WO2022223246A1 - Elektrische antriebseinheit - Google Patents

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WO2022223246A1
WO2022223246A1 PCT/EP2022/058146 EP2022058146W WO2022223246A1 WO 2022223246 A1 WO2022223246 A1 WO 2022223246A1 EP 2022058146 W EP2022058146 W EP 2022058146W WO 2022223246 A1 WO2022223246 A1 WO 2022223246A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
output shaft
rotor
drive unit
unit
electrical drive
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/058146
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Behnam Houshmand
Gunar Reinicke
Adrian LEVU
Markus Christmann
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
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Classifications

    • 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
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/28—Means for mounting or fastening rotating magnetic parts on to, or to, the rotor structures
    • H02K1/30—Means for mounting or fastening rotating magnetic parts on to, or to, the rotor structures using intermediate parts, e.g. spiders

Definitions

  • the invention relates to an electric drive unit.
  • the object of the present invention is to provide an improved electric drive unit which reduces changes in the air gap between the rotor and stator even when forces are introduced on the load side.
  • an electric drive unit having the features of claim 1. Developments of the invention are specified in the dependent claims. Thereafter, the present invention contemplates an electric drive unit that includes an electric motor unit having a rotor and a stator.
  • the electric drive unit also includes a bearing unit which has an axially arranged, rotatable output shaft and a static bearing part which supports the output shaft.
  • the output shaft has an interface for connection to a load to be driven.
  • a clutch unit is also provided which provides torque transmission from the rotor to the output shaft, the rotor being arranged at a radial distance from the output shaft and the clutch unit comprising clutch means which extend in the radial direction between the rotor and the output shaft.
  • the invention is based on the idea of moving away from a rigid and direct coupling between the rotor of the motor unit and the output shaft and instead providing an additional coupling unit for this purpose, which provides torque transmission between the radially outer rotor and the axially arranged output shaft.
  • the use of radially extending coupling means for such a coupling opens up the possibility of providing these coupling means with a defined, desired rigidity that satisfies the respective requirements.
  • the coupling unit implements a soft coupling between the rotor and the output shaft in the sense that it has a low level of lateral forces, axial forces and/or bending forces that are introduced into the coupling by the load via the output shaft has rigidity.
  • Such forces are therefore mitigated and not, or only to a reduced extent, introduced into the rotor, so that it is decoupled from externally introduced forces. Since such forces can lead to an asymmetry in the air gap between rotor and stator, the use of a clutch unit with a defined, low rigidity avoids irregularities in the air gap.
  • the air gap refers to the actual physical gap in an electric motor that separates the rotor and stator.
  • the air gap should be large enough to prevent contact between the rotor and stator, whereby tolerances must be taken into account.
  • the air gap should be as small as possible so that the interaction between rotor and stator is at its maximum. It is also desirable for the air gap to be uniform. an asymmetrical one Air gaps can lead, for example, to axial or radial imbalance forces between the rotor and stator and/or damage to the insulation, for example.
  • Embodiments of the invention provide that the coupling unit implements a soft or flexible coupling between the rotor and the output shaft in the sense that forces and imbalances introduced into the coupling by the load do not significantly affect the gap between the rotor and stator of the motor unit, there is an insignificant influence within the meaning of the present invention when the air gap deviation does not exceed a value of ⁇ 20% of the average air gap, in particular ⁇ 10% of the average air gap.
  • a further advantage associated with the invention is that by avoiding or largely avoiding an asymmetry of the air gap, it is possible to realize this more precisely and thus with a shorter length. As a result, a weight saving can be realized and the efficiency of the electric motor can be increased.
  • Another advantage associated with the invention is that the solution according to the invention makes it possible to provide a drive unit with a modular structure, with the motor unit, the bearing unit and the clutch unit representing modular, prefabricated units that are connected to one another via defined mechanical interfaces.
  • the individual units represent different structural and functional components of the electric motor. They can be developed, tested or even replaced - for example after a design update - independently of one another. Defined mechanical interfaces are important for this, which ensure a connection and disconnection of the respective units.
  • the clutch has a clutch disc as the clutch means, which is coupled to the rotor radially on the outside and to the shaft radially on the inside.
  • a clutch disc inherently has high torsional stiffness and low flexural or transverse stiffness, the exact value of which can be determined by the material and design of the clutch disc.
  • the rigidity relative to axially introduced forces is referred to as flexural rigidity or transverse rigidity.
  • Axial forces introduced into the drive unit by a load such as a propeller lead to a local axial deformation of the clutch disk without the deformation being transmitted to the radially outer area of the clutch disk and thus to the rotor.
  • the rotor is from the load side introduced axial forces thus largely decoupled. The same applies to lateral forces that are introduced on the load side and act on the clutch disc.
  • a clutch disc is any structure whose axial dimension is small in relation to its radial dimension (the ratio of axial dimension to radial dimension being less than 1/10, for example). This does not preclude the clutch disk from having recesses and/or having deviations from a strictly radial extension.
  • a diaphragm clutch can be used as the coupling means, for example.
  • the coupling means in addition to a radial extension between the rotor and the output shaft, can also have an axial extension in the sense that the radially inner area of the clutch means is axially offset with respect to the radially outer area of the clutch means.
  • a design variant provides that the coupling means are connected radially on the inside to a shaft journal, which protrudes into the output shaft and drives it, e.g. by positive locking.
  • the coupling means can be connected directly to the output shaft radially on the inside. Radially on the outside, the coupling means are connected directly to the rotor, for example via bolts or other fastening means.
  • the clutch unit is designed as a torsionally rigid clutch or has a high torsional rigidity. This allows torque to be transmitted between the rotor and the output shaft with essentially no backlash.
  • the angle of rotation between the rotor and the output shaft, which is caused by the torque applied by the rotor is not greater than 0.1°.
  • the solution according to the invention can be used in connection with a variety of electric motor designs, including in a radial flux machine, an axial flux machine and a transverse flux machine.
  • a radial flux machine the rotor and stator are radially spaced.
  • an axial flow machine the rotor and stator are axially spaced.
  • a transverse flux machine a circumferential winding runs concentrically to the shaft Drive unit where the magnetic flux is transverse (perpendicular) to the plane of rotation.
  • a corresponding motor is also referred to as a transverse flux motor.
  • designs can be used in which the rotor is designed as an internal rotor and designs are used in which the rotor is designed as an external rotor.
  • the motor unit is designed as a radial flux machine, for example with an internal rotor. It can be provided that the rotor and the stator form an air gap that extends in the axial direction and runs around in the circumferential direction.
  • a further embodiment provides that the motor unit is designed as a transverse flux machine or axial flux machine, for example with a rotor running on the outside. It can be provided that the rotor and the stator form an air gap that extends in the radial direction and runs around in the circumferential direction.
  • a further embodiment provides that the bearing unit has an axially front bearing and an axially rear bearing for supporting the output shaft, it being possible for the bearings to be designed to allow axial play of the output shaft.
  • the bearings are designed, for example, as floating support bearings, with a small amount of play being provided in the axial direction.
  • Such a bearing allows axial forces introduced on the load side not to load the bearings, but rather to be absorbed by the coupling means, for example the clutch disk.
  • a further embodiment of the invention provides that the output shaft has the greatest axial extent compared to the motor unit and the clutch unit and widens conically in the direction of a load to be driven.
  • a large-area and secure interface for connection to a load such as a propeller, can be provided.
  • the interface is provided by a flange connection, for example.
  • a further embodiment of the invention provides that the static bearing part of the bearing unit has a mechanical interface for connecting the bearing unit to the airframe of an aircraft.
  • the static connection to the airframe is thus made via the static bearing part.
  • Such a connection can take place via an elastic coupling, as is provided, for example, via so-called “shock mounts”.
  • the motor unit, the bearing unit and the clutch unit are modular, prefabricated units that are connected to one another via defined mechanical interfaces.
  • the interfaces are defined by the type of connection structures, their position or spatial coordinates on the respective unit, and the associated connection elements. The exact type and position of the connection structures on the respective unit (e.g. flanges at a defined position) and the type of connection means or connection elements (e.g. screw connection, bolt connection, adhesive connection) are thus predefined.
  • stator of the motor unit and the static bearing part form a mechanical interface for connection to one another.
  • Such a system can integrate an elastic coupling, such as that provided by “shock mounts”.
  • the rotor of the motor unit and a radially outer area of the clutch unit form a mechanical interface for connection to one another.
  • a radially inner area of the clutch unit and the output shaft form a mechanical interface for connection to one another.
  • the stator is designed as a ring structure with a large number of ribs which adjoin one another in the circumferential direction and which each form a cooling air duct between them, the ribs holding and positioning the active components of the stator (in particular the stator windings). .
  • the provision of ribs, which each form a cooling air duct between them, enables effective cooling, in particular of the coils or windings of the electric motor.
  • the rotor of the electric motor unit is mounted in relation to the stator via a separate bearing, this separate bearing being different from the bearing for the output shaft of the bearing unit.
  • the separate bearing of the rotor only has to absorb low loads. In this way, lateral forces, axial forces and/or bending forces are mitigated by the clutch unit and introduced into the rotor to only a reduced extent.
  • the electric motor unit can, for example, be a permanent magnet synchronous motor.
  • the stator is made up of coils occupied, while surface magnets are mounted on the rotor.
  • the AC voltage is applied to the stator coils.
  • FIG. 1 shows a partially sectioned view of a first exemplary embodiment of an electric drive unit which comprises a motor unit, a bearing unit and a clutch unit, the motor unit being designed as a transverse flux machine with a rotor running on the outside;
  • FIG. 2 shows the motor unit and the clutch unit of the electric drive unit of FIG. 1 in a partially sectioned, perspective view
  • FIG. 3 shows the electric drive unit of FIG. 1 in a partially sectioned, perspective view
  • FIG. 4 shows a perspective view of the top of the electric drive unit of FIG. 1;
  • FIG. 5 shows a perspective view of the underside of the electric drive unit of FIG. 1;
  • FIG. 6 shows a partially sectioned view of a second exemplary embodiment of an electric drive unit, which comprises a motor unit, a bearing unit and a clutch unit, the motor unit being designed as a radial flux machine with an internal rotor; and
  • FIG. 7 shows the rotor of the motor unit and the clutch unit of the electric drive unit of FIG. 6 in a partially sectioned, perspective view.
  • FIGS. 1 to 5 show different views of a first exemplary embodiment of an electric drive unit.
  • the electric drive unit comprises an electric motor unit 1, a bearing unit 2 with an output shaft 21 and a static bearing part 22 and a clutch unit 3.
  • the three units 1, 2, 3 represent modular units that can be produced separately and can be connected to one another via defined mechanical interfaces , as will be explained later.
  • the description of the first exemplary embodiment relates to all of FIGS. 1 to 5, unless specific reference is made to specific figures.
  • the electric motor unit 1 comprises a rotor 11 and a stator 12.
  • the motor unit 1 is designed as a transverse flux machine, in which the rotor 11 is designed as a rotor 11 running on the outside.
  • Such motor units 1 are also referred to as transverse flux motors.
  • the rotor 11 has two axially spaced outer walls 111, 112, which each have or integrate permanent magnets (not shown separately) aligned in the radial direction.
  • the two outer walls 111 , 112 are connected to one another by a radially outer end wall 113 .
  • the stator 12 is formed by an annular structure having a plurality of ribs 120 circumferentially adjacent to each other and each forming a cooling air passage 121 therebetween.
  • the individual ribs 121 hold the active components of the stator 12 which are arranged in the volume 122 defined by the outer walls 111 , 112 and the end wall 113 of the rotor 11 .
  • the active components (not shown separately) are in particular electromagnets, i.e. coil windings and, if necessary, associated metal cores.
  • Several circumferential windings are realized in the stator 12, which are arranged at the same distance from the central axis of symmetry of the drive unit in the circumferential direction.
  • an air gap 131 runs between the rotor 11 and the stator 12 (namely the air gap 131 between the permanent magnets of the rotor 11 and the active components of the stator 12) in such a way that the air gap 131 extends in the radial direction and at the same time rotates in the circumferential direction of the electric motor 1.
  • two air gaps are provided, each adjoining the outer walls 111, 112 on the inside.
  • the rotor 11 and the stator 12 are connected to each other via an axially front bearing 141 and an axially rear bearing 142 so that the rotor 11 can rotate around the stator 12 .
  • the motor unit 1 can have a plurality of rotor-stator assemblies of the type described, which are arranged one behind the other in the axial direction and are firmly connected to one another.
  • the bearing unit 2 comprises the output shaft 21 and the static bearing part 22.
  • the output shaft 21 has a rotational and longitudinal axis (not shown separately) that is identical to the axis of symmetry of the overall arrangement, with the rotational and longitudinal axis defining the axial direction of the drive unit.
  • the static bearing part 22 serves to support the output shaft 21.
  • the bearing unit 2 comprises an axially front bearing 24 and an axially rear bearing 25.
  • the bearings 24, 25 can be designed in such a way that a certain axial play of the output shaft 21 is permitted.
  • the static bearing portion 22 has a plurality of ribs or stiffeners 27 arranged circumferentially. Furthermore, the static bearing part 22 comprises a basic structure extending in the radial direction, for example a base plate 260, which has a mechanical interface 26 on its radially outer area for connecting the bearing unit 2 and thus the entire drive unit to a static structure, for example the airframe of an airplane. can train. Instead of being formed by a base plate 260, the basic structure can be formed, for example, by a plurality of arms which are connected to one another and extend radially.
  • the rotationally symmetrical output shaft 21 comprises an axially front end 211 which is coupled to a shaft journal 32 of the coupling unit 3 and is driven by the electric motor unit 1, as will be explained below.
  • the shaft journal 32 can be designed in one piece with the clutch unit 3 .
  • the output shaft 21 comprises an axially rear end 212 which forms an interface 23 for connection to a load to be driven.
  • a propeller can be connected to the output shaft 21 as a load via the interface 23 .
  • the interface 23 includes, for example, openings 231 for the realization of screw connections or bolt connections.
  • the output shaft 21 widens conically between the axially front end 211 and the axially rear end 212.
  • the axial length of the output shaft 21 is greater than the axial overall height of the motor unit 1 and clutch unit 3, so that the output shaft 21 protrudes axially relative to the latter.
  • the output shaft 21 can also have a shape other than a conical shape. Alternatively, it can also be provided that the axial length of the output shaft 21 does not exceed the axial overall height of the motor unit 1 .
  • the output shaft 21 is preassembled in the static bearing part 22 so that the output shaft 21 and bearing part 22 together form the modular bearing unit 2 .
  • the coupling unit 3 serves to transmit the torque of the rotor 11 of the motor unit 1 to the output shaft 21 .
  • the rotor 11 is spaced radially from the output shaft 21 . Accordingly, the clutch unit 3 has clutch means which extend in the radial direction between the rotor 11 and the output shaft 21 .
  • coupling means are provided by a clutch disc 31 in the illustrated embodiment, although this is not necessarily the case.
  • the coupling means may alternatively be formed by a plurality of radially extending and circumferentially spaced struts or spokes, similar to a bicycle hub, or formed by a diaphragm clutch.
  • the clutch disk 31 is coupled to the rotor 11 radially on the outside and to the output shaft 21 radially on the inside.
  • the clutch disk 31 is coupled to the rotor 11 via a predefined mechanical interface 42, which includes bolts 421 that connect the radially outer edge 312 (see FIG. 2) of the clutch disk 31 to the axially front wall 112 of the rotor 11 in a rotationally fixed manner.
  • the clutch disk 31 is coupled to the output shaft 21 via the shaft journal 32 already mentioned.
  • the radially inner edge 311 (see Figure 2) of the clutch disk 31, which has a central recess, is connected to the shaft journal via a mechanical interface 43, which includes bolts 431 32 rotatably connected.
  • the shaft journal 32 includes an axially protruding area 321, which protrudes into the axially front end 211 of the output shaft 21 and, due to a positive fit between the shaft journal 32 and the axially front end 211 of the output shaft 21, transmits a torque to the output shaft 21.
  • a mechanical connection 44 with bolts 441 for the non-rotatable connection between the shaft journal 32 and the axially front end 211 of the output shaft 21 can be provided.
  • the shaft journal 32 can be integrated into the clutch disc 31 .
  • the clutch disc 31 is connected directly to the output shaft 21 without the interposition of a shaft journal 32.
  • a mechanical interface 41 is provided, which the motor unit 1 with the base plate 260 of the storage unit 1 by means Bolt 411 or the like connects (see Figure 2).
  • the stator has a retaining plate 15, which forms a flange 151 for connection to the stator 12 and a flange 152 for connection to the base plate 260, as can be seen in particular from FIG.
  • the retaining plate 15 can be designed to be flexible in order to improve the dynamic behavior of the drive unit.
  • torque can be transmitted from the rotor 11 to the output shaft 21, which on the one hand has a high torsional rigidity and on the other hand with regard to lateral forces, axial forces and/or bending forces generated by a load connected to the output shaft 21 are introduced into the electric drive unit, has a low level of rigidity, so that forces introduced, such as imbalances, can be absorbed by the coupling unit 3, so that the rotor 11 is decoupled from such forces and the precision and symmetry of the air gap 131 between the rotor 11 and the stator 12 is not or only slightly influenced by such forces.
  • Figures 4 and 5 show a perspective view of the complete drive unit consisting of motor unit 1, bearing unit 2 and coupling unit 3. Reinforcing ribs 27 of bearing unit 2, which are spaced apart in the circumferential direction and perpendicular to base plate 260, can be clearly seen in Figure 4 .
  • the clutch disk 31 can be seen, which is connected to the rotor 11 at its radially outer edge 312 or to the shaft journal 32 at its radially inner edge 311 .
  • FIGS. 6 and 7 show an alternative exemplary embodiment of an electric drive unit, which has an electric motor unit 1 , a bearing unit 2 and a clutch unit 3 .
  • the basic structure is the same as that of the drive unit in FIGS. 1 to 5, but the motor unit 1 is designed as a radial flow machine with an internal rotor.
  • the same bearing unit 2 is used as in FIGS. 1-5. This is possible due to the modular design of the motor unit 1.
  • the motor unit 1 includes a rotor 11 which is arranged radially on the inside of a stator 12 .
  • the stator 12 includes a plurality of coils 125.
  • the rotor 11 is disposed inside the stator 12 and rotates about a longitudinal axis that is identical with the rotation and longitudinal axis of the output shaft 21 .
  • the rotor 11 comprises a multiplicity of permanent magnets 16 which are arranged on the outside of the rotor 11 as surface magnets.
  • An air gap 132 is formed between the rotor 11 and the stator 12, namely between the permanent magnets 16 of the rotor 11 and the coils 125 of the stator 12.
  • the rotor 11 and the stator 12 are connected to each other via an axially front bearing 141 and an axially rear bearing 142 so that the rotor 11 can rotate inside the stator 12 .
  • the bearing unit 2 comprises the output shaft 21 and the static bearing part 22.
  • the output shaft 21 has a rotational and longitudinal axis (not shown separately) which is identical to the axis of symmetry of the overall arrangement, with the rotational and longitudinal axis defining the axial direction of the drive unit.
  • the static bearing part 22 serves to support the output shaft 21.
  • the bearing unit 2 comprises an axially front bearing 24 and an axially rear bearing 25.
  • the bearings 24, 25 can be designed in such a way that a certain axial play of the output shaft 21 is permitted.
  • the static bearing portion 22 has a plurality of ribs or stiffeners 27 arranged circumferentially.
  • the static bearing part 22 also includes a base plate 260 extending in the radial direction and a further plate-shaped structure 261 which, in its radially outer area, has a mechanical interface 26 for connecting the bearing unit 2 and thus the entire drive unit to a static structure, for example the airframe of a aircraft, trains.
  • the output shaft 21 includes an axial front end 211 which is coupled to a shaft journal 32 of the coupling unit 3 and is driven via the electric motor unit 1 . Furthermore, the output shaft 21 comprises an axially rear end 212 which forms an interface 23 for connection to a load to be driven. For example, a propeller can be connected to the output shaft 21 as a load via the interface 23 .
  • the interface 23 includes, for example, openings 231 for the realization of screw connections or bolt connections.
  • the output shaft 21 widens conically between the axially front end 211 and the axially rear end 212.
  • the axial length of the output shaft 21 is greater than the axial overall height of the motor unit 1 and clutch unit 3, so that the output shaft 21 protrudes axially relative to the latter.
  • the output shaft 21 is preassembled in the static bearing part 22 so that the output shaft 21 and bearing part 22 together form the modular bearing unit 2 .
  • the coupling unit 3 serves to transmit the torque of the rotor 11 of the motor unit 1 to the output shaft 21 .
  • the rotor 11 is spaced radially from the output shaft 21 .
  • the clutch unit 3 has clutch means which extend in the radial direction between the rotor 11 and the output shaft 21 .
  • These coupling means are provided by a clutch disc 31 in the illustrated embodiment.
  • the coupling means can be formed, for example, by a multiplicity of radially extending and circumferentially spaced struts or spokes, similar to a bicycle hub.
  • the clutch disk 31 is coupled to the rotor 11 radially on the outside and to the output shaft 21 radially on the inside.
  • the clutch disk 31 is coupled to the rotor 11 via a predefined mechanical interface 42 which includes bolts 421 which connect the radially outer edge 312 (see FIG. 7) of the clutch disk 31 to a flange 17 of the rotor 11 in a rotationally fixed manner.
  • the clutch disk 31 is coupled to the output shaft 21 via a shaft journal 32.
  • the radially inner edge 311 (see Figure 7) of the clutch disk 31, which has a central recess, is connected via a mechanical interface 43, which is realized by bolts 431 , With the shaft journal 32 rotatably connected.
  • the shaft journal 32 includes an axially protruding area 321, which protrudes into the axially front end 211 of the output shaft 21 and, due to a positive fit between the shaft journal 32 and the axially front end 211 of the output shaft 21, transmits a torque to the output shaft 21.
  • the interface 43 to the shaft journal 32 functionally forms an interface to the output shaft 21 , since the output shaft 21 is driven via the shaft journal 32 .
  • the turbine disk 31 is connected directly to the output shaft 21 without the interposition of a shaft journal 32.
  • a mechanical interface 41 is provided, which the motor unit 1 with the base plate 260 of the storage unit 1 by means Bolt 411 or the like connects.
  • the stator 12 and the base plate 260 each form a flange 153, 262, which form a flange connection.
  • torque can be transmitted from the rotor 11 to the output shaft 21, which on the one hand has a high torsional rigidity and on the other hand with regard to lateral forces, axial forces and/or bending forces generated by a load connected to the output shaft 21 can be introduced into the electric drive unit, has a low degree of rigidity, so that forces introduced, such as imbalances, can be absorbed by the coupling unit 3 and the precision and symmetry of the air gap 132 between the rotor 11 and the stator 12 is not or only partially influence only slightly.
  • the air gap 131, 132 has a width of less than 2 mm, in particular less than 1 mm, in particular 0.5 mm.
  • a variation in the width of the air gap 131, 132 can be limited to a maximum of ⁇ 20% of the mean air gap width by using a flexible coupling.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit, die aufweist: eine elektrische Motoreinheit (1), die einen Rotor (11) und einen Stator (12) umfasst; eine Lagereinheit (2) mit einer axial angeordneten, drehbaren Abtriebswelle (21) und einem statischen Lagerteil (22), das die Abtriebswelle (21) lagert, wobei die Abtriebswelle (21) eine Schnittstelle (23) zur Verbindung mit einer anzutreibenden Last aufweist; und eine Kupplungseinheit (3), die eine Drehmomentübertragung vom Rotor (11) auf die Abtriebswelle (21) bereitstellt, wobei der Rotor (11) radial beabstandet zu der Abtriebswelle (21) angeordnet ist und die Kupplungseinheit (3) Kupplungsmittel (31) umfasst, die sich in radialer Richtung zwischen dem Rotor (11) und der Abtriebswelle (21) erstrecken.

Description

Elektrische Antriebseinheit
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit.
Es ist bekannt, den elektrischen Motor einer elektrischen Antriebseinheit mit der Welle einer anzutreibenden Last, beispielsweise einem Propeller zu koppeln. Ein damit verbundenes Problem besteht darin, dass Kräfte, die über die Last in die Antriebseinheit eingeleitet werden, zu asymmetrischen Belastungen des Rotors und damit zu einer asymmetrischen Änderung des Luftspalts zwischen Rotor und Stator des elektrischen Motors führen können.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte elektrische Antriebseinheit bereitzustellen, die Änderungen des Luftspalts zwischen Rotor und Stator auch bei lastseitig eingeleiteten Kräften reduziert.
Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Antriebseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Danach betrachtet die vorliegende Erfindung eine elektrische Antriebseinheit, die eine elektrische Motoreinheit mit einem Rotor und einem Stator aufweist. Weiter umfasst die elektrische Antriebseinheit eine Lagereinheit, die eine axial angeordnete, drehbare Abtriebswelle und ein statisches Lagerteil, das die Abtriebswelle lagert, aufweist. Dabei weist die Abtriebswelle eine Schnittstelle zur Verbindung mit einer anzutreibenden Last auf.
Es ist ferner eine Kupplungseinheit vorgesehen, die eine Drehmomentübertragung vom Rotor auf die Abtriebswelle bereitstellt, wobei der Rotor radial beabstandet zu der Abtriebswelle angeordnet ist und die Kupplungseinheit Kupplungsmittel umfasst, die sich in radialer Richtung zwischen dem Rotor und der Abtriebswelle erstrecken.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, von einer starren und direkten Kupplung zwischen dem Rotor der Motoreinheit und der Abtriebswelle Abstand zu nehmen und stattdessen hierzu eine zusätzliche Kupplungseinheit bereitzustellen, die eine Drehmomentübertragung zwischen dem radial außen liegenden Rotor und der axial angeordneten Abtriebswelle bereitstellt. Durch die Verwendung von sich radial erstreckenden Kupplungsmitteln für eine solche Kupplung eröffnet sich die Möglichkeit, diese Kupplungsmittel mit einer definierten, gewünschten Steifigkeit zu versehen, die den jeweiligen Anforderungen genügt.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Kupplungseinheit eine weiche Kupplung zwischen Rotor und Abtriebswelle in dem Sinne realisiert, dass sie im Hinblick auf laterale Kräfte, axiale Kräfte und/oder Biegekräfte, die über die Abtriebswelle von der Last in die Kupplung eingebracht werden, eine geringe Steifigkeit besitzt. Solche Kräfte werden daher abgemildert und nicht oder in nur reduziertem Maße in den Rotor eingeleitet, so dass dieser von extern eingeleiteten Kräften entkoppelt wird. Da solche Kräfte zu einer Asymmetrie im Luftspalt zwischen Rotor und Stator führen können, vermeidet der Einsatz einer Kupplungseinheit mit einer definierten, geringen Steifigkeit Unregelmäßigkeiten im Luftspalt.
Allgemein wird darauf hingewiesen, dass als Luftspalt der tatsächliche physische Spalt in einem Elektromotor, der Rotor und Stator trennt, bezeichnet wird. Der Luftspalt sollte zum einen ausreichend groß sein, um einen Kontakt zwischen Rotor und Stator zu verhindern, wobei Toleranzen zu berücksichtigen sind. Zum anderen sollte der Luftspalt möglichst klein sein, damit die Wechselwirkung zwischen Rotor und Stator maximal ist. Weiter ist anzustreben, dass der Luftspalt gleichmäßig ausgebildet ist. Ein asymmetrischer Luftspalt kann beispielsweise zu axialen oder radialen Unwuchtkräften zwischen Rotor und Stator führen und/oder zu Beschädigungen beispielsweise in der Isolierung führen.
Ausgestaltungen der Erfindung sehen dabei vor, dass die Kupplungseinheit eine weiche bzw. flexible Kupplung zwischen dem Rotor und der Abtriebswelle in dem Sinne realisiert, dass in die Kupplung seitens der Last eingetragenen Kräfte und Unwuchten den Spalt zwischen Rotor und Stator der Motoreinheit nicht wesentlich beeinflussen, wobei eine nicht wesentliche Beeinflussung im Sinne der vorliegenden Erfindung dann vorliegt, wenn die Luftspaltabweichung einen Wert von ± 20 % des durchschnittlichen Luftspalts, insbesondere von ± 10 % des durchschnittlichen Luftspalts nicht überschreitet.
Ein weiterer, mit der Erfindung verbundenen Vorteil besteht darin, dass es durch die Vermeidung oder weitgehende Vermeidung einer Asymmetrie des Luftspaltes möglich ist, diesen präziser und dadurch mit geringerer Länge zu realisieren. Hierdurch können eine Gewichteinsparung realisiert und die Effizienz des Elektromotors erhöht werden.
Ein weiterer, mit der Erfindung verbundenen Vorteil besteht darin, dass die erfindungsgemäße Lösung es ermöglicht, eine Antriebseinheit mit einem modularen Aufbau bereitzustellen, wobei die Motoreinheit, die Lagereinheit und die Kupplungseinheit modular vorgefertigte Einheiten darstellen, die über definierte mechanische Schnittstellen miteinander verbunden sind. Die einzelnen Einheiten stellen dabei unterschiedliche strukturelle und funktionelle Bestandteile des Elektromotors dar. Sie können unabhängig voneinander entwickelt, geprüft oder - beispielsweise nach einer Designaktualisierung - sogar ausgetauscht werden. Hierfür sind definierte mechanische Schnittstellen von Bedeutung, die eine Verbindung und Lösung der jeweiligen Einheiten sicherstellen.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Kupplung als Kupplungsmittel eine Kupplungsscheibe aufweist, die radial außen mit dem Rotor und radial innen mit der Welle gekoppelt ist. Eine Kupplungsscheibe besitzt inhärent eine hohe Torsionssteifigkeit und eine geringe Biegesteifigkeit bzw. Quersteifigkeit, wobei der genaue Wert durch das Material und die Konstruktion der Kupplungsscheibe festgelegt werden können. Als Biegesteifigkeit bzw. Quersteifigkeit wird dabei die Steifigkeit gegenüber axial eingeleiteten Kräften bezeichnet. Axiale, von einer Last wie zum Beispiel einem Propeller in die Antriebseinheit eingeleitete Kräfte führen zu einer lokalen axialen Verformung der Kupplungsscheibe, ohne dass die Verformung in den radial äußeren Bereich der Kupplungsscheibe und damit auf den Rotor übertragen wird. Der Rotor wird von lastseitig eingeleiteten axialen Kräften somit weitgehend entkoppelt. Gleiches gilt für laterale Kräfte, die lastseitig eingeleitet werden und auf die Kupplungsscheibe wirken.
Es wird darauf hingewiesen, dass als Kupplungsscheibe jede Struktur bezeichnet wird, deren axiale Ausdehnung klein im Verhältnis zu ihrer radialen Ausdehnung ist (wobei das Verhältnis von axialer Ausdehnung zu radialer Ausdehnung beispielsweise kleiner als 1/10 ist). Dies schließt nicht aus, dass die Kupplungsscheibe Aussparungen aufweist und/oder Abweichungen von einer strikt radialen Erstreckung besitzt.
Weiter wird darauf hingewiesen, dass statt einer Kupplungsscheibe beispielsweise eine Diaphragmkupplung als Kupplungsmittel eingesetzt werden kann.
Allgemein wird darauf hingewiesen, dass die Kupplungsmittel zusätzlich zu einer radialen Erstreckung zwischen dem Rotor und der Abtriebswelle auch eine axiale Erstreckung in dem Sinne aufweisen können, dass der radial innere Bereich der Kupplungsmittel gegenüber dem radial äußeren Bereich der Kupplungsmittel axial versetzt ist.
Eine Ausführungsvariante sieht vor, dass die Kupplungsmittel radial innen mit einem Wellenzapfen verbunden sind, der in die Abtriebswelle hineinragt und diese z.B. durch Formschluss antreibt. Dies ist jedoch nicht notwendigerweise der Fall. Alternativ können die Kupplungsmittel radial innen direkt mit der Abtriebswelle verbunden sein. Radial außen sind die Kupplungsmittel beispielsweise über Bolzen oder andere Befestigungsmittel unmittelbar mit dem Rotor verbunden.
Wie bereits angemerkt, kann vorgesehen sein, dass die Kupplungseinheit als torsionssteife Kupplung ausgebildet ist bzw. eine hohe Torsionssteifigkeit aufweist. Dies erlaubt eine Drehmomentübertragung zwischen dem Rotor und der Abtriebswelle im Wesentlichen ohne Spiel. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Verdrehwinkel zwischen Rotor und Abtriebswelle, welcher durch das durch den Rotor aufgeprägte Drehmoment entsteht, nicht größer als 0,1° ist.
Die erfindungsgemäße Lösung kann in Zusammenhang mit einer Vielzahl von Elektromotorkonstruktionen eingesetzt werden, einschließlich in einer Radialflussmaschine, einer Axialflussmaschine und einer Transversalflussmaschine. Bei einer Radialflussmaschine sind Rotor und Stator radial beabstandet. Bei einer Axialflussmaschine sind Rotor und Stator axial beanstandet. Bei einer Transversalflussmaschine läuft eine Umfangswicklung konzentrisch zur Welle der Antriebseinheit, wobei der magnetische Fluss transversal (senkrecht) zur Drehebene verläuft. Ein entsprechender Motor wird auch als Transversalflussmotor bezeichnet. Weiter können Konstruktionen eingesetzt werden, bei denen der Rotor als Innenläufer ausgebildet ist und Konstruktionen eingesetzt werden, bei denen der Rotor als Außenläufer ausgebildet ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Motoreinheit als Radialflussmaschine beispielsweise mit innenlaufendem Rotor ausgebildet ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Rotor und der Stator einen sich in axialer Richtung erstreckenden und in Umfangsrichtung umlaufenden Luftspalt ausbilden.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Motoreinheit als Transversalflussmaschine oder Axialflussmaschine beispielsweise mit außenlaufendem Rotor ausgebildet ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Rotor und der Stator einen sich in radialer Richtung erstreckenden und in Umfangsrichtung umlaufenden Luftspalt ausbilden.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Lagereinheit ein axial vorderes Lager und ein axial hinteres Lager zur Lagerung der Abtriebswelle aufweist, wobei die Lager dazu ausgebildet sein können, ein Axialspiel der Abtriebswelle zu erlauben. Hierzu sind sie beispielsweise als schwimmende Stützlager ausgebildet, wobei in axialer Richtung ein geringes Spiel bereitgestellt wird. Eine solche Lagerung erlaubt, dass lastseitig eingeleitete axiale Kräfte nicht die Lager belasten, sondern durch die Kupplungsmittel, beispielsweise die Kupplungsscheibe aufgenommen werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Abtriebswelle verglichen mit der Motoreinheit und der Kupplungseinheit die größte axiale Ausdehnung aufweist und sich in Richtung einer anzutreibenden Last konisch verbreitert. Hierdurch kann eine großflächige und sichere Schnittstelle zur Verbindung mit einer Last, beispielsweise einem Propeller bereitgestellt werden. Die Schnittstelle wird beispielsweise durch eine Flanschverbindung bereitgestellt.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das statische Lagerteil der Lagereinheit eine mechanische Schnittstelle zur Verbindung der Lagereinheit mit dem Flugwerk eines Flugzeugs aufweist. Damit erfolgt über das statische Lagerteil die statische Anbindung an das Flugwerk. Eine solche Anbindung kann dabei über eine elastische Kopplung erfolgen, wie sie beispielsweise über sogenannte „Schock-Mounts“ bereitgestellt wird. Wie bereits erwähnt sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Motoreinheit, die Lagereinheit und die Kupplungseinheit modular vorgefertigte Einheiten darstellen, die über definierte mechanische Schnittstellen miteinander verbunden sind. Die Schnittstellen sind dabei gemäß einem Ausführungsbeispiel durch die Art der Verbindungsstrukturen, deren Position bzw. Raumkoordinaten an der jeweiligen Einheit, und die zugehörigen Verbindungelemente definiert. Die genaue Art und Position der Verbindungsstrukturen an der jeweiligen Einheit (z.B. Flansche an definierter Position) sowie die Art der Verbindungsmittel bzw. Verbindungselemente (zum Beispiel Schraubverbindung, Bolzenverbindung, Klebeverbindung) sind somit vordefiniert.
Eine Ausgestaltung hierzu sieht vor, dass der Stator der Motoreinheit und das statische Lagerteil eine mechanische Schnittstelle zur Verbindung miteinander ausbilden. Eine solche kann eine elastische Kopplung integrieren, wie sie beispielsweise „Schock- Mounts“ bereitstellen. Eine weitere Ausgestaltung hierzu sieht vor, dass der Rotor der Motoreinheit und ein radial äußerer Bereich der Kupplungseinheit eine mechanische Schnittstelle zur Verbindung miteinander ausbilden. Weiter kann vorgesehen sein, dass ein radial innerer Bereich der Kupplungseinheit und die Abtriebswelle eine mechanische Schnittstelle zur Verbindung miteinander ausbilden.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Stator als Ringstruktur mit einer Vielzahl von Rippen ausgebildet ist, die in Umfangsrichtung aneinander angrenzen und die jeweils einen Kühlluftkanal zwischen sich ausbilden, wobei die Rippen die aktiven Bestandteile des Stators (insbesondere die Statorwicklungen) halten und positionieren. Durch die Bereitstellung von Rippen, die zwischen sich jeweils einen Kühlluftkanal ausbilden, wird eine effektive Kühlung insbesondere der Spulen bzw. Wicklungen des Elektromotors ermöglicht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Rotor der elektrischen Motoreinheit über ein separates Lager gegenüber dem Stator gelagert, wobei dieses separate Lager sich von dem Lager für die Abtriebswelle der Lagereinheit unterscheidet. Bei Einsatz einer Kupplungseinheit, die eine weiche Kupplung realisiert, muss die separate Lagerung des Rotors dabei nur geringe Lasten aufnehmen. So werden laterale Kräfte, axiale Kräfte und/oder Biegekräfte durch die Kupplungseinheit abgemildert und in nur reduziertem Maße in den Rotor eingeleitet.
Bei der elektrischen Motoreinheit halte sich beispielsweise um einen Permanentmagnet- Synchronmotor. Bei einem Permanentmagnet-Synchronmotor ist der Stator mit Spulen besetzt, während auf dem Rotor Oberflächenmagnete angebracht sind. Die Wechselspannung liegt an den Statorspulen an.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 in einer teilweise geschnittenen Ansicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Antriebseinheit, die eine Motoreinheit, eine Lagereinheit und eine Kupplungseinheit umfasst, wobei die Motoreinheit als Transversalflussmaschine mit außenlaufendem Rotor ausgebildet ist;
Figur 2 die Motoreinheit und die Kupplungseinheit der elektrischen Antriebseinheit der Figur 1 in einer teilweise geschnittenen, perspektivischen Ansicht;
Figur 3 die elektrische Antriebseinheit der Figur 1 in einer teilweise geschnittenen, perspektivischen Ansicht;
Figur 4 eine perspektivische Ansicht der Oberseite der elektrischen Antriebseinheit der Figur 1 ;
Figur 5 eine perspektivische Ansicht der Unterseite der elektrischen Antriebseinheit der Figur 1 ;
Figur 6 in einer teilweise geschnittenen Ansicht ein zweites Ausführungsbeispiel einer elektrischen Antriebseinheit, die eine Motoreinheit, eine Lagereinheit und eine Kupplungseinheit umfasst, wobei die Motoreinheit als Radialflussmaschine mit innenlaufendem Rotor ausgebildet ist; und
Figur 7 den Rotor der Motoreinheit und die Kupplungseinheit der elektrischen Antriebseinheit der Figur 6 in einer teilweise geschnittenen, perspektivischen Ansicht.
Die Figuren 1 bis 5 zeigen in verschiedenen Ansichten ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Antriebseinheit. Die elektrische Antriebseinheit umfasst eine elektrische Motoreinheit 1 , eine Lagereinheit 2 mit einer Abtriebswelle 21 und einem statischen Lagerteil 22 und eine Kupplungseinheit 3. Die drei Einheiten 1 , 2, 3 stellen modulare Einheiten dar, die gesondert herstellbar und über definierte mechanische Schnittstellen miteinander verbindbar sind, wie noch ausgeführt wird. Die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels bezieht sich auf sämtliche der Figuren 1 bis 5, sofern nicht auf bestimmte der Figuren konkret Bezug genommen wird.
Die elektrische Motoreinheit 1 umfasst einen Rotor 11 und einen Stator 12. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Motoreinheit 1 als Transversalflussmaschine ausgebildet, bei der der Rotor 11 als außenlaufender Rotor 11 ausgebildet ist. Solche Motoreinheiten 1 werden auch als Transversalflussmotoren bezeichnet.
Der Rotor 11 besitzt zwei axial beabstandete Außenwände 111 , 112, die jeweils in radialer Richtung ausgerichtete Permanentmagnete (nicht gesondert dargestellt) aufweisen oder integrieren. Die beiden Außenwände 111 , 112 sind durch eine radial äußere, stirnseitige Wand 113 miteinander verbunden. Der Stator 12 ist durch eine Ringstruktur mit einer Vielzahl von Rippen 120 ausgebildet, die in Umfangsrichtung aneinander angrenzen und die jeweils einen Kühlluftkanal 121 zwischen sich ausbilden. Die einzelnen Rippen 121 halten dabei die aktiven Bestandteile des Stators 12, die in dem durch die Außenwände 111 , 112 und die stirnseitige Wand 113 des Rotors 11 definierten Volumen 122 angeordnet sind. Bei den aktiven Bestandteilen (nicht gesondert dargestellt) handelt es sich insbesondere um Elektromagnete, d.h. Spulenwicklungen und ggf. zugehörige Metallkerne. Dabei sind im Stator 12 mehrere Umfangswicklungen realisiert, die zur zentralen Symmetrieachse der Antriebseinheit in Umfangsrichtung im gleichem Abstand angeordnet sind.
Bei einer solchen Ausgestaltung als Transversalflussmotor verläuft ein Luftspalt 131 zwischen dem Rotor 11 und dem Stator 12 (nämlich der Luftspalt 131 zwischen den Permanentmagneten des Rotors 11 und den aktiven Bestandteilen des Stators 12) derart, dass der Luftspalt 131 sich in radialer Richtung erstreckt und dabei in Umfangsrichtung des Elektromotors 1 umläuft. Bei der beschriebenen Konstruktion sind dabei zwei Luftspalte vorgesehen, jeweils innenseitig angrenzend an die Außenwände 111 , 112.
Der Rotor 11 und der Stator 12 sind über ein axial vorderes Lager 141 und ein axial hinteres Lager 142 miteinander verbunden, so dass der Rotor 11 um den Stator 12 rotieren kann.
In alternativen Ausgestaltungen kann die Motoreinheit 1 mehrere Rotor-Stator- Baugruppen der beschriebenen Art aufweisen, die in axialer Richtung hintereinander angeordnet und fest miteinander verbunden sind. Die Lagereinheit 2 umfasst die Abtriebswelle 21 und das statische Lagerteil 22. Die Abtriebswelle 21 besitzt eine Dreh- und Längsachse (nicht gesondert dargestellt), die identisch mit der Symmetrieachse der Gesamtanordnung ist, wobei die Dreh- und Längsachse die axiale Richtung der Antriebseinheit definiert. Das statische Lagerteil 22 dient der Lagerung der Abtriebswelle 21. Hierzu umfasst die Lagereinheit 2 ein axial vorderes Lager 24 und ein axial hinteres Lager 25. Die Lager 24, 25 können derart ausgebildet sein, dass ein gewisses axiales Spiel der Abtriebswelle 21 zugelassen ist.
Der statische Lagerteil 22 besitzt eine Vielzahl von Rippen oder Versteifungen 27, die in Umfangsrichtung angeordnet sind. Weiter umfasst das statische Lagerteil 22 eine sich in radialer Richtung erstreckende Grundstruktur, beispielsweise eine Grundplatte 260, die an ihrem radial äußeren Bereich eine mechanische Schnittstelle 26 zur Verbindung der Lagereinheit 2 und damit der gesamten Antriebseinheit mit einer statischen Struktur, beispielsweise dem Flugwerk eines Flugzeugs, ausbilden kann. Die Grundstruktur kann statt durch eine Grundplatte 260 beispielsweise durch mehrere miteinander verbundene, sich radial erstreckende Arme gebildet sein.
Die rotationssymmetrische Abtriebswelle 21 umfasst ein axial vorderes Ende 211 , das mit einem Wellenzapfen 32 der Kopplungseinheit 3 gekoppelt ist und mittels der elektrischen Motoreinheit 1 angetrieben wird, wie noch ausgeführt wird. Der Wellenzapfen 32 kann dabei einteilig mit der Kupplungseinheit 3 ausgebildet sein. Weiter umfasst die Abtriebswelle 21 ein axial hinteres Ende 212, das eine Schnittstelle 23 zur Verbindung mit einer anzutreiben Last ausbildet. Beispielsweise kann über die Schnittstelle 23 ein Propeller als Last mit der Abtriebswelle 21 verbunden werden. Die Schnittstelle 23 umfasst dabei beispielsweise Öffnungen 231 zur Realisierung von Schraubverbindungen bzw. Bolzenverbindungen. Die Abtriebswelle 21 verbreitert sich konisch zwischen den axial vorderen Ende 211 und dem axial hinteren Ende 212. Die axiale Länge der Abtriebswelle 21 ist dabei größer als die axiale Bauhöhe von Motoreinheit 1 und Kupplungseinheit 3, so dass die Abtriebswelle 21 axial gegenüber letzteren vorsteht.
Dies ist jedoch nur beispielhaft zu verstehen. Je nach Lagerwahl und Anwendung kann die Abtriebswelle 21 auch eine andere als eine konische Form aufweisen. Auch kann alternativ vorgesehen sein, dass die axiale Länge der Abtriebswelle 21 nicht über die axiale Bauhöhe der Motoreinheit 1 hinausgeht. Die Abtriebswelle 21 ist in dem statischen Lagerteil 22 vormontiert, so dass Abtriebswelle 21 und Lagerteil 22 zusammen die modulare Lagereinheit 2 bilden.
Die Kopplungseinheit 3 dient dazu, das Drehmoment des Rotors 11 der Motoreinheit 1 auf die Abtriebswelle 21 zu übertragen. Dabei ist der Rotor 11 radial zu der Abtriebswelle 21 beabstandet. Dementsprechend weist die Kupplungseinheit 3 Kupplungsmittel auf, die sich in radialer Richtung zwischen dem Rotor 11 und der Abtriebswelle 21 erstrecken.
Diese Kupplungsmittel sind im dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine Kupplungsscheibe 31 bereitgestellt, wobei dies nicht notwendigerweise der Fall ist. Beispielsweise können die Kupplungsmittel alternativ durch eine Vielzahl von sich radial erstreckenden und in Umfangsrichtung beabstandete Streben bzw. Speichen gebildet sein, ähnlich einer Fahrradnabe, oder durch eine Diaphragmkupplung gebildet sein.
Die Kupplungsscheibe 31 ist radial außen mit dem Rotor 11 und radial innen mit der Abtriebswelle 21 gekoppelt. Die Kopplung der Kupplungsscheibe 31 mit dem Rotor 11 erfolgt über eine vordefinierte mechanische Schnittstelle 42, die Bolzen 421 umfasst, die den radial äußeren Rand 312 (siehe Figur 2) der Kupplungsscheibe 31 mit der axial vorderen Wand 112 des Rotors 11 drehfest verbinden.
Die Kopplung der Kupplungsscheibe 31 mit der Abtriebswelle 21 erfolgt über den bereits erwähnten Wellenzapfen 32. Dabei ist der radial innere Rand 311 (siehe Figur 2) der eine mittige Aussparung aufweisenden Kupplungsscheibe 31 über eine mechanische Schnittstelle 43, die Bolzen 431 umfasst, mit dem Wellenzapfen 32 drehfest verbunden. Der Wellenzapfen 32 umfasst einen axial vorstehenden Bereich 321 , der in das axial vordere Ende 211 der Abtriebswelle 21 hineinragt und aufgrund eines Formschlusses zwischen dem Wellenzapfen 32 und dem axial vorderen Ende 211 der Abtriebswelle 21 ein Drehmoment auf die Abtriebswelle 21 überträgt. Zusätzlich kann eine mechanische Verbindung 44 mit Bolzen 441 zur drehfesten Verbindung zwischen dem Wellenzapfen 32 und dem axial vorderen Ende 211 der Abtriebswelle 21 vorgesehen sein. Der Wellenzapfen 32 kann alternativ in die Kupplungsscheibe 31 integriert sein.
Alternativ ist die Kupplungsscheibe 31 direkt mit der Abtriebswelle 21 verbunden, ohne die Zwischenschaltung eines Wellenzapfens 32.
Zur Verbindung von Motoreinheit 1 und Lagereinheit 2 ist eine mechanische Schnittstelle 41 vorgesehen, die die Motoreinheit 1 mit der Grundplatte 260 der Lagereinheit 1 mittels Bolzen 411 oder dergleichen verbindet (siehe Figur 2). Hierzu weist der Stator ein Halteblech 15 auf, das zum einen einen Flansch 151 zur Verbindung mit dem Stator 12 und zum anderen einen Flansch 152 zur Verbindung mit der Grundplatte 260 ausbildet, wie insbesondere anhand der Figur 2 erkennbar ist. In Ausgestaltungen kann das Halteblech 15 flexibel ausgelegt sein, um das dynamische Verhalten der Antriebseinheit zu verbessern.
Durch die Verwendung einer Kupplungseinheit 3 mit einer Kupplungsscheibe 31 kann eine Drehmomentübertragung vom Rotor 11 auf die Abtriebswelle 21 realisiert werden, die zum einen eine hohe Torsionssteifigkeit aufweist und die zum anderen im Hinblick auf laterale Kräfte, axiale Kräfte und/oder Biegekräfte, die von einer an die Abtriebswelle 21 angeschlossenen Last in die elektrische Antriebseinheit eingebracht werden, eine geringe Steifigkeit besitzt, so dass eingebrachte Kräfte wie Unwuchten durch die Kopplungseinheit 3 aufgenommen werden können, damit eine Entkopplung des Rotors 11 von solchen Kräften erfolgt und die Präzision und Symmetrie des Luftspaltes 131 zwischen dem Rotor 11 und dem Stator 12 nicht oder in nur geringer Weise durch solche Kräfte beeinflusst wird.
Die Figuren 4 und 5 zeigen in perspektivischer Ansicht die vollständige Antriebseinheit bestehend aus Motoreinheit 1 , Lagereinheit 2 und Kopplungseinheit 3. Dabei sind Verstärkungsrippen 27 der Lagereinheit 2, die in Umfangsrichtung beabstandet senkrecht auf der Grundplatte 260 stehen, in der der Figur 4 gut zu erkennen. In der Ansicht schräg von unten der Figur 5 ist die Kupplungsscheibe 31 zu erkennen, die an ihrem radial äußeren Rand 312 mit dem Rotor 11 oder ihrem radial inneren Rand 311 mit dem Wellenzapfen 32 verbunden ist.
Die Figuren 6 und 7 zeigen ein alternatives Ausführungsbeispiel einer elektrischen Antriebseinheit, die eine elektrische Motoreinheit 1 , eine Lagereinheit 2 und eine Kupplungseinheit 3 aufweist. Der grundlegende Aufbau ist der gleiche wie bei der Antriebseinheit der Figuren 1 bis 5, wobei jedoch die Motoreinheit 1 als Radialflussmaschine mit innenlaufendem Rotor ausgebildet ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die gleiche Lagereinheit 2 wie bei den Figuren 1-5 verwendet wird. Dies ist aufgrund des modularen Aufbaus der Motoreinheit 1 möglich.
Dabei umfasst die Motoreinheit 1 einen Rotor 11 , der radial innen zu einem Stator 12 angeordnet ist. Der Stator 12 umfasst eine Mehrzahl von Spulen 125. Der Rotor 11 ist innenseitig des Stators 12 angeordnet und rotiert um eine Längsachse, die identisch ist mit der Dreh- und Längsachse der Abtriebswelle 21 . Der Rotor 11 umfasst eine Vielzahl von Permanentmagneten 16, die als Oberflächenmagnete außenliegend am Rotor 11 angeordnet sind. Zwischen dem Rotor 11 und dem Stator 12, nämlich zwischen den Permanentmagneten 16 des Rotors 11 und den Spulen 125 des Stators 12 ist ein Luftspalt 132 ausgebildet.
Der Rotor 11 und der Stator 12 sind über ein axial vorderes Lager 141 und ein axial hinteres Lager 142 miteinander verbunden, so dass der Rotor 11 innerhalb des Stators 12 rotieren kann.
Die Lagereinheit 2 umfasst die Abtriebswelle 21 und das statische Lagerteil 22. Die Abtriebswelle 21 besitzt eine Dreh- und Längsachse (nicht gesondert dargestellt), die identisch ist mit der Symmetrieachse der Gesamtanordnung, wobei die Dreh- und Längsachse die axiale Richtung der Antriebseinheit definiert. Das statische Lagerteil 22 dient der Lagerung der Abtriebswelle 21. Hierzu umfasst die Lagereinheit 2 ein axial vorderes Lager 24 und ein axial hinteres Lager 25. Die Lager 24, 25 können derart ausgebildet sein, dass ein gewisses axiales Spiel der Abtriebswelle 21 zugelassen ist.
Der statische Lagerteil 22 besitzt eine Vielzahl von Rippen oder Versteifungen 27, die in Umfangsrichtung angeordnet sind. Weiter umfasst das statische Lagerteil 22 eine sich in radialer Richtung erstreckende Grundplatte 260 sowie eine weitere plattenförmigen Struktur 261 , die an ihrem radial äußeren Bereich eine mechanische Schnittstelle 26 zur Verbindung der Lagereinheit 2 und damit der gesamten Antriebseinheit mit einer statischen Struktur, beispielsweise dem Flugwerk eines Flugzeugs, ausbildet.
Die Abtriebswelle 21 umfasst ein axial vorderes Ende 211 , das mit einem Wellenzapfen 32 der Kopplungseinheit 3 gekoppelt ist und über die elektrische Motoreinheit 1 angetrieben wird. Weiter umfasst die Abtriebswelle 21 ein axial hinteres Ende 212, das eine Schnittstelle 23 zur Verbindung mit einer anzutreiben Last ausbildet. Beispielsweise kann über die Schnittstelle 23 ein Propeller als Last mit der Abtriebswelle 21 verbunden werden. Die Schnittstelle 23 umfasst dabei beispielsweise Öffnungen 231 zur Realisierung von Schraubverbindungen bzw. Bolzenverbindungen. Die Abtriebswelle 21 verbreitert sich konisch zwischen den axial vorderen Ende 211 und dem axial hinteren Ende 212. Die axiale Länge der Abtriebswelle 21 ist dabei größer als die axiale Bauhöhe von Motoreinheit 1 und Kupplungseinheit 3, so dass die Abtriebswelle 21 axial gegenüber letzteren vorsteht. Die Abtriebswelle 21 ist in dem statischen Lagerteil 22 vormontiert, so dass Abtriebswelle 21 und Lagerteil 22 zusammen die modulare Lagereinheit 2 bilden.
Die Kopplungseinheit 3 dient dazu, das Drehmoment des Rotors 11 der Motoreinheit 1 auf die Abtriebswelle 21 zu übertragen. Dabei ist der Rotor 11 radial zu der Abtriebswelle 21 beabstandet. Dementsprechend weist die Kupplungseinheit 3 Kupplungsmittel auf, die sich in radialer Richtung zwischen dem Rotor 11 und der Abtriebswelle 21 erstrecken. Diese Kupplungsmittel sind im dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine Kupplungsscheibe 31 bereitgestellt. Alternativ können die Kupplungsmittel beispielsweise durch eine Vielzahl von sich radial erstreckenden und in Umfangsrichtung beabstandeten Streben bzw. Speichen gebildet sein, ähnlich einer Fahrradnabe.
Die Kupplungsscheibe 31 ist radial außen mit dem Rotor 11 und radial innen mit der Abtriebswelle 21 gekoppelt. Die Kopplung der Kupplungsscheibe 31 mit dem Rotor 11 erfolgt über eine vordefinierte mechanische Schnittstelle 42, die Bolzen 421 umfasst, die den radial äußeren Rand 312 (siehe Figur 7) der Kupplungsscheibe 31 mit einem Flansch 17 des Rotors 11 drehfest verbindet.
Die Kopplung der Kupplungsscheibe 31 mit der Abtriebswelle 21 erfolgt auch bei diesem Ausführungsbeispiel über einen Wellenzapfen 32. Dabei ist der radial innere Rand 311 (siehe Figur 7) der eine mittige Aussparung aufweisenden Kupplungsscheibe 31 über eine mechanische Schnittstelle 43, die durch Bolzen 431 realisiert ist, mit dem Wellenzapfen 32 drehfest verbunden. Der Wellenzapfen 32 umfasst einen axial vorstehenden Bereich 321 , der in das axial vordere Ende 211 der Abtriebswelle 21 hineinragt und aufgrund eines Formschlusses zwischen dem Wellenzapfen 32 und dem axial vorderen Ende 211 der Abtriebswelle 21 ein Drehmoment auf die Abtriebswelle 21 überträgt.
Die Schnittstelle 43 zum Wellenzapfen 32 bildet dabei funktional eine Schnittstelle zur Abtriebswelle 21 , da die Abtriebswelle 21 über den Wellenzapfen 32 angetrieben wird.
Alternativ ist die Turbinenscheibe 31 direkt mit der Abtriebswelle 21 verbunden, ohne die Zwischenschaltung eines Wellenzapfens 32.
Zur Verbindung von Motoreinheit 1 und Lagereinheit 2 ist eine mechanische Schnittstelle 41 vorgesehen, die die Motoreinheit 1 mit der Grundplatte 260 der Lagereinheit 1 mittels Bolzen 411 oder dergleichen verbindet. Hierzu bilden der Stator 12 und die Grundplatte 260 jeweils einen Flansch 153, 262 aus, die eine Flanschverbindung bilden.
Durch die Verwendung einer Kupplungseinheit 3 mit einer Kupplungsscheibe 31 kann eine Drehmomentübertragung vom Rotor 11 auf die Abtriebswelle 21 realisiert werden, die zum einen eine hohe Torsionssteifigkeit aufweist und die zum anderen im Hinblick auf laterale Kräfte, axiale Kräfte und/oder Biegekräfte, die von einer an die Abtriebswelle 21 angeschlossenen Last in die elektrische Antriebseinheit eingebracht werden, eine geringe Steifigkeit besitzt, so dass eingebrachte Kräfte wie Unwuchten durch die Kopplungseinheit 3 aufgenommen werden können und die Präzision und Symmetrie des Luftspaltes 132 zwischen dem Rotor 11 und dem Stator 12 nicht oder in nur geringer Weise beeinflussen.
Dabei kann sowohl in dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 5 als auch im Ausführungsbeispiel der Figuren 6 und 7 vorgesehen sein, dass der Luftspalt 131 , 132 eine Breite von unter 2 mm, insbesondere von unter 1 mm, insbesondere von 0,5 mm aufweist. Eine Variation der Breite des Luftspalts 131 , 132 kann durch die Verwendung einer flexiblen Kupplung auf maximal ± 20 % der mittleren Luftspaltbreite begrenzt werden.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Weiter wird darauf hingewiesen, dass beliebige der beschriebenen Merkmale separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden können, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale aus, die hier beschrieben werden und umfasst diese. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Antriebseinheit, die aufweist: eine elektrische Motoreinheit (1), die einen Rotor (11) und einen Stator (12) umfasst,
- eine Lagereinheit (2) mit o einer axial angeordneten, drehbaren Abtriebswelle (21), und o einem statischen Lagerteil (22), das die Abtriebswelle (21) lagert, o wobei die Abtriebswelle (21) eine Schnittstelle (23) zur Verbindung mit einer anzutreibenden Last aufweist, und
- eine Kupplungseinheit (3), die eine Drehmomentübertragung vom Rotor (11) auf die Abtriebswelle (21) bereitstellt, wobei der Rotor (11) radial beabstandet zu der Abtriebswelle (21) angeordnet ist und die Kupplungseinheit (3) Kupplungsmittel (31) umfasst, die sich in radialer Richtung zwischen dem Rotor (11) und der Abtriebswelle (21) erstrecken.
2. Elektrische Antriebseinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinheit (3) als Kupplungsmittel (31) eine Kupplungsscheibe oder eine Diaphragmkupplung aufweist, die radial außen mit dem Rotor (11) und radial innen mit der Abtriebswelle (21) gekoppelt ist.
3. Elektrische Antriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsmittel (31) radial innen mit einem Wellenzapfen (32) verbunden sind, der in die Abtriebswelle (21) hineinragt und diese antreibt.
4. Elektrische Antriebseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsmittel (31) radial außen über Befestigungsmittel (41 ) unmittelbar mit dem Rotor (11 ) verbunden sind.
5. Elektrische Antriebseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinheit (3) als torsionssteife Kupplung ausgebildet ist.
6. Elektrische Antriebseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinheit (3) als weiche Kupplung in dem Sinne ausgebildet ist, dass sie im Hinblick auf laterale Kräfte, axiale Kräfte und/oder Biegekräfte, die über die Abtriebswelle (21) in die Kupplungseinheit (3) eingebracht werden, eine geringere Steifigkeit besitzt.
7. Elektrische Antriebseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motoreinheit (1) als Radialflussmaschine ausgebildet ist, wobei der Rotor (11) und der Stator (12) einen sich in axialer Richtung erstreckenden und in Umfangsrichtung umlaufenden Luftspalt (132) ausbilden.
8. Elektrische Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Motoreinheit (1) als Transversalflussmaschine oder als Axialflussmaschine ausgebildet ist.
9. Elektrische Antriebseinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (11) und der Stator (12) einen sich in radialer Richtung erstreckenden und in Umfangsrichtung umlaufenden Luftspalt (131) ausbilden.
10. Elektrische Antriebseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereinheit (2) ein axial vorderes Lager (24) und ein axial hinteres Lager (25) zur Lagerung der Abtriebswelle (21) aufweist.
11. Elektrische Antriebseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebswelle (21) verglichen mit der Motoreinheit (1) und der Kupplungseinheit (3) die größte axiale Ausdehnung aufweist und sich in Richtung einer anzutreibenden Last konisch verbreitert.
12. Elektrische Antriebseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das statische Lagerteil (22) der Lagereinheit (2) eine mechanische Schnittstelle (26) zur Verbindung der Lagereinheit (2) mit dem Flugwerk eines Flugzeugs aufweist.
13. Elektrische Antriebseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motoreinheit (1), die Lagereinheit (2) und die Kupplungseinheit (3) modular vorgefertigte Einheiten darstellen, die über definierte mechanische Schnittstellen (41 , 42, 43) miteinander verbunden sind.
14. Elektrische Antriebseinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstellen (41 , 42, 43) durch die Art der Verbindungsstrukturen, deren Position an der jeweiligen Einheit (1 , 2, 3) und die zugehörigen Verbindungelemente definiert sind.
15. Elektrische Antriebseinheit nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (12) der Motoreinheit (1) und das statische Lagerteil (22) der Lagereinheit (2) eine mechanische Schnittstelle (41) zur Verbindung miteinander ausbilden.
16. Elektrische Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (11) der Motoreinheit (1) und ein radial äußerer
Bereich (312) der Kupplungseinheit (3) eine mechanische Schnittstelle (42) zur Verbindung miteinander ausbilden.
17. Elektrische Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein radial innerer Bereich (311) der Kupplungseinheit (3) und die Abtriebswelle (21) der Antriebseinheit (2) eine mechanische Schnittstelle (43) zur Verbindung miteinander ausbilden.
18. Elektrische Antriebseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (12) als Ringstruktur mit einer Vielzahl von Rippen (120) ausgebildet ist, die in Umfangsrichtung aneinander angrenzen und die jeweils einen Kühlluftkanal (121) zwischen sich ausbilden, wobei die Rippen (120) aktive Bestandteile des Stators (12) halten und positionieren.
19. Elektrische Antriebseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (11) der elektrischen Motoreinheit (1) über ein separates Lager (141 , 142) gelagert ist.
20. Elektrische Antriebseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Antriebseinheit als Permanentmagnet- Synchronmotor ausgebildet ist.
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