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Die beanspruchte Erfindung betrifft die Konstruktion eines unbemannten oder bemannten Luftfahrzeugs, und zwar eines Multikopters mit großer Tragkraft. Ein Multikopter ist ein nach dem Prinzip eines Hubschraubers gebautes Luftfahrzeug mit drei oder mehr Hauptrotoren.
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Bekannt aus der
US 9561849 ist ein Multikopter, bestehend aus einem Rahmen, an dem eine Vielzahl von Motoren angebracht sind, deren Wellen mit entsprechenden Rotoren verbunden sind, die für die Drehung der Propeller sorgen, die für die Erzeugung von Schub vorgesehen sind und um den vertikalen Start, die Landung, den horizontalen Flug und das Manövrieren des Multikopters zu gewährleisten, wobei der Multikopter mit einem Betriebsmodus-Steuerungssystem ausgestattet ist.
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Der genannte Multikopter weist aufgrund der Verwendung in seiner Konstruktion einer mehrmotorigen Antriebseinheit hohe Selbstkosten auf sowie auch eine unzureichende Zuverlässigkeit, da bei einem Ausfall eines Motors der Antriebseinheit das Steuern des Multikopters schwierig oder unmöglich wird.
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Dem beanspruchten Multikopter im technischen Wesen und in der Anzahl der wesentlichen Merkmale am nächstliegenden ist der in der
KR 102250866 B1 offenbarte Multikopter, der einen starren Tragrahmen mit vier daran befestigten Tragarmen umfasst, wobei am freien Ende jedes Tragarms eine Nabe mit einem Propellerrotor angebracht ist, an dem Rahmen eine Antriebseinheit angebracht ist, deren Hauptwelle über Kraftgetriebe und Steigungsregelungsmechanismen mit den Propellerrotoren kinematisch verbunden ist, um Schub zu erzeugen und den vertikalen Start, die Landung, den horizontalen Flug und das Manövrieren des Multikopters zu gewährleisten, wobei der Multikopter mit einem Betriebsmodus-Steuerungssystem ausgestattet ist.
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Der beschriebene Multikopter weist aufgrund der Verwendung in seiner Konstruktion einer mehrmotorigen Hybridantriebseinheit sowie von Propellern mit verstellbarer Steigung, zu deren Steuerung das Vorhandensein solch teurer Konstruktionselemente wie zum Beispiel eines Steigungsreglers für jeden Propeller erforderlich ist, hohe Selbstkosten auf, was die Zuverlässigkeit der Vorrichtung verringert, da der Ausfall eines Reglers die Steuerung des Multikopters schwierig oder unmöglich macht. Anzumerken ist auch, dass ein nach solch einem Prinzip zusammengebauter Multikopter ein beträchtliches Trägheitsmoment aufweist, was einen erheblichen Energieaufwand beim Manövrieren erfordert.
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Der beanspruchten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen solchen Multikopter zu schaffen, der geringere Selbstkosten aufweist, jedoch zuverlässiger und energieeffizienter ist.
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Die zugrundeliegende Aufgabe wird durch die Verwendung in seiner Konstruktion von Propellern mit fester Steigung, durch die Verwendung einer einzigen zentralen Antriebseinheit zum Antrieb aller Propeller sowie durch die Verwendung eines freien Differentialgetriebes und eines elektrisch betätigten Magnetbremssystems zum Regeln der Drehgeschwindigkeit jedes Propellers gelöst. Das freie Differentialgetriebe erhöht die Drehzahl der zweiten Abtriebswelle bei Sinken der Drehzahl oder Stehenbleiben einer der Abtriebswellen. Das Magnetbremssystem, das an jedem Ausgang des freien Differentialgetriebes angebracht ist, ermöglicht das Abbremsen der an der Abtriebswelle angebrachten Bremsscheibe, wodurch die Abtriebswelle selbst abgebremst wird, indem die beweglichen Bremssättel mit Permanentmagneten an die Bremsscheibe mittels eines elektrischen Betätigungsmechanismus herangeführt werden, was das Entstehen von Wirbelströmen in den leitfähigen Belägen der Bremsscheibe hervorruft und infolgedessen zu deren Abbremsung führt. Solch ein Geschwindigkeitsregelungssystem ist zuverlässig, hat ein geringes Gewicht und erfordert während der gesamten Lebensdauer keine Wartung.
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Der beanspruchte Multikopter umfasst einen starren Tragrahmen mit wenigstens zwei daran angebrachten Paaren von koaxial zueinander angeordneten Tragarmen, wobei am freien Ende jedes Tragarms wenigstens eine Nabe mit einem Rotor wenigstens eines Propellers angebracht ist, wobei die an dem Rahmen angebrachte zentrale Antriebseinheit zwei Motoren umfasst, einen Haupt- und einen Reservemotor, wobei die Welle jedes der Motoren über eine entsprechende Kupplung das Drehmoment auf eine gemeinsame Hauptwelle überträgt, mit der Möglichkeit ihres abwechselnden oder gemeinsamen Betriebs. Die Hauptwelle ist über Kraftgetriebe und Drehzahlregelungs- und Leistungsverteilungsmechanismen mit den Rotoren aller Propeller kinematisch verbunden, um Schub zu erzeugen und den vertikalen Start, die Landung, den horizontalen Flug und das Manövrieren des Multikopters zu gewährleisten.
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Der Multikopter ist mit einem Betriebsmodus-Steuerungssystem ausgestattet, und erfindungsgemäß haben die Propeller des Multikopters eine feste Steigung. Das Betriebsmodus-Steuerungssystem umfasst zwei am Rahmen angebrachte zentrale Drehzahlregelungs- und Leistungsverteilungsmechanismen, welche ein freies Differentialgetriebe und ein elektrisch betätigtes Magnetbremssystem aufweisen, sowie eine Flugmodus-Steuereinheit.
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Die in dem vorliegenden Multikopter verwendeten Kraftgetriebe können von jedem bekannten Typ sein und ihre Wahl hängt von der konkret zu lösenden Aufgabe ab.
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Eine Besonderheit des beanspruchten Multikopters ist auch, dass jeder zentrale Drehzahlregelungs- und Leistungsverteilungsmechanismus zwei Ausgänge zum Anschluss von zwei Propellerrotoren aufweist, die auf relativ zum Gehäuse gegenüberliegenden Tragarmen angeordnet sind.
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Die Verwendung in dem beanspruchten Multikopter von Propellern mit fester Steigung ermöglicht es, die Selbstkosten des Multikopters erheblich zu senken, da in seiner Konstruktion keine Steigungsregler für jeden Propeller enthalten sind. Die Anordnung aller Antriebsaggregate auf dem Tragrahmen und nicht an den Tragarmen ermöglicht es, das Trägheitsmoment des Multikopters erheblich zu reduzieren und damit den Energieaufwand beim Manövrieren zu senken und die Manövriergeschwindigkeit zu erhöhen.
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In dem beanspruchten Multikopter wird eine zentrale Antriebseinheit verwendet, die zwei Motoren umfasst, einen Haupt- und einen Reservemotor in heißer Redundanz, zum Antrieb aller Propeller, was die Selbstkosten senkt und die Zuverlässigkeit erhöht, indem die Anzahl der unzuverlässigen Konstruktionselemente in der kinematischen Kette - „Motoren - Rotoren des Propellers“ - reduziert wird. Als Motoren in einem solchen Multikopter können gewöhnliche Serienmotoren praktisch jeglichen heute bekannten Typs eingesetzt werden - Elektromotoren, Benzin- oder Gasturbinenmotoren.
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Die Steuerung des Multikopters erfolgt durch Regeln der Drehgeschwindigkeit sowohl des Motors (Gesamtauftriebskraft) als auch jedes Propellerrotors (Manövrieren).
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Multikopters verläuft die Achse jedes Tragarms durch den Schwerpunkt des Tragrahmens und bildet einen rechten Winkel mit der Achse des benachbarten Tragarms.
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Um die Reichweite und die Geschwindigkeit des Horizontalflugs zu erhöhen, werden gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in die Konstruktion des Multikopters Elemente zur Erzeugung eines horizontalen Schubvektors hinzugefügt. An dem Ende jedes Tragarms ist mit seinem mittleren Teil ein um ±90° um die Achse des Tragarms schwenkbarer Schwenkarm angelenkt, welcher mit dem Tragarm eine T-förmige Konstruktion bildet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform eines Multikopters mit Schwenkarmen ist an dem Ende jedes Tragarms auch ein Mechanismus zur Notrückkehr in die horizontale Position und zur Fixierung in der Betriebsposition des vorliegenden Schwenkarms angebracht. Das kinematische Schema einer solchen Ausführungsform umfasst zwei am Tragrahmen angebrachte zentrale und vier an den Schwenkarmen angebrachte Drehzahlregelungs- und Leistungsverteilungsendmechanismen, welche ein freies Differentialgetriebe und ein elektrisch betätigtes Magnetbremssystem umfassen. Jeder zentrale Drehzahlregelungs- und Leistungsverteilungsmechanismus weist zwei Ausgänge für die beiden, auf relativ zum Gehäuse gegenüberliegenden Tragarmen angeordneten Drehzahlregelungs- und Leistungsverteilungsendmechanismen auf, acht Propeller, je zwei an jedem Schwenkarm, die an seinen Enden angeordnet sind, sowie eine Flugmodus-Steuereinheit. Alternativ können anstelle von zwei Propellern an jedem Schwenkarm, d. h. je einem Propeller am Ende des Schwenkarms, je zwei Propeller am Ende des Schwenkarms verwendet werden, die sich in entgegengesetzte Richtungen zueinander drehen. In diesem Fall wird die Gesamtzahl der Propeller eines Multikopters mit zwei Paaren von Tragarmen 16 betragen.
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Die synchrone Änderung der Drehzahl der an einem Schwenkarm angebrachten Propellerrotoren ermöglicht es, einen Schubvektor in der vertikalen Ebene bei einer fixierten Position dieses Schwenkarms zu erzeugen, und die differentielle Änderung der Drehzahl der Propellerrotoren des entsprechenden Schwenkarms ermöglicht es, den Schwenkarm durch Erzeugen eines differentiellen Schubs zu verschwenken, um einen Schubvektor in einer anderen als der vertikalen Ebene zu erzeugen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zur Stabilität und Sicherheit des Flugs jeder Schwenkarm des Multikopters mit einem Mechanismus zur Notrückkehr in die horizontale Position und zu seiner Fixierung in der Betriebsposition ausgestattet, der in Form einer elektromechanischen Bremse zur Fixierung der Winkelposition der Schwenkarme während des Starts und des Horizontalflugs und eines Rückholmechanismus mit einer vorgespannten Rückholfeder mit einer elektromechanischen Auslösevorrichtung ausgeführt ist, die mit der Möglichkeit einer Rückführung des Schwenkarms in die ursprüngliche horizontale Position, d. h. parallel zur Ebene der Anordnung der Tragarme, bei einer Notlandung des Multikopters angebracht ist. An jedem Schwenkarm sind je zwei Propellerrotoren angebracht, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen können, wodurch ein unterschiedlicher Schub erzeugt wird, während sich der Schwenkarm selbst hierbei um die Achse des Antriebsarms drehen kann. Die Kontrolle der Position des Schwenkarms zur Gewährleistung der verschiedenen Flugphasen führt einen Fixierungsmechanismus aus, der ein Verschwenken des Schwenkarms nur auf Signale von der Flugmodus-Steuereinheit zulässt.
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Die Steuerung des Multikopters erfolgt durch Regeln der Drehgeschwindigkeit sowohl des Motors, um die Gesamtauftriebskraft zu steuern, als auch durch Änderung der Drehgeschwindigkeit jedes Propellerrotors zum Manövrieren, sowie auch durch Verschwenken der Position jedes Schwenkarms, um einen horizontalen Schubvektor zu erzeugen, mittels differentieller Änderung des Schubs der Propeller.
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Der beanspruchte Multikopter kann als unbemanntes oder bemanntes Luftfahrzeug für Luftaufnahmen der Erdoberfläche, für den Transport von Personen oder Fracht eingesetzt werden.
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Das Wesen der beanspruchten Erfindung wird anhand von schematischen Zeichnungen erläutert, welche zeigen:
- 1 - eine perspektivische Ansicht einer schematischen Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Multikopters, zusammengebaut nach dem Prinzip eines Quadrokopters.
- 2 - ein Beispiel für die Ausführung eines Teils einer Kraftübertragungseinrichtung eines Multikopters, zusammengebaut nach dem Prinzip eines Quadrokopters.
- 3 - ein Beispiel für die Ausführung einer Antriebseinheit eines Multikopters.
- 4 - eine vereinfachte Darstellung eines Leistungsverteilungs- und Drehzahlregelungsmechanismus mit einer elektromechanischen Steuerung eines Multikopters, zusammengebaut nach dem Prinzip eines Quadrokopters.
- 5 - elektromechanisch betätigte Magnetscheibenbremsen.
- 6 - eine perspektivische Ansicht einer schematischen Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Multikopters mit Schwenkarmen.
- 7 - eine Draufsicht einer schematischen Darstellung eines Multikopters mit Schwenkarmen.
- 8 - ein vereinfachtes Schema einer Kraftübertragungseinrichtung eines Multikopters mit Schwenkarmen.
- 9 - ein Doppelrotor einer Kraftübertragungseinrichtung eines Multikopters mit Schwenkarmen.
- 10 - eine perspektivische Ansicht einer schematischen Darstellung eines Multikopters mit Schwenkarmen mit einem Teil der Rotoren in Position für den Horizontalflug.
- 11 - eine Gesamtansicht eines Multikopters mit Schwenkarmen im Start- und Landemodus.
- 12 - eine Gesamtansicht eines Multikopters mit Schwenkarmen im Horizontalflugmodus.
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In einem ersten Beispiel umfasst die Konstruktion des Multikopters vier Rotoren ( 1, 2). Eine solche Konstruktion besteht aus einem Tragrahmen 1, vier Tragarmen 2, die mittig an jeder der Seiten des Tragrahmens 1 angeordnet sind, wobei die gegenüberliegenden Tragarme 2 koaxial zueinander angeordnet sind, und die benachbarten Tragarme 2 im rechten Winkel zueinander angebracht sind. Auf dem Tragrahmen 1 sind zwei, die zentrale Antriebseinheit darstellende identische Motoren 4, ein Hauptmotor und ein heiß-redundanter Motor (in 1 ist nur ein Motor zu sehen), angebracht. Die Motoren müssen nicht unbedingt identisch sein, es ist möglich, Motoren unterschiedlicher Konstruktion zu verwenden. Die Wellen der Motoren 4 sind mit der in der 2 dargestellten Hauptwelle 5 über Kupplungen 6 gekoppelt, zur Möglichkeit des gemeinsamen Betriebs an einer Last und des Abkoppelns von dieser im Falle des Ausfalls eines der Motoren 4 oder aus anderen technischen Gründen. Von der Hauptwelle 5 wird das Drehmoment mittels eines Riemenantriebs auf die zwei identischen zentralen Leistungsverteilungs- und Drehzahlregelungsmechanismen mit einer elektromechanischen Steuerung 7 und weiter auf alle Propeller 10 übertragen. Zwecks einer besseren Übersichtlichkeit zeigt 2 nur einen Teil der Kraftübertragungseinrichtung mit einem zentralen Leistungsverteilungsmechanismus 7 für zwei gegenüberliegend angeordnete Antriebsscheiben 9, die am freien Ende der entsprechenden gegenüberliegenden Tragarme 2 angeordnet sind. Es versteht sich von selbst, dass diese Drehmomentübertragung mechanisch mit jeglichem derzeit bekannten Verfahren erfolgen kann. Danach wird von den beiden Ausgängen des Leistungsverteilungs- und Drehzahlregelungsmechanismus mit einer elektromechanischen Steuerung 7 (im Folgenden „Leistungsverteilungsmechanismus 7“) die Drehung mittels eines Riemenantriebs, wobei die Drehung mechanisch durch jegliches derzeit bekanntes Verfahren übertragen werden kann, entlang des entsprechenden Tragarms 2 auf die beiden Antriebsscheiben 9 übertragen, die an jedem freien Ende jedes Tragarms 2 angeordnet sind. Jede Antriebsscheibe 9 dreht einen Propeller 10 mit fester Steigung. Auch können anstelle von Einzelpropellern 10 auch gegenläufige Doppelpropeller (nicht gezeigt) verwendet werden.
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Die Steuerung des Multikopters erfolgt mittels der Flugmodus-Steuereinheit 19 - einem Computer mit Software, die zur Steuerung der Geschwindigkeit der Motoren 4, des Haupt- und des Reservemotors, des Kommutators für die Motoren 4 für den Betrieb in verschiedenen Modi (Steuerung der Kupplungen 6), einer Reihe von Kreiselinstrumenten und Beschleunigungsmessern, zum Regeln der Drehgeschwindigkeit jedes Rotors eines Propellers 10 vorgesehen ist. Zu diesem Zweck umfasst die Steuereinheit 19 Eingänge für die Sensoren für die Rotordrehzahl der Propeller 10 und Ausgänge für die Steuerung der elektromechanisch betätigten Magnetscheibenbremsen an den Leistungsverteilungsmechanismen 7.
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Als zweites Beispiel wird die Konstruktion eines Multikopters mit acht Propellerrotoren gezeigt (6, 7, 8, 9). Ein solcher Multikopter besteht aus einem Tragrahmen 1, zwei Paaren von Tragarmen 2, die auf dem Tragrahmen 1 angeordnet sind, wobei die gegenüberliegenden Tragarme 2 koaxial zueinander angeordnet sind, und die benachbarten Tragarme 2 im rechten Winkel zueinander angebracht sind, und vier Schwenkarmen 3, die mit ihrem mittleren Teil an den von dem Tragrahmen 1 beabstandeten Enden der Tragarme 2 angebracht sind, wobei sie sich frei um die Achse des Tragarms 2 drehen können. Auf dem Tragrahmen 1 sind zwei identische Motoren 4, ein Hauptmotor und ein heiß-redundanter Motor, angebracht, für die im Beispiel Gleichstrommotoren verwendet werden. Es versteht sich von selbst, dass, wie bei der ersten Ausführungsform, die Motortypen unterschiedlich sein können. Wie in 3 gezeigt, sind die Wellen der Motoren 4 mit der Hauptwelle 5 über Kupplungen 6 gekoppelt, zur Möglichkeit des gemeinsamen Betriebs an einer Last und des Abkoppelns von dieser im Falle des Ausfalls eines Motors 4 oder aus anderen technischen Gründen. Von der Hauptwelle 5 wird die Drehung in diesem Fall mittels eines Riemenantriebs übertragen, aber im Allgemeinen kann die Drehung durch jegliches derzeit bekanntes Verfahren auf die beiden identischen zentralen Leistungsverteilungsmechanismen 7 mechanisch übertragen werden. Dann wird von jedem der beiden Ausgänge der beiden zentralen Leistungsverteilungsmechanismen 7 die Drehung durch jegliches derzeit bekanntes Verfahren entlang oder innerhalb des Tragarms 2 auf den Eingang eines ähnlichen, jedoch mit geringerer übertragener Leistung, Leistungsverteilungsendmechanismus 7a übertragen, der im mittleren Teil jedes Schwenkarms 3 angebracht und mit zwei Winkelgetrieben 8 kinematisch verbunden ist, die an jedem freien Ende jedes Schwenkarms 3 angeordnet sind, wie dies in dem vereinfachten Schema einer Kraftübertragungseinrichtung eines Multikopters mit Schwenkarmen in 8 dargestellt ist. Jedes Winkelgetriebe 8 dreht einen Propeller 10 mit fester Steigung.
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An jedem freien Ende jedes Schwenkarms 3 ist wenigstens ein Winkelgetriebe 8 und ein Rotor mit einem Propeller 10 mit fester Steigung angebracht, und im mittleren Teil jedes Schwenkarms 3 ist ein Leistungsverteilungsendmechanismus 7a angebracht. 9 zeigt die Möglichkeit, die beiden Propeller 10 im Gegenlaufbetrieb einzuschalten, um den Kreiseleffekt zu verringern, wobei die Drehmomentübertragung mechanisch durch jegliches derzeit bekanntes Verfahren erfolgen kann.
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Jeder der beiden zentralen Leistungsverteilungsmechanismen 7, die an dem Tragrahmen 1 angebracht sind, überträgt die Drehung auf die beiden Leistungsverteilungsendmechanismen 7a, die im mittleren Teil der beiden Schwenkarme 3 angebracht sind, die an von dem Tragrahmen 1 beabstandeten Enden der koaxialen Tragarme 2 angeordnet sind.
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An den von dem Tragrahmen 1 beabstandeten Enden jedes der Tragarme 2 ist ein Mechanismus zur Notrückkehr und Fixierung der Betriebsposition 11 des Schwenkarms 3 relativ zum Tragarm 2 angebracht. Die Notrückkehr der Schwenkarme 3 in die Ebene der Anordnung der Tragarme 2 ist im Falle eines Totalausfalls der beiden Motoren 4, des Hauptmotors und des heiß-redundanten Motors, oder eines Ausfalls eines Elements der Kraftübertragungseinrichtung erforderlich, um eine sichere Notlandung zu gewährleisten. Die Fixierung der Betriebsposition der Schwenkarme 3 ist notwendig zur Stabilisierung der Flugmodi. Von der Position des Schwenkarms 3 hängt die Richtung seines Schubvektors ab. Wenn der Vektor vertikal ausgerichtet ist, kann der Multikopter Start- und Landefunktionen ausführen sowie sich mit begrenzter Geschwindigkeit in horizontale Richtung bewegen. Die Geschwindigkeit des Horizontalflugs zu erhöhen ist möglich durch Ändern der Richtung des Schubvektors, indem die Neigung eines oder mehrerer Schwenkarme 3 relativ zur Ebene der Anordnung der Tragarme 2 geändert wird. Am effektivsten ist die Änderung dieses Neigungswinkels für die Schwenkarme 3, die auf gegenüberliegenden Tragarmen 2 angeordnet sind, um einen gleichen Winkel relativ zur Bewegungsrichtung.
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Jeder Leistungsverteilungsmechanismus 7, 7a (4, 5, 6) ist ein offenes Differentialgetriebe 12 mit einem Antrieb auf das (Eingang zu dem) Gehäuse und zwei Abtriebswellen 13, mit darauf angebrachten Magnetscheibenbremsen 15 mit Permanentmagneten 14 und mit einer elektromechanischen Betätigung 16. Die Scheibenbremse 15 besteht aus einer metallischen Scheibe mit hoher magnetischer Permeabilität, in diesem Fall einer Stahlscheibe 17 und zwei leitenden Belägen 18 aus Kupfer oder Aluminium, sowie zwei beweglichen Bremssätteln 20 mit an deren Innenseiten angebrachten Permanentmagneten 14. Bei jedem der beiden beweglichen Bremssättel 20 handelt es sich um zwei in festem Abstand zueinander angeordnete starre Platten mit an deren Innenseiten angebrachten Permanentmagneten 14, wobei der Abstand zwischen den zueinander gerichteten Oberflächen der Magnete größer eingestellt ist als die Dicke der Scheibe 17 mit den leitfähigen Belägen 18. Die Bremssättel 20 sind auf einer Führung 21 auf beiden Seiten von der Scheibe 17 angebracht, mit der Möglichkeit sich einander anzunähern und voneinander zu entfernen, so dass die Randbereiche der Scheibe 17 mit den leitfähigen Belägen 18 zwischen den Magneten 14 angeordnet werden können, mit einer durch Verschieben der Bremssättel 20 entlang der Führung 21 einstellbaren Fläche für die Anordnung der leitfähigen Beläge 18 zwischen den Magneten 14. Um die Zeichnung nicht zu unübersichtlich werden zu lassen, sind in 4 die einzelnen Elemente von 5 nicht dargestellt.
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Das Abbremsen einer der Bremsscheiben 15 erfolgt durch Annäherung der beweglichen Bremssättel 20 mit den Permanentmagneten 14 entlang der Führung 21 mittels eines linearen elektrischen Betätigungsmechanismus 16, was wiederum das Entstehen von Wirbelströmen in den leitfähigen Belägen 18 hervorruft und infolgedessen zu deren Abbremsung und Umverteilung der Drehgeschwindigkeiten der Abtriebswellen 13 führt. Solch ein Geschwindigkeitsregelungssystem ist zuverlässig, hat ein geringes Gewicht und erfordert während der gesamten Lebensdauer keine Wartung.
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Zur Steuerung aller Flugparameter ist auf dem Tragrahmen 1 eine Flugmodus-Steuereinheit 19 angebracht, bedingt dargestellt in den 1, 8, und auf allen Abtriebswellen aller zentralen und Leistungsverteilungsendmechanismen 7, 7a sind Wellendrehzahlsensoren angebracht, und auf dem Tragahmen 1 Sensoren für seine räumliche Position (bedingt nicht dargestellt).
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Die Flugmodus-Steuereinheit 19 ist ein Computer mit Software, der zur Steuerung der Geschwindigkeit der Motoren 4, des Haupt- und des Reservemotors, des Kommutators für die Motoren 4 für den Betrieb in verschiedenen Modi (Steuerung der Kupplungen 6), einer Reihe von Kreiselinstrumenten und Beschleunigungsmessern, zum Regeln der Drehgeschwindigkeit jedes Rotors eines Propellers 10 sowie zum Verschwenken und Fixieren der Position jedes Schwenkarms 3 vorgesehen ist. Zu diesem Zweck umfasst die Steuereinheit 19 Eingänge für die Sensoren für die Rotordrehzahl der Propeller 10 und für die räumliche Position jedes Schwenkarms 3, und Ausgänge für die Steuerung der elektromechanisch betätigten Magnetscheibenbremsen an allen zentralen und Leistungsverteilungsendmechanismen 7, 7a und der Mechanismen zur Notrückkehr und Fixierung der Betriebsposition 11 der Schwenkarme 3.
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Der Multikopter verfügt auch über Vorrichtungen zur Fernsteuerung seines Betriebs (nicht gezeigt).
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Für den vertikalen Start und Landung sowie auch für horizontale Manöver mit geringer Geschwindigkeit müssen sich alle Schwenkarme 3 in einer Ebene parallel zur Ebene der Anordnung der Tragarme 2 befinden und durch die Mechanismen zur Notrückkehr und Fixierung der Betriebsposition 11 in dieser Position fixiert sein (6, 11). Das Prinzip der Steuerung der Flugparameter in dieser Position der Schwenkarme 3 unterscheidet sich in Nichts von der Steuerung eines herkömmlichen Multikopters.
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Für Horizontalflüge mit erhöhter Fluggeschwindigkeit gemäß der zweiten Ausführungsform muss ein beliebiges Paar von Schwenkarmen 3, die sich auf koaxialen Tragarmen 2 befinden, nach dem Start um den erforderlichen Winkel verschwenkt werden, um einen horizontalen Schubvektor zu erzeugen. Das Verschwenken erfolgt durch die Erzeugung unterschiedlicher Schubkräfte der Propeller 10 durch Änderung ihrer Drehgeschwindigkeiten und die Fixierung des Schwenkarms 3 in der erforderlichen Position durch den Mechanismus 11 (6, 7, 8, 10). Vor der Landung müssen die Schwenkarme 3 in eine Ebene zurückgeführt werden - parallel zur Ebene der Tragarme 2. Während des Verschwenkens der beiden Schwenkarme 3, die sich auf den koaxialen Tragarmen 2 befinden, stabilisieren zwei andere Schwenkarme 3 die Position des Multikopters beim Übergang vom Vertikalflug in den Horizontalflug und umgekehrt, was den Übergangprozess zwischen den Flugmodi weniger gefährlich macht.
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Die 11 und 12 zeigen Ausführungsformen eines Multikopters mit aerodynamischen Oberflächen in verschiedenen Flugmodi. Die Propeller des Multikopters sind in Diffusoren 22, 23 angebracht, um den Schub zu erhöhen und die Aerodynamik beim Start und Horizontalflug zu verbessern. An einem quer zur Bewegungsrichtung des Multikopters angeordneten Paar von Tragarmen sind Schwenkflügel 24 hinzugefügt, um beim Horizontalflug zusätzliche Auftriebskraft zu erzeugen. Hinzugefügt wurde ein Kabinen-Container 25 zur Unterbringung von Passagieren oder Fracht sowie Landebügel 26.
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Der beanspruchte Multikopter weist geringere Selbstkosten im Vergleich zum nächstliegenden Stand der Technik auf, wobei er zuverlässiger ist. Diese Aussage stützt sich darauf, dass in seiner Konstruktion Propeller 10 mit fester Steigung, eine zweimotorige heißredundante Antriebseinheit verwendet werden, sowie auch auf die Tatsache, dass zum Regeln der Drehgeschwindigkeit jedes Propellers eine einzige zentrale Antriebseinheit mit freien Differentialgetrieben und einem elektrisch betätigten Magnetbremssystem verwendet wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 9561849 [0002]
- KR 102250866 B1 [0004]
