DE102020209359A1 - Short or vertical takeoff capable aircraft, power electronics and method of operating the aircraft - Google Patents

Short or vertical takeoff capable aircraft, power electronics and method of operating the aircraft Download PDF

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Manfred Schmitt
Axel Lang
Matthias Kraenzler
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein kurz- oder senkrechtstartfähiges Fluggerät (10), mit mehreren, jeweils wenigstens einen Rotor bzw. Propeller (28) und einen Elektromotor (30) aufweisenden Antriebseinheiten (24), wobei die Elektromotoren (30) von wenigstens einer ersten Energieeinheit (36) gekoppelt und die Antriebsleistung der Elektromotoren (30) mittels einer Leistungselektronik (34) regelbar sind.The invention relates to an aircraft (10) capable of short or vertical takeoff, having a plurality of drive units (24), each having at least one rotor or propeller (28) and an electric motor (30), the electric motors (30) being powered by at least a first energy unit ( 36) coupled and the drive power of the electric motors (30) can be regulated by means of power electronics (34).

Description

Technisches Gebiettechnical field

Die Erfindung betrifft ein kurz- (STOL) oder senkrechtstartfähiges (VTOL) Fluggerät, wie es beispielsweise als Drohne oder aber für Personen- oder Lastentransporte mit einer Nutzlast von bis zu mehreren 100kg verwendet werden kann. Typische Vertreter derartiger Fluggeräte sind Multikopter oder Liftand Cruise- oder Tilt-Wing Fluggeräte. Ferner betrifft die Erfindung eine Leistungselektronik als Bestandteil des erfindungsgemäßen Fluggeräts sowie ein Verfahren zum Betreiben des Fluggeräts.The invention relates to an aircraft capable of short (STOL) or vertical takeoff (VTOL) as it can be used, for example, as a drone or for transporting people or loads with a payload of up to several 100 kg. Typical representatives of such aircraft are multicopters or lift-and-cruise or tilt-wing aircraft. Furthermore, the invention relates to power electronics as part of the aircraft according to the invention and to a method for operating the aircraft.

Stand der TechnikState of the art

Ein Fluggerät mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist beispielsweise in Form einer Drohne aus dem CN 204548495 U bekannt. Das bekannte Fluggerät weist mehrere, jeweils an Trägerarmen angeordnete Antriebseinheiten mit jeweils einem Elektromotor und einem Rotor bzw. Propeller auf. Durch Regelung der Antriebsleistungen und der Stellung der Antriebseinheiten an dem Fluggerät lassen sich die gewünschten Flugmanöver, d.h. ein Start, eine Landung sowie ein zwischen dem Start und der Landung liegender Reiseflug mit einem Streckenprofil ausführen.An aircraft with the features of the preamble of claim 1 is, for example, in the form of a drone from the CN 204548495 U known. The known aircraft has several drive units, each arranged on support arms, each with an electric motor and a rotor or propeller. By controlling the drive power and the position of the drive units on the aircraft, the desired flight maneuvers, ie takeoff, landing and a cruising flight between takeoff and landing, can be carried out with a route profile.

Typischerweise weist ein derartiges Fluggerät wenigstens eine erste Energieeinheit in Form einer wiederaufladbaren Batterie bzw. eines Akkus auf, der zentral angeordnet ist und zur Versorgung der einzelnen Antriebseinheiten dient. Hierbei ist die Baugröße bzw. die Leistungsabgabe der wenigstens einen ersten Energieeinheit typischerweise auf den Startvorgang (mit entsprechenden Leistungsreserven) ausgelegt, da dort von den Antriebseinheiten für den Senkrechtstart die höchste Energieleistung benötigt wird.Such an aircraft typically has at least one first energy unit in the form of a rechargeable battery or an accumulator, which is arranged centrally and is used to supply the individual drive units. In this case, the size or the power output of the at least one first energy unit is typically designed for the starting process (with corresponding power reserves), since that is where the highest energy output is required from the drive units for vertical takeoff.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Das kurz- oder senkrechtstartfähige Fluggerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass es einen besonders sicheren Flugbetrieb ermöglicht. Insbesondere ermöglicht es das erfindungsgemäße Fluggerät, bei einer Beschädigung oder gar einem Ausfall der wenigstens einen ersten Energieeinheit das Fluggerät beispielsweise sicher zu landen. Auch ermöglicht es das erfindungsgemäße Fluggerät, die wenigstens eine erste Energieeinheit ggf. besonders einfach bzw. leicht und damit auch kostengünstig auszubilden, da diese nicht zwangsläufig dazu ausgebildet sein muss, alle Flugzustände des Fluggeräts allein durch Ihre Energieabgabe ausführen zu können.The short or vertical takeoff capable aircraft with the features of claim 1 has the advantage that it enables particularly safe flight operations. In particular, the aircraft according to the invention makes it possible, for example, to land the aircraft safely in the event of damage or even failure of the at least one first energy unit. The aircraft according to the invention also makes it possible to design the at least one first energy unit to be particularly simple or light and therefore also inexpensive, since it does not necessarily have to be designed to be able to carry out all flight states of the aircraft solely by its energy output.

Die oben genannten Vorteile des Fluggeräts werden erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass wenigstens eine zweite Energieeinheit in Form einer wiederaufladbaren Batterie vorgesehen ist, die mittel- oder unmittelbar mit den Elektromotoren der Antriebseinheiten zusammenwirkt, und dass die wenigstens eine zweite Energieeinheit dazu ausgebildet ist, zeitweise zusätzlich zu der wenigstens einen ersten Energieeinheit mit den Antriebseinheiten zusammenzuwirken.The above-mentioned advantages of the aircraft are achieved according to the invention in that at least one second energy unit is provided in the form of a rechargeable battery, which interacts directly or indirectly with the electric motors of the drive units, and that the at least one second energy unit is designed to temporarily additionally the at least one first energy unit to interact with the drive units.

Eine derartige Auslegung des Fluggeräts mit wenigstens einer zweiten Energieeinheit ermöglicht es somit, beispielsweise für Start- und Landephasen, bei denen bei einem senkrecht startenden bzw. landenden Fluggerät ein besonders hoher Energiebedarf benötigt wird, durch Zuschaltung der wenigstens einen zweiten Energieeinheit den benötigten Energiebedarf zu decken, insbesondere für den Fall, falls die wenigstens eine erste Energieeinheit hinsichtlich ihrer Leistungsabgabe diese Flugaufgaben nicht ausführen kann.Such a design of the aircraft with at least one second energy unit thus makes it possible, for example for take-off and landing phases in which a particularly high energy requirement is required for an aircraft taking off or landing vertically, to cover the required energy requirement by switching on the at least one second energy unit , especially in the event that the at least one first energy unit cannot perform these flight tasks in terms of their power output.

Die redundante bzw. zumindest zweifache Energieeinheit (realisiert durch die wenigstens eine erste und die wenigstens eine zweite Energieeinheit) ermöglicht auch insofern einen besonders sicheren Transport von Gütern oder Personen, als bei einem Ausfall der wenigstens einen ersten Energieeinheit ausgelöste unsichere Flugzustände bzw. Abstürze des Fluggeräts durch entsprechende Auslegung der zweiten Energieeinheit vermieden werden können, was auch den Transport von gefährlichen Gütern von Vorteil ist bzw. die Akzeptanz von (Personen-) Transporten mit einem derartigen Fluggerät erhöht. Bei der Konzeption sowohl der Leistungselektronik zur Antriebsregelung als auch der Elektromotoren der Antriebseinheiten ist dabei zu beachten, dass diese auf eine gleichzeitige Belastung durch die wenigstens zwei Energieeinheiten ausgelegt sind.The redundant or at least two-fold energy unit (implemented by the at least one first and the at least one second energy unit) also enables a particularly safe transport of goods or people insofar as unsafe flight conditions or crashes of the aircraft are triggered if the at least one first energy unit fails can be avoided by appropriate design of the second energy unit, which is also advantageous for the transport of dangerous goods or increases the acceptance of (person) transport with such an aircraft. When designing both the power electronics for drive control and the electric motors of the drive units, care must be taken that these are designed for simultaneous loading by the at least two energy units.

Vorteilhafte Weiterbildungen des kurz- oder senkrechtstartfähigen Fluggeräts sind in den Unteransprüchen aufgeführt.Advantageous further developments of the aircraft capable of short or vertical takeoff are listed in the dependent claims.

Eine besonders bevorzugte konstruktive Ausgestaltung des Fluggeräts sieht vor, dass eine Verstelleinrichtung zur Einstellung einer Rotor- bzw. Propellersteigung vorgesehen ist. Dadurch lassen sich Flugzustände zum Beispiel hinsichtlich ihrer Lärmemission bzw. eines möglichst geringen Energieverbrauchs optimieren. So lassen sich beispielsweise zur Erzielung relativ hoher Reisegeschwindigkeiten des Fluggeräts hohe Rotor- bzw. Propellersteigungen einstellen, während für die Start- und Landephase ein möglichst hoher Schub benötigt wird, wie hier typischerweise durch eine relativ geringe Rotor- bzw. Propellersteigung realisiert wird.A particularly preferred structural design of the aircraft provides that an adjusting device is provided for setting a rotor or propeller pitch. This allows flight conditions to be optimized, for example with regard to their noise emissions or the lowest possible energy consumption. For example, high rotor or propeller pitches can be set to achieve relatively high cruising speeds of the aircraft, while the highest possible thrust is required for the take-off and landing phase, as is typically achieved here by a relatively small rotor or propeller pitch.

Um einerseits einen besonders zuverlässigen Betrieb des Fluggeräts zu ermöglichen, und andererseits die Energieverluste bei der Energieübertragung von der wenigstens einen zweiten Energieeinheit zum Elektromotor zu minimieren, ist es vorgesehen, dass jeder Antriebseinheit eine separate zweite Energieeinheit zugeordnet ist, und dass die zweite Energieeinheit im Bereich oder nahe des Elektromotors und/oder der Leistungselektronik angeordnet ist.In order to enable particularly reliable operation of the aircraft on the one hand and to minimize the energy losses during the transmission of energy from the at least one second energy unit to the electric motor on the other hand, it is provided that each drive unit is assigned a separate second energy unit and that the second energy unit is in the area or is arranged near the electric motor and/or the power electronics.

Besonders bevorzugt ist es darüber hinaus, wenn der Energieinhalt bzw. die Leistungsabgabe der wenigstens einen zweiten Energieeinheit ausgelegt ist, um ein Landemanöver des Fluggeräts alleine durch die wenigstens eine zweite Energieeinheit auszuführen. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass ein Ausfall der wenigstens einen ersten Energieeinheit nicht zu einer Beschädigung bzw. zu einem Absturz des Fluggeräts führt.In addition, it is particularly preferred if the energy content or the power output of the at least one second energy unit is designed to carry out a landing maneuver of the aircraft solely using the at least one second energy unit. In other words, this means that failure of the at least one first energy unit does not lead to damage or to a crash of the aircraft.

Um insbesondere aufwendige Ladeinfrastrukturen für die wenigstens eine zweite Energieeinheit zu vermeiden, ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn die wenigstens eine zweite Energieeinheit von der wenigstens einen ersten Energieeinheit aufladbar ist. Dies findet typischerweise in Phasen statt, bei denen die wenigstens eine erste Energieeinheit Leistungsreserven zur Verfügung stellen kann, um damit die wenigstens eine zweite Energieeinheit aufzuladen. Alternativ sind jedoch auch Lösungen denkbar, bei denen beispielsweise ein induktives Laden der wenigstens einer zweiten Energieeinheit erfolgt, wenn sich das Fluggerät an einem dafür vorgesehenen Start- bzw. Landeplatz befindet. Das induktive Laden hat insbesondere den Vorteil, dass keine Kabelverbindungen oder ähnliches zwischen einem Ladegerät bzw. einer Energieversorgung und der wenigstens einen zweiten Energieeinheit erforderlich sind bzw. hergestellt werden müssen.In order in particular to avoid complex charging infrastructures for the at least one second energy unit, it is also advantageous if the at least one second energy unit can be charged by the at least one first energy unit. This typically takes place in phases in which the at least one first energy unit can provide power reserves in order to charge the at least one second energy unit. Alternatively, however, solutions are also conceivable in which, for example, the at least one second energy unit is inductively charged when the aircraft is at a take-off or landing site provided for this purpose. Inductive charging has the particular advantage that no cable connections or the like are required or have to be established between a charging device or an energy supply and the at least one second energy unit.

Hinsichtlich der wenigstens einen ersten Energieeinheit gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, die sich insbesondere an den spezifischen Erfordernissen des Fluggeräts, wie dessen erforderlicher Reichweite, Nutzlast, Größe usw. orientieren. Insbesondere ist es denkbar, dass die wenigstens eine erste Energieeinheit als wiederaufladbare Batterie, als Hybridantrieb unter Verwendung eines Verbrennungsmotors oder als Brennstoffzellensystem ausgebildet ist.With regard to the at least one first energy unit, there are different options that are based in particular on the specific requirements of the aircraft, such as its required range, payload, size, etc. In particular, it is conceivable that the at least one first energy unit is designed as a rechargeable battery, as a hybrid drive using an internal combustion engine, or as a fuel cell system.

Ganz besonders bevorzugt ist es in Verbindung mit der Verstelleinrichtung zur Verstellung der Rotor- bzw. Propellersteigung, wenn eine mit der Verstelleinrichtung und einer Triebwerksstrangsteuereinheit zusammenwirkende Flugrechnereinrichtung vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, die Drehzahl und die Steigung der Rotoren bzw. Propeller an vorgegebene Kriterien, insbesondere eine (maximale) Lärmemission und/oder ein Flugstreckenprofil anzupassen.It is very particularly preferred in connection with the adjusting device for adjusting the pitch of the rotor or propeller if a flight computer device is provided which interacts with the adjusting device and a powertrain control unit and is designed to adapt the speed and the pitch of the rotors or propeller to predetermined criteria , in particular to adapt a (maximum) noise emission and/or a flight route profile.

Auch umfasst die Erfindung eine Leistungselektronik als Teil eines soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Fluggeräts. Die Leistungselektronik zeichnet sich dadurch aus, dass diese zur Steuerung zumindest der Drehzahl bzw. Leistung zumindest eines Elektromotors der Antriebseinheiten ausgebildet und mit der wenigstens einen ersten und wenigstens einen zweiten Energieeinheit verbunden ist.The invention also includes power electronics as part of an aircraft according to the invention that has been described so far. The power electronics are characterized in that they are designed to control at least the speed or power of at least one electric motor of the drive units and are connected to the at least one first and at least one second energy unit.

Zuletzt umfasst die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Fluggeräts. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die wenigstens eine zweite Energieeinheit zur Unterstützung der wenigstens einen ersten Energieeinheit aktiviert wird, wenn ein Leistungsbedarf der Antriebseinheiten alleine von der wenigstens einen ersten Energieeinheit nicht gedeckt werden kann.Finally, the invention also includes a method for operating an aircraft according to the invention. The method is characterized in that the at least one second energy unit is activated to support the at least one first energy unit when a power requirement of the drive units cannot be covered by the at least one first energy unit alone.

In Weiterbildung des Verfahrens ist es vorgesehen, dass die wenigstens eine zweite Energieeinheit während des Starts oder der Landung des Fluggeräts aktiviert wird. Dadurch werden insbesondere entweder erhöhte Leistungsreserven beispielsweise zum Böenausgleich oder Ähnlichem in besonders kritischen Flugphasen ermöglicht, oder aber es ist möglich, die wenigstens eine erste Energieeinheit in ihrer Baugröße bzw. Leistungsabgabe und somit auch hinsichtlich ihres Gewichts und der Investitionskosten besonders klein bzw. kompakt zu bauen.In a development of the method, it is provided that the at least one second energy unit is activated during takeoff or landing of the aircraft. This enables either increased power reserves, for example for gust compensation or the like in particularly critical flight phases, or it is possible to build the at least one first energy unit particularly small or compact in terms of its size or power output and thus also in terms of its weight and investment costs .

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen.Further advantages, features and details of the invention result from the following description of preferred embodiments of the invention and from the drawings.

Figurenlistecharacter list

  • 1 zeigt in einer stark vereinfachten perspektivischen Darstellung ein senkrecht startfähiges Fluggerät in Form einer Drohne, 1 shows a highly simplified perspective representation of a vertically take-off aircraft in the form of a drone,
  • 2 ein Schaubild zur Verdeutlichung der wesentlichen Komponenten des Fluggeräts gemäß der 1 und 2 a diagram to clarify the essential components of the aircraft according to the 1 and
  • 3 ein Flugprofil während eines Einsatzes des Fluggeräts gemäß der 1 in einer schaubildlichen Darstellung. 3 a flight profile during a deployment of the aircraft according to the 1 in a visual representation.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.Identical elements or elements with the same function are provided with the same reference numbers in the figures.

In der 1 ist stark vereinfacht ein kurz- oder senkrechtstartfähiges Fluggerät 10 in Form einer Drohne 12 dargestellt. Die (unbemannte) Drohne 12 kann beispielsweise für industrielle Zwecke zur Aufnahme von Luftbildern oder zum Transport von Waren, z.B. im Rahmen einer Paketzustellung, ausgebildet sein. Die Erfindung soll jedoch nicht auf derartige (relativ kleine) Drohnen 12 beschränkt sein. Vielmehr kann es sich bei dem Fluggerät 10 auch beispielsweise um ein bemanntes Fluggerät 10, das autark fliegen kann, handeln. Derartige Fluggeräte 10 können beispielsweise innerstädtische Bereiche mit einem Flughafen verbinden und als Zubringerdienst zum Personentransport verwendet werden. In diesem Fall kann das Fluggerät 10 beispielsweise eine Masse von typischerweise bis zu 1.000kg oder mehr aufweisen.In the 1 is greatly simplified a short or vertical takeoff capable aircraft 10 in form a drone 12 shown. The (unmanned) drone 12 can, for example, be designed for industrial purposes for taking aerial photographs or for transporting goods, for example as part of a package delivery. However, the invention should not be limited to such (relatively small) drones 12 . Rather, the aircraft 10 can also be, for example, a manned aircraft 10 that can fly autonomously. Such aircraft 10 can, for example, connect inner-city areas with an airport and be used as a feeder service for passenger transport. In this case, the aircraft 10 can typically have a mass of up to 1,000 kg or more.

Das Fluggerät 10 bzw. die Drohne 12 weist einen zentralen, im Ausführungsbeispiel der Einfachheit halber zylindrisch dargestellten Last- bzw. Gerätebereich 14 auf, von dem in gleichmäßigen Winkelabständen um eine Hochachse 16 drei Auslegerarme 18 abstehen, die um jeweils eine Längsachse 20 mittels nicht dargestellter Verstelleinrichtungen schwenkbar sind. An der dem Gerätebereich 14 abgewandten Seite sind an den Auslegerarmen 18 jeweils identisch ausgebildete Antriebseinheiten 24 angeordnet.The aircraft 10 or the drone 12 has a central load or device area 14, shown cylindrically in the exemplary embodiment for the sake of simplicity, from which three extension arms 18 protrude at equal angular distances about a vertical axis 16, each of which is about a longitudinal axis 20 by means of not-shown Adjustment devices are pivotable. On the side facing away from the device area 14 , identically designed drive units 24 are arranged on the cantilever arms 18 .

Jede der Antriebseinheiten 24 weist beispielhaft einen mit dem Auslegerarm 18 verbundenen, hülsenförmigen Mantel 26 auf, innerhalb dessen ein von einem in der 1 nicht erkennbaren Elektromotor angetriebener Propeller 28 angeordnet ist.Each of the drive units 24 has, for example, a sleeve-shaped jacket 26 connected to the cantilever arm 18, within which one of a in the 1 not recognizable electric motor driven propeller 28 is arranged.

Ergänzend wird erwähnt, dass es selbstverständlich im Rahmen der Erfindung liegt, mehr als drei Antriebseinheiten 24, beispielsweise vier bis sechs Antriebseinheiten 24 vorzusehen. Auch ist es denkbar, dass jeder Antriebseinheit 24 zwei, koaxial zueinander angeordnete Propeller 28 zugeordnet sind. Auch ist es nicht erforderlich, dass die Antriebseinheiten 24 innerhalb eines Mantels 26 angeordnete Propeller 28 aufweisen muss. Vielmehr können die Propeller 28 bzw. Rotoren auch freidrehend angeordnet sein.In addition, it is mentioned that it is of course within the scope of the invention to provide more than three drive units 24, for example four to six drive units 24. It is also conceivable for each drive unit 24 to be assigned two propellers 28 arranged coaxially to one another. It is also not necessary for the drive units 24 to have propellers 28 arranged inside a casing 26 . Rather, the propellers 28 or rotors can also be arranged to rotate freely.

Die Flugmanöver der Drohne 12 bzw. des Fluggeräts 10 werden auf an sich bekannte Art und Weise durch Leistungsregelung der Propeller 28, d.h. insbesondere durch eine Beeinflussung deren Drehzahl n, sowie durch ein Schwenken der Auslegerarme 18 an dem Gerätebereich 14 bewirkt, um beispielsweise von einer vertikalen Startposition in einem Reiseflug überzugehen, bei der das Fluggerät 10 eine horizontale Distanz überwinden kann.The flight maneuvers of the drone 12 or the aircraft 10 are effected in a manner known per se by controlling the power of the propellers 28, i.e. in particular by influencing their speed n, and by pivoting the extension arms 18 on the device area 14, for example in order to transition to a vertical take-off position in a cruise flight where the aircraft 10 can cover a horizontal distance.

In der Darstellung der 2 ist zusätzlich zum Propeller 28 ein boostfähiger Elektromotor 30 zum zumindest mittelbaren Antreiben des Propellers 28 erkennbar. Der Elektromotor 30 wirkt über eine Verstelleinrichtung 32 auf den Propeller 28. Die Verstelleinrichtung 32 dient dazu, eine (Propeller-) Steigung s des Propellers 28 einzustellen. So ist typischerweise zum Erzielen einer hohen Horizontalgeschwindigkeit bzw. einer hohen Strahlgeschwindigkeit des Propellers 28 die Einstellung einer relativ hohen Steigung s am Propeller 28 erforderlich, während in (vertikalen) Start- bzw. Landephasen typischerweise demgegenüber geringere Steigungen s erforderlich bzw. gewünscht sind.In the representation of 2 In addition to the propeller 28, a boostable electric motor 30 for driving the propeller 28 at least indirectly can be seen. The electric motor 30 acts on the propeller 28 via an adjustment device 32 . The adjustment device 32 serves to set a (propeller) pitch s of the propeller 28 . To achieve a high horizontal speed or a high jet speed of the propeller 28, it is typically necessary to set a relatively high pitch s on the propeller 28, while in (vertical) takeoff or landing phases, in contrast, smaller pitches s are typically required or desired.

Darüber hinaus wird angemerkt, dass die Lärmemission des Propellers 28 auch von seiner eingestellten Steigung s abhängt, derart, dass ein hoher Unterschied zwischen der Strahlgeschwindigkeit des Propellers 28 und der umgebenen Luft typischerweise zu höheren Lärmemissionen führt.Furthermore, it is noted that the noise emission of the propeller 28 also depends on its adjusted pitch s, such that a high difference between the jet velocity of the propeller 28 and the surrounding air typically leads to higher noise emissions.

Jedem der Elektromotoren 30 ist beispielhaft eine Leistungselektronik 34 zugeordnet, der dazu dient, die Leistung bzw. Drehzahl n an dem Elektromotor 30 zu steuern. Die Energieversorgung des Elektromotors 30 über die Leistungselektronik 34 erfolgt dabei über zumindest eine erste Energieeinheit 36, die in Form einer (wiederaufladbaren) Batterie, eines Hybridantriebs unter Verwendung eines Verbrennungsmotors oder aber als Brennstoffzellensystem ausgebildet sein kann.Each of the electric motors 30 is assigned, for example, power electronics 34 which serve to control the power or speed n on the electric motor 30 . The electric motor 30 is supplied with energy via the power electronics 34 via at least one first energy unit 36, which can be designed in the form of a (rechargeable) battery, a hybrid drive using an internal combustion engine or as a fuel cell system.

Typischerweise ist die Auslegung des Fluggeräts 10 derart, dass die wenigstens eine erste Energieeinheit 36 gleichzeitig der Energieversorgung aller Antriebseinheiten 24 dient und in dem Gerätebereich 14 angeordnet ist.Typically, the design of the aircraft 10 is such that the at least one first energy unit 36 simultaneously serves to supply energy to all drive units 24 and is arranged in the equipment area 14 .

Die Ansteuerung der Leistungselektronik 34 und der Verstelleinrichtung 32, d.h. die Einstellung der Drehzahl n des Elektromotors 30 und der Steigung s des Propellers 28 erfolgt darüber hinaus mittels einer Triebwerksstrangsteuereinheit 40, die wiederum mit einer Flugrechnereinrichtung 42 zusammenwirkt bzw. von dieser ansteuerbar ist.The control of the power electronics 34 and the adjustment device 32, i.e. the setting of the speed n of the electric motor 30 and the pitch s of the propeller 28 is also carried out by means of an engine train control unit 40, which in turn interacts with a flight computer device 42 or can be controlled by it.

Das Fluggerät 10 weist zusätzlich zur wenigstens einen ersten Energieeinheit 36 wenigstens eine zweite Energieeinheit 44 in Form einer wiederaufladbaren Batterie 45 auf. Die wenigstens eine zweite Energieeinheit 44 zur Energieversorgung der Antriebseinheit 24 bzw. des Elektromotors 30 ist von der Triebwerksstrangsteuereinheit 40 ansteuerbar, um im Boostbetrieb des Elektromotors 30 einen Maximaldrehmomentmodus zu ermöglichen oder aber bei einem Ausfall/Defekt der ersten Energieeinheit 36 einen Betrieb über die zweite Energieeinheit 44 zu realisieren. Weiterhin besteht eine Verbindung zwischen der wenigstens einen zweiten Energieeinheit 44 und dem Elektromotor 30 über die Leistungselektronik 34.In addition to the at least one first energy unit 36 , the aircraft 10 has at least one second energy unit 44 in the form of a rechargeable battery 45 . The at least one second energy unit 44 for supplying energy to the drive unit 24 or the electric motor 30 can be controlled by the powertrain control unit 40 in order to enable a maximum torque mode in the boost mode of the electric motor 30 or, in the event of a failure/defect in the first energy unit 36, operation via the second energy unit 44 to realize. There is also a connection between the at least one second energy unit 44 and the electric motor 30 via the power electronics 34.

Vorzugsweise ist zwischen den beiden Energieeinheiten 36 und 44 eine Ladeverbindung 46 vorgesehen, die es ermöglicht, die zweite Energieeinheit 44 von der ersten Energieeinheit 36 laden zu können, insbesondere in Betriebszuständen des Fluggeräts 10, bei denen die wenigstens eine erste Energieeinheit 36 mehr Energie liefern kann, als dies zum sicheren Betrieb des Fluggeräts 10 erforderlich ist. Darüber hinaus kann es auch vorgesehen sein, dass die wenigstens eine erste Energieversorgung 36 derart ausgebildet ist, dass diese für sich genommen nicht ausreicht, um alle üblicherweise vorgesehenen Flugzustände des Fluggeräts 10 zu ermöglichen. Insbesondere sind typischerweise Start- und Landephasen des Fluggeräts 10 mit einem erhöhten Energiebedarf verbunden. In diesem Fall kann die Energieversorgung der Antriebseinheiten 24 zusätzlich zu der wenigstens einen ersten Energieeinheit 36 über die wenigstens eine zweite Energieeinheit 44, welche darüber hinaus zur Verminderung von Verlusten vorzugsweise im oder nahe des Bereichs der Antriebseinheiten 24 angeordnet ist, erfolgen.A charging connection 46 is preferably provided between the two energy units 36 and 44, which enables the second energy unit 44 to be charged by the first energy unit 36, in particular in operating states of the aircraft 10 in which the at least one first energy unit 36 can supply more energy than is required for the safe operation of the aircraft 10. In addition, it can also be provided that the at least one first energy supply 36 is designed in such a way that it is not sufficient on its own to enable all flight states of the aircraft 10 that are usually provided. In particular, takeoff and landing phases of the aircraft 10 are typically associated with an increased energy requirement. In this case, the drive units 24 can be supplied with energy in addition to the at least one first energy unit 36 via the at least one second energy unit 44, which is also preferably arranged in or near the area of the drive units 24 to reduce losses.

In der 3 ist der Graph F eines typischen Flugprofils der Drohne 12 während eines Einsatzes, beispielsweise bei einer Paketzustellung, dargestellt. Hierbei ist in horizontaler Richtung die (horizontale) Flugstrecke s der Drohne 12 dargestellt, während in vertikaler Richtung die Flughöhe h der Drohne 12 dargestellt ist. Das Flugprofil zeichnet sich durch eine Startphase SP aus, in deren Verlauf die Drohne 12 eine Reiseflughöhe hi erreicht. An die Startphase SP schließt sich eine Reiseflugphase RP an, welche zwei Abschnitte a und b umfasst. An die Reisephase RP schließt sich wiederum eine Abstiegsphase AP und eine Landephase LP an.In the 3 Graph F of a typical flight profile of the drone 12 during an operation, for example when delivering a parcel, is shown. The (horizontal) flight path s of the drone 12 is shown in the horizontal direction, while the flight altitude h of the drone 12 is shown in the vertical direction. The flight profile is characterized by a starting phase SP, during which the drone 12 reaches a cruising altitude hi. The starting phase SP is followed by a cruising phase RP, which includes two sections a and b. The travel phase RP is in turn followed by a descent phase AP and a landing phase LP.

Während der Startphase SP und der Landephase LP, in denen typischerweise ein erhöhter Leistungsbedarf der Drohne 12 zum Antreiben der Antriebseinheiten 24 erforderlich ist, kann es vorgesehen sein, dass zusätzlich zur wenigstens einen ersten Energieeinheit 36 die wenigstens eine zweite Energieeinheit 44 die dafür benötigte Energie bzw. elektrische Leistung für die Antriebseinheiten 24 bereitstellt. Demgegenüber kann es vorgesehen sein, dass in der Reiseflugphase RP die Energieversorgung der Antriebseinheiten 24 ausschließlich durch die wenigstens eine erste Energieeinheit 36 erfolgt.During the take-off phase SP and the landing phase LP, in which an increased power requirement of the drone 12 is typically required to drive the drive units 24, it can be provided that in addition to the at least one first energy unit 36 the at least one second energy unit 44 supplies the energy or provides electrical power to the drive units 24 . In contrast, it can be provided that in the cruising flight phase RP the power supply to the drive units 24 is provided exclusively by the at least one first power unit 36 .

Darüber hinaus wird erwähnt, dass während der einzelnen Flugphasen die Flugrechnereinrichtung 42 an den Antriebseinheiten 24 bzw. den Elektromotoren 30 die jeweils optimale Drehzahl n bzw. die Steigung s an dem Propeller 28 einstellt. So kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass beim Überfliegen eines Naturschutzgebietes im Abschnitt a während der Reiseflugphase RP eine geringe Lärmemission gewünscht ist, welche jedoch einen erhöhten Energiebedarf benötigt. Hierzu kann beispielsweise bei einer relativ hohen Drehzahl n des Elektromotors 30 eine relativ kleine Steigung s an dem Propeller 28 vorteilhaft sein. Demgegenüber kann es in dem Abschnitt b der Reiseflugphase RP, in dem keine Lärmemissionen relevant sind, um einen möglichst wirtschaftlichen, d.h. wirkungsgradoptimierten bzw. energieminimierten Flugbetrieb gehen. In diesem Fall kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass die Drehzahl n der Elektromotoren 30 reduziert wird, während die Steigung s an den Propellern 28 erhöht wird. So kann zum Beispiel auch während der beiden Abschnitte a und b während der Reiseflugphase RP eine konstante Fluggeschwindigkeit erzielt werden.In addition, it is mentioned that during the individual flight phases, the flight computer device 42 on the drive units 24 or the electric motors 30 sets the respectively optimum speed n or pitch s on the propeller 28 . For example, it can be provided that when flying over a nature reserve in section a during the cruising flight phase RP, low noise emissions are desired, which, however, require increased energy. For this purpose, a relatively small gradient s on the propeller 28 can be advantageous, for example, at a relatively high speed n of the electric motor 30 . In contrast, section b of the cruise flight phase RP, in which no noise emissions are relevant, can be about flight operations that are as economical as possible, i.e. optimized in terms of efficiency or minimized energy consumption. In this case, provision can be made, for example, for the speed n of the electric motors 30 to be reduced, while the pitch s on the propellers 28 is increased. For example, a constant flight speed can also be achieved during the two sections a and b during the cruising flight phase RP.

Darüber hinaus kann es vorgesehen sein, dass die Flugrechnereinrichtung 42 im Zusammenhang mit der Triebwerksstrangsteuereinheit 40 und der Leistungselektronik 34 dazu ausgebildet ist, den Flugbetrieb der Drohne 12 in verschiedener Art und Weise anhand der nachfolgenden Erläuterungen, einzeln oder in Kombination der angesprochenen Maßnahmen, zu optimieren:

  • So kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass für verschiedene Kriterien wie eine maximale Energieeffizienz, eine minimale Schallemission oder ein maximaler Schub Idealwerte für die Drehzahl n und die Steigung s abhängig vom jeweiligen Sollschub und der durchströmenden Luftgeschwindigkeit oder der Fluggeschwindigkeit gesteuert vorgegeben werden. Diese Steuerwerte für die Drehzahl n und die Steigung s können auch für eine unterschiedliche Gewichtung der angesprochenen Kriterien vorgegeben werden, beispielsweise ein Faktor von 0,7 für die Schallemission + ein Faktor von 0,3 für die Energieeffizienz. Auch kann es vorgesehen sein, dass die Steuerwerte beim Auftreten von beispielsweise Störungen oder Verschleiß angepasst bzw. verändert werden, um die Auswirkungen zu minimieren. Als mögliche Regler zur Optimierung der Kriterien können vorzugsweise Extremwertregler, hilfsweise lineare oder nichtlineare Optimierer eingesetzt werden. Die Schrittweite der Optimierer bzw. Regler kann bei Annäherung an das jeweilige Optimum verringert werden.
Provision can also be made for the flight computer device 42, in conjunction with the engine train control unit 40 and the power electronics 34, to be designed to optimize the flight operation of the drone 12 in various ways on the basis of the following explanations, individually or in combination with the measures addressed :
  • For example, it can be provided that for various criteria such as maximum energy efficiency, minimum noise emission or maximum thrust, ideal values for the speed n and the gradient s are specified in a controlled manner depending on the respective target thrust and the air speed flowing through or the flight speed. These control values for the speed n and the gradient s can also be specified for a different weighting of the criteria mentioned, for example a factor of 0.7 for noise emission+a factor of 0.3 for energy efficiency. Provision can also be made for the control values to be adapted or changed when, for example, faults or wear occur, in order to minimize the effects. Extreme value controllers, alternatively linear or non-linear optimizers, can preferably be used as possible controllers for optimizing the criteria. The increment of the optimizers or controllers can be reduced when approaching the respective optimum.

Die Regelung kann so ausgelegt sein, dass die Drehzahl n und die Steigung s so eingestellt werden, dass zur maximalen Energieeffizient deren Quotient maximal ist. Auch kann die Regelung eine Einstellung von Drehzahl n und Steigung s vorsehen, bei der ein vorgegebener Schub bei minimaler Schallemission erzielt wird. Diese minimale Schallemission kann darüber hinaus mit Blick auf eine Empfindlichkeits-Frequenzkurve des menschlichen Gehörs gefiltert bzw. bewertet werden, sodass die minimale Schallemission eine für das menschliche Gehör minimale Schallemission ist. Mit Blick auf die Schallemission bzw. deren Minimierung kann es weiterhin vorgesehen sein, dass die Drehzahlen n der einzelnen Propeller 28 so geregelt werden, dass Schallschwebungen, die als unangenehm empfunden werden, vermieden werden.The regulation can be designed in such a way that the speed n and the gradient s are set in such a way that their quotient for the maximum energy efficiency is at a maximum. The regulation can also provide for an adjustment of speed n and slope s, at which a specified thrust is achieved with minimal noise emissions. This minimum sound emission can also be filtered or evaluated with a view to a sensitivity-frequency curve of human hearing, so that the minimum sound emission is one for the human hearing is minimal sound emission. With a view to the noise emission or its minimization, it can also be provided that the speeds n of the individual propellers 28 are regulated in such a way that noise beats, which are perceived as unpleasant, are avoided.

Um einen maximalen Schub, beispielsweise für den Start oder die Landung zu erzielen, kann die Regelung hierfür ein Optimum aus entsprechender Drehzahl n, Steigung s und Motorleistung der Elektromotoren 30 einstellen. Hierfür kann es auch vorgesehen sein, dass die Elektromotoren 30 eine erhöhte Leistung abgeben können, zum Beispiel durch eine Umschaltung von einer sinusförmigen Kommutierung auf eine Blockkummutierung, oder durch eine Reihenschaltung der wenigstens zwei Energieeinheiten 36 und 44.In order to achieve maximum thrust, for example for takeoff or landing, the controller can set an optimum for this from the corresponding speed n, gradient s and motor power of the electric motors 30 . For this purpose, provision can also be made for electric motors 30 to be able to output increased power, for example by switching from sinusoidal commutation to block commutation, or by connecting the at least two energy units 36 and 44 in series.

Das soweit beschriebene Fluggerät 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. So kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass die wenigstens zwei Energieeinheiten 36, 44 und/oder die Elektromotoren 30 der Antriebseinheiten 24 mit Kühleinrichtungen ausgestattet sind, um eine thermische Überlastung der angesprochenen Bauteile zu vermeiden.The aircraft 10 described so far can be altered or modified in many ways without departing from the spirit of the invention. For example, it can be provided that the at least two energy units 36, 44 and/or the electric motors 30 of the drive units 24 are equipped with cooling devices in order to avoid thermal overloading of the components mentioned.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • CN 204548495 U [0002]CN 204548495 U [0002]

Claims (12)

Kurz- oder senkrechtstartfähiges Fluggerät (10), mit mehreren, jeweils wenigstens einen Rotor bzw. Propeller (28) und einen Elektromotor (30) aufweisenden Antriebseinheiten (24), wobei die Elektromotoren (30) mit wenigstens einer ersten Energieeinheit (36) gekoppelt und die Antriebsleistung der Elektromotoren (30) mittels einer Leistungselektronik (34) regelbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine zweite Energieeinheit (44) in Form einer wiederaufladbaren Batterie (45) vorgesehen ist, die mittel- oder unmittelbar mit den Elektromotoren (30) der Antriebseinheiten (24) zusammenwirkt, und dass die wenigstens eine zweite Energieeinheit (44) dazu ausgebildet ist, zeitweise zusätzlich zu der wenigstens einen ersten Energieeinheit (36) mit den Antriebseinheiten (24) zusammenzuwirken.Aircraft (10) capable of short or vertical takeoff, with a plurality of drive units (24), each having at least one rotor or propeller (28) and an electric motor (30), the electric motors (30) being coupled to at least one first energy unit (36) and the drive power of the electric motors (30) can be regulated by means of power electronics (34), characterized in that at least one second energy unit (44) is provided in the form of a rechargeable battery (45) which is connected directly or indirectly to the electric motors (30) of the Drive units (24) interacts, and that the at least one second energy unit (44) is designed to temporarily interact with the drive units (24) in addition to the at least one first energy unit (36). Fluggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verstelleinrichtung (32) zur Einstellung einer Rotor- bzw. Propellersteigung (s) vorgesehen ist.aircraft after claim 1 , characterized in that an adjustment device (32) for setting a rotor or propeller pitch (s) is provided. Fluggerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Antriebseinheit (24) eine separate zweite Energieeinheit (44) zugeordnet ist, und dass die zweite Energieeinheit (44) im Bereich oder nahe des Elektromotors (30) und/oder der Leistungselektronik (34) angeordnet ist.aircraft after claim 1 or 2 , characterized in that each drive unit (24) is assigned a separate second energy unit (44), and that the second energy unit (44) is arranged in the area or near the electric motor (30) and/or the power electronics (34). Fluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieinhalt bzw. die Leistungsabgabe der wenigstens einen zweiten Energieeinheit (44) ausgelegt ist, um ein Landemanöver des Fluggeräts (10) ohne die wenigstens eine erste Energieeinheit (36) auszuführen.Aircraft after one of Claims 1 until 3 , characterized in that the energy content or the power output of the at least one second energy unit (44) is designed to perform a landing maneuver of the aircraft (10) without the at least one first energy unit (36). Fluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine zweite Energieeinheit (44) von der wenigstens einen ersten Energieeinheit (36) aufladbar ist.Aircraft after one of Claims 1 until 4 , characterized in that the at least one second energy unit (44) can be charged by the at least one first energy unit (36). Fluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine erste Energieeinheit (36) als wiederaufladbare Batterie, als Hybridantrieb unter Verwendung eines Verbrennungsmotors oder als Brennstoffzellensystem ausgebildet ist.Aircraft after one of Claims 1 until 5 , characterized in that the at least one first energy unit (36) is designed as a rechargeable battery, as a hybrid drive using an internal combustion engine or as a fuel cell system. Fluggerät nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der Verstelleinrichtung (32) und einer Triebwerksstrangsteuereinheit (40) zumindest mittelbar zusammenwirkende Flugrechnereinrichtung (42) vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, die Drehzahl (n) und die Steigung (s) der Rotoren bzw. Propeller (28) an vorgegebene Kriterien, insbesondere eine Lärmemission und/oder ein Flugstreckenprofil anzupassen.Aircraft after one of claims 2 until 6 , characterized in that a flight computer device (42) which interacts at least indirectly with the adjustment device (32) and a power train control unit (40) is provided and is designed to calculate the speed (n) and the pitch (s) of the rotors or propellers ( 28) to adapt to specified criteria, in particular noise emissions and/or a flight route profile. Leistungselektronik (34), ausgebildet als Teil eines nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildeten Fluggeräts (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik (34) zur Steuerung zumindest der Drehzahl (n) bzw. Leistung zumindest eines Elektromotors (30) der Antriebseinheiten (24) ausgebildet und mit der wenigstens einen ersten und wenigstens einen zweiten Energieeinheit (36, 44) verbunden ist.Power electronics (34), formed as part of a according to one of Claims 1 until 7 trained aircraft (10), characterized in that the power electronics (34) for controlling at least the speed (n) or power of at least one electric motor (30) of the drive units (24) and formed with the at least one first and at least one second energy unit ( 36, 44). Verfahren zum Betreiben eines Fluggeräts (10), das nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine zweite Energieeinheit (44) zur Unterstützung der wenigstens einen ersten Energieeinheit (36) aktiviert wird, wenn ein Leistungsbedarf der Antriebseinheiten (24) ausschließlich von der wenigstens einen ersten Energieeinheit (36) nicht gedeckt werden kann.Method for operating an aircraft (10) according to one of Claims 1 until 7 is designed, characterized in that the at least one second energy unit (44) is activated to support the at least one first energy unit (36) if a power requirement of the drive units (24) cannot be covered exclusively by the at least one first energy unit (36). . Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine zweite Energieeinheit (44) während einer Startphase (SP) und/oder einer Landephase (LP) des Fluggeräts (10) aktiviert wird.procedure after claim 9 , characterized in that the at least one second energy unit (44) is activated during a take-off phase (SP) and/or a landing phase (LP) of the aircraft (10). Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl (n) und die Steigung (s) der Rotoren bzw. Propeller (28) anhand vorgegebener Kriterien, beispielsweise eines maximalen Schubs, einer minimalen Lärmemission oder einer maximalen Energieeffizienz eingestellt werden.procedure after claim 9 or 10 , characterized in that the speed (n) and the pitch (s) of the rotors or propellers (28) are set based on predetermined criteria, such as maximum thrust, minimum noise emissions or maximum energy efficiency. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur gleichzeitigen Erfüllung mehrerer Kriterien diese unterschiedlich stark gewichtet werden und die Drehzahl (n) und die Steigung (s) der Rotoren bzw. Propeller (28) zur Erzielung der gewichteten Kriterien jeweils optimiert werden.procedure after claim 11 , characterized in that for the simultaneous fulfillment of several criteria these are weighted differently and the speed (n) and the pitch (s) of the rotors or propellers (28) are each optimized to achieve the weighted criteria.
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