JP2021535033A - 電磁ジャイロスコープ安定化推進システムの方法および装置 - Google Patents

Abstract

電磁ジャイロスコープ安定化推進システムの方法および装置は、フライホイールを回転させるために使用される磁場を生成する電気ジャイロスコープである。フライホイールの回転は、ジャイロスコープ効果と翼型スポークによる推力の両方を生み出す。本発明は、機体の動き／角度に関係なく、ジャイロスコープの車軸を垂直方向に歳差運動させる連結ジョイントを介して機体に取り付けられる。ジャイロスコープの推力は、ジャイロスコープの車軸と一致する。正味の効果は、本発明が驚異的な効率を有し、それがモータでもあるため外部駆動がなく、フライホイールの磁気効力からの驚異的な動力、およびジャイロスコープ効果による安定性を有することである。

Description

発明者
ジェシー・アントワーヌ・マルセル
ジェフリー・スコット・キメンティ
優先権の主張

本出願は、２０１８年８月２６日に出願された米国仮特許出願第６２／７２２，９６８号からの優先権の利益を主張し、その出願の内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本発明は、垂直離着陸（ＶＴＯＬ）または短距離離着陸（ＶＳＴＯＬ）航空機を推進するために使用される電気推進システムの分野に関する。より具体的には、本発明は、ＶＴＯＬ／ＶＳＴＯＬ航空機に動力を供給するときに本質的に安定で効率的である、電気ジンバルに取り付けられた推力生成ジャイロスコープを含む。

いくつかの既知の電気航空機推進システムがある。これらのほとんどは、複数の電気モータを、機体に堅固に取り付けられたロータ／プロペラに接続する。ＶＴＯＬ／ＶＳＴＯＬ電気航空機のバランスは、モータ／ロータ間の推力を変更することで強化される。モータの速度は、３軸加速度計、磁力計、レートジャイロなどのアビオニクスによって制御される。

以前は、ＶＴＯＬ／ＶＳＴＯＬ機能を備えた機体で使用される電気推進システムは、主にクワッドコプターまたはマルチロータドローンと呼ばれる無人航空機で使用されていた。より大きなエネルギー密度を可能にする電池技術の進歩により、より大きなロータ／プロペラを備えたより大きな電気モータを使用して、パイロットを持ち上げるのに十分な推力を作り出すことができる。高推力の推進システムのモータは非常に高い割合でエネルギーを消費し、推進システムの総推力が航空機とパイロットの総重量をわずかにしか上回っていないことがよくある。推力重量比が低いため、プロペラ／ロータを露出させる必要がある。ガードがプロペラ／ロータの上または下に配置された場合、全体的な推力が低下するため、航空機は妥当な飛行時間を維持できず、離陸に十分な揚力を生み出せない可能性がある。風、気温、高度などのさまざまな大気条件は、安定性を維持する航空機の能力に大きな影響を与える可能性があり、航空機は制御を維持するために奮闘しなければならないため、飛行時間がさらに短縮される。

電池とアビオニクスの進歩により、電気式パーソナルエアビークル（ＰＡＶ）の機会が生まれたが、モータとロータ／プロペラはこれらの進歩に技術的に後れを取っている。本発明は、強力で、コンパクトで、効率的で、自己安定的であり、既存の技術の可謬性を大幅に低減または排除する、ＰＡＶ用の新しい自己駆動推進システムに関する。

本発明は、ＶＴＯＬおよびＶＳＴＯＬ対応の電気ＰＡＶを推進するための推力を生成するジンバルに取り付けられたジャイロスコープシステムを含む。本発明は、モータ／プロペラによって通常占有される位置で機体に接続されるように構成される。本発明は、そのスポークが正の入射を伴う翼断面を有するので、回転されると推力を生成するフライホイールからなる回転アセンブリを含む。フライホイールは永久磁石に囲まれており、フリーホイールフライホイールに電機子機能を追加する。さらに、磁石は、ジャイロスコープのフライホイールの周囲に重量を加えるため、潜在的な角運動量の強度を高める。

好ましい実施形態では、ジンバル取り付けは、フライホイールのジャイロスコープ歳差運動のために、フライホイールが地平線に対して垂直方向を維持することを可能にする。ジンバルに組み込まれているのは、ドライブ（動力）を作成するフライホイールを囲む磁石に作用する界磁コイルを備えた固定子である。

一実施形態では、保護ガードは、フライホイールをジンバルの中心に置き、パイロットおよび周囲が誤って回転アセンブリと接触するのを防ぐのに役立つ。

一実施形態では、ジンバルの内側の固定子上の界磁コイルを制御しているのは、各コイルに１つずつの個々のマイクロプロセッサであり、モータの位相の無制限の切り替えを可能にする。

本発明のこれらおよび他の特徴および利点は、添付の図面に関連して考慮する際に、以下の詳細な説明を参照することによってそれがよりよく理解されるようになるにつれて、より容易に理解されるであろう。

本発明を示す上面図である。 本発明の底面図を示す。 本発明の側面図を提示する。 本発明の側面断面図を提示する。 磁石が取り付けられた本発明のフライホイールを示す上面図を提示する。 ジンバルの斜視図を示す。 ジンバルの断面を示す。 ジンバルの上部ガードの上面図である。 ジンバルの下部ガードの上面図である。 車軸の分解図を示す。 車軸のスピナー取り付け部の詳細図を示す。 固定子アセンブリの上面図である。 固定子アセンブリの断面図である。 フライホイール／電機子と固定子の上面図を示す。 ジンバルアセンブリのバンプストップの斜視図を示す。 ジンバルアセンブリのバンプストップの上面図を示す。 ジンバルアセンブリのバンプストップの底面図を示す。 ジンバルアセンブリのバンプストップの断面図である。 サスペンションアームの上面図である。 ジンバルマウントの断面図である。

本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明するためだけのものであり、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書で使用される場合、「および／または」という用語は、関連するリストされた項目の１つまたは複数のありとあらゆる組み合わせを含む。本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈が明確に別段の指示をしない限り、単数形だけでなく複数形も含むことを意図している。本明細書で使用される場合、「含む」および／または「含んでいる」という用語は、記載された特徴、ステップ、操作、要素、および／または構成要素の存在を明示するが、１つまたはその他の機能、ステップ、操作、要素、構成要素、および／またはそれらのグループの追加を排除するものではない。

別段の定義がない限り、本明細書で使用される技術用語および科学用語を含む本明細書で使用されるすべての用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。一般的に使用される辞書で定義されているような用語は、関連技術および本開示の１つの文脈におけるそれらの意味と一致する意味を有すると解釈されるべきであり、ここで明示的に定義されていない限り、理想化されたものまたは過度に形式的な意味に解釈されないことがさらに理解されよう。

本発明を説明する際に、いくつかの技術およびステップが開示されることが理解されよう。これらのそれぞれには個別の利点があり、それぞれを他の開示された技術の１つまたは複数（または場合によってはすべて）と組み合わせて使用することもできる。したがって、明確にするために、この説明は、個々のステップのすべての可能な組み合わせを不必要な方法で繰り返すことを差し控える。それでも、明細書および特許請求の範囲は、そのような組み合わせが完全に本発明および特許請求の範囲内にあることを理解して読まれるべきである。

本明細書では、セルフレベリングし、安定かつ効率的な推進システムを作成するための新しい航空機ジャイロスコープ推進システムの方法および装置について説明する。以下の説明では、説明の目的で、本発明の完全な理解を提供するために、多くの特定の詳細が示されている。しかしながら、本発明がこれらの特定の詳細なしで実施され得ることは当業者には明らかであろう。

本開示は、本発明の例示と見なされるべきであり、本発明を、以下の図または説明によって示される特定の実施形態に限定することを意図するものではない。

次に、本発明を、好ましい実施形態を表す添付の図を参照することによって説明する。図４は、本発明の様々な実施形態による、自動駆動航空機ジャイロスコープ推進システム装置（「装置」）を含み得る要素の側面断面図を示している。好ましい実施形態では、図１が上部、図２が下部、および図３が側面である一般的なアセンブリは、図５に示されるような少なくとも１つの中央ジャイロスコープフライホイール４００で構成される装置の各要素を含む。図４および図５を参照して示されるように、フライホイール４００は、周囲リング４０１、中央ハブ４０２、および軽量複合材、アルミニウム、または別の適切な材料で作製され得る複数のスポーク４０３を含む。周囲リング４０１は、フライホイールの外周に沿って複数の永久磁石４０４を受け入れるように構成されている。いくつかの実施形態では、垂直突起が磁石を分離して、ジャイロスコープの周囲の表面積を均等に分割する。ネオジムまたは他の適切な磁性材料でできていてもよい磁石は、適切な接着剤または保持構造でフライホイールの周囲に固定することができる。磁石は、ドライブ（駆動部）のフライホイールの電機子機能を作成する。

中央ハブ４０２は、車軸１０３を中心とした回転を可能にするために、複数のローラベアリング１０６を受け入れるように構成されている。代替の実施形態では、フライホイールは、ハブレス設計のために、交差ベアリングでその周囲の周りで支持されている。推力は、フライホイールが回転したときに方向性のある気流を引き起こす正の入射を伴う翼断面に起因してスポーク４０３によって生成される。示されていない代替の実施形態では、スポークは、回転速度を変えることなく推力を変える目的でスポーク／ブレードの入射を増減するために、直接またはサーボ機構によってそれらの長手方向軸を中心として回転することができる。入射角がゼロに設定される場合、本発明は推力の生成を停止するが、接続された構造の安定化のためにジャイロスコープ効果を維持する。

代替の実施形態では、ハブレス設計で支持される場合、スポークおよびハブは完全に取り外され得る。この構成では、安定化システムをベルト構成要素として使用して、老人患者または障害患者を安定させ、車両を使用せずに転倒を防ぐことができる。さらに、安定化システムを使用して、現在の非航空機輸送またはＲＶ車を安定させることができる。さらに、安定化システムは、建物を含む静的構造物を安定させるために使用できる。この代替の実施形態では、連結ジョイントは、剛性のあるマウントを有するジンバルでは不要である。

代替の実施形態では、リム４０１、スポーク／ブレード４０３、およびハブ４０２を含むフライホイールの様々な部分は、複合材料を含む磁性材料で構成するか、またはそれを含浸させることができる。この構成では、部品の外側の端の近くまたは外側の端に磁性材料の重量を集中させて、ジャイロスコープの効果を高めることができる。スポークが磁化されている場合、一部の設計では周囲の縁をなくすことができる。

図６、図７および図９を参照してさらに示されるように、本発明のジンバルアセンブリ２００の好ましい実施形態では、ジンバルの要素は、ジンバルの堅固に取り付けられた構成要素を支持するために使用されるねじ付きジンバル車軸１０３、およびフライホイール４００が車軸の周りを自由に回転することを可能にするローラベアリング１０６を含む。内側フライホイール下部ガード（保護部）２０１は、ハブ４０２を支持するために使用される複数のスポーク２０１ａを統合する。図８をさらに参照して示されるように、内側フライホイール上部ガード（保護部）２０２は、複数のスポーク２０２ａおよび複数のフープ２０２ｂを統合し、スピナー２０３に取り付けられると、ハブを中心に配置して支持する。ガードは、フライホイールをハブの中心に配置して支持するだけでなく、スポーク／ブレード４０３をシールドすることにより、本発明を取り巻く直接の環境を保護する役割も果たす。上部ガード（保護部）および下部ガード（保護部）の周囲は、上部周囲セクション（部分）２０４および下部周囲セクション２０５を接続して、ジンバル本体を形成する。スピナー２０３を備えたジンバル本体上部セクション（部分）２０４は、好ましくは、流入する気流をフライホイールスポーク／ブレード４０３に向けて追加の揚力を生み出すように形作られている。ＶＴＯＬ／ＶＳＴＯＬ個人用航空機の安定性と制御を容易にするために、ジンバルはジャイロスコープの推力を歳差運動に合わせ、推力ベクトルを航空機の姿勢から分離できるようにする。

代替の実施形態では、内側フライホイールガード上部２０２および内側フライホイールガード下部２０１は、外側ジンバル本体および内側ハブを支持するために必要な最小限のスポークおよびフープを統合し、フライホイールスポーク／ブレード４０３を、例えばレース用途など、追加の保護が必要とされない可能性がある直接の環境により多く露出させることを可能にする。

ジンバルは、軽量の複合材料、アルミニウム、またはその他の適切な材料で構成することができる。

図１２、図１３、および図１４は、本発明の様々な実施形態によるジンバル本体に配置された固定子アセンブリ３００を含み得る要素を示している。好ましい実施形態では、固定子アセンブリは、鉄元素、鉄または別の適切な材料を含む複合材料から作製され得る固定子３０１、および磁場を生成する界磁コイル３０２を含む。図４を参照してさらに示されるように、貫通部３０３は、ハードウェア３０４が固定子アセンブリを下部周囲セクション２０５に固定することを可能にし、ハードウェアは、ボルト、ねじ、リベット、または適切な接着剤を含み得る。界磁コイル３０２は、マイクロプロセッサによって個別に制御されて、その統合された永久磁石４０４に作用するときにフライホイール／電機子の回転を引き起こす位相磁場を生成する。各界磁コイルは独立して制御されるので、本発明の動作中に、例えば、ドライブ（駆動部）の必要性に基づいて、３相から４相への位相変化を行うことができる。

代替の実施形態では、単一のコントローラを使用して、３相または４相の交流磁場を作成することができる。

代替の実施形態では、界磁コイルの単一または近接グループにエネルギーを与えることによって、バイアスドライブとしてより一般的に知られている単一のベクトル化された力をもたらす不均衡を装置の動作に生じさせる可能性がある。このバイアス駆動力は、フライホイールの推力を生成するスポーク／ブレードの有無にかかわらず作成できる。バイアスドライブ構成は、ハブレス設計の中央ハブまたは外部ベアリングを介してサポートできる。

好ましい実施形態では、回生コイルを界磁コイルの近くに配置して、界磁コイルによって生成された未使用の磁気エネルギーを利用し、これを電気エネルギーに変換して電池に循環させることによって効率を高めることができる。これらの回生コイルは、ＤＮＡの二重らせんと同様に、界磁コイルの周りに巻くか、界磁コイルと一緒に結合して、エネルギー入力用の１つのストランドとエネルギー出力用の２番目のストランドの２ストランド界磁コイルを作成できる。別の解決策は、磁場を生成する界磁コイルの影響を受けることができるように、回生コイルを任意の場所に向けることである。

代替の実施形態では、固定子の要素のすべてまたは一部は、樹脂マトリックス炭素繊維複合材料または同様の材料に包まれており、固定子を無数の形状およびサイズの層として構築することができる。層は、樹脂マトリックス内の固体または粒子としてさまざまな構成要素を統合する。

図１０および図１１を参照して、好ましい車軸アセンブリの分解図が示されている。車軸アセンブリは、好ましくは、軽量の複合材料、アルミニウムまたは他の任意の適切な材料から作製され、ジンバルおよびロータに接続するために使用できるハードウェアは、好ましくは、ボルト１０４、下部管状スペーサ１０５ａおよび上部管状スペーサ１０５ｂ、ローラベアリング１０６、ノーズコーン支持体１０７およびリテーナサークリップ１０８を含む。

本発明の様々な実施形態を、図１５〜図２０をさらに参照して説明する。本発明の様々な実施形態によるジンバルマウント６００が示されている。好ましい実施形態では、ねじ付き車軸１０３は、ジンバル本体を、機体の向きに関係なくジンバルがジャイロスコープの垂直方向を維持することを可能にする、ジョイントボールスイベル１０２ａに接続する。ジョイントボールスイベルは、好ましくは動きの自由を可能にする剛性ケーシングに収容される。ジンバルマウントを機体に接続するのは、サスペンションアーム５００である。ジンバルと機体との間の最大角度は、図１５〜図１８を参照して示すバンプマウントによって制御され、バンプマウントは、好ましくはゴム、複合材、または別の適切な材料でできており、内側コーンの寸法に基づいて動きを制限する。

推進システムをジンバルに取り付け、ジンバルをサスペンションアームの連結ジョイントに取り付け、さらに車両、たとえばＰＡＶに接続すると、ジャイロスコープの推進によって生成される角運動量により、推進システムは垂直方向に保たれ、これにより、接続されている車両の向きに関係なく、推力は垂直方向を維持する。

連結ジョイントを利用する実施形態では、連結ジョイントを通過する中央車軸の垂直方向は、サーボ機構によって、または推進システムをその最も自然な平衡状態から強制的に外すドライバ（図示せず）からの直接接続によって傾けることができ、その結果、方向性またはベクトル化された推力が発生する。

回転トルクによるジンバルのスピンを排除するために、連結ジョイントを回転に対してロックするか、翼またはマウント（図示せず）のいずれかに影響を与える要素をジンバルに追加して、この可能性を排除することができる。

代替の実施形態では、ジンバル本体は、装置が３６０度旋回および回転することを可能にする複数の場所で、中心車軸ではなくその周囲から吊り下げられている。

代替の実施形態では、本発明は、機体にその向きを固定して機体にしっかりと取り付けられる。

代替の実施形態では、電磁ジャイロスコープ安定化推進方法および装置を使用して、風または水が動力のないフライホイールを回転させるときに電気を生成することができる。

独占的所有または特権が主張される本発明の実施形態は、以下のように定義される。

Claims (10)

1. フライホイールジャイロスコープジンバルであって、
   内面および外面を有する周囲セクションであって、複数の磁石が前記外面に沿って配置されている、周囲セクションと、
   内面および外面を有するハブセクションであって、
   車軸と、
   前記車軸の周りの前記ハブセクションの回転を可能にするように構成された複数のローラベアリングと、
   前記ハブセクションの前記外面から外向きに延在して前記周囲セクションの前記内面に接続する複数のスポークであって、回転したときに推力を生成するように構成された複数のスポークと、を含む、ハブセクションと、
   その内径に沿って複数の界磁コイルを有する固定子であって、前記複数の内部界磁コイルは、前記周囲セクションの前記磁石に作用して前記複数のスポークの回転を生成して推力を生成するように配置される、固定子と、を含む、フライホイールジャイロスコープジンバル。
2. 前記複数の磁石は、前記周囲セクションの表面積を均等に分割するように配置されている、請求項１に記載のフライホイールジャイロスコープアセンブリ。
3. 前記ハブセクションで前記フライホイールを中央に配置して支持するように構成された上部ガードおよび下部ガードをさらに含む、請求項１に記載のフライホイールジャイロスコープアセンブリ。
4. 前記複数の界磁コイルは、別個のマイクロプロセッサによって個別に制御される、請求項１に記載のフライホイールジャイロスコープアセンブリ。
5. フライホイールジャイロスコープジンバルであって、
   内面および外面を有する周囲セクションであって、複数の磁石が前記外面に沿って配置されている、周囲セクションと、
   内面および外面を有するハブセクションであって、車軸と、
   前記車軸の周りの前記ハブセクションの回転を可能にするように構成された複数のローラベアリングと、
   前記ハブセクションの前記外面から外向きに延在して前記周囲セクションの前記内面に接続する複数のスポークであって、回転したときに推力を生成するように構成された複数のスポークと、を含む、ハブセクションと、
   サスペンションアームであって、前記複数のスポークが回転するときに発生する前記推力が前記ジンバルを垂直方向に維持するように前記ハブセクションが前記サスペンションアームに取り付けられている、サスペンションアームと、を含む、フライホイールジャイロスコープジンバル。
6. 前記サスペンションアームは、前記車軸が移動可能に接続されている連結ジョイントをさらに含み、
   前記アセンブリは、前記車軸を傾けるように構成されたドライブをさらに含み、その動きは、前記複数のスポークからの方向性またはベクトル化された推力をもたらす、
   請求項５に記載のフライホイールジャイロスコープアセンブリ。
7. その内径に沿って複数の界磁コイルを有する固定子をさらに含み、前記複数の内部界磁コイルは、前記周囲セクションの前記磁石に作用して前記複数のスポークの回転を生成して推力を生成するように配置されている、請求項５に記載のフライホイールジャイロスコープアセンブリ。
8. 前記複数の磁石は、前記周囲セクションの表面積を均等に分割するように配置されている、請求項５に記載のフライホイールジャイロスコープアセンブリ。
9. 前記ハブセクションで前記フライホイールを中央に配置して支持するように構成された上部ガードおよび下部ガードをさらに含む、請求項５に記載のフライホイールジャイロスコープアセンブリ。
10. 前記複数の界磁コイルは、別個のマイクロプロセッサによって個別に制御される、請求項５に記載のフライホイールジャイロスコープアセンブリ。

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