在飞机中提供预定的驱动特性的方法和配属的驱动设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于在飞机中提供预定的额定驱动特性(38，50)的方法，其特征在于以下步骤：-通过电机驱动飞机的推力产生元件，该电机具有实际驱动特性(34)，其至少部分地包含额定驱动特性(38，50)，但是也与其有部分地不同；并且-仅根据额定驱动特性(38，50)，通过控制装置设定电机的工作点。
【专利说明】在飞机中提供预定的驱动特性的方法和配属的驱动设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于在飞机中提供预定的额定驱动特性的方法，其推力产生元件、即例如其螺旋桨通过电机来驱动。相应的、用于借助于电机旋转地驱动推力产生元件的电驱动设备也属于本发明。最后，飞机、特别是具有根据本发明的驱动设备的固定翼飞机也属于本发明。
【背景技术】
[0002]在飞机中，对机动化的飞机来说，目前通常通过内燃发动机实现推进部件、即例如螺旋桨或涡轮风扇的驱动。根据结构类型和规格，这种内燃发动机具有特有的驱动特性。其特征首先在于可能的、能采用的转矩转速工作点，并且此外在于特有的响应特性。能由确定的驱动发动机采用的转矩转速工作点的整体限定转矩转速特征曲线族。响应特性是驱动发动机的动力，即驱动发动机的转速的时间上的变化和/或在操作推进杆时由驱动发动机生成的转矩的时间上的变化，也就是说，在给定的推进杆的输出位置和相同的负载中，不同的内燃发动机具有既在加速时又在延迟时的转矩和转速的不同的时间上的变化曲线。一些内燃发动机对功率要求反应的较慢，而另外的反应的较快(不同的响应特性)。
[0003]在如今的飞行员培训中，飞行员学员利用训练飞机训练，该训练飞机具有确定的内燃发动机作为驱动。因此，飞行员学员习惯于这种内燃发动机的驱动特性。然而，飞行员培训中重要的组成部分在于，飞行员也要学习评估，在不同的演习中如何对其引导的飞机做出动作。如果飞行员例如必须着陆，并且因此必须再次为了第二次着陆加速越过跑道，那么在此决定性的是，飞行员正确地评估内燃机发动机的响应特性，以便不处于危险中。飞行员同样必须能够评估的是，当其设定在确定位置上的推进杆时，内燃机发动机采用哪个工作点。
[0004]因此，通常作为飞行员培训的组成部分的是，在飞行员培训结束时，飞行员学员不仅能够驾驶其训练飞机，还要能够驾驶这样类型的飞机，即飞行员学员在将来想要驾驶的飞机。这种应当用给飞行学员做培训的目标飞机的驱动特性不能利用训练飞机来模拟，因为训练飞机和目标飞机比起来通常具有其他的内燃机发动机。
[0005]至今必须接受的是，训练飞机和目标飞机比起来通常具有其他的驱动特性。这具有的结果是，必须完成另外的训练。大的目标飞机意味着更高的燃料消耗，并且因此也关系着更高的环境污染。此外，目标飞机必须提供训练目的，并且必须对此存在有必须的基础设施。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于，使得各种涡轮驱动、涡轮螺旋桨驱动和活塞式发动机驱动的特性对飞行学员来说是能简单地掌握和能够进行训练的。
[0007]该目的通过根据权利要求1所述的方法、根据权利要求4所述的驱动设备以及根据权利要求13所述的飞机来实现。本发明的有利改进方案通过从属权利要求给出。
[0008]通过本发明能够实现的是，能够利用唯一的训练飞机模拟多个关于驱动特性方面的目标飞机。对此，根据本发明的方法能够实现的是，在飞机中提供预定的额定驱动特性，就像其在目标飞机中所预期的那样，应当针对该目标飞机培训飞行员学员。在此，额定驱动特性能够包括转速转矩特征曲线族或者响应特性的数据，或者具有这两者。此外，根据本发明的方法设置为，通过电机驱动飞机的推力产生元件，该电机具有实际驱动特性，其至少部分地包含额定驱动特性。同样地，实际驱动特性通常并不是对立于额定驱动特性，而是更确切的说，实际驱动特性与额定驱动特性有部分的不同，因为例如利用电机能够设定转矩转速组合，其并没有出现在额定驱动特性中，或者因为与通过额定驱动特性预定的动力相比，电机具有更大的动力。
[0009]因此，根据本发明的方法具有第二步骤，根据该步骤，仅根据额定驱动特性，通过控制装置设定电机的工作点。换句话说，在电机的运行中大体上限制其额定驱动特性，电机从飞行员学员的角度表现的像是完全其他的具有转矩转速特征曲线族和/或响应特征的发动机一样，该转矩转速特征曲线族和/或响应特征例如通过额定驱动特性预定。
[0010]通过根据本发明的方法，能够以有利的方式借助于其他的目标飞机执行飞行训练。因此，在目标飞机上的飞行训练能够由在训练飞机上的相应的训练来代替，其中，基于额定驱动特性设定训练飞机的驱动特性。大的目标飞机意味着少的燃料消耗，并且因此也关系着少的环境污染。这也不必再提供如此多的目标飞机以及为此必须的用于训练的基础设施。
[0011]根据本发明的驱动设备能够实现根据本发明的方法的实施。在此，驱动设备具有用于生成推力的推力产生元件，其特别地具有自由运动的螺旋桨或者涵道螺旋桨(涡轮风扇)。此外提供了用于旋转地驱动推力产生元件的电机。控制装置设计用于设定电机的工作点。控制装置能够例如是变流器和所属的控制器，其中，通过变流器从直流电压供应中为电机生成三相交流电，其中，取决于控制器的控制信号地设定交变频率。
[0012]最后，根据本发明的驱动设备还包括用于通过飞行员来选择工作点的操纵装置。操纵装置特别地包括推杆。根据本发明，控制装置现在设计为，以电机的实际驱动特性为基础，模拟预定的额定驱动特性(即例如确定的目标飞机这样的)，并且为此在操作操纵装置时，仅根据额定驱动特性设定工作点。
[0013]在此，根据额定驱动特性设置工作点能够包括两个方面，即能够设定哪些工作点(转矩转速组合)的问题，和利用哪个动力在当前的工作点和新的工作点之间变换的问题。
[0014]根据本发明的方法的改进方案在这一点上设置为，通过两个驱动特性、即实际驱动特性和额定驱动特性分别限定多个能设定的工作点，这些工作点示出了转速值和转矩值的每一种组合。根据本发明的方法的改进方案设置为，通过控制装置只设定共同地具有两种驱动特性的工作点。换句话说，通过预定的额定驱动特性来预定共同的、能由电机采用的工作点的子集，然后也基于该子集，通过控制装置限制电机的运行。在本方法的这种改进方案中优选的是，飞行员学习利用可能的工作点的界定的范围来引导飞机。
[0015]符合目的的，在根据本发明的驱动装置中，转矩转速特征曲线族存储在控制装置中。该特征曲线族能够由多个针对可能的、能采用的工作点的转矩转速值对组成。然而，该特征曲线族也能够通过参数的、数学上的函数来描述。此外，控制装置对此方便地设计为，根据操纵装置、即例如推杆的位置地从转矩转速特征曲线族中选择工作点，并且在电机中以自我已知的方式设定这些工作点。
[0016]本方法的另一个改进方案设置为，通过两种驱动特性分别限定驱动动力，在将当前工作点变换为新的工作点时，通过该驱动动力得出电机的转矩和/或转速的确定的时间上的改变。此外，本方法的这种改进方案设置为，仅利用这种驱动动力通过控制装置运行电机，该驱动动力通过额定驱动特性来预定。当然，这发生在通过实际驱动特性而能实际上实现的电机的驱动动力的范畴内。本方法的这个改进方案具有的优点是，飞行员学习评估不同的目标飞机的响应特性。
[0017]符合目的的，在根据本发明的驱动装置中，用于驱动动力的数据存储在控制装置中，其中，控制装置随后设计用于，在操作操纵装置时，根据数据地随时间改变电机的转矩和/或转速。数据能够是点状地限定的特征曲线或者是参数的、数学上的函数，其中通过数据作为驱动动力的描述所规定的是，在改变操纵装置的操控部件的位置时，如何从确定的工作点出发随着时间增大或减小转矩和/或转速。
[0018]预定的额定驱动特性优选地包括确定的发动机类型的转矩转速特征曲线族、优选是内燃发动机、特别是活塞式发动机驱动、涡轮驱动或者涡轮螺旋桨驱动的转矩转速特征曲线族。这样的内燃发动机的驱动特性与电机的驱动特性相比，通常包括较少的工作点或者较小的动力。因此，利用根据本发明的驱动设备能够实现的是，完全地模拟这样的发动机的额定驱动特性。
[0019]特别有利地，在控制装置中存储多个额定驱动特性。相应地将控制装置对此设计用于，根据能够是控制装置的组件的选择装置的操作，在额定驱动特性之间进行切换。由此而能够实现的是，利用唯一的训练飞机模拟具有不同驱动特性的多个不同的目标飞机。
[0020]电机优选地是串联混合的驱动装置的组件。在这样的驱动装置中，通过驱动发电机的内燃机提供用于运行电机的电能。可选地，还能够设置为通过电池或者燃料电池系统供电。在中间电路中提供作为同向电压或者直流电压的由发电机和如果可能的电池或者燃料电池系统提供的电压，在该中间电路上还连接有用于运行电机的变流器。串联混合的驱动具有的优点为，能够在生成电能时以最优的功率运行内燃机，并且能够完全独立于电机的工作点地选择内燃机。
[0021]驱动设备的一个可选的实施方式设置为，电机是并联混合的驱动装置的组件。在这种并联混合的驱动装置中，内燃机机械地、例如经由轴与推力产生元件、即例如螺旋桨耦合。然后，将电机布置在内燃机的驱动轴上或者经由传送带与该驱动轴耦合，并且电机能够由此为驱动推力产生元件生成附加的转矩。这个实施方式的优点为，能够以少的开发费用将电机集成到训练飞机的已经存在的驱动系统中。
[0022]如已经实施的，本发明还包括飞机。其具有一个根据本发明的驱动设备的实施方式。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]接下来根据具体的实施例再次更详细地阐述本发明。在此:
[0024]图1示出根据本发明的驱动设备的一个优选的实施方式的示意图；并且
[0025]图2示出驱动特性的简要的变化曲线图。
【具体实施方式】
[0026]在下面阐述的实施例中，所述的驱动设备的元件分别示出了本发明的单独的、彼此独立考虑的特征，其也分别彼此独立地由本发明进行改进，并且因此也单独地或者在其他的作为所示的组合中，将其看作是本发明的组成部分。此外，所述的实施方式也能够通过另外的已经描述的实施方式进行补充。
[0027]图1示出了飞机、例如轻型飞机的驱动设备10。用于为飞机的飞行生成推力的螺旋桨12经由电机16的轴14旋转。电机16能够例如是同步机器、特别是永磁激发的同步机器。电机16经由电缆18利用多相交流电以自我已知的方式驱动。电缆18与中间电路22的可控制的变流器20连接。通过变流器20将在中间电路的相邻电导线间的同向的电压以同样是自我已知的方式转换为多相的交流电压。同向的电压由发电机24生成，该发电机将该同向的电压经由整流器供给到中间电路22中发电机24由内燃发动机26驱动。在中间电路22上附加地连接电池28，其能够利用来自发电机24的电能经由中间电路22进行充电。电池28对此设计为，在飞机启动时利用附加的电能为电机16供电。驱动设备10在整体上示出了串联混合的驱动系统。作为电池28的替换或者在此附加地，能够提供燃料电池系统作为另外的能源。
[0028]作为图2所示的电机16经由轴14与螺旋桨12直接耦合的替代，电机16也能够经由变速器与螺旋桨12耦合。这一般能够在根据本发明的驱动设备的所有的实施方式中实现。通过变速器得出的优点为，应当由螺旋桨12生成的确定的推进功率能够在转矩和转速组合的情况下利用电机16来提供，该组合与螺旋桨12的转矩转速组合不同。这能够在有关磨损和效率方面取得优势。内燃机26也能够经由变速器与发电机24机械地耦合。这也能够在根据本发明的驱动设备的所有的实施方式中实现。
[0029]电机16的驱动特性与类似的内燃机相比具有更大的可能的工作点(转矩转速组合)的范围，就如其在常规的飞机中应用于轴14和因此的螺旋桨12的旋转的驱动那样。电机16也快速地响应，即其动力比这种此处所述类型的飞机的、类似的、典型的内燃发动机更大。
[0030]经由电机16的电控制器30，在驱动设备10中，通过变流器20的相应的控制编程如此配置，即要么只有响应特性或只有转矩转速特征曲线族、要么两种一起由内燃发动机通过驱动设备10进行调整。用于这种不同的额定驱动特性的相应的数据存储在当前实施例中的控制器30中。飞机的飞行员能够通过操纵装置32、例如通过驾驶员座舱中的显示屏上的选择菜单或通过选择开关来选择所期望的、通过控制器30模拟的额定驱动特性。相应地，在控制器30中，为调节电机16的控制参数调整选择。然后，电驱动设备10对位于驾驶员机舱中的、由驾驶员操控的推杆的推杆运动和推杆位置做出反应，就和要模拟的内燃发动机和/或总体的要模拟的具有所选的额定驱动特性的飞机一样。由此，飞行员还在其第一次飞之前就获得了目标飞机的感觉。
[0031]为了说明控制方法，图2示出了电机16的转矩转速特征曲线族34的对比。通过特征曲线族34给出的是，电机16在哪个转速η的条件下能够生成哪个转矩M。电机16的特征曲线族34示出的是，能够在值Μ = 0和取决于转速的最大值之间设定每个任意的工作点(Μ-η组合)，该最大值通过边界线36限定。在此作为对比，图2也示出了内燃发动机的特征曲线族38，其通过全负荷特征曲线40向上限制。全负荷特征曲线给出了内燃发动机的完全打开的节流阀。特征曲线族38通过在下面的特征曲线42形成了小转矩，该特征曲线不能被向下越过，因为否则的话，就必须一直关闭节流阀，使得内燃发动机停止。另外的边界形成了最小转速44和最高转速48。通过特征曲线族38限定的内燃发动机的额定驱动特性完全被特征曲线族34包括，即在其中包含。因此，能够借助于驱动设备10，利用特征曲线族38完全地模拟内燃发动机的特性。在此，通过控制器30仅设定电机16运行中的工作点(Μ-η组合)，该工作点通过特征曲线族38预定。
[0032]对于实现本发明来说不是必须的是，通过额定驱动特性预定的特征曲线族完全地被电机的特征曲线族34包括。对于训练确定的飞行演习来说能够足够的是，能够借助于驱动设备10仅设定对训练来说必需的工作点。在此，图2示出了另一个特征曲线族50，其以类似的如特征曲线族38的方式通过工作点来限定，这些工作点位于上面的特征曲线52和下面的特征曲线54之间。如图2所示，驱动设备10确保由特征曲线族50描述的内燃发动机的所有相同的工作点能通过驱动设备10再现，这些工作点同时具有特征曲线族50和34。
[0033]以类似的如根据图2利用工作点阐明的方式，也能够借助于驱动设备10调整内燃发动机的动力。
[0034]在装备有电螺旋桨驱动和相应的编程的驱动控制的训练飞机中，飞行员培训的好处在于，各种涡轮驱动、涡轮螺旋桨驱动和活塞式发动机驱动的属性都是能学会或者训练的。
【权利要求】
1.一种用于在飞机中提供预定的额定驱动特性(38，50)的方法，其特征在于以下步骤: -通过电机(16)驱动所述飞机的推力产生元件(12)，所述电机具有实际驱动特性(34)，所述实际驱动特性至少部分地包含额定驱动特性(38，50)，但是也与所述额定驱动特性有部分地不同；并且-仅根据所述额定驱动特性(38，50)，通过控制装置(30)设定所述电机(16)的工作点。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过所述驱动特性(34，38或34，35)分别固定多个能设定的工作点，通过转速值(η)和转矩值(M)的组合限定能设定的所述工作点中的每一个，其特征在于，通过所述控制装置(30)只设定共同具有两个所述驱动特性(34，38或34，35)工作点。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过两个所述驱动特性分别确定驱动动力，在将当前工作点变换为新的工作点时，通过所述驱动动力描述所述电机(16)的转矩和/或转速的时间上的变化，其特征在于，仅利用驱动动力通过所述控制装置(30)运行所述电机(16)，所述驱动动力通过所述额定驱动特性预定。
4.一种用于飞机的驱动设备(10)，具有 -用于生成推力的推力产生元件(12)， -用于旋转地驱动所述推力产生元件(12)的电机(16) -用于设定所述电机(16)的工作点的控制装置(30)，以及 -用于通过飞行员选择工作点的操纵装置， 其特征在于，所述控制装置(30)设计用于，以所述电机的实际驱动特性(34)为基础模拟预定的额定驱动特性(38，50)，并且此外在操作所述操纵装置时，仅根据所述额定驱动特性(38，50)设定工作点。
5.根据权利要求4所述的驱动设备(10)，其特征在于，所述额定驱动特性包括转矩转速特征曲线族(38，50)，所述转矩转速特征曲线族存储在所述控制装置(30)中，并且所述控制装置(30)设计用于，根据所述操纵装置的位置从所述转矩转速特征曲线族(38，50)中选出工作点，并且设定这个工作点。
6.根据权利要求4或5所述的驱动设备(10)，其特征在于，所述额定驱动特性包括用于驱动动力的数据，所述数据存储在所述控制装置(30)中，并且所述控制装置(30)设计用于，在操作所述操纵装置时，根据所述数据随时间改变所述电机(16)的转矩和/或转速。
7.根据权利要求4至6中的任一项所述的驱动设备(10)，其特征在于，所述额定驱动特性包括预定的发动机类型的转矩转速特征曲线族(38，50)、优选是内燃机、特别是活塞式发动机驱动器、涡轮驱动器或者涡轮螺旋桨驱动器的转矩转速特征曲线族。
8.根据权利要求4至7中的任一项所述的驱动设备(10)，其特征在于，在所述控制装置(30)中存储多个额定驱动特性(38，50)，并且所述控制装置(30)设计用于，根据所述控制装置(30)的选择装置(32)的操作，在所述额定驱动特性(38，50)之间进行切换。
9.根据权利要求4至8中的任一项所述的驱动设备(10)，其特征在于，所述推力产生元件(12)包括螺旋桨、涡轮风扇或者涡轮螺旋桨。
10.根据权利要求4至9中的任一项所述的驱动设备(10)，其特征在于，所述操纵装置包括推进杆。
11.根据权利要求4至10中的任一项所述的驱动设备(10)，其特征在于，所述电机(16)是串联混合的驱动装置(10)的组件。
12.根据权利要求4至10中的任一项所述的驱动设备，其特征在于，所述电机是并联混合的驱动装置的组件。
13.一种飞机，具有根据权利要求4至12中的任一项所述的驱动设备(10)。
【文档编号】B64D27/24GK104364157SQ201380030866
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2013年5月15日 优先权日:2012年6月12日
【发明者】弗兰克·安东, 斯文·格迪加, 约翰内斯·沃伦贝格 申请人:西门子公司