DE102019214997A1 - Electric rotor blade tip drive - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung gibt eine Vorrichtung zum Antrieb eines Fahrzeugs an, wobei die Vorrichtung aufweist:- mindestens einen Reluktanzmotor (1) und- einen Mantelpropeller (2),wobei die Blattspitzen (2.2) des Mantelpropellers (2) mit dem Rotor (1.2) des Reluktanzmotors (1) fest verbunden sind und wobei der Stator (1.1) und der Rotor (1.2) des Reluktanzmotors (1) in dem Mantel (3) des Mantelpropellers (2) angeordnet sind.Die Erfindung gibt auch ein Fahrzeug, insbesondere ein VTOL-Flugzeug, mit einer derartigen Vorrichtung an.The invention specifies a device for driving a vehicle, the device having: - at least one reluctance motor (1) and - a ducted propeller (2), the blade tips (2.2) of the ducted propeller (2) with the rotor (1.2) of the reluctance motor (1) are firmly connected and the stator (1.1) and the rotor (1.2) of the reluctance motor (1) are arranged in the casing (3) of the ducted propeller (2). The invention also provides a vehicle, in particular a VTOL aircraft , with such a device.

Description

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum elektrischen Antreiben eines Fahrzeugs, insbesondere eines Luftfahrzeugs. Ein Fahrezug mit einer derartigen Vorrichtung wird ebenfalls angegeben.The invention relates to a device for electrically driving a vehicle, in particular an aircraft. A vehicle with such a device is also specified.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Elektrisch angetriebene Flugzeuge werden in der Regel mit permanent erregten Synchronmotoren ausgerüstet, da diese Motorbauform die höchste Leistungsdichte erreicht und somit Gewicht in einem Flugzeug sparen kann. Mehrere elektrische Motoren können einen Propeller über eine gemeinsame Welle antreiben.Electrically powered aircraft are usually equipped with permanently excited synchronous motors, as this type of motor achieves the highest power density and can therefore save weight in an aircraft. Several electric motors can drive a propeller via a common shaft.

Um eine hohe Verfügbarkeit zu erreichen, werden die Motoren in elektrisch unabhängige Teilmotoren unterteilt. Alle Teilmotoren nutzen einen gemeinsamen Rotor und bringen ihr Drehmoment auf eine gemeinsame Welle auf. 1 zeigt dieses Prinzip anhand einer schematischen Darstellung eines elektrischen Motors 5, bei der der Stator 1.1 drei Teilmotoren aufweist, die bei Stromfluss den gemeinsamen Rotor 1.2 antreiben.In order to achieve high availability, the motors are divided into electrically independent sub-motors. All sub-motors use a common rotor and apply their torque to a common shaft. 1 shows this principle on the basis of a schematic representation of an electric motor 5 where the stator 1.1 has three sub-motors that share the rotor when current flows 1.2 drive.

Jeder Teilmotor verfügt über ein eigenes Stellgerät (z. B. einen Wechselrichter) und bildet damit eine unabhängige Antriebseinheit. Bei Ausfall einer Antriebseinheit wird diese abgeschaltet. Die anderen Teilmotoren arbeiten weiter, so dass es nicht zum Totalausfall des gesamten elektrischen Antriebs kommt.Each sub-motor has its own actuator (e.g. an inverter) and thus forms an independent drive unit. If a drive unit fails, it is switched off. The other sub-motors continue to work so that there is no total failure of the entire electric drive.

Der Rotor mit seinen Permanentmagneten induziert in den Wicklungen des aufgrund eines Fehlers abgeschalteten Teilmotors eine elektrische Spannung. Liegt nun in diesem Teilmotor ein elektrischer Kurzschluss vor, erzeugt die induzierte Spannung einen hohen Kurzschlussstrom, der zur Drehmomentpulsation sowie zur Überhitzung und sogar zum Ausbruch eines Brandes führen kann.The rotor with its permanent magnets induces an electrical voltage in the windings of the sub-motor that was switched off due to a fault. If there is an electrical short circuit in this sub-motor, the induced voltage generates a high short-circuit current, which can lead to torque pulsation, overheating and even the outbreak of a fire.

Um dies zu verhindern, ist bekannt, den elektrischen Motor mit einer hohen Induktivität auszustatten und einen Kurzschluss der gesamten Wicklung durch das angeschlossene Stellgerät im Fehlerfall sicherzustellen. Damit kann der Kurzschlussstrom auf verträgliche Werte reduziert werden. Sollte das Stellgerät zusätzlich ausfallen, ist kein Schutz gegeben und der Propeller muss abgeschaltet werden.To prevent this, it is known to equip the electric motor with a high inductance and to ensure a short circuit of the entire winding through the connected actuator in the event of a fault. This allows the short-circuit current to be reduced to acceptable values. If the actuator should also fail, there is no protection and the propeller must be switched off.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung für einen elektrischen Antrieb anzugeben, welche die negativen Auswirkungen eines Kurzschlussstromes in einem defekten Teilmotor mit Wicklungskurzschluss verhindert.The object of the invention is to provide a solution for an electric drive which prevents the negative effects of a short-circuit current in a defective sub-motor with a short-circuit in the winding.

Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.The invention results from the features of the independent claims. Advantageous further developments and refinements are the subject matter of the dependent claims. Further features, possible applications and advantages of the invention emerge from the following description.

Ein erster Aspekt der Erfindung besteht darin, anstelle eines permanent erregten Synchronmotors einen Reluktanzmotor zu verwendet. Der Reluktanzmotor verfügt nicht über Permanentmagnete, so dass ein rotierender Rotor nahezu keine Spannung in einer stromlosen Motorwicklung induziert. Lediglich die Streufelder benachbarter Teilmotoren können eine geringe Spannungsinduktion hervorrufen. Die Verwendung von Reluktanzmotoren erhöht das Gewicht des Teilantriebes, da Reluktanzmotore eine geringere Leistungsdichte als permanent erregte Synchronmotoren aufweisen.A first aspect of the invention consists in using a reluctance motor instead of a permanently excited synchronous motor. The reluctance motor does not have permanent magnets, so that a rotating rotor induces almost no voltage in a de-energized motor winding. Only the stray fields of neighboring sub-motors can cause a low voltage induction. The use of reluctance motors increases the weight of the partial drive, since reluctance motors have a lower power density than permanently excited synchronous motors.

Ein Reluktanzmotor ist eine Bauform eines Elektromotors, bei dem das Drehmoment im Rotor ausschließlich durch die Reluktanzkraft erzeugt wird und nicht zu wesentlichen Anteilen durch die Lorentzkraft, wie es bei magnetisch erregten Maschinen der Fall ist. Das bedeutet, dass die Maschine weder mit Permanentmagneten bestückt ist, noch befinden sich am Rotor elektrische Wicklungen. Der Rotor besitzt ausgeprägte Pole und besteht aus einem hochpermeablen, weichmagnetischen Material wie beispielsweise Elektroblech.A reluctance motor is a type of electric motor in which the torque in the rotor is generated exclusively by the reluctance force and not to a significant extent by the Lorentz force, as is the case with magnetically excited machines. This means that the machine is not equipped with permanent magnets, nor are there any electrical windings on the rotor. The rotor has pronounced poles and consists of a highly permeable, soft magnetic material such as electrical steel.

Um den Nachteil der geringeren Leistungsdichte zu kompensieren, wird in einem weiteren Aspekt der Reluktanzmotor in den Mantel des Mantelpropellers verlagert. Das ist insbesondere bei elektrisch angetriebenen VTOL-Flugzeugen (Vertical Take Off and Landing) möglich, da dort die Propeller über einen entsprechenden Mantel verfügen. Der Antrieb des Propellers erfolgt damit nicht mehr über eine im Zentrum liegende Welle, sondern an den Blattspitzen des Propellers.In order to compensate for the disadvantage of the lower power density, the reluctance motor is relocated into the jacket of the ducted propeller in a further aspect. This is particularly possible with electrically powered VTOL aircraft (Vertical Take Off and Landing), since the propellers there have a corresponding jacket. The propeller is no longer driven by a shaft located in the center, but at the blade tips of the propeller.

Die Bewegungsgeschwindigkeit der Blattspitzen ist höher als die Umfangsgeschwindigkeit der Rotoroberfläche eines im Zentrum sitzenden Motors. Um die gleiche Leistung zu erzeugen, ist deshalb eine geringere Kraftwirkung erforderlich. Ein Ersatz der Permanentmagnete durch einen Rotor aus Eisen mit magnetischen Vorzugsrichtungen (Reluktanzmotor) ist deshalb möglich ohne Leistung zu verlieren.The speed of movement of the blade tips is higher than the peripheral speed of the rotor surface of a motor located in the center. In order to generate the same power, less force is therefore required. Replacing the permanent magnets with a rotor made of iron with preferred magnetic directions (reluctance motor) is therefore possible without losing power.

Als Mantelpropeller (Englisch ducted fan) wird eine Antriebseinrichtung bezeichnet, bei der eine speziell angepasste Form eines Propellers in einem zylindrischen Gehäuse eingebaut ist. Der Gewinn dieser Anordnung gegenüber einem „freifahrenden“ Propeller besteht darin, dass das Gehäuse (= Mantel) die Schubverluste infolge von Verwirbelungen an den Blattspitzen des Propellers reduziert. Dadurch wird die Leistung bezogen auf den Durchmesser erhöht.A ducted fan is a drive device in which a specially adapted form of a propeller is built into a cylindrical housing. The benefit of this arrangement over a " "free moving" propeller consists in the fact that the housing (= jacket) reduces the thrust losses due to turbulence at the blade tips of the propeller. This increases the performance in relation to the diameter.

Die Erfindung bietet folgende Vorteile:

  • - Der Motor wird eigensicher: Der Windungskurzschluss wird durch Abschaltung des Stellgeräts beherrscht.
  • - Die geringere Leistungsdichte des Reluktanzmotors wird kompensiert, in dem der Motor in den Duct des Propellers verlegt wird.
The invention offers the following advantages:
  • - The motor becomes intrinsically safe: The winding short-circuit is controlled by switching off the actuator.
  • - The lower power density of the reluctance motor is compensated by placing the motor in the duct of the propeller.

Die Erfindung beansprucht eine Vorrichtung zum Antrieb eines Fahrzeugs. Die Vorrichtung weist mindestens einen Reluktanzmotor und einen Mantelpropeller auf, wobei die Blattspitzen des Mantelpropellers mit dem Rotor des Reluktanzmotors fest verbunden sind und wobei der Stator und der Rotor des Reluktanzmotors in dem Mantel des Mantelpropellers angeordnet sind. Die Blattspitzen sind beispielsweise an dem Rotor angeschweißt.The invention claims a device for propelling a vehicle. The device has at least one reluctance motor and a ducted propeller, the blade tips of the ducted propeller being firmly connected to the rotor of the reluctance motor and the stator and the rotor of the reluctance motor being arranged in the jacket of the ducted propeller. The blade tips are, for example, welded to the rotor.

In einer Weiterbildung ist der Rotor in dem Stator mit Hilfe mindestens eines Lagers, insbesondere eines Kugellagers, gelagert. Dadurch können zusätzliche Haltearme für den Mantelpropeller entfallen.In a further development, the rotor is mounted in the stator with the aid of at least one bearing, in particular a ball bearing. This means that additional holding arms for the ducted propeller can be omitted.

In einer Weiterbildung ist der Reluktanzmotor in einem Kanal des Mantels angeordnet. Dadurch ist der Motor von außen gut geschützt.In a further development, the reluctance motor is arranged in a channel of the jacket. This means that the engine is well protected from the outside.

In einer weiteren Ausgestaltung kann der Mantelpropeller von mindestens zwei Reluktanzmotoren, die einen gemeinsamen Rotor haben, angetrieben werden. Dadurch wird die Ausfallsicherheit erhöht.In a further embodiment, the ducted propeller can be driven by at least two reluctance motors that have a common rotor. This increases the reliability.

In einer Weiterbildung sind die Statoren der Reluktanzmotore in Umfangrichtung des Mantels hintereinander angeordnet.In a further development, the stators of the reluctance motors are arranged one behind the other in the circumferential direction of the jacket.

Die Erfindung beansprucht auch ein Fahrzeug, insbesondere ein VTOL-Flugzeug, mit mindestens einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.The invention also claims a vehicle, in particular a VTOL aircraft, with at least one device according to the invention.

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.Further features and advantages of the invention will become apparent from the following explanations of an exemplary embodiment with reference to schematic drawings.

FigurenlisteFigure list

Es zeigen:

  • 1 eine vereinfachte Schnittansicht durch einen elektrischen Motor gemäß Stand der Technik,
  • 2 eine vereinfachte Schnittansicht durch einen elektrischen Rotorblattspitzenantrieb,
  • 3 eine Teilansicht durch einen Reluktanzmotor,
  • 4 eine Schnittansicht durch einen Reluktanzmotor mit Kugellagerung und
  • 5 eine Ansicht eines VTOL-Flugzeugs mit Rotorblattspitzenantrieb.
Show it:
  • 1 a simplified sectional view through an electric motor according to the prior art,
  • 2 a simplified sectional view through an electric rotor blade tip drive,
  • 3 a partial view through a reluctance motor,
  • 4th a sectional view through a reluctance motor with ball bearings and
  • 5 a view of a VTOL aircraft with a rotor blade tip drive.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

2 zeigt eine vereinfachte Schnittansicht durch einen elektrischen Rotorblattspitzenantrieb mit drei Reluktanzmotoren 1, die einen gemeinsamen Rotor 1.2 aufweisen. Die dreie Statoren 1.1 sind gleichmäßig über den Umfang des Rotors 1.2 verteilt. Die Blattspitzen 2.2 der Propellerblätter 2.1 eines Mantelpropellers 2 sind fest mit dem Rotor 1.2 verbunden, wobei der Mantelpropeller 2 und die Reluktanzmotore 1 einen gemeinsamen Drehpunkt aufweisen. 2 shows a simplified sectional view through an electric rotor blade tip drive with three reluctance motors 1 who have a common rotor 1.2 exhibit. The three stators 1.1 are uniform over the circumference of the rotor 1.2 distributed. The leaf tips 2.2 the propeller blades 2.1 a ducted propeller 2 are fixed to the rotor 1.2 connected, the ducted propeller 2 and the reluctance motors 1 have a common pivot point.

Der Rotor 1.2 und die Statoren 1.1 sind in dem in 2 nicht dargestellten Mantel (auch als Gehäuse bezeichenbar) des Mantelpropellers 2 angeordnet. Geeignet dafür ist ein in dem Mantel umlaufend ausgebildeter Kanal (Englisch: duct). The rotor 1.2 and the stators 1.1 are in the in 2 jacket not shown (also referred to as a housing) of the ducted propeller 2 arranged. A channel formed circumferentially in the jacket is suitable for this.

3 zeigt eine räumliche Teilansicht durch den Reluktanzmotor 1 gemäß 2. Zu sehen ist der Rotor 1.2, der zwischen dem zweiteilig ausgebildeten Stator 1.1 angeordnet ist. Auf den Statoren 1.1 sind die stromdurchflossenen Zahnspulen 1.1.1 angeordnet. 3 shows a spatial partial view through the reluctance motor 1 according to 2 . You can see the rotor 1.2 , the one between the two-part stator 1.1 is arranged. On the stators 1.1 are the current-carrying tooth coils 1.1.1 arranged.

Um zusätzliche Haltearme für die Lagerung des Rotors 1.2 in dem Stator 1.1 zu vermeiden, befindet sich, wie in der schematischen Querschnittsansicht in 4 dargestellt, zwischen dem Rotor 1.2 und den beiden Teilen des Stators 1.1 jeweils ein Lager 1.3, vorzugsweise ein Kugellager. Durch diese Lagerung wird auch der Mantelpropeller 2 bei der Rotation sicher geführt.To have additional support arms for the storage of the rotor 1.2 in the stator 1.1 to avoid is, as in the schematic cross-sectional view in 4th shown, between the rotor 1.2 and the two parts of the stator 1.1 one warehouse each 1.3 , preferably a ball bearing. This storage also causes the ducted propeller 2 safely guided during rotation.

Als ein Anwendungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Rotorblattspitzenantrieb 4.1 (Englisch: tip drive) zeigt 5 eine räumliche Ansicht eines VTOL-Flugzeugs 4. Das Flugzeug 4 hat mehrere Mantelpropeller 2. Jeder Mantelpropeller 2 wird, entsprechend 2, von mehreren Reluktanzmotoren 1 angetrieben. Die Reluktanzmotore 1 sind in einem Kanal 3.1 des Mantels 3 des Mantelpropeller 2 angeordnet.As an application example for the rotor blade tip drive according to the invention 4.1 (English: tip drive) shows 5 a three-dimensional view of a VTOL aircraft 4th . The plane 4th has several ducted propellers 2 . Any ducted propeller 2 will, accordingly 2 , of several reluctance motors 1 driven. The reluctance motors 1 are in a channel 3.1 of the coat 3 of the ducted propeller 2 arranged.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been illustrated and described in more detail by the exemplary embodiments, the invention is not restricted by the disclosed examples and other variations can be derived therefrom by the person skilled in the art without departing from the scope of protection of the invention.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
ReluktanzmotorReluctance motor
1.11.1
Statorstator
1.1.11.1.1
ZahnspuleTooth coil
1.21.2
Rotorrotor
1.31.3
Lagerwarehouse
22
Mantelpropeller (ducted fan)Ducted fan
2.12.1
PropellerblattPropeller blade
2.22.2
BlattspitzeLeaf tip
33
Mantelcoat
3.13.1
Kanal (duct)Duct
44th
VTOL-FlugzeugVTOL aircraft
4.14.1
RotorblattspitzenantriebRotor blade tip drive
55
Elektrischer MotorElectric motor

Claims (7)

Vorrichtung zum Antrieb eines Fahrzeugs, aufweisend: - mindestens einen Reluktanzmotor (1) und - einen Mantelpropeller (2), dadurch gekennzeichnet dass die Blattspitzen (2.2) des Mantelpropellers (2) mit dem Rotor (1.2) des Reluktanzmotors (1) fest verbunden sind, wobei der Stator (1.1) und der Rotor (1.2) des Reluktanzmotors (1) in dem Mantel (3) des Mantelpropellers (2) angeordnet sind.Device for driving a vehicle, comprising: - at least one reluctance motor (1) and - a ducted propeller (2), characterized in that the blade tips (2.2) of the ducted propeller (2) are firmly connected to the rotor (1.2) of the reluctance motor (1) , wherein the stator (1.1) and the rotor (1.2) of the reluctance motor (1) are arranged in the casing (3) of the ducted propeller (2). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1.2) in dem Stator (1.1) mit Hilfe mindestens eines Lagers (1.3) gelagert ist.Device according to Claim 1 , characterized in that the rotor (1.2) is mounted in the stator (1.1) with the aid of at least one bearing (1.3). Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reluktanzmotor (1) in einem Kanal (3.1) des Mantels (3) angeordnet ist.Device according to Claim 1 or 2 , characterized in that the reluctance motor (1) is arranged in a channel (3.1) of the jacket (3). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelpropeller (2) von mindestens zwei Reluktanzmotoren (1), die einen gemeinsamen Rotor (1.2) aufweisen, antreibbar ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the ducted propeller (2) can be driven by at least two reluctance motors (1) which have a common rotor (1.2). Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Statoren (1.1) der Reluktanzmotore (1) in Umfangrichtung des Mantels (3) hintereinander angeordnet sind.Device according to Claim 4 , characterized in that the stators (1.1) of the reluctance motors (1) are arranged one behind the other in the circumferential direction of the jacket (3). Fahrzeug mit mindestens einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Vehicle with at least one device according to one of the preceding claims. Fahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug ein VTOL-Flugzeug (4) ist.Vehicle after Claim 6 , characterized in that the vehicle is a VTOL aircraft (4).
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WO2014111844A1 (en) * 2013-01-18 2014-07-24 P-Gevs S.R.L. Outboard propulsion system for vessels
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