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Die Erfindung betrifft ein Maschinenaggregat, eine elektrische Maschine sowie ein Fahrzeug, insbesondere ein elektrisches und/oder hybrid-elektrisches Flugzeug.
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Elektrische Antriebe von Fahrzeugen wie etwa hybrid-elektrischen Flugzeugen erfordern elektrische Maschinen mit einem hohen Verhältnis von Antriebsleistung zu Masse (massebezogene Leistungsdichte). Zudem erfordern solche Fahrzeuge bisweilen Antriebsleistungen von mehreren 100 kW bis hin zum Megawattbereich.
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Die derzeit größte Leistungsdichte für elektrische Antriebe weisen permanenterregte Motoren auf, wobei Leistungen zwischen 10 kW und 1 MW erzielt werden können.
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Allerdings erscheint es schwierig, die Leistungsdichte oder die absolute Leistung von permanentmagneterregten Motoren oder Generatoren weiter zu erhöhen.
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Ferner bedingt insbesondere bei elektrisch oder hybridelektrisch angetriebenen Flugzeugen der erforderliche Leichtbau strukturdynamische Beschränkungen. Zusätzlich bestehen hohe Anforderungen hinsichtlich der Zuverlässigkeit von elektrischen Antrieben von Fahrzeugen, insbesondere in der Luftfahrt, sowie hohe Anforderungen hinsichtlich einer zu erreichenden Kompaktheit.
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Diese Anforderungen sind im Einzelfall schwierig zu erfüllen, zumal permanentmagneterregte Motoren regelmäßig individuell auf eine spezifische Anwendung und Leistungsklasse hin entwickelt werden müssen, sodass neue Anwendungszwecke meist viele Entwicklungsressourcen binden.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Maschinenaggregat bereitzustellen, welches insbesondere für einen elektrischen oder hybrid-elektrischen Antrieb eines Fahrzeugs wie vorzugsweise eines Luftfahrzeugs herangezogen werden kann. Insbesondere sollen mit dem erfindungsgemäßen Maschinenaggregat eine ressourcenarme Entwicklung für neue Spezifikationen sowie eine hohe absolute Leistung und eine hohe Leistungsdichte erzielbar sein.
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Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine zu schaffen, mit welcher ein solches Maschinenaggregat realisiert werden kann. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Fahrzeug, insbesondere ein elektrisches und/oder hybrid-elektrisches Flugzeug, zu schaffen, welches verbessert elektrisch antreibbar ist.
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Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Maschinenaggregat mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, mit einer elektrischen Maschine mit den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Fahrzeug mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
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Das erfindungsgemäße elektrische Maschinenaggregat umfasst eine Mehrzahl elektrischer Maschinen, bei welcher Rotoren der elektrischen Maschine und vorzugsweise auch Statoren der elektrischen Maschine mechanisch miteinander gekoppelt sind. Im Rahmen dieser Anmeldung bedeutet dies, dass entweder die Rotoren der elektrischen Maschinen miteinander mechanisch gekoppelt sind oder dass die Rotoren der elektrischen Maschinen miteinander gekoppelt sind und die Statoren der elektrischen Maschinen miteinander mechanisch gekoppelt sind.
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Aufgrund der mechanischen Kopplung der Mehrzahl elektrischer Maschinen ergibt sich die elektrische Leistung des Maschinenaggregats als Summe der elektrischen Leistungen der einzelnen elektrischen Maschinen des Maschinenaggregats. Erfindungsgemäß lassen sich die Entwicklungskosten für hohe Leistungsklassen erheblich reduzieren, da sich die elektrischen Maschinen des erfindungsgemäßen Maschinenaggregats zur Bereitstellung der angestrebten Leistung einfach mechanisch miteinander koppeln lassen. Zweckmäßigerweise sind die elektrischen Maschinen des erfindungsgemäßen Maschinenaggregats einander gleichartig, vorzugsweise mit gleichen elektrischen Kenngrößen und idealerweise einander identisch, ausgebildet. Entsprechend kann die angestrebte Leistung einfach durch Multiplikation der Einzelleistung einer elektrischen Maschine des Maschinenaggregats erhalten werden, sodass lediglich die entsprechende Anzahl elektrischer Maschinen im erfindungsgemäßen Maschinenaggregat vorhanden sein muss. Folglich ist die Entwicklung erfindungsgemäßer Maschinenaggregate ohne nennenswerten Zeit- und Ressourcenaufwand möglich.
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Erfindungsgemäß ist eine elektrische Verbindung der elektrischen Maschinen miteinander entbehrlich und insbesondere nicht vorgesehen.
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Zudem ist das erfindungsgemäße Maschinenaggregat besonders zuverlässig und ausfallsicher ausgebildet. Das Vorhandensein einer Mehrzahl elektrischer Maschinen bedeutet eine redundante Ausbildung des erfindungsgemäßen Maschinenaggregats, sodass bei einem Ausfall einer elektrischen Maschine die zumindest eine weitere oder die weiteren elektrischen Maschinen des Maschinenaggregats dessen Funktionstüchtigkeit gewährleisten. Insbesondere ist es mittels des erfindungsgemäßen Maschinenaggregats nicht erforderlich, mehrere elektrische Maschinen zusätzlich separat in der Systemarchitektur etwa eines elektrischen Fahrzeugs wie insbesondere eines Flugzeugs vorzusehen, sodass die Gesamtmasse der Systemarchitektur, etwa eines Antriebs des elektrischen Fahrzeugs, gering gehalten werden kann.
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Bei dem erfindungsgemäßen Maschinenaggregat sind die elektrischen Maschinen bevorzugt permanentmagneterregte Maschinen, insbesondere Motoren und/oder Generatoren. Vorteilhaft weisen permanentmagneterregte Maschinen eine hinreichend hohe massebezogene Leistungsdichte auf, sodass das erfindungsgemäße Maschinenaggregat vorteilhaft für leistungs- und massekritische Anwendungen heranziehbar ist, insbesondere für elektrische Fahrzeuge wie vorzugsweise hybridelektrische Flugzeuge.
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Bei dem erfindungsgemäßen Maschinenaggregat sind die Rotoren und vorzugsweise auch die Statoren zweckmäßig seriell gekoppelt. Auf diese Weise können die Rotoren und/oder Statoren besonders einfach miteinander gekoppelt sein. Insbesondere können die Rotoren im Falle ihrer seriellen Kopplung miteinander als oder mit oder an einer gemeinsamen Welle angeordnet sein.
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In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Maschinenaggregats sind die gekoppelten Rotoren einstückig handhabbar, d.h. einteilig handhabbar, und insbesondere mit einer oder an einer oder als eine einstückige/n Welle, d.h. einteilige/n Welle, ausgebildet. In dieser Weiterbildung der Erfindung lässt sich die Passivmasse hinreichend gering halten. Vorteilhaft kann das dynamische Verhalten der einstückigen Welle in einem praxistauglichen Bereich gehalten werden. Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Maschinenaggregat kompakt ausbildbar, da eine oder mehrere Abmessungen, insbesondere der Durchmesser, des erfindungsgemä-βen Maschinenaggregats verglichen mit einzelnen elektrischen Maschinen des Maschinenaggregats nicht notwendig größer ausgebildet sein müssen. Idealerweise ist das erfindungsgemäße Maschinenaggregat derart kompakt ausbildbar, dass das Maschinenaggregat in einer Nacelle eines elektrischen oder hybrid-elektrischen Flugzeugs Platz findet.
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Bei dem Maschinenaggregat gemäß der Erfindung sind die Rotoren vorzugsweise jeweils vom Stator umgeben und/oder jeweils durch den Stator hindurch geführt.
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Vorzugsweise beträgt bei dem erfindungsgemäßen Maschinenaggregat die Betriebsdrehzahl mindestens 1000 Umdrehungen/Minute und/oder höchstens 3000 Umdrehungen/Minute. Insbesondere mit den letztgenannten Parametern dieser Weiterbildung der Erfindung ist ein wartungsanfälliges Getriebe mit schelldrehendem Antrieb verzichtbar.
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Bei dem Maschinenaggregat gemäß der Erfindung sind die Rotoren zweckmäßig form- und/oder kraftschlüssig, insbesondere mittels Klemmverbindungen, miteinander gekoppelt und/oder die Statoren sind form- und/oder kraftschlüssig, insbesondere mittels Klemmverbindungen, miteinander gekoppelt. Auf diese Weise lassen sich die Rotoren und/oder Statoren der elektrischen Maschinen ähnlich Klemmbausteinen miteinander mechanisch zusammenfügen.
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Vorzugsweiseweise weisen bei dem erfindungsgemäßen Maschinenaggregat die elektrischen Maschinen eine Betriebsleistung von jeweils mindestens 30 Kilowatt, bevorzugt mindestens 100 Kilowatt, und/oder höchstens 2 Megawatt, bevorzugt höchstens 1 Megawatt, auf. Mit solchen elektrischen Maschinen lässt sich ein Maschinenaggregat mit einer Betriebsleistung von mindestens 100 kW, vorzugsweise mindestens 400 kW und besonders zweckmäßig mindestens 2 Megawatt oder sogar 10 Megawatt leicht realisieren.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine dient insbesondere zum Aufbau eines Maschinenaggregats wie zuvor beschrieben. Die erfindungsgemäße Maschine weist ein Gehäuse für jeweils einen Rotor und/oder Stator der elektrischen Maschine auf, wobei das Gehäuse jeweils ein erstes und ein zweites mechanisches Verbindungselement aufweist, wobei erstes und zweites mechanisches Verbindungselement miteinander korrespondieren. Zweckmäßig sind erstes und zweites Verbindungselement an einander abgewandten Seiten des Gehäuses angeordnet. Auf diese Weise sind die Gehäuse der elektrischen Maschinen zueinander, zumindest hinsichtlich der Verbindungselemente, identisch ausbildbar. Somit können jeweils das erste Verbindungselement einer Maschine mit dem zweiten Verbindungselement einer benachbarten Maschine sowie das jeweils zweite Verbindungselementeiner Maschine mit dem ersten Verbindungselement einer benachbarten Maschine verbunden werden, sodass die Maschinen zu einem erfindungsgemäßen Maschinenaggregat verbindbar sind. Idealerweise sind erstes und zweites Verbindungselement als Klemmverbindungselement ausgebildet, sodass die Gehäuse der elektrischen Maschinen in der Art identischer Klemmbausteine seriell miteinander verbindbar sind.
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Es versteht sich, das ein Verbindungselement im Sinne dieser Anmeldung nicht notwendig als zusätzliches Element, welches separat an dem Gehäuse angeordnet ist, ausgebildet sein muss, sondern das Verbindungselement kann auch mit dem Gehäuse selbst oder mit einem Teil des Gehäuses selbst gebildet sein.
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Das erfindungsgemäße Fahrzeug ist insbesondere ein elektrisches und/oder hybrid-elektrisches Flugzeug. Das erfindungsgemäße Fahrzeug weist ein Maschinenaggregat wie zuvor beschrieben und/oder mindestens eine elektrische Maschine, vorzugsweise eine Mehrzahl elektrischer Maschinen, wie zuvor beschrieben auf. Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Fahrzeug einen Antrieb, welcher ein solches Maschinenaggregat oder eine solche elektrische Maschine oder eine Mehrzahl solcher elektrischer Maschinen aufweist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 ein erfindungsgemäßes elektrisches Flugzeug mit einem erfindungsgemäßen Elektromotoraggregat schematisch in einer perspektivischen Darstellung,
- 2 das erfindungsgemäße Elektromotoraggregat des Flugzeugs gem. 1 schematisch in einer perspektivischen Darstellung sowie
- 3 das erfindungsgemäße Elektromotoraggregat gem. 2 schematisch im Längsschnitt.
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Das in 1 dargestellte erfindungsgemäße elektrische Flugzeug 10 weist einen Antrieb 15 mit einem erfindungsgemäßen Elektromotoraggregat 20 auf. Das Elektromotoraggregat 20 ist modular aufgebaut wie nachfolgend beschrieben:
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Das Elektromotoraggregat 20 ist aus mehreren, im dargestellten Fall sechs, erfindungsgemäßen Elektromotoren 30 zusammengesetzt, welche in an sich bekannter Weise mit einem innerhalb eines Stators 40 um eine Achse A drehbar geführten Rotor 50 gebildet sind.
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Bei dem Elektromotoraggregat 20 sind sowohl die Statoren 40 als auch die Rotoren 50 miteinander mechanisch gekoppelt. Dazu sind in axialer Richtung, um welche die Rotoren 50 drehbar angeordnet sind, die Rotoren 50 miteinander sowie die Statoren 40 miteinander mittels Klemmverbindungen mechanisch verbunden. Die Klemmverbindungen (in 2 nicht explizit gezeigt) sind jeweils mit aneinander anliegenden Axialenden von Gehäusen 55 der Rotoren 50 und Gehäusen 56 der Statoren 40 gebildet, wobei die Axialenden in ihrer Form miteinander korrespondieren. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Statoren 40 und Rotoren 50 gleichartig ausgebildet und können in beliebiger Zahl aneinander in der Art von Klemmbausteinen zusammengefügt werden. Auf diese Weise ist aus den einzelnen Rotoren 50 ein Rotoraggregat 150 gebildet, welches im Wesentlichen eine zylindrische Gestalt aufweist und folglich eine einstückig handhabbare Welle des Motoraggregats 20 bildet. Entsprechend ist aus den einzelnen Statoren 40 infolge ihrer mechanischen Verbindung miteinander ein Statoraggregat 140 des Motoraggregats gebildet, welcher eine im Wesentlichen röhrenartige, zylindermantelförmige Gestalt aufweist.
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Das Rotoraggregat 150 kann sich somit innerhalb des umgebenden Statoraggregats 140 um die Achse A drehen.
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In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Rotoren 50 und die Statoren 40 nicht mittels Klemmverbindungen, sondern auf andere Weise miteinander mechanisch verbunden, etwa mittels Rastverbindungen oder mittels formschlüssiger oder stoffschlüssiger Verbindungen.
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Statoraggregat 140 und Rotoraggregat 150 sind lediglich mittels mechanischer Anbindung der einzelnen Statoren 40 und Rotoren 50 miteinander gekoppelt. Eine direkte elektrische Verbindung der Statoren 40 miteinander oder der Rotoren 50 miteinander ist erfindungsgemäß nicht vorgesehen. Elektrisch handelt es sich also bei den einzelnen Rotoren 50 und den diese jeweils umgebenden Statoren 40 jeweils um einzelne Elektromotoren 60.
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Allerdings ist die Ausgangsseite des Elektromotoraggregats 20 mittels der mechanisch als Rotoraggregat 150 gekoppelten Rotoren 50 mechanisch gekoppelt. Die elektrische Eingangsseite des Elektromotoraggregats 20 wird aus einer gemeinsamen elektrischen Quelle gespeist. Auf diese Weise wirkt das Elektromotoraggregat 20 wie ein einziger Motor, welcher sich aus den einzelnen Elektromotoren 60 seriell zusammensetzt.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Elektromotoraggregat 20 für eine Betriebsdrehzahl von 2250 Umdrehungen je Minute ausgebildet. Die einzelnen Elektromotoren 60 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel für eine Leistung von 250 kW ausgebildet. Auf diese Weise ist das Elektromotoraggregat 20 für eine Leistung von 1,5 MW ausgelegt. In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Elektromotoren 60 für andere Parameter anstelle der oben dargestellten Parameter ausgebildet.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches im Übrigen dem dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht, weist das elektrische Flugzeug 10 eine Nacelle auf, in welcher das Elektromotoraggregat 20 angeordnet ist.
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In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen ist anstelle des Elektromotoraggregats 20 ein Generatoraggregat vorhanden. Dabei sind anstelle einzelner Elektromotoren 60 jeweils einzelne Generatoren miteinander mechanisch gekoppelt.
