1. Technische Merkmale voneVTOL-Motor
In verteilte elektrischeDer Antrieb erfolgt durch Motoren, die mehrere Propeller oder Ventilatoren an den Tragflächen oder am Rumpf antreiben und so ein Antriebssystem bilden, das dem Flugzeug Schub verleiht. Die Leistungsdichte des Motors beeinflusst direkt die Nutzlastkapazität des Flugzeugs. Die Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Umweltverträglichkeit des Motors sind wichtige Faktoren für die dynamischen Eigenschaften und die Sicherheit des elektrisch angetriebenen Flugzeugs. Die Auswahl von Motoren für Elektrofahrzeuge, Drohnen und eVTOL-Flugzeuge variiert aufgrund unterschiedlicher Kosten, Anwendungsszenarien und anderer Gründe [1].
(Fotoquelle: Offizielle Website von Network/Safran)
1) Elektrofahrzeuge: permanenterer MagnetSynchronmotoren,Permanentmagnetmotoren mit höherem Wirkungsgrad und höherem Drehmoment ermöglichen ein besseres Fahrgefühl. Gleichzeitig trägt die hohe Leistungsdichte von Permanentmagnetmotoren dazu bei, dass Elektrofahrzeuge bei gleichem Volumen mehr Leistung erzielen.
(2) UAV: häufig verwendet bürstenloseGleichstrommotor.Bürstenlose Gleichstrommotoren zeichnen sich durch geringes Gewicht, niedrige Geräuschentwicklung und geringe Wartungskosten aus und eignen sich daher ideal für die Fluganforderungen von UAVs. Zudem erreichen sie höhere Drehzahlen und sind somit optimal für die hohen Fluggeschwindigkeiten von Drohnen geeignet. DJI beispielsweise verwendet bürstenlose Motoren.
(3) eVTOL: Aufgrund der höheren Anforderungen an Motoreffizienz und Drehmomentdichte stellt der Permanentmagnet-Synchronmotor eine vielversprechende Lösung für elektrische Antriebssysteme dar. Axialfluss-Permanentmagnetmotoren zeichnen sich durch eine hohe Ausnutzung des radialen Bauraums aus und bieten Vorteile hinsichtlich Leistungs- und Drehmomentdichte bei kleinem Längen-Durchmesser-Verhältnis. Aktuelle elektrische VTOL-Flugzeuge wie die Joby S4 und die Archer Midnight verwenden allesamt Permanentmagnet-Synchronmotoren [1].
Die folgende Abbildung zeigt das Wolkenbild der magnetischen Induktionsstärke eines Axialflussmotors mit feststehendem Rotor und einem Stator und einem Rotor.
Die folgende Abbildung vergleicht die Motorparameter von Elektroflugzeugen und Elektrofahrzeugen.
2. Entwicklungstrend für eVTOL-Motoren
Derzeit liegt der Hauptentwicklungstrend für eVTOL-Antriebssysteme in der Gewichtsreduzierung der Motorstruktur und des Kühlsystems durch verbesserte elektromagnetische Konstruktions-, Wärmemanagement- und Leichtbautechnologien. Gleichzeitig werden die Leistungsdichte des Motors und die Ausgangsleistung unter verschiedenen Betriebsbedingungen kontinuierlich gesteigert. Laut der Studie „Forschung und Entwicklung von Flugautos und Schlüsseltechnologien“ konnte die Nennleistungsdichte des Motorkörpers durch den Einsatz von Isoliermaterialien mit höherer Temperaturbeständigkeit, Permanentmagnetmaterialien mit höherer magnetischer Energiedichte und leichteren Strukturmaterialien auf über 5 kW/kg gesteigert werden. Durch die Verbesserung der elektromagnetischen Struktur des Motors, beispielsweise durch den Einsatz von Halbach-Magnetfeldern, eisenfreien Kernen und Litzendrahtwicklungen, sowie durch optimierte Wärmeableitung wird erwartet, dass die Nennleistungsdichte des Motorkörpers im Jahr 2030 10 kW/kg und im Jahr 2035 über 13 kW/kg erreichen wird [1].
3. Vergleich von rein elektrischen und hybriden Routen
Im Vergleich zu rein elektrischen und hybriden Antrieben basiert das inländische eVTOL-Projekt, basierend auf der aktuellen Auswahl relevanter Hersteller, hauptsächlich auf rein elektrischen Konzepten. Dies ist durch die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien begrenzt, und eVTOLs mit geringer Passagierkapazität eignen sich am besten für rein elektrische Antriebe. Im Ausland haben einige Hersteller bereits Hybridkonzepte entwickelt und in mehreren Test- und Optimierungsrunden eine Vorreiterrolle eingenommen. Wie aus der folgenden Tabelle hervorgeht, bietet der Hybridantrieb deutlich höhere Reichweiten und kann zukünftig vor allem im Mittel- und Langstreckenverkehr in niedrigen Flughöhen eingesetzt werden [1].
Veröffentlichungsdatum: 27. Februar 2025