WO2016188833A1 - Antriebseinheit für ein luftfahrzeug, luftfahrzeug mit einer antriebseinheit und verwendung eines doppelspulenaktormotors - Google Patents

Antriebseinheit für ein luftfahrzeug, luftfahrzeug mit einer antriebseinheit und verwendung eines doppelspulenaktormotors Download PDF

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WO2016188833A1
WO2016188833A1 PCT/EP2016/061205 EP2016061205W WO2016188833A1 WO 2016188833 A1 WO2016188833 A1 WO 2016188833A1 EP 2016061205 W EP2016061205 W EP 2016061205W WO 2016188833 A1 WO2016188833 A1 WO 2016188833A1
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WO
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drive unit
propeller
aircraft
coil actuator
actuator motor
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Application number
PCT/EP2016/061205
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Ralf Fischer
Markus Reinhard
Johannes Wollenberg
Frank Anton
Swen GEDIGA
Marco Schramm
Dieter Wegener
Thomas Wolf
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENTS OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D27/00—Arrangement or mounting of power plant in aircraft; Aircraft characterised thereby
    • B64D27/02—Aircraft characterised by the type or position of power plant
    • B64D27/24—Aircraft characterised by the type or position of power plant using steam, electricity, or spring force
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C11/00—Propellers, e.g. of ducted type; Features common to propellers and rotors for rotorcraft
    • B64C11/001—Shrouded propellers
    • B64D27/026—
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates in the first place to a drive unit for an aircraft, namely a drive unit which is intended to effect propulsion of the aircraft. Furthermore, the invention also relates to an aircraft with such a drive unit. Finally, the invention also relates to a specific use of a
  • Double coil actuator motor Double coil actuator motor.
  • An object of the present invention is therefore to provide an improved propulsion unit for an aircraft.
  • the drive unit comprises at least one Electric motor and driven by the electric motor propeller.
  • the special feature is that the electric motor is an electric motor in the form of a double coil actuator motor.
  • a Doppelspulenaktormotor to drive the propeller on the one hand in the favorable efficiency of a working according to the Doppelspulenaktor motor concept electric motor (Doppelspulenaktormotor).
  • a double coil actuator motor is characterized by a significantly lower mass compared to other fundamentally also eligible electric motors.
  • the propeller is surrounded by a jacket ring.
  • the double coil actuator motor comprises by means of a support structure arranged on a circular path, radially or tangentially magnetized permanent magnets and also arranged on a circular path and the permanent magnets encompassing double coils.
  • the rotatable within the shroud propeller is connected to the support structure and the permanent magnets and the double coils are positioned inside the shroud.
  • a propeller with a shell ring surrounding the propeller is used as an impeller or ducted propeller designated.
  • Such a jacket propeller is distinguished from a propeller without a surrounding shroud by a plurality of already known advantages, which also apply to the embodiment of the drive unit proposed here.
  • the particular advantage of the embodiment is that the shroud ring as the mounting location of the
  • Double coil actuator motor namely the permanent magnets and the double coils
  • the double coil actuator motor is used as the sole drive of the propeller
  • the propeller rotates in operation without a central shaft in the shroud by the permanent magnets are moved on their support structure by the double coils and thus results in a rotational movement of the propeller connected to the support structure.
  • the propeller comprises a plurality of regularly spaced and radially oriented propeller blades in a basically known manner.
  • Double coil actuator motor is made by the propeller is connected by means of the ends of its propeller blades with the support structure. This is a comparatively simple and efficient way of connecting the propeller to the double coil actuator motor. It is already known for ducted propellers that the gap between the ends of the propeller blades (rotor tips) and the shroud ring must be very small, so that there is no pressure equalization around the ends of the propeller blades. In the case of a propeller rotating freely in the jacket ring, this requires a corresponding manufacturing accuracy. In a propeller connected to the supporting structure rotating in the shroud, undesired contact of the ends of the propeller blades with the inner surface of the shroud is already precluded by design.
  • the drive unit described here and below as well as the double coil actuator motor are especially also suitable as an additional drive of a propeller, for example driven by means of an internal combustion engine or another energy converter.
  • a particular embodiment of the drive unit accordingly comprises at least one combustion engine or the like which is effective additionally or alternatively to the double coil actuator motor for driving the propeller.
  • the drive unit is thus a hybrid drive unit, since alternatively one of the two drives can be used or both drives can be used together.
  • a particular embodiment of a drive unit with a double coil actuator motor for driving the propeller is characterized in that an internal combustion engine assigned to the drive unit or another energy converter drives a generator for supplying energy to the double coil actuator motor.
  • the energy supply of the double coil actuator motor with electrical energy can be carried out completely by means of the generator or partly by means of the generator and partly by means of electrical energy storage elements entrained by the aircraft.
  • the use of an internal combustion engine as a generator for feeding the double coil actuator motor with electrical energy has the advantage that the internal combustion engine in different flight situations (start, cruising altitude) can each be operated with optimum efficiency.
  • the innovation proposed here is therefore also the use of a double coil actuator motor for the sole drive of a drive unit of an aircraft or for driving such a drive unit in combination with an internal combustion engine or other energy converter.
  • the advantage of the invention and its embodiments results from the advantages of the double coil actuator motor.
  • the double coil actuator motor for example, has no iron losses. Losses arise only from copper losses, so that no losses occur at an operation of the drive unit exclusively by means of internal combustion engine and directly by the internal combustion engine, so if the double coil actuator motor is de-energized.
  • the high flux linkage of the double coil actuator motor for example, has no iron losses. Losses arise only from copper losses, so that no losses occur at an operation of the drive unit exclusively by means of internal combustion engine and directly by the internal combustion engine, so if the double coil actuator motor is de-energized.
  • Double coil actuator motor leads to an optimal utilization of the stator current.
  • the double coil actuator motor is an ironless motor and is characterized by a comparatively low total mass. A thus possible in comparison to a use of an electric motor of other construction mass reduction allows a significant saving of fuel and thus leads to corresponding cost advantages for the operator of the respective aircraft.
  • the double coil actuator motor can be excellently cooled by the air flow resulting during operation.
  • FIG. 1 shows an aircraft 10 in the form of a wing aircraft with a so-called shroud propeller or impeller 12.
  • a so-called light or small aircraft is shown.
  • the approach proposed here is applicable to airplanes / propellers of all types and also to other aircraft 10 using an impeller 12, for example helicopters with a tail rotor in the form of an impeller 12, wing aircraft with a tiltrotor in the form of an impeller 12, unmanned aerial vehicles 10 with at least one designed in the form of an impeller 12 rotor, for example, so-called quadrocopter, and so forth.
  • the approach even applies to other general purpose vehicles using an impeller 12, such as hovercraft and other propeller driven craft.
  • the approach proposed here is further is not limited to particular embodiments of the respective aircraft 10 or vehicle and insofar relates, for example, aircraft 10 for the transport of persons and goods as well as aircraft 10 from the field of model making.
  • the ducted propeller 12 is located on the so-called nose of the aircraft 10.
  • a ducted propeller 12 at the rear of the aircraft 10 and / or at least one ducted propeller 12 may be attached to the wings.
  • FIG. 2 shows a schematically simplified representation of a ducted propeller 12.
  • a propeller (rotor) 14 is surrounded by a profiled casing ring 16 (impeller ring). Due to the geometry of the shroud 16 of the accelerated air jet is not constricted by this. At the so-called entrance lips of the shroud 16 arise zones of reduced pressure, which contribute in addition to the thrust generated by the propeller 14.
  • a jacket propeller 12 thus causes a defined channeling of an air flow generated by the propeller 14.
  • another advantage of the shroud propeller 12 results from the increase in thrust generated by a reduction in air vortices at the tips of the propeller blades.
  • FIG. 3 shows, in a schematically simplified form, a schematic representation of a drive unit 20 proposed here for the vehicles mentioned at the outset, in particular aircraft 10, in particular airplanes.
  • the propeller 14 is driven by means of an electric motor 22 based on the dual coil actuator motor concept (dual coil actuator motor 22).
  • the outer ring 16 surrounding the propeller 14 has been omitted.
  • the propeller 14 is of a plurality of arranged on a circular path Permanentmagne- th 24 and double coils 26, which include the permanent magnets 24, surrounded.
  • the radially or tangentially magnetized permanent magnets 24 may be passed through the dual coils 26.
  • Corresponding to the opposite winding sense of the two sides of each double coil 26 and the permanent magnets 24 are oppositely magnetized and the north and south poles of a permanent magnet 24 are each a Nord vol. South pole facing a direction of movement adjacent permanent magnet 24.
  • the annularly arranged double coils 26 are non-rotatably mounted on the shroud 16 (not shown in FIG. 3) (see FIG. 2).
  • the permanent magnets 24 are attached to a circular support structure 28. This is rotatable relative to the annularly arranged double coils 26.
  • the permanent magnets 24 with their support structure 28 and the double coils 26 together form the electric motor / double coil actuator motor 22.
  • the propeller 14 is connected in a rotationally fixed manner by means of the tips of its propeller blades to the support structure 28. Rotation due to a traveling magnetic field generated by current flow through the dual coils 26, resultant movement of the permanent magnets 24, and rotation of the support structure 28 again causes the propeller 14 to rotate.
  • the shroud 16 (FIG 2) carries the stator of the double coil actuator motor 22, namely the annularly arranged double coils 26th
  • the rotor of the double coil actuator motor 22, namely the annularly arranged permanent magnets 24 and the support structure 28, is also spatially associated with the shroud 16.
  • the propeller 14 carries the rotor or the rotor the propeller 14.
  • the stator and rotor of the electric motor 22 according to the double coil actuator motor concept are accordingly integrated in the shroud 16.
  • the previously unused inner volume of the profiled in cross section in the manner of an airfoil shroud 16 is available.
  • the double coils 26 of the electric motor 22 are very efficiently cooled by the air flow resulting during operation, namely one due to the rotation of the motor, which is otherwise necessary when using a conventional electric motor Propeller 14 resulting air flow and / or due to the incoming air in the shroud 16 16 resulting air flow and / or air flow through air ducts in the shroud 16.
  • the illustration in FIG 4 finally shows in schematically greatly simplified form a configuration of the drive unit 20 of FIG and FIG. 3 which is supplied with electrical energy by means of a generator 32 driven by an energy converter 30, for example an internal combustion engine or the like. In such a configuration, it is not mandatory for the aircraft 10 to have electrical energy storage elements 34 for powering the aircraft
  • Double coil actuator motor 22 carries with it electrical energy.
  • the aircraft 10 is refueled with fuel in a conventional manner and the energy converter 30 converts its energy into kinetic energy.
  • This is supplied by means of a wave coupling 36 or the like to the generator, which converts the kinetic energy into electrical energy in a manner known per se.
  • This can be supplied to the double coil actuator motor 22 in the usual manner by means of a cable connection 38.
  • the use of electrical energy storage elements 34 for additional feeding of the double coil actuator motor 22 is nevertheless possible. borrowed.
  • the generator 32 driving energy converter 30 is operated permanently with its optimum efficiency, entrained energy storage elements 34 are a way to cover in special flight situations, especially at start, resulting additional energy needs.
  • the supply of the drive unit 20 with electrical energy by means of a fuel cell or the like can be usefully supplemented by an additional supply of entrained energy storage elements 34 as required.
  • An automatic activation of such demand-fed additional power from entrained energy storage elements 34 takes place, for example, by means of a control unit of the aircraft.
  • the control unit realizes an energy management of the aircraft and activates and / or combines different energy sources according to a respective energy requirement.
  • the aircraft 10 may, of course, in addition to the energy converter / generator combination 30, 32 carry electrical energy storage elements 34 with it, so that at least temporarily a powered only from the energy storage elements 34 drive the Doppelspulenaktormotors 22 is possible. A very quiet and low-vibration flight is the result.
  • the energy converter / generator combination 30, 32 is in operation and the aircraft 10 carries energy storage elements 34, a portion of the electrical energy generated by the energy converter / generator combination 30, 32 can also be used to charge the energy storage elements 34. In this way, for example, with the start of the already loaded energy storage elements 34 is a very quiet start of the aircraft 10 and recharged with the flight energy storage elements 34, an equally quiet landing of the aircraft 10 by each of the
  • Dual coil actuator motor 22 only or at least substantially is powered from the energy storage elements 34 and an internal combustion engine or other energy converter 30 is switched off during these phases.
  • a drive unit 20 for an aircraft 10 which comprises at least one electric motor and a propeller 14 driven by the electric motor, wherein an electric motor 22 in FIG Form of a Doppelspulenaktormotors 22 acts, and an aircraft 10 with such a drive unit 20 and finally the use of a double coil actuator motor 22 in such a drive unit 20th

Abstract

Die Erfindung ist eine Antriebseinheit (20) für ein Luftfahrzeug (10), welche zumindest einen Elektromotor und einen mittels des Elektromotors angetriebenen Propeller (14) umfasst, wobei als Elektromotor ein Elektromotor (22) in Form eines Doppelspulenaktormotors (22) fungiert, sowie ein Luftfahrzeug (10) mit einer solchen Antriebseinheit (20) und schließlich die Verwendung eines Doppelspulenaktormotors (22) in einer solchen Antriebseinheit (20).

Description

Beschreibung
Antriebseinheit für ein Luftfahrzeug, Luftfahrzeug mit einer Antriebseinheit und Verwendung eines Doppelspulenaktormotors
Die Erfindung betrifft zuvorderst eine Antriebseinheit für ein Luftfahrzeug, nämlich eine Antriebseinheit, die dafür bestimmt ist, einen Vortrieb des Luftfahrzeugs zu bewirken. Im Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Luftfahrzeug mit einer solchen Antriebseinheit. Schließlich betrifft die Erfindung auch eine spezielle Verwendung eines
Doppelspulenaktormotors .
Vor allem Propellerflugzeuge in Form sogenannter Klein- oder Leichtflugzeuge werden derzeit mittels eines Verbrennungsmotors, üblicherweise eines Verbrennungsmotors in Form einer Kolbenmaschine, angetrieben. In der Startphase benötigt das Propellerflugzeug die volle Leistung des Verbrennungsmotors. Während des Flugs auf konstanter Höhe muss der Verbrennungsmotor um bis zu 60% in der Leistung reduziert werden. Dies führt zu einem langen Betrieb in einem unrentablen Teillastbereich. Vor diesem Hintergrund gibt es bereits erste Versuche, den Verbrennungsmotor mit einem Elektromotor zu koppeln, mit dem Ziel, den Wirkungsgrad des Gesamtsystems zu optimieren .
Ungünstig ist aber bisher, dass herkömmliche Elektromotoren vergleichsweise schwer sind und sich nur aufwändig in die Struktur des Flugzeugs integrieren lassen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, eine verbesserte Antriebseinheit für ein Luftfahrzeug anzugeben .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels einer Antriebseinheit für ein Luftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist bei einer solchen Antriebseinheit Folgendes vorgesehen: Die Antriebseinheit umfasst zumindest einen Elektromotor und einen mittels des Elektromotors angetriebenen Propeller. Die Besonderheit besteht darin, dass es sich bei dem Elektromotor um einen Elektromotor in Form eines Doppelspulenaktormotors handelt.
Der Vorteil der Verwendung eines Doppelspulenaktormotors zum Antrieb des Propellers besteht einerseits in dem günstigen Wirkungsgrad eines nach dem Doppelspulenaktor-Motorkonzept arbeitenden Elektromotors (Doppelspulenaktormotor) . Darüber hinaus zeichnet sich ein Doppelspulenaktormotor im Vergleich zu anderen grundsätzlich ebenfalls in Betracht kommenden Elektromotoren durch eine deutlich geringere Masse aus.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin. Sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombina- tionen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Des
Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen nicht vor- handen ist.
Bei einer Ausführungsform der Antriebseinheit ist der Propeller von einem Mantelring umgeben. Damit kommt der Mantelring als Ort für die Anbringung des Doppelspulenaktormotors in Be- tracht. Der Doppelspulenaktormotor umfasst mittels einer Tragstruktur auf einer Kreisbahn angeordnete, radial oder tangential magnetisierte Permanentmagnete sowie ebenfalls auf einer Kreisbahn angeordnete und die Permanentmagnete umgreifende Doppelspulen. Der innerhalb des Mantelrings drehbare Propeller ist mit der Tragstruktur verbunden und die Permanentmagnete sowie die Doppelspulen sind im Innern des Mantelrings positioniert. Ein Propeller mit einem den Propeller umgebenden Mantelring wird als Impeller oder Mantelpropeller bezeichnet. Ein solcher Mantelpropeller zeichnet sich gegenüber einem Propeller ohne einen umgebenden Mantelring durch eine Mehrzahl bereits bekannter Vorteile aus, die auch für die hier vorgeschlagene Ausführungsform der Antriebseinheit gelten. Der besondere Vorteil der Ausführungsform besteht darin, dass der Mantelring als Anbringungsort des
Doppelspulenaktormotors , nämlich der Permanentmagnete und der Doppelspulen, genutzt wird. Wenn der Doppelspulenaktormotor als alleiniger Antrieb des Propellers verwendet wird, dreht sich der Propeller im Betrieb ohne eine zentrale Welle in dem Mantelring, indem die Permanentmagnete auf ihrer Tragstruktur durch die Doppelspulen bewegt werden und damit eine Drehbewegung des mit der Tragstruktur verbundenen Propellers resultiert .
Bei einer besonderen Ausführungsform einer solchen Antriebseinheit umfasst der Propeller in grundsätzlich an sich bekannter Art eine Mehrzahl von regelmäßig beabstandeten und radial ausgerichteten Propellerflügeln. Die Verbindung des Propellers mit der ringförmigen Tragstruktur des
Doppelspulenaktormotors ist hergestellt, indem der Propeller mittels der Enden seiner Propellerflügel mit der Tragstruktur verbunden ist. Dies ist eine vergleichsweise einfache und effiziente Möglichkeit zur Verbindung des Propellers mit dem Doppelspulenaktormotor. Für Mantelpropeller ist bereits bekannt, dass der Spalt zwischen den Enden der Propellerflügel (Rotorspitzen) und dem Mantelring sehr klein sein muss, damit es nicht zu einem Druckausgleich um die Enden der Propellerflügel herum kommt. Bei einem frei im Mantelring rotierenden Propeller erfordert dies eine entsprechende Fertigungsgenauigkeit. Bei einem mit der im Mantelring rotierenden Tragstruktur verbundenen Propeller ist ein unerwünschter Kontakt der Enden der Propellerflügel mit der Innenoberfläche des Mantelrings bereits konstruktionsbedingt ausgeschlossen. Da- rüber hinaus kann so der Abstand zur Innenoberfläche des Mantelrings minimiert werden, so dass auch ein unerwünschter Druckausgleich um die Enden der Propellerflügel herum weitestgehend ausgeschlossen ist. Die hier und im Folgenden beschriebene Antriebseinheit sowie der Doppelspulenaktormotor kommen speziell auch als Zusatzantrieb eines zum Beispiel auch mittels eines Verbrennungsmotors oder eines sonstigen Energiewandlers angetriebenen Propellers in Betracht. Eine besondere Ausführungsform der Antriebseinheit umfasst demnach zumindest einen zusätzlich oder alternativ zu dem Doppelspulenaktormotor zum Antrieb des Propellers wirksamen Verbrennungsmotor oder dergleichen. Die Antriebseinheit ist damit eine hybride Antriebseinheit, da alternativ einer der beiden Antriebe verwendbar ist oder beide Antriebe zusammen verwendbar sind.
Eine besondere Ausführungsform einer Antriebseinheit mit einem Doppelspulenaktormotor zum Antrieb des Propellers zeichnet sich dadurch aus, dass ein der Antriebseinheit zugeordneter Verbrennungsmotor oder ein sonstiger Energiewandler einen Generator zur Energieversorgung des Doppelspulenaktormotors antreibt. Die Energieversorgung des Doppelspulenaktormotors mit elektrischer Energie kann dabei vollständig mittels des Generators erfolgen oder teilweise mittels des Generators und teilweise mittels vom Flugzeug mitgeführter elektrischer Energiespeicherelemente. Die Verwendung eines Verbrennungsmotors als Generator zur Speisung des Doppelspulenaktormotors mit elektrischer Energie hat den Vorteil, dass der Verbrennungsmotor in unterschiedlichen Flugsituationen (Start, Reiseflughöhe) jeweils mit einem optimalen Wirkungsgrad betrieben werden kann. Bei einem nur mittels eines Verbrennungsmotors angetriebenen Propeller ergibt sich die eingangs geschilderte Situation, dass der Verbrennungsmotor während des Flugs lange in einem unrentablen Teillastbereich betrieben wird. Bei Verwendung eines jeweils mit seinem optimalen Wirkungsgrad betriebenen Verbrennungsmotors als Generator zur Speisung des Doppelspulenaktormotors wird ein zum Beispiel beim Start resultierender zusätzlicher Energiebedarf zum Beispiel mittels vom Flugzeug mitgeführter elektrischer Energiespeicherelemente gedeckt. Eine automatische Aktivierung solcher Energiespeicherelemente zur zusätzlichen Speisung des Doppelspulenaktormotors ist das Ergebnis eines mittels einer Steuerungseinheit realisierten Energiemanagements des Luftfahrzeugs .
Insgesamt ist die hier vorgeschlagene Neuerung damit auch die Verwendung eines Doppelspulenaktormotors zum alleinigen Antrieb einer Antriebseinheit eines Luftfahrzeugs oder zum Antrieb einer solchen Antriebseinheit in Kombination mit einem Verbrennungsmotor oder einem sonstigen Energiewandler.
Der Vorteil der Erfindung und ihrer Ausgestaltungen resultiert aus den Vorteilen des Doppelspulenaktormotors. Der Doppelspulenaktormotor hat zum Beispiel keine Eisenverluste. Verluste ergeben sich nur aus Kupferverlusten, so dass bei einem Betrieb der Antriebseinheit ausschließlich mittels Verbrennungsmotor und direkt durch den Verbrennungsmotor, wenn also der Doppelspulenaktormotor unbestromt ist, überhaupt keine Verluste anfallen. Die hohe Flussverkettung des
Doppelspulenaktormotors führt zu einer optimalen Ausnutzung des Ständerstroms. Der Doppelspulenaktormotor ist ein eisenloser Motor und zeichnet sich damit durch eine vergleichsweise geringe Gesamtmasse aus. Eine damit im Vergleich zu einer Verwendung eines Elektromotors anderer Bauart mögliche Massenreduktion ermöglicht eine deutliche Einsparung von Treibstoff und führt damit zu entsprechenden Kostenvorteilen beim Betreiber des jeweiligen Flugzeugs. Schließlich lässt sich der Doppelspulenaktormotor durch den sich im Betrieb ergebenden Luftstrom hervorragend kühlen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Das Ausführungsbeispiel ist nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung durchaus auch Ergänzungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche, die zum Beispiel durch Kombina- tion oder Abwandlung von einzelnen m Verbindung mit den im allgemeinen oder speziellen Beschreibungsteil beschriebenen sowie in den Ansprüchen und/oder der Zeichnung enthaltenen Merkmalen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neu en Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen. zeigen
1 ein Propellerflugzeug mit einem Mantelpropell
(Impeller) ,
FIG 2 einen Schnitt durch einen Mantelpropeller,
FIG 3 eine Prinzipdarstellung einer hier vorgeschlagenen
Antriebseinheit und
FIG 4 eine Prinzipdarstellung der Antriebseinheit gemäß
FIG 2 und FIG 3 mit einem durch einen Verbrennungsmotor angetriebenen Generator zur Energieversorgung.
Die Darstellung in FIG 1 zeigt ein Luftfahrzeug 10 in Form eines Tragflächenflugzeugs mit einem sogenannten Mantelpro- peller oder Impeller 12. Als Beispiel für ein Tragflächenflugzeug ist ein sogenanntes Leicht- oder Kleinflugzeug gezeigt. Der hier vorgeschlagene Ansatz gilt jedoch für Tragflächenflugzeuge / Propellerflugzeuge jeglicher Art und auch für andere Luftfahrzeuge 10, die einen Impeller 12 verwenden, zum Beispiel Hubschrauber mit einem Heckrotor in Form eines Impellers 12, Tragflächenflugzeuge mit einem in Form eines Impellers 12 ausgeführten Kipprotor, unbemannte Luftfahrzeuge 10 mit zumindest einem in Form eines Impellers 12 ausgeführten Rotor, zum Beispiel sogenannte Quadrocopter, und so wei- ter. Der Ansatz gilt sogar für weitere Fahrzeuge allgemeiner Art, die einen Impeller 12 verwenden, nämlich zum Beispiel Luftkissenfahrzeuge und andere propellergetriebene Wasserfahrzeuge. Der hier vorgeschlagene Ansatz ist des Weiteren nicht auf bestimmte Ausführungsformen des jeweiligen Luftfahrzeugs 10 oder Fahrzeugs beschränkt und betrifft insoweit zum Beispiel Luftfahrzeuge 10 für den Transport von Personen und Gütern genauso wie Luftfahrzeuge 10 aus dem Bereich des Modellbaus.
Bei der in FIG 1 gezeigten Ausführungsform befindet sich der Mantelpropeller 12 an der sogenannten Schnauze des Luftfahrzeugs 10. Alternativ oder zusätzlich kann ein Mantelpropeller 12 am Heck des Luftfahrzeugs 10 und/oder jeweils zumindest ein Mantelpropeller 12 an den Tragflächen angebracht sein.
FIG 2 zeigt eine schematisch vereinfachte Darstellung eines Mantelpropellers 12. Danach ist ein Propeller (Rotor) 14 von einem profilierten Mantelring 16 (Impellerring) umgeben. Aufgrund der Geometrie des Mantelrings 16 wird der Strahl der beschleunigten Luft durch diesen nicht eingeschnürt. An den sogenannten Eintrittslippen des Mantelrings 16 entstehen Zonen mit verringertem Druck, die zusätzlich zu dem mittels des Propellers 14 erzeugten Schub beitragen.
Ein Mantelpropeller 12 bewirkt demnach eine definierte Kanalisierung eines durch den Propeller 14 erzeugten Luftstroms. Im Vergleich zu einem nicht von einem Mantelring 16 umgebenen Propeller ergibt sich ein weiterer Vorteil des Mantelpropellers 12 aus der Erhöhung des erzeugten Schubs durch eine Reduktion von Luftwirbeln an den Spitzen der Propellerflügel.
Die Darstellung in FIG 3 zeigt in schematisch vereinfachter Form eine Prinzipdarstellung einer hier vorgeschlagenen Antriebseinheit 20 für die eingangs genannten Fahrzeuge, insbesondere Luftfahrzeuge 10, insbesondere Tragflächenflugzeuge. Dabei wird der Propeller 14 mittels eines Elektromotors 22 angetrieben, der auf dem Doppelspulenaktor-Motorkonzept ba- siert (Doppelspulenaktormotor 22) . Zur Veranschaulichung ist in der Darstellung in FIG 3 der den Propeller 14 umgebende Mantelring 16 weggelassen. Der Propeller 14 ist von einer Mehrzahl von auf einer Kreisbahn angeordneten Permanentmagne- ten 24 sowie von Doppelspulen 26, welche die Permanentmagnete 24 umfassen, umgeben. Das Doppelspulenaktor-Motor-ikonzept ist zum Beispiel in der EP 1 858 142 AI beschrieben, auf die für weitere Details verwiesen wird und die, soweit das Motorkon- zept und ein nach diesem Konzept realisierter Elektromotor 22 betroffen sind, hiermit vollumfänglich in die hier vorgelegte Beschreibung einbezogen wird.
Wie dies bei dem Doppelspulenaktor-Motorkonzept vorgesehen ist, können die radial oder tangential magnetisierten Permanentmagnete 24 durch die Doppelspulen 26 hindurchgeführt werden. Korrespondierend mit dem entgegengesetzten Wicklungssinn der beiden Seiten jeder Doppelspule 26 sind auch die Permanentmagnete 24 entgegengesetzt magnetisiert und die Nord- und Südpole eines Permanentmagneten 24 sind jeweils einem Nordbzw. Südpol eines in Bewegungsrichtung benachbarten Permanentmagneten 24 zugewandt.
Bei der hier vorgeschlagenen Antriebseinheit 20 sind die ringförmig angeordneten Doppelspulen 26 drehfest am in FIG 3 nicht gezeigten Mantelring 16 (siehe FIG 2) angebracht. Die Permanentmagnete 24 sind an einer kreisförmigen Tragstruktur 28 angebracht. Diese ist relativ zu den ringförmig angeordneten Doppelspulen 26 drehbar. Die Permanentmagnete 24 mit ih- rer Tragstruktur 28 und die Doppelspulen 26 bilden zusammen den Elektromotor / Doppelspulenaktormotor 22. Der Propeller 14 ist mittels der Spitzen seiner Propellerblätter mit der Tragstruktur 28 drehfest verbunden. Eine Drehung aufgrund eines mittels eines Stromflusses durch die Doppelspulen 26 er- zeugten wandernden Magnetfelds, einer resultierenden Bewegung der Permanentmagnete 24 und eine wiederum dadurch hervorgerufene Drehung der Tragstruktur 28 führen zu einer Drehung des Propellers 14. Die Integration der Antriebseinheit 20 in die Konstruktion des Luftfahrzeugs 10 ist besonders günstig, weil der Mantelring 16 (FIG 2) den Stator des Doppelspulenaktormotors 22 trägt, nämlich die ringförmig angeordneten Doppelspulen 26. Der Rotor des Doppelspulenaktormotors 22, nämlich die ringförmig angeordneten Permanentmagnete 24 und die Tragstruktur 28, ist ebenfalls räumlich dem Mantelring 16 zugeordnet. Je nach Betrachtungsweise trägt der Propeller 14 den Rotor oder der Rotor den Propeller 14. Stator und Rotor des Elektromotors 22 nach dem Doppelspulenaktor-Motor-ikonzept sind demnach in den Mantelring 16 integriert. Dafür steht das bisher nicht genutzte Innenvolumen des im Querschnitt nach Art einer Tragfläche profilierten Mantelrings 16 zur Verfügung. Damit ent- fällt die ansonsten, nämlich bei Verwendung eines herkömmlichen Elektromotors, notwendige aufwändige Integration des Elektromotors 22 innerhalb der Antriebseinheit 20. Außerdem werden die Doppelspulen 26 des Elektromotors 22 sehr effizient durch den sich beim Betrieb ergebenden Luftstrom gekühlt, nämlich einen aufgrund der Rotation des Propellers 14 resultierenden Luftstrom und/oder einen aufgrund der in den Mantelring 16 einströmenden Luft 16 resultierenden Luftstrom und/oder einen Luftstrom durch Luftkanäle im Mantelring 16. Die Darstellung in FIG 4 zeigt abschließend in schematisch stark vereinfachter Form eine Konfiguration der Antriebseinheit 20 gemäß FIG 2 und FIG 3, welche mittels eines von einem Energiewandler 30, zum Beispiel einem Verbrennungsmotor oder dergleichen, angetriebenen Generators 32 mit elektrischer Energie versorgt wird. Bei einer solchen Konfiguration ist es nicht zwingend erforderlich, dass das Luftfahrzeug 10 elektrische Energiespeicherelemente 34 zur Versorgung des
Doppelspulenaktormotors 22 mit elektrischer Energie mit sich führt. Das Luftfahrzeug 10 wird in herkömmlicher Art und Wei- se mit einem Treibstoff betankt und der Energiewandler 30 wandelt dessen Energie in Bewegungsenergie um. Diese wird mittels einer Wellenkopplung 36 oder dergleichen dem Generator zugeführt, der die Bewegungsenergie in an sich bekannter Art und Weise in elektrische Energie umwandelt. Diese kann dem Doppelspulenaktormotor 22 in üblicher Art und Weise mittels einer Kabelverbindung 38 zugeführt werden. Die Verwendung elektrischer Energiespeicherelemente 34 zur zusätzlichen Speisung des Doppelspulenaktormotors 22 ist gleichwohl mög- lieh. Wenn der den Generator 32 antreibende Energiewandler 30 dauerhaft mit seinem optimalen Wirkungsgrad betrieben wird, sind mitgeführte Energiespeicherelemente 34 eine Möglichkeit, einen bei speziellen Flugsituationen, insbesondere beim Start, resultierenden zusätzlichen Energiebedarf zu decken. Alternativ oder zusätzlich kann anstelle einer Energiewandler- / Generatorkombination 30, 32 und/oder einer Energiewandler- / Generatorkombination 30, 32 mit bedarfsweise zusätzlicher Speisung aus mitgeführten Energiespeicherelementen 34 die Versorgung der Antriebseinheit 20 mit elektrischer Energie auch mittels einer Brennstoffzelle oder dergleichen erfolgen. Die Speisung mittels einer Brennstoffzelle kann sinnvoll durch eine bedarfsweise zusätzliche Speisung aus mitgeführten Energiespeicherelementen 34 ergänzt werden. Eine automatische Aktivierung einer solchen bedarfsweisen zusätzlichen Speisung aus mitgeführten Energiespeicherelementen 34 erfolgt zum Beispiel mittels einer Steuerungseinheit des Luftfahrzeugs. Die Steuerungseinheit realisiert ein Energiemanagement des Luftfahrzeugs und aktiviert und/oder kombiniert verschiedene Energiequellen entsprechend einem jeweiligen Energiebedarf.
Das Luftfahrzeug 10 kann selbstverständlich zusätzlich zu der Energiewandler- / Generatorkombination 30, 32 elektrische Energiespeicherelemente 34 mit sich führen, so dass zumindest zeitweise ein nur aus den Energiespeicherelementen 34 gespeister Antrieb des Doppelspulenaktormotors 22 möglich ist. Ein sehr leiser und vibrationsarmer Flug ist das Ergebnis. Wenn die Energiewandler- / Generatorkombination 30, 32 in Betrieb ist und das Luftfahrzeug 10 Energiespeicherelemente 34 mit sich führt, kann ein Teil der mittels der Energiewandler- / Generatorkombination 30, 32 erzeugten elektrischen Energie auch zum Aufladen der Energiespeicherelemente 34 verwendet werden. Auf diese Weise ist zum Beispiel mit beim Start bereits geladenen Energiespeicherelementen 34 ein sehr leiser Start des Luftfahrzeugs 10 und mit beim Flug wiederaufgeladenen Energiespeicherelementen 34 eine ebenso leise Landung des Luftfahrzeugs 10 möglich, indem jeweils der
Doppelspulenaktormotor 22 nur oder zumindest im Wesentlichen aus den Energiespeicherelementen 34 gespeist wird und ein Verbrennungsmotor oder ein sonstiger Energiewandler 30 während dieser Phasen abgeschaltet ist.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch das oder die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Einzelne im Vordergrund stehende Aspekte der hier eingereichten Beschreibung lassen sich damit kurz wie folgt zusammenfassen: Angegeben werden eine Antriebseinheit 20 für ein Luftfahrzeug 10, welche zumindest einen Elektromotor und einen mittels des Elektromotors angetriebenen Propeller 14 um- fasst, wobei als Elektromotor ein Elektromotor 22 in Form eines Doppelspulenaktormotors 22 fungiert, sowie ein Luftfahrzeug 10 mit einer solchen Antriebseinheit 20 und schließlich die Verwendung eines Doppelspulenaktormotors 22 in einer solchen Antriebseinheit 20.
Bezugszeichenliste
10 Luftfahrzeug
12 Mantelpropeller, Impeller
14 Propeller
16 Mantelring
18 (frei)
20 Antriebseinheit
22 Elektromotor, Doppelspulenaktormotor
24 Permanentmagnet
26 Doppelspule
28 Tragstruktur
30 Energiewandler
32 Generator
34 EnergieSpeicherelemente
36 Wellenkopplung
38 KabelVerbindung

Claims

Patentansprüche
1. Antriebseinheit (20) für ein Luftfahrzeug (10),
wobei die Antriebseinheit (20) zumindest einen Elektro- motor und einen mittels des Elektromotors angetriebenen Propeller (14) umfasst,
gekennzeichnet durch
einen Elektromotor (22) in Form eines Doppelspulenaktormotors (22) .
2. Antriebseinheit (20) nach Anspruch 1,
wobei der Propeller (14) von einem Mantelring (16) umgeben ist,
wobei der Doppelspulenaktormotor (22) mittels einer Trag- struktur (28) auf einer Kreisbahn angeordnete, radial oder tangential magnetisierte Permanentmagnete (24) sowie ebenfalls auf einer Kreisbahn angeordnete und die Permanentmagnete (24) umgreifende Doppelspulen (26) umfasst,
wobei der Propeller (14) mit der Tragstruktur (28) verbun- den ist und
wobei die Permanentmagnete (24) und die Doppelspulen (26) im Innern des Mantelrings (16) positioniert sind.
3. Antriebseinheit (20) nach Anspruch 2,
wobei der Propeller (14) eine Mehrzahl von regelmäßig beabstandeten , radial ausgerichteten Propellerflügeln umfasst und wobei der Propeller (14) mittels der Enden seiner Propellerflügel mit der Tragstruktur (28) verbunden ist.
4. Antriebseinheit (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem alternativ zu dem Doppelspulenaktormotor (22) zum Antrieb des Propellers (14) wirksamen Energiewandler (30) .
5. Antriebseinheit (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem einen Generator zur Energieversorgung des
Doppelspulenaktormotors (22) antreibenden Energiewandler (30) .
6. Luftfahrzeug (10) mit zumindest einer Antriebseinheit (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
7. Luftfahrzeug (10) nach Anspruch 6, wobei die Antriebsein- heit (20) an dessen Schnauze angebracht ist.
8. Luftfahrzeug (10) nach Anspruch 6 oder 7, wobei jeweils zumindest eine Antriebseinheit (20) an dessen Tragflächen angebracht ist.
9. Verwendung eines Doppelspulenaktormotors (22) zum Antrieb einer Antriebseinheit (20) eines Luftfahrzeugs (10) .
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