gesponsertAntriebstechnik Kommt das elektrische Fliegen?

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OSWALD Elektromotoren GmbH

Wer einer Antwort auf die Frage, wann das elektrische Fliegen möglich wird, näher kommen möchte, muss sich sowohl mit der Bereitstellung von Energie, als auch dem geeigneten Antriebskonzept befassen.

Etwa seit der Jahrtausendwende sind Lithium-Polymer-Akkumulatoren in brauchbarer Qualität auf dem Markt erhältlich. Sie haben einen enormen Sprung in der Energiedichte von Batterien gebracht. Anstatt der 0,035 kWh/kg einer Bleibatterie, steckt heute mit 0,2 kWh/kg etwa 5,7-mal so viel Energie in einem handelsüblichen Lithium-Polymer-Akku. Extrem hoch gezüchtete Batterien kommen auf bis zu 0,6 kWh/kg – eine Steigerung um den Faktor 17.

Doch: Reicht diese Energiedichte aus zum Fliegen? Um das zu klären, kommen wir um den Vergleich mit dem fossilen Energieträger Kerosin nicht herum. In diesem stecken stolze 11,88 kWh/kg. Wer mit Batterie anstatt mit Kerosin fliegen möchte, müsste also etwa 20-mal so viel Kilogramm Energie mitnehmen.

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Das klingt zunächst aussichtslos, wäre da nicht der Elektromotor, der den Kolbenmotor oder die Gasturbine ersetzt. Turbinen haben Wirkungsgrade von etwa 35 % bis 40 %. Ein geeigneter Elektromotor dagegen liegt bei
98 % Wirkungsgrad. Ein solcher Motor benötigt also deutlich weniger Energie, um den gleichen Schub zu erzeugen. Das Energiegewicht ist damit nur noch 6,5-mal so schwer – leider immer noch zu viel.

Den Antrieb aufteilen

Ein weiterer spannender Aspekt des elektrischen Fliegens ist die sogenannte distributed electric propulsion: Statt wie üblich zwei Antriebe kommen 6, 8, 10 oder 12 Antriebe zum Einsatz. Das hat verschiedene aerodynamische Vorteile, reduziert bei Ausfall eines Antriebes die erforderliche Schubübernahme für die verbleibenden Propeller und senkt auf diese Weise die installierte Gesamtleistung im Flugzeug erheblich. Im Gegensatz zu Gasturbinen, die je größer, desto besser im Wirkungsgrad werden, bieten Elektromotoren in nahezu jeder Größe sehr gute Wirkungsgrade.

Solange Wasserstoff und Brennstoffzelle noch keine geeignete Alternative bieten, sind neue Flugzeugkonzepte hybrid aufgebaut. Elektrische Antriebe werden mit Turbinentechnik und/oder Brennstoffzellen ergänzt, um eine Lösung zu finden, immer auf der Suche nach Energieeinsparung, Abgas- und Geräuschreduzierung.

Bei den Batterien bleibt die Hoffnung auf neue Techniken, wie die Zink-Luft-Batterien, die eine höhere Energiedichte versprechen. Welche Energievariante bei welcher Flugzeugart das Rennen machen wird, bleibt offen. Der elektrische Schuberzeuger ist langfristig nicht mehr wegzudenken, ohne Wechselrichter und Motor dreht sich kein Propeller.Folgerichtig werden diese gefördert und untersucht.

Test im Windkanal

Ein spannendes vom BMWK gefördertes Entwicklungsprojekt haben die Oswald Elektromotoren GmbH und zwei Institute der Technischen Universität Braunschweig vor kurzem abgeschlossen. Nach Abschluss der Entwicklung fanden eine ganze Reihe intensiver Prüfungen des Antriebs statt. Die Vortests und die „Verheiratung“ von Wechselrichter und Elektromotor erfolgten am Oswald-Prüffeld in Miltenberg. Weitere Tests des Wechselrichters – einer Leistungselektronik, die elektrische Energie mit hohem Wirkungsgrad steuert – fanden im Institut für Elektrische Maschinen, Antriebe und Bahnen (IMAB) in Braunschweig statt. Der Test aller kombinierten Komponenten inklusive Propeller erfolgte dann im Windkanal des Institut für Flugantriebe und Strömungsmaschinen (IFAS) in Braunschweig. Getestet wurde dabei ein komplett neu entwickeltes, vollelektrisches Antriebssystem bestehend aus Elek­tromotor, Wechselrichter, Propeller und Kühlkreislauf. Gleich vorweg: Alle Komponenten haben ihren Dienst zur Freude der Beteiligten perfekt erbracht.

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Der Propeller des Instituts für Flugantriebe und Strömungsmaschinen der TU Braunschweig ist so optimiert, dass er, in 12-facher Ausfertigung (Konzept: distributed electric populsion), ein Regionalflugzeug antreiben kann. Der getestete Motor mit Wechselrichter erzeugt einen Schub von 2.000 N. Statt einer klassischen Änderung des Schubs, über eine mechanische Blattwinkelverstellung, arbeitet der Antrieb mit Variation der Drehzahl. Darüber hinaus sind die Propellerblätter nahe der Blattwurzel so ausgeführt, dass sie im Arbeitsbereich von 4.500 bis 6.000 min^-1 die Kühlrippen von Rotor und Wärmetauscher optimal mit Luft überstreichen. Die in jedem Längenabschnitt optimierten Propeller sind kurz gehalten, um einen Mehrfachaufbau entlang des Flugzeugflügels zu ermöglichen.

Der hochkompakte und hocheffiziente SiC-Wechselrichter des Instituts für Elektrische Maschinen, Antriebe und Bahnen der TU Braunschweig ist axial direkt hinter dem Elektromotor angeordnet. Er ist in einzelne Module aufgeteilt, die radial auf dem Kühlkreis im Inneren des Gesamtsystems integriert sind. Der Wechselrichter arbeitet mit schnell schaltenden, aber auch sperrenden neuen SiC-Leistungshalbleitern. Dies garantiert Wirkungsgrade von über 99 %, auch bei extrem hohen Schaltfrequenzen. Die Wahl der Schaltfrequenz fiel auf 30 kHz, da hier der Flugantrieb insgesamt mit höchstem Wirkungsgrad
arbeitet.

Motor ist leicht, aber kraftdicht

Der elektrische Synchronmotor ist als Außenläufer mit direkter Wicklungskühlung konzipiert. Als Kühlmedium kommt Öl zum Einsatz. Durch eine relativ hohe Polzahl wird der Motor einerseits besonders leicht und kraftdicht, andererseits muss er eine Grundfrequenz von bis zu
800 Hz beherrschen. Das mechanische Design ist unter Nutzung von Leichtbaumaterialien auf Gewichtsoptimierung getrimmt und dennoch in der Lage, die mechanischen Belastungen im „Worst Case“ zu überleben. Der größte maximale Fehlerfall, den ein Antrieb beherrschen muss, ist der Abriss eines Propellerblattes.

Im Gegensatz zum klassischen Maschinenbau lässt sich ein Flugzeugantrieb mit mehreren Tausend Umdrehungen nur im überkritischen Bereich betreiben. Verschiedene, unvermeidbare Resonanzen liegen also deutlich unter den Betriebsdrehzahlen. Beim zügigen Hochlauf werden diese kritischen Frequenzbereiche kurz durchfahren und führen so weder zu erheblichen Geräuschen noch zu gefährlichen Schwingungen im Antriebsstrang.

Der Kühlkreislauf für Wechselrichter und Motor ist integraler Bestandteil des Gesamtsystems und sorgt für eine geeignete Wärmeabfuhr. Die Rückkühlung des Kühlmediums ist dabei direkt im Aufbau der Gondel integriert und erspart somit dem Flugzeugbauer unerwünschte Eingriffe in andere aerodynamische Regionen, wie den Tragflügeln.

Seminar-Tipp

Im Online-Seminar "Parasitäre Effekte und Schadensanalysen elektrischer Maschinen" erlangen Sie ein tiefgehendes Verständnis für das Funktionsprinzip von wechselrichtergespeisten Maschinen und werden mit den Grundlagen der Wechselrichtertechnik vertraut gemacht. Zudem erläutert der Referent, Prof. Dr. Dr. Harald Neudorfer, die Ursachen von Drehmomentenpulsationen sowie Geräuschen und Schwingungen und geht näher auf die Auswirkungen kapazitiver Lagerströme und die Bedeutung der elektromagnetischen Verträglichkeit ein.

Weitere Details und Termine

Auf dem Weg zum elektrischen Fliegen

Um den Antrieb anzuschließen, benötigt ein Flugzeugbauer nur noch 1.000 V Gleichspannung, eine CAN-Bus Schnittstelle und einige Befestigungsschrauben. Kombiniert mit einer geeigneten Energieversorgung ist das Antriebssystem des Elektroflugzeugs komplett. Die Beteiligten, Oswald Elektromotoren GmbH und die beiden Institute IMAB vertreten durch Prof. Dr.-Ing.Regine Mallwitz und IFAS vertreten durch Prof. Dr.-Ing. Jens Friedrichs IFAS der Universität Braunschweig, sind überzeugt, mit diesem Projekt einen wichtigen Baustein zur Entwicklung elektrischer Flugzeuge beigetragen zu haben. Sie bedanken sich bei dem BMWK der Bundesrepublik Deutschland, welches das Forschungsprojekt im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms (LuFo VI-3) gefördert hat.

Vor dem realen Betrieb liegt nun noch ein umfangreicher und zeitraubender Abnahmeprozess, der für jede Flugzeugkomponente vorgeschrieben ist.

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