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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich insbesondere auf eine Vorrichtung für eine elektrische Maschine, auf eine elektrische Maschine, auf ein Luftfahrzeug mit einer solchen elektrischen Maschine und auf ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung für eine elektrische Maschine.
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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.
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Besonders im Luftfahrtbereich werden mitunter große Antriebsleistungen benötigt, wobei gleichzeitig möglichst kleine Motoren gewünscht sind. Zugleich wird typischerweise ein geringes Gesamtgewicht angestrebt. Ferner besteht stets ein Bestreben, die Herstellung elektrischer Maschinen möglichst weit zu vereinfachen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine möglichst einfache Herstellung leistungsfähiger elektrischer Maschinen zu ermöglichen.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung für eine elektrische Maschine angegeben. Die Vorrichtung umfasst mehrere Finnensegmente mit jeweils zumindest einer Kühlfinne, wobei die Finnensegmente (zumindest abschnittsweise) untereinander gleich ausgebildet sind und konzentrisch um eine Achse zu einem Ring angeordnet sind. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Hülse, durch welche der Ring der Finnensegmente mit einer radial nach innen gerichteten Vorspannung eingefasst ist.
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Durch die Segmentierung des zur Kühlung dienenden Rings in mehrere Finnensegmente wird eine besonders einfache Herstellung ermöglicht. Beispielsweise können die einzelnen Finnensegmente einfach durch Ablängen eines einfachen Strangpressprofils hergestellt werden. Das erlaubt eine deutliche Vereinfachung gegenüber z.B. einer Herstellung eines einstückigen Kühlrings. Durch die radial nach innen gerichtete Vorspannung wird eine sichere Halterung der Finnensegmente in besonders einfacher Weise ermöglicht. Durch eine optionale Bearbeitung des zusammengesetzten Rings, z.B. durch Bohren oder Honen, können zudem besonders präzise Toleranzen erzielt werden, wodurch wiederum sehr gute Wärmeübergänge geschaffen werden können. So wird eine besonders einfache Herstellung leistungsfähiger elektrischer Maschinen ermöglicht.
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Jedes Finnensegment kann genau eine Kühlfinne umfassen. Das erlaubt eine besonders stark vereinfachte Herstellung, insbesondere durch ein besonders einfaches Strangpressprofil.
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Die Finnensegmente können jeweils eine Basis umfassen. Die Basis kann jeweils keilförmig zueinander geneigte Seitenflächen aufweisen. Von der Basis steht z.B. die Kühlfinne (oder stehen die Kühlfinnen) ab.
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Die Basis eines jeden Finnensegments kann Formschlusselemente aufweisen, welche mit Formschlusselementen der Basen benachbarter Finnensegmente im Eingriff stehen. Hierdurch kann eine Drehmomentübertragung über die Finnensegmente verbessert werden.
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Die Finnensegmente weisen optional einen T-förmigen Querschnitt auf. Eine solche Form ist besonders einfach herstellbar.
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Die Finnensegmente können aus Aluminium und/oder Magnesium bestehen oder Aluminium und/oder Magnesium umfassen. Diese Materialien ermöglichen einen besonders guten Wärmeübergang und sind zudem verhältnismäßig leicht.
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Die Vorrichtung kann insbesondere in Form eines Stators für die elektrische Maschine ausgebildet sein. Die Vorrichtung umfasst optional Befestigungsstellen zur Befestigung an einem Träger, z.B. eines Luftfahrzeugs. Die Vorrichtung kann einen Haltering mit magnetischen Elementen umfassen, z.B. in Form von Spulen. Der Haltering ist z.B. innerhalb des Rings der Finnensegmente angeordnet sein. Durch die Vorrichtung können Spulen des Stators durch den Ring der Finnensegmente besonders gut gekühlt werden.
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Innerhalb des Halterings kann eine Öffnung für einen Rotor der elektrischen Maschine ausgebildet sein. Bei der elektrischen Maschine kann es sich also um einen Innenläufer handeln. Alternativ dazu handelt es sich bei der elektrischen Maschine z.B. um einen Außenläufer.
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Gemäß einem Aspekt wird eine elektrische Maschine bereitgestellt, z.B. für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Luftfahrzeug. Die elektrische Maschine umfasst die Vorrichtung nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung in Form eines Stators mit magnetischen Elementen, z.B. in Form von Spulen, und einen relativ zum Stator um die Achse drehbar gelagerten Rotor. Hinsichtlich der Vorteile wird auf die obigen Angaben Bezug genommen.
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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.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung für eine elektrische Maschine angegeben, insbesondere zur Herstellung der Vorrichtung nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung. Das Verfahren umfasst das Herstellen mehrerer Finnensegmente mit jeweils zumindest einer Kühlfinne, wobei die Finnensegmente untereinander gleich ausgebildet werden; das Anordnen der Finnensegmente konzentrisch um eine Achse zu einem Ring; und das Einfassen des Rings der Finnensegmente durch eine Hülse mit einer radial nach innen gerichteten Vorspannung.
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Hinsichtlich der Vorteile wird wiederum auf die obigen Angaben Bezug genommen.
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Die Finnensegmente werden dabei optional durch Strangpressen hergestellt. Das erlaubt eine besonders starke Vereinfachung der Herstellung.
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Bei dem Einfassen kann die Hülse mit einer Presspassung auf den Ring der Finnensegmente aufgesetzt werden. Hierfür kann/können der Ring der Finnensegmente gekühlt und/oder die Hülse erhitzt wird/werden. Das erlaubt einen besonders sicheren Sitz und eine verlässliche Verbindung der Teile.
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Alternativ oder zusätzlich wird bei dem Einfassen die Hülse um den Ring der Finnensegmente gewickelt. Optional wird die Hülse aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) hergestellt. Hierbei kann z.B. ein Band aus CFK um den Ring der Finnensegmente gewickelt werden.
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Nach dem Einfassen kann das Verfahren den Schritt des Ausbildens einer gleichmäßigen Innenoberfläche umfassen, z.B. durch Bohren und/oder Honen und/oder eine Oberflächenbehandlung.
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Bei dem Herstellen der Finnensegmente können Formschlusselemente an den Finnensegmenten ausgebildet werden. Die Formschlusselemente können bei dem Anordnen der Finnensegmente in Eingriff miteinander gebracht werden.
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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 einer Prinzipdarstellung;
- 3 eine Vorrichtung der elektrischen Maschine gemäß 2 mit einem Ring aus Finnensegmenten und einer umwickelten Hülse;
- 4 eine Vorrichtung für die elektrische Maschine gemäß 2 mit einem Ring aus Finnensegmenten und einer aufgeschrumpften Hülse;
- 5 einen Haltering mit magnetischen Elementen für die Vorrichtung gemäß 3 und für die Vorrichtung gemäß 4;
- 6 den Ring aus Finnensegmenten der Vorrichtung gemäß 3 mit dem darin angeordneten Haltering gemäß 5 in einer aufgeschnittenen Ansicht;
- 7A-1 F Anschichten zu verschiedenen Verfahrensschritten bei der Herstellung der Vorrichtung gemäß 3; und
- 8 eine Querschnittsansicht von einem Finnensegment für die Vorrichtung gemäß 3 und für die Vorrichtung gemäß 4 mit Formschlusselementen.
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1 zeigt ein Luftfahrzeug 3 in Form eines elektrisch angetriebenen Flugzeugs mit einem Rumpf 30 und Flügeln 31.
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Das Luftfahrzeug 3 umfasst ein Antriebssystem mit einer Rotoreinheit 32, die durch eine elektrische Maschine 2 des Antriebssystems angetrieben wird. Die Rotoreinheit 32 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.
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2 zeigt die elektrische Maschine 2 des Luftfahrzeugs 3. Die elektrische Maschine 2 ist in Form eines Elektromotors ausgebildet (der zusätzlich oder alternativ auch als Generator verwendbar sein kann). Konkret ist die elektrische Maschine 2 als Radialflussmaschine ausgebildet. Die elektrische Maschine 2 umfasst eine nachfolgend noch näher beschriebene Vorrichtung 1 als Stator, einen Rotor 20 und eine Welle 21.
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Der Rotor 20 ist um eine Achse D relativ zur Vorrichtung 1 drehbar gelagert. Die Vorrichtung 1 ist fest an einem Träger des Luftfahrzeugs 3 montiert. Beispielsweise ist die Vorrichtung 1 relativ zum Rumpf 30 fixiert.
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Der Rotor 20 umfasst eine Basis, an der mehrere (z.B. oberflächenmontierte) Magnete in Form von Permanentmagneten festgelegt sind. Die Magnete sind um die Achse D herum mit paarweise wechselnder Polarität an der Basis des Rotors 20 befestigt. Permanenterregte elektrische Maschinen erlauben besonders hohe Leistungsdichten und Drehmomentdichten. Die Basis ist an der Welle 21 fixiert. Die Magnete sind Spulen der Vorrichtung 1 zugewandt.
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Ein elektrischer Strom durch die Spulen erzeugt ein Magnetfeld, welches den Rotor 20 in eine Drehung um die Achse D versetzt. Die elektrische Maschine 2 treibt die Rotoreinheit 32 über die Welle 21 an. Beispielseise ist die Rotoreinheit 32 an der Welle 21 befestigt oder anderweitig damit wirkverbunden.
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3 zeigt die Vorrichtung 1 der elektrischen Maschine 2. Die Vorrichtung 1 umfasst mehrere Finnensegmente 13. Die Finnensegmente 13 im Allgemeinen zumindest abschnittsweise untereinander gleich ausgebildet. Vorliegend sind sämtliche Finnensegmente 13 identisch ausgebildet. Ein einzelnes Finnensegment 13 ist in 7A gezeigt. Jedes Finnensegment weist generell zumindest eine Kühlfinne 130 auf, wobei vorliegend jedes Finnensegment genau eine Kühlfinne 130 aufweist. Die Kühlfinne 130 ist eben. Die Kühlfinne 130 steht von einer Basis 131 des entsprechenden Finnensegments 13 ab (mittig an der Basis 131). Die Basis 131 weist eine größere Dicke auf als die Kühlfinne 130. Die Finnensegmente 13 weisen im Querschnitt die Form eines T auf.
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8 zeigt, dass voneinander abgewandte, gegenüberliegende Seitenflächen 132 der Basis 131 geneigt zueinander ausgerichtet sind. Die Basis 131 weist somit die Form eines Abschnitts eines Keils auf. So liegen Seitenflächen 132 benachbarter Finnensegmente 13 flächig aneinander an. 8 zeigt ferner optionale Formschlusselemente 134, 135 der Finnensegmente 13. Dabei ist eines der Formschlusselemente 134 als Vertiefung ausgebildet, das andere der Formschlusselemente 135 als Vorsprung. Die Formschlusselemente 134, 135 sind an gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Finnensegments 13 ausgebildet. Konkret sind die Formschlusselemente 134, 135 an den beiden Seitenflächen 132 der Basis 131 ausgebildet. Werden die gleich ausgebildeten Finnensegmente 13 zum Ring R zusammengesetzt, dann greift jeweils ein Formschlusselement 135 eines Finnensegments 13 in das Formschlusselement 134 eines benachbarten Finnensegments 13.
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In der Vorrichtung 1 gemäß 3 sind die Finnensegmente 13 konzentrisch um die Achse D zu einem Ring R angeordnet. Jedes Finnensegment 13 steht in Berührung mit zwei benachbarten Finnensegmenten 13.
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Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Hülse 12A, durch welche der Ring R der Finnensegmente 13 mit einer radial nach innen gerichteten Vorspannung eingefasst ist. Jedes der Finnensegmente 13 wird also in Richtung der Achse D gedrückt. Dadurch werden die Finnensegmente 13 aneinandergedrängt und in ihrer Anordnung fixiert. Die Hülse 12A ist hohlkreiszylindrisch geformt. Die Hülse 12A besteht aus CFK. Vorliegend ist die Hülse 12A durch Umwickeln des Rings R der Finnensegmente 13 mit einem CFK-Band hergestellt. Die Finnensegmente 13 sind aus Aliminium hergestellt, alternativ dazu aus Magnesium.
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4 zeigt einen identisch zum Ring R der Finnensegmente 13 gemäß 3 ausgebildeten Ring R von Finnensegmenten 13 und eine alternative Ausgestaltung einer Hülse 12B. Die Hülse 12B gemäß 4 ist vorgefertigt, z.B. aus Stahl oder Titan. Die Hülse 12B sitzt mit einer Presspassung auf den Finnensegmenten 13 und fasst diese somit mit einer radial nach innen gerichteten Vorspannung ein. Um die Hülse 12B auf den Ring R aus Finnensegmenten 13 anzuordnen, wird dieser aufgeschrumpft, indem die Finnensegmente 13 zuvor abgekühlt und/oder die Hülse 12B erwärmt wird.
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5 zeigt einen Haltering 10 der Vorrichtung 1. Der Haltering 10 ist um die Achse D herum erstreckt und im zusammengebauten Zustand innerhalb des Rings R der Finnensegmente 13 angeordnet. Der Haltering 10 weist Halterungen 100 für magnetische Elemente 11 in Form von elektrischen Spulen auf. Der Haltering 10 definiert wiederum eine Öffnung 102, in welcher im zusammengebauten Zustand der elektrischen Maschine 2 der Rotor 20 drehbar angeordnet ist. Die Vorrichtung 1 mit dem Haltering 10 stellt den Stator der elektrischen Maschine 2 dar.
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6 zeigt den Ring der Finnensegmente 13 am Haltering 10. Die Finnensegmente 13 stehen dabei in Berührung mit dem Haltering 10. Wärme, die im Betrieb der elektrischen Maschine 10 an den Spulen am Haltering 10 entsteht, wird über die Finnensegmente 13 abgeleitet. Ein Kühlfluid, das zwischen den Kühlfinnen 130 strömt, z.B. Luft, insbesondere Außenluft, führt diese Wärme ab. Ferner kann über einen Reibschluss zwischen den Finnensegmenten 13 und dem Haltering 10 ein Drehmoment T übertragen werden. Optional sind ein oder mehrere Formschlusselemente der Finnensegmente 13 und/oder der Hülse 12A, 12B im Eingriff mit einem oder mehreren Formschlusselementen des Halterings 10 im Eingriff, um ein noch größeres Drehmoment übertragen zu können. Die Verbindung zwischen dem Ring R der Finnensegmente 13 mit der Hülse 12A; 12B und dem Haltering 10 kann durch Abkühlen des Halterings 10 und/oder Erwärmen der Finnensegmente 13 mit der Hülse 12A; 12B und anschließendes Einsetzen des Halterings 10 in den Ring R der Finnensegmente 13 mit der Hülse 12A; 12B erfolgen. Kehren die Teile dann wieder zur Umgebungstemperatur zurück, sind sie durch einen Presssitz fest miteinander verbunden.
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Die 7A bis 7F veranschaulichen ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung 1 für die elektrische Maschine 2.
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In einem Schritt S1 (siehe 7A) werden mehrere Finnensegmente 13 mit jeweils zumindest einer Kühlfinne 130 hergestellt. Das erfolgt im gezeigten Beispiel durch Abschneiden von gleich langen Stücken eines Strangpressprofils mittels eines Werkzeugs W, z.B. einer Säge. Die Finnensegmente 13 werden untereinander gleich ausgebildet. Die Finnensegmente 13 werden in diesem Beispiel also durch Strangpressen hergestellt. Bei dem Herstellen der Finnensegmente 13 werden optional die beschriebenen Formschlusselemente 134, 135 an den Finnensegmenten 13 ausgebildet. Eine solche Herstellung ist besonders einfach, präzise und erlaubt zudem besonders filigrane Strukturen.
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In einem Schritt S2 (siehe 7B) werden die Finnensegmente 13 konzentrisch um eine Achse D zu einem Ring R angeordnet. Die optionalen Formschlusselemente 134, 135 der Finnensegmente 13 werden dabei in Eingriff miteinander gebracht, sodass die Finnensegmente 13 gegen ein Verkippen gesichert sind. Hierdurch kann über die Finnensegmente 13 ein größeres Drehmoment übertragen werden.
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In einem Schritt S3 (siehe 7C und 7D) wird der Ring R der Finnensegmente 13 durch eine Hülse 12A; 12B mit einer radial nach innen gerichteten Vorspannung eingefasst. So werden die Finnensegmente 13 im Ring R fixiert. Die Hülse 12A kann dabei um den Ring R der Finnensegmente 13 gewickelt werden oder z.B. mit einer Presspassung aufgeschrumpft werden.
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In einem Schritt S4 (siehe 7E) wird eine gleichmäßige Innenoberfläche 133 durch Bohren und/oder Honen ausgebildet. In 7E ist beispielhaft eine Ungenauigkeit U veranschaulicht, mit welcher ein Finnensegment 13 im Rahmen der Herstellungstoleranzen gegenüber den benachbarten Finnensegmenten 13 übersteht. Durch das Bohren und/oder Honen wird die Innenoberfläche 133 mit hoher Genauigkeit kreisrund geformt, wie in 7F veranschaulicht.
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Anschließend kann die elektrische Maschine 2 durch drehbares Montieren des Rotors 20 an der Vorrichtung 1 hergestellt werden.
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Die beschriebene Lösung ermöglicht eine besonders einfache Herstellung leistungsfähiger elektrischer Maschinen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 10
- Haltering
- 100
- Halterung
- 102
- Öffnung
- 11
- magnetisches Element
- 12A; 12B
- Hülse
- 13
- Finnensegment
- 130
- Kühlfinne
- 131
- Basis
- 132
- Seitenfläche
- 133
- Innenoberfläche
- 134
- Formschlusselement
- 135
- Formschlusselement
- 2
- elektrische Maschine
- 20
- Rotor
- 21
- Welle
- 3
- Luftfahrzeug
- 30
- Rumpf
- 31
- Flügel
- 32
- Rotoreinheit
- 321
- Rotorschaufel
- D
- Achse
- R
- Ring
- T
- Drehmoment
- U
- Ungenauigkeit
- W
- Werkzeug
