Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft den Antrieb von Hubschraubern. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Hauptrotorantrieb für einen Hubschrauber, einen Heckrotorantrieb für einen Hubschrauber, einen Hubschrauber mit einem Hauptrotorantrieb und/oder einem Heckrotorantrieb, die Verwendimg derartiger Antriebe in Hubschraubern sowie ein Verfahren zum Antreiben eines Hauptrotors eines Hubschraubers,

Hintergrund der Erfindung

Heutige Hubschrauber weisen oft eine geringe Effizienz des Antriebssystems auf. Zudem ist der Antrieb oft sehr laut. Die Hauptgetriebe haben ein festes

Übersetzungsverhältnis, sind oft verhältnismäßig teuer und weisen ein begrenztes Drehmomentvermögen auf.

Der Antriebsstrang bekannter Hubschrauber weist eine Verbrennungsmaschine und ein mechanisches Hauptgetriebe auf. Oft werden Turbinenwellenantriebe oder Hubkolbenmotoren verwendet.

Ein Helikopter mit einer Taumel scheibenbetätigungsvorrichtung ist in der

DE 10 2008 028 866 AI sowie in der WO 2009/153236 A2 beschrieben.

Zusammenfassung der Erfindung

Es kann als eine Aufgabe der Erfindung angesehen werden, einen alternativen Antrieb für Hubschrauber bereitzustellen, Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst, Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Hauptrotorantrieb für einen Hubsehrauber (Helikopter) angegeben, der eine elektrische Maschine zum direkten Antrieb des Hauptrotors des Hubsehraubers aufweist, Bei der elektrischen Maschine handelt es sieh um eine Hochdrehmomentmaschine.

Auf diese Weise kann beispielsweise die Drehzahl des Hauptrotors in einem großen Intervall eingestellt werden. Aufgrund der sehr variablen Drehzahl des Rotors kann der Energieverbrauch optimiert werden. Auch können das Leistungs- und

Emissionsverhalten des Hubschraubers optimiert werden. Aufgrund des direkten Antriebs des Rotors können zusätzliche mechanische Elemente wie Kupplung oder Taumelscheibe vereinfacht ausgeführt werden oder gänzlich entfallen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Heckrotorantrieb für einen Hubschrauber angegeben, der ebenfalls eine elektrische Maschine zum direkten Antrieb des Heckrotors des Hubschraubers aufweist, wobei es sich bei der elektrischen Maschine um eine Hochdrehmomenimaschine handelt. Somit ist beispielsweise der Heckrotorantrieb von Hauptrotorantrieb mechanisch entkoppelt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Hubschrauber mit einem oben und im Folgenden beschriebenen Hauptrotorantrieb und/oder einem oben und im Folgenden beschriebenen Heckrotorantrieb angegeben.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Verwendung eines oben und im Folgenden beschriebenen Hauptrotorantriebs und/oder eines oben und im Folgenden beschriebenen Heekrotorantriebs in einem Hubschrauber angegeben. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Antreiben eines Hauptroiors und/oder eines Heckrotors eines Hubschraubers angegeben, bei dem der Hauptrotor und/oder der Heckrotor des Hubschraubers durch jeweils eine entsprechende elektrische Hochdrehmomentmaschine direkt angetrieben wird.

Es kann als ein Kern der Erfindung angesehen werden, class eine elektrische Maschine den Hauptrotor bzw. den Heckrotor direkt antreibt. Auf diese Weise ist es prinzipiell möglieh, die elektrische Maschine zusammen mit dem entsprechenden Rotor zu bewegen, beispielsweise zu verkippen, Da der Antrieb eines jeden Rotors durch eine elektrische Maschine erfolgt, können die Drehzahlen in einem großen Drehzahlbereich variiert werden. Eine Kupplung ist nicht erforderlich,

Die Rotoren können also mit elektrischen Hochdrehmomentmaschinen angetrieben sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiei der Erfindung handelt es sich bei der elektrischen Hochdrehmomentmaschine um einen trägheitsarmen Direktantrieb mit hoher Leistungsdichte. Ein Beispiel für einen solchen Direktantrieb ist in der DE 10 2007 013 732 AI beschrieben.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Rotoren dieser elektrischen Maschinen scheibenförmig. Die Maschinen können hochredundant ausgeführt sein. Hierfür kann eine Vielzahl von Statoren und Rotoren axial angeordnet sein. Diese axial angeordneten Statoren und Rotoren können mit der Hauptrotorwelle bzw. dem Heckrotorkranz oder der Heckrotorwelle verbunden sein. Weiterhin können, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, die Spulen der Statoren unterteilt und von zugeordneten einzelnen Leistungselektroniken versorgt werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der

Hauptrotorantrieb weiterhin eine Lagerungsvorrichtung zum gelenkigen Befestigen der elektrischen Maschine an einer Hubschrauberzelle (also der tragenden Struktur des Hubschraubers, beispielsweise im Bereich des Kabinendaches) auf, so dass die elektrische Maschine zusammen mit dem Hauptrotor relativ zu der

Hubschrauberzelle verschwenkbar ist.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die

Lagerungsvorrichtung als Kipplagerangsvorrichtung mit einem Kipplager und einem Kippaktuator ausgeführt. Dadurch ist es möglich, dass Motor und Rotor zusammen um eine Achse gekippt werden. Bei dieser Achse kann es sich beispielsweise um eine Achse handeln, die quer zur Längsachse des Hubschraubers steht, so dass Motor und Rotor nach vorne und nach hinten gekippt werden können. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die

Lagerungs Vorrichtung als kardanische Lagerungsvorrichtimg ausgeführt. Auf diese Weise ist es möglich, dass der Rotor in sämtliche Richtungen verkippt werden kann.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die

Lagerungsvorrichtung zur Erregung einer spezifischen Schwingungsmode der elektrischen Maschine derart ausgeführt, dass eine gegenphasige Schwingung erzeugbar ist, durch welche eine ursprüngliche Schwingung auslöschbar ist. Auf diese Weise können ungewünschte Vibrationen kompensiert werden. Gemäß einem weiteren Ausiührungsbeispiel der Erfindung weist der

Hauptrotorantrieb eine aktive Klappensteuerung zur Minderung von Vibrationen des Hauptrotors und/oder zur Primärsieuerung des Hubschraubers auf. Unter der aktiven Klappensteuerung ist hierbei die Einheit aus Steuerungselektronik und aerodynamischen Steuerungselementen (Klappen) zu verstehen. Entsprechend weisen die Roterblätter des Hauptroiors Servoklappen auf, weiche durch die Steuerelektronik aktiv angesteuert, werden können.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Hubschrauber neben dem Hauptrotorantrieb und/oder dem Heckrotorantrieb eine Motor-Generator- Einheit auf, welche zur Erzeugung von elektrischer Energie zum Betreiben der elektrischen Maschine vorgesehen ist.

Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist diese Motor- Generator-Einheit unter der Kabine, z.B. einem Kabinenboden des Hubschraubers angeordnet; sie kann jedoch auch über der Kabine angeordnet sein.

Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung kann die elektrische Hochdrehmomentmaschine zusammen mit dem Hauptrotor während des Fluges des Hubschraubers relativ zu der Hubschrauberzelle verschwenkt werden.

Gemäß weiterer Ausfühnmgsbeispiele der Erfindung ist der Heckrotorantrieb um eine vertikale Achse verschwenkbar ausgebildet bzw. kann um diese verschwenkt werden, zur Erzielung einer Vektorsteuerung und/oder Bereitstellung einer

Vortriebskomponente.

Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren Ausfühnmgsbeispiele der Erfindung beschrieben. Kurze Beschreibung der Figuren

Fig. 1 zeigt eine elektrische Maschine für einen Hauptrotorantrieb gemäß einem

Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung. Fig. 2 zeigt einen Hubschrauber mit einem Hauptrotorantrieb in einem

Heckrotorantrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig, 3 zeigt eine Lagerungsvorrichtung eines Hauptrotorantriebs gemäß einem

Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 4 zeigt eine Klappensteuerung gemäß einem Ausführangsbeispiel der

Erfindung.

Fig, 5 zeigt die Anordnung von Systemkomponenten gemäß einem

Ausfuhrangshei.spie.1 der Erfindung.

Fig. 6A zeigt einen Hauptrotorantrieb gemäß einem Ausführangsbeispiel der

Erfindung.

Fig. 6B zeigt eine weitere Darstellung des Hauptrotorantriebs der Fig. 6A. Fig. 6C zeigt eine Schnittdarstellung des Hauptrotorantriebs der Fig. 6A. Fig. 7 zeigt einen Heckrotoranirieb gemäß einem Ausführangsbeispiel der

Erfindung,

Fig. 8 zeigt eine Schnittdarstellung eines Teils des Heekrotorantriebs der Fig. 7, zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem

Ausführungsbeispiel der Erfindung. Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. In der folgenden Figiirenbeschreihimg werden für die gleichen oder ähnlichen Elemente die gleichen Bezugsziffern verwendet.

Fig. 1 zeigt eine elektrische Maschine 100 (Elektromotor) für einen

Hauptrotorantrieb eines Hubschraubers. Der Hauptrotor oder der Heckrotor können direkt mit einer solchen elektrischen Hochdrehmomentmaschine angetrieben werden. Die Rotoren einer solchen elektrischen Maschine sind beispielsweise scheibenförmig ausgestaltet. Die elektrische Maschine kann hochredundant ausgeführt sein. Hierfür wird eine Vielzahl von Statoren und Rotoren axial angeordnet und mit der

Hauptrotorwelle bzw. dem Heckrotorkranz, verbunden. Dies ist beispielsweise in Fig. 2 zu sehen, welche die Anordnung der elektrischen Maschinen für Haupt- und Heckrotor zeigt.

Eine erste elektrische Maschine des Hauptrotorantriebs 600 ist direkt mit dem Hauptrotor 202 des Hubschraubers 200 verbunden. Der Hauptrotor 202 weist im Beispiel der Fig. 2 vier einzelne Rotorblätter 201 auf.

Weiterhin ist im Heck des Hubschraubers eine zweite elektrische Maschine vorgesehen, welche direkt mit dem Heckrotorkranz verbunden ist und ein

eigenständiges Modul 700 ausbildet.

Der Hauptrotorantrieb 600 ist über eine entsprechende Lagerung mit der

Hubschrauberzelle 305 verbunden. Die Spulen der Statoren können unterteil sein und von entsprechend zugeordneten einzelnen Leistungselektroniken versorgt werden.

Die Trennung von Energieerzeugung und Rotorenantrieb erl ubt eine größere Flexibilität der Architektur. Die aufwändig zu lagernde Heckrotorwelle entfällt. Bei einer Fenestron-Anordnung unterbleibt zudem die Störung der Rotoranströmung durch die Welle. Die Höhenposition des Heckrotors ist zudem frei wählbar.

Der Wegfall der starren Anbindung des Rotorantriebs an die Hubschrauberzelle 305 erlaubt, es, den Rotormast samt der elektrischen Maschine und damit den

Schubvektor nach Bedarf in Längsrichtung des Hubschraubers 203 (also um die Querachse 204) zu schwenken. Hierdurch können beim Vorwärtsflug die normalerweise erforderliche große, widerstandserhöhende Anstellung des Rumpfes sowie die damit verbundenen hohen Blattwurzel-Schlagbiegemomente vermieden werden. Hierzu wird die elektrische Maschine gelenkig auf dem Kabinendach gelagert. Dies ist beispielsweise in Fig. 3 gezeigt.

An dem Kabinendach 305 (Hubschrauberzelle) ist ein Kipplager 301, das beispielsweise aus einer Querachse 306 und entsprechenden seitlichen

Aufhängungen 307 besteht (wobei in der Fig. 3 nur eine der beiden seitlichen Aufhängungen zu sehen ist), angebracht.

Die elektrische Maschine 100 ist an der Querachse 306 aufgehängt und kann um diese Querachse verkippt werden. Der Rotormast 308 wird durch die elektrische Maschine 100 in Rotation versetzt und wird ebenfalls zusammen mit der elektrischen Maschine 100 um die Achse 306 verkippt. Um das Verkippen zu steuern, ist zumindest ein ippaktuator 303 vorgesehen, welcher über die Aufhängung 304 mit dem Kabinendach 305 und über die

Aufhängung 302 mit dem Gehäuse der elektrischen Maschine 100 verbunden ist. Der Kippwinkel bewegt sich beispielsweise zwischen 0 Grad und etwa 15 Grad nach vorne (und/oder hinten). Er kann nach Bedarf auch vergrößert werden. Auch ist es möglieh, eine kardanische Aufhängung der Rotor-/' Antriebseinheit vorzu sehen, so dass die elektrische Maschine 100 zusammen mit dem iiaupirotor in alle Richtungen verkippt werden kann.

Die widerstandsärmste Anstellung des Hubschrauberrumpfes wird durch ein Ruder am Höhenleitwerk ermöglicht. Bei konventioneller Konfiguration würde dies hohe Mastmomente hervorrufen, welche durch das Nach- Vorne-Kippen des Rotors vermieden werden können,

Zur Reduzierung der vom Rotor auf die elektrische Maschine übertragenen

Schwingungen können die Kippaktuatoren und Kipplager als aktive dynamische Komponenten mit hoher dynamischer Bandbreite vorgesehen sein, Sie erregen spezifische Schwingungsmoden des Motors in einer Weise, dass eine gegenphasige Schwingung entsteht, welche die ursprüngliche Schwingung auslöschen kann.

Die Vibrationserzeugung des Rotors kann durch eine aktive Klappensteuerung zusätzlich gemindert werden. Fig. 4 zeigt eine solche Klappensteuerung, Diese kan zur Vibrationsdämpfung oder zur Unterstützung der konventionellen Primärseuerung eingesetzte werden. Im letzteren Fall erlaubt sie eine gegenüber herkömmlichen Steuersystemen verkleinerte Ausführung der klassischen Steueraktuatoren 402, 403, 404 des festen Systems (also unterhalb der "Taumelscheibe" 405). Diese Aktuatoren sind vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise elektrisch ausgeführt,

Pro Blatt ist mindestens eine Klappe 401 vorgesehen. Bei der Vibrationsdämpfung werden durch die aktive Klappensteuerung zusätzliche Vibrationen erzeugt, welche den originären Vibrationen entgegenwirken, Ihre Frequenz fk liegt bei der

Rotordrehfrequenz Ω * Blattzahl h multipliziert mit einem ganzzahligen Faktor n; f _K = Ω * b * n

Bei der Primärsteuerung durch die Servoklappe 401, unterstützt durch die

Steueraktuatoren 402, 403, 404 im festen System entfällt die Übertragung der vom Piloten kommenden Steuersignale mittels des Steuergestänges, Sie erfolgt stattdessen elektrisch. Dies verhindert Störungen des Steuersignals durch die Bewegungen der elektrischen Maschine 100. Die Klappen 401 werden vorzugsweise piezoelektrisch angetrieben . Hierzu werden im Blatt gelagerte Piezoaktuatoren durch V ariation der angelegten Spannung statisch und dynamisch in ihrer Länge geändert. Diese Bewegung wird in eine Drehbewegung um die Klappensteuerachse umgesetzt, Das Spannimgssignal, wird von einem Regelrechner geliefert.

Soll der Anstellwinkel des Rotorblatts vergrößert werden, so wird die Servoklappe nach oben ausgeschlagen. Die Anströniung drückt dadurch die Blatthinterkatne nach unten, wodurch der gewünschte Effekt erreicht ist. Für eine Verringerung des Blattanstellwinkels wird die Servoklappe entsprechend nach oben ausgeschlagen.

Die elektrische Versorgung der elektrischen Maschine 100 erfolgt durch eine Motor- Generator-Einheit 501, die unter dem Kabinenboden 502 des Hubschraubers untergebracht ist (siehe Fig, 5). Der Hauptrotorantrieb 600 sowie der Heckrotorantrieb (nicht gezeigt in Fig. 5) sind über die elektrischen Leitungen 503, 504 mit der Motor-Generator-Einheit 501 verbunden, Bei dem Motor der Motor-Generator-Einheit 501 handelt es sich beispielsweise um einen Hubkolbenmotor oder eine Turbine in Kombination mit Generatoren und einer Akkumulatoranordnimg zur Speicherung der erzeugten elektrischen Energie.

Fig. 6A zeigt einen Hau trotor antr eb 600 mit dem Rotormast 308 und einem Gehäuse 601 .

Fig. 6B zeigt den Hauptrotorantrieb 600 aus einer anderen Perspektive.

Fig. 6C zeigt eine Schnittdarsteiiung durch den Hauptrotorantrieb 600. Es ist ein Gehäuse 601 vorgesehen, weiches eine obere Öffnung aufweist, durch welche der Rotormast 308 geführt ist. Der Rotormast 308 ist mit einer Vielzahl (beispielsweise vier) scheibenförmigen Rotoren 602 der elektrischen Maschine verbunden. In das Gehäuse 601 sind entsprechende Statoren 603 eingebettet, welche die Rotoren 602 und damit den Rotormast 308 antreiben.

Fig. 7 zeigt einen Heckrotorantrieb 700 in ummantelter Ausführung gemäß einem Ausfülarungsbeispiel der Erfindung. Die einzelnen Rotorblätter 702 des Heckrotors können zwischen einem innen- und einem Außenring 704 fest eingespannt sein. Der Heckrotoraußenring 704 stellt dann zusammen mit mehreren (beispielsweise zwei senkrecht zum Außenring 704 stehenden) Stegen 705, 706 den elektrischen Rotor dar. Die Stege sind in die Spulen 703 des Stators und das Motorgehäuse 701 eingebettet. Der Heckrotorschub wird durch die Drehzahl gesteuert. ϊη einer weiteren Aus führungs form entfallt der innere Ring. Der Heckrotorsehuh kann wieder durch die Drehzahl gesteuert werden, oder aber durch eine Verstellung der Rotorblätter um ihre Längsachse. In wieder einer anderen Anordnung sind die Blätter nur an dem inneren Ring befestigt, welcher dann zum elektrischen Rotor eines Nabenmotors gehört.. Auch hier kann der Heckrotorschub wieder durch die Drehzahl, oder aber durch eine

Verstellung der Rotorblätter um ihre Längsachse gesteuert werden. Fig. 8 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils des Heckrotorantriebs. In Fig. 8 ist zu sehen, wie der Außenring 704 des Heckrotors mit seinen beiden Stegen (Rotoren) 705, 706 zwischen den Spulen 703 angeordnet ist. Das Rotorblatt 702 des Heckrotors wird durch den Außenring 704 des Heckrotors bewegt und ist mit diesem verbunden, Im Bereich 701 sind Stator und Motorgehäuse angeordnet.

Genereil kann der Heckrotor in freier oder ummantelter Anordnung ("Fenestron") ausgeführt sein. So zeigt Fig. 8A einen Heckrotorantrieb in freier Ausführung, in diesem Fall mit elektrischem Nabenantrieb, d.h. der Elektromotor ist fest mit dem Heckrotormast verbunden.

Fig. 9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Schritt 901 wird über einen Verbrennungsmotor und einen

Generator elektrische Energie erzeugt. In Schritt 902 wird diese elektrische Energie zum Antreiben von elektrischen Hochdrehmomentmaschinen für den Hauptrotor und den Heckrotor des Hubschraubers verwendet. In Schritt 903 wird die elektrische

Hochdrehmornentmaschine des Hauptrotors während des Fluges des Hubschraubers relativ zu der Hubschrauberzeile verschwenkt, um den Hubschrauber zu

beschleunigen, Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass„unifassend" und„aufweisend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und„eine" oder„ein" keine Vielzahl aussehließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeiclien in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen,

Bezugi äzeichenliste;

100 Elektrische Maschine

200 Hubschrauber

201 Rotorblätter

202 Hauptrotor

203 Längsrichtung

204 Querrichtung

301 Kipplager

302 Aufhängung

303 Kippaktuator

304 Aufhängung

305 Hubschrauberzelle

306 Querachse

307 Aufhängung

308 Rotormast

401 Servoklappe

402 Steueraktuator

403 Steueraktuator

404 Steueraktuator

405 Taumelscheibe

408 Steuerstange

501 Generator-Einheit

502 Kabinenboden

503 Leitungspaar

504 Leitung

600 Hauptrotorantri eb

601 Gehäuse Rotoren

Statoren Heckrotorantrieb Motorgehäuse Rotorblätter Spulen

Außenring Steg

Steg

Schritt 1

Schritt 2

Schritt 3