Elektrische Maschine und hybridelektrisches Luftfahrzeug

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine sowie ein hybridelektrisches Luftfahrzeug.

Permanenterregte synchrone Drehfeldmaschinen erlauben hohe Leistungs- und Drehmomentdichten. Solche Drehfeldmaschinen weisen einen Stator mit konzentrierten Wicklungen, welche vorzugsweise mit Flachleitern gebildet sind, auf. Vorteilhaft können so hohe Nutfüllfaktoren, kurze Wickelköpfe und somit eine hohe Raum- und Gewichtseffizienz erreicht werden.

Allerdings erzeugen konzentrierte Wicklungen eine stufenför mige Feldwelle, was Wirbelstromverluste in Permanentmagneten des Rotors verursacht. Aufgrund der induktiven Kopplung des Rotorfelds in den Stator entstehen nachteilig Leistungsver luste in den Spulen, welche die Leistung der elektrischen Ma schine stark begrenzen. Denn Teilleiter der Spulen dürfen ei ne gewisse Temperatur nicht überschreiten, damit Isolations material der Einzelleiter und Nutisolationen nicht beschädigt werden. Daher müssen Wicklungen sehr effizient gekühlt wer den .

Zudem ist die Isolation von Einzelleitern der Windungen kri tisch, da in überbrückten Windungen durch Induktion infolge des Rotorfelds hohe Ströme entstehen können, welche zu star ken Temperaturanstiegen führen können. Aufgrund dieser Tempe raturanstiege kann das Isolationsmaterial weiter geschädigt werden, sodass ein Totalausfall der gesamten elektrischen Ma schine resultieren kann. Auch besteht ein hohes Brandrisiko, welches insbesondere bei Luftfahrzeugen nicht eingehbar ist.

Bisher werden zu hohe Spulentemperaturen im Normalbetrieb vermieden, indem die Stromdichte begrenzt wird und konvektive Kühlmaßnahmen im Stator vorgesehen werden. Es ist zudem bekannt, die Wicklungen mit Kühlflüssigkeit mit tels sogenannter Direktkühlung zu umströmen. Als Kühlflüssig keit werden elektrisch isolierende synthetische Öle einge setzt, etwa Silikonöle. Silikonöle besitzen jedoch einen Flammpunkt und sind somit potentiell brennbar, was bislang ebenfalls ein Brandrisiko darstellt.

Bei sogenannten Einzelzahnwicklungen ist jeder Einzelzahn als Spule ausgeführt, was aufgrund der Potentialunterschiede nebeneinanderliegender Einzelzahnwicklungsseiten ein Risiko eines elektrischen Kurzschlusses birgt. Daher muss häufig ein räumlicher Abstand der Einzelzahnwicklungen vorgesehen wer den, wobei Raum zwischen den Einzelzahnwicklungen für Kühlka näle genutzt werden kann, durch die das Kühlöl fließt.

Vor diesem Hintergrund des Standes der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine mit Einzelzahnwick lungen schaffen, welche eine verbesserte Betriebssicherheit, insbesondere eine verbesserte Überlastfähigkeit, gewährleis tet. Weiterhin soll eine verbesserte elektrische Isolation und eine verbesserte Wärmeabfuhr möglich sein. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes hybridelektrisches Luftfahrzeug zu schaffen.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst mindestens einen Stator mit mindestens einem Einzelzahnwicklungsträger, welcher mindestens einen Abstandshalter aufweist, der zur Ab standshaltung von Windungen einer auf den Einzelzahlwick lungsträger aufgebrachten Einzelzahnwicklung voneinander aus gebildet ist.

Insbesondere ist unter einer Beabstandung von Windungen von einander eine Beabstandung benachbarter und/oder nächster Windungen voneinander zu verstehen.

Bevorzugt ist/sind bei der erfindungsgemäßen elektrischen Ma schine der zumindest eine Abstandshalter zur Beabstandung mehrerer, vorzugsweise einer Mehrzahl der, insbesondere sämt- licher, Windungen einer an dem Einzelzahnwicklungsträger an geordneten Einzelzahnwicklung voneinander ausgebildet.

Erfindungsgemäß kann eine effiziente und effektive Direktküh lung der Einzelzahnwicklung durch eine räumliche Separation der Einzelleiter einer Einzelzahnwicklung erreicht werden. Durch Abstandhalter in den Wickelköpfen werden die Einzellei ter einer Einzelzahnwicklung auf Distanz gehalten. Im Ver gleich zu herkömmlichen Spulen mit Flachdrähten ergibt sich eine wesentlich höhere freistehende Oberfläche, die linear in die Höhe des übertragbaren Wärmestroms eingeht. Die Räume zwischen den Einzelleitern der Einzelzahnwicklung sind vor teilhaft als Kühlkanäle nutzbar.

Vorteilhaft ist durch die Beabstandung der Windungen der zu mindest einen Einzelzahnwicklung diese zumindest eine Einzel zahnwicklung und folglich die elektrische Maschine gegenüber thermischen oder durch Vibrationen erzeugten mechanischen Schädigungen einer Isolation der Einzelleiter wenig anfällig und folglich besonders betriebssicher und überlastsicher aus gebildet. Insbesondere ist in vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung eine elektrische Isolation von Einzelleitern einer Einzelzahnwicklung verzichtbar, was den Wärmeübergang vorteilhaft weiter verbessert. Erfindungsgemäß ist daher eine höhere Überlastfähigkeit der Maschine möglich.

Vorteilhaft ist also bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine eine Funktionsintegration von effizienter Direktküh lung und höherer Betriebssicherheit infolge der räumlichen Beabstandung der einzelnen Windungen der zumindest einen Ein zelzahnwicklung des Stators realisierbar. Die erhöhte Ober fläche zur Direktkühlung ermöglicht höhere Stromdichten in den Einzelleitern der Einzelzahnwicklung und damit eine höhe re Überlastfähigkeit der elektrischen Maschine. Das bislang ungelöste Problem der Windungskurzschlüsse aufgrund von Iso lationsversagen wird erfindungsgemäß durch die Beabstandung der Windungen vermieden. Kurzschlüsse zwischen den Einzel zahnwicklungen können durch die Verwendung von Isolationsma- terial zwischen benachbarten Einzelzahnwicklungen vermieden werden .

Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße elektrische Maschi ne zumindest eine Einzelzahnwicklung, welche jeweils an dem mindestens einen Einzelzahnwicklungsträger angeordnet ist, d.h. die elektrische Maschine umfasst die mindestens eine Einzelzahnwicklung .

In einer zweckmäßigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist diese eine permanenterregte Dreh feldmaschine. Gerade bei permanenterregten Drehfeldmaschinen lassen sich hohe Leistungs- und Drehmomentdichten erzielen, wobei die erfindungsgemäße Lösung den Einsatz konzentrierter Wicklungen betriebssicher ermöglicht.

Geeigneterweise ist/sind bei der elektrischen Maschine gemäß der Erfindung der mindestens eine Abstandshalter zur

Beabstandung der Windungen voneinander um einen freien Ab stand von mindestens einem Achtel, vorzugsweise mindestens einem Fünftel, idealerweise mindestens einem Viertel, der Höhe einer Windung, d.h. zweckmäßig einer Abmessung der Win dungen in radialer, d.h. senkrecht zu einer Drehachse des Ro tors orientierter, Richtung ausgebildet. Für typische Wick lungsabmessungen lässt sich in dieser Weiterbildung der Er findung ein hinreichender Abstand zur Ausbildung von Kühlka nälen erzielen.

Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist oder sind die Abstandshalter in vorteilhafter Weiterbildung zur

Beabstandung der Windungen voneinander um einen freien, zwi schen den Windungen liegenden, Abstand von mindestens 0.1 mm, vorzugsweise mindestens 0.175 mm und idealerweise mindestens 0.25 mm ausgebildet. In dieser Weiterbildung der Erfindung sind hinreichend große Abstände zur Ausbildung von Kühlkanä len realisiert. Vorteilhafterweise sind die Abstände für Ein zelzahnwicklungen typischer permanenterregter Drehfeldmaschi nen hinreichend groß um zugleich eine elektrische Isolierung der Windungen voneinander sicherzustellen. D.h. aufgrund der kleinen Potentialunterschiede zwischen einzelnen Windungen einer Einzelzahnwicklung sind die zur elektrischen Isolation erforderlichen Abstände zwischen den Windungen derart gering, dass diese Abstände durch die zur Ausbildung von Kühlkanälen erforderlichen Abstände bereits deutlich übertroffen werden. Vorteilhaft umfasst die elektrische Maschine gemäß der Erfin dung einen Stator mit einer Drehachse sowie mindestens zwei Einzelzahnwicklungsträger, welche sich jeweils quer zur Dreh achse von dieser in einer radialen Richtung fortstrecken und bei welchen der oder die Abstandshalter ausgebildet sind, die Windungen in dieser radialen, d.h. senkrecht zu einer Dreh achse des Rotors orientierten, Richtung zu beabstanden.

Bevorzugt sind bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschi ne die mindestens zwei Einzelzahnwicklungsträger voneinander in umfänglicher Richtung um höchstens die 2.5-fache Breite von Einzelleitern der Windungen und/oder der Einzelzahnwick lung, vorzugsweise um höchstens die 2.25-fache Breite, vonei nander beabstandet. Vorzugsweise sind die Windungen mit

Flachleitern gebildet. Geeigneterweise ist unter der Breite der Einzelleiter der Windungen die Breite, d.h. die größte Abmessung des Leiters quer zu ihrer Leitungsrichtung zu ver stehen. Die Wendung „um eine gewisse Breite beabstandet" meint im Zusammenhang mit dieser Weiterbildung geeigneterwei se, dass die lichte Weite zwischen den Einzelzahnwicklungs trägern ohne Berücksichtigung von Windungen oder Einzelzahn wicklungen selbst die gewisse Breite beträgt.

Geeigneterweise weist die erfindungsgemäße elektrische Ma schine Einzelzahnwicklungsisolierungen auf, welche zur Iso lierung der Einzelzahnwicklungen voneinander zwischen den Einzelzahnwicklungsträgern angeordnet sind. Bei der Verwen dung eines Isolationsmaterials zwischen zwei Einzelzahnwick lungen wird der Raum zwischen den Spulen durch die nun vor handenen Kühlkanäle zwischen den Windungen der Einzelzahn wicklung nicht mehr benötigt, sodass mit einer Erhöhung und Verschmälerung der Nut vorteilhaft ähnliche Nutfüllfaktoren erzielt werden können wie in bekannten Lösungen.

Vorzugsweise weist die elektrische Maschine gemäß der Erfin ^¬ dung einen oder mehrere Kühlkanäle mit jeweils einem Kühl ^¬ fluidpfad auf, der zur Durchströmung eines zwischen den Win dungen liegenden Zwischenraums ausgebildet ist. Geeignet sind der oder die Kühlkanäle zur Leitung von synthetischem Öl aus gebildet .

Das erfindungsgemäße hybridelektrische Luftfahrzeug weist ei ^¬ ne erfindungsgemäße elektrische Maschine wie oben beschrieben auf .

Bevorzugt umfasst das hybridelektrische Luftfahrzeug einen Kühlkreislauf, wobei die elektrische Maschine eine elektri ^¬ sche Maschine wie in einer der obigen Weiterbildungen erläu tert einen oder mehrere Kühlkanäle aufweist und wobei der/die Kühlkanäle Teil des Kühlkreislaufs ist/sind.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zei ^¬ gen :

Fig. 1 einen Teil eines Stators einer bekannten

permanenterregten Drehfeldmaschine mit zwei Einzelzahnwicklungen schematisch im

Querschnitt,

Fig . 2 den Teil des Stators gern. Fig. 1 schematisch im Längsschnitt,

Fig . 3 einen Teil eines Stators einer

erfindungsgemäßen permanenterregten

Drehfeldmaschine schematisch im Querschnitt,

Fig. 4 den Teil des Stators gern. Fig. 3 schematisch im Längsschnitt sowie Fig. 5 ein erfindungsgemäßes hybridelektrisches

Flugzeug schematisch in einer Draufsicht.

Der in Fig. 1 dargestellte Stator ist ein Stator 10 einer permanentmagneterregten Drehfeldmaschine 20. Der Stator 10 ist zur Drehung um eine Drehachse ausgebildet, von welcher sich eine Mehrzahl von Einzelzahnwicklungsträgern 40 in radi aler Richtung 50 fortstrecken .

Die Einzelzahnwicklungsträger 40 tragen Einzelzahnwicklungen 60, welche in einzelnen Windungen 70 um die Einzelzahnwick lungsträger 40 gewickelt sind. Die Windungen 70 sind mit ei nem Flachleiter gebildet, welcher eine Höhe von einem Milli meter und eine Breite von vier Millimetern aufweist. Dabei ist der Flachleiter derart angeordnet, dass sich dessen Höhe in radialer Richtung 50 und seine Breite in umfänglicher Richtung, d.h. in Richtung senkrecht zur radialen Richtung 50 und zu einer zur Drehachse parallelen Richtung 30, erstreckt.

Die Windungen 70 sind in radialer Richtung 50 an einander an liegend um Einzelzahnwicklungsträger 40 gewickelt. In radia ler Richtung 50 weisen die Einzelzahnwicklungen 60 zehn Win dungen 70 und folglich eine Abmessung von etwa 10 Millimetern auf .

Die Einzelzahnwicklungsträger 40 sind voneinander um etwa 11.3 Millimeter in umfänglicher Richtung beabstandet, sodass zwischen den Einzelzahnwicklungen ein in umfänglicher Rich tung 3.3 Millimeter breiter Kühlkanal 80 eröffnet ist, mit tels welchem die Einzelzahnwicklungen 60 kühlbar sind. Der Kühlkanal 80 ist im Betrieb der Drehfeldmaschine 20 mit syn thetischem Öl, welches einen elektrischen Isolator bildet, zur Kühlung der Einzelzahnwicklungen 60 durchströmt.

Die Einzelzahnwicklungen 60 sind gegenüber den Einzelzahn wicklungsträgern 40 mittels einer Nutisolation 90 elektrisch isoliert. Die Nutisolation 90 ist im dargestellten Ausfüh- rungsbeispiel mit einem Flächenisolierstoff, beispielsweise mit einem Aramidlaminat , gebildet. Zudem sind die einzelnen Windungen 70 der Einzelzahnwicklungen 60 mittels Windungsiso lierungen 70 voneinander elektrisch isoliert, sodass Span nungsüberschläge 100 vermeidbar sind.

Der in Fig. 3 dargestellte Stator 10' ist ein Stator 10' ei ner erfindungsgemäßen permanenterregten Drehfeldmaschine 20'. Der Stator 10' ist ebenfalls um eine Drehachse drehbar und weist wie der zuvor beschriebene Stator 10 Einzelzahnwick lungsträger 40' für Einzelzahnwicklungen 60' auf. Die Wick lungsträger 40' weisen erfindungsgemäß jeweils wie in Fig. 4 dargestellt einen Kamm 110 mit voneinander beabstandeten Aus nehmungen 120 auf. Die Ausnehmungen 120 des Kamms 110 sind ausgebildet, Windungen 70' der Einzelzahnwicklungen 60' auf zunehmen und voneinander zu beabstanden.

Die Windungen 70' der Einzelzahnwicklungen 60' sind wie die oben beschriebenen Windungen 70 mit einem Flachleiter gebil det, welcher eine Höhe von einem Millimeter und eine Breite von vier Millimetern aufweist. Dabei ist der Flachleiter ebenfalls derart angeordnet, dass sich dessen Höhe in radia ler Richtung 50 und seine Breite in umfänglicher Richtung, d.h. in Richtung senkrecht zur radialen Richtung 50 und einer zur Drehachse parallelen Richtung 30, erstreckt.

Dabei sind die Windungen 70' der Einzelzahnwicklungen 60' durch den Kamm 110 derart voneinander beabstandet, dass die Windungen 70' zwischenliegend eine lichte Weite von 0.3 Mil limeter einschließen. Die Einzelzahnwicklungen 60' weisen aufgrund dieser zusätzlichen lichten Weite eine um wenige Millimeter größere Erstreckung in radialer Richtung 50 auf. Infolge der Beabstandung der Windungen 70' der Einzelzahn wicklungen 60 ' in radialer Richtung 50 eröffnen die Windungen 70' radial zwischenliegend Kühlkanäle 130, durch welche Kühl fluid in Gestalt synthetischen Öls, welches einen elektri schen Isolator bildet, zur Kühlung der Einzelzahnwicklungen 60 ' strömt . Aufgrund der Eröffnung von Kühlkanälen 130 zwischen den Win dungen 70' ist in umfänglicher Richtung zwischen den Einzel zahnwicklungsträgern 40' ein Kühlkanal 80 verzichtbar. Statt- dessen kann wie in Fig. 3 und 4 gezeigt eine Isolierung 140 vorgesehen sein, welche weniger als 2 Millimeter des zwischen den Einzelzahnwicklungen 60 ' vorgesehenen Zwischenraums er fordert. Die Isolierung 140 ist als Trennwand aus demselben Material wie die Nutisolation 90 gebildet. Die Trennwand er streckt sich eben und zwar in radialer Richtung 50 und in Richtung 30 parallel zur Drehachse. Aufgrund des geringeren zwischen den Einzelzahnwicklungen 60 ' vorgesehenen Zwischen raums in umfänglicher Richtung sind die Einzelzahnwicklungen 60' um weniger als die 2.25-fache Breite der Flachleiter der Windungen 70' voneinander beabstandet.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Windungen 70' nicht eigens isoliert, sondern durch ihre Beabstandung vonei nander und das blasenfrei durch die Kühlkanäle 130 strömende synthetische Öl hinreichend elektrisch isoliert. In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen kann zusätz lich eine Isolierung der Windungen 70' vorhanden sein.

Das erfindungsgemäße hybridelektrische Flugzeug 400 weist wie in Fig. 5 dargestellt zum Antrieb eines Propellers 410 und/oder eines Triebwerks (in der Zeichnung nicht darge stellt) eine erfindungsgemäße Drehfeldmaschine 20' mit dem Stator 10' auf.