DE102014204036A1

DE102014204036A1 - Elektrovortriebsystem-Steuervorrichtung

Info

Publication number: DE102014204036A1
Application number: DE102014204036.1A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Kobayashi; Akira Nishizawa
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2014-03-05
Publication date: 2014-09-11
Also published as: JP2014172435A; US20140257599A1; US9180976B2; JP6112711B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Elektrovortriebsystem-Steuervorrichtung bereit, bei der allein eine elektrische Einrichtung verwendet wird, so dass Auswirkungen hinsichtlich Gewicht und Kosten unterbunden werden, die selbst dann zu einer akkuraten Detektion in der Lage ist, wenn eine Fluggeschwindigkeit eine binäre Beziehung zu einem Drehmoment und einer Drehzahl eines Propellers aufweist, und die dadurch eine verbesserte Detektionspräzision und ein verbessertes Ansprechvermögen aufweist. Die Elektrovortriebsystem-Steuervorrichtung treibt einen Vortriebpropeller zum Drehen an und ist dazu ausgelegt, die Fluggeschwindigkeit anhand eines im Voraus gespeicherten Datensatzes relativ zu der Fluggeschwindigkeit und einer Propellercharakteristik und einer Vielzahl von Drehmoment- und Drehzahlermittlungswerten, die unter unterschiedlichen Antriebsbedingungen detektiert worden sind, überschlägig zu ermitteln.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Sachgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrovortriebsystem-Steuervorrichtung mit einem elektrischen Antriebsmotor, der einen Vortriebpropeller zum Drehen antreibt, einer Stromdetektiereinrichtung zum Detektieren eines Stroms des elektrischen Antriebsmotors, eine Drehzahldetektiereinrichtung zum Detektieren einer Drehzahl des elektrischen Antriebsmotors und einer Antriebssteuereinrichtung zum Steuern des elektrischen Antriebsmotors und insbesondere eine Elektrovortriebsystem-Steuervorrichtung, die für die Antriebssteuerung eines Vortriebpropellers eines Luftfahrzeugs geeignet ist.
2. Beschreibung des einschlägigen Stands der Technik
Um ein Luftfahrzeug sicher und effizient zu fliegen, ist es wichtig, eine Fluggeschwindigkeit und eine Luftdichte während des Flugs zu überwachen.
Bei einem Luftfahrzeug wird die Fluggeschwindigkeit typischerweise durch Detektieren eines dynamischen Drucks, der proportional zu einem Quadrat der Fluggeschwindigkeit ist, unter Verwendung eines Druckmessers, der über ein Rohr mit einer Pitotschen Röhre verbunden ist, detektiert.
Bei diesem Verfahren kann eine maximale Verzögerung von ungefähr mehreren Sekunden auftreten, bevor sich eine Veränderung des dynamischen Drucks, die an einem vorderen Ende der Pitotschen Röhre auftritt, durch das Rohr fortpflanzt, um den Druckmesser zu erreichen, und als Fluggeschwindigkeitsveränderung detektiert wird, und daher ist dieses Verfahren problematisch, wenn es in einem Fall angewendet wird, in dem sich die Fluggeschwindigkeit im Verlauf der Zeit verändert.
Um einen Wirkungsgrad in einem Vortriebsystem des Luftfahrzeugs aufrechtzuerhalten und dadurch eine Flugstellung und eine Höhe des Flugwerks aufrechtzuerhalten, müssen Betriebsbedingungen des Vortriebsystems, wie z. B. eine Drehzahl und ein Steigungswinkel eines Propellers, entsprechend der Fluggeschwindigkeit eingestellt werden.
Wenn jedoch eine Fluggeschwindigkeit-Detektiereinrichtung, bei der die zuvor genannte Pitotsche Röhre zur Anwendung kommt wird, verwendet wird in Fällen, in denen sich die Fluggeschwindigkeit im Verlauf der Zeit verändert, wie z. B. beim Starten oder bei stürmischen Bedingungen, können eine Fluggeschwindigkeitsdetektion und Betriebsbedingungseinstellung nicht rechtzeitig relativ zu der Fluggeschwindigkeitsveränderung durchgeführt werden, was zu einer Verringerung des Wirkungsgrads führt, und folglich können Probleme, wie z. B. eine größere Startlauflänge und ein großer Verlust an Höhe, auftreten.
Eine schnell ansprechende Fluggeschwindigkeit-Detektiereinrichtung, wie z. B. ein Hitzdrahtanemometer, ist ebenfalls verfügbar, Nachteile in Bezug auf Kosten, Gewicht und so weiter sind jedoch unvermeidlich, wenn eine solche Einrichtung in einem Luftfahrzeug eingebaut ist.
ZUSAMMENFASSENDER ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Bei einem bekannten Verfahren, das auf ein Wasserfahrzeug angewendet wird, wird andererseits eine Fluidgeschwindigkeit bei niedrigen Kosten und ohne Gewichtsbelastung detektiert unter Verwendung eines Satzes an Daten, der sich auf ein Drehmoment und eine Drehzahl bezieht, die anhand eines Motorstroms, der zum Antreiben eines Vortriebpropellers verwendet wird, und der Fluidgeschwindigkeit überschlägig ermittelt werden (siehe US-Patentschrift Nr. 6,986,688 ).
Bei diesem herkömmlichen Verfahren wird nur eine elektrische Einrichtung und keine unzureichend ansprechende Einrichtung, wie z. B. eine Pitotsche Röhre, verwendet, und daher wird die Detektion bei hoher Drehzahl durchgeführt. Bei einem Luftfahrzeug-Vortriebpropeller verändert sich jedoch die Luftdichte entsprechend der Höhenänderung, und daher muss separat eine Luftdichte-Detektiereinrichtung vorgesehen sein.
Ferner weist bei einem Luftfahrzeug-Vortriebpropeller die Fluggeschwindigkeit eine binäre Beziehung zu dem Drehmoment und der Drehzahl des Propellers auf, und daher kann die Fluggeschwindigkeit nicht einfach anhand einer einfachen Kombination einer Drehzahl und eines Drehmoments akkurat detektiert werden.
2 zeigt ein Blockschaltbild mit Darstellung einer Elektrovortriebsystem-Steuervorrichtung 500, bei der eine bekannte Pitotsche Röhre verwendet wird, wobei ein Luftfahrzeug von einem Vortriebpropeller 501 vorgetrieben wird, und der Vortriebpropeller 501 wird von einem elektrischen Antriebsmotor 502 angetrieben, der von einer Antriebssteuereinrichtung 503 unter Verwendung von Energie, die von einer Energieversorgungseinrichtung 504 geliefert wird, gesteuert wird.
Eine Fluggeschwindigkeit U wird von einer Fluggeschwindigkeit-Detektiereinrichtung, die aus einer Pitotschen Röhre 509, einem Druckrohr und einem Druckmesser 510 gebildet ist, detektiert. Maximal ungefähr mehrere Sekunden sind jedoch erforderlich, bis der dynamische Druck von der Pitotschen Röhre 509 durch das Druckrohr zu dem Druckmesser 510 übertragen ist, um als eine Veränderung der Fluggeschwindigkeit U detektiert zu werden, und ferner muss eine separate Luftdichte-Detektiereinrichtung 511 vorgesehen sein, um die Luftdichte zu detektieren.
Wenn das bekannte Verfahren, das in der US-Patentschrift Nr. 6,986,688 beschrieben ist, auf einen Vortriebpropeller eines Luftfahrzeugs angewendet wird, wird bei dem Luftfahrzeug immer noch eine Luftdichte-Detektiereinrichtung benötigt, und ferner weist gemäß einer Charakteristik des Luftfahrzeug-Vortriebpropellers, die in 3 gezeigt ist, bei einer Beziehung zwischen der Fluggeschwindigkeit U und einer Kombination eines Drehmoment τ und einer Drehzahl N das Drehmoment τ eine binäre Eigenschaft relativ zu der Fluggeschwindigkeit U auf, und daher kann die Fluggeschwindigkeit U nicht einfach durch Detektieren einzelner Werte des Drehmoments τ und der Drehzahl N detektiert werden.
Zum Beispiel nimmt bei einem Vortriebpropeller mit der in 3 gezeigten Charakteristik dann, wenn ein Drehzahlwert N = N₃ UpM und ein Drehmomentwert τ = τ_a Nm detektiert werden, die überschlägig ermittelte Fluggeschwindigkeit U einen von zwei Werten an, d. h. entweder U_a1 m/s oder U_a2 m/s, und daher kann die Fluggeschwindigkeit U nicht spezifiziert werden.
Somit hat der Erfinder das Problem dieser binären Eigenschaft gelöst, wobei ferner eine Luftdichtedetektion durch Detektieren einer Vielzahl von Drehmomentund Drehzahlwerten unter unterschiedlichen Antriebsbedingungen entsprechend dem Ansprechvermögen eines elektrischen Antriebsmotors ermöglicht wird, und dabei wurde ein vollständig neues Konzept erzielt, das beim Stand der Technik nicht zur Verfügung steht.
Insbesondere liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Elektrovortriebsystem-Steuervorrichtung bereitzustellen, bei der allein eine elektrische Vorrichtung verwendet wird, so dass Auswirkungen auf Gewicht und Kosten unterbunden werden, die selbst dann zu einer akkuraten Detektion in der Lage ist, wenn eine Fluggeschwindigkeit eine binäre Beziehung zu einem Drehmoment und einer Drehzahl eines Propeller aufweist und die dadurch eine verbesserte Detektionspräzision und ein verbessertes Ansprechvermögen besitzt.
1 zeigt ein Blockschaltbild mit Darstellung einer Elektrovortriebsystem-Steuervorrichtung 100 nach der vorliegenden Erfindung, wobei auf im Wesentlichen gleiche Weise wie bei dem oben beschriebenen bekannten Beispiel ein Luftfahrzeug von einem Vortriebpropeller 101 vorgetrieben wird, und der Vortriebpropeller 101 wird von einem elektrischen Antriebsmotor 102 angetrieben, der von einer Antriebssteuereinrichtung 103 unter Verwendung von von einer Energieversorgungseinrichtung 104 gelieferter Energie gesteuert wird.
Bei der vorliegende Erfindung können Werte des Drehmoments τ und der Drehzahl N innerhalb einer kurzen Periode dadurch detektiert werden, dass eine Stromdetektiereinrichtung 105 und eine Spannungsdetektiereinrichtung 106 eine Spannung und einen Strom detektieren, und daher können eine Vielzahl von Werten des Drehmoments τ und der Drehzahl N unter unterschiedlichen Antriebsbedingungen in einer extrem kurzen Zeit erhalten werden. Entsprechend kann einer von zwei Werten einer Charakteristik mit einer binären Eigenschaft akkurat überschlägig ermittelt werden und folglich wird die Fluggeschwindigkeit U nur unter Verwendung einer elektrischen Einrichtung, d. h. ohne Verwendung einer Pitotschen Röhre oder dergleichen, akkurat überschlägig ermittelt.
Ferner wird die Luftdichte nur unter Verwendung einer elektrischen Einrichtung auf der Basis der Vielzahl von Werten des Drehmoments τ und der Drehzahl N akkurat überschlägig ermittelt.
Hinsichtlich der Drehzahl N stehen verschiedene kleine leichte Detektiereinrichtungen zur Verfügung, bei denen ein optischer Sensor, ein magnetischer Sensor oder dergleichen vorgesehen ist, und daher kann die Drehzahl N unter Verwendung einer separaten Drehzahldetektiereinrichtung unabhängig von der Spannungsdetektiereinrichtung detektiert werden.
Insbesondere löst die vorliegende Erfindung die oben beschriebenen Probleme durch Bereitstellen einer Elektrovortriebsystem-Steuervorrichtung mit einem elektrischen Antriebsmotor, der einen Vortriebpropeller zum Drehen antreibt, einer Stromdetektiereinrichtung zum Detektieren eines Stroms des elektrischen Antriebsmotors, einer Drehzahldetektiereinrichtung zum Detektieren einer Drehzahl des elektrischen Antriebsmotors und einer Antriebssteuereinrichtung zum Steuern des elektrischen Antriebsmotors, wobei die Antriebssteuereinrichtung aufweist: eine Antriebskraftberechnungseinheit, die ein Drehmoment des elektrischen Antriebsmotos anhand des von der Stromdetektiereinrichtung detektierten Stroms überschlägig ermittelt; eine Bedingungsberechnungseinheit, die eine Fluggeschwindigkeit überschlägig ermittelt; und eine Schubsteuereinheit, die eines oder beide des Drehmoments und der Drehzahl des elektrischen Antriebsmotors verändert, und die Bedingungsberechnungseinheit ist dazu ausgelegt, die Fluggeschwindigkeit anhand eines im Voraus gespeicherten Datensatzes relativ zu der Fluggeschwindigkeit und einer Propellercharakteristik und einer Vielzahl von Drehmoment- und Drehzahlermittlungswerten, die unter unterschiedlichen Antriebsbedingungen detektiert werden, überschlägig zu ermitteln.
Bei der Elektrovortriebsystem-Steuervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist die Bedingungsberechnungseinheit dazu ausgelegt, die Fluggeschwindigkeit anhand des im Voraus gespeicherten Datensatzes relativ zu der Fluggeschwindigkeit und der Propellercharakteristik und der Vielzahl von Drehmomentund Drehzahlermittlungswerten, die unter unterschiedlichen Antriebsbedingungen detektiert werden, überschlägig zu ermitteln, und daher kann die Fluggeschwindigkeit allein unter Verwendung der elektrischen Einrichtung detektiert werden. Folglich werden Auswirkungen hinsichtlich Gewicht und Kosten unterbunden und werden Verbesserungen bei der Detektionspräzision und dem Ansprechvermögen erreicht.
Insbesondere bei einem Luftfahrzeug können selbst dann, wenn sich die Fluggeschwindigkeit im Verlauf der Zeit verändert, wie z. B. während des Startens oder unter stürmischen Bedingungen, die Fluggeschwindigkeitsdetektion und die Betriebsbedingungseinstellung schnell und rechtzeitig und auf akkurate Weise relativ zur Veränderung der Fluggeschwindigkeit durchgeführt werden. Ferner können die Betriebsbedingungen des Vortriebsystems, wie z. B. die Drehzahl und der Steigungswinkel des Propellers, auf optimale Werte mit einem hohen Grad an Ansprechvermögen eingestellt werden, wodurch der Wirkungsgrad in dem Vortriebsystem aufrechterhalten wird und die Flugstellung und Höhe des Flugwerks stabilisiert werden. Folglich werden eine Vergrößerung der Startlauflänge und eine großer Verlust an Höhe verhindert, was zu einer Verbesserung bei der Sicherheit führt.
Bei der Konfiguration, die in Anspruch 2 beschrieben ist, ist die Bedingungsberechnungseinheit dazu ausgelegt, die Luftdichte und die Fluggeschwindigkeit überschlägig zu ermitteln, und daher kann die Fluggeschwindigkeit selbst dann akkurat detektiert werden, wenn sich die Propellercharakteristik entsprechend der Luftdichte verändert.
Ferner kann selbst dann, wenn sich optimale Betriebsbedingungen entsprechend der Höhe verändern, die Höhe durch Detektieren der Luftdichte überschlägig ermittelt werden, und daher können die Betriebsbedingungen des Vortriebsystems, wie z. B. die Drehzahl und der Steigungswinkel des Propellers, auf optimale Werte mit einem hohen Grad an Ansprechvermögen eingestellt werden.
Bei der Konfiguration, die in Anspruch 3 beschrieben ist, besitzt die Bedingungsberechnungseinheit eine Detektionssteuerfunktion zum Bewirken, dass die Schubsteuereinheit eines oder beide des Drehmoments und der Drehzahl des elektrischen Antriebsmotors für eine kurze Zeit verändert. Somit können Kombinationen von Drehmoment- und Drehzahlwerten durch intermittierendes Aktivieren der Detektionssteuerfunktion zu gewünschten Zeitpunkten detektiert werden, und folglich können die Fluggeschwindigkeit und die Luftdichte entsprechend den Betriebsbedingungen detektiert werden, wobei eine Auswirkung der Drehzahlveränderung auf eine Bewegung des Flugwerks unterbunden wird.
Bei der Konfiguration, die in Anspruch 4 beschrieben ist, ist die Schubsteuereinheit dazu ausgelegt, in der Lage zu sein, sowohl den elektrischen Antriebsmotor als auch den Verstellmechanismus unabhängig zu steuern, und daher können die Betriebsbedingungen des Vortriebsystems auf optimale Werte mit einem noch höheren Grad an Ansprechvermögen eingestellt werden.
Bei der Konfiguration, die in Anspruch 5 beschrieben ist, besitzt die Schubsteuereinheit eine Wirkungsgrad-Maximierfunktion zum Verändern eines oder beider des Antriebsmotors und des Verstellmechanismus entsprechend der überschlägig ermittelten Luftdichte und Fluggeschwindigkeit, um einen Wirkungsgrad des Propellers zu maximieren. Daher werden selbst dann, wenn sich die Fluggeschwindigkeit aufgrund eines Windstoßes oder dergleichen beim Start des Luftfahrzeugs unerwartet verändert, eine Verringerung des Wirkungsgrads verhindert und eine Vergrößerung der Startlauflänge unterbunden. Folglich wird die Gefahr eines Hinausschießens verringert, was zu einer Verbesserung bei der Sicherheit führt.
Bei der Konfiguration, die in Anspruch 6 beschrieben ist, besitzt die Schubsteuereinheit eine Drehzahl-Aufrechterhaltefunktion zum Verändern eines oder beider des elektrischen Antriebsmotors und des Verstellmechanismus entsprechend der überschlägig ermittelten Luftdichte und Fluggeschwindigkeit, um die Fluggeschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Daher wird selbst dann ein Verlust an Höhe unterbunden, wenn sich die Fluggeschwindigkeit aufgrund eines Windstoßes oder dergleichen bei einem im Flug befindlichen Luftfahrzeug unerwartet verändert, und folglich wird die Sicherheit verbessert.
Bei der Konfiguration, die in Anspruch 7 beschrieben ist, ist die Schubsteuereinheit dazu ausgelegt, in der Lage zu sein, entsprechend der überschlägig ermittelten Luftdichte zwischen der Wirkungsgrad-Maximierfunktion und der Drehzahl-Aufrechterhaltefunktion umzuschalten, und daher kann eine optimale Steuerung entsprechend der Höhe des Luftfahrzeugs durchgeführt werden, was zu einer weiteren Verbesserung der Sicherheit führt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Blockschaltbild einer Elektrovortriebsystem-Steuervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt ein Blockschaltbild mit Darstellung einer Elektrovortriebsystem-Steuervorrichtung, bei der eine bekannte Pitotsche Röhre verwendet wird;
3 zeigt eine grafische Darstellung einer Charakteristik eines Luftfahrzeug-Vortriebpropellers;
4 zeigt eine grafische Darstellung eines Satzes von Daten, der sich auf eine Fluggeschwindigkeit U, ein Drehmoment τ und eine Drehzahl N eines Vortriebpropellers 101 und eine Luftdichte ρ bezieht;
5 zeigt eine grafische Darstellung eines Satzes von Daten, der sich auf ein Vorschubverhältnis J des Propellers, einen Propellerleistungskoeffizienten C_P und die Drehzahl N bezieht;
6 zeigt ein Ablaufdiagramm mit Darstellung der Detektion der Fluggeschwindigkeit U und der Luftdichte ρ nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 zeigt eine erläuternde Ansicht mit Darstellung der Detektion der Luftdichte ρ;
8 zeigt ein Blockschaltbild mit Darstellung einer Elektrovortriebsystem-Steuervorrichtung, bei der ein Festpropeller verwendet wird und die eine Drehzahl-Aufrechterhaltefunktion besitzt, nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 zeigt ein Blockschaltbild mit Darstellung einer Elektrovortriebsystem-Steuervorrichtung, bei der ein Verstellpropeller verwendet wird und die eine Drehzahl-Aufrechterhaltefunktion besitzt, nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 zeigt ein Blockschaltbild mit Darstellung einer Elektrovortriebsystem-Steuervorrichtung, bei der eine bekannte Pitotsche Röhre verwendet wird und die eine Drehzahl-Aufrechterhaltefunktion besitzt;
11 zeigt ein Blockschaltbild mit Darstellung einer Verbrennungsmotor-Vortriebsystem-Steuervorrichtung, bei der eine bekannte Pitotsche Röhre verwendet wird und die eine Drehzahl-Aufrechterhaltefunktion besitzt;
12 zeigt eine grafische Darstellung eines Satzes von Daten, der sich auf einen Propellerschub T, die Fluggeschwindigkeit U, die Drehzahl N, die Luftdichte ρ und das Vorschubverhältnis J des Propellers bezieht;
13 zeigt eine vergleichende grafische Darstellung einer zeitlichen Veränderung der Fluggeschwindigkeit U eines kleinen Viersitzer-Luftfahrzeugs, wenn ein folgender Windstoß bläst;
14 zeigt eine vergleichende grafische Darstellung einer zeitlichen Veränderung einer Höhe H eines kleinen Viersitzer-Luftfahrzeugs, wenn ein folgender Windstoß bläst;
15 zeigt ein Blockschaltbild mit Darstellung einer Elektrovortriebsystem-Steuervorrichtung, bei der ein Verstellpropeller verwendet wird und die eine Wirkungsgrad-Maximierfunktion besitzt, nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
16 zeigt ein Blockschaltbild mit Darstellung einer Elektrovortriebsystem-Steuervorrichtung, bei der eine bekannte Pitotsche Röhre verwendet wird und die eine Wirkungsgrad-Maximierfunktion besitzt;
17 zeigt ein Ablaufdiagramm mit Darstellung einer Vortriebsystemsteuerung nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
18 zeigt eine grafische Darstellung eines Satzes von Daten, der sich auf einen Vortriebsystemwirkungsgrad η, das Vorschubverhältnis J und den Propellerleistungskoeffizienten C_P bezieht;
19 zeigt eine vergleichende grafische Darstellung einer zeitlichen Veränderung beim Propellerschub T; und
20 zeigt eine vergleichende grafische Darstellung einer Startlauflänge L.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Elektrovortriebsystem-Steuervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung weist auf: einen elektrischen Antriebsmotor, der einen Vortriebpropeller zum Drehen antreibt, eine Stromdetektiereinrichtung zum Detektieren eines Stroms des elektrischen Antriebsmotors, eine Drehzahldetektiereinrichtung zum Detektieren einer Drehzahl des elektrischen Antriebsmotors und eine Antriebssteuereinrichtung zum Steuern des elektrischen Antriebsmotors, wobei die Antriebssteuereinrichtung aufweist: eine Antriebskraftberechnungseinheit, die ein Drehmoment des elektrischen Antriebsmotos anhand der von der Stromdetektiereinrichtung detektierten Stroms überschlägig ermittelt; eine Bedingungsberechnungseinheit, die eine Fluggeschwindigkeit überschlägig ermittelt; und eine Schubsteuereinheit, die eines oder beide des Drehmoments und der Drehzahl des elektrischen Antriebsmotors verändert, und die Bedingungsberechnungseinheit ist dazu ausgelegt, die Fluggeschwindigkeit anhand eines im Voraus gespeicherten Datensatzes relativ zu der Fluggeschwindigkeit und einer Propellercharakteristik und einer Vielzahl von Drehmoment- und Drehzahlermittlungswerten, die unter unterschiedlichen Antriebsbedingungen detektiert werden, überschlägig zu ermitteln. Solange die Elektrovortriebsystem-Steuervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung allein eine elektrische Einrichtung verwendet, so dass Auswirkungen hinsichtlich Gewicht und Kosten unterbunden werden, selbst dann zu einer akkuraten Detektion in der Lage ist, wenn die Fluggeschwindigkeit eine binäre Beziehung zu dem Drehmoment und der Drehzahl des Propellers aufweist und dadurch eine verbesserte Detektionspräzision und ein verbessertes Ansprechvermögen aufweist, gibt es keine Einschränkungen hinsichtlich spezifischer Ausführungsformen.
Die Elektrovortriebsystem-Steuereinrichtung nach der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise auf ein Luftfahrzeug angewendet, sie kann jedoch auch auf ein Wasserfahrzeug oder einen sich über Land bewegenden windgetriebenen Körper angewendet werden.
Ferner kann die vorliegende Erfindung auf eine Konfiguration angewendet werden, bei der der Vortriebpropeller eine Windturbine ist, wie z. B. ein Windturbinengenerator, und der elektrische Antriebsmotor normalerweise als ein Energieerzeuger verwendet wird.
(Erste Ausführungsform)
Die Elektrovortriebsystem-Steuervorrichtung 100 nach der vorliegenden Erfindung wird nun anhand von 1 genauer beschrieben.
Die Antriebssteuereinheit 103 weist einen Datensatz auf, der sich auf die Fluggeschwindigkeit U, das Drehmoment τ und die Drehzahl N des Vortriebpropellers 101 und die Luftdichte ρ, wie sie in 4 und 5 gezeigt sind, bezieht und besitzt eine Funktion zum überschlägigen Ermitteln des Drehmoments τ, das von dem elektrischen Antriebsmotor 102 erzeugt wird, anhand eines Stroms I, der zu dem elektrischen Antriebsmotor 102 geliefert wird und der aus der Stromdetektiereinrichtung 105 erhalten wird, und eine Funktion (Drehzahldetektiereinrichtung) zum überschlägigen Ermitteln der Drehzahl N aus einer Spannung E, die an den elektrischen Antriebsmotor 102 angelegt wird und die aus der Spannungsdetektiereinrichtung 106 erhalten wird.
Die Antriebssteuereinrichtung 103 ist in der Lage, das Drehmoment τ und die Drehzahl N aus dem gelieferten Strom I und der angelegten Spannung E, die nacheinander jeweils aus der Stromdetektiereinrichtung 105 und der Spannungsdetektiereinrichtung 106 erhalten werden, und die Fluggeschwindigkeit U und die Luftdichte ρ unter Anwendung eines nachfolgend zu beschreibenden Ablaufs zu detektieren.
Bei dem Detektionsablauf für die Fluggeschwindigkeit U und die Luftdichte ρ bei einem bei (U₀, ρ₀, N₀, τ₀) im Flug befindlichen Luftfahrzeug, wie in 6 gezeigt ist, ermittelt zuerst die Antriebssteuereinheit 103 überschlägig N₀, τ₀ aus E₀, I₀.
Da ein Schub T des Propellers normalerweise aus den Flugbedingungen des Luftfahrzeugs bestimmt wird und die Drehzahl N nicht frei modifiziert werden kann, um die Fluggeschwindigkeit U und die Luftdichte ρ zu detektieren, wird die Drehzahl N um ein winziges Maß (ΔN) innerhalb einer ausreichend kleinen Dauer relativ zu einem Beschleunigungs-/Verlangsamungsansprechen des Flugwerks verändert, so dass ein Mittelwert des Schubs T aufrechterhalten wird, wobei das Drehmoment τ bei jeder Drehzahl N aus dem gelieferten Strom I und einer Propellerträgheit überschlägig ermittelt wird.
Nachdem die Drehzahl auf N₀ zurückgekehrt ist, wird δ(τ/τ₀)/δN² aus einem Wert berechnet, der durch Dividieren des Drehmoments τ durch τ₀ erhalten wird, wie in 7 gezeigt ist.
Dabei ist, wie in 4 gezeigt ist, δτ/δN² typischerweise eine Funktion sowohl der Fluggeschwindigkeit U als auch der Luftdichte ρ. δ(τ/τ₀)/δN² ist jedoch eine Funktion nur der Fluggeschwindigkeit U, und daher kann unter Verwendung von δ(τ/τ₀)/δN² U₀ berechnet werden, ohne dass eine separate Luftdichte-Detektiereinrichtung erforderlich ist.
Ein Vorschubverhältnis J₀ des Propellers wird unter Anwendung einer nachstehend in Gleichung (1) gezeigten Beziehung anhand der berechneten U₀ berechnet, wobei C_P anhand von J₀ und der in 5 gezeigten Beziehung berechnet wird. [Gleichung 1]
(D_P: Propellerdurchmesser)
ρ₀ wird dann unter Verwendung einer nachstehend in Gleichung (2) gezeigten Beziehung aus dem erhaltenen C_P (J₀) berechnet. [Gleichung 2]
Folglich ist es möglich, die Fluggeschwindigkeit U und die Luftdichte ρ zu detektieren, die unter Anwendung des bekannten Verfahrens nicht detektiert werden konnten, und daher können gegenüber dem bekannten Verfahren Erhöhungen des Ansprechvermögens und der Detektionspräzision erreicht werden, ohne dass eine Belastung hinsichtlich Gewicht und Kosten auftritt, und zwar durch Detektieren der Fluggeschwindigkeit U und der Luftdichte ρ anhand von Parametern des elektrifizierten Vortriebsystems.
[Zweite Ausführungsform]
Eine Elektrovortriebsystem-Steuervorrichtung mit einer Drehzahl-Aufrechterhaltefunktion, die als eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dient, wird nun beschrieben.
8 zeigt eine Konfiguration, bei der ein Festpropeller 121 als der Vortriebpropeller verwendet wird, und 9 zeigt eine Konfiguration, bei der ein Verstellpropeller 131 als der Vortriebpropeller verwendet wird.
Der Festpropeller 121 oder der Verstellpropeller 131 wird von dem elektrischen Antriebsmotor 102 angetrieben, der von der Antriebssteuereinrichtung 103 gesteuert wird.
Ferner zeigt 10 zu Vergleichszwecken eine Konfiguration, bei der eine Fluggeschwindigkeit-Detektiereinrichtung verwendet wird, die aus der bekannten Pitotschen Röhre 509, einem Druckrohr, einem Druckmesser 510 und so weiter gebildet ist, während 11 eine Konfiguration zeigt, bei der der Vortriebpropeller 501 von einem Verbrennungsmotor 512 angetrieben wird, der von einer Motorsteuereinrichtung 513 unter Verwendung von Kraftstoff, der aus einem bekannten Kraftstofftank 514 geliefert wird, gesteuert wird.
Bei sämtlichen Ausführungsformen und Referenzbeispielen besitzen die Antriebssteuereinrichtungen 103, 503 und die Motorsteuereinrichtung 513 eine Funktion zum Detektieren der Fluggeschwindigkeit U und der Luftdichte ρ bei Anwendung des oben beschriebene Verfahrens, weisen einen Datensatz auf, der sich auf Beziehungen zwischen dem Propellerschub T, der Fluggeschwindigkeit U, der Drehzahl N und der Luftdichte ρ bezieht, wie in 12 gezeigt ist, und besitzen eine Funktion zum Erhöhen des Propellerschubs T entsprechend einer nachstehend gezeigten Gleichung (3) unter Verwendung des Datensatzes, wenn die detektierte Fluggeschwindigkeit U niedriger ist als ein angezeigter Fluggeschwindigkeitswert U_ref, der von einer Fluggeschwindigkeit-Anzeigeeinheit 107, 507 eingegeben worden ist, und zum Verringern des Propellerschubs T, wenn die detektierte Fluggeschwindigkeit U höher ist als der angezeigte Fluggeschwindigkeitswert U_ref.
[Gleichung 3]
Wenn ein folgender Windstoß auf ein im Flug befindliches Luftfahrzeug wirkt, verringert sich die Fluggeschwindigkeit U und folglich beginnt das Flugwerk zu sinken.
Wenn die Fluggeschwindigkeit U zu diesem Zeitpunkt nicht wiederhergestellt wird, kann das Luftfahrzeug blockiert werden oder abstürzen, und es ist daher erforderlich, schnell den Windstoß zu detektieren und die Fluggeschwindigkeit U wiederherzustellen.
Bei der Konfiguration mit der bekannten Pitotschen Röhre 509, die in 10 und 11 gezeigt ist, können maximal ungefähr mehrere Sekunden erforderlich sein, um den dynamischen Druck von der Pitotschen Röhre 509 durch das Druckrohr zu dem Druckmesser 510 zu übertragen, damit dieser als eine Veränderung der Fluggeschwindigkeit U detektiert wird.
Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 8 und 9 gezeigt ist, wird andererseits eine Veränderung der Fluggeschwindigkeit U anhand der Parameter des Vortriebsystems detektiert, ohne dass ein Rohr verwendet wird, und daher ist die Zeit, die zum Detektieren erforderlich ist, extrem kurz. Folglich kann ein Windstoß extrem schnell detektiert werden.
13 und 14 zeigen jeweils im Verlauf der Zeit auftretende Veränderungen der Fluggeschwindigkeit U und der Höhe H eines kleinen Viersitzer-Luftfahrzeugs, wenn ein folgender Windstoß bläst.
Bei der in 10 gezeigten Konfiguration sind die Prozesse zum Detektieren der Fluggeschwindigkeit U und Starten der Erhöhung des Propellerschubs T verzögert, wie oben beschrieben ist, und daher ist die Wiederherstellung der Fluggeschwindigkeit U ebenfalls verzögert. Folglich verringert sich die Höhe H auf ein im Wesentlichen gleiches Maß wie dasjenige beim Stand der Technik, der in 11 gezeigt ist.
Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 8 und 9 gezeigt ist, wird andererseits die Fluggeschwindigkeit U früher detektiert als in dem Fall, in dem ein Windstoß detektiert wird und die Fluggeschwindigkeit U wiederhergestellt wird, entsprechend dem Stand der Technik, der in 10 und 11 gezeigt ist, und folglich kann die Verringerung der Höhe H auf die Hälfte oder weniger gesenkt werden. Somit können sowohl Drehzahldetektion als auch Schubsteuerung bei hoher Drehzahl durchgeführt werden, und daher ergibt sich eine besondere Auswirkung hinsichtlich der Wiederherstellung der Fluggeschwindigkeit U und des Unterdrückens eines Verlustes an Höhe H.
[Dritte Ausführungsform]
Eine Elektrovortriebsystem-Steuervorrichtung mit einer Wirkungsgrad-Maximierfunktion, die als eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dient, wird nun beschrieben.
15 zeigt eine im Wesentlichen gleiche Konfiguration wie 9, d. h. eine Konfiguration, bei der der Verstellpropeller 131 als der Vortriebpropeller verwendet wird.
Der Verstellpropeller 131 wird von dem elektrischen Antriebsmotor 102 angetrieben, der von der Antriebssteuereinrichtung 103 gesteuert wird.
Ferner zeigt 16 zu Vergleichszwecken eine Konfiguration, bei der eine Fluggeschwindigkeit-Detektiereinrichtung verwendet wird, die aus der bekannten Pitotschen Röhre 509, einem Druckrohr und einem Druckmesser 510 und so weiter gebildet ist.
17 zeigt einen Vortriebsystem-Steuerablauf der Antriebssteuereinrichtung 103.
Unter der Annahme, dass eine Anfangsbedingung (U, ρ, P, N, β) des Schubsystems (U₀, ρ₀, P₀, N₀, β₀) ist, detektiert die Antriebssteuereinrichtung 103 U₀, J₀, C_P0, ρ₀ unter Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens.
Als Nächstes werden ein Wert von J₁ zum Maximieren von η und ein neuer Sollwert N₁ (= U₀/(J₁D_p) der Drehzahl N anhand einer Beziehung zwischen einem Wirkungsgrad η des Vortriebsystems, dem Vorschubverhältnis J und einem Propellerleistungskoeffizienten C_P berechnet, wie in 18 gezeigt ist, und zwar bei angezeigten Ausgangswerten P_ref und U₀, die aus einer Ausgangsanzeigeeinheit 108, 508 empfangen werden.
Die Antriebssteuereinrichtung 103 hält die Drehzahl N für einen winzigen Zeitraum, bei dem eine Veränderung der Fluggeschwindigkeit U vernachlässigbar ist, bei N₁ und berechnet eine Differenz ΔP zwischen einer Wellenleistung bei N₁ und P_ref aus einem Drehmoment τ_0,5, das anhand eines Stroms I_0,5 zu diesem Zeitpunkt überschlägig ermittelt wird. Die Antriebssteuereinrichtung 103 berechnet dann eine Differenz Δβ zwischen einem Wert β₁, der (U₀, ρ₀, P_ref, N₁, β₁) erfüllt, und einem aktuellen Steigungswinkel β₀ unter Anwendung einer nachstehend gezeigten Gleichung (5) oder einer mathematischen Tabelle und erhöht den Steigungswinkel des Verstellpropellers 131 um Δβ. Danach wiederholt die Antriebssteuereinrichtung 103 den oben beschriebenen Ablauf im Anschluss an eine Veränderung der Fluggeschwindigkeit U und der Luftdichte ρ aufgrund der Bewegung des Flugwerks, und folglich kann der Wirkungsgrad des Vortriebsystems jederzeit maximiert werden. [Gleichung 4]
[Gleichung 5]
Ein Fall, bei dem ein Flugwerk (ein kleines Viersitzer-Luftfahrzeug) einen Start durchführt, wird nun beschrieben, wobei diese Ausführungsform mit Fällen verglichen wird, in denen ein Detektionsverfahren unter Verwendung einer Pitotschen Röhre 509, die in 16 gezeigt ist, angewendet wird und ein bekannter Festpropeller verwendet wird.
Wie in 19 und 20 gezeigt ist, wird dann, wenn nur die bekannte Pitotsche Röhre 509 zum Detektieren der Fluggeschwindigkeit verwendet wird, die Detektion der Fluggeschwindigkeit U, die sich im Verlauf der Zeit erhöht, verzögert, wodurch es unmöglich wird, die Drehzahl N und den Steigungswinkel β rechtzeitig einzustellen, und folglich bleiben Beträge, um die der Schub erhöht werden kann und eine Startlauflänge L verringert werden kann, eingeschränkt.
Bei dieser Ausführungsform kann jedoch der Schub während des Starts um maximal 20 % im Vergleich zu einem Fall erhöht werden, bei dem ein bekannter Festpropeller verwendet wird, wodurch eine Verringerung der Startlauflänge L um ungefähr 10 % ermöglicht wird, und da sowohl Drehzahldetektion als auch Schubsteuerung bei einer hohen Drehzahl durchgeführt werden können, kann eine besondere Auswirkung hinsichtlich der Verbesserung der Startleistung erreicht werden.
Bei der vorliegenden Erfindung, die oben beschrieben ist, können durch Verwenden nur einer elektrischen Einrichtung Auswirkungen auf Gewicht und Kosten unterbunden werden. Ferner kann die Detektion selbst dann akkurat durchgeführt werden, wenn die Fluggeschwindigkeit eine binäre Beziehung zu dem Drehmoment und der Drehzahl des Propellers aufweist. Folglich können Verbesserungen bei der Detektionspräzision und dem Ansprechvermögen erreicht werden.
Insbesondere bei einem Luftfahrzeug werden eine Vergrößerung der Startlauflänge und ein großer Verlust an Höhe verhindert, was zu einer Verbesserung der Sicherheit führt.
Ferner kann die Elektrovortriebsystem-Steuereinrichtung nach der vorliegenden Erfindung auf ein Wasserfahrzeug oder einen sich über Land bewegenden windgetriebenen Körper angewendet werden und kann ferner auf eine Konfiguration angewendet werden, bei der der Vortriebpropeller eine Windturbine oder ein Wasserturbine ist und der elektrische Antriebsmotor normalerweise als ein windgetriebener oder wassergetriebener Generator verwendet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6986688 [0008, 0013]

Claims

Elektrovortriebsystem-Steuervorrichtung, die einen elektrischen Antriebsmotor, der einen Vortriebpropeller zum Drehen antreibt, eine Stromdetektiereinrichtung zum Detektieren eines Stroms des elektrischen Antriebsmotors, eine Drehzahldetektiereinrichtung zum Detektieren einer Drehzahl des elektrischen Antriebsmotors und eine Antriebssteuereinrichtung zum Steuern des elektrischen Antriebsmotors aufweist, wobei die Antriebssteuereinrichtung aufweist: eine Antriebskraftberechnungseinheit, die ein Drehmoment des elektrischen Antriebsmotos anhand des von der Stromdetektiereinrichtung detektierten Stroms überschlägig ermittelt; eine Bedingungsberechnungseinheit, die eine Fluggeschwindigkeit überschlägig ermittelt; und eine Schubsteuereinheit, die eines oder beide des Drehmoments und der Drehzahl des elektrischen Antriebsmotors verändert, und wobei die Bedingungsberechnungseinheit dazu ausgelegt ist, die Fluggeschwindigkeit anhand eines im Voraus gespeicherten Datensatzes relativ zu der Fluggeschwindigkeit und einer Propellercharakteristik und einer Vielzahl von Drehmoment- und Drehzahlermittlungswerten, die unter unterschiedlichen Antriebsbedingungen detektiert werden, überschlägig zu ermitteln.
Elektrovortriebsystem-Steuervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Bedingungsberechnungseinheit dazu ausgelegt, eine Luftdichte und die Fluggeschwindigkeit anhand eines im Voraus gespeicherten Datensatzes relativ zu der Luftdichte, der Fluggeschwindigkeit und der Propellercharakteristik und der Vielzahl von Drehmoment- und Drehzahlermittlungswerten, die unter unterschiedlichen Antriebsbedingungen detektiert werden, überschlägig zu ermitteln.
Elektrovortriebsystem-Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Bedingungsberechnungseinheit eine Detektionssteuerfunktion zum Bewirken, dass die Schubsteuereinheit eines oder beide des Drehmoments und der Drehzahl des elektrischen Antriebsmotors für eine kurze Zeit verändert und Werte, die entsprechend der Detektionssteuerfunktion verändert worden sind, als die Vielzahl von Drehmoment- und Drehzahlermittlungswerten verwendet, die unter unterschiedlichen Antriebsbedingungen detektiert worden sind.
Elektrovortriebsystem-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Propeller derart ausgelegt ist, dass sein Steigungswinkel von einem Verstellmechanismus aktiv modifiziert werden kann, die Schubsteuereinheit dazu ausgelegt, in der Lage zu sein, sowohl den elektrischen Antriebsmotor als auch den Verstellmechanismus unabhängig zu steuern, und die Bedingungsberechnungseinheit eine Detektionssteuerfunktion zum Bewirken aufweist, dass die Schubsteuereinheit das Drehmoment und/oder die Drehzahl des elektrischen Antriebsmotors und den Steigungswinkel für eine kurze Zeit verändert und Werte, die entsprechend der Detektionssteuerfunktion verändert worden sind, als die Vielzahl von Drehmomentund Drehzahlermittlungswerten verwendet, die unter unterschiedlichen Antriebsbedingungen detektiert worden sind.
Elektrovortriebsystem-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der die Schubsteuereinheit eine Wirkungsgrad-Maximierfunktion aufweist zum Verändern eines oder beider der Drehzahl des Antriebsmotors und des Steigungswinkels, der unter Verwendung des Verstellmechanismus verändert wird, entsprechend der überschlägig ermittelten Luftdichte und Fluggeschwindigkeit, um einen Wirkungsgrad des Propellers zu maximieren.
Elektrovortriebsystem-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei der die Schubsteuereinheit eine Drehzahl-Aufrechterhaltefunktion aufweist zum Verändern eines oder beider des elektrischen Antriebsmotors und des Verstellmechanismus entsprechend der überschlägig ermittelten Luftdichte und Fluggeschwindigkeit, um die Fluggeschwindigkeit aufrechtzuerhalten.
Elektrovortriebsystem-Steuervorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Schubsteuereinheit dazu ausgelegt, in der Lage zu sein, entsprechend der überschlägig ermittelten Luftdichte zwischen der Wirkungsgrad-Maximierfunktion und der Drehzahl-Aufrechterhaltefunktion umzuschalten.