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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug. Insbesondere betrifft die Erfindung ein redundantes elektrisches Antriebssystem zum Bereitstellen von kinetischer Energie für ein Vortriebsmittel eines Luftfahrzeugs.
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Zum Antrieb von Luftfahrzeugen, bspw. Flugzeuge oder Helikopter, werden als Alternative zu den gebräuchlichen Verbrennungskraftmaschinen Konzepte beruhend auf elektrischen Antriebssystemen untersucht und eingesetzt. Ein derartiges elektrisches Antriebssystem weist in der Regel zumindest eine elektrische Maschine auf, die zum Antreiben des Vortriebsmittels des Luftfahrzeugs als Elektromotor betrieben wird. Weiterhin sind eine entsprechende Quelle elektrischer Energie zur Versorgung des Elektromotors sowie in der Regel eine Leistungselektronik vorgesehen, mit deren Hilfe der Elektromotor betrieben wird.
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Beim elektrischen Betreiben des Luftfahrzeugs kann ein Fehlerfall im elektrischen Antriebssystem einen Absturz des Luftfahrzeugs zur Folge haben, verbunden mit entsprechenden Gefahren für Passagiere und in der Regel einhergehend mit erheblichen Sachschäden. Bei dem elektrischen Antriebssystem kann ein Fehler unter anderem im Energiespeicher, der die elektrische Energie zur Versorgung des Elektromotors liefert, in der Leistungselektronik, die bspw. u.a. einen Gleichstrom in einen Wechselstrom für den Elektromotor wandelt, oder im Elektromotor selbst auftreten. Für den Fall, dass der Fehler in der elektrischen Maschine bzw. im Elektromotor auftritt, kann es bspw. zu einem Fehlerfall der elektrischen Wicklung in Form eines Wicklungsschlusses, eines Windungsschlusses oder eines Masseschlusses etc. kommen, was zu einem Fehlverhalten bspw. in Form eines Überstroms oder einer Überhitzung führen kann.
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Um die genannten Risiken aufgrund eines Fehlerfalls im elektrischen Antriebssystem zu reduzieren, ist es unabdingbar, das Luftfahrzeug mit einem redundanten Antriebssystem zu betreiben. Dabei bedeutet der Begriff „redundant“ im Allgemeinen, dass durch eine mehrfache Ausführung von Komponenten eine erhöhte Sicherheit gegen einen Fehlerfall erreicht wird. Bei Ausfall der elektrischen Maschine oder der Leistungselektronik muss ein Notbetrieb möglich sein, um die Auswirkungen des Fehlerfalls niedrig zu halten. Ein gängiges Konzept zur Erzielung einer Redundanz des Elektromotors liegt darin, den Motor mit zwei oder sogar mehr Wicklungssystemen auszustatten. Auch bei dieser Lösung ergeben sich jedoch sicherheitskritische Probleme, wenn es zu einem Fehlerfall in der Mechanik des Elektromotors kommt, bspw. zu einem Blockieren des Rotors.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Ansatz für ein hinsichtlich der Redundanz verbessertes Konzept für ein elektrisches Antriebssystem eines Luftfahrzeugs bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 beschriebene Antriebssystem sowie durch das in Anspruch 7 beschriebene Verfahren gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen.
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Ein elektrisches, redundantes Antriebssystem zum Antreiben eines Vortriebsmittels, insbesondere eines Propellers, eines Luftfahrzeugs weist eine Vielzahl von elektrischen Maschinen zum Antreiben des Vortriebsmittels und ein gemeinsames Getriebe auf. Jede der elektrischen Maschinen ist derart über das gemeinsame Getriebe mechanisch mit dem Vortriebsmittel verbunden, dass eine von der jeweiligen elektrischen Maschine in Form einer Rotationsbewegung bereitgestellte kinetische Energie durch das gemeinsame Getriebe an das Vortriebsmittel übertragbar ist. Die entsprechenden elektrischen Maschinen sind also insbesondere als Elektromotoren nutzbar, wenn kinetische Energie an das Vortriebsmittel geliefert werden soll.
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Die Problematik wird demnach durch eine redundante Ausführung des elektrischen Teils des Antriebssystems gelöst, im Speziellen durch den Einsatz von zwei oder mehr Elektromotoren. Diese sind über ein gemeinsames Getriebe mit dem Vortriebsmittel verbunden, bspw. mit einem Propeller. Redundant bedeutet hierbei, dass durch eine mehrfache Ausführung von Komponenten des Antriebssystems eine erhöhte Sicherheit gegen Ausfall erreicht wird.
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Das Konzept beruht darauf, dass mehrere Elektromotoren einen direkten mechanischen Antrieb über ein gemeinsames Getriebe zum Propeller herstellen. Durch die Möglichkeit der Variation der Anzahl der Elektromotoren des Antriebssystems wird auch die Leistungsanforderung variierbar bzw. skalierbar und damit an die jeweilige Antriebssituation, die sich bspw. aufgrund der Größe des Luftfahrzeugs ergibt, anpassbar. Der Elektromotor mit der jeweiligen Leistungselektronik wird in gleicher Ausführung mehrfach eingesetzt, während sich die jeweilige Anpassungsarbeit an die Antriebssituation hauptsächlich auf die Zusammenfassung der Leistungen der Motoren in das gemeinsame Getriebe beschränkt.
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Die Vorteile ergeben sich aus der unkonventionellen Anordnung und Anbindung der Elektromotoren im Antriebssystem. Letzteres besteht darin, dass zwei oder mehr vollständig redundante elektrische Antriebsstränge, die jeweils zumindest eine elektrische Energiequelle mit einer Stromquelle und einem Stromumwandler sowie einen Elektromotor aufweisen, jeweils mit Hilfe eines Freilaufs und über ein gemeinsames Getriebe an das Vortriebsmittel gekoppelt sind. Die Motoren können gleichzeitig in Betrieb sein, und beim Ausfall eines Motors können der oder die restlichen Motoren den Weiterflug bzw. eine Landung ermöglichen.
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Ein weiterer Vorteil des Konzepts der Verwendung von mehreren Motoren ergibt sich aus der Beschränkung der Designmöglichkeiten des Antriebssystems in Bezug auf den vorhandenen Bauraum im Luftfahrzeug. Bei einem einzelnen Motor mit großem Durchmesser sind die Möglichkeiten der Positionierung der Komponenten des Antriebssystems nicht so flexibel möglich wie bei mehreren Motoren mit kleinem Durchmesser.
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Das Antriebssystem weist eine Energiequelle zur Versorgung der elektrischen Maschinen mit elektrischer Energie zum Betreiben der elektrischen Maschinen auf, wobei die elektrischen Maschinen die elektrische Energie in die kinetische Energie zur Übertragung an das Vortriebsmittel umwandeln. Die Energiequelle weist ihrerseits eine Stromquelle zur Bereitstellung der elektrischen Energie und eine Leistungselektronikeinheit zur Versorgung der elektrischen Maschinen mit einer zum Betreiben der elektrischen Maschinen bzgl. Amplitude und/oder ggf. Frequenz geeigneten elektrischen Spannung auf. Die Leistungselektronikeinheit verarbeitet die von der Stromquelle bereitgestellte elektrische Energie in die zum Betreiben der elektrischen Maschinen geeignete elektrische Spannung bzw. in einen entsprechend geeigneten elektrischen Strom. Dabei meint der Begriff „verarbeiten“, dass die Leistungselektronikeinheit je nach Ausbildung von Stromquelle und der elektrischen Maschinen wechselrichtet oder umrichtet. Hierzu kann die Leistungselektronikeinheit je nach Ausbildung der Stromquelle als Gleich- oder Wechselstromquelle und der elektrischen Maschinen als Gleich- oder Wechselstrommotor bspw. Wechselrichter oder Umrichter aufweisen. Die geeignete elektrische Spannung wird schließlich den elektrischen Maschinen zugeführt, um diese anzutreiben.
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Die Leistungselektronikeinheit weist zur weiteren Verbesserung der Redundanz für jede elektrische Maschine jeweils einen separaten Stromumwandler auf, wobei also jeder elektrischen Maschine ein Stromumwandler zugeordnet ist. Jeder der Stromumwandler ist eingerichtet, um die von der Stromquelle zur Verfügung gestellte elektrische Energie in die für die jeweilige, dem Stromumwandler zugeordnete elektrische Maschine geeignete elektrische Spannung zu verarbeiten. Die Stromumwandler sind dabei voneinander unabhängig, d.h. redundant, so dass ein Ausfall eines der Stromumwandler nicht die Funktion des oder der übrigen Stromumwandler beeinflusst.
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Für den Fall, dass die Stromquelle eine Gleichstromquelle ist und die elektrischen Maschinen bzw. Elektromotoren Gleichstrommotoren sind, sind die Stromumwandler als Gleichspannungswandler ausgebildet, die die von der Stromquelle bereitgestellte Gleichspannung in die zum Betreiben der Elektromotoren benötigte Gleichspannung umformen.
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Für den Fall, dass die Stromquelle eine Gleichstromquelle ist und die Elektromotoren Wechselstrommotoren sind, sind die Stromumwandler als Wechselrichter ausgebildet, die die von der Stromquelle bereitgestellte Gleichspannung in die zum Betreiben der Elektromotoren benötigte Wechselspannung wechselrichten.
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Für den Fall, dass die Stromquelle eine Wechselstromquelle ist und die Elektromotoren Gleichstrommotoren sind, sind die Stromumwandler als Gleichrichter ausgebildet, die die von der Stromquelle bereitgestellte Wechselspannung in die zum Betreiben der Elektromotoren benötigte Gleichspannung gleichrichten.
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Für den Fall, dass die Stromquelle eine Wechselstromquelle ist und die Elektromotoren Wechselstrommotoren sind, sind die Stromumwandler als Umrichter ausgebildet, die die von der Stromquelle bereitgestellte Wechselspannung in die zum Betreiben der Elektromotoren benötigte Wechselspannung umrichten.
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Die Stromumwandler sind räumlich voneinander getrennt und in größtmöglicher Nähe zu der jeweils zugeordneten elektrischen Maschine angeordnet. Dies kann sich bspw. darin niederschlagen, dass jeder Stromumwandler näher an der ihm zugeordneten elektrischen Maschine angeordnet ist, als an den übrigen Stromumwandlern. Hiermit ergibt sich eine größtmögliche Flexibilität hinsichtlich des für das Antriebssystem benötigten Bauraums.
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Das Antriebssystem kann als hybrides, insbesondere als seriell-hybrides Antriebssystem ausgebildet sein. In diesem Fall weist die Energiequelle einen Verbrennungsmotor auf und die Stromquelle ist ein von dem Verbrennungsmotor antreibbarer Generator, der die zum Betreiben der elektrischen Maschinen benötigte elektrische Energie bereitstellt, sobald er vom Verbrennungsmotor angetrieben wird.
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Alternativ kann die Stromquelle eine Batterie oder eine Brennstoffzelle sein, welche die elektrische Energie in Form einer Gleichspannung bereitstellt. In diesem Fall ist die Stromquelle also eine Gleichstromquelle. Je nach Ausbildung der elektrischen Maschinen als Gleichstrommotoren oder als Wechselstrommotoren sind die Stromumwandler dementsprechend wie oben erwähnt als Gleichspannungswandler oder als Wechselrichter ausgebildet, um die zum Betreiben der elektrischen Maschinen benötigte Gleich- oder Wechselspannung bereitzustellen.
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Vorteilhafterweise ist jede der elektrischen Maschinen jeweils mit Hilfe eines separaten Freilaufs an das gemeinsame Getriebe gekoppelt, d.h. jeder elektrischen Maschine ist ein Freilauf zugeordnet. Durch die Verwendung der Freiläufe wird erreicht, dass jeder der Elektromotoren mechanisch vom gemeinsamen Getriebe entkoppelt werden kann, so dass bspw. ein Blockieren eines Motors die Funktion des oder der anderen Motoren nicht beeinflusst, da im Fall des Blockierens der jeweilige Freilauf die mechanische Verbindung zwischen dem jeweiligen Elektromotor und dem gemeinsamen Getriebe löst.
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In einer alternativen Ausführung des Antriebssystems ist zumindest eine erste elektrische Maschine der Vielzahl von elektrischen Maschinen, aber nicht sämtliche elektrische Maschinen, mit Hilfe eines Freilaufs an das gemeinsame Getriebe gekoppelt, um den oben genannten Vorteil zu erzielen. Zumindest eine zweite elektrische Maschine der Vielzahl von elektrischen Maschinen, die zudem derart eingerichtet ist, dass sie nicht nur als Elektromotor, sondern auch als Generator genutzt werden kann, ist jedoch derart und insbesondere ohne Freilauf an das Getriebe gekoppelt und dabei als elektrische Maschine in einem Generatorbetrieb verwendbar, dass das Antriebssystem mit der zweiten elektrische Maschinen in einem Rekuperationsbetrieb betrieben werden kann.
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Die zweite elektrische Maschine ist also wahlweise als Elektromotor zur Bereitstellung der kinetischen Energie betreibbar, so dass sie zur Redundanz des Antriebssystems beiträgt. Außerdem kann sie als Generator zur Bereitstellung elektrischer Energie betrieben werden. Dabei erlaubt der Generatorbetrieb der zweiten Maschine, dass das Antriebssystem in einem Rekuperationsbetrieb verwendet werden kann. Die so bereitgestellte elektrische Energie kann bspw. in einer Batterie gespeichert werden.
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Im Rekuperationsbetrieb des Antriebssystems wird das Vortriebsmittel nicht mit kinetischer Energie von den Elektromotoren versorgt, sondern die Richtung des Leistungsflusses ist umgekehrt, d.h. vom Vortriebsmittel zum Elektromotor bzw. zur elektrischen Maschine. Das Vortriebsmittel, das in diesem Fall aufgrund der Eigenbewegung des Luftfahrzeugs durch die Luft angetrieben wird, treibt seinerseits die entsprechend als Generator konfigurierte elektrische Maschine an, die ihrerseits somit elektrischen Strom bereitstellt. Da der Begriff des Rekuperationsbetriebes im Zusammenhang mit elektrischen Antrieben bekannt ist, wird auf die Angabe weiterer Details verzichtet.
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Einerseits wird durch die Verwendung des Freilaufs der ersten elektrischen Maschine erreicht, dass der entsprechende Elektromotor mechanisch vom gemeinsamen Getriebe entkoppelt werden kann, so dass bspw. ein Blockieren dieser elektrischen Maschine bzw. dieses Motors die Funktion des oder der anderen elektrischen Maschinen nicht beeinflusst, da im Fall des Blockierens der jeweilige Freilauf die mechanische Verbindung zwischen dem jeweiligen Elektromotor und dem gemeinsamen Getriebe löst. Der über den Freilauf an das Getriebe gekoppelte Motor wird in dieser Ausführungsform idealerweise als Hauptmotor zum Antrieb verwendet, während die übrigen elektrischen Maschinen, die insbesondere ohne Freilauf an das Getriebe gekoppelt sind, bspw. nur dann zum Einsatz kommen, wenn ein Rekuperationsbetrieb gewünscht ist und/oder wenn für die über Freiläufe an das Getriebe gekoppelten Motoren ein Fehlerfall eingetreten ist. Damit ist die Redundanz weiterhin gewährleistet, da bei einem Ausfall des Hauptmotors die eigentlich zum Rekuperationsbetrieb gedachte elektrische Maschine als Elektromotor konfiguriert werden kann.
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Die elektrischen Maschinen sind in einer axialen Richtung des Antriebssystems an der gleichen Position und in einer zur axialen Richtung senkrechten Richtung zueinander benachbart, also nebeneinander, angeordnet. Die axiale Richtung des Antriebssystems wird bspw. definiert durch die Ausrichtung der Welle, die das Getriebe mit dem Propeller verbindet. Hierdurch wird eine kompakte Bauform ermöglicht.
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Im Rahmen eines Verfahrens zum Antreiben eines Vortriebsmittels eines Luftfahrzeugs mit Hilfe eines elektrischen, redundanten Antriebssystems, wobei das Antriebssystem eine Vielzahl von elektrischen Maschinen zum Antreiben des Vortriebsmittels und ein gemeinsames Getriebe aufweist, wobei jede der elektrischen Maschinen über das gemeinsame Getriebe mechanisch mit dem Vortriebsmittel verbunden ist, wird eine von der jeweiligen elektrischen Maschine in Form einer Rotationsbewegung bereitgestellte kinetische Energie durch das gemeinsame Getriebe an das Vortriebsmittel übertragen, so dass dieses in Rotation versetzt wird.
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Eine Stromquelle stellt elektrische Energie bereit und eine Leistungselektronikeinheit verarbeitet die bereitgestellte elektrische Energie in zum Betreiben der elektrischen Maschinen geeignete elektrische Spannungen.
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Die Leistungselektronikeinheit weist für jede elektrische Maschine jeweils einen separaten Stromumwandler auf, wobei jeder der Stromumwandler die von der Stromquelle zur Verfügung gestellte elektrische Energie in die für die jeweilige, dem Stromumwandler zugeordnete elektrische Maschine geeignete elektrische Spannung verarbeitet.
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Das Antriebssystem kann ein hybrides, insbesondere ein seriell-hybrides Antriebssystem sein, wobei die Stromquelle ein Generator ist, der zum Bereitstellen der elektrischen Energie von einem Verbrennungsmotor angetrieben wird.
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Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausführungsformen anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein redundantes, elektrisches Antriebssystem eines Flugzeugs mit einer Stromquelle in einer ersten Variante,
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2 das redundante, elektrische Antriebssystem mit einer Stromquelle in einer zweiten Variante,
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3 das redundante, elektrische Antriebssystem mit einer gemeinsamen Leistungselektronik,
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4 das redundante, elektrische Antriebssystem der 1 in einer weiteren Ausführungsform,
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5 eine erste mögliche Anordnung von Komponenten des Antriebssystems,
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6 eine zweite mögliche Anordnung von Komponenten des Antriebssystems,
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7 eine dritte mögliche Anordnung von Komponenten des Antriebssystems,
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8 eine vierte mögliche Anordnung von Komponenten des Antriebssystems,
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9 eine fünfte mögliche Anordnung von Komponenten des Antriebssystems.
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Gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren kennzeichnen gleiche Komponenten.
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Im Folgenden soll mit einer mechanischen Verbindung zweier Komponenten oder Bauteile eine Verbindung gemeint sein, die die Übertragung von kinetischer Energie, bspw. Rotationsenergie, von einer der Komponenten an die andere erlaubt. In der Praxis bedeutet die Übertragung der kinetischen Energie bspw. von einem Motor an einen Propeller, dass eine von dem Motor in Rotation versetzte Welle den Propeller antreibt, so dass die vom Motor zur Verfügung gestellte kinetische Rotationsenergie derart umgesetzt wird, dass der Propeller seinerseits in Rotation versetzt wird und ihm demnach eine kinetische Energie zugeführt wurde.
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In analoger Weise erlaubt eine elektrische Verbindung zweier Komponenten die Übertragung elektrischer Energie von einer Komponente zur anderen.
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Im Falle der mechanischen Verbindung sind die verbundenen Komponenten über geeignete Bauteile mechanisch miteinander verbunden. Die geeigneten Bauteile können bspw. Wellen, Achsen, Getriebe etc. sein. Eine elektrische Verbindung kann bspw. mit Hilfe eines Kabels realisiert werden.
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Die mechanischen bzw. elektrischen Verbindungen sind in den Figuren bis auf wenige Ausnahmen der Übersichtlichkeit wegen nicht mit individuellen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt in schematischer Darstellung ein elektrisches Antriebssystem 100 für ein Luftfahrzeug. Dabei ist das Luftfahrzeug selbst nicht im Detail dargestellt. Es kann sich bspw. um ein Flugzeug oder um einen Helikopter handeln. Das Luftfahrzeug kann mit Hilfe eines Vortriebsmittels 200 in Bewegung versetzt werden, wobei das Vortriebsmittel 200 insbesondere einen Propeller 210 sowie ggf. ein Lager 220 zur Lagerung des Propellers 210 aufweist. Je nach Ausbildung des Luftfahrzeugs kann der Propeller 210 um eine im Wesentlichen horizontale oder vertikale Achse rotierbar sein, was für die hier vorliegende Erfindung aber keine weitere Rolle spielt.
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Der Propeller 210 wird über eine Welle 230 angetrieben, welche ihrerseits mit Hilfe einer ersten, als Elektromotor konfigurierten elektrischen Maschine 110 bzw. einer zweiten, ebenfalls als Elektromotor konfigurierten elektrischen Maschine 120 des Antriebssystems 100 in Rotation versetzt wird. Die Elektromotoren 110, 120 sind jedoch nicht direkt mit der Welle 230 verbunden, sondern über ein gemeinsames Getriebe 150 des Antriebssystems 100. Das gemeinsame Getriebe 150 kann bspw. als Umlaufrädergetriebe, bspw. als Planetengetriebe, oder als Stirnradgetriebe ausgebildet sein. Die grundsätzliche Anforderung an das gemeinsame Getriebe 150 liegt darin, dass sowohl eine vom ersten Elektromotor 110 als auch eine vom zweiten Elektromotor 120 in Form einer Rotationsbewegung bereitgestellte kinetische Energie durch das Getriebe 150 auf die Welle 230 und schließlich an den Propeller 210 übertragen werden kann. Dementsprechend weist das Getriebe 150 eine der Anzahl der Elektromotoren 110, 120 entsprechende Anzahl von sog. Getriebe-Antrieben 151, 152 auf, wobei der erste Elektromotor 110 an den ersten Getriebe-Antrieb 151 gekoppelt ist und der zweite Elektromotor 120 an den zweiten Getriebe-Antrieb 152 gekoppelt ist, um jeweils kinetische Energie von den Elektromotoren 110, 120 auf das Getriebe 150 zu übertragen bzw. dort einzuspeisen. Desweiteren weist das Getriebe 150 einen Getriebe-Abtrieb 159 auf, mit dem die Welle 230 verbunden ist, so dass kinetische Energie vom Getriebe 150 auf die Welle und damit auf den Propeller 210 übertragen werden kann. Die Antriebe 151, 152 sowie der Abtrieb 159 sind im Getriebe 150 in an sich bekannter Weise miteinander verbunden (nicht dargestellt), um die Übertragung der kinetischen Energie vom jeweiligen Elektromotor 110, 120 zur Welle 230 zu ermöglichen.
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Die Ausrichtung der Welle 230 soll eine „axiale“ Richtung des Antriebssystems 100 definieren. Dementsprechend bezieht sich auch der Begriff „radial“ auf die Welle 230.
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Durch den Einsatz des Getriebes 150 können die Motoren 110, 120 mit höherer Drehzahl und geringerem Moment ausgeführt werden, als bei einem direkten Anschluss an die Welle 230. Die Motoren 110, 120 können somit aufgrund der geringeren auftretenden Kräfte vergleichsweise klein und kompakt ausgeführt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Anordnung der kleineren Motoren 110, 120 mit geringerem Durchmesser flexibler erfolgen kann. Dies wird in den 5–9 anhand einiger Beispiele dargestellt. Somit ist man bezüglich des Bauraums und der Anbindung des Propellerlagers 220 an das Luftfahrzeug weniger eingeschränkt. Desweiteren treten die hohen Drehmomente und Kräfte erst am letzten Zahnrad des Getriebes 150 bzw. an der Propellerwelle 230 auf. Somit kann in den vorgelagerten Bauteilen Gewicht gespart werden.
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Der erste Elektromotor 110 ist mechanisch mit dem Getriebe 150 verbunden, um kinetische Energie auf das Getriebe 150 zu übertragen. Vorzugsweise ist der erste Elektromotor 110 mit Hilfe eines ersten Freilaufs 130 an das Getriebe 150 gekoppelt. Hierzu ist eine ausgangsseitige Welle 111 des ersten Elektromotors 110, die durch den Elektromotor 110 in Rotation versetzbar ist, an den ersten Freilauf 130 gekoppelt, während eine ausgangsseitige Welle 131 des ersten Freilaufs 130 fest mit dem Getriebe 150 bzw. mit dessen ersten Getriebe-Antrieb 151 gekoppelt ist.
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Der erste Freilauf 130 ist derart ausgebildet, dass er die mechanische Verbindung zur Übertragung kinetischer Energie zwischen dem ersten Elektromotor 110 und dem Getriebe 150 bspw. dann löst, wenn die Drehzahl des Elektromotors 110 geringer ist als die Drehzahl an der Anschlussstelle des ersten Freilaufs 130 an das Getriebe 150. Bspw. löst der erste Freilauf 130 die mechanische Verbindung zwischen dem ersten Elektromotor 110 und dem gemeinsamen Getriebe 150, wenn die ausgangsseitige Welle 111 des ersten Elektromotors 110 langsamer dreht als die ausgangsseitige Welle 131 des ersten Freilaufs 130.
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In analoger Weise ist der zweite Elektromotor 120 mit Hilfe eines zweiten Freilaufs 140 und über Wellen 121, 141 mit dem Getriebe 150 bzw. mit dessen zweiten Getriebe-Antrieb 152 gekoppelt. Die Funktionsweise des zweiten Freilaufs entspricht derjenigen des ersten Freilaufs 130.
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Durch die Verwendung der Freiläufe 130, 140 wird erreicht, dass jeder der beiden Elektromotoren 110, 120 mechanisch vom gemeinsamen Getriebe 150 entkoppelt werden kann, so dass bspw. ein Blockieren eines Motors 110, 120 die Funktion des anderen Motors 120, 110 nicht beeinflusst, da im Fall des Blockierens der jeweilige Freilauf 130, 140 die mechanische Verbindung zwischen dem jeweiligen Elektromotor 110, 120 und dem gemeinsamen Getriebe 150 löst.
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Zum Betrieb der Elektromotoren 110, 120 bzw. zur Versorgung der Elektromotoren 110, 120 mit elektrischer Energie weist das Antriebssystem 100 eine Energiequelle 160 auf. Die elektrische Energie zur Versorgung der Elektromotoren 110, 120 liegt typischerweise, aber nicht notwendigerweise, in Form von Wechselstrom bzw. Wechselspannung vor und die Elektromotoren 110, 120 arbeiten dementsprechend jeweils nach dem Prinzip eines Wechselstrommotors. Für den Fall, dass die Energiequelle 160 einen Gleichstrom zur Verfügung stellt, sind die Elektromotoren 110, 120 als Gleichstrommotoren ausgebildet. Im Folgenden wird jedoch exemplarisch davon ausgegangen, dass die Energiequelle 160 eine Wechselspannung bereitstellt. In jedem Fall wird die elektrische Energie von einer Stromquelle 161 der Energiequelle 160 zur Verfügung gestellt.
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Die Stromquelle 161 kann in einer ersten, der 1 dargestellten Variante eine Batterie oder eine Brennstoffzelle sein, die eine Gleichspannung zur Verfügung stellt. In dieser ersten Variante verfügt die Energiequelle 160 weiterhin über eine Leistungselektronikeinheit 162, die die von der Batterie bzw. Brennstoffzelle 161 zur Verfügung gestellte Gleichspannung in eine zum Betreiben der Elektromotoren 110, 120 geeignete Wechselspannung wechselrichtet. Dabei können bspw. Frequenz und/oder Amplitude der Wechselspannung an die Anforderungen der Elektromotoren 110, 120 angepasst werden. Diese Wechselspannung wird schließlich den Elektromotoren 110, 120 zugeführt, um diese anzutreiben.
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Die Leistungselektronikeinheit 162 weist zu diesem Zweck bevorzugt für jeden Elektromotor 110, 120 einen separaten Wechselrichter 163, 164 auf, d.h. der erste Elektromotor 110 wird mit Hilfe eines ersten Wechselrichters 163 mit elektrischer Energie versorgt, während der zweite Elektromotor 120 mit Hilfe eines zweiten Wechselrichters 164 mit elektrischer Energie versorgt wird. Die Wechselrichter 163, 164 bewirken jeweils ein Wechselrichten der von der Batterie 161 zur Verfügung gestellten Gleichspannung in die für den Betrieb des jeweiligen Elektromotors 110, 120 geeigneten Wechselspannungen. Die beiden Wechselrichter 163, 164 arbeiten dabei unabhängig voneinander, d.h. ein Ausfall eines der beiden Wechselrichter beeinflusst nicht die Funktion des jeweils anderen Wechselrichters.
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Die Stromquelle 161 kann in einer zweiten Variante, die in der 2 dargestellt ist, eine Wechselstromquelle sein, die eine Wechselspannung zur Verfügung stellt. Bspw. kann die Stromquelle 161 in diesem Fall ein Generator sein. Dieses Konzept kann in Form eines seriell-hybriden Antriebssystems 100 realisiert werden, bei dem der genannte Generator 161 durch einen Verbrennungsmotor 165 angetrieben wird und dadurch schließlich, wie bereits erwähnt, die Wechselspannung zum Betreiben der Elektromotoren 110, 120 bereitstellt. Die ggf. erforderliche Leistungselektronikeinheit 162 weist in diesem Fall für jeden Elektromotor 110, 120 jeweils einen Umrichter 163, 164 auf, der ggf. die vom Generator 161 zur Verfügung gestellte Wechselspannung in eine zum Betreiben des jeweiligen Elektromotors 110, 120 geeignete Wechselspannung umrichtet.
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Wechsel- bzw. Umrichter 163, 164 können unter dem Begriff Stromumwandler 163, 164 zusammengefasst werden. Die Ausführung der Stromumwandler 163, 164 als Wechselrichter bzw. als Umrichter hängt von der Art der Stromquelle 161 ab. Für den Fall, dass der dem jeweiligen Stromumwandler 163, 164 zugeführte Strom ein Gleichstrom ist, muss der Stromumwandler 163, 164 als Wechselrichter ausgebildet sein. Für den anderen Fall, bei dem der dem jeweiligen Stromumwandler 163, 164 zugeführte Strom ein Wechselstrom ist, muss der Stromumwandler 163, 164 als Umrichter ausgebildet sein. In beiden Fällen stellt der Stromumwandler 163, 164 einen Wechselstrom zur Verfügung, der letztlich den Elektromotoren 110, 120 zugeführt wird. Im Prinzip könnte für den Fall, dass der Generator 161 bereits eine Wechselspannung bereitstellt, die bzgl. Frequenz und Amplitude zum Betreiben der Elektromotoren 110, 120 geeignet ist, könnte auf die Umrichter 163, 164 verzichtet werden. Das Vorsehen der Umrichter bietet jedoch den Vorteil erhöhter Flexibilität.
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Wie oben erwähnt kann die Energiequelle 160 alternativ eine Gleichspannung zur Verfügung stellen und die Elektromotoren 110, 120 sind als Gleichstrommotoren ausgebildet. In diesem Fall wären die Stromumwandler 163, 164 als Gleichspannungswandler ausgebildet, die eine von der Stromquelle 161 bereitgestellte Gleichspannung in die zum Betreiben der Elektromotoren 110, 120 benötigte Gleichspannung umformen.
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Beiden Varianten der Stromquelle 161 der 1, 2 ist gemeinsam, dass die Energiequelle 160 die zum Betreiben der Elektromotoren 110, 120 benötigte und geeignete elektrische Energie zur Verfügung stellt. Dabei weist die Leistungselektronikeinheit 162 bevorzugt, aber nicht notwendigerweise, für jeden zu versorgenden Elektromotor 110, 120 einen separaten Stromumwandler 163, 164 auf.
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Die redundante Auslegung der Leistungselektronik 162 mit jeweils einem eigenen Stromumwandler 163, 164 für jeden Elektromotor 110, 120 bietet den Vorteil, dass auch beim Ausfall eines der Stromumwandler 163, 164 der jeweils andere Stromumwandler 163, 164 und mit ihm das Antriebssystem 100 weiter funktionstüchtig ist. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Elektromotoren 110, 120 über eine gemeinsame Leistungselektronik 162 bzw. einen gemeinsamen Stromumwandler 162 versorgt werden. Diese Möglichkeit ist in Kombination mit der Stromquelle 161 in der ersten Variante in der 3 dargestellt, es kann für diese Ausführungsform jedoch auch die Stromquelle 161 in der zweiten Variante verwendet werden.
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Die in der 4 dargestellte Ausführungsform basiert auf dem in der 1 gezeigten Antriebssystem 100 mit der Stromquelle 161 in der ersten Variante, d.h. als Batterie. Im Unterschied zur Ausführungsform der 1 ist die zweite elektrische Maschine 120 nicht über einen Freilauf an das Getriebe 150 gekoppelt. Zudem ist die zweite elektrische Maschine 120 derart eingerichtet, dass sie nicht nur als Elektromotor, sondern auch als Generator genutzt werden kann. Dementsprechend ist sie derart und insbesondere ohne den Freilauf an das Getriebe 150 gekoppelt und dabei in einem Generatorbetrieb verwendbar, dass das Antriebssystem 100 mit der zweiten elektrische Maschinen 120 in einem Rekuperationsbetrieb betrieben werden kann.
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Je nach Bedarf und Betriebssituation kann die zweite elektrische Maschine 120 also wahlweise als Elektromotor zur Bereitstellung der kinetischen Energie für den Propeller 210 betrieben werden, so dass sie zur Redundanz des Antriebssystems 100 beiträgt. Außerdem kann sie in einem Generatorbetrieb als Generator zur Bereitstellung elektrischer Energie betrieben werden. Dabei erlaubt der Generatorbetrieb der zweiten Maschine 120, dass das Antriebssystem 100 in einem Rekuperationsbetrieb verwendet werden kann. Die so bereitgestellte elektrische Energie kann bspw. in der Batterie 161 gespeichert werden.
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Mit Hilfe einer Steuerung 180 des Antriebssystems 100 kann je nach Bedarf zwischen Generatorbetrieb und Elektromotorbetrieb der zweiten elektrischen Maschine 120 umgeschaltet werden. Im Elektromotorbetrieb wird die zweite elektrische Maschine 120 derart verwendet, dass sie wie im Zusammenhang mit den 1–3 beschrieben dem Getriebe 150 bzw. dem Vortriebsmittel 200 kinetische Energie zur Verfügung stellen kann. Im Generatorbetrieb der zweiten elektrischen Maschine 120 bzw. im Rekuperationsbetrieb des Antriebssystems 100 wird kinetische Energie vom Vortriebsmittel 200 in die zweite elektrische Maschine 120 eingespeist, so dass diese elektrische Energie bereitstellt. Die bereitgestellte elektrische Energie wird in die Batterie 161 eingespeist und dort zur weiteren Verwendung gespeichert.
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Einerseits wird durch die Verwendung des Freilaufs 130 der ersten elektrischen Maschine 110 erreicht, dass der entsprechende Elektromotor 110 mechanisch vom gemeinsamen Getriebe 150 entkoppelt werden kann, so dass bspw. ein Blockieren dieser elektrischen Maschine 110 bzw. dieses Motors 110 die Funktion des oder der anderen elektrischen Maschinen 120 nicht beeinflusst, da im Fall des Blockierens der jeweilige Freilauf 130 die mechanische Verbindung zwischen dem jeweiligen Elektromotor 110 und dem gemeinsamen Getriebe 150 löst. Der über den Freilauf 130 an das Getriebe 150 gekoppelte erste Motor wird in dieser Ausführungsform idealerweise als Hauptmotor zum Antrieb des Vortriebsmittels verwendet, während die zweite elektrische Maschine 120, die insbesondere ohne Freilauf an das Getriebe 150 gekoppelt ist, bspw. nur dann zum Einsatz kommt, wenn der Rekuperationsbetrieb gewünscht ist und/oder wenn für den über den Freilauf 130 an das Getriebe 150 gekoppelte erste Motor 110 ein Fehlerfall eingetreten ist. Damit ist die Redundanz weiterhin gewährleistet, da bei einem Ausfall des Hauptmotors 110 die eigentlich zum Rekuperationsbetrieb gedachte zweite elektrische Maschine 120 als Elektromotor konfiguriert werden kann.
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Die Elektromotoren 110, 120 können in verschiedenen Positionen in dem im Luftfahrzeug vorhandenen Bauraum angeordnet werden. Damit erhält man zusätzliche Freiheitsgrade im Design und kann das Antriebskonzept für verschiedene andere Luftfahrzeugtypen variabel anpassen. Ebenfalls ist es in Abweichung von den 1, 2, 3 dargestellten, einfachen Ausführungen auch denkbar, mehr als 2 Elektromotoren vorzusehen. Idealerweise bleibt es jedoch dabei, dass für jeden Elektromotor ein separater Stromumwandler vorgesehen ist, d.h. die Anzahl der Stromumwandler entspricht der Anzahl der Elektromotoren.
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Die 5–9 zeigen jeweils im linken Teil der Abbildung eine Seitenansicht sowie im rechten Teil der Abbildung eine Rückansicht auf das Antriebssystem 100 und das Vortriebsmittel 200, wobei im Falle der Rückansicht die Blickrichtung jeweils entlang der Welle 230 in einer Richtung vom Antriebssystem 100 zum Propeller 210 orientiert ist. In der Rückansicht sind einige Komponenten durch andere verdeckt, bspw. sind die Freiläufe 130, 140 und das Propellerlager 220 nicht sichtbar. Dementsprechend ist in der Seitenansicht bspw. jeweils der erste Elektromotor 110 nicht sichtbar. Darüber hinaus wurde in den 5–9 der Übersichtlichkeit wegen auf Darstellungen von Details wie bspw. Lagern und Wellen verzichtet. Ebenso werden die übrigen Komponenten der Energiequelle 160 in den 5–9 nicht dargestellt.
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In den 5–9 sind die jeweils dargestellten Elektromotoren in axialer Richtung an gleicher Position angeordnet. In einer zur axialen Richtung senkrechten Richtung liegen sie nebeneinander bzw. zueinander benachbart.
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Die in der 5 dargestellte Anordnung entspricht weitestgehend der in den 1, 2, 3, 4 angedeuteten Situation. Leistungselektronikeinheit 162, Elektromotoren 110, 120, Freiläufe 130, 140, Getriebe 150 und Propeller 210 sind in axialer Richtung hintereinander angeordnet, so dass in radialer Richtung ein vergleichsweise geringer Bauraum benötigt wird, während die Erstreckung in axialer Richtung vergleichsweise groß ist.
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Die 6 zeigt eine Anordnung, bei der die den Elektromotoren 110, 120 zugeordneten Stromumwandler 163, 164 nicht in einem gemeinsamen Gehäuse der Leistungselektronikeinheit 162 angeordnet sind, sondern in unmittelbarer Nähe des jeweiligen Elektromotors 110, 120. Diese Ausführungsform beinhaltet auch, dass die Stromumwandler 163, 164 in entsprechende Motorgehäuse der Elektromotoren 110, 120 integriert sind.
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Die 7 zeigt eine Anordnung, bei der die Elektromotoren 110, 120 bspw. gegenüber der Anordnung der 5, 6 in radialer Richtung versetzt sind, bspw. vertikal nach unten, so dass oberhalb der Motoren 110, 120 zusätzlicher Raum für die Leistungselektronikeinheit 162 bzw. für die Stromumwandler 163, 164 geschaffen wird. Dies ermöglicht eine kompakte Anordnung der Komponenten des Antriebssystems 100.
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Die 8, 9 zeigen ein Antriebssystem 100, bei dem zur weiteren Verbesserung der Redundanz eine dritte, als Elektromotor konfigurierte elektrische Maschine 170 vorgesehen ist, die über einen dritten Freilauf 180 an das gemeinsame Getriebe 150 angekoppelt ist. Wie bereits erwähnt sind die Motoren 110, 120, 170 in axialer Richtung an gleicher Position angeordnet, während sie in einer zur axialen Richtung senkrechten Richtung nebeneinander bzw. zueinander benachbart liegen. Dabei können die Elektromotoren 110, 120, 170 in einer symmetrischen Anordnung bspw. auf dem Umfang eines gedachten Kreises in in Umfangsrichtung des Kreises zueinander gleichen Abständen angeordnet sein, wobei der Mittelpunkt des Kreises auf einer Verlängerung der Welle 230 liegt.
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Wie oben angedeutet, weist die Energiequelle 160 bzw. deren Leistungselektronik 162 für den dritten Elektromotor idealerweise einen separaten, dritten Stromumwandler 166 auf, der in 8 jedoch nicht dargestellt ist, da er in den gezeigten Ansichten der 8 durch andere Komponenten des Antriebssystems 100 verdeckt ist. Durch den Einsatz des dritten Motors 170 zusätzlich zu den beiden Motoren 110, 120 wird die Redundanz und somit die Gesamtsicherheit des Antriebssystems 100 weiter erhöht, da bei einem Ausfall eines der Motoren 110, 120, 170 noch zwei weitere Motoren einen Flugbetrieb ermöglichen.
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In der 9 sind die den Elektromotoren 110, 120, 170 zugeordneten Stromumwandler 163, 164, 166 nicht in einem gemeinsamen Gehäuse der Leistungselektronikeinheit 162 angeordnet sind, sondern in größtmöglicher Nähe des jeweiligen Elektromotors 110, 120, 170.
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Die in den 5–9 dargestellten Anordnungen sind lediglich beispielhaft und es ist natürlich möglich, die einzelnen Komponenten des Antriebssystems 100 je nach Bedarf und individuellen Gegebenheiten anzuordnen. Bspw. können die einzelnen Stromumwandler 163, 164 bzw. 166 anstatt räumlich gemeinsam bspw. in einem Gehäuse der Leistungselektronikeinheit 162 zusammengefasst zu sein, jeweils in der Nähe desjenigen Elektromotors 110, 120, 170 angeordnet sein, den sie mit elektrischer Energie versorgen. Dies ist in den 6 und 9 angedeutet, wobei in der 9 der dritte Stromumwandler 166 den dritten Elektromotor 170 mit elektrischer Energie in Form einer Wechselspannung versorgt.
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Generell ist anzumerken, dass sämtliche im Zusammenhang mit den Figuren eingeführten Komponenten des Antriebssystems 100 über eigene Gehäuse verfügen können. Es ist jedoch denkbar, dass mehrere Komponenten in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind, wenn dies bspw. aufgrund der jeweiligen räumlichen Bedingungen notwendig und/oder vorteilhaft ist. Bspw. kann jeder der Stromumwandler 163, 164, 166 ein eigenes Gehäuse aufweisen. Alternativ können die Stromumwandler 163, 164, 166 in einem gemeinsamen Gehäuse der Leistungselektronikeinheit 162 untergebracht sein. Auch kann jeder der Stromumwandler 163, 164, 166 in einem Motorgehäuse des dem jeweiligen Stromumwandler 163, 164, 166 zugeordneten Motors 110, 120, 170 untergebracht sein. Weiterhin können je nach Anordnung der Motoren 110, 120, 170 und des Getriebes 150 diese Komponenten 110, 120, 170, 150 ein gemeinsamen Gehäuse teilen. Auch das Propellerlager 220 kann bspw. mit dem Getriebegehäuse kombiniert bzw. in dieses integriert werden.
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In den Figuren weist das Antriebssystem 100 zum Antreiben des Vortriebsmittels 200 bzw. des Propellers 210 exemplarisch jeweils nur zwei 110, 120 bzw. drei Elektromotoren 110, 120, 170 auf. Generell kann das vorgestellte Konzept natürlich auf eine weitestgehend beliebige Vielzahl von Elektromotoren ausgeweitet werden. Konsequenterweise würde dabei auch die Leistungselektronikeinheit 162 derart ausgelegt, dass für jeden einzelnen Elektromotor ein separater Umrichter bzw. Wechselrichter vorgesehen ist, um maximale Redundanz zu erzielen.
