Hintergrund der Erfindung

Hubschrauber sind Drehflügler-Fluggeräte, mit wenigstens einem motorisch ange¬ triebenen Rotor. Hubschrauber gibt es in zahlreichen Ausführungsformen.

Am meisten verbreitet sind solche mit einem Hauptrotor vornehmlich zur Auf- triebserzeugung (Hubrotor) und einem Heckrotor zum Drehmomentausgleich des Hauptrotors. Anstelle des Heckrotors findet man auch steuerbare Düsen, bei de¬ nen die Rückstoßkraft eines Gasstrahls für den Ausgleich des Drehmoments ge¬ nutzt wird. Beide Lösungen, das Drehmoment des Hauptrotors zu kompensieren, haben einen Nachteil: Der Drehmomentausgleich kostet Energie, die nicht für die Auftriebserzeugung genutzt wird. Je nach Auslegung müssen hierfür ungefähr 20 % der gesamte Antriebsleistung aufgewendet werden.

Daneben findet man Hubschraubertypen mit mehreren Rotoren zur Auftriebser¬ zeugung. Von denen haben vor allem Hubschrauber mit zwei gegenläufigen Roto- ren Bedeutung erlangt. Diese sind dann entweder nebeneinander (kämmend oder weiter auseinander), koaxial übereinander oder hintereinander (Tandemhub¬ schrauber) angeordnet.

Seltener sind Hubschrauber mit drei und mehr Hubrotoren. Besondere Beachtung verdient hier der 4-rotorige Hubschrauber, weil er systembedingte Vorteile hat. Der 4-rotorige Hubschrauber ist vor allem mit Elektroantrieb wirtschaftlich interes¬ sant. Bis auf ganz wenige Ausnahmen sind die vier Hubrotoren in der Draufsicht an den Ecken eines Vierecks angeordnet, oft sogar an den Ecken eines Quadrats. Die Achsabstände der Rotoren sind typischerweise so groß, dass sich die von den Rotoren definierten Kreisflächen in der Draufsicht nicht überschneiden. Eine Aus¬ nahme wird im deutschen Gebrauchsmuster Nr. 20 2004 016 509.0 beschrieben. Der Drehmomentausgleich wird meist dadurch erreicht, dass ein diagonal gegenü¬ berliegendes Rotorpaar in die eine Richtung dreht und das andere in die entge¬ gengesetzte Richtung. Davon abweichend wurde im deutschen Gebrauchsmuster Nr. 20 2004 010 057.6 der Drehmomentausgleich durch schräggestellte Rotorach¬ sen vorgeschlagen, bei voller Steuerbarkeit um alle Achsen.

Typischerweise ist jeder Rotor mit einem eigenen Antrieb ausgerüstet. Die Steue¬ rung des Fluggeräts um alle Achsen (Hoch-, Längs- und Querachse) ist dann allein durch Drehzahländerungen der Antriebe möglich. Voraussetzung für dieses Steu¬ erprinzip ist, dass jeder Motor einzeln angesteuert wird. Mit der Drehzahl ändern sich Rotorschub und -drehmoment. Diese Kräfte und Momente wirken auf das Fluggerät ein und verändern dessen Lage im Raum. Bei Bewegungen um die Längs- und Querachse ändert sich die Richtung der resultierenden Auftriebskraft. Damit wiederum wird das Gerät in eine Raumrichtung beschleunigt oder verzögert. Drehungen um die Hochachse werden durch unausgeglichene Drehmomente um die Hochachse erzeugt.

Die folgende Tabelle zeigt das Funktionsprinzip eines 4-rotorigen Hubschraubers im Detail:

Die Steuerung von Mehrrotorenhubschraubern - der Begriff wird hier verwendet für Hubschrauber mit drei und mehr Rotoren - allein über die Drehzahl der Roto¬ ren bedarf nicht zwangsläufig genau vier Rotoren. Damit die Steuerfunktionen Nicken, Rollen und Gieren getrennt voneinander gesteuert werden können, sind mindestens vier Rotoren erforderlich. Wenn man jedoch darauf verzichtet Rollen und Gieren getrennt zu steuern, reichen drei Rotoren.

Das Steuerprinzip eines 3-rotorigen Hubschraubers (mit Windfahne am Heck) ergibt sich aus der folgenden Tabelle:

Bei Mehrrotorenhubschraubern, deren Rotoren von getrennten Motoren mit Dreh¬ zahlsteuerung angetrieben werden, kann auf die sonst übliche Steuerungsmecha¬ nik (kollektive und zyklische Rotorblattverstellung, Klappen im Rotorstrahl, etc.) verzichtet werden. Mechanisch bewegte Teile sind auf drehende Antriebe be¬ schränkt. Das Fluggerät wird dadurch einfach und robust im Aufbau. Die Nachteile der sonst üblichen Mechanik (viele Teile, Verschleiß, aufwändige Einstellarbeiten, etc.) entfallen.

Wegen der im Vergleich zu fossilen Brennstoffen niedrigeren Energiedichte elektri¬ scher Energiespeicher, z. T. auch wegen der Kosten, sind elektrisch angetriebene Hubschrauber derzeit hauptsächlich für kleine Baugrößen (Flugmodelle, Mikro- drohnen, fliegende Kameraträger, etc.) interessant. Beim elektrisch angetriebenen Hubschrauber kommt es daher auch auf Energieeffizienz an, um eine ausreichend lange Flugzeit und hinreichend hohe Nutzlast bei nicht zu großem Rotordurchmes¬ ser zu erzielen.

Die Drehzahlsteuerung kompakter Mehrrotorenhubschraubern ist kein triviales Problem und gewinnt mit abnehmender Baugröße an Bedeutung. Ohne zusätzliche

Stabilisierungstechnik ist in der Regel kein kontrollierter Flug möglich. Hintergrund ist die fast immer fehlende Flugstabilität, oft gepaart mit zu geringer Massenträg¬ heit. Anhand von Modellhubschraubern mit drei und vier Rotoren wurde gezeigt, dass die menschliche Reaktion ohne Stabilisierungsmaßnahmen nicht ausreicht, das Fluggerät manuell gesteuert sicher zu beherrschen, nicht einmal für Sekun¬ den. Das Gerät kippt so schnell ab, dass der Pilot nicht mehr rechtzeitig eingreifen kann.

Abhilfe schaffen gezielte Maßnahmen zur Stabilisierung der Fluglage. Bewährt ha- ben sich spezielle Sensoren, die die Drehbewegung des Fluggeräts erfassen, so¬ genannte Kreisel- oder Gyros-Sensoren. Deren Signale werden in einer Elektronik erfasst, weiterverarbeitet und Drehzahlstellern der entsprechenden Motoren zuge¬ führt. Das alles geschieht in Bruchteilen einer Sekunde.

Um eine noch bessere Stabilisierung der Fluglage von Mehrrotorenhubschraubern zu gewährleisten, gibt es Ansätze, neben der rotatorischen auch die translatori¬ sche Bewegung in allen drei Raumrichtungen zu erfassen und signaltechnisch zu verarbeiten. Hierzu wird eine Sensorik zur Erfassung aller sechs Freiheitsgrade im Raum verwendet.

Trotz erheblicher Anstrengungen auch namhafter Unternehmen ist es bisher nicht gelungen, die Fluglage insbesondere von kleinen Mehrrotorenhubschraubern so zu stabilisieren, dass das Gerät ohne Steuereingriff längere Zeit in der Luft an einer Stelle stehen bleibt. Dieser selbststabilisierte Schwebeflug ist jedoch Vorausset- zung für zahlreiche Anwendungen. Außerdem ist er die Grundlage für eine auto¬ matische Flugführung (z. B. Flug nach vorgegebenen Raumkoordinaten) oder eine autonome Flugführung (z. B. Gerät sucht selbsttätig Flugbahn zwischen Hindernis¬ sen).

Die am besten stabilisierten Mehrrotorenhubschrauber fliegen recht passabel, er¬ fordern jedoch immer noch besonderes fliegerisches Geschick des Piloten, was den Kreis der Anwender empfindlich einschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrisch angetriebene Mehrroto- renhubschrauber zu schaffen, dessen Fluglage besser stabilisiert ist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Ansteuerungsverfahren für Antriebe von Mehrrotorenhubschraubern anzugeben.

Kurzer Abriss der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein drehzahlgesteuerter Hubschrauber mit drei oder mehr Hubeinheiten mit jeweils wenigstens einem Rotor und wenigstens einem, den Motor antreibenden elektronisch kommutierten Gleichstrommotor zur Verfügung gestellt, wobei für wenigstens eine Hubeinheit oder alle Hubeinheiten jeweils wenigstens ein Sensor zur Erfassung der Drehbewegung einer rotierenden Komponente der Hubein¬ heit vorgesehen ist.

Zusätzlich kann eine Drehzahlsteller zur Ansteuerung wenigstens eines der Gleich¬ strommotoren unter Berücksichtung der Sensorsignale vorgesehen sein. Die Ansteu¬ erfrequenz des Drehzahlstellers kann mehr als 50 Hz, mehr als 100 Hz oder auch mehr als 200 Hz betragen.

Die Sensoren zur Erfassung der Drehbewegung können nach einem magnetischen Prinzip arbeiten. Beispielhaft genannt seien Hall-Sensoren. Es können auch optische Sensoren oder Sensoren verwendet werden, die auf anderen physikalischen Prinzi¬ pien beruhen. Die Sensorik kann auf inkrementellen Meßverfahren beruhen, mit un- terschiedlich feiner Stufung. Es kann zum Beispiel eine gezahnte Scheibe verwendet werden. Strichmarken sind ebenso möglich.

Bei einer ersten Variante genügt ein Sensor je Motor. Es können jedoch auch mehre¬ re Sensoren pro Motor verwendet werden, vorzugsweise drei (z. B. für jede Motor- phase einer). Die Sensorsignale können auch für andere Zwecke verwendet werden. So können Signale z. B. in die zentrale Steuereinheit eingespeist und/oder in die Lo¬ gik der Fluglagestabilisierung eingebunden werden.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung sind die Sensoren außen an den Gleichstrommotoren angebracht. Dieser Ansatz ermöglicht das Nachrüsten herkömm¬ licher Antriebe. Gemäß einer zweiten Ausführungsform sind die Sensoren in die Gleichstrommotoren integriert. Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Senso¬ ren im Rotorbereich angeordnet, insbesondere im Bereich der jeweiligen Rotorwelle.

Die Gleichstrommotoren können Außenläufer oder Innenläufer sein. Bevorzugt sind Außenläufer, die auf dem LRK-Prinzip (Lucas, Retzbach, Kühfuss) basieren. Gemäß

dem LRK-Prinzip wird der Stator nach einem speziellen Wickelschema bewickelt, z. B. nur jeder zweite Zahn. Die Maßnahme wirkt drehmomentsteigernd.

Die einzelnen Hubeinheiten sind zweckmäßigerweise getriebelos ausgebildet. Bei- spielsweise lässt sich eine getriebelose Ausbildung dadurch erzielen, dass der Gleich¬ strommotor einer Hubeinheit eine Motorwelle aufweist, die gleichzeitig die Rotorwelle der Hubeinheit darstellt. Die Motorwellen sind vorzugsweise wenigstens zweifach wälzgelagert. Als Wälzlager können Rillenkugellager zum Einsatz gelangen.

Die Gleichstrommotoren können jeweils ein gewichtsbezogenes spezifisches Dreh¬ moment von wenigstens 1 Nmm/g aufweisen. Auch Gleichstrommotoren mit einem Drehmoment von mehr als ungefähr 3 Nmm/g können Verwendung finden. Die ent¬ sprechenden Werte können durch die Kombination verschiedener konstruktiver Merkmale und Parameter erzielt werden, insbesondere durch Außenläufer mit größe¬ rer Polzahl.

Je nach Leistungsfähigkeit der Hubeinheiten (und vor allen der Motoren) kann der Hubschrauber eine höhere oder niedrigere Abflugmasse besitzen. So kann die Ab¬ flugmasse weniger als ungefähr 10 kg betragen. Bevorzugt ist eine Abflugmasse von weniger als ungefähr 5,0 kg und insbesondere von weniger als ungefähr 0,75 kg.

Der Hubschrauber kann drei, vier oder mehr Hubeinheiten aufweisen. Sind vier Hub¬ einheiten vorhanden, können diese in einer Draufsicht an den Ecken eines Vierecks, insbesondere eines Quadrats angeordnet sein.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Hubschrauber mit drei oder mehr, insbesondere mit vier Hubeinheiten mit jeweils einem Rotor und einem den Rotor antreibenden, elektronisch kommutierten Gleichstrommotor geschaffen. Die Gleichstrommotoren können als Außenläufer ausgebildet sein. Die Hubeinheiten kön- nen getriebelos ausgebildet sein. Die wenigstens drei Hubeinheiten können jeweils wenigstens einen rotierenden Permanentmagneten enthalten, in dessen Magnetfeld sich Wicklungen befinden.

Schließlich stellt die Erfindung auch noch ein Verfahren zur verbesserten Antriebs- Steuerung von Mehrrotorenhubschraubern, mit wenigstens drei Rotoren, angetrieben von elektronisch kommutierten Gleichstrommotoren bereit. Das Verfahren enthält die Schritte des (vorzugsweise kontinuierlichen) Erfassens der Drehbewegung einer ro-

tierenden Komponente einer Hubeinheit (beispielsweise einer Rotorposition, insbe¬ sondere der Position einer Rotorwelle, oder einer Drehzahl einer Komponente des Gleichstrommotors) und des Erzeugens von Ansteuersignalen für den jeweiligen Gleichstrommotor unter Berücksichtigung der jeweils erfassten Drehzahl bzw. Positi- on.

Die Erfassung der Drehbewegung kann inkrementell erfolgen. Das jeweilige Inkre- ment kann konstant oder veränderlich sein. Als zweckmäßig hat sich ein Inkrement von weniger als ungefähr 5° oder weniger als ungefähr 2°, vorzugsweise von kleiner als ungefähr 0,5°, erwiesen.

Ferner hat sich herausgestellt, dass die Sensorsignale auch für andere Zwecke als für die Motorsteuerung Verwendung finden können. Diesbezügliche Beispiele werden weiter unten näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be¬ schreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, die unter Bezugnahme auf die nach- folgenden Figuren erläutert werden:

Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf einen 4-rotorigen Hubschrauber gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Figur 2 zeigt eine Seitenansicht des Hubschraubers gemäß Fig. 1;

Figur 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer Hubeinheit gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und

Figur 4 zeigt eine Querschnittsansicht einer Hubeinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und

Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung der Verarbeitung eines Sensorsig¬ nals bei einer Hubeinheit gemäß Fig. 3 oder Fig. 4.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung

Grundlage für eine verbesserte Fluglagestabilisierung ist eine hinreichende Dyna- mik der Rotorantriebe. Die Drehzahl der Motoren sollte sich sehr schnell ändern können. Hierzu wird in den Ausführungsbeispielen jeweils ein Sensor zur Erfas¬ sung der Drehbewegung verwendet. Dessen echtzeitnahes Signal wird bei der Kommutierung des zugehörigen Motors verwendet. Mit Hilfe der Sensorsignale wird die Ansteuerung der Motoren derart verbessert, dass die Antriebe Drehzahl- änderungen schneller folgen können. Auch in Kombination mit anderen Maßnah¬ men wird damit die Flugstabilität erhöht.

Die Fign. 1 und 2 zeigen einen 4-rotorigen Hubschrauber 10, der als Mikrodrohne zur Luftaufklärung in urbanem Gelände geeignet ist. Der Hubschrauber 10 umfasst ins- gesamt vier Hubeinheiten 12. Die Hubeinheiten 12 besitzen jeweils einen im Ausfüh¬ rungsbeispiel zweiblättrigen Rotor 14 sowie einen den Rotor 14 antreibenden elektronisch kommutierten (bürstenlosen) Gleichstrommotor 16. In der Draufsicht gemäß Fig. 1 ist gut zu erkennen, dass die Hubeinheiten 12 und auch deren Rotoren 14 an den Ecken eines Vierecks, genauer gesagt eines Quadrats, angeordnet sind. Die Hubeinheiten 12 sind an einem Traggerüst 18 befestigt und durch dieses mitein¬ ander verbunden. Das Traggerüst 18 trägt ferner eine Nutzlast 20. Im Ausführungs¬ beispiel gemäß den Fign. 1 und 2 handelt es sich bei der Nutzlast 20 um eine Kamera. Die Kamera funkt ein Videobild echtzeitnah zum Boden. Dort wird es in ei¬ ner Videobrille oder auf einem Monitor dargestellt. So kann der Hubschrauber 10 über eine "Cockpit-Sicht" gesteuert werden, auch ohne direkten Sichtkontakt vom Bediener zum Hubschrauber.

Die technischen Daten des Hubschraubers 10 sind wie folgt:

Abflugmasse: 0.50 kg

Abmessungen über alles: 0.95 m

Rotordurchmesser: 0.38 m

Motormasse: 4 x 0.035 kg

Rotordrehzahl (Schwebeflug): 1,500 l/min Leistungsbedarf (Schwebeflug): 40 W

Flugzeit mit einer Akkuladung: 50 min

In den Fign. 3 und 4 sind zwei unterschiedliche Hubeinheiten 12 für den Hubschrau¬ ber 10 gemäß den Fign. 1 und 2 im Querschnitt dargestellt. Identische oder überein¬ stimmende Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.

Gemäß der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der Hubeinheit 12 umfasst die Hubeinheit 12 zusätzlich zu dem Rotor 14 und dem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor 16 einen auf dem Hall-Prinzip basierenden Sensor 22 und einen Drehzahlsteller 24. Der Sensor 22 ist über eine elektrische Zuleitung 26 mit dem Drehzahlsteller 24 und dieser wiederum über eine elektrische Zuleitung 28 mit dem Motor 16 elektrisch gekoppelt.

Der Motor 16 besitzt eine Motorwelle 49, die gleichzeitig als Rotorwelle 30 fungiert. Die Hubeinheit 12 kommt daher im Ausführungsbeispiel ohne Getriebe aus, ist also getriebelos. Die Motorwelle 49 ist mittels zweier als Rillenkugellager ausgebildeter Wälzlager 32, 34 drehbar in einem Lagerschild 36 gelagert. Das Lagerschild 36 wie¬ derum ist drehfest an dem auch als Motorhalterung fungierenden Traggerüst 18 be¬ festigt.

Als Stator 38 umfasst der als Außenläufer ausgestaltete Motor 16 ein Blechpaket mit Wicklungen. Der Stator 38 ist starr mit dem Lagerschild 36 verbunden. Die um den Stator 38 rotierende Komponente des Motors 16 wird von einer Motorglocke 40 ge¬ bildet. Die Motorglocke 40 umfasst Magnete 42, die an einem Rückschlussring 44 befestigt sind. Der Rückschlussring 44 wiederum ist mittels eines Motorlagerschilds 46 starr mit der Motorwelle 49 gekoppelt. Auf diese Weise überträgt sich eine Dre- hung der Motorglocke 40 auf die Motorwelle 49, die den Rotor 14 trägt. An der Mo¬ torglocke 40 ist außerdem eine ferromag netische Zahnscheibe 50 angebracht, deren Zähne von dem Sensor 22 abgetastet werden und die Grundlage für das Sensor- Ausgangssignal bilden.

Während in der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der Hubeinheit 12 der Motor 16 zwischen dem Traggerüst 18 und dem Rotor 14 angeordnet ist, ist bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform der Motor 16 unterhalb des Traggerüsts 18 befes¬ tigt. Mit anderen Worten, bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist das Traggerüst 18 zwischen dem Rotor 14 und dem Motor 16 angeordnet. Eine weitere Abweichung zwischen den Ausführungsformen von Fig. 3 und Fig. 4 besteht darin, dass sich der Sensor gemäß Fig. 3 radial zur Motorwelle 49 erstreckt, während der Sensor 22 ge¬ mäß Fig. 4 im Wesentlichen in einer zur Motorwelle 49 parallelen Ebene liegt.

Nachfolgend wird die Ansteuerung des Motors 16 gemeinsam für die in den Figuren 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen beschrieben.

Über die elektrische Zuleitung 26 wird das Ausgangssignal des Sensors 22 dem Dreh¬ zahlsteller 24 zugeführt. Zusätzlich erhält der Drehzahlsteller ein Ansteuersignal über eine weitere elektrische Zuleitung 48 von einer zentralen Steuereinheit (nicht darge¬ stellt). Basierend auf dem Ausgangssignal des Sensors 22 und diesem Ansteuersignal ermittelt der Drehzahlsteller 24 ein Drehzahlsteuersignal, das sogenannte Kommutie- rungssignal, das dem Leistungsteil des Stellers zugeführt wird. Die Ausgänge des Leistungsteils führen über die elektrische Zuleitung 28 zum Motor 16.

Diese Funktionalität wird nachfolgend anhand von Fig. 5 näher erklärt.

Der obere Zeitstrahl in Fig. 5 zeigt die Zeitmarken des in krementeilen Sensorsignals bis zu einem Zeitpunkt to . Die drei darunterliegenden Zeitstrahlen bilden die Schalt¬ zustände der insgesamt drei Ausgänge des Drehzahlstellers 24 ab. Im unteren Teil der Figur ist die Signalverarbeitung im Drehzahlsteller 24 schematisch dargestellt. Die Schaltzustände des Drehzahlstellers 24 werden in Fig. 5 vereinfachend bei Volllast abgebildet. In Wirklichkeit arbeiten die Antriebe fortwährend in Teillast (Pulsweiten¬ modulation).

Eine Basisschaltung 51 des verwendeten Drehzahlstellers 24 ist für den Betrieb an Motoren ohne Sensoren konzipiert. Ein von der Basisschaltung 51 erzeugtes Kommu- tierungssignal B wird daher auf herkömmliche Weise aus dem jeweils offenen Aus¬ gang A der Motorwicklung generiert. Hierzu wird der Nulldurchgang der magnetischen Induktionsspannung herangezogen.

Dieses (rohe) Kommutierungssignal B wird einer zusätzlichen, (logisch) getrennten Schaltung 52 des Drehzahlstellers 24 zugeführt, die außerdem das Sensorsignal D empfängt und aufbereitet. In der Schaltung 52 wird das Kommutierungssignal B mit dem (aufbereiteten) Sensorsignal D korrigiert. Ein korrigiertes Kommutierungssignal C wird anschließend einem Leistungsteil 53 des Drehzahlstellers 24 zugeführt, wel¬ ches die Motorwicklungen bestromt. Bei der Korrektur werden auch die jeweiligen Motorströme berücksichtigt.

Das korrigierte Kommutierungssignal C liegt näher am jeweiligen zeitlichen Optimum. Das jeweilige Optimum ist der ideale Zeitpunkt (Timing) für die Kommutierung, bei dem der Motor sein maximales, bauartbedingtes Drehmoment entfaltet. Wenn Mehr¬ leistung abgefordert wird, steigt das Drehmoment des Motors daher früher und stei- ler an, und damit auch der Auftrieb am Rotor.

Optional können Sicherheitsschaltungen inplementiert werden, die die Korrektur des Kommutierungssignals unterbinden, wenn unplausible Signale vorliegen (Fail-Safe- Funktion).

Im vorliegenden Beispiel nach Fig. 5 wird der Kommutierungszeitpunkt ti an einem beispielhaften Ausgang 3 aus Informationen erzeugt, die bis zum Zeitpunkt to ge¬ sammelt wurden. Die jüngsten Informationen stammen vom Sensor (Zeitmarken unmittelbar vor to). So werden selbst die aktuellsten Drehzahltrends noch bei der Kommutierung berücksichtigt. Veranschaulicht bedeutet dies, dass bis kurz vor der jeweiligen Kommutierung deren "geplanter" Zeitpunkt immer wieder neu berechnet wird, mit den jeweils neuesten Sensordaten und optional weiteren (anderen) Para¬ metern. Die einzelnen vorausberechneten Kommutierungszeitpunkte können etwas vor (-) oder nach (+) ti liegen. Der letzte Wert wird unmittelbar vor der Kommutie- rung "freigegeben" und definiert den tatsächlichen Zeitpunkt der Kommutierung.

Letztlich werden in der vorgestellten Schaltung 52 zwei Drehzahlinformationen verar¬ beitet, die aus den Induktionsspannungen gewonnene zum einem und die aus dem Sensorsignal gewonnene zum anderen. Die Drehzahlinformation ist also redundant, abgesehen von Qualität und Aktualität.

Je niedriger die Drehzahl ist, umso schlechter ist die Drehzahlinformation aus der Induktionsspannung. Die Qualität der Drehzahlinformation aus dem Sensor ist hinge¬ gen näherungsweise unabhängig von der Drehzahl. Wegen der höheren aerodynami¬ schen Effizienz und aus Geräuschgründen werden häufig große und langsam drehende Rotoren verwendet. Hier lohnt sich der Einsatz von Sensoren also beson¬ ders.

Der verwendete Motor des Ausführungsbeispiel ist in vielerlei Hinsicht auf ein hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen optimiert: Rund 400 mm Rotordurchmesser und 1500 l/min Drehzahl bei nur ca. 0.035 kg Motormasse. Motoren dieser Ge¬ wichtsklasse treiben herkömmlicherweise Rotoren mit ca. 250 mm Durchmesser an, bei weit höheren Drehzahlen ab ca. 4000 l/min.

Eine große Anzahl von Polen (über ca. 18) trägt zu dem hohen Drehmoment bei. Hohe Polzahl bedeutet aber auch, dass pro Umdrehung mehr Kommutierungen statt¬ finden. Damit muß auch die Kommutierung exakter zur jeweiligen Rotorstellung pas- sen. Sonst kann es passieren, dass sich die Polschuhe des Stators die falschen Magnete als "Partner aussuchen" und der Motor mit einer anderen spezifischen Drehzahl läuft, was mit Wirkungsgradverlusten einhergeht. Die hier verwendete Sen- sorik mit hoher Auflösung (kleines Inkrement) beseitigt das Problem.

Die Komponenten des Drehzahlstellers 24 können in moderner Microcontroller- Architektur hardwaremäßig umgesetzt werden. Bei der Software kommt es in beson¬ derer Weise auf ressourcenschonende Programmierung an, da die Prozesse extrem schnell ablaufen (müssen) und nur begrenzte Rechenleistung zur Verfügung steht.

In Kombination mit einer hochfrequenten Ansteuerung durch das Eingangssignal können mit der verbesserten Antriebsdynamik Störungen der Fluglage, z. B. durch Windböen, selbsttätig so schnell korrigiert werden, dass sie nach außen unsichtbar bleiben.

Auch beim Anlaufen des Motors aus dem Stand kann die Zusatzinformation aus dem Sensorsignal wertvolle Dienste leisten. Es können zudem größere Rotoren mit größe¬ rem Massenträgheitsmoment zuverlässig beschleunigt werden, wenn das Sensorsig¬ nal in den Anlaufalgorithmus eingebunden wird.

Ohne Sensor ist der Anlaufvorgang dagegen problematisch, besonders mit großen Rotoren. Mancher Antrieb bleibt ganz stehen, andere laufen mit zeitlicher Verzöge¬ rung an, z. T. ruppig und mit Geräuschentwicklung verbunden. Hintergrund ist, dass der Motor im Stillstand noch keine auslesbare Induktionsspannung zur Steuerung der Kummutierung ausgibt. Also muss der Drehzahlsteller den Motor zunächst ohne diese Information, quasi "blind", auf eine gewisse Mindestdrehzahl beschleunigen. Dazu wird im Drehzahlsteller ein Soll-Drehfeld erzeugt. Diesem kann der Motor jedoch von Fall zu Fall nicht folgen. Mit Sensor können die Startprobleme gelöst werden. Die Sensoren unterstützen den Vorgang wirkungsvoll, weil schon bei kleinen Drehwinkeln verläßliche Signale für die weitere Drehbeschleunigung anstehen (geringes Inkre- ment).

AIs Option können die Signale der Sensoren auch für andere Zwecke weiterverarbei¬ tet werden: Drehzahlüberwachung, Böenerkennung (infolge Drehzahlschwankun¬ gen), Einspeisung in eine zentrale Steuerelektronik für verschiedene Zwecke, z. B. Einbinden in die Logik der Fluglagestabilisierung.

In Kombination mit der eingangs genannten, hochwertigen Sensorik zur Erfassung der Fluggerätebewegung im Raum und einer schnellen Signalverarbeitung bis hin zur Ansteuerung der elektrisch kommutierten Motoren wird durch den Einsatz von Drehbewegungsgebern an den Antrieben die Flugstabilität wesentlich gesteigert. Somit werden kleinste Änderungen der Fluglage fast verzögerungsfrei erfaßt und automatisch korrigiert.

Die bisher gängige Mehrrotorenhubschraubertechnik mit Bürstenmotoren hat hin¬ gegen einige Nachteile, die nachfolgend kurz erläutert werden.

Beim Mehrrotorenhubschrauber hängt die Flugfähigkeit von jedem einzelnen An¬ trieb ab. Fällt einer der Antriebe aus, stürzt das Gerät ab. Die Absturzwahrschein¬ lichkeit infolge Antriebsausfall steigt linear mit der Anzahl der Antriebe. Jeder Mehrrotorenhubschrauber stürzt irgendwann ab, wenn die Bürsten verschlissen sind. Oft kündigt sich dieser "Worst Case" vorher nicht einmal an.

Dieses Problem ist auch deshalb so dramatisch, weil die Anforderungen an energe¬ tische Effizienz dazu zwingen, kleine und leichte Motoren zu verwenden und weit in Überlast zu betreiben. Unter diesen Extrembedingungen werden oft nur wenige Stunden Betriebsdauer erreicht.

Neben dem plötzlichen Totalversagen konnten auch zeitweise Aussetzer beobach¬ tet werden, wenn der Kommutator schon vorgeschädigt ist. Daneben wurden schleichende Änderungen des Betriebsverhaltens beobachtet. In der Regel sind nicht alle Antriebe gleich betroffen. Das Fluggerät ist dann gleichsam vertrimmt und tendiert in eine bestimmt Flugrichtung.

Schließlich ist die Leistungsdichte üblicher Bürstenmotoren unbefriedigend niedrig. Die oftmals viel zu hohe spezifische Drehzahl verbietet die Verwendung langsam- drehender und daher effizienter Rotoren. Das geht zulasten von Nutzlast, Flugzeit oder beidem. Außerdem kann das Bürstenfeuer, das am Kommutator entsteht, benachbarte elektronische Schaltungen stören.

AIIe diese Probleme werden durch das Vorsehen eines bürstenlosen, elektronisch kommutierten Motors beseitigt, und zwar in besonders effizienter Weise dann, wenn der Motor als Außenläufer ausgebildet ist.

Die Erfindung ermöglicht somit einen leisen, hocheffizienten, um alle Achsen steu¬ erbaren, extrem flugstabilen, zuverlässigen, durch die Software variabel konfigu¬ rierbaren, universell einsetzbaren Hubschrauber, der außer 8 Kugellagern keine Verschleißteile aufweist.

Das erfindungsgemäße Fluggerät ist sehr leicht zu bedienen: Ohne (internen oder externen) Steuereingriff beispielsweise verharrt das Gerät im Schwebeflug auf der Stelle, mit nur geringen Abweichungen um eine Mittellage. Auch kleine Störungen, wie Wind, führen in nur geringem Umfang zum Wegdriften. Mit Steuereingriffen kann das Gerät an einen anderen Ort "verfahren" werden. Dazu ist kein fliegeri¬ sches Geschick erforderlich. Wird beispielsweise der Steuerknüppel einer Fernbe¬ dienung (Kabel oder Funk) losgelassen, bleibt der Hubschrauber wieder in der Luft stehen. Weil die Technik ohne GPS auskommt, kann das Fluggerät auch im Innern von Gebäuden eingesetzt werden, wo keine GPS-Signale empfangen werden kön- nen.