DE4137952A1 - Einrichtung zum vortrieb eines wasser- oder luftfahrzeuges - Google Patents
Einrichtung zum vortrieb eines wasser- oder luftfahrzeugesInfo
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
- B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
- B63H1/00—Propulsive elements directly acting on water
- B63H1/30—Propulsive elements directly acting on water of non-rotary type
- B63H1/36—Propulsive elements directly acting on water of non-rotary type swinging sideways, e.g. fishtail type
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
- B64C33/00—Ornithopters
- B64C33/02—Wings; Actuating mechanisms therefor
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- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Vortrieb
eines Wasser- oder Luftfahrzeuges mit einem elektromagnetisch
aktivierbaren Antrieb.
Es ist bereits bekannt, für Fahrzeuge unterschiedlichster Art
auch elektromagnetisch aktivierbare Antriebe vorzusehen. Diese
können in üblicher Weise auf die Vortriebsaggregate, wie Pro
peller oder dergleichen einwirken. Im allgemeinen wird hiermit
aber kein hinreichender Wirkungsgrad erreicht.
Speziell bei Wasser- oder Luftfahrzeugen bieten rotierende
Propeller, beispielsweise als Antrieb bei einem Hubschrauber
oder bei einem U-Boot, zwar den Vorteil, daß die Drehbewegung
des Motors direkt beim Antriebsvorgang eingesetzt werden kann.
In bestimmten Fällen kann aber eine damit verbundene starke
Wärmeerzeugung und weiterhin eine Wirkungsgrad-Reduktion, die
durch die der Schallgeschwindigkeit nahekommenden bzw. die
Schallgeschwindigkeit überschreitenden Relativgeschwindigkei
ten von Propellerkomponenten und dem umgebenden Medium, wie
insbesondere Wasser oder Luft, hervorgerufen werden, nachtei
lig sein.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei einer Einrichtung der
eingangs genannten Art ein neuartiges Antriebssystem vorzu
schlagen.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der elek
tromagnetische Antrieb als vielgliedriges System mit gegenein
ander beweglichen Einzelgliedern ausgebildet ist, die nach au
ßen großflächig ohne rotierende Teile einen Flügel bilden, der
auf der Basis von flexiblen Kunststoffen und Hochleistungs-Ma
gnetmaterialien aufgebaut ist, wobei zum Vortrieb des Fahrzeu
ges die Bewegung der Einzelglieder hinsichtlich Phase und/oder
Ort koordiniert erfolgt. Ein solcher Antrieb kann im wesentli
chen in Gestalt eines als "integrierter Flügel" ausgebildeten
sogenannten Schwänzelantriebes realisiert werden.
Zur Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Antriebes besteht je
des Einzelglied aus einem Stator aus Hochleistungs-Magnetmate
rial und einer zugehörigen Feldwicklung. Dabei haben die Sta
toren bei benachbarten Einzelgliedern jeweils entgegengesetzte
Polungen. Solche Statoren können aus einer Folie des Hochlei
stungs-Magnetmaterials gebildet sein, während die Feldspulen
vorkonfektionierte Folienschaltungen sind. Alle Einzelglieder
mit Stator und Feldwicklung sind dabei in flexiblem Kunst
stoffschaum eingebettet, welcher von einer flexiblen wider
standsfähigen Kunststoffhülle als vorgespannte großflächige
Außenhaut umgeben ist. Zur Schwänzelbewegung der Einzelglieder
gegeneinander sind dabei Ausgleichshohlräume vorhanden.
Mit der Erfindung ist also ein großflächig verteilter Antrieb
mit individueller Ansteuermöglichkeit der Einzelglieder ge
schaffen, der insbesondere für Unterwasser-Schiffe und/oder
langsam bzw. geräuscharm fliegende Leichtflugzeuge mit nied
rigen Relativgeschwindigkeiten anwendbar ist. Damit kann ein
Vortrieb eines Fahrzeuges bei einer Unterwasser-Bewegung, z. B.
entsprechend der Bewegung eines Rochens, oder auch gemäß dem
natürlichen Vogelflug nachempfunden werden. Dieser Antrieb ist
aber als verteilter Motor nur unter Nutzung von neuartigen
leistungsoptimierten Magnetmaterialien sinnvoll, wie insbeson
dere der hartmagnetischen Werkstoffe Neodym-Eisen-Bor oder
auch Selten-Erd-Übergangsmetallverbindungen, die mit gering
stem Materialeinsatz geeignete magnetische Polarisierungen er
zeugen können. Beim verwendeten Magnetmaterial kommt es auf
ein hinreichend großes Energieprodukt an, das etwa bei 10 M
Gauß-Oersted oder mehr liegen sollte, was bei Kobalt-Samarium
erreicht werden kann.
Durch den konsequenten Einsatz von Leichtmaterialien läßt sich
eine Einrichtung zum Vortrieb von Wasser- oder Luftfahrzeugen
schaffen, bei der ein rechnergesteuerter Schwänzelantrieb eine
Bewegung nach Art eines integrierten Flügels generiert. Als
Antriebsquelle können insbesondere Batterien, Kraftstoffzellen
oder leichte Turbogeneratoren verwendet werden.
Im Rahmen der Erfindung ist es wichtig, daß bei der koordi
nierten Bewegung aller Einzelglieder des Antriebes hinsicht
lich Phase und/oder Ort jeweils eine adaptive Regelung der
Drehmomente erfolgt. Dafür ist eine Bewegungsoptimierung im
Rahmen eines Selbst-Lernprozesses möglich, wobei zur adaptiven
Regelung der Drehmomente bezüglich Absolutwert, Phase und Ort
die unter Last gemessenen elektrischen Werte sowie die zugehö
rigen Drehwinkel der Einzelglieder als Steuergrößen dienen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei
spielen anhand der Zeichnung. Es zeigen jeweils in schemati
scher Darstellung
Fig. 1 den Schnitt durch ein vielgliedriges Antriebssystem,
Fig. 2 dessen Integration nach Art eines Flügels mit Durch
messerreduktion zum Flügelende und
Fig. 3 das Prinzip der Leitungsverknüpfung an den Flügelen
den.
Die Figuren werden weitgehend zusammen beschrieben:
In Fig. 1 und Fig. 2 ist ein Flügel 1 eines Wasser- bzw.
Luftfahrzeuges, das mit dem Bezugszeichen 2 lediglich angedeu
tet ist, dargestellt. Das Fahrzeug 2 ist im wesentlichen sym
metrisch aufgebaut, so daß sich lediglich ein Teil längs der
Symmetrielinie ergibt. Nach außen bildet der Flügel 1 ein
durchgehendes Gebilde, wogegen es intern aus einer Vielzahl
von Einzelgliedern besteht, die gegeneinander beweglich sind,
so daß sich ein verteilter Antrieb ausbildet. Beispielsweise
sind die Einzelglieder 3 bis 19 dargestellt, die sich zur
Drehmomentenreduktion in Richtung des Flügelendes in ihrem
Durchmesser verringern, worauf weiter unten im einzelnen ein
gegangen wird. Abgeschlossen werden die Einzelelemente 3 bis
19 des Flügels 1 durch ein flexibles Ende 20.
Die Schnittdarstellung in Fig. 1 zeigt einen vergrößerten
Ausschnitt aus Fig. 2 mit fünf Einzelgliedern als Antriebs
elemente, wobei bei diesem Beispiel eine Winkelbewegung von 4°
pro Stufe vorgesehen ist. Insgesamt können dann etwa 50 Stufen
entsprechend Fig. 1 den gesamten Flügel 1 bilden. Anhand der
Teilfig. 1 werden Teilantriebe 40 bis 70 entsprechend den
Einzelgliedern 4 bis 9 der Fig. 2 beschrieben: Jeder Teilan
trieb besteht als einzelner magnetischer Antrieb aus einem
Statormagnet 31, 41..., 71 und einer zugehörigen Feldwicklung
32, 42,..., 72.
Alle Einzelglieder 3 bis 19 mit den Antrieben 30, 40,... sind
in eine vorgespannte widerstandsfähige Kunststoffhülle 21 mit
einer darin befindlichem flexiblen Kunststoffschaumfüllung 22
eingebracht, so daß nach außen hin ein glatt- und großflächi
ger Aufbau gebildet wird. Es sind Ausgleichshohlräume 23 und
24 der Kunststoffschaumfüllung 22 und zwischen den einzelnen
Antriebselementen vorhanden, um deren Bewegung gegeneinander
zu ermöglichen. Zentrisch in dieser Anordnung ist ein durch
gehender Führungskanal 25 angeordnet, in dem eine Lagerkette
26 geführt ist. Diese Lagerkette 26 ist so ausgebildet, daß
von jedem Antriebselement 30, 40 durch gelenkartige Verbin
dungen 35, 45,... die Beweglichkeit jedes Teilelementes in der
Gesamtanordnung gewährleistet ist.
Eine derartige Zentrallagerung mit scharnierartig ausgebilde
ten Teilelementen muß aus leichtem Material unter weitgehen
der Verwendung von Kunststoffen bzw. metallischen Werkstoffen
in Leichtbauweise gebildet sein. Alternativ zum Spalt zwischen
Stator und Wicklung mit Außenlagerfunktion kann entsprechend
stabiles und selbstschmierendes Konstruktionsmaterial verwen
det werden.
Zum Erreichen eines hinreichenden Wirkungsgrades erfolgt eine
Gewicht/Kosten-Optimierung bei geringstmöglichem Einsatz von
ferromagnetischem Material. Insbesondere durch Hochleistungs-
Magnetmaterialien mit optimierten hartmagnetischen Eigenschaf
ten lassen sich bereits mit folienartigem Aufbau geeignete
magnetische Polarisierungen erreichen. Dabei kommt es darauf
an, bei jedem Teilglied 30, 40,... des Antriebes mit den ein
zelnen Statoren 31, 41,... einen geeigneten Magnetfluß mit
entgegengesetzter Polung zum Nachbarn zu erreichen. Entspre
chend lassen sich mit der zugehörigen Feldwicklung entspre
chende Flußführungsstrukturen modellieren, so daß sich ein
hinreichender Wirkungsgrad ergibt. Für die Feldwicklungen
werden dabei vorkonfektionierte Folienschaltungen verwendet.
Letzteres ergibt sich beispielsweise aus Fig. 3, welche im
einzelnen die Leitungsverknüpfung einer Feldwicklung 28 an den
Flügelenden zeigt. Wichtig ist dabei, daß sich ein solcher
Aufbau des Ankers ergibt, der durch die hinreichend große Po
larisation des folienartigen Magnetmaterials im Stator aus
lenkbar und somit gegenüber dem Nachbarglied bis zu einer vor
gegebenen Winkelstellung auslenkbar ist. Die Serienschaltung
der Winkelstellungen aller Einzelglieder ergibt in ihrer
zeitlichen Abfolge die gewünschte Schwänzelbewegung.
Die Aktivierung eines Antriebes mit einem Aufbau gemäß den Fig. 1
und 3 erfolgt mittels üblicher Energiequellen, wie
beispielsweise eine Batterie oder eine Brennstoffzelle. Auch
ein leichter Turbogenerator wäre geeignet. Dabei kommt es da
rauf an, eine Bewegungsoptimierung der Einzelglieder 2 bis 19
gemäß Fig. 2 durch eine adaptive Regelung der Drehmomente in
den einzelnen magnetisch aktivierbaren Teilantrieben 30,
40,... zu erreichen. Dazu müssen Absolutwert, Phase und Ort
koordiniert und adaptiv geregelt werden, so daß sich insgesamt
eine koordinierte Bewegung des beschriebenen Schwänzelantrie
bes ergibt. Hierzu kann ein Rechner, insbesondere Mikrocompu
ter vorhanden sein. Es lassen sich so die unter Last an den
Einzelgliedern des Antriebes gemessenen elektrischen Werte so
wie auch die gemessenen Winkel erfassen, verarbeiten und als
Steuergrößen rückkoppeln.
Insgesamt wird durch die Gesamtkonzeption des Schwänzelantrie
bes ein technisch/wirtschaftlich sinnvoller Aufbau erreicht,
bei dem die Abmessungen bzw. Materialien bezüglich ihrer Fe
stigkeit und Dichte auf das umgebende Medium abgestimmt sind.
Dabei kann für den Einsatz als dynamisch geregelter Tragflügel
eine trimmbare Vorspannung im Aufbau mittels Torsionsfedern
oder dergleichen vorhanden sein. Zur Aktivierung einer kräfte
freien Schwänzelbewegung im gespannten Zustand des Flügels ge
währleistet die große Magnetpolarisation der hartmagnetischen
Werkstoffe auf kleinstem Raum einen maximalen Fluß in der Ver
bundstruktur der Wicklung, wobei deren Gewicht durch geeignete
Materialien gering gehalten wird. Somit läßt sich jedes Ein
zelglied in der Gesamtanordnung individuell aktivieren und die
Vortriebsbewegung generieren.
Für die vorgesehenen Anwendungen alternativ als Unterwasser
fahrzeug oder als Luftfahrzeug lassen sich durch entsprechende
hydrodynamische bzw. aerodynamische Vorgaben die Voraussetzun
gen für einen Vortrieb schaffen. Letzteres kann dann sinnvoll
ausgenutzt werden, wenn lediglich vergleichsweise niedrige Re
lativgeschwindigkeiten benötigt werden.
Claims (16)
1. Einrichtung zum Vortrieb eines Wasser- oder Luftfahrzeuges
mit einem elektromagnetisch aktivierbaren Antrieb, da
durch gekennzeichnet, daß der elektroma
gnetische Antrieb als vielgliedriges System (3-19, 20) mit
gegeneinander beweglichen Einzelgliedern (30, 40,...) ausge
bildet ist, die nach außen großflächig ohne rotierende Teile
einen Flügel (1) bilden (sog. Schwänzelantrieb), der auf der
Basis von flexiblen Kunststoffen und Hochleistungs-Magnetma
terialien aufgebaut ist, wobei zum Vortrieb des Fahrzeuges die
Bewegung der Einzelglieder (30, 40,...) hinsichtlich Phase
und/oder Ort koordiniert erfolgt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Antrieb der Einzelglieder
(30, 40,...) rechnergesteuert erfolgt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß jedes Einzelglied (30, 40,...)
aus einem Stator (31, 41,...) aus Hochleistungs-Magnetmaterial
und einer zugehörigen Feldwicklung (32, 42,...) besteht.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß bei benachbarten Einzelgliedern
(30, 40,...) die Statoren (31, 41,...) jeweils entgegenge
setzte Polungen haben.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Magnetmaterial für die Sta
toren (31, 41,...) ein hartmagnetischer Werkstoff ist, der als
dünne Folie einen hinreichenden Magnetfluß realisiert.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Magnetmaterial aus Neodym-
Eisen-Bor (NdFeB) besteht.
7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Magnetmaterial aus einer
Selten-Erd-Übergangsmetallverbindung mit einem Energieprodukt
10 M Gauß-Oersted besteht.
8. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Feldwicklungen (32, 42,...)
vorkonfektionierte Folienschaltungen sind.
9. Einrichtung nach Anspruch 1 und Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einzelglieder (30,
40,...) aus Stator (31, 41,...) und Feldwicklung (32, 42,...)
in flexiblen Kunststoffschaum (22) eingebettet sind, welcher
von einer flexiblen widerstandsfähigen Kunststoffhülle als
vorgespannte großflächige Außenhaut (21) umgeben ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß zwischen den Statoren (31,
41,...) der Einzelglieder (30, 40,...) einerseits und den
Feldwicklungen (32, 42,...) der Einzelglieder andererseits
Ausgleichshohlräume (23, 24) vorhanden sind.
11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß ein interner Führungskanal (25)
zur Aufnahme einer Lagerkette (26) vorhanden ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Lagerkette (26) aus einzel
nen Elementen (45), die über Gelenke miteinander verbunden
sind, besteht.
13. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß am Ende des Flügels (1) ein
flexibles Element (20) ohne Einzelantrieb aufgebracht ist.
14. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß zur Bewegungsoptimierung der
Einzelglieder eine adaptive Regelung der Drehmomente bezüglich
Absolutwert, Phase und/oder Ort vorhanden ist.
15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch ge
kennzeichnet, daß die unter Last gemessenen elek
trischen Werte sowie die gemessenen Winkel als Steuergrößen
dienen.
16. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß als Energiequelle zum Antrieb
der Einzelglieder (30, 40,...) Batterien, Kraftstoffzellen
oder Turbogeneratoren verwendet werden.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4137952A DE4137952A1 (de) | 1991-11-18 | 1991-11-18 | Einrichtung zum vortrieb eines wasser- oder luftfahrzeuges |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4137952A DE4137952A1 (de) | 1991-11-18 | 1991-11-18 | Einrichtung zum vortrieb eines wasser- oder luftfahrzeuges |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4137952A1 true DE4137952A1 (de) | 1993-05-19 |
Family
ID=6445083
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4137952A Withdrawn DE4137952A1 (de) | 1991-11-18 | 1991-11-18 | Einrichtung zum vortrieb eines wasser- oder luftfahrzeuges |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4137952A1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19916411A1 (de) * | 1999-04-01 | 2000-11-16 | Leif Kniese | Dynamischer Hebel zur Verbesserung der Kraftübertragung |
CN100431919C (zh) * | 2007-08-07 | 2008-11-12 | 哈尔滨工程大学 | 电磁驱动多关节仿生鱼尾推进装置 |
-
1991
- 1991-11-18 DE DE4137952A patent/DE4137952A1/de not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19916411A1 (de) * | 1999-04-01 | 2000-11-16 | Leif Kniese | Dynamischer Hebel zur Verbesserung der Kraftübertragung |
CN100431919C (zh) * | 2007-08-07 | 2008-11-12 | 哈尔滨工程大学 | 电磁驱动多关节仿生鱼尾推进装置 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |