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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Luftfahrzeug. Insbesondere betrifft die Erfindung ein redundantes hybrid-elektrisches Antriebssystem zum Bereitstellen von kinetischer Energie für ein Vortriebsmittel eines Luftfahrzeugs.
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Für mobile Anwendungen, bspw. zum Antrieb von Luftfahrzeugen wie etwa Flugzeugen oder Helikoptern oder aber auch für elektrisch angetriebene Land- oder Wasserfahrzeuge etc., werden als Alternative zu den gebräuchlichen Verbrennungskraftmaschinen Konzepte beruhend auf elektrischen Antriebssystemen untersucht und eingesetzt. Ein derartiges elektrisches Antriebssystem, welches als rein elektrisches oder auch als hybrid-elektrisches Antriebssystem ausgebildet sein kann, weist in der Regel zumindest eine elektrische Maschine auf, die zum Antreiben des Vortriebsmittels des Luftfahrzeugs als Elektromotor betrieben wird. Weiterhin sind eine entsprechende Quelle elektrischer Energie zur Versorgung des Elektromotors sowie in der Regel eine Leistungselektronik und natürlich die entsprechende Verkabelung zur elektrischen Verbindung der Komponenten des Antriebssystems vorgesehen, mit deren Hilfe der Elektromotor betrieben wird. Im Falle eines hybrid-elektrischen Antriebssystems ist desweiteren ein Verbrennungsmotor vorgesehen, der seriell oder parallel in das Antriebssystem integriert ist und bspw. einen Generator antreibt, welcher seinerseits elektrische Energie zur Verfügung stellt, die in einer Batterie gespeichert und/oder dem Elektromotor zugeführt werden kann.
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Derartige Systeme werden bspw. in
WO 2015/ 106993 A1 ,
WO 2015/ 128121 A1 oder auch in
WO 2017/ 025224 A1 beschrieben.
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Beim elektrischen Betreiben insbesondere eines Luftfahrzeugs kann ein Fehlerfall im elektrischen Antriebssystem einen Absturz des Luftfahrzeugs zur Folge haben, verbunden mit entsprechenden Gefahren für Passagiere und in der Regel einhergehend mit erheblichen Sachschäden. Bei dem hybrid-elektrischen Antriebssystem kann ein Fehler in jeder der einleitend exemplarisch aufgezählten Komponenten des Antriebssystems auftreten, also unter anderem im Energiespeicher, der die elektrische Energie zur Versorgung des Elektromotors liefert, in der Leistungselektronik des Elektromotors, die bspw. u.a. einen Gleichstrom in einen Wechselstrom für den Elektromotor wandelt, im Elektromotor selbst, im Generator und/oder in einer dem Generator zugeordneten Leistungselektronik.
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Um die genannten Risiken aufgrund eines Fehlerfalls im elektrischen Antriebssystem zu reduzieren, wurde vorgeschlagen, das Fahrzeug mit einem redundanten Antriebssystem zu betreiben, welches zwei oder mehr weitestgehend voneinander unabhängige Teilantriebssysteme aufweist. Dabei bedeutet der Begriff „redundant“ im Allgemeinen, dass durch eine mehrfache Ausführung von Komponenten eine erhöhte Sicherheit gegen einen Fehlerfall erreicht wird. Beim Ausfall eines der Teilantriebssysteme würde das verbleibende System ausreichen, um einen sicheren Weiterflug und eine sichere Landung zu gewährleisten. Trotz der Redundanz kann es in den Teilantriebssystemen nach wie vor jeweils zu Ausfällen von dort angesiedelten Komponenten kommen, wobei zusätzlich auch weitere nachteilige Situationen wie bspw. asymmetrische Lade- oder Alterungszustände der Batterien etc. auftreten können.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein hybrid-elektrisches Antriebssystem für ein Luftfahrzeug mit erhöhter Ausfallsicherheit anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 beschriebene Antriebssystem und das in Anspruch 9 beschriebene Betriebsverfahren gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen.
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Ein solches Luftfahrzeug-Antriebssystem weist zumindest ein erstes sowie ein zweites Teilsystem auf, wobei sämtliche Teilsysteme zum Erzeugen von Vortrieb für das Luftfahrzeug vorgesehen sind. Desweiteren ist eine elektrische Maschine mit einem ersten Statorwicklungssystem und einem zweiten Statorwicklungssystem vorgesehen. Das erste Teilsystem weist bspw. u.a. einen ersten Propeller, einen ersten Elektromotor zum Antreiben des ersten Propellers und eine erste Batterie auf, wobei der erste Elektromotor wahlweise und gesteuert von der Steuerung von der ersten Batterie und/oder über das erste Statorwicklungssystem mit elektrischer Energie versorgbar ist. Das zweite Teilsystem weist bspw. u.a. einen zweiten Propeller, einen zweiten Elektromotor zum Antreiben des zweiten Propellers und eine zweite Batterie auf, wobei der zweite Elektromotor wahlweise und gesteuert von der Steuerung von der zweiten Batterie und/oder über das zweite Statorwicklungssystem mit elektrischer Energie versorgbar ist. In einem Normalbetrieb des Antriebssystems ist eine in dem ersten Statorwicklungssystem induzierte Spannung als elektrische Energie dem ersten Teilsystem zur Versorgung von dort angeordneten Komponenten des ersten Teilsystems, bspw. die erste Batterie und der Elektromotor des ersten Teilsystems, zuführbar. Es kann also die erste Batterie aufgeladen und/oder der Motor mit Energie versorgt werden. Demnach kann der Motor des ersten Teilsystems wahlweise aus der Batterie oder aus dem ersten Statorwicklungssystem elektrische Energie beziehen. In entsprechender Weise ist eine in dem zweiten Statorwicklungssystem induzierte Spannung als elektrische Energie dem zweiten Teilsystem zur Versorgung von Komponenten des zweiten Teilsystems, bspw. die zweite Batterie und der Elektromotor des zweiten Teilsystems, zuführbar. Es kann also die zweite Batterie aufgeladen und/oder der zweite Motor mit Energie versorgt werden. Demnach kann der Motor des zweiten Teilsystems wahlweise aus der zweiten Batterie oder aus dem zweiten Statorwicklungssystem elektrische Energie beziehen. Demnach arbeitet die elektrische Maschine im Normalbetrieb als Generator bzw. rein generatorisch. Das Antriebssystem weist darüber hinaus eine Steuerung auf, welche eingerichtet ist, um einen Betriebszustand des Antriebssystems derart einzustellen und dabei auch Wechsel zwischen den möglichen Betriebszuständen zu veranlassen, dass das Antriebssystem im Normalbetrieb oder in einem motorischen Betriebszustand betreibbar ist. Insbesondere gilt, dass im motorischen Betriebszustand gesteuert durch die Steuerung eines der Teilsysteme als versorgendes und ein anderes der Teilsysteme als zu versorgendes Teilsystem festgelegt sind, wobei elektrische Energie vom versorgenden Teilsystem über die Statorwicklungssysteme der elektrischen Maschine in das zu versorgende Teilsystem übertragbar ist.
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Die Erfindung betrifft demnach ein hybrid-elektrisches Antriebssystem für ein Luftfahrzeug mit zwei weitestgehend voneinander unabhängigen Teilsystemen. Jedem der Teilsysteme ist eine Statorwicklung einer gemeinsamen elektrischen Maschine zugeordnet, so dass beide Teilsysteme von der gemeinsamen elektrischen Maschine mit elektrischer Energie versorgbar sind. Beim Auftreten eines Fehlerfalls in einem der Teilsysteme, ist das Antriebssystem derart einzurichten, dass elektrische Energie aus einer Batterie des nicht fehlerhaften Teilsystems über Ausnutzung der beiden Statorwicklungssysteme in das fehlerhafte Teilsystem transferiert werden kann. Das der Erfindung zu Grunde liegende Konzept liegt darin, durch ein Moment auf der Generatorwelle, das in Summe für den Verbrennungsmotor bspw. neutral sein kann, über die Wicklungssysteme des Generators Energie vom einen Teilsystem des Antriebssystems auf das jeweils andere Teilsystem zu übertragen.
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Die Statorwicklungssysteme sind voneinander unabhängig und derart angeordnet, dass jedes der Statorwicklungssysteme mit magnetischen Mitteln eines gemeinsamen Rotors der elektrischen Maschine bspw. zur Erzeugung der jeweiligen induzierten Spannung elektromagnetisch wechselwirkt. Es ist demnach nicht für jedes der Statorwicklungssysteme ein separater Rotor vorgesehen. Die elektrische Maschine weist einen Rotor mit einer Vielzahl von magnetischen Mitteln, bspw. Permanentmagneten, auf, die in bekannter Weise mit beiden Statorwicklungssystemen elektromagnetisch wechselwirken. Dementsprechend wird der Rotor als gemeinsamer Rotor bezeichnet. Dieses Vorhandensein eines gemeinsamen Rotors, der mit beiden Statorwicklungssystemen elektromagnetisch wechselwirkt, ermöglicht letztlich die Energieübertragung mit Hilfe der Statorwicklungssysteme.
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Die Steuerung ist eingerichtet, um die Teilsysteme hinsichtlich des Auftretens eines Fehlerfalls im jeweiligen Teilsystem zu überwachen und einen Wechsel vom Normalbetrieb zum motorischen Betriebszustand zu veranlassen, wenn in einem der Teilsysteme ein Fehlerfall detektiert wird, wobei dasjenige Teilsystem, in dem der Fehlerfall vorliegt, als das zu versorgende Teilsystem festgelegt wird. Die Überwachung erlaubt ein weitestgehend verzögerungsfreies Reagieren auf das Eintreten eines Fehlerfalls.
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Die Steuerung ist desweiteren eingerichtet, eine von der elektrischen Maschine momentan aufgebrachte Leistung P_gen(t) zu ermitteln und einen Wechsel vom Normalbetrieb zum motorischen Betriebszustand zu einem Zeitpunkt t=T1 nur dann veranlassen zu können, wenn gilt P_gen(T1)≤thres_gen*P_gen_max, wobei P_gen_max eine von der elektrischen Maschine maximal erbringbare Leistung und und thres_gen ein durch die Steuerung vorgebbarer Schwellwert ist, für den gilt 0≤thres_gen<1, insbesondere 0<thres_gen<1/n, wobei n die Anzahl der Teilsysteme repräsentiert. Die Energieübertragung ist also nur dann möglich, wenn die elektrische Maschine momentan nicht bei ihrer Maximalleistung betrieben wird.
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Hier und im Folgenden soll der Begriff „momentan“ insbesondere meinen, dass der jeweils entsprechende Zeitpunkt möglichst nah am Zeitpunkt des Auftretens des Fehlerfalls bzw. der Detektion des Fehlerfalls liegt, um Verzögerungen in der Reaktion auf den Fehlerfall zu minimieren.
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Zusätzlich oder alternativ ist die Steuerung eingerichtet, eine von einer jeweiligen Batterie des versorgenden Teilsystems momentan aufgebrachte Leistung P_bat(t) zu ermitteln und die Übertragung elektrischer Energie vom versorgenden zum zu versorgenden Teilsystem ab einem Zeitpunkt t≥T2 nur dann veranlassen zu können, wenn P_bat(T2)≤thres_bat*P_bat_max gilt, wobei P_bat_max eine von der Batterie des versorgenden Teilsystems maximal erbringbare Leistung und thres_bat ein durch die Steuerung vorgebbarer Schwellwert ist, für den gilt 0≤thres_bat<1. Die Energieübertragung ist also nur dann möglich, wenn die Batterie des versorgenden Teilsystems zum Zeitpunkt des gewünschten Wechsels nicht bei ihrer maximalen Leistung betrieben wird.
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Die Zeitpunkte T1 und T2 werden typischerweise identisch sein oder unmittelbar hintereinander liegen. Letztlich sollten beide genannten Bedingungen erfüllt sein, damit die Steuerung den Betriebszustandswechsel in den motorischen Zustand veranlassen kann.
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Die Steuerung ist insbesondere eingerichtet, die Schwellwerte thres_gen, thres_bat in Abhängigkeit von einer Art des detektierten Fehlerfalls und/oder in Abhängigkeit von einer momentanen Flugsituation festzulegen. Die Art des Fehlerfalls kann dabei bspw. schon dadurch festgelegt sein, in welcher Komponente des fehlerhaften Teilsystems der Fehlerfall aufgetreten ist. Durch die so erreichte Flexibilität wird sichergestellt, dass dem zu versorgenden Teilsystem ausreichend Energie zugeführt wird, während gleichzeitig sichergestellt ist, dass dem versorgenden Teilsystem nicht zu viel Energie entzogen wird.
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Jeweils zumindest ein Teil der vom versorgenden Teilsystem in das zu versorgende Teilsystem übertragenen Energie ist der Batterie des zu versorgenden Teilsystems und/oder dem Elektromotor bzw. dessen Leistungselektronik des zu versorgenden Teilsystems zuführbar, wobei die Steuerung eingerichtet ist, um die Flüsse der übertragenen Energie im zu versorgenden Teilsystem zu steuern.
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Zum Betreiben eines derartigen Luftfahrzeug-Antriebssystems, welches wahlweise in einem normalen Betriebszustand und in einem motorischen Betriebszustand betreibbar ist, wird also im normalen Betriebszustand eine in dem ersten Statorwicklungssystem induzierte Spannung als elektrische Energie dem ersten Teilsystem zugeführt und eine in dem zweiten Statorwicklungssystem induzierte Spannung als elektrische Energie dem zweiten Teilsystem zugeführt. Im motorischen Betriebszustand wird eines der Teilsysteme als versorgendes und ein anderes der Teilsysteme als zu versorgendes Teilsystem festgelegt. Elektrische Energie wird schließlich vom versorgenden Teilsystem über die Statorwicklungssysteme der elektrischen Maschine in das zu versorgende Teilsystem übertragen.
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Die Teilsysteme werden durch die Steuerung und eine entsprechende Sensorik hinsichtlich des Auftretens eines Fehlerfalls im jeweiligen Teilsystem überwacht. Bei Detektion eines Fehlerfalls in einem der Teilsysteme wird ein Wechsel vom Normalbetrieb zum motorischen Betriebszustand veranlasst und das Teilsystem, in dem der Fehlerfall detektiert wurde, wird als zu versorgendes Teilsystem festgelegt.
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Insbesondere bei Detektion des Auftretens eines Fehlerfalls, d.h. bspw. ab dem Zeitpunkt der Detektion, ggf. aber auch kontinuierlich und somit unabhängig davon, ob ein Fehlerfall aufgetreten ist, wird eine von der elektrischen Maschine momentan aufgebrachte Leistung P_gen(t)ermittelt, wobei ein Wechsel vom Normalbetrieb zum motorischen Betriebszustand zu einem Zeitpunkt t=T1 nur dann veranlasst wird, wenn gilt P_gen(T1)≤thres_gen*P_gen_max, wobei P_gen_max eine maximal erbringbare Leistung der elektrischen Maschine und thres_gen ein durch die Steuerung vorgebbarer Schwellwert ist, für den gilt 0≤thres_gen<1.
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Wiederum insbesondere bei Detektion des Auftretens eines Fehlerfalls, d.h. bspw. ab dem Zeitpunkt der Detektion, ggf. aber auch kontinuierlich und somit unabhängig davon, ob ein Fehlerfall aufgetreten ist, wird eine von einer jeweiligen Batterie des versorgenden Teilsystems momentan aufgebrachte Leistung P_bat(t) ermittelt und die Übertragung elektrischer Energie vom versorgenden zum zu versorgenden Teilsystem ab einem Zeitpunkt t≥T2 nur dann veranlasst, wenn gilt P_bat(T2)≤thres_bat*P_bat_max, wobei P_bat_max eine maximal erbringbare Leistung der Batterie des versorgenden Teilsystems und thres_bat ein durch die Steuerung vorgebbarer Schwellwert ist, für den gilt 0≤thres_bat<1. Die Energieübertragung ist also nur dann möglich, wenn die Batterie des versorgenden Teilsystems zum entsprechenden Zeitpunkt nicht bei ihrer maximalen Leistung betrieben wird.
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Die Zeitpunkte T1 und T2 werden typischerweise identisch sein oder unmittelbar hintereinander liegen. Letztlich sollten beide genannten Bedingungen erfüllt sein, damit die Steuerung den Betriebszustandswechsel in den motorischen Zustand veranlassen kann.
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Die Schwellwerte thres_gen, thres_bat können in Abhängigkeit von einer Art des detektierten Fehlerfalls und/oder in Abhängigkeit von einer momentanen Flugsituation festgelegt werden, um einen weitestgehend sicheren Betrieb des Antriebssystems zu gewährleisten. Flugsituationen können bspw. ein Start, eine Landung oder ein Reiseflug sein.
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Jeweils zumindest ein Teil der vom versorgenden Teilsystem in das zu versorgende Teilsystem übertragenen Energie wird dort einer Batterie und/oder einem Elektromotor bzw. dessen Motorleistungselektronik zugeführt, wobei die Steuerung eingerichtet ist, um die Flüsse der übertragenen Energie im zu versorgenden Teilsystem zu steuern.
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Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den Zeichnungen und der entsprechenden Beschreibung.
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Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt:
- 1 ein Antriebssystem für ein Luftfahrzeug.
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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 orthogonal zur Achse sowie orthogonal zur radialen Richtung, die also in konstantem radialen Abstand zur Rotationsachse und bei konstanter Axialposition kreisförmig um die Rotationsachse herum gerichtet ist. Die tangentiale Richtung kann ggf. auch als Umfangsrichtung bezeichnet werden.
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Mit dem Begriff „elektromagnetische Wechselwirkung“ ist die bei einer elektrischen Maschine 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 bzw. aufgrund derer ein Generator einen elektrischen Strom liefert.
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Die 1 zeigt exemplarisch und vereinfacht ein hybrid-elektrisches Antriebssystem 10. Das Antriebssystem 10 weist zwei weitestgehend unabhängige und weitestgehend identisch aufgebaute Teilsysteme 100, 200 auf.
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Das erste Teilsystem 100 umfasst ein erstes Statorwicklungssystem 110 einer gemeinsamen elektrischen Maschine 300 des Antriebssystems 10, eine erste Leistungselektronik 120, eine erste Batterie 130, eine erste DC-Verkabelung 140 mit einer ersten Zweigstelle 141 sowie einen ersten Elektromotor 150 mit einer ersten Motorleistungselektronik 151, wobei der erste Motor 150 mechanisch mit einem ersten Propeller 160 des ersten Teilsystems 100 gekoppelt ist. Die elektrische Maschine 300 wird im Normalbetrieb des Antriebssystems 10 als Generator verwendet. Die grundsätzliche Arbeitsweise beruht auf dem Konzept, dass der erste Elektromotor 150, wenn er von der ersten Batterie 130 und/oder von der elektrischen Maschine 300 im Generatorbetrieb und sowie über eine jeweilige Motorleistungselektronik 151 und ggf. über die erste Leistungselektronik 120 mit elektrischer Energie versorgt wird, den ersten Propeller 160 in Rotation versetzt und damit den Vortrieb für das Flugzeug erzeugt. Die Versorgung mit elektrischer Energie erfolgt über die erste DC-Verkabelung 140. Die erste Motorleistungselektronik 151 bewirkt eine Wandlung der ihr in Form einer Gleichspannung DC bereitgestellten elektrischen Energie in eine Wechselspannung AC, um den ersten Motor 150 anzutreiben.
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Das zweite Teilsystem 200 umfasst ein zweites Statorwicklungssystem 210 der gemeinsamen elektrischen Maschine 300 des Antriebssystems 10, eine zweite Leistungselektronik 220, eine zweite Batterie 230, eine zweite DC-Verkabelung 240 mit einer zweiten Zweigstelle 241 sowie einen zweiten Elektromotor 250 mit einer zweiten Motorleistungselektronik 251, wobei der Motor 250 mechanisch mit einem zweiten Propeller 260 des zweiten Teilsystems 200 gekoppelt ist. Die Statorwicklungssysteme 110, 210 sind voneinander unabhängig, d.h. insbesondere nicht elektrisch miteinander verbunden. Die Arbeitsweise des zweiten Teilsystems 200 entspricht derjenigen des ersten Teilsystems 100, wobei der zweite Elektromotor 250 die zum Betrieb benötigte elektrische Energie über die zweite DC-Verkabelung 240 von der zweiten Batterie 230 und/oder vom zweiten Statorwicklungssystem 210 und über die jeweilige Leistungselektronik 251 und ggf. 220 bezieht. Die zweite Motorleistungselektronik 251 bewirkt eine Wandlung der ihr in Form einer Gleichspannung DC bereitgestellten elektrischen Energie in eine Wechselspannung AC, um den zweiten Motor 250 anzutreiben.
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Um Unklarheiten zu vermeiden sei angemerkt, das Positionierung und Größe der Propeller 160, 260 nicht notwendigerweise die Realität widerspiegeln sondern lediglich der Veranschaulichung des Zusammenspiels zwischen Antrieb 10 und Propellern 160, 170 dienen.
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Die beiden Statorwicklungssysteme 110, 210 sind zwar Teil einer gemeinsamen elektrischen Maschine 300, aber die beiden Teilsysteme 100, 200 arbeiten trotzdem unabhängig voneinander. Die gemeinsame elektrische Maschine 300 wird bedarfsweise durch einen Verbrennungsmotor 400, bspw. eine Turbine, angetrieben. Wie bereits erwähnt weist die elektrische Maschine 300 mehrere unabhängige Statorwicklungssysteme 110, 210 sowie diesen individuell zugeordnete Leistungselektroniken 120, 220 auf, d.h. elektrische Energie kann zwischen dem jeweiligen Statorwicklungssystem 110 bzw. 210 und der zugeordneten Leistungselektronik 120 bzw. 220 über eine jeweilige zwischen die einander zugeordneten Wicklungssysteme 110, 210 und Leistungselektroniken 120, 220 geschaltete AC-Verkabelung 170, 270 geleitet werden. Es sei erwähnt dass die Darstellung der Wicklungssysteme 110, 210 und insbesondere die Darstellung der räumlichen Anordnung in 1 rein schematisch ist und typischerweise nicht die Realität widerspiegelt. Praktisch besteht jedes der Statorwicklungssysteme 110, 210 aus einer Vielzahl von Spulen, die typischerweise derart angeordnet sind, dass in Umfangsrichtung eines Stators der elektrischen Maschine 300 gesehen Spulen des ersten 110 und des zweiten Statorwicklungssystem 210 abwechselnd hintereinander angeordnet sind.
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Bei aktivem Verbrennungsmotor 400 wird über eine Welle 410 ein Rotor 310 der gemeinsamen elektrischen Maschine 300, an dem typischerweise Permanentmagente 311 befestigt sind, in Rotation versetzt, so dass aufgrund einer an sich bekannten elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen diesen Permanentmagneten 311 und den nicht im Detail dargestellten Spulen der Statorwicklungssysteme 110, 210 in den Spulen der Statorwicklungssysteme 110, 210 elektrische Wechselspannungen induziert werden. Da dieser Aspekt des Konzepts der elektrischen Maschine im Generatorbetrieb hinlänglich bekannt ist, wird auf detailliertere Erläuterungen und auf Darstellung des Rotors 310 und der Permanentmagente 311 verzichtet. Im Folgenden werden der Kürze wegen die Spulen der Wicklungssysteme 110, 210 nicht weiter erwähnt. Wenn die Rede davon ist, dass bspw. in die Statorwicklungssysteme 110, 210 Spannungen induziert oder dass die Statorwicklungssysteme 110, 210 mit Strom beaufschlagt werden, ist jeweils gemeint, dass in die jeweiligen Spulen Spannungen induziert bzw. dass die Spulen der Wicklungssysteme 110, 210 bestromt werden.
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In einem ersten Betriebszustand des Antriebssystems 10, der im Folgenden auch als „Normalbetrieb“ bezeichnet wird, wird die so vom jeweiligen Statorwicklungssystem 110, 210 bereit gestellte elektrische Energie bzw. Wechselspannung der dem jeweiligen Statorwicklungssystem 110, 210 zugeordneten Leistungselektronik 120 bzw. 220 über die jeweilige AC-Verkabelung 170, 270 zugeführt und dort in eine Gleichspannung gewandelt. Die Maschine 300 arbeitet demzufolge vollständig im Generatorbetrieb bzw. generatorisch. Die Gleichspannungen bzw. die entsprechenden elektrischen Energien werden über die DC-Verkabelungen 140, 240 der jeweiligen Batterie 130, 230 zugeführt, um diese aufzuladen, und/oder den Motorleistungselektroniken 151, 251 der beiden Teilsysteme 100, 200, um den Motoren 150, 250 elektrische Energie in Form geeigneter elektrischer Wechselspannungen zu deren Antrieb bereitzustellen. Dabei werden die Zweigstellen 141, 241 verwendet, um die Energieflüsse im jeweiligen Teilsystem 100 bzw. 200 mit Hilfe einer Steuerung 500 des Antriebssystems 10 zu steuern.
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Demnach kann im ersten Teilsystem 100 die elektrische Energie von der ersten Leistungselektronik 120 je nach Bedarf zur ersten Batterie 130 geleitet werden, um diese aufzuladen, und/oder zur ersten Motorleistungselektronik 151 des ersten Motors 150, um diesen anzutreiben. Ebenso kann elektrische Energie von der ersten Batterie 130 zur ersten Motorleistungselektronik 151 geleitet werden, wiederum um den ersten Motor 150 anzutreiben. Für das zweite Teilsystem 200 gilt im Normalbetrieb das Gleiche, d.h. die in der dortigen DC-Verkabelung 240 angeordnete zweite Zweigstelle 241 bewirkt, gesteuert von der Steuerung 500, dass elektrische Energie je nach Bedarf von der zweiten Leistungselektronik 220 zur zweiten Batterie 230 und/oder zur zweiten Motorleistungselektronik 251 sowie ggf. auch von der zweiten Batterie 230 zur zweiten Motorleistungselektronik 251 geleitet wird.
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Die Steuerung 500 beeinflusst hierbei nicht nur die Zweigstellen 141, 241, sondern bedarfsweise auch die beteiligten Leistungselektroniken 120, 151, 220, 251. Das Steuern des Antriebssystems 10 bezüglich der elektrischen Energieflüsse zwischen Komponenten des Antriebssystems 10 beruht somit auf einem Zusammenspiel der Zweigstellen 141, 241 mit den jeweiligen Leistungselektroniken 120, 220 und ggf. 151, 251. Der Begriff „bedarfsweise“ ist so zu verstehen, dass je nachdem, zwischen welchen Komponenten Energie fließen soll, nicht zwangsläufig über alle Leistungselektroniken 120, 151, 220, 251 Energie geleitet wird. Soll bspw. der erste Motor 150 allein aus der ersten Batterie 130 gespeist werden, kommt die erste Leistungselektronik 120 hierzu nicht zum Einsatz. Soll in einem anderen exemplarischen Fall der Generator 300 bzw. das zweite Statorwicklungssystem 210 sowohl die zweite Batterie 230 aufladen als auch den zweiten Motor 250 mit Energie versorgen, fließt elektrische Energie sowohl über die zweite Leistungselektronik 220 als auch über die zweite Motorleistungselektronik 251.
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Im so konzipierten Normalbetrieb des Antriebssystems 10 bzw. der Teilsysteme 100, 200 arbeiten die Statorwicklungssysteme 110, 210 in Kombination mit den ihnen zugeordneten Leistungselektroniken 120, 220 generatorisch, d.h. sie stellen elektrische Energie für das jeweilige Teilsystem 100, 200 zur Verfügung. Wie bereits bemerkt arbeiten die Teilsysteme 100, 200 vollständig unabhängig voneinander. Hinsichtlich der Leistungsbilanz der elektrischen Maschine 300 sei angemerkt, dass im Normalbetrieb für den hier angenommenen exemplarischen Fall, in dem die elektrische Maschine 300 zwei Wicklungssysteme 110, 210 aufweist, die Gesamtleistung P_ges(t) der elektrischen Maschine 300 zu einem Zeitpunkt t doppelt so groß sein wird wie die Leistungen P_110, P_210 der einzelnen Wicklungssysteme 110, 210, d.h. P_110 (t) =P_210 (t) =½P_ges (t) . Dies ergibt sich daraus, dass gilt P_ges(t)=P_110(t)+P_210(t) und dass anzunehmen ist, dass die Wicklungssysteme 110, 210 bzw. die Teilsysteme 1
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Darüber hinaus ist das Antriebssystem 10 derart konzipiert, dass die Statorwicklungssysteme 110, 210 im Zusammenwirken mit dem Rotor 310 und den daran befindlichen Magneten 311 jeweils motorisch arbeiten können. Im „motorischen“ Betrieb wird das sich in diesem Betrieb befindliche Statorwicklungssystem 110 bzw. 210 mit Hilfe der diesem Statorwicklungssystem 110 bzw. 210 zugeordneten Leistungselektronik 120 bzw. 220 mit elektrischer Wechselspannung beaufschlagt bzw. bestromt. Hierzu bezieht die jeweilige Leistungselektronik 120 bzw. 220 die benötigte elektrische Energie aus der jeweiligen Batterie 130 bzw. 230, mit der sie verbunden ist. Im Folgenden sei rein exemplarisch und zu Erläuterungszwecken angenommen, dass das erste Statorwicklungssystem 110 des ersten Teilsystems 100 bestromt und dementsprechend motorisch betrieben wird. Dieser Betriebszustand wird als „erster motorischer Betriebszustand“ des Antriebssystems 10 bezeichnet. Dabei sollte klar sein, dass die Erläuterungen in entsprechender Weise auf die Komponenten des zweiten Teilsystems 200 übertragen gelten, wenn nicht das erste 110, sondern das zweite Wicklungssystem 210 des zweiten Teilsystems 200 bestromt wird, d.h. im „zweiten motorischen Betriebszustand“.
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Im ersten motorischen Betriebszustand wird seitens der ersten Batterie 130 elektrische Energie zur Verfügung gestellt, die durch die erste Leistungselektronik 120 in eine Wechselspannung gewandelt wird. Diese Wechselspannung wird dem ersten Statorwicklungssystem 110 zugeführt, so dass dessen Spulen mit elektrischem Wechselstrom beaufschlagt werden. Dies führt zum Eintreten der an sich bekannten elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen den so durch das erste Statorwicklungssystem 110 bzw. dessen Spulen erzeugten magnetischen Feldern und den magnetischen Feldern der Permanentmagente 311 des Rotors 310. Dies bewirkt bekanntermaßen, dass ein Drehmoment auf den Rotor 310 erzeugt wird. Dieses Drehmoment wirkt zusätzlich zu dem durch die Turbine 400 über die Welle 410 auf den Rotor 310 übertragenen Drehmoment, so dass im zweiten Statorwicklungssystem 210 ein größerer sog. Lastwinkel eingestellt werden muss, um das Momentengleichgewicht und damit die Drehzahl des Rotors 310 zu erhalten. Dadurch liefert das zweite Statorwicklungssystem 210 zusätzliche elektrische Energie, die dann, wiederum gesteuert durch die Steuerung 500, im zweiten Teilsystem 200 einem beliebigen Ziel zugeführt werden kann, bspw. der Batterie 230 und/oder der Leistungselektronik 251 und dem Motor 250. Es wurde somit Energie aus dem ersten Teilsystem 100 in das zweite Teilsystem 200 übertragen.
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Der oben eingeführte Lastwinkel beschreibt den Winkel zwischen Klemmenspannung und induzierter Spannung eines jeweiligen Statorwicklungssystems 110, 210. Die Höhe einer induzierten Spannung ändert sich nur über die Drehzahl des Rotors 310 mit den Magneten 311, nicht aber über das auf den Rotor 310 wirkende Moment. Ein Moment kann in den einzelnen Wicklungssystemen 110, 210 über den Lastwinkel eingestellt werden. Es ist also möglich, dass das eine Wicklungssystem 110, 210 einen negativen Lastwinkel hat und damit ein positives bzw. motorisches Moment, und das jeweils andere System 210, 110 einen positiven Lastwinkel, d.h. ein negatives bzw. generatorisches Moment.
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Der Vollständigkeit halber sei angemerkt, dass für den Fall, dass in diesem ersten motorischen Betriebszustand der erste Motor 150 weiterhin mit elektrischer Energie versorgt werden soll, diese Energieversorgung mit Hilfe der ersten Batterie 130 geleistet werden muss, da das erste Statorwicklungssystem 110 nicht generatorisch arbeitet und dementsprechend keine elektrische Energie in das erste Teilsystem 100 einspeist. Je nachdem, wie die einzelnen Komponenten des Antriebs 10 dimensioniert sind, ist so ein Fall daher ggf. nur im Teillastbetrieb der Motoren 150, 250 umsetzbar.
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In gleicher Weise ist eine Übertragung von Energie vom zweiten Teilsystem 200 zum ersten Teilsystem 100 möglich, d.h. im zweiten motorischen Betriebszustand. Auf eine detaillierte Beschreibung wird an dieser Stelle verzichtet, da der Ablauf analog zum oben beschriebenen Vorgehen bei der Übertragung vom ersten 100 zum zweiten Teilsystem 200 ist.
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Beide Propellerantriebe bzw. Motoren 150, 250 werden demnach im Normalbetrieb aus ihrer eigenen Batterie 130 bzw. 230 und/oder über die generatorisch betriebene elektrische Maschine 300 über unabhängige DC-Verkabelungen 140 bzw. 240 mit elektrischer Energie versorgt. Dies verfolgt u.a. das Ziel, die beiden Teilsysteme 100, 200 weitestgehend unabhängig voneinander aufzubauen, um im Fehlerfall nicht gleichzeitig beide Antriebe 150, 160 bzw. 250, 260 zu verlieren. Aufgrund der beschriebenen Arbeitsweise der Steuerung 500 ist es zudem möglich, in einem jeweiligen ersten oder zweiten motorischen Betrieb Energie zwischen den ansonsten unabhängigen Teilsystemem 100, 200 zu übertragen, also bspw. aus der Batterie 130 des ersten Teilsystems 100 in das zweite Teilsystem 200 und zum dortigen Motor 250 oder umgekehrt. Diese Möglichkeit kann in bestimmten Situationen sehr vorteilhaft sein, bspw. bei einem Ausfall von Teilkomponenten, ungleichmäßigen Ladezuständen der Batterien 130, 230 und/oder bei Alterung der Batterien 130, 230.
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Der beschriebene Ansatz basiert auf dem Konzept, durch ein Drehmoment M_t auf der Welle 410, das in Summe für den Verbrennungsmotor bzw. die Turbine 400 bspw. neutral sein kann, zwischen den Wicklungssystemen 110, 210 der elektrischen Maschine 300 Energie zu übertragen. Dass im genannten Beispiel das Moment M_t in Summe neutral ist, ist nur ein exemplarischer Fall. Prinzipiell gilt für die Leistungsbilanz des Generators P_ welle = P_el_1 + P_el_2. Dabei ist P_welle die dem Generator über die Welle zur Verfügung gestellte Leistung, während P_el_1 bzw. P_el_2 die zwischen den Wicklungssystemen 110, 210 und den jeweils zugeordneten Teilsystemen 100, 200 übertragenen Leistungen darstellen. Für den Fall, dass P_el_1 bzw. P_el_2 ein positives Vorzeichen aufweist, ist davon auszugehen, dass Leistung von der elektrischen Maschine 300 in das jeweilige Teilsystem 100, 200 gespeist wird. Für den Fall, dass Leistung vom ersten 100 in das zweite Teilsystem 200 übertragen wird, sind P_el_1 negativ und P_el_2 positiv, weisen also insbesondere unterschiedliche Vorzeichen auf. Die Beträge |P_el_1| und |P_el_2| müssen jedoch nicht zwangsläufig gleich sein.
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Der Ansatz geht von einer gegensätzlichen Ausnutzung der beiden Wicklungssysteme
110,
210 aus, um bei vergleichsweise kleinen von der Turbine
400 aufgebrachten Drehmomenten M_t, wobei grundsätzlich auch M_t=0 gelten kann, zwischen den Wicklungssystemen
110,
210 der elektrischen Maschine
300 Energie zu übertragen. Dabei hängt der Ausdruck „vergleichsweise kleine Momente“ insbesondere damit zusammen, dass die geschilderte Energieübertragung zu einem Zeitpunkt t insbesondere dann realisierbar ist, wenn die elektrische Maschine
300 durch die Turbine
400 zu diesem Zeitpunkt t nicht bei ihrer maximal möglichen Leistung P_gen_max betrieben wird, wenn also gilt P_gen(t)≤thres_gen*P_gen_max, wobei P_gen(t) die zur Zeit t von der elektrischen Maschine
300 aufgebrachte Leistung repräsentiert und thres_gen ein durch die Steuerung
500 vorgebbarer Schwellwert ist, für den im bspw. gelten kann O≤thres_gen<0,5. Die hier angenommene obere Begrenzung für den Schwellwert thres_gen in Höhe von 0,5 an Stelle von einer ggf. zu erwartenden oberen Begrenzung von 1 ergibt sich unter der praktikablen Annahme, dass das Übertragen der elektrischen Energie von einem jeweiligen Wicklungssystem
110,
210 in das jeweils andere System
210,
110 sinnvollerweise nur bei 0≤thres_gen<0,5 realisiert wird, denn jedes Wicklungssystem
110,
210 ist typischerweise auf eine maximale Leistung von 0,5*P_gen_max ausgelegt. Anderenfalls würde die Leistung der elektrischen Maschine
300 ggf. ungleich auf die Teilsysteme
100,
200 verteilt, d.h. eines der Teilsysteme
100,
200 könnte bzw. würde im Normalbetrieb mehr Leistung aus der generatorisch betriebenen elektrischen Maschine
300 erhalten als das andere
200,
100. Aufgrund der Verfügbarkeit der im beschriebenen Fall mit P_gen(t)<P_gen_max nicht regulär genutzten Kapazität bzw. Reserveleistung P_res(t)=P_gen_max-P_gen(t) der elektrischen Maschine
300, steht diese Reserveleistung P_res zum Transferieren der Energie zwischen den Teilsystemen
100,
200 zur Verfügung, wobei vorzugsweise gilt P_res > ½*P_gen_max. Für die vom versorgenden Teilsystem
100 in das zu versorgende System
200 übertragbare Leistung P_trans gilt schließlich |P_trans|≤½|P_res|.
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Neben der Anforderung, dass die elektrische Maschine 300 für die Energieübertragung momentan nicht bei ihrer maximalen Leistung P_gen_max betrieben wird, d.h. P_gen(t)≤thres_gen*P_gen_max, ist desweiteren davon auszugehen, dass zumindest für den Zeitraum der Übertragung von Energie vom -um im Beispiel zu bleiben- ersten 100 zum zweiten Teilsystem 200 das erste Teilsystem 100 von seiner Batterie 130 nicht die prinzipiell maximal verfügbare Leistung P_bat130_max benötigt, dass die Batterie 130 durch das erste Teilsystem 100 also zur Zeit t nicht voll ausgelastet wird, d.h. P_bat130(t)≤thres_bat130*P_bat130_max, wobei thres_bat130 ein durch die Steuerung 500 vorgebbarer Schwellwert ist, für den gilt 0≤thres_bat130<1, und P_bat130(t) die zur Zeit t von der entsprechenden Batterie 130 aufgebrachte Leistung repräsentiert. In diesem Fall kann die erübrigbare Leistung der Batterie 130 zur Versorgung des zweiten Teilsystems 200 eingesetzt werden.
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Entsprechendes würde gelten, wenn die Batterie 230 des zweiten Teilsystems 200 genutzt würde, um dem ersten Teilsystem 100 Energie zur Verfügung zu stellen. In diesem Fall würde die Anforderung lauten P_bat230(t)≤thres_bat230*P_bat230_max, wobei P_bat230(t) die von der Batterie 230 zur Zeit t bereitgestellte Leistung beschreibt, thres_bat230 ein von der Steuerung 500 vorgebbaren Schwellwert ist und P_bat230_max die von der Batterie 230 maximal bereitstellbare Leistung repräsentiert.
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Der Kern liegt also in der Ausnutzung von Reserveleistung der beiden Wicklungssysteme 110, 210 sowie der Batterie 130 bzw. 230 eines jeweiligen versorgenden Teilsystems 100 bzw. 200, um Energie aus der Batterie des einen Teilsystems 100, 200 dem jeweils anderen Teilsystem 200, 100 zur Verfügung zu stellen. Insbesondere kann wahlweise eines der Wicklungssysteme 110, 210 der elektrischen Maschine 300 motorisch betrieben und dadurch Reserveleistung der einen Batterie 130, 230 benutzt werden, um Energie aus der Batterie 130, 230 des einen Teilsystems 100, 200 dem anderen Teilsystem 200, 100 zur Verfügung zu stellen
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Allgemein ausgedrückt wird das Antriebssystem 10 veranlasst durch die Steuerung 500 derart betrieben, dass es sich zumindest so lange kein relevanter Fehlerfall in einem der Teilsysteme 100, 200 vorliegt im Normalbetrieb befindet. Die elektrische Maschine 300 arbeitet dabei generatorisch, d.h. sie speist elektrische Energie in beide Teilsysteme 100, 200 ein. Die Steuerung 500 überwacht die Teilsysteme 100, 200 bzgl. des Vorhandenseins eines relevanten Fehlerfalls, bspw. hinsichtlich eines Ausfalls von Teilkomponenten der Teilsysteme 100, 200, hinsichtlich ungleichmäßiger Ladezustände der Batterien 130, 230, hinsichtlich übermäßiger Alterung der Batterien 130, 230 etc. Für den Fall, dass die Steuerung 500 in einem der Teilsysteme 100, 200 einen relevanten Fehlerfall detektiert, wenn also eines der Teilsysteme 100, 200 fehlerhaft ist, kann die Steuerung 500 das Antriebssystem 10 in den motorischen Betriebszustand versetzen. Im motorischen Betriebszustand des Antriebssystems 10 wird elektrische Energie von einem versorgenden Teilsystem 100, 200 in ein zu versorgendes Teilsystem 200, 100 übertragen.
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Um zu entscheiden, ob ein solcher Wechsel des Betriebszustands des Antriebssystems 10 vom Normalbetrieb in den motorischen Betriebszustand erfolgen soll, werden jedoch zunächst die oben erläuterten Anforderungen geprüft. Hierzu ist die Steuerung 500 derart eingerichtet, dass sie, wenn sie zu einem Zeitpunkt T0 einen relevanten Fehlerfall in einem der Teilsysteme 100, 200 detektiert, zum Einen zu einem Zeitpunkt T1 prüft, mit welcher Leistung P_gen(T1) die elektrische Maschine 300 momentan betrieben wird, und zum Anderen zu einem Zeitpunkt T2 die momentane Auslastung P_bat(T2) der Batterie 130, 230 des Teilsystems 100, 200 ohne Fehlerfall feststellt. Für den Fall, dass zum Einen P_gen(T1)≤thres_gen*P_gen_max erfüllt ist und zum Anderen entweder bei fehlerhaftem ersten Teilsystem 100 P_bat230(T2)≤thres_bat230*P_bat230_max gilt oder bei fehlerhaftem zweiten Teilsystem 200 P_bat130(T2)≤thres_bat130*P_bat130_max erfüllt ist, wird das beschriebene Verfahren zur Energieübertragung, d.h. der motorische Betrieb, eingeleitet. In diesem Fall wird das fehlerhafte Teilsystem, bspw. Teilsystem 200, als zu versorgendes Teilsystem festgelegt, während das nicht fehlerhafte Teilsystem, im gewählten Beispiel also das Teilsystem 100, als versorgendes Teilsystem gewählt wird.
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Die Zeitpunkte T1, T2 sind idealerweise identisch und liegen unmittelbar nach dem Zeitpunkt T0, so dass die Steuerung 500 möglichst schnell nach Auftreten des relevanten Fehlerfalls den motorischen Betrieb veranlassen kann. Hinsichtlich der Schwellwerte thres_gen, thres_bat130, thres_bat230 gilt, dass diese zwar bei einem festen Wert von -rein exemplarisch- 60% liegen können. Es ist aber ebenso denkbar und sinnvoll, dass sie seitens der Steuerung 500 in Abhängigkeit von der Art des detektierten Fehlerfalls festgelegt werden, da je nach Art des Fehlerfalls bzw. je nach Art der durch den Fehlerfall betroffenen Komponente des fehlerhaften Teilsystems 100, 200 mehr oder weniger Energie vom versorgenden 100, 200 in das zu versorgende Teilsystem 200, 100 übertragen werden muss. Dieser Tatsache kann durch situationsabhängig festlegbare Schwellwerte Rechnung getragen werden. Desweiteren kann es sinnvoll sein, die Schwellwerte in Abhängigkeit von der beim Auftreten des Fehlerfalls herrschenden Flugsituation festzulegen, da auch hierbei unterschiedliche Anforderungen sowohl an die dem zu versorgenden Teilsystem 200, 100 bereitzustellende Energiemenge bestehen als auch an die im versorgenden Teilsystem 100, 200 weiterhin benötigte Energiemenge bestehen. Als Flugsituationen kommen bspw. der Start bzw. Steigflug, der Landeanflug oder der Reiseflug in Betracht.
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Das Konzept wurde ohne Beschränkung der Allgemeinheit für ein System mit lediglich zwei Teilsystemen 100, 200 beschrieben, wobei desweiteren rein exemplarisch davon ausgegangen wurde, dass Energie vom ersten 100 in das zweite Teilsystem 200 übertragen werden soll, dass sich das Antriebssystem 10 also im ersten motorischen Betriebszustand befindet. Es sollte klar sein, dass zum Einen grundsätzlich eine beliebige Anzahl von derartigen im Wesentlichen identischen, aber voneinander unabhängigen Teilsystemen realisierbar wäre und dass das Antriebssystem 10 zum Anderen derart konzipiert ist, dass Energie ebenso vom zweiten Teilsystem 200 zum ersten 100 übertragbar ist, entsprechend dem zweiten motorischen Betriebszustand des Antriebssystems 10. Letzterer Fall wurde jedoch der Knappheit wegen nicht im Detail erläutert, da er sich prinzipiell nicht von der ausführlich geschilderten Situation unterscheidet, in der Energie vom ersten 100 zum zweiten System 200 fließt. Zur Beschreibung dieses zweiten motorischen Betriebszustandes würden die sich entsprechenden Komponenten des ersten 100 und zweiten Teilsystems 200 in der Beschreibung des ersten motorischen Betriebszustandes lediglich quasi miteinander vertauscht.
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Der Klarheit halber sei angemerkt, dass die Propeller 160, 260 abweichend von der obigen Beschreibung und von der Darstellung in der 1 auch durchaus bspw. als Fans einer elektrisch betriebenen Turbine bzw. eines solchen Strahltriebwerkes ausgebildet sein können.
