DE10125734B4

DE10125734B4 - Fernsteuerbares Fluggerät

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Publication number: DE10125734B4
Application number: DE10125734A
Authority: DE
Original assignee: Vogel Heribert Dipl-Ing
Current assignee: Vogel Heribert Dipl-Ing
Priority date: 2001-03-06
Filing date: 2001-05-16
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2021-05-17
Also published as: DE10125734A1; DE50201720D1

Abstract

Fernsteuerbares Fluggerät, insbesondere fernsteuerbarer Ultraleichtmodellhelikopter, mit zumindest einem Rotorblatt (104), dessen Einstellwinkel (α) verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellung des Einstellwinkels (α) des zumindest einen Rotorblattes (104) über mindestens einen auf die Rotorblattachse wirkenden Hebel durch eine Kraft erfolgt, die über ein Magnetfeld erzeugt wird, das durch die elektrische Ansteuerung von zumindest einer Spule (106) variierbar ist.

Description

Fernsteuerbares Fluggerät
Die Erfindung betrifft ein fernsteuerbares Fluggerät, insbesondere einen fernsteuerbaren Ultraleichtmodellhelikopter, mit zumindest einem Rotorblatt, dessen Einstellwinkel verstellbar ist.

Beispielsweise im Zusammenhang mit Modellhelikoptern ist es bekannt, den Auftrieb sowie Nick-/Roll des Hauptrotors über ein komplexes Gestänge zu steuern, das an Servomotoren angeschlossen ist. Zum Antrieb des Heckrotors sind insbesondere zwei Lösungen üblich. Bei der ersten Lösung erfolgt die Verbindung des Heckrotors mit dem Hauptantrieb über ein Getriebe, das durch einen Servomotor gesteuert wird, eine optionale Kupplung und eine Abtriebswelle. Bei der zweiten Lösung wird der Heckrotor von einem separaten Motor angetrieben. Die erste Lösung wird üblicherweise herangezogen, wenn ein Verbrennungsmotor als Hauptantrieb verwendet wird. Ein zweiter, nur für den Antrieb des Heckrotors vorgesehener Verbrennungsmotor wäre, insbesondere im Bereich des Heckrotors, zu schwer. Ein Elektromotor benötigt einen aufwendigen Generator oder schwere Akkus. Die zweite Lösung wird insbesondere bei elektrisch angetriebenen Modellen eingesetzt, weil als Antrieb für den Heckrotor aufgrund der geringen benötigten Leistung derzeit ausschließlich Elektromotoren verwendet werden können. Ferner ist es bekannt, das Gyro-System, das zur Stabilisierung um die Hauptrotorwelle den Heckrotorschub regelt (beziehungsweise weitere Raumachsen wie beispielsweise Nick oder Roll), als ein separates System in einem eigenen Gehäuse vorzusehen, das an das Gesamtsystem angeschlossen werden kann.

Die beschriebenen konstruktiven Ausführungen haben zur Folge, dass herkömmliche Konstruktionen relativ schwergewichtig sind, weil sie neben den genannten konstruktiven Merkmalen besonders hinsichtlich Steifheit und Festigkeit dahingehend optimiert sind, einen eventuellen Absturz zu überstehen ohne größeren Schaden zu nehmen. Jedes Mehrgewicht benötigt wiederum stärkere und dadurch notwendigerweise schwerere Motoren und deren Energieversorgung, wie zum Beispiel Akkus. Dies führt dazu dass bisher beispielsweise kein kommerzielles Angebot von Modellhelikoptern mit einem Gewicht < 200 Gramm existiert. Die Helikopter, die diese Grenze erreichen, basieren noch auf herkömmlicher Technologie und werden oft als sogenannte Indoor-Helikopter angeboten. Die Erfahrung zeigt jedoch, dass vor allem Fluganfänger Probleme haben, das Modell in Zimmerräumen erfolgreich zu steuern, daher sind mit Indoor eher Hallenräume gemeint. Bei Abstürzen nimmt das Modell trotz robuster Bauweise oftmals Schaden. Grund hierfür ist das immer noch recht hohe Gewicht und die damit verbundenen Trägheitskräfte des Modellhelikopters. Um den Auftrieb des Hauptrotors variabel zu steuern (Pitch, Nick und Roll), wird in herkömmlichen Hauptrotorsteuerungen eine variable Steuerung des Einstellwinkels der Rotorblätter über Servomotoren, Taumelscheibe, Hillerpaddel und so weiter erreicht. Es sind zwar einzelne Prototypen von Modellhelikoptern bekannt, die bis zu 40–50 Gramm leicht sind, jedoch basieren auch diese Prototypen auf der herkömmlichen Technologie, sind entsprechend aufwendig herzustellen und sind daher für eine Serienfertigung ungeeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein fernsteuerbares Fluggerät, insbesondere einen fernsteuerbaren Ultraleichtmodellhelikopter, anzugeben, das kostengünstig hergestellt und relativ einfach montiert werden kann und der gegenüber bekannten fernsteuerbaren Fluggeräten ein verringertes Gewicht aufweist.

Vorteile der Erfindung

Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße fernsteuerbare Fluggerät baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass die Verstellung des Einstellwinkels des zumindest einen Rotorblattes über mindestens einen auf die Rotorblattachse wirkenden Hebel durch eine Kraft erfolgt, die über ein Magnetfeld erzeugt wird, das durch die elektrische Ansteuerung von zumindest einer Spule variierbar ist. Durch die erfindungsgemäße Lösung kann auf beim Stand der Technik eingesetzte Servomotoren verzichtet werden, wodurch niedrigere Herstellungskosten und ein verringertes Gewicht erzielt werden. Bei bevorzugten Ausführungsformen wird die Spule derart angesteuert, dass sich der gewünschte Einstellwinkel ergibt, wenn sich die auf das Rotorblatt wirkenden Kräfte bezüglich dem Einstellwinkel im Gleichgewicht befinden. Dies erfolgt vorteilhafterweise in Form einer Regelung.

Die zumindest eine Spule wird vorzugsweise impulsförmig angesteuert. Dies ermöglicht beispielsweise eine volldigitale Steuerung beziehungsweise Regelung des Einstellwinkels.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die die Verstellung des Einstellwinkels des zumindest einen Rotorblattes bewirkende Kraft über einen Verbindungswinkel als Torsionskraft in das Rotorblatt übertragen wird, der derart an dem zumindest einen Rotorblatt angelenkt ist, dass die Stellung des Verbindungswinkels den Einstellwinkel des zumindest einen Rotorblattes festlegt. In diesem Zusammenhang ist es beispielsweise denkbar, dass ein Verbindungswinkel einem Rotorblatt zugeordnet ist oder dass jedem Rotorblatt ein Verbindungswinkel zugeordnet ist. Die zuletzt genannte Lösung kommt insbesondere in Betracht, wenn mehrere Rotorblätter vorgesehen sind, deren Einstellwinkel unabhängig voneinander verstellbar sind.

In diesem Zusammenhang ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Verbindungshebel um eine Achse senkrecht zur Rotordrehachse schwenkbar ist. Dabei schneidet die Schwenkachse vorzugsweise die Rotorhauptachse.

Bei bestimmten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Fluggerätes kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Spule an einer Rotorplatte angeordnet ist, die mit einer Rotorachse in Verbindung steht. Bei einer derartigen Ausführungsform kann in vielen Fällen auf zur Kraftübertragung eingesetzte Stößel und dergleichen verzichtet werden.

Insbesondere in diesem Zusammenhang ist vorzugsweise vorgesehen, dass die elektrische Ansteuerung der zumindest einen Spule über Schleifkontakte erfolgt. Diese Schleifkontakte können beispielsweise an einer Rotorplatte angeordnet sein, die ein oder mehrere Rotorblätter lagert.

Insbesondere im vorstehend erwähnten Zusammenhang kann weiterhin vorgesehen sein, dass an zumindest einem Verbindungshebel zumindest ein Permanentmagnet angeordnet ist, der einen Beitrag zu dem Magnetfeld liefert. Ein derartiger Permanentmagnet kann weiterhin als Ausgleichsgewicht wirken und über die Zentrifugalkraft dazu beitragen, dass ein oder mehrere Rotorblätter bezüglich des Einstellwinkels in eine vorgegebene Stellung bewegt werden, beispielsweise in eine Ruhestellung oder in eine Stellung in der bezüglich dem Einstellwinkel Kräftegleichgewicht herrscht. In diesem Zusammenhang können gegebenenfalls auch geeignete Anschlagelemente vorgesehen werden, beispielsweise zwischen einer Rotorplatte und einem Verbindungswinkel.

Die Erfindung betrifft weiterhin Ausführungsformen, bei denen vorgesehen ist, dass die die Verstellung des Einstellwinkels des zumindest einem Rotorblattes bewirkende Kraft über zumindest einen Stößel übertragen wird. Ein derartiger Stößel ist vorzugsweise im Bereich der Drehachse des zumindest ein Rotorblatt aufweisenden Rotors angeordnet und kann sich beispielsweise in den Rumpf des Fluggerätes erstrecken, um dort mit nicht rotierenden Elementen zusammenzuwirken.

Insbesondere in diesem Zusammenhang kann weiterhin vorgesehen sein, dass der zumindest eine Stößel an dem Verbindungshebel angelenkt ist. Dies kann beispielsweise über einen abgewinkelten Abschnitt des Stößels und eine an dem Verbindungshebel vorgesehene Öse erfolgen. Je nach Anordnung der Öse entlang des radial geführten Teiles des Verbindungshebels ergibt sich somit auch ein Anschlag zwischen abgewinkeltem Abschnitt des Stößels und dem Verbindungswinkel wodurch ein maximaler Einstellwinkel festgelegt ist.

Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass an dem zumindest einen Stößel zumindest ein Permanentmagnet angeordnet ist, der einen Beitrag zu dem Magnetfeld liefert. Diese Ausführungsform kommt, ohne darauf beschränkt zu sein, insbesondere dann in Frage, wenn der Stößel im Rumpf des Fluggerätes mit nicht rotierenden Elementen zusammenwirkt.

Insbesondere im vorstehend erläuterten Zusammenhang kann weiterhin vorgesehen sein, dass die zumindest eine Spule an einem nicht rotierenden Element des Fluggerätes benachbart zu dem zumindest einen Permanentmagneten angeordnet ist. Dabei sind beispielsweise Lösungen denkbar, bei denen der Permanentmagnet an einem axialen Ende des Stößels oberhalb der Spule angeordnet ist oder bei denen die Spule bezogen auf den Stößel radial benachbart zum Permanentmagneten angeordnet ist.

Bei bestimmten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Fluggerätes kann vorgesehen sein, dass es zumindest zwei Rotorblätter aufweist, deren Einstellwinkel unabhängig voneinander verstellbar sind, und dass jedem der zumindest zwei Rotorblätter zumindest eine Spule zugeordnet ist. Wenn die Einstellwinkel der Rotorblätter durch eine entsprechende Ansteuerung der jeweiligen Spulen unabhängig voneinander eingestellt werden können, werden besonders vorteilhafte Flugeigenschaften erzielt.

Insbesondere in diesem Zusammenhang kann weiterhin vorgesehen sein, dass ein biegeelastisches Verbindungselement so die Verbindungswinkel paarweise verbindet, dass senkrecht zu den Rotationsachsen angreifende Zentrifugalkräfte sich aufheben und eine zusätzliche Rückstellkraft entsteht, die die Rotationsachsen in die Ursprungslage überführt.

Weiterhin kann bei dem Fernsteuerbares Fluggerät vorgesehen sein, dass die zwei mit den Rotorblättern verbundenen Verbindungshebel, deren Einstellwinkel unabhängig vonein ander verstellbar ist, über ein biegeelastisches Element miteinander verbunden sind.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Steuerung eines zu einer Hauptrotorachse koaxialen Auftriebsanteils (Pitch) umfasst, dass zumindest zwei Spulen, von denen jede einem Rotorblatt zugeordnet ist, jeweils derart angesteuert werden, dass die Einstellwinkel der zumindest zwei Rotorblätter gleichsinnig verändert werden. Diese gleichsinnige Veränderung beziehungsweise Einstellung der Einstellwinkel kann beispielsweise durch das Anlegen einer Gleichspannung an die zumindest eine Spule erfolgen, insbesondere einer gepulsten Gleichspannung, die durch volldigitale Mittel bereitgestellt werden kann.

Zusätzlich oder alternativ kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Steuerung eines zu einer Hauptrotorachse nicht-koaxialen Auftriebsanteils (Nick und/oder Roll) umfasst, dass zumindest zwei Spulen, von denen jede einem Rotorblatt zugeordnet ist, jeweils derart angesteuert werden, dass die Einstellwinkel der zumindest zwei Rotorblätter gegensinnig verändert werden. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem die beiden Rotorblätter gleichzeitig zu einem bestimmten Zeitpunkt innerhalb der Periodendauer des Hauptrotors immer wieder mit gegenpoligen Impulsen beaufschlagt werden. Dabei bestimmt die Länge dieser Impulse die Stärke der Nick-/Roll-Kräfte. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, um die Pitch- und die Nick-/Roll-Ansteuerung gleichzeitig zu erreichen, die Pitch- und Nick-/Roll-Impulse nicht einfach mit Nick-/Roll-Priorität zu überlagern, weil es dadurch zu Wechselwirkungen zwischen Pitch und Nick/Roll kommen kann.

Die Erfindung betrifft auch Ausführungsformen, bei denen vorgesehen ist, dass das fernsteuerbare Fluggerät zumindest zwei Rotorblätter aufweist, deren Einstellwinkel gekoppelt verstellbar sind. Zu diesem Zweck kann beispielsweise ein einziger Verbindungswinkel eingesetzt werden, der die zur Einstellung der Einstellwinkel erforderliche Kraft überträgt. Eine entsprechende Koppelung der Rotorblätter ermöglicht besonders einfache und daher leichte und kostengünstige Konstruktionen.

Bei allen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Fluggerätes kann vorgesehen sein, dass die Steuerung eines zu einer Hauptrotorachse koaxialen Auftriebsanteils (Pitch) umfasst, dass eine Gleichspannung, insbesondere eine impulsförmige Gleichspannung an die zumindest eine Spule angelegt wird, die zumindest einem Rotorblatt zugeordnet ist.

Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die Steuerung eines zu einer Hauptrotorachse nicht-koaxialen Auftriebsanteils (Nick und/oder Roll) umfasst, dass eine Wechselspannung, insbesondere eine impulsförmige Wechselspannung an die zumindest eine Spule angelegt wird, die zumindest einem Rotorblatt zugeordnet ist. In Fällen, in denen sowohl der koaxiale Auftriebsanteil als auch der nicht-koaxiale Auftriebsanteil über impulsförmige Spannungen eingestellt werden, können sich die jeweiligen Impulsdauern unterscheiden und beispielsweise von einer Regelungsschaltung festgelegt werden.

Insbesondere im vorstehend erwähnten Zusammenhang ist vorzugsweise weiterhin vorgesehen, dass die Periode der Wechselspannung mit der an der zumindest einen Spule angelegten Drehzahl des zumindest einen Rotorblattes synchronisiert ist. Eine derartige Synchronisierung ergibt einen schwingungsarmen Betrieb.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Steuerung eines zu einer Hauptrotorachse koaxialen Auftriebsanteils (Pitch) und die Steuerung eines zu einer Hauptrotorachse nicht-koaxialen Auftriebsanteils (Nick und/oder Roll) überlagert wird. Um eine maximale Nick-/Roll-Steuerfähigkeit aufrechtzuerhalten und dennoch eine unabhängige Pitch- und Nick-/Roll-Ansteuerung zu erhalten, kann in diesem Zusammenhang beispielsweise eine Impulsfolge eingesetzt werden, die für den Pitch derart verändert wird, dass bei Zugabe von Nick-/Roll-Impulsen der Vertikalauftrieb konstant bleibt. Hierzu können beispielsweise die Pitch-Impulse verlängert werden.

Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Fluggerätes ist vorgesehen, dass die Ansteuerung der zumindest einen Spule volldigital erfolgt. Dies gilt insbesondere wenn eine digitale Regelungseinrichtung eingesetzt wird.

Zusätzlich oder alternativ kann weiterhin vorgesehen sein, dass bei der Ansteuerung der zumindest einen Spule bei gleichzeitiger Pitch-Ansteuerung und Nick/Roll-Ansteuerung eine Impulsbreitenkorrektur erfolgt.

Jeder Bausatz, der zur Herstellung eines fernsteuerbaren Fluggerätes, insbesondere eines Ultraleichtmodellhelikopters, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung geeignet ist, fällt in den Schutzbereich der zugehörigen Ansprüche.

Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen noch näher erläutert.
Es zeigen:
1a eine Drauf- und Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Hauptrotors des erfindungsgemäßen Fluggerätes;
1bi bis 1biii Beispiele für elektrische Ansteuerungsprofile zur Einstellung von Einstellwinkeln;
1c eine Drauf- und Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines Hauptrotors des erfindungsgemäßen Fluggerätes;
1d eine Seitenansicht einer Stößelanordnung zur Übertragung einer Kraft zur Einstellung eines Einstellwinkels;
1e eine Drauf- und Seitenansicht einer dritten Ausführungsform eines Hauptrotors des erfindungsgemäßen Fluggerätes;
1f eine Drauf- und Seitenansicht einer vierten Ausführungsform eines Hauptrotors des erfindungsgemäßen Fluggerätes;
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die folgende Beschreibung der Ausführungsbeispiele erfolgt beispielhaft für einen Ultraleichtmodellhelikopter.
1a zeigt eine Drauf- und Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Hauptrotors des erfindungsgemäßen Fluggerätes. An einer Hauptrotorplatte 103, die mit einer gelagerten Hauptrotorachse 108 verbunden ist, sind zwei über (nicht dargestellte) Abgreifkontakte elektrisch angeschlossene Spulen 106 symmetrisch zur Hauptrotorachse 108 befestigt. Ebenfalls an der Hauptrotorplatte 103 befestigt sind zwei Drehlager 102, in denen jeweils ein Verbindungswinkel 101 gelagert ist, an dessen entgegengesetzten Enden ein Permanentmagnet 105 und ein Rotorblatt 104 befestigt sind. Der Permanentmagnet 105 ist so angeordnet, dass ein Gleichstrom 107 durch die Spulen 106 zu einer Auslenkung des Verbindungswinkels 101 und damit einem veränderten Anström- beziehungsweise Einstellwinkel α der Rotorblätter führt. Durch den veränderten Anströmwinkel α ändert sich auch die Geschwindigkeit der sich bei drehendem Rotorkopf durch die Rotorblätter 104 nach unten beziehungsweise oben beschleunigten Luft und damit der Auftrieb der Konstruktion. Wird der Spulenstrom 107 wieder unterbrochen, wirken durch die Zentrifugalkraft des Verbindungswinkels 101 und des daran befestigten Permanentmagneten 105 sowie durch die an den Rotorblättern 104 angreifenden Kräfte zur Beschleunigung der Luft der Auslenkung entgegen, so dass der Verbindungswinkel 101 wieder in eine Nulllage zurückgestellt wird. Ein Überschwingen wird durch die dämpfenden Eigenschaften der Rotorblätter 104 weitgehend verhindert. Durch Anbringen eines dämpfenden, jedoch flexiblen Anschlags 109 an der Hauptrotorplatte 103 unterhalb des Verbindungswinkels 101 kann das Überschwingen praktisch vollständig verhindert werden. Durch Anbringen eines die Verbindungswinkel 101 verbindenden biegeelastischen Elements 113 können radial zu den Drehachsen der Rotorblätter auftretende Zentrifugalkräfte, die durch die Verbindungswinkel 101 verursacht sind, aufgefangen werden, wodurch sich die Reibung in den Drehlagern 102 verringert. Dieser Aufbau lässt sich folgender Maßen zur Steuerung eines Hauptrotors 100 ausnutzen: durch Anlegen eines Gleichstroms 107 an die Spule 106 kann die Auslenkung der Rotorblätter 104 permanent verändert werden und damit der Betrag des zur Hauptrotorachse 108 koaxialen Auftriebs (Pitch). Durch Anlegen einer Wechselspannung, deren Periode synchronisiert ist mit der Drehzahl der Hauptrotorachse 108, kann ein konstanter Auftriebsvektor erzeugt werden, der nicht mehr koaxial zur Hauptrotorachse 108 ist, sondern der aus einem koaxialen Auftriebsanteil (Pitch) und einem dazu senkrechten Seitenantrieb (Nick und Roll) besteht. Dadurch erhält die Konstruktion dieselben Bewegungsfreiheitsgrade wie herkömmliche Hauptrotorsteuerungen, ist jedoch durch die direkte Ansteuerung wesentlich weniger träge und damit schneller ansteuerbar als servo-basierte Rotorsteuerungssysteme.
Figuren 1bi
1biii zeigen Beispiele für elektrische Ansteuerungsprofile zur Einstellung von Einstellwinkeln. Die Pitch-Ansteuerung wird durch eine gleichmäßige Impulsfolge für beide Rotorblätter erreicht, wie sie in 1bi dargestellt ist. Um einen ruhigen, schwingungsarmen Lauf zu erhalten, sollte die Impulsfolge eine Periodendauer haben, die klein ist gegenüber der Zeit, die benötigt wird, um ein Rotorblatt 104 von Ruhe-/Normalstellung auf Maximal-Pitch und zurück zur Ruhe-/Normalstellung zu bewegen. Die Nick-/Roll-Ansteuerung kann erfolgen, indem die beiden Rotorblätter 104 gleichzeitig zu einem bestimmten Zeitpunkt innerhalb der Periodendauer T des Hauptrotors 100 immer wieder mit gegenpoligen Impulsen beaufschlagt werden, wie dies in 1bii dargestellt ist. Die Länge dieser Impulse bestimmt die Stärke der Nick-/Roll-Kräfte. Um Pitch und Nick/Roll-Ansteuerung gleichzeitig zu erreichen, sollten die Pitch- beziehungsweise Nick-/Roll-Impulse nicht einfach mit Nick-/Roll-Priorität überlagert werden, weil es dadurch zu Wechselwirkungen zwischen Pitch und Nick/Roll kommt. Dies rührt daher, dass bei einem Rotorblatt, bei dem Pitch- und Nick-/Roll-Impulse gleichgerichtet sind, die Nick-/Roll-Wirkung wesentlich geringer ist, als bei einem Rotorblatt, bei dem Pitch- und Nick-/Roll-Impulse entgegengesetzt sind. Um eine maximale Nick-/Roll-Steuerfähigkeit zu bewahren und dennoch unabhängige Pitch- und Nick-/Roll-Ansteuerungen zu erhalten, muss die Impulsfolge für den Pitch so verändert werden, dass bei Zugabe von Nick-/Roll-Impulsen der Vertikalauftrieb konstant bleibt. Dies kann relativ einfach durch Verlängerung der Pitch-Impulse auf die Rotorblätter 104 erreicht werden, wie dies durch die gestrichelte Linie in 1biii dargestellt ist.
1c zeigt eine Drauf- und Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines Hauptrotors des erfindungsgemäßen Fluggerätes. Um unter Umständen fehleranfällige Schleifkontakte zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zu den Spulen 106 zu vermeiden, sind die Spulen 106 bei der in 1c dargestellten Ausführungsform in den nicht-rotierenden Teil des Helikopters verlagert. Die Verbindung zwischen den Rotorblättern 104 und den Permanentmagneten 105 erfolgt hierbei über Verbindungswinkel 101, Ösen 110 und Stößelstangen 111, an denen die Permanentmagnete 105 befestigt sind. Die durch die Stößelstange 105 über die Öse 110 in den Verbindungswinkel 101 eingeleitete vertikale Kraft führt zu der bereits beschriebenen Auslenkung des Verbindungswinkels 101 und dem beschriebenen Steuerungsverhalten, das heißt der Verstellung des Einstellwinkels α. Die Rückstellung der Rotorblätter 104 wird bei der in 1c dargestellten Ausführungsform sichergestellt, indem Einstelle des praktisch in die Drehachse verlegten Gewichtes des Permanentmagneten 105 Gewichte 112 vorgesehen werden.
1d zeigt eine Seitenansicht einer Stößelanordnung zur Übertragung einer Kraft zur Einstellung eines Einstellwinkels. Die Darstellung gemäß 1d lässt sich insbesondere mit der in 1c dargestellten Ausführungsform kombinieren. Gemäß der Darstellung von 1d sind die beiden Permanentmagnete 105a, 105b an den Enden zweier ineinander leichtgängig verschiebbarer Stößelstangen 111a, 111b befestigt. Die dünne Stößelstange 111b wird durch magnetische Kraft angetrieben, durch den an ihrem Ende befestigten Permanentmagnet 105b, indem durch die Spule 106b, die koradial zu einem Gleitlager 115b angeordnet ist, ein Strom fließt. Dies gilt analog für die dickere, als Rohr ausgeführte, Stößelstange 111a, die die dünnere Stößelstange 111b in axialer Richtung führt. Wesentliche Vorteile dieser Konstruktion sind, dass die Lagerung und die Krafteinleitung in die Permanentmagnete 105a, 105b in derselben Ebene erfolgen kann, was erhebliche Kostenvorteile bei der Realisierung der Konstruktion ergibt. Die Anordnung der Stößelstangen 111a, 111b ist frei von parasitären Zentrifugalkräften, die aufwendig durch Gegengewichte neutralisiert werden müssten. Durch Wahl eines genügend großen Abstands zwischen den Lagern 115a, 115b ist es zudem einfach, die magnetische Wirkung der Spulen 106 zu entkoppeln.
1e zeigt eine Drauf- und Seitenansicht einer dritten Ausführungsform eines Hauptrotors des erfindungsgemäßen Fluggerätes. Bei der in 1e dargestellten Ausführungsform handelt es sich um eine einfacher zu realisierende Variante der Hauptrotorsteuerung, die jedoch trotzdem über Nick-/Roll-Steuermöglichkeiten verfügt. Gemäß der Darstellung von 1e ist an der Hauptrotorplatte 103, die mit der Hauptrotorachse 108 verbunden ist, eine über (nicht dargestellte) Abgreifkontakte elektrisch angeschlossene Spule 106 befestigt. Ebenfalls an der Hauptrotorplatte 103 befestigt sind zwei Drehlager 102, in denen genau ein Verbindungswinkel 101 gelagert ist, der die beiden Rotorblätter 104 starr miteinander verbindet und an dessen Querauslegerenden ein Permanentmagnet 105 und ein Gegengewicht 114 angebracht sind. Der Permanentmagnet 105 ist so angeordnet, dass ein Gleichstrom 107 durch die Spule 106 zu einer Auslenkung des Verbindungswinkels 101 und damit einem veränderten Anström- beziehungsweise Einstellwinkel α der Rotorblätter 104 führt. Im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß 1a werden die Rotorblätter 104 jedoch immer gegensinnig ausgelenkt. Wird der Spulenstrom 107 wieder unterbrochen, wirkt die Zentrifugalkraft des Verbindungswinkels 101, des daran befestigten Permanentmagneten 105 und des Gegengewichts 114 der Auslenkung entgegen, so dass der Verbindungswinkel 101 wieder in eine Nulllage zurückgestellt wird. Durch Anbringen eines festen, nicht federnden Anschlags 109 an der Hauptrotorplatte 103 unterhalb des Verbindungswinkels 101 kann das Überschwingen praktisch vollständig verhindert werden. Dieses Prinzip lässt sich folgendermaßen zur Hauptrotorsteuerung ausnutzen: durch Anlegen einer Wechselspannung, deren Periode synchronisiert ist mit der Drehzahl der Hauptrotorachse 108 kann ein Kraftvektor erzeugt werden, der nicht-koaxial zur Hauptrotorachse 108 ist. Die in 1e dargestellte Ausführungsform ist eine erheblich vereinfachte Variante der Ausführungsform gemäß 1a. Statt der Ansteuerung von Pitch und Nick-/Roll ermöglicht die in 1e dargestellte Ausführungsform nur die Nick-/Roll-Ansteuerung der Rotorblätter 104. Daher setzt diese Ausführungsform voraus, dass die Blattgeometrie der Rotorblätter 104 je nach Drehzahl einen bestimmten Auftrieb erzeugt und damit einem festen Pitch entspricht. Bezüglich der Impulsfolge zur Ansteuerung kann die Beschreibung der Nick-/Roll- Ansteuerung im Zusammenhang mit der Ausführungsform von 1a herangezogen werden, die in der 1bii dargestellt ist. Da keine Überlagerung mit Pitch-Impulsen vorkommt, ist eine Impulskorrektur, wie im Zusammenhang mit der Ausführungsform gemäß 1a beschrieben, nicht erforderlich.
1f zeigt eine Drauf- und Seitenansicht einer vierten Ausführungsform eines Hauptrotors des erfindungsgemäßen Fluggerätes. Um unter Umständen fehleranfällige Schleifkontakte zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zu der Spule 106 gemäß 1e zu vermeiden, ist die Spule 106 gemäß der Darstellung von 1f in den nicht-rotierenden Teil des Helikopters verlagert. Die Verbindung zwischen den Rotorblättern 104 und den Permanentmagneten 105 erfolgt hierbei über den Verbindungswinkel 101, die Öse 110 und die (abgewinkelte) Stößelstange 111, an der der Permanentmagnet 105 befestigt ist. Die durch die Stößelstange 111, über die Öse 110 und den Verbindungswinkel 101 eingeleitete vertikale Kraft führt zu der bereits beschriebenen Auslenkung des Verbindungswinkels 101 und dem beschriebenen Steuerungsverhalten. Die Rückstellung der Rotorblätter 104 wird sichergestellt, indem das Gewicht des praktisch in die Drehachse gelegten Permanentmagneten 105 durch Gewichte 112 ersetzt wird, die an den äußeren Bereichen des Verbindungswinkels 101 vorgesehen sind. Die Dämpfung eines Dämpfungselements kann verstärkt werden, indem eines der Gegengewichte 112 zur Beseitigung der Unwucht an der Hauptrotorplatte 103 befestigt wird, und nicht am Verbindungswinkel 101. Dies führt dazu, dass in den Drehlagern 102 durch die nicht ausgeglichenen Zentrifugalkräfte der einzelnen Gewichte 112 eine erhöhte Lagerreibung auftritt, die einen dämpfenden Effekt im Bezug auf die Auslenkung der Rotorblätter 104 ausübt. Allerdings führt die erhöhte Lagerreibung unter Umständen auch zu einem erhöhten Verschleiß der Lager 102. Die Ausführungsform gemäß 1f entspricht im Wesentlichen der der Ausführungsform von 1d, wobei wahlweise eine der Stößelstangen 111 mit zugehöriger Anordnung aus Permanentmagnet 105 und Spule 106 entfällt.
Die vorliegende Erfindung, insbesondere in Kombination mit den nur in der Figurenbeschreibung erläuterten Merkmalen, die alle für die Lösung der Aufgabe wesentlich sein können, zeichnet sich durch die mögliche Leitbauweise, volldigital wirkende Stellglieder und neuartige Konzepte für den integrierten konstruktiven Aufbau aus. Dies ermöglicht eine wirtschaftliche Herstellung von Modellhelikoptern, die um zirka den Faktor 10–20 leichtgewichtiger sind als auf herkömmlicher Technologie basierende Modellhelikopter, bei gleichen oder geringeren Herstellungskosten. Durch die geringen Abmessungen der Bauteile, die durch die Erfindung möglich werden, werden die bei Abstürzen oftmals zerstörerisch wirkenden Biegemomente im Verhältnis zur Festigkeit der Bauteile wesentlich geringer, so dass die auf der Erfindung basierenden Modelle mindestens ebenso robust sind, wie die auf herkömmlicher Technologie aufbauenden Modellhelikopter. Das geringere Gewicht führt auch dazu, dass in den Rotoren während des Betriebs gespeicherte Energie und damit die Verletzungsbeziehungsweise Schadensgefahr wesentlich geringer ist, als bei herkömmlichen, deutlich schwereren Modellhelikoptern. Die Erfindung ergibt ein fernsteuerbares Flugge rät, das besonders leichtgewichtig ist, mit derzeitig erhältlichen Antriebsmotoren beispielsweise nur wenige Gramm wiegt, und das dennoch zuverlässig und belastbar ist. Durch einen modularen Aufbau kann das Fluggerät außerdem leicht zu anderen Varianten umgerüstet werden.

Claims

Fernsteuerbares Fluggerät, insbesondere fernsteuerbarer Ultraleichtmodellhelikopter, mit zumindest einem Rotorblatt (104), dessen Einstellwinkel (α) verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellung des Einstellwinkels (α) des zumindest einen Rotorblattes (104) über mindestens einen auf die Rotorblattachse wirkenden Hebel durch eine Kraft erfolgt, die über ein Magnetfeld erzeugt wird, das durch die elektrische Ansteuerung von zumindest einer Spule (106) variierbar ist.
Fernsteuerbares Fluggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld durch zumindest einen Permanentmagneten (105) und die zumindest eine Spule (106) erzeugt wird.
Fernsteuerbares Fluggerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Spule (106) impulsförmig angesteuert wird.
Fernsteuerbares Fluggerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Verstellung des Einstellwinkels (α) des zumindest einen Rotorblattes (104) bewirkende Kraft über einen Verbindungswinkel (101) als Torsionskraft in das Rotorblatt (104) übertragen wird, der derart an dem zumindest einen Rotorblatt (104) angelenkt ist, dass die Stellung des Verbindungswinkels (101) den Einstellwinkel (α) des zumindest einen Rotorblattes (104) festlegt.
Fernsteuerbares Fluggerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungshebel (101) um eine Achse senkrecht zur Rotordrehachse (108) schwenkbar ist.
Fernsteuerbares Fluggerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Spule (106) an einer Rotorplatte (103) angeordnet ist, die mit einer Rotorachse (108) in Verbindung steht.
Fernsteuerbares Fluggerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Ansteuerung der zumindest einen Spule (106) über Schleifkontakte erfolgt.
Fernsteuerbares Fluggerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest einem Verbindungshebel (101) zumindest ein Permanentmagnet (105) angeordnet ist, der einen Beitrag zu dem Magnetfeld liefert.
Fernsteuerbares Fluggerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Verstellung des Einstellwinkels (α) des zumindest einen Rotorblattes (104) bewirkende Kraft über zumindest einen Stößel (111) übertragen wird.
Fernsteuerbares Fluggerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Stößel (111) an dem Verbindungshebel (101) angelenkt ist.
Fernsteuerbares Fluggerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem zumindest einen Stößel (111) zumindest ein Permanentmagnet (105) angeordnet ist, der einen Beitrag zu dem Magnetfeld liefert.
Fernsteuerbares Fluggerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Spule (106) an einem nicht rotierenden Element des Fluggerätes benachbart zu dem zumindest einen Permanentmagneten (105) angeordnet ist.
Fernsteuerbares Fluggerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest zwei Rotorblätter (104) aufweist, deren Einstellwinkel (α) unabhängig voneinander verstellbar sind, und dass jedem der zumindest zwei Rotorblätter (104) zumindest eine Spule (106) zugeordnet ist.
Fernsteuerbares Fluggerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei mit den Rotorblättern (104) verbundenen Verbindungshebel (101), deren Einstellwinkel (α) unabhängig voneinander verstellbar ist, über ein biegeelastisches Element (113) miteinander verbunden sind.
Fernsteuerbares Fluggerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung eines zu einer Hauptrotorachse (108) koaxialen Auf triebsanteils (Pitch) umfasst, dass zumindest zwei Spulen (106), von denen jede einem Rotorblatt (104) zugeordnet ist, jeweils derart angesteuert werden, dass die Einstellwinkel (α) der zumindest zwei Rotorblätter (104) gleichsinnig verändert werden.
Fernsteuerbares Fluggerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung eines zu einer Hauptrotorachse (108) nicht-koaxialen Auftriebsanteils (Nick und/oder Roll) umfasst, dass zumindest zwei Spulen (106), von denen jede einem Rotorblatt (104) zugeordnet ist, jeweils derart angesteuert werden, dass die Einstellwinkel (α) der zumindest zwei Rotorblätter (104) gegensinnig verändert werden.
Fernsteuerbares Fluggerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest zwei Rotorblätter (106) aufweist, deren Einstellwinkel (α) gekoppelt verstellbar sind.
Fernsteuerbares Fluggerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung eines zu einer Hauptrotorachse (108) koaxialen Auftriebsanteils (Pitch) umfasst, dass eine Gleichspannung, insbesondere eine impulsförmige Gleichspannung, an die zumindest eine Spule (106) angelegt wird, die zumindest einem Rotorblatt (104) zugeordnet ist.
Fernsteuerbares Fluggerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung eines zu einer Hauptrotorachse (108) nicht-koaxialen Auftriebsanteils (Nick und/oder Roll) umfasst, dass eine Wechselspannung, insbesondere eine impulsförmige Wechselspannung, an die zumindest eine Spule (106) angelegt wird, die zumindest einem Rotorblatt (104) zugeordnet ist.
Fernsteuerbares Fluggerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Periode der an der zumindest einen Spule (106) angelegten Wechselspannung mit der Drehzahl des zumindest einen Rotorblattes (104) synchronisiert ist.
Fernsteuerbares Fluggerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung eines zu einer Hauptrotorachse (108) koaxialen Auftriebsanteils (Pitch) und die Steuerung eines zu einer Hauptrotorachse (108) nicht-koaxialen Auftriebsanteils (Nick und/oder Roll) überlagert wird.
Fernsteuerbares Fluggerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der zumindest einen Spule (106) volldigital erfolgt.
Fernsteuerbares Fluggerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ansteuerung der zumindest einen Spule bei gleichzeitiger Pitch-Ansteuerung und Nick/Roll-Ansteuerung eine Impulsbreitenkorrektur erfolgt.