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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer Doppelläuferanordnung, insbesondere eine Maschine mit einem Innenläufer und einem Außenläufer, zwischen denen ein Stator angeordnet ist.
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Zur Klassifizierung einer elektrischen Maschine kann unter anderem die sogenannte Leistungsdichte verwendet werden, welche 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 Leistungsdichten in Größenordnungen bis zu 2kW/kg ausreichend sind, benötigt man bspw. für die Elektrifizierung der Luftfahrt elektrische Maschinen mit Leistungsdichten von mindestens 20kW/kg. Ein bekannter Ansatz zur Erhöhung der Leistungsdichte einer elektrischen Maschine wird bspw. in der
DE102013225093A1 beschrieben.
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Die Leistungsdichte einer elektrischen Maschine skaliert direkt 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 Doppelläuferkonfiguration eingesetzt wird, bei der der Stator mit den 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. Bei einer axialen Konfiguration ist der Stator in axialer Richtung zwischen den beiden Läufern angeordnet, d.h. ein erster Läufer, der Stator und ein zweiter Läufer liegen in axialer Richtung hintereinander.
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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 bzw. der Spulen für die Erzeugung und für die Führung des magnetischen Flusses genutzt werden können. Diese und weitere Maßnahmen können sich in einer erhöhten Leistungsdichte der Maschine niederschlagen.
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Ein erster Ansatz zur Erhöhung der Leistungsdichte besteht demnach darin, in der elektrischen Maschine eine Doppelrotorkonfiguration einzusetzen. Hiermit werden aber weiterhin lediglich moderate Erhöhungen der Leistungsdichte erzielt. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit anzugeben, das Leistungsgewicht einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Maschine mit Doppelläuferkonfiguration, zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene elektrische Maschine gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen.
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Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine weist eine Doppelläuferanordnung mit einem ersten Läufer und einem zweiten Läufer auf. Der erste Läufer und der zweite Läufer sind derart konzentrisch zueinander angeordnet, dass der erste Läufer und der zweite Läufer in einer bestimmten Vorzugsrichtung voneinander beabstandet sind, so dass sich zwischen dem ersten Läufer und dem zweiten Läufer ein Spalt befindet. Der erste Läufer und der zweite Läufer weisen jeweils Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Flusses auf, derart, dass der erzeugte magnetische Fluss zwischen dem ersten Läufer und dem zweiten Läufer in der Vorzugsrichtung durch den Luftspalt verläuft. Die Vorzugsrichtung kann bspw. im Wesentlichen in einer axialen Richtung oder in einer radialen Richtung orientiert sein, je nachdem, ob die elektrische Maschine als eine Axial- oder als Radialflussmaschine konzipiert ist. Der erste Läufer und der zweite Läufer weisen darüber hinaus jeweils ein Joch zur Führung des magnetischen Flusses auf, wobei die Joche jeweils zumindest ein Blechpaket aus einem kryogenen Ferromagnetikum zur Führung des magnetischen Flusses im jeweiligen Joch aufweisen, welche sich idealerweise jeweils entlang des gesamten Umfangs des jeweiligen Jochs erstrecken.
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Die Formulierung, dass „der erste Läufer und der zweite Läufer in einer bestimmten Vorzugsrichtung voneinander beabstandet sind“ ist insbesondere in dem Fall, dass die Läufer in radialer Richtung voneinander beabstandet sein sollen, so zu verstehen, dass ein Abschnitt des ersten Läufers und ein entsprechender Abschnitt des zweiten Läufers in der Vorzugsrichtung voneinander beabstandet sind. Bspw. können die beiden Läufer im Wesentlichen kreisringförmig ausgebildet sein und die Abschnitte können, ebenfalls bspw., denjenigen Kreisringsegmenten der Läufer entsprechen, die sich bezogen auf die Rotationsachse der Läufer in Umlaufrichtung über einen Winkel zwischen 0° und 90° erstrecken.
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Die Verwendung eines kryogenen Ferromagnetikums, bspw. Terbium oder Dysprosium, in den Jochen erlaubt das Führen hoher magnetischer Flüsse, die bspw. mit Hilfe von supraleitenden Permanentmagneten erzeugt werden können, resultierend in einer entsprechend höheren Leistungsdichte der elektrischen Maschine. Die Curie Temperatur von Werkstoffen wie Terbium oder Dysprosium liegt zwar weit unterhalb der Raumtemperatur, weshalb diese Werkstoffe erst auf kryogene Temperaturen gekühlt werden müssen, damit sie in die ferromagnetische Phase übergehen. Jedoch können diese Materialien im Gegensatz zu konventionellen Ferromagnetika magnetische Flussdichten in Größenordnungen von – je nach Umgebungstemperatur – etwa 4–8T und langfristig gesehen bis zu 14T führen. Dadurch ist ein wesentlich kleinerer Materialeinsatz notwendig als mit konventionellen Materialien, um die hohen gewünschten Flüsse insbesondere von supraleitenden Permanentmagneten führen zu können. Bspw. wurden in ersten Experimenten bei Verwendung von Dysprosium bereits Flussdichten in Höhe von 3,5–4T nachgewiesen, d.h. eine Verbessrung um einen Faktor 2 gegenüber der konventionellen Verwendung von Eisen. Schon dies resultiert in einer Gewichtsreduktion von 50% im Joch, was eine Gewichtsreduktion von etwa 20% in der Maschine ausmacht.
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Die Mittel zur Erzeugung des magnetischen Flusses sind am jeweiligen Läufer derart angeordnet, dass sie sich im Bereich derjenigen Oberfläche des jeweiligen Läufers befinden, die dem jeweils anderen Läufer zugewandt ist. Damit wird sichergestellt, dass im Spalt zwischen den Läufern ein maximaler magnetischer Fluss erzeugt werden kann.
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Die Joche mit den Blechpaketen aus dem kryogenen Ferromagnetikum zur Führung des magnetischen Flusses sind am jeweiligen Läufer derart angeordnet, dass sich das Mittel zur Erzeugung des magnetischen Flusses eines jeweiligen Läufers im Wesentlichen zwischen dem Joch des jeweiligen Läufers und dem jeweils anderen Läufer bzw. dem Luftspalt befindet. Die Joche befinden sich also quasi im Bereich derjenigen Oberfläche des jeweiligen Läufers, die dem jeweils anderen Läufer abgewandt ist.
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Im Fall einer Konfiguration der elektrischen Maschine, bei der die Läufer als Innen- und Außenläufer ausgebildet sind, so dass sich die Vorzugsrichtung in radialer Richtung erstreckt, wobei der Innenläufer radial innerhalb des Außenläufers angeordnet ist, bedeutet das also, dass die Mittel des Außenläufers zur Erzeugung des magnetischen Flusses an dessen radial innen liegender Oberfläche angeordnet sind, während sich die Mittel des Innenläufers zur Erzeugung des magnetischen Flusses an dessen radial außen liegender Oberfläche befinden. Dementsprechend befindet sich das Blechpaket des Außenläufers aus dem kryogenen Ferromagnetikum an dessen radial außen liegender Oberfläche und das Blechpaket des Innenläufers aus dem kryogenen Ferromagnetikum ist im Bereich von dessen radial innen liegender Oberfläche angeordnet.
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Die Mittel zur Erzeugung des magnetischen Flusses am ersten Läufer und am zweiten Läufer umfassen jeweils eine Vielzahl von Einzelmagneten, insbesondere die gleiche Vielzahl. Dabei ist jedem Einzelmagneten des ersten Läufers ein Einzelmagnet des zweiten Läufers zugeordnet, wobei einander zugeordnete Einzelmagnete ein Paar von Einzelmagneten bilden. Die Einzelmagnete eines Paares sind derart angeordnet, dass sie sich in der Vorzugsrichtung gegenüberstehen, dass sie also in der Vorzugsrichtung voneinander beabstandet angeordnet sind. Weiterhin sind die Einzelmagnete derart angeordnet, dass die Polaritäten ihrer Magnetisierungen grundsätzlich parallel oder aber antiparallel zur Vorzugsrichtung orientiert sind. Dabei sind außerdem die Polaritäten der Magnetisierungen der Einzelmagnete eines jeweiligen Paares einander entgegengesetzt, so dass also bspw. ein Einzelmagnet eines Paares in Nord-Süd-Ausrichtung und der andere Einzelmagnet des Paares in Süd-Nord-Ausrichtung angeordnet ist. In Umfangsrichtung des ersten Läufers benachbarte Einzelmagnete des ersten Läufers sind derart angeordnet, dass die Polaritäten der Magnetisierungen der in Umfangsrichtung benachbarten Einzelmagnete des ersten Läufers einander entgegengesetzt orientiert sind, d.h. abwechselnd in Vorzugsrichtung und entgegengesetzt zur Vorzugsrichtung. Konsequenterweise sind auch in Umfangsrichtung des zweiten Läufers benachbarte Einzelmagnete des zweiten Läufers derart angeordnet, dass die Polaritäten der Magnetisierungen der in Umfangsrichtung benachbarten Einzelmagnete des zweiten Läufers einander entgegengesetzt orientiert sind. Stark vereinfacht ausgedrückt kann diese spezielle Konfiguration auch als Nord-Süd-/Süd-Nord-Konfiguration bezeichnet werden. Vorteilhafterweise ergibt sich aus dieser abwechselnden Konfiguration, dass der magnetische Fluss stets abwechselnd parallel oder antiparallel zur Vorzugsrichtung orientiert ist, was sich darin niederschlägt, dass die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Fluss und den Spulen des Stators bei Betrieb der elektrischen Maschine als Generator oder als Elektromotor mit höchster Effizienz erfolgt.
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Die Mittel zur Erzeugung des magnetischen Flusses am ersten Läufer und am zweiten Läufer sind vorteilhafterweise jeweils supraleitende Permanentmagnete sind, insbesondere sogenannte „HTS bulk Magnete“. Hierdurch lassen sich besonders hohe magnetische Flussdichten erzeugen. Die Kombination von supraleitenden Magneten, insbesondere HTS bulks, mit den kryogenen Ferromagnetika ist vorteilhaft, da die besonderen Eigenschaften im Temperaturbereich von ca. 20K bis ca. 70K praktisch genutzt werden können. Da die Ferromagnetika nur zur Führung des magnetischen Flusses im Läufer genutzt werden, verursachen sie keine Verluste durch wechselnde Magnetisierung, bspw. Hystereseverluste, und Wirbelströme. HTS-bulk Magnete sind supraleitende Magnete, die erst unterhalb einer bestimmen kritischen Sprungtemperatur ihre supraleitenden Eigenschaften zeigen und magnetisiert werden können. Für den Zweck der Erfindung bietet sich insbesondere die Verwendung von YBCO oder GdBCO an, da diese Werkstoffe bei Temperaturen von ca. 30K eine Magnetisierung von bis zu 6T bereitstellen können.
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Alternativ weisen die Mittel zur Erzeugung des magnetischen Flusses am ersten Läufer und am zweiten Läufer jeweils, so wie die Joche, ebenfalls ein kryogenes Ferromagnetikum auf und sind insbesondere als Bleckpaket aus einem solchen kryogenen Ferromagnetikum realisiert. Da die kryogenen Ferromagnetika bei entsprechender Kühlung ebenfalls die Erzeugung von außerordentlich hohen magnetischen Flussdichten erlauben, verspricht auch diese Alternative das Erzielen von hohen Leistungsdichten.
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Die elektrische Maschine weist weiterhin einen Stator auf, der in dem Spalt zwischen dem ersten Läufer und dem zweiten Läufer und konzentrisch zu dem ersten Läufer und dem zweiten Läufer angeordnet ist und der eine Vielzahl von Spulen trägt, welche derart angeordnet sind, dass sie mit dem magnetischen Flusses elektromagnetische wechselwirken. Dabei sind die Spulen vorteilhafterweise als Luftspulen ausgebildet, so dass der Stator ein vergleichsweise geringes Gewicht aufweist.
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Der erste Läufer und der zweite Läufer sind gegenüber der elektrischen Maschine und dem Stator rotierbar, aber relativ zueinander unbeweglich. In einer Ausführungsform mit radialer Doppelläuferanordnung ist der der erste Läufer ein Innenläufer und der zweite Läufer ein Außenläufer, wobei die Läufer derart angeordnet sind, dass sich der Innenläufer radial innerhalb des Außenläufers befindet, so dass die Vorzugsrichtung in radialer Raumrichtung orientiert ist. Der Stator ist in radialer Richtung zwischen dem Innenläufer und dem Außenläufer und konzentrisch zu dem Innenläufer und dem Außenläufer angeordnet. Die Mittel zur Erzeugung des magnetischen Flusses sind schließlich derart am Innenläufer und am Außenläufer angeordnet, dass der magnetische Fluss zwischen dem Innenläufer und dem Außenläufer im Wesentlichen in einer radialen Richtung verläuft.
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Ein weiter Vorteil der Doppelläuferanordnung speziell in Kombination mit supraleitenden Permanentmagneten bzw. HTS-bulks und den kryogenen Ferromagnetika ist optimale Nutzung der HTS-bulk Magneten. In sehr leistungsfähigen konventionellen Maschinen werden häufig sogenannte „Halbach-Anordnungen“ verwendet. Diese weisen eine besondere Magnetisierung auf, die sich darin niederschlägt, dass der magnetische Fluss innerhalb der Magnete umgelenkt werden kann. Bis dato stellt es jedoch als technisch sehr schwierig heraus, eine Halbach-Anordnung für HTS-bulks herzustellen, weshalb auf eine Nord-Süd-/Süd-Nord-Konfiguration zurückgegriffen werden muss. Damit der hohe Fluss in dieser Konfiguration nicht durch Luft geführt werden muss, werden die genannten kryogenen Ferromagnetika eingesetzt.
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Weiterhin liegt ein Vorteil der Doppelläuferanordnung in der Nord-Süd-/Süd-Nord-Konfiguration und insbesondere mit Luftspulen darin, dass die magnetischen Felder größtenteils lediglich eine Radialkomponente aufweisen und Streufelder in Tangentialrichtung klein sind. Dadurch sind für die Wicklung der Spulen des Stators Leiterkonfigurationen denkbar, bei denen die „kurze Seite“ orthogonal zur radialen Richtung liegt und somit – trotz der hohen Felder im Luftspalt-Verluste aufgrund des Proximity-Effekts minimiert werden können.
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Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den Zeichnungen und der entsprechenden Beschreibung.
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Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausführungsformen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dort werden gleiche Komponenten in verschiedenen Figuren durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Es zeigt:
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1 eine elektrische Maschine mit Doppelläuferanordnung.
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Gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren kennzeichnen gleiche Komponenten. Weiterhin sei angemerkt, dass sich Begriffe wie „axial“, „radial“ und „Umfangsrichtung“ auf die im jeweils beschriebenen Beispiel bzw. in der jeweiligen Figur zum Einsatz kommende Welle oder Drehachse beziehen.
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Die 1 zeigt eine anhand ihres Gehäuses 11 angedeutete elektrische Maschine 10 und deren weitestgehend kreisringförmige Doppelläuferanordnung 100, welche gegenüber der elektrischen Maschine bzw. bspw. gegenüber deren Gehäuse 11 um eine Rotationsachse R rotierbar ist. Die Doppelläuferanordnung 100 weist einen ersten Läufer 110 und einen zweiten Läufer 120 auf, welche konzentrisch zueinander angeordnet sind. In der hier dargestellten Ausführungsform handelt sich bei der Doppelläuferanordnung um einen radialen Doppelläufer, d.h. der erste Läufer 110 ist ein Innenläufer und der zweite Läufer 120 ist ein Außenläufer. Beim radialen Doppelläufer 100 ist der Innenläufer 110 radial innerhalb des Außenläufers 120 angeordnet, d.h. der Innenläufer 110 hat einen geringeren Durchmesser als der Außenläufer 120, wobei sich zwischen der radial äußeren Oberfläche 111 des Innenläufers 110 und der radial inneren Oberfläche 121 des Außenläufers 120 ein Spalt befindet. In axialer Richtung befinden sich die Läufer 110, 120 im Wesentlichen an der selben Position.
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Im Rahmen der hier vorliegenden Erfindung wird basierend auf der Anordnung der Läufer 110, 120 der Doppelläuferanordnung 100 eine „Vorzugsrichtung“ definiert, die sich daran orientiert, in welcher Raumrichtung bezogen auf die Drehachse R die beiden Läufer voneinander beabstandet sind. Im Fall des radialen Doppelläufers 100 befindet sich der Außenläufer 120 radial außerhalb des Innenläufers, d.h. die Vorzugsrichtung ist in radialer Richtung orientiert. Bspw. im nicht dargestellten Fall eines axialen Doppelläufers, dessen erster Läufer und zweiter Läufer typischerweise in axialer Richtung voneinander beabstandet sind, ist die Vorzugsrichtung in axialer Richtung orientiert.
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Der Innenläufer 110 sowie auch der Außenläufer 120 verfügen jeweils über eine Vielzahl von Mitteln 112, 122 zur Erzeugung eines magnetischen Flusses sowie über jeweils über ein Joch 113, 123 zur Führung des magnetischen Flusses, welcher n der 1 mit Hilfe der Pfeile angedeutet ist, im jeweiligen Läufer 110, 120. Im Folgenden wird rein exemplarisch, aber nicht einschränkend, angenommen, dass die Mittel 112, 122 zur Erzeugung des magnetischen Flusses Permanentmagnete sind. Die Permanentmagnete 112, 122 sind im bzw. am jeweiligen Joch 113, 123 derart angeordnet, dass sie sich im Bereich derjenigen Oberfläche 111, 121 des jeweiligen Läufers 110, 120 befinden, die dem jeweils anderen Läufer 120, 110 zugewandt ist. Damit wird also sichergestellt, dass der magnetische Fluss durch den Spalt zwischen den Läufern 110, 120 maximal ist.
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Die Mittel 112, 122 zur Erzeugung des magnetischen Flusses bzw. die Permanentmagnete 112, 122 am Innenläufer 110 und am Außenläufer 120 umfassen jeweils eine Vielzahl von Einzelmagneten 112, 122, wobei die beiden Läufer 110, 120 idealerweise die gleiche Anzahl von Einzelmagneten 112, 122 aufweist. Jedem Einzelmagneten 112 des Innenläufers 110 ist ein Einzelmagnet 122 des Außenläufers 120 zugeordnet, wobei einander zugeordnete Einzelmagnete, bspw. die mit 112‘ und 122‘ gekennzeichneten Einzelmagnete, ein Paar von Einzelmagneten 112‘, 122‘ bilden. Die Einzelmagnete 112‘, 122‘ eines jeweiligen Paares sind derart angeordnet, dass sie sich in der Vorzugsrichtung, d.h. im vorliegenden Beispiel in radialer Richtung, gegenüberstehen, dass sie also in der Vorzugsrichtung voneinander beabstandet angeordnet sind. Sämtliche Einzelmagnete 112, 122 sind weiterhin derart angeordnet, dass die Polaritäten ihrer Magnetisierungen, welche in der 1 durch Pfeile symbolisiert sind, parallel oder aber antiparallel zur Vorzugsrichtung orientiert sind. Dabei sind die Polaritäten der Magnetisierungen der Einzelmagnete 112‘, 122‘ eines jeweiligen Paares einander entgegengesetzt, es ist also bspw. ein Einzelmagnet 112‘ eines Paares in Nord-Süd-Ausrichtung und der andere Einzelmagnet 122‘ des Paares in Süd-Nord-Ausrichtung angeordnet. Desweiteren sind in Umfangsrichtung der Innenläufers 110 benachbarte Einzelmagnete 112 des Innenläufers 110 derart angeordnet, dass die Polaritäten der Magnetisierungen der in Umfangsrichtung benachbarten Einzelmagnete einander entgegengesetzt orientiert sind, d.h. abwechselnd in Vorzugsrichtung und entgegengesetzt zur Vorzugsrichtung. Aus letzterer Vorgabe ergibt sich zusammen mit der bereits erwähnten Forderung, dass die Polaritäten der Magnetisierungen der Einzelmagnete 112‘, 122‘ eines jeweiligen Paares einander entgegengesetzt sein müssen, die Konsequenz für den Außenläufer 120, dass auch in Umfangsrichtung der Außenläufers 120 benachbarte Einzelmagnete 122 des Außenläufers 120 derart angeordnet sind, dass die Polaritäten der Magnetisierungen der in Umfangsrichtung benachbarten Einzelmagnete 122 einander entgegengesetzt orientiert sind.
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Mit anderen Worten sind also die Permanentmagnete 112, 122 der Läufer 110, 120 im Wesentlichen abwechselnd in Nord-Süd- und Süd-Nord-Konfiguration angeordnet, wobei ein Nord-Süd-Magnet 122 im Außenrotor 120 einem Süd-Nord-Magnet 112 des Innenrotors 110 in Vorzugsrichtung gegenübersteht und umgekehrt.
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Vorteilhafterweise weisen die Joche 113, 123 jeweils zumindest ein Blechpaket 115, 125 aus einem kryogenen Ferromagnetikum zur Führung des magnetischen Flusses im jeweiligen Joch 113, 123 auf bzw. bestehen im Idealfall jeweils aus einem solchen Blechpaket 115, 125. Als kryogene Ferromagnetika kommen bspw. Dysprosium oder Terbium oder auch andere seltene Erden bzw. zusammengesetzte Systeme wie bspw. Anordnungen von molekularen Magneten in Betracht. Der Übersichtlichkeit wegen sind die Blechpakete 115, 125 in der 1 lediglich derart angedeutet, dass sie sich scheinbar nur über einen geringen Raumwinkel entlang des Umfangs des jeweiligen Läufers 110, 120 erstrecken. Idealerweise bzw. realistischerweise erstrecken sie sich jedoch jeweils entlang des gesamten Umfangs des jeweiligen Läufers 110, 120.
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Die Blechpakete 115, 125 aus dem kryogenen Ferromagnetikum sind am jeweiligen Läufer 110, 120 derart angeordnet, dass sich das Mittel 112, 122 zur Erzeugung des magnetischen Flusses bzw. die Permanentmagnete 112, 122 eines jeweiligen Läufers 110, 120 im Wesentlichen zwischen dem Blechpaket 115, 125 des jeweiligen Läufers 110, 120 und dem jeweils anderen Läufer 120, 110 bzw. dem Spalt befindet. Die Joche 113, 123 und insbesondere die Blechpakete 115, 125 befinden sich also im Wesentlichen im Bereich derjenigen Oberfläche des jeweiligen Läufers 110, 120, die dem jeweils anderen Läufer 120, 110 abgewandt ist.
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Im Fall der gezeigten Konfiguration der elektrischen Maschine 10, bei der die Läufer 110, 120 als Innen- und Außenläufer ausgebildet sind, so dass sich die Vorzugsrichtung in radialer Richtung erstreckt, bedeutet das also, dass die Mittel 122 des Außenläufers 120 zur Erzeugung des magnetischen Flusses an dessen radial innen liegender Oberfläche 121 angeordnet sind, während sich die Mittel 112 des Innenläufers 110 zur Erzeugung des magnetischen Flusses an dessen radial außen liegender Oberfläche 111 befinden. Dementsprechend befindet sich das Blechpaket 125 des Außenläufers 120 aus dem kryogenen Ferromagnetikum an dessen radial außen liegender Oberfläche und das Blechpaket 115 des Innenläufers 110 aus dem kryogenen Ferromagnetikum ist im Bereich von dessen radial innen liegender Oberfläche angeordnet.
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Der magnetische Fluss erstreckt sich nun wie in der 1 angedeutet für jedes Paar von Einzelmagneten über den Spalt zwischen dem Einzelmagneten des Paares. Da die Läufer 110, 120 zwar gegenüber der Maschine 10, nicht aber relativ zueinander beweglich bzw. rotierbar sind, bleibt die oben beschriebene Konfiguration bezüglich der gegenseitigen Anordnung der Einzelmagnete 112, 122 auch im Betrieb der elektrischen Maschine 10 unverändert erhalten. Bei rotierender Doppelläuferanordnung 100 rotiert daher auch der magnetische Fluss.
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Im Spalt zwischen Innenläufer 110 und Außenläufer 120 befindet sich ein Stator 200 der elektrischen Maschine 10, d.h. der Durchmesser des Stators 200 liegt zwischen den Durchmessern der Läufer 110, 120. Der Stator 200 ist ebenfalls im Wesentlichen kreisringfömig und konzentrisch zu den Läufern 110, 120 angeordnet. Die Dimensionen der Läufer 110, 120 und des Stators 200 sind derart gewählt, dass sich zwischen der radial inneren Oberfläche 201 des Stators 200 und der radial äußeren Oberfläche 111 des Innenläufers 110 sowie auch zwischen der radial äußeren Oberfläche 202 des Stators 200 und der radial inneren Oberfläche 121 des Außenläufers 120 jeweils ein Luftspalt bildet. Der Stator 200 trägt eine Vielzahl von Wicklungen bzw. Spulen 210, welche derart angeordnet sind, dass die Spulen 210 vom von der Doppelläuferanordnung 200 erzeugten magnetischen Fluss durchsetzt werden.
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Der Stator 120 ist bspw. über eine mechanische Verbindung (nicht dargestellt) fest mit dem Gehäuse 11 oder sonstigen Komponenten der elektrischen Maschine 10 verbunden, so dass der Stator 120 gegenüber der Maschine 10 an sich bzw. gegenüber deren Gehäuse 11 letztlich unbeweglich ist. Konsequenterweise ist aber der Läufer 100 bezüglich des Stators 200 rotierbar, so dass bei Rotation des Läufers 100 der mit dem Läufer 100 rotierende magnetische Fluss mit den Spulen 210 elektromagnetisch wechselwirken kann.
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Im Betriebszustand der elektrischen Maschine 100 rotiert der Läufer 100 bzw. die Doppelläuferanordnung 100 gegenüber dem Stator 200. Läufer 100 und Stator 200 sind wie beschrieben so zueinander angeordnet, dass das Magnetfeld bzw. der magnetische Fluss der Permanentmagnete 112, 122 und die Spulen 210 derart in Wechselwirkung miteinander treten, dass die elektrische Maschine 10 aufgrund der Wechselwirkung in einem ersten Betriebsmodus als Generator und/oder in einem zweiten Betriebsmodus als Elektromotor arbeitet. Die Arbeitsweise der elektrischen Maschine 10 basiert also auf dem an sich bekannten Konzept, dass die beiden Komponenten 100, 200 elektromagnetisch miteinander wechselwirken, so dass die elektrische Maschine 10 in einem der beiden Betriebsmodi arbeiten kann.
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Arbeitet die elektrische Maschine 10 als Generator, so werden die Doppelläuferanordnung 100 und mit ihr die Permanentmagnete 112, 122 bspw. über eine Welle 12 der elektrischen Maschine 10 in Rotation versetzt, so dass in den Spulen 210 des Stators 200 elektrische Spannungen induziert werden. Soll die elektrische Maschine 10 als Elektromotor arbeiten, so werden die Spulen 210 mit elektrischem Strom beaufschlagt, so dass aufgrund der Wechselwirkung der hiermit erzeugten Magnetfelder mit den Feldern der Permanentmagnete 112, 122 ein Drehmoment auf den Läufer 100 und damit auf die Welle 12 wirkt.
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Hinsichtlich der Mittel 112, 122 zur Erzeugung des magnetischen Flusses sei angemerkt, dass es sich als besonders vorteilhaft herausstellt, wenn die bereits genannten Permanentmagnete als supraleitende Permanentmagnete 112, 122 ausgebildet sind, mit denen bei entsprechenden Umgebungstemperaturen vergleichsweise hohe magnetische Flussdichten in Größenordnungen von bspw. bis zu 9T erzeugt werden können. Bspw. bieten sich YBCO oder GdBCO als Materialien für die supraleitenden Permanentmagnete 112, 122 an, wobei zur Erzeugung der genannten Flussdichten Temperaturen in einer Größenordnung von etwa 30K benötigt werden. Um die zum Betrieb von supraleitenden Komponenten, bspw. die genannten Permanentmagnete 112, 122 und/oder für den Fall, dass zusätzlich auch die Spulen 210 des Stators 200 supraleitend sind, zu realisieren, würden die Läufer 110, 120 und/oder der Stator 200 je nach räumlichen Gegebenheiten einzeln oder gemeinsam in einem oder mehreren Kryostaten untergebracht. Die ist jedoch nicht im Detail dargestellt.
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Eine weitere, alternative Realisierungsmöglichkeit der Mittel 112, 122 zur Erzeugung des magnetischen Flusses am ersten Läufer 110 und am zweiten Läufer 120 besteht darin, dass die Mittel, so wie die Joche 113, 123, ebenfalls als Blechpakete aus dem kryogenen Ferromagnetikum ausgebildet sein können.
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In den beiden zuletzt genannten Alternativen zur Realisierung der Mittel 112, 122 zur Erzeugung des magnetischen Flusses stellen diese Mittel 112, 122 von sich aus zunächst keine Magnetisierung zur Verfügung, d.h. sie müssen vor der Inbetriebnahme der elektrischen Maschine magnetisiert werden. Dies erfolgt bspw. mit Hilfe von an sich bekannten Magnetisierungseinrichtungen, welche speziell für diesen Zweck vorgeschlagen wurden.
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Die Spulen 210 des Stators 200 sind vorzugsweise als sog. Luftspulen ausgeführt, d.h. insbesondere ohne weichmagnetischen Kern. Stattdessen können die Spulen 210 bspw. auf nichtmagnetischen Kernen aus einem bevorzugt leichten Material (nicht dargestellt) oder sogar gänzlich ohne Kern gewickelt sein. Dies hat u.a. zur Folge, dass auch der Stator 200 derart ausgeführt sein kann, dass er ein vergleichsweise geringes Gewicht aufweist. Die Ausführung unter Verwendung von Luftspulen und damit das Fehlen der magnetischen Kerne schlägt sich zwar darin nieder, dass der magnetische Fluss der Permanentmagnete 112, 122 weniger gezielt geführt wird, wodurch sich eine Erhöhung des magnetischen Streuflusses ergeben würde, jedoch wird dieser störende Effekt durch die Verwendung der Doppelläuferanordnung 100 und die hierbei in der Vorzugsrichtung gegenüber liegenden Permanentmagnete 112, 122 kompensiert, da der magnetische Fluss aufgrund dieser Anordnung eine Führung auch ohne magnetischen Kern bewirkt.
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Zumindest einer der Läufer 110, 120 bspw. der Innenläufer 110, muss mechanisch mit der Welle 12 verbunden sein, um eine Drehmomentübertragung zwischen Doppelläuferanordnung 100 und Welle 12 zu ermöglichen. Weiterhin können der Innenläufer 110 und der Außenläufer 120 über eine mechanische Verbindung miteinander verbunden sein (nicht dargestellt), so dass in der Folge die an beiden Läufern 110, 120 erzeugten Drehmomente auf die Welle 12 übertragbar sind.
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Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass die Permanentmagnete 112, 122 nicht an den Läufern 110, 120 angeordnet sind, sondern am Stator 200. Die Spulen 210, in die je nach Betrieb Spannungen induziert werden bzw. die mit einem Strom beaufschlagt werden sollen, sind in diesem Fall an den Läufern 110, 120 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 näher erläutert, da es für die eigentliche Erfindung keine wesentliche Rolle spielt, an welcher der beiden Komponenten 110, 120 oder 200 die Permanentmagnete 112, 122 bzw. die Spulen 210 jeweils angeordnet sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013225093 A1 [0002]
