JP2019534821A - 改善されたｄｃ／ａｃ変換手段を備える、マルチロータ回転翼航空機のためのハイブリッド式推進システム - Google Patents

Abstract

マルチロータ回転翼航空機のためのハイブリッド式推進システム（３０）の重量を低減するために、ハイブリッド式推進システム（３０）は、当該ハイブリッド式推進システム（３０）に属する対応するプロペラを駆動するように意図された複数の電気モータ（４６Ａ、４６Ｂ）に並列に電力を供給するように構成された少なくとも１個のインバータ（３６）を備える。

Description

本発明は、マルチロータ回転翼航空機のためのハイブリッド式推進システム、およびこのようなハイブリッド式推進システムを製造するための方法に関する。

現時点における最新技術水準からは、
マルチロータ回転翼航空機のためのハイブリッド式推進システムであって、
内燃機関、および使用時に内燃機関が発電機を駆動させるように内燃機関に連結された発電機と、
発電機によって送達された交流を直流に変換するために発電機に接続された整流器、直流を交流に変換するための手段、および整流器を変換手段に接続している電気的ネットワークと、
使用時に変換手段が第１の電気モータに交流を供給するように変換手段に接続された電気モータと、
使用時に電気モータがプロペラを駆動するように電気モータに連結されたプロペラと、
を備える、マルチロータ回転翼航空機のためのハイブリッド式推進システムが公知である。

特に、変換手段は、電気モータに交流を供給するように電気モータにそれぞれ接続されたインバータを備える。

しかしながら、これらの推進システムは、比較的重いという欠点を有する。

特に、本発明は、この課題に対する簡便で、経済的で、効率的な解決法を提供するという目的を有する。

上記目的のために、本発明は、
回転翼航空機のためのハイブリッド式推進システムであって、
内燃機関、および使用時に内燃機関が発電機を駆動するように内燃機関に連結された発電機と、
発電機によって送達された交流を直流に変換するために発電機に接続された整流器、交流に変換するように構成された変換手段、および整流器を変換手段に接続している電気的ネットワークと、
使用時に変換手段が第１の電気モータに交流を供給するように変換手段に接続された少なくとも２個の第１の電気モータから構成される少なくとも１つの第１のグループと、
使用時に第１の電気モータがプロペラを駆動するように第１の電気モータにそれぞれ連結されたプロペラと、
を備える、回転翼航空機のためのハイブリッド式推進システムを提供する。

本発明によれば、変換手段は、第１の電気モータに並列に供給するように構成された第１のインバータを備える。

したがって、本発明の主要な原理は、回転翼航空機のハイブリッド式推進システムに属する数個の電気モータへの電力供給を、１個の同じインバータによって一体化するものである。

したがって、本発明は、公知のハイブリッド式推進システムに比べた重量の低減を、一方ではインバータの数の低減によって、さらにはＣＥＭフィルターの数および重量の低減によって、可能にする。

さらに、１個の同じインバータによる数個の電気モータへの電力供給は、これらの電気モータの同期の最適化を可能にする。これにより、ハイブリッド式推進システムの浮揚が改善されることを可能にする。

好ましくは、第１のインバータによって供給される第１の電気モータの数は、２個である。

本発明の一部の実施形態において、第１の電気モータに連結されたプロペラは、２個の同軸二重反転プロペラである。

本発明の好ましい実施形態において、ハイブリッド式推進システムは、少なくとも２個の他の電気モータから構成される少なくとも１つの他のグループ、およびそれぞれこれらの他の電気モータに連結された他のプロペラを備え、変換手段が、他の電気モータから構成される他のグループまたは他のそれぞれのグループのために、対応する他の電気モータに並列に供給するように構成された対応する別のインバータを備える。

この場合、有利なことに、第１のグループおよび他のグループまたはそれぞれの他のグループのいずれかに属するモータに関して計算された固有の特性の変動が、すべての第１の電気モータおよび他の電気モータに関して計算された前記固有の特性の変動より小さい、固有の特性を、第１の電気モータおよび他のモータは有する。

考慮される固有の特性は、好ましくは、固定子抵抗、同期インダクタンスおよびロータ磁束等の電気的または電磁気的特性である。

好ましくは、ハイブリッド式推進システムは、発電機と並列になるように電気的ネットワークに接続された、エネルギー貯蔵装置をさらに備える。

本発明は、上記方式のハイブリッド式推進システムを備える、マルチロータ回転翼航空機にも関する。

本発明は、
複数の電気モータ、プロペラ、内燃機関、発電機、整流器、電気的ネットワークおよび第１のインバータを用意するステップと、
発電機を内燃機関に連結するステップと、
整流器を発電機に接続するステップと、
電気的ネットワークによって第１のインバータを整流器に接続するステップと、
複数の電気モータの中から、少なくとも２個の第１の電気モータから構成される第１のグループを選択するステップと、
第１の電気モータを第１のインバータと並列接続するステップと、
プロペラの少なくとも一部を第１の電気モータに連結するステップと、
を少なくとも含む、上記方式のハイブリッド式推進システムを製造するための方法にさらに関する。

本発明の好ましい実施形態において、本方法は、
複数の電気モータの中から、少なくとも２個の他の電気モータから構成される少なくとも１つの他のグループを選択するステップと、
他の電気モータから構成される他のグループまたはそれぞれの他のグループのために、対応する他のインバータを用意するステップと、
他のグループまたはそれぞれの他のグループに属する他の電気モータを、対応する他のインバータと並列接続するステップと、
をさらに含む。

好ましくは、第１のグループおよび他のグループまたはそれぞれの他のグループのいずれかに属するモータに関して計算された固有の特性の変動が、すべての第１の電気モータおよび他の電気モータに関して計算された前記固有の特性の変動より小さい、固有の特性を有するように、第１の電気モータおよび他の電気モータは選択される。

添付の図面を参照しながら、非限定的な例としてなされた下記の説明を読めば、本発明はより深く理解され、本発明に関するさらなる詳細、利点および特性も明らかになる。

本発明の好ましい実施形態によるマルチロータ回転翼航空機の概略上面図である。 図１の航空機が装備する、ハイブリッド式推進システムの部分概略図である。 このシステムに属するインバータおよび２個の電気モータを特定して示している、図２のハイブリッド式推進システムの一部の概略図である。

図１は、二重反転プロペラ１２Ａ、１２Ｂ、１４Ａ、１４Ｂ、１６Ａ、１６Ｂ、１８Ａ、１８Ｂから構成される４つの組１２、１４、１６、１８を含む方式の回転翼航空機１０、例えばオクトロータ航空機を示している。

一般的に、これらのプロペラは、それぞれ電気モータ（図１には図示なし）に連結されており、したがって、これらの電気モータは、プロペラを回転駆動させる。これらの電気モータ自体は、ターボ機械等の内燃機関２２によって駆動される発電機２０によって、電気エネルギーを供給されている。発電機２０と電気モータとの接続は、電力供給の安定性および電力の管理を改善するという目的で、比較的高い電圧下において直流で運用される。下記においてよりはっきりと明らかになるように、上記目的のために、整流器は、発電機２０によって送達された交流を直流に変換することが可能であり、一方で、変換手段は、この直流を電気モータのための交流に変換することが可能である。発電機２０と直流電気モータとの接続は、発電機２０が一定の速度で動作し、この結果、変換後に安定な直流電圧を有することができるため、特に有利である。

好ましくは、エネルギー貯蔵装置２６もまた、それ自体は公知な方法を用いて、発電機２０を完全なものにすること、または発電機２０を代用することによって、電気モータに臨時に供給するために用意されている。エネルギー貯蔵装置２６は、電気化学的な方式の例であるが、静電方式（静電容量方式）または機械的な方式のものであってもよい。

この場合、上記直流接続は、このような直流接続が、一方にある発電機２０およびエネルギー貯蔵装置２６を、他方にある電気モータに接続するための簡便な方法を提供するため、さらなる利点を有する。

代替的には、エネルギー貯蔵装置２６は、直流−直流コンバータとも呼ばれるチョッパを介してシステムの残り部分に接続されていてもよく、これにより、特に、エネルギー貯蔵装置２６の適切な再充電を確実にすることが可能になり、さらには、もしもエネルギー貯蔵装置２６が故障した場合における電気系統の冗長性を確保することも可能になる。

これらの要素のすべてが、ハイブリッド式推進システム３０を形成するが、次に、ハイブリッド式推進システム３０が、図２を参照しながらさらに詳細に説明される。

したがって、ハイブリッド式推進システム３０は、内燃機関２２および発電機２０を備える。発電機２０は通常、接続のないまたは接続されたタービンのシャフト等の内燃機関２２の出力シャフト３２に連結された、ロータを含む。

発電機２０の電気出力は、発電機２０によって供給された交流ＡＣを直流ＤＣに変換するために、整流器３４の入力に接続されている。

整流器３４の出力は、電気モータへの供給のために直流ＤＣを交流ＡＣに再変換することを目的として用意された変換手段の、すなわち、第１のインバータ３６、第２のインバータ３８、第３のインバータ４０および第４のインバータ４２の各入力につながるように、電気的ネットワーク４４によって並列接続されている。

より厳密には、第１のインバータ３６は、２個の第１の電気モータ４６Ａ、４６Ｂから構成される第１のグループ４６に並列接続されており、この結果、第１のインバータ３６によって交流ＡＣを供給されている、出力を有する。

同様に、他のインバータ３８、４０、４２は、対応する２個の他の電気モータ４８Ａ、４８Ｂ、５０Ａ、５０Ｂ、５２Ａ、５２Ｂをそれぞれ含む他のグループ４８、５０、５２にそれぞれ並列接続された、それぞれの出力を有する。

したがって、ハイブリッド式推進システム３０は、２個の電気モータをそれぞれ有するいくつかのグループを含み、１つの同じグループに属するモータが、対応する１個の同じインバータによって電気エネルギーを供給されるように構成される。

各グループに属する両方の電気モータ４６Ａ〜５２Ｂはそれぞれ、対応する二重反転プロペラの組１２〜１８に属する両方のプロペラに連結されている。

１個のインバータによる電気モータへの供給は、ハイブリッド式推進システムの重量低減を可能にする。

さらに、このような構成は、これらのモータを適切に同期させることができ、この結果、これらのモータによって駆動されるプロペラを適切に同期させることができる。これにより、改善すべきハイブリッド式推進システムの浮揚を可能にし、図面に示されたシステムのような二重反転プロペラシステムの場合は特に、この浮揚を可能にする。

一方、エネルギー貯蔵装置２６もまた、インバータ３６〜４２のそれぞれに並列接続されている。

電気モータ４６Ａ〜５２Ｂは、同じ方式のものである。しかしながら、各グループに属する両方のモータの複合制御および同期を最適化するために、グループ４６〜５２のいずれかの電気モータに関して計算された少なくとも1つの固有の特性の変動が、すべての電気モータ４６Ａ〜５２Ｂに関して計算された前記固有の特性の変動より小さい、少なくとも1つの固有の特性を有するように、電気モータ４６Ａ〜５２Ｂは異なるグループ４６〜５２に区分されている。言い換えると、電気モータは、各グループにおける上記固有の特性の値の偏差を最小化するように、上記固有の特性の値に応じてまとめられている。

考慮される固有の特性は、好ましくは、固定子抵抗、同期インダクタンスおよびロータ磁束等の電気的または電磁気的特性である。

本発明の好ましい実施形態において、電気モータ４６Ａ〜５２Ｂは、多相非同期モータである。これらのモータは、誘導モータまたは可変リラクタンスモータ等の異なる方式のものであってもよい。

好ましくは、各グループに属する両方の電気モータは、各グループに含まれる電気モータの固定子始動抵抗の変動の最小化しながら、電気モータの重量および体積の低減を可能にする、マルチロータ単一固定子方式のものである。特に、これにより、１つの同じグループに属する両方の電気モータ内部の各電流を等しくすることを促すことができる。

図３は、第１のインバータ３６および第１の２個の電気モータ４６Ａ、４６Ｂから構成される例示的な構成を示している。他のインバータ３８〜４２は、同様の構成を有する。

図３に提示のように、第１のインバータ３６は、それぞれ３種の交流位相６６、６８、７０を第１の電気モータ４６Ａ、４６Ｂの両方のそれぞれに送達する３本のインバータアーム６０、６２、６４を備える、ブリッジインバータである。第１のインバータ３６はバックアップインバータアーム７２を含み、バックアップインバータアーム７２は、初期時点では動作していないが、もしも３本のアーム６０、６２、６４のうちの１本が故障した場合にその１本のアームを置きかえるために用意されている。従来、第１のインバータ３６は、インバータアーム６０、６２、６４を制御するためのモジュール７４、およびＣＥＭフィルタリングモジュール７６をさらに含む。

ハイブリッド式推進システム３０は、
電気モータ４６Ａ〜５２Ｂ、プロペラ１２Ａ〜１８Ｂ、内燃機関２２、発電機２０、整流器３４、電気的ネットワーク４４、ならびに、第１のインバータ３６、第２のインバータ３８、第３のインバータ４０および第４のインバータ４２からなる変換手段を用意するステップと、
発電機２０を内燃機関２２に連結するステップと、
整流器３４を発電機２０に接続するステップと、
電気的ネットワーク４４によってインバータ３６〜４２のそれぞれを整流器３４に接続するステップと、
グループ４６〜５２のいずれかのモータに関して計算された電気モータの少なくとも1つの固有の特性の変動が、すべての電気モータ４６Ａ〜５２Ｂに関して計算された前記固有の特性の変動より小さいように、電気モータ４６Ａ〜５２Ｂを、２個のモータから構成されるグループに区分するステップと、
各グループに属する電気モータを対応するインバータ３６〜４２に並列接続するステップと、
プロペラを電気モータ４６Ａ〜５２Ｂにそれぞれ連結するステップと、
を含む方法によって、製造されることが可能である。

上記のように、本発明の一般的な原理は、マルチロータ回転翼航空機のハイブリッド式推進システムに属する電気モータへの電力供給を、複数のインバータによって一体化するものである。

この一般的な原理は、本発明の範囲から逸脱することなく、ハイブリッド式推進システムの様々な構成に提供されることが可能である。

したがって、プロペラの数は、８個より多くても少なくてもよい。プロペラの数は、例えば、クワドロコプターと呼ばれることもあるクワッドロータ型の航空機の場合、４個であってよい。さらに、１つの同じグループに属する電気モータによって駆動されるプロペラは、同軸二重反転プロペラの構成を想定しなくてもよい。

インバータの数は変化し得るし、同様に、これらのインバータの種類も変化し得る。

さらに、１個の同じインバータによって供給される電気モータの数は、２個より多くてもよい。しかしながら、この数は、推進部材の十分な冗長性を保つために比較的少ないままであることが望ましく、このような十分な冗長性は、航空機の安全性を確保するために望ましいものである。

したがって、最も一般的な態様において、本発明によるハイブリッド式推進システムは、少なくとも１個のインバータ、および、このインバータによって供給される少なくとも２個の電気モータを含む。

Claims (10)

1. マルチロータ回転翼航空機（１０）のためのハイブリッド式推進システム（３０）であって、
   内燃機関（２２）、および使用時に内燃機関が発電機を駆動するように内燃機関に連結された発電機（２０）と、
   発電機によって送達された交流を直流に変換するために発電機に接続された整流器（３４）、直流を交流に変換するように構成された変換手段、および整流器を変換手段に接続している電気的ネットワーク（４４）と、
   使用時に変換手段が第１の電気モータに交流を供給するように変換手段に接続された少なくとも２個の第１の電気モータ（４６Ａ、４６Ｂ）から構成される少なくとも１つの第１のグループ（４６）と、
   使用時に第１の電気モータがプロペラを駆動するように第１の電気モータにそれぞれ連結されたプロペラ（１２Ａ、１２Ｂ）と、
   を備え、
   変換手段が、第１の電気モータに並列に供給するように構成された第１のインバータ（３６）を備えることを特徴とする、ハイブリッド式推進システム（３０）。
2. 第１のインバータ（３６）によって供給される第１の電気モータ（４６Ａ、４６Ｂ）の数が、２個である、請求項１に記載のハイブリッド式推進システム。
3. 第１の電気モータ（４６Ａ、４６Ｂ）に連結されたプロペラ（１２Ａ、１２Ｂ）が、２個の同軸二重反転プロペラである、請求項２に記載のハイブリッド式推進システム。
4. 少なくとも２個の他の電気モータ（４８Ａ、４８Ｂ、５０Ａ、５０Ｂ、５２Ａ、５２Ｂ）から構成される少なくとも１つの他のグループ（４８、５０、５２）、およびこれらの他の電気モータにそれぞれ連結された他のプロペラ（１４Ａ、１４Ｂ、１６Ａ、１６Ｂ、１８Ａ、１８Ｂ）を備える、請求項１から３のいずれかに記載のハイブリッド式推進システムであって、変換手段が、他の電気モータから構成される他のグループまたはそれぞれの他のグループのために、対応する他の電気モータに並列に供給するように構成された対応する別のインバータ（３８、４０、４２）を備える、ハイブリッド式推進システム。
5. 第１のグループ（４６）および他のグループまたはそれぞれの他のグループ（４８、５０、５２）のいずれかに属するモータに関して計算された固有の特性の変動が、すべての第１の電気モータおよび他の電気モータに関して計算された前記固有の特性の変動より小さい、固有の特性を、第１の電気モータ（４６Ａ、４６Ｂ）および他の電気モータ（４８Ａ、４８Ｂ、５０Ａ、５０Ｂ、５２Ａ、５２Ｂ）が有する、請求項４に記載のハイブリッド式推進システム。
6. 発電機（２０）と並列になるように電気的ネットワーク（４４）に接続された、エネルギー貯蔵装置（２６）をさらに備える、請求項１から５のいずれかに記載のハイブリッド式推進システム。
7. 請求項１から６のいずれかに記載のハイブリッド式推進システム（３０）を備える、マルチロータ回転翼航空機（１０）。
8. ハイブリッド式推進システム（３０）を製造するための方法であって、
   複数の電気モータ、プロペラ、内燃機関（２２）、発電機（２０）、整流器（３４）、電気的ネットワーク（４４）および第１のインバータ（３６）を用意するステップと、
   発電機（２０）を内燃機関（２２）に連結するステップと、
   整流器（３４）を発電機（２０）に接続するステップと、
   電気的ネットワーク（４４）によって第１のインバータ（３６）を整流器（３４）に接続するステップと、
   複数の電気モータの中から、少なくとも２個の第１の電気モータ（４６Ａ、４６Ｂ）から構成される第１のグループ（４６）を選択するステップと、
   第１の電気モータ（４６Ａ、４６Ｂ）を第１のインバータ（３６）と並列接続するステップと、
   プロペラ（１２Ａ、１２Ｂ）の少なくとも一部を第１の電気モータ（４６Ａ、４６Ｂ）に連結するステップと、
   を少なくとも含む、請求項１から６のいずれかに記載のハイブリッド式推進システム（３０）を製造するための方法。
9. 複数の電気モータの中から、少なくとも２個の他の電気モータ（４８Ａ、４８Ｂ、５０Ａ、５０Ｂ、５２Ａ、５２Ｂ）から構成される少なくとも１つの他のグループ（４８、５０、５２）を選択するステップと、
   他の電気モータから構成される他のグループまたはそれぞれの他のグループのために、対応する別のインバータ（３８、４０、４２）を用意するステップと、
   他のグループまたはそれぞれの他のグループに属する他の電気モータを、対応する他のインバータと並列接続するステップと、
   をさらに含む、請求項５に記載のハイブリッド式推進システム（３０）を製造するための請求項８に記載の方法。
10. 第１のグループ（４６）および他のグループまたはそれぞれの他のグループ（４８、５０、５２）のいずれかに属するモータに関して計算された固有の特性の変動が、すべての第１の電気モータおよび他の電気モータに関して計算された前記固有の特性の変動より小さい、固有の特性を有するように、第１の電気モータ（４６Ａ、４６Ｂ）および他の電気モータ（４８Ａ、４８Ｂ、５０Ａ、５０Ｂ、５２Ａ、５２Ｂ）が選択される、請求項９に記載の方法。

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