JP2021172335A - 航空機の電気推進のためのフォールトトレラントな電力システムアーキテクチャ - Google Patents

Abstract

【課題】航空宇宙要件の１つまたは複数に対処する航空機用の高出力電気推進システムの設計を改善する。【解決手段】フォールトトレラント設計は、システムの一部が故障したときに、システムが完全に故障するのではなく、場合によっては低減されたレベルで、その意図された動作を継続することを可能にする。ＡＣモーターのターンツーターン故障が検出されると、モーターコントローラーは、インバータ内の３つの上部スイッチまたは３つの下部スイッチを一緒に短絡させて（関連するステータ巻線を効果的に短絡させて）、故障電流をモーター巻線からモーターコントローラーに迂回させ、そこで冷却が利用可能である。また、モーターコントローラー内のまたはモーターコントローラーへの入力部の故障が検出されると、モーターコントローラーは、高電圧ＤＣバス入力部を有する上流のコンタクタを開くコマンドを発行することによってモーターへの電力を遮断する。【選択図】図２

Description

本開示は、一般に、電力変換システムに関し、特に、直流（ＤＣ）を交流（ＡＣ）に変換するための電力変換システムに関する。特に、本開示は、航空機電気推進システムにおいてＤＣ電力をＡＣ電力に変換するための方法および装置に関する。

電動推進システムを有する航空機（以下「電気航空機」）には、電力を機械的動力に変換する電気モーターが装備されている。例えば、電気モーターは、推力を提供するために航空機上の１つまたは複数のプロペラを回転させることができる。電気航空機は、様々な形態をとることができる。例えば、電気航空機は、航空機、ロータクラフト、ヘリコプタ、クワッドコプタ、無人航空ビークル、または他の適切なタイプの航空機であってもよい。電気航空機の場合、バッテリは大きく、推進のために大量の電力を供給するように設計されている。一実装形態では、バッテリは、同様に発電機源によって供給される高電圧直流（ＨＶＤＣ）バスに接続される。航空宇宙産業および本明細書で使用される場合、直流の文脈における「高電圧」という用語は、５００Ｖ_ＤＣより高い任意のＤＣ電圧を意味する。そのようなＤＣ高電圧は、典型的には、三相２３０Ｖ_ＡＣ電力の整流から得られる。

電気推進システムは、自動車産業において一般的である。電気またはハイブリッド電気自動車、バス、およびトラックなどの地上ビークル用に多くの電気推進システムアーキテクチャが開発されている。地上ビークル用のほとんどの電気推進システムアーキテクチャは、単一のモーターコントローラーによって駆動される単一の電気モーターを有するアーキテクチャなど、単純で費用効果が高い。自動車の電気推進システムは、コストのために最適化されることが多く；したがって、通常、システムに冗長性はない。さらに、ビークルが依然として地面にしっかりと位置しているため、電気推進モーターまたはモーターコントローラーの故障は安全な故障状態をもたらすので、自動車推進システムに冗長性および耐故障性は必要とされない場合がある。地上ビークルの推進力の損失は、ビークルの速度を加速または維持する能力の損失のみをもたらす。したがって、電気推進の故障および電気モーターまたはモーターコントローラーの損失は、地上ビークル用途において本質的に安全である。

地上電気ビークルアーキテクチャは、様々な理由で航空宇宙電気推進システムには適していない。これらの理由には、自動車と比較して航空機のはるかに高い電気推進電力要件、より厳しいビークル安全要件、耐故障性、ならびに高い可用性および信頼性の制約が含まれる。したがって、上述の航空宇宙要件の１つまたは複数に対処する航空機用の高出力電気推進システムの設計の改善が有益とされよう。

以下にある程度詳細に開示される主題は、航空機の電気推進のためのフォールトトレラントな電力システムアーキテクチャに関する。より具体的には、航空機電気推進システムのフォールトトレラント動作を可能にするためのシステムおよび方法が開示される。本明細書で提案されるアーキテクチャはまた、システム制御性および可用性に対する航空機および航空宇宙要件に対する高出力推進要件を満たす。

本明細書で開示されるフォールトトレラントシステムは、いくつかの構成要素の故障（またはその中の１つまたは複数の故障）の場合に動作し続ける。システムの一部が故障した場合に機能を維持する能力は、本明細書では「劣化」と呼ばれる。フォールトトレラント設計は、システムの一部が故障したときに、システムが完全に故障するのではなく、場合によっては低減されたレベルで、その意図された動作を継続することを可能にする。

本明細書で開示される航空機電気推進システムは、１つまたは複数の電気モーターに電力を供給するために、バッテリからの直流（ＤＣ）を交流（ＡＣ）に変換するモーターコントローラーを含む。モーターコントローラーは、複数組のインバータと、インバータのスイッチ状態を制御するそれぞれのコントローラーと、を含む。１つの提案された実装形態によれば、ＡＣモーターのステータ巻線のターンツーターン故障が検出された場合、その巻線に電力を供給するインバータのコントローラーは、インバータの３つの上部または３つの下部電源スイッチを一緒に短絡させて（関連するステータ巻線を効果的に短絡させて）、故障電流をモーター巻線からモーターコントローラーに迂回させ、そこで冷却が利用可能である。別の提案される実装形態によれば、モーターコントローラー内のまたはモーターコントローラーへの入力部の故障が検出されると、保護回路は、高電圧ＤＣバス入力部を有する上流のコンタクタを開くコマンドを発行することによってモーターへの電力を遮断する。

航空機電気推進システムのフォールトトレラント動作を可能にするためのシステムおよび方法の様々な実施形態が以下にある程度詳細に説明されるが、それらの実施形態のうちの１つまたは複数は、以下の態様のうちの１つまたは複数によって特徴付けられ得る。

以下に詳細に開示される主題の一態様は、航空機電気推進器のフォールトトレラント動作のための方法であって、本方法は、モーターコントローラーの第１、第２、および第３の電源スイッチからそれぞれ第１、第２、および第３の位相を有するＡＣ電力信号を受信しているＡＣモーターのステータ上の第１、第２、および第３の巻線のうちの１つにおけるターンツーターン故障を検出するステップと、ターンツーターン故障の検出に応答して、第１、第２、および第３の電源スイッチを一緒に短絡させるステップと、を含む。一実施形態によれば、方法は、モーターコントローラーを再構成して劣化モードで動作するように構成された電子推進コントローラーにターンツーターン故障を報告するステップと、報告に応答して劣化モードで動作するようにモーターコントローラーを再構成するステップと、をさらに含む。

以下に詳細に開示される主題の別の態様は、航空機電気推進器のフォールトトレラント動作のための方法であり、方法は、ＤＣバスからのＤＣ電力をＡＣモーターのＡＣ電力に変換するように構成され接続されたモーターコントローラー内のまたはモーターコントローラーの入力部の故障を検出するステップと、故障の検出に応答して、第１、第２、および第３の電源スイッチを一緒に開くステップと、を含む。一実施形態によれば、本方法は、故障の検出に応答して、ＤＣバスとモーターコントローラーとの間に配置されたコンタクタを開くステップをさらに含む。

以下に詳細に開示される主題のさらなる態様は、航空機電気推進器のフォールトトレラント動作のための方法であって、方法は、ＡＣモーターの動作、およびＤＣバスからのＤＣ電力をＡＣモーターのＡＣ電力に変換するように構成され接続されたモーターコントローラーの動作を監視するステップと、監視中の故障を検出するステップと、故障の検出に応答して、ＤＣバスとモーターコントローラーとの間に配置されたコンタクタを開くステップと、故障の故障タイプを決定するステップと、モーターコントローラーのインバータを、故障タイプに依存する安全状態モードに命令するステップと、を含む。

直前の段落に記載された方法の一実施形態によれば、故障タイプは、ＡＣモーターのステータ巻線におけるターンツーターン故障であり、安全状態モードは、モーターコントローラーの第１、第２、および第３の電源スイッチを一緒に短絡させることである。別の実施形態によれば、故障タイプは、モーターコントローラーの差動保護故障であり、安全状態モードは、モーターコントローラーの電源スイッチを開くことである。

以下に詳細に開示される主題のさらに別の態様は、ＤＣ電源と、ＤＣ電源からＤＣ電力を受け取るように接続されたＤＣバスと、ＤＣバスからＤＣ電力を受け取るように接続されたモーターコントローラーと、モーターコントローラーからＡＣ電力を受け取るように接続されたＡＣモーターと、を備えるシステムである。ＡＣモーターは、ロータと、ステータと、ステータ上の第１の角度位置にある第１の巻線と、第１の角度位置とは異なるステータ上の第２の角度位置にある第２の巻線と、第１および第２の角度位置とは異なるステータ上の第３の角度位置にある第３の巻線と、を備える。モーターコントローラーは、ＤＣバスからＤＣ電力を受け取り、第１、第２、および第３の巻線にＡＣ電力を供給するように接続されたインバータと、（ａ）システム動作中に３相のＡＣ電力が第１、第２、および第３の巻線に順次供給されるように、インバータ内の第１、第２、および第３のスイッチを制御するステップ、（ｂ）システム動作中に第１、第２、および第３の巻線のうちの１つにおけるターンツーターン故障を検出するステップ、および（ｃ）ターンツーターン故障の検出に応答して、第１、第２、および第３の電源スイッチを一緒に短絡させるステップを含む動作を実行するコントローラーと、を備える。

以下に詳細に開示される主題のさらなる態様は、ＤＣ電源と、ＤＣ電源からＤＣ電力を受け取るように接続されたＤＣバスと、ＤＣバスからＤＣ電力を受け取るように接続された電気推進ユニットと、を備える航空機である。電気推進ユニットは、ＤＣバスからＤＣ電力を受け取るように接続されたモーターコントローラーと、モーターコントローラーからＡＣ電力を受け取るように接続されたＡＣモーターと、ＡＣモーターに動作可能に結合されたＡＣモーターのロータに結合されたシャフトを有するプロペラと、を備える。ＡＣモーターは、ロータと、ステータと、ステータ上の第１の角度位置にある第１の巻線と、第１の角度位置とは異なるステータ上の第２の角度位置にある第２の巻線と、第１および第２の角度位置とは異なるステータ上の第３の角度位置にある第３の巻線と、を備える。モーターコントローラーは、ＤＣバスからＤＣ電力を受け取り、第１、第２、および第３の巻線にＡＣ電力を供給するように接続されたインバータと、（ａ）システム動作中に３相のＡＣ電力が第１、第２、および第３の巻線に順次供給されるように、インバータ内の第１、第２、および第３のスイッチを制御するステップ、（ｂ）システム動作中にモーターコントローラー内のまたはモーターコントローラーへの入力部の故障を検出するステップ、および（ｃ）故障の検出に応答して、第１、第２、および第３の電源スイッチを一緒に開くステップを含む動作を実行するコントローラーと、を備える。

航空機電気推進システムのフォールトトレラント動作を可能にするためのシステムおよび方法の他の態様を以下に開示する。

前のセクションで論じた形態、機能、および利点は、様々な実施形態において独立して達成されてもよく、またはさらに他の実施形態で組み合わされてもよい。上記およびその他の態様を説明するための図面を参照しながら、以下に様々な実施形態について説明する。

３つの並列３相インバータのインターリーブスイッチングを使用して３×３相ＡＣモーターに電力を供給するための複数のモーターコントローラーを含む航空機電気推進システムを表す図の相互接続された部分である。 ３つの並列３相インバータのインターリーブスイッチングを使用して３×３相ＡＣモーターに電力を供給するための複数のモーターコントローラーを含む航空機電気推進システムを表す別の図の相互接続された部分である。 一実施形態による単一の推進器を有する航空宇宙電気推進システムアーキテクチャを表す図である。 別の実施形態による複数の分散された推進器を有する航空宇宙電気推進システムアーキテクチャを表す図である。 一実施形態による電気推進制御アーキテクチャを表す図である。 図２に部分的に示されているような航空宇宙電気推進システムのフォールトトレラントバージョンの故障モード、電力潮流、および制御を示す図である。 劣化動作モードへのシステム遷移のための方法のステップを識別するフローチャートである。 一実施形態によるフォールトトレラントな電気モーター制御システムアーキテクチャのいくつかの構成要素を識別するブロック図である。 一実施形態による、冷却液を使用してモーターおよびモーターコントローラーから熱を除去するように構成された冷却システムのいくつかの構成要素を識別するブロック図である。

以下では、異なる図面において類似の要素には同じ参照番号が付されている図面を参照する。

航空機電気推進システムのフォールトトレラント動作を可能にするためのシステムおよび方法の例示的な実施形態を、以下にある程度詳細に説明する。ただし、実際の実装のすべての形態がこの仕様で説明されているわけではない。当業者は、そのような実施形態の開発において、システム関連およびビジネス関連の制約への遵守など、開発者の特定の目標を達成するために、実装ごとに異なり得る多数の実装特有の決定を行わなければならないことを認識されよう。さらに、このような開発努力は複雑で時間がかかるが、本開示の恩恵を受ける当業者にとって日常的な作業であることは理解されよう。

電力変換システム（以下、「電力変換システム」）の１つのタイプは、直流（ＤＣ）を交流（ＡＣ）に変換するために使用される１つまたは複数の装置のシステムである。特定のシステムでは、集中型電力変換システムを使用して、ＤＣ電源を様々なＤＣおよびＡＣ配電バスとインタフェースすることができる。例えば、航空機の発電および配電システムは、低電圧ＤＣ電源を様々なＤＣおよびＡＣ配電バスとインタフェースするために集中型電力変換システムを使用することができる。低電圧ＤＣ電源は、例えば、燃料電池、バッテリパック、ソーラーパネル、または他の何らかの種類の電源であってもよい。

電力変換システムは、例えば、高電圧ＤＣ（ＨＶＤＣ）電源を形成するために低電圧ＤＣ電源の電圧レベルを増加、すなわち昇圧するためのコンバータを含むことができる。本明細書で使用される場合、コンバータは、ＤＣ電流電源の電圧レベルを変更するために使用される電気的または電気機械的装置である。航空宇宙産業および本明細書で使用される場合、直流の文脈における「高電圧」という用語は、５００Ｖ_ＤＣより高い任意のＤＣ電圧を意味する。

次いで、コンバータによって形成された高電圧ＤＣ電流電源を電力変換システムのインバータに供給して、高電圧ＡＣ電源を形成することができる。インバータは、直流を交流に変える電力電子装置または回路である。１つの単純なインバータ回路では、ＤＣ電力は、一次巻線のセンタータップを介して変圧器に接続される。スイッチは、一次巻線の一端、次いで他端を通る２つの交互の経路をたどって電流がＤＣ電源に逆流することを可能にするために、前後に迅速に切り替えられる。変圧器の一次巻線における電流の方向の交代は、二次回路に交流電流を生成する。トランジスタおよび他のタイプの半導体スイッチをインバータ回路設計に組み込むことができる。

インバータは、単相インバータおよび三相インバータを含むがこれらに限定されない様々な形態をとることができる。三相インバータ（以下、「３相インバータ」）は、可変周波数駆動用途および／またはＡＣ電力伝送などの高出力用途に使用される。基本的な３相インバータは、３つの単相インバータからなり、その各々は、３つの負荷端子のうちの１つに接続された中心点と直列の２つのスイッチからなる。最も基本的な制御方式では、三相レッグの６つのスイッチの動作は、基本出力波形の各６０度点で１つのスイッチが動作するように調整される。これにより、６ステップを有するライン間出力波形が作成される。６ステップ波形は、上述のように３の倍数の高調波が除去されるように、方形波の正および負の部分の間にゼロ電圧ステップを有する。キャリアベースのＰＷＭ技術が６ステップ波形に適用される場合、波形の基本的な全体形状すなわちエンベロープは、第３高調波およびその倍数が相殺されるように保持される。より高い電力定格を有するインバータを構築するために、２つの６ステップ３相インバータをより高い電流定格に対して並列に、またはより高い電圧定格に対して直列に接続することができる。いずれの場合も、出力波形は位相シフトされて１２ステップ波形が得られる。追加のインバータが組み合わされる場合、３つのインバータなどを用いて１８ステップインバータが得られる。インバータは通常、電圧または電流定格を高める目的で組み合わされるが、波形の品質も改善される。

以下である程度詳細に説明するフォールトトレラントな電力システムアーキテクチャは、異なる電気推進システム構成を有する航空機に採用され得る。例示のために、本明細書で提案されるフォールトトレラント形態を組み込むように適合され得る電気モーター電力システムの一例を、特定のステータ巻線構成を有する３×３相ＡＣモーターに電力を供給するためのシステムを示す図１Ａおよび図１Ｂを参照して説明する。しかしながら、本明細書に開示された革新的なフォールトトレラント形態は、他のステータ巻線構成を有するＡＣモーターに電力を供給するためのシステムに組み込まれてもよいことを理解されたい。

図１Ａおよび図１Ｂは、ＡＣモーター２０（図１Ｂに見られる）に電力を供給するためのモーターコントローラー５０（図１Ａに見られる）を含むシステムを表す図のそれぞれの相互接続された部分である。モーターコントローラー５０は、ＤＣバス３８に並列に接続された３つのチャネルを有する。また、ＤＣバス３８には、ＤＣ電源１８（例えば、バッテリまたは他の非理想的なＤＣ電源）が接続されている。図１Ａおよび図１Ｂに部分的に示されているシステムは、プロペラ（図１Ａおよび図１Ｂには示されていない）の回転を駆動するために使用され得る。

図１Ａに見られるように、モーターコントローラー５０の３つのチャネルは、電気推進コントローラー１０（以下、「ＥＰＣ１０」）から制御信号を受信し、フィードバック信号をＥＰＣ１０に送信するように通信可能に結合されたそれぞれのコントローラー１２ａ〜１２ｃを含む。ＥＰＣ１０は、すべてのコントローラー１２ａ〜１２ｃの監督および調整の役割を果たす。ＤＣ電源１８の動作は、制御および管理システムによって制御および管理されてもよく、ＥＰＣ１０と相互作用してもよい（いずれの形態も図１Ａには示されていない）。

モーターコントローラー５０の３つのチャネルは、それぞれのＤＣ電力線４を介してＤＣバス３８からＤＣ電力信号を受信するそれぞれのフロントエンド信号調整回路１４ａ〜１４ｃ（以下、「フロントエンド回路１４ａ〜１４ｃ」）をさらに含む。フロントエンド回路１４ａ〜１４ｃは、昇圧または降圧コンバータ、フィルタネットワーク、保護回路、またはコンタクタのタイプの装置のうちの任意の１つまたは２つ以上の組み合わせを含むことができる。

モーターコントローラー５０の３つのチャネルは、それぞれのフロントエンド回路１４ａ〜１４ｃから調整されたＤＣ電力信号を受信するそれぞれの３つの３相インバータ１６ａ〜１６ｃ（以下「インバータ１６ａ〜１６ｃ」）をさらに含む。フロントエンド回路１４ａ〜１４ｃおよびインバータ１６ａ〜１６ｃは、３×３相ＡＣモーター２０に並列に接続される。インバータ１６ａ〜１６ｃの動作は、コントローラー１２ａ〜１２ｃによってそれぞれ制御され、コントローラー１２ａ〜１２ｃは、スイッチ信号線７を介してインバータ１６ａ〜１６ｃにスイッチ制御信号を送信し、インバータ１６ａ〜１６ｃからスイッチ状態信号を受信する。

１つの提案される実装形態によれば、インバータ１６ａ〜１６ｃの各々は、スイッチシステムと、インダクタのセットと、コンデンサのセットと、電磁干渉フィルタと、を含む。スイッチシステムは、インバータのタイプに応じて、異なる数のスイッチ（以下、「電源スイッチ」）を含むことができる。電源スイッチの各々は、例えば、限定はしないが、バイポーラトランジスタ装置、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）装置、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ装置、または他の何らかの種類の半導体装置もしくはスイッチング装置を使用して実装されてもよい。

図１Ａおよび図１Ｂに示す実施形態では、コントローラー１２ａ〜１２ｃは、インバータ１６ａ〜１６ｃ内のスイッチングがインターリーブされるように、インバータ１６ａ〜１６ｃの動作（スイッチング）をそれぞれ制御する。インバータ１６ａ〜１６ｃは、１２０度異なるそれぞれの位相角を有する３つのＡＣ電力信号のそれぞれのセットを出力し、これらのＡＣ電力信号のセットは、４０度異なる位相角を有する。その結果、それぞれの位相角が４０度異なる９つのＡＣ電力信号が生成される。例えば、インバータ１６ａは、０度、１２０度および２４０度のそれぞれの位相角を有するＡＣ電力信号を生成することができ、インバータ１６ｂは、４０度、１６０度および２８０度のそれぞれの位相角を有するＡＣ電力信号を生成し、インバータ１６ｃは、８０度、２００度および３２０度のそれぞれの位相角を有するＡＣ電力信号を生成する。本明細書で使用される「インターリーブ」という修飾語は、インバータ１６ａ〜１６ｃが交互のシーケンスで切り替えられて、以下のシーケンス：１Ａ→２Ａ→３Ａ→１Ｂ→２Ｂ→３Ｂ→１Ｃ→２Ｃ→３Ｃ（ここで、数字１、２、および３はそれぞれ、３つのインバータ１６ａ〜１６ｃを示し、文字Ａ、Ｂ、およびＣはそれぞれ、指定されたインバータのそれぞれの相を示す）でインターリーブされたＡＣ電力信号を生成するという事実を指す。

図１Ｂに示す例では、ＡＣモーター２０は３×３相ＡＣモーターである。図１Ｂに見られるように、ＡＣモーター２０は、ＡＣ電力線６を介してインバータ１６ａ〜１６ｃからＡＣ電力を受け取る。ＡＣモーター２０は、シャフト３２に取り付けられたロータ３０と、エアギャップ２８によってロータ３０から分離されたステータ３６と、を含む。ステータは、外径２４および内径２６を有する。ステータ３６は、多数の巻線２２を有する。より具体的には、巻線２２は、ステータ３６上のそれぞれの角度位置に配置された３つの巻線群２１Ａ〜２１Ｃを含む。ロータ３０は、多数の巻線（図示せず）、または永久磁石アレイを有し、この巻線または永久磁石アレイは、ステータ巻線によって生成された磁場と相互作用して、シャフト３２を回転させる力を生成する。ＡＣモーター２０は、ロータ３０の回転速度および位置を検出し、速度および位置信号４０をコントローラー１２ａ〜１２ｃに送信する速度および位置センサ３４をさらに含む。

より具体的には、巻線群２１Ａ〜２１Ｃの各々は、それぞれのインバータ１６ａ〜１６ｃから異なる位相を有するそれぞれのＡＣ電力信号を受け取る第１、第２、および第３の巻線を含む。図１Ａおよび図１Ｂに見られるように、インバータ１６ａは、ＡＣ電力線６の第１のサブセットを介して巻線群２１Ａの各巻線２２にそれぞれ供給される３相ＡＣ電力信号１Ａ、１Ｂ、および１Ｃを出力し；インバータ１６ｂは、ＡＣ電力線６の第２のサブセットを介して巻線群２１Ｂの各巻線２２にそれぞれ供給される３相ＡＣ電力信号２Ａ、２Ｂ、および２Ｃを出力し；インバータ１６ｃは、ＡＣ電力線６の第３のサブセットを介して巻線群２１Ｃの各巻線２２にそれぞれ供給される３相ＡＣ電力信号３Ａ、３Ｂ、および３Ｃを出力する。

再び図１Ａを参照すると、モーターコントローラー５０は、インバータ１６ａ〜１６ｃによってそれぞれ出力される３相ＡＣ電力信号１Ａ〜１Ｃ、２Ａ〜２Ｃ、および３Ａ〜３Ｃの電圧および電流を測定する複数対のセンサ５をさらに含む。一対のセンサ５は、ＡＣ電力信号の電圧を測定するための電圧センサと、ＡＣ電力信号の電圧を測定するための電流センサと、を含む。典型的な電圧センサは、ホール効果センサ、抵抗または容量分圧器、電子センサなどを含むことができ；典型的な電流センサは、ホール効果センサ、変圧器タイプ、抵抗器電流センサ、電子センサなどを含む。インバータ１６ａによって出力されたＡＣ電力信号の測定された電圧および電流を表す３相電圧および電流信号は、コントローラー１２ａにフィードバックされ；インバータ１６ｂによって出力されたＡＣ電力信号の測定された電圧および電流を表す３相電圧および電流信号は、コントローラー１２ｂにフィードバックされ；インバータ１６ｃによって出力されたＡＣ電力信号の測定された電圧および電流を表す３相電圧および電流信号は、コントローラー１２ｃにフィードバックされる。したがって、コントローラー１２ａ〜１２ｃの各々のフィードバック信号は、３つの電圧および３つの電流からなる。コントローラー１２ａ〜１２ｃは、電流リップルを低減するインターリーブスイッチング方式に従ってインバータ１６ａ〜１６ｃ内のスイッチングを制御するように構成される。

図１Ａおよび図１Ｂは、ステータ巻線がどのように制御システムと相互作用してインターリーブ動作を実施するかを示している。しかしながら、本明細書で開示される技術は、特定のステータ巻線設計での使用を意図するものではない。モーター巻線の各々は、ステータ上に適切に割り当てられ、配向され、分散されたｎ対の巻線を表すことができ、ｎ≧１である。モーターステータ巻線を、集中または分散させることができる。慣例として、３相ステータ巻線の各対はＹ結線されている。

図１Ｂに示すＡＣモーター２０の例は、事実上、９相ＡＣモーター（同じ振幅を有し、４０度ずつ順次にシフトされる９つのＡＣ相）である。第１の群の巻線２１Ａは、典型的な単一の３相ＡＣモーターと同様に、１２０度で連続的に分離された、変調されたＡＣ電力信号１Ａ、１Ｂ、および１Ｃを受信する。本明細書に開示された方法に分散された巻線を適用することができるが、図１Ｂは、便宜上、集中した巻線のみを示していることに留意されたい。第２の群の巻線２１Ｂは、変調されたＡＣ電力信号２Ａ、２Ｂ、および２Ｃを受信し；第３の群の巻線２１Ｃは、同様に変調されたＡＣ電力信号３Ａ、３Ｂ、および３Ｃを受信する。巻線群２１Ａ〜２１Ｃのいずれか１つの巻線には、物理的な位相シフト（角度位置の差）がない。

コントローラー１２ａ〜１２ｃは、ハードウェアを使用して、またはソフトウェアと組み合わせてハードウェアを使用して実装されてもよい。例えば、コントローラー１２ａ〜１２ｃは、構成可能なハードウェア、プログラマブル装置、またはその両方を使用して実装されてもよい。構成可能なハードウェアは、コントローラーの１つまたは複数の機能を実行するように構成可能なハードウェアを備えることができる。プログラマブル装置は、コントローラーの１つまたは複数の機能を実施するようにプログラム可能な任意の装置を備えることができる。例えば、限定されないが、プログラマブル装置は、プログラマブルマイクロコントローラーまたはデジタル信号プロセッサを備えることができる。プログラマブル装置は、コントローラーの１つまたは複数の機能を実施するためにプログラム命令の形態でソフトウェアまたはファームウェアを実行するように構成されてもよい。プログラム命令は、プログラマブル装置による使用またはプログラマブル装置への転送のために、任意の適切な非一時的な有形のコンピューター読み取り可能な記憶媒体に格納されてもよい。

航空機の電気推進のために、本開示は、冗長フォールトトレラント巻線（例えば、図２を参照）または複数のモーターコントローラーおよび複数のモーターおよび推進器（例えば、図３を参照）で設計された電気モーターを備えた単一の推進器を使用するアーキテクチャを提案する。後者の場合、システムの可用性を向上させるために複数のバッテリ源を使用することもできる。

図２は、一実施形態による単一の推進器１５を有する航空宇宙電気推進システムアーキテクチャを表す図である。図２に部分的に示されている推進器１５は、モーターコントローラー５０と、モーターコントローラー５０によって制御されるＡＣモーター２０と、ＡＣモーター２０によって回転するように駆動されるプロペラ４６と、を含む。プロペラ４６は、ＡＣモーター２０に機械的に結合されたプロペラシャフト４４と、複数のプロペラブレード４５と、を備える。モーターコントローラー５０は、ＡＣモーター２０（例えば、図１Ｂに示すタイプのＡＣモーター）内のステータ巻線のそれぞれのセットにＡＣ電流を供給するための３つのチャネルを有する。モーターコントローラー５０のチャネルのうちの１つは、故障の場合に無効にされることができ、他のチャネルは動作し続ける。そのような構成は、本明細書では電気推進システムの動作の劣化モードと呼ばれる。以下でより詳細に説明するように、モーターコントローラー５０の各チャネルは、それぞれのコントローラー（コントローラー１２ａ〜１２ｃを参照）と、それぞれのコントローラーによって状態が制御される電源スイッチを有するそれぞれのインバータ（インバータ１６ａ〜１６ｃを参照）と、を備える。

図２に示す実施形態では、ＤＣ電源はバッテリストリング１８ａである。バッテリストリング１８ａは、バッテリコンタクタ９ｈおよびＤＣ電力線４を介してＤＣバス３８に接続される。モーターコントローラー５０の３つのチャネルは、それぞれのモーターコントローラーコンタクタ９ａ〜９ｃおよびそれぞれのＤＣ電力線４を介してＤＣバス３８に接続される。モーターコントローラー５０は、バッテリストリング１８ａが出力するＤＣ電力をＡＣモーター２０のＡＣ電力に変換する。より具体的には、インバータ１６ａ〜１６ｃからの多相ＡＣ電流は、ＡＣモーター２０のそれぞれの巻線２２を通って流れる。

バッテリストリングまたはバンクは、直列に接続された複数のセル／バッテリで構成され、必要とされる使用可能な電圧／電位を有するバッテリまたはバッテリストリングを生成する。バッテリストリング１８ａの動作は、バッテリ管理システム４８（図２のＢＭＳ４８）によって管理される。複数の並列バッテリストリングは、パック内部故障の場合に冗長性を提供することができる。バッテリ管理システム４８は、バッテリストリングの冗長保護、フェイルセーフ動作、および選択的シャットダウンを保証するように構成されてもよい。バッテリ管理システム４８は、バッテリの過充電保護を提供するように、またはバッテリの熱暴走につながる可能性がある他のイベントもしくはイベントの組み合わせを未然に防ぐようにさらに構成されてもよい。

図２に部分的に示す実施形態では、モーターコントローラー５０は、ＤＣバス３８からＤＣ電力信号を受信する３つのインバータ１６ａ〜１６ｃを含む。インバータ１６ａ〜１６ｃは、ＡＣモーター２０の巻線２２に並列に接続される。インバータ１６ａ〜１６ｃの動作は、コントローラー１２ａ〜１２ｃによってそれぞれ制御され、コントローラー１２ａ〜１２ｃは、スイッチ信号線を介してインバータ１６ａ〜１６ｃにスイッチ制御信号を送信し、インバータ１６ａ〜１６ｃからスイッチ状態信号を受信する。インバータ１６ａ〜１６ｃは、ＤＣバス３８からのＤＣ電力をＡＣモーター２０用の多相ＡＣ電力に変換する。

３つのインバータ１６ａ〜１６ｃは、それぞれのモーターコントローラーコンタクタ９ａ〜９ｃを介してＤＣバス３８からＤＣ電力信号を受信する。同様に、ＤＣバス３８は、バッテリコンタクタ９ｈを介してバッテリストリング１８ａからＤＣ電力信号を受信する。コンタクタは、電力回路を切り替えるために使用される電気的に制御されるスイッチである。コンタクタは、高電流負荷装置に直接接続されるように設計される。モーターコントローラーコンタクタ９ａ〜９ｃおよびバッテリコンタクタ９ｈのスイッチング状態は、スイッチング回路よりも低い電力レベルを有するそれぞれの回路（図２には図示せず）によって制御される。

図２に見られるように、電気推進システムは、推力制御レバー５６およびピッチ制御レバー５７からパイロット推力およびピッチ入力を受け取るＥＰＣ１０をさらに含む。（制御レバーは「インセプタ」とも呼ばれる。）ＥＰＣ１０は、センサからの情報およびパイロット入力に基づいてコントローラー１２ａ〜１２ｃの動作を監督および調整する。ＥＰＣ１０ａおよび１０ｂはまた、バッテリ管理システム４８とインタフェースする。ＥＰＣ１０は、デジタルトルク制御信号をモーターコントローラー５０に送り、アナログピッチ制御信号をガバナ４２に送る。ガバナ４２は、プロペラブレードピッチを変化させることによってプロペラｒｐｍを一定に保つように構成された定速プロペラガバナであってもよい。油圧ガバナは、油圧バルブ５４を使用してプロペラ４６内の油圧機構を通るエンジンオイルの流れを制御することによってこれを達成する。

ＥＰＣ１０は、２つのチャネルＡおよびＢを有する。コントローラー１２ａ〜１２ｃは、チャネルＡまたはチャネルＢのいずれかから制御信号を受信し、フィードバック信号をＥＰＣ１０に送り返すように通信可能に結合される。より具体的には、ＥＰＣ１０のチャネルＡおよびチャネルＢは、可用性を向上させるためにいくつかの信号について冗長であってもよいが、各チャネルを介して異なるまたは固有の信号を送信してもよい。各チャネルの信号インタフェースの正確なレイアウトは、添付の特許請求の範囲に記載された革新的な形態にとって重要ではない。レイアウトは異なって行われ、多くの要因に依存し得る。一般に、チャネルＡおよびチャネルＢは完全に冗長である必要はなく、すなわち、まったく同じ信号を搬送する必要はない。それらは異なる信号を搬送することができるが、任意選択的に冗長性のために使用することもできる。例えば、速度Ａを表す１つの信号は、図１Ｂに示すモーター速度および位置センサ３４から利用可能であり、図２に示す特定の例では、速度Ｂを表す別の信号は、プロペラ速度センサ３５から利用可能である。可用性を向上させるために、１つのチャネルを介して速度Ａを読み取り、別のチャネルを介して速度Ｂを読み取ることが可能である。しかし、アナログピッチ制御信号のようないくつかの他の信号は、チャネルＢからではなくチャネルＡのみを介して送信され得る。同様に、ガバナ４２の油圧バルブ５４を制御するための信号は、一方のチャネルを介して送信され得るが、他方のチャネルを介して送信され得ない。どの信号が冗長である必要があり、どの信号が冗長である必要がないかの正確な選択は、航空機レベルのアーキテクチャ（例えば、単一または複数のエンジン）および各信号の重要度に依存する。これらの詳細は、本明細書に開示される革新的なフォールトトレラント技術を理解するために必要ではない。

図３は、別の実施形態による複数の分散された推進器１５ａおよび１５ｂを有する航空宇宙電気推進システムアーキテクチャを表す図である。推進器１５ａおよび１５ｂの各々は、図２を参照して上述した推進器１５と構造および機能が同一であってもよい。

推進器１５ａは、第１のバッテリストリング１８ａと、バッテリコンタクタ９ｈおよびＤＣ電力線４を介して第１のバッテリストリング１８ａに電気的に結合された第１のＤＣバス３８ａと、モーターコントローラーコンタクタ９ａ〜９ｃおよびＤＣ電力線４を介して第１のＤＣバス３８ａに電気的に並列に結合された３つのチャネルを有する第１のモーターコントローラー５０ａと、第１のモーターコントローラー５０ａに電気的に結合された第１のＡＣモーター２０ａと、第１のＡＣモーター２０ａに機械的に結合された第１のプロペラシャフト４４ａを有する第１のプロペラ４６ａと、を含む。モーターコントローラー５０ａは、ＤＣバス３８からＤＣ電力信号を受信する３つのインバータ１６ａ〜１６ｃを含む。インバータ１６ａ〜１６ｃは、ＡＣモーター２０ａの巻線２２に並列に接続される。インバータ１６ａ〜１６ｃの動作は、コントローラー１２ａ〜１２ｃによって制御される。インバータ１６ａ〜１６ｃは、ＤＣバス３８ａからのＤＣ電力をＡＣモーター２０ａ用の多相ＡＣ電力に変換する。推進器１５ａは、センサおよびパイロット入力からの情報に基づいてコントローラー１２ａ〜１２ｃの動作を監督および調整するＥＰＣ１０ａをさらに含む。また、ＥＰＣ１０ａは、バッテリ管理システム４８ａとインタフェースする。

同様に、推進器１５ｂは、第２のバッテリストリング１８ｂと、バッテリコンタクタ９ｉおよびＤＣ電力線４を介して第２のバッテリストリング１８ｂに電気的に結合された第２のＤＣバス３８ｂと、モーターコントローラーコンタクタ９ｄ〜９ｆおよびＤＣ電力線４を介して第２のＤＣバス３８ｂに電気的に並列に結合された３つのチャネルを有する第２のモーターコントローラー５０ｂと、第２のモーターコントローラー５０ｂに電気的に結合された第２のＡＣモーター２０ｂと、第２のＡＣモーター２０ｂに機械的に結合された第２のプロペラシャフト４４ｂを有する第２のプロペラ４６ｂと、を含む。モーターコントローラー５０ｂは、ＤＣバス３８ｂからＤＣ電力信号を受け取る３つのインバータ１６ｄ〜１６ｆを含む。インバータ１６ｄ〜１６ｆは、ＡＣモーター２０ｂの巻線２２に並列に接続される。インバータ１６ｄ〜１６ｆの動作は、コントローラー１２ｄ〜１２ｆによって制御される。インバータ１６ｄ〜１６ｆは、ＤＣバス３８ｂからのＤＣ電力をＡＣモーター２０ｂ用の多相ＡＣ電力に変換する。推進器１５ｂは、センサおよびパイロット入力からの情報に基づいてコントローラー１２ｄ〜１２ｆの動作を監督および調整するＥＰＣ１０ｂをさらに含む。ＥＰＣ１０ｂはまた、バッテリ管理システム４８ｂとインタフェースする。

第１および第２のＤＣバス３８ａおよび３８ｂは、モーターコントローラー５０ａをバッテリストリング１８ｂに電気的に結合するために、またはバッテリストリングの一方が故障した場合にモーターコントローラー５０ｂをバッテリストリング１８ａに電気的に結合するために開くことができるバスコンタクタ９ｇによって電気的に結合される。

図２および図３に示すアーキテクチャによれば、システム制御は電気推進コントローラー（ＥＰＣ）によって実行される。図２を参照すると、ＥＰＣ１０は、推力およびピッチ制御レバー５６および５７を介してパイロットからの入力を受け入れる。最適な推進システムの動作のために、プロペラ速度は、推力およびピッチコマンドにかかわらず一定に維持される必要がある。ＥＰＣ１０は、速度センサ３５からプロペラ速度を示すセンサデータを受信し、測定された速度を基準速度信号と比較し、モーターコントローラー５０に送信されるトルクコマンドを生成する。

図２および図３で提案された電気推進システムアーキテクチャの他の利点は、複数のモーターコントローラーをインターリーブ方式で動作させる能力を含み、したがって、システムの電力品質が改善され、バッテリ電流リップルが低減される。電流リップルが低減されると、バッテリストリング１８の寿命が延び、電磁干渉（ＥＭＩ）が低減され、それにより、より軽量のＥＭＩフィルタを使用するために重量が低減されたシステムの設計が可能になる。

図４は、一実施形態による電気推進制御アーキテクチャを表す図である。ＥＰＣ１０と通信する１つのコントローラー１２のみが示されている。しかしながら、図３に見られるコントローラー１２ａ〜１２ｆの各々は、図４に見られるコントローラー１２と同一であってもよいことを理解されたい。トルクコマンドは、コントローラーエリアネットワーク（ＣＡＮ）バスまたは同等の通信データバスを介してＥＰＣ１０からコントローラー１２に送信される。検知された速度信号は冗長であり、コントローラー１２（データバス通信を介して）および独立した速度センサから利用可能である。ＥＰＣ１０はまた、システムの可用性を満たすために冗長であってもよい。

図４はまた、提案された一実装形態による、コントローラー１２の内部に存在する様々なモーター制御機能を示している。これらのモーター制御機能は、弱め界磁を有する磁場配向制御機能７８を含む。電界指向制御は、３相ＡＣモーターのトルクを高精度および高帯域幅で制御するための強力な制御戦略である。これは、ハードウェアまたはソフトウェアのいずれかで実装され得る。このモーター制御機能は、ロータ位置に関する情報を必要とする。この情報を、位置センサ（例えばレゾルバ）を用いて得ることができる。しかし、センサレスモーター制御を変形例として採用することもできる。センサレス制御は、ロータ位置検知のためにセンサに依存する代わりに、モーターコントローラーの内部の数学的モデルまたは「オブザーバ」を使用して、モーター電流および電圧からロータ位置を導出する場合である。

コントローラー１２の内部の別の重要な機能は、パルス幅変調（ＰＷＭ）生成８０である。このモーター制御機能は、最適な機械的トルク出力を達成するためにＡＣモーターに供給される必要がある基準電流および電圧を生成する。これらの基準信号は、コントローラー１２によって制御されるインバータ内の電源スイッチのゲートドライバに送信されるコマンドを生成するＰＷＭ生成機能を使用して変調される。

最後に、コントローラー１２の内部に第３の独立したチャネル保護機能８２がある。保護機能は、電圧、電流、速度、およびロータ位置を検知し、それらの信号をフィルタリングして測定ノイズを除去し、アナログ回路を介してそれらの信号を処理して所定の保護閾値と比較し、閾値のうちの１つまたは複数を超えた場合に電源スイッチの状態に関する動作をモーターコントローラーに命令する独立したハードウェア回路からなる。動作は、モーターコントローラー「トリップ」であってもよく、これは、チャネル内のすべての電源スイッチを開くことを意味する。別の動作は、インバータ内の３つの下部電源スイッチまたは３つの上部電源スイッチを短絡させることであってもよく、これはＡＣモーター２０を短絡させることに相当する。

図４はまた、ＥＰＣ１０の内部に存在する機能のいくつかの詳細を示している。図２に示されるＥＰＣ１０および図３に示されるＥＰＣ１０ａおよび１０ｂは、同一の機能を有し得る。ＥＰＣ１０の主な機能は、プロペラの速度制御機能７２を実行することである。ＥＰＣ１０は、独立したセンサから回転速度データを受信し、コントローラー１２のためのトルク基準を生成する。ＥＰＣ１０の内部には様々なトルクリミッタ７４がある。トルクリミッタ７４は、コントローラー１２に送られる実際のトルクコマンドがＡＣモーター２０およびモーターコントローラー５０の出力、トルク、および速度定格を超えないように、生成されたトルク基準を制限する。例えば、トルクリミッタ７４の一方の機能は、プロペラ速度が既に公称値にあるが、何らかの理由でＥＰＣ１０によって誤った大きなトルクコマンドが発せられた場合、トルクリミッタがトルクを制限するか、場合によってはモーターの過速度を回避するためにトルクをゼロに設定することである。設計速度を超えないことが重要である。トルクリミッタ７４および速度コントローラー７２（トルク基準を生成する）は、独立して実装される。

最後に、ＥＰＣ１０内のシステム調整機能７６は、電気推進システム内の全体的な調整を提供する。システム調整機能７６は、様々な条件に応答するための論理およびイベントシーケンスを含む。例えば、この論理は、パイロットが「エンジン始動」ボタンを押したときに一連のイベントを調整する。この場合、バッテリコンタクタ９ｈが閉じ（図２参照）、モーターコントローラー５０およびＡＣモーター２０のための液体冷却システムが作動を開始し、ガバナ４２のための油圧ポンプが作動を開始し、制御電力（２８Ｖ_ＤＣ）がモーターコントローラー５０に印加され、すべてのセンサに電力が供給され、それらの読み取り値がパイロットのコンピューターに表示され、モーターコントローラー５０は、ＡＣモーター２０に最小量のトルクを加えて、ロータ３０（図１Ｂ参照）がアイドル状態でスピンを開始し、システムが、パイロットが推力制御レバー５６（図２参照）を前進させるときの次のステップであるパイロットの「推力」コマンドに応答する準備ができるようにする。

システム調整機能７６の別の例は、モーターコントローラー５０に故障があるときである。故障の検出に続いて、システム調整機能７６は、システムレベルで実行されるすべてのステップを決定する。これは故障のタイプに依存する。例えば、一方のコントローラー１２が過電流故障の発生時にトリップすると、コントローラー１２は、そのイベントを識別する情報をＥＰＣ１０に通信する（図４の矢印８４によって示される）。ＥＰＣ１０はまた、イベントの他のシーケンスを決定する。例えば、ＥＰＣ１０は、バッテリコンタクタ９ｈを開くように命令することによって、モーターコントローラー５０をバッテリから切断することもできる。ＥＰＣ１０はまた、ＡＣモーター２０およびモーターコントローラー５０への最大利用可能電力を再計算する。モーターコントローラー５０の一方のチャネルがトリップしたため、ＡＣモーター２０の一方の「星」はアクティブではない。したがって、電気推進システムに利用可能な電力が低減される。ＥＰＣ１０は、トルクリミッタ設定を再計算し、この特定の故障に対してプロペラが「フェザリング」される必要があるか否かを決定する。プロペラを「フェザリング」する必要がある場合、ＥＰＣ１０はガバナ４２に、油圧システム内の油圧バルブ５４（図２参照）を閉じることによってそれを行うように命令する。

推進用の電気モーターは、永久磁石モーターであってもよい。永久磁石モーターは、高出力密度、高効率、および低重量という利点を有する。電気航空機の低重量を維持することが重要である。したがって、高出力密度構成要素がシステムで使用される。しかしながら、永久磁石モーターは、特別な手順および慎重に設計された故障分離を必要とする特定の望ましくない故障モードを有する。故障中の永久磁石モーターの１つの欠点は、界磁励起がモーターの一部として常に存在する永久磁石によって生成されるため、モーター磁気励起を除去することができないことである。例えば、モーター巻線にターンツーターン短絡がある場合、モーターコントローラーをオフにすることによってモーターから電力を除去するだけでは不十分である。モーターは依然として回転しており、磁石の回転に起因して界磁励起が依然として存在するため、短絡を伴うモーター巻線に電流が依然として生成され、故障を供給し続ける。本明細書で提案されるフォールトトレラントシステムは、故障検出に応答して特別な動作を行うことによって前述の困難を克服する。

図５は、図２に部分的に示されているシステムなどの航空宇宙電気推進システムのフォールトトレラントバージョンの故障モード、電力潮流、および制御を示す図である。図５で識別されるコントローラー１２ａ〜１２ｃは、図４で識別される上述のチャネル保護機能８２を含むことができる。さらに、図５は、モーターコントローラー５０の各チャネルがそれぞれの独立した保護回路１１ａ〜１１ｃを含むシステムを示している。チャネル保護機能８４はソフトウェアベースであり；保護回路１１ａ〜１１ｃはハードウェアベースである。ソフトウェアベースの保護は、ハードウェアベースの保護よりも遅く、下限を有する。ハードウェアベースの保護は、より高い制限でのより高速な保護である。保護回路１１ａ〜１１ｃは、典型的にはアナログ回路によって実現される。保護回路１１ａ〜１１ｃによって提供されるハードウェアベースの保護は、コントローラー１２ａ〜１２ｃによって提供されるソフトウェアベースの保護から独立している。保護回路１１ａ〜１１ｃは、コントローラー１２ａ〜１２ｃに実装されたソフトウェア制御をバイパスし、故障検出に応答してソフトウェアベースの保護とは無関係に電源スイッチ５８ａ〜５８ｃをそれぞれ開閉するコマンドを発行することができる。電源スイッチ５８ａ〜５８ｃは、図２に示すインバータ１６ａ〜１６ｃにそれぞれ組み込まれているが、図５では、図面の煩雑さを避けるためにインバータは示されていない。

図５に示す実施形態では、コントローラー１２ａおよび保護回路１１ａの両方が、電源スイッチ５８ａを独立して開閉すること、またはバスコンタクタ９ａを開放することができる。同様に、コントローラー１２ｂおよび保護回路１１ｂの両方が、電源スイッチ５８ｂを独立して開閉すること、またはバスコンタクタ９ｂを開放することができる。同様に、コントローラー１２ｃおよび保護回路１１ｃは両方とも、電源スイッチ５８ｃを独立して開閉すること、またはバスコンタクタ９ｃを開放することができる。より具体的には、ソフトウェアベースおよびハードウェアベースの保護技術の両方が、電源スイッチのゲートドライバに低電力入力を送信する。ハードウェアベースの保護は、ソフトウェアベースの保護とは無関係にそれらの信号を直接送信する。

図５はまた、それぞれの故障１３ａおよび１３ｂが発生し得るそれぞれの箇所を示している。故障１３ａは、バスコンタクタ９ａを通って、バスコンタクタ９ａに接続されたＤＣ電力線４に流れる電流を検知する電流センサ５ａによって提供される電流情報に部分的に基づいて検出される差動保護（ＤＰ）故障（以下、「ＤＰ故障」）であってもよい。故障１３ｂは、ＡＣモーター２０の巻線２２のターンツーターン故障（以下、ターンツーターン故障１３ｂ）であってもよく、このターンツーターン故障１３ｂは、巻線２２を電源スイッチ５８ａに接続するＡＣ電力線６を流れる電流を検知する電流センサによって検出される。

差動保護（ＤＰ）は、指定されたゾーンまたは機器のピースのためのユニットタイプの保護である。これは、ゾーンの内部故障が発生した場合にのみ、差動電流（入力電流と出力電流との差）が高くなるという事実に基づいている。内部巻線のターンツーターン故障は、通常、内部巻線の絶縁故障に起因する。結果として生じる巻線の数ターンの短絡は、短絡ループに大きな故障電流を生成し、巻線の残りの部分に比較的低い電流を伴う。

ターンツーターン故障１３ｂがＡＣモーター２０に発生したときの図５に示すシステムのフォールトトレラント動作の場合、システムは以下の動作を行う。ＡＣモーター２０のターンツーターン故障１３ｂが検出されると、保護回路１１ａまたはコントローラー１２ａは、３つの下部電源スイッチまたは３つの上部電源スイッチを一緒に短絡させる。図５に示す例示的なシナリオでは、３つの下部電源スイッチが一緒に短絡されている。これにより、影響を受ける巻線２２の３相すべてにわたって短絡が効果的に生じる。この動作は、巻線２２からモーターコントローラー５０に故障電流を迂回させるために行われる。これにより、巻線２２における局所的な加熱のリスクが排除され、モーターコントローラー５０に短絡電流がリダイレクトされ、そこで冷却が利用可能である。モーターコントローラー５０は、モーター短絡電流を連続的に流し続けることができるように設計される。ＡＣモーター２０はまた、巻線の巻数を選択的に設計し、モーターインダクタンスを制御することによって、非常に高い短絡電流を生成しないように設計される。ＡＣモーター２０の短絡電流は、ＡＣモーター２０の公称（通常）動作電流とほぼ同じである。このようにして、ＡＣモーター２０およびモーターコントローラー５０は、短絡状態で無期限に動作することができる。故障のない他のモーター巻線およびモーターコントローラーは、依然として公称容量で動作することができる。

ＡＣモーター２０（図１Ｂ参照）は、高インピーダンス（または高インダクタンス）または低インピーダンス（低インダクタンス）を有するように設計され得る。低インピーダンスモーターはより高い故障電流を生成し、高インピーダンスモーターは低い故障電流を生成する。モーターの短絡故障電流がモーター公称動作電流と同じになるようにモーターを設計することが可能である。モーターがこのように設計される場合、モーターコントローラー電源スイッチ５８ａおよびＡＣモーター２０は、短絡故障電流を無期限に処理することができる。モーターステータ３６の巻数が多いほど、インダクタンスが高くなり、インピーダンスが高くなる。しかしながら、より多くの巻数は、ＡＣモーター２０においてより多くの損失を生じさせ、より低い効率をもたらす。また、モーターはますます大きく重くなる。モーターのインピーダンスまたはインダクタンスは、ロータ３０とステータ３６との間のエアギャップ２８にも依存する。エアギャップが小さいほどインピーダンスが低くなり（故障電流が高くなり）、エアギャップが大きいほどインピーダンスが高くなる（故障電流が低くなる）。しかしながら、エアギャップが大きいと、磁束の漏れが大きくなるため、磁石の効率が低下し、このため、同じ出力を得るためにはより多くの磁石を使用する必要がある。これは、より大きなモーター損失、より低い効率、およびより高いモーター重量をもたらす。これが、一般に、低インピーダンスのモーターがより効率的であり、より低い重量およびより低い損失を有するが、より高い故障電流を有する理由である。高インピーダンスモーターは、効率が悪く、物理的に大きく（直径が大きく）、損失が大きく、重量が大きいが、故障電流が少ない。任意のモーター設計を達成するために、モーターステータ３６およびエアギャップ２８における巻数を制御することが可能である。例えば、故障電流とモーター重量および効率との間の妥協が可能である。モーターが依然として効率的であり、公称電流よりわずかに高い故障電流（公称の１．２〜１．５倍）で軽量であるという妥協点を見出すことが可能である。また、モーターコントローラー５０内の電源スイッチ５８ａ〜５８ｃをわずかに過大にすることが可能であり、このため、スイッチは公称電流の１．２〜１．５倍の故障電流を処理することができる。

モーターコントローラー５０内またはモーターコントローラーの入力部のＤＰ故障（例えば、図５のＤＰ故障１３ａを参照）では、異なる故障除去動作が行われる。故障を検出すると、保護回路１１ａは、ＡＣモーター２０から電力を除去し、上流側バスコンタクタ９ａを開くためのコマンドを送信する。あるいは、そのコマンドは、コントローラー１２ａ内のチャネル保護機能８２によって生成されてもよい。いずれの場合も、モーター巻線２２は、電源スイッチ５８ａによって短絡されない。モーターコントローラー５０の他のチャネルは依然として公称容量で動作する。システム全体は、１つの推進チャネルの損失に起因して劣化した容量で動作する。

図６は、一実施形態による航空機電気推進器のフォールトトレラント動作のための方法１００のステップを識別するフローチャートである。システム動作中、ＡＣモーターおよびモーターコントローラーの動作が監視される（ステップ１０２）。図６に示す例示的なシナリオでは、監視中に故障が検出されたかどうかの判定が行われる（ステップ１０４）。ステップ１０４において故障が検出されなかったと判定された場合、システム動作の監視を継続する（ステップ１０２）。ステップ１０４において故障が検出されたと判定された場合、故障の検出に応答してＤＣバス３８とモーターコントローラー５０との間に配置されたバスコンタクタが開放され（ステップ１０６）、それによってモーターコントローラー５０のそのチャネルがバッテリストリング１８から切断される。次に、どのタイプ（カテゴリ）の故障が検出されたかに関する判定が行われる（ステップ１０８）。次に、モーターコントローラー５０の故障したチャネルのインバータは、故障タイプに依存する安全状態モードに命令される（ステップ１１０）。故障タイプがＡＣモーター２０のステータ巻線２２のターンツーターン故障である場合、安全状態モードは、インバータ内の３つの電源スイッチの上部または下部セットを一緒に短絡させることである。故障タイプが差動保護故障である場合、安全状態モードはインバータ内の電源スイッチを開くことである。次に、（故障タイプを含む）モーターコントローラー５０の特定のチャネル（モジュール）における故障がＥＰＣ１０に報告される（ステップ１１２）。次に、ＥＰＣ１０は、ステップ１１２に応答して、劣化モードで動作するようにモーターコントローラー５０を再構成する（ステップ１１４）。

どのタイプの故障がどの箇所で検出されたかを区別することが重要である。各故障にはそれ自体の固有のシグネチャがあるため、これを行うことが可能である。モーターコントローラー５０は、すべての必要な信号（入力および出力ＤＣおよびＡＣ電圧および電流、モーター速度、ロータ位置、モータートルクの計算など）を監視し、どのタイプの故障が検出されたかを区別することができる。その判定に応じて、「安全状態モード」は、故障したモーターコントローラーチャネル内の電源スイッチの短絡または開放のいずれかであるように選択される。

提案されている一実装形態によれば、２つの故障除去動作（図６のステップ１０６および１０８を参照）が順に行われ、まず、バスコンタクタ９ａが開放され、次いで、電源スイッチ５８ａが開放または短絡される。故障後、この特定のモーターコントローラーチャネルは損傷しているため、このチャネルを接続し続ける理由はない。したがって、バッテリストリング１８との接続が解除される。次いで、システムは、故障タイプに応じて航空機レベルでどの動作がより安全であるかに応じて、電源スイッチを短絡または開放することができる。

図７は、一実施形態によるフォールトトレラントな電気モーター制御システムアーキテクチャのいくつかの構成要素を識別するブロック図である。フォールトトレラントな電気モーター制御システム９０は、一対の冗長ＥＰＣ１０ａおよび１０ｂを含む。ＥＰＣ１０ａは、コントローラー１２ａ〜１２ｃに通信可能に結合され；ＥＰＣ１０ｂは、コントローラー１２ｄ〜１２ｆに通信可能に結合される。フォールトトレラントな電気モーター制御システム９０は、ルータ５２をさらに含む。ルータ５２、ＥＰＣ１０ａ、およびコントローラー１２ａ〜１２ｃは、データバス９２ａによって通信可能に結合され；ルータ５２、ＥＰＣ１０ｂ、およびコントローラー１２ｄ〜１２ｆは、データバス９２ｂによって通信可能に結合されている。通常動作中、ＥＰＣ１０ａは、データバス９２ａを介してコントローラー１２ａ〜１２ｃと直接通信して制御し、ＥＰＣ１０ｂは、データバス９２ｂを介してコントローラー１２ｄ〜１２ｆと直接通信して制御する。ＥＰＣ１０ａに故障が発生した場合、ＥＰＣ１０ｂは、データバス９２ｂ、ルータ５２、およびデータバス９２ａを介して、コントローラー１２ａ〜１２ｃと間接的に通信し、制御することができる。逆に、ＥＰＣ１０ｂに故障が発生した場合、ＥＰＣ１０ａは、データバス９２ａ、ルータ５２、およびデータバス９２ｂを介して、コントローラー１２ｄ〜１２ｆと間接的に通信し、制御することができる。

図５に戻って参照すると、ＡＣモーター２０で生成された電流は、電源スイッチ５８ａに進み、モーターと電源スイッチとの間を循環する。通常、電源スイッチは、大電流を処理するように設計されたソリッドステート装置（例えば、トランジスタ）である。電源スイッチは、冷却液（油、水とプロピレングリコールとの混合物または任意の他の媒体）によって能動的に冷却され、これは、電源装置を流れる故障電流によって生成された熱を除去する最も効率的な方法である。ＡＣモーター２０はまた、同様の冷却液によって能動的に冷却される。したがって、ＡＣモーター２０によって生成されたすべてのエネルギーは、モーターおよび電源スイッチの損失によって散逸され、その後、能動冷却システムによって除去される。

図８は、一実施形態による、冷却液を使用してモーターステータ３６から熱を除去し、電源スイッチ５８から熱を除去するように構成された冷却システム７０のいくつかの構成要素を識別するブロック図である。矢印付きの線は、冷却液を運ぶ管を示す。冷却液はポンプ６０によって循環される。冷却液はポンプ６０を出て分流器６４に入る。分流器６４は、冷却液を、モーターステータ３６を流れる部分と、電源スイッチ５８に熱伝導結合されたコールドプレート６２を流れる部分とに分ける。モーターステータ３６を通る流れは、巻線（図８には図示せず）を冷却し；コールドプレート６２を通る流れは、電源スイッチ５８を冷却する。次いで、高温冷却液は、ミキサ６６に、次いで熱交換器６８を通って圧送される。高温冷却液は、熱交換器６８を通って流れる際に、周囲空気（ヒートシンクとして作用する）によって冷却される。冷却された冷却液はその後、ポンプ６０に戻り、一回の回路を完了する。

航空機電気推進システムのフォールトトレラントな動作を可能にするためのシステムおよび方法が、様々な実施形態を参照して説明されてきたが、本明細書の教示の範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができ、その要素に対して等価物が代用され得ることができることが当業者には理解されよう。さらに、その範囲から逸脱することなく、本明細書の教示を特定の状況に適合させるために多くの修正を行うことができる。したがって、特許請求の範囲は、本明細書に開示される特定の実施形態に限定されないことが意図される。

特許請求の範囲で使用される場合、「コントローラー」という用語は、少なくとも１つのコンピューターまたはプロセッサを有し、ネットワークまたはバスを介して通信する複数のコンピューターまたはプロセッサを有することができるシステムを包含するように広く解釈されるべきである。前の文で使用される場合、「コンピューター」および「プロセッサ」という用語は両方とも、処理ユニット（例えば、中央処理装置）と、処理ユニットによって読み取り可能なプログラムを格納するための何らかの形態のメモリ（すなわち、コンピューター可読媒体）とを有する装置を指す。例えば、「コントローラー」という用語は、プロセッサコア、メモリ、およびプログラム可能な入出力周辺機器を含む集積回路上の小型コンピューターを含むが、これに限定されない。プロセッサは、以下のタイプ、すなわち、中央処理装置、マイクロコントローラー、縮小命令セットコンピュータープロセッサ、特定用途向け集積回路、プログラマブル論理回路、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ、デジタル信号プロセッサ、および／または本明細書に記載の機能を実行することができる任意の他の回路もしくは処理装置のうちの１つであってもよい。また、添付の特許請求の範囲に記載の用語「スイッチング手段」に相当する構造には、接点、リレーおよびこれらの構造的均等物が含まれる。

本明細書で説明する方法は、記憶装置および／またはメモリ装置を含むが、これに限定されない非一時的な有形のコンピューター読み取り可能な記憶媒体で実現される実行可能命令として符号化されることができる。このような命令は、処理システムまたは計算システムによって実行されると、システム装置に、本明細書に記載された方法の少なくとも一部を実行させる。

以下に記載されるプロセスの請求項は、そこに列挙されたステップがアルファベット順に（請求項における任意のアルファベットの順序は、前に列挙されたステップを参照する目的のためだけに使用される）、または請求項の言語がそれらのステップの一部または全部が実行される特定の順序を示す条件を明示的に指定または記載している場合を除き、列挙された順序で実行されることを要求すると解釈されるべきではない。また、プロセスの請求項は、特許請求の言語がそのような解釈を排除する条件を明示的に記載している場合を除き、２つ以上のステップの任意の部分を同時にまたは交互に実行することを排除すると解釈されるべきではない。例えば、モーター巻線におけるターンツーターン故障の場合、上流側バスコンタクタは、電源スイッチ５８ａが一緒に短絡される前または後に開放されてもよい。

以下の段落では、本開示のさらなる態様について説明する：
Ａ１．ＤＣ電源と、ＤＣ電源からＤＣ電力を受け取るように接続されたＤＣバスと、ＤＣバスからＤＣ電力を受け取るように接続されたモーターコントローラーと、モーターコントローラーからＡＣ電力を受け取るように接続されたＡＣモーターと、を備えるシステムであって、
ＡＣモーターは、ロータと、ステータと、ステータ上の第１の角度位置にある第１の巻線と、ステータ上の第１の角度位置とは異なる第２の角度位置にある第２の巻線と、ステータ上の第１および第２の角度位置とは異なる第３の角度位置にある第３の巻線と、を備え、
モーターコントローラーは、ＤＣバスからＤＣ電力を受け取り、第１、第２、および第３の巻線にＡＣ電力を供給するように接続されたインバータを備え、コントローラーは、
（ａ）システム動作中に３相のＡＣ電力が第１、第２、および第３の巻線に順次供給されるように、インバータ内の第１、第２、および第３のスイッチを制御するステップと、
（ｂ）システム動作中に第１、第２、および第３の巻線のうちの１つにおけるターンツーターン故障を検出するステップと、
（ｃ）ターンツーターン故障の検出に応答して、第１、第２、および第３の電源スイッチを一緒に短絡させるステップと、
を含む動作を実行する、
システム。

Ａ２．ＡＣモーターのロータに結合されたシャフトを有するプロペラをさらに備える、段落Ａ１に記載のシステム。

Ａ３．ＤＣ電源と、ＤＣ電源からＤＣ電力を受け取るように接続されたＤＣバスと、ＤＣバスからＤＣ電力を受け取るように接続された電気推進ユニットと、を備える航空機であって、
電気推進ユニットは、ＤＣバスからＤＣ電力を受け取るように接続されたモーターコントローラーと、モーターコントローラーからＡＣ電力を受け取るように接続されたＡＣモーターと、ＡＣモーターに動作可能に結合されたＡＣモーターのロータに結合されたシャフトを有するプロペラと、を備え、
ＡＣモーターは、ロータと、ステータと、ステータ上の第１の角度位置にある第１の巻線と、ステータ上の第１の角度位置とは異なる第２の角度位置にある第２の巻線と、ステータ上の第１および第２の角度位置とは異なる第３の角度位置にある第３の巻線と、を備え、
モーターコントローラーは、ＤＣバスからＤＣ電力を受け取り、第１、第２、および第３の巻線にＡＣ電力を供給するように接続されたインバータを備え、コントローラーは、
（ａ）システム動作中に３相のＡＣ電力が第１、第２、および第３の巻線に順次供給されるように、インバータ内の第１、第２、および第３のスイッチを制御するステップと、
（ｂ）システム動作中にモーターコントローラー内のまたはモーターコントローラーへの入力部の故障を検出するステップと、
（ｃ）故障の検出に応答して、第１、第２、および第３の電源スイッチを一緒に開くステップと、
を含む動作を実行する、
航空機。

１ ＡＣ電力信号
２ ＡＣ電力信号
３ ＡＣ電力信号
４ ＤＣ電力線
５ 電流センサ
６ ＡＣ電力線
９ バッテリコンタクタ
１０ 電気推進コントローラー
１１ 保護回路
１２ コントローラー
１４ フロントエンド回路
１５ 推進器
１６ インバータ
１８ ＤＣ電源，バッテリストリング
２０ ＡＣモーター
２１ 巻線群
２２ 巻線
２４ 外径
２６ 内径
２８ エアギャップ
３０ ロータ
３２ シャフト
３４ 速度および位置センサ
３６ ステータ
３８ ＤＣバス
４０ 速度および位置信号
４２ ガバナ
４４ プロペラシャフト
４５ プロペラブレード
４６ プロペラ
４８ バッテリ管理システム
５０ モーターコントローラー
５２ ルータ
５４ 油圧バルブ
５６ 推力制御レバー
５７ ピッチ制御レバー
５８ 電源スイッチ
６０ ポンプ
６２ コールドプレート
６４ 分流器
６６ ミキサ
６８ 熱交換器
７０ 冷却システム
７２ 速度コントローラー
７４ トルクリミッタ
７８ 磁場配向制御機能
８０ パルス幅変調生成
８２ チャネル保護機能
８４ チャネル保護機能
９０ フォールトトレラントな電気モーター制御システム
９２ データバス

Claims (15)

1. 航空機電気推進器のフォールトトレラント動作のための方法であって、前記方法は、
   モーターコントローラーの第１、第２、および第３の電源スイッチからそれぞれ第１、第２、および第３の位相を有するＡＣ電力信号を受信しているＡＣモーターのステータ上の第１、第２、および第３の巻線のうちの１つにおけるターンツーターン故障を検出するステップと、
   前記ターンツーターン故障の検出に応答して、前記第１、第２、および第３の電源スイッチを一緒に短絡させるステップと
   を含む、方法。
2. 前記第１、第２、および第３の電源スイッチが、３つの上部電源スイッチおよび３つの下部電源スイッチを有するインバータの上部電源スイッチである、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１、第２、および第３の電源スイッチが、３つの上部電源スイッチおよび３つの下部電源スイッチを有するインバータの下部電源スイッチである、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１、第２、および第３の電源スイッチをコールドプレートに熱的に結合するステップと、
   前記コールドプレートを冷却液で冷却するステップと、
   短絡電流が前記第１、第２、および第３の電源スイッチを通って流れている間に、前記第１、第２、および第３の電源スイッチから前記冷却液に前記コールドプレートを介して熱を伝導するステップと
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記ＡＣモーターの前記短絡電流が前記ＡＣモーターの公称動作電流とほぼ同じになるように、前記ＡＣモーターがインダクタンスおよびインピーダンスを有する、請求項１に記載の方法。
6. 前記ターンツーターン故障の検出に応答して、前記ＤＣバスと前記モーターコントローラーとの間に配置されたコンタクタを開くステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記モーターコントローラーを再構成して劣化モードで動作するように構成された電子推進コントローラーに前記ターンツーターン故障を報告するステップと、前記報告に応答して前記劣化モードで動作するように前記モーターコントローラーを再構成するステップと、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 航空機電気推進器のフォールトトレラント動作のための方法であって、前記方法は、
   ＤＣバスからのＤＣ電力をＡＣモーターのＡＣ電力に変換するように構成され接続されたモーターコントローラー内のまたはモーターコントローラーの入力部の故障を検出するステップと、
   前記故障の検出に応答して、前記第１、第２、および第３の電源スイッチを一緒に開くステップと
   を含む、方法。
9. 前記故障の検出に応答して、前記ＤＣバスと前記モーターコントローラーとの間に配置されたコンタクタを開くステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記モーターコントローラーを再構成して劣化モードで動作するように構成された電子推進コントローラーに前記ターンツーターン故障を報告するステップと、前記報告に応答して前記劣化モードで動作するように前記モーターコントローラーを再構成するステップと、をさらに含む、請求項８に記載の方法。
11. 航空機電気推進器のフォールトトレラント動作のための方法であって、前記方法は、
    ＡＣモーターの動作、およびＤＣバスからのＤＣ電力を前記ＡＣモーターのＡＣ電力に変換するように構成され接続されたモーターコントローラーの動作を監視するステップと、
    監視中の故障を検出するステップと、
    前記故障の検出に応答して、前記ＤＣバスと前記モーターコントローラーとの間に配置されたコンタクタを開くステップと、
    前記故障の故障タイプを決定するステップと、
    前記モーターコントローラーのインバータを、前記故障タイプに依存する安全状態モードに命令するステップと
    を含む、方法。
12. 前記故障タイプが、前記ＡＣモーターのステータ巻線におけるターンツーターン故障であり、前記安全状態モードは、前記モーターコントローラーの第１、第２、および第３の電源スイッチを一緒に短絡させることである、請求項１１に記載の方法。
13. 前記故障タイプが、前記モーターコントローラーの差動保護故障であり、前記安全状態モードは、前記モーターコントローラーの電源スイッチを開くことである、請求項１１に記載の方法。
14. 前記モーターコントローラーを再構成して劣化モードで動作するように構成された電子推進コントローラーに前記故障を報告するステップと、前記報告に応答して前記劣化モードで動作するように前記モーターコントローラーを再構成するステップと、をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
15. ＤＣ電源と、前記ＤＣ電源からＤＣ電力を受け取るように接続されたＤＣバスと、前記ＤＣバスからＤＣ電力を受け取るように接続されたモーターコントローラーと、前記モーターコントローラーからＡＣ電力を受け取るように接続されたＡＣモーターと、を備えるシステムであって、
    前記ＡＣモーターは、ロータと、ステータと、前記ステータ上の第１の角度位置にある第１の巻線と、前記ステータ上の第１の角度位置とは異なる第２の角度位置にある第２の巻線と、前記ステータ上の第１および第２の角度位置とは異なる第３の角度位置にある第３の巻線と、を備え、
    前記モーターコントローラーは、前記ＤＣバスからＤＣ電力を受け取り、前記第１、第２、および第３の巻線にＡＣ電力を供給するように接続されたインバータを備え、コントローラーは、
    （ａ）システム動作中に３相のＡＣ電力が前記第１、第２、および第３の巻線に順次供給されるように、前記インバータ内の第１、第２、および第３のスイッチを制御するステップと、
    （ｂ）システム動作中に前記第１、第２、および第３の巻線のうちの１つにおけるターンツーターン故障を検出するステップと、
    （ｃ）前記ターンツーターン故障の検出に応答して、前記第１、第２、および第３の電源スイッチを一緒に短絡させるステップと、
    を含む動作を実行する、
    システム。

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