Maschinenaggregat, elektrische Maschine und Fahrzeug

Die Erfindung betrifft ein Maschinenaggregat, eine elektri sche Maschine sowie ein Fahrzeug, insbesondere ein elektri sches und/oder hybrid-elektrisches Flugzeug.

Elektrische Antriebe von Fahrzeugen wie etwa hybrid

elektrischen Flugzeugen erfordern elektrische Maschinen mit einem hohen Verhältnis von Antriebsleistung zu Masse (masse bezogene Leistungsdichte) . Zudem erfordern solche Fahrzeuge bisweilen Antriebsleistungen von mehreren 100 kW bis hin zum Megawattbereich .

Die derzeit größte Leistungsdichte für elektrische Antriebe weisen permanenterregte Motoren auf, wobei Leistungen zwi schen 10 kW und 1 MW erzielt werden können.

Allerdings erscheint es schwierig, die Leistungsdichte oder die absolute Leistung von permanentmagneterregten Motoren oder Generatoren weiter zu erhöhen.

Ferner bedingt insbesondere bei elektrisch oder hybrid elektrisch angetriebenen Flugzeugen der erforderliche Leicht bau strukturdynamische Beschränkungen. Zusätzlich bestehen hohe Anforderungen hinsichtlich der Zuverlässigkeit von elektrischen Antrieben von Fahrzeugen, insbesondere in der Luftfahrt, sowie hohe Anforderungen hinsichtlich einer zu er reichenden Kompaktheit.

Diese Anforderungen sind im Einzelfall schwierig zu erfüllen, zumal permanentmagneterregte Motoren regelmäßig individuell auf eine spezifische Anwendung und Leistungsklasse hin entwi ckelt werden müssen, sodass neue Anwendungszwecke meist viele Entwicklungsressourcen binden. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Maschinenaggregat be reitzustellen, welches insbesondere für einen elektrischen oder hybrid-elektrischen Antrieb eines Fahrzeugs wie vorzugs weise eines Luftfahrzeugs herangezogen werden kann. Insbeson dere sollen mit dem erfindungsgemäßen Maschinenaggregat eine ressourcenarme Entwicklung für neue Spezifikationen sowie ei ne hohe absolute Leistung und eine hohe Leistungsdichte er zielbar sein.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschi ne zu schaffen, mit welcher ein solches Maschinenaggregat re alisiert werden kann. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Fahrzeug, insbesondere ein elektrisches und/oder hybrid-elektrisches Flugzeug, zu schaffen, welches verbessert elektrisch antreibbar ist.

Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Maschinenaggregat mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, mit einer elekt rischen Maschine mit den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Fahrzeug mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.

Das erfindungsgemäße elektrische Maschinenaggregat umfasst eine Mehrzahl elektrischer Maschinen, bei welcher Rotoren der elektrischen Maschine und vorzugsweise auch Statoren der elektrischen Maschine mechanisch miteinander gekoppelt sind. Im Rahmen dieser Anmeldung bedeutet dies, dass entweder die Rotoren der elektrischen Maschinen miteinander mechanisch ge koppelt sind oder dass die Rotoren der elektrischen Maschinen miteinander gekoppelt sind und die Statoren der elektrischen Maschinen miteinander mechanisch gekoppelt sind.

Aufgrund der mechanischen Kopplung der Mehrzahl elektrischer Maschinen ergibt sich die elektrische Leistung des Maschinen aggregats als Summe der elektrischen Leistungen der einzelnen elektrischen Maschinen des Maschinenaggregats. Erfindungsge- maß lassen sich die Entwicklungskosten für hohe Leistungs klassen erheblich reduzieren, da sich die elektrischen Ma schinen des erfindungsgemäßen Maschinenaggregats zur Bereit stellung der angestrebten Leistung einfach mechanisch mitei nander koppeln lassen. Zweckmäßigerweise sind die elektri schen Maschinen des erfindungsgemäßen Maschinenaggregats ei nander gleichartig, vorzugsweise mit gleichen elektrischen Kenngrößen und idealerweise einander identisch, ausgebildet. Entsprechend kann die angestrebte Leistung einfach durch Mul tiplikation der Einzelleistung einer elektrischen Maschine des Maschinenaggregats erhalten werden, sodass lediglich die entsprechende Anzahl elektrischer Maschinen im erfindungsge mäßen Maschinenaggregat vorhanden sein muss. Folglich ist die Entwicklung erfindungsgemäßer Maschinenaggregate ohne nen nenswerten Zeit- und Ressourcenaufwand möglich.

Erfindungsgemäß ist eine elektrische Verbindung der elektri schen Maschinen miteinander entbehrlich und insbesondere nicht vorgesehen.

Zudem ist das erfindungsgemäße Maschinenaggregat besonders zuverlässig und ausfallsicher ausgebildet. Das Vorhandensein einer Mehrzahl elektrischer Maschinen bedeutet eine redundan te Ausbildung des erfindungsgemäßen Maschinenaggregats, so dass bei einem Ausfall einer elektrischen Maschine die zumin dest eine weitere oder die weiteren elektrischen Maschinen des Maschinenaggregats dessen Funktionstüchtigkeit gewähr leisten. Insbesondere ist es mittels des erfindungsgemäßen Maschinenaggregats nicht erforderlich, mehrere elektrische Maschinen zusätzlich separat in der Systemarchitektur etwa eines elektrischen Fahrzeugs wie insbesondere eines Flugzeugs vorzusehen, sodass die Gesamtmasse der Systemarchitektur, et wa eines Antriebs des elektrischen Fahrzeugs, gering gehalten werden kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Maschinenaggregat sind die elektri schen Maschinen bevorzugt permanentmagneterregte Maschinen, insbesondere Motoren und/oder Generatoren. Vorteilhaft weisen permanentmagneterregte Maschinen eine hinreichend hohe masse bezogene Leistungsdichte auf, sodass das erfindungsgemäße Ma schinenaggregat vorteilhaft für leistungs- und massekritische Anwendungen heranziehbar ist, insbesondere für elektrische Fahrzeuge wie vorzugsweise hybridelektrische Flugzeuge.

Bei dem erfindungsgemäßen Maschinenaggregat sind die Rotoren und vorzugsweise auch die Statoren zweckmäßig seriell gekop pelt. Auf diese Weise können die Rotoren und/oder Statoren besonders einfach miteinander gekoppelt sein. Insbesondere können die Rotoren im Falle ihrer seriellen Kopplung mitei nander als oder mit oder an einer gemeinsamen Welle angeord net sein.

In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ma schinenaggregats sind die gekoppelten Rotoren einstückig handhabbar, d.h. einteilig handhabbar, und insbesondere mit einer oder an einer oder als eine einstückige/n Welle, d.h. einteilige/n Welle, ausgebildet. In dieser Weiterbildung der Erfindung lässt sich die Passivmasse hinreichend gering hal ten. Vorteilhaft kann das dynamische Verhalten der

einstückigen Welle in einem praxistauglichen Bereich gehalten werden. Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Ma schinenaggregat kompakt ausbildbar, da eine oder mehrere Ab messungen, insbesondere der Durchmesser, des erfindungsgemä ßen Maschinenaggregats verglichen mit einzelnen elektrischen Maschinen des Maschinenaggregats nicht notwendig größer aus gebildet sein müssen. Idealerweise ist das erfindungsgemäße Maschinenaggregat derart kompakt ausbildbar, dass das Maschi nenaggregat in einer Nacelle eines elektrischen oder hybrid elektrischen Flugzeugs Platz findet.

Bei dem Maschinenaggregat gemäß der Erfindung sind die Roto ren vorzugsweise jeweils vom Stator umgeben und/oder jeweils durch den Stator hindurch geführt.

Vorzugsweise beträgt bei dem erfindungsgemäßen Maschinenag gregat die Betriebsdrehzahl mindestens 1000 Umdrehun- gen/Minute und/oder höchstens 3000 Umdrehungen/Minute. Insbe sondere mit den letztgenannten Parametern dieser Weiterbil dung der Erfindung ist ein wartungsanfälliges Getriebe mit schelldrehendem Antrieb verzichtbar.

Bei dem Maschinenaggregat gemäß der Erfindung sind die Roto ren zweckmäßig form- und/oder kraftschlüssig, insbesondere mittels Klemmverbindungen, miteinander gekoppelt und/oder die Statoren sind form- und/oder kraftschlüssig, insbesondere mittels Klemmverbindungen, miteinander gekoppelt. Auf diese Weise lassen sich die Rotoren und/oder Statoren der elektri schen Maschinen ähnlich Klemmbausteinen miteinander mecha nisch zusammenfügen.

Vorzugsweiseweise weisen bei dem erfindungsgemäßen Maschinen aggregat die elektrischen Maschinen eine Betriebsleistung von jeweils mindestens 30 Kilowatt, bevorzugt mindestens 100 Ki lowatt, und/oder höchstens 2 Megawatt, bevorzugt höchstens 1 Megawatt, auf. Mit solchen elektrischen Maschinen lässt sich ein Maschinenaggregat mit einer Betriebsleistung von mindes tens 100 kW, vorzugsweise mindestens 400 kW und besonders zweckmäßig mindestens 2 Megawatt oder sogar 10 Megawatt leicht realisieren.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine dient insbesondere zum Aufbau eines Maschinenaggregats wie zuvor beschrieben.

Die erfindungsgemäße Maschine weist ein Gehäuse für jeweils einen Rotor und/oder Stator der elektrischen Maschine auf, wobei das Gehäuse jeweils ein erstes und ein zweites mechani sches Verbindungselement aufweist, wobei erstes und zweites mechanisches Verbindungselement miteinander korrespondieren. Zweckmäßig sind erstes und zweites Verbindungselement an ei nander abgewandten Seiten des Gehäuses angeordnet. Auf diese Weise sind die Gehäuse der elektrischen Maschinen zueinander, zumindest hinsichtlich der Verbindungselemente, identisch ausbildbar. Somit können jeweils das erste Verbindungselement einer Maschine mit dem zweiten Verbindungselement einer be nachbarten Maschine sowie das jeweils zweite Verbindungsele- menteiner Maschine mit dem ersten Verbindungselement einer benachbarten Maschine verbunden werden, sodass die Maschinen zu einem erfindungsgemäßen Maschinenaggregat verbindbar sind. Idealerweise sind erstes und zweites Verbindungselement als Klemmverbindungselement ausgebildet, sodass die Gehäuse der elektrischen Maschinen in der Art identischer Klemmbausteine seriell miteinander verbindbar sind.

Es versteht sich, das ein Verbindungselement im Sinne dieser Anmeldung nicht notwendig als zusätzliches Element, welches separat an dem Gehäuse angeordnet ist, ausgebildet sein muss, sondern das Verbindungselement kann auch mit dem Gehäuse selbst oder mit einem Teil des Gehäuses selbst gebildet sein.

Das erfindungsgemäße Fahrzeug ist insbesondere ein elektri ^¬ sches und/oder hybrid-elektrisches Flugzeug. Das erfindungs ^¬ gemäße Fahrzeug weist ein Maschinenaggregat wie zuvor be ^¬ schrieben und/oder mindestens eine elektrische Maschine, vor ^¬ zugsweise eine Mehrzahl elektrischer Maschinen, wie zuvor be schrieben auf. Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Fahrzeug einen Antrieb, welcher ein solches Maschinenaggregat oder eine solche elektrische Maschine oder eine Mehrzahl sol ^¬ cher elektrischer Maschinen aufweist.

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

Es zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes elektrisches Flugzeug mit ei ^¬ nem erfindungsgemäßen Elektromotoraggregat schema ^¬ tisch in einer perspektivischen Darstellung,

Fig . 2 das erfindungsgemäße Elektromotoraggregat des Flug ^¬ zeugs gern. Fig. 1 schematisch in einer perspektivi schen Darstellung sowie Fig. 3 das erfindungsgemäße Elektromotoraggregat gern. Fig.

2 schematisch im Längsschnitt.

Das in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße elektrische Flug zeug 10 weist einen Antrieb 15 mit einem erfindungsgemäßen Elektromotoraggregat 20 auf. Das Elektromotoraggregat 20 ist modular aufgebaut wie nachfolgend beschrieben:

Das Elektromotoraggregat 20 ist aus mehreren, im dargestell ten Fall sechs, erfindungsgemäßen Elektromotoren 30 zusammen gesetzt, welche in an sich bekannter Weise mit einem inner halb eines Stators 40 um eine Achse A drehbar geführten Rotor 50 gebildet sind.

Bei dem Elektromotoraggregat 20 sind sowohl die Statoren 40 als auch die Rotoren 50 miteinander mechanisch gekoppelt. Da zu sind in axialer Richtung, um welche die Rotoren 50 drehbar angeordnet sind, die Rotoren 50 miteinander sowie die

Statoren 40 miteinander mittels Klemmverbindungen mechanisch verbunden. Die Klemmverbindungen (in Fig. 2 nicht explizit gezeigt) sind jeweils mit aneinander anliegenden Axialenden von Gehäusen 55 der Rotoren 50 und Gehäusen 56 der Statoren 40 gebildet, wobei die Axialenden in ihrer Form miteinander korrespondieren. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Statoren 40 und Rotoren 50 gleichartig ausgebildet und können in beliebiger Zahl aneinander in der Art von

Klemmbausteinen zusammengefügt werden. Auf diese Weise ist aus den einzelnen Rotoren 50 ein Rotoraggregat 150 gebildet, welches im Wesentlichen eine zylindrische Gestalt aufweist und folglich eine einstückig handhabbare Welle des Motorag gregats 20 bildet. Entsprechend ist aus den einzelnen

Statoren 40 infolge ihrer mechanischen Verbindung miteinander ein Statoraggregat 140 des Motoraggregats gebildet, welcher eine im Wesentlichen röhrenartige, zylindermantelförmige Ge stalt aufweist.

Das Rotoraggregat 150 kann sich somit innerhalb des umgeben den Statoraggregats 140 um die Achse A drehen. In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Rotoren 50 und die Statoren 40 nicht mittels Klemm verbindungen, sondern auf andere Weise miteinander mechanisch verbunden, etwa mittels Rastverbindungen oder mittels form schlüssiger oder stoffschlüssiger Verbindungen.

Statoraggregat 140 und Rotoraggregat 150 sind lediglich mit tels mechanischer Anbindung der einzelnen Statoren 40 und Ro toren 50 miteinander gekoppelt. Eine direkte elektrische Ver bindung der Statoren 40 miteinander oder der Rotoren 50 mit einander ist erfindungsgemäß nicht vorgesehen. Elektrisch handelt es sich also bei den einzelnen Rotoren 50 und den diese jeweils umgebenden Statoren 40 jeweils um einzelne Elektromotoren 60.

Allerdings ist die Ausgangsseite des Elektromotoraggregats 20 mittels der mechanisch als Rotoraggregat 150 gekoppelten Ro toren 50 mechanisch gekoppelt. Die elektrische Eingangsseite des Elektromotoraggregats 20 wird aus einer gemeinsamen elektrischen Quelle gespeist. Auf diese Weise wirkt das

Elektromotoraggregat 20 wie ein einziger Motor, welcher sich aus den einzelnen Elektromotoren 60 seriell zusammensetzt.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Elektromotorag gregat 20 für eine Betriebsdrehzahl von 2250 Umdrehungen je Minute ausgebildet. Die einzelnen Elektromotoren 60 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel für eine Leistung von 250 kW ausgebildet. Auf diese Weise ist das Elektromotoraggregat 20 für eine Leistung von 1,5 MW ausgelegt. In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Elektro motoren 60 für andere Parameter anstelle der oben dargestell ten Parameter ausgebildet.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches im Übrigen dem dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht, weist das elektrische Flugzeug 10 eine Nacelle auf, in welcher das Elektromotoraggregat 20 angeordnet ist. In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen ist anstelle des Elektromotoraggregats 20 ein Generatoraggre gat vorhanden. Dabei sind anstelle einzelner Elektromotoren 60 jeweils einzelne Generatoren miteinander mechanisch gekop pelt.