WO2017194352A1 - Elektrische maschine mit doppelläuferanordnung - Google Patents

Elektrische maschine mit doppelläuferanordnung Download PDF

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WO2017194352A1
WO2017194352A1 PCT/EP2017/060404 EP2017060404W WO2017194352A1 WO 2017194352 A1 WO2017194352 A1 WO 2017194352A1 EP 2017060404 W EP2017060404 W EP 2017060404W WO 2017194352 A1 WO2017194352 A1 WO 2017194352A1
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rotor
stator
electrical machine
permanent magnets
inner rotor
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PCT/EP2017/060404
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Inventor
Mykhaylo Filipenko
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/22—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating around the armatures, e.g. flywheel magnetos

Definitions

  • the invention relates to an electric machine with a double-rotor arrangement, in particular a machine having an inner rotor and an outer rotor, between which a stator is arranged.
  • a power density can be used, wel ⁇ Che sets the achievable by the machine power in relation to their weight and is usually given in kW / kg. While up to 2 kW / kg are sufficient for many industrial applications, power densities in orders of magnitude, Need Beer ⁇ you Untitled eg. For the electrification of aviation electrical machines with power densities of at least 20 kW / kg.
  • the power density of an electrical machine scales directly with the magnetic flux density, which can be generated by the electric or permanent magnets used in the electric machine and which can be used with the example of the
  • Stator of the machine arranged coils interacts electromagnetically.
  • This relationship between the flux density and the power density allows a significant increase in the power density of the machine in that a Doppel ⁇ runner configuration is used, in which the stator or arranged on the stator coils between two magnetic flux density-causing magnets equipped runners is arranged.
  • the stator is arranged in the radial direction between an external rotor and an internal rotor.
  • Such double-armature configurations are electromagnetically advantageous, since they allow both very high magnetic flux densities in the air gaps and best map the magnetic circuit, since the runners on both sides of the stator for the generation and for the guidance of the magnetic flux. can be used. These and other measures can be reflected in increased power density.
  • ⁇ in the radially outer outer rotor has a bell shape and this surrounds the inner rotor and the stator.
  • the bell shape is open at one end as viewed in the axial direction and closed at one end, wherein the bell or the rotor at the closed end with a shaft of the electric machine is connected such that a torque from the rotor to the shaft or vice versa can be transmitted ,
  • the main disadvantage of this construction is that high bending moments occur on ⁇ due to the magnetic attraction forces in the radial direction, the effect, in particular, at the open end of the bell and the intercepted by a relatively heavy mechanical design of the rotor ⁇ the need.
  • the above-mentioned advantages of the electromagnetic ⁇ tica design can be partially overcompensated by these mechanical disadvantages. It is therefore an object of the present invention to provide an alternative way to increase the power weight of an electric machine.
  • An electrical machine has an inner ⁇ runner and an outer rotor which together form a double-pelmati für , and a stator.
  • the inner rotor and the outer rotor are arranged concentrically with each other such that the inner rotor is located radially inside the outer rotor.
  • the stator is in the radial direction disposed between the inner rotor and the outer rotor and concentric with the inner rotor and the outer rotor.
  • the external rotor is rotatably mounted on the stator with the aid of a pair of roller bearings, wherein the two roller bearings of the pair are arranged in the axial direction spaced from each other.
  • the inner rotor with the aid of another pair of rolling bearings can be rotatably mounted on the stator, wherein the two rolling bearings of the other pair of rolling bearings are also arranged spaced apart in the axial direction.
  • stator rotatably mounted on the stator means that the per ⁇ stays awhile rotor is rotatable relative to the stator and that the respective pair of roller bearings on the respective rotor
  • Stator supports so that represents the respective pair of bearings a rotary connection between the respective rotor and the stator.
  • the advantage of this configuration with rolling bearings is that the structure of the double-rotor arrangement can be easier, since the structure does not have to bear a one-sided, strong bending moment.
  • the advantage therefore lies in the complete elimination of the external bending moments, which lead to a streamlining of the mechanical structure of the double-rotor arrangement and thus of the electrical machine as a whole.
  • the double-rotor arrangement can exploit its electromagnetic advantages without being disadvantaged by the mechanical design.
  • the term of the rolling bearing is to be noted that these are bearings, with which a first component mounted ⁇ example, for example, an inner ring, and a second component mounted ⁇ component, for example, an outer ring are rotatable or rotatable relative to each other.
  • Well-known subgroups of the rolling bearings are, for example, ball bearings or roller bearings, whereby combined designs are also possible, as described, for example, in DE102006044802A1.
  • inner ring and outer ring are lubically arranged with a lying in the radial direction between the inner ring and outer ring annular gap.
  • the rolling elements may, for example, be formed as balls or rollers or rollers.
  • the structure and operation of such rolling bearings are well known, are therefore not further explained.
  • a corresponding arrangement results in a Axi ⁇ alumblelzlager, wherein the first and the second component in the axial direction are arranged one behind the other. Both components are annular with substantially the same radii.
  • the rolling elements are also here in one
  • Gap which is located in the axial direction between the two components.
  • the runners i. the inner rotor and the outer rotor each have a plurality of permanent magnets for generating a magnetic flux.
  • the permanent magnets of the inner rotor and the outer rotor are designed and arranged such that a torque between the inner rotor and the outer rotor alone and in particular without the use of the below-mentioned mechanical connection between the runners, but only due to magnetic forces between the inner rotor and the outer rotor arranged permanent magnet is transmitted. Also, this arrangement without the mechanical connection leads to a further weight saving.
  • the two runners can be largely independently treated, which is particularly in the event that the permanent magnets of the inner rotor and the outer rotor depending ⁇ Weil superconducting, is advantageous. In this case, Kings ⁇ NEN necessary to cool the magnet cryostats be performed inde pendent ⁇ or separated. Also, the magnetization of the superconducting magnets necessary before the operation of the electric machine would be simplified.
  • the permanent magnets can be formed as superconducting permanent magnets, whereby significantly higher flux densities are possible, which has a positive effect on the power density
  • the inner rotor and / or the outer rotor are mechanically connected to a shaft of the electric machine, so that a torque can be transmitted between the respective rotor and the shaft.
  • the inner rotor can be connected to the external rotor via a mechanical connection to Drehmomentübertra ⁇ supply to guarantee in a simple way that the full torque between double rotor structure and Wave is transmitted.
  • the mechanical connection between inner and outer rotor is useful to ensure an effective torque transmission.
  • this is relatively easy, since only torques must be transmitted in the circumferential direction, while bending loads, etc. are intercepted by the rolling bearing assembly.
  • the inner rotor and / or the outer rotor can each have a yoke, for example an iron yoke, for guiding the magnetic flux generated by the permanent magnets.
  • a yoke for example an iron yoke
  • the permanent magnets of the inner rotor and / or the outer rotor are each formed as a Halbach arrangement, however, can be dispensed with the use of the iron yokes, since the magnetic flux does not have to be guided over yokes.
  • Halbach arrangements are known, for example, from DE102013225093A1. This also results in a more rowsre ⁇ duzmaschine. Further advantages and embodiments will become apparent from the drawings and the corresponding description.
  • FIG. 1 shows a lateral sectional view of a side view
  • FIG. 2 shows a side sectional view of an electric machine with double rotor arrangement according to the invention
  • FIG. 3 shows a lateral sectional view of an electric machine according to the invention with double rotor arrangement in a first expanded embodiment
  • 4 shows a side sectional view of an electric machine according to the invention with double rotor arrangement in a second expanded embodiment.
  • Like reference numerals in different figures indicate like components. It is also noted that terms such as Be ⁇ "axial” and “radial” refer to the coming wave in each beschrie ⁇ surrounded example, or in the respective figure is used. In other words, the directions refer axially and radially always to a rotational axis of the Läu ⁇ fers.
  • the machine 100 has a rotor 110 in the form of a double-rotor arrangement with an inner rotor 111 and an outer rotor 112, the inner rotor 111 having a smaller diameter than the outer rotor 112.
  • the rotors 111, 112 of the double-rotor arrangement 110 are arranged concentrically to one another, such that the inner rotor 111 is located radially inside the outer rotor 112. In the axial direction, the runners 111, 112 are located substantially at the same position.
  • Both the inner rotor 111 and the outer rotor 112 permanent magnets 113, 114 are mounted, which generate magnetic fields or magnetic fluxes.
  • the runners 111, 112 and attached to the runners 111, 112, magnets 113, 114 are dimensioned such that a respective magnet 113 is located on ⁇ In neninr 111 and a magnet 114 at the external rotor in the radial direction with respect to.
  • the magnetic flux extends over the air gap between such a pair of magnets consisting of radially opposite magnets on the inner rotor 111 and the outer rotor 112 and closes on the example.
  • Eisenjoche 115, 116 formed inner and outer rotor 111, 112th
  • the machine 100 has a stator 120.
  • the stator 120 is concentric with the inner rotor 111 andorderläu- fer 112 and further arranged in the radial direction between the inner rotor 111 and the outer rotor 112, so located in the above-mentioned air gap between the inner rotor 111 and outer rotor 112.
  • the stator 120 carries a plurality of windings or coils 121 which are wound on cores 122 may be and are arranged such that they are penetrated by the magnetic flux generated by the permanent magnets 113, 114.
  • the stator 120 may have a mechanical ⁇ African connection 123, for example.
  • Oa a screw to be firmly connected to a housing or other components of the electric machine 100 (not shown in detail), so that the stator 120 relative to the engine 100 in itself or .
  • the housing With respect to the housing is ultimately immobile and essentially only the rotor 110 together with a shaft 130 can perform ne movement.
  • the rotor 110 or the double-rotor arrangement 110 rotates relative to the stator 120.
  • Rotor 110 and stator 120 are arranged relative to one another such that the magnetic field of the permanent magnets 113, 114 and the coils 121 interact with one another in such a way that that the electrical machine 100 operates as a generator and / or in a second operating mode as an electric motor due to the interaction ⁇ effect in a first operating mode.
  • the operation of the electrical machine 100 is thus based on the known concept that the two components 110, 120 interact electromagnetically with each other, so that the electric machine 100 can operate in one of the two operating modes.
  • the double rotor arrangement 110 and with it the permanent magnets 113, 114 are, for example, set in rotation via the shaft 130 of the electrical machine 100, so that electrical voltages are induced in the coils 121 of the stator 120 . If the electric machine 100 is to operate as an electric motor, the coils 121 are supplied with electric current, so that due to the interaction of the magnetic field generated therewith. net fields with the fields of the permanent magnets 113, 114 a torque on the rotor 110 and thus acts on the shaft 130. In principle, it is also conceivable, but not shown, that the permanent magnets 113, 114 is not ⁇ arranged on the rotor 110 are, but on the stator 120.
  • the coils 121 are induced in the according to the operating voltages and are supplied with a current are arranged in this case on the runner 110 and can be connected, for example via brushes or other suitable transformer with an electrical load or with a power source (not shown).
  • This embodiment is, however, explained in the following non nä ⁇ ago, it does not WE sentliche role for the actual invention to which the two components 110, 120, the permanent magnets 113, 114 and the coils 121 are arranged respectively.
  • the external rotor 112 of the known double-rotor arrangement 110 is realized as a bell-type rotor.
  • a bell runner 112 has a bell shape which surrounds the inner rotor 111 and the stator 120. As seen in the axial direction, the bell shape is open at one end 117 and completely or partially closed at the other end 118, wherein the bell 112 and the outer rotor 112 are connected at the closed end to the inner rotor 111 and in particular to the shaft 130 of the electric machine 100 is that a torque from the double-rotor assembly 110 on the shaft 130 or vice versa can be transmitted.
  • FIG 2 shows an inventive electrical machine 100, in which the external rotor 112 has no bell shape.
  • the operation of the machine 100 illustrated in FIG 2 as well as in the further Fi ⁇ guren corresponds to that known from the prior art machine, however, the external rotor 112 by means of two roller bearings 141 rotatably mounted on the stator 120 142, so the roller bearing 141, 142 ei ⁇ ne rotary connection to the stator 120 represent.
  • the two rolling Bearings 141, 142 are in the axial direction of each other
  • a further pair of roller bearings 143, 144 may be provided between the inner rotor 111 and the stator 120, which produces a rotational connection between the inner rotor 111 and the stator 120. This is likewise shown in FIG.
  • the rolling bearing 143, 144 of the other pair are also arranged spaced apart in the axial direction, so that here in particular ⁇ special acting in the radial direction bending moments can be intercepted.
  • At least one of the rotors 111, 112, for example, the inner rotor 111, must be mechanically connected to the shaft 130 in order to allow a torque transmission between the double rotor assembly 110 and shaft 130.
  • FIG. 3 shows a further development of the electric machine 100, in which, moreover, the inner rotor 111 is connected to the outer rotor 112 via a mechanical connection 119 for transmitting torque, so that the torques generated on both rotors 111, 112 subsequently act on the Wave 130 are transferable.
  • 3 embodiments of the runners 111, 112 each have an iron yoke 115, 116 for guiding the on by the permanent magnets 113, 114 magnetic flux generated ⁇ tables.
  • the 4 shows in the direction indicated in FIG 2 with "IV" view an alternative arrangement wherein the greatest extent on the use of flux conducting materials can be dispensed starting, so that the runners 111, 112 we ⁇ considerably lighter, more that is lighter in weight
  • the permanent magnets 113, 114 are each configured as so-called Halbach arrays Such a rotor with Halbach arrangements is, for example, in
  • an advantage of the Halbach array is based on the fact that the genetic like ⁇ flux density in the air gap, the radially between the stator 120 and the respective rotor 111, is 112, extends mainly.
  • a Halbach arrangement may be formed by means of a plurality of permanent magnets, so that by a special arrangement of the individual permanent magnets, the magnetic flux density in the radially inward direction, ie within the respective rotor 111, 112, attenuated while in the associated air gap , that is, outside the respective rotor 111, 112 in the area between the respective rotor 111, 112 and the stator 120, itself amplified and / or concentrated.
  • the coils 121 of the stator 120 are preferably designed as so-called. Air coils, ie in particular without weichmagneti ⁇ 's core. Instead, the coils 121 may, for example, be wound on nonmagnetic cores 122 of a preferably light material or even completely without a core. This has the consequence that also the stator 120, can inter alia be made such that it has a comparatively low weight ⁇ .
  • the rolling bearings 141, 142, 143, 144 may be formed, for example, as a ball bearing. Also suitable are, for example, embodiments as roller or roller bearings.
  • the coils 121 can be induced into the voltages depending on the operation or to be supplied with a current , are connected via the bearings with an electrical load or with a power source (not shown). On brushes or similar compo- Accordingly, it is possible to dispense with the transmission of the electric current from or onto the coils 121 rotating in this case. It should be noted that the aspects and features of the electric machine explained with reference to the various figures can be combined with one another as far as possible.
  • the weight of the overall arrangement advantageous embodiment results from the combination of the embodiment with Halbach arrays on the rotor 110 with the embodiment with Lucasspu ⁇ len 121 on the stator 120, because in this case due to the white ⁇ testgoing abandonment of relatively heavy components an electric machine with low weight can be realized.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer einen Innenläufer und einen Außenläufer aufweisenden radialen Doppelläuferanordnung, wobei zwischen den beiden Läufern ein Stator angeordnet ist. An den Läufern befinden sich Permanentmagnete, während der Stator eine Vielzahl von Spulen trägt, die bei gegenseitiger Rotation von Läufer und Stator mit den Permanentmagneten elektromagnetisch wechselwirken. Der Außenläufer und ggf. auch der Innenläufer sind mit Hilfe von jeweiligen Paaren von Kugellagern rotierbar am Stator gelagert, so dass evtl. auftretende Biegemomente durch die Wälzlager aufgenommen werden. Demnach können die Läufer, insbesondere der Außenläufer, weniger robust und damit leichter ausgeführt werden.

Description

Beschreibung
Elektrische Maschine mit Doppelläuferanordnung Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer Doppelläuferanordnung, insbesondere eine Maschine mit einem Innenläufer und einem Außenläufer, zwischen denen ein Stator angeordnet ist. Zur Klassifizierung einer elektrischen Maschine kann unter anderem die sogenannte Leistungsdichte verwendet werden, wel¬ ches die von der Maschine erbringbare Leistung ins Verhältnis zu ihrem Gewicht setzt und in der Regel in kW/kg angegeben wird. Während für viele technische Anwendungen Leistungsdich- ten in Größenordnungen bis zu 2kW/kg ausreichend sind, benö¬ tigt man bspw. für die Elektrifizierung der Luftfahrt elektrische Maschinen mit Leistungsdichten von mindestens 20kW/kg.
Die Leistungsdichte einer elektrischen Maschine skaliert di- rekt mit der magnetischen Flussdichte, die durch die in der elektrischen Maschine zum Einsatz kommenden Elektro- oder Permanentmagnete erzeugbar ist und die mit den bspw. am
Stator der Maschine angeordneten Spulen elektromagnetisch wechselwirkt. Dieser Zusammenhang zwischen der Flussdichte und der Leistungsdichte erlaubt eine signifikante Erhöhung der Leistungsdichte der Maschine dadurch, dass eine Doppel¬ läuferkonfiguration eingesetzt wird, bei der der Stator bzw. die am Stator angeordneten Spulen zwischen zwei mit die magnetische Flussdichte verursachenden Magneten ausgestatteten Läufern angeordnet ist. Dabei ist bspw. bei einer radialen Doppelläuferkonfiguration der Stator in radialer Richtung zwischen einem Außenläufer und einem Innenläufer angeordnet.
Solche Doppelläuferkonfigurationen sind elektromagnetisch vorteilhaft, da sie sowohl sehr hohe magnetische Flussdichten in den Luftspalten erlauben als auch den Magnetkreis bestmöglich abbilden, da die Läufer auf beiden Seiten des Stators für die Erzeugung und für die Führung des magnetischen Flus- ses genutzt werden können. Diese und weitere Maßnahmen können sich in einer erhöhten Leistungsdichte niederschlagen.
Ein Ansatz zur Erhöhung der Leistungsdichte besteht demnach darin, in der elektrischen Maschine eine Doppelrotorkonfigu¬ ration einzusetzen. Üblicherweise werden radiale Doppel¬ läuferkonfigurationen mit zumindest einem sogenannten Glockenläufer realisiert. Dies ist in der FIG 1 dargestellt, wo¬ bei der radial außen angeordnete Außenläufer eine Glockenform aufweist und diese den Innenläufer sowie den Stator umgibt.
Die Glockenform ist in axialer Richtung gesehen an einem Ende offen und an einem Ende geschlossen, wobei die Glocke bzw. der Läufer am geschlossenen Ende mit einer Welle der elektrischen Maschine derart verbunden ist, dass ein Drehmoment vom Läufer auf die Welle oder umgekehrt übertragen werden kann. Der wesentliche Nachteil dieser Konstruktion ist, dass auf¬ grund der magnetischen Anziehungskräfte hohe Biegemomente in radialer Richtung auftreten, die sich insbesondere am offenen Ende der Glocke auswirken und die durch eine vergleichsweise schwere mechanische Konstruktion des Läufers abgefangen wer¬ den müssen. Die oben aufgeführten Vorteile des elektromagne¬ tischen Designs können durch diese mechanischen Nachteile teilweise überkompensiert werden. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Möglichkeit anzugeben, das Leistungsgewicht einer elektrischen Maschine zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene elektrische Maschine gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen.
Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine weist einen Innen¬ läufer und einen Außenläufer auf, welche gemeinsam eine Dop- pelläuferanordnung bilden, sowie einen Stator. Der Innenläufer und der Außenläufer sind derart konzentrisch zueinander angeordnet, dass sich der Innenläufer radial innerhalb des Außenläufers befindet. Der Stator ist in radialer Richtung zwischen dem Innenläufer und dem Außenläufer und konzentrisch zu dem Innenläufer und dem Außenläufer angeordnet. Der Außenläufer ist mit Hilfe eines Paares von Wälzlagern rotierbar am Stator gelagert, wobei die beiden Wälzlager der Paares in axialer Richtung voneinander beabstandet angeordnet sind.
Weiterhin kann auch der Innenläufer mit Hilfe eines weiteren Paares von Wälzlagern rotierbar am Stator gelagert sein, wobei die beiden Wälzlager des weiteren Paares von Wälzlagern ebenfalls in axialer Richtung voneinander beabstandet angeordnet sind.
Hierbei bedeutet „rotierbar am Stator gelagert", dass der je¬ weilige Läufer gegenüber dem Stator rotierbar ist und dass das jeweilige Paar von Wälzlagern den jeweiligen Läufer am
Stator abstützt, dass also das jeweilige Paar von Wälzlagern eine Drehverbindung zwischen dem jeweiligen Läufer und dem Stator darstellt. Der Vorteil dieser Konfiguration mit Wälzlagern liegt darin, dass die Struktur der Doppelläuferanordnung leichter ausfallen kann, da die Struktur keine einseitigen, starken Biegemoment tragen muss. Der Vorteil liegt demnach in der vollständigen Eliminierung der äußeren Biegemomente, die zu einer Verschlankung der mechanischen Struktur der Doppelläuferanordnung und damit der elektrischen Maschine als Ganzes führen. Dadurch kann die Doppelläuferanordnung ihre elektromagnetischen Vorteile ausspielen, ohne durch die mechanische Bauweise benachteiligt zu werden.
Bzgl . des Begriffs der Wälzlager sei angemerkt, dass es sich hierbei um Lager handelt, mit denen eine erste gelagerte Kom¬ ponente, bspw. ein Innenring, und eine zweite gelagerte Kom¬ ponente, bspw. ein Außenring relativ zueinander verdrehbar bzw. rotierbar sind. Wohlbekannte Untergruppen der Wälzlager sind bspw. Kugellager oder Rollenlager, wobei auch kombinierte Bauformen möglich sind, wie bspw. in der DE102006044802A1 beschrieben. Bei einem Radialwälzlager sind Innenring und Au- ßenring typischerweise konzentrisch angeordnet mit einem in radialer Richtung zwischen Innenring und Außenring liegenden Ringspalt. In dem Ringspalt befinden sich zwischen der radialen Innenfläche des Außenrings und der radialen Außenfläche des Innenrings Wälzkörper, so dass Innenring und Außenring relativ zueinander verdrehbar sind, indem sie auf den Wälzkörpern rollen. Je nach Art des Wälzlagers können die Wälzkörper bspw. als Kugeln oder Rollen bzw. Walzen ausgebildet sein. Der Aufbau und die Funktionsweise derartiger Wälzlager sind hinlänglich bekannt, werden daher nicht weiter erläutert. Eine entsprechende Anordnung ergibt sich bei einem Axi¬ alwälzlager, bei dem die erste und die zweite Komponente in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind. Beide Komponenten sind hierbei ringförmig mit im Wesentlichen gleichen Radien. Die Wälzkörper befinden sich auch hier in einem
Spalt, der sich in axialer Richtung zwischen den beiden Komponenten befindet.
Die Läufer, d.h. der Innenläufer und der Außenläufer, weisen jeweils eine Vielzahl von Permanentmagneten zur Erzeugung eines magnetischen Flusses auf.
Bei geeigneter Ausrichtung der Permanentmagnete an den Läufern kann auf beiden Seiten des Stators eine magnetische Flussdichte mit großer Homogenität realisiert werden, weshalb im Stator ggf. auf flussführendes Material verzichtet werden kann. An dem Stator ist dann zumindest eine als Luftspule ausgebildete Spule angeordnet, die mit dem von den Permanent¬ magneten des Innenläufers und des Außenläufers bewirkten mag- netischen Fluss elektromagnetisch wechselwirkt, so dass ein Betrieb der elektrischen Maschine als Generator und/oder als Elektromotor ermöglicht wird. Zum Begriff der Luftspule sei angemerkt, dass es sich hierbei um induktive Bauteile han¬ delt, die insbesondere ohne magnetischen Kern ausgebildet sind. Dies beinhaltet sowohl die Ausführung mit einem nicht¬ magnetischen Kern als auch die Ausführung, bei der auf einen Kern vollständig verzichtet wird. Der Verzicht auf einen mag¬ netische Kern resultiert in einer Gewichtseinsparung, so dass in der Konsequenz bspw. anstatt des nun weitestgehend überflüssigen flussführenden Eisens mehr Kupfer für die Spulenwicklungen verwendet werden kann und die Maschine aufgrund von reduzierten Kupfer- und Eisenverlusten eine höhere Effizienz aufweist. Weiterhin bewirkt der komplette oder auch nur teilweise Verzicht auf magnetische Kerne, dass magnetische Gegenfelder aus dem Stator weitestgehend verhindert werden.
Die Permanentmagnete des Innenläufers und des Außenläufers sind derart ausgelegt und angeordnet, dass ein Drehmoment zwischen dem Innenläufer und dem Außenläufer allein und insbesondere ohne Verwendung der unten erwähnten mechanischen Verbindung zwischen den Läufern, sondern lediglich aufgrund von magnetischen Kräften zwischen den an dem Innenläufer und dem Außenläufer angeordneten Permanentmagneten übertragen wird. Auch diese Anordnung ohne die mechanische Verbindung führt zu einer weiteren Gewichtseinsparung. Darüber hinaus können die beiden Läufer weitestgehend unabhängig voneinander behandelt werden, was insbesondere für den Fall, dass die Permanentmagnete des Innenläufers und des Außenläufers je¬ weils supraleitend sind, vorteilhaft ist. In diesem Fall kön¬ nen die zur Kühlung des Magnete notwendigen Kryostate unab¬ hängig bzw. getrennt voneinander ausgeführt sein. Auch das vor dem Betrieb der elektrischen Maschine notwendige Auf- magnetisieren der supraleitenden Magnete wäre vereinfacht.
Wie erwähnt können die Permanentmagnete als supraleitende Permanentmagnete ausgebildet sein, wodurch signifikant höhere Flussdichten möglich werden, was sich positiv auf die Leis- tungsdichte auswirkt
Der Innenläufer und/oder der Außenläufer sind mechanisch mit einer Welle der elektrischen Maschine verbunden, so dass zwischen dem jeweiligen Läufer und der Welle ein Drehmoment übertragbar ist. Der Innenläufer kann mit dem Außenläufer auch über eine mechanische Verbindung zur Drehmomentübertra¬ gung verbunden sein, um auf einfache Weise zu garantieren, dass das volle Drehmoment zwischen Doppelläuferanordnung und Welle übertragen wird. Insbesondere bei Maschinen mit hohem Drehmoment ist die mechanische Verbindung zwischen Innen- und Außenläufer sinnvoll, um eine wirkungsvolle Drehmomentübertragung zu gewährleisten. Diese fällt jedoch vergleichsweise leicht aus, da lediglich Drehmomente in Umfangsrichtung übertragen werden müssen, während Biegelasten etc. von der Wälzlageranordnung abgefangen werden.
Der Innenläufer und/oder der Außenläufer können jeweils ein Joch, bspw. ein Eisenjoch, zur Führung des von den Permanentmagneten erzeugten magnetischen Flusses aufweisen. Für den Fall, dass die Permanentmagnete des Innenläufers und/oder des Außenläufers jeweils als Halbach-Anordnung ausgebildet sind, kann jedoch auf die Verwendung der Eisenjoche verzichtet wer- den, da der magnetische Fluss nicht über Joche geführt werden muss. Halbach-Anordnungen sind bspw. aus der DE102013225093A1 bekannt. Auch hierdurch ergibt sich eine weitere Gewichtsre¬ duzierung . 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 wer- den gleiche Komponenten in verschiedenen Figuren durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.
Es zeigen: FIG 1 eine seitliche Schnittansicht Seitenansicht einer
elektrische Maschine mit Doppelläuferanordnung nach dem Stand der Technik,
FIG 2 eine seitliche Schnittansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit Doppelläuferanordnung, FIG 3 eine seitliche Schnittansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit Doppelläuferanordnung in einer ersten erweiterten Ausführung, FIG 4 eine seitliche Schnittansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit Doppelläuferanordnung in einer zweiten erweiterten Ausführung. Gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren kennzeichnen gleiche Komponenten. Weiterhin sei angemerkt, dass sich Be¬ griffe wie „axial" und „radial" auf die im jeweils beschrie¬ benen Beispiel bzw. in der jeweiligen Figur zum Einsatz kommende Welle beziehen. Mit anderen Worten beziehen sich die Richtungen axial und radial stets auf eine Drehachse des Läu¬ fers .
Die FIG 1 zeigt exemplarisch und vereinfacht eine elektrische Maschine 100 nach dem Stand der Technik in einem seitlichen Schnitt, d.h. in einer radialen Ansicht. Die Maschine 100 weist einen Läufer 110 in Form einer Doppelläuferanordnung mit einem Innenläufer 111 und einem Außenläufer 112 auf, wobei der Innenläufer 111 einen geringeren Durchmesser aufweist, als der Außenläufer 112. Die Läufer 111, 112 der Dop- pelläuferanordnung 110 sind konzentrisch zueinander angeordnet, so dass sich der Innenläufer 111 radial innerhalb des Außenläufers 112 befindet. In axialer Richtung befinden sich die Läufer 111, 112 im Wesentlichen an der selben Position. Sowohl am Innenläufer 111 als auch am Außenläufer 112 sind Permanentmagnete 113, 114 angebracht, die magnetische Felder bzw. magnetische Flüsse erzeugen. Die Läufer 111, 112 und die an den Läufern 111, 112 angebrachten Magnete 113, 114 sind derart dimensioniert, dass sich jeweils ein Magnet 113 am In¬ nenläufer 111 und ein Magnet 114 am Außenläufer in radialer Richtung gegenüber liegen. Der magnetische Fluss erstreckt sich über den Luftspalt zwischen einem solchen Magnetpaar bestehend aus radial gegenüberliegenden Magneten am Innenläufer 111 und am Außenläufer 112 und schließt sich über die bspw. als Eisenjoche 115, 116 ausgebildeten Innen- und Außenläufer 111, 112.
Weiterhin weist die Maschine 100 einen Stator 120 auf. Der Stator 120 ist konzentrisch zu Innenläufer 111 und Außenläu- fer 112 und desweiterten in radialer Richtung zwischen dem Innenläufer 111 und dem Außenläufer 112 angeordnet, befindet sich also im oben bereits erwähnten Luftspalt zwischen Innenläufer 111 und Außenläufer 112. Der Stator 120 trägt eine Vielzahl von Wicklungen bzw. Spulen 121, die auf Kernen 122 gewickelt sein können und derart angeordnet sind, dass sie vom von den Permanentmagneten 113, 114 erzeugten magnetischen Fluss durchsetzt werden. Der Stator 120 kann über eine mecha¬ nische Verbindung 123, bspw. eine Verschraubung o.a., fest mit einem Gehäuse oder sonstigen Komponenten der elektrischen Maschine 100 verbunden sein (nicht im Detail dargestellt) , so dass der Stator 120 gegenüber der Maschine 100 an sich bzw. gegenüber deren Gehäuse letztlich unbeweglich ist und im Wesentlichen lediglich der Läufer 110 nebst einer Welle 130 ei- ne Bewegung ausführen kann.
Im Betriebszustand der elektrischen Maschine 100 rotiert der Läufer 110 bzw. die Doppelläuferanordnung 110 gegenüber dem Stator 120. Läufer 110 und Stator 120 sind so zueinander an- geordnet, dass das Magnetfeld der Permanentmagnete 113, 114 und die Spulen 121 derart in Wechselwirkung miteinander treten, dass die elektrische Maschine 100 aufgrund der Wechsel¬ wirkung in einem ersten Betriebsmodus als Generator und/oder in einem zweiten Betriebsmodus als Elektromotor arbeitet. Die Arbeitsweise der elektrischen Maschine 100 basiert also auf dem an sich bekannten Konzept, dass die beiden Komponenten 110, 120 elektromagnetisch miteinander wechselwirken, so dass die elektrische Maschine 100 in einem der beiden Betriebsmodi arbeiten kann.
Arbeitet die elektrische Maschine 100 als Generator, so wer¬ den die Doppelläuferanordnung 110 und mit ihr die Permanentmagnete 113, 114 bspw. über die Welle 130 der elektrischen Maschine 100 in Rotation versetzt, so dass in den Spulen 121 des Stators 120 elektrische Spannungen induziert werden. Soll die elektrische Maschine 100 als Elektromotor arbeiten, so werden die Spulen 121 mit elektrischem Strom beaufschlagt, so dass aufgrund der Wechselwirkung der hiermit erzeugten Mag- netfelder mit den Feldern der Permanentmagnete 113, 114 ein Drehmoment auf den Läufer 110 und damit auf die Welle 130 wirkt . Grundsätzlich ist es auch denkbar, jedoch nicht dargestellt, dass die Permanentmagnete 113, 114 nicht am Läufer 110 ange¬ ordnet sind, sondern am Stator 120. Die Spulen 121, in die je nach Betrieb Spannungen induziert werden bzw. die mit einem Strom beaufschlagt werden sollen, sind in diesem Fall am Läu- fer 110 angeordnet und können bspw. über Bürsten oder andere geeignete Übertrager mit einem elektrischen Verbraucher oder mit einer Stromquelle verbunden werden (nicht dargestellt) . Diese Ausführungsvariante wird im Folgenden jedoch nicht nä¬ her erläutert, da es für die eigentliche Erfindung keine we- sentliche Rolle spielt, an welcher der beiden Komponenten 110, 120 die Permanentmagnete 113, 114 bzw. die Spulen 121 jeweils angeordnet sind.
Typischerweise ist der Außenläufer 112 der bekannten Doppel- rotoranordnung 110 als Glockenläufer realisiert. Ein solcher Glockenläufer 112 weist eine Glockenform auf, welche den Innenläufer 111 sowie den Stator 120 umgibt. Die Glockenform ist in axialer Richtung gesehen an einem Ende 117 offen und am anderen Ende 118 ganz oder teilweise geschlossen, wobei die Glocke 112 bzw. der Außenläufer 112 am geschlossenen Ende mit dem Innenläufer 111 und insbesondere mit der Welle 130 der elektrischen Maschine 100 derart verbunden ist, dass ein Drehmoment von der Doppelläuferanordnung 110 auf die Welle 130 oder umgekehrt übertragen werden kann.
Die FIG 2 zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Maschine 100, bei der der Außenläufer 112 keine Glockenform aufweist. Die Funktionsweise der in der FIG 2 sowie in den weiteren Fi¬ guren dargestellten Maschine 100 entspricht derjenigen der aus dem Stand der Technik bekannten Maschine, jedoch ist der Außenläufer 112 mit Hilfe zweier Wälzlager 141, 142 rotierbar am Stator 120 gelagert, wobei also die Wälzlager 141, 142 ei¬ ne Drehverbindung zum Stator 120 darstellen. Die beiden Wälz- lager 141, 142 sind in axialer Richtung voneinander
beabstandet angeordnet, so dass bspw. aufgrund der magneti¬ schen Anziehungskräfte oder anderer Effekte auftretende Bie¬ gemomente in radialer Richtung abgefangen werden.
Zusätzlich, aber nicht notwendigerweise, kann zwischen dem Innenläufer 111 und dem Stator 120 ein weiteres Paar von Wälzlagern 143, 144 vorgesehen sein, welches eine Drehverbindung zwischen Innenläufer 111 und Stator 120 herstellt. Dies ist ebenfalls in der FIG 2 dargestellt. Die Wälzlager 143, 144 des weiteren Paares sind ebenfalls in axialer Richtung voneinander beabstandet angeordnet, so dass auch hier insbe¬ sondere in radialer Richtung wirkende Biegemomente abgefangen werden können.
Zumindest einer der Läufer 111, 112, bspw. der Innenläufer 111, muss mechanisch mit der Welle 130 verbunden sein, um eine Drehmomentübertragung zwischen Doppelläuferanordnung 110 und Welle 130 zu ermöglichen. Die FIG 3 zeigt eine Weiterbil- dung der elektrischen Maschine 100, bei der darüber hinaus der Innenläufer 111 über eine mechanische Verbindung 119 zur Drehmomentübertragung mit dem Außenläufer 112 verbunden ist, so dass in der Folge die an beiden Läufern 111, 112 erzeugten Drehmomente auf die Welle 130 übertragbar sind.
Bei ausreichend starken Permamentmagneten 113, 114, bspw. wenn diese als supraleitende Magnete ausgestaltet sind, ist es jedoch auch denkbar, auf die mechanische Verbindung 119 zu verzichten und davon ausgehen, dass allein aufgrund der mag- netischen Kräfte zwischen den Magneten 113 des Innenläufers 111 und den Magneten 114 des Außenläufers 112 eine Drehmo¬ mentübertragung zwischen Außenläufer 112 und Innenläufer 111 stattfindet. Eine solche Ausführungsform ohne die mechanische Verbindung 119 wird bereits durch die FIG 2 verbildlicht. Ein Verzicht auf die Verbindung 119 erlaubt eine weitestgehend unabhängige Ausführung der beiden Läufer 111, 112. Insbesondere für den Fall, dass der Innenläufer 111 und der Außenläufer 112 supraleitende Permanentmagnete 113, 114 aufweisen, die sich im Betrieb der elektrischen Maschine 100 auf ent¬ sprechend niedriger Temperatur befinden müssen, können aufgrund der unabhängigen Ausführung bspw. separate Kryostate für Innenläufer 111 und Außenläufer 112 verwendet werden. Dies würde zum Einen eine Aufmagnetisierung der Magnete 113, 114 und zum Anderen die Wartung der Maschine 100 vereinfa¬ chen .
In den in den FIG 2, 3 dargestellten Ausführungsformen weisen die Läufer 111, 112 jeweils ein Eisenjoch 115, 116 zur Führung des durch die Permanentmagnete 113, 114 erzeugten magne¬ tischen Flusses auf. Die FIG 4 zeigt in der in FIG 2 mit „IV" gekennzeichneten Sicht eine alternative Anordnung, bei der auf die Verwendung von flussführenden Materialien weitestge- hend verzichtet werden kann, so dass die Läufer 111, 112 we¬ sentlich leichter, d.h. mit geringerem Gewicht, ausgeführt werden können. In dieser Ausführung sind die Permanentmagnete 113, 114 jeweils als sog. Halbach-Anordnungen ausgeführt. Ein derartiger Läufer mit Halbach-Anordnungen ist bspw. in
DE102013225093A1 gezeigt. Wie dort erläutert wird, liegt ein Vorteil der Halbach-Anordnung darin begründet, dass die mag¬ netische Flussdichte hauptsächlich im Luftspalt, der radial zwischen Stator 120 und jeweiligem Läufer 111, 112 liegt, verläuft. Beispielsweise kann eine Halbach-Anordnung mittels einer Mehrzahl von Permanentmagneten gebildet sein, so dass durch eine spezielle Anordnung der einzelnen Permanentmagnete die magnetische Flussdichte in radial nach innen gerichteter Richtung, d.h. innerhalb des jeweiligen Läufers 111, 112, abgeschwächt wird, während sie im zugehörigen Luftspalt, d.h. außerhalb des jeweiligen Läufers 111, 112 im Bereich zwischen dem jeweiligen Läufer 111, 112 und dem Stator 120, selbst verstärkt und/oder konzentriert wird. Durch die Abschwächung der magnetischen Flussdichte innerhalb des jeweiligen Läufers 111, 112 werden Verluste, die aufgrund von Wirbelströmen im jeweiligen Läufer 111, 112 auftreten, verringert. Zudem wird durch die im jeweiligen Luftspalt verstärkte und/oder konzentrierte magnetische Flussdichte ein höheres Drehmoment be¬ reitgestellt und die Leistungsdichte erhöht. Generell kann sogar auf einen gebräuchlichen Eisenrückschluss verzichtet werden, wodurch das Massenträgheitsmoment des Läufers 110, 111, 112 weiter reduziert wird. Von den Kugellagern 141, 143 sind in der FIG 4 der Übersichtlichkeit wegen nur einige wenige Kugeln dargestellt. Selbst¬ verständlich erstrecken sich die Kugeln entlang der gesamten Umfänge der beiden Luftspalte zwischen Stator 120 und Außenläufer 112 sowie Stator 120 und Innenläufer 111.
Die Spulen 121 des Stators 120 sind vorzugsweise als sog. Luftspulen ausgeführt, d.h. insbesondere ohne weichmagneti¬ schen Kern. Stattdessen können die Spulen 121 bspw. auf nichtmagnetischen Kernen 122 aus einem bevorzugt leichten Ma- terial oder sogar gänzlich ohne Kern gewickelt sein. Dies hat u.a. zur Folge, dass auch der Stator 120 derart ausgeführt sein kann, dass er ein vergleichsweise geringes Gewicht auf¬ weist. Die Ausführung unter Verwendung von Luftspulen und damit das Fehlen der magnetischen Kerne schlägt sich zwar darin nieder, dass der magnetische Fluss der Permanentmagnete 113, 114 weniger gezielt geführt wird, wodurch sich eine Erhöhung des magnetischen Streuflusses ergeben würde, jedoch wird die¬ ser störende Effekt durch die Verwendung der Doppelläuferanordnung und die hierbei radial gegenüber liegenden Permanent- magnete kompensiert, da der magnetische Fluss aufgrund dieser Anordnung eine Führung auch ohne magnetischen Kern bewirkt.
Die Wälzlager 141, 142, 143, 144 können bspw. als Kugellager ausgebildet sein. Ebenfalls geeignet sind bspw. Ausführungen als Rollen- oder Walzenlager.
Insbesondere für den im Zusammenhang mit der FIG 1 erwähnten Fall, dass die Spulen 121 nicht am Stator 120, sondern am Läufer 110 angebracht sind, können die Spulen 121, in die je nach Betrieb Spannungen induziert werden bzw. die mit einem Strom beaufschlagt werden sollen, über die Wälzlager mit einem elektrischen Verbraucher oder mit einer Stromquelle verbunden werden (nicht dargestellt) . Auf Bürsten o.ä. Komponen- ten zur Übertragung des elektrischen Stroms von den bzw. auf die in diesem Fall rotierenden Spulen 121 kann demnach verzichtet werden. Es sei angemerkt, dass die anhand der verschiedenen Figuren erläuterten Aspekte und Merkmale der elektrischen Maschine weitestgehend beliebig miteinander kombiniert werden können. Aufgrund der Verwendung der Wälzlager ergeben sich wie einleitend erläutert Vorteile hinsichtlich des Gewichts der An- Ordnung, da Innen- und Außenläufer 111, 112 selbst weniger robust ausgeführt sein müssen, da eventuell auftretende Be¬ lastungen durch die Lager getragen werden. Eine insbesondere bzgl . des Gewichts der Gesamtanordnung vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich aus der Kombination der Ausführung mit Halbach-Arrays am Läufer 110 mit der Ausführung mit Luftspu¬ len 121 am Stator 120, weil in diesem Fall aufgrund des wei¬ testgehenden Verzichts auf vergleichsweise schwere Bauteile eine elektrische Maschine mit geringem Gewicht realisiert werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Maschine (100) mit einem Innenläufer (111) und einem Außenläufer (112) sowie mit einem Stator (120), wobei - der Innenläufer (111) und der Außenläufer (112) derart konzentrisch zueinander angeordnet sind, dass sich der Innenläu¬ fer (111) radial innerhalb des Außenläufers (112) befindet,
- der Stator (120) in radialer Richtung zwischen dem Innenläufer (111) und dem Außenläufer (112) und konzentrisch zu dem Innenläufer (111) und dem Außenläufer (112) angeordnet ist,
und wobei
- der Außenläufer (112) mit Hilfe eines Paares von Wälzlagern (141, 142) rotierbar am Stator (120) gelagert ist, wobei die beiden Wälzlager (141, 142) der Paares von Wälzlagern (141, 142) in axialer Richtung voneinander beabstandet angeordnet sind .
2. Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Innenläufer (111) mit Hilfe eines wei¬ teren Paares von Wälzlagern (143, 144) rotierbar am Stator (120) gelagert ist, wobei die beiden Wälzlager (143, 144) des weiteren Paares von Wälzlagern (143, 144) in axialer Richtung voneinander beabstandet angeordnet sind.
3. Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenläufer (111) und der Außenläufer (112) jeweils eine Vielzahl von Permanentmagneten (113, 114) zur Erzeugung eines magnetischen Flusses aufwei- sen.
4. Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 3, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass an dem Stator (120) zumindest eine als Luftspule ausgebildete Spule (121) angeordnet ist, die mit einem von den Permanentmagneten (113, 114) des Innenläufers
(111) und des Außenläufers (112) bewirkten magnetischen Fluss elektromagnetisch wechselwirkt.
5. Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (113, 114) des Innenläufers (111) und des Außenläufers (112) derart ausgelegt und angeordnet sind, dass ein Drehmoment zwischen dem Innenläufer (111) und dem Außenläufer (112) aufgrund von magnetischen Kräften zwischen den Permanentmagneten (113, 114) übertragen wird.
6. Elektrische Maschine (100) hine nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete
(113, 114) supraleitende Permanentmagnete sind.
7. Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 3 bis
6, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenläufer (111)
und/oder der Außenläufer (112) jeweils ein Joch (115, 116) zur Führung des magnetischen Flusses aufweist.
8. Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (113, 114) des Innenläufers (111) und/oder des Außenläufers (112) jeweils als Halbach-Anordnung ausgebildet sind.
9. Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis
8, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenläufer (111) mit dem Außenläufer (112) über eine mechanische Verbindung (119) zur
Drehmomentübertragung verbunden ist.
10. Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis
9, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenläufer (111)
und/oder der Außenläufer (112) mechanisch mit einer Welle
(130) der elektrischen Maschine (100) verbunden ist, so dass zwischen dem jeweiligen Läufer (111, 112) und der Welle (130) ein Drehmoment übertragbar ist.
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