Elektrische Maschine und hybridelektrisches Fahrzeug

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine und ein hyb ridelektrisches Fahrzeug.

Zahlreiche technische Anwendungen erfordern elektrische Ma schinen mit möglichst hoher massebezogener Leistung, also mit möglichst hoher Leistung je Kilogramm Masse. Insbesondere für die Elektrifizierung der Luftfahrt sind Generatoren und Moto ren mit einer Leistungsdichte von mindestens 20 kW/kg erfor derlich.

Die elektrische Leistungsdichte einer Maschine ist im Wesent lichen proportional zum elektrischen Strom des Stators und zum magnetischen Feld des Rotors. Da supraleitende Spulen we sentlich höhere magnetische Flussdichten von etwa drei bis vier Tesla verglichen mit denjenigen der stärksten Permanent magnete bei Raumtemperatur, nämlich nur etwa 1.2 Tesla, be reitstellen können, kann die Leistungsdichte bei Nutzung sup raleitender Spulen wesentlich erhöht werden.

Trotz solch hoher Feldstärken muss am Stator gleichwohl mag netisch flussleitendes Material verwendet werden, um das Mag netfeld abzuschirmen. Die Abschirmung erfordert Joche, deren Masse nicht weiter reduziert werden kann, da ferromagnetische Materialien eine Saturierungsmagnetisierung besitzen, im Fal le von Eisen von etwa 2.2 Tesla. Wird diese Sättigungsmagne tisierung überschritten, so kann das Joch seine flussleitende und schirmende Aufgabe nicht mehr erfüllen und das magneti sche Feld kann sich außerhalb der Maschine ausbreiten. Dies kann nachteilig zu elektromagnetischer Interferenz (EMI) füh ren und zusätzlich den Wirkungsgrad der Maschine verringern. Das Joch ist daher auch bei supraleitenden Maschinen der li mitierende Faktor. Im Falle von konventionellen Maschinen können Haibach- Anordnungen von Magneten verwendet werden, um Fluss innerhalb der Magnete selbst anstatt innerhalb eines Joches zu führen. In einer Halbach-Konfiguration wird der Fluss gewissermaßen innerhalb der Magnete geleitet. Dadurch bedarf es an der „Rückseite" der Magnete keines Joches mehr, um den Fluss zu führen. Halbach-Konfigurationen werden im Allgemeinen gefer tigt, indem einzelne, kleine Magnete in normaler Nord-Süd Konfiguration magnetisiert werden und anschließend in der entsprechenden Konfiguration mechanisch zusammengebracht und verklebt werden.

Mit einer solchen Halbach-Anordnung kann eine sogenannte „Au ßenläuferkonfiguration" realisiert werden, bei dem der Rotor außerhalb des Stators angeordnet ist. Der magnetische Fluss wird in den Magneten außen geleitet, sodass er nicht nach au ßen hin entweichen kann.

Zudem sind supraleitenden Maschinen bekannt, bei welchen sup raleitende Erregerspulen im Stator angeordnet sind und die Wicklung, in der Spannung induziert wird, im Rotor angeordnet ist. Bei solchen elektrischen Maschinen kann das Joch entfal len. Da jedoch die Wicklung am Rotor angeordnet ist, erfor dern solche elektrische Maschinen Schleifringe, um den Strom von rotierenden Teilen auf ruhende Teile der elektrischen Ma schine zu leiten. Bei schnell drehenden Maschinen sind

Schleifringe jedoch schwer und verschleißen schnell.

Es ist vor diesem Hintergrund des Standes der Technik Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine zu schaffen, welche eine hohe Leistungsdichte bereitstellen kann. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein hybridelektrisches Fahrzeug, ins besondere ein Luftfahrzeug, zu schaffen, welches eine hohe massebezogene Leistung aufweist. Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einer elektrischen Maschine mit den in Anspruch 1 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 zumindest ei ne erste Gruppe supraleitender Spulen auf, welche angeordnet sind, einen magnetischen Fluss zumindest entlang eines u- förmigen Verlaufs zu führen.

Erfindungsgemäß wird daher mittels supraleitender Spulen eine Halbach-Anordnung ermöglicht. Die erfindungsgemäß vorgesehene Gruppe von supraleitenden Spulen kann intrinsisch magneti schen Fluss leiten ohne ein zusätzliches Joch zu erfordern. Infolge des erfindungsgemäß möglichen Verzichts auf ein Joch ist daher die massebezogene Leistung deutlich steigerbar.

Zudem können sämtliche mechanischen Komponenten, die zur Ab stützung der Fliehkraft notwendig sind, nach außen verlagert werden, sodass diese Komponenten nicht im Luftspalt vorgese hen werden müssen. Der Luftspalt kann folglich kleiner ausge legt werden und das Drehmoment daher weiter vergrößert wer den .

Vorzugsweise umgeben bei der elektrischen Maschine gemäß der Erfindung die supraleitenden Spulen der ersten Gruppe den u- förmigen Verlauf und/oder eine Längsmittelline des u-förmigen Verlaufs, insbesondere umfänglich. In einer solchen Geometrie kann der magnetische Fluss analog zu klassischen, d.h. vor liegend analog zu nicht supraleitenden, Spulen geführt wer den .

Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine erstrecken sich in einer bevorzugten Weiterbildung die supraleitenden Spulen mit ihren Windungsebenen entlang Kurvenradien eines Kurvenabschnitts des Verlaufs.

Vorteilhaft erstreckt sich bei der elektrischen Maschine ge mäß der Erfindung der u-förmige Verlauf innerhalb einer Ver laufsebene und es erstrecken sich die Spulen mit ihren Win dungsebenen senkrecht zur Verlaufsebene. Geeigneterweise ist bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine zumindest die erste Gruppe an einem Rotor oder Sta tor der elektrischen Maschine angeordnet.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der elektrischen Maschi ne weist diese mindestens eine weitere Gruppe supraleitender Spulen auf, wobei Schenkel des u-förmigen Verlaufs sich je weils in dieselbe Richtung vom Scheitel fortstrecken . In die ser Weiterbildung der Erfindung können grundsätzlich eine Vielzahl benachbarter Magnetpole realisiert sein, ohne dass ein schweres Joch oder ein sonstiges Joch erforderlich ist.

In einer bevorzugten Weiterbildung der elektrischen Maschine weist diese mindestens eine weitere Gruppe supraleitender Spulen auf, wobei Schenkel des u-förmigen Verlaufs mindestens zweier Gruppen aufeinander zu gerichtet sind. In dieser Wei terbildung der Erfindung können etwa Spulen eines Stators zwischen die aufeinander zugerichteten Schenkel eingebracht werden, sodass die u-förmigen Verläufe zu einem magnetischen Flusskreis durch die Spulen des Stators hindurch schließbar ist .

Vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen elektrischen Ma schine die elektrische Maschine ein Elektromotor und/oder ein Generator .

Vorzugsweise sind bei der elektrischen Maschine gemäß der Er findung die supraleitenden Spulen mit Yttrium-Barium- Kupferoxid gebildet. Yttrium-Barium-Kupferoxid ist ein etab lierter Hochtemperatursupraleiter erlaubt eine Fertigung oder Heranziehung supraleitender Spulen nach bekannten und etab lierten Verfahren.

Das erfindungsgemäße hybridelektrische Fahrzeug ist insbeson dere ein Luftfahrzeug, vorzugsweise ein Flugzeug, und weist eine elektrische Maschine wie zuvor beschreiben auf. Erfindungsgemäß sind elektrische Maschinen mit einer Leis tungsdichte von 30 - 40 kW/kg realisierbar. Die Elektrifizie rung der Luftfahrt mag mit Luftfahrzeugen mit erfindungsgemä ßen elektrischen Maschinen einen deutlichen Schritt auf pra xistaugliche Lösungen hin vollziehen.

Die erfindungsgemäße Windkraftanlage weist eine elektrische Maschine wie zuvor beschrieben auf. Die erfindungsgemäß mög liche erhöhte Effizienz elektrischer Maschinen wie insbeson dere Generatoren erlaubt die Fertigung deutlich effizienterer Windkraftanlagen .

Nachfolgend wird die Erfindung anhand in der Zeichnung darge stellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Sektor einer erfindungsgemäßen elektrischen

Maschine mit einer Gruppe supraleitender Rotorspu len schematisch in einer Ansicht in Richtung einer Rotationsachse eines Rotors der erfindungsgemäßen Maschine sowie

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Gruppe sup raleitender Rotorspulen schematisch in einer An sicht in Richtung der Rotationsachse,

Fig. 3 ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen

elektrischen Maschine mit einem Doppelrotor mit ei nem weiteren Ausführungsbeispiel einer Gruppe sup raleitender Rotorspulen schematisch in einer Sei tenansicht in Richtung senkrecht auf die Rotations achse des Doppelrotors sowie

Fig. 4 ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen

elektrischen Maschine schematisch in einer Seiten ansicht in Richtung senkrecht auf die Rotationsach se des Rotors. Der in Fig. 1 dargestellte Sektor einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 10 zeigt einen Stator 20 mit konventio nellen Statorspulen 30 sowie einen um eine drehachse R dreh baren Rotor 40 mit einer ersten Gruppe 50 supraleitender Ro torspulen 60.

Die Gruppe 50 supraleitender Rotorspulen 60 sind im in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel mit ihren Windungsebenen senkrecht zur Zeichenebene angeordnet. Diejenigen Erstre ckungsrichtungen der Windungsebenen, die parallel zur Zei chenebene verlaufen, erstrecken sich entlang der drei Enden der Balken einer gedachten T-Form. Die supraleitenden Rotor spulen 60 sind somit von einem ersten Ende eines Querbalkens der T-Form beginnend über das Ende eines Mittelbalkens der T- Form hin zum zweiten Ende des Querbalkens der T-Form fort schreitend jeweils einander gegenüber um 90 Grad verdreht, wobei die supraleitenden Rotorspulen 60 derart gewickelt und bestromt sind, dass sich die Bestromung der supraleitenden Rotorspulen 60 bei dieser gedachten Verdrehung der supralei tenden Rotorspulen 60 gegeneinander um 90 Grad außer dieser Verdrehung sonst nicht ändert. Folglich ist in den supralei tenden Rotorspulen 60 der magnetische Fluss stets derart ge führt, dass der magnetische Fluss vom ersten Ende des Quer balkens der T-Form startend senkrecht zur Längserstreckung des Querbalkens verläuft, dann an Ende des Mittelbalkens der T-Form senkrecht zu der Längserstreckung dieses Mittelbalkens verläuft und dann am zweiten Ende des Querbalkens der T-Form senkrecht zur Längserstreckung des Querbalkens verläuft. Bei der gedachten T-Form ist der Querbalken nahe jenem dem Stator zugewandten Ende des Rotors angeordnet 40 und der Mittelbal ken streckt sich in Richtung vom Stator fort vom Querbalken weg .

Folglich beschreibt der magnetische Fluss der supraleitenden Rotorspulen 60 einen Verlauf V in Gestalt einer U-Form um die gedachte Verbindungsstelle von Querbalken und Mittelbalken der gedachten T-Form herum, wobei am Ende des Querbalkens die U-Form Schenkel aufweist und an dem Ende des Mittelbalkens einen Scheitel aufweist.

Die Schenkel der U-Form des Verlaufs V des magnetischen Flus ses sind dabei zueinander parallel orientiert und strecken sich vom Scheitel der U-Form des Verlaufs aus betrachtet in Richtung auf den Stator zu.

Es versteht sich, dass sich die Gruppe 50 von Rotorspulen 60 umfänglich in weiteren Sektoren der erfindungsgemäßen

elektrischen Maschine 10 fortsetzt.

Grundsätzlich kann die Gruppe 50 von Rotorspulen 60 im Detail von der vorhergehend beschriebenen Gruppe 50 von Rotorspulen 60 abweichen. Beispielsweise können zusätzliche Rotorspulen 60 vorgesehen sein, welche zwischen den bereits vorhandenen Rotorspulen 60 derart angeordnet sind, dass die Windungsebe nen der supraleitenden Rotorspulen 60 nicht jeweils wie oben beschrieben um 90 Grad zueinander verdreht sind, sondern sich wie in Fig. 2 derart in der Art von Speichen um jeweils 45 Grad versetzt radial von der gedachten Verbindungsstelle von Querbalken und Mittelbalken fortstrecken .

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Doppelrotor 340 sind anstelle ei ner einzigen Rotorspule 360 mit einer sich am Endes des Mit telbalkens entlang streckende und senkrecht auf der Zeichen ebene stehenden Wicklungsebene stattdessen zwei zueinander parallele Rotorspulen 370 vorhanden, welche allerdings von Wicklungsumfang kleiner dimensioniert sind.

Im in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Ro torspulen 360, 370 mit dem u-förmigen Verlauf derart angeord net, dass die Schenkel des u-förmigen Verlaufs sich in Rich tung der Rotationachse R vom Scheitel fortstrecken . Dabei um fasst der Doppelrotor 240 zwei Rotorscheiben, welche in Rich tung der Rotationsachse R orientierte Statorspulen 375 axial einschließen. Die Rotorspulen 360, 370 bilden in jeder Rotor scheibe jeweils eine Gruppe 380 von Rotorspulen 360, deren Schenkel des u-förmigen Verlaufs aufeinander zugerichtet sind, sodass diese durch Statorspulen schließbar sind.

Wie in Fig. 4 dargestellt können in einem weiteren Ausfüh rungsbeispiel die supraleitenden Spulen auch derart angeord net sein, dass sich die Schenkel des u-förmigen Verlaufs V in radialer Richtung fortstrecken .

In allen gezeigten Ausführungsbeispielen wird der Rotor 40, 240, RT der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 10 zum Betrieb auf kryogene Temperaturen von unter 90 Kelvin ge kühlt. Dazu ist beispielsweise wie in Fig. 4 dargestellt in einem Rotorschaft S des Rotors RT der elektrischen Maschine ein Kühlmittelpfad P gebildet, welcher Kühlmittel durch den Rotor RT leitet. Auf diese Weise wird der Rotor RT auf kryo gene Temperaturen gekühlt.

Das in Fig. 5 dargestellte erfindungsgemäße hybridelektrische Flugzeug 500 weist eine erfindungsgemäße elektrische Maschine 10 wie vorhergehend beschrieben auf. Die elektrische Maschine 10 arbeitet als Elektromotor und treibt einen Propeller 510 des hybridelektrischen Flugzeugs 500 an.