DE102020121931A1

DE102020121931A1 - Redundanter Antrieb

Info

Publication number: DE102020121931A1
Application number: DE102020121931.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Immler; Christian Schilling
Original assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Current assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Priority date: 2020-08-21
Filing date: 2020-08-21
Publication date: 2022-02-24

Abstract

Die Erfindung betrifft einen redundanten Antrieb, insbesondere für ein Aktuatorsystem, Antriebssystem oder ein Hochauftriebssystem eines Luftfahrzeugs, der mehrere Elektromotoren, vorzugsweise zwei Elektromotoren, eine von den mehreren Elektromotoren jeweils separat antreibbare Ausgangswelle, und eine Steuereinheit zum Ansteuern jedes der mehreren Elektromotoren umfasst. Der Antrieb ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit in einem Hochdrehzahlbetrieb dazu ausgelegt ist, die mehreren Elektromotoren in einem Feldschwächebereich zu betreiben, so dass sich die im Feldschwächebereich erhaltenen Drehmomente der mehreren Elektromotoren zu einem ersten vorbestimmten Drehmomentwert (T1) aufsummieren und sich eine erste vorbestimmte Rotationsgeschwindigkeit (n1) der Ausgangswelle einstellt, und die Steuereinheit in einem Niedrigdrehzahlbetrieb dazu ausgelegt ist, einen passiven Zustand eines der mehreren Elektromotoren, in dem keine Leistung des entsprechenden Elektromotors auf die Ausgangswelle übertragen wird, zu erfassen oder einen der mehreren Elektromotoren in den passiven Zustand zu versetzen, den Feldschwächebetrieb der anderen Elektromotoren oder des anderen Elektromotors zurückzufahren oder aufzugeben, um dadurch einen zweiten vorbestimmten Drehmomentwert (T2) auf Kosten einer reduzierten Rotationsgeschwindigkeit (n2) der Ausgangswelle zu erreichen oder zu übertreffen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen vollelektrischen redundanten Antrieb, der bspw. für ein Aktuatorsystem, ein Hochauftriebssystem oder ein Antriebssystem eines Luftfahrzeugs eingesetzt werden kann.
Beispielsweise finden sich elektrische Antriebe für Aktuatorsysteme an ganz unterschiedlichen Stellen in einem Luftfahrzeug. So können diese Antriebe unter anderem dazu genutzt werden, Vorderkantenklappen (slats) und Hinterkantenklappen (flaps) eines Flugzeugs zu betätigen, um den Auftrieb variabel einzustellen. Dem Fachmann ist klar, dass auch weitere bewegbare Stellelemente eines Luftfahrzeugs, wie bspw. das Seitenruder oder dergleichen, mit elektrischen Aktuatorsystemen betätigt werden können. Ein weiteres Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung ist aber auch das Bewegen eines Luftfahrzeugs am Boden, das aus Effizienzgründen nicht mehr über den im Flug verwendeten Hauptantrieb erfolgen soll, sondern bspw. durch im Fahrwerk integrierte Elektromotoren, die für den nötigen Vortrieb der Fahrwerksräder sorgen.
Herkömmlicherweise ist es im Luftfahrzeugbereich meistens so, dass ein Antrieb, der aus dem Stand der Technik bekannt ist, meist aus zwei hydraulischen Motoren, die über ein geschwindigkeitsaddierendes Getriebe zusammengeschaltet sind, besteht. Durch das Vorhandensein der mehreren hydraulischen Motoren werden die in der Luftfahrt sehr strengen Anforderungen an die Ausfallwahrscheinlichkeit erfüllt. Tritt nun in einem der beiden Motoren ein Fehler auf, erfolgt der Antrieb (bspw. im Bereich eines Hochauftriebssystems) über den verbleibenden intakten Motor. Aufgrund des die Motoren verbindenden Getriebes führt der Ausfall von einem Motor zur Verdopplung der Einfahr- bzw. Ausfahrzeit von bspw. dem Hochauftriebssystem.
Die DE 10 2011 016336 A1 offenbart einen Stand der Technik, der die obigen Probleme überwindet, indem die geforderte Redundanz in dem Antrieb eines Aktuators durch eine einzige Antriebseinheit erfüllt wird, in der lediglich die redundant auszuführenden Motoren durch separate Motorwicklungen zum Ansteuern der Ausgangswelle des Motors ausgeführt sind. Dadurch wird eine Vielzahl an Bauteilen nicht mehr benötigt, die bei der vollständigen physischen Verdopplung von Motoren zum Erreichen der Redundanz vonnöten wäre.
So wird dort vorgeschlagen, die interne Redundanz als eine m x n Phasentopologie auszuführen, wodurch m Teilmotoren mit jeweils n Phasen des Elektromotors zusammengeschaltet sind. Dabei greift jeder der m Teilmotoren an eine einzige Ausgangswelle des Antriebs an, so dass auf ein Kopplungsgetriebe verzichtet werden kann.
Tritt nun ein Fehler in einem der redundant vorhandenen (Teil-)Elektromotoren auf, wird durch eine verstärkte Stromaufnahme des oder der verbleibenden Elektromotoren der ausgefallene Elektromotor kompensiert, so dass keine Leistungsverluste des Antriebs bzw. des damit angetriebenen Aktuators feststellbar sind. Die auszuführende Tätigkeit wird mit gleicher Geschwindigkeit beim Ein- und Ausfahren der Landeklappen ausgeführt. Dies geschieht dadurch, dass das sich aufsummierende Drehmoment der Teilmotoren, die alle an der Ausgangswelle des Antriebs angreifen, bei Ausfall eines der Teilmotoren, durch die noch intakten Teilmotoren oder dem noch intakten Teilmotor kompensiert wird und gleichzeitig die vor dem Ausfall herrschende Drehzahl beibehalten wird. Dazu wird vorgeschlagen, den Strom in den noch intakten Teilmotoren oder dem noch intakten Teilmotor zu erhöhen, um die vorgenannten Anforderungen zu erfüllen.
Im Endeffekt führt dies dazu, dass bei einer einfachen Redundanz, also dem Vorliegen von zwei Teilmotoren, jeder dieser Teilmotoren derart dimensioniert und in einem entsprechenden Arbeitspunkt betrieben werden muss, dass die Soll-Umdrehungszahl zum Betätigen der gewünschten Funktion (bspw. Betätigen einer Flugzeugklappe) bei gleichzeitiger Verdopplung des Drehmoments (die aufgrund eines Ausfalls des redundanten Teilmotors nun von nur noch einem Teilmotor aufzubringen ist) konstant gehalten werden kann.
Aus diesen Anforderungen ergibt sich, dass die Teilmotoren im Regelbetrieb, bei dem sämtliche Teilmotoren funktionieren, aus Redundanzgründen eine große Kraftreserve vorhalten müssen, die eine Erhöhung des Drehmoments (bei zwei Teilmotoren eine Verdopplung, bei drei Teilmotoren eine hälftige Erhöhung) bei Beibehaltung der Drehzahl erlaubt.
Im Normalbetrieb wird demnach nur die halbe tatsächlich zur Verfügung stehende Leistung, die für die Ansteuerung eines der beiden Motoren zur Verfügung steht, verwendet.
Darüber hinaus ist nachteilhaft, dass die durch die redundanten Wicklungen vorgesehene Umsetzung vollständig ausgetauscht werden muss, wenn es zu einem Ausfall eines durch die redundanten Wicklungen umgesetzten Teilmotors kommt.
Es ist das ständige Bestreben des Fachmanns das Gewicht und/oder die Leistungsfähigkeit von Antrieben zu verbessern, insbesondere wenn diese in Luftfahrzeugen zum Einsatz kommen.
Die vorliegende Erfindung hat erkannt, dass das aus dem Stand der Technik bekannte Zusammenspiel von mehreren redundanten Elektromotoren weitere Vorteile in Bezug auf seine Leistungsfähigkeit bringen kann.
Nach der Erfindung ist ein redundanter Antrieb vorgesehen, insbesondere für ein Aktuatorsystem, Antriebssystem oder ein Hochauftriebssystem eines Luftfahrzeugs, der mehrere Elektromotoren, vorzugsweise zwei Elektromotoren, eine von den mehreren Elektromotoren jeweils separat antreibbare Ausgangswelle, und eine Steuereinheit zum Ansteuern jedes der mehreren Elektromotoren umfasst. Der Antrieb ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit in einem Hochdrehzahlbetrieb dazu ausgelegt ist, die mehreren Elektromotoren in einem Feldschwächebereich zu betreiben, so dass sich die im Feldschwächebereich erhaltenen Drehmomente der mehreren Elektromotoren zu einem ersten vorbestimmten Drehmomentwert T1 aufsummieren und sich eine erste vorbestimmte Rotationsgeschwindigkeit n1 der Ausgangswelle einstellt, und dass die Steuereinheit in einem Niedrigdrehzahlbetrieb dazu ausgelegt ist, einen passiven Zustand eines der mehreren Elektromotoren, in dem keine Leistung des entsprechenden Elektromotors auf die Ausgangswelle übertragen wird, zu erfassen oder einen der mehreren Elektromotoren in den passiven Zustand zu versetzen, den Feldschwächebetrieb der anderen Elektromotoren oder des anderen Elektromotors zurückzufahren oder aufzugeben, um dadurch einen zweiten vorbestimmten Drehmomentwert T2 auf Kosten einer reduzierten Rotationsgeschwindigkeit n2 der Ausgangswelle zu erreichen oder zu übertreffen.
Anders als im Stand der Technik werden die zueinander redundanten Elektromotoren nicht gleichzeitig in dem Bereich ihrer jeweiligen Motorkennlinie betrieben, bei dem eine Variation der Drehzahl keine Veränderung im Drehmoment bewirkt. Ein gleichzeitiger Betrieb der Elektromotoren erfolgt hingegen in dem sich daran anschließenden Feldschwächebereich, bei dem mit steigender Drehzahl das Drehmoment abfällt. In diesem Feldschwächebereich wird eine Drehzahl gefahren, die größer als die Nenndrehzahl der jeweiligen Elektromotoren ist und die zu einem Drehmoment führt, das geringer als das Nenndrehmoment ist. Das Drehmoment verhält sich im Feldschwächebereich etwa umgekehrt proportional zur Drehzahl.
Der Vorteil der gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist, dass der Antrieb im Hochdrehzahlbereich oberhalb seiner Nenndrehzahl betrieben wird und somit eine höhere Drehzahl aufweist, die einen schnelleren Antrieb erlaubt. Die Rotationsgeschwindigkeit der Ausgangswelle ist also höher.
Bei Betrachtung eines Beispiels mit zwei Teilmotoren ist bei der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass im Hochdrehzahlbetrieb die beiden Motoren im Feldschwächebetrieb gefahren werden. Hierbei kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die beiden von den Elektromotoren jeweils gelieferten Drehmomente geringer oder gleich 50% des Nenndrehmoments eines jeden der redundanten Elektromotoren. Zu beachten ist, dass die Drehzahl der Motoren in diesem Betriebsbereich deutlich höher ist als zum Nenndrehmoment, was zu einem schnelleren Rotieren der Ausgangswelle und einem rascheren Beenden der Antriebsaufgabe führt. So lässt sich bspw. das Ausfahren von Klappen an einem Flugzeug schneller bewerkstelligen, da die Drehzahl höher ist, was insgesamt zu einem besseren Verhalten eines Flugzeugs und weniger Arbeitsbelastung für die das Flugzeug steuernden Piloten führt.
Weitere Beispiele zum Verwenden des Antriebs sind das Betätigen einer Klappe der primären Flugsteuerung eines Luftfahrtzeugs, das Betätigen der Bugradlenkung eines Luftfahrtzeugs, der Ein-/Ausfahrkinematik eines Fahrwerkes eines Luftfahrtzeugs. Für all jene Funktionen ist es von Vorteil, wenn der Hochdrehzahlbereich den Normalbetrieb darstellt.
Der Hochdrehzahlbereich kann aber auch als nur vorübergehender Booster eingesetzt werden, um einem Antrieb nur kurzzeitig eine höhere Rotationsgeschwindigkeit der Ausgangwelle zur Verfügung zu stellen. Beispielsweise wenn mittels des Antriebs ein elektrisches Flugzeug, dessen über motorisch angetriebene Fahrwerksräder oder ein Fahrzeug, während Phasen, in denen kurzzeitig mehr Geschwindigkeit benötigt wird, zur Verfügung gestellt werden soll.
Im Niedrigdrehzahlbereich, wenn also mindestens einer der mehreren Elektromotoren passiv ist, wird dann einfach der Betrieb des oder der aktiv verbleibenden Elektromotoren im Feldschwächebereich aufgegeben oder zurückgefahren, so dass eine Erhöhung des Drehmoments durch den oder die verbleibenden Elektromotoren das wegfallende Drehmoment des passiven Motors kompensiert. Erforderlich ist es hierzu aber, dass die Drehzahl des verbleibenden Teilmotors verringert wird, da nur so im Feldschwächebereich eine Drehmomentsteigerung möglich ist oder der Feldschwächebereich verlassen werden kann. Erst wenn der Feldschwächebereich verlassen ist, steht das (maximale verfügbare) Nenndrehmoment eines Elektromotors zur Verfügung. Im Niedrigdrehzahlbereich wird also das Abarbeiten einer bestimmten Antriebsaufgabe etwas länger dauern, als es zuvor (im Hochdrehzahlbereich) mit dem erfindungsgemäßen Antrieb der Fall gewesen ist.
Weiter vorteilhaft ist, dass die komplette zur Verfügung stehende Leistung eines Wechselrichters eines jeweiligen Elektromotors sowohl bei Verwendung im Hochdrehzahlbereich wie auch im Niedrigdrehzahlbereich genutzt wird. Der Wechselrichter zur Erzeugung der Stromzufuhr eines jeweiligen Elektromotors wird also optimal genutzt und ist weder im Hochdrehzahlbereich noch im Niedrigdrehzahlbereich überdimensioniert.
Zudem gilt bei der vorliegenden Erfindung, dass das an der Ausgangswelle anliegende Drehmoment sehr gut begrenzt werden kann, da der Antrieb physikalisch nicht in der Lage ist, bei nominalen Betriebsbedingungen und Maximalstrom mehr Drehmoment zu stellen. Eine üblicherweise erforderliche Vorrichtung zum Begrenzen eines Drehmoments ist daher nicht erforderlich, da, bspw. im Falle eines unvorhergesehenen Ausfalls eines der mehreren Elektromotoren, der Betrieb der verbleibenden Elektromotoren bzw. des verbleibenden Elektromotors automatisch verringert oder aufgegeben wird, damit das erforderliche Drehmoment zum Ausführen der Antriebsaufgabe erreicht wird. Sind die Motoren entsprechend dimensioniert, können die verbleibenden Motoren kein Drehmoment ausüben, dass zu einer Beschädigung führen kann.
Weiter sind auch die Gesamtverluste des elektrischen Antriebs (hervorgerufen bspw. durch Wechselrichter, Verkabelung und Elektromotor) durch die Nutzung von Feldschwächung optimiert.
Die Erfindung nutzt die Feldschwächbarkeit von Elektromotoren, insbesondere von permanenterregten Synchronmaschinen, aus, um in drehmomentsummierenden redundanten Antrieben die Drehmomentreserve in eine erhöhte Drehzahl für den Nominalbetrieb zu wandeln.
Nach einer optionalen Modifikation der Erfindung kann vorgesehen sein, der erste vorbestimmte Drehmomentwert (T1) kleiner oder gleich dem zweiten vorbestimmten Drehmomentwert (T2) ist.
Vorzugsweise stellt jeder der mehreren Elektromotoren einen permanenterregten Synchronmotor darstellt.
Nach der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass die mehreren Elektromotoren in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind und zueinander redundant ausgeführte Wicklungen an einem gemeinsamen Stator aufweisen, die als eine m x n Phasentopologie ausgeführt sind, bei der jeweils n Phasen eines jeweiligen Elektromotors zu einer Phasengruppe zusammengeschaltet sind, um m verschiedene Elektromotoren zu erzeugen.
Vorzugsweise sind die mehreren Elektromotoren derart ausgeführt ist, dass diese getriebelos an die Ausgangswelle angeschlossen.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die mehreren Elektromotoren alle die gleiche Phasenanzahl, vorzugsweise drei Phasen, aufweisen.
Nach einer weiteren optionalen Modifikation der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die mehreren Elektromotoren hinsichtlich ihrer elektromechanischen Übertragungsfunktion identisch sind.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Antrieb zudem mit einer Abschaltvorrichtung zum Trennen eines jeweiligen Elektromotors von der Steuereinheit versehen ist, wobei vorzugsweise die Abschaltvorrichtung Bestandteil des Motors ist, insbesondere Bestandteil der Leistungselektronik und/oder in der Verbindung zwischen Antrieb und Leistungselektronik liegt.
Nach einer weiteren optionalen Modifikation der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Trennung durch die Abschaltvorrichtung durch einen elektromechanischen Schalter, vorzugsweise in Form eines Relais, oder eines Halbleiterschalters erfolgt.
Weiter kann vorgesehen sein, dass der Antrieb mit einem Positionssensor zum Erfassen der durch die mehreren Elektromotoren antreibbaren Ausgangswelle versehen ist, wobei vorzugsweise jeweils ein Sensor für jeden der mehreren Elektromotoren vorgesehen ist.
Vorzugsweise erfolgt eine Begrenzung des Drehmoments durch Limitierung von Amplitude und/oder Phasenlage des Stroms in den mehreren Elektromotoren, die vorzugsweise in rotorfesten Koordinaten geregelt sind.
Nach der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, den Niedrigdrehzahlbetrieb anzufahren wenn eine Eingabe in einer übergeordneten Steuereinheit dies anfordert, ein Fehlerbetrieb detektiert ist, der vorzugsweise auf interne Systemfehler in einem der mehreren Elektromotoren, auf Fehler in der Verkabelung, auf Fehler in der Sensorik oder der Fehler in einer Steuereinheit eines jeweiligen Elektromotors hinweist, externe Fehler auftreten, insbesondere die Versorgungsspannung an einer einem Elektromotor zugeordneten Steuereinheit nicht mehr verfügbar ist oder ein Kommunikationsverlust zwischen den Bestandteilen des Antriebs auftritt, und/oder externe Beschränkungen vorliegen, insbesondere das Erreichen von Leistungsbeschränkungen oder Systembeschränkungen, die bspw. eine Reduktion der Drehzahl der Ausgangswelle erfordern.
Nach einer weiteren optionalen Modifikation der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die mehreren Elektromotoren einen jeweiligen Stator und einen jeweiligen Rotor umfassen.
Zudem kann vorgesehen sein, dass die mehreren Elektromotoren jeweils mit einer eigenen Welle versehen sind, wobei die mehreren Wellen durch ein Verbindungselement miteinander gekoppelt sind, vorzugsweise wobei die Wellen durch ein drehmomentsummierendes Getriebe miteinander gekoppelt sind.
Auch kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass in die mehreren Teilmotoren jeweils eine Hydraulikpumpe integriert sein kann, um eine Kraft auf die Ausgangswelle oder von der Ausgangswelle weg zumindest abschnittsweise hydraulisch zu übertragen.
Nach einer vorteilhaften Modifikation kann vorgesehen sein, dass der Antrieb mit seinen mindestens zwei zueinander redundanten Elektromotoren eine Axialflussmaschine ist. Diese Axialflussmaschine kann eisenlos aufgebaut sein. Bei einer Axialflussmaschine bilden sich die magnetischen Felder in axialer Richtung aus, also parallel zur Ausgangswelle des Antriebs.
Dem Fachmann ist klar, dass ein Elektromotor im Sinne der Erfindung auch lediglich ein Teilmotor sein kann, der dazu in der Lage ist, ein Drehmoment auf die Ausgangswelle zu bringen. Es ist nicht zwangsläufig erforderlich, dass die mehreren Elektromotoren voneinander unabhängige Gehäuse, Statoren oder dergleichen aufweisen. Es reicht bspw. für das Verwirklichen von mehreren Elektromotoren nach der Erfindung aus, dass in einem einzigen Gehäuse mehrere unabhängig voneinander steuerbare Wicklungen an einem einzigen Stator angeordnet sind, die jeweils separat voneinander einen einzigen Rotor in Bewegung versetzen können.
Die Erfindung betrifft zudem ein Hochauftriebssystem mit einem Antrieb nach einer der vorhergehend eingeführten Varianten.
Dabei kann vorgesehen sein, dass das Hochauftriebssystem zum Antrieb, vorzugsweise zum ausschließlich elektrischen Antrieb mindestens einer Landeklappe ausgeführt ist.
Die Erfindung betrifft zudem auch ein Luftfahrzeug mit einem Antrieb nach einer der vorhergehenden Varianten und/oder einem entsprechend ausgebildeten Hochauftriebssystem.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden aufgrund der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:

1a: eine Zeigerdarstellung im d/q-Koordinatensystem, die für einen Betrieb bis hin zur Nenndrehzahl eines Elektromotors charakteristisch ist,
1b: eine Zeigerdarstellung im d/q-Koordinatensystem, die für einen Betrieb oberhalb der Nenndrehzahl eines Elektromotors charakteristisch ist,
2a: eine schematische Darstellung der der Drehmomentcharakteristik eines einzelnen Elektromotors ohne Feldschwächung,
2b: eine schematische Darstellung der der Drehmomentcharakteristik eines einzelnen Elektromotors mit Feldschwächung,
3a: eine schematische Darstellung der der Drehmomentcharakteristik zweier auf eine gemeinsame Welle wirkender Motoren gegenüber der Drehmomentcharakteristik eines einzelnen Teilmotors ohne Feldschwächung,
3b: eine schematische Darstellung der der Drehmomentcharakteristik zweier auf eine gemeinsame Welle wirkender Motoren gegenüber der Drehmomentcharakteristik eines einzelnen Teilmotors mit Feldschwächung, und
4a-f: unterschiedliche Konzepte zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Antriebs.

Zum leichteren Verständnis wird nachfolgend der erforderliche theoretische Hintergrund für das Drehmoment einer elektrischen Maschine dargestellt. Dem mit dem vorliegenden Sachverhalt vertrauten Fachmann ist dieser Hintergrund bereits bekannt.
Allgemein gilt für das Drehmoment einer elektrischen Maschine: $M = \sum_{n = 1}^{P h} I_{n} \frac{d ψ_{n}}{d t}$
Für sinusförmige Größen kann dieser Zusammenhang zwischen den elektrischen und mechanischen Größen einer elektrischen Maschine vereinfacht in folgender Leistungsbilanz ausgedrückt werden: $M * ω = P h / 2 * \hat{U} * \hat{I} * cos φ * η$
Sind mehrere (n) Motoren auf einer gemeinsamen Welle angebracht, dann gilt, unter der Annahme, dass Spannung Ü, Effizienz η, und die Phasenlage φ zwischen Strom und Spannung ist für alle Teilmotoren identisch ist, folgender Zusammenhang: $M * ω = P h / 2 * \hat{U} * \hat{I} * cos φ * η * \sum {\hat{I}}_{n}$
$M * ω = \frac{P h}{2} * \hat{U} * cos φ * η * n * \hat{I}$
cos φ beschreibt hierbei das Verhältnis von Wirk- und Scheinleistung. Bei identischer elektrischer Belastung ist das Drehmoment an der gemeinsamen Welle also direkt proportional zur Anzahl n der gekoppelten Motoren.
Für den einzelnen Motor gilt (wieder unter der Annahme sinusförmiger Größen und Beschreibung in rotorfesten Koordinaten d und q): $M_{M} = \frac{P h}{2} * p * \underset{Hauptmoment}{\underset{︸}{(ψ_{P M} * i_{q}}} + \underset{Reluktanzmoment}{\underset{︸}{(L_{d} - L_{q}) * i_{q} * i_{d})}}$
Für Motoren mit identischer Induktivität in d- und q- Achse ergibt sich eine Proportionalität zwischen q-Achsenstrom und Drehmoment. $\hat{I} = \sqrt{i_{d}^{2} + i_{q}^{2}}$
Dieser Gleichung ist zu entnehmen, dass der d-Achsenstrom zur Gesamtlänge des Stromzeigers beiträgt.
Die Klemmenspannung der Maschine ergibt sich zu: $\hat{U} = \sqrt{u_{d}^{2} + u_{q}^{2}} = \sqrt{ω_{e l}^{2} * {(L_{q} * i_{q})}^{2} + ω_{e l}^{2} * {(L_{d} * i_{d} + | ψ_{P M} |)}^{2}}$
Im einfachsten Fall trägt der d-Achsenstrom nicht zur Drehmomentbildung bei, kann jedoch zur Beeinflussung der Klemmenspannung verwendet werden.
1a zeigt dabei den Betrieb eines Teilmotors in einem dem Fachmann bekannten d/q-Koordinatensystem, bei dem noch keine Feldschwächung durch Vorsehen eines in d-Richtung zeigenden Stromanteils vorgesehen ist. Der gesamte vorhandene Strom is wirkt also drehmomentsteigernd.
1b hingegen zeigt eine Verdrehung des Stromzeigers is von der q-Ordinate, so dass der zum Drehmoment beitragende Stromanteil iq kleiner als die Gesamtlänge des Stroms is ist. So gibt es schließlich noch den Magnetisierungsstrom id, der die Feldschwächung bewirkt und keinen Anteil zum Drehmoment beiträgt. Dieser wird auch d-Achsenstrom genannt und kann jedoch zur Beeinflussung der Klemmenspannung verwendet werden.
Wie in den Diagrammen der 1a und 1b dargestellt, kann durch das Stellen einer zusätzlichen d-Stromkomponente der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung (φ) reduziert werden. Die zusätzliche zur Verfügung stehende Wirkleistung kann in eine Geschwindigkeitserhöhung umgesetzt werden. Dieses Konzept ist -wie bereits oben aufgegriffen- als Feldschwächebetrieb bekannt.
Vorteil der Erfindung kann sein, dass im bei einem spontanen Ausfall eines der Elektromotoren der Strom der noch aktiven Maschinen bzw. der noch aktiven Maschine nicht erhöht werden muss. Es kommt einfach zu einer Veränderung des Winkels des Stromzeigers is, so dass zwar die Drehzahl abnimmt, aber gleichzeitig das weggefallene Drehmoment kompensiert wird.
Weiter von Vorteil bei der vorliegenden Erfindung ist, dass eine Drehmomentbegrenzung leicht integrierbar ist, da der Antrieb physikalisch nicht in der Lage ist, unter Nennbetriebsbedingungen bei einem gegebenen Maximalstrom höhere Drehmomente zu erzeugen.
2a zeig eine Kennlinie, die dem Betrieb eines Motors ohne Feldschwächung entspricht. Man erkennt die typische Eigenschaft eines Elektromotors, der über einen großen Geschwindigkeitsbereich durchgängig sein maximales Drehmoment (sein Nenndrehmoment) zur Verfügung stellt. Ohne Nutzung des Feldschwächebetriebs kommt es dann abrupt zu einem Abfall des Drehmoments bei noch weiter steigender Geschwindigkeit. Der d-Achsenstrom ist hier durchgängig bei null.
2b zeigt die Drehmomentcharakteristik eines Elektromotors, bei dem ein Feldschwächebetrieb genutzt wird. Man erkennt, dass das maximale Drehmoment, das Nenndrehmoment, bereits unmittelbar anliegt und erst bei einer Drehzahl, die die Nenndrehzahl überschreitet in etwa asymptotisch abfällt.
Für den ersten Bereich, in dem das maximale Drehmoment anliegt, ist der Magnetisierungsstrom id (oder auch Leerlaufstrom) gleich 0, so dass der gesamte Strom zur Bildung des Drehmoments beiträgt.
Darüber hinaus, also in einem Drehzahlbereich oberhalb der Nenndrehzahl (getrennt durch die vertikal verlaufende gestrichelte Linie), verändert sich der Phasenwinkel von Strom und Spannung zueinander, so dass nicht mehr der gesamte Anteil des Stroms zur Bildung des Drehmoments beiträgt, sondern Teile davon eine Magnetisierung (Feldschwächung) bewirken. Der die Feldschwächung bewirkende Anteil des Stroms id liefert demnach keinen Beitrag zum Aufbauen eines Drehmoments, führt jedoch dazu, dass bei gleichbleibender Stromstärke die Drehzahl mit einem weiter abfallenden Drehmoment zunimmt.
3a zeigt eine schematische Darstellung der der Drehmomentcharakteristik zweier auf eine gemeinsame Welle wirkender Motoren (durchgehende Linie) gegenüber der Drehmomentcharakteristik eines einzelnen Teilmotors (gestrichelte Linie), jeweils ohne Feldschwächung,
3b zeigt die Charakteristik von zwei redundant zueinander angeordneten Motoren, die beide auf dieselbe Ausgangswelle wirken (durchgehende Linie) und demnach ihr jeweiliges Drehmoment miteinander kombinieren gegenüber der Drehmomentcharakteristik eines einzelnen Motors (gestrichelte Linie). In einem Regelbetrieb, bei dem ein zum Ausüben einer Tätigkeit erforderlicher vorbestimmter Drehmomentwert (T Nominal) erreicht werden muss, kann dies auch im Feldschwächebetrieb der mindestens zwei Motoren erreicht werden. Der Vorteil bei einem Betrieb der mindestens zwei Motoren im Feldschwächebereich ist, dass bei einem Ausfall oder eines gewollten Abschaltens eines der mehreren Motoren ohne Verändern der Strommenge an dem verbleibenden, intakten Motor das zuvor durch beide Motoren erreichte Drehmoment (T Nominal) erreicht oder gar übertroffen werden kann, indem der Feldschwächebetrieb des aktiven Motors aufgegeben oder verringert wird.
Man erkennt dies anhand der gestrichelten Linie, die die Drehmomentcharakteristik des einen verbleibenden Motors zeigt. Bei einem Verringern des Feldschwächebetriebs oder einem Aufgeben des Feldschwächebetriebs kann auch ein Motor allein das erforderliche Drehmoment (T Nominal) liefern. Dazu ist nicht etwa eine Veränderung der Strommenge zu dem verbleibenden Motor erforderlich, sondern es kann durch Verringerung der Geschwindigkeit (hervorgerufen durch Verlassen des Feldschwächebereichs, bzw. Rotation des Stromzeigers im rotorfesten Koordinatensystem hin zur q-Ordinate) das Drehmoment den geforderten Drehmomentwert (T Nominal) erfüllen oder gar übersteigen.
Fällt also einer von bspw. zwei Elektromotoren aus oder wird aktiv abgeschaltet, wird durch eine Verringerung der Drehzahl des verbleibenden Motors dessen individuell von ihm geliefertes Drehmoment angehoben, so dass auch der verbleibende Motor alleine die Betätigungsaufgabe (bspw. das Betätigen einer Flugzeugklappe oder dergleichen) durchführen kann.
Wie oben erläutert und in den 1a und 1b zur Steuerung von Id (bei gleichbleibender Stromstärke Is) gezeigt, wird der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung geändert. Aber auch die Spannung der Maschine (bzw. des Antriebs) wird in der Länge reduziert, was höhere Drehzahlen erlaubt, aber zu einem reduzierten Drehmoment führt, das der Strom Iq erzeugt. Hieraus ergibt sich, dass die Leistung des oder der aktiven Motoren auch bei einem Übergang von einem der Motoren in den passiven Zustand nahezu konstant ist. Dabei wird auf Kosten der Drehzahl das Drehmoment angehoben.
4a zeigt dabei eine mögliche Umsetzung des erfindungsgemäßen Antriebs. Man erkennt, dass es nur eine Ausgangswelle 1 gibt, die von jedem der zwei Motoren 2, 3 direkt angetrieben werden. Es liegt demnach kein Getriebe zwischen der Ausgangswelle 1 und den Motoren 2, 3, sondern die Wicklungen jedes der Motoren 2, 3 greifen direkt an einem gemeinsamen oder einen getrennten Stator der Ausgangswelle 1 an.
4b zeigt eine Variation der Erfindung, bei der jeder der Motoren 2, 3 mit einer separaten Welle 11, 12 versehen ist. Diese Wellen 11, 12 sind miteinander über eine Kupplung 4 verbunden. Dies erleichtert insbesondere den Austausch und das Ersetzen eines defekten Motors 2, 3, da dieser dann einfach zusammen mit seiner Welle 11, 12 an der Kupplung 4 abgenommen werden kann und durch ein neues Bauteil ersetzt wird.
4c ist eine Umsetzung der vorliegenden Erfindung, bei der die beiden Motoren über ein Getriebe 5 ihr jeweiliges Drehmoment der Ausgangswelle 1 zukommen lassen. Die Verbindung der beiden Motoren muss demnach nicht getriebelos erfolgen.
4d zeigt dabei die Schnittansicht einer Axialflussmaschine ohne integriertes Getriebe. Die gestrichelte Line zeigt dabei die Rotationsachse der Ausgangswelle 1. Man erkennt die redundant vorhandenen Statorwicklungen, durch welche die Vorteile der vorliegenden Erfindung erhalten werden.
4e zeigt eine weitere Ausführung der Erfindung mit einer Axialflussmaschine, bei der nun aber ein Getriebe 5 zwischen der Ausgangswelle 1 und dem Rotor vorhanden ist. Das Getriebe 5 kann dabei ein Planetengetriebe oder ein Wolfromgetriebe sein.
4f zeigt eine weitere Ausführung der Erfindung mit einer Axialflussmaschine. Im Gegensatz zur vorhergehenden 4e sind nun dort zwei Getriebestufen zwischen dem durch die Wicklungen angetriebenen Rotor und der Ausgangswelle des Antriebs angeordnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011016336 A1 [0004]

Claims

Redundanter Antrieb, insbesondere für ein Aktuatorsystem, Antriebssystem oder ein Hochauftriebssystem eines Luftfahrzeugs, umfassend: mehrere Elektromotoren, vorzugsweise zwei Elektromotoren, eine von den mehreren Elektromotoren jeweils separat antreibbare Ausgangswelle, und mindestens eine Steuereinheit zum Ansteuern jedes der mehreren Elektromotoren, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit in einem Hochdrehzahlbetrieb dazu ausgelegt ist, die mehreren Elektromotoren in einem Feldschwächebereich zu betreiben, so dass sich die im Feldschwächebereich erhaltenen Drehmomente der mehreren Elektromotoren zu einem ersten vorbestimmten Drehmomentwert (T1) aufsummieren und sich eine erste vorbestimmte Rotationsgeschwindigkeit (n1) der Ausgangswelle einstellt, und die Steuereinheit in einem Niedrigdrehzahlbetrieb dazu ausgelegt ist, einen passiven Zustand eines der mehreren Elektromotoren, in dem keine Leistung des entsprechenden Elektromotors auf die Ausgangswelle übertragen wird, zu erfassen oder einen der mehreren Elektromotoren in den passiven Zustand zu versetzen, den Feldschwächebetrieb der anderen Elektromotoren oder des anderen Elektromotors zurückzufahren oder aufzugeben, um dadurch einen zweiten vorbestimmten Drehmomentwert (T2) auf Kosten einer reduzierten Rotationsgeschwindigkeit (n2) der Ausgangswelle zu erreichen oder zu übertreffen.
Antrieb nach Anspruch 1, wobei der erste vorbestimmte Drehmomentwert (T1) kleiner oder gleich dem zweiten vorbestimmten Drehmomentwert (T2) ist.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder der mehreren Elektromotoren einen permanenterregten Synchronmotor darstellt.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Elektromotoren in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind und zueinander redundant ausgeführte Wicklungen an einem gemeinsamen Stator aufweisen, die als eine m x n Phasentopologie ausgeführt sind, bei der jeweils n Phasen eines jeweiligen Elektromotors zu einer Phasengruppe zusammengeschaltet sind, um m verschiedene Elektromotoren zu erzeugen.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Elektromotoren derart ausgeführt ist, dass diese getriebelos an die Ausgangswelle angeschlossen sind.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Elektromotoren alle die gleiche Phasenanzahl, vorzugsweise drei Phasen, aufweisen.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Elektromotoren hinsichtlich ihrer elektromechanischen Übertragungsfunktion identisch sind.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Abschaltvorrichtung zum Trennen eines jeweiligen Elektromotors von der Steuereinheit, wobei vorzugsweise die Abschaltvorrichtung Bestandteil des Motors ist, insbesondere Bestandteil der Leistungselektronik und/oder in der Verbindung zwischen Antrieb und Leistungselektronik liegt.
Antrieb nach dem vorhergehenden Anspruch 8, wobei die Trennung durch die Abschaltvorrichtung durch einen elektromechanischen Schalter, vorzugsweise in Form eines Relais, oder eines Halbleiterschalters erfolgt.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem Positionssensor zum Erfassen der durch die mehreren Elektromotoren antreibbaren Ausgangswelle, wobei vorzugsweise jeweils ein Sensor für jeden der mehreren Elektromotoren vorgesehen ist.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Begrenzung des Drehmoments durch Limitierung von Amplitude und/oder Phasenlage des Stroms in den mehreren Elektromotoren erfolgt, die vorzugsweise in rotorfesten Koordinaten geregelt sind.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, den Niedrigdrehzahlbetrieb anzufahren wenn, eine Eingabe in einer übergeordneten Steuereinheit dies anfordert, ein Fehlerbetrieb detektiert ist, der vorzugsweise auf interne Systemfehler in einem der mehreren Elektromotoren, auf Fehler in der Verkabelung, auf Fehler in der Sensorik oder der Fehler in einer Steuereinheit eines jeweiligen Elektromotors hinweist, externe Fehler auftreten, insbesondere die Versorgungsspannung an einer einem Elektromotor zugeordneten Steuereinheit nicht mehr verfügbar ist oder ein Kommunikationsverlust zwischen den Bestandteilen des Antriebs auftritt, und/oder externe Beschränkungen vorliegen, insbesondere das Erreichen von Leistungsbeschränkungen oder Systembeschränkungen, die bspw. eine Reduktion der Drehzahl der Ausgangswelle erfordern.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Elektromotoren einen jeweiligen Stator und einen jeweiligen Rotor umfassen.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Elektromotoren jeweils mit einer eigenen Welle versehen sind, wobei die mehreren Wellen durch ein Verbindungselement miteinander gekoppelt sind, vorzugsweise wobei die Wellen durch ein drehmomentsummierendes Getriebe miteinander gekoppelt sind.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in die mehreren Teilmotoren jeweils eine Hydraulikpumpe integriert sein kann, um eine Kraft auf die Ausgangswelle zumindest abschnittsweise hydraulisch zu übertragen.