DE69016399T2

DE69016399T2 - Redundante Kräfte erzeugender Motor.

Info

Publication number: DE69016399T2
Application number: DE69016399T
Authority: DE
Inventors: James Irwin
Original assignee: Lucas Industries Inc
Current assignee: Lucas Industries Inc
Priority date: 1990-01-30
Filing date: 1990-11-15
Publication date: 1995-06-22
Anticipated expiration: 2010-11-16
Also published as: EP0439910A1; JP2937303B2; US4988907A; EP0439910B1; DE69016399D1; JPH04217852A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrische Solenoide, die eine lineare, axiale Kraft erzeugen und insbesondere auf jene Klasse von elektrischen Solenoiden, die als Kraftmotoren bekannt sind, die eine relativ kurze Verschiebung erzeugen, die proportional zu einem Treiberstrom ist.

2. BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Solenoide sind im allgemeinen durch eine Betätigungsrichtung gekennzeichnet, die sich nicht in Hinblick auf die Richtung des erregenden Stromes ändert. In anderen Worten, wenn eine Gleichstromversorgung ihre Polarität ändert, sieht das Solenoid weiterhin axiale Bewegung in die gleiche Richtung vor.
Kraftmotoren unterscheiden sich von Solenoid insofern, daß sie ein Permanentmagnetfeld zum Vorspannen des Luftspaltes eines Solenoids derart benutzen, daß die Bewegung des Angriffs des Kraftmotors von der Richtung des Stromes in der Spule diktiert ist. Umkehrung der Polarität des Stromflusses kehrt die Richtung der Versetzung des Kraftmotorankers um.
Kraftmotoren werden häufig zum Antreiben einer Ventilspule in einem Hochleistungsflugzeug benutzt, bei der Effektivitäten des Gewichtes, Größe, Kosten und Leistungsverbrauch von primärer Überlegung sind. Es ist daher vorteilhaft, die mit der Erzeugung hoher Magnetkräfte verbundenen Verluste zu minimieren und die Größe der Permanentmagneten zu minimieren, die normalerweise relative Kosten höher als das Solenoideisen haben.
Figur 1 stellt bei der vorliegenden Anmeldung einen herkömmlichen Kraftmotor mit vereinfachter Konstruktion zur Erleichterung der Erläuterung dar. Ein Stator 10 enthält Anbringungsbügel 12 und einen Eisenkern, der einen Weg für den Fluß vorsieht. Der Anker 14 ist auf einer Ausgangswelle 16 angebracht und bewegt sich damit. In der Statoranbringung ist ein Permanentmagnet 18 enthalten, der einen Fluß durch den Stator und den Anker erzeugt, wie durch die durchgezogenen Pfeile 20 gezeigt ist. Dieser Fluß von dem Magneten 18 geht in entgegengesetzte Richtungen über Luftspalte 22 und 24. Spulen 26 und 28 sind vorgesehen und so gewikkelt, daß sie Flußwege vorsehen, die durch gestrichelte Pfeile 30 gezeigt sind, wobei sie die Luftspalte 22 und 24 in die gleiche Richtung kreuzen. Die Betätigung des Kraftmotors nach dem Stand der Technik sieht eine Ausgangsbewegung der Welle 16 vor, wenn Strom in eine Richtung an die Spulen 26 und 28 angelegt wird, und eine Bewegung der Ausgangswelle in die entgegengesetzte Richtung, wenn ein entgegengesetzter Stromfluß für die Spulen 26 und 28 vorgesehen wird. Diese Bewegungsrichtung wird durch die Tatsache bewirkt, daß, wie in Figur 1 gezeigt ist, der von dem Permanentmagneten 18 erzeugte Fluß (durch die durchgezogenen Pfeile 20 gezeigt) in dieselbe Richtung geht, wie der von der Spule erzeugte Fluß (durch gestrichelte Pfeile 30 gezeigt) über den Luftspalt 22, jedoch in entgegengesetzte Richtungen über Luftspalt 24. Dieses bewirkt eine größere Anziehung an dem Luftspalt 22, als sie an dem Luftspalt 24 bestehen würde, und somit wird der Anker zu dem linken Statorabschnitt angezogen, wodurch die Ausgangswelle nach links bewegt wird. Wenn der Stromfluß in beiden Spulen 26 und 28 umgedreht würde, würde offensichtlich die Richtung der von der Spule erzeugten Flußwege, die durch die gestrichelten Pfeile 30 gezeigt sind, für beide Luftspalten 22 und 24 umgedreht werden. Es ist anzumerken, daß der Permanentmagnet 18 in der Statoranordnung angebracht sein kann, wie es gezeigt ist, oder er kann Teil des Ankers sein.
Wenn der durch die Spule erzeugte Fluß umgekehrt würde (durch unterschiedliches Wickeln der Spule oder einfach Umdrehen der Polarität der Gleichstromversorgung), würde der Fluß über den Luftspalt 24 kumultativ sein und über den Luftspalt 22 würde er differentiell sein, wodurch eine Ankerbewegung nach rechts resultiert und folglich eine Ausgangswellenbewegung nach rechts. Die Luftspalte 22 und 24 sind als Arbeitsluftspalte bezeichnet, in denen der Fluß durch eine Luftspalte geht und als Resultat eine Anziehungskraft zwischen dem Stator und dem Anker erzeugt, die in die Axialrichtung gerichtet ist. Der Kraftmotor nach dem Stand der Technik weist auch einen zusätzlichen Luftspalt 32 auf, der bei einem Fluß in radialer Richtung als ein Nichtarbeitsluftspalt gekennzeichnet werden kann; und obwohl es eine Anziehung zwischen dem Stator und dem Anker gibt, resultiert dieses nicht in einer Erhöhung der Kraft in die axiale oder betriebsmäßige Richtung des Kraftmotors. Damit der Fluß maximiert wird (Minimieren der Luftspalte), ist diese Abmessung so klein wie möglich gemacht (Minimierung der Reluktanz des Flußweges), obwohl ein ausreichender Freiraum aufrecht erhalten bleiben muß, damit eine Relativbewegung zwischen dem Stator und dem Anker möglich ist.
Ein anderer Kraftmotor nach dem Stand der Technik ist in Figur 2 dargestellt. Der Motor 34 von Figur 2 benutzt vier Spulen 36, 38, 40, 42, die ringförmig um eine Welle und Ankeranordnung 44 zentriert sind, die axial nach rechts oder links verschiebbar ist. Da elektrische Erregen einer beliebigen Spule stellt Linien von magnetischem Fluß her, was ein "Strang" genannt wird, und das Erregen aller vier Spulen sieht vier Stränge vor. Abstandsstücke 46, 48 und Zentrierungsfedern 50, 52 helfen dabei, die Welle und die Ankeranordnung 44 in zentriertem Verhältnis zu Arbeitsluftspalte 54 und 56 und in einem konstanten Abstand von den Spulen 36, 38, 40, 42 zu halten. Permanentmagnete 58, 60 sind zwischen Polstücken 62 und 64 und den Abstandsstücken 46, 48 angeordnet, und ihre beiden Nordpole sind einander zugewandt, wodurch statische Flußwege 66, 68 erzeugt werden (durchgezogene Linien). Wenn die Spulen 36, 38, 40, 42 gut elektrisch parallel erregt werden, so daß sie alle helfen, einen Flußpfad 70 (gestrichelte Linien) zu erzeugen, bewegen sich die Welle und Ankeranordnung 44 nach links wegen des kumultativen Effektes des permanenten Magnetflußpfades 68 und des durch die Spule erzeugten Flußpfades 60 über den Luftspalt 54. Eine umkehr der elektrischen Polarität in den Spulen 36, 38, 40, 42 bewirkt, daß der von der Spule erzeugte Flußpfad 70 in die umgekehrte Richtung orientiert ist (nicht gezeigt), wodurch er kumultativ zu dem statischen Flußpfad 66 über den Luftspalt 56 addiert wird, wodurch bewirkt wird, daß die Welle und Ankeranordnung 44 nach rechts verschoben werden.
Ein größerer Vorteil des Motors von Figur 2 über dem von Figur 1 ist die Tatsache, daß drei Niveaus von Redundanz in den Motor von Figur 2 eingebaut sind, während der Motor von Figur 1 keine aufweist. Wenn eine, zwei oder drei der Spulen des Motors von Figur 2 versagen, kann/können die verbleibende/n Spule/n effektiv die Welle betätigen und jedes zugehörige Spulenventil, wenn die Spulen elektrisch mit parallelen Treibern verbunden sind. Der Motor von Figur 1 auf der anderen Seite mit nur zwei in Reihe verbundenen Spulen kann keine Extraniveaus der Redundanz vorsehen.
Es gibt eine Zahl von Nachteilen bei dem Motor von Figur 2. Zuerst teilen sich die Magnetschaltung jeder Spule die gleiche Kernstruktur, so daß Spannungsübergänge, die durch Fehlfunktionen in einer Spule erzeugt werden unerwünschte Spannungen durch die andere/n Spulein erzeugen können, wodurch Instabilität und fehlerhafte Ausführung verursacht werden. Als zweites kann durch kurzgeschlossene Spulen erzeugte Wärme zu benachbarten Spulen übertragen werden, wodurch eine verschlechterte Durchführung und/oder zusätzliches Spulenversagen bewirkt wird. Drittens, wenn nur eine einzelne erregte Spule an einem Ende erregt wird, kann asymmetrischer Fluß durch die entsprechenden Luftspalten erzeugt werden, wodurch asymmetrische Anziehungskräfte resultieren, die auf den Anker durch die entsprechenden Luftspalte in Abhängigkeit von der Spulenpolarität wirken.
Viertens bewirkt das kontinuierliche Aufeinanderstapeln von Spulen zum Erhöhen des Redundanzsicherheitsfaktors, daß die Länge und das Gewicht der Motoren prohibitiv ansteigen, insbesondere in einer Flugzeugbenutzung, wo Raum und Gewicht Vorrang haben. Fünftens benutzt der Motor von Figur 2 ein magnetisch weiches Material zwischen dem Arbeitsluftspalt und dem Magnet, wodurch der Flußweg in dem Spalt schlecht definiert ist.
Daher gibt es eine Notwendigkeit in dem Stand der Technik für ein Mehrstrangkraftmotor, der mehrere Schichten von Redundanz aufweist, der symmetrische Bewegungskräfte auf die bewegenden Teile während eines Mehrstrangversagens vorsieht und der elektrisch und magnetisch alle Stränge im Falle eines Spulenkurzschlusses oder einer offenen Schaltung isoliert.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kraftmotor vorzusehen, der eine Mehrzahl von Strängen aufweist, die elektrisch und magnetisch unabhängig sind.
Es ist eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung, die Stränge eines Kraftmotors in einer physischen Struktur anzuordnen, in der jeder Strang effektiv von der von anderen Strängen erzeugten Wärme isoliert ist.
Es ist eine noch andere Aufgabe der Erfindung, einen Mehrstrangkraftmotor vorzusehen, der einen symmetrischen Fluß erzeugen kann und daher symmetrische Anziehungskräfte auf den Anker in jeder Richtung ausübt unabhängig von der Zahl oder der Stelle von fehlerhaften Strängen.
Es ist eine noch weitere Aufgabe der Erfindung, einen Kraftmotor vorzusehen, der die Spulen ringförmig um die bewegbare Welle stapelt anstelle, daß sie axial oder in Reihe gestapelt sind, so daß die Länge des Motors verkürzt wird.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, einen Kraftmotor vorzusehen, der die Notwendigkeit von magnetisch weichem Material zwischen den Arbeitsluftspalten und den Magneten ausschließt, wodurch ein klarer definierter Fluß durch die Luftspalten und eine resultierende höhere Effektivität erzeugt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein redundanter Kraftmotor vorgesehen mit einer Betriebsachse in einer axialen Richtung, mit:
einem Gehäuse mit einer Statoranordnung, die eine Mehrzahl von Spulenkernen aufweist;
einem Anker einschließlich einer Welle, die in der axialen Richtung bewegbar ist, und einer Mehrzahl von Ankerabschnitten;
einem statischen Vorspannungsmittel und
einer Mehrzahl von erregbaren Spulenmitteln;
dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenmittel in Paaren angeordnet sind, jeder Abschnitt des Ankers in axialer Richtung zwei Seiten aufweist, jedes der Paare von Spulenkernen einen Kern aufweist, der auf jeder Seite eines zugehörigen Ankerabschnittes angeordnet ist, ein Ende eines jeden Spulenkernes und sein zugehöriger Ankerabschnitt zwei Arbeitsluftspalte in der axialen Richtung definieren, das statische Vorspannungsmittel zum Erzeugen eines statischen Magnetflusses durch die mit jedem der Ankerabschnitte verknüpften Arbeitsluftspalte ausgelegt ist, jedes der Spulenmittel Mittel zum Erzeugen eines elektromagnetischen Flusses durch die mit einem der Ankerabschnitte verknüpften Arbeitsluftspalte aufweist, einer des statischen Vorspannungsflusses und des erregbaren Spulenmittelflusses in der gleichen axialen Richtung durch die mit einem Ankerabschnitt verknüpften zwei Arbeitsluftspalte geht, und der andere des statischen Vorspannungsflusses und des erregbaren Spulenmittelflusses in entgegengesetzte axiale Richtung durch die mit dem einen Ankerabschnitt verknüpften zwei Arbeitsluftspalte geht, wobei der erregbare Spulenmittelfluß in dem einen Ankerabschnitt unabhängig von dem durch das erregbare Spulenmittel in einem anderen Ankerabschnitt Erzeugten ist.
Bevorzugt werden drei Permanentmagnete pro Strang benutzt, die fest an dem Gehäuse des Motors gesichert sind und die einen Satz von statischen Flußwegen durch den Anker und das zugehörige Magnetmaterial erzeugen. Die Spulen in jedem Strang erzeugen, wenn sie elektrisch erregt sind, einen Flußweg in eine von zwei Richtungen, die in einer Richtung einen Arbeitsluftspalt überspringen zum Anziehen des Ankers und der Welle in eine Richtung, während der erzeugte Fluß die Richtung umkehrt, wenn die Spulen in einer umgekehrten Polarität angeregt werden, und sich mit dem statischen Fluß auf eine Weise verbindet, die bewirkt, daß sich der Anker und die Welle in die andere Richtung bewegen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind vier magnetische Stränge, die in einer "quadratischen" Anordnung um die zentrale Welle bei der vorliegenden Erfindung angeordnet sind, elektrisch und magnetisch unabhängig, und daher haben die Effekte der kurzgeschlossenen Spulen oder der offenen Spulen in jedem Strang keinen Effekt auf die anderen drei verbleibenden Stränge. Folglich kann ein Kraftmotor mit drei Ebenen der Sicherheitsredundanz vorgesehen werden, der eine symmetrische, stabile Anziehungskraft auf die Welle in beide axiale Richtungen erzeugt.
Die Erfindung wird weiter beispielshafterweise mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Flusses in einem herkömmlichen Kraftmotor nach dem Stand der Technik ist;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Flusses eines Reihenkraftmotores nach dem Stand der Technik mit vier Strängen ist;
Figur 3 eine geschnittene Seitenansicht eines Kraftmotors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die entlang des Schnittes A-A von Figur 4 genommen ist, wobei der obere Schnitt ein Schnitt durch das Zentrum eines Stranges ist, während der untere Schnitt einen Schnitt zwischen Strängen zeigt;
Figur 4 eine Endansicht des Kraftmotors ist;
Figur 5 eine geschnittene Endansicht des Kraftmotors ist, die den Anker und Magnete zeigt;
Figur 9 eine geschnittene Endansicht eines Kraftmotors gemäß der vorliegenden Erfindung ist, die die Enden der Spulen zeigt;
Figur 7(a) eine Endansicht der Magnetanordnung des Kraftmotors gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Figur 7(b) eine geschnittene Seitenansicht der Magnetanordnung des Kraf tmotors gemäß der vorliegenden Erfindung ist, die entlang des Schnittes A-A von Figur 7(a) genommen ist;
Figur 8(a) eine Endansicht des Ankers und der Welle des Kraftmotors gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Figur 8(b) eine geschnittene Seitenansicht des Ankers und der Welle des Kraftmotors gemäß der vorliegenden Erfindung ist, die entlang des Schnittes A-A von Figur 8(a) genommen ist;
Figur 9 eine vereinfachte geschnittene schematische Teilseitenansicht eines Abschnittes eines Stranges des Kraftmotors gemäß der vorliegenden Erfindung ist, die statische Magnetflußlinien zeigt, die durch einen Magneten erzeugt sind, dessen Nordpol nach außen weist; und
Figur 10 eine vereinfachte schematische Teilseitenansicht eines Abschnittes eines Stranges des Kraftmotors gemäß der vorliegenden Erfindung ist, die die Addition des Flusses zeigt, der durch die Spulen erzeugt ist und den Anker nach rechts zieht (der Anker ist nicht verschoben gezeigt).

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Figuren 3 bis 6 stellen verschiedene Schnittansichten einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Figur 3 stellt eine Welle 110 dar, die durch ein Gehäuse 122 geht und an Wellenenden 114 an beiden Enden durch Stifte 112 befestigt ist. Jedes Wellenende 114 ist an einer Federplatte 116 durch Bolzen 118 befestigt, die durch eine Federabdeckung 120 gehen, wie in Figur 4 gezeigt ist, weist die Federplatte 116 sich radial erstreckender Arme auf, die eine ausrichtende und zentrierende Wirkung auf die Welle 110 ausüben, und die Arme sind nahe des Umfanges des Gehäuse 122 durch Kern- und Federbolzen 124 befestigt. Da es eine Federplatte 116 an beiden Enden der Welle 110 gibt, wird die Welle 110 in einer statischen Gleichgewichtsposition gehalten, wenn keine externe axiale Kraft auf die Welle 110 ausgeübt wird.
Zurückkehrend zu Figur 3, ein Anker 128 ist an einem mittleren Punkt der Welle 110 durch Stifte 126 befestigt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Anker 128 bevorzugt aus einer hochpermeablen Zusammensetzung aus 2 % Vanadium, 49 % Kobalt und 49 % Eisen gemacht, was im Stand der Technik gut bekannt ist zum Aufnehmen von mehr Fluß pro Einheitsfläche als Kohlenstoffstahl. Wie in Figuren 5 und 8(a) gezeigt ist, weist der Anker 128 eine "Kleeblatt"-Form auf, bei der es einen ausgestreckten Arm für jeden Strang des Motors gibt. Wie in Figur 8(b) gezeigt ist, weist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der äußere Abschnitt eines jeden Armes eine stufenförmige Dicke 129 auf, bei der die Flußwege in den Anker 128 gehen oder aus ihm austreten. Zurückkehrend zu Figur 3, das Gehäuse 122 des Motors ist aus Statorabschnitten 130, 132 gemacht, die durch einen Ringspalt 134 getrennt sind und die in einer bevorzugten Ausführungsform alle aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt gemacht sind. Wie in Figur 3 gezeigt ist, sind diese Komponententeile während des Zusammenbaues unter Benutzung kleiner Dübel 136 und größerer Hülsendübel 138 ausgerichtet. Die Hülsendübel 138 sind Bolzen, die diese Elemente fest zusammenhalten, wenn sie um die Welle 110 und den Anker 128 zusammengebaut werden. Ein Ende des Gehäuses 122 wird durch eine Abdeckung 140 eingeschlossen, während das andere an einem Aluminiummontierungsflansch 142 befestigt ist.
Ebenfalls in dem Gehäuse 122 sind bogenförmige Permanentmagnete 144 und stabförmige Permanentmagnete 148 angeordnet, die fest an dem Ringspalt 134 an den in Figuren 5 und 7(a) gezeigten Stellen mit Epoxidharz angeklebt sind, so daß ein im wesentlichen geschlossenes Magnetfeld in der Form eines Torus jedoch mit einer Öffnung an einer Seite gebildet wird. Die Magneten können aus jedem beliebigen bekannten Permanentmagnetmaterial sein, aber bevorzugt aus Samariumkobalt in einer bevorzugten Ausführungsform. Es gibt zwei stabförmige Magnete 146 und einen bogenförmigen Magnet 144 für jeden Strang des Motors. Zum zusätzlichen Sichern der stabförmigen Magnete 146 ist jeder in einer Riefe verriegelt, die in die Enden eines jeden bogenformigen Magneten 144 geschnitten ist. Zusätzlich ist ein Edelstahlmagnetschutz 148 über die Enden eines jeden stabförmigen Magneten 146 gesetzt und durch ein Drahtführungsrohr 150 gesichert, wie in Figur 7(b) gezeigt ist.
Jeder Arm des Ankers 128 ist von den Magneten 144, 146 durch einen Nichtarbeitsluftspalt getrennt, wie in Figur 5 gezeigt ist.
Wie in Figur 6 gezeigt ist, gibt es vier Sätze von Spulenanordnungen 152, eine für jeden Strang. Wie in Figur 3 gezeigt ist, ist jede Spulenanordnung 152 aus zwei individuellen Spulen 154 und 155 gemacht, die um zugehörige Spulenkerne 156 gewickelt sind und auf beiden Seiten eines zugehörigen Armes des Ankers 128 angeordnet sind. Die Magneten 144, 146 sind in dem Ringspalt 134 angeordnet. Die Spulenkerne 156 sind wie der Anker 128 bevorzugt aus 2% Vanadium, 49% Kobalt und 49% Eisen gemacht. Die Spulenkerne 156 sind an den Statorabschnitten 130, 132 durch Kernbolzen 158 befestigt, wie in Figur 3 gezeigt ist.
Die individuellen Spulen 154 und 155 in jeder Spulenanordnung 152 sind elektrisch in Reihe durch einen Draht 160 verbunden, der in dem Drahtführungsrohr 150 so aufgenommen ist, daß bei Erregung die durch die beiden Spulen 154 und 155 erzeugten magnetischen Flüsse 210 in der gleichen Richtung orientiert sind, d.h. durch die Spulenkerne 156, durch den Anker 158 und quer über die Arbeitsluftspalte 162, die auf beiden Seiten des Ankers zwischen dem Anker 128 und den Spulenkernen 156 angeordnet sind. Die Enden der Spulen 154 und 155 sind dem Anker 128 zugewandt, und die Magnete 144, 146 sind mit nicht magnetischen Aluminiumflanschen 164 bedeckt, während die äußeren Enden der Spulen 154 und 155 mit magnet permeablen Flanschen 166 bedeckt, die aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt gemacht sind.
Figuren 4, 5 und 6 in Zusammenhang mit Figur 3 stellen die ringförmige Anordnung der Strenge des Motors der vorliegenden Erfindung dar. Figur 4 ist eine Endansicht, die die Welle 110, das Wellenende 114, die Federabdeckung 120, die Arme der Federplatte 116 und den Aluminiummontierungsflansch 142 zeigt. Figur 5 ist eine innere Schnittansicht, die den Anker 128, die Stabmagneten 146, die Bogenmagneten 144, die Welle 110 und die Stifte 126, die den Anker 128 mit der Welle 110 verriegeln, hervorhebt.
Figur 6 ist eine innere Schnittansicht eines anderen Abschnittes des Motors, die die individuellen Spulen 154 in den getrennten Spulenanordnungen 152 zeigt. Die Spulen 154 sind elektrisch in Reihe verbunden und in die gleiche Richtung wie die Spulen 155 (nicht gezeigt) gewickelt, damit ein magnetischer Fluß erzeugt wird, der in die gleiche Richtung durch beide Spulen in Abhängigkeit von der Strompolarität fließt. Figur 6 zeigt auch deutlicher die nach innen gerichteten radialen Arme des Ringspaltes 134. Die Drahtführungsrohre 150 sind ebenfalls gezeigt, wie sie an den Enden der nach innen gerichteten radialen Arme des Ringspaltes 154 weggeschnitten sind.
Figur 7(a) zeigt eine geschnittene Endansicht des Ringspaltes 134, die die Positionen der Art stabförmigen Magneten 146 und der vier bogenförmigen Magneten 144 zeigt. Die stabförmigen Magnete 146 und die bogenförmige Magnete 144 sind gezeigt wie sie mit Epoxidharz an dem Ringspalt 134 angeklebt sind, und zusätzlich sind die stabförmigen Magnete 146 gezeigt, wie sie in ihren Enden geschnittene Kerben aufweisen, damit sie mit den Enden der bogenförmigen Magnete 144 verriegeln, damit Lufttaschen zwischen den Magneten 144, 146 und dem Ringspalt 134 gebildet werden. Die Enden der bogenförmigen Magnete 146, die am nächsten zu der Welle 110 sind, sind ebenfalls mit Magnetschutzvorrichtungen 148 bedeckt. Die sich radial nach innen erstreckenden Arme des Ringspaltes 154, an die die stabförmigen Magnete 144 mit Epoxidharz geklebt sind, erstrecken sich durch ein Loch in jedem Magnetschutz 148 und weisen ein anderes Loch auf, das durch ihre entsprechenden Enden gebohrt ist. Durch dieses Loch ist das Drahtführungsrohr 150 eingeführt, das einen Draht (nicht gezeigt) für die Spulenanordnung 152 enthält, wie in Figur 7(b) gezeigt ist, was ebenfalls dazu beiträgt, die stabförmigen Magneten 146 sicher gegen die bogenförmigen Magneten 144 zu halten.
Figur 8(a) ist eine Endansicht einer Anordnung, die aus dem Anker 128 und der Welle 110 gebildet ist. Figuren 8(a) und 8(b) zeigen die stufenartige Vertiefung 129 in der Konstruktion der Arme des Ankers 128, die einen bevorzugteren Flußpfad durch die Arbeitsluftspalte 162 ermöglichen, wie in Figur 3 gezeigt ist.
Figur 8(b) zeigt auch den Stift 126, der fest die Welle 110 mit dem Anker 128 verbindet. Die Arme des Ankers 128, die benachbart zu den Spulenkernen 156 in Figur 3 sind, enthalten Löcher, wie es der Fall bei den Spulenkernen 156 und den Statorabschnitten 130, 132 zum Ausrichten dieser inneren Teile der Fall ist.
Figur 9 stellt einen Abschnitt eines Stranges des Kraftmotors der vorliegenden Erfindung in einer nicht erregten Position dar, wobei der Anker 128 verschiebbar in der Mitte zwischen gegenüberliegenden Spulen 154 und 155 in einer Spulenanordnung 152 in einem Strang des Motors positioniert ist, Ein bogenförmiger Magnet 144 und zwei stabförmige Magnete 146 (nicht gezeigt in Figur 9) in jedem Strang bilden einen statischen Magnetflußweg (durchgezogene Pfeile) in jedem Strang. Die Polarität der Magneten macht keinen Unterschied mit der Ausnahme, daß alle Polaritäten in jedem Strang die gleichen sein sollten. Mit anderen Worten, der stabförmige Magnet 144 und die zwei bogenförmigen Magnete 146 sollten in einem gegebenen Strang alle ihren Nordpol entweder nach radial außen zeigen oder radial nach innen zeigen in Bezug auf die Achse des Stranges aufweisen. Die Polarität der Sätze von Magneten 144, 146 für die vier Stränge müssen nicht identisch sein, da eine umgekehrte Polpolarität in den Magneten 144, 146 eines Stranges die gleiche Richtung der Bewegung des Ankers 128 und der Welle 110 wie anderen Stränge erzeugen kann, wenn die Polarität der Spulenanordnung 152 des einen Stranges ebenfalls von der Polarität der Spulenanordnung 152 in den anderen Strängen umgekehrt ist.
In einem gegebenen Strang ist, wie unten in Figur 9 gezeigt ist, wenn der Nordpol des Satzes von Magneten 144, 146 nach außen weist, ein statischer Magnetflußweg 200 eingestellt, wodurch die Flußlinien, die das Nordpolende der Magneten 144, 146 verlassen, in das Gehäuse 122 des Motors zu beiden Enden fließen, zurück zu den zugehörigen Spulenkernen 146 für diesen Strang, quer uber die zwei Arbeitsluftspalte 162 auf beiden Seiten des Ankers 128, durch den Anker 128, durch den Nichtarbeitsluftspalt 151, der mit diesem Strangabschnitt verknüpft ist, und zurück in das Südpolende des Magneten 144, 146, die für diesen Strang gesetzt sind, fließen. In dieser Position tendieren die Federplatten 116, die an beiden Enden der Welle 110 angeordnet sind, zu halten der Anordnung der Welle 110 und des Ankers 128 direkt in der Mitte der Spulen 154, wodurch die Spulenanordnung 152 für jeden Strang aufgestellt ist. Diese Beschreibung des statischen Flußweges 200 ist ähnlich für alle vier Stränge des Motors.
Figur 10 stellt einen Abschnitt eines Stranges eines erregten Kraftmotors dar, bei dem der Anker 128 nach rechts angezogen ist durch den additiven Effekt des statischen Flußpfades 200 von Figur 9 in Kombination mit einem Flußpfad 210 (gestrichelte Pfeile) der durch eine elektrisch erregte Spule erzeugt ist und den statischen Flußpfad 200 (durchgezogene Pfeile) über den rechten Arbeitsluftspalt 162 verstärkt, wodurch der Anker 128 nach rechts gezogen wird. Obwohl der statische Flußpfad 200 durch den Spulenkern 156 auf der linken Seite noch verbleibt, wird sein anziehender Effekt auf den Anker 128 und die Welle 110 über den Arbeitsluftspalt 162 auf der linken Seite mindestens teilweise durch den Flußpfad 210 ausgeglichen, der durch die elektrisch erregte Spule 154 auf der linken Seite erzeugt wird und in eine entgegengesetzte Richtung fließt. Daher gibt es eine Verringerung der Nettoanziehungskraft über den linken Arbeitsluftspalt 162, während es eine erhöhte Anziehungskraft über den rechten Arbeitsluftspalt 162 gibt, die durch die Nettosumme des erzeugten Flußweges 210 und des statischen Flußweges 200 über diesen Spalt 162 verursacht wird. Obwohl Figur 10 nicht die tatsächliche Versetzung zeigt, ist der Effekt von diesem eine Nettoanziehung und Versetzung des Ankers 128 nach rechts.
Eine Umkehrung der Polpolaritäten bewirkt, daß die umgekehrte Situation auftritt, wodurch sich die Flußwege über den rechten Arbeitsluftspalt 162 ausgleichen, während sich die Flußwege über den linken Arbeitsluftspalt 162 addieren zum Anziehen des Ankers 128 nach links. Es sollte angemerkt werden, daß die Spulen 154 und 155 der Spulenanordnung 152 in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von Dreieckform sind, wie in Figur 6 gezeigt ist. Dreieckig geformte Spulen 154 und 155 verbrauchen ein kleineres Raumvolumen als es der Fall ist bei kreisförmigen Spulen mit der gleichen Windungszahl; daher sind sie in der Lage, einen Flußbetrag zu erzeugen, der sonst nur durch größere kreisförmige Spulen oder durch einen größeren Stromfluß vorgesehen wird. Die dreieckig geformten Spulen 154 und 155 verringern auch das tote Gebiet zwischen den Spulen, wodurch eine Verringerung der Bildung von Eddyströmen und Hysteresesverlusten erfolgt, wodurch die gesamte Leistung des Motors verbessert wird.
Der Motor der vorliegenden Erfindung wurde zum Vorsehen eines Kraftmotors für kritische Flugzeuganwendungen entwickelt, bei dem mehrere Niveaus von Redundanz vorzusehen waren, in dem unabhängige Magnetstränge für die Leistung des Motors vorgesehen wurden. Die Stränge sind insofern unabhängig, daß die elektrischen und magnetischen Flüsse und Felder, die von irgendeinem Strang erzeugt werden, keinen Effekt auf irgendeinen der anderen ausüben und umgekehrt. Dagegen teilen sich bei dem Motor nach dem Stand der Technik in Figur 2 alle vier Spulen die gleiche Struktur und den gleichen Magnetkreis.
Bei der Ausführungsform von Figur 2 wird Wärme von einer kurzgeschlossenen Spule in einem Strang leicht zu den anderen Spulen übertragen, wodurch ein zusätzliches Versagen und/oder Verschlechtern der Spule oder der Strangtätigkeit bewirkt wird. Da jedoch die Stränge, die in der "Quadrat"-Konstruktion der vorliegenden Erfindung angeordnet sind, strukturell und magnetisch unabhängig sind, wird die von einer kurzgeschlossenen Spule erzeugte Wärme in dem Strang gehalten, der die Spule enthält, und die Spulen in einem gegebenen Strang werden daran gehindert, Spannungen in den Spulen der anderen Stränge zu induzieren.
Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf die innewohnenden höheren magnetischen dämpfenden Eigenschaften. Da der Motor der vorliegenden Erfindung Magnete direkt gegenüber dem Anker benutzt, wobei kein weiches Magnetmaterial dazwischen vorgesehen ist, bewegt sich der Anker in einem resultierenden scharf fokussierten, wohl definierten Magnetfeld, das dazu neigt, eine maximale magnetische Bewegungsdämpfung vorzusehen. Flußlinien, die direkt aus dem Magneten in den Anker treten, sind steifer als sie es sein würden, wenn es ein zwischenliegendes permeables Magnetmaterial dazwischen gebe. Daher sind die Flußlinien widerstandsfähiger gegen Biegen, während sich der Anker hin- und herbewegt, was einen hohen Pegel von Bewegungsdämpfung erzeugt.
Ein anderer Vorteil ist die Tatsache, daß die "Kleeblatt"-(vier Arme)Auslegung des Ankers in der vorliegenden Erfindung eine sehr niedrige bewegende Masse für die Kräfte und die in dem Motor erzeugte Leistung vorsieht. Das resultiert in einem Motor mit einer sehr hohen natürlichen Frequenzreaktion7 d.h. Frequenzreaktion bedeutet, wie schnell der Motor auf Hin- und Herspulen Polaritätsumkehrungen reagieren kann zum Vorsehen des Öffnens und Schließens der Flugzeugspulenventile, die hunderte Mal in der Sekunde bei einer kritischen Flugzeugsteuerung betätigt werden müssen.

Claims

1. Redundanter Kraftmotor mit einer Betriebsachse in einer axialen Richtung, mit:

einem Gehäuse (122> mit einer Statoranordnung, die eine Mehrzahl von Spulenkernen (156) aufweist;

einem Anker (128) einschließlich einer Welle (110), die in der axialen Richtung bewegbar ist, und einer Mehrzahl von Ankerabschnitten;

einem statischen Vorspannungsmittel (114, 146) und einer Mehrzahl von erregbaren Spulenmitteln (154, 155);

dadurch gekennzeichnet,

daß die Spulenkerne in Paaren angeordnet sind, jeder Abschnitt des Ankers in axialer Richtung zwei Seiten aufweist,

jedes der Paare von Spulenkernen (156) einen Kern (156) aufweist, der auf jeder Seite eines zugehörigen Ankerabschnittes angeordnet ist,

ein Ende eines jeden Spulenkernes (156) und sein zugehöriger Ankerabschnitt zwei Arbeitsluftspalte (162) in der axialen Richtung definieren,

das statische Vorspannungsmittel (144, 146) zum Erzeugen eines statischen Magnetflusses durch die mit jedem der Ankerabschnitte verknüpften Arbeitsluftspalte ausgelegt ist,

jedes der Spulenmittel (154, 155) Mittel zum Erzeugen eines elektromagnetischen Flusses durch die mit einem der Ankerabschnitte verknüpften Arbeitsluftspalte (162) aufweist,

einer des statischen Vorspannungsflusses und des erregbaren Spulenmittelflusses in der gleichen axialen Richtung durch die mit einem Ankerabschnitt verknüpften zwei Arbeitsluftspalte (162) geht, und der andere des statischen Vorspannungsflusses und des erregbaren Spulenmittelflusses in entgegengesetzte axiale Richtung durch die mit dem einen Ankerabschnitt verknüpften zwei Arbeitsluftspalte (162) geht,

wobei der erregbare Spulenmittelfluß in dem einen Ankerabschnitt unabhängig von dem durch das erregbare Spulenmittel (154, 155) in einem anderen Ankerabschnitt Erzeugten ist.

2. Kraftmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Spulenmittel (154, 155) zwei elektrisch in Reihe verbundene Spulen aufweist.

3. Kraftmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide das Spulenmittel (154, 155) bildende Spulen in die gleiche Richtung gewickelt sind.

4. Kraftmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß das statische Vorspannmittel (144, 146) eine Mehrzahl von Permanentmagnetmitteln aufweist.

5. Kraftmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator vier Paare von Spulenkernen (156) aufweist, der Anker (128) vier Abschnitte enthält, das statische Vorspannungsmittel (144, 146) vier Permanentmagnetmittel aufweist, jedes Permanentmagnetmittel mit einem Ankerabschnitt verknüpft ist zum Erzeugen eines magnetischen Flußweges durch die Arbeitsluftspalte (162), die mit dem einen der Ankerabschnitte verknüpft sind, in entgegengesetzter axiale Richtung, und die Mehrzahl von erregbaren Spulenmitteln (154, 155) vier Spulenmittel (154, 155) aufweist, jedes Spulenmittel mit einem des Paares von Spulenkernen (156) und dem zugehörigen Ankerabschnitt verknüpft ist, bei dem jedes der Spulenmittel (154, 155) weiter ein Mittel zum Erzeugen von mindestens einem elektrisch erregten magnetischen Flußweg aufweist, wodurch die Richtung des elektrisch erregten magnetischen Flußweges von der Polarität des durch das zugehörige Spulenmittel fließenden elektrischen Strom abhängt und in die gleiche axiale Richtung über die Arbeitsluftspalte (162) für jeden Ankerabschnitt und seine zugehörigen Spulenkerne (156) geht.

6. Kraftmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mit jedem Spulenmittel (154, 155) verknüpften elektrisch erregten Flußwege elektrisch und magnetisch unabhängig sind.

7. Kraftmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenmittel (154, 155) ringförmig um die Welle (110) angeordnet sind, wobei die elektrisch erregten Flußwege in den Spulenmitteln (154, 155) parallel zum Erzeugen axialer magnetischer Kräfte für den Anker (128) wirken.

8. Kraftmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß die Statoranordnung einen ersten Abschnitt und einen hinteren Abschnitt aufweist, das Gehäuse (122) einen zwischen dem ersten und dem hinteren Abschnitt der Statoranordnung angeordneten Ringspalt (134) aufweist, die Welle (110) in dem Zentrum des Gehäuses (122) angeordnet ist und gleitend verschiebbar in beide der zwei axialen Richtungen bewegbar ist, der Anker (128) an einem Mittelabschnitt der Welle (110) befestigt ist, die Abschnitte des Ankers (128) sich radial nach außen von der Welle (110) zu einem äußeren Abschnitt des Ringspaltes (134) erstrecken, das Vorspannungsmittel (144, 146) radial innerhalb des Ringspaltes (134 und außerhalb der Ankerabschnitte angeordnet ist, und bei dem jedes Spulenmittel (154, 155) zwei Komponentenspulenmittel aufweist, die in der Nähe auf beiden Seiten eines entsprechenden Ankerabschnittes angeordnet sind und den mit dem entsprechenden Ankerabschnitt verknüpften Spulenkern (156) umgeben zum Erzeugen eines elektrisch erregten Flußpfades, der durch das Vorspannungsmittel (144, 146), einen äußeren Abschnitt des Ringspaltes (134), einen äußeren Abschnitt des Stators, den mit dem Ankerabschnitt verknüpften Spulenkern (156), quer über den mit dem Ankerabschnitt verknüpften Arbeitsluftspalt (162) und über den mit dem Ankerabschnitt verknüpften Nichtarbeitsluftspalt zu dem Vorspannungsmittel (114, 146) geht, wodurch die Richtung des elektrisch erregten magnetischen Flußpfad von der Polarität eines durch die Komponentenspule fließenden elektrischen Stromes abhängt.