WO2023208823A1 - Transversalflussmaschine - Google Patents

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WO2023208823A1
WO2023208823A1 PCT/EP2023/060614 EP2023060614W WO2023208823A1 WO 2023208823 A1 WO2023208823 A1 WO 2023208823A1 EP 2023060614 W EP2023060614 W EP 2023060614W WO 2023208823 A1 WO2023208823 A1 WO 2023208823A1
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WO
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stator
rotor
machine according
radially
transverse flux
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Application number
PCT/EP2023/060614
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English (en)
French (fr)
Inventor
Yunyang ZHAO
Andreas REEH
Original Assignee
Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg
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Publication date
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    • H02K7/10—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
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    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/02—Arrangements for cooling or ventilating by ambient air flowing through the machine

Definitions

  • the invention relates to a transverse flow machine.
  • a transverse flux machine is a rotating electrical machine in which a relevant magnetic flux is essentially transverse or perpendicular to an axis of rotation of at least one rotor of the transverse flux machine.
  • the stator winding is designed as a circumferential winding that is arranged concentrically to the axis of rotation of the rotor.
  • the transverse flux machine is often designed as a permanently excited synchronous machine and can be designed to be supplied with a single-phase or multi-phase alternating voltage.
  • a transverse flux machine can also be designed as an asynchronous machine.
  • the design of the transverse flux machine allows magnetic and electrical circuits to be constructed largely independently of each other.
  • axial winding heads which generally do not contribute to torque generation, can be largely avoided.
  • a transverse flux machine is known in which the stator poles and the stator winding experience fluid cooling. This is achieved by arranging individual stator poles at a distance from one another in the circumferential direction, so that a cooling fluid can flow between adjacent stator poles.
  • the publication mentioned does not comment on the provision of a suitable cooling flow.
  • the present invention is based on the object of providing a transverse flow machine which is constructed in such a way that fluid cooling with good cooling properties can be implemented.
  • the present invention contemplates a transverse flux machine comprising a permanent magnet rotor having an axis of rotation, the axis of rotation defining an axial direction, a radial direction and a circumferential direction of the transverse flux machine.
  • the transverse flux machine further comprises a stator and active components of the stator, the active components having a coil winding.
  • stator is designed as a ring structure with a plurality of ribs which adjoin one another in the circumferential direction and which each form a cooling air channel between them, the ribs being intended and designed to hold and position the active components of the stator .
  • the present invention is based on the idea of designing the stator with circumferentially spaced ribs which fulfill a dual function.
  • the ribs fulfill a holding and positioning function by holding and appropriately positioning the active components of the stator.
  • the cooling fins provide cooling air channels that allow the active components to be cooled with a fluid flow that flows in the radial direction through the cooling air channels.
  • the construction according to the invention thus enables direct fluid cooling, in particular air cooling, of the active components of the stator.
  • the fluid cooling is provided by a fluid flow, in particular an air flow, which can be forced (for example through the use of fans) or which can result from the pressure differences that arise in different areas of the transverse flow machine during operation.
  • the direct fluid cooling effectively allows direct convection cooling of surfaces of the active components of the stator to be cooled.
  • the cooling fluid may be a liquid or a gas such as air.
  • the active components of the stator are, in particular, stator poles (also referred to as stator yokes or iron cores) and coil windings, as will be explained later. These are cooled directly using convection cooling.
  • the rotor of the transverse flux machine is designed as an external rotor, with, for example, permanent magnets of the rotor being arranged axially offset from the stator and structural parts of the rotor being arranged radially on the outside of the stator.
  • the transverse flux machine can be designed with an internal rotor.
  • the rotor comprises axially spaced outer walls, each of which has or integrates permanent magnets, and has an end wall which is provided with radial openings.
  • the radial openings are intended and designed to direct cooling fluid flowing through the cooling air channels of the stator into the environment or to direct it from the environment in the direction of the cooling air channels.
  • Such radial openings in the rotor or generally in an outer wall of the transverse flux machine are necessary so that the radial fluid flow realized in the stator according to the invention can be released into the environment or absorbed by the environment.
  • the active components of the stator which are held by the ribs of the stator, are arranged in a volume limited by the outer walls mentioned and the front wall of the rotor.
  • This is particularly useful in an embodiment in which the rotor and the stator form an air gap that extends in the radial direction and runs around the circumference (with an air gap normal vector pointing in the axial direction).
  • an air gap runs between the active components of the stator and the permanent magnets of the rotor, each on the inside adjacent to the outer walls of the rotor.
  • the air gap is the actual physical gap in an electric motor that separates the rotor and stator.
  • the air gap should be sufficiently large to prevent contact between the rotor and stator, although tolerances must be taken into account.
  • the air gap should be as small as possible so that the electromagnetic interaction between the rotor and stator is maximum.
  • the aim is for the air gap to be uniform.
  • An asymmetrical air gap can, for example, lead to axial or radial unbalance forces between the rotor and stator and/or lead to damage, for example to the insulation.
  • the permanent magnets are designed, for example, as surface-mounted permanent magnets, and in principle any known construction can be used.
  • a further embodiment provides that the active components of the stator are arranged and designed in such a way that a fluid stream flowing radially through the cooling air channels flows past surfaces of the active components and cools them.
  • Different configurations provide that the fluid flow flows from radially inside to radially outside or from radially outside to radially inside. The direction of flow depends on the given pressure conditions and any fans used.
  • the active components of the stator are arranged in functional units, which each extend in the radial direction and over a circumferential segment in the circumferential direction and which are each held by a plurality of ribs, the functional units each having: two axially spaced, non-magnetic and non-magnetizable holding plates, stator poles extending between the holding plates, which are in the
  • This embodiment therefore provides several functional units, each of which provides stator poles and a winding space with a coil winding and which are each connected to ribs of the stator.
  • the functional units can represent modular, prefabricated units that protrude radially into the above-mentioned volume between the axially spaced outer walls of the rotor, with a radial fluid flow for cooling being able to be realized in each functional unit.
  • the coil winding is segmented, with a coil segment being implemented in each functional unit and a plurality of functional units and coil segments being arranged adjacent to one another in the circumferential direction.
  • the transverse flux machine is designed for operation with a three-phase alternating voltage.
  • each of the coil segments is equipped with one respective phase of the alternating voltage is applied.
  • the alternating voltage is therefore a three-phase alternating voltage.
  • the fluid flow that passes through the cooling air channels of the stator does not necessarily flow completely through the functional units.
  • a part can also flow past these through the air gap between the outer wall of the rotor and the adjacent holding plate of the functional unit (i.e. through the electromagnetically relevant air gap between the rotor and stator).
  • such an air flow can be used to cool the permanent magnets of the rotor.
  • a further embodiment provides that the coil winding has at least two winding packages spaced apart from one another in the axial direction and/or that the coil winding is spaced apart in the axial direction from the holding plates.
  • This provides a cooling air flow channel that runs between the axially spaced winding packages and/or provides cooling air flow channels that flow between the coil winding and the respective holding plate. In such cooling air flow channels, the cooling air or the cooling fluid flows in the radial direction or slightly inclined to the radial direction.
  • the two aforementioned embodiments are combined, so that the coil winding has at least two axially spaced winding packages, which are spaced apart in the axial direction both from one another and from the holding plates.
  • the functional unit forms at least three radially extending and axially spaced cooling air flow channels for cooling the winding packages.
  • a cooling air flow channel thus comprises an area that extends between one holding plate and one winding package.
  • Another cooling air flow channel includes an area that extends between the winding packages.
  • a third cooling air flow channel extends between the other winding package and the other holding plate. If there are more than two axially spaced winding packages, the number of cooling air flow channels increases accordingly.
  • the surface area of the coil winding that is accessible to cooling is increased compared to a single winding package.
  • the winding packages can be cooled simultaneously on both their top and bottom sides.
  • the winding packages are dimensioned with regard to the number of winding wires in such a way that each of the winding wires is at least in a partial area of its Surface can be cooled.
  • the cooling fluid can also flow around and cool each individual winding wire separately.
  • Improved cooling of the coil winding or individual winding packages also results from an axial spacing of the coil winding from the holding plates.
  • stator poles are each aligned radially and have radially aligned side surfaces spaced apart in the circumferential direction. In this way, effective convection cooling of the stator poles is possible across both side surfaces.
  • stator poles are each curved and arranged in at least two mutually assigned circumferential rows, the at least two circumferential rows being radially spaced apart, the stator poles of the two circumferential rows each being arranged offset from one another in the circumferential direction, the stator poles of the radially inner circumferential row are bent concavely when viewed from the radial outside and the stator poles of the radially outer circumferential row are bent convexly when viewed from the radially outside, so that their mutually facing sections together define the winding space or a partial winding space, delimiting the winding space transversely to the circumferential direction, and the ends the stator poles form pole heads which adjoin the rotor and which are each arranged in one of the holding plates.
  • This embodiment provides for the provision of winding spaces or partial winding spaces through two rows of bent stator poles arranged offset from one another.
  • the individual stator poles can be designed in configurations corresponding to US 2021/0099036 A1.
  • the pole heads of the stator poles, which interact electromagnetically with the permanent magnets of the rotor, are attached to the holding plates.
  • stator poles are arranged in at least four circumferential rows, with two of the circumferential rows being assigned to each other and forming a partial winding space, with the partial winding spaces extending radially spaced apart in the circumferential direction, and in each of the partial winding spaces yourself in Circumferentially longitudinal sections of the coil winding are arranged (which are bent or returned by 180 ° at the circumferential ends of the coil windings).
  • a further embodiment provides that the coil winding is fixed in sections in the winding space by a fixation material. These sections only extend slightly in the circumferential direction so as not to impede cooling of the coil winding by the cooling fluid flow.
  • the fixation material is arranged in alignment with the stator poles in the flow direction of the cooling fluid (and thus, to a certain extent, in their slipstream) in order to impede the flow of cooling fluid as little as possible.
  • the sections mentioned are not wider in the circumferential direction than the stator poles.
  • stator poles have base bodies which, in a manner known per se, can consist of laminated cores or of a soft magnetic composite (SMC) in order to reduce eddy currents as much as possible.
  • SMC soft magnetic composite
  • particle filters and/or particle separators can be integrated into the transverse flow machine at several points, which clean the fluid flow, in particular before it enters the stator, so that the coil winding is protected from particle damage and particle deposition.
  • a further embodiment provides that the transverse flow machine has a first end facing a load to be driven and a second end facing away from the load to be driven, and that the transverse flow machine forms openings at its first end or at its second end, which enable a fluid flow during operation flows through the cooling air channels and the active components of the stator of the electric motor unit in the radial direction or counter to the radial direction.
  • This aspect of the invention is based on the idea of providing a suitable fluid flow, in particular air flow, in the transverse flow machine according to the invention when the transverse flow machine is in operation.
  • openings are provided which, in conjunction with pressure differences that arise during operation or active elements such as fans, realize a fluid flow within the radially aligned cooling air channels of the stator.
  • the pressure differences that arise during operation arise, for example, from the air flow of a propeller, which is driven by the transverse flux engine, and by the dynamic pressure of the aircraft, which is driven by the propeller.
  • the openings are formed at the first end, which faces a load to be driven, and the second end is tightly closed. The latter is the case so that incoming cooling fluid cannot immediately leave the machine.
  • the transverse flux machine is designed to direct cooling fluid flowing in through the openings radially outwards through the cooling air channels and the active components of the stator.
  • the transverse flux machine is designed to direct cooling fluid flowing in through the openings radially outward through the cooling air channels and the active components of the stator.
  • the cooling fluid in the stator is guided radially outwards. But this is not necessarily the case. Alternatively, it can be provided that the cooling fluid is guided radially inwards in the stator.
  • the openings are formed at the first end or at the second end (with a closed other end), whereby the
  • Transverse flow machine is designed to be from the outside of the
  • Transverse flow machine to direct cooling fluid obtained from radially outside to radially inside through the active components and the cooling air channels.
  • the transverse flux machine in particular the rotor, has guide elements on its outside, which are designed to redirect cooling fluid flowing in the axial direction through openings in the direction of the active components of the stator and the cooling air channels.
  • At least one fan (eg per cooling air channel or per plural cooling channels of the stator) is provided, which conveys the cooling fluid in a desired direction.
  • a fan can generate an axial or a radial air flow.
  • a fan is arranged on the outside of the rotor (with radial flow generation) or on a rotor shaft (with axial flow generation).
  • an electric drive unit comprises an electric motor unit with a rotor and a stator, the motor unit being designed as a transverse flux machine according to claim 1.
  • the electric drive unit further comprises 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 coupling means which extend in the radial direction between the rotor and the output shaft.
  • This aspect of 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 that 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 meets the respective requirements.
  • the coupling unit realizes a soft coupling between the rotor and the output shaft in the sense that it has a low one with regard to 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 introduced into the rotor or only to a reduced extent, so that it is decoupled from externally introduced forces. Since such forces can lead to an asymmetry in the air gap between the rotor and stator, the use of a coupling unit with a defined, low stiffness avoids irregularities in the air gap.
  • Embodiments provide that the coupling unit realizes a soft or flexible coupling between the rotor and the output shaft in the sense that forces and unbalances introduced into the coupling by the load do not significantly influence the gap between the rotor and stator of the motor unit, whereby one There is no significant influence within the meaning of the present invention if 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 is that by avoiding or largely avoiding asymmetry of the air gap, it is possible to realize it more precisely and therefore with a shorter length. This makes it possible to save weight and increase the efficiency of the electric motor.
  • a further advantage is that this solution makes it possible to provide a drive unit with a modular structure, whereby the motor unit, the bearing unit and the coupling unit represent 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 independently of each other, tested or even replaced - for example after a design update. Defined mechanical interfaces are important for this, ensuring that the respective units are connected and disconnected.
  • the clutch has a clutch disk as a coupling means, which is coupled radially on the outside to the rotor and radially on the inside to the shaft.
  • a clutch disc inherently has a high torsional rigidity and a low bending or transverse stiffness, although the exact value can be determined by the material and construction of the clutch disc.
  • the rigidity in relation to axially applied forces is referred to as bending stiffness or transverse stiffness.
  • 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 region of the clutch disk and thus to the rotor.
  • the rotor is therefore largely decoupled from axial forces introduced on the load side. 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 extent is small in relation to its radial extent (the ratio of axial extent to radial extent being, for example, less than 1/10). This does not rule out the clutch disc having recesses and/or deviations from a strictly radial extent. It should also be noted that instead of a clutch disc, a diaphragm clutch, for example, can be used as a coupling means.
  • 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 region of the coupling means is axially offset relative to the radially outer region of the coupling means.
  • the coupling means are connected radially on the inside to a shaft journal that projects into the output shaft and drives it, for example 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 coupling unit is designed as a torsionally rigid coupling or has high torsional rigidity. This allows torque to be transmitted between the rotor and the output shaft essentially without play.
  • the angle of rotation between the rotor and the output shaft, which arises from the torque imposed by the rotor is not greater than 0.1°.
  • a further embodiment provides that the bearing unit has an axially front bearing and an axially rear bearing for supporting the output shaft, wherein the bearings can be designed to allow axial play of the output shaft.
  • the bearings can be designed, for example, as floating support bearings, with little play being provided in the axial direction.
  • Such a storage allows axial forces introduced on the load side not to load the bearings, but 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 largest axial extent compared to the motor unit and the coupling unit and widens conically in the direction of a load to be driven. This makes it possible to provide a large-area and secure interface for connecting to a load, for example a propeller.
  • the interface is provided, for example, by a flange connection.
  • the static bearing part of the bearing unit has a mechanical interface for connecting the bearing unit to the airframe of an aircraft. This means that the static connection to the airframe takes place via the static bearing part. Such a connection can take place via an elastic coupling, such as that provided via so-called “shock mounts”.
  • the motor unit, the bearing unit and the coupling unit represent 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 connecting structures on the respective unit e.g. flanges at a defined position
  • the type of connecting means or connecting elements e.g. screw connection, bolt connection, adhesive connection
  • stator of the motor unit and the static bearing part form a mechanical interface for connection to one another.
  • This can integrate an elastic coupling, such as those provided by “shock mounts”.
  • the rotor of the motor unit and a radially outer region of the clutch unit form a mechanical interface for connection to one another.
  • a radially inner region 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 plurality of ribs which adjoin one another in the circumferential direction and which each form a cooling air channel 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 channel 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 relative 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 accommodate small loads. So become lateral forces, axial forces and/or bending forces are mitigated by the coupling unit and introduced into the rotor to a reduced extent.
  • the electric motor unit is, for example, a permanent magnet synchronous motor.
  • a permanent magnet synchronous motor the stator is filled with coils, while surface magnets are attached to the rotor.
  • the alternating voltage is present on 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 coupling unit, the motor unit being designed as a transverse flux machine with an external rotor;
  • Figure 2 shows the motor unit and the clutch unit of the electric drive unit of Figure 1 in a partially sectioned perspective view
  • Figure 3 shows the electric drive unit of Figure 1 in a partially sectioned perspective view
  • Figure 4 is a perspective view of the top of the electric drive unit of Figure 1;
  • Figure 5 is a perspective view of the underside of the electric drive unit of Figure 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 coupling unit, the motor unit being designed as a radial flux machine with an internal rotor;
  • Figure 8 shows schematically an exemplary embodiment of an electric drive unit, which comprises a transverse flux machine with an external rotor and a bearing unit corresponding to Figures 1 to 5, the transverse flux machine having two rotor-stator assemblies which are arranged one behind the other in the axial direction and are firmly connected to one another, and wherein a cooling air flow is realized which, starting from a side facing a load to be driven, flows radially outwards through the active components of the stator;
  • FIG. 9 shows an electric drive unit corresponding to FIG.
  • Figure 10 shows an electric drive unit corresponding to Figure 8, with a cooling air flow being realized which flows radially inwards through the active components of the stator;
  • Figure 11 is a perspective, partially sectioned view of an exemplary embodiment of a functional unit of the stator, which is attached to ribs of the stator, the functional unit comprising axially spaced holding plates, stator poles extending between the holding plates and a coil winding extending in the circumferential direction;
  • Figure 12 shows the functional unit of Figure 11 in a complete perspective view
  • Figure 13 is a sectional view of the functional unit of Figures 11 and 12.
  • 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 coupling unit 3.
  • the three units 1, 2, 3 represent modular units that can be manufactured separately and can be connected to one another via defined mechanical interfaces , as will be explained later.
  • the description of the first exemplary embodiment refers to all of Figures 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 an external rotor 11.
  • Such motor units 1 are also referred to as transverse flux motors.
  • the rotor 11 has two axially spaced outer walls 111, 112, each of which has or integrates 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, front wall 113.
  • the stator 12 is formed by a ring structure with a plurality of ribs 120 which adjoin one another in the circumferential direction and which each form a cooling air channel 121 between them.
  • 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 front wall 113 of the rotor 11.
  • the active components (not shown separately) are in particular electromagnets, i.e. coil windings and possibly 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 thereby rotates in the circumferential direction of the electric motor 1.
  • two air gaps are provided, each on the inside adjacent to the outer walls 111, 112.
  • the rotor 11 and the stator 12 are connected to one another 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 includes the output shaft 21 and the static bearing part 22.
  • the output shaft 21 has a rotation and longitudinal axis (not shown separately) which is identical to the axis of symmetry of the overall arrangement, with the rotation and Longitudinal axis defines 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 part 22 has a plurality of ribs or stiffeners 27 which are arranged in the circumferential direction.
  • the static bearing part 22 further 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 region for connecting the bearing unit 2 and thus the entire drive unit with a static structure, for example the airframe of an aircraft. can train.
  • a base plate 260 can be formed, for example, by several interconnected, radially extending arms.
  • the rotationally symmetrical output shaft 21 includes 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.
  • the shaft journal 32 can be formed in one piece with the coupling unit 3.
  • the output shaft 21 further comprises an axially rear end 212, which forms an interface 23 for connection to a load to be driven.
  • a propeller can be connected as a load to the output shaft 21 via the interface 23.
  • the interface 23 includes, for example, openings 231 for realizing 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 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 one. Alternatively, it can also be provided that the axial length of the output shaft 21 does not exceed the axial height of the motor unit 1.
  • the output shaft 21 is pre-assembled 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 radial to the output shaft 21 spaced. Accordingly, 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 disk 31, although this is not necessarily the case.
  • the coupling means can alternatively be formed by a plurality of radially extending and circumferentially spaced struts or spokes, similar to a bicycle hub, or by a diaphragm coupling.
  • the clutch disk 31 is coupled radially on the outside to the rotor 11 and radially on the inside with the output shaft 21.
  • the coupling of the clutch disk 31 with the rotor 11 takes place via a predefined mechanical interface 42, which includes bolts 421 which 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 already mentioned shaft journal 32.
  • the radially inner edge 311 (see FIG. 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 connected in a rotationally fixed manner.
  • the shaft journal 32 includes an axially projecting region 321, which projects into the axially front end 211 of the output shaft 21 and transmits a torque to the output shaft 21 due to a positive connection between the shaft journal 32 and the axially front end 211 of the output shaft 21.
  • a mechanical connection 44 with bolts 441 can be provided for a rotationally fixed connection between the shaft journal 32 and the axially front end 211 of the output shaft 21.
  • the shaft journal 32 can alternatively be integrated into the clutch disk 31.
  • the clutch 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 connects the motor unit 1 to the base plate 260 of the bearing unit 1 by means of bolts 411 or the like (see Figure 2).
  • the stator has a holding plate 15, which forms, on the one hand, a flange 151 for connection to the stator 12 and, on the other hand, a flange 152 for connection to the base plate 260, as can be seen in particular from FIG.
  • Holding plate 15 can be designed to be flexible in order to improve the dynamic behavior of the drive unit.
  • a torque transmission from the rotor 11 to the output shaft 21 can be realized, 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 that come from a load connected to the output shaft 21 are introduced into the electric drive unit, has a low rigidity, so that introduced forces 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 the bearing unit 2, which are spaced apart in the circumferential direction perpendicularly on the 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.
  • Figures 6 and 7 show an alternative 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 the drive unit of Figures 1 to 5, but the motor unit 1 is designed as a radial flux machine with an internal rotor.
  • the same storage unit 2 is used as in Figures 1-5. This is possible due to the modular structure of the motor unit 1.
  • the motor unit 1 includes a rotor 11 which is arranged radially inwardly of a stator 12.
  • the stator 12 comprises a plurality of coils 125.
  • the rotor 11 is arranged on the inside of the stator 12 and rotates about a longitudinal axis which is identical to the rotation and longitudinal axis of the output shaft 21.
  • the rotor 11 comprises a plurality of permanent magnets 16, which are as Surface magnets are arranged on the outside of the rotor 11.
  • 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 one another via an axially front bearing 141 and an axially rear bearing 142, so that the rotor 11 can rotate within the stator 12.
  • the bearing unit 2 includes the output shaft 21 and the static bearing part 22.
  • the output shaft 21 has a rotation and longitudinal axis (not shown separately) which is identical to the axis of symmetry of the overall arrangement, the rotation 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 part 22 has a plurality of ribs or stiffeners 27 which are arranged in the circumferential direction. Furthermore, the static bearing part 22 includes a base plate 260 extending in the radial direction and a further plate-shaped structure 261, which has a mechanical interface 26 on its radially outer region for connecting the bearing unit 2 and thus the entire drive unit with a static structure, for example the airframe aircraft.
  • the output shaft 21 includes an axially 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.
  • the output shaft 21 further comprises an axially rear end 212, which forms an interface 23 for connection to a load to be driven.
  • a propeller can be connected as a load to the output shaft 21 via the interface 23.
  • the interface 23 includes, for example, openings 231 for realizing 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 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 pre-assembled 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 coupling means which extend in the radial direction between the rotor 11 and the output shaft 21.
  • these coupling means are provided by a clutch disk 31.
  • the coupling means can be formed, for example, by a plurality of radially extending and circumferentially spaced struts or spokes, similar to a bicycle hub.
  • the clutch disk 31 is coupled radially on the outside to the rotor 11 and radially on the inside with the output shaft 21.
  • the coupling of the clutch disk 31 with the rotor 11 takes place via a predefined mechanical interface 42, which includes bolts 421, which connects 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 coupling of the clutch disk 31 with the output shaft 21 also takes place via a shaft journal 32.
  • the radially inner edge 311 (see FIG. 7) of the clutch disk 31, which has a central recess, is via a mechanical interface 43, which is implemented by bolts 431 , connected in a rotationally fixed manner to the shaft journal 32.
  • the shaft journal 32 includes an axially projecting region 321, which projects into the axially front end 211 of the output shaft 21 and transmits a torque to the output shaft 21 due to a positive connection between the shaft journal 32 and the axially front end 211 of 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 connects the motor unit 1 to the base plate 260 of the bearing unit 1 by means of bolts 411 or the like.
  • the stator 12 and the base plate 260 each form a flange 153, 262, which form a flange connection.
  • a torque transmission from the rotor 11 to the output shaft 21 can be realized, 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 that come from a Load connected to the output shaft 21 is introduced into the electric drive unit, a small one Has rigidity, so that introduced forces such as imbalances can be absorbed by the coupling unit 3 and do not influence the precision and symmetry of the air gap 132 between the rotor 11 and the stator 12 or only to a small extent.
  • the air gap 131, 132 has a width of less than 2 mm, in particular of less than 1 mm, in particular of 0.5 mm.
  • a variation in the width of the air gap 131, 132 can be limited to a maximum of ⁇ 20% of the average air gap width by using a flexible coupling.
  • FIGS 8 to 13 show exemplary embodiments of the invention, which are fundamentally based on the exemplary embodiment of Figures 1 to 5 and which further explain the provision of a cooling air duct in the stator for cooling the active components of the stator.
  • FIG. 8 shows an electric drive unit with a motor unit 1 designed as a transverse flux machine with a rotor 11 and stator 12 and with a bearing unit 2 which includes an axially arranged, rotatable output shaft 21 and a static bearing part 22 which supports the output shaft 21.
  • the coupling unit 3 explained in Figures 1 to 5 is not shown in Figure 8, but is included in a corresponding manner.
  • the reference numerals contained in FIG. 8 generally designate the same parts as explained with reference to FIGS. 1 to 5, provided that no differences arise from the following description. This applies in particular to the design of the stator 12 as a ring structure with a plurality of ribs 120 which adjoin one another in the circumferential direction and which each form a cooling air channel 121 between them.
  • Figure 8 also shows the axis of rotation 110 of the rotor 11, which is equal to the axis of rotation of the output shaft 21 and represents the axis of symmetry of the construction.
  • the axis of rotation 110 defines an axial direction x, a radial direction r and a circumferential direction.
  • the motor unit 1 in Figure 8 comprises two rotor-stator assemblies 1110, 1120, which are arranged one behind the other in the axial direction and are firmly connected to one another.
  • the rotor 11 comprises three axially spaced outer walls 111, 112, 114, each of which has or integrates permanent magnets 5, as well as two frontal, radially outer walls 113, 115.
  • the outer walls 111, 112, 114 and the frontal walls 113, 115 form this two axially spaced volumes 122 of the two rotor-stator assemblies 1110, 1120, each containing the active components of the stator 12 of the respective assembly, according to the description of the volume 122 in Figure 1.
  • the active components of the stator 12 are held and positioned by the ribs 120.
  • the ribs 120 have holding projections 123, to which a functional assembly explained with reference to FIGS. 11 to 13 is attached, which projects into the volume 122 (separately for each rotor-stator assembly 1110, 1120).
  • the permanent magnets 5 of the rotor are only shown on the right side of Figure 8 for better clarity. They are arranged on the inside of the outer walls 111, 112, 114. The air gap 131 shown in FIG. 1 runs between them and the assigned stator poles of the functional assembly mentioned.
  • FIG. 8 A further difference between FIG. 8 and FIGS. 1 to 5 results from the fact that FIG.
  • the general rule is that the transverse flux machine has a first end 1010 facing a load to be driven and a second end 1020 facing away from the load to be driven. 8, it forms openings 101 at its first end 1010, which enable an air flow 60 to enter the motor unit in an initially primarily axial orientation.
  • This can be supported by a fan 91, which is, however, optional.
  • the air flow comes from a propeller that is driven by the output shaft 21.
  • the second end 1020 facing away from the load to be driven is sealed airtight to prevent incoming air from immediately leaving the motor unit in the axial direction.
  • a cover plate 102 is provided, which is shown schematically.
  • the cover plate 102 is connected to the stator 12 in FIG. 8, but could alternatively be connected to the rotor 11 (or, depending on the design, even be formed by a clutch disk 31 according to FIGS. 1 to 5).
  • the radial air flow 61 can also be optionally supported by fans 92. It should be noted that the front walls 113, 115 of the rotor 11 are provided with radial openings 116, which enable the cooling air flow 61 to be directed into the environment.
  • Figure 9 shows a modification of Figure 8, which differs from Figure 8 only in terms of the formation of the cooling air flow. In this respect, reference is made to the comments on FIG. 8. It should also be noted that, to simplify the illustration, the permanent magnets 5 of the rotor 12 are not shown separately in FIG. 9, but are of course present in the same way. This also applies to figure 10.
  • openings 104 are formed in the motor unit at the second end 1020 facing away from the load to be driven, while the first end 1010 facing the load to be driven is sealed in an airtight manner in this case.
  • the openings 101 are closed by structures 103.
  • the openings 104 at the second end are indicated schematically and can in principle be implemented using a wide variety of openings.
  • An air stream 62 flowing in from the second end 1020 initially has a primarily axial orientation. This can in turn be supported by an optional axial fan (not shown separately).
  • the air flow 62 comes from a propeller which is driven by the output shaft 21, the propeller air being deflected behind the rotor 11 - as indicated by the arrow 620 - and thereby providing an increased dynamic pressure at the end 1020, which causes the air flow 62.
  • the air flow 62 flows radially outwards through the cooling air channels 121 and the active components of the stator arranged in the volume 122 as an air flow 63.
  • the radial air flow 61 can also be optionally supported by fans (corresponding to the fans 92 in FIG. 8).
  • Figure 10 shows a further modification of Figure 8, which differs from Figure 8 only in terms of the formation of the cooling air flow. In this respect, reference is made to the comments on FIG. 8.
  • a cooling stream 65 is provided which extends radially inwards through the stator 12.
  • an air flow 64 on the outer circumference of the rotor which in turn comes from a propeller, for example, via guide plates 117 is deflected and guided through the openings 116 in the walls 113, 115 of the rotor 11 into the stator 12 and flows as an air stream 65 from radially outside to radially inside through the active components of the stator arranged in the volume 122 and the cooling air channels 121.
  • the openings 101 are closed at the first end 1010 facing the load, so that the air flow 65 is deflected as air flow 66 after flowing through the stator 12 towards the end 1020.
  • the openings at the end 1020 facing away from the load can be closed, in which case the air flow 65 would be deflected towards the end 1010.
  • fans can support the desired airflow.
  • the baffles 117 are replaced by a fan that sucks in ambient air radially inwards.
  • FIG. 11 show in greater detail, using an exemplary embodiment, the active components of the stator, which are arranged in volume 122 of Figures 8-10.
  • the stator according to FIG. 11 comprises a functional unit 9, which can represent a modular, prefabricated component.
  • the functional unit 9 extends in the radial direction r and in the circumferential direction (p. It comprises two axially spaced, non-magnetic and non-magnetizable holding plates 93, 94. These have radially inner fastening areas 930, 940 on which the holding plates 93, 94 are connected with a
  • the majority of the ribs 120 of the stator 12 are connected. This is done, for example, via the holding projections 123 of the ribs 120, see Figures 8 to 10.
  • Stator poles 71 extend between the holding plates 93, 94, the entirety of which provides an iron core structure 7 of the stator.
  • the stator poles 71 define a circumferentially extending winding space 80, in which a circumferentially extending coil winding 8 is arranged. It is provided that an air flow flowing through the cooling air channels 121 (see Figures 8 to 10) flows radially through the functional units 9 in the area between the two holding plates 91, 92 and flows past the stator poles 71 and the coil winding 8.
  • the stator poles 71 are each aligned radially. They each have two radially aligned, circumferentially spaced side surfaces 710, 720, both of which are cooled by a cooling air flow.
  • the coil winding 8 includes two axially spaced winding packages 81, 82 in a partial winding space 80-1 and two axially spaced winding packages 83, 84 in a partial winding space 80-2, the winding packages 81-84 each being sections extending longitudinally in the circumferential direction Represent coil winding 8.
  • the winding packages 81-84 form a coil winding 8, with Figure 12 additionally showing a deflected section 85 of the coil winding 8, which connects the winding packages 81-84.
  • Two of the winding packages 81, 82 and 83, 84 are spaced apart in the axial direction both from each other and from the holding plates 93, 94, so that cooling air can flow around them on their top and bottom.
  • the functional unit 9 then forms three radially extending and axially spaced cooling air flow channels 67, 68, 69 for cooling the winding packages 81, 82 and 83, 84, with a cooling air flow channel 67 running adjacent to the upper holding plate 93, a cooling air flow channel 68 runs in the area between the winding packages 81, 83 and 82, 84 and a cooling air flow channel 69 runs adjacent to the holding plate 94 below.
  • the division of the winding into axially spaced winding packages 81-84 increases the coolable surface of the winding. In other embodiment variants, more than two axially spaced winding packages can also be provided.
  • Two winding packages 81, 82 and 83, 84 can each be fixed in the winding space 80-1, 80-2 by a fixation material 86, although the fixation material only extends slightly in the circumferential direction (and is therefore plate-shaped) in order to ensure cooling not to affect the cooling air flow.
  • stator poles 71 are provided to realize the partial winding spaces 80-1, 80-2.
  • the stator poles 71 are arranged in four circumferential rows 71-1, 71-2, 71-3, 71-4, with two of the circumferential rows 71-1, 71-2 and 71-3, 71-4 being assigned to each other and form a partial winding space 80-1, 80-2. It is further provided that the stator poles 71 of two mutually assigned circumferential rows 71-1, 71-2 and 71-3, 71-4 are each arranged offset from one another in the circumferential direction.
  • the stator poles 71 are also bent. For example, they are bent in a C shape.
  • the stator poles 71 of the radially inner circumferential row 71-1, 71-3 are curved concavely when viewed from the radial outside and the stator poles 71 are the radially outer ones Circumferential row 71-2, 71-4 is convexly curved when viewed from the radial outside, so that their mutually facing sections together define the partial winding spaces 80-1, 80-2.
  • the stator poles 71 of each two rows delimit the partial winding spaces transversely to the circumferential direction.
  • the stator poles 71 are arranged in the opposite orientation in the mutually assigned circumferential rows 71-1, 71-2 and 71-3, 71-4.
  • the ends of the stator poles 71 form pole heads 72, 73 (upper pole heads 72 and lower pole heads 73).
  • the pole heads 72, 73 adjoin the permanent magnets 5 of FIG. 8 and are separated from them only by an air gap (corresponding to the air gap 131 of FIG. 1).
  • the pole heads 72, 73 are each arranged in one of the holding plates 93, 94 and are flush with their outer sides 931, 941. Accordingly, the upper pole heads 72 can be seen in the plane of the outside 931 of the upper holding plate 93 in FIGS. 11 to 13.
  • each rotor-stator assembly 1110, 1120 of Figures 8 to 10 several functional units 9 are provided, which connect to one another in the circumferential direction.
  • three functional units 9 are provided for each rotor-stator assembly 1110, 1120, with the coil winding of a functional unit each being supplied with one phase of a three-phase alternating voltage.
  • cooling of the active components of the stator was described using air as a cooling medium. However, this is only to be understood as an example. On the one hand, gases other than air can be used as a cooling medium. On the other hand, a liquid can also be used as a cooling medium.
  • the cooling fluid can therefore be either a liquid or a gas such as air.
  • the air gap between the stator and rotor extends in the radial direction (with an axial Normal vector of the air gap surfaces).
  • the cooling concept can alternatively be designed such that the air gap runs axially (with a radial normal vector of the air gap surfaces).
  • the principles of the present invention also apply to such a cooling concept.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Transversalflussmaschine, die aufweist: einen mit Permanentmagneten (5) versehenen Rotor (11), der eine Drehachse (110) aufweist, die eine axiale Richtung, eine radiale Richtung und eine Umfangsrichtung definiert, sowie einen Stator (12) und aktive Bestandteile (7, 8) des Stators (12), die eine Spulenwicklung (8) umfassen. Dabei ist vorgesehen, 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) dazu vorgesehen und ausgebildet sind, die aktiven Bestandteile (7, 8) des Stators (12) zu halten und zu positionieren.

Description

Transversalflussmaschine
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Transversalflussmaschine.
Eine Transversalflussmaschine ist eine rotierende elektrische Maschine, bei der sich ein relevanter magnetischer Fluss im Wesentlichen transversal beziehungsweise senkrecht zu einer Drehachse wenigstens eines Rotors der Transversalflussmaschine einstellt. Die Statorwicklung ist dabei als Umfangswicklung ausgeführt, die konzentrisch zur Drehachse des Rotors angeordnet ist. Die Transversalflussmaschine ist häufig als permanenterregte Synchronmaschine ausgeführt und kann für die Beaufschlagung mit einer einphasigen oder mehrphasigen Wechselspannung ausgebildet sein. Grundsätzlich kann eine Transversalflussmaschine auch als Asynchronmaschine ausgebildet sein. Die Konstruktion der Transversalflussmaschine erlaubt es, magnetische und elektrische Kreise weitgehend unabhängig voneinander konstruieren zu können. Darüber hinaus können axiale Wicklungsköpfe weitgehend vermieden werden, die in der Regel nicht zu einer Drehmomenterzeugung beitragen.
Aus der US 2021/0099036 A1 ist eine Transversalflussmaschine bekannt, bei der die Statorpole und die Statorwicklung eine Fluidkühlung erfahren. Dies wird dadurch erreicht, dass einzelne Statorpole in Umfangsrichtung beabstandet zueinander angeordnet sind, so dass zwischen benachbarten Statorpolen ein Kühlfluid strömen kann. Die genannte Druckschrift äußert sich nicht zur Bereitstellung eines geeigneten Kühlungsstroms. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Transversalflussmaschine bereitzustellen, die derart aufgebaut ist, dass eine Fluidkühlung mit guten Kühleigenschaften realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Transversalflussmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Danach betrachtet die vorliegende Erfindung eine Transversalflussmaschine, die einen mit Permanentmagneten versehenen Rotor umfasst, der eine Drehachse aufweist, wobei die Drehachse eine axiale Richtung, eine radiale Richtung und eine Umfangsrichtung der Transversalflussmaschine definiert. Die Transversalflussmaschine umfasst des Weiteren einen Stator und aktive Bestandteile des Stators, wobei die aktiven Bestandteile eine Spulenwicklung aufweisen.
Es ist vorgesehen, 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 dazu vorgesehen und ausgebildet sind, die aktiven Bestandteile des Stators zu halten und zu positionieren.
Danach beruht die vorliegende Erfindung auf dem Gedanken, den Stator mit in Umfangsrichtung beabstandeten Rippen auszubilden, die eine doppelte Funktion erfüllen. Zum einen erfüllen die Rippen eine Halte- und Positionierungsfunktion, indem sie die aktiven Bestandteile des Stator halten und geeignet positionieren. Zum anderen stellen die Kühlrippen aufgrund ihres Abstands in Umfangsrichtung Kühlluftkanäle bereit, die es erlauben, die aktiven Bestandteile mit einer Fluidströmung zu kühlen, die in radialer Richtung durch die Kühlluftkanäle strömt.
Die erfindungsgemäße Konstruktion ermöglicht damit eine direkte Fluidkühlung, insbesondere eine Luftkühlung der aktiven Komponenten des Stators. Die Fluidkühlung wird durch eine Fluidströmung, insbesondere eine Luftströmung bereitgestellt, die erzwungen sein kann (beispielsweise durch den Einsatz von Lüftern) oder die sich aus den sich im Betrieb einstellenden Druckunterschieden in unterschiedlichen Bereichen der Transversalflussmaschine ergeben kann. Die direkte Fluidkühlung erlaubt in effektiver Weise eine direkte Konvektionskühlung von zu kühlenden Oberflächen der aktiven Bauteile des Stators. Allgemein kann das Kühlfluid eine Flüssigkeit oder ein Gas wie zum Beispiel Luft sein. Bei den aktiven Komponenten des Stators handelt es sich insbesondere um Statorpole (auch als Statorjoche oder Eisenkerne bezeichnet) und Spulenwicklungen, wie noch ausgeführt wird. Diese werden direkt mittels einer Konvektionskühlung gekühlt.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Rotor der Transversalflussmaschine als außenlaufender Rotor ausgebildet, wobei beispielsweise Permanentmagnete des Rotors axial versetzt zum Stator und Strukturteile des Rotors radial außen des Stators angeordnet sind. Alternativ kann die Transversalflussmaschine mit einem innenlaufenden Rotor ausgebildet sein.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Rotor axial beabstandete Außenwände umfasst, die jeweils Permanentmagnete aufweisen oder integrieren, sowie eine stirnseitige Wand aufweist, die mit radialen Öffnungen versehen ist. Die radialen Öffnungen sind dazu vorgesehen und ausgebildet, durch die Kühlluftkanäle des Stators strömendes Kühlfluid in die Umgebung zu leiten oder aus der Umgebung in Richtung der Kühlluftkanäle zu leiten. Solche radialen Öffnungen im Rotor oder allgemein in einer Außenwand der Transversalflussmaschine sind erforderlich, damit die im Stator erfindungsgemäß realisierte radiale Fluidströmung in die Umgebung abgegeben oder von der Umgebung aufgenommen werden kann.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die aktiven Bestandteile des Stators, die durch die Rippen des Stators gehalten werden, in einem durch die genannten Außenwände und die stirnseitige Wand des Rotors begrenzten Volumen angeordnet sind. Dies ist insbesondere bei einer Ausgestaltung sinnvoll, bei der der Rotor und der Stator einen sich in radialer Richtung erstreckenden und in Umfangsrichtung umlaufenden Luftspalt ausbilden (wobei ein Luftspalt-Normalvektor in die axiale Richtung zeigt). So verläuft bei der genannten Konstruktion ein Luftspalt zwischen den aktiven Bestandteilen des Stators und den Permanentmagneten des Rotors jeweils innenseitig angrenzend an die Außenwände des Rotors.
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 elektromagnetische 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 und/oder zu Beschädigungen beispielsweise in der Isolierung führen.
Die Permanentmagnete sind beispielsweise als oberflächenmontierte Permanentmagnete ausgebildet, wobei grundsätzlich auf jedwede bekannte Konstruktion zurückgegriffen werden kann.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die aktiven Bestandteile des Stators derart angeordnet und ausgebildet sind, dass ein durch die Kühlluftkanäle radial strömender Fluidstrom an Oberflächen der aktiven Bauteile vorbei strömt und diese kühlt. Dabei sehen unterschiedliche Ausgestaltungen vor, dass der Fluidstrom von radial innen nach radial außen oder von radial außen nach radial innen strömt. Die Strömungsrichtung hängt von den gegebenen Druckverhältnissen und ggf. eingesetzten Lüftern ab.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die aktiven Bestandteile des Stators in Funktionseinheiten angeordnet sind, die sich jeweils in radialer Richtung und über ein Umfangssegment in Umfangsrichtung erstrecken und die jeweils durch eine Mehrzahl der Rippen gehalten sind, wobei die Funktionseinheiten jeweils aufweisen: zwei axial beabstandete, nicht magnetische und nicht magnetisierbare Halteplatten, zwischen den Halteplatten sich erstreckende Statorpole, die einen sich im
Umfangsrichtung erstreckenden Wicklungsraum definieren, in dem eine in Umfangsrichtung sich erstreckende Spulenwicklung angeordnet ist, wobei ein durch die Kühlluftkanäle strömender Fluidstrom die Funktionseinheiten zwischen den beiden Halteplatten radial durchströmt und dabei an den Statorpolen und der Spulenwicklung vorbei strömt.
Diese Ausgestaltung sieht somit mehrere Funktionseinheiten vor, die jeweils Statorpole und einen Wicklungsraum mit einer Spulenwicklung bereitstellen und die jeweils mit Rippen des Stators verbunden sind. Die Funktionseinheiten können modulare, vorgefertigte Einheiten darstellen, die in das oben genannten Volumen zwischen den axial beabstandeten Außenwänden des Rotors radial hinein ragen, wobei in jeder Funktionseinheit ein radialer Fluidstrom zur Kühlung realisierbar ist.
Dabei ist die Spulenwicklung segmentiert, wobei in jeder Funktionseinheit ein Spulensegment realisiert ist und mehrere Funktionseinheiten und Spulensegmente in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordnet sind. Beispielsweise ist vorgesehen, dass die Transversalflussmaschine für einen Betrieb mit einer dreiphasigen Wechselspannung ausgelegt ist. Zu diesem Zweck ist jedes der Spulensegmente mit einer jeweiligen Phase der Wechselspannung beaufschlagt. Es handelt sich bei der Wechselspannung somit um eine dreiphasige Wechselspannung.
Es wird darauf hingewiesen, dass der Fluidstrom, der die Kühlluftkanäle des Stators passiert, nicht notwendigerweise vollständig durch die Funktionseinheiten strömt. Ein Teil kann auch an diesen vorbei durch den Luftspalt zwischen der Außenwand des Rotors und der benachbarten Halteplatte der Funktionseinheit strömen (also durch den elektromagnetisch relevanten Luftspalt zwischen Rotor und Stator). In Ausgestaltungen kann ein solcher Luftstrom dazu eingesetzt werden, die Permanentmagnete des Rotors zu kühlen.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Spulenwicklung mindestens zwei in axialer Richtung zueinander beabstandete Wicklungspakete aufweist und/oder dass die Spulenwicklung in axialer Richtung zu den Halteplatten beabstandet ist. Damit wird ein Kühlluft-Strömungskanal bereitgestellt, der zwischen den axial beabstandeten Wicklungspaketen verläuft und/oder werden Kühlluft-Strömungskanäle bereitgestellt, die zwischen der Spulenwicklung und der jeweiligen Halteplatte strömen. In solchen Kühlluft- Strömungskanälen strömt die Kühlluft bzw. das Kühlfluid in radialer Richtung oder leicht geneigt zur radialen Richtung.
In einer Ausgestaltung sind die beiden vorgenannten Ausgestaltungen kombiniert, so dass die Spulenwicklung mindestens zwei axial beabstandete Wicklungspakete aufweist, die in axialer Richtung sowohl zueinander als auch zu den Halteplatten beabstandet sind. Dabei bildet die Funktionseinheit mindestens drei sich radial erstreckende und axial beabstandete Kühlluft-Strömungskanäle zur Kühlung der Wicklungspakete aus. So umfasst ein Kühlluft- Strömungskanal einen Bereich, der sich zwischen der einen Haltplatte und dem einen Wicklungspaket erstreckt. Ein weiterer Kühlluft-Strömungskanal umfasst einen Bereich, der sich zwischen den Wicklungspaketen erstreckt. Ein dritter Kühlluft-Strömungskanal erstreckt sich zwischen dem anderen Wicklungspaket und der anderen Halteplatte. Bei mehr als zwei axial beabstandeten Wicklungspaketen erhöht sich die Anzahl der Kühlluft- Strömungskanäle entsprechend.
Durch die Bereitstellung axial beabstandeter Wicklungspakete wird die Oberfläche der Spulenwicklung, die einer Kühlung zugänglich ist, im Vergleich mit einem einzelnen Wicklungspaket vergrößert. Dabei können die Wicklungspakete gleichzeitig sowohl an ihrer Oberseite als auch an ihrer Unterseite gekühlt werden. In einer Ausgestaltung sind die Wicklungspakete im Hinblick auf die Anzahl der Wicklungsdrähte dabei derart bemessen, dass jeder der Wicklungsdrähte zumindest in einem Teilbereich seiner Oberfläche gekühlt werden kann. Für den Fall, dass die einzelnen Wicklungsdrähte in den Wicklungspaketen zueinander beabstandet angeordnet sind, was in Ausführungsbeispielen der Fall sein kann, kann das Kühlfluid auch jeden einzelnen Wicklungsdraht gesondert umströmen und kühlen.
Eine verbesserte Kühlung der Spulenwicklung bzw. einzelnder Wicklungspakete ergibt sich auch durch eine axiale Beabstandung der Spulenwicklung von den Halteplatten.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Statorpole jeweils radial ausgerichtet sind und dabei radial ausgerichtete, in Umfangsrichtung beabstandete Seitenflächen aufweisen. Auf diese Weise ist ein effektive Konvektionskühlung der Statorpole über beide Seitenflächen möglich.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Statorpole jeweils gebogen ausgebildet und in mindestens zwei einander zugeordneten Umfangsreihen angeordnet sind, wobei die mindestens zwei Umfangsreihen radial beabstandet sind, die Statorpole der beiden Umfangsreihen jeweils im Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet sind, die Statorpole der radial inneren Umfangsreihe von radial außen betrachtet konkav gebogen sind und die Statorpole der radial äußeren Umfangsreihe von radial außen betrachtet konvex gebogen sind, so dass ihre einander zugewandten Abschnitte gemeinsam den Wicklungsraum oder einen Teil-Wicklungsraum definieren, wobei sie den Wicklungsraum quer zur Umfangsrichtung begrenzen, und die Enden der Statorpole Polköpfe bilden, die an den Rotor angrenzen, und die jeweils in einer der Halteplatten angeordnet sind.
Diese Ausgestaltung sieht die Bereitstellung von Wicklungsräumen bzw. Teil- Wicklungsräumen jeweils durch zwei Reihen von versetzt zueinander angeordneten und gebogenen Statorpolen vor. Die einzelnen Statorpole können dabei in Ausgestaltungen entsprechend der US 2021/0099036 A1 ausgebildet sein. Die Polköpfe der Statorpole, die mit den Permanentmagneten des Rotors elektromagnetisch wechselwirken, sind mit den Halteplatten befestigt.
Eine Ausgestaltung hierzu sieht vor, dass die Statorpole in mindestens vier Umfangsreihen angeordnet sind, wobei jeweils zwei der Umfangsreihen einander zugeordnet sind und einen Teil-Wicklungsraum bilden, wobei die Teil-Wicklungsräume radial beabstandet im Umfangsrichtung verlaufen, und wobei in den Teil-Wicklungsräumen jeweils sich in Umfangsrichtung längs erstreckende Abschnitte der Spulenwicklung angeordnet sind (die an den umfangsseitigen Enden der Spulenwicklungen um 180°gebogen bzw. zurückgeführt werden).
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Spulenwicklung in Abschnitten durch ein Fixationsmaterial im Wicklungsraum fixiert ist. Diese Abschnitte erstrecken sich dabei nur geringfügig in Umfangsrichtung, um eine Kühlung der Spulenwicklung durch den Kühlfluidstrom nicht zu behindern. Dabei ist das Fixationsmaterial gemäß einer Ausgestaltung in Strömungsrichtung des Kühlfluids fluchtend zu den Statorpolen (und somit gewissermaßen in deren Windschatten) angeordnet, um den Kühlfluidstrom möglichst wenig zu behindern. Die genannten Abschnitte sind dabei in Umfangsrichtung nicht breiter als die Statorpole.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Statorpole Basiskörper aufweisen, die in an sich bekannter Weise aus Blechpaketen oder aus einem Soft Magnetic Composit (SMC) bestehen können, um Wirbelströme weitestgehend zu reduzieren.
Weiter wird darauf hingewiesen, dass in die Transversalflussmaschine an mehreren Stellen Partikelfilter und/oder Partikelabscheider integriert sein können, die den Fluidstrom insbesondere vor Eintreten in den Stator reinigen, so dass die Spulenwicklung vor Partikelschäden und Partikelablagerung geschützt wird.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Transversalflussmaschine ein einer anzutreibenden Last zugewandtes erstes Ende und ein der anzutreibenden Last abgewandtes zweites Ende aufweist, und dass die Transversalflussmaschine an ihrem ersten Ende oder an ihrem zweiten Ende Öffnungen ausbildet, die im Betrieb einen Fluidstrom ermöglichen, der in radialer Richtung oder entgegen der radialen Richtung die Kühlluftkanäle und die aktiven Bestandteile des Stators der elektrischen Motoreinheit durchströmt.
Dieser Erfindungsaspekt beruht auf dem Gedanken, in der erfindungsgemäßen Transversalflussmaschine eine geeignete Fluidströmung, insbesondere Luftströmung bereitzustellen, wenn die Transversalflussmaschine im Betrieb ist. Hierzu sind Öffnungen vorgesehen, die in Verbindung mit sich im Betrieb einstellenden Druckunterschieden oder aktiven Elementen wie Lüftern eine Fluidströmung innerhalb der radial ausgerichteten Kühlluftkanäle des Stators realisieren. In die sich im Betrieb einstellenden Druckunterschiede ergeben sich beispielsweise durch die Luftströmung eines Propellers, der durch die Transversalflussmaschine angetrieben wird, und durch den Staudruck des Flugzeuges, das durch den Propeller angetrieben wird.
Dabei sieht eine Ausgestaltung vor, dass die Öffnungen am ersten Ende ausgebildet sind, das einer anzutreibenden Last zugewandt ist, und das zweite Ende dicht verschlossen ist. Letzteres ist der Fall, damit einströmendes Kühlfluid die Maschine nicht sogleich wieder verlassen kann. Dabei ist die Transversalflussmaschine dazu ausgebildet, durch die Öffnungen einströmendes Kühlfluid radial nach außen durch die Kühlluftkanäle und die aktiven Bestandteile des Stators zu leiten.
Alternativ sind die Verhältnisse insofern umgekehrt, als die Öffnungen am zweiten Ende ausgebildet sind und das erste Ende dicht verschlossen ist. Wiederum ist die Transversalflussmaschine dazu ausgebildet, durch die Öffnungen einströmendes Kühlfluid radial nach außen durch die Kühlluftkanäle und die aktiven Bestandteile des Stators zu leiten.
Bei den beiden vorgenannten Varianten wird das Kühlfluid im Stator radial nach außen geführt. Dies ist aber nicht notwendigerweise der Fall. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Kühlfluid im Stator radial nach innen geführt wird. So sieht eine weitere Ausgestaltung vor, dass die Öffnungen am ersten Ende oder am zweiten Ende (mit einem jeweils verschlossenen anderen Ende) ausgebildet sind, wobei die
Transversalflussmaschine dazu ausgebildet ist, von der Außenseite der
Transversalflussmaschine erhaltenes Kühlfluid von radial außen nach radial innen durch die aktiven Komponenten und die Kühlluftkanäle zu leiten. Hierzu kann vorgesehen sein, dass die Transversalflussmaschine, insbesondere der Rotor an seiner Außenseite Leitelemente aufweist, die dazu ausgebildet sind, in axialer Richtung strömendes Kühlfluid durch Öffnungen in Richtung der aktiven Bestandteile des Stators und der Kühlluftkanäle umzulenken.
Gemäß einer Ausgestaltung ist mindestens ein Lüfter (z.B. je Kühlluftkanal oder je mehrere Kühlungskanäle des Stators) vorgesehen, der das Kühlfluid in einer gewünschten Richtung fördert. Ein solcher Lüfter kann je nach Anordnung einen axialen oder einen radialen Luftstrom erzeugen. Ausführungsbeispiele sehen vor, dass ein Lüfter an der Außenseite des Rotors (mit radialer Strömungserzeugung) oder an einer Rotorwelle (mit axialer Strömungserzeugung) angeordnet ist. In einem weiteren Erfindungsaspekt wird eine elektrische Antriebseinheit bereitgestellt. Die elektrische Antriebseinheit umfasst eine elektrische Motoreinheit mit einem Rotor und einem Stator, wobei die Motoreinheit als Transversalflussmaschine gemäß Anspruch 1 ausgebildet ist. 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.
Dieser Erfindungsaspekt 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.
Ausgestaltungen 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 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 Vorteil besteht darin, dass diese 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 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.
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 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 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 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;
Figur ? den Rotor der Motoreinheit und die Kupplungseinheit der elektrischen Antriebseinheit der Figur 6 in einer teilweise geschnittenen, perspektivischen Ansicht; Figur 8 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Antriebseinheit, die eine Transversalflussmaschine mit außenlaufendem Rotor und eine Lagereinheit entsprechend den Figuren 1 bis 5 umfasst, wobei die Transversalflussmaschine zwei Rotor-Stator-Baugruppen aufweist, die in axialer Richtung hintereinander angeordnet und fest miteinander verbunden sind, und wobei ein Kühlluftstrom realisiert ist, der ausgehend von einer einer anzutreibenden Last zugewandten Seite durch die aktiven Bauteile des Stators radial nach außen strömt;
Figur 9 eine elektrische Antriebseinheit entsprechend der Figur 8, wobei ein Kühlluftstrom realisiert ist, der ausgehend von einer einer anzutreibenden Last abgewandten Seite durch die aktiven Bauteile des Stators radial nach außen strömt;
Figur 10 eine elektrische Antriebseinheit entsprechend der Figur 8, wobei ein Kühlluftstrom realisiert ist, der durch die aktiven Bauteile des Stators radial nach innen strömt;
Figur 11 eine perspektivischer, teilweise geschnittene Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Funktionseinheit des Stators, die an Rippen des Stators befestigt ist, wobei die Funktionseinheit axial beabstandete Halteplatten, zwischen den Halteplatten sich erstreckende Statorpole und eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Spulenwicklung umfasst;
Figur 12 die Funktionseinheit der Figur 11 in vollständiger perspektivischer Darstellung; und
Figur 13 eine Schnittansicht der Funktionseinheit der Figuren 11 und 12.
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.
Die Figuren 8 bis 13 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung, die vom Grundsatz her auf dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 5 basieren und die die Bereitstellung eines Kühlluftkanals im Stator zur Kühlung der aktiven Komponenten des Stators weiter ausführen.
Die Figur 8 zeigt eine elektrische Antriebseinheit mit einer als Transversalflussmaschine ausgebildeten Motoreinheit 1 mit Rotor 11 und Stator 12 und mit einer Lagereinheit 2, die eine axial angeordnete, drehbare Abtriebswelle 21 und ein statisches Lagerteil 22, das die Abtriebswelle 21 lagert, umfasst. Die in den Figuren 1 bis 5 erläuterte Kupplungseinheit 3 ist in der Figur 8 nicht dargestellt, jedoch in entsprechender Weise enthalten. Die in der Figur 8 enthaltenen Bezugszeichen bezeichnen allgemein die gleichen Teile wie in Bezug auf die Figuren 1 bis 5 erläutert, sofern sich aus der nachfolgenden Beschreibung keine Unterschiede ergeben. Dies betrifft insbesondere die Ausbildung des Stator 12 als Ringstruktur mit einer Vielzahl von Rippen 120, die in Umfangsrichtung aneinander angrenzen und die jeweils einen Kühlluftkanal 121 zwischen sich ausbilden.
Die Figur 8 stellt auch die Drehachse 110 des Rotors 11 dar, die gleich der Drehachse der Abtriebswelle 21 ist und die Symmetrieachse der Konstruktion darstellt. Die Drehachse 110 definiert eine axiale Richtung x, eine radiale Richtung r und eine Umfangsrichtung.
Ein Unterschied zu den Figuren 1 bis 5 ergibt sich daraus, dass die Motoreinheit 1 in der Figur 8 zwei Rotor-Stator- Baugruppen 1110, 1120 umfasst, die in axialer Richtung hintereinander angeordnet und fest miteinander verbunden sind. Dementsprechend umfasst der Rotor 11 drei axial beabstandete Außenwände 111 , 112, 114, die jeweils Permanentmagnete 5 aufweisen oder integrieren, sowie zwei stirnseitige, radial äußere Wände 113, 115. Die Außenwände 111 , 112, 114 und die stirnseitigen Wände 113, 115 bilden dabei zwei axial beabstandete Volumen 122 der beiden Rotor-Stator-Baugruppen 1110, 1120, die jeweils die aktiven Bestandteile des Stators 12 der jeweiligen Baugruppe enthalten, entsprechend der Beschreibung des Volumens 122 in der Figur 1.
Dabei wird darauf hingewiesen, dass die aktiven Bestandteile des Stators 12 durch die Rippen 120 gehalten und positioniert werden. Hierzu weisen die Rippen 120 Haltevorsprünge 123 auf, an denen eine in Bezug auf die Figuren 11 bis 13 erläuterte Funktionsbaugruppe befestigt ist, die in das Volumen 122 hineinragt (für jeder Rotor- Stator-Baugruppe 1110, 1120 gesondert).
Die Permanentmagnete 5 des Rotors sind zur besseren Übersichtlichkeit nur auf der rechten Seite der Figur 8 dargestellt. Sie sind an den Innenseiten der Außenwände 111 , 112, 114 angeordnet. Zwischen ihnen und zugeordneten Statorpolen der genannten Funktionsbaugruppe verläuft der in der Figur 1 dargestellte Luftspalt 131.
Ein weiterer Unterschied der Figur 8 zu den Figuren 1 bis 5 ergibt sich daraus, dass die Figur 8 in größerem Detail Strukturen darstellt, die die Bereitstellung eines Kühlluftstroms durch die Kühlluftkanäle 121 und die im Volumen 122 angeordneten aktiven Bauteile des Stators 12 ermöglichen. Dabei gilt allgemein, dass die Transversalflussmaschine ein einer anzutreibenden Last zugewandtes erstes Ende 1010 und ein der anzutreibenden Last abgewandtes zweites Ende 1020 aufweist. Sie bildet in der Figur 8 an ihrem ersten Ende 1010 Öffnungen 101 aus, die einem Luftstrom 60 ermöglichen, in zunächst primär axialer Ausrichtung in die Motoreinheit einzutreten. Dies kann durch einen Lüfter 91 unterstützt werden, der allerdings optional ist. Beispielsweise stammt der Luftstrom von einem Propeller, der durch die Abtriebswelle 21 angetrieben wird.
Das der anzutreibenden Last abgewandte zweite Ende 1020 ist luftdicht verschlossen, um zu verhindern, dass einströmende Luft die Motoreinheit in axialer Richtung gleich wieder verlässt. Hierzu ist eine Abdeckplatte 102 vorgesehen, die schematisch dargestellt ist. Die Abdeckplatte 102 ist in der Figur 8 mit dem Stator 12 verbunden, könnte aber alternativ mit dem Rotor 11 verbunden sein (oder je nach Ausführung sogar durch eine Kupplungsscheibe 31 gemäß den Figuren 1 bis 5 gebildet sein).
Damit wird erreicht, dass der einströmende Luftstrom 60 durch die Kühlluftkanäle 121 und die im Volumen 122 angeordneten aktiven Bauteile des Stators als Luftstrom 61 radial nach außen strömt. Auch die radiale Luftströmung 61 kann durch Lüfter 92 optional unterstützt werden. Es wird darauf hingewiesen, dass die stirnseitige Wände 113, 115 des Rotors 11 mit radialen Öffnungen 116 versehen sind, die es ermöglichen, dass der Kühlluftstrom 61 in die Umgebung geleitet werden kann.
Die Figur 9 zeigt eine Abwandlung der Figur 8, die sich lediglich in Bezug auf die Ausbildung des Kühlluftstroms von der Figur 8 unterscheidet. Insofern wird auf die Ausführungen zur Figur 8 Bezug genommen. Auch wird darauf hingewiesen, dass zur Vereinfachung der Darstellung die Permanentmagnete 5 des Rotors 12 in der Figur 9 nicht gesondert dargestellt, aber natürlich in gleicher Weise vorhanden sind. Dies gilt auch für die Figur 10.
Bei der Figur 9 ist vorgesehen, dass Öffnungen 104 in der Motoreinheit am der anzutreibenden Last abgewandten zweiten Ende 1020 ausgebildet sind, während das der anzutreibenden Last zugewandte erste Ende 1010 in diesem Fall luftdicht verschlossen ist. Hierzu sind die Öffnungen 101 durch Strukturen 103 verschlossen. Die Öffnungen 104 am zweiten Ende sind schematisch angedeutet und grundsätzlich durch verschiedenste Öffnungen realisierbar.
Ein vom zweiten Ende 1020 einströmender Luftstrom 62 weist zunächst eine primär axiale Ausrichtung auf. Dies kann wiederum durch einen optionalen axialen Lüfter (nicht gesondert dargestellt) unterstützt werden. Beispielsweise stammt der Luftstrom 62 von einem Propeller, der durch die Abtriebswelle 21 angetrieben wird, wobei die Propellerluft hinter dem Rotor 11 - wie durch den Pfeil 620 angedeutet - umgelenkt wird und dadurch am Ende 1020 einen erhöhten Staudruck bereitstellt, der den Luftstrom 62 bewirkt.
Weiter strömt der Luftstrom 62 durch die Kühlluftkanäle 121 und die im Volumen 122 angeordneten aktiven Bauteile des Stators als Luftstrom 63 radial nach außen. Auch die radiale Luftströmung 61 kann durch Lüfter (entsprechend den Lüftern 92 der Figur 8) optional unterstützt werden.
Die Figur 10 zeigt eine weitere Abwandlung der Figur 8, die sich lediglich in Bezug auf die Ausbildung des Kühlluftstroms von der Figur 8 unterscheidet. Insofern wird auf die Ausführungen zur Figur 8 Bezug genommen.
Bei der Figur 10 wird ein Kühlstrom 65 bereitgestellt, der sich radial nach innen durch den Stator 12 erstreckt. Hierzu ist vorgesehen, dass ein Luftstrom 64 am Außenumfang des Rotors, der wiederum beispielsweise von einem Propeller stammt, über Leitbleche 117 umgelenkt und durch die Öffnungen 116 in der Wänden 113, 115 des Rotors 11 in den Stator 12 geleitet wird und als Luftstrom 65 von radial außen nach radial innen durch die im Volumen 122 angeordneten aktiven Bestandteile des Stators und die Kühlluftkanäle 121 strömt.
Dabei ist vorgesehen, dass wie bei der Figur 9 die Öffnungen 101 am der Last zugewandten ersten Ende 1010 verschlossen sind, so dass der Luftstrom 65 nach Durchströmen des Stators 12 zum Ende 1020 hin als Luftstrom 66 umgelenkt wird. Alternativ können wie bei der Figur 8 die Öffnungen am der Last abgewandten Ende 1020 verschlossen sein, für welchen Fall der Luftstrom 65 zum Ende 1010 hin umgelenkt würde. Wiederum können Lüfter den gewünschten Luftstrom unterstützen. Auch kann vorgesehen sein, dass in der Figur 10 die Leitbleche 117 durch einen Lüfter ersetzt werden, der Umgebungsluft radial nach innen ansaugt.
Die Figuren 11 bis 13 zeigen in größerem Detail anhand eines Ausführungsbeispiels die aktiven Bauteile des Stators, die im Volumen 122 der Figuren 8-10 angeordnet sind. Hierzu umfasst der Stator gemäß der Figur 11 eine Funktionseinheit 9, die ein modulares, vorgefertigtes Bauteil darstellen kann. Die Funktionseinheit 9 erstreckt sich in radialer Richtung r und in Umfangsrichtung (p. Sie umfasst zwei axial beabstandete, nicht magnetische und nicht magnetisierbare Halteplatten 93, 94. Diese weisen radial innere Befestigungsbereiche 930, 940 auf, an denen die Halteplatten 93, 94 mit einer Mehrzahl der Rippen 120 des Stators 12 verbunden sind. Dies erfolgt beispielsweise über die Haltevorsprünge 123 der Rippen 120, siehe Figuren 8 bis 10.
Zwischen den Halteplatten 93, 94 erstrecken sich Statorpole 71 , deren Gesamtheit eine Eisenkernstruktur 7 des Stators bereitstellt. Die Statorpole 71 definieren einen sich im Umfangsrichtung erstreckenden Wicklungsraum 80, in dem eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Spulenwicklung 8 angeordnet ist. Dabei ist vorgesehen, dass ein durch die Kühlluftkanäle 121 (siehe Figuren 8 bis 10) strömender Luftstrom die Funktionseinheiten 9 im Bereich zwischen den beiden Halteplatten 91 , 92 radial durchströmt und dabei an den Statorpolen 71 und der Spulenwicklung 8 vorbei strömt.
Die die Statorpole 71 sind jeweils radial ausgerichtet. Sie weisen jeweils zwei radial ausgerichtete, in Umfangsrichtung beabstandete Seitenflächen 710, 720 auf, die beide durch einen Kühlluftstrom gekühlt werden. Die Spulenwicklung 8 umfasst zwei axial beabstandete Wicklungspakete 81 , 82 in einem Teil-Wicklungsraum 80-1 und zwei axial beabstandete Wicklungspakete 83, 84 in einem Teil-Wicklungsraum 80-2, wobei die Wicklungspakete 81-84 jeweils sich längs in Umfangsrichtung erstreckende Abschnitte der Spulenwicklung 8 darstellen. Wie in der Figur 12 erkennbar, bilden die Wicklungspakete 81-84 eine Spulenwicklung 8, wobei die Figur 12 zusätzlich einen umgelenkten Abschnitt 85 der Spulenwicklung 8 darstellt, der die Wicklungspakete 81-84 verbindet.
Jeweils zwei der Wicklungspakete 81 , 82 und 83, 84 sind in axialer Richtung sowohl zueinander als auch zu den Halteplatten 93, 94 beabstandet, so dass sie an ihrer Oberseite und an ihrer Unterseite von Kühlluft umströmt werden können. Dies ist in der Figur 13 verdeutlicht. Danach bildet die Funktionseinheit 9 drei sich radial erstreckende und axial beabstandete Kühlluft-Strömungskanäle 67, 68, 69 zur Kühlung der Wicklungspakete 81 , 82 und 83, 84, wobei ein Kühlluft-Strömungskanal 67 angrenzend an die obere Halteplatte 93 verläuft, ein Kühlluft-Strömungskanal 68 im Bereich zwischen den Wicklungspaketen 81 , 83 und 82, 84 verläuft und ein Kühlluft-Strömungskanal 69 angrenzend an die unter Halteplatte 94 verläuft. Die Aufteilung der Wicklung in axial beabstandete Wicklungspakete 81-84 erhöht dabei die kühlbare Oberfläche der Wicklung. Dabei können in anderen Ausführungsvarianten auch mehr als zwei axial beabstandete Wicklungspakete vorgesehen sein.
Je zwei Wicklungspakete 81 , 82 und 83, 84 können jeweils durch ein Fixationsmaterial 86 im Wicklungsraum 80-1 , 80-2 fixiert sein, wobei das Fixationsmaterial sich allerdings nur geringfügig in Umfangsrichtung erstreckt (und somit plattenförmig ausgebildet ist), um eine Kühlung durch den Kühlluftstrom nicht zu beeinträchtigen.
Erneut Bezug nehmend auf die Figur 11 ist zur Realisierung der Teil-Wicklungsräume 80- 1 , 80-2 eine besondere Anordnung der Statorpole 71 vorgesehen. So sind die Statorpole 71 in vier Umfangsreihen 71-1 , 71-2, 71-3, 71-4 angeordnet sind, wobei jeweils zwei der Umfangsreihen 71-1 , 71-2 und 71-3, 71-4 einander zugeordnet sind und einen Teil- Wicklungsraum 80-1 , 80-2 bilden. Weiter ist vorgesehen, dass die Statorpole 71 von jeweils zwei einander zugeordneten Umfangsreihen 71-1 , 71-2 und 71-3, 71-4 jeweils im Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet sind.
Weiter sind die Statorpole 71 gebogen. Sie sind beispielsweise C-förmig gebogen. Dabei sind die Statorpole 71 der jeweils radial inneren Umfangsreihe 71-1 , 71-3 von radial außen betrachtet konkav gebogen und sind die Statorpole 71 jeweils der radial äußeren Umfangsreihe 71-2, 71-4 von radial außen betrachtet konvex gebogen, so dass ihre einander zugewandten Abschnitte gemeinsam die Teil-Wicklungsräume 80-1 , 80-2 definieren. Dabei begrenzen die Statorpole 71 der jeweils zwei Reihen die Teil- Wicklungsräume quer zur Umfangsrichtung. Die Statorpole 71 sind hierzu in den einander zugeordneten Umfangsreihen 71-1 , 71-2 und 71-3, 71-4 in umgekehrter Ausrichtung angeordnet.
Weiter ist vorgesehen, dass die Enden der Statorpole 71 Polköpfe 72, 73 bilden (obere Polköpfe 72 und untere Polköpfe 73). Die Polköpfe 72, 73 grenzen an die Permanentmagnete 5 der Figur 8 an und sind von diesen nur durch einen Luftspalt getrennt (entsprechend dem Luftspalt 131 der Figur 1). Hierzu ist vorgesehen, dass die Polköpfe 72, 73 jeweils in einer der Halteplatten 93, 94 angeordnet sind und bündig mit deren Außenseiten 931 , 941 abschließen. Dementsprechend sind in den Figuren 11 bis 13 die oberen Polköpfe 72 in der Ebene der Außenseite 931 der oberen Halteplatte 93 zu erkennen.
In jeder Rotor-Stator-Baugruppe 1110, 1120 der Figuren 8 bis 10 sind mehrere Funktionseinheiten 9 vorgesehen, die in Umfangsrichtung einander anschließen. Beispielsweise sind je Rotor-Stator- Baugruppe 1110, 1120 drei Funktionseinheiten 9 vorgesehen, wobei die Spulenwicklung einer Funktionseinheit jeweils mit einer Phase einer dreiphasigen Wechselspannung beaufschlagt sind.
Es wird darauf hingewiesen, dass eine Kühlung der aktiven Komponenten des Stators anhand von Luft als Kühlmedium beschrieben wurde. Dies ist jedoch nur beispielhaft zu verstehen. Einerseits können andere Gase als Luft als Kühlmedium eingesetzt werden. Andererseits kann als Kühlmedium auch eine Flüssigkeit eingesetzt werden. Das Kühlfluid kann somit entweder eine Flüssigkeit oder ein Gas wie zum Beispiel Luft sein.
Es wird weiter darauf hingewiesen, dass eine radiale Luftströmung im Stator einer Transversalflussmaschine anhand einer Transversalflussmaschine erläutert wurde, die in eine elektrische Antriebseinheit entsprechend den Figuren 1 bis 5 integriert ist. Dies ist allerdings nur beispielhaft zu verstehen. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung gelten unabhängig von der jeweils realisierten Antriebseinheit, in die die Transversalflussmaschine integriert ist.
Weiter wird darauf hingewiesen, dass in den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Luftspalt zwischen Stator und Rotor sich in radialer Richtung erstreckt (mit einem axialen Normalenvektor der Luftspaltflächen). Das Kühlkonzept kann alternativ derart ausgestaltet sein, dass der Luftspalt axial verläuft (mit einem radialen Normalenvektor der Luftspaltsflächen). Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung gelten auch für ein solches Kühlkonzept.
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. Transversalflussmaschine, die aufweist: einen mit Permanentmagneten (5) versehenen Rotor (11), der eine Drehachse (110) aufweist, die eine axiale Richtung, eine radiale Richtung und eine Umfangsrichtung definiert, einen Stator (12), aktive Bestandteile (7, 8) des Stators (12), die eine Spulenwicklung (8) umfassen,
- wobei 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) dazu vorgesehen und ausgebildet sind, die aktiven Bestandteile (7, 8) des Stators (12) zu halten und zu positionieren.
2. Transversalflussmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (11) als außenlaufender Rotor ausgebildet ist.
3. Transversalflussmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (11) axial beabstandete Außenwände (111 , 112, 114) aufweist, die jeweils Permanentmagnete (5) aufweisen oder integrieren, sowie eine stirnseitige Wand (113, 115), die mit radialen Öffnungen (116) versehen ist, die dazu vorgesehen und ausgebildet sind, durch die Kühlluftkanäle (121) des Stators (12) strömendes Kühlfluid in die Umgebung zu leiten oder aus der Umgebung in Richtung der Kühlluftkanäle (121) zu leiten.
4. Transversalflussmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Bestandteile (7, 8) des Stators (12), die durch die Rippen (120) des Stators (12) gehalten werden, in einem durch die Außenwände (111 , 112, 114) und die stirnseitige Wand (113, 115) des Rotors (11) begrenzten Volumen (122) angeordnet sind.
5. Transversalflussmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (11) und der Stator (12) einen sich in radialer Richtung erstreckenden und in Umfangsrichtung umlaufenden Luftspalt (131) ausbilden. Transversalflussmaschine nach Anspruch 5, soweit rückbezogen auf Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luftspalt (131) zwischen den aktiven Bestandteilen (7) des Stators (12) und den Permanentmagneten (5) des Rotors (11) jeweils innenseitig angrenzend an die Außenwände (111 , 112) verläuft. Transversalflussmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Bestandteile (7, 8) des Stators (12) derart angeordnet und ausgebildet sind, dass ein durch die Kühlluftkanäle (121) radial strömender Fluidstrom (61 , 63, 65) an Oberflächen der aktiven Bauteile (7, 8) vorbei strömt und diese kühlt. Transversalflussmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Bestandteile (7, 8) des Stators (12) in Funktionseinheiten (9) angeordnet sind, die sich jeweils in radialer Richtung und über ein Umfangssegment in Umfangsrichtung erstrecken und die jeweils durch eine Mehrzahl der Rippen (120) gehalten sind, wobei die Funktionseinheiten (9) jeweils aufweisen:
- zwei axial beabstandete, nicht magnetische und nicht magnetisierbare Halteplatten (93, 94),
- zwischen den Halteplatten (93, 94) sich erstreckende Statorpole (71), die einen sich im Umfangsrichtung erstreckenden Wicklungsraum (80) definieren, in dem eine in Umfangsrichtung sich erstreckende Spulenwicklung (8) angeordnet ist,
- wobei ein durch die Kühlluftkanäle (121) strömender Fluidstrom die Funktionseinheiten (9) zwischen den beiden Halteplatten (91 , 92) radial durchströmt und dabei an den Statorpolen (71) und der Spulenwicklung (8) vorbei strömt. Transversalflussmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenwicklung (8) mindestens zwei in axialer Richtung zueinander beabstandete Wicklungspakete (81 , 82; 83, 84) aufweist. Transversalflussmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenwicklung (8) in axialer Richtung zu den Halteplatten (93, 94) beabstandet ist. Transversalflussmaschine nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenwicklung (8) mindestens zwei axial beabstandete Wicklungspakete (81 , 82; 83, 84) aufweist, die in axialer Richtung sowohl zueinander als auch zu den Halteplatten (93, 94) beabstandet sind, wobei die Funktionseinheit (9) mindestens drei sich radial erstreckende und axial beabstandete Kühlluft-Strömungskanäle (67, 68, 69) zur Kühlung der Wicklungspakete (81 , 82; 83, 84) ausbildet.
12. Transversalflussmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Statorpole (71) jeweils radial ausgerichtet sind und dabei radial ausgerichtete, in Umfangsrichtung beabstandete Seitenflächen (710, 720) aufweisen.
13. Transversalflussmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorpole (71) jeweils gebogen ausgebildet und in mindestens zwei einander zugeordneten Umfangsreihen (71-1 , 72-2) angeordnet sind, wobei die mindestens zwei Umfangsreihen (71-1 , 71-2) radial beabstandet sind, die Statorpole (71) der beiden Umfangsreihen (71-1 , 71-2) jeweils im Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet sind, die Statorpole (71) der radial inneren Umfangsreihe (71-1) von radial außen betrachtet konkav gebogen sind und die Statorpole (71) der radial äußeren Umfangsreihe (71-1) von radial außen betrachtet konvex gebogen sind, so dass ihre einander zugewandten Abschnitte gemeinsam den Wicklungsraum (80) oder einen Teil-Wicklungsraum (80-1 , 80-2) definieren, wobei sie den Wicklungsraum (80) quer zur Umfangsrichtung begrenzen, und die Enden der Statorpole (71) Polköpfe (72, 73) bilden, die an den Rotor (11) angrenzen, und die jeweils in einer der Halteplatten (93, 94) angeordnet sind.
14. Transversalflussmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorpole (71) in mindestens vier Umfangsreihen (71-1 , 71-2, 71-3, 71-4) angeordnet sind, wobei jeweils zwei der Umfangsreihen (71-1 , 71-2; 71-3, 71-4) einander zugeordnet sind und einen Teil-Wicklungsraum (80-1 , 80-2) bilden, wobei die Teil- Wicklungsräume (80-1 , 80-2) radial beabstandet im Umfangsrichtung verlaufen, und wobei in den Teil-Wicklungsräumen (80-1 , 80-2) jeweils sich in Umfangsrichtung erstreckende Abschnitte (81 , 82; 83, 84) der Spulenwicklung (8) angeordnet sind.
15. Transversalflussmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenwicklung (8) in Abschnitten durch ein Fixationsmaterial (86) im Wicklungsraum (80) fixiert ist.
16. Transversalflussmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transversalflussmaschine ein einer anzutreibenden Last zugewandtes erstes Ende (1010) und ein der anzutreibenden Last abgewandtes zweites Ende (1020) aufweist, und dass die Transversalflussmaschine an ihrem ersten Ende (1010) oder an ihrem zweiten Ende (1020) Öffnungen (101 , 104) ausbildet, die im Betrieb einen Fluidstrom (60-66) ermöglichen, der in radialer Richtung oder entgegen der radialen Richtung die Kühlluftkanäle (121) und die aktiven Bestandteile (7, 8) des Stators (12) durchströmt.
17. Transversalflussmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, das die Öffnungen (101) am ersten Ende (1010) ausgebildet sind und das zweite Ende (1020) dicht verschlossen ist, wobei die Transversalflussmaschine dazu ausgebildet ist, durch die Öffnungen (101) einströmendes Kühlfluid radial nach außen durch die Kühlluftkanäle (121) und die aktiven Bestandteile (7, 8) des Stators (12) zu leiten.
18. Transversalflussmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (104) am zweiten Ende (1020) ausgebildet sind und das erste Ende (1010) dicht verschlossen ist, wobei die Transversalflussmaschine dazu ausgebildet ist, durch die Öffnungen (104) einströmendes Kühlfluid radial nach außen durch die Kühlluftkanäle (121) und die aktiven Bestandteile (7, 8) des Stators (12) zu leiten.
19. Transversalflussmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (101 , 104) am ersten Ende (1010) oder am zweiten Ende (1020) ausgebildet sind, wobei die Transversalflussmaschine dazu ausgebildet ist, von der Außenseite der Transversalflussmaschine erhaltenes Kühlfluid von radial außen nach radial innen durch die aktiven Bestandteile (7, 8) und die Kühlluftkanäle (121) zu leiten.
20. Transversalflussmaschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Transversalflussmaschine an ihrer Außenseite Leitelemente (117) aufweist, die dazu ausgebildet sind, in axialer Richtung strömendes Kühlfluid (64) durch Öffnungen (116) in Richtung der aktiven Bestandteile (7, 8) des Stators (12) und der Kühlluftkanäle (121) umzulenken.
21. Transversalflussmaschine nach einem der Ansprüche 16 bis 20, gekennzeichnet durch mindestens einen Lüfter (91 , 92), der den Fluidstrom (60-66) in eine gewünschten Richtung fördert.
22. Elektrische Antriebseinheit, die aufweist: eine elektrische Motoreinheit (1), die als Transversalflussmaschine gemäß Anspruch 1 ausgebildet ist, 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.
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