LU502604B1 - Stator für einen elektrischen Luftfahrtantrieb und elektrischer Luftfahrtantrieb - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Stator (1) für einen elektrischen Luftfahrtantrieb (24), der mehrere Maschinenspulen (2), einen Statorrahmen (3) und eine Rotoraufnahme (4) aufweist. Die Maschinenspulen (2) sind entlang einer Umfangsrichtung (5) der Rotoraufnahme (4) angeordnet und mittels des Statorrahmens (3) aneinander und an dem elektrischen Luftfahrtantrieb (24) festgelegt. Jede der Maschinenspulen (2) weist zumindest eine Wicklung (7) und einen Spulenkern (22) auf, sodass auf einen in der Rotoraufnahme (4) angeordneten Rotor (27) ein Drehmoment aufbringbar ist. Der elektrische Luftfahrtantrieb (24) weist zumindest eine Vortriebsanordnung (25) auf durch die ein Antriebsluftmassenstrom (8) erzeugbar ist, der in eine Schubrichtung (9) strömt. Der Stator (1) weist einen entgegen der Schubrichtung (9) gerichteten und in dem Antriebsluftmassenstrom (8) angeordneten Kühllufteinlass (10) und einen in der Schubrichtung (9) gerichteten Kühlluftauslass (11) auf. Zwischen dem Kühllufteinlass (10) und dem Kühlluftauslass (11) ist ein Kühlluftkanal (12) ausgebildet. Die Wicklungen (7) ragen abschnittsweise in den Kühlluftkanal (12) hinein und der Kühlluftkanal (12) ist von einem aus dem Antriebsluftmassenstrom (8) abgezweigten Kühlluftmassenstrom (13) durchströmbar, sodass die Wicklungen (7) durch den Antriebsluftmassenstrom (8) kühlbar sind. Die Erfindung betrifft auch einen elektrischen Luftfahrtantrieb (24).
Description
- 1 - OSW 3021 P LU
LU502604
Oswald Elektromotoren GmbH
Stator für einen elektrischen Luftfahrtantrieb und elektrischer Luftfahrtantrieb
Die Erfindung betrifft einen Stator für einen elektrischen
Luftfahrtantrieb, wobei der Stator mehrere Maschinenspulen zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes, einen
Statorrahmen und eine zylindrische Rotoraufnahme aufweist, wobei die Maschinenspulen entlang einer Umfangsrichtung der
Rotoraufnahme um die Rotoraufnahme herum angeordnet und mittels des Statorrahmens aneinander und an dem elektrischen
Luftfahrtantrieb festgelegt sind, wobei jede der
Maschinenspulen zumindest eine Wicklung zur Erzeugung des elektromagnetischen Felds und einen innerhalb der Wicklungen angeordneten Spulenkern aufweist, sodass durch Aufbringen des elektromagnetischen Feldes auf einen in der Rotoraufnahme angeordneten Rotor ein Drehmoment erzeugbar ist und wobei der elektrische Luftfahrtantrieb zumindest eine
Vortriebsanordnung aufweist, mittels der das Drehmoment in einen Antriebsluftmassenstrom umwandelbar ist, der in eine
Schubrichtung des elektrischen Luftfahrtantriebs strömt.
Bei der Elektrifizierung der Luftfahrtindustrie im
Allgemeinen und der Luftfahrtantriebe im Besonderen ist sowohl bei den Speichersystemen als auch bei den
Antriebsmitteln die Leistungsdichte dieser Systeme von ganz herausragender Bedeutung. Während ein höheres Gewicht bei
Landfahrzeugen „lediglich“ den Rollwiderstand erhöht, ändern sich bei einem Luftfahrzeug der erforderliche Auftrieb und
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LU502604 damit einhergehend üblicherweise auch der Luftwiderstand, sodass mehr Gewicht wiederum mehr Antriebsleistung erfordert, um eine gewünschte und/ oder erforderliche Geschwindigkeit zu erreichen.
Bei der Auslegung von Elektromotoren stellt sich die
Herausforderung, dass dann, wenn ein Elektromotor mit hoher
Leistungs- und Drehmomentdichte konstruiert werden soll, es ab einer bestimmten Leistungs-Drehmomentkombination, durch das ungünstiger werdende Oberflächen-Volumenverhältnis zu thermischen Belastungen kommt, die eine besondere
Berücksichtigung der Kühlung erforderlich machen. Die hôchsten thermischen Belastungen treten dabei im Bereich der elektrischen Leiter der Maschinenspulen auf.
Fine aus dem Stand der Technik bekannte Maßnahme in diesem
Zusammenhang ist es, die Maschinenspulen mittels einer zusätzlichen Kühleinrichtung zu kühlen, die dem Luftfahrzeug zusätzliche Masse verleiht. Aus den eingangs beschriebenen
Gründen führt das zu einer Verringerung der Effizienz des
Gesamtsystems Luftfahrzeug.
Als Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird es daher angesehen einen Stator alternativer Bauart zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der
Stator einen entgegen der Schubrichtung gerichteten und zumindest abschnittsweise in dem Antriebsluftmassenstrom angeordneten und/ oder anordnenbaren Kühllufteinlass und einen zumindest abschnittsweise in der Schubrichtung gerichteten Kühlluftauslass aufweist, wobei zwischen dem
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Kühllufteinlass und dem Kühlluftauslass zumindest ein durch die Maschinenspulen und/ oder den Statorrahmen gebildeter
Kithlluftkanal ausgebildet ist, wobei die Wicklungen der
Maschinenspulen zumindest abschnittsweise in den
Kühlluftkanal hineinragen und wobei der Kühlluftkanal von einem aus dem Antriebsluftmassenstrom abgezweigten
Kithlluftmassenstrom durchstrômbar ist, sodass die Wicklungen durch den Antriebsluftmassenstrom kühlbar sind. Mittels des erfindungsgemäsen Stators ist es ermöglicht, einen gewichtsoptimierten elektrischen Luftfahrtantrieb zu konstruieren, der eine verhältnismäßig hohe Leistungsdichte aufweist, der jedoch ohne ein zusätzliches Kühlaggregat zur
Kühlung der Maschinenspulen auskommt.
Dies wird insbesondere durch die Nutzung des
Antriebsluftmassenstroms zur Kühlung der Maschinenspulen erreicht. Der Antriebsluftmassenstrom ist grundsätzlich unabhängig vom Flugzustand des mittels des elektrischen
Luftfahrtantriebs angetriebenen Luftfahrzeugs, sondern ist im wesentlichen mit der von dem elektrischen Luftfahrtantrieb abgerufenen Leistung korreliert. Besonders hohe Leistungen werden üblicherweise beim Start und bei senkrecht landenden
Luftfahrzeugen auch bei der Landung abgerufen. In diesen
Phasen des Flugs ist die Fluggeschwindigkeit üblicherweise sehr gering, sodass eine Kühlung durch ,Fahrtwind“ nur sehr eingeschränkt môglich ist. Demgegenüber nutzt der erfindungsgemäße Stator den in diesen Flugphasen stets großen
Antriebsluftmassenstrom, um eine ausreichende Kühlung der
Maschinenspulen zu erreichen.
Um ein besonders effiziente Kühlung der Maschinenspulen mittels des Kühlluftmassenstrom zu erreichen, ist es
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Maschinenspulen mehrere jeweils benachbart zueinander angeordnete und elektrisch leitend miteinander verbundene
Wicklungsschichten aus einem elektrischen Leiter aufweisen, wobei Jeweils zwischen zwei benachbarten Wicklungsschichten ein Wicklungsschichtabstand ausgebildet ist, sodass durch die
Wicklungen der Maschinenspule eine Rippenstruktur mit einer
Rippenlängsrichtung gebildet ist, wobei die Maschinenspulen derart zueinander und den restlichen Komponenten des Stators angeordnet sind, dass die Rippenstruktur der Maschinenspulen zumindest abschnittsweise durch den Kühlluftmassenstrom in der Rippelängsrichtung anströmbar ist. Durch eine derartige
Ausgestaltung ist die zur Verfügung stehende effektiv anströmbare Kühlfläche der Maschinenspulen vergrößerbar, sodass auch die Menge abführbarer Wärme pro m° des
Kühlluftmassenstroms erhöhbar ist.
Bei einer bevorzugten Umsetzung der erfinderischen Idee ist eine Länge der Rippenstruktur, die in der Rippenlängsrichtung bestimmt wird, größer, als eine Breite der Rippenstruktur, die quer zu der Rippenlängsrichtung bestimmt wird. Besonders bevorzugt ist die Länge der Rippenstruktur mindestens um den
Faktor 2, bevorzugt um den Faktor 3, grôBer, als die Breite der Rippenstruktur.
Es ist ebenfalls möglich und vorgesehen, dass zwischen der
Rippenlängsrichtung und der Schubrichtung ein Anstellwinkel ausgebildet sein kann, sodass der Kühlluftmassenstrom durch die Rippenstruktur umlenkbar ist.
Um die mechanische Stabilität der Maschinenspulen zu erhöhen und das Risiko eines Verbiegens des elektrischen Leiters zu
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LU502604 verringern, ist es bei einer vorteilhaften Umsetzung der erfinderischen Idee vorgesehen, dass zwischen zumindest zwei der benachbarten Wicklungsschichten einer der Maschinenspulen ein Abstandshalter angeordnet ist, wobei die
Wicklungsschichten durch den Abstandshalter um den
Wicklungsschichtabstand voneinander beabstandet sind.
Besonders bevorzugt überdeckt der Abstandshalter den elektrischen Leiter nicht vollständig, um eine Kühlung des elektrischen Leiters durch den Kühlluftmassenstrom môglichst wenig zu beeinflussen.
Bei einer vorteilhaften Umsetzung der erfinderischen Idee beträgt die Überdeckung höchstens 50%, bevorzugt höchstens 40% und besonders bevorzugt höchstens 20%
Um eine besonders freie Gestaltung des Abstandshalters zu ermöglichen, ist es bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stators vorgesehen, dass der Abstandshalter mittels eines additiven Fertigungsverfahrens aus einem elektrischen Isolierstoff hergestellt. Besonders bevorzugt ist der Abstandshalter zumindest abschnittsweise aus einem
Kunststoff und/ oder einer Keramik hergestellt. Es ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die verwendete Keramik auf einem Aluminiumoxid basieren kann, beispielsweise auf
Al203.
Um Konstruktion und Wartung zu vereinfachen, ist es bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stators vorgesehen, dass die die Wicklungen der Maschinenspulen jeweils elektrisch unabhängig voneinander sind, sodass jede
Maschinenspule unabhängig von jeder anderen Maschinenspule ansteuerbar ist.
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Um das Risiko von Beschädigungen des elektrischen Leiters der
Maschinenspulen zu verringern, ist es bei einer vorteilhaften
Umsetzung des Erfindungsgedankens vorgesehen, dass die
Wicklungen der Maschinenspulen zumindest abschnittsweise eine
Schutzschicht aufweisen, wobei der elektrische Leiter der
Wicklungen im Bereich der Schutzschicht zumindest vor
Feuchtigkeit und gegenüber Beschädigungen durch auftreffende
Objekte geschützt ist. Besonders bevorzugt ist die
Schutzschicht mittels eines pulverbasierten
Beschichtungsverfahrens hergestellt.
Schutz vor Beschädigung durch auftreffende Objekte meint vorliegende, dass die Schutzschicht insbesondere eine ausreichende Dicke, Festigkeit und Zähigkeit aufweist, um einem Einschlag von luftfahrtüblichen Objekten, wie beispielsweise Hagelkörnern, aufgewirbelten Steinen, Vögeln etc., mit luftfahrtüblichen Kollisionsgeschwindigkeiten (ca. 50 m/s bis 150 m/s) ohne funktionsgefährdende Beschädigungen zu überstehen. Die tatsächliche Beschaffenheit der
Schutzschicht ist dabei letztendlich vom erwarteten
Einsatzprofil abhängig. Es ist erfindungsgemäß vorteilhafterweise vorgesehen, dass mit steigender maximaler
Fluggeschwindigkeit des von dem elektrischen Luftfahrtantrieb mit dem erfindungsgemäßen Stator angetriebenen Luftfahrzeugs auch die Widerstandsfähigkeit der Schutzschicht erhöht wird.
Bei einer vorteilhaften Umsetzung der erfinderischen Idee ist es vorgesehen, dass zumindest eine der Maschinenspulen eine thermische Kopplungsanordnung aufweist, wobei die thermische
Kopplungsanordnung derart zwischen den Wicklungen der
Maschinenspule und dem Spulenkern der Maschinenspule angeordnet ist, dass eine Wärmeübertragung zwischen den
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Wicklungen und dem Spulenkern erhöht ist, sodass eine gemeinsame Kühlung von Wicklungen und Spulenkern ermöglicht ist. Durch eine derartige Ausgestaltung des erfindungsgemäBen
Stators wird erreicht, dass der Thermalhaushalt der Wicklung in Abhängigkeit vom Thermalhaushalt des Spulenkerns regelbar ist. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da die Kühlung des
Spulenkerns einfacher realisierbar und skalierbar ist, als die Kühlung der Maschinenspulen.
Insbesondere um die aerodynamische Güte des
Kühlluftmassenstroms zu verbessern und den
Antriebsluftmassenstrom möglichst wenig zu beeinflussen, ist es bei einer vorteilhaften Umsetzung der erfinderischen Idee vorgesehen, dass der Stator zumindest einen
Einlassluftleitkdrper aufweist, wobei der
Finlassluftleitkôrper ringförmig ausgebildet ist und sich in der Umfangsrichtung sowie entgegen der Schubrichtung erstreckt, wobei der Einlassluftleitkôrper benachbart zu dem
Kithllufteinlass angeordnet ist, wobei der
Einlassluftleitkdrper und der Kühllufteinlass derart aneinander angepasst und zueinander ausgerichtet und/ oder ausrichtbar sind, dass durch den Einlassluftleitkdrper ein
Umleiten des Kühlluftmassenstrom zu dem Kühllufteinlass unterstützt ist.
Besonders bevorzugt weist der Einlassluftleitkdrper ein
Leitkôrperprofil auf, dass einem von einer
Tragflächenvorderkante ausgehenden Abschnitt eines
Flügelprofils entspricht.
Bei einer vorteilhaften Umsetzung des Erfindungsgedankens ist es vorgesehen, dass der Stator zwei Einlassluftleitkdrper
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LU502604 aufweist, wobei die Einlassluftleitkorper auf einander gegenüberliegenden Seiten des Kühllufteinlasses angeordnet sind, wobei zwischen einander gegentüberliegenden
Einlaufflachen der Einlassluftleitkdrper ein Einlaufspalt gebildet ist, der sich in der Umfangsrichtung erstreckt und wobei der aus dem Antriebsluftmassenstrom abgezweigt
Kithlluftmassenstrom durch den Einlaufspalt hindurch zu dem
Kithllufteinlass leitbar ist. Dabei ist es möglich und erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Finlassluftleitkôrper sowohl ähnliche als auch unterschiedliche Leitkôrperprofile aufweisen können. Vorteilhafterweise entsprechen die
Leitkörperprofile jeweils einem von einem
Tragflächenvorderkante ausgehenden Abschnitt eines
Flügelprofils.
Durch den erfindungsgemäß gebildeten Einlaufspalt ist die aerodynamische Güte des Kühlluftmassenstroms erhöhbar, insbesondere indem die Turbulenz verringerbar und der laminare Anteil der Strömung erhöhbar ist.
Um eine effiziente Kühlung der Spulenkerne zu ermöglichen, ist es bei einer vorteilhaften Umsetzung des
Erfindungsgedankens vorgesehen, dass zumindest einer der
Spulenkerne der Maschinenspulen zumindest ein Kühlelement aufweist, wobei das Kühlelemente sich von einer der
Rotoraufnahme gegenüberliegenden Oberseite des Spulenkerns in antiradialer Richtung von dem Stator weg erstreckt sodass das
Kühlelement bei Betrieb des elektrischen Luftfahrtantriebes von dem Antriebsluftmassenstrom anströmbar ist. Durch eine derartige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stators wird eine separate Kühlung der Maschinenspulen ermöglicht.
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Hierdurch ist die von dem Stator abführbare Wärmemenge erhôhbar.
Die Erfindung betrifft auch einen elektrischen
Luftfahrtantrieb mit einer Vortriebsanordnung, einem Rotor und einem der zuvor beschriebenen Statoren, wobei der Rotor drehbar innerhalb der Rotoraufnahme des Stators festgelegt ist und Reaktionselemente aufweist, wobei mittels der
Maschinenspulen des Stators derart elektromagnetisch auf die
Reaktionselemente des Rotors einwirkbar ist, dass ein
Drehmoment erzeugbar und der Rotor in eine Drehbewegung versetzbar ist, wobei der Rotor derart mit der
Vortriebsanordnung in Wirkverbindung gebracht und/ oder bringbar ist, dass mittels der Vortriebsanordnung der
Antriebsluftmassenstrom erzeugbar ist. Ein solcher erfindungsgemäßer elektrischer Luftfahrtantrieb zeichnet sich durch eine hohe Leistungsdichte und ein geringes Gewicht aus.
Die Reaktionselemente des elektrischen Luftfahrtantriebs sind besonders bevorzugt als Permanentmagnete ausgebildet.
Um die Wärmeabfuhr aus dem Bereich der Maschinenspulen zu verbessern, ist es erfindungsgemäß vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Vortriebsanordnung eine Propeller aufweist, wobei der Propeller und die Statoranordnung derart aneinander angepasst sind, dass der von dem Propeller erzeugte Antriebsluftmassenstrom zumindest teilweise durch den Kühllufteinlass des Stators in den Kühlluftkanal des
Stators einleitbar ist. Bei einer vorteilhaften Umsetzung der erfinderischen Idee ist es vorgesehen, dass eine derartige
Anpassung über eine Erhöhung des Anstellwinkels des
Propellers in einem den Maschinenspulen zuordenbaren Bereich
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LU502604 des Propeller erfolgt, sodass der Anteil des
Antriebsluftmassenstroms, der in diesem Bereich des
Propellers erzeugbar ist, erhöht ist.
Um auch innerhalb des elektrischen Luftfahrtantriebs eine hohe Kühlleistung zu erreichen, ist es bei einer vorteilhaften Umsetzung der erfinderischen Idee vorgesehen, dass Verstrebungen einer Rotorstruktur des Rotors in einem
Fôrderabschnitt als Verdichterschaufeln ausgebildet sind, wobei mittels der Fôrderabschnitte ein Rotorluftmassenstrom durch den Rotor hindurch fôrderbar ist. Mittels des
Rotorluftmassenstroms ist Warme aus dem Bereich des Rotors und der Rotoraufnahme des Stators abführbar.
Bei elektrischen Arbeitsmaschinen mit Permanentmagneten im
Rotor erwärmt sich der Rotor während des Betriebs oft erheblich stärker als der Stator, da es in der Regel schwieriger ist, die Wärme aus dem Bereich des Rotors abzuführen. Dies ist besonders nachteilig da eine zu hohe
Betriebstemperatur bei Permanentmagneten zu einer
Beeinträchtigung von deren magnetischen Eigenschaften führen kann, sodass der Wirkungsgrad der elektrischen
Arbeitsmaschine sinkt. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene
Kühlung des Rotors ist somit der Wirkungsgrad des elektrischen Luftfahrtantriebs stabilisierbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen Luftfahrtantriebs ist es vorgesehen, dass die
Förderabschnitte derart ausgebildet und an das
Vortriebsmittel des elektrischen Luftfahrtantriebs angepasst sind, dass ein Drall des Antriebsluftmassenstrom entgegen gerichtet ist.
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Selbstverstandlich ist der erfindungsgemäße Stator auch zur
Verwendung bei solchen Anwendungen vorgesehen und geeignet, bei den üblicherweise Luftfahrtantriebe verwendet werden, die aber nicht der Luftfahrt an sich zugeordnet werden können, beispielsweise bei Luftkissenfahrzeugen, Sumpfboote,
Hydrocoptern oder Ahnlichem. Dies gilt analog auch fiir den erfindungsgemalen elektrischen Luftfahrtantrieb.
Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele des
Erfindungsgedankens näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigen:
Figur 1 ein schematisch dargestellte perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemalien Stators,
Figur 2 eine ausschnittsweise vergrößert dargestellte
Schnittansicht der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäBben Stators und
Figur 3 eine schematisch dargestellte Schnittansicht einer
Ausführungsform des erfindungsgemäfben elektrischen
Luftfahrtantriebs.
In Figur 1 ist eine schematisch dargestellte perspektivische
Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäBen Stators 1 fir einen elektrischen Luftfahrtantrieb gezeigt. Der Stator 1 weist mehrere Maschinenspulen 2 zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes auf. Die Maschinenspulen 2 sind mittels eines Statorrahmens 3 aneinander festgelegt. Der
Statorrahmen 3 umläuft eine zylindrische Rotoraufnahme 4 in der ein Rotor des elektrischen Luftfahrtantriebes anordnenbar ist. Die Maschinenspulen 2 sind entlang einer Umfangsrichtung
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LU502604 der Rotoraufnahme 4 um die Rotoraufnahme 4 herum angeordnet. Bei der dargestellten Ausführungsform des Stators 1 sind weisen alle Maschinenspulen 4 den gleichen Abstand zur
Drehachse 6 des Rotors auf und sind aquidistant in der 5 Umfangsrichtung 5 verteilt.
Jede der Maschinenspulen 2 weist mehrere Wicklung 7 zur
Erzeugung des elektromagnetischen Felds auf, mittels dessen auf den in der Rotoraufnahme 4 angeordneten Rotor ein
Drehmoment übertragbar ist. In Figur 1 ist schematisch ein
Antriebsluftmassenstrom 8 dargestellt, der von einer
Vortriebsanordnung des elektrischen Luftfahrtantriebs erzeugt ist und der in eine Schubrichtung 9 des elektrischen
Luftfahrtantriebs strömt. Die Vortriebsanordnung ist über den in der Rotoraufnahme angeordneten Rotor mit den
Maschinenspulen 2 des Stators 1 in Wirkverbindung gebracht und wird durch diese angetrieben.
Der Stator 1 weist einen entgegen der Schubrichtung 9 gerichteten und in dem Antriebsluftmassenstrom 8 angeordneten
Kühllufteinlass 10 auf. Auf einer stromabwärts des
Kithllufteinlasses 10 gelegenen Rückseite des Stators 1 weist der Stator 1 einen in der Schubrichtung 9 gerichteten
Kühlluftauslass 11 auf. Zwischen dem Kühllufteinlass 10 und dem Kühlluftauslass 11 sind mehrere durch die Maschinenspulen 2 und den Statorrahmen 3 gebildete Kühlluftkanäle 12 ausgebildet, von denen einer in der Figur 1 schematisch dargestellt und bezeichnet ist. Die Wicklungen 7 der an den
Kithlluftkanal 12 angrenzenden Maschinenspulen 2 ragen in den
Kühlluftkanal 12 hinein und werden von einem aus dem
Antriebsluftmassenstrom 8 abgezweigten Kühlluftmassenstrom 13
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LU502604 durchstrômt. Die Wicklungen 7 werden somit durch den
Antriebsluftmassenstrom 8 gekühlt.
Der in Figur 1 gezeigte Stator weist auch zwei
Einlassluftleitkdrper 14 und zwei Auslassluftleitkôrper 15 auf. Die Einlassluftleitkôrper 14 und die
Auslassluftleitkôrper 15 sind ringformig ausgebildet und erstrecken sich jeweils in der Umfangsrichtung 5 um die
Rotoraufnahme 4 herum. Die Einlassluftleitkorper 14 erstrecken sich entgegen der Schubrichtung 9 von dem Stator 1 weg, wohingegen sich die Auslassluftleitkôrper 15 in der
Schubrichtung 9 von dem Stator weg erstrecken.
Die Finlasslufteilkôrper 14 sind auf einander gegenüberliegenden Seiten des Kühllufteinlasses 10 angeordnet und zwischen einander gegeniberliegenden Einlaufflächen 16 der Finlassluftleitkôrper 14 ist ein Finlaufspalt 17 ausgebildet, der sich in der Umfangsrichtung 9 erstreckt.
Durch den Einlaufspalt 17 hindurch wird der aus dem
Antriebsluftmassenstrom 8 abgezweigte Kühlluftmassenstrom 13 durch den Einlaufspalt 17 zu dem Kühllufteinlass 10 geleitet.
In Figur 2 ist eine ausschnittsweise vergrôBert dargestellte
Schnittansicht der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäfben Stators 1 gezeigt. Die Wicklungen 7 der
Maschinenspulen 2 weisen mehrere jeweils benachbart zueinander angeordnete und elektrisch leitend miteinander verbundene Wicklungsschichten 18 auf. Zwischen jeweils zwei benachbarten Wicklungsschichten 18 ist ein
Wicklungsschichtabstand 19 ausgebildet. Durch den
Wicklungsschichtabstand 19 bilden die Wicklungen 7 jeder
Maschinenspule 2 eine Rippenstruktur 20 mit einer
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Rippenlängsrichtung 21. Die Wicklungen 7 ragen in den
Kühlluftkanal 12 hinein und werden von dem
Kühlluftmassenstrom 13 in der Rippenlängsrichtung 21 angestrômt.
Zwischen jeweils zwei benachbarten Wicklungsschichten 18 der
Maschinenspulen 2 ist ein Abstandshalter (nicht dargestellt) angeordnet.
Bei der dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemalen
Stators 1 weisen die Maschinenspulen 2 Spulenkerne 22 auf.
Zur besseren Kühlung der Spulenkerne 22 weisen diese
Kühlelemente 23 auf. Die Kühlelemente 23 erstrecken sich von einer der Rotoraufnahme 4 gegeniberliegenden Oberseite des
Spulenkerns 22 in antiradialer Richtung von dem Stator 1 weg und werden von dem Antriebsluftmassenstrom 8 angestromt.
In Figur 3 ist eine schematisch dargestellte Schnittansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäBen elektrischen
Luftfahrtantriebs 24 gezeigt, der den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Stator 1 aufweist. Weiterhin weist der elektrische
Luftfahrtantrieb 24 eine Vortriebsanordnung 25 mit einem
Propeller 26 und den Rotor 27 auf.
Der Rotor 27 ist drehbar an der Rotoraufnahme 4 des Stators 1 festgelegt und weist als Permanentmagneten ausgebildete
Reaktionselemente 28 auf.
Der Propeller 26 der Vortriebsanordnung 25 erzeugt den
Antriebsluftmassenstrom 8. Durch die Finlassluftleitkôrper 14 wird ein Teil des Antriebsluftmassenstroms 8 abgezweigt und durch den Kühllufteinlass 10 des Stators 1 als
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Kithlluftmassenstrom 13 in den Kühlluftkanal 12 des Stators 1 eingeleitet.
Der Rotor 27 weist Verstrebungen 29 auf, die in einem
Fôrderabschnitt 30 als Verdichterschaufeln ausgebildet sind.
Mittels der Fôrderabschnitte 30 wird ein Rotorluftmassenstrom 31 durch den Rotor hindurch gefördert. Mittels des
Rotorluftmassenstroms 31 werden insbesondere die Komponenten des Rotors 27 gekühlt.
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BEZUGSZEICHENTLTI® STE 1. Stator 2. Maschinenspule 3. Statorrahmen 4. Rotoraufnahme 5. Umfangsrichtung 6. Drehachse 7. Wicklung 8. Antriebsluftmassenstrom 9. Schubrichtung 10. Kühllufteinlass 11. Kühlluftauslass 12. Kühlluftkanal 13. Kühlluftmassenstrom 14. EFinlassluftleitkôrper 15. Auslassluftleitkôrper 16. Finlaufflächen 17. Einlaufspalt 18. Wicklungsschicht 19. Wicklungsschichtabstand 20. Rippenstruktur 21. Rippenléngsrichtung 22. Spulenkern 23. Kühlelement 24. elektrischer Luftfahrtantrieb 25. Vortriebsanordnung
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LU502604 26. Propeller 27. Rotor 28. Reaktionselemente 29. Verstrebungen 30. Forderabschnitt 31. Rotorluftmassenstrom
Claims (13)
1. Stator (1) für einen elektrischen Luftfahrtantrieb (24), wobei der Stator (1) mehrere Maschinenspulen (2) zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes, einen Statorrahmen (3) und eine zylindrische Rotoraufnahme (4) aufweist, wobei die Maschinenspulen (2) entlang einer Umfangsrichtung (5) der Rotoraufnahme (4) um die Rotoraufnahme (4) herum angeordnet und mittels des Statorrahmens (3) aneinander und an dem elektrischen Luftfahrtantrieb (24) festgelegt sind, wobei jede der Maschinenspulen (2) zumindest eine Wicklung (7) zur Erzeugung des elektromagnetischen Felds und einen innerhalb der Wicklungen (7) angeordneten Spulenkern (22) aufweist, sodass durch Aufbringen des elektromagnetischen Feldes auf einen in der Rotoraufnahme (4) angeordneten Rotor (27) ein Drehmoment erzeugbar ist und wobei der elektrische Luftfahrtantrieb (24) zumindest eine Vortriebsanordnung (25) aufweist, mittels der das Drehmoment in einen Antriebsluftmassenstrom (8) umwandelbar ist, der in eine Schubrichtung (9) des elektrischen Luftfahrtantriebs (24) strömt, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (1) einen entgegen der Schubrichtung (9) gerichteten und zumindest abschnittsweise in dem Antriebsluftmassenstrom (8) angeordneten und/ oder anordnenbaren Kühllufteinlass (10) und einen zumindest abschnittsweise in der Schubrichtung (9) gerichteten Kühlluftauslass (11) aufweist, wobei zwischen dem Kühllufteinlass (10) und dem Kühlluftauslass (11) zumindest ein durch die Maschinenspulen (2) und/ oder den Statorrahmen (3) gebildeter Kühlluftkanal (12) ausgebildet ist, wobei die Wicklungen (7) der Maschinenspulen (2)
- 19 - OSW 3021 P LU LU502604 zumindest abschnittsweise in den Kühlluftkanal (12) hineinragen und wobei der Kühlluftkanal (12) von einem aus dem Antriebsluftmassenstrom (8) abgezweigten Kühlluftmassenstrom (13) durchsträômbar ist, sodass die Wicklungen (7) durch den Antriebsluftmassenstrom (8) kühlbar sind.
2. Stator (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (7) der Maschinenspulen (2) mehrere jeweils benachbart zueinander angeordnete und elektrisch leitend miteinander verbundene Wicklungsschichten (18) aus einem elektrischen Leiter aufweisen, wobei jeweils zwischen zwei benachbarten Wicklungsschichten (18) ein Wicklungsschichtabstand (19) ausgebildet ist, sodass durch die Wicklungen (7) der Maschinenspule (2) eine Rippenstruktur (20) mit einer Rippenlängsrichtung (21) gebildet ist, wobei die Maschinenspulen (2) derart zueinander und den restlichen Komponenten des Stators (1) angeordnet sind, dass die Rippenstruktur (20) der Maschinenspulen (2) zumindest abschnittsweise durch den Kühlluftmassenstrom (13) in der Rippenlängsrichtung (21) anstrômbar ist.
3. Stator (1) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zumindest zwei der benachbarten Wicklungsschichten (18) einer der Maschinenspulen (2) ein Abstandshalter angeordnet ist, wobei die Wicklungsschichten (18) durch den Abstandshalter um den Wicklungsschichtabstand (19) voneinander beabstandet sind.
4. Stator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die die Wicklungen (7) der Maschinenspulen (2) jeweils elektrisch unabhängig voneinander
- 20 - OSW 3021 P LU LU502604 sind, sodass jede Maschinenspule (2) unabhängig von jeder anderen Maschinenspule (2) ansteuerbar ist.
5. Stator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (7) der Maschinenspulen (2) zumindest abschnittsweise eine Schutzschicht aufweisen, wobei der elektrische Leiter der Wicklungen (7) im Bereich der Schutzschicht zumindest vor Feuchtigkeit und gegenüber Beschädigungen durch auftreffende Objekte geschützt ist.
6. Stator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Maschinenspulen (2) eine thermische Kopplungsanordnung aufweist, wobei die thermische Kopplungsanordnung derart zwischen den Wicklungen (7) der Maschinenspule (2) und dem Spulenkern (22) der Maschinenspule (2) angeordnet ist, dass eine Wärmeübertragung zwischen den Wicklungen (7) und dem Spulenkern (22) erhôht ist, sodass eine gemeinsame Kühlung von Wicklungen (7) und Spulenkern (22) ermöglicht ist.
7. Stator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (1) zumindest einen Finlassluftleitkôrper (14) aufweist, wobei der Einlassluftleitkôrper (14) ringfôrmig ausgebildet ist und sich in der Umfangsrichtung (5) sowie entgegen der Schubrichtung (9) erstreckt, wobei der Finlassluftleitkôrper (14) benachbart zu dem Kithllufteinlass (10) angeordnet ist, wobei der Einlassluftleitkorper (14) und der Kühllufteinlass (10) derart aneinander angepasst und zueinander ausgerichtet und/ oder ausrichtbar sind, dass durch den
- 21 = OSW 3021 P LU LU502604 Finlassluftleitkôrper (14) ein Umleiten des Kühlluftmassenstrom (13) zu dem Kühllufteinlass (10) unterstützt ist.
8. Stator (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (1) zwei Einlassluftleitkorper (14) aufweist, wobei die Einlassluftleitkôrper (14) auf einander gegeniiberliegenden Seiten des Kühllufteinlasses (10) angeordnet sind, wobei zwischen einander gegenüberliegenden Einlaufflachen (16) der Einlassluftleitkorper (14) ein Finlaufspalt (17) gebildet ist, der sich in der Umfangsrichtung (5) erstreckt und wobei der aus dem Antriebsluftmassenstrom (8) abgezweigt Kithlluftmassenstrom (13) durch den Einlaufspalt (17) hindurch zu dem Kühllufteinlass (10) leitbar ist.
9. Stator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Spulenkerne (22) der Maschinenspulen (2) zumindest ein Kühlelement (23) aufweist, wobei das Kühlelemente (23) sich von einer der Rotoraufnahme (4) gegenüberliegenden Oberseite des Spulenkerns (22) in antiradialer Richtung von dem Stator (1) weg erstreckt sodass das Kühlelement (23) bei Betrieb des elektrischen Luftfahrtantriebs (24) von dem Antriebsluftmassenstrom (8) anstrômbar ist.
10. Elektrischer Luftfahrtantrieb (24) mit einer Vortriebsanordnung (25), einem Rotor (27) und einem Stator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Rotor (27) drehbar innerhalb der Rotoraufnahme (4) des Stators (1) festgelegt ist und Reaktionselemente (28) aufweist, wobei mittels der Maschinenspulen (2) des
- 22 = OSW 3021 P LU LU502604 Stators (1) derart elektromagnetisch auf die Reaktionselemente (28) des Rotors (27) einwirkbar ist, dass ein Drehmoment erzeugbar und der Rotor (27) in eine Drehbewegung versetzbar ist, wobei der Rotor (27) derart mit der Vortriebsanordnung (25) in Wirkverbindung gebracht und/ oder bringbar ist, dass mittels der Vortriebsanordnung (25) der Antriebsluftmassenstrom (8) erzeugbar ist.
11. Elektrischer Luftfahrtantrieb (24) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vortriebsanordnung (25) eine Propeller (26) aufweist, wobei der Propeller (26) und die Statoranordnung derart aneinander angepasst sind, dass der von dem Propeller (26) erzeugte Antriebsluftmassenstrom (8) zumindest teilweise durch den Kühllufteinlass (10) des Stators (1) in den Kühlluftkanal (12) des Stators (1) einleitbar ist.
12. Elektrischer Luftfahrtantrieb (24) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass Verstrebungen (29) einer Rotorstruktur des Rotors (27) in einem Fôrderabschnitt (30) als Verdichterschaufeln ausgebildet sind, wobei mittels der Fôrderabschnitte (30) ein Rotorluftmassenstrom (31) durch den Rotor (27) hindurch fôrderbar ist.
13. Elektrischer Luftfahrtantrieb (24) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Forderabschnitte (30) derart ausgebildet und an das Vortriebsmittel des elektrischen Luftfahrtantriebs (24) angepasst sind, dass ein Drall des Rotorluftmassenstroms (31) einem Drall des Antriebsluftmassenstrom (8) entgegen gerichtet ist.
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| LU502604A LU502604B1 (de) | 2022-07-29 | 2022-07-29 | Stator für einen elektrischen Luftfahrtantrieb und elektrischer Luftfahrtantrieb |
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- 2022-07-29 LU LU502604A patent/LU502604B1/de active IP Right Grant
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- 2023-07-28 WO PCT/EP2023/071070 patent/WO2024023336A1/de unknown
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| Publication number | Publication date |
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| WO2024023336A1 (de) | 2024-02-01 |
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