DE102017215269A1

DE102017215269A1 - Elektromotor, Antriebssystem und Verfahren zum Antreiben von Einzelpropellern eines Doppelpropellersystems

Info

Publication number: DE102017215269A1
Application number: DE102017215269.9A
Authority: DE
Inventors: Guido Wortmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2017-08-31
Filing date: 2017-08-31
Publication date: 2019-02-28

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Antrieb basierend auf einem Elektromotorkonzept zum Antreiben eines Doppelpropellers, insbesondere eines gegenläufigen Doppelpropellers. Der Elektromotor weist einen Stator und einen Rotor auf, die beide um eine gemeinsame Rotationsachse rotierbar sind, insbesondere gegenläufig, wobei einer der Propeller drehfest mit dem Stator und der andere Propeller drehfest mit dem Rotor verbunden ist. Es werden also beide Stufen des Doppelpropellers über einen einzigen Elektromotor angetrieben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Antrieb basierend auf einem Elektromotorkonzept zum Antreiben eines Doppelpropellers, insbesondere eines gegenläufigen Doppelpropellers. Dabei ist davon auszugehen, dass der Begriff „Doppelpropellersystem“ auch ein System aus zwei entsprechend angeordneten sog. „Fans“ einer Turbine umfassen soll und nicht auf den klassischen Propeller bzw. Doppelpropeller eingeschränkt sein soll.
In der Luftfahrt werden häufig Propeller zur Vortriebserzeugung des Luftfahrzeugs eingesetzt. Hierbei und insbesondere im Rahmen der hier vorgestellten Lösung soll der Begriff „Propeller“ sowohl den klassischen Propeller umfassen, der bspw. an den Flügeln des Luftfahrzeugs angeordnet ist und von einem Verbrennungs- oder Elektromotor angetrieben wird, um Vortrieb zu erzeugen, als auch die in der Regel als „Fan“ bezeichnete Vorrichtung, die insbesondere in Strahltriebwerken zum Einsatz kommt und dort, bspw. im Falle eines Mantelstromtriebwerks, den für die Vortriebserzeugung wesentlichen Mantelstrom erzeugt. Der klassische Propeller wie auch der Fan sind grundsätzlich vergleichbar aufgebaut und umfassen in der Regel mehrere Flügel bzw. Blätter, die sich in einer Längsrichtung erstrecken und die derart um eine Welle herum angeordnet sind, dass die Längsrichtung in bzgl. der Welle radialer Richtung orientiert ist.
Diese in der Luftfahrt zur Vortriebserzeugung eingesetzten Propellersysteme sind häufig einstufig ausgeführt, umfassen also lediglich einen Propeller bzw. einen Fan. Es wird jedoch auch an Doppelpropellerantrieben gearbeitet, also an zweistufigen Systemen, bei denen zwei in Richtung der Rotationsachse gesehen hintereinander angeordnete Einzelpropeller von einem oder mehreren Motoren angetrieben werden. Derartige Systeme umfassen neben Propellern und Motor auch noch weitere Komponenten zum Antreiben der Propeller, bspw. Getriebe sowie Wellen zum Übertragen der vom Motor erbrachten Leistung auf die Einzelpropeller. Die Einzelpropeller werden in der Regel insbesondere wegen der vorteilhaften Auswirkung auf das Gesamtdrehmoment der Anordnung aufgrund der Rotationen der Propeller gegenläufig betrieben, d.h. im Betrieb der Anordnung rotiert einer der Propeller im Uhrzeigersinn, während gleichzeitig der andere Propeller gegen diesen Uhrzeigersinn dreht. Neben dem im Idealfall kompensierten Drehmoment liegen weitere Vorteile des Betriebs zweier gegenläufig rotierender Propeller in einem verbesserten Luftströmungsverhalten und einem erhöhten Wirkungsgrad, da die in Strömungsrichtung der Luft gesehen zweite bzw. hintere Stufe des zweistufigen Systems die Wirbelenergie der ersten bzw. vorderen Stufe nutzen kann.
Grundsätzlich ist es insbesondere in der Luftfahrt von besonderem Interesse, dass das Antriebsystem eine hohe Leistungsdichte aufweist, welche die von der Maschine erbringbare Leistung ins Verhältnis zu ihrem Gewicht setzt und in der Regel in kW/kg angegeben wird. Die Leistungsdichte kann durch eine Erhöhung der erbringbaren Leistung der elektrischen Maschine und/oder durch eine Reduzierung des Gewichts der Maschine erhöht werden. Insbesondere für die oben eingeführten gegenläufigen Doppelpropellerantriebe werden jedoch typischerweise komplexe, mehrstufige Getriebe benötigt, so dass die Antriebe aufgrund der sich ergebenden Komplexität und der benötigten Komponenten ein hohes Gewicht aufweisen, was sich negativ auf die Leistungsdichte niederschlägt. Desweiteren sind aktuelle Antriebe für gegenläufige Doppelpropeller sehr wartungsintensiv.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Antrieb für ein Doppelpropellersystem der eingangs genannten Art mit gegenläufig rotierbaren Einzelpropellern vorzuschlagen, der eine erhöhte Leistungsdichte aufweist.
Diese Aufgabe wird durch den in Anspruch 1 beschriebenen Elektromotor, das in Anspruch 7 beschriebene Antriebssystem sowie das in Anspruch 10 angegebene Verfahren gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen.
Der Elektromotor zum Antreiben eines Doppelpropellersystems eines Antriebs für ein Luftfahrzeug umfasst zumindest einen ersten und einen zweiten Propeller. Die Propeller sind unabhängig voneinander um eine gemeinsame Achse drehbar. Der Elektromotor weist eine erste Komponente, bspw. einen Rotor, zum Antreiben des ersten Propellers und eine zweite Komponente, bspw. einen Stator, zum Antreiben des zweiten Propellers auf. Sowohl die erste Komponente als auch die zweite Komponente sind um die gemeinsame Achse rotierbar und konzentrisch zueinander angeordnet sind. Die erste Komponente weist erste magnetische Mittel auf, bspw. Permanentmagnete, und die zweite Komponente weist zweite magnetische Mittel auf, bspw. bestrombare Wicklungen, wobei die erste und die zweite Komponente mit den ersten und zweiten magnetischen Mitteln derart angeordnet und ausgebildet sind, dass die ersten und zweiten magnetischen Mittel im Betriebszustand des Elektromotors derart miteinander in elektromagnetische Wechselwirkung treten, dass die erste Komponente und die zweite Komponente sowohl relativ zueinander, insbesondere gegenläufig, als auch relativ zu einem äußeren, feststehenden Koordinatensystem KS rotieren können und sie so die Propeller gegenüber dem äußeren Koordinatensystem in Rotation versetzen. Das Luftfahrzeug weist also einen Elektromotor auf, dessen Rotor und Stator zueinander gegenläufig rotierbar sind. Dies ermöglicht, dass beide Stufen des Doppelpropellers über einen einzigen Elektromotor angetrieben werden können.
Wie bereits erwähnt ist die erste Komponente ein Rotor und die ersten magnetischen Mittel sind Magnetfeld erzeugende Permanentmagnete. Die zweite Komponente ist ein Stator und die zweiten magnetischen Mittel sind Wicklungen eines Statorwicklungssystems des Stators, wobei die zweiten magnetischen Mittel von einer Stromquelle mit elektrischem Strom versorgbar sind, so dass sie, sobald sie von elektrischem Strom durchflossen sind, entsprechende Magnetfelder erzeugen.
Die Magnetfelder der Permamentmagnete und die Magnetfelder der Statorwicklungen wechselwirken miteinander und realisieren so die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen den ersten und zweiten magnetischen Mitteln, was bekanntermaßen in der Erzeugung des Drehmoments des Elektromotors resultiert.
Der Motor weist eine erste Welle zur Verbindung des Elektromotors mit dem ersten Propeller und eine zweite Welle zur Verbindung des Elektromotors mit dem zweiten Propeller auf. Die ersten Komponente ist drehfest mit der ersten Welle verbunden und die zweite Komponente ist drehfest mit der zweiten Welle verbunden. Die Wellen sind derart koaxial zueinander angeordnet, dass eine der Wellen innerhalb der anderen Welle verläuft. In axialer Richtung gesehen ist der zweite Propeller zwischen dem ersten Propeller und dem Elektromotor angeordnet. Die zweite Welle ist als Hohlwelle mit einem Hohlraum ausgebildet und die erste Welle ist radial innerhalb der zweiten Welle in dem Hohlraum angeordnet. Hiermit ist als ein platzsparendes System geschaffen, das den gleichzeitigen und voneinander unabhängigen Antrieb der beiden Propeller erlaubt.
Die genannte Stromquelle steht bezüglich des Koordinatensystems KS fest und der elektrische Strom wird von der Stromquelle über einen Schleifring an der zweiten Welle zu den zweiten magnetischen Mitteln übertragen.
Ein entsprechendes Antriebssystem zum Erzeugen von Vortrieb für eine Luftfahrzeug weist neben dem beschriebenen Elektromotor mit rotierendem Rotor und gegenrotierendem Stator ein von dem Elektromotor antreibbares Doppelpropellersystem mit dem ersten und dem zweiten Propeller auf. Das Luftfahrzeug ist also mit einem solchen Antriebssystem ausgestattet. In einer Ausführung umfasst das Flugzeug ein klassisches Doppelpropellersystem und in einer anderen Ausführung umfasst das Flugzeug eine Turbine, bspw. ein Strahltriebwerk, dessen Fan als derartiges, von dem beschriebenen Elektromotor angetriebenes Doppelpropellersystem ausgebildet ist.
Jeder der Propeller weist eine Verstelleinrichtung zum Verstellen von Anstellwinkeln von Propellerblättern des jeweiligen Propellers mittels Drehung des jeweiligen Propellerblattes um seine Längsachse auf. Idealerweise ist eine Steuerung zum Steuern der Verstelleinrichtungen zum Einstellen der Anstellwinkel der Propellerblätter vorgesehen, wobei die Steuerung eingerichtet ist, um die Anstellwinkel der Propellerblätter derart einzustellen, dass im stationären Betrieb des Antriebssystems beide Propeller das gleiche Drehmoment benötigen und im nicht-stationären Betrieb, insbesondere zur Beschleunigung des Luftfahrzeugs, der Elektromotor mehr Drehmoment zur Verfügung stellt, als die Propeller benötigen. Hiermit kann die Vortriebsleistung sowie das Lastmoment des jeweiligen Propellers individuell eingestellt und so ein optimaler Betrieb des Antriebssystems gewährleistet werden.
Zum Antreiben der Einzelpropeller des Doppelpropellersystems zum Erzeugen von Vortrieb für das Luftfahrzeug wird also der erste Propeller von der ersten Komponente des Elektromotors angetrieben und der zweite Propeller wird von der zweiten Komponente des Elektromotors angetrieben. Die magnetischen Mittel der ersten Komponente wechselwirken mit den magnetischen Mitteln der zweiten Komponente derart elektromagnetisch, dass die erste Komponente und die zweite Komponente sowohl gegenläufig um eine gemeinsame Rotationsachse als auch bezüglich des äußeren, feststehenden Koordinatensystem KS rotieren. So versetzen sie die Einzelpropeller zur Erzeugung des Vortriebs gegenüber dem äußeren Koordinatensystem KS in Rotation. Zum Einstellen von Lastmomenten der Einzelpropeller und/oder von Vortriebsleistung des Doppelpropellersytems werden die Blätter der Einzelpropeller um ihre jeweiligen Längsachsen gedreht. Dabei werden die Blätter je nach gewünschtem Betriebszustand des Antriebssystems eingestellt. Im stationären Betrieb werden die Blätter derart eingestellt, dass beide Einzelpropeller das gleiche Drehmoment benötigen. Im nicht-stationären Betrieb, insbesondere zur Beschleunigung des Luftfahrzeugs, werden die Blätter derart eingestellt, dass der Elektromotor mehr Drehmoment zur Verfügung stellt, als die Einzelpropeller benötigen. In beiden Betriebsarten wird der Effekt verwendet, dass das Drehen der Blätter um die Längsachsen eine Veränderung der Anstellwinkel und damit eine Veränderung des Lastmoments bewirkt.
Mit dem Begriff „elektromagnetische Wechselwirkung“ ist die bei einem Elektromotor bekannte Wechselwirkung zwischen den Magnetfeldern der magnetischen Mittel des Rotors, bspw. Permanentmagnete, und den magnetischen Mitteln des Stators, bspw. stromdurchflossene Spulen, gemeint, aufgrund derer der Elektromotor sein Drehmoment entwickelt.
Eine „drehfeste“ Verbindung zweier Komponenten, bspw. eines Rotors mit einer Welle, soll sich dadurch auszeichnen, dass sich eine Rotation einer der Komponenten grundsätzlich auf die andere Komponente überträgt. Gleiches gilt für den Fall, dass eine der Komponenten abgebremst wird. In diesem Fall wird aufgrund der drehfesten Verbindung auch die jeweils andere Komponente gebremst. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Rotationsfrequenzen bzw. Drehzahlen zweier drehfest miteinander verbundener Komponenten stets identisch sind.
Die Vorteile der hier vorgeschlagenen Lösung ergeben sich bspw. aus der Verwendung eines Elektromotors im gegenläufigen Zwei-Wellen-Betrieb zum Antrieb einer zweistufigen Propeller- bzw. Fan-Konfiguration, sowie aus der Möglichkeit der Regelung des Elektromotors in Kombination mit der Propellerverstellung. Aufgrund der reduzierten Anzahl von Komponenten des Antriebssystems als Ganzes wird das System weniger komplex und wie bereits erwähnt auch leichter. Aus dem gleichen Grund erhöht sich auch die Ausfallsicherheit. Wartung und Verfügbarkeit des Antriebssystems verbessern sich aufgrund des Verzichts auf ein Getriebe. Durch die Möglichkeit, die beiden Propeller individuell und unabhängig voneinander zu steuern, kann das System außerdem stets beim optimalen Betriebspunkt verwendet werden.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den Zeichnungen und der entsprechenden Beschreibung.
Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausführungsformen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dort werden gleiche Komponenten in verschiedenen Figuren durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Es ist daher möglich, dass sich bei der Beschreibung einer zweiten Figur zu einem bestimmten Bezugszeichen, welches bereits im Zusammenhang mit einer anderen, ersten Figur erläutert wurde, keine näheren Erläuterungen finden. In einem solchen Fall kann bei der Ausführungsform der zweiten Figur davon ausgegangen werden, dass die dort mit diesem Bezugszeichen gekennzeichnete Komponente auch ohne nähere Erläuterung im Zusammenhang mit der zweiten Figur die gleichen Eigenschaften und Funktionalitäten aufweist, wie im Zusammenhang mit der ersten Figur erläutert.
Es zeigen:

1 eine bekannte elektrische Maschine,
2 ein Antriebssystem mit einem Doppelpropellersystem und einem dieses antreibenden Elektromotor.

Es sei angemerkt, dass sich Begriffe wie „axial“, „radial“, „tangential“ bzw. „in Umfangsrichtung“ etc. auf die in der jeweiligen Figur bzw. im jeweils beschriebenen Beispiel zum Einsatz kommende Welle bzw. Achse beziehen. Mit anderen Worten beziehen sich die Richtungen axial, radial, tangential stets auf eine Drehachse des Rotors. Dabei beschreibt „axial“ eine Richtung parallel zur Rotationsachse, „radial“ beschreibt eine Richtung orthogonal zur Rotationsachse, auf diese zu oder auch von ihr weg, und „tangential“ ist eine Bewegung bzw. Richtung, die in konstantem radialen Abstand zur Rotationsachse und bei konstanter Axialposition kreisförmig um die Rotationsachse herum gerichtet ist.
Konkret sei desweiteren angemerkt, dass sich die axiale Richtung in den hier aufgeführten Beispielen entlang der Rotationsachse vom Propeller in Richtung des Elektromotors erstreckt.
Die 1 zeigt exemplarisch eine als Elektromotor ausgebildete elektrische Maschine 100. Es sei erwähnt, dass die elektrische Maschine 100 in ähnlichem Aufbau grundsätzlich auch als Generator betrieben werden kann. Weiterhin sei angemerkt, dass der Aufbau der im Folgenden beschriebenen Maschine stark vereinfacht ist und insbesondere die im Zusammenhang mit den weiteren Figuren erläuterten Details nicht zeigt, sondern lediglich zur Veranschaulichung der Funktionsweise des Elektromotors dient. Es kann als bekannt vorausgesetzt werden, dass je nach Ausbildung der elektrischen Maschine als Generator oder als Elektromotor und/oder als bspw. Radial- oder Axialflussmaschine mit einem als Innen- oder auch als Außenläufer ausgebildeten Rotor etc. die verschiedenen Komponenten der Maschine unterschiedlich angeordnet sein können. Dies hat jedoch keinen Einfluss auf das im Folgenden dargestellte erfindungsgemäße Prinzip.
Der Elektromotor 100 weist einen Stator 120 sowie einen als Innenläufer ausgebildeten Rotor 110 auf, wobei der Rotor 110 innerhalb des Stators 120 angeordnet ist und im Betriebszustand des Elektromotors 100 um eine Rotationsachse rotiert. Der Rotor 110 ist drehfest mit einer Welle 130 verbunden, so dass eine Rotation des Rotors 110 über die Welle 130 auf eine nicht dargestellte anzutreibende Komponente, bspw. auf ein Propellersystem 200 eines Flugzeugs, übertragbar ist. Es sei erneut darauf hingewiesen, dass der Begriff „Propellersystem“ auch den in einer Flugzeugturbine integrierten sog. „Fan“ umfasst.
Der Elektromotor 100 der 1 soll rein exemplarisch als zweiphasiger Motor 100 ausgebildet sein. Der Stator 120 weist zwei Statorwicklungssysteme 121U, 121V auf, die jeweils zwei magnetische Mittel 122U, 122V umfassen, die bspw. als Statorwicklungen 122 realisiert sein können. Jede der Wicklungen 122 wird durch einen elektrischen Leiter gebildet, der im Betriebszustand des Elektromotors 100 von einem elektrischen Strom durchflossen wird. Dabei soll im hier gezeigten Beispiel ein 2-Phasen-Wechselstrom U, V Verwendung finden, wobei jeweils eine der Phasen U, V den Wicklungen 122U, 122V eines jeweiligen Statorwicklungssystems 121U, 121V zugeführt wird. Der Rotor 110 weist ebenfalls magnetische Mittel 111 auf, die bspw. als Permanentmagnete 111 oder alternativ als erregte bzw. erregbare Wicklungen ausgebildet sein können. Im Folgenden wird angenommen, dass es sich um Permanentmagnete 111 handelt. Die Statorwicklungssysteme 121U, 121V und der Rotor 110, d.h. konsequenterweise und insbesondere die Statorwicklungen 122U, 122V und die Permanentmagnete 111, sind derart ausgebildet und durch einen Luftspalt voneinander beabstandet zueinander angeordnet, dass sie im Betriebszustand des Elektromotors 100 elektromagnetisch miteinander wechselwirken. Dieses Konzept einschließlich der Bedingungen für die Ausbildung und genaue Anordnung der magnetischen Mittel 111, 122U, 122V bzw. von Rotor 110 und Statorwicklungssystemen 121U, 121V sind an sich bekannt und werden daher im Folgenden nicht näher erläutert.
Es sei lediglich erwähnt, dass zum Betreiben der elektrischen Maschine 100 als Elektromotor die Statorwicklungen 122U, 122V der Statorwicklungssysteme 121U, 121V mit Hilfe einer Stromquelle 300 mit einem elektrischen Strom beaufschlagt werden, der bewirkt, dass die Wicklungen 122U, 122V dementsprechende Magnetfelder erzeugen, welche mit den Magnetfeldern der Permanentmagnete 111 des Rotors 110 in elektromagnetische Wechselwirkung treten. Dies resultiert bekanntermaßen darin, dass bei geeigneter Ausbildung und Anordnung der genannten Komponenten zueinander der Rotor 110 und mit ihm die Welle 130 sowie das genannte Propellersystem 200 in Rotation versetzt werden.
Zum Betreiben der elektrischen Maschine 100 als Generator wird anstelle der Spannungsquelle 300 ein elektrischer Verbraucher (nicht dargestellt) elektrisch mit den Statorwicklungen 122U, 122V verbunden. Der Rotor 110 wird mit Hilfe der Welle 130 in Rotation versetzt, so dass durch die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen den Permanentmagneten 111 und den Statorwicklungen 122U, 122V elektrische Spannungen in den Wicklungen 122U, 122V induziert werden. Diese können über entsprechende, jedoch nicht dargestellte Kontakte abgegriffen und dem elektrischen Verbraucher zur Verfügung gestellt werden.
Da die grundsätzliche Arbeitsweise einer elektrischen Maschine 100 bekannt ist, wird an dieser Stelle auf eine weiter gehende Erläuterung verzichtet.
Die 2 zeigt einen Elektromotor 100, welcher vorgesehen ist, um die beiden Einzelpropeller 210, 220 eines als Doppelpropeller 200 ausgebildeten Propellersystems 200 anzutreiben, welches bspw. für die Schuberzeugung bzw. Vortrieb eines Luftfahrzeugs zum Einsatz kommen kann - sei es als klassisches Doppelpropellersystem oder als Doppel-Fan eines Triebwerks. Der Übersichtlichkeit wegen sind in der 2 die magnetischen Mittel 122 des Stators 120 nicht im Einzelnen dargestellt. Es ist jedoch davon auszugehen, dass Statorwicklungssysteme 121U, 121V, 121W des Stators 120 Wicklungen bzw. Spulen umfassen, die von einer Stromquelle 300 mit elektrischen Strömen U, V, W versorgt werden, um mit den Permanentmagneten 111 wie oben erläutert elektromagnetisch zu wechselwirken.
Das Doppelpropellersystem 200 weist also einen ersten Einzelpropeller 210 mit Blättern 211, 212 sowie einen zweiten Einzelpropeller 220 mit Blättern 221, 222 auf, die um eine Rotationsachse ROT rotierbar koaxial zueinander angeordnet sind.
Die Blätter 211, 212, 221, 222 erstrecken sich in Längsrichtungen L211, L212, L221, L222 und sind derart jeweils gleichverteilt um die Drehachse ROT herum angeordnet, dass die Längsachsen L211, L212, L221, L222 in bzgl. der Achse ROT radialer Richtung orientiert sind.
Der erste Propeller 210 ist drehfest auf einer ersten Welle 131 angeordnet. In gleicher Weise ist der zweite Propeller 220 drehfest auf einer zweiten Welle 131 angeordnet. Desweiteren sind die Propeller 210, 220 über die Wellen 131, 132 mit dem Elektromotor 100 verbunden und wie im folgenden beschrieben durch diesen antreibbar. Aufgrund der drehfesten Anordnung der Propeller 210, 220 auf der jeweiligen Welle 131, 132 sind die Propeller 210, 220 aufgrund einer Rotation der jeweiligen Welle 131, 132, welche ihrerseits durch den Elektromotor 100 bewirkt werden kann, selbst in Rotation versetzbar. Die Propeller 210, 220 sind desweiteren in axialer Richtung derart hintereinander angeordnet, dass der zweite Propeller 220 zwischen dem ersten Propeller 210 und dem Elektromotor 100 positioniert ist. Dementsprechend verläuft die mit dem ersten Propeller 210 verbundene erste Welle 131 zumindest abschnittsweise innerhalb der mit dem zweiten Propeller 220 verbundenen zweiten Welle 132, wobei letztere 132 konsequenterweise als Hohlwelle mit einem Hohlraum 133 ausgebildet ist. Ebenfalls konsequenterweise weist der zweite Propeller 220 in seinem zentralen Bereich eine Öffnung auf, durch die sich die erste Welle 131 erstreckt.
Der Elektromotor 100 weist grundsätzlich den im Zusammenhang mit der 1 erläuterten Aufbau auf. Im Unterschied zum typischen Elektromotor, bei dem der Stator -wie die Bezeichnung schon andeutet- gänzlich unbeweglich bzgl. eines äußeren, feststehenden Koordinatensystems KS angeordnet ist, soll der Stator 120 in der hier vorgesehenen Anwendung bzgl. des äußeren Koordinatensystems KS nicht fest stehen sondern rotierbar sein. Nichtsdestotrotz wird diese Komponente 120 des Elektromotors 100 weiterhin als „Stator“ bezeichnet, da die Funktion im Vergleich zum typischen Stator unverändert ist. Das feststehende Koordinatensystem KS kann bspw. derart definiert sein, dass der Elektromotor 100 selbst bzw. dessen Gehäuse 101 raumfest zu bzw. feststehend in diesem Koordinatensystem KS angeordnet ist. Auch kann das Koordinatensystem KS bspw. derart gewählt sein, dass es bzgl. eines Rumpfes eines Luftfahrzeugs (nicht dargestellt), das mit dem Doppelpropellersystem 200 und dem Elektromotor 100 ausgestattet ist, fest steht. In allen diesen Fällen würde der Stator einer typischen elektrischen Maschine unbeweglich bzgl. des Koordinatensystems KS angeordnet sein. Der Rotor der typischen elektrischen Maschine wäre bzgl. des Koordinatensystems KS rotierbar.
Dies zusammenfassend unterscheidet sich der erfindungsgemäße Elektromotor 100 von einem typischen Elektromotor dadurch, dass der Stator 120 bzgl. des Koordinatensystems KS nicht feststeht, sondern bzgl. des Koordinatensystems KS rotierbar ist. Insbesondere ist der Stator 120 um die gleiche Rotationsaschse ROT rotierbar, wie der Rotor 110. Dabei sind Rotor 110 und Stator 120 konzentrisch zueinander angeordnet.
In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist der Elektromotor 100 als Innenläufermotor 100 ausgebildet, bei dem der Rotor 110 radial innerhalb des Stators 120 angeordnet ist, während die Axialpositionen dieser Komponenten 110, 120 identisch sind. Dementsprechend ist der Rotor 110 drehfest mit der inneren, ersten Welle 131 zum Antreiben des ersten Propellers 210 verbunden. Aufgrund der speziellen Ausbildung des Elektromotors 100 mit drehbarem Stator 120 kann der Stator 120 benutzt werden, um den zweiten Propeller 220 anzutreiben. Hierzu ist der Stator 120 drehfest mit der äußeren, zweiten Welle 132 verbunden. Um Rotationen sowohl des Rotors 110 mit der Welle 131 als auch des Stators 120 mit der Welle 132 müssen diese Komponenten natürlich in geeigneter Weise gelagert sein. Bspw. können die Wellen 131, 132 mit entsprechenden Lagervorrichtungen ausgestattet sein. Da dies jedoch lediglich ein Randaspekt ist, der für den eigentlichen erfinderischen Ansatz keine Rolle spielt, und einem Fachmann zudem eine Vielzahl von geeigneten Lösungen zur Lagerung bekannt sein wird, wird auf eine Darstellung der Lagerung verzichtet.
Lediglich erwähnt, aber nicht separat dargestellt, sei eine alternative Ausführungsform des Elektromotors 100 als Außenläufermotor, bei dem der Rotor 110 radial außerhalb des Stators 120 angeordnet wäre, während die Axialpositionen dieser Komponenten 110, 120 wiederum identisch wären. In diesem Fall wäre der Rotor 110 drehfest mit der zweiten Welle 132 zum Antreiben des zweiten Propellers 220 verbunden, während der drehbare Stator 120 drehfest mit der ersten Welle 131 verbunden wäre, um den ersten Propeller 210 anzutreiben.
Die grundsätzlichen Funktionsweisen der Ausführungsformen des Elektromotors 100 als Innen- bzw. Außenläufermotor sind identisch, weswegen im Folgenden nicht explizit auf beide Möglichkeiten eingegangen wird, sondern zur Erläuterung lediglich die Ausbildung als Innenläufermotor erläutert wird.
Der Rotor 110 des Elektromotors 100 weist eine Vielzahl von Permanentmagneten 111 auf, die entlang des Umfangs der Rotors 110 angeordnet sind. Demgegenüber weist der Stator 120 zumindest ein, idealerweise aber mehrere Statorwicklungssysteme 121U, 121V, 121W auf, die von einer äußeren Stromquelle 300 mit elektrischem Strom versorgbar sind. Im hier gezeigten Beispiel mit drei Statorwicklungssystemen 121U, 121V, 121W stellt die Stromquelle 300 einen 3-Phasen-Wechselstrom U, V, W zur Verfügung, wobei in jedes der Statorwicklungssysteme 121U, 121V, 121W eine der Phasen eingespeist wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Darstellung der Statorwicklungssysteme 121U, 121V, 121W und der Permanentmagnete 111 in 2 nicht der tatsächlichen Anordnung entspricht. Die Darstellung suggeriert, dass die Wicklungssysteme 121U, 121V, 121W in axialer Richtung gesehen hintereinander angeordnet sind. Tatsächlich sind die Statorwicklungssysteme 121U, 121V, 121W bzw. deren Wicklungen 122 (gem. 1) jedoch in Umfangsrichtung bzw. in tangentialer Richtung gesehen hintereinander angeordnet, wie in 1 angedeutet. Gleiches gilt für die Darstellung der Permanentmagnete 111. Die Darstellung in 2 soll lediglich darauf hinweisen, dass der Elektromotor 100 über Permanentmagnete 111 und Statorwicklungssysteme 121U, 121V, 121W verfügt, nicht jedoch deren genaue Anordnung veranschaulichen. Es kann davon ausgegangen werden, dass einem Fachmann bekannt ist, wie die Magnete 111 und Wicklungssysteme 121U, 121V, 121W zur Erzeugung der elektromagnetischen Wechselwirkung anzuordnen sind.
Da der Stator 120 und mit ihm die Statorwicklungssysteme 121U, 121V, 121W bzgl. des Koordinatensystems KS und insbesondere auch gegenüber der Stromquelle 300 rotierbar sind, müssen die von der Stromquelle 300 bereitgestellten elektrischen Ströme U, V, W über eine der Anzahl der Phasen entsprechende Anzahl von Schleifringen 141, 142, 143 einer Schleifringanordnung 140 eingespeist werden. Die Schleifringanordnung 140 befindet sich dabei an derjenigen Welle 131, 132, mit der der Stator 120 drehfest verbunden ist. Wiederum im Fall des Innenläufermotors 100 ist dies die radial außen liegende, zweite Welle 132. Über die Welle 132 und dort vorhandene elektrische Leitungen (nicht dargestellt) werden die über die Schleifringe 141, 142, 143 zugeführten Ströme schließlich den Statorwicklungssystemen 121U, 121V, 121W bzw. deren Wicklungen 122 zugeführt und dort eingespeist.
Zur Erzeugung gewünschter Drehzahlen der Propeller 210, 220 bzw. des Rotors 110 und des Stators 120 werden mit Hilfe einer Steuerung 400 die in die Statorwicklungssysteme 121U, 121V, 121W und in deren Wicklungen 122 einzuspeisenden elektrischen Ströme U, V, W festgelegt. Dabei kann die Steuerung 400 bspw. derart arbeiten, dass eine Eingangsgröße für die Steuerung 400 eine Eingabe eines Piloten des Luftfahrzeugs ist, der mit Hilfe des Doppelpropellersystems 200 einen bestimmten Schub bzw. Vortrieb für das Luftfahrzeugs erzeugen möchte. Als Reaktion der Steuerung 400 auf diese Eingabe durch den Piloten bestimmt diese bspw. die zur Schuberzeugung benötigten Drehzahlen der Propeller 210, 220 und die hierzu benötigten Drehmomente, die seitens des Elektromotors 100 bereitgestellt werden müssen. In Abhängigkeit von diesen von der Steuerung 400 vorgegebenen und von der Stromquelle 300 dementsprechend bereitgestellten Strömen U, V, W ergeben sich aufgrund der elektromagnetischen Wechselwirkungen zwischen den Wicklungen 122 bzw. deren durch die Ströme U, V, W erzeugten Magnetfeldern und den Feldern der Permanentmagnete 111 des Rotors 110 Kräfte bzw. Drehmomente, die letztlich eine gegenseitige, insbesondere eine gegenläufige Rotation des Rotors 110 und des Stators 120 bewirken. Diese gegenläufige Rotation wird über die Wellen 131, 132 auf die Propeller 210, 220 übertragen und sorgt damit in der Folge für den vorgegebenen bestimmten Vortrieb bzw. Schub.
Neben dieser gezielten Einstellung der benötigten Ströme U, V, W ist die Steuerung 400 desweiteren eingerichtet, um die Blätter 211, 212, 221, 222 der Propeller 210, 220 bspw. über jeweils ein Steuergerät 151, 152 zu verstellen und damit ebenfalls Einfluss auf den zu erzeugenden Schub sowie auf das Lastmoment des jeweiligen Propellers 210, 220 zu nehmen. Die als sog. „Governor“ ausgebildeten Steuergeräte 151, 152 können ggf. in die Steuerung 400 integriert sein. Das erste Steuergerät 151 steuert eine Verstelleinrichtung 213 des ersten Propellers 210 zum Einstellen der Blätter 211, 212 des ersten Propellers 210 an, mit der die Blätter 211, 212 bedarfsweise um die Längsachse L211, L212 des jeweiligen Blattes 211, 212 gedreht werden können. In gleicher Weise steuert das zweite Steuergerät 152 eine Verstelleinrichtung 223 des zweiten Propellers 220 zum Einstellen der Blätter 221, 222 des zweiten Propellers 220 an, um die Blätter 221, 222 bei Bedarf um die jeweilige Längsachse L221, L222 des jeweiligen Blattes 221, 222 zu drehen.
Das Drehen der Blätter 211, 212, 221, 222 verändert den Winkel, unter dem die Luft die Propeller 210, 220 bzw. deren Blätter 211, 212, 221, 222 an- und umströmt, d.h. den jeweiligen Anstellwinkel. Durch die jeweilige Verstellung kann insbesondere aufgrund des veränderten Anstellwinkels das Lastmoment des jeweiligen Propellers 210, 220 und damit dessen zur Vortriebserzeugung verwendbare Leistung sowie die vom Elektromotor 100 zum Antrieb des jeweiligen Propellers 210, 220 benötigte Leistung angepasst werden.
Im stationären Betrieb, d.h. bspw. bei konstanter abgerufener Leistung und ohne wesentliche Beschleunigungen, bewirkt die Steuerung 400, dass die Propeller 210, 220 mit Hilfe der Governor 151, 512 und der Verstelleinrichtungen 213, 223 so eingestellt werden, dass beide Propeller 210, 220 das gleiche Drehmoment benötigen. Hierzu kann die Steuerung 400 auf Daten von Drehzahlmessern 161, 162 zurückgreifen, welche die Drehzahlen der Wellen 131, 132 überwachen. Die Drehzahlmesser 161, 162 können die von ihnen aufgenommenen Daten bspw. per Funk oder alternativ drahtgebunden an die Steuerung 400 übertragen, welche dann in Reaktion darauf die Steuereinrichtungen 151, 152 ansteuert, um letztlich die Blätter 211, 212, 221, 222 in geeigneten Positionen zu drehen und so Einfluss auf die Drehzahlen zu nehmen. Zum Beschleunigen stellt der Elektromotor 100 mehr Drehmoment zur Verfügung, als die Propeller 210, 220 im stationären Betrieb benötigen.
Ein wesentlicher Vorteil des hier vorgestellten Konzepts gegenüber der konventionellen Bauweise mit einem komplexen Getriebe ist, dass durch die Verstelleinrichtungen 213, 223 die Drehzahl und damit die Leistung beider Propeller unabhängig voneinander eingestellt werden können. Damit kann das System in jedem Flugzustand optimal betrieben werden, was mit einer Steigerung des Wirkungsgrades einhergeht.

Claims

Elektromotor (100) zum Antreiben eines Doppelpropellersystems (200) eines Antriebs für ein Luftfahrzeug mit einem ersten (210) und einem zweiten Propeller (220), wobei die Propeller (210, 220) unabhängig voneinander um eine gemeinsame Achse (ROT) drehbar sind, wobei - der Elektromotor (100) eine erste Komponente (110) zum Antreiben des ersten Propellers (210) und eine zweite Komponente (120) zum Antreiben des zweiten Propellers (220) aufweist, - sowohl die erste Komponente (110) als auch die zweite Komponente (120) um die gemeinsame Achse (ROT) rotierbar und konzentrisch zueinander angeordnet sind, - die erste Komponente (110) erste magnetische Mittel (111) und die zweite Komponente (120) zweite magnetische Mittel (122) aufweist, wobei die erste und die zweite Komponente (110, 120) mit den ersten und zweiten magnetischen Mitteln (111, 122) derart angeordnet und ausgebildet sind, dass die ersten und zweiten magnetischen Mittel (111, 122) im Betriebszustand des Elektromotors (100) derart miteinander in elektromagnetische Wechselwirkung treten, dass die erste Komponente (110) und die zweite Komponente (120) sowohl relativ zueinander, insbesondere gegenläufig, als auch relativ zu einem äußeren, feststehenden Koordinatensystem KS rotieren können und sie so die Propeller (210, 220) gegenüber dem äußeren Koordinatensystem KS in Rotation versetzen.
Elektromotor (100) nach Anspruch 1, aufweisend eine erste Welle (131) zur Verbindung des Elektromotors (100) mit dem ersten Propeller (210) und eine zweite Welle (132) zur Verbindung des Elektromotors (100) mit dem zweiten Propeller (220), wobei - die erste Komponente (110) drehfest mit der ersten Welle (131) verbunden ist und die zweite Komponente (120) drehfest mit der zweiten Welle (132) verbunden ist, - die Wellen (131, 132) derart koaxial zueinander angeordnet sind, dass eine der Wellen (131, 132) innerhalb der anderen Welle (132, 131) verläuft.
Elektromotor (100) nach Anspruch 2, wobei in axialer Richtung gesehen der zweite Propeller (220) zwischen dem ersten Propeller (210) und dem Elektromotor (100) angeordnet, die zweite Welle (132) als Hohlwelle mit einem Hohlraum (133) ausgebildet und die erste Welle (131) zumindest abschnittsweise radial innerhalb der zweiten Welle (132) in dem Hohlraum (133) angeordnet ist.
Elektromotor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente (110) ein Rotor und die ersten magnetischen Mittel (111) Magnetfeld erzeugende Permanentmagnete sind.
Elektromotor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Komponente (120) ein Stator und die zweiten magnetischen Mittel (122) Wicklungen eines Statorwicklungssystems (121, 121U, 121V, 121W) des Stators (120) sind, wobei die zweiten magnetischen Mittel (122) von einer Stromquelle (300) mit elektrischem Strom (U, V, W) versorgbar sind, so dass sie, sobald sie vom elektrischem Strom (U, V, W) durchflossen sind, entsprechende Magnetfelder erzeugen.
Elektromotor (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (300) bezüglich des Koordinatensystems KS fest steht und der elektrische Strom (U, V, W) von der Stromquelle (300) über eine Schleifringanordnung (140) an der zweiten Welle (132) zu den zweiten magnetischen Mitteln (122) übertragen wird.
Antriebssystem zum Erzeugen von Vortrieb für eine Luftfahrzeug, aufweisend ein Doppelpropellersystem (200) mit einem ersten (210) und einem zweiten Propeller (220) sowie einen Elektromotor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Antreiben beider Einzelpropeller (210, 220) des Doppelpropellersystems (200).
Antriebssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Propeller (210, 220) eine Verstelleinrichtung (213, 223) zum Verstellen von Anstellwinkeln von Propellerblättern (211, 212, 221, 222) des jeweiligen Propellers (210, 220) mittels Drehung des jeweiligen Propellerblattes (211, 212, 221, 222) um seine Längsachse (L211, L212, L221, L222) aufweist.
Antriebssystem nach Anspruch 8, aufweisend eine Steuerung (400, 151, 153) zum Steuern der Verstelleinrichtungen (213, 223) zum Einstellen der Anstellwinkel der Propellerblätter (211, 212, 221, 222), wobei die Steuerung (400, 151, 153) eingerichtet ist, um die Anstellwinkel der Propellerblätter (211, 212, 221, 222) derart einzustellen, dass - im stationären Betrieb beide Propeller (210, 220) das gleiche Drehmoment benötigen, - im nicht-stationären Betrieb, insbesondere zur Beschleunigung des Luftfahrzeugs, der Elektromotor (100) mehr Drehmoment zur Verfügung stellt, als die Propeller (210, 220) benötigen.
Verfahren zum Antreiben von Propellern (210, 220) eines Doppelpropellersystems (200) zum Erzeugen von Vortrieb für ein Luftfahrzeug, wobei zum Antreiben der Propeller (210, 220) ein Elektromotor (100) gemäß Anspruch 1 verwendet wird, wobei der erste Propeller (210) von der ersten Komponente (110) des Elektromotors (100) angetrieben wird und der zweite Propeller (220) von der zweiten Komponente (120) des Elektromotors (100) angetrieben wird, wobei die ersten magnetischen Mittel (111) der ersten Komponente (110) mit den zweiten magnetischen Mitteln (122) der zweiten Komponente (120) derart elektromagnetisch wechselwirken, dass die erste Komponente (110) und die zweite Komponente (120) des Elektromotors (100) sowohl gegenläufig zueinander um eine gemeinsame Rotationsachse (ROT) als auch bezüglich des äußeren, feststehenden Koordinatensystem KS rotieren und sie so die Propeller (210, 220) zur Erzeugung des Vortriebs gegenüber dem äußeren Koordinatensystem KS in Rotation versetzen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei zum Einstellen von Lastmomenten der Propeller (210, 220) und/oder von Vortriebsleistung des Doppelpropellersystems (200) Propellerblätter (211, 212, 221, 222) der Propeller (210, 220) um ihre jeweiligen Längsachsen (L211, L212, L221, L222) gedreht werden.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei je nach Betriebszustand des Antriebssystems die Propellerblätter (211, 212, 221, 222) derart eingestellt werden, dass - im stationären Betrieb beide Propeller (210, 220) das gleiche Drehmoment benötigen, - im nicht-stationären Betrieb, insbesondere zur Beschleunigung des Luftfahrzeugs, der Elektromotor (100) mehr Drehmoment zur Verfügung stellt, als die Propeller (210, 220) benötigen.