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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stellantrieb für eine Steuerfläche eines Luftfahrzeugs.
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In Flugsteuerungssystemen kommen typischerweise hydraulische Servo-Aktuatoren zum Einsatz. Sie erzeugen eine Fluglageänderung über die Steuerung von hydraulischem Druck in Hydraulikzylindern, welcher letztlich die Betätigung von Steuerflächen (bspw. Seiten-, Quer- oder Höhenruder) eines Luftfahrzeugs ermöglicht. Im Zuge der fortschreitenden Elektrifizierung von Flugzeugsystemen werden zu diesem Zweck allerdings zunehmend elektromechanische Stellantriebe (EMAs) eingesetzt.
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Hierbei handelt es sich typischerweise um rotatorische EMAs, deren Drehachse parallel zur Drehachse der Steuerklappe bzw. Steuerfläche ist. Über eine Hebelkinematik wird dann das Drehmoment auf die Klappe umgelenkt. Zusätzlich werden anstelle von Hydraulikzylindern auch linear betätigte EMAs verwendet
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Für sicherheitskritische Anwendungen, wie z.B. der Flugsteuerung oder der Rotorsteuerung von Helikoptern kommt diese Antriebstechnologie (EMA) allerdings nicht infrage, da sie aufgrund ihrer Komplexität und der Möglichkeit des Klemmens im Pfad der Kraftübertragung nicht mit der Fehleranfälligkeit ihrer (Steuerungs-) Funktion vereinbar sind.
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Es ist das Ziel der vorliegenden Vorrichtung die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden und einen Stellantrieb für eine Steuerfläche eines Luftfahrzeugs vorzusehen, der die oben aufgeführten Nachteile überwindet oder zumindest abmildert.
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Dies gelingt mit einem Stellantrieb für eine Steuerfläche eines Luftfahrzeugs, der sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Demnach ist vorgesehen, dass der Stellantrieb für eine Steuerfläche eines Luftfahrzeugs eine Axialflussmaschine oder Transversalflussmaschine zum motorischen Stellen der Steuerfläche des Luftfahrzeugs umfasst. Der Stellantrieb ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgangswelle der Axialflussmaschine mit der zu stellenden Steuerfläche des Luftfahrzeugs gekoppelt ist, vorzugsweise ohne ein zwischengeschaltetes Getriebe zwischen Ausgangswelle und Steuerfläche.
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Der wesentliche Vorteil dieser Erfindung ist, dass durch den Einsatz einer Axialflussmaschine (im Folgenden auch: AFM) auf das in herkömmlichen elektrischen Antrieben erforderliche Untersetzungsgetriebe verzichtet werden kann und die typischerweise erforderliche redundante Absicherung in dem Antrieb einfach vorzunehmen ist. Die durch einen Entfall des Getriebes reduzierte Komplexität bzw. Fehleranfälligkeit ermöglicht eine elektromechanische Ansteuerung von sicherheitskritischen Stellelementen in Luftfahrtzeugen, da ein Klemmen im Pfad der Kraftübertragung ausgeschlossen werden kann und sich damit auf Flugzeugebene einfache Systemarchitekturen ergeben. Gleichzeitig entfallen die bei Getrieben typischen Probleme des Verschleißes bzw. der Wartung/Schmierung.
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Das Problem der Komplexität und der Fehlerwahrscheinlichkeit von elektromechanischen Stellantrieben reduziert sich wesentlich, wenn -wie mit der Erfindung möglich- auf eine Getriebeübersetzung verzichten werden kann. Bei einem solchen Direktantrieb (direct-drive Prinzip), muss jedoch die erforderliche Ausgangslast direkt vom Motor (Single oder Multistack) aufgebracht werden. Für solche Anwendungen bietet die AFM gegenüber konventionellen Motorbauweisen (typischerweise in Form von RFM, d.h. Radialflussmaschinen) eine höhere Drehmomentdichte, d.h. mit ihr lässt sich bei vergleichbarer Motormasse ein höheres Antriebsmoment erzeugen.
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Mithilfe einfacher Hebelmechaniken lässt sich dieses Moment in begrenztem Maße übersetzen und in eine lineare Kraft wandeln. Der Kraftverlauf kann dabei über den Klappenwinkel erzeugt werden. Damit eignet sich die AFM ausgezeichnet für Luftfahrzeug-Steuerflächen mit geringen erforderlichen Stellkräften. Dies können zum einen Business Jets oder Unmanned Aerial Vehicle (UAV, Drohnen) oder auch eVTOL bzw. Urban Air Mobilty Plattformen sein. Zum anderen kann der beanspruchte Stellantrieb mit seiner AFM dazu genutzt werden, die Rotorverstellung (Haupt- und/oder Heckrotor) von Helikoptern (evtl. direkt oder als Vorsteuerstufe vor dem eigentlichen hydraulischen Stellzylinder) zu verstellen, eignet sich aber auch für größere Flugzeuge mit verteilten, multifunktionalen Steuerflächen und damit verbunden kleinen Stellkraftanforderungen.
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Eine schematische Darstellung eines konventionellen Motors ist in 6 gegeben. Dort ist ein herkömmlicher Elektromotor 30 abgebildet, der an seiner Ausgangswelle 7 mit radial ausgerichteten Permanentmagneten versehen ist, die mit den Wicklungen am Stator in bekannter Art und Weise zusammenwirken. Der Stator ist dabei umlaufend zur Ausgangswelle des Motors 30 angeordnet, wobei dessen Elektromagnete ebenfalls radial ausgerichtet sind. Aufgrund der Bauart gestaltet sich die Integration des Antriebs auf Grundlage einer AFM in den zur Verfügung stehenden Bauraum als herausfordernd. Gerade bei zunehmend flacheren Leitwerken (Flügeln) mit ggf. hoher Streckung ist der verfügbare Einbauraum stark limitiert. Durch eine Einbaulage liegend im Flügel und Befestigung in der Flugzeugstruktur sowie mit einer geeigneten Kinematik bringt die Wahl der AFM-Technologie jedoch Vorteile mit sich.
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Damit sind die erfindungsgemäßen Stellantriebe insbesondere für unkonventionelle Flugzeugarchitekturen von Interesse, welche bspw. auf einer elektrischen Leistungsversorgung basieren und gleichzeitig hohe Sicherheitsanforderungen an die Steuerungssysteme stellen.
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Darüber hinaus ergeben sich durch den Wegfall des Getriebes Kostenvorteile gegenüber konventionellen elektromechanischen Antrieben.
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Zusammenfassend ist demnach festzuhalten, dass durch das Entfallen des Reduziergetriebes Kostenvorteile entstehen und insbesondere die Zuverlässigkeit des Aktuators erhöht werden kann, da zum einen eine geringere Komplexität besteht und zum anderen der kritische Fehlerfall des Klemmens in Getriebe/Spindel umgangen wird.
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Nach der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Axialflussmaschine durch eine Transversalflussmaschine umgesetzt wird.
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Nach einer optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Ausgangswelle der Axialflussmaschine ohne ein zwischengeschaltetes, drehmomentsteigerndes Reduziergetriebe mit der zu stellenden Steuerfläche des Luftfahrzeugs gekoppelt ist, und/oder die Drehachse der Axialflussmaschine parallel zur Drehachse der zu stellenden Steuerfläche ist.
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Es wird demnach also kein Untersetzungsgetriebe mehr benötigt, dass zwischen der Ausgangswelle des Antriebs und der zu stellenden Steuerfläche angeordnet ist. Das zum Bewegen der Steuerfläche erforderliche Drehmoment wird direkt von der Ausgangswelle erzeugt bzw. nur über eine Koppelstangenanordnung auf die Steuerfläche übertragen. Ein typischerweise mehrere Zahnräder umfassendes Untersetzungsgetriebe, das fehleranfällig ist und in einem Fehlerfall auch vollständig Blockieren kann, ist dabei im Kraftpfad hin zur Steuerfläche nicht mehr erforderlich, sodass die Ausfallwahrscheinlichkeit zum Betätigen der Steuerfläche verringert ist.
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Weiter kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass die Steuerfläche eines Flugzeugs insbesondere ein Höhenruder, ein Querruder, ein Seitenruder oder ein Rotorblatt, insbesondere zum Verändern des Anstellwinkels des Rotorblatts, ist.
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Nach einer optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Ausgangswelle der Axialflussmaschine direkt mit der zu stellenden Steuerfläche des Luftfahrzeugs gekoppelt ist, sodass vorzugsweise eine Drehachse der zu stellenden Steuerfläche parallel oder gar identisch zu einer Drehachse der Ausgangswelle der Axialflussmaschine ist.
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Demnach kann also die Drehachse der Ausgangswelle der Axialflussmaschine identisch zu der Drehachse der zu stellenden Steuerfläche sein. Diese Umsetzung bietet sich insbesondere bei der Umsetzung des Stellantriebs zum Stellen eines Seitenruders eines Fluggeräts als vorteilhaft an, da bei einer solchen Konfiguration die Axialflussmaschine liegend in einem Fluggerät angeordnet werden kann, sodass der Stellantrieb wenig Platz einnimmt. Eine liegende Anordnung der Axialflussmaschine bedeutet dabei, dass die Ausgangswelle der Axialflussmaschine parallel zur Höhenrichtung des Luftfahrzeugs ausgerichtet ist. Wird hingegen von einer stehenden Anordnung der Axialflussmaschine gesprochen, ist damit gemeint, dass die Ausgangswelle der Axialflussmaschine senkrecht zur Höhenrichtung des Luftfahrzeugs ausgerichtet ist.
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Auch lässt sich durch die direkte Kraftübertragung und der damit verbundenen Reduktion von Reibkontakten insbesondere der Rückwärts-Wirkungsgrad verbessern, wodurch im Fehlerfall geringere Trägheitslasten im System berücksichtigt werden müssen.
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Ferner kann nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die Ausgangswelle der Axialflussmaschine über eine Koppelstangenanordnung, insbesondere einen Kniehebel, mit der zu stellenden Steuerfläche des Luftfahrzeugs gekoppelt oder direkt daran angebunden ist, sodass vorzugsweise eine Drehachse der zu stellenden Steuerfläche nicht parallel zu einer Drehachse der Ausgangswelle der Axialflussmaschine ist. Demnach kann also vorgesehen sein, dass die Drehachse der Ausgangswelle senkrecht bzw. nicht parallel zu der Drehachse der Steuerfläche orientiert ist. Hierdurch wird die Anordnungsvariabilität des Stellantriebs gegenüber der zu stellenden Steuerfläche vergrößert, sodass ein einfacherer Einbau, auch bei wenig Platz, möglich ist.
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Weiter kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass der elektromagnetische Antrieb der Axialflussmaschine redundant ausgeführt ist, vorzugsweise durch Vorsehen mehrerer, unabhängig voneinander ansteuerbarer Statorelemente, die jeweils auf ein gemeinsames Rotorelement oder mehrere mit der Ausgangswelle der Axialflussmaschine verbundenen Rotorelementen zusammenwirken.
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Insbesondere bei Luftfahrzeugen ist es von hoher Wichtigkeit, dass die Stellantriebe eine sehr hohe Zuverlässigkeit aufweisen, damit es im Flug nicht zu einem Ausfall der Stellantriebe kommt, der die Manövrierfähigkeit des Luftfahrzeugs einschränkt. Bei solch kritischen Stellantrieben ist es daher erforderlich, diese redundant auszuführen. Nutzt man nun eine Axialflussmaschine für einen Stellantrieb lässt sich eine solche redundante Ausführung auf einfache Art und Weise umsetzen, da die drehfest mit der Ausgangswelle verbundene Rotorscheibe zu jeder ihrer flächigen Seiten mit einem Statorelement zusammenwirkt, dass die Rotorscheibe nach einem entsprechenden Ansteuern des Statorelements in Drehung versetzen kann. Lassen sich nun die zu den beiden flächigen Seiten der Rotorscheibe angeordneten Statorelemente separat ansteuern oder gibt es gar mehrere mit der Ausgangswelle drehfest verbundene Rotorscheiben, die mit mindestens einem separat anzusteuernden Statorelement zusammenwirken, kann die Redundanz in dem Stellantrieb auf verlässliche Art und Weise umgesetzt werden. Im Fachjargon wird bei nur einer Ausgangswelle mit zugehörigen Statorelement(en) von Single-Stack, bei mehreren Ausgangswellen mit mindestens einem zugehörigen Stellelement von Multi-Stack gesprochen.
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Der typische symmetrische Aufbau des Stators in Form von zwei Spulenpaketen (Statorelementen), die jeweils an einer der flächigen Seiten des Rotors positioniert sind, ermöglicht also die Umsetzung eines Duplex-Redundanzkonzeptes, bei dem der elektromagnetische Antrieb (Leistungselektronik, Stator und Winkelgeber) zweifach ausgeführt ist, also jedes der Spulenpakete mit einer eigenen Ansteuerung versehen ist. Somit kann bereits auch Redundanz bei einem Single-Stack vorliegen.
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Zusätzlich oder alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass die Redundanz auch durch eine Segmentierung im Winkelbereich eines jedes Stators umgesetzt wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da sich hierbei keine magnetische Kopplung zwischen den redundant ansteuerbaren Statoren ergibt, die sich unter Umständen nachteilig auswirken könnte. Demnach kann also auch vorgesehen sein, dass jeder der mehreren Statoren mehrere voneinander segmentierte Winkelbereiche aufweist, die jeweils durch mehrere redundant ausgeführte Ansteuerungen angesteuert werden. Auch hierdurch kann die gewünschte Redundanz umgesetzt werden.
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Nach einer vorteilhaften Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kopplung zwischen der Ausgangswelle der Axialflussmaschine und der zu stellenden Steuerfläche des Luftfahrzeugs redundant ausgeführt ist, um ein Übertragen einer von der Axialflussmaschine ausgehenden Stellkraft unabhängig voneinander auszuführen.
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Das redundante Vorsehen von Kraftübertragungsmitteln zwischen der Ausgangswelle der Axialflussmaschine und der zu stellenden Steuerfläche ist eine weitere Möglichkeit, um die Ausfallwahrscheinlichkeit des Stellantriebs zu reduzieren.
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Je nach Anwendung und den entsprechend zu betrachtenden Fehlerfällen sind somit neuartige Architekturen bei der Betätigung von Steuerflächen möglich. Wie bereits gesagt kann das Gestänge als „dual-load“ Pfad ausgeführt werden, sodass auch die Kinematik der Kraftübertragung redundant ausgeführt ist und mehrere Lastpfade ermöglicht, welche unabhängig voneinander die erforderlichen Stellkräfte übertragen können.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Rotationsachse der Ausgangswelle der Axialflussmaschine nicht parallel zu der Rotationsachse der zu stellenden Steuerfläche des Luftfahrzeugs ist.
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Ferner kann nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die Ausgangswelle der Axialflussmaschine über eine Koppelstange oder eine Koppelstangenanordnung mit der zu stellenden Steuerfläche des Luftfahrzeugs verbunden ist.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Koppelstange oder die Koppelstangenanordnung eine nicht-planare Bewegung ausführt, wenn die Ausgangswelle rotiert. Durch das Ausführen der nicht-planaren Bewegung bei einem Rotieren der Ausgangswelle kann eine zur Drehachse der Ausgangswelle parallele Kraft auf eine Steuerfläche einwirken, sodass ein Stellen der Steuerfläche in eben jene Richtung ausgeführt werden kann.
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Weiter kann dabei vorgesehen sein, dass die Koppelstange zwei über ein Gelenk miteinander verbundene geradlinig ausgestaltete Koppelelemente aufweist, die mit ihrem vom Gelenk beabstandeten Enden mit der Steuerfläche bzw. mit der Ausgangswelle verbunden sind.
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Nach einer vorteilhaften Modifikation der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der statische Teil der Axialflussmaschine an einer Struktur des Luftfahrzeugs angebunden ist und in mindestens vier Freiheitsgraden gegen Bewegung blockiert ist. Zum Ausüben einer Kraft auf die Steuerfläche ist es erforderlich, dass die Axialflussmaschine starr an eine Flugzeugstruktur angeordnet ist.
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Die Erfindung umfasst neben einer Fortbildung des Patentanspruchs 1 ferner einen Stellantrieb mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, wobei die Axialflussmaschine eine mit umlaufend angeordneten Permanentmagneten versehene Rotorscheibe aufweist, die drehfest mit der Ausgangswelle verbunden und sandwichartig zwischen zwei Statorelementen aufgenommen ist.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann dabei vorgesehen sein, dass jedes der zwei Statorelemente über eine eigenständige Ansteuerung verfügt, sodass die Statorelemente redundant gegenüber dem zwischen ihnen aufgenommenen Rotor ausgebildet sind, wobei vorzugsweise jede der eigenständigen Ansteuerungen eine Leistungselektronik und/oder einen Winkelgeber umfasst.
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Wie bereits oben ebenfalls kurz erläutert, ist eine redundante Ansteuerung der mehreren Statoren auch dadurch möglich, indem jeder der mehreren Statoren in mehrere Winkelbereiche segmentiert ist, die von unterschiedlichen Ansteuerungen betrieben werden.So kann vorgesehen sein, dass nicht jedes einzelne Statorelement, sondern vorzugsweise identische, gegenüberliegende Winkelbereiche zweier Statorelemente jeweils über eine eigenständige Ansteuerung verfügen. Möglich ist bspw. dass eine linke bzw. rechte Statorhälfte (Winkelbereich einer Statorhälfte) von einer ersten Ansteuerung und die andere Hälfte von einer zweiten Ansteuerung angesteuert werden, sodass es bei einem Ausfall eine der beiden Ansteuerungen weiterhin möglich ist, zumindest die noch intakte Hälfte des Stators weiterzubetreiben.
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So kann jedes der mehreren Statorelemente den Rotor der Axialflussmaschine in Bewegung versetzen, unabhängig von einem eventuell vorhandenen zweiten Statorelement, dass an einer anderen der flächigen Seiten des Rotors angeordnet ist. Diese Redundanz benötigt sehr wenig Bauraum und ist einfach umzusetzen.
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Darüber hinaus kann nach der vorliegenden Erfindung ebenfalls vorgesehen sein, dass jedes der zwei Statorelemente über mindestens zwei voneinander unabhängige Ansteuerungen verfügt, die jeweilige Winkelbereiche eines zugehörigen Statorelements ansteuern, sodass die Ansteuerung der Statorelemente redundant gegenüber der zwischen ihnen aufgenommenen Rotorscheibe ausgebildet sind, wobei vorzugsweise jede der eigenständigen Ansteuerung eine Leistungselektronik und/oder einen Winkelgeber umfasst.
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Es muss demnach also nicht jeder der mehreren Statoren über eine von den anderen Statoren separate Ansteuerung verfügen, sondern jeder der mehreren Statoren kann mehrere Ansteuerungen aufweisen, die jeweils einen bestimmten Winkelbereich eines Stators abdecken. Diese Segmentierung im Winkelbereich eines Stators führt nun dazu, dass auch bei Ausfall einer der mehreren Ansteuerungen der Betrieb der Statoren weiterhin möglich ist, da lediglich ein bestimmter Winkelbereich des einen oder der mehreren Statoren nicht mehr ansteuerbar ist, wobei der noch intakte Winkelbereich aber für einen weiteren Betrieb der Axialflussmaschine genügt.
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Nach einer weiteren optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass an der Ausgangswelle mindestens zwei voneinander in Axialrichtung beabstandete Rotorscheiben vorgesehen sind, die drehfest mit der Ausgangswelle verbunden sind und jeweils mit mindestens einem, vorzugsweise mit jeweils zwei Statorelementen (bspw. Statorscheiben mit mehreren umlaufend angeordneten Elektromagneten) zusammenwirken.
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Eine weitere zusätzliche oder alternative Möglichkeit zum Vorsehen einer Redundanz in dem Stellantrieb ist es, mehrere drehfest mit der Ausgangswelle verbundene Rotorscheiben vorzusehen, die jeweils separat über entsprechende Statorelemente oder über ein entsprechendes Statorelement antreibbar sind.
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Die Erfindung umfasst ferner ein Luftfahrzeug, insbesondere ein Flächenflugzeug oder einen Drehflügler, mit einem Stellantrieb nach einer der vorhergehend diskutierten Varianten.
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Insbesondere kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass die Axialflussmaschine (1) als Vorsteueraktuator für einen hydraulischen, mechanischen oder hydromechanischen Stellantrieb eines Helikopters vorgesehen ist.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Stellantriebs zum Ansteuern eines Seitenruders,
- 2: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Stellantriebs zum Ansteuern eines Höhen- oder Querruders,
- 3: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Stellantriebs als Vorsteuerstufe für eine Rotorblattverstellung,
- 4a: eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Schnittansicht,
- 4b: eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem ersten nicht-ausgelenkten Zustand,
- 4c: eine Darstellung des in der 4b dargestellten Stellantriebs in einem zweiten ausgelenkten Zustand,
- 5: eine schematische Darstellung zur Visualisierung des redundanten Aufbaus der Axialflussmaschine in dem erfindungsgemäßen Stellantrieb, und
- 6: eine Darstellung eines herkömmlichen Motors eines Stellantriebs, einer sogenannten Radialflussmaschine.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Stellantriebs 10 zum Ansteuern eines Seitenruders. Das Seitenruder dient zum Drehen eines Fluggeräts um die Hochachse, wobei diese Bewegung auch Gieren genannt wird. Hierbei wird während der Vorwärtsbewegung das Seitenruder in die gewünschte Richtung ausgestellt, sodass es zu einer Gierbewegung kommt.
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Man erkennt, dass die Axialflussmaschine 1 liegend angeordnet ist, sodass die Ausgangswelle 5 parallel zur Hochachse des Fluggeräts angeordnet ist. Die Ausgangswelle 5 ist dabei parallel zur Drehachse der Steuerfläche 4 des Seitenruders oder sogar integral mit dieser ausgebildet. Dem Fachmann ist klar, dass auch eine drehfeste Verbindung zwischen der Ausgangswelle 5 und der Drehachse der Steuerfläche 4 des Seitenruders möglich ist. Ferner kann dabei an den beiden Enden der Drehachse ein Lager 11 vorgesehen sein, dass die gewünschte Drehbewegung der Steuerfläche 4 ermöglicht.
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Die liegende Anordnung der Axialflussmaschine 1 sowie das direkte Verbinden der Ausgangswelle 5 mit der Drehachse der Steuerfläche 4 führen zu einer sehr kompakten Ausgestaltung des Stellantriebs 10, die darüber hinaus auch nur sehr wenige fehleranfällige Teile besitzt, sodass die Anwendung in sicherheitskritischen Bereichen, wie bei der dargestellten Auslenkung des Seitenruders möglich ist.
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2 zeigt eine weitere schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Stellantriebs 10 zum Auslenken einer Steuerfläche 4. In dieser Figur kann es sich bei der Steuerfläche 4 beispielsweise um das Querruder oder ein Höhenruder eines Luftfahrzeugs handeln. Die Steuerfläche 4 ist dabei um eine Drehachse C schwenkbar, sodass sie je nach den Vorgaben eines Piloten oder einer autonom agierenden Flugsteuereinheit den gewünschten Anstellwinkel einnehmen kann. Dabei ist die Steuerfläche 4 über eine Koppelstangenanordnung 9 bzw. Übertragungsanordnung , die Hebelelemente wie Stangen und/oder flexible Glieder wie Seile umfassen kann, direkt mit der Ausgangswelle 5 der Axialflussmaschine 1 verbunden, sodass eine Rotation der Ausgangswelle 5 zu einem entsprechenden Rotieren eines Teils der Koppelstangenanordnung 9 führt. Diese Verdrehung der Koppelstangenanordnung 9 bzw. des Teils der Koppelstangenanordnung 9 führt zu einem Verschwenken der Steuerfläche 4 um ihre in Lagerstellen 11 gelagerte Drehachse C.
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Falls gewünscht oder aus Sicherheitsgründen benötigt, kann ausgehend von der Ausgangswelle 5 der Axialflussmaschine 1 ein redundanter Pfad zum Übertragen der Kraft auf die Steuerfläche 4 vorgesehen sein. Dieser Pfad ist in der 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet. Kommt es nun zu einer ungewünschten strukturellen Veränderung von einer der beiden redundanten Koppelstangenanordnungen 9, führt dies nicht automatisch zu einem Ausfall des Stellantriebs, da die verbleibende Koppelstangenanordnung 9 weiterhin die Steuerfläche 4 betätigen kann.
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Das Bezugszeichen POS1 zeigt dabei eine mittlere Verschwenkposition der Steuerfläche 4, wohingegen die weiteren nur in gestrichelten Linien angedeuteten Drehpositionen der Ausgangswelle der Axialflussmaschine 1 die Steuerfläche in einer voll ausgeschwenkten Position „Steuerfläche 4 oben“ (POS2) und in einer voll ausgeschwenkten Position „Steuerfläche 4 unten“ (POS3) zeigen.
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Anders als in 1 ist hierbei die Drehachse der Axialflussmaschine 1 nicht parallel zur Drehachse C der zu stellenden Steuerfläche 4. Insbesondere im Bereich von typischerweise schmal auszuführenden Flügelstrukturen eines Luftfahrtgeräts ist dabei die Anordnung von Vorteil, bei der die Drehachse der Axialflussmaschine 1 geneigt oder senkrecht zu der Drehachse C der Steuerfläche 4 ist.
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3 zeigt eine weitere schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Stellantriebs 10, wobei diesmal der Stellantrieb 10 zur Rotorverstellung eines Propellers oder zur Vorsteuerung einer solchen Verstellung dient.
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Auch hier ist wieder eine Koppelstangenanordnung 9 mit der Ausgangswelle der Axialflussmaschine 1 verbunden, wobei die Koppelstangenanordnung 9 mit einem ihrer Teile drehfest an die Ausgangswelle der Axialflussmaschine 1 angebunden sein kann. Um nun die rotierende Bewegung der Ausgangswelle in eine lineare Bewegung zum Verändern der Taumelscheibe 13 zu überführen, ist ein Teil der Koppelstangenanordnung 9 an einem Hauptrotor-Aktuator feststehend gelagert, sodass es bei einer Drehung der Ausgangswelle zu einer linearen Bewegung des mit der Taumelscheibe 13 verbundenen Teils der Koppelstangenanordnung 9 kommt.
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4a zeigt eine Seitenschnittansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stellantriebs 10. Man erkennt die mittig angeordnete Axialflussmaschine 1 mit ihrer Drehachse A. An der Ausgangswelle ist eine Koppelstangenanordnung 2 vorgesehen, die bei einem Drehen der Ausgangswelle um die Drehachse A zu einem Auslenken der Steuerfläche 4 führt. Die Axialflussmaschine 1 ist dabei starr an einer Struktur 3 eines Luftfahrzeugs angeordnet, damit die erzeugte Rotationskraft ausschließlich über die Ausgangswelle und die daran angebundene Hebelanordnung 2 wirkt.
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Die Koppelstangenanordnung 9 kann dabei ein Kniehebel sein, der die gewünschte Auslenkung der Steuerfläche bewirkt.
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4b zeigt den in der vorstehenden 4a dargestellten Zustand der Steuerfläche 4 in einer Perspektivansicht. Man erkennt hierbei auch die Drehachse C der Steuerfläche 4, um die die Steuerfläche 4 bei einem Betätigen der Axialflussmaschine 1 bzw. einem Rotieren der damit in Verbindung stehenden Ausgangswelle und einem Betätigen der Koppelstangenanordnung 2 rotiert wird.
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4c zeigt nun den Zustand, in dem die Steuerfläche 4 gegenüber ihrem vorhergehenden Zustand aufgestellt worden ist. Man erkennt, dass die Koppelstangenanordnung 2 durch ein Rotieren der Ausgangswelle der Axialflussmaschine 1 rotiert worden ist und dadurch zu einem Aufstellen der Steuerfläche 4 führt.
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Die Koppelstangenanordnung 9 kann dabei zwei Schenkel umfassen, die über ein Gelenk miteinander in Verbindung stehen. Die beiden vorzugsweise geradlinig und starr ausgeführten Schenkel sind dabei mit ihrem jeweiligen vom gemeinsamen Gelenk abgewandten Ende mit der Steuerfläche 4 bzw. der Ausgangswelle 5 der Axialflussmaschine 1 verbunden, bzw. dort fest angeordnet. So kann bei einem Drehen der Ausgangswelle der Axialflussmaschine 1 eine zur Drehachse A parallele Krafteinwirkung auf die Steuerfläche 4 ausgeübt werden. Die Koppelstangenanordnung 9 ist dabei direkt mit der Ausgangswelle der Axialflussmaschine verbunden, ohne dass ein Untersetzungsgetriebe an der Ausgangswelle vorgesehen ist.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer Axialflussmaschine 1 mit ihrer typischen Rotorscheibe 7 und die an ihren beiden flächigen Seiten angeordneten Permanentmagneten 8. Die Rotorscheibe 7 ist dabei drehfest zu einer dazu senkrecht verlaufenden Ausgangswelle 5 angeordnet, sodass es bei einer Drehung der Rotorscheibe 7 zu einer entsprechenden Drehung der Ausgangswelle 5 kommt. Die Magnetfelder zum Bewirken der Drehung werden dabei über die feststehenden Statorelemente 6 eingeprägt, die in der vorliegenden Ausgestaltung an beiden flächigen Seiten der Rotorscheibe 7 angeordnet sind. Für einen Betrieb der Axialflussmaschine würde hingegen bereits das Vorliegen eines einzelnen Statorelements 6 (mit mehreren Elektromagneten) ausreichen, da bereits hierüber eine Bewegung der Ausgangswelle 5 bzw. der Rotorscheibe 7 erreicht werden kann. In der Regel werden jedoch aus Effizienzgründen die beiden Statorelemente 6 um die Ausgangswelle herum zueinander versetzt angeordnet und mit ein- und demselben Steuersignal versorgt, um eine kraftvollere Bewegung der Rotorscheibe 7 zu ermöglichen.
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Vorliegend wird aus Redundanzgründen die Ansteuerung der zwei Statorelemente 6 unabhängig voneinander, im Optimalfall jedoch aufeinander abgestimmt, ausgeführt, sodass bei einem Ausfall einer Ansteuerungseinheit für eines der beiden Statorelemente 6 eine weitere Betätigung der Axialflussmaschine 1 weiterhin möglich ist. Hierzu sind beispielsweise ein Winkelgeber und eine entsprechende Leistungselektronik doppelt vorhanden, sodass jedes der beiden Statorelemente 6 unabhängig von dem anderen Statorelement 6 angesteuert werden kann. Zwar würde ein Komplettausfall eines der beiden Statorelemente 6 zu einer Verringerung des Drehmoments der Axialflussmaschine 1 führen, ein Notbetrieb kann aber auch bei Vorhandensein von nur einem Statorelement 6 aufrechterhalten werden.
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Alternativ oder zusätzlich dazu ist möglich, eine redundante Ansteuerung der mehreren Statoren auch dadurch zu ermöglichen, indem jeder der mehreren Statoren in mehrere Winkelbereiche segmentiert ist, die von unterschiedlichen Ansteuerungen betrieben werden. So kann vorgesehen sein, dass nicht jedes einzelne Statorelement, sondern vorzugsweise identische, gegenüberliegende Winkelbereiche zweier Statorelemente jeweils über eine eigenständige Ansteuerung verfügen. Möglich ist bspw. dass eine linke bzw. rechte Statorhälfte (Winkelbereich einer Statorhälfte) von einer ersten Ansteuerung und die andere Hälfte von einer zweiten Ansteuerung angesteuert werden, sodass es bei einem Ausfall einer der beiden Ansteuerungen weiterhin möglich ist, zumindest die noch intakte Hälfte des Stators weiterzubetreiben.
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6 zeigt die Darstellung einer herkömmlichen Radialflussmaschine 30, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist und typischerweise für herkömmliche elektromechanische Aktuatoren eingesetzt wird. Man erkennt, dass der magnetische Fluss zum Bewegen des Rotors radial zur Ausgangswelle 7 verläuft und auch die entsprechenden Permanentmagnete 8 an dem Rotor radial angeordnet sind. Bei einer Axialflussmaschine ist hingegen der magnetische Fluss parallel zur Längsrichtung der Achse, also axial, ausgerichtet.
