ОХЛАЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
COOLING OF ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к электрической машине, содержащей первую секцию охлаждения, в которой предусмотрен первый хладагент для охлаждения электрической машины, и вторую секцию охлаждения, в которой предусмотрен второй хладагент.
При работе электрических машин возникает множество потерь, которые преобразуются в тепло и приводят к нагреву электрической машины.
Для того чтобы предотвратить чрезмерный нагрев материалов в электрической машине, должно быть обеспечено достаточное охлаждение. Это может быть реализовано в простейшем случае с помощью естественной конвекции на поверхности. Для машин, начиная с определенного класса мощности и размеров, должно быть реализовано охлаждение с помощью охлаждающих контуров и теплообменников.
Разность температур между хладагентом в первичном контуре внутри машины и хладагентом во вторичном контуре вне машины является характерным признаком для охлаждения машины. При этом выходная температура в первичном контуре в общем случае лежит выше холодной температуры вторичного носителя. В соответствии с выходной температурой вторичного носителя и этой разницы температур определяется допустимый нагрев электрической машины до максимально допустимой температуры обмотки.
В основе изобретения лежит задача предложить альтернативу известным системам охлаждения для электрических машин.
Эта задача решается электрической машиной вышеуказанного типа тем, что электрическая машина содержит по меньшей мере одну активную часть и по меньшей мере один элемент переноса тепла, содержащий магнитокалорический (магнитотепловой) материал, причем по меньшей мере один элемент переноса тепла по меньшей мере частично и/или по меньшей мере временно посредством по меньшей мере одной активной части может нагружаться магнитным полем, причем по меньшей мере одна активная часть и по меньшей мере один элемент переноса тепла выполнены таким образом, что с использованием магнитокалорического эффекта отходящее тепло от первого хладагента может передаваться к второму хладагенту.
x
x
4
x
x
13
x
x
x
В качестве магнетокалорического материала могут использоваться, например, парамагнитные соли, такие как нитрат церия-магния, или гадолиний (Gd) и сплавы гадолиния, такие как GdDy, GdTb. Кроме того, могут быть использованы материалы, которые известны как GMCE-материалы (от англ. GMCE - “giant magnetocaloric effect” – гигантский магнитокалорический эффект), такие как, например, сплавы Gds(SiGei-), La(FeSii-)H и MnFePi-As.
В частности, первая секция охлаждения может быть выполнена в виде замкнутого контура охлаждения или первичного контура, так что обмен или смешивание первого хладагента с вторым хладагентом по меньшей мере в значительной степени предотвращается. В принципе, вторая секция охлаждения может быть выполнена также в виде замкнутого контура охлаждения или вторичного контура независимо от первой секции охлаждения. В качестве альтернативы, возможно, что первая секция охлаждения и/или вторая секция охлаждения выполнены открытыми, в том смысле, что первый хладагент или второй хладагент могут смешиваться с другими хладагентами, и не обязательно должен иметься соответствующий замкнутый контур. В качестве соответствующего хладагента предпочтительно используется газообразный или жидкий флюид, например, воздух, вода или масло, причем в качестве первого хладагента и в качестве второго хладагента могут быть использованы одинаковые или различные флюиды.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения, исходная или холодная температура первого хладагента в первой секции охлаждения электрической машины снижается за счет использования магнитокалорического эффекта. Одновременно, температура второго хладагента во второй секции охлаждения повышается, так что может достигаться увеличенная разность температур между первым хладагентом и вторым хладагентом.
При магнитокалорическом эффекте подходящий материал нагревается или охлаждается посредством повышения нагружения или посредством уменьшения нагружения магнитным полем. Это вытекает из того факта, что материал в отсутствие воздействия магнитного поля имеет магнитные моменты, которые не имеют преимущественного направления. В адиабатическом процессе, материал подвергается воздействию магнитного поля, из-за чего происходит ориентация (выравнивание) магнитных моментов, и связанная с упорядоченностью магнитных моментов энтропия убывает. Так как процесс является адиабатическим, то полная энтропия сохраняется, так что связанная с температурой материала энтропия возрастает, что приводит в результате к возрастанию температуры материала. И наоборот, преимущественное направление магнитных моментов из-за окончания нагружения магнитным полем при адиабатическом процессе теряется, так что связанная с упорядоченностью магнитных моментов энтропия возрастает. Опять же, полная энтропия сохраняется, так связанная с температурой материала энтропия снижается, поэтому можно наблюдать спад температуры материала.
По меньшей мере частичное и/или по меньшей мере временное нагружение по меньшей мере одного элемента переноса тепла может выполняться посредством по меньшей мере одной активной части. Например, соответствующая активная часть является электрически приводимой в действие и выполняется как электрическая обмотка, катушка или пара катушек. Соответствующая активная часть, однако, может быть также реализована с помощью постоянных магнитов или тому подобного. В частности, может быть предусмотрена компоновка, в которой по меньшей мере пара магнитов, например, пара катушек или пара постоянных магнитов имеет промежуточное пространство между парой магнитов, причем элемент переноса тепла по меньшей мере частично и/или по меньшей мере временно находится в промежуточном пространстве.
Например, магнитное поле, создаваемое по меньшей мере одной активной частью, может изменяться во времени или включаться и выключаться, чтобы достичь по меньшей мере частичного и/или по меньшей мере временного нагружения соответствующего элемента переноса тепла. Дополнительно или в качестве альтернативы, относительное перемещение соответствующей активной части по отношению к соответствующему элементу переноса тепла может применяться для того, чтобы достичь указанного нагружения. Например, для этого соответствующая активная часть может выполнять поступательное или вращательное движение при соответствующем неподвижном элементе переноса тепла и/или наоборот. Например, для поясненного нагревания или охлаждения соответствующего элемента переноса тепла при нагружении или при окончании нагружения магнитным полем также может использоваться поступательное и/или вращательное движение, создаваемое электрической машиной. Таким образом, поступательное движение или вращение электрической машины могут совместно использоваться для того что соответствующий элемент переноса тепла на основе магнитокалорического эффекта приводится в действие для охлаждения электрической машины, причем соответствующий элемент переноса тепла, например, через механическую передачу жестко или прочно соединен с подвижной частью электрической машины. Также сочетание временного изменения магнитного поля с относительным перемещением может применяться для того, чтобы гарантировать по меньшей мере частичное и/или по меньшей мере временное нагружение соответствующего элемента переноса тепла.
По меньшей мере частичное и/или по меньшей мере временное нагружение соответствующего элемента переноса тепла обеспечивает, в итоге, то, что отходящее тепло от первого хладагента при использовании магнитокалорического эффекта может передаваться к второму хладагенту. В частности, первая секция охлаждения и вторая секция охлаждения могут быть выполнены для этой цели соответствующим образом. Предпочтительным образом предусмотрено, что отходящее тепло от первого хладагента может передаваться на соответствующий элемент переноса тепла, когда соответствующий элемент переноса тепла по меньшей мере частично и/или по меньшей мере временно охлаждался посредством магнитокалорического эффекта. Предпочтительным образом, отходящее тепло соответствующего элемента переноса тепла может передаваться на второй хладагент, когда соответствующий элемент переноса тепла по меньшей мере частично и/или по меньшей мере временно нагревался посредством магнитокалорического эффекта.
В целом, следовательно, предлагается альтернатива известным системам охлаждения для электрических машин, причем, в частности, обеспечивается возможность улучшенного удаления отходящего тепла первого хладагента и, таким образом, улучшенное охлаждение электрической машины. За счет снижения холодной температуры первичного носителя увеличивается, например, допустимый нагрев или использование электрической машины.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, соответствующий элемент переноса тепла размещен в электрической машине с возможностью вращения вокруг оси вращения и/или поступательного перемещения, причем первая область элемента соответствующего элемента переноса тепла расположена в первой области электрической машины, которая посредством по меньшей мере одной активной части может нагружаться магнитным полем, причем вторая область элемента соответствующего элемента переноса тепла расположена во второй области машины за пределами первой области машины.
В частности, когда электрическая машина выполнена в виде электродвигателя или генератора, ось вращения может быть осью вращения вала или ротора электрической машины. При этом может быть предусмотрено, что соответствующий элемент переноса тепла, например, без проворачивания или через передаточный механизм соединен с валом или ротором.
Соответствующий элемент переноса тепла имеет первую область элемента и вторую область элемента, которые, например, могут быть образованы двумя половинами соответствующего элемента переноса тепла. При этом первая область элемента расположена в первой области машины, которая может нагружаться посредством по меньшей мере одной активной части магнитным полем, так что также первая область элемента может нагружаться магнитным полем. Вторая область элемента находится во второй области машины, которая расположена за пределами первой области машины. В частности, первая область машины может быть областью электрической машины, которая может нагружаться особенно сильным магнитным полем, в то время как вторая область машины может быть областью электрической машины, которая может нагружаться или нагружается лишь относительно слабым магнитным полем или вообще не нагружается магнитным полем.
Если соответствующий элемент переноса тепла выполняет вращение, то первая область элемента или вторая область элемента является той областью, которая в текущий момент располагается в первой области машины или, соответственно, во второй области машины. Если рассматривается определенная точка соответствующего элемента переноса тепла, вращающегося вокруг оси вращения, то эта точка во время вращения находится, таким образом, временно в первой области элемента и временно во второй области элемента, в зависимости от того, находится ли эта точка в текущий момент в первой области машины или во второй области машины.
Таким образом, может быть получен эффективный циклический процесс, при котором отдельные точки соответствующего элемента переноса тепла проходят через поясненные выше процессы адиабатического нагрева и адиабатического охлаждения, и, тем самым, отходящее тепло первого хладагента может восприниматься особенно хорошо и особенно хорошо отдаваться к второму хладагенту. При этом, как правило, адиабатические процессы имеют место уже при относительно низких числах оборотов.
Вместо поясненного вращательного движения, также может быть предусмотрено, что соответствующий элемент переноса тепла может перемещаться поступательно в электрической машине, что, в частности, имеет место в случае с линейным двигателем. Также для поступательного движения соответствующего элемента переноса тепла электрическая машина может быть выполнена таким образом, что имеются вышеописанные первая и вторая области машины, а также что соответствующий элемент переноса тепла имеет вышеописанные первую и вторую области элемента. При этом также могут быть реализованы смешанные формы вращательного и поступательного движения соответствующего элемента переноса тепла.
В целом, таким образом, для описываемого нагрева или охлаждения соответствующего элемента переноса тепла может использоваться создаваемое электрической машиной поступательное и/или вращательное движение, в частности, если соответствующий элемент переноса тепла приводится в движение ротором электрической машины.
В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, соответствующая активная часть выполнена таким образом, что магнитное поле направлено по существу вдоль оси вращения.
Первая область элемента и вторая область элемента могут, таким образом, при рассмотрении в поперечном сечении перпендикулярно к оси вращения, например, представлять собой две противолежащие половины соответствующего элемента переноса тепла. Соответствующая активная часть может быть выполнена таким образом, что первая область элемента, в частности, одна из двух половин, может нагружаться особенно сильным магнитным полем в направлении оси вращения, в то время как вторая область элемента, в частности, вторая половина, может нагружаться или нагружается относительно слабым магнитным полем или вообще не нагружается никаким магнитным полем.
В альтернативном другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, соответствующая активная часть выполнена таким образом, что магнитное поле, по существу, ориентировано перпендикулярно оси вращения.
Первая область элемента и вторая область элемента могут, вновь при рассмотрении в поперечном сечении перпендикулярно к оси вращения, представлять собой две противолежащие половины соответствующего элемента переноса тепла. Соответствующая активная часть может быть выполнена таким образом, что первая область элемента, в частности, одна из обеих половин, нагружается особенно сильным магнитным полем перпендикулярно к оси вращения, тогда как вторая область элемента, в частности, вторая половина, может нагружаться или нагружается относительно слабым магнитным полем или вообще не нагружается никаким магнитным полем.
Для примера, когда ось вращения ориентирована в направлении z-оси прямоугольной системы координат, направление магнитного поля может, например, типично указывать в x-направлении. Также возможно, что магнитное поле не является пространственно однородным, а силовые линии магнитного поля описывают, например, дуги с компонентами в х-направлении и в y-направлении.
В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, первая секция охлаждения выполнена таким образом, что отходящее тепло может передаваться от первого хладагента ко второй области элемента, причем вторая секция охлаждения выполнена таким образом, что отходящее тепло от первой области элемента может передаваться к второму хладагенту.
Для этого первая секция охлаждения или первичный контур выполнена (выполнен), в частности, таким образом, что первый хладагент может направляться к соответствующей второй области элемента и, после того как первый хладагент передал свое отходящее тепло к соответствующей второй области элемента, может направляться от соответствующей второй области элемента к охлаждаемым частям электрической машины. Соответственно, вторая секция охлаждения или вторичный контур выполнена (выполнен) таким образом, что второй хладагент может направляться к первой области элемента и, после того как второй хладагент воспринял отходящее тепло первой области элемента, может направляться от соответствующей первой области элемента, например, к радиатору.
Предпочтительным образом, в первой секции охлаждения и/или во второй секции охлаждения предусмотрена турбомашина, с помощью которой может приводиться в движение поток соответствующего хладагента.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения, соответствующий элемент переноса тепла имеет по меньшей мере четыре участка, причем при заданном направлении вращения соответствующего элемента переноса тепла
- первый участок расположен в пределах первой области элемента там, где локальная температура элемента переноса тепла может повышаться посредством локального повышения магнитной упорядоченности элемента переноса тепла,
- второй участок расположен в пределах первой области элемента, в направлении вращения непосредственно после первого участка,
причем отходящее тепло от соответствующего элемента переноса тепла через второй участок может передаваться к второму хладагенту,
- третий участок расположен в пределах второй области элемента там, где локальная температура элемента переноса тепла может быть снижена посредством локального снижения магнитной упорядоченности элемента переноса тепла,
- четвертый участок расположен в пределах второй области элемента, в направлении вращения непосредственно после третьего участка,
причем отходящее тепло от первого хладагента к соответствующему элементу переноса тепла может передаваться через четвертый участок.
Первый участок, таким образом, является той областью соответствующего элемента переноса тепла, которая подвергается воздействию повышения магнитного поля, так что магнитные моменты в этой области ориентируются в преимущественном направлении и, тем самым, упорядочиваются. Так как повышение магнитного поля, в общем, имеет место уже при относительно низких числах оборотов в пределах короткого времени, то, как правило, имеет место адиабатический процесс, так что одновременно локальная температура в той области дополнительно повышается.
Материал второй участка уже прошел стадию адиабатического нагрева и, таким образом, имеет дополнительно повышенную температуру. Второй хладагент находится в тепловом контакте с вторым участком, так что отходящее тепло второго участка может передаваться ко второму хладагенту, в результате чего второй участок охлаждается.
Соответствующий элемент переноса тепла на третьем участке подвергается воздействию снижения магнитного поля, в результате чего магнитные моменты в той области, как правило, теряют свое преимущественное направление и, таким образом, становятся неупорядоченными. Так как снижение магнитного поля, как правило, происходит в пределах короткого времени, вновь имеет место адиабатический процесс, так что одновременно локальная температура в той области дополнительно снижается.
Материал четвертого участка уже подвергался адиабатическому охлаждению и, следовательно, имеет дополнительно сниженную температуру. Поэтому первый хладагент, который находится в тепловом контакте с четвертым участком, может передавать особенно много отходящего тепла к четвертому участку, в результате чего четвертый участок нагревается.
За счет вращения соответствующего элемента переноса тепла, отдельные точки соответствующего элемента переноса тепла проходят указанные выше стадии, так что выполняется циклический процесс.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения, первая секция охлаждения выполнена таким образом, что первый хладагент может подводиться сначала к четвертому участку, а затем к третьему участку соответствующего элемента переноса тепла.
Как объяснялось выше, четвертый участок соответствующего элемента переноса тепла имеет более высокую температуру, чем третий участок, так что первый хладагент сначала направляется к четвертому, более теплому участку. Первый хладагент затем направляется к третьему, более холодному участку, так что, в целом, обеспечивается возможность особенно эффективного теплообмена между первым хладагентом и соответствующим элементом переноса тепла. В целом, за счет этого реализуется своего рода принцип противотока.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения, вторая секция охлаждения выполнена таким образом, что второй хладагент сначала может направляться к второму участку, а затем к первому участку соответствующего элемента переноса тепла.
Второй хладагент, таким образом, направляется, как пояснено выше, к второму, более холодному участку соответствующего элемента переноса тепла. Затем второй хладагент направляется к первому, более теплому участку, в результате чего обеспечивается возможность особенно эффективного теплообмена между соответствующим элементом переноса тепла и вторым хладагентом. За счет такого выполнения вновь реализуется своего рода принцип противотока.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения, соответствующий элемент переноса тепла на своей поверхности имеет по меньшей мере один выпуклый элемент для увеличения площади поверхности.
По меньшей мере один выпуклый элемент служит для увеличения площади поверхности, за счет чего обмен с первым хладагентом или с вторым хладагентом может осуществляться особенно эффективным образом. В частности, за счет этого может увеличиваться количество отходящего тепла, передаваемого к соответствующему элементу переноса тепла, или отходящего тепла, передаваемого от соответствующего элемента переноса тепла. Предпочтительным образом, соответствующий выпуклый элемент содержит магнитокалорический материал.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения, соответствующий выпуклый элемент выполнен в виде ребра, перемычки или лопасти винта.
При этом ребро может быть выполнено, в частности, проходящим в окружном направлении или вдоль осевого направления, причем также могут быть предусмотрены смешанные формы, в частности, выполнение в форме спиральной дорожки. Например, перемычка может быть выполнена как выступающая оправка или тому подобное.
За счет выполнения соответствующего выпуклого элемента в виде лопасти винта, с одной стороны, увеличивается поверхность, предоставленная в распоряжение для теплообмена, так что обмениваемое количество тепла увеличивается, а с другой стороны, соответствующая лопасть винта может быть использована для приведения в движение потока соответствующего хладагента. В частности, может быть предусмотрено несколько лопастей винта, так что, в целом, например, моделируется центробежный вентилятор или осевой вентилятор, в частности, когда по отношению к обоим хладагентам, соответственно, реализуется прямоточное охлаждение. Тем не менее, хорошие результаты охлаждения также могут быть достигнуты путем обеспечения в отношении двух хладагентов, соответственно, противоточного охлаждения.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения предусмотрен по меньшей мере один отклоняющий элемент, посредством которого, соответственно, первый хладагент и/или второй хладагент может подводиться к соответствующему элементу переноса тепла или отводиться от соответствующего элемента переноса тепла и посредством которого первая секция охлаждения по существу может гидравлически отделяться от второй секции охлаждения.
Для того чтобы уменьшить потери потока, в первой секции охлаждения и/или второй секции охлаждения предусмотрен, соответственно, по меньшей мере один отклоняющий  элемент. В частности, также может использоваться соответствующий струйный элемент, посредством которого поток соответствующего хладагента замедляется или ускоряется в направлении потока перед или после соответствующей области элемента за счет того, что предоставленное в распоряжение поперечное сечение потока увеличивается или уменьшается посредством выполнения соответствующего струйного элемента в форме диффузора или в форме сопла. При этом соответствующий струйный элемент может быть выполнен, в частности, как отклоняющий элемент.
По меньшей мере один отклоняющий элемент может быть использован, в частности, для направления хладагента от или к четырем вышеуказанным участкам. Например, первый хладагент может сначала направляться к четвертому, более теплому участку посредством того, что предусмотрен по меньшей мере один соответствующим образом сформированный отклоняющий элемент, и, в частности, формируется соответственно выполненный канал. Затем первый хладагент посредством по меньшей мере одного отклоняющего элемента направляется к третьему, более холодному участку и, наконец, к охлаждаемым частям электрической машины. Соответственно, второй хладагент посредством по меньшей мере одного отклоняющего элемента или соответствующим образом выполненного канала может направляться к второму, более холодному участку соответствующего элемента переноса тепла. Затем второй хладагент посредством по меньшей мере одного отклоняющего элемента направляется к первому, более теплому участку и, наконец, направляется, в частности, к радиатору.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения, электрическая машина имеет якорь и станину, причем по меньшей мере часть якоря и/или станины выполнена как активная часть.
Для примера вращающихся электрических машин, якорь также упоминается как ротор, а станина – как статор.
Электрическая машина выполнена, например, с возможностью создания крутящего момент или для производства электрической энергии, причем ротор (якорь) и статор (станина) выполнены соответствующим образом. Кроме того, ротор и/или статор или по меньшей мере часть ротора и/или статора функционируют как упомянутая выше активная часть, которая может нагружать по меньшей мере один элемент переноса тепла магнитным полем.
В частности, таким образом, для генерации необходимого магнитного поля также используется ответвление основного поля возбуждения электрической машины. Например, статор выполнен таким образом, чтобы обеспечивать основное поле возбуждения, в котором подвижно расположен ротор. Соответственно, статор или часть статора представляет собой вышеописанную активную часть. Предпочтительно, соответствующая электрическая машина выполнена как синхронная машина.
Также возможно, что ротор выполнен как ротор с независимым возбуждением или с постоянным возбуждением, который расположен коаксиально по отношению к статору. При этом ротор имеет большую осевую протяженность, чем статор или пакет железа статора, так что часть ротора выступает из статора в осевом направлении. По меньшей мере один элемент переноса тепла предпочтительно расположен в осевом продолжении статора или пакета железа статора таким образом, что он может взаимодействовать с выступающей частью ротора. При движении ротора, по меньшей мере один элемент переноса тепла с его магнитокалорическим материалом, таким образом, подвергается воздействию колебаний магнитного поля, создаваемого ротором с независимым возбуждением или постоянным возбуждением, так что осуществляются вышеописанные адиабатические процессы охлаждения и нагрева.
С другой стороны, статор также может иметь большую осевую протяженность, чем ротор или пакет железа ротора, причем по меньшей мере один элемент переноса тепла расположен, например, в осевом продолжении ротора таким образом, что он может взаимодействовать с выступающей частью статора.
В линейных машинах возможно соответствующее выполнение станины, якоря и элемента переноса тепла.
Кроме того, может быть предусмотрен случай, когда электрическая машина выполнена как внешний ротор, особенно как генератор энергии ветра. Расположенный радиально внешним образом ротор имеет при этом по меньшей мере одну активную часть, которая, соответственно, выполнена, например, в виде постоянного магнита или электрической обмотки для ротора с независимым возбуждением. В частности, радиально внутри расположенный статор и/или радиально дальше снаружи расположенная часть корпуса имеет по меньшей мере один элемент переноса тепла. При этом с ротором предусмотрены совместно вращающиеся отклоняющие элементы, посредством которых вышеописанная первая секция охлаждения, вторая секция охлаждения или подобные каналы охлаждения могут быть образованы таким образом, что первый и второй хладагенты направляются отдельно, и отходящее тепло от первого хладагента может передаваться к соответствующему элементу переноса тепла, после того как он пройдет адиабатическое охлаждение, причем дополнительно отходящее тепло от соответствующего элемента переноса тепла может передаваться к второму хладагенту, после того как соответствующий элемент переноса тепла прошел адиабатическое нагревание.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения, электрическая машина выполнена как генератор или электродвигатель.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения, электрическая машина может эксплуатироваться с мощностью более 1 МВт, в частности более 10 МВт.
Предпочтительным образом, электрическая машина выполнена как внешний ротор, в частности, как генератор энергии ветра.
В дальнейшем изобретение будет описано и объяснено более подробно со ссылкой на примерные варианты осуществления, представленные на чертежах, на которых показано следующее:
Фиг.1 - первый пример выполнения электрической машины в соответствии с настоящим изобретением,
Фиг. 2 - второй пример выполнения электрической машины в соответствии с настоящим изобретением,
Фиг. 3 - альтернативный вид второго примера выполнения,
Фиг. 4 - третий пример выполнения электрической машины в соответствии с настоящим изобретением,
Фиг. 5 - четвертый пример выполнения электрической машины в соответствии с настоящим изобретением,
Фиг. 6 - альтернативный вид четвертого примера выполнения и
Фиг. 7 - пятый пример выполнения электрической машины в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 1 показан первый пример выполнения электрической машины, соответствующей изобретению.
Электрическая машина имеет первая секцию 1 охлаждения и вторую секцию 2 охлаждения, причем в первой секции 1 охлаждения предусмотрен первый хладагент для охлаждения электрической машины. Между первой секцией 1 охлаждения и второй секцией 2 охлаждения размещен элемент 4 переноса тепла, который содержит магнитокалорический материал. Электрическая машина имеет активную часть 3, посредством которой элемент 4 переноса тепла по меньшей мере частично и/или по меньшей мере временно может нагружаться магнитным полем 5. Обозначенная ссылочной позицией 5 стрелка предназначена для указания магнитных силовых линий магнитного поля 5 на фиг. 1. При этом активная часть 3 и элемент 4 переноса тепла выполнены таким образом, что за счет использования магнитокалорического эффекта отходящее тепло от первого хладагента может передаваться к второму хладагенту, предусмотренному во второй секции 2 охлаждения.
На фиг.2 показан второй пример выполнения соответствующей изобретению изобретения электрической машины, причем представлено поперечное сечение электрической машины. При этом те же ссылочные позиции, что и на фиг. 1, обозначают одинаковые элементы.
В соответствии со вторым примером выполнения, элемент 4 переноса тепла расположен вокруг вала 16, который имеет возможность вращения вокруг оси 6 вращения электрической машины. Первая область 11 элемента 4 переноса тепла расположена в первой области машины электрической машины, которая посредством активной части 3 может нагружаться магнитным полем 5. При этом активная часть 3 позиционирована по отношению к элементу 4 переноса тепла таким образом, представленная на фиг. 2 нижняя половина элемента 4 переноса тепла может нагружаться магнитным полем 5. Эта нагружаемая магнитным полем 5 половина элемента 4 переноса тепла представляет собой первую область 11 элемента. Вторая область 12 элемента 4 переноса тепла расположена во второй области машины за пределами первой области машины, причем вторая область элемента не может нагружаться магнитным полем 5.
Если вал 16 и элемент 4 переноса тепла выполняют вращательное движение вокруг оси 6 вращения, то части элемента 4 переноса тепла временно находятся в первой области машины, которая может нагружаться магнитным полем 5, а другие части элемента 4 переноса тепла в тот же момент времени - во второй области машины. Соответственно, части элемента 4 переноса тепла временно находятся в первой области 11 элемента, а другие части элемента 4 переноса тепла в тот же время момент времени – во второй области 12 элемента. К более позднему моменту времени, соответствующие части элемента 4 переноса тепла за счет вращательного движения могут находиться в соответствующей другой области элемента.
В рамках этого примера выполнения, первый и второй хладагент направляются вдоль элемента 4 переноса тепла таким образом, что образуется поток хладагента, как указано стрелками, обозначенными ссылочными позициями 9 и 10. Для направления соответствующего хладагента предусмотрены отклоняющие элементы 8. В частности, в отношении одного их хладагентов представлено прямоточное охлаждение, а по отношению к другому хладагенту - противоточное охлаждение.
Активная часть 3, как показано на фиг. 2, может быть размещена таким образом, что может генерироваться магнитное поле 5, которое, по существу, перпендикулярно оси 6 вращения электрической машины. В качестве альтернативы, активная часть 3 может быть выполнена таким образом, что магнитное поле 5, по существу, параллельно оси 6 вращения или имеют место смешанные формы.
На фиг. 3 показан альтернативный вид второго примера выполнения, причем представлено продольное сечение электрической машины. При этом представленная на фиг. 2 компоновка показана на правой половине фиг. 3. Для ясности, были опущены некоторые детали.
Электрическая машина имеет якорь 13, выполненный как ротор, который без проворачивания соединен с валом 16 и который размещен внутри станины 14, выполненной как статор. Первая секция 1 охлаждения с первым хладагентом может, например, служить для того, чтобы охлаждать статор 14 и/или ротор 13, причем, посредством элемента 4 переноса тепла, отходящее тепло, воспринятое от первого хладагента, может быть эффективно удалено.
На фиг. 4 показан третий пример выполнения соответствующей изобретению электрической машины.
Элемент 4 переноса тепла содержит четыре участка I, II, III и IV, которые при заданном направлении 15 вращения представляются следующим образом. Первый участок I расположен в пределах первой области 11 элемента там, где локальная температура элемента 4 переноса тепла может повышаться посредством локального увеличения магнитной упорядоченности элемента 4 переноса тепла. Первый участок I является, таким образом, такой областью соответствующего элемента 4 переноса тепла, которая при вращении элемента 4 переноса тепла подвергается воздействию увеличения магнитного поля 5. Второй участок II расположен в направлении 15 вращения непосредственно после первого участка I, причем через второй участок II отходящее тепло от элемента 4 переноса тепла может переноситься ко второму хладагенту. Третий участок III расположен в пределах второй области 12 элемента там, где локальная температура элемента 4 переноса тепла может снижаться за счет локального уменьшения магнитной упорядоченности элемента 4 переноса тепла. Таким образом, третий участок 3 расположен там, где элемент 4 переноса тепла при вращении подвергается воздействию снижения магнитного поля 5. Четвертый участок IV расположен в направлении 15 вращения непосредственно после третьего участка III, причем через четвертый участок IV отходящее тепло может переноситься от первого хладагента к элементу 4 переноса тепла.
При этом первая секция 1 охлаждения выполнена таким образом, что первый хладагент сначала направляется к четвертому участку IV, а затем к третьему участку III, причем второй хладагент во второй секции 2 охлаждения направляется таким образом, что он сначала на втором участке II, а затем на первом участке I находится в тепловом контакте с элементом 4 переноса тепла. Таким образом, для обоих хладагентов осуществляется противоточное охлаждение. Для направления соответствующих хладагентов могут быть предусмотрены отклоняющие элементы, которые, в частности, выполнены в виде сопла или диффузора.
Активная часть 3, как показано на фиг. 4, может быть расположена таким образом, что может создаваться магнитное поле 5, которое, по существу, перпендикулярно оси 6 вращения электрической машины. В качестве альтернативы, активная часть 3 может быть выполнена таким образом, что имеет место магнитное поле 5, по существу, параллельное оси 6 вращения, или в смешанной форме.
На фиг. 5 показан четвертый пример выполнения соответствующей изобретению электрической машины. Так как имеется некоторое сходство со вторым примером выполнения, далее поясняются различия между четвертым примером выполнения и вторым примером выполнения.
В соответствии с четвертым примером выполнения, активная часть 3 реализуется посредством двух обмоток 17 статора, посредством которых элемент 4 переноса тепла частично или временно может нагружаться магнитным полем 5.
На фиг. 6 показан альтернативный вид четвертого примера выполнения, причем представлено продольное сечение электрической машины. Для ясности, некоторые детали опущены.
Электрическая машина имеет якорь 13, выполненный как ротор, который без проворачивания соединен с валом 16 и который размещен внутри станины 14, выполненной как статор. Например, ротор 13 имеет пакет железа (листовой пакет сердечника), к которому в осевом направлении примыкает элемент 4 переноса тепла. При этом ротор 13 с его пакетом железа и части элемента 4 переноса тепла посредством обмотки 17 статора могут нагружаться магнитным полем 5, причем две из обмоток 17 статора действуют в осевой области элемента 4 переноса тепла в качестве активной части 3, как показано на фиг. 5.
На фиг. 7 показан пятый пример выполнения соответствующей изобретению электрической машины.
Электрическая машина выполнена как внешний ротор, причем радиально внутри расположен статор 14 с элементом 4 переноса тепла, а радиально снаружи коаксиально статору 14 расположен ротор 13, причем ротор 13 имеет возможность вращения вокруг оси 6 вращения в направлении 15 вращения. Ротор 13 имеет ряд активных частей 3, которые могут быть выполнены, например, как постоянные магниты, а также отклоняющие элементы 8, которые без проворачивания связаны с ротором 13. Отклоняющие элементы 8 расположены попарно таким образом, что может быть образована, соответственно, первая секция 1 охлаждения 1 и вторая секция 2 охлаждения, в которой, соответственно, может направляться первый хладагент или второй хладагент, как обозначено стрелкой со ссылочной позицией 9 и 10, указывающей от плоскости чертежа или, соответственно, в плоскость чертежа.
При этом соответствующая первая область 11 элемента 4 переноса тепла может нагружаться магнитным полем 5 посредством соответствующей активной части 3, причем соответствующая вторая область 12 элемента 4 переноса тепла в направлении 15 вращения примыкает к соответствующей первой области 11 элемента и не нагружается или может нагружаться менее выраженным магнитным полем.
Из-за вращения ротора 13, части элемента 4 переноса тепла попеременно подвергаются воздействию увеличения или уменьшения магнитного поля 5, так что соответствующая часть элемента 4 переноса тепла адиабатически нагревается или охлаждается. Посредством совместного вращения отклоняющих элементов 8, второй хладагент может направляться таким образом, что второй хладагент постоянно находится в тепловом контакте с соответствующей дополнительно нагретой областью элемента 4 переноса тепла, причем первый хладагент, посредством совместно вращающихся отклоняющих элементов 8, может направляться таким образом, что первый хладагент постоянно находится в тепловом контакте с соответствующей дополнительно охлажденной областью элемента 4 переноса тепла. Поэтому, в целом, обеспечивается возможность особенно эффективного переноса отходящего тепла первого хладагента к второму хладагенту.
Таким образом, изобретение относится к электрической машине, содержащей первую секцию охлаждения, в которой предусмотрен первый хладагент для охлаждения электрической машины, и вторую секцию охлаждения, в которой предусмотрен второй хладагент. Для того, чтобы обеспечить альтернативу известным системам охлаждения для электрических машин, предлагается, что электрическая машина содержит по меньшей мере одну активную часть и по меньшей мере один элемент переноса тепла, содержащий магнитокалорический материал, при этом по меньшей мере один элемент переноса тепла по меньшей мере частично и/или по меньшей мере временно посредством по меньшей мере одной активной части может нагружаться магнитным полем, причем по меньшей мере одна активная часть и по меньшей мере один элемент переноса тепла выполнены таким образом, что за счет использования магнитокалорического эффекта отходящее тепло от первого хладагента может передаваться к второму хладагенту.