EP4454105A1 - Elektrische maschine mit welligem kopplungselement - Google Patents

Elektrische maschine mit welligem kopplungselement

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Publication number
EP4454105A1
EP4454105A1 EP22836101.0A EP22836101A EP4454105A1 EP 4454105 A1 EP4454105 A1 EP 4454105A1 EP 22836101 A EP22836101 A EP 22836101A EP 4454105 A1 EP4454105 A1 EP 4454105A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrical machine
coupling element
stator
rotor
shaft
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP22836101.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Behnam Houshmand
Adrian LEVU
Gunar Reinicke
Uwe Peter Zeeck
Gideon Daniel Venter
Björn Petersen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Original Assignee
Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG filed Critical Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Publication of EP4454105A1 publication Critical patent/EP4454105A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/28—Means for mounting or fastening rotating magnetic parts on to, or to, the rotor structures
    • H02K1/30—Means for mounting or fastening rotating magnetic parts on to, or to, the rotor structures using intermediate parts, e.g. spiders
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/003—Couplings; Details of shafts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D27/00—Arrangement or mounting of power plants in aircraft; Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/02—Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/30—Aircraft characterised by electric power plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D3/00—Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive
    • F16D3/50—Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive with the coupling parts connected by one or more intermediate members
    • F16D3/76—Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive with the coupling parts connected by one or more intermediate members shaped as an elastic ring centered on the axis, surrounding a portion of one coupling part and surrounded by a sleeve of the other coupling part

Definitions

  • the present disclosure relates in particular to an electric machine, a vehicle with such an electric machine and a method for producing an electric machine.
  • the aim is to continuously improve the target parameters of energy efficiency, power-to-weight ratio, reliability and service life.
  • a low weight of the drives is also important for low energy consumption in mobile applications (e.g. in vehicle construction).
  • the requirements described apply in particular to use in aircraft.
  • External forces can also act.
  • side winds or the like can exert axial or radial forces on a shaft connecting the electric motor to the propeller on a propeller driven by an electric motor.
  • a correspondingly stiff bearing of the shaft is therefore regularly provided in order to absorb these forces.
  • such bearings often have a relatively high weight.
  • the forces mentioned can lead to wear of the corresponding components.
  • the object of the present invention is to provide an improved electrical machine.
  • an electric machine e.g. for a vehicle, in particular for an aircraft
  • the electric machine comprises a stator; a rotor rotatable relative to the stator; a shaft rotatable relative to the stator; and a flexible coupling element.
  • the coupling element has a first connection section fixed to the rotor and a second connection section fixed to the shaft.
  • the two connecting sections have different diameters and are connected to one another via an alternately curved connecting surface.
  • This configuration of the coupling element enables an axial and radial translation as well as a tilting movement of the shaft relative to the stator. At the same time, a torque can be transmitted between the rotor and the shaft with the coupling element.
  • the connecting surface of the coupling element forms a flexible bellows.
  • the coupling element elastically decouples the rotor from the shaft in the axial and radial directions. No lubricant is required for this, so the electric machine can be used particularly well as a direct drive unit without the need for a lubrication system.
  • the connecting surface is curved in an alternating manner, e.g. has at least one curve (e.g.
  • connection surface can comprise several separated sections.
  • the first and/or the second connecting section can be formed by a plurality of partial sections, in particular spaced apart from one another.
  • the first and/or the second connection section can be formed by a single, uninterrupted section.
  • the shaft can be arranged and aligned concentrically to the rotor. Viewed in the axial direction, the shaft and rotor can overlap. This enables a compact design.
  • the stator can be arranged so that it surrounds the shaft on the outside. The shaft can therefore extend into the stator. This also allows for a compact design.
  • the rotor surrounds the stator on the outside.
  • the electrical machine can therefore be designed as an external rotor.
  • the coupling element enables an efficient and robust coupling of the external rotor to the shaft.
  • the connecting surface of the coupling element can have annular, in particular mutually coaxial, curved sections, e.g. in the form of annular corrugations. Provision can be made for the coupling element to be of concentrically wavy design. This allows a particularly high degree of flexibility in the axial and radial direction and, at the same time, the transmission of high torques.
  • the curved sections have successively, in particular continuously, smaller diameters starting from the first connecting section.
  • the first connection section and/or the second connection section can each have a flange. This enables secure attachment.
  • the second connecting section has, for example, a polygonal connecting section, for example a cuboid pin. This allows a positive connection and reliable torque transmission.
  • the coupling element can be funnel-shaped.
  • the connecting sections are, for example, arranged axially offset from one another. At the same time, this allows the bridging of a radial distance and an axial distance between the two connecting sections.
  • the coupling element comprises, for example, a flat material, for example sheet steel.
  • the coupling element has, for example, a material thickness in the millimeter range, for example less than 2 mm, in particular approximately 1 mm or less. That allows one Transmission of large torques and at the same time low weight.
  • different areas of the coupling element have different, in particular significantly different, material thicknesses.
  • the coupling element can be designed in one piece. This permits simple production and particularly low wear.
  • one opening is formed in the connecting surface. This enables ventilation and also a reduction in weight.
  • an edge of the opening (or in each case of the plurality of openings) has a greater material thickness than adjacent areas of the connecting surface. This prevents the edge from tearing.
  • connection surface a plurality of openings are formed in the connection surface. This enables effective weight reduction.
  • the apertures in the interface may be formed to span a larger area than the intermediate portions of the interface. A particularly effective weight reduction is possible in this way.
  • the connecting surface can be formed by several arms. This enables a secure connection and, in turn, a particularly low weight.
  • the first connection section can also be formed by a plurality of sections spaced apart from one another. An even further reduction in weight is thus possible.
  • the rotor drives a propeller, for example. This allows, for example, the generation of thrust.
  • a vehicle is specified, in particular an aircraft.
  • the vehicle in particular an aircraft, includes the electric machine according to any configuration described herein.
  • the advantages described above are particularly important.
  • a method for manufacturing an electrical machine in particular the electrical machine according to any configuration described herein.
  • the method includes providing a stator, a rotor mounted so as to be rotatable relative to the stator, a shaft mounted so as to be rotatable relative to the stator, and a flexible coupling element having a first connecting section and a second connecting section which have different diameters and which are connected to one another via an alternatingly curved connecting surface .
  • the method also includes mounting the coupling element with the first connection section on the rotor and with the second connection section on the shaft.
  • the method includes the preceding step of producing the coupling element by means of deep drawing. This enables a particularly fast and cost-effective production.
  • the method also includes the preceding step of producing the coupling element by means of additive manufacturing. This allows a specifically optimized geometry and variable material thicknesses.
  • Figure 1 shows an aircraft with several electrical machines for
  • Figure 2 is a schematic diagram of one of the electrical machines of the
  • Aircraft according to Figure 1 with a stator, a rotor and a coupling element;
  • FIG. 3 shows an electrical machine of the aircraft according to FIG. 1 in a perspective view with a view of the coupling element;
  • Figure 4 according to the coupling element of the electrical machine
  • FIG. 5 shows a cut-away view of the coupling element according to FIG.
  • FIGS. 6A and 6B show different steps in the manufacture of the electrical machine according to FIG. 3;
  • FIG. 7 shows an electrical machine for the aircraft according to FIG. 1 in a perspective view with a view of a coupling element
  • FIGS. 9A-9C different steps in the manufacture of the electrical machine according to FIG. 7;
  • FIG. 10 shows a deep-drawing tool for producing the coupling element according to FIG. 4;
  • Figure 11 shows a laser build-up welding device for producing the
  • FIG. 12 shows a coupling element for the electrical machine according to FIG. 12
  • FIG. 13 shows part of a connecting section of the coupling element according to FIG. 12 in a plan view
  • FIG. 14 shows part of the connecting section of the coupling element according to FIG. 13 in a side view.
  • FIG. 1 shows an aircraft 2 in the form of an air taxi.
  • the aircraft 2 comprises a cabin 20 and several, here four, electric machines 1, each in the form of an electric motor.
  • Each of the electrical machines 1 drives a propeller 22 .
  • each of the propellers 22 is operatively connected to (eg attached to) a rotor of the respective electrical machine 1 .
  • a battery 21 supplies electrical power to operate the electrical machines 1 .
  • the electrical machines 1 are direct drives.
  • FIG. 2 illustrates the basic structure of the electrical machines 1 which are identical to one another in the example according to FIG. 1 .
  • the electrical machine 1 comprises a stator 10, a rotor 11 rotatable about an axis of rotation A relative to the stator 10, a shaft 12 rotatable about the axis of rotation A relative to the stator 10, and a coupling element 13 with a first, here ring-shaped, fixed to the rotor 11 Connecting section 130 and a fixed to the shaft 12, here also annular, second connecting section 131.
  • the connecting sections 130, 131 have different diameters D1, D2 compared to each other. Furthermore, the connecting sections 130, 131 are connected to one another via an alternately curved connecting surface 132.
  • the coupling element 13 allows a particularly simple construction of the electrical machine 1. Furthermore, the coupling element 13 is essentially wear-free and can be adapted to different engine designs.
  • the electrical machine 1 is designed as an external rotor.
  • the rotor 11 surrounds the stator 10.
  • the stator 10 is arranged inside the rotor 11.
  • the stator 10 is fixed to a supporting structure.
  • the supporting structure is attached to the aircraft 2 .
  • the shaft 12 is rotatably mounted on the supporting structure (and/or the stator 10).
  • the shaft 12 is arranged coaxially and concentrically with the rotor 11 and the stator 10 .
  • the stator 10 is thus arranged between the rotor 11 and the shaft 12 . There is a clearance between the rotor 11 and the shaft 12 .
  • the coupling element 13 bridges this distance.
  • the coupling element 13 is wavy.
  • the coupling element 13 is flexible and allows an axial movement (along the axis of rotation A) and a radial movement (perpendicular to the axis of rotation A) of the shaft 12 relative to the rotor 11. Tilting movements of the shaft 12 relative to the rotor 11 are also made possible.
  • the geometry of the coupling element explained in detail below, ensures a transmission of torques about the axis of rotation A between the rotor 11 and the shaft 12 .
  • the propeller 22 is operatively connected to the shaft 12, namely fastened to the shaft 12 in the present case.
  • the propeller 22 can be rotated via the shaft 12 by rotating the rotor 11 relative to the stator 10 .
  • the coupling element 13 is connected to the rotor 11 lying on the outside.
  • the first connection portion 130 is ring-shaped.
  • the second connection section 131 is also ring-shaped.
  • the coupling element 13 is funnel-shaped. It thus forms a depression that can be described as trough-shaped.
  • the connecting sections 130, 131 are offset from one another in the axial direction.
  • the first connecting portion 130 has a flange 133 and the second connecting portion 131 has a flange 134 .
  • the flange 133 of the first connecting portion 130 is ring-shaped and has a larger diameter D1 than the flange 134 of the second connecting portion 131 (diameter D2).
  • the first connection section 130 forms a circular outer edge of the coupling element 13 .
  • the second connection portion 131 forms a circular opening 138 .
  • the flange 133 of the first connecting section 130 and the flange 134 of the second connecting section 131 extend in mutually parallel planes.
  • the alternately curved connecting surface 132 extends between the first connecting section 130 and the second connecting section 131.
  • the connecting surface 132 has a plurality (here 11, generally e.g. two or more, in particular more than 3, more than 4, more than 5 or more than 10) annular curved sections, some of which are designated K1-K4.
  • the curved sections K1 -K4 are aligned coaxially with one another.
  • the curved sections K1 -K4 form circular steps.
  • the connecting surface 132 is wavy.
  • the coupling element 13 has areas that are alternately curved to the left and to the right.
  • the coupling element 13 has alternating concave areas and convex areas.
  • the outer curved sections have a greater width in the direction perpendicular to the axis of rotation A than the inner curved sections.
  • the annular curved sections have a width that becomes progressively smaller (in the direction perpendicular to the axis of rotation A), viewed from the outside inwards.
  • the outermost curved sections K1, K2 also have larger radii of curvature in a plane extending perpendicularly through the axis of rotation A (ie in the section according to FIG. 5) than the inner curved sections.
  • Planar sections (having surfaces parallel to the axis of rotation A) and cylindrical sections are provided alternately between a plurality of the annular curved sections.
  • the coupling element 13 forms a bellows.
  • the coupling element 13 can also be referred to as a coupling bellows.
  • Figure 6A illustrates the alignment of the coupling member 13 to the rotor 11 and stator 10 assembly prior to assembly thereon.
  • the stator 10 has fins for cooling the coils.
  • the rotor 10 is rotatably mounted on the stator 10 by means of at least one, in particular several, in this case two, bearings 15 .
  • one end of the shaft is 12 1, on which the shaft 12 is journalled by means of a bearing 16, here on a portion of the supporting structure on which the stator 10 is also mounted.
  • the electrical machine 1 is in the form of a transverse flux motor.
  • the rotor 11 has a magnet holder 110 on which several magnets 11 are fixed, here in the form of permanent magnets.
  • the stator 10 has a coil holder 100 to which electrical coils are fixed.
  • the coils can be supplied with electric current, e.g. an alternating current, in particular a three-phase alternating current.
  • a rotating magnetic field is generated, through which a force is exerted on the magnets 11 , which then causes the rotor 11 to rotate about the axis of rotation A relative to the stator 10 .
  • the magnetic fields act in the axial direction.
  • the coupling element 13 is inserted into the stator 10 and fixed.
  • FIG. 6B shows the assembled state, with the second connecting section 131 being fastened to the shaft 12 by means of screws 14 .
  • the first connecting portion 130 can be welded to the rotor 11, fastened thereto in a force-fit manner, or also with screws or the like.
  • the first connecting section 130 rests on the rotor 11 on an end face of the rotor 11 . Proceeding from this, the connecting surface 132 initially forms an annular bead directed away from the shaft 12 in the axial direction and then extends in a wavy, funnel-shaped manner towards the shaft 12 .
  • the coupling element 13 is a deep-drawn part. It is made from a flat material, namely a steel sheet in the present case. In particular, it would also be possible to produce the coupling element from titanium. In particular, it is possible to use such materials that are already approved for aviation. Alternatively, it is conceivable to produce the coupling element from plastic.
  • the coupling element 13 has a material thickness in the millimeter range. The material thickness is of the same order of magnitude in all areas of the coupling element 13 . For example the material thickness is anywhere in the range of +/- 50% around a value, in particular in the range of +/- 10% around a value. In the present case, the value of the material thickness is 1 mm.
  • the coupling element 13 is designed in one piece. Furthermore, the coupling element 13 is made of the same material.
  • a deep-drawing tool 3 is used for production. This has an upper tool half and a lower tool half. A metal sheet B is inserted between these. Then the tool halves are pressed together so that the metal sheet is formed between them and the coupling element 13 is formed.
  • FIG. 7 shows an electrical machine T that is constructed like the electrical machine 1 described above, the only difference being that in the electrical machine T according to FIG. 7, a differently manufactured and slightly differently shaped coupling element 13′ is installed.
  • the second connecting section 13T of the coupling element 13′ has a form-fitting element in addition to the flange 134, here in the form of a polygonal connecting section 135.
  • the polygonal connecting section 135 has a polygonal, here quadrangular, outer circumference.
  • the bending portions are uniformly wavy.
  • the bend sections have (approximately) the same widths and heights (generally the same widths and/or heights) as one another.
  • some or all of the curved sections have different widths and/or heights from one another.
  • the material thickness is very different in different areas of the coupling element 13', e.g. by more than a factor of 2, more than a factor of 5 or even more than a factor of 10.
  • the flange 134 is significantly thicker than the connecting surface 132.
  • One or more openings 136 are optionally formed in the coupling element 13', for example in the connecting surface 132, as illustrated in FIG.
  • the opening 136 is for ventilation.
  • An edge 137 of the opening 136 is thicker than surrounding areas of the connection surface, ie with a greater material thickness. As a result, stresses in the edge area can be held better.
  • the coupling element 13' is produced by means of additive manufacturing, e.g. with a 3D printer.
  • the coupling element 13' is produced by means of laser build-up welding.
  • the coupling element is produced additively using a laser build-up welding device 4 illustrated in FIG. Material is applied in several layers and melted with a laser. This manufacturing method allows a particularly large degree of freedom in the geometry of the coupling element 13'.
  • Figures 9A to 9C show different stages in the manufacture of the electrical machine 1 '.
  • the coupling element 13' is inserted and fastened.
  • the polygonal connecting section 135 engages in a suitably designed receptacle 120 on an axial end of the shaft 12 in order to form a form-fitting connection.
  • FIGS 12 to 14 show a further coupling element 13 ", which the electrical machine 1 according to Figure 3 and the electrical machine 1 'according to Figure 7 optionally instead of the illustrated there coupling element 13; 13' may include.
  • the coupling element 13" of Figures 12 to 14 has a first connection section 130' that can be fixed on the rotor 11 (and is fixed in the assembled state) and a second connection section 131" that can be fixed on the shaft 12 (and is fixed in the assembled state), which have different diameters and are connected to each other via an alternately curved connecting surface 132'.
  • the connecting surface 132 ' has a plurality of sections, each of which by a Arm R are formed.
  • An opening 136′, 136′′ is formed between each two adjacent arms R.
  • the openings 136', 136'' span a larger area than the arms R. Some (here five) of the openings 136' have a closed edge. Others (here also five) of the openings 136'' have an open edge.
  • the coupling element 13′′ is star-shaped in the present example.
  • the first connecting section 130′ is formed by a plurality of partial sections S, in this case five, which are spaced apart from one another in the circumferential direction.
  • the sections S are each in the form of a circular arc.
  • the sections S are arranged together along a circle.
  • the second connecting section 131'' is circular in shape.
  • Each of the arms R extends from a lug 139 on the second connecting section 131'' to a section S of the first connecting section 130'.
  • Two arms R each extend from a common extension 139 on the second connecting section 131′′.
  • Two arms R each extend to a common partial section S of the first connecting section 130'.
  • Each arm R is joined to two different arms at the first connection section 130' and at the second connection section 131''.
  • An arm R (here each arm R) starts with a first other arm R from a lug 139 and opens with a second other arm R at a section S, the first other arm R and the second other arm R being spaced from each other.
  • the respective arm R is arranged between the first and the second other arm R .
  • the arms R each have a bend (in the circumferential direction). In this case, the bend in adjacent arms R is alternately oriented in the opposite direction. Viewed from the lug 139, the two arms R extending therefrom are bent away from each other at the respective bend. Each of the two arms R opening out at a partial section S of the first connecting section 130′ are inclined towards one another (here in a V-shape).
  • the coupling element 13'' is here formed in one piece. It can, for example, be manufactured as a stamped and bent part or by additive manufacturing.

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Abstract

Eine elektrische Maschine (1; 1') umfasst: einen Stator (10); einen relativ zum Stator (10) drehbaren Rotor (11); eine relativ zum Stator (10) drehbare Welle (12); und ein flexibles Kopplungselement (13; 13'; 13'') mit einem am Rotor (11) festgelegten ersten Verbindungsabschnitt (130; 130') und einem an der Welle (12) festgelegten zweiten Verbindungsabschnitt (131; 131'; 131''), die unterschiedliche Durchmesser (D1, D2) aufweisen und über eine alternierend gekrümmte Verbindungsfläche (132; 132') miteinander verbunden sind.

Description

Elektrische Maschine mit welligem Kopplungselement
Beschreibung
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich insbesondere auf eine elektrische Maschine, ein Fahrzeug mit einer solchen elektrischen Maschine und auf ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine.
Bei Elektromotoren und anderen elektrischen Maschinen wird eine immer weitere Verbesserung der Zielgrößen Energieeffizienz, Leistungsgewicht, Zuverlässigkeit und Lebensdauer angestrebt. Für einen niedrigen Energieverbrauch in mobilen Anwendungen (z.B. im Fahrzeugbau) ist zudem ein geringes Gewicht der Antriebe von Bedeutung. In besonderem Maße gelten die beschriebenen Anforderungen für die Anwendung in Luftfahrzeugen. Ferner können äußere Kräfte wirken. Bei einem Luftfahrzeug können z.B. durch Seitenwinde oder dergleichen auf einen durch einen Elektromotor angetriebenen Propeller axiale oder radiale Kräfte auf eine den Elektromotor mit dem Propeller verbindende Welle ausüben. Regelmäßig wird deshalb eine entsprechend steife Lagerung der Welle vorgesehen, um diese Kräfte aufzunehmen. Derartige Lagerungen weisen jedoch häufig ein relativ hohes Gewicht auf. Zudem können die genannten Kräfte zu einem Verschleiß der entsprechenden Bauteile führen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte elektrische Maschine bereitzustellen.
Gemäß einem Aspekt wird eine elektrische Maschine bereitgestellt, z.B. für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Luftfahrzeug Die elektrische Maschine umfasst einen Stator; einen relativ zum Stator drehbaren Rotor; eine relativ zum Stator drehbare Welle; und ein flexibles Kopplungselement. Das Kopplungselement weist einen am Rotor festgelegten ersten Verbindungsabschnitt und einen an der Welle festgelegten zweiten Verbindungsabschnitt auf. Die beiden Verbindungsabschnitte weisen unterschiedliche Durchmesser auf und sind über eine alternierend gekrümmte Verbindungsfläche miteinander verbunden.
Diese Ausgestaltung des Kopplungselements ermöglicht eine axiale und radiale Translation sowie eine Kippbewegung der Welle relativ zum Stator. Zugleich ist mit dem Kopplungselement ein Drehmoment zwischen dem Rotor und der Welle übertragbar. Die Verbindungsfläche des Kopplungselements bildet einen flexiblen Balg aus. Das Kopplungselement entkoppelt den Rotor von der Welle elastisch in axialer und radialer Richtung. Hierzu ist kein Schmiermittel notwendig, daher ist die elektrische Maschine besonders gut als Direktantriebseinheit einsetzbar, ohne dass ein Schmiersystem nötig wäre. Die Verbindungsfläche ist alternierend gekrümmt, weist also beispielsweise mindestens eine Krümmung (z.B. zwei., drei, vier, fünf, sechs, sieben oder mehr Krümmungen) in einer Richtung und mindestens eine Krümmung (z.B. zwei., drei, vier, fünf, sechs, sieben oder mehr Krümmungen) in einer dazu entgegengesetzten Richtung auf. Die Verbindungsfläche kann mehrere separierte Abschnitte umfassen. Der erste und/oder der zweite Verbindungsabschnitt kann/können durch mehrere, insbesondere voneinander beabstandete Teilabschnitte ausgebildet sein. Ferner kann/können der erste und/oder der zweite Verbindungsabschnitt durch einen einzigen, ununterbrochenen Abschnitt ausgebildet sein.
Die Welle kann konzentrisch zum Rotor angeordnet und ausgerichtet sein. Welle und Rotor können sich in Axialrichtung betrachtet überlappen. Das ermöglicht eine kompakte Bauweise. Der Stator kann so angeordnet sein, dass er die Welle außen umgibt. Die Welle kann sich also in den Stator hinein erstrecken. Auch das erlaubt eine kompakte Bauweise.
Es kann vorgesehen sein, dass der Rotor den Stator außen umgibt. Die elektrische Maschine kann also als Außenläufer ausgebildet sein. Das Kopplungselement ermöglicht eine effiziente und robuste Kopplung des Außenläufers an die Welle.
Die Verbindungsfläche des Kopplungselements kann ringförmige, insbesondere zueinander koaxiale, Krümmungsabschnitte aufweisen, z.B. in Form von ringförmigen Wellen. Es kann vorgesehen sein, dass das Kopplungselement konzentrisch wellig ausgebildet ist. Dies erlaubt eine besonders hohe Flexibilität in axialer und radialer Richtung und zugleich eine Übertragung von hohen Drehmomenten.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Krümmungsabschnitte vom ersten Verbindungsabschnitt ausgehend sukzessive, insbesondere stetig, kleinere Durchmesser aufweisen.
Der erste Verbindungsabschnitt und/oder der zweite Verbindungsabschnitt kann/können jeweils einen Flansch aufweisen. Das ermöglicht eine sichere Befestigung.
Alternativ oder zusätzlich weist der zweite Verbindungsabschnitt z.B. einen polygonalen Verbindungsabschnitt auf, beispielsweise einen quaderförmigen Stift. Das erlaubt eine formschlüssige Verbindung und sichere Drehmomentübertragung.
Das Kopplungselement kann trichterförmig ausgebildet sein. Die Verbindungsabschnitte sind z.B. axial versetzt zueinander angeordnet. Das erlaubt zugleich die Überbrückung eines radialen Abstands und eines axialen Abstands zwischen den beiden Verbindungsabschnitten.
Das Kopplungselement umfasst z.B. ein Flachmaterial, beispielsweise ein Stahlblech. Das Kopplungselement weist beispielsweise eine Materialstärke im Millimeterbereich auf, z.B. geringer als 2 mm, insbesondere etwa 1 mm oder weniger. Das erlaubt eine Übertragung großer Drehmomente und zugleich ein geringes Gewicht. Optional weisen verschiedene Bereiche des Kopplungselements verschiedene, insbesondere wesentlich verschiedene Materialstärken auf.
Das Kopplungselement kann einstückig ausgebildet sein. Das erlaubt eine einfache Herstellung und besonders geringen Verschleiß.
Optional ist (zumindest) eine Öffnung in der Verbindungsfläche ausgebildet. Das ermöglicht eine Lüftung und zudem eine Gewichtsreduzierung.
Dabei kann vorgesehen sein, dass ein Rand der Öffnung (oder jeweils der mehreren Öffnungen) eine größere Materialstärke aufweist als benachbarte Bereiche der Verbindungsfläche. So kann ein Einreißen des Randes verhindert werden.
Optional sind mehrere Öffnungen in der Verbindungsfläche ausgebildet. Das ermöglicht eine effektive Gewichtsreduzierung.
Die Öffnungen in der Verbindungsfläche können so ausgebildet sein, dass sie eine größere Fläche Überspannen als die dazwischenliegenden Abschnitte der Verbindungsfläche. So ist eine besonders effektive Gewichtsreduzierung möglich.
Die Verbindungsfläche kann durch mehrere Arme ausgebildet sein. Das ermöglicht eine sichere Verbindung und wiederum ein besonders niedriges Gewicht.
Der erste Verbindungsabschnitt kann ferner durch mehrere voneinander beabstandete Abschnitte ausgebildet werden. So ist eine noch weiter gehende Gewichtsreduzierung möglich.
Der Rotor treibt beispielsweise einen Propeller an. Das erlaubt z.B. die Erzeugung von Schub.
Gemäß einem Aspekt wird ein Fahrzeug angegeben, insbesondere ein Luftfahrzeug. Das Fahrzeug, insbesondere Luftfahrzeug, umfasst die elektrische Maschine nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung. Bei Fahrzeug, insbesondere bei einem Luftfahrzeug, kommen die oben beschriebenen Vorteile in besonderem Maße zum Tragen.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine angegeben, insbesondere der elektrischen Maschine nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Stators, eines relativ zum Stator drehbar gelagerten Rotors, einer relativ zum Stator drehbar gelagerten Welle und eines flexiblen Kopplungselements mit einem ersten Verbindungsabschnitt und einem zweiten Verbindungsabschnitt, die unterschiedliche Durchmesser aufweisen und die über eine alternierend gekrümmte Verbindungsfläche miteinander verbunden sind. Ferner umfasst das Verfahren das Montieren des Kopplungselements mit dem ersten Verbindungsabschnitt am Rotor und mit dem zweiten Verbindungsabschnitt an der Welle.
Optional umfasst das Verfahren den vorangehenden Schritt des Herstellens des Kopplungselements mittels Tiefziehen. Das ermöglicht eine besonders schnelle und kostengünstige Herstellung.
Alternativ oder zusätzlich umfasst das Verfahren ferner den vorangehenden Schritt des Herstellens des Kopplungselements mittels additiver Fertigung. Das erlaubt eine spezifisch optimierte Geometrie und variable Materialstärken.
Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben; in den Figuren zeigen:
Figur 1 ein Luftfahrzeug mit mehreren elektrischen Maschinen zum
Antrieb mehrerer Propeller;
Figur 2 eine Prinzipskizze einer der elektrischen Maschinen des
Luftfahrzeugs gemäß Figur 1 mit einem Stator, einem Rotor und einem Kopplungselement;
Figur 3 eine elektrische Maschine des Luftfahrzeugs gemäß Figur 1 in einer perspektivischen Ansicht mit Blick auf das Kopplungselement; Figur 4 das Kopplungselement der elektrischen Maschine gemäß
Figur 3;
Figur 5 eine aufgeschnittene Ansicht des Kopplungselements gemäß
Figur 4;
Figuren 6A und 6B verschiedene Schritte in der Herstellung der elektrischen Maschine gemäß Figur 3;
Figur 7 eine elektrische Maschine für das Luftfahrzeug gemäß Figur 1 in einer perspektivischen Ansicht mit Blick auf ein Kopplungselement;
Figur 8 das Kopplungselement der elektrischen Maschine gemäß
Figur 7;
Figuren 9A-9C verschiedene Schritte in der Herstellung der elektrischen Maschine gemäß Figur 7;
Figur 10 ein Tiefziehwerkzeug zur Herstellung des Kopplungselements gemäß Figur 4;
Figur 11 eine Laserauftragsschweißvorrichtung zur Herstellung des
Kopplungselements gemäß Figur 7;
Figur 12 ein Kopplungselement für die elektrische Maschine gemäß Figur
3 und für die elektrische Maschine gemäß Figur 7;
Figur 13 einen Teil eines Verbindungsabschnitts des Kopplungselements gemäß Figur 12 in einer Draufsicht; und
Figur 14 den Teil des Verbindungsabschnitts des Kopplungselements gemäß Figur 13 in einer Seitenansicht.
Figur 1 zeigt ein Luftfahrzeug 2 in Form eines Flugtaxis. Das Luftfahrzeug 2 umfasst eine Kabine 20 und mehrere, hier vier, elektrische Maschinen 1 , jeweils in Form eines Elektromotors. Jede der elektrischen Maschinen 1 treibt einen Propeller 22 an. Hierzu ist jeder der Propeller 22 mit einem Rotor der jeweiligen elektrischen Maschine 1 wirkverbunden (z.B. daran befestigt). Eine Batterie 21 liefert elektrischen Strom zum Betrieb der elektrischen Maschinen 1 . Bei den elektrischen Maschinen 1 handelt es sich vorliegend um Direktantriebe.
Figur 2 veranschaulicht den grundsätzlichen Aufbau der im Beispiel gemäß Fig. 1 untereinander gleich aufgebauten elektrischen Maschinen 1 .
Die elektrische Maschine 1 umfasst dabei einen Stator 10, einen um eine Drehachse A relativ zum Stator 10 drehbaren Rotor 11 , eine um die Drehachse A relativ zum Stator 10 drehbare Welle 12 und ein Kopplungselement 13 mit einem am Rotor 11 festgelegten, hier ringförmigen, ersten Verbindungsabschnitt 130 und einem an der Welle 12 festgelegten, hier ebenfalls ringförmigen, zweiten Verbindungsabschnitt 131. Die Verbindungsabschnitte 130, 131 weisen im Vergleich miteinander unterschiedliche Durchmesser D1 , D2 auf. Ferner sind die Verbindungsabschnitte 130, 131 über eine alternierend gekrümmte Verbindungsfläche 132 miteinander verbunden.
Das ermöglicht eine Übertragung verhältnismäßig hoher Drehmomente bei einem verhältnismäßig geringen Gewicht. Drehmomente können in beide Richtungen übertragen werden. Die laterale und axiale Steifigkeit und die Biegesteifigkeit können gering gehalten werden. Dabei erlaubt das Kopplungselement 13 einen besonders einfachen Aufbau der elektrischen Maschine 1. Ferner ist das Kopplungselement 13 im Wesentlichen verschleißfrei und kann an verschiedene Motordesigns angepasst werden.
Die elektrische Maschine 1 ist als Außenläufer ausgebildet. Der Rotor 11 umgibt den Stator 10. Der Stator 10 ist innerhalb des Rotors 11 angeordnet. Der Stator 10 ist an einer tragenden Struktur befestigt. Die tragende Struktur ist am Luftfahrzeug 2 befestigt. Die Welle 12 ist drehbar an der tragenden Struktur (und/oder am Stator 10) gelagert. Die Welle 12 ist koaxial und konzentrisch zum Rotor 11 und zum Stator 10 angeordnet.
Somit ist der Stator 10 zwischen dem Rotor 11 und der Welle 12 angeordnet. Zwischen dem Rotor 11 und der Welle 12 liegt ein Abstand vor. Das Kopplungselement 13 überbrückt diesen Abstand.
Das Kopplungselement 13 ist wellig ausgebildet. Das Kopplungselement 13 ist flexibel und erlaubt eine axiale Bewegung (entlang der Drehachse A) und eine radiale Bewegung (senkrecht zur Drehachse A) der Welle 12 relativ zum Rotor 11. Ferner werden Kippbewegungen der Welle 12 relativ zum Rotor 11 ermöglicht. Zugleich stellt die nachfolgend noch im Detail erläuterte Geometrie des Kopplungselements eine Übertragung von Drehmomenten um die Drehachse A zwischen dem Rotor 11 und der Welle 12 sicher.
Der Propeller 22 mit der Welle 12 wirkverbunden, nämlich vorliegend an der Welle 12 befestigt. Über die Welle 12 ist der Propeller 22 durch eine Rotation des Rotors 11 relativ zum Stator 10 drehbar.
Fig. 3 zeigt die elektrische Maschine 1. Ersichtlich ist das Kopplungselement 13 an den außenliegenden Rotor 11 angebunden. Der erste Verbindungsabschnitt 130 ist ringförmig. Vorliegend ist auch der zweite Verbindungsabschnitt 131 ringförmig. Das Kopplungselement 13 ist trichterförmig ausgebildet. Es bildet somit eine Vertiefung aus, die als muldenförmig beschrieben werden kann. Die Verbindungsabschnitte 130, 131 sind in axialer Richtung versetzt zueinander angeordnet.
Weitere Details der Geometrie des Kopplungselements 13 sind insbesondere anhand der Figuren 4 und 5 ersichtlich.
So weist der erste Verbindungsabschnitt 130 einen Flansch 133 auf und der zweite Verbindungsabschnitt 131 weist einen Flansch 134 auf. Der Flansch 133 des ersten Verbindungsabschnitts 130 ist ringförmig weist einen größeren Durchmesser D1 auf als der Flansch 134 des zweiten Verbindungsabschnitts 131 (Durchmesser D2). Der erste Verbindungsabschnitt 130 bildet einen kreisförmigen äußeren Rand des Kopplungselements 13 aus. Der zweite Verbindungsabschnitt 131 bildet einekreisförmige Öffnung 138 aus. Der Flansch 133 des ersten Verbindungsabschnitts 130 und der Flansch 134 des zweiten Verbindungsabschnitts 131 erstrecken sich im gezeigten Beispiel in zueinander parallelen Ebenen. Zwischen dem ersten Verbindungsabschnitt 130 und dem zweiten Verbindungsabschnitt 131 erstreckt sich die alternierend gekrümmte Verbindungsfläche 132.
Die Verbindungsfläche 132 weist mehrere (hier 11 , allgemein z.B. zwei oder mehr, insbesondere mehr als 3, mehr als 4, mehr als 5 oder mehr als 10) ringförmige Krümmungsabschnitte, von denen einige mit K1 -K4 bezeichnet sind. Die Krümmungsabschnitte K1 -K4 sind koaxial zueinander ausgerichtet. Die Krümmungsabschnitte K1 -K4 bilden kreisförmige Stufen. Die Verbindungsfläche 132 ist wellig. Im in Figur 5 gezeigten Querschnitt weist das Kopplungselement 13 abwechselnd nach links und nach rechts gekrümmte Bereiche auf. Das Kopplungselement 13 weist abwechselnd konkave Bereiche und konvexe Bereiche auf.
Im gezeigten Beispiel weisen die äußeren Krümmungsabschnitte in Richtung senkrecht zur Drehachse A eine größere Breite auf als die inneren Krümmungsabschnitte. Vorliegend weisen die ringförmigen Krümmungsabschnitte von außen nach innen betrachtet sukzessive eine stetig kleiner werdende Breite (in Richtung senkrecht zur Drehachse A) auf. Die äußersten Krümmungsabschnitte K1 , K2 weisen ferner in einer senkrecht durch die Drehachse A erstreckten Ebene (also im Schnitt gemäß Figur 5) größere Krümmungsradien auf als die inneren Krümmungsabschnitte.
Zwischen mehreren der ringförmigen Krümmungsabschnitte sind im Wechsel ebene Abschnitte (mit zur Drehachse A parallelen Flächen) und zylindrische Abschnitte vorgesehen.
Das Kopplungselement 13 bildet einen Balg aus. Das Kopplungselement 13 kann auch als Kopplungsbalg bezeichnet werden.
Figur 6A veranschaulicht die Ausrichtung des Kopplungselements 13 zur Einheit aus Rotor 11 und Stator 10 vor der Montage daran. Der Stator 10 weist Rippen zur Kühlung der Spulen auf. Der Rotor 10 ist am Stator 10 mittels zumindest einem, insbesondere mehreren, hier zwei, Lagern 15 drehbar gelagert. Ferner ist ein Ende der Welle 12 gezeigt, an welchem die Welle 12 mittels eines Lagers 16 gelagert ist, und zwar vorliegend an einem Abschnitt der tragenden Struktur, an welcher auch der Stator 10 montiert ist.
Die elektrische Maschine 1 ist im gezeigten Beispiel in Form eines Transversalflussmotors ausgebildet. Der Rotor 11 weist eine Magnethalterung 110 auf, an dem mehrere Magneten 11 fixiert sind, hier in Form von Permanentmagneten. Der Stator 10 weist eine Spulenhalterung 100 auf, an welcher elektrische Spulen fixiert sind. Die Spulen sind mit elektrischem Strom beaufschlagbar, z.B. einem Wechselstrom, insbesondere einem Dreiphasenwechselstrom. Hierdurch wird ein magnetisches Drehfeld erzeugt, durch welches eine Kraft auf die Magnete 11 ausgeübt wird, die den Rotor 11 sodann in eine Drehung relativ zum Stator 10 um die Drehachse A versetzt. Die Magnetfelder wirken dabei in axialer Richtung.
Zum Zusammenbau wird das Kopplungselement 13 in den Stator 10 eingesetzt und befestigt.
Figur 6B zeigt den zusammengebauten Zustand, wobei der zweite Verbindungsabschnitt 131 mittels Schrauben 14 an der Welle 12 befestigt ist. Der erste Verbindungsabschnitt 130 kann mit dem Rotor 11 verschweißt werden, kraftschlüssig daran befestigt werden oder ebenfalls mit Schrauben oder dergleichen.
Im zusammengebauten Zustand liegt der erste Verbindungsabschnitt 130 an einer Stirnfläche des Rotors 11 am Rotor 11 an. Die Verbindungsfläche 132 bildet davon ausgehend zunächst einen in axialer Richtung von der Welle 12 weg gerichteten ringförmigen Wulst und erstreckt sich dann gewellt trichterförmig zur Welle 12 hin.
Das Kopplungselement 13 ist ein Tiefziehteil. Es ist hergestellt aus einem Flachmaterial, nämlich vorliegend einem Stahlblech. Insbesondere wäre es auch möglich, das Kopplungselement aus Titan herzustellen. Es ist insbesondere möglich, derartige bereits für die Luftfahrt zugelassene Materialien zu verwenden. Alternativ ist denkbar, das Kopplungselement aus Kunststoff herzustellen. Das Kopplungselement 13 weist eine Materialstärke im Millimeterbereich auf. Die Materialstärke liegt in allen Bereichen des Kopplungselements 13 in derselben Größenordnung. Beispielsweise liegt die Materialstärke überall im Bereich von +/- 50% um einen Wert, insbesondere im Bereich von +/- 10% um einen Wert. Vorliegend beträgt der Wert der Materialstärke 1 mm. Das Kopplungselement 13 ist einstückig ausgebildet. Ferner ist das Kopplungselement 13 matenaleinheitlich ausgebildet.
Zur Herstellung wird, wie in Figur 10 gezeigt, ein Tiefziehwerkzeug 3 verwendet. Dieses weist eine obere Werkzeughälfte und eine untere Werkzeughälfte auf. Zwischen diese wird ein Blech B eingelegt. Dann werden die Werkzeughälften aneinandergepresst, sodass das Blech dazwischen umgeformt und das Kopplungselement 13 gebildet wird.
Figur 7 zeigt eine elektrische Maschine T, die aufgebaut ist wie die vorstehend beschriebene elektrische Maschine 1 , lediglich mit dem Unterschied, dass bei der elektrischen Maschine T gemäß Figur 7 ein anders hergestelltes und leicht abweichend geformtes Kopplungselement 13' eingebaut ist.
Wie insbesondere anhand Figur 8 zu erkennen, weist der zweite Verbindungsabschnitt 13T des Kopplungselements 13' zusätzlich zum Flansch 134 ein Formschlusselement auf, hier in Form eines polygonalen Verbindungsabschnitts 135. Der polygonale Verbindungsabschnitt 135 weist einen vieleckigen, hier viereckigen, Außenumfang auf.
Ferner sind die Krümmungsabschnitte, von denen einige mit K5-K9 bezeichnet sind, gleichmäßig wellig ausgebildet. Abgesehen vom unterschiedlichen Durchmesser weisen die Krümmungsabschnitte untereinander (in etwa) die gleichen Breiten und Höhen (im Allgemeinen die gleichen Breiten und/oder Höhen) auf. Alternativ dazu weisen einige oder alle der Krümmungsabschnitte untereinander unterschiedliche Breiten und/oder Höhen auf.
Die Materialstärke ist in unterschiedlichen Bereichen des Kopplungselements 13' sehr verschieden, z.B. um mehr als den Faktor 2, mehr als den Faktor 5 oder sogar mehr als den Faktor 10. So ist beispielsweise der Flansch 134 wesentlich dicker als die Verbindungsfläche 132. Optional sind im Kopplungselement 13' eine oder mehrere Öffnungen 136 ausgebildet, z.B. in der Verbindungsfläche 132, wie in Figur 8 veranschaulicht. Die Öffnung 136 dient zur Belüftung. Ein Rand 137 der Öffnung 136 ist gegenüber umliegenden Bereichen der Verbindungsfläche dicker ausgebildet, d.h. mit einer größeren Materialstärke. Hierdurch können Spannungen im Randbereich besser gehalten werden.
Das Kopplungselement 13' ist mittels additiver Fertigung hergestellt, z.B. mit einem 3D-Drucker. Vorliegend ist das Kopplungselement 13' mittels Laserauftragsschweißen hergestellt. Hierbei wird das Kopplungselement' mit einer in Figur 11 veranschaulichten Laserauftragsschweißvorrichtung 4 additiv gefertigt. Dabei wird in mehreren Schichten Material aufgetragen und mit einem Laser angeschmolzen. Diese Fertigungsmethode erlaubt eine besonders große Freiheit in der Geometrie des Kopplungselements 13‘.
Die Figuren 9A bis 9C zeigen verschiedene Stadien in der Herstellung der elektrischen Maschine 1 ‘. Wie oben im Zusammenhang mit den Figuren 6a und 6B erläutert wird das Kopplungselement 13' eingesetzt und befestigt. Dabei greift der polygonale Verbindungsabschnitt 135 zur Ausbildung einer formschlüssigen Verbindung in eine passend ausgebildete Aufnahme 120 an einem axialen Ende der Welle 12 ein.
Die Figuren 12 bis 14 zeigen ein weiteres Kopplungselement 13“, welches die elektrische Maschine 1 gemäß Figur 3 und die elektrische Maschine 1 ‘ gemäß Figur 7 optional anstelle des dort jeweils veranschaulichten Kopplungselements 13; 13' umfassen können.
Das Kopplungselement 13“ der Figuren 12 bis 14 weist einen am Rotor 11 festlegbaren (und im montierten Zustand festgelegten) ersten Verbindungsabschnitt 130' und einen an der Welle 12 festlegbaren (und im montierten Zustand festgelegten) zweiten Verbindungsabschnitt 131“ auf, die unterschiedliche Durchmesser aufweisen und über eine alternierend gekrümmte Verbindungsfläche 132' miteinander verbunden sind.
Die Verbindungsfläche 132' weist mehrere Abschnitte auf, welche jeweils durch einen Arm R gebildet werden. Zwischen jeweils zwei benachbarten Armen R ist je eine Öffnung 136‘, 136“ ausgebildet. Die Öffnungen 136‘, 136“ Überspannen eine größere Fläche als die Arme R. Einige (hier fünf) der Öffnungen 136' weisen einen in sich geschlossenen Rand auf. Andere (hier ebenfalls fünf) der Öffnungen 136“ weisen einen offenen Rand auf. Das Kopplungselement 13“ ist im vorliegenden Beispiel sternförmig ausgebildet.
Der erste Verbindungsabschnitt 130' wird durch mehrere, hier fünf, voneinander in Umfangsrichtung beabstandete Teilabschnitte S ausgebildet. Die Teilabschnitte S sind jeweils kreisbogenförmig. Die Teilabschnitte S sind gemeinsam entlang einem Kreis angeordnet. Der zweite Verbindungsabschnitt 131“ ist kreisförmig ausgebildet.
Jeder der Arme R erstreckt sich von einem Ansatz 139 am zweiten Verbindungsabschnitt 131“ bis zu einem Teilabschnitt S des ersten Verbindungsabschnitts 130‘. Jeweils zwei Arme R gehen am zweiten Verbindungsabschnitt 131“ von einem gemeinsamen Ansatz 139 aus. Jeweils zwei Arme R erstrecken sich zu einem gemeinsamen Teilabschnitt S des ersten Verbindungsabschnitts 130‘. Jeder Arm R ist mit zwei unterschiedlichen Armen am ersten Verbindungsabschnitt 130' und am zweiten Verbindungsabschnitt 131“ zusammengeführt. Ein Arm R (hier jeder Arm R) geht mit einem ersten anderen Arm R von einem Ansatz 139 aus und mündet mit einem zweiten anderen Arm R an einem Teilabschnitt S, wobei der erste andere Arm R und der zweite andere Arm R voneinander beabstandet sind. Der jeweilige Arm R ist zwischen dem ersten und dem zweiten anderen Arm R angeordnet.
Die Arme R weisen jeweils eine Biegung (in Umfangsrichtung) auf. Dabei ist die Biegung bei benachbarten Armen R abwechselnd entgegengesetzt ausgerichtet. Vom Ansatz 139 aus gesehen sind die zwei davon ausgehenden Arme R an der jeweiligen Biegung voneinander weg gebogen. Die jeweils zwei an einem Teilabschnitt S des ersten Verbindungsabschnitte 130' mündenden Arme R sind (hier V-förmig) zueinander hin geneigt.
Mehrere Löcher L an den Verbindungsabschnitten 130‘, 131“ ermöglichen eine Verschraubung am Rotor 11 und an der Welle 12. Das Kopplungselement 13“ ist vorliegend einstückig ausgebildet. Es kann z.B. als Stanzbiegeteil oder durch additive Fertigung hergestellt werden.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Beliebige der Merkmale können separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen, und die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale, die hier beschrieben werden, aus und umfasst diese.
Bezugszeichenhste
1 ; 1 ' elektrische Maschine
10 Stator
100 Spulenhalterung
Rotor
110 Magnethalterung
Welle
120 Aufnahme
13; 13‘; 13“ Kopplungselement
130; 130' erster Verbindungsabschnitt
131 ; 131 ‘; 131“ zweiter Verbindungsabschnitt
132; 132' Verbindungsfläche
133; 133' Flansch
134; 134' Flansch
135 polygonaler Verbindungsabschnitt
136; 136‘; 136“ Öffnung
137 Rand
138 Öffnung
139 Ansatz
14 Schraube
15 Lager
16 Lager
2 Luftfahrzeug
20 Kabine
21 Batterie
22 Propeller
3 Tiefziehwerkzeug
4 Laserauftragsschweißvorrichtung
A Drehachse
B Blech
D1 , D2 Durchmesser
K1-K13 Krümmungsabschnitt
L Loch R Arm
S Teilabschnitt

Claims

Ansprüche
1. Elektrische Maschine (1 ; 1 '), umfassend: einen Stator (10); einen relativ zum Stator (10) drehbaren Rotor (11 ); eine relativ zum Stator (10) drehbare Welle (12); und ein flexibles Kopplungselement (13; 13‘; 13“) mit einem am Rotor (11 ) festgelegten ersten Verbindungsabschnitt (130; 130‘) und einem an der Welle (12) festgelegten zweiten Verbindungsabschnitt (131 ; 131 ‘; 131“), die unterschiedliche Durchmesser (D1 , D2) aufweisen und über eine alternierend gekrümmte Verbindungsfläche (132; 132‘) miteinander verbunden sind.
2. Elektrische Maschine (1 ; 1 ') nach Anspruch 1 , wobei die Welle (12) konzentrisch zum Rotor (11 ) angeordnet ist.
3. Elektrische Maschine (1 ; 1 ‘) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Stator (10) die Welle (12) außen umgibt.
4. Elektrische Maschine (1 ; 1 ‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (11 ) den Stator (10) außen umgibt.
5. Elektrische Maschine (1 ; 1 ‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbindungsfläche (132) ringförmige Krümmungsabschnitte (K1 -K9) aufweist.
6. Elektrische Maschine (1 ; 1 ‘) nach Anspruch 5, wobei die Krümmungsabschnitte (K1 -K9) vom ersten Verbindungsabschnitt (130) ausgehend sukzessive kleinere Durchmesser aufweisen.
7. Elektrische Maschine (1 ; 1 ‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Verbindungsabschnitt (130; 130‘) und der zweite Verbindungsabschnitt (131 ; 131 ‘; 131“) jeweils einen Flansch (133, 134; 133‘, 134‘) aufweisen.
8. Elektrische Maschine (1 ; 1‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Verbindungsabschnitt (131 ; 131‘) einen polygonalen
Verbindungsabschnitt (135) aufweist.
9. Elektrische Maschine (1 ; 1‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kopplungselement (13; 13‘) trichterförmig ausgebildet ist.
10. Elektrische Maschine (1 ; 1‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kopplungselement (13; 13‘; 13“) ein Flachmaterial umfasst.
11 . Elektrische Maschine (1 ; 1 ') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kopplungselement (13; 13‘; 13“) einstückig ausgebildet ist.
12. Elektrische Maschine (1 ; 1‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Öffnung (136; 136‘; 136“) in der Verbindungsfläche (132; 132‘) ausgebildet ist.
13. Elektrische Maschine (1 ; 1 ') nach Anspruch 12, wobei ein Rand (137) der Öffnung (136) eine größere Materialstärke aufweist als benachbarte Bereiche der Verbindungsfläche (132).
14. Elektrische Maschine (1 ; 1‘) nach Anspruch 12 oder 13, wobei mehrere Öffnungen (136‘; 136“) in der Verbindungsfläche (132‘) ausgebildet sind.
15. Elektrische Maschine (1 ; 1‘) nach Anspruch 14, wobei die Öffnungen (136‘; 136“) in der Verbindungsfläche (132; 132‘) eine größere Fläche Überspannen als die dazwischenliegenden Abschnitte der Verbindungsfläche (132‘).
16. Elektrische Maschine (1 ; 1‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbindungsfläche (132‘) durch mehrere Arme (R) ausgebildet wird.
17. Elektrische Maschine (1 ; 1‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Verbindungsabschnitt (130; 130‘) durch mehrere voneinander beabstandete Abschnitte (S) ausgebildet wird. - 19 -
18. Elektrische Maschine (1 ; T) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (11 ) einen Propeller (22) antreibt.
19. Fahrzeug, insbesondere Luftfahrzeug (2), umfassend die elektrische Maschine (1 ; T) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
20. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine (1 ; 1 '), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 13, umfassend:
Bereitstellen eines Stators (10), eines relativ zum Stator (10) drehbar gelagerten Rotors (11), einer relativ zum Stator (10) drehbar gelagerten Welle (12) und eines flexiblen Kopplungselements (13; 13‘; 13“) mit einem ersten Verbindungsabschnitt (130; 130‘) und einem zweiten Verbindungsabschnitt (131 ; 13T; 131“), die unterschiedliche Durchmesser (D1 , D2) aufweisen und über eine alternierend gekrümmte Verbindungsfläche (132; 132‘) miteinander verbunden sind; und
Montieren des Kopplungselements (13; 13‘; 13“) mit dem ersten Verbindungsabschnitt (130; 130‘) am Rotor (11 ) und mit dem zweiten Verbindungsabschnitt (131 ; 13T; 131“) an der Welle (12).
21 . Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend den vorangehenden Schritt des Herstellens des Kopplungselements (13) durch Tiefziehen.
22. Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend den vorangehenden Schritt des Herstellens des Kopplungselements (13‘) mittels additiver Fertigung.
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