IT201900015860A1

IT201900015860A1 - Aircraft equipped with at least one Brushless DC motor

Info

Publication number: IT201900015860A1
Application number: IT102019000015860A
Authority: IT
Inventors: Marcello Chiaberge; Federico Tessari; Lhadj Karim Hacene; Mario Silvagni
Original assignee: Torino Politecnico
Priority date: 2019-09-09
Filing date: 2019-09-09
Publication date: 2021-03-09

Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

del brevetto per Invenzione Industriale dal titolo: of the patent for Industrial Invention entitled:

“Velivolo aeronautico dotato di almeno un motore Brushless DC” "Aeronautical aircraft equipped with at least one Brushless DC motor"

Campo di applicazione dell’invenzione Field of application of the invention

La presente invenzione è relativa ad un velivolo aeronautico a guida remota dotato di almeno un motore Brushless DC. The present invention relates to a remotely guided aeronautical aircraft equipped with at least one Brushless DC motor.

Stato della tecnica State of the art

Un velivolo necessita di una rilevante potenza, vale a dire velocità di rotazione dell’elica, per spiccare il volo, ma subito dopo il decollo, la potenza e dunque la velocità di rotazione richiesta si riduce notevolmente a circa il 50% della potenza massima. An aircraft requires significant power, that is to say propeller rotation speed, to take off, but immediately after take-off, the power and therefore the required rotation speed is significantly reduced to about 50% of the maximum power.

In tale applicazione, basata su motori “Brushless DC” (BLDC), il motore è sottoposto ad un carico proporzionale alla velocità di rotazione del relativo rotore. In this application, based on “Brushless DC” (BLDC) motors, the motor is subjected to a load proportional to the rotation speed of the relative rotor.

Pertanto, in condizioni di regime una velocità di rotazione richiesta al motore è largamente inferiore ad una velocità nominale e più in generale la coppia motrice è proporzionale alla velocità di rotazione e quindi alla tensione di alimentazione dello stesso motore. Therefore, in steady state conditions a rotation speed required of the motor is much lower than a nominal speed and more generally the driving torque is proportional to the rotation speed and therefore to the power supply voltage of the motor itself.

Vale la pena evidenziare che le applicazioni di questo tipo non hanno nulla a che vedere con applicazioni di tipo domestico od industriale in cui, al contrario, la velocità di rotazione del motore è proporzionale alla corrente fornita al motore, cioè nei casi in cui si richiede una potenza molto limitata all’avviamento, andando via-via crescendo, in relazione alle circostanze fino, fino a raggiungere raramente l’erogazione della potenza. Un esempio di tali diverse applicazioni sono i motori elettrici che guidano compressori di HVAC, in cui il punto di lavoro alla massima efficienza è un punto particolarmente ricorrente. It is worth highlighting that applications of this type have nothing to do with domestic or industrial applications in which, on the contrary, the rotation speed of the motor is proportional to the current supplied to the motor, i.e. in cases where it is required a very limited starting power, gradually increasing, in relation to the circumstances, until it rarely reaches the power output. An example of such different applications are the electric motors that drive HVAC compressors, where the duty point at maximum efficiency is a particularly recurring point.

Quando, invece, il carico è rilevante all’avviamento e molto più basso a regime, il sistema di alimentazione del motore elettrico, è ottimizzato per affrontare le prime fasi di avviamento del veicolo e pertanto, alla velocità di crociera, esso risulta inefficiente. Tale situazione appare ancora più critica quando il veicolo è un aereo, per esempio, un cosiddetto drone, in quanto l’energia a disposizione è immagazzinata in batterie aventi una limitata capacità di immagazzinamento. When, on the other hand, the load is significant at start-up and much lower at full speed, the power supply system of the electric motor is optimized to deal with the initial starting phases of the vehicle and therefore, at cruising speed, it is inefficient. This situation appears even more critical when the vehicle is an airplane, for example, a so-called drone, as the available energy is stored in batteries with a limited storage capacity.

I velivoli a guida remota, comunemente detti “droni”, sono meglio noti con l’espressione anglosassone “Unmanned Aerial Systems” (UAS) e rappresentano quel gruppo di apparecchiature che includono sia i velivoli ad ala fissa, che quelli ad ala rotante, quale ad esempio il quadricottero. The remotely piloted aircraft, commonly called "drones", are better known with the Anglo-Saxon expression "Unmanned Aerial Systems" (UAS) and represent that group of equipment that includes both fixed-wing and rotary-wing aircraft, such as for example the quadcopter.

Essi sono, allo stato attuale, una tecnologia in forte ascesa per la diversità di applicazioni in cui possono essere utilizzati. Per tale ragione, l’interesse del mondo industriale è fortemente concentrato sul rendere tali velivoli sempre più performanti, efficienti e sicuri; affinché il loro utilizzo diventi sempre più vasto ed indispensabile. They are, at present, a rapidly growing technology due to the diversity of applications in which they can be used. For this reason, the interest of the industrial world is strongly focused on making these aircraft more and more performing, efficient and safe; so that their use becomes increasingly vast and indispensable.

L’efficienza di questi sistemi rappresenta quanto essi siano in grado di sfruttare al meglio l’energia fornita dalle batterie di bordo. Quindi maggiore è l’efficienza di utilizzo di tale energia e superiore risulta il tempo di volo dell’apparecchio. Un maggiore tempo di volo permetterebbe di realizzare compiti sempre più avanzati. Una volta fissato il carico (Payload) che l’UAS deve trasportare, la sua efficienza è strettamente correlata all’efficienza della propulsione. Essa è funzione di quattro componenti principali: The efficiency of these systems represents how much they are able to make the most of the energy provided by the onboard batteries. Therefore, the greater the efficiency of use of this energy, the greater the flight time of the device. A longer flight time would make it possible to carry out increasingly advanced tasks. Once the payload that the UAS must carry has been fixed, its efficiency is closely related to the efficiency of the propulsion. It is a function of four main components:

• Sorgente di energia, tipicamente una batteria ai Polimeri di Litio (LiPo); • Energy source, typically a Lithium Polymer (LiPo) battery;

• Circuito di alimentazione e controllo del/dei motore/i, tipicamente noto con l’espressione anglosassone “Electronic Speed Controller” (ESC); • Power supply and control circuit of the motor (s), typically known with the Anglo-Saxon expression "Electronic Speed Controller" (ESC);

• Motore/i elettrico/i, tipicamente del tipo “Brushless DC Motors” (BLDC); • Electric motor (s), typically of the "Brushless DC Motors" (BLDC) type;

• Elica/he, tipicamente a passo fisso. • Propeller / he, typically with a fixed pitch.

Il circuito di azionamento, riportato in Figura 1 dell’arte nota riporta un esempio di ESC. The drive circuit, shown in Figure 1 of the prior art shows an example of ESC.

Esso svolge due compiti: It performs two tasks:

- Trasformare la tensione e corrente continua fornite dalla batteria in una tensione e corrente alternata, necessarie per l’alimentazione dei motori BLDC; - Transforming the direct voltage and current supplied by the battery into an alternating voltage and current, necessary for powering the BLDC motors;

- Modulare l’ampiezza della tensione fornita al motore per regolare la velocità di rotazione dello stesso motore. - Modulate the amplitude of the voltage supplied to the motor to adjust the rotation speed of the same motor.

L’ESC consiste in un ponte trifase generalmente appellato come “Six-Step Bridge Inverter” o “Voltage-Source Inverter” (VSI), rappresentato schematicamente in Figura 2 dell’arte nota. Esso consiste nella composizione di tre identiche sezioni, dette gambe, che sono costituire da due interruttori S1 ed S2 o S3 ed S4 o S5 ed S6 e rispettivi diodi D1 – D6, ciascuno disposto in parallelo ad un relativo interruttore. Ogni gamba è connessa ad una delle tre fasi A, B, C del motore brushless DC. The ESC consists of a three-phase bridge generally referred to as "Six-Step Bridge Inverter" or "Voltage-Source Inverter" (VSI), schematically represented in Figure 2 of the prior art. It consists of the composition of three identical sections, called legs, which consist of two switches S1 and S2 or S3 and S4 or S5 and S6 and respective diodes D1 - D6, each arranged in parallel to a relative switch. Each leg is connected to one of the three phases A, B, C of the brushless DC motor.

Gli interruttori commutano fornendo la tensione al nodo di gamba (A, B o C) la tensione di alimentazione ( ) o ad il riferimento di terra (OV) approssimando, andamenti trapezoidali, sfasati di 120° sulle tre fasi A, B, C del motore così come mostrato in figura 3 dell’arte nota. The circuit-breakers switch by supplying the voltage to the leg node (A, B or C) the power supply voltage () or to the earth reference (OV), approximating trapezoidal trends, phase shifted by 120 ° on the three phases A, B, C of the engine as shown in Figure 3 of the prior art.

I diodi, invece, provvedono a fornire un percorso alternativo per la corrente di fase. Nel momento in cui il percorso della corrente che normalmente scorre attraverso l’interruttore, viene interrotto dall’apertura del medesimo, allora tale corrente continua a scorrere nel diodo per evitare brusche variazione di corrente che comporterebbero altrimenti considerevoli picchi di tensione. Per tale ragioni, questi diodi sono meglio noti come Diodi di Ricircolo o Free-Wheeling Diodes. Diodes, on the other hand, provide an alternative path for the phase current. When the current path that normally flows through the switch is interrupted by the opening of the same, then this current continues to flow in the diode to avoid sudden changes in current that would otherwise lead to considerable voltage peaks. For this reason, these diodes are better known as Free-Wheeling Diodes.

La velocità di rotazione del motore dipende da due parametri: la tensione equivalente percepita dal motore e il carico applicato all’albero motore. The motor rotation speed depends on two parameters: the equivalent voltage perceived by the motor and the load applied to the motor shaft.

Pertanto, se la tensione di batteria ed il carico restano constanti, il motore ruota ad una velocità costante e non modificabile. Therefore, if the battery voltage and the load remain constant, the motor rotates at a constant and non-modifiable speed.

Per tale ragione l’ESC svolge come secondo compito quello di regolare la velocità di rotazione tramite la modulazione del segnale di gate che comanda gli interruttori delle gambe A, B e C. For this reason, the ESC performs the second task of regulating the rotation speed by modulating the gate signal that controls the switches of legs A, B and C.

Essendo le gambe del VSI e le fasi del motore interconnesse in modo immodificabile, si possono usare per entrambe gli stessi segni di riferimento A, B e C. Since the legs of the VSI and the motor phases are interconnected in an unchangeable way, the same reference marks A, B and C can be used for both.

Tale modulazione può essere ottenuta tramite diverse tecniche, dette di “Chopping”. Queste consistono tutte nel sovrapporre un segnale PWM (Pulse Width-Modulation) sul, già presente, comando di commutazione del gate. This modulation can be obtained through different techniques, called "Chopping". These all consist in superimposing a PWM (Pulse Width-Modulation) signal on the already present gate switching command.

Dunque, il VSI controlla forma d’onda ed ampiezza delle stesse. Therefore, the VSI controls the waveform and amplitude of the same.

Attualmente, la maggior parte dei miglioramenti è concentrato sullo sviluppo delle batterie e della loro tecnologia al fine di minimizzarne il peso e massimizzarne la relativa capacità. Currently, most of the improvements are focused on developing the batteries and their technology in order to minimize their weight and maximize their capacity.

Si ritiene che ciò non sia sufficiente. It is believed that this is not enough.

Se non specificatamente escluso nella descrizione di dettaglio che segue, quanto descritto nel presente capitolo è da considerarsi come parte integrante della descrizione di dettaglio. If not specifically excluded in the detailed description that follows, what is described in this chapter is to be considered as an integral part of the detailed description.

Sommario dell’invenzione Summary of the invention

Scopo della presente invenzione è quello di migliorare l’efficienza del circuito di alimentazione e controllo di un motore elettrico di tipo brushless DC in quelle applicazioni che richiedono alta potenza all’avviamento e bassa potenza a regime. The purpose of the present invention is to improve the efficiency of the power supply and control circuit of a brushless DC electric motor in those applications that require high starting power and low running power.

L’idea di base della presente invenzione è quella di regolare la tensione di alimentazione del motore mediante un riduttore di tensione di tipo DC-DC e di adoperare un convertitore DC-AC a frequenza costante per generare la forma d’onda necessaria all’alimentazione del motore elettrifico brushless DC. The basic idea of the present invention is to regulate the power supply voltage of the motor by means of a DC-DC voltage reducer and to use a constant frequency DC-AC converter to generate the waveform necessary for the power supply. of the DC brushless electric motor.

In altre parole, la regolazione della velocità è eseguita attraverso il riduttore di tensione DC-DC, mentre il convertitore DC-AC funziona in modo completamente indipendente, lavorando a frequenza e tensione costanti. In other words, the speed regulation is performed through the DC-DC voltage reducer, while the DC-AC converter works completely independently, working at constant frequency and voltage.

La presente invenzione, trova fondamento nell’aver scoperto che l’operazione di “chopping” realizzata dal ponte trifase dell’arte nota comporta una notevole perdita di efficienza al diminuire della velocità, che tra le altre cose determina anche un problema delle oscillazioni sulle correnti assorbite dal motore. The present invention is based on having discovered that the "chopping" operation carried out by the three-phase bridge of the prior art involves a considerable loss of efficiency as the speed decreases, which among other things also determines a problem of oscillations on the currents absorbed by the engine.

Il dispositivo, dunque consiste in una cascata del riduttore di tensione DC-DC e del convertitore trifase, in cui la regolazione della velocità del motore è operata esclusivamente agendo sul riduttore di tensione DC-DC. The device therefore consists of a cascade of the DC-DC voltage reducer and the three-phase converter, in which the motor speed is adjusted exclusively by acting on the DC-DC voltage reducer.

Pertanto, grazie alla presente invenzione, il ponte trifase non esegue alcuna procedura di chopping proponendo una soluzione tecnica altamente efficiente in quei casi in cui il carico è proporzionale alla tensione di alimentazione del motore elettrico. Therefore, thanks to the present invention, the three-phase bridge does not perform any chopping procedure proposing a highly efficient technical solution in those cases in which the load is proportional to the supply voltage of the electric motor.

L’invenzione trova applicazione nell’ambito di impiego di motori Brushless che necessitano di un controllo in velocità, con una coppia di regime largamente inferiore alla coppia nominale, ed in particolare nell’ambito aeronautico, relativamente agli UAS (Unmanned Aerial Systems). The invention finds application in the field of use of Brushless motors that require speed control, with a torque well below the nominal torque, and in particular in the aeronautical field, in relation to UAS (Unmanned Aerial Systems).

Le rivendicazioni descrivono varianti preferite dell’invenzione, formando parte integrante della presente descrizione. The claims describe preferred variants of the invention, forming an integral part of this description.

Breve descrizione delle figure Brief description of the figures

Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue di un esempio di realizzazione della stessa (e di sue varianti) e dai disegni annessi dati a puro titolo esplicativo e non limitativo, in cui: Further objects and advantages of the present invention will become clear from the following detailed description of an example of its embodiment (and its variants) and from the annexed drawings given purely for explanatory and non-limiting purposes, in which:

nella figura 1 dell’arte nota è mostrato uno schema di un circuito, secondo l’arte nota, di alimentazione e controllo di un motore Brushless DC; Figure 1 of the prior art shows a diagram of a circuit, according to the known art, for the power supply and control of a Brushless DC motor;

nella figura 2 dell’arte nota è mostrato un componente secondo l’arte nota del circuito di figura 1; in figure 2 of the prior art a component according to the known art of the circuit of figure 1 is shown;

nella figura 3 dell’arte nota è mostrato un diagramma angolare delle tensioni di fase generate dal componente di figura 2; in figure 3 of the prior art an angular diagram of the phase voltages generated by the component of figure 2 is shown;

nella figura 4 è mostrato uno schema di circuito, secondo la presente invenzione, di alimentazione e controllo di un motore Brushless DC; Figure 4 shows a circuit diagram, according to the present invention, for the power supply and control of a Brushless DC motor;

nella finestra 5 è mostrato una variante preferita di un componente dello schema di figura 4, mentre in figura 6 è schematizzato lo stesso componente di figura 5 di tipo convenzionale; window 5 shows a preferred variant of a component of the diagram of figure 4, while figure 6 schematises the same component of figure 5 of conventional type;

nella figura 7 è mostrato un diagramma dell’efficienza del circuito di alimentazione e controllo di un motore Brushless DC rapportata alla velocità dello stesso motore Brushless DC secondo una architettura nota e secondo la presente invenzione Figure 7 shows a diagram of the efficiency of the power supply and control circuit of a Brushless DC motor compared to the speed of the same Brushless DC motor according to a known architecture and according to the present invention

nelle figure 8a e 8b sono mostrati velivoli aeronautici in cui è implementata la presente invenzione. Figures 8a and 8b show aeronautical aircraft in which the present invention is implemented.

Gli stessi numeri e le stesse lettere di riferimento nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti. The same reference numbers and letters in the figures identify the same elements or components.

Nell’ambito della presente descrizione il termine “secondo” componente non implica la presenza di un “primo” componente. Tali termini sono infatti adoperati come etichette per migliorare la chiarezza e non vanno intesi in modo limitativo. In the context of this description, the term "second" component does not imply the presence of a "first" component. These terms are in fact used as labels to improve clarity and should not be understood in a limiting way.

Gli elementi e le caratteristiche illustrate nelle diverse forme di realizzazione preferite, inclusi i disegni, possono essere combinati tra loro senza peraltro uscire dall’ambito di protezione della presente domanda come descritta di seguito. The elements and features illustrated in the various preferred embodiments, including the drawings, can be combined with each other without however departing from the scope of the present application as described below.

Descrizione di dettaglio di esempi di realizzazione Detailed description of examples of realization

Gli inventori, prima di tutto, hanno intuito che l’efficienza del circuito di alimentazione e controllo sia fortemente influenzato dalle oscillazioni della corrente di fase. Tali oscillazioni aumentano al diminuire del duty cycle e sono dovute alle brusche variazioni che le fasi devono subire a causa dell’intenso “chopping”. Si ipotizza che le oscillazioni in corrente rappresentano pacchetti di potenza dissipata sugli avvolgimenti statorici del motore che non vengono trasformati in coppia motrice a causa dell’azione filtrante effettuata dall’inerzia stessa del rotore. Dunque, si può assumere per semplicità che la corrente di fase del motore sia costituita da un contributo costante più un contributo sinusoidale dipendente dalla frequenza di chopping: The inventors, first of all, understood that the efficiency of the power supply and control circuit is strongly influenced by the oscillations of the phase current. These oscillations increase as the duty cycle decreases and are due to the abrupt variations that the phases must undergo due to the intense "chopping". It is assumed that the current oscillations represent packets of power dissipated on the stator windings of the motor that are not transformed into driving torque due to the filtering action carried out by the inertia of the rotor itself. Therefore, it can be assumed for simplicity that the phase current of the motor consists of a constant contribution plus a sinusoidal contribution depending on the chopping frequency:

Andando a calcolarne il contributo quadratico medio (RMS) si ottiene: Going to calculate the root mean square contribution (RMS) we obtain:

Di conseguenza le perdite medie per effetto Joule che si hanno sugli avvolgimenti statorici sono date dal prodotto Consequently, the average losses due to the Joule effect that occur on the stator windings are given by the product

Mentre invece la coppia While instead the couple

elettromeccanica media generata dal motore è pari al prodotto del guadagno del motore per la corrente media assorbita ovvero: average electromechanics generated by the motor is equal to the product of the gain of the motor by the average absorbed current, that is:

A seguito delle ipotesi fatte, ci si aspetta che le oscillazioni di corrente hanno un effetto crescente sulle perdite per effetto Joule negli avvolgimenti statorici, con una contribuzione marginale sulla potenza meccanica prodotta. Following the hypotheses made, it is expected that the current oscillations have an increasing effect on the losses due to the Joule effect in the stator windings, with a marginal contribution on the mechanical power produced.

La figura 4 mostra uno schema di un circuito di alimentazione e controllo di un motore Brushless DC. Figure 4 shows a diagram of a power supply and control circuit of a Brushless DC motor.

Esso comprende un riduttore di tensione DC-DC (DC/DC Buck) alimentato, preferibilmente direttamente, da una sorgente elettrica limitata, quale una batteria, per esempio al litio. It comprises a DC-DC voltage reducer (DC / DC Buck) powered, preferably directly, by a limited electrical source, such as a battery, for example lithium.

L’uscita del riduttore di tensione DC-DC è collegata ad un ponte trifase VSI funzionante a frequenza costante e in modo da generare forme d’onda trapezoidali e sfasate reciprocamente di 120° senza alcuna forma di modulazione. L’uscita del ponte trifase VSI è collegata con le tre fasi A, B, C del motore Brushless DC. The output of the DC-DC voltage reducer is connected to a three-phase VSI bridge operating at constant frequency and in such a way as to generate trapezoidal waveforms and mutually displaced by 120 ° without any form of modulation. The output of the three-phase VSI bridge is connected with the three phases A, B, C of the Brushless DC motor.

Opzionalmente è presente un controllo in retroazione, preferibilmente di tipo sensorless (senza trasduttori di posizione) configurato per chiudersi sul ponte trifase VSI allo scopo di garantire che tensioni e correnti siano fasate tra loro. Optionally there is a feedback control, preferably of the sensorless type (without position transducers) configured to close on the three-phase bridge VSI in order to ensure that voltages and currents are phased together.

La sorgente limitata di energia è indicata con il simbolo della batteria e dalla relativa tensione VDC prodotta. The limited power source is indicated by the battery symbol and the associated VDC voltage produced.

Dunque, mentre il ponte trifase si occupa solamente della conversione da corrente continua a corrente alternata, l’ampiezza della tensione continua, che si riflette sull’ampiezza della corrente alternata, è gestita integralmente dal riduttore di tensione DC-DC. In questo modo il ponte trifase non ha più necessità di ricorrere a tecniche di “chopping” che lo porterebbero alle perdite precedentemente illustrate, in quanto la tensione equivalente media che regola la velocità del motore è regolata variando il Duty Cycle del riduttore di tensione DC-DC. Therefore, while the three-phase bridge only deals with the conversion from direct current to alternating current, the amplitude of the direct voltage, which is reflected on the amplitude of the alternating current, is fully managed by the DC-DC voltage reducer. In this way, the three-phase bridge no longer needs to resort to "chopping" techniques that would lead to the losses previously illustrated, since the average equivalent voltage that regulates the speed of the motor is regulated by varying the Duty Cycle of the DC- A.D.

La figura 6 mostra uno schema di un circuito riduttore di tensione DC-DC. Figure 6 shows a schematic of a DC-DC voltage reducing circuit.

Il simbolo “DC/DC Buck” indica, solo a titolo di esempio, un particolare tipo di riduttore di tensione DC-DC atto ad abbassare la tensione una sorgente elettrica VDC ed un carico “LOAD”, che nell’ambito dello schema di figura 4 è rappresentato dal ponte trifase VSI. The "DC / DC Buck" symbol indicates, by way of example only, a particular type of DC-DC voltage reducer suitable for lowering the voltage of a VDC electrical source and a "LOAD" load, which in the diagram in the figure 4 is represented by the three-phase bridge VSI.

Tale circuito sfrutta tipicamente un transistor come commutatore TR, un induttore L ed un diodo D. This circuit typically uses a transistor as a switch TR, an inductor L and a diode D.

Quando il commutatore è chiuso, si genera una maglia che comprende la sorgente VDC, l’induttore L ed il carico LOAD. Il diodo D è collegato in modo da realizzare due sottomaglie collegando il morsetto comune alla sorgente elettrica ed al carico con il morsetto comune al commutatore e all’induttanza. When the switch is closed, a mesh is generated that includes the VDC source, the inductor L and the load LOAD. Diode D is connected to create two sub-meshes by connecting the common terminal to the electrical source and to the load with the common terminal to the switch and inductance.

Cosicché: So that:

• commutatore, induttore e carico risultano in serie alla sorgente elettrica VDC; • commutator, inductor and load are in series with the VDC electrical source;

• Il diodo è in parallelo all’alimentazione; • The diode is in parallel with the power supply;

• L’induttanza è in serie al carico per ridurre le componenti di alta frequenza dovute alla commutazione del commutatore. • The inductance is in series with the load to reduce the high frequency components due to the commutation of the switch.

Si nota che, tenuto conto della polarizzazione della sorgente esterna, il diodo è orientato in modo che la maglia e la sottomaglia che include il carico hanno medesimo senso di circolazione della corrente. It should be noted that, taking into account the bias of the external source, the diode is oriented so that the link and the undershirt that includes the load have the same direction of circulation as the current.

I riduttori di tensione DC-DC Buck risultano essere tra i convertitori DC-DC più efficienti. DC-DC Buck voltage reducers are among the most efficient DC-DC converters.

La figura 5 mostra un riduttore di tensione DC-DC ottimale per i presenti scopi. Esso consiste in un “Synchronous Step-Down Buck Converter”, secondo una espressione anglosassone nota al tecnico del ramo. Figure 5 shows an optimal DC-DC voltage reducer for the present purposes. It consists of a “Synchronous Step-Down Buck Converter”, according to an Anglo-Saxon expression known to those skilled in the art.

Esso comprende un partitore di tensione definito da due commutatori S1 ed S2 tra loro in serie da cui si deriva, dal morsetto comune ai due commutatori S1, S2, un induttore L in serie con il carico LOAD ed un condensatore C disposto in parallelo con il carico LOAD. It includes a voltage divider defined by two switches S1 and S2 in series with each other from which an inductor L in series with the load LOAD and a capacitor C arranged in parallel with the load LOAD.

Nelle figure il carico LOAD visto dal riduttore di tensione consiste nel convertitore trifase VSI. In the figures, the LOAD seen by the voltage reducer consists of the three-phase converter VSI.

Questo, a sua colta è direttamente collegato con il motore elettrico. This, in his knowledge, is directly connected with the electric motor.

Ciascun commutatore S1 ed S2 è dotato di un diodo di ricircolazione similmente al ponte di figura 2. Each switch S1 and S2 is equipped with a recirculation diode similar to the bridge of figure 2.

Grazie a tale tipologia di riduttore di tensione DC-DC si riesce ad ottenere una efficienza di commutazione compresa tra il 93% ed il 95%, che si riflette sulla conversione, mantenendo basse e costanti le perdite per effetto Joule. In Figura 7 è mostrato un diagramma che rapporta l’efficienza di conversione con la velocità di rotazione del motore BLDC, comparando la soluzione della tecnica nota con la soluzione oggetto della presente invenzione. Thanks to this type of DC-DC voltage reducer it is possible to obtain a switching efficiency between 93% and 95%, which is reflected on the conversion, keeping the losses due to the Joule effect low and constant. Figure 7 shows a diagram that relates the conversion efficiency with the rotation speed of the BLDC motor, comparing the solution of the known technique with the solution object of the present invention.

Si osserva un netto miglioramento del rendimento ai cosiddetti carichi parziali, vale a dire con velocità di rotazione molto più basse della massima velocità di rotazione del motore. A clear improvement in efficiency is observed at so-called partial loads, that is to say with rotation speeds much lower than the maximum rotation speed of the motor.

Il miglioramento di efficienza, a bassa velocità raggiunge valori compresi tra il 15% ed 20% rispetto al circuito di alimentazione e controllo dell’arte nota. The efficiency improvement, at low speed, reaches values between 15% and 20% compared to the power supply and control circuit of the known art.

Un ulteriore vantaggio è rappresentato dalla conseguente diminuzione delle vibrazioni generate dal motore elettrico grazie alla soppressione delle componenti di alimentazione di alta frequenza generate dal chopping. A further advantage is represented by the consequent reduction of the vibrations generated by the electric motor thanks to the suppression of the high frequency power components generated by the chopping.

Nell’ambito delle applicazioni aeronautiche, tale soppressione delle vibrazioni si traduce in una drastica riduzione di rumore e soprattutto in un aumento del tempo di volo a parità di energia immagazzinata. In aeronautical applications, this suppression of vibrations results in a drastic reduction in noise and above all in an increase in flight time for the same amount of stored energy.

Tale innovazione trova come migliore implementazione a bordo di qualunque UAS, in quanto presenta trascurabili differenze rispetto all’architettura classica in termini di dimensioni, mentre garantisce netti miglioramenti in termini di prestazioni. This innovation is best implemented on board any UAS, as it has negligible differences compared to the classic architecture in terms of size, while guaranteeing clear improvements in terms of performance.

I velivoli aeronautici VHE, schematizzati in figura 8a e 8b rispettivamente ad ala mobile e fissa, possono essere a guida remota comprendendo almeno un ricevitore con cui si può ricevere segnali di controllo della velocità di rotazione dell’almeno un motore oltre ad ulteriori controlli circa l’assetto del velivolo e la relativa movimentazione. Alternativamente, essi possono essere a guida autonoma, e pertanto comprendono almeno un comando manuale, vale a dire un pedale od una leva per controllare la velocità di rotazione dell’almeno un motore. The VHE aeronautical aircraft, schematized in figures 8a and 8b respectively with mobile and fixed wings, can be remotely guided, comprising at least one receiver with which it is possible to receive signals for controlling the speed of rotation of the at least one engine as well as further controls about the attitude of the aircraft and its handling. Alternatively, they can be self-driving, and therefore include at least a manual control, that is to say a pedal or a lever to control the rotation speed of the at least one motor.

Infatti con lo sviluppo di nuove batterie ad alta capacità è presumibile che presto velivoli elettrici siano in grado di trasportare esseri umani che pertanto possano pilotare il velivolo stando all’interno dello stesso. In fact, with the development of new high-capacity batteries, it is likely that electric aircraft will soon be able to transport humans who can therefore fly the aircraft from inside it.

Il velivolo può essere dotato da più motori elettrici Brushless DC ciascuno alimentato da un dedicato dispositivo di alimentazione oppure tutti quanti alimentati da un comune dispositivo di alimentazione del motore elettrico. Sono possibili varianti realizzative all'esempio non limitativo descritto, senza per altro uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione, comprendendo tutte le realizzazioni equivalenti per un tecnico del ramo, al contenuto delle rivendicazioni. The aircraft can be equipped with several Brushless DC electric motors, each powered by a dedicated power supply device or all powered by a common power supply device of the electric motor. Implementation variants of the described non-limiting example are possible, without however departing from the scope of protection of the present invention, including all the equivalent embodiments for a person skilled in the art, to the content of the claims.

Dalla descrizione sopra riportata il tecnico del ramo è in grado di realizzare l’oggetto dell’invenzione senza introdurre ulteriori dettagli costruttivi. From the above description, the person skilled in the art is able to realize the object of the invention without introducing further construction details.

Claims

CLAIMS 1. An aeronautical aircraft (VHE) comprising a Brushless DC electric motor to drive at least one propeller, a direct current electric power source, an electric motor power supply and control device, powered by the direct current power source , comprising - an input for acquiring a signal representative of a target speed of said electric motor, - a DC-DC voltage reducer (DC / DC Buck) configured to regulate a continuous output voltage as a function of said signal representative of said target speed and - a three-phase DC-AC converter (VSI) powered by said DC-DC voltage reducer (DC / DC Buck) and directly feeding said electric motor and configured to operate at constant frequency and independently from said target speed.

2. Aircraft according to claim 1, wherein said DC-DC voltage reducer is of the Buck type comprising a commutator (TR), an inductor (L) and a diode (D), so as to generate a mesh comprising a source of continuous electrical energy (VDC), said inductor (L) and said DC-AC converter (VSI) and in which said diode (D) is connected in such a way as to identify two sub-links by connecting a first common terminal to the continuous electrical source and to the DC-AC converter (VSI) with a second terminal common to the commutator and the inductance.

3. Aircraft according to claim 1, wherein said DC-DC voltage reducer has the form of a voltage divider with two switches (S1, S2) in series with each other from which it is derived, from the terminal common to the two switches (S1, S2), an inductor (L) in series with the DC-AC converter (VSI), with a capacitor (C) arranged in parallel with the DC-AC converter (VSI).

4. Aircraft according to claim 3, wherein each of said switches comprises a circulating diode disposed relatively in parallel.

5. Vehicle according to any one of claims 1 to 4, wherein said source of electrical energy consists exclusively of a battery.

6. Aircraft according to any one of the preceding claims 1 - 5, of the remote-guided type, further comprising a wireless receiver adapted to receive said signal indicative of target speed of said at least one Brushless DC motor and in which said receiver is operatively connected with said DC-DC voltage reducer (DC / DC Buck) to regulate a continuous power supply voltage of said three-phase DC-AC (VSI) converter, while said three-phase DC-AC (VSI) converter is exclusively adapted to generate a triad of signals alternating at constant frequency and variable amplitude with said direct supply voltage generated by said DC-DC voltage reducer.

7. Aircraft according to any one of the preceding claims 1 - 5, of the self-driving type, further comprising a manual control adapted to produce a signal indicative of a rotation speed of said at least one Brushless DC motor and in which said receiver is operatively connected with said DC-DC voltage reducer (DC / DC Buck) to regulate a continuous power supply voltage of said three-phase DC-AC (VSI) converter, while said three-phase DC-AC (VSI) converter is exclusively adapted to generate a triad of alternating signals at constant frequency and variable amplitude with said direct supply voltage generated by said DC-DC voltage reducer.

8. A method of powering and controlling an aircraft Brushless DC electric motor, comprising - a step of converting a direct voltage generated by a source of electrical power DC (VDC) into alternating with constant frequency, - a step of regulating a rotation speed of said electric motor by varying a voltage level of said direct voltage prior to said conversion to alternating.