JP5563642B2 - ヘリコプタの電動テールロータ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文記載の特徴を有するヘリコプタの電動テールロータに関する。

最新型ヘリコプタのテールロータが消費する電力は、メインギヤボックス、複数の中間ギヤ及びテールロータシャフトを介して中心エネルギー発生装置から供給される。メインギヤボックスと、エネルギー発生装置とテールロータを結合する堅固な機械的結合と、を取り除くことで、ヘリコプタの設計の融通性が拡大する。ヘリコプタの電動テールロータの重要な点の１つは好適な電動モータである。

文献ＵＳ２００４０５１４０１Ａ１は、中心軸周りにオブジェクトを回転させる電動モータを開示する。電動モータは、モータケーシングを含む。円形のセグメント化されたレール要素が、モータケーシング内の中心軸の周囲に配置されている。円形のセグメント化されたレール要素は、非金属セグメントと交互に配置した非鉄金属のセグメントを含む。非鉄金属のセグメントの各々は、所定のセグメント長を有する。少なくとも１つのコイル要素がモータケーシングに結合している。円形のセグメント化されたレール要素は、少なくとも１つのコイル要素に隣接して配置されている。少なくとも１つのコイル要素は、所定のセグメント長以下の所定のコイル長を有する。少なくとも１つのコイル要素は、円形のセグメント化されたレール要素が中心軸周りに回転するように、円形のセグメント化されたレール要素に電磁エネルギーを印加する。

文献ＷＯ０１８４０４３Ａ２は、ステータアセンブリ上で操縦される冷却ファン用のブラシレスＤＣリングモータ用のステータアセンブリを開示する。リングは、シュラウド内の領域を掃引する複数のファンブレードを支持する。ブラシレスＤＣリングモータ用のステータアセンブリは、冷却ファンのリングに取り付けられている。ロータアセンブリは、ステータアセンブリの外径周りでステータアセンブリに対向する。冷却システムは、電子コントローラによって制御されて冷却ファンを回転させ、乗り物の適当な冷却を提供する。

「Peter Janker他のハイブリッド型ヘリコプタ駆動装置、Europ. Rotorcraft Forum、２０１０年９月」という文献に、Fenestronテールロータ用電動モータを備えたヘリコプタ駆動装置が提案されている。この電動モータは、極数を増やしたいわゆるディスク型電動「トランスフラックスモータ」として実現されている。Fenestronテールロータ用電動「トランスフラックスモータ」は、テールロータのブレード先端がその回転構成要素に固定されたFenestron開口周囲の円環体として考案されている。電動「トランスフラックスモータ」は文献ＤＥ１０ ２００７ ０１３ ７３２Ａ１に提示されている。

文献ＤＥ１０２００７０１３７３２Ａ１は、ステータと、プラスチック製の１つ又は複数の支持リング３と、を備えたダイレクトドライブを開示する。支持リングは、複数の同心リング内に配置された永久磁石を支持する。プラスチック製の環状又はセクタ状のステータログが、隣接する同心リングの間に磁束が放射状に達するように支持リングの同心円リングに隣接して軸方向に配置されている。

文献「Peter Janker他のハイブリッド型ヘリコプタ駆動装置、Europ. Rotorcraft Forum、２０１０年９月」は、メインロータ用の２つのディスクを備えた上記電動「トランスフラックスモータ」をさらに開示する。

文献ＷＯ２００５／１００１５４Ａ１は、シャフト上に配置するためのハブと、ハブに装着され、そこから延在する複数のブレードと、を備え、ブレードのうち少なくとも１つのブレードのピッチ角（［phi］）がハブに配置された電動ステッパモータ機構によって互いのブレードに対して制御可能であるヘリコプタ駆動シャフトに装着可能なロータを開示する。また、ロータのブレードのピッチ角（［phi］）を決定する方法と、コンピュータシステムにロードされるとブレードのブレードピッチ角（［phi］）値を決定するアルゴリズムを使用するように構成されたコンピュータプログラムと、ブレードのピッチを制御するモータに電力を提供する交流発電機と、ブレードのピッチをリアルタイムに制御する際にコンピュータによって実施される制御方法と、が開示される。

文献ＵＳ２００９／１４００９５Ａ１は、回転軸周りにロータシステムを駆動する回転軸に沿って装着された電動モータを備えた回転翼エアクラフトを開示する。

文献ＵＳ４９５３８１１Ａは、メインロータを回転させると同時にテールロータを回転させるヘリコプタエンジンを開示する。必須の構成要素がエンジンから電力を得ている間、テールロータは抗力を導入し、重量を増大させ、ローダノイズを増大させる。エンジンはメインロータに可能な限り近いため、リモートテールロータの複雑さ、部品点数、重量及び効率は変化しない。上記部品、したがって、追加重量は解消されている。ヘリコプタ用の自己駆動テールロータが提供される。

文献ＷＯ２００９／１２９３０９Ａ２は、耐力駆動シャフト及びその他の機械的構成要素を必要とせずに超伝導リング発電機を使用して、風力発電システムの可変ジオメトリブレードの使用と、全重量の低減と、全体の効率の増大と、を可能にする風力発電機を開示する。

文献ＵＳ２００６／０４９３０４Ａ１は、エアチャネルダクトと、エアチャネルダクト内に整列した磁気誘導要素によって駆動される環状のインペラディスクにブレード外端が固定されたロータと、を有するエアインペラエンジンを備えたホバーエアクラフトを開示する。エアインペラエンジンは、エアクラフトのフレーム内に垂直に配置されて垂直離陸及び着陸のための垂直推力を提供する。好ましくは、エアインペラエンジンは、推力とジャイロスコープの安定性を増すための２重で同軸の反転ロータを採用する。エアベーンアセンブリは、空気スラスト出力の一部を所望の角度に誘導して飛行操縦又は平行移動のための水平推力成分を提供する。エアクラフトは、環状胴体内の単一のエンジン、長手方向の胴体シャーシ上の２つのエンジン、前進飛行の安定性のための三角形の装置内の３つのエンジン、又は対称の平衡が取れた構成内のその他の複数のエンジン装置を使用できる。側方小翼、上翼、及び／又は、エアラダー又はフラップを含むその他の飛行制御システムも使用できる。様々な飛行制御機構を操作するために一体型飛行制御システムを使用できる。大容量の軽量バッテリ又は燃料電池によって磁気誘導駆動装置へ電力が供給される。ホバーエアクラフトは、地上ターゲット及び常時監視が必要な重要な施設の連続的な調査のためのＶＴＯＬの配備、静穏調査のためのホバリング動作、狭空域内の操縦及び長時間飛行に特に適している。

本発明の目的は、効率が向上したヘリコプタの電動テールロータを提供することである。

請求項１の特徴を有するヘリコプタの電動テールロータによって１つの解決策が提供される。

本発明によれば、ヘリコプタ（Ｈ）の電動テールロータは、テールロータの周囲のハウジングと、極の数を増やした永久磁石で励磁された少なくとも１つの同期モータと、を備える。少なくとも１つの同期モータは、テールロータを取り囲むハウジング内のハウジング開口の周囲の円環体として一体化されている。テールロータのブレードは、少なくとも１つの同期モータの少なくとも１つの回転構成要素に固定されている。供給手段が少なくとも１つの同期モータに電気エネルギーを提供する。本発明は、ブレードピッチ制御手段が円環体に提供されていることを特徴とする。主要な利点として、本発明のヘリコプタの電動テールロータによって、テールロータへの基本的に重量が少ないケーブルによってテール駆動シャフトの交換が可能になった。本発明の電動テールロータの駆動及び制御は一体化でき、テールロータにステータを廃止したことでノイズが大幅に低減する。本発明のヘリコプタの電動テールロータの別の利点は、メインロータとテールロータとの推進力を分離し、それ故、回転速度に関してメインロータとテールロータとを独立させることでメインロータの速度を広範囲にわたって必要な最適値に適合させることを可能にして、ヘリコプタの前進速度を上げることができるという点である。本発明のヘリコプタの電動テールロータのさらに別の利点によれば、ロータが放出するノイズをそれぞれのロータ速度の設定によって低減してメイン及びテールロータの間のノイズ相互作用によって総ノイズ放出量を最小限にできる。その結果として得られる軽量化の高い可能性によって、テールロータのギヤボックスは不要となる。また、テールロータユニットの調整工程を簡略化する高い可能性があり、駆動シャフトの搭載とその生産にかなりの労力を要していたが、これによって生産コストが劇的に低減される。本発明のヘリコプタの電動テールロータによって、回転速度、ブレードピッチ及びテールロータトルクによってテールロータの独立した制御が可能になり、広範囲の出力設定、対気速度、高度及び温度に対して、利用可能な電力がメインロータシステムから独立した。例えば、ロータ速度を用いてテールロータのブレードピッチよりも効率的に高度の影響を補償できる。本発明によれば、前進飛行中にテールロータを完全停止させて、テールロータが電力を必要としないためにヘリコプタの抗力と電力需要とを低減できる。ヘリコプタのテールロータの駆動装置のための電動モータの使用によって、導管を備えたテールロータの中核を形成できる可能性が高まり、テールユニット全体、特にテールブームの空気力学的形状を最適化できる可能性が高まった。永久磁石で励磁された同期モータは、優れた制御特性と、電力を機械的な力へ変換する優れた効率と、を有する。本発明の電動モータは、幅広い速度設定及び出力設定に対して軽量高出力にして平衡がとれた効率を有し、従来の機械式駆動系と同等の信頼性を示す。

本発明の好ましい実施形態によれば、ヘリコプタの電動テールロータは、２つの同軸回転構成要素を有する２つの同軸同期モータを備え、テールロータのブレードは、２つの同期モータのそれぞれの同軸回転構成要素の各々に結合されている。２つの同期モータは基本的に同じ回転速度で動作し、好適な機構によってテールロータのブレードのブレードピッチの制御をする２つの同軸回転構成要素の間の相対的なねじれを可能にする。２つの同軸回転構成要素の間の移相によって、全ブレードのブレードピッチが集合的に変更され、テールロータの推力を制御できる。本発明の２つの同期モータは、各々大きい直径と、各々小さい軸方向の長さと、を有する。テールロータ用の２つの同期モータは、フェールセーフ式に構成されている。すなわち、一方が障害になっても電力の少なくとも半分が利用可能である。永久磁石で励磁された同期モータの優れた制御特性によって、テールロータのブレードの正確な制御が提供される。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、各ステータは、内周上に複数の極を有して提供され、２つの同軸回転構成要素は対応する複数の永久磁石を有して回転構成要素の各々の外周上に提供されている。極と永久磁石は各々、好ましくは対になって規則的に配置され、対の永久磁石は位相外れ状態で永久磁石の少なくとも一部の連続的な干渉を提供する。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、２つの同軸回転構成要素は、テールロータを取り囲むハウジング開口周囲の円環体内に一体化された磁気軸受によって支持されている。磁気軸受によってテールロータの可動部品の非接触回転が可能になる。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、テールロータを取り囲むハウジング開口周囲の円環体に、始動時に、又は磁気軸受の障害時に１つ又は２つの同軸回転構成要素を保持するリテーナが提供されている。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、２つの同軸回転構成要素は、ステータと２つの同期モータの各々の回転構成要素との間の玉軸受によって支持されている。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、２つの同軸回転構成要素は、ベベルギヤによってテールロータのブレードに結合されている。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、２つの同期モータは非対称である。２つの同期モータの一方はテールロータのブレードに全駆動力を提供すると考えてよいが、２つの同期モータの他方はブレードピッチを制御するだけである。本発明のこの実施形態のブレードは、駆動力を提供すると考えられる同期モータへの方位公差なしに接続されることが好ましい。２つの同期モータの相互の移相だけで本発明のこの別の好ましい実施形態のブレードピッチが制御される。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、１つの同期モータの１つの同軸回転構成要素のブレードのピッチを制御するために円環体に摺動スリーブが提供される。

本発明の好ましい実施形態を、添付図面を参照しながら以下に説明する。

本発明によるヘリコプタのテールロータの空間図である。 本発明によるテールロータの周囲の電動モータのステータの空間図である。 本発明によるテールロータの電動モータの同軸回転構成要素の空間図である。 本発明による電動モータの断面図である。

図１によれば、テールロータ１は、ヘリコプタのテールブーム３のハウジング２内に配置されている。テールロータ１のブレード４は、ハブ５によって中心で支持されている。ハブ５は、テールロータ１の入口側へ向かって基本的に球状であり、出口側へ向かって基本的に平坦である。

図２によれば、ブラシレス電動モータアセンブリの円環体８の内周上に、２つの同軸ステータ６、７が配置されている。ブラシレス電導モータアセンブリは、２つの同軸ステータ６、７の各々上にある複数の極９を備えた２つの永久磁石で励磁された同期モータで構成されている。

２つの同軸ステータ６、７の各々の上の極９は、電力の供給手段（図示せず）に接続されている。電力半導体（図示せず）及びマイクロコントローラ（図示せず）は、２つのブラシレス同期モータの正確な制御のための２つの多重位相反転器（図示せず）を提供する。

図３によれば、電動モータアセンブリは、２つの同期モータの各々のための１つの回転構成要素１０、１１で構成されている。２つの回転構成要素１０、１１は同軸である。回転構成要素１０、１１の各々の外周上に規則的に配置された複数の永久磁石１２は、２つの同軸ステータ６、７の各々上の複数の極９に対応する。

テールロータ１のブレード４のブレード先端は、２つの回転構成要素１０、１１の間に保持されている。

ブレードピッチ制御手段は、２つの回転構成要素１０、１１を同軸に互いに対して回転させることによる同期モータの２つの回転構成要素１０、１１の間の移相の提供を含む。２つの回転構成要素１０、１１の互いに対するそれぞれの角位置の制御は、例えば、永久磁石１２の通過によるホール効果に基づいて特別のセンサで実行でき、又は瞬間的に電流が流れないコイル内に誘導された電圧を検出することでセンサを用いずに実行できる。

図４によれば、対応する特徴は、図１〜３の参照符号を用いて参照される。反トルク系、すなわち、「Fenestron」などの収容されたイメージのテールロータ１のプロファイルドブレード４は、テールロータ１のハウジング２内に装着された同軸同期モータによって電源を供給される。

テールロータ１は、導管付きのファンのハブ５の回動機構２１内に支持されたブレード４の入口フェアリング２０を備える。テールロータ１のブレード４は、それぞれのブレード先端２２でベベルギヤ２３内に保持されている。ベベルギヤ２３は、２つの回転構成要素１０、１１の各々へのブレード４のリンクとして、２つの同軸同期モータの２つの回転構成要素１０、１１の間に装着されている。ブレード４は、ベベルギヤ２３によってブレード先端２２を介して回転する。ベベルギヤ２３は、好ましくは、回転構成要素１０、１１の横方向内面に沿ってギヤ２６、２１７と係合する。各ギヤは、ブレードピッチの公差を可能にする小さい係数を有する。

２つの同軸同期モータは、受動磁束リングとして回転構成要素１０、１１の各々の外周上に規則的に対で配置された永久磁石１２を備える。回転構成要素１０、１１はそれぞれ、外側の薄い環状のころ軸受２４又はリテーナとしての磁気軸受（図示せず）によって支持されている。ころ軸受２４は、円環体８のフレームタイプのケーシング２５に対して２つの回転構成要素１０、１１を支持する。同軸ステータ６、７のそれぞれの極１２の層状の板金パッケージが円環体８の内周上のフレームタイプのケーシング２５に装着されている。それぞれの極１２の層状の板金パッケージは、薄い環状のころ軸受２４の内側と、フレームタイプのケーシング２５の側面内側とに横方向に突き当たる。

互いに対する２つの回転構成要素１０、１１の相対回転は、ブレードピッチ制御手段のベベルギヤ２３を回転させる。ベベルギヤ２３の回転は、ブレードピッチの制御のためにプロファイルドブレード４のブレード先端２２へ伝達され、動作中のテールロータ１の推力を生む。テールロータ１のブレード４を２つの回転構成要素１０、１１の円周に沿って不規則に分散させてテールロータ１のノイズ放出を低減できる。

２つの同軸同期モータは、駆動力に関して非対称であってもよい。すなわち、２つの同軸同期モータの一方が駆動力のすべてを支配し、他方がブレード４のブレードピッチの制御に専念するブレードピッチ制御手段であってもよい。ブレード４は、同軸同期モータに結合され、方位運動が起きないように駆動力のすべてを支配する。

２つの同軸同期モータの２つの回転構成要素１０、１１の間の移相の提供によって、テールロータ１によって提供される推力をさらに、すなわち、テールロータ１の回転速度を変化させることだけによる推力の制御を補足する形で、制御できる。

静止飛行の場合、２つの同軸同期モータは、正確に同一の回転速度と基本的に同じ出力率とを有する。ブレード４のプロファイルは、能動ゼロモーメント係数のいわゆるＳ字レイアウトで選択でき、又は翼弦の４分の１より数パーセント手前でブレード４の回動軸を選択することでこのモーメントを逆方向のモーメントとして使用してもよい。選択のいずれによっても、ブレード４のニュートラルな位置決定による制御障害時の安全な着陸が可能になる。

１つの同期モータのみを有するテールロータ１の場合、ブレードピッチ制御手段としての摺動スリーブを円環体８に提供してブレード４の外径からのピッチを制御でき、１つの同軸回転構成要素１０によるテールロータ１の推力の補足の制御が可能である。

Claims (8)

1. ヘリコプタの電動テールロータ（１）であって、
   テールロータ（１）の周囲のハウジング（２）と、
   極（９）の数を増やした永久磁石で励磁され、ステータ（６、７）を有する少なくとも１つの同期モータであって、前記少なくとも１つの同期モータが前記テールロータ（１）を取り囲む前記ハウジング（２）の開口の周囲の円環体（８）として一体化され、前記テールロータ（１）のブレード（４）が前記少なくとも１つの同期モータの少なくとも１つの回転構成要素（１０、１１）に固定された、同期モータと、
   前記少なくとも１つの同期モータに電気エネルギーを提供する供給手段と、を備え、
   ブレードピッチ制御手段が円環体（８）に提供され、
   ステータ（６、７）各々及び同軸回転構成要素（１０、１１）各々を備えた２つの同軸同期モータが提供され、
   前記テールロータ（１）の前記ブレード（４）は、前記同期モータの前記同軸回転構成要素（１０、１１）の各々に結合されることを特徴とする、テールロータ（１）。
2. 各ステータ（６、７）は、複数の極（９）を有して内周上に提供され、
   前記２つの同軸回転構成要素（１０、１１）の各々は、対応する複数の永久磁石（１２）を有して回転構成要素（１０、１１）の各々の外周上に提供され、
   極（９）は、好ましくは対になって各ステータ（６、７）の内周上に規則的に配置され、
   永久磁石（１２）は、好ましくは対になって回転構成要素（１０、１１）の外周上に配置されることを特徴とする、請求項１に記載のテールロータ（１）。
3. 前記テールロータ（１）を取り囲む前記ハウジング開口周囲の前記円環体（８）にリテーナが提供されることを特徴とする、請求項２に記載のテールロータ（１）。
4. 前記２つの同軸回転構成要素（１０、１１）は、前記テールロータ（１）を取り囲む前記ハウジング開口周囲の前記円環体（８）内に一体化された磁気軸受によって支持されることを特徴とする、請求項３に記載のテールロータ（１）。
5. 前記２つの同軸回転構成要素は、ステータと前記２つの同期モータの各々の回転構成要素との間の玉軸受によって支持されることを特徴とする、請求項３に記載のテールロータ。
6. 前記２つの同軸回転構成要素（１０、１１）は、ベベルギヤ（２３）によってテールロータ（１）のブレード（４）に結合されることを特徴とする、請求項１に記載のテールロータ（１）。
7. 前記２つの同期モータは、互いに非対称であることを特徴とする、請求項１に記載のテールロータ（１）。
8. １つの同期モータの１つの同軸回転構成要素（１０、１１）の前記ブレード（４）のピッチを制御するために前記円環体（８）に摺動スリーブが提供されることを特徴とする、請求項１に記載のテールロータ（１）。

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