Weiterentwicklung von A&D-Systemen mit Mikromotoren

Weiterentwicklung von Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungssystemen mit Präzisions-Miniaturmotoren

FORTSCHRITTLICHE LUFT-, RAUMFAHRTUND VERTEIDIGUNGSSYSTEME MIT PRÄZISIONSMINIATURMOTOREN

Die Luft- und Raumfahrt sowie die Verteidigungsindustrie stellen hohe Anforderungen und erfordern äußerst genaue Bewegungssteuerungslösungen mit hoher Leistungsdichte. Daher gehören sie zu den anspruchsvollsten Anwendungen, die von Ingenieuren von Bewegungssteuerungen entwickelt und implementiert werden müssen. Gängige Spezifikationen der Luftfahrt- und Militärindustrie erfordern Motoren, die extremen Temperaturen standhalten, unter starken Stoß- und Vibrationsbedingungen arbeiten und in beengten Platzverhältnissen eingesetzt werden können – und das bei gleichbleibend hoher Leistung. Dieser Artikel befasst sich mit diesen strengen Anforderungen und den Konstruktionsproblemen für Hersteller von Präzisionsminiaturmotoren.

GÄNGIGE MINIATURMOTORTECHNOLOGIEN IN LUFTFAHRT- UND MILITÄRANWENDUNGEN

Für Bewegungsanforderungen von Luftfahrt- und Militäranwendungen werden oft drei Motortechnologien eingesetzt: Kernlose Bürsten-Gleichstrommotoren, bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) und Schrittmotoren. Kernlose Gleichstrommotoren und BLDC-Motoren werden in der Regel aufgrund ihres höheren Wirkungsgrads und geringeren Gewichts ausgewählt, wobei BLDC-Motoren sowohl in zylindrischer als auch in flacher Form erhältlich sind und genutete sowie nutenlose Wicklungen verwenden. Schrittmotoren eignen sich auch hervorragend für Anwendungen, bei denen es auf Präzision ankommt, das Preis-Leistungs-Verhältnis jedoch der wichtigste Faktor ist.

Alle drei Technologien lassen sich nicht nur an die anspruchsvollen Leistungsanforderungen typischer Anwendungen der Luftfahrt- und Militärindustrie, sondern auch an ihre extremen Umgebungsbedingungen anpassen. Die Temperaturanforderungen sind ein wichtiges Beispiel, da diese von -55°C bis 200°C reichen können. Das bedeutet, dass alle Komponenten der Bewegungssteuerung so ausgelegt sein müssen, dass sie diese Extrembedingungen unbeschadet überstehen und über den gesamten Arbeitsbereich hinweg hohe Leistungen erbringen. Fortschritte bei den Werkstoffen, vor allem bei Metallen für Motorgehäuse, speziellen Lagerschmierstoffen, Spezialbeschichtungen für Elektronikbauteile und Isolierkunststoffe für die Wicklung, ermöglichen den sicheren Betrieb des Miniaturmotors unter diesen Bedingungen.

Der Betrieb in Umgebungen mit starken Stößen und Vibrationen ist eine zweite, häufige Herausforderung, die berücksichtigt werden muss. Um die Leistung von Miniaturmotoren auch unter solchen Bedingungen zu gewährleisten, ist eine besondere Ausführung erforderlich, da selbst kleine Bewegungen der Motorwicklungen zu Motorschäden führen können. Die Motorkonstruktion muss sicherstellen, dass die wichtigen internen Komponenten des Motors (Rotor, Welle, Lager) und die angeschlossenen Komponenten (Getriebe, Geber) ausreichend befestigt sind, um ein Bewegen auch unter härtesten Stoß- und Vibrationsbedingungen zu verhindern.

Ein dritter potenzieller Faktor für Motorschäden, der berücksichtigt werden muss, ist der Kontakt mit potenziell schädlichen Stoffen, der bei diesen Anwendungen häufig auftritt. Motorenentwickler versuchen hierzu, fortschrittliche Materialien in Verbindung mit speziellen Dichtungen in den Motor zu integrieren. Der optimierte Aufbau stellt sicher, dass der Motor auch unter diesen extremen Bedingungen mit maximaler Leistung und vor allem sicher und zuverlässig arbeitet.

LUFTFAHRT- UND MILITÄRANWENDUNGEN, DIE MINIATURMOTOREN ERFORDERN

Luftfahrt- und Militäranwendungen lassen sich in drei Kategorien unterteilen: kommerzielle Luft- und Raumfahrt, militärische Luftund Raumfahrt und Verteidigung sowie Raumfahrzeuge und Raketen. Allen gemeinsam ist der Bedarf an leistungsdichten Motorbauformen mit geringem Gewicht, die Steuerungsantriebe ermöglichen. Von der Sitzeinstellung über Flugleitsysteme, Flossenansteuerung bis hin zur Klappenansteuerung sind präzise Miniaturmotoren ein wesentlicher Bestandteil dieser Anwendungen.

Ventile und Aktuatoren

Verschiedene Ventil- und Aktuatortypen werden in Flugzeugen eingesetzt, um wichtige Funktionen zu erfüllen, wie z.B. die Regulierung des Treibstoffflusses zum Triebwerk und die Steuerung des Luftstroms in die Flugzeugkabine. Aufgrund ihrer physikalischen Lage im Flugzeug sind diese Vorrichtungen in der Regel extremen Umweltbedingungen ausgesetzt und erfordern eine maximale Kraftdichte und ein dynamisches Ansprechverhalten desBewegungssystems. Zu den typischen Designüberlegungen gehören:

• Änderungen am Magnetmaterial, um sicherzustellen, dass sich die Magnetstärke bei steigenden Temperaturen nicht verschlechtert

• Die Auswahl des Lamellenmaterials stellt sicher, dass der Motor auch extremen Temperaturen standhält.

• Durch die richtige Auswahl der Zuleitungen, die den Motor an die Systemelektronik anschließen, wird sichergestellt, dass sie auch bei extremer Kälte biegsam bleiben und nicht bei starker Hitze schmelzen.

Jede dieser Motor-Konstruktionsänderungen muss berücksichtigt werden, um einen leistungsstarken Betrieb über die gesamte Lebensdauer des Flugzeugs hinweg zu gewährleisten. Viele der älteren und aktuellen Ventilmodelle verwenden entweder Schrittmotoren, die die Position genau regeln, oder Bürsten-Gleichstrommotoren, die sich ideal für Ein/Aus-Ventile eignen. Bei der Konzeption von Modellen der nächsten Generation geht die Entwicklung jedoch hin zu einem bürstenlosen Gleichstrommotor für intelligente Ansteuerungen. Dies liegt an den genauen Positionierungsmöglichkeiten des BLDCMotors, der Daten über die Anzahl der Vorgänge liefern, ungewöhnliches Verhalten überwachen und Wartungsinformationen liefern kann, wodurch die gesamte Zuverlässigkeit und Leistung der Ausrüstung erhöht wird.

Fensterblenden und Sitzeinstellungen

Die elektromechanische Steuerung von Fensterblenden und Sitzeinstellungen sind wegweisende Innovationen für Privat- und Verkehrsflugzeuge und zielen darauf ab, den Fluggästen eine einfache Bedienung und den Flugbegleitern eine bessere Kontrolle zu ermöglichen. Mit diesen Systemen kann der Passagier die Jalousie oder die Sitzfläche bequem per Knopfdruck anheben oder absenken. Außerdem können Flugbegleiter das Umgebungslicht der Kabine steuern und während des Startens und Landens die richtige Sitzposition garantieren. Aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte, ihres geringen Geräuschpegels und der niedrigen Temperaturerhöhung werden in dieser Anwendung in erster Linie kernlose Gleichstrommotoren eingesetzt. Die Möglichkeit, Motoren

ohne Steuerelektronik zu betreiben, ist ein klarer Kostenvorteil, während die hohe Leistungsfähigkeit und das geringe Gewicht des Motors den Energieund Treibstoffbedarf senken – in heutigen Zeiten ein wichtiges Ziel für jede Fluggesellschaft.

Intelligente Militäranwendungen

Intelligente Munitionsanwendungen stellen einen einmaligen Einsatz dar, bei dem eine präzise Steuerung in einer Umgebung mit hohen Geschwindigkeiten/ extremen Vibrationen unerlässlich ist. Motorsteuerung und -dynamik tragen wesentlich zur Gesamtleistung des Systems bei, wobei alle potenziellen Faktoren, die die Leistung während des Betriebs auch nur geringfügig beeinflussen können, in der Motorkonstruktion berücksichtigt werden müssen.

Je nach Designanforderungen sind genutete BLDC-, nutenlose und flache Ausführungen geeignete Bewegungslösungen für Ansteuerungssysteme für Raketenleitwerke. Mit hoher Leistungsdichte und kleiner Baugröße reduzieren diese Motoren das Gewicht des Ansteuerungssystems und bieten gleichzeitig eine hohe dynamische Reaktion auf Eingaben des Navigationssystems, um eine hervorragende Flugsteuerung zu gewährleisten. Für Flügelentfaltungsanwendungen sind sowohl Bürsten-Gleichstrommotoren als auch BLDC-Technologien ideal geeignet. Für EO/IR-Anwendungen werden in der Regel kleine Bürsten-Gleichstrom- und nutenlose BLDC-Motoren mit hoher Leistungsdichte verwendet, um die Größe des Gesamtsystems zu minimieren. Bürsten-Gleichstrommotoren tragen auch dazu bei, den Platzbedarf zu reduzieren, da für den Motorbetrieb nur eine einfache Steuerelektronik benötigt wird.

Insgesamt betrachtet sind für einfache Bewegungssysteme kleine Gleichstrommotoren die kostengünstigste Lösung, um alle Anwendungsanforderungen zu erfüllen, einschließlich Leistung, Größe und verlängerter Lebensdauer. Für komplexere Anforderungen

ist ein vollständig angepasster BLDC-Motor wahrscheinlich die beste Lösung.

FAZIT

Eine der größten Herausforderungen für Hersteller von Bewegungslösungen in der Luft-, Raumfahrt- und Verteidigungsindustrie besteht darin, das Miniaturmotorsystem an die individuellen Anforderungen jeder Anwendung anzupassen. Dazu benötigen die Motorenentwickler Kenntnisse in der Feinabstimmung von Konstruktionselementen, um sich an die Anwendungsanforderungen anzupassen, und sie müssen in der Lage sein, bestehende Konstruktionen so anzupassen, dass sie für Platz, Gewicht und Leistung (Space, Weight and Power, SWaP) und wechselnde Umgebungsbedingungen optimiert sind. COTS-Motoren (Commercial-Off-The-Shelf) eignen sich hervorragend für die Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigungsanwendungen in diesem Bereich, da sie eine Kombination aus hoher Leistung und geringem Gewicht bieten. Hersteller, die über eine Vielzahl von Motortechnologien verfügen, sind hervorragend aufgestellt, um spezifische Anforderungen zu analysieren, die unterschiedlichste Technologien einschließen. Dies führt

häufig dazu, dass dem Kunden verschiedene Bewegungssteuerungslösungen angeboten werden, die genau auf seine Bedürfnisse zugeschnitten sind.