WO2020099457A1 - Verbesserung der sicherheit einer elektrischen maschine - Google Patents

Verbesserung der sicherheit einer elektrischen maschine Download PDF

Info

Publication number
WO2020099457A1
WO2020099457A1 PCT/EP2019/081117 EP2019081117W WO2020099457A1 WO 2020099457 A1 WO2020099457 A1 WO 2020099457A1 EP 2019081117 W EP2019081117 W EP 2019081117W WO 2020099457 A1 WO2020099457 A1 WO 2020099457A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rotors
electrical machine
operating state
machine
arrangement
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/081117
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes HEISSENBERGER
Andreas REEH
Original Assignee
Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg filed Critical Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg
Publication of WO2020099457A1 publication Critical patent/WO2020099457A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2793—Rotors axially facing stators
    • H02K1/2795—Rotors axially facing stators the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2798—Rotors axially facing stators the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets where both axial sides of the stator face a rotor
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K16/00—Machines with more than one rotor or stator
    • H02K16/02—Machines with one stator and two or more rotors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/10—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
    • H02K7/102—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with friction brakes
    • H02K7/1021—Magnetically influenced friction brakes
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/14—Structural association with mechanical loads, e.g. with hand-held machine tools or fans
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/06—Machines characterised by the presence of fail safe, back up, redundant or other similar emergency arrangements

Definitions

  • the present invention relates to an arrangement for an electrical machine with two rotors.
  • the invention further relates to an electrical machine with such an arrangement, an aircraft and an associated method for operating the arrangement.
  • the invention can be used, for example, to align rotors of a permanently excited synchronous induction machine in aviation.
  • Permanently excited synchronous induction machines allow high power and torque densities, high mass-specific performance, high efficiency and high security against errors as well as the safe control of errors are of particular importance in aviation.
  • the excitation of the magnetic field by means of highly retentive and coercive permanent magnets, typically magnets based on rare earth alloys, offers high efficiency due to the comparatively extensive avoidance of losses in the excitation part.
  • the iron mass of the yoke can be saved for the flux inference and a higher utilization of the active part material can be achieved. Both increase the power and torque density of the machine.
  • the use of double air splitting machines can be implemented with all common electrical machine topologies, such as with a radial flow machine, axial flow machine or transverse flow machine. Both concentrated and distributed windings can be used in the stator of such machines. All winding concepts have in common the possibility of a short circuit in the event of damage to the insulation or in the event of faults in the voltage and current supply (terminal short circuit due to inverter faults).
  • the electrical insulation system can be divided into several sub-areas; in a main insulation (slot basic insulation), an insulation between winding systems, a phase insulation, a coil insulation and a partial conductor insulation of a coil.
  • the basic groove insulation between the individually insulated conductors and the stator core ensures personal safety and the safe operation of the machine.
  • a "short to ground” can expand into two- or three-pole short circuits and thus lead to the failure of the machine.
  • voltage increases occur in the network, which can damage other components in the drive system.
  • the local heat input through the short-circuit current can lead to catastrophic consequential errors, as described below.
  • Short circuits can also occur within a coil.
  • the individual turns are protected by the partial conductor insulation, which is a particularly difficult to control and potentially dangerous source of errors in conventional machines.
  • failure of the partial conductor insulation can result in serious consequential errors if the faulty coil continues to be exposed to a magnetic flux that changes over time.
  • the winding is designed with a 1 PU (per unit) reactance
  • the currents in the event of a short-circuit in the terminal remain less than the nominal current, which poses no particular challenges for the machine's cooling system.
  • a highly inductive design is at the expense of the gravimetric power and torque density of the machine and leads to a poorer power factor (larger and heavier inverters required), which jeopardizes the fulfillment of requirements, particularly in the field of aviation.
  • the object of the invention is to provide a solution for improving the safety of high-performance electrical machines, for example in double-gap machines, the solution being able to offer advantages, for example, in aviation.
  • the object is achieved by a holding means which fixes the position of two rotors of an electrical machine to one another in a first operating state. xiert and aligns the magnetic poles of the rotors with opposite poles to each other and which is solved in a second Radiozu stand, which leads to an equipolar arrangement of the poles of the two rotors to each other, ie the rotors can rotate relative to each other.
  • the main flow through the coils is thus blocked and, as a leakage flow in the air gaps, does no damage due to strong induction in the stator.
  • the invention claims an arrangement for an electrical machine, which has two rotors and a releasable holding means.
  • the two rotors have permanent magnets with magnetic poles arranged in the direction of rotation of the rotors.
  • the two rotors are concentric with each other.
  • the two rotors have a common axis of rotation.
  • the holding means fixes the position or the relative rotation of the rotors to one another in the direction of rotation.
  • the holding means can be designed to release the fixing of the rotors in order to change from the first operating state to a second operating state of the arrangement.
  • the fixation can be released, for example, if a machine error (e.g. a short circuit in a coil) is detected.
  • the rotors can be aligned with opposite poles to one another in the first operating state and to one another in the second operating state.
  • the opposite pole orientation means that a north pole on the first rotor is opposite a south pole on the second rotor and vice versa.
  • the same-pole alignment means that a north pole on the first rotor is opposite a north pole on the second rotor and a south pole on the first rotor is opposite a south pole on the second rotor.
  • the rotor alignment can also be used with a Halbach arrangement of the magnets on the two rotors. Haibach arrangements increase mass-specific power and torque.
  • the holding means can be formed to be released mechanically, electrically, magnetically, electro-hydraulically, piezo-hydraulically or pyrotechnically.
  • This has the advantage that when a machine error is detected, the positive connection of the holding means is released via a quick mechanism.
  • This in turn has the advantage that the fixing of the rotors to one another can be released, the rotors can be rotated relative to one another and can be changed from the first to the second operating state.
  • a spring element can be designed to move the rotors from the first operating state into the second operating state.
  • the spring element can be a torsion spring, a spiral spring or another elastically deformable, force-generating or force-generating element.
  • a magnetic element can be used. By releasing the holding means, the spring force is released and one of the two rotors is rotated relative to the other rotor.
  • the invention also claims an electrical machine with an arrangement according to the invention.
  • the electrical machine can be designed as a double air splitting machine or as a double air splitting machine.
  • the electrical machine can be designed as a radial flux machine, as an axial flux machine or as a transverse flux machine.
  • the electrical machine has a stator which is surrounded by the rotors.
  • the two rotors ensure excitation and flow control.
  • the river looks for a path with low magnetic resistance and closes mainly in the area of the air gap and in the event that the arrangement is designed with a yoke in the area of the pole shoes of the stator laminated core.
  • the electrical machine has a sliding bushing between the rotors or between the concentrically arranged shafts on which the rotors are mounted.
  • the rotors of the rotors can be positively connected to one another, for example, by two bearings that are mounted together and in the normal state or in the first operating state. ne concentric waves can be realized.
  • the two shafts can slide on each other through the sliding bush.
  • Aircraft is understood to mean any type of flying locomotion or means of transport, be it manned or unmanned.
  • the aircraft can be an aircraft.
  • the aircraft can have an electric or hybrid electric flight drive.
  • helicopters, multicopters, jet aircraft are possible fields of application.
  • the electrical machine can set propellers or a blower (fan in aircraft) in rotation.
  • the invention claims a method for operating an electrical machine with two rotors, wherein the position of the rotors to each other in the direction of rotation when changing from a first operating state to a second operating state is changed.
  • This has the advantage that the orientation and relative rotation of the rotors can be changed.
  • the pairing of the opposite poles of the permanent magnets of the rotors can be influenced.
  • the invention also claims a method with an arrangement according to the invention.
  • the double air gap arrangement has the advantage of reducing the iron mass, better utilization of the active part and a structural arrangement of rotors that can be quickly rotated relative to one another in the event of a fault in order to avoid voltage induction and high fault currents in the Stator coils. This results in a very powerful and safe electrical machine concept.
  • the invention can be used in principle in many traction drives and generators, where both a particularly high gravimetric and volumetric torque and power density, but also to avoid high short-circuit currents in the event of a fault are required.
  • FIG. 3 shows a radial flux machine in a sectional view with the associated top view
  • Fig. 6 is a view of an aircraft. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  • Fig. 1 shows a schematic representation and the change of the pole arrangement from the first to the second Radiozu stood.
  • the first rotor 1 and the second rotor 2 are arranged opposite to each other. That is, the poles of the permanent magnets 11 of the first rotor 1 lie opposite the opposite poles of the permanent magnets 11 of the second rotor 2 (for example, the south pole versus the north pole and the north pole versus the south pole).
  • a stator 3 lies between the first rotor and the second rotor 2.
  • the stator 3 contains coils.
  • Fig. 1B and Fig. IC show a structure equivalent to Fig. 1A.
  • a short circuit or another malfunction occurs in the stator 3 in FIG. 1B.
  • This short circuit or this malfunction triggers a relative rotation by a predefined dimension d of the first rotor
  • FIG. IC The resulting positioning of the first rotor 1 and the second rotor 2 is shown in Fig. IC.
  • the poles of the permanent magnets 11 of the first rotor 1 are opposite to the rectified poles of the permanent magnets 11 of the second rotor 2 (for example, north pole versus north pole and south pole versus south pole).
  • Fig. 2 shows an axial flow machine in a sectional view in Fig. 2A with the associated plan view in Fig. 2B as an example of an electrical machine 8.
  • a stator 3 Between the first rotor 1 and the second rotor 2 there is a stator 3.
  • the first rotor 1 attached to a first shaft 6 and the second ro tor 2 to a second shaft 7.
  • the position of the Röteren to each other or the relative rotation of the rotors to each other is fixed via a ge on the two shafts, closed or closing holding means 4.
  • the first shaft 6 and the second shaft 7 can slide on one another via a sliding bush 5.
  • the rotors 1 and 2 in the axial flow machine in FIG. 2 are disc-shaped, the rotors 1 and 2 in the radial flow machine in FIG. 3 are designed in the form of bent cylinders.
  • FIG. 3 shows a radial flux machine in a sectional view in FIG. 3A and with the associated top view in FIG. 3B as an example of an electrical machine 8.
  • a stator 3 is located between the first rotor 1 and the second rotor 2. The position of the rotors 1 and 2 to each other or the relative rotation of the rotors 1 and 2 to each other is fixed via a rule between the rotors 1 and 2 and the rotors 1 and 2 fixing or closing holding means 4. The first rotor 1 and the second rotor 2 can slide or slide against one another via a sliding bush 5.
  • the rotation of the two rotors works analogously for a double-rotor transverse flux machine.
  • the design can correspond mechanically to the axial flow machine or the radial flow machine with two air gaps. There is therefore no special illustration.
  • FIG. 4 shows a representation of the change from the first to the second operating state using a radial flux machine equivalent to Fig. 3 in plan view.
  • FIG. 4A the first operating state and in Fig. 4B, the second operating state was shown.
  • FIG. 4 shows a spiral spring 13 which, when changing from the first operating state to the second operating state, the first rotor 1 by a predefined dimension d relative to the second rotor 2 up to the stop device, which is also shown 14 twisted.
  • FIG. 4A In order to trigger the change from the first to the second operating state, the holding means 4 which is closed or closed in FIG. 4A opens.
  • FIG. 4B an opening or an opening holding means 12 is shown.
  • the ralfeder 13 can be any other spring-like or elastically deformable element, for example a torsion spring used.
  • 5 shows a block diagram of the electrical machine 8 with a first rotor 1, a second rotor 2, a stator 3 lying between the rotors 1 and 2 and with a holding means which fixes or closes the rotors 1 and 2
  • FIG. 6 shows a view of an electric or hybrid electric aircraft 9, as an example of an aircraft, with an electric machine 8.
  • the electric machine 8 sets a propeller 10 or a fan (fan) in rotation.
  • helicopters, multicopters, jet aircraft are possible fields of application.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung für eine elektrische Maschine (8) mit zwei Rotoren (1 und 2) und einem lösbaren Haltemittel (4), das in einem ersten Betriebszustand der Anordnung die Position der Rotoren (1 und 2) zueinander fixiert. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine elektrische Maschine (8) mit einer derartigen Anordnung, ein Luftfahrzeug und ein zugehöriges Verfahren. In einem zweiten Betriebszustand wird der Hauptfluss durch die Spulen blockiert und richtet als Streufluss in den Luftspalten keinen Schaden durch starke Induktion im Stator (3) an. Die Erfindung kann insbesondere zur Ausrichtung von Rotoren (1 und 2) einer permanenterregten synchronen Drehfeldmaschine in der Luftfahrt verwendet werden.

Description

Beschreibung
Verbesserung der Sicherheit einer elektrischen Maschine
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung für eine elektrische Maschine mit zwei Rotoren. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine elektrische Maschine mit einer derartigen Anordnung, ein Luftfahrzeug und ein zugehöriges Verfahren zum Betrieb der Anordnung. Die Erfindung kann beispielsweise zur Ausrichtung von Rotoren einer permanenterregten synchronen Drehfeldmaschine in der Luftfahrt eingesetzt werden.
Beschreibung des Stands der Technik
Permanenterregte synchrone Drehfeldmaschinen erlauben hohe Leistungs- und Drehmomentdichten, hohe massespezifische Leis tungen, hohe Effizienz und hohe Sicherheit gegenüber Fehlern sowie die sichere Beherrschung von Fehlern sind insbesondere in der Luftfahrt von großer Bedeutung. Gegenüber anderen Ty pen von nicht-kryogenen Drehfeldmaschinen bietet die Erregung des magnetischen Feldes durch hochremanente und -koerzitive Permanentmagnete, typischerweise Magnete basierend auf Selte nerdlegierungen, eine hohe Effizienz durch die vergleichswei se weitgehende Vermeidung von Verlusten im Erregerteil.
Durch die Verwendung von elektrischen Maschinentopologien mit zwei Luftspalten kann die Eisenmasse des Jochs für den Fluss rückschluss gespart und eine höhere Ausnutzung des Aktivteil materials erreicht werden. Beides erhöht die Leistungs- und Drehmomentdichte der Maschine. Die Verwendung von Doppelluft- spaltmaschinen ist bei allen gängigen elektrischen Maschinen topologien umsetzbar, wie bei einer Radialflussmaschine, Axi alflussmaschine oder Transversalflussmaschine. Im Stator derartiger Maschinen können sowohl konzentrierte als auch verteilte Wicklungen genutzt werden. Allen Wick lungskonzepten ist die Möglichkeit eines Kurzschlusses bei Beschädigung der Isolation oder bei Fehlerfällen in der Span- nungs- und Stromspeisung (Klemmenkurzschluss durch Inverter fehler) gemein. Das elektrische Isolationssystem kann in meh rere Teilbereiche untergliedert werden; in eine Hauptisolati- on (Nutgrundisolation) , eine Isolation zwischen Wicklungssys temen, eine Phasenisolation, eine Spulenisolation und eine Teilleiterisolation einer Spule.
Prinzipiell sind fehlerhafte Wicklungen einer permanenterreg ten elektrischen Maschine nach dem Auftreten einer Schädigung weiterhin einem zeitlich wechselnden Magnetfluss mit ähnli chem Spitzenwert ausgesetzt, da der Rotor nicht augenblick lich gestoppt werden kann. Daher wird weiterhin Spannung in duziert und es können signifikante Fehlerströme getrieben werden, die zu weiteren, unter Umständen schwerwiegenden Fol gen wie z.B. Feuer führen können.
Die Nutgrundisolation zwischen den einzeln isolierten Leitern und dem Statorkern gewährleistet die Personensicherheit und den sicheren Betrieb der Maschine. Ein „Masseschluss" kann sich zu zwei- oder dreipoligen Kurzschlüssen ausweiten und damit zum Versagen der Maschine führen. Des Weiteren treten Spannungserhöhungen im Netzwerk auf, die andere Komponenten im Antriebssystem schädigen können. Der lokale Wärmeeintrag durch den Masseschlussstrom kann zu katastrophalen Folgefeh lern führen, wie weiter unten beschrieben.
Zwischen aneinander liegenden Spulen, die ggf. auch zu unter schiedlichen Phasen oder Wicklungssystemen gehören können, ergibt sich durch die Potentialunterschiede die Möglichkeit eines Kurzschlusses zwischen den Spulenseiten. Um diesen Kurzschluss zu verhindern werden zusätzliche Isolationsmaß nahmen oder ein räumlicher Abstand der beiden Spulenseiten notwendig, um die Luft- und Kriechstrecken ausreichend groß zu halten und einen Überschlag zu vermeiden. Bei einem sol- chen Kurzschluss geht die Symmetrie der Phasenspannungen ver loren und die Maschine kann nicht mehr weiterbetrieben wer den. Außerdem können lokal hohe Wärmeeinträge im Fehlerbe reich zu weiteren unten beschriebenen Schädigungen führen.
Auch innerhalb einer Spule kann es zu Kurzschlüssen kommen. Die einzelnen Windungen werden durch die Teilleiterisolation geschützt, die bei herkömmlichen Maschinen eine besonders schwierig beherrschbare und potentiell gefährliche Fehler quelle darstellt. Insbesondere bei hochleistungsdichten Ma schinen kann ein Versagen der Teilleiterisolation schwerwie gende Folgefehler nach sich ziehen, wenn die fehlerhafte Spu le weiterhin einem zeitlich wechselnden Magnetfluss ausge setzt ist. Wird zum Beispiel durch thermisches Versagen, me chanische Reibung oder durch Alterung ein Kurzschluss zwi schen zwei Teilleitern einer Spule gebildet, der eine niede rohmige Überbrückung einer Windung der Einzelzahnspule ermög licht, können durch die Induktion des Rotorfelds und die ge ringe Induktivität einer einzelnen kurzgeschlossenen Leiter schleife sehr hohe Ströme in der überbrückten Windung (um ei ne Größenordnung höher als der Nennstrom) entstehen, welche lokal zu sehr starken Temperaturanstiegen führen.
Die resultierenden sehr hohen Temperaturen schädigen weiteres Isolationsmaterial, so dass es zu weiteren thermischen Versa gen an den Teilleitern und der Nutisolation kommt, die zum Versagen der gesamten Maschine führen. Weiterhin können die lokal sehr hohen Temperaturen auch zu einer Entzündung von entflammbaren Materialien im Stator führen. Ein Feuer ist insbesondere für Mobilitätsanwendungen wie Fluganwendungen kritisch. Bei der Verwendung von brennbaren Kühlflüssigkeiten verschärft sich das Problem. Silikonöle sind für die Anwen dung als Kühlmedium prinzipiell geeignet, besitzen aber einen Flammpunkt und sind somit potentiell brennbar, was die Signi fikanz des bisher generell ungelösten Windungskurzschluss problems mit hohem lokalem Wärmeeintrag erhöht. Die Auswirkungen von Klemmenkurzschlüssen kann durch die Be rücksichtigung einer hohen Induktivität der Wicklungsausle gung limitiert werden. Wird die Wicklung zum Beispiel mit ei ner 1 P.U. (per unit) Reaktanz ausgelegt bleiben die Ströme im Klemmenkurzschlussfall kleiner gleich dem Nennstrom, was das Kühlungssystem der Maschine vor keine besonderen Heraus forderungen stellt. Eine hochinduktive Auslegung geht jedoch zu Lasten der gravimetrischen Leistungs- und Drehmomentdichte der Maschine und führt zu einem schlechteren Leistungsfaktor (größerer und schwererer Inverter notwendig) , was insbesonde re im Bereich der Luftfahrt die Erfüllung von Anforderungen gefährdet .
Für die Mitigation des Falls des Windungskurzschlusses sind keine etablierten Methoden für permanenterregte Synchronma schinen bekannt. Da der Rotor der Maschine nicht instantan angehalten werden kann, kommt es zur Induktion von Spannung und möglichen Fehlerfällen. Eine Abschaltung der Erregung ist nur bei fremderregten Synchronmaschinen einfach möglich, die eine schlechtere massenspezifische Leistung bieten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Lösung zur Ver besserung der Sicherheit bei leistungssichten elektrischen Maschinen, zum Beispiel bei Doppelspaltmaschinen, anzugeben, wobei die Lösung beispielsweise in der Luftfahrt Vorteile bieten kann.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Haltemittel ge löst, welches die Position von zwei Rotoren einer elektri schen Maschine zueinander in einem ersten Betriebszustand fi- xiert und die magnetischen Pole der Rotoren gegenpolig zuei nander ausrichtet und welches in einem zweiten Betriebszu stand gelöst wird, wodurch es zu einer gleichpoligen Anord nung der Pole der beiden Rotoren zueinander führt, d.h. die Rotoren können sich relativ gegeneinander verdrehen. Der Hauptfluss durch die Spulen wird somit blockiert und richtet als Streufluss in den Luftspalten keinen Schaden durch starke Induktion im Stator an.
Die Erfindung beansprucht eine Anordnung für eine elektrische Maschine, die zwei Rotoren und ein lösbares Haltemittel auf weist. Die beiden Rotoren weisen Permanentmagnete mit in Ro tationsrichtung der Rotoren angeordneten magnetischen Polen auf. Die beiden Rotoren liegen konzentrisch zueinander. Die beiden Rotoren haben eine gemeinsame Rotationsachse. Das Hal temittel fixiert in einem ersten Betriebszustand der Anord nung die Position bzw. die relative Verdrehung der Rotoren zueinander in Rotationsrichtung.
In einer Weiterbildung kann das Haltemittel ausgebildet sein, die Fixierung der Rotoren zu lösen, um von dem ersten Be triebszustand in einen zweiten Betriebszustand der Anordnung zu wechseln. Die Fixierung kann beispielsweise gelöst werden, wenn ein Maschinenfehler (z.B. ein Kurzschluss in einer Spu le) erkannt wird.
In einer weiteren Ausführungsform können die Rotoren in dem ersten Betriebszustand gegenpolig zueinander und in dem zwei ten Betriebszustand gleichpolig zueinander ausgerichtet sind. Die gegenpolige Ausrichtung bedeutet, dass einem Nordpol an dem ersten Rotor ein Südpol am zweiten Rotor gegenüberliegt und umgekehrt. Die gleichpolige Ausrichtung bedeutet, dass einem Nordpol an dem ersten Rotor ein Nordpol am zweiten Ro tor gegenüberliegt und einem Südpol an dem ersten Rotor ein Südpol am zweiten Rotor gegenüberliegt.
Das hat den Vorteil, dass in dem ersten Betriebszustand der magnetische Fluss der gegenüberliegenden Rotormagnete direkt durch den Zwischenraum der Rotoren geleitet wird und dass in dem zweiten Betriebszustand der direkte magnetische Haupt fluss des ersten Betriebszustands blockiert wird und die Flusslinien sich in den Luftspalten zwischen Rotoren und ei nem Stator, der im Zwischenraum der Rotoren liegen kann, schließen .
Die Rotorenausrichtung kann auch bei einer Halbach-Anordnung der Magnete auf den beiden Rotoren genutzt werden. Haibach Anordnungen erhöhen die massespezifische Leistung und das massespezifische Drehmoment.
In einer weiteren Ausgestaltung kann das Haltemittel ausge bildet sein, mechanisch, elektrisch, magnetisch, elektro hydraulisch, piezo-hydraulisch oder pyrotechnisch gelöst zu werden. Dies hat den Vorteil, dass wenn ein Maschinenfehler erkannt wird, die formschlüssige Verbindung des Haltemittels über einen schnellen Mechanismus gelöst wird. Dies wiederum hat den Vorteil, dass die Fixierung der Rotoren zueinander gelöst werden kann, die Rotoren zueinander verdreht werden können und von dem ersten in den zweiten Betriebszustand ge wechselt werden kann.
In einer Weiterbildung kann ein Federelement ausgebildet sein, die Rotoren von dem ersten Betriebszustand in den zwei ten Betriebszustand zu bewegen. Das Federelement kann eine Torsionsfeder, eine Spiralfeder oder ein anderes elastisch verformbares, kraftbildendes oder krafterzeugendes Element sein. Alternativ zum Federelement kann ein magnetisches Ele ment eingesetzt werden. Durch das Lösen des Haltemittels wird die Federkraft freigegeben und einer der beiden Rotoren wird gegenüber dem anderen Rotor verdreht.
Die Erfindung beansprucht auch eine elektrische Maschine mit einer erfindungsgemäßen Anordnung. In einer weiteren Ausgestaltung kann die elektrische Maschine als Doppelluftspaltmaschine bzw. als Doppelluftspaltmaschine ausgebildet sein.
In einer weiteren Ausgestaltung kann die elektrische Maschine als Radialflussmaschine, als Axialflussmaschine oder als Transversalflussmaschine ausgebildet sein.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die elektrische Maschi ne einen Stator, der von den Rotoren umgeben ist, auf. Die zwei Rotoren stellen die Erregung und Flussführung sicher.
Bei einer Nord-Süd-Anordnung der gegenüberliegenden Rotormag nete wird der Fluss direkt durch den Stator geleitet und ein zusätzliches Joch kann obsolet werden, was im Sinne der Erhö hung der massespezifischen Leistung liegt. Für derartige leistungsdichte Antriebe ist außerdem eine hohe Polpaarzahl förderlich, was zu geringen absoluten Abmaßen einer Poltei lung führt. Somit führt im Fehlerfalle eine kleine relative Verdrehung der beiden Rotoren zueinander zu einer Nordpol- Nordpol-, bzw. Südpol-Südpol-Anordnung der gegenüberliegenden Magnete. Mit dieser Anordnung wird ein direkter magnetischer Fluss durch die Statorspulen blockiert, bzw. in Streufluss in den Luftspaltbereichen umgesetzt und eine Spannungsinduktion sowie die daraus entstehenden gefährlichen Fehlerströme ver mieden .
Der Fluss sucht sich einen Weg mit geringem magnetischem Wi derstand und schließt sich hauptsächlich im Bereich des Luft spalts und im Fall, dass die Anordnung mit Joch ausgestaltet ist im Bereich der Polschuhe des Statorblechpakets.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die elektrische Maschi ne eine Gleitbuchse zwischen den Rotoren bzw. zwischen den konzentrisch angeordneten Wellen, auf denen die Rotoren gela gert sind, auf. So kann die Verdrehung der Rotoren gegenei nander z.B. durch zwei gemeinsam gelagerte und im Normalzu stand bzw. dem ersten Betriebszustand formschlüssig verbünde- ne konzentrische Wellen realisiert werden. Die beiden Wellen können durch die Gleitbuchse aufeinander gleiten.
Die Erfindung beansprucht außerdem ein Luftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. Unter Luftfahrzeug wird jede Art von fliegendem Fortbewegungs- oder Transport mittel, sei es bemannt oder unbemannt, verstanden.
In einer Weiterbildung kann das Luftfahrzeug ein Flugzeug sein. Das Flugzeug kann einen elektrischen oder hybrid elektrischen Flugantrieb aufweisen. Alternativ zum Flugzeug sind Helikopter, Multikopter, Strahlflugzeuge mögliche Anwen dungsfelder .
In einer Weiterbildung kann die elektrische Maschine Propel ler oder einen Gebläse (Fan bei Luftfahrzeugen) in Rotation versetzen .
Außerdem beansprucht die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine mit zwei Rotoren, wobei die Posi tion der Rotoren zueinander in Rotationsrichtung beim Wech seln von einem ersten Betriebszustand in einen zweiten Be triebszustand verändert wird. Dies hat den Vorteil, dass die Ausrichtung und relative Verdrehung der Rotoren zueinander geändert werden kann. So kann die Paarung der gegenüberlie genden Pole der Permanentmagneten der Rotoren beeinflusst werden .
In einer Weiterbildung des Verfahrens beansprucht die Erfin dung außerdem ein Verfahren mit einer erfindungsgemäßen An ordnung .
Die Doppelluftspaltanordnung hat den Vorteil der Reduzierung der Eisenmasse, einer besseren Ausnutzung des aktiven Teils und einer strukturellen Anordnung von im Fehlerfall um eine Polteilung zueinander schnell verdrehbare Rotoren zur Vermei dung von Spannungsinduktion und hohen Fehlerströmen in den Statorspulen. Hierdurch ergibt sich ein sehr leistungsfähiges und sicheres Elektro-Maschinenkonzept .
Die Erfindung kann prinzipielle bei vielen Traktionsantrieben und Generatoren eingesetzt werden, wo sowohl eine besonders hohe gravimetrische als auch volumetrische Drehmoment- und Leistungsdichte, aber auch auf eine Vermeidung hoher Kurz schlussströme im Fehlerfall gefordert sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele an hand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung der Polanordnung in dem ersten und in dem zweiten Betriebszustand,
Fig. 2 eine Axialflussmaschine in Schnittansicht mit der zugehörigen Draufsicht,
Fig. 3 eine Radialflussmaschine in Schnittansicht mit der zugehörigen Draufsicht,
Fig. 4 eine Darstellung des Wechsels von dem ersten in den zweiten Betriebszustand,
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer elektrischen Maschine, und
Fig. 6 eine Ansicht eines Flugzeugs. DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung und den Wechsel der Polanordnung von dem ersten in den zweiten Betriebszu stand. In Fig. 1A sind der erste Rotor 1 und der zweite Rotor 2 gegenpolig zueinander angeordnet. Das heißt, die Pole der Permanentmagneten 11 des ersten Rotors 1 liegen den entgegen gesetzten Polen der Permanentmagneten 11 des zweiten Rotors 2 gegenüber (zum Beispiel Südpol gegenüber Nordpol und Nordpol gegenüber Südpol) . Zwischen dem ersten Rotor und dem zweiten Rotor 2 liegt ein Stator 3. Der Stator 3 enthält Spulen.
Fig. 1B und Fig. IC zeigen einen zu Fig. 1A äquivalenten Auf bau. Im Unterschied zu Fig. 1A kommt es in Fig. 1B zu einem Kurzschluss oder einer anderen Betriebsstörung im Stator 3. Dieser Kurzschluss oder diese Betriebsstörung löst eine rela tive Verdrehung um ein vordefiniertes Maß d des ersten Rotors
I um die halbe Ausstreckungsrichtung eines Permanentmagnetes
II aus. Die resultierende Positionierung des ersten Rotors 1 und des zweiten Rotors 2 ist in Fig. IC dargestellt. In Fig. IC liegen die Pole der Permanentmagneten 11 des ersten Rotors 1 den gleichgerichteten Polen der Permanentmagneten 11 des zweiten Rotors 2 gegenüber (zum Beispiel Nordpol gegenüber Nordpol und Südpol gegenüber Südpol) .
Fig. 2 zeigt eine Axialflussmaschine in Schnittansicht in Fig. 2A mit der zugehörigen Draufsicht in Fig. 2B als Bei spiel einer elektrischen Maschine 8. Zwischen dem ersten Ro tor 1 und dem zweiten Rotor 2 befindet sich ein Stator 3. Der erste Rotor 1 ist an einer ersten Welle 6 und der zweite Ro tor 2 an einer zweiten Welle 7 befestigt. Die Position der Röteren zueinander bzw. die relative Verdrehung der Rotoren zueinander ist über ein an den beiden Wellen befestigtes, ge schlossenes bzw. schließendes Haltemittel 4 festgelegt. Über eine Gleitbuchse 5 können die erste Welle 6 und die zweite Welle 7 aufeinander gleiten. Während die Rotoren 1 und 2 in der Axialflussmaschine in Fig. 2 scheibenförmig ausgebildet sind, sind die Rotoren 1 und 2 in der Radialflussmaschine in Fig. 3 in Form abgekanteter Zy linder ausgebildet.
Fig. 3 zeigt eine Radialflussmaschine in einer Schnittansicht in Fig. 3A und mit der zugehörigen Draufsicht in Fig. 3B als Beispiel einer elektrischen Maschine 8. Zwischen dem ersten Rotor 1 und dem zweiten Rotor 2 befindet sich ein Stator 3. Die Position der Röteren 1 und 2 zueinander bzw. die relative Verdrehung der Rotoren 1 und 2 zueinander ist über ein zwi schen den Rotoren 1 und 2 befestigtes und die Rotoren 1 und 2 fixierendes bzw. schließendes Haltemittel 4 festgelegt. Über eine Gleitbuchse 5 können der erste Rotor 1 und der zweite Rotor 2 aufeinander gleiten bzw. sich gegeneinander verdre hen .
Für eine Doppelrotortransversalflussmaschine funktioniert die Verdrehung der beiden Rotoren analog. Mechanisch kann die Ausführung je nach Flussführungskonzept der Axialflussmaschi ne oder der Radialflussmaschine mit zwei Luftspalten entspre chen. Auf eine spezielle Abbildung wird daher verzichtet.
Fig. 4 zeigt eine Darstellung des Wechsels von dem ersten in den zweiten Betriebszustand anhand einer zu Fig. 3 äquivalen ten Radialflussmaschine in Draufsicht. In Fig. 4A ist der erste Betriebszustand und in Fig. 4B der zweite Betriebszu stand dargestellt. Zusätzlich zu den auch in Fig. 3 darge stellten Komponenten zeigt Fig. 4 eine Spiralfeder 13, welche beim Wechsel von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand den ersten Rotor 1 um ein vordefiniertes Maß d relativ zum zweiten Rotor 2 bis zur ebenfalls zusätzlich dargestellten Stoppvorrichtung 14 verdreht.
Um den Wechsel von dem ersten in den zweiten Betriebszustand auszulösen, öffnet das in Fig. 4A geschlossene bzw. das schließende Haltemittel 4. In Fig. 4B ist ein geöffnetes bzw. ein öffnendes Haltemittel 12 dargestellt. Alternativ zur Spi- ralfeder 13 kann ein beliebiges anderes federartiges oder elastisch verformbares Element, zum Beispiel eine Torsionsfe der, eingesetzt werden. Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild der elektrischen Maschine 8 mit einem ersten Rotor 1, einem zweiten Rotor 2, einem zwi schen den Rotoren 1 und 2 liegenden Stator 3 und mit einem die Rotoren 1 und 2 fixierenden bzw. schließenden Haltemittel
4.
Fig. 6 zeigt eine Ansicht eines elektrischen oder hybrid elektrischen Flugzeugs 9, als Beispiel eines Luftfahrzeugs, mit einer elektrischen Maschine 8. Die elektrischen Maschine 8 versetzt einen Propeller 10 oder ein Gebläse (Fan) in Rota- tion. Alternativ zum Flugzeug sind Helikopter, Multikopter, Strahlflugzeuge mögliche Anwendungsfelder.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und ande re Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung für eine elektrische Maschine (8),
aufweisend :
- Zwei Rotoren (1 und 2), welche Permanentmagnete (11) mit in Rotationsrichtung angeordneten magnetischen Po len aufweisen, und
- Ein lösbares Haltemittel (4 und 12), welches in einem ersten Betriebszustand der Anordnung die Position der Rotoren (1 und 2) zueinander in Rotationsrichtung fi xiert .
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Haltemittel (4 und 12) ausgebildet ist, die Fi xierung der Rotoren (1 und 2) zu lösen, um von dem ersten Betriebszustand in einen zweiten Betriebszustand der An ordnung zu wechseln.
3. Anordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rotoren (1 und 2) in dem ersten Betriebszustand gegenpolig zueinander und in dem zweiten Betriebszustand gleichpolig zueinander ausgerichtet sind.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Haltemittel (4 und 12) ausgebildet ist mecha nisch, elektrisch, magnetisch, elektro-hydraulisch, pie- zo-hydraulische oder pyrotechnisch gelöst zu werden.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
gekennzeichnet durch
ein Federelement (13) oder kraftbildendes Element, das ausgebildet ist, die Rotoren (1 und 2) von dem ersten Be triebszustand in den zweiten Betriebszustand zu bewegen.
6. Elektrische Maschine (8) mit einer Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche.
7. Elektrische Maschine (8) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die elektrische Maschine (8) als Doppelluftspaltma- schine ausgebildet ist.
8. Elektrische Maschine (8) nach Anspruch 6 oder 7
dadurch gekennzeichnet,
dass die elektrische Maschine (8) als Radialflussmaschi ne, als Axialflussmaschine oder als Transversalflussma schine ausgebildet ist.
9. Elektrische Maschine (8) nach Anspruch 6, 7 oder 8,
gekennzeichnet durch
einen Stator (3), der von den Rotoren (1 und 2) umgeben ist .
10. Elektrische Maschine (8) nach einem der Ansprüche 6 bis
9,
gekennzeichnet durch
eine Gleitbuchse (5) zwischen konzentrisch angeordneten Wellen (6 und 7), auf denen die Rotoren (1 und 2) gela gert sind oder eine Gleitbuchse (5) zwischen den Rotoren ( 1 und 2 ) .
11. Luftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine (8) nach ei nem der Ansprüche 6 bis 10.
12. Luftfahrzeug nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Luftfahrzeug ein Flugzeug (9) ist.
13. Luftfahrzeug nach Anspruch 12,
gekennzeichnet durch
einen durch die elektrische Maschine (8) in Rotation ver setzbaren Propeller (10) oder Gebläse (Fan) .
14. Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine (8) mit zwei Rotoren (1 und 2),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Position der Rotoren (1 und 2) zueinander in Ro tationsrichtung beim Wechseln von einem ersten Betriebs zustand in einen zweiten Betriebszustand verändert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14 ausgeführt mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
PCT/EP2019/081117 2018-11-14 2019-11-13 Verbesserung der sicherheit einer elektrischen maschine WO2020099457A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018219452 2018-11-14
DE102018219452.1 2018-11-14

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020099457A1 true WO2020099457A1 (de) 2020-05-22

Family

ID=68610197

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2019/081117 WO2020099457A1 (de) 2018-11-14 2019-11-13 Verbesserung der sicherheit einer elektrischen maschine

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2020099457A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4170869A1 (de) * 2021-10-19 2023-04-26 Honeywell International Inc. Axialflussmotor mit hoher temperatur und hoher leistungsdichte

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5245238A (en) * 1991-04-30 1993-09-14 Sundstrand Corporation Axial gap dual permanent magnet generator
US5260642A (en) * 1991-04-30 1993-11-09 Sundstrand Corporation Torque driven dual PMG actuator
WO2006105839A1 (de) * 2005-04-06 2006-10-12 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Elektrische maschine und verfahren zur feld- und ankerstellung einer permanenterregten elektrischen maschine
EP3232547A1 (de) * 2016-02-26 2017-10-18 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zum betreiben einer elektrischen maschine und elektrische maschine

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5245238A (en) * 1991-04-30 1993-09-14 Sundstrand Corporation Axial gap dual permanent magnet generator
US5260642A (en) * 1991-04-30 1993-11-09 Sundstrand Corporation Torque driven dual PMG actuator
WO2006105839A1 (de) * 2005-04-06 2006-10-12 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Elektrische maschine und verfahren zur feld- und ankerstellung einer permanenterregten elektrischen maschine
EP3232547A1 (de) * 2016-02-26 2017-10-18 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zum betreiben einer elektrischen maschine und elektrische maschine

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4170869A1 (de) * 2021-10-19 2023-04-26 Honeywell International Inc. Axialflussmotor mit hoher temperatur und hoher leistungsdichte

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112018000356T5 (de) System und gerät für eine segmentierte axialfeld-rotationsenergievorrichtung
DE102017217751A1 (de) Ständerwicklung für eine rotierende elektrische Maschine
EP3714535B1 (de) Elektrische maschine mit erhöhter betriebssicherheit
DE102019206460B3 (de) Drehende Mehrphasen-Transversalflussmaschine
DE102015226105A1 (de) Rotierende elektrische maschine des axiallückentyps
WO2019063400A1 (de) Elektrische antriebseinrichtung
DE102019215015A1 (de) Transversalflussmaschine
DE102011052409A1 (de) Motor und elektrische Servolenkung, die diesen Motor verwendet
DE102017202925B4 (de) Rotierende elektrische Maschine
WO2007085229A1 (de) Strahltriebwerk mit aktivmagnetischer lagerung
DE102015218302A1 (de) Elektrische Maschine mit verbesserter Kurzschlussfestigkeit
WO2020099457A1 (de) Verbesserung der sicherheit einer elektrischen maschine
DE102012022152A1 (de) Elektrische Maschine und Rotor für eine elektrische Maschine
DE102011082365A1 (de) Supraleitende Maschine und Verfahren zu deren Betrieb
WO2002025796A1 (de) Elektrische maschine
DE202016001273U1 (de) Elektrische Maschine für elektrisches Fahrzeug
WO2007036430A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur induktiven energieübertragung an supreleitende erregerspulen einer elektrischen maschine
WO2019091842A1 (de) Rotor und maschine mit p-poliger rotorwicklung
DE102015117296A1 (de) Elektrische Maschine
WO2015189120A1 (de) Elektrische maschine für hohe drehzahlen
WO2010023039A1 (de) Hybriderregte elektrische maschine
DE102019102463A1 (de) Elektrische Maschine und Verfahren zu deren Betrieb
WO2019206876A1 (de) Elektrische maschine und hybridelektrisches luftfahrzeug
DE102019118145A1 (de) Elektrisch kommutierter, mehrsträngiger Motor
WO2013053943A1 (de) Windkraftmaschine

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19805597

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19805597

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1