ROTIERENDE ELEKTRISCHE MASCHINE UND LUFTFAHRZEUG MIT SOLCHEN MASCHINE

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine rotierende elektrische Maschine, beispielsweise einen Elektromotor, und ein Luftfahrzeug, bei spielsweise eine Flugzeug, mit einer rotierenden elektrischen Maschine, wobei die elektrische Maschine zwei Luftspalte zwi schen Rotor und Stator aufweist. Auch für andere Anwendungen, wie bei Windkraftanlagen, geeignet.

Hintergrund der Erfindung

Für viele technische Anwendungen haben rotierende elektrische Maschinen mit einem hohen Leistungsgewicht (kW/kg) einen gro ßen Vorteil. Einige Anwendungen könnten dadurch erst ermög licht werden, wenn rotierende elektrische Maschinen mit einem hohen Leistungsgewicht gebaut werden können. Ein Beispiel ist die Elektrifizierung der Luftfahrt durch Generatoren bzw. Elektromotoren, bei denen ein Leistungsgewicht von mindestens 10 kW/kg benötigt wird. (z.B. Halbbach-Arrays )

Elektromagnetisch vorteilhaft können Konfigurationen mit ei nem Doppelrotor sein, da sie sowohl eine sehr große magneti sche Flussdichte im Luftspalt erlauben, als auch den Magnet kreis optimal ausnutzen, da auf beiden Seiten des Stators ein Rotor für die Erzeugung und die Flussführung des magnetischen Flusses genutzt wird.

Weiterhin wird durch ausgerichtete Magnete (z.B. Halbach- Arrays) auf beiden Seiten die magnetische Flussdichte radial sehr homogen gebildet, weshalb im Stator auf ein flussführen des Material verzichtet werden kann. Dies macht wiederum den Stator leichter bzw. führt dazu, dass mehr Kupfer anstatt Ei sen verwendet werden kann. Die rotierende elektrische Maschi- ne weist aufgrund von reduzierten Kupfer- und Eisenverlusten eine höhere Effizienz auf.

Obwohl diese Konfiguration elektromagnetisch Vorteile bietet, gestaltet sich die konstruktive und mechanische Ausgestaltung schwierig, weshalb derartige rotierende elektrische Maschinen bis heute keine verbreitete Anwendung fanden.

Üblicherweise werden radiale Doppelrotorkonfigurationen mit einem sogenannten „Glockenläufer" realisiert, wie in Fig . 1 dargestellt. Fig . 1 zeigt einen U-förmigen Stator 1 mit Spu len 6 sowie einen innerhalb des Stators 1 drehbar angeordne ten Rotor 2 mit Magneten 5. Der Rotor 2 befindet sich auf ei ner Welle 17, die in den Lagern 16 angeordnet ist. Zwischen den Spulen 6 des Stators 2 und den Magneten 5 des Rotors 2 befindet sich ein erster und ein zweiter Luftspalt 10, 11. Eine derartige elektrische Maschine ist in der Offenlegungs schrift DE 10 2012 217 363 Al ausführlich beschrieben.

Der wesentliche Nachteil dieser Konstruktion ist, dass auf grund der magnetischen Anziehungskräfte hohe Biegemomente auftreten, die durch eine schwere mechanische Konstruktion abgefangen werden müssen. Dadurch werden die Vorteile des elektromagnetischen Designs geschmälert.

Des Weiteren besteht der Nachteil solcher Maschinen darin, dass Rotoren in einer solchen Ausführung häufig mit rotordy namischen Problemen verbunden sind, was gerade bei Anwendun gen in der Luftfahrt, wo die Welle und der Rotor aufgrund von immer wiederkehrenden gyroskopischen Momenten, die wegen Flugmanövern auftreten, zu einem unvorhergesehen Versagen führen kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung für eine rotierende elektrische Maschine mit einem Doppelspalt anzugeben, die ein besseres Leistungsgewicht aufweist. Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der rotie renden elektrischen Maschine und dem Luftfahrzeug mit einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß der unabhängigen Pa tentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung besteht in einer neuartigen Bauweise für eine rotierende elektrische Maschine. Zunächst wird die elektri sche Maschine als Flux-Switching Maschine ausgeführt. Das be deutet, dass sich sowohl Permanentmagnete, die zur magneti schen Flusserzeugung dienen, als auch Spulen, in denen die Spannung induziert oder eingespeist wird, im Stator befinden. Die Flussänderung wird dadurch erzeugt, dass der Rotor aus einem ferromagnetischen, aber nicht-magnetisierten Material gebildet ist. Dadurch gelingt es, den magnetischen Fluss zu leiten aber auch wieder zu unterbrochen (= Flux-Switching) .

Im Deutschen wird die Flux-Switching Maschine auch als „Hyb ridmaschine" bezeichnet, da es sich dabei um eine Synthese aus einer permanenterregten Synchronmaschine und einer

Reluktanzmaschine handelt. In der Offenlegungsschrift DE 10 2011 121 174 Al wird beispielhaft eine derartige Hybridma schine beschrieben.

Die erfindungsgemäße Lösung verfügt über zwei Luftspalte, wo bei der Rotor aber als ein einzelnes „Rohr" ausgebildet ist, das ferromagnetisches und nicht ferromagnetisches Material in Umfangsrichtung im Wechsel aufweist.

Der Stator enthält Magnete und Spulen auf der Rotoraußenseite und der magnetische Kreis wird auf der Rotorinnenseite durch weitere Magnete geschlossen. Die Magnete sind bevorzugt als Halbach-Arrays ausgebildet. Ein Halbach-Array ist eine spezi elle Anordnung von Permanentmagneten. Eine derartige Anord nung ermöglicht es, dass der magnetische Fluss sich an der einen Seite der Anordnung nahezu aufhebt, wohingegen er auf der anderen Seite maximal verstärkt wird. In einer weiteren Ausbaustufe können in dem Rotor und in dem Stator die ferromagnetischen Materialien stark segmentiert werden, um eine sogenannte „Vernier-Maschine" zu realisieren, die noch höhere Leistungsdichten zulässt.

Die Erfindung ermöglicht es, eine elektrische Maschine mit einer hohen Leistungsdichte zu realisieren. In der Erfindung sind folgende Neuheiten enthalten:

Es wird eine Flux-Switching Maschine mit einem doppelten Luftspalt realisiert.

Es wird eine Vernier-Flux Switching Maschine mit einem doppelten Luftspalt realisiert.

Es wird eine Doppelspaltmaschine realisiert, die nicht die üblichen Probleme eins Doppelläufers aufweist.

Der Vorteil der Erfindung liegt in der vollständigen Elimi nierung der äußeren Biegemomente, die zu einer Verschlankung der mechanischen Struktur führen. Dadurch können Doppelluft- spaltkonfiguration ihre elektromagnetischen Vorteile ausspie len ohne durch die mechanische Bauweise benachteiligt zu sein .

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sich sämtliche Mag nete im Stator befinden und somit die Magnetkühlung ähnlich realisiert werden kann, wie die Kühlung der Statorspulen, in die der Strom induziert oder gespeist wird.

In einer regulären Ausbaustufe ist ein Leistungsgewichtvor teil von etwa 30 - 40 % zu erwarten, während in einer zweiten Ausbaustufe ggf. auch über 100 % mehr Leitungsdichte möglich sein wird.

Damit ist es möglich, elektrische Maschinen mit einem Leis tungsdichten von 10 - 12 kW/kg herzustellen, wodurch viele Anwendungen (wie das elektrische Fliegen) erst ermöglicht oder andere Geschäftsfelder (wie beispielsweise Generatoren für Windkraftanlagen) nachhaltig verbessert werden. Die Erfindung beansprucht eine rotierende elektrische Maschi ne, aufweisend:

einen rotierbaren rohrförmigen Rotor,

einen inneren ersten Stator,

einen zum ersten Stator beabstandeten und konzentrischen äußeren zweiten Stator,

wobei der Rotor konzentrisch zum ersten und zweiten Stator und derart zwischen dem ersten und dem zweiten Stators an geordnet ist, dass

ein erster Luftspalt zwischen dem ersten Stator und dem Rotor und

ein zweiter Luftspalt zwischen dem zweiten Stator und dem Rotor gebildet werden.

In einer Weiterbildung können der erste und der zweite Stator mechanisch eine Einheit bilden.

In einer weiteren Ausführungsform kann der Rotor in Umfangs richtung abwechselnd ein ferromagnetisches Material und ein nicht-magnetisches Material aufweisen.

In einer weiteren Ausprägung kann der erste Stator in Um fangsrichtung abwechselnd erste Magnete, deren Pole in Um fangsrichtung ausgerichtet sind, und nicht-magnetisches Mate rial aufweisen.

In einer Weiterbildung können die ersten Magnete aus Halbach- Arrays gebildet sein.

In einer weiteren Ausgestaltung kann der zweite Stator in Um fangsrichtung zueinander beabstandete zweite Magnete aufwei sen, deren Pole in Umfangsrichtung ausgerichtet sind.

In einer weiteren Ausgestaltung können die zweiten Magnete aus Halbach-Arrays gebildet sein. In einer weiteren Ausgestaltung können unterhalb der Pole be nachbarter zweiter Magnete Spulen angeordnet sein, deren Pole in Richtung des Rotors ausgerichtet sind.

Außerdem können die Spulen durch einen Wechselstrom derart phasenverschoben erregt werden, dass der Rotor in eine Dreh bewegung versetzt wird.

Des Weiteren kann der Rotor mechanisch derart in eine Drehbe wegung versetzt werden, dass in den Spulen ein Wechselstrom induziert wird.

In einer weiteren Ausgestaltung kann das ferromagnetische Ma terial Eisen oder eine Eisenlegierung sein.

In einer weiteren Ausgestaltung weisen Stator und Rotor eine filigrane hoch-polige Segmentierung auf, so dass eine Vernier Maschine damit realisiert wird.

Die Erfindung beansprucht auch ein Luftfahrzeug mit einer er findungsgemäßen rotierenden elektrischen Maschine, wobei die rotierende elektrische Maschine ein Elektromotor ist, der ein Triebwerk antreibt.

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.

Es zeigen:

Fig. 1: eine Schnittansicht einer rotierenden elektrischen

Doppelrotor-Maschine gemäß Stand der Technik,

Fig. 2: eine Schnittansicht durch eine rotierende elektri sche Hybridmaschine mit doppeltem Luftspalt, Fig. 3: eine weitere Schnittansicht durch eine rotierende elektrische Hybridmaschine mit doppeltem Luft spalt,

Fig. 4: eine weitere Schnittansicht durch eine rotierende elektrische Hybridmaschine mit doppeltem Luftspalt und

Fig. 5: ein Flugzeug mit einer rotierenden elektrischen

Maschine .

Detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Fig . 2 zeigt einen Querschnitt eines Teils einer rotierenden elektrischen Maschine, wobei die Rotationsachse 7 des Rotors 2 aus der Bildebene herausragt. Der Rotor 2 ist rohrförmig ausgebildet und weist in Umfangrichtung abwechselnd ein fer romagnetisches Material 9 und ein nicht-magnetisches Material 8 auf. Mit anderen Worten, der Rotor 2 bildet eine Art Zahn kranz, wobei das ferromagnetische Material 9 die Zähne bil det. Der Rotor 2 liegt konzentrisch zwischen dem ringförmigen inneren ersten Stator 3 und dem ringförmigen zweiten Stator 4.

Der erste Stator 3 weist zueinander beabstandete in Umfangs richtung angeordnete erste Magnete 18 auf, wobei der S- und N-Pol benachbarter erster Magnete 18 zueinander gewandt sind. Die ersten Magnete 18 können als Halbach-Arrays ausgebildet sein .

Der zweite Stator 4 weist zueinander beabstandete in Umfangs richtung angeordnete zweite Magnete 19 auf, wobei der S- und N-Pol benachbarter zweiter Magnete 19 zueinander gewandt sind. Die zweiten Magnete 19 können ebenfalls als Halbach- Arrays ausgebildet sein. Unterhalb (in Richtung zum Rotor 2) benachbarter Pole der zweiten Magnete 19 befinden sich Spulen 6, deren Spulenachse in Richtung zum Rotor 2 zeigt. Durch ab wechselnde Erregung der Spulen 6 entsteht ein rotierendes Magnetfeld, das den Rotor 2 in eine Drehbewegung versetzt (= Elektromotor) . Fig. 2 zeigt beispielhaft den magnetischen Fluss 12. Durch Drehen des Rotors 2 wird phasenverschoben Spannung in den Spulen 6 induziert (= Generator) .

Zwischen dem Rotor 2 und dem ersten Stator 3 befindet sich ein erster Luftspalt 10. Zwischen dem Rotor 2 und dem zweiten Stator 4 befindet sich ein zweiter Luftspalt 11. Das ferro magnetische Material 9 ist bevorzugt Eisen oder eine Eisenle gierung, kann aber auch eine Legierung von seltenen Erden, Eisenstickstoff oder auch ein gesintertes Material sein.

Fig. 3 und Fig. 4 zeigen Schnittansichten von unterschiedli chen Ausführungen des ersten und zweiten Stators 3, 4 gemäß Fig. 2. Die Schnittebene ist senkrecht zur Bildebene in

Fig. 2 gewählt. Erste und zweite Magnete 18, 19 sowie Spulen 6 sind nicht dargestellt.

Fig. 3 zeigt einen einteiligen Stator, bei dem der erste und zweite Stator 3, 4 einstückig ausgeführt sind. Fig. 4 zeigt einen mehrteiligen Stator, bei dem der erste und der zweite Stator 3, 4 nicht direkt miteinander verbunden sind. Bei spielsweise können die Statoren 3 und 4 an einem Gehäuse be festigt sein. Dargestellt ist auch der Rotor 2. Zu erkennen sind auch der erste Luftspalt 10 und der zweite Luftspalt 11.

Fig. 5 zeigt ein Flugzeug 13 als Beispiel für ein Luftfahr zeug, bei dem ein Triebwerk 14, hier als Propeller ausgebil det, durch einen Elektromotor 15, der entsprechend der Aus führungen zu den Fig. 2 bis Fig. 4 ausgebildet ist, angetrie ben wird.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und ande re Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Bezugszeichenliste

1 Stator

2 Rotor

3 innerer erster Stator

4 äußerer zweiter Stator

5 Magnet

6 Spule

7 Rotationsachse

8 nicht-magnetisches Material

9 ferromagnetisches Material

10 erster Luftspalt

11 zweiter Luftspalt

12 magnetischer Fluss

13 Flugzeug

14 Triebwerk (Propeller)

15 Elektromotor

16 Lager

17 Welle

18 erster Magnet

19 zweiter Magnet