DE10252910A1

DE10252910A1 - Antrieb für Luftfahrzeuge, insbesondere leichter als Luft

Info

Publication number: DE10252910A1
Application number: DE2002152910
Authority: DE
Inventors: Oliver Reinhardt
Original assignee: Cargolifter AG
Current assignee: Cargolifter AG
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2002-11-12
Publication date: 2004-05-19

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Antrieb für Luftfahrzeuge, insbesondere leichter als Luft. Ummantelte Propeller nutzen den aerodynamischen Einfluss des Mantels zur Verbesserung ihres Wirkungsgrades. DOLLAR A Der neue Antrieb soll für einen ummantelten Propeller eine Kombination von Lagerung und drehzahlregelbarem Antrieb ermöglichen, die Propellerströmung nicht behindern und die Leistungsverluste minimieren und damit den Wirkungsgrad optimieren. In den Antrieb mit einem ummantelten Propeller sind als ein Elektroantrieb im Mantel und den Blattspitzen des Propellers Wicklungen einer geregelten Magnetührung zur Konstanthaltung eines kleinen Luftspaltes zwischen Rotor und Stator sowie ein Magnetantrieb zur Erzeugung der Rotationsbewegung des Propellers integriert. Der Rotor weist mehrere Blätter auf. Die Anzahl sollte möglichst groß sein. Mindestens an den Blattspitzen sind Magnetwicklungen und/oder Permanentmagneten angeordnet. Die Blattspitzen sind zur Übertragung des Antriebsmomentes massiver ausgeführt. Die Blattspitzen können durch einen Ring verbunden sein. Am Ring sind weitere Magnetwicklungen und/oder Permanentmagneten angebracht. An der Innenfläche des Mantels sind in gleichmäßigen Abständen in der Rotationsebene Magnetwicklungen angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Antrieb für Luftfahrzeuge, insbesondere leichter als Luft-Fahrzeuge, der einen ummantelten Propeller enthält.
Propeller zur Krafterzeugung in strömungsfähigen Medien werden heutzutage üblicherweise zum Zwecke der Vortriebserzeugung an der Welle oder zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit oder des Druckes an ihrer Drehachse angetrieben.
Diese Propeller können entweder frei drehend oder ummantelt ausgeführt werden. Ummantelte Propeller nutzen den aerodynamischen Einfluss des Mantels zur Verbesserung ihres Wirkungsgrades. So kann mit geringerem Durchmesser ein besseres Leistungsergebnis erzielt werden. Ein kritisches Maß für den Wirkungsgrad dieses Mantels ist neben der aerodynamischen Gestaltung die Spaltgröße und damit die Dichtigkeit zwischen den Blattspitzen des Propellers und dem Mantel.
Bei dem üblichen Nabenantrieb bzw. -abtrieb sitzen Motor oder Generator im Strahl des Propellers und erzeugen somit einen schädlichen Widerstand. Je nach Motor oder Generator sind Getriebe erforderlich, um die Propellerdrehzahl in einem günstigen Bereich zu halten. Dieser ist üblicherweise durch die Blattspitzengeschwindigkeit begrenzt, die die Schallgeschwindigkeit nicht überschreiten sollte.
In der DE-OS 42 04 962 ist ein Luftschiff mit Elektroantrieb beschrieben, bei dem zur Erzeugung von elektrischem Strom Solarzellen am Außenumfang des Luftschiffkörpers vorgesehen sind.
Aus der DE-OS 197 53 548 ist ein elektrisch angetriebener Zeppelin bekannt. Der Elektroantrieb wird durch ein im Luftschiff vorgesehenes Brennstoffzellensystem mit elektrischer Energie versorgt. Zum Elektroantrieb ist nur ausgeführt, dass er aus Elektromotor und Propeller besteht.
Die DE-PS 688 114 beschreibt eine elektrisch angetriebene Schiffsschraube. Das Drehmoment wird nicht über eine Schraubenwelle, sondern unmittelbar am Umfang der Schraube zugeführt. Der Rotor, der die Schraubenflügel außen miteinander verbindet und der Stator sind in einer nach strömungstechnischen Grundsätzen ausgebildeten Düse untergebracht. Die Schraube wird in einer Welle gelagert, die durch Armkreuze gehalten wird.
Aus der DE-OS 32 46 730 ist eine weitere elektrisch angetriebene Schiffsschraube bekannt. Diese ist in einer Düse angeordnet, die den Stator aufnimmt und bei der mit den Flügelenden einzelne gekrümmte Platten oder ein peripherer Ring zur Aufnahme des Rotors eines Elektromotors verbunden sind. Um eine größere Schubwirkung und eine bessere Wartungsfreundlichkeit zu erzielen, wird der Stator und damit die den Rotor aufnehmende Schraube in den Endabschnitt der Düse gelegt. Zur Linearisierung der Strömung werden die Platten oder der periphere Ring über die durch die hinteren Begrenzungskanten der Flügel gebildete Ebene hinaus verlängert und der Stator und Rotor trennende Spalt geflutet.
Die DE-OS 37 18 954 stellt eine Propeller-Anordnung, insbesondere für Schiffsantriebe vor. Ein mit einem Außenring versehener Propeller ist mit diesem als Lagerring ausgebildeten Außenring in einer Lagernut des Gehäuses gelagert, so dass auf eine Nabenlagerung verzichtet werden kann. Die auf die Flügel des Propellers wirkenden axialen Biegemomente werden geringer. Die Flügel können leichter ausgeführt werden. Durch die auf diese Weise verringerten Fliehkräfte sind auch größere Propellerdurchmesser möglich.
Von daher liegt der Erfindung das Problem zugrunde, einen verbesserten Antrieb für Luftfahrzeuge, insbesondere ein leichter als Luft-Fahrzeug zu finden, der einen für sich bekannten ummantelten Propeller benutzt.
Das Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruches 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß sind in den Antrieb für Luftfahrzeuge, insbesondere leichter als Luft, der einen ummantelten Propeller enthält, ein Elektroantrieb im Mantel und den Blattspitzen des Propellers Wicklungen einer geregelten Magnetführung zur Konstanthaltung eines kleinen Luftspaltes zwischen Rotor und Stator sowie ein Magnetantrieb zur Erzeugung der Rotationsbewegung des Propellers integriert.
Damit ist eine Kombination von Lagerung und drehzahlregelbarem Antrieb möglich, die Propellerströmung wird nicht behindert und die Leistungsverluste werden minimiert und damit der Wirkungsgrad optimiert.
Die Erzeugung der erforderlichen Magnetfelder erfolgt durch zweckmäßige Gestaltung und Anordnung der Magnetspulen und deren geeignete Erregung/Steuenang, wobei der Rotor mehrere Blätter aufweist, deren Anzahl sollte möglichst groß sein sollte.
In weiterer Ausgestaltung sind mindestens an den Blattspitzen Magnetwicklungen angeordnet oder, nach einer anderen Ausführung, können auch mindestens an den Blattspitzen Permanentmagneten angeordnet sein. Erfindungsgemäß werden die Blattspitzen zur Übertragung des Antriebsmomentes massiver ausgeführt.
In Ausgestaltung sind die Blattspitzen durch einen Ring verbunden, wobei am Ring weitere Magnetwicklungen und/oder Permanentmagneten angebracht sind.
Nach der Erfindung sind an der Innenfläche des Mantels in gleichmäßigen Abständen in der Rotationsebene Magnetwicklungen angeordnet.
In weiterer Ausgestaltung erfolgt eine aerodynamische Abdichtung zwischen Propellerblatt und Mantel mittels Dichtlippen oder als Labyrinthdichtung.
Nach einer Ausführungsform sind die Lagerung und der Antrieb in den Mantel integriert. Dabei ist die Innenfläche des Mantels mit den Propellerblättern verbunden und rotiert mit.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Bei Luftfahrzeugen leichter als Luft, insbesondere Luftschiffen wird seit langer Zeit nach einem geeigneten neuen Antrieb gesucht. Dabei rückt ein Elektroantrieb in das besondere Interesse. Elektroenergie wird an Bord von Luftschiffen immer benötigt. Zur Elektroenergiebereitstellung an Bord von Luftschiffen bestehen zwei zukünftige Entwicklungsrichtungen – Solar- und Brennstoffzellensysteme.
Die Erfindung stellt einen neuen elektromagnetischen Antrieb vor.
In die Ummantelung des Propellers wird eine Linear-Magnetführung zusammen mit einem Linear-Magnetantrieb integriert. Die Magnetführung muss den kleinen Luftspalt zwischen den Rotorblattspitzen und der Innenwandung des Mantels am gesamten Umfang des Propellers konstant halten. Der Magnetantrieb erzeugt eine Rotationsbewegung zum direkten Antrieb des Propellers, wobei der Propeller mit den Magneten an seinen Blattspitzen den Rotor und die Magneten an der Innenseite des Mantels den Stator bilden. Die Erzeugung der erforderlichen Magnetfelder erfolgt nach einem ähnlichen Verfahren wie bei Magnetschwebebahnen.
Zur Realisierung der Magnetführung/des Magnetantriebes sind mehrere Anordnungen möglich. Die Magnetführung kann analog zu einer Schrägkugellager-Lagerung als X- oder O-Anordnung ausgeführt werden. Es ist auch eine U-förmige Lagerung denkbar. Je nach aktueller Belastung des Rotors ist die günstigste Variante unter Berücksichtigung der Faktoren Laufnahe, Kraftübertragung und Baugewicht auszuwählen.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann um so präziser geführt werden, je mehr Blätter der Rotor aufweist. Um die Führung bzw. den Antrieb realisieren zu können, muss die Blattspitze der einzelnen Rotorblätter massiver ausgeführt werden als sonst, da jetzt hier auch das Antriebsmoment übertragen wird.
Der Antrieb eines Propellers wird üblicherweise schwingungsgedämpft gelagert. Wird der Propeller im Nabenbereich auf den Antrieb montiert, ergibt sich durch den zulässigen Schwingbereich eine minimal erforderliche Blattspitzenfreiheit zwischen Propellerblatt und Ummantelung. Bei der hier vorgestellten Lagerung ist dies nicht mehr erforderlich. Daher kann die Blattspitze auch wesentlich einfacher so ausgeführt werden, dass eine aerodynamische Abdichtung zum Mantel entsteht und somit der aero-dynamische Wirkungsgrad des Propellers deutlich verbessert wird. Diese Abdichtung kann beispielsweise mittels Dichtlippen oder als Labyrinthdichtung erfolgen.
In einer weiteren Variante kann die innere Fläche des Mantels mit den Propellerblättern verbunden sein und mit diesen mitrotieren. Die Lagerung und der Antrieb sind in diesem Fall im Mantel selbst integriert. In dieser Anordnung ist das Trägheitsmoment des Propellers wesentlich größer, was in eine höhere Laufruhe bedeutet. Jedoch werden auch die Kreisel-/Fliehkräfte bei entsprechender Bewegung des Propellers größer. Zudem ist eine Lagerstützung an einer anderen Anzahl von Stützpunkten als der Blattzahl des Propellers möglich, was sich insbesondere bei Verwendung von Propellern mit wenig Blättern als sehr vorteilhaft erweist.
Der erfindungsgemäße Antrieb stellt eine Kombination von Lagerung und drehzahl-regelbarem Antrieb dar, der die Propellerströmung nicht behindert und die Leistungsverluste minimiert und damit den Wirkungsgrad optimiert.
Die Erfindung ist wegen ihres geringen spezifischen Gewichtes als Antrieb für Luftfahrzeuge, insbesondere leichter als Luft-Fahrzeugen geeignet.

Claims

Antrieb für Luftfahrzeuge, insbesondere leichter als Luft, der einen ummantelten Propeller enthält mit einem Elektroantrieb im Mantel und in den Blattspitzen des Propellers Wicklungen einer geregelten Magnetführung zur Konstanthaltung eines kleinen Luftspaltes zwischen Rotor und Stator sowie einen integrierten Magnetantrieb zur Erzeugung der Rotationsbewegung des Propellers.
Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor mehrere Blätter aufweist.
Antrieb nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens an den Blattspitzen Magnetwicklungen angeordnet sind.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens an den Blattspitzen Permanentmagneten angeordnet sind.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattspitzen zur Übertragung des Antriebsmomentes massiver ausgeführt werden.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattspitzen durch einen Ring verbunden sind.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Ring weitere Magnetwicklungen und/oder Permanentmagneten angebracht sind.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenfläche des Mantels in gleichmäßigen Abständen Magnetwicklungen angeordnet sind.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine aerodynamische Abdichtung zwischen Propellerblatt und Mantel mittels Dichtlippen oder als Labyrinthdichtung erfolgt.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung und der Antrieb in den Mantel integriert sind.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche des Mantels mit den Propellerblättern verbunden ist und mitrotiert.