WO2020083670A1 - Kryogene kühlung bei elektrischen maschinen - Google Patents

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WO2020083670A1
WO2020083670A1 PCT/EP2019/077647 EP2019077647W WO2020083670A1 WO 2020083670 A1 WO2020083670 A1 WO 2020083670A1 EP 2019077647 W EP2019077647 W EP 2019077647W WO 2020083670 A1 WO2020083670 A1 WO 2020083670A1
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housing
cryogen
rotor
opening
cavity
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PCT/EP2019/077647
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Inventor
Stefan Moldenhauer
Martin THUMMET
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Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg
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    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the present invention relates to a rotor, an electrical machine and a cryogenic cooling system, as well as a device and a method for cooling a rotor of an electrical machine.
  • the invention further relates to an aircraft with such a device for cooling.
  • the invention can be used in particular for cooling an electric or hybrid-electric flight drive in aviation.
  • the rotor of the electrical machine contains superconducting materials, which have to be cooled to a temperature of 20-30 K.
  • the remaining, unavoidable heat input is cooled by cooling the inner cold cylinder with a suitable refrigerant (e.g. liquid hydrogen or liquid neon) compensated, as described in the published patent application DE 10 2016 213993 A1.
  • a suitable refrigerant e.g. liquid hydrogen or liquid neon
  • the refrigerant is evaporated in the rotor and the saturated steam is fed to a refrigerator, where it is recondensed.
  • recondensation by a refrigerator is unsuitable because of the high mass of the refrigerator.
  • liquid hydrogen is transported as a cold source in the aircraft and used to cool the cryogenic rotor. Since this cooling is purely evaporative cooling at the vaporization temperature of the hydrogen (approx. 20 K), the sensitive heat of the hydrogen gas remains unused.
  • a heat source must also be provided with which the hydrogen can be heated from the evaporation temperature to the useful temperature (e.g. room temperature).
  • Another disadvantage of this rotor structure is the heating of the outer rotor wall and the adjacent air gap. Air friction and electromagnetic power loss, which is induced by the stator field in the rotor wall, heat up the outer wall of the rotor and must be additionally cooled.
  • the object of the invention is to provide a solution for improved cryogenic cooling of electrical machines, which can be used in particular in hybrid-electric drives in aviation.
  • a cryogen evaporating inside the inner housing is passed through a cavity between an inner and outer housing of a rotor of an electrical machine.
  • the cavity can also be referred to as an annular gap.
  • the rotor preferably has high-temperature superconducting coils for generating the rotor magnetic field.
  • the invention claims a rotor of an electrical machine with a first housing and at least a second housing.
  • the second housing is arranged in the interior of the first housing in such a way that a cavity is formed between the housings (also known as an “intermediate space”).
  • the housings can have a shape similar to a circular cylinder.
  • a liquid cryogen can be formed through a first opening formed on the second housing pour into the interior of the second housing (can also be referred to as "guided").
  • the now gaseous cryogen can flow through a second opening formed on the second housing into the cavity between the two housings and escape from the interior of the second housing.
  • the vaporized cryogen can flow out of the cavity and out of the first housing through a third opening formed on the first housing, as a result of which the cryogen can escape.
  • the invention offers the advantage that the outer first Ge housing is cooled from the inside by the cryogen.
  • a separate fan unit for cooling the rotor outer wall and the air gap can thus be dispensed with.
  • no Isolationsva vacuum is necessary and thus a lighter design of the outer first housing possible.
  • the rotor can have a fourth opening formed on the first housing.
  • the fourth opening is operatively connected to the first opening in such a way that the liquid cryogen enters the second housing can flow in. For example, this can be done through a pipe that is guided through the two openings.
  • the rotor has a means arranged in the cavity, which is designed to allow a flow of the cryogen in the axial direction and to disrupt a flow of the cryogen in the radial direction.
  • the agent can for example be formed from coaxial rings or have a honeycomb or tubular structure. Avoiding thermal bridges traditionally leads to the filigree structure of many components, including connecting elements between the housings.
  • the heat flow flowing via thermal bridges from the inner second housing to the outer first housing can be dissipated to the cryogen before it reaches the inner (cryogenic) area.
  • the components connecting the second inner housing and the first outer housing can be made more robust. This is of high relevance for example for the torque transmission element.
  • cryogen can be hydrogen
  • the rotor has rotary unions.
  • a first rotating union has the first and the fourth opening.
  • the first rotary feedthrough allows the introduction of a substance, for example the liquid cryogen, into the interior of the second body even during the rotation of the rotor.
  • Another rotary feed-through enables the removal of a substance, for example the gaseous cryogen, from the gap between the first and second housings, even while the rotor is rotating.
  • the invention also claims an electrical machine with a rotor according to the invention.
  • the electrical machine can be a generator or a motor.
  • the invention also claims a device for cooling a rotor according to the invention with a container in operative connection with the fourth opening, which is configured to provide or store the liquid cryogen.
  • the device has at least one unit to be cooled, which can be heated by the evaporated cryogen after it has left the first housing.
  • the device has in a further embodiment at least one fuel cell or at least one internal combustion engine, which uses the vaporized cryo gene after exiting the first housing as fuel.
  • the device offers the advantage that the cryogen is warmed up internally to the useful temperature. This means that there is no need to provide a separate heat source, which, for example, heats the hydrogen or another cryogen from the evaporation temperature to the useful temperature (e.g. room temperature).
  • the invention claims an aircraft with an inventive device for cooling, for example for cooling an electric or hybrid-electric Flugan drive.
  • the aircraft can be an aircraft whose propeller is set in rotation for driving by the electrical machine.
  • Aircraft is understood to mean any type of flying means of transportation or transportation, be it manned or unmanned.
  • the invention claims a method for cooling a rotor of an electrical machine according to the invention, the liquid cryogen flowing into the second housing, the liquid cryogen evaporates in the second housing, the evaporated cryogen flows into the cavity and the evaporated cryogen escapes from the first housing through the third opening.
  • Fig. 1 A longitudinal section through a rotor
  • Fig. 2 A longitudinal section through a rotor
  • Fig. 3 A longitudinal section through a rotor
  • FIG. 5 shows a cross section through a rotor of an electrical machine with coaxial rings in the cavity between the housings
  • Fig. 6 A block diagram of the device for cooling egg ner electrical machine with a rotor, an operatively connected container and another unit to be cooled or a combusting unit
  • Fig. 7 A view of an aircraft.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a cooling egg NES rotor 17 of an electrical machine in longitudinal section.
  • An outer first housing 1 and a second housing 2 lying in the interior 19 of the first housing 1 can be seen.
  • the housings can have, for example, a circular cylindrical shape and are preferably arranged concentrically.
  • a torque transmission element 3 is formed on the two housings 1 and 2. This can be used to transmit the rotation of the electrical machine to a drive, for example a propeller.
  • a third opening 6 and a fourth opening 7, the fourth opening 7 with the first opening 4 is in operative connection on the second housing 2 and is designed as a rotary feedthrough 8.
  • the liquid kyrogen 9 flows into the interior 19 of the second housing 2 via the rotary union 8.
  • the liquid cryo gene 9 can be hydrogen, for example.
  • the gaseous cryogen 10 then emerges from the second housing 2 through the second opening 5 and flows into the cavity 18 between the first and second housings 1 and 2.
  • the gaseous cryogen 10 largely absorbs the heat flow entering from the warm outer first housing 1.
  • the gaseous cryogen 10 then emerges from the cavity 18 between the two housings 1 and 2 and can be used for other purposes.
  • a pressure prevails in the cavity 18 slightly above ambient pressure.
  • Fig. 2 shows an extension of Fig. 1.
  • the extension also shown in longitudinal section, contains a means arranged in the cavity 18 with a tube structure 11. It is important that in the direction of the flowing gaseous cryogen 10 (ie in the axial direction of the Rotors 17) flow channels are present, but as little heat-conducting material as possible and convection transverse to the axial direction is formed in order to prevent heat transfer through thermal bridges from the outside in.
  • a honeycomb structure would be possible, for example.
  • Fig. 3 shows an alternative to Fig. 2 extension of the ro tor 17 of FIG. 1.
  • the extension also shown in longitudinal section, contains a means arranged in the cavity 18 in the form of coaxial rings 12. These are axially concentric about the arranged second housing 2 and have spacers, not shown, to support in the cavity 18 or against each other.
  • FIG. 4 shows the cross section associated with FIG. 2.
  • the first housing 1, the second housing 2, the tube structure 11 arranged in the cavity 18 and the interior 19 can be seen.
  • a honeycomb structure would be possible, for example.
  • FIG. 5 shows the cross section associated with FIG. 3.
  • the first housing 1, the second housing 2, the coaxial rings 12 arranged in the cavity 18 and the interior 19 can be seen.
  • heat input from the warm outer wall to the hydrogen gas is prevented due to radially oriented convection cells.
  • This can be done, for example, through a flow-through tube structure 11 (FIG. 2 and FIG. 4) through coaxial rings 12 (FIGS. 3 and 5) or by means of a honeycomb structure which prevents radial convection.
  • FIG. 6 shows a block diagram of a device for cooling an electrical machine 13 with a rotor 17 according to FIG. 1, FIG. 2 or FIG. 3 and a container 14 in connection therewith for providing a liquid cryogen 9 and one further unit 20 to be cooled or a fuel cell / internal combustion engine 21.
  • Fig. 7 shows a view of an electric or hybrid electric aircraft 15, as an example of an aircraft, with an electrical machine 13, not shown.

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Abstract

Die Erfindung gibt einen Rotor (17) einer elektrischen Maschine (13) mit einem ersten Gehäuse (1) und ein, im Inneren des ersten Gehäuses (1) mit Hohlraum (18) zum ersten Gehäuse (1) angeordnetes, zweites Gehäuse (2) an. Durch eine an dem zweiten Gehäuse (2) ausgebildete erste Öffnung (4) ist ein flüssiges Kryogen (9) in das zweite Gehäuse (2) einströmbar. Durch eine an dem zweiten Gehäuse (2) ausgebildete zweite Öffnung (5) ist das verdampfte Kryogen (10) in den Hohlraum (18) strömbar. Durch eine an dem ersten Gehäuse (1) ausgebildete dritte Öffnung (6) ist das verdampfte Kryogen (10) aus dem Hohlraum (18) strömbar. Außerdem gibt die Erfindung eine elektrische Maschine (13), eine Vorrichtung zur Kühlung und ein Luftfahrzeug an. Die Erfindung gibt auch ein zugehöriges Verfahren zur Kühlung eines Rotors (17) an.

Description

Kryogene Kühlung bei elektrischen Maschinen
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor, eine elektri sche Maschine und ein kryogenes Kühlsystem sowie eine Vor richtung und ein Verfahren zur Kühlung eines Rotors einer elektrischen Maschine. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Luftfahrzeug mit einer derartigen Vorrichtung zur Küh lung. Die Erfindung kann insbesondere zur Kühlung eines elektrischen oder hybrid-elektrischen Flugantriebs in der Luftfahrt verwendet werden.
Beschreibung des Stands der Technik
Für hybrid-elektrische Flugzeugantriebe großer Leistung wer den elektrische Maschinen benötigt, die eine besonders hohe Leistungsdichte aufweisen. Um dies zu erreichen, enthält der Rotor der elektrischen Maschine supraleitende Materialien, welche auf eine Temperatur von 20-30 K gekühlt werden müssen.
Bekannt ist, einen kryogenen Rotor durch eine Superisolation vor einem Wärmeeintrag aus der Umgebung zu schützen. Diese besteht häufig aus einem Vakuumspalt zwischen zwei koaxialen Zylindern und eingebrachten Strahlungsreflexionsfolien. Zur Vermeidung thermischer Brücken werden alle Verbindungselemen te zwischen dem inneren kalten und dem äußeren warmen Zylin der so ausgelegt, dass der Wärmeeintrag von warm nach kalt minimal wird. Ein technisches Problem des Konzeptes ist die damit verbundene Filigranität von Kraftübertragungselementen zwischen kalten und warmen Rotorkomponenten.
Der überbleibende, unvermeidbare Wärmeeintrag wird durch die Kühlung des inneren kalten Zylinders mit einem geeigneten Kältemittel (z.B. flüssiger Wasserstoff oder flüssiges Neon) kompensiert, wie in der Offenlegungsschrift DE 10 2016 213993 Al beispielhaft beschrieben ist.
Dabei wird in der Regel das Kältemittel im Rotor verdampft und der gesättigte Dampf einer Kältemaschine zugeführt, wo er rekondensiert wird. Im Falle eines kryogen gekühlten Rotors für Luftfahrtanwendung ist eine Rekondensation durch eine Kältemaschine aufgrund der hohen Masse der Kältemaschine un geeignet. Demzufolge wird für eine Luftfahranwendung flüssi ger Wasserstoff als Kältequelle im Flugzeug transportiert und zur Kühlung des kryogenen Rotors verwendet. Da diese Kühlung eine reine Verdampfungskühlung bei der Verdampfungstemperatur des Wasserstoffes (ca. 20 K) ist, bleibt die sensible Wärme des Wasserstoffgases ungenutzt. Es muss zudem eine Wärmequel le bereitgestellt werden, mit welcher der Wasserstoff von der Verdampfungstemperatur auf die Nutztemperatur (z.B. Raumtem peratur) erwärmt werden kann.
Ein weiterer Nachteil dieses Rotoraufbaus ist die Erwärmung der Rotoraußenwand und des angrenzenden Luftspalts. Durch Luftreibung und elektromagnetische Verlustleistung, die durch das Statorfeld in die Rotorwand induziert wird, erwärmt sich die Außenwand des Rotors und muss zusätzlich gekühlt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Lösung für eine verbesserte kryogene Kühlung von elektrischen Maschinen be reitzustellen, die insbesondere bei hybrid-elektrischen An trieben in der Luftfahrt zum Einsatz kommen kann.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit dem Rotor, der elektrischen Maschine, der Vorrichtung zur Kühlung, dem Luftfahrzeug und dem Verfahren zur Kühlung der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen gegeben. Erfindungsgemäß wird durch einen Hohlraum zwischen einem in neren und einem äußeren Gehäuse eines Rotors einer elektri schen Maschine ein im Inneren des inneren Gehäuses verdampf tes Kryogen geleitet. Bei zylinderförmigen Gehäusen kann der Hohlraum auch als Ringspalt bezeichnet werden.
Der Rotor weist bevorzugt hochtemperatursupraleitende Spulen zur Erzeugung des Rotormagnetfelds auf.
Die Erfindung beansprucht einen Rotor einer elektrischen Ma schine mit einem ersten Gehäuse und mindestens einem zweiten Gehäuse. Das zweite Gehäuse ist im Inneren des ersten Gehäu ses so angeordnet, dass zwischen den Gehäusen ein Hohlraum (auch als „Zwischenraum" bezeichenbar) ausgebildet ist. Die Gehäuse können eine kreiszylinderähnliche Form aufweisen. Durch eine am zweiten Gehäuse ausgebildete erste Öffnung kann ein flüssiges Kryogen in das Innere des zweiten Gehäuses ein strömen (kann auch als „geführt werden" bezeichnet werden) . Durch eine am zweiten Gehäuse ausgebildete zweite Öffnung kann das nun gasförmige Kryogen in den Hohlraum zwischen den beiden Gehäusen strömen und aus dem Inneren des zweitenGehäu- ses entweichen. Durch eine am ersten Gehäuse ausgebildete dritte Öffnung kann das verdampfte Kryogen aus dem Hohlraum und aus dem ersten Gehäuse strömen, wodurch das Kryogen ent weichen kann.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass das äußere erste Ge häuse durch das Kryogen von innen gekühlt wird. Damit kann eine separate Lüftereinheit zur Kühlung der Rotoraußenwand und des Luftspalts entfallen. Außerdem ist kein Isolationsva kuum nötig und damit eine leichtere Bauweise des äußeren ers ten Gehäuses möglich.
In einer weiteren Ausgestaltung kann der Rotor eine an dem ersten Gehäuse ausgebildete vierte Öffnung aufweisen. Die vierte Öffnung steht mit der ersten Öffnung derart in Wirk verbindung, dass das flüssige Kryogen in das zweite Gehäuse einströmen kann. Beispielsweise kann dies durch ein durch die beiden Öffnungen geführtes Rohr erfolgen.
In einer weiteren Ausführung weist der Rotor ein in dem Hohl raum angeordnetes Mittel auf, das ausgebildet ist, eine Strö mung des Kryogens in axialer Richtung zuzulassen und eine Strömung des Kryogens in radialer Richtung zu stören. Dies bietet den Vorteil, radial ausgerichtete Konvektionszellen zu verhindern. Das Mittel kann beispielsweise aus koaxialen Rin gen gebildet sein oder eine waben- oder röhrenförmige Struk tur aufweisen. Herkömmlich führt die Vermeidung thermischer Brücken zu einem filigranen Aufbau vieler Komponenten, so auch von Verbindungselementen zwischen den Gehäusen. Bei der erfindungsgemäßen kryogenen Kühlung kann der über thermische Brücken vom inneren zweiten Gehäuse zum äußeren ersten Gehäu se fließende Wärmestrom an das Kryogen abgeführt werden bevor er in den inneren (kryogenen) Bereich gelangt. Somit können die das zweite innere Gehäuse und das erste äußeren Gehäuse verbinden Bauteile robuster aufgebaut werden. Dies ist bei spielsweise für das Drehmomentübertragungselement von hoher Relevanz .
In einer Weiterbildung kann das Kryogen Wasserstoff sein.
In einer Weiterbildung weist der Rotor Drehdurchführungen auf. Eine erste Drehdurchführung weist die erste und die vierte Öffnung auf. Die erste Drehdurchführung ermöglicht das Einbringen eines Stoffes, zum Beispiel des flüssigen Kryo gens, in das Innere des zweiten Körpers auch während der Ro tation des Rotors. Eine weitere Drehdurchführung ermöglicht die Entnahme eines Stoffes, zum Beispiel des gasförmigen Kry ogens, aus dem Spalt zwischen dem ersten und zweiten Gehäuse auch während der Rotation des Rotors.
Die Erfindung beansprucht außerdem eine elektrische Maschine mit einem erfindungsgemäßen Rotor. Die elektrische Maschine kann ein Generator oder ein Motor sein. Die Erfindung beansprucht auch eine Vorrichtung zur Kühlung eines erfindungsgemäßen Rotors mit einem mit der vierten Öff nung in Wirkverbindung stehenden Behälter auf, der ausgebil det ist, das flüssige Kryogen bereitzustellen bzw. zu lagern.
In einer weiteren Ausführung weist die Vorrichtung mindestens eine zu kühlende Einheit auf, die von dem verdampften Kryogen nach Austritt aus dem ersten Gehäuse entwärmbar ist. Zusätz lich oder alternativ weist die Vorrichtung in einer weiteren Ausführung mindestens eine Brennstoffzelle oder mindestens eine Verbrennungskraftmaschine auf, die das verdampfte Kryo gen nach Austritt aus dem ersten Gehäuse als Brennstoff ver wendet .
Die Vorrichtung bietet den Vorteil, dass das Kryogen maschi nenintern auf Nutztemperatur aufgewärmt wird. Somit kann die Bereitstellung der separaten Wärmequelle, welche zum Beispiel den Wasserstoff oder ein anderes Kryogen von der Verdamp fungstemperatur auf die Nutztemperatur (z.B. Raumtemperatur) erwärmt, entfallen.
Außerdem beansprucht die Erfindung ein Luftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kühlung, beispielsweise zur Kühlung eines elektrischen oder hybrid-elektrischen Flugan triebs. Das Luftfahrzeug kann ein Flugzeug sein, dessen Pro peller zum Antrieb durch die elektrische Maschine in Rotation versetzt wird.
Erweiterungen mit zusätzlichen Öffnungen, zusätzlichen Gehäu sen und/ oder anderen Kryogenen sind möglich.
Unter Luftfahrzeug wird jede Art von fliegendem Fortbewe- gungs- oder Transportmittel, sei es bemannt oder unbemannt, verstanden .
Außerdem beansprucht die Erfindung ein Verfahren zur Kühlung eines erfindungsgemäßen Rotors einer elektrischen Maschine, wobei das flüssige Kryogens in das zweite Gehäuse strömt, das flüssige Kryogen in dem zweiten Gehäuse verdampft, das ver dampfte Kryogen in den Hohlraum strömt und das verdampfte Kryogen durch die dritte Öffnung aus dem ersten Gehäuse ent weicht .
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele an hand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:
Fig. 1: Einen Längsschnitt durch einen Rotor einer
elektrischen Maschine,
Fig. 2: Einen Längsschnitt durch einen Rotor einer
elektrischen Maschine mit einer Wabenstruktur im Hohlraum zwischen den Gehäusen,
Fig. 3: Einen Längsschnitt durch einen Rotor einer
elektrischen Maschine mit koaxialen Ringen im Hohlraum zwischen den Gehäusen,
Fig. 4: Einen Querschnitt durch einen Rotor einer elektri schen Maschine mit einer Röhrchenstruktur im Hohl raum zwischen den Gehäusen,
Fig. 5: Einen Querschnitt durch einen Rotor einer elektri schen Maschine mit koaxialen Ringen im Hohlraum zwischen den Gehäusen,
Fig. 6: Ein Blockschaltbild der Vorrichtung zu Kühlung ei ner elektrischen Maschine mit einem Rotor, einem in Wirkverbindung stehendem Behälter und einer weiteren zu kühlenden Einheit oder einer verbren nenden Einheit, und Fig. 7: Eine Ansicht eines Flugzeugs.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Kühlung ei nes Rotors 17 einer elektrischen Maschine im Längsschnitt. Zu sehen ist ein äußeres erstes Gehäuse 1 und ein im Innenraum 19 des ersten Gehäuses 1 liegendes zweites Gehäuse 2. Die Ge häuse können beispielsweise eine kreiszylindrische Form auf weisen und sind bevorzugt konzentrisch angeordnet.
Zwischen den beiden Gehäusen 1 und 2 befindet sich ein Hohl raum 18. An den beiden Gehäusen 1 und 2 ist ein Drehmomen tübertragungselement 3 ausgebildet. Dieses kann zur Übertra gung der Rotation der elektrischen Maschine auf einen An trieb, beispielsweise einen Propeller, verwendet werden. Am zweiten Gehäuse 2 befinden sich stirnseitig eine erste Öff nung 4 und eine der ersten Öffnung 4 gegenüberliegende zweite Öffnung 5. Am ersten Gehäuse 1 befindet sich stirnseitig eine dritte Öffnung 6 und eine vierte Öffnung 7, wobei die vierte Öffnung 7 mit der ersten Öffnung 4 am zweiten Gehäuse 2 in Wirkverbindung steht und als Drehdurchführung 8 ausgebildet ist .
Über die Drehdurchführung 8 strömt das flüssige Kyrogen 9 in den Innenraum 19 des zweiten Gehäuses 2. Das flüssige Kryo gen 9 kann beispielsweise Wasserstoff sein. Im Inneren des zweiten Gehäuses 2 erwärmt sich das flüssige Kyrogen 9 und wird gasförmig (= gasförmiges Kryogen 10) . Das gasförmige Kryogen 10 tritt anschließend durch die zweite Öffnung 5 aus dem zweiten Gehäuse 2 aus und strömt in den Hohlraum 18 zwi schen dem ersten und dem zweiten Gehäuse 1 und 2.
In dem Hohlraum 18 nimmt das gasförmige Kryogen 10 den vom warmen äußeren ersten Gehäuse 1 eintretenden Wärmestrom zum größten Teil auf. Das gasförmige Kryogen 10 tritt anschlie ßend aus dem Hohlraum 18 zwischen den beiden Gehäusen 1 und 2 aus und kann weiteren Verwendungen zugeführt werden. In dem Hohlraum 18 herrscht ein Druck leicht über Umgebungsdruck.
Fig. 2 zeigt eine Erweiterung von Fig. 1. Die Erweiterung, ebenfalls im Längsschnitt dargestellt, enthält ein in dem Hohlraum 18 angeordnetes Mittel mit einer Röhrchenstruktur 11. Wichtig dabei ist, dass in Richtung des strömenden gas förmigen Kryogens 10 (also in Achsrichtung des Rotors 17) Strömungskanäle vorhanden sind, aber möglichst wenig wärme leitendes Material sowie Konvektion quer zur Achsrichtung ausgebildet ist, um einen Wärmetransport durch Wärmebrücken von außen nach innen zu verhindern. Alternativ zur Röhrchen struktur wäre zum Beispiel eine Wabenstruktur möglich.
Fig. 3 zeigt eine zu Fig. 2 alternative Erweiterung des Ro tors 17 nach Fig. 1. Die Erweiterung, ebenfalls im Längs schnitt dargestellt, enthält ein in dem Hohlraum 18 angeord netes Mittel in Form koaxialer Ringe 12. Diese sind axial konzentrisch um das zweite Gehäuse 2 angeordnet und weisen nicht dargestellte Abstandshalter auf, um sich im Hohlraum 18 bzw. gegeneinander abzustützen.
Fig. 4 zeigt den, zu Fig. 2, zugehörigen Querschnitt. Zu se hen ist das erste Gehäuse 1, das zweite Gehäuse 2, die im Hohlraum 18 angeordnete Röhrchenstruktur 11 und der Innenraum 19. Alternativ zur Röhrchenstruktur wäre zum Beispiel eine Wabenstruktur möglich.
Fig. 5 zeigt den, zu Fig. 3, zugehörigen Querschnitt. Zu se hen ist das erste Gehäuse 1, das zweite Gehäuse 2, die im Hohlraum 18 angeordneten koaxialen Ringe 12 und der Innenraum 19.
Es ist vorteilhaft zu beachten, dass der Wärmeeintrag von warmer Außenwand zum Wasserstoffgas aufgrund radial ausge richteter Konvektionszellen unterbunden wird. Dies kann bei spielsweise durch eine im Ringspalt eingebrachte durchströmte Röhrchenstruktur 11 (Fig. 2 und Fig. 4), durch koaxiale Ringe 12 (Fig. 3 und Fig. 5) oder durch eine Wabenstruktur, welche eine radiale Konvektion verhindern, erreicht werden.
Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Küh lung einer elektrischen Maschine 13 mit einem Rotor 17 nach Fig. 1, Fig. 2 oder Fig. 3 und einen mit diesem in Verbindung stehendem Behälter 14 zur Bereitstellung eines flüssigen Kry- ogens 9 und einer weiteren zu kühlenden Einheit 20 oder einer Brennstoffzelle/ Verbrennungskraftmaschine 21.
Fig. 7 zeigt eine Ansicht eines elektrischen oder hybrid elektrischen Flugzeugs 15, als Beispiel eines Luftfahrzeugs, mit einer nicht dargestellten elektrischen Maschine 13. Der ebenfalls nicht dargestellte Rotor 17 der elektrischen Ma schine 13 versetzt einen Propeller 16 in Rotation.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und ande re Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Rotor (17) einer elektrischen Maschine (13),
aufweisend:
ein erstes Gehäuse (1),
ein im Inneren des ersten Gehäuses (1) angeordnetes zweites Gehäuse (2), wobei zwischen dem ersten (1) und dem zweiten Gehäuse (2) ein Hohlraum (18) ausgebildet ist,
eine an dem zweiten Gehäuse (2) ausgebildete erste Öff nung (4), durch die ein flüssiges Kryogen (9) in das zweite Gehäuse (2) einströmbar ist,
eine an dem zweiten Gehäuse (2) ausgebildete zweite Öff nung (5), durch die das verdampfte Kryogen (10) in den Hohl raum (18) strömbar ist, und
eine an dem ersten Gehäuse (1) ausgebildete dritte Öff nung (6), durch die das verdampfte Kryogen (10) aus dem Hohl raum (18) strömbar ist.
2. Rotor nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch:
eine an dem ersten Gehäuse (1) ausgebildete vierte Öffnung (7), die mit der ersten Öffnung (4) derart in Wirkverbindung steht, dass das flüssige Kryogen (9) in das zweite Gehäuse (2) einströmbar ist.
3. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch:
ein in dem Hohlraum (18) angeordnetes Mittel, das ausgebildet ist, eine Strömung des gasförmigen Kryogens (10) in axialer Richtung zuzulassen und eine Strömung des gasförmigen Kryo gens (10) in radialer Richtung zu stören, um radial ausge richtete Konvektionszellen zu verhindern.
4. Rotor nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Mittel aus koaxialen Ringen (12) gebildet ist oder eine wabenförmige Struktur (11) aufweist.
5. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das flüssige Kryogen (9) flüssiger Wasserstoff ist.
6. Elektrische Maschine (13) mit einem Rotor (17) nach einem der Ansprüchen 2 bis 5,
gekennzeichnet durch eine die erste (4) und die vierte Öff nung (7) aufweisende Drehdurchführung (8) .
7. Vorrichtung zur Kühlung eines Rotors (17) nach einem der Ansprüchen 2 bis 5,
gekennzeichnet durch einen mit der vierten Öffnung (7) in Wirkverbindung stehenden Behälter (14), der ausgebildet ist, das flüssige Kryogen (9) bereitzustellen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
gekennzeichnet durch:
- mindestens eine zu kühlende Einheit (20), die von dem ver dampften Kryogen (10) nach Austritt aus dem ersten Gehäuse (1) entwärmbar ist, und/oder
- mindestens eine Brennstoffzelle oder mindestens eine Ver brennungskraftmaschine (21), die das verdampfte Kryogen (10) nach Austritt aus dem ersten Gehäuse (1) als Brennstoff ver wendet .
9. Luftfahrzeug mit einer Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8.
10. Luftfahrzeug nach Anspruch 9 mit einem elektrischen oder hybrid-elektrischen Flugantrieb.
11. Luftfahrzeug nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass das Luftfahrzeug ein Flugzeug (15) ist.
12. Luftfahrzeug nach den Ansprüchen 11 und 6,
gekennzeichnet durch einen durch die elektrische Maschine (13) in Rotation versetzbaren Propeller (16) .
13. Verfahren zur Kühlung eines Rotors (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch:
Ein Strömen des flüssigen Kryogens (9) in das zweite Ge häuse (2) ,
- ein Verdampfen des flüssigen Kryogens (9) in dem zweiten
Gehäuse (2 ) ,
ein Strömen des verdampften Kryogens (10) in den Hohl raum (18 ) , und
ein Strömen des verdampften Kryogens (10) durch die dritte Öffnung (6) aus dem ersten Gehäuse (1) heraus.
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