JP2023157698A

JP2023157698A - 電動航空機

Info

Publication number: JP2023157698A
Application number: JP2022067771A
Authority: JP
Inventors: 涼上前; Ryo Uemae; 彰宏井村; Akihiro Imura; 尚豊原; Takashi Toyohara; 雄貴森崎; Yuki Morisaki
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2022-04-15
Filing date: 2022-04-15
Publication date: 2023-10-26
Also published as: WO2023199598A1

Abstract

【課題】より効率的に飛行することが可能な電動航空機を提供する。【解決手段】電動航空機は、進行方向に延びる機体と、機体の進行方向の左右両側にそれぞれ設けられ、電力が供給された状態で回転駆動する力行状態と、電力を取り出し可能な状態で運転される回生状態との間で運転状態を切り替え可能な電動ファンと、電動ファンの運転状態を制御する制御部と、機体の左右両側にそれぞれ設けられた風速センサと、を備え、前記制御部は、風速センサから風速を取得する風速取得部と、風速取得部が取得した風速に基づいて、前記電動ファンの運転状態を切り替える切替部と、を有する。【選択図】図３

Description

本開示は、電動航空機に関する。

近年、電動ファンを備える電動航空機に関する研究開発が盛んに行われている。下記特許文献１には、飛行中に電動ファンを回生運転して、電動モータから電力を取り出す技術が開示されている。

国際公開第２０１５／１４６６０８号明細書

しかしながら、上記のように回生電力を取り出すに当たって、全ての電動ファンを回生運転すると、必要な推力が不足する虞がある。反対に、回生運転する余地があるにも関わらず力行運転を行うことで電力のロスが生じる虞もある。その結果、電動航空機の効率的な運航に支障を来たしてしまう。

本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、より効率的に飛行することが可能な電動航空機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係る電動航空機は、進行方向に延びる機体と、該機体の前記進行方向の左右両側にそれぞれ設けられ、電力が供給された状態で回転駆動する力行状態と、電力を取り出し可能な状態で運転される回生状態との間で運転状態を切り替え可能な電動ファンと、該電動ファンの前記運転状態を制御する制御部と、前記機体の左右両側にそれぞれ設けられた風速センサと、をさらに備え、前記制御部は、前記風速センサから風速を取得する風速取得部と、該風速取得部が取得した前記風速に基づいて、前記電動ファンの運転状態を切り替える切替部と、を有する。

本開示によれば、より効率的に飛行することが可能な電動航空機を提供することができる。

本開示の実施形態に係る電動航空機の構成を示す平面模式図である。本開示の実施形態に係る電動航空機の電力系統を示す模式図である。本開示の実施形態に係る制御部の機能ブロック図である。本開示の実施形態に係る制御部の処理フローを示すフローチャートである。本開示の実施形態に係る制御部のハードウェア構成図である。

以下、本開示の第一実施形態に係る電動航空機１について、図１から図５を参照して説明する。

（電動航空機の構成）
図１に示すように、電動航空機１は、機体１０と、風速センサ２０と、複数の電動ファン３０と、飛行制御装置４０と、制御部５０と、を備えている。

機体１０は、胴体１１と、翼１２と、を有する。胴体１１は、電動航空機１の進行方向に延びる流線形状をなしている。胴体１１の内部には、操縦者や貨客のためのスペースが適宜設けられている。翼１２は、進行方向を基準として、胴体１１の左右両側に１つずつ、又は複数ずつ設けられている。翼１２は、翼１２型の断面形状を有し、水平飛行時には下方へ向かう翼１２力を生み出すことが可能とされている。

機体１０の左右両側には、１つずつ風速センサ２０が設けられている。例えば、風速センサ２０は、機体１０の対気速度と対地速度との差から気流の速度、つまり風速を取得する。風速センサ２０が計測した風速の値は、電気信号として制御部５０（後述）に送られる。

それぞれの翼１２には、電動ファン３０が設けられている。図１の例では、１つの翼１２に２つの電動ファン３０が設けられている。なお、電動ファン３０の数や配置はこれに限定されない。また、胴体１１に電動ファン３０が設けられていてもよい。詳しくは図示しないが、電動ファン３０は、電動モータと、ファンブレードと、を有する。

つまり、電動モータに電力を供給することでファンブレードが回転して推力を発生する。また、電動モータに回生電流を流すことによって当該電動モータにブレーキがかかると同時に、回生電力が取り出せるようにもなっている。以下の説明では、電動ファン３０に電力を供給してファンブレードが回転駆動されている状態を力行状態と呼び、回生電力を取り出している状態を回生状態と呼ぶことがある。

飛行制御装置４０は、機体１０の飛行経路や姿勢、飛行速度、高度等を操縦者の指示に基づいて、又は自律的に制御する装置である。飛行制御装置４０は、電動ファン３０、及び制御部５０に電気的に接続されている。制御部５０は、電動ファン３０の力行状態と回生状態とを切り替える。制御部５０の詳細な構成については後述する。

（電力系統）
次いで、図２を参照して、電動航空機１の電力系統について説明する。同図に示すように、この電力系統は、バッテリー６１と、回生コンバータ６２と、複数のインバータ６３と、を有する。バッテリー６１は、例えばリチウムイオン電池のような蓄電池であり、充電と放電を繰り返して行えるようになっている。

回生コンバータ６２は、電動ファン３０が回生状態にある場合に回生電力をバッテリー６１に蓄える（戻す）ための装置である。回生コンバータ６２には、制御部５０が電気的に接続されている。インバータ６３は、バッテリー６１が発生させた電圧・電流を所定の値に調節するための装置である。インバータ６３は、複数（４つ）の電動ファン３０に対応して複数（４つ）設けられている。

（制御部の構成）
次に、制御部５０の構成（機能ブロック）について、図３を参照して説明する。同図に示すように、制御部５０は、風速取得部５１と、風速差取得部５２と、判定部５３と、選択部５４と、切替部５５と、記憶部５６と、を有する。

風速取得部５１は、上述した風速センサ２０から風速をリアルタイムで取得する。取得した風速の値は記憶部５６に格納される。風速差取得部５２は、風速取得部５１が取得した、機体１０の左右両側の風速の差分（風速差）を取得する。判定部５３は、この風速差の値が、予め定められた閾値よりも大きいか小さいかを判定する。この閾値として具体的には、１０ｍ／ｓ～５０ｍ／ｓが設定される。又は、電動航空機１の平均的な水平飛行時の速度の１０％～５０％程度の値が閾値として設定される。

判定部５３によって、左右の風速差が閾値よりも大きいと判定された場合、選択部５４が回生状態とすべき電動ファン３０を選択する。なお、この選択部５４による電動ファン３０の選択は、上述した飛行制御装置４０から入力された機体１０の姿勢、針路、速度、及び高度等にも基づいて行われることが望ましい。切替部５５は、選択部５４によって選択された１つ又は複数の電動ファン３０を回生状態に切り替える。回生状態となった電動ファン３０から取り出された電力は、バッテリーに蓄えられる。

（制御部の処理フロー）
続いて、図４を参照して、制御部５０の処理フローについて説明する。同図に示すように、まず、風速取得部５１が風速を取得する（ステップＳ１）。次に、風速差取得部５２が、左右の風速差を取得する（ステップＳ２）。その後、この風速差が、予め定められた閾値よりも大きいか否かが判定部５３によって判定される（ステップＳ３）。

ステップＳ３で風速差が閾値よりも小さいと判定された場合（ステップＳ３：Ｎｏ）、処理を終了する。ステップＳ３で風速差が閾値よりも大きいと判定された場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、選択部５４が回生状態とすべき電動ファン３０を選択する（ステップＳ４）。次いで、切替部５５が選択部５４によって選択された１つ又は複数の電動ファン３０を回生状態に切り替える。このステップＳ１からステップＳ５までの処理が、連続的、又は断続的に繰り返して実行される。

（選択部による電動ファンの選択の具体例）
選択部５４が回生状態とすべき電動ファン３０を選択する際のいくつかの具体例について説明する。例えば、機体１０の左右のうち、一方側の風速が他方側よりも大きいと判定された場合、風速が大きい一方側の電動ファン３０は、風によって過剰に回転している状態と言える。そこで、選択部５４は、この風速が大きい側の電動ファン３０を選択する。切替部５５は、この風速が大きい側の電動ファン３０を回生状態に切り替える。

他方で、選択部５４によって風速が小さい側の電動ファン３０が選択される場合も考えられる。例えば、風速が小さい側の方向に針路変更を行う際には、当該風速が小さい側の電動ファン３０を回生状態とする、つまり回転数をさらに下げることで、電力を回生しつつ、最小限のエネルギーで針路変更を行うことが可能となる。

さらに、この他、風速が小さい側、又は大きい側の電動ファン３０を回生状態に切り替えた後で、着陸に備えて飛行速度を低下させる場合には、全ての電動ファン３０を回生状態に切り替える制御を行うことも可能である。

（作用効果）
近年、電動ファン３０を備える電動航空機１に関する研究開発が盛んに行われている。飛行中に電動ファン３０を回生運転して、電動モータから電力を取り出す技術も知られている。

しかしながら、上記のように回生電力を取り出すに当たって、全ての電動ファン３０を一律に回生運転すると、必要な推力が不足する虞がある。反対に、回生運転する余地があるにも関わらず力行運転を行うことで電力のロスが生じる虞もある。その結果、電動航空機１の効率的な運航に支障を来たしてしまう。そこで、本実施形態に係る電動航空機１では、上述のように、風速に基づいて、回生状態とすべき電動ファン３０を選択する構成を採っている。

上記構成によれば、風速センサ２０が計測した風速に応じて電動ファン３０の回生状態と力行状態とを即時に切り替えることができる。これにより、一部の電動ファン３０を力行状態とすることで必要な推力を維持しつつ、例えば風速が大きい側の電動ファン３０を回生状態に切り替えることで、当該風速が大きい側の電動ファン３０の余剰なエネルギーを回生電力として活用することができる。

また、風速が大きい側の電動ファン３０が過剰に回転すると、それに伴って推力が上昇するため、機体１０の姿勢や針路が偏る可能性がある。上記構成によれば、風速が大きい側の電動ファン３０を回生状態とすることで、当該電動ファン３０の回転数・推力が低下して、上記のようなアンバランスを解消することができる。その結果、電動航空機１をより効率的、かつ安定的に飛行させることが可能となる。

さらに、上記構成によれば、風速が小さい側の電動ファン３０をあえて回生状態とすることも可能である。これにより、当該風速が小さい側の電動ファン３０の回転数・推力が下がる。例えば、風速が小さい側の方向に針路変更を行う際には、当該風速が小さい側の電動ファン３０を回生状態とする、つまり回転数をさらに下げることで、電力を回生しつつ、最小限のエネルギーで針路変更を行うことが可能となる。その結果、電動航空機１をさらに効率的に飛行させることが可能となる。また、バッテリー６１の持続時間が長期にわたって確保できることから、電動航空機１の航続距離を延ばすことも可能となる。

また、上記構成によれば、着陸に備えて機体１０速度を下げる場合等に、全ての電動ファン３０を回生状態に切り替えることで、電動ファン３０の余剰なエネルギーを回生電力として活用することができる。その結果、バッテリー６１の持続時間がさらに長期にわたって確保でき、電動航空機１の航続距離をさらに延ばすことが可能となる。

（その他の実施形態）
以上、本開示の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

なお、本開示の実施形態における制御部５０の処理は、適切な処理が行われる範囲において、処理の順番が入れ替わってもよい。

本開示の実施形態における記憶部５６、その他の記憶装置のそれぞれは、適切な情報の送受信が行われる範囲においてどこに備えられていてもよい。また、記憶部５６、その他の記憶装置のそれぞれは、適切な情報の送受信が行われる範囲において複数存在しデータを分散して記憶していてもよい。

上述した制御部５０による処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ１００が読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータ１００が読み出して実行することによって、上記処理が行われる。コンピュータ１００の具体例を以下に示す。

図５に示すように、コンピュータ１００は、ＣＰＵ１０１と、メインメモリ１０２と、ストレージ１０３と、インターフェース１０４と、を備える。
例えば、上述の制御部５０はコンピュータ１００に実装される。そして、上述した各処理部の動作は、プログラムの形式でストレージ１０３に記憶されている。ＣＰＵ１０１は、プログラムをストレージ１０３から読み出してメインメモリ１０２に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、ＣＰＵ１０１は、プログラムに従って、上述した記憶部５６に対応する記憶領域をメインメモリ１０２に確保する。

ストレージ１０３の例としては、ＨＤＤ（ＨａｒｄＤｉｓｋＤｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＤｒｉｖｅ）、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ（ＣｏｍｐａｃｔＤｉｓｃＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＤＶＤ－ＲＯＭ（ＤｉｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｃＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、半導体メモリ等が挙げられる。ストレージ１０３は、コンピュータ１００のバスに直接接続された内部メディアであってもよいし、インターフェース１０４または通信回線を介してコンピュータ１００に接続される外部メディアであってもよい。また、このプログラムが通信回線によってコンピュータ１００に配信される場合、配信を受けたコンピュータ１００が当該プログラムをメインメモリ１０２に展開し、上記処理を実行してもよい。なお、ストレージ１０３は、一時的でない有形の記憶媒体である。

また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現してもよい。さらに、上記プログラムは、前述した機能をコンピュータ１００にすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるファイル、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

なお、上記構成に加えて、または上記構成に代えてＰＬＤ（ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＬｏｇｉｃＤｅｖｉｃｅ）などのカスタムＬＳＩ（ＬａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）、ＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）、ＧＰＵ（ＧｒａｐｈｉｃｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、及びこれらに類する処理装置を備えてもよい。ＰＬＤの例としては、ＰＡＬ（ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＡｒｒａｙＬｏｇｉｃ）、ＧＡＬ（ＧｅｎｅｒｉｃＡｒｒａｙＬｏｇｉｃ）、ＣＰＬＤ（ＣｏｍｐｌｅｘＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＬｏｇｉｃＤｅｖｉｃｅ）、ＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）が挙げられる。この場合、プロセッサによって実現される機能の一部または全部が当該集積回路によって実現されてよい。

＜付記＞
各実施形態に記載の電動航空機１は、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係る電動航空機１は、進行方向に延びる機体１０と、該機体１０の前記進行方向の左右両側にそれぞれ設けられ、電力が供給された状態で回転駆動する力行状態と、電力を取り出し可能な状態で運転される回生状態との間で運転状態を切り替え可能な電動ファン３０と、該電動ファン３０の前記運転状態を制御する制御部５０と、前記機体１０の左右両側にそれぞれ設けられた風速センサ２０と、を備え、前記制御部５０は、前記風速センサ２０から風速を取得する風速取得部５１と、該風速取得部５１が取得した前記風速に基づいて、前記電動ファン３０の運転状態を切り替える切替部５５と、を有する。

上記構成によれば、風速センサ２０が計測した風速に応じて電動ファン３０の回生状態と力行状態とを即時に切り替えることができる。これにより、必要な推力を維持しつつ、余剰なエネルギーを回生電力として活用することができる。

（２）第２の態様に係る電動航空機１は、（１）の電動航空機１であって、前記制御部５０は、前記機体１０の左右両側における前記風速差を取得する風速差取得部５２と、前記風速差と、予め定められた閾値との大小を判定する判定部５３と、をさらに有し、前記切替部５５は、前記風速が前記閾値を超えたと判定された場合に、前記風速が大きい側の前記電動ファン３０を回生状態に切り替える。

上記構成によれば、風速が大きい側の電動ファン３０、風によって余剰に回転している電動ファン３０を回生状態とすることによって、当該余剰なエネルギーを回生電力として活用することができる。

（３）第３の態様に係る電動航空機１は、（１）の電動航空機１であって、前記制御部５０は、前記機体１０の左右両側における前記風速差を取得する風速差取得部５２と、前記風速差と、予め定められた閾値との大小を判定する判定部５３と、をさらに有し、前記切替部５５は、前記風速が前記閾値を超えたと判定された場合に、前記風速が小さい側の前記電動ファン３０を回生状態に切り替える。

上記構成によれば、風速が小さい側の電動ファン３０をあえて回生状態とすることによって、当該電動ファン３０の回転数が下がり、例えば電動航空機１の姿勢制御や経路変更を省エネルギーのもとで行うことができる。

（４）第４の態様に係る電動航空機１は、（２）又は（３）の電動航空機１であって、前記切替部５５は、前記風速が大きい側、又は小さい側の前記電動ファン３０を回生状態に切り替えた後に、全ての前記電動ファン３０を回生状態に切り替える。

上記構成によれば、着陸に備えて機体１０速度を下げる場合に、全ての電動ファン３０を回生状態に切り替えることで、余剰なエネルギーをさらに効率よく回収することができる。

１…電動航空機
１０…機体
１１…胴体
１２…翼
２０…風速センサ
３０…電動ファン
４０…飛行制御装置
５０…制御部
５１…風速取得部
５２…風速差取得部
５３…判定部
５４…選択部
５５…切替部
５６…記憶部
６１…バッテリー
６２…回生コンバータ
６３…インバータ
１００…コンピュータ
１０１…ＣＰＵ
１０２…メインメモリ
１０３…ストレージ
１０４…インターフェース

Claims

進行方向に延びる機体と、
該機体の前記進行方向の左右両側にそれぞれ設けられ、電力が供給された状態で回転駆動する力行状態と、電力を取り出し可能な状態で運転される回生状態との間で運転状態を切り替え可能な電動ファンと、
該電動ファンの前記運転状態を制御する制御部と、
前記機体の左右両側にそれぞれ設けられた風速センサと、
を備え、
前記制御部は、
前記風速センサから風速を取得する風速取得部と、
該風速取得部が取得した前記風速に基づいて、前記電動ファンの運転状態を切り替える切替部と、
を有する電動航空機。
前記制御部は、
前記機体の左右両側における風速差を取得する風速差取得部と、
前記風速差と、予め定められた閾値との大小を判定する判定部と、
をさらに有し、
前記切替部は、前記風速が前記閾値を超えたと判定された場合に、前記風速が大きい側の前記電動ファンを回生状態に切り替える請求項１に記載の電動航空機。
前記制御部は、
前記機体の左右両側における風速差を取得する風速差取得部と、
前記風速差と、予め定められた閾値との大小を判定する判定部と、
をさらに有し、
前記切替部は、前記風速が前記閾値を超えたと判定された場合に、前記風速が小さい側の前記電動ファンを回生状態に切り替える請求項１に記載の電動航空機。
前記切替部は、前記風速が大きい側、又は小さい側の前記電動ファンを回生状態に切り替えた後に、全ての前記電動ファンを回生状態に切り替える請求項２又は３に記載の電動航空機。