Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verstellung der Neigung von Rotorblättern eines Rotors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Fahrzug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 12.

Die Blattneigung eines Propellers ist meist auf eine bestimmte Drehzahl und eine bestimmte Luftstromgeschwindigkeit ausgelegt und optimiert. Zusätzlich wird meist aufgrund der mit dem Radius des Propellers veränderlichen Relativgeschwindigkeit zu den umgebenden Luftmassen sowohl die Blattneigung als auch das Blattprofil eines Propellers von innen nach außen kontinuierlich flacher. Jedoch sinkt die Effizienz außerhalb des optimalen Geschwindigkeits- und Drehzahlbereichs der Rotorblätter bzw. Rotorkonfiguration ab. Aus dem Stand der Technik sind Verstellpropeller bekannt, die es erlauben, die Blattneigung der Rotorblätter kollektiv entweder einmalig vor dem Betrieb oder kontinuierlich während des Betriebs zu verändern und ermöglichen derart einen effizienteren Betrieb des Propellers über einen größeren Geschwindigkeits- und Drehzahlbereich. Je nach Auslegung des Blattneigungsbereichs kann mit einem Verstellpropeller auch ein Umkehrschub erzeugt werden und in manchen Fällen, beispielsweise bei einem Segelflugzeug mit Hilfsmotor oder mehrmotorigen Propellermaschinen, können derart die Rotorblätter verstellt werden, sodass diese eine sogenannte „Segelstellung" einnehmen können, um den Luftwiderstand bei Triebwerksausfall oder im Gleitflug zu verringern. Aus der EP 3305657 A1 ist beispielsweise ein elektrischer Verstellpropeller mit rotierendem Stellmotor und Schleifkontakten bekannt.

Weiters sind aus dem Stand der Technik sogenannte Verstellrotoren bekannt, die beispielsweise bei Hubschraubern eingesetzt werden. Eine breite Anwendung bei Verstellrotoren findet die sogenannte Taumelscheibe, die eine mechanische Anordnung zur zyklischen Verstellung der Blattneigung von Rotoren ermöglicht. Diese Veränderung der Blattneigung während eines Rotorumlaufes ermöglicht zum Beispiel bei Hubschraubern, dass Nick- sowie Rollmomente induziert und damit eine Flugrichtung eingeleitet werden kann. In der jüngeren Zeit propagieren die Entwicklungen eine individuelle Ansteuerung von einzelnen Rotorblättern durch mitrotierende hydraulische oder elektrische Aktuatoren. Ein aus dem Stand der Technik bekannter Taumelscheibenmechanismus wird beispielsweise in der US 1828783 offenbart. Weiters wird in der EP 2692635 A1 eine Vorrichtung offenbart, mit der die Rotorblätter unabhängig voneinander mittels hydraulisch betätigter Steuerstangen verstellt werden können. Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen ist es, dass diese meist einen komplizierten Aufbau aufweisen und die Verstellung der Blattneigung der einzelnen Rotorblätter bzw. der Propeller mechanisch aufwendig sind oder eine Vielzahl von hochbelasteten mechanischen Elementen aufweisen und daher wartungsintensiv sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Verstellung der Neigung von Rotorblättern eines Rotors bereitzustellen, die einen einfachen und platzsparenden Aufbau ermöglicht und mit einer geringen Anzahl von Bauelementen auskommt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass das Steuerelement mit dem Hauptrotor um die Hauptachse mitrotierbar ist, dass das Steuerelement derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass durch den Steuerantrieb zwischen dem Hauptrotor und dem Steuerelement ein aufgebrachtes Differenzdrehmoment um die Hauptachse aufbringbar ist, sodass die Blattneigung zumindest eines der Rotorblätter in der Blattachse bei Anliegen eines Differenzdrehmoments zwischen dem Hauptantrieb und dem Steuerantrieb über das Steuerelement verstellbar ist, und dass die Vorrichtung eine Steuer- und Regeleinheit aufweist, mit der der Steuerantrieb ansteuerbar ist und mittels der ein positives oder negatives Differenzdrehmoment zwischen dem Hauptantrieb und dem Steuerantrieb an dem Steuerantrieb vorgebbar ist.

Durch die erfindungsgemäßen Merkmale ist es möglich, über den Steuerantrieb ein Differenzdrehmoment zwischen dem Hauptrotor und dem Steuerelement aufzubringen, sodass durch dieses Differenzdrehmoment das Steuerelement relativ zum Hauptrotor verdreht wird. Die Verdrehung wird dann über das Steuerelement an die Rotorblätter übertragen, sodass deren Neigung oder die Neigung eines einzelnen Rotorblatts in der Blattachse verstellt wird. Die Verstellung der Neigung in der Blattachse bewirkt unterschiedliche Strömungsverhältnisse entlang des Rotorblatts und kann so je nach Flugbetrieb die Flugeigenschaften optimiert werden. Weiters wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung ein einfacher Aufbau erreicht, der einfach gewartet werden kann und eine breite Anwendung ermöglicht. Weiters müssen die mechanischen Steuerkräfte, der hydraulische Steuervordruck oder der elektrische Steuerstrom nicht über eine Schnittstelle mit hoher Relativgeschwindigkeit übertragen werden, und so wird eine Berührungslose, effiziente, schnelle sowie auch eine individuelle Anlenkung der Rotorblätter ermöglicht und bisher sehr komplexe Doppelrotorkonfigurationen erheblich vereinfacht.

Das Gegenmoment zu der auf die Blattachse übertragenen steuernden Drehmomentdifferenz generiert sich entweder aus aerodynamischen Kräften resultierend aus einer asymmetrischen Blattachse, Reibung in der Blattlagerung, einer Rückstellfeder oder einer gespiegelten Konfiguration.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen werden durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche definiert:

Um das Differenzdrehmoment einfach über das Steuerelement an die Rotorblätter übertragen zu können, kann vorgesehen sein, dass das Steuerelement einen Hebelmechanismus, ein Getriebe oder Umlenkgetriebe, insbesondere ein Kegelradgetriebe, aufweist, über das das Differenzdrehmoment zwischen dem Steuerantrieb und dem Hauptantrieb als Drehmoment auf die Rotorblätter zur Einstellung der Neigung der Rotorblätter in der Blattachse aufbringbar ist. Durch die Übertragung des Differenzdrehmoments mittels eines Getriebes oder Umlenkgetriebes kann die Umlenkung des Differenzdrehmoments aus der Hauptachse in die Blattachse der Rotorblätter einfach erzielt werden.

Eine besonders einfache Ausführung des Steuerantriebs sieht vor, dass der Steuerantrieb als Elektromotor ausgebildet ist, dessen Stator an der Hauptachse, insbesondere koaxial zum Hauptantrieb, angeordnet ist, wobei der Rotor des Steuerantriebs mit dem Steuerelement drehmomentübertragend verbunden ist und mittels des Rotors des Steuerantriebs ein Verstelldrehmoment über das Steuerelement auf die Rotorblätter aufbringbar ist. Vorteilhaft kann dabei der Steuerantrieb als Gleichstrommotor mit einer Steuereinheit als Vierquadrantensteller ausgeführt sein, sodass insbesondere bei Kommandierung einer negativen Drehmomentdifferenz durch Rekuperation Energie ins System zurückgespeist werden kann.

Um die Position des Hauptrotors und des Steuerelements bzw. des Steuerantriebs einfach erfassen und besonders präzise regeln zu können, kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zumindest zwei Winkelgeber aufweist wobei die Winkelgeber derart angeordnet sind, dass die Winkelposition des Hauptrotors sowie des Steuerelementes mit je einem Winkelgeber erfassbar und an die Steuer- und Regeleinheit überbermittelbar ist, sodass mittels der Steuer- und Regeleinheit die Winkelposition zwischen Hauptrotor und Steuerelement, über die Regelung der Drehmomentdifferenz zwischen Hauptrotor und Steuerelement vorgebbar ist.

Um eine vollständige Entkopplung der Neigung der Rotorblätter des Hauptantriebs zu verhindern und eine maximale Verstellung der Neigung zu erreichen, kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine zwischen dem Hauptrotor und dem Steuerelement angeordnete Neigungsbegrenzungseinheit aufweist, wobei die Neigung der Rotorblätter in der Blattachse mittels der Neigungsbegrenzungseinheit begrenzbar ist, wobei die Neigungsbegrenzungseinheit insbesondere als Anschlag oder Koppelelement oder Feder, insbesondere Rückstellfeder, ausgebildet ist. Durch die Neigungsbegrenzungseinheit kann derart beispielsweise ein maximaler Neigungswinkel der Rotorblätter vorgegeben werden, sodass beispielsweise beim Ausfall der Antriebe eine sogenannte Autorotationsstellung oder Sicherheitsstellung eingenommen werden kann. Weiters können derart auch Strömungskräfte, die während des Betriebs der Vorrichtung auftreten, nur zu einer voreingestellten maximalen Neigung führen und derart negatives Flugverhalten verringern.

Eine einfache Möglichkeit zur Verstellung mehrerer Rotorblätter über das Steuerelement wird bereitgestellt indem der Steuerantrieb zumindest einen Hebelmechanismus aufweist, wobei der Hebelmechanismus ein Hebelelement umfasst, das zwischen dem Steuerelement und dem jeweiligen Rotorblatt angeordnet ist, wobei das Hebelelement über eine Blattverstellstange mit dem jeweiligen Rotorblatt verbunden ist, wobei das Hebelelement derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die Blattneigung der Rotorblätter in der Blattachse bei Anliegen eines Differenzdrehmoments zwischen dem Hauptantrieb und dem Steuerantrieb über das Steuerelement und den Hebelmechanismus verstellbar ist.

Insbesondere bei Hubschraubern oder Flugzeugen wird gefordert, dass die meisten Systeme doppelt vorgesehen sind. Dies wird durch eine Ausführungsform bereitgestellt, indem der Steuerantrieb mehrfach, insbesondere doppelt, redundant, vorzugsweise in Bezug auf die Blattachse gespiegelt, in der Vorrichtung ausgebildet ist.

Eine optionale Ausbildung des Steuerantriebs sieht vor, dass der Steuerantrieb versetzt, insbesondere parallel, zur Hauptachse angeordnet ist, wobei die Rotation über eine Getriebestufe, die zwischen dem Steuerantrieb und dem Steuerelement zur Umlenkung und Übertragung des Drehmoments angeordnet ist, auf das Steuerelement übertragbar ist. Eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung, die insbesondere bei Wasserfahrzeugen Anwendung findet, sieht vor, dass der Hauptrotor in einem zylinderförmigen Ring angeordnet ist und die Rotorblätter sich in Richtung des Zentrums des Rings zur Hauptachse hin erstrecken, wobei die Vorrichtung insbesondere als Ringpropeller oder Ringturbine ausgebildet ist.

Eine optionale Ausführungsform der Vorrichtung wird bereitgestellt, indem der Steuerantrieb als Elektromotor ausgebildet ist, wobei der Stator des Steuerantriebs insbesondere koaxial zur Hauptachse des Hauptrotors angeordnet ist, wobei der Steuerantrieb eine Anzahl von unabhängig voneinander ansteuerbaren Wicklungen aufweist, wobei eine der Anzahl der Rotorblätter entsprechende Anzahl von Steuerelementen über den Umfang des Stators des Steuerantriebes angeordnet sind, wobei die Steuerelemente jeweils einen entlang des Umfangs des Steuerantriebs bewegbaren, segmentierten, sich jeweils entlang eines Umfangsabschnittes des Steuerantriebes erstreckenden Rotor aufweist, wobei die jeweiligen Rotoren relativ zueinander entlang des Umfangs des Steuerantriebes bewegbar ausgebildet sind, wobei jedes Steuerelement jeweils derart mit dem jeweiligen Rotorblatt über ein Getriebe oder Umlenkgetriebe, insbesondere einem Kegelradgetriebe, verbunden ist, dass die Neigung der Rotorblätter in der jeweiligen Blattachse unabhängig voneinander verstellbar ist, und wobei die Steuer- und Regeleinheit derart ausgebildet ist, dass die einzelnen Spulen des Steuerantriebs unterschiedlich durch die Steuer- und Regeleinheit ansteuerbar sind, sodass entlang des Umfangs des Steuerantriebs für jedes Steuerelement ein unterschiedliches Differenzdrehmoment zwischen dem jeweiligen Steuerelement und dem Hauptrotor aufbringbar ist, sodass in jedem beliebigen Umfangabschnitt des Steuerantriebs die Neigung der Rotorblätter unabhängig von den jeweils anderen Rotorblättern einstellbar ist. Durch die zueinander beweglichen Steuerelemente ist es möglich die einzelnen Steuerelemente und damit die Rotorblätter unabhängig von den anderen Rotorblättern zu verstellen. So können gleichzeitig über die Ansteuerungen der einzelnen Wicklungen die jeweiligen Steuerelemente unabhängig zu einander verstellt werden. Weiters wird durch die Ausbildung des Steuerantriebs als Elektromotor eine sehr kompakte und energiesparende Ausbildung der Verstellung für einzelne Rotorblätter ermöglicht, die auch besonders effektiv arbeitet.

Um mehrere Rotorblätter unterschiedlich verstellen bzw. die Neigung der Rotorblätter entlang einer Umdrehung des Hauptrotors unterschiedlich einstellen zu können, kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung jeweils eine den Rotorblättern entsprechende Anzahl von Steuerantrieben aufweist, wobei jeweils ein Steuerantrieb jeweils über ein, insbesondre gleich ausgebildetes, Steuerelement mit jeweils einem Rotorblatt verbunden ist, wobei bei Anliegen eines Differenzdrehmoments zwischen dem Hauptantrieb und dem jeweiligen Steuerantrieb die Neigung des jeweils mit diesem Steuerantrieb verbundenen Rotorblatts verstellbar ist.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Fahrzeugen, insbesondere Landfahrzeugen, Luftfahrzeugen oder Wasserfahrzeugen, verwendet wird. Hierzu umfasst das entsprechende Fahrzeug zumindest eine erfindungsgemäße Vorrichtung.

Eine optionale Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugs wird bereitgestellt, indem das Fahrzeug zumindest zwei erfindungsgemäße Vorrichtungen umfasst, wobei die Vorrichtungen koaxial an einer gemeinsamen Rotorachse hintereinander angeordnet sind und insbesondere als gegenläufige Propeller oder gegenläufige Dual-Rotor-Konfiguration ausgebildet sind.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.

Die Erfindung ist im Folgenden anhand von besonders vorteilhaften aber nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhaft beschrieben:

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in isometrischer Ansicht, Fig. 2 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht der Ausführungsform gemäß Fig. 1 , Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform zur individuellen Verstellung der Blattneigung für zwei oder mehr Rotorblätter, Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung zu Verstellung der Blattneigung der Rotorblätter mittels eines Hebelelements, Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit versetzt angeordnetem Steuerantrieb, Fig. 6 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit redundanten Steuerelementen und Steuerantrieben, Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung als Doppelrotorkonfigurationen, Fig.8 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung als Ringpropellerkonfiguration und Fig.9 und Fig.10 eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung zur individuellen Blattverstellung. In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verstellung der Neigung von Rotorblättern 9 eines Rotors dargestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Hauptantrieb 2 mit einem Hauptrotor 3, der um eine Hauptachse 1 durch den Hauptantrieb 2 angetrieben wird, sodass der Hauptrotor 3 um die Hauptachse 1 rotiert. Der Hauptantrieb 2 kann beispielsweise ein Elektromotor, Hydraulikmotor oder ein durch eine Turbine angetriebener Antrieb sein und weist eine Hauptregeleinheit 11 auf, die den beispielsweise als Rotor oder Propeller ausgebildeten Hauptrotor 3 in eine Drehbewegung um die Hauptachse 1 antreibt. An dem Hauptrotor 3 sind eine Anzahl von Rotorblättern 9, bei dieser Ausführungsform drei Rotorblätter 9, angeordnet, deren jeweilige Blattachse 7 im rechten Winkel zur Hauptachse 1 des Hauptantriebs 2 angeordnet ist. Die Rotorblätter 9 sind rechtwinkelig zur Hauptachse 1 des Hauptantriebs

2 in einer gemeinsamen Ebene angeordnet und über den Umfang des Hauptrotors 3 gleichmäßig verteilt angeordnet. Die Rotorblätter 9 sind jeweils mit ihrer Blattachse 7 in einem Lager 6 gelagert, sodass die Rotorblätter 9 in der Blattachse 7 verkippt bzw. verdreht werden können. Koaxial zum Hauptantrieb 2 ist ein Steuerantrieb 4 auf der Hauptachse 1 angeordnet, der mit den Rotorblättern 9 mechanisch über ein Steuerelement 5 verbunden ist, sodass die Rotorblätter 9 durch den Steuerantrieb 4 in der Blattachse 7 verdrehbar bzw. verstellbar sind.

Wie in Fig. 2 dargestellt, ist der Steuerantrieb 4 als Elektromotor ausgebildet, dessen Stator 41 an der Hauptachse 1 des Hauptantriebs 2 angeordnet ist. Der Rotor 42 des Steuerantriebs 4 ist über das Steuerelement 5 mit den Rotorblättern 9 verbunden, wobei das Steuerelement 5 ein Kegelradgetriebe 8 aufweist. Das Kegelradgetriebe 8 besteht aus einem Tellerrad 81 und drei segmentierten Kegelrädern 82. Die segmentierten Kegelräder 82 sind jeweils in der Blattachse 7 mit einem der Rotorblätter 9 drehbar verbunden, sodass die relative Verdrehung des Tellerrads 81 zum Hauptrotor 3 zu einer Verstellung der Blattneigung der Rotorblätter 9 in der Blattachse 7 führt und derart der sogenannte Pitch verstellt werden kann.

Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, rotiert das Steuerelement 5 mit dem Hauptrotor 3 um dessen Hauptachse 1 mit, sodass die Neigung der Rotorblätter 9 konstant bleibt. Wird nun zwischen dem Hauptantrieb 2 und dem Steuerantrieb 4 ein Differenzdrehmoment aufgebracht, bewirkt dies eine relative Verstellung des Steuerelements 5 zum Hauptrotor

3 in der Hauptachse 1 , sodass das Tellerrad 81 relativ zum Hauptrotor 3 verdreht wird und die segmentierten Kegelräder 82 um die Blattachse 7 verdreht werden und so die Rotorblätter 9 jeweils in der Blattachse 7 verdrehen bzw. verstellen. Der Steuerantrieb 4 weist weiters eine Steuer- und Regeleinheit 10 auf, die den Steuerantrieb 4 ansteuert und mittels der ein positives oder ein negatives Differenzdrehmoment zwischen dem Hauptantrieb 1 und dem Steuerantrieb 4 bzw. an dem Rotor 42 des Steuerantriebs 4 vorgegeben bzw. aufgebracht werden kann.

Die Vorrichtung weist weiters zwei Drehgeber 13, 14 auf, die mit dem Steuerelement 10 verbunden sind und entsprechend interner Kennwerte des Steuerelements 10, beispielsweise über eine Momentanstrom- oder Phasenversatzsteuerung, eine definierte Drehmomentdifferenz zwischen dem Hauptrotor 3 und dem Steuerelement 5 eingebracht oder auf einen gewünschten Winkelversatz in Bezug auf den Hauptrotor 3 hin geregelt werden kann.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung abgebildet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zwei Steuerantriebe 4a und 4b auf, wobei jeweils einer der Steuerantriebe 4a und 4b mit jeweils einem der Rotorblätter 9 über ein jeweiliges Steuerelement 5a, 5b verbunden ist. Wie zu Fig. 1 und 2 beschrieben, sind die Steuerantriebe 4a, 4b jeweils als Elektromotoren ausgebildet, wobei deren Rotor 42a, 42b jeweils mit einem zueinander entkoppelten Kegelradgetriebe 8 mit dem jeweiligen Rotorblatt 9 verbunden sind. So können über die Steuerantriebe 4a, 4b die Rotorblätter 9 bzw die Kegelradgetriebe 8 unabhängig voneinander angesteuert werden, sodass die einzelnen Rotorblätter 9 individuell und unabhängig voneinander in der Blattachse 7 verstellt werden können. So kann beispielsweise bei einem Hubschrauber die Blattneigung der Rotorblätter 9 für jedes Rotorblatt 9 unterschiedlich eingestellt und derart ein vorteilhaftes Flugverhalten erreicht werden. Für jeden der Steuerantrieben 4a, 4b ist jeweils ein Drehgeber 13 vorgesehen, dessen Messwerte an die Steuer- und Regeleinheit 10 übermittelt wird und derart durch die Steuer- und Regeleinheit 10 die als Elektromotoren ausgebildeten Steuerantriebe 4a, 4b geregelt bzw. eingestellt werden können. So kann beispielsweise durch das Steuerelement 10 an dem Steuerantrieb 4a ein unterschiedliches Differenzdrehmoment zum Hauptrotor 3 als am Steuerantrieb 4b aufgebracht werden, wodurch über das Kegelradgetriebe 8a eine unterschiedliche Blattneigung des mit dem Steuerantrieb 4a verbundenen Rotorblatts im Gegensatz zu dem mit dem Steuerantrieb 4b verbundenen Rotorblatts 9 eingestellt werden kann. So können beispielsweise über einen Umlauf des Hauptrotors 3 die Rotorblätter 9 unabhängig voneinander in der Blattachse 7 verstellt werden und dabei vorteilhafte Strömungsverhältnisse an den Rotorblättern 9 in unterschiedlichen Umlaufabschnitten des Hauptrotors 3 erreicht werden. Die jeweiligen Steuerantriebe 4a, 4b bzw. deren Steuerelemente 5a, 5b mit den Kegelradgetrieben 8a, 8b rotieren jeweils mit dem Hauptantrieb 2 mit und bewirken erst bei einer Aufbringung eines Differenzdrehmoments zum Hauptantrieb 2 bzw. zum Hauptrotor 3 eine Verstellung der Blattneigung der Rotorblätter 9.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die Steuerelemente 5a, 5b weisen jeweils neben dem Kegelradgetriebe 8a, 8b einen Hebelmechanismus auf, der jeweils das Kegelradgetriebe 8a, 8b mit den Rotorblättern verbindet. Der Hebelmechanismus weist jeweils ein Hebelelement 21 auf, das eine Blattverstellstange 22 jeweils in Richtung der Hauptachse 1 des Hauptrotors 3 verstellt und derart die Blattneigung der Rotorblätter 9 verstellen kann. So kann vorteilhaft der Höhenunterschied durch die gestapelten Steuerantriebe 4a, 4b ausgeglichen werden und derart ein kompakter und einfacher Aufbau bereitgestellt werden. Wird also ein Differenzdrehmoment zwischen dem Hauptantrieb 2 und dem Steuerantrieb 4a, 4b aufgebracht, werden die jeweiligen Hebelelemente 21 über die Kegelradgetriebe 8a, 8b in den jeweiligen Lagerungen 23a, 23b verdreht und derart die jeweilige Blattverstellstange 22 in Richtung der Hauptachse 1 verschoben, sodass die mit den Rotorblättern 9 verbundenen Blattverstellstangen 22 jeweils eine Verstellung der Blattneigung der Rotorblätter 9 bewirken. Wird an den jeweiligen Steuerantrieben 4a, 4b ein gleiches Differenzdrehmoment zum Hauptrotor 3 aufgebracht, wird die Blattneigung der Rotorblätter 9 jeweils gemeinsam bzw. gleich verstellt. Weiters kann bei Aufbringen eines unterschiedlichen Drehmoments zwischen dem Hauptantrieb 2 und dem jeweiligen Steuerantrieb 4a, 4b eine unterschiedliche Verstellung der Blattneigung der Rotorblätter 9 erzielt werden.

In Fig. 5 ist eine alternative Ausbildung des Steuerantriebs 4 dargestellt. Der Steuerantrieb 4 ist wiederum als Elektro- oder Hydraulikmotor ausgebildet, der parallel zur Hauptachse 1 des Hauptantriebs 2 neben der Hauptachse 1 angeordnet ist. Zwischen dem Steuerantrieb 4 und dem Kegelradgetriebe 8 ist eine weitere Getriebestufe 23 angeordnet, die beispielsweise als Zahnradgetriebe oder Zahnriementrieb ausgebildet sein kann. Über die Getriebestufe 23 wird sodann das Differenzdrehmoment zwischen dem Steuerantrieb 4 und dem Hauptantrieb 2 an das Kegelradgetriebe 8 bzw. das Steuerelement 5 abgegeben und so eine alternative Verstellung der Blattneigung der Rotorblätter 9 in der Blattachse 7 erreicht.

Wie in Fig. 6 dargestellt, kann der Steuerantrieb 4, das Steuerelement 5, das Getriebe und andere teile auch doppelt bzw. redundant ausgebildet sein, sodass zwei Steuerantriebe 4a, 4b jeweils die Blattneigung der Rotorblätter 9 gemeinsam über die jeweiligen Steuerelemente 5a, 5b verstellen oder der Steuerantrieb 4b beispielsweise beim Ausfall des Steuerantriebs 4a dessen Aufgabe übernehmen kann. Die gleichartig ausgebildeten Steuerantriebe 4a, 4b sind dabei, wie in Fig. 6 dargestellt, in der Hauptachse 1 bezüglich der Blattachse 7 der Rotorblätter 9 gespiegelt angeordnet und bewirken derart einen einfachen und kompakten Aufbau bei wie im Flugbetrieb oft gefordert redundantem bzw. doppeltem Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In Fig. 7 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung als sogenannter Doppelrotor dargestellt. Die Ausführungsform umfasst zwei Hauptantriebe 2a, 2b, die an einer gemeinsamen Hauptachse 1 angeordnet sind. Jeder Hauptantrieb 2a, 2b weist eine Anzahl von Rotorblättern 9a, 9b auf, die über ein Steuerelement 5a, 5b jeweils in der Blattachse 7a, 7b verdreht werden können. Der Aufbau der als Doppelrotor ausgebildeten Vorrichtung kann dabei für jeden Hauptantrieb 1 und den dazugehörigen Steuerantrieb bzw. das dazugehörige Steuerelement 5a, 5b entsprechend der Ausführungsformen der Fig. 1 bis 6 ausgebildet sein. Das Differenzdrehmoment zwischen dem Hauptrotor 3 und den Steuerelementen 5a, 5b wird jeweils über ein Kegelradgetriebe 8a, 8b an die Rotorblätter 9a, 9b übertragen, sodass deren Neigung in der jeweiligen Blattachse 7a, 7b verstellt werden kann. Die einzelnen Steuerantriebe 4a, 4b werden jeweils durch eine Steuer- und Regeleinheit 10a, 10b angesteuert und so das Differenzdrehmoment für das jeweilige Steuerelement 5a, 5b aufgebracht.

In Fig. 8 ist eine weitere optionale Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung abgebildet. Die Vorrichtung ist dabei als sogenannter Ringpropeller ausgebildet, bei dem sich die Rotorblätter 9 in Richtung der Hauptachse 1 nach innen erstrecken. Die Vorrichtung weist dabei einen zylinderförmigen Ring 30 auf, an dem der Stator 24 des Hauptantriebs angeordnet ist. Der Steuerantrieb 4 ist ebenfalls an dem Ring 30 angeordnet, sodass der Stator 41 des Steuerantriebs 4 ebenfalls an dem Ring 30 in Bezug auf die Hauptachse 1 weiter unten zum Stator 24 des Hauptantriebs 2 angeordnet ist. Das Steuerelement 9 ist entsprechend der Ausführungsformen in Fig. 1 bis 6 ausgebildet, wobei bei der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform das Steuerelement 5 über ein Umlenkgetriebe bzw. ein Kegelradgetriebe 8 das zwischen dem Steuerelement 5 und dem Hauptrotor 3 aufgebrachten Differenzdrehmoment an die Rotorblätter 9 überträgt. Die in Fig. 8 dargestellte Ausführungsform wird üblicherweise auch als Ringpropeller oder Ringturbine bezeichnet, wobei auch andere, aus dem Stand der Technik bekannte Anordnungen der Rotorblätter 9 mit nach innen zeigenden bzw. weisenden Rotorblättern 9, entsprechend der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform, mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verwirklicht werden können.

Optional kann, wie in den Fig. 1 bis 6 dargestellt, dass der Ausschlag des Steuerelements 5 mittels einer Neigungsbegrenzungseinheit 12 begrenzt wird, sodass die Neigung der Rotorblätter 9 in der Blattachse 7 jeweils nur in einem begrenzten Umfang verstellt werden kann. So kann beispielsweise die Neigungsbegrenzungseinheit 12 mittels eines in Fig. 1 dargestellten Anschlags ausgebildet sein, der die Verdrehung des Tellerrads 81 relativ zum Hauptrotor 3 begrenzt. Alternativ kann die Neigungsbegrenzungseinheit 12 auch mittels eines Koppelelements ausgebildet sein und beispielsweise, wie in den Fig. 2 bis 6 dargestellt, als Federelement ausgebildet sein, das zwischen dem Hauptrotor 3 und dem Steuerelement 5 angeordnet ist. Wie in den Fig. 3 bis 6 dargestellt, kann die Neigungsbegrenzungseinheit 12 jeweils für jeden Steuerantrieb 4, 4a, 4b vorhanden oder jeweils die Rotorblätter 9 über die Neigungsbegrenzungseinheit 12 mit dem Hauptrotor 3 gemeinsam verbunden sein, sodass jeweils eine minimale bzw. maximale Verstellung der Blattneigung begrenzt werden kann.

Alternativ zu der in Fig. 1 bis 6 dargestellten Ausbildung der Steuerantriebe 4, 4a, 4b, ... als Elektromotoren können die Steuerantriebe 4, 4a, 4b, ... auch als Hydraulik- oder andere aus dem Stand der Technik bekannte Motoren bzw. Antriebe ausgebildet sein. Die Regelung der Blattneigung über die Steuer- und Regeleinheit 10 kann dabei als Constant- Position- oder Constant-Torque-Regelung, als Drehmomentregelung, (Winkel)positionsregelun, insbesondere mit einem FOC Regler oder einer Vektorregelung für Bürstenlose Gleichstrommotoren, ausgeführt werden, sodass je nach Betrieb bzw. Flugbetrieb eine optimale Verstellung der Rotorblätter 9 bewirkt werden kann.

In den Fig. 9 und 10 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die Vorrichtung umfasst dabei einen als Elektromotor ausgebildeten Steuerantrieb 4, dessen Stator 41 koaxial zur Hauptachse 1 des Hauptrotors 3 angeordnet ist. Die Vorrichtung umfasst drei Rotorblätter 9, die jeweils über ein Steuerelement 5 mit dem Steuerantrieb verdrehbar verbunden sind. Die Rotorblätter 9 sind gleichmäßig über den Umfang des Hauptrotors 3 verteilt im Abstand von 120° zueinander angeordnet. Der Steuerantrieb 4 weist dabei eine Anzahl von unabhängig voneinander ansteuerbaren Wicklungen 43 auf, in denen ein jeweils zueinander unabhängiges elektrisches Feld aufgebracht werden kann. Die Steuerelemente 5 sind als Rotorsegmente ausgebildet und sind jeweils zueinander in der Hauptachse 1 verstellbar. Zwischen den Steuerelementen 5 und den Rotorblättern 9 ist jeweils ein Kegelradgetriebe 8 angeordnet, das sowohl einen Teil eines Tellerrads 81 als auch ein segmentiertes Kegelrad 82 umfasst (Fig. 10). Die Steuerelemente 5 weisen jeweils einen sich entlang eines Umfangsabschnitts des Steuerantriebs 4 erstreckenden Rotor 42 auf, auf dem das segmentierte Tellerrad 81 des Kegelradgetriebes 8 angeordnet ist. Die Rotoren 42 erstrecken sich dabei jeweils über einen Umfangabschnitt des Steuerantriebs 4 und sind zueinander relativ entlang des Umfangs des Steuerantriebs 4 verstellbar. In den segmentierten Rotoren 42 sind jeweils ein Teil der Rotormagnete des als Elektromotor ausgebildeten Steuerantriebs 4 angeordnet. Zwischen den einzelnen Steuerelementen 5 ist ein entsprechender Freiraum angeordnet, sodass diese eine Relativposition zueinander in Bezug auf den Hauptrotor 3 einnehmen können. Um die einzelnen Steuerelemente individuell über die Steuer- und Regeleinheit 10 ansteuern zu können, ist es notwendig, dass die einzelnen Statorspulen bzw. Wicklungen 43 einzeln angesteuert werden können. So kann beispielsweise für jedes einzelne Steuerelement 5 ein eigener Regelkreis, der durch die Steuer- und Regeleinheit 10 kontrolliert bzw. zentral gesteuert wird, vorgesehen sein. Wird beispielsweise entsprechend einem Umfangssegment die einzelnen Wicklungen 43 bzw. Spulen angesteuert, so kann für ein einzelnes, segmentiertes Steuerelement 5 ein Differenzdrehmoment zwischen diesem und dem Hauptrotor 3 aufgebracht werden, sodass das jeweilige Steuerelement 5 relativ zum Hauptrotor entlang des Umfangs (Fig. 9) verstellt wird. Durch die Relativverstellung des Steuerelements 5 zum Hauptrotor 3 bzw. den Rotorblättern 9 oder der Blattachse 7 wird das Tellerrad 81 mit dem Steuerelement 5 verstellt und das segmentierte Kegelrad 82 verdreht die Rotorblätter 9 in der Blattachse 7, wodurch die Neigung der Rotorblätter 9 verstellt wird. Über den Umfang des Steuerantriebs 4 können so die Wicklungen 43 unterschiedlich angesteuert werden, sodass in einem beliebigen aus einer bestimmten Anzahl an Statorspulen bestehenden Umfangsabschnitt für jedes einzelne Steuerelement 5 oder je Umfangsabschnitt gemeinsam die Neigung der Rotorblätter 9 verstellt werden kann. So kann beispielsweise bei Hubschraubern je nach Umlauf des Hauptrotors 3 in den unterschiedlichen Umfangsabschnitten des Hauptrotors 3 eine unterschiedliche Blattneigung der Rotorblätter 9 eingestellt werden, sodass der Hubschrauber ein positives Flugverhalten erhält.

Optional kann ein negatives Differenzdrehmoment zwischen dem Hauptrotor 3 und dem Steuerelement 5 auch durch ein Bremsmoment aufgebracht werden, das beispielsweise bei einem Elektromotor im Generatorbetrieb erzeugt wird. So kann beispielsweise auch das negative Drehmoment zur Energiegewinnung genutzt werden und dem System wieder zugeführt oder gespeichert werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise bei Hubschraubern oder auch bei anderen propellergetriebenen Fluggeräten oder bei Propellerantrieben von Landfahrzeugen oder Wasserfahrzeugen sowie auch bei stationären Turbinen- oder Gebläse-Anwendungen Verwendung finden.