic means may, for example, be designed as permanent magnets or as rotor windings.

Im Betriebsmodus der Maschine 100 als Generator wird bei Rotation des Rotors 120 mit den Permanentmagneten in den Statorwicklungen 113 des Stators 110 in bekannter Weise eine Spannung induziert, welche über nicht dargestellte elektrische Anschlüsse abgegriffen und bspw. einem elektrischen Verbraucher zur Verfügung gestellt werden können. In the operating mode of the machine 100 as a generator is during rotation of the rotor 120 with the permanent magnets in the stator windings 113 of the stator 110 in a known manner induces a voltage which is tapped off electrical connections, not shown, and, for example, an electrical consumer can be made available.

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 dementsprechende Magnetfelder erzeugen, welche mit den Magnetfeldern der Permanentmagnete des Rotors 120 in Wechselwirkung treten. Dies resultiert bekanntermaßen darin, dass bei geeigneter 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 anzutreibende Komponente übertragen werden. To operate the electric machine 100 As an electric motor is using an external power source, an electric current in the stator windings 113 fed, which causes in a known manner that the stator windings 113 generate corresponding magnetic fields, which with the magnetic fields of the permanent magnets of the rotor 120 interact. As is known, this results in that, with a suitable arrangement of said components relative to one another, the rotor 120 is set in rotation. This rotation can be transmitted to a component to be driven by suitable means, such as a wave.

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 Wechselwirkung 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. In the operating state of the electric machine 100 so rotates the rotor 120 opposite the stator 110 , rotor 120 and stator 110 are like that arranged to each other that the magnetic field of the permanent magnets and the stator windings 113 interact with each other in such a way that the electric machine 100 works as an electric generator due to the interaction in a first operating mode and / or in a second operating mode as an electric motor.

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 Kühlmittels 171 im Raum 150 sind durch entsprechende Pfeile symbolisiert. 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. The electric machine 100 includes a gas-tight wall 140 that a room 150 surrounds, in which the stator 110 and the rotor 120 are arranged. The wall 140 or the room 150 has a facility 160 with a first connection 161 and a second port 162 through, through which a primary coolant 171 a cooling system 170 in or out of the room 150 can be directed. Possible propagation paths of the coolant 171 in the room 150 are symbolized by corresponding arrows. The coolant 171 serves in the room 150 to cool an electrical system. The electrical system can, for example, the stator 110 or the rotor 120 be. The following assumes that the stator 110 to be cooled, since this is the stator windings 113 carries, of which in the operation of the machine 100 a significant heat development starts.

Über den ersten Anschluss 161 gelangt flüssiges primäres Kühlmittel 171 in den Raum 150, der u.a. Raumbereiche 151, 152, 153 umfasst. About the first connection 161 gets liquid primary coolant 171 in the room 150 , which includes room areas 151 . 152 . 153 includes.

Das Kühlmittel 171 strömt zunächst in einen bspw. als Außenkanal 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. The coolant 171 first flows into a, for example, designed as an outer channel space area 151 , which extends in the radial direction between the stator 110 and wall 140 located and in which the coolant 171 in thermal interaction with the stator to be cooled 110 can occur.

Desweiteren strömt das primäre Kühlmittel 171 wie in der 2 angedeutet auch in einen weiteren Raumbereich 152, welcher in axialer Richtung zwischen der Wandung 140 und Stator 110 bzw. Rotor 120 ausgebildet ist. Furthermore, the primary coolant flows 171 like in the 2 also indicated in another room area 152 , which in the axial direction between the wall 140 and stator 110 or rotor 120 is trained.

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. The coolant 171 can over the wider space area 152 in a mechanical air gap between the stator 110 and rotor 120 trained room area 153 reach and there or on the way there thermally with components of the electric machine 100 interact, which flows around it or flows through it.

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 radial 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 beiden Richtungen durchströmt werden, d.h. ausgehend vom Raumbereich 151 radial nach innen zum Raumbereich 153 oder ausgehend vom Raumbereich 153 radial nach außen zum Raumbereich 151. In beiden Fällen überstreicht das primäre Kühlmittel 171 die Statorzähne 112 und die Statorwicklungen 113. The stator core 111 has facilities 114 for conducting the primary coolant 171 on. The facilities 114 may be formed, for example, as slots and / or as a substantially radially oriented channel openings, which are the primary coolant 171 can flow through, keeping it with the facilities 114 thermally interacts. Especially in the event that the facilities 114 or at least parts of which are formed as radially oriented channel openings, the coolant can be advantageously directed such that it is the stator teeth 112 and the stator windings 113 flows through or through and thus directly with the strongest heat source of the electric machine 100 comes in thermal contact in the embodiment shown here. It can the channel openings 114 , as indicated by the arrows, are flowed through in both directions, ie, starting from the space area 151 radially inward to the room area 153 or starting from the room area 153 radially outward to the room area 151 , In both cases, the primary coolant passes over 171 the stator teeth 112 and the stator windings 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 Kühlmittel 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 vollzieht und dabei verdampft, d.h. vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht. Das nunmehr gasförmige primäre Kühlmittel 171‘ steigt im Raum 150 über die verschiedenen zur Verfügung stehenden Pfade auf und wechselwirkt dabei weiterhin thermisch mit dem Stator 110 und ggf. mit anderen Komponenten 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 gasförmige primäre Kühlmittel 171‘ den Raum 150 über den zweiten Anschluss 162. The cooling system 170 is therefore designed such that the in-room, initially liquid primary coolant 171 during operation of the electric machine 100 with the electrical system to be cooled, in the case illustrated with the stator 110 , thermally interacts, leaving the primary coolant 171 inside the room 150 due to the thermal interaction heat from the stator 110 can record. The stator 110 is in turn so trained and in space 150 arranged that the primary coolant 171 the stator 110 after entering the room 150 and before deriving from the room 150 can flow around and / or through. The primary coolant 171 is now advantageously selected such that it during operation of the electrical machine 100 inside the room 150 due to the thermal interaction with the stator 110 at least partially performs a phase change and thereby evaporates, that is, from the liquid to the gaseous state passes. The now gaseous primary coolant 171 ' rises in the room 150 through the various available paths and continues to interact thermally with the stator 110 and possibly with other components of the electrical machine 100 so it's inside the room 150 heat from the stator due to the thermal interaction 110 as well as other components of the electric machine 100 can record. After flowing through the room 150 over the different paths and through the room areas 151 . 152 and or 153 leaves the gaseous primary coolant 171 ' the room 150 over the second connection 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. This summarizes the space 150 in which the electrical system to be cooled or the stator 110 located, primary coolant 171 supplied in the liquid state, wherein the primary coolant 171 is selected such that it evaporates at a suitable temperature T, eg. At T <180 ° C. The evaporation creates a pumping action, which is the liquid primary coolant 171 also contrary to the effect of Gravitation G transported. On the one hand, this leads to improved liquid transport to the places in the room 150 to which the liquid 171 evaporated, and on the other hand to an improved convective heat transfer to places where no evaporation takes place.

Ein geeignetes primäres Kühlmittel 171, welches die oben erläuterte Bedingung erfüllt, dass es im Betrieb der elektrischen 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 "global warming potential" und das "ozone depletion potential" möglichst gering sein. A suitable primary coolant 171 which satisfies the above-explained condition that it evaporates during operation of the electric machine is, for example, the product of the company 3M known under the trade name "Novec". In general, suitable fluids are characterized by good material compatibility with the installed materials of the electrical machine 100 , high insulation resistance and low toxicity and flammability. In addition, the so-called "global warming potential" and the "ozone depletion potential" should be as low as possible.

Das den Raum 150 über den zweiten Anschluss 162 verlassende gasförmige primäre Kühlmittel 171‘ 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 1 nicht sichtbar. In dem Rückkühler 175 wird das primäre Kühlmittel 171‘ mit einem sekundären Kühlmittel 176 in thermischen Kontakt gebracht, wobei Wärme vom primären Kühlmittel 171‘ an das sekundäre Kühlmittel 176 übertragen wird. Dabei kondensiert das primäre Kühlmittel 171. Das sekundäre Kühlmittel 176 kann bspw. Luft sein. Insbesondere 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 dementsprechend 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 Kühlsystem 170 arbeitet demnach nach dem Prinzip einer Thermosiphonkühlung. Der Kreislauf kann ggf. durch eine optionale, in den zweiten Abschnitt 174 der Fluidverbindung 172 integrierte Pumpvorrichtung 177 unterstützt werden. That the room 150 over the second connection 162 leaving gaseous primary coolant 171 ' passes through a first section 173 a fluid connection 172 of the cooling system 170 to a recooler 175 of the cooling system 170 , The fluid connection 172 is in the 1 not visible. In the recooler 175 becomes the primary coolant 171 ' with a secondary coolant 176 brought into thermal contact with heat from the primary coolant 171 ' to the secondary coolant 176 is transmitted. This condenses the primary coolant 171 , The secondary coolant 176 may be, for example, air. Especially in the event that the electric machine 100 is installed in an aircraft, it is advisable to use air as a secondary coolant, since the air at higher altitudes usually has a low temperature and is therefore well suited for cooling. The now in liquid state present primary coolant 171 is about a second section 174 the fluid connection 172 from the recooler 175 derived and over the first connection 161 back to the room 150 fed. The described cooling system 170 works according to the principle of thermosiphon cooling. If necessary, the circuit can be replaced by an optional, in the second section 174 the fluid connection 172 integrated pumping device 177 get supported.

Idealerweise ist die elektrische Maschine 100 derart ausgebildet, dass in der Standardorientierung der Rückkühler 175 oberhalb der elektrischen Maschine 100 bzw. oberhalb des Raumes 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 aufsteigt und so zum oben liegenden zweiten Anschluss 162 gelangt. Nach Abkühlung im Rückkühler 175 sinkt das nunmehr wieder flüssige primäre Kühlmittel 171 über die Fluidverbindung nach unten und gelangt dort zum ersten Anschluss 161. Ideally, the electric machine 100 designed such that in the standard orientation of the recooler 175 above the electric machine 100 or above the room 150 as well as the second connection 162 above the first port 161 are arranged. This arrangement supports the operation of the cooling 170 the electric machine 100 as Thermosiphonkühlung, in particular the vaporized, gaseous primary coolant 171 rises in a natural way and so to the overhead second port 162 arrives. After cooling in the recooler 175 the now again liquid primary coolant sinks 171 down the fluid connection and there reaches the first port 161 ,

Bei der in den 1, 2 dargestellten ersten Ausführungsform der elektrischen Maschine 100 mit horizontaler Standardorientierung 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 the in the 1 . 2 illustrated first embodiment of the electric machine 100 with horizontal standard orientation is the stator lamination stack 111 designed such that the ascending in gaseous or liquid state primary coolant 171 through the facilities 114 which can, for example, be designed as slots and / or as essentially radially oriented channel openings, can pass through.

In der alternativen, zweiten Ausführungsform der elektrischen Maschine 100 in vertikaler Standardorientierung, welche in 3 dargestellt ist, weist die elektrische Maschine 100 im Wesentlichen dieselben Bauteile auf wie diejenige der 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 Ausführungsform 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 Maschine 100 insbesondere in gasförmigem Zustand im Wesentlichen 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 Rückkühler 175 und die Fluidverbindung 172 geschaffen wird. Im Vergleich zur ersten Ausführungsform ist zu erwarten, dass zum Einen der Strömungswiderstand geringer und dass zum Anderen die Strömungsverteilung im radialen Querschnitt deutlich homogener ist. In the alternative, second embodiment of the electric machine 100 in vertical standard orientation, which in 3 is shown, the electric machine 100 essentially the same components as those of 1 and 2 , These components are provided with the same reference numerals and operate on the same operation as in the first embodiment, and therefore a more detailed description is omitted. In contrast to the first embodiment, however, in the second embodiment, a use of facilities 114 for directing the primary coolant 171 be waived. In this case, the primary coolant 171 during operation of the electric machine 100 in particular in the gaseous state substantially straight along the axial extent of the rotor 120 and on the stator winding 113 ascend along, so that in consequence a natural circulation over the recooler again 175 and the fluid connection 172 is created. Compared to the first embodiment, it is to be expected that, on the one hand, the flow resistance is lower and, on the other hand, the flow distribution in the radial cross section is significantly more homogeneous.

Zusätzlich zur ersten Ausführungsform sind in der zweiten Ausführungsform ein zusätzlicher erster Anschluss 161‘ sowie ein zusätzlicher zweiter Anschluss 162‘ vorgesehen. Durch den zusätzlichen ersten Anschluss 161‘ 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‘ wie schon der ursprünglich zweite Anschluss 162 dazu dient, gasförmiges primäres Kühlmittel aus dem Raum 150 abzuleiten. Die ersten Anschlüsse 161, 161‘ sowie auch die zweiten Anschlüsse 162, 162‘ 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. In addition to the first embodiment, in the second embodiment, an additional first terminal 161 ' as well as an additional second connection 162 ' intended. Due to the additional first connection 161 ' as well as through the original first connection 161 primary coolant 171 in the liquid state in the room 150 initiated while the additional second port 162 ' like the original second connection 162 this is done by gaseous primary coolant from the room 150 derive. The first connections 161 . 161 ' as well as the second connections 162 . 162 ' are below or above the room 150 like that on the wall 140 arranged that their positions in the radial direction substantially the radial positions of the stator teeth 112 and the stator windings 113 correspond. This has the consequence that the cooling medium 171 when entering the room 150 without detours on the area with the operation of the electric machine 100 strongest heat development.

Die in 3 dargestellte vertikale Anordnung der elektrischen 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. In the 3 illustrated vertical arrangement of the electrical machine 100 is superior to the horizontal arrangement with regard to the applied cooling technology by means of evaporative cooling, since a use of slotted laminated cores or facilities 114 not necessary here.

Auch wenn in den 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 Anschlüsse vorgesehen sein. Even if in the 1 . 2 only one each first and second connection 161 . 162 is shown, of course, in the first embodiment, a plurality of first and / or second terminals may be provided.

Das zu kühlende elektrische System kann grundsätzlich den Stator 110 oder den Rotor 120 oder aber Stator 110 und Rotor 120 umfassen. The electrical system to be cooled can basically be the stator 110 or the rotor 120 or else stator 110 and rotor 120 include.

Claims

Method for cooling an electrical system ( 110 . 120 ) an electric machine ( 100 ) with a two-phase cooling system ( 170 ) of the electric machine ( 100 ), where - the electrical system ( 100 ) in particular a rotor ( 120 ) and / or a stator ( 110 ) of the electric machine ( 100 ) and - the electrical system ( 110 . 120 ) in one of a gas-tight wall ( 140 ) enclosed space ( 150 ) of the electric machine ( 100 ), wherein - the cooling system ( 170 ) as thermosiphon cooling with a primary coolant ( 171 ) working in the room ( 150 ) is provided in the liquid state and with the electrical system ( 110 . 120 ) interacts thermally, the coolant ( 170 ) is selected such that during operation of the electrical machine ( 100 ) within the room ( 150 ) due to the thermal interaction with the electrical system ( 110 . 120 ) at least partially undergoes a phase change from the liquid state to a gaseous state and thereby evaporates, so that the coolant ( 171 ) during operation of the electrical machine ( 100 ) in the room ( 150 ) exists in two phases.

Method according to claim 1, characterized in that - in the room ( 150 ) vaporized primary coolant ( 171 ) in the room ( 150 ) ascends the room ( 150 ) leaves and to a heat sink ( 175 ) of the cooling system ( 170 ), - the primary coolant ( 171 ) in the heat sink ( 175 ) at least partially condensed, - the condensed primary coolant ( 171 ) in a fluid connection ( 172 ) of the cooling system ( 170 ) sinks due to the gravitational effect, - the sunken, condensed primary coolant ( 171 ) in the room ( 150 ) is initiated.

Method according to one of claims 1 to 2, characterized in that - the primary coolant ( 171 ) the electrical system ( 110 . 120 ) during operation of the electrical machine ( 100 ) flows through and / or through and thereby with the electrical system ( 110 . 120 ) thermally interacts so that the primary coolant ( 171 ) Heat from the electrical system ( 110 . 120 ) and while in the room ( 150 ) at least partially completes and vaporizes the phase change due to the thermal interaction, and - at least part of the vaporized primary coolant ( 171 ) out of the room ( 150 ) is derived.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the space ( 150 ) prior to filling with the liquid primary coolant ( 171 ) is evacuated.

Electric machine ( 100 ) comprising an electrical system to be cooled ( 110 . 120 ), which in particular a rotor ( 120 ) and / or a stator ( 110 ) of the electric machine ( 100 ) and a two-phase cooling system ( 170 ) for cooling the electrical system ( 110 . 120 ), where - the electrical system ( 110 . 120 ) within one of a gas-tight wall ( 140 ) enclosed space ( 150 ), - the cooling system ( 170 ) as thermosiphon cooling with a liquid primary coolant ( 171 ) formed in the room ( 150 ) with the electrical system ( 110 . 120 ) interacts thermally, the coolant ( 171 ) is selected such that during operation of the electrical machine ( 100 ) within the room ( 150 ) due to the thermal interaction with the electrical system ( 110 . 120 ) at least partially undergoes a phase change from a liquid state to a gaseous state and thereby evaporates, so that the coolant ( 171 ) during operation of the electrical machine ( 100 ) in the room ( 150 ) exists in two phases.

Electric machine ( 100 ) according to claim 5, characterized in that the space ( 150 ) An institution ( 160 ) to liquid primary coolant ( 171 ) in the room ( 150 ) and gaseous primary coolant ( 171 ) out of the room ( 150 ), the cooling system and the electrical system ( 110 . 120 ) and in space ( 150 ) are arranged that the primary coolant in the liquid and / or gaseous state, the electrical system after the introduction into the room ( 150 ) and before deriving from the room ( 150 ) can flow around and / or through.

Electric machine ( 100 ) according to claim 6, characterized in that the device ( 160 ) a first ( 161 . 161 ' ) and a second port ( 162 . 162 ' ), the first port ( 161 . 161 ' ) is provided to liquid primary coolant ( 171 ) in the room ( 150 ) and the second port ( 162 . 162 ' ) is provided to gaseous primary coolant ( 171 ) out of the room ( 150 ).

Electric machine ( 100 ) according to claim 7, characterized in that the second connection ( 162 . 162 ' ) above the first port ( 161 . 161 ' ) is arranged.

Electric machine ( 100 ) according to one of claims 7 to 8, characterized in that the second connection ( 162 . 162 ' ) fluidically with a recooler ( 175 ) of the cooling system ( 170 ), to which the primary coolant ( 171 ) in gaseous state via the second port ( 162 . 162 ' ), wherein the primary coolant ( 171 ) in the recooler ( 175 ) with a secondary coolant ( 176 ) thermally interacts with heat to the secondary coolant ( 176 ) transmits.

Electric machine ( 100 ) according to claim 9, characterized in that the recooler ( 175 ) above the room ( 150 ) is arranged.

Electric machine ( 100 ) according to one of claims 7 to 10, characterized in that the cooling system ( 170 ) a fluid connection ( 172 ), with which the first connection ( 161 . 161 ' ) and the second connection ( 162 . 162 ' ) outside the room ( 150 ) are fluidically connected, so that at least part of the space ( 150 ) through the second port ( 162 . 162 ' ) leaving gaseous primary coolant ( 171 ) via the fluid connection ( 172 ) to the first connection ( 161 . 161 ' ) is feasible.

Electric machine ( 100 ) according to one of claims 5 to 11, characterized in that the electrical system ( 110 . 120 ) a stator ( 110 ) of the electric machine ( 100 ).

Electric machine ( 100 ) according to claim 12, characterized in that the stator ( 110 ) a laminated stator core ( 111 ), which facilities ( 114 ) for conducting the primary coolant ( 171 ) through the laminated stator core ( 111 ), the facilities ( 114 ) of the primary coolant ( 171 ) are flowed through, so that the primary coolant ( 171 ) with the facilities ( 114 ) and thus with the laminated stator core ( 111 ) can interact thermally.

Electric machine ( 100 ) according to one of claims 5 to 13, characterized in that in the radial direction between the stator ( 110 ) and wall ( 140 ) a room area ( 151 ), in which the primary coolant ( 171 ) can flow.

Electric machine ( 100 ) according to one of claims 5 to 14, characterized in that it comprises a rotor ( 120 ) having a rotation axis R, which in a standard orientation of the electric machine ( 100 ) is oriented in the vertical direction, wherein the primary coolant ( 171 ) in the liquid state down into the room ( 150 ) and up from the room ( 150 ) is derived.