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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stellgerätsystem für Luftfahrzeuge zur Verstellung wenigstens einer Last des Luftfahrzeuges.
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In der Flugsteuerung und bei Fahrwerken von Luftfahrzeugen sind Stellgeräte bzw. Stellgerätsysteme bekannt, die ausschließlich mit elektronisch kommutierten Elektromotoren betrieben werden.
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Eine Steuerflächensteuerung und ein Verfahren zum Steuern einer Steuerflächenschnittstelle gemäß der gattungsbildenden
EP 1 348 622 A2 umfassen eine Steuerflächenschnittstelle zum Steuern einer oder mehrerer der aerodynamischen Steuerflächen an einem Flugzeug, wie z. B. Querruder, Spoiler, Höhenruder und ein Seitenruder. Eine Steuerflächensteuerung und ein Verfahren zum Steuern einer Steuerflächenschnittstelle enthalten auch einen variablen Widerstandsdämpfer, der der Steuerflächenschnittstelle einen physikalischen Widerstand proportional zur Steuerflächenschnittstellen-Eingangsrate bereitstellt. Dementsprechend kann der an der Steuerflächenschnittstelle bereitgestellte Widerstand ausgewählt werden, um die Ursache einer vom Piloten verursachten Oszillation oder Flugzeug-Piloten-Kopplung zu verhindern. Der Widerstand, der der Steuerflächenschnittstelle zugeführt wird, kann auch ausgewählt werden, um die Servoventilrate zu begrenzen, die den vorübergehenden Spitzendruck des hydraulischen Fluids in dem hydraulischen System reduziert.
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US 6 325 331 B1 offenbart einen Trimmaktuator zum Betätigen mechanischer Steuerungen in einem Flugzeug-Flugsteuersystem in Reaktion auf Signale von einem Piloten mit einem Schrittmotor, einem mit dem Schrittmotor gekoppelten Getriebezugelement und einem mit dem Getriebezugelement gekoppelten Ausgangselement. Der Trimmaktuator hat einen verriegelten Modus, in dem die mechanischen Steuerungen in einer festen Position relativ zum Flugzeug gehalten werden, und einen störungsfreien Modus, in dem die mechanischen Steuerungen vom Piloten ohne Störung durch das Flugsteuerungssystem des Flugzeugs frei bewegt werden können. Der störungsfreie Modus und der verriegelte Modus werden beide durch den Schrittmotor erreicht.
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Ein Aktuator gemäß
EP 1 902 947 A2 umfasst eine erste Aktuatoranordnung, die betreibbar ist, um das Auftreten einer relativen axialen Bewegung zwischen einer ersten Komponente und einer zweiten Komponente zu ermöglichen, eine zweite Aktuatoranordnung, die betreibbar ist, um das Auftreten einer relativen axialen Bewegung zwischen einer dritten Komponente zu ermöglichen und eine vierte Komponente, Bremsmittel, die betreibbar sind, um ein Ausfahren der ersten und/oder zweiten Aktuatoranordnung zu verhindern, und Dämpfungsmittel, die betreibbar sind, um die Geschwindigkeit zu steuern Ausfahren mindestens einer der ersten und zweiten Aktuatoranordnungen.
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Das Heizsystem der
DE 29 27 875 A1 wird mit einer Wirbelstrombremse verwendet, die einerseits kontinuierlich angetrieben und andererseits kontinuierlich gebremst wird. Die Wirbelstrombremse weist eine Bremsscheibe auf, deren äußerer Teil mindestens einem Paar einander zugewandter Magnete zugeordnet ist, wobei die Scheibe mittig auf der Antriebswelle eines Elektro Motor. Die zu erwärmende Luft wird durch den Elektromotor auf eine Seite der Bremsscheibe geleitet und direkt auf die gegenüberliegende Seite der Scheibe in der Mitte, wobei beide Seiten der Scheibe abgewinkelte Rippen aufweisen Leiten der Luft nach außen in Richtung der Scheibenperipherie. Zwischen dem Motor und der Anfangsfläche der Scheibe kann ein konisches Leitblech für den Luftstrom angebracht sein.
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Bekannt sind elektrohydraulische oder elektromechanische Stellgeräte oder Stellgerätsysteme, die beispielsweise zur Betätigung von Höhen-, Quer-, Seitenruder, Bremsklappen, Vorflügel-, Landeklappen, trimmbaren Höhenleitwerk, Bugradlenkung und Fahrwerk eingesetzt werden.
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Während des Betriebes dieser Lasten kann es zu einem sogenannten generatorischen Betrieb kommen, was bedeutet, dass die zu stellende Last, wie beispielsweise ein Ruder während deren Bewegung mechanische Energie in das elektrische Stellgerät einbringt. Dies führt dazu, dass das Stellgerät in diesem Fall als elektrischer Generator wirkt.
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Die dadurch erzeugte elektrische Energie kann grundsätzlich in das Bordnetz des Luftfahrzeugs eingespeist werden und von anderen Verbrauchern aufgenommen werden, was jedoch die Kontinuität des Bordnetzes negativ beeinträchtigen würde. Insbesondere kann es zu Spannungsschwankungen, Blindleistungseintrag und zu einer Erhöhung der „Total Harmonic Distortion“ kommen. Aus diesen Gründen wird üblicherweise von einer Rückspeisung elektrischer Energie in das Bordnetz abgesehen.
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Als verbleibende Alternative kommt die lokale Umwandlung der rückgespeisten Energie in Wärme in Betracht, was üblicherweise in der Leistungselektronik mittels ohmscher Widerstände realisiert wird. Dies bedeutet, dass die Leistungselektronik diese Wärme aufnehmen muss, wobei eine Vorgabe darin besteht, dass eine maximale Oberflächentemperatur nicht überschritten werden darf. Erschwerend kommt hinzu, dass die Kühlung üblicherweise nur durch freie Konvektion erfolgt, was im Vergleich zu erzwungener Kühlung durch Lüfter oder Flüssigkeitskühlung eine nur geringe Kühlleistung ermöglicht. Weiter erschwerend ist der Umstand, dass in den genannten Anwendungen auch kurzzeitig große Mengen mit generatorischer Energie anfallen. Damit die genannten Temperaturgrenzen insbesondere der Leistungselektronik des elektromotorischen Antriebs eingehalten werden können, ist es erforderlich, thermische Massen zur Wärmeenergie-Zwischenspeicherung bereitzustellen, die allerdings das Volumen und Gewicht des Elektronikgehäuses vergrößern, was insbesondere im Bereich der Luftfahrt unerwünscht ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Stellgerätsystem der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass das elektromotorisch betriebene Stellgerät thermisch entlastet wird.
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Diese Aufgabe wird durch ein Stellgerätsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Flugzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Danach ist vorgesehen, dass das Stellgerätsystem wenigstens ein elektromotorisch betriebenes Stellgerät sowie wenigstens eine Wirbelstrombremse umfasst, wobei die Wirbelstrombremse so angeordnet ist, dass eine durch Folgelastbetrieb in das Stellgerät eingebrachte mechanische Energie teilweise oder vollständig mittels der Wirbelstrombremse in Wärme umgewandelt wird. Der vorliegenden Erfindung liegt somit der Gedanke zugrunde, die von der Last dem Aktuator, das heißt dem Stellgerät zugeführte mechanische Energie nicht, jedenfalls nicht ausschließlich, durch den elektrischen Antrieb in Wärme wandeln zu lassen, sondern unmittelbar durch eine Wirbelstrombremse, die beispielsweise direkt am Elektromotor angebaut sein kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist somit vorgesehen, dass die Wirbelstrombremse unmittelbar an dem Elektromotor des Stellgerätes angebaut ist. Der Elektromotor kann grundsätzlich als elektronisch kommutierter Elektromotor ausgeführt sein. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass die Wirbelstrombremse bzw. deren Bremsscheibe bei jeder Drehung der Welle des Elektromotors ebenfalls in eine Drehbewegung versetzt wird, so dass es zu einer effizienten Zwangskühlung der Wirbelstrombremse und damit zu einer effizienten Abfuhr von Wärme kommt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Stellgerätsystem außerhalb der Bremsscheibe der Wirbelstrombremse keine zusätzliche thermische Masse zur Wärmeenergie-Zwischenspeicherung aufweist. Dadurch lässt sich das Volumen und das Gewicht des Stellgerätsystems bzw. des elektromotorisch betriebenen Stellgerätes entsprechend verringern.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Stellgerätsystem derart ausgebildet ist, dass die in das Stellgerät eingebrachte mechanische Energie nicht in elektrische Energie gewandelt wird. In diesem Fall ist vorgesehen, dass die rückgespeiste mechanische Energie ausschließlich in Wärme umgewandelt wird, und zwar ausschließlich oder zumindest teilweise durch die Wirbelstrombremse. Ein generatorischer Betrieb ist in diesem Fall ausgeschlossen, so dass eine Rückspeisung von elektrischer Energie in das Bordnetz, die mit den eingangs beschriebenen Nachteilen verbunden ist, nicht stattfindet.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Wirbelstrombremse mit einer Zwangskühlung ausgeführt ist, wobei vorgesehen ist, dass die Bremsscheibe als Lüfterrad oder mit einem Lüfterrad drehfest in Verbindung stehend ausgebildet ist, um eine gute Wärmeableitung an die Umgebungsluft zu erreichen.
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Durch die sehr effiziente Zwangskühlung der Wirbelstrombremse, bei der vorzugsweise die Bremsscheibe als Lüfterrad ausgebildet ist oder mit einem solchen drehfest in Verbindung steht, ist die Umwandlungsleistung von mechanischer Energie in Wärme sehr hoch. Dies reduziert oder eliminiert im günstigsten Fall die Notwendigkeit einer zusätzlichen thermischen Masse, was entsprechende Vorteile im Hinblick auf Gewicht und Bauraum mit sich bringt. Die Kühlleistung ist bei den genannten Anwendungen insbesondere deshalb hoch, da in der Luftfahrt zur Minimierung des Gewichtes üblicherweise die Motordrehzahl und damit auch die Drehzahl der Bremsscheibe bzw. des Lüfterrades der Wirbelstrombremse hoch gewählt wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bremsscheibe mit dem Elektromotor derart in Verbindung steht, dass eine Zwangskühlung der Bremsscheibe bei jeder Drehung der Welle des Elektromotors erfolgt. Dadurch lässt sich eine besonders effektive erzwungene Kühlung der Bremsscheibe der Wirbelstrombremse erreichen, da sie bei jeder Drehung des Elektromotors erfolgt, somit auch bei Betrieb unter Gegenlast ohne Wärmeerzeugung. Die Bremsscheibe bzw. das Lüfterrad kann drehfest auf der Welle des Elektromotors angeordnet sein.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wirbelstrombremse derart angeordnet ist, dass die rückgespeiste mechanische Energie unmittelbar an der Welle des Elektromotors durch die Wirbelstrombremse in Wärme umgewandelt wird, so dass die thermische Belastung des Elektromotors und von dessen Leistungselektronik verringert wird.
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Die üblicherweise durch ohmsche Widerstände in der Elektronik in Wärme gewandelte generatorische Energie führt auch zur Erwärmung von Elektromotoren und der Leistungselektronik, entsprechend ihrer Wirkungsgrade. Wird diese rückgespeiste Energie direkt an der Motorwelle durch die Wirbelstrombremse in Wärme gewandelt, reduziert sich somit auch die thermische Belastung von Elektromotor und Leistungselektronik, was es ermöglicht, diese entsprechend kleiner zu bauen.
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Bei Anwendungen, welche vom Aktuator die Betriebsarten „Last auf Position halten“ und „Last bewegen“ abverlangen, wie beispielsweise bei einem trimmbaren Höhenleitwerk, kann die Reduzierung der thermischen Belastung von Motor und Leistungselektronik erlauben, die Betriebsart „Last halten“ nur durch den Elektromotor des elektromotorischen Stellgerätes bewerkstelligen zu lassen und nicht wie üblicherweise zur Reduzierung der thermischen Last realisiert, von trocken laufenden Reibbremsen. Dies bringt einen Vorteil hinsichtlich der Lebensdauer mit sich, da die Anzahl funktionssicherer Schaltzyklen bei trocken laufenden Reibbremsen begrenzt ist. Deren Verzicht führt somit zu einer Erhöhung der Lebensdauer des gesamten Stellgerätsystems.
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Die Erfindung liegt im Flugsteuerungsbereich. Dafür ist weiterhin erfindungsgemäß zum Halten einer Last die Wirbelstrombremse und zusätzlich eine mechanische Bremse als back up vorgesehen. In einer anderen erfindungsgemäßen Variante ist vorgesehen, nur die Wirbelstrombremse einzusetzen und auf eine weitere Bremse zu verzichten. In einer noch anderen erfindungsgemäßen Variante ist vorgesehen, dass zum Halten der Last keine Bremse vorgesehen ist, sondern dass der Elektromotor des elektromotorischen Stellgerätes derart ausgebildet ist, dass dieser ohne Unterstützung durch eine Bremse die Last hält.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die eine mechanische Bremse als eine trockenlaufende Reibbremse ausgebildet.
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Die vorliegende Erfindung betrifft des weiteren ein Luftfahrzeug mit wenigstens einem Stellgerätsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
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Dabei kann es sich bei der Last um die Flugsteuerung und/oder das Fahrwerk eines Luftfahrzeuges oder um deren Bestandteile und insbesondere um ein oder mehrere der Komponenten Höhen-, Quer-, Seitenruder, trimmbares Höhenleitwerk, Bremsklappe, Hochauftriebssystem, Vorflügel-, Landeklappen oder Bugfahrwerk handeln. Das erfindungsgemäße Stellgerätsystem kann für eine oder mehrere dieser Lasten eingesetzt werden.
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Bei dem elektromotorisch betriebenen Stellgerät kann es sich grundsätzlich um einen elektrohydraulischen Aktuator handeln oder auch um einen elektromechanischen Aktuator.
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Insbesondere vorteilhaft ist die Anwendung des erfindungsgemäßen elektromotorisch betriebenen Stellgerätes für Höhen-, Quer-, Seitenruder und das trimmbare Höhenleitwerk, da diese während des Fluges oftmals Stellbewegungen durchzuführen haben, was ständig zu wandelnde Energiemengen anfallen lässt. Insbesondere in diesen Fällen kann die Wirbelstrombremse den Elektromotor und die Leistungselektronik deutlich entlasten.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein elektromechanisches Stellgerät, das einen beispielsweise elektronisch kommutierten Elektromotor und eine Leistungselektronik zu dessen Betrieb umfasst. Das elektromechanische Stellgerät dient als Aktuator beispielsweise zur Betätigung von Höhen-, Quer-, Seitenrudern, Bremsklappen, Vorflügelklappen, Landeklappen oder dem trimmbaren Höhenleitwerk.
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Verbunden mit der Motorwelle des Elektromotors des elektromechanischen Stellgerätes ist eine Wirbelstrombremse, das heißt die Wirbelstrombremse ist unmittelbar am Elektromotor angebaut und steht mit diesem in Verbindung.
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Dabei ist die Verbindung zwischen Wirbelstrombremse und Elektromotor derart ausgebildet, dass bei jeder Drehung der Motorwelle des Elektromotors eine Drehung der Bremsscheibe der Wirbelstrombremse erfolgt. Dies führt zu einer besonders effektiven Kühlung der Wirbelstrombremse, insbesondere dann, wenn die Bremsscheibe als Lüfterrad ausgebildet ist oder dieses aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Wirbelstrombremse somit mit einer sehr effizienten Zwangskühlung in Form eines Lüfterrades ausgeführt, wobei das Lüfterrad durch die Bremsscheibe selbst gebildet werden kann bzw. mit der Bremsscheibe drehfest in Verbindung steht, so dass die Drehung der Bremsscheibe in einer oder beiden Drehrichtungen zu einer Rotation des Lüfterrades führt. Dies gewährleistet eine gute Wärmeableitung an die Umgebungsluft.
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Kommt es im Betrieb der Last zu einem Eintrag von mechanischer Energie von der Last in das elektromotorisch betriebene Stellgerät, wird diese mechanische Energie unmittelbar vollständig oder teilweise mittels der Wirbelstrombremse in Wärme umgewandelt. Dies bedeutet, dass in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel kein generatorischer Betrieb vorliegt, das heißt die mechanische Energie wird durch das elektromotorisch betriebene Stellgerät nicht in elektrische Energie umgewandelt. Des weiteren ist die Wirbelstrombremse vorzugsweise derart ausgebildet, dass auf thermische Massen zur Wärmeenergie-Zwischenspeicherung verzichtet werden kann. Die Umwandlung der in das Stellgerät durch die von der Last eingebrachte mechanische Energie erfolgt vorzugsweise ausschließlich durch die Wirbelstrombremse in Wärme. Von dieser wird die Wärme durch eine effiziente Zwangskühlung abgeleitet.
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In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird nicht nur auf eine thermische Masse zur Wärmeenergie-Zwischenspeicherung verzichtet, sondern auch auf eine Reibbremse, die üblicherweise zum Halten der Last, wie beispielsweise zum Halten eines trimmbaren Höhenleitwerks, etc. verwendet wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Last nur durch den Elektromotor gehalten, das heißt der Elektromotor ist mit der Last derart verbunden, dass dieser dazu in der Lage ist, den Betrieb „Last halten“ ohne zur Hilfenahme einer Bremse zu bewerkstelligen. Dies ist dadurch möglich, dass die thermische Belastung des Elektromotors und von dessen Leistungselektronik aufgrund des Einsatzes der Wirbelstrombremse verringert ist. Dies erlaubt es, die Betriebsweise „Last halten“ nur durch den Elektromotor zu bewerkstelligen und auf eine zusätzliche Bremse zur Gewährleistung dieses Betriebsmodus zu verzichten oder infolge Reduzierung der Schaltzyklen ihre Lebensdauer zu erhöhen.