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Nachstehend
wird ein Antrieb für
Wasserflugzeuge und Bodeneffektfahrzeuge (hierin allgemein als Fahrzeuge
bezeichnet) beschrieben. Wasserflugzeuge benötigen zur Beschleunigung auf
die Abhebegeschwindigkeit aus dem Wasser wesentlich mehr Antriebsleistung
im Vergleich zum anschließenden
freien Flug in der Luft. Die Antriebsmotoren zum Antrieb der Propeller
oder die Antriebsturbinen zur Erzeugung des Vortriebes müssen also
so ausgelegt werden, dass sie genügend Leistung und Vortrieb
erzeugen, damit das Fahrzeug im Wasser die Abhebegeschwindigkeit
erreichen kann.
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Ein
anderes Konzept für
aus dem Wasser startende Fahrzeuge sind sog. Bodeneffektfahrzeuge,
zum Beispiel der Firma Fischer Flugmechanik. Dies sind keine Flugzeuge,
obwohl sie Flügel,
Leitwerk und Cockpit haben. Mit bis zu 150–450 Kilometern pro Stunde
gleiten Bodeneffektfahrzeuge knapp (bis zu mehreren Metern) über der
Wasseroberfläche und
nutzen dabei den Effekt, dass in Bodennähe der Überdruck unter dem Flügel wächst und
so den Auftrieb verstärkt.
Ein Bodeneffektfahrzeug braucht keine Start- und Landebahn wie ein
Flugzeug, sondern kann direkt von einer Kaikante im See- oder Meereshafen
ablegen. Dadurch ist es auf Kurz- und Mittelstrecken auch einem
Flugzeug hinsichtlich der Gesamtreisezeit überlegen. Für das Bodeneffektfahrzeug spricht
auch seine Klassifizierung als Wasserfahrzeug, da es damit nicht
den strengen Zulassungs- und Betriebsvorschriften von Flugzeugen
unterliegt.
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Bei
der Bodeneffekttechnologie ist ein wesentliches Problem die Überwindung
des Wasserwiderstandes während
der Startphase. Da Wasser etwa 800 mal dichter ist als Luft, kann
für das
Beschleunigen bis hin zur Abhebegeschwindigkeit ein zwei- bis dreifach
höherer
Leistungsbedarf erforderlich sein als zur Aufrechterhaltung der
eigentlichen Flugphase.
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Die
für diese
Fahrzeuge verwendeten Verbrennungsmotoren, meist Turbinen oder Kolbenmotoren,
müssen
also für
die Startphase ausreichend stark ausgelegt werden und entsprechende
Leistung bringen. Bei der anschließenden luftgetragenen freien
Fahrt wird die Leistung auf ungefähr 60–70% gedrosselt. Dies führt zu einem
wirtschaftlich ungünstigen
Betriebspunkt der Verbrennungsmotoren, d. h. der spezifische Treibstoffverbrauch
ist bei dieser Betriebsart sehr viel höher als wenn die Verbrennungsmotoren
in ihrer Leistung nur auf den freien Flug optimiert wären.
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Zur
Lösung
dieses Problems wird vorgeschlagen, in der Startphase des Fahrzeuges
dessen Verbrennungsmotor(en) durch eine als Motor betriebene elektrische
Maschine zu unterstützen,
die aus einem elektrischen Kurzzeitspeicher gespeist wird. Dieser
Kurzzeitspeicher liefert für
die in der Regel von etwa 30 bis etwa 200 bis 300 Sekunden dauernde
Startphase ausreichend Leistung. Der Kurzzeitspeicher kann dabei
soviel Energie liefern, dass der Elektromotor während der Startphase etwa ein
Drittel bis etwa zwei Drittel der Leistung des Verbrennungsmotors
zusätzlich
zum Antrieb des Fahrzeuges bereitstellen kann. Dabei gilt jeder
Zwischenwert, zum Beispiel die Hälfte,
ebenfalls als offenbart.
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Das
Laden des Energiespeichers kann während einer Flugphase durch
die elektrische Maschine erfolgen, die im Ladebetrieb nicht als
Elektromotor sondern als elektrischer Generator arbeitet. Das Laden
des Energiespeichers kann während
des Fluges erfolgen. Da Flüge
in der Regel mindestens 1/2 Stunde dauern, steht genügend Zeit
zum Aufladen des Energiespeichers zur Verfügung und es ist keine große Leistungsabnahme
von den Verbrennungsmotoren erforderlich.
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Ein
Nachladen des Energiespeichers kann auch bei gelandetem Fahrzeug
stattfinden; die Ladezeit kann dann so gesteuert werden, dass innerhalb zum
Beispiel von etwa 2 bis etwa 3 Minuten der Energiespeicher wieder
gefüllt
ist. Für
diesen Fall kann direkt am Propeller eine Kupplung angeordnet sein, um
den Propeller abschalten zu können.
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Mit
anderen Worten wird ein mit einem Verbrennungsmotor angetriebenes
Wasserflugzeug oder Bodeneffektfahrzeug vorgeschlagen, das einen oder
mehrere mit einer elektrischen Maschine zu koppelnde Verbrennungsmotoren
hat. Die elektrische Maschine ist mittels einer elektrischen Kontrolleinheit
in eine erste Betriebsart als Motor zu bringen, in der die elektrische
Maschine aus einem elektrischen Energiespeicher mit elektrischer
Leistung versorgt wird um den Verbrennungsmotor beim Antreiben des
Wasserflugzeugs oder Bodeneffektfahrzeugs zu unterstützen.
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Mittels
der elektrischen Kontrolleinheit ist die elektrische Maschine in
eine zweite Betriebsart als Generator zu bringen, in der die elektrische
Maschine den elektrischen Energiespeicher mit elektrischer Leistung
versorgt um den elektrischen Energiespeicher wieder zu laden.
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Die
elektrische Maschine ist mittels der elektrischen Kontrolleinheit
während
einer Startphase des Wasserflugzeugs oder Bodeneffektfahrzeugs von
etwa 30–300
Sekunden in die erste Betriebsart als Motor zu bringen.
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Die
elektrische Maschine kann auf einer Verbindungswelle zwischen Verbrennungsmotor
und einer Luftschraube angeordnet sein.
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Die
elektrische Maschine kann auf der der Luftschraube gegenüberliegenden
Seite des Verbrennungsmotors angeordnet sein.
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Die
elektrische Maschine kann an die Abtriebswelle eines Hub- oder Kreiselkolbenverbrennungsmotors
oder eines Strahltriebwerks angeordnet sein.
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Die
elektrische Maschine kann innerhalb des Gehäuses des Strahltriebwerks und
innerhalb des Abgasluftstromes des Strahltriebwerks integriert sein.
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Die
elektrische Maschine und die Leistungselektronik kann in das Gehäuse des
Strahltriebwerks und im Abgasluftstrom des Strahltriebwerks integriert sein.
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Die
elektrische Maschine kann mittels der elektrischen Kontrolleinheit
in eine dritte Betriebsart Starter für den Verbrennungsmotor zu
bringen sein, in der die elektrische Maschine aus einem elektrischen
Energiespeicher mit elektrischer Leistung versorgt wird um den Verbrennungsmotor
zu starten.
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Eine
Kupplung kann zum gesteuerten getrieblichen Trennen und/oder Verbinden
des Propellers von/mit dem Verbrennungsmotor oder des Strahltriebwerks
vorgesehen sein.
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Die
elektrische Maschine kann als eine Asynchronmaschine, eine Synchronmaschine
oder als eine Transversalflussmaschine ausgestaltet sein.
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Der
Energiespeicher kann als Doppelschichtkondensatorenanordnung, Lithium-Ionen-Akkumulator oder
als Schwungradspeicher ausgestaltet sein.
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Das
Konzept ist auch bei Fahrzeugen mit Turbinen-Luftstrahltriebwerken,
genauer gesagt mit einen elektrischen Motor/Generator zum Beispiel
für ein
TL-Strahltriebwerk anwendbar. Unter TL-Strahltriebwerken sind hierbei
Ein- oder Zweistrom-Turbinen-Luftstrahltriebwerke von Luftfahrzeugen
verstanden, bei denen Luft eingesaugt und in ei nem Verdichter komprimiert
wird. In die komprimierte Luft wird in einer Brennkammer Treibstoff
eingespritzt und diese Mischung dann verbrannt. Die Verbrennung
erhöht die
Temperatur des Gases. Das Gas wird dann in einer Turbine teilweise
expandiert. Die Turbine dient dem Antrieb des Verdichters und anderer
Aggregate wie dem Generator und der Hydraulikpumpen. Dabei ist auf
einer mit der Turbine verbundenen, angetriebenen Welle ein Läufer des
elektrischen Motors/Generators drehfest angeordnet, der zusammen
mit einem Ständer
elektrische Leistung aufnimmt/erzeugt. Die elektrische Leistung
wird – wie
bei der Ausgestaltung für
einen Kolbenverbrennungsmotor – von
einem elektrischen Kurzzeitspeicher bereitgestellt (Motorbetriebsart)
bzw. in diesen eingespeist (Generatorbetriebsart).
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Die
elektrische Maschine kann zum Beispiel eine Asynchronmaschine sein,
da diese den Vorteil hat, bei abgeschalteter Erregung „frei" zu drehen, also
im Flugbetrieb praktisch keine Leistung zu benötigen.
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Es
ist aber auch möglich,
die elektrische Maschine als eine Synchronmaschine auszugestalten. Synchronmaschinen
haben in der Ausgestaltung als Innenläufer eine Außenwicklung
(Ständerwicklung), die
ein magnetisches Drehfeld erzeugt. Ein Polrad (Läufer) trägt zur Felderzeugung entweder
Permanentmagnete oder eine Erregerwicklung. Bei diesen Drehfeldmaschinen
ist die Läuferdrehzahl
gleich der Drehfeldzahl. Der Ständer
ist zur Verringerung der Wirbelstromverluste aus geschichteten,
elektrisch voneinander isolierten Magneteisenblechen gebildet. Die
Ständerwicklung
ist in achsparallele Nuten, zwischen den radial nach innen weisenden
Polen des Ständers
eingelegt und verschaltet. Die bei der Bewegung des Läufers mit
umlaufenden wechselnden Magnetfelder überwinden den Luftspalt zwischen Läufer- und
Ständerpolen
und schneiden die Ständerwicklungen.
Dort wird aufgrund der sich mit jedem Läuferumlauf wechselnden Magnetfelder
in jeder der Wicklungen eine Wechselspannung erzeugt, deren Frequenz
synchron zur Läuferdrehzahl
ist. Durch geeignete Anordnung und Verschaltung der Ständerwicklungen
kann die Synchronmaschine ein- oder mehrphasige Wechselspannung
erzeugen.
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Von
ihrem Grundaufbau mit permanenterregten Synchronmaschinen verwandte
Maschinen sind Transversalflussmaschinen, die im Gegensatz zu den
normalen Maschinen mit Durchmesserwicklung eine Umfangswicklung
haben. Der magnetische Fluss verläuft transversal (senkrecht)
zur Drehebene. Ein Läufer
hat mehrere axial zueinander benachbart angeordnete Permanent-Magnetringe,
bestehend aus Einzelmagneten. Diese sind in radialer Richtung orientiert
mit abwechselnder magnetischer Richtung. Der Ständer hat eine oder mehrere
Umfangswicklungen, die von ineinander greifenden weichmagneti schen
Polen umfasst sind. Wenn sich der Läufer relativ zum Ständer bewegt,
wird durch jede Ständerspule
ein magnetischer Wechselfluss geführt, der eine Generatorspannung
induziert.
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Die
Entkopplung des magnetischen und elektrischen Kreises bei Transversalflussmaschinen erleichtert
deren jeweilige Dimensionierung. Weiterhin entfallen die bei Synchronmaschinen üblichen sog.
Wickelköpfe,
die nicht zur Momenterzeugung beitragen. Nach dem Transversalflussprinzip
arbeitende Maschinen können
damit bauartbedingt erheblich weniger ohmsche Verluste aufweisen
als ein von den magnetischen Schubkräften her vergleichbarer Longitudinalfluss-Motor.
Dadurch wird eine viel feinere Polteilung möglich, woraus bereits bei kleiner Drehzahl
ein großes
Drehmoment und ein höherer Wirkungsgrad
resultiert. Allerdings haben Transversalflussmaschinen einen aufwendigeren
mechanischen Aufbau. Mit permanent erregten Maschinen lassen sich
hohe Wirkungsgrade erzielen; die dazu einzusetzenden Dauermagneten
sind allerdings kostenintensiv.
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Die
elektrische Maschine kann also – vergleichbar
zu einem so genannten Parallelhybrid – direkt an die sich drehende
Verbindungswelle zwischen Propeller und Verbrennungsmotor angekoppelt
sein. Die elektrische Maschine sitzt entweder direkt auf dieser
Welle oder ist über
ein Getriebe direkt mit dieser Welle gekoppelt. Bei Verwendung eines Getriebes
hat dieses den Zweck, die Drehzahl der elektrischen Maschine ins
Schnellere (zum Beispiel im Verhältnis
von etwa 1:5 bis 1:50) zu übersetzen, da
schnell laufende elektrische Maschinen kompakter und deutlich leichter
gebaut werden können.
Dies ist bei Fahrzeugen der vorliegenden Art von Bedeutung.
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Der
Energiespeicher kann typischerweise ein Gewicht von 200–300 kg
haben, wenn er dafür
dimensioniert ist, in der Startphase eine Leistung von ca. 200 KW
abzugeben.
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Da
Blei-Akkumulatoren schwer sind und nur eine begrenzte Energiedichte
haben, wird vorzugsweise auf andere Energiespeichertypen (sog. Doppelschichtkondensatoren,
Ultracaps, etc.) ausgewichen. Sie eignen sich für die kurzzeitige Bereitstellung
(< wenige Minuten)
von Energie und das Abdecken von Lastspitzen. Deren Energiedichte
ist derzeit auf etwa 4–6
Wh/kg begrenzt. Ebenfalls einsetzbar sind sog. Lithium-Ionen-Akkumulatoren.
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Eine
sehr wartungsarme und dauerfeste Ausgestaltung von Energiespeichern
sind sogenannte Schwungradspeicher, bei denen der Energiespeicher
eine elektrische Maschine mit einem Läufer und einem Ständer aufweist.
Der Läufer
kann von dem Ständer
umgeben sein. Alternativ dazu kann der Läufer auch den Ständer umgeben.
Der Läufer
ist einer Schwungmasse zugeordnet. Ein solcher Energiespeicher hat
zwei Betriebsarten: Ein Generatorbetrieb und ein Motorbetrieb. Im
Motorbetrieb oder Ladebetrieb des Energiespeichers werden die Ständerspulen
des Energiespeichers – gesteuert
von einer elektronischen Leistungsumsteuereinheit 5 mit
elektrischem Strom beaufschlagt, der aus der dem Antriebsstrang
eines Fahrzeuges zugeordneten elektrischen Maschine kommt. Diese
elektrische Maschine ist dabei im Generatorbetrieb und bremst das
Fahrzeug ab. Dadurch wird der Läufer
und mit ihm die Schwungmasse des Energiespeichers in Rotation versetzt.
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Im
Generatorbetrieb oder Entladebetrieb des Energiespeichers rotiert
dessen Läufer
mit der Schwungmasse mit hoher Drehzahl. Dann liefern die Ständerspulen
des Energiespeichers elektrische Energie. Diese elektrische Energie
wird – gesteuert
von der elektronischen Leistungsumsteuereinheit – der im Antriebsstrang des
Fahrzeuges befindlichen elektrischen Maschine eingespeist. Diese
elektrische Maschine ist dabei im Motorbetrieb und treibt das Fahrzeug
bzw. dessen/deren Propeller zusammen mit dem Verbrennungsmotor an.
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1 zeigt
schematisch einen Verbrennungsmotor 1, der eine Luftschraube 2 über eine
Abtriebswelle 3 antreibt. An dieser Welle angeflanscht ist
eine schematisch gezeigte elektrische Maschine 4, entweder
auf gleiche Drehzahl gekoppelt oder über ein nicht weiter veranschaulichtes
Getriebe ins schnellere übersetzt.
Eine Leistungselektronik 5 lädt bzw. entlädt den elektrischen
Energiespeicher 6. Eine Kupplung 12 ermöglicht das
Abkuppeln des Propellers, um bei gelandetem Fahrzeug im Hafen den Energiespeicher
nachzuladen, ohne Vorschub durch den Propeller zu erzeugen.
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2 zeigt
schematisch die gleichen Komponenten wie 1, wobei jedoch
die elektrische Maschine 4 auf der der Luftschraube gegenüberliegenden
Seite des Verbrennungsmotors 1 angeordnet ist.
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3 zeigt
schematisch eine Turbine 11, bei der die elektrische Maschine 4 auf
der Hauptwelle der Turbine sitzt und im Gehäuse der Turbine integriert
ist.