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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Aktuator für ein Rotorblatt
an einem Drehflügler und
insbesondere auf einen nabenmontierten Aktuator für das Steuern
der Position eines Rotorblatts oder einer daran befestigten Klappe
oder Steuerfläche.
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Hintergrund
der Erfindung
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Ein
Rotorsystem an einem Drehflügler
weist einen an einer Drehwelle montierten Rotorkopf auf. Der Rotorkopf
ist mit Rotorblättern
verbunden, die individuell um eine Blattverstellungsachse schwenkbar sind,
um den Flug des Flugzeugs zu steuern. Bei herkömmlichen Drehflüglern werden
sowohl das Schwenken oder die Anstellung des Blattes als auch die
Ausrichtung der Rotorrandbogenwegebene (der Ebene der Rotorblattrandbögen) bezüglich der
Welle unter Verwendung einer mechanischen Verbindungsanordnung gesteuert,
die typischerweise eine Taumelscheibe aufweist, die mit Steuer-
oder Betätigungsstangen
mit den Rotorblättern
verbunden ist. Die Taumelscheibe weist einen sich drehenden Teil auf,
der die Steuerstangen abstützt
und durch eine Scherenverbindung mit der Rotorwelle verbunden ist. Da
die Taumelscheibe ein starres oder nahezu starres Element ist, ist
die auf die Blätter übertragbare Bewegung
eingeschränkt.
Die Taumelscheibe weist auch einen sich nicht drehenden Teil auf,
der durch ein Lager mit dem sich drehenden Teil verbunden ist. Die
sich nicht drehende Taumelscheibe wird von den Primärsteueraktuatoren
bewegt, um die Anstellung aller Rotorblätter gleichzeitig zu ändern. Für herkömmliche
Hubschrauber haben die Primärsteueraktuatoren
eine niedrige Bandbreite und ist die Betätigung folglich auf konstant
oder einmal pro Umdrehung (1P) an dem Rotor beschränkt. Die
Einbeziehung von Primäraktuatoren
mit einer größeren Bandbreite
erweitert diesen Bereich, aber es bleibt eine körperliche Beschränkung bestehen,
so dass die Rotorblätter
praktisch nur bei N –1,
N und N +1 pro Umdrehung betätigt
werden können,
wobei N die Anzahl von Rotorblättern
ist, dadurch bedingt, dass die Primäraktuatoren mit N pro Umdrehung
betätigt
werden. Die Betätigung
bei diesen höheren
Frequenzen wurde erreicht und wird als Steuerung mit höheren Oberschwingungen
(HHC von englisch ,Higher Harmonic Control') bezeichnet.
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Manchmal
ist es jedoch wünschenswert, Blattbewegungen
mit einer anderen Frequenz als der von einer herkömmlichen
Trimmsteuerung oder HHC-Steuerung ermöglichten Frequenzen zu steuern.
Die Fähigkeit
des Steuern der Rotorbewegung bei mehrfachen und beliebigen Frequenzen
kann bedeutende Vorteile bezüglich
Rotorleistung und Belastungsfaktorkapazität bringen. Die Rotorblattsteuerung
mit diesen Frequenzen kann auch verwendet werden, um Flugzeugvibrationen
und extern abgestrahlten Lärm
zu reduzieren.
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Zum
Beispiel erzeugen der Hubschrauberhauptrotorauftrieb und das Rotorantriebsdrehmoment-Reaktionskräfte und
-momente an dem Hubschrauberhauptgetriebe. Zusätzlich zu diesen primären Flugbelastungen
ist das Flugzeug auch Vibrationsbelastungen ausgesetzt, die von
dem Hauptrotorsystem stammen. Diese Vibrationsbelastungen erzeugen
Vibrationen innerhalb des Flugzeugs, die äußerst lästig und ermüdend für die Passagiere
sind. Die auf den Hauptrotor wirkenden Vibrationsbelastungen werden
dadurch erzeugt, dass die Rotorblätter durch ihre eigene komplexe
Nachlaufströmungsstruktur
laufen. Im Gegensatz zu einem Starrflüglerflugzeug, wo die Flügelnachlaufströmung oder
Wirbelschleppe harmlos hinter dem Flugzeug nachzieht, muss ein Hubschrauberflügel oder
-blatt auf Grund der Drehung des Rotors wiederholt und auf eine
Weise, die unter anderem von dem Gewicht des Hubschraubers und seiner
Vorwärtsgeschwindigkeit
abhängt,
durch seine eigene Nachlaufströmung
laufen. Unregelmäßigkeiten
und räumlich
bedingte Schwankungen in den auftreffenden Luftströmungen bewirken
Vibrationsbelastungen auf das Blatt, was, wenn dieses in die Rotornabe
integriert ist, zu Vibrationsbelastungen führt, die dann auf Cockpit und
Kabine der Zelle übertragen
werden. Der Frequenzgehalt dieser Vibrationsbelastungen wird von
Vielfachen der Anzahl von Blättern
bestimmt (d.h. für
einen Hubschrauber mit 4 Blättern
ist die Grundfrequenz die 4-fache Rotorgeschwindigkeit – zusätzliche,
aber kleinere Beiträge
sind Vielfache davon, z.B. die 8-fache Rotorgeschwindigkeit, die
12-fache Rotorgeschwindigkeit usw.)
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Zusätzlich zu
der Vibration erzeugt die Interaktion der Rotorblätter mit
den Blattwirbeln, die von den während
der Rotation vorangehenden Blättern entwickelt
werden, externen Lärm.
Beim Rotieren des Rotorblatts führt
die sich verändernde
Verteilung des Auftriebs entlang des Blattes und über die
Zeit zu nachlaufenden und abgehenden Wirbeln (konzentrierter sich
drehender Luftströmung).
Bei normalem Flugbetrieb verursachen diese Blattwirbel keine besonderen
Probleme. In bestimmten Fällen
jedoch, zum Beispiel wenn das Flugzeug bei einem Landeanflug sinkt,
kommen die nachfolgenden Blätter
in die Nähe
dieser Blattwirbel und erzeugen einen stoßartigen Lärm oder Schlag. Diese Blatt-Wirbel-Interaktionen
(BVI von englisch ,blade-vortex interactions') erzeugen ein charakteristisches externes
Geräusch, das
in einer großen
Entfernung leicht wahrgenommen werden kann, was die Verwundbarkeit
des Flugzeugs erhöht,
wenn es sich in einer feindlichen Umgebung befindet, und für kommerzielle
Anwendungen zu einem Ärgernis
für die
Gemeinschaft wird.
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Über die
Jahre wurden viele Versuche gemacht, Blatt-Wirbel-Interaktionen
zu reduzieren. Ein beträchtliches
Maß solcher
Versuche hat sich auf Systeme vom passiven Typ gerichtet, in denen
das Blatt dafür
ausgelegt ist, den Wirbel an dem Blattrandbogen zu schwächen. Siehe
dazu zum Beispiel das US-Patent 4 324 530, das ein Rotorblatt mit
einer nach unten gebogenen, verschwenkten, verjüngten spitze (anhedral swept,
tapered tip) beschreibt, was die Intensität des Spitzen-Hinterkantenwirbels
reduziert und dessen Position verschiebt, um das Auftreten von Blatt-Wirbel-Interaktionen
zu reduzieren und die Blattleistung zu verbessern.
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Während passive
Lösungen
eine gewisse Reduzierung der Blatt-Wirbel-Interaktion geleistet haben,
stoßen
diese Arten von Lösungen
bezüglich der
Leistung der Lärmreduzierung
an ihre Grenzen. Um strengere militärische und kommerzielle Anforderungen
zu erfüllen,
müssen
alternative Lösungen
bedacht werden.
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In
letzter Zeit wurden aktive Rotorsteuersysteme vorgeschlagen, um
den Blatt-Wirbel-Interaktionen
entgegenzuwirken. Diese Systeme sind normalerweise dafür ausgelegt,
die Bewegung des Rotorblatts und die nachgezogenen Wirbel zu ändern, um den
Abstand zwischen ihnen zu vergrößern, um
das Ausmaß der
Interaktion zu reduzieren und somit den erzeugten Lärmpegel
zu reduzieren. Eines dieser Systeme wird als Blattneigungsteuerung
mit höheren Oberschwingungen
(HHC, wie zuvor erwähnt)
bezeichnet, wobei die Blattneigung oder Blattanstellung so gesteuert
wird, dass sie den Abstand (miss distance) zwischen den Blättern und
den nachgezogenen Wirbeln maximiert. Dieser Typ von System wurde
ursprünglich
entwickelt, um rotorinduzierte Vibration anzugehen. Die bisherigen
Ergebnisse haben Erfolg bei der Reduzierung von sowohl Vibration
als auch Lärm
unabhängig
voneinander gezeigt. Die Einschränkung
bezüglich
möglicher
Rotorblattbewegungen hat die Forscher jedoch daran gehindert, Vorteile bezüglich sowohl
Lärm als
auch Vibration gleichzeitig zu erreichen. Im Gegensatz dazu haben
die Ergebnisse gezeigt, dass verbesserte Lösungen bezüglich der Vibration generell
die Lärmpegel
erhöhen
und umgekehrt. Andere größere Bedenken
sind sowohl die hohen Belastungen, die als Folge sowohl der von der
Bewegung des gesamten Blattes erzeugten Trägheitsbelastungen auf die Blätter wirken
als auch die hohen Pegel der für
die Steuerung der Blattbewegungen erforderlichen Primärbetätigungsenergie.
Ein zusätzliches
Problem ist die potentielle übermäßige Abnutzung,
die an den für
den Flug entscheidenden Primäraktuatordichtungen
auftritt.
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GB-A-2
213 448 und WO 97/43177 beschreiben jeweils ein System, bei dem
die Nabenaktuatoren in Fluidverbindung mit zusätzlichen Aktuatoren sind, deren
Verlagerung von einem Steuerflächenelement
gesteuert wird, das sich mit der Rotorwelle mitdreht oder ortsfest
ist.
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Ein
anderes aktives Steuersystem wird in dem US-Patent 5 588 800 erörtert. Dieses
aktive Steuersystem ist in einem Hubschrauberrotorblatt montiert
und weist betätigbare
Klappen an dem Rotor auf, die so gesteuert werden, dass sie die
Blatt-Wirbel-Interaktion reduzieren. Ein Aktuator wird verwendet,
um die Bewegung der Klappen zu steuern, und kann entweder mechanisch,
elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch sein. Während das US-Patent 5 588 800
darlegt, dass die Blätter
entsprechend einem vorgeschriebenen Plan so betätigt werden, dass sie die Entwicklung
von BVI reduzieren, gibt es in dem US-Patent 5 588 800 keine Diskussion
darüber,
wie eine solche Steuerung (d.h. der Typ von System, der für die Betätigung der
Klappe verwendet wird) geschaffen wird.
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Das
US-Patent 5 639 215 beschreibt eine ähnliche betätigbare Klappenanordnung. In
dieser Anordnung ist der Aktuator ein mechanischer Aktuator, der
entweder eine Vorrichtung vom Typ mit einer Betätigungsstange, einen Verbindungsmechanismus oder
eine von einem Servo-Motor angetriebene Zahnstange ist. Wie das
US-Patent 5 588 800 beschreibt auch das US-Patent 5 639 215 nicht
den Typ des für
das Steuern des Aktuators verwendeten Systems.
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Alternative
Typen von Systemen für
das aktive Steuern eines Rotorblatts, die piezoelektrische Stücke, Piezofaser-Zusammensetzungen,
PMN-Stapel (d.h. eine Reihe von mit unterschiedlicher Ausrichtung übereinander
gestapelten piezoelektrischen Wafern) und magnetostriktive Stapel
(d.h. Stapel von Terfenol-Stangen, die zum Beispiel von magnetischen
Spulen umgeben sind, die eine Magnetkraft erzeugen, die die Terfenol-Stangen
verlängert)
umfassen, werden momentan untersucht. Diese (auch als smarte Materialien
bekannten) Vorrichtungen sind bezüglich der Verlagerung extrem
eingeschränkt
und erfordern somit komplexe Verlagerungsvergrößerungsmaßnahmen. Insgesamt führt dies
zu einer sehr schwierigen Lösung.
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Obwohl
Systeme des Standes der Technik für das aktive Steuern der Rotorblattinteraktionen
mit dem Blattwirbel erfahrungsgemäß besser sind als passive Systeme,
gehen diese Systeme des Standes der Technik nicht geeignet das realistische
Problem an, das mit der Steuerung einer Klappe oder eines Rotorblatts
mit einer anderen Frequenz als der der Drehgeschwindigkeit der Rotorwelle
verbunden ist.
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Eine
anderes Thema hinsichtlich der Systeme für das Steuern der Blattbetätigung ist
die Notwendigkeit, Energie auf das drehende Blattbetätigungssystem
zu übertragen.
Wenn zum Beispiel ein hydraulisches, pneumatisches oder elektrisches
Betätigungssystem
an der rotierenden Rotornabe montiert ist, dann muss durch irgendeine
Einrichtung (z.B. einen Schleifring) Energie von dem Flugzeug auf
die Rotornabe übertragen
werden. Schleifringe sind jedoch Verschleißteile und weisen Probleme
hinsichtlich der Zuverlässigkeit
und der Instandhaltbarkeit auf. Außerdem macht die Größe solcher
Vorrichtungen die Integration in die Rotornabe und die Übertragungskonstruktion
ziemlich schwierig.
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Ein
System des Standes der Technik für
das Steuern der Betätigung
eines Rotorblatts wurde von der ZF Luftfahrttechnik und EuroCopter
Deutschland entwickelt und an dem BO-105-Hubschrauber getestet.
Bei diesem System wurden die herkömmlichen Blattneigungssteuerstangen
durch Servo-Aktuatoren ersetzt, die es ermöglichten, die Anstellung jedes Blattes
in einem Bereich von 2/Umdrehung bis 6/Umdrehung unabhängig zu
steuern. Dieses System weist mehrere Nachteile auf. Erstens erfordert
die Bewegung des Blatts an der Wurzel eine große Kraft und ist somit nicht
effizient. Außerdem
ist der Servo-Aktuator bei diesem System ein für den Flug entscheidendes Bauteil
und erfordert eine hydraulische Hilfspumpe mit einer hohen Strömungsrate,
um die erforderliche große
Kraft zu bringen. Außerdem schafft
die Notwendigkeit eines hydraulischen Schleifrings Probleme bezüglich sowohl
des Gewichts, der Komplexität
als auch der Zuverlässigkeit und
der Instandhaltbarkeit für
das System.
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Es
besteht deshalb ein Bedarf nach einem verbesserten aktiv gesteuerten
Blattbetätigungssystem
für das
Steuern von Blattneigungs- oder Klappenänderungen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein nabenmontiertes Betätigungssystem
für das
Leisten des Steuerns eines Teils eines Rotorblatts, wie z.B. einer
Klappe, an einem Drehflügler
gemäß den Ansprüchen 1,
12 und 18. Bevorzugte Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
definiert. Das Rotorblatt ist an einer Rotornabe und -welle befestigt,
die sich bezüglich
einer Flugzeugzelle dreht. Das nabenmontierte Betätigungssystem
weist eine an die Flugzeugzelle montierte ortsfeste Haltevorrichtung
und eine an der Rotornabe befestigte drehbare Haltevorrichtung für das gleichzeitige
Drehen mit der Rotorwelle auf.
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Mindestens
ein Nabenaktuator kann vorgesehen sein, der sich in Verbindung mit
dem Rotorblatt dreht und einen Kolben aufweist, der in einem Gehäuse verschieblich
ist. Der Kolben und das Gehäuse
definieren eine Druckkammer in dem Aktuator, die ein mit Druck zu
beaufschlagendes Fluid enthält.
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Eine
Aktuatorverlagerungssteuereinrichtung kann zwischen der ortsfesten
Haltevorrichtung und der drehbaren Haltevorrichtung für das Steuern
der Bewegung des Kolbens in dem Gehäuse angeordnet sein. Ein Teil
der Verlagerungssteuereinrichtung ist an der ortsfesten Haltevorrichtung
befestigt und ein Teil ist an dem Nabenaktuator befestigt.
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Eine
Verbindung kann den Nabenaktuator mit dem Teil des zu steuernden
Blatts verbinden. Die Verbindung ist dafür ausgebildet, den Blattbereich
als eine Funktion der Bewegung des Kolbens in dem Gehäuse zu verlagern.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung weist die Verlagerungssteuereinrichtung einen an der ortsfesten
Haltevorrichtung montierten Stator und ein von der drehbaren Haltevorrichtung
abgestütztes und
relativ dazu drehbares Zwischenglied auf. Entweder der Kolben oder
das Gehäuse
ist an dem Zwischenglied befestigt und das jeweils andere von dem Kolben
und dem Gehäuse
ist an der drehbaren Haltevorrichtung befestigt. Das Zwischenglied
hat eine Mehrzahl von Magneten, die um seinen Umfang herum in der
Nachbarschaft des Stators an der ortsfesten Haltevorrichtung beabstandet
sind, so dass bei der Versorgung des Stators mit Strom ein Magnetfeld geschaffen
wird, das ein Drehen des Zwischenglieds relativ zu der drehbaren
Haltevorrichtung veranlasst. Das Drehen des Zwischenglieds relativ
zu der drehbaren Haltevorrichtung veranlasst die Bewegung des Kolbens
in dem Gehäuse.
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In
einem anderen Aspekt der Erfindung kann ein verformbares Steuerflächenelement
zwischen der ortsfesten Haltevorrichtung und der drehbaren Haltevorrichtung
montiert sein. Das verformbare Steuerflächenelement wird von Steuerflächenaktuatoren
abgestützt,
die an die ortsfeste Haltevorrichtung montiert sind. Die Steuerflächenaktuatoren
sind dafür
ausgebildet, die Steuerflächenelemente
je nach Anweisung zu verformen. Ein Steuerflächenfolger ist in Rollkontakt
mit dem verformbaren Steuerflächenelement
und an dem Kolben des Nabenaktuators befestigt. Wenn der Steuerflächenfolger
um das Steuerflächenelement
herum rollt, bewirkt die Verformung des Steuerflächenelements, dass sich der
Kolben in dem Gehäuse
des Nabenaktuators bewegt.
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Die
oben genannten und andere Merkmale und Vorzüge der vorliegenden Erfindung
werden angesichts der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
davon, wie sie in den begleitenden Figuren dargestellt sind, ersichtlicher.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Zwecks
der Darstellung der Erfindung zeigen die Zeichnungen eine derzeitig
bevorzugte Form der Erfindung. Man sollte jedoch verstehen, dass
diese Erfindung nicht auf die genauen Anordnungen und Mittel beschränkt ist,
die in den Zeichnungen gezeigt werden.
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1 ist
eine Draufsicht auf ein Hubschrauberrotorblatt, das eine betätigbare
Klappe gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufweist.
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2 ist
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Betätigungssystems
für das
Betätigen
einer Klappe an einem Rotorblatt.
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3 ist
eine Seitenansicht einer Ausführungsform
eines nabenmontierten Betätigungssystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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4 ist
eine Vergrößerung eines
Stapels von Permanentmagnetmotoren, die für das Leisten der Blattsteuerung
verwendet werden können.
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5 ist
eine detaillierte Schnittansicht eines der Permanentmagnetmotoren
aus 4.
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6 ist
eine Ansicht von oben auf einen Teil eines Zwischenrings, die dessen
Befestigung an einem inneren Ring mit einem Aktuator zeigt.
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7 ist
eine Ansicht von oben auf die Befestigung einer Haltevorrichtung
an dem sich drehenden inneren Ring in einer Ausführungsform der Erfindung.
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8A–8B stellen
die Betriebsweise eines Permanentmagnetmotors für das Antreiben eines Zwischenrings
dar.
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9 ist
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des nabenmontierten
Betätigungssystems,
das eine mechanische Verbindung für das Betätigen einer Klappe an einem
Rotorblatt aufweist.
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10 ist
eine schematische Schnittansicht einer anderen Ausführungsform
des nabenmontierten Betätigungssystems,
die die Verwendung eines magnetorheologischen Fluids darstellt.
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11 ist
eine schematische Schnittansicht einer anderen Ausführungsform
des nabenmontierten Betätigungssystems,
die die Verwendung eines verformbaren Steuerflächenelements darstellt.
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12 und 12A stellen eine Abwandlung der Ausführungsform
des verformbaren Steuerflächenelements
dar.
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13 ist
eine schematische Schnittansicht einer anderen Ausführungsform
des Permanentmagnetmotors gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Obwohl
die Erfindung in Verbindung mit einer oder mehreren bevorzugten
Ausführungsformen
beschrieben ist, versteht man, dass die Erfindung nicht auf diese
Ausführungsformen
beschränkt
sein soll. Im Gegensatz soll die Erfindung alle Alternativen, Modifizierungen
und Entsprechungen abdecken, die in ihren wie durch die anhängenden
Ansprüche
definierten Umfang einbezogen werden können.
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Eine
bestimmte Terminologie wird hierin nur der Einfachheit halber verwendet
und darf nicht als Beschränkung
der Erfindung betrachtet werden. Zum Beispiel beschreiben Wörter wie „oben", „unten", „links", „rechts", „waagerecht", „senk recht", "nach oben" und „nach unten" nur die in den Figuren
gezeigte Konfiguration. In Wirklichkeit können die Komponenten in jede
beliebige Richtung ausgerichtet sein und die Terminologie sollte
deshalb so verstanden werden, dass sie solche Abwandlungen einschließt, wenn
nicht anders festgelegt.
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Jetzt
wird Bezug auf die Zeichnungen genommen, in denen die Bezugszahlen überall in
den verschiedenen Ansichten entsprechende oder ähnliche Elemente darstellen
und in denen die vorliegende Erfindung dargestellt wird, wie sie
für die
Verwendung in einem Klappenbetätigungssystem
an einem Hubschrauberrotorblatt gedacht ist. Jedoch ist die vorliegende
Erfindung nicht auf eine solche Ausführungsform beschränkt. Zum
Beispiel kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um eine
Blattsteigungssteuerung in verschiedenen Typen von Drehflüglern zu
schaffen. 1 stellt ein Rotorblatt 10 für einen
Hubschrauber dar. Das Rotorblatt 10 weist eine Vorderkante 12 und
eine Hinterkante 14 auf. Das Blatt 10 ist an seinem
Wurzelende 15 an einer Hubschraubernabe H befestigt und
wird in Verbindung damit um eine Drehachse gedreht. Das Blatt 10 weist
ein Spitzenende oder Randbogenende 16 auf, das sich an
dem radial äußersten
Punkt an dem Blatt befindet. Das Randbogenende 16 kann
eine Randbogenkappe 17 aufweisen. Mindestens eine Klappe 18 ist
so an der Hinterkante 14 des Blattes 10 moniert,
dass sie bezüglich
der Hinterkante 14 verschwenkbar ist. Wie gezeigt, kann
sich die Klappe 18 in einer Vertiefung in der Hinterkante 14 befinden.
Alternativ kann sich die Klappe 18 hinter der Hinterkante 14 befinden
und sich komplett oder teilweise entlang der Länge der Hinterkante 14 erstrecken.
Außerdem
können
mehrere Klappen 18 an dem Rotorblatt 10 montiert
sein, die für
das Steuern der Blatt-Wirbel-Interaktionen oder Vibrationen entweder
unabhängig
oder gleichzeitig verschwenkt werden können.
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Jetzt
wird Bezug auf 2 genommen, in der eine schematische
Ansicht eines nabenmontierten Betätigungssystems für das Steuern
des Schwenkens der Klappe 18 gezeigt wird. Wie obenstehend
besprochen, gab es in letzter Zeit mehrere Versuche bezüglich der
Konstruktion eines Betätigungssystems
für das
Steuern von Klappen an Rotorblättern.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Betätigungssystem vor, das verwendet
werden kann, um die Klappenbewegung in jedem beliebigen Rotorsystem
zu steuern, das bei etwa 2/Umdrehung bis zu etwa 6/Umdrehung arbeitet.
Die Betätigung
ist jedoch weder auf diesen Frequenzbereich noch auf eine sinusförmige Erregung
beschränkt.
Die Betätigungsanforderungen
wären von
dem speziellen Anwendungssystem und den Fähigkeiten der Steuersoftware
und Hardware abhängig.
Eine der von der vorliegenden Erfindung angegangenen Beschränkungen
in der Konstruktion ist die Fähigkeit,
die Klappenwinkelstellung und die Frequenzsteuerung während des
Flugs je nach Bedarf anzupassen. Um dieses zu schaffen, muss das
System dafür
ausgelegt sein, eine ausreichende Kraft zu erzeugen, um sowohl aerodynamischer
Belastung als auch Trägheitsbelastungen
entgegenzuwirken. Ferner muss das Betätigungssystem ein ausreichendes
Maß an
Kraft liefern können,
um die Luftlasten zu überwinden,
die bei einem normalen Flug auf die Klappe wirken (d. h. wenn die
Klappe relativ zu dem Blatt bewegungslos gehalten wird). Zum Beispiel
erforderten die Beschränkungen
in der Konstruktion in einem getesteten Modellbetätigungssystem
in einem Mach-Maßstab-Modell
eine Klappenwinkelstellungssteuerung von etwa ±10° und Frequenzen bis zu etwa
125 Umläufen/Sekunde
(Hz), was 5/Umdrehung für
den getesteten Rotor war. Für
ein Rotorblatt im Originalmaßstab
wäre eine
Eingabe von 5/Umdrehung etwa 20 Hz, da sich ein Rotor im Originalmaßstab mit
einer langsameren Geschwindigkeit dreht.
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Um
diese Konstruktionsanforderungen zu erfüllen, ist ein nabenmontiertes
Betätigungssystem mit
Fluidverbindungen zu an dem Blatt montierten Klappenaktuatoren bevorzugt.
Obwohl ein pneumatisches Verbindungssystem verwendet werden könnte, ist
es nicht bevorzugt, da Luft komprimierbar ist. Ein Fluid, z. B.
hydraulisches, ist bevorzugt, da dessen Komprimierbarkeit niedrig
ist und somit eine bessere Steuerung der Klappenbewegung geschaffen ist.
Ein Fluid eines höheren
Moduls kann weitere Vorteile schaffen, sofern der zusätzliche,
durch Zentrifugalkraft erzeugte Druck die Blattkomponentenkapazitäten nicht überschreitet.
Andere Systemtypen, wie z.B. die im Stand der Technik beschriebenen,
wurden in Betracht gezogen, wurden aber als nicht ausreichend für die Verwendung
in einem Rotorsystem im Originalmaßstab befunden. Zum Beispiel
würden, obwohl
ein elektromechanischer Aktuator, wie z.B. ein piezoelektrischer
Aktuator, für
die Steuerung der Klappenbewegung verwendet werden könnte, die momentan
auf dem Markt erhältlichen
Vorrichtungen nicht direkt ein ausreichendes Auslenkungsmaß (z.B. ±10°) für das Steuern
der Klappen schaffen. Um eine ausreichende Auslenkung zu schaffen,
wären komplexe
Amplitudenvergrößerungsvorrichtungen
erforderlich, was zum Bedarf einer sehr großen und schweren Kompo nente
führen
würde.
Folglich werden elektromechanische und mechanische Aktuatoren in
der vorliegenden Erfindung nicht als geeignet betrachtet.
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Das
bevorzugte Betätigungssystem 20 weist ein
Fluidversorgungssystem 22 auf, das mit Druck beaufschlagtes
Fluid an die Fluidaktuatoren liefert. Das Fluidversorgungssystem 22 wird
nachstehend detaillierter erörtert.
Vorzugsweise liefert ein Fluidversorgungssystem 22 separat
an das Betätigungssystem 20,
das sich in jedem Blatt 10 befindet, mit Druck beaufschlagtes
Fluid. Für
einen Hubschrauber mit vier Blättern
würde man
vier separate Fluidversorgungssysteme 22 verwenden. Das
Fluidversorgungssystem 22 ist gemeinsam mit der Rotornabe
H in dieser angeordnet und hat Komponenten, die sich in Verbindung
mit den Rotorblättern 10 drehen.
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Das
Fluidversorgungssystem 22 liefert mit Druck beaufschlagtes
Fluid an mindestens eine Versorgungsleitung 26. Die Versorgungsleitung 26 fungiert
als ein Kanal für
das mit Druck beaufschlagte Fluid. In einer bevorzugteren Ausführungsform
gibt es zwei Fluidversorgungsleitungen 26A, 26B,
wobei eine Versorgungsleitung 26B Fluid liefert für das Betätigen der
Klappe nach oben und die zweite Versorgungsleitung 26A Fluid
liefert für
das Betätigen
der Klappe nach unten.
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Die
Fluidversorgungsleitungen
26A,
26B laufen von
dem Wurzelende
15 durch das Rotorblatt nach außen zu dem
Randbogenende
16 hin. Die Fluidversorgungsleitungen
26A,
26B leiten
das Fluidmedium an einen oder mehrere Aktuatoren
28A,
28B, die
die Betätigung
der Klappen steuern. Ein hydraulisches System
20, das die
Fluidversorgungsleitungen
26A,
26B aufweist, ist
detaillierter in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung mit dem Titel "Actuation System
for an Active Rotor Control System" beschrieben und als
EP 1 175 338 A1 veröffentlicht.
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Jetzt
wird Bezug auf
2 genommen, die eine bevorzugte
Ausführungsform
eines Fluidversorgungs- oder Betätigungssystems
22 gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt. In dieser Ausführungsform ist das Fluidversorgungssystem
22 ein
Permanentmagnetmotor-Fluidversorgungssystem
100. Das Permanentmagnetmotor-Fluidversorgungssystem
100 weist
einen Permanentmagnetmotor
102 auf, der um die Hauptrotorwelle
104 des
Hubschraubers herum montiert ist. Der Permanentmagnetmotor
102 weist
eine fixierte äußere Haltevorrichtung
oder einen fixierten äußeren Ring
106 auf,
an die oder den einer oder mehrere Statoren montiert sind. Ein Zwischenring
107 ist
dem äußeren Ring
106 benachbart montiert
und dreht sich relativ zu ihm. Der Zwischenring
107 wird
von einer inneren Haltevorrichtung oder einem inneren Ring
110 abgestützt, der
wiederum durch einen Rahmen
111 an der Hauptrotorwelle
104 befestigt
ist. Der innere Ring
110 dreht sich mit der gleichen Geschwindigkeit
wie die Hauptrotorwelle
104. Wie untenstehend detaillierter
erörtert
wird, ist der Zwischenring
107 zu einer Drehbewegung relativ zu
dem inneren Ring
110 in der Lage. Eine Mehrzahl von Aktuatoren
112 ist
zwischen dem Zwischenring
107 und dem inneren Ring
110 angeordnet.
Der Einfachheit halber werden diese Aktuatoren
112 hier
Nabenaktuatoren genannt. Die Nabenaktuatoren
112 sind dafür ausgelegt,
Differenzdrehbewegungen zwischen dem Zwischenring
107 und
dem inneren Ring
110 in Fluid-Verlagerung umzuwandeln,
die dann verwendet wird, um die Blattsteuerung, z.B. die Klappenauslenkung,
zu leisten. Man sollte erkennen, dass das ringförmige Element zum Beispiel
eine im Wesentlichen flache ringförmige Scheibe sein könnte, wie
in der in
4 und
5 dargestellten
Ausführungsform,
ohne den Umfang der Erfindung zu beeinträchtigen. Ein Fluid-Betätigungssystem
100,
das Nabenaktuatoren
112 aufweist, ist detaillierter in
der gleichzeitig anhängigen
Anmeldung mit dem Titel "Permanent
Magnet Phase-Control Motor" beschrieben,
die gleichzeitig mit der vorliegenden Anmeldung angemeldet und als
US 6 476 534 B1 veröffentlicht wurde.
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Jeder
Nabenaktuator 112 hat ein bewegliches Element 114,
wie z.B. einen Kolben, das verschieblich in einem Gehäuse 116 angeordnet
ist. Wie in 2 gezeigt, sind die beweglichen
Elemente oder Kolben 114 und das Gehäuse 116 an dem Zwischenring 107 und
dem inneren Ring 110 so befestigt, dass wenn die Drehung
des Zwischenrings 107 in eine Richtung die Komprimierung
eines Nabenaktuators 112 bewirkt, der andere Nabenaktuator 112 sich
ausdehnt (d. h. dekomprimiert). Zum Beispiel zeigt 2 die
Gehäuse 116 für die an
dem Zwischenring 107 befestigten Nabenaktuatoren 112 und die
an dem inneren Ring 110 befestigten Kolben 114. Bei
dieser Ausführungsform
erzeugt eine Differenzdrehung des Zwischenrings 107 in
Bezug auf den inneren Ring 110 im Uhrzeigersinn die Druckbeauschlagung
des Fluids in der Fluidleitung 26A und eine Druckentlastung
des Fluids in der Fluidleitung 26B. Während die dargestellte Ausführungsform
den an jeder Fluidversorgungsleitung 26 befestigten einen
Nabenak tuator 112 zeigt, sollte es leicht ersichtlich sein,
dass es mehr als einen Aktuator geben kann, je nach erforderlichem
Druck, Belastungsteilungsanforderungen und Geometrie, d.h. Platzbeschränkungen
usw.
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Jetzt
wird Bezug auf 3 und 4 genommen,
in denen eine Seitenansicht einer Ausführungsform der Erfindung detaillierter
gezeigt wird. In der erläuterten
Ausführungsform
gibt es vier aufeinander gestapelte Permanentmagnetmotoren 102.
Jeder Permanentmagnetmotor 102 arbeitet unabhängig von
den anderen und ist mit einem Rotorblatt verbunden. Der Einfachheit
halber wird in dieser Beschreibung nur ein Permanentmagnetmotor 102 beschrieben.
Der äußere Ring 106 des
Permanentmagnetmotors 102 ist an einer fixierten Flugzellenhaltevorrichtung 120,
wie z.B. dem Oberteil des Getriebes, befestigt. Der innere Ring 110 ist
durch den Rahmen 111 an der Rotorwelle befestigt. Der Rahmen 111 ist dafür ausgelegt,
eine Torsions-(Dreh-)Bewegung von der Rotorwelle 104 auf
den inneren Ring 110 zu übertragen. Da die Rotorwelle 104 Vibrationsbewegungen
ausgesetzt ist, ist es jedoch wünschenswert, dass
der Rahmen 111 so befestigt ist, dass er keine Vibrationen
oder irgendwelchen anderen Auslenkungen auf den inneren Ring 110 in
den anderen Achsen überträgt. In der
in 3 und 4 dargestellten Ausführungsform
ist der Rahmen 111 eine Scherenverbindung, die die Drehbewegung
von der Hauptrotorwelle 104 auf den inneren Ring 110 überträgt. Ein Ende
der Scherenverbindung 111 ist an einer Druckplatte 124 befestigt,
die an der Hauptrotorwelle montiert ist. Das andere Ende ist an
einer Passung an dem inneren Ring 110 befestigt. Die Scherenverbindung 111 weist
mindestens zwei verstiftete Verbindungen 122 auf, die es
ermöglichen,
dass die Schere eine vertikale und radiale Bewegung der Hauptrotorwelle 104 bezüglich des
inneren Rings 110 aufnimmt.
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In
einer anderen bevorzugteren in 7 gezeigten
Ausführungsform
der Erfindung ist der Rahmen 111 eine Strebe, die an der
Hauptrotorwelle 104 fixiert befestigt ist. Die Strebe 111 weist
ein Gabelkopfende 126 auf, das an einer an dem inneren
Ring 110 gebildeten Passung 128 befestigt ist.
Vorzugsweise wird eine federnd nachgiebige Befestigung verwendet,
um das Gabelkopfende 126 und die Passung 128 sicher
zu befestigten. Genauer sind zwei elastomere Abstandscheiben 130 zwischen
dem Gabelkopfende 126 und der Passung 128 angeordnet. Elastomere
Elemente sind gut bekannt in der Technik und weisen im Allgemei nen
wechselnde Schichten von Elastomer und nicht federnd nachgiebigen
Unterlegscheiben auf. Eine Schraube oder eine ähnliche Befestigungsvorrichtung 132 befestigt
die Strebe 111 an der Fassung 128. Die elastomeren
Unterlegscheiben 130 haben eine niedrige Steife auf gleicher Ebene
(identifiziert durch die als IP gekennzeichneten Pfeile), um eine
radiale und vertikale Bewegung der Strebe 111 zu ermöglichen,
aber haben eine hohe Steife außerhalb
der Ebene (identifiziert durch die Pfeile OP), um eine umfangsmäßige Bewegung oder
Drehbewegung der Strebe zu übertragen.
Noch bevorzugter hat die elastomere Unterlegscheibe eine Steife
auf gleicher Ebene von weniger als etwa 10.000 lb./in und eine Steife
außerhalb
der Ebene von mehr als etwa 100.000 lb./in.
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Während die
Strebe 111 in den oben genannten Ausführungsformen so beschrieben
ist, dass sie eine beschränkte
Bewegung an der Befestigung an dem inneren Ring 110 erlaubt,
wird auch in Betracht gezogen, dass die Strebe 111 an dem
inneren Ring 110 fixiert werden kann, wobei die Befestigung
der Strebe 111 an der Rotornabe dafür ausgelegt ist, beschränkte Auslenkungen
für das
Verhindern der Übertragung
von Vibrationsbelastungen zu erlauben.
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Wie
obenstehend besprochen, wird der Zwischenring 107 drehbar
von der Rotorwelle 104 angetrieben kann jedoch durch die
Anlegung von Strom an den fixierten Teil der Magnetschaltung, den
Stator 142 in 5 und wie nachstehend beschrieben
bezüglich
des inneren Rings 110 unterschiedlich gedreht werden. Diese
Differenzbewegung wird verwendet, um das Klappenbetätigungssystem 20 unter Verwendung
der Nabenaktuatoren 112 anzutreiben. Genauer und mit Bezug
auf 4 und 5 ist der Zwischenring 107 an
einem Lager 134 in dem inneren Ring 110 montiert,
was dem Zwischenring 107 eine Drehbewegung relativ zu dem
inneren Ring 110 ermöglicht.
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In
der dargestellten Ausführungsform
weist das Lager obere und untere Niedriggeschwindigkeitskugel- oder
-wälzlager 134 auf,
die dafür
ausgelegt sind, eine vertikale Bewegung des Zwischenrings 107 bezüglich des
inneren Rings 110 zu verhindern, während sie dem Zwischenring 107 eine
umfangsmäßige Bewegung
oder eine Bewegung auf gleicher Ebene relativ zu dem inneren Ring 110 erlauben.
In einer Maßstabsmodell-Ausführungsform der
Erfindung, die gebaut und erfolgreich getestet wurde, wurde ein
4-Punkt-Kontaktlager mit niedrigem Profil von der Kaydon Corporation,
Muskegon, Michigan verwendet. Ein System im Originalmaßstab würde ein
größeres Lager
erfordern.
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Der
Zwischenring 107 weist einen radial äußeren Teil 136 und
einen radial inneren Teil 138 auf. Der innere Teil 138 ist
an dem Aktuator 112 befestigt. Genauer und mit Bezug auf 2 und 5 ist
der innere Teil 138 des Zwischenrings 107 an dem
Gehäuse 116 des
Aktuators 112 befestigt. Es sollte leicht ersichtlich sein,
dass der innere Teil 138 des Zwischenrings stattdessen
an dem Kolben 114 befestigt sein kann.
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Der äußere Teil 136 des
Zwischenrings 107 weist eine Mehrzahl von Seltene-Erde-Magneten 140 auf,
die um den Umfang des Zwischenrings 107 herum voneinander
beabstandet sind. Die Anordnung der Magneten ist besser in 6 zu
sehen. Die Magneten sind vorzugsweise etwa 0,23 Zoll breit, 0,475 Zoll
lang und etwa 0,20 Zoll voneinander beabstandet. Die Magneten sind
vorzugsweise Neodym-Eisen-Bor, verkauft von Magnetic Applications, Horsham,
Pennsylvania. Die Magneten 140 sind so an die Scheibe montiert,
dass sich die Pole an den benachbarten Magneten abwechseln.
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Wie
in 5 gezeigt, befinden sich die Magneten 140 zwischen
einem Stator 142 und einer Rückführung 144, die beide
an den äußeren Ring 106 montiert
sind. Der Stator 142 befindet sich vorzugsweise über den
Magneten 140 und ist von einem um einen Eisenkern gewickelten
Draht gebildet. Die Rückführung befindet
sich unterhalb der Magneten 140 an dem Zwischenring 107 und
weist schraubenförmig
gewickeltes Siliziumeisenband auf. Bei dem in dem Maßstabmodell
verwendeten Permanentmagnetmotor wurden einhundertsechsundsiebzig
Statoren verwendet. Es gäbe
etwa sechshundert Statoren in einem Dauermagnetphasensteuermotor
im Originalmaßstab.
Der Stator 142 und die Rückführung 144 sind vorzugsweise
aus einem Siliziumeisenmaterial oder einem Kupferkobaltmaterial
gemacht, das unter dem Handelsnamen HYPERCO verkauft wird und hohe
Magnetflussfähigkeiten
hat. HYPERCO wird von Carpenter Technology, Corporation, Lesen, Pennsylvania
verkauft.
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Der
Stator 142 und die Rückführung 144 sind von
dem Zwischenring 107 beabstandet, um dessen freie Bewegung
zu erlauben. Der Zwischenring 107 hat vor zugsweise eine
ausreichende strukturelle Festigkeit, um nicht auszulenken wenn
er einer magnetischen Kraft zu dem Stator 142 hin oder
von dem Stator 142 weg ausgesetzt ist.
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Jetzt
wird wieder Bezug auf 4 genommen. Hochgeschwindigkeitslager 146 werden
verwendet, um die fixierten Komponenten, die den drehenden Komponenten
benachbart sind, zu montieren. In einer Maßstabversion der vorliegenden
Erfindung wurde ein Doppellagersatz mit Zwei-Richtungs-Lagern (ein
Lager vom Winkelkontakttyp, das oben montiert ist und Schubbelastungen
in eine Richtung als auch radiale Belastungen bewältigen kann, und
ein Radialkontaktlager, das unten montiert ist und nur Belastungen
in die radiale Richtung bewältigen
kann) verwendet. Das Doppelpaar leistete eine Abstützung in
die vertikale Richtung, während
das einzelne radiale Kontaktlager eine Abstützung für die Momentbelastungen leistete.
Wie gezeigt, befinden sich vorzugsweise zwei Wälzlager 146 zwischen
dem inneren Ring 110 und dem äußeren Ring 106 oder der
fixierten Haltevorrichtung 120. Die zwei Lager 146 können sich,
wie gezeigt, beide auf derselben Seite des Permanentmagnetmotors 102 befinden oder
eines kann sich oberhalb und das andere unterhalb des Motors 102 befinden,
um potentiell auf den Permanentmagnetmotor 102 wirkende
Torsionsmomente zu verhindern.
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Die
Betriebsweise des Permanentmagnetmotorantriebssystems 22 wird
jetzt erörtert.
Bei normalem Betrieb wird das Drehen der Rotorwelle 104 durch
den Rahmen 111 auf den inneren Ring 110 übertragen
und veranlasst somit den Zwischenring 107 dazu, sich mit
der gleichen Geschwindigkeit wie die Hauptrotorwelle 104 zu
drehen. Das Drehmoment, das durch das Beschleunigen oder Verlangsamen
des Zwischenrings 107 durch an die Statoren 142 gelieferten
Strom erzeugt wird, wird durch die Nabenaktuatoren 112 auf
das Klappenbetätigungssystem 20 übertragen.
Der äußere Ring 106 ist
an der Flugzeugzelle 120 befestigt und bewegt sich deshalb
nicht. Der Zwischenring 107 dreht sich nominell mit dem
inneren Ring 110. Wenn dem Stator 142 kein Strom
zugeführt
wird, dreht sich der Zwischenring 107 mit der gleichen
Geschwindigkeit wie die Rotorwelle 104. Wenn sich der innere
Ring 110 und der Zwischenring 107 mit der gleichen
Geschwindigkeit drehen, werden die Nabenaktuatoren 112 nicht
gedehnt oder komprimiert und wird somit kein Differenzdruck an die
Versorgungsleitungen 26A, 26B geliefert.
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Um
mit Druck beaufschlagtes Fluid an die Versorgungsleitungen 26A, 26B zu
liefern, wird Strom an den Stator 142 angelegt, wodurch
ein Magnetfeld erzeugt wird. Es wird Bezug auf 8A und 8B genommen,
die eine schematische Darstellung der Betriebsweise des magnetischen
Antriebs darstellen. Das Magnetfeld des Stators zieht einen Magneten 140A an
dem Zwischenring 107 zu dem Stator 142 und der
Rückführung 144 hin
an. Wenn der Magnet 140 an dem Stator 142 und
der Rückführung 144 vorbeiläuft, wird
die Richtung des Stroms zu dem Stator 142 hin umgedreht,
was das Magnetfeld dazu veranlasst, den Magnet 140A abzustoßen, während es
gleichzeitig den nächsten,
entgegengesetzt gepolten Magneten 140B zu dem Magnetfeld hin
anzieht. Das führt
dazu, dass das Magnetfeld den Zwischenring 107 dazu zwingt,
sich auf der gleichen Ebene zu bewegen.
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Durch
das Anlegen von Wechselströmen
an den Stator 142 bei einer Frequenz, die schneller (oder
langsamer) ist als die Drehgeschwindigkeit der Hauptrotorwelle 104 und
des inneren Rings 110, kann der Zwischenring 107 bezüglich des
inneren Rings 110 auf eine vibrierende Art beschleunigt
(oder gebremst) werden. Die Differenzdrehbewegung zwischen dem Zwischenring 107 und
dem inneren Ring 110 erzeugt eine Änderung in dem hydraulischen Druck
in den an dem Zwischenring 107 befestigten Nabenaktuatoren 112.
Genauer werden, wenn sich der Zwischenring 107 relativ
zu dem inneren Ring 110 dreht, die Kolben 114 in
den Nabenaktuatoren 112 in ihren jeweiligen Gehäuse 116 verschoben, was
dazu führt,
dass ein Nabenaktuator 112 mit Druck beaufschlagten hydraulischen
Druck entlang einer Fluidversorgungsleitung (z. B. 26A)
liefert. Der andere Nabenaktuator 112 ist einem niedrigeren Druck
ausgesetzt, der Fluid aus der anderen Fluidversorgungsleitung (z.
B. 26B) hydraulisch herauszieht. Das hydraulische System
wird statisch mit Druck beaufschlagt. Der Differenzdruck zwischen den
zwei Fluidleitungen leistet die Klappenbewegung. Dieses mit Druck
beaufschlagte Fluid kann für das
Steuern von Neigungsänderungen
der Klappe an dem Rotorblatt verwendet werden. Da jeder Permanentmagnetmotor 102 getrennt
gesteuert werden kann, kann die Zufuhr von mit Druck beaufschlagtem Fluid
zu jedem Blatt je nach Bedarf angepasst werden.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung so beschrieben wurde, das mit Druck beaufschlagtes
Fluid für
das Betätigen
einer Klappe an ein Rotorblatt geliefert wird, kann die Erfindung
auch für
das Liefern von mit Druck beaufschlagtem Fluid verwendet werden,
um die Neigung des gesamten Rotorblatts zu steuern (als individuelle
Blattsteuerung (IBC von englisch ,individual blade control' bezeichnet).
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Es
wird auch in Betracht gezogen, dass das oben beschriebene Fluidverbindungssystem,
das sich zwischen dem Blatt und dem Permanentmagnetmotor 102 befindet
(d.h. die Fluidversorgungsleitungen 26A, 26B und
die Blattaktuatoren 28A, 28B), durch ein mechanisches
Verbindungssystem ersetzt werden kann, das die bewegten Komponenten
(z.B. das Rotorblatt oder die Blattklappe) direkt mit dem Zwischenring 107 verbindet.
In dieser in 9 schematisch beschrieben Ausführungsform
verlagert die Differenzdrehbewegung des Zwischenrings 107 eine oder
mehrere Verbindungen 200, die die erwünschte Blatt- oder Klappenänderung
erzeugen. Der Fachmann könnte
leicht ein geeignetes Verbindungssystem für die Verwendung in der vorliegenden
Erfindung konfigurieren.
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Eine
andere Anordnung für
den Permanentmagnetmotor
102, die unter bestimmten Umständen bevorzugt
werden kann, wird in
13 gezeigt. In dieser Ausführungsform
ist der Stator
142 unter dem Magneten
140 montiert
und ist die Rückführung
144 darüber montiert.
Die Details aus
13 sind in der gleichzeitig
anhängigen
Anmeldung mit dem Titel "Permanent
Magnet Phase-Control Motor",
angemeldet am gleichen Tag und als
US 6 476 534 B1 veröffentlicht, beschrieben.
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Während obenstehend
ein Permanentmagnetmotor als der Mechanismus für das Steuern der Betätigung des
nabenmontierten Aktuators 112 beschrieben wurde, können in
dem Gesamtsystem stattdessen andere Vorrichtungen verwendet werden.
Zum Beispiel ist mit Bezug auf 10 eine
andere Ausführungsform 300 der
Erfindung gezeigt, die ein magnetorheologisches Fluid verwendet,
um den Aktuator zu steuern. Genauer ist ein Drehkragen 302 drehbar
um die Hauptrotorwelle 304 herum angeordnet. Ein ortsfester
magnetischer Kragen 306 ist um den Drehkragen 302 herum
und davon radial nach außen
montiert. Eine Spule 308 ist an oder in dem ortsfesten
Kragen 306 montiert und elektrisch mit einer (nicht ge zeigten)
Steuereinrichtung verbunden, die vorzugsweise ein bordeigener Prozessor,
wie z. B. der Flugsteuerungscomputer, ist.
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Ein
Zwischenring 310 greift hin- und herbeweglich an dem inneren
Drehkragen 302 an, wie z.B. durch eine (nicht gezeigte)
Feder. Der hin- und herbewegliche Angriff zwischen dem Zwischenring 310 und
dem Drehkragen 302 führt
dazu, dass der Zwischenring 310 mit dem Drehkragen 302 mitdreht, aber
mit relativen Rotationsraten, die variieren können.
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Ein
magnetorheologisches Fluid 312 ist in einer Kammer enthalten,
die mindestens den Zwischenring 310 und den ortsfesten
Kragen 306 voneinander trennt. Magnetorheologische Fluide
sind bekannt und weisen allgemein ein Fluid auf, das metallische
Partikel enthält.
Wenn das magnetorheologische Fluid 312 einem Magnetfeld
ausgesetzt wird, ändern
die metallischen Partikel die Mitnahmekraft, die das Fluid 312 auf
den Zwischenring 310 ausübt. Hochgeschwindigkeitsdichtungen 314 verhindern den
Leckverlust des magnetorheologischen Fluids 312 von der
Stelle zwischen dem Zwischenring 310 und dem ortsfesten
Kragen 306. Ein geeignetes magnetorheologisches Fluid wird
von der Lord Corporation, Cary, North Carolina verkauft.
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Ein
nabenmontierter Aktuator 316 ist an dem Drehkragen 302 und
dem Zwischenring 310 auf eine ähnliche Art befestigt, wie
obenstehend in der ersten Ausführungsform
besprochen. Der nabenmontierte Aktuator liefert mit Druck beaufschlagtes
Fluid, um die Blattklappe zu steuern.
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In
Betrieb veranlasst das Drehen der Hauptrotorwelle 304 den
Drehkragen 302 dazu, sich zu drehen. Wenn dem System 300 keine
magnetische Kraft zugeführt
wird, übt
das magnetorheologische Fluid 312 wenig Mitnahmekraft auf
den Zwischenring 310 aus. Somit dreht sich der Zwischenring 310 mit dem
Drehkragen 302 und es wird kein Druck von dem nabenmontierten
Aktuator 316 auf die Blattklappe ausgeübt.
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Wenn
die Neigung der Blattklappe geändert werden
soll, wird ein elektrischer Strom an die Spule 308 geliefert.
Das von der Spule 308 erzeugte Magnetfeld erhöht die Mitnahmekraft,
die das magnetorheologische Fluid 312 auf den Zwi schenring 310 ausübt. Dies
führt dazu,
dass der Zwischenring 310 sich bezüglich des Drehkragens 302 dreht.
Die relative Bewegung des Zwischenrings 310 und des Drehrings 302 erzeugt
eine Druckänderung
in dem nabenmontierten Aktuator 316, was wiederum eine
Klappenbewegung erzeugt.
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Wenn
die Klappe in ihre Ursprungsposition zurückgebracht wird, wird das Magnetfeld
aufgehoben. Die Federkraft oder Rückführkraft des hin- und herbeweglichen
Angriffs zwischen dem Drehkragen 302 und dem Zwischenring 310 zwingt
den Zwischenring 310 dazu, in seine Anfangsstellung zurückzukehren
und sich wiederum mit dem drehenden Kragen 302 zu drehen.
Um eine Zweiwegebewegung zu erlangen, kann eine Vorspannung auf
mehrere Arten eingeführt
werden, einschließlich
zum Beispiel durch einen konstanten Magnetfluss oder zusätzliche Federn.
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Eine
andere Ausführungsform
der Erfindung 400 ist in 11 gezeigt.
In dieser Ausführungsform ist
eine verformbare Steuerfläche 402 mittels
steifer Steuerflächenaktuatoren 404 an
die Flugzeugzelle montiert. Die Steuerflächenaktuatoren 404 werden von
einem Prozessor für
das Ändern
der Form der verformbaren Steuerfläche 402 gesteuert.
Die verformbare Steuerfläche 402 ist
um die Hauptrotorwelle 406 angeordnet. Ein Steuerflächenfolger 408 ist
an einer Kolbenwelle 410 eines nabenmontierten Aktuators 412 befestigt.
Die Kolbenwelle 410 ist an einem Kolben 414 befestigt,
der sich in einer Kammer in einem Aktuatorgehäuse 416 bewegt. Das
Gehäuse 416 ist
an die Hauptrotorwelle 406 montiert. Eine (nicht gezeigte)
Fluidleitung verbindet den nabenmontierten Aktuator 412 wie
in der ersten Ausführungsform
der Erfindung beschrieben mit der Blattklappe.
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Wenn
sich die Hauptrotorwelle 406 dreht, treibt sie den nabenmontierten
Aktuator 412 um die Achse der Rotorwelle herum an. Der
Steuerflächenfolger 408 rollt
entlang der Innenkontur des verformbaren Steuerflächenelements 402.
Der Prozessor ist darauf programmiert, die Steuerflächenaktuatoren 404 so
zu steuern, dass sie das verformbare Steuerflächenelement 402 in
ein erwünschtes
Profil verformen. Wenn der Steuerflächenfolger 408 über einen Teil
der Innenkontur rollt, der nicht in einem konstanten radialen Abstand
von der Hauptrotorwelle 406 ist, ändert sich der Druck in der
Kammer des Nabenaktuators 412, wobei er die Fluidleitung
entweder mit Druck beaufschlagt oder von Druck entlastet.
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Die 12 und 12A zeigen eine Variation des Steuerflächenbetätigungssystems
in 11. In dieser Ausführungsform 500 ist
das verformbare Steuerflächenelement 502 wieder
an die Flugzeugzelle um die Hauptrotorwelle 506 herum fixiert
montiert. Die Steuerflächenaktuatoren 504 sind
an der Flugzeugzelle befestigt und in dem verformbaren Steuerflächenelement 502 (12A) montiert. Die Steuerflächenaktuatoren 504 sind
an einem Prozessor befestigt, der das Ausdehnen und das Zusammenziehen
der Aktuatoren 504 steuert, wodurch er die Außenkontur 502 des
verformbaren Steuerflächenelements 502 ändert. Ein
Steuerflächenfolger 508 ist
in rollbarem Kontakt mit der Außenkontur
des verformbaren Steuerflächenelements 502.
Der Steuerflächenfolger
ist an einer Kolbenwelle 510 befestigt, die die Verlagerung
eines Kolbens 514 in einem nabenmontierten Aktuator 512 steuert.
Die Bewegung des Kolbens ändert
den Druck des in einer Kammer 516 in dem Nabenaktuator 512 enthalten Fluids,
wodurch die Druckbeaufschlagung der Fluidleitung auf eine der oben
beschriebenen ähnliche
Art gesteuert wird.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine neuartige Art, Energie in das
Rotationssystem zu übertragen,
ohne dass Hilfssysteme für
die Energieversorgung des Betätigungssystems
erforderlich sind. Stattdessen wird die vorliegende Erfindung von
der Drehung der Rotorwelle mit Energie versorgt. Auch hebt das System
den Bedarf an hydraulischen oder elektrischen Schleifringen auf.
Die Lücke
zwischen fixierten und drehbaren Elementen in der vorliegenden Erfindung
wird je nach der Art des verwendeten Betätigungssystems magnetisch oder
mechanisch überbrückt. Außerdem überwindet,
da die Aktuatoren an der Nabe montiert sind, die vorliegende Erfindung die
mit blattmontierten Systemen verbundenen Vibrations- und Zentrifugalprobleme.
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Obwohl
die Erfindung mit Bezug auf die beispielhaften Ausführungsformen
davon beschrieben und dargestellt wurde, sollte der Fachmann verstehen,
dass die vorhergehenden und verschiedene andere Änderungen, Auslassungen und
Hinzufügungen dazu
und davon gemacht werden können,
ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.