-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit zumindest einem Rotor, der um seine Rotorlängsachse rotierbar gelagert ist, wobei der Rotor zumindest ein Rotorblatt umfasst, das um seine Rotorblattlängsachse rotierbar gelagert ist.
-
Im Stand der Technik sind Fahrzeuge bekannt, beispielsweise in Form von Luftfahrzeugen, Wasserfahrzeugen oder Landfahrzeugen, die mittels eines Rotors eine Bewegung relativ zu einem das Fahrzeug umgebenden Fluids erzeugen. Derartige Rotoren umfassen dabei Rotorblätter in Form von Schrauben oder Propellern, die durch die Bewegung des Rotorblatts durch das Fluid eine Kraft auf das Rotorblatt bewirkt, die das mit dem Rotor verbundene Fahrzeug relativ zum Fluid beschleunigt und somit bewegt.
-
Ferner sind Fahrzeuge mit Rotoren bekannt, deren Rotorblätter eine zylindrische Form, d.h. einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt, aufweisen. Unter Nutzung des sogenannten Magnus-Effekt erzeugen derartige Rotoren mit zylindrischen Rotorblättern eine Kraftkomponente senkrecht zur Rotorblattlängsachse. Hierfür muss einerseits der Rotor selbst um seine Rotorlängsachse rotieren und zudem müssen die zylindrischen Rotorblätter um ihre jeweiligen Rotorblattlängsachsen rotieren. Ein Fahrzeug mit einem solchen Rotor wird beispielsweise in der
DE 10 2016 208 415 A1 offenbart. Hinsichtlich des grundsätzlichen Aufbaus eines solchen Fahrzeugs, insbesondere hinsichtlich des Rotors mit seinen zylindrischen Rotorblättern, wird auf diese Druckschrift verwiesen.
-
Um eine Rotation des Rotors um seine Rotorlängsachse einerseits und eine Rotation der Rotorblätter um ihre jeweiligen Rotorblattlängsachsen andererseits bereitstellen zu können, müssen sowohl Rotor als auch die Rotorblätter angetrieben werden.
-
Ausgehend von diesen bekannten Fahrzeugen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein derartiges Fahrzeug bereitzustellen, das möglichst keinen separaten Antrieb für die Rotorblätter des Rotors mehr benötigt bzw. nur einen verhältnismäßig klein dimensionierten Antrieb benötigt. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Fahrzeug bereitzustellen, das in einem Generatorbetrieb einen größeren Wirkungsgrad aufweist.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Fahrzeug nach dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
-
Eine erfindungsgemäßes Fahrzeug umfasst: zumindest einen Rotor, der um seine Rotorlängsachse rotierbar gelagert ist; wobei der Rotor zumindest ein Rotorblatt umfasst, das um seine jeweiligen Rotorblattlängsachse rotierbar gelagert ist; zumindest einen Motor zum Antrieb des Rotors um seine Rotorlängsachse; wobei das Rotorblatt einen Grundkörper umfasst, auf dem eine Oberflächenstruktur vorgesehen ist, die eine Rotation des Rotorblatts um dessen Rotorblattlängsachse bewirkt, wenn der Rotor um seine Rotorlängsachse rotiert.
-
Bei einem anspruchsgemäßen Rotor mit einem Rotorblatt, können zur Vermeidung einer gegebenenfalls unerwünschten asymmetrischen Gewichtsverteilung auch geeignete Gegengewichten am Rotor angeordnet werden. Vorzugsweise umfasst der Rotor jedoch zumindest zwei Rotorblätter, die um ihre Rotorblattlängsachsen rotierbar gelagert sind, wobei das Rotorblatt vorzugsweise einen im Wesentlichen zylindrischen Grundkörper umfasst. Alternativ kann das Rotorblatt allerdings auch als im Wesentlichen kegelförmig ausgebildet sein. Die Erfindung ist dabei nicht auf eine bestimmte Grundform beschränkt, sondern umfasst alle Grundformen, die geeignet sind, eine korrespondierende Kraftkomponente unter Nutzung des Magnus-Effekts zu erzeugen. Nachfolgende Erläuterungen beschreiben die besonders bevorzugte Ausführungsform eines Rotors mit zwei Rotorblättern, wobei die Erläuterungen entsprechend auch für Ausführungsformen mit nur einem Rotorblatt gelten.
-
Die Oberflächenstruktur kann dabei einstückig mit dem zylindrischen Grundkörper oder als separates Anlageteil ausgebildet sein, das an dem zylindrischen Grundkörper befestigt wird. Beispielsweise können Flügelelemente oder Klappenelemente am zylindrischen Grundkörper vorgesehen sein, die über die gesamte Rotorblattlängsachse verlaufen oder nur in Teilbereichen am zylindrischen Grundkörper vorgesehen sind. Wesentlich ist lediglich, dass die auf dem zylindrischen Grundkörper vorgesehene Oberflächenstruktur eine Rotation des Rotorblatts bewirkt, sobald sich der Rotor um seine Rotorlängsachse dreht. Durch eine derartige Gestaltung eines Rotorblatts, das sich ohne eigenen Antrieb in Rotation um seine Rotorblattlängsachse versetzt, sobald dieses mit Fluid umströmt wird, besteht die Möglichkeit auf einen Antrieb für die Rotorblätter vollständig zu verzichten oder einen solchen Antrieb wesentlich kleiner dimensionieren zu können. Darüber hinaus können über eine solche Oberflächenstruktur (beispielsweise Erhebungen, Vorsprünge, Flügel, bewegliche Anordnungen, etc.) Beschichtungen aufgebracht oder gespannt werden, um unerwünschte Kantenbildungen und damit unerwünschte Turbulenzquellen zu vermeiden. Solche Beschichtungen können beispielsweise aus elastischen Materialien bereitgestellt werden, um eine Beweglichkeit von darunter vorgesehenen beweglichen/verstellbaren Anordnungen zu ermöglichen. Auch können weitere Materialen an oder in Kantige Bereiche ein- oder angebracht werden, um unerwünschte Turbulenzquellen zu vermeiden.
-
Vorteilhafterweise ist die Oberflächenstruktur als schraubenförmige Oberflächenstruktur ausgebildet. Unter einer schraubenförmigen Oberflächenstruktur kann dabei eine sich um den zylindrischen Grundkörper windende Erhöhung mit konstanter Ganghöhe verstanden werden oder eine sich um den zylindrischen Grundkörper windende Erhöhung mit variabler Ganghöhe verstanden werden, wie dies beispielsweise bei einer spiralförmigen Ausgestaltung der Fall ist. Ferner kann die schrauben- oder spiralförmige Oberflächenstruktur einen konstanten oder variablen Gangwinkel aufweisen. Der Querschnitt der Oberflächenstruktur kann dabei symmetrisch oder auch asymmetrisch ausgebildet sein.
-
Alternativ oder zusätzlich können zu einer schrauben- oder spiralförmigen Oberflächenstruktur auf dem zylindrischen Grundkörper kippbare, scheibenförmige Elemente angeordnet werden, die in Abhängigkeit der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors einen unterschiedlichen Neigungswinkel bezüglich der Rotorblattlängsachse einnehmen können.
-
Die scheibenförmigen Elemente können beispielswiese über ein Umlenkgestänge derart miteinander verbunden sein, dass die Position der scheibenförmigen Elemente über das Umlenkgestänge verändert werden kann. Vorteilhafterweise ist das Umlenkgestänge dabei innerhalb des zylindrischen Grundkörpers parallel zur Rotorblattlängsachse angeordnet.
-
Das Umlenkgestänge und damit der Neigungs- bzw. Kippwinkel der scheibenförmigen Elemente kann beispielsweise mittels einer Antriebseinheit angesteuert werden, beispielsweise mit einer Servo-Motor-/Getriebeanordnung. Alternativ oder zusätzlich kann das Umlenkgestänge mit einer Federanordnung in Eingriff stehen, die vorzugsweise ebenfalls innerhalb des zylindrischen Grundkörpers parallel zur Rotorblattlängsachse angeordnet ist.
-
Die Federanordnung kann dabei an einer Seite an der Nabe und an einer gegenüberliegenden Seite an einem beweglichen Abschlusselement befestigt sein. Mit anderen Worten ist es bevorzugt, dass jeweils stirnseitig am Rotorblatt ein bewegliches Abschlusselement vorgesehen ist, das durch die Rotation des Rotors einer Fliehkraft ausgesetzt ist und sich dadurch nach außen bewegt, wobei es dadurch das Umlenkgestänge bewegt und dadurch ein Kippen der scheibenförmigen Elemente bewirkt. Die Rückstellkraft wird dabei durch die Federanordnung bereitgestellt. Wie weit die scheibenförmigen Elemente dabei jeweils ausgelenkt bzw. geneigt werden, hängt im Wesentlichen von der Federkraft der Federanordnung und dem Gewicht des Abschlusselements ab. Durch beides kann vorbestimmt werden, bei welcher Rotationsgeschwindigkeit des Rotors, die scheibenförmigen Elemente mit welchem Neigungswinkel ausgelenkt werden.
-
Vorzugsweise liegt der Neigungswinkel zwischen einem der scheibenförmigen Elemente und der Rotorblattlängsachse zwischen 30° und 90°, besonders bevorzugt zwischen 45° und 90°. Mit anderen Worten ist es bevorzugt, dass die scheibenförmigen Elemente im Ruhezustand den kleinsten Neigungswinkel aufweisen und bei maximaler Rotorleistung den größten Neigungswinkel aufweisen, bis diese senkrecht am zylindrischen Grundkörper angeordnet sind.
-
Ferner ist es bevorzugt, dass der Motor des Fahrzeugs ein Elektromotor ist, der in einen generatorischen Betrieb schaltbar ist, in dem der Elektromotor durch eine Bewegung des Rotors um seine Rotorlängsachse Strom erzeugt, die in einem Energiespeicher speicherbar ist. Durch die oben beschriebene Oberflächenstruktur kann der Wirkungsgrad der Energieerzeug wesentlich erhöht werden, da die Rotorblätter nicht mehr über einen separaten Antrieb in Rotation gehalten werden müssen, um eine entsprechende Kraftkomponente gemäß dem Magnus-Effekt zu erzeugen.
-
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und den Figuren. Alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale können unabhängig von ihrer Darstellung in einzelnen Ansprüchen, Figuren, Sätzen oder Absätzen miteinander kombiniert werden.
-
Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines Rotors einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs;
- 2 eine schematische Ansicht eines Rotors einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs bei maximaler Drehzahl des Rotors; und
- 3 eine schematische Ansicht des Rotors aus 2 bei minimaler Drehzahl des Rotors.
-
In der nachfolgenden Beschreibung der Figuren werden gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte verwendet, wobei nur die jeweiligen Unterschiede erläutert werden und die Erläuterungen daher für alle Objekte gelten, soweit Unterschiede nicht ausdrücklich erläutert werden.
-
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Rotors 1 einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs. Der gezeigte Rotor 1 kann dabei der einzige Rotor 1 eines Fahrzeugs sein, der an einem solchen vorgesehen ist. In der Praxis werden häufig mehrere Rotoren zum Antrieb eines Fahrzeugs eingesetzt, abhängig von Leistungsbedarf und Dimensionierung des Rotors.
-
Der Rotor 1 ist an einer Basis 2 angeordnet, beispielsweise ein Ausleger oder ein Arm einer Drohne oder dergleichen. Ferner umfasst der Rotor 1 einen Motor 3, vorzugsweise ein Elektromotor, der in einen generatorischen Betrieb schaltbar ist. Über eine Lageranordnung kann der Motor 3 eine Welle 4 antreiben, mit der eine Nabe 5 drehfest in Eingriff steht. Wesentlich an diesem Aufbau ist, dass durch den Motor 3 eine Rotation der Nabe 5 um eine Rotorlängsachse bereitgestellt werden kann, wobei unter der Rotorlängsachse allgemein die Rotationsachse der Nabe 5 zu verstehen ist, die im gezeigten Ausführungsbeispiel der Längsachse der Welle 4 entspricht.
-
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind an der Nabe 4 zwei Rotorblätter 6, 7 über jeweils eine Lageranordnung 8, 9 drehbeweglich befestigt, so dass die Rotorblätter 6, 7 um ihre jeweiligen Rotorblattlängsachsen rotieren können.
-
Wie in 1 zu erkennen, sind die Rotorblätter 6, 7 im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet, wobei auf dem zylindrischen Grundkörper eine Oberflächenstruktur angeordnet ist. Im gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Oberflächenstruktur als Erhebung mit der Geometrie einer durchgehenden Schraubenlinie ausgebildet, die sich um den zylindrischen Grundkörper herumwindet. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Oberflächenstruktur dabei einstückig mit dem zylindrischen Grundkörper ausgebildet sein.
-
Sobald die Nabe 4 durch den Motor 3 in Rotation versetzt wird, werden die Rotorblätter 6, 7 aufgrund der Anströmung der Oberflächenstruktur ebenfalls in Rotation versetzt.
-
Die 2 und 3 zeigen eine schematische Ansicht eines Rotors 10 einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs, wobei der Rotor 10 in 2 mit maximaler Drehzahl und in 3 mit minimaler Drehzahl gezeigt.
-
Der Rotor 10 ist wiederum auf einer Basis 11 angeordnet, umfasst einen Motor 12, eine Welle 13 und eine Nabe 14. An der Nabe 14 sind wiederum zwei Rotorblätter 15, 16 jeweils mittels einer Lageranordnung 17, 18 drehbeweglich angeordnet.
-
Im Unterschied zum Rotor 1 aus 1, umfassen die Rotorblätter 15, 16 eine Oberflächenstruktur, die durch kippbare angeordnete Scheiben 19 (in den 2 und 3 ist der besseren Übersichtlichkeit nur jeweils eine Scheibe mit einem Bezugszeichen versehen) bereitgestellt wird.
-
Die Scheiben 19 sind jeweils mit einem Umlenkgestänge 20 verbunden, wobei eine Bewegung des Umlenkgestänges 20 ein Kippen/Drehen der Scheiben 19 bewirkt. Das Umlenkgestänge 20 ist wiederum mit einer Federanordnung 21 verbunden, wobei die Federanordnung 21 an einer Seite an der Nabe 14 fixiert und an der gegenüberliegenden Seite mit einem beweglichen Abschlusselement 22 verbunden ist, an dem auch das Umlenkgestänge 20 befestigt ist. Sowohl das Umlenkgestänge 20 als auch die Federanordnung 21 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel innerhalb der jeweiligen Rotorblätter 15, 16, parallel zu den Rotorblattlängsachsen angeordnet. Eine Verbindung des Umlenkgestänges 20 mit den Scheiben 19 kann dabei beispielsweise durch im Grundkörper vorgesehene Schlitze oder dergleichen erfolgen.
-
Wie in den 2 und 3 gezeigt, werden die jeweiligen Abschlusselemente 22 durch die Rotation der Nabe 4 nach außen bewegt und bewegen dadurch das jeweilige Umlenkgestänge 20 ebenfalls nach außen. Die Federanordnungen 21 sind ebenfalls mit dem jeweiligen Abschlusselement 22 verbunden und stellen dadurch eine korrespondierende Rückstellkraft bereit. Wie in 2 gezeigt, resultiert eine maximale Drehzahl des Rotors 10 darin, dass die jeweiligen Abschlusselemente 22 maximal nach außen bewegt werden und somit die jeweiligen Scheiben 19 mittels der Umlenkgestänge 20 in ihre maximale Winkelstellung von etwa 90° bewegt werden. Demgegenüber ist in 3 gezeigt, dass eine minimale Drehzahl bzw. im Ruhezustand die jeweiligen Abschlusselemente 22 vollständig nach innen bewegt werden.
-
Die beschriebenen Oberflächenstrukturen sind derart ausgebildet, dass die Rotorblätter 6, 7, 15, 16 in Rotation um ihre jeweiligen Rotorblattlängsachsen versetzt werden, sobald der Motor 3, 12 die Nabe 5, 14 in Rotation um die Rotorlängsachse versetzt. Dadurch besteht die Möglichkeit auf einen entsprechenden Antrieb der Rotorblätter 6, 7, 15, 16 zu verzichten bzw. nur einen kleindimensionierten Antrieb vorzusehen. Auch kann dadurch der Wirkungsgrad einer Energieerzeug im generatorbetrieb des Motors 3, 12 wesentlich erhöht werden.
-
Die vorliegende Erfindung ist dabei nicht auf die vorhergehenden bevorzugten Ausführungsformen beschränkt, solange sie vom Gegenstand der folgenden Ansprüche umfasst ist. Insbesondere können die oben erläuterten Ausführungsformen auch miteinander kombiniert werden. Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug kann dabei ein Luftfahrzeug, ein Unterwasserfahrzeug, ein Wasserfahrzeug oder ein Landfahrzeug sein.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Rotor
- 2
- Basis
- 3
- Motor
- 4
- Welle
- 5
- Nabe
- 6
- Rotorblatt
- 7
- Rotorblatt
- 8
- Lageranordnung
- 9
- Lageranordnung
- 10
- Rotor
- 11
- Basis
- 12
- Motor
- 13
- Welle
- 14
- Nabe
- 15
- Rotorblatt
- 16
- Rotorblatt
- 17
- Lageranordnung
- 18
- Lageranordnung
- 19
- Scheibe (scheibenförmiges Element)
- 20
- Umlenkgestänge
- 21
- Federanordnung
- 22
- Abschlusselement
-
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 102016208415 A1 [0003]
