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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Antriebssystem mit einem Verstellpropeller,
genauer auf ein derartiges Antriebssystem, das zwei Elektromotoren aufweist.
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Antriebssysteme
mit Verstellpropeller werden als Antrieb zum Beispiel für Schiffe
und Flugzeuge eingesetzt. Darüberhinaus
werden derartige Antriebssysteme auch für Einrichtungen verwendet,
die weniger dem Vortrieb, sondern vorwiegend einer Steuerung dienen,
beispielsweise in einem Bugstrahlruder eines Schiffes oder als Heckrotor
eines Hubschraubers. Schließlich
machen auch Einrichtungen zum Fördern
von Flüssigkeiten
oder Gasen von Antriebssystemen mit Verstellpropellern Gebrauch, beispielsweise
Pumpen, Turbinen oder Lüfter.
Alle genannten Systeme sind Antriebssysteme im Sinne dieser Anmeldung.
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Die
Verstellpropeller weisen dabei eine Anzahl von Blättern auf,
die auf das umgebende Medium, in der Regel Wasser bzw. Luft, wirken
und deren Anstellwinkel verstellt werden kann. Durch Verstellen des
Anstellwinkels kann der Verstellpropeller an unterschiedliche Bedingungen
angepaßt
werden. Es lassen sich optimale strömungsdynamische Eigenschaften
des Verstellpropellers in Abhängigkeit
von der Strömungsgeschwindigkeit,
der Drehzahl und dem verfügbaren
Drehmoment erreichen.
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Die
Kombination eines Verstellpropellers mit einem Elektromotor gewinnt
zunehmend an Bedeutung, weil immer leistungsfähigere und leichtere Elektromotoren,
insbesondere infolge der preisgünstigeren
Verfügbarkeit
hochwertiger Permanentmagnete, und ebenfalls leistungsfähigere und
kompaktere elektrische Energiequellen verfügbar werden. Eine elektrischer
Antrieb stellt somit für
viele Anwendungen, beispielsweise Motorsegelflugzeuge, Ultraleichtflugzeuge
und Modellflugzeuge oder -hubschrauber eine emissionsarme Alternative
zu Antrieben mit Verbrennungsmotor dar.
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Zur
Verstellung der Blattanstellwinkel sind eine Vielzahl von Mechanismen
bekannt geworden. In der Regel sind die um ihre Längsachse
drehbar gelagerten Blätter
im Bereich ihrer Wurzel mit einem Hebel versehen, über dessen
Stellung der Blatteinstellwinkel vorgegeben wird. Zur Ansteuerung
der Hebel ist eine spezielle Mechanik erforderlich, die gemeinsam
mit den Blättern
rotiert und die die Hebel meist mit einer Art Steuerkurve anlenkt.
Aufgrund dieses mechanischen Aufbaus ist der Verstellbereich der
Blatteinsteliwinkel begrenzt. Außerdem sind separate Antriebe
für die
Drehbewegung des Verstellpropellers und zur Verstellung des Blattanstellwinkels notwendig.
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Aus
DT 2 404 694 A1 ist
ein Antrieb für
ein Spielflugzeug bekannt geworden, bei dem jedes Blatt eines Verstellpropellers
an seiner Wurzel ein Kegelrad aufweist. Auf der Symmetrieachse des
Verstellpropellers sind zwei weitere Kegelräder an geordnet, die mit dem
an der Blattwurzel befindlichen Kegelrad in Eingriff stehen, sodass
eine relative Verdrehung der beiden auf der Symmetrieachse angeordneten Kegelräder eine
Drehung des Blatts um seine Längsachse,
also eine Verstellung des Blatteinstellwinkels, bewirkt. Bei dem
bekannten Antrieb ist eines der auf der Symmetrieachse angeordneten
Kegelräder
angetrieben, das zweite auf der Symmetrieachse angeordnete Kegelrad
ist mit dem ersten über
eine Feder gekoppelt. Die relative Verdrehung der beiden Kegelräder ist
außerdem
durch zwei Anschläge,
entsprechend einem minimalen und einem maximalen Blatteinstellwinkel,
begrenzt. Durch die Kopplung der beiden Kegelräder über die Feder wird eine automatische
Verstellung des Blattanstellwinkels in Abhängigkeit vom Drehmoment erreicht.
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Aus
EP 0 928 738 A2 ist
ein Antrieb mit einem Verstellpropeller für ein Schiff bekannt. Bei diesem
Antrieb sind die Blätter
des Verstellpropellers an ihrem äußeren Ende
drehbar innerhalb eines ringförmigen
Läufers
eines Elektromotors gelagert. Die Blätter weisen dazu eine entlang
ihrer Längsachse angeordnete
Achse auf, deren äußeres Ende
in dem Läufer
des Antriebsmotors drehbar gelagert ist. In einem Abstand von der
Längsachse
weist jedes Blatt einen Stift auf, der in einem rechtwinklig zur
Rotationsrichtung ausgerichteten Schlitz in einem zweiten, ringförmigen Läufer eines
zweiten Elektromotors geführt
ist. Bei dem bekannten Antrieb sind beide Motoren als bürstenlose
Innenläufer
ausgeführt,
d. h. die Statorwicklungen befinden sich außerhalb der Läufer. Innerhalb
gewisser Grenzen, die insbesondere von der Geometrie des Führungsschlitzes
abhängig sind,
kann der Blatteinstellwinkel durch eine relative Drehung des zweiten
Läufers
gegenüber
dem ersten Läufer
verstellt werden.
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Aus
der Druckschrift
DE
34 37 669 A1 ist ein Antriebssystem mit einem Verstellpropeller
mit einer Symmetrieachse bekannt, wobei der Verstellpropeller mindestens
zwei Blätter
aufweist, die zur Verstellung des Blattanstellwinkels entlang ihrer
Längsachse
drehbar in einer rotierenden Nabe gelagert sind und jeweils ein
Zahnrad aufweisen. Des Weiteren gibt es zwei Zahnräder, die
auf der Symmetrieachse angeordnet sind und von jeweils einer Seite
mit den an den Blättern
befindlichen Zahnrädern
in Eingriff stehen. Eines der Zahnräder kann von einem mit der Nabe
mit rotierenden Elektromotor angetrieben werden, um den Blattanstellwinkel
zu verstellen.
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Aus
der Druckschrift
DE 712
882 A ein weiterer Verstellpropeller bekannt, der vergleichbar
aufgebaut ist und ebenfalls einen separaten Motor für den Verstellmechanismus
aufweist, der mit der Nabe mitrotiert.
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Davon
ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Antriebssystem mit
einem Verstellpropeller zur Verfügung
zu stellen, das einen verbesserten Verstell- und Antriebsmechanismus
aufweist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Antriebssystem mit
- • einem Verstellpropeller
mit einer Symmetrieachse, der mindestens zwei Blätter aufweist, die zur Verstellung
des Blatteinstellwinkels entlang ihrer Längsachse drehbar gelagert sind
und ein Zahnrad aufweisen,
- • zwei
Antriebszahnrädern,
die auf der Symmetrieachse angeordnet sind und von jeweils einer Seite
mit den an den Blättern
befindlichen Zahnrädern
in Eingriff stehen, und
- • zwei
Elektromotoren, die jeweils mit einem der Antriebszahnräder verbunden
sind.
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Die
Verbindung der Elektromotoren mit den Antriebszahnrädern kann
durch eine unmittelbare mechanische Verbindung oder über ein
Getriebe erfolgen. Durch die Verwendung zweier Antriebszahnräder, die über zwei
Elektromotoren unabhängig
voneinander angetrieben werden, wird ein unbegrenzter Verstellbereich
der Blatteinstellwinkel ermöglicht.
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Insbesondere
können
die Blätter
auch so verstellt werden, dass sich der Winkel zwischen den Blättern und
der von den Blättern überstrichenen Ebene
umkehrt. Dadurch wird eine Schubumkehr erreicht. Es ist ebenfalls
möglich,
den Anstellwinkel um 180° zu
verändern
und gleichzeitig die Rotationsrichtung des Propellers umzukehren.
Dadurch kann der Antrieb auch bei Blättern, deren Steigung sich
mit dem Abstand von der Symmetrieachse infolge einer verwundenen
Form des Blatts ändert,
in beiden Richtungen mit einem strömungsdynamisch optimalen Blattprofil
erfolgen, sodass ein gleichmäßig hoher Wirkungsgrad
erreicht wird.
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Ebenfalls
möglich
ist eine kontinuierliche Rotationsbewegung der Blätter um
ihre Längsachse, wobei
gänzlich
andere Strömungsverhältnisse
an den Blättern
vorherr schen als im regulären
Betrieb. Dies kann vorteilhaft für
eine Reinigung der Blätter sein.
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Weiter
wird ein besonders einfacher mechanischer Aufbau des Verstellpropellers
erreicht, der ohne separate Einstellhebel oder komplizierte Steuerkurven
auskommt. Die Funktionalität
dieser nun entbehrlichen Komponenten wird durch die Steuerung der
Elektromotoren übernommen,
d. h. die Steuerung des Blatteinstellwinkels erfolgt ohne zusätzliche
mechanische Komponenten durch eine geeignete Ansteuerung der Elektromotoren.
Ein separater Antrieb, der eigens für den Verstellmechanismus erforderlich
wäre, kann
ebenfalls entfallen. Die symmetrische Anordnung der beiden Antriebszahnräder zu beiden
Seiten der Längsachse
der Blätter
reduziert zudem die mechanische Belastung insbesondere der Lagerung
der Blätter.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung sind drei oder mehr Blätter vorgesehen.
Dadurch wird erreicht, dass die beiden Antriebszahnräder durch den
Eingriff mit den an den Blättern
angeordneten Zahnrädern
automatisch gegen ein Verkippen gegenüber der Symmetrieachse gesichert
sind.
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Bevorzugt
sind die Zahnräder
an den Blättern
und die beiden Antriebszahnräder
als Kegelräder
ausgeführt,
oder es kommen an den Blättern Stirnzahnräder zum
Einsatz, die mit Kronenrädern
an den beiden Antriebszahnrädern
zusammenwirken. Beide Alternativen stellen eine besonders vorteilhafte Ausführung des
Zahnradgetriebes für
die Blattverstellung dar.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Zahnräder an den Blättern am äußeren Ende
der Blätter
angeordnet und die Antriebszahnräder
sind ringförmig
ausgebildet. Bei dieser Anordnung befinden sich die Blätter des
Verstellpropellers also im Inneren des Zahnradgetriebes für die Blattverstellung. Es
ist dadurch möglich,
die im Mittelpunkt des Verstellpropellers befindliche Nabe besonders
kompakt auszuführen.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Elektromotoren
bürstenlose
Innenläufer sind,
deren Läufer
mit den Antriebszahnrädern
verbunden sind, sodass die Statorwicklungen der Elektromotoren außerhalb
des von den Blättern überstrichenen
Bereichs angeordnet sind. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft,
wenn das Antriebssystem innerhalb eines Rohres eingesetzt werden
soll. In diesem Fall sind alle elektrischen Anschlüsse von außen zugänglich.
Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung, bei der die elektrischen
und die mechanischen Komponenten voneinander getrennt sind, besteht
darin, dass der Luftspalt zwischen dem Läufer und dem Stator des bürstenlosen
Innenläufers
auch bei einem Einsatz unter Wasser von dem den Verstellpropeller
umgebenden Medium erfüllt
sein kann.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung sind die Zahnräder an den Blättern an
den der Symmetrieachse zugewandten Enden der Blätter angeordnet. Die Zahnräder befinden
sich also an den Blattwurzeln. Besonders vorteilhaft wird diese
Ausgestaltung mit Elektromotoren kombiniert, die bürstenlose
Außenläufer sind,
deren Läufer
jeweils mit einem Antriebszahnrad verbunden sind, sodass die Statorwicklungen
der Elektromotoren innerhalb des von den Blättern überstrichenen Bereichs angeordnet sind.
Es ergibt sich ein besonders kompakter Aufbau, bei dem sich alle
elektrischen Komponenten in der Nähe der Symmetrieachse konzentrieren.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung sind die Läufer der Elektromotoren auf
einer gemeinsamen, hohlen Achse gelagert. Neben der konstruktiven
Vereinfachung mit einer gemeinsamen Achse erlaubt die hohle Ausführung, die
zu dem einen Motor führenden
Versorgungsleitungen innerhalb der Achse zu führen, sodass die Ansteuerung
beider Motoren problemlos von einer Seite aus erfolgen kann.
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Weiterhin
ist bevorzugt, die beiden Antriebszahnräder integral mit den Motorglocken
der beiden Läufer
zu fertigen. Es wird dadurch ein besonders einfacher mecha nischer
Aufbau und eine optimale Verbindung der Antriebszahnräder mit
den Läufern erreicht.
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Gemäß einer
Ausgestaltung ist eine elektronische Steuerung zur Ansteuerung der
Elektromotoren vorgesehen. Grundsätzlich kann dabei eine separate
Steuerung für
jeden Elektromotor verwendet werden. Vorteilhaft ist jedoch die
Verwendung einer einzigen elektronischen Steuerung zur Ansteuerung beider
Motoren. In diesem Fall kann die für die Verstellung des Blatteinstellwinkels
wichtige relative Drehbewegung der beiden Elektromotoren von einer einzigen,
zentralen Steuerung gesteuert werden. Die Steuerung erfolgt im Wesentlichen
durch Vorgabe einer mit dem gewünschten
Blatteinstellwinkel korrespondierenden Phasenbeziehung zwischen
den beiden in die Statorwicklungen der beiden Motoren eingeprägten Ströme bzw.
Spannungen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung weist die elektronische Steuerung Winkelsensoren zur
Ermittlung der Winkelstellung der Elektromotoren auf. Aus der Winkelstellung
der beiden Elektromotoren kann auch auf die relative Winkellage
beider Motoren geschlossen werden, sodass der vorliegende Blatteinstellwinkel
aus den Signalen der Winkelsensoren bestimmt werden kann. Die entsprechenden
Signale stellen somit eine wichtige Größe dar, die der elektronischen Steuerung
zur Verfügung
gestellt wird.
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Gemäß einer
Ausgestaltung sind als Winkelsensoren Nulldurchgangssensoren vorgesehen.
Dabei handelt es sich um besonders einfache Sensoren, die nicht
die genaue Winkellage der Läufer
der Elektromotoren während
der Rotationsbewegung messen, sondern lediglich ein Signal abgeben,
welches den Durchgang durch eine Nullwinkellage anzeigt. Aufgrund
dieses Nulldurchgangssignals kann die elektronische Steuerung die
Drehzahl des jeweiligen Läufers
und auch die Winkellage des Läufers
zu einem bestimmten Zeitpunkt berechnen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die Elektromotoren auch
im Generatorbetrieb betreibbar. Im Generatorbetrieb der Elektromotoren
kann aus der Rotationsbewegung des Verstellpropellers elektrische
Energie gewonnen werden. Zur Kontrolle des Blattanstellwinkels auch
im Generatorbetrieb gibt eine Steuereinheit jedem Motor ein bestimmtes
Drehmoment vor und überwacht die
relative Winkellage beider Motoren. In Verbindung mit dem weiten
Einstellbereich des Blatteinstellwinkels kann mit optimaler Effizienz
elektrische Energie zurückgewonnen
werden. Die gewonnene Energie kann vorteilhaft zum Aufladen elektrischer
Energiequelle genutzt werden. Vorteilhaft einsetzbar ist diese Ausgestaltung
insbesondere bei Segelflugzeugen, die mit dem erfindungsgemäßen Antriebssystem
ausgerüstet
sind. Auch bei anderen Anwendungen kann der Generatorbetrieb vorteilhaft
eingesetzt werden, beispielsweise zum Erzielen einer steuerbaren
Bremswirkung.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die Blätter ein
asymmetrisches Profil auf. Ein asymmetrisches Blattprofil ist für eine bestimmte
Anströmrichtung
optimiert. In Verbindung mit dem weiten Blatteinstellwinkelbereich
der Erfindung kann dieses optimierte Blattprofil auch dann vorteilhaft
eingesetzt werden, wenn eine Schubumkehr gewünscht ist.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und anhand
von zwei Figuren näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäßes Antriebssystem
in perspektivischer Ansicht,
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2 ein
vereinfachtes Blockschaltbild der elektronischen Steuerung eines
erfindungsgemäßen Antriebssystems.
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Das
in 1 dargestellte Antriebssystem weist einen Verstellpropeller
mit einer Symmetrieachse 1 auf, der drei Blätter 10 hat.
Das dargestellte Antriebssystem ist für eine Verwendung als Luftschraube
vorgesehen. Jedes der Blätter
weist nahe seiner Wurzel ein Kegelrad 11 auf. Durch das
Kegelrad hindurch verläuft
eine nicht dargestellte Längsachse,
die in einem Nabenelement 20 drehbar gelagert und gegen
eine Verschiebung in Richtung ihrer Längsachse gesichert ist. Das
Nabenelement 20 ist auf der hohlen Achse 30 mittels
eines nicht dargestellten Kugellagers drehbar gelagert.
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Bei 40 ist
ein erster Elektromotor dargestellt, der ein bürstenloser Außenläufer ist.
Er weist einen Läufer 41,
der auf der hohlen Achse 30 drehbar gelagert ist, und einen
Stator 42 auf. Der Stator 42 ist fest mit der
Achse 30 verbunden und weist 18 Statorwicklungen 43 auf.
An der Innenseite des Läufers 41 und den
Statorwicklungen 43 gegenüberliegend sind Permanentmagnete 44 angeordnet,
die durch einen Luftspalt von den Statorwicklungen getrennt sind.
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Der
Elektromotor 40 ist auf der den Kegelrädern 11 der Blätter 10 zugewandten
Seite des Läufers 41 mit
einem Antriebszahnrad 45 fest verbunden, das ebenfalls
als Kegelrad ausgeführt
ist.
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Bei 50 ist
ein zweiter Elektromotor erkennbar, der dem ersten Elektromotor 40 entspricht.
Am Läufer 51 des
zweiten Elektromotors 50 ist ein zweites Antriebszahnrad 55 angeordnet,
das ebenfalls den Kegelrädern 11 der
Blätter 10 zugewandt
ist.
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Die
beiden Antriebszahnräder 45 und 55 stehen
in Eingriff mit den Kegelrädern 11 der
Blätter 10, sodass
eine relative Drehbewegung der beiden Antriebszahnräder 45 und 55 zu
einer Rotation der Blätter 10 um
ihre Längsachse
führt.
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In
dem Blockschaltbild der 2 erkennt man bei 40 und 50 die
beiden Elektromotoren, die durch ihre Statorwicklungen 48 versinnbildlicht
sind. Jede der Statorwicklungen 48 umfaßt ggfs. mehrere der Statorwicklungen 43 aus 1,
die zusammengeschaltet sind und gemeinsam mit Strom versorgt werden.
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Entsprechend
den drei Phasen der Motoren führen
jeweils dreiphasige Zuleitungen 70 zu den Statorwicklungen.
Jede der drei Phasen jedes der beiden Motoren wird unabhängig über eine
Brückenschaltung
aus zwei Halbleiterschaltern 72 mit Strom versorgt.
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Die
Halbleiterschalter 72 werden von einer zentralen elektronischen
Steuereinheit 80 über
die an die Ausgänge 82 der
Steuereinheit angeschlossenen Steuerleitungen angesteuert.
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Jedem
der beiden Motoren ist ein Nulldurchgangssensor 60 zugeordnet,
der mit der dreiphasigen Zuleitung 70 verbunden ist und
aus den Strömen bzw.
Spannungen in diesen Zuleitungen Nulldurchgangssignale ermittelt,
die über
die Leitungen 74 an die Eingänge 84 der zentralen
Steuereinheit 80 weitergegeben werden. Die Steuereinheit 80 erhält somit
eine Rückmeldung über die
Winkellage der Läufer
der beiden Elektromotoren, sodass eine gezielte Steuerung dieser
Winkellage über
die Halbleiterschalter 72 zur gezielten Verstellung des
Blatteinstellwinkels möglich
wird.
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Nachfolgend
wird die Erfindung nochmals unter einem etwas anderen Blickwinkel
betrachtet.
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Demnach
bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zur Einstellung
des Anstellwinkels eines Propellers, welcher durch die Positionsdifferenz
zweier koaxial parallel betriebener Elektromotoren gewonnen wird.
Das Verfahren vermeidet den Nachteil einiger anderer bekannter Vorrichtungen, bei
denen die Blattverstellung nur über
die Fliehkraft möglich
ist. Ein weiterer Nachteil anderer Blattverstellungseinrichtungen
besteht darin, dass diese zusätzliche
externe Einrichtungen erfordern, beispielsweise Servos oder hydraulische
Aktuatoren.
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Stattdessen
besteht eine Neuheit in der Verwendung des Elektromotor-Drehfeldes
(Drehstrom), welches zweimal vorhanden sein soll (zwei mal drei Phasen).
Ein relativer Versatz der Drehfelder wird dazu verwendet, mechanisch
auf die Propellerflügel umgelenkt
zu werden, und dadurch die gewünschte Verstellung
zu erhalten.
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Beispielhaft
kann die Vorrichtung aus einem handelsüblichen bürstenlosen Außenläufer aufgebaut
werden, der aus einer Motorachse, einem Stator und einer Motorglocke
besteht und dahingehend erweitert wird, dass auf die zentrale Motorachse
koaxial ein zweiter Stator und eine zweite Glocke montiert werden.
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Die
Motorachse muß in
dieser Modifikation hohl ausgeführt
werden, um die Leitungen der Stromzuführung für die Motorwicklung zu beherbergen.
Die Füße der Luftschraubenblätter (zwei
oder mehr), die beispielsweise mit einem Kegelradritzel versehen sind,
sind über
Kegelräder
nach Art eines Differentialgetriebes zwischen beiden Motorglocken
gelagert und in Wirkverbindung.
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Werden
beide Motoren in synchroner Betriebsart angesteuert (die relative
Bewegung beider Motorglocken zueinander ist null), stellen sich
die Luftschraubblätter
auf eine neutrale Position ein. Diese Betriebsart kann als Null-Anstellwinkel
bezeichnet werden, und ist mit einer fixierten Luftschraube vergleichbar.
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Werden
beide Motoren bzw. Motorhälften
in Phasenverschiebungs-Betriebsart angesteuert (eine der beiden
Motorglocken dreht relativ verzögert), passen
sich die Luftschraubenblätter
der neuen Situation an, verbleiben in der neuen Stellung und der neue
Anstellwinkel ist eingestellt. Durch gezieltes Verschieben der Phasenwinkel
kann so ein positiver oder negativer Propellerblattwinkel eingestellt
werden. Dieses Prinzip kann sowohl für Propellerschrauben für Luftfahrzeuge
Anwendung finden, als auch für
Propeller für
Wasserfahrzeuge.