Antriebseinheit für ein Luftfahrzeug, Luftfahrzeug mit einer Antriebseinheit und Verwendung eines Doppelspulenaktormotors

Die Erfindung betrifft zuvorderst eine Antriebseinheit für ein Luftfahrzeug, nämlich eine Antriebseinheit, die dafür bestimmt ist, einen Vortrieb des Luftfahrzeugs zu bewirken. Im Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Luftfahrzeug mit einer solchen Antriebseinheit. Schließlich betrifft die Erfindung auch eine spezielle Verwendung eines

Doppelspulenaktormotors .

Vor allem Propellerflugzeuge in Form sogenannter Klein- oder Leichtflugzeuge werden derzeit mittels eines Verbrennungsmotors, üblicherweise eines Verbrennungsmotors in Form einer Kolbenmaschine, angetrieben. In der Startphase benötigt das Propellerflugzeug die volle Leistung des Verbrennungsmotors. Während des Flugs auf konstanter Höhe muss der Verbrennungsmotor um bis zu 60% in der Leistung reduziert werden. Dies führt zu einem langen Betrieb in einem unrentablen Teillastbereich. Vor diesem Hintergrund gibt es bereits erste Versuche, den Verbrennungsmotor mit einem Elektromotor zu koppeln, mit dem Ziel, den Wirkungsgrad des Gesamtsystems zu optimieren .

Ungünstig ist aber bisher, dass herkömmliche Elektromotoren vergleichsweise schwer sind und sich nur aufwändig in die Struktur des Flugzeugs integrieren lassen.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, eine verbesserte Antriebseinheit für ein Luftfahrzeug anzugeben .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels einer Antriebseinheit für ein Luftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist bei einer solchen Antriebseinheit Folgendes vorgesehen: Die Antriebseinheit umfasst zumindest einen Elektromotor und einen mittels des Elektromotors angetriebenen Propeller. Die Besonderheit besteht darin, dass es sich bei dem Elektromotor um einen Elektromotor in Form eines Doppelspulenaktormotors handelt.

Der Vorteil der Verwendung eines Doppelspulenaktormotors zum Antrieb des Propellers besteht einerseits in dem günstigen Wirkungsgrad eines nach dem Doppelspulenaktor-Motorkonzept arbeitenden Elektromotors (Doppelspulenaktormotor) . Darüber hinaus zeichnet sich ein Doppelspulenaktormotor im Vergleich zu anderen grundsätzlich ebenfalls in Betracht kommenden Elektromotoren durch eine deutlich geringere Masse aus.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin. Sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombina- tionen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Des

Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen nicht vor- handen ist.

Bei einer Ausführungsform der Antriebseinheit ist der Propeller von einem Mantelring umgeben. Damit kommt der Mantelring als Ort für die Anbringung des Doppelspulenaktormotors in Be- tracht. Der Doppelspulenaktormotor umfasst mittels einer Tragstruktur auf einer Kreisbahn angeordnete, radial oder tangential magnetisierte Permanentmagnete sowie ebenfalls auf einer Kreisbahn angeordnete und die Permanentmagnete umgreifende Doppelspulen. Der innerhalb des Mantelrings drehbare Propeller ist mit der Tragstruktur verbunden und die Permanentmagnete sowie die Doppelspulen sind im Innern des Mantelrings positioniert. Ein Propeller mit einem den Propeller umgebenden Mantelring wird als Impeller oder Mantelpropeller bezeichnet. Ein solcher Mantelpropeller zeichnet sich gegenüber einem Propeller ohne einen umgebenden Mantelring durch eine Mehrzahl bereits bekannter Vorteile aus, die auch für die hier vorgeschlagene Ausführungsform der Antriebseinheit gelten. Der besondere Vorteil der Ausführungsform besteht darin, dass der Mantelring als Anbringungsort des

Doppelspulenaktormotors , nämlich der Permanentmagnete und der Doppelspulen, genutzt wird. Wenn der Doppelspulenaktormotor als alleiniger Antrieb des Propellers verwendet wird, dreht sich der Propeller im Betrieb ohne eine zentrale Welle in dem Mantelring, indem die Permanentmagnete auf ihrer Tragstruktur durch die Doppelspulen bewegt werden und damit eine Drehbewegung des mit der Tragstruktur verbundenen Propellers resultiert .

Bei einer besonderen Ausführungsform einer solchen Antriebseinheit umfasst der Propeller in grundsätzlich an sich bekannter Art eine Mehrzahl von regelmäßig beabstandeten und radial ausgerichteten Propellerflügeln. Die Verbindung des Propellers mit der ringförmigen Tragstruktur des

Doppelspulenaktormotors ist hergestellt, indem der Propeller mittels der Enden seiner Propellerflügel mit der Tragstruktur verbunden ist. Dies ist eine vergleichsweise einfache und effiziente Möglichkeit zur Verbindung des Propellers mit dem Doppelspulenaktormotor. Für Mantelpropeller ist bereits bekannt, dass der Spalt zwischen den Enden der Propellerflügel (Rotorspitzen) und dem Mantelring sehr klein sein muss, damit es nicht zu einem Druckausgleich um die Enden der Propellerflügel herum kommt. Bei einem frei im Mantelring rotierenden Propeller erfordert dies eine entsprechende Fertigungsgenauigkeit. Bei einem mit der im Mantelring rotierenden Tragstruktur verbundenen Propeller ist ein unerwünschter Kontakt der Enden der Propellerflügel mit der Innenoberfläche des Mantelrings bereits konstruktionsbedingt ausgeschlossen. Da- rüber hinaus kann so der Abstand zur Innenoberfläche des Mantelrings minimiert werden, so dass auch ein unerwünschter Druckausgleich um die Enden der Propellerflügel herum weitestgehend ausgeschlossen ist. Die hier und im Folgenden beschriebene Antriebseinheit sowie der Doppelspulenaktormotor kommen speziell auch als Zusatzantrieb eines zum Beispiel auch mittels eines Verbrennungsmotors oder eines sonstigen Energiewandlers angetriebenen Propellers in Betracht. Eine besondere Ausführungsform der Antriebseinheit umfasst demnach zumindest einen zusätzlich oder alternativ zu dem Doppelspulenaktormotor zum Antrieb des Propellers wirksamen Verbrennungsmotor oder dergleichen. Die Antriebseinheit ist damit eine hybride Antriebseinheit, da alternativ einer der beiden Antriebe verwendbar ist oder beide Antriebe zusammen verwendbar sind.

Eine besondere Ausführungsform einer Antriebseinheit mit einem Doppelspulenaktormotor zum Antrieb des Propellers zeichnet sich dadurch aus, dass ein der Antriebseinheit zugeordneter Verbrennungsmotor oder ein sonstiger Energiewandler einen Generator zur Energieversorgung des Doppelspulenaktormotors antreibt. Die Energieversorgung des Doppelspulenaktormotors mit elektrischer Energie kann dabei vollständig mittels des Generators erfolgen oder teilweise mittels des Generators und teilweise mittels vom Flugzeug mitgeführter elektrischer Energiespeicherelemente. Die Verwendung eines Verbrennungsmotors als Generator zur Speisung des Doppelspulenaktormotors mit elektrischer Energie hat den Vorteil, dass der Verbrennungsmotor in unterschiedlichen Flugsituationen (Start, Reiseflughöhe) jeweils mit einem optimalen Wirkungsgrad betrieben werden kann. Bei einem nur mittels eines Verbrennungsmotors angetriebenen Propeller ergibt sich die eingangs geschilderte Situation, dass der Verbrennungsmotor während des Flugs lange in einem unrentablen Teillastbereich betrieben wird. Bei Verwendung eines jeweils mit seinem optimalen Wirkungsgrad betriebenen Verbrennungsmotors als Generator zur Speisung des Doppelspulenaktormotors wird ein zum Beispiel beim Start resultierender zusätzlicher Energiebedarf zum Beispiel mittels vom Flugzeug mitgeführter elektrischer Energiespeicherelemente gedeckt. Eine automatische Aktivierung solcher Energiespeicherelemente zur zusätzlichen Speisung des Doppelspulenaktormotors ist das Ergebnis eines mittels einer Steuerungseinheit realisierten Energiemanagements des Luftfahrzeugs .

Insgesamt ist die hier vorgeschlagene Neuerung damit auch die Verwendung eines Doppelspulenaktormotors zum alleinigen Antrieb einer Antriebseinheit eines Luftfahrzeugs oder zum Antrieb einer solchen Antriebseinheit in Kombination mit einem Verbrennungsmotor oder einem sonstigen Energiewandler.

Der Vorteil der Erfindung und ihrer Ausgestaltungen resultiert aus den Vorteilen des Doppelspulenaktormotors. Der Doppelspulenaktormotor hat zum Beispiel keine Eisenverluste. Verluste ergeben sich nur aus Kupferverlusten, so dass bei einem Betrieb der Antriebseinheit ausschließlich mittels Verbrennungsmotor und direkt durch den Verbrennungsmotor, wenn also der Doppelspulenaktormotor unbestromt ist, überhaupt keine Verluste anfallen. Die hohe Flussverkettung des

Doppelspulenaktormotors führt zu einer optimalen Ausnutzung des Ständerstroms. Der Doppelspulenaktormotor ist ein eisenloser Motor und zeichnet sich damit durch eine vergleichsweise geringe Gesamtmasse aus. Eine damit im Vergleich zu einer Verwendung eines Elektromotors anderer Bauart mögliche Massenreduktion ermöglicht eine deutliche Einsparung von Treibstoff und führt damit zu entsprechenden Kostenvorteilen beim Betreiber des jeweiligen Flugzeugs. Schließlich lässt sich der Doppelspulenaktormotor durch den sich im Betrieb ergebenden Luftstrom hervorragend kühlen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Das Ausführungsbeispiel ist nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung durchaus auch Ergänzungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche, die zum Beispiel durch Kombina- tion oder Abwandlung von einzelnen m Verbindung mit den im allgemeinen oder speziellen Beschreibungsteil beschriebenen sowie in den Ansprüchen und/oder der Zeichnung enthaltenen Merkmalen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neu en Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen. zeigen

1 ein Propellerflugzeug mit einem Mantelpropell

(Impeller) ,

FIG 2 einen Schnitt durch einen Mantelpropeller,

FIG 3 eine Prinzipdarstellung einer hier vorgeschlagenen

Antriebseinheit und

FIG 4 eine Prinzipdarstellung der Antriebseinheit gemäß

FIG 2 und FIG 3 mit einem durch einen Verbrennungsmotor angetriebenen Generator zur Energieversorgung.

Die Darstellung in FIG 1 zeigt ein Luftfahrzeug 10 in Form eines Tragflächenflugzeugs mit einem sogenannten Mantelpro- peller oder Impeller 12. Als Beispiel für ein Tragflächenflugzeug ist ein sogenanntes Leicht- oder Kleinflugzeug gezeigt. Der hier vorgeschlagene Ansatz gilt jedoch für Tragflächenflugzeuge / Propellerflugzeuge jeglicher Art und auch für andere Luftfahrzeuge 10, die einen Impeller 12 verwenden, zum Beispiel Hubschrauber mit einem Heckrotor in Form eines Impellers 12, Tragflächenflugzeuge mit einem in Form eines Impellers 12 ausgeführten Kipprotor, unbemannte Luftfahrzeuge 10 mit zumindest einem in Form eines Impellers 12 ausgeführten Rotor, zum Beispiel sogenannte Quadrocopter, und so wei- ter. Der Ansatz gilt sogar für weitere Fahrzeuge allgemeiner Art, die einen Impeller 12 verwenden, nämlich zum Beispiel Luftkissenfahrzeuge und andere propellergetriebene Wasserfahrzeuge. Der hier vorgeschlagene Ansatz ist des Weiteren nicht auf bestimmte Ausführungsformen des jeweiligen Luftfahrzeugs 10 oder Fahrzeugs beschränkt und betrifft insoweit zum Beispiel Luftfahrzeuge 10 für den Transport von Personen und Gütern genauso wie Luftfahrzeuge 10 aus dem Bereich des Modellbaus.

Bei der in FIG 1 gezeigten Ausführungsform befindet sich der Mantelpropeller 12 an der sogenannten Schnauze des Luftfahrzeugs 10. Alternativ oder zusätzlich kann ein Mantelpropeller 12 am Heck des Luftfahrzeugs 10 und/oder jeweils zumindest ein Mantelpropeller 12 an den Tragflächen angebracht sein.

FIG 2 zeigt eine schematisch vereinfachte Darstellung eines Mantelpropellers 12. Danach ist ein Propeller (Rotor) 14 von einem profilierten Mantelring 16 (Impellerring) umgeben. Aufgrund der Geometrie des Mantelrings 16 wird der Strahl der beschleunigten Luft durch diesen nicht eingeschnürt. An den sogenannten Eintrittslippen des Mantelrings 16 entstehen Zonen mit verringertem Druck, die zusätzlich zu dem mittels des Propellers 14 erzeugten Schub beitragen.

Ein Mantelpropeller 12 bewirkt demnach eine definierte Kanalisierung eines durch den Propeller 14 erzeugten Luftstroms. Im Vergleich zu einem nicht von einem Mantelring 16 umgebenen Propeller ergibt sich ein weiterer Vorteil des Mantelpropellers 12 aus der Erhöhung des erzeugten Schubs durch eine Reduktion von Luftwirbeln an den Spitzen der Propellerflügel.

Die Darstellung in FIG 3 zeigt in schematisch vereinfachter Form eine Prinzipdarstellung einer hier vorgeschlagenen Antriebseinheit 20 für die eingangs genannten Fahrzeuge, insbesondere Luftfahrzeuge 10, insbesondere Tragflächenflugzeuge. Dabei wird der Propeller 14 mittels eines Elektromotors 22 angetrieben, der auf dem Doppelspulenaktor-Motorkonzept ba- siert (Doppelspulenaktormotor 22) . Zur Veranschaulichung ist in der Darstellung in FIG 3 der den Propeller 14 umgebende Mantelring 16 weggelassen. Der Propeller 14 ist von einer Mehrzahl von auf einer Kreisbahn angeordneten Permanentmagne- ten 24 sowie von Doppelspulen 26, welche die Permanentmagnete 24 umfassen, umgeben. Das Doppelspulenaktor-Motor-ikonzept ist zum Beispiel in der EP 1 858 142 AI beschrieben, auf die für weitere Details verwiesen wird und die, soweit das Motorkon- zept und ein nach diesem Konzept realisierter Elektromotor 22 betroffen sind, hiermit vollumfänglich in die hier vorgelegte Beschreibung einbezogen wird.

Wie dies bei dem Doppelspulenaktor-Motorkonzept vorgesehen ist, können die radial oder tangential magnetisierten Permanentmagnete 24 durch die Doppelspulen 26 hindurchgeführt werden. Korrespondierend mit dem entgegengesetzten Wicklungssinn der beiden Seiten jeder Doppelspule 26 sind auch die Permanentmagnete 24 entgegengesetzt magnetisiert und die Nord- und Südpole eines Permanentmagneten 24 sind jeweils einem Nordbzw. Südpol eines in Bewegungsrichtung benachbarten Permanentmagneten 24 zugewandt.

Bei der hier vorgeschlagenen Antriebseinheit 20 sind die ringförmig angeordneten Doppelspulen 26 drehfest am in FIG 3 nicht gezeigten Mantelring 16 (siehe FIG 2) angebracht. Die Permanentmagnete 24 sind an einer kreisförmigen Tragstruktur 28 angebracht. Diese ist relativ zu den ringförmig angeordneten Doppelspulen 26 drehbar. Die Permanentmagnete 24 mit ih- rer Tragstruktur 28 und die Doppelspulen 26 bilden zusammen den Elektromotor / Doppelspulenaktormotor 22. Der Propeller 14 ist mittels der Spitzen seiner Propellerblätter mit der Tragstruktur 28 drehfest verbunden. Eine Drehung aufgrund eines mittels eines Stromflusses durch die Doppelspulen 26 er- zeugten wandernden Magnetfelds, einer resultierenden Bewegung der Permanentmagnete 24 und eine wiederum dadurch hervorgerufene Drehung der Tragstruktur 28 führen zu einer Drehung des Propellers 14. Die Integration der Antriebseinheit 20 in die Konstruktion des Luftfahrzeugs 10 ist besonders günstig, weil der Mantelring 16 (FIG 2) den Stator des Doppelspulenaktormotors 22 trägt, nämlich die ringförmig angeordneten Doppelspulen 26. Der Rotor des Doppelspulenaktormotors 22, nämlich die ringförmig angeordneten Permanentmagnete 24 und die Tragstruktur 28, ist ebenfalls räumlich dem Mantelring 16 zugeordnet. Je nach Betrachtungsweise trägt der Propeller 14 den Rotor oder der Rotor den Propeller 14. Stator und Rotor des Elektromotors 22 nach dem Doppelspulenaktor-Motor-ikonzept sind demnach in den Mantelring 16 integriert. Dafür steht das bisher nicht genutzte Innenvolumen des im Querschnitt nach Art einer Tragfläche profilierten Mantelrings 16 zur Verfügung. Damit ent- fällt die ansonsten, nämlich bei Verwendung eines herkömmlichen Elektromotors, notwendige aufwändige Integration des Elektromotors 22 innerhalb der Antriebseinheit 20. Außerdem werden die Doppelspulen 26 des Elektromotors 22 sehr effizient durch den sich beim Betrieb ergebenden Luftstrom gekühlt, nämlich einen aufgrund der Rotation des Propellers 14 resultierenden Luftstrom und/oder einen aufgrund der in den Mantelring 16 einströmenden Luft 16 resultierenden Luftstrom und/oder einen Luftstrom durch Luftkanäle im Mantelring 16. Die Darstellung in FIG 4 zeigt abschließend in schematisch stark vereinfachter Form eine Konfiguration der Antriebseinheit 20 gemäß FIG 2 und FIG 3, welche mittels eines von einem Energiewandler 30, zum Beispiel einem Verbrennungsmotor oder dergleichen, angetriebenen Generators 32 mit elektrischer Energie versorgt wird. Bei einer solchen Konfiguration ist es nicht zwingend erforderlich, dass das Luftfahrzeug 10 elektrische Energiespeicherelemente 34 zur Versorgung des

Doppelspulenaktormotors 22 mit elektrischer Energie mit sich führt. Das Luftfahrzeug 10 wird in herkömmlicher Art und Wei- se mit einem Treibstoff betankt und der Energiewandler 30 wandelt dessen Energie in Bewegungsenergie um. Diese wird mittels einer Wellenkopplung 36 oder dergleichen dem Generator zugeführt, der die Bewegungsenergie in an sich bekannter Art und Weise in elektrische Energie umwandelt. Diese kann dem Doppelspulenaktormotor 22 in üblicher Art und Weise mittels einer Kabelverbindung 38 zugeführt werden. Die Verwendung elektrischer Energiespeicherelemente 34 zur zusätzlichen Speisung des Doppelspulenaktormotors 22 ist gleichwohl mög- lieh. Wenn der den Generator 32 antreibende Energiewandler 30 dauerhaft mit seinem optimalen Wirkungsgrad betrieben wird, sind mitgeführte Energiespeicherelemente 34 eine Möglichkeit, einen bei speziellen Flugsituationen, insbesondere beim Start, resultierenden zusätzlichen Energiebedarf zu decken. Alternativ oder zusätzlich kann anstelle einer Energiewandler- / Generatorkombination 30, 32 und/oder einer Energiewandler- / Generatorkombination 30, 32 mit bedarfsweise zusätzlicher Speisung aus mitgeführten Energiespeicherelementen 34 die Versorgung der Antriebseinheit 20 mit elektrischer Energie auch mittels einer Brennstoffzelle oder dergleichen erfolgen. Die Speisung mittels einer Brennstoffzelle kann sinnvoll durch eine bedarfsweise zusätzliche Speisung aus mitgeführten Energiespeicherelementen 34 ergänzt werden. Eine automatische Aktivierung einer solchen bedarfsweisen zusätzlichen Speisung aus mitgeführten Energiespeicherelementen 34 erfolgt zum Beispiel mittels einer Steuerungseinheit des Luftfahrzeugs. Die Steuerungseinheit realisiert ein Energiemanagement des Luftfahrzeugs und aktiviert und/oder kombiniert verschiedene Energiequellen entsprechend einem jeweiligen Energiebedarf.

Das Luftfahrzeug 10 kann selbstverständlich zusätzlich zu der Energiewandler- / Generatorkombination 30, 32 elektrische Energiespeicherelemente 34 mit sich führen, so dass zumindest zeitweise ein nur aus den Energiespeicherelementen 34 gespeister Antrieb des Doppelspulenaktormotors 22 möglich ist. Ein sehr leiser und vibrationsarmer Flug ist das Ergebnis. Wenn die Energiewandler- / Generatorkombination 30, 32 in Betrieb ist und das Luftfahrzeug 10 Energiespeicherelemente 34 mit sich führt, kann ein Teil der mittels der Energiewandler- / Generatorkombination 30, 32 erzeugten elektrischen Energie auch zum Aufladen der Energiespeicherelemente 34 verwendet werden. Auf diese Weise ist zum Beispiel mit beim Start bereits geladenen Energiespeicherelementen 34 ein sehr leiser Start des Luftfahrzeugs 10 und mit beim Flug wiederaufgeladenen Energiespeicherelementen 34 eine ebenso leise Landung des Luftfahrzeugs 10 möglich, indem jeweils der

Doppelspulenaktormotor 22 nur oder zumindest im Wesentlichen aus den Energiespeicherelementen 34 gespeist wird und ein Verbrennungsmotor oder ein sonstiger Energiewandler 30 während dieser Phasen abgeschaltet ist.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch das oder die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Einzelne im Vordergrund stehende Aspekte der hier eingereichten Beschreibung lassen sich damit kurz wie folgt zusammenfassen: Angegeben werden eine Antriebseinheit 20 für ein Luftfahrzeug 10, welche zumindest einen Elektromotor und einen mittels des Elektromotors angetriebenen Propeller 14 um- fasst, wobei als Elektromotor ein Elektromotor 22 in Form eines Doppelspulenaktormotors 22 fungiert, sowie ein Luftfahrzeug 10 mit einer solchen Antriebseinheit 20 und schließlich die Verwendung eines Doppelspulenaktormotors 22 in einer solchen Antriebseinheit 20.

Bezugszeichenliste

10 Luftfahrzeug

12 Mantelpropeller, Impeller

14 Propeller

16 Mantelring

18 (frei)

20 Antriebseinheit

22 Elektromotor, Doppelspulenaktormotor

24 Permanentmagnet

26 Doppelspule

28 Tragstruktur

30 Energiewandler

32 Generator

34 EnergieSpeicherelemente

36 Wellenkopplung

38 KabelVerbindung