WO2018024699A1 - Electrical machine with more efficient cooling - Google Patents

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.

Description

Beschreibung description

Elektrische Maschine mit effizienterer Kühlung Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesonde^¬ re die Kühlung eines elektrischen Systems der Maschine. Electric machine with more efficient cooling The invention relates to an electrical machine, insbesonde ^¬ re cooling of an electrical system of the machine.

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. For the classification of an electric machine, among other things, the so-called power density can be used, which sets the power that can be generated by the machine in relation to its 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 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 Therefore be for the electric fly hochleistungsdich- appliances, electric generators needed, and he is ^{¬ ¬} targetable power density obviously by increasing the performance and performable by reducing component weight. 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 utilize or excite more strongly the properties of the conductor material than in the rotor and / or stator, ie higher currents can be used. Ultimately, the use promises a more efficient cooling system, although an improved power density, however, the implementation is very costly, since the locations of the formation of heat are frequently ^¬ fig poorly accessible due to the complex structure of the generator. 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 Wan ^¬ tion of the machine, at which possibly an additional

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. Ribbing to increase the surface area can be delivered to the secondary agent. In the case of internal cooling the primary coolant is at a relatively niedri ^¬ ger temperature from outside the machine into the interior of the hot parts, for example. Of the rotor and / or stator out. 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, 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. 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 flows through the primary coolant, wel ^¬ ches the heat in the object to be cooled, in the example above, the electric machine or its rotor and / or stator, receives and leads them to the outside, the heat absorbed finally in the heat exchanger to deliver to the 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 also analogously to electric motors, ie in consequence for electrical machines in general. In this case, an electric machine is understood to mean, inter alia, a rotor and a stator comprising a machine which interact electromagnetically with one another during operation of the machine, so that the machine can be used as an electric motor or as an electric motor Generator can be operated. These concepts are known per se and will therefore not be explained in detail below.

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 . Typical such cooling techniques are, for example, through-draft ventilation, circulation cooling, overpressure cooling processes, gas cooling, waveguide cooling and also direct water cooling. A distinction is also made between single-phase and multi-phase cooling systems or methods, for example evaporative cooling under various boundary 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. It is therefore an object of the present invention to a more efficient cooling technology for an electric machine type ^¬.

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 . 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 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 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 arranged in a space enclosed by a gas-tight wall space of the electric machine. Ie in particular for the specific case that the system the Ro ^¬ tor and includes the stator, these are relative to each other at ^¬ arranged that they electromagnetically interact and operation of the electric machine to each other so the electric machine as a generator or as an electric motor

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. is operable. The cooling system operates as Thermosiphonküh- development with a primary refrigerant which is provided in the space in the liquid state and thermally interacts with the electrical ^¬'s system so that the primary Coolant within the room due to the thermal interaction can absorb heat from the electrical system. 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 the space in two phases and so that the now gaseous primary coolant during operation of the electrical Ma ^¬ machine thermally interacts with the electrical system, 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 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. The selection of the coolant to meet the requirement that it evaporates 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 or conditions within the room, ie in particular of temperature and Print. 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 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. 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. By the evaporation of a pumping action that transports the liquid primary coolant also against the effect of gravity We ^¬ formed. 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 method with phase change From the liquid to the gaseous state higher Wärmeübertra ^¬ tion 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 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. The operation of the Thermosiphonkühlung is completed by the fact that evaporated in the room primary coolant ^¬ rises in the room, leaves the room and passes to a heat mesenke the cooling system. The primary coolant kon ^¬ condenses in the heat sink at least partially and the con densed ^¬ primary coolant decreases due to the effect of gravity in a fluid connection of the cooling system. The from ^¬ sunken, condensed primary coolant is finally introduced into the room. In this case, the liquid primary refrigerant through a first connection of the cooling system is introduced into the chamber and the gaseous primary refrigerant is discharged through a second at ^¬ circuit of the cooling system from the space, wherein the second terminal is preferably arranged above the first terminal.

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. The primary coolant circulates and / or flows through the electrical system during operation of the electric machine in liquid and / or gaseous state and interacts thermally with the electrical system, so that the primary coolant within the room due to the thermal interaction ^¬ heat from absorbs electrical system and thereby at least partially completes the phase change in the room due to the thermal interaction and evaporates. That is, the primary coolant is from the liquid to the gaseous state, 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 within the room due to the thermal interaction absorb heat from the electrical system can. At least part of the vaporized primary coolant is discharged from the room. Preferably, the space is evacuated prior to filling with the liquid primary coolant, ie, for example, before initial startup and / or after maintenance of the electrical machine. So that an ideal as possible ^¬ Two phase area in which space is created is achieved. Such an initial start-up occurs when the electrical machine Ma ^¬ for example. Referring to delivery and installation at the operating site for the first time in operation.

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. A corresponding electric machine has to cool ^{¬ of} the electrical system, which in particular comprises a rotor and / or a stator of the electric machine, and a two-phase cooling system for cooling the electrical 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 angeord ^¬ net to each other so that they are electromagnetically ^¬ each other during operation of the electric machine interact and so the electric machine is operated as a generator or as an electric motor. The cooling system is designed as a thermosiphon cooling with a liquid primary coolant, which interacts thermally in the room with the electrical system, so that the primary coolant within the room due to the thermal ^¬ interaction can absorb heat from the electrical system. 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 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. The room has a means to introduce liquid primary refrigerant into the room and to supply gaseous primary refrigerant. Res derive coolant from the room, the cooling system and the electrical system are formed and arranged in space to ^¬ that the primary coolant in the liquid and / or gaseous state, the electrical system after the introduction into the room and before draining the space around and / or can flow through.

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. The device includes a first and a second port, wherein the first port is provided to introduce liquid primary coolant into the space, and wherein the second port is provided to discharge gaseous primary coolant from the space. Here, the second on ^¬ circuit is preferably disposed above the first port. The second connection is fluidly connected to a recooler of the cooling system to which the primary coolant in gasför ^¬ migem state via the second port can be supplied, wherein the primary coolant in the recooler with a secondary coolant thermally interacting and thereby transfers heat to the secondary coolant and condenses. 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 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 einThe 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, ie, the coolant passes from the second connection into the recooler, wherein a first section of the fluid connection may possibly be located between the second connection and the recooler. 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. 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 the radial direction between the stator and the wall is a

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. Space formed in which the primary coolant can flow ^¬ men. Thus, the coolant can reach the electrical system to be cooled ^¬ cal also from the outside. The electrical machine comprises a rotor having a Rotati ^¬ onsachse which is oriented in a standard orientation of the electric machine in the vertical direction, the primary coolant is introduced in liquid state down into the room and is derived from the above space.

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 Ausfüh- rungsformen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dort werden gleiche Komponenten in verschiedenen Figuren durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. The invention and exemplary embodiments will be explained in greater detail below with reference to drawings. There, the same components in different figures are identified by the same reference numerals.

Es zeigen: Show it:

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

FIG 2 die elektrische Maschine in der ersten Ausführungs- form in radialer Blickrichtung, 2 shows the electrical machine in the first embodiment in the radial direction,

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. 3 shows a second embodiment of the electric machine in the radial direction. Like reference numerals in different figures indicate like components. It is also noted that terms such as Be ^¬ "axial" and "radial" refers to the used in the respective Fi gur or, in each example described Rotati ^¬ R onsachse relate.

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. The sake of completeness should be further noted that from ^¬ press such as "inner" and "outer" and herewith related terms always refer to the electrical machine and more particularly to a housing or a wall of the machine from which the stator and the rotor of the surrounded by electrical machine. "Inside" therefore means within said Ge ^¬ housing, "outside" refers to an area that is 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 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. Terms such as "top", "bottom", "above", "below" etc. refer to the direction of the gravitational effect, which in the figures is symbolized 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" also 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 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. Finally, the "standard orientation" of the electrical 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 during or immediately after installation of the machine into 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. In the horizontal or vertical orientation of the rotation axis of the standard orientation is accordingly hori zontal ^¬ or vertically. The standard orientation may differ from a current orientation of the electric machine. For example, if the electric machine is installed in an aircraft. While indeed eg. In curves or climb ^¬ changes the current orientation of the electric machine, the default orientation defined 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 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. 1 shows by way of example and simplified an electrical machine 100. It should be noted that the electric machine 100 can basically be operated in a similar structure as a generator or as an electric motor. It should also be noted that the structure of the machine described below is purely exemplary. It can be assumed to be known that depending on the design of the electrical machine as a generator or as an electric motor, for example. Radial or axial flow, etc. differently and / or with a trained as internal or also as an outer rotor ^¬ run the various components of the machine can be arranged.

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. The electric machine 100 has a stator 110 and egg ^¬ nen designed as an inner rotor rotor 120, wherein the rotor 120 is disposed within the stator 110 and concentric to Sta ^¬ tor 110 and rotates in the operating state of the electrical see machine 100 about a rotation axis R. , For this purpose, the rotor 120 can be driven by means of a motor, not shown, or set in rotation. The rotation axis R is oriented in the embodiment shown in FIG 1 in the horizontal direction.

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 elektrischenThe stator 110 includes a stator lamination 111 having stator teeth 112 ^¬, being applied to the stator teeth 112 stator windings ^¬ 113th Each of the windings 113 is formed by an electrical conductor, which in the operating state of the electric machine 100 is of an electric

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. Current is flowed through. The rotor 120 has magnetic With ^¬ tel on (not shown) which, when the rotor is 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 Ro- tation des Rotors 120 mit den Permanentmagneten in den In the operating mode of the machine 100 as a generator, upon rotation of the rotor 120 with the permanent magnets in the

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. Stator windings 113 of the stator 110 in a known manner induces a voltage which can be tapped via not shown electrical ^¬ cal connections and, for example, an electrical consumer can be provided.

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. For operating the electric machine 100 as an electric motor, an electric current is fed to the stator 113 using an external power source, which causes in a known manner, that the stator windings produce 113 accordingly speaking magnetic fields with the Magnetfel ^¬ countries of the permanent magnets of the rotor 120 interact. This results is known that is set in rotation at geeig ^¬ neter arrangement of said components to one another, the rotor 120th This rotation can be transferred by suitable means such as, with a shaft to a zutreibende at ^¬ component.

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 derIn the operating state of the electric machine 100, therefore, the rotor 120 rotates with respect to the stator 110. Rotor 120 and stator 110 are arranged relative to one another such that the magnetic field of the

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. Permanent magnets and the stator windings 113 in such Wech ^¬ selwirkung contact with each other, that the electrical machine 100 due to the interaction in a first operating mode as a generator and / or in a second operating mode functions 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 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 primäresThe electric machine 100 comprises a gas-tight wall 140, which surrounds a space 150 in which the stator 110 and the rotor 120 are arranged. The wall 140 or the space 150 has a device 160 with a first connection 161 and a second connection 162, through which a primary coolant 171 of a cooling system 170 can be conducted into or out of the space 150. Possible propagation paths of the coolant means of 171 in room 150 are symboli ^¬ Siert by corresponding arrows. The coolant 171 serves to cool an electrical system in the space 150. The electrical system may be, for example, the stator 110 or the rotor 120. In the following, it is assumed that the stator 110 is to be cooled, since it carries the stator windings 113, of which a considerable heat develops during operation of the machine 100. About the first port 161 passes liquid primary

Kühlmittel 171 in den Raum 150, der u.a. Raumbereiche 151, 152, 153 umfasst. Coolant 171 in the room 150, the u.a. Spaces 151, 152, 153 includes.

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. The coolant 171 initially flows into a space region 151 formed as an outer channel, for example, which is located in the radial direction between the stator 110 and the wall 140 and in which the coolant 171 can enter into thermal interaction with the stator 110 to be cooled. Furthermore, as indicated in FIG. 2, the primary coolant 171 also flows into a further spatial region 152, which is formed in the axial direction between the wall 140 and stator 110 or rotor 120. The coolant 171 can pass into a spatial region 153 formed as a mechanical air gap between the stator 110 and the rotor 120 via the further spatial region 152 and also thermally interact with components of the electric machine 100 there or on the way there, which flows around or 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 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 RaumbereichThe laminated stator core 111 has means 114 for conducting the primary coolant 171. The devices 114 may, for example, be formed as slots and / or as substantially radially oriented channel openings, which can flow through the primary coolant 171, wherein it interacts thermally with the devices 114. In particular, in the event that the devices 114 or at least parts thereof are used as dial-oriented channel openings are formed, the coolant can be advantageously conducted so that it flows around the stator teeth 112 and the stator windings 113 and thus comes directly into thermal contact with the strongest heat source of the electric machine 100 in the embodiment shown here. In this case, the channel openings 114, as indicated by the arrows, are flowed through in ^¬ the directions, ie, starting from the Raumbe ^¬ rich 151 radially inwards to the space area 153 or starting from the space area 153 radially outward to the space area

151. In beiden Fällen überstreicht das primäre Kühlmittel 171 die Statorzähne 112 und die Statorwicklungen 113. 151. In both cases, the primary coolant 171 passes over 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 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. Accordingly, the cooling system 170 is designed in such a way that the initially liquid primary coolant 171, which is in the room, thermally interacts with the electric system to be cooled, in the illustrated case with the stator 110, so that the primary coolant ^¬ 171 within the space 150 due to the thermal interaction can absorb heat from the stator 110. The stator 110 in turn is configured and arranged in the space 150 such that the primary coolant 171 can flow around and / or through the stator 110 after it has been introduced into the space 150 and before it has been diverted from the space 150. The primary coolant 171 is now advantageously selected such that it at least partially takes in the operation of the electrical machine 100 within the space 150 due to the thermal interaction with the stator 110 includes a phase change fully ^¬ and vaporized, ie from liquid to gas production-shaped state passes. The now gaseous primary cooling ^¬ medium 171 ^λ increases in the space 150 via the different available paths on and interacts thereby further ^¬ out thermally connected to the stator 110 and possibly with other compo ^¬ components of the electrical machine 100 so that it is within the Space 150 may continue to absorb heat from stator 110 as well as other components of electrical machine 100 due to the thermal interaction. After flowing through the room 150 over the different paths and through the space regions 151, 152 and / or 153 leaves the gasförmi ^¬ ge primary coolant 171 ^λ the space 150 via the second port 162. This summary is thus the space 150, in which the electrical system to be cooled or the stator 110th supplied primary liquid 171 in the liquid state, wherein the primary coolant 171 is selected such that it evaporates at a suitable temperature T, for example. At T <180 ° C. The evaporation creates a pumping action, which also transports the liquid primary coolant 171 counter to the effect of gravitation G. This leads on the one hand to an improved liquid transport to the locations in the space 150, at which the liquid 171 evaporates, and on the other hand to an improved convective heat transfer to places, at which no evaporation takes place.

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. A suitable primary coolant 171, which satisfies the above it ^¬ purged condition that it evaporates during operation of the electrical machine seen, is, for example, known under the brand name "Novec" product of the 3M Company. In general, suitable fluids are characterized by a good compatibility with the materials used in the electrical machine 100, a high insulation strength and low toxicity and flammability. In addition, should the so-called "glo ^¬ bal warming potential" and "ozone depletion potential" be minimized.

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 MaschineThe gaseous primary coolant 171 ^λ leaving the space 150 via the second port 162 passes via a first section 173 of a fluid connection 172 of the cooling system 170 to a recooler 175 of the cooling system 170. The fluid connection 172 is not visible in FIG. In the recooler 175, the primary coolant 171 ^{λ is} thermally contacted with a secondary coolant 176, transferring heat from the primary coolant 171 ^λ to the secondary coolant 176. In this case, the primary coolant 171 condenses. The secondary coolant 176 may, for example, be air. INS In particular, in the case that the electric machine 100 is installed in an aircraft, it is advisable to use air as a secondary coolant, since the air usually has a low temperature at higher altitudes and is accordingly well suited for cooling. The primary coolant 171, which is now again in a liquid state, is discharged from the recooler 175 via a second section 174 of the fluid connection 172 and returned to the space 150 via the first connection 161. The described cooling system 170 thus operates on the principle of thermosyphon cooling. Optionally, the circuit may be assisted by an optional pumping device 177 integrated into the second portion 174 of the fluidic connection 172. Ideally, the electrical machine 100 such ^¬ out forms that are arranged in the standard orientation of the recooler 175 above the electrical machine 100 or above the Rau ^¬ mes 150, and the second terminal 162 above the first terminal 161st This arrangement supports the operation of the cooling 170 of the electric machine

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. 100 as a thermosiphon, since in particular the vaporized, gaseous primary coolant 171 in a natural way increases ^¬ and thus passes to the overhead second port 162. After cooling in the recooler 175, the now again liquid primary coolant 171 is lowered over the Fluidverbin ^¬ dung down and passes thence to the first terminal 161st

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 the first embodiment of the electric machine 100 with horizontal standard orientation illustrated in FIGS. 1, 2, the laminated stator core 111 is designed in such a way that the primary coolant 171 rising in the gaseous or liquid state passes through the devices 114, for example as slots and / or can be formed as substantially radially oriented channel openings, can pass.

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. In the alternative, second embodiment of the electric machine 100 in vertical standard orientation, which in 3, the electrical machine 100 essentially has the same components as those of FIGS. 1 and 2. These components are provided with the same reference numerals and operate in the same way as in the first embodiment, for which reason a more detailed description is omitted becomes. Unlike the first guide From ^¬ form but may be dispensed with the use of means 114 for selectively passing the primary coolant 171 in the second embodiment. In this case, 171 may ascend during operation of the ^electrical machine 100, in particular in the gaseous state in Wesentli ^¬ chen straight along the axial extension of the rotor 120 and the stator 113 along the primary coolant, so that as a consequence, again a natural circulation through the return - Cooler 175 and the fluid connection 172 is created. Compared to the first embodiment is expected to be less on the one hand, the flow resistance and that the changes ^¬ ren the flow distribution in the radial cross-section is much more homogenous.

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. In addition to the first embodiment, an additional first terminal 161 ^λ and an additional second terminal 162 ^{λ are} provided in the second embodiment. As a result of the additional first connection 161 ^λ , primary coolant 171 is introduced into the space 150 in the liquid state as well as through the original first connection 161, while the additional second connection 162 ^λ, like the original second connection 162, serves for gaseous primary ^coolant derive from the room 150. The first terminals 161, 161 ^λ and the second terminals 162, 162 ^λ are disposed above or above the space 150 on the wall 140 such that their positions in the radial direction substantially correspond to the radial positions of the stator teeth 112 and the stator windings 113 , This has the consequence that the cooling medium 171 when entering the space 150 without detours on the area with the strongest during operation of the electric machine 100 heat generation. The illustrated in FIG 3 vertical arrangement of the electrical ^¬ rule engine 100 is the horizontal arrangement with respect to the applied cooling technology superior means of evaporative cooling as a use of slotted laminated cores or devices 114 is not necessary here.

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. Even if only one first and second connection 161, 162 are shown in FIGS. 1, 2, it is of course also possible for a plurality of first and / or second connections to be provided in the first embodiment.

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 may basically comprise the stator 110 or the rotor 120 or else the stator 110 and the rotor 120.

Claims

Patentansprüche claims

1. Verfahren zum Kühlen eines elektrischen Systems (110, 120) einer elektrischen Maschine (100) mit einem Zwei-Phasen- Kühlsystem (170) der elektrischen Maschine (100), wobei A method of cooling an electrical system (110, 120) of an electric machine (100) having a two-phase cooling system (170) of the electrical machine (100), wherein

- das elektrische System (100) insbesondere einen Rotor (120) und/oder einen Stator (110) der elektrischen Maschine (100) umfasst und  - The electrical system (100) in particular a rotor (120) and / or a stator (110) of the electric machine (100) and comprises

- das elektrische System (110, 120) in einem von einer gas- dichten Wandung (140) umschlossenen Raum (150) der elektrischen Maschine (100) angeordnet ist,  - The electrical system (110, 120) in a gas-tight wall (140) enclosed space (150) of the electrical machine (100) is arranged,

wobei in which

- 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- the cooling system (170) operates as a thermosiphon with a primary coolant (171) which is provided in the space (150) in liquid state and with the elekt ^¬ step system (110, 120), thermally interacts, wherein said coolant (170) is selected such that it during loading ^¬ operating the electrical machine (100) within the chamber (150) due to the thermal interaction with the electric system (110, 120) at least partially a

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. Phase change from the liquid state to a gaseous state and thereby evaporates, so that the coolant (171) in the operation of the electric machine (100) in space (150) is present in two phases.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass2. The method according to claim 1, characterized in that

- 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, - that in the space (150) vaporized primary coolant (171) in the space (150) ascends, leaves the chamber (150) and ei ^¬ ner heat sink (175) of the cooling system (170) arrives,

- das primäre Kühlmittel (171) in der Wärmesenke (175) zumin^¬ dest teilweise kondensiert, - said primary coolant (171) in the heat sink (175) ^¬ at least partially condensed,

- das kondensierte primäre Kühlmittel (171) in einer Fluid- verbindung (172) des Kühlsystems (170) aufgrund der Gravi^¬ tationswirkung absinkt, - the condensed primary coolant (171) in a fluid connection (172) of the cooling system (170) due to the Gravi ^¬ tationswirkung drops,

- das abgesunkene, kondensierte primäre Kühlmittel (171) in den Raum (150) eingeleitet wird. - The sunken, condensed primary coolant (171) is introduced into the space (150).

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass 3. The method according to any one of claims 1 to 2, characterized in that

- 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 - The primary coolant (171), the electrical system (110, 120) in the operation of the electrical machine (100) flows around and / or flows through the electrical 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 Receiving (110, 120) interacts thermally, so that the primary refrigerant (171) heat from the electrical system (110, 120) and thereby in the space (150) due to the thermi ^¬ rule interaction at least partially completes the phase change and evaporates, and

- zumindest ein Teil des verdampften primären Kühlmittels (171) aus dem Raum (150) abgeleitet wird.  - At least a portion of the vaporized primary coolant (171) is derived from the space (150).

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. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, character- ized in that the space (150) before being filled with the liquid primary coolant (171) is evacuated.

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 5. Electrical machine (100) comprising an electrical system (110, 120) to be cooled, which in particular comprises 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), wherein

- das elektrische System (110, 120) innerhalb eines von einer gasdichten Wandung (140) umschlossenen Raumes (150) ange- ordnet ist,  - the electrical system (110, 120) is arranged within a space (150) enclosed by a gas-tight wall (140),

- 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- the cooling system (170) is formed as a thermosiphon with a liquid primary coolant (171) wel ^¬ ches in the space (150) to the electrical system (110, 120) interacts thermally, wherein the refrigerant (171) is selected in such a way that during operation of the electrical ^¬ rule engine (100) within the chamber (150) due to the thermal interaction with the electric system (110, 120) at least partially pulling a phase change from egg ^¬ nem liquid state to a gaseous state completely while evaporated, so that the coolant (171) in

Betrieb der elektrischen Maschine (100) im Raum (150) in zwei Phasen vorliegt. Operation of the electrical machine (100) in space (150) is present in two phases.

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. 6. Electrical machine (100) according to claim 5, characterized ge ^¬ indicates that the space (150) has a device (160) ^¬ to introduce liquid primary coolant (171) in the space (150) and gaseous primary coolant (171) from the space (150), wherein the cooling system and the electrical system (110, 120) are formed and arranged in the space (150) such that the primary coolant in liquid and / or gaseous state, the electrical system after the introduction into the space (150) and before the discharge from the space (150) can flow around and / or.

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 . 7. Electrical machine (100) according to claim 6, characterized ge ^¬ indicates that the device (160) comprises a first (161, 161 ^λ ) and a second terminal (162, 162 ^λ ), wherein the first terminal (161, 161 ^λ ) is provided to introduce liquid primary coolant (171) into the space (150), and wherein the second port (162, 162 ^λ ) is provided for gaseous primary coolant (171) from the space (150) from ^¬ forward ,

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. 8. Electrical machine (100) according to claim 7, characterized ge ^¬ indicates that the second terminal (162, 162 ^λ ) above the first terminal (161, 161 ^λ ) is arranged.

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 . Is connected 9. Electrical machine (100) according to any one of claims 7 to 8, characterized in that the second terminal (162, 162 ^λ) fluidically connected to a recooler (175) of the cooling system (170), the said primary coolant (171) in the gas ^¬ shaped state via the second port (162, 162 ^λ ) can be supplied, wherein the primary coolant (171) in the recooler (175) with a secondary coolant (176) thermally interacts while heat to the secondary coolant (176 ) transmits.

10. Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 9, dadurch ge^¬ kennzeichnet, dass der Rückkühler (175) oberhalb des Raums (150) angeordnet ist. 10. Electrical machine (100) according to claim 9, characterized ge ^¬ indicates that the recooler (175) above the space (150) is arranged.

11. Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 7 bis11. Electrical machine (100) according to one of claims 7 to

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. 10, characterized in that the cooling system (170) has a fluid connection (172), with which the first port (161, 161 ^λ ) and the second port (162, 162 ^λ ) are fluidically connected outside the space (150) that at least a part of the space (150) through the second port (162, 162 ^λ) leaving gaseous primary coolant (171) via the fluid communication (172) to the first terminal (161, 161 ^λ) can be guided.

12. Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 5 bis12. Electrical machine (100) according to one of claims 5 to

11, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische System (110, 120) ein Stator (110) der elektrischen Maschine (100) ist. 11, characterized in that the electrical system (110, 120) is a stator (110) of the electric machine (100).

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 13. The electric machine (100) according to claim 12, characterized denotes ^¬ ge that the stator (110) comprises a stator lamination (111), which means (114) for directing said primary coolant (171) through the laminated stator core (111) wherein the means (114) of the primary coolant (171) are flowed through, so that the primary coolant (171) with the means (114) and thus with the

Statorblechpaket (111) thermisch wechselwirken kann. Stator laminated core (111) can interact thermally.

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 . 14. Electrical machine (100) according to any one of claims 5 to 13, characterized in that in the radial direction between the stator (110) and wall (140) a space region (151) is formed, in which the primary coolant (171) can flow ,

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. 15. Electrical machine (100) according to one of claims 5 to 14, characterized in that it comprises a rotor (120) with an axis of rotation R which is oriented in a standard orientation of the electric machine ^¬ (100) in the vertical direction, wherein the primary coolant (171) is introduced in the liquid state down into the space (150) and is discharged from the top of the space (150).