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B.1 Umfeld
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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.
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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.
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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.
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B.2 Der erfindungsgemäße Motor
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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.
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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.
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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.
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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.
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B.2.1 Aufbau Stator
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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.
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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.
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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.
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B.2.2 Aufbau Läufer
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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.
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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.
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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.
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B.2.3 Lagerung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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B.2.4 Weitere Ausführungen
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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.
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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.
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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.