-
Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Fluggerät, insbesondere für ein unbemanntes Fluggerät, wie es für die luftgestützte Bodenbeobachtung eingesetzt wird.
-
Bei einem sogenannten diesel-elektrischen Antrieb treibt ein Verbrennungsmotor einen Elektrogenerator an, dessen elektrische Energie über einen Elektromotor den eigentlichen mechanischen Antrieb herbeiführt. Die Kombination von Verbrennungsmotor und Elektrogenerator wird auch mit dem Begriff „Elektroaggregat” bezeichnet.
-
In erweitertem Sinn wird der Begriff „diesel-elektrisch” auch dann verwendet, wenn der Verbrennungsmotor mit einer Variante von Dieselkraftstoff, also insbesondere mit Schweröl, Heizöl oder Luftfahrt-Kerosin betrieben wird. Dabei kann der Verbrennungsmotor u. a. ein kompressionsgezündeter Kolbenmotor („Dieselmotor”), ein zündkerzengezündeter Zwei- oder Viertakt-Kolbenmotor („Heavy-Fuel-Motor”), ein Drehkolbenmotor („Wankelmotor”) oder eine Wellenleistungsturbine sein. In letzterem Fall ist auch der Begriff „turbo-elektrischer Antrieb” gebräuchlich.
-
In ferner erweiterter Begriffsbedeutung wird von einem diesel-elektrischen Antrieb auch dann gesprochen, wenn der Verbrennungsmotor nicht durch eine der Varianten von Dieselkraftstoff angetrieben wird, sondern durch einen anderen chemischen Kraftstoff, also beispielsweise durch Benzin, Alkohol, Erd- oder Biogas oder Wasserstoff; in diesen Fällen ist nicht von „benzin-elektrisch”, „akohol-elektrisch” usw. die Rede, sondern der regelmäßig verwendete Begriff bleibt „diesel-elektrisch”.
-
Diesel-elektrische Antriebe sind historisch vorwiegend in stationären Antriebsanlagen sowie in Eisenbahn-Streckenlokomotiven und in Schiffen anzutreffen, da sie ohne mechanische Kupplungen und Getriebe auskommen, die für größere Leistungen technisch und folglich kostenmäßig problematisch sind.
-
Mit Fortschritten im Bereich von Permanentmagnet-Elektromotoren hoher Leistungsdichte (Seltenerd-Magnete) und neuer Batterietechnologien erhöhter Energiedichte (Lithium-Batterien) seit den 1980er Jahren sind diesel-elektrische Antriebe auch für Straßenfahrzeuge in Gebrauch gekommen, beispielsweise für Stadtomnibusse und insbesondere in Form von hybriden Personenkraftwagen, die – infolge der wesentlich höheren Energiedichte von Flüssigkraftstoffen im Vergleich zu Batterien – größere Reichweiten bieten als rein batterie-elektrische Fahrzeuge.
-
Seit Ende der 1990er Jahre sind, zuerst im Flugmodellbau und bei unbemannten Fluggeräten, inzwischen zunehmend auch bei bemannten Flugzeugen, elektrische Propeller-Flugantriebe anzutreffen. Hier wiederholt sich die bereits bei Straßenfahrzeugen beobachtete Entwicklung von rein batteriegetriebenen Flugantrieben mit relativ kurzen Flugdauerkapazitäten zu diesel-elektrischen und elektrisch-hybriden Flugantrieben mit längeren Flugdauern.
-
Dabei ist inzwischen üblicher Stand der Technik, dass der Generator ein permanent-magnetisch erregter, meist dreiphasiger Drehstromgenerator ist, während der den Propeller antreibende Elektromotor – in ähnlichem oder gleichem Aufbau – als permanentmagnetisch erregter, meist dreiphasiger Drehstrom-Synchronmotor wirkt. Da dieselben Motoren auch in rein batterie-elektrischen Antrieben verwendet werden, werden sie üblicherweise über gleichstrombetriebene elektronische Drehzahlregler, auch als „Motor-Controller” bezeichnet, angesteuert. Aus der Gesamtsicht auf konventionelle Bürsten-Gleichstrommotoren handelt es sich bei dieser Kombination um bürstenlose, d. h. elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren („brushless DC Motors”, abgekürzt „BLDC-Motoren”). Diese Technik beherrscht derzeit den Markt der elektrischen Flugantriebe.
-
Um einen solchen BLDC-Motor diesel-elektrisch, d. h. über einen Drehstromgenerator zu betreiben, muss der Drehstrom gleichgerichtet werden. Hierfür sind seit langem Diodenschaltungen bekannt. Vorwiegend kommen Schaltungen von typischerweise sechs Dioden, insbesondere Hochleistungs-Halbleiterdioden niedrigen Durchlasswiderstandes (sog. „Schottky-Dioden”), als Drehstrom-Zweiweggleichrichter zum Einsatz.
-
Trotz des niedrigen Durchlasswiderstands der einzelnen Dioden sind diese Gleichrichterschaltungen bei den in Flugantriebsanwendungen auftretenden großen Stromstärken (üblicherweise bis zu einigen hundert Ampere) durch erhebliche Verlustleistungen gekennzeichnet, die den Gesamtwirkungsgrad der Antriebskette verringern. Insbesondere bei unbemannten Fluggeräten mit angestrebter langer Flugdauer wiegt dieser Nachteil schwer.
-
Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein insbesondere hinsichtlich der auftretenden Verlustleistung verbessertes Antriebssystem für ein Fluggerät zu schaffen.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Antriebssystem gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Fluggeräts sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
-
Die vorliegende Erfindung sieht vor, dass die gebräuchliche Kombination aus Gleichrichter und Motorcontroller ersetzt wird durch ein elektronisches Schaltwerk aus elektronischen Leistungsschaltern mit vorzugsweise minimalem Durchlasswiderstand, insbesondere MOSFET-Transistoren oder Thyristoren bzw. einer Zusammenschaltung von diesen. Dieses matrixartige Schaltwerk verbindet die Ausgangsleitungen des Generators mit den Eingangsleitungen des Motors. Die einzelnen Schalter werden angesteuert (d. h. ein- und ausgeschaltet) durch eine vorzugsweise digital-elektronische Steuerlogik, die hierzu insbesondere die Spannungsverläufe an den Eingangs- und Ausgangsleitungen vergleicht.
-
Dementsprechend ist ein gattungsgemäßes Antriebssystem für ein insbesondere unbemanntes Fluggerät, mit (mindestens) einem von einem Verbrennungsmotor angetriebenen (bürstenlosen bzw. elektronisch kommutierten Wechselspannungs-)Generator, insbesondere Drehstromgenerator, sowie mit (mindestens) einem von dem Generator mit elektrischer Energie versorgten elektrischen (bürstenlosen bzw. elektronisch kommutierten Wechselspannungs-)Antriebsmotor, insbesondere Drehstrommotor, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass jeder Ausgangsleiter (Phasenleiter) des Generators mit jedem Eingangsleiter (Phasenleiter) des Elektromotors (mittels mindestens einer Verbindungsleitung) elektrisch leitend verbunden ist und in jede Verbindungsleitung (mindestens) ein elektronischer Leistungsschalter mit vorzugsweise geringem Durchlasswiderstand, vorzugsweise eine Zusammenschaltung aus MOSFET-Transistoren (sogenanntes „Transmission Gate”), eine Zusammenschaltung aus Thyristoren oder ein Triac (Zweirichtungs-Thyristortriode, integriert ist, wobei die Leistungsschalter mittels einer Steuerung derart geschaltet werden, dass dem Antriebsmotor eine von einem Sollwert, insbesondere einem Drehzahlsollwert, abhängige elektrische Leistung zugeführt wird.
-
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Antriebssystems kann erreicht werden, dass der Strom vom Generator zum Elektromotor jeweils nur einen elektronischen Schalter zu durchlaufen hat, wodurch die Verlustleistung in dem gesamten Schaltwerk minimiert werden kann.
-
Bei dem Verbrennungsmotor kann es sich insbesondere um einen Dieselmotor handeln, wobei auch beliebige andere Arten von Verbrennungsmotoren einsetzbar sind, insbesondere auch die einleitend beschriebenen.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann dieses noch durch (mindestens) eine Batterie ergänzt sein, wobei jeder Pol der Batterie mit jedem Ausgangsleiter des Generators elektrisch leitend (mittels Verbindungsleitungen) verbunden ist und in jede der Verbindungsleitungen ein elektronischer Leistungsschalter, vorzugsweise eine Zusammenschaltung aus MOSFET-Transistoren (sogenanntes „Transmission Gate”), eine Zusammenschaltung aus Thyristoren oder ein Triac (Zweirichtungs-Thyristortriode), integriert ist. Dadurch kann zum einen realisiert werden, dass die Leistungsschalter mittels der Steuerung derart geschaltet werden, dass dem Generator vor dem Betrieb des Verbrennungsmotors elektrische Energie zugeführt wird, so dass dieser als Starter für den Verbrennungsmotor dient. Zusätzlich oder alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der Batterie während des Betriebs des Verbrennungsmotors von dem Generator elektrische Energie zugeführt wird, um diese zu laden.
-
Weiterhin bevorzugt kann dabei vorgesehen sein, dass die Spannung der Batterie (Batteriespannung) mittels (mindestens) eines Sensors bestimmt wird. Dadurch kann u. a. von der Steuerung ein Ladevorgang der Batterie verbessert werden, indem ein Laden z. B. nur vorgesehen wird, wenn der Ladezustand der Batterie unter einem definierten Grenzwert liegt und/oder wenn die elektrische Leistungsaufnahme des Antriebsmotors (deutlich) unter der elektrischen (Dauer-)Maximalleistung des Generators liegt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ein Laden der Batterie in Zeiten erhöhter Antriebsleistung, z. B. beim Start und/oder beim Steigflug des Fluggeräts nicht erfolgt, d. h. nicht begonnen oder unterbrochen wird.
-
Eine weiterhin bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann vorsehen, dass die Pole der Batterie mit jedem der Eingangsleiter des Elektromotors elektrisch leitend (mittels Verbindungsleitungen) verbunden sind und in jede der Verbindungsleitungen ein elektronischer Leistungsschalter, vorzugsweise eine Zusammenschaltung aus MOSFET-Transistoren (sogenanntes „Transmission Gate”), eine Zusammenschaltung aus Thyristoren oder ein Triac (Zweirichtungs-Thyristortriode), integriert ist. Dadurch kann der Antriebsmotor bei Bedarf auch aus der Batterie (in Alleinstellung oder parallel zu dem Generator) mit elektrischer Energie versorgt werden, indem die Leistungsschalter mittels der Steuerung entsprechend geschaltet werden. In Abhängigkeit von der verfügbaren Batteriekapazität kann dann die Verbrennungsmotor-Generator-Einheit in der Leistungsabgabe gedrosselt oder sogar abgeschaltet werden und der Flugantrieb rein batterie-elektrisch erfolgen. Mit dieser Anordnung ist somit ein seriell-hybrider Flugantrieb realisierbar. Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass im Fall eines antriebslosen Gleit- oder Sinkflugs des Fluggeräts der Antriebsmotor von (mindestens) einem Propeller gedreht wird, und die durch den Antriebsmotor (in seiner Wirkung als Generator) erzeugte elektrische Energie der Batterie zum Laden zugeführt wird.
-
Grundsätzlich soll erfindungsgemäß unter dem Begriff „Propeller” auch ein Rotor (eines Drehflüglers) verstanden werden.
-
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die sollwertabhängige Regelung der elektrischen Leistung einen Vergleich mit einem Istwert, insbesondere dem Drehzahl-Istwert des Generators und/oder des Antriebsmotors, umfasst, wodurch die entsprechende Steuerung genauer erfolgen kann. Hierzu kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Spannungspegel auf den Ausgangsleitern des Generators (1) und/oder den Eingangsleitern des Elektromotors (3) gemessen und von der Steuerung entsprechend berücksichtigt werden.
-
Alternativ oder zusätzlich dazu kann auch vorgesehen sein, dass ((jeweils) mindestens) ein Sensor (z. B. ein optischer oder magnetischer, insbesondere hall-magnetischer Winkelkodierer oder elektronische Nullstellungs-Referenzmarken) zur Erfassung des Drehwinkels des Generators und/oder des Antriebsmotors vorgesehen ist.
-
Die vorzugsweise andauernde Erfassung des Drehwinkels (und daraus abgeleitet der Winkelgeschwindigkeit) des Generators kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn dieser temporär als Starter eingesetzt wird, um dessen Anlaufen zu gewährleisten und/oder eine besonders genaue Drehzahlregelung realisieren zu können. Dagegen kann auf eine Ermittlung des Drehwinkels bzw. der Winkelgeschwindigkeit verzichtet werden, wenn die Ansteuerung des (Drehstrom-)Generators „blind” nach Art eines Schrittmotors im Betrieb unterhaib von dessen Start-Stopp-Frequenz erfolgt, d. h. wenn die drei Spulen des Generators einzeln schrittweise fortlaufend angeregt werden. Dies kann jedoch mit einer vergleichsweise großen Verlustleistung verbunden sein.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
-
1: ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems;
-
2: ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems; und
-
3: ein Schaltbild einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems.
-
In 1 ist ein dreiphasiger Drehstromgenerator 1 mit seinen Ausgangs- bzw. Phasenleitern R, S und T dargestellt. Nicht dargestellt sind ein den Drehstromgenerator 1 antreibender Verbrennungsmotor und eine diese verbindende Welle. Mittels einer Schaltermatrix 2, bestehend aus baugleichen elektronischen Leistungsschaltern 3, sind die Phasenleiter R, S, T des Drehstromgenerators 1 mit den Eingangs- bzw. Phasenleitern U, V und W eines dreiphasigen Drehstrommotors 4 (Antriebsmotor) verbunden. Die Leistungsschalter 3 sind hierzu in entsprechende Verbindungsleiter 16 integriert. Nicht dargestellt sind ein von dem Drehstrommotor 4 angetriebener Propeller und die diese verbindende Welle. Die Leistungsschalter 3 der Schaltermatrix 2 sind individuell mittels einer Steuerung 5 in Form einer digital-elektronischen Steuerlogik ansteuerbar. Die Steuerung ist hierzu über Signalleitungen 6 mit den Leistungsschaltern 3 verbunden.
-
Dabei ermittelt die Steuerung 5 aus den über Signalleitungen 7 zugeführten Spannungspegeln der Phasenleiter R, S und T des Drehstromgenerators 1, aus den über Signalleitungen 8 zugeführten Spannungspegeln der Phasenleiter U, V und W des Drehstrommotors 4 sowie aus einem der Steuerung 5 extern zugeführten Wert für die Solldrehzahl des Drehstrommotors 4, welche der insgesamt neun Leistungsschalter 3 zu jedem Zeitpunkt ein- oder ausgeschaltet sein müssen, um den benötigten elektrischen Leistungsfluss vom Drehstromgenerator 1 zum Drehstrommotor 4 sicherzustellen. Die Steuerung 5 betätigt die Leistungsschalter 3 dementsprechend. Hierbei handelt es sich um einen schnellen dynamischen Vorgang, bei gleichbleibender Last und Drehzahl des Drehstrommotors 4 um einen periodischen Vorgang.
-
In der 2 ist eine elektrische Batterie 9 sowie eine zweite Schaltermatrix 10, ebenfalls aus baugleichen elektronischen Leistungsschaltern 3 bestehend, vorgesehen, wobei jeweils ein Leistungsschalter 3 in jede der sechs, die Pole „+” und „–” der Batterie 9 mit jedem der Phasenleiter R, S und T des Drehstromgenerators 1 verbindenden Verbindungsleitungen 11 integriert ist. Durch diese schaltbare Verbindung zwischen dem Drehstromgenerator 1 und der Batterie 9 kann der Drehstromgenerator 1 zum einen als Starter für den Verbrennungsmotor eingesetzt werden. Zum anderen kann die Batterie 9 während des Betriebs des Verbrennungsmotors von dem Drehstromgenerator 1 geladen werden. Die Funktionalität der Steuerung 5 ist hierzu in der Weise erweitert, dass auch die Pole „+” und „–” der Batterie 9 mit der Steuerung 5 verbunden sind, so dass von der Steuerung 5 die Batteriespannung bestimmt werden kann, und dass die Steuerung 5 auch die sechs Schalter 3 der zweiten Schaltermatrix 10 mittels entsprechender Signalleitungen 6 individuell ansteuert. Weiterhin ist vorgesehen, dass ein dem Drehwinkel des Drehstromgenerators 1 entsprechendes Signal der Steuerung über eine Signalleitung 12 zugeführt wird, um eine Minimierung des Energieverbrauches beim Starten des Verbrennungsmotors zu ermöglichen.
-
In der 3 ist eine dritte Schaltermatrix 13 zwischen den Polen „+” und „–” der Batterie 9 und den Phasenleitern U, V und W des Drehstrommotors 4 vorgesehen, wobei jeweils ein Leistungsschalter 3 in jede der sechs, die Pole „+” und „–” der Batterie 9 mit jedem der Phasenleiter U, V und W des Drehstromgenerators 1 verbindenden Verbindungsleitungen 14 integriert ist. Durch diese schaltbare Verbindung zwischen dem Drehstrommotor 4 und der Batterie 9 kann der Drehstrommotor 4 zum einen – ausschließlich oder parallel zu dem Drehstromgenerator 1 – von der Batterie 9 mit elektrischer Energie versorgt werden. Zum anderen kann die Batterie 9 während eines antriebslosen Gleitflugs eines mit diesem erfindungsgemäßen Antriebssystem ausgestatteten Fluggeräts, bei dem der Propeller durch die Luftumströmung drehend angetrieben wird, von dem dann als Generator arbeitenden Drehstrommotor 4 geladen werden. Die Funktionalität der Steuerung 5 ist hierzu in der Weise erweitert, dass diese auch die sechs Leistungsschalter 3 der dritten Schaltermatrix 13 individuell mittels Signalleitungen 6 ansteuern kann, so dass der Drehstrommotor 4 nunmehr elektrische Leistung sowohl von dem Drehstromgenerator 1 als auch von der Batterie 9 erhalten kann. Um zusätzlich bei Bedarf die Positionierung des Drehstrommotors 4 und des mit diesem verbundenen Propellers in eine vorgegebene Drehungsstellung zu ermöglichen, wird der Steuerung 5 über eine Signalleitung 15 auch ein dem Drehwinkel des Drehstrommotors 4 entsprechendes Signal zugeführt. Dies kann z. B. relevant sein, wenn der Propeller als sogenannter Klapppropeller ausgebildet ist, der im Ruhezustand abgeklappt werden kann, um den Luftwiderstand zu verringern. Dies ist regelmäßig nicht in allen Drehstellungen des Propellers möglich, so dass dessen Drehung in einer der zulässigen Drehstellungen gestoppt werden sollte, wozu die aktuelle Drehstellung bekannt sein muss.
