WO2022002452A1 - Drohne zur auslösung von seeminen mit elektrischer antriebseinrichtung - Google Patents

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WO2022002452A1 PCT/EP2021/059166 EP2021059166W WO2022002452A1 WO 2022002452 A1 WO2022002452 A1 WO 2022002452A1 EP 2021059166 W EP2021059166 W EP 2021059166W WO 2022002452 A1 WO2022002452 A1 WO 2022002452A1
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magnetic
drone
rotor
axis
designed
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Jörn GRUNDMANN
Michael Wycisk
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Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K23/00—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors
    • H02K23/02—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting
    • H02K23/04—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting having permanent magnet excitation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G7/00—Mine-sweeping; Vessels characterised thereby
    • B63G7/02—Mine-sweeping means, Means for destroying mines
    • B63G7/06—Mine-sweeping means, Means for destroying mines of electromagnetic type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/001—Underwater vessels adapted for special purposes, e.g. unmanned underwater vessels; Equipment specially adapted therefor, e.g. docking stations
    • B63G2008/002—Underwater vessels adapted for special purposes, e.g. unmanned underwater vessels; Equipment specially adapted therefor, e.g. docking stations unmanned
    • B63G2008/004—Underwater vessels adapted for special purposes, e.g. unmanned underwater vessels; Equipment specially adapted therefor, e.g. docking stations unmanned autonomously operating

Definitions

  • the present invention relates to a drone for triggering sea mines, which has an electric drive device for locomotion in the water, the electrical drive device comprising a magnetic device for forming a magnetic field with one or more magnetic elements, which are also used to magnetically trigger the sea mines.
  • Such drones can have their own drive system.
  • the German Navy has remotely controllable boats of the "Seehund" type, which are equipped with a diesel engine Boats built in.
  • the solenoid itself is typically made up of a large number of turns of copper cable.
  • underwater drones for mine clearance are also known, which either have their own drive or can be pulled by other (sub) watercraft.
  • the self-propelled drones can be powered by an electric motor, for example.
  • the magnetic elements of such self-propelled drones can in principle Eil can either be designed as additional magnetic elements or they can fulfill a double function in which, in addition to their function of triggering mines, they also serve to generate a magnetic excitation field in the electric motor.
  • mine clearance systems with a magnetic dual function are described, for example, in DE102016203341A1 and in DE102018217211A1.
  • the electric motors described there in more detail each have a rotor and a stator which nests radially in one another according to a conventional design and are arranged in a common housing. This enables, in particular, a rotationally symmetrical shape of the electric motor and, with a suitable shape, space-saving accommodation in an approximately rotationally symmetrical, torpedo-shaped outer housing of the drone.
  • the rotationally symmetrical design of the electric motor including rotor and stator also means that the magnetic device is usually limited to a rotationally symmetrical shape and a small cross-sectional area matching the cross-section of the torpedo geometry. This applies regardless of whether the Magnetvorrich device is angeord net on the rotor or the stator of the electric motor.
  • the individual magnetic elements of the magnetic device are typically arranged distributed over the circumference of the rotor or stator. Particularly in the configurations in which the magnetic elements are formed as excitation coils, this results in coils with a comparatively small coil area, since their size is limited in at least one spatial direction by the cross-section of the torpedo geometry.
  • the object of the invention is therefore to provide a drone for triggering sea mines which overcomes the disadvantages mentioned.
  • a drone with a Magnetvor direction is to be made available with which the highest possible magnetic dipole moment can be generated.
  • the drone according to the invention is suitable for triggering sea mines. It has an electric drive device for locomotion in the water.
  • the electric drive device comprises a magnetic device for forming a magnetic field and at least one electrically driven rotor.
  • the magnetic device has one or more magnetic elements and is designed to form both the external magnetic field for magnetic triggering of the sea mines and an excitation field for the electromagnetic interaction with the rotor.
  • the at least one rotor has a local axis of rotation which is spaced from the center of the magnetic device.
  • the electrical drive device is designed so that a magnetic flux suitable for triggering sea mines can penetrate into an area outside the drone during its operation.
  • the drive device is designed as a whole in such a way that penetration of such a high part of the magnetic flux into these outer regions is not prevented. It should therefore have a comparatively weak magnetic shielding towards the outside. This can be achieved in particular by choosing suitable, weakly magnetic shielding materials in the area of one or more optionally present housings and / or carriers.
  • the magnetic device can in particular be located in a stationary part of the electric drive device.
  • the excitation winding can be a stationary He excitation winding, which can be considered functionally as a stator of the electric drive device or an electric motor.
  • the excitation winding can include one or more excitation coils, which can be designed in a contiguous or separate manner.
  • the rotor and stator are in any case not nested concentrically inside one another, but their centers are spaced apart from one another.
  • the term "fixed” should be understood to mean a fixed arrangement within the reference system of the drone, within which the electric drive device is mounted. The drone as a whole should of course still be movable in the water as described and therefore not fixed in absolute terms being.
  • the magnetic device thus forms an electric motor together with the rotor, since it acts as an excitation winding and interacts electromagnetically with the rotor.
  • the at least one rotor can, for example, be coupled to a propeller or a drive screw to transmit torque via a rotor shaft.
  • the rotors mentioned can in particular be "individual rotors" - that is, not complete motors - since the magnetic device already fulfills the electromagnetic function of the stator.
  • the at least one rotor can in particular comprise an armature winding.
  • an armature winding (which is also referred to in English as “Armature Winding”) is to be understood here generally as the winding of the drive device, which interacts electromagnetically with the excitation field of the excitation winding and thereby causes the rotor to increase.
  • Armature Winding In the case of an electric motor, this is all the common winding through which electrical energy is introduced into the motor. This applies regardless of whether the electric motor is designed as a direct current motor or as a synchronous motor. Both variants can advantageously be implemented within the scope of the invention, the configuration as a synchronous machine with rotating armature winding generally being rather unusual in the prior art.
  • the essential feature of the drone according to the invention is that the axis of rotation of the rotor is spaced from the center of the Magnetvor direction.
  • the typical concentric arrangement of rotor and stator is therefore specifically deviated from here.
  • This deviation can in particular be so clear that the at least one rotor and the magnetic device are not nested inside one another as in the prior art, but are present as separate elements adjacent to one another can be designed with a much greater freedom of design.
  • this enables significantly greater freedom in the dimensioning and shaping of the individual magnet elements.
  • a particularly high magnetic flux density can be achieved even with a moderate amount of conductors through a correspondingly large dimensioning of both main dimensions.
  • Another essential advantage of the eccentric arrangement of the rotor and stator according to the invention is that it also deviates from the classic concentric air gap geometry and thus greater robustness against external mechanical load effects is achieved. Especially in the case of an advantageous, completely separate execution Due to the distance between the rotor and the stator, a significantly higher sensitivity to shock loads can be achieved than with conventional systems in which a mostly very narrow, uniform, circumferential air gap must be maintained to maintain the function. Due to the anyway existing distance and the waiver of such an air gap, the drive device is much more robust against slight changes in position between the rotor and stator. As a result, the drone is overall significantly more robust against external shock loads, which is particularly advantageous when mines are detonated.
  • the advantages described in the deviation from the classic concentric arrangement of rotationally symmetrical Ro tor and stator is associated with the drone with a loss of the hydrodynamically favorable torpedo-like outer shape.
  • the present invention is based on the knowledge that in the case of a demining drone the disadvantages associated with the corresponding increase in the hydrodynamic resistance can be more than compensated for by the advantages due to the higher achievable magnetic dipole moment.
  • the higher magnetic dipole moment of the drones described is especially important for the magnetic release of mines.
  • the distance between the local axis of rotation of the at least one rotor and the center of the magnetic device can be selected to be so large that the respective rotor is located outside the magnetic device.
  • the spacing is selected so large that the rotor (s) and Magnetvor direction form adjacent, separate elements and do not penetrate each other.
  • the rotor or rotors can in particular also be made significantly smaller than the magnetic device, in particular with a lower total volume per element.
  • the magnetic device can be arranged more in the center or at least in the main body of the drone, and the rotor or rotors can be arranged more in the area of the periphery of the drone, so to speak as "outboard rotors".
  • This separate design of the magnet device and rotor thus facilitates significantly different dimensioning, so that in general the magnet device can also be dimensioned significantly larger than the at least one rotor in order to achieve a particularly high magnetic dipole moment.
  • One or more main dimensions (e.g. length or width) of the magnetic device can advantageously even be a multiple of the corresponding dimensions of the respective rotor.
  • the magnetic device and the at least one rotor can particularly advantageously be arranged in separate housings.
  • These housings are preferably each made of non-magnetic material.
  • the elements mentioned can be used in certain design variants in turn be enclosed by a common drone housing.
  • the individual housings can also merge into one another in such a way that they form sub-modules of a higher-level drone housing.
  • the individual rotor housings can also be connected to the magnet device housing or the drone housing by fastening elements on the outside, similar to an outboard motor on a boat. Similar to there, the rotors can also be movably and in particular pivotably connected to the drone housing, so that their movement can cause a change in the direction of movement.
  • the at least one magnetic element can be designed, for example, as an electrical excitation coil or, alternatively, as a permanent magnet.
  • the spacing of the centers of the rotor (s) and the magnetic device enables increased design freedom in the shaping and dimensioning of the individual magnetic elements and possibly also in their positioning relative to one another.
  • larger magnet elements in particular can advantageously be realized than would be possible with a strictly rotationally symmetrical arrangement that is concentric with the rotor.
  • the basic shape of the entire magnetic device can advantageously differ from a circular-cylindrical basic shape.
  • the permanent magnet can in particular also be a superconductor element acting as a permanent magnet.
  • the at least one magnetic element of the magnetic device is a superconducting excitation coil.
  • a superconducting excitation coil can be supplied with electrical energy, for example, via a direct current source or via an alternating current source. Due to the negligible electrical losses of such a superconducting excitation coil, however, it is basically also possible to operate this winding in the quasi-permanent short-circuit current mode Magnetic field in the short-circuited operating mode drops by less than 1% per hour. Then the excitation coil of such a drone can be charged with an external power source before it is used, and the excitation coil can be operated for a few hours without a power source for the excitation winding (s) during its use, for example. In such an embodiment, electrical connections of the excitation coil can also be dispensed with, as a result of which the thermal losses in the deeply cold environment of the superconducting winding (s) can be reduced.
  • the electric motor can be made smaller and lighter than normal-conducting windings, for example conventional copper windings, with similar power and similar magnetic flux. Due to the low losses, the energy requirement is also lower than with conventional ladders, so that even with permanently powered operation, less electrical power is required, and an energy storage device in the drone can accordingly be designed for lower energy consumption.
  • the drive device can also be designed such that the armature winding in the rotor comprises a superconducting electrical conductor.
  • significantly higher currents and / or significantly higher numbers of turns can be achieved with the same construction volume compared to conventional copper windings.
  • the structural volume and thus also the weight of the drone can be reduced compared to a drive device with normally conductive materials.
  • this material can preferably be designed as a high-temperature superconductor of the material.
  • High-temperature superconductors are superconducting materials with a jump temperature above 25 K and in some material classes above 77 K, where the operating temperature can be reached by cooling with other cryogenic materials than liquid helium. HTS materials are also particularly attractive because, depending on the choice of operating temperature, these materials can have high upper critical magnetic fields and high critical current densities. With them, therefore, high magnetic fields can be generated particularly easily.
  • Such a high-temperature superconducting material can particularly advantageously comprise magnesium diboride and / or a material of the type REBa2Cu30 x , where RE stands for an element of the rare earths or a mixture of such elements.
  • RE stands for an element of the rare earths or a mixture of such elements.
  • the superconducting conductor can advantageously be designed as a strip conductor.
  • the at least one superconducting excitation coil can in particular be designed as a flat coil, for example with the basic shape of a circular coil, a racetrack coil or a rectangular coil (possibly with rounded corners). In execution forms with a plurality of such excitation coils, these can be stacked, for example, coaxially one on top of the other, wherein in particular there can also be an axial distance between the individual coils.
  • the magnet device can advantageously comprise a cryostat container for cooling the at least one superconducting excitation coil.
  • the cryostat container can expediently surround the at least one superconducting coil. Several such coils can also be net angeord within the same cryostat container. In general, there can also be a plurality of cryostat containers in which either one or more such coils are then arranged in each case. It is essential that the respective ge coil is surrounded by the associated cryostat container in such a way that it is thermally insulated from a warm external environment by it.
  • the cryostat container is expediently designed to hold a liquid phase of a cryogenic coolant, so it can in particular be a bath cryostat.
  • cryogenic coolant is at least partially also present in the gas phase within the cryostat container.
  • the cryostat container can particularly advantageously also extend over the center of the magnetic device. This is particularly favorable in connection with the eccentric arrangement of the rotor and magnetic device according to the invention, because the center of the cryostat container does not have to be kept free for the rotor. In other words, the rotor can then generally advantageously be arranged outside the Kryostatbenzol age instead of in its center as in the prior art.
  • the cryostat container can generally advantageously enclose the entire magnet device, which enables a particularly large tank volume for the cryogenic coolant with a simultaneous small overall installation space.
  • the cryostat container is a bath cryostat which is designed to be filled with a liquid cryogenic coolant, in particular liquid hydrogen.
  • a liquid cryogenic coolant in particular liquid hydrogen.
  • the liquid hydrogen can also serve as fuel for an optional consumer, in particular for a fuel cell, which is also located on board the drone.
  • the magnetic device has at least one magnetic dipole axis, the axis of rotation of the respective rotor being spaced from the magnetic dipole axis by no more than ten times the largest outer dimension of the individual magnetic elements.
  • the distance should not be greater than ten times the outer diameter of the individual coils, or, in the case of a non-circular coil shape, no more than ten times the largest outer dimension of the coil. It is particularly advantageous that the distance should not be greater than five times this largest outer dimension of the individual magnetic element.
  • the rotor is located in an area with a comparatively high magnetic flux density, which has a positive effect on the electromagnetic interaction between the rotor and the magnetic device.
  • the mentioned magnetic dipole axis is expediently also an axis of symmetry of the magnetic device at the same time.
  • the Mag net device is not limited to a device for forming a magnetic dipole field, but it can generally also be a device for training a higher-pole magnetic field. This can be particularly advantageous when a more complex magnetic signature is to be simulated to trigger a mine.
  • the advantageous distance range for the distance between the rotor and one of the magnetic pole axes also applies to such higher-pole magnetic devices.
  • the at least one rotor can even be on the magnetic dipole axis or on be arranged one of several magnetic dipole axes. In this area the electromagnetic interaction with the rotor is particularly high.
  • a symmetrical configuration of the overall system can be achieved.
  • Another type of symmetrical configuration of the overall system is also possible if, for example, the at least one rotor lies on a further axis of symmetry of the magnetic device, which in particular runs perpendicular to the dipole axis.
  • the axis of rotation of the rotor can be oriented perpendicular to this magnetic dipole axis according to a first variant embodiment.
  • This alignment is particularly useful when the magnet device and rotor together form a radial flux machine, since the radial flux (related to the axis of rotation of the rotor) is then particularly high.
  • a relatively uniform radial flow can be achieved over the entire circumference of the rotor.
  • a relatively even distribution of flux over the circumference of the rotor is generally advantageous and independent of the exact arrangement and alignment of the at least one rotor by means of a magnetically flux-guiding rotor yoke made of soft magnetic material.
  • a magnetically flux-guiding rotor yoke made of soft magnetic material.
  • Such a rotor yoke can in particular have a special cylindrical shape and be arranged radially within the armature winding with respect to the rotor axis.
  • the axis of rotation of the rotor can be aligned parallel to this magnetic dipole axis.
  • This alignment is particularly useful when the magnet device and rotor together form an axial flux machine, since the axial flux (related to the axis of rotation of the rotor) is then particularly high.
  • the rotor on either the Dipole axis is or only a small distance from it has.
  • the axis of rotation can expediently form a small angle with the magnetic dipole axis, so that the magnetic field lines then nevertheless run essentially in the axial direction of the rotor.
  • the magnetic device can be designed to form an alternating magnetic field as an external magnetic field. This is particularly advantageous if an alternating magnetic field is required to trigger the Seemi.
  • the magnetic device can have one or more excitation coils which are designed to be supplied with an alternating current. This variant is particularly advantageous for a rotor designed for an axial flux machine.
  • this can be designed to form a constant magnetic field as the external magnetic field.
  • the magnetic device can either have one or more permanent magnets and / or one or more excitation coils which are designed to be supplied with a direct current. This ensures that the external magnetic field generated outside the drone is essentially a constant magnetic field in the spatial reference system of the drone.
  • the drone can have several rotors.
  • the individual rotors can in each case enter into electromagnetic interaction with the magnetic device, so that the magnetic device can in particular be a higher-level magnetic device.
  • the drone can then effectively have several electric motors that use a common magnetic device.
  • the individual rotors can then, in particular, independently of one another via separate rotor shafts be connected to associated propellers or drive screws in a load-bearing manner. If the individual rotors or at least the associated propellers or screws are pivotably arranged in the outer area of the drone, this embodiment can produce a particularly agile control behavior of the drone. This agility can be particularly advantageous in conjunction with the operating method described in the as yet unpublished German application with the file number 102019 212 105.5.
  • the drone has one or more flux-guiding elements made of soft magnetic material in the interior of the magnet arrangement.
  • Such soft magnetic elements in the interior of the magnet arrangement can be advantageous in order to strengthen the magnetic dipole moment or the torque density of the electrical machine.
  • a flux-guiding element can have a ring-shaped cross section and in particular be arranged symmetrically around the center of the magnetic device. In other words, it can be located at the central point of the Mag net device where the rotor is located in conventional drive motors.
  • the flux-guiding element (or an arrangement of several flux-guiding elements) can particularly advantageously be arranged centrally in the interior of the magnetic device as a hollow cylinder, hollow sphere or hollow ellipsoid.
  • the drone can overall have a main axis which is aligned along the main direction of movement of the drone. In principle, it can be an axis of symmetry of the drone. Alternatively, the drone can also be designed asymmetrically so that it does not have to have any symmetry with respect to the main direction of movement. In each case, the axis of rotation of the at least one rotor can be offset parallel to the main axis of the drone. It can particularly advantageously be a so-called outboard rotor, as already described above. A Such an outer rotor can in particular be connected to the main housing of the drone in a directionally adjustable manner.
  • the described main axis of the drone can be perpendicular to at least one magnetic dipole axis of the magnetic device. However, this does not necessarily have to be the case, and the magnetic device can advantageously also have any other orientations in relation to the main axis of the drone. This allows a particularly large design leeway with regard to the magnetic signature to be reproduced by the drone.
  • the drone can advantageously be designed to be moved underwater. Alternatively, it can in principle also be designed as a drone floating on a water surface.
  • Figure 1 shows a drone according to the prior art in a schematic longitudinal section
  • Figure 2 shows an electric drive motor from such a drone in a schematic cross section
  • Figure 3 shows a cross-sectional view of a further conventional electrical drive
  • FIGS 4 to 6 show electrical drive devices according to different embodiments of the invention.
  • Figure 7 shows an embodiment for a drone in a perspective view.
  • elements that are the same or have the same function are provided with the same reference symbols.
  • a drone 1 according to the prior art according to DE 102018 217 211 A1 is shown in a schematic longitudinal section. Shown is an elongated drone that is designed to move underwater. It has a drive screw 5 in its rear part (shown on the left in the drawing). The drone is therefore equipped with an independent drive system, the drive screw 5 being driven here via the rotor shaft 7 of an electrical drive device 3. In this exemplary embodiment, this drive device 3 takes up a large part of the available interior space of the drone.
  • the drive device 3 has a rotor 10, which is arranged on the rotor shaft 7 and is coupled to it in a torque-locking manner so that the drive screw 5 can be driven via the rotor shaft 7.
  • the drive device 3 also has a stator 11 which is arranged radially outside the rotor 10 and surrounds it concentrically. So this is an inner rotor motor.
  • the external stator has an excitation winding and the internal rotor has an armature winding.
  • the drone 1 is shaped like a torpedo, and accordingly the conventional drive device 3 with a concentric rotor and stator is essentially circular-cylindrical and elongated.
  • FIG. 2 shows a schematic cross section of a conventional electric drive device 3 for such a Droh ne, also according to the prior art according to DE 102018 217 211 A1.
  • the outer stator 11 surrounds the inner rotor 10 in an annular manner, the rotor 10 being mounted rotatably about the central axis of rotation A10.
  • the rotor 10 comprises an armature winding 20 which is embedded in the armature slots of a rotor yoke.
  • the external stator 11 carries a magnet net device 30, which has four permanent magnets with radially orientated magnetic north poles N and south poles S as magnetic elements 31 in this conventional example.
  • the supporting parts of the stator 11 are made of amagnetic materi al, so that the superordinate magnetic field B of the machine can penetrate far radially outward and is also available outside the drone as a sufficiently strong external magnetic field for magnetic triggering of sea mines.
  • the armature winding 20 can be connected to an alternating current source, for example.
  • the center Z of the magnetic device 30 is due to the coaxial geometry exactly on the axis of rotation A10 of the Ro sector.
  • FIG. 3 shows a cross-sectional illustration of a further conventional electric drive 3, in which the center Z of the magnetic device 30 is likewise on the axis of rotation A10 of the rotor.
  • the rotor 10 is shown here only very schematically and roughly divided into a radially inner Ro torjoch 21 and a radially outer armature winding 20 carried by this ge.
  • the magnet device 30 of the Sta tor has only two magnet elements 31, which are each designed here as superconducting excitation coils. It can for example be circular coils or Rennbahnspu sources. These two excitation coils 31 are arranged coaxially to a common magnetic dipole axis A30.
  • the center Z of the magnetic device lies at the intersection of the axes A10 and A30 and thus in turn on the axis of rotation A10.
  • the magnetic field generated by the magnetic device is represented here by field lines B.
  • a relatively strong radial part of the magnetic flux density can also be seen in the area of the rotor for the small number of only two magnetic elements 31 present here. This is due to the flux-shaping effect of the magnetically soft rotor yoke 21.
  • the two superconducting coils 31 are each embedded in a separate cryostat container 33 and are each cooled there by a cryogenic coolant.
  • the center Z of the magnetic device must, however, be kept free from the volume of the cryostat and thus from the cryogenic coolant, since the rotor 10 is arranged here.
  • Figure 3 is intended to clarify how the magnetic field B is shaped when there is a concentric arrangement of rotor 10 and magnet device 30, even if magnet device 30 here with only two excitation coils deviates significantly from a circularly symmetrical shape, at least in its outer contour.
  • FIG. 4 shows a sectional view of an electrical drive device 3 from a drone according to a first example of the invention.
  • the drive device has a magnetic device 30 which, similar to FIG. 3, includes two separate magnetic elements 31.
  • these magnetic elements are designed as superconducting excitation coils, of which two coil legs are visible in the cross section shown.
  • the basic shape of these excitation coils can in principle be of any desired type, with the flux lines shown again being calculated for a circular coil geometry.
  • the two excitation coils 31 coaxially surround a common magnetic dipole axis A30.
  • the drive device shown here has two rotors 10, which are not arranged in the center of the magnetic device, but eccentrically to it.
  • the two rotors 10 surround the magnetic device 30 symmetrically in this example. However, this is not absolutely necessary, and it is basically sufficient if only a single such rotor is arranged at a distance from the center of the magnetic device.
  • the distance d between the local axes of rotation A10 of the rotors 10 and the center Z of the Magnetvor direction is selected here so large that the two rotors are completely outside the magnetic device.
  • an sufficiently high radial flow must be given.
  • each of the two rotors 10 together with the magnetic device 30 forms a radial flow machine.
  • the soft magnetic rotor yoke 21 causes a radial flux formation in the vicinity of the respective rotor 10.
  • the radial flux is not point symmetrical here with respect to the rotor center, but such symmetry was not achieved in the example of FIG sufficiently high total flux density can be tolerated.
  • the distance between the rotors and the magnetic dipole axis A30 is not selected too large. In the example shown, this distance is only slightly more than the outer diameter D of the two excitation coils.
  • the two excitation coils are embedded together in a higher-level bath cryostat 33 and are cooled there by a cryogenic coolant 34 which flows around the two coils.
  • This coolant can be, for example, liquid hydrogen or also liquid nitrogen or another suitable coolant. Since the center Z of the magnetic device does not have to be kept free for the rotor here, the volume of such a common cryostat container 33 can be selected to be comparatively large without the overall space required increasing too much.
  • the liquid hydrogen can also be used particularly advantageously to operate a fuel cell that is optionally available in the drone.
  • the arrangement shown of two magnetic elements 31 is only to be understood as an example. In principle, such a magnetic element is also sufficient to generate a suitable magnetic field both for the operation of the at least one rotor and for triggering the mine. Alternatively, you can also There may be more magnetic elements and these can also have different orientations in order to generate a higher-pole magnetic field overall.
  • the magnet device can optionally have an additional magnet device housing 32 around the cryostat container 33. This can also be part of an outer drone housing or at least locally merge into such a drone housing.
  • the rotors 10 can each optionally be surrounded by their own housings, which is only indicated by way of example in the left part of the drawing by the rotor housing 22.
  • FIG. 5 shows a sectional illustration of an electric drive device 3 from a drone according to a second example of the invention.
  • the magnetic device 30 is configured here overall in a similar way to the example in FIG. 4.
  • it comprises two superconducting excitation coils 31 which are arranged in a common cryostat container 33 and coaxially surround a common dipole axis A30.
  • the drive device 3 has two individual rotors 10, which are located outside the magnetic device.
  • the two rotors are here on the magnetic dipole axis A30.
  • This arrangement on the dipole axis enables a particularly high magnetic flux density to be achieved in the area of the rotors 10.
  • the flux component in the direction of the magnetic dipole axis A30 is higher than perpendicular to it, but thanks to the soft magnetic rotor yoke 21, a sufficiently high radial flux can still be achieved over the entire circumference of the respective rotor to electrically power the rotors after the radial flux machine has been operated to be able to drive.
  • the illustrated magnetic field lines B were calculated similarly to FIG. 4 for the case that no additional flux-guiding material is arranged in the interior of the magnetic device 30.
  • Such an optional flux-guiding element 35 which is arranged as a hollow sphere around the center Z, is shown here by way of example by dashed lines. The influence of this element on the field course is not shown here, but there is above all outside the magnetic device 30 a significant strengthening of the magnetic dipole moment or the torque density of the electric drive formed.
  • FIG. 6 shows a sectional illustration of an electric drive device 3 from a drone according to a third example of the invention.
  • the Magnetvor device 30 is designed similarly to the two previous examples.
  • the interaction of each rotor 10 with the magnetic device in turn forms its own radial flux machine.
  • Each rotor 10 is arranged at a comparatively small distance from the magnetic dipole axis A30, so that there is a comparatively high magnetic flux density there.
  • the local alignment of the individual axes of rotation A10 is in the third exemplary embodiment, as well as in the two previous examples, perpendicular to the dipole axis A30.
  • this alignment does not have to be fixed, but it can only be a basic position, for example, from which the individual rotors 10 can be pivoted. With such a temporary change in alignment, particularly agile control or maneuvering of the drone can be achieved.
  • a radial flux machine is formed overall by each of the rotors.
  • the rotors 10 can be in a similar position to that of the Example of Figure 5, but they can be aligned with their axes of rotation parallel to the magnetic pole axis A30. So each of the rotors can then form an axial flux machine together with the Magnetvor direction.
  • FIG. 7 an embodiment for a drone 1 is shown in perspective. Shown is a Droh ne, which differs significantly in its outer shape from the hydrodynamically particularly favorable elongated and rotationally symmetrical torpedo shape's rule. It is clearly thickened in its front area with respect to the main direction of movement A1 and not rotationally symmetrical, but in the manner of a disk, so that the drone is significantly wider in one of the transverse directions than in the other.
  • the magnet device which is encapsulated here by its own magnet device housing 32, is arranged in this thickened area. This can for example be a coaxial arrangement of several circular cylindrical excitation coils which, similar to the examples in FIGS.
  • the drive device of the drone also has two rotors 10, which are arranged laterally next to the magnetic device, so that they are spaced apart from the magnetic dipole axis A30. This corresponds to a configuration similar to that in the example in FIG. 4.
  • the individual rotors can optionally be pivoted out of the basic orientation shown in order to effect a targeted directional control of the drone.
  • the number and arrangement of the individual rotors is only to be understood as an example, and many other configurations are possible.
  • the inventive eccentric arrangement of the magnetic device and rotor (s) achieved that a- On the one hand, a large field of design variants is opened up and, on the other hand, particularly extensive magnetic elements can be implemented, which contributes to the achievement of particularly high magnetic dipole moments. These magnetic fields can be used inside the drone for the electric drive and outside the drone to trigger the sea mines.

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Abstract

Es wird eine Drohne (1) zur Auslösung von Seeminen angegeben, welche eine elektrische Antriebseinrichtung (3) zur Fortbewegung im Wasser aufweist, - wobei die elektrische Antriebseinrichtung (3) eine Magnetvorrichtung (30) zur Ausbildung eines Magnetfeldes (B) und wenigstens einen elektrisch angetriebenen Rotor (10) umfasst, - wobei die Magnetvorrichtung (30) ein oder mehrere Magnetelemente (31) aufweist und dazu ausgelegt ist, sowohl das externe Magnetfeld zur magnetischen Auslösung der Seeminen als auch ein Erregerfeld für die elektromagnetische Wechselwirkung mit dem Rotor (10) auszubilden, - wobei der wenigstens eine Rotor (10) eine lokale Rotationsachse (A10) aufweist, welche von dem Zentrum (Z) der Magnetvorrichtung (30) beabstandet ist.

Description

Beschreibung
Drohne zur Auslösung von Seeminen mit elektrischer Antriebs einrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drohne zur Auslösung von Seeminen, welche eine elektrische Antriebseinrichtung zur Fortbewegung im Wasser aufweist, wobei die elektrische An triebseinrichtung eine Magnetvorrichtung zur Ausbildung eines Magnetfeldes mit einem oder mehreren Magnetelementen umfasst, welche auch zur magnetischen Auslösung der Seeminen dienen.
Bei herkömmlichen Systemen zur Fernräumung von Seeminen wer den unbemannte Drohnen eingesetzt, die zur Auslösung von Mag netminen mit magnetischen Spulen oder mit Permanentmagneten ausgestattet sind. Diese Magnetelemente erzeugen starke Mag netfelder, die die Seeminen zur Detonation bringen können. Dabei sind die Drohnen so ausgeführt, dass sie durch die De tonation bei dem für die Auslösung typischen Abstand keinen Schaden nehmen.
Solche Drohnen können über ein eigenes Antriebssystem verfü gen. Beispielsweise verfügt die Deutsche Marine über fern steuerbare Boote des Typs „Seehund", welche mit einem Diesel motor ausgestattet sind. Hierbei ist das Magnetelement als Magnetspule ausgebildet und zur Auslösung der Minen in den Rumpf der fernsteuerbaren Boote integriert. Die Magnetspule selbst ist dabei typischerweise aus einer Vielzahl von Win dungen aus Kupferkabel gebildet.
Neben solchen an der Oberfläche schwimmenden Drohnen sind auch Unterwasserdrohnen zur Minenräumung bekannt, die entwe der auch über einen eigenen Antrieb verfügen oder von anderen (Unter-)Wasserfahrzeugen gezogen werden können.
Die selbstangetriebenen Drohnen können beispielsweise durch einen Elektromotor angetrieben sein. Generell können bei sol chen selbstangetriebenen Drohnen die Magnetelemente prinzipi- eil entweder als zusätzliche Magnetelemente ausgeführt sein oder aber sie können eine Doppelfunktion erfüllen, bei der sie neben ihrer Funktion zur Minenauslösung außerdem zur Er zeugung eines magnetischen Erregerfeldes in dem Elektromotor dienen. Derartige Minenräumsysteme mit magnetischer Doppel funktion sind beispielsweise in der DE102016203341A1 sowie in der DE102018217211A1 beschrieben. Die dort näher beschriebe nen Elektromotoren weisen jeweils einen Rotor und einen Sta tor auf, welche nach gängiger Bauweise radial ineinanderge schachtelt und in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Dies ermöglicht insbesondere auch eine rotationssymmetrische Ausformung des Elektromotors und bei passender Formgebung auch eine platzsparende Unterbringung in einem annähern rota tionssymmetrischen, torpedoförmigen Außengehäuse der Drohne.
Bei diesen bekannten Drohnen zur Minenräumung ist durch die rotationssymmetrische Ausgestaltung des Elektromotors inklu sive Rotor und Stator auch die Magnetvorrichtung meist auf eine rotationssymmetrische Form und eine zum Querschnitt der Torpedogeometrie passende geringe Querschnittsfläche be schränkt. Dies gilt unabhängig davon, ob die Magnetvorrich tung auf dem Rotor oder dem Stator des Elektromotors angeord net ist. Die einzelnen Magnetelemente der Magnetvorrichtung sind dabei typischerweise über den Umfang des Rotors bzw. Stators verteilt angeordnet. Insbesondere bei den Ausgestal tungen, bei denen die Magnetelemente als Erregerspulen ausge bildet sind, ergeben sich dadurch Spulen mit vergleichsweise geringer Spulenfläche, da deren Größe zumindest in einer Raumrichtung durch den Querschnitt der Torpedogeometrie limi tiert ist. Für die Erzeugung eines möglichst hohen magneti schen Dipolmoments - sowohl für die elektromagnetische Wech selwirkung innerhalb des Elektromotors als auch für die mag netische Minenauslösung außerhalb der Drohne - wäre es dage gen vorteilhaft, wenn die Spulenfläche bezüglich beider Raum richtungen möglichst groß ist. Auch bei Magnetvorrichtungen mit Permanentmagneten kann es vorteilhaft sein, von den Grö ßenbeschränkungen für die einzelnen Magnetelemente abrücken zu können. Auch hier würde eine erhöhte Designfreiheit bei der Formgebung und Dimensionierung der Magnetelemente dazu beitragen, die Auslegung der Magnetvorrichtung im Hinblick auf die oben beschriebene Doppelaufgabe zu erleichtern.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Drohne zur Auslösung von Seeminen anzugeben, welche die genannten Nachteile über windet. Insbesondere soll eine Drohne mit einer Magnetvor richtung zur Verfügung gestellt werden, mit welcher ein mög lichst hohes magnetisches Dipolmoment erzeugt werden kann.
Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene Drohne gelöst. Die erfindungsgemäße Drohne ist zur Auslösung von Seeminen geeignet. Sie weist eine elektrische Antriebs einrichtung zur Fortbewegung im Wasser auf. Dabei umfasst die elektrische Antriebseinrichtung eine Magnetvorrichtung zur Ausbildung eines Magnetfeldes und wenigstens einen elektrisch angetriebenen Rotor. Die Magnetvorrichtung weist ein oder mehrere Magnetelemente auf und ist dazu ausgelegt, sowohl das externe Magnetfeld zur magnetischen Auslösung der Seeminen als auch ein Erregerfeld für die elektromagnetische Wechsel wirkung mit dem Rotor auszubilden. Der wenigstens eine Rotor weist eine lokale Rotationsachse auf, welche von dem Zentrum der Magnetvorrichtung beabstandet ist.
Ähnlich wie bei den aus DE 102016 203 341 Al und DE 102018 217 211 Al bekannten Drohnen ist hier die elektri sche Antriebseinrichtung so ausgelegt, dass bei ihrem Betrieb ein zur Auslösung von Seeminen geeigneter magnetischer Fluss in einen Bereich außerhalb der Drohne Vordringen kann. Hierzu ist die Antriebseinrichtung als Ganzes so ausgebildet, dass ein Vordringen eines derart hohen Teils des magnetischen Flusses in diese außenliegenden Bereiche nicht verhindert wird. Sie soll also insgesamt nach außen hin eine vergleichs weise schwache magnetische Abschirmung aufweisen. Dies kann insbesondere durch die Wahl geeigneter, schwach magnetisch abschirmender Materialien im Bereich ein oder mehrerer optio nal vorliegender Gehäuse und/oder Träger erreicht werden. Die Magnetvorrichtung kann sich insbesondere in einem fest stehenden Teil der elektrischen Antriebseinrichtung befinden. Es kann sich also mit anderen Worten um eine feststehende Er regerwicklung handeln, welche funktionell als Stator der elektrischen Antriebseinrichtung bzw. eines Elektromotors be trachtet werden kann. Die Erregerwicklung kann dabei ein oder mehrere Erregerspulen umfassen, welche zusammenhängend oder auch separat ausgestaltet sein können. Im Unterschied zu ei nem herkömmlichen Elektromotor sind hier jedenfalls Rotor und Stator nicht konzentrisch ineinandergeschachtelt, sondern ih re Zentren sind voneinander beabstandet. Unter dem Begriff „feststehend" soll im vorliegenden Zusammenhang eine festste hende Anordnung innerhalb des Bezugssystems der Drohne ver standen werden, innerhalb dessen die elektrische Antriebsein richtung montiert ist. Die Drohne als Ganzes soll natürlich trotzdem wie beschrieben im Wasser beweglich und somit nicht absolut gesehen feststehend sein.
Die Magnetvorrichtung bildet also zusammen mit dem Rotor einen Elektromotor aus, da sie als Erregerwicklung wirkt und mit dem Rotor in elektromagnetische Wechselwirkung tritt. Es können auch mehrere solche Rotoren innerhalb der Antriebsein richtung vorliegen, die gleichzeitig mit der Erregerwicklung in Wechselwirkung treten können, so dass funktionell mehrere Motoren ausgebildet werden. Um die Drohne im Wasser fortzube wegen, kann der wenigstens eine Rotor beispielsweise über eine Rotorwelle drehmomentübertragend an einen Propeller bzw. eine Antriebsschraube gekoppelt sein. Bei den genannten Roto ren kann es sich insbesondere um „einzelne Rotoren" handeln - also nicht um vollständige Motoren - da die Magnetvorrichtung ja schon die elektromagnetische Funktion des Stators erfüllt.
Der wenigstens eine Rotor kann insbesondere eine Ankerwick lung umfassen. Unter einer solchen Ankerwicklung (die im eng lischen auch als „Armature Winding" bezeichnet wird), soll hier allgemein die Wicklung der Antriebseinrichtung verstan den werden, die mit dem Erregerfeld der Erregerwicklung in elektromagnetische Wechselwirkung tritt und dadurch eine Dre- hung des Rotors bewirkt. Bei einem Elektromotor ist dies all gemein die Wicklung, über die elektrische Energie in den Mo tor eingebracht wird. Dies gilt unabhängig davon, ob der Elektromotor als Gleichstrommotor oder als Synchronmotor aus gebildet ist. Beide Varianten können im Rahmen der Erfindung vorteilhaft realisiert werden, wobei die Ausgestaltung als Synchronmaschine mit rotierender Ankerwicklung im Stand der Technik insgesamt eher unüblich ist.
Das wesentliche Merkmal der erfindungsgemäßen Drohne ist, dass die Rotationsachse des Rotors vom Zentrum der Magnetvor richtung beabstandet ist. Es wird hier also von der typischen konzentrischen Anordnung von Rotor und Stator gezielt abgewi chen. Diese Abweichung kann insbesondere so deutlich sein, dass der wenigstens eine Rotor und die Magnetvorrichtung nicht wie beim Stand der Technik ineinandergeschachtelt sind, sondern als separate Elemente benachbart zueinander vorlie gen. Durch diese separierte Ausgestaltung von Rotor und Mag netvorrichtung wird erreicht, dass die Magnetvorrichtung mit einer wesentlich größeren Designfreiheit ausgestaltet werden kann. Insbesondere kann für die Magnetvorrichtung von einer rotationssymmetrischen Grundform abgewichen werden, während diese unter Umständen für den wenigstens einen Rotor trotzdem erfüllt sein kann. Dies ermöglicht im Vergleich zu herkömmli chen Statoranordnungen eine deutlich größere Freiheit bei der Dimensionierung und Formgebung der einzelnen Magnetelemente. Insbesondere beim Einsatz von supraleitenden Erregerspulen als Magnetelemente kann durch eine entsprechend große Dimen sionierung von beiden Haupt-Abmessungen eine besonders hohe magnetische Flussdichte auch mit moderater Leitermenge er reicht werden.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen ex zentrischen Anordnung von Rotor und Stator ist, dass damit auch von der klassischen konzentrischen Luftspaltgeometrie abgewichen wird und somit eine größere Robustheit gegenüber äußeren mechanischen Lasteinwirkungen erreicht wird. Vor al lem bei einer vorteilhaften vollständig separierten Ausfüh- rung von Magnetvorrichtung und dem wenigstens einen Rotor kann aufgrund des vorliegenden Abstands zwischen Rotor und Stator eine wesentlich höhere Empfindlichkeit gegenüber Schocklasten erreicht werden als bei herkömmlichen Systemen, bei denen zur Erhaltung der Funktion ein meist sehr schmaler, einheitlicher, umlaufender Luftspalt aufrechterhalten werden muss. Aufgrund des ohnehin vorliegenden Abstands und des Ver zichts auf einen solchen Luftspalt ist die Antriebseinrich tung wesentlich robuster gegenüber leichten Lageänderungen zwischen Rotor und Stator. Hierdurch ist die Drohne insgesamt deutlich robuster gegenüber äußeren Schockbelastungen, was sich gerade bei der Detonation von Minen besonders vorteil haft auswirkt.
Die beschriebenen Vorteile bei der Abweichung von der klassi schen konzentrischen Anordnung von rotationssymmetrischem Ro tor und Stator geht bei der Drohne mit einem Verlust der hyd rodynamisch günstigen torpedoartigen Außenform einher. Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass bei einer Minenräumdrohne die mit der entsprechenden Erhöhung des hydrodynamischen Widerstands verbundenen Nachteile durch die Vorteile aufgrund des höheren erreichbaren magnetischen Di polmoments mehr als ausgeglichen werden können. Das höhere magnetische Dipolmoment ist bei den beschriebenen Drohnen vor allem für die magnetische Minenauslösung wichtig.
Sowohl für Unterwasser-Drohnen als auch für an der Wasser oberfläche schwimmende Drohnen kann trotz des Abweichens von der hydrodynamisch günstigen torpedoartigen Form aufgrund des erhöhten magnetischen Dipolmoments eine verbesserte Gesamt- Performance vor allem im Hinblick auf die Minenauslösung er reicht werden. Dies gilt in besonderem Maße für eine an der Wasseroberfläche schwimmende Drohne, da es hier auf eine ro tationssymmetrische Formgebung noch weniger ankommt als bei einer Unterwasser-Drohne.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin dung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. So kann nach einer vor teilhaften Ausführungsform der Abstand zwischen der lokalen Rotationsachse des wenigstens einen Rotors und dem Zentrum der Magnetvorrichtung so groß gewählt sein, dass der jeweili ge Rotor außerhalb der Magnetvorrichtung liegt. Mit anderen Worten sind nicht nur die Zentren beabstandet, sondern der Abstand ist so groß gewählt, dass Rotor(en) und Magnetvor richtung nebeneinanderliegende, separate Elemente ausbilden und sich nicht gegenseitig durchdringen. Dies bewirkt den Vorteil, dass der Rotor oder die Rotoren als separate Bauele mente gefertigt sein können, wodurch sie auch wesentlich kom pakter realisiert sein können als ein vollständiger Motor.
Der Rotor bzw. die Rotoren können bei dieser Ausführungsform insbesondere auch wesentlich kleiner ausgeführt werden als die Magnetvorrichtung, insbesondere mit geringerem Gesamtvo lumen pro Element. In diesem Fall kann die Magnetvorrichtung eher im Zentrum oder zumindest im Hauptkörper der Drohne an geordnet werden, und der Rotor bzw. die Rotoren können eher im Bereich der Peripherie der Drohne angeordnet werden, sozu sagen als „Außenbord-Rotoren".
Diese separierte Ausführung von Magnetvorrichtung und Ro tor (en) erleichtert also eine deutlich unterschiedliche Di mensionierung, so dass allgemein die Magnetvorrichtung auch wesentlich größer dimensioniert werden kann als der wenigs tens eine Rotor, um ein besonders hohes magnetisches Dipolmo ment zu erreichen. So können eine oder mehrere Haupt-Ab messungen (also z.B. Länge oder Breite) der Magnetvorrichtung vorteilhaft sogar ein Mehrfaches der entsprechenden Abmessung des jeweiligen Rotors betragen.
Besonders vorteilhaft können die Magnetvorrichtung und der wenigstens eine Rotor in getrennten Gehäusen angeordnet sein. Es können also ein oder mehrere Rotorgehäuse (insbesondere eines für jeden Rotor) und ein davon separat ausgestaltetes Magnetvorrichtungsgehäuse vorliegen. Diese Gehäuse sind be vorzugt jeweils aus amagnetischem Material gebildet. Die ge nannten Elemente können bei bestimmten Ausführungsvarianten wiederum von einem gemeinsamen Drohnengehäuse umschlossen sein. Alternativ können die einzelnen Gehäuse auch so in einander übergehen, dass sie Teilmodule eines übergeordneten Drohnengehäuses bilden. Die einzelnen Rotorgehäuse können auch durch Befestigungselemente außen mit dem Magnetvorrich tungsgehäuse bzw. mit dem Drohnengehäuse verbunden sein, ähn lich wie ein Außenbordmotor an einem Boot. Ähnlich wie dort können die Rotoren auch beweglich und insbesondere schwenkbar mit dem Drohnengehäuse verbunden sein, so dass durch deren Bewegung eine Änderung der Fortbewegungsrichtung bewirkt wer den kann.
Das wenigstens eine Magnetelement kann beispielsweise als elektrische Erregerspule oder alternativ als Permanentmagnet ausgebildet sein. In beiden Fällen ermöglicht die Beabstan- dung der Zentren von Rotor(en) und Magnetvorrichtung eine er höhte Designfreiheit bei der Formgebung und Dimensionierung der einzelnen Magnetelemente und gegebenenfalls auch bei ih rer Positionierung relativ zueinander. Vorteilhaft können hierdurch vor allem größere Magnetelemente realisiert werden, als dies bei einer streng rotationssymmetrischen und mit dem Rotor konzentrischen Anordnung möglich wäre. So kann allge mein die Grundform der gesamten Magnetvorrichtung vorteilhaft von einer kreiszylindrischen Grundform abweichen. Bei dem Permanentmagneten kann es sich insbesondere auch um ein als Permanentmagnet wirkendes Supraleiterelement handeln.
Allgemein besonders vorteilhaft ist es, wenn das wenigstens eine Magnetelement der Magnetvorrichtung eine supraleitende Erregerspule ist. Eine solche supraleitende Erregerspule kann beispielsweise über eine Gleichstromquelle oder über eine Wechselstromquelle mit elektrischer Energie versorgt werden. Aufgrund der vernachlässigbaren elektrischen Verluste einer solchen supraleitenden Erregerspule ist es aber grund sätzlich auch möglich, diese Wicklung im Quasi-Dauerkurz schlussstrommodus (englisch: „quasi persistent current mode") zu betreiben. Dies ist vor allem bei solchen Ausführungsfor men interessant, bei denen das Magnetfeld im kurzgeschlosse- nen Betriebsmodus mit weniger als 1% pro Stunde abfällt. Dann kann die Erregerspule einer solchen Drohne vor ihrem Einsatz mit einer externen Stromquelle aufgeladen werden, und die Er regerspule kann während ihres Einsatzes von beispielsweise einigen Stunden ohne eine Stromquelle für die Erregerwick lung (en) betrieben werden. Bei einer solchen Ausführungsform kann auch auf elektrische Anschlüsse der Erregerspule ver zichtet werden, wodurch die thermischen Verluste in der tief kalten Umgebung der supraleitenden Wicklung(en) reduziert werden können.
Grundsätzlich können mit supraleitenden Erregerspulen bei ähnlicher Größe und Bauform deutlich stärkere Magnetfelder realisiert werden als mit herkömmlichen normalleitenden Erre gerspulen. Oder anders ausgedrückt, kann der Elektromotor bei ähnlicher Leistung und ähnlichem magnetischen Fluss kleiner und leichter ausgeführt werden als mit normalleitenden Wick lungen, beispielsweise herkömmlichen Kupferwicklungen. Der Energiebedarf ist durch die niedrigen Verluste ebenfalls niedriger als bei herkömmlichen Leitern, so dass selbst bei einem dauerhaft gespeisten Betrieb weniger elektrische Leis tung benötigt wird, und ein Energiespeicher der Drohne dem entsprechend auf einen geringeren Energieverbrauch ausgelegt werden kann.
Alternativ oder zusätzlich zu den beschriebenen supraleiten den Komponenten in der Magnetvorrichtung kann die Antriebs einrichtung auch so ausgestaltet sein, dass die Ankerwicklung im Rotor einen supraleitenden elektrischen Leiter umfasst. Auch hier können bei gleichem Bauvolumen im Vergleich zu her kömmlichen Kupferwicklungen deutlich höhere Ströme und/oder deutlich höhere Windungszahlen realisiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch das Bauvolumen und damit auch das Gewicht der Drohne im Vergleich zu einer Antriebseinrichtung mit normalleitenden Materialien reduziert werden.
Allgemein und unabhängig davon, ob das supraleitende Material im Rotor und/oder in der Magnetvorrichtung zum Einsatz kommt, kann dieses Material bevorzugt als hochtemperatursupraleiten des Material ausgestaltet sein. Hochtemperatursupraleiter (HTS) sind supraleitende Materialien mit einer Sprungtempera tur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen ober halb von 77 K, bei denen die Betriebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryogenen Materialien als flüssigem Helium er reicht werden kann. HTS-Materialien sind auch deshalb beson ders attraktiv, da diese Materialien abhängig von der Wahl der Betriebstemperatur hohe obere kritische Magnetfelder so wie hohe kritische Stromdichten aufweisen können. Mit ihnen können daher besonders leicht hohe Magnetfelder erzeugt wer den.
Besonders vorteilhaft kann ein solches hochtemperatursupra leitendes Material Magnesiumdiborid und/oder ein Material des Typs REBa2Cu30x, umfassen, wobei RE für ein Element der selte nen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht. Bei sup raleitenden Wicklungen im Rotor und/oder im Stator kann der supraleitende Leiter vorteilhaft als Bandleiter ausgeführt sein.
Die wenigstens eine supraleitende Erregerspule kann insbeson dere als Flachspule ausgebildet sein, beispielsweise mit der Grundform einer Kreisspule, einer Rennbahnspule oder einer Rechteckspule (ggf. mit abgerundeten Ecken). Bei Ausführungs formen mit mehreren solchen Erregerspulen können diese bei spielsweise koaxial übereinander gestapelt angeordnet sein, wobei insbesondere auch ein axialer Abstand zwischen den ein zelnen Spulen vorliegen kann.
Die Magnetvorrichtung kann vorteilhaft einen Kryostatbehälter zur Kühlung der wenigstens einen supraleitenden Erregerspule umfassen. Zweckmäßig kann der Kryostatbehälter die wenigstens eine supraleitende Spule umgeben. Dabei können auch mehrere solche Spulen innerhalb desselben Kryostatbehälters angeord net sein. Allgemein können auch mehrere Kryostatbehälter vor liegen, in denen dann jeweils entweder eine oder mehrere sol che Spulen angeordnet sind. Wesentlich ist, dass die jeweili- ge Spule von dem zugeordneten Kryostatbehälter so umgeben ist, dass sie durch ihn gegen eine warme äußere Umgebung thermisch isoliert ist. Der Kryostatbehälter ist zweckmäßig zur Aufnahme einer flüssigen Phase eines kryogenen Kühlmit tels ausgebildet, es kann sich dabei also insbesondere um einen Badkryostaten handeln. Dabei soll allerdings nicht aus geschlossen sein, dass das kryogene Kühlmittel zumindest teilweise auch in der Gasphase innerhalb des Kryostatbehäl- ters vorliegt. Insbesondere kann also während des Betriebs der Drohne und damit während der Kühlung der supraleitenden Spule innerhalb des Kryostatbehälters ein Gleichgewicht zwi schen der flüssigen Phase und der Gasphase des kryogenen Kühlmittels vorliegen.
Besonders vorteilhaft kann sich der Kryostatbehälter auch über das Zentrum der Magnetvorrichtung erstrecken. Dies ist im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen exzentrischen An ordnung von Rotor und Magnetvorrichtung besonders günstig, weil das Zentrum des Kryostatbehälters dabei nicht für den Rotor freigehalten werden muss. Mit anderen Worten kann der Rotor dann allgemein vorteilhaft außerhalb des Kryostatbehäl ters angeordnet sein anstatt wie im Stand der Technik in des sen Zentrum. Der Kryostatbehälter kann allgemein vorteilhaft die ganze Magnetvorrichtung umschließen, was ein besonders großes Tankvolumen für das kryogene Kühlmittel bei gleichzei tig geringem Gesamt-Bauraum ermöglicht.
Gemäß einer besonders zu bevorzugenden Variante dieser Aus führungsform ist der Kryostatbehälter ein Badkryostat, wel cher zur Befüllung mit einem flüssige kryogenen Kühlmittel, insbesondere flüssigem Wasserstoff, ausgelegt ist. Neben sei ner Funktion als kryogenes Kühlmittel kann der flüssige Was serstoff dabei auch als Brennstoff für einen optionalen Ver braucher dienen, insbesondere für eine Brennstoffzelle, wel che ebenfalls an Bord der Drohne angeordnet ist. Durch eine solche Doppelnutzung der kryogenen Kühlmittels kann wiederum erreicht werden, dass der gesamte Platzbedarf für die Bevor ratung von Kühlmittel/Brennstoff geringgehalten werden kann, da ein ansonsten benötigter zusätzlicher Vorratstank für den Brennstoff eingespart wird. Die Vorteile dieser Doppelnutzung des Kühlmittels ergeben sich analog zu der Drohne, die in der noch nicht offengelegten deutschen Anmeldung mit dem Akten zeichen 102019 216 155.3 beschrieben ist.
Allgemein vorteilhaft weist die Magnetvorrichtung wenigstens eine magnetische Dipolachse auf, wobei die Rotationsachse des jeweiligen Rotors um nicht mehr als das Zehnfache der größten Außenabmessung der einzelnen Magnetelemente von der magneti schen Dipolachse beabstandet ist. Bei einer Ausgestaltung der Magnetelemente als supraleitende Erregerspulen soll also der Abstand nicht größer sein als das Zehnfache des Außendurch messers der einzelnen Spulen, bzw. bei einer nicht kreisför migen Spulenform nicht mehr als das Zehnfache der größten Außenabmessung der Spule. Besonders vorteilhaft soll der Ab stand nicht größer sein als das Fünffache dieser größten Au ßenabmessung des einzelnen Magnetelements. Bei einem solchen vergleichsweise geringen Abstand des Rotors von der Dipolach se befindet sich der Rotor in einem Bereich mit einer ver gleichsweise hohen magnetischen Flussdichte, was sich vor teilhaft auf die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen Rotor und Magnetvorrichtung auswirkt.
Zweckmäßig ist die genannte magnetische Dipolachse gleichzei tig auch eine Symmetrieachse der Magnetvorrichtung. Die Mag netvorrichtung ist allerdings nicht auf eine Vorrichtung zur Ausbildung eines magnetischen Dipolfeldes beschränkt, sondern es kann sich allgemein auch um eine Vorrichtung zur Ausbil dung eines höherpoligen Magnetfeldes handeln. Dies kann ins besondere dann vorteilhaft sein, wenn zur Minenauslösung eine komplexere magnetische Signatur nachgebildet werden soll.
Auch für solche höherpoligen Magnetvorrichtungen gilt der vorteilhafte Abstandsbereich für den Abstand des Rotors von einer der magnetischen Polachsen entsprechend.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der wenigstens eine Rotor sogar auf der magnetischen Dipolachse bzw. auf einer von mehreren magnetischen Dipolachsen angeordnet sein. In diesem Bereich ist die elektromagnetische Wechselwirkung mit dem Rotor besonders hoch. Außerdem kann eine symmetrische Ausgestaltung des Gesamtsystems erreicht werden. Eine andere Art von symmetrischer Ausgestaltung des Gesamtsystems ist je doch auch möglich, wenn beispielsweise der wenigstens eine Rotor auf einer weiteren Symmetrieachse der Magnetvorrichtung liegt, welche insbesondere senkrecht zur Dipolachse verläuft.
Bei der Anordnung des wenigstens einen Rotors auf der magne tischen Dipolachse kann gemäß einer ersten Ausführungsvarian te die Rotationsachse des Rotors senkrecht zu dieser magneti schen Dipolachse ausgerichtet sein. Diese Ausrichtung ist vor allem dann zweckmäßig, wenn Magnetvorrichtung und Rotor zu sammen eine Radialflussmaschine ausbilden, da der (auf die Rotationsachse des Rotors bezogene) radiale Fluss dann beson ders hoch ist. Insbesondere kann trotz der exzentrischen An ordnung von Rotor und Magnetvorrichtung trotzdem ein verhält nismäßig gleichmäßiger radialer Fluss über den gesamten Um fang des Rotors erreicht werden.
Eine relativ gleichmäßige Flussverteilung über den Umfang des Rotors wird allgemein vorteilhaft und unabhängig von der ge nauen Anordnung und Ausrichtung des wenigstens einen Rotors durch ein magnetisch flussführendes Rotorjoch aus weichmagne tischem Material erreicht. Ein solches Rotorjoch kann insbe sondere zylindrisch ausgebildet und bezüglich der Rotorachse radial innerhalb der Ankerwicklung angeordnet sein.
Bei der Anordnung des wenigstens einen Rotors auf oder nahe der magnetischen Dipolachse kann gemäß einer zweiten Ausfüh rungsvariante die Rotationsachse des Rotors parallel zu die ser magnetischen Dipolachse ausgerichtet sein. Diese Ausrich tung ist vor allem dann zweckmäßig, wenn Magnetvorrichtung und Rotor zusammen eine Axialflussmaschine ausbilden, da der (auf die Rotationsachse des Rotors bezogene) axiale Fluss dann besonders hoch ist. Bei dieser Ausführungsvariante ist es besonders vorteilhaft, wenn der Rotor auf entweder auf der Dipolachse liegt oder nur einen geringen Abstand zu ihr auf weist. Bei einer beabstandeten Anordnung kann die Rotations achse zweckmäßig einen kleinen Winkel mit der magnetischen Dipolachse ausbilden, so dass die magnetischen Feldlinien dann trotzdem im Wesentlichen in axialer Richtung des Rotors verlaufen.
Gemäß einer ersten allgemeinen Ausführungsvariante der Mag netvorrichtung kann diese dazu ausgelegt sein, als externes Magnetfeld ein magnetisches Wechselfeld auszubilden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn zur Auslösung der Seemi nen ein magnetisches Wechselfeld benötigt wird. Hierzu kann die Magnetvorrichtung ein oder mehrere Erregerspulen aufwei sen, welche dazu ausgelegt sind, mit einem Wechselstrom bestromt zu werden. Diese Variante ist insbesondere für einen Rotor in der Ausführung für eine Axialflussmaschine vorteil haft.
Gemäß einer alternativen, zweiten Ausführungsvariante der Magnetvorrichtung kann diese dazu ausgelegt sein, als exter nes Magnetfeld ein magnetisches Gleichfeld auszubilden. Hier zu kann die Magnetvorrichtung entweder ein oder mehrere Per manentmagnete aufweisen und/oder ein oder mehrere Erregerspu len aufweisen, welche dazu ausgelegt sind, mit einem Gleich strom bestromt zu werden. Hierdurch wird erreicht, dass das außerhalb der Drohne erzeugte externe Magnetfeld im räumli chen Bezugssystem der Drohne im Wesentlichen ein magnetisches Gleichfeld ist.
Allgemein vorteilhaft kann die Drohne mehrere Rotoren aufwei sen. Dabei können die einzelnen Rotoren jeweils mit der Mag netvorrichtung in elektromagnetische Wechselwirkung treten, so dass es sich bei der Magnetvorrichtung insbesondere um eine übergeordnete Magnetvorrichtung handeln kann. Mit ande ren Worten kann die Drohne dann effektiv mehrere elektrische Motoren aufweisen, welche eine gemeinsame Magnetvorrichtung nutzen. Die einzelnen Rotoren können dann insbesondere unab hängig voneinander über separate Rotorwellen drehmomentüber- tragend mit zugeordneten Propellern bzw. Antriebsschrauben verbunden sein. Wenn die einzelnen Rotoren oder zumindest die zugeordneten Propeller bzw. Schrauben schwenkbar im Außenbe reich der Drohne angeordnet sind, kann mit dieser Ausfüh rungsform ein besonders agiles Steuerungsverhalten der Drohne bewirkt werden. Diese Agilität kann insbesondere im Zusammen spiel mit dem Betriebsverfahren vorteilhaft sein, welches in der noch nicht veröffentlichten deutschen Anmeldung mit dem Aktenzeichen 102019 212 105.5 beschrieben wurde.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn die Drohne im Inne ren der Magnetanordnung ein oder mehrere flussführende Ele mente aus weichmagnetischem Material aufweist. Solche weich magnetischen Elemente im Inneren der Magnetanordnung können vorteilhaft sein, um das magnetische Dipolmoment bzw. die Drehmomentdichte der elektrischen Maschine zu stärken. Insbe sondere kann ein solches flussführendes Element einen ring förmigen Querschnitt aufweisen und insbesondere symmetrisch um das Zentrum der Magnetvorrichtung angeordnet sein. Es kann sich also mit anderen Worten an der zentralen Stelle der Mag netvorrichtung befinden, an der sich bei herkömmlichen An triebsmotoren der Rotor befindet. Das flussführende Element (oder eine Anordnung aus mehreren flussführenden Elementen) kann besonders vorteilhaft als Hohlzylinder, Hohlkugel oder Hohlellipsoid zentral im Inneren der Magnetvorrichtung ange ordnet sein.
Die Drohne kann insgesamt eine Hauptachse aufweisen, welche entlang der Haupt-Bewegungsrichtung der Drohne ausgerichtet ist. Es kann sich dabei grundsätzlich um eine Symmetrieachse der Drohne handeln. Die Drohne kann aber alternativ auch asymmetrisch ausgestaltet sein, so dass sie keine Symmetrie bezüglich der Haupt-Bewegungsrichtung aufweisen muss. In je dem Fall kann die Rotationsachse des wenigstens einen Rotors zur Hauptachse der Drohne parallelversetzt sein. Besonders vorteilhaft kann es sich dabei um einen sogenannten Außen bord-Rotor handeln, wie bereits weiter oben beschrieben. Ein solcher äußerer Rotor kann insbesondere richtungsverstellbar mit dem Hauptgehäuse der Drohne verbunden sein.
Die beschriebene Hauptachse der Drohne kann senkrecht zu we nigstens einer magnetischen Dipolachse der Magnetvorrichtung verlaufen. Dies muss jedoch nicht zwangsweise der Fall sein, und die Magnetvorrichtung kann vorteilhaft auch beliebige an dere Ausrichtungen im Verhältnis zu der Hauptachse der Drohne aufweisen. Dies ermöglicht einen besonders großen Design- Spielraum im Hinblick auf die von der Drohne nachzubildende magnetische Signatur.
Die Drohne kann vorteilhaft dazu ausgestaltet sein, unter Wasser bewegt zu werden. Alternativ dazu kann sie grundsätz lich aber auch als eine an einer Wasseroberfläche schwimmende Drohne ausgestaltet sein.
Allgemein sollen die in den bereits zitierten früheren Anmel dungen offenbarten Ausführungsvarianten als vorteilhafte Aus führungsformen für die hier beschriebene exzentrische Anord nung von Rotor und Magnetvorrichtung in die vorliegende An meldung mit einbezogen sein.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 eine Drohne nach dem Stand der Technik im schemati schen Längsschnitt zeigt,
Figur 2 einen elektrischen Antriebsmotor aus einer solchen Drohne im schematischen Querschnitt zeigt,
Figur 3 eine Querschnittsdarstellung eines weiteren herkömm lichen elektrischen Antriebs zeigt,
Figuren 4 bis 6 elektrische Antriebseinrichtungen nach ver schiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung zeigen und
Figur 7 ein Ausführungsbeispiel für eine Drohne in perspekti vischer Darstellung zeigt. In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In Figur 1 ist eine Drohne 1 nach dem Stand der Technik gemäß DE 102018 217 211 Al im schematischen Längsschnitt gezeigt. Gezeigt ist eine länglich geformte Drohne, die zur Fortbewe gung unter Wasser ausgelegt ist. Sie weist in ihrem hinteren (in der Zeichnung links dargestellten) Teil eine Antriebs schraube 5 auf. Die Drohne ist also mit einem eigenständigen Antriebssystem ausgestattet, wobei die Antriebsschraube 5 hier über die Rotorwelle 7 einer elektrischen Antriebsein richtung 3 angetrieben wird. Diese Antriebseinrichtung 3 nimmt bei diesem Ausführungsbeispiel einen großen Teil des verfügbaren Innenraums der Drohne ein. Die Antriebseinrich tung 3 weist einen Rotor 10 auf, der auf der Rotorwelle 7 an geordnet ist und so drehmomentschlüssig mit dieser gekoppelt ist, dass über die Rotorwelle 7 die Antriebsschraube 5 ange trieben werden kann. Die Antriebseinrichtung 3 weist weiter hin einen Stator 11 auf, der radial außerhalb des Rotors 10 angeordnet ist und diesen konzentrisch umgibt. Es handelt sich hier also um einen Innenrotormotor. Der außenliegende Stator trägt bei diesem Motor eine Erregerwicklung, und der innenliegende Rotor trägt eine Ankerwicklung. Die Drohne 1 ist insgesamt torpedoartig geformt, und entsprechend ist die herkömmliche Antriebseinrichtung 3 mit konzentrischem Rotor und Stator im Wesentlichen kreiszylindrisch und länglich aus geformt.
In Figur 2 ist ein schematischer Querschnitt einer herkömmli chen elektrischen Antriebseinrichtung 3 für eine solche Droh ne gezeigt, ebenfalls nach dem Stand der Technik gemäß DE 102018 217 211 Al. Der außenliegende Stator 11 umgibt den innenliegenden Rotor 10 ringförmig, wobei der Rotor 10 um die zentrale Rotationsachse A10 drehbar gelagert ist. Der Rotor 10 umfasst in seinem radial außenliegenden Bereich eine An kerwicklung 20, welche in die Ankernuten eines Rotorjochs eingebettet ist. Der außenliegende Stator 11 trägt eine Mag- netvorrichtung 30, welche in diesem herkömmlichen Beispiel als Magnetelemente 31 vier Permanentmagnete mit radial orien tierten magnetischen Nordpolen N und Südpolen S aufweist. Die tragenden Teile des Stators 11 sind aus amagnetischem Materi al gebildet, so dass das übergeordnete Magnetfeld B der Ma schine weit nach radial außen Vordringen kann und auch außer halb der Drohne als ausreichend starkes externes Magnetfeld zur magnetischen Auslösung von Seeminen zur Verfügung steht. Die Ankerwicklung 20 kann beispielsweise an eine Wechsel stromquelle angeschlossen sein. Bei solchen herkömmlichen elektrischen Antriebseinrichtungen 3 für Minenräum-Drohnen liegt das Zentrum Z der Magnetvorrichtung 30 aufgrund der ko axialen Geometrie genau auf der Rotationsachse A10 des Ro tors.
Figur 3 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines weiteren herkömmlichen elektrischen Antriebs 3, bei welchem ebenfalls das Zentrum Z der Magnetvorrichtung 30 auf der Rotationsachse A10 des Rotors liegt. Der Rotor 10 ist hier nur sehr schema tisch dargestellt und grob in ein radial innenliegendes Ro torjoch 21 und in eine radial außenliegende, von diesem ge tragene Ankerwicklung 20 unterteilt. In diesem Beispiel für den Stand der Technik weist die Magnetvorrichtung 30 des Sta tors nur zwei Magnetelemente 31 auf, welche hier jeweils als supraleitende Erregerspulen ausgebildet sind. Es kann sich beispielsweise um Kreisspulen oder aber auch um Rennbahnspu len handeln. Diese beiden Erregerspulen 31 sind koaxial zu einer gemeinsamen magnetischen Dipolachse A30 angeordnet. Das Zentrum Z der Magnetvorrichtung liegt im Schnittpunkt der Achsen A10 und A30 und somit wiederum auf der Rotationsachse A10. Das von der Magnetvorrichtung erzeugte Magnetfeld ist hier durch Feldlinien B repräsentiert. Dabei ist im Bereich des Rotors auch für die hier vorliegende geringe Anzahl von nur zwei Magnetelementen 31 ein relativ starker radialer An teil der magnetischen Flussdichte zu erkennen. Dies ist auf den flussformenden Effekt des weichmagnetischen Rotorjochs 21 zurückzuführen . Die beiden supraleitenden Spulen 31 sind jeweils in einen se paraten Kryostatbehälter 33 eingebettet und werden dort je weils durch ein kryogenes Kühlmittel gekühlt. Das Zentrum Z der Magnetvorrichtung muss jedoch von dem Volumen der Kryos- taten und somit von kryogenem Kühlmittel freigehalten werden, da hier der Rotor 10 angeordnet ist. Figur 3 soll verdeutli chen, wie das Magnetfeld B geformt ist, wenn eine konzentri sche Anordnung von Rotor 10 und Magnetvorrichtung 30 vor liegt, auch wenn die Magnetvorrichtung 30 hier mit nur zwei Erregerspulen zumindest in ihrer Außenkontur deutlich von ei ner kreissymmetrischen Form abweicht.
In Figur 4 ist eine Schnittdarstellung einer elektrischen An triebseinrichtung 3 aus einer Drohne nach einem ersten Bei spiel der Erfindung gezeigt. Die Antriebseinrichtung weist eine Magnetvorrichtung 30 auf, welche ähnlich wie in Figur 3 zwei separate Magnetelemente 31 umfasst. Auch hier sind diese Magnetelemente als supraleitende Erregerspulen ausgebildet, von denen im gezeigten Querschnitt jeweils zwei Spulenschen kel sichtbar sind. Die Grundform dieser Erregerspulen kann grundsätzlich beliebig sein, wobei die dargestellten Flussli nien wiederum für eine kreisförmige Spulengeometrie berechnet wurden. Auch hier umgeben die beiden Erregerspulen 31 koaxial eine gemeinsame magnetische Dipolachse A30.
Im Unterschied zur Figur 3 weist die hier gezeigte Antriebs einrichtung zwei Rotoren 10 auf, welche nicht im Zentrum der Magnetvorrichtung, sondern exzentrisch dazu angeordnet sind. Die beiden Rotoren 10 umgeben die Magnetvorrichtung 30 in diesem Beispiel symmetrisch. Dies ist jedoch nicht unbedingt nötig, und es reicht grundsätzlich aus, wenn nur ein einziger solcher Rotor vom Zentrum der Magnetvorrichtung beabstandet angeordnet ist. Der Abstand d zwischen den lokalen Rotations achsen A10 der Rotoren 10 und dem Zentrum Z der Magnetvor richtung ist hier so groß gewählt, dass die beiden Rotoren vollständig außerhalb der Magnetvorrichtung liegen. Wie durch die gezeigten Feldlinien angedeutet, kann trotz dieser ex zentrischen Anordnung im Bereich der Rotoren 10 noch ein aus- reichend hoher radialer Fluss gegeben sein. Dies gilt insbe sondere für supraleitende Erregerspulen 31, mit denen gene rell eine sehr hohe magnetische Flussdichte erzielt werden kann. Beim Beispiel der Figur 4 bildet jeder der beiden Roto ren 10 zusammen mit der Magnetvorrichtung 30 eine Radial flussmaschine aus. Das weichmagnetische Rotorjoch 21 bewirkt dabei jeweils eine radiale Flussformung in der Umgebung des jeweiligen Rotors 10. Der radiale Fluss ist hier nicht punkt symmetrisch bezüglich des Rotorzentrums, aber auch beim Bei spiel der Figur 3 wurde eine solche Symmetrie nicht erreicht, und die Abweichung kann bei ausreichend hoher Gesamt- Flussdichte toleriert werden.
Für die magnetische Flussdichte im Bereich der einzelnen Ro toren ist es günstig, wenn der Abstand der Rotoren von der magnetischen Dipolachse A30 nicht zu groß gewählt ist. Im ge zeigten Beispiel beträgt dieser Abstand nur wenig mehr als der äußere Durchmesser D der beiden Erregerspulen.
Beim Beispiel der Figur 4 sind die beiden Erregerspulen zu sammen in einen übergeordneten Badkryostaten 33 eingebettet und werden dort durch ein die beiden Spulen umspülendes kryo genes Kühlmittel 34 gekühlt. Bei diesem Kühlmittel kann es sich beispielsweise um flüssigen Wasserstoff oder auch um flüssigen Stickstoff oder ein anderes geeignetes Kühlmittel handeln. Da hier das Zentrum Z der Magnetvorrichtung nicht für den Rotor freigehalten werden muss, kann das Volumen eines solchen gemeinsamen Kryostatbehälters 33 vergleichswei se groß gewählt sein, ohne dass dabei der insgesamt benötigte Bauraum zu stark ansteigt. Der flüssige Wasserstoff kann be sonders vorteilhaft zusätzlich zum Betrieb einer optional in der Drohne vorhandenen Brennstoffzelle genutzt werden.
Die gezeigte Anordnung von zwei Magnetelementen 31 ist nur beispielhaft zu verstehen. Grundsätzlich reicht auch ein sol ches Magnetelement aus, um ein geeignetes Magnetfeld sowohl für den Betrieb des wenigstens einen Rotors als auch zur Mi nenauslösung zu erzeugen. Alternativ können aber auch noch mehr Magnetelemente vorhanden sein und diese können auch un terschiedliche Orientierungen aufweisen, um insgesamt ein hö- herpoliges Magnetfeld zu erzeugen.
Die Magnetvorrichtung kann optional um den Kryostatbehälter 33 herum noch ein zusätzliches Magnetvorrichtungsgehäuse 32 aufweisen. Dies kann auch Teil eines äußeren Drohnengehäuses sein oder zumindest lokal in ein solches Drohnengehäuse über gehen. Auch die Rotoren 10 können jeweils optional von eige nen Gehäusen umgeben sein, was nur beispielhaft im linken Teil der Zeichnung durch das Rotorgehäuse 22 angedeutet ist.
In Figur 5 ist eine Schnittdarstellung einer elektrischen Antriebseinrichtung 3 aus einer Drohne nach einem zweiten Beispiel der Erfindung gezeigt. Die Magnetvorrichtung 30 ist hier insgesamt ähnlich ausgestaltet wie beim Beispiel der Fi gur 4. Sie umfasst auch hier zwei supraleitende Erregerspulen 31, welche in einem gemeinsamen Kryostatbehälter 33 angeord net sind und koaxial eine gemeinsame Dipolachse A30 umgeben.
Auch hier weist die Antriebseinrichtung 3 zwei einzelne Roto ren 10 auf, welche außerhalb der Magnetvorrichtung liegen. Im Unterschied zum Beispiel der Figur 4 liegen die beiden Roto ren jedoch hier auf der magnetischen Dipolachse A30. Durch diese Anordnung auf der Dipolachse kann eine besonders hohe magnetische Flussdichte im Bereich der Rotoren 10 erreicht werden. Die Flusskomponente in Richtung der magnetischen Di polachse A30 ist zwar höher als senkrecht dazu, aber durch das weichmagnetische Rotorjoch 21 kann trotzdem ein ausrei chend hoher radialer Fluss über den ganzen Umfang des jewei ligen Rotors erreicht werden, um die Rotoren nach dem Betrieb der Radialflussmaschine elektrisch antreiben zu können.
Die dargestellten magnetischen Feldlinien B wurden ähnlich wie bei Figur 4 für den Fall berechnet, dass kein zusätzli ches flussführendes Material im Inneren der Magnetvorrichtung 30 angeordnet ist. Gemäß einer alternativen Ausführungsform können im Inneren der Magnetvorrichtung 30 jedoch ein oder mehrere zusätzliche flussführende Elemente aus weichmagneti schem Material vorliegen. Beispielhaft ist hier durch gestri chelte Linien ein solches optionales flussführendes Element 35 gezeigt, welches als Hohlkugel um das Zentrum Z herum an geordnet ist. Der Einfluss dieses Elements auf den Feldver lauf ist hier zwar nicht wiedergegeben, aber es ergibt sich vor allem außerhalb der Magnetvorrichtung 30 eine deutliche Stärkung des magnetischen Dipolmoments bzw. der Drehmoment dichte des gebildeten elektrischen Antriebs.
In Figur 6 ist eine Schnittdarstellung einer elektrischen Antriebseinrichtung 3 aus einer Drohne nach einem dritten Beispiel der Erfindung gezeigt. Auch hier ist die Magnetvor richtung 30 ähnlich ausgestaltet wie bei den beiden vorherge henden Beispielen. Im Unterschied dazu liegen hier jedoch vier Rotoren 10 vor, die um die Magnetvorrichtung verteilt angeordnet sind. Durch das Zusammenspiel eines jeden Rotors 10 mit der Magnetvorrichtung wird wiederum jeweils eine eige ne Radialflussmaschine ausgebildet. Jeder Rotor 10 ist mit einem vergleichsweise geringen Abstand von der magnetischen Dipolachse A30 angeordnet, so dass dort eine vergleichsweise hohe magnetische Flussdichte vorliegt. Die lokale Ausrichtung der einzelnen Rotationsachsen A10 ist beim dritten Ausfüh rungsbeispiel wie auch bei beiden vorhergehenden Beispielen senkrecht zur Dipolachse A30. Diese Ausrichtung muss jedoch nicht fest sein, sondern es kann sich beispielsweise ledig lich um eine Grundstellung handeln, aus der heraus die ein zelnen Rotoren 10 schwenkbar sind. Mit einer solchen temporä ren Änderung der Ausrichtung kann eine besonders agile An steuerung bzw. Manövrierung der Drohne erreicht werden.
Bei allen bisherigen Beispielen wird insgesamt durch jeden der Rotoren eine Radialflussmaschine gebildet. Es sind jedoch auch andere Konfigurationen denkbar und unter Umständen vor teilhaft, bei denen insbesondere eine oder mehrere Axial flussmaschine gebildet werden können. So können sich bei spielsweise gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel die bei den Rotoren 10 in einer ähnlichen Position befinden wie beim Beispiel der Figur 5, aber sie können mit ihren Rotationsach sen parallel zur magnetischen Polachse A30 ausgerichtet sein. So kann jeder der Rotoren dann zusammen mit der Magnetvor richtung eine Axialflussmaschine ausbilden.
In Figur 7 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Drohne 1 in perspektivischer Darstellung gezeigt. Gezeigt ist eine Droh ne, welche in ihrer äußeren Form deutlich von der hydrodyna misch besonders günstigen länglichen und rotationssymmetri schen Torpedoform abweicht. Sie ist in ihrem bezüglich der Haupt-Fortbewegungsrichtung Al vorderen Bereich deutlich ver dickt und zwar nicht rotationssymmetrisch, sondern nach Art einer Scheibe, so dass die Drohne in einer der Querrichtungen deutlich breiter ist als in der anderen. In diesem verdickten Bereich ist die Magnetvorrichtung angeordnet, welche hier von einem eigenen Magnetvorrichtungsgehäuse 32 gekapselt ist. Es kann sich dabei beispielsweise um eine koaxiale Anordnung von mehreren kreiszylindrischen Erregerspulen handeln, welche ähnlich wie in den Beispielen der Figuren 4 bis 6 koaxial um eine gemeinsame magnetische Dipolachse A30 gestapelt sind. Im Vergleich zu den herkömmlichen Drohnen der Figuren 1 bis 3 können durch die Anordnung in dem verdickten Bereich der Drohne deutlich größere Spulenflächen (senkrecht zur Dipo lachse) erreicht werden.
Beim Beispiel der Figur 7 weist die Antriebseinrichtung der Drohne außerdem zwei Rotoren 10 auf, welche seitlich neben der Magnetvorrichtung angeordnet sind, so dass sie von der magnetischen Dipolachse A30 beabstandet sind. Dies entspricht einer Konfiguration ähnlich wie beim Beispiel der Figur 4.
Die einzelnen Rotoren können optional aus der gezeigten Grundausrichtung heraus schwenkbar sein, um eine gezielte Richtungssteuerung der Drohne zu bewirken. Die Zahl und An ordnung der einzelnen Rotoren ist jedoch nur beispielhaft zu verstehen, und es sind viele andere Konfigurationen möglich.
Insgesamt wird durch die erfindungsgemäße exzentrische Anord nung von Magnetvorrichtung und Rotor(en) erreicht, dass ei- nerseits ein großes Feld von Ausgestaltungsvarianten eröffnet wird und dass andererseits dabei besonders ausgedehnte Magne telemente realisiert werden können, was zur Erzielung von be sonders hohen magnetischen Dipolmomenten beiträgt. Diese mag- netischen Felder können innerhalb der Drohne für den elektri schen Antrieb und außerhalb der Drohne zur Auslösung der See minen genutzt werden.
Bezugszeichenliste
I Drohne
3 elektrische Antriebseinrichtung
5 Antriebsschraube
7 Rotorwelle
10 Rotor
II Stator
13 Motorgehäuse
20 Ankerwicklung
21 Rotorjoch
22 Rotorgehäuse
30 Magnetvorrichtung
31 Magnetelement (Erregerspule)
32 Magnetvorrichtungsgehäuse
33 Kryostatbehälter
34 kryogenes Kühlmittel (flüssiger Wasserstoff)
35 flussführendes Element
Al Hauptachse der Drohne (Haupt-Fortbewegungsrichtung)
A10 Rotationsachse
A30 magnetische Dipolachse
B Magnetfeld d Abstand
D Außenabmessung des Magnetelements
N Nordpol
S Südpol
Z Zentrum der Magnetvorrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Drohne (1) zur Auslösung von Seeminen, welche eine elek trische Antriebseinrichtung (3) zur Fortbewegung im Wasser aufweist,
- wobei die elektrische Antriebseinrichtung (3) eine Magnet vorrichtung (30) zur Ausbildung eines Magnetfeldes (B) und wenigstens einen elektrisch angetriebenen Rotor (10) um fasst,
- wobei die Magnetvorrichtung (30) ein oder mehrere Magne telemente (31) aufweist und dazu ausgelegt ist, sowohl das externe Magnetfeld zur magnetischen Auslösung der Seeminen als auch ein Erregerfeld für die elektromagnetische Wech selwirkung mit dem Rotor (10) auszubilden,
- wobei der wenigstens eine Rotor (10) eine lokale Rotations achse (A10) aufweist, welche von dem Zentrum (Z) der Mag netvorrichtung (30) beabstandet ist.
2. Drohne (1) nach Anspruch 1, bei welcher der Abstand (d) zwischen der lokalen Rotationsachse (A10) des wenigstens einen Rotors (10) und dem Zentrum (Z) der Magnetvorrichtung (30) so groß gewählt ist, dass der jeweilige Rotor (10) außerhalb der Magnetvorrichtung (30) liegt.
3. Drohne (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welcher die Magnetvorrichtung (30) und der wenigstens eine Rotor in getrennten Gehäusen (22,32) angeordnet ist.
4. Drohne (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das wenigstens eine Magnetelement (31) als elektri sche Erregerspule oder als Permanentmagnet ausgebildet ist.
5. Drohne nach Anspruch 4, bei welcher das wenigstens eine Magnetelement (31) eine supraleitende Erregerspulen ist.
6. Drohne nach Anspruch 5, bei welcher die Magnetvorrichtung (30) einen Kryostatbehälter (33) zur Kühlung der wenigstens einen supraleitenden Erregerspule (31) umfasst, - wobei sich der Kryostatbehälter (33) über das Zentrum (Z) der Magnetvorrichtung (30) erstreckt.
7. Drohne (1) nach Anspruch 6, bei welcher der Kryostatbehäl ter (33) ein Badkryostat ist, welcher zur Befüllung mit einem flüssigen kryogenen Kühlmittel (34) ausgelegt ist.
8. Drohne nach (1) einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Magnetvorrichtung (30) wenigstens eine magneti sche Dipolachse (D) aufweist, wobei die Rotationsachse (A10) des jeweiligen Rotors (10) um nicht mehr als das Zehnfache der größten Außenabmessung (D31) der einzelnen Magnetelemente (31) von der magnetischen Dipo lachse (A30) beabstandet ist.
9. Drohne (1) nach Anspruch 8, bei welcher der wenigstens ei ne Rotor (10) auf einer der magnetischen Dipolachsen (A30) angeordnet ist.
10. Drohne (1) nach Anspruch 9, bei welcher die Rotationsach se (A10) des Rotors (10) senkrecht zur magnetischen Dipolach se (A30) ausgerichtet ist.
11. Drohne (1) nach Anspruch 8 oder 9, bei welcher die Rota tionsachse (A10) des Rotors (10) parallel zur magnetischen Dipolachse (A30) ausgerichtet ist.
12. Drohne (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Magnetvorrichtung (30) dazu ausgelegt ist, als externes Magnetfeld ein magnetisches Wechselfeld auszubilden.
13. Drohne (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei welcher die Magnetvorrichtung (30) dazu ausgelegt ist, als externes Magnetfeld ein magnetisches Gleichfeld auszubilden.
14. Drohne (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wel che mehrere Rotoren (10) aufweist.
15. Drohne (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wel che im Inneren der Magnetanordnung (30) ein oder mehrere flussführende Elemente (35) aus weichmagnetischem Material aufweist.
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