DE102018208686A1

DE102018208686A1 - Elektrische Maschine und hybrid-elektrisches Luftfahrzeug

Info

Publication number: DE102018208686A1
Application number: DE102018208686.9A
Authority: DE
Inventors: Christian Loesch; Markus Sons; Jens Weidauer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2018-06-01
Filing date: 2018-06-01
Publication date: 2019-12-05
Also published as: CN112219344A; US20210234445A1; WO2019229161A1

Abstract

Die elektrische Maschine umfasst einen Rotor und einen Stator, wobei der Stator Statorspulen mit je einem Spulenkern aufweist. Die elektrische Maschine umfasst zudem eine Fehlerfalleinrichtung, die ausgebildet ist, eine magnetische Flusskopplung von Spulenkernen miteinander mittels eines Flussleitelements zu ändern.Das hybrid-elektrische Luftfahrzeugt ist besondere ein hybrid-elektrisches Flugzeug. Das hybrid-elektrische Luftfahrzeug weist eine solche elektrische Maschine auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine sowie ein hybrid-elektrisches Luftfahrzeug, insbesondere ein hybrid-elektrisches Flugzeug.
Elektrische Maschinen, insbesondere Elektromotoren und Elektrogeneratoren, müssen in einigen kritischen Anwendungen besonders betriebssicher eingesetzt werden: So sind regelmäßig Maßnahmen zu treffen, welche die elektrische Maschine zuverlässig gegen einen Ausfall sichern. Ein besonders kritischer Bereich ist die Luftfahrt, in welcher künftig elektrische Maschinen verstärkt zum Einsatz kommen könnten. Im Falle eines Fehlers oder Ausfalls der Maschine stellt eine starke Überhitzung oder eine Brandentwicklung für diesen Anwendungszweck ein unbedingt zu vermeidendes Risiko dar.
Ausfälle der Maschine können etwa durch mechanische Fehler bedingt sein. Jedoch können auch Fehler im Isolationssystem zu elektrischen Kurzschlüssen führen. Je nach Lokalisation eines solchen Kurzschlusses sind solche Kurzschlüsse unterschiedlich folgenschwer:
Kurzschlüsse werden durch den Leiterwiderstand sowie durch die Induktivität des kurzgeschlossenen Stromkreises begrenzt. Bei einem Klemmenkurzschluss beispielsweise, bei welchem alle Windungen innerhalb des Motors grundsätzlich intakt sind, resultiert - je nach Motorauslegung - ein Kurzschlussstrom, der sich typischerweise im Bereich des Nennstromes bewegt, da die Induktivität hinreichend hoch ist. Denn die Induktivität einer Wicklung ist proportional zum Quadrat der Windungszahl. Bei intakten Windungen einer Wicklung kann folglich die hinreichend hohe Induktivität den Kurzschlussstrom wirksam begrenzen.
Tritt jedoch ein Windungskurzschluss innerhalb der Maschine selbst auf, etwa im Bereich einer Wicklung, insbesondere von einer Windung zu einer direkt an diese Windung angrenzenden Windung, so ist die Induktivität aufgrund dieser dann in Betracht zu ziehenden einigen Windung derart gering, dass eine Begrenzung des Kurzschlussstromes durch die Induktivität nicht effizient erfolgenden kann. Eine dann infolge des kaum begrenzten Kurzschlussstromes freiwerdende thermische Energie kann die elektrische Maschine rasch zerstören und bei Luftfahrtanwendungen aufgrund einer damit einhergehenden Brandgefahr und eines Ausfalls der Maschine das Leben von Passagieren gefährden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine sowie ein hybrid-elektrisches Luftfahrzeug zu schaffen, deren Betriebssicherheit deutlich verbessert ist. Insbesondere sollen elektrische Maschine und Luftfahrzeug ausfallsicherer betreibbar sein und/oder im Fehlerfall soll die Brandgefahr deutlich herabgesetzt sein.
Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einer elektrischen Maschine mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einem hybrid-elektrischen Luftfahrzeug mit den in Anspruch 15 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist einen Rotor und einen Stator auf, wobei der Stator Statorspulen mit je einem Spulenkern aufweist. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst zudem eine Fehlerfalleinrichtung, die ausgebildet ist, eine magnetische Flusskopplung von Spulenkernen miteinander mittels mindestens eines Flussleitelements zu ändern. Mittels der Änderung der magnetischen Flusskopplung der Spulenkerne miteinander lässt sich die magnetische Flusskopplung von Stator und Rotor beeinflussen. Regelmäßig dienen Spulenkerne dazu, den magnetischen Fluss einer Statorspule geeignet zu führen, sodass der mittels eines Spulenkerns geführte magnetische Fluss effizient mit einem Magnetfeld eines Rotors wechselwirken kann. Infolge der flussleitenden Kopplung von Spulenkernen miteinander lässt sich der magnetische Fluss jedoch derart leiten, dass ein Spulenkern deutlich schwächer mit durch den Rotor bedingten Magnetfeldern koppelt. Denn aufgrund der magnetischen Flusskopplung der Spulenkerne ist ein magnetischer Fluss von einem Spulenkern in den nächsten Spulenkern umleitbar. Insbesondere ist mittels der magnetischen Flusskopplung der magnetische Fluss eines Spulenkerns mit einem weiteren, insbesondere einem benachbarten, Spulenkern kurzschließbar, sodass an den Spulenkernen allenfalls ein deutlich abgeschwächtes Magnetfeld auftritt. Umgekehrt wird ein durch den Rotor verursachtes magnetisches Wechselfeld bei verstärkter Flusskopplung der Spulenkerne miteinander nicht mehr vordringlich in den Spulenkern hinein gekoppelt, sondern der magnetische Flusskreis von Magneten des Rotors kann infolge der magnetischen Flusskopplung der Spulenkerne miteinander die Spulen vorteilhaft umgehen und somit ebenfalls gewissermaßen kurzgeschlossen werden. Erfindungsgemäß lässt sich also infolge der magnetischen Flusskopplung von Spulenkernen miteinander die Kopplung von Rotor und Stator beeinflussen und im Fehlerfall mittels der Fehlerfalleinrichtung reduzieren.
Ein solcher Fehlerfall besteht insbesondere in einem Kurzschluss von benachbarten Windungen einer Wicklung miteinander, welche bei bisher bekannten elektrischen Maschinen zu einem durch die Induktivität kaum begrenzten Fehlerstrom führen würden. Erfindungsgemäß lassen sich in Folge der magnetischen Flusskopplung der Spulenkerne miteinander die magnetischen Flusskopplungen von Rotor und Statorspulen miteinander verringern, sodass in eine Statorspule mit einem solchen Windungskurzschluss magnetischer Fluss deutlich schwächer einkoppelbar ist und somit aufgrund der deutlich herabgesetzten induzierten Spannung kein problematisch hoher Fehlerstrom resultieren muss.
Folglich ist die erfindungsgemäße elektrische Maschine deutlich betriebssicherer ausbildbar und die Brandgefahr ist aufgrund des erfindungsgemäß beherrschbaren Fehlerstroms erheblich reduziert.
Vorteilhafterweise kann die erfindungsgemäße elektrische Maschine auch im Falle eines Fehlers in einer Windung einer Statorspule weiterbetrieben werden, ohne dass es zum Totalausfall der ganzen elektrischen Maschine kommt. Vorzugsweise kann bei einem Kurzschluss in einer Statorspule das übrige System der elektrischen Maschine mit eingeschränkter Leistung weiterbetrieben werden. Insbesondere ist die Änderung der Flusskopplung von Spulenkernen auf solche Spulenkerne begrenzbar, welche Statorspulen mit einem Kurzschluss tragen oder welche Spulenkernen benachbart angeordnet sind, die Statorspulen mit einem Kurzschluss tragen.
Vorteilhafterweise lässt sich der magnetische Kreis der Statorspule mit dem Windungskurzschluss derart ändern, dass kein thermisch kritischer Fehlerstrom getrieben wird. Folglich ist die erfindungsgemäße elektrische Maschine besonders robust und betriebssicher ausgebildet, ohne dass sich ein erhöhtes Brandrisiko oder ein erhöhtes Risiko eines Totalausfalls der elektrischen Maschine ergibt.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine weisen die Spulenkerne je ein rotornahes Ende zur Erzeugung eines sich in Richtung auf den Rotor zu erstreckenden magnetischen Feldes, d.h. eines dem Rotor zugewandten, also auf diesen einwirkenden, magnetischen Feldes, auf. Zweckmäßigerweise sind solche rotornahen Enden mittels Polschuhen der Spulenkerne gebildet. Geeigneter Weise können Flussleitelemente in Form von Stegen aus magnetisch flussleitendem Material, welche die Polschuhe miteinander verbinden, zwischen diese Polschuhe und vorzugsweise an diese anliegend eingelegt werden. Auf diese Weise ist der magnetische Flusskreis mittels der Fehlerfalleinrichtung besonders leicht modifizierbar, indem die Stege durch die Fehlerfalleinrichtungen im Fehlerfall zwischen die Polschuhe einbringbar und im Normalbetrieb von dem zwischen Polschuhen liegenden Bereich fernhaltbar sind.
Idealerweise ist bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine die Fehlerfalleinrichtung ausgebildet, die Flusskopplung zu ändern, indem die Fehlerfalleinrichtung rotornahe Enden von Spulenkernen miteinander flussleitend verbindet und/oder rotorferne Enden von Spulenkernen voneinander vollständig oder teilweise flussentkoppelt, insbesondere eine flussleitende Leitung schwächt. So ist die Kopplung von Statorspulen und Rotormagneten insbesondere dadurch herabsetzbar, dass die rotornahen Enden der Spulenkerne miteinander flussleitend verbindbar sind. Alternativ oder zusätzlich lässt sich allerdings eine Feldkopplung von Statorspulen und Rotormagneten dadurch reduzieren, dass eine bestehende flussleitende Verbindung von Spulenkernen an ihren rotorfernen Enden unterbrochen oder geschwächt wird. Insbesondere können rotorferne Enden von Statorspulen derart miteinander flussleitend verbunden sein, dass die Statorspulen auf Zähne, d.h. Statorzähne, eines gemeinsamen Statorjochs aufgebracht sind. Ein solches Statorjoch verbindet rotorfern sämtliche Spulenkerne miteinander zu einem gemeinsamen Statorjoch. Bei einem solchen Statorjoch lässt sich rotorfern der magnetische Fluss zwischen zwei Spulenkernen unterbrechen, indem rotorfern Unterbrechungen des flussleitenden Materials in das Statorjoch eingebracht werden. Zweckmäßig sind Teile des Statorjochs im Fehlerfall aus dem Statorjoch herausschiebbar, sodass Spulenkerne im Fehlerfall nicht mehr an ihren rotorenden Enden miteinander flussleitend verbunden sind.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist die Fehlerfalleinrichtung ausgebildet, dass mindestens eine Flussleitelement in Richtung einer Flussleitrichtung der Spulenkerne und/oder in eine radiale Richtung bezüglich einer Rotorachse des Rotors zu bewegen. Geeigneter Weise ist die Fehlerfalleinrichtung ausgebildet, das mindestens eine Flussleitelement radial und/oder in Richtung einer Flussleitrichtung der Spulenkerne zwischen zwei vorteilhafterweise bei der elektrischen Maschine vorhandene Polschuhe vorzugsweise benachbarter Spulenkerne einzubringen, welche zweckmäßig rotornahe Enden der Spulenkerne bilden. Vorteilhafterweise können alternativ oder zusätzlich etwa Flussleitelemente, welche rotorfernen Enden von Spulenkern miteinander verbinden, radial oder in Richtung einer Flussleitrichtung der Spulenkerne aus dem Statorjoch heraus bewegbar angeordnet sein. In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das zumindest eine Flussleitelement ausgebildet und angeordnet, aus einer Position, in welcher das Flussleitelement rotorferne Enden von Spulenkernen miteinander flussleitend verbindet in eine solche Position, in welcher das Flussleitelement rotornahe Enden von Spulenkernen miteinander verbindet, bewegbar.
Vorteilhaft kann zusätzlich oder alternativ bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine die Fehlerfalleinrichtung ausgebildet sein, dass Flussleitelement in eine Richtung parallel zu einer Rotorachse des Rotors zu bewegen. Zweckmäßigerweise ist bei einer rotierenden elektrischen Maschine der Raumbereich, welcher aus einer Verschiebung des Stators in Richtung parallel zur Rotorachse des Rotors hervorginge, funktionell nicht notwendig belegt, sodass diese Weiterbildung der Erfindung die Fehlerfalleinrichtung besonders leicht realisierbar ist. Insbesondere können in dieser Richtung Flussleitelemente zwischen rotornahe Enden von Spulenkernen eingebracht werden und Flussleitelemente aus einem Bereich zwischen rotorfernen Enden von Spulenkernen ausgebracht werden, wenn ein Fehlerfall eintritt.
Alternativ oder zusätzlich und ebenfalls bevorzugt lässt sich bei der erfindungsgemäßen Maschine das Flussleitelement mittels der Fehlerfalleinrichtung in umfänglicher Richtung bewegen. Zweckmäßigerweise ist in dieser Weiterbildung der Erfindung die Fehlerfalleinrichtung ausgebildet, eine Vielzahl von Flussleitelementen gleichzeitig in umfänglicher Richtung um die Rotorachse zu bewegen, insbesondere mittels einer ringartigen Einrichtung, welche die Flussleitelemente aufweist.
Vorzugsweise ist bei der elektrischen Maschine gemäß der Erfindung die Fehlerfalleinrichtung ausgebildet, die Flusskopplung zu ändern, in dem sie eine flussleitende Verbindung von rotorfernen Enden der Spulenkerne miteinander schwächt.
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine weist bei dieser das Flussleitelement eine richtungsabhängige magnetische Permeabilität auf. Zweckmäßigerweise ist bei dem Flussleitelement die magnetische Permeabilität in einer Richtung maximal und einer dazu schräg, insbesondere quer, verlaufenden Richtung minimal. Auf diese Weise muss das Flussleitelement nicht zwingend in seiner Position geändert werden, um eine magnetische Flusskopplung zu ändern. Vielmehr ist es hinreichend, das flussleitende Element zu drehen, um eine Änderung der Flusskopplung über eine Flussleitung durch das Flussleitelement hindurch ändern zu können. Besonders bevorzugt ist das Flussleiterelement in dieser Weiterbildung der Erfindung kreisrund ausgebildet, sodass das Flussleitelement innerhalb eines Jochs oder zwischen zwei Polschuhen drehbar anordbar ist.
Geeigneterweise wird bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine die Flusskopplung geändert, indem das Flussleitelement gedreht wird. Insbesondere in Kombination mit der vorgenannten Weiterbildung der Erfindung ist diese Weiterbildung besonders vorteilhaft.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Flussleitelement eine entlang einer Raumrichtung veränderliche Flusssättigbarkeit, also eine Sättigbarkeit des magnetischen Flusses, auf. Mittels einer veränderlichen Flusssättigbarkeit des Flussleitelements lässt sich eine magnetische Flusskopplung von Spulenkernen leicht ändern.
Besonders vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine die Fehlerfalleinrichtung ausgebildet, die Flusskopplung im Fehlerfall, insbesondere im Falle eines elektrischen Kurschlusses, vorzugsweise eines Windungskurzschlusses, einer Statorspule, der elektrischen Maschine zu ändern. Insbesondere kann die erfindungsgemäße elektrische Maschine einen Sensor zur Detektion eines Fehlerfalls aufweisen, etwa einen Stromsensor zur Detektion eines Kurzschlussstroms und/oder einen Infrarotsensor zur Detektion einer beginnenden Hitzeentwicklung oder einen sonst geeigneten Sensor. Mittels des Sensors und der damit verbundenen Steuerung kann die Fehlerfalleinrichtung die Flusskopplung ändern. Dies kann zweckmäßig aktiv, durch eine entsprechend geartete Steuerung, erfolgen. Alternativ und ebenfalls bevorzugt kann dies passiv, etwa selbsttätig durch Nutzung eines mit dem Fehlerfall einhergehenden physikalischen Effekts, bewerkstelligt werden.
Bevorzugt ist die erfindungsgemäße elektrische Maschine eine permanenterregte Maschine. Alternativ oder zusätzlich und ebenfalls bevorzugt ist in einer Weiterbildung der Erfindung die elektrische Maschine ein Motor und/oder ein Generator.
Bevorzugt umfasst bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine die Fehlerfalleinrichtung pyrotechnisches Material, welches ausgebildet ist, im Fehlerfall zu zünden und das Flussleitelement zu bewegen.
In einer geeigneten Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine weist die Fehlerfalleinrichtung alternativ oder zusätzlich ein Federelement auf, welches ausgebildet ist, das Flussleitelement im Fehlerfall kraftzubeaufschlagen und zu bewegen. Auf diese Weise kann das Flussleitelement leicht in oder aus bestimmten Positionen bewegt werden, sodass die Fehlerfalleinrichtung die Flusskopplung von Spulenkernen von Statorspulen mittels der Flussleitelemente leicht ändern kann.
Das erfindungsgemäße hybrid-elektrische Luftfahrzeug ist insbesondere ein hybrid-elektrisches Flugzeug. Das erfindungsgemäße hybrid-elektrische Luftfahrzeug weist eine erfindungsgemäße elektrische Maschine, wie zuvor beschrieben, auf. Zweckmäßigerweise umfasst das erfindungsgemäße hybrid-elektrische Luftfahrzeug einen elektrischen Antrieb mit der elektrischen Maschine, insbesondere in Gestalt eines Elektromotors. Vorzugsweise ist der elektrische Antrieb an einen Propeller des Luftfahrzeugs antreibend angebunden.
Nachfolgend wir die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine Einzelheit einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einem Statorjoch mit zahnartig ausgebildeten Spulenkernen und darauf angeordnete Statorspulen sowie einen Permanentmagnete tragenden Rotor im Normalbetrieb schematisch im Querschnitt,
2 die Einzelheit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine gemäß 1 im Fehlerfall mit zwischen rotornahen Enden der Spulenkerne eingebrachten Flussleitelementen schematisch im Querschnitt,
3 den Stator der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine gemäß 1 und 2 schematisch in einer Draufsicht,
4 eine Einzelheit eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit zwischen rotorfernen Enden von Statorspulen eingebrachten Flussleitelementen im Normalbetrieb schematisch im Querschnitt,
5 die Einzelheit gemäß 4 im Fehlerfall, wobei die Flussleitelemente zwischen rotornahen Enden der Spulenkerne flussleitend verbindend eingebracht sind,
6 eine Einzelheit eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine im Normalbetrieb schematisch im Querschnitt,
7 die Einzelheit gemäß 6 im Fehlerfall, in welchem die Flussleitelementen aus einer die rotorfernen Enden von Spulenkernen verbindenden Position in eine die rotornahen Enden der Spulenkernen flussleitend verbindende Position bewegt sind, schematisch im Querschnitt,
8 eine Einzelheit eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einem angepasst geformten Flussleitelement im Fehlerfall schematisch im Querschnitt,
9 eine Einzelheit eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einem angepasst geformten Flussleitelement schematisch im Querschnitt,
10 eine Einzelheit eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit Flussleitelementen mit richtungsabhängiger magnetischer Leitfähigkeit im Normalbetrieb schematisch im Querschnitt,
11 die Einzelheit gemäß 10 im Fehlerfall schematisch im Querschnitt,
12 Einzelheiten weiterer Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer elektrischer Maschinen mit Flussleitelementen mit richtungsabhängiger magnetischer Leitfähigkeit schematisch im Querschnitt,
13 eine Einzelheit eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit in umfänglicher Richtung um eine Drehachse des Rotors beweglichen Flussleitelementen im Normalbetrieb schematisch im Querschnitt,
14 die Einzelheit gemäß 13 im Fehlerfall schematisch im Querschnitt,
15 eine Einzelheit eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit in umfänglicher Richtung beweglichen Flussleitelementen im Normalbetrieb schematisch im Querschnitt,
16 die Einzelheit gemäß 15 im Fehlerfall schematisch im Querschnitt sowie
17 ein erfindungsgemäßes hybrid-elektrische Flugzeug schematisch in einer Prinzipskizze.

Die in 1 in einer Einzelheit dargestellte erfindungsgemäße elektrische Maschine 10 ist ein Elektromotor. In weiteren, nicht gesondert dargestellten Ausführungsbeispielen kann die elektrische Maschine 10 ein Generator sein.
Die elektrische Maschine 10 umfasst ein kreisringförmiges Rotorjoch 20, von welchem sich als Flachteile ausgebildete Permanentmagnetpole N, S in Form von Nordpolen und Südpolen radial nach innen strecken. Rotorjoch und Permanentmagnetpole N, S bilden einen Rotor 30 der erfindungsgemäßen Maschine 10. Innerhalb des Rotors 30 der erfindungsgemäßen Maschine 10 ist ein Stator 40 der erfindungsgemäßen Maschine 10 befindlich. Der Stator 40 der erfindungsgemäßen Maschine 10 umfasst ein Statorjoch 50, welches mit einem kreisringförmigen Statorring 60 gebildet ist, von welchem sich Statorzähne 70 des Statorjochs 50 radial nach außen strecken und in Polschuhen 80 des Statorjochs 50 enden. Die Statorzähne 70 des Statorjochs 50 fungieren als Wicklungsträger und tragen Wicklungen 90 der elektrischen Maschine 10. Die Wicklungen 90 der elektrischen Maschine 10 bilden Statorspulen der elektrischen Maschine 10. Die Wicklungen 90 der elektrischen Maschine 10 sind als isolierte Kupferdrahtwicklungen auf die Statorzähne 70 aufgebracht, welche jeweils zwischen Statorring 60 und Polschuhen 80 die Statorzähne 70 umgeben. Folglich bilden die Statorzähne 70 Spulenkerne der Statorspulen der elektrischen Maschine 10.
Mittels dieser Konfiguration ist im Normalbetrieb der elektrischen Maschine 10, wie in 1 dargestellt, ein typischer Magnetkreis 100 derart realisiert, dass die die Wicklungen 90 tragenden Statorzähne 70 den magnetischen Fluss radial nach außen leiten, wo der magnetische Fluss mittels eines magnetischen Feldes über einen zwischen Stator 40 und Rotor 30 befindlichen Luftspalt L in den dem Statorzahn 70 zugewandten Permanentmagnetpol S, N des Rotors 30 einkoppelt, dort über das Rotorjoch 20 zu benachbarten Permanentmagnetpolen N, S weitergeleitet wird, dort jeweils austritt und mittels eines magnetischen Feldes in den jeweils den Permanentmagnetpolen N, S nahen Statorzähnen 70 des Statorjochs 50 einkoppelt, dort radial zum Statorring 60 des Statorjochs 50 einwärts geleitet wird, wo sich der Magnetkreis 100 über den Statorring 60 des Statorjochs 50 schließt.
Im Fehlerfall werden, wie in 2 dargestellt, Flussleitelemente 110 in Form von Quadern, welche aus demselben flussleitendem Material wie das Statorjoch 50 bestehen, zwischen die Polschuhe 80 der Statorzähne 70 eingeschoben. Dabei werden in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel die Flussleitelemente 110 in axialer Richtung A, das heißt in Richtung parallel zu einer Drehachse des Rotors, welche senkrecht zur Zeichenebene verläuft, zwischen die Polschuhe 80 der Statorzähne 70 eingeschoben. Die Flussleitelemente 110 sind derart ausgebildet und dimensioniert, dass diese mit den Polschuhen 80 zur Anlage geraten. Die quaderförmigen Flussleitelemente 110 bilden, wie in 3 dargestellt, Stege, welche sich in axialer Richtung A von einem ringförmig ausgebildeten Stegringträger 120 fortstrecken und welche gemeinsam mit dem Stegringträger 120 in axialer Richtung A in den Stator 40 eingeschoben werden können.
Im Fehlerfall nehmen die Magnetkreise 130, 140 wie in 2 dargestellt, einen deutlich anderen Verlauf als im Normalbetrieb gemäß 1: Der Magnetfluss des Rotors 30 verläuft zwar nach wie vor von den Permanentmagnetpolen N, S über das den Luftspalt L zwischen Rotor 30 und Stator 40 durchsetzende Magnetfeld auf die Statorzähne 70 des Stators 40 zu, wobei der Fluss jedoch nicht weiter radial der radialen Erstreckung der Statorzähne 70 einwärts folgt, sondern der magnetische Fluss lenkt sich in den Polschuhen 80 in Richtung auf die Flussleitelemente 110 ab, über welche der magnetische Fluss über die Flussleitelement 110 hinweg in jeweils einen Polschuh 80 eines benachbarten Statorzahns 70 übertritt und von dort wieder über den Luftspalt L in einen diesem Statorzahn 70 nahen Permanentmagnetpol N, S des Rotors 30 und folglich in das Rotorjoch 20 eindringt. Auf diese Weise werden mittels der Flussleitelemente 110 die Magnetkreise 140 des Rotors 30 kurzgeschlossen, sodass die magnetischen Flusskreise 140 des Rotors 30 nicht mehr mit einer defekten Wicklung 90 des Stators 40 koppeln können. Folglich wird über den Rotor 30 keine Spannung in den Wicklungen 90 des Stators 40 induziert, sodass auch kein Fehlerstrom resultiert. Der magnetische Fluss hingegen, der von den Wicklungen 90 des Stators 40 erzeugt wird, wird nun ebenfalls über die zwischen den Polschuhen 80 der Statorzähne 70 befindlichen Flussleitelemente 110 geführt, sodass dieser magnetische Fluss nicht über den Luftspalt L in die Permanentmagnetpole N, S des Rotors 30 eindringt. Durch diesen Umstand erhöht sich die Wicklungsinduktivität, sodass Kurschlussströme zusätzlich durch die Induktivität verringert werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel übernimmt die nicht im Einzelnen gezeigte Fehlerfalleinrichtung eine Ansteuerung der nicht fehlerhaften Wicklungen 90 des Stators 40 derart, dass der Magnetfluss der übrigen Wicklungen 90 dem noch gegebenenfalls verbleibenden Magnetfluss des Rotors 30 entgegenwirkt. Dazu sind die Wicklungen 90 jeweils einzeln angesteuert, sodass die Funktion der übrigen Wicklungen 90 nicht beeinflusst wird.
Die Flussleitelemente 110 können entweder gemeinsam mittels des Stegringträgers 120 in den Stator 40 eingeführt werden. Alternativ und nicht im Einzelnen gezeigt, können die Flussleitelemente 110 jedoch auch lediglich paarweise eingeführt werden, um im Fehlerfall nur die betroffene Wicklung 90 eines einzelnen Statorzahns 70 zu entkoppeln. So geht im Fehlerfall nur ein Teil des Drehmoments der elektrischen Maschine 10 verloren. Nicht im Einzelnen gezeigt, aber grundsätzlich ebenfalls möglich ist es, dass nicht nur ein einzelnen Paar, sondern eine Mehrzahl von Paaren an dem Stegringträger 120 montiert ist. Jedoch sind nicht notwendig derart viele Paare von Flussleitelementen 110 an den Stegringträger 120 montiert, dass jede Wicklung 90 des Stators 40 magnetisch vom Rotor 30 entkoppelbar ist. Auf diese Weise lassen sich zwischen Entkopplung und Drehmomentübertragung von Stator 40 und Rotor 30 alle möglichen Zwischenstufen beliebig einstellen.
Das axiale Einschieben der Flussleitelemente 110 erfolgt beispielsweise mittels einer Druckfeder (nicht im Einzelnen dargestellt) der Fehlerfalleinrichtung, welche im Fehlerfall auslöst und den Stegringträger 120 in Richtung auf den Stator 40 zu kraftbeaufschlagt.
Die magnetische Entkopplung kann zusätzlich noch weiter verbessert werden, indem nicht alleine Flussleitelemente 110 in die Bereiche zwischen den rotornahe Enden der Statorzähne 70 bildenden Polschuhen 80 eingeschoben werden, sondern zugleich kann das Statorjoch 50 weitere Flussleitelemente 115 aufweisen, welche aus dem Statorjoch 50 entfernbar sind. Dazu weist das Statorjoch 50, wie in den 4 und 5 gezeigt, beispielsweise entlang der umfänglichen Richtung des Statorrings 60 umfängliche Abschnitte auf, welche mit den Flussleitelementen 115 gebildet sind. Diese lassen sich wie die zuvor beschriebenen Flussleitelemente 110 in axialer Richtung A in den Stator 40 einschieben, jedoch nicht im Falle eines Windungskurzschlusses der Wicklungen 90, sondern diese Flussleitelemente 115 sind im Normalbetrieb im Statorring 60 des Statorjochs 50 bereits eingebracht. Im Fehlerfall hingegen werden diese Flussleitelemente 115 aus dem Statorring 60 in axialer Richtung A mittels eines weiteren, nicht im Einzelnen gezeigten, Stegringträgers 120 aus dem Statorjoch 50 herausgeschoben. Auf diese Weise ist die Führung des Magnetflusses des Rotors 30 über die Polschuhe 80 und die zwischen diesen befindlichen Flussleitelemente 110 weiter intensiviert, da der Statorring 60 im Fehlerfall mehrere zusätzliche Luftspalte enthält, welche den in radialer Richtung in die Statorzähne 70 eindringenden Magnetfluss weiter reduzieren.
Das anhand der 1 bis 5 erläuterte Prinzip der Änderung der den Rotor 30 und den Stator 40 koppelnden Magnetkreise 100 in stattdessen schwächer koppelnde oder entkoppelnde Magnetkreise 130, 140 im Fehlerfall bleibt auch in den nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispielen bestehen. Jedoch sind in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen die Flussleitelemente auf eine andere Art ausgebildet und/oder beweglich. Im Übrigen stimmen die dargestellten elektrischen Maschinen mit der elektrischen Maschine 10 gem. den 1 bis 5 überein.
Bei der in den 6 und 7 dargestellten elektrischen Maschine 500, welche im Übrigen der anhand der 1 bis 5 erläuterten elektrischen Maschine 10 entspricht, sind anstelle in axialer Richtung A in den Stator 40 hinein bewegliche Flussleitelements 110 und in axialer Richtung A aus dem Stator 40 heraus bewegliche Flussleitelemente 115 stattdessen Flussleitelemente 510 vorhanden, welche die Rolle der Flussleitelemente 110 und 115 zugleich übernehmen: Dazu sind die Flussleitelemente 510 der 6 und 7 nicht etwa axial mittels eines Stegringträgers 120 beweglich, sondern die Flussleitelemente 510 sind radial bezüglich der Drehachse des Rotors 30 beweglich geführt. Dazu nehmen die quaderförmig ausgebildeten Flussleitelemente 510 im Normalbetrieb diejenigen Abschnitte des Statorrings 60 des Statorjochs 50 ein, welche denjenigen Abschnitten der Flussleitelemente 115 der in den 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiele im Normalbetrieb entsprechen (nachfolgend auch rotorferne Flussleitelementposition genannt). In Normalbetrieb verstärken die Flussleitelemente 510 also den magnetischen Fluss der den Stator 40 und den Rotor 30 koppelnden Magnetkreise 100. Im Fehlerfall sind die Flussleitelemente 510 in radialer Richtung, d.h. in den 6 und 7 in Richtung R, nach außen beweglich angeordnet, bis die Flussleitelemente 510 zwischen den Polschuhen 80 an diesen zur Anlage kommen (nachfolgend auch als rotornahe Flussleitelementposition bezeichnet). Auf diese Weise ist wie in den anhand der 1 bis 5 erläuterten Ausführungsbeispielen der den Rotor 30 und den Stator 40 koppelnde Magnetkreise 100 im Fehlerfall in schwächer koppelnde oder entkoppelnde Magnetkreise 130, 140 überführbar. Wie bereits bei den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen ist die nicht im Einzelnen gezeigte Fehlerfalleinrichtung mit einer Druckfeder versehen, welche die Flussleitelemente 510 im Fehlerfall aus der rotorfernen Flussleitelementposition in die rotornahe Flussleitelementposition hinein kraftbeaufschlagt.
In einer Abwandlung des in den 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispiels können Flussleitelemente 610 eine Form aufweisen, welche von derjenigen eines mathematischen Zylinders abweicht, beispielsweise wie in 8 gezeigt eine sich in radialer Richtung R in Richtung auf den Rotor 30 zu verjüngende Form. Eine solche Form kann etwa mittels eines breiteren Kragens gebildet sein, welcher an der rotorfernen Seite des Flussleitelements 610 befindlich ist und senkrecht zur radialen Richtung R auskragt. Wie in 8 gezeigt sind in diesem Ausführungsbeispiel einander benachbarte Polschuhe 580 mit einer zu dem Flussleitelement 510 korrespondierenden Form versehen. Auf diese Weise ist wirksam verhindert, dass das Flussleitelement in den Luftspalt L zwischen Rotor 30 und Stator 540 gelangen kann und etwa den Rotor 30 zerstört.
In einer in 9 dargestellten Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels sind die Flussleitelemente 710 im Normalbetrieb nicht in das Statorjoch 50 integriert, sondern die Flussleitelemente 710 liegen stattdessen auf dem Statorjoch 50 auf.
Die Flussleitelemente können - wie in 10 gezeigt - nicht allein hinsichtlich ihrer Position beweglich ausgebildet sein, sondern die Flussleitelemente 910 sind grundsätzlich auch drehbar ausbildbar. Die Flussleitelemente 910 gem. 10 sind mit einer richtungsabhängigen magnetischen Permeabilität ausgebildet, d.h. die Flussleitelemente 910 sind in einer Raumrichtung flussleitend ausgebildet, in einer dazu senkrechten Richtung hingegen wirken die Flussleitelemente 910 nicht flussleitend. Die Flussleitelemente sind wie in 10 dargestellt derart in den Stator 40 integriert, dass die Flussleitelemente 910 in einer rotorfernen Flussleitelementposition im Normalbetrieb mit ihrer flussleitenden Richtung senkrecht zur radialen Richtung R orientiert sind und somit flussleitend in das Statorjoch 50 integriert sind. Im Normalbetrieb sind zudem Flussleitelemente 910 jeweils in einer rotornahen Flussleitelementposition angeordnet, wobei ihre flussleitende Richtung in einer radialen Richtung R bezüglich einer Drehachse des Rotors 30 orientiert sind, sodass die Flussleitelemente 910 im Normalbetrieb nicht flussleitend wirken. Die Polschuhe 80 sind im Normalbetrieb daher nicht flussleitend gekoppelt. Folglich entspricht die in 10 dargestellte Situation magnetisch der in 4 abgebildeten Konfiguration.
Im Fehlerfall werden die Flussleitelemente 910 sowohl in ihrer rotornahen Flussleitelementposition als auch in ihrer rotorfernen Flussleitelementposition um 90 Grad, also um eine Vierteldrehung, gedreht. Folglich wirken im Fehlerfall die Flussleitelemente 910 in der rotornahen Flussleitelementposition flussleitend und die Flussleitelemente in der rotorfernen Flussleitposition wirken im Fehlerfall nicht mehr flussleitend, sodass die Situation wie in 11 dargestellt nunmehr magnetisch der in 5 dargestellten Situation entspricht. Folglich sind auch in der in 11 dargestellten Situation die Wicklungen 90 im Fehlerfall vom Rotor 30 magnetisch entkoppelt.
Im in den 10 und 11 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Flussleitelemente 910 kreisrund dargestellt, sodass sich eine Drehung der Flussleitelemente 910 lediglich hinsichtlich der magnetischen Konfiguration, nicht jedoch hinsichtlich der geometrischen Konfiguration des Stators 40 auswirkt. Grundsätzlich können Flussleitelemente 1010 aber auch in diesen Weiterbildungen der Erfindung quaderförmig ausgebildet sein. Wie in 12 veranschaulicht können die Flussleitelemente 1010 um einen zwischen den Polschuhen 80 befindlichen Ort drehbar angeordnet sein (links oben in 12) oder aber in eine zwischen den Polschuhen 80 gelegene Position hinein schwenkbar (rechts oben in 12) montiert sein. In beiden Ausbildungen liegen die Flussleitelemente 1010 im Fehlerfall mit den Polschuhen 80 an.
Wie in 13 und 14 dargestellt können Flussleitelemente 1110 auch in umfänglicher Richtung beweglich sein. So sind die Flussleitelemente wie in 13 dargestellt mit einem Flussleitelementring 1150 gebildet, welcher um eine Drehachse des Rotors 30 drehbar die Polschuhe 80 des Stators 40 umgibt und an diesen anliegt. Der Flussleitelementring 1150 liegt somit an der radial außenliegenden, rotornahen Seite des Stators 40 an. Der Flussleitelementring 1150 umfasst umfängliche Abschnitte, welche aus flussleitendem Material gebildet sind, sodass diese Abschnitte Flussleitelemente 1110 bilden. In umfänglicher Richtung U zwischen den Flussleitelementen 1150 liegend weist der Flussleitelementring 1150 zudem Abschnitte 1160 aus nicht-flussleitendem Material auf.
Die Flussleitelemente 1110 sind in umfänglicher Richtung derart dimensioniert, dass die Flussleitelemente 1110 im Normalbetrieb radial genau mit den Polschuhen 80 des Stators 40 abschließen. Folglich bilden die Flussleitelemente 1110 im Normalbetrieb magnetisch lediglich eine radiale Fortsetzung der Polschuhe 80 aus. Die Magnetkreise 100 bilden sich in diesem Falle somit analog zur in 1 dargestellten Anordnung aus.
Im Fehlerfall hingegen ist der Flussleitelementring 1150 in eine derartige Drehstellung drehbar, dass die Flussleitelemente 1110 den in umfänglicher Richtung zwischen den Polschuhen 80 befindlichen Zwischenraum überbrücken können. Folglich bilden die Flussleitelemente 1110 wie in 14 dargestellt eine flussleitende Verbindung zwischen den Polschuhen 80 und somit eine flussleitende Verbindung zwischen den Statorzähnen 70 aus. In diesem Fall ist die Anordnung der Flussleitelemente 1110 magnetisch folglich der Anordnung gem. 2 vergleichbar, sodass sich zwei über die Polschuhe 80 und die Flussleitelemente 1110 kurzgeschlossene Magnetkreise 130, 140 ausbilden.
An der rotorfernen Seite des Stators 40 ist im in 15 und 16 dargestellten Ausführungsbeispiel anstelle des Flussleitelementrings 1150 gem. 13 und 14 stattdessen an der rotorfernen, innenumfänglichen, Seite des Stators 40 ein zweiter Flussleitelementring 1250 angeordnet, welcher Flussleitelemente 1310 in Form von umfänglichen Abschnitten, die mit magnetisch flussleitendem Material gebildet sind, aufweist. Zwischen diesen Flussleitelementen 1310 liegend sind weniger effizient flussleitende Abschnitte 1360 befindlich, welche jedoch aus demselben Material wie die Flussleitelemente 1310 gebildet sind. Die weniger effizient flussleitende Eigenschaft der Abschnitte 1360 beruht auf der geometrischen Ausbildung der Abschnitte 1360: Die Abschnitte 1360 sind mittels Einkerbungen gebildet, welche radial von innen in den Flussleitelementring 1250 eingeschnitten sind. Daher sind die Abschnitte 1360 in radialer Richtung im Mittel weniger stark ausgebildet als die Flussleitelemente 1310. Daher sättigen die Abschnitte 1360 in den Bereichen B bei deutlich geringeren magnetischen Flüssen als die Flussleitelemente 1310.
Im Normalbetrieb liegen die Flussleitelemente an denjenigen Bereichen des Statorrings 60 an, welche die Statorzähne 70 miteinander flussleitend verbinden. Folglich stellt die in 15 dargestellte Konfiguration magnetisch eine Anordnung dar, welche mit derjenigen in 1 vergleichbar ist. Es bildet sich entsprechend ein die Wicklungen 90 und den Rotor 30 miteinander koppelnder Magnetkreis 100 aus.
Im Fehlerfall hingegen ist der Flussleitelementring 1250 derart gebenüber dem Stator 40 in umfänglicher Richtung U verdrehbar, dass die weniger effizient flussleitenden Abschnitte 1360 in umfänglicher Richtung U zwischen den Statorzähnen 70 zu liegen kommt. Auf diese Weise ist aufgrund der schnelleren Sättigbarkeit der Abschnitte 1360 die flussleitende Verbindung der Statorzähne 70 miteinander geschwächt, sodass die Feldkopplung des Magnetkreises 100 herabgesetzt ist und sich somit die magnetische Kopplung der Wicklungen 90 und des Rotors 40 miteinander reduziert.
Das erfindungsgemäße hybrid-elektrische Flugzeug 2000 weist eine elektrische Maschine 10 in Gestalt eines Elektromotors wie zuvor beschrieben auf. Die elektrische Maschine ist zum Antrieb eines Propellers 2100 mit dieser antreibend verbunden. Grundsätzlich kann bei dem erfindungsgemäßen hybrid-elektrischen Flugzeug 2000 anstelle der elektrischen Maschine 10 eine elektrische Maschine 10, 500 gemäß jedes der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele vorhanden sein.

Claims

Elektrische Maschine mit einem Rotor (30) und einem Stator (40), wobei der Stator Statorspulen (90) mit je einem Spulenkern (70) aufweist, sowie mit einer Fehlerfalleinrichtung, die ausgebildet ist, eine magnetische Flusskopplung von Spulenkernen (70) miteinander mittels mindestens eines Flussleitelements (110, 510, 610, 710, 910, 1010, 1110, 1310) zu ändern.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem Spulenkerne (70) je ein rotornahes Ende (80) zur Erzeugung eines sich in Richtung auf den Rotor (30) zu erstreckenden Feldes aufweisen.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Fehlerfalleinrichtung ausgebildet ist, die Flusskopplung zu ändern, indem sie rotornahe Enden (80) von Spulenkernen (70) miteinander flussleitend verbindet und/oder rotorferne Enden von Spulenkernen (70) voneinander flussentkoppelt, insbesondere eine flussleitende Verbindung schwächt.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Fehlerfalleinrichtung ausgebildet ist, das mindestens eine Flussleitelement (510, 610, 710) in Richtung einer Flussleitrichtung der Spulenkerne (70) und/oder einer radialen Richtung (R) bezüglich einer Rotorachse (A) des Rotors (30) zu bewegen.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Fehlerfalleinrichtung ausgebildet ist, das mindestens eine Flussleitelement (110) in eine Richtung (A) parallel zu einer Rotorachse des Rotors (30) zu bewegen.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Fehlerfalleinrichtung ausgebildet ist, das mindestens eine Flussleitelement (1110, 1310) in umfänglicher Richtung um eine Rotorachse des Rotors (30) zu bewegen.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Fehlerfalleinrichtung ausgebildet ist, die Flusskopplung zu ändern, indem sie eine flussleitende Verbindung von rotorfernen Enden der Spulenkerne (70) miteinander schwächt.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das mindestens eine Flussleitelement (910, 1010) eine richtungsabhängige magnetische Permeabilität aufweist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Flusskopplung geändert wird, indem das mindestens eine Flussleitelement (910, 1010) gedreht wird.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Flussleitelement (910, 1010) eine entlang einer Raumrichtung veränderliche Flusssättigbarkeit, etwa mittels senkrecht zur Raumrichtung in das Flussleitelement einragende Einschnürungen, insbesondere Einkerbungen, aufweist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Fehlerfalleinrichtung ausgebildet ist, die Flusskopplung im Fehlerfall, insbesondere im Falle eines elektrischen Kurzschlusses, vorzugsweise eines Windungskurzschlusses einer Statorspule (90), der elektrischen Maschine zu ändern.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher eine permanent erregte Maschine (10) und/oder ein Motor und/oder ein Generator ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Fehlerfalleinrichtung ein Federelement aufweist, welches ausgebildet ist, das mindestens eine Flussleitelement (110) im Fehlerfall zu bewegen.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Fehlerfalleinrichtung pyrotechnisches Material umfasst, welches ausgebildet ist, im Fehlerfall zu zünden und das Flussleitelement (110, 510, 610, 710, 910, 1010, 1110, 1310) zu bewegen.
Hybrid-elektrisches Luftfahrzeug, insbesondere Flugzeug, mit einer elektrischen Maschine (10, 500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere mit einem elektrischen Antrieb mit der elektrischen Maschine (10, 500), welcher vorzugsweise an einem Propeller (2100) des Luftfahrzeugs antreibend angebunden ist.