DE102022104593A1

DE102022104593A1 - Electric propulsion system for a propeller

Info

Publication number: DE102022104593A1
Application number: DE102022104593.5A
Authority: DE
Inventors: Stefan Glueck
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-02-25
Filing date: 2022-02-25
Publication date: 2023-08-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem mit einem Propeller (1) und einer dynamoelektrischen Axialflussmaschine (2) zum Antrieb des Propellers (1). Um Gewicht und Verschleiß eines derartigen Antriebssystems zu reduzieren, wird vorgeschlagen, dass die Axialflussmaschine (2)
• einen Stator (3) mit Statorspulen (4),
• einen über einen Luftspalt (5) vom Stator (3) getrennten und mit dem Propeller (1) drehfest verbunden Rotor (6) mit Rotormagneten (7) und
• mindestens ein Lager (8) zur Lagerung einer Welle (12) des Rotors (6) aufweist,
wobei die Axialflussmaschine (2) eine magnetische Entlastungsvorrichtung aufweist zur Erzeugung einer abstoßenden Kraft (10) zwischen Rotor (6) und Stator (3), die einer durch die Rotormagnete (7) des Rotors (6) verursachten Anziehungskraft (11) zwischen Rotor (6) und Stator (3) entgegengerichtet ist.

The invention relates to an electric drive system with a propeller (1) and a dynamo-electric axial flow machine (2) for driving the propeller (1). In order to reduce the weight and wear of such a drive system, it is proposed that the axial flow machine (2)
• a stator (3) with stator coils (4),
• a rotor (6) with rotor magnets (7) which is separated from the stator (3) by an air gap (5) and is non-rotatably connected to the propeller (1) and
• has at least one bearing (8) for supporting a shaft (12) of the rotor (6),
wherein the axial flux machine (2) has a magnetic balancing device for generating a repelling force (10) between the rotor (6) and the stator (3) which is caused by the rotor magnets (7) of the rotor (6) attractive force (11) between the rotor ( 6) and stator (3) is directed in the opposite direction.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für einen Propeller und ein Verfahren zur Entlastung mindestens eines Lagers eines elektrischen Antriebssystems mit einem Propeller. Das Antriebssystem kann für ein Luftfahrzeug wie eine Drohne oder einen Helikopter eingesetzt werden. Der Propeller wird hierbei über eine dynamoelektrische Maschine angetrieben.The invention relates to an electric drive system for a propeller and a method for relieving at least one bearing of an electric drive system with a propeller. The propulsion system can be used for an aircraft such as a drone or a helicopter. The propeller is driven by a dynamo-electric machine.

Bei Luftfahrzeugen wird ein besonders niedriges Gewicht bei allen eingesetzten Komponenten angestrebt. Dies gilt prinzipiell bei allen Luftfahrzeugen, wobei die vorliegende Erfindung auf propellergetriebene Luftfahrzeuge wie beispielsweise Multikopter und Helikopter abzielt, die sowohl zur bemannten (z.B. Lufttaxis) als auch zur unbemannten (z.B. Drohnen) Luftfahrt vorgesehen sind. Ein typisches Einsatzszenario sind Drohnen, die in der Landwirtschaft zum Besprühen von Feldern eingesetzt werden. Derartige Drohnen haben in der Regel ein Gesamtgewicht im zweistelligen Kilogrammbereich.In the case of aircraft, a particularly low weight is sought for all components used. This applies in principle to all aircraft, with the present invention being aimed at propeller-driven aircraft such as multicopters and helicopters, which are intended for both manned (e.g. air taxis) and unmanned (e.g. drones) aviation. A typical application scenario is drones used in agriculture to spray fields. Such drones usually have a total weight in the double-digit kilogram range.

Zur Erzielung des niedrigen Gesamtgewichtes ist es von Vorteil, wenn die dynamoelektrische Maschine zum Antrieb eines Propellers einer Drohne eine sehr hohe Energiedichte aufweist. Dies gilt umso mehr, da Drohnen in der Regel mit mehreren Propellern ausgestattet werden. Verbreitet ist beispielsweise eine Hexacopter-Ausführung mit sechs Rotoren, von denen jeder eine Antriebsmaschine erfordert.In order to achieve the low total weight, it is advantageous if the dynamoelectric machine for driving a propeller of a drone has a very high energy density. This is all the more true since drones are usually equipped with several propellers. For example, a hexacopter design with six rotors, each of which requires a prime mover, is common.

Elektrische Maschinen in Axialflussbauweise sind in dieser Hinsicht rotativen elektrischen Maschinen überlegen, sodass sich ihr Einsatz als Antriebsmaschine für Drohnen anbietet. Bei Axialflussmaschinen sind Stator und Rotor in der Regel scheibenförmig ausgebildet und über einen axial gerichteten Luftspalt voneinander getrennt. Sie können mehrere Statoren und Rotoren aufweisen, die axial über einen Luftspalt getrennt benachbart sind. Beispielsweise kann eine Axialflussmaschine genau einen Rotor umfassen, der beidseitig an jeweils genau einen Stator über jeweils einen Luftspalt angrenzt. Der Rotor ist in der Regel mit Permanentmagneten bestückt, deren Magnetfeld mit einem Startordrehfeld, das durch am Stator angeordnete Spulen erzeugt wird, in Wechselwirkung tritt, und so den Rotor antreibt.In this respect, axial-flow electric machines are superior to rotary electric machines, so that they can be used as propulsion machines for drones. In axial flow machines, the stator and rotor are generally disc-shaped and separated from one another by an axially directed air gap. They may have multiple stators and rotors adjacent axially separated by an air gap. For example, an axial flow machine can include exactly one rotor, which adjoins exactly one stator on both sides via an air gap in each case. The rotor is usually equipped with permanent magnets, whose magnetic field interacts with a rotating field of the starter, which is generated by coils arranged on the stator, and thus drives the rotor.

Die Permanentmagnete des Rotors üben auf den jeweils angrenzenden Stator eine Anziehungskraft aus. Ein Vorteil an der zuvor beschriebenen Ausführung, bei der ein Rotor mittig zwischen zwei Statoren angeordnet ist, liegt darin, dass sich der Rotor in einem Kräftegleichgewicht der Anziehungskräfte zwischen ihm und den beiden angrenzenden Statoren befindet. Entsprechend erfahren Lager zur Lagerung einer Rotorwelle im Idealfall keine durch die beschriebene magnetische Anziehungskraft resultierende Axialkraftbelastung.The permanent magnets of the rotor exert an attractive force on the adjacent stator. An advantage of the embodiment described above, in which a rotor is arranged centrally between two stators, is that the rotor is in a force equilibrium of the forces of attraction between it and the two adjacent stators. Accordingly, in the ideal case, bearings for supporting a rotor shaft do not experience any axial force loading resulting from the magnetic attraction force described.

Nachteilhaft ist jedoch, dass in dieser Anordnung zwei Statoren zum Antrieb des Rotors vorgesehen werden müssen. Bei einer unsymmetrischen Anordnung mit nur einem Stator zum Antrieb eines Rotors lässt sich eine höhere Energiedichte erzielen und somit das Gesamtgewicht einer Drohne reduzieren.The disadvantage, however, is that in this arrangement two stators must be provided to drive the rotor. With an asymmetrical arrangement with only one stator to drive a rotor, a higher energy density can be achieved and thus the overall weight of a drone can be reduced.

Aus EP 3 66 7874 A1 ist ein elektrisches Antriebssystem für einen Propeller mit den Merkmalen gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Das hier beschriebene elektrische Antriebssystem umfasst eine Axialflussmaschine mit genau einem Stator und genau einem Rotor, der mit Permanentmagneten bestückt ist. Der Rotor ist unmittelbar mit dem Propeller verbunden. Im Betrieb des Antriebssystems wirkt auf den Rotor durch den Propeller eine axial gerichtete Antriebskraft, die der Anziehungskraft zwischen dem Rotor und dem Stator entgegen gerichtet ist.Out of EP 3 66 7874 A1 an electric drive system for a propeller with the features according to the preamble of patent claim 1 is known. The electric drive system described here includes an axial flux machine with precisely one stator and precisely one rotor, which is equipped with permanent magnets. The rotor is directly connected to the propeller. During operation of the drive system, an axially directed drive force acts on the rotor through the propeller, which is directed counter to the force of attraction between the rotor and the stator.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein leichtes und verschleißarmes Antriebssystem für ein Luftfahrzeug wie eine Drohne bereitzustellen.The object of the invention is to provide a light and low-wear drive system for an aircraft such as a drone.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch ein elektrisches Antriebssystem mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1. Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Patentanspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.This problem is solved by an electric drive system with the features according to patent claim 1. Furthermore, the problem is solved by a method with the features according to patent claim 11. Advantageous embodiments can be found in the dependent patent claims.

Das elektrische Antriebssystem umfasst einen Propeller und eine dynamoelektrische Axialflussmaschine zum Antrieb des Propellers. Die Axialflussmaschine umfasst einen Stator, auf dem Statorspulen angeordnet sind, mit denen sich ein axialgerichtetes Startorfeld erzeugen lässt. Der Stator ist über einen Luftspalt von einem mit Rotormagneten bestückten Rotor beabstandet. Besagter Rotor ist beispielsweise über eine Welle mit dem Propeller drehfest verbunden. Alternativ kann der Rotor aber auch direkt, d. h. ohne Zwischenwelle, mit dem Propeller verbunden sein oder sogar einstückig mit diesem ausgeführt sein. Die Welle ist über mindestens ein Lager, insbesondere ein Wälzlager, zum Beispiel direkt am Stator oder einem Gehäuse der Axialflussmaschine gelagert. Vorteilhafterweise umfasst die Axialflussmaschine genau einen Stator und genau einen Rotor, um das Gewicht der elektrischen Antriebsanordnung so niedrig wie möglich zu halten. In diesem Zusammenhang ist es auch besonders vorteilhaft, wenn der Stator eine Multilayerplatine umfasst, die die Statorspulen trägt. Bei einer solchen Ausführungsform sind Windungen der Statorspulen auf verschiedenen Layern der Multilayerplatine vertikal übereinanderliegend verteilt und über elektrische Vias miteinander verbunden. Eine solche Ausführung als sogenannter PCB-Motor (Printed Circuit Board) ermöglicht eine signifikante Gewichtsreduktion gegenüber herkömmlichen Axialflussmaschinen, bei denen gewickelte Spulen auf Zähnen eines massiven Weicheisenkörpers angeordnet sind.The electric propulsion system includes a propeller and an axial flow dynamo-electric machine for driving the propeller. The axial flux machine includes a stator on which stator coils are arranged, with which an axially directed starter field can be generated. The stator is spaced apart from a rotor equipped with rotor magnets by an air gap. Said rotor is non-rotatably connected to the propeller via a shaft, for example. Alternatively, the rotor can also be connected directly, ie without an intermediate shaft, to the propeller or even be designed in one piece with it. The shaft is mounted via at least one bearing, in particular a roller bearing, for example directly on the stator or on a housing of the axial flow machine. The axial flow machine advantageously includes exactly one stator and exactly one rotor in order to keep the weight of the electrical drive arrangement as low as possible. In this context, it is also particularly advantageous if the stator includes a multilayer circuit board that carries the stator coils. With such a Embodiment turns of the stator coils are distributed vertically one above the other on different layers of the multilayer circuit board and are connected to one another via electrical vias. Such an embodiment as a so-called PCB motor (Printed Circuit Board) enables a significant weight reduction compared to conventional axial flow machines in which wound coils are arranged on teeth of a solid soft-iron body.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einer derartigen Axialflussmaschine in unsymmetrischer Bauform mit einer direkten, drehfesten Verbindung zwischen Rotor und Propeller zwar der in EP 3 66 7874 A1 beschriebene Kompensationseffekt zwischen der Antriebskraft und der Anziehungskraft zwischen den Rotormagneten und dem Stator grundsätzlich auftritt, jedoch nicht zu einer befriedigenden Reduktion einer auf die Lagerung der Welle wirkenden Axialkraft führt. Um dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen, wird die erfindungsgemäße Axialflussmaschine um eine magnetische Entlastungsvorrichtung ergänzt, die zur Erzeugung einer zusätzlichen abstoßenden Kraft zwischen Rotor und Stator dient. Wie auch die beschriebene, durch den Propeller erzeugte Antriebskraft wirkt diese abstoßende Kraft einer durch die Rotormagnete des Rotors verursachten Anziehungskraft zwischen Rotor und Stator entgegen.The invention is based on the finding that in such an asymmetrical axial flow machine with a direct, non-rotatable connection between the rotor and propeller, the in EP 3 66 7874 A1 described compensation effect between the driving force and the force of attraction between the rotor magnets and the stator occurs in principle, but does not lead to a satisfactory reduction in an axial force acting on the bearing of the shaft. In order to take this knowledge into account, the axial flux machine according to the invention is supplemented by a magnetic balancing device, which is used to generate an additional repulsive force between the rotor and the stator. Like the described driving force generated by the propeller, this repelling force counteracts an attractive force between the rotor and stator caused by the rotor magnets of the rotor.

Die Entlassungsvorrichtung unterstützt mithin die vom Propeller erzeugte Antriebskraft. Dies ist notwendig, da die Hubkraft einer Luftschraube bei einer typischen Antriebsdimensionierung einer Drohne nicht ausreicht, um die magnetische Axiallast auf die Lagerung komplett zu kompensieren. Ein typisches Drohnengewicht beispielsweise für landwirtschaftliche Anwendungen beträgt ca. 30 kg. Hier eingesetzte Drohnen sind vielfach als Hexacopter mit sechs Rotoren realisiert. Jede dieser Luftschrauben erfährt im statischen Schwebeflug eine Hubkraft von ungefähr 500 N. Die typischen Anziehungskräfte zwischen Rotor und Stator aufgrund der Kraftwirkung der Permanentmagnete im Rotor liegen jedoch erfahrungsgemäß um den Faktor 2 bis 4 darüber. Ohne die erfindungsgemäße Entlastungsvorrichtung reduziert sich die axiale Lagerlast entsprechend nur geringfügig.The release device therefore supports the driving force generated by the propeller. This is necessary because the lifting power of an air screw with a typical drive dimensioning of a drone is not sufficient to completely compensate for the magnetic axial load on the bearing. A typical drone weight for agricultural applications, for example, is around 30 kg. The drones used here are often implemented as hexacopters with six rotors. Each of these propellers experiences a lifting force of about 500 N in static hovering flight. However, experience has shown that the typical forces of attraction between rotor and stator due to the force of the permanent magnets in the rotor are higher by a factor of 2 to 4. Without the relief device according to the invention, the axial bearing load is correspondingly reduced only slightly.

Insbesondere bei Drohnen mit einem Gesamtgewicht zwischen 20 und 40 kg hat sich daher eine Ausführungsform der Erfindung als vorteilhaft erwiesen, bei der die abstoßende Kraft zwischen 50% und 75% der Anziehungskraft zwischen Rotor und Stator beträgt.An embodiment of the invention in which the repulsive force is between 50% and 75% of the attractive force between the rotor and the stator has therefore proven advantageous, particularly in the case of drones with a total weight of between 20 and 40 kg.

Die Entlastungsvorrichtung kann in einer einfachen Ausführungsform Permanentmagnete umfassen, die im Stator und Rotor axial gegenüberliegend angeordnet sind. Diese können als Ringmagnete ausgebildet sein, die die Welle konzentrisch umschlie-ßen. Bei der Dimensionierung der Permanentmagnete kann zunächst insbesondere beim Einsatz in einem Luftfahrzeug wie einer Drohne die Hubkraft bestimmt werden, die in den meisten Betriebsfällen auf den Rotor wirkt. Vergleicht man diese mit der magnetischen Anziehungskraft zwischen Rotor und Stator aufgrund der Permanentmagnete im Rotor, lässt sich die Kompensationskraft bestimmen, die von den Permanentmagneten der Entlastungsvorrichtung bereitzustellen ist. Somit können die sich gegenüberliegenden Magnete im Stator und Rotor der Entlastungsvorrichtung für die gegebene Anwendung dimensioniert werden.In a simple embodiment, the relief device can comprise permanent magnets which are arranged axially opposite one another in the stator and rotor. These can be designed as ring magnets that concentrically enclose the shaft. When dimensioning the permanent magnets, the lifting force that acts on the rotor in most operating cases can first be determined, particularly when used in an aircraft such as a drone. If this is compared with the magnetic attraction force between the rotor and stator due to the permanent magnets in the rotor, the compensating force that is to be provided by the permanent magnets of the load-relieving device can be determined. Thus, the opposing magnets in the stator and rotor of the unloader can be sized for the given application.

Die sich axial gegenüberliegenden Permanentmagnete der Entlastungsvorrichtung in Rotor und Stator sind zueinander gegenpolig auszurichten, sodass sich entweder die Nord- oder die Südpole gegenüberstehen, damit eine abstoßende Kraft erzeugt wird.The axially opposite permanent magnets of the load-relieving device in the rotor and stator must be aligned with opposite poles to one another so that either the north or south poles face each other so that a repelling force is generated.

Alternativ zu der Ausführung der Entlassungsvorrichtung mit Permanentmagneten kann die Entlastungsvorrichtung mindestens eine am Stator angeordnete Kompensationsspule umfassen und mindestens einen am Rotor angeordneten Gegenmagneten. Durch eine geeignete Bestromung der Kompensationsspule lässt sich die abstoßende Kraft im Betrieb flexibel einstellen. Hierbei kann zum Beispiel der Betriebszustand des elektrischen Antriebssystems bzw. bei einer Drohne berücksichtigt werden. Die von der Entlastungsvorrichtung bereitgestellte, abstoßende Kraft kann hierbei auf Grundlage der betriebszustandsabhängigen Hubkraft des Propellers eingestellt werden.As an alternative to the embodiment of the release device with permanent magnets, the relief device can comprise at least one compensation coil arranged on the stator and at least one counter magnet arranged on the rotor. The repelling force can be flexibly adjusted during operation by suitably energizing the compensation coil. Here, for example, the operating state of the electric drive system or, in the case of a drone, can be taken into account. The repelling force provided by the relief device can be set here on the basis of the operating state-dependent lifting force of the propeller.

Anstelle eines Gegenmagneten im Rotor ist auch denkbar, im Rotor eine der Kompensationsspule axial gegenüberliegende, nicht ferromagnetische aber elektrische leitfähige Metallschicht vorzusehen. Durch eine Bestromung der Kompensationsspule mit einem Wechselstrom genügend hoher Frequenz können so in der Metallschicht Wirbelströme und somit ein magnetisches Gegenfeld erzeugt werden, sodass die gewünschte abstoßende Kraft zwischen Rotor und Stator entsteht.Instead of a counter magnet in the rotor, it is also conceivable to provide a non-ferromagnetic but electrically conductive metal layer in the rotor that is axially opposite the compensation coil. By energizing the compensation coil with an alternating current of sufficiently high frequency, eddy currents and thus an opposing magnetic field can be generated in the metal layer, so that the desired repulsive force is created between the rotor and stator.

Eine nahezu vollständige Entlastung der Lagerung der Axialflussmaschine von Axialkräften kann dadurch erreicht werden, dass das elektrische Antriebssystem einen Regler aufweist zur Regelung einer Axialkraftkomponente am Lager auf einen Sollwert von Null mittels einer Stellgröße in Form eines Kompensationsstromes für die Kompensationsspule. Bei einer derartigen Ausführungsform würde der geschlossene Regelkreis automatisch bewirken, dass während eines Anlaufens des Propellers eine abstoßende Kraft über die Entlastungsvorrichtung eingestellt wird, die die magnetischen Anziehungskräfte zu 100 % kompensieren. Mit zunehmender Hubkraft wird die von der Entlastungsvorrichtung erzeugte abstoßende Kraft abnehmen, sodass sich in axialer Richtung stets ein Gleichgewicht der Kräfte einstellt.Almost complete relief of axial forces from the bearing of the axial flux machine can be achieved if the electric drive system has a controller for controlling an axial force component on the bearing to a target value of zero by means of a manipulated variable in the form of a compensation current for the compensation coil. In such an embodiment, the closed loop control would automatically cause a repulsive force to be set up via the relief device during a propeller start-up, which counteracts the magnetic attraction compensate forces 100%. As the lifting force increases, the repelling force generated by the relief device will decrease, so that there is always a balance of forces in the axial direction.

In konstruktiv einfacher Ausgestaltung der Erfindung ist die Kompensationsspule als Ringspule ausgebildet, die die Welle konzentrisch umschließt.In a structurally simple embodiment of the invention, the compensating coil is designed as a ring coil which concentrically encloses the shaft.

Durch einen Sensor zur Erfassung der Axialkraftkomponente kann der Istwert bzw. die Regelgröße erfasst und zurückgeführt werden, sodass deren Regelung durch einen geschlossenen Regelkreis gelingt. Alternativ zu einem Kraftsensor am Lager kann auch ein Sensor am Luftspalt der Axialflussmaschine vorgesehen werden, der auf eine Veränderung des Luftspaltes reagiert. Aufgrund der Elastizität von Rotor und/oder Stator führt eine resultierende axiale Kraftkomponente im elektrischen Antriebssystem zu einer Veränderung dieses Luftspaltes, sodass auf diese Art und Weise die Axialkraftkomponente auch indirekt ermittelt werden kann.The actual value or the control variable can be recorded and returned by a sensor for recording the axial force component, so that it can be controlled by a closed control circuit. As an alternative to a force sensor on the bearing, a sensor can also be provided on the air gap of the axial flow machine, which sensor reacts to a change in the air gap. Due to the elasticity of the rotor and/or stator, a resulting axial force component in the electric drive system leads to a change in this air gap, so that the axial force component can also be determined indirectly in this way.

Bei einer Ausführung des Stators als Multilayerplatine kann auch die Kompensationsspule in ähnlicher Art und Weise wie die Statorspulen direkt auf der Platine realisiert werden.If the stator is designed as a multilayer circuit board, the compensation coil can also be implemented directly on the circuit board in a similar way to the stator coils.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Funktional gleiche Elemente sind hierbei mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:

1 eine erste Ausführungsform eines elektrischen Antriebssystems für eine Drohne,
2 eine zweite Ausführungsform eines elektrischen Antriebssystems für eine Drohne und
3 einen Regelkreis für eine Entlastungsvorrichtung der zweiten Ausführungsform.

The invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments illustrated in the figures. Elements that are functionally the same are provided with the same reference symbols. Show it:

1 a first embodiment of an electric drive system for a drone,
2 a second embodiment of an electric propulsion system for a drone and
3 a control circuit for a relief device of the second embodiment.

1 zeigt eine erste Ausführungsform eines elektrischen Antriebssystems für eine Drohne. Das elektrische Antriebssystem umfasst einen Propeller 1, der über eine Welle 12 drehfest mit einem Rotor 6 einer Axialflussmaschine 2 verbunden ist. Neben dem Rotor 6 weist die Axialflussmaschine 2 einen Stator 3 auf, der über einen axial gerichteten Luftspalt 5 vom Rotor 6 beabstandet ist. Die Welle 12 ist über ein Lager 8 am Stator 3 gelagert. Bei dem Lager 8 kann es sich um ein Wälzlager, insbesondere ein Kugel- oder Rollenlager handeln. Das Wälzlager kann einreihig oder doppelreihig ausgebildet sein. Selbstverständlich kann auch mehr als ein Lager 8 zur Lagerung der Welle 12 verwendet werden. 1 shows a first embodiment of an electric drive system for a drone. The electric drive system comprises a propeller 1 which is connected to a rotor 6 of an axial flow machine 2 in a torque-proof manner via a shaft 12 . In addition to the rotor 6 , the axial flow machine 2 has a stator 3 which is spaced apart from the rotor 6 by an axially directed air gap 5 . The shaft 12 is mounted on the stator 3 via a bearing 8 . The bearing 8 can be a roller bearing, in particular a ball or roller bearing. The roller bearing can be single-row or double-row. Of course, more than one bearing 8 can also be used to support the shaft 12 .

Der Stator 3 der Axialflussmaschine 2 umfasst eine Multilayerplatine. Auf einem mehrlagigen Printed Circuit Board sind hierbei Windungen von Statorspulen 4 realisiert, die durch geeignete Bestromung ein Drehfeld erzeugen. Im Rotor 6 sind Rotormagnete 7 vorgesehen, die ein Rotorfeld erzeugen, das mit dem Startorfeld interagiert und somit ein Drehmoment zum Antrieb des Rotors 6 und damit des Propellers 1 erzeugt. Die Statorspulen 6 werden jeweils von einem Eisenkern 21 durchdrungen, der aus einem SMC-Material gefertigt ist. Das gleiche Material ist auch für einen magnetischen Rückschluss 22 verwendet, der die verschiedenen Eisenkerne 21 miteinander verbindet. Alternativ ist es natürlich auch denkbar, die Eisenkerne 21 und den Rückschluss 22 als geblechte Bauteile auszuführen.The stator 3 of the axial flow machine 2 includes a multilayer circuit board. In this case, turns of stator coils 4 are realized on a multilayer printed circuit board, which generate a rotary field through suitable energization. Rotor magnets 7 are provided in the rotor 6 and generate a rotor field which interacts with the starting field and thus generates a torque for driving the rotor 6 and thus the propeller 1 . The stator coils 6 are each penetrated by an iron core 21 which is made of an SMC material. The same material is also used for a magnetic yoke 22 that connects the various iron cores 21 to one another. Alternatively, it is of course also conceivable to design the iron cores 21 and the yoke 22 as laminated components.

Zwischen den Eisenkernen 21 und den Rotormagneten 7 wirkt eine magnetische Anziehungskraft 11. Diese magnetische Anziehungskraft 11 herrscht unabhängig vom Betriebszustand des elektrischen Antriebssystems bzw. der Drohne vor. Im Flugbetrieb der Drohne wirkt hingegen auf den Propeller 1 eine Hubkraft 23, die der Anziehungskraft 11 entgegengerichtet ist. Typischerweise ist die Hubkraft 23 betragsmäßig jedoch deutlich geringer als die Anziehungskraft 11 zwischen den Eisenkernen 21 und den Rotormagneten 7. Infolgedessen erfährt das Lager 8 eine Axialkraftkomponente, die zu dessen Verschleiß und somit zu einem frühzeitigen Ausfall der Drohne führen kann.A magnetic attraction force 11 acts between the iron cores 21 and the rotor magnets 7. This magnetic attraction force 11 prevails independently of the operating state of the electric drive system or the drone. In contrast, when the drone is flying, a lifting force 23 acts on the propeller 1 , which is in the opposite direction to the force of attraction 11 . Typically, however, the lifting force 23 is significantly lower in terms of amount than the attractive force 11 between the iron cores 21 and the rotor magnets 7. As a result, the bearing 8 experiences an axial force component, which can lead to its wear and thus to premature failure of the drone.

Das Gewicht der Drohne ist bekannt. Demnach kann die Hubkraft 23, die in einem Schwebeflug auf den Propeller 1 wirkt, berechnet werden. Ebenso kann bei bekannter Dimensionierung des Luftspaltes 5 und bekannten Kennwerten der eingesetzten Rotormagnete 7 sowie des SMC-Materials für die Eisenkerne 21 die Anziehungskraft 11 zwischen Rotor 6 und Stator 3 bestimmt werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, über eine Entlastungsvorrichtung eine abstoßende Kraft 10 zwischen Rotor 6 und Stator 3 in das System einzubringen, um die Axialkraftkomponente, die auf das Lager 8 wirkt, zumindest deutlich zu reduzieren. Entsprechend ist sowohl im Rotor 6 als auch im Stator 3 jeweils ein Ringmagnet 9 angeordnet. Zur Erzeugung der abstoßenden Kraft 10 liegen sich hier die Nordpole der Ringmagnete 9 über den Luftspalt 5 getrennt gegenüber. Die Ringmagnete 9 sind derart dimensioniert, dass die von ihnen erzeugte abstoßende Kraft 10 dem Betrage nach gerade der Differenz der Anziehungskraft 11 und der Hubkraft 23 im schwebenden Zustand der Drohne entspricht. Als Konsequenz ist die Axialkraftkomponente, die auf das Lager 8 wirkt, zumindest deutlich reduziert.The weight of the drone is known. Accordingly, the lifting force 23, which acts on the propeller 1 in hovering flight, can be calculated. Likewise, if the dimensioning of the air gap 5 and the characteristic values of the rotor magnets 7 used and the SMC material for the iron cores 21 are known, the attraction force 11 between the rotor 6 and the stator 3 can be determined. According to the invention, a repelling force 10 is introduced into the system between the rotor 6 and the stator 3 via a relief device in order to at least significantly reduce the axial force component acting on the bearing 8 . Correspondingly, a ring magnet 9 is arranged in both the rotor 6 and the stator 3 . In order to generate the repulsive force 10, the north poles of the ring magnets 9 are opposite one another across the air gap 5. The ring magnets 9 are dimensioned in such a way that the amount of the repelling force 10 generated by them corresponds to the difference between the attractive force 11 and the lifting force 23 in the hovering state of the drone. As a consequence, the axial force component acting on the bearing 8 is at least significantly reduced.

2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines elektrischen Antriebssystems für eine Drohne. Der Unterschied zu der ersten Ausführungsform liegt in der Gestalt der Entlastungsvorrichtung zur Erzeugung der abstoßenden Kraft 10. Im Stator 3 ist nunmehr eine Kompensationsspule 13 anstelle eines Ringmagneten 9 angeordnet. Mit dieser Kompensationsspule 13 kann ein axialgerichtetes Magnetfeld zur Erzeugung der abstoßenden Kraft 10 in Abhängigkeit des Betriebszustandes des elektrischen Antriebssystems bzw. der Drohne eingestellt werden. 2 shows a second embodiment of an electric drive system for a drone. The difference from the first embodiment lies in the shape of the relief device for generating tion of the repelling force 10. In the stator 3, a compensation coil 13 is now arranged instead of a ring magnet 9. With this compensation coil 13, an axially directed magnetic field for generating the repelling force 10 can be adjusted depending on the operating state of the electrical drive system or the drone.

Im Rotor 6 ist ein Gegenmagnet 14 angeordnet, der die Gestalt eines Ringmagneten besitzt. Die Kompensationsspule 13 wird nun derart bestromt, dass das von ihr erzeugte magnetische Feld dem magnetischen Feld des Gegenmagneten 14 entgegen gerichtet ist. Der Betrag der abstoßenden Kraft 11 kann über den Betrag des durch die Kompensationsspule 13 fließenden Kompensationsstromes betriebszustandsabhängig eingestellt werden. Befindet sich beispielsweise die Drohne in einem Sinkflug, bei dem die auf den Propeller 1 wirkende Hubkraft 23 geringer ist als im Schwebeflug, wird in die Kompensationsspule 13 zur Entlastung des Lagers 8 ein höherer Kompensationsstrom eingeprägt als im Schwebezustand.In the rotor 6, a counter magnet 14 is arranged, which has the shape of a ring magnet. The compensation coil 13 is now energized in such a way that the magnetic field it generates is directed in the opposite direction to the magnetic field of the counter magnet 14 . The magnitude of the repelling force 11 can be set as a function of the operating state via the magnitude of the compensation current flowing through the compensation coil 13 . If, for example, the drone is in a descent, in which the lifting force 23 acting on the propeller 1 is less than in hovering flight, a higher compensation current is impressed into the compensation coil 13 to relieve the bearing 8 than in the hovering state.

Die Bestimmung des geeigneten Kompensationsstromes in einem bestimmten Betriebszustand des elektrischen Antriebssystems kann zum Beispiel durch eine Steuerung erfolgen. Denkbar ist beispielsweise, dass auf Grundlage der Vertikalbewegung der Drohne entsprechende Kompensationsströme vorgegeben werden. Noch besser gelingt jedoch die Entlastung des Lagers 8 dann, wenn die Axialkraftkomponente am Lager 8 im Betrieb kontinuierlich bestimmt wird. Um dies zu ermöglichen ist ein Sensor 20 vorgesehen, der die Axialkraft am Lager 8 bestimmt. Durch einen geschlossenen Regelkreis kann auf diese Art und Weise eine im Wesentlichen vollständige Eliminierung der axialen Kraftkomponente erreicht werden.The determination of the appropriate compensation current in a specific operating state of the electric drive system can be done, for example, by a controller. It is conceivable, for example, that corresponding compensation currents are specified on the basis of the vertical movement of the drone. However, the bearing 8 is relieved even better if the axial force component on the bearing 8 is continuously determined during operation. In order to make this possible, a sensor 20 is provided which determines the axial force on the bearing 8 . In this way, a substantially complete elimination of the axial force component can be achieved by means of a closed control circuit.

3 zeigt einen Regelkreis für eine Entlastungsvorrichtung der zweiten Ausführungsform. Die Führungsgröße dieses Regelkreises ist die Axialkraftkomponente am Lager 8, die auf einen Sollwert 16 von Null geregelt werden soll. Der Sensor 20 liefert einen Istwert 19 für die Axialkraftkomponente, die am Ausgang der Regelstrecke 18 vorliegt. Die sich aus der Differenz des Sollwertes 16 und des Istwertes 19 ergebene Regelabweichung stellt das Eingangssignal eines Reglers 15 dar, an dessen Ausgang eine Stellgröße 17 bereitgestellt wird, bei der es sich um ein Kompensationsstromsollwert für die Kompensationsspule 13 handelt. 3 shows a control circuit for a relief device of the second embodiment. The reference variable of this control loop is the axial force component on the bearing 8, which is to be regulated to a setpoint value 16 of zero. The sensor 20 delivers an actual value 19 for the axial force component that is present at the output of the controlled system 18 . The control deviation resulting from the difference between the setpoint 16 and the actual value 19 represents the input signal of a controller 15, at whose output a manipulated variable 17 is provided, which is a compensation current setpoint for the compensation coil 13.

BezugszeichenlisteReference List

11: Propellerpropeller
22: Axialflussmaschineaxial flow machine
33: Statorstator
44: Statorspulenstator coils
55: Luftspaltair gap
66: Rotorrotor
77: Rotormagneterotor magnets
88th: Lagercamp
99: Ringmagnetenring magnet
1010: abstoßende Kraftrepulsive force
1111: Anziehungskraftattraction
1212: WelleWave
1313: Kompensationsspulecompensation coil
1414: Gegenmagnetcounter magnet
1515: Reglercontroller
1616: Sollwertsetpoint
1717: Stellgrößemanipulated variable
1818: Regel Streckerule route
1919: Istwertactual value
2020: Sensorsensor
2121: Eisenkerniron core
2222: magnetische Rückschlussmagnetic inference
2323: Hubkraftlifting power

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

EP 3667874 A1 [0007, 0011]

Claims

Electrical drive system with a propeller (1) and a dynamo-electric axial flow machine (2) for driving the propeller (1), the axial flow machine (2) • a stator (3) with stator coils (4), • one via an air gap (5) from Stator (3) separate and non-rotatably connected to the propeller rotor (6) with rotor magnets (7) and • at least one bearing (8) for supporting a shaft (12) of the rotor (6), characterized in that the axial flow machine (2 ) has a magnetic balancing device for generating a repulsive force (10) between the rotor (6) and the stator (3), which counteracts an attractive force (11) between the rotor (6) and the stator (1) caused by the rotor magnets (7) of the rotor (6). 3) is opposite.

Electrical drive system according to one of the preceding claims, in which the repulsive force (10) is between 50% and 75% of the attractive force (11) between the rotor (6) and stator (3).

Electric drive system after claim 1 or 2 , wherein the relief device comprises permanent magnets, which are arranged axially opposite in the stator (3) and rotor (6).

Electric drive system after claim 1 , 2 or 3 , wherein the permanent magnets are designed as ring magnets (9) which enclose the shaft (12) concentrically.

Electric drive system according to any one of Claims 1 or 2 , wherein the relief device comprises at least one compensation coil (13) arranged on the stator (3) and at least one counter-magnet (14) arranged on the rotor (6).

Electric drive system after claim 5 with a controller (15) for controlling an axial force component on the bearing (8) to a target value (16) of zero by means of a manipulated variable (17) in the form of a compensation current for the compensation coil (13).

Electric drive system after claim 6 , wherein the compensating coil (13) is designed as a ring coil which encloses the shaft (12) concentrically.

Electric drive system after claim 6 or 7 with a sensor (20) for detecting the axial force component (8).

Electrical drive system according to one of the preceding claims, wherein the stator (3) comprises a multilayer circuit board which carries the stator coils (4) and, if present, the compensation coil (13).

Drone with a propulsion system according to any of the Claims 1 until 9 .

Method for relieving at least one bearing (8) of an electric drive system with a propeller (1) and a dynamo-electric axial flow machine (2) for driving the propeller (1), the axial flow machine (2) • a stator (3) with stator coils (4), • a rotor (6) with rotor magnets (7), which is separated from the stator (3) by an air gap (5) and is non-rotatably connected to the propeller • has at least one bearing (8) for supporting a shaft (12) of the rotor (6), with a magnetic relief device, a repulsive force (10) between the rotor (6) and stator (3) is generated, which is one by the The force of attraction (11) between the rotor (6) and the stator (3) caused by the rotor magnets (7) of the rotor (6) is directed in the opposite direction, with the relief device having at least one compensation coil (13) arranged on the stator (3) and at least one on the rotor (6) arranged counter magnets (14) and with a regulator (15) the axial force component on the bearing (8) is regulated to a target value (16) of zero by means of a manipulated variable (17) in the form of a compensation current for the compensation coil (13).