Elektrische Maschine und hybrid-elektrisches Luftfahrzeug

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine sowie ein hybrid-elektrisches Luftfahrzeug, insbesondere ein hybrid elektrisches Flugzeug.

Elektrische Maschinen, insbesondere Elektromotoren und Elekt rogeneratoren, müssen in einigen kritischen Anwendungen be sonders betriebssicher eingesetzt werden: So sind regelmäßig Maßnahmen zu treffen, welche die elektrische Maschine zuver lässig gegen einen Ausfall sichern. Ein besonders kritischer Bereich ist die Luftfahrt, in welcher künftig elektrische Ma schinen verstärkt zum Einsatz kommen könnten. Im Falle eines Fehlers oder Ausfalls der Maschine stellt eine starke Über hitzung oder eine Brandentwicklung für diesen Anwendungszweck ein unbedingt zu vermeidendes Risiko dar.

Ausfälle der Maschine können etwa durch mechanische Fehler bedingt sein. Jedoch können auch Fehler im Isolationssystem zu elektrischen Kurzschlüssen führen. Je nach Lokalisation eines solchen Kurzschlusses sind solche Kurzschlüsse unter schiedlich folgenschwer:

Kurzschlüsse werden durch den Leiterwiderstand sowie durch die Induktivität des kurzgeschlossenen Stromkreises begrenzt. Bei einem Klemmenkurzschluss beispielsweise, bei welchem alle Windungen innerhalb des Motors grundsätzlich intakt sind, re sultiert - je nach Motorauslegung - ein Kurzschlussstrom, der sich typischerweise im Bereich des Nennstromes bewegt, da die Induktivität hinreichend hoch ist. Denn die Induktivität ei ner Wicklung ist proportional zum Quadrat der Windungszahl. Bei intakten Windungen einer Wicklung kann folglich die hin reichend hohe Induktivität den Kurzschlussstrom wirksam be- grenzen . Tritt jedoch ein Windungskurzschluss innerhalb der Maschine selbst auf, etwa im Bereich einer Wicklung, insbesondere von einer Windung zu einer direkt an diese Windung angrenzenden Windung, so ist die Induktivität aufgrund dieser dann in Be tracht zu ziehenden einigen Windung derart gering, dass eine Begrenzung des Kurzschlussstromes durch die Induktivität nicht effizient erfolgenden kann. Eine dann infolge des kaum begrenzten Kurzschlussstromes freiwerdende thermische Energie kann die elektrische Maschine rasch zerstören und bei Luft fahrtanwendungen aufgrund einer damit einhergehenden Brandge fahr und eines Ausfalls der Maschine das Leben von Passagie ren gefährden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine sowie ein hybrid-elektrisches Luftfahrzeug zu schaffen, deren Betriebssicherheit deutlich verbessert ist. Insbesondere sol len elektrische Maschine und Luftfahrzeug ausfallsicherer betreibbar sein und/oder im Fehlerfall soll die Brandgefahr deutlich herabgesetzt sein.

Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einer elektrischen Ma schine mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einem hybrid-elektrischen Luftfahrzeug mit den in Anspruch 15 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nach folgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist einen Rotor und einen Stator auf, wobei der Stator Statorspulen mit je einem Spulenkern aufweist. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst zudem eine Fehlerfalleinrichtung, die ausge bildet ist, eine magnetische Flusskopplung von Spulenkernen miteinander mittels mindestens eines Flussleitelements zu än dern. Mittels der Änderung der magnetischen Flusskopplung der Spulenkerne miteinander lässt sich die magnetische Flusskopp lung von Stator und Rotor beeinflussen. Regelmäßig dienen Spulenkerne dazu, den magnetischen Fluss einer Statorspule geeignet zu führen, sodass der mittels eines Spulenkerns ge- führte magnetische Fluss effizient mit einem Magnetfeld eines Rotors wechselwirken kann. Infolge der flussleitenden Kopp lung von Spulenkernen miteinander lässt sich der magnetische Fluss jedoch derart leiten, dass ein Spulenkern deutlich schwächer mit durch den Rotor bedingten Magnetfeldern kop pelt. Denn aufgrund der magnetischen Flusskopplung der Spu lenkerne ist ein magnetischer Fluss von einem Spulenkern in den nächsten Spulenkern umleitbar. Insbesondere ist mittels der magnetischen Flusskopplung der magnetische Fluss eines Spulenkerns mit einem weiteren, insbesondere einem benachbar ten, Spulenkern kurzschließbar, sodass an den Spulenkernen allenfalls ein deutlich abgeschwächtes Magnetfeld auftritt. Umgekehrt wird ein durch den Rotor verursachtes magnetisches Wechselfeld bei verstärkter Flusskopplung der Spulenkerne miteinander nicht mehr vordringlich in den Spulenkern hinein gekoppelt, sondern der magnetische Flusskreis von Magneten des Rotors kann infolge der magnetischen Flusskopplung der Spulenkerne miteinander die Spulen vorteilhaft umgehen und somit ebenfalls gewissermaßen kurzgeschlossen werden. Erfin dungsgemäß lässt sich also infolge der magnetischen Fluss kopplung von Spulenkernen miteinander die Kopplung von Rotor und Stator beeinflussen und im Fehlerfall mittels der Fehler falleinrichtung reduzieren.

Ein solcher Fehlerfall besteht insbesondere in einem Kurz schluss von benachbarten Windungen einer Wicklung miteinan der, welche bei bisher bekannten elektrischen Maschinen zu einem durch die Induktivität kaum begrenzten Fehlerstrom füh ren würden. Erfindungsgemäß lassen sich in Folge der magneti schen Flusskopplung der Spulenkerne miteinander die magneti schen Flusskopplungen von Rotor und Statorspulen miteinander verringern, sodass in eine Statorspule mit einem solchen Win dungskurzschluss magnetischer Fluss deutlich schwächer einkoppelbar ist und somit aufgrund der deutlich herabgesetz ten induzierten Spannung kein problematisch hoher Fehlerstrom resultieren muss. Folglich ist die erfindungsgemäße elektrische Maschine deut lich betriebssicherer ausbildbar und die Brandgefahr ist auf grund des erfindungsgemäß beherrschbaren Fehlerstroms erheb lich reduziert.

Vorteilhafterweise kann die erfindungsgemäße elektrische Ma schine auch im Falle eines Fehlers in einer Windung einer Statorspule weiterbetrieben werden, ohne dass es zum Total ausfall der ganzen elektrischen Maschine kommt. Vorzugsweise kann bei einem Kurzschluss in einer Statorspule das übrige System der elektrischen Maschine mit eingeschränkter Leistung weiterbetrieben werden. Insbesondere ist die Änderung der Flusskopplung von Spulenkernen auf solche Spulenkerne

begrenzbar, welche Statorspulen mit einem Kurzschluss tragen oder welche Spulenkernen benachbart angeordnet sind, die Statorspulen mit einem Kurzschluss tragen.

Vorteilhafterweise lässt sich der magnetische Kreis der Statorspule mit dem Windungskurzschluss derart ändern, dass kein thermisch kritischer Fehlerstrom getrieben wird. Folg lich ist die erfindungsgemäße elektrische Maschine besonders robust und betriebssicher ausgebildet, ohne dass sich ein er höhtes Brandrisiko oder ein erhöhtes Risiko eines Totalaus falls der elektrischen Maschine ergibt.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine weisen die Spulenkerne je ein rotorna hes Ende zur Erzeugung eines sich in Richtung auf den Rotor zu erstreckenden magnetischen Feldes, d.h. eines dem Rotor zugewandten, also auf diesen einwirkenden, magnetischen Fel des, auf. Zweckmäßigerweise sind solche rotornahen Enden mit tels Polschuhen der Spulenkerne gebildet. Geeigneter Weise können Flussleitelemente in Form von Stegen aus magnetisch flussleitendem Material, welche die Polschuhe miteinander verbinden, zwischen diese Polschuhe und vorzugsweise an diese anliegend eingelegt werden. Auf diese Weise ist der magneti sche Flusskreis mittels der Fehlerfalleinrichtung besonders leicht modifizierbar, indem die Stege durch die Fehlerfall- einrichtungen im Fehlerfall zwischen die Polschuhe einbringbar und im Normalbetrieb von dem zwischen Polschuhen liegenden Bereich fernhaltbar sind.

Idealerweise ist bei der erfindungsgemäßen elektrischen Ma schine die Fehlerfalleinrichtung ausgebildet, die Flusskopp lung zu ändern, indem die Fehlerfalleinrichtung rotornahe En den von Spulenkernen miteinander flussleitend verbindet und/oder rotorferne Enden von Spulenkernen voneinander voll ständig oder teilweise flussentkoppelt, insbesondere eine flussleitende Leitung schwächt. So ist die Kopplung von

Statorspulen und Rotormagneten insbesondere dadurch

herabsetzbar, dass die rotornahen Enden der Spulenkerne mit einander flussleitend verbindbar sind. Alternativ oder zu sätzlich lässt sich allerdings eine Feldkopplung von

Statorspulen und Rotormagneten dadurch reduzieren, dass eine bestehende flussleitende Verbindung von Spulenkernen an ihren rotorfernen Enden unterbrochen oder geschwächt wird. Insbe sondere können rotorferne Enden von Statorspulen derart mit einander flussleitend verbunden sein, dass die Statorspulen auf Zähne, d.h. Statorzähne, eines gemeinsamen Statorjochs aufgebracht sind. Ein solches Statorjoch verbindet rotorfern sämtliche Spulenkerne miteinander zu einem gemeinsamen

Statorjoch. Bei einem solchen Statorjoch lässt sich rotorfern der magnetische Fluss zwischen zwei Spulenkernen unterbre chen, indem rotorfern Unterbrechungen des flussleitenden Ma terials in das Statorjoch eingebracht werden. Zweckmäßig sind Teile des Statorjochs im Fehlerfall aus dem Statorjoch herausschiebbar, sodass Spulenkerne im Fehlerfall nicht mehr an ihren rotorenden Enden miteinander flussleitend verbunden sind .

In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist die Fehlerfalleinrichtung ausgebil det, dass mindestens eine Flussleitelement in Richtung einer Flussleitrichtung der Spulenkerne und/oder in eine radiale Richtung bezüglich einer Rotorachse des Rotors zu bewegen. Geeigneter Weise ist die Fehlerfalleinrichtung ausgebildet, das mindestens eine Flussleitelement radial und/oder in Rich tung einer Flussleitrichtung der Spulenkerne zwischen zwei vorteilhafterweise bei der elektrischen Maschine vorhandene Polschuhe vorzugsweise benachbarter Spulenkerne einzubringen, welche zweckmäßig rotornahe Enden der Spulenkerne bilden. Vorteilhafterweise können alternativ oder zusätzlich etwa Flussleitelemente, welche rotorfernen Enden von Spulenkern miteinander verbinden, radial oder in Richtung einer Fluss- leitrichtung der Spulenkerne aus dem Statorjoch heraus beweg bar angeordnet sein. In einer besonders bevorzugten Weiter bildung der Erfindung ist das zumindest eine Flussleitelement ausgebildet und angeordnet, aus einer Position, in welcher das Flussleitelement rotorferne Enden von Spulenkernen mitei nander flussleitend verbindet in eine solche Position, in welcher das Flussleitelement rotornahe Enden von Spulenkernen miteinander verbindet, bewegbar.

Vorteilhaft kann zusätzlich oder alternativ bei der erfin dungsgemäßen elektrischen Maschine die Fehlerfalleinrichtung ausgebildet sein, dass Flussleitelement in eine Richtung pa rallel zu einer Rotorachse des Rotors zu bewegen. Zweckmäßi gerweise ist bei einer rotierenden elektrischen Maschine der Raumbereich, welcher aus einer Verschiebung des Stators in Richtung parallel zur Rotorachse des Rotors hervorginge, funktionell nicht notwendig belegt, sodass diese Weiterbil dung der Erfindung die Fehlerfalleinrichtung besonders leicht realisierbar ist. Insbesondere können in dieser Richtung Flussleitelemente zwischen rotornahe Enden von Spulenkernen eingebracht werden und Flussleitelemente aus einem Bereich zwischen rotorfernen Enden von Spulenkernen ausgebracht wer den, wenn ein Fehlerfall eintritt.

Alternativ oder zusätzlich und ebenfalls bevorzugt lässt sich bei der erfindungsgemäßen Maschine das Flussleitelement mit tels der Fehlerfalleinrichtung in umfänglicher Richtung bewe gen. Zweckmäßigerweise ist in dieser Weiterbildung der Erfin dung die Fehlerfalleinrichtung ausgebildet, eine Vielzahl von Flussleitelementen gleichzeitig in umfänglicher Richtung um die Rotorachse zu bewegen, insbesondere mittels einer ringar tigen Einrichtung, welche die Flussleitelemente aufweist.

Vorzugsweise ist bei der elektrischen Maschine gemäß der Er findung die Fehlerfalleinrichtung ausgebildet, die Flusskopp lung zu ändern, in dem sie eine flussleitende Verbindung von rotorfernen Enden der Spulenkerne miteinander schwächt.

In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine weist bei dieser das Flussleitelement eine richtungsabhängige magnetische Permeabilität auf. Zweck mäßigerweise ist bei dem Flussleitelement die magnetische Permeabilität in einer Richtung maximal und einer dazu schräg, insbesondere quer, verlaufenden Richtung minimal. Auf diese Weise muss das Flussleitelement nicht zwingend in sei ner Position geändert werden, um eine magnetische Flusskopp lung zu ändern. Vielmehr ist es hinreichend, das flussleiten de Element zu drehen, um eine Änderung der Flusskopplung über eine Flussleitung durch das Flussleitelement hindurch ändern zu können. Besonders bevorzugt ist das Flussleiterelement in dieser Weiterbildung der Erfindung kreisrund ausgebildet, so- dass das Flussleitelement innerhalb eines Jochs oder zwischen zwei Polschuhen drehbar anordbar ist.

Geeigneterweise wird bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine die Flusskopplung geändert, indem das Flussleitele ment gedreht wird. Insbesondere in Kombination mit der vorge nannten Weiterbildung der Erfindung ist diese Weiterbildung besonders vorteilhaft.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Flussleitelement eine entlang einer Raumrichtung veränderli che Flusssättigbarkeit, also eine Sättigbarkeit des magneti schen Flusses, auf. Mittels einer veränderlichen

Flusssättigbarkeit des Flussleitelements lässt sich eine mag netische Flusskopplung von Spulenkernen leicht ändern. Besonders vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen elektri schen Maschine die Fehlerfalleinrichtung ausgebildet, die Flusskopplung im Fehlerfall, insbesondere im Falle eines elektrischen Kurschlusses, vorzugsweise eines Windungskurz schlusses, einer Statorspule, der elektrischen Maschine zu ändern. Insbesondere kann die erfindungsgemäße elektrische Maschine einen Sensor zur Detektion eines Fehlerfalls aufwei sen, etwa einen Stromsensor zur Detektion eines Kurzschluss stroms und/oder einen Infrarotsensor zur Detektion einer be ginnenden Hitzeentwicklung oder einen sonst geeigneten Sen sor. Mittels des Sensors und der damit verbundenen Steuerung kann die Fehlerfalleinrichtung die Flusskopplung ändern. Dies kann zweckmäßig aktiv, durch eine entsprechend geartete Steu erung, erfolgen. Alternativ und ebenfalls bevorzugt kann dies passiv, etwa selbsttätig durch Nutzung eines mit dem Fehler fall einhergehenden physikalischen Effekts, bewerkstelligt werden .

Bevorzugt ist die erfindungsgemäße elektrische Maschine eine permanenterregte Maschine. Alternativ oder zusätzlich und ebenfalls bevorzugt ist in einer Weiterbildung der Erfindung die elektrische Maschine ein Motor und/oder ein Generator.

Bevorzugt umfasst bei der erfindungsgemäßen elektrischen Ma schine die Fehlerfalleinrichtung pyrotechnisches Material, welches ausgebildet ist, im Fehlerfall zu zünden und das Flussleitelement zu bewegen.

In einer geeigneten Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine weist die Fehlerfalleinrichtung alter nativ oder zusätzlich ein Federelement auf, welches ausgebil det ist, das Flussleitelement im Fehlerfall kraftzube

aufschlagen und zu bewegen. Auf diese Weise kann das Fluss leitelement leicht in oder aus bestimmten Positionen bewegt werden, sodass die Fehlerfalleinrichtung die Flusskopplung von Spulenkernen von Statorspulen mittels der Flussleitele mente leicht ändern kann. Das erfindungsgemäße hybrid-elektrische Luftfahrzeug ist ins besondere ein hybrid-elektrisches Flugzeug. Das erfindungsge mäße hybrid-elektrische Luftfahrzeug weist eine erfindungsge mäße elektrische Maschine, wie zuvor beschrieben, auf. Zweck mäßigerweise umfasst das erfindungsgemäße hybrid-elektrische Luftfahrzeug einen elektrischen Antrieb mit der elektrischen Maschine, insbesondere in Gestalt eines Elektromotors. Vor zugsweise ist der elektrische Antrieb an einen Propeller des Luftfahrzeugs antreibend angebunden.

Nachfolgend wir die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Einzelheit einer erfindungsgemäßen elektri schen Maschine mit einem Statorjoch mit zahnartig ausgebildeten Spulenkernen und darauf angeordnete Statorspulen sowie einen Permanentmagnete tragenden Rotor im Normalbetrieb schematisch im Querschnitt,

Fig. 2 die Einzelheit der erfindungsgemäßen elektrischen

Maschine gemäß Figur 1 im Fehlerfall mit zwischen rotornahen Enden der Spulenkerne eingebrachten Flussleitelementen schematisch im Querschnitt,

Fig. 3 den Stator der erfindungsgemäßen elektrischen Ma schine gemäß Figuren 1 und 2 schematisch in einer Draufsicht,

Fig. 4 eine Einzelheit eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit zwischen rotorfernen Enden von Statorspulen einge brachten Flussleitelementen im Normalbetrieb sche matisch im Querschnitt,

Fig. 5 die Einzelheit gemäß Figur 4 im Fehlerfall, wobei die Flussleitelemente zwischen rotornahen Enden der Spulenkerne flussleitend verbindend eingebracht sind,

Fig. 6 eine Einzelheit eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine im Normalbetrieb schematisch im Querschnitt,

Fig. 7 die Einzelheit gemäß Figur 6 im Fehlerfall, in wel chem die Flussleitelementen aus einer die rotorfer nen Enden von Spulenkernen verbindenden Position in eine die rotornahen Enden der Spulenkernen fluss leitend verbindende Position bewegt sind, schema tisch im Querschnitt,

Fig . 8 eine Einzelheit eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit ei nem angepasst geformten Flussleitelement im Fehler fall schematisch im Querschnitt,

Fig. 9 eine Einzelheit eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit ei nem angepasst geformten Flussleitelement schema tisch im Querschnitt,

Fig. 10 eine Einzelheit eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit Flussleitelementen mit richtungsabhängiger magneti scher Leitfähigkeit im Normalbetrieb schematisch im Querschnitt,

Fig. 11 die Einzelheit gemäß Figur 10 im Fehlerfall schema tisch im Querschnitt,

Fig . 12 Einzelheiten weiterer Ausführungsbeispiele erfin dungsgemäßer elektrischer Maschinen mit Flussleit elementen mit richtungsabhängiger magnetischer Leitfähigkeit schematisch im Querschnitt, Fig. 13 eine Einzelheit eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit in umfänglicher Richtung um eine Drehachse des Ro tors beweglichen Flussleitelementen im Normalbe trieb schematisch im Querschnitt,

Fig. 14 die Einzelheit gemäß Figur 13 im Fehlerfall schema tisch im Querschnitt,

Fig. 15 eine Einzelheit eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit in umfänglicher Richtung beweglichen Flussleitele menten im Normalbetrieb schematisch im Querschnitt,

Fig. 16 die Einzelheit gemäß Figur 15 im Fehlerfall schema tisch im Querschnitt sowie

Fig. 17 ein erfindungsgemäßes hybrid-elektrische Flugzeug schematisch in einer Prinzipskizze.

Die in Figur 1 in einer Einzelheit dargestellte erfindungsge mäße elektrische Maschine 10 ist ein Elektromotor. In weite ren, nicht gesondert dargestellten Ausführungsbeispielen kann die elektrische Maschine 10 ein Generator sein.

Die elektrische Maschine 10 umfasst ein kreisringförmiges Ro torjoch 20, von welchem sich als Flachteile ausgebildete Per manentmagnetpole N, S in Form von Nordpolen und Südpolen ra dial nach innen strecken. Rotorjoch und Permanentmagnetpole N, S bilden einen Rotor 30 der erfindungsgemäßen Maschine 10. Innerhalb des Rotors 30 der erfindungsgemäßen Maschine 10 ist ein Stator 40 der erfindungsgemäßen Maschine 10 befindlich. Der Stator 40 der erfindungsgemäßen Maschine 10 umfasst ein Statorjoch 50, welches mit einem kreisringförmigen Statorring 60 gebildet ist, von welchem sich Statorzähne 70 des

Statorjochs 50 radial nach außen strecken und in Polschuhen 80 des Statorjochs 50 enden. Die Statorzähne 70 des

Statorjochs 50 fungieren als Wicklungsträger und tragen Wick- lungen 90 der elektrischen Maschine 10. Die Wicklungen 90 der elektrischen Maschine 10 bilden Statorspulen der elektrischen Maschine 10. Die Wicklungen 90 der elektrischen Maschine 10 sind als isolierte Kupferdrahtwicklungen auf die Statorzähne 70 aufgebracht, welche jeweils zwischen Statorring 60 und Polschuhen 80 die Statorzähne 70 umgeben. Folglich bilden die Statorzähne 70 Spulenkerne der Statorspulen der elektrischen Maschine 10.

Mittels dieser Konfiguration ist im Normalbetrieb der elekt rischen Maschine 10, wie in Figur 1 dargestellt, ein typi scher Magnetkreis 100 derart realisiert, dass die die Wick lungen 90 tragenden Statorzähne 70 den magnetischen Fluss ra dial nach außen leiten, wo der magnetische Fluss mittels ei nes magnetischen Feldes über einen zwischen Stator 40 und Ro tor 30 befindlichen Luftspalt L in den dem Statorzahn 70 zu gewandten Permanentmagnetpol S, N des Rotors 30 einkoppelt, dort über das Rotorjoch 20 zu benachbarten Permanentmagnetpo len N, S weitergeleitet wird, dort jeweils austritt und mit tels eines magnetischen Feldes in den jeweils den Permanent magnetpolen N, S nahen Statorzähnen 70 des Statorjochs 50 einkoppelt, dort radial zum Statorring 60 des Statorjochs 50 einwärts geleitet wird, wo sich der Magnetkreis 100 über den Statorring 60 des Statorjochs 50 schließt.

Im Fehlerfall werden, wie in Figur 2 dargestellt, Flussleit elemente 110 in Form von Quadern, welche aus demselben fluss leitendem Material wie das Statorjoch 50 bestehen, zwischen die Polschuhe 80 der Statorzähne 70 eingeschoben. Dabei wer den in dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel die Flussleitelemente 110 in axialer Richtung A, das heißt in Richtung parallel zu einer Drehachse des Rotors, welche senk recht zur Zeichenebene verläuft, zwischen die Polschuhe 80 der Statorzähne 70 eingeschoben. Die Flussleitelemente 110 sind derart ausgebildet und dimensioniert, dass diese mit den Polschuhen 80 zur Anlage geraten. Die quaderförmigen Fluss leitelemente 110 bilden, wie in Figur 3 dargestellt, Stege, welche sich in axialer Richtung A von einem ringförmig ausge- bildeten Stegringträger 120 fortstrecken und welche gemeinsam mit dem Stegringträger 120 in axialer Richtung A in den

Stator 40 eingeschoben werden können.

Im Fehlerfall nehmen die Magnetkreise 130, 140 wie in Figur 2 dargestellt, einen deutlich anderen Verlauf als im Normalbe trieb gemäß Figur 1: Der Magnetfluss des Rotors 30 verläuft zwar nach wie vor von den Permanentmagnetpolen N, S über das den Luftspalt L zwischen Rotor 30 und Stator 40 durchsetzende Magnetfeld auf die Statorzähne 70 des Stators 40 zu, wobei der Fluss jedoch nicht weiter radial der radialen Erstreckung der Statorzähne 70 einwärts folgt, sondern der magnetische Fluss lenkt sich in den Polschuhen 80 in Richtung auf die Flussleitelemente 110 ab, über welche der magnetische Fluss über die Flussleitelement 110 hinweg in jeweils einen Pol schuh 80 eines benachbarten Statorzahns 70 Übertritt und von dort wieder über den Luftspalt L in einen diesem Statorzahn 70 nahen Permanentmagnetpol N, S des Rotors 30 und folglich in das Rotorjoch 20 eindringt. Auf diese Weise werden mittels der Flussleitelemente 110 die Magnetkreise 140 des Rotors 30 kurzgeschlossen, sodass die magnetischen Flusskreise 140 des Rotors 30 nicht mehr mit einer defekten Wicklung 90 des

Stators 40 koppeln können. Folglich wird über den Rotor 30 keine Spannung in den Wicklungen 90 des Stators 40 induziert, sodass auch kein Fehlerstrom resultiert. Der magnetische Fluss hingegen, der von den Wicklungen 90 des Stators 40 er zeugt wird, wird nun ebenfalls über die zwischen den Polschu hen 80 der Statorzähne 70 befindlichen Flussleitelemente 110 geführt, sodass dieser magnetische Fluss nicht über den Luft spalt L in die Permanentmagnetpole N, S des Rotors 30 ein dringt. Durch diesen Umstand erhöht sich die Wicklungsinduk tivität, sodass Kurschlussströme zusätzlich durch die Induk tivität verringert werden. Im dargestellten Ausführungsbei spiel übernimmt die nicht im Einzelnen gezeigte Fehlerfall einrichtung eine Ansteuerung der nicht fehlerhaften Wicklun gen 90 des Stators 40 derart, dass der Magnetfluss der übri gen Wicklungen 90 dem noch gegebenenfalls verbleibenden Mag netfluss des Rotors 30 entgegenwirkt. Dazu sind die Wicklun- gen 90 jeweils einzeln angesteuert, sodass die Funktion der übrigen Wicklungen 90 nicht beeinflusst wird.

Die Flussleitelemente 110 können entweder gemeinsam mittels des Stegringträgers 120 in den Stator 40 eingeführt werden. Alternativ und nicht im Einzelnen gezeigt, können die Fluss leitelemente 110 jedoch auch lediglich paarweise eingeführt werden, um im Fehlerfall nur die betroffene Wicklung 90 eines einzelnen Statorzahns 70 zu entkoppeln. So geht im Fehlerfall nur ein Teil des Drehmoments der elektrischen Maschine 10 verloren. Nicht im Einzelnen gezeigt, aber grundsätzlich ebenfalls möglich ist es, dass nicht nur ein einzelnen Paar, sondern eine Mehrzahl von Paaren an dem Stegringträger 120 montiert ist. Jedoch sind nicht notwendig derart viele Paare von Flussleitelementen 110 an den Stegringträger 120 mon tiert, dass jede Wicklung 90 des Stators 40 magnetisch vom Rotor 30 entkoppelbar ist. Auf diese Weise lassen sich zwi schen Entkopplung und Drehmomentübertragung von Stator 40 und Rotor 30 alle möglichen Zwischenstufen beliebig einstellen.

Das axiale Einschieben der Flussleitelemente 110 erfolgt bei spielsweise mittels einer Druckfeder (nicht im Einzelnen dar gestellt) der Fehlerfalleinrichtung, welche im Fehlerfall auslöst und den Stegringträger 120 in Richtung auf den Stator 40 zu kraftbeaufschlagt.

Die magnetische Entkopplung kann zusätzlich noch weiter ver bessert werden, indem nicht alleine Flussleitelemente 110 in die Bereiche zwischen den rotornahe Enden der Statorzähne 70 bildenden Polschuhen 80 eingeschoben werden, sondern zugleich kann das Statorjoch 50 weitere Flussleitelemente 115 aufwei sen, welche aus dem Statorjoch 50 entfernbar sind. Dazu weist das Statorjoch 50, wie in den Figuren 4 und 5 gezeigt, bei spielsweise entlang der umfänglichen Richtung des Statorrings 60 umfängliche Abschnitte auf, welche mit den Flussleitele menten 115 gebildet sind. Diese lassen sich wie die zuvor be schriebenen Flussleitelemente 110 in axialer Richtung A in den Stator 40 einschieben, jedoch nicht im Falle eines Win- dungskurzschlusses der Wicklungen 90, sondern diese Fluss leitelemente 115 sind im Normalbetrieb im Statorring 60 des Statorjochs 50 bereits eingebracht. Im Fehlerfall hingegen werden diese Flussleitelemente 115 aus dem Statorring 60 in axialer Richtung A mittels eines weiteren, nicht im Einzelnen gezeigten, Stegringträgers 120 aus dem Statorjoch 50 heraus geschoben. Auf diese Weise ist die Führung des Magnetflusses des Rotors 30 über die Polschuhe 80 und die zwischen diesen befindlichen Flussleitelemente 110 weiter intensiviert, da der Statorring 60 im Fehlerfall mehrere zusätzliche Luftspal te enthält, welche den in radialer Richtung in die

Statorzähne 70 eindringenden Magnetfluss weiter reduzieren.

Das anhand der Figuren 1 bis 5 erläuterte Prinzip der Ände rung der den Rotor 30 und den Stator 40 koppelnden Magnet kreise 100 in stattdessen schwächer koppelnde oder entkop pelnde Magnetkreise 130, 140 im Fehlerfall bleibt auch in den nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispielen bestehen. Je doch sind in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbei spielen die Flussleitelemente auf eine andere Art ausgebildet und/oder beweglich. Im Übrigen stimmen die dargestellten elektrischen Maschinen mit der elektrischen Maschine 10 gern, den Figuren 1 bis 5 überein.

Bei der in den Figuren 6 und 7 dargestellten elektrischen Ma schine 500, welche im Übrigen der anhand der Figuren 1 bis 5 erläuterten elektrischen Maschine 10 entspricht, sind anstel le in axialer Richtung A in den Stator 40 hinein bewegliche Flussleitelements 110 und in axialer Richtung A aus dem

Stator 40 heraus bewegliche Flussleitelemente 115 stattdessen Flussleitelemente 510 vorhanden, welche die Rolle der Fluss leitelemente 110 und 115 zugleich übernehmen: Dazu sind die Flussleitelemente 510 der Figuren 6 und 7 nicht etwa axial mittels eines Stegringträgers 120 beweglich, sondern die Flussleitelemente 510 sind radial bezüglich der Drehachse des Rotors 30 beweglich geführt. Dazu nehmen die quaderförmig ausgebildeten Flussleitelemente 510 im Normalbetrieb diejeni gen Abschnitte des Statorrings 60 des Statorjochs 50 ein, welche denjenigen Abschnitten der Flussleitelemente 115 der in den Figuren 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiele im Normalbetrieb entsprechen (nachfolgend auch rotorferne Fluss- leitelementposition genannt) . In Normalbetrieb verstärken die Flussleitelemente 510 also den magnetischen Fluss der den Stator 40 und den Rotor 30 koppelnden Magnetkreise 100. Im Fehlerfall sind die Flussleitelemente 510 in radialer Rich tung, d.h. in den Figuren 6 und 7 in Richtung R, nach außen beweglich angeordnet, bis die Flussleitelemente 510 zwischen den Polschuhen 80 an diesen zur Anlage kommen (nachfolgend auch als rotornahe Flussleitelementposition bezeichnet) . Auf diese Weise ist wie in den anhand der Figuren 1 bis 5 erläu terten Ausführungsbeispielen der den Rotor 30 und den Stator 40 koppelnde Magnetkreise 100 im Fehlerfall in schwächer kop pelnde oder entkoppelnde Magnetkreise 130, 140 überführbar. Wie bereits bei den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen ist die nicht im Einzelnen gezeigte Fehlerfalleinrichtung mit einer Druckfeder versehen, welche die Flussleitelemente 510 im Fehlerfall aus der rotorfernen Flussleitelementposition in die rotornahe Flussleitelementposition hinein kraftbeauf schlagt .

In einer Abwandlung des in den Figuren 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispiels können Flussleitelemente 610 eine Form aufweisen, welche von derjenigen eines mathematischen Zylin ders abweicht, beispielsweise wie in Fig. 8 gezeigt eine sich in radialer Richtung R in Richtung auf den Rotor 30 zu ver jüngende Form. Eine solche Form kann etwa mittels eines brei teren Kragens gebildet sein, welcher an der rotorfernen Seite des Flussleitelements 610 befindlich ist und senkrecht zur radialen Richtung R auskragt. Wie in Fig. 8 gezeigt sind in diesem Ausführungsbeispiel einander benachbarte Polschuhe 580 mit einer zu dem Flussleitelement 510 korrespondierenden Form versehen. Auf diese Weise ist wirksam verhindert, dass das Flussleitelement in den Luftspalt L zwischen Rotor 30 und Stator 540 gelangen kann und etwa den Rotor 30 zerstört. In einer in Fig. 9 dargestellten Abwandlung dieses Ausfüh rungsbeispiels sind die Flussleitelemente 710 im Normalbe trieb nicht in das Statorjoch 50 integriert, sondern die Flussleitelemente 710 liegen stattdessen auf dem Statorjoch 50 auf.

Die Flussleitelemente können - wie in Fig. 10 gezeigt - nicht allein hinsichtlich ihrer Position beweglich ausgebildet sein, sondern die Flussleitelemente 910 sind grundsätzlich auch drehbar ausbildbar. Die Flussleitelemente 910 gern. Fig. 10 sind mit einer richtungsabhängigen magnetischen Permeabi lität ausgebildet, d.h. die Flussleitelemente 910 sind in ei ner Raumrichtung flussleitend ausgebildet, in einer dazu senkrechten Richtung hingegen wirken die Flussleitelemente 910 nicht flussleitend. Die Flussleitelemente sind wie in Fig. 10 dargestellt derart in den Stator 40 integriert, dass die Flussleitelemente 910 in einer rotorfernen Flussleitele mentposition im Normalbetrieb mit ihrer flussleitenden Rich tung senkrecht zur radialen Richtung R orientiert sind und somit flussleitend in das Statorjoch 50 integriert sind. Im Normalbetrieb sind zudem Flussleitelemente 910 jeweils in ei ner rotornahen Flussleitelementposition angeordnet, wobei ih re flussleitende Richtung in einer radialen Richtung R bezüg lich einer Drehachse des Rotors 30 orientiert sind, sodass die Flussleitelemente 910 im Normalbetrieb nicht flussleitend wirken. Die Polschuhe 80 sind im Normalbetrieb daher nicht flussleitend gekoppelt. Folglich entspricht die in Fig. 10 dargestellte Situation magnetisch der in Fig. 4 abgebildeten Konfiguration.

Im Fehlerfall werden die Flussleitelemente 910 sowohl in ih rer rotornahen Flussleitelementposition als auch in ihrer ro torfernen Flussleitelementposition um 90 Grad, also um eine Vierteldrehung, gedreht. Folglich wirken im Fehlerfall die Flussleitelemente 910 in der rotornahen Flussleitelementposi tion flussleitend und die Flussleitelemente in der rotorfer nen Flussleitposition wirken im Fehlerfall nicht mehr fluss leitend, sodass die Situation wie in Fig. 11 dargestellt nun- mehr magnetisch der in Fig. 5 dargestellten Situation ent spricht. Folglich sind auch in der in Fig. 11 dargestellten Situation die Wicklungen 90 im Fehlerfall vom Rotor 30 magne tisch entkoppelt.

Im in den Figuren 10 und 11 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Flussleitelemente 910 kreisrund dargestellt, sodass sich eine Drehung der Flussleitelemente 910 lediglich hin sichtlich der magnetischen Konfiguration, nicht jedoch hin sichtlich der geometrischen Konfiguration des Stators 40 aus wirkt. Grundsätzlich können Flussleitelemente 1010 aber auch in diesen Weiterbildungen der Erfindung quaderförmig ausge bildet sein. Wie in Fig. 12 veranschaulicht können die Fluss leitelemente 1010 um einen zwischen den Polschuhen 80 befind lichen Ort drehbar angeordnet sein (links oben in Fig. 12) oder aber in eine zwischen den Polschuhen 80 gelegene Positi on hinein schwenkbar (rechts oben in Fig. 12) montiert sein. In beiden Ausbildungen liegen die Flussleitelemente 1010 im Fehlerfall mit den Polschuhen 80 an.

Wie in Fig. 13 und 14 dargestellt können Flussleitelemente 1110 auch in umfänglicher Richtung beweglich sein. So sind die Flussleitelemente wie in Fig. 13 dargestellt mit einem Flussleitelementring 1150 gebildet, welcher um eine Drehachse des Rotors 30 drehbar die Polschuhe 80 des Stators 40 umgibt und an diesen anliegt. Der Flussleitelementring 1150 liegt somit an der radial außenliegenden, rotornahen Seite des Stators 40 an. Der Flussleitelementring 1150 umfasst umfäng liche Abschnitte, welche aus flussleitendem Material gebildet sind, sodass diese Abschnitte Flussleitelemente 1110 bilden. In umfänglicher Richtung U zwischen den Flussleitelementen 1150 liegend weist der Flussleitelementring 1150 zudem Ab schnitte 1160 aus nicht-flussleitendem Material auf.

Die Flussleitelemente 1110 sind in umfänglicher Richtung der art dimensioniert, dass die Flussleitelemente 1110 im Normal betrieb radial genau mit den Polschuhen 80 des Stators 40 ab schließen. Folglich bilden die Flussleitelemente 1110 im Nor- malbetrieb magnetisch lediglich eine radiale Fortsetzung der Polschuhe 80 aus. Die Magnetkreise 100 bilden sich in diesem Falle somit analog zur in Fig. 1 dargestellten Anordnung aus.

Im Fehlerfall hingegen ist der Flussleitelementring 1150 in eine derartige Drehstellung drehbar, dass die Flussleitele mente 1110 den in umfänglicher Richtung zwischen den Polschu hen 80 befindlichen Zwischenraum überbrücken können. Folglich bilden die Flussleitelemente 1110 wie in Fig. 14 dargestellt eine flussleitende Verbindung zwischen den Polschuhen 80 und somit eine flussleitende Verbindung zwischen den Statorzähnen 70 aus. In diesem Fall ist die Anordnung der Flussleitelemen te 1110 magnetisch folglich der Anordnung gern. Fig. 2 ver gleichbar, sodass sich zwei über die Polschuhe 80 und die Flussleitelemente 1110 kurzgeschlossene Magnetkreise 130, 140 ausbilden .

An der rotorfernen Seite des Stators 40 ist im in Fig. 15 und 16 dargestellten Ausführungsbeispiel anstelle des Flussleit elementrings 1150 gern. Fig. 13 und 14 stattdessen an der ro torfernen, innenumfänglichen, Seite des Stators 40 ein zwei ter Flussleitelementring 1250 angeordnet, welcher Flussleit elemente 1310 in Form von umfänglichen Abschnitten, die mit magnetisch flussleitendem Material gebildet sind, aufweist. Zwischen diesen Flussleitelementen 1310 liegend sind weniger effizient flussleitende Abschnitte 1360 befindlich, welche jedoch aus demselben Material wie die Flussleitelemente 1310 gebildet sind. Die weniger effizient flussleitende Eigen schaft der Abschnitte 1360 beruht auf der geometrischen Aus bildung der Abschnitte 1360: Die Abschnitte 1360 sind mittels Einkerbungen gebildet, welche radial von innen in den Fluss- leitelementring 1250 eingeschnitten sind. Daher sind die Ab schnitte 1360 in radialer Richtung im Mittel weniger stark ausgebildet als die Flussleitelemente 1310. Daher sättigen die Abschnitte 1360 in den Bereichen B bei deutlich geringe ren magnetischen Flüssen als die Flussleitelemente 1310. Im Normalbetrieb liegen die Flussleitelemente an denjenigen Bereichen des Statorrings 60 an, welche die Statorzähne 70 miteinander flussleitend verbinden. Folglich stellt die in Fig. 15 dargestellte Konfiguration magnetisch eine Anordnung dar, welche mit derjenigen in Fig. 1 vergleichbar ist. Es bildet sich entsprechend ein die Wicklungen 90 und den Rotor 30 miteinander koppelnder Magnetkreis 100 aus.

Im Fehlerfall hingegen ist der Flussleitelementring 1250 der art gebenüber dem Stator 40 in umfänglicher Richtung U verdrehbar, dass die weniger effizient flussleitenden Ab schnitte 1360 in umfänglicher Richtung U zwischen den

Statorzähnen 70 zu liegen kommt. Auf diese Weise ist aufgrund der schnelleren Sättigbarkeit der Abschnitte 1360 die fluss leitende Verbindung der Statorzähne 70 miteinander ge

schwächt, sodass die Feldkopplung des Magnetkreises 100 her abgesetzt ist und sich somit die magnetische Kopplung der Wicklungen 90 und des Rotors 40 miteinander reduziert.

Das erfindungsgemäße hybrid-elektrische Flugzeug 2000 weist eine elektrische Maschine 10 in Gestalt eines Elektromotors wie zuvor beschrieben auf. Die elektrische Maschine ist zum Antrieb eines Propellers 2100 mit dieser antreibend verbun den. Grundsätzlich kann bei dem erfindungsgemäßen hybrid elektrischen Flugzeug 2000 anstelle der elektrischen Maschine 10 eine elektrische Maschine 10, 500 gemäß jedes der vorste hend beschriebenen Ausführungsbeispiele vorhanden sein.