DE102014018243A1

DE102014018243A1 - Hubschrauber mit Hybridantrieb

Info

Publication number: DE102014018243A1
Application number: DE102014018243.6A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-12-04
Filing date: 2014-12-04
Publication date: 2016-06-09

Abstract

Hubschrauber mit mehreren Rotoren, wobei jeder Rotor sowohl über eine eigene Brennkraftmaschine, als auch über eine auf der gleichen Antriebswelle sitzende elektrische Maschine verfügt. Die Antriebsleistung des Hubschraubers kommt aus den Brennkraftmaschinen, während die elektrischen Maschinen entsprechend den Erfordernissen der Fluglagestabilisierung bremsend oder beschleunigend auf die Rotordrehzahl einwirken. Die dabei entstehende oder benötigte elektrische Energie wird wechselweise unter den elektrischen Maschinen ausgetauscht, womit keine zusätzliche Stromversorgung notwendig ist. Da die mittlere Leistung der elektrischen Maschinen gering ist, erzeugen sie nur wenig Verlustwärme und weisen somit ein geringes Gewicht auf.

Description

Die ersten Hubschrauber erhoben sich mit Hilfe mehrerer Rotoren über den Boden. Ihr Flug war sehr instabil, da die mechanische Steuerung der Rotoren nicht schnell genug reagieren konnte. Mit dem Einsatz gesteuerter Elektromotoren konnte ein hervorragend ruhiger und stabiler Flug erreicht werden, doch das Gewicht der Elektromotoren und der zu ihrer Versorgung notwendigen Batterien erlaubte keine größeren Flugmaschinen. Die bisher eingesetzten selbstkommutierenden Motoren besitzen außerdem nur eingeschränkte Steuerungsmöglichkeiten.
Mit der Gasturbine steht eine Brennkraftmaschine zur Verfügung, die sich in der Luftfahrt durch geringes Gewicht bewährt hat. Periodisch arbeitende Brennkraftmaschinen (z. B. Hubkolbenmotoren) sind jedoch gleichermaßen Bestandteil dieser Erfindung. Das Ziel der in Anspruch 1 definierten Erfindung ist die Kombination von Brennkraftmaschine und elektrischer Maschine derart, daß die Antriebsenergie aus der Brennkraftmaschine kommt und die elektrische Maschine durch Umsteuerung zwischen Motor- und Generatorbetrieb beschleunigend bzw. bremsend auf die Drehzahl des Rotors einwirkt. Erfindungsgemäß ist die Funktion der elektrischen Maschine auf die Steuerung der Rotordrehzahl beschränkt, womit sie nur eine geringe Leistung zu erbringen hat und folglich nur ein geringes Gewicht aufweist. Der Hubschrauber besitzt mindestens eine Brennkraftmaschine, jedoch eine jedem Rotor eigens zugeordnete elektrische Maschine, welche die durch Steuerungsvorgänge entstandene oder benötigte elektrische Energie wechselweise mit den anderen Maschinen austauscht. In der Summe benötigt der Hubschrauber daher keine elektrische Energie aus Batterien oder einem separaten Generator. Steig- und Sinkflug bzw. der Vorschub für die Reisegeschwindigkeit entstehen durch Steuerung der Brennkraftmaschine. Die elektrischen Maschinen dienen nur der Stabilisierung der Fluglage. Für die elektrischen Maschinen kommt der Typ Drehfeldmaschine zur Anwendung, da dieser Maschinentyp bei geringer Baugröße regeneratives Bremsen ermöglicht. Dies ermöglicht im Gegensatz zu den bisher in Hubschraubern mit mehreren Rotoren eingesetzten selbstkommutierenden Motoren einen noch stabileren und ruhigeren Flug. Eine Drehfeldmaschine des Typs Synchronmaschine erlaubt auch die Drehfeldgeschwindigkeit Null, womit die elektrische Maschine keine Veränderung der durch die Brennkraftmaschine vorgegebenen Drehzahl bewirkt und die elektrische Leistung in diesem Fall zu Null wird (die unvermeidlichen Verluste jedes technischen Geräts kommen natürlich dazu und müssen von der Brennkraftmaschine ausgeglichen werden). Die Induktionsmaschine (auch Asynchronmaschine genannt) kann aufgrund ihrer Einfachheit Bestandteil des Rotors sein, besitzt aber einen Drehzahlbereich, in dem sie nicht regelbar ist und die Steuerung des Hubschraubers erschwert.
Nach Anspruch 2 treibt eine Brennkraftmaschine, welche zentral angeordnet sein kann, ein unter dem Einfluß des elektromagnetischen Drehfeldes stehendes Maschinenteil einer Drehfeldmaschine an, welches über ein von einem Frequenzumrichter (Inverter) entweder auf der An- oder Abtriebsseite der elektrischen Maschine erzeugtes Drehfeld die Drehzahl des zugeordneten Rotors entweder erhöht oder verringert oder gleichbeläßt. Es ist ein Vierquadrantenbetrieb der elektrischen Maschine möglich, womit der Wechsel zwischen Motor- und Generatorbetrieb, bzw. Erhöhung oder Verringerung der Rotordrehzahl im Verhältnis zur Brennkraftmaschine ermöglicht wird. Im Gegensatz zu einer gewohnten elektrischen Maschine gibt es hier keine feststehende, am Drehfeld direkt mitbeteiligte Wicklung (ein sog. Maschinensatz wäre jedoch möglich). Alle am elektromagnetischen Drehfeld beteiligten Wicklungen rotieren, womit elektrische Energie über Schleifringe zu- oder abgeführt werden muß. Die eigene Drehzahl des Drehfeldes ist gering und so bleibt auch die Leistung der elektrischen Maschine gering. Es kann beim Einsatz einer Gasturbine ein mechanisches Getriebe vorgesehen werden, welches entweder vor- oder nach der elektrischen Maschine angeordnet wird. Steigt die Rotordrehzahl, so erhöht sich auch das benötigte Drehmoment, welches über die elektrische Maschine und ein eventuell vorhandenes Getriebe die Brennkraftmaschine belasten würde. Die elektronische Regelung reduziert jedoch in gleichem Maße die Drehzahl und damit das Drehmoment eines anderen Rotors, so daß sich in der Summe keine Veränderung ergibt.
Nach Anspruch 3 wird jeder Rotor von einer eigenen Brennkraftmaschine entweder direkt oder über ein Getriebe angetrieben. Eine elektrische Drehfeldmaschine, welche z. B. mit ihrer Masse das Schwungrad der Brennkraftmaschine ersetzen kann und entweder vor oder nach einem eventuellen Getriebe angeordnet ist, steuert die unter Last abgesunkene Drehzahl der Brennkraftmaschine durch Erhöhen im elektrischen Motorbetrieb oder Verringerung im Generatorbetrieb. Die elektrische Maschine läuft also mit der vollen Drehzahl mit, erzeugt aber im Mittel nur ein geringes Drehmoment in positiver oder negativer Richtung und arbeitet daher ebenfalls nur mit geringer Durchschnittsleistung. Bei dieser Bauform müssen die elektrischen Maschinen stärker ausgebildet sein, da sie eventuelle Differenzen bei den Brennkraftmaschinen zusätzlich ausgleichen müssen.
Nach Anspruch 4 ermöglichen die elektrischen Maschinen des Hubschraubers beim Ausfall einer Brennkraftmaschine eine Notlandung. Sie müssen hierfür bei einem Hubschrauber nach Anspruch 2 eine erhöhte Drehzahl bzw. nach Anspruch 3 ein erhöhtes Drehmoment zulassen. Durch die erhöhte Leistung wird die Maschine thermisch überlastet, womit dieser Betrieb nur im Notfall zulässig ist. Eine Maschine nach Anspruch 2 wird die Umschaltung auf eine Notlandung in der Regel automatisch ausführen, da sie bereits das erforderliche Drehmoment erbringt und lediglich die Drehzahl erhöht werden muß. Der Umrichter muß in diesem Fall eine erheblich höhere Frequenz und Spannung liefern. Eine Abkoppelung der ausgefallenen Brennkraftmaschine ist nicht erforderlich, es muß lediglich gewährleistet werden (z. B. durch eine automatische Sperrklinke), daß sie nach dem Stillstand nicht in Gegenrichtung anläuft. Für eine Maschine nach Anspruch 3 ist die Notlandung schwieriger. Hier muß die Brennkraftmaschine entweder abgekoppelt oder es muß durch geeignete Maßnahmen vermieden werden, daß die Maschine Umgebungsluft pumpt. Dies kann durch einen geschalteten Überströmkanal oder ein Verschließen des Ansaugkanals erfolgen. Die elektrische Energie für eine Notllandung stammt entweder aus einer Hilfsbatterie oder wird generatorisch bis kurz vor dem Aufsetzen auf Grund durch eine Umkehr des Anstellwinkels der Rotorblätter eines oder mehrerer Rotoren erzeugt. Besitzt der Hubschrauber mehrere Brennkraftmaschinen, wird die Regelung automatisch versuchen, die Fluglage zu stabilisieren, indem sie die elektrischen Maschinen entsprechend stark unsymmetrisch ansteuert. Der Pilot wird durch ein Signal darauf aufmerksam gemacht, daß die elektrischen Maschinen nun thermisch überlastet sind und eine Notlandung durchgeführt werden muß.

Claims

Hubschrauber mit mehreren Rotoren und mindestens einer Brennkraftmaschine zur Erzeugung der Antriebsleistung, sowie mehreren den Rotoren zugeordneten elektrischen Maschinen, welche zur Drehzahlsteuerung der Rotoren zwischen Motor- u. Generatorbetrieb umgesteuert werden. Die elektrische Leistung wird nach den Erfordernissen der Flugsteuerung- bzw. Stabilisierung über die elektronische Steuerung zwischen den elektrischen Maschinen ausgetauscht. Die elektrischen Maschinen arbeiten nach dem Prinzip der Drehfeldmaschine, d. h. Synchronmaschine oder Induktionsmaschine (Asynchronmaschine). Die Steuerung der elektrischen Maschinen erfolgt über einen jeder Maschine zugeordneten Frequenzumrichter (Inverter) der außer der Erzeugung der für das elektromagnetische Drehfeld erforderlichen Spannungen und Frequenz auch über die Fähigkeit verfügt, generatorisch erzeugte elektrische Energie an die Umrichter der anderen Rotoren abzugeben.
Hubschrauber nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die einem Rotor zugeordnete elektrische Drehfeldmaschine von der Brennkraftmaschine gedreht wird und das elektromagnetische Drehfeld die resultierende Gesamtdrehzahl am Rotor durch Motor- oder Generatorbetrieb der Drehfeldmaschine erhöht oder verringert.
Hubschrauber nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß jeder Rotor eine eigene Brennkraftmaschine besitzt, deren Drehzahl durch eine zugeordnete Drehfeldmaschine direkt verändert wird.
Hubschrauber nach Anspruch 1, 2 und 3, dessen elektrische Maschinen so dimensioniert sind, daß sie bei kurzzeitiger thermischer Überlastung die, für eine kontrollierte Notlandung beim Ausfall einer Brennkraftmaschine erforderliche Leistung aufzubringen vermögen.