JP2014516005A - 飛翔発電機 - Google Patents

Abstract

機体構造の先方および後方に伸びるブームに取り付けられたグループの４つのロータを含む飛翔発電機飛行機である。飛行機が風に向かうときに、各ピッチ角と無関係に、かつ、飛行機の飛行操縦の間中、各ロータが、乱れのない空気流への直接路を有するように、ロータが配置される。ロータは反対回転の対に配置され飛行機の前面のロータが、飛行機の後方のロータの離間間隔と異なる距離で相互に離間されるように、これらブームが角度付けられる。
【選択図】図７

Description

この発明は、飛翔発電機（ＦＥＧ）の分野に向けられており、より具体的には、フレームまたは本体に実装されている他のロータにより乱されないクリーンな空気を各ロータが受け取れるように当該フレームまたは本体に位置づけられたロータに特徴付けられた飛翔発電機（ＦＥＧ）の新しい構造に向けられている。

飛翔発電機は新しいものではなく、上空の風からエネルギーを抽出するいくつかの方法が提案され現在開発中である。風のエネルギー量は地面からの距離（高度）に従って大きくなることが知られている。現行の地上風力タービン技術は、風力駆動ロータをより高所に取り付け、ブレードをかなり長く伸ばすことにより、この利点を生かそうとしている。しかしながら、地上風力駆動ジェネレータのカンチレバー設計に起因して、その必要な構造幾何学により導入される屈曲力に抗するために大きくて費用がかさむスチールおよびコンクリートの基礎が必要となるので、その最大高さに制限がある。これに反して、ＦＥＧは、風の力に対して抗する、または作用するために小さな地面のアンカー点に結合されて、細く、軽い綱しか必要とせず、また、これらは、地面から高く飛行することができ、最も凝縮された、豊富なエネルギー源の高所の風の中を飛行できる。

現在、図１および図２に示すように、オートジャイロロータをベースにしたＦＥＧ１０、１０'がそれぞれ開発中であり、これらは少なくとも４つのロータを有し、２つのロータ１１、１１'および１３、１３'が一方向に回転して、２つのロータ１２、１２'および１４、１４'が他の方向に回転する。最も一般的に見られる構造は、図１に示すように、Ｘ形状のフレームまたは機体１５、あるいは、図２に示すように、Ｈ形状のフレームまたは機体に、対称矩形パターンに取り付けられた４つのロータを含む。他の対称構造も研究されており、これには、より多くの数のロータを具備し、偶数個の組の対抗回転対のロータを有するものが含まれる。例えば、図３に示すように、８ロータのＦＥＧは四角のパターンに４つのロータ１６Ａ〜１６Ｄを具備し、これらロータ１６Ａ〜１６Ｄに４５度角度付けられて４つのロータ１７Ａ〜１７Ｄを具備する。図示のとおり、ロータは四角の各々において対角線上に他のロータに対して配置され、一方の方向に回転するブレードを有し、この回転方向は、四角の各々において対角線上に配置された２つの他のロータの回転方向と反対である。この構造は、ホバリング基盤マルチロータヘリコプタには適切であろうけれども、対称的に配置されたロータはＦＥＧ用途には問題を引き起こす。

この発明のＦＥＧに関するアタック角については以下に説明し、図４および図５に示すけれども、先行技術のＦＥＧの飛行中では、ロータのアタック角が比較的小さな角度のとき、前方ロータの各々の風下に現れる空気流の下向き成分が直接に風下にある後方ロータの推力を減少させる。これは、前方ロータの後方の流れの下向き成分が後方ロータの見かけ上の風向きを変えるからである。前方ロータの風下の後方ロータが受ける見かけ上の風は、下向き成分であり、これはその後方ロータのピッチ角の相対的な減少と等価である。ピッチ角の減少は推進力を減少させる。後方ロータにおける推進力。の損失の結果、機体のピッチが急速で制御されずに増加する。テスト中にこの相互作用が発見され、この発明はこの問題を除去するためになされた。

さきの問題はアタック角が大きいときは消失するけれども、問題点は、強く張られた綱で風の中を小さな正のピッチ角で飛行する場合、これが大きなアタック角をなすように反転させられるに違いないということである。大きな正のアタック角では、前方ロータは後方の風下のロータのかなり上にあり、前方ロータに続く下向きに方向づけられた流れは常には後方ロータに至らず、これは幾分、攪乱のない、空気中で動作する。

この発明は、４つのロータが飛行操作中のすべてに渡ってクリーンで乱されていない空気中を作動できるようにするＦＥＧのロータ配置の構造に向けられている。ＦＥＧが風に向かっているときにどのようなピッチ角であっても、各ロータが風の乱されていない流れへの直接の経路を持つように、これらロータが配置される。ロータは反対回転対の形態で配置され、もって、ＦＥＧは、ロータを緊密に集団化させたすべて従来のＦＥＧ設計と同様な態様で制御される。

この発明の関連する従来例に対する利点は、ＦＥＧが、離陸から、発電、および着陸のすべての飛行部分の間で、ロータの推力を可変する手段のみでＦＥＧを制御できるということを含む。各ロータが飛行のすべての場面で乱れのない直接的な風のエネルギーを受けるので、アタック角および風速に基づく制御の不連続がない。このため、離陸およびホバリングから凧上の発電飛行への平滑な遷移が可能になる。ロータを緊密に集団化させた配置の従来のＦＥＧ設計では、大きなアタック角で、強く引っ張った綱で、打ち上げ、小さなピッチ角から、接近して離間させられたロータが風下で、または後方ロータで、推力の損失をもはや引き起こすことがない大きなピッチ角への、急激な、部分的にしか制御されていない速いピッチ操作をなす。

この発明に従い、機体は、好ましくは機械加工されたアルミニウム板および成型シートの組み合わせから製造される中央ハウジングを具備するように構築されるけれども、複数部分またはモノリシックの複合材料から製造されてもよい。中央ハウジングは、ＦＥＧ制御に必要な航空電子機器およびコンピュータシステム、地上との通信に必要な電子機器、モータ制御電子機器、および電力変換電子機器を収納する。ハウジングは上方および下方のリング上の部品を具備するフレーム構造を含む。４つのロータ支持アームまたはブームが好ましくは空洞の筒体として形成され、上方または下方リング上部品に結合され、アームのうちの２つが中央ハウジングの前方に伸び、前方ロータを支持し、アームのうちの２つがハウジングの後方に伸び、後方ロータを支持する。これらロータは、アームの自由端に固着されたロータ取り付け組立体により担持される。

前方ロータは接近して相互に離間され、もって、ロータブレードが回転するときに、それらの先端が相互に接近して通過するようになっている。後方ロータは、相互に、より離れて離間され、これらは、前方ロータを通り抜ける空気により悪影響を受けず、飛行中は、クリーンな空気、乱れの無い風のみが後方ロータのブレードに入るようになっている。好ましくは、前方ロータは、少なくとも、およそ９０°の角度で相互に離間され、この角度はより大きくて良く、しかしながら、好ましい実施例において、後方ロータは前方ロータより大きな角度で離間される。また、好ましい実施例において、前方アームは後方アームより短く、これにより前方ロータは、後方ロータより相互により接近して離間される。

永久磁石ＤＣサーボモータのような電気モータがロータ取り付け組立体の各々により担持され、各モータは機械的にモータブレードに結合され、電気的に個別の電気モータコントローラに結合され、これらは中央ハウジングに取り付けられる。モータコントローラはスイッチング装置として機能して、飛行中に、ＦＥＧを地上アンカーに結合するための綱を通じて伸びる、電気伝導体により、結合される地上の電源からモータへの電流が、流れることが可能なようにしている。モータへの電流は、ＦＥＧの飛行中、上昇時、および下降時に、またその他の時点で、ロータブレードを回転させるパワーを供給する。しかしながら、凧状モードのＦＥＧの発電飛行の際には、ブレードに抗する風の力に起因して、モータ駆動シャフトの回生制動により電圧が発生させられ、モータコントローラが、モータから地上パワーグリッド、電力蓄積装置、または、ＦＥＧから電力供給されるべき、なんらかの他の装置へ、電流を流すことができるように切り換えを行う。

ピッチ制御サーボもロータ取り付け組立体の各々に取り付けられ、これがロータブレードのピッチ角を制御する。ピッチ制御サーボはサーボホイールすなわちホーンの位置を変更し、このサーボホイールはブレード支持ナックル組立体とともに回転するよううに取り付けられた垂直調整可能なスリーブの周りに、回転しないように、採る漬けられたピッチ制御リングに機械的に結合される。ロータのブレードが一対の対抗配向されたグレードグリップから伸び、これらグレードグリップは、ナックル組立体に、ロータブレードの回転軸と実質的に直交する軸の周りで調整可能に取り付けられ、ピッチ制御サーボの動作に依存してロータブレードのピッチを変更できるようになっている。ブレードグリップの各々は、レバーを含み、このレバーがピッチホーンを具備し、このピッチホーンがピッチ制御リングに機構的に連結され、もって、リングがピッチ制御サーボの動作によりロータナックル組立体に対して上昇させられ、または下降させられるときに、ブレードのピッチ角が変化するようになっている。

機体の中央ハウジングはＦＥＧの綱の内部の電気伝導体を接続するための電気コネクタや、綱をハウジングのフレームへと固着するための中央取り付けヨークも収納する。

添付図面を参照してこの発明をより良く理解できる。

ロータが全体としてＸ−形状構造に取り付けられる１つの配置構造を具備する慣用的な先行技術のＦＥＧを示す平面図である。 ロータがＨ−形状構造に配置されることを示す図１と類似の平面図である。 外側のボックス形状構造が内側のボックス形状構造と約４５度ずらされている２つのボックス形状構造に取り付けられた８つのロータを具備するＦＥＧの平面図である。 図７に示すこの発明のＦＥＧを各部を取り除き、背面または後方のロータに対して前方または前面のロータから下方向に示される風の流れの角度で地面に綱で結合されたＦＥＧを、ＦＥＧの風の方向「Ｗ」に対するＦＥＧのアタックのピッチ角「Δ」とともに示す模式的な側面図である。 ピッチ角を減少させたアタック角を示す図４のＦＥＧの模式的な側面図である。 この発明の教示するところに従うＦＥＧの模式的な底面図である。 ４つのロータ、機体の中央制御ハウジングから伸びる４つの機体ブームアーム、およびロータ用の駆動モータを示す、この発明のＦＥＧの第１の実施例の底面斜視図である。 機体のロータ支持ブームアームの１つの取り付けを示すために各部を取り除いて示す図７のＦＥＧの機体の中央ハウジング領域の斜視図である。 ロータ支持ブームアームおよび綱アタッチメントの結合を詳細に示す図８の中央ハウジングの底面斜視図である。 ロータブレードを駆動し地面へと戻す発電を推進するためのモータを示し、またｈロータブレードのピッチを反転させるための機構的なピッチ制御装置を示す、この発明のロータ取り付け組立体の１つの側面斜視図である。 図１０のロータ取り付け組立体を示し、ロータブレード用のモータとロータ駆動シャフトとの間の連結を示すように各部を取り除いた底面斜視図である。 前面または前方のロータが、背面または後方のロータへのクリーンな風の流れを邪魔することがないように離間された関係で８つのロータを機体に取り付ける、この発明の教示に従うＦＥＧの他の実施例の模式的な平面図である。 ＦＥＧおよび地面の間の電源伝導体用の綱配列を示す、図１２のＦＥＧの底面斜視図である。

図４〜１３の図面を参照すると、この発明は、オートジャイロ飛翔発電機（以下、ＦＥＧと呼ぶ）２０のためのロータの構成に向けられており、ここでは、ＦＥＧが風に向かい、あるいは、風に方向づけられるときに、そのピッチ角と無関係に、すべてのロータが直接的な攪乱のない風を受けることができる。図６に示すように、ＦＥＧを、ここで記述するように、変動ロータ推力により制御するために、ロータが反回転対の組で実装され、少なくとも４つのロータがなければならない。ロータは、重心がロータ領域の幾何中心にあるように、かつ、ＣＧの左側のロータからの距離が、ＣＧの右側の反対回転の同等物のそれと等しくなるように、また、ＣＧの後方のロータの距離がＣＧの前方の同等物の距離と等しくなるように、配置されなければならない。

この設計の最も簡単な実施例は４つのロータを具備するＦＥＧであり、前方（風上）の対のロータ２２および２３が、機体２５の前方伸長ロータ支持アームすなわちブーム２４Ａおよび２４Ｂに取り付けられ、機体は中央ハウジング２６を具備し、これにアーム２４Ａおよび２４Ｂが取り付けられている。機体は、また、後方伸長または後方アームすなわちブーム２７Ａおよび２７Ｂを具備し、これらに、一対の後方すなわち風下のロータ２８および２９が取り付けられている。前方ロータ２２および２３は、図７に示すように相互に近接して設置され、それらが回転するときにブレード先端がわずかの距離しか離れないようになっている。後方ロータは、相互に、より離れて配置され、飛行時に、前方ロータを通過してくる空気により影響されず、クリーンな空気、攪乱のない風のみが後方ロータのブレードに入るようになっている。好ましくは、前方ロータは少なくとも約９０°の角度で相互に離れており、この角度はより大きくても良いけれども、好ましい実施例においては、後方ロータは前方ロータより大きな角度で離間される。また、いくつかの実施例において、例えば図７に示すように、前方アームは後方アームより短く、前方ロータが後方ロータより相互により接近して離間されるようになっている。

これら前方ロータは図６に示すように反対方向に回転するけれども、時計回り方向のロータは右にあっても左にあっても良い。後方（風下）ロータ２８および２９はより多く離れて、右の前方ロータ先端２３によって描かれる円Ｃ１の右側接点から伸びる線Ｌ１が右側後方ロータ先端２９によって描かれる円Ｃ２と交差しないように、充分にはなれている。同様に、後方の左側ロータ先端が、前方ロータ先端２２により描かれる円Ｃ３の左接点から伸びる接線Ｌ２に対して、外側に向かって離間し、線Ｌ２が左後方ロータ２８により描かれる円Ｃ４と交差しないようにしなければならない。後方対の右側および左側のロータも反対方向に回転しなければならず、また、各々は近くの前方ロータに対して反対方向に回転しなければならない。これは、各後方ロータがＦＥＧ２０の反対側の前方ロータと同一方向に回転することも意味する。

図７に示すように、機体２５は、中央ハウジング２６を含み、これに綱３１が固着され、これは地面ステーション「Ｓ」に伸び、これについては図４および図５を参照されたい。綱３１は電気ケーブルおよび強化アンカーケーブルを含み、ＦＥＧ２０が高い位置に配されるのを可能にし、もって、発電を容易にする。

図８および図９を参照すると、機体の中央ハウジングの詳細が事細かに示される。さきに記述したように、ハウジングは、好ましくは、機械加工下降されたアルミニウム板および成型されたシートの組み合わせから製造されるけれども、複数部分またはモノリシックの複合材料から製造されて良い。中央ハウジングは、ＦＥＧの制御に必要な、航空電子工学およびコンピュータシステム、地上との通信に必要な電子機器、モータ制御電子機器、および電力変換電子機器を含む。ハウジングは、全体形状が同一の上方リング部材および下方リング部材３３および３４を具備するフレーム３２を含む。図示のとおり、リングは４つの同等寸法の、まっすぐな側部３５を具備し、これらが対角状に伸びるコーナ部材３６により連結され、これらコーナ部材の各々は２対の離間した実装ラグ３８を具備し、これらは対抗した端部から外側に伸びる。対のラグは整合開口を具備してロックピン４０を収容する。ロックピンはバネ荷重ロックボール４１を含み、これが、ピンを設置した後に、ピンの外側に延び、ボールをピンに内部の押圧しないかぎり、ロックピンがラグ３８から外れるのを防止する。

上方および下方のフレームリングは、全体としてＵ字形状のコーナパネル４２によって連結され、これらはラグ３８およびロックピン４０によってその場所に保持される。コーナパネル４２はモータ４５およびロータピッチ制御サーボ４８への電気ワイヤハーネス（図示しない）を通すための開口４３および４４を含み、これらは、モータ支持組立体４８に取り付けられ、これは２つの前方に伸びる、および２つの後方に伸びロータ支持ブームアームに取り付けられ、これを図１０に示す。

４つのロータ支持アーム２４Ａ、２４Ｂ、２７Ａ、および２７Ｂを、機体２５の中央ハウジング２６に取り付けるために、それらの内側端部は強化三角形状パネル５０の対の間に位置決めされる。好ましい実施例において、アームの各々は、空洞の筒状のブーム構造から構築され、これは好ましくは丸い断面の薄い壁状のカーボンファイバで強化したエポキシ構造から形成されるけれども、卵形または他の形状の断面または他の材料、例えば、ケブラーまたはファイバーガラス複合材、または高強度アルミニウム合金、例えば６０６１を使用して良い。流線形、または翼の断面の管または複合構造をアームに用いてよく、これらは、所定のピッチ角で、とくに、ＦＥＧ乗り物が凧のように飛ぶときに、付加的な揚力を与えるように方向づけられる。中央ハウジング２６にアームを取り付けるために、一対のアルミニウムラグすなわちカラー５２が各アームの内側端部の回り、および、この内側端部からほぼ１フィートだけ離れて、結合されており、これは図８に示すとおりである。カラーは平坦な外側エッジを具備し、ねじ切りされた穴を有し、対のパネル５０をアームの対抗する側部に沿って取り付けるためのネジを収容するようになっている。図８に示すように、右側のパネル５０は除去されて、反転させられたＵ字の強化パネル５１を示すようになっており、これは上方のフレームリング５０から対角線状に外側および下側にカラー５２との連結点まで伸びる。このようにして、パネル５０および５１は機体の各アームに対してカンチレバー状の支持を実現する。

さらに図８を参照すると、ＦＥＧは、複数のハウジング５４内に取り付けられた４つのモータコントローラを含み、各コントローラは、同一のアームに取り付けられたロータモータ４５およびロータモータピッチ制御サーボに電気的に結合されている。モータコントローラハウジングは強化パネル５１に取り付けられ、図８においては、１つのコントローラが除去されてその下のパネル５１が見えるようになっている。コントローラハウジングはＦＥＧ使用時の悪い周囲条件からコントローラを防護する。

図９にも示されるように綱連結ヨーク５５がピボット状にピン５６に取り付けられ、これが強化ビーム要素５８により担持され、これは中央ハウジングのフレームにより支持されるように取り付けられる。ヨークは好ましくはＦＥＧの重心に位置づけられる。

図１０および図１１を参照すると、ロータ構造および制御部の詳細が事細かに説明される。各ロータに関連づけられるモータ４５は、好ましくはＤＣサーボモータであり、一連のコイルの内部で回転する永久磁石を具備する。コイルへの電力およびコイルからの電力はモータコントローラにより制御される。モータコントローラは、スイッチング装置として機能して、飛行中に、地上の電源から、モータへの電流が、流れることが可能なようにし、この電源は、ＦＥＧを地上アンカーに結合するための綱を通じて伸びる、電気伝導体により、モータに結合されている。モータへの電流はロータブレード６０を、上昇時、および下降時に、回転させるパワーを供給する。しかしながら、凧状モードのＦＥＧの発電飛行の際には、ブレードに抗する風の力に起因して、モータ駆動シャフトの回生制動により電圧が発生させられ、モータコントローラが、モータ４５から地上パワーグリッド、バッテリのような電力蓄積装置、または、ＦＥＧから電力供給されるべき、なんらかの他の装置へ、電流を流すことができるように切り換えを行う。ほんの一例であるけれども、地上ソースから想定される最大電圧は４００ボルトである。風はロータブレードに対して負荷を加えるので、逆の負荷またはトルクがモータ駆動シャフトに加わり、これがモータの再生制動効果により生成される電圧を増加させる。逆電圧が４００ボルトを越えるとき、電圧コントローラが、ＦＥＧから、地上のコレクタグリッドまたは装置、またはＦＥＧから電力供給を受けるなんらかの装置に電流が流れるのを切り換える。風がブレードを抗して生じた電力が予め定められたレベルまで下降すると、コントローラは地上のソースからモータへと電流を切り換える。

各モータ４５はロータ支持組立体４８に取り付けられ、これが関連する機体ブームアームの外側端部に固着される。ブームアームの外側端部はコネクタ５７により強化され、これはアームの外側端部の内部に部分的に取り付けられる。コネクタは２つの対面する金属プレート５８の間に取り付けられ、これらは複数のスペーサ部材５９により結合される。プレートには切り込みが形成され、モータ支持プラットフォーム６１がプレートの切り込み部に取り付けられる。いくつかの実施例において、アームの外側端部は、１または複数のカラーを含んでよく、これらは、アームの内側部分を中央ハウジングに固着するための上述したカラーと類似であり、これらカラーはロータ支持組立体に固着されて良い。

各ロータモータ４５は、ギア６３に結合された出力シャフト６２を具備し、このギア６３は、ロータ駆動シャフト６５に固定して結合された大きなギア６４とかみ合う。駆動シャフト６５の下方端部は下方ベアリング６６内に取り付けられ、これはロータ支持組立体４８の下側フレームにより保持される。駆動シャフト６５は同様な上側ベアリング６８を通じても伸び、これはロータ支持組立体４８に取り付けられる。駆動シャフト６５の上方端部は、ロータブレードナックル組立体７０に固定的に取り付けられ、これは駆動シャフトとともに回転し、一対の対面配向された二股ブレードグリップ部材７２がこれに取り付けられ、ロータブレードのルート部分７３がこれに固着される。各グリップ部材にはレバー７４が固着して連結され、これがピッチホーン７５を担持し、これは調整可能なボールジョイントリンク７７の上方コネクタ７６に結合される。リンク７７は、中央ねじ切り部７８と、垂直方向に移動可能なスリーブ８０に結合される下側コネクタ７９とを含む。スリーブ８０は、ナックル組立体７０に取り付けられ、これに依存する一対の案内ピン８２に沿って往復動可能である。スリーブ８０、ボールジョイント調整リンク７７、ピッチホーン７５、レバー７４、およびブレードグリップ部材７２はブレードピッチ調整組立体を形成し、これが、ボードコンピュータによって、飛行条件に応答して制御され、この飛行条件は、風速および方向、高度、ロータモータのトルク状態、おおびＦＥＧが上昇しているか、あるいは下降しているかというような所望の飛行状態を含む。ブレードグリップの双方は、移動可能スリーブ８０に、各ロータブレードのピッチが同時に調整されるように、結合されることに留意されたい。

ブレードピッチ調整組立体は、さらに、回転可能スリーブ８０の回りに固定して取り付けられたピッチ制御リング８４を含む。耐久性の高いベアリング８５がリングに取り付けられ、スリーブ８０がベアリングに回転可能に取り付けられ、もって、リングがブレード駆動シャフト６５に対して垂直方向に移動できるようになっており、スリーブはリングと共に移動させられる。スリーブは、それがブレードとともに回転するときに上下に移動するので、ボールジョイントリンク７７が、レバー７４をしてブレード駆動シャフトの回転軸Ａ−Ａに対して直角に伸びる軸Ｂ−Ｂのまわりに結合されたブレードグリップを回転させ、もって、ロータブレードのピッチ角を変化させる。図示のとおり、ピッチ制御リング８４は、案内ピン８７を含み、この案内品８７が、接近して垂直方向に配向されて離間する案内ピン８８の間を伸び、これら案内ピンにより、リングがこれらに対して上昇させられ、または下降させられるときに、リングがブレード駆動シャフトに対して側方へと移動しないようになっている。

ピッチ制御リング８４の制御は、ロータ支持組立体の側方プレート５８の１つに取り付けられたピッチ制御サーボモータ４６によって開始させられる。モータ４６は、駆動ホイール９２を駆動し、この駆動ホイール９２は、調整可能なボールジョイントリンク９５の端部コネクタ９４から伸びるサーボホーン９３に結合されている。リンク９５は中央ねじ切り部分および離間したコネクタ９６を有し、このコネクタ９６はクランクアーム９７にピボット状に取り付けられ、クランクアーム９７は、ロータ支持組立体の２つの側方プレート５８の間を伸びるピボットシャフト９８に固着される。図示しないけれども、ピボットシャフト９８の反対の端部はレバーに固着され、このレバーが、ブレード支持組立体の他の側方で、クランクアーム９７の上方端部９９と同時に移動して、もって、ブレード支持組立体の他の側方に設けられている調整可能ボールジョイントリンク１００を制御するようになっている。これらリンク１００の各々は、クランクアームおよび反対のレバーの上方端部に点１０１でピボット状に結合される下方コネクタを有し、これは図示しない。これらリンク１００は、中央ねじ切り部分および上方コネクタ１０４も含み、このコネクタ１０４が、ピッチ制御リングの反対の側部に取り付けられたピボット部材１０５とピボット状に係合させられる。

ピッチ制御組立体の動作において、サーボモータ９０に応答して、ロータ支持組立体の一方の側部にのみ位置づけられているリンク９５が、クランクアーム９７を動かし、ピボットシャフト９８の反対側に位置付けられたレバーがリンク１００を上昇させ、または下降させ、もって、ピッチ制御リングを上昇させ、または下降させ、これにより、先に説明したようにロータブレードに対するピッチ調整が行われる。

さきに指摘したように、ＦＥＧ２０のロータは図６および図７に示すように、離間させられているので、矢印「Ｗ」で示す風の方向には、前方ロータからの逆気流は、後方ロータに入るクリーンな空気に悪影響を与えない。

中央ハウジング構造２６は、綱が単一点アタッチメントであるならば、綱のために所定の反作用点を含んでも良い。単一点の綱はＦＥＧの重心および複数のロータ回動領域の幾何中心の双方である点に取り付けられなくてはならない。風速が変化するために綱の張力が変化するので、綱がこの点に取り付けられていないと、綱の力により、搬送体の回転を誘導するモーメントが発生して、搬送体の安定性を乱すことになる。小さなＦＥＧ２０に対しては単一点の綱が好ましい。

使用中に、ＦＥＧ２０は、マルチロータヘリコプタとして、地上から飛び上がり、ホバリングを行い、この飛行の部分に対しては、緊密に集団化された対称配置のロータが好ましい。離陸およびホバリングに対しては、用途に応じて、地上レベルのパワーグリッドまたは発電機から供給される電力を消費する。地上からの電力は、綱３１の内部の伝導体を通じて伝送され、ロータの各々に対して駆動モータにおいてトルクを生成させるのに使用される。これら駆動モータおよびそれらのコントローラは地上から綱を介して到来する電力をトルクに変換してロータを回転させ、また、ロータで利用できる過剰なトルクを電気エネルギーに変換して綱の内部の当該伝導体を通じて送り戻し地上で利用可能にする。ロータは、ロータブレードを通じて、空気を下方に移動させることにより推力を生成する。推力の量は、固定ピッチブレードを用いて、ロータの回転速度により、またはブレードが一定の回転速度で回転するときにはブレードのピッチを変化させることにより、あるいはこれら２つの手法の組み合わせにより、制御される。

ロータが推力を形成するときに、ロータは回転するためのトルク入力を必要とする。必要なトルクの量とロータの回転レートとの積が、推力のレベルを維持するのに必要な力である。ロータの回転を維持し、推力を形成するためのトルク入力は、ロータに対する空気からの反作用のトルクもその結果として形成する。このトルクは推力と比例し、反対方向に回転する対のロータがあるので、各ロータが同一の推力を生成するならば、このトルクは通常バランスする。

ＦＥＧ２０の垂直軸の回りの回転、すなわち、ヨーを、制御することが可能であり、これは、一方の方向に回転する一対のロータの推力を減少させ、他方、反対の方向に回転する他の対のロータの推力を増大させることによる。全体の推力のレベルを一定に維持してこれを行えば、ＦＥＧはヨーにおいて回転するだけであり、ピッチおよびロールの軸まわりの方位、およびその位置を維持する。ＦＥＧがロール（縦）軸またはピッチ（横）軸の回りの方位を変更させるためには、ＦＥＧの上昇が必要な側部で推力を大きくし、下降が必要な側部で推力を減少させる。ロール、ピッチおよびヨーの回転を同時に行われるときに、必要に応じて操縦が組み合わされて良い。

ＦＥＧが上昇するためには、全体の推力が増加させられ、ＦＥＧが上方へ加速し、下降するときにはその逆である。ＦＥＧが横に移動するためには、全体の推力ベクトルの一部が所望の方向に傾けられるようなロールまたはピッチにし、この推力の成分がＦＥＧをその方向に加速させる。ＦＥＧ２０が１方向に所望の移動速度まで加速すると、ＦＥＧがその速度を維持するために水平にされる。ＦＥＧは、その速度と反対方向に、ゼロ速度に減速されるまでロールまたはピッチを行って、停止させられる。

ＦＥＧ２０が、高速度の風を利用して発電を行うための予め定められた高度へと上昇すると、綱の地上に対する角度が風の状態および利用可能な空間に関して許容できる位置へと風下に飛行する。綱の張力の水平成分は、今、ＦＥＧ２０に加わる風の力に反作用する。ＦＥＧ２０の好ましい構造では、後方において機体およびロータ間距離が、前方における距離より広くなるようになっており、これにより、風向計のように、自然と、ヨーにおいて、風上を向くように回転する。これは、綱の各側部において等しくなく離間されたロータからの抗力の不均衡に由来する。搬送体が風上を向くようなヨーとなるとき、各側部の抗力はバランスして搬送体は方向を維持する。つぎに、ＦＥＧ２０が大きなアタック角Θまで徐々にピッチアップするように指示され、これを図４に示す。アタックの正のピッチ角が、ロータの下側を風に露呈する。今、ロータの推力は風下成分に垂直成分を加えたものを伴う。垂直の垂直成分は、ＦＥＧ２０の重量に綱の張力の垂直成分を加えたものに等しくなるように維持しなければならず、そうでなければ、ＦＥＧ２０は上昇するか、下降する。今、風に露呈しているロータの面積は増加しているので、推力も、増大する。ピッチ角が大きければ大きいほど、露呈面積が大きくなり、推力が大きくなる。ＦＥＧ２０のアタック角が増大するとき、ロータのブレードのピッチは、推力の増大を限定するために減少させられなければならず、これにより、推力の垂直成分は増大しない。ロータの下への風の流入によりトルクがロータに印加され、これが、より早い回転レートでロータを駆動し、この加速するトルクはロータブレードのピッチが減少すると増大する。

ロータがより速い回転レートへと加速しないようにするために、電気モータが、この加速に抗する方向にトルクを印加し、これが、電力を形成し、この電力を綱の内部の伝導体を通じて地上での使用のために送出する。ロータに加わる風の力に起因する、この逆のトルクは、モータに対する再生制動プロセスと呼ばれ、ここでは、制動過程により形成された電圧が地上から綱を通じて供給される電流の電圧に打ち勝つ。これが起こるとき、電流がＦＥＧ２０から地上へと流れる。各モータに対する電流はモータコントローラを通じて制御され、これはスイッチのように働き、ＦＥＧの永久磁石ＤＣモータの各々の動作状態を連続的に監視する。ピッチの操縦が完了するとき、ＦＥＧは凧のように飛行し、アタックのピッチ角度は大きく、綱の張力は、風がＦＥＧに印可する力とバランスする。

ホバリングから凧状の飛行への遷移は、１分未満の期間で行われる。これは、ほぼゼロから大きな正の角度への単純なピッチの増加である。この遷移の間に、ＦＥＧの回りの空気の流れが変化する。ロータを通る空気の流れは、ホバリング飛行中はまっすぐ下方向である。これは、凧状の飛行において、底面から傾けられたロータ平面を通じた平行な流れに変わっていき、ロータの風下は変わらず、速度の下方成分が付加される。先行技術のＦＥＧの飛行では、ロータのアタック角が比較的小さな角度Θであり、これは図５に示すとおりであり、空気流の下方成分が前方ロータの各々の風下に現れて、これが前方ロータの直接の風下に取り付けられた後方ロータの推力を減少させた。これは、前方ロータの後方の流れの下方成分が、後方ロータのための見かけ上の風の方向を変えてしまうからである。前方ロータの風下にある後方ロータが経験する見かけ上の風は、下方向成分であり、これは、当該後方ロータに対するピッチ角の相対的な減少と等価である。先行技術のＦＥＧにおいてピッチ角が減少すると、推力が減少し、これにより、急激かつ制御できない搬送体のピッチの増加をもたらした。しかしながら、従来技術と違って、この発明においては、ロータのアタック角にかかわらず、前方ロータを通過する空気が後方ロータに入らないように、前方ロータのスペースを後方ロータに対して相対的なものとするので、後方ロータは常にクリーンな空気を受取り、もって、ＦＥＧの飛行中の制御を良好なものにする。

この発明のＦＥＧは４つのロータの組を任意の数だけ有して良く、これは、上述した４つのロータからなる核となるグループの左および右側に対の反対に回転するロータを付加するだけで良い。付加的な組の回転方向は、４つからなる元の組に対する規則に従わなければならず、隣接する組のロータを同じでも反対であってもよく、これは図１２の構成を参照されたい。図１２はこの発明の他の実施例を示す。図１２のＦＥＧ１５０において、機体１３６が引き延ばされ、付加的な対の前方および後方の反対回転ロータ１３７、１３８、および１３９、１４０が４つのロータからなる組の外側に取り付けられている。ロータ１３７および１３８は機体前方アームすなわちブーム１４１および１４２の自由端にそれぞれ取り付けられ、ロータ１３９および１４０は機体後方アームすなわちブーム１４３および１４４の自由端に取り付けられている。

図１２および図１３に示す、４つのロータから成る内側の組のロータは２つの接近して離間された前方ロータ１２２および１２３と前方ロータの外側に離間されクリーンな空気を受け取るようになされた２つの後方ロータ１２８および１２９とを含み、これは先に説明したとおりである。内側の４つのブームは２つの前方ブームアーム１２４Ａおよび１２４Ｂと２つの後方ブームアーム１２７および１２７Ｂとを含む。さらに、ＦＥＧ２０に関連して説明したように内側の４つのブームを単一の中央ハウジング２６から引き延ばすのと異なり、２つのハウジング２６Ａおよび２６Ｂが図示のとおりあり、これらから中央の４つのブームが延びている。４つの中央ブームはＦＥＧ２０において示すように方位付けされて良いけれども、図１２および図１３に示すように異なる方位であってよく、ただし、ここで検討したクリーン空気のスペーシングが前方および後方のロータの間で維持されなければならない。したがって、図１２および図１３の実施例におけるロータのスペーシングは、矢印「Ａ」で示す風の方向において、前側または前方のロータ１３７、１２２、１２３、および１３８から逆流が、後方のロータ１３９、１２８、１２９、および１４０に入るクリーンな空気に悪影響を与えないようなものである。

ＦＥＧ１５０は、１または複数の綱がＦＥＧ１５０を地上に接続する方法を伴わなければならない。また、ＦＥＧが地面に着陸するときにこれを防護し、またこれを再び離陸可能にする構造が必要である。ＦＥＧの機体はこれらの条件を満たさなければならない。ＦＥＧ１５０の機体を構築するのに使用できる種々の材料および構築方法とともに、いくつかの構成上の構造がある。

ＦＥＧ１５０の機体はハウジング構造１４５、２６Ａ、および２６Ｂを含み、これらはＦＥＧ２０に２６で示されるものと類似であるけれども、そこからは、１つは前方へ、１つは後方へ伸びる２つのブームアームしか具備しない。図示のとおり、前方ブームに取り付けられるロータは、後方ブームアームに取り付けられる反対回転のロータより接近して離間されている。ハウジングは好ましくは機械加工されたアルミニウム板および成型シートの組み合わせから製造されるけれども、複数部分またはモノリシックの複合材料から製造されて良い。中央部分は、ＦＥＧ制御に必要な、航空電子工学およびコンピュータシステム、地上との通信に必要な電子機器、モータ制御電子機器、および電力変換電子機器を含むのに用いられる。これらは、シール状に包囲されて、湿気や微粒子が電子機器の機能を損なうのを阻止することが好ましい。

ＦＥＧ２０と関連づけられる単一点の綱と異なり、図１２および図１３の大きなＦＥＧ１５０、および際小数の４つのロータより多くのロータを具備する他の構成に関しては、複数の綱を用いてＦＥＧを地上に連結してよい。これらは、それぞれ個別に地上に連結された綱であってよく、または、くつわ構成１４６でＦＥＧの近くで連結されて良い。くつわは、図示のとおり、接地のための主たる綱１４７と、ＦＥＧ１５０の外側ロータの外側中央ハウジング１４５にアンカーされた２つの横方向の綱１４８および１４９とを含む。くつわは、既知のようなバランスタイプでよく、また、搬送体から綱の交差の収束点へのくつわ要素の長さを調節するための機構１６０を含む動的制御システムであっても良く、これは図１３に示す。図１３に示すように、付加的な綱１５１および１５２は横方向の綱１４８および１４９と２対の内側ロータの中央ハウジング１４５との間に取り付けられる。

複数の綱アタッチメントは、機体の屈曲が削減または減少させられるので、構造上の重量を少なくできる。例えば、複数の綱を各ロータの位置またはその極めて直近に連結することにより、各ロータに働く風の力がほぼ直接に綱に加わるようになる。他の対策は、複数の結合点をロータの各組の間に位置決めして、ロータの間の機体の部分への屈曲力に対して機体が反作用する必要性を削減する。綱結合部の各々に結合される複数の組のロータが１つの前方および１つの後方反対回転対のロータを含み、かつ、それら綱の結合点が、搬送体の重心およびロータ領域の幾何中心を含む横軸に沿うならば、くつわ要素の長さ調整を行うことなしに、ロータブレードのピッチのみを調整するだけで、ピッチの操縦を行うことができる。この点は、くつわ要素の長さを可変するのに用いるウインチ機構はロータブレードのピッチの変更に較べてゆっくりとしているので、有益である。ＦＥＧのピッチ角の変動に対する迅速な応答は、推力および綱の張力を突如として増大させる、突風の効果を最小化するために望まれる。さらに、ウインチ機構は、高価格であり、力を必要とし、ＦＥＧに重量を付加する。この複数綱結合構造はロールの操縦を実現するために調整可能な長さ要素が必要であろう。ロール角度変動は綱の張力の開放には必須でなく、よりゆっくりとなすことができるので、ウインチ機構は受容可能である。

この発明の好ましい実施例の先の説明は、この発明の原理を図説するために提示され、この発明を図説の具体的な実施例に現地するものではない。この発明の範囲は以下の特許請求の範囲内に包含される実施例のすべて、および均等物により定義されることが意図される。

２４Ａ、２４Ｂ、２７Ａ、２７Ｂ ブーム
２５ 機体
２６ 中央ハウジング
２２、２３、２８、２９８ ロータ
３１ 綱
３２ フレーム
４５ モータ
４６ ピッチ制御サーボモータ
５０ パネル
５４ ハウジング
６０ ロータブレード

Claims (12)

1. 機体と、少なくとも一対の第２のロータの前方にあるように上記機体に取り付けられた少なくとも一対の第１のロータと、上記前方に取り付けられた第１対のロータの後方にあるように上記機体に取り付けられた少なくとも一対の第２のロータとを有する飛翔発電機において、上記ロータの各々は、上記飛翔発電機が風に対抗しているときに、上記飛翔発電機のアタック角またはピッチ角にかかわらず各ロータが風の乱されない流れへの直接路を有するように上記機体に取り付けられることを特徴とする飛翔発電機。
2. 上記第１および第２のロータの各々は反対回転対として配置される請求項１記載の飛翔発電機。
3. 上記第１のロータの少なくとも１対が相互に近接的な離間関係であり、上記第２のロータの少なくとも１対が、上記機体の中心に関連して、上記第１の対のロータの横方向外側に配置されるように取り付けられる請求項２記載の飛翔発電機。
4. 上記機体は、少なくとも１つのハウジング、上記ハウジングから前方に伸びて外側端部を具備する第１対のブームアーム、上記第１の対のブームアームの外側端部に沿って取り付けられる１対の上記第１のロータ、上記ハウジングから横方向外側かつ後方に伸びて外側端部を具備する第２対のブームアーム、および、上記第２の対のブームアームの外側端部に沿って取り付けられる１対の上記第２のロータを含む請求項３記載の飛翔発電機。
5. 上記少なくとも１つのハウジングは、当該飛翔発電機の重心の領域を定義する中央集中型のハウジングである請求項４記載の飛翔発電機。
6. 上記第１対のブームアームは上記第２対のブームアームより長さが短い請求項５記載の飛翔発電機。
7. 上記第１のブームアームは少なくともおよそ９０°の角度で相互に離間される請求項６記載の飛翔発電機。
8. 上記第２対のブームアームの間の角度は上記第１対のブームアームの角度より大きい請求項７記載の飛翔発電機。
9. 上記機体から前方に伸びるように取り付けられる偶数個のロータと、上記機体から後方に伸びるように取り付けられる同一の偶数個のロータとを含み、中央の１対の前方反対回転のロータが、中央の１対の上記後方の反対回転のロータより接近して離間関係で取り付けられ、上記中央の１対の上記後方の反対回転のロータは上記機体の中心に関して上記中央の１対のロータの横方向の外側に位置づけられるように取り付ける請求項１記載の飛翔発電機。
10. 上記機体の前方および後方にそれぞれ伸びる第１および第２のブームアームの端部に取り付けられた個別の電気モータに駆動可能に結合される上記第１および第２のロータの各々と、上記モータの各々に電気的に結合される個別のモータコントローラと、上記第１および第２のブームアームの各々の端部に取り付けられるピッチ制御組立体とを有し、各ピッチ制御組立体は、それぞれの上記ブームアームに取り付けられるモータに対して駆動しまたは駆動される関係で連結されるロータブレード駆動シャフトに対して回転するスリーブの回りに回転するように固定されるピッチ制御リングへと結合される第１のリンクシステムを駆動するためのサーボモータと、上記スリーブおよび一対のロータブレードのピッチホーンの間に結合される第２のリンクシステムとを含む、上記第１のリンクシステムにおける変化に応答して上記ピッチ制御リングが垂直に移動すると、上記第２のリンクシステムを通じて、上記スリーブが垂直に変位して上記ロータブレードのピッチが変化する請求項９記載の飛翔発電機。
11. 上記ブームアームの各々は、筒状構造、および、上記機体の上記中央ハウジングと結合される上記ブームアームの各々の内側端部を強化するための手段として形成される請求項４記載の飛翔発電機。
12. 上記第１および第２のブームアームの端部に取り付けられた電気モータに駆動可能に結合される上記第１および第２のロータの各々と、上記モータの各々に電気的に結合される個別のモータコントローラと、上記第１および第２のブームアームの各々の端部に取り付けられるピッチ制御組立体とを有し、各ピッチ制御組立体は、それぞれの上記ブームアームに取り付けられるモータに対して駆動しまたは駆動される関係で連結されるロータブレード駆動シャフトに対して回転するスリーブの回りに回転するように固定されるピッチ制御リングへと結合される第１のリンクシステムを駆動するためのサーボモータと、上記スリーブおよび一対のロータブレードのピッチホーンの間に結合される第２のリンクシステムとを含む、上記第１のリンクシステムにおける変化に応答して上記ピッチ制御リングが垂直に移動すると、上記第２のリンクシステムを通じて、上記スリーブが垂直に変位して上記ロータブレードのピッチが変化する請求項５記載の飛翔発電機。

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