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Die Erfindung betrifft ein strömungsbasiertes Antriebsmodul mit einem Stator und einem diesem gegenüber drehbeweglichen Rotor.
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Antriebsmodule der eingangs genannten Art sind in zahlreichen Ausführungsformen bekannt, z. B. als Schiffsschrauben, als Flugzeug-Propeller oder als Hubschrauber-Rotoren.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein strömungsbasiertes Antriebsmodul mit einem neuartigen Wirkungsprinzip bereitzustellen, welches eine verbesserte Effizienz aufweist. Ferner sollte das Antriebsmodul eine geringere Geräuschentwicklung als beispielsweise Hubschrauber-Rotoren aufweisen.
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Die genannte Aufgabe wird durch ein strömungsbasiertes Antriebsmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein strömungsbasiertes Antriebsmodul, d. h. eine Vorrichtung, welche in einem umgebenden strömungsfähigen Medium oder Fluid (Gas oder Flüssigkeit) durch Wechselwirkung mit dem Medium eine Kraft erzeugen kann, wobei diese Kraft typischerweise zum Antrieb (d. h. zur Fortbewegung) eines Körpers genutzt wird. Als Strömungsmedium wird im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit Luft angenommen, sodass das Wort "Luft" stellvertretend für ein beliebiges Strömungsmedium steht. Das Antriebsmodul enthält
- – Einen Basiskörper, welcher im Folgenden als "Stator" bezeichnet wird, da er in Bezug auf auftretende Drehbewegungen bzw. in Bezug auf die Umgebung als ruhend angenommen wird. Der Stator enthält typischerweise alle Komponenten des mit dem Antriebsmodul bewegten Körpers, wobei vorliegend nur die mit dem Antriebsmechanismus selbst in Verbindung stehenden Eigenschaften des Stators von Interesse sind.
- – Einen am vorgenannten Stator um eine Rotationsachse drehbeweglich gelagerten Rotor.
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Weiterhin ist das Antriebsmodul dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor mindestens einen Kanal aufweist, welcher einen radial näher an der Rotationsachse liegenden Lufteinlass mit einem radial weiter entfernt von der Rotationsachse liegenden Luftauslass verbindet.
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Typischerweise weist der Rotor eine Vielzahl derartiger Kanäle auf, wobei diese insbesondere rotationssymmetrisch um die Rotationsachse herum angeordnet sein können.
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Die Erfindung betrifft gemäß einem zweiten Aspekt ein Verfahren zur Erzeugung eines strömungsbasierten Antriebs, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Kanal in Drehung um eine Rotationsachse versetzt wird, dass Luft durch einen radial näher an der Rotationsachse gelegenen Lufteinlass in den Kanal eingelassen wird, und dass diese Luft den Kanal durch einen radial entfernter von der Rotationsachse gelegenen Luftauslass wieder verlässt.
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Das Antriebsmodul und das Verfahren basieren auf derselben erfinderischen Idee, einen Antrieb durch die Rotation eines sich mit radialem Verlauf erstreckenden Kanals zu erzeugen. Erläuterungen und Modifikationen, welche für das Antriebsmodul beschrieben werden, gelten daher analog auch für das Verfahren und umgekehrt.
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Das erfindungsgemäße Antriebsmodul und das Verfahren haben den Vorteil, einen effizienten Antrieb in einem strömungsfähigen Medium bereitzustellen, welcher durch die Wechselwirkung des mindestens einen rotierenden Kanals mit dem Medium erzeugt wird. Dabei zeigt sich, dass durch die auf Grund der unterschiedlichen radialen Entfernungen von Lufteinlass und Luftauslass erzeugten Kräfte während der Rotation ein vorteilhaftes Antriebsverhalten erzeugt werden kann.
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Im Folgenden werden verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, welche sich sowohl für das Antriebsmodul als auch für das Verfahren verwirklichen lassen, auch wenn sie gegebenenfalls detailliert nur für eine dieser beiden Realisierungen beschrieben werden.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform liegt der Lufteinlass zentral am Ort der Rotationachse, d. h. Letztere verläuft durch den Lufteinlass. Wenn der Rotor wie im Regelfall mehrere Kanäle aufweist, können diese vorzugsweise alle einen gemeinsamen Lufteinlass haben.
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Da der Luftauslass radial weiter außen als der Lufteinlass liegt und der Kanal diese beiden Orte verbindet, hat der Kanal in jedem Falle Abschnitte mit einer Verlaufskomponente in radialer Richtung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verläuft der Kanal insgesamt genau und allein in radialer Richtung (d. h. ohne tangentiale Komponente). Alternativ kann der Kanal auch mit einer Krümmung, d. h. mit einer tangentialen Komponente vom Lufteinlass zum Luftauslass verlaufen.
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Im Allgemeinen kann die (senkrecht zur Erstreckungsrichtung gemessene) Querschnittsfläche des Kanals entlang seiner Erstreckung variieren. Beispielsweise könnte sie vom Lufteinlass zum Luftauslass hin ständig zunehmen oder ständig abnehmen (enger werden). Vorzugsweise ist die Querschnittsfläche des Kanals entlang seiner Erstreckung indes konstant.
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Das Vorgenannte gilt in ähnlicher Form auch für die Querschnittsform des Kanals, welche entlang seiner Erstreckung sich verändern kann (beispielsweise durch eine Verringerung oder Vergrößerung der Kanalhöhe, oder durch einen Übergang von einem runden zu einem eckigen Querschnitt). Insbesondere kann die Querschnittsform jedoch auch entlang der Erstreckung des Kanals konstant bleiben, also z. B. durchgehend die Form eines Rechteckes haben.
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Wie bereits erläutert sind vom Stator insbesondere diejenigen Eigenschaften von Interesse, welche eine Wechselwirkung mit der vom Rotor im Betrieb erzeugten Strömung aufweisen. So kann der Stator insbesondere eine ringförmig um den Rotor herum verlaufende Vertiefung aufweisen, welche die aus den Luftauslässen austretende Luft aufnehmen kann und insbesondere eine in tangentialer Richtung verlaufende Strömung führen kann.
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Zusätzlich oder alternativ kann der Stator eine Strömungsfläche aufweisen, welche in ihrem radialen Verlauf gesehen zum Rotor hin gewölbt ist. In der Regel wird sich diese Strömungsfläche radial an den Rotor anschließen, wobei die Wölbung "zum Rotor hin" sich auf die Richtung bezieht, welche durch die Blickrichtung vom Stator zum Rotor auf der Rotationsachse definiert wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren beispielhaft näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Antriebsmoduls;
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2 einen Schnitt durch das Antriebsmodul von 1.
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Das erfindungsgemäße Antriebsmodul 100 kann beispielsweise für die Bewegung eines Körpers durch die Luft ähnlich einem Hubschrauber dienen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Antriebsmodul 100 im Wesentlichen aus einem Rotor 110, welcher drehbeweglich um eine Rotationsachse R an einem Stator 120 gelagert ist. Vom Stator ist im Wesentlichen nur eine Strömungsfläche dargestellt, da sich die übrige Ausgestaltung des Stators nach dem jeweiligen Anwendungszweck des Antriebsmoduls 100 richtet. Beispielsweise kann der Stator noch Kammern für Nutzlast und dergleichen aufweisen. Ferner wird der Stator im Allgemeinen einen Motor (nicht dargestellt) enthalten, mit welchem der Rotor 110 gegenüber dem Stator 120 in Drehung versetzt werden kann.
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Der Rotor ist im dargestellten Beispiel scheibenförmig, wobei sich die Körperachse der Scheibe mit der Rotationsachse R deckt. Um ihren Mittelpunkt herum weist die Scheibe eine kreisförmige Öffnung zu Oberseite hin auf, welche einen Lufteinlass 114 darstellt. An den Lufteinlass 114 schließt sich eine Vielzahl von in radialer Richtung mit konstantem Querschnitt verlaufenden Kanälen 113 an. Die Kanäle sind dabei in einem Grundkörper 112 nach oben hin offen ausgebildet und von der Oberseite her durch eine Deckplatte 111 geschlossen. Am Rand der Scheibe 110 enden die Kanäle 113 jeweils in einem Luftauslass 115.
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Während einer Drehbewegung des Rotors 110 um die Rotationsachse R tritt Luft durch den Lufteinlass 114 in die Kanäle 113 ein, wo sie durch die Drehung des Rotors beschleunigt und radial nach außen gedrängt wird. An den Luftauslässen 115 verlässt die Luft die Kanäle wieder, um dann die anschließende Fläche des Stators 120 anzuströmen. Insbesondere kann die Luft dabei tangential umlaufend in eine Vertiefung 121 des Stators fließen, welche den Rotor 110 ringförmig umgibt. Des Weiteren kann die Luft über eine Strömungsfläche 122 des Rotors strömen. Wie aus der Schnittdarstellung von 2 erkennbar ist, verläuft die Strömungsfläche 122 in radialer Richtung gesehen nach oben hin gewölbt, d. h. in Richtung vom Stator zum Rotor hin. Durch die Bewegung der Luft im Kanal 113 und über dem Stator kommt es zu einer Verringerung des Luftdruckes, welche die gewünschte Antriebskraft im umgebenden Medium erzeugt.
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Das beschriebene Antriebsmodul 100 stellt ein neuartiges Wirkungsprinzip zur Erzeugung einer Kraft in einem strömungsfähigen Medium wie beispielsweise Luft dar, welches eine hohe Effizienz bei einer geringen Geräuschentwicklung bietet.
