DE102018216735A1 - Electric machine and hybrid electric vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine und ein hybridelektrisches Fahrzeug.Die elektrische Maschine umfasst zumindest eine erste Gruppe supraleitender Spulen, welche angeordnet sind, einen magnetischen Fluss zumindest entlang eines u-förmigen Verlaufs zu führen.Das hybridelektrische Luftfahrzeug ist insbesondere ein Flugzeug und weist eine solche elektrische Maschine auf.The electric machine comprises at least a first group of superconducting coils which are arranged to conduct a magnetic flux at least along a U-shaped course. The hybrid electric aircraft is in particular an aircraft and has one electrical machine on.
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine und ein hybridelektrisches Fahrzeug.The invention relates to an electrical machine and a hybrid electric vehicle.
Zahlreiche technische Anwendungen erfordern elektrische Maschinen mit möglichst hoher massebezogener Leistung, also mit möglichst hoher Leistung je Kilogramm Masse. Insbesondere für die Elektrifizierung der Luftfahrt sind Generatoren und Motoren mit einer Leistungsdichte von mindestens 20 kW/kg erforderlich.Numerous technical applications require electrical machines with the highest possible mass-related performance, i.e. with the highest possible performance per kilogram of mass. Generators and motors with a power density of at least 20 kW / kg are required in particular for the electrification of aviation.
Die elektrische Leistungsdichte einer Maschine ist im Wesentlichen proportional zum elektrischen Strom des Stators und zum magnetischen Feld des Rotors. Da supraleitende Spulen wesentlich höhere magnetische Flussdichten von etwa drei bis vier Tesla verglichen mit denjenigen der stärksten Permanentmagnete bei Raumtemperatur, nämlich nur etwa 1.2 Tesla, bereitstellen können, kann die Leistungsdichte bei Nutzung supraleitender Spulen wesentlich erhöht werden.The electrical power density of a machine is essentially proportional to the electrical current of the stator and the magnetic field of the rotor. Since superconducting coils can provide much higher magnetic flux densities of about three to four Tesla compared to those of the strongest permanent magnets at room temperature, namely only about 1.2 Tesla, the power density can be significantly increased when using superconducting coils.
Trotz solch hoher Feldstärken muss am Stator gleichwohl magnetisch flussleitendes Material verwendet werden, um das Magnetfeld abzuschirmen. Die Abschirmung erfordert Joche, deren Masse nicht weiter reduziert werden kann, da ferromagnetische Materialien eine Saturierungsmagnetisierung besitzen, im Falle von Eisen von etwa 2.2 Tesla. Wird diese Sättigungsmagnetisierung überschritten, so kann das Joch seine flussleitende und schirmende Aufgabe nicht mehr erfüllen und das magnetische Feld kann sich außerhalb der Maschine ausbreiten. Dies kann nachteilig zu elektromagnetischer Interferenz (EMI) führen und zusätzlich den Wirkungsgrad der Maschine verringern. Das Joch ist daher auch bei supraleitenden Maschinen der limitierende Faktor.Despite such high field strengths, magnetic flux-conducting material must nevertheless be used on the stator in order to shield the magnetic field. The shielding requires yokes, the mass of which cannot be reduced further, since ferromagnetic materials have a saturation magnetization, in the case of iron of about 2.2 Tesla. If this saturation magnetization is exceeded, the yoke can no longer fulfill its flux-guiding and shielding function and the magnetic field can spread outside the machine. This can disadvantageously lead to electromagnetic interference (EMI) and additionally reduce the efficiency of the machine. The yoke is therefore also the limiting factor in superconducting machines.
Im Falle von konventionellen Maschinen können Halbach-Anordnungen von Magneten verwendet werden, um Fluss innerhalb der Magnete selbst anstatt innerhalb eines Joches zu führen. In einer Halbach-Konfiguration wird der Fluss gewissermaßen innerhalb der Magnete geleitet. Dadurch bedarf es an der „Rückseite“ der Magnete keines Joches mehr, um den Fluss zu führen. Halbach-Konfigurationen werden im Allgemeinen gefertigt, indem einzelne, kleine Magnete in normaler Nord-Süd Konfiguration magnetisiert werden und anschließend in der entsprechenden Konfiguration mechanisch zusammengebracht und verklebt werden.In the case of conventional machines, Halbach arrangements of magnets can be used to conduct flux within the magnets themselves rather than within a yoke. In a Halbach configuration, the flux is guided within the magnets, so to speak. As a result, there is no longer a yoke on the “back” of the magnets to guide the flow. Halbach configurations are generally manufactured by magnetizing individual, small magnets in a normal north-south configuration and then mechanically bringing them together and gluing them in the corresponding configuration.
Mit einer solchen Halbach-Anordnung kann eine sogenannte „Außenläuferkonfiguration“ realisiert werden, bei dem der Rotor außerhalb des Stators angeordnet ist. Der magnetische Fluss wird in den Magneten außen geleitet, sodass er nicht nach au-ßen hin entweichen kann.With such a Halbach arrangement, a so-called “external rotor configuration” can be realized, in which the rotor is arranged outside the stator. The magnetic flux is conducted into the outside of the magnet so that it cannot escape to the outside.
Zudem sind supraleitenden Maschinen bekannt, bei welchen supraleitende Erregerspulen im Stator angeordnet sind und die Wicklung, in der Spannung induziert wird, im Rotor angeordnet ist. Bei solchen elektrischen Maschinen kann das Joch entfallen. Da jedoch die Wicklung am Rotor angeordnet ist, erfordern solche elektrische Maschinen Schleifringe, um den Strom von rotierenden Teilen auf ruhende Teile der elektrischen Maschine zu leiten. Bei schnell drehenden Maschinen sind Schleifringe jedoch schwer und verschleißen schnell.In addition, superconducting machines are known in which superconducting excitation coils are arranged in the stator and the winding in which voltage is induced is arranged in the rotor. In such electrical machines, the yoke can be omitted. However, since the winding is arranged on the rotor, such electrical machines require slip rings in order to conduct the current from rotating parts to stationary parts of the electrical machine. In the case of fast rotating machines, however, slip rings are heavy and wear out quickly.
Es ist vor diesem Hintergrund des Standes der Technik Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine zu schaffen, welche eine hohe Leistungsdichte bereitstellen kann. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein hybridelektrisches Fahrzeug, insbesondere ein Luftfahrzeug, zu schaffen, welches eine hohe massebezogene Leistung aufweist. Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einer elektrischen Maschine mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.Against this background of the prior art, it is an object of the invention to provide an electrical machine which can provide a high power density. It is also an object of the invention to provide a hybrid electric vehicle, in particular an aircraft, which has a high mass-related power. This object of the invention is achieved with an electrical machine with the features specified in claim 1. Preferred developments of the invention are specified in the associated subclaims, the following description and the drawing.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist zumindest eine erste Gruppe supraleitender Spulen auf, welche angeordnet sind, einen magnetischen Fluss zumindest entlang eines u-förmigen Verlaufs zu führen.The electrical machine according to the invention has at least a first group of superconducting coils which are arranged to conduct a magnetic flux at least along a U-shaped course.
Erfindungsgemäß wird daher mittels supraleitender Spulen eine Halbach-Anordnung ermöglicht. Die erfindungsgemäß vorgesehene Gruppe von supraleitenden Spulen kann intrinsisch magnetischen Fluss leiten ohne ein zusätzliches Joch zu erfordern. Infolge des erfindungsgemäß möglichen Verzichts auf ein Joch ist daher die massebezogene Leistung deutlich steigerbar.According to the invention, a Halbach arrangement is therefore made possible by means of superconducting coils. The group of superconducting coils provided according to the invention can conduct intrinsically magnetic flux without requiring an additional yoke. As a result of the omission of a yoke, which is possible according to the invention, the mass-related power can therefore be increased significantly.
Zudem können sämtliche mechanischen Komponenten, die zur Abstützung der Fliehkraft notwendig sind, nach außen verlagert werden, sodass diese Komponenten nicht im Luftspalt vorgesehen werden müssen. Der Luftspalt kann folglich kleiner ausgelegt werden und das Drehmoment daher weiter vergrößert werden.In addition, all mechanical components that are necessary to support the centrifugal force can be moved outwards, so that these components do not have to be provided in the air gap. The air gap can consequently be made smaller and the torque can therefore be increased further.
Vorzugsweise umgeben bei der elektrischen Maschine gemäß der Erfindung die supraleitenden Spulen der ersten Gruppe den u-förmigen Verlauf und/oder eine Längsmittelline des u-förmigen Verlaufs, insbesondere umfänglich. In einer solchen Geometrie kann der magnetische Fluss analog zu klassischen, d.h. vorliegend analog zu nicht supraleitenden, Spulen geführt werden.In the electrical machine according to the invention, the superconducting coils of the first group preferably surround the U-shaped course and / or a longitudinal center line of the U-shaped course, in particular circumferentially. In such a geometry, the magnetic flux can be analogous to classic, i.e. in the present case, analogously to non-superconducting coils.
Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine erstrecken sich in einer bevorzugten Weiterbildung die supraleitenden Spulen mit ihren Windungsebenen entlang Kurvenradien eines Kurvenabschnitts des Verlaufs.In the electrical machine according to the invention extend in a preferred Further development of the superconducting coils with their winding planes along curve radii of a curve section of the course.
Vorteilhaft erstreckt sich bei der elektrischen Maschine gemäß der Erfindung der u-förmige Verlauf innerhalb einer Verlaufsebene und es erstrecken sich die Spulen mit ihren Windungsebenen senkrecht zur Verlaufsebene.In the case of the electrical machine according to the invention, the u-shaped course advantageously extends within a course plane and the coils with their winding planes extend perpendicular to the course plane.
Geeigneterweise ist bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine zumindest die erste Gruppe an einem Rotor oder Stator der elektrischen Maschine angeordnet.In the electrical machine according to the invention, at least the first group is suitably arranged on a rotor or stator of the electrical machine.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der elektrischen Maschine weist diese mindestens eine weitere Gruppe supraleitender Spulen auf, wobei Schenkel des u-förmigen Verlaufs sich jeweils in dieselbe Richtung vom Scheitel fortstrecken. In dieser Weiterbildung der Erfindung können grundsätzlich eine Vielzahl benachbarter Magnetpole realisiert sein, ohne dass ein schweres Joch oder ein sonstiges Joch erforderlich ist.In an advantageous development of the electrical machine, it has at least one further group of superconducting coils, legs of the U-shaped course each extending in the same direction from the apex. In this development of the invention, a large number of adjacent magnetic poles can in principle be implemented without a heavy yoke or any other yoke being required.
In einer bevorzugten Weiterbildung der elektrischen Maschine weist diese mindestens eine weitere Gruppe supraleitender Spulen auf, wobei Schenkel des u-förmigen Verlaufs mindestens zweier Gruppen aufeinander zu gerichtet sind. In dieser Weiterbildung der Erfindung können etwa Spulen eines Stators zwischen die aufeinander zugerichteten Schenkel eingebracht werden, sodass die u-förmigen Verläufe zu einem magnetischen Flusskreis durch die Spulen des Stators hindurch schließbar ist.In a preferred development of the electrical machine, it has at least one further group of superconducting coils, legs of the U-shaped course of at least two groups being directed towards one another. In this development of the invention, coils of a stator can be inserted between the legs directed towards each other, so that the U-shaped courses can be closed to form a magnetic flux circuit through the coils of the stator.
Vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine die elektrische Maschine ein Elektromotor und/oder ein Generator.In the electrical machine according to the invention, the electrical machine is advantageously an electric motor and / or a generator.
Vorzugsweise sind bei der elektrischen Maschine gemäß der Erfindung die supraleitenden Spulen mit Yttrium-Barium-Kupferoxid gebildet. Yttrium-Barium-Kupferoxid ist ein etablierter Hochtemperatursupraleiter erlaubt eine Fertigung oder Heranziehung supraleitender Spulen nach bekannten und etablierten Verfahren.In the electrical machine according to the invention, the superconducting coils are preferably formed with yttrium-barium-copper oxide. Yttrium-barium-copper oxide is an established high-temperature superconductor which enables the manufacture or use of superconducting coils using known and established methods.
Das erfindungsgemäße hybridelektrische Fahrzeug ist insbesondere ein Luftfahrzeug, vorzugsweise ein Flugzeug, und weist eine elektrische Maschine wie zuvor beschreiben auf. The hybrid electric vehicle according to the invention is in particular an aircraft, preferably an aircraft, and has an electrical machine as described above.
Erfindungsgemäß sind elektrische Maschinen mit einer Leistungsdichte von 30 - 40 kW/kg realisierbar. Die Elektrifizierung der Luftfahrt mag mit Luftfahrzeugen mit erfindungsgemäßen elektrischen Maschinen einen deutlichen Schritt auf praxistaugliche Lösungen hin vollziehen.According to the invention, electrical machines with a power density of 30-40 kW / kg can be implemented. The electrification of aviation with aircraft with electrical machines according to the invention may take a clear step towards practical solutions.
Die erfindungsgemäße Windkraftanlage weist eine elektrische Maschine wie zuvor beschrieben auf. Die erfindungsgemäß mögliche erhöhte Effizienz elektrischer Maschinen wie insbesondere Generatoren erlaubt die Fertigung deutlich effizienterer Windkraftanlagen.The wind turbine according to the invention has an electrical machine as described above. The increased efficiency of electrical machines, in particular generators, which is possible according to the invention allows the production of significantly more efficient wind turbines.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Sektor einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einer Gruppe supraleitender Rotorspulen schematisch in einer Ansicht in Richtung einer Rotationsachse eines Rotors der erfindungsgemäßen Maschine sowie -
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Gruppe supraleitender Rotorspulen schematisch in einer Ansicht in Richtung der Rotationsachse, -
3 ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einem Doppelrotor mit einem weiteren Ausführungsbeispiel einer Gruppe supraleitender Rotorspulen schematisch in einer Seitenansicht in Richtung senkrecht auf die Rotationsachse des Doppelrotors sowie -
4 ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine schematisch in einer Seitenansicht in Richtung senkrecht auf die Rotationsachse des Rotors.
-
1 a sector of an electrical machine according to the invention with a group of superconducting rotor coils schematically in a view in the direction of an axis of rotation of a rotor of the machine according to the invention and -
2nd 5 shows another exemplary embodiment of a group of superconducting rotor coils schematically in a view in the direction of the axis of rotation, -
3rd Another example of an electrical machine according to the invention with a double rotor with a further embodiment of a group of superconducting rotor coils schematically in a side view in the direction perpendicular to the axis of rotation of the double rotor and -
4th another example of an electrical machine according to the invention schematically in a side view in the direction perpendicular to the axis of rotation of the rotor.
Der in
Die Gruppe
Folglich beschreibt der magnetische Fluss der supraleitenden Rotorspulen
Die Schenkel der U-Form des Verlaufs
Es versteht sich, dass sich die Gruppe
Grundsätzlich kann die Gruppe
Bei dem in
Im in
Wie in
In allen gezeigten Ausführungsbeispielen wird der Rotor
Das in
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