在飛機中提供預定的驅動特性的方法和配屬的驅動設備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于在飛機中提供預定的額定驅動特性(38，50)的方法，其特征在于以下步驟：-通過電機驅動飛機的推力產(chǎn)生元件，該電機具有實際驅動特性(34)，其至少部分地包含額定驅動特性(38，50)，但是也與其有部分地不同；并且-僅根據(jù)額定驅動特性(38，50)，通過控制裝置設定電機的工作點。
【專利說明】在飛機中提供預定的驅動特性的方法和配屬的驅動設備

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于在飛機中提供預定的額定驅動特性的方法，其推力產(chǎn)生元件、即例如其螺旋槳通過電機來驅動。相應的、用于借助于電機旋轉地驅動推力產(chǎn)生元件的電驅動設備也屬于本發(fā)明。最后，飛機、特別是具有根據(jù)本發(fā)明的驅動設備的固定翼飛機也屬于本發(fā)明。

【背景技術】
[0002]在飛機中，對機動化的飛機來說，目前通常通過內(nèi)燃發(fā)動機實現(xiàn)推進部件、即例如螺旋槳或渦輪風扇的驅動。根據(jù)結構類型和規(guī)格，這種內(nèi)燃發(fā)動機具有特有的驅動特性。其特征首先在于可能的、能采用的轉矩轉速工作點，并且此外在于特有的響應特性。能由確定的驅動發(fā)動機采用的轉矩轉速工作點的整體限定轉矩轉速特征曲線族。響應特性是驅動發(fā)動機的動力，即驅動發(fā)動機的轉速的時間上的變化和/或在操作推進桿時由驅動發(fā)動機生成的轉矩的時間上的變化，也就是說，在給定的推進桿的輸出位置和相同的負載中，不同的內(nèi)燃發(fā)動機具有既在加速時又在延遲時的轉矩和轉速的不同的時間上的變化曲線。一些內(nèi)燃發(fā)動機對功率要求反應的較慢，而另外的反應的較快(不同的響應特性)。
[0003]在如今的飛行員培訓中，飛行員學員利用訓練飛機訓練，該訓練飛機具有確定的內(nèi)燃發(fā)動機作為驅動。因此，飛行員學員習慣于這種內(nèi)燃發(fā)動機的驅動特性。然而，飛行員培訓中重要的組成部分在于，飛行員也要學習評估，在不同的演習中如何對其引導的飛機做出動作。如果飛行員例如必須著陸，并且因此必須再次為了第二次著陸加速越過跑道，那么在此決定性的是，飛行員正確地評估內(nèi)燃機發(fā)動機的響應特性，以便不處于危險中。飛行員同樣必須能夠評估的是，當其設定在確定位置上的推進桿時，內(nèi)燃機發(fā)動機采用哪個工作點。
[0004]因此，通常作為飛行員培訓的組成部分的是，在飛行員培訓結束時，飛行員學員不僅能夠駕駛其訓練飛機，還要能夠駕駛這樣類型的飛機，即飛行員學員在將來想要駕駛的飛機。這種應當用給飛行學員做培訓的目標飛機的驅動特性不能利用訓練飛機來模擬，因為訓練飛機和目標飛機比起來通常具有其他的內(nèi)燃機發(fā)動機。
[0005]至今必須接受的是，訓練飛機和目標飛機比起來通常具有其他的驅動特性。這具有的結果是，必須完成另外的訓練。大的目標飛機意味著更高的燃料消耗，并且因此也關系著更高的環(huán)境污染。此外，目標飛機必須提供訓練目的，并且必須對此存在有必須的基礎設施。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于，使得各種渦輪驅動、渦輪螺旋槳驅動和活塞式發(fā)動機驅動的特性對飛行學員來說是能簡單地掌握和能夠進行訓練的。
[0007]該目的通過根據(jù)權利要求1所述的方法、根據(jù)權利要求4所述的驅動設備以及根據(jù)權利要求13所述的飛機來實現(xiàn)。本發(fā)明的有利改進方案通過從屬權利要求給出。
[0008]通過本發(fā)明能夠實現(xiàn)的是，能夠利用唯一的訓練飛機模擬多個關于驅動特性方面的目標飛機。對此，根據(jù)本發(fā)明的方法能夠實現(xiàn)的是，在飛機中提供預定的額定驅動特性，就像其在目標飛機中所預期的那樣，應當針對該目標飛機培訓飛行員學員。在此，額定驅動特性能夠包括轉速轉矩特征曲線族或者響應特性的數(shù)據(jù)，或者具有這兩者。此外，根據(jù)本發(fā)明的方法設置為，通過電機驅動飛機的推力產(chǎn)生元件，該電機具有實際驅動特性，其至少部分地包含額定驅動特性。同樣地，實際驅動特性通常并不是對立于額定驅動特性，而是更確切的說，實際驅動特性與額定驅動特性有部分的不同，因為例如利用電機能夠設定轉矩轉速組合，其并沒有出現(xiàn)在額定驅動特性中，或者因為與通過額定驅動特性預定的動力相比，電機具有更大的動力。
[0009]因此，根據(jù)本發(fā)明的方法具有第二步驟，根據(jù)該步驟，僅根據(jù)額定驅動特性，通過控制裝置設定電機的工作點。換句話說，在電機的運行中大體上限制其額定驅動特性，電機從飛行員學員的角度表現(xiàn)的像是完全其他的具有轉矩轉速特征曲線族和/或響應特征的發(fā)動機一樣，該轉矩轉速特征曲線族和/或響應特征例如通過額定驅動特性預定。
[0010]通過根據(jù)本發(fā)明的方法，能夠以有利的方式借助于其他的目標飛機執(zhí)行飛行訓練。因此，在目標飛機上的飛行訓練能夠由在訓練飛機上的相應的訓練來代替，其中，基于額定驅動特性設定訓練飛機的驅動特性。大的目標飛機意味著少的燃料消耗，并且因此也關系著少的環(huán)境污染。這也不必再提供如此多的目標飛機以及為此必須的用于訓練的基礎設施。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的驅動設備能夠實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法的實施。在此，驅動設備具有用于生成推力的推力產(chǎn)生元件，其特別地具有自由運動的螺旋槳或者涵道螺旋槳(渦輪風扇)。此外提供了用于旋轉地驅動推力產(chǎn)生元件的電機。控制裝置設計用于設定電機的工作點?？刂蒲b置能夠例如是變流器和所屬的控制器，其中，通過變流器從直流電壓供應中為電機生成三相交流電，其中，取決于控制器的控制信號地設定交變頻率。
[0012]最后，根據(jù)本發(fā)明的驅動設備還包括用于通過飛行員來選擇工作點的操縱裝置。操縱裝置特別地包括推桿。根據(jù)本發(fā)明，控制裝置現(xiàn)在設計為，以電機的實際驅動特性為基礎，模擬預定的額定驅動特性(即例如確定的目標飛機這樣的)，并且為此在操作操縱裝置時，僅根據(jù)額定驅動特性設定工作點。
[0013]在此，根據(jù)額定驅動特性設置工作點能夠包括兩個方面，即能夠設定哪些工作點(轉矩轉速組合)的問題，和利用哪個動力在當前的工作點和新的工作點之間變換的問題。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的方法的改進方案在這一點上設置為，通過兩個驅動特性、即實際驅動特性和額定驅動特性分別限定多個能設定的工作點，這些工作點示出了轉速值和轉矩值的每一種組合。根據(jù)本發(fā)明的方法的改進方案設置為，通過控制裝置只設定共同地具有兩種驅動特性的工作點。換句話說，通過預定的額定驅動特性來預定共同的、能由電機采用的工作點的子集，然后也基于該子集，通過控制裝置限制電機的運行。在本方法的這種改進方案中優(yōu)選的是，飛行員學習利用可能的工作點的界定的范圍來引導飛機。
[0015]符合目的的，在根據(jù)本發(fā)明的驅動裝置中，轉矩轉速特征曲線族存儲在控制裝置中。該特征曲線族能夠由多個針對可能的、能采用的工作點的轉矩轉速值對組成。然而，該特征曲線族也能夠通過參數(shù)的、數(shù)學上的函數(shù)來描述。此外，控制裝置對此方便地設計為，根據(jù)操縱裝置、即例如推桿的位置地從轉矩轉速特征曲線族中選擇工作點，并且在電機中以自我已知的方式設定這些工作點。
[0016]本方法的另一個改進方案設置為，通過兩種驅動特性分別限定驅動動力，在將當前工作點變換為新的工作點時，通過該驅動動力得出電機的轉矩和/或轉速的確定的時間上的改變。此外，本方法的這種改進方案設置為，僅利用這種驅動動力通過控制裝置運行電機，該驅動動力通過額定驅動特性來預定。當然，這發(fā)生在通過實際驅動特性而能實際上實現(xiàn)的電機的驅動動力的范疇內(nèi)。本方法的這個改進方案具有的優(yōu)點是，飛行員學習評估不同的目標飛機的響應特性。
[0017]符合目的的，在根據(jù)本發(fā)明的驅動裝置中，用于驅動動力的數(shù)據(jù)存儲在控制裝置中，其中，控制裝置隨后設計用于，在操作操縱裝置時，根據(jù)數(shù)據(jù)地隨時間改變電機的轉矩和/或轉速。數(shù)據(jù)能夠是點狀地限定的特征曲線或者是參數(shù)的、數(shù)學上的函數(shù)，其中通過數(shù)據(jù)作為驅動動力的描述所規(guī)定的是，在改變操縱裝置的操控部件的位置時，如何從確定的工作點出發(fā)隨著時間增大或減小轉矩和/或轉速。
[0018]預定的額定驅動特性優(yōu)選地包括確定的發(fā)動機類型的轉矩轉速特征曲線族、優(yōu)選是內(nèi)燃發(fā)動機、特別是活塞式發(fā)動機驅動、渦輪驅動或者渦輪螺旋槳驅動的轉矩轉速特征曲線族。這樣的內(nèi)燃發(fā)動機的驅動特性與電機的驅動特性相比，通常包括較少的工作點或者較小的動力。因此，利用根據(jù)本發(fā)明的驅動設備能夠實現(xiàn)的是，完全地模擬這樣的發(fā)動機的額定驅動特性。
[0019]特別有利地，在控制裝置中存儲多個額定驅動特性。相應地將控制裝置對此設計用于，根據(jù)能夠是控制裝置的組件的選擇裝置的操作，在額定驅動特性之間進行切換。由此而能夠實現(xiàn)的是，利用唯一的訓練飛機模擬具有不同驅動特性的多個不同的目標飛機。
[0020]電機優(yōu)選地是串聯(lián)混合的驅動裝置的組件。在這樣的驅動裝置中，通過驅動發(fā)電機的內(nèi)燃機提供用于運行電機的電能。可選地，還能夠設置為通過電池或者燃料電池系統(tǒng)供電。在中間電路中提供作為同向電壓或者直流電壓的由發(fā)電機和如果可能的電池或者燃料電池系統(tǒng)提供的電壓，在該中間電路上還連接有用于運行電機的變流器。串聯(lián)混合的驅動具有的優(yōu)點為，能夠在生成電能時以最優(yōu)的功率運行內(nèi)燃機，并且能夠完全獨立于電機的工作點地選擇內(nèi)燃機。
[0021]驅動設備的一個可選的實施方式設置為，電機是并聯(lián)混合的驅動裝置的組件。在這種并聯(lián)混合的驅動裝置中，內(nèi)燃機機械地、例如經(jīng)由軸與推力產(chǎn)生元件、即例如螺旋槳耦合。然后，將電機布置在內(nèi)燃機的驅動軸上或者經(jīng)由傳送帶與該驅動軸耦合，并且電機能夠由此為驅動推力產(chǎn)生元件生成附加的轉矩。這個實施方式的優(yōu)點為，能夠以少的開發(fā)費用將電機集成到訓練飛機的已經(jīng)存在的驅動系統(tǒng)中。
[0022]如已經(jīng)實施的，本發(fā)明還包括飛機。其具有一個根據(jù)本發(fā)明的驅動設備的實施方式。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]接下來根據(jù)具體的實施例再次更詳細地闡述本發(fā)明。在此:
[0024]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的驅動設備的一個優(yōu)選的實施方式的示意圖；并且
[0025]圖2示出驅動特性的簡要的變化曲線圖。

【具體實施方式】
[0026]在下面闡述的實施例中，所述的驅動設備的元件分別示出了本發(fā)明的單獨的、彼此獨立考慮的特征，其也分別彼此獨立地由本發(fā)明進行改進，并且因此也單獨地或者在其他的作為所示的組合中，將其看作是本發(fā)明的組成部分。此外，所述的實施方式也能夠通過另外的已經(jīng)描述的實施方式進行補充。
[0027]圖1示出了飛機、例如輕型飛機的驅動設備10。用于為飛機的飛行生成推力的螺旋槳12經(jīng)由電機16的軸14旋轉。電機16能夠例如是同步機器、特別是永磁激發(fā)的同步機器。電機16經(jīng)由電纜18利用多相交流電以自我已知的方式驅動。電纜18與中間電路22的可控制的變流器20連接。通過變流器20將在中間電路的相鄰電導線間的同向的電壓以同樣是自我已知的方式轉換為多相的交流電壓。同向的電壓由發(fā)電機24生成，該發(fā)電機將該同向的電壓經(jīng)由整流器供給到中間電路22中發(fā)電機24由內(nèi)燃發(fā)動機26驅動。在中間電路22上附加地連接電池28，其能夠利用來自發(fā)電機24的電能經(jīng)由中間電路22進行充電。電池28對此設計為，在飛機啟動時利用附加的電能為電機16供電。驅動設備10在整體上示出了串聯(lián)混合的驅動系統(tǒng)。作為電池28的替換或者在此附加地，能夠提供燃料電池系統(tǒng)作為另外的能源。
[0028]作為圖2所示的電機16經(jīng)由軸14與螺旋槳12直接耦合的替代，電機16也能夠經(jīng)由變速器與螺旋槳12耦合。這一般能夠在根據(jù)本發(fā)明的驅動設備的所有的實施方式中實現(xiàn)。通過變速器得出的優(yōu)點為，應當由螺旋槳12生成的確定的推進功率能夠在轉矩和轉速組合的情況下利用電機16來提供，該組合與螺旋槳12的轉矩轉速組合不同。這能夠在有關磨損和效率方面取得優(yōu)勢。內(nèi)燃機26也能夠經(jīng)由變速器與發(fā)電機24機械地耦合。這也能夠在根據(jù)本發(fā)明的驅動設備的所有的實施方式中實現(xiàn)。
[0029]電機16的驅動特性與類似的內(nèi)燃機相比具有更大的可能的工作點(轉矩轉速組合)的范圍，就如其在常規(guī)的飛機中應用于軸14和因此的螺旋槳12的旋轉的驅動那樣。電機16也快速地響應，即其動力比這種此處所述類型的飛機的、類似的、典型的內(nèi)燃發(fā)動機更大。
[0030]經(jīng)由電機16的電控制器30，在驅動設備10中，通過變流器20的相應的控制編程如此配置，即要么只有響應特性或只有轉矩轉速特征曲線族、要么兩種一起由內(nèi)燃發(fā)動機通過驅動設備10進行調整。用于這種不同的額定驅動特性的相應的數(shù)據(jù)存儲在當前實施例中的控制器30中。飛機的飛行員能夠通過操縱裝置32、例如通過駕駛員座艙中的顯示屏上的選擇菜單或通過選擇開關來選擇所期望的、通過控制器30模擬的額定驅動特性。相應地，在控制器30中，為調節(jié)電機16的控制參數(shù)調整選擇。然后，電驅動設備10對位于駕駛員機艙中的、由駕駛員操控的推桿的推桿運動和推桿位置做出反應，就和要模擬的內(nèi)燃發(fā)動機和/或總體的要模擬的具有所選的額定驅動特性的飛機一樣。由此，飛行員還在其第一次飛之前就獲得了目標飛機的感覺。
[0031]為了說明控制方法，圖2示出了電機16的轉矩轉速特征曲線族34的對比。通過特征曲線族34給出的是，電機16在哪個轉速η的條件下能夠生成哪個轉矩M。電機16的特征曲線族34示出的是，能夠在值Μ = 0和取決于轉速的最大值之間設定每個任意的工作點(Μ-η組合)，該最大值通過邊界線36限定。在此作為對比，圖2也示出了內(nèi)燃發(fā)動機的特征曲線族38，其通過全負荷特征曲線40向上限制。全負荷特征曲線給出了內(nèi)燃發(fā)動機的完全打開的節(jié)流閥。特征曲線族38通過在下面的特征曲線42形成了小轉矩，該特征曲線不能被向下越過，因為否則的話，就必須一直關閉節(jié)流閥，使得內(nèi)燃發(fā)動機停止。另外的邊界形成了最小轉速44和最高轉速48。通過特征曲線族38限定的內(nèi)燃發(fā)動機的額定驅動特性完全被特征曲線族34包括，即在其中包含。因此，能夠借助于驅動設備10，利用特征曲線族38完全地模擬內(nèi)燃發(fā)動機的特性。在此，通過控制器30僅設定電機16運行中的工作點(Μ-η組合)，該工作點通過特征曲線族38預定。
[0032]對于實現(xiàn)本發(fā)明來說不是必須的是，通過額定驅動特性預定的特征曲線族完全地被電機的特征曲線族34包括。對于訓練確定的飛行演習來說能夠足夠的是，能夠借助于驅動設備10僅設定對訓練來說必需的工作點。在此，圖2示出了另一個特征曲線族50，其以類似的如特征曲線族38的方式通過工作點來限定，這些工作點位于上面的特征曲線52和下面的特征曲線54之間。如圖2所示，驅動設備10確保由特征曲線族50描述的內(nèi)燃發(fā)動機的所有相同的工作點能通過驅動設備10再現(xiàn)，這些工作點同時具有特征曲線族50和34。
[0033]以類似的如根據(jù)圖2利用工作點闡明的方式，也能夠借助于驅動設備10調整內(nèi)燃發(fā)動機的動力。
[0034]在裝備有電螺旋槳驅動和相應的編程的驅動控制的訓練飛機中，飛行員培訓的好處在于，各種渦輪驅動、渦輪螺旋槳驅動和活塞式發(fā)動機驅動的屬性都是能學會或者訓練的。
【權利要求】
1.一種用于在飛機中提供預定的額定驅動特性(38，50)的方法，其特征在于以下步驟: -通過電機(16)驅動所述飛機的推力產(chǎn)生元件(12)，所述電機具有實際驅動特性(34)，所述實際驅動特性至少部分地包含額定驅動特性(38，50)，但是也與所述額定驅動特性有部分地不同；并且-僅根據(jù)所述額定驅動特性(38，50)，通過控制裝置(30)設定所述電機(16)的工作點。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，通過所述驅動特性(34，38或34，35)分別固定多個能設定的工作點，通過轉速值(η)和轉矩值(M)的組合限定能設定的所述工作點中的每一個，其特征在于，通過所述控制裝置(30)只設定共同具有兩個所述驅動特性(34，38或34，35)工作點。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其中，通過兩個所述驅動特性分別確定驅動動力，在將當前工作點變換為新的工作點時，通過所述驅動動力描述所述電機(16)的轉矩和/或轉速的時間上的變化，其特征在于，僅利用驅動動力通過所述控制裝置(30)運行所述電機(16)，所述驅動動力通過所述額定驅動特性預定。
4.一種用于飛機的驅動設備(10)，具有 -用于生成推力的推力產(chǎn)生元件(12)， -用于旋轉地驅動所述推力產(chǎn)生元件(12)的電機(16) -用于設定所述電機(16)的工作點的控制裝置(30)，以及 -用于通過飛行員選擇工作點的操縱裝置， 其特征在于，所述控制裝置(30)設計用于，以所述電機的實際驅動特性(34)為基礎模擬預定的額定驅動特性(38，50)，并且此外在操作所述操縱裝置時，僅根據(jù)所述額定驅動特性(38，50)設定工作點。
5.根據(jù)權利要求4所述的驅動設備(10)，其特征在于，所述額定驅動特性包括轉矩轉速特征曲線族(38，50)，所述轉矩轉速特征曲線族存儲在所述控制裝置(30)中，并且所述控制裝置(30)設計用于，根據(jù)所述操縱裝置的位置從所述轉矩轉速特征曲線族(38，50)中選出工作點，并且設定這個工作點。
6.根據(jù)權利要求4或5所述的驅動設備(10)，其特征在于，所述額定驅動特性包括用于驅動動力的數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)存儲在所述控制裝置(30)中，并且所述控制裝置(30)設計用于，在操作所述操縱裝置時，根據(jù)所述數(shù)據(jù)隨時間改變所述電機(16)的轉矩和/或轉速。
7.根據(jù)權利要求4至6中的任一項所述的驅動設備(10)，其特征在于，所述額定驅動特性包括預定的發(fā)動機類型的轉矩轉速特征曲線族(38，50)、優(yōu)選是內(nèi)燃機、特別是活塞式發(fā)動機驅動器、渦輪驅動器或者渦輪螺旋槳驅動器的轉矩轉速特征曲線族。
8.根據(jù)權利要求4至7中的任一項所述的驅動設備(10)，其特征在于，在所述控制裝置(30)中存儲多個額定驅動特性(38，50)，并且所述控制裝置(30)設計用于，根據(jù)所述控制裝置(30)的選擇裝置(32)的操作，在所述額定驅動特性(38，50)之間進行切換。
9.根據(jù)權利要求4至8中的任一項所述的驅動設備(10)，其特征在于，所述推力產(chǎn)生元件(12)包括螺旋槳、渦輪風扇或者渦輪螺旋槳。
10.根據(jù)權利要求4至9中的任一項所述的驅動設備(10)，其特征在于，所述操縱裝置包括推進桿。
11.根據(jù)權利要求4至10中的任一項所述的驅動設備(10)，其特征在于，所述電機(16)是串聯(lián)混合的驅動裝置(10)的組件。
12.根據(jù)權利要求4至10中的任一項所述的驅動設備，其特征在于，所述電機是并聯(lián)混合的驅動裝置的組件。
13.一種飛機，具有根據(jù)權利要求4至12中的任一項所述的驅動設備(10)。
【文檔編號】B64D27/24GK104364157SQ201380030866
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2013年5月15日 優(yōu)先權日:2012年6月12日
【發(fā)明者】弗蘭克·安東, 斯文·格迪加, 約翰內(nèi)斯·沃倫貝格 申請人:西門子公司