Beschreibung

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich insbesondere auf eine elektrische Maschine und ein Fahrzeug mit einer solchen elektrischen Maschine.

Bei Elektromotoren und anderen elektrischen Maschinen wird eine immer weitere Verbesserung der Zielgrößen Energieeffizienz, Leistungsgewicht, Zuverlässigkeit und Lebensdauer angestrebt. Für einen niedrigen Energieverbrauch in mobilen Anwendungen (z.B. im Fahrzeugbau) ist zudem ein geringes Gewicht der Antriebe von Bedeutung. In besonderem Maße gelten die beschriebenen Anforderungen für die Anwendung in Luftfahrzeugen. Ferner können äußere Kräfte wirken. Bei einem Luftfahrzeug können z.B. durch Seitenwinde oder dergleichen auf einen durch einen Elektromotor angetriebenen Propeller axiale oder radiale Kräfte auf eine den Elektromotor mit dem Propeller verbindende Welle ausüben. Regelmäßig wird deshalb eine entsprechend steife Lagerung der Welle vorgesehen, um diese Kräfte aufzunehmen. Derartige Lagerungen weisen jedoch häufig ein relativ hohes Gewicht auf. Zudem können die genannten Kräfte zu einem Verschleiß der entsprechenden Bauteile führen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte elektrische Maschine bereitzustellen.

Gemäß einem Aspekt wird eine elektrische Maschine bereitgestellt, z.B. für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Luftfahrzeug. Die elektrische Maschine umfasst einen Stator; einen relativ zum Stator drehbaren Rotor; eine relativ zum Stator drehbare Welle; und eine Kopplungsvorrichtung. Die Kopplungsvorrichtung umfasst zumindest ein am Rotor befestigtes erstes Verbindungsteil und zumindest ein an der Welle befestigtes zweites Verbindungsteil, die über mehrere elastische Hülsen miteinander verbunden sind.

Diese Ausgestaltung der Kopplungsvorrichtung ermöglicht eine axiale und radiale Bewegung der Welle relativ zum Stator. Die elastischen Hülsen ermöglichen diese Bewegung. Zugleich ist mit der Kopplungsvorrichtung ein Drehmoment zwischen dem Rotor und der Welle übertragbar. Die Kopplungsvorrichtung entkoppelt den Rotor von der Welle elastisch in axialer und radialer Richtung. Hierzu ist kein Schmiermittel notwendig, und daher ist die elektrische Maschine besonders gut als Direktantriebseinheit einsetzbar, ohne dass ein Schmiersystem nötig wäre. Bei der elektrischen Maschine handelt es sich z.B. um einen Elektromotor.

Die Welle kann konzentrisch zum Rotor angeordnet und ausgerichtet sein. Welle und Rotor können sich in Axialrichtung betrachtet überlappen. Das ermöglicht eine kompakte Bauweise.

Der Stator kann so angeordnet sein, dass er die Welle außen umgibt. Die Welle kann sich also in den Stator hinein erstrecken. Auch das erlaubt eine kompakte Bauweise.

Es kann vorgesehen sein, dass der Rotor den Stator außen umgibt. Die elektrische Maschine kann also als Außenläufer ausgebildet sein. Die Kopplungsvorrichtung ermöglicht eine effiziente und robuste Kopplung des Außenläufers an die Welle.

Beispielsweise ist die Kopplungsvorrichtung an einem ringförmigen ersten Befestigungsbereich am Rotor montiert und/oder an einem ringförmigen zweiten Befestigungsbereich an der Welle montiert. Das erlaub eine besonders sichere Verbindung. Es kann vorgesehen sein, dass die Kopplungsvorrichtung mit dem Rotor am (gesamten) ersten Befestigungsbereich in Berührung steht und/oder dass die Kopplungsvorrichtung mit der Welle am (gesamten) zweiten Befestigungsbereich in Berührung steht.

Der erste Befestigungsbereich kann einen Durchmesser aufweisen, der größer ist als der Durchmesser des zweiten Befestigungsbereichs. So kann bei der z.B. als Außenläufer ausgebildeten elektrischen Maschine eine innen liegende Welle angebunden werden. Dabei kann ein Abstand in einer Richtung senkrecht zu einer Drehrichtung der Welle relativ zum Stator ein Abstand überbrückt werden.

Optional umfasst die Kopplungsvorrichtung mindestens oder genau drei elastische Hülsen. Das ermöglicht eine besonders sichere Kopplung.

Die elastischen Hülsen bestehen z.B. aus Gummi. Das ermöglicht eine ausreichende Elastizität bei einer gleichzeitig guten Drehmomentübertragung.

Die Kopplungsvorrichtung kann mehrere Buchsenverbindungen aufweisen, wobei jede der Buchsenverbindungen jeweils eine der elastischen Hülsen umfasst. Das ermöglicht eine besonders sichere Verbindung, die selbst bei einem Versagen von einer oder mehreren der elastischen Hülsen die Verbindungsteile sicher aneinander hält.

Die Kopplungsvorrichtung kann mehrere Arme aufweisen. An jedem der Arme kann jeweils mindestens eine (z.B. genau eine, genau zwei oder mehr als zwei) der elastischen Hülsen gehalten sein. Zwischen den Armen ist z.B. ein Freiraum ausgebildet. So wird ein besonders geringes Gewicht der Kopplungsvorrichtung möglich.

Zumindest einer der Arme kann eine Gabel aufweisen. Die Gabel kann die elastische Hülse des entsprechenden Arms umgreifen. Das ermöglicht eine in beide axiale Richtungen besonders sichere Halterung.

Optional ist genau ein erstes Verbindungsteil und genau ein zweites Verbindungsteil vorgesehen. Es kann vorgesehen sein, dass das erste Verbindungsteil und/oder das zweite Verbindungsteil (jeweils) einen Flansch aufweisen. Das ermöglicht eine sichere Befestigung.

Alternativ oder zusätzlich weist das zweite Verbindungsteil z.B. einen polygonalen Verbindungsabschnitt auf, beispielsweise einen quaderförmigen Stift. Das erlaubt eine formschlüssige Verbindung und sichere Drehmomentübertragung.

Der Rotor treibt beispielsweise einen Propeller an. Das erlaubt z.B. die Erzeugung von Schub.

Gemäß einem Aspekt wird ein Fahrzeug angegeben, insbesondere ein Luftfahrzeug. Das Fahrzeug, insbesondere Luftfahrzeug, umfasst die elektrische Maschine nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung. Bei Fahrzeug, insbesondere bei einem Luftfahrzeug, kommen die oben beschriebenen Vorteile in besonderem Maße zum Tragen.

Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben; in den Figuren zeigen:

Figur 1 ein Luftfahrzeug mit mehreren elektrischen Maschinen zum

Antrieb mehrerer Propeller;

Figur 2 eine Prinzipskizze einer der elektrischen Maschinen des

Luftfahrzeugs gemäß Figur 1 mit einem Stator, einem Rotor und einer Kopplungsvorrichtung;

Figur 3 eine elektrische Maschine des Luftfahrzeugs gemäß Figur 1 in einer perspektivischen Ansicht mit Blick auf die Kopplungsvorrichtung;

Figur 4 die Kopplungsvorrichtung der elektrischen Maschine gemäß

Figur 3; Figur 5 eine Detailansicht einer Buchsenverbindung der

Kopplungsvorrichtung gemäß Figur 3;

Figur 6 eine aufgeschnittene Ansicht der Buchsenverbindung der

Kopplungsvorrichtung gemäß Figur 5;

Figur 7 eine aufgeschnittene Ansicht der elektrischen Maschine mit der

Kopplungsvorrichtung gemäß Figur 3;

Figur 8 eine elektrische Maschine für das Luftfahrzeug gemäß Figur 1 in einer perspektivischen Ansicht mit Blick auf eine Kopplungsvorrichtung;

Figur 9 eine elektrische Maschine für das Luftfahrzeug gemäß Figur 1 in einer perspektivischen Ansicht mit Blick auf eine Kopplungsvorrichtung;

Figuren 10A-10D verschiedene Schritte in der Herstellung der elektrischen Maschine gemäß Figur 8; und

Figur 11 eine aufgeschnittene Ansicht der elektrischen Maschine mit der

Kopplungsvorrichtung gemäß Figur 8 mit einer demgegenüber anders ausgestalteten Anbindung an eine Welle.

Figur 1 zeigt ein Luftfahrzeug 2 in Form eines Flugtaxis. Das Luftfahrzeug 2 umfasst eine Kabine 20 und mehrere, hier vier, elektrische Maschinen 1 , jeweils in Form eines Elektromotors. Jede der elektrischen Maschinen 1 treibt einen Propeller 22 an. Hierzu ist jeder der Propeller 22 mit einem Rotor der jeweiligen elektrischen Maschine 1 wirkverbunden (z.B. daran befestigt). Eine Batterie 21 liefert elektrischen Strom zum Betrieb der elektrischen Maschinen 1 . Bei den elektrischen Maschinen 1 handelt es sich vorliegend um Direktantriebe.

Figur 2 veranschaulicht den grundsätzlichen Aufbau der im Beispiel gemäß Figur 1 untereinander gleich aufgebauten elektrischen Maschinen 1 . Die elektrische Maschine 1 umfasst dabei einen Stator 10, einen um eine Drehachse A relativ zum Stator 10 drehbaren Rotor 11 , eine um die Drehachse A relativ zum Stator 10 drehbare Welle 12 und eine Kopplungsvorrichtung 13 mit einem am Rotor 11 festgelegten ersten Verbindungsteil 130 und einem an der Welle 12 festgelegten zweiten Verbindungsteil 131. Die Verbindungsteile 130, 131 sind über mehrere Buchsenverbindungen V miteinander verbunden. Konkret sind die Verbindungsteile 130, 131 über mehrere elastische Hülsen an den Buchsenverbindungen V miteinander verbunden, wie weiter unten noch näher erläutert werden wird.

Das ermöglicht eine Übertragung verhältnismäßig hoher Drehmomente und eine radiale Beweglichkeit bei einem verhältnismäßig geringen Gewicht. Die Kopplungsvorrichtung 13 erlaubt eine radiale Bewegung (senkrecht zur Drehachse A) der Welle 12 relativ zum Rotor 11. Insbesondere können Vibrationen entkoppelt werden. Drehmomente können in beide Richtungen übertragen werden. Dabei erlaubt die Kopplungsvorrichtung 13 einen besonders einfachen Aufbau der elektrischen Maschine 1. Ferner ist die Kopplungsvorrichtung 13 im Wesentlichen verschleißfrei und kann an verschiedene Motordesigns angepasst werden.

Die elektrische Maschine 1 ist als Außenläufer ausgebildet. Der Rotor 11 umgibt den Stator 10. Der Stator 10 ist innerhalb des Rotors 11 angeordnet. Der Stator 10 ist an einer tragenden Struktur 17 befestigt. Die tragende Struktur 17 ist am Luftfahrzeug 2 befestigt. Die Welle 12 ist drehbar an der tragenden Struktur 17 (alternativ oder zusätzlich am Stator 10) gelagert. Die Welle 12 ist koaxial und konzentrisch zum Rotor 11 und zum Stator 10 angeordnet.

Somit ist der Stator 10 zwischen dem Rotor 11 und der Welle 12 angeordnet. Zwischen dem Rotor 11 und der Welle 12 liegt ein Abstand vor. Die Kopplungsvorrichtung 13 überbrückt diesen Abstand.

Der Propeller 22 ist mit der Welle 12 wirkverbunden, nämlich vorliegend an der Welle 12 befestigt. Über die Welle 12 ist der Propeller 22 durch eine Rotation des Rotors 11 relativ zum Stator 10 drehbar. Figur 3 zeigt die elektrische Maschine 1 . Ersichtlich ist die Kopplungsvorrichtung 13 an den außenliegenden Rotor 11 angebunden. Das erste Verbindungsteil 130 ist mit einem Flansch F1 am Rotor 11 befestigt. Dabei berührt der Flansch F1 den Rotor 11 an einem ringförmigen Befestigungsbereich B1. Vorliegend ist das zweite Verbindungsteil 131 mit einem Flansch F2 an der Welle 12 (konkret an einem axialen Ende davon) befestigt. Dabei berührt jener Flansch F2 die Welle 12 an einem ringförmigen (zweiten) Befestigungsbereich B2. Das erste Verbindungsteil 130 weist einen Durchmesser D1 auf, der größer ist als der Durchmesser D2 des zweiten Verbindungsteils 131. Der Flansch F1 des ersten Verbindungsteils 130 weist einen größeren Durchmesser auf als der Flansch F2 des zweiten Verbindungsteils 131 . Das erste Verbindungsteil 130 bildet einen kreisförmigen äußeren Rand aus. Das zweite Verbindungsteil 131 bildet eine kreisförmige Öffnung aus.

Die Verbindungsteile 130, 131 sind in axialer Richtung (in Bezug auf die Drehachse A) versetzt zueinander angeordnet. Der Flansch F2 ist innerhalb des Stators 10 und des Rotors 11 angeordnet.

Weitere Details der Geometrie der Kopplungsvorrichtung 13 sind insbesondere anhand der Figuren 3 bis 7 ersichtlich.

Dabei ist insbesondere zu erkennen, dass das zweite Verbindungsteil 131 mehrere, nämlich hier drei Arme 137A aufweist. Die Arme 137A sind zueinander äquidistant angeordnet. Um die Drehachse A sind die Arme 137A jeweils um 120 Grad versetzt zueinander ausgerichtet. Die Arme 137A des zweiten Verbindungsteils 131 werden jeweils ausgehend vom Flansch F2 nach außen schmaler. In der Draufsicht entlang der Drehachse A sind die Arme 137A im Wesentlichen dreieckig. Die Arme 137A weisen jeweils mehrere Öffnungen auf. Hierdurch kann trotz hoher übertragbarer Drehmomente ein besonders geringes Gewicht erzielt werden.

Am vom Flansch F2 abgewandten Ende eines jeden der Arme 137A ist eine Buchsenverbindung V vorgesehen. Die Buchsenverbindungen V werden jeweils durch einen Haltezylinder 139 und einen darin aufgenommenen Bolzen 133 (oder ein anderes längserstrecktes Element) ausgebildet, und zwar unter Zwischenlage einer elastischen Hülse 132. Der Bolzen 133 ist dabei in zwei Öffnungen einer am vom Flansch F2 abgewandten Ende eines jeden der Arme 137A vorgesehenen Gabel 138 gehalten. Die elastischen Hülsen 132 sind vorliegend jeweils aus Gummi hergestellt. Die elastischen Hülsen 132 sind vorliegend aus einem (wesentlich) elastischeren Material gefertigt als die Verbindungsteile 130, 131. Letztere sind beispielsweise aus Stahl gefertigt. Die elastischen Hülsen 132 sind vorliegend hohlzylindrisch geformt. Es sei angemerkt, dass in den Figur 4 und 7 zur Veranschaulichung nur an einer der Buchsenverbindungen V die elastische Hülse 132 und der Bolzen 133 gezeigt sind.

Der Bolzen 133 ist in Form einer Passschraube ausgebildet. Eine Mutter, z.B. eine Kontermutter sichert den Bolzen 133 im montierten Zustand. Wie insbesondere anhand der Figur 6 ersichtlich, ist jede der elastischen Hülsen 132 zwischen einem Innenring R1 und einem Außenring R2 angeordnet. Der Außenring R2 ist durch den Haltezylinder 139 eingefasst. Der Bolzen 133 ist in den Innenring R1 eingeführt. Dabei umgreift die Gabel 138 den Haltezylinder 139 mit der darin angeordneten elastischen Hülse. Die Gabel 138 weist zwei zueinander parallele Abschnitte auf, zwischen denen ein Abstand ausgebildet ist. Jeweils zwei Unterlegscheibensind stehen auf jeder Seite der elastischen Hülse 132 mit dem Bolzen 133 im Eingriff.

Jeder der Haltezylinder 139 ist an einem jeweiligen Arm 137B des ersten Verbindungsteils 130 befestigt. Dieser Arm 137B des ersten Verbindungsteils 130 ist wesentlich kleiner als der entsprechende Arm 137A des zweiten Verbindungsteils 131 . Jeder der Arme 137A des zweiten Verbindungsteils 131 beschreibt im Querschnitt die Form eines J (weist nur eine Krümmung in eine Richtung auf). Jeder der Arme 137A des ersten Verbindungsteils 131 beschreibt im Querschnitt die Form eines S (weist zwei Krümmungen in entgegengesetzten Richtungen auf).

Für die Buchsenverbindungen V können sogenannte „shock mount“ eingesetzt werden. Die Buchsenverbindungen V dienen als Vibrationsabsorber.

Wie insbesondere in Figur 7 zu erkennen, ist die elektrische Maschine 1 im gezeigten Beispiel in Form eines Transversalflussmotors ausgebildet. Der Rotor 11 weist eine Magnethalterung 110 auf, an dem mehrere Magneten 11 fixiert sind, hier in Form von Permanentmagneten. Der Stator 10 weist eine Spulenhalterung 100 auf, an welcher elektrische Spulen fixiert sind. Die Spulen sind mit elektrischem Strom beaufschlagbar, z.B. einem Wechselstrom, insbesondere einem Dreiphasenwechselstrom. Hierdurch wird ein magnetisches Drehfeld erzeugt, durch welches eine Kraft auf die Magnete 11 ausgeübt wird, die den Rotor 11 sodann in eine Drehung relativ zum Stator 10 um die Drehachse A versetzt. Die Magnetfelder wirken dabei in axialer Richtung.

Der der Stator 10 weist Rippen zur Kühlung der Spulen auf. Der Rotor 10 ist am Stator 10 mittels zumindest einem, insbesondere mehreren, hier zwei, Lagern 15 drehbar gelagert. Ferner ist ein Ende der Welle 12 gezeigt, an welchem die Welle 12 mittels eines Lagers 16 gelagert ist, und zwar vorliegend an einem Abschnitt der tragenden Struktur, an welcher auch der Stator 10 montiert ist.

Figur 8 zeigt die elektrische Maschine 1 mit einer leicht abgewandelten Ausführung der Kopplungsvorrichtung 13‘. Die Figuren 10A-10D zeigen mehrere Schritte bei einem Verfahren zur Herstellung der elektrischen Maschine 1 gemäß Figur 8. Im Unterschied zur vorstehend beschriebenen Kopplungsvorrichtung 13 ist bei der Kopplungsvorrichtung 13' gemäß Figuren 8 und 10A-10D vorgesehen, dass bei jeder der (auch in diesem Beispiel drei) Buchsenverbindungen V der Haltezylinder 139 mit der darin angeordneten elastischen Hülse 132 am jeweiligen Arm 137A des zweiten Verbindungsteils 131 ' ausgebildet ist. Eine Gabel ist hier nicht vorgesehen. Am entsprechenden Arm 137B des zweiten Verbindungsteils 130' ist eine Öffnung 136 ausgebildet, die der Bolzen 133 durchgreift.

Ferner umfasst das zweite Verbindungsteil 131 ' einen Verbindungsabschnitt, vorliegend einen polygonalen Verbindungsabschnitt 135, zum formschlüssigen Eingriff in eine Aufnahme 120 der Welle 12. Vorliegend ist die Aufnahme 120 am axialen Ende der Welle 12 vorgesehen. Der polygonale Verbindungsabschnitt 135 weist einen vieleckigen, hier viereckigen, Außenumfang auf.

Figur 10A veranschaulicht die Ausrichtung der Teile der Kopplungsvorrichtung 13' zur Einheit aus Rotor 11 und Stator 10 vor der Montage daran.

Figur 10B zeigt einen Zustand, bei dem das erste Verbindungteil 130' bereits am Rotor 11 angelegt sind. Figur 10C zeigt einen Zustand, in dem das erste Verbindungsteil 130' bereits zum Teil am zweiten Verbindungsteil 13T montiert ist.

Figur 10D zeigt einen Zustand, in dem das erste und das zweite Verbindungsteil 130‘, 131 mittels Schrauben 14 am Rotor 11 bzw. an der Welle 12 befestigt sind. Der erste Verbindungsabschnitt 130' kann mit dem Rotor 11 im Allgemeinen verschweißt werden, kraftschlüssig daran befestigt werden oder ebenfalls mit Schrauben oder dergleichen. Im zusammengebauten Zustand liegt das erste Verbindungsteil 130' an einer Stirnfläche des Rotors 11 am Rotor 11 an.

Die Herstellung der Kopplungsvorrichtung 13' ist besonders einfach. Ferner ist es möglich, die Kopplungsvorrichtung 13' als Überlastsicherung einzusetzen. Weil zwischen den Armen 137A, 137B Abstände und in den Armen 137A Öffnungen vorgesehen sind, kann der Stator gekühlt werden.

Figur 9 zeigt eine weitere elektrische Maschine T mit einer Kopplungsvorrichtung 13“. Bei der elektrischen Maschine T gemäß Figur 9 ist der Stator an einer der Welle abgewandten Seite an der tragenden Struktur 17 befestigt.

Die Kopplungsvorrichtung 13“umfasst ein zweites Verbindungsteil 131“ mit mehreren, hier fünf, Armen und daran jeweils ausgebildeten Gabeln 138. Ferner umfasst die Kopplungsvorrichtung 13“ mehrere, hier fünf erste Verbindungsteile 130“, die jeweils am Rotor 11 befestigt sind. Die ersten Verbindungsteile 130“ weisen jeweils einen Haltezylinder mit einer darin angeordneten elastischen Hülse 132 auf. Das zweite Verbindungsteil 131“ ist an einem Wellenflansch 121 der Welle montiert.

Figur 11 zeigt eine alternative Ausgestaltung des zweiten Verbindungsteils 131 , welches im Unterschied zur elektrischen Maschine 1 gemäß Figur 8 keinen polygonalen Verbindungsabschnitt 135 aufweist.

Es sei angemerkt, dass Gabeln 138 statt am zweiten Verbindungsteil auch am ersten Verbindungteils sein können.

Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Beliebige der Merkmale können separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen, und die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale, die hier beschrieben werden, aus und umfasst diese.

Bezugszeichenliste

1 ; 1 ‘ elektrische Maschine

10; 10‘ Stator

100 Spulenhalterung

11 ; 11 ' Rotor

110 Magnethalterung

12 Welle

120 Aufnahme

121 Wellenflansch

13; 13‘; 13“ Kopplungsvorrichtung

130; 130‘; 130“ erstes Verbindungsteil

131 ; 131 ‘; 131“ zweites Verbindungsteil

132 elastische Hülse

133 Bolzen

134 Scheibe

135 polygonaler Verbindungsabschnitt

136 Öffnung

137A, 137B Arm

138 Gabel

139 Haltezylinder

14 Schraube

15 Lager

16 Lager

17 tragende Struktur

2 Luftfahrzeug

20 Kabine

21 Batterie

22 Propeller

A Drehachse

B1 , B2 Befestigungsbereich

D1 , D2 Durchmesser

F1 , F2 Flansch

R1 Innenring R2 Außenring

V Buchsenverbindung