DE102018130822B4

DE102018130822B4 - Luftfahrzeug

Info

Publication number: DE102018130822B4
Application number: DE102018130822.1A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Bernard; Mikel Fauri
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2018-12-04
Filing date: 2018-12-04
Publication date: 2022-07-07
Anticipated expiration: 2038-12-05
Also published as: DE102018130822A1

Abstract

Luftfahrzeug, das eine Synchronmaschine (10) mit einem Gehäuse umfasst, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:- die Synchronmaschine (10) umfasst einen dauermagnetischen Läufer (12) und einen mindestens drei Ständerspulen umfassenden Ständer (11),- das Luftfahrzeug ist dazu eingerichtet, einen Dreiphasenwechselstrom derart durch die Ständerspulen zu leiten, dass der Läufer (12) den Ständer (11) mit vorgegebenem Drehmoment und vorgegebener Drehzahl umläuft und eine in Betrag und Richtung vorgegebene mechanische Kraft auf das Gehäuse ausübt und- die Ständerspulen sind mit künstlichen neuronalen Netzen verknüpft, die dazu eingerichtet sind, einen Ausgleich zwischen Geräuschentwicklung und elektrischer Leistungsabgabe der Synchronmaschine (10) zu schaffen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Luftfahrzeug, insbesondere ein vollelektrisches, senkrecht start- und landefähiges (vertical take-off and landing, VTOL) Luftfahrzeug.
Als VTOL wird in der Luft- und Raumfahrttechnik sprachübergreifend jedwede Art von Flugzeug, Drohne oder Rakete bezeichnet, welche die Fähigkeit besitzt, im Wesentlichen senkrecht und ohne Start- und Landebahn abzuheben und wieder aufzusetzen. Dieser Sammelbegriff wird nachfolgend in einem weiten Sinne verwendet, der nicht nur Starrflügelflugzeuge mit Tragflächen, sondern ebenso Drehflügler wie Hub-, Trag-, Flugschrauber und Hybride wie Verbundhub- oder Kombinationsschrauber sowie Wandelflugzeuge einschließt. Erfasst seien des Weiteren Luftfahrzeuge mit der Fähigkeit, auf besonders kurzen Strecken zu starten und zu landen (short take-off and landing, STOL), auf kurzen Strecken zu starten, aber senkrecht zu landen (short take-off and vertical landing, STOVL) oder senkrecht zu starten, aber horizontal zu landen (vertical take-off and horizontal landing, VTHL).
Bei einem Antrieb mittels Elektromotoren (E-Motoren) sind die Geräuschemissionen im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor deutlich geringer, dennoch bleibt eine starke akustische Signatur in hohen Frequenzen erhalten. Darüber hinaus sind E-Motoren typischerweise an mechanische Systeme gekoppelt, die auch eine eigene hörbare akustische Signatur haben.
DE 10 2015 213 155 A1 schlägt vor diesem Hintergrund vor, mittels eines Sensors eine für die Vibration eines Elektromotors charakteristische Vibrationsmessgröße zu erfassen und diese als Eingangsgröße für einen Dämpfungsprozess zur Reduzierung der Vibration des Elektromotors oder des dadurch verursachten Vibrationsgeräuschs heranzuziehen.
DE 10 2009 056 784 A1 betrifft den Betrieb eines Elektromotors, bei welchem ein Motoransteuersignal erzeugt und zum Motor übertragen wird. Zur Verminderung von durch den Betrieb des Motors erzeugten Störgeräuschen wird vorgeschlagen, ein geeignetes Zusatzsignal zu erzeugen und dem Motoransteuersignal bei dessen Übertragung zum Motor zu überlagern.
DE 10 2015 213 580 A1 offenbart den Gegenstand des Oberbegriffs von Anspruch 1.
Die Erfindung stellt ein Luftfahrzeug, insbesondere ein vollelektrisches, im obigen Sinne senkrecht start- und landefähiges Luftfahrzeug gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 bereit.
Ein Vorzug dieser Lösung liegt in der eröffneten Möglichkeit, den E-Motor während entscheidender Betriebsphasen - etwa bei bestimmten Drehzahlen oder Flugmanövern - leiser zu betreiben oder Geräusche mit dem E-Motor zu erzeugen, die zur aktiven Geräuschunterdrückung einer nahegelegenen Schallquelle wie des Getriebes oder Propellers verwendet werden können.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. So kann das Luftfahrzeug etwa mit abgeknickten oder gar wahlweise abknickbaren Tragflächen ausgestattet sein. Eine entsprechende Variante vergrößert die im Horizontalflug wirksame Flügelfläche, ohne aber die Standfläche des Luftfahrzeuges auszudehnen.
Ferner mag das Luftfahrzeug über ein schnell ladbares Batteriesystem verfügen, welches die Antriebsenergie für Senkrechtstart und -landung sowie Horizontalflug bereitstellt und eine kurzfristige Aufladung des Luftfahrzeuges im Stand ermöglicht.
Zum Antrieb des Luftfahrzeuges können hierbei anstelle freifahrender Rotoren mehrere Mantelpropeller (ducted fans) auch unterschiedlicher Größe zum Einsatz kommen, wie sie abseits der Luftfahrttechnik etwa von Luftkissenfahrzeugen oder Sumpfbooten bekannt sind. Das den Propeller umgebende zylindrische Gehäuse vermag in einer derartigen Ausführungsform die Schubverluste infolge von Verwirbelungen an den Blattspitzen beträchtlich zu reduzieren. Geeignete Mantelpropeller mögen horizontal oder vertikal ausgerichtet, zwischen beiden Stellungen schwenkbar ausgeführt oder aus aerodynamischen Gründen im Horizontalflug durch Lamellen (louvers) abgedeckt sein. Zudem ist eine reine Horizontalschuberzeugung mittels feststehender Mantelpropeller denkbar.
Schließlich kommt - neben einem vorzugsweise vollautonomen Betrieb des Luftfahrzeuges - bei hinreichender Qualifikation auch die Einräumung einer manuellen Kontrolle an den menschlichen Piloten in Betracht, was der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine größtmögliche Flexibilität in der Handhabung verleiht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Die Figur zeigt die Koordinatensysteme einer erfindungsgemäßen feldorientierten Regelung.
Zur erfindungsgemäßen Realisierung der akustischen Funktionen dient die in 1 dargestellte permanenterregte Synchronmaschine (10) unter Bezugnahme auf Sentpali, S. et al, Akustische Funktionsmehrung elektrischer Lenksysteme, DAGA 2016, Aachen. Die Synchronmaschine (10) umfasst einen Rotor (12), der mit Hilfe von Permanentmagneten einen konstanten magnetischen Fluss in Richtung der Koordinate d erzeugt. Ein den Rotor (12) umgebender Stator (11) wird über ein dreiphasiges Wicklungssystem (a, b, c) gespeist und erzeugt - vereinfacht beschrieben - ein umlaufendes Magnetfeld, dem der Rotor (12) folgt, um die somit als Motor genutzte Synchronmaschine (10) zu drehen (abbildungsgemäß rechte Seite).
Vorzugsweise wird hierbei eine feldorientierte Regelung eingesetzt. Dabei werden zur einfacheren mathematischen Beschreibung in einem ersten Schritt im Wege einer sogenannten Clarke-Transformation die dreiphasigen Stranggrößen (a, b, c) in zweiphasige (komplexe) Raumzeigergrößen (α, β) umgerechnet. Die (reelle) α-Achse entspricht dabei der α-Achse des dreiphasigen Systems.
In einem zweiten Schritt wird sodann im Wege der wohlbekannten Park-Transformation vom statorfesten (a,β)-System auf ein rotierendes, am magnetischen Fluss durch den Rotor (12) orientiertes Koordinatensystem mit den Achsen d und q gewechselt (abbildungsgemäß rechte Seite). Die reelle d-Achse weist dabei in Richtung des besagten Rotorflusses; die q-Achse steht senkrecht darauf.
Im beschriebenen (d, q)-System vereinfachen sich die Gleichungen zur Beschreibung der Dynamik der permanenterregten Synchronmaschine (10) erheblich und lassen sich auf die von gattungsmäßigen Gleichstrommaschinen bekannten Verhältnisse abbilden. Der die Synchronmaschine (10) im Motorbetrieb speisende dreiphasige Strom wird unter Verwendung der Raumzeigerdarstellung in die Komponenten i_d und i_q aufgeteilt, die im sogenannten stationären Betrieb bei konstanter Drehzahl nur noch als Gleichgrößen auftreten. i_d entspricht dabei dem Erregerstrom der Gleichstrommaschine und ist in Richtung des Rotorflusses orientiert. Damit kann - etwa durch mit den einzelnen Spulen oder Gruppen derselben verknüpfte neuronale Netze (artificial neural networks, ANN) der Fluss der Permanentmagneten überlagert und folglich die in der Figur dargestellte radiale Kraft F_d auf das Stator-Gehäuse ausgeübt werden, um ein vermindertes oder anderweitig angepasstes Betriebsgeräusch hervorzubringen. i_q entspricht dem Ankerstrom bei einer Gleichstrommaschine, steht senkrecht zur Flussachse und erzeugt eine tangentiale Kraft F_q, mittels derer sich das zum Antrieb des Luftfahrzeuges genutzte Drehmoment steuern lässt.

Claims

Luftfahrzeug, das eine Synchronmaschine (10) mit einem Gehäuse umfasst, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Synchronmaschine (10) umfasst einen dauermagnetischen Läufer (12) und einen mindestens drei Ständerspulen umfassenden Ständer (11), - das Luftfahrzeug ist dazu eingerichtet, einen Dreiphasenwechselstrom derart durch die Ständerspulen zu leiten, dass der Läufer (12) den Ständer (11) mit vorgegebenem Drehmoment und vorgegebener Drehzahl umläuft und eine in Betrag und Richtung vorgegebene mechanische Kraft auf das Gehäuse ausübt und - die Ständerspulen sind mit künstlichen neuronalen Netzen verknüpft, die dazu eingerichtet sind, einen Ausgleich zwischen Geräuschentwicklung und elektrischer Leistungsabgabe der Synchronmaschine (10) zu schaffen.
Luftfahrzeug nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug ist ferner dazu eingerichtet, die Kraft derart vorzugeben, dass die Synchronmaschine (10) ein vermindertes oder anderweitig angepasstes Betriebsgeräusch hervorbringt.
Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Luftfahrzeug weist einen vollelektrischen Antrieb auf und - der Antrieb umfasst die Synchronmaschine (10).
Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug umfasst abgeknickte oder abknickbare Tragflächen.
Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug umfasst ein schnell ladbares Batteriesystem.
Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug umfasst waagerecht feststehende Mantelpropeller für Start und Landung.
Luftfahrzeug nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Luftfahrzeug weist Lamellen auf und - die waagerechten Mantelpropeller sind mittels der Lamellen wahlweise abdeckbar.
Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug umfasst senkrecht feststehende Mantelpropeller zum Erzeugen eines Vortriebes.
Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug ist wahlweise vollautonom steuerbar.