DE69113479T2

DE69113479T2 - Motor mit integrierter arretierung.

Info

Publication number: DE69113479T2
Application number: DE69113479T
Authority: DE
Inventors: Joseph Denk
Original assignee: AlliedSignal Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1990-12-14
Filing date: 1991-11-27
Publication date: 1996-04-04
Anticipated expiration: 2011-11-28
Also published as: DE69113479D1; JPH06502293A; EP0561988A1; JP2814146B2; EP0561988B1; WO1992010873A1; US5233252A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf den Aufbau, die Konfiguration und die Verwendung einer elektrischen Maschine. Insbesondere wird ein Motor an die Verwendung innerhalb eines Betätigungssystems für den Antrieb der vorderen Luftklappe eines Flugzeugflügels angepaßt, die ein periodisches Halten gegen wesentliche Rücktriebskräfte an der Klappe erfordert.

STAND DER TECHNIK

Elektrisch angetriebene primäre Flugsteuerflächen, wie die vorderen Klappen an der Vorderkante, erfordern eine Arretierung oder eine Bremse, um die Motorposition entgegen aerodynamischen Belastungen während des Fluges zu halten, welche Belastungen dazu neigen, das Betätigungssysem zurückzutreiben Bisherige Konstrukrionen haben den Drosselstrom des Motors dazu benutzt, die Bremsfunktion zu liefern. Dies erfordert jedoch, daß eine Wicklung des Motors ständig unter Strom steht, was zu einer unannehmbaren thermischen Belastung führt Die thermischen Belastungen und die ständige Zufuhr von Energie an eine Wicklung ergeben in Kombination eine wesentliche Reduzierung der Verläßlichkeit des Motors. Überdies ist für Betätigungssysteme mit doppeltem Antrieb über elektrische Motoren eine zusätzliche Reibungsbremse nötig, um einen Reaktionspukt für den Betrieb mit: einem einzigen Motor zu liefern. Systeme nach dem vorliegenden Stande der Technik benützen solenoidbetriebene Reibungsbremsen, die baulich groß und der Abnützung unterworfen sind, was eine periodische Wartung und Ersetzung erfordert.
Da von primären Flugsteuerflächen, wie den Antrieben für die Klappe an der Vorderkante, hohe Verläßlichkeit gefordert wird, haben Konstrukteure im allgemeinen triebssysteme mit Hydraulikmotor statt eines Antriebssystems mit elektrischem Motor angewandt. Hydraulische Systeme haben jedoch in einem Plugzeug ihre eigene Reihe von Beschränkungen und Verläßlichkeitsproblemen Demnach ist es wünschenswert, ein in hohem Maße verläßliches Antriebssystem mit elektrischem Motor als Alternative zu hydraulischen Systemen zu haben.
Die US-Patente Nr. 4,709,180 und 4,852,245 offenbaren Motoren hoher Verläßlichkeit mit zahnlosem Stator hoher Energiedichte, die relativ kostengünstig zu produzieren sind, und die die üblichen "T"-förmigen ferromagnetischen Zähne des Statorkernes ausschalten. Die Kupferwicklungen werden in Schlitzbereichen zwischen einander benachbarten, sich radial auswärts erstreckenden Tragflügeln von zylindrischen Tragkonstruktionen aus Kunststoff für die Wicklungen untergebracht. Die Tragflügel und die Tragkonstruktionen für die Wicklungen leiten keinen Magnetfluß und sind relativ dünn; daher können die Schlitzbereiche, in denen die Statorwicklungen untergebracht sind, auf ein Maximum gebracht werden. Die Statorwicklungen können auf einer Form vorgewickelt und leicht in die Schlitze zwischen den Tragflügeln eingesetzt werden. Ein laminierter zylindrischer Flußkern umgibt die Statorwicklungen und die Tragkonstruktion, um eine Verbindung für den magnetischen Fluß für den Rotor zu schaffen.
Permanentmagnete hohen Energieproduktes mit deutlichen Energie zunahmen gegenüber bisher bekannten Permanentmagneten erlauben den ufbau eines Rotors mit Permanentmagneten hoher Stärke für die Verwendung am oben beschriebenen Motor mit zahnlosem Stator; beispielsweise Permanentmagneten mit Samarium und Kobalt mit einem hohen Energieprodukt von 30 MGO (3000 Tesla) oder Neodym-Eisen-Bor-Magnete, die ein Energieprodukt von fünfunddreißig MGO (300 Tesla) haben. Ein Rotor, der einen maximalen Gebrauch von Permanentmagneten mit hohem Energieprodukt mach, ist in dem am 19. Mai 1987 ausgegebenen US-Patent 4,667,123 der Anmelderin geoffenbart. Die Anwendung solcher Permanentmagnete mit hohem Energieprodukt erlaubt den Bau verläßlicher elektrischer Maschinen, die dazu imstande sind, eine hohe Energieabgabe zu liefern.
Das US-Patent US-A-4,510,403 offenbart einen elektrischen Motor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Insbesondere offenbart dieses Patent einen zweipoligen Drehmomentmotor begrenzten Winkels iur die Anwendung bei Proportional-Servosteuersystemen für Hochdruckfluide, der einen praktischen Arbeitswinkel der Welle von ± 45º hat. Der Motor weist ein sich außen über den Umfang erstreckendes Magnetgehäuse für den Statorkern auf, das eine ringförmige Statorwicklung und ein Paar innerer Statorblätter als Magnetpole umgibt, die das magnetische Rotorelement teilweise umrundet. Die magnetischen Polblätter schaffen normalerweise eine Zentrierwirkung für die Rotorwelle, wogegen das äußere Magnetgehäuse mit Luftspalten vorbestimmter Breite versehen ist, das die von den Polblättern des Stators herrührenden Zentriereffekt beeinflußt. Indem man auf der Konstruktionsstufe die richtige Breite des Luftspaltes wählt, ist es möglich, bei einem bestimmten Drehmoment bzw. Energieniveau eine gewünschte Magnetzentrierungs- oder -dezentrierungsfederrate für die Rotorwelle zu erhalten und damit die Netto-Drehmomentabgabe des unter Strom stehenden Motors zu erhalten.
Wenn auch einige der obigen Literaturstellen einen elektrischen Motor im einzelnen schildern, der die geforderte Energie und Verläßlichkeit für die Verwendung in einem Betätigungssystem für den Antrieb primärer Flugflächen besitzt, so bleibt doch das Bremsproblem ein einschränkender Faktor. Demgemäß ist ein elektrischer Motor mit hoher Energiedichte höchst erwünscht, der eine verläßliche Bremse umfaßt.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Zu dem gerade oben vorgebrachten Zwecke wird erfindungsgemäß ein Motor vorgeschlagen, wie er im Anspruch 1 dargelegt ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein zweipoliger, zahnloser Motor eine Einrichtung zum Verändern der Kontinuität des Magnetkreises vor, der in erster Linie durch einen laminierten Statorkern und den zweipoligen Permanentmagneten des Rotors definiert ist. Der Statorkern ist mit diametral einander gegenüberliegenden Luftspalten konstruiert. Ein Paar von Flußblenden sind so geformt, daß sie die Luftspalte ausfüllen, um eine Kontinuität des Magnetkreises im Statorkern zu schaffen. Demnach können die Luftspalte und die dazu passenden Flußblenden eine Anzahl unterschiedlicher Konfigurationen besitzen. Die Flußblenden sind vorzugsweise mit Solenoideinrichtungen verbunden, die die Flußblenden in die Luftspalte hinein- und aus ihnen herausverschieben können, wodurch die Kontinuität des Magnetkreises des Motors verändert wird. Um den Motor zu betreiben, werden die Solenoide so betätigt, daß sie die Flußblenden in die Luftspalte einsetzen. Um den Motor zu bremsen, werden die Solenoide abgeschaltet, wodurch Federn die Flußblenden aus den Luftspalten herausziehen. Die Erhöhung des magnetischen Widerstandes im Magnetkreis veranlaßt die Pole des Permanentmagnetrotors sich auf die Luftspalte auszurichten. Sobald sie einmal in Flucht damit sind, befindet sich der Rotor in einer bevorzugten Ausrichtung und wird beträchtlichen angelegten Drehmomentbelastungen widerstehen. Somit wird der Motor in einer bevorzugten Lage gebremst, wenn die Flußblenden aus den Luftspalten herausgezogen werden.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Betätigungssystem um wechselweise eine Flugsteuerfläche zu bewegen oder in ihrer Lage zu halten, wie es in Anspruch 5 dargelegt ist. Beispielsweise wird bei einer bevorzugten Ausführungsform ein Paar von Motoren gemäß der oben vorgebrachten Konstruktion als Antriebsmotoren in ein Betätigungssystem für eine primäre Flugsteuerfläche eingebaut. Das sich ergebende System schaltet potentiell die Notwendigkeit von Reibungsbremsen aus.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Flugzeuges mit einem Antriebssystem für die Vorderkantenklappe;
Figur 2 ist eine schematische Ansicht der Leistungsantriebseinheit der Fig. 1;
Figur 3 ist eine teilweise Querschnittsansicht eines der Motoren der Fig. 2;
Figur 4 ist eine teilweise Querschnittsansicht nach der Linie 4-4 der Figur 3, welche das Solenoid und die Flußblende in Offenstellung abbildet;
Figur 5 ist eine der Figur 4 ähnliche teilweise Querschnittsansicht, welche die Flußblende in Geschlossenstellung zeigt;
Figur 6 ist ein erstes alternatives Ausführungsbeispiel für die Flußblende und die Solenoidbetätigung, welche die Flußblende in Offenstellung veranschaulicht;
Figur 7 ist eine der Figur 6 ähnliche teilweise Querschnittsansicht, welche die alternative Anordnung der Flußblende in Geschlossenstellung darstellt;
Figur 8 ist ein zweites, in teilweiser Querschnittsansicht gezeigtes alternatives Ausführungsbeispiel mit der Flußblende in Offenstellung;
Figur 9 ist eine der Figur 8 ähnliche Ansicht, welche das zweite alternative Ausführungsbeispiel der Flußblende in Geschlossenstellung darstellt; die
Figuren 10-12 sind vereinfachte Ansichten, welche nur die Kernelemente des Stators und den Permanentmagnetrotor sowie das zugehörige Feld des Magnetflusses und den Magnetkreis des Motors der Figuren 1-9 veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELES

Fig 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Flugzeuges 10 mit einem Betätigungssystem 12 für den Antrieb eines Paares von Vorderkantenklappen 14, 16. Das Betätigungssystem 12 umfaßt eine Leistungsantriebseinheit 18, die erste, zweite, dritte und vierte Betätigungsorgane 20, 22, 24 und 26 antreibt, von denen jedes einzeln an der Vorderkantenklappe 14 befestigt ist. Ein Paar von innenbords gelegenen Drehmomentwellen 28 erstreckt sich von der Leistungsantriebseinheit 18 zu Winkelgetrieben 30 an ihrem außenbordwärts gelegenen Ende Die Winkelgetriebe 30 sind ihrerseits mit Schmelzwellen 32 verbunden, die sich zu den ersten Betätigungsorganen 20 ausstrecken. Erste, zweite und dritte Wellen 34, 36 und 38 verbinden jeweils die ersten Betätigungsorgane 20 mit den zweiten Betätigungsorganen 22, die zweiten Betätigungsorgane 22 mit den dritten Betätigungsorganen 24 und die dritten Betätigungsorgane 24 mit den vierten Betätigungsorganen 26 untereinander. Das Betätigungs- System 12 weist auch eine elektronische Steuerung 40 auf, die mit der Leistungsantriebseinheit 18 verbunden ist, ein Paar von drehbaren Positionswandlern 42 an jeder Seite der Leistungsantriebseinheit 18 sowie drehbare Positionswandler 44 und 46, die am Außenbordende des vierten Betätigungsorgans 26 angeordnet ist.
Im Betrieb wird ein Befehl vom Piloten des Flugzeuges an die elektronische Steuerung 40 gesandt, welche die Leistungsantriebseinheit 18 anweist, die Drehmomentwelle mit relativ hoher Drehgeschwindigkeit zu einer Drehung anzutreiben. Die Betätigungsorgane 20, 22, 24 und 26 umfassen drehmomentvervielfachende, untersetzende Eigenschaften für die Geschwindigkeit, die den Drehausgang zu den Klappen 14, 16 in der Größenordnung zwischen 300 : 1 bis 3000 : 1 wesentlich reduzieren. Daher würden sich die Wellen bei einem Untersetzungsverhältnis der Betätigungsorgane von 2500 : 1 annähernd siebzigmal drehen, um die Klappen 14, 16 über einen Winkel von zehn Grad zu bewegen. Um einen ernsten Schaden am Flugzeug 10 zu verhindern, erhält die elektronische Steuerung 40 Positionssignale von den Wandlern 42 an der Leistungsantriebseinheit 18 und von den Wandlern 44 und 46 am vierten Betätigungsorgan 26. Die elektronische Steuerung 40 vergleicht diese Signale, um festzustellen, ob die Betätigungsorgane von der Leistungsantriebseinheit 18 richtig angetrieben werden. Im Falle, daß die ignale nicht übereinstimmen, aktiviert die elektronische Steuerung 40 eine Bremse innerhalb der vierten Betätigungsorgane 26, welche die Lage der Betätigungsorgane 26 verriegelt. Die elektronische Steuerung 40 schaltet auch gleichzeitig die Energie zur Leistungsantriebseinheit 18 ab, womit das Betätigungssystem 12 wirksam abgeschaltet wird. Während desjenigen Zeitraumes des Fluges, in dem die Klappen 14, 16 nicht zu einer Drehung angetrieben werden, gehen die Motoren 50 in einen Arretierbetrieb über, der im wesentlichen als Bremse wirkt, um auf die Klappen 14, 16 ausgeübten zurücktreibenden Kräften standzuhalten. Dieser Arretierbetrieb wird unten sorgfältiger unter Bezugnahme auf die ins einzelne gehende Zeichnung der Motoren 50 beschrieben.
Die Leistungsantriebseinheit 18 der Fig. 1 mit dem Paar elektrischer Motoren 50 wird schematisch in Fig 2 und im einzelnen im Querschnitt in Fig. 3 veranschaulicht. Jeder elektrische Motor 50 besitzt ein Gehäuse 52, das im wesentlichen zylindrisch ist, und weist zwei Endglocken 54, 56 auf, von denen eine jede jeweils in ihrer Mitte gelegene kleinere, konzentrische, zylindrische Lagertragbereiche 58, 60 umfaßt. Die aus dem Gehäuse 52 und den Endglocken 54, 56 bestehende Einheit ist abgedichtet. Ein Permanentmagnetrotor 62, der vorzugsweise einen in einer Haltebuchse 65 großer Festigkeit aus nicht-magnetischem Material enthaltenen festen, zylindrischen Permanentmagneten 63 aufweist, ist an einer Welle 68 innerhalb des Gehäuses 52 in Lagern 64, 66 gelagert, die in den zylindrischen Lagertragbereichen 58, 60 montiert sind. Der Ausgang über die Wellen 68 ist durch ein Differential 69 (Fig. 2) so angekuppelt, daß sie die innenbords befindlichen Drehmomentwellen 28 des Betätigungssystems 12 antreiben.
Die Motoren 50 weisen einen zahnlosen Stator 51 mit einer Tragkonstruktion 70 für die Wicklungen auf, die im wesentlichen zylindrisch mit einer Mehrzahl von der Länge nach verlaufenden Tragflügeln 72 ist, die sich radial vom zylindrischen Teil auswärts erstrecken, wobei Schlitzbereiche zwischen einander benachbarten Tragflügeln 72 gelegen sind. Wie bei herkömmlichen Statoren mag die Anzahl der Schlitzbereiche verschieden sein. Die Tragkonstruktion 70 für die Wicklungen ist aus nicht- magnetischem Material, beispielsweise einem Hochtemperatur- Kunststoff für Konstruktionszwecke, wie Polyamid-Imid, gefertigt, wobei die Tragflügel 72 und der zylindrische Teil der Tragkonstruktion für die Wicklungen einteilig hergestellt sind.
An Hand der Fig. 3 ist zu bemerken, daß die Tragflügel 72 der Länge nach auf dem zylindrischen Teil der Tragkonstruktion 70 für die Wicklungen mitten zwischen den beiden Enden befestigt sind, wobei Abschnitte an beiden Enden des zylindrischen Teiles der Tragkonstruktion 70 für die Wicklungen keine Tragflügel 72 tragen. Somit ist der zylindrische Teil der Tragkonstruktion 70 für die Wicklungen etwas länger als die Tragflügel 72 und erstreckt sich noch von den Tragflügeln aus an beiden Enden der Tragkonstruktion 70 für die Wicklungen. Die keine Tragflügel 72 tragenden Enden der Tragkonstruktion 70 für die Wicklungen sind dort, wo die Verbindungen zwischen den in den Schlitzbereichen zwischen den Tragflügeln 72 liegenden Abschnitten der Statorwicklungen 76 hergestellt sind und wo die Verbindungsleitungen getragen werden. Die Statorwicklungen 76 können an Formen von isoliertem Magnetdraht vorfabriziert und dann in die Schlitzbereiche zwischen den Tragflügeln 72 an der Tragkonstruktion 70 für die Wicklungen eingelegt werden. Die Statorwicklungen 76 werden typischerweise zwei Leiter aufweisen, die in jedem Schlitzbereich, durch Isolationsstreifen 78 getrennt, untergebracht sind, wobei jeder der Leiter vielfache Wicklungen haben kann.
Figur 4 zeigt die Statorwicklungen 76, wie sie in den Schlitzbereichen rund um die Tragkonstruktion 70 für die Wicklungen gewickelt und montiert sind, sowie ein Paar von Kernelementen 80 des Stators, die aus magnetisierbarem Material, wie Elektrostahl, hergestellt und am Umfange der die Statorwicklungen 76 enthaltenden Tragkonstruktion 70 für die Wicklungen angeordnet sind. Da die Kernelemente 80 des Stators aus magnetisierbarem Material gefertigt sind, das typischerweise leitend ist, ist eine isolierende Auskleidung 84 zwischen dem Innendurchmesser der Kernelemente 80 des Stators und dem Aussendurchmesser der die Statorwicklungen 76 tragenden Tragkonstruktion 70 für die Wicklungen untergebracht. Es ist wesentlich, zu bemerken, daß die einzigen bei dem zahnlosen Stator nötigen Isolatoren die Isolationsstreifen 78 und die isolierende Auskleidung 84 sind Die Statorwicklungen 76 brauchen nicht mit Lack imprägniert zu werden und können daher leicht durch ein durch den Stator 51 strömendes Kühlmittel gekühlt werden.
Die Kernelemente 80 des Stators sind vorzugsweise ein Paar von im wesentlichen teilzylindrischen Elementen, die aus einer Vielzahl von Lamellen 82 hergestellt sind. Jede Lamelle kann erhöhte, rund um ihren Außenumfang angeordnete Abschnitte 86 aufweisen. Die erhöhten Abschnitte 86 haben die Funktion, die Kernelemente 80 des Stators innerhalb des Gehäuses 52 abzustützen, während sie eine Kühlströmung zwischen den Kernelementen 80 des Stators und dem Gehäuse 52 zulassen. Man bemerke, daß bei kleineren Maschinen Ferritelemente die laminierte Konstruktion der Kernelemente 80 des Stators ersetzen können.
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, sind die Kernelemente 80 des Stators derart ausgebildet, daß sie Luftspalte 88 zwischen den einander gegenüberliegenden Enden aufweisen. Ein Paar von Flußblenden 90 sind einander gegenüberliegend am Motor 50 (Fig. 3) angeordnet und so geformt, daß sie in die Luftspalte 88 zwischen den teilzylindrischen Kernelementen 80 des Stators eingesetzt werden und dadurch eine Kontinuität für den Magnetkreis zwischen den Kernelementen 80 des Stators schaffen. Die Fluß blenden 90 der Fig. 3-5 sind als längliche, im wesentlichen "V"-förmige Balken dargestellt, die aus einer Vielzahl von miteinander verbundenen laminierten Blechen aus Elektrostahl gefertigt sind. Die Flußblenden 90 sind vorzugsweise mit einer Einrichtung zum Verschieben der Flußblenden 90, wie Solenoiden 92, verbunden, die die Flußblenden 90 in die Luftspalte 88 hinein- und aus ihnen herauszuverschieben vermögen, wodurch die Kontinuität des Magnetkreises des Motors 50 verändert wird.
Während des Motorbetriebes werden die Spulen 94 der Solenoide 92 unter Strom gesetzt, um einen an der Flußblende befestigten Kolben 95 zum Einsetzen der Flußblenden 90 in die Luftspalte 88 anzutreiben. Sobald sie einmal eingesetzt sind und während des Motorbetriebes wird der den Permanentmagnetrotor 62 umgebende Magnetkreis dazu neigen, die Flußblenden 90 zwischen den Kernelementen 80 des Stators zu halten, um die Kontinuität des Magnetkreises zu wahren. Wenn der Motor nicht in Gebrauch steht, um eine Antriebsabgabe zu liefern, wird die Arretier- bzw. Bremsbetriebsweise in Anspruch genommen, wenn den Solenoiden 92 zugeordnete Federn 98 den Kolben 95 hoch- und die Flußblenden 90 aus den Luftspalten 88 herausziehen. Der Permanentmagnetrotor 62 wird dann seine magnetische Achse 102 auf die Luftspalte 88 ausrichten. Sobald er einmal ausgerichtet ist, befindet sich der den Permanentmagnetrotor 62 umgebende Magnetkreis in einer bevorzugten Orientierungslage und wird angelegten Drehmomentbelastungen widerstehen.
Der Zusammenbau der Kernelemente 80 des Stators, der Flußblenden 90 und der Solenoide 92 wird über der die Statorwicklungen 76 tragenden Tragkonstruktion 70 für die Wicklungen, bei dazwischenliegender Isolationsauskleidung 94, installiert, und die sich ergebende Einheit wird innerhalb des Gehäuses 52 montiert. Der Innendurchmesser der Enden des zylindrischen Teiles der Tragkonstruktion 70 für die Wicklungen wird mit Passung rund um den Außendurchmesser der zylindrischen Lagertragbereiche 58, 60 an den Enden des Gehäuses 52 montiert. Zwischen dem Inneren des Gehäuses 52 und den Außenflächen der Tragkonstruktion 70 für die Wicklungen bildet sich eine Kammer aus, durch welche ein Kühlmittel im Kreislauf geführt werden kann.
Das Gehäuse 52 kann auch einen Einlaßkanal 105 an einem Ende des Gehäuses 52 aufweisen, sowie einen Auslaßkanal 106 am anderen Ende des Gehäuses 52. Es ist somit zu ersehen, daß ein Kühlfluid durch das Gehäuse 52, und zwar durch den Einlaßkanal 105, durch die Statorwicklungen 76 und rund um die Kernelemente 80 des Stators, sowie durch den Auslaßkanal 106 aus dem Gehäuse 52 heraus, im Kreislauf geführt werden kann, um die Statoreinheit des elektrischen Motors 50 zu kühlen. Eine zusätzliche Öffnung 107 im Gehäuse 52 wird dazu benutzt, die Verbindungsleitungen 108 für die Wicklungen von den Statorwicklungen 76 durch das Gehäuse 52 hindurchzubringen, welche Öffnung 107 andernfalls abgedichtet wird. Während im allgemeinen eine aktive Kühlung für Klappenantriebsmotoren nicht erforderlich ist, mag sie andere Verwendungen für den Motor 50 nach der vorliegenden Erfindung begünstigen.
Innerhalb des Motors 50 verlaufen die Kernelemente 80 des Stators über den größten Teil der Bogendistanz zwischen einander gegenüberliegenden Polen des Permanentmagnetrotors 62. Die Zwischenräume zwischen den einander gegenüberliegenden Kanten der Kernelemente 80 des Stators bilden die magnetischen Luftspalte 88. Die Breite der Luftspalte 88 ist einer der Faktoren, welcher die maximale Widerstandskraft gegen ein Drehmoment im Arretierbetrieb für den Motor 50 bestimmt, und kann so ausgelegt werden, daß er im Bereiche von etwas größer als null Grad bis zu dreißig Grad Bogenlänge liegt. Vorzugsweise ist die Breite der Luftspalte 88 annähernd gleich dem Abstande (G) des radialen magnetischen Luftspaltes zwischen dem Außendurchmesser des Permanentmagnetrotors 62 und dem Innendurchmesser der Kernelemente 80 des Stators, um das Drehmoment für das Herausziehen für die Brems- bzw. Arretierposition auf ein Maximum zu bringen. Die genaue Querschnittsform der Luftspalte 88 wird von der Form der Flußblende 90 abhängen, die so ausgelegt ist, daß sie so eng wie möglich in die Luftspalte 88 paßt und zusammen mit den Kernelementen 80 des Stators einen vollkommenen Hohlzylinder komplettiert.
Im Arretierbetrieb entwickelt der Motor 50 auf Grund der bedeutenden Veränderung des Widerstandes des Magnetkreises ein Drehmoment zwischen den Kernelementen 80 des Stators und dem Permanentmagnetrotor 62, wenn die Magnetachse des Permanentmagnetrotors 62 um einen Winkel von der Mittellinie der Luftspalte 88 verschoben wird. Das Drehmoment verstärkt sich auf einen Maximalwert, wenn der Permanentmagnetrotor 62 annähernd fünfundvierzig Grad von der Mittellinie der Luftspalte 88 des Stators 51 gedreht wird. Dann nimmt das Drehmoment ab und erreicht bei neunzig Grad der Relativdrehung einen unstabilen Wert von null. Die magnetische Arretierung schafft eine neue Methode zur Erzeugung eines Haltedrehmomentes ohne Abnützungsteile und erfordert keine Energiezufuhr in den statischen Betriebsarten. Die normale Motorkonstruktion und sein normaler Betrieb werden durch den Einbau der beweglichen Flußblenden 90 und der betätigenden Solenoide 92 nicht signifikant beeinflußt.
Die Figuren 6 und 7 stellen ein alternatives Ausführungsbeispiel dar, welches gleitende Flußblenden 91 und Solenoide 92 zur Verwendung bei der Erfindung eingebaut hat. Bei dieser Ausgestaltung bewegen sich die gleitenden Flußblenden 91 tangential bezüglich des Stators 51. Die gleitenden Flußblenden 91 besitzen eine Form, die sich einem langgestreckten Balken mit rechtwinkligen Dreiecksquerschnitten annähert, wobei die Längsseite gekrümmt ist und vorzugsweise einen Krümmungsradius besitzt, der gleich dem Krümmungsradius des Außendurchmessers der Kernelemente 80 des Stators ist. Die Figur 6 zeigt die gleitende Flußblende 91 in der Offenstellung, wodurch ein Luftspalt 88 zwischen den einander gegenüberliegenden Enden der Kernelemente 80 des Stators erzeugt wird. Wie in den Figuren 4 und 5 weist das Solenoid 92 einen Kolben 95 auf, der an der gleitenden Flußblende 91 befestigt ist und dazu benützt wird, die gleitende Flußblende 91 zurückzuziehen, um den Luftspalt 88 zu bilden, wogegen eine Feder 98 die gleitende Flußblende 91 in die Geschlossenstellung für den Motorbetrieb zurückholt, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist. Es mag ersichtlich sein, daß es bevorzugt sein kann, einander gegenüberliegende Solenoide 92 und zwei einander gegenüberliegende gleitende Flußblenden 91 vorzusehen, wie dies in Fig. 6A abgebildet ist, um dadurch eine Kontinuität innerhalb des Magnetkreises während des Motorbetriebes zu schaffen, und auch um die Geometrie des Luftspaltes während der Unterbrechungs- bzw. Arretierbetriebsweise zu optimieren, wenngleich ein Solenoid 92 und eine gleitende Flußblende 91 ausreichen mag, um die Magnetluftspalte 88 zu öffnen und zu schließen.
Die Figuren 8 und 9 zeigen eine zweite alternative Anordnung für den Motor 50. Bei dieser alternativen Anordnung weist eine Betätigungseinrichtung 120 für die Flußblende einen Drehantrieb 122 und eine drehbare Flußblende 124 auf. Die drehbare Flußblende 124 ist im wesentlichen ein Zylinder, der ein ferromagnetisches, flußdurchlässiges Element 126 aufweist. Die drehbare Flußblende 124 ist so konstruiert, daß sie sich um eine Achse dreht, und das ferromagnetische, flußdurchlässige Element 126 hat die Form eines länglichen Segmentes eines Hohlzylinders und ist innerhalb einer Halbkugel an der drehbaren Flußblende 124 vorgesehen. Wenn die drehbare Flußblende 124 somit um einhundertachzig Grad in die Offenstellung gedreht wird, wie sie in Fig. 8 dargestellt ist, liegt das flußdurchlässige Element 126 in einem Abstand von den Kernelementen 80 des Stators. Während des Motorbetriebes wird die drehbare Flußblende 124 in die Nullage zurückgedreht, so daß das ferromagnetische, flußdurchlässige Element 126 zusammen mit den Kernelementen 80 des Stators einen ununterbrochenen Magnetkreis bildet. Es ist ersichtlich, daß dieses alternative Ausführungsbei spiel einen Querschnitt des Luftspaltes haben wird, der mit der Querschnittsform des flußdurchlässigen Elementes 126 übereinstimmt.
Bei jedem der Ausführungsbeispiele der Figuren 4 bis 9 können die Solenoidspulen 94 bzw. die Betätigungseinrichtung 122 durch einen von einer Schalteinrichtung 130 (Fig. 3) für den Motor gelieferten Strom Energie erhalten. Wenn dem Motor befohlen wird, sich zu drehen, fließt dadurch der Strom, der in einen Satz von Statorwicklungen geschaltet werden soll, anfänglich (beispielsweise) durch die Solenoidspulen 94, so daß er der Spule 94 Energie zuführt und das Solenoid dazu veranlaßt, die Flußblende 90 (oder 91) in den Luftspalt 88 einzuführen, wodurch der Magnetkreis für den Motor 50 vervollständigt wird. Wenn dagegen der Motor nicht unter Strom steht, wird die Energie zum Solenoid 92 abgeschaltet, und die Feder 98 zieht die Flußblenden 90 aus den Luftspalten 88 heraus.
Der Betrieb des Brems- bzw. Arretiermerkmales nach der Erfindung wird am leichtesten durch Bezugnahme auf die Fig. 10- 12 verständlich, in welchen nur der Permanentmagnetrotor 62 und die beiden Kernelemente 80 des Stators abgebildet sind. Der den Permanentmagnetrotor 62 umgebende Magnetfluß ist durch magnetische Feldlinien 110 dargestellt. Die Kernelemente 80 des Stators wirken als magnetisch leichte Flußbahn für den Magnetfluß und verdichten das den Permanentmagnetrotor 62 umgebende Magnetfeld. In Fig. 10 wird die magnetische Achse auf den Luftspalt 88 ausgerichtet, und der Permanentmagnetrotor 62 befindet sich somit an einem bevorzugten Orte mit Nulldrehmoment, ohne Flußverlust zwischen den Enden der Kernelemente 80 des Stators. Wenn jedoch der Permanentmagnetrotor 62 bezüglich der Kernelemente 80 des Stators gedreht wird, gibt es eine Verf ormung des Magnetfeldes, einen Verlust über die Enden der Kernelemente 80 des Stators und einen Widerstand gegen die Drehung.
Die Figur 11 zeigt die Wirkung auf das Magnetfeld, die sich aus einer Drehung des Permanentmagnetrotors 62 über annähernd fünfundvierzig Grad bezüglich der Luftspalte 88 ergibt.
Bei dieser Ausrichtung wird ein beträchtlicher Betrag des Magnetflusses gezwungen, über die Luftspalte 88 zwischen den Enden der Kernelemente 80 des Stators zu streuen. überdies hat der durch den Permanentmagnetrotor 62 hindurchlaufende Magnetfluß auf Grund der Veränderung des Widerstandes des Magnetkreises abgenommen Dieser Veränderung des Flusses widersteht der Permanentmagnetrotor 62 und erfordert Arbeitszufuhr zum Motor 50.
Figur 12 zeigt die unstabile Lage mit Nulldrehmoment, bei der der Permanentmagnetrotor 62 genau um neunzig Grad vom Luftspalt 88 weggedreht worden ist. Bei dieser Ausrichtung wird der gesamte verminderte magnetische Fluß dazu gezwungen, über die Luftspalte 88 zu streuen, und die relative Anziehung zu einer neuerlichen Fluchtung der magnetischen Achse mit den Luftspalten 88 ist im Uhrzeigersinne und im Gegenuhrzeigersinn ausgeglichen. Somit wird in der Neunzig-Grad-Position ein Drehmoment von null auf den Permanentmagnetrotor 62 und die Kernelemente 80 des Stators ausgeübt, und der Permanentmagnetrotor 62 befindet sich in einer unstabilen Lage. Wenn die Ausrichtung der Magnetachse von der Lage von 90 Grad abweicht, wird der Permanentmagnetrotor 62 eine Fortsetzung der Drehung in derselben Richtung vorziehen, um sich wieder auf die Luftspalte 88 auszurichten.
Für Kernelemente 80 des Stators, die aus ferromagnetischem Material mit beliebigen gegebenen Eigenschaften ausgebildet sind, wird ein maximales Drehmoment von einem Magneten mit beliebig gegebenem Durchmesser und beliebiger Länge verwirklicht, wenn die maximale radiale Dicke (Rm) der Kernelemente 80 des Stators durch die Gleichung bestimmt wird:
Rm = Rmag * (Bmag/Bpol)
und die radiale Dicke (R) der Kernelemente 80 des Stators nach der Gleichung variiert:
R = Rm * cos θ
worin: Rmag der Radius des Permanentmagnetrotors 62 ist; Bmag die Flußdichte im Magneten in der Position des geringsten Widerstandes ist; Bpol die optimale maximale Dichte im Flußpoleisen in der Position des geringsten Widerstandes ist [etwa 1,4 T (14 Kilogauss) für Siliziumstahl]; und θ die Winkelabweichung von Rm ist. Somit mag ersichtlich sein, daß die optimale Querschnittskonstruktion, für die Kernelemente 80 des Stators im allgemeinen eine zunehmende Form ist. Da dies für den Motorbetrieb jedoch unpraktisch ist, nähert man sich der bevorzugten Form am besten durch die obige Konstruktion der Flußblenden 90 in den Figuren 4-7 an.
Ferner ist das in einer Widerstandskopplung entwickelte Drehmoment durch die Gleichung gegeben:
T = dE / dθ * K
worin E die magnetische Co-Energie des Systems ist; θ die Winkelverschiebung des Permanentmagnetrotors 62 ist; und K eine Konstante ist. Die maximale Veränderung der magnetischen Co- Energie (E) für eine ideale Kopplung ist eine Funktion der Veränderung der magnetischen Flußdichte für eine Verschiebung um 90 Grad und eine Polstreuung von null. In der Praxis ist das Ideal wegen der zwischen den beiden Kernelementen 80 des Stators existierenden Flußstreuung nicht zu verwirklichen. Obwohl die Streuung durch Verringern der Flußpoldimension Rm reduziert werden kann, hat die höhere Sättigung, welche in der Position des geringsten Widerstandes auftritt, die gegenteilige Wirkung. Es mag verständlich sein, daß in der Position des geringsten Widerstandes und bei vernachlässigbarer Eisensättigung die Flußdichte im Magneten ungeachtet des Verhältnisses zwischen der Breite des Luftspaltes 88 zum Durchmesser des Permanentmagnetrotors 62 (Rmag) gleichmäßig ist, und daß die Dichte im Luftspalt in Sinusform variiert, wobei sie ein Maximum in der Richtung der Magnetisierung des Permanentmagnetrotors 62 ist.
Die Lehren der vorliegenden Erfindung sind offensichtlich für Maschinen unterschiedlicher Größen, Leistungsfähigkeit und Konstruktion zweckmäßig, wie Fachleute zu erkennen vermögen. Insbesondere wird ersichtlich sein, daß herkömmliche Motore an die Lehren hierin angepaßt werden können, obwohl der Aufbau mit einem zweipoligen Permanentmagnetrotor und einem zahnlosen Stator bevorzugt ist Demgemäß wird erwartet, daß der Rahmen der Erfindung nur durch die angefügten Patentansprüche definiert wird.

Claims

1. Elektrischer Motor (50) mit einem Rotorelement (62), das mit einer Ausgangswelle (68) in Antriebsverbindung steht, welches Rotorelement (62) einen ein diametrales Magnetfeld liefernden Magnetteil (63) aufweist, mit einer das Rotorelement (62) umgebenden ringförmigen Statorwicklung (76), welche elektrische Energie erhält und das Rotorelement (62) und die Ausgangswelle (68) für deren Antrieb dreht, und mit einem sich in Umfangsrichtung erstreckenden, magnetisch durchlässigen Statorkern (80) der die Statorwicklung umgibt und eine Pfad für den magnetischen Fluß des Magnetfeldes bildet, welcher Statorkern (80) wenigstens einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden Luftspalt (88) begrenzt, an welchem der Pfad für den magnetischen Fluß in Umfangsrichtung unterbrochen ist, gekennzeichnet durch ein wahlweise bewegliches Flußblendenelement (90), das in einer ersten Stellung den Luftspalt (88) schließt, um den Pfad für den Fluß für den Motorbetrieb in Umfangsrichtung ununterbrochen zu gestalten, und welches Flußblendenelement (90) in einer zweiten Stellung aus dem Luftspalt heraus verschoben ist, um eine magnetische Arretierung zu bilden, wodurch sich ein Magnetpol des Magnetteiles sich auf den Luftspalt (88) ausrichtet und das Rotorelement (62) und die Welle (68) gebremst werden, um ihrer Drehung zu widerstehen, wenn sich das Flußblendenelement (90) in der zweiten Stellung befindet.

2. Motor (50) nach Anspruch 1, bei dem der Magnetteil (63) ein Paar von einander diametral gegenüberliegenden Magnetpolen ausbildet und der Statorkern (80) ein Paar von einander diametral gegenüberliegenden Luftspalten (88) aufweist, welche Luftspalte jeweils durch ein Flußblendenelement (90) schließbar sind.

3. Motor (50) nach Anspruch 2, bei dem jedes Blendenelement (90) für den Magnetfluß radial zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung bewegbar ist, wobei ein Solenoid das Flußblendenelement (90) in eine dieser Stellungen bewegt und ein elastisches Glied (98) das Flußblendenelement (90) nachgiebig gegen die andere Stellung hin belastet.

4. Motor (50) nach Anspruch 2, bei dem jedes Blendenelement (126) für den Magnetfluß jeweils um eine im wesentlichen parallel zum Rotorelement (62) liegende Achse drehbar ist.

5. Betätigungssystem (12) zum wechselweisen Bewegen und Halten der Stellung einer Flugsteuerfläche (14, 16) eines Flugzeuges (10), welches Betätigungssystem (12) einen elektrischen Motor (50) und Übertragungseinrichtungen (20 - 38) für die Energie einer Welle aufweist, die den Motor (50) an die Flugsteuerfläche (14, 16) ankoppeln, um die letztere (14, 16) auf Grund des Betriebes des Motors (50) zu bewegen, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (50) eine Permanentmagnetmaschine mit einem magnetischen Flußkreis ist, der während des Motorbetriebes in Umfangsrichtung ununterbrochen ist, und der während einer Motorbremsung wenigstens eine Unterbrechung des magnetischen Flußkreises mit einem Luftspalt in Umfangsrichtung aufweist, und weiters gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Einsetzen eines Blendenelementes (90) für den Magnetfluß in den Luftspalt, um den magnetischen Flußkreis für den Motorbetrieb ununterbrochen zu gestalten, und zum Entfernen des Flußblendenelementes (90) und zum magnetischen Arretieren des Motors während der Motorbremsung, um die Lage der Flugsteuerfläche (14, 16) zu halten.

6. System (12) nach Anspruch 5, bei dem der Motor (50) ein Rotorelement (62) mit einem Permanentmagneten (63) mit einander diametral gegenüberliegenden Magnetpolen und einen Magnetkreis aufweist, der ein magnetisch durchlässiges Kernelement (80) des Stators umfaßt das das Rotorelement (62) umgibt und den Luftspalt begrenzt in dem das Flußblendenelement (90) aufnehmbar ist.

7. System (12) nach Anspruch 6, bei dem der Luftspalt und das Flußblendenelement (90) jeweils im wesentlichen V-förmig sind, wobei das Flußblendenelement (90) im Luftspalt aufnehmbar ist, um dort die magnetische Unterbrechung in Umfangsrichtung zu schließen.

8. System (12 nach Anspruch E, bei dem die Flußblende (91) im wesentlichen tangential zum Kernelement (80) des Stators bewegbar ist, wobei der Luftspalt, axial gesehen, eine im wesentlichen dreieckige Konfiguration besitzt und die Form des Flußblendenelementes (91) zum Luftspalt komplementär ist.

9. System (12) nach Anspruch 6, bei dem die Form des Luftspaltes im wesentlichen bogenförmig ist und sich radial auswärts auf das Kernelement (80) des Stators hin öffnet, und bei dem das Flußblendenelement (126) eine komplementäre Bogenform besitzt und jeweils um eine Achse im wesentlichen parallel zum Rotorelement (62) drehbar ist, um das Flußblendenelement (126) entweder innerhalb oder mit Abstand außerhalb des Luftspaltes anzuordnen.

10. System (12) nach Anspruch 5, bei der Motor (50) ein Paar von einander diametral gegenüberliegenden Luftspalten aufweist, von denen ein jedes je ein Flußblendenelement (90) aufnimmt.