Auswahl Von Präzisionsmotoren Für Intelligente Verteidigungsanwendungen

Die führenden Verteidigungsunternehmen von heute verlassen sich auf wichtige Hersteller, die kritische Steuerungs- und Ansteuerungslösungen anbieten, um durch den Einsatz diverser intelligenter Munition Überlegenheit zu erzielen. Die Suche nach einer Präzisionsmotorlösung, die die hohen Leistungsanforderungen eines Lenkflugkörpers oder eines elektrooptischen/ Infrarot-Bildgebungssystems (EO/IR) erfüllt, umfasst verschiedene Leistungsfaktoren, darunter mechanische, elektrische und umgebungstechnische Aspekte. Jede intelligente Verteidigungsanwendung hat ihre eigenen Anforderungen für eine optimale Präzisionsmotorlösung. Dieses Whitepaper konzentriert sich auf drei spezifische Anwendungen und die besonderen Anforderungen, die sich auf die Motorauswahl auswirken.

HERAUSFORDERUNGEN BEI INTELLIGENTEN VERTEIDUNGSANWENDUNGEN

Intelligente Verteidigungsanwendungen beziehen sich auf den Einsatz fortschrittlicher Technologien und intelligenter Systeme, um die Verteidigungsfähigkeit zu erhöhen und militärische Operationen zu verbessern. Miniaturmotoren spielen in verschiedenen intelligenten Verteidigungsanwendungen eine entscheidende Rolle.

Ansteuerungssystem für Raketenflossen (CAS - Control Actuation Systems)

Ein Ansteuerungssystem für Raketenflossen (CAS) steuert die Position der Steuerflächen (Flossen, Canardflügel) präzise auf der Grundlage der Eingaben des Raketenleitsystems, um die Flugbahn der Rakete auszuführen. Zu den Motoranforderungen für ein CAS gehören typischerweise:

•	Umgebungsanforderungen - Raketen sind einem extremen Temperaturprofil ausgesetzt und müssen starken Stößen und Vibrationen standhalten. Die Anforderungen an die Betriebstemperatur reichen von -55 °C bis hin zu 100 °C und höher.
•	Mechanische Anforderungen - Um die Platz- und Gewichtsanforderungen des Gesamtsystems zu erfüllen, sind einzigartige und sehr kundenspezifische Konstruktionen erforderlich.
•	Elektromagnetisch Anforderungen - Hohe Effizienz und dynamisches Ansprechen sind entscheidend, um auf die ständigen Aktualisierungen der Flugrouten durch das Leitsystem reagieren zu können.
•	Qualitätsanforderungen - Die präzise Steuerung der Flugflächen bestimmt, ob eine Rakete ihr Ziel trifft. Der Motor muss für lange Lagerzeiten (20+ Jahre) ausgelegt sein und bei Inbetriebnahme zuverlässig funktionieren.

Flügelentfaltungssysteme

Ein Flügelentfaltungssystem (WDS, Wing Deployment System) wird eingesetzt, um die taktische Reichweite von Lenkmunition wie Gleitbomben zu erhöhen. Das WDS ermöglicht es den Flügeln, sich von einer kompakten Position in der Lagerung in eine ausgefahrene Position zu bewegen; dies maximiert die Gleitzeit und die Flugstrecke. Die Motoranforderungen für Flügelentfaltungssysteme sind:

•	Umgebungsanforderungen - Ähnlich wie das CAS sind die Motoren einem extremen Temperaturprofil ausgesetzt und müssen starken Stößen und Vibrationen standhalten. Die Anforderungen an die Betriebstemperatur reichen von -55 °C bis zu 85 °C und höher.
•	Elektromagnetisch Anforderungen - Die dynamische Reaktion eines Flügelentfaltungssystems ist nicht so rigoros wie bei einem Flossenaktuator; dies ist darauf zurückzuführen, dass die Flügel ausgefahren werden und bis zum Erreichen des Ziels in ihrer Position bleiben.
•	Qualitätsanforderungen - Die erfolgreiche Entfaltung der Flügel entscheidet darüber, ob die Rakete das beabsichtigte Ziel trifft. Wie bei der CAS-Anwendung muss der Motor für lange Lagerzeiten (20+ Jahre) ausgelegt sein und bei Inbetriebnahme zuverlässig funktionieren.

Elektrooptische/Infrarot-Systeme (EO/IR)

EO/IR-Geräte sind Bildgebungssysteme, die in Suchköpfen verwendet werden und sowohl sichtbare als auch Wärmesignatursensoren kombinieren, um unabhängig von Licht- und Wetterbedingungen eine präzise Navigation und Zielerfassung zu ermöglichen. Sie werden in Luft-, Land- und Wasserfahrzeugen sowie in Lenkflugkörpern eingesetzt, um Ziele zu identifizieren, zu erfassen und zu verfolgen. Die Motoranforderungen für EO/IR-Geräte umfassen in der Regel:

•	Umgebungsanforderungen - Die Motoren für die Azimut-, Höhen- und Zoomachse müssen alle zusammenarbeiten, um unabhängig von der Umgebung eine gleichmäßige und reaktionsschnelle Bewegung zu gewährleisten.
•	Mechanische Anforderungen - Der begrenzte Platz und das geringe Gewicht einer Lenkrakete oder Bombe erfordern, dass der Motor so leistungs- und drehmomentstark wie möglich ist.
•	Elektrische Anforderungen - Auch wenn die Gesamtnutzungsdauer kurz ist, erfordert das begrenzte Energiebudget an Bord einen hocheffizienten Motor, um den Stromverbrauch zu minimieren.
•	Qualitätsanforderungen - Die von den bildgebenden Sensoren abgeleiteten Informationen sind ein entscheidendes Element, um die gewünschte Mission zu erfüllen. Der Motor muss widerstandsfähig und zuverlässig genug sein, um auch nach längerer Lagerung die gewünschte Leistung zu erbringen.

MOTORTECHNOLOGIEN FÜR INTELLIGENTE VERTEIDIGUNGSANWENDUNGEN

Die anspruchsvollen Herausforderungen der meisten Verteidigungsanwendungen erfordern robuste und zuverlässige Konstruktionen, die auch extremen Umgebungsbedingungen standhalten. Intelligente Verteidigungsanwendungen sorgen für zusätzliche Leistungsund Effizienzparameter, die optimiert werden müssen, um den engen Platzanforderungen gerecht zu werden. Eine Vielzahl von DC-Motortechnologien mit unterschiedlichen Bauformen eignen sich hervorragend für intelligente Verteidigungsanwendungen, darunter kernlose Bürsten-DC-Motoren, zylindrische bürstenlose DC-Motoren (BLDC) (genutet und nutenlos) und bürstenlose DCFlachmotoren (genutet).

Bürsten-DC, kernlos

Ein kernloses Bürsten-DC-Design besteht aus einem Rotor, der in einer Spulenanordnung auf einer Welle befestigt ist, und einem Stator mit festen Magneten. Da die Spulenanordnung nicht aus Eisenlamellen besteht, gilt der Motor als eisenlos. Eisenlose Konstruktionen haben erhebliche Vorteile, da typische Eisenkernverluste eliminiert werden. Die Motoren werden mit Edelmetall- oder Graphitbürsten kommutiert, die den Übergangswiderstand und die Reibung verringern sowie die Steuerelektronik vereinfachen.

Bürstenloser DC, zylindrisch

BLDC-Zylindermotoren verwenden eine stationäre Spule mit einem rotierenden Permanentmagneten. Die Spulenwicklungen, die Teil des Stators sind, können unter Spannung gesetzt und elektrisch kommutiert werden. Ein Kommutator- und Bürstensystem ist somit nicht mehr erforderlich.

Bürstenloser DC genutet, flach

Bei den flachen, genuteten BLDC-Ausführungen werden die Spulen auch in Lamellenschlitze eingesetzt; sie unterscheiden sich jedoch von ihren zylindrischen Gegenstücken dadurch, dass sie eine Außenrotorkonfiguration verwenden.

MOTORAUSWAHLKRITERIEN FÜR INTELLIGENTE VERTEIDIGUNGSANWENDUNGEN

Es gibt zahlreiche Kompromisse zwischen den verschiedenen Motortechnologien, die auf den spezifischen Anforderungen jeder intelligenten Verteidigungsanwendung basieren. Bestimmte Anforderungen können sich auf die eine oder die andere Technologie beziehen, während Kombinationen von Anforderungen Kompromisse erfordern können. Die Priorisierung der Kriterien hilft bei der Auswahl des optimalen Motors. Zu den wichtigsten Bewegungsparametern, die berücksichtigt werden müssen, gehören:

•	Drehmomentdichte DC-Motoren bieten ein sehr hohes Drehmoment in kompakter Bauweise durch den Einsatz von Hochenergiemagneten, die eine hohe Flussdichte erzeugen, in Verbindung mit einer kernlosen Spulenanordnung. Je nach Kommutierungstyp kann ein Gleichstrommotor vorübergehend das 3- bis 5-fache des maximalen Dauerdrehmoments bereitstellen. Sowohl der nutenlose als auch der genutete bürstenlose DC-Motor (BLDC) bieten ein hohes Drehmoment und ein bis zu 10-mal höheres Dauerdrehmoment ohne magnetische Sättigung. Im Vergleich zu zylindrischen Motoren können bürstenlose Flachmotoren mit Außenrotor eine sehr hohe Drehmomentdichte bei einem geringeren Formfaktor bieten, der sich für beengte Platzverhältnisse eignet.
•	Reibungsverluste DBei bürstenbehafteten DC-Motoren entstehen durch die Motorlager und die Bürstenanordnung keine Last- oder Haftreibungsverluste. Bürstenmotoren minimieren die Reibung mit reibungsarmen Bürsten- und Kommutatormaterialien, die einen optimalen Betrieb gewährleisten. Die sorgfältige Berücksichtigung der Motorlager sorgt für minimale Verluste bei DC-Präzisionsmotoren, die für intelligente Verteidigungsanwendungen entwickelt wurden.
•	Eisenverluste DC-Motoren mit Eisenkern sind bei höheren Drehzahlen von Wirbelstromverlusten betroffen, die die Motorverluste erhöhen. Eisenlose Motoren hingegen weisen keine Eisenverluste auf und werden in der Regel für Anwendungen mit höherer Drehzahl bevorzugt. Genutete und nutenlose BLDC-Motoren mit Eisenkernen können so konstruiert werden, dass Eisenverluste durch magnetisches Design und strategische Materialauswahl minimiert werden.
•	Höchstgeschwindigkeit Typische kleine DC-Motoren eignen sich gut für den Dauerbetrieb bei Drehzahlen von 10.000 U/min und kurzzeitig sogar höher; die flache BLDC-Ausführung mit Außenrotor ist auch für den Betrieb bei 10.000 U/min ausgelegt. Sowohl genutete als auch nutenlose zylindrische BLDC-Konstruktionen können mit hoher Zuverlässigkeit Geschwindigkeiten von über 40.000 U/min erreichen. Motoren, die mit diesen hohen Drehzahlen arbeiten, verfügen über Lagersysteme, die speziell für diese Anforderung entwickelt wurden und für minimale Vibrationen ausgewuchtet sind. Um die Hochgeschwindigkeitsleistung weiter zu verbessern, können die Motoren auf ein höheres Niveau ausgewuchtet werden.
•	Rastmoment Das Rastmoment ergibt sich aus der bevorzugten Magnetposition des Rotors im Verhältnis zu den Zähnen der Statorlamellen. Die kernlose Technologie eliminiert die Eisenlamellen, wodurch das Rastmoment in bürstenbehafteten DC-Motoren auf Null reduziert wird. Auch bei nutenlosen BLDC-Motoren gibt es aufgrund der kernlosen Konstruktion kein Rastmoment. Genutete Motoren haben von Natur aus ein gewisses Rastmoment, das entweder durch eine schräge Ausrichtung der Kernlamellen oder durch die korrekte Kombination der Anzahl der Pole und Nuten/Zähne minimiert werden kann.
•	Motorlebensdauer Der Hauptfaktor, der die Lebensdauer des Bürsten-DC-Motors begrenzt, ist der Verschleiß von Bürsten und Kommutatoren. Je nach Arbeitszyklus und Motorgröße können Edelmetalle bzw. Kohlegraphitbürsten den Verschleiß minimieren und die Lebensdauer des Motors um Tausende von Stunden verlängern. BLDC-Motoren werden elektronisch kommutiert und sind nur durch die Lebensdauer der Lager begrenzt.
•	Trägheit. Für Applikationen, die eine geringe Rotorträgheit erfordern, ist der genutete BLDC-Motor aufgrund seines geringen Rotordurchmessers die beste Wahl. Umgekehrt weist die genutete flache BLDC-Ausführung mit der außen rotierenden Konfiguration aufgrund der größeren Rotorkonstruktion eine höhere Trägheit auf.
•	Robustheit Eine der kritischsten Anforderungen für intelligente Verteidigungsanwendungen ist die Fähigkeit von Motoren, extremen Umgebungsbedingungen standzuhalten. Der genutete BLDC-Motor eignet sich aufgrund seiner äußerst robusten Stator- und Rotorkonstruktionen am besten für raue Umgebungen mit z. B. starken Stößen und Vibrationen, hoher Luftfeuchtigkeit und salzhaltigen Bedingungen. Nutenlose BLDC- und kernlose DC-Motoren können auch in Anwendungen eingesetzt werden, die den Anforderungen von MIL-STD-810 standhalten müssen. Die Außenrotoren von BLDC-Flachmotoren können so konstruiert werden, dass sie die Verteidigungsanforderungen erfüllen; sie sind jedoch von Natur aus weniger robust als Innenläufermotoren.

IDEALE MINIATURMOTOREN FÜR INTELLIGENTE VERTEIDIGUNGSANWENDUNGEN

Je nach Designanforderungen sind genutete BLDC-, nutenlose und flache Ausführungen geeignete Bewegungslösungen für Ansteuerungssysteme für Raketenflossen. Ihre hohe Leistungsdichte und die geringe Baugröße ermöglichen eine Gewichtsreduzierung des Ansteuerungssystems und bieten gleichzeitig eine hohe dynamische Reaktion auf Eingaben des Navigationssystems, um eine hervorragende Flugsteuerung zu gewährleisten. Für Flügelentfaltungsanwendungen sind sowohl Bürsten-DC- als auch BLDC-Technologien ideal geeignet. Für einfache Bewegungssysteme sind kleine DC-Motoren 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. Für EO/IR-Anwendungen werden in der Regel kleine Bürsten-DC- und nutenlose BLDC-Motoren verwendet. Die hohe Leistungsdichte dieser Motortechnologie trägt dazu bei, die Gesamtsystemgröße zu minimieren. Bürsten-DC-Motoren tragen auch zur Reduzierung des Platzbedarfs bei, da der Motor nur eine einfache Steuerelektronik benötigt.

SPEZIFISCHE VERTEIDIGUNGSANFORDERUNGEN, DIE SICH AUF DIE MOTORAUSWAHL AUSWIRKEN

Verteidigungsanwendungen haben in der Regel eine Vielzahl von Anforderungen und Spezifikationen, die über handelsübliche Produkte hinausgehen. Diese einzigartigen Merkmale müssen bei der Motorauswahl berücksichtigt werden. Die meisten Hersteller können einen Motor so anpassen, dass er die gängigsten Umgebungsspezifikationen (STD-MIL-810) sowie andere kunden- oder anwendungsspezifische Leistungsanforderungen erfüllt.

Bei hohen Schock- und Vibrationsanforderungen ist eine Auswahl spezifischer Komponenten (Lager, Rückmeldevorrichtungen usw.), die den Anforderungen standhalten, ein Muss. Zusätzliche Fertigungsverfahren wie Vergusswicklungen oder Laserschweißen für die Gehäusemontage können dazu beitragen, diese Anforderungen zu erfüllen.

Temperaturanpassungen für den Bereich von -55 °C bis 180 °C beinhalten die Wahl von Schmierstoffen mit geringer Ausgasung und für extreme Temperaturen für Lager und Getriebe. Kundenspezifische Elektronik kann auch durch die Verwendung von Komponenten mit entsprechender Leistung oder alternativen Temperaturregelungsoptionen entwickelt werden.

Langfristige Lagerungsanforderungen erfordern spezielle Lagermaterialien und Schmierstoffe, um Korrosion und das Austrocknen der Lagerschmierung zu vermeiden. Für Bürsten-DCMotoren können spezielle Kommutierungsmaterialien und Oberflächen erforderlich sein.

Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit und Salznebel erfordern korrosionsbeständige Materialien für alle metallischen Bauteile und spezielle PCB-Beschichtungen für elektronische Bauteile, um Korrosion und Absorption zu verhindern.

ZUSAMMENFASSUNG

Die Auswahl des richtigen Präzisionsmotors für intelligente Verteidigungsanwendungen kann eine Herausforderung darstellen, aber Hersteller wie Portescap mit mehr als 40 Jahren Erfahrung in vielen luftfahrt- und militärbezogenen Anwendungen können dazu beitragen, die Auswahl zu begrenzen, um die beste Lösung zu erhalten. Dies sind nur einige Beispiele für intelligente Verteidigungsanwendungen, die fortschrittliche Technologien nutzen, um die Verteidigungsfähigkeiten zu verbessern. Mit der Weiterentwicklung der Technologie werden Umfang und Wirkung von Miniaturmotoren in intelligenten Verteidigungsanwendungen wahrscheinlich zunehmen und es den Streitkräften ermöglichen, in modernen Kriegsszenarien flexibler, anpassungsfähiger und effektiver zu sein.

WARUM PORTESCAP?

Portescap ist mit mehr als 40 Jahren Erfahrung in der Entwicklung und dem Einsatz von Miniatur-DC-Motoren für kritische Verteidigungsanwendungen ein wichtiger Zulieferer für den Luftfahrt- und Militärmarkt. Der kollaborative Designansatz Engineerto- Engineer (E2E) von Portescap bietet Kunden die Möglichkeit, rasch eine optimierte Motorlösung zu entwickeln, egal ob es sich um eine COTS- oder eine vollständig kundenspezifische Lösung handelt. An Produktionsstandorten auf der ganzen Welt stehen verschiedene geeignete Motortechnologien zur Verfügung.

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