DE-102024132227-A1 - System mit einer elektrischen Maschine und Verfahren zur Herstellung eines solchen Systems

Abstract

Ein System (1), insbesondere für ein Luftfahrzeug (2), umfasst: eine elektrische Maschine (10) mit einem Stator (100) und einem relativ dazu drehbaren Rotor (101), wobei Spulen (104) an einem Körper (108) des Stators (100) festgelegt sind, eine Leistungselektronik (11) und elektrische Versorgungsleitungen (12A-12C), die jeweils eine Impedanz (Z0) aufweisen, wobei zumindest eine der Spulen (104) über ein Impedanzelement (13, 13A-13F) an eine der Versorgungsleitungen (12A-12C) angeschlossen ist, über welche das Impedanzelement (13, 13A-13F) an einen Anschluss (112A-112C) der Leistungselektronik (11) angeschlossen ist, wobei das Impedanzelement (13, 13A-13F) eine Impedanz (Z1) aufweist, welche größer ist als die Impedanz (Z0) der Versorgungsleitung (12A-12C) und wobei das Impedanzelement (13, 13A-13F) einen elektrischen Leiter (131) umfasst, welcher zumindest abschnittsweise entlang dem Körper (108) des Stators (100) verläuft.

Inventors

• Florian Schulz
• Andreas Reeh

Assignees

• ROLLS-ROYCE DEUTSCHLAND LTD & CO KG

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241105

Claims (20)

1. System (1), insbesondere für ein Luftfahrzeug (2), umfassend: - eine elektrische Maschine (10) mit einem Stator (100) und einem relativ dazu drehbaren Rotor (101),wobei Spulen (104) an einem Körper (108) des Stators (100) festgelegt sind, - eine Leistungselektronik (11) mit Schaltelementen (S1-S6) und - elektrische Versorgungsleitungen (12A-12C), die jeweils eine Impedanz (Z0) aufweisen, wobei zumindest eine der Spulen (104) über ein Impedanzelement (13, 13A-13F) an eine der Versorgungsleitungen (12A-12C) angeschlossen ist, über welche das Impedanzelement (13, 13A-13F) an einen Anschluss (112A-112C) der Leistungselektronik (11) angeschlossen ist, wobei das Impedanzelement (13, 13A-13F) eine Impedanz (Z1) aufweist, welche größer ist als die Impedanz (Z0) der Versorgungsleitung (12A-12C) und wobei das Impedanzelement (13, 13A-13F) einen elektrischen Leiter (131) umfasst, welcher zumindest abschnittsweise entlang dem Körper (108) des Stators (100) verläuft.
2. System (1) nach Anspruch 1 , wobei der Leiter (131) des Impedanzelements (13, 13A, 13E, 13F) zumindest abschnittsweise um den Körper (108) des Stators (100) herum verläuft.
3. System (1) nach Anspruch 1 oder 2 , wobei der Leiter (131) des Impedanzelements (13B-13D) zumindest abschnittsweise zwischen zumindest zwei der Spulen (104) verläuft.
4. System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spulen (104) um eine jeweilige Wicklungsachse (A1) herum gewickelt sind und der Leiter (131) des Impedanzelements (13A-13F) um eine Wicklungsachse (A2, A3) gewickelt ist.
5. System (1) nach Anspruch 4 , wobei die Wicklungsachsen (A1) der Spulen (104) radial, parallel oder tangential zu einer Drehachse (D), um welche der Rotor (101) relativ zum Stator (100) drehbar ist, ausgerichtet sind und wobei die Wicklungsachse (A2, A3) des Impedanzelements (13A-13F) radial, parallel oder tangential zur Drehachse (D) ausgerichtet ist und anders ausgerichtet ist als die Wicklungsachsen (A1) der Spulen (104).
6. System (1) nach Anspruch 4 oder 5 , wobei die Wicklungsachsen (A1) der Spulen (104) konzentrisch zur Drehachse (D) ausgerichtet sind und die Wicklungsachse (A2, A3) des Impedanzelements (13A-13F) parallel, insbesondere koaxial, oder tangential zur Drehachse (D) ausgerichtet ist.
7. System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Körper (108) zylindrisch ist und zwei zueinander parallele, ringförmige Stirnseiten (109) aufweist, wobei der Leiter (131) des Impedanzelements (13E, 13F) an einer oder beiden der Stirnseiten (109) der Ringform folgend verläuft.
8. System (1) nach Anspruch 7 , wobei der Leiter (131) des Impedanzelements (13F) von einer ersten der beiden Stirnseiten (109) zur zweiten der beiden Stirnseiten (109) verläuft, dort einen Halbkreis beschreibt und dann zurück zur ersten der Stirnseiten (109) verläuft.
9. System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (101) zwei Teilrotoren (T1, T2) beiderseits der Spulen (104) des Stators (100) aufweist, wobei ein Teil der Spulen (104) dem einen Teilrotor (T1) zugewandt ist und ein anderer Teil der Spulen (104) dem anderen Teilrotor (T2) zugewandt ist, wobei der Leiter (131) des Impedanzelements (13D) zumindest abschnittsweise zwischen zumindest zwei der dem einen Teilrotor (T1) zugewandten Spulen (104) verläuft und zumindest abschnittsweise zwischen zumindest zwei der dem anderen Teilrotor (T2) zugewandten Spulen (104) verläuft.
10. System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Isolation des Leiters (108) des Impedanzelements (13, 13A-13F) eine größere Dicke aufweist als eine Isolation eines jeweiligen Leiters der Spulen (104).
11. System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Impedanzelement (13B-13D) so angeordnet ist, dass ein durch das Impedanzelement (13B-13D) fließender elektrischer Strom ein Magnetfeld erzeugt, welches den Rotor (101) in eine Rotation relativ zum Stator (100) versetzt.
12. System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spulen (104) elektrisch an Verbindungspunkte (105A-105C) angeschlossen sind, wobei jeder der Verbindungspunkte (105A-105C) der elektrischen Maschine (10) über jeweils ein Impedanzelement (13, 13A-13F) an eine jeweilige der Versorgungsleitungen (12A-12C) angeschlossen ist, über welche das entsprechende Impedanzelement (13, 13A-13F) an einen jeweiligen Anschluss (112A-112C) der Leistungselektronik (11) angeschlossen ist, und wobei die Impedanzelemente (13, 13A-13F) jeweils eine Impedanz (Z1) aufweisen, welche größer ist als die Impedanz (Z0) der jeweiligen Versorgungsleitung (12A-12C).
13. System (1) nach Anspruch 12 , wobei die elektrische Maschine (10) mehrphasige Wicklungen mit Sternpunkten aufweist, insbesondere drei Teilschaltungen (107A-107C) aufweist, die jeweils mindestens eine der Spulen (104) umfassen und sich von einem der Verbindungspunkte (105A-105C) der elektrischen Maschine (10) bis zu einem Sternpunkt (106) erstrecken, an welchem die drei Teilschaltungen (107A-107C) elektrisch miteinander verbunden sind.
14. System (1) nach Anspruch 13 , wobei jede der Teilschaltungen (107A-107C) eine Impedanz (Z2) aufweist und die Impedanz (Z1) des jeweiligen Impedanzelements (13, 13A-13F) mindestens 5% der Impedanz (Z2) der jeweiligen Teilschaltung (107A-107C) beträgt, insbesondere mindestens 20%, wobei die Impedanz (Z1) des jeweiligen Impedanzelements (13, 13A-13F) insbesondere mindestens 82% und höchstens 122% der Impedanz (Z2) der jeweiligen Teilschaltung (107A-107C) beträgt, insbesondere gleich der der Impedanz (Z2) der jeweiligen Teilschaltung (107A-107C) ist.
15. System (1) nach einem der Ansprüche 13 oder 14 , wobei jede der Teilschaltungen (107A-107C) mehrere in Reihe geschaltete Spulen (104) und mehrere parallel zueinander geschaltete Spulen (104) umfasst.
16. System (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 15 , wobei die Impedanzelemente (13, 13A-13F) untereinander dieselbe Impedanz (Z1) aufweisen.
17. System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Impedanzelemente (13, 13A-13F) jeweils eine Spule (130) umfassen.
18. System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leistungselektronik (11) beabstandet von der elektrischen Maschine (10) angeordnet ist.
19. System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Propeller (14), wobei der Rotor (101) der elektrischen Maschine (10) zum Antrieb des Propellers (14) mit dem Propeller (14) gekoppelt ist.
20. Verfahren zur Herstellung eines Systems (1), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 19 , das Verfahren umfassend: - Bereitstellen (S1) einer elektrischen Maschine (10) mit einem Stator (100) und einem relativ dazu drehbaren Rotor (101), wobei Spulen (104) an einem Körper (108) des Stators (100) festgelegt sind, - Ermitteln (S2) der Impedanz (Z0) von elektrischen Versorgungsleitungen (12A-12C), über welche die Spulen (104) an eine Leistungselektronik (11) angeschlossen sind, - Bereitstellen (S4) von einem oder mehreren Impedanzelementen (13, 13A-13F) für eine oder jede der Versorgungsleitungen (12A-12C), mit jeweils einer Impedanz (Z1), welche größer ist als die Impedanz (Z0) der jeweiligen Versorgungsleitung (12A-12C), und - Anschließen (S5) der Spulen (104) über das Impedanzelement (13, 13A-13F) oder über jeweils eines der Impedanzelemente (13, 13A-13F) an eine jeweilige der Versorgungsleitungen (12A-12C), über welche das jeweilige Impedanzelement (13, 13A-13F) an einen jeweiligen Anschluss (112A-112C) der Leistungselektronik (11) angeschlossen wird, wobei das Impedanzelement (13, 13A-13F) einen elektrischen Leiter (131) umfasst, welcher zumindest abschnittsweise entlang dem Körper (108) des Stators (100) verlaufend angeordnet wird.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein System, insbesondere für ein Luftfahrzeug, und auf ein Verfahren zur Herstellung eines Systems. Fahrzeuge, insbesondere Luftfahrzeuge, werden in vielfältigen Ausgestaltungen angetrieben. Verbrennungsmaschinen, beispielsweise in Form von Kolbenmotoren oder Gasturbinentriebwerken, ermöglichen große Reichweiten und hohe Geschwindigkeiten. Antriebseinheiten mit einem Elektromotor oder mehreren Elektromotoren ermöglichen demgegenüber einen Einsatz von nachhaltig erzeugter Energie aus verschiedensten Quellen und sind mitunter besonders wartungsarm und leise. Fortschritte in der Batterie- und Brennstoffzellentechnologie ermöglichen immer weitere Einsatzbereiche von elektrischen Antrieben. Elektrogeneratoren können als Teil der Stromversorgung sowohl entsprechende Elektromotoren versorgen als auch zum Betrieb verschiedenster damit verbundener oder grundsätzlich unabhängiger elektrischer Systeme dienen. Hierbei können elektrische Maschinen der Elektrogeneratoren durch Verbrennungskraftmaschinen angetrieben werden, die mit konventionellem oder nachhaltigem Treibstoff versorgt werden. In verschiedenen Anwendungsfällen, z.B. bei elektrisch angetriebenen Luftfahrzeugen, wird zumindest eine elektrische Maschine über elektrische Verbindungsleitungen durch eine Stromversorgung mit elektrischem Strom versorgt. Dabei kann eine platzsparende Anordnung der elektrischen Maschine und der Stromversorgung eine Herausforderung darstellen. Weiterhin bestehen verschiedene Anwendungsfälle für Elektrogeneratoren, insbesondere im Zuge der fortschreitenden (Teil-)Elektrifizierung von Luftfahrzeugen sowie der Nutzung von hybriden Antriebsystemen. Dabei liefert zumindest eine elektrische Maschine über elektrische Verbindungsleitungen die Stromversorgung für z.B. Bordelektronik, elektrische Aktuatoren oder auch elektrische Antriebsmotoren. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein System mit einer elektrischen Maschine und einer Leistungselektronik (z.B. Stromversorgung) zu verbessern. Gemäß einem Aspekt wird ein System (insbesondere für ein Luftfahrzeug) angegeben, umfassend eine elektrische Maschine (z.B. in Form eines Elektromotors) mit einem Stator und einem relativ dazu drehbaren Rotor, wobei Spulen der elektrischen Maschine an einem Körper des Stators festgelegt sind. Das System umfasst ferner eine Leistungselektronik, z.B. in Form einer Stromversorgung (insbesondere einschließlich eines Konverters mit Leistungstransistoren), mit Schaltelementen (die z.B. Spannungswellen erzeugen), zum Beispiel mit einem Wechselrichter, und elektrische Versorgungsleitungen, die jeweils eine (insbesondere untereinander die gleiche) Impedanz aufweisen. Dabei ist zumindest eine der Spulen der elektrischen Maschine über ein Impedanzelement an eine der Versorgungsleitungen angeschlossen, über welche das Impedanzelement an einen Anschluss der Leistungselektronik (z.B. Stromversorgung) angeschlossen ist. Das Impedanzelement weist eine Impedanz auf, welche größer ist als die Impedanz der Versorgungsleitung. Das Impedanzelement umfasst einen elektrischen Leiter, welcher zumindest abschnittsweise entlang des Körpers des Stators verläuft (z.B. entlang einer äußeren und/oder entlang einer inneren Oberfläche davon). Dies basiert zunächst auf der Erkenntnis, dass es im Betrieb der elektrischen Maschine zwischen der Leistungselektronik (z.B. Stromversorgung), zum Beispiel mit einem Wechselrichter, und der elektrischen Maschine durch schnelles leistungselektronisches Schalten zu Spannungswellenausbreitung und zu Spannungsreflexionen kommen kann, welche in Abhängigkeit von der Beschaffenheit der Versorgungsleitungen stark ausfallen können. Derartige Reflexionen können zu einer beschleunigten Alterung oder neuartigen Schädigungsmechanismen eines Isolationssystems der elektrischen Maschine führen und damit zu einer reduzierten Lebensdauer der elektrischen Maschine. Um solche Reflexionen zu reduzieren, ist es möglich, die Leistungselektronik (z.B. Stromversorgung) in möglichst geringer Entfernung zur elektrischen Maschine anzuordnen, was jedoch mitunter zu Herausforderungen führen kann, was den Bauraum anbelangt. Die vorgeschlagene Lösung erlaubt demgegenüber eine freiere Anordnung der Leistungselektronik (z.B. Stromversorgung) und zugleich eine Handhabung der Spannungsreflexionen und damit ein verbessertes System mit einer elektrischen Maschine und einer Leistungselektronik (z.B. Stromversorgung). Insbesondere kann das zumindest eine Impedanzelement einen Überspannungsschutz bereitstellen. Ferner basiert das beschriebene System auf der Erkenntnis, dass das Gewicht des Systems reduziert werden kann, wenn das Impedanzelement am Körper des Stators verläuft, da dieser dann als Kern für das Induktionselement dienen kann. Dadurch kann eine hohe Induktivität erzielt werden, ohne dass ein zusätzlicher Kern nötig ist. Der Körper erfährt dadurch einen Doppelnutzen. Die Leistungselektronik kann in Form eines Current Source Conv