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Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für einen elektrischen Außenläufermotor und ein elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug mit einem derartigen Kühlsystem.
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Aus dem Stand der Technik sind Luftfahrzeuge, insbesondere Leichtflugzeuge bekannt, welche mit elektrischen Antrieben ausgestattet sind. Die hierfür eingesetzten elektrischen Antriebe sind oftmals als Direktantriebe ausgeführt, d. h. ein Rotor des elektrischen Antriebs ist typischerweise mit einer Welle einer Luftschraube oder eines Propellers ohne dazwischen geschaltetes Übersetzungsgetriebe beispielsweise über einen Freilauf verbindbar.
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Derartige elektrische Antriebe können insbesondere als Außenläufermotoren ausgeführt sein, die gegebenenfalls, wie beispielsweise aus
DE 10 2013 102 194 A1 bekannt, mehrere axial hintereinander gereihte Stator-Rotor-Anordnungen umfassen.
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Auch bei elektrisch angetriebenen Luftfahrzeugen ist eine effiziente Kühlung des Antriebs von entscheidender Bedeutung. Der Übergang der Wärme an die das Luftfahrzeug umgebende Luft kann prinzipiell direkt über eine Luftkühlung oder indirekt über einen dazwischengeschalteten Flüssigkeitskreislauf mit Wärmetauscher erfolgen. Kühlsysteme, die auf einer Kühlflüssigkeit basieren, haben jedoch den Nachteil, dass diese ein gegenüber Luftkühlungen erhöhtes Gewicht aufweisen. Zudem sind Flüssigkeitskühlungen typischer Weise komplexer und mit einem höheren Wartungsaufwand verbunden. Dies widerspricht dem Grundkonzept von elektrisch angetriebenen, flüssigkeitsfreien und wartungsarmen Fluggeräten.
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Im Allgemeinen sind daher Lösungen zu bevorzugen, die auf einer Luftkühlung basieren und die abzuführende Wärme direkt an das Kühlmedium übertragen. So ist beispielsweise aus
DE 20 2008 012 191 U1 ein luftgekühlter, elektrischer Antrieb für einen Propeller bekannt, bei dem ein Luftstrom durch Freiräume zwischen Magnetspulen geführt wird. Der Luftstrom wird durch radiale Bohrungen, die in einem Flansch des Rotors eingebracht sind, aus dem Innenbereich des Antriebs hinaus geführt.
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Ausgehend vom oben genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein effizientes Kühlsystem für einen elektrischen Außenläufermotor insbesondere eines elektrischen angetriebenen Luftfahrzeugs anzugeben, welches eine zuverlässige Kühlung auch unter widrigen Umgebungsbedingungen sicherstellt.
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Gemäß der Erfindung wird die vorstehende genannte Aufgabe gelöst durch ein Kühlsystem der eingangs genannten Art mit den weiteren Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein Kühlsystem für einen elektrischen Außenläufermotor insbesondere eines elektrisch angetriebenen Luftfahrzeugs umfasst
- – zumindest einen Rotor mit einer Rotorglocke, welche eine Radialwandung und eine Umfangswandung aufweist,
- – zumindest einen eine Mehrzahl von Magnetspulen tragenden Stator, welcher von der Rotorglocke zumindest teilweise umschlossen ist,
- – einen Lufteinlauf zur Aufnahme von Stauluft,
- – einen Kühlkanal, der zur Zuführung von Stauluft in einen von der Rotorglocke umschlossenen Innenbereich mit dem Lufteinlauf strömungstechnisch verbunden ist, und
- – mehrere innenseitig von der Radialwandung hervorstehende Rippen, die sich zur Verdichtung eines die Magnetspulen kühlenden Luftstroms in radialer Richtung über zumindest einen Abschnitt der Radialwandung erstrecken.
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Durch ein derartig ausgebildetes Kühlsystem ist die effiziente, aktive Kühlung von elektrischen Außenläufermotoren sowohl in Einfach- als auch in Duplexbauweise sichergestellt. Bei solchen elektrischen Antrieben wird die meiste Wärme in den Magnetspulen des Stators erzeugt. Die Kühlung ist am effektivsten, wenn die Wärme direkt am Entstehungsort – also an den Magnetspulen bzw. Wicklungen des Stators – abgeführt wird. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn baubedingt eine Umströmung der Magnetspulen möglich ist. Der Lufteinlauf bei Luftfahrzeugen bedingt allerdings typischer Weise Druckverluste, da die Strömungsgeschwindigkeit der zuzuführenden Stauluft zwangsläufig verzögert werden muss, um insbesondere den Einsatz von Filtern zum Entfernen von Fremdkörpern zu ermöglichen. Diese Druckverluste sind insbesondere bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten und im Bodenstandfall problematisch. Die Erfindung sieht daher vor, eine Nachverdichtung des zur Kühlung zuzuführenden Luftstroms vorzusehen, die durch die an der Radialwandung des Rotors angeordneten Rippen bereitgestellt wird. Mit anderen Worten ist vorgesehen, die Rotorglocke mit mehreren schaufelähnlich ausgebildeten Rippen zu versehen, die sich über zumindest einen Abschnitt der Radialwandung erstrecken und so eine Art Radialverdichter bilden. Beim Betrieb des Außenläufermotors wird der Luftstrom aus einem zentralen Bereich angesaugt und verdichtet, während dieser zwischen der Radialwandung und dem Stator in radialer Richtung strömt. Der Luftstrom wird anschließend in axiale Richtung umgelenkt und strömt dann zwischen den am Umfang des Stators angeordneten Magnetspulen hindurch, die somit direkt gekühlt werden.
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Die Rippen können gemäß zueinander alternativen Ausführungsformen geradlinig in radialer Richtung oder zumindest abschnittsweise gekrümmt bezüglich der radialen Richtung verlaufen. Insbesondere können die Rippen in einem Eintrittsbereich gekrümmt sein. Die Rippen verlaufen in einem radial außenliegenden Austrittsbereich geradlinig in radialer Richtung oder sind dort entgegen der Drehrichtung gekrümmt.
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Die durch die radialen Rippen bewirkte Nachverdichtung ist insbesondere dazu geeignet, die von Filtern im Lufteinlaufbereich verursachten Druckverluste oder die in größeren Höhen auftretende geringere Luftdichte zumindest teilweise zu kompensieren. Darüber hinaus ist eine hinreichende Kühlung auch bei erhöhten Umgebungstemperaturen sichergestellt.
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Das Kühlsystem gemäß der Erfindung ist insbesondere zur Kühlung von Außenläufermotoren für bemannte oder unbenannte Leichtflugzeuge geeignet. Da die Motordrehzahl bei derartigen Anwendung typischer Weise mit maximal 2500 Umdrehungen pro Minute relativ gering ist, ist vorzugsweise vorgesehen, die Rippen für die Nachverdichtung möglichst weit in radialer Richtung nach außen zu führen, um die dort auftretenden, höheren Umfangsgeschwindigkeiten auszunutzen.
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Vorzugsweise ist eine den zumindest einen Stator tragende Tragstruktur mit radialen Ausnehmungen versehen, durch die der die Magnetspulen kühlende Luftstrom aus dem Innenbereich abführbar ist. Die Tragstruktur ist zumindest im Bereich der radialen Ausnehmungen umfänglich von einem ringförmigen Austrittdiffusor umgeben, der einem Eintritt von Regenwasser entgegenwirkt.
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Besonders bevorzugt lenkt der Austrittsdiffusor den aus dem Innenbereich des Außenläufermotors austretenden Luftstrom derart um, dass dieser insbesondere parallel zu einer Rumpfoberfläche und entgegen einer Flugrichtung des Luftfahrzeugs austritt. Auf diese Art und Weise kann das durch die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit der am Rumpf vorbeistreichenden Luft verursachte Druckgefälle vorteilhaft dazu genutzt werden, den Austrittswiderstand des austretenden Luftstroms zu minimieren und den Kühlluftstrom zu erhöhen. Der Austrittsdiffusor ist vorzugsweise derart angeordnet, dass der austretende Luftstrom nicht in Richtung des mit dem Kühlkanal strömungstechnisch verbundenen Lufteinlaufs abgelenkt wird, um einen Eintritt von bereits erwärmter Luft in das Kühlsystem zu unterbinden.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Lufteinlauf einen Bypass-Auslass zum Abführen von Wasser und/oder Fremdkörper enthaltender Stauluft auf. Ein Teil der aufgenommenen Stauluft wird somit am Ende des Lufteinlasses direkt ausgeblasen, um Wasser, kleine Fremdkörper und/oder Sand abzuführen.
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Vorzugsweise ist der Bypass-Auslass derart ausgelegt bzw. dimensioniert, dass weniger als 15%, besonders bevorzugt in etwa 10% der aufgenommenen Stauluft abführbar sind.
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In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine insbesondere elektrisch betriebene Heizeinrichtung zum zumindest bereichsweisen Beheizen des Lufteinlaufs vorgesehen. Besonders vorteilhaft ist ein vorderer Bereich des Lufteinlasses beheizbar, um den Betrieb auch unter leichten Vereisungsbedingungen sicherzustellen.
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Der Lufteinlauf ist ferner vorzugsweise mit Filter zum Filtern der aufzunehmenden Stauluft versehen. Besonders bevorzugt weist der Lufteinlauf einen Einlassdiffusor auf, der die Strömungsgeschwindigkeit der aufgenommenen Stauluft derart verzögert, dass lediglich geringfügige Druckverluste beim Durchströmen der Filter bewirkt werden. Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Filter bezüglich der im Lufteinlauf vorherrschenden Strömungsrichtung schräg anzuordnen.
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Der Lufteinlauf steht bevorzugt strömungstechnisch mit einem Luftverteiler in Verbindung, der zumindest einen Teil der aufgenommen Stauluft über einen weiteren Kühlkanal in Richtung eines Kühlkörpers leitet, der an einen zur Versorgung des Außenläufermotors vorgesehenen Wechselrichter thermisch angekoppelt ist. Mit anderen Worten ist vorgesehen, die aufgenommene Stauluft zur Kühlung von verschiedenen Komponenten aufzuteilen, wobei ein Teil des Luftstroms dem Außenläufermotor zugeführt wird. Insbesondere bei integrierten Wechselrichter/Motorregler-Lösungen wird die meiste Wärme vom Wechselrichter selbst erzeugt, so dass zum einen ein guter Wärmeübergang zwischen Wechselrichter und Kühlkörper und zum anderen eine effiziente Kühlung des Kühlkörpers sichergestellt werden muss. Hierzu ist vorgesehen, den über den weiteren Kühlkanal geführte Luftstrom direkt über die Oberfläche des Kühlkörpers zu leiten.
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Sehr hohe Außentemperaturen können jedoch eine Zwischenkühlung der zuzuführenden Luft erforderlich machen. In Weiterbildung der Erfindung ist daher eine elektrisch betriebene Kühlvorrichtung mit einem Wärmetauscher vorgesehen, der vorzugsweise im Luftverteiler angeordnet ist. Die im Luftverteiler gesammelte Stauluft steht somit im thermischen Kontakt zum Wärmetauscher, so dass mittels des Wärmetauschers Wärme abführbar ist, bevor die Stauluft an die zu kühlenden Komponenten weitergeleitet wird.
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Bevorzugt ist eine Haube zum Sammeln von bereits erwärmter Luft dem weiteren Kühlkanal strömungstechnisch nachgeschaltet. Die Haube ist zur Cockpitbelüftung und/oder zur Kühlung einer Flugzeugavionik mit den entsprechenden Komponenten bzw. Bereichen des Liftfahrzeugs strömungstechnisch verbunden oder verbindbar. Dadurch lassen sich zusätzliche Lufteinlässe, die zur Abscheidung insbesondere von Wasser und/oder Sand mit entsprechenden ausgebildeten Vorrichtungen bzw. Filtern versehen werden müssen, vermeiden.
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Besonders bevorzugt ist zusätzlich ein zuschaltbares Absauggebläse vorgesehen, welches dazu ausgebildet ist, einen Luftstrom im Luftverteiler und im weiteren Kühlkanal zu erzeugen. Dadurch kann eine ausreichende Kühlung des Wechselrichters bzw. eine ausreichende Belüftung des Cockpits insbesondere im Bodenstandfall oder bei geringen Fluggeschwindigkeiten sichergestellt werden.
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In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist eine stirnseitig am Stator montierte Deckscheibe vorgesehen, die einen Axialspalt zwischen dem zumindest einen Stator und den Rippen minimiert. Der zwischen Stator und Radialwandung geführte Luftstrom wird dadurch optimal von der Bewegung der zumindest einen Rippe in radialer Richtung beschleunigt und verdichtet.
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Der elektrische Außenläufermotor umfasst besonders bevorzugt zwei in axialer Richtung voneinander beabstandete Rotoren, deren zugeordnete Rotorenglocken jeweils einen Stator zumindest teilweise umschließen. Mit anderen Worten ist der elektrische Außenläufermotor vorzugsweise als Zweischeibenmotor ausgeführt. In Weiterbildung des die Erfindung betreffenden Grundgedankens sind entsprechend an jeder Radialwandung der beiden Rotorenglocken innenseitig hervorstehende Rippen zur Verdichtung des die Magnetspulen kühlenden Luftstroms vorgesehen. Die beiden Rotoren sind insbesondere über Freiläufe an eine die Luftschraube bzw. den Propeller antreibende Welle ankoppelbar. Derartige Ausführungen sind vorteilhaft, da zur Erhöhung der Betriebssicherheit Redundanz geschaffen wird.
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Jede Rotorglocke ist vorzugsweise gegenüber einer anzutreibenden Welle mittels zumindest zwei Wälzlagern und gegenüber einer die Statoren tragende Tragstruktur mittels zumindest einem weiteren Wälzlager drehbeweglich gelagert ist. Eine derartige Anordnung ermöglicht eine besonders präzise und stabile Lagerung der Rotorglocken. Die Rotorglocken sind mittels Freiläufe mit der Welle verbindbar.
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Die Erfindung betrifft ferner das elektrisch angetriebene Luftfahrzeug, insbesondere Leichtflugzeug, welches mit dem vorstehend beschriebenen Kühlsystem ausgestattet ist. Die hieraus resultierenden Vorteile ergeben sich zumindest zum Teil unmittelbar aus der diesbezüglichen Beschreibung, so dass zur Vermeidung von Wiederholung zunächst hierauf verwiesen wird.
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Der Kühlungs- und Belüftungsbedarf von bemannten und unbemannten Luftfahrzeugen, insbesondere Leichtflugzeugen umfasst typischer Weise die Bereiche Antrieb, Motorreglung bzw. Wechselrichter, Cockpitbelüftung, Flugzeugavionik und Speicheraggregat, welches zur Versorgung des elektrischen Antriebs insbesondere als Hochleistungs-Akkumulator ausgeführt sein kann.
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Kühlsysteme für derartig ausgebildete Luftfahrzeuge müssen einer Vielzahl von Anforderungen genügen. Zunächst sollte die zur Kühlung verwendete Luft trocken, sand- und annähernd staubfrei sein. Der Lufteinlauf und -auslass sollte idealer Weise einen lediglich geringfügigen Strömungswiderstand verursachen. Ferner ist eine ausreichende Kühlung auch im Bodenstandfall sicherzustellen, um einer Beschädigung insbesondere des Antriebs durch Überhitzung entgegenzuwirken. Weiterhin ist auch eine auseichende Kühlung bei sehr hohen Umgebungstemperaturen wünschenswert. Auf der anderen Seite sollte der Betrieb auch bei tiefen Temperaturen und insbesondere unter leichten Vereisungsbedingungen sichergestellt sein.
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Das vorstehend beschriebene Kühlsystem bietet eine integrale Systemlösung, die insbesondere für Flächenflugzeuge geeignet ist und alle vorstehend genannten Anforderungen erfüllt. Dabei kann die vorgeschlagene Lösung mit besonders geringem Aufwand implementiert und gegebenenfalls an verschiedene Flugzeugtypen angepasst werden. Das Kühlsystem ist insbesondere hinsichtlich seiner Masse und seiner Komplexität minimiert. Hieraus ergibt sich unter anderem ein reduzierter Wartungsbedarf in der Folge.
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Das flugzeugseitige Kühlsystem umfasst den Lufteinlauf, welcher vorzugsweise an einem vorderen Ende eines Rumpfes, beispielsweise hinter der Luftschraube bzw. hinter dem Propeller angeordnet ist. Der Lufteinlass ist dazu ausgelegt, die Stauluft widerstandsarm und mit möglichst geringen Strömungs- bzw. Druckverlusten aufzunehmen. Besonders bevorzugt ist der Lufteinlauf hierzu als Pitot-Einlauf ausgebildet.
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Der Lufteinlauf umfasst weiter vorzugsweise einen Einlaufdiffusor, der die Strömungsgeschwindigkeit derart herabsetzt, dass die beim Durchströmen der nachgeschalteten Filter verursachten Druckverluste gering sind. Über den Bypass-Auslass kann gegebenenfalls ein Fremdpartikel enthaltender Anteil der aufgenommen Stauluft direkt abgeführt werden.
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Die Filter bestehen beispielsweise aus einem Metallgeflecht und sind als Wasserabscheider und/oder Grobfilter ausgebildet.
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Ferner können die Filter in vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung Feinfilter umfassen, die beispielsweise aus Vliesmaterial bestehen und somit für den Einsatz als Sand- und/oder Staubfilter geeignet sind.
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In Weiterbildung der Erfindung ist zusätzlich ein weiterer Kühlkanal des Kühlsystems mit dem Speicheraggregat bzw. mit dem Batteriekasten verbunden, um eine Luftkühlung dieser Komponenten zu ermöglichen.
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Das bereits beschriebene Absauggebläse zur Ventilation des Kühlsystems insbesondere bei Bodenstand ist vorzugsweise im Heck des Rumpfes untergebracht.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die beigefügten schematischen Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten erläutert. In diesen zeigen:
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1 einen vorderer Bereich eines Luftfahrzeugs mit einem Kühlsystem gemäß der Erfindung in einer schematischen Schnittdarstellung;
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2 einen elektrischen Außenläufermotor mit einem Kühlsystem gemäß einem möglichen Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Schnittdarstellung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen vorderen Bereich eines Rumpfes 1 eines Luftfahrzeugs 2, welches in der exemplarisch dargestellten Ausführung als Leichtflugzeug ausgebildet ist. Das Luftfahrzeug 2 ist mit einem Kühlsystem 3 ausgestattet, welches einen Lufteinlass 4 zur widerstandsarmen Aufnahme von Stauluft umfasst. Der Lufteinlass 4 ist direkt hinter einem Propeller vorzugsweise an einer Rumpfunterseite oder an der Unterseite einer Motorgondel angeordnet, von dem in 1 lediglich ein Spinner 5 gezeigt ist.
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Der Lufteinlauf 4 ist als Pitot-Einlauf ausgeführt und weist einen Einlassdiffusor 6 auf, der sich entsprechend in Längsrichtung aufweitet, so dass die Strömungsgeschwindigkeit der aufgenommenen Stauluft reduziert wird.
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Am Ende des Einlaufdiffusors 6 ist ein mehrlagiger Filter 7 angeordnet, der bezüglich der von der Ausrichtung des Einlassdiffusors 6 vorgegebenen Strömungsrichtung schräg verläuft. Der Filter 7 umfasst eine erste Lage 8, die aus einem Metallgeflecht besteht und als Wasserabscheider und Grobfilter fungiert. Dahinter ist eine weitere, zweite Lage 9 angeordnet, die als Feinfilter zum Abscheiden von Sand- und/oder Staub dient. Die zweite Lage 9 besteht aus einem einsprechend feinmaschigen Vliesmaterial.
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Darüber hinaus ist am Ende des Einlassdiffusors 6 ein Bypass-Auslass 10 vorgesehen, über den ein Teil der zunächst vom Lufteinlass 4 aufgenommenen Stauluft direkt ausgeblasen wird. Dadurch können insbesondere Partikel, die von dem Filter 7 abgeschieden wurden, ausgestoßen werden. Der Bypass-Auslass 10 ist in dem dargestellten Beispiel derart dimensioniert, das in etwa 10% der zunächst aufgenommenen Stauluft direkt wieder ausgestoßen werden.
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Das Kühlsystem 3 umfasst in nicht näher dargestellter Art und Weise eine Heizvorrichtung, mittels derer zumindest der vordere Bereich des Lufteinlasses 4 beheizbar ist. So kann der ordnungsgemäße Betrieb auch unter leichten Vereisungsbedingungen sichergestellt werden.
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Der durch das Kühlsystem 3 strömende Luftstrom ist in 1 schematisch durch Pfeile angedeutet. Hieraus ist ersichtlich, dass dem Filter 7 zunächst ein Luftverteiler 11 strömungstechnisch nachgeschaltet ist, in dem der Luftstrom auf verschiedene zu kühlende Komponenten aufgeteilt wird. Ein Teil der zugeführten Luft wird einem elektrischen Außenläufermotor 13, der als Antriebsaggregat des Luftfahrzeugs 2 dient, über einen ersten Kühlkanal 12 zugeführt. Ein weiterer Teil der aufgenommenen Stauluft wird über einen Kühlkörper 15 geleitet, der in einem weiteren, zweiten Kühlkanal 14 angeordnet ist. Der Kühlkörper 15 ist zur Kühlung eines nicht näher dargestellten Wechselrichters mit diesem thermisch leitend verbunden.
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Ein dritter Kühlkanal 16 leitet einen Teil der Stauluft zur Kühlung an ein nicht näher dargestelltes Speicheraggregat weiter, welches zur Versorgung des Außenläufermotors 13 mit elektrischer Energie als Hochleistungs-Akkumulator ausgeführt ist.
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Das Kühlsystem 3 umfasst ferner in nicht näher dargestellter Art und Weise ein Absauggebläse, mittels dessen im Bedarfsfall, insbesondere im Bodenstandfall ein Luftstrom im Luftverteiler 11 erzeugbar ist.
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Der erste Kühlkanal 12 leitet einen Luftstrom zur Kühlung in einen Innenbereich des Außenläufermotors 13. Insbesondere ist der Einlass zum Innenbereich in einem achsnahen Bereich des Außenläufermotors 13 angeordnet. Die erforderliche Abdichtung des ersten Kühlkanals 12 gegenüber einer den Außenläufermotor 13 begrenzenden hinteren, ersten Rotorglocke 17 erfolgt durch eine berührungslose Dichtung 18, die beispielsweise als Labyrinthdichtung ausgebildet ist.
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Der ersten Rotorglocke 17 liegt eine vordere, zweite Rotorglocke 19 gegenüber. Die beiden Rotorglocken 17, 19 umschließen jeweils zwei in 1 nicht näher dargestellte Statoren. Mit anderen Worten ist der in 1 exemplarisch dargestellte Außenläufermotor 13 als Duplex- oder Zweischeibenmotor ausgeführt. Der in dem Innenbereich geführte Luftstrom dient maßgeblich der Kühlung von Magnetspulen der Statoren.
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Der Luftstrom verlässt den Innenbereich des Außenläufermotors 13 über mehrere radiale Ausnehmungen 20, die in eine die beiden Statoren des Duplexmotors tragende Tragstruktur 21 eingebracht sind. Die Tragstruktur 21 ist im Bereich der Ausnehmungen 20 von einem ringförmigen Austrittdiffusor 22 umgeben, der den austretenden Luftstrom entgegen der Flugrichtung und parallel zur Oberfläche des Rumpfes 1 ablenkt.
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Es ist vorgesehen, die bereits durch die Kühlung des Kühlkörpers 15 vorgewärmte Luft zur Cockpitbelüftung und/oder zur Kühlung anderer Komponenten, insbesondere zur Kühlung einer Flugzeugavionik einzusetzen. Dazu ist eine Haube 23 dem zweiten Kühlkanal 14 strömungstechnisch nachgeschaltet, in der die Abluft gesammelt wird. Eine Abluftführung 24 verbindet die Haube 23 mit den zur Kühlung bzw. zur Belüftung vorgesehenen Komponenten und/oder Bereichen des Luftfahrzeugs 2. Die Abluft kann auch über eine nicht näher dargestellte Verbindung zum Luftaustritt des Lufteinlaufs 4 geführt werden und dort gemeinsam mit der Bypassluft ausgestoßen werden.
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2 zeigt eine mögliche Ausführungsform des elektrischen Außenläufermotors 13 in Duplexbauweise. Der exemplarisch dargestellte Außenläufermotor 13 weist zwei axial nebeneinander angeordnete Rotoren 25, 26 mit zugehörigen Rotorglocken 17, 19 auf. In einem von den Rotorglocken 17, 19 umschlossenen Innenbereich sind zwei Statoren 27, 28 angeordnet, die Magnetspulen 29, 30 tragen. Die beide Statoren 27, 28 sind mittels einer gemeinsamen Tragstruktur 21 befestigt.
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Bei elektrischen Antrieben wird die meiste Wärme in den Magnetspulen 29, 30 erzeugt. Die Kühlung ist am effektivsten, wenn die Wärme direkt am Entstehungsort abgeführt wird. Der Außenläufermotor 13 ermöglicht Bauart bedingt eine Umströmung der Magnetspulen 29, 30 während des Betriebs. Um die am Lufteinlauf 4, Einlaufdiffusor 6 und/oder Filter 7 auftretenden Druckverluste zu kompensieren und auch bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten und/oder im Bodenstandfall zur Kühlung ausreichende Luftströme zu erzeugen, wird eine Nachverdichtung der Stauluft vorgesehen. Hierzu sind Radialwandungen 32, 33 der Rotorglocken 17, 19 mit jeweils mehreren radialen Rippen 34, 35 versehen, die innenseitig in Richtung des jeweiligen Stators 27, 28 hervorstehen.
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An den beiden Statoren 27, 28 sind jeweils stirnseitig Deckscheiben 36, 37 angebracht, die den zwischen dem Stator 27, 28 bzw. der Deckscheibe 36, 37 und der Rippe 34, 35 verbleibende Axialspalt minimieren.
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Die radialen Rippen 34, 35 arbeiten während des Betriebs des Außenläufermotors 13 wie ein Radialverdichter. Der nachverdichtete Luftstrom wird den auf den Statoren 27, 28 angeordneten Magnetspulen 29, 30 zuführt. Dadurch werden die Magnetspulen 29, 30, in denen die meiste Wärme entsteht, direkt gekühlt.
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Bei dem in 2 gezeigten Zweischeiben- bzw. Duplexmotor befindet sich die Tragstruktur 21 zwischen den beiden Rotorglocken 17, 19. Das hat zur Folge, dass die Stauluft durch die Radialwandung 32 der hinteren, ersten Rotorglocke 17 im Nabenbereich axial eintritt und dann zur Nachverdichtung auf die hintere und vordere Rotorglocken 17, 19 verteilt wird. Hierzu wird der Luftstrom durch einen koaxialförmigen Kanal 38 im Nabenbereich zum vorderen Rotor 26 geführt.
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Die Rippen 34, 35 beschleunigen die jeweils innenseitig an den Rotorglocken 17, 19 vorbeistreifenden Luftströme in radialer Richtung. Anschließend prallen die Luftströme auf Umfangswandungen 39, 40 der Rotorglocken 17, 19 und werden so in die parallel zu einer Welle 41 des Außenläufermotors 13 verlaufende axiale Richtung abgelenkt. Die Luftströme werden anschließend an den Magnetspulen 29, 30 vorbeigeführt und verlassen den Innenbereich des Außenläufermotors 13 über die radialen Ausnehmungen 20.
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Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf Außenläufermotoren 13 in Duplexbauweise beschränkt ist. Bei Einscheibenmotoren ist im Wesentlichen lediglich die vordere Rotor-/Statoranordnung vorhanden. Entsprechend tritt der Luftstrom im Nabenbereich der Tragstruktur 21 des Stators 28 axial ein und wird dann zur Radialwandung 33 geführt. Dort strömt die Luft bei gleichzeitiger Nachverdichtung in radialer Richtung zum Außenbereich der Rotorglocke 19 und wird anschließend um 90° in die axiale Richtung umgelenkt, bevor die Magnetspulen 30 durchströmt werden. Nach der Kühlung der Magnetspulen 30 tritt die aufgeheizte Luft im ringförmigen Außenbereich der Tragstruktur 21 durch die radialen Ausnehmungen 20 aus.
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ln 2 ist neben der Motorkühlung auch ein Lagerungskonzept der Welle 41 gegenüber der Rotorglocken 17, 19 schematisch illustriert. Um eine präzisere Lagerung der Rotorglocken 17, 19 auf der Welle 41 zu realisieren, sind für jeden Rotor 25, 26 jeweils zwei Wälzlager 42 vorgesehen, die auch als Zwischenwellen-Wälzlager bezeichnet werden können. Die Übertragung der Drehmomente von den Rotorglocken 17, 19 auf die Welle 41 erfolgt über Freiläufe 43, deren Innen- und Außenringe per Presssitz mit der Welle 41 bzw. mit den Rotorglocken 17, 19 verbunden sind. Ferner sind weitere Wälzlager 44 zwischen der Tragstruktur 21 und den Rotorglocken 17, 19 vorgesehen, die als Rotorwälzlager bezeichnet werden können.
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Die Erfindung, wie anhand der vorstehenden Beispiele erläutert, ermöglicht eine effiziente Kühlung des als Außenläufermotor ausgeführten Antriebs. Das Kühlsystem ist für den Einsatz in Luftfahrzeugen optimiert, insbesondere ist der Lufteinlass und Luftauslass derart ausgelegt, dass der Strömungswiderstand für die einbzw. austretende Luft minimiert ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kühlsystems bzw. des erfindungsgemäßen Luftfahrzeugs beschränkt, sondern ergibt sich aus einer Zusammenschau sämtlicher hierin offenbarter Merkmale.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rumpf
- 2
- Luftfahrzeug
- 3
- Kühlsystem
- 4
- Lufteinlauf
- 5
- Spinner
- 6
- Einlaufdiffusor
- 7
- Filter
- 8
- Lage
- 9
- Lage
- 10
- Bypass-Auslass
- 11
- Luftverteiler
- 12
- Kühlkanal
- 13
- Außenläufermotor
- 14
- Kühlkanal
- 15
- Kühlkörper
- 16
- Kühlkanal
- 17
- Rotorglocke
- 18
- Dichtung
- 19
- Rotorglocke
- 20
- Ausnehmung
- 21
- Tragstruktur
- 22
- Austrittdiffusor
- 23
- Haube
- 24
- Abluftführung
- 25
- Rotor
- 26
- Rotor
- 27
- Stator
- 28
- Stator
- 29
- Magnetspule
- 30
- Magnetspule
- 32
- Radialwandung
- 33
- Radialwandung
- 34
- Rippe
- 35
- Rippe
- 36
- Deckscheibe
- 37
- Deckscheibe
- 38
- Kanal
- 39
- Umfangswandung
- 40
- Umfangswandung
- 41
- Welle
- 42
- Wälzlager (Zwischenwellen-Wälzlager)
- 43
- Freilauf
- 44
- Wälzlager (Rotorwälzlager)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013102194 A1 [0003]
- DE 202008012191 U1 [0005]
