DE102021205994A1

DE102021205994A1 - Antriebseinrichtung für einen Propeller eines Multicopters

Info

Publication number: DE102021205994A1
Application number: DE102021205994.5A
Authority: DE
Inventors: Philipp Rechenbach; Björn Weigel; Sebastian Deeg; Matthias Köpf
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2021-06-14
Filing date: 2021-06-14
Publication date: 2022-12-15

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebseinrichtung für einen Propeller 28 eines Multicopters mit einem Antriebsgehäuse 2, das von einer den Propeller 28 tragenden Propellerwelle 1 durchragt ist, die von Motorwellen 6 von wenigsten zwei in dem Antriebsgehäuse 2 angeordneten Elektromotoren 4 drehbar antreibbar ist. Die Motorwellen 6 der wenigstens zwei Elektromotoren 4 erstrecken sich parallel zur Propellerwelle 1 und die Propellerwelle 1 ist über eine oder mehrere Getriebestufen von den Motorwellen 6 drehbar antreibar.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebseinrichtung für einen Propeller eines Multicopters mit einem Antriebsgehäuse, das von einer den Propeller tragenden Propellerwelle durchragt ist, die von Motorwellen von wenigsten zwei in dem Antriebsgehäuse angeordneten Elektromotoren drehbar antreibbar ist.
Ein Multikopter ist ein Luftfahrzeug, das mehrere in einer Ebene angeordnete, senkrecht nach unten wirkende Rotoren oder Propeller benutzt, um Auftrieb und durch Neigung der Rotorebene auch Vortrieb zu erzeugen.
Multikopter werden primär zum Vertikalen Starten und Landen (vertical take-off and landing -vTOL) genutzt und dienen u.a. dazu Personen zu transportieren.
Bei einer derartigen Antriebseinrichtung ist es bekannt dass ein Elektromotor über einen Planetenradsatz eine Propellerwelle drehbar antreibt, die einen Propeller trägt.
Weist ein Multicopter nur wenige Antriebseinrichtungen für Propeller auf, kann bei einem Defekt des Elektromotors der Antriebseinrichtungen und somit Ausfall eines Propellers der Flug des Multikopters instabil werden.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Antriebseinrichtung für einen Propeller eines Multicopters der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einfachem Aufbau auch bei einem Defekt des Elektromotors einen stabilen Flug des Multikopters ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Motorwellen der wenigstens zwei Elektromotoren sich parallel zur Propellerwelle erstrecken und die Propellerwelle über eine oder mehrere Getriebestufen von den Motorwellen drehbar antreibar ist.
Bei einem Ausfall einer der Elektromotoren kann der Propeller immer noch durch einen oder mehrere der anderen Elektromotoren weiterbetrieben werden, so dass es nicht zu einer Instabilität des Fluges des Multikopters kommt. Dazu ist keine zusätzliche Sensorik und Aktuatorik erforderlich. Ist also das Drehmoment eines Elektromotors gleich Null oder geringer als ein vorgegebener Wert, so wird dieser Elektromotor von dem oder den anderen Elektromotoren mitgeschleppt oder läuft leer mit.
Die zwei oder mehreren Elektromotoren sind vorzugsweise gleichmäßig verteilt um die Propellerwelle herum angeordnet.
Daraus ergeben sich die Vorteile, dass je nach Anzahl der Elektromotoren die Anforderungen an die Elektromotorenausfallwahrscheinlichkeit sinkt. Weiterhin muss das System desto weniger elektrisch überdimensioniert werden, je mehr Elektromotoren verbaut sind. Das bedeutet, dass die einzelnen Elektromotoren jeweils mit geringerer Leistung dimensioniert werden können, je mehr Elektromotoren pro Propellerwelle angeordnet sind. Dies reduziert die Kosten pro Elektromotor wesentlich.
Zu einem einfach aufgebauten und damit auch wenig Gewicht benötigenden Aufbau des Drehantriebs der Propellerwelle durch die Motorwellen führt es, wenn die Propellerwelle direkt oder indirekt über eine Stirnradstufe von den Motorwellen drehbar antreibbar ist, wobei auf den Motorwellen jeweils ein erstes Stirnrad angeordnet ist, das in ein konzentrisch auf der Propellerwelle angeordnetes zweites Stirnrad eingreift.
Weiterhin kann die Propellerwelle direkt oder indirekt über eine Planetenstufe von den Elektromotoren drehbar antreibbar sein, so dass aufgrund der hohen Gesamtübersetzung das abzustützende Drehmoment der Elektromotoren sehr stark sinkt und diese relativ klein und leicht ausgeführt werden können.
Dabei kann von den Motorwellen der zwei oder mehr Elektromotoren direkt oder indirekt ein zur Propellerwelle konzentrisches Sonnenrad eines Planetengetriebes drehbar antreibbar sein, in das mehrere Planetenräder eingreifen, die an einem Planetenträger drehbar gelagert sind, wobei der Propellerwelle koaxiale Planetenträger drehfest mit der Propellerwelle verbunden ist.
Ist die Propellerwelle und die eine oder mehreren Getriebestufen von jeder Motorwelle über eine bei Unterschreitung einer Mindestdrehzahl öffnende Kupplung drehbar antreibbar, so ist bei einem Ausfall eines Elektromotors und einer unter der Mindestdrehzahl liegenden Drehzahl der Motorwelle diese von den Getriebestufen abgekoppelt und muss nicht von den weiteren Elektromotoren mitgeschleppt werden. Bei einer Blockierung des defekten Elektromotors kann es nicht zu einer Blockade der gesamten Antriebseinrichtung kommen.
Zu einem einfachen Aufbau führt es dabei, wenn die bei Unterschreitung einer Mindestdrehzahl öffnenden Kupplungen Fliehkraftkupplungen sind.
Die Drehbewegung der Propellerwelle kann durch eine Bremse blockierbar sein.
Damit ist ein starkes dynamisches Abbremsen des Propellers im Betrieb bei zu hoher Drehzahl des Propellers und/oder das Stillstehen des Propellers möglich, wenn sich der Multicopter am Boden befindet.
Weiterhin ist es auch möglich, dass die Propellerwelle durch die Bremse in einer aerodynamisch günstigen Position des von der Propellerwelle getragenen Propellers blockierbar ist.
Dies ist dann von Vorteil, wenn für den Horizontalantrieb des Multicopters separate Antriebsvorrichtungen benutzt werden.
Auch ist bei zu hoher Drehzahl des Propellers ein elektrisches Bremsen möglich, indem der Elektromotor in einem Generatorbetrieb betrieben wird.
Ist der eine oder mehrere Getriebestufen aufnehmende Teil der Propellerwelle in einem eine Schmierflüssigkeit enthaltenden Teilgehäuse angeordnet, so kommt es zu einer Verteilung der Schmierflüssigkeit zu den Getriebestufen durch die Fliehkraft der Schmierflüssigkeit in den Getriebestufen.
Von der Propellerwelle kann weiterhin eine Kühlmittelpumpe antreibbar sein, von der Kühlmittel durch einen oder mehrere Kühlkreisläufe förderbar ist, durch die die Elektromotoren und/oder die Gesamtanordnung der Antriebseinrichtung und/oder eine oder mehrere die Elektromotoren ansteuernden Leistungselektroniken kühlbar sind.
Dazu ist vorzugsweise die Kühlmittelpumpe drehfest mit der Propellerwelle verbunden.
Weiterhin kann zur Kühlung der Komponenten der Antriebseinrichtung die Propellerwelle an ihrem dem Propeller entgegengesetzten Endbereich drehfest ein Lüfterrad tragen, von der ein das Antriebsgehäuse durchströmender Luftstrom erzeugbar ist.
Weiterhin ist es zur Kühlung der Komponenten der Antriebseinrichtung auch möglich, dass an der Außenwand des Antriebsgehäuses ein oder mehrere sich parallel zur Propellerwelle erstreckenden Kühlkanäle angeordnet sind, in denen sich luftdurchströmbare Kühlelemente befinden, wobei von an der Propellerwelle angeordnete Lüfterschaufeln ein die Kühlkanäle durchströmender Luftstrom erzeugbar ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen

1 eine Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Antriebseinrichtung
2 eine Prinzipdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Antriebseinrichtung.

Die dargestellten Antriebseinrichtungen weisen eine Propellerwelle 1 auf, die senkrecht in einem Antriebsgehäuse 2 drehbar gelagert ist, dessen oberer Teil als Teilgehäuse 3 von dem unteren Teil des Antriebsgehäuses 2 abgeteilt ist.
Das Antriebsgehäuse 2 ist mit seiner radial umlaufenden Wandung an einem Rahmen 25 des Multicopters angeordnet.
In dem unteren Teil des Antriebsgehäuses 2 sind zwei Elektromotoren 4 angeordnet. In den dargestellten Ausführungsbeispielen sind zwei Elektromotoren vorhanden. Es können aber auch 3, 4, 5 oder mehr Elektromotoren um die Propellerwelle 1 angeordnet sein. Eine bevorzugte Anzahl sind vier Elektromotoren.
In mit dem Antriebsgehäuse 2 fest angeordneten Statoren 5 der Elektromotoren 4 sind auf drehbar gelagerten Motorwellen 6 Rotoren 7 angeordnet. Die Motorwellen 6 sind mit ihren oberen Enden abgedichtet in das Teilgehäuse 3 geführt und über Fliehkraftkupplungen 8 koaxial mit einem ersten Stirnrad 9 einer Stirnradstufe 10 kuppelbar.
Das erste Stirnrad 9 der Stirnradstufe 10 greift in ein zweites Stirnrad 11 der Stirnradstufe 10 ein, das mit einem zur Propellerwelle 1 koaxialen Sonnenrad 12 eines Planetengetriebes 13 drehfest verbunden ist.
Am Umfang des Sonnenrades 12 greifen mehrere Planetenräder 14 in das Sonnenrad 12 ein, die weiterhin in ein die Planetenräder 14 umschließendes, fest am Antriebsgehäuse angeordnetes Hohlrad 15 eingreifen.
Die Planetenräder 14 sind an einem Planetenträger 16 um zur Propellerwelle 1 parallele Planetenachsen drehbar gelagert, wobei der Planetenträger fest mit der Propellerwelle 1 verbunden ist.
Ebenfalls im Teilgehäuse 3 ist eine Bremse 17 an der Propellerwelle 1 angeordnet, durch die die Drehbewegung der Propellerwelle 1 reduzierbar oder sogar blockierbar ist.
Das Teilgehäuse 3 ist teilweise mit einem Öl gefüllt, das im Betrieb der Antriebseinrichtung durch die sich drehenden Bauteile mittels Fliehkraft sich im Teilgehäuse 3 verteilt und die darin angeordneten Bauteile schmiert.
Unterhalb der Elektromotoren 4 sind in dem Antriebsgehäuse 2 Leistungselektroniken 18 angeordnet, durch die die Elektromotoren 4 ansteuerbar sind.
In ihrem unteren Bereich ist eine, von der Propellerwelle 1 antreibbare Kühlmittelpumpe 19 angeordnet, durch die Kühlmittel durch Kühlkreisläufe 20 förderbar ist, die die Elektromotoren 4, die Leistungselektroniken 18 sowie mittels Kühlkanälen 21 an der Innenseite der Außenwand 22 des Antriebsgehäuses 2 das Antriebsgehäuse 2 umgeben.
An dem unteren Endbereich der Propellerwelle 1 ist ein Lüfterrad 23 drehfest angeordnet, durch das ein Luftstrom 24 erzeugt wird, der Teilbereiche der Kühlkreisläufe 20 umströmt und diese kühlt.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 sind an der Außenseite der Außenwand 22 des Antriebsgehäuses 2 Kühlkanäle 26 angeordnet, die sich von dem oberen Bereich der Antriebseinrichtung zu deren unteren Bereich erstrecken und an ihren Enden offen sind. In den Kühlkanälen 26 sind Kühlelemente 27 angeordnet.
Bei beiden Ausführungsbeispielen ist am oberen, aus dem Antriebsgehäuse 2 herausragenden Ende der Propellerwelle 1 über eine Propelleraufnahme 30 ein Propeller 28 angeordnet, der bei dem Ausführungsbeispiel der 2 an seine radialen Enden Lüfterschaufeln 29 trägt, die sich den oberen Öffnungen der Kühlkanäle 26 gegenüberliegend befinden und im Betrieb der Antriebseinrichtung einen durch die Kühlkanäle 26 strömenden weiteren Luftstrom 31 erzeugen.
Bezugszeichenliste

1: Propellerwelle
2: Antriebsgehäuse
3: Teilgehäuse
4: Elektromotoren
5: Statoren
6: Motorwellen
7: Rotoren
8: Fliehkraftkupplungen
9: erstes Stirnrad
10: Stirnradstufe
11: zweites Stirnrad
12: Sonnenrad
13: Planetengetriebe
14: Planetenräder
15: Hohlrad
16: Planetenträger
17: Bremse
18: Leistungselektroniken
19: Kühlmittelpumpe
20: Kühlkreisläufe
21: Kühlkanäle
22: Außenwand
23: Lüfterrad
24: Luftstrom
25: Rahmen
26: Kühlkanäle
27: Kühlelemente
28: Propeller
29: Lüfterschaufeln
30: Propelleraufnahme
31: weiterer Luftstrom

Claims

Antriebseinrichtung für einen Propeller (28) eines Multicopters mit einem Antriebsgehäuse (2), das von einer den Propeller (28) tragenden Propellerwelle (1) durchragt ist, die von Motorwellen (6) von wenigsten zwei in dem Antriebsgehäuse (2) angeordneten Elektromotoren (4) drehbar antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorwellen (6) der wenigstens zwei Elektromotoren (4) sich parallel zur Propellerwelle (1) erstrecken und die Propellerwelle (1) über eine oder mehrere Getriebestufen von den Motorwellen (6) drehbar antreibar ist.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Propellerwelle (1) direkt oder indirekt über eine Stirnradstufe (10) von den Motorwellen (6) drehbar antreibbar ist, wobei auf den Motorwellen (6) jeweils ein erstes Stirnrad (9) angeordnet ist, das in ein konzentrisch auf der Propellerwelle (1) angeordnetes zweites Stirnrad (11) eingreift.
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Propellerwelle (1) direkt oder indirekt über eine Planetenstufe von den Elektromotoren (4) drehbar antreibbar ist.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass von den Motorwellen (6) der zwei oder mehr Elektromotoren (4) direkt oder indirekt ein zur Propellerwelle (1) konzentrisches Sonnenrad (12) eines Planetengtriebes (13) drehbar antreibbar ist, in das mehrere Planetenräder (14) eingreifen, die an einem Planetenträger (16) drehbar gelagert sind, wobei der zur Propellerwelle (1) koaxiale Planetenträger (16) drehfest mit der Propellerwelle (1) verbunden ist.
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Propellerwelle (1) und die eine oder mehrere Getriebestufen von jeder Motorwelle (6) über eine bei Unterschreitung einer Mindestdrehzahl öffnende Kupplung drehbar antreibbar ist.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die bei Unterschreitung einer Mindestdrehzahl öffnenden Kupplungen Fliehkraftkupplungen (8) sind.
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehbewegung der Propellerwelle (1) durch eine Bremse (17) verzögerbar oder blockierbar ist.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Propellerwelle durch die Bremse (17) in einer aerodynamisch günstigen Position des von der Propellerwelle (1) getragenen Propellers (28) blockierbar ist.
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder mehrere Getriebestufen aufnehmende Teil der Propellerwelle (1) in einem eine Schmierflüssigkeit enthaltenden Teilgehäuse (3) angeordnet ist.
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der Propellerwelle (1) eine Kühlmittelpumpe (19) antreibbar ist, von der Kühlmittel durch einen oder mehrere Kühlkreisläufe (20) förderbar ist, durch die die Elektromotoren (4) und/oder die Gesamtanordnung der Antriebseirichtung und/oder eine oder mehrere die Elektromotoren (4) ansteuernden Leistungselektroniken (18) kühlbar sind.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelpumpe (19) drehfest mit der Propellerwelle (1) verbunden ist.
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Propellerwelle (1) an ihrem dem Propeller (28) entgegengesetzten Endbereich drehfest ein Lüfterrad (23) trägt, von dem ein das Antriebsgehäuse (2) durchströmender Luftstrom (24) erzeugbar ist.
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Außenwand (22) des Antriebsgehäuses (2) ein oder mehrere sich parallel zur Propellerwelle (1) erstreckenden Kühlkanäle (26) angeordnet sind, in denen sich luftdurchströmbare Kühlelemente (27) befinden, wobei von an der Propellerwelle (1) angeordnete Lüfterschaufeln (29) ein die Kühlkanäle (26) durchströmender Luftstrom (31) erzeugbar ist.