DE102019101360A1

DE102019101360A1 - Luftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019101360A1
Application number: DE102019101360.7A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Bernard
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2019-01-21
Filing date: 2019-01-21
Publication date: 2020-07-23

Abstract

Die Erfindung stellt ein Luftfahrzeug mit den folgenden Merkmalen bereit: Das Luftfahrzeug weist eine Antriebseinheit (10) auf; die Antriebseinheit (10) umfasst einen Propeller (11) und einen drehstarr mit dem Propeller (11) verbundenen Elektromotor (12); und der Elektromotor (12) ist derart gesteuert, dass, wenn der Propeller (11) ein Propellergeräusch (21) verursacht, der Elektromotor (12) ein zum Propellergeräusch (21) gegenphasiges Motorgeräusch (22) verursacht.

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).
Sentpali, S. et al, Akustische Funktionsmehrung elektrischer Lenksysteme, DAGA 2016, Aachen, beschreibt die Ergebnisse einer Machbarkeitsstudie der Hochschule München zur akustischen Funktionsmehrung eines Elektromotors und untersucht insbesondere dessen Emissionsverhalten in Form der an der Motorgehäuseoberfläche gemessenen Körperschallbeschleunigung.
DE102015213155A1 schlägt 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.
DE10 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.
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 aktiven Geräuschunterdrückung (active noise cancelation, ANC) innerhalb der Antriebseinheit. Dies erlaubt eine effektive Kontrolle dieser Aufgabe an der Quelle, sodass keine komplexeren und teureren anderen Korrekturmaßnahmen erforderlich sind.
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 den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

1 zeigt das Prinzipbild einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit.
2 zeigt den Aufbau eines permanenterregten Elektromotors.

Die Figuren illustrieren in ihrer Zusammenschau die konstruktiven Merkmale einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Luftfahrzeuges anhand dessen Antriebseinheit (10 - 1).
Durch Steuerung des für den Antrieb irrelevanten magnetischen Normalfeldes des Elektromotors (12) wird dessen als Statorrücken (2 - 2) dienendes Motorgehäuse zur Abstrahlung von Schall angeregt. Dieses Motorgeräusch (22) kann somit gesteuert und gegenphasig zum Propellergeräusch (21) moduliert werden, was eine wirksame ANC innerhalb der Antriebseinheit (10) bewirkt, da Propellergeräusch (21) und Motorgeräusch (22) sich gegenseitig auslöschen.
Der Schallleistungspegel lässt sich dann wie folgt bestimmen: $L_{W} \approx 10 \cdot lg \frac{P_{W}}{P_{0}} \approx 120 + 10 \cdot α \cdot lg (\frac{U}{U_{0}}) + 10 \cdot β \cdot lg (\frac{P_{el}}{P_{el, 0}}) + 10 \cdot lg (k) db$
Hierbei bezeichnen U die Rotordrehzahl in $\frac{1}{min},$
P_el die elektrische Leistung in kW und α, β und k empirisch aus Versuchsreihen gewonnene Konstanten. Ferner gelte per Definition $U_{0} = \frac{1}{min},$
P_el,0 = 1 kW und P₀ = 10^-12 W.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102015213155 A1 [0004]
DE 102009056784 A1 [0005]

Claims

Luftfahrzeug, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Luftfahrzeug weist eine Antriebseinheit (10) auf, - die Antriebseinheit (10) umfasst einen Propeller (11) und einen drehstarr mit dem Propeller (11) verbundenen Elektromotor (12) und - der Elektromotor (12) ist derart gesteuert, dass, wenn der Propeller (11) ein Propellergeräusch (21) verursacht, der Elektromotor (12) ein zum Propellergeräusch (21) gegenphasiges Motorgeräusch (22) verursacht.
Luftfahrzeug nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - der Elektromotor (12) umfasst einen Stator (1) mit einem Statorrücken (2) und Statorwicklungen (3) sowie ein Permanentmagneten (4) tragendes Rotorblechpaket (5) auf einer koaxial zum Stator (1) verlaufenden Rotorwelle (6), - der Stator (1) ist vom Rotorblechpaket (5) durch einen Luftspalt (7) getrennt, entlang dessen Maxwellkräfte (8) und Lorenzkräfte (9) wirken und - der Elektromotor (12) ist derart gesteuert, dass die Maxwellkräfte (8) und Lorenzkräfte (9) den Statorrücken (2) gegenphasig zum Propellergeräusch (21) anregen.
Luftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - der Statorrücken bildet ein Gehäuse des Elektromotors (12).
Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug weist einen vollelektrischen Antrieb auf.
Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug umfasst abgeknickte oder abknickbare Tragflächen.
Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug umfasst ein schnell ladbares Batteriesystem.
Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug umfasst waagerecht feststehende Mantelpropeller für Start und Landung.
Luftfahrzeug nach Anspruch 7, 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 8, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug umfasst senkrecht feststehende Mantelpropeller zum Erzeugen eines Vortriebes.
Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug ist wahlweise vollautonom steuerbar.