WO2018219904A1 - Redundante elektrische maschine zum antreiben eines vortriebsmittels - Google Patents

Redundante elektrische maschine zum antreiben eines vortriebsmittels Download PDF

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WO2018219904A1
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Christian Loesch
Markus SONS
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a particular redundant electrical ⁇ specific engine for driving a propulsion unit with Incr ⁇ ter reliability.
  • the insulation of the stator winding system of the machine can fail due to undetachable or undetectable material or manufacturing defects as well as in the case of operational overloads such as, for example, by voltage and / or current peaks. Such errors can occur, for example, when in the
  • Stator winding system a winding short, a winding or a short to ground occurs. Such a failure causes a malfunction in the further course of the damage and, in the worst case, a fire of the electric machine.
  • Such a development basically represents a risk ⁇ situation, since it comes at least to a failure and possibly to damage the machine, which may have more or less serious consequences depending on the application of the machine. Particularly in the case of an application of the electrical machine as part of the drive system of a elekt ⁇ motor or hybrid-electric-powered aircraft in the failure of the electrical machine may have fatal consequences. Accordingly, used in aviation Components ⁇ th and systems have sufficient resiliency alswei ⁇ sen.
  • electrical machines for use in aircraft drives are usually designed redundantly, so that the failure of a subsystem of the drive not to the failure of the entire drive system and a Crash of the entire aircraft leads.
  • the redundancy can be achieved by doubling a complete drive train, ie providing two propellers including the corresponding motors, or by increasing the redundancy of components with increased probability of failure, ie a propeller is a motor with, for example, two winding systems and, accordingly, two voltage sources together respec ⁇ ger power electronics upstream.
  • a complete re ⁇ dundancy of all components generally leads to a significantly increased space and cost of the powertrain, which is why it seeks to distribute the redundancy to certain compo ⁇ nents.
  • Stator winding systems achieved, with a separate voltage source is provided for each of the two winding systems.
  • the two separate winding systems work together with only one permanent magnet tipped rotor. Is in one of the two winding systems or in one of the two voltage ⁇ swell an error is detected, eg., An excess temperature, an overvoltage or an overcurrent, a deactivation of the defective winding system or the faulty voltage source via a shutdown of the associated voltage source is triggered while the second winding system can continue to be operated regularly.
  • a redundant allowed Forttrac ⁇ ren operation but it is not in principle for For ⁇ conclude that the faulty winding system is further traversed by an electric current, which can lead to overheating of the machine.
  • One source of such a current flow can be the actual, the
  • Stator winding system be regular supplying power source. This can and must consequently be switched off immediately upon detection of an error. In addition, however, are also due to the still existing rotation of the motor rotor with respect to the faulty
  • Stator winding system to be considered in this winding system induced currents that occur especially in permanent-magnet machines. Due to the associated risk of fire, therefore, the dangerous overheating must be prevented immediately after detection of the fault by a safe interruption of this damage progress begüns ⁇ terming current flow in the winding system.
  • Stator winding system in the electric machine a safe shutdown be possible. If the faulty stator winding system associated with this or with this elektromag- genetically interacting rotor is further rotated by external influences as described above, further induced, for example. by a Propel ⁇ ler or as described in EP2896532A1 by a further electrical machine in the same mechanical strand is determined by the fitted with permanent magnet rotor power in the defective winding system. This can be as he imagines ⁇ cause a fire and thus the safety dangerous ⁇ . In order to prevent this, consequently, the necessity would have to turn off or stop the complete strand, whereby, however, the desired redundancy becomes obsolete.
  • the redundant electric machine has a drive system for driving a propulsion means.
  • the drive system in turn comprises a stator arrangement with at least two stator winding systems as well as a rotor arrangement with at least one rotor, wherein each rotor has at least one, but ideally several permanent magnets.
  • Each stator winding system is associated with one of the runners. Of course, this also includes the case where the same rotor is simultaneously assigned to two different stator winding systems. A respective stator winding system and its associated rotor are arranged a respective air gap between them forming each other. It can therefore be assumed that a respective air gap exists for each stator winding system.
  • the respective stator winding system and the permanent magnet of the respective stator winding system are associated with one of the runners. Of course, this also includes the case where the same rotor is simultaneously assigned to two different stator winding systems.
  • a respective stator winding system and its associated rotor are arranged a respective air gap between them forming each other. It can therefore be assumed that a respective air gap exists for each stator winding system.
  • Stator winding system associated rotor can electromagnetically interact with each other in the normal operation of the electric machine via the respective air gap, so that the electric machine can work efficiently as an electric motor or as a generator.
  • the electrical machine has a displacement device for the mutual displacement of the defective Statorwicklungssystems and this supplied arrange ⁇ th rotor from a normal position out for a occurring in asciencehaf ⁇ th of the two Statorwicklungssysteme fault.
  • the device is designed such that the air gap between the faulty stator winding system and its associated rotor is increased by the displacement from the normal position, so that the efficiency of the electrical Ma ⁇ machine or the partial drive system is significantly reduced.
  • the term "mutual shift" ei ⁇ ner first and a second component includes both the option that the first component to the second component can be moved, including the alternative that the second component to the first component can be moved.
  • the third possibility would also include moving both components, then preferably in opposite directions
  • the "normal position” refers to the position of rotor and associated stator in which these components are located when the electric machine is in normal operation, ie especially if there is no error.
  • This Nor ⁇ malposition is characterized in that the electromagnetic interaction between the permanent magnet and the Statorwicklungssystem becomes maximum.
  • the electrical machine may be designed as axial or as Radi ⁇ alhnemaschine.
  • the concept underlying the invention is based on the fact that in the event of a fault, for example in the event of a short circuit in the
  • the electromagnetic interaction between the permanent magnet and stator coils of this faulty Statorwicklungssystems is prevented or at least signi ⁇ fikant reduced.
  • the Läu ⁇ fer is magnetically decoupled from the active parts of the stator. This is done by influencing and especially Verpen ⁇ tion of the air gap between the interacting components during normal operation, along with a magnetic decoupling between these components.
  • the term "air gap” can also simply mean the distance between the components to be decoupled from one another, whereby the air gap is increased by at least one of the affected, associated components, ie the rotor or the corresponding component
  • Stator winding system is moved relative to the other component, typically in the axial direction.
  • “significant” means that the electromagnetic interaction must be reduced to that induced by the possibly still rotating by ⁇ manentmagnete in the faulty winding system voltage is so low that no danger of flashovers or other situations such as those causing a fire, ideally no power is induced in the fault location.
  • An “error case” may, for example, be an excess temperature, an insulation fault or short circuit in the stator winding system or else the failure of a voltage source supplying a stator winding system
  • Stators coils a significant voltage or power is indexed.
  • the displacement device is advantageously formed from ⁇ such that the displacement is oriented in an axial direction.
  • the displacement device on a mechanical means and a releasable locking With the mechanical with ⁇ tel in the event of a fault needed for the displacement force acting on the faulty Statorwicklungssystem and / or on the rotor associated therewith can be provided.
  • the releasable locking mechanism acts on the mechanical With ⁇ tel or to the component to be moved, ie the Statorwicklungssysteme or on the rotor, that the mechanical means ⁇ specific case the force effect only in the presence of the error by releasing the locking, not but in normal operation of the electric machine, unfolds.
  • the mechanical means extends between two ends, one of the ends at a fixed point outside the drive system, for example on a housing of the electric machine, and the other end to be moved
  • Stator winding system or is attached to the slider to be moved.
  • Stator winding system associated rotor can be attached.
  • the mechanical means comprises at least one spring device.
  • Each a Läu ⁇ fer and at least one of the spring devices are associated with each other, wherein each rotor is mechanically connected to its associated spring means, so that the mechanical means can take up the force exerted on the respective runner.
  • the respective spring device is biased in the normal position and during normal operation and fixed with ⁇ means of locking that it exerts the force on the associated rotor in case of failure when releasing the lock, wherein the force has a component in the axial direction, so that the respective rotor is displaced in releasing the locking in the axial direction.
  • each runner is so arranged on a shaft for transmitting a drive provided by the respective rotor drive power to the propulsion means, that he compared to
  • Statorwicklungssystemen is rotatable and that he so rotatably connected to the shaft is that it is not rotatable relative to the shaft, but slidable in the axial direction.
  • the mechanical means also comprises at least one spring means, wherein in each case a stator winding system and at least one of the spring means are associated with each other. Each stator winding system is mechanically connected to its associated spring means so that the mechanical means can apply the force to the respective stator winding system.
  • the respective spring device is in turn biased in the normal position and in normal operation and fixed by means of the detent that it exerts the force effect on its associated stator winding in case of failure when releasing the lock, wherein the force has a component in the axial direction, so that ⁇ ever stays awhile Statorwicklungssystem is displaced upon release of the locking in the axial direction.
  • the Statorwicklungssysteme can, for example, be attached to rails over which they can be moved.
  • the machine is designed as Axialhnema ⁇ machine, wherein the rotor is arranged in the axial direction between the Statorwicklungssystemen, so that a generated magnetic flux from the Statorwicklungssystemen is oriented in a substantially axial direction.
  • the displacement device is designed and arranged on ⁇ that they faulty in the event of an error
  • Stator winding system displaced away from the rotor in the axial direction, so that the respective air gap between the displaced faulty stator winding system and its associated rotor increases, while the air gap between ⁇ tween the non-faulty stator winding system and the rotor associated therewith remains unchanged.
  • the rotor assembly has at least another runner, ie there are at least two
  • Stator winding systems and two runners present, ideally ⁇ a rotor for each stator winding system.
  • one of the stator winding systems and one of the rotors are a respective electrical submachine forming each other zugeord ⁇ net.
  • a respective Statorwicklungssystem and its associated rotor are seen in the axial direction lying one behind the other and an air gap between them are arranged to ⁇ each other, so that the respective
  • Stator winding system and the permanent magnet of the jewei ⁇ ligen stator winding system associated rotor in normal operation of the electric machine via the respective air gap can interact electromagnetically with each other. Seen in the axial direction, the dividing machines are spaced so far apart from each other that the runner of one dividing machine does not, ie at most negligibly, engage with the one dividing machine
  • Stator winding system of the other part machine interacts electrically.
  • the displacement device is so as commercial ⁇ det and arranged that in case of failure, the faulty stator winding and / or the faulty
  • Stator winding system associated rotor of the thus faulty sub-machine shifts away from each other in the axial direction, so that increases the air gap of the faulty Operama ⁇ machine. At the same time, the air gap between the non-faulty stator winding system and its associated rotor remains unchanged.
  • the machine is designed as a radial flux machine.
  • the rotor arrangement has at least one further rotor, ie in turn there are at least two stator winding systems and two rotor. In each case one of the stator winding systems and one of the rotors are associated with each other to form a respective electrical submachine.
  • a respective stator winding system and its associated rotor are arranged in the normal position and in normal ⁇ operation in the axial direction lying at substantially the same position lying such that the respective air gap in the radial direction between the respective Stator winding system and its associated rotor is located so that the respective Statorwicklungssystem and the Perma ⁇ nentmagnet of the respective stator winding system associated rotor can interact electromagnetically with each other in the normal operation of the electric machine via the respective air gap.
  • the sub-machines are seen in the axial direction so far apart that the rotor of a sub-machine not, ie at most negligibly ⁇ bar, electrically interacts with the stator winding of the other submachine.
  • the displacement device is constructed and arranged to be away pushes in the fault case, the FEH ⁇ lerhafte Statorwicklungssystem and / or associated with the defective Statorwicklungssystem runner thus defective portion machine in the axial direction from each other, comparable, so that the air gap of the defective Operama ⁇ machine magnified while the air gap between the non-faulty stator winding system and the latter
  • Stator winding system associated rotor remains unchanged.
  • Each of the Statorwicklungssysteme comprises magnetically active Be ⁇ rich, particularly Statorelektrobleche which, viewed in the axial direction, each extend over a first region.
  • the rotor associated with the respective stator winding system in particular its permanent magnet, likewise extends in the axial direction over a second region.
  • a respective stator winding system and its associated rotor are in the normal position angeord ⁇ net, that one of the two areas completely covers the other Be ⁇ rich, the centers of the two areas are seen in the axial direction arranged at substantially the same position , This implies that the two areas are congruent when viewed in the axial direction.
  • the displacement device may in this case be formed in a th in a ERS alternative that the gegenseiti ⁇ ge displacement of at least goes so far in case of error, that the first region of the axial extent of the defective Statorwicklungssystems and the second region of the axial ER- Extension of the associated rotor after the displacement of the respective runner and / or the associated
  • Stator winding system no longer overlap. This ensures that the electromagnetic interaction is largely prevented.
  • the displacement device may be formed in a second alternative such that the mutual displacement in case of failure goes so far only that the first portion of the axial extent of the faulty Statorwicklungssystems and the second region of the axial extent of its associated rotor after the displacement of the respective rotor and / or the associated stator winding system still overlap, but that seen in the axial direction of one of the two areas no longer completely covers the other Be ⁇ rich.
  • the electromagnetic Kirwir ⁇ kung is less strongly prevented than in the first alternative, but the machine requires less space and is therefore less difficult.
  • the displacement required for a sufficient suppression of the electromagnetic interaction can be calculated in advance, so that the displacement device and the electric machine can be dimensioned accordingly. For example.
  • each of the rotor is such a conical shape that a radius ei ⁇ nes respective rotor is not constant, but borrowed continuous with an opening extending in the axial direction between the axial ends of the respective rotor height of the rotor or stepwise changes.
  • Statorwicklungssysteme is shaped according to the conical shape of its associated rotor so that the radial extent of the respective air gap between the respective Stator winding system and its associated runner in the normal position at each point of the height of the respective runner is substantially equal.
  • the runners are arranged such that, for each runner, the radius at the axial end of the respective runner is at a maximum, which faces the respective other runner.
  • the radius at the respective other end of the respective rotor is correspondingly minimal. The same applies to the
  • Stator winding systems i. for each stator winding system, the radius at the axial end of the respective system that faces the other stator winding system is maximum.
  • FIG. 2 shows a first variant of a first embodiment of an electrical machine in a normal operation
  • FIG. 3 shows the first variant of the first embodiment of FIG
  • 5 shows the second variant of the first embodiment of the electric machine in the event of a fault
  • 6 shows a third variant of the first embodiment of the electric machine in normal operation
  • FIG. 8 shows a first variant of a second embodiment of the electric machine in a normal operation
  • FIG. 9 shows the first variant of the second embodiment of the electric machine in the event of an error
  • FIG. 11 shows a third variant of the second embodiment of the electric machine in a normal operation
  • FIG. 12 shows the third variant of the second embodiment of the electric machine in the event of a fault
  • FIG. 12 shows the third variant of the second embodiment of the electric machine in the event of a fault
  • FIG. 13 shows the first variant of the second embodiment in FIG.
  • the machine 100 has a rotor 110 with permanent magnets 130 and a stator 120 with
  • Stator winding system or stator 140 on.
  • the fixed to a shaft 150 rotor 110 is rotatable with the shaft 150 against ⁇ to the stator 120 around a rotation axis A.
  • the rotor 110 rotates relative to the stator 120.
  • rotor 110 and stator 120 are arranged to one another such that a magnetic field of the permanent magnets 130 and the coil 140 in such a manner in elekt ⁇ romagnetician interaction interact with each other, that the electrical machine 100 due to the interaction operates in a first operating mode as a generator and / or in a second operating mode as an electric motor.
  • the rotor will be added with 110 it the permanent magnets 130 on the shaft 150 of the electric machine 100 to rotate, so that 120 electrical voltages induces in the coils 140 of the stator, the can be tapped via non-illustrated electrical connections to ⁇ .
  • 100 is intended to operate as an electric motor and, for example, the electric Ma ⁇ machine.
  • a propeller drive so the coils are acted 140 with electric current, so that due to the interaction of the magnetic fields generated hereby with the fields of the permanent magnets
  • the electric machine 100 a torque on the rotor 110 and thus acts on the shaft 150, which can be given to the driven device, eg. The propeller, on.
  • this may be as an axial flow or radial flux machine renewedbil ⁇ det, but has the just described basic mode control.
  • the machine can 100, for example, to increase the redundancy of multiple runners and / or multiple stators, ie, multiple partial drive systems, and / or the rotor or the stator may be formed as a single or double rotor or single or double stator. In all these cases, however, the basic concept of elekt ⁇ innovative machine remains applicable.
  • Stator winding systems or stator coils so that mutually associated rotor and stators or their permanent magnets and winding systems electromagnetically miteinan ⁇ can interact to operate the electric machine 10 as an electric motor or as a generator.
  • the permanent magnets are arranged on the part runners.
  • the stator If this is designed as a double stator with two partial stators, the stator winding systems are located on the partial stators.
  • the Statorwicklungssysteme are arranged on thisGrandator.
  • each runner is rotatable relative to the respectively associated stator.
  • the rotors are rotatably connected to the shaft, for example. With the aid of a corresponding toothing.
  • all runners and stators are arranged concentrically to one another and to the respective shaft.
  • the electric machine 10 is designed as an axial flux machine, ie in particular that rotor and stator are arranged one behind the other in the axial direction and the magnetic flux between the rotor and stator extends in a substantially axial direction.
  • FIG 2 shows a first variant of the first execution ⁇ form in a normal operation, in which the machine 10 has a ⁇ ers th partial drive system 200 and the redundancy for a second partial drive system 300th
  • Each of the partial drive systems 200, 300 comprises a double rotor 210, 310 with partial rotors 211, 212 or 311, 312 which can be displaced in the axial direction on the shaft 150 and a stator 220, 320, the stators 220, 320 in each case in the axial direction between the partial rotors 211, 212 and 311, 312 of the respective partial drive system 200, 300 are arranged.
  • the first double rotor 210 and the first stator 220 are allocated ei ⁇ Nander and formed during normal operation of the machine 10 and such air gaps 231, 232 between them forming to-disposed to each other that they can interact electromagnetically with each other.
  • the second double rotor 310 and the second stator 320 are also associated with each other and formed in the normal operation of the machine 10 so ⁇ Ma and air gaps 331, arranged between them, forming another 332 that it shows can interact electromagnetically with each other.
  • Both the first 210 and the second double rotor 310 and their partial runners 211, 212, 311, 312 are rotatably connected to a shaft 150.
  • the shaft 150 is driven by the double travelers 210, 220, so that a propulsion means (not shown), for example a propeller, connected to the shaft 150 can be set in rotation.
  • a propulsion means for example a propeller
  • FIG 3 shows the first variant of the first embodiment in the presence of a fault in Statorwicklungssystem of the stator 220 of the first part of the drive system 200.
  • Stator winding system of the first stator 220 induces no voltages, whereby the risk of fire is reduced to a minimum or virtually eliminated. Furthermore, despite the failure of the first partial drive system 200, the propulsion means can still be operated, albeit with reduced efficiency. Redundancy is thus given in this variant.
  • FIG 4 shows a second variant of the first embodiment ⁇ form in a normal operation, in which the machine 10 just ⁇ if a first 200 and the redundancy because of a second Part drive system 300 has.
  • Each of the Operaantriebssyste ⁇ me 200, 300 comprises a displaceable in the axial direction on the shaft 150 runners 210, 310, in particular designed as a single rotor 210, 310, and a stator 220, 320.
  • the second variant of the first embodiment differs from the first variant only in that the runners 210, 310 are not designed here as a double rotor.
  • Runners 210, 310 and stator 220, 320 of the respective Operaan- drive system 200, 300 are also assigned in this variant each other and so be formed ⁇ during normal operation of the engine 10 and the air gaps 231 between them forming zueinan ⁇ disposed 331 that electromagnetically can interact with each other.
  • the Figure 5 shows the second variant of the first execution ⁇ form in the presence of a fault in Statorwicklungssystem of the stator 220 of the first part of the drive system 200.
  • the air gaps 231 between the First stator 220 and the first rotor 210 has been increased so that the electromagnetic interaction between the first stator 220 and the rotor 210 is prevented, ie, the first rotor 210 is magnetically decoupled from the faulty stator 220.
  • Stator winding system of the first stator 220 no voltage can be induced, whereby the risk of fire is reduced to a minimum or virtually excluded, although - in particular causes by the still functioning as an electric motor second part of the drive system 300- the shaft 150 and with it the rotor 210 rotate.
  • the propulsion means can continue despite failure of the first part of the drive system 200 continues to be ⁇ be exaggerated, but at a reduced efficiency. Redundancy is therefore also given in this variant.
  • the 6 shows a third variant of the first execution ⁇ form of the electrical machine 10 in normal operation.
  • the Ma ⁇ machine 10 includes an in already redundant drive system 200 comprising a rotor 210, particularly an on zel deviationr and a Doppelstator 220 slidable in the axial direction on the shaft 150 split stators 221, 222.
  • the rotor 210 is in the axial Direction between the
  • Rotor 210 and stator 220 of the drive system 200 are also assigned to each other in this third variant of the first embodiment and formed in normal operation of the machine 10 and air gaps 231, 232 arranged between ⁇ to each other that they can interact electromagnetically with each other. In normal operation, the on ⁇ operating system 200, so that it operates to offset above the rotor 210, the Wel ⁇ le 150 in rotation.
  • FIG 7 shows the third variant of the first exemplary form in the presence of a fault in Statorwicklungssystem of the split stator 221.
  • 400 causes the air gap 231 between the split stator 221 and the rotor 210 has been increased so that the electromagnetic interaction between the stator 221 and the rotor 210 is prevented, ie, the rotor 210 is magnetically decoupled from the faulty first partial stator 221. Due to the magnification ⁇ ßerten air gap 231 no stresses can be induced in Statorwicklungssystem of the split stator 221, even though the rotor 210 due to its interaction with the intact
  • Partial stator 222 still rotated. Due to this rotation, the shaft 150 is driven in spite of the fault in the stator 221 and with it the propulsion means, although again with reduced efficiency. Redundancy is therefore also given in this variant.
  • the machine 10 is designed as a radial flux ⁇ machine, ie in particular that a rotor and a stator, which are associated with each other and interact with each other in normal operation, are arranged in the axial direction substantially at the same position, but that the stator is arranged radially outside of the rotor (theoretically ⁇ table and vice versa).
  • the magnetic flux between rotor and stator runs in a substantially radial direction.
  • the typically existing winding heads 225, 325 are shown for the respective stators 220, 320. Des shimmer ⁇ Ren, the stators 220, 320 each stator electric plates 226, 326 on. Due to the space requirement of the winding heads 225, 325 is located in the axial direction between the
  • Statorelektroblechen 226, 326 of the two stators 220, 320 a space in which no electrical sheet is present. , As shown in the following, this space is required to move a per ⁇ schreib runner 210, 310th
  • the 8 shows a first variant of the second execution ⁇ form in normal operation.
  • the machine 10 has a first partial drive system 200 and, for redundancy, a second partial drive system 300 as well.
  • Each of the partial drive systems 200, 300 comprises a rotor 210, 310 which can be displaced in the axial direction on the shaft 150 and also a stator 220, 320
  • the first rotor 210 and the first stator 220 are associated with each other and formed in normal operation of the machine 10 such and an annular or cylindrical air gap 231 arranged between them forming mutually, that they can interact electromagnetically with each other.
  • the second rotor 310 and the second stator 320 are also associated with each other and formed in the normal operation of the machine 10 ⁇ and an annular or cylindrical air gap 331 between them forming mutually arranged that they can interact electromagnetically with each other.
  • the shaft 150 so that one end connected to the shaft 150 propulsion means (not shown) through the runner 210 is driven ⁇ 220, for example.
  • a propeller, driven in rotation can be.
  • FIG 9 shows the first variant of the second execution ⁇ form in the presence of a fault in Statorwicklungssystem the stator 220 of the first part of the drive system 200.
  • ⁇ Lich was effected using the non dargestell here ⁇ th device 400 that the faulty stator 220 associated rotor 210 has been moved in the axial direction.
  • the rotor 210 is displaced in particular so far that it passes from the region inside the stator electric sheet 225 into the region below the winding heads 225, 325.
  • the Ver ⁇ shift causes the air gap 231 and the Ab ⁇ stood between faulty stator 220 and the rotor has enlarged to 210, the electromagnetic interaction between the first stator 220 and the rotor is prevented 210, that is, the first runner 210 is magnetically decoupled from faulty stator 220.
  • the shaft 150 and the rotor 210 rotate with it, due to the increased air gap 231 or spacing in the stator winding system of the first stator 220, no voltages are induced, which would endanger the fire is reduced to a minimum or virtually excluded.
  • the propulsion means can still be operated despite failure of the first sectionan ⁇ drive system 200, albeit with reduced efficiency. Redundancy is thus given in this variant.
  • son ⁇ KNF is the original geometry of the air gap comparable lost. Nonetheless, in this context as well, an "enlargement" of the air gap is mentioned, which means, however, in particular in connection with the radial flux machine, that the distance between rotor and associated stator is increased the geometry of the air gap in addition to the pure increase in the distance has a significant influence on the reduction of electromagnetic ⁇ rule interaction.
  • the FIG 10 shows a second variant of the second exporting ⁇ approximate shape corresponding to the first variant of the second embodiment up to the detail that in the second Vari ⁇ ante the space in which the runner 210, 310 may be postponed in case of failure , is less extensive in the axial direction. This can be justified, for example, with limited space. Because of the similarity of the variants this second variant is refrained provide for normal operation Darzu ⁇ . The FIG 10 therefore shows the second variant of the second embodiment in the presence of an error case in
  • the displacement thus causes the air gap 231 or the distance between faulty stator 220 and rotor 210 has increased so far that the electromagnetic exchange Selective effect between the first stator 220 and the partial rotors 211, 212 is sufficiently reduced, ie, the first Läu ⁇ fer 210 is magnetically decoupled from the faulty stator 220.
  • the shaft 150 and rotate it with the rotor 210 due to the increased air gap 231 or distance in the stator winding system of the first stator 220, no voltages induced, bringing the risk of fire on a Minimum reduced or virtually excluded.
  • FIG 11 shows a third variant of the second Ausure ⁇ tion form in a normal mode.
  • the machine 10 has a first partial drive system 200 and, for redundancy, a second partial drive system 300 as well.
  • Each of the partial drive systems 200, 300 comprises a rotor 210, 310 which can be displaced in the axial direction on the shaft 150 and also a stator 220, 320.
  • the first rotor 210 and the first stator 220 are associated with each other and formed in normal operation of the machine 10 such and an air gap 231 between them zueinan ⁇ arranged that they can interact electromagnetically with each other.
  • the second rotor 310 and the second stator 320 are also associated with each other and formed in the normal operation of the machine 10 of ⁇ type and an air gap 331 between them forming mutually arranged that they can interact electromagnetically with each other.
  • the shaft 150 through the rotor 210 is driven ⁇ 220 so that one end connected to the propulsion shaft 150 means (not shown), for example, a propeller, can be set in rotation.
  • the runners 210, 310 in the third variant are not substantially cylindrical, but they have a conical shape.
  • the runners 210, 310 thus drawing ⁇ nen by the fact that their radii RL are not constant but vary with the amount of each rotor 210, 310, with the height extending in the axial direction.
  • the shape of the rotor 210, 310 is particularly ⁇ art that the radius RLi on that side of the respective armature 210, 310 is maximum, which faces the respective other rotor 310, the 210th
  • the radius RLa on the respective other side of the respective armature 210, 310 is correspondingly mi nimal ⁇ .
  • the radius RL changes continuously from one side to the other of the respective rotor 210, 310 or, as shown in FIG. 11, in stages.
  • the stators 220, 320 are in accordance with the conical shape of the runners 210, 310 are shaped such that the radial Ausdeh ⁇ voltage of the air gaps 231, 331 in particular during normal operation everywhere, that at each point the amount of each rotor 210, 310, is the same.
  • the stators 220, 320 embodied as hollow bodies in the embodiments shown here are accordingly distinguished by the fact that their inner radii RS are not constant, but change with the height of the respective stator 220, 320. In this case, the heights of the stators 220, 320 extend in the axial direction.
  • the shape of the stators 220, 320 is in particular such that the mecanicra ⁇ dius RSi at that side of the respective stator 220, 320 is maximum, which is the other stator 320, 220 zuge ⁇ wandt .
  • the inner radius RSa on the respective other side of the respective stator 220, 320 is correspondingly minimal.
  • the inner radius RS 320 continuously changes from the one to at ⁇ their respective side of the stator 220, or, as shown in FIG 11, stepwise.
  • Stators 220, 320 are thus formed such that it at its inner side a sen the conical shape of each ⁇ wells associated rotor 210, 310 aufwei- shape adapted in particular ⁇ sondere, that are also conical.
  • the above description applies in particular to the dargestell ⁇ th case in which the runners 210, 310 are designed as an inner rotor ⁇ forms.
  • the arrangement would be analogous to dargestell ⁇ th in FIG 11 arrangement, only in this case, the rotor would be formed as a hollow body and their inner radii would correspond to the conical shape be adapted to the radially inner stator, so that the respective air gap is constant.
  • FIG 12 shows the third variant of the second execution ⁇ form in the presence of a fault in Statorwicklungssystem the stator 220 of the first part of the drive system 200.
  • German borrowed can be seen, was effected using the non dargestell here ⁇ th device 400 that the assigned Rotor 210 has been displaced in the axial direction, so that increases due to the conical shape of the rotor 210 and the stator 220 of the air gap 231, so that the electromagnetic interaction between the first stator 220 and the rotor 210 is prevented, that is, the first rotor 210 magnetically decoupled from faulty stator 220.
  • the particular advantage of the third variant with conical Läu ⁇ remote 210, 310 and correspondingly shaped stators 220, 320 is that the respective runner 210 must, 310 substantially be displaced less far in order in case of fault the JE introductory air gap 231, 331 in Error case significantly ver ⁇ larger. That is, the Geo ⁇ metry presented in the third variant is particularly advantageous in confined spaces. In the embodiments or variants in which several
  • Stators or partial stators are provided, it is assumed that the individual stators or Operaly isolated, so that an error in one stator or part stator can not overlap on the other stator or Operasta- tor.
  • FIG 13 shows the example of the first variant of the second embodiment in normal operation, a device 400, with the runners 210, 310 are displaceable in the axial direction.
  • the device 400 has for each runner 210, 310 a mechanical means 411, 421, for example mechanical springs, with which a respective force can be applied to the runner 210, 310 to be displaced.
  • the springs 411, 421 are fastened with one end 412, 422, for example, to a housing part 11 of the electric machine 10.
  • the ends 412, 422 could be attached to another fixed object, for example at the winding heads 225, 325.
  • the respective other end 413, 423 of the springs 411, 421 is fastened to the respective runner 210, 310, preferably to a component 215 , 315 of the respective rotor 210, 310, which does not rotate, but stands still with respect to the housing 11.
  • the springs 411, 421 are arranged and oriented in such a way that they can each exert a force effect which comprises at least one component. Nents in the axial direction, so that the respective rotor 210, 310 may be moved due to the force effect.
  • the springs 411, 421 are biased in normal operation in particular, but it is caused by mechanical locks 414, 424 that the springs 411, 421 are prevented from relaxing and unfold the stored due to the bias energy or held-force.
  • the detents can be attached to a wide variety of locations. For example. For example, as indicated in FIG. 13, they can produce fixed connections between the housing 11 and the component 215, 315. Alternatively, the detents may also be formed, for example, as trigger pins.
  • FIG 14 shows the device 400 in the event of an error using the example of the first variant of the second embodiment.
  • the detents 414 have been released, so that the springs 411 could relax, resulting in a force acting on the spring
  • Rotor 210 This was accordingly as in FIG 14 Darge ⁇ presents and as already explained in connection with FIG 10 moved.
  • the release of the detents may, for example, be done by a controller 500, which at least respects the partial drive systems 200, 300. monitoring the occurrence of an error case and initiating such a situation, a release of the corresponding lock 414 or 424 initiated.
  • the device 400 described in connection with FIGS. 13, 14 and in particular the mechanical means 411, 421 can of course be implemented in a wide variety of designs. be siert, of which a possible training is the beschrie ⁇ bene spring. This was explained above in a configuration as a compression spring, but it can of course be configured with a corresponding arrangement as a tension spring.
  • Other implementations of the mechanical means 411, 421 are also conceivable, for example, pneumatic devices can be provided which, when activated, produce the required effect for displacing the respective rotor 210, 310 or possibly stator 220, 320.
  • the proposed solution allows effective groove ⁇ wetting of the redundancy of the electrical machine 10 with several Statorwicklungssystemen by preventing the undesirable energy input into a defective winding system by magnetic decoupling of the associated rotor part, which leads to a reduction in the probability of occurrence ei ⁇ nes Brandes of the electrical machine ,
  • le ⁇ diglich was exemplarily assumed that the rotor assembly with the inner runners 210 has 310th It is per ⁇ but to assume that the same principle of displacement to increase the respective air gap can be implemented with electric machines that operate with foreign runners.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine insbesondere redundante elektrische Maschine zum Antreiben eines Vortriebsmittels mit erhöhter Ausfallsicherheit. Die Maschine umfasst bspw. zwei aus jeweils einem Statorwicklungssystem und einen Läufer bestehende Teilmaschinen, wobei die beiden Läufer drehfest auf einer gemeinsame Welle angeordnet sind, über die letztlich das Vortriebsmittel in Bewegung versetzt wird. Weiterhin ist eine Verschiebevorrichtung vorgesehen, die im Fehlerfall in einem der Statorwicklungssysteme derart wirkt, dass für die entsprechende fehlerhafte Teilmaschine der Luftspalt zwischen dem betroffenen Statorwicklungssystem und dem zugehörigen Läufer derart vergrößert wird, dass die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen diesen Bauteilen unterbunden wird.

Description

Beschreibung
Redundante elektrische Maschine zum Antreiben eines Vor¬ triebsmittels
Die Erfindung betrifft eine insbesondere redundante elektri¬ sche Maschine zum Antreiben eines Vortriebsmittels mit erhöh¬ ter Ausfallsicherheit. Bei elektrischen Maschinen können aufgrund nicht festgestell¬ ter bzw. nicht feststellbarer Material- oder Fertigungsfehler sowie auch im Falle von betrieblichen Überlastungen wie bspw. durch Spannungs- und/oder Stromspitzen die Isolationen des Statorwicklungssystems der Maschine versagen. Derartige Feh- lerfälle können bspw. dann eintreten, wenn im
Statorwicklungssystem ein Windungsschluss , ein Wicklungs- schluss oder ein Masseschluss auftritt. Ein solches Versagen verursacht im weiteren Schadensverlauf einen Funktionsausfall und im schlimmsten Fall einen Brand der elektrischen Maschi- ne .
Eine derartige Entwicklung stellt grundsätzlich eine Risiko¬ situation dar, da es zumindest zu einem Ausfall und ggf. zu einer Beschädigung der Maschine kommt, was je nach Anwendung der Maschine mehr oder weniger schwerwiegende Konsequenzen haben kann. Insbesondere im Falle einer Anwendung der elektrischen Maschine als Teil des Antriebssystems eines elekt¬ risch oder hybrid-elektrisch angetriebenen Luftfahrzeugs kann der Ausfall der elektrischen Maschine fatale Folgen haben. Dementsprechend müssen in der Luftfahrt eingesetzte Komponen¬ ten bzw. Systeme eine ausreichende Ausfallsicherheit aufwei¬ sen .
Um die Ausfallwahrscheinlichkeit zu senken bzw. die Ausfall- Sicherheit zu verbessern, werden elektrische Maschinen für die Anwendung in Luftfahrzeugantrieben meist redundant konzipiert, so dass der Ausfall eines Teilsystems des Antriebs nicht zum Ausfall des gesamten Antriebssystems und zu einem Absturz des gesamten Luftfahrzeugs führt. Die Redundanz kann durch Verdopplung eines kompletten Antriebsstranges erreicht werden, d.h. Vorsehen von zwei Propellern inklusive der entsprechenden Motoren, oder aber durch Erhöhung der Redundanz von Komponenten mit erhöhter Ausfallwahrscheinlichkeit, d.h. einem Propeller wird ein Motor mit bspw. zwei Wicklungssystemen und dementsprechend zwei Spannungsquellen nebst jeweili¬ ger Leistungselektroniken vorgeschaltet. Eine komplette Re¬ dundanz aller Komponenten führt generell zu einem deutlich erhöhten Platz- und Kostenaufwand für den Antriebsstrang, weshalb angestrebt wird, die Redundanz auf bestimmte Kompo¬ nenten zu verteilen.
Bei einem Elektromotor mit zwei Wicklungssystemen kann dieser bei einem Ausfall einer der der zwei Leistungselektroniken im Normalfall, wenn auch eingeschränkt, weiterbetrieben werden. Kommt es jedoch zu einem Ausfall innerhalb des permanentmag¬ neterregten Motors, bspw. zu einem Windungsschluss , einem Phasenschluss oder einem anderem Kurzschluss, ist diese Feh- lerstelle weiterhin mit dem Magnetkreis gekoppelt und der drehende Läufer induziert eine Spannung im fehlerhaften Wicklungssystem , die aufgrund des Kurzschlusses einen typischer¬ weise sehr hohen Fehlerstrom treibt, der zu einer starken Überhitzung der Maschine bis hin zum Brand führen kann. Auf- grund der Permanentmagneterregung kann diese nicht einfach abgeschaltet werden, wie dies bspw. bei einer elektrisch erregten Maschine der Fall wäre. Eine Redundanz durch die zwei oder auch mehr Wicklungssysteme ist dann nicht mehr gegeben. Ein Fehler kann sich sogar auf das benachbarte Wicklungssys- tem übertragen. Befinden sich die zwei Wicklungssysteme auf demselben Umfang, jedes System bspw. jeweils in einer Halbschale, kann sich ein Fehler in einem Wicklungssystem auch auf das zweite Wicklungssystem fortsetzen. Ein weiteres Problem liegt in einem als „Windmilling" bezeichneten Effekt, bei dem im Flug auch beim Ausschalten des fehlerhaften Antriebsstranges der Propeller den Läufer weiterdrehen wird und dadurch weiterhin ein induzierter Fehlerstrom fließen wird. In der EP2896532A1 wird aus Sicherheitsgründen, wie oben bereits angedeutet, eine Redundanz mit Hilfe zweier
Statorwicklungssysteme erreicht, wobei für jedes der beiden Wicklungssysteme eine eigene Spannungsquelle vorgesehen ist. Die beiden getrennten Wicklungssysteme arbeiten mit nur einem permanentmagnetbestückten Läufer zusammen. Wird in einem der beiden Wicklungssysteme oder in einer der beiden Spannungs¬ quellen ein Fehler erkannt, bspw. eine Übertemperatur, eine Überspannung oder ein Überstrom, so wird eine Deaktivierung des fehlerhaften Wicklungssystems bzw. der fehlerhaften Spannungsquelle über eine Abschaltung der zugehörigen Spannungsquelle ausgelöst, während das zweite Wicklungssystem regulär weiter betrieben werden kann. Das beschriebene, redundante System erlaubt zwar ein Fortfüh¬ ren des Betriebs, es ist jedoch nicht grundsätzlich auszu¬ schließen, dass das fehlerhafte Wicklungssystem weiterhin von einem elektrischen Strom durchflössen wird, was zu einer Überhitzung der Maschine führen kann. Eine Quelle eines sol- chen Stromflusses kann zum Einen die eigentliche, das
Statorwicklungssystem regulär versorgende Stromquelle sein. Diese kann und muss konsequenterweise bei Feststellung eines Fehlerfalles unmittelbar abgeschaltet werden. Zusätzlich sind jedoch auch die aufgrund der weiterhin vorhandenen Rotation des Motorläufers bzgl. des fehlerhaften
Statorwicklungssystems in diesem Wicklungssystem induzierten Ströme zu berücksichtigen, die insbesondere bei permanenterregten elektrischen Maschinen auftreten. Aufgrund der damit zusammenhängenden Brandgefahr muss daher das gefährliche Überhitzen unmittelbar nach Detektion des Fehlers durch eine sichere Unterbrechung dieses den Schadensfortschritt begüns¬ tigenden Stromflusses im Wicklungssystem verhindert werden.
Bei derartigen sicherheitskritischen Systemen muss also im Falle eines Fehlers, bspw. bei einem Kurzschluss im
Statorwicklungssystem, in der elektrischen Maschine ein sicheres Abschalten möglich sein. Wenn der dem fehlerhaften Statorwicklungssystem zugeordnete bzw. mit diesem elektromag- netisch wechselwirkende Läufer wie oben beschrieben durch externe Einflüsse weitergedreht wird, bspw. durch einen Propel¬ ler oder wie in EP2896532A1 durch eine weitere elektrische Maschinen im gleichen mechanischen Strang, wird weiterhin durch den mit Permanentmagneten bestückten Läufer Leistung in das fehlerhafte Wicklungssystem induziert. Dies kann wie er¬ wähnt zu einem Brand führen und somit die Sicherheit gefähr¬ den. Um dies zu verhindern würde sich also konsequenterweise die Notwendigkeit ergeben, den kompletten Strang abzuschalten bzw. zu stoppen, womit jedoch die angestrebte Redundanz hinfällig wird.
In der DE102016221304 wird eine redundante elektrische Ma¬ schine beschrieben, mit der diese Problematik adressiert wird. Die dort vorgestellte Maschine weist zwei Teilsysteme auf, die jeweils einen Läufer und ein Statorwicklungssystem umfassen. Die Läufer sitzen auf einer gemeinsamen Welle und treiben über diese Welle einen Propeller an. Bei einem Fehlerfall in einem der Wicklungssysteme soll unterbunden wer- den, dass der zugehörige Läufer weiter rotiert, um einen Induktion von Leistung in das fehlerhafte Wicklungssystem auszuschließen. Dies wird durch die Verwendung von Freiläufen erreicht, die derart zwischen jeweiligem Läufer und der Welle angeordnet sind, dass im Fehlerfall der Läufer eines defekten Teilsystems der Maschine nicht weiter von einer gemeinsamen
Welle angetrieben wird. Dies löst zwar das beschriebene Prob¬ lem, jedoch sind Freiläufe und mit ihnen auch das Gesamtsys¬ tem vergleichsweise anfällig und die elektrischen Maschinen können in der vorgestellten Konfiguration nur als Motor, nicht aber als Generator betrieben werden. Der Betriebsmodus als Generator wird aber u.a. zur schnellen Drehzahlregelung, bspw. für Quadrocopter oder VTOL-Flugzeuge, und zur
Rekuperation benötigt. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zur Verbesserung einer Ausfallsicherheit einer elektrischen Maschine anzugeben. Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene re¬ dundante elektrische Maschine gelöst. Die Unteransprüche be¬ schreiben vorteilhafte Ausgestaltungen. Die redundante elektrische Maschine weist zum Antreiben eines Vortriebsmittels ein Antriebssystem auf. Das Antriebssystem umfasst seinerseits eine Statoranordnung mit zumindest zwei Statorwicklungssystemen sowie eine Läuferanordnung mit zumindest einem Läufer, wobei jeder Läufer zumindest einen, ideal- erweise aber mehrere Permanentmagnete aufweist.
Jedem Statorwicklungssystem ist einer der Läufer zugeordnet. Dies beinhaltet natürlich auch den Fall, dass derselbe Läufer gleichzeitig zwei unterschiedlichen Statorwicklungssystemen zugeordnet ist. Ein jeweiliges Statorwicklungssystem und der ihm zugeordnete Läufer sind einen jeweiligen Luftspalt zwischen sich bildend zueinander angeordnet. Es ist also davon auszugehen, dass für jedes Statorwicklungssystem ein jeweiliger Luftspalt existiert. Das jeweilige Statorwicklungssystem und der Permanentmagnet des dem jeweiligen
Statorwicklungssystem zugeordneten Läufers können im Normalbetrieb der elektrischen Maschine über den jeweiligen Luftspalt elektromagnetisch miteinander wechselwirken, so dass die elektrische Maschine effizient als Elektromotor oder als Generator arbeiten kann.
Die elektrische Maschine weist für einen in einem fehlerhaf¬ ten der beiden Statorwicklungssysteme auftretenden Fehlerfall eine Verschiebevorrichtung zur gegenseitigen Verschiebung des fehlerhaften Statorwicklungssystems und des diesem zugeordne¬ ten Läufers aus einer Normalposition heraus auf. Die Vorrichtung ist derart ausgebildet, dass durch die Verschiebung aus der Normalposition heraus der Luftspalt zwischen dem fehlerhaften Statorwicklungssystem und dem ihm zugeordneten Läufer vergrößert wird, so dass die Effizienz der elektrischen Ma¬ schine bzw. des Teilantriebssystems signifikant reduziert wird . Dabei beinhaltet der Ausdruck „gegenseitige Verschiebung" ei¬ ner ersten und einer zweiten Komponente sowohl die Option, dass die erste Komponente gegenüber der zweiten Komponente verschoben werden kann, also auch die Alternative, dass die zweite Komponente gegenüber der ersten Komponente verschoben werden kann. Grundsätzlich wäre auch die dritte Möglichkeit mit umfasst, dass beide Komponenten verschoben werden können, dann bevorzugt in entgegengesetzten Richtungen. Die „Normalposition" bezeichnet diejenige Position von Läufer und zugeordnetem Stator, in der sich diese Komponenten befinden, wenn die elektrische Maschine im Normalbetrieb läuft, d.h. insbesondere wenn kein Fehlerfall vorliegt. Diese Nor¬ malposition zeichnet sich dadurch aus, dass die elektromagne- tische Wechselwirkung zwischen den Permanentmagneten und dem Statorwicklungssystem maximal wird.
Die elektrische Maschine kann dabei als Axial- oder als Radi¬ alflussmaschine ausgebildet sein.
Das der Erfindung zu Grunde liegende Konzept basiert darauf, dass im Fehlerfall, bspw. bei einem Kurzschluss im
Statorwicklungssystem, die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen Permanentmagneten und Statorspulen dieses fehlerhaf- ten Statorwicklungssystems unterbunden bzw. zumindest signi¬ fikant reduziert wird. Mit anderen Worten wird also der Läu¬ fer magnetisch von den Aktivteilen des Stators entkoppelt. Dies geschieht durch Beeinflussung und insbesondere Vergröße¬ rung des Luftspalts zwischen den im Normalbetrieb miteinander wechselwirkenden Komponenten, einhergehend mit einer magnetischen Entkopplung zwischen diesen Komponenten. In diesem Zusammenhang kann der Begriff „Luftspalt" auch einfach die Distanz zwischen den voneinander zu entkoppelnden Komponenten bedeuten. Der Luftspalt wird dabei dadurch vergrößert, dass zumindest eine der betroffenen, einander zugeordneten Komponenten, d.h. der Läufer oder das entsprechende
Statorwicklungssystem, gegenüber der jeweils anderen Komponente verschoben wird, typischerweise in axialer Richtung. Der oben im Zusammenhang mit der elektromagnetischen Wechselwirkung verwendete Begriff „signifikant" meint, dass die elektromagnetische Wechselwirkung so weit reduziert werden muss, dass eine durch die ggf. nach wie vor rotierenden Per¬ manentmagnete im fehlerhaften Wicklungssystem induzierte Spannung so gering ist, dass keine Gefahr von Überschlägen oder sonstigen, bspw. einen Brand auslösenden Situationen besteht. Idealerweise wird in die Fehlerstelle keine Leistung mehr induziert.
Ein „Fehlerfall" kann bspw. eine Übertemperatur, ein Isolationsfehler bzw. Kurzschluss im Statorwicklungssystem oder auch der Ausfall einer ein Statorwicklungssystem versorgenden Spannungsquellen sein. Im Rahmen dieser Erfindung soll der
Fehlerfall insbesondere derartige Situationen betreffen, bei denen zu vermeiden ist, dass aufgrund einer fortgesetzten Rotation des mit Permanentmagneten bestückten Läufers im fehlerhaften Statorwicklungssystem bzw. den entsprechenden
Statorspulen eine signifikante Spannung bzw. Leistung indiziert wird.
Der Ausdruck „im Normalbetrieb" meint, dass die elektrische Maschine in diesem Zustand bzw. Betrieb bestimmungsgemäß ar- beitet und dass insbesondere kein Fehlerfall vorliegt.
Wenn also die elektrische Maschine in Betrieb ist, kann sie im Normalbetrieb arbeiten oder es liegt ein Fehlerfall vor. Die Verschiebevorrichtung ist vorteilhafterweise derart aus¬ gebildet, dass die Verschiebung in einer axialen Richtung orientiert ist.
Dabei weist die Verschiebevorrichtung ein mechanisches Mittel sowie eine lösbare Arretierung auf. Mit dem mechanischen Mit¬ tel ist im Fehlerfall eine für die Verschiebung notwendige Kraftwirkung auf das fehlerhafte Statorwicklungssystem und/oder auf den diesem zugeordneten Läufer bereitstellbar. Die lösbare Arretierung wirkt derart auf das mechanische Mit¬ tel bzw. auf die zu verschiebende Komponente, d.h. auf die Statorwicklungssysteme bzw. auf den Läufer, dass das mechani¬ sche Mittel die Kraftwirkung erst bei Vorliegen des Fehler- falles nach Lösen der Arretierung, nicht aber im Normalbetrieb der elektrischen Maschine, entfaltet.
Das mechanische Mittel erstreckt sich zwischen zwei Enden, wobei eines der Enden an einem Fixpunkt außerhalb des An- triebssystems , bspw. an einem Gehäuse der elektrischen Maschine, und das andere Ende am zu verschiebenden
Statorwicklungssystem oder am zu verschiebenden Läufer befestigt ist. Alternativ kann eines der Enden am jeweiligen
Statorwicklungssystem und das andere Ende am diesem
Statorwicklungssystem zugeordneten Läufer befestigt sein.
In einer beispielhaften Ausführungsform weist das mechanische Mittel zumindest eine Federeinrichtung auf. Jeweils ein Läu¬ fer und zumindest eine der Federeinrichtungen sind einander zugeordnet, wobei jeder Läufer mechanisch mit der ihm zugeordneten Federeinrichtung verbunden ist, so dass das mechanische Mittel die Kraftwirkung auf den jeweiligen Läufer auf- bringen kann. Die jeweilige Federeinrichtung ist in der Normalposition und im Normalbetrieb derart vorgespannt und mit¬ tels der Arretierung festgesetzt, dass sie im Fehlerfall bei Lösen der Arretierung die Kraftwirkung auf den ihr zugeordneten Läufer ausübt, wobei die Kraftwirkung eine Komponente in axialer Richtung hat, so dass der jeweilige Läufer beim Lösen der Arretierung in axialer Richtung verschoben wird.
Insbesondere für diesen Fall, bei dem der jeweilige Läufer verschoben werden soll, bietet es sich an, dass jeder Läufer derart an einer Welle zum Übertragen einer von dem jeweiligen Läufer zur Verfügung gestellten Antriebsleistung auf das Vortriebsmittel angeordnet ist, dass er gegenüber den
Statorwicklungssystemen rotierbar ist und dass er derart drehfest mit der Welle verbunden ist, dass er gegenüber der Welle nicht rotierbar, aber in axialer Richtung verschiebbar ist . In einer anderen beispielhaften Ausführungsform weist das mechanische Mittel ebenfalls zumindest eine Federeinrichtung auf, wobei jeweils ein Statorwicklungssystem und zumindest eine der Federeinrichtungen einander zugeordnet sind. Jedes Statorwicklungssystem ist mechanisch mit der ihm zugeordneten Federeinrichtung verbunden, so dass das mechanische Mittel die Kraftwirkung auf das jeweilige Statorwicklungssystem aufbringen kann. Die jeweilige Federeinrichtung ist wiederum in der Normalposition und im Normalbetrieb derart vorgespannt und mittels der Arretierung festgesetzt, dass sie im Fehler- fall bei Lösen der Arretierung die Kraftwirkung auf das ihr zugeordnete Statorwicklungssystem ausübt, wobei die Kraftwirkung eine Komponente in axialer Richtung hat, so dass das je¬ weilige Statorwicklungssystem beim Lösen der Arretierung in axialer Richtung verschoben wird. Die Statorwicklungssysteme können bspw. an Schienen befestigte sein, über die sie verschoben werden können.
In einer Ausführungsform ist die Maschine als Axialflussma¬ schine ausgebildet, bei der der Läufer in axialer Richtung gesehen zwischen den Statorwicklungssystemen angeordnet ist, so dass ein von den Statorwicklungssystemen erzeugter magnetischer Fluss in im Wesentlichen axialer Richtung orientiert ist. Die Verschiebevorrichtung ist derart ausgebildet und an¬ geordnet, dass sie im Fehlerfall das fehlerhafte
Statorwicklungssystem in axialer Richtung vom Läufer weg verschiebt, so dass sich der jeweilige Luftspalt zwischen dem verschobenen fehlerhaften Statorwicklungssystem und dem ihm zugeordneten Läufer vergrößert, während der Luftspalt zwi¬ schen dem nicht fehlerhaften Statorwicklungssystem und dem diesem zugeordneten Läufer unverändert bleibt.
Für einen weiteren Fall, in dem die Maschine als Axialfluss¬ maschine ausgebildet ist, weist die Läuferanordnung zumindest einen weiteren Läufer auf, d.h. es sind zumindest zwei
Statorwicklungssysteme sowie zwei Läufer vorhanden, idealer¬ weise ein Läufer für jedes Statorwicklungssystem. Jeweils eines der Statorwicklungssysteme und einer der Läufer sind eine jeweilige elektrische Teilmaschine bildend einander zugeord¬ net. Ein jeweiliges Statorwicklungssystem und der ihm zugeordnete Läufer sind in axialer Richtung gesehen hintereinander liegend und einen Luftspalt zwischen sich bildend zu¬ einander angeordnet sind, so dass das jeweilige
Statorwicklungssystem und der Permanentmagnet des dem jewei¬ ligen Statorwicklungssystem zugeordneten Läufers im Normalbetrieb der elektrischen Maschine über den jeweiligen Luftspalt elektromagnetisch miteinander wechselwirken können. Die Teilmaschinen sind in axialer Richtung gesehen derart weit vonei- nander beabstandet, dass der Läufer der einen Teilmaschine nicht, d.h. höchstens vernachlässigbar, mit dem
Statorwicklungssystem der anderen Teilmaschine elektrisch wechselwirkt. Die Verschiebevorrichtung ist derart ausgebil¬ det und angeordnet, dass sie im Fehlerfall das fehlerhafte Statorwicklungssystem und/oder den dem fehlerhaften
Statorwicklungssystem zugeordneten Läufer der somit fehlerhaften Teilmaschine in axialer Richtung voneinander weg verschiebt, so dass sich der Luftspalt der fehlerhaften Teilma¬ schine vergrößert. Gleichzeitig bleibt der Luftspalt zwischen dem nicht fehlerhaften Statorwicklungssystem und dem ihm zugeordneten Läufer unverändert.
In einer anderen Ausführungsform ist die Maschine als Radialflussmaschine ausgebildet. Die Läuferanordnung weist zumin- dest einen weiteren Läufer auf, d.h. es sind wiederum zumindest zwei Statorwicklungssysteme sowie zwei Läufer vorhanden. Jeweils eines der Statorwicklungssysteme und einer der Läufer sind eine jeweilige elektrische Teilmaschine bildend einander zugeordnet. Ein jeweiliges Statorwicklungssystem und der ihm zugeordnete Läufer sind in der Normalposition und im Normal¬ betrieb in axialer Richtung gesehen an im wesentlichen gleicher Position liegend derart angeordnet, dass der jeweilige Luftspalt in radialer Richtung zwischen dem jeweiligen Statorwicklungssystem und dem ihm zugeordneten Läufer liegt, so dass das jeweilige Statorwicklungssystem und der Perma¬ nentmagnet des dem jeweiligen Statorwicklungssystem zugeordneten Läufers im Normalbetrieb der elektrischen Maschine über den jeweiligen Luftspalt elektromagnetisch miteinander wechselwirken können. Die Teilmaschinen sind in axialer Richtung gesehen derart weit voneinander beabstandet, dass der Läufer der einen Teilmaschine nicht, d.h. höchstens vernachlässig¬ bar, mit dem Statorwicklungssystem der anderen Teilmaschine elektrisch wechselwirkt. Die Verschiebevorrichtung ist derart ausgebildet und angeordnet, dass sie im Fehlerfall das feh¬ lerhafte Statorwicklungssystem und/oder den dem fehlerhaften Statorwicklungssystem zugeordneten Läufer der somit fehlerhaften Teilmaschine in axialer Richtung voneinander weg ver- schiebt, so dass sich der Luftspalt der fehlerhaften Teilma¬ schine vergrößert, während der Luftspalt zwischen dem nicht fehlerhaften Statorwicklungssystem und dem diesem
Statorwicklungssystem zugeordneten Läufer unverändert bleibt. Jedes der Statorwicklungssysteme weist magnetisch aktive Be¬ reiche auf, insbesondere Statorelektrobleche, die sich in axialer Richtung gesehen jeweils über einen ersten Bereich erstrecken. Der dem jeweiligen Statorwicklungssystem zugeordnete Läufer, insbesondere dessen Permanentmagnet, erstreckt sich ebenfalls in axialer Richtung über einen zweiten Bereich. Ein jeweiliges Statorwicklungssystem und der ihm zugeordnete Läufer sind in der Normalposition derart angeord¬ net, dass einer der beiden Bereiche den jeweils anderen Be¬ reich vollständig umfasst, wobei die Mitten der beiden Berei- che in axialer Richtung gesehen an im Wesentlichen gleicher Position angeordnet sind. Dies beinhaltet, dass die beiden Bereiche in axialer Richtung gesehen deckungsgleich sind.
Die Verschiebevorrichtung kann hierbei in einer in einer ers- ten Alternative derart ausgebildet sein, dass die gegenseiti¬ ge Verschiebung im Fehlerfall zumindest so weit geht, dass der erste Bereich der axialen Erstreckung des fehlerhaften Statorwicklungssystems und der zweite Bereich der axialen Er- Streckung des ihm zugeordneten Läufers nach der Verschiebung des jeweiligen Läufers und/oder des zugeordneten
Statorwicklungssystems nicht mehr überlappen. Hiermit wird sichergestellt, dass die elektromagnetische Wechselwirkung weitestgehend unterbunden wird.
Die Verschiebevorrichtung kann in einer zweiten Alternative derart ausgebildet sein, dass die gegenseitige Verschiebung im Fehlerfall nur so weit geht, dass der erste Bereich der axialen Erstreckung des fehlerhaften Statorwicklungssystems und der zweite Bereich der axialen Erstreckung des ihm zugeordneten Läufers nach der Verschiebung des jeweiligen Läufers und/oder des zugeordneten Statorwicklungssystems noch überlappen, dass aber in axialer Richtung gesehen der eine der beiden Bereiche nicht mehr vollständig den anderen Be¬ reich umfasst. Hiermit ist die elektromagnetische Wechselwir¬ kung zwar weniger stark unterbunden als in der ersten Alternative, die Maschine benötigt aber weniger Bauraum und ist dementsprechend weniger schwer. Die zu einer ausreichenden Unterbindung der elektromagnetischen Wechselwirkung benötigte Verschiebung kann im Vorfeld berechnet werden, so dass die Verschiebevorrichtung und die elektrische Maschine an sich dementsprechend dimensioniert werden können. Bspw. kann es ausreichend sein, wenn der Überlapp nicht wie in der ersten Alternative 0% beträgt, sondern bspw. 30%. Diese zweite Al¬ ternative stelle demnach einen Kompromiss zwischen der Aus¬ fallsicherheit des Antriebssystems und dem benötigten Bauraum dar . In einer weiteren Ausführungsform der Radialflussmaschine ist jeder der Läufer derart konisch geformt, dass ein Radius ei¬ nes jeweiligen Läufers nicht konstant ist, sondern sich mit einer sich in axialer Richtung zwischen den axialen Enden des jeweiligen Läufers erstreckenden Höhe des Läufers kontinuier- lieh oder stufenweise ändert. Jedes der
Statorwicklungssysteme ist entsprechend der konischen Form des ihm zugeordneten Läufers derart geformt, dass die radiale Ausdehnung des jeweiligen Luftspalts zwischen dem jeweiligen Statorwicklungssystem und dem ihm zugeordneten Läufer in der Normalposition an jedem Punkt der Höhe des jeweiligen Läufers im Wesentlichen gleich ist. Die Läufer sind derart angeordnet, dass für jeden Läufer der Radius an demjenigen axialen Ende des jeweiligen Läufers maximal ist, das dem jeweils anderen Läufer zugewandt ist. Der Radius an dem jeweils anderen Ende des jeweiligen Läufers ist dementsprechend minimal. Entsprechendes gilt für die
Statorwicklungssysteme, d.h. für jedes Statorwicklungssystem ist der Radius an demjenigen axialen Ende des jeweiligen Systems maximal, das dem jeweils anderen Statorwicklungssystem zugewandt ist. Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den Zeichnungen und der entsprechenden Beschreibung.
Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausführungsformen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dort wer- den gleiche Komponenten in verschiedenen Figuren durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.
Es zeigt: FIG 1 eine permanenterregte elektrische Maschine,
FIG 2 eine erste Variante einer ersten Ausführungsform einer elektrischen Maschine in einem Normalbetrieb, FIG 3 die erste Variante der ersten Ausführungsform der
elektrischen Maschine im Fehlerfall,
FIG 4 eine zweite Variante der ersten Ausführungsform der elektrischen Maschine im Normalbetrieb,
FIG 5 die zweite Variante der ersten Ausführungsform der elektrischen Maschine im Fehlerfall, FIG 6 eine dritte Variante der ersten Ausführungsform der elektrischen Maschine im Normalbetrieb,
FIG 7 die dritte Variante der ersten Ausführungsform der elektrischen Maschine im Fehlerfall,
FIG 8 eine erste Variante einer zweiten Ausführungsform der elektrischen Maschine in einem Normalbetrieb FIG 9 die erste Variante der zweiten Ausführungsform der elektrischen Maschine bei Vorliegen eines Fehlerfalls
FIG 10 eine zweite Variante der zweiten Ausführungsform der elektrischen Maschine bei Vorliegen eines Fehler- falls,
FIG 11 eine dritte Variante der zweiten Ausführungsform der elektrischen Maschine in einem Normalbetrieb, FIG 12 die dritte Variante der zweiten Ausführungsform der elektrischen Maschine bei Vorliegen eines Fehlerfalls,
FIG 13 die erste Variante der zweiten Ausführungsform im
Normalbetrieb und mit einer Verschiebevorrichtung,
FIG 14 die erste Variante der zweiten Ausführungsform bei
Vorliegen eines Fehlerfalls und mit der Verschiebe¬ vorrichtung .
Es sei angemerkt, dass sich Begriffe wie „axial" und „radial" auf die in der jeweiligen Figur bzw. im jeweils beschriebenen Beispiel zum Einsatz kommende Welle bzw. Achse beziehen. Mit anderen Worten beziehen sich die Richtungen axial und radial stets auf eine Drehachse des jeweiligen Läufers. Eine Komponente, in der ein Fehlerfall eintritt, wird im Fol¬ genden konsequenterweise als „fehlerhafte Komponente" be¬ zeichnet . Die FIG 1 zeigt, lediglich zur Erläuterung der grundsätzlichen Funktionsweise bzw. des Grundkonzepts, eine
Prinzipdarstellung einer einfachen, permanenterregten elektrischen Maschine 100. Die Maschine 100 weist einen Läufer 110 mit Permanentmagneten 130 sowie einen Stator 120 mit
Statorwicklungssystem bzw. Statorspulen 140 auf. Der an einer Welle 150 befestigte Läufer 110 ist mit der Welle 150 gegen¬ über dem Stator 120 um eine Rotationsachse A rotierbar. Im Betriebszustand der elektrischen Maschine 100 rotiert der Läufer 110 gegenüber dem Stator 120. Läufer 110 und Stator 120 sind derart zueinander angeordnet, dass ein Magnetfeld der Permanentmagnete 130 und die Spulen 140 derart in elekt¬ romagnetische Wechselwirkung miteinander treten, dass die elektrische Maschine 100 aufgrund der Wechselwirkung in einem ersten Betriebsmodus als Generator und/oder in einem zweiten Betriebsmodus als Elektromotor arbeitet. Arbeitet die elekt¬ rische Maschine 100 als Generator, so werden der Läufer 110 und mit ihm die Permanentmagnete 130 über die Welle 150 der elektrischen Maschine 100 in Rotation versetzt, so dass in den Spulen 140 des Stators 120 elektrische Spannungen indu- ziert werden, die über nicht dargestellte elektrische An¬ schlüsse abgegriffen werden können. Soll die elektrische Ma¬ schine 100 als Elektromotor arbeiten und bspw. eine Propeller antreiben, so werden die Spulen 140 mit elektrischem Strom beaufschlagt, so dass aufgrund der Wechselwirkung der hiermit erzeugten Magnetfelder mit den Feldern der Permanentmagnete
130 ein Drehmoment auf den Läufer 110 und damit auf die Welle 150 wirkt, welches an die anzutreibende Vorrichtung, bspw. den Propeller, weiter gegeben werden kann. In Weiterbildungen der elektrischen Maschine 100 kann diese als Axialflussmaschine oder als Radialflussmaschine ausgebil¬ det sein, was aber auf die soeben beschriebene grundsätzliche Funktionsweise keinen Einfluss hat. Ebenso kann die Maschine 100 bspw. zur Erhöhung der Redundanz mehrere Läufer und/oder mehrere Statoren aufweisen, d.h. mehrere Teilantriebssysteme, und/oder der Läufer bzw. der Stator kann als Einzel- oder Doppelläufer bzw. Einzel- oder Doppelstator ausgebildet sein. In all diesen Fällen bleibt aber das Grundkonzept der elekt¬ rischen Maschine anwendbar. Insbesondere gilt in allen Fäl¬ len, dass die Effizienz der erwähnten elektromagnetischen Wechselwirkung und damit letztlich die Leistungsdichte der elektrischen Maschine von der Ausdehnung des sogenannten Luftspaltes zwischen den miteinander wechselwirkenden Permanentmagneten und Statorspulen bzw. zwischen einander zugeordneten Läufer und Stator abhängt. Dabei steigt die Effizienz mit kleiner werdendem Luftspalt, d.h. im normalen Betrieb ist man an einem möglichst engen bzw. kleinen Luftspalt interes- siert. Umgekehrt sinkt die Effizienz mit größer werdendem
Luftspalt, bis der Abstand zwischen Stator und Läufer so groß ist, dass die elektromagnetische Wechselwirkung so gering wird, dass trotz rotierendem Läufer quasi keine Spannung mehr in den Statorspulen induziert wird.
Da die grundsätzliche Arbeitsweise einer elektrischen Maschi¬ ne 100 bekannt ist, wird an dieser Stelle auf eine weiter ge¬ hende Erläuterung verzichtet. Der Übersichtlichkeit wegen wird in den folgenden Figuren auf die Darstellung der Permanentmagnete und der Statorspulen verzichtet. Es werden dagegen lediglich Läufer bzw. Statoren ohne weitere Detaillierung dargestellt, wobei davon ausgegan¬ gen werden kann, dass die dargestellten Läufer eine Vielzahl von Permanentmagneten und die Statoren eine Vielzahl von
Statorwicklungssystemen bzw. Statorspulen aufweisen, so dass einander zugeordnete Läufer und Statoren bzw. deren Permanentmagnete und Wicklungssysteme elektromagnetisch miteinan¬ der wechselwirken können, um die elektrische Maschine 10 als Elektromotor oder als Generator zu betreiben. Dabei ist desweiteren davon auszugehen, dass für den Fall, dass der Läufer als Doppelläufer mit zwei Teilläufern ausgebildet ist, die Permanentmagnete an den Teilläufern angeordnet sind. Für den Fall, dass der Läufer als Einfachläufer ausgebildet ist, be¬ finden sich die Permanentmagnete konsequenterweise am Einzel¬ läufer. Entsprechendes gilt für den Stator: Wenn dieser als Doppelstator mit zwei Teilstatoren ausgebildet ist, befinden sich die Statorwicklungssysteme an den Teilstatoren. Bei ei¬ nem Einfachstator sind die Statorwicklungssysteme am diesem Einfachstator angeordnet. Unabhängig von der Ausbildung des Läufers und des Stators gilt in allen Ausführungsformen und Varianten, dass jeder Läufer gegenüber dem jeweils zugeordne- ten Stator rotierbar ist. Dabei sind die Läufer drehfest mit der Welle verbunden, bspw. mit Hilfe einer entsprechenden Verzahnung. Desweiteren sind sämtliche Läufer und Statoren konzentrisch zueinander und zur jeweiligen Welle angeordnet. In der ersten Ausführungsform ist die elektrische Maschine 10 als Axialflussmaschine ausgebildet, d.h. insbesondere dass Läufer und Stator in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind und der magnetische Fluss zwischen Läufer und Stator in im Wesentlichen axialer Richtung verläuft.
Die FIG 2 zeigt eine erste Variante der ersten Ausführungs¬ form in einem Normalbetrieb, bei der die Maschine 10 ein ers¬ tes Teilantriebssystem 200 und der Redundanz wegen auch ein zweites Teilantriebssystem 300 aufweist. Jedes der Teilan- triebssysteme 200, 300 umfasst einen Doppelläufer 210, 310 mit in axialer Richtung auf der Welle 150 verschiebbaren Teilläufern 211, 212 bzw. 311, 312 sowie einen Stator 220, 320, wobei die Statoren 220, 320 jeweils in axialer Richtung zwischen den Teilläufern 211, 212 bzw. 311, 312 des jeweili- gen Teilantriebssystems 200, 300 angeordnet sind.
Der erste Doppelläufer 210 und der erste Stator 220 sind ei¬ nander zugeordnet und im Normalbetrieb der Maschine 10 derart ausgebildet und Luftspalte 231, 232 zwischen sich bildend zu- einander angeordnet, dass sie elektromagnetisch miteinander wechselwirken können. Der zweite Doppelläufer 310 und der zweite Stator 320 sind ebenfalls einander zugeordnet und im Normalbetrieb der Ma¬ schine 10 derart ausgebildet und Luftspalte 331, 332 zwischen sich bildend zueinander angeordnet, dass sie elektromagne- tisch miteinander wechselwirken können.
Sowohl der erste 210 als auch der zweite Doppelläufer 310 bzw. deren Teilläufer 211, 212, 311, 312 sind drehfest mit einer Welle 150 verbunden. Wenn die Teilantriebssysteme 200, 300 als Elektromotoren arbeiten, wird die Welle 150 durch die Doppelläufer 210, 220 angetrieben, so dass ein mit der Welle 150 verbundenes Vortriebsmittel (nicht dargestellt), bspw. ein Propeller, in Rotation versetzt werden kann. Die FIG 3 zeigt die erste Variante der ersten Ausführungsform bei Vorliegen eines Fehlerfalls im Statorwicklungssystem des Stators 220 des ersten Teilantriebssystems 200. Wie deutlich zu sehen ist, wurde mit Hilfe einer hier noch nicht darge¬ stellten Vorrichtung 400 bewirkt, dass die Luftspalte 231, 232 zwischen dem ersten Stator 220 und den Teilläufern 211, 212 soweit vergrößert wurden, dass die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem ersten Stator 220 und den Teilläufern 211, 212 unterbunden ist, d.h. der erste Doppelläufer 210 ist magnetisch vom fehlerhaften Stator 220 entkoppelt. Der. Obwohl also, insbesondere bewirkt durch das weiterhin als Elektromotor fungierende zweite Teilantriebssystem 300, die Welle 150 und mit ihr die Teilläufer 211, 212 rotieren, werden aufgrund der vergrößerten Luftspalte 231, 232 im
Statorwicklungssystem des ersten Stators 220 keine Spannungen induziert, womit die Brandgefahr auf ein Minimum reduziert bzw. quasi ausgeschlossen ist. Desweiteren kann das Vortriebsmittel trotz Ausfall des ersten Teilantriebssystems 200 nach wie vor betrieben werden, wenn auch mit verminderter Effizienz. Redundanz ist also in dieser Variante gegeben.
Die FIG 4 zeigt eine zweite Variante der ersten Ausführungs¬ form in einem Normalbetrieb, bei der die Maschine 10 eben¬ falls ein erstes 200 und der Redundanz wegen auch ein zweites Teilantriebssystem 300 aufweist. Jedes der Teilantriebssyste¬ me 200, 300 umfasst einen in axialer Richtung auf der Welle 150 verschiebbaren Läufer 210, 310, insbesondere ausgebildet als Einzelläufer 210, 310, sowie einen Stator 220, 320. Die zweite Variante der ersten Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Variante lediglich darin, dass die Läufer 210, 310 hier nicht als Doppelläufer ausgebildet sind.
Läufer 210, 310 und Stator 220, 320 des jeweiligen Teilan- triebssystems 200, 300 sind auch in dieser Variante einander zugeordnet und im Normalbetrieb der Maschine 10 derart ausge¬ bildet und Luftspalte 231, 331 zwischen sich bildend zueinan¬ der angeordnet, dass sie elektromagnetisch miteinander wechselwirken können. Im Normalbetrieb arbeiten also die Teilan- triebssysteme 200, 300 derart, dass sie beide über ihre Läu¬ fer 210, 310 die Welle 150 in Rotation versetzen.
Die FIG 5 zeigt die zweite Variante der ersten Ausführungs¬ form bei Vorliegen eines Fehlerfalls im Statorwicklungssystem des Stators 220 des ersten Teilantriebssystems 200. Ähnlich wie in der ersten Variante wurde mit Hilfe der hier ebenfalls nicht dargestellten Vorrichtung 400 bewirkt, dass der Luftspalte 231 zwischen dem ersten Stator 220 und dem ersten Läufer 210 so weit vergrößert wurde, dass die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem ersten Stator 220 und dem Läufer 210 unterbunden ist, d.h. der erste Läufer 210 ist magnetisch vom fehlerhaften Stator 220 entkoppelt. Auch hier gilt, dass aufgrund des vergrößerten Luftspalts 231 im
Statorwicklungssystem des ersten Stators 220 keine Spannungen induziert werden kann, womit die Brandgefahr auf ein Minimum reduziert bzw. quasi ausgeschlossen ist, obwohl -insbesondere bewirkt durch das weiterhin als Elektromotor fungierende zweite Teilantriebssystem 300- die Welle 150 und mit ihr der Läufer 210 rotieren. Das Vortriebsmittel kann weiterhin trotz Ausfall des ersten Teilantriebssystems 200 nach wie vor be¬ trieben werden, wenn auch mit verminderter Effizienz. Redundanz ist also auch in dieser Variante gegeben. Die FIG 6 zeigt eine dritte Variante der ersten Ausführungs¬ form der elektrischen Maschine 10 im Normalbetrieb. Die Ma¬ schine 10 weist ein in sich bereits redundantes Antriebsystem 200 auf, umfassend einen Läufer 210, insbesondere einen Ein- zelläufer, sowie einen Doppelstator 220 mit in axialer Richtung auf der Welle 150 verschiebbaren Teilstatoren 221, 222. Der Läufer 210 ist in axialer Richtung zwischen den
Teilstatoren 221, 222 angeordnet. Läufer 210 und Stator 220 des Antriebssystems 200 sind auch in dieser dritten Variante der ersten Ausführungsform einander zugeordnet und im Normalbetrieb der Maschine 10 derart ausgebildet und Luftspalte 231, 232 zwischen sich bildend zu¬ einander angeordnet, dass sie elektromagnetisch miteinander wechselwirken können. Im Normalbetrieb arbeitet also das An¬ triebssystem 200 derart, dass es über den Läufer 210 die Wel¬ le 150 in Rotation versetzt.
Die FIG 7 zeigt die dritte Variante der ersten Ausführungs- form bei Vorliegen eines Fehlerfalls im Statorwicklungssystem des Teilstators 221. Auch hier wurde mit Hilfe der hier eben¬ falls nicht dargestellten Vorrichtung 400 bewirkt, dass der Luftspalt 231 zwischen dem Teilstator 221 und dem Läufer 210 so weit vergrößert wurde, dass die elektromagnetische Wech- selwirkung zwischen dem Teilstator 221 und dem Läufer 210 unterbunden ist, d.h. der Läufer 210 ist magnetisch vom fehlerhaften ersten Teilstator 221 entkoppelt. Aufgrund des vergrö¬ ßerten Luftspalts 231 können im Statorwicklungssystem des Teilstators 221 keine Spannungen induziert werden, obwohl der Läufer 210 aufgrund seiner Wechselwirkung mit dem intakten
Teilstator 222 nach wie vor rotiert. Aufgrund dieser Rotation wird auch trotz des Fehlerfalls im Teilstator 221 die Welle 150 und mit ihr das Vortriebsmittel angetrieben, wenn auch wiederum mit verminderter Effizienz. Redundanz ist also auch in dieser Variante gegeben.
Die folgenden Figuren 8 bis 12 betreffen eine zweite Ausführungsform der elektrischen Maschine 10. In den Varianten der zweiten Ausführungsform ist die Maschine 10 als Radialfluss¬ maschine ausgebildet, d.h. insbesondere, dass ein Läufer und ein Stator, die einander zugeordnet sind und im Normalbetrieb miteinander wechselwirken, in axialer Richtung im Wesentli- chen an der gleichen Position angeordnet sind, dass aber der Stator radial außerhalb des Läufers angeordnet ist (theore¬ tisch auch umgekehrt) . Der magnetische Fluss zwischen Läufer und Stator verläuft in im Wesentlichen radialer Richtung. In den Figuren zu den Varianten der zweiten Ausführungsform sind für die jeweiligen Statoren 220, 320 auch die typischerweise vorhandenen Wickelköpfe 225, 325 dargestellt. Desweite¬ ren weisen die Statoren 220, 320 jeweils Statorelektrobleche 226, 326 auf. Aufgrund des Platzbedarfs der Wickelköpfe 225, 325 befindet sich in axialer Richtung zwischen den
Statorelektroblechen 226, 326 der beiden Statoren 220, 320 ein Raum, in dem kein Elektroblech vorhanden ist. Wie im Folgenden gezeigt wird, wird dieser Platz benötigt, um einen je¬ weiligen Läufer 210, 310 zu verschieben.
Die FIG 8 zeigt eine erste Variante der zweiten Ausführungs¬ form in einem Normalbetrieb. Die Maschine 10 weist ein erstes Teilantriebssystem 200 und der Redundanz wegen auch ein zweites Teilantriebssystem 300 auf. Jedes der Teilantriebssysteme 200, 300 umfasst einen in axialer Richtung auf der Welle 150 verschiebbaren Läufer 210, 310 sowie einen Stator 220, 320
Der erste Läufer 210 und der erste Stator 220 sind einander zugeordnet und im Normalbetrieb der Maschine 10 derart ausge- bildet und einen ringförmigen bzw. zylindrischen Luftspalt 231 zwischen sich bildend zueinander angeordnet, dass sie elektromagnetisch miteinander wechselwirken können.
Der zweite Läufer 310 und der zweite Stator 320 sind ebenso einander zugeordnet und im Normalbetrieb der Maschine 10 der¬ art ausgebildet und einen ringförmigen bzw. zylindrischen Luftspalt 331 zwischen sich bildend zueinander angeordnet, dass sie elektromagnetisch miteinander wechselwirken können. Wenn die Teilantriebssysteme 200, 300 als Elektromotoren ar¬ beiten, wird die Welle 150 durch die Läufer 210, 220 ange¬ trieben, so dass ein mit der Welle 150 verbundenes Vortriebs- mittel (nicht dargestellt), bspw. ein Propeller, in Rotation versetzt werden kann.
Die FIG 9 zeigt die erste Variante der zweiten Ausführungs¬ form bei Vorliegen eines Fehlerfalls im Statorwicklungssystem des Stators 220 des ersten Teilantriebssystems 200. Wie deut¬ lich zu sehen ist, wurde mit Hilfe der hier nicht dargestell¬ ten Vorrichtung 400 bewirkt, dass der dem fehlerhafte Stator 220 zugeordnete Läufer 210 in axialer Richtung verschoben wurde. In dieser ersten Variante der zweiten Ausführungsform wird der Läufer 210 insbesondere so weit verschoben, dass er aus dem Bereich innerhalb des Statorelektroblechs 225 in den Bereich unterhalb der Wickelköpfe 225, 325 gelangt. Die Ver¬ schiebung bewirkt, dass sich der Luftspalt 231 bzw. der Ab¬ stand zwischen fehlerhaftem Stator 220 und Läufer 210 so weit vergrößert hat, dass die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem ersten Stator 220 und dem Läufer 210 unterbunden ist, d.h. der erste Läufer 210 ist magnetisch vom fehlerhaften Stator 220 entkoppelt. Obwohl also, insbesondere bewirkt durch das weiterhin als Elektromotor fungierende zweite Teil- antriebssystem 300, die Welle 150 und mit ihr der Läufer 210 rotieren, werden aufgrund des vergrößerten Luftspalts 231 bzw. Abstand im Statorwicklungssystem des ersten Stators 220 keine Spannungen induziert, womit die Brandgefahr auf ein Minimum reduziert bzw. quasi ausgeschlossen ist. Desweiteren kann das Vortriebsmittel trotz Ausfall des ersten Teilan¬ triebssystems 200 nach wie vor betrieben werden, wenn auch mit verminderter Effizienz. Redundanz ist also in dieser Variante gegeben. In dieser ersten Variante der zweiten Ausführungsform und ebenso in der im Folgenden zu beschreibenden zweiten Variante wird der Luftspalt streng genommen nicht nur vergrößert, son¬ dern es geht die ursprüngliche Geometrie des Luftspalts ver- loren. Nichtsdestotrotz wird auch in diesem Zusammenhang von einer „Vergrößerung" des Luftspalts gesprochen, womit insbesondere im Zusammenhang mit der Radialflussmaschine jedoch gemeint ist, dass die Distanz zwischen Läufer und zugeordne- tem Stator vergrößert wird. Unabhängig von der Begrifflichkeit ist davon auszugehen, dass der Verlust der Geometrie des Luftspalts neben der reinen Vergrößerung des Abstands einen wesentlichen Einfluss auf die Reduktion der elektromagneti¬ schen Wechselwirkung hat.
Die FIG 10 zeigt eine zweite Variante der zweiten Ausfüh¬ rungsform, die der ersten Variante der zweiten Ausführungsform bis auf das Detail entspricht, dass in der zweiten Vari¬ ante der Raum, in den der Läufer 210, 310 im Fehlerfall ver- schoben werden kann, in axialer Richtung weniger ausgedehnt ist. Das kann bspw. mit beengten Platzverhältnissen begründet sein. Wegen der Ähnlichkeit der Varianten wird darauf verzichtet, diese zweite Variante für den Normalbetrieb darzu¬ stellen. Die FIG 10 zeigt daher die zweite Variante der zwei- ten Ausführungsform bei Vorliegen eines Fehlerfalls im
Statorwicklungssystem des Stators 220 des ersten Teilantriebssystems 200. Der zugeordnete Läufer 210 wurde in axia¬ ler Richtung verschoben. In dieser zweiten Variante der zweiten Ausführungsform wird der Läufer 210 jedoch nur so weit verschoben, dass er noch teilweise in den Bereich innerhalb des Statorelektroblechs 225 hereinragt. Dabei ist die elekt¬ romagnetische Wechselwirkung zwischen dem Läufer 210 und dem Stator 220 zwar noch stärker als in der ersten Variante, aber man kann von Fällen ausgehen, bei denen es tatsächlich nicht notwendig ist, den Läufer 210 gänzlich aus dem genannten Bereich zu entfernen. Hierbei spielt auch wieder die oben angedeutete Thematik eine Rolle, dass in der ersten und der zwei¬ ten Variante auch die Geometrie des Luftspalte 231 stark ge¬ ändert wird.
Die Verschiebung bewirkt also, dass sich der Luftspalt 231 bzw. der Abstand zwischen fehlerhaftem Stator 220 und Läufer 210 so weit vergrößert hat, dass die elektromagnetische Wech- selwirkung zwischen dem ersten Stator 220 und den Teilläufern 211, 212 ausreichend stark reduziert ist, d.h. der erste Läu¬ fer 210 ist magnetisch vom fehlerhaften Stator 220 entkoppelt. Obwohl also, insbesondere bewirkt durch das weiterhin als Elektromotor fungierende zweite Teilantriebssystem 300, die Welle 150 und mit ihr der Läufer 210 rotieren, werden aufgrund des vergrößerten Luftspalts 231 bzw. Abstand im Statorwicklungssystem des ersten Stators 220 keine Spannungen induziert, womit die Brandgefahr auf ein Minimum reduziert bzw. quasi ausgeschlossen ist. Desweiteren kann das Vortriebsmittel trotz Ausfall des ersten Teilantriebssystems 200 nach wie vor betrieben werden, wenn auch mit verminderter Effizienz. Redundanz ist also in dieser Variante gegeben. Die FIG 11 zeigt eine dritte Variante der zweiten Ausfüh¬ rungsform in einem Normalbetrieb. Die Maschine 10 weist ein erstes Teilantriebssystem 200 und der Redundanz wegen auch ein zweites Teilantriebssystem 300 auf. Jedes der Teilantriebssysteme 200, 300 umfasst einen in axialer Richtung auf der Welle 150 verschiebbaren Läufer 210, 310 sowie einen Stator 220, 320.
Der erste Läufer 210 und der erste Stator 220 sind einander zugeordnet und im Normalbetrieb der Maschine 10 derart ausge- bildet und einen Luftspalt 231 zwischen sich bildend zueinan¬ der angeordnet, dass sie elektromagnetisch miteinander wechselwirken können.
Der zweite Läufer 310 und der zweite Stator 320 sind ebenso einander zugeordnet und im Normalbetrieb der Maschine 10 der¬ art ausgebildet und einen Luftspalt 331 zwischen sich bildend zueinander angeordnet, dass sie elektromagnetisch miteinander wechselwirken können. Wenn die Teilantriebssysteme 200, 300 als Elektromotoren ar¬ beiten, wird die Welle 150 durch die Läufer 210, 220 ange¬ trieben, so dass ein mit der Welle 150 verbundenes Vortriebs- mittel (nicht dargestellt), bspw. ein Propeller, in Rotation versetzt werden kann.
Im Unterschied zur den anderen Varianten der zweiten und auch der ersten Ausführungsform sind die Läufer 210, 310 in der dritten Variante nicht im Wesentlichen zylindrisch, sondern sie weisen eine konische Form auf. Die Läufer 210, 310 zeich¬ nen sich also dadurch aus, dass ihre Radien RL nicht konstant sind, sondern sich mit der Höhe des jeweiligen Läufers 210, 310 ändern, wobei sich die Höhe in axialer Richtung erstreckt. Die Form der Läufer 210, 310 ist insbesondere der¬ art, dass der Radius RLi an derjenigen Seite des jeweiligen Läufers 210, 310 maximal ist, die dem jeweils anderen Läufer 310, 210 zugewandt ist. Der Radius RLa an der jeweils anderen Seite des jeweiligen Läufers 210, 310 ist dementsprechend mi¬ nimal. Im Bereich zwischen den beiden Enden des jeweiligen Läufers 210, 310 ändert sich der Radius RL von der einen zur anderen Seite des jeweiligen Läufers 210, 310 kontinuierlich oder aber, wie in FIG 11 dargestellt, stufenweise.
Die Statoren 220, 320 sind entsprechend der konischen Form der Läufer 210, 310 derart geformt, dass die radiale Ausdeh¬ nung der Luftspalte 231, 331 insbesondere im Normalbetrieb überall, d.h. an jedem Punkt der Höhe des jeweiligen Läufers 210, 310, gleich ist. Auch die in den hier dargestellten Ausführungsformen als Hohlkörper ausgebildeten Statoren 220, 320 zeichnen sich demnach dadurch aus, dass ihre Innenradien RS nicht konstant sind, sondern sich mit der Höhe des jeweiligen Stators 220, 320 ändern. Dabei erstrecken sich auch die Höhen der Statoren 220, 320 in der axialen Richtung. Die Form der Statoren 220, 320 ist insbesondere derart, dass der Innenra¬ dius RSi an derjenigen Seite des jeweiligen Stators 220, 320 maximal ist, die dem jeweils anderen Stator 320, 220 zuge¬ wandt ist. Der Innenradius RSa an der jeweils anderen Seite des jeweiligen Stators 220, 320 ist dementsprechend minimal. Im Bereich zwischen den beiden Enden des jeweiligen Stators 220, 320 ändert sich der Innenradius RS von der einen zur an¬ deren Seite des jeweiligen Stators 220, 320 kontinuierlich oder aber, wie in FIG 11 dargestellt, stufenweise. Die
Statoren 220, 320 sind also derart geformt, dass sie insbe¬ sondere an ihrer Innenseite eine der konischen Form des je¬ weils zugeordneten Läufers 210, 310 angepasste Form aufwei- sen, also ebenfalls konisch sind.
Die obige Beschreibung gilt insbesondere für den dargestell¬ ten Fall, bei dem die Läufer 210, 310 als Innenläufer ausge¬ bildet sind. In einer alternativen, aber nicht dargestellten Ausführung, bei der die Läufer als Außenläufer ausgebildet sind, wäre die Anordnung analog zur in der FIG 11 dargestell¬ ten Anordnung, nur wären in diesem Fall die Läufer als Hohlkörper ausgebildet und ihre Innenradien würden entsprechend der konischen Form des radial innen liegenden Stators ange- passt sein, so dass der jeweilige Luftspalt konstant ist.
Im Normalbetrieb gilt demnach für beide Teilantriebssysteme 200, 300: RS (h) =RL (h) +L, wobei „h" die Position in axialer Richtung angibt und L die Erstreckung des Luftspalts 231, 331 in radialer Richtung beschreibt.
Die FIG 12 zeigt die dritte Variante der zweiten Ausführungs¬ form bei Vorliegen eines Fehlerfalls im Statorwicklungssystem des Stators 220 des ersten Teilantriebssystems 200. Wie deut- lieh zu sehen ist, wurde mit Hilfe der hier nicht dargestell¬ ten Vorrichtung 400 bewirkt, dass der zugeordnete Läufer 210 in axialer Richtung verschoben wurde, so dass sich aufgrund der konischen Form des Läufers 210 und des Stators 220 der Luftspalt 231 vergrößert, so dass die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem ersten Stator 220 und dem Läufer 210 unterbunden ist, d.h. der erste Läufer 210 ist magnetisch vom fehlerhaften Stator 220 entkoppelt. Obwohl also, insbesondere bewirkt durch das weiterhin als Elektromotor fungie¬ rende zweite Teilantriebssystem 300, die Welle 150 und mit ihr der Läufer 210 rotieren, werden aufgrund des vergrößerten Luftspalts 231 bzw. Abstand im Statorwicklungssystem des ers¬ ten Stators 220 keine Spannungen induziert, womit die Brand¬ gefahr auf ein Minimum reduziert bzw. quasi ausgeschlossen ist. Desweiteren kann das Vortriebsmittel trotz Ausfall des ersten Teilantriebssystems 200 nach wie vor betrieben werden, wenn auch mit verminderter Effizienz. Redundanz ist also in dieser Variante gegeben.
Der besondere Vorteil der dritten Variante mit konischen Läu¬ fern 210, 310 und entsprechend geformten Statoren 220, 320 liegt darin, dass der jeweilige Läufer 210, 310 wesentlich weniger weit verschoben werden muss, um im Fehlerfall den je- weiligen Luftspalt 231, 331 im Fehlerfall signifikant zu ver¬ größern. D.h. die in der dritten Variante vorgestellte Geo¬ metrie ist insbesondere bei beengten Platzverhältnissen vorteilhaft . In den Ausführungsformen bzw. Varianten, in denen mehrere
Statoren bzw. Teilstatoren vorgesehen sind, ist davon auszugehen, dass die einzelnen Statoren bzw. Teilstatoren elektrisch isoliert sind, so dass ein Fehler in einem Stator bzw. Teilstator nicht auf den jeweils anderen Stator bzw. Teilsta- tor übergreifen kann.
Die FIG 13 zeigt am Beispiel der ersten Variante der zweiten Ausführungsform im Normalbetrieb eine Vorrichtung 400, mit der die Läufer 210, 310 in axialer Richtung verschiebbar sind. Die Vorrichtung 400 weist für jeden Läufer 210, 310 ein mechanisches Mittel 411, 421 auf, bspw. mechanische Federn, mit dem jeweils eine Kraft auf den zu verschiebenden Läufer 210, 310 aufbringbar ist. Die Federn 411, 421 sind mit einem Ende 412, 422 bspw. an einem Gehäuseteil 11 der elektrischen Maschine 10 befestigt. Alternativ könnten die Enden 412, 422 an einem anderen feststehenden Gegenstand befestigt sein, bspw. an den Wickelköpfen 225, 325. Das jeweilige andere Ende 413, 423 der Federn 411, 421 ist am jeweiligen Läufer 210, 310 befestigt, vorzugsweise an einer Komponente 215, 315 des jeweiligen Läufers 210, 310, die nicht mitrotiert, sondern bezüglich des Gehäuses 11 still steht. Die Federn 411, 421 sind dabei derart angeordnet und orientiert, dass sie jeweils eine Kraftwirkung entfalten können, die zumindest eine Kompo- nente in axialer Richtung aufweist, so dass der jeweilige Läufer 210, 310 aufgrund der Kraftwirkung ggf. verschoben werden kann. Hierzu sind die Federn 411, 421 im Normalbetrieb insbesondere vorgespannt, es wird jedoch durch mechanische Arretierungen 414, 424 bewirkt, dass die Federn 411, 421 daran gehindert werden, sich zu entspannen und die aufgrund der Vorspannung gespeicherte Energie bzw. vorgehaltene Kraft zu entfalten. Die Arretierungen können je nach Ausbildung und Anordnung der Federn 411, 421 an verschiedensten Orten ange- bracht sein. Bspw. können sie, wie in FIG 13 angedeutet, fes¬ te Verbindungen zwischen dem Gehäuse 11 und den Komponente 215, 315 herstellen. Alternativ können die Arretierungen auch bspw. als Triggerstifte ausgebildet sein. Im Fehlerfall wird das jeweilige mechanische Mittel 411 bzw. 421, d.h. die entsprechende Feder 411, 421, durch Lösen der jeweiligen Arretierung 414, 424 aktiviert, so dass sich die entsprechende Feder 411, 421 entspannen und die Kraftwirkung auf den jeweiligen Läufer 210, 310 entfalten kann, so dass dieser verschoben wird.
Die FIG 14 zeigt am Beispiel der ersten Variante der zweiten Ausführungsform die Vorrichtung 400 im Fehlerfall. Die Arretierungen 414 sind gelöst, so dass sich die Federn 411 ent- spannen konnten, resultierend in einer Kraftwirkung auf den
Läufer 210. Dieser wurde dementsprechend wie in FIG 14 darge¬ stellt und wie bereits im Zusammenhang mit FIG 10 erläutert verschoben . Das Lösen der Arretierungen kann bspw. durch eine Steuerung 500 erfolgen, die die Teilantriebssysteme 200, 300 zumindest bzgl . des Auftretens eines Fehlerfalls überwacht und bei De- tektion einer solchen Situation ein Lösen der entsprechenden Arretierung 414 bzw. 424 initiiert.
Die im Zusammenhang mit den Figuren 13, 14 beschriebene Vorrichtung 400 und insbesondere die mechanischen Mittel 411, 421 können natürlich in verschiedensten Ausbildungen reali- siert sein, von denen eine mögliche Ausbildung die beschrie¬ bene Feder ist. Diese wurde oben in einer Konfiguration als Druckfeder erläutert, sie kann aber natürlich bei entsprechender Anordnung auch als Zugfeder konfiguriert sein. Andere Realisierungen der mechanischen Mittel 411, 421 sind ebenfalls denkbar, bspw. können pneumatische Vorrichtungen vorgesehen sein, die bei Aktivierung die benötigte Wirkung zum Verschieben des jeweiligen Läufers 210, 310 oder ggf. Stators 220, 320 entfalten.
Für die Gewährleistung der Sicherheit muss eine elektrische Maschine sicher abschaltbar sein, auch wenn der Läufer durch externe Einflüsse weitergedreht wird. Für die Gewährleistung der Zuverlässigkeit müssen jedoch mehrere elektrische Maschi- nen auf einen mechanischen Strang integriert werden, und alle Maschinen müssen sicher abschaltbar sein, auch wenn der Läufer durch die verbleibenden Maschinen weitergedreht wird. Dieser scheinbare Konflikt wird durch den hier vorgeschlage¬ nen Ansatz gelöst
Die vorgestellte Lösung erlaubt demnach eine effektive Nut¬ zung der Redundanz der elektrischen Maschine 10 auch mit mehreren Statorwicklungssystemen durch Verhinderung des unerwünschten Energieeintrags in ein schadhaftes Wicklungssystem durch magnetische Entkopplung des zugehörigen Läuferteils, was zu einer Reduzierung der Auftretenswahrscheinlichkeit ei¬ nes Brandes der elektrischen Maschine führt.
Für diejenigen Ausführungsformen und Varianten, bei denen die Maschine als Radialflussmaschine ausgebildet ist, wurde le¬ diglich exemplarisch davon ausgegangen, dass die Läuferanordnung mit Innenläufern 210, 310 ausgestattet ist. Es ist je¬ doch davon auszugehen, dass das gleiche Prinzip der Verschiebung zur Vergrößerung des jeweiligen Luftspaltes auch mit elektrischen Maschinen umsetzbar ist, die mit Außenläufern arbeiten .

Claims

Patentansprüche
1. Redundante elektrische Maschine (100) zum Antreiben eines Vortriebsmittels mit einem Antriebssystem, wobei das An- triebssystem aufweist
- eine Statoranordnung mit zumindest zwei
Statorwicklungssystemen (220, 320),
- eine Läuferanordnung mit zumindest einem Läufer (210, 310), wobei jeder Läufer (210, 310) zumindest einen Permanentmag- neten aufweist, sowie
wobei
- jedem Statorwicklungssystem (220, 320) einer der Läufer
(210, 310) zugeordnet ist, wobei ein jeweiliges
Statorwicklungssystem (220, 320) und der ihm zugeordnete Läufer (210, 310) einen jeweiligen Luftspalt zwischen sich bildend zueinander angeordnet sind, so dass das jeweilige Statorwicklungssystem (220, 320) und der Permanentmagnet des dem jeweiligen Statorwicklungssystem (220, 320) zugeordneten Läufers (210, 310) im Normalbetrieb der elektri- sehen Maschine (100) über den jeweiligen Luftspalt elektro¬ magnetisch miteinander wechselwirken können,
und wobei
- die elektrische Maschine (100) für einen in einem fehler¬ haften der beiden Statorwicklungssysteme (220, 320) auftre- tenden Fehlerfall eine Verschiebevorrichtung (400) zur gegenseitigen Verschiebung des fehlerhaften
Statorwicklungssystems (220, 320) und des diesem zugeordne¬ ten Läufers (210, 310) aus einer Normalposition heraus auf¬ weist, wobei die Verschiebevorrichtung (400) derart ausge- bildet ist, dass durch die Verschiebung aus der Normalposi¬ tion heraus der Luftspalt zwischen dem fehlerhaften
Statorwicklungssystem (220, 320) und dem ihm zugeordneten Läufer (210, 310) vergrößert wird. 2. Redundante elektrische Maschine (100) nach Anspruch 1, da¬ durch gekennzeichnet, dass die Verschiebevorrichtung (400) derart ausgebildet ist, dass die Verschiebung in einer axia¬ len Richtung orientiert ist.
3. Redundante elektrische Maschine (100) nach einem der An¬ sprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebe¬ vorrichtung (400) aufweist:
- ein mechanisches Mittel (411, 421), mit dem im Fehlerfall eine für die Verschiebung notwendige Kraftwirkung auf das fehlerhafte Statorwicklungssystem (220, 320) und/oder auf den diesem zugeordneten Läufer (210, 310) bereitstellbar ist,
- eine lösbare Arretierung (414, 424), die derart wirkt, dass das mechanische Mittel (411, 421) die Kraftwirkung erst bei Vorliegen des Fehlerfalles nach Lösen der Arretierung, nicht aber im Normalbetrieb der elektrischen Maschine
(100), entfaltet.
4. Redundante elektrische Maschine (100) nach Anspruch 3, da¬ durch gekennzeichnet, dass sich das mechanische Mittel (411, 421) zwischen zwei Enden erstreckt, wobei eines der Enden an einem Fixpunkt außerhalb des Antriebssystems und das andere Ende am zu verschiebenden Statorwicklungssystem (220, 320) oder am zu verschiebenden Läufer (210, 310) befestigt ist.
5. Redundante elektrische Maschine (100) nach Anspruch 3, da¬ durch gekennzeichnet, dass sich das mechanische Mittel (411, 421) zwischen zwei Enden erstreckt, wobei eines der Enden am jeweiligen Statorwicklungssystem (220, 320) und das andere Ende am diesem Statorwicklungssystem (220, 320) zugeordneten Läufer (210, 310) befestigt ist. 6. Redundante elektrische Maschine (100) nach einem der An¬ sprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Mittel (411, 421) zumindest eine Federeinrichtung (411, 421) aufweist, wobei jeweils ein Läufer (210, 310) und zumindest eine der Federeinrichtungen (411, 421) einander zugeordnet sind, wobei
- jeder Läufer (210, 310) mechanisch mit der ihm zugeordneten Federeinrichtung (411, 421) verbunden ist, so dass das me- chanische Mittel (411, 421) die Kraftwirkung auf den jewei¬ ligen Läufer (210, 310) aufbringen kann,
- die jeweilige Federeinrichtung (411, 421) in der Normalposition und im Normalbetrieb derart vorgespannt und mittels der Arretierung (414, 424) festgesetzt ist, dass sie im
Fehlerfall bei Lösen der Arretierung (414, 424) die Kraftwirkung auf den ihr zugeordneten Läufer (210, 310) ausübt, wobei die Kraftwirkung eine Komponente in axialer Richtung hat, so dass der jeweilige Läufer (210, 310) beim Lösen der Arretierung (414, 424) in axialer Richtung verschoben wird.
7. Redundante elektrische Maschine (100) nach einem der An¬ sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Welle (150) zum Übertragen einer von dem jeweiligen Läufer (210, 310) zur Verfügung gestellten Antriebsleistung auf das Vortriebsmittel vorgesehen ist, wobei jeder der Läufer (210, 310)
- gegenüber den Statorwicklungssystemen (220, 320) rotierbar ist
- derart drehfest mit der Welle (150) verbunden ist, dass er gegenüber der Welle in axialer Richtung verschiebbar ist.
8. Redundante elektrische Maschine (100) nach einem der An¬ sprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Mittel (411, 421) zumindest eine Federeinrichtung (411, 421) aufweist, wobei jeweils ein Statorwicklungssystem (220, 320) und zumindest eine der Federeinrichtungen (411, 421) einander zugeordnet sind, wobei
- jedes Statorwicklungssystem (220, 320) mechanisch mit der ihm zugeordneten Federeinrichtung (411, 421) verbunden ist, so dass das mechanische Mittel (411, 421) die Kraftwirkung auf das jeweilige Statorwicklungssystem (220, 320) aufbringen kann,
- die jeweilige Federeinrichtung (411, 421) in der Normalpo- sition und im Normalbetrieb derart vorgespannt und mittels der Arretierung (414, 424) festgesetzt ist, dass sie im Fehlerfall bei Lösen der Arretierung (414, 424) die Kraftwirkung auf das ihr zugeordnete Statorwicklungssystem (220, 320) ausübt, wobei die Kraftwirkung eine Komponente in axi¬ aler Richtung hat, so dass das jeweilige
Statorwicklungssystem (220, 320) beim Lösen der Arretierung (414, 424) in axialer Richtung verschoben wird.
9. Redundante elektrische Maschine (100) nach einem der An¬ sprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (100) eine Axialflussmaschine ist, bei der der Läufer (210, 310) in axialer Richtung gesehen zwischen den
Statorwicklungssystemen (220, 320) angeordnet ist, wobei die Verschiebevorrichtung (400) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass sie im Fehlerfall das fehlerhafte
Statorwicklungssystem (220, 320) in axialer Richtung vom Läufer (210, 310) weg verschiebt, so dass sich der jeweilige Luftspalt zwischen dem verschobenen fehlerhaften
Statorwicklungssystem (220, 320) und dem ihm zugeordneten Läufer (210, 310) vergrößert, während der Luftspalt zwischen dem nicht fehlerhaften Statorwicklungssystem (220, 320) und dem diesem zugeordneten Läufer (210, 310) unverändert bleibt.
10. Redundante elektrische Maschine (100) nach einem der An¬ sprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (100) eine Axialflussmaschine ist, wobei die Läuferanordnung zumindest einen weiteren Läufer (210, 310) aufweist, wobei - jeweils eines der Statorwicklungssysteme (220, 320) und ei¬ ner der Läufer (210, 310) eine jeweilige elektrische Teil¬ maschine (200, 300) bildend einander zugeordnet sind,
- ein jeweiliges Statorwicklungssystem (220, 320) und der ihm zugeordnete Läufer (210, 310) in axialer Richtung gesehen hintereinander liegend und einen Luftspalt zwischen sich bildend zueinander angeordnet sind,
- die Teilmaschinen (200, 300) in axialer Richtung gesehen derart weit voneinander beabstandet sind, dass der Läufer (210, 310) der einen Teilmaschine (200, 300) nicht mit dem Statorwicklungssystem (220, 320) der jeweils anderen Teilmaschine (200, 300) elektrisch wechselwirkt,
wobei - die Verschiebevorrichtung (400) derart ausgebildet und an¬ geordnet ist, dass sie im Fehlerfall das fehlerhafte
Statorwicklungssystem (220, 320) und/oder den ihm zugeordneten Läufer (210, 310) der fehlerhaften Teilmaschine (200, 300) in axialer Richtung voneinander weg verschiebt, so dass sich der Luftspalt der fehlerhaften Teilmaschine (200, 300) vergrößert, während der Luftspalt zwischen dem nicht fehlerhaften Statorwicklungssystem (220, 320) und dem diesem Statorwicklungssystem (220, 320) zugeordneten Läufer (210, 310) unverändert bleibt.
11. Redundante elektrische Maschine (100) nach einem der An¬ sprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine eine Radialflussmaschine ist, wobei die Läuferanordnung zu- mindest einen weiteren Läufer (210, 310) aufweist, wobei
- jeweils eines der Statorwicklungssysteme (220, 320) und ei¬ ner der Läufer (210, 310) eine jeweilige elektrische Teil¬ maschine (200, 300) bildend einander zugeordnet sind,
- ein jeweiliges Statorwicklungssystem (220, 320) und der ihm zugeordnete Läufer (210, 310) in der Normalposition in axialer Richtung gesehen an im wesentlichen gleicher Position liegend derart angeordnet sind, dass der jeweilige Luft¬ spalt in radialer Richtung zwischen dem jeweiligen
Statorwicklungssystem (220, 320) und dem ihm zugeordneten Läufer (210, 310) liegt,
- die Teilmaschinen (200, 300) in axialer Richtung gesehen derart weit voneinander beabstandet sind, dass der Läufer (210, 310) der einen Teilmaschine (200, 300) nicht mit dem Statorwicklungssystem (220, 320) der jeweils anderen Teil- maschine (200, 300) elektrisch wechselwirkt,
wobei
- die Verschiebevorrichtung (400) derart ausgebildet und an¬ geordnet ist, dass sie im Fehlerfall das fehlerhafte
Statorwicklungssystem (220, 320) und/oder den dem ihm zu- geordneten Läufer (210, 310) der fehlerhaften Teilmaschine
(200, 300) in axialer Richtung voneinander weg verschiebt, so dass sich der Luftspalt der fehlerhaften Teilmaschine (200, 300) vergrößert, während der Luftspalt zwischen dem nicht fehlerhaften Statorwicklungssystem (220, 320) und dem diesem Statorwicklungssystem (220, 320) zugeordneten Läufer (210, 310) unverändert bleibt. 12. Redundante elektrische Maschine (100) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Statorwicklungssysteme (220, 320) magnetisch aktive Bereiche aufweist, insbesondere Statorelektrobleche (226, 326), die sich in axialer Richtung gesehen jeweils über einen ersten Bereich erstrecken, wobei sich der dem jeweiligen Statorwicklungssystem (220, 320) zugeordnete Läufer (210, 310), insbesondere dessen Permanent¬ magnet, in axialer Richtung über einen zweiten Bereich erstreckt, wobei
- ein jeweiliges Statorwicklungssystem (220, 320) und der ihm zugeordnete Läufer (210, 310) in der Normalposition derart angeordnet sind, dass einer der beiden Bereiche den jeweils anderen Bereich vollständig umfasst,
- die Verschiebevorrichtung (400) derart ausgebildet ist, dass die gegenseitige Verschiebung im Fehlerfall so weit geht, dass der erste Bereich der axialen Erstreckung des fehlerhaften Statorwicklungssystems (220, 320) und der zweite Bereich der axialen Erstreckung des ihm zugeordneten Läufers (210, 310) nach der Verschiebung nicht mehr überlappen .
13. Redundante elektrische Maschine (100) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Statorwicklungssysteme (220, 320) magnetisch aktive Bereiche aufweist, insbesondere Statorelektrobleche, die sich in axialer Richtung gesehen je- weils über einen ersten Bereich erstrecken, wobei sich der dem jeweiligen Statorwicklungssystem (220, 320) zugeordnete Läufer, insbesondere dessen Permanentmagnet, in axialer Rich¬ tung über einen zweiten Bereich erstreckt, wobei
- ein jeweiliges Statorwicklungssystem (220, 320) und der ihm zugeordnete Läufer (210, 310) in der Normalposition derart angeordnet sind, dass einer der beiden Bereiche den jeweils anderen Bereich vollständig umfasst, - die Verschiebevorrichtung (400) derart ausgebildet ist, dass die gegenseitige Verschiebung im Fehlerfall nur so weit geht, dass der erste Bereich der axialen Erstreckung des fehlerhaften Statorwicklungssystems (220, 320) und der zweite Bereich der axialen Erstreckung des ihm zugeordneten
Läufers (210, 310) nach der Verschiebung noch überlappen, dass aber in axialer Richtung gesehen der eine der beiden Bereiche nicht mehr vollständig den anderen Bereich um- fasst .
14. Redundante elektrische Maschine (100) nach einem der An¬ sprüche 11 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass
- jeder der Läufer (210, 310) derart konisch geformt ist, dass sich ein Radius eines jeweiligen Läufers (210, 310) mit einer sich in axialer Richtung zwischen den axialen Enden des jeweiligen Läufers (210, 310) erstreckenden Höhe des Läufers (210, 310) kontinuierlich oder stufenweise än¬ dert,
- jedes der Statorwicklungssysteme (220, 320) entsprechend der konischen Form des ihm zugeordneten Läufers (210, 310) derart geformt ist, dass die radiale Ausdehnung des jewei¬ ligen Luftspalts zwischen dem jeweiligen
Statorwicklungssystem (220, 320) und dem ihm zugeordneten Läufer (210, 310) in der Normalposition an jedem Punkt der Höhe des jeweiligen Läufers (210, 310) im Wesentlichen gleich ist.
15. Redundante elektrische Maschine (100) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Läufer (210, 310) der Radius an demjenigen axialen Ende des jeweiligen Läufers
(210, 310) maximal ist, das dem jeweils anderen Läufer (310, 210) zugewandt ist.
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