DE102022115127A1

DE102022115127A1 - Elektrische Maschine für ein Luftfahrzeug

Info

Publication number: DE102022115127A1
Application number: DE102022115127.1A
Authority: DE
Inventors: Johannes Gabriel Bauer; Anton Rudenko
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2022-06-15
Filing date: 2022-06-15
Publication date: 2023-12-21
Also published as: US20240088729A1

Abstract

Eine elektrische Maschine (1; 1'), insbesondere für ein Luftfahrzeug (2) umfasst: einen Stator (10; 10'), einen relativ zum Stator (10; 10') drehbaren Rotor (11; 11'), wobei zwischen einer Spaltfläche (100; 100') des Stators (10; 10') und einer Spaltfläche (110; 110') des Rotors (11; 11') ein Spalt (S; S') ausgebildet ist, über welchen magnetische Kräfte zwischen dem Stator (10; 10') und dem Rotor (11; 11') wirken, und eine Lagereinrichtung (12), mittels welcher der Rotor (11; 11') derart relativ zum Stator (10; 10') drehbar gelagert ist, dass die Spaltfläche (110; 110') des Rotors (11; 11') im Normalbetrieb der elektrischen Maschine (1; 1') von der Spaltfläche (100; 100') des Stators (10; 10') beabstandet ist, wobei der Stator (10; 10') und/oder der Rotor (11; 11') eine reibungsreduzierende Schicht (101, 111) aufweist/aufweisen, welche die jeweilige Spaltfläche (100, 110; 100'; 110`) zumindest teilweise ausbildet und an welcher die jeweils andere Spaltfläche (100, 110; 100'; 110`) in einem Fehlerfall entlang gleiten kann.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich insbesondere auf eine elektrische Maschine für ein Luftfahrzeug und auf ein Luftfahrzeug mit einer solchen elektrischen Maschine.
Luftfahrzeuge werden in vielfältigen Ausgestaltungen angetrieben. Verbrennungsmaschinen, z.B. Kolbenmotoren oder Gasturbinentriebwerke, ermöglichen große Reichweiten und hohe Geschwindigkeiten. Antriebe mit einem oder mehreren Elektromotor(en) ermöglichen einen Einsatz von nachhaltig erzeugter Energie und sind mitunter besonders wartungsarm und leise.
Im Luftfahrtbereich ist es stets wünschenswert, eine möglichst große Sicherheit zu gewährleisten. Ein Ausfall eines Bauteils soll möglichst unwahrscheinlich sein. Falls es doch zu einem Ausfall kommt, sollen die Konsequenzen des Ausfalls möglichst gering gehalten werden. Zugleich wird typischerweise ein geringes Gesamtgewicht angestrebt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine möglichst sichere elektrische Maschine bereitzustellen.
Gemäß einem Aspekt wird eine elektrische Maschine, insbesondere für ein Luftfahrzeug, angegeben. Die elektrische Maschine umfasst einen Stator, einen relativ zum Stator drehbaren Rotor, wobei zwischen einer Spaltfläche des Stators und einer Spaltfläche des Rotors ein Spalt ausgebildet ist, über welchen magnetische Kräfte zwischen dem Stator und dem Rotor wirken, und eine Lagereinrichtung, mittels welcher der Rotor derart relativ zum Stator drehbar gelagert ist, dass die Spaltfläche des Rotors im Normalbetrieb der elektrischen Maschine von der Spaltfläche des Stators beabstandet ist. Dabei ist vorgesehen, dass der Stator, der Rotor oder der Stator und der Rotor eine reibungsreduzierende Schicht aufweist (bzw. aufweisen), welche die jeweilige Spaltfläche ausbildet (vollständig oder zumindest einen Teil davon) und an welcher die jeweils andere Spaltfläche in einem Fehlerfall entlang gleiten kann.
Hierdurch wird es ermöglicht, dass der Rotor auch im Fehlerfall weiterhin leicht rotieren kann. Dies bedingt wiederum, dass verschiedene Folgeschäden vermieden werden können. Denn durch eine starke Reibung könnten weitere Teile der elektrischen Maschine zerstört werden. Dies wäre zwar in vielen Fällen zweitrangig, da die elektrische Maschine bereits durch den auslösenden Fehlerfall defekt und ohnehin auszutauschen ist. Doch es hat sich gezeigt, dass die genannten Folgeschäden einen mitunter abrupten Stillstand des Rotors bedingen können, der so plötzlich auftreten kann, dass beispielsweise ein mit dem Rotor gekoppelter Propeller oder dergleichen abgeschert wird. Im Falle eines Luftfahrzeugs kann ein abgescherter Propeller eine Gefahrenquelle für Passagiere des Luftfahrzeugs und am Boden darstellen. Somit kann mit der vorstehend beschriebenen Lösung eine besonders sichere elektrische Maschine für ein Luftfahrzeug bereitgestellt werden.
Als Fehlerfälle kommen beispielsweise eine Ablösung einer Magnetrückhaltung oder von Magneten, Lagerschäden, eine defekte Welle oder sonstige strukturelle Defekte in Betracht, aber auch außergewöhnlich starke Böen oder zu harte Landungsstöße können grundsätzlich zu einem Fehlerfall führen. Die beschriebene Lösung erlaubt zudem eine verbesserte Toleranz gegenüber bestimmten Fehlerfällen. Während marktübliche elektrische Maschinen durch außergewöhnlich starke Böen oder zu harte Landungsstöße bereits irreparable Schäden erleiden können, erlaubt die beschriebene Lösung einige solcher Fehlerfälle unbeschadet zu überstehen. Auch ein Überdruck in einem Kühlsystem, z.B. des Stators kommt in Betracht als Fehlerfall. Hierdurch kann es zu einer Wölbung im Stator kommen. Ein Fehlerfall kann beispielsweise dadurch definiert sein, dass es zu einer Berührung der Spaltflächen kommt.
Der Spalt ist z.B. mit einem Gas oder Gasgemisch, insbesondere mit Luft gefüllt. Insbesondere ist der Spalt nicht mit einem Schmiermittel versehen. Die beiden Spaltflächen berühren einander nicht. So wird eine besonders reibungsarme Rotation des Rotors ermöglicht.
Die reibungsreduzierende Schicht ist z.B. in Form einer Beschichtung oder Folie ausgebildet. Das erlaubt die Reduzierung der Reibung im Fehlerfall mit einem verhältnismäßig geringen Gerichtsaufwand. Die reibungsreduzierende Schicht kann an einer darunterliegenden Schicht befestigt sein. Optional ist die reibungsreduzierende Schicht auf die darunterliegende Schicht gespannt und/oder damit verklebt.
Die reibungsreduzierende Schicht weist beispielsweise einen Schmelzpunkt von mehr als 200 Grad Celsius, insbesondere von mehr als 300 Grad Celsius auf. So kann die reibungsreduzierende Schicht im Fehlerfall über einen langen Zeitraum standhalten.
Ferner kann die reibungsreduzierende Schicht einen Kunststoff, insbesondere einen Thermoplast, umfassen oder daraus bestehen. Das erlaubt eine leicht herstellbare Lösung bei geringem Gewicht.
Die reibungsreduzierende Schicht weist mit dem Material der entsprechend anderen Spaltfläche in Bezug auf die Gleitreibung z.B. einen Reibungskoeffizienten von 0,1 oder weniger, insbesondere von 0,05 oder weniger, insbesondere von 0,04 oder weniger auf. Dies erlaubt einen besonders leichtgängigen Lauf selbst im Fehlerfall.
Die reibungsreduzierende Schicht weist mit dem Material der anderen Spaltfläche insbesondere einen geringeren Reibungskoeffizienten auf als ein durch die reibungsreduzierende Schicht überdecktes Material mit dem Material der anderen Spaltfläche.
In einem konkreten Beispiel umfasst die reibungsreduzierende Schicht Polytetrafluorethylen (PTFE) oder besteht daraus. Dieses Material weist einen hohen Schmelzpunkt auf, ist robust und ermöglicht zugleich eine besonders geringe Reibung.
Die elektrische Maschine kann insbesondere als Außenläufer oder als Axialflussmaschine ausgebildet sein. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Rotor den Stator außen umgibt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Rotor axial neben dem Stator angeordnet ist. Außenläufer und Axialflussmaschinen haben gegenüber Innenläufern einen hier bedeutenden Vorteil. Während bei Innenläufern die Zentrifugalkräfte verengend auf den Spalt zwischen den Spaltflächen wirken, haben sie bei Axialflussmaschinen keine wesentliche Auswirkung auf den Spalt. Bei Außenläufern wirken die Zentrifugalkräfte gar weitend auf den Spalt zwischen den Spaltflächen. Zwar ist die Lagerung des Rotors bei Innenläufern im Vergleich zu Außenläufern und Axialflussmaschinen einfacher und typischerweise präziser. Dies kann jedoch bei der vorliegenden Lösung durch die größere Toleranz gegenüber gewissen Fehlerfällen, wie etwa gegenüber den Querkräften im Fall eines zu harten Landungsstoßes, ausgeglichen werden. Da die Reibungskraft von der Normalkraft und dem Reibungskoeffizienten abhängt, wirkt bei einem Außenläufer die Zentrifugalkraft der Reibung entgegen.
Optional ist im Bereich des Spalts ein Reservoir angeordnet, welches ein Schmiermittel enthält. Das Schmiermittel ist in dem Reservoir gelagert. Das Reservoir ist verschlossen. Das Entlanggleiten der gegenüberliegenden Spaltfläche am Reservoir im Fehlerfall führt zu einer Krafteinwirkung auf (optional einer Zerstörung des) Reservoirs (beispielsweise einer Hülle oder dergleichen), und in der Folge zu einer Freisetzung des zuvor im Reservoir enthaltenen Schmiermittels in den Spalt. Da im Normalbetrieb stets ein Abstand zwischen den Spaltflächen vorliegt, wird das Schmiermittel nicht benötigt. Im zu einer Berührung der Spaltflächen führenden Fehlerfall kann Schmiermittel allerdings eine zusätzliche Reduzierung der Reibung bewirken. Die beschriebene Ausgestaltung erlaubt eine hierfür maßgeschnittene Lösung.
Das Reservoir kann ein Schwammmaterial umfassen, in welchem das Schmiermittel aufgenommen ist. Das erlaubt eine sukzessive und bedarfsgerechte Abgabe im Fehlerfall.
Das Reservoir ist z.B. am Stator festgelegt, insbesondere benachbart zu (insbesondere über) einer Spule des Stators angeordnet. So kann das Reservoir über einen langen Zeitraum bis zu einem Fehlerfall unbeschadet das Schmiermittel lagern.
Optional ist eine Vielzahl von Reservoirs vorgesehen. Hierdurch wird eine räumlich verteilte Abgabe des Schmiermittels im Fehlerfall ermöglicht.
Das Schmiermittel liegt z.B. in Form eines Schmierfetts vor, beispielsweise als Kaltfett. Das erlaubt es die Lagerung zu vereinfachen und eine ungewollte Abgabe zu verhindern.
Die elektrische Maschine kann in Form eines Elektromotors ausgebildet sein. Beispielsweise weist die elektrische Maschine eine Welle auf, die insbesondere eingerichtet ist zum Antrieb einer Rotoreinheit mit Rotorschaufeln. So kann ein Antriebssystem mit der elektrischen Maschine samt Welle und der Rotoreinheit geschaffen werden.
Gemäß einem Aspekt wird ein Luftfahrzeug bereitgestellt, umfassend eine Rotoreinheit mit Rotorschaufeln und die elektrische Maschine nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung zum Antrieb der Rotoreinheit. Die Rotoreinheit und die elektrische Maschine bilden ein Antriebssystem für das Luftfahrzeug. Das Antriebssystem dient zur Erzeugung von Schub und/oder Auftrieb für das Luftfahrzeug.
Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben; in den Figuren zeigen in schematischen Darstellungen:

1 ein Luftfahrzeug in Form eines Flugzeugs mit einer elektrisch angetriebenen Rotoreinheit;
2 eine elektrische Maschine des Luftfahrzeugs gemäß 1 in Form eines Außenläufers;
3 eine elektrische Maschine für das Luftfahrzeug gemäß 1 in Form einer Axialmaschine;
4 einen Abschnitt eines Stators und eines Rotors der elektrischen Maschine gemäß 2 und für die elektrische Maschine gemäß 3;
5 eine alternative Ausgestaltung des Stators und des Rotors für die elektrische Maschine gemäß 2 und für die elektrische Maschine gemäß 3;
6 eine weitere alternative Ausgestaltung des Stators und des Rotors für die elektrische Maschine gemäß 2 und für die elektrische Maschine gemäß 3; und
7 eine weitere alternative Ausgestaltung des Stators und des Rotors für die elektrische Maschine gemäß 2 und für die elektrische Maschine gemäß 3.

1 zeigt ein Luftfahrzeug 2 in Form eines elektrisch angetriebenen Flugzeugs mit einem Rumpf 20 und Flügeln 21.
Das Luftfahrzeug 2 umfasst ein Antriebssystem mit einer Rotoreinheit 22, die durch eine elektrische Maschine des Antriebssystems angetrieben wird. Die Rotoreinheit 22 umfasst mehrere, hier exemplarisch zwei Rotorschaufeln 221. Die Rotorschaufeln 221 sind im gezeigten Beispiel an einer Nabe montiert und bilden damit einen Propeller. In alternativen Ausgestaltungen umfasst das Luftfahrzeug 2 z.B. einen Fan anstelle eines Propellers und/oder mehrere Antriebssysteme mit jeweils zumindest einem Propeller, Fan oder dergleichen.
2 zeigt die elektrische Maschine 1 des Luftfahrzeugs 2. Die elektrische Maschine 1 ist in Form eines Elektromotors ausgebildet (der optional auch als Generator verwendbar ist) und umfasst einen Stator 10, einen Rotor 11, eine Lagereinrichtung 12 und eine Welle 14.
Der Rotor 11 ist mittels der Lagereinrichtung 12 um eine Rotationsachse R relativ zum Stator 10 drehbar gelagert. Die elektrische Maschine 1 ist vorliegend als Außenläufer ausgebildet. somit umgibt der Rotor 11 den Stator 10. Der Stator 10 ist zumindest abschnittsweise im Rotor 11 aufgenommen. Der Stator 10 ist fest an einem Träger des Luftfahrzeugs 2 montiert. Beispielsweise ist der Stator relativ zum Rumpf 20 fixiert.
Die Lagereinrichtung 12 umfasst mehrere Lager 120, von denen hier eines in Form eines Kugellagers 120 lediglich beispielhaft veranschaulicht ist.
Der Stator 10 umfasst einen Körper 103, an welchem mehrere elektrische Spulen 120 festgelegt sind. Der Rotor 11 umfasst einen Körper 113, an dem mehrere Magnete 112 in Form von Permanentmagneten festgelegt sind. Permanenterregte elektrische Maschinen erlauben besonders hohe Leistungsdichten und Drehmomentdichten.
Ein elektrischer Strom durch die Spulen 102 erzeugt ein Magnetfeld, welches den Rotor 11 in eine Drehung um die Rotationsachse R versetzt. Zwischen dem Stator 10 und dem Rotor 11 ist dabei ein Spalt S ausgebildet, über welchen die magnetischen Kräfte zwischen dem Stator 10 und dem Rotor 11 wirken. Der Spalt S ist im Allgemeinen mit einem Gas oder Gasgemisch, hier mit Luft, gefüllt. Der Spalt S weist eine kreiszylindrische Form auf. Somit sind der Rotor 11 und der Stator 11 durch einen hohlzylindrisch geformten Luftspalt voneinander separiert. Außen wird der Spalt S durch eine Spaltfläche 110 (siehe z.B. 4) des Rotors 11 begrenzt. Innen wird der Spalt S durch eine Spaltfläche 100 des Stators 10 begrenzt. Beide Spaltflächen 100, 110 beschreiben (zumindest im Wesentlichen) eine kreiszylindrische Form. Die innere Spaltfläche 100 ist kleiner als die äußere Spaltfläche 110. Die beiden Spaltflächen 100, 110 sind koaxial zueinander (und zur Rotationsachse R) ausgerichtet. Die Spaltflächen 100, 110 sind an jedem Punkt voneinander beabstandet. Die Spaltflächen 100, 110 berühren einander somit im Normalbetrieb nicht. Mittels der Lagereinrichtung 12 ist der Rotor 11 also derart relativ zum Stator 10 drehbar gelagert, dass die Spaltfläche 110 des Rotors 11 im Normalbetrieb der elektrischen Maschine 1 von der Spaltfläche 100 des Stators 10 beabstandet ist.
In einem Fehlerfall kann es zu einer elastischen oder plastischen Verformung von einem oder mehreren Bauteilen der elektrischen Maschine 1 kommen. Ferner kann es zu einer zumindest teilweisen Ablösung von Magneten 112 und/oder Spulen 102 oder anderen Bauteilen kommen. Dies kann z.B. durch einen Schaden an der Lagereinrichtung 12, der Welle 14 oder einem sonstigen Teil hervorgerufen werden. Ferner kann eine außerhalb der Designgrenzen starke Böen oder ein außerhalb der Designgrenzen harter Stoß bei einer Landung zu einem solchen Fehlerfall führen.
Hierfür weist/weisen der Stator 10 und/oder der Rotor 11 eine weiter unten Im Zusammenhang insbesondere mit 4 näher erläuterte, reibungsreduzierende Schicht 101, 111 auf, welche die jeweilige Spaltfläche 100, 110 des Rotors 11 und/oder des Stators 10 definiert (hier die vollständige entsprechende Spaltfläche 100, 110, alternativ dazu zumindest einen Teil der entsprechenden Spaltfläche 100, 110) und an welcher die jeweils andere Spaltfläche 100, 110 in einem Fehlerfall mit geringer Reibung entlang gleiten kann.
3 zeigt eine elektrische Maschine 1' für das Luftfahrzeug 2, welche das Luftfahrzeug 2 anstelle der elektrischen Maschine 1 gemäß 2, oder zusätzlich dazu, umfassen kann.
Die elektrische Maschine 1' umfasst einen Stator 10`, einen relativ zum Stator 10` drehbaren Rotor 11', wobei zwischen einer Spaltfläche (siehe z.B. 4) des Stators 10` und einer Spaltfläche des Rotors 11' ein Spalt S' ausgebildet ist, über welchen magnetische Kräfte zwischen dem Stator 10` und dem Rotor 11' wirken, und eine Lagereinrichtung, mittels welcher der Rotor 11' derart relativ zum Stator 10` drehbar gelagert ist, dass die Spaltfläche des Rotors 11' im Normalbetrieb der elektrischen Maschine 1' von der Spaltfläche des Stators 10` beabstandet ist. Dabei weist/weisen der Stator 10` und/oder der Rotor 11` eine reibungsreduzierende Schicht (siehe z.B. 4) auf, welche die jeweilige Spaltfläche ausbildet und an welcher die jeweils andere Spaltfläche in einem Fehlerfall entlang gleiten kann.
Bei der elektrischen Maschine 1' handelt es sich um eine Axialkraftmaschine, d.h. die magnetischen Felder überbrücken den Spalt S' in axialer Richtung. Der Stator 10` und der Rotor 11' weisen somit jeweils kreisscheibenförmige Spaltflächen auf. Der Spalt S' weist ebenfalls die Form einer Kreisscheibe auf. Die Spaltflächen des Rotors 11' und des Stators 10` sind in axialer Richtung, parallel zur Rotationsachse R, voneinander beabstandet.
Optional umfasst das Antriebssystem an der Welle 14 mehrere elektrische Maschinen 1'. Fällt eine der elektrischen Maschinen 1' aus, kann diese durch die hierin beschriebene Reibungsreduktion passiv weiterlaufen und das Antriebssystem kann weiter betrieben werden. Ferner kann die elektrische Maschine 1; 1' gemäß 2 oder gemäß 3 mit einer Verbrennungsmaschine (z.B. einer Gasturbine) in einem hybridelektrischen Antrieb betrieben werden, insbesondere an derselben Welle 14. Bei einem Ausfall der elektrischen Maschine 1; 1` kann die Verbrennungsmaschine jedenfalls für einen begrenzten Zeitraum weiter betrieben werden. In diesen Fällen kann auf zusätzliche Kupplungen verzichtet werden, was das Gesamtgewicht deutlich reduzieren kann.
4 zeigt exemplarisch einen Abschnitt des Stators 10 und des Rotors 11 mit dem dazwischen vorliegenden Spalt S. Die Krümmung der Anordnung ist lediglich aus Gründen der vereinfachten Darstellung nicht gezeigt.
Die Magnete 112 sind mit paarweise wechselnder Polarität am Körper 113 des Rotors 11 befestigt. Um die Magnete 112 am Körper 113 zu sichern, sind die Magnete mit einer Rückhalteschicht 114 überdeckt. Die Rückhalteschicht 114 erstreckt sich über die Magnete 112 hinweg. Die Rückhalteschicht 114 weist eine dem Stator 10 zugewandte Oberfläche auf, welche die Spaltfläche 110 des Rotors 11 darstellt.
Die Spulen 102 des Stators 10 sind um am Körper 103 ausgebildete oder befestigte Statorzähne 104 gewickelt. Die Statorzähne 104 und die Spulen 102 sind durch eine reibungsreduzierende Schicht 101 überdeckt. Die reibungsreduzierende Schicht 101 bildet die Spaltfläche 100 des Stators 10 aus. Die Darstellung der Statorzähne 104 und der Spulen 102 ist lediglich beispielhaft. Insbesondere können die Statorzähne 104 über die Spulen 102 erstreckte Abschnitte aufweisen, um die Spulen zu sichern.
Zwischen der Rückhalteschicht 114 und der reibungsreduzierenden Schicht 101 ist der Spalt S ausgebildet.
Die reibungsreduzierende Schicht 101 ist in Form einer Folie ausgebildet, alternativ in Form einer Beschichtung. Die reibungsreduzierende Schicht besteht aus PTFE und weist damit einen Schmelzpunkt von über 300 °C auf. Ferner weist die reibungsreduzierende Schicht 101 mit dem Material der Rückhalteschicht 114 einen Reibungskoeffizienten von 0,04 auf. Beispielsweise besteht die Rückhalteschicht 114 aus einem Verbundwerkstoff. Optional umfasst die Rückhalteschicht Kohlenstofffasern. Beispielsweise handelt es sich um einen Kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoff, z.B. mit Epoxidharz als Matrixmaterial.
Die von der Reibungsreduzierenden Schicht 101 überdeckten Bereiche der Statorzähne 104 umfassen z.B. Elektroblech oder bestehen daraus. Die reibungsreduzierende Schicht 101 weist somit mit dem Material der anderen Spaltfläche 110 (hier der Rückhalteschicht 114) einen geringeren Gleitreibungskoeffizienten auf als das durch die reibungsreduzierende Schicht 101 überdeckte Material mit dem Material der anderen Spaltfläche 110. Im Fehlerfall gelangt die reibungsreduzierende Schicht 101 somit in Berührung mit der Rückhalteschicht 114 und gleitet an dieser (mit geringer Reibung) entlang.
Die beschriebene Lösung erlaubt im Fehlerfall einen Trockenlauf der elektrischen Maschine 1, welcher Folgeschäden und ggf. sogar Beschädigungen gänzlich verhindern kann.
5 veranschaulicht, dass eine reibungsreduzierende Schicht 111 anstatt am Stator 10 am Rotor 11 vorgesehen sein kann. In diesem Fall überdeckt die reibungsreduzierende Schicht 111 damit die Rückhalteschicht 114. Somit bildet die reibungsreduzierende Schicht 111 die Spaltfläche 110` des Rotors 11, die Statorzähne 104 bilden die Spaltfläche 100` des Stators 10.
Im Fehlerfall gelangt die reibungsreduzierende Schicht 111 somit in Berührung mit den Statorzähnen 104 und gleitet daran (mit geringer Reibung) entlang.
Optional dient die reibungsreduzierende Schicht 111 auch als Rückhalteschicht, sodass auf die zusätzliche Rückhalteschicht 114 verzichtet werden kann. Die reibungsreduzierende Schicht 111 liegt dann direkt auf den Magneten 112 auf.
6 veranschaulicht, dass eine reibungsreduzierende Schicht 111 am Rotor 11 zusätzlich zu einer reibungsreduzierenden Schicht 101 am Stator 10 vorgesehen sein kann. In diesem Fall überdeckt die reibungsreduzierende Schicht 111 des Rotors 11 damit die Rückhalteschicht 114, die reibungsreduzierende Schicht 101 des Stators 10 überdeckt die Statorzähne 104.
Somit bildet die reibungsreduzierende Schicht 111 des Rotors 11 die Spaltfläche 110` des Rotors 11 und die reibungsreduzierende Schicht 101 des Stators 10 bildet die Spaltfläche 100 des Stators.
Im Fehlerfall gelangt die reibungsreduzierende Schicht 111 des Rotors 11 somit in Berührung mit der reibungsreduzierenden Schicht 101 des Stators 10 und gleitet daran (mit besonders geringer Reibung) entlang.
Aus den Varianten der 4 bis 6 kann je nach einer vorgegebenen Reibungsleistung ausgewählt werden. Beispielsweise ist die Variante der 6 für Hochgeschwindigkeitsmotoren besonders geeignet.
7 veranschaulicht optionale Reservoirs 13 für Schmiermittel 3 diese sind im Bereich des Spalts S angeordnet, und stehen vorliegend gegenüber benachbarten Bereichen des Stators 10 in den Spalt S vor. Im Fehlerfall gleitet der Rotor 11 (hier die reibungsreduzierende Schicht 111 des Rotors 11) an den Reservoirs 13 entlang und wirkt auf diese ein (schert z.B. die vorstehenden Abschnitte ab, öffnet sie oder drückt sie zusammen), sodass das darin enthaltene Schmiermittel 3 in den Spalt S freigesetzt wird. Hierdurch wird die Reibung noch weiter reduziert.
Bei dem Schmiermittel 3 handelt es sich z.B. um ein Schmierfett, insbesondere um Kaltfett.
Im gezeigten Beispiel liegen die Reservoirs 13 an den Spulen 102 an. Jedes Reservoir 13 ist zwischen zwei Spulenzähnen 104 angeordnet. Die Reservoirs 13 überdecken die Spulen 102.
Um das Schmiermittel 3 bedarfsgerecht abzugeben und sicher zu speichern, umfassen die Reservoirs Jeweils einen Schwamm 130. Dieser ist mit dem Schmiermittel 3 vollgesogen und gibt es durch eine Krafteinwirkung ab.
Alternativ kann der Stator 10 an seiner Spaltfläche permanent mit Schmiermittel überzogen sein, oder es wird bei Erkennen eines Fehlerfalls durch ein Steuerungssystem Schmiermittel in den Spalt S eingespritzt. Ferner ist denkbar, dass ein Material verwendet wird, welches infolge einer Temperaturerhöhung Schmiermittel abgibt.
Im zu Beschädigungen führenden Fehlerfall erlaubt die reduzierte Reibung ein kontrolliertes Abbremsen des Rotors 11; 11`, wodurch schwerwiegendere Folgeschäden verhindert werden können.
Die reibungsreduzierende Schicht 101 kann alternativ (oder zusätzlich) zu den beschriebenen Varianten durch Nutverschlusskeile (aus entsprechendem Material) bereitgestellt werden (jeweils mit oder ohne Übermaß in den Luftspalt). Die Nutverschlusskeile sind z.B. jeweils zwischen je zwei Statorzähnen 104 des Stators 10; 10` angeordnet. Dies würde beispielsweise so aussehen wie die in 7 gezeigte Anordnung, nur mit Nutverschlusskeilen anstelle der Reservoirs 13 und mit oder ohne der reibungsreduzierenden Schicht 111 am Rotor 11.
Bezugszeichenliste

1; 1': elektrische Maschine
10, 10`: Stator
100; 100`: Spaltfläche
101: reibungsreduzierende Schicht
102: Spule
103: Körper
104: Statorzahn
11; 11': Rotor
110; 110`: Spaltfläche
111: reibungsreduzierende Schicht
112: Magnet
113: Körper
114: Rückhalteschicht
12: Lagereinrichtung
120: Lager
13: Reservoir
130: Schwamm
14: Welle
2: Luftfahrzeug
20: Rumpf
21: Flügel
22: Rotoreinheit
221: Rotorschaufel
3: Schmiermittel
R: Rotationsachse
S; S': Spalt

Claims

Elektrische Maschine (1; 1'), insbesondere für ein Luftfahrzeug (2), umfassend: - einen Stator (10; 10'), - einen relativ zum Stator (10; 10') drehbaren Rotor (11; 11'), wobei zwischen einer Spaltfläche (100; 100') des Stators (10; 10') und einer Spaltfläche (110; 110') des Rotors (11; 11') ein Spalt (S; S') ausgebildet ist, über welchen magnetische Kräfte zwischen dem Stator (10; 10') und dem Rotor (11; 11') wirken, und - eine Lagereinrichtung (12), mittels welcher der Rotor (11; 11') derart relativ zum Stator (10; 10') drehbar gelagert ist, dass die Spaltfläche (110; 110') des Rotors (11; 11') im Normalbetrieb der elektrischen Maschine (1; 1') von der Spaltfläche (100; 100') des Stators (10; 10') beabstandet ist, wobei der Stator (10; 10') und/oder der Rotor (11; 11') eine reibungsreduzierende Schicht (101, 111) aufweist/aufweisen, welche die jeweilige Spaltfläche (100, 110; 100'; 110`) zumindest teilweise ausbildet und an welcher die jeweils andere Spaltfläche (100, 110; 100'; 110`) in einem Fehlerfall entlang gleiten kann.
Elektrische Maschine (1; 1') nach Anspruch 1, wobei der Spalt (S; S') mit einem Gas oder Gasgemisch, insbesondere mit Luft gefüllt ist.
Elektrische Maschine (1; 1') nach Anspruch 1 oder 2, wobei die reibungsreduzierende Schicht (101, 111) in Form einer Beschichtung oder Folie ausgebildet ist.
Elektrische Maschine (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die reibungsreduzierende Schicht (101, 111) einen Schmelzpunkt von mehr als 200 °C, insbesondere von mehr als 300 °C aufweist.
Elektrische Maschine (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die reibungsreduzierende Schicht (101, 111) aus Kunststoff, insbesondere einem Thermoplast besteht.
Elektrische Maschine (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die reibungsreduzierende Schicht (101, 111) mit dem Material der anderen Spaltfläche (100, 110; 100'; 110`) einen Reibungskoeffizienten von 0,1 oder weniger, insbesondere von 0,05 oder weniger, insbesondere von 0,04 oder weniger aufweist.
Elektrische Maschine (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die reibungsreduzierende Schicht (101, 111) mit dem Material der anderen Spaltfläche (100, 110; 100`; 110`) einen geringeren Reibungskoeffizienten aufweist als ein durch die reibungsreduzierende Schicht (101, 111) überdecktes Material mit dem Material der anderen Spaltfläche (100, 110; 100'; 110`).
Elektrische Maschine (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die reibungsreduzierende Schicht (101, 111) aus Polytetrafluorethylen besteht.
Elektrische Maschine (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Maschine (1; 1') als Außenläufer oder als Axialflussmaschine ausgebildet ist und der Rotor (11; 11') den Stator (10; 10') entsprechend außen umgibt oder axial neben dem Stator (10; 10') angeordnet ist.
Elektrische Maschine (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Bereich des Spalts (S; S') ein Schmiermittel (3) enthaltendes Reservoir (13) angeordnet ist, aus welchem durch ein Entlanggleiten einer Spaltfläche (100, 110; 100'; 110`) im Fehlerfall das Schmiermittel (3) in den Spalt (S; S') freisetzbar ist.
Elektrische Maschine (1; 1') nach Anspruch 10, wobei das Reservoir (13) einen Schwamm umfasst, in welchem das Schmiermittel (3) aufgenommen ist.
Elektrische Maschine (1; 1') nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Reservoir (13) am Stator (10; 10') benachbart zu einer Spule (102) des Stators (10; 10') angeordnet ist.
Elektrische Maschine (1; 1') nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei eine Vielzahl an Reservoirs (13) vorgesehen ist.
Elektrische Maschine (1; 1') nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das Schmiermittel (3) in Form eines Schmierfetts vorliegt.
Elektrische Maschine (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ausgebildet in Form eines Elektromotors mit einer Welle (14) zum Antrieb einer Rotorschaufeln (221) umfassenden Rotoreinheit (22).
Luftfahrzeug (2), umfassend eine Rotorschaufeln (221) umfassende Rotoreinheit (22) und die elektrische Maschine (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Antrieb der Rotoreinheit (22).