DE102004014640A1 - Ultraleichter Hochmoment-Elektromotor - Google Patents

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Abstract

Elektromotoren werden in unzähligen Varianten und Leistungsklassen seit vielen Jahren hergestellt. Insbesondere im Bereich der Luftfahrt ist ein geringes Gewicht Vorraussetzung für den erfolgreichen Einsatz. Einige Anwendungen erfordern dabei hohes Drehmoment, große Durchmesser und einen freien Innenraum. DOLLAR A Der vorgestellte Motor hat ein sehr großes Verhältnis von Durchmesser zu Länge, so dass das aktive Material (Spulen und Magnete) mit großem Hebelarm zum Einsatz kommt. Dadurch steigt das erzeugte Drehmoment entsprechend an, während die Drehzahl im gleichen Maße abnimmt. Tragendes Element der gegeneinander rotierenden inneren (1) und äußeren (2) Ringe sind Strukturen aus Faserverbundwerkstoffen, die große Festigkeit und Steifigkeit bei niedrigem Gewicht aufweisen. Lediglich die für den Magnetkreis erforderlichen Komponenten wie Rückschluss, Spulenfüllung und Magnete sind aus ferromagnetischem beziehungsweise permanentmagnetischem Material. DOLLAR A Die Ausbildung des inneren Körpers (1) als ringförmige Struktur gewährleistet einen großen inneren Freiraum. Bei einer Auslegung als Innenläufer kann dieser Freiraum als Hohlwelle mit extrem großem Durchmesser betrachtet werden, als Außenläufer können weitere Komponente am Motor als tragendes Element angebracht werden. DOLLAR A Wegen des geringen Gewichtes ist insbesondere eine Anwendung im Bereich der Luft und Raumfahrt bei Aufgaben interessant, bei denen ein großes Drehmoment bei niedriger Drehzahl erforderlich ist. Eine vollständige ...

Description

  • B.1 Umfeld
  • Elektromotoren sind in zahlreichen mechanischen und elektromagnetischen Ausführungen seit vielen Jahrzehnten bekannt und im praktischen Einsatz bewährt. Je nach den Voraussetzungen an verfügbarer elektrischer Energie, gewünschter Leistung, Betriebsdrehzahl, dynamischem Verhalten, möglichem Aufwand und verfügbarem Bauraum gibt es Motoren mit permanentmagnetischer oder elektromagnetischer Erregung, Speisung aus Gleich-, Wechsel- oder mehrphasigem Drehstrom, elektronisch oder mechanisch kommutiert, in synchroner oder asynchroner Auslegung und in zahllosen mechanischen Varianten.
  • Luftfahrttechnische Anwendungen stellen besondere Ansprüche an die verwendeten Motoren, da einerseits die Masse des Motors so gering wie möglich sein muss, andererseits aber auch der Wirkungsgrad möglichst hoch sein sollte, um die mitgeführte Energie optimal zu nutzen. In besonderem Maße – aber nicht nur – trifft dies auf den Modellbaubereich zu, so dass sich hier seit einiger Zeit für Antriebszwecke bürstenlose Synchronmotoren mit permanentmagnetischer Erregung durchgesetzt haben. Hierfür ist nicht zuletzt die Entwicklung auf dem Elektroniksektor verantwortlich, die mit neuen Leistungstransistoren preiswerte elektronische Wechselrichter zur Ansteuerung der elektronisch kommutierten Motoren ermöglicht. Innenwie Außenläufer sind dabei gleichermaßen vertreten, wobei Innenläufer tendenziell mit höheren Drehzahlen und Außenläufer eher bei größeren Drehmomenten eingesetzt werden.
  • In einigen Anwendungsfällen wird ein leistungsfähiger Antrieb mit geringem Gewicht und niedriger Drehzahl benötigt, der als Außenläufer einen großen freien Bauraum im Inneren zur Unterbringung von weiteren Komponenten ermöglicht. Nach Stand der Technik könnte dies realisiert werden mit einem klassischen Motor, der über ein Ritzels einen innenverzahnten Läufer antreibt. Nachteilig ist bei dieser Lösung neben dem mechanischen Aufwand, das Gewicht und die Verluste dieser Getriebestufe sowie die radiale Krafteinleitung an einer einzelnen Stelle und die dadurch hervorgerufene Unsymmetrie.
  • B.2 Der erfindungsgemäße Motor
  • Der erfindungsgemäße Motor gewährleistet einen einfachen Direktantrieb, der vollständig in das System integriert ist. Der große Durchmesser verbietet aus Gewichtsgründen einen herkömmlichen mechanischen Aufbau aus Metallwerkstoffen, so dass für alle tragenden Teile Faserverbundwerkstoffe zum Einsatz kommen, die bei vergleichbarer Festigkeit einen ganz wesentlichen Gewichtsvorteil aufweisen. Lediglich die elektromagnetisch aktiven Komponenten wie Spulen, Eisenrückschluss und Magnete werden aus schweren metallischen Werkstoffen wie Kupfer und ferromagnetischem beziehungsweise permanentmagnetischem Material hergestellt. Umgekehrt kann genauso ein Innenläufer mit denselben Eigenschaften konstruiert werden, indem eine Inversion der gesamten Geometrie am Luftspaltkreis durchgeführt wird. Eine dritte Variante dreht den Magnetkreis gerade um 90°, so dass sich Spulen und Magnete in axialer Richtung gegenüberstehen. Alle Möglichkeiten dazwischen stehen gleichermaßen offen, um spezielle Anforderungen der gegebenen Geometrie zu berücksichtigen.
  • Außerhalb des Anwendungsbereiches Luftfahrt mit seinen restriktiven Gewichtsvorgaben verbleiben als Vorteile des erfindungsgemäßen Motors mit großem Durchmesser und geringer Baulänge die Möglichkeit der vollständigen Integration in rotierende Komponenten mit großem Durchmesser, die rotationssymmetrische Krafteinleitung, das hohe Drehmoment bei geringer Drehzahl und bedingt durch eine hohe Polzahl die ausgezeichnete Regelungs- und Posi tioniergenauigkeit. Die etwas ungünstigere Dynamik gegenüber einem Motor kleinen Durchmessers und entsprechend größerer Länge fällt bei den meisten Anwendungen wegen der um Größenordnungen größeren Trägheit des angetriebenen Systems nicht weiter ins Gewicht. 1 zeigt einen solchen Motor in der beschriebenen Auslegung als bürstenlosen Außenläufer. 2 zeigt eine Draufsicht mit einem Schnittbild durch den Motor. Die Kommutierung erfolg dabei elektronisch, wobei in der Ausführung die Erkennung des Drehwinkels über die Messung der Induktionsspannung in momentan unbestromten Spulen erfolgt. Separate Sensoren, beispielsweise Hallsensoren zur Steuerung des Phasenwechsels sind gleichermaßen möglich und verbessern die Regel- und Positionierungseigenschaften insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten deutlich unterhalb der Nenndrehzahl. Diese Regelung ist Stand der Technik.
  • Wegen des großen Durchmessers D genügt zum Erreichen der gewünschten Leistung bereits eine geringe Länge L. Das in Anspruch genommene Volumen entspricht in etwa dem eines herkömmlichen Motors vergleichbarer Leistung. Eine hohe Polzahl ist Voraussetzung für die gewünschte Auslegung als Langsamläufer und ergibt sich auch ganz natürlich aus dem großen Durchmesser. Die ausgeführte elektromagnetische Auslegung entspricht dem so genannten LRK-Prinzip, einer Variante der permanentmagneterregten Synchronmaschine, die sich dadurch auszeichnet, dass lediglich jeder zweite Statorzahn 5 mit Spulen versehen ist, und die unbewickelten Zähne nur zum Schließen des magnetischen Flusskreises dienen. Dieses Prinzip ist jedoch nicht notwendig Bestandteil der Erfindung.
  • Besonderes erfindungsgemäßes Merkmal des Motors besteht darin, dass der Einsatz schwerer metallischer Werkstoffe nur durch die Erfordernisse des elektromagnetischen Kreises bestimmt ist und somit gering bleibt. Die mechanische Stabilität des Motors wird durch Einbettung oder Anbindung der elektromagnetisch wirksamen Komponenten in bzw. an eine Faserverbundkonstruktion erreicht. In der Ausführung bestehen die tragenden Teile aus kohlefaseverstärktem Epoxidharz. Der Aufbau von Stator 1 und Läufer 2 wird im Folgenden ausgeführt.
  • B.2.1 Aufbau Stator
  • Der Stator 1 besteht aus dem Statorpaket 4, welches zur Vermeidung von Wirbelströmen aus mehreren Lagen Elektroblech aufgebaut ist, und den Trägerringen aus Faserverbundmaterial 3, die die mechanische Stabilität gewährleisten. Das Statorpaket wird dazu flanschartig an diesen Ringen kraft- und formschlüssig befestigt oder eingebettet, im ausgeführten Beispiel an ausreichend vielen Befestigungspunkten verschraubt. Dies ist wesentlich, um eine ausreichende Rundheit des Stators dauerhaft zu gewährleisten, da das Blechpaket selbst in radialer Richtung zu biegeweich ist, eine Verformung an dieser Stelle aber den Luftspaltkreis beeinträchtigen würde oder gar dazu führen könnte, dass der Läufer am Stator schleift. In axialer Richtung ist der Stator nochmals deutlich weicher, auch hier trägt und stabilisiert der Ringflansch das Blechpaket, so dass lediglich die Zähne 5 frei tragen müssen. Die aufgewickelten Spulen sorgen nach ihrer Verklebung für zusätzliche Stabilität, allerdings ist in axialer Richtung auch mehr Spielraum für kleine Verformungen gegeben. Für die Stabilisierung kann unter weiterer Gewichtsersparnis anstelle der Flanschringe auch eine bereits vorhandene Trägerstruktur der Einsatzanwendung genutzt werden, an der das Statorpaket befestigt wird.
  • In der Abbildung nicht dargestellt sind die Spulen, deren Kupferwicklung auf den Statorzähnen aufgebracht wird. Die Ausbildung der Zähne mit breitem Kopf gewährleistet dabei neben einer besseren Flussverteilung auch den mechanischen Halt beim Aufbringen der Wicklung – im ausgeführten Modell mit der Hand. Die Wicklung kann dabei ein- oder mehrdrähtig mit Kupferlackdraht oder alternativ auch mit Litze ausgeführt werden. Eine mehrdrähtige Wick lung kann dann auch redundant zu mehreren Anschlüssen geführt werden, so dass selbst bei Ausfall einer Wicklung die parallelen Spulen noch aktiv bleiben.
  • In der dargestellten Auslegung als permanenterregte Synchronmaschine mit hoher Polzahl kann der Magnetkreis wegen des großen offenen Innenraumes nicht radial über den Mittelpunkt geschlossen werden. Vielmehr verbindet der Stator benachbarte Spulen magnetisch miteinander, so dass der Kreis von Zahn zu Zahn geschlossen ist. Auf der gegenüberliegenden Seite des Luftspaltes am Läufer gilt das gleiche für den Rückschluss von Magnet zu Magnet über einen ebenfalls metallischen Ring.
  • B.2.2 Aufbau Läufer
  • Beim Läufer werden die Magnete 7 und der Rückschluss 6 direkt in einen Ring aus Faserverbundmaterial eingebettet. Der Eisenrückschluss 6 zwischen den Magneten 7 besteht dabei entweder ebenfalls aus einigen Lagen gewickelten Elektroblechs wie in der Ausführung oder auch aus einem entsprechend dicken massiven Metallring aus ferromagnetischem Material. Wie beim Stator findet hier der Magnetschluss ebenfalls von Magnet zu Magnet statt. Der Faserverbundträger 8 fixiert Magnete und Rückschluss gegeneinander, gewährleistet bei geringem Gewicht wieder die mechanische Stabilität und übernimmt die Übertragung der erzeugten mechanischen Leistung. Auch hier ist es denkbar, diesen Träger nicht separat zu fertigen, sondern als integralen Bestandteil des anzutreibenden Systems auszuführen und Magnete und Rückschlussring dort einzubetten.
  • Zur weiteren Gewichtsersparnis kann der Läufer segmentiert werden. Hierzu sind nur in Abschnitten des Umfangs, vorteilhaft rotationssymmetrisch über den Vollwinkel verteilt, elektromagnetisch aktive Komponenten wie Magnete und Rückschlussring angebracht. Der azimuthale Abstand zwischen den Abschnittsmitten sollte ein ganzzahliger Teiler von 360° sein. Eine mögliche Ausführung ergibt sich beispielsweise – ausgehend von der gezeichneten Konfiguration – indem nach jeweils 2 Magneten, die im Läufer verbleiben, 2 weitere Magnete mitsamt ihrem Rückschluss entfernt werden und so die aktive Masse im Läufer insgesamt halbiert wird. Die Anzahl der verbleibenden und weggenommenen Komponenten ist dabei den Anforderungen entsprechend anzupassen, wobei die verbleibende Magnetzahl gerade sein sollte. Die Anzahl der Abschnitte sollte so mit der elektromagnetischen Ansteuerung zusammenpassen, dass die Kraftentwicklung sich in jedem Moment über den gesamten Läufer zu Null summiert und nur ein Moment in Drehrichtung auf den Läufer aufgebracht wird.
  • Bei einer anderen elektromagnetischen Ausführung, beispielsweise als asynchroner Kurzschlussläufer mit Drehstromversorgung, werden die aktiven Komponenten ebenfalls in eine Faserverbundstruktur eingebettet, im genannten Fall eben die Kupferstäbe und ihre Verbindungen untereinander. Der Faserverbund trägt dann das System und übernimmt Abtrieb und Lagerkräfte, die aktiven Komponenten stellen wiederum lediglich die tangentialen Antriebskräfte zur Verfügung.
  • B.2.3 Lagerung
  • Die Abstützung zwischen Stator und Läufer übernehmen im ausgeführten Motor jeweils auf beiden Seiten der Konstruktion drei über den Umfang verteilte einzelne Laufradrollen 10, die auf gekröpften Lagerträgern 9 mit Lagerbolzen 11 befestigt sind. Der Kröpfungswinkel kann je nach Verhältnis der axialen zu radialen Lagerkräften bestimmt werden und beträgt im ausgeführten Motor etwa 10 Grad. Diese Rollen laufen auf als Laufflächen 12 ausgebildeten Seiten des Läuferträgerrings 8. Diese Laufflächen sind vorteilhaft konisch ausgebildet unter dem gleichen Winkel wie die gekröpften Lagerträger, so dass gegenüberliegende Laufradrollen eine axiale Führung gewährleisten. Für die erforderliche Zentrierung des Läufers gegenüber dem Stator lassen sich die Lagerträger über Langlöcher radial zustellen. Um ein Wegdrehen des Lagerträgers zu verhindern, ist an der Lagerposition in den Trägerring 3 eine Nut eingebracht. Die Lager können entweder auf den beiden Seiten des Motors gegeneinander versetzt sein, wie in der Abbildung, oder sich direkt gegenüberstehen, wie in der Ausführung. Die erste Möglichkeit ist dabei leichter konzentrisch einzustellen, bei der zweiten ist die Verformung des Läufers aus der Ebene heraus durch die Lagerung geringer. Bei größeren Durchmessern sind entsprechend mehr Lagerrollen über den Umfang zu verteilen, um allzu große Verformungen der Struktur durch eingebrachte Lasten zu vermeiden. Im einfachsten Fall bestehen die Laufradrollen lediglich aus einem Kugellager.
  • Die ausgeführte Gleichwinkeligkeit von Lagerträger und Lauffläche führt in Verbindung mit zylindrischen Lagerrollen jedoch zu Bohrreibung, was lediglich bei kleinen Lagerkräften und kleinen Winkeln akzeptabel ist. Besser ist es in jedem Fall, passend konische Lagerrollen und einen entsprechend größeren Winkel an der Lauffläche als an der Kröpfung vorzusehen, so dass die gesamte Laufradfläche reibungsarm voll tragen kann. Die konkrete Auslegung einer solchen Führung unter Beachtung der notwendigen Winkel ist Stand der Technik.
  • Bei sehr kleinen Axialkräften kann die Lagerung auch noch einfacher ausfallen, indem die Achsen der Lagerrollen präzise in axialer Richtung stehen und die Lagerrollen am Läufer in einer passenden Nut geführt werden. Dann werden lediglich mindestens drei Lager benötigt, axiale Kräfte führen allerdings zu nichtrollender Reibung der Stirnseiten der Lagerrollen in der Nut am Läufer.
  • Bei beiden Lagerarten mit Lagerrollen kann die Rolle von Läufer und Stator auch ausgetauscht werden, so dass die Lagerrollen am Läufer befestigt und die konischen Laufflächen beziehungsweise die Nut an den Befestigungsringen des Stators ausgeführt werden.
  • Für weniger strikte Anforderungen an das Gewicht sind auch herkömmliche Wälzlager mit entsprechend großem Durchmesser denkbar, beispielsweise ein Dünnringlager, das dann in die Faserverbundstrukturen integriert wird, oder zwei sich gegenüberstehende Schräglager. Bei höheren Drehzahlen ist allerdings die Lebensdauer solcher großer Lager doch sehr eingeschränkt. Wie angedeutet kann auch auf Seiten des Läufers ein möglicherweise bereits vorhandenes Strukturelement die Trägeraufnahme mit übernehmen, so dass der Trägerring 8 entfällt und sich das Motorgewicht im Idealfall nahezu ausschließlich aus den unbedingt erforderlichen aktiven elektromagnetischen Komponenten (Spulen, Magnete, Flussführung) zusammensetzt.
  • Schließlich ist eine Gleitlagerung mit entsprechender Materialpaarung möglich, beispielsweise Stahl und Sinterbronze. Die beschriebene Lauffläche am Rotor ist dann als Gleitfläche auszulegen und eine weitere Gleitfläche am stehenden Teil anzubringen. In kegeliger Ausführung tragen zwei solche spiegelbildliche Gleitlager axiale wie radiale Kräfte, anderenfalls können auch unabhängige Lager für die Lastrichtungen vorgesehen werden. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass der Lagerspalt kleiner ist als der Luftspalt des Motors. Zur Verringerung der Reibung kann mit Druckluft in den Lagerspalt ausgeblasen werden, die den Schmierfilm ersetzt. Diese Gleitlagerung kann auch als Notlagerung für eine aktiv/passive magnetische Lagerung verwendet werden.
  • B.2.4 Weitere Ausführungen
  • Eine weitere Ausführung der Erfindung zeigt 3, ausgelegt als bürstenlosen Innenläufer. Dieser Motor entsteht aus dem Motorkonzept von 1 durch Inversion am Luftspaltkreis, also ein „Umstülpen" von innen nach außen und umgekehrt. Die elektromagnetische Ausführung ist hier identisch, und auch die wesentlichen Komponenten der Erfindung tauchen wieder auf, das sind das große Verhältnis von Durchmesser zu Länge und das geringe Gewicht durch den Einsatz von Faserverbundwerkstoffen. Die Lagerung wird geringe Gewicht durch den Einsatz von Faserverbundwerkstoffen. Die Lagerung wird bei dieser ausgeführten Variante durch ein herkömmliches Dünnringlager übernommen. In diesem Anwendungsfall ist die Solldrehzahl höher, so dass eine vielpolige elektromagnetische Auslegung nicht zwingend ist. Sie wurde jedoch aus fertigungstechnischen Gründen vorgezogen. Besonders vorteilhaft bei dieser Ausführung ist der extrem große offene Innenraum, der hier für einen Lüfter genutzt wird.
  • Weitere Anwendungsfälle ergeben sich im Bereich der Mechatronik, wo der große freie Innenraum für Durchführungen genutzt werden kann, die bisher mit Hohlwellen nicht denkbar waren. Hierzu sind im Bereich der Robotik aktive gedichtete Gelenke zu nennen.
  • Völlig unabhängig von der konkreten Realisierung, die bisher diskutiert wurde, kann der Motor wie nahezu jeder andere Elektromotor selbstverständlich auch als Generator eingesetzt werden. Die genaue elektromagnetische Auslegung kann für diesen Einsatzzweck im Detail optimiert werden, Vorteil bleibt auch hier die vollständige Integrationsmöglichkeit in Systeme großen Durchmessers, die einen freiem Innenraum des Generators erfordern. Ein konkreter Anwendungsfall wäre beispielsweise die Ankopplung am Umfang einer Strahlturbine.

Claims (7)

  1. Elektromotor in prinzipiell beliebiger elektromagnetischer Konfiguration, gekennzeichnet durch ein sehr großes Verhältnis von Durchmesser zu aktiver Länge von etwa 5:1 oder größer, wobei als tragende Strukturkomponenten Teile aus Faserverbundwerkstoffen eingesetzt werden und die elektromagnetisch wirksamen Komponenten (Spulen, Magnete, Rückschluss) nur ihre Funktion im Magnetkreis wahrnehmen. Die tragende Struktur des rotierenden Teiles ist dabei im wesentlichen ringförmig, der Innenraum kann zum großen Teil frei bleiben.
  2. Elektromotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mechanische Auslegung als Außenläufer mit stehendem Innenring.
  3. Elektromotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mechanischen Auslegung als Innenläufer mit stehendem Außenring.
  4. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine elektromagnetische Konfiguration als vielpolige permanentmagneterregte Synchronmaschine, wobei die Wicklung auf dem stehenden Teil untergebracht ist und die Kommutierung elektronisch erfolgt.
  5. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Segmentierung der elektromagnetisch aktiven Komponenten über dem Umfang des Läufers.
  6. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch mindestens zwei als Laufbahn ausgebildete konische Flächen, auf denen mindestens drei über den Umfang verteilte Laufradrollen pro Fläche die Lagerung bewirken.
  7. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Anwendung als Generator zur Umwandlung mechanischer in elektrische Leistung, bei der ein offener Innenraum des Generators notwendig ist.
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