DE4137952A1 - Einrichtung zum vortrieb eines wasser- oder luftfahrzeuges - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Vortrieb eines Wasser- oder Luftfahrzeuges mit einem elektromagnetisch aktivierbaren Antrieb.

Es ist bereits bekannt, für Fahrzeuge unterschiedlichster Art auch elektromagnetisch aktivierbare Antriebe vorzusehen. Diese können in üblicher Weise auf die Vortriebsaggregate, wie Pro­ peller oder dergleichen einwirken. Im allgemeinen wird hiermit aber kein hinreichender Wirkungsgrad erreicht.

Speziell bei Wasser- oder Luftfahrzeugen bieten rotierende Propeller, beispielsweise als Antrieb bei einem Hubschrauber oder bei einem U-Boot, zwar den Vorteil, daß die Drehbewegung des Motors direkt beim Antriebsvorgang eingesetzt werden kann. In bestimmten Fällen kann aber eine damit verbundene starke Wärmeerzeugung und weiterhin eine Wirkungsgrad-Reduktion, die durch die der Schallgeschwindigkeit nahekommenden bzw. die Schallgeschwindigkeit überschreitenden Relativgeschwindigkei­ ten von Propellerkomponenten und dem umgebenden Medium, wie insbesondere Wasser oder Luft, hervorgerufen werden, nachtei­ lig sein.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art ein neuartiges Antriebssystem vorzu­ schlagen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der elek­ tromagnetische Antrieb als vielgliedriges System mit gegenein­ ander beweglichen Einzelgliedern ausgebildet ist, die nach au­ ßen großflächig ohne rotierende Teile einen Flügel bilden, der auf der Basis von flexiblen Kunststoffen und Hochleistungs-Ma­ gnetmaterialien aufgebaut ist, wobei zum Vortrieb des Fahrzeu­ ges die Bewegung der Einzelglieder hinsichtlich Phase und/oder Ort koordiniert erfolgt. Ein solcher Antrieb kann im wesentli­ chen in Gestalt eines als "integrierter Flügel" ausgebildeten sogenannten Schwänzelantriebes realisiert werden.

Zur Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Antriebes besteht je­ des Einzelglied aus einem Stator aus Hochleistungs-Magnetmate­ rial und einer zugehörigen Feldwicklung. Dabei haben die Sta­ toren bei benachbarten Einzelgliedern jeweils entgegengesetzte Polungen. Solche Statoren können aus einer Folie des Hochlei­ stungs-Magnetmaterials gebildet sein, während die Feldspulen vorkonfektionierte Folienschaltungen sind. Alle Einzelglieder mit Stator und Feldwicklung sind dabei in flexiblem Kunst­ stoffschaum eingebettet, welcher von einer flexiblen wider­ standsfähigen Kunststoffhülle als vorgespannte großflächige Außenhaut umgeben ist. Zur Schwänzelbewegung der Einzelglieder gegeneinander sind dabei Ausgleichshohlräume vorhanden.

Mit der Erfindung ist also ein großflächig verteilter Antrieb mit individueller Ansteuermöglichkeit der Einzelglieder ge­ schaffen, der insbesondere für Unterwasser-Schiffe und/oder langsam bzw. geräuscharm fliegende Leichtflugzeuge mit nied­ rigen Relativgeschwindigkeiten anwendbar ist. Damit kann ein Vortrieb eines Fahrzeuges bei einer Unterwasser-Bewegung, z. B. entsprechend der Bewegung eines Rochens, oder auch gemäß dem natürlichen Vogelflug nachempfunden werden. Dieser Antrieb ist aber als verteilter Motor nur unter Nutzung von neuartigen leistungsoptimierten Magnetmaterialien sinnvoll, wie insbeson­ dere der hartmagnetischen Werkstoffe Neodym-Eisen-Bor oder auch Selten-Erd-Übergangsmetallverbindungen, die mit gering­ stem Materialeinsatz geeignete magnetische Polarisierungen er­ zeugen können. Beim verwendeten Magnetmaterial kommt es auf ein hinreichend großes Energieprodukt an, das etwa bei 10 M Gauß-Oersted oder mehr liegen sollte, was bei Kobalt-Samarium erreicht werden kann.

Durch den konsequenten Einsatz von Leichtmaterialien läßt sich eine Einrichtung zum Vortrieb von Wasser- oder Luftfahrzeugen schaffen, bei der ein rechnergesteuerter Schwänzelantrieb eine Bewegung nach Art eines integrierten Flügels generiert. Als Antriebsquelle können insbesondere Batterien, Kraftstoffzellen oder leichte Turbogeneratoren verwendet werden.

Im Rahmen der Erfindung ist es wichtig, daß bei der koordi­ nierten Bewegung aller Einzelglieder des Antriebes hinsicht­ lich Phase und/oder Ort jeweils eine adaptive Regelung der Drehmomente erfolgt. Dafür ist eine Bewegungsoptimierung im Rahmen eines Selbst-Lernprozesses möglich, wobei zur adaptiven Regelung der Drehmomente bezüglich Absolutwert, Phase und Ort die unter Last gemessenen elektrischen Werte sowie die zugehö­ rigen Drehwinkel der Einzelglieder als Steuergrößen dienen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei­ spielen anhand der Zeichnung. Es zeigen jeweils in schemati­ scher Darstellung

Fig. 1 den Schnitt durch ein vielgliedriges Antriebssystem,

Fig. 2 dessen Integration nach Art eines Flügels mit Durch­ messerreduktion zum Flügelende und

Fig. 3 das Prinzip der Leitungsverknüpfung an den Flügelen­ den.

Die Figuren werden weitgehend zusammen beschrieben:

In Fig. 1 und Fig. 2 ist ein Flügel 1 eines Wasser- bzw. Luftfahrzeuges, das mit dem Bezugszeichen 2 lediglich angedeu­ tet ist, dargestellt. Das Fahrzeug 2 ist im wesentlichen sym­ metrisch aufgebaut, so daß sich lediglich ein Teil längs der Symmetrielinie ergibt. Nach außen bildet der Flügel 1 ein durchgehendes Gebilde, wogegen es intern aus einer Vielzahl von Einzelgliedern besteht, die gegeneinander beweglich sind, so daß sich ein verteilter Antrieb ausbildet. Beispielsweise sind die Einzelglieder 3 bis 19 dargestellt, die sich zur Drehmomentenreduktion in Richtung des Flügelendes in ihrem Durchmesser verringern, worauf weiter unten im einzelnen ein­ gegangen wird. Abgeschlossen werden die Einzelelemente 3 bis 19 des Flügels 1 durch ein flexibles Ende 20.

Die Schnittdarstellung in Fig. 1 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 2 mit fünf Einzelgliedern als Antriebs­ elemente, wobei bei diesem Beispiel eine Winkelbewegung von 4° pro Stufe vorgesehen ist. Insgesamt können dann etwa 50 Stufen entsprechend Fig. 1 den gesamten Flügel 1 bilden. Anhand der Teilfig. 1 werden Teilantriebe 40 bis 70 entsprechend den Einzelgliedern 4 bis 9 der Fig. 2 beschrieben: Jeder Teilan­ trieb besteht als einzelner magnetischer Antrieb aus einem Statormagnet 31, 41..., 71 und einer zugehörigen Feldwicklung 32, 42,..., 72.

Alle Einzelglieder 3 bis 19 mit den Antrieben 30, 40,... sind in eine vorgespannte widerstandsfähige Kunststoffhülle 21 mit einer darin befindlichem flexiblen Kunststoffschaumfüllung 22 eingebracht, so daß nach außen hin ein glatt- und großflächi­ ger Aufbau gebildet wird. Es sind Ausgleichshohlräume 23 und 24 der Kunststoffschaumfüllung 22 und zwischen den einzelnen Antriebselementen vorhanden, um deren Bewegung gegeneinander zu ermöglichen. Zentrisch in dieser Anordnung ist ein durch­ gehender Führungskanal 25 angeordnet, in dem eine Lagerkette 26 geführt ist. Diese Lagerkette 26 ist so ausgebildet, daß von jedem Antriebselement 30, 40 durch gelenkartige Verbin­ dungen 35, 45,... die Beweglichkeit jedes Teilelementes in der Gesamtanordnung gewährleistet ist.

Eine derartige Zentrallagerung mit scharnierartig ausgebilde­ ten Teilelementen muß aus leichtem Material unter weitgehen­ der Verwendung von Kunststoffen bzw. metallischen Werkstoffen in Leichtbauweise gebildet sein. Alternativ zum Spalt zwischen Stator und Wicklung mit Außenlagerfunktion kann entsprechend stabiles und selbstschmierendes Konstruktionsmaterial verwen­ det werden.

Zum Erreichen eines hinreichenden Wirkungsgrades erfolgt eine Gewicht/Kosten-Optimierung bei geringstmöglichem Einsatz von ferromagnetischem Material. Insbesondere durch Hochleistungs- Magnetmaterialien mit optimierten hartmagnetischen Eigenschaf­ ten lassen sich bereits mit folienartigem Aufbau geeignete magnetische Polarisierungen erreichen. Dabei kommt es darauf an, bei jedem Teilglied 30, 40,... des Antriebes mit den ein­ zelnen Statoren 31, 41,... einen geeigneten Magnetfluß mit entgegengesetzter Polung zum Nachbarn zu erreichen. Entspre­ chend lassen sich mit der zugehörigen Feldwicklung entspre­ chende Flußführungsstrukturen modellieren, so daß sich ein hinreichender Wirkungsgrad ergibt. Für die Feldwicklungen werden dabei vorkonfektionierte Folienschaltungen verwendet.

Letzteres ergibt sich beispielsweise aus Fig. 3, welche im einzelnen die Leitungsverknüpfung einer Feldwicklung 28 an den Flügelenden zeigt. Wichtig ist dabei, daß sich ein solcher Aufbau des Ankers ergibt, der durch die hinreichend große Po­ larisation des folienartigen Magnetmaterials im Stator aus­ lenkbar und somit gegenüber dem Nachbarglied bis zu einer vor­ gegebenen Winkelstellung auslenkbar ist. Die Serienschaltung der Winkelstellungen aller Einzelglieder ergibt in ihrer zeitlichen Abfolge die gewünschte Schwänzelbewegung.

Die Aktivierung eines Antriebes mit einem Aufbau gemäß den Fig. 1 und 3 erfolgt mittels üblicher Energiequellen, wie beispielsweise eine Batterie oder eine Brennstoffzelle. Auch ein leichter Turbogenerator wäre geeignet. Dabei kommt es da­ rauf an, eine Bewegungsoptimierung der Einzelglieder 2 bis 19 gemäß Fig. 2 durch eine adaptive Regelung der Drehmomente in den einzelnen magnetisch aktivierbaren Teilantrieben 30, 40,... zu erreichen. Dazu müssen Absolutwert, Phase und Ort koordiniert und adaptiv geregelt werden, so daß sich insgesamt eine koordinierte Bewegung des beschriebenen Schwänzelantrie­ bes ergibt. Hierzu kann ein Rechner, insbesondere Mikrocompu­ ter vorhanden sein. Es lassen sich so die unter Last an den Einzelgliedern des Antriebes gemessenen elektrischen Werte so­ wie auch die gemessenen Winkel erfassen, verarbeiten und als Steuergrößen rückkoppeln.

Insgesamt wird durch die Gesamtkonzeption des Schwänzelantrie­ bes ein technisch/wirtschaftlich sinnvoller Aufbau erreicht, bei dem die Abmessungen bzw. Materialien bezüglich ihrer Fe­ stigkeit und Dichte auf das umgebende Medium abgestimmt sind. Dabei kann für den Einsatz als dynamisch geregelter Tragflügel eine trimmbare Vorspannung im Aufbau mittels Torsionsfedern oder dergleichen vorhanden sein. Zur Aktivierung einer kräfte­ freien Schwänzelbewegung im gespannten Zustand des Flügels ge­ währleistet die große Magnetpolarisation der hartmagnetischen Werkstoffe auf kleinstem Raum einen maximalen Fluß in der Ver­ bundstruktur der Wicklung, wobei deren Gewicht durch geeignete Materialien gering gehalten wird. Somit läßt sich jedes Ein­ zelglied in der Gesamtanordnung individuell aktivieren und die Vortriebsbewegung generieren.

Für die vorgesehenen Anwendungen alternativ als Unterwasser­ fahrzeug oder als Luftfahrzeug lassen sich durch entsprechende hydrodynamische bzw. aerodynamische Vorgaben die Voraussetzun­ gen für einen Vortrieb schaffen. Letzteres kann dann sinnvoll ausgenutzt werden, wenn lediglich vergleichsweise niedrige Re­ lativgeschwindigkeiten benötigt werden.

Claims (16)

1. Einrichtung zum Vortrieb eines Wasser- oder Luftfahrzeuges mit einem elektromagnetisch aktivierbaren Antrieb, da­ durch gekennzeichnet, daß der elektroma­ gnetische Antrieb als vielgliedriges System (3-19, 20) mit gegeneinander beweglichen Einzelgliedern (30, 40,...) ausge­ bildet ist, die nach außen großflächig ohne rotierende Teile einen Flügel (1) bilden (sog. Schwänzelantrieb), der auf der Basis von flexiblen Kunststoffen und Hochleistungs-Magnetma­ terialien aufgebaut ist, wobei zum Vortrieb des Fahrzeuges die Bewegung der Einzelglieder (30, 40,...) hinsichtlich Phase und/oder Ort koordiniert erfolgt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Antrieb der Einzelglieder (30, 40,...) rechnergesteuert erfolgt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jedes Einzelglied (30, 40,...) aus einem Stator (31, 41,...) aus Hochleistungs-Magnetmaterial und einer zugehörigen Feldwicklung (32, 42,...) besteht.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei benachbarten Einzelgliedern (30, 40,...) die Statoren (31, 41,...) jeweils entgegenge­ setzte Polungen haben.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Magnetmaterial für die Sta­ toren (31, 41,...) ein hartmagnetischer Werkstoff ist, der als dünne Folie einen hinreichenden Magnetfluß realisiert.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Magnetmaterial aus Neodym- Eisen-Bor (NdFeB) besteht.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Magnetmaterial aus einer Selten-Erd-Übergangsmetallverbindung mit einem Energieprodukt 10 M Gauß-Oersted besteht.

8. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Feldwicklungen (32, 42,...) vorkonfektionierte Folienschaltungen sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 1 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelglieder (30, 40,...) aus Stator (31, 41,...) und Feldwicklung (32, 42,...) in flexiblen Kunststoffschaum (22) eingebettet sind, welcher von einer flexiblen widerstandsfähigen Kunststoffhülle als vorgespannte großflächige Außenhaut (21) umgeben ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen den Statoren (31, 41,...) der Einzelglieder (30, 40,...) einerseits und den Feldwicklungen (32, 42,...) der Einzelglieder andererseits Ausgleichshohlräume (23, 24) vorhanden sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein interner Führungskanal (25) zur Aufnahme einer Lagerkette (26) vorhanden ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lagerkette (26) aus einzel­ nen Elementen (45), die über Gelenke miteinander verbunden sind, besteht.

13. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß am Ende des Flügels (1) ein flexibles Element (20) ohne Einzelantrieb aufgebracht ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Bewegungsoptimierung der Einzelglieder eine adaptive Regelung der Drehmomente bezüglich Absolutwert, Phase und/oder Ort vorhanden ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die unter Last gemessenen elek­ trischen Werte sowie die gemessenen Winkel als Steuergrößen dienen.

16. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Energiequelle zum Antrieb der Einzelglieder (30, 40,...) Batterien, Kraftstoffzellen oder Turbogeneratoren verwendet werden.