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Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Luftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein Luftfahrzeug mit einem Luftfahrzeugaufbau und einem elektrischen Flugantrieb, wobei der Luftfahrzeugaufbau eine äußere Gestalt des Luftfahrzeugs ausbildet und der Flugantrieb einen Rotor und einen Stator aufweist, wird in der
DE 10 2014 205 829 A1 offenbart.
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Die
EP 2 270 315 A2 beschreibt ein Flugzeuggasturbinentriebwerk mit einem gegenläufig drehbaren Generator, der von einer Turbine angetrieben wird und einen Generatorstator sowie gegenläufig drehbare radial innere Pol- und äußere Magnetrotoren enthält.
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Dokument
EP 2 613 033 A2 offenbart eine Turbomaschine umfassend eine Turbinenwelle, einen ersten und einen zweiten Rotor, eine erste und eine zweite Antriebsstufe sowie einen magnetischen Stator.
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Es ist Aufgabe der Erfindung eine Antriebsvorrichtung für ein senkrecht start- und landefähiges Luftfahrzeug bereitzustellen, die bei geringem Bauraumbedarf gleichzeitig eine hohe Reisegeschwindigkeit ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Antriebsvorrichtung für ein Luftfahrzeug und ein Luftfahrzeug welches mit dieser Antriebsvorrichtung betreibbar ist, gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der Beschreibung.
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Eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung für ein Luftfahrzeug, mit wenigstens einem elektromagnetisch betreibbaren Rotorelement, mittels welchem ein Auftrieb für das Luftfahrzeug erzeugbar ist, wobei wenigstens ein Antriebselement vorgesehen ist, mittels welchem ein Vortrieb für das Luftfahrzeug erzeugbar ist, und wobei wenigstens ein Kraftstofftank für Kraftstoff vorgesehen ist, mittels welchem eine Brennstoffzelle speisbar ist zur Erzeugung von elektrischer Energie zur Versorgung des wenigstens einen Rotorelements, und mittels welchem das Antriebselement direkt betreibbar ist. Diese Antriebsvorrichtung umfasst einen Kraftstofftank als Energiespeicher. Der Kraftstoff kann entweder zur Verbrennung in dem wenigstens einen Antriebselement genutzt werden, oder aber über die wenigstens eine Brennstoffzelle in elektrische Energie umgewandelt werden. Diese elektrische Energie wiederum wird dann zum Antrieb des wenigstens einen Rotorelements verwendet. Dadurch ist es möglich, die Fähigkeit zum senkrechten starten und landen mit hoher Reisegeschwindigkeit zu kombinieren. Darüber hinaus kann durch die Verwendung eines einzigen Kraftstoffs sowohl das zumindest eine Antriebselement direkt als auch die zumindest eine Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie für das wenigstens eine Rotorelement betrieben werden.
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Es ist in einer vorteilhaften Ausgestaltungsform vorgesehen, dass das Rotorelement ein Gehäuse aufweist, das zumindest einen an einer Radialwelle befestigten Rotor aufweist, der innerhalb zumindest eines Stators, drehbar angeordnet und von dem Stator umgeben ist, wobei der Stator Statorwicklungen und der Rotor Permanentmagnete aufweist, die zueinander so angeordnet sind, dass ein Magnetlager für den Rotor ausbildbar ist.
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Generell können herkömmliche Rotoren sich an den Enden verbiegen, sodass nur eine begrenzte Anzahl dieser Rotoren paketiert werden kann. Zusätzlich resultiert ein nötiger Mindestabstand und somit ein großer Bauraumbedarf für diese Rotorelemente. Die Rotoren selbst tragen an den Spitzen Magnete, welche gegenpolig zu dem erzeugten Magnetfeld des ringförmigen Stators sind. Durch die sequentielle Ansteuerung der Elemente des Stators wird eine rotierende Bewegung des Rotors erzeugt. Gleichzeitig wird der Rotor in der Höhe durch das Magnetfeld auf eine exakte Flugbahn fixiert. Eine Auslenkung der Rotorenden ist nicht mehr möglich. Somit ergeben sich geringe Lagerkräfte und kleine Bauteilabmessungen der Rotoren. Die Rotoren können daher auf geringem Bauraum paketiert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform umfasst das Rotorelement zumindest zwei oder drei oder vier Rotoren, die jeweils gegenläufig betreibbar sind. Die Kombination von gegenläufigen Rotoren dient zur Steigerung der Traglast bei gleichzeitig geringen Geräuschemissionen und trägt darüber hinaus zu einem besseren Schutz der Passagiere bei.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist das wenigstens eine Rotorelement mit einer Ummantelung und/oder Klappe versehen, die geschlossen werden kann. Durch die Ummantelung der Rotoren kann die Sicherheit der Passagiere weiter verbessert werden. Darüber hinaus verringert eine Ummantelung der Rotoren deren Geräuschemissionen zusätzlich. Außerdem wird mit dem Schließen der Klappe eine lückenlose Außenhaut gebildet, welche als Tragfläche fungiert und damit den Auftrieb des Luftfahrzeugs im Flugbetrieb verbessert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform umfasst die Antriebsvorrichtung zumindest zwei oder vier Rotorelemente. Durch zusätzliche Rotorelemente wird eine weitere Stabilisierung in Vertikalrichtung und auch eine verbesserte Steigrate des Luftfahrzeugs erreicht. Auch eine verbesserte Sicherheit und ein weiter verbesserter Schutz der Insassen werden erreicht, wenn die zusätzlichen Rotorelemente des Luftfahrzeugs redundant vorliegen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform umfasst das Antriebselement eine Turbine oder eine Propellerturbine. Insbesondere umfasst das Antriebselement zumindest ein Turbinenstrahltriebwerk oder zumindest ein Propellerturbinenluftstrahltriebwerk. Das Antriebselement dient dem Vortrieb des Luftfahrzeugs. Durch die Verwendung von Turbinen oder Propellerturbine, insbesondere Turbinenstrahltriebwerken oder Propellerturbinenluftstrahltriebwerken, ist es möglich, einen deutlich höheren Vortrieb und damit eine höhere Reisegeschwindigkeit zu erzielen als mit Rotorelementen alleine.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltungsform umfasst die Antriebsvorrichtung zumindest zwei Antriebselemente. Auch hier wird eine verbesserte Sicherheit sowie weiter verbesserter Schutz der Insassen erreicht, wenn die Antriebselemente des Luftfahrzeugs redundant vorliegen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform ist der Kraftstoff Wasserstoff. Der Wasserstoff kann entweder zur Verbrennung in dem zumindest einen Antriebselement genutzt werden, oder auch über die zumindest eine Brennstoffzelle in elektrische Energie umgewandelt werden. Darüber hinaus ist Wasserstoff ein Kraftstoff mit hoher Energiedichte und verbrennt deutlich weniger klimaschädlich als beispielsweise Kerosin.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform umfasst die Antriebsvorrichtung zumindest zwei Kraftstofftanks, die miteinander verbunden sind. Die Antriebsvorrichtung, bestehend aus zwei Kraftstofftanks, kann zusätzlich als Energiespeicher für die zumindest eine Brennstoffzelle zur Versorgung des zumindest einen Rotorelements mit elektrischer Energie verwendet werden.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltungsform sind alle Elemente, insbesondere die Elemente Tank, Brennstoffzelle, Antriebselement und Rotorelement mehrfach ausgeprägt um die Sicherheit der Passagiere durch Redundanz zu erhöhen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform verfügt die Antriebsvorrichtung über zumindest einen Akkumulator zur Speicherung von elektrischem Strom, der in der Brennstoffzelle erzeugt wird. Der Akkumulator kann als Ausgleichsspeicher verwendet werden, um Ungleichmäßigkeiten bei der Stromerzeugung durch die zumindest eine Brennstoffzelle auszugleichen.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltungsform kann mit dem Rotorelement, insbesondere im Sinkflug des Luftfahrzeugs, elektrische Energie zurückgewonnen werden. Mit der zurückgewonnenen elektrischen Energie aus dem Rotorelement kann der Akkumulator aufgeladen werden.
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Die Antriebsvorrichtung umfasst daher zumindest einen Akkumulator zur Speicherung von elektrischem Strom, wobei optional der Strom in den Brennstoffzellen erzeugt wird und / oder aus dem Rotorelement während des Sinkfluges zurückgewonnen wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist der Akkumulator derart ausgebildet, um genügend elektrischen Strom zu speichern damit bei einem Ausfall der Brennstoffzelle oder bei Versiegen des Treibstoffs die Rotorelemente der Antriebsvorrichtung so lange betreibbar sind, um das mit der Antriebsvorrichtung betriebene Luftfahrzeug von seiner Reiseflughöhe sicher zu landen.
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Ein erfindungsgemäßes Luftfahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung. Am Luftfahrzeug können Tragflächen ausgebildet sein.
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Das Luftfahrzeug kann über ein Paar Tragflächen verfügen. Das eine Paar Tragflächen kann in der Mitte des Luftfahrzeugs angebracht sein. Bevorzugt verfügt das Luftfahrzeug über zwei Paar Tragflächen. Insbesondere sind jeweils ein Paar Tragflächen am Heck und am Bug des Luftfahrzeugs angebracht. Die Rotorelemente können in den Tragflächen des Luftfahrzeugs angebracht sein.
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Die Außenhaut des Luftfahrzeugs kann darüber hinaus mit Solarzellen verkleidet sein. Die Solarzellen können zur Erzeugung von elektrischer Energie dienen, diese kann für den Start des Luftfahrzeugs, oder für dessen Flugbetrieb bereitgestellt werden.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar. Antriebsformern sind im Allgemeinen entweder rein elektrisch oder über Wasserstoff möglich.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Perspektivansicht der Antriebsvorrichtung in der Draufsicht;
- 2 eine schematische Perspektivansicht des Rotorelements mit vier Rotoren im Seitenquerschnitt;
- 3 eine schematische Perspektivansicht eines Luftfahrzeugs ausgestattet mit einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung in der Draufsicht.
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1 zeigt in der Draufsicht die Antriebsvorrichtung 10 für ein Luftfahrzeug mit vier elektromagnetisch betreibbaren Rotorelementen 12, mittels welchen ein Auftrieb für das Luftfahrzeug erzeugbar ist. Die Antriebsvorrichtung 10 verfügt über zwei Antriebselemente 14, mittels welchen ein Vortrieb für das Luftfahrzeug erzeugbar ist. Die Antriebsvorrichtung 10 umfasst weiterhin zwei Kraftstofftanks 16 für Kraftstoff, mittels welchen die zwei Brennstoffzellen 18 speisbar sind. Die Brennstoffzellen 18 erzeugen elektrische Energie zur Versorgung der Rotorelemente 12. Mit dem Kraftstoff aus den Kraftstofftanks 16 sind die zwei Antriebselemente 14 direkt betreibbar.
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Der Kraftstoff kann entweder zur Verbrennung in den Antriebselementen genutzt werden, oder aber über Brennstoffzellen in elektrische Energie umgewandelt werden. Diese elektrische Energie wiederum wird dann zum Antrieb der Rotorelemente verwendet. Dadurch ist es möglich, die Fähigkeit zum senkrechten starten und landen mit hoher Reisegeschwindigkeit zu kombinieren. Darüber hinaus können durch die Verwendung eines einzigen Kraftstoffs sowohl die Antriebselemente direkt als auch die Brennstoffzellen zur Erzeugung elektrischer Energie für die Rotorelemente betrieben werden.
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Alle Elemente, insbesondere der Kraftstofftank 16, die Brennstoffzelle 18, das Antriebselement 14 sowie das Rotorelement 12 sind mehrfach ausgeprägt um die Sicherheit der Passagiere durch Redundanz zu erhöhen.
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Das Antriebselement 14 kann als eine Turbine oder eine Propellerturbine ausgebildet sein. Insbesondere umfasst das Antriebselement 14 zumindest ein Turbinenstrahltriebwerk oder zumindest ein Propellerturbinenluftstrahltriebwerk. Das Antriebselement 14 dient dem Vortrieb des Luftfahrzeugs 30 (3). Durch die Verwendung von Turbinen oder Propellerturbinen, insbesondere Turbinenstrahltriebwerken oder Propellerturbinenluftstrahltriebwerken, ist es möglich einen deutlich höheren Vortrieb und damit eine höhere Reisegeschwindigkeit zu erzielen, als mit den Rotorelementen 12 alleine.
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Die Antriebsvorrichtung 10 umfasst vier Rotorelemente 12. Durch mehrere Rotorelemente 12 wird eine weitere Stabilisierung in Vertikalrichtung und auch eine verbesserte Steigrate des Luftfahrzeugs 30 (3) erreicht. Auch eine verbesserte Sicherheit sowie weiter verbesserter Schutz der Insassen wird erreicht, wenn die zusätzlichen Rotorelemente 12 des Luftfahrzeugs 30 (3) redundant vorliegen. Die Antriebsvorrichtung 10 kann zwei oder vier Rotorelemente 12 umfassen.
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Die Antriebsvorrichtung 10, bestehend aus zwei Kraftstofftanks 16, kann zusätzlich als Energiespeicher für die Brennstoffzellen 18 zur Versorgung der Rotorelemente 12 mit elektrischer Energie verwendet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform sind die Rotorelemente 12 mit einer Ummantelung und/oder Klappe versehen, die geschlossen werden kann. Durch die Ummantelung der Rotoren 20 (2) kann die Sicherheit der Passagiere weiter verbessert werden. Darüber hinaus verringert eine Ummantelung der Rotoren 20 (2) deren Geräuschemissionen zusätzlich.
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2 zeigt eine schematische Perspektivansicht des Rotorelements 12 mit vier Rotoren 20 im Seitenquerschnitt. Das Rotorelement 12 weist ein Gehäuse 26 auf, das vier an einer Radialwelle 24 befestigte Rotoren 20, die innerhalb von vier Statoren 28, drehbar angeordnet und von den Statoren 28 umgeben sind. Die Statoren 28 weisen Statorwicklungen und die Rotoren 20 Permanentmagnete 22 auf, die zueinander so angeordnet sind, dass für jeden Rotor 20 ein Magnetlager ausbildbar ist.
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Generell können sich herkömmliche Rotoren an den Enden verbiegen, sodass nur eine begrenzte Anzahl dieser Rotoren paketiert werden kann. Zusätzlich resultiert ein nötiger Mindestabstand und somit ein großer Bauraumbedarf für diese Rotorpakete.
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Die Rotoren 20 selbst tragen an den Spitzen Permanentmagnete 22, welche gegenpolig zu dem erzeugten Magnetfeld des ringförmigen Stators 28 sind. Durch die sequentielle Ansteuerung der Statorwicklungen des Stators 28 wird eine rotierende Bewegung des Rotors 20 erzeugt. Gleichzeitig wird der Rotor 20 in der Höhe durch das Magnetfeld auf eine exakte Flugbahn fixiert. Eine Auslenkung der Rotorenden ist nicht mehr möglich. Somit ergeben sich geringe Lagerkräfte und kleine Bauteilabmessungen der Rotoren 20. Die Rotoren 20 können daher auf geringem Bauraum paketiert werden. Die Stromversorgung des Rotorelements 12 erfolgt mit elektrischer Energie, welche in der Brennstoffzelle 18 erzeugt wird.
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Das Rotorelement 12 kann daher zumindest zwei oder drei oder vier Rotoren 20 umfassen.
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Die Rotoren 20 sind jeweils gegenläufig betreibbar. Die Kombination von gegenläufigen Rotoren 20 dient zur Steigerung der Traglast bei gleichzeitig geringen Geräuschemissionen und trägt darüber hinaus zu einem besseren Schutz der Passagiere bei.
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3 zeigt eine schematische Perspektivansicht eines Luftfahrzeugs 30, ausgestattet mit einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung 10 in der Draufsicht. Das Luftfahrzeug 30 umfasst eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung 10 mit zwei Antriebselementen 14 und vier Rotorelementen 12 die in die Fläche von einem Paar Bugtragflächen 34 und einem Paar Hecktragflächen 32 integriert sind. Das Luftfahrzeug 30 umfasst darüber hinaus einen Fluggastraum 36.
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das Luftfahrzeug 30 verfügt über jeweils ein Paar Hecktragflächen 32 und ein Paar Bugtragflächen 34. Die Rotorelemente 12 können in den Tragflächen der Hecktragflächen 32 und/oder der Bugtragflächen 34 des Luftfahrzeugs angebracht sein.
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Das Luftfahrzeug kann über ein Paar Tragflächen verfügen. Das eine Paar Tragflächen kann in der Mitte des Luftfahrzeugs angebracht sein. Bevorzugt verfügt das Luftfahrzeug über zwei Paar Tragflächen. Insbesondere sind jeweils ein Paar Tragflächen am Heck und am Bug des Luftfahrzeugs angebracht. Die Rotorelemente können in den Tragflächen des Luftfahrzeugs angebracht sein.
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Die Außenhaut des Luftfahrzeugs kann darüber hinaus mit Solarzellen verkleidet sein. Die Solarzellen können zur Erzeugung von elektrischer Energie dienen, diese kann für den Start des Luftfahrzeugs, oder für dessen Flugbetrieb bereitgestellt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform verfügt die Antriebsvorrichtung 10 über zumindest einen Akkumulator (nicht in den Figuren gezeigt) zur Speicherung von elektrischem Strom, der in den Brennstoffzellen 18 erzeugt wird. Der Akkumulator kann als Ausgleichsspeicher verwendet werden, um Ungleichmäßigkeiten bei der Stromerzeugung durch die Brennstoffzellen 18 auszugleichen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist der Akkumulator derart ausgebildet, um genügend elektrischen Strom zu speichern damit bei einem Ausfall der Brennstoffzellen 18 oder bei Versiegen des Treibstoffs, die Rotorelemente 12 der Antriebsvorrichtung 10 so lange betreibbar sind, um das mit dem Antriebsvorrichtung 10 betriebene Luftfahrzeug 30 von seiner Reiseflughöhe sicher zu landen.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltungsform kann mit den Rotorelementen 12, insbesondere im Sinkflug des Luftfahrzeugs 30, elektrische Energie zurückgewonnen werden. Mit der zurückgewonnenen elektrischen Energie aus dem Rotorelement 12 kann der Akkumulator aufgeladen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Antriebsvorrichtung
- 12
- Rotorelement
- 14
- Antriebselement
- 16
- Kraftstofftank
- 18
- Brennstoffzelle
- 20
- Rotor
- 22
- Permanentmagnet
- 24
- Radialwelle
- 26
- Gehäuse
- 28
- Stator
- 30
- Luftfahrzeug
- 32
- Hecktragfläche
- 34
- Bugtragfläche
- 36
- Fluggastraum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014205829 A1 [0002]
- EP 2270315 A2 [0003]
- EP 2613033 A2 [0004]
