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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich insbesondere auf ein Fahrzeug, insbesondere auf ein Luftfahrzeug.
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Fahrzeuge, z.B. Luftfahrzeuge, werden in vielfältigen Ausgestaltungen angetrieben. Verbrennungsmaschinen, z.B. Kolbenmotoren oder Gasturbinentriebwerke, ermöglichen große Reichweiten und hohe Geschwindigkeiten. Antriebe mit einem oder mehreren Elektromotor(en) ermöglichen einen Einsatz von nachhaltig erzeugter Energie und sind mitunter besonders wartungsarm und leise, weisen jedoch typischerweise eine begrenzte Reichweite auf.
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Eine Möglichkeit zum Vergrößern der Reichweite besteht darin, alle Baugruppen möglichst mit einem möglichst geringen Gewicht auszugestalten. Gleichzeitig ist es im Fahrzeugbau und ganz besonders im Luftfahrtbereich wichtig, möglichst geringe Ausfallwahrscheinlichkeiten zu gewährleisten. Zwischen diesen beiden Vorgaben ergibt sich in der Regel ein Zielkonflikt. Dies wird in der Regel noch dadurch verschärft, dass auch für unvorhergesehene Manöver Leistungsreserven bereitzuhalten sind. Daher ist es oftmals nötig, Baugruppen für einen Normalbetrieb überdimensioniert auszugestalten, was wiederum zu einem erhöhten Gewicht und damit zu einer eingeschränkten Reichweite führen kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Reichweite eines Fahrzeugs in einfacher Weise zu verbessern.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Fahrzeug, insbesondere in Form eines Luftfahrzeugs, z.B. zum Transport von Personen, angegeben. Das Fahrzeug umfasst eine elektrische Einheit, die dazu ausgebildet ist, elektrische Energie in Bewegungsenergie zu wandeln und/oder Bewegungsenergie in elektrische Energie zu wandeln. Die elektrische Einheit gibt hierbei Wärme ab. Das Fahrzeug umfasst ferner eine Tragstruktur, mittels welcher die elektrische Einheit am übrigen Fahrzeug gehalten ist, und eine Wärmeleitungseinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil (z.B. mindestens 10 %, mindestens 20 % oder mindestens 30%) der durch die elektrische Einheit abgegebenen Wärme über die Tragstruktur abzuführen.
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Hierdurch erhält die Tragstruktur einen Doppelnutzen. Indem die Masse und damit die thermische Trägheit der Tragstruktur in das Kühlkonzept der elektrischen Einheit einbezogen wird, kann insbesondere eine kurzzeitig erhöhte Abgabe von Wärme aufgenommen werden, ohne dass ein großes Kühlsystem für diesen Zweck vorgehalten werden muss. Auf diese Weise kann der eingangs genannte Zielkonflikt gelöst werden, sodass trotz einer hohen Leistungsfähigkeit ein niedriges Gewicht des Fahrzeugs ermöglicht wird. So kann in einfacher Weise die Reichweite des Fahrzeugs erhöht werden, wobei zudem geringe Kosten und ein reduziertes Kühlsystem möglich sind.
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Die Wärmeleitungseinrichtung umfasst beispielsweise eine Schnittstelle zwischen einer Fläche der elektrischen Einheit und einer Fläche der Tragstruktur. Über diese Schnittstelle kann die Wärme abgeleitet werden.
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Die Fläche der elektrischen Einheit und die Fläche der Tragstruktur können flächig aneinander anliegen. Das ermöglicht einen guten Wärmeübergang bei einem einfachen Aufbau.
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Alternativ kann zwischen der Fläche der elektrischen Einheit und der Fläche der Tragstruktur ein Füllmaterial angeordnet sein. Hiermit können Abweichungen in der Form ausgeglichen werden, sodass auch bei größeren Herstellungstoleranzen eine gute Kühlleistung ermöglicht wird. Optional ist das Füllmaterial in Form einer Wärmeleitpaste ausgebildet. Dadurch wird ein besonders guter Wärmeübergang ermöglicht. Beispielsweise umfasst die Wärmeleitpaste Metallpulver oder eine Oxidkeramik in einem flüssigen Träger, z.B. Silikonöl oder Polyethylenglykol.
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Die Fläche der elektrischen Einheit und die Fläche der Tragstruktur können aneinander fixierte Flansche aufweisen. Hierdurch können besonders große Flächen für den Wärmeübergang bereitgestellt werden.
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Die Fläche der elektrischen Einheit und die Fläche der Tragstruktur können kraftschlüssig aneinander gehalten sein. Auch hierdurch kann ein besonders guter Wärmeübergang erzielt werden.
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Die Fläche der elektrischen Einheit bildet z.B. mindestens 10 %, insbesondere mindestens 20 %, insbesondere mindestens 30 % der gesamten Außenoberfläche der elektrischen Einheit. So kann besonders effektiv Wärme abgeführt werden.
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Die Wärmeleitungseinrichtung ist z.B. dazu eingerichtet, zumindest den überwiegenden Teil der durch die elektrische Einheit abgegebenen Wärme über die Tragstruktur abzuführen Der überwiegende Teil der über die Tragstruktur abgegebenen Wärme ist z.B. größer als die auf anderen Wegen abgegebenen Teile der Wärme. Der überwiegende Teil umfasst z.B. mindestens 50 % der durch die elektrische Einheit abgegebenen Wärme.
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Optional umfasst die Tragstruktur Aluminium oder besteht daraus. So kann bei einem leichtem Gewicht und einer tragfähigen Konstruktion besonders effektiv die Wärme der elektrischen Einheit abgeführt werden.
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Die Tragstruktur kann ein Verbundmaterial umfassen, in welchem mindestens ein Einsatz aus Aluminium oder Kupfer angeordnet ist. So können das Gewicht weiter reduziert und dennoch eine gute Wärmeleitung ermöglicht werden.
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Die Tragstruktur kann eine Kammer aufweisen. Die Wärmeleitungseinrichtung kann ein in der Kammer der Tragstruktur angeordnetes Phasenwechselmaterial umfassen. Hierdurch kann besonders effizient z.B. bei Belastungsspritzen Wärme aufgenommen werden.
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Optional umfasst die Wärmeleitungseinrichtung einen innerhalb eines Materials der Tragstruktur verlaufenden Kühlkanal für ein Kühlfluid. So kann eine Kühlung im Wesentlichen vollständig über die Tragstruktur abgeleitet werden, nämlich über den in der Tragstruktur verlaufenden Kühlkanal und über das Material der Tragstruktur. Die große Masse der Tragstruktur kann dabei besonders gut Wärme aus Belastungsspitzen aufnehmen.
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Der Kühlkanal führt z.B. zu einem Wärmetauscher, was eine besonders hohe Kühlleistung erlaubt.
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Beispielsweise ist die elektrische Einheit in Form eines Elektromotors oder eines Generators, oder in Form eines Aktuators ausgebildet.
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Die in Form eines Elektromotors ausgebildete elektrische Einheit kann dazu eingerichtet sein, eine Bewegung des Fahrzeugs anzutreiben. Bei der elektrischen Einheit kann es sich also um eine Antriebseinheit des Fahrzeugs handeln. Derartige Antriebseinheiten erzeugen besonders große Wärmemengen, sodass die oben genannten Vorteile hier besonders zum Tragen kommen.
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Beispielsweise treibt die elektrische Einheit eine Rotoreinheit mit Rotorschaufeln an.
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Bei dem Fahrzeug handelt es sich z.B. um ein Luftfahrzeug. Bei der Tragstruktur kann es sich um einen Flugzeugrahmen des Luftfahrzeugs handeln. Dieser Flugzeugrahmen kann aufgrund seiner großen Masse besonders viel Wärme aufnehmen.
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Optional ist die elektrische Einheit an einem Rumpf oder an einem Flügel des als Luftfahrzeug ausgebildeten Fahrzeugs montiert. Dort kann die Tragstruktur besonders viel Masse aufweisen und gut Wärme aufnehmen.
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Die Wärme kann zumindest teilweise durch eine Leistungselektronik und/oder eine elektrische Spule der elektrischen Einheit abgegeben werden.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Fahrzeug, insbesondere ein Luftfahrzeug, angegeben, insbesondere nach einer beliebigen, vorstehend beschriebenen Ausgestaltung. Das Fahrzeug umfasst eine elektrische Einheit, die dazu ausgebildet ist, elektrische Energie in Bewegungsenergie zu wandeln und/oder umgekehrt, wobei die elektrische Einheit Wärme abgibt, einer Tragstruktur, mittels welcher die elektrische Einheit am übrigen Fahrzeug gehalten ist, und einer Wärmeleitungseinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil der durch die elektrische Einheit abgegebenen Wärme über die Tragstruktur abzuführen und an ein Kühlfluid und/oder ein Phasenwechselmaterial in einem Hohlraum in der Tragstruktur zu leiten. Bei dem Hohlraum handelt es sich z.B. um einen Kühlkanal oder um eine Kammer.
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Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben; in den Figuren zeigen in schematischen Darstellungen:
- 1 ein Luftfahrzeug in Form eines Flugzeugs mit einer elektrisch angetriebenen Rotoreinheit;
- 2 eine elektrische Einheit, eine Tragstruktur und eine Wärmeleitungseinrichtung des Luftfahrzeugs gemäß 1;
- 3 die elektrische Einheit und die Tragstruktur gemäß 2 und eine weitere Wärmeleitungseinrichtung für das Luftfahrzeug gemäß 1;
- 4 die elektrische Einheit und die Tragstruktur gemäß 2 und eine weitere Wärmeleitungseinrichtung für das Luftfahrzeug gemäß 1;
- 5 eine Schnittstelle zwischen einer Fläche der elektrischen Einheit und einer Fläche der Tragstruktur mit einem Formschluss;
- 6 eine Schnittstelle zwischen einer Fläche der elektrischen Einheit und einer Fläche der Tragstruktur mit einem Flansch;
- 7 einen optionaler Aktuator der elektrischen Einheit gemäß 2; und
- 8A bis 8C mögliche Anordnungen der elektrischen Einheit am Luftfahrzeug gemäß 1.
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1 zeigt ein Fahrzeug in Form eines Luftfahrzeugs 1, konkret eines elektrisch angetriebenen Flugzeugs, mit einem Rumpf 15 und Flügeln 16.
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Das Luftfahrzeug 1 umfasst eine Antriebseinheit A mit einer Rotoreinheit 17 mit mehreren Rotorschaufeln 170, die durch eine elektrische Einheit 10 mit einem Elektromotor 103 der Antriebseinheit A angetrieben wird. Die Rotoreinheit 17 umfasst mehrere, hier exemplarisch zwei Rotorschaufeln 170. Die Rotorschaufeln 170 sind im gezeigten Beispiel an einer Nabe montiert und bilden damit einen Propeller. Eine Drehung der Rotoreinheit 17 versetzt das Luftfahrzeug 1 in Bewegung. In alternativen Ausgestaltungen umfasst das Luftfahrzeug 1 z.B. einen Fan anstelle eines Propellers und/oder mehrere Antriebseinheiten A mit jeweils zumindest einem Propeller, Fan oder dergleichen. Es sei bereits an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass das Luftfahrzeug 1 anstelle von nur genau einer Antriebseinheit A mit genau einem Propeller mehrere Antriebseinheiten A und/oder mehrere Rotoreinheiten, z.B. Propeller, umfassen kann.
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Um den Elektromotor 103 der Antriebseinheit A mit elektrischem Strom zu versorgen, umfasst das Luftfahrzeug 1 eine Batterie 18.
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2 zeigt die elektrische Einheit 10 des Luftfahrzeugs 1 in einer schematischen Schnittansicht.
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Die elektrische Einheit 10 ist dazu ausgebildet, elektrische Energie in Bewegungsenergie zu wandeln (und bei Bedarf umgekehrt). Hierbei gibt die elektrische Einheit 10 Wärme ab. Vorliegend umfasst die elektrische Einheit 10 den Elektromotor 103, welcher mehrere Spulen 101 umfasst, von denen in 2 lediglich eine schematisch veranschaulicht ist. Ferner umfasst die elektrische Einheit 10 eine Leistungselektronik 102. Die Leistungselektronik 102 umfasst vorliegend einen Wechselrichter und versorgt die Spulen 101 des Elektromotors 103 mit Wechselstrom, welcher aus von der Batterie 18 bezogenem Gleichstrom erzeugt wird. Insbesondere die Spulen 101 und die Leistungselektronik 102 erzeugen im Betrieb Wärme.
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2 veranschaulicht ferner eine Tragstruktur 11 des Luftfahrzeugs 1. Bei der Tragstruktur 11 handelt es sich um einen Flugzeugrahmen des Luftfahrzeugs 1. Mittels der Tragstruktur 11 ist die elektrische Einheit 10 am übrigen Fahrzeug gehalten. Die Tragstruktur umfasst hier beispielhaft einen Träger 113A, welcher mit weiteren Trägern 113B fest verbunden ist. Vorliegend verbindet der Träger 113A die beiden weiteren Träger 113B miteinander. Im gezeigten Beispiel verlaufen die beiden weiteren Träger 113B parallel zueinander (und vorliegend senkrecht zum Träger 113A). Der Träger 113A weist eine größere Dicke auf als die weiteren Träger 113B. Die beiden weiteren Träger 113B umgeben die elektrische Einheit 10 an gegenüberliegenden Seiten. Die beiden weiteren Träger 113B sind vorliegend von der elektrischen Einheit 10 beabstandet. Der Träger 113A ist an einer Stirnseite der elektrischen Einheit 10 angeordnet.
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Die Tragstruktur 11 ist ein Wärmeleiter. Die Träger 113A, 113B sind vorliegend aus Aluminium hergestellt. Alternativ können die Träger 113A, 113 aus einem Verbundmaterial, z.B. glasfaserverstärktem Kunststoff, aufgebaut sein und Einsätze aus Wärmeleitern, z.B. Aluminium oder Kupfer, umfassen.
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Das Luftfahrzeug 1 umfasst ferner eine Wärmeleitungseinrichtung 12A, welche dazu ausgebildet und eingerichtet ist, zumindest einen Teil, insbesondere einen signifikanten Teil, beispielsweise einen überwiegenden Teil der durch die elektrische Einheit 10 abgegebenen Wärme über die Tragstruktur 11 abzuführen. Durch die Wärmeleitung an die Masse der Tragstruktur können insbesondere kurzzeitig abgegebene große Wärmemengen, z.B. in transienten Betriebszuständen mit besonders hoher Wärmeentwicklung, in der Tragstruktur 11 aufgenommen werden.
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Die Wärmeleitungseinrichtung 12A umfasst eine Schnittstelle 120 zwischen einer Fläche 100 der elektrischen Einheit 10 (vorliegend eines Außengehäuses der elektrischen Einheit 10) und einer Fläche 110 der Tragstruktur 11. Dabei ist zwischen der Fläche 100 der elektrischen Einheit 10 und der Fläche 110 der Tragstruktur 11 ein Füllmaterial 121 in Form einer Wärmeleitpaste angeordnet. Alternativ könnten die Fläche 100 der elektrischen Einheit 10 und die Fläche 110 der Tragstruktur 11 flächig in Berührung miteinander aneinander anliegen. Die Fläche 100 der elektrischen Einheit 10 bildet z.B. mindestens 10 % der gesamten Außenoberfläche der elektrischen Einheit 10, die flächige Anlage ist somit verhältnismäßig großflächig, sodass die Wärme der elektrischen Einheit gut abgeführt werden kann.
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Im Beispiel der 3 ist die Fläche 100 der elektrischen Einheit der Rotoreinheit 17 abgewandt. Ferner sind die Flächen 100, 110 der elektrischen Einheit 10 und der Tragstruktur 11 eben.
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3 zeigt eine Ausgestaltung einer Wärmeleitungseinrichtung 12B, bei welcher die elektrische Einheit 10 wie vorstehend beschrieben in wärmeleitender Verbindung mit dem Träger 113A der Tragstruktur 11 steht. In dem Träger 113A der Tragstruktur 11 ist gemäß 3 ein Hohlraum in Form einer Kammer 111 ausgebildet.
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In der Kammer 111 ist ein Phasenwechselmaterial 13 angeordnet. Das Phasenwechselmaterial 13 kann während eines Phasenwechsels (z.B. zwischen fest und flüssig)) abhängig vom Schmelzpunkt und von der Umgebungstemperatur Wärme abgeben oder aufnehmen. So kann das Phasenwechselmaterial 13 besonders gut eine kurzzeitige verstärkte Wärmeentwicklung aufnehmen. Das Phasenwechselmaterial 13 ist beispielsweise auf Salz- oder Paraffinbasis hergestellt.
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4 zeigt eine Ausgestaltung einer Wärmeleitungseinrichtung 12C, bei welcher die elektrische Einheit 10 an einen in die Tragstruktur 11 integrierten Kühlkanal 112 angeschlossen ist. Ein durch den Kühlkanal 112 strömendes Kühlfluid transportiert die Wärme der elektrischen Einheit 10 über die Tragstruktur 11 ab. Der Kühlkanal 112 ist z.B. direkt in Material der Träger 113A, 113B eingebracht. Über eine Wand des Kühlkanals 112 kann das Kühlfluid einen Teil der Wärme an den Träger 113A abgeben.
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Ferner führt der Kühlkanal 112 im gezeigten Beispiel zu einem Wärmetauscher 14. Der Wärmetauscher 14 führt Wärme aus dem Kühlfluid an eine Außenluft ab.
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5 veranschaulicht eine optionale Ausgestaltung der Anbindung der elektrischen Einheit 10 an die Tragstruktur 11. Hierbei ist ein Kraftschluss zwischen der elektrischen Einheit 10 und der Tragstruktur 11 vorgesehen. Vorliegend umgreift ein Träger 113C der Tragstruktur 11 die elektrische Einheit 10 und hält diese kraftschlüssig.
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Über eine solche kraftschlüssige Verbindung ist besonders effektiv Wärme abführbar. Es sei allerdings angemerkt, dass die in 5 gezeigte Anbindung lediglich beispielhaft zu verstehen ist.
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6 veranschaulicht eine weitere optionale Ausgestaltung der Anbindung der elektrischen Einheit 10 an die Tragstruktur 11. Hierbei ist vorgesehen, dass die elektrische Einheit 10 einen Flansch F1 aufweist und ein Träger 113D der Tragstruktur 11 einen weiteren Flansch F2 aufweist. Der Flansch F1 und der weitere Flansch F2 sind aneinander fixiert, z.B. mittels einer Verschraubung.
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Auch über eine solche Flanschverbindung ist ein effektiver Wärmeübergang möglich.
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7 veranschaulicht, dass die elektrische Einheit 10 alternativ oder zusätzlich zum Elektromotor 103 einen Aktuator 104 umfassen kann. Der Aktor 104 ist z.B. dazu eingerichtet, ein Ventil zu steuern.
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Eine durch den Aktuator 114 erzeugte Wärme ist über einen Träger 113E der Tragstruktur 11 abführbar.
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Wie bereits anhand von 1 veranschaulicht, kann die elektrische Einheit 10 an einem vorderen Ende des Rumpfes 15 montiert sein.
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Alternativ oder zusätzlich dazu kann die (oder eine) elektrische Einheit 10 auch an einem hinteren Ende des Rumpfes 15 des Luftfahrzeugs 1 angeordnet sein, wie anhand der 8A gezeigt.
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Ferner kann das Luftfahrzeug 1 mehrere elektrische Einheiten 10 umfassen, welche jeweils wie oben beschrieben an die Tragstruktur 11 gekoppelt sind.
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Beispielhaft veranschaulicht 8B, dass jeweils eine elektrische Einheit 10 vorn an einem der Flügel 16 angeordnet sein kann.
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8C veranschaulicht, dass jeweils eine elektrische Einheit 10 vorn an einem der Flügel 16 angeordnet sein kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug (Luftfahrzeug)
- 10
- elektrische Einheit
- 100
- Fläche
- 101
- Spule
- 102
- Leistungselektronik
- 103
- Elektromotor
- 104
- Aktuator
- 11
- Tragstruktur
- 110
- Fläche
- 111
- Kammer
- 112
- Kühlkanal
- 113A-113E
- Träger
- 12A-12C
- Wärmeleitungseinrichtung
- 120
- Schnittstelle
- 121
- Füllmaterial
- 13
- Phasenwechselmaterial
- 14
- Wärmetauscher
- 15
- Rumpf
- 16
- Flügel
- 17
- Rotoreinheit
- 170
- Rotorschaufel
- 18
- Batterie
- A
- Antriebseinheit
- F1, F2
- Flansch
