WO2020207861A1

WO2020207861A1 - Statorzahn mit asymmetrischer zahngeometrie

Info

Publication number: WO2020207861A1
Application number: PCT/EP2020/059125
Authority: WO
Inventors: Johannes Gabriel BAUER; Daniel Merz
Original assignee: Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg
Priority date: 2019-04-10
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2020-10-15
Also published as: US20220200366A1; CN113615040A; DE102019205153A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zahn für einen Stator einer elektrischen Maschine und insbesondere die Geometrie des Zahnkopfbereiches des Statorzahnes. Der Zahnkopfbereich weist bspw. im Falle einer typischen Radialflussmachine mit außen liegendem Stator und innen liegendem Rotor in der axialen Blickrichtung eine Asymmetrie auf, welche dadurch geschaffen wird, dass an einem ersten tangentialen Ende des Zahnkopfbereiches eine Aussparung vorgesehen ist. Die Position des ersten tangentialen Endes hängt von einer Vorzugsdrehrichtung T des Rotors der elektrischen Maschine ab und ist derart gewählt, dass sie in der Vorzugsdrehrichtung T des Rotors gesehen am hinteren Ende des Kopfbereiches liegt.

Description

Beschreibung

Statorzahn mit asymmetrischer Zahngeometrie Die Erfindung betrifft einen Zahn für einen Stator einer elektrischen Maschine und insbesondere die Geometrie des Zahnkopfbereiches des Statorzahnes .

Zum Antrieb von Luftfahrzeugen, bspw. für Flugzeuge oder He- likopter, oder auch für elektrisch angetriebene Wasserfahr- zeuge etc. werden als Alternative zu den gebräuchlichen Ver- brennungskraftmaschinen Konzepte beruhend auf elektrischen Antriebssystemen untersucht und eingesetzt. Ein derartiges elektrisches oder hybrid-elektrisches Antriebssystem weist in der Regel eine oder mehrere elektrische Maschinen auf, die je nach Verwendungszweck im Antriebssystem als Generator und/oder als Elektromotor konfiguriert sein können.

Bin für derartige mobile Anwendungen einsetzbares Antriebs- konzept basiert bspw. auf dem sog. Direktantrieb_# bei dem die elektrische Maschine direkt, d.h. ohne Getriebe, mit einem anzutreibenden Vortriebsmittel, bspw. mit einem Propeller, verbunden ist. Gerade beim Direktantrieb sind außerordentlich hohe Drehmomentdichten notwendig, um die für den Vortrieb be- nötigten Leistungen erzeugen zu können. Generell können elektrische Antriebe für Anwendungen mit hoher Drehmoment- und geringer Drehzahlanforderung entweder mit Hilfe hoch- bzw. schnelldrehender Maschinen mit Getriebe oder aber mit Maschinen ausgelegt für hohe Drehmomentdichten realisiert werden. Der Verzicht auf ein Getriebe im Falle der elektri- schen Maschine mit hoher Drehmomentdichte bringt den Vorteil mit sich, dass die Komplexität sowie das Gewicht des Gesamt- systems reduziert werden kann. Das benötigte Drehmoment wird hierbei vollständig von der nun langsam drehenden Maschine bereitgestellt . Die zu diesem Zweck typischerweise geeigneten elektromagnetischen Auslegungen zeichnen sich häufig dadurch aus, dass sie einen vergleichsweise großen Luftspaltdurchmes- ser, eine kurze axiale Länge, einen kleinen bzw. dünnen Luft- Spalt sowie eine hohe Polpaarzahl mit feiner Polteilung der am Rotor oberflächenmontierten Permanentmagnete aufweisen.

Durch die feine Polteilung im Rotor entsteht jedoch am Luft- spalt ein magnetischer Streufluss, dessen Feldlinien zwar an den Rotorpolen ein- und austreten, jedoch nicht von der Statorwicklung umschlossen werden und somit nicht an der Um- wandlung von elektrischer zu mechanischer Leistung beteiligt sind. Weiterhin wirkt sich nachteilig aus, dass aus dem Streufluss bzw. dem entsprechenden magnetischen Streufeld tangentiale Kraftkomponenten entstehen, die zu ungewolltem sogenannten „Drehmomentripple" und Pendelmomenten führen. Die Normalkomponenten dieser Kräfte belasten die Struktur der elektrischen Maschine und können zur Anregung von akustisch wahrnehmbaren Schwingungen sowie ggf. zu Beschädigungen der Maschine führen.

Zudem durchsetzen die magnetischen Streufelder der Permanent- magnete des Rotors das Statoreisen am Ort der Statorzähne und rufen dort erhöhte Eisenverluste sowie eine erhöhte Aussteue- rung des Materials hervor. Konsequenterweise steigt der mag- netische Widerstand für den letztlich drehmomentbildenden magnetischen Hauptfluss, was durch höhere Stromstärken in den Statorwicklungen kompensiert werden muss, was jedoch folglich die ohmschen Verluste erhöht. Dies wird im Rahmen der Figu- renbeschreibung im Zusammenhang mit FIG 2 näher erläutert.

Eine Reduzierung des magnetischen Streufeldes könnte bspw. durch eine Erhöhung des magnetischen Widerstands erreicht werden. Dies wird wiederum erreicht durch einen größeren Ab- stand zwischen den Rotorpolen bzw. durch eine Verringerung der Polpaarzahl bei gleichem Luftspaltdurchmesser. Alternativ oder zusätzlich könnte zur Reduzierung des Streufeldes der Luftspalt erweitert werden, was die Wegstrecke der Streufeld- linien in Luft vergrößert. Ebenfalls alternativ oder zusätz- lich würde auch eine Verringerung der Zahnbreite den magneti- schen Widerstand für das Rotorstreufeld erhöhen. All diese Maßnahmen wirken sich jedoch schwächend auf die Flussverket- tung des Hauptflusses und das nutzbare Wellendrehmoment aus, so dass die Effizienz der Maschine verschlechtert wird.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zur Erhöhung des magnetischen Widerstandes zur Reduzierung des magnetischen Streufeldes anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene flussführende Komponente für einen Stator gemäß Anspruch 7 einer elektrischen Maschine gemäß Anspruch 11 gelöst. Die Un- teransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen.

Die Komponente für einen Stator einer den Stator und einen Rotor aufweisenden elektrischen Maschine zum Führen eines magnetischen Hauptflusses einer Statorwicklung des Stators ist vorgesehen, ausgebildet und angeordnet ist, um im Betrieb der elektrischen Maschine, d.h. insbesondere bei stromdurch- flossener Statorwicklung, den durch diesen Stromfluss bewirk- ten magnetischen Hauptfluss zu führen. Die Komponente weist einen Halsbereich und einen im in die Maschine eingebauten Zustand einem Rotor der elektrischen Maschine zugewandten Kopfbereich auf, wobei die Komponente in einer axialen bzw. ggf. radialen Blickrichtung gesehen zumindest im Kopfbereich eine Asymmetrie aufweist.

Der hier und im Folgenden genannte magnetische Hauptfluss ist -im Unterschied zum magnetischen Streufluss- derjenige magne- tische Fluss, der mit den Permanentmagneten bzw. deren Fel- dern des Rotors elektromagnetisch wechselwirken soll, um das Drehmoment der Maschine zu erzeugen.

Die jeweilige Asymmetrie wird insbesondere dadurch erreicht, dass an einem ersten tangentialen Ende des jeweiligen Kopfbe- reiches jeweils eine Aussparung vorgesehen ist. Neben dem be- reits erläuterten erwünschten Effekt ergibt sich aufgrund des Vorhandenseins einer solchen Aussparung des Weiteren die Mög- lichkeit, den jeweiligen Statorzahn formschlüssig in eine entsprechende Tragstruktur des Stators einzusetzen. Die jeweilige Aussparung kann bspw. derart geformt sein, dass sie in der axialen Blickrichtung gesehen ein rechteckiges Profil aufweist.

Die Komponente kann bspw. ein Statorzahn sein, der den von einer Statorwicklung erzeugbaren magnetischen Hauptfluss führt.

Die Komponente bzw. der Zahn kann in einer besonderen Ausge- staltung als Klaue, insbesondere als Klauenpaar, für den als Klauenpolstator ausgebildeten Stator der elektrischen Maschi- ne ausgebildet sein. Dabei ist die elektrische Maschine als Transversalflussmaschine ausgebildet .

Weiterhin kann die Komponente an dem dem Kopfbereich gegen- überliegenden Ende des Halsbereichs einen weiteren Kopfbe- reich aufweisen, welcher im in die Maschine eingebauten Zu- stand einem weiteren Rotor der elektrischen Maschine zuge- wandt ist, wobei die Komponente in der axialen Blickrichtung gesehen im weiteren Kopfbereich eine weitere Asymmetrie auf- weist. Dies ist bspw. für elektrische Maschinen mit Doppelro- tor bzw. doppeltem Luftspalt von Vorteil.

Ein Stator für eine diesen Stator und einen Rotor aufweisende elektrischen Maschine, weist eine Statorwicklung zum Erzeugen eines magnetischen Hauptflusses und eine derartige asymmetri- sche Komponente zum Führen des magnetischen Hauptflusses auf. Die Statorwicklung und die Komponente sind derart zueinander angeordnet, dass der im Betrieb der elektrischen Maschine durch die Statorwicklung erzeugte magnetische Hauptfluss durch die Komponente geführt wird.

Dabei kann die Komponente ein Statorzahn sein, welcher sich von einem Statorring des Stators aus in der radialen Richtung zum Rotor hin erstreckt und welcher die Statorwicklung derart trägt, dass die Statorwicklung zumindest im Halsbereich um den Statorzahn gewickelt ist. Der Statorzahn weist typischer- weise einen Zahnfuß auf, der am Statorring befestigt ist oder der gemeinsam mit den Zahnfüßen der weiteren Statorzähne des Stators den Statorring bildet, wobei sich der Zahnhals zwi- schen dem Zahnfuß und dem Zahnkopf erstreckt. Auf dem Stator- zahn befindet sich die Statorwicklung bzw. zumindest ein Teil davon, so dass der Zahn den magnetischen Hauptfluss führt. Aufgrund der durch die Aussparung im Kopfbereich erzielten Asymmetrie ergibt sich dann der oben genannte Vorteil .

Der Stator kann in einer Ausführungsform als Klauenpolstator ausgebildet sein, wobei die Komponente dann ein Klauenpaar des Klauenpolstators darstellt. Dabei ist die elektrische Ma- schine als Transversalflussmaschine ausgebildet.

Der Stator kann eine Struktur aufweisen, in die die Komponen- te mit ihrem die Asymmetrie aufweisenden Bereich derart ein- gesetzt ist, dass sich ein Formschluss zwischen der Komponen- te und der Struktur ergibt. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Komponente auch bei den zu erwartenden hohen Kräften an Ort und Stelle verbleibt.

Eine entsprechende elektrische Maschine umfasst einen solchen Stator sowie einen Rotor, welcher im Normalbetrieb der Ma- schine insbesondere in einer Vorzugsdrehrichtung T rotiert .

Die Komponente ist derart in den Stator eingebaut, dass das jeweilige erste tangentiale Ende des jeweiligen Kopfbereiches der Komponente von der Kopfbereichsmitte in der Vorzugsdreh- richtung T des Rotors gesehen am hinteren Ende des jeweiligen Kopfbereiches liegt.

Die jeweilige die Asymmetrie bildende Aussparung erstreckt sich von einer dem jeweiligen Rotor gegenüberliegenden Ober- fläche des jeweiligen Kopfbereiches aus, welche dem Rotor derart gegenüberliegt dass sich zwischen dieser tangentialen Oberfläche und dem Rotor der Luftspalt erstreckt, um eine Er- streckung XR und von einer tangentialen Oberfläche des jewei- ligen Kopfbereiches aus um eine Erstreckung XT in den jewei- ligen Kopfbereich hinein. Dabei entspricht XR im Wesentlichen dem Doppelten der radialen Erstreckung R150 des zwischen Sta- tor und Rotor gebildeten Luftspalts der elektrischen Maschi- ne, während XT im Wesentlichen 20% der tangentialen Erstre- ckung T122a des jeweiligen Kopfbereiches entspricht . In der axialen Richtung erstreckt sich die Aussparung über die ge- samte Komponente. In dieser Konfiguration ist zu erwarten, dass der gewünschte Effekt bei gleichzeitig minimalem negati- ven Einfluss auf den magnetischen Hauptfluss maximiert ist.

Vorzugsweise, aber nicht ausschließlich, ist diese elektri- sche Maschine für ein Antriebssystem eines elektrischen Luft- fahrzeugs geeignet. Diese Maschine kann je nach Einsatzzweck als elektrischer Generator ausgebildet sein oder aber als Elektromotor zum Antreiben eines Propellers des Luftfahr- zeugs .

Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den Zeichnungen und der entsprechenden Beschreibung.

Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausfüh- rungsformen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dort wer- den gleiche Komponenten in verschiedenen Figuren durch glei- che Bezugszeichen gekennzeichnet. Es ist daher möglich, dass sich bei der Beschreibung einer zweiten Figur zu einem be- stimmten BezugsZeichen, welches bereits im Zusammenhang mit einer anderen, ersten Figur erläutert wurde, keine näheren Erläuterungen finden. In einem solchen Fall kann bei der Aus- führungsform der zweiten Figur davon ausgegangen werden, dass die dort mit diesem Bezugszeichen gekennzeichnete Komponente auch ohne nähere Erläuterung im Zusammenhang mit der zweiten Figur die gleichen Eigenschaften und Funktionalitäten auf- weist, wie im Zusammenhang mit der ersten Figur erläutert .

Des Weiteren werden der Übersichtlichkeit wegen teilweise nicht sämtliche Bezugszeichen in sämtlichen Figuren darge- stellt, sondern nur diejenigen, auf die in der Beschreibung der jeweiligen Figur Bezug genommen wird. Es zeigen:

FIG 1 eine bekannte elektrische Maschine, FIG 2 eine axiale Sicht auf zwei Statorzähne nach dem Stand der Technik,

FIG 3 eine axiale Sicht auf zwei erfindungsgemäße

Statorzähne,

FIG 4 eine axiale Sicht auf zwei erfindungsgemäße

Statorzähne in einer ersten Variante,

FIG 5 eine axiale Sicht auf einen erfindungsgemäßen Stator- zahn in einer zweiten Variante,

FIG 6 eine perspektivische Sicht auf eine Sektion einer

Transversalflussmaschine mit den erfindungsgemäßen Statorzähnen,

FIG 7 ein Klauenpolpaar der Transversalflussmaschine der

FIG 5,

FIG 8 zwei erfindungsgemäße Statorzähne für eine Radial- flussmaschine mit Doppelrotor.

Es sei angemerkt, dass sich Begriffe wie „axial", „radial", „tangential" etc. auf die in der jeweiligen Figur bzw. im je- weils beschriebenen Beispiel zum Einsatz kommende Welle bzw. Achse beziehen. Mit anderen Worten beziehen sich die Richtun- gen axial, radial, tangential stets auf eine Drehachse des Läufers . Dabei beschreibt „axial" eine Richtung parallel zur Rotationsachse, „radial" beschreibt eine Richtung orthogonal zur Rotationsachse, auf diese zu oder auch von ihr weg, und „tangential" ist eine Bewegung bzw. Richtung, die in konstan- tem radialen Abstand zur Rotationsachse und bei konstanter Axialposition kreisförmig um die Rotationsachse herum gerich- tet ist. Weiterhin sollen die Begriffe „axial", „radial" bzw. „tangen- tial" im Zusammenhang mit einer Fläche, bspw. einer Oberflä- che, bedeuten, dass der Normalenvektor der jeweiligen axia- len, radialen bzw. tangentialen Fläche in axialer, radialer bzw. tangentialer Richtung orientiert ist, wodurch die Orien- tierung der jeweiligen Fläche im Raum eindeutig beschrieben ist .

Der Begriff „benachbart" soll im Zusammenhang mit Komponen- ten, bspw. Ringen oder Stegen, ausdrücken, dass sich im Falle von „benachbarten Komponenten” zwischen diesen beiden Kompo- nenten insbesondere keine weitere derartige Komponente befin- det, sondern höchstens ein leerer Zwischenraum.

Unter dem Ausdruck „koaxiale Komponenten", bspw. koaxiale Ringe, werden hier Komponenten verstanden, die gleiche Norma- lenvektoren aufweisen, für die also die von den koaxialen Komponenten definierten Ebenen parallel zueinander sind. Des Weiteren soll der Ausdruck beinhalten, dass die Mittelpunkte koaxialer Komponenten zwar auf der gleichen Rotations- bzw. Symmetrieachse, auf dieser Achse aber ggf. an an verschiede- nen axialen Positionen liegen können und die genannten Ebenen also einen Abstand >0 voneinander haben. Der Ausdruck ver- langt nicht zwangsläufig, dass koaxiale Komponenten den glei- chen Radius haben.

Die FIG 1 zeigt exemplarisch eine als Elektromotor ausgebil- dete elektrische Maschine 100, wie sie im Stand der Technik bekannt ist. Es sei erwähnt, dass die elektrische Maschine 100 in ähnlichem Aufbau grundsätzlich auch als Generator be- trieben werden kann. Weiterhin sei angemerkt, dass der Aufbau der im Folgenden beschriebenen Maschine stark vereinfacht ist und des Weiteren einige der im Zusammenhang mit den weiteren Figuren erläuterten Details nicht zeigt, sondern lediglich zur Veranschaulichung der grundsätzlichen Funktionsweise des Elektromotors dient. Es kann als bekannt vorausgesetzt wer- den, dass je nach Ausbildung der elektrischen Maschine als Generator oder als Elektromotor und/oder als bspw. Radial- oder Axialflussmaschine mit einem als Innen- oder auch als Außenläufer ausgebildeten Rotor etc. die verschiedenen Kompo- nenten der Maschine unterschiedlich angeordnet sein können.

Der Elektromotor 100 weist einen im Wesentlichen ringförmigen Stator 120 sowie einen als Innenläufer ausgebildeten im We- sentlichen zylindrischen Rotor 110 auf, wobei der Rotor 110 innerhalb des Stators 120 angeordnet ist und im Betriebszu- stand des Elektromotors 100 um eine Rotationsachse rotiert. Der Rotor 110 bzw. sein im Wesentlichen zylindrischer Rotor- grundkörper 112 ist drehfest mit einer Welle 130 verbunden, so dass eine Rotation des Rotors 110 über die Welle 130 auf eine nicht dargestellte anzutreibende Komponente, bspw. auf einen Propeller eines Flugzeugs, übertragbar ist.

Der Stator 120 weist erste magnetische Mittel 121 auf, die bspw. als Statorwicklungen 121 realisiert sein können. Jede der Wicklungen 121 wird durch einen elektrischen Leiter ge- bildet. Die Leiter 121 sind jeweils auf einen Statorzahn 122 des Stators 120 gewickelt und im Betriebszustand des Elektro- motors 100 von einem elektrischen Strom durchflossen, so dass magnetische Felder erzeugt werden. Die Statorzähne 122 sind an einem Statorring 123 befestigt. Der Rotor 110 weist zweite magnetische Mittel 111 auf, die bspw. als Permanentmagnete 111 ausgebildet sein können und an einer dem Stator 120 zuge- wandten Oberfläche des Rotorgrundkörpers 112 angeordnet sein können. Der Übersichtlichkeit wegen sind nur einige wenige Permanentmagnete 111 mit Bezugszeichen versehen.

Die ersten und die zweiten magnetischen Mittel 121, 111 sind derart ausgebildet und durch einen Luftspalt 150 voneinander beabstandet zueinander angeordnet, dass sie im Betriebszu- stand des Elektromotors 100 elektromagnetisch miteinander wechselwirken. Dieses Konzept einschließlich der Bedingungen für die Ausbildung und genaue Anordnung der magnetischen Mit- tel 111, 121 bzw. von Rotor 110 und Stator 120 sind an sich bekannt und werden daher im Folgenden nicht näher erläutert. Es sei lediglich erwähnt, dass zum Betreiben der elektrischen Maschine 100 als Elektromotor die Statorwicklungen 121 mit Hilfe einer nicht dargestellten Stromquelle mit einem elektrischen Strom beaufschlagt werden, der bewirkt, dass die Wicklungen 121 dementsprechende Magnetfelder erzeugen, welche mit den Magnetfeldern der Permanentmagnete 111 des Rotors 110 in elektromagnetische Wechselwirkung treten. Dies resultiert darin, dass auf die Permanentmagnete 111 ein Drehmoment in einer ersten tangentialen Richtung T wirkt, welches unter der Voraussetzung, dass die Permanentmagnete 111 ausreichend fest mit dem Rotorgrundkörper 112 verbunden sind, darin resul- tiert, dass bei geeigneter Ausbildung und Anordnung der ge- nannten Komponenten zueinander der Rotor 110 und mit ihm die Welle 130 in Rotation versetzt werden.

Dieses Konzept der Ausbildung der elektrischen Maschine 100 als Elektromotor kann als bekannt vorausgesetzt werden. Auch die entsprechende Konfiguration und Verwendung der elektri- schen Maschine 100 als Generator kann als bekannt vorausge- setzt werden. Beide Ausbildungen der elektrischen Maschine 100 werden daher im Folgenden nicht weiter detailliert.

Die FIG 2 zeigt eine axiale Ansicht auf zwei der Statorzähne 122 nach dem Stand der Technik mit den durch die hier nicht dargestellten Wicklungen 121 fließenden Statorströmen IS und dem sich hieraus ergebenden magnetischen Hauptfluss mH. Wie einleitend bereits beschrieben ergibt sich durch die feine Polteilung im Rotor 110 am Luftspalt 150 der magnetische Streufluss mS. Diese magnetischen Streufelder mS des Rotors 110 durchsetzen das Statoreisen am Ort der Statorzähne 122 insbesondere in deren Zahnkopfbereich 122a . Es ergeben sich durch das Zusammenwirken der magnetischen Flüsse mH und mS insbesondere in den mit gestrichelten Linien gekennzeichneten Arealen SAT Bereiche mit hoher Aussteuerung des dort vorhan- denen Materials bzw. frühzeitiger Sättigung, einhergehend mit erhöhten Eisenverlusten. Konsequenterweise steigt der magne- tische Widerstand für den letztlich drehmomentbildenden mag- netischen Hauptfluss mH, was durch höhere Stromstärken IS in den Statorwicklungen 121 kompensiert werden muss, was wie einleitend beschrieben vermieden werden soll.

Die FIG 3 zeigt ebenfalls die axiale Ansicht auf zwei der Statorzähne 122 mit den durch die hier wiederum nicht darge- stellten Wicklungen 121 fließenden Statorströmen IS und dem sich hieraus ergebenden magnetischen Hauptfluss mH. Im Unter- schied zum Stand der Technik ist die jeweilige Geometrie der Statorzähne 122 jedoch in der axialen Blickrichtung nunmehr asymmetrisch, was dadurch erreicht wird, dass sie in den

Zahnkopfbereichen 122a Aussparungen 122x aufweisen. Die Sym- metrieachsen SYM ist für jeden der dargestellten Zähne 122 mit der gestrichelten Linie gekennzeichnet . Die asymmetrische Zahnkopfgeometrie ermöglicht es, den magnetischen Widerstand für das Rotorstreufeld mS unabhängig von dem des Hauptflusses mH zu erhöhen. Im besten Fall wird eine Trennung von Ro- torstreuflusspfad und Hauptflusspfad bei der

Auslegung des Magnetkreises erreicht. Generell wird in den Arealen SAT nunmehr ein geringerer Streufluss mS beobachtet, was an diesen Stellen ein zusätzliches Potential zur Führung des Hauptflusses mH bedeutet, so dass die oben genannten Nachteile weitestgehend vermieden werden können .

Bei der Konstruktion des Stators 120 hinsichtlich der Positi- onierung der Aussparung 122x am Statorzahn 122 insbesondere in der tangentialen Richtung T muss die beabsichtigte Dreh- richtung des Rotors 120 im Betrieb der elektrischen Maschine 100 berücksichtigt werden. In FIG 3 wird davon ausgegangen, dass die im Betrieb der Maschine 100 aufgrund der elektromag- netischen Wechselwirkung zwischen Statorwicklungen 121 und Permanentmagneten 111 wirkende tangentiale Kraftkomponente auf den Rotor 110 nach links gerichtet ist, entsprechend der positiven, tangentialen T-Richtung im dargestellten R, T- Koordinatensystem. Der Rotor 110 dreht sich konsequenterweise nach „links" . Dementsprechend ist der „linke" Bereich im Zahnkopf 122a nur schwach an der Führung des Hauptflusses mH beteiligt. Durch Wegschneiden von Statormaterial in diesem Bereich wird die Aussparung 122x gebildet, einhergehend mit einer signifikanten Erhöhung des magnetischen Widerstandes für die Rotorstreufelder mS . Dies resultiert in einer Redu- zierung des Rotorstreuflusses mS, während die Auswirkung auf den magnetischen Hauptfluss mH gering bis vernachlässigbar ist .

Die Aussparungen 122x werden also an demjenigen tangentialen Ende des Zahnkopfbereiches 122a vorgesehen, welches von der Zahnmitte aus gesehen in derjenigen Richtung liegt, welche der Drehrichtung des Rotors 110 entspricht. Die Aussparungen 122x liegen also in der Drehrichtung T des Rotors 110 gesehen am hinteren Ende des jeweiligen Zahnkopfbereiches 122a. Hier- mit ergibt sich eine Vorzugsdrehrichtung für die mit den mit Aussparungen 122x versehenen Statorzähnen 122 ausgestattete elektrische Maschine 100. Die stellt für die hier vorgesehene Anwendung als Motor zum Antreiben eines Propellers eines Luftfahrzeugs keinen Nachteil dar, da dieser Propeller in der Regel stets in der gleichen Drehrichtung betrieben wird.

Gleiches gilt in Anwendungen wie bspw. in vielen Traktions-, Pumpen-, Kompressor-, Werkzeug- und Lüfterantrieben, bei de- nen ein symmetrisches Verhalten nicht gefordert ist, so dass eine asymmetrische Drehmomentkonstante akzeptiert werden kann. Ein Betrieb in der entgegengesetzten Richtung ist grundsätzlich möglich, jedoch wäre die Effizienz bzw. ggf. das Drehmoment des so betriebenen Motors deutlich geringer als im Betrieb in der Vorzugsdrehrichtung.

Die einzelnen Aussparungen 122x sind derart dimensioniert, dass ihre radiale Erstreckung XR im Wesentlichen dem Doppel- ten der radialen Erstreckung bzw. Dicke R150 des Luftspalts 150 entspricht . In der tangentialen Richtung beträgt die Er- streckung XT der jeweiligen Aussparung 122x im Wesentlichen 20% der tangentialen Erstreckung Tl22a des Zahnkopfbereiches 122a, in dem die Aussparung 122x angeordnet ist. In der axia- len Richtung erstreckt sich die Aussparung 122x über den ge- samten Zahn 122, d.h. für den üblichen Fall, dass der Stator- zahn 122 aus einer Vielzahl von in axialer Richtung aufeinan- der gestapelten Einzelblechen besteht, weist jedes Einzel- blech eines jeweiligen Zahnes 122 eine entsprechende Ausspa- rung auf.

FIG 4 zeigt an sich die gleiche Situation wie FIG 3, jedoch sind die Zahnkopfbereiche 122a der Statorzähne 122 jeweils derart ausgebildet, dass sie sich in der positiven und in der negativen tangentialen Richtung T über die den jeweiligen Zahnhals 122b hinaus erstrecken. Diese Geometrie ist nicht unüblich, wird daher im Folgenden nicht weiter erläutert . Es sei lediglich darauf hingewiesen, dass auch bei Vorliegen dieser Zahnform im Zahnkopfbereich eine Aussparung 122x plat- ziert werden kann, um die oben genannten Vorteile zu erzie- len.

Die in FIG 5 dargestellte Ausbildung geht noch einen Schritt weiter. Hier ist die Aussparung 122x dadurch gebildet, dass sich die Zahnkopfbereiche 122a der Statorzähne 122 nur in ei- ner tangentialen Richtung T über den jeweiligen Zahnhals 122b hinaus erstrecken. Mit anderen Worten entspricht hier also die radiale Erstreckung XR der Aussparung 122x der radialen Erstreckung des Zahnkopfbereiches 122a.

Der im Zusammenhang mit den FIG 3, 4, 5 beschriebene Ansatz ist prinzipiell unabhängig von der Maschinentopologie . Die FIG 3, 4, 5 haben die Situation für eine typische Radial- flussmaschine 100 mit einem Stator 120 und einem bspw. als Innenläufer ausgebildeten Rotor 110 angedeutet . FIG 6 zeigt dagegen die Konstellation einer Transversalflussmaschine 100 mit Doppelrotor 110. Die Maschine 100, die für höchste Dreh- momentdichten ausgelegt ist, verwendet einen Doppelrotor 110 mit einer ersten Rotorkomponente 110 ' und einer zweiten Ro- torkomponente 110". Jede der Rotorkomponenten 110', 110" weist Oberflächenmagnete 111 auf. Der Stator 120, der in ra- dialer Richtung R gesehen zwischen den Rotorkomponenten 110', 110" angeordnet ist, weist eine Statorwicklung 121 auf, die im Wesentlichen als Ringwicklung ausgebildet ist. Der Stator- zahn 122, welcher wiederum Aussparungen 122x aufweist, ist hier als Klauenpaar ausgebildet, um den von den Ringwicklun- gen 121 erzeugten magnetischen Hauptfluss mH zu führen, d.h. der Stator 120 ist als Klauenpolstator 120 realisiert . Die Aussparungen 122x befinden sich wieder im jeweiligen Zahn- kopfbereich 122a, wobei der Zahn bzw. das Klauenpaar 122 ent- sprechend der Konstruktion der Maschine 100 mit zwei Rotor- komponenten 110', 110" zwei Kopfbereiche 122a', 122a" aufwei- sen, wobei sich der Halsbereich 122b in der radialen Richtung R zwischen den beiden Kopfbereichen 122a', 122a" erstreckt.

Im jeweiligen Kopfbereich sind die Aussparungen 122x wieder in Abhängigkeit von der Vorzugsdrehrichtung T des Doppelro- tors 110 angeordnet, nämlich derart, dass sie an demjenigen tangentialen Ende des jeweiligen Kopfbereiches 122a'_/ 122a" vorgesehen sind, welches von der Zahnmitte aus gesehen in derjenigen Richtung liegt, welche der Vorzugsdrehrichtung T des Doppelrotors 110 entspricht. Die Aussparungen 122x liegen also in der Drehrichtung T des Doppelrotors 110 gesehen am hinteren Ende des jeweiligen Kopfbereiches 122a', 122a".

Bspw. bei der in FIG 6 dargestellten Topologie mit doppeltem Luftspalt schlägt sich das Vorhandensein der Aussparungen 122x zusätzlich zur bereits erläuterten positiven, abschwä- chenden Wirkung auf den magnetischen Streufluss mS des Weite- ren insofern positiv nieder, als dass aufgrund der Aussparun- gen 122x ein Formschluss zwischen den Statorzähnen 122 und einer entsprechend ausgebildeten Struktur 129 des Stators 120 geschaffen werden kann. Dies ist in der FIG 7 verdeutlicht, welche einen Ausschnitt eines Stators 120 darstellt, der zwei ringförmige Strukturen 129 umfasst, in die die Zähne 122 der- art eingesetzt sind, dass sich die Zahnkopfbereiche 122a in die jeweilige Struktur 129 hinein erstrecken. Bspw. können den Zahn 122 bildende Bleche aufgrund der durch die Ausspa- rungen 122x gebildeten Stufen im Zahnkopfbereich 122a auch bei Versagen des die Bleche zusammenhaltenden Klebers nicht in den Luftspalt 150 rutschen. Dies wirkt sich also positiv auf die Betriebssicherheit der Maschine 100 aus .

Die Struktur 129 kann bspw. für den Fall, dass die Maschine 100 die in FIG 6 dargestellte Topologie aufweist, zwei oder mehr Statorrohre 129 umfassen. Die Zähne 122 sind insbesonde- re in ihren Zahnkopfbereichen 122a in die Statorrohre 129 eingesteckt und somit zur Unterstützung des zur Fixierung eingesetzten Klebers zusätzlich fixiert . Das Vorhandensein der Aussparungen 122x erlaubt einen Formschluss zwischen den Zähnen 122 und der Struktur 129.

Die FIG 8 zeigt eine Alternative hierzu. Die Maschine 100 ist im hier angedeuteten Fall als Radialflussmaschine mit Doppel- luftspalt 150 ausgebildet. Auch hier weist der Stator 120 Strukturen 129 auf, die der Fixierung der Statorzähne 122 dienen. Hierzu sind die Zähne 122 und die Strukturen 129 der- art zueinander angeordnet, dass die Strukturen 129 an den Or- ten der Aussparungen 122x liegen und somit einen Formschluss bewirken können, so dass die Zähne 12 fixiert sind.

Im Unterschied zu den obigen Ausführungen, bei denen die Asymmetrie im jeweiligen Kopfbereich 122a bei axialer Blick- richtung sichtbar war, erscheint die Asymmetrie aufgrund der Aussparungen 122x in dieser Ausführung bei radialer Blick- richtung. In alles Ausführungsformen befindet sich die Aus- sparung 122x jedoch an einem tangentialen Ende des jeweiligen Kopfbereiches 122a, 122a’, 122a", nämlich demjenigen tangen- tialen Ende, welches von der Zahnmitte aus gesehen in derje- nigen Richtung liegt, welche der Drehrichtung des Rotors 110 entspricht.

In den dargestellten Beispielen sind die Aussparungen 122x in der jeweiligen Blickrichtung gesehen rechteckig. Andere For- men sind natürlich denkbar, bspw. können die Aussparungen 122x in der axialen Blickrichtung anstelle des dargestellten rechteckigen Profils auch runde, angeschrägte oder sonstige Profile aufweisen.

Zur Herstellung derartiger asymmetrischer Statorzähne 122 kann auf herkömmliche Fertigungsverfahren zurückgegriffen werden. Typischerweise sind Statorzähne 122 geblecht ausge- führt, bestehen also aus einer Vielzahl von in axialer Rich- tung aufeinander gestapelten Blechlagen. Die beschriebene Zahnkopfgeometrie kann ohne besonderen Zusatzaufwand in den bekannten Prozessen in der Statorblechfertigung, bspw. Laser- schneiden oder Stanzen, berücksichtigt werden .

Wie einleitend angedeutet kann die so aufgebaute elektrische Maschine in einem Antriebssystem eines elektrischen Luftfahr- zeugs eingesetzt werden, bspw. als Motor zum Antreiben eines Propellers oder als Generator zum Bereitstellen von elektri- scher Energie an Bord des Luftfahrzeugs.

Claims

Patentansprüche

1. Komponente (122) für einen Stator (120) einer den Stator (120) und einen Rotor (110, 110') aufweisenden elektrischen Maschine (100) zum Führen eines magnetischen Hauptflusses

(mH) einer Statorwicklung (121) des Stators (120), aufweisend einen Halsbereich (122b) und einen im in die Maschine (100) eingebauten Zustand dem Rotor (110) der elektrischen Maschine (100) zugewandten Kopfbereich (122a, 122a', 122a"), wobei die Komponente (122) zumindest im Kopfbereich (122a, 122a',

122a") eine Asymmetrie aufweist .

2. Komponente (122) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (122) ein Statorzahn ist.

3. Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (122) eine Klaue, insbesondere ein Klauenpaar, für den als Klauenpolstator ausgebildeten Stator (120) der elektrischen Maschine (100) ist.

4. Komponente (122) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (122) an dem Kopfbereich (122a') gegenüberliegenden Ende des Halsbereichs (122b) einen weiteren Kopfbereich (122a") aufweist, welcher im in die Ma- schine (100) eingebauten Zustand einem weiteren Rotor (110") der elektrischen Maschine (100) zugewandt ist, wobei die Kom- ponente (122) im weiteren Kopfbereich (122a") eine weitere Asymmetrie (122x) aufweist.

5. Komponente (122) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Asymmetrie (122x) dadurch erreicht wird, dass an einem ersten tangentialen Ende des je- weiligen Kopfbereiches (122a, 122a', 122a") jeweils eine Aus- sparung (122x) vorgesehen ist.

6. Komponente (122) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Aussparung (122x) derart geformt ist, dass sie ein rechteckiges Profil aufweist.

7. Stator (120) für eine den Stator (120) und einen Rotor (110) aufweisende elektrischen Maschine (100) , aufweisend

- eine Statorwicklung (121) zum Erzeugen eines magnetischen Hauptflusses (mH) und

- eine Komponente (122) gemäß einem der vorhergehenden An- sprüche zum Führen des magnetischen Hauptflusses (mH) , wobei die Statorwicklung (121) und die Komponente (122) der- art zueinander angeordnet sind, dass der im Betrieb der elektrischen Maschine (100) durch die Statorwicklung (121) erzeugte magnetische Hauptfluss (mH) durch die Komponente (122) geführt wird.

8. Stator (120) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (122) ein Statorzahn ist, welcher sich von ei- nem Statorring (123) des Stators aus zum Rotor (110) hin er- streckt und welcher die Statorwicklung (121) derart trägt, dass die Statorwicklung (121) zumindest im Halsbereich ( 122b) um den Statorzahn (121) gewickelt ist.

9. Stator (120) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (120) als Klauenpolstator ausgebildet ist, wobei die Komponente (122) ein Klauenpaar des Klauenpolstators dar- stellt .

10. Stator (120) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (120) eine Struktur (129) aufweist, in die die Komponente (122) mit ihrem die Asymmet^¬ rie aufweisenden Bereich ( 122a, 122a’, 122a") derart einge- setzt ist, dass sich ein Formschluss zwischen der Komponente (122) und der Struktur (129) ergibt.

11. Elektrische Maschine (100) mit einem Stator (120) nach einem der Ansprüche 7 bis 10 und einen Rotor (110) mit einer Vorzugsdrehrichtung T.

12. Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 11, dadurch ge^¬ kennzeichnet, dass die Komponente (122) derart in den Stator (120) eingebaut ist, dass das jeweilige erste tangentiale En- de des jeweiligen Kopfbereiches (122a, 122a', 122a") der Kom- ponente (122) in der Vorzugsdrehrichtung T des Rotors (110) gesehen am hinteren Ende des jeweiligen Kopfbereiches (122a, 122a', 122a") liegt.

13. Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich die jeweilige die Asymmetrie bildende Aussparung (122x) von einer dem jeweili- gen Rotor (110) zugewandten Oberfläche des jeweiligen Kopfbe- reiches (122a, 122a', 122a") aus um eine Erstreckung XR und von einer tangentialen Oberfläche des jeweiligen Kopfberei- ches aus um eine Erstreckung XT in den jeweiligen Kopfbereich (122a, 122a’, 122a") hinein erstreckt, wobei XR im Wesentli- chen dem Doppelten der radialen Erstreckung R150 des zwischen Stator (120) und Rotor (110) gebildeten Luftspalts (150) der elektrischen Maschine (100) entspricht und wobei XT im We- sentlichen 20% der tangentialen Erstreckung Tl22a des jewei- ligen Kopfbereiches (122a, 122a', 122a") entspricht.

14. Elektrisches Luftfahrzeug mit einem Antriebssystem auf- weisend eine elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 11 bis 13.