DE102020007189A1 - Electric motor with air bearings, integrated ring propeller and ring winding with internal stator cooling - Google Patents

Electric motor with air bearings, integrated ring propeller and ring winding with internal stator cooling Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einem um eine Rotorwelle (4) drehbar angeordneten Rotor (1), wobei der Rotor mittels einem von der Rotorwelle beabstandeten Luftlagers (10) axial gelagert ist. Hierdurch kann der Luftspalt (8) zwischen Rotor und Stator auf ein Minimum reduziert werden was zu höherer Leistung des Motors führt.Da der Luftspalt (8) konstant gehalten werden muss, darf keine axiale Belastung auf den Rotor auftreten, weshalb die Lagerung der Rotorwelle (12) und des Rotors (1) über getrennte Lagerungen (10) (12) entkoppelt wird und nur das Drehmoment übertragen wird.Besonder Anwendung findet diese Erfindung bei Antriebssystemen im Mobilitätsbereich, insbesondere bei Luftfahrzeugen mit Propellerantrieb bzw. bei sogenannten Flugtaxis mit schwenkbaren Mantel- oder Ringpropellern. Eine weitere Anwendung ergibt sich im Automobilbereich für radnahe- bzw. Radnabenantriebe.The invention relates to an electric motor with a rotor (1) arranged to rotate about a rotor shaft (4), the rotor being axially mounted by means of an air bearing (10) spaced apart from the rotor shaft. As a result, the air gap (8) between rotor and stator can be reduced to a minimum, which leads to higher motor performance. Since the air gap (8) must be kept constant, no axial load may occur on the rotor, which is why the bearing of the rotor shaft ( 12) and the rotor (1) is decoupled via separate bearings (10) (12) and only the torque is transmitted. or ring propellers. Another application is in the automotive sector for near-wheel or wheel hub drives.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine sowie eine Lagerung mit einem um eine Rotorwelle drehbar angeordneten Rotor, wobei der Rotor mit der Rotorwelle so verbunden ist, dass Drehbewegungen des Rotors auf die Rotorwelle übertragen werden, wobei der Rotor mittels einem radial von der Rotorwelle beabstandeten Aussenlagers gelagert ist.The invention relates to an electrical machine and a bearing arrangement with a rotor arranged to be rotatable about a rotor shaft, the rotor being connected to the rotor shaft in such a way that rotary movements of the rotor are transmitted to the rotor shaft, the rotor being mounted by means of an external bearing spaced radially from the rotor shaft is.

Aus der DE 10 2006 036 707 83 ist ein elektrischer Antrieb mit einem speziell gestalteten Stator und einem scheibenförmigen, mit Permanentmagneten bestückten Rotor bekannt. Zur Erzielung einer möglichst hohen magnetischen Flussdichte sollte der Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator möglichst klein gehalten werden. Dies erfordert jedoch eine präzise Lagerung des Rotors, damit dieser auch bei Stößen oder Erschütterungen bzw. axialen auftretenden Kräften frei und rund läuft.From the DE 10 2006 036 707 83 an electric drive with a specially designed stator and a disc-shaped rotor equipped with permanent magnets is known. In order to achieve the highest possible magnetic flux density, the air gap between the rotor and the stator should be kept as small as possible. However, this requires precise mounting of the rotor so that it runs freely and smoothly even in the event of shocks or vibrations or axial forces.

In der DE 10 2008 050 832 A1 ist eine Lagerungsanordnung für einen Rotor beschrieben, welche wenigstens ein Rotorlager aufweist, das in einem radial von der Rotationsachse beabstandeten Bereich mit dem Rotor in Wirkverbindung steht. Diese Lagerungsanordnung soll sicherstellen, dass die Rotorwelle und der an ihr befestigte Rotor in der vorgesehenen Position gehalten werden.In the DE 10 2008 050 832 A1 a bearing arrangement for a rotor is described, which has at least one rotor bearing which is operatively connected to the rotor in a region spaced radially from the axis of rotation. This storage arrangement is intended to ensure that the rotor shaft and the rotor attached to it are held in the intended position.

In der EP 2 667 485 A1 ist eine andere Ausführungsform beschrieben. Hier steht der Rotor mit der Rotorwelle über mindestens ein flexibles Verbindungselement in Wirkverbindung. Das flexible Verbindungselement ist so ausgeführt, dass es eine Bewegung des Rotors in der vorgesehenen Rotordrehrichtung auf die Rotorwelle überträgt und umgekehrt eine Drehung der Rotorwelle um ihre Längsachse auf den Rotor überträgt. Das flexible Verbindungselement ist also hinsichtlich der Übertragung dieser Drehbewegungen starr. Dagegen werden Relativbewegungen zwischen Rotor und Rotorwelle in axialer Richtung, d.h. in Richtung der Rotorwelle, und/oder in radialer Richtung, d.h. in einer Richtung senkrecht zur Rotorwelle, und/oder Winkeländerungen zwischen der Rotorwelle und der geometrischen Achse des Rotors durch das flexible Verbindungselement aufgenommen und nicht übertragen.In the EP 2 667 485 A1 another embodiment is described. Here the rotor is operatively connected to the rotor shaft via at least one flexible connecting element. The flexible connecting element is designed in such a way that it transmits a movement of the rotor in the intended direction of rotation of the rotor to the rotor shaft and vice versa transmits a rotation of the rotor shaft about its longitudinal axis to the rotor. The flexible connecting element is therefore rigid with regard to the transmission of these rotary movements. On the other hand, relative movements between the rotor and rotor shaft in the axial direction, ie in the direction of the rotor shaft, and/or in the radial direction, ie in a direction perpendicular to the rotor shaft, and/or angular changes between the rotor shaft and the geometric axis of the rotor are absorbed by the flexible connecting element and not transferred.

Aus Drehmomentgründen werden Rotor und Stator häufig so ausgeführt, dass der Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator einen großen radialen Abstand von der Rotorachse besitzt. Bei Rotoren mit einem Durchmesser von beispielsweise 30 bis 40 cm und grösser 40 cm bewirken damit allerdings schon geringfügige Verkippungen der Rotorachse sowie axiale Kräfte große Änderungen des Luftspalts. Bei sehr schmalen Luftspalten von nur wenigen Zehntelmillimeter oder wenigen Hundertselmillimeter zwischen Rotor und Stator werden daher an die Lagerung des Rotors sehr hohe Anforderungen gestellt, damit dieser auch bei Vibrationen der Rotorachse noch beruhrungsfrei läuft.For reasons of torque, the rotor and stator are often designed in such a way that the air gap between the rotor and the stator has a large radial distance from the rotor axis. However, in the case of rotors with a diameter of, for example, 30 to 40 cm and greater than 40 cm, even slight tilting of the rotor axis and axial forces cause large changes in the air gap. With very narrow air gaps of only a few tenths of a millimeter or a few hundredths of a millimeter between the rotor and stator, very high demands are placed on the bearing of the rotor so that it still runs without contact even when the rotor axis vibrates.

In der EP 2 667 485 A1 ist eine Lagerungsanordnung beschrieben, die diese Änderung des Luftspaltes aufgrund von Verkippung der Rotorachse verhindert. Weiters ist beschrieben, dass durch ein flexibles Verbindungselement zwischen Rotor und Rotorwelle eine Änderung des Luftspaltes aufgrund einer axialen Verschiebung des Rotors verhindert wird. Das Außenlager kann in dieser Erfindung als Wälzlager ausgeführt sein. Von Vorteil wird aufgeführt, dass das Außenlager drehbar gelagerte Körper aufweist, also als Wälz-, Kugel- oder Rollenlager ausgebildet ist.In the EP 2 667 485 A1 a bearing arrangement is described which prevents this change in the air gap due to tilting of the rotor axis. It is also described that a change in the air gap due to an axial displacement of the rotor is prevented by a flexible connecting element between the rotor and the rotor shaft. The outer bearing can be designed as a roller bearing in this invention. It is stated as an advantage that the external bearing has rotatably mounted bodies, ie is designed as a roller, ball or roller bearing.

Nachteil dieser Lagerung ist, dass bei grösseren Durchmessern und damit höheren Umfangsgeschwindigkeiten des scheibenförmigen Rotors sehr hohe Drehzahlen in den konventionellen Lagern entstehen. Dies führt zum einen zu mechanischer Beschädigung der Lager und zum anderen zu der Tatsache, dass die Wälz-, Kugel-, oder Rollenlager den Kontakt zur Lauffläche verlieren und damit die grundlegende physikalische Funktion der Wälzlagerung nicht mehr vorhanden ist.The disadvantage of this bearing is that with larger diameters and thus higher peripheral speeds of the disc-shaped rotor, very high speeds occur in the conventional bearings. On the one hand, this leads to mechanical damage to the bearings and, on the other hand, to the fact that the roller, ball or roller bearings lose contact with the running surface and the basic physical function of the roller bearing is no longer available.

Ein weiterer Nachteil ist, das sich bei der Aneinanderreihung von mindestens zwei, mindestens drei, oder mehreren Motoren in axialer Richtung die Toleranzen in den jeweiligen Rotorlagerungen addieren bzw. subtrahieren können da sie auf einer gemeinsamen Rotorachse sitzen. Damit einher geht die Veränderung des Luftspaltes bzw. der Luftgspalte und demzufolge auch die Verminderung des magnetischen Flusses und damit der Leistung des Motors bzw. der Motoren.Another disadvantage is that when at least two, at least three, or more motors are arranged in a row in the axial direction, the tolerances in the respective rotor bearings can add up or subtract, since they sit on a common rotor axis. This is accompanied by the change in the air gap or air gaps and consequently also the reduction in the magnetic flux and thus the performance of the motor or motors.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine elektrische Maschine mit einer verbesserten Lagerung des Rotors zu entwickeln. Erfindungsgemäß erfolgt dies durch die Verwendung eines aerostatischen oder aerodynamischen Luftlagers als Aussenlager.The object of the present invention is therefore to develop an electrical machine with an improved bearing arrangement for the rotor. According to the invention, this is achieved by using an aerostatic or aerodynamic air bearing as an external bearing.

Als Außenlager wird ein Lager bezeichnet, welches radial von der Rotorwelle beabstandet ist und zur Lagerung des Rotors vorgesehen ist. Erfindungsgemäß kann der Rotor mit einem oder mit mehreren Außenlagern gelagert sein oder aber der gesamte Stator als Lager ausgebildet sein.A bearing which is spaced radially from the rotor shaft and is provided for mounting the rotor is referred to as an outer bearing. According to the invention, the rotor can be mounted with one or more external bearings, or the entire stator can be designed as a bearing.

Bevorzugt kann dabei eine kreisförmige Anordnung einzelner Luftlagerungen oder einer Gruppe von Luftlagern oder ein gesamtes Luftlager im Bereich der Rotormagnetfläche, und/oder innerhalb der Rotormagnetfläche, und/oder ausserhalb der Rotormagnetfläche erfolgen.A circular arrangement of individual air bearings or a group of air bearings or an entire air bearing in the area of the rotor magnet surface and/or inside the rotor magnet surface and/or outside the rotor magnet surface can preferably be implemented.

Der Rotor des erfindungsgemäßen Elektromotors ist vorzugsweise mit einer Vielzahl von Permanentmagneten versehen, die sich in einem festen radialen Abstand vom Rotormittelpunkt, d.h. von der geometrischen Achse des Rotors, befinden. Das oder die Luftlager können in radialer Richtung weniger weit, weiter oder genauso weit wie die Permanentmagnete vom Rotormittelpunkt entfernt sein. Entsprechend kann sich das Luftlager oder können sich die Luftlager in radialer Richtung näher an der Rotorwelle, entfernter von der Rotorwelle oder genauso weit entfernt von der Rotorwelle befinden wie der Stator.The rotor of the electric motor according to the invention is preferably provided with a large number of permanent magnets which are located at a fixed radial distance from the center of the rotor, ie from the geometric axis of the rotor. The air bearing or bearings can be less far, farther or just as far away from the center of the rotor in the radial direction as the permanent magnets. Accordingly, the air bearing or bearings may be located radially closer to the rotor shaft, farther from the rotor shaft, or just as far from the rotor shaft as the stator.

Das Außenlager kann idealerweise als aerodynamisches oder aerostatisches Luftlager ausgeführt sein. Vorzugsweise ist die Luftlagerung in dem den Stator aufweisenden Bauteil, beispielsweise einem Motorgehäuseteil, integriert.The external bearing can ideally be designed as an aerodynamic or aerostatic air bearing. The air bearing is preferably integrated in the component having the stator, for example a motor housing part.

Bei elektrischen Maschinen, Elektromotoren oder Generatoren, mit großem Rotordurchmesser wirken sich Vibrationen der Rotorwelle bzw. axiale Kräfte auf der Rotorwelle besonders stark auf den Luftspalt zwischen Rotor und Stator aus. Die Erfindung eignet sich daher insbesondere für elektrische Maschinen mit scheibenförmigem Rotor, das heißt mit einem Rotor, dessen Ausdehnung parallel zur geometrischen Achse des Rotors, d.h. dessen axiale Ausdehnung, geringer ist als dessen Ausdehnung in radialer Richtung. Der Durchmesser des Rotors ist vorzugsweise mindestens dreimal, mindestens fünfmal oder mindestens zehnmal so groß wie dessen Dicke, d.h. wie dessen axiale Ausdehnung. Die Erfindung ist von Vorteil bei elektrischen Maschinen mit einem Rotordurchmesser zwischen 12 cm und 240 cm, insbesondere zwischen 20 cm und 80 cm, insbesondere zwischen 40 und 180 cm, insbesonder zwischen 100 cm und 200 cm und/oder bei Maschinen mit einem kleinen Luftspalt zwischen Rotor und Stator, insbesondere für Motoren, bei denen der Luftspalt weniger als 1 mm, weniger als 0,7 mm, weniger als 0,5 mm, weniger als 0,1 mm weniger als 0,01 mm oder weniger als 0,001 mm beträgt.In the case of electrical machines, electric motors or generators with a large rotor diameter, vibrations in the rotor shaft or axial forces on the rotor shaft have a particularly strong effect on the air gap between the rotor and stator. The invention is therefore particularly suitable for electrical machines with a disc-shaped rotor, i.e. with a rotor whose extension parallel to the geometric axis of the rotor, i.e. its axial extension, is less than its extension in the radial direction. The diameter of the rotor is preferably at least three times, at least five times or at least ten times its thickness, i.e. its axial extent. The invention is advantageous in electrical machines with a rotor diameter between 12 cm and 240 cm, in particular between 20 cm and 80 cm, in particular between 40 and 180 cm, in particular between 100 cm and 200 cm and/or in machines with a small air gap between Rotor and stator, especially for motors where the air gap is less than 1mm, less than 0.7mm, less than 0.5mm, less than 0.1mm, less than 0.01mm or less than 0.001mm.

Besonders vorteilhaft ist die Erfindung bei Axialflussmaschinen, bei denen die am Rotor angebrachten Magnete und der Stator axial beabstandet sind. Die Axialflussmaschine kann entweder Statoren auf beiden Seiten des Rotors oder auf nur einer Seite aufweisen. Insbesondere ist die Axialflussmaschine als Scheibenläufer ausgeführt. Bei einer Axialflussmaschine erstreckt sich der Luftspalt zwischen Rotor und Stator in axialer Richtung.The invention is particularly advantageous in axial flux machines in which the magnets attached to the rotor and the stator are spaced apart axially. The axial flux machine can either have stators on both sides of the rotor or on just one side. In particular, the axial flow machine is designed as a disc rotor. In an axial flow machine, the air gap between the rotor and the stator extends in the axial direction.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind das Rotorwellenlager und das Außenlager direkt mit dem Gehäuse der elektrischen Maschine verbunden.According to a further embodiment of the invention, the rotor shaft bearing and the outer bearing are connected directly to the housing of the electrical machine.

Die Verbindung von Rotor und Rotorwelle ist von Vorteil drehstarr ausgeführt. Hierfür eignen sich insbesondere Membrankupplungen, wobei Rotor und flexibles Verundungslement sowie flexibles Verbindungselement und Rotorwelle drehstarr miteinander verbunden sind, insbesondere untrennbar miteinander verbunden sind oder einstückig ausgeführt sind.The connection between the rotor and the rotor shaft is advantageously designed to be torsionally rigid. Diaphragm couplings are particularly suitable for this, with the rotor and flexible connecting element and flexible connecting element and rotor shaft being connected to one another in a torsionally rigid manner, in particular being inseparably connected to one another or being made in one piece.

Eine drehstarre Verbindung von Rotor und Rotorwelle, welche in axialer Richtung Relativbewegungen ermöglicht, kann auch über eine formschlüssige Verbindung hergestellt werden. Solche formschlüssigen Verbindungen werden beispielsweise in Zahn- oder Klauenkupplungen eingesetzt. Hierbei weist mindestens eines der beiden Bauteile - Rotor und/oder Rotorwelle - Fortsätze oder Zähne auf, die in entsprechende Gegenstücke des anderen Bauteils eingreifen. So kann beispielsweise der Rotor ringförmig ausgeführt und mit einer Innenverzahnung an dessen innerem Umfang versehen sein. Die Rotorwelle weist eine entsprechende Außenverzahnung auf. Der Außendurchmesser der Rotorwelle bzw. des Teils der Rotorwelle, der die Außenverzahnung aufweist, wird so gewählt, dass die Innenverzahnung des Rotors und die Außenverzahnung der Rotorwelle ineinandergreifen, wenn der Rotor über die Rotorwelle geschoben ist. Die Verzahnung gewährleistet zum einen eine drehstarre Verbindung von Rotor und Rotorwelle, zum anderen besitzt sie einen Freiheitsgrad in axialer Richtung, d.h. Rotor und Rotorwelle können axial gegeneinander verschoben werden, um beispielsweise Vibrationen aufzunehmen.A torsionally rigid connection of rotor and rotor shaft, which allows relative movements in the axial direction, can also be produced via a positive connection. Such form-fitting connections are used, for example, in tooth or claw couplings. In this case, at least one of the two components—rotor and/or rotor shaft—has extensions or teeth that engage in corresponding counterparts of the other component. For example, the rotor can be ring-shaped and provided with internal teeth on its inner circumference. The rotor shaft has corresponding external teeth. The outer diameter of the rotor shaft or that part of the rotor shaft which has the external toothing is selected such that the internal toothing of the rotor and the external toothing of the rotor shaft mesh when the rotor is pushed over the rotor shaft. On the one hand, the toothing ensures a torsionally rigid connection between the rotor and rotor shaft, and on the other hand it has a degree of freedom in the axial direction, i.e. the rotor and rotor shaft can be displaced axially in relation to one another, for example to absorb vibrations.

Die Luftversorgung des Luftlagers erfolgt in der Regel über einen externen Kompressor oder Gebläses oder über eine Druckgasflasche. Alternativ kann die Luftversorgung der Luftlager auch über einen in axial am Rotor integrierten Radialverdichter oder eines Radialgebläses erfolgen. Eine weiter Anordnung eines Radialverdichter oder Radialgebläses kann auch auf der Rotorwelle axial versetzt ausserhalb des Motorgehäuses sein.The air bearing is usually supplied with air via an external compressor or blower or via a compressed gas cylinder. Alternatively, the air bearings can also be supplied with air via a radial compressor integrated axially on the rotor or a radial fan. A further arrangement of a radial compressor or radial fan can also be offset axially on the rotor shaft outside the motor housing.

Schließlich ist eine Verwendung der oben beschriebenen Lagerungsvorrichtung in einer elektrischen Maschine als Antrieb für ein Luft-, Wasser- oder Landfahrzeug oder als Generator in einer Stromerzeugungsvorrichtung, insbesondere bei Wind- und Wasserkraftanlagen vorgesehen.Finally, use of the bearing device described above in an electrical machine as a drive for an aircraft, watercraft or land vehicle or as a generator in a power generation device, in particular in wind and water power plants, is provided.

Eine spezielle weitere Verwendung der oben beschriebenen Lagerungsvorrichtung in einer elektrischen Maschine ist als Antrieb für ein Luftfahrzeug vorgesehen. Dies kann sowohl bei Tragflächenflugzeugen als auch bei sogenannten senkrecht startenden elektrischen Luftfahrzeugen (eVTOL) vorgesehen werden.A special further use of the bearing device described above in an electrical machine is provided as a drive for an aircraft. This can be provided for both wing aircraft and so-called vertical take-off electric aircraft (eVTOL).

Aufgrund der ringförmigen Ausbildung des Rotors kann innerhalb des Rotorringes ein Propeller, eine Turbine oder Fan oder ein Ringpropeller (ducted fan) oder ein Impeller integriert werden. Der Propeller/Ringpropeller ist mit dem Rotor so verbunden, dass Drehbewegungen des Rotors auf den Ringpropeller, Propeller, Impeller, Fan oder Turbine übertragen werden.Due to the ring-shaped design of the rotor, a propeller, a turbine or fan or a ring propeller (ducted fan) or an impeller can be integrated within the rotor ring. The propeller/ring propeller is connected to the rotor in such a way that rotary movements of the rotor are transmitted to the ring propeller, propeller, impeller, fan or turbine.

Die Übertragung der Axialkraft bzw. der axialen Schubkraft erfolgt bei Anwendung als Luftfahrtantrieb mit Ringpropeller, Propellers, Impellers, Fan, oder Turbine in diesem Falle nicht über die Luftlagerung an der Rotorscheibe sondern über mindestens eine separate konventionelle Wälz-, Kugel-, oder Rollenlagerung der Rotorwelle des Ringpropellers, Propellers, Impellers oder der Turbine.When used as an aircraft drive with ring propeller, propeller, impeller, fan or turbine, the transmission of the axial force or axial thrust does not take place via the air bearing on the rotor disk but via at least one separate conventional roller, ball or roller bearing Rotor shaft of ring propeller, propeller, impeller or turbine.

Eine radiale Beabstandung des Rotorrings, des Ringpropellers, der Turbine oder des Fans kann auch über ein im Statorgehäuse integriertes Luftlager oder eines Magnetlagers erfolgen.The rotor ring, the ring propeller, the turbine or the fan can also be spaced radially apart by means of an air bearing or a magnetic bearing integrated in the stator housing.

Bei einer axiale Aneinanderreihung des erfingungsgemäßen Motors kann eine einzelne elektrischen Phasen jeweils einem Motor zugeordnet werden. Es können mindestens eine elektrische Phase, mindestens zwei bis 3 elektrische Phasen oder mindestens zwei bis 6 elektrische Phasen in der gesamten Anordnung axial angeordnet sein.When the motor according to the invention is lined up axially, a single electrical phase can be assigned to one motor in each case. At least one electrical phase, at least two to 3 electrical phases or at least two to 6 electrical phases can be arranged axially in the entire arrangement.

Aus der WO2009115247A1 ist ein trägheitsarmer Direktantrieb grosser Leistungsdichte mit bekannt worin die Statorwicklung als Ringwicklung in einer umlaufenden Ringnut des Stators vorgesehen ist. Vorteil dieser Erfindung ist, dass die Statorwicklung als Hohlleiter mit Innenkühlung ausgeführt werden kann.From the WO2009115247A1 is a low-inertia direct drive with high power density, in which the stator winding is provided as a ring winding in a circumferential ring groove of the stator. The advantage of this invention is that the stator winding can be designed as a hollow conductor with internal cooling.

Zum Einsatz als Kühlmittel kommen in der Regel Wasser, Öl, oder spezielle Kühlmittel in Frage. Neu hinzu kommt, dass auch flüssiger oder gasförmige Wasserstoff zur Kühlung in diesen Hohlleitern eingesetzt werden kann.Water, oil or special coolants are usually used as coolants. What is new is that liquid or gaseous hydrogen can also be used for cooling in these waveguides.

Ein Vorteil dieser Anwendung ist speziell beim Einsatz von Brennstoffzellen in Kombination mit flüssigem Wasserstoff (LH2). Der tiefkalte Wasserstoff (-253°C) muss vor Eintritt in die Brennstoffzelle erst auf Betriebstemperatur von ca. 60 °C bis 80 °C über eine von aussen zugeführte Energie (Wärmetauscher) erwärmt werden. Da die beim Betrieb des Motors entstehende Wärme abgeführt werden muss, kann dies über die Innenkühlung in den Hohlleitern der Statorwicklung erfolgen.An advantage of this application is especially when using fuel cells in combination with liquid hydrogen (LH2). Before entering the fuel cell, the cryogenic hydrogen (-253°C) must first be heated to an operating temperature of approx. 60°C to 80°C using external energy (heat exchanger). Since the heat generated during operation of the motor has to be dissipated, this can be done via internal cooling in the hollow conductors of the stator winding.

Die Erfindung sowie weitere Details der Erfindung werden im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:

  • 1 : die Lageranordnung eines erfindungsgemäßen Elektromotors,
  • 2 : eine axiale Anordnung mehrer des Elektromotoren mit einer gemeinsamen Rotorachse deren Gehäuse miteinander mechanisch verbunden sind
  • 3 : die Lageranordung erfindungsgemäßer Elektromotor mit integriertem Rotor mit Ringpropeller, Propeller, Impeller, Fan oder Turbine,
  • 4 : Elektromotor mit integriertem Fan/Ringpropeller/Impeller/Fan oder Turbine
  • 5 : Rotorscheibe mit Führungsflächen für Luftlagerung, integrierten Magneten, flexiblem Verbindungselement und integriertem Propeller, Ringpropeller, Impeller, Fan oder Turbine
  • 6: die Draufsicht auf den Rotor mit Führungsflächen für die Luftlagerung, integrierten Permanentmagneten, flexiblem Verbindungselement und Wellenverbindung.
  • 7: die Draufsicht auf den Rotor mit integriertem Fan/Ringpropeller/Impeller/Fan oder Turbine mit Führungsflächen für die Luftlagerung, integrierten Permanentmagneten, flexiblem Verbindungselement und integriertem Radialverdichter oder Radialgebläse.
  • 8: die Schnittzeichnung des Stators mit einer Nut und der darin integrierten Statorringwicklung als Hohlleiter, sowie Rotorscheibe.
The invention and further details of the invention are explained in more detail below with reference to the schematic drawings. Here show:
  • 1 : the bearing arrangement of an electric motor according to the invention,
  • 2 : an axial arrangement of several electric motors with a common rotor axis whose housings are mechanically connected to one another
  • 3 : the bearing arrangement of the electric motor according to the invention with an integrated rotor with ring propeller, propeller, impeller, fan or turbine,
  • 4 : Electric motor with integrated fan/ring propeller/impeller/fan or turbine
  • 5 : Rotor disc with guide surfaces for air bearings, integrated magnets, flexible connecting element and integrated propeller, ring propeller, impeller, fan or turbine
  • 6 : the top view of the rotor with guide surfaces for the air bearings, integrated permanent magnets, flexible connecting element and shaft connection.
  • 7 : the top view of the rotor with integrated fan/ring propeller/impeller/fan or turbine with guide surfaces for air bearings, integrated permanent magnets, flexible connecting element and integrated centrifugal compressor or centrifugal blower.
  • 8th : the sectional drawing of the stator with a slot and the integrated stator ring winding as a hollow conductor, as well as a rotor disc.

In 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßer Elektromotor gezeigt. Der Elektromotor besitzt einen ringförmigen Rotor 1 und einen Stator 2, der beidseitig des Rotors 1 angeordnete Statorzähne 3 umfasst. Unter dem Begriff Statorzähne sollen alle Arten von den magnetischen Fluss leitenden Vorsprüngen, Nuten, Ein- oder Ausbuchtungen des Stators verstanden werden. Die Statorzähne sind im Wesentlichen auf einem Kreis angeordnet, der sich senkrecht zur Zeichenebene der 1 erstreckt.In 1 an electric motor according to the invention is shown schematically. The electric motor has an annular rotor 1 and a stator 2 which comprises stator teeth 3 arranged on both sides of the rotor 1 . The term stator teeth should be understood to mean all types of projections, grooves, indentations or bulges of the stator that conduct the magnetic flux. The stator teeth are essentially arranged on a circle that is perpendicular to the plane of the drawing 1 extends.

Der Rotor 1 ist als ringförmige Scheibe mit einem Außendurchmesser von beispielsweise 30 cm bis 200 cm. Der Innendurchmesser des Rotors 1 beträgt vorzugsweise zwischen und 10 cm und 30 cm, oder zwischen 10 cm und 150 cm. Der Rotor 1 besteht im Wesentlichen aus einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere einem Carbonwerkstoff, in oder an dem Permanentmagnete 7 befestigt sind. In der in 1 gezeigten Variante besitzt der Rotor 1 Aussparungen, in die Permanentmagnete 7 einlaminiert sind. Der Rotor 1 umfasst beispielsweise zwischen 40 und 150 Permanentmagnete 7, welche gleichmäßig über den Rotor 1 verteilt angeordnet sind.The rotor 1 is in the form of an annular disc with an outer diameter of, for example, 30 cm to 200 cm. The inner diameter of the rotor 1 is preferably between 10 cm and 30 cm, or between 10 cm and 150 cm. The rotor 1 essentially consists of a fiber composite material, in particular a carbon material, in or on which permanent magnets 7 are attached. in the in 1 The variant shown has the rotor 1 recesses in which permanent magnets 7 are laminated. The rotor 1 comprises, for example, between 40 and 150 permanent magnets 7, which are distributed evenly over the rotor 1.

Zwischen dem Rotor 1 und den beidseitig des Rotors 1 angeordneten Statorzähnen 3 befindet sich jeweils ein schmaler Luftspalt 8 mit einer Breite von zum Beispiel 0,1 mm oder 0,01 mm.Between the rotor 1 and the stator teeth 3 arranged on both sides of the rotor 1 there is a narrow air gap 8 with a width of, for example, 0.1 mm or 0.01 mm.

Aufgrund der relativ großen radialen Ausdehnung des Rotors 1 und dem sehr schmalen Luftspalt 8 bewirken leichte Verkippungen der geometrischen Achse des Rotors 1 bzw. axial auftretende Kräfte große relative und absolute Änderungen des Luftspalts 8. Der Rotor 1 ist vorzugsweise drehsymmetrisch ausgeführt. Die Dreh- oder Symmetrieachse des Rotors 1 bildet damit dessen geometrische Achse.Due to the relatively large radial extent of the rotor 1 and the very narrow air gap 8, slight tilting of the geometric axis of the rotor 1 or axially occurring forces cause large relative and absolute changes in the air gap 8. The rotor 1 is preferably designed to be rotationally symmetrical. The axis of rotation or symmetry of the rotor 1 thus forms its geometric axis.

Der Rotor 1 ist mit einer Rotorwelle 4 so verbunden, dass eine Drehbewegung des Rotors 1 zu einer Drehbewegung der Rotorwelle 4 führt und umgekehrt. Wäre der Rotor 1 starr mit der Rotorwelle 4 verbunden, so würden die geometrische Achse des Rotors 1 und die Rotorwelle 4 zusammenfallen. Verkippungen, Vibrationen oder Erschütterungen der Rotorwelle 4 bzw. axial auftretende Kräfte wären damit gleichbedeutend mit entsprechenden Lageänderungen der geometrischen Achse des Rotors 1 und würden unerwünschte Änderungen der Luftspaltbreite hervorrufen oder sogar zu einem Schleifen des Rotors führen.The rotor 1 is connected to a rotor shaft 4 in such a way that a rotary movement of the rotor 1 leads to a rotary movement of the rotor shaft 4 and vice versa. If the rotor 1 were rigidly connected to the rotor shaft 4, the geometric axis of the rotor 1 and the rotor shaft 4 would coincide. Tilting, vibrations or shaking of the rotor shaft 4 or axially occurring forces would thus be equivalent to corresponding changes in position of the geometric axis of the rotor 1 and would cause undesirable changes in the air gap width or even lead to the rotor grinding.

Zur Lagerung des Rotors 1 ist ein Außenlager vorgesehen. In dem in 1 gezeigten Beispiel ist das Außenlager am Gehäuse 11 des Motors angebracht. Das Außenlager ist als Luftlager 10 in den Stator 2 integriert welche den Rotor 1 so führen, dass der Luftspalt 8 zwischen den Statorzähnen 3 und dem Rotor 1 stets gleich breit bleibt.An external bearing is provided for mounting the rotor 1 . in the in 1 shown example, the outer bearing is attached to the housing 11 of the engine. The outer bearing is integrated into the stator 2 as an air bearing 10 which guides the rotor 1 in such a way that the air gap 8 between the stator teeth 3 and the rotor 1 always remains the same width.

Die Luftlagerungen 10 können, wie in 1 dargestellt, einen geringeren radialen Abstand zur Rotorwelle 4 besitzen als die Statorzähne 3 und die Permanentmagneten 7. Es ist aber auch möglich, die Luftlagerungen 10 radial außerhalb der Statorzähne 3 bzw. der Permanentmagneten 7 vorzusehen, d.h. weiter von der Rotorwelle 4 entfernt als die Statorzähne 3 bzw. die Permanentmagneten 7.The air bearings 10 can, as in 1 shown, have a smaller radial distance to the rotor shaft 4 than the stator teeth 3 and the permanent magnets 7. However, it is also possible to provide the air bearings 10 radially outside the stator teeth 3 or the permanent magnets 7, ie further away from the rotor shaft 4 than the stator teeth 3 or the permanent magnets 7.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Luftlagerungen 10 auch im Bereich der Statorzähne 3 zwischen den Statorzähnen zu integrieren.Another possibility is to also integrate the air bearings 10 in the area of the stator teeth 3 between the stator teeth.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Luftlagerungen in allen Bereich der Statorzähne 3 zwischen den Statorzähnen und innerhalb der Statorzähne 3 und ausserhalb der Statorzähne 3 zu kombinieren.Another possibility is to combine the air bearings in all areas of the stator teeth 3 between the stator teeth and inside the stator teeth 3 and outside the stator teeth 3 .

In 1 sind Wellenlager 12 dargestellt, um die Rotorwelle 4 radial und axial zu lagern. Die Wellenlager 12 sind vorzugsweise als Kugel- oder Wätzlager ausgeführt und sollen die Rotorwelle 4 in der gewünschten Position halten und axiale Kräfte auf das Gehäuse und damit auf die Motoraufhängung übertragen.In 1 shaft bearings 12 are shown for supporting the rotor shaft 4 radially and axially. The shaft bearings 12 are preferably designed as ball or roller bearings and are intended to hold the rotor shaft 4 in the desired position and to transmit axial forces to the housing and thus to the motor suspension.

In 2 ist eine axiale Anordnung mehrer des Elektromotoren 20 mit einer gemeinsamen Rotorachse 4, deren Gehäuse 11 miteinander mechanisch verbunden sindIn 2 is an axial arrangement of several of the electric motors 20 with a common rotor axis 4, the housing 11 are mechanically connected to each other

In 3 ist die Anordnung des Rotor 1 mit dem integrierten Ringpropeller / Impeller, Fan oder Turbine 30 schematisch dargestellt. Der Rotor 34 ist in dieser Ausführung als ringförmige Rotorscheibe 1 in Verbindung mit dem Ringpropeller 30 ausgeführt. Die Rotorscheibe 1 ist über ein flexibles Verbindungselement 35 mit dem Ringpropeller 30 verbunden.In 3 the arrangement of the rotor 1 with the integrated ring propeller / impeller, fan or turbine 30 is shown schematically. In this embodiment, the rotor 34 is designed as an annular rotor disk 1 in connection with the annular propeller 30 . The rotor disk 1 is connected to the ring propeller 30 via a flexible connecting element 35 .

Der in 3 dargestellte Ringpropeller erzeugt durch die Drehbewegung die durch den Rotor 1 erzeugt einen Luftstrom und damit eine axiale Schubkraft.the inside 3 The ring propeller shown generates an air flow and thus an axial thrust force due to the rotational movement generated by the rotor 1 .

In 3 ist die Verbindung des Ringpropellers 30 über eine axiale verschiebbare, drehfeste Verbindung 36 zur Rotorachse 4 dargestellt. Die Rotorachse 4 ist wie in 1 dargestellt über die Lager 12 axial und radial gelagert.In 3 the connection of the ring propeller 30 via an axially displaceable, non-rotatable connection 36 to the rotor axis 4 is shown. The rotor axis 4 is as in 1 shown supported axially and radially on the bearings 12.

In 3 ist die radiale Beabstandung des Ringpropellers 30 über eine Radiallagerung 32 dargestellt. Diese Radiallagerung 32 kann eine Luftlagerung oder eine Magnetlagerung sein.In 3 the radial spacing of the ring propeller 30 via a radial bearing 32 is shown. This radial bearing 32 can be an air bearing or a magnetic bearing.

Die Kraftübertragung der axialen und radialen Kräfte der Rotorwelle zum Gehäuse erfolgt über mindestens 3, oder mindestens 4 Radialstreben 33. Diese Streben können separat oder auch Bestandteil des Motorgehäuses 11 sein.The transmission of the axial and radial forces of the rotor shaft to the housing takes place via at least 3 or at least 4 radial struts 33. These struts can be separate or also part of the motor housing 11.

In 4 ist der Motor 20 mit integriertem Ringpropeller 30 und den Radialstreben 33 dargestellt.In 4 the motor 20 is shown with an integrated ring propeller 30 and the radial struts 33 .

In 5 ist die Rotorscheibe 1 mit integriertem Ringpropeller, Impeller, Fan, Turbine 30 dargestellt. Die Luftlagerung wirkt auf die Laufflächen 51, 52 oder / und auf die ringförmige Fläche 53 des Rotors in der die Permanentmagnete 7 befestigt sind, sowie die radiale und axial verschiebbare, drehstarre Verbindung 36 von der Rotorachse.In 5 the rotor disk 1 with an integrated ring propeller, impeller, fan, turbine 30 is shown. The air bearing acts on the running surfaces 51, 52 and/or on the annular surface 53 of the rotor in which the permanent magnets 7 are fastened, as well as the radially and axially displaceable, torsionally rigid connection 36 from the rotor axis.

In 6 ist die die Draufsicht auf den Rotor 1 mit Führungsflächen 51, 52, 53 für die Luftlagerung, integrierten Permanentmagneten 7, flexiblem Verbindungselement 35 und der axial verschiebbaren, drehstarre Verbindung 36 dargestellt.In 6 is the top view of the rotor 1 with guide surfaces 51, 52, 53 for the air bearing, integrated permanent magnet 7, flexible connecting element 35 and the axially displaceable, torsionally rigid connection 36 is shown.

In 7 ist die die Draufsicht auf die Rotorscheibe 1 mit integriertem Ringpropeller, Impeller, Fan, Turbine 30 und den Führungsflächen 51, 52, 53 für die Luftlagerung, integrierten Permanentmagneten 7, und des an der Rotorscheibe integrierten Radialverdichters oder Radialgebläses 54 dargestellt.In 7 is the top view of the rotor disk 1 with an integrated ring propeller, impeller, Fan, turbine 30 and the guide surfaces 51, 52, 53 for the air bearings, integrated permanent magnets 7, and the integrated centrifugal compressor or centrifugal fan 54 on the rotor disk.

In 8 ist der Schnitt (Blickrichtung senkrecht zur Drehachse) durch den Stator 2 mit der Ringnut 81 der Statorringwicklung 82 in Form eines Hohlrohres 82 und des Rotors 1 dargestellt.In 8th the section (viewing direction perpendicular to the axis of rotation) through the stator 2 with the annular groove 81 of the stator ring winding 82 in the form of a hollow tube 82 and the rotor 1 is shown.

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Claims (13)

Elektrische Maschine, insbesondere Elektromotor, mit einem um eine Rotorwelle (4) drehbar angeordneten Rotor (1), wobei der Rotor mittels einem von der Rotorwelle beabstandeten Aussenlagers axial gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Aussenlager als Luftlagerung (10) kreisförmig im Stator (2) um die Rotorwelle (4) ausgeführt ist.Electrical machine, in particular an electric motor, with a rotor (1) arranged to rotate about a rotor shaft (4), the rotor being axially mounted by means of an external bearing spaced apart from the rotor shaft, characterized in that the external bearing as an air bearing (10) is circular in the stator ( 2) around the rotor shaft (4). Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftlagerung (10) kreisförmig im Stator (2) ausserhalb des Bereichs der Rotormagnetfläche (7) angeordnet ist.Electric machine after claim 1 , characterized in that the air bearing (10) is arranged in a circle in the stator (2) outside the area of the rotor magnet surface (7). Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftlagerung (10) kreisförmig im Stator (2) im Bereich innerhalb der Rotormagnetfläche (7) angeordnet ist.Electric machine after claim 1 , characterized in that the air bearing (10) is arranged in a circle in the stator (2) in the area inside the rotor magnet surface (7). Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzufuhr für die Luftlagerung genau im Bereich der Rotormagnetfläche (7) zwischen den Statorzähnen (3) angeordnet ist.Electric machine after claim 1 , characterized in that the air supply for the air bearing is arranged precisely in the area of the rotor magnet surface (7) between the stator teeth (3). Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der ringförmigen Ausbildung des Rotors innerhalb des luftgelagerten Rotorrings (1) ein Ringpropeller, Propeller, Impeller, Fan oder Turbine (30) integriert ist.Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that due to the ring-shaped design of the rotor, a ring propeller, propeller, impeller, fan or turbine (30) is integrated within the air-bearing rotor ring (1). Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringpropeller, Propeller, Impeller, Fan oder Turbine (30) für die Erzeugung einer axialen Schubkraft axial fest mit der Rotorwelle (4) verbunden ist und die Axialkräfte über die Lager (12) und die Streben (33) auf das Gehäuse bzw. die Motoraufhängung übertragen werdenElectrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the ring propeller, propeller, impeller, fan or turbine (30) is axially firmly connected to the rotor shaft (4) for generating an axial thrust force and the axial forces are transmitted via the bearings (12) and the struts (33) are transferred to the housing and the engine mount, respectively Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringpropeller, Propeller, Impeller, Fan oder Turbine (30) radial flexibel über eine Verbindung (35) mit dem Rotor (1) verbunden ist.Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the ring propeller, propeller, impeller, fan or turbine (30) is connected to the rotor (1) in a radially flexible manner via a connection (35). Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringpropeller, Propeller, Impeller, Fan oder Turbine (30) über eine Luftlagerung (32) oder Magnetlagerung (32) radial gelagert ist.Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the ring propeller, propeller, impeller, fan or turbine (30) is mounted radially via an air bearing (32) or magnetic bearing (32). Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein axial am Rotor integrierter Radialverdichter oder Radialgebläse 54 den Luftdruck und die Luftmenge für die Luftlagerung (10) erzeugt.Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that a radial compressor or radial fan 54 integrated axially on the rotor generates the air pressure and the air quantity for the air bearing (10). Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das mehrere Motoren (20) axial auf einer Rotorwelle (4) angeordnet und mechanisch über die Gehäuse verbunden sindElectrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of motors (20) are arranged axially on a rotor shaft (4) and are mechanically connected via the housing Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das das Gesamtsystem aus mehreren axial verbundenen Motoren (20) bis zu 6 elektrische Phasen aufweisen kann, wobei jede einzelne Phase auf jeweils einem Motor (20) angeordnet ist.Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the overall system of several axially connected motors (20) can have up to 6 electrical phases, each individual phase being arranged on a respective motor (20). Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dies als Antriebssystem im Mobilitätsbereich, insbesondere bei Luftfahrzeugen mit Propellerantrieb bzw. bei sogenannten Flugtaxis mit schwenkbaren Mantel- oder Ringpropellern Anwendung findet.Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that this is used as a drive system in the mobility sector, in particular in aircraft with propeller drives or in so-called flight taxis with swiveling jacketed or ring propellers. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklung 82 als Hohlleiter mit Innenkühlung ausgebildet ist und mit flüssigem oder gasförmigen Wasserstoff durchströmt und damit gekühlt werden kann.Electric machine after claim 1 , characterized in that the stator winding 82 is designed as a waveguide with internal cooling and flows through with liquid or gaseous hydrogen and can be cooled with it.
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