DE102010003632A1

DE102010003632A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Wandeln bereitgestellter elektrischer Leistung in mechanische Leistung zum Starten zumindest eines Triebwerkes

Info

Publication number: DE102010003632A1
Application number: DE102010003632A
Authority: DE
Inventors: Carsten Koeppen; Till Marquardt; Sebastian Thiel
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2009-04-06
Filing date: 2010-04-01
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2030-04-02
Also published as: US8492915B2; DE102010003632B4; US20100252688A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wandeln bereitgestellter elektrischer Leistung in mechanische Leistung zum Starten zumindest eines Triebwerkes. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung zum Bereitstellen mechanischer Leistung zum Starten zumindest eines Triebwerkes, insbesondere in einem Flugzeug, hat eine Leistungsbereitstellungs-Einrichtung zum Bereitstellen einer elektrischen Leistung mit einer Wechselspannung mit konstanter Frequenz und eine Anzahl N1 von Wandlungs-Einrichtungen zum jeweiligen Wandeln der bereitgestellten elektrische Leistung in eine jeweilige mechanische Leistung für ein jeweiliges Triebwerk, wobei die jeweilige Wandlungs-Einrichtung einen Kaskadenstartergenerator zum direkten Wandeln der bereitgestellten elektrischen Leistung in mechanische Leistung aufweist, wobei der Kaskadenstartergenerator einen ersten Stator, einen zweiten Stator, einen ersten Rotor und einen zweiten Rotor aufweist, wobei der erste Stator mit dem zweiten Stator zusammen integral ausgebildet ist und der erste Rotor mit dem zweiten Rotor zusammen integral ausgebildet ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Flugzeug mit einem solchen Leistungsverteilungsnetz sowie ein Verfahren zum Bereitstellen mechanischer Leistung zum Starten zumindest eines Triebwerks in einem Flugzeug.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bereitstellen mechanischer Leistung zum Starten zumindest eines Triebwerkes.
Obwohl auf beliebige Bereiche anwendbar, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf ein Flugzeug und insbesondere auf ein Passagierflugzeug näher erläutert.
In Flugzeugen mit Pneumatiksystemen erfolgt der Start der Triebwerke durch Druckluft. Dabei werden die Pneumatikleitungen des Pneumatiksystems mit Druckluft beaufschlagt, welche dann zum Triebwerk geleitet wird. Die Druckluft wird über einen Druckluftmotor am Triebwerk in mechanische Wellenleistung umgesetzt.
Der Vorgang der mechanischen Leistungsabgabe wird fortgesetzt, bis sich der thermodynamische Prozess im Triebwerk selbstständig aufrechterhält. Dabei kann die pneumatische Leistung für den Start des Triebwerkes durch eine Hilfsgasturbine erzeugt werden. Alternativ kann die pneumatische Leistung von einem bereits laufenden Triebwerk abgenommen werden und über entsprechende Querverbindungen zu dem zu startenden Triebwerk geführt werden. Eine weitere Alternative besteht darin, externe Druckluftanschlüsse von Bodenversorgungseinheiten zu verwenden und auf diese Weise Druckluft in das flugzeuginterne Druckluftsystem einzubringen und mit dieser das Triebwerk zu starten.
In moderneren Flugzeugen mit einem höheren Grad an Elektrifizierung, insbesondere mit einer vollständig elektrischen Klimaanlage und elektrischer Flügelenteisung, ist nur ein reduziertes Pneumatiksystem oder gar kein Pneumatiksystem mehr vorhanden. Der Start eines Triebwerkes in einem solchen Flugzeug erfolgt dann mittels elektrischer Leistung durch so genannte Starter-Generatoren. Diese Generatoren werden nicht nur zur elektrischen Leistungserzeugung und Netzspeisung eingesetzt, sondern auch durch Umkehrung des Leistungsflusses zum Starten der Triebwerke verwendet. Dabei wird dem jeweiligen Generator, der hier als Motor arbeitet, elektrische Leistung zugeführt, welche dieser in mechanische Leistung umwandelt, so dass ein Drehmoment an der Triebwerkswelle erzeugt wird.
Der Vorgang der Leistungsabgabe wird herkömmlicherweise fortgesetzt, bis sich der thermodynamische Prozess im Triebwerk selbstständig aufrechterhält. Dabei ist zur Bereitstellung der elektrischen Leistung eine Leistungsbereitstellungs-Einrichtung oder eine Leistungsverteilungs-Vorrichtung notwendig. Eine solche Leistungsbereitstellungs-Einrichtung kann als Hilfsgasturbine ausgebildet sein, welche über Leistungsverteilungsbusse mit dem jeweiligen Generator gekoppelt ist. Alternativ kann die elektrische Leistung auch von einem bereits laufenden Triebwerk mittels dessen Generator abgenommen werden und über elektrische Leistungsverteilungsbusse dem Starter-Generator des anderen, nicht laufenden Triebwerkes bereitgestellt werden. Eine weitere Alternative besteht dar in, die elektrische Leistung über Bodenversorgungsstationen und externe elektrische Anschlüsse des Flugzeuges bereitzustellen und somit die elektrische Leistung den internen Leistungsverteilungsbussen des Flugzeugs einzuspeisen und damit dem zu startenden Triebwerk bereitzustellen.
Insgesamt betrifft das technische Gebiet der vorliegenden Erfindung den elektrischen Triebwerksstart, der eine elektrische Leistungsbereitstellungs-Einrichtung voraussetzt.
Herkömmliche elektrische Leistungsbereitstellungs-Einrichtungen, Leistungsverteilungs-Vorrichtungen oder Leistungsverteilungs-Netzwerke lassen sich in drei wesentliche Gruppen einteilen. Erstens sind Wechselspannungsnetze mit einer konstanten Netzfrequenz bekannt. Zweitens sind Wechselspannungsnetze mit variabler Frequenz und drittens sind Gleichspannungsnetze bekannt.
Der erste oben beschriebene Ansatz des Wechselspannungsnetzes mit konstanter Frequenz hat gegenüber einem solchen mit variabler Frequenz insbesondere den Vorteil, dass alle diejenigen Verbraucher, die während des Fluges des Flugzeuges mit gleichbleibender Spannung und Drehzahl betrieben werden sollen, direkt an das Leistungsverteilungs-Netzwerk angeschlossen werden können. Diese Verbraucher sind beispielsweise Kraftstoffpumpen, Hydraulikpumpen oder Ventilatoren. Diese Verbraucher sind dazu eingerichtet, mit konstanter Drehzahl zu arbeiten. Dies ist bei einem direkten Anschluss an ein Konstantfrequenz-Netzwerk automatisch der Fall. Bei Netzen mit variabler Frequenz müssen nachteiligerweise Umrichter eingesetzt werden. Diese reduzieren die Effizienz und erhöhen neben dem technischen Mehraufwand auch die Kosten und die Gesamtmasse des Flugzeuges.
Um ein Konstantfrequenz-Netz aufbauen zu können, werden herkömmlicherweise so genannte Integrated-Drive-Generatoren (IDG) eingesetzt, die im Wesentlichen aus einem Konstantdrehzahlgetriebe und einem Generator bestehen. Hierbei erfolgt die Wandlung von einer variablen Drehzahl auf eine konstante Drehzahl auf der mechanischen Eingangsseite des Generators. Weiter ist es wichtig, dass während des Fluges für das Flugzeug auch unterschiedliche elektrische Energiequellen verfügbar sind, um heutige und auch zukünftige Anforderungen zu erfüllen.
Dies ist allein mit einem Triebwerksgenerator nicht möglich und erfordert die Kombination anderer Energiequellen.
Bei neueren Entwicklungen, wie z. B. beim Airbus A380, wurden die IDG durch Generatoren ohne Konstantdrehzahlgetriebe, so genannte Variable-Frequency-Generatoren (VFG), ersetzt, welche die erforderliche Drehzahlbandbreite, beispielsweise Faktor 2, abdecken und ein entsprechendes Netz mit variabler Frequenz aufbauen können. Dies erspart zwar den Aufwand des IDG, erfordert aber an vielen Verbrauchern zusätzlich Umrichter, was sich wiederum nachteilig auf die Anschaffungskosten, die Service-Kosten und die Gesamtmasse sowie die Betriebszuverlässigkeit auswirken kann.
Als Abwandlungen der bislang verwendeten VFGs werden für zukünftige Flugzeuggenerationen auch Variable-Frequency-Starter-Generators (VFSG) vorgesehen. Im generatorischen Betrieb sind diese VFSGs identisch mit VFGs und entnehmen bei in Betrieb befindlichem Triebwerk diesem Triebwerk mechanische Leistung, wandeln diese in elektrische Leistung und speisen die so gewonnene elektrische Leistung in das fre quenzvariable Netzwerk ein. Für den Triebwerkstart werden diese VFSGs im elektromotorischen Betrieb betrieben, indem elektrische Leistung in mechanische Leistung zum Antrieb des Triebwerkes gewandelt wird.
In der DE 30 02 527 A1 ist ein weiteres Generatorkonzept beschrieben, welches ein Konstantfrequenznetz aufbaut. Bei diesem Konzept werden zwei getrennte Generatoreinheiten vorgesehen, die jeweils voneinander getrennte Statoren und Rotoren aufweisen, die getrennt voneinander in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Es handelt sich hier um einen Kaskadenstartergenerator, bei dem die beiden einzelnen Generatoren auf einer gemeinsamen Welle nebeneinander angeordnet sind. Die elektrischen Anschlüsse der beiden Statoren sind getrennt voneinander nach außen geführt, während die beiden Rotoren elektrisch über die gemeinsame Welle verbunden sind.
Wie oben bereits ausgeführt, stellt das Gleichspannungsnetz eine Alternative zu den Wechselspannungsnetzen dar. Da jedoch keine Gleichspannungsmotoren oder Gleichspannungsgeneratoren mit Kommutatoren in Verkehrsflugzeugen eingesetzt werden sollten, da diese durch die erforderlichen Kohlebürsten sehr wartungsanfällig und damit kostenintensiv sind, wird auf die bürstenlose Gleichspannungs-Technologie zurückgegriffen.
Dabei wird der Generator oder Motor mit Wechselspannung betrieben, welche durch spezielle Motor-Steuereinrichtungen aus einem Gleichspannungsnetz, z. B. 270 V, erzeugt wird.
Bei der Kombination eines Gleichspannungsnetzes mit einem Wechselspannungsgenerator auf der einen Seite und einem bürstenlosen Gleichspannungsmotor auf der anderen Seite resultiert eine so genannte Mehrfachumrichtung der Leistung. Aus der Wechselspannung der Generatoren wird über einen Gleichrichter zunächst eine Gleichspannung erzeugt, die dann entsprechend zu den Motor-Steuereinrichtungen der betroffenen Komponenten verteilt wird. Diese Mehrfachumrichtung verursacht nachteiligerweise jedoch zusätzliche Energieverluste und erfordert zusätzlichen technischen Aufwand, welcher nachteiligerweise zusätzliche Anschaffungs- und Service-Kosten und eine zusätzliche Masse verursachen kann.
Diese Motor-Steuereinrichtungen erzeugen dann die individuelle Wechselspannung zum Antrieb und zur Steuerung des eigentlichen Motors.
Derartige Gleichspannungsnetze haben allerdings den Nachteil, dass bei Schaltvorgängen Lichtbögen entstehen können, die nicht von selbst erlöschen, sondern deren Unterdrückung komplexe Schaltelemente erfordern.
Diese zusätzlich erforderlichen Schaltelemente verursachen nachteiligerweise zusätzliche Anschaffungs- und Service-Kosten und verursachen weiter eine zusätzliche Masse. Weiter sind diese erforderlichen Schalteinheiten noch nicht in vollem Umfang in der Luftfahrt einsetzbar, weil sie die luftfahrttechnische Service-Serienreife noch nicht in dem erforderlichen Maße erreicht haben.
In den Druckschriften US 5,977,645 A , US 7,116,003 B2 und US 7,210,653 B2 sind Kombinationen der oben beschriebenen Netze beschrieben. Weiter sind in den Druckschriften US 3,571,693 A , US 5,627,744 A und US 7,045,925 B2 Konstantfrequenz-Netze beschrieben, bei welchen die Wandlung von variabler in konstante Frequenz auf der elektrischen Ausgangsseite des Generators erfolgt.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine effizientere und insbesondere kompaktere Möglichkeit zur Bereitstellung mechanischer Leistung zum Starten eines Triebwerks zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch ein Flugzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 und/oder durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst.
Demgemäß wird eine Vorrichtung zum Bereitstellen mechanischer Leistung zum Starten zumindest eines Triebwerkes, insbesondere in einem Flugzeug, vorgeschlagen, mit einer Leistungsbereitstellungs-Einrichtung zum Bereitstellen einer elektrischen Leistung mit einer Wechselspannung mit konstanter Frequenz; und mit einer Anzahl N1 von Wandlungs-Einrichtungen zum Wandeln der bereitgestellten elektrischen Leistung in eine jeweilige mechanische Leistung für ein jeweiliges Triebwerk, wobei eine jeweilige Wandlungs-Einrichtung einen Kaskadenstartergenerator zum direkten Wandeln der bereitgestellten elektrischen Leistung in mechanische Leistung aufweist, wobei der Kaskadenstartergenerator einen ersten Stator, einen zweiten Stator, einen ersten Rotor und einen zweiten Rotor aufweist, wobei der erste Stator mit dem zweiten Stator zusammen integral ausgebildet ist und wobei der erste Rotor mit dem zweiten Rotor zusammen integral ausgebildet ist.
Weiter wird ein Flugzeug mit einem Leistungsverteilungsnetz vorgeschlagen, welches eine wie oben erläuterte Vorrichtung zum Bereitstellen mechanischer Leistung zum Starten zumindest eines Triebwerkes aufweist.
Ferner wird ein Verfahren zum Bereitstellen mechanischer Leistung zum Starten zumindest eines Triebwerkes in einem Flugzeug vorgeschlagen, insbesondere mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bereitstellen mechanischer Leistung, welches folgende Schritte aufweist: Bereitstellen einer elektrischen Leistung mit einer Wechselspannung mit konstanter Frequenz; und Wandeln der bereitgestellten elektrischen Leistung in eine jeweilige mechanische Leistung für ein jeweiliges Triebwerk, wobei ein erster Teil der bereitgestellten elektrischen Leistung mittels eines Kaskadenstartergenerators in einen ersten Teil der mechanischen Leistung direkt gewandelt wird und ein zweiter Teil der bereitgestellten elektrischen Leistung über einen Frequenzumrichter geführt und anschließend in einen zweiten Teil der mechanischen Leistung mittels des Kaskadenstartergenerators gewandelt wird.
Im Gegensatz zu dem eingangs genannten Stand der Technik wird bei dem erfindungsgemäßen Kaskadenstartergenerator ein integriertes Konzept der Verschaltung der ineinander integrierten Rotoren und Statoren verwendet. Dieser Kaskadenstartergenerator verfügt gewissermaßen lediglich über einen einzigen Stator und einen einzigen Rotor, wobei dieser Stator bzw. Rotor jeweils durch zwei getrennte Statoreinheiten und Rotoreinheiten gebildet wird, die auch getrennt voneinander ansteuerbar sind. Dadurch ergibt sich eine einfachere Verschaltung des Motors, da keine elektrische Verbindung der verschiedenen Rotoren über die mechanische Welle erfolgen muss. Darüber hinaus ist auch eine deutlich kompaktere Bauform möglich, was insbesondere beim Einsatz in Flugzeugen vorteilhaft ist.
Im Vergleich zu einem herkömmlichen Startergenerator liegt der Vorteil der Verwendung eines solchen Kaskadenstartergene rators/-motors auch darin, dass sowohl bei einem generatorischen als auch bei einem motorischen Betrieb dieses Kaskadenstartergenerators die Hauptleistung des Kaskadengenerators/-motors mit der synchronen Frequenz direkt in das Netz eingespeist bzw. wieder aus diesem Netz entnommen wird. Lediglich die Differenzleistung muss über einen Frequenzumrichter geführt werden. Damit kann dieser Frequenzumrichter sehr viel kleiner ausgelegt werden und reduziert damit gleichzeitig die thermischen Verluste und die installierte Masse. Der Kaskadenstartergenerator/-motor und der Frequenzumrichter sind je nach den geforderten Betriebspunkten insbesondere im Hinblick auf die Wahl der synchronen Drehzahl in geeigneter Weise ausgelegt.
Die Vorteile durch die Verwendung eines solchen Kaskadenstartergenerators/-motors als Triebwerksstartergenerator werden umso bedeutender, je größer die Leistungsanforderungen werden, wie dies bei zukünftigen Flugzeuggenerationen mit der Tendenz einer immer geringer werdenden Anzahl an immer leistungsstärkeren Triebwerken der Fall ist. Insbesondere bei sehr großen Triebwerken ist auch ein hohes Drehmoment zum Anlassen erforderlich. Hier kann vorteilhafterweise der Kaskadenstartergenerator derart dimensioniert werden, dass er für den gewünschten Triebwerkstart und damit für das von dem entsprechenden Triebwerk benötigte Anlassmoment geeignet ausgelegt wird.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt auch darin, die Vorteile eines Konstantfrequenz-Netzes – Wechselspannungsnetz mit konstanter Frequenz – mit den Vorteilen eines Starter-Generators ohne Konstantdrehzahlgetriebe – Kaskadenstartergenerator im motorischen Betrieb – zu kombinieren.
Weiterhin ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bereitstellen mechanischer Leistung unabhängig von der Flughöhe und (noch) laufenden Triebwerken mechanische Leistung für einen Re-Start eines bestimmtes Triebwerkes zur Verfügung zu stellen. Dies erhöht vorteilhafterweise die operative Sicherheit des Flugzeuges.
Der Kaskadenstartergenerator ist gemäß der Erfindung derart ausgebildet, dass einerseits der erste Stator und der zweite Stator und andererseits der erste Rotor und der zweite Rotor jeweils integral in einer einstückigen Einheit, einem so genannten Wicklungspaket, ausgebildet sind. Die verschiedenen Wicklungen des ersten und zweiten Stators sind ebenso wie die Wicklungen des ersten Rotors und zweiten Rotors aber elektrisch voneinander isoliert und damit getrennt.
Durch die Integration der beiden Statoren in einem einzigen Stator und die Integration der beiden Rotoren in einem einzigen Rotor kann der Kaskadenstartergenerator damit in einer gewichtsreduzierten, äußerst kompakten Bauform ausgebildet sein, was insbesondere im Luftfahrtbereich ein wesentliches Kriterium darstellt. Ferner wird durch diese Bauweise des Kaskadenstartergenerators die elektrische Verschaltung der Rotoren signifikant vereinfacht, da die elektrische Verbindung der Rotoren nicht mehr über die Welle des Kaskadenstartergenerators erfolgen muss, wie dies bei bekannten Lösungen der Fall ist.
Des Weiteren sind auch die Kosten für den Bau des Kaskadenstartergenerators deutlich reduziert, da für einen Kaskadenstartergenerator, bei dem die Statoren und die Rotoren jeweils zu einer Einheit zusammengefasst sind, deutlich weniger Material erforderlich ist.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel als zusätzliche Energiequelle als Teil der erfindungsgemäßen Leistungsbereitstellungs-Einrichtung einzusetzen. Wie im Weiteren noch detaillierter ausgeführt werden wird, kann die Leistungsbereitstellungs-Einrichtung einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel in ihrer Netzwerkarchitektur integrieren, welche es ermöglichen, die den einzelnen Bussen zur Verfügung gestellte Leistung flexibel dem Leistungsbedarf der angeschlossenen Triebwerke als Verbraucher anzupassen. Dabei ergibt sich eine verbesserte Ausnutzung der vorhandenen Leistung und eine erhöhte Redundanz.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass für die erfindungsgemäße Vorrichtung nur ein einzelner Netzwerktyp, nämlich ein Wechselspannungsnetz mit konstanter Netzfrequenz, als Quelle für die bereitzustellende mechanische Leistung zum Triebwerksstart verwendet wird und somit keine Umformungen zwischen Leistungsnetzen erforderlich sind. Dies bedeutet vorteilhafterweise deutlich verringerte Energieverluste.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden, wie oben beschrieben, so genannte Kaskadenstartergeneratoren als Triebwerksstartergeneratoren verwendet. Durch die Verwendung eines Kaskadenmotors zum Starten eines Triebwerkes ergibt sich ein reduzierter Umrichter-Aufwand, da der vorzusehende Umrichter nur für einen Teil der dem Motor zur Verfügung zu stellenden Leistung ausgelegt sein muss. Daraus ergibt sich ein effizienterer Einsatz der bereitgestellten Leistung, da weniger Leistungsverluste auftreten. Weiter ergibt sich eine Reduzierung der Masse, die sich positiv auf die Gesamtmasse und die Gesamteffizienz eines Flugzeuges auswirkt. Der jeweilige Kas kadenstartergenerator ist zum motorischen Betrieb und zum generatorischen Betrieb eingerichtet. Die Kaskadenstartergeneratoren beruhen auf dem in der Veröffentlichung Fräger, Garsten: "Neuartige Kaskadenmaschine für bürstenlose Drehzahlstellantriebe mit geringem Stromrichteraufwand", Düsseldorf, VDI-Verlag, 1995, und auf dem in der Druckschrift US 7,045,925 B2 beschriebenen Motorkonzept. Deren generatorische Anwendbarkeit ist in Fräger, Carsten, "Kaskadengenerator für Windenergieanlagen", Antriebs- und Schaltungstechnik, Vol. S2/2006, Berlin, VDI-Verlag, gezeigt.
Der Vorteil dieser Anordnung liegt dabei darin, dass die Hauptleistung des Generators mit der synchronen Frequenz des Generators, dessen Welle mit dem Triebwerk des Flugzeuges gekoppelt ist, sowohl im motorischen Betrieb als auch im generatorischen Betrieb direkt in das Netz eingespeist wird beziehungsweise diesem entnommen wird. Lediglich die Differenzleistung muss über den Frequenzumrichter geführt werden. Damit kann dieser erheblich kleiner ausgelegt werden und reduziert daher die thermischen Verluste und die zu installierende Masse. Das Triebwerk, der Generator und das zwischengeschaltete Getriebe werden dabei vorzugsweise derart ausgelegt, dass der Generator mit synchroner Drehzahl angetrieben wird, wenn das Triebwerk mit Reiseflugdrehzahl dreht.
Die Vorteile durch die Verwendung eines Kaskadenstartergenerators/motors als Triebwerksstartergenerator werden um so bedeutender, je größer die zu dimensionierenden Leistungsanforderungen werden. Insbesondere bei mechanisch großen Triebwerken, bei welchen ein hohes Drehmoment zum Anlassen erforderlich ist, ist die vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft.
In den weiteren Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Verbesserungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist zumindest eine Wandlungseinrichtung einen Frequenzumrichter auf. Der Kaskadenstartergenerator ist derart in der Wandlungseinrichtung angeordnet und ausgestaltet, um einen ersten Teil der bereitgestellten elektrischen Leistung in einen ersten Teil der mechanischen Leistung zu wandeln und einen zweiten Teil der bereitgestellten elektrischen Leistung, welche zuvor über den Frequenzumrichter geführt wird, in einen zweiten Teil der mechanischen Leistung zu wandeln.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weisen der erste Stator und der zweite Stator jeweils voneinander getrennte elektrische Anschlüsse auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist ein gemeinsames Gehäuse vorgesehen, in welchem der erste und zweite Stator und/oder der erste und zweite Rotor angeordnet sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die Windungen des ersten und zweiten Stators so ineinander verwickelt, dass sie ein zusammenhängendes Statorwicklungspaket bilden. Zusätzlich oder alternativ sind die Wicklungen des ersten und zweiten Rotors derart ineinander verwickelt, dass sie ein zusammenhängendes einheitliches Rotorwicklungspaket bilden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist eine Leistungsbereitstellungs-Einrichtung mit einer Mehrzahl von Leistungsbereitstellungs-Einheiten zum jeweiligen Bereitstellen der elektrischen Leistung mit konstanter Frequenz vorgesehen, wo bei die jeweilige Leistungsbereitstellungs-Einheit als eine Wandlungs-Einrichtung eines bereits laufenden Triebwerkes und/oder als eine einer Anzahl N2 von Brennstoffzellenstapeln und/oder als eine einer Anzahl N3 von Anschlüssen zur Kopplung einer externen Stromquelle zur Bereitstellung einer elektrischen Leistung mit konstanter Frequenz ausgeführt ist.
Für die Anschlüsse zur Koppelung einer oder mehrerer externer Stromquellen müssen vorteilhafterweise keine Umrichter vorgesehen werden, da das erfindungsgemäße Konzept vorsieht, dass jegliche Umwandlung bezüglich der externen Versorgung am Boden in einer entsprechenden Bodenversorgungseinrichtung erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass Komponenten, welche nur am Boden benötigt werden, nicht im Flugzeug mitfliegen und dadurch nicht unnötig den Kraftstoffverbrauch des Flugzeuges erhöhen sowie erhöhte Entwicklungs- und Wartungskosten für das Flugzeug verursachen. Vor allem bei Langstreckenflugzeugen ist dies von Vorteil und durch die vergleichsweise geringe Anzahl an angeflogenen Großflughäfen auch gut realisierbar. Die oben angesprochene Integration eines oder mehrerer Brennstoffzellenstapel dient dazu, die Forderung nach einer zweiten unabhängigen Energiequelle zu erfüllen. Diese kann dann vorzugsweise die Funktion der Notfallversorgung und bei entsprechender Auslegung auch die der Hilfsgasturbine übernehmen. Da ein Brennstoffzellenstapel grundsätzlich Gleichspannung liefert, ist hier eine Umwandlung erforderlich, um eine Einspeisung in das vorgesehene Wechselstromnetz mit konstanter Frequenz zu ermöglichen. Der Brennstoffzellenstapel wird vorzugsweise dabei so ausgelegt, dass die gelieferte Spannung durch reines Wechselrichten in die gewählte Netzspannung konvertiert werden kann und kein Transformator erforderlich ist.
Der zumindest eine Brennstoffzellenstapel kann dann die Funktion der Hilfsgasturbine für den bodenversorgungsunabhängigen Fall eines ersten Triebwerkstartes übernehmen. Bei entsprechender Sicherheitsauslegung kann der zumindest eine Brennstoffzellenstapel auch die Notfallversorgung für den Re-Start im Flug übernehmen. Durch die Kombination des Triebwerk-Starterkonzepts mit dem Brennstoffzellenstapel ist vorteilhafterweise eine erhöhte Redundanz und Dissimilarität der elektrischen Primärenergiequellen bereitgestellt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine Anzahl N4 von Konstantfrequenz-Bussen zum Koppeln der Wandlungs-Einrichtungen mit den Leistungsbereitstellungs-Einheiten vorgesehen.
Für die Konstantfrequenz-Busse wird das erfindungsgemäße Wechselstromnetz mit konstanter Frequenz vorgeschlagen, da diese für den Betrieb von Verbrauchern, wie Motoren oder Kaskadenmotoren, sehr geeignet ist und darüber hinaus ohne eine Umrichtung drei verschiedene Spannungssysteme zur Verfügung stellt. Diese sind vorzugsweise das volle dreiphasige Drehstromsystem, ein einphasiges Wechselspannungssystem mit der Außenleiterspannung und ein ebensolches mit einer um den Faktor 1/√3 kleineren Spannung. Das Spannungsniveau für die Busse kann vorzugsweise frei eingestellt werden, jedoch bietet sich eine Netzspannung von 230/400 Volt an, um im Vergleich zu herkömmlichen 115/200-Volt-Netzen kleinere Ströme und damit eine geringere Kabelmasse zu erzielen. Dadurch werden verschiedene Spannungssysteme für die Verwendung verschiedener Spannungen für die einzelnen Verbraucher bereitgestellt. Danach kann jeder Verbraucher mit der für diesen am besten geeigneten Spannung versorgt werden, wodurch das Gesamtsystem weiter optimiert werden kann. Zusätzlich zu den Konstantfrequenz-Bussen wird die Ankoppelung zumindest eines Niedervolt-Gleichspannungs-Netzwerkes mit einer bevorzugten Spannung von 28 Volt vorgeschlagen, um beispielsweise die Avionik und weitere elektrische Steuerungs- und Kontrolleinheiten zu versorgen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine steuerbare Schalteinrichtung vorgesehen, welche zum Schalten einer jeweiligen Leistungsbereitstellungs-Einheit auf einen jeweiligen der Anzahl N4 der Konstantfrequenz-Busse eingerichtet ist.
Vorzugsweise kann die steuerbare Schalteinrichtung ein Lastmanagement bereitstellen, um die in Betrieb befindlichen elektrischen Verbraucher beim Vorgang des Triebwerkstarts optimal auf die vorhandenen elektrischen Quellen oder Leistungsbereitstellungs-Einheiten zu verteilen. Unter anderem ist die steuerbare Schalteinrichtung dazu ausgelegt, zur Vermeidung von lastabhängigen Spannungsschwankungen einzelne Verbraucher separat mittels einer Leistungsbereitstellungs-Einheit zu versorgen. Bei einem hohen Gesamtleistungsbedarf, um zum Beispiel einen sicheren und schnellen Triebwerksstart bei erschwerten Bedingungen wie extremer Kälte oder auf hoch gelegenen Flugplätzen zu ermöglichen, ermöglicht das vorliegende Konzept der Leistungsbereitstellungs-Einrichtung mit einer Mehrzahl von Leistungsbereitstellungs-Einheiten auch eine Bündelung mehrerer elektrischer Leistungsquellen an ein Leistungsverteilnetz bzw. an einen Konstantfrequenz-Bus.
Durch die erfindungsgemäße Schalteinrichtung oder Schaltlogik ist es möglich, jeden der vorhandenen Konstantfrequenz-Busse von jeder der Quellen der Leistungsbereitstellungs-Einrichtung versorgen zu lassen. Dabei sollten jedoch zwei Triebwerksgeneratoren nicht gleichzeitig den gleichen Bus speisen oder mit der externen Versorgung zusammengeschaltet werden, da hierbei eine Synchronisation der tatsächlichen Spannung und Phasenlage erforderlich wäre, um eine Beschädigung der Bauteile zu vermeiden. Für eine derartige Synchronisation wären jedoch weitere technische Maßnahmen mit den entsprechenden Folgen für Massenzunahme, Kosten und Leistungsverluste erforderlich. Daher verzichtet die vorliegende Erfindung in diesem Bereich auf eine Verkoppelung der Netze. Jedoch kann es durch einen entsprechenden Aufbau der Wechselrichter des Brennstoffzellenstapels ermöglicht werden, dass sowohl ein Bus alleine von einem Brennstoffzellenstapel versorgt wird als auch von einem Brennstoffzellenstapel kombiniert mit einer der anderen Quellen. Dabei wird der Wechselrichter vorzugsweise im ersten Fall als selbstgeführter Wechselrichter und im zweiten Fall, bei Kombination mit einer anderen Quelle, als fremdgeführter Wechselrichter betrieben.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung beinhaltet die Anzahl N4 der Konstantfrequenz-Busse eine erste Menge M1 an Hauptbussen und eine zweite Menge M2 an Notfall-Bussen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung schaltet die steuerbare Schalteinrichtung die jeweilige Leistungsbereitstellungs-Einheit in Abhängigkeit einer festgestellten Lastverteilung einer zum Starten des zumindest einen Triebwerkes notwendigen Last auf einen jeweiligen der Anzahl N2 der Konstantfrequenz-Busse.
Durch die entsprechende Auswahl der Wechselrichter für den Brennstoffzellenstapel wird vorzugsweise ermöglicht, dass sowohl ein Bus alleine von einem Brennstoffzellenstapel versorgt werden kann als auch von einem Brennstoffzellenstapel kombiniert mit einer anderen Quelle. Dabei kann der Wechselrichter im ersten Fall als selbstgeführter Wechselrichter und im zweiten Fall bei Kombination mit einer anderen Quelle als fremdgeführter Wechselrichter betrieben werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine Anzahl N2 von Brennstoffzellenstapeln vorgesehen, wobei der jeweilige Brennstoffzellenstapel mittels eines Wechselrichters mit der Schalteinrichtung gekoppelt ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der jeweilige Wechselrichter als ein fremdgeführter Wechselrichter ausgebildet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden schematischen Figuren der Zeichnung näher erläutert.
Von den Figuren zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Bereitstellen mechanischer Leistung zum Starten zumindest eines Triebwerkes eines Flugzeuges;
2 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Bereitstellen mechanischer Leistung zum Starten zumindest eines Triebwerkes eines Flugzeuges;
3 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Bereitstellen mechanischer Leistung zum Starten zumindest eines Triebwerkes eines Flugzeuges; und
4 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Verteilen von Leistung, welches das Verfahren zum Bereitstellen mechanischer Leistung nach 3 umfasst;
5 eine Blockdarstellung eines Kaskadenstartergenerators.
In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, Merkmale oder Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
In 1 ist ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 1 zum Bereitstellen mechanischer Leistung M zum Starten zumindest eines Triebwerkes 2 eines Flugzeuges dargestellt.
Die Vorrichtung 1 hat eine Leistungsbereitstellungs-Einrichtung 3 und eine Anzahl N1 von Wandlungs-Einrichtungen 8.
Die Leistungsbereitstellungs-Einrichtung 3 ist dazu eingerichtet, eine elektrische Leistung I1 mit einer Wechselspannung mit konstanter Frequenz bereitzustellen.
Die Wandlungs-Einrichtung 8 ist dazu eingerichtet, die von der Leistungsbereitstellungs-Einrichtung 3 bereitgestellte elektrische Leistung I1 in eine mechanische Leistung M für das Triebwerk 2 zu wandeln. Dabei weist die Wandlungs- Einrichtung 8 einen Kaskadenstartergenerator 9 und einen Frequenzumrichter 10 auf. Weiter ist eine Welle 15 vorgesehen, welche das Triebwerk 2 mit dem Kaskadenstartergenerator 9 koppelt und zum Übertragen der mechanischen Leistung M an das Triebwerk 2 eingerichtet ist. Der Kaskadenstartergenerator 9 ist dazu eingerichtet, einen ersten Teil I2 der bereitgestellten elektrischen Leistung I1 in einen ersten Teil der mechanischen Leistung M zu wandeln, insbesondere direkt zu wandeln. Ein zweiter Teil I3 der bereitgestellten elektrischen Leistung wird über einen Frequenzumrichter 10 geführt und anschließend in einen zweiten Teil der mechanischen Leistung M mittels des Kaskadenstartergenerators 9 gewandelt, so dass verschiedene Drehzahlen für die Welle 15 bereitgestellt werden können.
Die bereitgestellte elektrische Leistung I1 entspricht der Summe aus dem ersten Teil I2 der elektrischen Leistung I1 und dem zweiten Teil I3 der elektrischen Leistung I1.
2 zeigt ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 1 zum Bereitstellen mechanischer Leistung M zum Starten zumindest eines Triebwerkes 2 eines Flugzeuges. Dabei umfasst das zweite Ausführungsbeispiel gemäß 2 sämtliche Merkmale des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 1. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden die Übereinstimmungsmerkmale der beiden Ausführungsbeispiele nach den 1 und 2 aus diesem Grunde nicht nochmals detailliert erläutert.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 nach 2 hat die Leistungsbereitstellungs-Einrichtung 3–8 eine Mehrzahl von Leistungsbereitstellungs-Einheiten 3–8 zum jeweiligen Bereitstellen der elektrischen Leistung I1 mit einer Wechselspannung mit konstanter Frequenz. Dabei kann die jeweilige Leistungsbereitstellungs-Einheit 3–8 als eine Wandlungs-Einrichtung 8 eines bereits laufenden Triebwerkes 3 ausgebildet sein. Alternativ kann eine Leistungsbereitstellungs-Einheit auch als eine einer Anzahl N2 von Brennstoffzellenstapeln 4, 5 ausgebildet sein. Des Weiteren kann eine jeweilige Leistungsbereitstellungs-Einheit als eine einer Anzahl N3 von Anschlüssen 6, 7 zur Kopplung einer externen Stromquelle zur Bereitstellung der elektrischen Leistung I1 mit einer Wechselspannung mit konstanter Frequenz ausgebildet sein.
Weiterhin weist die Vorrichtung 1 vorzugsweise eine Anzahl N4 von Konstantfrequenz-Bussen 11 auf, welche dazu eingerichtet sind, die Wandlungs-Einrichtungen 8 mit den Leistungsbereitstellungs-Einheiten 3–8 zu koppeln.
Vorzugsweise weist die Anzahl N4 der Konstantfrequenz-Busse 11 eine erste Menge M1 an Hauptbussen und eine zweite Menge M2 an Notfall-Bussen auf (nicht gezeigt).
Des Weiteren hat die Vorrichtung 1 vorzugsweise eine steuerbare Schalteinrichtung 12. Die steuerbare Schalteinrichtung ist zum Schalten einer jeweiligen Leistungsbereitstellungs-Einheit 3–8 auf einen jeweiligen der Anzahl N4 der Konstantfrequenz-Busse 11 eingerichtet.
Weiter ist die steuerbare Schalteinrichtung 12 vorzugsweise dazu eingerichtet, zumindest eine Leistungsbereitstellungs-Einheit 3–8 in Abhängigkeit einer festgestellten Lastverteilung der zum Starten des zumindest einen Triebwerkes 2 notwendigen Last auf einen jeweiligen der Anzahl N4 der Konstantfrequenz-Busse 11 zu schalten. Vorzugsweise wird je nach festgestellter Lastverteilung eine bestimmte Anzahl und/oder Auswahl der Leistungsbereitstellungs-Einheiten 3–8 durch die steuerbare Schalteinrichtung 12 auf den Konstantfrequenz-Bus 11 geschaltet.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung 1 eine Anzahl N2 von Brennstoffzellenstapeln 4, 5 auf. Der jeweilige Brennstoffzellenstapel 4, 5 ist mittels eines Wechselrichters 13, 14 mit der Schalteinrichtung 12 gekoppelt. Der jeweilige Wechselrichter 13, 14 ist vorzugsweise als fremdgeführter Wechselrichter ausgebildet.
Ohne Einschränkung der Allgemeinheit sind die einzelnen Anzahlen N1–N4, die sich aus 2 ergeben, nur beispielhaft und sind für die Erfindung nicht einschränkend.
In 3 ist ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Bereitstellen mechanischer Leistung M zum Starten zumindest eines Triebwerkes 2 dargestellt.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand des Blockschaltbildes in 3 mit Bezug auf das Blockschaltbild in 1 erläutert. Das erfindungsgemäße Verfahren nach 3 hat die folgenden Verfahrensschritte S1 und S2:
Verfahrensschritt S1:
Eine elektrische Leistung I1 mit einer Wechselspannung mit konstanter Frequenz wird bereitgestellt.
Verfahrensschritt S2:
Die bereitgestellte elektrische Leistung I1 wird in eine jeweilige mechanische Leistung M für ein jeweiliges Triebwerk 2 gewandelt. Dabei wird ein erster Teil I2 der bereitgestellten elektrischen Leistung I1 mittels eines Kaskadenstartergenerators 9 in einen ersten Teil der mechanischen Leistung M gewandelt. Ein zweiter Teil I3 der bereitgestellten elektrischen Leistung wird über einen Frequenzumrichter 10 geführt und anschließend in einen zweiten Teil der mechanischen Leistung M mittels des Kaskadenstartergenerators 9 gewandelt.
4 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Verteilen von Leistung, welches das Verfahren zum Bereitstellen mechanischer Leistung M nach 3 umfasst.
Das Ausführungsbeispiel des Verfahrens nach 4 hat folgende Verfahrensschritte T1 bis T7:
Verfahrensschritt T1:
Es wird eine Leistungsbereitstellungs-Einrichtung mit einer Mehrzahl von Leistungsbereitstellungs-Einheiten zum jeweiligen Bereitstellen einer elektrischen Leistung I1 mit konstanter Frequenz bereitgestellt. Die jeweilige Leistungsbereitstellungseinheit ist vorzugsweise als eine einer Anzahl N1 von Wandlungs-Einrichtungen 8 ausgebildet. Beispiele für die Ausgestaltung der Wandlungs-Einrichtung 8 sind in der nichtveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2008 043 626.7-32 offenbart. Diese Offenbarung der Ausführungsbeispiele der Wandlungs-Einrichtung wird hiermit ausdrücklich in Bezug genommen und gilt für die vorliegende Anmeldung.
Alternativ zu einer solchen Wandlungs-Einrichtung 8 als Leistungsbereitstellungs-Einheit kann eine einer Anzahl N2 von Brennstoffzellenstapeln 4, 5 und/oder eine einer Anzahl N3 von Anschlüssen 6, 7 zur Kopplung einer externen Energiequelle verwendet werden.
Verfahrensschritt T2:
Eine Anzahl N4 von Konstantfrequenz-Bussen 11 wird bereitgestellt, wobei der jeweilige Konstantfrequenz-Bus 11 zum Übertragen der von der zumindest einen Leistungsbereitstellungs-Einrichtung bereitgestellten elektrischen Leistung I1 mit konstanter Frequenz an die Wandlungs-Einrichtung 8 eingerichtet ist.
Verfahrensschritt T3:
Vorzugsweise wird eine steuerbare Schalteinrichtung 12 bereitgestellt, welche zum Schalten einer jeweiligen Leistungsbereitstellungs-Einheit auf einen jeweiligen Konstantfrequenz-Bus 11 eingerichtet ist. Durch die erfindungsgemäße Schalteinrichtung 12 oder Schaltlogik ist es möglich, jeden der vorhandenen Konstantfrequenz-Busse 11 von jeder der Quellen der Leistungsbereitstellungs-Einheiten zu versorgen.
Verfahrensschritt T4:
Eine Anzahl N1 von Wandlungs-Einrichtungen 8 wird bereitgestellt. Die jeweilige Wandlungs-Einrichtung 8 hat einen Kaskadenstartergenerator 9 zum direkten Wandeln eines ersten Teils einer bereitgestellten elektrischen Leistung I1 mit einer Wechselspannung und mit einer konstanten Frequenz in eine erste mechanische Leistung M. Ein zweiter Teil I3 der bereit gestellten elektrischen Leistung I1 wird über einen Frequenzumrichter 10 geführt und anschließend in einen zweiten Teil der mechanischen Leistung M mittels des Kaskadenstartergenerators 9 gewandelt, so dass Abweichungen der Drehzahl einer Ausgangswelle der Wandlungs-Einrichtung von der synchronen Drehzahl eingestellt werden können.
Verfahrensschritt T5:
Eine Anzahl N6 von Triebwerken 2, 3 wird bereitgestellt. Das jeweilige Triebwerk 2, 3 ist mit einer der Wandlungs-Einrichtungen 8 mit Kaskadenstartergenerator 9 gekoppelt (siehe 2). Mittels der von der Wandlungs-Einrichtung 8 bereitgestellten mechanischen Leistung M wird mindestens eine der Triebwerkswellen 15 des Triebwerkes 2, 3 in Rotation versetzt und bis zu einer Mindestdrehzahl beschleunigt, so dass mittels zusätzlicher Kraftstoffeinspritzung und Zündung des Verbrennungsprozesses das jeweilige Triebwerk 2, 3 gestartet werden kann.
Verfahrensschritt T6:
Sobald das Triebwerk 2, 3 mittels der jeweiligen Wandlungs-Einrichtung 8 gestartet ist, kann die jeweilige Wandlungs-Einrichtung 8 vom motorischen in den generatorischen Betrieb umgeschaltet werden. Dabei wird die Wandlungs-Einrichtung 8 ihrerseits zur Leistungsbereitstellungs-Einheit.
Verfahrensschritt T7:
In einer bevorzugten Ausgestaltung der in obigem Schritt T3 bereitgestellten Schalteinrichtung oder Schaltlogik 12 wird zumindest eine Wandlungs-Einrichtung 8 parallel zu den übri gen Konstantfrequenz-Bussen 11 versorgt, wobei die Bereitstellung der Leistung durch eine Kombination der in obigem Schritt T1 bereitgestellten Leistungsbereitstellungs-Einheiten erfolgt.
Ferner wird ein System vorgeschlagen, welches die Vorrichtung zum Bereitstellen mechanischer Leistung der vorliegenden Anmeldung sowie eine Leistungsverteilungs-Vorrichtung gemäß der parallelen, noch nicht offengelegten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2008 043 626.7-32 aufweist, deren Offenbarung hiermit ausdrücklich und in vollem Umfang mit einbezogen wird.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kaskadenstartergenerators 9. Der Kaskadenstartergenerator 9 ist hier in einem gemeinsamen Gehäuse 16 angeordnet. Der dargestellte Kaskadenstartergenerator 9 umfasst einen ersten Statur 19 und einen zweiten Statur 20, welche integral ausgebildet sind und somit gewissermaßen wie ein einziger Statur betrachtet werden können. Die Wicklungen des ersten Stators 19 sind von den Wicklungen des zweiten Stators 20 vorzugsweise elektrisch isoliert. Der erste Statur 19 weist einen ersten elektrischen Anschluss 17 auf. Der zweite Statur 20 weist einen zweiten elektrischen Anschluss 18 auf. Durch die integrale Ausbildung des ersten und zweiten Stators 19, 20 in einen einzigen, vorzugsweise einteiligen Statur kann dieser besonders kompakt und materialreduziert aufgebaut werden. Durch diese kompakte Bauweise wird das Gewicht des gesamten Kaskadenstartergenerator 9 signifikant reduziert.
Des Weiteren ist in 5 ein auf einer gemeinsamen Welle 15 angeordneter Rotor dargestellt. Der Rotor umfasst den ersten Rotor 21 und den zweiten Rotor 22. Der erste Rotor 21 und der zweite Rotor 22 sind ebenfalls integral als ein einziger, vorzugsweise einteiliger Rotor ausgebildet. Durch diese integrale Ausbildung des ersten Rotors 21 mit dem zweiten Rotor 22 kann auch der daraus gebildete Rotor besonders kompakt, material- und gewichtsreduziert ausgebildet werden. Auch die elektrische Verschaltung des ersten Rotors 21 und des zweiten Rotors 22 des Kaskadenstartergenerators 9 kann bei dieser Bauweise besonders einfach ausgebildet werden, da hier keine allzu großen Abstände zwischen den beiden Rotoren 21, 22 vorhanden sind.
Erfindungsgemäß wird somit ein neues integriertes Generatorkonzept als Kaskadengenerator bereit gestellt, bei dem die einzelnen Rotor- und Statorspulen im Gegensatz zu den entsprechenden Rotor- und Statorspulen in der eingangs beschriebenen DE 30 02 527 A1 nicht einzeln, sondern ineinander integriert angeordnet sind. Dieses Ineinanderintegrieren bezieht sich beispielsweise darauf, dass die einzelnen Spulenwicklungen der Rotoren 21, 22 bzw. Statoren 19, 20 ineinander verwickelt sind oder zumindest so miteinander verbunden sind oder ineinander angeordnet sind, dass sich ein dichtes Wicklungspaket für den Rotor (21, 22) bzw. den Stator (19, 20) ergibt. Der besondere Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass die jeweiligen Rotoren bzw. Statoren der sich daraus ergebenden beiden elektrischen Maschinen getrennt voneinander betrieben werden können und damit auch getrennt voneinander ansteuerbar sind, was insbesondere bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Leistungsverteilungsnetzwerkes von besonderem Vorteil ist. Die elektrischen Maschinen mit den beiden ineinander integrierten Statoren 19, 20 bzw. Rotoren 21, 22 lassen sich vorteilhafterweise aber auch so betreiben, dass sie wie ein einziger Elektromotor funktionieren. Durch diese integrierte Anordnung der Statoren 19, 20 und Rotoren 21, 22 lässt sich der Kaskadenstartergenerator insgesamt effizienter gestalten und bietet insbesondere bezüglich der Gesamtmasse und bezüglich des erforderlichen Bauraums signifikante Vorteile.
Der erfindungsgemäße Kaskadengenerator 9 lässt sich vorteilhafterweise sowohl im generatorischen Betrieb als auch im elektromotorischen Betrieb betreiben.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

1: Vorrichtung
2: Triebwerk
3: Triebwerk
4, 5: Brennstoffzellenstapel
6, 7: (externer) Anschluss
8: Wandlungs-Einrichtung
9: Kaskadenstartergenerator
10: Frequenzumrichter
11: Konstantfrequenz-Bus
12: Schalteinrichtung
13, 14: Wechselrichter
15: Welle
16: Gehäuse
17: erster elektrischer Anschluss
18: zweiter elektrischer Anschluss
19: erster Stator
20: zweiter Stator
21: erster Rotor
22: zweiter Rotor
I1: elektrische Leistung
I2: erster Teil der elektrischen Leistung
I3: zweiter Teil der elektrischen Leistung
M: mechanische Leistung
S1, S2: Verfahrensschritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 3002527 A1 [0014, 0096]
- US 5977645 A [0021]
- US 7116003 B2 [0021]
- US 7210653 B2 [0021]
- US 3571693 A [0021]
- US 5627744 A [0021]
- US 7045925 B2 [0021, 0037]
- DE 1020080436267-32 [0085, 0093]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Fräger, Garsten: ”Neuartige Kaskadenmaschine für bürstenlose Drehzahlstellantriebe mit geringem Stromrichteraufwand”, Düsseldorf, VDI-Verlag, 1995 [0037]
- Fräger, Carsten, ”Kaskadengenerator für Windenergieanlagen”, Antriebs- und Schaltungstechnik, Vol. S2/2006, Berlin, VDI-Verlag [0037]

Claims

Vorrichtung (1) zum Bereitstellen mechanischer Leistung zum Starten zumindest eines Triebwerkes (2), insbesondere in einem Flugzeug, mit einer Leistungsbereitstellungs-Einrichtung (3–8) zum Bereitstellen einer elektrischen Leistung (I1) mit einer Wechselspannung mit konstanter Frequenz; und mit einer Anzahl N1 von Wandlungs-Einrichtungen (8) zum Wandeln der bereitgestellten elektrischen Leistung (I1) in eine jeweilige mechanische Leistung für ein jeweiliges Triebwerk (2), wobei eine jeweilige Wandlungs-Einrichtung (8) einen Kaskadenstartergenerator (9) zum direkten Wandeln der bereitgestellten elektrischen Leistung (I1) in mechanische Leistung (M) aufweist, wobei der Kaskadenstartergenerator (9) einen ersten Stator (19), einen zweiten Stator (20), einen ersten Rotor (21) und einen zweiten Rotor (22) aufweist, wobei der erste Stator (19) mit dem zweiten Stator (20) zusammen integral ausgebildet ist und wobei der erste Rotor (21) mit dem zweiten Rotor (22) zusammen integral ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Wandlungseinrichtung (8) einen Frequenzumrichter (10) aufweist und dass der Kaskadenstartergenerator (9) derart in der Wandlungseinrichtung (8) angeordnet ist und ausgestaltet ist, um einen ersten Teil (I2) der bereitgestellten elektrischen Leistung (I1) in einen ersten Teil der mechanischen Leistung zu wandeln und einen zweiten Teil (I3) der bereitgestellten elektrischen Leistung, welche zuvor über den Frequenzumrichter (10) geführt wird, in einen zweiten Teil der mechanischen Leistung (N) zu wandeln.
Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stator und der zweite Stator jeweils voneinander getrennte elektrische Anschlüsse (17, 18) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsames Gehäuse (16) vorgesehen ist, in welchem der erste und zweite Stator (19, 20) und/oder der erste und zweite Rotor (21, 22) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen des ersten und zweiten Stators (19, 20) ineinander so verwickelt sind, dass sie ein zusammenhängendes Statorwicklungspaket bilden und/oder dass die Wicklungen des ersten und zweiten Rotors (21, 22) derart ineinander verwickelt sind, dass sie ein zusammenhängendes einheitliches Rotorwicklungspaket bilden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsbereitstellungs-Einrichtung (3–8) eine Mehrzahl von Leistungsbereitstellungs-Einheiten (3–8) zum jeweiligen Bereitstellen der elektrischen Leistung (I1) mit konstanter Frequenz aufweist, wobei die jeweilige Leistungsbereitstellungs-Einheit (3–8) als eine Wandlungs-Einrichtung (8) eines bereits laufenden Triebwerkes (3) und/oder als eine einer Anzahl N2 von Brennstoffzellenstapeln (4, 5) und/oder als eine einer Anzahl N3 von Anschlüssen (6, 7) zur Kopplung einer externen Energiequelle zur Bereitstellung der elektrischen Leistung (I1) mit konstanter Frequenz ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl N4 von Konstantfrequenz-Bussen (11) zum Koppeln der Wandlungs-Einrichtungen (8) mit den Leistungsbereitstellungs-Einheiten (3–8) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl N4 der Konstantfrequenz-Busse (11) eine erste Menge M1 an Hauptbussen und eine zweite Menge M2 an Notfall-Bussen aufweist
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine steuerbare Schalteinrichtung (12) vorgesehen ist, welche zum Schalten einer jeweiligen Leistungsbereitstellungs-Einheit (3–8) auf einen jeweiligen der Anzahl N4 der Konstantfrequenz-Busse (11) eingerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbare Schalteinrichtung (12) zumindest eine Leistungsbereitstellungs-Einheit (3–8) in Abhängigkeit einer festgestellten Lastverteilung einer zum Starten des zumindest einen Triebwerkes (2) notwendigen Last auf einen jeweiligen der Anzahl N4 der Konstantfrequenz-Busse (11) schaltet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl N2 von Brennstoffzellenstapeln (4, 5) vorgesehen ist, wobei der jeweilige Brennstoffzellenstapel (4, 5) mittels eines Wechselrichters (13, 14), welcher bevorzugt als selbstgeführter Wechselrichter ausgeführt ist, mit der Schalteinrichtung (12) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Wechselrichter (13, 14) als ein fremdgeführter Wechselrichter ausgebildet ist.
Flugzeug mit einem Leistungsverteilungsnetz, welches eine Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist.
Verfahren zum Bereitstellen mechanischer Leistung zum Starten zumindest eines Triebwerkes (2) in einem Flugzeug, insbesondere mittels einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mit den Schritten: a) Bereitstellen einer elektrischen Leistung (I1) mit einer Wechselspannung mit konstanter Frequenz; b) Wandeln der bereitgestellten elektrischen Leistung (I1) in eine jeweilige mechanische Leistung für ein jeweiliges Triebwerk (2), wobei ein erster Teil (I2) der bereitgestellten elektrischen Leistung (I1) mittels eines Kaskadenstartergenerators (9) in einen ersten Teil der mechanischen Leistung direkt gewandelt wird und ein zweiter Teil (I3) der bereitgestellten elektrischen Leistung über einen Frequenzumrichter (10) geführt und anschließend in einen zweiten Teil der mechanischen Leistung (M) mittels des Kaskadenstartergenerators (9) gewandelt wird.