DE102018201610A1

DE102018201610A1 - Rotierende elektrische Maschine und Luftfahrzeug mit einer rotierenden elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102018201610A1
Application number: DE102018201610.0A
Authority: DE
Inventors: Mykhaylo Filipenko
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2018-02-02
Filing date: 2018-02-02
Publication date: 2019-08-08
Also published as: WO2019149587A1; US20210044188A1; US11563362B2; CN111954973A

Abstract

Die Erfindung gibt eine rotierende elektrische Maschine an, aufweisend:- einen rotierbaren rohrförmigen Rotor (2),- einen inneren ersten Stator (3),- einen zum ersten Stator (3) beabstandeten und konzentrischen äußeren zweiten Stator (4),- wobei der Rotor (2) konzentrisch zum ersten und zweiten Stator (3, 4) und derart zwischen dem ersten und dem zweiten Stator (3, 4) angeordnet ist, dass- ein erster Luftspalt (10) zwischen dem ersten Stator (3) und dem Rotor (2) und- ein zweiter Luftspalt (11) zwischen dem zweiten Stator (4) und dem Rotor (2) gebildet werden.Ein Luftfahrzeug mit einer derartigen rotierenden elektrischen Maschine wird ebenfalls angegeben.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine rotierende elektrische Maschine, beispielsweise einen Elektromotor, und ein Luftfahrzeug, beispielsweise eine Flugzeug, mit einer rotierenden elektrischen Maschine, wobei die elektrische Maschine zwei Luftspalte zwischen Rotor und Stator aufweist. Auch für andere Anwendungen, wie bei Windkraftanlagen, geeignet.
Hintergrund der Erfindung
Für viele technische Anwendungen haben rotierende elektrische Maschinen mit einem hohen Leistungsgewicht (kW/kg) einen großen Vorteil. Einige Anwendungen könnten dadurch erst ermöglicht werden, wenn rotierende elektrische Maschinen mit einem hohen Leistungsgewicht gebaut werden können. Ein Beispiel ist die Elektrifizierung der Luftfahrt durch Generatoren bzw. Elektromotoren, bei denen ein Leistungsgewicht von mindestens 10 kW/kg benötigt wird. (z.B. Halbbach-Arrays)
Elektromagnetisch vorteilhaft können Konfigurationen mit einem Doppelrotor sein, da sie sowohl eine sehr große magnetische Flussdichte im Luftspalt erlauben, als auch den Magnetkreis optimal ausnutzen, da auf beiden Seiten des Stators ein Rotor für die Erzeugung und die Flussführung des magnetischen Flusses genutzt wird.
Weiterhin wird durch ausgerichtete Magnete (z.B. Halbach-Arrays) auf beiden Seiten die magnetische Flussdichte radial sehr homogen gebildet, weshalb im Stator auf ein flussführendes Material verzichtet werden kann. Dies macht wiederum den Stator leichter bzw. führt dazu, dass mehr Kupfer anstatt Eisen verwendet werden kann. Die rotierende elektrische Maschine weist aufgrund von reduzierten Kupfer- und Eisenverlusten eine höhere Effizienz auf.
Obwohl diese Konfiguration elektromagnetisch Vorteile bietet, gestaltet sich die konstruktive und mechanische Ausgestaltung schwierig, weshalb derartige rotierende elektrische Maschinen bis heute keine verbreitete Anwendung fanden.
Üblicherweise werden radiale Doppelrotorkonfigurationen mit einem sogenannten „Glockenläufer“ realisiert, wie in 1 dargestellt. 1 zeigt einen U-förmigen Stator 1 mit Spulen 6 sowie einen innerhalb des Stators 1 drehbar angeordneten Rotor 2 mit Magneten 5. Der Rotor 2 befindet sich auf einer Welle 17, die in den Lagern 16 angeordnet ist. Zwischen den Spulen 6 des Stators 2 und den Magneten 5 des Rotors 2 befindet sich ein erster und ein zweiter Luftspalt 10, 11. Eine derartige elektrische Maschine ist in der Offenlegungsschrift DE 10 2012 217 363 A1 ausführlich beschrieben.
Der wesentliche Nachteil dieser Konstruktion ist, dass aufgrund der magnetischen Anziehungskräfte hohe Biegemomente auftreten, die durch eine schwere mechanische Konstruktion abgefangen werden müssen. Dadurch werden die Vorteile des elektromagnetischen Designs geschmälert.
Des Weiteren besteht der Nachteil solcher Maschinen darin, dass Rotoren in einer solchen Ausführung häufig mit rotordynamischen Problemen verbunden sind, was gerade bei Anwendungen in der Luftfahrt, wo die Welle und der Rotor aufgrund von immer wiederkehrenden gyroskopischen Momenten, die wegen Flugmanövern auftreten, zu einem unvorhergesehen Versagen führen kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung für eine rotierende elektrische Maschine mit einem Doppelspalt anzugeben, die ein besseres Leistungsgewicht aufweist.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der rotierenden elektrischen Maschine und dem Luftfahrzeug mit einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung besteht in einer neuartigen Bauweise für eine rotierende elektrische Maschine. Zunächst wird die elektrische Maschine als Flux-Switching Maschine ausgeführt. Das bedeutet, dass sich sowohl Permanentmagnete, die zur magnetischen Flusserzeugung dienen, als auch Spulen, in denen die Spannung induziert oder eingespeist wird, im Stator befinden. Die Flussänderung wird dadurch erzeugt, dass der Rotor aus einem ferromagnetischen, aber nicht-magnetisierten Material gebildet ist. Dadurch gelingt es, den magnetischen Fluss zu leiten aber auch wieder zu unterbrochen (= Flux-Switching).
Im Deutschen wird die Flux-Switching Maschine auch als „Hybridmaschine“ bezeichnet, da es sich dabei um eine Synthese aus einer permanenterregten Synchronmaschine und einer Reluktanzmaschine handelt. In der Offenlegungsschrift DE 10 2011 121 174 A1 wird beispielhaft eine derartige Hybridmaschine beschrieben.
Die erfindungsgemäße Lösung verfügt über zwei Luftspalte, wobei der Rotor aber als ein einzelnes „Rohr“ ausgebildet ist, das ferromagnetisches und nicht ferromagnetisches Material in Umfangsrichtung im Wechsel aufweist.
Der Stator enthält Magnete und Spulen auf der Rotoraußenseite und der magnetische Kreis wird auf der Rotorinnenseite durch weitere Magnete geschlossen. Die Magnete sind bevorzugt als Halbach-Arrays ausgebildet. Ein Halbach-Array ist eine spezielle Anordnung von Permanentmagneten. Eine derartige Anordnung ermöglicht es, dass der magnetische Fluss sich an der einen Seite der Anordnung nahezu aufhebt, wohingegen er auf der anderen Seite maximal verstärkt wird.
In einer weiteren Ausbaustufe können in dem Rotor und in dem Stator die ferromagnetischen Materialien stark segmentiert werden, um eine sogenannte „Vernier-Maschine“ zu realisieren, die noch höhere Leistungsdichten zulässt.
Die Erfindung ermöglicht es, eine elektrische Maschine mit einer hohen Leistungsdichte zu realisieren. In der Erfindung sind folgende Neuheiten enthalten:

- Es wird eine Flux-Switching Maschine mit einem doppelten Luftspalt realisiert.
- Es wird eine Vernier-Flux Switching Maschine mit einem doppelten Luftspalt realisiert.
- Es wird eine Doppelspaltmaschine realisiert, die nicht die üblichen Probleme eins Doppelläufers aufweist.

Der Vorteil der Erfindung liegt in der vollständigen Eliminierung der äußeren Biegemomente, die zu einer Verschlankung der mechanischen Struktur führen. Dadurch können Doppelluftspaltkonfiguration ihre elektromagnetischen Vorteile ausspielen ohne durch die mechanische Bauweise benachteiligt zu sein.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sich sämtliche Magnete im Stator befinden und somit die Magnetkühlung ähnlich realisiert werden kann, wie die Kühlung der Statorspulen, in die der Strom induziert oder gespeist wird.
In einer regulären Ausbaustufe ist ein Leistungsgewichtvorteil von etwa 30 - 40 % zu erwarten, während in einer zweiten Ausbaustufe ggf. auch über 100 % mehr Leitungsdichte möglich sein wird.
Damit ist es möglich, elektrische Maschinen mit einem Leistungsdichten von 10 - 12 kW/kg herzustellen, wodurch viele Anwendungen (wie das elektrische Fliegen) erst ermöglicht oder andere Geschäftsfelder (wie beispielsweise Generatoren für Windkraftanlagen) nachhaltig verbessert werden.
Die Erfindung beansprucht eine rotierende elektrische Maschine, aufweisend:

- einen rotierbaren rohrförmigen Rotor,
- einen inneren ersten Stator,
- einen zum ersten Stator beabstandeten und konzentrischen äußeren zweiten Stator,
- wobei der Rotor konzentrisch zum ersten und zweiten Stator und derart zwischen dem ersten und dem zweiten Stators angeordnet ist, dass
- ein erster Luftspalt zwischen dem ersten Stator und dem Rotor und
- ein zweiter Luftspalt zwischen dem zweiten Stator und dem Rotor gebildet werden.

In einer Weiterbildung können der erste und der zweite Stator mechanisch eine Einheit bilden.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Rotor in Umfangsrichtung abwechselnd ein ferromagnetisches Material und ein nicht-magnetisches Material aufweisen.
In einer weiteren Ausprägung kann der erste Stator in Umfangsrichtung abwechselnd erste Magnete, deren Pole in Umfangsrichtung ausgerichtet sind, und nicht-magnetisches Material aufweisen.
In einer Weiterbildung können die ersten Magnete aus Halbach-Arrays gebildet sein.
In einer weiteren Ausgestaltung kann der zweite Stator in Umfangsrichtung zueinander beabstandete zweite Magnete aufweisen, deren Pole in Umfangsrichtung ausgerichtet sind.
In einer weiteren Ausgestaltung können die zweiten Magnete aus Halbach-Arrays gebildet sein.
In einer weiteren Ausgestaltung können unterhalb der Pole benachbarter zweiter Magnete Spulen angeordnet sein, deren Pole in Richtung des Rotors ausgerichtet sind.
Außerdem können die Spulen durch einen Wechselstrom derart phasenverschoben erregt werden, dass der Rotor in eine Drehbewegung versetzt wird.
Des Weiteren kann der Rotor mechanisch derart in eine Drehbewegung versetzt werden, dass in den Spulen ein Wechselstrom induziert wird.
In einer weiteren Ausgestaltung kann das ferromagnetische Material Eisen oder eine Eisenlegierung sein.
In einer weiteren Ausgestaltung weisen Stator und Rotor eine filigrane hoch-polige Segmentierung auf, so dass eine Vernier Maschine damit realisiert wird.
Die Erfindung beansprucht auch ein Luftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen rotierenden elektrischen Maschine, wobei die rotierende elektrische Maschine ein Elektromotor ist, der ein Triebwerk antreibt.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:

1: eine Schnittansicht einer rotierenden elektrischen Doppelrotor-Maschine gemäß Stand der Technik,
2: eine Schnittansicht durch eine rotierende elektrische Hybridmaschine mit doppeltem Luftspalt,
3: eine weitere Schnittansicht durch eine rotierende elektrische Hybridmaschine mit doppeltem Luftspalt,
4: eine weitere Schnittansicht durch eine rotierende elektrische Hybridmaschine mit doppeltem Luftspalt und
5: ein Flugzeug mit einer rotierenden elektrischen Maschine.

Detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
2 zeigt einen Querschnitt eines Teils einer rotierenden elektrischen Maschine, wobei die Rotationsachse 7 des Rotors 2 aus der Bildebene herausragt. Der Rotor 2 ist rohrförmig ausgebildet und weist in Umfangrichtung abwechselnd ein ferromagnetisches Material 9 und ein nicht-magnetisches Material 8 auf. Mit anderen Worten, der Rotor 2 bildet eine Art Zahnkranz, wobei das ferromagnetische Material 9 die Zähne bildet. Der Rotor 2 liegt konzentrisch zwischen dem ringförmigen inneren ersten Stator 3 und dem ringförmigen zweiten Stator 4.
Der erste Stator 3 weist zueinander beabstandete in Umfangsrichtung angeordnete erste Magnete 18 auf, wobei der S- und N-Pol benachbarter erster Magnete 18 zueinander gewandt sind. Die ersten Magnete 18 können als Halbach-Arrays ausgebildet sein.
Der zweite Stator 4 weist zueinander beabstandete in Umfangsrichtung angeordnete zweite Magnete 19 auf, wobei der S- und N-Pol benachbarter zweiter Magnete 19 zueinander gewandt sind. Die zweiten Magnete 19 können ebenfalls als Halbach-Arrays ausgebildet sein. Unterhalb (in Richtung zum Rotor 2) benachbarter Pole der zweiten Magnete 19 befinden sich Spulen 6, deren Spulenachse in Richtung zum Rotor 2 zeigt. Durch abwechselnde Erregung der Spulen 6 entsteht ein rotierendes Magnetfeld, das den Rotor 2 in eine Drehbewegung versetzt (= Elektromotor). 2 zeigt beispielhaft den magnetischen Fluss 12. Durch Drehen des Rotors 2 wird phasenverschoben Spannung in den Spulen 6 induziert (= Generator).
Zwischen dem Rotor 2 und dem ersten Stator 3 befindet sich ein erster Luftspalt 10. Zwischen dem Rotor 2 und dem zweiten Stator 4 befindet sich ein zweiter Luftspalt 11. Das ferromagnetische Material 9 ist bevorzugt Eisen oder eine Eisenlegierung, kann aber auch eine Legierung von seltenen Erden, Eisenstickstoff oder auch ein gesintertes Material sein.
3 und 4 zeigen Schnittansichten von unterschiedlichen Ausführungen des ersten und zweiten Stators 3, 4 gemäß 2. Die Schnittebene ist senkrecht zur Bildebene in 2 gewählt. Erste und zweite Magnete 18, 19 sowie Spulen 6 sind nicht dargestellt.
3 zeigt einen einteiligen Stator, bei dem der erste und zweite Stator 3, 4 einstückig ausgeführt sind. 4 zeigt einen mehrteiligen Stator, bei dem der erste und der zweite Stator 3, 4 nicht direkt miteinander verbunden sind. Beispielsweise können die Statoren 3 und 4 an einem Gehäuse befestigt sein. Dargestellt ist auch der Rotor 2. Zu erkennen sind auch der erste Luftspalt 10 und der zweite Luftspalt 11.
5 zeigt ein Flugzeug 13 als Beispiel für ein Luftfahrzeug, bei dem ein Triebwerk 14, hier als Propeller ausgebildet, durch einen Elektromotor 15, der entsprechend der Ausführungen zu den 2 bis 4 ausgebildet ist, angetrieben wird.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Stator
2: Rotor
3: innerer erster Stator
4: äußerer zweiter Stator
5: Magnet
6: Spule
7: Rotationsachse
8: nicht-magnetisches Material
9: ferromagnetisches Material
10: erster Luftspalt
11: zweiter Luftspalt
12: magnetischer Fluss
13: Flugzeug
14: Triebwerk (Propeller)
15: Elektromotor
16: Lager
17: Welle
18: erster Magnet
19: zweiter Magnet

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

DE 102012217363 A1 [0006]
DE 102011121174 A1 [0012]

Claims

Rotierende elektrische Maschine, gekennzeichnet durch: - einen rotierbaren rohrförmigen Rotor (2), - einen inneren ersten Stator (3), - einen zum ersten Stator (3) beabstandeten und konzentrischen äußeren zweiten Stator (4), - wobei der Rotor (2) konzentrisch zum ersten und zweiten Stator (3, 4) und derart zwischen dem ersten und dem zweiten Stator (3, 4) angeordnet ist, dass - ein erster Luftspalt (10) zwischen dem ersten Stator (3) und dem Rotor (2) und - ein zweiter Luftspalt (11) zwischen dem zweiten Stator (4) und dem Rotor (2) gebildet werden.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Stator (3, 4) mechanisch eine Einheit bilden.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) in Umfangsrichtung abwechselnd ein ferromagnetisches Material (9) und ein nicht-magnetisches Material (8) aufweist.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stator (3) in Umfangsrichtung abwechselnd erste Magnete (18), deren Pole in Umfangsrichtung ausgerichtet sind, und nicht-magnetisches Material (8) aufweist.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Magnete (18) aus Halbach-Arrays gebildet sind.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Stator (4) in Umfangsrichtung zueinander beabstandete zweite Magnete (19) aufweist, deren Pole in Umfangsrichtung ausgerichtet sind.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Magnete (19) aus Halbach-Arrays gebildet sind.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Pole benachbarter zweiter Magnete (19) Spulen (6) angeordnet sind, deren Spulenachse in Richtung zum Rotor (2) ausgerichtet ist.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (6) durch einen Wechselstrom derart phasenverschoben erregbar sind, dass der Rotor (2) in eine Drehbewegung versetzt wird.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) mechanisch derart in eine Drehbewegung versetzbar ist, dass in den Spulen (6) ein Wechselstrom induziert wird.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das ferromagnetische Material (9) Eisen oder eine Eisenlegierung ist.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine als Vernier-Maschine ausgebildet ist, wobei der erste Stator (3), der zweite Stator (4) und der Rotor (2) filigrane hoch-polige Segmentierungen aufweisen.
Luftfahrzeug (13) mit einer rotierenden elektrischen Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende elektrische Maschine ein Elektromotor (15) ist, der ein Triebwerk (14) antreibt.