Die Elektrifizierung von mobilen Schwerlastantrieben steht vor dem Problem, einen leistungsstarken und gleichzeitig leichten elektrischen Antriebsstrang zu implementieren. Diese Herausforderung betrifft vor allem Luftfahrtanwendungen, da in diesem Bereich elektrische Antriebstopologien eine Leistungsdichte erreichen müssen, welche vergleichbar mit konventionellen Strahltriebwerken ist. Beispielsweise benötigt ein Großflugzeug gemäß der EASA CS-25 Klasse eine Antriebsleistung von 2 Megawatt (MW) bis 70 MW je Strahltriebwerk. Zwar kann die Leistung eines einzelnen Strahltriebwerks unter Anwendung verteilter Antriebskonzepte auf mehrere elektrische Motoren verteilt werden, dennoch können individuelle Motorleistungen je elektrischem Motor von einigen Megawatt notwendig werden. Sogenannte "Propulsive Fuselage" Flugzeugkonzepte wie der STARC-ABL [9] und das Flugzeugmuster des Centreline Projekts [6] veranschaulichen dies. Obwohl der Antrieb im Heck des Flugzeugs lediglich die aerodynamischen Verluste durch die Reibung des Flugzeugrumpfs ausgleichen soll, erreichen die geforderten Antriebsleistungen 2,6 MW im Falle des STARC-ABLs [11] und 4,5 MW für den Heckantrieb des Centreline Konzepts [7]. Das notwendige leichte und dennoch sehr leistungsfähige Design der elektrischen Maschine führt zu großen Umsetzungsschwierigkeiten im bisherigen Stand der Technik.

In der Literatur wird versucht, dieses Problem mittels Direktantrieben über hohe magnetische Durchflutung und starken magnetischen Fluss zu lösen. Dieser Ansatz führt in letzter Konsequenz zu teilweise oder vollständig supraleitenden elektrischen Maschinen [5]. Der Einsatz von Supraleitern erfordert den Einsatz von kryo- genene Kühleinrichtungen, um die extrem niedrigen Betriebstemperaturen von Supraleitern zu erreichen, welche typischerweise unterhalb von 70 Kelvin (K) liegen. Kryogene Kühler sind ineffizient und gewinnen schnell an Gewicht, wenn die abzuführende Wärmemenge ansteigt. Hierdurch bedingt muss der supraleitende Motor überaus effizient sein, damit die Gewichtseinsparungen in der elektrischen Maschine nicht durch das erhöhte Kühlsystemgewicht überkompensiert werden. Dem stehen die Wechselstromverluste entgegen, welche bei der Verwendung von Supraleitern in Wechselfeldern auftreten. Aufgrund der vorbeschriebenen Herausforderungen konnte die notwendige Effizienz noch nicht demonstriert werden, da es an verlustarmen Supraleitern für Wechselstromanwendungen mangelt. Zudem sind supraleitende Materialien sehr empfindlich gegenüber mechanischen Einwirkungen, wodurch die Anwendung im mechanisch anspruchsvollen, hoch belasteten Gebiet der elektrischen Maschinen erschwert wird [4]. Daher bleibt die prognostizierte Leistungsdichte für supraleitende Elektromotoren von bis zu 50 kW/kg zu beweisen [1].

Ein weiterer Ansatz, welcher im Stand der Technik verfolgt wird, um die Leistungsdichte von elektrischen Maschinen zu erhöhen, ist die Steigerung der mechanischen Drehzahl. Für eine konstante mechanische Leistung sinkt mit steigender Drehzahl das benötigte Drehmoment. Dadurch reduzieren sich die magnetische Durchflutung und der magnetische Fluss, so dass kleinere elektrische Maschinen konstruiert werden können. Allerdings wird die Leistung der elektrischen Maschine in diesem Fall von den mechanischen Auswirkungen der Rotordynamik beschränkt. Für einen sicheren Betrieb muss die elektrische Maschine unterhalb einer kritischen Drehzahl des Rotors betrieben werden, welche durch die mechanischen Eigenschaften des Rotors bestimmt ist. Da die mechanische Resonanz von der Festigkeit der Welle und dem Gewicht des Rotors abhängen, führen diese Bedingungen zur Verringerung der Maschinenlänge mit steigender Drehzahl. Um dennoch die geforderte Leistung bereitstellen zu können, wächst der Durchmesser der elektrischen Maschine, wodurch wiederum die Belastung des Rotors durch Zentrifugalkräfte ansteigt. Aus der mechanischen Limitierung des Durchmessers und der Länge der elektrischen Maschine folgt eine materialbedingte Leistungsbegrenzung im Hochdrehzahlbereich. Im Stand der Technik wird daher der Ansatz verfolgt, Direktantriebe in die Flugzeugstruktur zu integrieren, um durch die Erzielung von Synergieeffekten Gewichtseinsparungen zu erzielen [7, 11]. Dieser Ansatz führt allerdings zu großen Rotordurchmessern, welche bereits bei den vergleichsweise geringen Propellerdrehzahlen eine mechanische Herausforderung darstellen. Dementsprechend liegen diese Antriebe bisher nur als Konzept vor. Stattdessen wurde im Kontext des STARC-ABL Heckantriebs eine Hochdrehzahlvariante des Direktantriebs vorgestellt [10]. Allerdings enthält die Veröffentlichung keine Messergebnisse, sondern nur eine Abbildung des Prototyps und Details zum Antriebskonzept. Es wurde jedoch ein Patent angemeldet, welches die Ergebnisse aus [10, 11] enthält sowie zusätzliche Details zur Regelung und zum Aufbau des Antriebs beschreibt [3].

Im Bereich der Windkraftanlagen bestehen ähnliche Herausforderungen. Hier führt die steigende Leistung der Generatoren beim aktuellen Stand der Technik zu sehr schweren Gondeln, woraus eine Leistungsbegrenzung der Windkraftanlage folgen kann. Um diese Beschränkung zu umgehen, wurden Antriebsstränge vorgeschlagen, welche über Getriebe die Leistung auf mehrere kleinere Hochdrehzahlgeneratoren verteilen. Dieser Ansatz führt zu leichteren Antriebssträngen und steigert zudem die Zuverlässigkeit der Windkraftanlage durch bessere Wartbarkeit und Redundanz [2]. Auf Luftfahrtantriebe übertragen, würde dieser Ansatz allerdings nur für kleinere Antriebsleistungen im unteren einstelligen Megawattbereich geeignet sein, da mit der steigenden Anzahl kleinerer Hochdrehzahlantriebe der Durchmesser des Antriebsstrangs derart anwächst, dass er aus aerodynamischen Gründen nicht eingesetzt werden kann. Wird die Anzahl der Hochdrehzahlantriebe, welche das Getriebe antreiben, begrenzt, werden die einzelnen Hochdrehzahlmaschinen schwerer mit steigender Leistung, so dass der Antrieb aufgrund des hohen Gewichts ungeeignet für einen Flugzeugantrieb ist.

Eine weitere Herausforderung bei der Implementierung von elektrischen bzw. hybrid-elektrischen Flugzeugantrieben ist die Gestaltung des elektrischen Versorgungssystems zum Betrieb der Elektromotoren. Der Stand der Technik sieht hier ein Antriebsbordnetz mit hoher Spannung vor, welches von Batterien, Brennstoffzellen oder Wellengeneratoren gespeist wird [6, 8, 9]. Die Quellen sind im Flugzeug verteilt, so dass beträchtliche Kabelstrecken notwendig sind, um die Antriebe zu versorgen. Dies bringt im Stand der Technik verschiedene Nachteile mit sich. Zum einen trägt die Leistungsverkabelung zum Gewicht des elektrischen Antriebssystems bei, wodurch die übrigen Komponenten des Luftfahrzeuges noch leichter werden müssen. Hinzu kommen Isolationsprobleme, da mit fallendem Luftdruck die Isolationsfähigkeit von Luft abnimmt. Dadurch können Produktionsfehler wie Lufteinschlüsse, welche für Landsysteme tolerabel sind, zu Fehlfunktionen auf Rei- seflughöhe führen. Dies wiederum hat zur Folge, dass die Produktionsmethoden weiterentwickelt werden und speziell auf Luftfahrtanforderungen angepasst werden müssen. Ferner steigt die Empfindlichkeit von Leistungselektronik gegenüber kosmischer Strahlung mit zunehmender Spannung. Zusammen mit der vielfach höheren Strahlenbelastung auf Reiseflughöhe führt dies zu einer stärkeren Belastung der leistungselektronischen Bauelemente und zu höheren Ausfallraten. Ein Fehler in einem verzweigten Versorgungsnetz wiederum muss detektiert und isoliert werden, um den Betrieb des restlichen Antriebsstrangs aufrecht erhalten zu können. Dadurch werden Netzschutzeinrichtungen notwendig, welche Leistungsschalter benötigen, deren Gewicht mit der Größe der Kurzschlussströme und Netzspannungen schnell anwächst. Aus dem Stand der Technik ist ein System bekannt geworden, welches eine Reihenschaltung von Spannungsquellen vorsieht, welche eine Reihenschaltung von elektrischen Antrieben versorgt. Die Topologie arbeitet nach dem Prinzip eines modularen Multilevel-Konverters (MMC). Bei dem System besteht der Nachteil, dass ein beträchtlicher Kommunikationsaufwand erforderlich ist, um den Betrieb des Antriebs aufrecht zu erhalten [8]. In Folge steigt die Fehleranfälligkeit des Antriebssystems, da Störungen der Kommunikation durch Einflüsse wie der kosmischen Strahlung zu Ausfällen führen können, wodurch sich der Aufwand bei der Gestaltung der Kommunikationsausrüstung erhöht. Darüber hinaus sind Antriebssysteme, welche auf Hochleistungsbordnetzen basieren, nicht für Nachrüstun- gen/Retrofits geeignet, so dass bereits im Dienst befindliche Flugzeuge nur mit großem Aufwand umgerüstet werden können.

Ausgehend von dem vorbezeichnetem Stand der Technik und den damit verbunden Nachteilen besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen elektrischen Schwerlast-Antriebsstrang bereitzustellen, welcher sich in die bestehenden Bordnetze vorhandener Luftfahrzeuge einbinden lässt, dessen Bauraum und Gewicht das konventioneller Antriebsstränge nicht überschreitet, aber gleichzeitig die Leistung konventioneller Antriebsstränge realisieren kann.

Die vorgestellte Erfindung bietet einen modularen Ansatz, welcher es ermöglicht, kleine leichte Hochdrehzahlantriebe zur Bereitstellung eines Schwerlast-Antriebsstrangs für den Antrieb von Großflugzeugen zu nutzen. Die Verwendung autonomer Antriebsmodule mit begrenzter Leistung ermöglicht die Integration von Spannungsquelle und Antriebsstrang in ein kompaktes Antriebsmodul, welches mit niedrigen Spannungen bis ca. 1 kV betrieben werden kann. Durch die elektrisch isolierte Arbeitsweise der Antriebsmodule reduziert sich zudem die notwendige Kommunikation auf ein Minimum, welches die Störanfälligkeit verringert. Bei geeigneter Wahl der Leistung je Antriebsmodul kann zudem erreicht werden, dass mit den gleichen Antriebsmodulen modulare elektrische Antriebsstränge zum An- trieb von Triebwerken für die gesamte CS-25 Klasse gefertigt werden können. Damit reduziert sich der Zertifizierungsaufwand und die Produktion kann stärker rationalisiert werden. Ferner können mit dem erfindungsgemäßen modularen Schwerlast-Antriebsstrang elektrische Triebwerke realisiert werden, welche die gleichen Bordnetze und Kommunikationsschnittstellen wie konventionelle Strahltriebwerke nutzen können. Dadurch besteht die Möglichkeit, bereits ausgelieferte Flugzeuge über den Ersatz der konventionellen Triebwerke für eine längere Dienstzeit zu ertüchtigen.

Literatur

[1] Balachandran, T.; Lee, D.; Salk, N.; Haran, K. S. : A fully superconducting air-core machine for aircraft propulsion. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Bd. 756, S. 12030, 2020.

[2] Barenhorst, F.; Serowy, S.; Andrei, C.; Schelenz, R.; Jacobs, G.; Hameyer, K. : New Drive Train Concept with Multiple High Speed Generator. Journal of Physics: Conference Series, Bd. 753, S. 112001, 2016.

[3] Haran, K. S. : High Frequency Electric Motor, Control System, and Method of Manufacture. Patentschrift, US 10,965,235 B2

[4] Haran, K. S.; Kalsi, S.; Arndt, T.; Karmaker, H.; Badcock, R.; Buckley, B.; Haugan, T.; Izumi, M.; Loder, D.; Bray, J. W.; Masson, P.; Stautner, E. W. : High power density superconducting rotating machines— development status and technology roadmap. Superconductor Science and Technology, Bd. 30, Nr. 12, S. 123002, 2017.

[5] Luongo, C. A.; Masson, P. J.; Nam, T.; Mavris, D.; Kim, H. D.; Brown, G. V.; Waters, M.; Hall, D. : Next Generation More- Electric Aircraft: A Potential Application for HTS Superconductors. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Bd. 19, Nr. 3, S. 1055-1068, 2009.

[6] Seitz, A. : CENTRELINE Project Preview. 7th EASN International Conference, 2017.

[7] Siemens AG: CENTRELINE - ConcEpt validatioN sTudy foR fusElage wake-filLIng propulsioN integration, D 4.04 Electric Machinery Preliminary Design Report, 2018. [8] Wangemann, J.; Schult, J. : Electrical Drive System for an Aircraft and Operation Method. Patentschrift, US10035607 B2, 2018.

[9] Welstead, J.; Felder, J. L; Guynn, M.; Haller, B.; Tong, M.; Jones, S.; Ordaz, I.; Quinlan, J.; Mason, B. : Overview of the NASA STARC-ABL (Rev. B) Advanced Concept, 2017.

[10] Yoon, A.; Xiao, J.; Lohan, D.; Arastu, F.; Haran, K. : High-Frequency Electric Machines for Boundary Layer Ingestion Fan Propulsor. IEEE Transactions on Energy Conversion, Bd. 34, Nr. 4, S. 2189-2197, 2019.

[11] Yoon, A. K.; Lohan, D.; Arastu, F.; Xiao, J.; Haran, K. : Direct Drive Electric Motor for STARC-ABL Tail-Cone Propulsor. In: AIAA Propulsion and Energy 2019 Forum, AIAA Propulsion and Energy 2019 Forum, 08192019.

Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen modularen Schwerlast-Antriebsstrang. Der modulare Schwerlast-Antriebsstrang umfasst eine Mehrzahl an Antriebsmodulen und ein Abtriebselement, wobei jedes Antriebsmodul mindestens zwei elektrische Antriebseinheiten zum Antrieb eines ersten Summiergetriebes sowie eine Lastübertragungseinrichtung umfasst, wobei die mindestens zwei elektrischen Antriebseinheiten über das erste Summiergetriebe die Lastübertragungseinrichtung des jeweiligen Antriebsmoduls antreiben und wobei jede der Mehrzahl an Lastübertragungseinrichtungen jeweils mit dem Abtriebselement gekoppelt ist zur parallelen Übertragung der Antriebsleistung von der Mehrzahl an Antriebsmodulen an das Abtriebselement.

Der erfindungsgemäße modulare Antriebsstrang ermöglicht den Einsatz vergleichsweise kleiner elektrischer Maschinen/Antriebseinheiten für den Antrieb großer Flugzeuge. Erfindungsgemäß ist die Konstruktion der elektrischen Maschine weniger durch mechanische Probleme eingeschränkt, so dass kürzere Maschinenlängen und -durchmesser im Vergleich zur Konstruktion einer einzelnen großen elektrischen Maschine ausreichen. Dies ermöglicht den Einsatz von Ultrahochgeschwindigkeitsmaschinen (> 40.000 U/min) mit hoher Leistungsdichte. Außerdem kann das elektrische Antriebsmodul mit niedrigen Spannungen arbeiten, da nur ein Bruchteil der gesamten Antriebsleistung durch jedes der Antriebsmodule bereitgestellt werden muss.

Der erfindungsgemäße Schwerlast-Antriebsstrang ermöglicht es mit relativ kleinen, schnelllaufenden elektrischen Antriebseinheiten eine hohe Antriebsleistung an einem Abtriebselement zu erzielen. Mit der Anzahl von beispielsweise acht 250- kW-Elektroantriebsmodulen kann mit dem erfindungsgemäßen Schwerlast-Antriebsstrang eine resultierende Antriebsleistung von 2 MW an dem Abtriebselement bereitgestellt werden. Neben der leistungsstarken und leichten Konstruktion des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs bietet das modulare Antriebskonzept ein hohes Maß an Redundanz. Einhergehend sinken die Zuverlässigkeitsanforderungen an das einzelne elektrische Antriebsmodul im Vergleich zu Lösungen mit nur einer elektrischen Maschine, was die Konstruktion mit einer höheren Leistungsdichte ermöglicht

Außerdem bietet die Modularität des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsstrangs wirtschaftliche Vorteile. Durch eine geeignete Leistungssegmentierung auf der Ebene der elektrischen Antriebsmodule ist es möglich, elektrische Triebwerke für die gesamte CS-25 Klasse zu fertigen. Der erforderliche Zertifizierungs- bzw. Zulassungsaufwand zur Erreichung einer EASA CS-25, wie beispielweise die Zulassungsanteile CS 25.1310, CS 25.1351, CS 25.1357 Zertifizierung, kann dabei aufgrund der Modularisierung reduziert werden. Die Produktion von elektrischen Antriebsmodulen kann also hohe Stückzahlen erreichen, was die Automatisierung und Massenproduktion erleichtert. Letzteres führt auch zu besser konstruierten Produkten mit standardisierten Schnittstellen.

Die Lastübertragungseinrichtungen können mindestens eine Welle umfassen bzw. durch eine Welle gebildet werden, in einer bevorzugten Ausführungsform kann die Lastübertragungseinrichtung eine Hohlwelle umfassen oder durch diese gebildet werden. Die Mehrzahl der Lastübertragungseinrichtungen sind jeweils mit dem gemeinsamen Abtriebselement des Schwerlast-Antriebsstrangs gekoppelt, beispielweise kann es sich bei der Kopplung zwischen den jeweiligen Lastübertragungseinrichtungen mit dem Abtriebselement um eine mechanische Kopplung handeln. Die jeweiligen Lastübertragungseinrichtungen sind mit dem Abtriebselement derart gekoppelt, dass die Antriebsleistung von der jeweiligen Lastübertragungseinrichtung auf das Abtriebselement übertragen werden kann. Die Lastübertragungseinrichtungen sind dabei jeweils so mit dem Abtriebselement gekoppelt, dass diese parallel zueinander die jeweilige Antriebsleistung der jeweiligen Lastübertragungseinrichtungen auf das Abtriebselement übertragen können.

In einer möglichst einfachen Ausführungsform kann es vorgesehen sein, die Lastübertragungseinrichtungen jeweils unmittelbar mechanisch an das Abtriebselement anzubinden, wobei die Anbindung beispielsweise kraft- oder formschlüssig erfolgen kann, insbesondere kann bei der Verbindung zwischen der Lastübertragungseinrichtung und dem Abtriebselement eine Sollbruchstelle vorgesehen werden, welche die jeweilige Lastübertragungseinrichtung bei einer zu starken Verdrehung bzw. Auftreten einer zu starken Torsionsbiegung gegenüber dem Abtriebselement von diesem löst.

Alternativ kann zwischen der jeweiligen Lastübertragungseinrichtung und dem Abtriebselement beispielsweise eine Rutsch ku ppi ung vorgesehen werden, wobei beispielsweise bei dem Blockieren der Lastübertragungseinrichtung bzw. bei einem Stillstand der Lastübertragungseinrichtung die vorgesehene Rutschkupplung die lastübertragende Verbindung mit dem Abtriebselement trennt, wobei der Vorgang reversibel ist. Weiterhin können jegliche aus dem Stand der Technik bekannte Kupplungen vorgesehen werden. Zwischen den Lastübertragungseinrichtungen und dem Abtriebselement kann ein zweites Summiergetriebe zur Lastübertragung von den Lastübertragungseinrichtungen auf das Abtriebselement angeordnet werden.

Weiterhin kann es erfindungsgemäß vorgesehen werden, zwischen mindestens einem der ersten Summiergetriebe und der jeweiligen Lastübertragungseinrichtung und/oder zwischen mindestens einem der Übertragungseinrichtungen und dem Abtriebselement eine Kupplungseinrichtung anzuordnen.

Die Kupplungseinrichtung kann beispielsweise als Rutschkupplung realisiert werden. Alternativ kann auch eine Fliehkraftkupplung vorgesehen werden, wobei sich bei Getriebeblockade oder ähnlichem die Fliehkraftkupplung automatisch lösen kann. Die Ausführungsform der Fliehkraftkupplung weist weiterhin den Vorteil auf, dass mittels der Fliehkraftkupplung eine mechanische Drehzahlsynchronisation realisiert werden kann, welche mögliche auftretende Synchronisationsfehler bzw. Unterschiede in den Drehzahlen der Mehrzahl an Antriebsmodulen ausgleichen kann bzw. unmittelbar physikalisch abfängt.

Erfindungsgemäß kann auch eine klassisch lösbare Kupplung, wie beispielsweise aus dem klassischen Maschinenbau bekannt ist, Verwendung finden. Die Synchronisation könnte entweder elektrisch oder mechanisch erfolgen. Wobei über die jeweilige Synchronisation wiederum die Unterschiede der Drehzahlen bzw. Drehmomente der Lastübertragungseinrichtungen ausgeglichen werden können, derart, dass eine synchronisierte Drehzahl und Drehmoment an das Abtriebselement übertragen wird.

Es kann vorgesehen werden, dass das erste und/oder das zweite Summiergetriebe als Planetengetriebe, besonders bevorzugt als einstufiges Planetengetriebe, ausgebildet werden. Die elektrischen Antriebseinheiten treiben bei der Ausführungsform der Summiergetriebe als Planetengetriebe die Umlaufräder bzw. Planeten des jeweiligen Planetengetriebes an. Die Planetengetriebe können dabei bevorzugt je nach Anwendungsfall mit folgenden Übersetzungsverhältnissen zwischen der jeweiligen Lastübertragungseinrichtung und dem Abtriebselement vorgesehen werden:

- Starflüglerantrieb:

Drehzahl Abtriebselement, wobei an dem Abtriebselement unmittelbar ein Propeller bzw. Fan eines Triebwerks angeordnet ist: 1.000-5.000 Umdrehungen/Minute, Drehzahl Übertragungseinrichtung: 85.000 bis 120.000 Umdrehungen/Minute, resultierendes Übersetzungsverhältnis im Bereich von 17-120

- Drehflüglerantrieb:

Drehzahl Abtriebselement entspricht Hauptrotordrehzahl: 200-400 Umdrehungen/Minute

Drehzahl Übertragungselement: 85.000-120.000 Umdrehungen/Minute resultierendes Übersetzungsverhältnis im Bereich von 212-600

- Schiffsantrieb:

Drehzahl Abtriebselement entspricht Schraubendrehzahl: 100-2.000 Umdrehungen/Minute

Drehzahl Übertragungseinrichtungen: 10.000-50.000 Umdrehungen/Minute resultierendes Übersetzungsverhältnis im Bereich von 5-500

- schwere Landfahrzeuge:

Drehzahl Abtriebselement entspricht Raddrehzahl: 100-200 Umdrehungen/Minute Drehzahl Übertragungseinrichtung 10.000-50.000 Umdrehungen/Minute resultierendes Übersetzungsverhältnis im Bereich von 50-500

Insbesondere kann es vorgesehen werden, die Lastübertragungseinrichtungen als Hohlwellen auszubilden, wobei die Mehrzahl der Lastübertragungseinrichtungen der Mehrzahl an Antriebsmodulen ineinander und gegeneinander drehbar gelagert sind. Die vorgesehene Anordnung ermöglicht eine unabhängige Drehung der jeweiligen Lastübertragungseinrichtungen der jeweiligen Antriebsmodule gegeneinander und dementsprechend unabhängig voneinander und erlaubt damit eine parallelisierte Lastübertragung von den jeweiligen Antriebselementen auf das gemeinsame Abtriebselement.

Erfindungsgemäß kann es vorgesehen werden, dass mindestens eine der Mehrzahl an elektrischen Antriebseinheiten mindestens eine Gleichstromquelle, mindestens ein Schaltelement, mindestens einen Wechselrichter oder alternativ zu dem Wechselrichter mindestens einen geeigneten Gleichstromsteller und mindestens einen elektrischen Motor umfasst, wobei das mindestens eine Schaltelement an der mindestens einen Gleichstromquelle angeordnet ist, um mindestens eine Gleichstromquelle an- oder abzuschalten, der mindestens eine Wechselrichter oder geeignete Gleichstromsteller zwischen der mindestens einen Gleichstromquelle und dem mindestens einem Motor angeordnet ist.

Bei dem Schaltelement kann es sich beispielsweise um einen Leistungsschalter, Trennschalter oder eine Sicherung handeln. Die Gleichstromquelle ist an dem Eingang des Wechselrichters bzw. alternativ an dem Eingang des geeigneten Gleichstromstellers angeordnet. Der mindestens eine Ausgang des Wechselrichters bzw. alternativ des geeigneten Gleichstromstellers dient als Ausgang für den mindestens einen Motor. Bei dem Schaltelement kann es sich um ein Gleichstromschütz, wie beispielsweise die Modelle Schaltbau C310K/500 oder Schaltbau CT1130/11, handeln. Erfindungsgemäß kann jedoch auch eine Sicherung, wie beispielsweise eine SIBA SQB-DC 2, als Schaltelement verwendet werden.

Der Wechselrichter steuert dabei die Drehzahl und das Drehmoment des elektrischen Antriebs. Bei Drehfeldmaschinen werden bevorzugt Steuerungsalgorithmen verwendet, die Fluss- und Drehmoment unabhängig voneinander steuern, womit folglich eine feldorientierte Regelung möglich ist. Bei der Verwendung von geeig- netem Gleichstromstellern können diese zur Ansteuerung von geschalteten Reluktanzmaschinen verwendet werden, wobei zur Steuerung der entsprechenden Motoren bevorzugt Drehmomentbeobachter verwendet werden.

Die elektrische Antriebseinheit kann weiterhin mindestens eine Kommunikationsschnittstelle für die Ansteuerung des elektrischen Motors und der Gleichstromquelle umfassen.

Die mindestens eine elektrische Antriebseinheit kann zusätzlich mindestens einen Gleichspannungswandler umfassen, wobei der mindestens eine Gleichspannungswandler zwischen der mindestens einen Gleichstromquelle und dem mindestens einen Wechselrichter oder alternativ dem mindestens einen geeigneten Gleichstromsteller angeordnet ist. Der Gleichspannungswandler kann dabei mehrphasig mit oder ohne galvanische Trennung ausgebildet werden. Erfindungsgemäß kann ein SiC MOSFET basierter Gleichspannungswandler genutzt werden. Der Gleichspannungswandler hat insbesondere die Aufgabe die Spannung der Stromquelle (Brennstoffzellen und/oder Batterien) dynamisch anzupassen, damit der Wechselrichter der Maschine entweder mit maximaler Spitzenleistung (bei Start und Landung) oder mit maximalem Wirkungsgrad (im Reiseflug) arbeiten kann.

Die vorgesehene Ausgestaltung der elektrischen Antriebseinheit ermöglicht einen hohen Integrationsgrad der zugehörigen Leistungselektronik, die einem Leichtbau des Antriebsstrangs dient. Da Brennstoffzellen- und Batteriespannungen in der Regel auf niedrigen Spannungsniveaus arbeiten und darauf optimiert sind, ausreichend leicht und kompakt zu bleiben, kann die elektrische Antriebseinheit und das Antriebsmodul standardisiert und leicht integriert werden. Dadurch wird ein komplexes Bordnetz zur Anpassung von Spannung und Leistung für den elektrischen Antriebsstrang vermieden, was die Komplexität und das Gewicht des Antriebsstrangs reduziert. Folglich bietet ein voll integriertes Antriebsmodul die Möglichkeit, elektrische Antriebssysteme mit hoher Leistung und geringem Gewicht zu realisieren, ohne dass supraleitende Komponenten erforderlich sind. Der Wechselrichter kann beispielsweise als leistungselektronischer Wechselrichter ausgebildet werden, welcher bevorzugt mehrphasig ausgestaltet werden kann.

Der geeignete Gleichstromsteller kann insbesondere n-phasig ausgebildet werden, wobei jede Phase als asymmetrische Brücke und der elektrische Antrieb als geschaltete Reluktanzmaschine ausgebildet wird, mit n > 0, n e N.

Die Gleichstromquelle kann mindestens ein Batteriespeichersystem oder eine Brennstoffzelle umfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann erfindungsgemäß mindestens eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEMFC) verwendet werden. Beispielsweise kann erfindungsgemäß mindestens ein Brennstoffzellenstapel, wie unter anderem ein EKPO NM12 Single stack, eingesetzt werden. Erfindungsgemäß kann mindestens eine Wasserstoffbrennstoffzelle verwendet werden, wobei der benötigte Sauerstoff zum Betrieb aus der Umgebungsluft mittels mindestens eines Turboladers bereitgestellt werden kann.

Die mindestens eine elektrische Antriebseinheit kann als Hochdrehzahlmotor, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe von einer geschalteten Reluktanzmaschine (SRM) oder einer Drehfeldmaschine bevorzugt einer permanentmagneterregten Synchronmaschine (PMSM), ausgebildet werden. Die elektrischen Hochdrehzahlmotoren, wie insbesondere die SRM oder PMSM, können mit einer Spannung von etwa 1 kV betrieben werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein elektrisches Triebwerk für ein Luftfahrzeug umfassend mindestens einen elektrischen Antriebsstrang gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wobei der Antrieb der Rotoren des Triebwerks über das Abtriebselement des elektrischen Antriebsstrangs erfolgt. Bei den Rotoren des Triebwerks handelt es sich um die vortriebserzeugenden Elemente des Triebwerks wie beispielsweise den Rotor bzw. die Triebwerksschaufeln oder die Propellerblätter des Luftfahrzeugs.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung eines modularen Antriebsstrangs gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung zum Antrieb der Triebwerksschaufeln oder eines Rotors eines Luftfahrzeugs. Weitere Anwendungsfälle betreffen den Einsatz bzw. die Verwendung des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung zum Antrieb einer Tunnelbohrmaschine, eines Schiffsantriebs, einer selbstfahrenden Erntemaschine oder für den Antrieb schwerer landgebundener Fahrzeuge.

Im Nachfolgenden werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beispielhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schwerlast-Antriebsstrangs sowie dessen Einzelkomponenten ausgeführt.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen modularen Schwerlast-Antriebsstrangs;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Antriebsmoduls für einen erfindungsgemäßen Schwerlast- Antriebsstrang;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer elektrischen Antriebseinheit;

Fig. 4A eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer elektrischen Antriebseinheit; Fig. 4B eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer elektrischen Antriebseinheit;

Fig. 5A eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer elektrischen Antriebseinheit; sowie

Fig. 5B eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer elektrischen Antriebseinheit.

In der Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen modularen Schwerlast-Antriebsstrangs in einer schematischen Darstellung abgebildet. Der Antriebsstrang umfasst in der dargestellten Ausführungsform drei Antriebsmodule 2 und ein Abtriebselement 4. Zur besseren Identifizierbarkeit wurden die drei Antriebsmodule 2 (21,22 und 2s) sowie deren Bauteile mit einem Index versehen. Jedes Antriebsmodul 2 weist mindestens zwei elektrische Antriebseinheiten 22 zum Antrieb eines ersten Summiergetriebes 24 und eine Lastübertragungseinrichtung 26 auf.

In der dargestellten beispielhaften Ausführung sind die mindestens zwei elektrischen Antriebseinheiten 22 als zwei Kästen mit den Indices 1 und i, j bzw. k, mit i,j,k > 1, n e N zur Darstellung einer beliebigen Anzahl größer/gleich zwei elektrischer Antriebseinheiten 22 eines Antriebsmoduls 2 dargestellt. Die Lastübertragungseinrichtungen 26i, 262 und 263 der jeweiligen Antriebsmodule 2i, 22 und 23 sind jeweils mit dem Abtriebselement 4 gekoppelt zur parallelen Übertragung der Antriebsleistung (Drehzahl und Drehmoment) von der Mehrzahl an Antriebsmodulen 2 an das Abtriebselement 4.

Wie dies der Fig. 1 entnehmbar ist, treibt jedes der drei beispielhaft dargestellten Antriebsmodule 2i, 22 und 23 eine Lastübertragungseinrichtung 26i, 262 und 263, welche in der dargestellten Ausführungsform als Hohlwelle ausgeführt ist, an. Die drei dargestellten Übertragungseinrichtungen 26i, 262 und 263 sind dabei parallel an das Abtriebselement 4 zur Lastübertragung angebunden. Zwischen dem Abtriebselement 4 und den Lastübertragungseinrichtungen 26 kann ein zweites Summiergetriebe 6 angeordnet werden wobei die Lastübertragungseinrichtung dann von den Lastübertragungseinrichtungen 26i, 262 und 263 über das Summiergetriebe 6 auf das Abtriebselement 4 erfolgt.

Mindestens eines der ersten Summiergetriebe 24i, 242 und 243 und/oder zweite Summiergetriebe 6 kann bevorzugt als Planetengetriebe ausgestaltet werden.

Gemäß einem besonders bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung können die Planetengetriebe insbesondere als einstufiges Planetengetriebe ausgebildet werden. Dabei können die elektrischen Antriebseinheiten 22 eines Antriebsmoduls 2 die Planeten- bzw. Umlaufräder des ersten Summiergetriebes 24 des jeweiligen Antriebsmoduls 2 antreiben. Der Ausgang des jeweiligen ersten Summiergetriebes 24 ist an die jeweilige Lastübertragungseinrichtung 26 des jeweiligen Antriebsmoduls 2 zur Übertragung der Antriebsleistung angebunden. Der Fig. 1 ist weiterhin entnehmbar, dass erfindungsgemäß die Lastübertragungseinrichtungen 26 zumindest teilweise wellenförmig und besonders bevorzugt in Form einer Hohlwelle ausgebildet werden können bzw. die Lastübertragungseinrichtungen 26 zumindest eine entsprechende Hohlwelle für die Lastübertragung umfassen können. Die Vorsehung der Hohlwellen als Lastübertragungseinrichtungen 26 weist dabei den Vorteil auf, dass die Hohlwellen ineinander und gegeneinander drehbar gelagert werden können, um einen kompakten Aufbau des Antriebsstrangs zu ermöglichen.

Eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Antriebsmoduls 2 ist in der Figur 2 dargestellt. In der dargestellten Ausführungsform umfasst das Antriebsmodul 2 zwei Antriebseinheiten 22. Die beiden Antriebseinheiten 22 treiben ein erstes Summiergetriebe 24 an, welches die Antriebsleitung an die Lastübertragungseinrichtung 26 überträgt. Zwischen dem ersten Summiergetriebe 24 und der Lastübertragungseinrichtung 26 ist eine optionale Kupplungseinrichtung 8 dargestellt, worüber die Lastübertragung des ersten Summiergetriebes 24 an das Übertragungselement 26 schaltbar ausgestaltet werden kann. Die Lastübertragungseinrichtung 26 ist wiederum über eine weitere optionale Kupplungseinrichtung 8 zur selektiven Lastübertragung an das Abtriebselement 4 gekoppelt. Die Ausgestaltung der beiden Kupplungseinrichtungen 8 ermöglicht es die Lastübertragungseinrichtung 26 sowohl von dem Abtriebselement 4 und dem ersten Summiergetriebe 24 zu trennen.

Die Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer elektrischen Antriebseinheit 22. Die elektrische Antriebseinheit 22 weist zumindest eine Gleichstromquelle 32, mindestens ein Schaltelement 34, mindestens einen Wechselrichter 36 (in Fig. 3 beispielhaft dargestellt) oder alternativ mindestens einen Gleichstromsteller 36 und mindestens einen elektrischen Motor 38 auf. Zusätzlich kann eine nicht dargestellte Kommunikationsschnittstelle für die Ansteuerung des elektrischen Motors 38 und der Gleichstromquelle 32 ausgebildet werden. Insbesondere kann es sich erfindungsgemäß bei der Kommunikationsschnittstelle um eine bidirektionale Kommunikationsschnittstelle handeln. Das mindestens eine Schaltelement 34 ist an der mindestens einen Gleichstromquelle 32 angeordnet, um die mindestens eine Gleichstromquelle 32 an- bzw. abzuschalten, wobei die Schaltung beispielsweise durch Trennung mindestens eines Pols der Gleichstromquelle von den weiteren Elementen der elektrischen Antriebseinheit 22 realisiert werden kann. Der mindestens eine Wechselrichter 36 oder alternativ der Gleichstromsteller 36 ist zwischen der mindestens einen Gleichstromquelle 32 und dem Motor 38 angeordnet. Wie in Fig. 3 ebenfalls durch den gestrichelten Kasten angedeutet, kann optional erfindungsgemäß mindestens ein Gleichspannungswandler 35 zwischen der elektrischen Gleichstromquelle 32 und dem geeigneten Gleichstromsteller bzw. Wechselrichter 36 angeordnet werden. Der Gleichspannungswandler 35 kann beispielsweise mehrphasig mit oder ohne galvanische Trennung ausgebildet werden. Den Figuren 4A sowie 4B sind zwei unterschiedliche Ausführungsformen einer Schaltung einer elektrischen Antriebseinheit 22 entnehmbar, wobei in der Fig. 4A der Motor 38 über eine B6C Schaltung/vollgesteuerte Drehstrom brücke bzw. Sechspuls-Brücken-Schaltung angesteuert wird. In der Ausführungsform gemäß Fig. 4B wurde zusätzlich zu der Ausführungsform in Fig. 4A ein Gleichspannungswandler 35 in Form eines Aufwärtswandlers (Boost Converter) vorgesehen.

Die Figuren 5A und 5B zeigen wiederum zwei beispielhafte Ausführungsformen, wobei der geeignete Gleichstromsteller 36 in Form einer n-phasigen asymmetrischen Halbbrücke realisiert ist, welche den elektrischen Motor 38 ansteuert. Die Ausführungsform gemäß Fig. 5B weist gegenüber der Fig. 5A zusätzlich einen Gleichspannungswandler 35 in Form eines Aufwärtswandlers (Boost Converter) auf.

Bezugszeichenliste:

Antriebsmodul 2

Abtriebselement 4 zweites Summiergetriebe 6

Kupplungseinrichtung 8 elektrische Antriebseinheit 22 erstes Summiergetriebe 24

Lastübertragungseinrichtung 26

Gleichstromquelle 32

Schaltelement 34

Gleichspannungswandler 35

Wechselrichter / geeigneter Gleichstromsteller 36 elektrischer Motor 38