WO2022101094A1 - Antriebseinrichtung für einen propeller eines multicopters - Google Patents

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WO2022101094A1
WO2022101094A1 PCT/EP2021/080719 EP2021080719W WO2022101094A1 WO 2022101094 A1 WO2022101094 A1 WO 2022101094A1 EP 2021080719 W EP2021080719 W EP 2021080719W WO 2022101094 A1 WO2022101094 A1 WO 2022101094A1
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WO
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electric motor
drive
gear
drive device
rotation
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Application number
PCT/EP2021/080719
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English (en)
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Philipp Rechenbach
Björn WEIGEL
Matthias Köpf
Sebastian Deeg
Christian Lalitsch-Schneider
Stefan Heiss
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Zf Friedrichshafen Ag
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D35/00—Transmitting power from power plants to propellers or rotors; Arrangements of transmissions
    • B64D35/08—Transmitting power from power plants to propellers or rotors; Arrangements of transmissions characterised by the transmission being driven by a plurality of power plants
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K16/00—Machines with more than one rotor or stator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/10—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
    • H02K7/116—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with gears
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D27/00—Arrangement or mounting of power plants in aircraft; Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/02—Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/24—Aircraft characterised by the type or position of power plants using steam or spring force
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/06—Machines characterised by the presence of fail safe, back up, redundant or other similar emergency arrangements

Definitions

  • the invention relates to a drive device for a propeller of a multicopter with a drive shaft that can be driven in rotation by a first electric motor, from which a drive shaft carrying the propeller can be driven in rotation directly or indirectly.
  • a multicopter is an aircraft that uses multiple rotors or propellers arranged in a plane, working vertically downwards, to generate lift. Propulsion can also be generated by tilting the rotor plane.
  • Multicopters take off and land primarily in the vertical direction (vertical take-off and landing -vTOL) and are used, among other things, to transport people.
  • an electric motor rotatably drives an output shaft, which carries a propeller, via a planetary gear set.
  • a multicopter has only a few drive devices for propellers, the flight of the multicopter can become unstable in the event of a defect in the electric motor of the drive devices and thus failure of a propeller.
  • the object of the invention is to create a drive device for a propeller of a multicopter of the type mentioned at the outset, which enables stable flight of the multicopter even if the motor is defective.
  • the drive shaft can also be driven in rotation by a second electric motor in the same direction of rotation as by the first electric motor, the first electric motor and the second electric motor driving the drive shaft in rotation via a differential gear and in a motor having the first electric motor and a first freewheel is arranged in the first drive train driving the differential gear and a second freewheel is arranged in a second drive train having the second electric motor and driving the differential gear. If one of the two electric motors fails, the propeller can still be operated by the other electric motor, so that there is no instability in the flight of the multicopter. No additional actuators are required for this.
  • the differential gear can be a bevel gear differential or a spur gear differential.
  • the bevel gear differential can have a first axle shaft bevel gear that can be driven in rotation by the first drive train and by which a first differential bevel gear can be driven in rotation is firmly connected, as well as with a second axle shaft bevel gear rotatably drivable by the second drive train, from which a second differential bevel gear can be rotatably driven, which is rotatably mounted about a second differential axle which is fixedly arranged on the differential housing and is rigidly connected to the drive shaft.
  • the first and second side gears preferably have the same number of teeth.
  • the first differential gear preferably has the same number of teeth as the second differential gear.
  • the spur gear differential can have a first spur gear that can be driven in rotation by the first drive train and in which a first spur planet gear engages, which is rotatably mounted about a first axis arranged on a planet carrier, and with a second spur gear rotatably driven by the second drive train, in which engages a second spur planet gear, which is rotatably mounted about a second axis arranged on a planet carrier, the planet carrier being fixedly connected to the drive shaft and the first spur planet gear and the second spur planet gear meshing.
  • the second sun wheel can preferably have the same number of teeth as the first sun wheel.
  • the output shaft can be rotatably driven by the input shaft via a planetary gear set.
  • the drive shaft carries a sun gear of the planetary gear set, on which one or more planetary gears are arranged, which engage both in the sun gear and in a fixed ring gear enclosing the planetary gears, the planetary gears each being rotatably mounted about planetary carrier axes of a planetary carrier and the planetary carrier has a driven axle which carries the propeller and forms the driven shaft.
  • a compact and therefore space-saving design is achieved when the first drive train has a first drive tube which encloses the drive shaft at a radial distance, which is connected to a rotor of the first electric motor and through which the differential gear can be driven in rotation and that the second drive train has a drive shaft with having a second drive tube enclosing a radial distance, which is connected to a rotor of the second electric motor and through which the differential gear can be driven in rotation.
  • the first drive train has a first drive tube which encloses the drive shaft at a radial distance, which is connected to a rotor of the first electric motor and through which the differential gear can be driven in rotation
  • the second drive train incorporates the drive shaft having a second drive tube enclosing it at a radial distance, which is connected to a rotor of the second electric motor and through which the differential gear can be driven in rotation.
  • a coolant and/or lubricant can flow through the differential gear and/or the planetary gearset and/or the rotors and stators of the first and second electric motors.
  • the coolant and/or lubricant can also be supplied to other components such as seals, bearings and freewheels.
  • the drive shaft can be a hollow shaft into which the coolant and/or lubricant can be conveyed and which has radial openings distributed over its length.
  • the coolant and/or lubricant is thrown radially outwards to the gears and/or the rotors and stators of the first and second electric motors via the rotating hollow shaft and the radial openings.
  • the hollow shaft has a conical inner wall
  • the end of the inner wall of the hollow shaft with the smaller diameter protruding into a sump of coolant and/or lubricant and the end of the hollow shaft with the larger diameter is closed, the coolant and/or lubricant is automatically switched off sucked in from the sump and pulls up along the inner wall of the hollow shaft to the radial openings, so that no delivery unit for the coolant and/or lubricant is required to save space and weight.
  • the coolant and/or lubricant can be thrown until it rests against the inner wall of the housing and along the inner wall to the one below of the electric motors and gears drain the sump located in the housing.
  • cooling elements through which air can flow are arranged on the outer wall of the housing, the coolant and/or lubricant located on the inner wall of the housing is simultaneously cooled as it drains.
  • the cooling elements are cooling fins, through which an air stream flows axially to the drive shaft, which is generated by the propeller or a component connected to the propeller. Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing and are described in more detail below. Show it
  • FIG. 1 shows a basic representation of a drive device with a bevel gear differential
  • FIG. 2 shows a basic representation of a drive device with a spur gear differential.
  • the drive devices shown have a closed housing 1 in which a drive shaft 2 is mounted so as to be rotatable about an axis of rotation 10 and aligned vertically.
  • the drive shaft 2 is designed as a hollow shaft whose inner wall 3 is conical. The end of the inner wall 3 of the hollow shaft with the smaller diameter is directed towards the lower area of the container 1 and the end of the inner wall 3 of the hollow shaft with the larger diameter is directed towards the upper area of the housing 1 .
  • the lower end of the drive shaft 2 designed as a hollow shaft is open and the upper end of the drive shaft 2 designed as a hollow shaft is closed.
  • the latter In the upper end area of the drive shaft 2, the latter carries a sun gear 4 of a planetary gearset 5, in which several planetary gears 6 engage, in a rotationally fixed manner.
  • the planetary gears 6 are rotatably mounted about planetary gear axles 7 which are fixedly connected to a planetary carrier 8 at their ends.
  • the planetary carrier 8 has a tubular extension 9 which is coaxial with the axis of rotation 10 and protrudes through an opening in an upper end wall 11 of the housing 1 at its upper end from the housing 1 and forms an output shaft. Outside of the housing 1, the tubular extension 9 is closed and carries a propeller mount 12, which carries a propeller, not shown.
  • a first bearing 13 for the rotatable mounting of the tubular extension 9 and thus of the planetary carrier 8 is arranged in the opening of the upper end wall.
  • the planetary carrier axles 7 are firmly connected to a carrier disk 14 , which is rotatably mounted in the housing 1 about the axis of rotation 10 .
  • the planetary gear set 5 also has a ring gear 15 which is fixed to the inner wall 3 of the housing 1 and encloses the planetary gears 6 and into which the planetary gears 6 engage.
  • a first electric motor 16 is arranged below the planetary gear set 5 in the housing 1 , the first electric motor 16 of which is fixedly connected to the housing 1 .
  • the upper end of the first drive tube 20 is rotatably mounted with a second bearing 21 in a central opening in the carrier disk 14 .
  • the lower end 24 of the first drive tube 20 leads to a differential gear which is designed as a bevel gear differential gear 22 in FIG. 1 and as a spur gear differential gear 23 in FIG.
  • the spur differential gear 23 has a first spur gear 51 that can be driven in rotation by the first drive tube 20 and in which a first spur planetary gear 52 engages, which is rotatably mounted about a first axis 54 arranged on a first planetary carrier 53 .
  • a second spur gear 55 can be driven in rotation by the second drive tube 29, in which a second spur gear 56 engages, which is rotatably mounted about a second axis 58 arranged on a second planet carrier 57, the planet carriers 53, 57 being firmly connected to the drive shaft 2 and the first planetary spur gear 52 and the second planetary spur gear 56 mesh.
  • the end of the first drive tube 20 opposite the planetary gear set 5 carries a coaxial, non-rotatable first side shaft bevel gear 34 of a bevel gear differential 22, by which a first differential bevel gear 36 can be driven in rotation is rotatably mounted about a first compensation axle 38 which is fixedly arranged on a compensation housing 37 and which is fixedly connected to the drive shaft 2 .
  • the end of the second drive tube 29 facing away from the power electronics 33 carries coaxially and non-rotatably a second axle shaft bevel gear 39, from which a second differential bevel gear 40 can be rotatably driven, which is rotatably mounted about a second differential axle 41 which is fixed to the differential housing 37 and which is fixed to the drive shaft 2 connected is.
  • the first electric motor 16 can drive the first drive tube 20 so that it can rotate in a driving direction of rotation.
  • a second electric motor 25 is arranged in the housing 1 below the first electric motor 16 , the second electric motor 25 of which is fixedly connected to the housing 1 .
  • the lower end of the second drive tube 29 is rotatably mounted in a third bearing 30 in a central opening of a second carrier disk 31 which extends radially and is firmly connected to the housing 1 radially on the outside.
  • the upper end 32 of the second drive tube 29 also leads to the differential gear.
  • the second drive tube 29 can be driven by the second electric motor 25 to rotate in the specific driving direction of rotation.
  • the first electric motor 16 and the second electric motor 25 are 2 ⁇ 3-phase electric motors that can be controlled by power electronics 33 that are located in the lower area of the housing 1 .
  • the planetary gearset 5 opposite end of the first drive tube 20 carries coaxially rotatably a first side shaft bevel gear 34 of a bevel gear Differential gear 35, from which a first differential bevel gear 36 can be driven in rotation, which is rotatably mounted about a first differential axle 38 which is fixedly arranged on a differential housing 37 and is firmly connected to the drive shaft 2.
  • the end of the second drive tube 29 facing away from the power electronics 33 carries coaxially and non-rotatably a second axle shaft bevel gear 39, from which a second differential bevel gear 40 can be rotatably driven, which is rotatably mounted about a second differential axle 41 fixed to the differential housing 37 and fixed to the drive shaft 2 connected is.
  • the first pinion gear 36 and the second pinion gear 40 mesh with the first side pinion gear 34 and the second side pinion gear 40, respectively.
  • a first freewheel 42 acts on the first drive tube 20 and allows the first drive tube 20 to rotate freely in the drive direction of rotation.
  • the first drive tube 20 is prevented from rotating in the opposite direction to the driving direction of rotation.
  • a second freewheel 43 acts on the second drive tube 29, through which the second drive tube 29 can rotate freely in the driving direction of rotation.
  • the second drive tube 29 is prevented from rotating in the opposite direction to the driving direction of rotation.
  • the drive shaft 1 is designed as a hollow shaft with a conical inner wall 44, the end of which has the smaller diameter of the inner wall 44 protrudes into a sump 45 on the lower end region of the housing 1, which is closed by a bottom 46.
  • the drive shaft 2 has continuous radial openings, not shown.
  • the drive shaft 2 When driven by the electric motors 16 and 25, the drive shaft 2, which is rotatably driven, causes a coolant and lubricant in the sump 45 to be pulled upwards on the conical inner wall 3 of the drive shaft 2 in the form of a film and can escape radially outwards at the radial openings and enter the first and second electric motor 16 and 25, the planetary gear set 5, the bevel gear differential 22 and the first and second freewheels 42 and 43 cool and lubricate.
  • the coolant and lubricant comes to rest on the inside of a radially circumferential housing wall 48 of the housing 1 and can flow back down this to the sump 45 .
  • Cooling elements 49 in the form of cooling fins are arranged on the outside of the radially circumferential housing wall 48, through which an air stream flows that is generated by the propeller mount when it rotates.
  • first electric motor 16 does not generate any torque, then this first electric motor 16 is braked by the second electric motor 25, which continues to drive, until the first freewheel 42 jams.
  • the second electric motor 25 meanwhile runs up to twice the speed. The propeller can still be driven by the second electric motor 25
  • the first electric motor 16 runs up to double the speed.
  • the propeller can still be driven by the first electric motor 16 ® If the first electric motor 16 rotates in the opposite direction to the direction of rotation of the drive, the first freewheel 42 jams.
  • the second electric motor 25 accelerates to twice the speed.
  • the propeller can still be driven by the second electric motor 25
  • Cooling elements first spur gear first planet spur gear first planet carrier first axis second spur gear second planet spur gear second planet carrier second axis

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  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebseinrichtung für einen Propeller eines Multicopters mit einer von einem ersten Elektromotor 16 drehbar antreibbaren Antriebswelle 2, von der eine den Propeller tragende Abtriebswelle direkt oder indirekt drehbar antreibbar ist. Die Antriebswelle 2 ist weiterhin von einem zweiten Elektromotor 25 in der gleichen Drehrichtung wie vom ersten Elektromotor 16 drehbar antreibbar ist, wobei der erste Elektromotor 16 und der zweite Elektromotor 25 über ein Differentialgetriebe die Antriebswelle 2 drehbar antreiben und in einem den ersten Elektromotor 16 aufweisenden und das Differentialgetriebe antreibenden ersten Antriebsstrang ein erster Freilauf 42 sowie in einem den zweiten Elektromotor (25) aufweisenden und das Differentialgetriebe antreibenden zweiten Antriebsstrang ein zweiter Freilauf 43 angeordnet ist.

Description

Antriebseinrichtunq für einen Propeller eines Multicopters
Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebseinrichtung für einen Propeller eines Multicopters mit einer von einem ersten Elektromotor drehbar antreibbaren Antriebswelle, von der eine den Propeller tragende Abtriebswelle direkt oder indirekt drehbar antreibbar ist.
Ein Multicopter ist ein Luftfahrzeug, das mehrere in einer Ebene angeordnete, senkrecht nach unten wirkende Rotoren oder Propeller benutzt, um Auftrieb zu erzeugen. Durch Neigung der Rotorebene kann auch Vortrieb erzeugt werden.
Multicopter starten und landen primär in vertikaler Richtung (vertical take-off and landing -vTOL) und dienen u.a. dazu, Personen zu transportieren.
Bei einer derartigen Antriebseinrichtung ist es bekannt daß ein Elektromotor über einen Planetenradsatz eine Abtriebswelle drehbar antreibt, die einen Propeller trägt.
Weist ein Multicopter nur wenige Antriebseinrichtungen für Propeller auf, kann bei einem Defekt des Elektromotors der Antriebseinrichtungen und somit Ausfall eines Propellers der Flug des Multicopters instabil werden.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Antriebseinrichtung für einen Propeller eines Multicopters der eingangs genannten Art zu schaffen, die auch bei einem Defekt des Motors einen stabilen Flug des Multicopters ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Antriebswelle weiterhin von einem zweiten Elektromotor in der gleichen Drehrichtung wie vom ersten Elektromotor drehbar antreibbar ist, wobei der erste Elektromotor und der zweite Elektromotor über ein Differentialgetriebe die Antriebswelle drehbar antreiben und in einem den ersten Elektromotor aufweisenden und das Differentialgetriebe antreibenden ersten Antriebsstrang ein erster Freilauf sowie in einem den zweiten Elektromotor aufweisenden und das Differentialgetriebe antreibenden zweiten Antriebsstrang ein zweiter Freilauf angeordnet ist. Bei einem Ausfall einer der beiden Elektromotoren kann der Propeller immer noch durch den anderen Elektromotor weiterbetrieben werden, so daß es nicht zu einer Instabilität des Fluges des Multicopters kommt. Dazu ist keine zusätzliche Aktuatorik erforderlich.
Das Differentialgetriebe kann ein Kegelrad-Differentialgetriebe oder ein Stirnrad-Differentialgetriebe sein.
Bei einem Kegelrad-Differentialgetriebe kann das Kegelrad-Differentialgetriebe ein von dem ersten Antriebsstrang drehbar antreibbares erstes Achswellenkegelrad auf- weisent, von dem ein erstes Ausgleichskegelrad drehbar antreibbar ist, das um eine an einem Ausgleichsgehäuse fest angeordnete erste Ausgleichsachse drehbar gelagert ist, die mit der Antriebswelle fest verbunden ist, sowie mit einem von dem zweiten Antriebsstrang drehbar antreibbaren zweiten Achswellenkegelrad, von dem ein zweites Ausgleichskegelrad drehbar antreibbar ist, das um eine an dem Ausgleichsgehäuse fest angeordnete zweite Ausgleichsachse drehbar gelagert ist, die mit der Antriebswelle fest verbunden ist. Das erste und zweite Achswellenkegelrad haben vorzugsweise die gleiche Zähnezahl. Weiterhin weist vorzugsweise das erste Ausgleichsrad die gleiche Zähnezahl auf wie das zweite Ausgleichsrad.
Bei einem Stirnrad-Differentialgetriebe, das kostengünstig herstellbar ist, kann das Stirnrad-Differentialgetriebe ein von dem ersten Antriebsstrang drehbar antreibbares erstes Sonnenstirnrad aufweisen, in das ein erstes Planetenstirnrad eingreift, das um eine an einem Planetenträger angeordnete erste Achse drehbar gelagert ist, sowie mit einem von dem zweiten Antriebsstrang drehbar antreibbaren zweites Sonnenstirnrad, in das ein zweites Planetenstirnrad eingreift, das um eine an einem Planetenträger angeordnete zweite Achse drehbar gelagert ist, wobei der Planetenträger mit der Antriebswelle fest verbunden ist und das erste Planetenstirnrad und das zweite Planetenstirnrad ineinander eingreifen.
Dabei kann das zweite Sonnenrad vorzugsweise die gleiche Zähnezahl wie das erste Sonnenstirnrad aufweisen. Um auf platzsparende und Kompakte Weise eine Übersetzung der Drehzahl der Abtriebswelle gegenüber der Antriebswelle zu erreichen, kann die Abtriebswelle über einen Planetenradsatz von der Antriebswelle drehbar antreibbar sein.
Vorzugsweise trägt dabei die Antriebswelle ein Sonnenrad des Planetenradsatzes drehtest, auf dem ein oder mehrere Planetenräder angeordnet sind, die sowohl in das Sonnenrad als auch in ein die Planetenräder umschließendes feststehendes Hohlrad eingreifen, wobei die Planetenräder jeweils um Planetenträgerachsen eines Planetenträgers drehbar gelagert sind und der Planetenträger eine den Propeller tragende sowie die Abtriebswelle bildende Abtriebsachse aufweist.
Ein kompakter und damit platzsparender Aufbau wird erreicht, wenn der erste Antriebsstrang ein die Antriebswelle mit radialem Abstand umschließendes erstes Antriebsrohr aufweist, das mit einem Rotor des ersten Elektromotors verbunden ist und durch das das Differentialgetriebe drehbar antreibbar ist und daß der zweite Antriebsstrang ein die Antriebswelle mit radialem Abstand umschließendes zweites Antriebsrohr aufweist, das mit einem Rotor des zweiten Elektromotors verbunden ist und durch das das Differentialgetriebe drehbar antreibbar ist.
Ein ebenfalls kompakter und damit platzsparender Aufbau wird erreicht, wenn der erste Antriebsstrang ein die Antriebswelle mit radialem Abstand umschließendes erstes Antriebsrohr aufweist, das mit einem Rotor des ersten Elektromotors verbunden ist und durch das das Differentialgetriebe drehbar antreibbar ist und daß der zweite Antriebsstrang ein die Antriebswelle mit radialem Abstand umschließendes zweites Antriebsrohr aufweist, das mit einem Rotor des zweiten Elektromotors verbunden ist und durch das das Differentialgetriebe drehbar antreibbar ist.
Zum Kühlen der Komponenten der Antriebseinrichtung und/oder Schmieren der Getriebe der Antriebseinrichtung können das Differentialgetriebe und/oder der Planetensatz und/oder die Rotoren und Statoren des ersten und zweiten Elektromotors von einem Kühl- und/oder Schmiermittel durchströmbar sein. Dabei kann das Kühl- und/oder Schmiermittel auch weitere Komponenten wie Dichtungen, Lager und Freiläufen zugeführt werden.
Dazu kann ohne zusätzliche Bauteile und damit Baugröße und Gewicht sparend die Antriebswelle eine Hohlwelle sein, in die das Kühl- und/oder Schmiermittel förderbar ist und die über ihre Länge verteilt Radialöffnungen aufweist.
Über die sich drehende Hohlwelle und die Radialöffnungen wird das Kühl- und/oder Schmiermittel radial nach außen zu den Getrieben und/oder die Rotoren und Statoren des ersten und zweiten Elektromotors geschleudert.
Weist dabei die Hohlwelle eine konische Innenwand auf, wobei das Ende geringeren Durchmessers der Innenwand der Hohlwelle in einen Sumpf des Kühl- und/oder Schmiermittels ragt und das Ende größeren Durchmessers der Hohlwelle verschlossen ist, so wird das Kühl- und/oder Schmiermittel selbsttätig aus dem Sumpf angesaugt und zieht sich entlang der Innenwand der Hohlwelle nach oben zu den Radialöffnungen, so daß raum- und gewichtsparend kein Förderaggregat für das Kühl- und/oder Schmiermittel benötigt wird.
Weist dabei die Antriebseinrichtung ein seine Komponenten umschließendes Gehäuse auf, aus dem das den Propeller tragende Ende der Abtriebswelle herausragt, so kann das Kühl- und/oder Schmiermittel bis zur Anlage an der Innenwand des Gehäuses geschleudert werden und an der Innenwand entlang zu dem sich unterhalb der Elektromotoren und Getriebe im Gehäuse befindlichen Sumpf ablaufen.
Sind dabei an der Außenwand des Gehäuses luftdurch ström ba e Kühlelemente angeordnet, so wird das an der Innenwand des Gehäuses befindliche Kühl- und/oder Schmiermittel beim Ablaufen gleichzeitig gekühlt.
Vorzugsweise sind die Kühlelemente Kühllammellen, die axial zur Antriebswelle von einem Luftstrom durchströmt werden, der von dem Propeller oder einem mit dem Propeller verbundenen Bauteil erzeugt wird. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Figur 1 eine Prinzipdarstellung einer Anbtriebseinrichtung mit einem Kegelrad- Differentialgetriebe
Figur 2 eine Prinzipdarstellung einer Anbtriebseinrichtung mit einem Stirnrad- Differentialgetriebe.
Die dargestellten Antriebseinrichtungen weisen ein geschlossenes Gehäuse 1 auf, in dem senkrecht ausgerichtet eine Antriebswelle 2 um eine Drehachse 10 drehbar gelagert ist. Die Antriebswelle 2 ist als Hohlwelle ausgebildet, deren Innenwand 3 konisch ausgebildet ist. Dabei ist das Ende der Innenwand 3 geringeren Durchmessers der Hohlwelle zum unteren Bereich des Behälters 1 und das Ende größeren Durchmessers der Innenwand 3 der Hohlwelle zum oberen Bereich des Gehäuses 1 gerichtet.
Das untere Ende der als Hohlwelle ausgebildeten Antriebswelle 2 ist offen und das obere Ende der als Hohlwelle ausgebildeten Antriebswelle 2 geschlossen.
Im oberen Endbereich der Antriebswelle 2 trägt diese drehfest ein Sonnenrad 4 eines Planetenradsatzes 5, in das mehrere Planetenräder 6 eingreifen. Die Planetenräder 6 sind um Planetenräderachsen 7 drehbar gelagert, die an ihren Enden mit einem Planetenträger 8 fest verbunden sind.
Der Planetenträger 8 weist einen zur Drehachse 10 koaxialen Rohrfortsatz 9 auf, der durch Öffnung in einer oberen Stirnwand 11 des Gehäuses 1 an dessen oberen Ende aus dem Gehäuse 1 herausragt und eine Abtriebswelle bildet. Außerhalb des Gehäuses 1 ist der Rohrfortsart 9 geschlossen und trägt eine Propelleraufnahme 12, welche einen nicht dargestellten Propeller trägt.
In der Öffnung der oberen Stirnwand ist ein erstes Lager 13 zur drehbaren Lagerung des Rohrfortsatzes 9 und damit des Planetenträgers 8 angeordnet. An den dem Planetenträger 8 abgewandten Enden sind die Planetenträgerachsen 7 mit einer im Gehäuse 1 um die Drehachse 10 drehbar gelagerten Trägerscheibe 14 fest verbunden.
Der Planetenradsatz 5 weist weiterhin ein an der Innenwand 3 des Gehäuses 1 fest angeortnetes und die Planetenräder 6 umschließendes Hohlrad 15 auf, in das die Planetenräder 6 eingreifen.
Unterhalb des Planetenradsatzes 5 ist in dem Gehäuse 1 ein erster Elektromotor 16 angeordnet, dessen erster Stator 17 fest mit dem Gehäuse 1 verbunden ist.
Der radial innerhalb des ersten Stators 17 angeordnete erste Rotor 18 des ersten Elektromotors 16 ist über einen radial nach innen ragenden ersten Steg 19 mit einem koaxial die Antriebswelle 2 mit radialem Abstand umschließenden ersten Antriebsrohr 20 fest verbunden. Mit seinem oberen Ende ist das erste Antriebsrohr 20 mit einem zweiten Lager 21 in einer zentrischen Öffnung der Trägerscheibe 14 drehbar gelagert. Das untere Ende 24 des ersten Antriebsrohres 20 führt zu einem Differentialgetriebe, das in Figur 1 als Kegelrad-Differentialgetriebe 22 und in Figur 2 als Stirnrad-Differentialgetriebe 23 ausgebildet ist.
Das Stirnrad-Differentialgetriebe 23 weist ein von dem ersten Antriebsrohr 20 drehbar antreibbares erstes Sonnenstirnrad 51 auf, in das ein erstes Planetenstirnrad 52 eingreift, das um eine an einem ersten Planetenträger 53 angeordnete erste Achse 54 drehbar gelagert ist. Von dem zweiten Antriebsrohr 29 ist ein zweites Sonnenstirnrad 55 drehbar antreibbar, in das ein zweites Planetenstirnrad 56 eingreift, das um eine an einem zweiten Planetenträger 57 angeordnete zweite Achse 58 drehbar gelagert ist, wobei die Planetenträger 53, 57 mit der Antriebswelle 2 fest verbunden sind und das erste Planetenstirnrad 52 und das zweite Planetenstirnrad 56 ineinander eingreifen.
Das dem Planetenradsatz 5 entgegengesetzte Ende des ersten Antriebsrohres 20 trägt koaxial drehfest ein erstes Achswellenkegelrad 34 eines Kegelrad-Differentialgetriebes 22, von dem ein erstes Ausgleichskegelrad 36 drehbar antreibbar ist, das um eine an einem Ausgleichsgehäuse 37 fest angeordnete erste Ausgleichsachse 38 drehbar gelagert ist, die mit der Antriebswelle 2 fest verbunden ist.
Das den Leistungselektroniken 33 abgewandte Ende des zweiten Antriebsrohres 29 trägt koaxial und drehfest ein zweites Achswellenkegelrad 39, von dem ein zweites Ausgleichskegelrad 40 drehbar antreibbar ist, das um eine an dem Ausgleichsgehäuse 37 fest angeordnete zweite Ausgleichsachse 41 drehbar gelagert ist, die mit der Antriebswelle2 fest verbunden ist.
In beiden Figuren ist von dem ersten Elektromotor 16 das erste Antriebsrohr 20 in einer Antriebsdrehrichtung drehbar antreibbar.
Unterhalb des ersten Elektromotors 16 ist in dem Gehäuse 1 ein zweiter Elektromotor 25 angeordnet, dessen zweiter Stator 26 fest mit dem Gehäuse 1 verbunden ist.
Der radial innerhalb des zweiten Stators 26 angeordnete zweite Rotor 27 des zweiten Elektromotors 25 ist über einen radial nach innen ragenden zweiten Steg 28 mit einem koaxial die Antriebswelle 2 mit radialem Abstand umschließenden zweiten Antriebsrohr 29 fest verbunden. Mit seinem unteren Ende ist das zweite Antriebsrohr 29 einem dritten Lager 30 in einer zentrischen Öffnung einer sich radial erstreckenden und radial außen mit dem Gehäuse 1 fest verbundenen zweiten Trägerscheibe 31 drehbar gelagert. Das obere Ende 32 des zweiten Antriebsrohres 29 führt ebenfalls zu dem Differentialgetriebe.
Von dem zweiten Elektromotor 25 ist das zweite Antriebsrohr 29 in der bestimmten Antriebsdrehrichtung drehbar antreibbar.
Der erste Elektromotor 16 und der zweite Elektromotor 25 sind 2x3-phasige Elektromotoren, die von Leistungselektroniken 33 ansteuerbar sind, welche sich im unteren Bereich des Gehäuses 1 befinden.
Das dem Planetenradsatz 5 entgegengesetzte Ende des ersten Antriebsrohres 20 trägt koaxial drehfest ein erstes Achswellenkegelrad 34 eines Kegelrad- Differentialgetriebes 35, von dem ein erstes Ausgleichskegelrad 36 drehbar antreibbar ist, das um eine an einem Ausgleichsgehäuse 37 fest angeordnete erste Ausgleichsachse 38 drehbar gelagert ist, die mit der Antriebswelle 2 fest verbunden ist.
Das den Leistungselektroniken 33 abgewandte Ende des zweiten Antriebsrohres 29 trägt koaxial und drehfest ein zweites Achswellenkegelrad 39, von dem ein zweites Ausgleichskegelrad 40 drehbar antreibbar ist, das um eine an dem Ausgleichsgehäuse 37 fest angeordnete zweite Ausgleichsachse 41 drehbar gelagert ist, die mit der Antriebswelle2 fest verbunden ist. Das erste Ausgleichskegelrad 36 und das zweite Ausgleichskegelrad 40 sind jeweils mit dem ersten Achswellenkegelrad 34 und dem zweiten Achswellenkegelrad 40 in Eingriff.
An dem ersten Antriebsrohr 20 greift ein erster Freilauf 42 an, durch den das erste Antriebsrohr 20 in der Antriebsdrehrichtung frei drehen kann. Entgegen der Antriebsdrehrichtung wird das erste Antriebsrohr 20 an einer Drehung gehindert.
An dem zweiten Antriebsrohr 29 greift ein zweiter Freilauf 43 an, durch den das zweite Antriebsrohr 29 in der Antriebsdrehrichtung frei drehen kann. Entgegen der Antriebsdrehrichtung wird das zweite Antriebsrohr 29 an einer Drehung gehindert.
Die Antriebswelle 1 ist als Hohlwelle mit einer konischen Innenwand 44 ausgebildet, deren Ende geringeren Durchmessers der Innenwand 44 in einen Sumpf 45 am durch einen Boden 46 geschlossenen unteren Endbereich des Gehäuses 1 ragt.
In zumindest den dem ersten und zweiten Elektromotor 16 und 25, dem Planetenradsatz 5, dem Kegelrad-Differentialgetriebe 35 und dem ersten und zweiten Freilauf 42 und 43 radial gegenüberliegenden Bereichen weist die Antriebswelle 2 nicht dargestellte durchgehende Radialöffnungen auf.
Durch die bei einem Antrieb durch die Elektromotoren 16 und 25 drehbar angetriebene Antriebswelle 2 wird ein im Sumpf 45 befindliches Kühl- und Schmiermittel an der konischen Innenwand 3 der Antriebswelle 2 filmartig nach oben gezogen und kann an den Radialöffnungen radial nach außen austreten und den ersten und zweiten Elektromotor 16 und 25, den Planetenradsatz 5, das Kegelrad-Differentialgetriebe 22 und den ersten und zweiten Freilauf 42 und 43 kühlen und schmieren.
Im Weiteren gelangt das Kühl- und Schmiermittel zur Anlage an der Innenseite einer radial umlaufenden Gehäusewand 48 des Gehäuses 1 und kann an dieser nach unten zum Sumpf 45 zurücklaufen.
An der Außenseite der radial umlaufenden Gehäusewand 48 sind Kühlelemente 49 in Form von Kühllamellen angeordnet, durch die ein Luftstrom hindurchströmt, der von der Propelleraufnahme bei deren Drehung erzeugt wird.
Dadurch wird die Gehäusewand 48 und über sie das an ihrer Innenseite entlanglaufende Kühl- und Schmiermittel gekühlt.
Folgende Fehlermodi des Ausführungsbeispiels der Figur 1 sind möglich:
• Erzeugt der erste Elektromotor 16 kein Drehmoment, so wird dieser erste Elektromotor 16 durch den weiterhin antreibenden zweiten Elektromotor 25 so lange abgebremst, bis der erste Freilauf 42 klemmt. Der zweite Elektromotor 25 fährt währenddessen auf doppelte Drehzahl hoch. Der Propeller kann durch den zweiten Elektromotor 25 weiterhin noch angetrieben werden
• Erzeugt der zweite Elektromotor 25 kein Drehmoment, so wird dieser zweite Elektromotor durch den weiterhin antreibenden ersten Elektromotor 16 so lange abgebremst, bis der zweite Freilauf 43 klemmt. Der erste Elektromotor 16 fährt auf doppelte Drehzahl hoch. Der Propeller kann durch den ersten Elektromotor 16 weiterhin noch angetrieben werden.
• Ist keine Drehzahl des ersten Elektromotors 16 vorhanden, so klemmt der erste Freilauf 42. Der zweite Elektromotor 25 fährt auf doppelte Drehzahl hoch. Der Propeller kann durch den zweiten Elektromotor 25 weiterhin noch angetrieben werden
• Ist keine Drehzahl des zweiten Elektromotors 25 vorhanden, so klemmt der zweite Freilauf 43. Der erste Elektromotor 16 fährtauf doppelte Drehzahl hoch. Der Propeller kann durch den ersten Elektromotor 16 weiterhin noch angetrieben werden ® Dreht der erste Elektromotor 16 entgegen der Antriebsdrehrichtung, so klemmt der erste Freilauf 42. Der zweite Elektromotor 25 fährt auf doppelte Drehzahl hoch. Der Propeller kann durch den zweiten Elektromotor 25 weiterhin noch angetrieben werden
® Dreht der zweite Elektromotor 25 entgegen der Antriebsdrehrichtung, so klemmt der zweite Freilauf 43. Der erste Elektromotor 16 fährt auf doppelte Drehzahl hoch. Der Propeller kann durch den ersten Elektromotor 16 weiterhin noch angetrieben werden
® Dreht der Propeller entgegen der Antriebsrichtung, so klemmen der erste Freilauf 42 und der zweite Freilauf 43
• Wenn der Propeller zu langsam dreht wird dies durch elektrisches Beschleunigen abgefangen.
® Dreht der Propeller zu schnell, wird dies durch elektrisches Bremsen angefangen
• Fällt ein elektrischer Strang aus Leistungselektronik einschließlich der dazugehörenden drei Phasen des dazugehörenden 2x3-phasigen Elektromotors 16, 25 aus, so kann der jeweilige Elektromotor 16, 25 noch über seinen zweiten elektrischen Strang angetrieben werden.
Bezuqszeichen
Gehäuse
Antriebswelle
Innenwand
Sonnenrad
Planetenradsatz
Planetenräder
Planetenräderachsen
Planetenträger
Rohrfortsatz
Drehachse obere Stirnwand
Propelleraufnahme erstes Lager erste Trägerscheibe
Hohlrad erster Elektromotor erster Stator erster Rotor erster Steg erster Antriebsmotor zweites Lager
Kegelrad-Differentialgetriebe
Stirnrad-Differentialgetriebe unteres Ende erstes Antriebsrohr zweiter Elektromotor zweiter Stator zweiter Rotor zweiter Steg zweites Antriebsrohr drittes Lager zweite Trägerscheibe oberes Ende zweites Antriebsrohr
Leistungselektroniken erstes Achswellenkegelrad erstes Ausgleichskegelrad
Ausgleichsgehäuse erste Ausgleichsdrehachse zweites Achswellenkegelrad zweites Ausgleichskegelrad zweite Ausgleichsachse erster Freilauf zweiter Freilauf
Sumpf
Boden
Gehäusewand
Kühlelemente erstes Sonnenstirnrad erstes Planetenstirnrad erster Planetenträger erste Achse zweites Sonnenstirnrad zweites Planetenstirnrad zweiter Planetenträger zweite Achse

Claims

Patentansprüche
1 .Antriebseinrichtung für einen Propeller eines Multicopters mit einer von einem ersten Elektromotor (16) drehbar antreibbaren Antriebswelle (2), von der eine den Propeller tragende Abtriebswelle direkt oder indirekt drehbar antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (2) weiterhin von einem zweiten Elektromotor (25) in der gleichen Drehrichtung wie vom ersten Elektromotor (16) drehbar antreibbar ist, wobei der erste Elektromotor (16) und der zweite Elektromotor (25) über ein Differentialgetriebe die Antriebswelle (2) drehbar antreiben und in einem den ersten Elektromotor (16) aufweisenden und das Differentialgetriebe antreibenden ersten Antriebsstrang ein erster Freilauf (42) sowie in einem den zweiten Elektromotor (25) aufweisenden und das Differentialgetriebe antreibenden zweiten Antriebsstrang ein zweiter Freilauf (43) angeordnet ist.
2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Differentialgetriebe ein Kegelrad-Differentialgetriebe (22) oder ein Stirnrad-Differentialgetriebe (23) ist.
3. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebswelle über einen Planetenradsatz (5) von der Antriebswelle (2) drehbar antreibbar ist.
4. Antriebseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (2) ein Sonnenrad (4) des Planetenradsatzes (5) drehfest trägt, auf dem ein o- der mehrere Planetenräder (6) angeordnet sind, die sowohl in das Sonnenrad (4) als auch in ein die Planetenräder (6) umschließendes feststehendes Hohlrad (15) eingreifen, wobei die Planetenräder (6) jeweils um Planetenträgerachsen eines Planetenträgers (8) drehbar gelagert sind und der Planetenträger (8) eine den Propeller tragende sowie die Abtriebswelle bildende Abtriebsachse aufweist.
5. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Antriebsstrang ein die Antriebswelle (2) mit radialem Abstand umschließendes erstes Antriebsrohr (20) aufweist, das mit einem Rotor (18) des ersten Elektromotors (16) verbunden ist und durch das das Differentialgetriebe drehbar antreibbar ist und daß der zweite Antriebsstrang ein die Antriebswelle (2) mit radialem Abstand umschließendes zweites Antriebsrohr (29) aufweist, das mit einem Rotor (27) des zweiten Elektromotors (25) verbunden ist und durch das das Differentialgetriebe drehbar antreibbar ist.
6. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Differentialgetriebe und/oder der Planetensatz (5) und/oder die Rotoren (18, 27) und Statoren (17, 26) des ersten und zweiten Elektromotors (16, 25) von einem Kühl- und/oder Schmiermittel durchströmbar sind.
7. Antriebseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (2) eine Hohlwelle ist, in die das Kühl- und/oder Schmiermittel förderbar ist und die über ihre Länge verteilt Radialöffnungen (47) aufweist.
8. Antriebseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle eine konische Innenwand (44) aufweist, wobei das Ende geringeren Durchmessers der Innenwand (44) in einen Sumpf (45) des Kühl- und/oder Schmiermittels ragt und das Ende größeren Durchmessers verschlossen ist.
9. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung ein seine Komponenten umschließendes Gehäuse (1 ) aufweist, aus dem das dem Propeller tragende Ende der Abtriebswelle herausragt.
10. Antriebseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass an der Außenwand des Gehäuses (1 ) luftdurch ström bare Kühlelemente (49) angeordnet sind.
11. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Elektromotor (16) und/oder zweite Elektromotor (25) eine 2x3-phasige Elektromotoreinheit ist.
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