DE102017209174A1

DE102017209174A1 - Redundante elektrische Maschine zum Antreiben eines Vortriebsmittels

Info

Publication number: DE102017209174A1
Application number: DE102017209174.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Loesch; Markus Sons
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2017-05-31
Filing date: 2017-05-31
Publication date: 2018-12-06
Also published as: US20200195096A1; EP3631955A1; WO2018219904A1; CN110999047A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine insbesondere redundante elektrische Maschine zum Antreiben eines Vortriebsmittels mit erhöhter Ausfallsicherheit. Die Maschine umfasst bspw. zwei aus jeweils einem Statorwicklungssystem und einen Läufer bestehende Teilmaschinen, wobei die beiden Läufer drehfest auf einer gemeinsame Welle angeordnet sind, über die letztlich das Vortriebsmittel in Bewegung versetzt wird. Weiterhin ist eine Verschiebevorrichtung vorgesehen, die im Fehlerfall in einem der Statorwicklungssysteme derart wirkt, dass für die entsprechende fehlerhafte Teilmaschine der Luftspalt zwischen dem betroffenen Statorwicklungssystem und dem zugehörigen Läufer derart vergrößert wird, dass die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen diesen Bauteilen unterbunden wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine insbesondere redundante elektrische Maschine zum Antreiben eines Vortriebsmittels mit erhöhter Ausfallsicherheit.
Bei elektrischen Maschinen können aufgrund nicht festgestellter bzw. nicht feststellbarer Material- oder Fertigungsfehler sowie auch im Falle von betrieblichen Überlastungen wie bspw. durch Spannungs- und/oder Stromspitzen die Isolationen des Statorwicklungssystems der Maschine versagen. Derartige Fehlerfälle können bspw. dann eintreten, wenn im Statorwicklungssystem ein Windungsschluss, ein Wicklungsschluss oder ein Masseschluss auftritt. Ein solches Versagen verursacht im weiteren Schadensverlauf einen Funktionsausfall und im schlimmsten Fall einen Brand der elektrischen Maschine.
Eine derartige Entwicklung stellt grundsätzlich eine Risikosituation dar, da es zumindest zu einem Ausfall und ggf. zu einer Beschädigung der Maschine kommt, was je nach Anwendung der Maschine mehr oder weniger schwerwiegende Konsequenzen haben kann. Insbesondere im Falle einer Anwendung der elektrischen Maschine als Teil des Antriebssystems eines elektrisch oder hybrid-elektrisch angetriebenen Luftfahrzeugs kann der Ausfall der elektrischen Maschine fatale Folgen haben. Dementsprechend müssen in der Luftfahrt eingesetzte Komponenten bzw. Systeme eine ausreichende Ausfallsicherheit aufweisen.
Um die Ausfallwahrscheinlichkeit zu senken bzw. die Ausfallsicherheit zu verbessern, werden elektrische Maschinen für die Anwendung in Luftfahrzeugantrieben meist redundant konzipiert, so dass der Ausfall eines Teilsystems des Antriebs nicht zum Ausfall des gesamten Antriebssystems und zu einem Absturz des gesamten Luftfahrzeugs führt. Die Redundanz kann durch Verdopplung eines kompletten Antriebsstranges erreicht werden, d.h. Vorsehen von zwei Propellern inklusive der entsprechenden Motoren, oder aber durch Erhöhung der Redundanz von Komponenten mit erhöhter Ausfallwahrscheinlichkeit, d.h. einem Propeller wird ein Motor mit bspw. zwei Wicklungssystemen und dementsprechend zwei Spannungsquellen nebst jeweiliger Leistungselektroniken vorgeschaltet. Eine komplette Redundanz aller Komponenten führt generell zu einem deutlich erhöhten Platz- und Kostenaufwand für den Antriebsstrang, weshalb angestrebt wird, die Redundanz auf bestimmte Komponenten zu verteilen.
Bei einem Elektromotor mit zwei Wicklungssystemen kann dieser bei einem Ausfall einer der der zwei Leistungselektroniken im Normalfall, wenn auch eingeschränkt, weiterbetrieben werden. Kommt es jedoch zu einem Ausfall innerhalb des permanentmagneterregten Motors, bspw. zu einem Windungsschluss, einem Phasenschluss oder einem anderem Kurzschluss, ist diese Fehlerstelle weiterhin mit dem Magnetkreis gekoppelt und der drehende Läufer induziert eine Spannung im fehlerhaften Wicklungssystem , die aufgrund des Kurzschlusses einen typischerweise sehr hohen Fehlerstrom treibt, der zu einer starken Überhitzung der Maschine bis hin zum Brand führen kann. Aufgrund der Permanentmagneterregung kann diese nicht einfach abgeschaltet werden, wie dies bspw. bei einer elektrisch erregten Maschine der Fall wäre. Eine Redundanz durch die zwei oder auch mehr Wicklungssysteme ist dann nicht mehr gegeben. Ein Fehler kann sich sogar auf das benachbarte Wicklungssystem übertragen. Befinden sich die zwei Wicklungssysteme auf demselben Umfang, jedes System bspw. jeweils in einer Halbschale, kann sich ein Fehler in einem Wicklungssystem auch auf das zweite Wicklungssystem fortsetzen. Ein weiteres Problem liegt in einem als „Windmilling“ bezeichneten Effekt, bei dem im Flug auch beim Ausschalten des fehlerhaften Antriebsstranges der Propeller den Läufer weiterdrehen wird und dadurch weiterhin ein induzierter Fehlerstrom fließen wird.
In der EP2896532A1 wird aus Sicherheitsgründen, wie oben bereits angedeutet, eine Redundanz mit Hilfe zweier Statorwicklungssysteme erreicht, wobei für jedes der beiden Wicklungssysteme eine eigene Spannungsquelle vorgesehen ist. Die beiden getrennten Wicklungssysteme arbeiten mit nur einem permanentmagnetbestückten Läufer zusammen. Wird in einem der beiden Wicklungssysteme oder in einer der beiden Spannungsquellen ein Fehler erkannt, bspw. eine Übertemperatur, eine Überspannung oder ein Überstrom, so wird eine Deaktivierung des fehlerhaften Wicklungssystems bzw. der fehlerhaften Spannungsquelle über eine Abschaltung der zugehörigen Spannungsquelle ausgelöst, während das zweite Wicklungssystem regulär weiter betrieben werden kann.
Das beschriebene, redundante System erlaubt zwar ein Fortführen des Betriebs, es ist jedoch nicht grundsätzlich auszuschließen, dass das fehlerhafte Wicklungssystem weiterhin von einem elektrischen Strom durchflossen wird, was zu einer Überhitzung der Maschine führen kann. Eine Quelle eines solchen Stromflusses kann zum Einen die eigentliche, das Statorwicklungssystem regulär versorgende Stromquelle sein. Diese kann und muss konsequenterweise bei Feststellung eines Fehlerfalles unmittelbar abgeschaltet werden. Zusätzlich sind jedoch auch die aufgrund der weiterhin vorhandenen Rotation des Motorläufers bzgl. des fehlerhaften Statorwicklungssystems in diesem Wicklungssystem induzierten Ströme zu berücksichtigen, die insbesondere bei permanenterregten elektrischen Maschinen auftreten. Aufgrund der damit zusammenhängenden Brandgefahr muss daher das gefährliche Überhitzen unmittelbar nach Detektion des Fehlers durch eine sichere Unterbrechung dieses den Schadensfortschritt begünstigenden Stromflusses im Wicklungssystem verhindert werden.
Bei derartigen sicherheitskritischen Systemen muss also im Falle eines Fehlers, bspw. bei einem Kurzschluss im Statorwicklungssystem, in der elektrischen Maschine ein sicheres Abschalten möglich sein. Wenn der dem fehlerhaften Statorwicklungssystem zugeordnete bzw. mit diesem elektromagnetisch wechselwirkende Läufer wie oben beschrieben durch externe Einflüsse weitergedreht wird, bspw. durch einen Propeller oder wie in EP2896532A1 durch eine weitere elektrische Maschinen im gleichen mechanischen Strang, wird weiterhin durch den mit Permanentmagneten bestückten Läufer Leistung in das fehlerhafte Wicklungssystem induziert. Dies kann wie erwähnt zu einem Brand führen und somit die Sicherheit gefährden. Um dies zu verhindern würde sich also konsequenterweise die Notwendigkeit ergeben, den kompletten Strang abzuschalten bzw. zu stoppen, womit jedoch die angestrebte Redundanz hinfällig wird.
In der DE102016221304 wird eine redundante elektrische Maschine beschrieben, mit der diese Problematik adressiert wird. Die dort vorgestellte Maschine weist zwei Teilsysteme auf, die jeweils einen Läufer und ein Statorwicklungssystem umfassen. Die Läufer sitzen auf einer gemeinsamen Welle und treiben über diese Welle einen Propeller an. Bei einem Fehlerfall in einem der Wicklungssysteme soll unterbunden werden, dass der zugehörige Läufer weiter rotiert, um einen Induktion von Leistung in das fehlerhafte Wicklungssystem auszuschließen. Dies wird durch die Verwendung von Freiläufen erreicht, die derart zwischen jeweiligem Läufer und der Welle angeordnet sind, dass im Fehlerfall der Läufer eines defekten Teilsystems der Maschine nicht weiter von einer gemeinsamen Welle angetrieben wird. Dies löst zwar das beschriebene Problem, jedoch sind Freiläufe und mit ihnen auch das Gesamtsystem vergleichsweise anfällig und die elektrischen Maschinen können in der vorgestellten Konfiguration nur als Motor, nicht aber als Generator betrieben werden. Der Betriebsmodus als Generator wird aber u.a. zur schnellen Drehzahlregelung, bspw. für Quadrocopter oder VTOL-Flugzeuge, und zur Rekuperation benötigt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zur Verbesserung einer Ausfallsicherheit einer elektrischen Maschine anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene redundante elektrische Maschine gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen.
Die redundante elektrische Maschine weist zum Antreiben eines Vortriebsmittels ein Antriebssystem auf. Das Antriebssystem umfasst seinerseits eine Statoranordnung mit zumindest zwei Statorwicklungssystemen sowie eine Läuferanordnung mit zumindest einem Läufer, wobei jeder Läufer zumindest einen, idealerweise aber mehrere Permanentmagnete aufweist.
Jedem Statorwicklungssystem ist einer der Läufer zugeordnet. Dies beinhaltet natürlich auch den Fall, dass derselbe Läufer gleichzeitig zwei unterschiedlichen Statorwicklungssystemen zugeordnet ist. Ein jeweiliges Statorwicklungssystem und der ihm zugeordnete Läufer sind einen jeweiligen Luftspalt zwischen sich bildend zueinander angeordnet. Es ist also davon auszugehen, dass für jedes Statorwicklungssystem ein jeweiliger Luftspalt existiert. Das jeweilige Statorwicklungssystem und der Permanentmagnet des dem jeweiligen Statorwicklungssystem zugeordneten Läufers können im Normalbetrieb der elektrischen Maschine über den jeweiligen Luftspalt elektromagnetisch miteinander wechselwirken, so dass die elektrische Maschine effizient als Elektromotor oder als Generator arbeiten kann.
Die elektrische Maschine weist für einen in einem fehlerhaften der beiden Statorwicklungssysteme auftretenden Fehlerfall eine Verschiebevorrichtung zur gegenseitigen Verschiebung des fehlerhaften Statorwicklungssystems und des diesem zugeordneten Läufers aus einer Normalposition heraus auf. Die Vorrichtung ist derart ausgebildet, dass durch die Verschiebung aus der Normalposition heraus der Luftspalt zwischen dem fehlerhaften Statorwicklungssystem und dem ihm zugeordneten Läufer vergrößert wird, so dass die Effizienz der elektrischen Maschine bzw. des Teilantriebssystems signifikant reduziert wird.
Dabei beinhaltet der Ausdruck „gegenseitige Verschiebung“ einer ersten und einer zweiten Komponente sowohl die Option, dass die erste Komponente gegenüber der zweiten Komponente verschoben werden kann, also auch die Alternative, dass die zweite Komponente gegenüber der ersten Komponente verschoben werden kann. Grundsätzlich wäre auch die dritte Möglichkeit mit umfasst, dass beide Komponenten verschoben werden können, dann bevorzugt in entgegengesetzten Richtungen.
Die „Normalposition“ bezeichnet diejenige Position von Läufer und zugeordnetem Stator, in der sich diese Komponenten befinden, wenn die elektrische Maschine im Normalbetrieb läuft, d.h. insbesondere wenn kein Fehlerfall vorliegt. Diese Normalposition zeichnet sich dadurch aus, dass die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen den Permanentmagneten und dem Statorwicklungssystem maximal wird.
Die elektrische Maschine kann dabei als Axial- oder als Radialflussmaschine ausgebildet sein.
Das der Erfindung zu Grunde liegende Konzept basiert darauf, dass im Fehlerfall, bspw. bei einem Kurzschluss im Statorwicklungssystem, die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen Permanentmagneten und Statorspulen dieses fehlerhaften Statorwicklungssystems unterbunden bzw. zumindest signifikant reduziert wird. Mit anderen Worten wird also der Läufer magnetisch von den Aktivteilen des Stators entkoppelt. Dies geschieht durch Beeinflussung und insbesondere Vergrößerung des Luftspalts zwischen den im Normalbetrieb miteinander wechselwirkenden Komponenten, einhergehend mit einer magnetischen Entkopplung zwischen diesen Komponenten. In diesem Zusammenhang kann der Begriff „Luftspalt“ auch einfach die Distanz zwischen den voneinander zu entkoppelnden Komponenten bedeuten. Der Luftspalt wird dabei dadurch vergrößert, dass zumindest eine der betroffenen, einander zugeordneten Komponenten, d.h. der Läufer oder das entsprechende Statorwicklungssystem, gegenüber der jeweils anderen Komponente verschoben wird, typischerweise in axialer Richtung.
Der oben im Zusammenhang mit der elektromagnetischen Wechselwirkung verwendete Begriff „signifikant“ meint, dass die elektromagnetische Wechselwirkung so weit reduziert werden muss, dass eine durch die ggf. nach wie vor rotierenden Permanentmagnete im fehlerhaften Wicklungssystem induzierte Spannung so gering ist, dass keine Gefahr von Überschlägen oder sonstigen, bspw. einen Brand auslösenden Situationen besteht. Idealerweise wird in die Fehlerstelle keine Leistung mehr induziert.
Ein „Fehlerfall“ kann bspw. eine Übertemperatur, ein Isolationsfehler bzw. Kurzschluss im Statorwicklungssystem oder auch der Ausfall einer ein Statorwicklungssystem versorgenden Spannungsquellen sein. Im Rahmen dieser Erfindung soll der Fehlerfall insbesondere derartige Situationen betreffen, bei denen zu vermeiden ist, dass aufgrund einer fortgesetzten Rotation des mit Permanentmagneten bestückten Läufers im fehlerhaften Statorwicklungssystem bzw. den entsprechenden Statorspulen eine signifikante Spannung bzw. Leistung indiziert wird.
Der Ausdruck „im Normalbetrieb“ meint, dass die elektrische Maschine in diesem Zustand bzw. Betrieb bestimmungsgemäß arbeitet und dass insbesondere kein Fehlerfall vorliegt.
Wenn also die elektrische Maschine in Betrieb ist, kann sie im Normalbetrieb arbeiten oder es liegt ein Fehlerfall vor.
Die Verschiebevorrichtung ist vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass die Verschiebung in einer axialen Richtung orientiert ist.
Dabei weist die Verschiebevorrichtung ein mechanisches Mittel sowie eine lösbare Arretierung auf. Mit dem mechanischen Mittel ist im Fehlerfall eine für die Verschiebung notwendige Kraftwirkung auf das fehlerhafte Statorwicklungssystem und/oder auf den diesem zugeordneten Läufer bereitstellbar.
Die lösbare Arretierung wirkt derart auf das mechanische Mittel bzw. auf die zu verschiebende Komponente, d.h. auf die Statorwicklungssysteme bzw. auf den Läufer, dass das mechanische Mittel die Kraftwirkung erst bei Vorliegen des Fehlerfalles nach Lösen der Arretierung, nicht aber im Normalbetrieb der elektrischen Maschine, entfaltet.
Das mechanische Mittel erstreckt sich zwischen zwei Enden, wobei eines der Enden an einem Fixpunkt außerhalb des Antriebssystems, bspw. an einem Gehäuse der elektrischen Maschine, und das andere Ende am zu verschiebenden Statorwicklungssystem oder am zu verschiebenden Läufer befestigt ist.
Alternativ kann eines der Enden am jeweiligen Statorwicklungssystem und das andere Ende am diesem Statorwicklungssystem zugeordneten Läufer befestigt sein.
In einer beispielhaften Ausführungsform weist das mechanische Mittel zumindest eine Federeinrichtung auf. Jeweils ein Läufer und zumindest eine der Federeinrichtungen sind einander zugeordnet, wobei jeder Läufer mechanisch mit der ihm zugeordneten Federeinrichtung verbunden ist, so dass das mechanische Mittel die Kraftwirkung auf den jeweiligen Läufer aufbringen kann. Die jeweilige Federeinrichtung ist in der Normalposition und im Normalbetrieb derart vorgespannt und mittels der Arretierung festgesetzt, dass sie im Fehlerfall bei Lösen der Arretierung die Kraftwirkung auf den ihr zugeordneten Läufer ausübt, wobei die Kraftwirkung eine Komponente in axialer Richtung hat, so dass der jeweilige Läufer beim Lösen der Arretierung in axialer Richtung verschoben wird.
Insbesondere für diesen Fall, bei dem der jeweilige Läufer verschoben werden soll, bietet es sich an, dass jeder Läufer derart an einer Welle zum Übertragen einer von dem jeweiligen Läufer zur Verfügung gestellten Antriebsleistung auf das Vortriebsmittel angeordnet ist, dass er gegenüber den Statorwicklungssystemen rotierbar ist und dass er derart drehfest mit der Welle verbunden ist, dass er gegenüber der Welle nicht rotierbar, aber in axialer Richtung verschiebbar ist.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform weist das mechanische Mittel ebenfalls zumindest eine Federeinrichtung auf, wobei jeweils ein Statorwicklungssystem und zumindest eine der Federeinrichtungen einander zugeordnet sind. Jedes Statorwicklungssystem ist mechanisch mit der ihm zugeordneten Federeinrichtung verbunden, so dass das mechanische Mittel die Kraftwirkung auf das jeweilige Statorwicklungssystem aufbringen kann. Die jeweilige Federeinrichtung ist wiederum in der Normalposition und im Normalbetrieb derart vorgespannt und mittels der Arretierung festgesetzt, dass sie im Fehlerfall bei Lösen der Arretierung die Kraftwirkung auf das ihr zugeordnete Statorwicklungssystem ausübt, wobei die Kraftwirkung eine Komponente in axialer Richtung hat, so dass das jeweilige Statorwicklungssystem beim Lösen der Arretierung in axialer Richtung verschoben wird. Die Statorwicklungssysteme können bspw. an Schienen befestigte sein, über die sie verschoben werden können.
In einer Ausführungsform ist die Maschine als Axialflussmaschine ausgebildet, bei der der Läufer in axialer Richtung gesehen zwischen den Statorwicklungssystemen angeordnet ist, so dass ein von den Statorwicklungssystemen erzeugter magnetischer Fluss in im Wesentlichen axialer Richtung orientiert ist. Die Verschiebevorrichtung ist derart ausgebildet und angeordnet, dass sie im Fehlerfall das fehlerhafte Statorwicklungssystem in axialer Richtung vom Läufer weg verschiebt, so dass sich der jeweilige Luftspalt zwischen dem verschobenen fehlerhaften Statorwicklungssystem und dem ihm zugeordneten Läufer vergrößert, während der Luftspalt zwischen dem nicht fehlerhaften Statorwicklungssystem und dem diesem zugeordneten Läufer unverändert bleibt.
Für einen weiteren Fall, in dem die Maschine als Axialflussmaschine ausgebildet ist, weist die Läuferanordnung zumindest einen weiteren Läufer auf, d.h. es sind zumindest zwei Statorwicklungssysteme sowie zwei Läufer vorhanden, idealerweise ein Läufer für jedes Statorwicklungssystem. Jeweils eines der Statorwicklungssysteme und einer der Läufer sind eine jeweilige elektrische Teilmaschine bildend einander zugeordnet. Ein jeweiliges Statorwicklungssystem und der ihm zugeordnete Läufer sind in axialer Richtung gesehen hintereinander liegend und einen Luftspalt zwischen sich bildend zueinander angeordnet sind, so dass das jeweilige Statorwicklungssystem und der Permanentmagnet des dem jeweiligen Statorwicklungssystem zugeordneten Läufers im Normalbetrieb der elektrischen Maschine über den jeweiligen Luftspalt elektromagnetisch miteinander wechselwirken können. Die Teilmaschinen sind in axialer Richtung gesehen derart weit voneinander beabstandet, dass der Läufer der einen Teilmaschine nicht, d.h. höchstens vernachlässigbar, mit dem Statorwicklungssystem der anderen Teilmaschine elektrisch wechselwirkt. Die Verschiebevorrichtung ist derart ausgebildet und angeordnet, dass sie im Fehlerfall das fehlerhafte Statorwicklungssystem und/oder den dem fehlerhaften Statorwicklungssystem zugeordneten Läufer der somit fehlerhaften Teilmaschine in axialer Richtung voneinander weg verschiebt, so dass sich der Luftspalt der fehlerhaften Teilmaschine vergrößert. Gleichzeitig bleibt der Luftspalt zwischen dem nicht fehlerhaften Statorwicklungssystem und dem ihm zugeordneten Läufer unverändert.
In einer anderen Ausführungsform ist die Maschine als Radialflussmaschine ausgebildet. Die Läuferanordnung weist zumindest einen weiteren Läufer auf, d.h. es sind wiederum zumindest zwei Statorwicklungssysteme sowie zwei Läufer vorhanden. Jeweils eines der Statorwicklungssysteme und einer der Läufer sind eine jeweilige elektrische Teilmaschine bildend einander zugeordnet. Ein jeweiliges Statorwicklungssystem und der ihm zugeordnete Läufer sind in der Normalposition und im Normalbetrieb in axialer Richtung gesehen an im wesentlichen gleicher Position liegend derart angeordnet, dass der jeweilige Luftspalt in radialer Richtung zwischen dem jeweiligen Statorwicklungssystem und dem ihm zugeordneten Läufer liegt, so dass das jeweilige Statorwicklungssystem und der Permanentmagnet des dem jeweiligen Statorwicklungssystem zugeordneten Läufers im Normalbetrieb der elektrischen Maschine über den jeweiligen Luftspalt elektromagnetisch miteinander wechselwirken können. Die Teilmaschinen sind in axialer Richtung gesehen derart weit voneinander beabstandet, dass der Läufer der einen Teilmaschine nicht, d.h. höchstens vernachlässigbar, mit dem Statorwicklungssystem der anderen Teilmaschine elektrisch wechselwirkt. Die Verschiebevorrichtung ist derart ausgebildet und angeordnet, dass sie im Fehlerfall das fehlerhafte Statorwicklungssystem und/oder den dem fehlerhaften Statorwicklungssystem zugeordneten Läufer der somit fehlerhaften Teilmaschine in axialer Richtung voneinander weg verschiebt, so dass sich der Luftspalt der fehlerhaften Teilmaschine vergrößert, während der Luftspalt zwischen dem nicht fehlerhaften Statorwicklungssystem und dem diesem Statorwicklungssystem zugeordneten Läufer unverändert bleibt.
Jedes der Statorwicklungssysteme weist magnetisch aktive Bereiche auf, insbesondere Statorelektrobleche, die sich in axialer Richtung gesehen jeweils über einen ersten Bereich erstrecken. Der dem jeweiligen Statorwicklungssystem zugeordnete Läufer, insbesondere dessen Permanentmagnet, erstreckt sich ebenfalls in axialer Richtung über einen zweiten Bereich. Ein jeweiliges Statorwicklungssystem und der ihm zugeordnete Läufer sind in der Normalposition derart angeordnet, dass einer der beiden Bereiche den jeweils anderen Bereich vollständig umfasst, wobei die Mitten der beiden Bereiche in axialer Richtung gesehen an im Wesentlichen gleicher Position angeordnet sind. Dies beinhaltet, dass die beiden Bereiche in axialer Richtung gesehen deckungsgleich sind.
Die Verschiebevorrichtung kann hierbei in einer in einer ersten Alternative derart ausgebildet sein, dass die gegenseitige Verschiebung im Fehlerfall zumindest so weit geht, dass der erste Bereich der axialen Erstreckung des fehlerhaften Statorwicklungssystems und der zweite Bereich der axialen Erstreckung des ihm zugeordneten Läufers nach der Verschiebung des jeweiligen Läufers und/oder des zugeordneten Statorwicklungssystems nicht mehr überlappen. Hiermit wird sichergestellt, dass die elektromagnetische Wechselwirkung weitestgehend unterbunden wird.
Die Verschiebevorrichtung kann in einer zweiten Alternative derart ausgebildet sein, dass die gegenseitige Verschiebung im Fehlerfall nur so weit geht, dass der erste Bereich der axialen Erstreckung des fehlerhaften Statorwicklungssystems und der zweite Bereich der axialen Erstreckung des ihm zugeordneten Läufers nach der Verschiebung des jeweiligen Läufers und/oder des zugeordneten Statorwicklungssystems noch überlappen, dass aber in axialer Richtung gesehen der eine der beiden Bereiche nicht mehr vollständig den anderen Bereich umfasst. Hiermit ist die elektromagnetische Wechselwirkung zwar weniger stark unterbunden als in der ersten Alternative, die Maschine benötigt aber weniger Bauraum und ist dementsprechend weniger schwer. Die zu einer ausreichenden Unterbindung der elektromagnetischen Wechselwirkung benötigte Verschiebung kann im Vorfeld berechnet werden, so dass die Verschiebevorrichtung und die elektrische Maschine an sich dementsprechend dimensioniert werden können. Bspw. kann es ausreichend sein, wenn der Überlapp nicht wie in der ersten Alternative 0% beträgt, sondern bspw. 30%. Diese zweite Alternative stelle demnach einen Kompromiss zwischen der Ausfallsicherheit des Antriebssystems und dem benötigten Bauraum dar.
In einer weiteren Ausführungsform der Radialflussmaschine ist jeder der Läufer derart konisch geformt, dass ein Radius eines jeweiligen Läufers nicht konstant ist, sondern sich mit einer sich in axialer Richtung zwischen den axialen Enden des jeweiligen Läufers erstreckenden Höhe des Läufers kontinuierlich oder stufenweise ändert. Jedes der Statorwicklungssysteme ist entsprechend der konischen Form des ihm zugeordneten Läufers derart geformt, dass die radiale Ausdehnung des jeweiligen Luftspalts zwischen dem jeweiligen Statorwicklungssystem und dem ihm zugeordneten Läufer in der Normalposition an jedem Punkt der Höhe des jeweiligen Läufers im Wesentlichen gleich ist.
Die Läufer sind derart angeordnet, dass für jeden Läufer der Radius an demjenigen axialen Ende des jeweiligen Läufers maximal ist, das dem jeweils anderen Läufer zugewandt ist. Der Radius an dem jeweils anderen Ende des jeweiligen Läufers ist dementsprechend minimal. Entsprechendes gilt für die Statorwicklungssysteme, d.h. für jedes Statorwicklungssystem ist der Radius an demjenigen axialen Ende des jeweiligen Systems maximal, das dem jeweils anderen Statorwicklungssystem zugewandt ist.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den Zeichnungen und der entsprechenden Beschreibung.
Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausführungsformen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dort werden gleiche Komponenten in verschiedenen Figuren durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.
Es zeigt:

1 eine permanenterregte elektrische Maschine,
2 eine erste Variante einer ersten Ausführungsform einer elektrischen Maschine in einem Normalbetrieb,
3 die erste Variante der ersten Ausführungsform der elektrischen Maschine im Fehlerfall,
4 eine zweite Variante der ersten Ausführungsform der elektrischen Maschine im Normalbetrieb,
5 die zweite Variante der ersten Ausführungsform der elektrischen Maschine im Fehlerfall,
6 eine dritte Variante der ersten Ausführungsform der elektrischen Maschine im Normalbetrieb,
7 die dritte Variante der ersten Ausführungsform der elektrischen Maschine im Fehlerfall,
8 eine erste Variante einer zweiten Ausführungsform der elektrischen Maschine in einem Normalbetrieb
9 die erste Variante der zweiten Ausführungsform der elektrischen Maschine bei Vorliegen eines Fehlerfalls
10 eine zweite Variante der zweiten Ausführungsform der elektrischen Maschine bei Vorliegen eines Fehlerfalls,
11 eine dritte Variante der zweiten Ausführungsform der elektrischen Maschine in einem Normalbetrieb,
12 die dritte Variante der zweiten Ausführungsform der elektrischen Maschine bei Vorliegen eines Fehlerfalls,
13 die erste Variante der zweiten Ausführungsform im Normalbetrieb und mit einer Verschiebevorrichtung,
14 die erste Variante der zweiten Ausführungsform bei Vorliegen eines Fehlerfalls und mit der Verschiebevorrichtung.

Es sei angemerkt, dass sich Begriffe wie „axial“ und „radial“ auf die in der jeweiligen Figur bzw. im jeweils beschriebenen Beispiel zum Einsatz kommende Welle bzw. Achse beziehen. Mit anderen Worten beziehen sich die Richtungen axial und radial stets auf eine Drehachse des jeweiligen Läufers.
Eine Komponente, in der ein Fehlerfall eintritt, wird im Folgenden konsequenterweise als „fehlerhafte Komponente“ bezeichnet.
Die 1 zeigt, lediglich zur Erläuterung der grundsätzlichen Funktionsweise bzw. des Grundkonzepts, eine Prinzipdarstellung einer einfachen, permanenterregten elektrischen Maschine 100. Die Maschine 100 weist einen Läufer 110 mit Permanentmagneten 130 sowie einen Stator 120 mit Statorwicklungssystem bzw. Statorspulen 140 auf. Der an einer Welle 150 befestigte Läufer 110 ist mit der Welle 150 gegenüber dem Stator 120 um eine Rotationsachse A rotierbar. Im Betriebszustand der elektrischen Maschine 100 rotiert der Läufer 110 gegenüber dem Stator 120. Läufer 110 und Stator 120 sind derart zueinander angeordnet, dass ein Magnetfeld der Permanentmagnete 130 und die Spulen 140 derart in elektromagnetische Wechselwirkung miteinander treten, dass die elektrische Maschine 100 aufgrund der Wechselwirkung in einem ersten Betriebsmodus als Generator und/oder in einem zweiten Betriebsmodus als Elektromotor arbeitet. Arbeitet die elektrische Maschine 100 als Generator, so werden der Läufer 110 und mit ihm die Permanentmagnete 130 über die Welle 150 der elektrischen Maschine 100 in Rotation versetzt, so dass in den Spulen 140 des Stators 120 elektrische Spannungen induziert werden, die über nicht dargestellte elektrische Anschlüsse abgegriffen werden können. Soll die elektrische Maschine 100 als Elektromotor arbeiten und bspw. eine Propeller antreiben, so werden die Spulen 140 mit elektrischem Strom beaufschlagt, so dass aufgrund der Wechselwirkung der hiermit erzeugten Magnetfelder mit den Feldern der Permanentmagnete 130 ein Drehmoment auf den Läufer 110 und damit auf die Welle 150 wirkt, welches an die anzutreibende Vorrichtung, bspw. den Propeller, weiter gegeben werden kann.
In Weiterbildungen der elektrischen Maschine 100 kann diese als Axialflussmaschine oder als Radialflussmaschine ausgebildet sein, was aber auf die soeben beschriebene grundsätzliche Funktionsweise keinen Einfluss hat. Ebenso kann die Maschine 100 bspw. zur Erhöhung der Redundanz mehrere Läufer und/oder mehrere Statoren aufweisen, d.h. mehrere Teilantriebssysteme, und/oder der Läufer bzw. der Stator kann als Einzel- oder Doppelläufer bzw. Einzel- oder Doppelstator ausgebildet sein. In all diesen Fällen bleibt aber das Grundkonzept der elektrischen Maschine anwendbar. Insbesondere gilt in allen Fällen, dass die Effizienz der erwähnten elektromagnetischen Wechselwirkung und damit letztlich die Leistungsdichte der elektrischen Maschine von der Ausdehnung des sogenannten Luftspaltes zwischen den miteinander wechselwirkenden Permanentmagneten und Statorspulen bzw. zwischen einander zugeordneten Läufer und Stator abhängt. Dabei steigt die Effizienz mit kleiner werdendem Luftspalt, d.h. im normalen Betrieb ist man an einem möglichst engen bzw. kleinen Luftspalt interessiert. Umgekehrt sinkt die Effizienz mit größer werdendem Luftspalt, bis der Abstand zwischen Stator und Läufer so groß ist, dass die elektromagnetische Wechselwirkung so gering wird, dass trotz rotierendem Läufer quasi keine Spannung mehr in den Statorspulen induziert wird.
Da die grundsätzliche Arbeitsweise einer elektrischen Maschine 100 bekannt ist, wird an dieser Stelle auf eine weiter gehende Erläuterung verzichtet.
Der Übersichtlichkeit wegen wird in den folgenden Figuren auf die Darstellung der Permanentmagnete und der Statorspulen verzichtet. Es werden dagegen lediglich Läufer bzw. Statoren ohne weitere Detaillierung dargestellt, wobei davon ausgegangen werden kann, dass die dargestellten Läufer eine Vielzahl von Permanentmagneten und die Statoren eine Vielzahl von Statorwicklungssystemen bzw. Statorspulen aufweisen, so dass einander zugeordnete Läufer und Statoren bzw. deren Permanentmagnete und Wicklungssysteme elektromagnetisch miteinander wechselwirken können, um die elektrische Maschine 10 als Elektromotor oder als Generator zu betreiben. Dabei ist desweiteren davon auszugehen, dass für den Fall, dass der Läufer als Doppelläufer mit zwei Teilläufern ausgebildet ist, die Permanentmagnete an den Teilläufern angeordnet sind. Für den Fall, dass der Läufer als Einfachläufer ausgebildet ist, befinden sich die Permanentmagnete konsequenterweise am Einzelläufer. Entsprechendes gilt für den Stator: Wenn dieser als Doppelstator mit zwei Teilstatoren ausgebildet ist, befinden sich die Statorwicklungssysteme an den Teilstatoren. Bei einem Einfachstator sind die Statorwicklungssysteme am diesem Einfachstator angeordnet. Unabhängig von der Ausbildung des Läufers und des Stators gilt in allen Ausführungsformen und Varianten, dass jeder Läufer gegenüber dem jeweils zugeordneten Stator rotierbar ist. Dabei sind die Läufer drehfest mit der Welle verbunden, bspw. mit Hilfe einer entsprechenden Verzahnung. Desweiteren sind sämtliche Läufer und Statoren konzentrisch zueinander und zur jeweiligen Welle angeordnet.
In der ersten Ausführungsform ist die elektrische Maschine 10 als Axialflussmaschine ausgebildet, d.h. insbesondere dass Läufer und Stator in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind und der magnetische Fluss zwischen Läufer und Stator in im Wesentlichen axialer Richtung verläuft.
Die 2 zeigt eine erste Variante der ersten Ausführungsform in einem Normalbetrieb, bei der die Maschine 10 ein erstes Teilantriebssystem 200 und der Redundanz wegen auch ein zweites Teilantriebssystem 300 aufweist. Jedes der Teilantriebssysteme 200, 300 umfasst einen Doppelläufer 210, 310 mit in axialer Richtung auf der Welle 150 verschiebbaren Teilläufern 211, 212 bzw. 311, 312 sowie einen Stator 220, 320, wobei die Statoren 220, 320 jeweils in axialer Richtung zwischen den Teilläufern 211, 212 bzw. 311, 312 des jeweiligen Teilantriebssystems 200, 300 angeordnet sind.
Der erste Doppelläufer 210 und der erste Stator 220 sind einander zugeordnet und im Normalbetrieb der Maschine 10 derart ausgebildet und Luftspalte 231, 232 zwischen sich bildend zueinander angeordnet, dass sie elektromagnetisch miteinander wechselwirken können.
Der zweite Doppelläufer 310 und der zweite Stator 320 sind ebenfalls einander zugeordnet und im Normalbetrieb der Maschine 10 derart ausgebildet und Luftspalte 331, 332 zwischen sich bildend zueinander angeordnet, dass sie elektromagnetisch miteinander wechselwirken können.
Sowohl der erste 210 als auch der zweite Doppelläufer 310 bzw. deren Teilläufer 211, 212, 311, 312 sind drehfest mit einer Welle 150 verbunden. Wenn die Teilantriebssysteme 200, 300 als Elektromotoren arbeiten, wird die Welle 150 durch die Doppelläufer 210, 220 angetrieben, so dass ein mit der Welle 150 verbundenes Vortriebsmittel (nicht dargestellt), bspw. ein Propeller, in Rotation versetzt werden kann.
Die 3 zeigt die erste Variante der ersten Ausführungsform bei Vorliegen eines Fehlerfalls im Statorwicklungssystem des Stators 220 des ersten Teilantriebssystems 200. Wie deutlich zu sehen ist, wurde mit Hilfe einer hier noch nicht dargestellten Vorrichtung 400 bewirkt, dass die Luftspalte 231, 232 zwischen dem ersten Stator 220 und den Teilläufern 211, 212 soweit vergrößert wurden, dass die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem ersten Stator 220 und den Teilläufern 211, 212 unterbunden ist, d.h. der erste Doppelläufer 210 ist magnetisch vom fehlerhaften Stator 220 entkoppelt. Der. Obwohl also, insbesondere bewirkt durch das weiterhin als Elektromotor fungierende zweite Teilantriebssystem 300, die Welle 150 und mit ihr die Teilläufer 211, 212 rotieren, werden aufgrund der vergrößerten Luftspalte 231, 232 im Statorwicklungssystem des ersten Stators 220 keine Spannungen induziert, womit die Brandgefahr auf ein Minimum reduziert bzw. quasi ausgeschlossen ist. Desweiteren kann das Vortriebsmittel trotz Ausfall des ersten Teilantriebssystems 200 nach wie vor betrieben werden, wenn auch mit verminderter Effizienz. Redundanz ist also in dieser Variante gegeben.
Die 4 zeigt eine zweite Variante der ersten Ausführungsform in einem Normalbetrieb, bei der die Maschine 10 ebenfalls ein erstes 200 und der Redundanz wegen auch ein zweites Teilantriebssystem 300 aufweist. Jedes der Teilantriebssysteme 200, 300 umfasst einen in axialer Richtung auf der Welle 150 verschiebbaren Läufer 210, 310, insbesondere ausgebildet als Einzelläufer 210, 310, sowie einen Stator 220, 320. Die zweite Variante der ersten Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Variante lediglich darin, dass die Läufer 210, 310 hier nicht als Doppelläufer ausgebildet sind.
Läufer 210, 310 und Stator 220, 320 des jeweiligen Teilantriebssystems 200, 300 sind auch in dieser Variante einander zugeordnet und im Normalbetrieb der Maschine 10 derart ausgebildet und Luftspalte 231, 331 zwischen sich bildend zueinander angeordnet, dass sie elektromagnetisch miteinander wechselwirken können. Im Normalbetrieb arbeiten also die Teilantriebssysteme 200, 300 derart, dass sie beide über ihre Läufer 210, 310 die Welle 150 in Rotation versetzen.
Die 5 zeigt die zweite Variante der ersten Ausführungsform bei Vorliegen eines Fehlerfalls im Statorwicklungssystem des Stators 220 des ersten Teilantriebssystems 200. Ähnlich wie in der ersten Variante wurde mit Hilfe der hier ebenfalls nicht dargestellten Vorrichtung 400 bewirkt, dass der Luftspalte 231 zwischen dem ersten Stator 220 und dem ersten Läufer 210 so weit vergrößert wurde, dass die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem ersten Stator 220 und dem Läufer 210 unterbunden ist, d.h. der erste Läufer 210 ist magnetisch vom fehlerhaften Stator 220 entkoppelt. Auch hier gilt, dass aufgrund des vergrößerten Luftspalts 231 im Statorwicklungssystem des ersten Stators 220 keine Spannungen induziert werden kann, womit die Brandgefahr auf ein Minimum reduziert bzw. quasi ausgeschlossen ist, obwohl -insbesondere bewirkt durch das weiterhin als Elektromotor fungierende zweite Teilantriebssystem 300- die Welle 150 und mit ihr der Läufer 210 rotieren. Das Vortriebsmittel kann weiterhin trotz Ausfall des ersten Teilantriebssystems 200 nach wie vor betrieben werden, wenn auch mit verminderter Effizienz. Redundanz ist also auch in dieser Variante gegeben.
Die 6 zeigt eine dritte Variante der ersten Ausführungsform der elektrischen Maschine 10 im Normalbetrieb. Die Maschine 10 weist ein in sich bereits redundantes Antriebsystem 200 auf, umfassend einen Läufer 210, insbesondere einen Einzelläufer, sowie einen Doppelstator 220 mit in axialer Richtung auf der Welle 150 verschiebbaren Teilstatoren 221, 222. Der Läufer 210 ist in axialer Richtung zwischen den Teilstatoren 221, 222 angeordnet.
Läufer 210 und Stator 220 des Antriebssystems 200 sind auch in dieser dritten Variante der ersten Ausführungsform einander zugeordnet und im Normalbetrieb der Maschine 10 derart ausgebildet und Luftspalte 231, 232 zwischen sich bildend zueinander angeordnet, dass sie elektromagnetisch miteinander wechselwirken können. Im Normalbetrieb arbeitet also das Antriebssystem 200 derart, dass es über den Läufer 210 die Welle 150 in Rotation versetzt.
Die 7 zeigt die dritte Variante der ersten Ausführungsform bei Vorliegen eines Fehlerfalls im Statorwicklungssystem des Teilstators 221. Auch hier wurde mit Hilfe der hier ebenfalls nicht dargestellten Vorrichtung 400 bewirkt, dass der Luftspalt 231 zwischen dem Teilstator 221 und dem Läufer 210 so weit vergrößert wurde, dass die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem Teilstator 221 und dem Läufer 210 unterbunden ist, d.h. der Läufer 210 ist magnetisch vom fehlerhaften ersten Teilstator 221 entkoppelt. Aufgrund des vergrößerten Luftspalts 231 können im Statorwicklungssystem des Teilstators 221 keine Spannungen induziert werden, obwohl der Läufer 210 aufgrund seiner Wechselwirkung mit dem intakten Teilstator 222 nach wie vor rotiert. Aufgrund dieser Rotation wird auch trotz des Fehlerfalls im Teilstator 221 die Welle 150 und mit ihr das Vortriebsmittel angetrieben, wenn auch wiederum mit verminderter Effizienz. Redundanz ist also auch in dieser Variante gegeben.
Die folgenden 8 bis 12 betreffen eine zweite Ausführungsform der elektrischen Maschine 10. In den Varianten der zweiten Ausführungsform ist die Maschine 10 als Radialflussmaschine ausgebildet, d.h. insbesondere, dass ein Läufer und ein Stator, die einander zugeordnet sind und im Normalbetrieb miteinander wechselwirken, in axialer Richtung im Wesentlichen an der gleichen Position angeordnet sind, dass aber der Stator radial außerhalb des Läufers angeordnet ist (theoretisch auch umgekehrt). Der magnetische Fluss zwischen Läufer und Stator verläuft in im Wesentlichen radialer Richtung.
In den Figuren zu den Varianten der zweiten Ausführungsform sind für die jeweiligen Statoren 220, 320 auch die typischerweise vorhandenen Wickelköpfe 225, 325 dargestellt. Desweiteren weisen die Statoren 220, 320 jeweils Statorelektrobleche 226, 326 auf. Aufgrund des Platzbedarfs der Wickelköpfe 225, 325 befindet sich in axialer Richtung zwischen den Statorelektroblechen 226, 326 der beiden Statoren 220, 320 ein Raum, in dem kein Elektroblech vorhanden ist. Wie im Folgenden gezeigt wird, wird dieser Platz benötigt, um einen jeweiligen Läufer 210, 310 zu verschieben.
Die 8 zeigt eine erste Variante der zweiten Ausführungsform in einem Normalbetrieb. Die Maschine 10 weist ein erstes Teilantriebssystem 200 und der Redundanz wegen auch ein zweites Teilantriebssystem 300 auf. Jedes der Teilantriebssysteme 200, 300 umfasst einen in axialer Richtung auf der Welle 150 verschiebbaren Läufer 210, 310 sowie einen Stator 220, 320
Der erste Läufer 210 und der erste Stator 220 sind einander zugeordnet und im Normalbetrieb der Maschine 10 derart ausgebildet und einen ringförmigen bzw. zylindrischen Luftspalt 231 zwischen sich bildend zueinander angeordnet, dass sie elektromagnetisch miteinander wechselwirken können.
Der zweite Läufer 310 und der zweite Stator 320 sind ebenso einander zugeordnet und im Normalbetrieb der Maschine 10 derart ausgebildet und einen ringförmigen bzw. zylindrischen Luftspalt 331 zwischen sich bildend zueinander angeordnet, dass sie elektromagnetisch miteinander wechselwirken können.
Wenn die Teilantriebssysteme 200, 300 als Elektromotoren arbeiten, wird die Welle 150 durch die Läufer 210, 220 angetrieben, so dass ein mit der Welle 150 verbundenes Vortriebsmittel (nicht dargestellt), bspw. ein Propeller, in Rotation versetzt werden kann.
Die 9 zeigt die erste Variante der zweiten Ausführungsform bei Vorliegen eines Fehlerfalls im Statorwicklungssystem des Stators 220 des ersten Teilantriebssystems 200. Wie deutlich zu sehen ist, wurde mit Hilfe der hier nicht dargestellten Vorrichtung 400 bewirkt, dass der dem fehlerhafte Stator 220 zugeordnete Läufer 210 in axialer Richtung verschoben wurde. In dieser ersten Variante der zweiten Ausführungsform wird der Läufer 210 insbesondere so weit verschoben, dass er aus dem Bereich innerhalb des Statorelektroblechs 225 in den Bereich unterhalb der Wickelköpfe 225, 325 gelangt. Die Verschiebung bewirkt, dass sich der Luftspalt 231 bzw. der Abstand zwischen fehlerhaftem Stator 220 und Läufer 210 so weit vergrößert hat, dass die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem ersten Stator 220 und dem Läufer 210 unterbunden ist, d.h. der erste Läufer 210 ist magnetisch vom fehlerhaften Stator 220 entkoppelt. Obwohl also, insbesondere bewirkt durch das weiterhin als Elektromotor fungierende zweite Teilantriebssystem 300, die Welle 150 und mit ihr der Läufer 210 rotieren, werden aufgrund des vergrößerten Luftspalts 231 bzw. Abstand im Statorwicklungssystem des ersten Stators 220 keine Spannungen induziert, womit die Brandgefahr auf ein Minimum reduziert bzw. quasi ausgeschlossen ist. Desweiteren kann das Vortriebsmittel trotz Ausfall des ersten Teilantriebssystems 200 nach wie vor betrieben werden, wenn auch mit verminderter Effizienz. Redundanz ist also in dieser Variante gegeben.
In dieser ersten Variante der zweiten Ausführungsform und ebenso in der im Folgenden zu beschreibenden zweiten Variante wird der Luftspalt streng genommen nicht nur vergrößert, sondern es geht die ursprüngliche Geometrie des Luftspalts verloren. Nichtsdestotrotz wird auch in diesem Zusammenhang von einer „Vergrößerung“ des Luftspalts gesprochen, womit insbesondere im Zusammenhang mit der Radialflussmaschine jedoch gemeint ist, dass die Distanz zwischen Läufer und zugeordnetem Stator vergrößert wird. Unabhängig von der Begrifflichkeit ist davon auszugehen, dass der Verlust der Geometrie des Luftspalts neben der reinen Vergrößerung des Abstands einen wesentlichen Einfluss auf die Reduktion der elektromagnetischen Wechselwirkung hat.
Die 10 zeigt eine zweite Variante der zweiten Ausführungsform, die der ersten Variante der zweiten Ausführungsform bis auf das Detail entspricht, dass in der zweiten Variante der Raum, in den der Läufer 210, 310 im Fehlerfall verschoben werden kann, in axialer Richtung weniger ausgedehnt ist. Das kann bspw. mit beengten Platzverhältnissen begründet sein. Wegen der Ähnlichkeit der Varianten wird darauf verzichtet, diese zweite Variante für den Normalbetrieb darzustellen. Die 10 zeigt daher die zweite Variante der zweiten Ausführungsform bei Vorliegen eines Fehlerfalls im Statorwicklungssystem des Stators 220 des ersten Teilantriebssystems 200. Der zugeordnete Läufer 210 wurde in axialer Richtung verschoben. In dieser zweiten Variante der zweiten Ausführungsform wird der Läufer 210 jedoch nur so weit verschoben, dass er noch teilweise in den Bereich innerhalb des Statorelektroblechs 225 hereinragt. Dabei ist die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem Läufer 210 und dem Stator 220 zwar noch stärker als in der ersten Variante, aber man kann von Fällen ausgehen, bei denen es tatsächlich nicht notwendig ist, den Läufer 210 gänzlich aus dem genannten Bereich zu entfernen. Hierbei spielt auch wieder die oben angedeutete Thematik eine Rolle, dass in der ersten und der zweiten Variante auch die Geometrie des Luftspalte 231 stark geändert wird.
Die Verschiebung bewirkt also, dass sich der Luftspalt 231 bzw. der Abstand zwischen fehlerhaftem Stator 220 und Läufer 210 so weit vergrößert hat, dass die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem ersten Stator 220 und den Teilläufern 211, 212 ausreichend stark reduziert ist, d.h. der erste Läufer 210 ist magnetisch vom fehlerhaften Stator 220 entkoppelt. Obwohl also, insbesondere bewirkt durch das weiterhin als Elektromotor fungierende zweite Teilantriebssystem 300, die Welle 150 und mit ihr der Läufer 210 rotieren, werden aufgrund des vergrößerten Luftspalts 231 bzw. Abstand im Statorwicklungssystem des ersten Stators 220 keine Spannungen induziert, womit die Brandgefahr auf ein Minimum reduziert bzw. quasi ausgeschlossen ist. Desweiteren kann das Vortriebsmittel trotz Ausfall des ersten Teilantriebssystems 200 nach wie vor betrieben werden, wenn auch mit verminderter Effizienz. Redundanz ist also in dieser Variante gegeben.
Die 11 zeigt eine dritte Variante der zweiten Ausführungsform in einem Normalbetrieb. Die Maschine 10 weist ein erstes Teilantriebssystem 200 und der Redundanz wegen auch ein zweites Teilantriebssystem 300 auf. Jedes der Teilantriebssysteme 200, 300 umfasst einen in axialer Richtung auf der Welle 150 verschiebbaren Läufer 210, 310 sowie einen Stator 220, 320.
Der erste Läufer 210 und der erste Stator 220 sind einander zugeordnet und im Normalbetrieb der Maschine 10 derart ausgebildet und einen Luftspalt 231 zwischen sich bildend zueinander angeordnet, dass sie elektromagnetisch miteinander wechselwirken können.
Der zweite Läufer 310 und der zweite Stator 320 sind ebenso einander zugeordnet und im Normalbetrieb der Maschine 10 derart ausgebildet und einen Luftspalt 331 zwischen sich bildend zueinander angeordnet, dass sie elektromagnetisch miteinander wechselwirken können.
Wenn die Teilantriebssysteme 200, 300 als Elektromotoren arbeiten, wird die Welle 150 durch die Läufer 210, 220 angetrieben, so dass ein mit der Welle 150 verbundenes Vortriebsmittel (nicht dargestellt), bspw. ein Propeller, in Rotation versetzt werden kann.
Im Unterschied zur den anderen Varianten der zweiten und auch der ersten Ausführungsform sind die Läufer 210, 310 in der dritten Variante nicht im Wesentlichen zylindrisch, sondern sie weisen eine konische Form auf. Die Läufer 210, 310 zeichnen sich also dadurch aus, dass ihre Radien RL nicht konstant sind, sondern sich mit der Höhe des jeweiligen Läufers 210, 310 ändern, wobei sich die Höhe in axialer Richtung erstreckt. Die Form der Läufer 210, 310 ist insbesondere derart, dass der Radius RLi an derjenigen Seite des jeweiligen Läufers 210, 310 maximal ist, die dem jeweils anderen Läufer 310, 210 zugewandt ist. Der Radius RLa an der jeweils anderen Seite des jeweiligen Läufers 210, 310 ist dementsprechend minimal. Im Bereich zwischen den beiden Enden des jeweiligen Läufers 210, 310 ändert sich der Radius RL von der einen zur anderen Seite des jeweiligen Läufers 210, 310 kontinuierlich oder aber, wie in 11 dargestellt, stufenweise.
Die Statoren 220, 320 sind entsprechend der konischen Form der Läufer 210, 310 derart geformt, dass die radiale Ausdehnung der Luftspalte 231, 331 insbesondere im Normalbetrieb überall, d.h. an jedem Punkt der Höhe des jeweiligen Läufers 210, 310, gleich ist. Auch die in den hier dargestellten Ausführungsformen als Hohlkörper ausgebildeten Statoren 220, 320 zeichnen sich demnach dadurch aus, dass ihre Innenradien RS nicht konstant sind, sondern sich mit der Höhe des jeweiligen Stators 220, 320 ändern. Dabei erstrecken sich auch die Höhen der Statoren 220, 320 in der axialen Richtung. Die Form der Statoren 220, 320 ist insbesondere derart, dass der Innenradius RSi an derjenigen Seite des jeweiligen Stators 220, 320 maximal ist, die dem jeweils anderen Stator 320, 220 zugewandt ist. Der Innenradius RSa an der jeweils anderen Seite des jeweiligen Stators 220, 320 ist dementsprechend minimal. Im Bereich zwischen den beiden Enden des jeweiligen Stators 220, 320 ändert sich der Innenradius RS von der einen zur anderen Seite des jeweiligen Stators 220, 320 kontinuierlich oder aber, wie in 11 dargestellt, stufenweise. Die Statoren 220, 320 sind also derart geformt, dass sie insbesondere an ihrer Innenseite eine der konischen Form des jeweils zugeordneten Läufers 210, 310 angepasste Form aufweisen, also ebenfalls konisch sind.
Die obige Beschreibung gilt insbesondere für den dargestellten Fall, bei dem die Läufer 210, 310 als Innenläufer ausgebildet sind. In einer alternativen, aber nicht dargestellten Ausführung, bei der die Läufer als Außenläufer ausgebildet sind, wäre die Anordnung analog zur in der 11 dargestellten Anordnung, nur wären in diesem Fall die Läufer als Hohlkörper ausgebildet und ihre Innenradien würden entsprechend der konischen Form des radial innen liegenden Stators angepasst sein, so dass der jeweilige Luftspalt konstant ist.
Im Normalbetrieb gilt demnach für beide Teilantriebssysteme 200, 300: RS(h)=RL(h)+L, wobei „h“ die Position in axialer Richtung angibt und L die Erstreckung des Luftspalts 231, 331 in radialer Richtung beschreibt.
Die 12 zeigt die dritte Variante der zweiten Ausführungsform bei Vorliegen eines Fehlerfalls im Statorwicklungssystem des Stators 220 des ersten Teilantriebssystems 200. Wie deutlich zu sehen ist, wurde mit Hilfe der hier nicht dargestellten Vorrichtung 400 bewirkt, dass der zugeordnete Läufer 210 in axialer Richtung verschoben wurde, so dass sich aufgrund der konischen Form des Läufers 210 und des Stators 220 der Luftspalt 231 vergrößert, so dass die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem ersten Stator 220 und dem Läufer 210 unterbunden ist, d.h. der erste Läufer 210 ist magnetisch vom fehlerhaften Stator 220 entkoppelt. Obwohl also, insbesondere bewirkt durch das weiterhin als Elektromotor fungierende zweite Teilantriebssystem 300, die Welle 150 und mit ihr der Läufer 210 rotieren, werden aufgrund des vergrößerten Luftspalts 231 bzw. Abstand im Statorwicklungssystem des ersten Stators 220 keine Spannungen induziert, womit die Brandgefahr auf ein Minimum reduziert bzw. quasi ausgeschlossen ist. Desweiteren kann das Vortriebsmittel trotz Ausfall des ersten Teilantriebssystems 200 nach wie vor betrieben werden, wenn auch mit verminderter Effizienz. Redundanz ist also in dieser Variante gegeben.
Der besondere Vorteil der dritten Variante mit konischen Läufern 210, 310 und entsprechend geformten Statoren 220, 320 liegt darin, dass der jeweilige Läufer 210, 310 wesentlich weniger weit verschoben werden muss, um im Fehlerfall den jeweiligen Luftspalt 231, 331 im Fehlerfall signifikant zu vergrößern. D.h. die in der dritten Variante vorgestellte Geometrie ist insbesondere bei beengten Platzverhältnissen vorteilhaft.
In den Ausführungsformen bzw. Varianten, in denen mehrere Statoren bzw. Teilstatoren vorgesehen sind, ist davon auszugehen, dass die einzelnen Statoren bzw. Teilstatoren elektrisch isoliert sind, so dass ein Fehler in einem Stator bzw. Teilstator nicht auf den jeweils anderen Stator bzw. Teilstator übergreifen kann.
Die 13 zeigt am Beispiel der ersten Variante der zweiten Ausführungsform im Normalbetrieb eine Vorrichtung 400, mit der die Läufer 210, 310 in axialer Richtung verschiebbar sind. Die Vorrichtung 400 weist für jeden Läufer 210, 310 ein mechanisches Mittel 411, 421 auf, bspw. mechanische Federn, mit dem jeweils eine Kraft auf den zu verschiebenden Läufer 210, 310 aufbringbar ist. Die Federn 411, 421 sind mit einem Ende 412, 422 bspw. an einem Gehäuseteil 11 der elektrischen Maschine 10 befestigt. Alternativ könnten die Enden 412, 422 an einem anderen feststehenden Gegenstand befestigt sein, bspw. an den Wickelköpfen 225, 325. Das jeweilige andere Ende 413, 423 der Federn 411, 421 ist am jeweiligen Läufer 210, 310 befestigt, vorzugsweise an einer Komponente 215, 315 des jeweiligen Läufers 210, 310, die nicht mitrotiert, sondern bezüglich des Gehäuses 11 still steht. Die Federn 411, 421 sind dabei derart angeordnet und orientiert, dass sie jeweils eine Kraftwirkung entfalten können, die zumindest eine Komponente in axialer Richtung aufweist, so dass der jeweilige Läufer 210, 310 aufgrund der Kraftwirkung ggf. verschoben werden kann. Hierzu sind die Federn 411, 421 im Normalbetrieb insbesondere vorgespannt, es wird jedoch durch mechanische Arretierungen 414, 424 bewirkt, dass die Federn 411, 421 daran gehindert werden, sich zu entspannen und die aufgrund der Vorspannung gespeicherte Energie bzw. vorgehaltene Kraft zu entfalten. Die Arretierungen können je nach Ausbildung und Anordnung der Federn 411, 421 an verschiedensten Orten angebracht sein. Bspw. können sie, wie in 13 angedeutet, feste Verbindungen zwischen dem Gehäuse 11 und den Komponente 215, 315 herstellen. Alternativ können die Arretierungen auch bspw. als Triggerstifte ausgebildet sein.
Im Fehlerfall wird das jeweilige mechanische Mittel 411 bzw. 421, d.h. die entsprechende Feder 411, 421, durch Lösen der jeweiligen Arretierung 414, 424 aktiviert, so dass sich die entsprechende Feder 411, 421 entspannen und die Kraftwirkung auf den jeweiligen Läufer 210, 310 entfalten kann, so dass dieser verschoben wird.
Die 14 zeigt am Beispiel der ersten Variante der zweiten Ausführungsform die Vorrichtung 400 im Fehlerfall. Die Arretierungen 414 sind gelöst, so dass sich die Federn 411 entspannen konnten, resultierend in einer Kraftwirkung auf den Läufer 210. Dieser wurde dementsprechend wie in 14 dargestellt und wie bereits im Zusammenhang mit 10 erläutert verschoben.
Das Lösen der Arretierungen kann bspw. durch eine Steuerung 500 erfolgen, die die Teilantriebssysteme 200, 300 zumindest bzgl. des Auftretens eines Fehlerfalls überwacht und bei Detektion einer solchen Situation ein Lösen der entsprechenden Arretierung 414 bzw. 424 initiiert.
Die im Zusammenhang mit den 13, 14 beschriebene Vorrichtung 400 und insbesondere die mechanischen Mittel 411, 421 können natürlich in verschiedensten Ausbildungen realisiert sein, von denen eine mögliche Ausbildung die beschriebene Feder ist. Diese wurde oben in einer Konfiguration als Druckfeder erläutert, sie kann aber natürlich bei entsprechender Anordnung auch als Zugfeder konfiguriert sein. Andere Realisierungen der mechanischen Mittel 411, 421 sind ebenfalls denkbar, bspw. können pneumatische Vorrichtungen vorgesehen sein, die bei Aktivierung die benötigte Wirkung zum Verschieben des jeweiligen Läufers 210, 310 oder ggf. Stators 220, 320 entfalten.
Für die Gewährleistung der Sicherheit muss eine elektrische Maschine sicher abschaltbar sein, auch wenn der Läufer durch externe Einflüsse weitergedreht wird. Für die Gewährleistung der Zuverlässigkeit müssen jedoch mehrere elektrische Maschinen auf einen mechanischen Strang integriert werden, und alle Maschinen müssen sicher abschaltbar sein, auch wenn der Läufer durch die verbleibenden Maschinen weitergedreht wird. Dieser scheinbare Konflikt wird durch den hier vorgeschlagenen Ansatz gelöst
Die vorgestellte Lösung erlaubt demnach eine effektive Nutzung der Redundanz der elektrischen Maschine 10 auch mit mehreren Statorwicklungssystemen durch Verhinderung des unerwünschten Energieeintrags in ein schadhaftes Wicklungssystem durch magnetische Entkopplung des zugehörigen Läuferteils, was zu einer Reduzierung der Auftretenswahrscheinlichkeit eines Brandes der elektrischen Maschine führt.
Für diejenigen Ausführungsformen und Varianten, bei denen die Maschine als Radialflussmaschine ausgebildet ist, wurde lediglich exemplarisch davon ausgegangen, dass die Läuferanordnung mit Innenläufern 210, 310 ausgestattet ist. Es ist jedoch davon auszugehen, dass das gleiche Prinzip der Verschiebung zur Vergrößerung des jeweiligen Luftspaltes auch mit elektrischen Maschinen umsetzbar ist, die mit Außenläufern arbeiten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2896532 A1 [0006, 0008]
DE 102016221304 [0009]

Claims

Redundante elektrische Maschine (100) zum Antreiben eines Vortriebsmittels mit einem Antriebssystem, wobei das Antriebssystem aufweist - eine Statoranordnung mit zumindest zwei Statorwicklungssystemen (220, 320), - eine Läuferanordnung mit zumindest einem Läufer (210, 310), wobei jeder Läufer (210, 310) zumindest einen Permanentmagneten aufweist, sowie wobei - jedem Statorwicklungssystem (220, 320) einer der Läufer (210, 310) zugeordnet ist, wobei ein jeweiliges Statorwicklungssystem (220, 320) und der ihm zugeordnete Läufer (210, 310) einen jeweiligen Luftspalt zwischen sich bildend zueinander angeordnet sind, so dass das jeweilige Statorwicklungssystem (220, 320) und der Permanentmagnet des dem jeweiligen Statorwicklungssystem (220, 320) zugeordneten Läufers (210, 310) im Normalbetrieb der elektrischen Maschine (100) über den jeweiligen Luftspalt elektromagnetisch miteinander wechselwirken können, und wobei - die elektrische Maschine (100) für einen in einem fehlerhaften der beiden Statorwicklungssysteme (220, 320) auftretenden Fehlerfall eine Verschiebevorrichtung (400) zur gegenseitigen Verschiebung des fehlerhaften Statorwicklungssystems (220, 320) und des diesem zugeordneten Läufers (210, 310) aus einer Normalposition heraus aufweist, wobei die Verschiebevorrichtung (400) derart ausgebildet ist, dass durch die Verschiebung aus der Normalposition heraus der Luftspalt zwischen dem fehlerhaften Statorwicklungssystem (220, 320) und dem ihm zugeordneten Läufer (210, 310) vergrößert wird.
Redundante elektrische Maschine (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebevorrichtung (400) derart ausgebildet ist, dass die Verschiebung in einer axialen Richtung orientiert ist.
Redundante elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebevorrichtung (400) aufweist: - ein mechanisches Mittel (411, 421), mit dem im Fehlerfall eine für die Verschiebung notwendige Kraftwirkung auf das fehlerhafte Statorwicklungssystem (220, 320) und/oder auf den diesem zugeordneten Läufer (210, 310) bereitstellbar ist, - eine lösbare Arretierung (414, 424), die derart wirkt, dass das mechanische Mittel (411, 421) die Kraftwirkung erst bei Vorliegen des Fehlerfalles nach Lösen der Arretierung, nicht aber im Normalbetrieb der elektrischen Maschine (100), entfaltet.
Redundante elektrische Maschine (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich das mechanische Mittel (411, 421) zwischen zwei Enden erstreckt, wobei eines der Enden an einem Fixpunkt außerhalb des Antriebssystems und das andere Ende am zu verschiebenden Statorwicklungssystem (220, 320) oder am zu verschiebenden Läufer (210, 310) befestigt ist.
Redundante elektrische Maschine (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich das mechanische Mittel (411, 421) zwischen zwei Enden erstreckt, wobei eines der Enden am jeweiligen Statorwicklungssystem (220, 320) und das andere Ende am diesem Statorwicklungssystem (220, 320) zugeordneten Läufer (210, 310) befestigt ist.
Redundante elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Mittel (411, 421) zumindest eine Federeinrichtung (411, 421) aufweist, wobei jeweils ein Läufer (210, 310) und zumindest eine der Federeinrichtungen (411, 421) einander zugeordnet sind, wobei - jeder Läufer (210, 310) mechanisch mit der ihm zugeordneten Federeinrichtung (411, 421) verbunden ist, so dass das mechanische Mittel (411, 421) die Kraftwirkung auf den jeweiligen Läufer (210, 310) aufbringen kann, - die jeweilige Federeinrichtung (411, 421) in der Normalposition und im Normalbetrieb derart vorgespannt und mittels der Arretierung (414, 424) festgesetzt ist, dass sie im Fehlerfall bei Lösen der Arretierung (414, 424) die Kraftwirkung auf den ihr zugeordneten Läufer (210, 310) ausübt, wobei die Kraftwirkung eine Komponente in axialer Richtung hat, so dass der jeweilige Läufer (210, 310) beim Lösen der Arretierung (414, 424) in axialer Richtung verschoben wird.
Redundante elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Welle (150) zum Übertragen einer von dem jeweiligen Läufer (210, 310) zur Verfügung gestellten Antriebsleistung auf das Vortriebsmittel vorgesehen ist, wobei jeder der Läufer (210, 310) - gegenüber den Statorwicklungssystemen (220, 320) rotierbar ist - derart drehfest mit der Welle (150) verbunden ist, dass er gegenüber der Welle in axialer Richtung verschiebbar ist.
Redundante elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Mittel (411, 421) zumindest eine Federeinrichtung (411, 421) aufweist, wobei jeweils ein Statorwicklungssystem (220, 320) und zumindest eine der Federeinrichtungen (411, 421) einander zugeordnet sind, wobei - jedes Statorwicklungssystem (220, 320) mechanisch mit der ihm zugeordneten Federeinrichtung (411, 421) verbunden ist, so dass das mechanische Mittel (411, 421) die Kraftwirkung auf das jeweilige Statorwicklungssystem (220, 320) aufbringen kann, - die jeweilige Federeinrichtung (411, 421) in der Normalposition und im Normalbetrieb derart vorgespannt und mittels der Arretierung (414, 424) festgesetzt ist, dass sie im Fehlerfall bei Lösen der Arretierung (414, 424) die Kraftwirkung auf das ihr zugeordnete Statorwicklungssystem (220, 320) ausübt, wobei die Kraftwirkung eine Komponente in axialer Richtung hat, so dass das jeweilige Statorwicklungssystem (220, 320) beim Lösen der Arretierung (414, 424) in axialer Richtung verschoben wird.
Redundante elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (100) eine Axialflussmaschine ist, bei der der Läufer (210, 310) in axialer Richtung gesehen zwischen den Statorwicklungssystemen (220, 320) angeordnet ist, wobei die Verschiebevorrichtung (400) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass sie im Fehlerfall das fehlerhafte Statorwicklungssystem (220, 320) in axialer Richtung vom Läufer (210, 310) weg verschiebt, so dass sich der jeweilige Luftspalt zwischen dem verschobenen fehlerhaften Statorwicklungssystem (220, 320) und dem ihm zugeordneten Läufer (210, 310) vergrößert, während der Luftspalt zwischen dem nicht fehlerhaften Statorwicklungssystem (220, 320) und dem diesem zugeordneten Läufer (210, 310) unverändert bleibt.
Redundante elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (100) eine Axialflussmaschine ist, wobei die Läuferanordnung zumindest einen weiteren Läufer (210, 310) aufweist, wobei - jeweils eines der Statorwicklungssysteme (220, 320) und einer der Läufer (210, 310) eine jeweilige elektrische Teilmaschine (200, 300) bildend einander zugeordnet sind, - ein jeweiliges Statorwicklungssystem (220, 320) und der ihm zugeordnete Läufer (210, 310) in axialer Richtung gesehen hintereinander liegend und einen Luftspalt zwischen sich bildend zueinander angeordnet sind, - die Teilmaschinen (200, 300) in axialer Richtung gesehen derart weit voneinander beabstandet sind, dass der Läufer (210, 310) der einen Teilmaschine (200, 300) nicht mit dem Statorwicklungssystem (220, 320) der jeweils anderen Teilmaschine (200, 300) elektrisch wechselwirkt, wobei - die Verschiebevorrichtung (400) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass sie im Fehlerfall das fehlerhafte Statorwicklungssystem (220, 320) und/oder den ihm zugeordneten Läufer (210, 310) der fehlerhaften Teilmaschine (200, 300) in axialer Richtung voneinander weg verschiebt, so dass sich der Luftspalt der fehlerhaften Teilmaschine (200, 300) vergrößert, während der Luftspalt zwischen dem nicht fehlerhaften Statorwicklungssystem (220, 320) und dem diesem Statorwicklungssystem (220, 320) zugeordneten Läufer (210, 310) unverändert bleibt.
Redundante elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine eine Radialflussmaschine ist, wobei die Läuferanordnung zumindest einen weiteren Läufer (210, 310) aufweist, wobei - jeweils eines der Statorwicklungssysteme (220, 320) und einer der Läufer (210, 310) eine jeweilige elektrische Teilmaschine (200, 300) bildend einander zugeordnet sind, - ein jeweiliges Statorwicklungssystem (220, 320) und der ihm zugeordnete Läufer (210, 310) in der Normalposition in axialer Richtung gesehen an im wesentlichen gleicher Position liegend derart angeordnet sind, dass der jeweilige Luftspalt in radialer Richtung zwischen dem jeweiligen Statorwicklungssystem (220, 320) und dem ihm zugeordneten Läufer (210, 310) liegt, - die Teilmaschinen (200, 300) in axialer Richtung gesehen derart weit voneinander beabstandet sind, dass der Läufer (210, 310) der einen Teilmaschine (200, 300) nicht mit dem Statorwicklungssystem (220, 320) der jeweils anderen Teilmaschine (200, 300) elektrisch wechselwirkt, wobei - die Verschiebevorrichtung (400) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass sie im Fehlerfall das fehlerhafte Statorwicklungssystem (220, 320) und/oder den dem ihm zugeordneten Läufer (210, 310) der fehlerhaften Teilmaschine (200, 300) in axialer Richtung voneinander weg verschiebt, so dass sich der Luftspalt der fehlerhaften Teilmaschine (200, 300) vergrößert, während der Luftspalt zwischen dem nicht fehlerhaften Statorwicklungssystem (220, 320) und dem diesem Statorwicklungssystem (220, 320) zugeordneten Läufer (210, 310) unverändert bleibt.
Redundante elektrische Maschine (100) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Statorwicklungssysteme (220, 320) magnetisch aktive Bereiche aufweist, insbesondere Statorelektrobleche (226, 326), die sich in axialer Richtung gesehen jeweils über einen ersten Bereich erstrecken, wobei sich der dem jeweiligen Statorwicklungssystem (220, 320) zugeordnete Läufer (210, 310), insbesondere dessen Permanentmagnet, in axialer Richtung über einen zweiten Bereich erstreckt, wobei - ein jeweiliges Statorwicklungssystem (220, 320) und der ihm zugeordnete Läufer (210, 310) in der Normalposition derart angeordnet sind, dass einer der beiden Bereiche den jeweils anderen Bereich vollständig umfasst, - die Verschiebevorrichtung (400) derart ausgebildet ist, dass die gegenseitige Verschiebung im Fehlerfall so weit geht, dass der erste Bereich der axialen Erstreckung des fehlerhaften Statorwicklungssystems (220, 320) und der zweite Bereich der axialen Erstreckung des ihm zugeordneten Läufers (210, 310) nach der Verschiebung nicht mehr überlappen.
Redundante elektrische Maschine (100) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Statorwicklungssysteme (220, 320) magnetisch aktive Bereiche aufweist, insbesondere Statorelektrobleche, die sich in axialer Richtung gesehen jeweils über einen ersten Bereich erstrecken, wobei sich der dem jeweiligen Statorwicklungssystem (220, 320) zugeordnete Läufer, insbesondere dessen Permanentmagnet, in axialer Richtung über einen zweiten Bereich erstreckt, wobei - ein jeweiliges Statorwicklungssystem (220, 320) und der ihm zugeordnete Läufer (210, 310) in der Normalposition derart angeordnet sind, dass einer der beiden Bereiche den jeweils anderen Bereich vollständig umfasst, - die Verschiebevorrichtung (400) derart ausgebildet ist, dass die gegenseitige Verschiebung im Fehlerfall nur so weit geht, dass der erste Bereich der axialen Erstreckung des fehlerhaften Statorwicklungssystems (220, 320) und der zweite Bereich der axialen Erstreckung des ihm zugeordneten Läufers (210, 310) nach der Verschiebung noch überlappen, dass aber in axialer Richtung gesehen der eine der beiden Bereiche nicht mehr vollständig den anderen Bereich umfasst.
Redundante elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass - jeder der Läufer (210, 310) derart konisch geformt ist, dass sich ein Radius eines jeweiligen Läufers (210, 310) mit einer sich in axialer Richtung zwischen den axialen Enden des jeweiligen Läufers (210, 310) erstreckenden Höhe des Läufers (210, 310) kontinuierlich oder stufenweise ändert, - jedes der Statorwicklungssysteme (220, 320) entsprechend der konischen Form des ihm zugeordneten Läufers (210, 310) derart geformt ist, dass die radiale Ausdehnung des jeweiligen Luftspalts zwischen dem jeweiligen Statorwicklungssystem (220, 320) und dem ihm zugeordneten Läufer (210, 310) in der Normalposition an jedem Punkt der Höhe des jeweiligen Läufers (210, 310) im Wesentlichen gleich ist.
Redundante elektrische Maschine (100) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Läufer (210, 310) der Radius an demjenigen axialen Ende des jeweiligen Läufers (210, 310) maximal ist, das dem jeweils anderen Läufer (310, 210) zugewandt ist.