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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aktuator in einem Fahrwerkssystem eines Fluggeräts.
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Aktuatoren finden weite Verbreitung in Fahrwerkssystemen eines Flugzeugs oder eines Helikopters. Dabei steigen die Anforderungen im kommerziellen Betrieb von Flugzeug- und Helikoptersystemen, um die Ausfallquoten bzw. auf einen Ausfall eines Aktuators zurückzuführende Flugabbrüche zu reduzieren. Gleichzeitig zeichnet sich der Trend ab, wonach elektrohydraulische Aktuatoren (EHA) und elektromechanische Aktuatoren (EMA) das vormals bei Fluggeräten eingesetzte klassische zentrale Hydrauliksystem ersetzen. Grund hierfür ist die verbesserte Effizienz, die durch EHA- und EMA-Technologien erreichbar ist.
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Klassische Systeme mit zentraler Hydraulikversorgung, wie sie beispielsweise in 1 dargestellt sind, verwenden für die Lenkung eines Fahrwerks, die Fahrwerksbetätigung (das Ein- und Ausfahren des Fahrwerks) und das Bremsen partielle Redundanz. Dies bedeutet, dass nicht sämtliche Bauteile, die zur Betätigung des Aktuators beitragen, redundant ausgeführt sind, sondern nur ein Teil von diesen Bauteilen redundant ausgeführt werden. Wie bereits oben erwähnt, sind jedoch Systeme, die auf eine zentrale Hydraulikversorgung zurückgreifen, nicht mehr zeitgemäß und werden aufgrund ihrer geringen Effizienz gegenüber elektromechanischen Aktuatoren und elektrohydraulischen Aktuatoren immer weniger eingesetzt.
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Im Stand der Technik gibt es jedoch auch Bestrebungen die Ausfallwahrscheinlichkeit von elektrohydraulischen und elektromechanischen Aktuatoren weiter zu verringern. 2 zeigt dabei einen Ansatz, bei dem eine komplette Redundanz der dezentralen Druckerzeugung für eine Fahrwerksbetätigung gezeigt ist. Bei einem solchen elektrohydraulischen Aktuator sind zwei Motorpumpeneinheiten mit jeweils eigenständiger Antriebselektronik vorhanden. Dieses Konzept bringt jedoch den Nachteil eines vergrößerten Gewichts und hoher Kosten mit sich. Zudem wird die nominale Leistungsfähigkeit des Aktuators bei einem in 2 dargestellten Aktuator nur bei einem Parallelbetrieb der zwei redundanten Druckerzeugungseinheiten erreicht. Fällt demnach eine der redundant aufgebauten Motorpumpeneinheiten aus, verändert sich die Leistungsfähigkeit des Aktuators signifikant.
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Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, die vorstehend aufgeführten Probleme zu überwinden und einen Aktuator zu schaffen, der eine äußerst geringe Ausfallwahrscheinlichkeit bei möglichst geringen Kosten und Gewicht vereint.
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Dies gelingt mit einem Aktuator, der sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
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Demnach umfasst der Aktuator in einem Fahrwerkssystem eines Fluggeräts einen elektrischen Antrieb zum Antreiben des Aktuators, und eine erste Antriebselektronik zum Ansteuern des elektrischen Antriebs, die über eine elektrische Leitung mit dem Antrieb verbunden ist. Der Aktuator ist dadurch gekennzeichnet, dass er ferner über eine zweite Antriebselektronik zum Ansteuern des elektrischen Antriebs verfügt, die über eine elektrische Leitung mit dem Antrieb verbunden ist, wobei die erste Antriebselektronik und die zweite Antriebselektronik redundant zueinander sind.
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Demnach besitzt der erfindungsgemäße Aktuator lediglich einen elektrischen Antrieb, jedoch zwei mit dem elektrischen Antrieb verbundene Antriebselektroniken, die zueinander redundant sind. Die angestrebte Verfügbarkeitserhöhung (Reduktion der Ausfallwahrscheinlichkeit) wird demnach durch eine partielle Redundanz, die sich nur auf die Elektronik bzw. die Elektrik beschränkt, erzielt. Da die Elektronik erfahrungsgemäß eine höhere Ausfallwahrscheinlichkeit aufweist, als die mechanischen Komponenten, wird nur der elektrische Anteil des Aktuators redundant vorgesehen. Die Redundanz beschränkt sich demnach auf die Elemente mit der höchsten Ausfallrate.
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Nach einer optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung ist der Aktuator ein elektromechanischer Aktuator oder ein elektrohydraulischer Aktuator, wobei vorzugsweise bei einem elektrohydraulischen Aktuator der elektrische Antrieb eine Pumpe eines Hydraulikkreislaufs antreibt.
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Nach einer bevorzugten Variante der Erfindung ist die erste Antriebselektronik unterschiedlich zu der zweiten Antriebselektronik. Von der Erfindung ist jedoch auch der Fall umfasst, wonach die erste Antriebselektronik identisch zu der zweiten Antriebselektronik ist.
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Der Vorteil, der sich ergibt, wenn die erste Antriebselektronik unterschiedlich zu der zweiten Antriebselektronik ist, liegt in der teilweise von Behörden geforderten Unabhängigkeit der redundant ausgeführten Elemente. Liegt der Grund eines Fehlers des Aktuators beispielsweise in der logischen Konzeption der Antriebselektronik, verschafft eine redundante gleichartige Ausführung hier keine Abhilfe, sodass hier keine unabhängige zweite Möglichkeit gegeben wäre.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Aktuator nur den einen elektrischen Antrieb aufweist. Dies ist Ausdruck der partiellen Redundanz. Auch kann vorgesehen sein, dass der Aktuator über einen dezentralen Hydraulikkreis verfügt, also nicht mit einem zentralen Hydrauliksystem eines Fluggeräts in Verbindung steht.
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Nach einer weiteren optionalen Modifikation der Erfindung ist der elektrische Antrieb ein Elektromotor, der sowohl mit der ersten Antriebselektronik als auch mit der zweiten Antriebselektronik verbunden ist, wobei vorzugsweise die erste Antriebselektronik und die zweite Antriebselektronik über eine Kommunikationsverbindung miteinander verbunden sind.
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Ist der elektrische Antrieb ein Elektromotor, so kann der Elektromotor als ein Doppelwicklungsmotor ausgeführt sein, wobei die doppelten Wicklungen voneinander unabhängig sind. Zudem kann vorgesehen sein, dass eine der doppelten Wicklungen mit der ersten Antriebselektronik und die andere der doppelten Wicklungen mit der zweiten Antriebselektronik zusammenwirkt.
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Durch das Vorhandensein der Doppelwicklung in dem Motor kann der Motor von jeder der beiden Antriebselektroniken angesteuert werden, ohne eine Ansteuerelektronik für den Motor teilen zu müssen.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Doppelwicklung auf einer gemeinsamen Welle und/oder den gleichen Rotormagneten vorhanden ist. Alternativ hierzu ist auch möglich, dass die Doppelwicklung auf einem Stator des Elektromotors angeordnet ist.
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Nach einer weiteren Fortbildung der Erfindung weist der Elektromotor redundant implementierte Phasen auf, wobei eine der redundanten Phasen mit der ersten Antriebselektronik und die andere der redundanten Phasen mit der zweiten Antriebselektronik zusammenwirkt.
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Nach einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst der Aktuator ferner eine Umschalteinheit, die eine Ansteuerung des Motors entweder durch die erste Antriebselektronik oder die zweite Antriebselektronik zulässt. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Umschalteinheit bei einem Ausfall einer der beiden Antriebselektroniken so geschaltet wird, dass sie keine Ansteuerbefehle der ausgefallenen Ausfallelektronik an den Motor weitergibt sondern nur die Befehle der nicht ausgefallenen Antriebselektronik durchleitet.
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Nach einer vorteilhaften Modifikation der Erfindung ist der Elektromotor ein 3-Phasen-Permanentsynchronmotor, der vorzugsweise mit einem Resolver oder einem Halleffekt-Sensor für die Motorregelung versehen ist.
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Nach einer weiteren Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Aktuator ferner mit einem ersten Motorsensor zum Bestimmen eines Betriebszustands des Antriebs und einem zweiten Motorsensor zum Bestimmen eines Betriebszustands des Antriebs versehen ist, wobei der erste Motorsensor mit der ersten Antriebselektronik und der zweiten Motorsensor mit der zweiten Antriebselektronik elektrisch verbunden ist. Dadurch wird gewährleistet, dass jede Antriebselektronik separat abgetastete Werte erhält und bei falschen Ausgabewerten eines der beiden Sensoren nicht beide Antriebselektroniken fehlerhafte Ansteuerbefehle ausgeben.
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Vorzugsweise ist der Aktuator dazu ausgelegt, ein Fahrwerk zu betätigen, oder ein Fahrwerksrad zu lenken. Unter der Betätigung des Fahrwerks wird das Ein- oder Ausfahren des Fahrwerks verstanden, sowie das Verriegeln im eingefahrenen und ausgefahrenen Zustand..
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Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Leistungsfähigkeit des Aktuators oder des elektrischen Antriebs unabhängig von dem Ausfall einer der zwei zueinander redundanten Antriebselektroniken ist. Dies ist von Vorteil, da auch bei einer ausgefallenen Antriebselektronik der Antriebselektronik das Ansprechverhalten des Aktuators nicht anders ist.
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Von der Erfindung ist jedoch auch der Fall umfasst, wobei die Leistungsfähigkeit des Aktuators oder des elektrischen Antriebs beim Ausfall einer der zwei zueinander redundanten Antriebselektroniken abnimmt, vorzugsweise nimmt dabei die Leistungsfähigkeit um die Hälfte ab. Es kann unter Umständen von Vorteil sein, wenn bei einem Ausfall einer Antriebselektronik die Leistungsfähigkeit des Aktuators herabgesetzt wird. So wird dann im Notfallbetrieb die Erzeugung von Leistungsspitzen verhindert, sodass die Belastung eines Spannungsnetzes während einer Notversorgung gering gehalten wird. Dabei ist zu beachten, dass auch bei der herabgesetzten Leistungsfähigkeit die Primäraufgabe des Aktuators erfüllt wird, dies lediglich länger dauert oder die Ausführung des Aktuators verschleißintensiver ist.
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Die Erfindung betrifft zudem ein Fahrwerkssystem eines Fluggeräts, das mehrere Aktuatoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst, wobei die erste Antriebselektronik und die zweite Antriebselektronik für die mehreren Aktuatoren des Fahrwerksystems zusammen an einem Ort zentral angeordnet sind. Dadurch wird bei einem Ausfall einer Antriebselektronik die Reparatur der ausgefallenen Antriebselektronik vereinfacht, da der Zugriff auf die im Fluggerät teilweise an schwer zugänglichen Orten angeordneten Aktuatoren nicht erforderlich ist.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:
- 1: klassische Aktuatorsysteme mit einer zentralen Hydraulikversorgung aus dem Stand der Technik,
- 2: elektrohydraulische Aktuatoren mit einer kompletten Redundanz einer dezentralen Druckerzeugung aus dem Stand der Technik,
- 3: eine schematische Darstellung der vorliegenden Erfindung anhand eines elektrohydraulischen Aktuators,
- 4: eine schematische Darstellung der vorliegenden Erfindung anhand eines elektromechanischen Aktuators,
- 5: einer schematische Darstellung eines EHA-Antriebs zur Bugradlenkung und Fahrwerksbetätigung nach der Erfindung, und
- 6: eine schematische Darstellung eines elektromechanischen Aktuators zur Fahrwerksbetätigung nach der Erfindung.
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1 bildet den Stand der Technik ab und zeigt zwei verschiedene Aktuatoren, wobei der linke davon zum Lenken eines Bugrads und der rechte zum Betätigen eines Fahrwerks dient. Die einzelnen Aktuatoren 1 sind dabei über eine zentrale Hydraulikversorgung 11 angebunden. Durch das Öffnen bzw. Regeln von Ventilen wird der entsprechende Motor zum Lenken des Bugrads bzw. zum Betätigen des Fahrwerks angetrieben. Die redundante Ausführung von Positionssensoren und der zugehörigen Elektronik erzeugt zwei voneinander verschiedene Signale, die zu den Ventilen 12 geführt werden.
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2 zeigt weiteren Stand der Technik, der ohne eine zentrale Hydraulikversorgung auskommt. Dargestellt ist in dieser Figur ein elektromechanischer Aktuator 1, dessen Mittel zur Druckerzeugung des Hydraulikfluids vollständig redundant ausgeführt sind. Man erkennt, dass der Aktuator 1 zwei Motoren 2 und zwei Pumpen 7 aufweist. Der Einsatz von kompletten Redundanzen führt jedoch zu einer Erhöhung von Kosten und einem hohen Gewicht.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Aktuators. Dabei zeigt diese Figur einen elektrohydraulischen Aktuator mit einer dezentralen Hydraulikversorgung. Die zentrale Hydraulikversorgung des Verbrauchers, also eines zu stellenden Elements wird dabei durch den Motor 2 in Verbindung mit der an dem Motor über eine mechanische Kopplung verbundenen Pumpe 7 erzeugt. Ferner erkennt man eine erste Antriebselektronik 1, die über eine erste elektronische Leitung 5 mit dem Motor verbunden ist. Daneben existiert eine zweite Antriebselektronik 4, die ebenfalls über eine elektrische Leitung 6 mit dem Antrieb 2 verbunden ist. Durch das Vorsehen der partiellen Redundanz, bei der nur die Antriebselektronik vollständig redundant ausführt ist und der Motor nur in einfacher Ausführung vorhanden ist, ist es möglich, eine Ausfallwahrscheinlichkeit zu verringern ohne das Gewicht und die Kosten wie in der in 2 dargestellten Lösung zu erhöhen. Der Elektromotor 2 ist dabei redundant ansteuerbar.
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4 zeigt einen erfindungsgemäßen Aktuator, nämlich einen elektromechanischen Aktuator 1. Hier ist der Verbraucher direkt über eine mechanische Kopplung mit dem Elektromotor 2 verbunden. Die redundante Antriebselektronik 3, 4 unterscheidet sich dabei nicht wesentlich von der Antriebselektronik aus 3.
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5 zeigt einen elektrisch redundanten elektrohydraulischen Antrieb für eine Bugradlenkung sowie für eine Fahrwerksbetätigung. Dabei ist ersichtlich, dass der Aktuator 1 eine dezentrale Hydraulikversorgung aufweist, die über den Elektromotor 2 und der zugehörigen Hydraulikpumpe 7 angetrieben wird. Der Elektromotor 2 steht dabei über eine erste elektrische Leitung 5 mit der ersten Antriebselektronik 3 und über eine zweite elektrische Leitung 6 mit der zweiten Antriebselektronik 4 in Verbindung. Schemenhaft ist aus der Darstellung des Elektromotors 2 zu entnehmen, dass dies ein Elektromotor mit einer Doppelwicklung ist, wobei die erste Wicklung der Doppelwicklung durch die erste Antriebselektronik 3 steuerbar und die zweite Wicklung der Doppelwicklung durch die zweite Antriebselektronik 4 steuerbar ist. Auch kann eine Kommunikationsverbindung 8 zwischen den beiden Antriebselektroniken 3, 4 vorgesehen sein.
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Weiter ist ein erster Motorsensor 9 und ein zweiter Motorsensor 10 vorgesehen, die zueinander identisch aufgebaut sein können. Der erste Motorsensor 9 ist dabei mit der ersten Antriebselektronik 3 verbunden, wobei der zweite Motorsensor 10 mit der zweiten Antriebselektronik 4 verbunden ist. Dadurch sind sämtlich für die Antriebselektronik notwendigen Eingangsparameter (Motorsensoren 9, 10 bzw. Positionssensoren) redundant aufgeführt und führen zu einer geringen Ausfallwahrscheinlichkeit des Aktuators. Auch ist die gesamte Motoransteuerung des Elektromotors 2 redundant aufgebaut, da durch die Doppelwicklung der Ausfall einer Antriebselektronik 3, 4 durch die andere Antriebselektronik kompensiert werden kann.
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6 zeigt einen elektrisch redundant aufgebauten elektromechanischen Aktuator zur Fahrwerksbetätigung, bei dem die Elektronik dezentral im Aktuator 1 integriert ist. Aufgrund von Sicherheitsanforderungen wird eine unabhängige Möglichkeit des Fahrwerkausfahrens im Notfallbetrieb typischerweise behördlich gefordert, was durch einen Doppelwicklungsmotor 2 und der redundanten Elektronik, insbesondere durch die erste und die zweite Antriebselektronik 3, 4 und die zugehörige Verkabelung 5, 6, erfüllt wird. Weiter kann dabei vorgesehen sein, dass die bei den Antriebselektroniken 3, 4 mit einem dissimilaren Design vorgesehen sind. Die Ungleichheit der beiden Antriebselektroniken senkt die Ausfallwahrscheinlichkeit weiter.
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Die vorgestellten Beispiele der Erfindung können einen 3-Phasen-Permanentsynchronmotor mit Resolver oder mit Halleffektsensoren zur Motorregelung verwenden. Zur redundanten Ansteuerung werden die Wicklungen des Motors und die Motorsensoren doppelt ausgeführt, wodurch sich die Welle aufgrund des höheren Platzbedarfs verlängert ausgeführt sein kann. Dabei sind andere Motortypen von der Erfindung nicht ausgeschlossen.
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Auch kann vorgesehen sein, dass die Leistungsfähigkeit der redundanten Antriebe mit gleicher oder reduzierter Leistungsfähigkeit realisiert wird. Man kann demnach beide Antriebselektroniken aktiv schalten oder in einem Normalbetrieb, in dem beide Antriebselektroniken funktionsfähig sind, nur eine der Elektroniken aktiv schalten und die andere in einem Stand-By-Modus halten. Der Vorteil bei dem Aktiv-Stand-By-Konzept liegt im identischen Aktuatorverhalten bei Ausfall einer Redundanz. Alternativ ist bei dem anderen Konzept des Aktiv-Aktiv-Betriebs ein Leistungsabfall bei Ausfall bei einer der Antriebselektroniken systembedingt. Dies wird teilweise jedoch gefordert, da in dem Notfallbetrieb, der bei Ausfall einer Antriebselektronik bestimmter Aktuatoren betrieben wird, eine Belastung des Notfallspannungsnetzes so gering wie möglich gehalten werden soll.
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Zudem kann vorgesehen sein, dass die in 5 dargestellten Lenkungsventile 13 in doppelter Ausführung und redundant ansteuerbaren (Dual Coil)-Ventilen umgesetzt sind. Die in 6 dargestellte Entriegelung 14 kann ebenfalls in doppelter Ausführung und als redundant ansteuerbares (Dual Coil)-Entriegelungsgerät erforderlich sein.
