JP2022051690A - 航空機の電動推進モータ及びモータコントローラの保護システム - Google Patents

航空機の電動推進モータ及びモータコントローラの保護システム Download PDF

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Abstract

【課題】故障の発生に対応して電動推進システムを保護するための方法を提供する。【解決手段】方法は、モータコントローラ（５０）に含まれるインバータ（１４ａ、１４ｂ）の電力スイッチを短絡させるステップを含み、これによりモータコントローラ（５０）に電気的に接続されているとともにプロペラ（３２）に機械的に接続されているモータ（３０）によって生成される回生電流の経路を変える。さらに、モータ（３０）が回生電流を生成する間に、プロペラ（３２）をフェザリングすることを含む。保護ロジックは、高電圧直流バスにおける故障、モータコントローラ（５０）における故障、及びモータ（３０）における故障を含む様々な種類の故障に対応する。【選択図】図２

Description

本開示は、概して、電力変換システムに関し、具体的には、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。本開示は、特に、航空機の電動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及び装置に関する。
電動推進システムを有する航空機（以下、「電動航空機」）は、電力を力学的な力に変換する電動モータを備える。例えば、電動モータは、航空機の１つ又は複数のプロペラを回転させて推力を供給する。より具体的には、電動モータは、磁界中に配置されたワイヤのループ（以下、「ステータ巻線」）を含んでおり、ステータウィングに電流を流すと、磁界によってロータにトルクが作用してシャフトを回転させる。このプロセスによって、電気エネルギーは力学的な仕事に変換される。
電動航空機には、様々な形態がある。例えば、航空機、回転翼機、ヘリコプタ、クワッドコプタ、無人航空機のほか、任意の適当な種類の電動航空機がある。電動航空機のバッテリは、大型で、電動推進用の大電力を供給するように設計されている。一態様では、バッテリは、発電機からの給電も受ける高電圧直流（ＨＶＤＣ）バスに接続されている。航空機業界及び本明細書において用いられる「高電圧」なる用語は、直流では５００Ｖ超のＤＣ電圧を意味する。そのような高いＤＣ電圧は、典型的には、２３０Ｖの三相ＡＣ電力を整流することで得られる。
完全電動式又はハイブリッド式の航空機推進システムでは、大型の電動モータを用いて航空機に推力を供給する。永久磁石式の電動モータは、他の種類のモータに比べて構造が簡単で、動作効率が高く、軽量であることから、電動推進用のモータとして選択される。永久磁石式電動モータは、モータコントローラによって駆動される。モータコントローラは、ＨＶＤＣバッテリの電力を電動推進モータの駆動に必要な電力、つまり、周波数／振幅が可変である少なくとも三相のＡＣ電力に変換する機能を有する。モータコントローラの重要な機能としては、他にも、システムを故障状態（failure condition）から保護する機能がある。電動式又はハイブリッド式の電動推進システムに故障状態が発生すると、望ましくない高電流・高エネルギー状態に至る可能性がある。
現在の技術における保護構造は、高出力のモータコントローラ及びモータを用いる航空機用に開発されてきたものである。しかしながら、ハイブリッド電動推進用途のものとは、負荷の性質、電力レベル、負荷の重要性、接地方式などが大きく異なる。例えば、電力レベルは比較的低く、最大のモータコントローラの負荷は、１００ｋＷである。これに対し、電動推進用の負荷は５００ｋＷ～１０００ｋＷである。このため、故障エネルギーのレベルは比較的高い。また、上述したような航空機の一例では、高出力モータ及びモータコントローラ負荷は、いずれも航空機の推進機能は実行しない。それらが実行する機能のほとんどは、環境制御システム、電動ポンプ、エンジン始動部、補助動力装置始動部、及びラムファンに関するものである。どの機能もクリティカルなものではない。１つか２つのモータ負荷が失われても安全上の問題はなく、許容可能である。また、接地方式についても、電動推進用途において採用される方式とは異なる。接地方式は、故障を検知する方法及び迅速さ、並びに、検知に用いられるセンサの種類に影響する。モータ負荷の種類が異なれば、故障後に電力が流れる方向に影響する可能性があるので、故障発生後ロジック（post-fault logic）を組み込む必要がある。従来のシステムのモータと種類が異なれば（誘導又は巻線型ロータに対して、大型の永久磁石）、保護及びそのロジックにも影響がある。最後に、一台のモータを駆動するモータコントローラの数とモータ位相の数も、保護ロジックに影響する。非電動推進の用途では、典型的には、１つのモータコントローラで１つの三相モータを駆動する。これに対し、電動推進の用途では、電力レベルが高いため、（例えば、１２、１８など）多相式のモータであることが多い。よって、複数のモータコントローラで１つのモータを駆動する。この点も、必要な保護ロジック及びモータコントローラ間の連携に影響する。
本開示の要旨は、詳細を後述するように、航空機の電動推進に用いられるフォールトトレラントな電力システムに関する。より具体的には、航空機の電動推進モータ駆動システムを保護するシステム及び方法が開示されている。本開示で提案する構成は、航空機における高出力推進の要件、及び、航空宇宙分野におけるシステムの制御性及び可用性の要件も満たすものである。本開示のフォールトトレラントなシステムは、いずれかのコンポーネントに故障（又は、１つ又は複数の不具合）が発生した場合でも、継続して動作することができる。システムの一部が故障した場合でも機能を維持できる能力を、本明細書では「デグラデーション（degradation）」と呼ぶ。フォールトトレラントな設計によれば、システムの一部が停止しても、システムが完全に機能停止するのではなく、場合によっては機能レベルを下げることで、継続して動作することができる。
本開示の航空機の電動推進用モータ駆動システムは、バッテリから供給される直流（ＤＣ）を１つ又は複数の電動モータに供給する交流（ＡＣ）に変換するモータコントローラを含む。前記モータコントローラは、複数組のインバータと、これらインバータの電力スイッチの状態を制御するインバータコントローラと、を含む。前記モータコントローラは、ＨＶＤＣバスを介してバッテリ（又は、複数のバッテリモジュールから成るバッテリシステム）からＤＣ電力を受ける。前記ＨＶＤＣバスに故障が発生すると、バッテリから当該故障部位に電力が供給されるだけでなく、前記モータからも前記モータコントローラを経由して当該故障部位に電力が供給される。
ＨＶＤＣバスに故障が検知されると（米国特許出願第１６／８６２，２１２号に開示されているように）、保護回路がコマンドを発行して、高電圧ＤＣバスの入力側上流に位置する接触器を開くことでモータへの電力を遮断する。しかしながら、故障後にバッテリを切り離しても、モータの回転によって生成される回生電流がモータコントローラを通って故障部位に供給される。モータコントローラのすべてのスイッチを開状態にしても、モータコントローラの還流ダイオード（freewheeling diode）は接続されたままであり、当該ダイオードが整流器として機能するので、モータの回転による回生電力が故障部位に供給される。推進用のモータは大型であるため、回生電流も非常に大きく、数千アンペアに達する可能性がある。また、プロペラ及びモータを回転させる空気の力は大きく、この力による回転は、プロペラがプロペラピッチコントローラ（以降「ガバナ」）によってフェザリングされる（つまり、プロペラブレードのピッチが、空気流とほぼ平行な向きに調整される）まで継続する。プロペラのフェザリングには、１０秒程度を要する可能性がある。故障部位に数千アンペアの電流が約１０秒間にわたって供給されると、航空機構造に過剰なエネルギーが伝達されて、望ましくない結果を招く可能性がある。航空機構造が高エネルギー状態に晒される状態は、抑制すべきである。
フォールトトレラントな構成においては、ＨＶＤＣバスに故障が発生しても、システムを完全に停止させるのではなく、電動推進モータの限定的な動作を維持する方が有益な可能性がある。そのような故障状態があっても、安全な動作は可能なのである。また、冗長なチャネルを有する構成においては、健全な第２のチャネルを使って、コントロールされた状態でシステム停止を実行することができ、これにより故障状態における電動推進システムの動作を（数秒または数分）延長することが可能である。
本開示で提案する革新的な技術によれば、ＨＶＤＣバスに故障が発生した場合、モータコントローラスイッチを強制的に短絡させるアクティブショートサーキット（ＡＳＣ）制御が行われる。モータコントローラスイッチを短絡させることにより、回生電流が故障部位ではなく、モータコントローラに流れるように経路を変えることができる。回生電流は、電動推進モータとモータコントローラの間を循環する。モータコントローラのＡＳＣ制御は、ミリ秒単位で非常に迅速に実行することができる。電動推進モータ及びモータコントローラは、この状況においても冷却液を使って能動的に冷却することができる。したがって、短絡電流がモータとモータコントローラを循環することによる発熱の影響は、冷却システムによって能動的に管理することができる。故障の発生後、且つ、ＡＳＣ制御の実行後、プロペラピッチのコントローラ（ガバナ）は、プロペラのフェザリングを周知の手法によって典型的な時間をかけて行う。プロペラがフェザリングされると、モータを回転させるようにプロペラに作用する空気の力が大幅に減少する。この結果、モータの回転が止まり、よって回生電力の生成も停止される。電力の回生が停止されれば、任意であるが、モータコントローラスイッチをＡＳＣ状態から開状態に戻してもよい。
高電流・高エネルギー状態を発生させうる故障には、他にも、電源スイッチの短絡、モータコントローラとモータとの間の給電線における相間短絡又は三相短絡（phase-to-phase or three phase short）、及び、モータの巻線間短絡（turn-to-turn short circuit）などがある。また、正と負の電圧レールが短絡して、１つのインバータにおける上段と下段の電力デバイスに大きな短絡電流が流れると、シュートスルー（shoot-through）が発生しうる。本開示は、モータ又はモータコントローラに故障が発生した場合にシステムを保護する保護ロジックも提案する。
航空機の電動推進モータ駆動システムを保護するためのシステム及び方法について様々な実施形態を後述するが、これらの実施形態のうちの１つ又は複数は、下記の１つ又は複数の態様によって特徴づけることができる。
本開示の要旨における一態様は、以下に詳細を説明するように、故障の発生に対応して電動推進システムを保護するための方法に関する。前記方法は、モータコントローラに含まれるインバータの電力スイッチを短絡させて、前記モータコントローラに電気的に接続されているとともにプロペラに機械的に接続されているモータによって生成される回生電流の経路を変えることと、前記モータが回生電流を生成する間に、前記プロペラをフェザリングすることと、を含む。
本開示の要旨における他の態様は、以下に詳細を説明するように、電気推進ユニットに関する。前記電気推進ユニットは、バッテリと、前記バッテリからＤＣ電力を受けるように接続されたＤＣバスと、前記ＤＣバスからＤＣ電力を受けるように接続されているとともに、複数のインバータを含むモータコントローラと、前記モータコントローラからＡＣ電力を受けるように接続されたＡＣモータと、前記ＡＣモータに機械的に接続されているとともに、可変ピッチのプロペラブレードを含むプロペラと、フェザリング動作において前記プロペラブレードのピッチを調整するよう構成されたガバナと、コントロールシステムと、を備える。前記コントロールシステムは、前記モータコントローラに含まれる前記インバータの電力スイッチを短絡させて、前記ＡＣモータによって生成される回生電流の経路を変えることと、前記モータが回生電流を生成する間に、前記ガバナを作動させて前記プロペラのフェザリングを行わせることと、を含む動作を実行するよう構成されている。
本開示の要旨における他の態様は、以下に詳細を説明するように、複数のインバータを含むモータコントローラの段階的な遮断制御のための方法に関する。前記方法は、（ａ）前記モータコントローラに含まれる各インバータの電力スイッチのうちの１つの段の電力スイッチを閉じることと、（ｂ）バッテリ接触器を開いて前記モータコントローラからバッテリを切り離すことと、（ｃ）前記モータコントローラに含まれる各インバータのＤＣリンクコンデンサを放電させることと、（ｄ）前記ＤＣリンクコンデンサが放電した後に、前記モータコントローラにおいて開いているすべての電力スイッチを閉じることと、を含む。
さらに他の態様は、電力スイッチの開放故障に対応して電動推進システムを保護するための方法に関する。前記方法は、（ａ）モータコントローラのインバータにおける１つの段の電力スイッチの開放故障を検知することと、（ｂ）前記電力スイッチの開放故障が、弱め界磁制御中に発生していたか否かを判定することと、（ｃ）前記ステップ（ｂ）の判定結果に基づいて保護動作を実行することと、を含む。前記ステップ（ｃ）は、前記電力スイッチの開放故障が弱め界磁制御中に発生していなかった場合、前記インバータの他の電力スイッチを開くことを含む。前記電力スイッチの開放故障が弱め界磁制御中に発生していた場合、前記ステップ（ｃ）は、前記インバータにおける他の段の電力スイッチを閉じることと、バッテリ接触器を開いて前記モータコントローラからバッテリを切り離すことと、前記インバータのＤＣリンクコンデンサを放電させることと、前記ＤＣリンクコンデンサが放電した後に、前記１つの段におけるすべての健全な電力スイッチを閉じることと、を含む。
さらに他の態様は、上述の段落において説明した動作を実行するよう構成されたコントロールシステムを含む電気推進ユニットに関する。航空機の電動推進モータ駆動システムを保護するシステム及び方法について、さらに他の態様を以下に記載する。
上述のセクションに記載した特徴、機能、及び効果は、様々な実施形態において個別に達成することも可能であるし、さらに別の実施形態と組み合わせることも可能である。上述した態様及び他の態様を説明する目的で、図面を参照して様々な実施形態を以下に説明する。
バッテリシステムからＨＶＤＣバスを介してＤＣ電力を受け取るＤＣ－ＡＣコンバータを含む航空宇宙用の電動推進システムに関し、ＨＶＤＣバスの故障と電力の流れを示す図である。 ２つのチャネルを有するモータコントローラを含む航空宇宙用の電動推進システムに関し、１つのＨＶＤＣバスに発生した故障を示すとともに、この故障に対応してセーフモードが発動したときの故障チャネルにおける電力スイッチの状態を示す図である。 一実施形態による、冷却液を用いてモータ及びモータコントローラの熱を除去するよう構成された冷却システムのコンポーネントの一部を示すブロック図である。 提案の一態様による、プロペラの回転速度を制御するためのアルゴリズムのステップを示すフローチャートである。 他の実施形態による、コントローラがコントローラエリアネットワークを介して通信を行う航空宇宙用の電動推進システム構成を示す図である。 ＨＶＤＣバス故障が発生しており、モータによって生成された短絡電流がこの故障部位に供給されている状態の電動推進制御の構成を示す図である。 モータコントローラの１つのインバータを示す図であり、モータによって生成された短絡電流がＨＶＤＣバスの故障部位に供給される間、当該インバータにおける電力スイッチは開いたままになっている。 モータコントローラの１つのインバータを示す図であり、ＨＶＤＣバス故障に対応して、当該インバータにおける下段の３つの電力スイッチは閉状態にされ、上段の３つのスイッチは開状態のままである。 ＨＶＤＣバス故障に対応して閉状態にされた、モータコントローラにおける１つの段の３つの電力スイッチを示す図である。 アクティブショートサーキットの開始の前と後において、モータコントローラの１つのインバータにおける１つの下段スイッチと、これに対応する上段スイッチに流れる電流の時間変化を示すグラフである。 電力モジュールがヒートシンクに接続されたときの熱抵抗の蓄積を示す樹形図である。 モータコントローラの１つのインバータを示す図であり、ＨＶＤＣバス故障に対応して、６つの電力スイッチすべてが閉状態になっている。 モータコントローラの１つのインバータにおける１つの下段スイッチと、これに対応する上段スイッチに流れる電流の時間変化を示すグラフである。 一実施形態による電動推進ユニットのコンポーネントを示す図であり、モータコントローラインバータと、ＨＶＤＣバス故障の検知に対応して保護機能を実行するよう構成された電動推進コントローラが含まれている。 一実施形態による保護機能により実行される方法のステップを示すフローチャートである。 電動推進ユニットコンポーネントの一部を示す図であり、モータコントローラの４つのチャネルのうちの１つにおける電力スイッチが短絡している。 モータコントローラに含まれるインバータの電力スイッチの短絡による影響を緩和する保護動作を実行するよう構成された保護システムのコンポーネントを示す図である。 図１４に示すような電力スイッチ短絡故障に対応して、電動推進ユニットの段階的な遮断制御を行うための方法の保護ロジックシーケンスを示すフローチャートである。 ３相ＡＣモータのステータ巻線の巻線間故障による影響を緩和する保護動作を実行するよう構成された、第１実施形態による保護システムのコンポーネントを示す図である。 ステータ巻線の巻線間故障に対応して、電動推進ユニットの段階的な遮断制御を行うために、図１６に示す保護システムで用いられる保護ロジックシーケンスを示すフローチャートである。 ３相ＡＣモータのステータ巻線の巻線間故障による影響を緩和する保護動作を実行するよう構成された、第２実施形態による保護システムのコンポーネントを示す図である。 ステータ巻線の巻線間故障に対応して、電動推進ユニットの段階的な遮断制御を行うために、図１８に示す保護システムによって用いられる保護ロジックシーケンスを示すフローチャートである。 ３相ＡＣモータのステータ巻線の巻線間故障による影響を緩和する保護動作を実行するよう構成された、第３実施形態による保護システムのコンポーネントを示す図である。 ステータ巻線の巻線間故障に対応して、電動推進ユニットの段階的な遮断制御を行うために、図２０に示す保護システムによって用いられる保護ロジックシーケンスを示すフローチャートである。 モータコントローラのインバータにおける電力スイッチの開放故障による影響を緩和する保護動作を実行するよう構成された保護システムのコンポーネントを示す図である。 図２２に示す電力スイッチの開放故障による影響を緩和する保護動作を実行するための、一実施形態による保護ロジックを示す図である。
以下の説明において添付図面を参照する。添付図面では、同じ要素には異なる図面においても同じ参照符号が付されている。
航空機の電動推進モータ駆動システムを保護するシステム及び方法の例示的な実施形態の詳細を以下に説明する。ただし、本明細書は、現実的な実施態様における特徴をすべて記載するものではない。現実的な実施形態を開発する過程で、例えば、システム関連の制約及び商業的な制約の充足など、実施態様ごとに異なる開発者の目的を達成するために決定すべき項目が多数あることは、当業者であれば理解されよう。さらに、そのような開発努力は、複雑で時間を要するものであっても、当業者が本開示の利益に基づけば、定型的な努力に相当することも理解されよう。
本開示の航空機用電動推進モータ駆動システムは、プロペラを回転させる電動モータと、直流（ＤＣ）を交流（ＡＣ）に変換するよう構成された１つ又は複数のモータコントローラと、ＤＣ電源（例えば、バッテリシステム）と、を含む。ＤＣ電源は、例えば、低電圧ＤＣ電力の電圧のレベルを上げる、つまり昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータを含んでおり、高電圧のＤＣ（ＨＶＤＣ）電力ソースを構成するものでもよい。ここでいうＤＣ／ＤＣコンバータとは、ＤＣ電源の電圧レベルを変えるために用いられる電気デバイス又は電気機械デバイスである。高電圧のＤＣ電力は、モータコントローラにおける１つ又は複数のインバータに供給されて、高電圧のＡＣ電力ソースを構成してもよい。
インバータは、直流電流を交流電流に変換するパワーエレクトロニクス装置又は回路である。単純な構成のインバータ回路では、ＤＣ電力が一次巻線の中央タップを介してトランスに接続されている。スイッチのオンオフを高速に切り替えることで、ＤＣ電力が一次巻線の一方の端部と他方の端部を介して２つの経路に交互に流れる。トランスの一次巻線における電流の方向を交互に切り替えることで、二次側回路に交流が生成される。提案の一態様によれば、各インバータは、スイッチシステム、１組のインダクタ、１組のコンデンサ、及び、電磁干渉フィルタを含む。前記スイッチシステムは、インバータの種類によって、異なる数のスイッチ（以下「電力スイッチ」）を含むことができる。各電力スイッチは、限定するものではないが例えば、バイポーラトランジスタ装置、金属酸化膜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、又は、他の種類の半導体装置又はスイッチ装置で構成することができる。
インバータは、様々な形態のものが可能であり、限定するものではないが例えば、単相インバータ及び三相インバータが挙げられる。三相インバータ（以下「３相インバータ」）は、可変周波数を駆動する用途、及び／又は、ＡＣ電力伝送などの高電力用途に用いられる。基本的な３相インバータは、３つの単相インバータで構成されており、各単相インバータは、直列に接続された２つのスイッチを含み、その中心点が３つの負荷端子のうちの１つに接続されている。もっとも基本的な制御方法では、三相レグの６つのスイッチの動作は、基本出力波形の６０度ごとに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段の階段状のライン間出力波形が形成される。この６段の階段状波形は、方形波の正の領域と負の領域の間にゼロ電圧の段を有しており、これにより第３次の高調波が抑制される。６段の階段状波形にキャリア基準ＰＷＭ技術が適用される場合は、基本的な全体波形、つまり、包絡線の形状は維持されるので、第３次高調波及びその整数倍の高調波は相殺される。より高い定格電力のインバータを構成するには、６段の波形を生成する３相インバータを２つ用い、これら２つのインバータを並列に接続して定格電流を高めるか、或いは、直列に接続して定格電圧を高める。いずれの場合でも、出力波形の位相シフトによって、１２段の階段状波形が得られる。さらに多くのインバータを組み合わせることも可能であり、例えば、３つのインバータを組み合わせれば１８段の波形を生成するインバータを構成することができる。複数のインバータを組み合わせることは、通常、定格電圧又は電流を高くする目的で行われるが、組み合わせることによって波形の質を高めることもできる。
図１は、１つのプロパルサ２を備える典型的な構成の航空宇宙用電動推進システムのコンポーネントを示すブロック図である。プロパルサ２の一部は、ＤＣ電力をＡＣ電力に変換するモータコントローラ５０で構成されている。よって、本明細書で用いられる「モータコントローラ」なる用語は、ＤＣ／ＡＣコンバータ（図１には示していない）を含むものを意味する。プロパルサ２は、さらに、複数個又は複数組のＡＣ電力線６を介してモータコントローラ５０からＡＣ電力を受けるＡＣモータ３０を含む。プロパルサ２は、さらに、ＡＣモータ３０によって回転するプロペラ３２を含む。プロペラ３２は、ＡＣモータ３０の出力シャフト（図１には示していない）に機械的に連結されたプロペラシャフト３４と、複数のプロペラブレード３６と、を含む。プロパルサ２は、さらに、プロペラブレード３６のピッチを変化させることによって、プロペラ３２の回転速度を一定に維持するよう構成されたガバナ４２を含む。油圧式のガバナは、油圧バルブ５４を用いてプロペラ３２の油圧機構におけるエンジン油の流れを制御して速度調節を行う。
いくつかの実施態様において、モータコントローラ５０は、ＡＣモータ３０が有する複数組のステータ巻線のそれぞれにＡＣ電流を供給するための複数のチャネルを有する。モータコントローラ５０の各チャネルは、１組の電力スイッチを有するインバータ（図１には示していない）と、これらの電力スイッチの状態を制御するインバータコントローラ（図１には示していない）と、を含む。電力スイッチは、ＡＣモータ３０のステータ巻線に接続されている。モータコントローラ５０は、さらに、複数のセンサ対（図１には示していない）を含んでおり、これにより、それぞれのインバータから出力されるＡＣ電力信号の電圧及び電流が測定される。測定されたセンサデータは、対応するインバータコントローラにフィードバックされる。インバータの動作は、インバータコントローラによって制御される。各インバータコントローラは、スイッチ信号線（図１には示していない）を介して対応するインバータに制御信号を送り、また、スイッチ状態信号を受け取る。モータコントローラ５０のインバータは、ＤＣ電力をＡＣモータ３０用の多相ＡＣ電力に変換する。これらのインバータ及びインバータコントローラによって、モータコントローラ５０の一部であるＤＣ／ＡＣコンバータが構成される。より具体的には、インバータコントローラは、最適な機械的出力トルクを得るためにモータ３０に供給すべき基準の電流及び電圧となるパルス幅変調信号を生成する。これらの基準信号は、ＰＷＭ生成機能を用いて変調され、これにより、インバータコントローラで制御されるインバータの電力スイッチのゲートドライバに送られるコマンドが生成される。
図１に示すシステムのＨＶＤＣ電源は、バッテリ１８である。バッテリ１８は、例えば、バッテリパックを構成するように配置された複数のバッテリモジュール２４を含む。図１に示す例示的な実施態様では、バッテリ１８は、正及び負のＤＣバスバー３８ａ及び３８ｂにそれぞれの接触器８を介して並列接続された複数のバッテリストリングを含む。正のＤＣバスバー３８ａに流れるＤＣ電流は、電流センサ１６によって測定される。各バッテリストリングは、直列に接続された複数のバッテリモジュール２４を含む。各バッテリストリングに流れるＤＣ電流は、それぞれ対応する電流センサ（図１には示していない）によって測定される。各バッテリモジュール２４は、個々のセル（図１には示していない）を並列／直列に配置したものである。各バッテリモジュール２４は、これに対応付けられたモジュール監視ユニット（図１には示していない）によって監視される構成でもよい。各モジュール監視ユニットは、仮想セルの電圧と個々のセルの温度をそれぞれ測定する別個のセンサを含む。モジュール監視ユニットは、平衡化回路も含む。
本システムは、さらに、バッテリ１８から供給される低電圧のＤＣ電力を受けて、これを高電圧のＤＣ電力に変換するＤＣ電圧変換システム（図１には示していない）を含む。図１に示すシステムは、さらに、ＤＣ電圧変換システムから出力される高電圧ＤＣ電力をモータコントローラ５０に送るように接続されたＨＶＤＣバス４を含む。例えば、ＨＶＤＣバス４は、ＤＣ電圧変換システムからＨＶＤＣ電力を受けるように接続された一対のＨＶＤＣバスバーを含む。
ＤＣ電圧変換システム（図示していない）は、電圧コンバータ及びコンバータコントローラを含む。コンバータコントローラは、例えば、パルス幅変調方式、位相変調方式、インターリーブ変調方式（interleaved modulation）、又は、それらの２つ又は３つの方式の組み合わせなど、特定のスイッチ変調アルゴリズム（switching modulation algorithm）にしたがって制御信号を生成する。電圧コンバータは、上述の変調方式のいずれかによるコンバータコントローラの制御下で入力電流の電圧を変換して、効率の向上、電流リップルの抑制、ノイズの最小化などの特定の電気性能の要件を満たす電圧の出力電流を生成する。
図１に示すシステムは、さらに、バッテリ管理システム２２を含む。バッテリ１８の動作は、バッテリ管理システム２２によって管理される。バッテリ１８に組み込まれている各モジュール監視ユニットは、仮想セルの電圧及び個々のセルの温度を示すセンサデータをバッテリ管理システム２２に送る。バッテリ管理システム２２は、電流センサ１６からデータを受け取る。バッテリ管理システム２２は、冗長保護機能、フェイルセーフ動作、及び、バッテリストリングの選択的停止を可能にするよう構成されている。バッテリ管理システム２２は、さらに、バッテリ過充電保護を実現し、また、バッテリの熱暴走の要因となりうるその他の事象や事象の組み合わせを未然に防ぐよう構成されている。より具体的には、バッテリストリングのうちのいずれかに故障状態（例えば、短絡）が検知されると、バッテリ管理システム２２は、選択された接触器８の切り替え状態を制御して開状態にする。
図１に示されるように、本システムは、さらに、エンジン制御ユニット１０（ＥＣＵ：engine control unit）を含む。エンジン制御ユニット１０は、モータコントローラ５０においてインバータコントローラ（図１には示していない）と連携して動作する。モータコントローラ５０のインバータコントローラは、エンジン制御ユニット１０と通信可能に接続されており、エンジン制御ユニット１０から制御信号を受け取り、また、当該ユニットにフィードバック信号を送る。エンジン制御ユニット１０は、すべてのインバータコントローラの監視及び調整を行う機能を有する。詳細は後述するが、エンジン制御ユニット１０は、図１に示す航空機電動推進モータ駆動システムの動作全体を制御する電動推進コントローラ（ＥＰＣ：electric propulsion controller)（図１には示していない）と通信可能に接続されている。
図１は、ＨＶＤＣバス４に故障３（例えば、短絡）が発生した状態を示している。この例では、ＨＶＤＣバス４は、公称電圧ＤＣ１０００～１６００Ｖを印加し、公称電流ＤＣ１０００Ａを伝送する。図示のような故障が発生すると、バッテリ１８からＤＣ７０００Ａもの大きな故障電流（右向きの矢印で示されている）が供給される可能性がある。先に記載したように、故障部位にはバッテリ１８からの電流が流れるだけでなく、ＡＣモータ３０からの電流もモータコントローラ５０を通って故障部位に流れ込む。例えば、ＡＣモータ３０は、短絡電流ＩSC＝ＤＣ７０００Ａ（左向きの矢印で示されている）を生成しうる。
図２は、２つのチャネル４６ａ及び４６ｂを有するモータコントローラ５０を含むプロパルサ２’を示す。チャネル４６ａには、第１バッテリ１８ａによって生成されたＤＣ電力が第１配電盤２０ａ及び第１ＨＶＤＣバス４ａを介して供給される。一方、チャネル４６ｂには、第２バッテリ１８ｂによって生成されたＤＣ電力が第２配電盤２０ｂ及び第２ＨＶＤＣバス４ｂを介して供給される。第１及び第２のバッテリ１８ａ及び１８ｂは、バッテリ管理システム（ＢＭＳ：battery management system）２２ａ及び２２ｂによってそれぞれ管理及び保護される。第１及び第２の配電盤２０ａ及び２０ｂの各々は、一対のバッテリ接触器（battery contactor）４８を含む。これらのバッテリ接触器は、閉状態においては、第１バッテリ１８ａを第１ＨＶＤＣバス４ａに、また第２バッテリ１８ｂを第２ＨＶＤＣバス４ｂに接続し、開状態においては、第１バッテリ１８ａを第１ＨＶＤＣバス４ａから、また第２バッテリ１８ｂを第２ＨＶＤＣバス４ｂから切り離す。モータコントローラ５０における一方のチャネルに不具合が発生して使用できなくなっても、他方のチャネルを継続して使用することができる。本明細書では、そのような構成を電動推進システムの限定動作モード（degraded mode）という。
図２に示す例では、ＡＣモータ３０は、２×３相のＡＣモータである。図２に示されるように、ＡＣモータ３０には、ＡＣ電力線６を介してチャネル４６ａ及び４６ｂからＡＣ電力が入力される。各ＡＣ電力線６を流れる電流は、それぞれの電流センサ１６によって測定される。ＡＣモータ３０は、ロータ２８、及び、このロータ２８から空隙を隔てて配置されたステータを含む。例示的なステータは、スター結線された３相ステータ巻線の組２６ａ及び２６ｂを含み、各インバータからのＡＣ電力は、これらの巻線に供給される。ロータ２８は、複数組の巻線（図示せず）又は永久磁石アレイを含んでおり、当該巻線又は永久磁石アレイは、ステータ巻線によって生成される磁界との相互作用により、プロペラシャフト３４を回転させる力を生成する。ＡＣモータ３０は、さらに、角速度・角度位置センサ（図２には示していない）を含み、当該センサは、ロータ２８の電気周波数及び角度位置を検知して、角速度信号ｗ及び位置信号を制御システムに出力する。角速度信号ｗは、モータの回転機械的な速度（これは、プロペラの速度でもある）に比例する。位置信号は、ロータ２８の角度位置を表す。
推進用電動モータは、例えば永久磁石モータである。永久磁石モータには、電力密度が高く、高効率で、低重量であるというメリットがある。電動航空機の重量を抑えることは重要である。したがって、本システムには、電力密度の高いコンポーネントが用いられる。しかしながら、永久磁石モータには、懸念される故障モード（failure mode）がいくつかあり、故障分離のための具体的な手順及び慎重な設計が求められる。永久磁石モータでは、永久磁石がモータの一部として組み込まれているので、故障状態が発生した場合でも、モータの励磁を止めることができないというデメリットがある。例えば、モータの巻線間に短絡が生じた場合、モータコントローラをオフにしてモータの電力を無くすだけでは不十分である。電力を無くしても、モータは回転を続け、モータの回転によって励磁界が発生するので、短絡したモータ巻線において引き続き電流が生成され、故障部位に給電される。本提案のフォールトトレラントなシステムでは、故障の検知に対応して特定の動作を行うことによって上述の問題を解決する。
図２に示す簡易な実装では、チャネル４６ａは、第１インバータ１４ａ（３つの相のそれぞれに関連付けられた３対の電力スイッチを含む）及びＤＣリンクコンデンサ４０ａを含み、チャネル４６ｂは、第２インバータ１４ｂ（同様に、３対の電力スイッチを含む）及びＤＣリンクコンデンサ４０ｂを含む。第１及び第２のインバータ１４ａ及び１４ｂは、スター結線されたステータ巻線の組２６ａ及び２６ｂに３相ＡＣ電力を供給するようにそれぞれ接続されている。インバータ１４ａ及び１４ｂの電力スイッチの状態は、各々のインバータに対応するインバータコントローラ（図２には示していない）によって制御される。インバータコントローラは、エンジン制御ユニット１０に通信可能に接続されている。例えば、インバータ１４ａ及び１４ｂの電力スイッチの状態は、通常動作時には、ＡＣモータ３０に６相ＡＣ電力を供給するように制御される。しかしながら、図２に示す状況では、モータコントローラ５０のチャネル４６ａは正常に動作しているが、チャネル４６ｂは正常に動作しておらず、インバータ１４ｂのすべての電力スイッチは、後述する理由によって閉状態にされている。
図２に示されるように、電動推進システムは、電動推進コントローラ１２を含んでおり、このコントローラには、操縦士が推力コントロールレバー及びピッチコントロールレバー（図２には示されていないが、図５に、推力コントロールレバー２１及びピッチコントロールレバー２３が示されている）を操作することで推力及びピッチが入力される。電動推進コントローラ１２は、速度・位置センサからプロペラの回転速度に比例する信号ｗを受け取る。加えて、電動推進コントローラ１２は、電流センサ１６から測定電流を表す信号を受け取る。電動推進コントローラ１２は、センサからの情報及び操縦士の入力に基づいてインバータの動作を制御するためのエンジン制御ユニット１０に命令を送る。加えて、電動推進コントローラ１２は、バッテリ管理システム２２ａ及び２２ｂと連携して動作する。電動推進コントローラ１２は、エンジン制御ユニット１０にデジタルトルクコマンド信号を送り、ガバナ４２にアナログピッチコマンド信号を送るよう構成されている。加えて、電動推進コントローラ１２は、配電盤２０ａ及び２０ｂにおけるバッテリ接触器４８の状態を制御するよう構成されている。
図２に示す構成によれば、このシステムは、電動推進コントローラ１２によって制御される。電動推進コントローラ１２は、推力コントロールレバー２１及びピッチコントロールレバー２３を介して操縦士からの入力を受ける。推進システムが最適に動作するためには、推力及びピッチコマンドに関わらず、プロペラ速度を一定に維持することが求められる。電動推進コントローラ１２は、速度センサからプロペラ速度の測定値を示すセンサデータを受け取り、この測定速度を基準速度信号と比較してトルクコマンドを生成して、エンジン制御ユニット１０に送る。
図４は、提案の一態様による、プロペラ３２の回転速度を制御するためのアルゴリズム８０（以降、「制御アルゴリズム８０」）のステップを示すフローチャートである。制御アルゴリズム８０のうち、ステップ８６、８８、及び９０は、電動推進コントローラ１２によって実行され、トルクループ９２は、エンジン制御ユニット１０によって実行される。図４に示されるように、電動推進コントローラ１２は、操縦士用インターフェース装置８２から基準プロペラ回転速度ｗ＿ｒｅｆを受け取る。操縦士用インターフェース装置８２は、例えば、「速度」コマンド又は「保護実行」コマンドなどの操縦士の入力に対応する値の基準プロペラ回転速度ｗ＿ｒｅｆを出力するよう構成されたルックアップテーブル８４を含む。「保護実行」コマンドは、緊急事態において操縦士がプロペラを手動で停止させる場合に用いられる。この信号が用いられると、基準速度ｗ＿ｒｅｆはゼロに設定される。電動推進コントローラ１２は、速度・位置センサから信号ｗも受け取る。次に、信号ｗを、基準信号ｗ＿ｒｅｆと比較する（ステップ８６）。速度エラー信号が生成されると、当該速度エラー信号は、速度コントローラ伝達関数（speed controller transfer function）Ｃｐに供給されて、トルク基準信号に変換される（ステップ８８）。速度コントローラＣｐは、速度制限関数Ｗｍａｘを含んでおり、プロペラ回転速度がＷｍａｘを超えないように制限して超過速度状態（over-speed condition）を防止する（ステップ９０）。電動推進コントローラ１２は、基準トルクＴ＿ｒｅｆを表す信号を出力する。この信号はエンジン制御ユニット１０に入力される。エンジン制御ユニット１０は、この基準トルクを用いてトルクループ１１２を実行し、要求されたトルクに比例する適切な電流基準信号を生成する。この電流基準信号は、モータコントローラ５０に送られる。このようにして、速度のフィードバック制御のループが完成する。
再び図２を参照すると、モータコントローラ５０は、特定の種類の故障が発生した場合に、モータコントローラ５０をセーフモードで動作させるよう構成された保護回路４４を含む。保護回路４４は、ハードウェアベースで構成される。保護回路４４は、典型的には、アナログ回路によって実装される。保護回路４４は、インバータ１４ａ又はインバータ１４ｂにおける電力スイッチを閉状態にするスイッチ制御信号を送出する。この信号は、故障の検知に応答して電動推進コントローラ１２から送出されるコマンドに応答して送出される。より具体的には、保護回路４４は、電力スイッチのゲートドライバに低電力を入力する。
図２は、ＨＶＤＣバス４ｂに故障３（例えば、短絡）が発生し、この故障（以下、「ＨＶＤＣバス故障３」）に対処した状態の保護システムを示している。ＨＶＤＣバス故障３は、例えば差動保護故障（differential protection fault）である。この故障は、部分的には、バス接触器（bus contactor）４８を通ってＨＶＤＣバス４ｂに流れる電流を感知する電流センサ１６（図１を参照）から提供される電流情報に基づいて検知される。差動保護は、指定された区間又は機器を保護するユニット型保護（unit-type protection）である。これは、差動電流（入力電流と出力電流との差）は、区間内部で故障が発生した場合にのみ高くなるという事実に基づく。
図２に示すＨＶＤＣバス故障３が検知されると、電動推進コントローラ１２は、すべての電力スイッチ１４ｂを閉じるように保護回路４４を動作させ、配電盤２０ｂを開くようにバス接触器２０を動作させる。より具体的には、ＨＶＤＣバス故障３が発生すると、電力スイッチ１４ｂに対してアクティブショートサーキット（ＡＳＣ）制御が行われる。電力スイッチ１４ｂを短絡させることで、ＡＣモータ３０からの回生電流がモータコントローラ５０に流れ、ＨＶＤＣバス故障３には流れないように電流経路を変更することができる。回生電流は、電動推進モータ３０とモータコントローラ５０の間を循環する。より具体的には、ＡＣモータ３０で生成された電流は、電力スイッチ１４ｂに入り、モータと電力スイッチとの間を循環する。電力スイッチ１４ｂは、典型的には固定素子（例えば、トランジスタ）であり、高電流を想定して設計されている。電力スイッチは、冷却液（油、水とプロピレングリコールの混合液、又は、他の任意の媒体）で能動的に冷却される。これは、電力デバイスに故障電流が流れることで生成される熱を最も効率的に除去する方法である。同様に、ＡＣモータ３０も冷却液で能動的に冷却される。したがって、ＡＣモータ３０で生成されるエネルギーはすべて、モータ及び電力スイッチの損失として発散させ、能動的な冷却システムによって除去することができる。
モータコントローラ５０のチャネル４６ｂのＡＳＣ制御は、ミリ秒単位で非常に迅速に実行することができる。この状態でもＡＣモータ３０及びモータコントローラ５０は、冷却液で能動的に冷却されているので、ＡＣモータ３０とモータコントローラ５０のチャネル４６ｂとの間を循環する短絡電流による発熱の影響は、冷却システムによって能動的に制御される。故障の発生後、且つ、ＡＳＣ制御の実行後、電動推進コントローラ１２は、ガバナ４２にプロペラ３２のフェザリングを周知の手法によって一般的な時間長で行わせる。プロペラ３２がフェザリングされると、ＡＣモータ３０を回転させるようにプロペラ３２に作用する空気の力が大幅に減少する。これによりＡＣモータ３０の回転が停止し、よって回生電力の生成が停止される。電力の生成が停止されれば、任意であるが、電力スイッチ１４ｂをＡＳＣ制御状態から開状態に移行させてもよい。
図３は、一実施形態による、冷却液を用いてモータステータ２５の熱及び電力スイッチ１４の熱を除去するよう構成された冷却システム７０のコンポーネントの一部を示すブロック図である。矢線は、冷却液を搬送するパイプを表す。冷却液は、ポンプ６０によって循環する。ポンプ６０から送り出された冷却液は、分流器６４に入る。分流器６４において、冷却液は、モータステータ３６を通る流れと、電力スイッチ１４に熱伝導結合された冷却板６２を通る流れと、に分流される。モータステータ３６を通る流れは、ステータ巻線（図３には示していない）を冷却し、冷却板６２を通る流れは、電力スイッチ１４を冷却する。高温になった冷却液は、ミキサ６６に圧送され、次いで熱交換器６８に通される。高温になった冷却液が熱交換器６８を通過すると、外気（ヒートシンクとして機能する）によって冷却される。冷却された冷却液がポンプ６０に戻ると、流れは一巡する。
図５は、他の実施形態による航空宇宙用の電動推進システム構成を示す図である。電動推進コントローラ１２は、推力コントロールレバー２１及びピッチコントロールレバー２３を介して操縦士から入力を受け付ける。電動推進コントローラ１２は、第１制御エリアネットワーク（ＣＡＮ１）を介してバッテリ管理システム２２と通信し、第２制御エリアネットワーク（ＣＡＮ２）を介してエンジン制御ユニット１０と通信する。電動推進コントローラ１２は、プロペラ３２のフェザリングを制御するためのアナログ制御信号をガバナ４２に送る。電動推進コントローラ１２は、第１表示ユニット５６に表示するための情報をイーサネット接続経由で送る。
通常の動作において、バッテリ１８は、モータコントローラ５０にＨＶＤＣ電力を供給する。モータコントローラ５０は、ＤＣ電力をＡＣ電力に変換し、ＡＣモータ３０の回転を駆動する。エンジン制御ユニット１０は、電動推進コントローラ１２から実行／停止コマンド及びトルクコマンドを受け取る。電動推進コントローラ１２は、操縦士の入力とプロペラの速度とを監視する。操縦士から要求推力の入力があると、電動推進コントローラ１２は、モータコントローラ５０へのトルクコマンドを算定する。モータコントローラ５０は、これに応答して、適切な振幅及び位相のＡＣ電流をモータ３０に印加して、プロペラ３２を回転させるトルクを生成させる。ガバナ４２は、プロペラブレード３６のピッチを変更することによって、プロペラ３２の回転速度を調整する。推力の増加を要求する入力を操縦士から受けると、電動推進コントローラ１２は、モータコントローラ５０にトルクを大きくするよう命令する。プロペラ３２は加速の傾向を示すが、ガバナ４２が加速分に対応してブレードピッチを増加させる。これにより、操縦士が要求した推力の増加が得られる。したがって、プロペラの速度は、動作中常に一定に維持され、プロペラの推力は、モータのトルク及びプロペラピッチの設定を変えることで変化させる。
図５は、一実施形態による航空機の電動推進ユニット機器の接地方式も示している。電流リターンネットワークは、電流リターンネットワーク７２として機能するアルミニウムの構造体を含む。地上のビルや設備であれば、一般的に銅の棒や配管などによって接地されているので、電力システムの機器もこれらのビルや設備に接地すればよい。しかしながら、航空機では、地面への接続はないので、この代わりに、軽量で導電性の構造体（アルミニウムが一般的）を備えており、すべての電気機器は、この構造体に接地される。電流リターンネットワーク７２は、「高インピーダンス接地」と呼ばれる接地方式にしたがって、１Ｍオームの大型抵抗器を介してバッテリシステムの中間点に接続されている。モータコントローラ５０の外囲器及びモータのハウジングも、電流リターンネットワーク７２に接地される。接地方式は、様々な機器の内部における保護の機能の仕方、及び、選択される保護の種類に影響することが多い。
高出力の電動推進ユニットは、複数のモータ及びモータコントローラが接続されて構成されうる。加えて、各モータコントローラ５０は、複数の電力スイッチを有するインバータを複数含んで構成されうる。各インバータの電力スイッチは、モータに３相ＡＣ電力を供給するようにスイッチングされる。
例えば、図６に示すＡＣモータ３０は、ＡＣ電力線６を介してインバータ１４ａから３相ＡＣ電力を受けるスター結線型のステータ巻線の組２６ａ、及び、インバータ１４ｂから３相ＡＣ電力を受けるスター結線型のステータ巻線の組２６ｂを含む。各３相巻線の組は、それぞれ対応するインバータ又はモータコントローラによって駆動される。これにより、推進用の高トルクを発生させるためにモータ巻線に流す高電流が緩和される。複数の巻線を有するモータは、例えばフォールトトレランス性など、システムレベルについても付加的な効果を奏する。モータのいずれかの巻線に故障が発生しても、他の巻線を使うことで、推進システムは、容量を下げて動作を継続することができる。モータ及びモータコントローラは、複数（３つ、４つ、６つなど）の組のスター結線型３相ステータ巻線を備える構成とすることが可能であるので、１つのチャネルに不具合が発生した場合の推進システムのフォールトトレラント性を高め、また、全体的な影響を軽減することができる。
図６に示すＨＶＤＣバス故障３は、例えば、ＨＶＤＣバス４の正電圧レールと負電圧レールの間で発生しうる。バッテリ保護（ヒューズ及び／又はストリング接触器８）が非常に迅速に機能して、バッテリ１８は、ＨＶＤＣバス故障３から分離される。バッテリ保護機能が実行されるまでの間は、バッテリ１８からＨＶＤＣバス故障３に電力が供給される。また、バッテリ１８がＨＶＤＣバス４から分離された後でも、プロペラ３２に作用する強い空気の力によってモータ３０は回転し続けるので、モータ３０によってＡＣ電力が生成され、インバータ１４ａ及び１４ｂのすべての電力スイッチが開状態であっても、故障部位に電力が供給される。この結果、短絡電流ＩscがＨＶＤＣバス故障３に流れる。
ＨＶＤＣバス故障３が検知されると、電動推進コントローラ１０は、プロペラ３２のフェザリングを行うようガバナ４２に命令し、ガバナは、プロペラブレード３６のピッチを変更してプロペラ３２に作用する空気の力を低減することで、モータの回転を停止させる。プロペラのフェザリングには、最大で１０秒を要する。なんらかの対策を取らない限り、モータ３０は、その間、電流源として作用し、ほぼ一定の電流を故障部位に供給し続ける。図２に示すような、故障に対して冗長化された構成（fault-redundant architecture）では、プロペラ３２のフェザリングは行われず、１つのチャネルに不具合がある状態で不定長の時間にわたって動作が継続する可能性がある。
図７は、モータコントローラ５０の１つのインバータ１４の回路を示す図であり、モータ３０によって生成された短絡電流がＨＶＤＣバス故障３に供給されているときの状態を示している。モータコントローラ５０の各インバータは、上段の３つの電力スイッチ１５ａ及び下段の３つの電力スイッチ１５ｂを含む。モータコントローラ５０は、さらに、ＤＣリンクコンデンサ４０、及び、図示していない他のフロントエンド回路を含む。上段の第１電力スイッチと下段の第１電力スイッチは、モータ３０の第１ステータ巻線に接続されている。同様に、上段の第２電力スイッチと下段の第２電力スイッチは、モータ３０の第２ステータ巻線に接続されている。また、上段の第３電力スイッチと下段の第３電力スイッチは、モータ３０の第３ステータ巻線に接続されている。第１、第２、及び第３のステータ巻線は、互いに約１２０度の角度で離間している。ＤＣリンクコンデンサは、インバータによる電流の吸収が大きい場合でも、電圧の変動を制限して、安定したＤＣ電圧をモータに供給するために用いられる。実際には、ＤＣリンクコンデンサは、ＭＯＳＦＥＴスイッチのオンからオフ、又は、オフからオンへの状態遷移によって生じるスイッチング損失を補償するフィルタとしての役割を果たす。
図７は、図６に示したシステムにおけるモータ３０の等価回路も示している。モータ３０の各等価回路は、起電力Ｅ、抵抗Ｒ、及びインダクタンスＬを含む。起電力源は、電圧源と同様であり、起電力Ｅは、例えば、プロペラ３２が風で回転するなど、外的な空気の力（図７では、矢印７４で示す）でモータ３０が回転することで生成される。起電力Ｅは、下記式により算出される。
Ｅ＝Ｋt×速度
式中、Ｋtは、モータのトルク定数であり、「速度」は、モータの力学的速度である。また、短絡電流Ｉscは、下記式により算出される。
Ｉsc＝Ｅ／（Ｌ2ｗ2＋Ｒ2）1/2≒Ｋt／Ｌ
式中、角速度ｗは、モータ電流の電気周波数を表す。このように、短絡電流Ｉscは、逆起電力Ｅに比例し、モータインダクタンスＬに反比例する。
ＨＶＤＣバス故障３が発生すると、モータ３０は、プロペラ３２のフェザリングが完了し、モータ３０の回転が停止するまでの間は、常に定電流源として機能する。ガバナ４２が約１０秒間でプロペラ３２のフェザリングを行う間、プロペラブレード３６のピッチは変化し、モータ３０の速度は徐々に低下する。モータ３０の速度が低下すると、生成される起電力Ｅも低下する。しかしながら、これと同時にモータ３０のインピーダンスも速度に比例して低下する。したがって、速度の低下にともなって、生成されるＥＭＦは低下するものの、故障部位に対するモータ３０のインピーダンスも減少するので、故障電流の大きさは変わらない。つまり、モータ速度がゼロに近づくまでは、故障電流は、モータ速度に依存しない。よって、何らかの対応を取らない限り、数千アンペアという望ましくない高電流が数秒間に亘って故障部位に流れることになる。
短絡電流Ｉscの大きさは、モータの設計に依存して決まる。例えば、モータは、短絡電流が公称動作電流と同じになるように設計することができる。しかしながら、このようなモータ設計では、インダクタンスＬを大きくし、且つ、ステータとロータとの間の空隙を大きくして、モータトルク定数Ｋtを小さくする必要がある。空隙が大きいと、磁束の漏洩も大きくなるので、同じ公称電力を得るために、モータ３０の磁石の個数及び巻線の巻き数を増やす必要がある。そのようなモータは、重量やサイズが大きくなるので、最適な設計ではない。
したがって、より適切でより電力密度の高い航空機用モータとして、本開示は、空隙がより小さく、モータトルク定数Ｋtがより大きく、インダクタンスＬがより小さい設計で同じ公称電力を実現する設計を提案する。ただし、そのような設計のモータでは、短絡電流も大きくなる。モータ３０の最大トルク且つ最大速度時における公称動作電流を１．０単位（ｐ．ｕ．）とする場合、モータ３０の短絡電流が１．２～１．５ｐ．ｕ．の範囲に収まるように選択すれば、最適な電力密度のモータ設計とできる（単位法による表記では、物理量はベース値に対する分数で表される。この場合のベース値は、振幅基準値である）。
プロペラをフェザリングする間に、故障部位に供給されるモータの回生電流の量を低減すべく、本明細書に提案する革新的な技術では、モータコントローラ５０の電力スイッチを短絡させて、電流経路を故障部位から逸らす。一例として、モータコントローラ５０のアクティブショートサーキット（ＡＳＣ）制御を図８に示している。同図では、モータコントローラ５０の各インバータにおける下段の３つの電力スイッチ１５ｂは閉状態にされており、上段の３つの電力スイッチ１５ａは開いたままである。或いは、各インバータにおける下段の電力スイッチ１５ｂを開状態としたままで、上段の３つの電力スイッチ１５ａを閉状態にすることも可能である。バッテリ１８（図６に示す）がモータコントローラ５０に接続されたままになっている可能性があるので、いずれのインバータにおいても６つの電力スイッチのすべてを閉状態とすることはできない。そのようにすると、バッテリ電源がモータコントローラ５０を介して短絡し、電力スイッチの設計耐性を超える数千アンペアもの大電流が電力スイッチに流れる可能性がある。
提案の一態様によるモータコントローラ５０の保護方法によれば、各インバータの上段又は下段のいずれかの段の電力スイッチを閉じることによってアクティブショートサーキット制御を発動する。図９は、インバータ１４における１つの段の３つのインバータ電力スイッチ１５を示しており、これら電力スイッチは、ＨＶＤＣバス故障３の検知に対応して閉状態にされて、セーフモードの動作に移行している。最適な電力密度設計では、この故障状態でモータ３０が短絡したときのモータ短絡電流Ｉscは、１．２から１．５ｐ．ｕ．である。例えば、モータ短絡電流Ｉscは、モータ３０の最大公称動作電流Ｉnom（１．０ｐ．ｕ．）の１．２～１．５倍である。この電流が１つの段の３つの電力スイッチ１５に流れると、短絡電流Ｉscは、最大公称動作電流の√２×１．２から√２×１．５の範囲になる。各スイッチにおける損失電力Ｐdisは、電流の二乗に比例する（Ｐdis＝ＲonＩsc 2、式中、Ｒonは、当該スイッチのオン抵抗を表す）ので、（√２×１．２）2＝２．９から（√２×１．５）2＝４．５の範囲になる。したがって、モータコントローラ５０の３つの電力スイッチ１５がＡＳＣ制御されている間は、各スイッチにおける損失電力は、約３～５倍に増える。スイッチ接続部の温度Ｔjは、損失電力に比例するので、電力スイッチ１５の接続部の温度も上昇し始める。この温度がスイッチの定格温度（典型的には、１７５°Ｃ）を上回ると、スイッチが損傷する可能性が生じる。したがって、ＡＣＳ制御された状態が長時間（数秒間）に及ぶと、閉状態にある電力スイッチ１５が損傷する可能性が生じる。よって、プロペラのフェザリングの完了を待つ間（１０秒間）、継続してこの状態を維持しておくことはできない。他の解決策としては、電力スイッチのサイズを大きくすることで、大きな短絡電流に耐えうるようにすることも可能である。しかしながら、この解決策は、モータコントローラ５０の重量及びサイズの著しい増加を伴うので、航空機用の電動推進の用途では許容されない。
図９Ａは、１つのインバータにおける下段のスイッチのうちの１つのスイッチＳ１と、これに対応する上段スイッチＳ２に流れる電流の時間変化を示すグラフである。同グラフに矢印で示す時点において、上段スイッチ（スイッチＳ２を含む）に対してアクティブショートサーキット（ＡＳＣ）制御が開始される。スイッチＳ１を流れる電流は点線の波形で示されており、スイッチＳ２を流れる電流は、実線の波形で示されている。通常動作の間（ＡＳＣ制御の前）は、スイッチＳ１及びＳ２は、それぞれ正弦波の半サイクルの間だけ導通する。ＡＳＣ制御が開始されると、下段スイッチＳ１は開状態にされ、それ以降は導通しない。一方、上段スイッチＳ２は短絡されるので、半サイクルではなく全サイクルにわたって導通する。モータ３０によって生成される短絡電流に起因するピーク電流Ｉpは、比較的高くなっている（１．２ｐ．ｕ．）。
先に言及したように、多くの電力スイッチでは、接続部における最大温度は１７５°Ｃに規定されている。よって、インバータの設計は、短絡時における接続部温度が１７５°Ｃを超えないように制約される。モータの設計も、同様の制約を受ける。モータ３０の銅巻線における電力損失は、短絡中の公称動作電流の１．２倍に相当するモータの短絡電流Ｉscの二乗に比例する。よって、モータ３０の銅巻線の温度が２３０°Ｃを超えることはない。
図９Ｂは、電力モジュールがヒートシンクに接続されたときの熱抵抗の蓄積（stack-up of thermal resistances）を示す樹形図である。電力デバイス（又は電力スイッチ）の接続部における熱源７６は、丸で囲った矢印で示されている。電力デバイスの接続部は、電力モジュールの内部に位置している。モジュールＲｔｈ＿Ｍｏｄの内部には、熱抵抗Ｒｔｈ＿Ｍｏｄがある。この電力モジュールは、（熱グリースなどの）熱界面材料（ＴＩＭ）を介してヒートシンクに接続されている。ここで、Ｒｔｈ＿ＴＩＭは、熱界面材料の熱抵抗を表し、Ｒｔｈ＿Ｈｅａｔｓｉｎｋは、ヒートシンクの熱抵抗を表す。電力デバイスの接続部の温度が、接続部に規定された許容可能な最高温度（典型的には、１７５℃）を超えないことを保証するには、すべての熱抵抗を考慮することが重要である。
他の提案によるモータコントローラ５０の保護方法によれば、インバータ１４の６つの電力スイッチのすべてを閉じることでアクティブショートサーキット制御を行う。図１０は、インバータ１４の上段の３つの電力スイッチ１５ａと下段の３つの電力スイッチ１５ｂを示す図である。これら６つのスイッチは、ＨＶＤＣバス故障３の検知に対応してすべて閉状態にされており、６つのスイッチが閉じた（ＳＳＣ）モードの動作に移行している。この故障状態でモータ３０が短絡したときの最適な電力密度設計のモータ短絡電流Ｉscは、ここでも１．２から１．５ｐ．ｕ．である。例えば、モータ短絡電流Ｉscは、モータ３０の最大公称動作電流Ｉnom（１．０ｐ．ｕ．）の１．２～１．５倍である。ただし、この電流が６つのスイッチすべてを介して分配されるので、各スイッチを通過する電流は半分に低減される。つまり、各スイッチを通過する短絡電流Ｉscは、最大公称動作電流の√２×０．６から√２×０．７５の範囲になる。よって、各スイッチにおける損失電力Ｐdisは、電流の二乗に比例するので、（√２×０．６）2＝０．７２から（√２×０．７５）2＝１．１の範囲であり、スイッチを流れる公称動作電流より低いか、これに非常に近い値となる。よって、電力スイッチ１５ａ及び１５ｂは、不定長さの時間にわたって動作することが可能である。
図１０Ａは、６つのスイッチのすべてが閉状態であるインバータにおける下段のスイッチのうちの１つのスイッチＳ１と、これに対応する上段のスイッチＳ２のそれぞれに流れる電流の時間変化を示すグラフである。同グラフに矢印で示す時点において、上段スイッチ（スイッチＳ２を含む）に対してアクティブショートサーキット（ＡＳＣ）制御が開始される。スイッチＳ１を通る電流は点線の波形で示されており、スイッチＳ２を流れる電流は、実線の波形で示されている。通常動作の間は、スイッチＳ１及びＳ２は、それぞれ正弦波の半サイクルの間だけ導通する。ＡＳＣ制御後は、下段スイッチＳ１及び上段のスイッチＳ２は短絡されるので、半サイクルではなく全サイクルにわたって導通する。モータ３０によって生成される短絡電流に起因するピーク電流Ｉpは、比較的低くなっている（０．６ｐ．ｕ．）。このように、このシステムは、通常動作の間、全ての電力損失量に対応可能に設計されているので、スイッチの接続部の温度が接続部に規定された許容可能な最高温度を超えることはない。
一実施形態によれば、図１１に示すように、電動推進コントローラ１２は、ＨＶＤＣバス故障３が検知されると、保護機能を実行するよう構成されている。この保護機能により実行される方法１００は、図１２に示す一連の動作を含む。即ち、ＨＶＤＣバス４の故障が検知されると、電動推進コントローラ１２によって、モータコントローラ５０の（上段又は下段のいずれかの）３つの電力スイッチに対するＡＳＣ制御（即ち、閉じる処理）が命令される（ステップ１０２）。これと同時又はほぼ同時に、電動推進コントローラ１２は、バッテリ接触器４８を開いて（ステップ１０４）、ＤＣリンクコンデンサ４０を放電させる。バス接触器４８が開状態になった（典型的には、５０ミリ秒未満で行われる）ことが確認されれば、電動推進コントローラ１２は、モータコントローラ５０を３つのスイッチを閉じた状態から、６つのスイッチを閉じた状態であるＳＳＣ状態に移行させる（ステップ１０８）。換言すると、開いたままになっているすべての電力スイッチを閉じる。ただし、バッテリ１８がモータコントローラ５０に接続された状態では、６つのスイッチすべてを短絡させることは可能でない。ＨＶＤＣバス故障の状態では、バッテリ１８から大きな電流が供給されることになる。したがって、ＳＳＣモードを起動する前に、バッテリ１８の接続を解除する必要がある。
バス接触器を開状態にする間、閉状態である３つのスイッチを、下段のスイッチ１５ｂから上段のスイッチ１５ａに（またその逆に）定期的に切り替えてもよい。これにより、スイッチに作用する熱応力を低減することができる。例えば、バス接触器を開くのに５０ミリ秒を要する場合、モータコントローラ５０において、１０ミリ秒の間、上段の３つのスイッチ１５ａを閉状態に維持し、次に、上段のスイッチを開くとともに、１０ミリ秒の間、下段のスイッチを閉状態に維持し、このサイクルをバス接触器が開状態になったことが確認されるまで繰りかえす。バス接触器４８の開状態が確認されれば、モータコントローラ５０は、ＳＳＣモードに入るよう命令される。
加えて、電動推進コントローラ１２は、ＨＶＤＣバス故障３が検知されると、プロペラ３２のフェザリングを開始するようにガバナ４２（図１を参照）に命令する。加えて、電動推進コントローラ１２は、プロペラ速度ｗの監視も行う。プロペラ３２のフェザリングが完了すれば、モータの速度は、ほぼゼロに低下するので、モータ３０から供給される回生エネルギーもなくなる。加えて、モータコントローラ５０をＳＳＣモードに維持することによって、モータ３０に制動トルクが作用する。これも、モータとプロペラの回転速度をゼロに維持するために有効に作用する。この結果、モータ３０及びインバータ１４は、セーフ動作モードに入る。
モータ駆動式プロペラ（エンジン）を２つ有する航空機では、故障した推進チャネルのプロペラ３２をフェザリングすることは極めて重要である。航空機は、エンジンが１基になっても飛び続けることができる。しかしながら、故障した推進チャネルのプロペラ３２をフェザリングしない状態では、大きな推力が非対称的に作用するので、航空機がやがて制御不能に陥いる可能性がある。
高電流・高エネルギー状態を発生させうる故障には、他にも、電源スイッチの短絡、モータコントローラ５０とモータ３０との間の給電線における相間短絡又は三相短絡、及び、モータの巻線間故障などがある。
図１３は、４つのチャネル４６ａ～４６ｄを有するモータコントローラ５０を含む電動推進ユニットのコンポーネントの一部を示す図である。各チャネルは、インバータを含む。図１３では、チャネル４６ａ及び４６ｂのインバータ１４ａ及び１４ｂだけが見えている。図１３に示す状況では、インバータ１４ａの上段の電力スイッチ１５ａのうちの１つ（一番左に示すスイッチ）が短絡している。
パワーエレクトロニクス業界で長年にわたり開発されてきた技術では、シュートスルーが発生した場合、通常、電力デバイスの非飽和保護を作動させる。シュートスルーは、正及び負の電圧レール間の短絡が検知されて、上段と下段の電力デバイスに大きな短絡電流が流れることで発生しうる。通常の動作において、同じ位相レグの上段のスイッチと下段のスイッチが同時にオンになることはない。上段スイッチと下段スイッチは、常に位相がずれており、即ち、上段スイッチが閉状態のときは、下段スイッチが開状態であり、又は、その逆である。一方、シュートスルー状態では、何らかの異常な原因によって上段スイッチと下段スイッチの両方が閉状態になる。シュートスルー状態の発生原因としては、ソフトウェアのエラーによって両方のスイッチをオンにする命令が出されたか、プロセッサのラッチアップが発生したか、電磁干渉によってゲートドライバに偽のターンオンコマンドが発生したか、などがありうる。シュートスルーは、望ましくない状態であるので、非常に迅速に検知及び排除する必要があり、これは、非飽和保護を用いることで達成される。
非飽和保護は、電力デバイスの電圧を、デバイスのコマンド状態と合わせて継続的に監視するアナログ回路によって実装される。電力デバイスがオンであれば、デバイスの電圧は低くなり、電力デバイスがオフであれば、デバイスの電圧は高くなるはずである。同じ位相レグに含まれる電力デバイスのうちの上段スイッチと下段スイッチのいずれか一方はオフでなくてはならないので、両方の電力デバイスの電圧が同じタイミングで（同時に）低ければ、シュートスルー状態であると検知される。この場合、両方の電力スイッチは、数マイクロ秒以内に迅速にオフにされ、また、インバータ１４の６つのスイッチのうちの残りのすべてのスイッチもオフにされる。モータコントローラにおいて１つの電力スイッチが短絡すると、電力スイッチは、オフ状態に遷移するよう命令されても開状態に遷移することができないので、非飽和保護が発動する。この非保護によって、インバータ１４の６つの電力スイッチのすべてが開状態にされる。
上述の保護手順を、コンピュータによってシミュレーションした。故障をシミュレーションしたところ、電磁トルクに大きなリプルが発生することが示された。非飽和保護では、先ず、モータコントローラ５０の第１インバータの６つのスイッチすべてを開状態（ＳＳＯ）にし、次いで、他のインバータ（図１３に示す例では、第２～第４のインバータ）も同様にする。この時点で、すべての電力スイッチ１５ａ及び１５ｂが開状態になり、モータ３０の回転が低下する。しかしながら、モータ３０の回転が低下するまでに数秒を要するので、この間もモータ３０によって回生エネルギーが生成され、故障した電力スイッチと導通状態の還流ダイオード５８との間を循環する。シミュレーションによれば、この状況により、非常に高い周波数のトルクリプル（振幅±１０００ｎｍ）が発生することが示された。この高周波数のトルクリプルは、モータ３０とプロペラシャフト３４との間のすべての力学的界面（mechanical interface）に発生する。このようなリプルが数秒間にわたって継続すると、モータ３０とプロペラシャフト３４の構造的な一体性に悪影響を及ぼす可能性がある。このような望ましくない状況の持続時間を極力短くするために、本開示は、革新的な保護ロジックを提案するものである。
図１４は、一実施形態による保護サブシステムのコンポーネントを示す図である。本サブシステムは、モータコントローラ５０のインバータのうちのいずれかにおける電力スイッチの短絡の影響を緩和する保護動作を行うよう構成されたコントローラを含む。より具体的には、図１４は、モータコントローラ５０のチャネル４６ｂにおいて、一番左側の電力スイッチに電力スイッチ短絡故障７が発生した状況を示している。モータコントローラ５０は、複数のインバータを含み（図１４では、２つのインバータ１４ａ及び１４ｂが示されている）、各インバータは、それぞれ対応するインバータコントローラによって制御される。当該インバータコントローラは、ベクトル制御機能を実行するエンジン制御ユニット１０から、直交電流及び平行電流（quadrature and direct currents）を表す信号を受け取るよう構成されている。ベクトル制御は、磁界方向制御（field-oriented control）とも呼ばれ、３相ＡＣ電動モータにおけるステータ電流（直交電流Ｉq及び平行電流Ｉd）を、ベクトルで視覚化可能な直交する２つの成分として識別する可変周波数駆動制御の方法である。一方の成分は、モータの磁束を規定し、もう一方の成分は、トルクを規定する。
Ｉd／Ｉqコントローラ１７（エンジン制御ユニット１０の一部）は、電動推進コントローラ１２から与えられた磁束基準値及びトルク基準値から電流成分Ｉq及びＩdの基準値を算出する。図１４に示すＩd及びＩqの矢印は、Ｉd及びＩqの値を変更することで、モータ及びモータコントローラにおける特定の特性が変化することを表す。Ｉd及びＩqの値は、制御特性に影響し、よって、ハードウェア応答に影響する。より具体的には、インバータコントローラ（図１４には示していない）は、直交電流及び平行電流エラー信号に基づいて、直交電圧及び平行電圧を算出する。磁界方向制御は、３相ＡＣモータのトルクを正確に帯域幅で制御することを可能にする非常に有効な手法である。この制御は、ハードウェアで実装することも、ソフトウェアで実装することも可能である。このモータ制御機能の実行には、ロータ位置の情報が必要である。この情報は、（例えば、レゾルバのような）位置センサを用いることで取得できる。ただし、センサレスなモータ制御を採用する変形例も可能である。センサレス制御では、センサによってロータ位置を感知する代わりに、数学的モデル又はモータコントローラ内部の「オブザーバ」を用いて、モータの電流及び電圧からロータ位置を導出する。
図１４に示すＩd／Ｉqコントローラ１７は、「通常モード（図１４では「Ｎｏｍ」と示す）と、緊急モード（図１４では「Ｅｍｅｒ」と示す）の２つの動作モードを有する。コントローラの通常モード動作は、本開示の範囲には含まれない。緊急モードにおいて、Ｉd／Ｉqコントローラ１７は、ＤＣリンクコンデンサ４０を放電させるように算出された参照電流Ｉq及Ｉdを生成する。具体的に、Ｉd／Ｉqコントローラ１７は、大きな平行電流Ｉdを指示する。これによれば、モータ３０にトルクは発生せず、ＤＣリンクコンデンサ４０を迅速に放電させるので、（６つのスイッチが閉じた）ＳＳＣモードに安全に移行することができる。
電力スイッチ短絡故障７が発生した場合に、モータコントローラ５０におけるすべてのインバータをＳＳＯモードに移行させる代わりに、本実施例では、段階的な遮断制御によってセーフモードに移行することを提案する。図１５は、一実施形態による、電動推進ユニットの段階的な遮断制御の方法１００ａの保護ロジックシーケンスを示すフローチャートである。この保護ロジックでは、先ず、電力スイッチ短絡故障７が検知されると、短絡した電力スイッチが上段の電力スイッチ１５ａと下段の電力スイッチ１５ｂのうちのいずれに含まれるスイッチであるかを判定する。次いで、判定されたスイッチと同じ段に含まれる他の２つの電力スイッチに対して、ＡＳＣ制御を命令する（ステップ１０２ａ）。短絡したスイッチが上段の電力スイッチ１５ａのうちの１つであれば、上段の他の２つの電力スイッチ１５ａを開状態から閉状態に移行させるよう命令する。一方、短絡したスイッチが、下段の電力スイッチ１５ｂのうちの１つであれば、下段の他の２つの電力スイッチ１５ｂを開状態から閉状態に移行させるよう命令する。このようにして、保護機能は、モータ３０を短絡させて、モータ３０に制動力を発揮させる。次に、バッテリ接触器４８を開くよう命令する（ステップ１０４）。バッテリ接触器４８が開状態になったことが確認されれば、大きな平行電流Ｉdを指示することによって、モータコントローラ５０のチャネルのうち健全なすべてのチャネルにおけるＤＣリンクコンデンサ４０を放電させる（ステップ１０６）、これによりモータ３０に大きな平行電流Ｉdを供給する。モータ３０にトルクを発生させる直交電流Ｉｑとは異なり、平行電流Ｉdは、トルクの発生には寄与せず、代わりに、ロータ２８の永久磁石の磁界を小さくするように作用するエネルギーを生成する。これにより、ＤＣリンクコンデンサ４０を数ミリ秒以内に迅速に放電させることができる。ＤＣリンクコンデンサを放電させる方法は他にもあり、この詳細は、図１９及び図２１に示す（また、後述する）。最後に、故障していないインバータの前段のＤＣリンクコンデンサ４０が放電されれば、モータコントローラ５０の各インバータにおいて開いたままになっているすべてのスイッチを閉じる（ステップ１０８）。これにより、モータ３０が迅速に制動効果を発揮するので、大きなトルク及び電流リプルが存在する安全でない状態の持続時間を最小限に抑えることができる。ＤＣリンクコンデンサ４０を放電させることは、地上でのメンテナンス作業において担当者が故障部品を安全に取り扱えるようにするために必須である。
故障の種類と位置を特定することは重要である。故障は、それぞれ独自の兆候を示すので、特定可能である。モータコントローラ５０は、必要なすべての信号（入力及び出力されるＤＣ及びＡＣ電圧及び電流、モータ速度、ロータ位置、算出されたモータトルクなど）を監視して、検知された故障の種類を特定する。判定の結果によって、故障状態のモータコントローラのチャネルにおける電力スイッチを短絡させるか、或いは、開状態にするか、いずれの「セーフ状態モード」を実行するか選択される。
ＡＣモータのステータ巻線に発生する一般的な故障には、巻線間故障がある。この故障は、同じステータ巻線（コイル）における２つの巻きの間が絶縁破壊して、短絡することによって発生する。ステータ巻線に発生する故障には、他にも、相間故障がある。これは、２つの別個の位相、通常は同じスロットにおいて隣り合う位相の間が絶縁破壊することで発生する。また、三相故障は、スター接続された３つのステータ巻線が短絡して発生する故障である。
図１６は、３相ＡＣモータ３０のステータ巻線の巻線間故障９による影響を緩和するための保護動作を実行するよう構成された、第１実施形態による保護システムのコンポーネントを示す図である。図１４に示す保護システムでは、故障のないインバータにおけるＤＣリンクコンデンサ４０のみを放電させるが、図１６に示す保護システムでは、大きな平行電流Ｉdを指示することによって、すべてのインバータにおけるＤＣリンクコンデンサ４０を放電させる。本システムは、この点だけが図１４のシステムと相違する。本実施形態においても、モータに相間短絡や３相短絡などの故障が発生すると、同様の動作が実行される。
図１７は、図１６に示す保護システムにおいて用いられる、ステータ巻線に巻線間故障９に対応して電動推進ユニットを段階的に遮断制御する方法１００ｂの保護ロジックシーケンスを示すフローチャートである。この保護ロジックでは、先ず、モータ３０に巻線間故障９が発生したか否かを判定する。次いで、各インバータにおける同じ段（上段又は下段のいずれか）の３つの電力スイッチに対してＡＳＣ制御を命令する（ステップ１０２）。このようにして、保護機能は、モータ３０を短絡させて、モータ３０に制動力を発揮させる。次に、バッテリ接触器４８を開くよう命令する（ステップ１０４）。バッテリ接触器４８が開状態になったことが確認されれば、モータコントローラ５０のすべてのチャネルにおけるＤＣリンクコンデンサ４０に大きな平行電流Ｉdを指示することによって、これらコンデンサを放電させる（ステップ１０６）。最後に、すべてのチャネルにおけるＤＣリンクコンデンサ４０が放電されれば、モータコントローラ５０の各インバータ１４において開いたままになっているすべてのスイッチを閉じる（ステップ１０８）。ＳＳＣ状態にあるときは、モータ及びモータコントローラは、セーフ動作モード４４にある。これにより、モータ３０が迅速に制動力を発揮するので、大きなトルク及び電流リプルが存在する安全でない状態の持続時間を最小限に抑えることができる。ＤＣリンクコンデンサ４０を放電させることは、地上でのメンテナンス作業において担当者が故障部品を安全に取り扱えるようにするために必須である。
図１８は、３相ＡＣモータ３０のステータ巻線の巻線間故障９による影響を緩和するための保護動作を実行するよう構成された、第２実施形態による保護システムのコンポーネントを示す図である。図１６に示す保護システムでは、ＤＣリンクコンデンサ４０に大きな平行電流Ｉdを指示することでＤＣリンクコンデンサ４０を放電させるが、図１８に示す保護システムでは、もう一方の段（短絡していない段）の３つの電力スイッチを線形モード（linear mode）に移行させることによって、ＤＣリンクコンデンサ４０を放電させるよう構成されており、本システムは、この点だけが図１６のシステムと相違する。図中、矢印１９で示すように、一連の制御信号が電動推進コントローラ１２からエンジン制御ユニット（図１８には示していない）に送られ、次いでエンジン制御ユニットからインバータコントローラ（図１８には示していない）に送られる。（なお、矢印１９は、電動推進コントローラ１２からインバータに直接送られる信号を表すものではない。そのような直接的な通信は、発生しない。）この実施形態においても、モータに相間短絡や３相短絡などの故障が発生すると、同様の動作が実行される。
図１８に矢印１９で表す一連の制御信号（スイッチ状態コマンドを含む）により、上段の電力スイッチ１５ａは線形モードに移行する（ただし、下段の電力スイッチが、既に短絡状態にあることを前提とする）。通常、パワーエレクトロニクスのスイッチは、閉状態又は開状態モードにおいて操作される。線形モードでは、電力スイッチは、閉状態でも開状態でもなく、その中間の状態である。電力スイッチが開いているときは、抵抗が非常に大きいので、スイッチに電流は流れない。一方、電力スイッチが閉じているときは、抵抗が非常に小さいので、スイッチに大きな電流が流れる。線形モードにおいて、電力スイッチが半分閉じた状態又は半分開いた状態にある間は、スイッチの抵抗値は、上述した非常に大きい抵抗値と非常に小さい抵抗値の間の値になる。このようなスイッチ状態は、スイッチのゲートに特定の電圧信号を印加することによって得られる。線形モードでＤＣリンクコンデンサ４０を放電させると、線形モードのスイッチ抵抗を制御することでコンデンサの放電電流を制御できるという利点が得られる。電力スイッチを（完全な）閉状態に遷移させることでコンデンサを放電させると、過大な放電電流が発生して、コンデンサに過熱や損傷が生じる可能性がある。ＤＣリンクコンデンサ４０の放電を制御することにより、放電電流を制限することができ、また、コンデンサの加熱も制限して、より長い時間かけて行わせることができる。
図１９は、図１８に示す保護システムにおいて用いられる、ステータ巻線に巻線間故障９に対応して電動推進ユニットを段階的に遮断制御する方法１００ｃの保護ロジックシーケンスを示すフローチャートである。この保護ロジックでは、先ず、モータ３０に巻線間故障９が発生したか否かを判定する。次いで、各インバータにおける同じ段（上段又は下段のいずれか）の３つの電力スイッチに対してＡＳＣ制御を命令する（ステップ１０２）。次に、バッテリ接触器４８を開くよう命令する（ステップ１０４）。バッテリ接触器４８が開状態にあるが、電圧は最大許容電圧より低いことが確認されると、上段又は下段のいずれかの段における３つのスイッチを線形モードに移行させることにより、モータコントローラ５０のすべてのチャネルにおけるＤＣリンクコンデンサ４０を放電させる（ステップ１１０）。つまり、一方の段の３つのスイッチを線形モードに移行させることでＤＣリンクコンデンサ４０を放電させるとともに、他方の段の３つのスイッチを用いてモータ３０を短絡させる。最後に、すべてのインバータにおけるＤＣリンクコンデンサ４０が放電されれば、各インバータ１４において開いたままになっているすべてのスイッチを閉じる（ステップ１０８）。
図２０は、３相ＡＣモータ３０のステータ巻線の巻線間故障９の影響を緩和するための保護動作を実行するよう構成された、第３実施形態による保護システムのコンポーネントを示す図である。モータコントローラ５０の各チャネルは、固体スイッチ７８に直列接続された放電抵抗器（discharge resistor）７９を含み、これら直列接続された部材は、ＤＣリンクコンデンサ４０に並列接続されている。この例では、ＤＣリンクコンデンサ４０は、固体スイッチ７８を閉じることで放電される。図中、矢印１３で示すように、一連の制御信号が電動推進コントローラ１２からエンジン制御ユニット（図１８には示していない）に送られ、次いでエンジン制御ユニットから固体スイッチ７８の駆動回路（図１８には示していない）に送られる。（なお、矢印１３は、電動推進コントローラ１２からフロントエンド回路に直接送られる信号を表すものではない。）この実施形態においても、モータに相間短絡や３相短絡などの故障が発生すると、同様の処理が実行される。
図２１は、図２０に示す保護システムにおいて用いられる、ステータ巻線に巻線間故障９に対応して電動推進ユニットを段階的に遮断制御する方法１００ｄの保護ロジックシーケンスを示すフローチャートである。この保護ロジックでは、先ず、モータ３０に巻線間故障９が発生したか否かを判定する。次いで、各インバータにおける同じ段（上段又は下段のいずれか）の３つの電力スイッチに対してＡＳＣ制御を命令する（ステップ１０２）。次に、バッテリ接触器４８を開くよう命令する（ステップ１０４）。バッテリ接触器４８が開状態になったことが確認されれば、固体スイッチ７９を閉じることで、放電抵抗器７９によってモータコントローラ５０の各チャネルにおけるＤＣリンクコンデンサ４０を放電させる（ステップ１１２）。ＤＣリンクコンデンサ４０が放電されれば、各インバータ１４において開いたままになっているすべてのスイッチを閉じる（ステップ１０８）。
モータコントローラ５０に生じうる異常状態としては、他にも、電力スイッチの開放故障によって発生する状態がある。コンピュータでシミュレーションした結果、電力スイッチに開放故障が発生すると、通常は交流であるモータ電流にＤＣ成分が増え、これにより、モータ電流に大きな不均衡が生じたり、或いは、ＤＣリンク電流に大きなリプルが生じたりすることが示された。したがって、電力スイッチの開放故障は、これら３つの特徴又はその組み合わせに基づいて検知（感知）することができる。なお、コンピュータシミュレーションによれば、電力スイッチが開放故障の状態にある間も、モータの速度及びトルクには大きな影響は認められなかった。
電力スイッチの開放故障が発生すると、当該スイッチは、開状態から閉状態に遷移させるように制御できず、常に開いたままになる。この故障による影響は、２つある。１つ目は、モータの位相電流Ｉa、Ｉb、及びＩcが大きなＤＣ成分を含む電流になる。通常のモータ電流は、正弦波に近いＡＣ電流であるが、いずれかのスイッチが開いたままであると、これらＡＣ電流のレベルが上下にシフトされて、ＤＣ成分を含むようになる。加えて、ＤＣ入力側には複数のインバータ及び複数のＤＣリンクコンデンサが存在するため、モータコントローラ入力側でＤＣリンクコンデンサの間を循環する電流が発生する。
図２２は、一実施形態による保護システムであって、モータコントローラ５０のインバータ１４の電力スイッチに開放故障１１が生じた場合の影響を緩和する保護動作を行うよう構成されたシステムのコンポーネントを示す図である。本システムは、保護ロジックを実現するよう構成されている。提案する一実装では、この保護ロジックは、プロセッサにより実行されて保護制御アルゴリズムを実行するコードの形態を取る。電力スイッチの開放故障１１は、上述したように、モータ電流に大きなＤＣ成分が含まれるか、モータの位相電流に大きな不均衡があるか、大きなＤＣ電流リプルがあるか、或いは、その組み合わせがあることによって検知される。よって、発動される保護ロジックは、故障発生時の電動推進システムの動作状況に依る。より具体的には、弱め界磁制御（field weakening operation）が行われているときに、つまり、モータ３０に大きな電流Ｉdが注入されているときに故障が発生した場合は、保護シーケンスの最後のステップでは、インバータのすべてのスイッチに対してＡＳＣ制御が行われる。弱め界磁制御が行われていないときに、つまり、電流Ｉdが注入されていないときに故障が発生したのであれば、保護シーケンスの最後のステップでは、モータコントローラ５０をＳＳＯ状態にする（６つのスイッチを開く）制御が行われる。
弱め界磁制御は、比較的低いＤＣリンク電圧でモータ３０の公称動作速度を維持する必要があるときに行われる。モータ速度は、モータコントローラ５０から供給される電圧に比例する。モータ速度が速くなれば、モータ３０によって生成される逆起電力（ＥＭＦ）も大きくなる。モータコントローラ５０が所定の速度でモータ３０を駆動するには、モータコントローラ５０は、モータ３０によって生成される逆起電力ＥＭＦよりも大きな電圧を供給しなければならない。しかしながら、ＤＣリンク電圧が低いと、モータコントローラ５０は、モータの逆起電力の電圧を上回る電圧を供給することができない。この場合、弱め界磁制御を行わないと、モータ３０の速度が低下する。モータの磁界方向制御では、モータ電流のＩｑ成分はトルクの生成に寄与するが、Ｉd成分は、磁界を効果的に弱めるように作用するモータ電圧の生成に寄与し、モータの回転による逆起電力ＥＭＦを低減させることができる。したがって、通常、ＤＣリンク電圧が十分に高いときは、モータコントローラ５０におけるＩd電流の基準点をゼロに設定する。これにより、モータコントローラで利用可能なすべての電流をＩｑ成分とすれば、モータ３０のトルクを最大限に引き出すことができるので、効率的である。しかしながら、ＤＣリンク電圧が低いときは、モータ速度を維持するために、Ｉd電流を注入して、モータの逆起電力を低減する必要がある。これにより、ＤＣ電圧が低い状況でも動作が可能になる。Ｉq電流は、このような状況において注入されるほか、レベルを下げて動作を行う場合にもしばしば注入される。Ｉq電流を注入すると、利用可能な電流のうちの一部が、トルクの生成ではなくモータ３０の速度維持に使用されるからである。なお、弱め界磁制御においてモータコントローラの電流能力を高めることで、フルトルクを供給することも可能である。
モータ３０が弱め界磁領域で、つまり低いＤＣリンク電圧で駆動されているときは、モータの逆起電力を弱めて低いレベルで維持するために、Ｉd電流が注入される。このときに、モータコントローラ５０が突然動作を停止して、ＳＳＯ状態になると、モータ３０へのＩd電流の注入も停止される。このような状態でも、モータ３０は同じ速度で回転し続けるにも関わらず、この時点では、モータの逆起電力に対抗するものが何もない（Ｉd電流はゼロである）ので、モータの逆起電力が急激に増加する。モータによって生成される回生電流は、モータコントローラ５０の還流ダイオード５８によって整流され、この結果、バッテリ１８によって供給されるＤＣリンク電圧よりも著しく高い電圧が発生する。このような事態が発生すると、モータ３０による回生電流が制御不能な状態でバッテリ１８に供給される。バッテリ１８は、低インピーダンスの電源であり、また回生電力が著しく大きいので、バッテリ１８に過大な電流が流れ込むことになる。この電流は、バッテリの公称充電電流よりもはるかに大きい。この状況は、バッテリの過充電に、ひいては、過熱及び熱暴走につながる可能性があるので望ましくない。したがって、弱め界磁制御の間は、モータコントローラ５０をＳＳＯにする制御は行えない。この代わりに、ＡＳＣ制御を使用してモータ３０を短絡させることが望ましい。これにより、回生電流がモータ３０とモータコントローラ５０の間だけを循環するようにできる。ただし、モータ３０が弱め界磁制御モードにないときは、ＳＳＯ制御の方がバッテリ１８に対する悪影響が少ないので望ましい。また、ＳＳＯ制御では、ＡＳＣ制御とは異なり、電動推進システムに作用する付加的な制動力は生成されない。
図２３は、一実施形態による、図２２に示した電力スイッチ開放故障１１の影響を緩和するための保護ロジックを示す図である。回生電流Ｉregenが制限電流よりも大きい場合、セーフモード４４が発動される。弱め界磁制御域において動作していない場合には、モータコントローラ５０は、ＳＳＯモードに移行するように命令される。よって、電動推進システムは、システムを完全に停止させる代わりに、電動推進モータの限定的な動作を継続することができる。モータ３０が弱め界磁制御モードで動作している場合は、モータコントローラ５０は、インバータのスイッチのうち、開放故障が発生したスイッチを含まない段の３つのスイッチを閉じるＡＳＣ制御を行うように命令される。次いで、バッテリ接触器４８が開状態にされ、図１６～図２１を参照して説明した手法のいずれかによってＤＣリンクコンデンサ４０を放電させる。最後のステップにおいて、ＡＳＣ制御モードのモータコントローラ５０は、インバータにおける健全な（開放故障のない）スイッチをすべて閉じる。
上述の記載において、航空機電動推進モータ駆動システムを保護するためのシステム及び方法を様々な実施形態を用いて説明してきたが、本開示の技術の範囲を逸脱することなく様々な変更が可能であり、また、その構成要素を均等物で置き換え可能であることは、当業者には理解されよう。加えて、本開示の範囲を逸脱することなく、特定の状況に適合させるための様々な変形が可能である。したがって、記載した特定の実施形態によって請求の範囲が限定されることを意図するものではない。
本開示の電動推進コントローラ及びエンジン制御ユニット（別名エンジンコントローラ）は、ハードウェアによる実装も、ソフトウェアによる実装も、或いは、その組み合わせによる実装も可能である。例えば、コントローラは、設定可能な（configurable）ハードウェア、プログラム可能なデバイス、或いは、その両方を用いて実装可能である。設定可能なハードウェアは、当該コントローラの１つ又は複数の機能を実行するよう構成可能なハードウェアを含む。プログラマブルデバイスは、プログラムすることによって当該コントローラの１つ又は複数の機能を実装可能な任意のデバイスを含む。プログラマブルデバイスは、限定するものではないが例えば、中央処理装置、マイクロプロセッサ、又は、デジタル信号プロセッサを含む。プログラマブルデバイスは、例えば、プログラム命令の形式でソフトウェア又はファームウェアを実行して、当該コントローラの１つ又は複数の機能を実装するよう構成されている。プログラム命令は、前記プログラマブルデバイスによって実行し、或いは、前記プログラマブルデバイスに転送すべく、任意のコンピュータ読み取り可能な非一時的な有形の記憶媒体に格納しておくことができる。
請求の範囲に使用される「コントロールシステム」なる用語は、１つ又は複数のコントローラを含む。例えば、コントロールシステムは、電動推進コントローラ、エンジン制御ユニット、及び、複数のインバータコントローラを含むことができる。
本明細書に記載の方法は、実行可能形式の命令としてコード化されて、コンピュータ読み取り可能な非一時的な有形の記憶媒体に具体化されてもよい。そのような媒体としては、限定するものではないが例えば、記憶装置及び／又はメモリデバイスが含まれる。そのような命令は、プロセッシングシステム又はコンピューティングシステムによって実行されると、本明細書に記載した方法の少なくとも一部を当該システムに実行させるものである。
なお、本開示の更なる態様を以下の付記に記載する。
Ａ１． 電力スイッチの開放故障に対応して電動推進システムを保護するための方法であって、
（ａ）モータコントローラのインバータにおける１つの段の電力スイッチの開放故障を検知することと、
（ｂ）前記電力スイッチの開放故障が、弱め界磁制御中に発生していたか否かを判定することと、
（ｃ）前記ステップ（ｂ）の判定結果に基づいて保護動作を実行することと、を含む方法。
Ａ２． 前記ステップ（ｃ）は、前記電力スイッチの開放故障が弱め界磁制御中に発生していなかった場合、前記インバータの他の電力スイッチを開くことを含む、付記Ａ１に記載の方法。
Ａ３． 前記電力スイッチの開放故障が弱め界磁制御中に発生していた場合、前記ステップ（ｃ）は、
前記インバータにおける他の段の電力スイッチを閉じることと、
バッテリ接触器を開いて前記モータコントローラからバッテリを切り離すことと、
前記インバータのＤＣリンクコンデンサを放電させることと、
前記ＤＣリンクコンデンサが放電した後に、前記１つの段におけるすべての健全な電力スイッチを閉じることと、を含む、付記Ａ１に記載の方法。
Ａ４． 前記ステップ（ａ）は、モータ電流に大きなＤＣ成分が含まれる状態、モータの位相電流に大きな不均衡がある状態、大きなＤＣ電流リプルがある状態、或いは、これらの状態の組み合わせを検知することを含む、付記Ａ３に記載の方法。
Ａ５． バッテリと、
前記バッテリからＤＣ電力を受けるように接続されたＤＣバスと、
前記ＤＣバスからＤＣ電力を受けるように接続されたモータコントローラと、
前記モータコントローラからＡＣ電力を受けるように接続されたＡＣモータと、
前記ＡＣモータに機械的に接続されたプロペラと、
コントロールシステムであって、
（ａ）前記モータコントローラに含まれるインバータにおける１つの段の電力スイッチの開放故障を検知することと、
（ｂ）前記電力スイッチの開放故障が、弱め界磁制御中に発生していたか否かを判定することと、
（ｃ）前記ステップ（ｂ）の判定結果に基づいて保護動作を実行することと、を含む動作を行うよう構成されたコントロールシステムと、を備える電動推進ユニット。

Claims (15)

  1. 故障の発生に対応して電動推進システムを保護するための方法であって、
    モータコントローラに含まれるインバータの電力スイッチを短絡させて、前記モータコントローラに電気的に接続されているとともにプロペラに機械的に接続されているモータによって生成される回生電流の経路を変えることと、
    前記モータが回生電流を生成する間に、前記プロペラをフェザリングすることと、を含む方法。
  2. さらに、バッテリ接触器を開いて前記モータコントローラからバッテリを切り離すことを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記故障は、１つのインバータにおいて１つの段に含まれる電力スイッチのうちの１つの短絡であり、前記方法は、さらに、前記モータコントローラに含まれる他のインバータのＤＣリンクコンデンサを放電させることを含む、請求項２に記載の方法。
  4. 電力スイッチを短絡させることは、
    前記バッテリ接触器を開くより前に短絡していた前記１つの電力スイッチを含む段における他の電力スイッチを閉じることと、
    前記ＤＣリンクコンデンサが放電した後に、前記モータコントローラにおいて開いているすべての電力スイッチを閉じることと、を含む、請求項３に記載の方法。
  5. 前記故障は、前記モータのステータの短絡であり、前記方法は、さらに、前記モータコントローラに含まれるすべてのインバータのＤＣリンクコンデンサを放電させることを含む、請求項３に記載の方法。
  6. 電力スイッチを短絡させることは、
    前記バッテリ接触器を開く前に、各インバータにおける１つの段の電力スイッチを閉じることと、
    前記ＤＣリンクコンデンサが放電した後に、前記モータコントローラにおいて開いているすべての電力スイッチを閉じることと、を含む、請求項５に記載の方法。
  7. 前記故障は、ＤＣバス故障であり、電力スイッチを短絡させることは、
    前記バッテリ接触器を開く前に、各インバータにおける１つの段の電力スイッチを閉じることと、
    前記ＤＣリンクコンデンサが放電した後に、前記モータコントローラにおいて開いているすべての電力スイッチを閉じることと、を含む、請求項３に記載の方法。
  8. バッテリと、
    前記バッテリからＤＣ電力を受けるように接続されたＤＣバスと、
    前記ＤＣバスからＤＣ電力を受けるように接続されているとともに、複数のインバータを含むモータコントローラと、
    前記モータコントローラからＡＣ電力を受けるように接続されたＡＣモータと、
    前記ＡＣモータに機械的に接続されているとともに、可変ピッチのプロペラブレードを含むプロペラと、
    フェザリング動作において前記プロペラブレードのピッチを調整するよう構成されたガバナと、
    コントロールシステムであって、
    前記モータコントローラに含まれる前記インバータの電力スイッチを短絡させて、前記ＡＣモータによって生成される回生電流の経路を変えることと、
    前記モータが回生電流を生成する間に、前記ガバナを作動させて前記プロペラのフェザリングを行わせることと、を含む動作を実行するよう構成されたコントロールシステムと、を備える電動推進ユニット。
  9. 前記コントロールシステムは、さらに、バッテリ接触器を開いて前記モータコントローラから前記バッテリを切り離すよう構成されている、請求項８に記載の電動推進ユニット。
  10. 前記コントロールシステムは、さらに、前記モータコントローラに含まれる１つのインバータのＤＣリンクコンデンサを放電させるよう構成されている、請求項９に記載の電動推進ユニット。
  11. 電力スイッチを短絡させることは、
    前記バッテリ接触器を開く前に、各インバータにおける１つの段の電力スイッチを閉じることと、
    前記ＤＣリンクコンデンサが放電した後に、前記モータコントローラにおいて開いているすべての電力スイッチを閉じることと、を含む、請求項１０に記載の電動推進ユニット。
  12. 複数のインバータを含むモータコントローラの段階的な遮断制御のための方法であって、
    （ａ）前記モータコントローラに含まれる各インバータの電力スイッチのうちの１つの段の電力スイッチを閉じることと、
    （ｂ）バッテリ接触器を開いて前記モータコントローラからバッテリを切り離すことと、
    （ｃ）前記モータコントローラに含まれる各インバータのＤＣリンクコンデンサを放電させることと、
    （ｄ）前記ＤＣリンクコンデンサが放電した後に、前記モータコントローラにおいて開いているすべての電力スイッチを閉じることと、を含む方法。
  13. 前記ステップ（ｃ）は、大きな直流電流を指示することを含む、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記ステップ（ｃ）は、前記インバータの電力スイッチのうちの他の段のスイッチを線形モードに移行させることを含む、請求項１２に記載の方法。
  15. 前記ステップ（ｃ）は、前記ＤＣリンクコンデンサに並列接続された放電抵抗器に対して直列接続された固体スイッチを閉じることを含む、請求項１２に記載の方法。
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