JP6162396B2 - 航空機着陸装置の車輪用の電動機 - Google Patents

Description

本発明は、航空機の着陸装置に関し、さらに具体的には航空機の着陸装置のための一体型車輪ハブの電動機／発電機、回生制動、および／または電動制動の方法に関するが、この着陸装置は、制動システムおよびそれに関連するタイヤの摩耗を低減すると同時に、前記航空機の安定性を向上させ、かつ摩耗による保守の必要性を低減する。

航空機の車輪と制動機の組立体の分野では、非回転式車輪支持体、回転するように車輪支持体に装着された車輪、および制動機円板の積層体を設けることが知られており、摩擦制動を使用して前記円板の回転運動を前記円板の摩耗原因である摩擦熱エネルギーに変換する。様々な制動機駆動構成および方法が、米国特許第４３８１０４９号、同第４４３２４４０号、同第４５４２８０９号、同第４５６７９６７号、同第４５９６３１６号、同第４８６５１６２号、および同第６６１５９５８号におけるように知られている。

航空機のための制動システムを提供する現時点の最新技術は、相互の物理的接触が強制される固定子および回転子を使用するものであり、したがって関連する円板の摩耗を招く摩擦熱を発生させ、摩耗部品を交換するために定期的な保守が必要である。

最新設計の炭素円板制動機の主要な欠点は、鋼鉄製の円板制動機の熱エネルギーと同じ量の熱エネルギーを吸収するために炭素材料の量を増やす必要があることである。炭素円板制動機の別の欠点は、雨によって炭素表面に湿気が混入するために制動能力が低下し、しかも炭素表面が摩耗した後の交換費用が高いことである。

さらには、航空機は、画定された誘導路、滑走路、およびターミナル内で操縦を行うことが必要である。このような１つの要件が、滑走路の幅および前記滑走路の物理的な幅の範囲内で前記航空機が滑走路上で１８０度旋回を実行する能力に基づいて特定の滑走路に許容された航空機に対して最大寸法を設定する１８０度旋回である。現在の着陸装置は、このような１８０度旋回を実行する能力を限定する。

航空機の制動機を設計する際の１つの重要な問題は、着陸時および離陸中断状態時に着陸装置システムの制動機システム内部で運動エネルギーが散逸することである。究極的には、それはタイヤと着陸面との間に存在する転がり摩擦であり、それは航空機を減速させる。したがって、制動機の能力要件は、航空機の最大着陸重量および転がり摩擦に基づく。従来技術の制動システムは、それが必要な制動力を生み出す様態に関して相対的に柔軟性に欠ける。

米国特許第４３８１０４９号明細書 米国特許第４４３２４４０号明細書 米国特許第４５４２８０９号明細書 米国特許第４５６７９６７号明細書 米国特許第４５９６３１６号明細書 米国特許第４８６５１６２号明細書 米国特許第６６１５９５８号明細書

本発明の目的は、航空機の着陸装置における制動および操縦のための改良システムおよび方法を提供することである。

本発明の他の目的は、航空機の着陸装置における制動および操縦のための従来技術によるシステムに関連する制約および欠点を克服することである。

本発明の他の目的は、着陸装置および制動システムに関わる構成要素の摩耗を減少させ、航空機の構造に安定性を追加して信頼性を高めると共に、現行摩擦制御システムに関連する必要な保守管理を軽減することである。

本発明の他の目的は、航空機の着陸装置内部の摩擦制動機円板の必要性を減少させることである。

本発明のさらに他の目的は、航空機からの運動エネルギーを回収し、このようなエネルギーを電力に変換するシステムおよび方法を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、航空機の小さい旋回半径を可能にする航空機着陸装置のためのシステムおよび方法を提供することである。

他の目的は、着陸装置のタイヤの角速度を相対的な地面の速度と厳密に一致させて、着陸が行われるときに、その速度の差が大幅に最小化され、したがって着陸装置のタイヤの着陸に関連する前記タイヤと滑走路着陸表面との滑り摩擦を大幅に減少させるようにすることによって、着陸による滑り摩擦がもたらす前記航空機のタイヤの摩耗を減少させることである。現在の最新技術に存在するこのような滑り摩擦は、関連する摩耗をもたらし、タイヤの性能に影響を与え、したがって安全性に影響を与える。

他の目的は、前記航空機の地上滑走および地上操縦を実行する目的のために原動力手段を提供することであり、それは前記航空機の効率性、操縦性、安定性、および安全性の向上に寄与するものである。

他の目的は、離陸を補助する目的のために原動力手段を提供することであり、それは航空機に必要な離陸距離を短縮し、同様に前記航空機の効率性、操縦性、安定性、および安全性の向上に寄与するものである。

本発明の航空機着陸装置の車輪用の電動機は、空隙を介して配置された、少なくとも１つの回転子および少なくとも１つの固定子を含み、前記回転子が回転するように前記車輪に結合され、前記固定子は、回転しないように非回転基部分に結合されて、前記車輪が差動回転方向又は逆回転方向に電動機化されて、着陸後の航空機が地上滑走又は制動されるように構成される。

さらに前記電動機は、前記車輪を制動するように、航空機着陸装置の車輪の発電機として作用するように構成される。

前記回転子は、固有の磁束界磁を有する永久磁石を備え、前記固定子は、前記回転子の磁束界磁との相互作用する磁束界磁を生成するように電力入力端子を備えた導体を備え、磁気トルクを前記回転子に印加して、航空機着陸装置の車輪に電動機動作が作用するように構成されている。

前記電動機は、制御装置を備えたブラシレスの軸線方向磁束電動機／発電機を備え、回転子の永久磁石と固定子の電界磁束間の相互作用により磁気トルクが生成され、前記永久磁石は軸線方向に整列しかつ関連する固定子界磁コイルと整列した磁束によってＮ極とＳ極とを交番し、少なくとも１つのホール効果センサを用いて前記固定子に対する前記回転子の位置を検出し、検出された回転子の位置情報は、前記制御装置の処理装置へ送られ、連続的にトルクを生成させて電動機に供給して前記固定子コイルを励磁させて前記固定子界磁コイルに印加された電力と同期させて磁気トルクが生成さられるように、前記処理装置よりの制御信号は、光アイソレータを経て電力貯蔵装置および／または搭載型電力源からの電力を前記固定子界磁コイルに印加する多相ブラシレス整流駆動制御器に送られ、前記車輪の電動機内部において順方向または逆方向で電動機動作を起こすためのユーザ入力を開始するために、前記光アイソレータを介して情報を前記処理装置に供給するユーザ制動／電動の前記制御装置からの入力に応じて、電動機動作が順方向または逆方向のいずれかで行われるように構成をされる。

前記発電機は、制御装置を備えたブラシレスの軸線方向磁束電動機／発電機を備え、回転子の永久磁石と固定子のコイルの相対的動きにより電力が生成され、前記永久磁石は軸線方向に整列しかつ関連する固定子界磁コイルと整列した磁束によってＮ極とＳ極とを交番することにより、発電機動作が行われ、固定子界磁コイルによって回生制動／多相整流制御器への電力接続が設けられ、変動多相電力信号が前記固定子と前記回転子が相対的に動くことにより多相電力信号が固定子界磁コイル内に生成され、処理装置制御信号が電力貯蔵および／または電力散逸に必要であり直流電力信号が前記回生制動／多相整流制御器から電力貯蔵装置および／または搭載型電力源に送られるか、かつ／または発生電力の散逸のために電力散逸抵抗器に送られる場合には、前記変動多相電力信号は、ユーザ制動／電動の前記制御装置からの入力に応じて、変動多相電力信号を直流信号に変換する前記回生制動／多相整流制御器へと送られるように構成される。

前記回生制動／多相整流制御器は、前記処理装置の制御信号により多相電力を電動制動制御器に供給し、電力を他の固定子の固定子界磁コイルに供給して前記回転子の回転方向とは逆方向に電動することによって制動効果を増大させて制動電動効果が与えられるように、多相電力信号は、同じまたは他の固定子の固定子磁界コイルに印加されるように構成される。

前記電動機は、軸線方向磁束電動機ではなく電気電動機か、航空機用着陸装置の車輪内に備えられている、航空機着陸装置の車輪用の電動機か、又は輪軸および／またはトルク管に備えられている航空機着陸装置の車輪用の電動機として構成される。

本発明により、航空機の着陸装置における制動および操縦のための従来技術によるシステムに関連する制約および欠点を克服し、航空機の着陸装置における制動および操縦のための改良システムおよび方法を提供できるようになった。

本発明に係る円板型軸線方向磁束車輪ハブの電動機／発電機の実施形態を示す断面図 本発明に係る着陸装置の方法を実施するために使用される１つ実現可能なスイッチング制御の実施態様を示すフローチャート 本発明に係るファジイ論理ＡＢＳ制御のための方法および装置を例示するブロック図

図１は、着陸装置の車輪の必要な電磁制動および／または電動を実現するために使用される実現可能な円板積層体による軸線方向磁束型の車輪ハブの電動機／発電機を示す断面図である。回転子円板Ｒは車輪Ｗに結合されて車輪Ｗと一緒に回転する。固定子円板Ｓ（導電性材料から作製可能である）は、軸Ａおよび／または中央トルク管に結合されて車輪に対して静止しているが、この車輪の中では、前記円板が、利用可能な電気接続（図示せず）を介する以外は相互から電気絶縁される。回転子円板Ｒ（導電製材料または永久磁石から作製可能である）は、車輪Ｗに結合される。車輪Ｗは軸受セットＢによって支持されるが、それらは駆動側および反駆動側軸受セット、またはスリーブ軸受、空気軸受、もしくは磁気式軸受から構成可能である。

好ましい本実施形態では、車輪Ｗが、着陸の前に、固定子円板Ｓを通って流れる電流の半径流により電力を印加することによって電動化されるが、この固定子円板は、ネオジウムのような高エネルギー密度の回転子円板Ｒの永久磁石（これらは実質的に回転子円板Ｒの内部に前記永久磁石の全てが同じベクトル方向にある軸線方向磁束の向きで配置される）の軸線方向磁束界磁と相互作用する軸線方向磁束界磁を発生させる。本実施形態は、回転子円板Ｒと固定子円板Ｓとの間に磁気トルクを現出させるが、それは車輪Ｗに電動機動作を行わせる。固定子円板Ｓおよび／または回転子円板Ｒは、銅が被覆され、銅に銀がさらに被覆され得るアルミニウムから構成可能であり、かつ／または強度を高めるためにベリリウム、銅、および／または導電性高分子材料などの他の任意の合金の組合せから構成することが可能である。電気接続を設けることはよく知られているので、必要な電気接続は示されていない。このような電気接続は、例えば、回転接点および／または滑動炭素ブラシを含む。別法として、本明細書で説明した軸線方向磁束の相互作用による電動機／発電機動作を実現するためにブラシレス設計も使用可能である。

図２は、ブラシレス設計内部の航空機着陸装置の車輪ハブの電動機／発電機の電動および／または制動の制御に必要な信号を実現するために使用されるスイッチング制御システム信号および電力信号の流れを示す。

車輪ハブの電動機／発電機に電動機動作を行う場合には、ホール効果センサ１を使用して回転子円板内部の永久磁石の位置を示し、その場合に磁石は軸線方向に整列しかつ関連する固定子界磁コイルと整列した磁束によってＮ極とＳ極とを交番している。車輪ハブの電動機／発電機内部において、順方向または逆方向で電動機動作を起こすためのユーザ入力を開始するために、光アイソレータ５を介して情報を処理装置３に供給するユーザ制動／電動の入力制御部７からの入力に応じて、電動機動作が順方向または逆方向のいずれかで行われるように、また駐機制動機の制御装置４から処理装置３への入力は駐機制動機システムが作動しているか、または解除されているかを示すように、光アイソレータ５に送られ、次いで、単一固定子円板内部の固定子界磁コイル１２に、電力貯蔵装置および／または搭載型電力源９からの電力を印加する多相ブラシレス整流駆動制御器１０に送られる制御信号を適切に周期調整するために、回転子円板の位置情報は処理装置３に送られる。駐機制動機が作動し、かつユーザ制動／電動入力制御部７からのユーザ入力が電動機動作を始動していれば、警告装置２が作動する。駐機制動機が解除されれば、処理装置３は、ユーザ制動／電動の入力制御部７からのユーザ入力にしたがって、順方向または逆方向で電動機動作が可能である。

車輪ハブの電動機／発電機から発電機動作を行う場合には、単一固定子円板１２内部の固定子界磁コイルから回生制動／多相整流制御器１１まで電力接続が設けられ、相対運動が固定子部分と回転子部分との間に生じると、多相電力信号が車輪ハブの電動機／発電機の固定子コイルの内部で生成され、この電力信号が、ユーザ制動／電動の入力制御部７からの入力ユーザ制御信号に依存する処理装置３から生成された制御信号に基づいて、変動多相電力信号を直流信号に変換する回生制動／多相整流制御器１１に送られる。この処理装置制御信号が、電力貯蔵および／または電力散逸を必要とするようになっていれば、直流電力信号は、その後の使用のために回生制動／多相制御器１１から電力貯蔵装置および／または搭載型電力源９に送られるか、かつ／または発生電力の散逸のために電力散逸抵抗器１３に送られる。好ましい本実施形態の範囲内で説明したように、回生制動／多相整流制御器１１を使用して、電動制動命令を適用する際に処理装置３の制御信号によって制御される電動制動制御器６に多相電力を供給することも可能であり、その場合に、発電機動作を行っている他の固定子円板８の固定子界磁コイルに電力を供給し、したがって回転子の回転方向とは逆方向に円板を電動することによって制動効果を増大させ、よってブラシレス軸線方向磁束電動機および発電機の領域に特有の電動制動効果を与えるために、多相電力信号が同じまたは他の車輪ハブの電動機／発電機の円板積層体内部の他の固定子円板８の固定子界磁コイルに印加される。

分割された回転子および固定子が使用されるブラシレス軸線方向磁束電動機および発電機がよく知られている。ブラシレス軸線方向磁束電動機および発電機の変型は、以下の米国特許第４２２３２５５号、同第４５６７３９１号、同第４５８４０８５号、同第６０４６５１８号、同第６０６４１３５号、同第６３２３５７３号（Ｂ１）、同第６６１７７４８号（Ｂ２）、および同第６６３３１０６号（Ｂ１）の範囲内で、また以下の米国特許出願公開第２００３／０１５９８６６号（Ａ１）および同第２００２／０１７１３２４号（Ａ１）の範囲内でも教示されている。未発行の特許も含めて特許の範囲内で説明された電動制動の方法を組み込む、円板または平形電動機として知られる任意の軸線方向磁束型電動機／発電機が使用可能である。回転子または固定子は、軸線方向に整列した磁束によってＮ極とＳ極との交番が存在するように、永久磁石部分から構成されるのが一般である。回転子または固定子部分は、一般に、単一の固定子または回転子円板の内部で、同様に固定子または回転子に装着されるホール効果センサと一緒に、固定子または回転子円板に装着された固定子または回転子コイルから成るが、この円板もこれらのコイルセットを回転子または固定子の内部で使用される永久磁石のコイルセットに整列させるために分割される。単一円板内部の固定子または回転子コイルには、電動機動作を引き起こすために多相ブラシレス整流駆動制御器からの電流を前記コイルに制御式に印加する必要がある。このような多相ブラシレス整流駆動制御に印加された制御信号は、ホール効果センサによって供給された位置情報を使用して光アイソレーションを介して処理装置から生成される。このようなブラシレス電動機を回生制動で使用して発電機動作によって電流を供給することも可能であり、その電流経路は電気的スイッチング制御によって設けられるが、その場合に、発生電力はその後の使用のために制御システムによって貯蔵される。

軸線方向磁束の電動機および／または発電機の実現可能な形態を以下のように要約することができる。一般に、巻線は固定式または回転式であり得るが、これらの巻線を以下の構造の中に組み込むことができる。このような１つの実現可能な構造は、スロット付きの積層されたまたは複合の鉄芯材料であり、巻線はスロットの内部に配置されている。別の実現可能な構造は、炭素のような鉄を含まない構造の内部に埋め込まれるコイルの中に巻線が巻き込まれるか、または積層もしくは複合鉄心材料に巻き付けてもよいスロットレス構造である。他の実現可能な構造は、誘導電流が中実の導電材料の内部で循環する中実構造であるが、この材料は強磁性物質でもよいし、またはそうでなくてもよい。円板構造のための巻線は、プリント回路型、および／または銅シートの打抜き、および／または個々のコイルの中に巻き込まれた銅巻線（リッツ線構造でもよいしまたはそうでなくてもよい）であり得る。

〔用途〕着陸直後に、電動機として使用される車輪ハブの電動機／発電機は、固定子円板に対する電力印加を中断して、回転子円板の磁界が固定子円板の磁界と相対運動（このような相対運動は航空機の運動エネルギーよるものである）しているときに起きる発電機動作による電力を前記固定子円板から引き出し、さらに、発生電力が回生制動におけるように貯蔵可能であるようにかつ／または発電制動におけるように散逸可能であるようにかつ／または電動制動によって制動効果を増大させる他の固定子円板に印加可能であるように、よく知られたスイッチング動作と、ＩＧＢＴもしくはＩＧＣＴおよび／または電気機械式リレーなどの電気制御スイッチのような制御器とを使用することによって、発電機として使用されるように変換可能である。

固定子からの発生電流は、制御電子素子の実装および／または物理的接点によって固定子円板に電気接続される蓄電池、コンデンサバンク、または他の適切な電力貯蔵装置（ジャイロおよび／または１つもしくは複数の環状コイル）によって航空機に貯蔵可能であり、したがって発生電力の散逸および／またはその後の使用に備えて電力を供給する目的のためにその貯蔵が可能になる。

電磁制動は、その電動制動方法では、関連する回転子および固定子の１つまたは複数の円板を発電機として使用して行われることが好ましく、その発電機出力は別の固定子の１つまたは複数の円板に印加され、次いでそれは、車輪の回転方向とは正反対の電動機動作を生み出し、それは回生制動のみの電動制動作用を上回る電動制動作用を創出し、したがって制動距離を短縮して航空機の安全性を増大させる。

電動制動方法は、２つの手段によって実現されることが好ましい。第１の手段は、１つの固定子円板からその関連する回転子円板の相対運動により生成され、車輪ハブの電動機／発電機の円板積層体内部の別の回転子円板に印加可能な電力によるものであり、その印加の態様は、前記別の固定子円板に関連する他の回転子円板を逆方向に電動し、したがって発電中の１つまたは複数の円板の車輪ハブの電動機／発電機の円板積層体と同じかまたは他の車輪ハブの電動機／発電機の円板積層体の内部の１つまたは複数の円板の電動制動または電動を実現することによって制動効果を増大させるものである。第２の手段は、電動機動作が回転子円板に車輪の回転の逆方向で与えられ、したがって車輪ハブの電動機／発電機の内部の１つまたは複数の円板の電動制動または電動が実現するように設けられた電気接続によって、電力が固定子円板に印加されるように、貯蔵電力および／または機上で生成された電力および／または外部電力を使用する。以上の２つの手段は、望ましい制動を生み出すために併用可能である。

軸線方向磁束の車輪ハブの電動機／発電機を使用して、航空機着陸装置の車輪に電動機動作を与え、したがって航空機にジャイロスコープ的な安定性を与えることができる。着陸の一連の場面では、航空機は着陸装置を配備し、次いで順回転運動を航空機着陸装置の車輪に与えるが、それはジャイロスコープ効果によって航空機を安定させ、したがって航空機の安定性および安全性を増大させる。

別の実施形態は、電磁制動ではなく渦電流制動を使用するが、その場合に、回転子円板は、様々な構造のアルミニウム、アルミニウム合金、鋼鉄、銅、ベリリウム、銀、またはそれらの任意の組合せ体から作製され、固定子円板は、先の好ましい電磁式の実施形態の電磁的事例において、すなわち、固定子円板の磁界が前記回転子円板の内部に前記航空機の車輪に対して制動作用を生み出す磁気トルクが現出されるように渦電流を誘導するように、電流を固定子円板に印加することによって制動が実現する事例において上で説明したように構成可能である。

現在使用されている摩擦制動システムの実施形態に加えて、上の実施形態の任意の組合せが使用可能であり、したがって摩擦制動システムの寿命を延長し、かつその有用性を助長するばかりでなく、摩耗率および必要な摩擦円板の数も減少させることによって付随する維持費を削減する。摩擦制動システムに使用される冷却システムが上の実施形態および実施形態の組合せ（必要であれば）でも使用可能である。

着陸事象の場合には、操縦士は着陸装置を配備し、着陸装置のタイヤの順方向回転を引き起こすように操縦士入力制御部によって着陸装置車輪ハブの電動機／発電機に電力が印加される。典型的なＢ７４７型航空機では、時速約２０９ｋｍ（１３０マイル）の着陸事象に関する着陸装置タイヤの回転速度は、タイヤ速度および地面速度を一致させ、したがって前記タイヤの滑り摩擦摩耗を大幅に低減させるために、約４８ラジアン毎秒である。着陸直後では、制御システムを使用して車輪ハブの電動機／発電機からの発生電力を貯蔵し、したがって回生制動を行う。次いで直ぐ後に、貯蔵エネルギーが制御装置によって車輪ハブの電動機に印加されて、回転子の回転方向とは逆の方向に電動機動作を行い、したがって電動制動を行う。航空機を完全に停止させるために、電動制動を使用し、順方向運動の停止が終了するとそれを解除し、次いで、それぞれの固定子界磁コイルが、ターミナルで駐機されるときに駐機制動機の力を着陸装置の車輪に印加するためにも使用される磁束（回転子の永久磁石の磁束のために存在する）を補助するように、固定子に印加されることになる直流を印加する。

離陸事象の場合には、操縦士は、着陸装置のタイヤを順方向で回転させ、かつジェットエンジンの動力を高めるように入力制御部を起動する。これは、航空機にジェットエンジンのみを使用する場合よりも速く滑走路を滑走させ、したがって個々の航空機の離陸に必要な滑走路の距離を短縮する。

離陸中断の場合には、全ての制動システムが、航空機の制動能力を最大化するような様態で作動する。

地上操縦で１８０度旋回する場合には、操縦士は、着陸装置の一方の組が順方向に駆動されかつ着陸装置の他方の組が逆方向に駆動されように入力制御部を起動し、したがって操縦士の制御下で終了する前記航空機の旋回が実現する。

航空機搬送機作業の場合には、電力は、航空機を航空機搬送機から駆動または放出するために使用されるような航空機に対する接続装置を介して外部電源から供給される。電気接続手段は、直接的な物理的接点またはエネルギーを地上軌道から航空機に移動するために磁気誘導を利用する非接点型であり得る。このような商用航空機の実施態様では、電力移動を可能にし、かつ／または航空機制御員が、航空機車輪ハブの電動機／発電機に供給される電力を制御することによって航空機の地上移動を直接制御する手段を提供し、したがって航空機制御員の制御水準を向上させるように、地上軌道を航空機の滑走路に組み込むことができる。

他の実施形態も本発明の範囲内にある。例えば、本システムは、電動制動を実現するように１組の固定子／回転子円板が別の組の固定子／回転子に電力供給できるように、制御が非常に柔軟であり得る。電動制動は、着陸事象による回転運動の方向とは逆方向に回転トルクを印加することによって実現可能である。

１つの実現可能な用途は次の通りである。すなわち、着陸事象では、車輪は着陸速度まで回転速度が上昇し、着陸直後には電力印加が除去され、車輪は発電機としての役割をする。本システムはこのようなエネルギーを貯蔵し、次いで直ぐ後に逆回転方向に回転トルクを加え、したがって電動制動を実現するように、その貯蔵エネルギーを固定子／回転子セットに印加することができる。これは、有効制動水準を上昇させるように完全にコンピュータ制御可能である着陸事象の非線形トルク曲線を生成し得る。

別の実施形態として、本発明は軸線方向磁束の電動機を利用する必要がない。当業界で知られている電動機／発電機装置はいずれも、様々な着陸装置組立体の開示された本実施形態に応用可能であり、それらに対応する利点を実現する。

固定子／回転子セットに印加される電圧に応じて制動規模が制御可能であることなど、列挙された利点の他に、本発明は他の利点も包含する。例えば、主要着陸装置の２つ以上の車輪は差動回転および／または逆方向回転が可能である場合には、１８０度旋回するために航空機が必要とする「旋回半径」または滑走路幅が減少し、したがって別様であれば航空機には利用不能なより狭い着陸用滑走路を利用可能にする。これは次に、非常時に追加的な着陸用滑走路に依存することができるので、航空機はより多くの直接飛行経路を取ることが可能になり、したがって飛行時間および消費燃料を削減する。

利点の別の例として、ジェットエンジン効率は速度の上昇につれて高まるので、航空機、特にジェット機による地上走行は非常に非効率的である。したがって、固定子／回転子セットが、電気エネルギー（電気エネルギー貯蔵装置で機上に貯蔵されたものかまたは機外に貯蔵されて、例えば、誘導によって移動されたものかを問わず）を車輪の回転エネルギーに変換できると、航空機のジェットエンジンを低速で動作させるという非効率性をある程度軽減する助けとなり得る。さらには、電気作動式車輪を地上走行および離陸補助に使用できるばかりでなく、それらは別様であれば移動させることが難しい様態で（例えば、逆進で）航空機を移動させるために通常使用される牽引用電動機の必要性を軽減または排除することもできる。

利点の別の例として、本システムは着陸時の航空機の速度にほぼ一致する速度まで着陸装置の車輪回転速度を上昇させ得るので、航空機の着陸時に従来の航空機の静止車輪が急速にかつ急激に回転速度が上昇するときに典型的に生じる「ガタ揺れ」または衝撃を軽減する。このようなガタ揺れの軽減または排除は、乗客の快適さを増し、タイヤおよび着陸滑走路の摩耗を低減する利点を有し、また安定化ジャイロスコープ効果も与える。

車輪ハブの電動機／発電機の電動機動作は、着陸事象に備えて着陸装置の配備もしくは伸展を行ったり、または離陸後に着陸装置の格納を行ったりするための動力源として使用可能であり、その場合には、このような電動機動作は、機械的結合機構を介して伝達されて着陸装置の位置決めおよび固定を行わせる。このようなシステムは、ねじ駆動機構または他のこのような機械的手段を使用して、車輪ハブの電動機／発電機からの運動を着陸事象の場合には下方および固定位置にし、離陸事象後の場合には上方および収納位置にする着陸装置支柱または支持組立体の運動に伝達することができる。

本発明を応用する際の他の考慮事項は次の通りである。第１に、このような組立体は前脚と主着陸装置との両方を含み得る。前脚は、主着陸装置と同じ特徴、すなわち、処理装置制御式であり得る１つまたは複数の電動機／発電機（軸線方向磁束の電動機／発電機）のような数多くのまたは全ての特徴を有し得る。さらには、前脚は、使用者からのまたは処理装置によって処理された操舵信号に応じて差動式に回転可能な２つ以上の車輪を具備し得る。

航空機の従来式の操舵方法は、前脚の差動制動および／または旋回によるものである。差動制動は、手回しハンドルおよび／または舵入力による前脚方位に関する操縦士からの入力に加えて、航空機を旋回させるために必要に応じて航空機の一方の側または他方の側を制動することを利用する。差動制動は地面または滑走路の激しい浸食を引き起こし、常時使用は着陸装置の故障原因になり得る。従来の前脚操舵角は６０度内外に限定されており、それは摩耗を受け、したがって保守する必要があるプッシュプル駆動装置、ラックアンドピニオン、回転駆動装置、多重連動機械システムのような利用可能な方法によって決まる。このような機械的駆動装置は、自動調心システムの不具合が発生すると飛行中に前脚の動揺を引き起こす恐れがある。

前脚の２つ以上の車輪を差動的に回転させると、タイヤが地面または滑走路と物理的に接触するときにのみ前脚を旋回させるが、それは航空機を順方向に移動させることなく車輪を操舵するために必要なトルクを与える。このような操舵は、一方の前輪ハブ電動機／発電機を一方向に電動し、他方の前輪ハブ電動機／発電機を他方向に電動することによって実現可能であり、したがって手回しハンドルの入力によって操縦士が所望する任意の位置に前脚を位置決めすることができる。別法として、それぞれの前輪ハブの電動機／発電機は異なる速度で同方向に回転可能である。

したがって、この新規の操舵方法は、信頼性の向上という追加的な特徴と共に操縦性の向上および重量削減をもたらす。航空機が移動中でありかつ地面と接触状態にあるとき、両方のタイヤは同方向に回転しており、手回しハンドルから操縦士が入力すると、一方のタイヤが他方のタイヤよりも速く回転させられ、したがって車輪ハブの電動機／発電機に対する入力電力の差をもたらし、したがって移動中に航空機の前脚を任意所望の方向に操舵することが可能になる。航空機の前脚に使用される従来の方法は、着陸事象時に前脚タイヤの不均一な摩耗を生じ、したがって前脚タイヤの不均衡を生み出す。このような前脚タイヤの不均衡は、前脚タイヤに異常振動を発生させる。

タイヤ摩耗低減方法の使用を組み込むことによって、着陸時の前脚タイヤの不均一な摩耗による異常振動が低減するために、前脚操舵システムの性能が向上し、したがって使用されている現在の方法に勝る安定性の向上をもたらす。

別の考慮事項は、操舵を補助するためにしばしば使用される前脚が、特に着陸直後にそれが滑走路に強く押しつけられる場合に操舵性のさらなる向上が可能であることであり、したがって、本システムは、前脚の力を増強しかつ航空機の前部を滑走路に向かって押しつけるのを助けるために空気を上方に誘導するように構成されたフィンもしくはスポイラまたは均等物を具備することができる。

別の態様では、本発明はＡＢＳ制動を向上させる。電磁制動システムの重要な利点は、帰還信号が油圧システム内部の帰還信号よりも１０００倍速く、したがって、ＡＢＳの有効制動能力の向上が可能であり、したがって安全水準が上昇し、しかも電磁装置は本来的に油圧装置よりも信頼性が高いので、信頼性の水準向上にも寄与することである。電磁制動システムは本来的にアンチロックでもある。

アンチロック制動システム（ＡＢＳ）を作成するいくつかの手段が存在し、航空機の望ましい制動を生み出すように任意の従来型ＡＢＳまたは改良型ＡＢＳが本発明の範囲内に組み込むことができる。このような１つの実現可能な手段を説明するが、それは実現可能な制御手段としてファジイ論理の使用を実施するものである。

近年では、ファジイ論理の技法が広範なシステムに応用されている。アンチロック制動システム（ＡＢＳ）における数多くの電子制御システムが現在追求されている。これらの電子制御システムは、従来の制御アルゴリズムではないファジイ論理に基づく制御を利用することによって優れた特徴を実現する。

ＡＢＳは、逼迫または非常制動時に最適な制御および最小限の停止距離を確保するために実施される。ＡＢＳを装備した航空機の数は、年々絶えず増加してきており、今ではＡＢＳは航空機の安全に本質的に貢献するものとして認められている。ＡＢＳによって利用される制御方法はシステム性能の向上を決定し、したがってＡＢＳ能力を向上させることは、航空機製造業者の１つの目標である。

電子制御装置（ＥＣＵ）、車輪回転速度センサ、および制動機変調器が、ＡＢＳモジュールの主要構成要素である。車輪回転速度センサは、車輪回転速度に比例する周波数でパルスをＥＣＵに送信する。次いで、ＥＣＵはこの情報を処理し、それにしたがって制動機を調節する。ＥＣＵおよび制御アルゴリズムは、ＡＢＳシステムで使用するためのファジイ論理制御アルゴリズムを実施できるＡＢＳシステムの機能水準の適切さをある程度決定するものである。

ＡＢＳシステムは本質的に非線形でありかつ動的であるので、それらはファジイ論理制御のための主要候補である。ほとんどの滑走路表面では、制動力が航空機の車輪システムに印加されるとき、航空機と滑走路表面との間の摩擦に関する長手方向関係が急激に増大する。これらの条件下における車輪の滑りは、制動力の印加時に機体の速度と車輪回転速度の低下との間の差であると主に考えられる。摩擦が滑りに逆らって作用するのでブレーキが効く。十分な摩擦があれば滑りが多くなればなるほど、それだけ大きな制動力が航空機の運動量に対して加えられる。不都合なことに、ＲＴＯ（離陸中断）時または表面摩擦係数が変動する濡れた表面もしくは氷結した表面の上では、滑りはそれ自体に逆らって作用する恐れがありかつ逆らって作用することになる。制動力が滑走路表面の有用な摩擦係数を超えて印加され続けると、制動機は、事実上の非摩擦環境で動作し始める。摩擦が低下していく環境で制動力が増大すると、しばしば車輪の完全な拘束をもたらす。滑っている車輪が生み出す摩擦は、回転している車輪の転がり摩擦よりも小さいことは数学的かつ経験的に証明済みである。

ＡＢＳ制御アルゴリズムは、温度変化および磁束界磁相互作用の動的性質による制動機トルクの非線形性に対処するべきである。また、タイヤの摩耗およびシステム構成要素の経年変化の影響は言うに及ばす、摩擦係数および滑走路表面の変化のような外的外乱も対処されるべきである。これらの有力要因はシステムの複雑さを増大させ、それは次にシステムを記述するために使用される数学的モデルに影響を与える。このモデルが複雑さを増していくと、ＡＢＳの制御に必要な方程式も複雑さを増していく。ＡＢＳの高度に動的性質のために、数多くの想定および初期条件を使用して制御を実現することができる。一旦制御が実現されると、システムは、雛形実演設定で実施され、かつ試験される。次いで、システムは試験設定によって画定された望ましい制御状態に到達するように修正される。

ファジイ論理の性質のために、有力な動的要因はＡＢＳ規則に基づいた記述で対処される。この種の「知的」制御は、システムコードの開発を早め得る。「Ｆｕｚｚｙ Ｌｏｇｉｃ Ａｎｔｉ−Ｌｏｃｋ Ｂｒａｋｅ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ａ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｒａｎｇｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｕｒｆａｃｅ」（米国電気電子技術者学会１９９３年）と題する最近の文献が、システム製造業者の視点からファジイＡＢＳの初期開発に関連する問題のいくつかに対処する。

図３は、本発明に係るファジイ論理ＡＢＳ制御のための方法および装置を例示するブロック図である。ファジイ論理ＡＢＳに対する入力が図３に示されており、これらの入力は以下のものから成る。

１．制動機：このブロックは制動機ペダルの元の位置からの変位を示す。この情報はデジタルまたはアナログ形式で取得され、それは駐機制動機の位置も示す。

２．着陸モード：これは航空機が着陸モードにあるかどうかを示し、それはシステムに入力されるデータとして特定の滑走路データでプログラムすることもできる。

３．離陸：この入力は航空機の離陸準備ができているかどうか、およびエンジンが動作しているか否かを登録する。

４．帰還：このブロックは、温度、電流水準（発生した電流および／またはとりわけ車輪ハブの電動機／発電機に印加された電流）のようなＡＢＳシステムの状態に関する入力セットを示す。

５．車輪回転速度：典型的な応用例では、これは、それぞれの主着陸装置組立体の内部のそれぞれの車輪ハブの電動機／発電機からの１組の４つの入力信号を示し、これらの信号はそれぞれの車輪の回転速度に関する情報を伝達する。この情報を使用して制御アルゴリズムに関する全ての必要な情報を導出する。

６．データ入力および変数の重み付けは、主プログラム・インターフェイス・エンジン内部に導入されたＡＢＳ制御アルゴリズムに送られる前に、妥当性および適切な重み付けに関して様々な入力データを組み合わせて評価することを可能にする。

７．主プログラム・インターフェイス・エンジンは、このような改良点が、可能性のある誤差信号のようなデータを操縦士用の指示器に出力する電子制御装置、および制動システムの車輪ハブの電動機／発電機に印加される電力を制御するパルス幅変調制御装置によって使用するための入力データを処理するために利用可能になるときに、更新することができる。

それぞれの車輪の加速および滑りは、それぞれの車輪からの信号を結合することによって計算可能である。次いで、これらの信号は望ましい制御を実現するためにファジイ論理ＡＢＳシステムで処理され、このような構成は、このような改良点が利用可能になるとき、改良された数値計算実行タイミングを利用するようになっている。

車輪ハブの電動機／発電機を発電機として使用することおよび出力電力をレジスタバンクに印加することから成る動的制動が動作しているとき、この動的制御は、両方の制動システムが過剰な抵抗を生み出して車輪を滑らせ、したがって車輪のタイヤ上に平坦領域をもたらすので、制動システムが車輪ハブの電動機／発電機に対して自動制動システムを解除するように設定可能である。別の変型は混合制動である。混合制動を使用して制動をさらに一層効率的にする。ＡＢＳの帰還電子工学によって生み出された混合制動は、動的性質の下方域では、いくつかの自動制動システムを使用し、動的性質のより大きなアンペア数では、自動制動の使用（使用されていれば）が減少する。完全な動的性質では、自動制動機が完全に解除されようになり得る。混合制動は、車輪の滑り、および車輪ハブの電動機／発電機に関する加速度および速度のような他の制動制御回路に結び付いている。

本発明の例示的な実施形態を説明してきたが、それは本発明における範囲を決して限定するものではない。任意の変更が可能であり、それらは添付の特許請求の範囲で画定された本発明の範囲内に包含されるべきものであることは当業者なら理解しよう。特許請求の範囲において、手段プラス機能節が使用されている場合には、それらは、説明された機能を実施するものとして本明細書で説明した構造的着想および構造的均等物ばかりでなく均等な構造も包含しようとするものである。

好ましい実施形態の文脈で以上に本明細書に説明した本発明の方法は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、それらに変更および変形を実施することが可能であるので、それらの提示された細部に全てが限定されるものと考えるべきではない。例えば、本発明の原理は、それらのより広い態様では、制動が必要な列車、バス、貨物自動車、乗用車、もしくは船舶、または他の電気式駆動装置など、電気車両向けの他の動力および／または制動システムに応用することが可能である。

Ａ 軸
Ｂ 軸受セット
Ｒ 回転子円板
Ｓ 固定子円板
Ｗ 車輪
１ ホール効果センサ
２ 警告装置
３ 処理装置
４ 制御装置
５ 光アイソレータ
６ 電動制動制御器
７ ユーザ制動／電動入力制御部
８ 別の固定子円板
９ 電力貯蔵装置および／または搭載型電力源
１０ 多相ブラシレス整流駆動制御器
１１ 回生制動／多相整流制御器
１２ 単一固定子円板
１３ 抵抗器

Claims (9)

1. 複数の車輪を備えた航空機着陸装置の車輪用の電動機であって、
   前記複数の車輪は、空隙を介して配置された、少なくとも１つの回転子および少なくとも１つの固定子を内包し、
   前記回転子が回転するように前記車輪内で前記車輪に結合され、前記固定子は、回転しないように非回転基部分に結合されて、
   より小さな旋回半径で旋回するために、前記複数の車輪が差動回転するように電動機化されて航空機が地上において旋回され、及び、摩擦制動を軽減するために、前記複数の車輪が逆回転方向に電動機化されて着陸後に地上滑走中の航空機が制動されることを特徴とする電動機。
2. さらに前記電動機は、前記車輪を制動するように、航空機着陸装置の車輪の発電機として作用するように構成される、請求項１に記載の電動機。
3. 前記回転子は、固有の磁束界磁を有する永久磁石を備え、前記固定子は、前記回転子の磁束界磁との相互作用する磁束界磁を生成するように電力入力端子を備えた導体を備え、磁気トルクを前記回転子に印加して、航空機着陸装置の車輪に電動機動作が作用するように構成される、請求項１に記載の電動機。
4. 前記電動機は、制御装置を備えたブラシレスの軸線方向磁束電動機／発電機を備えた電動機であり、
   回転子の永久磁石と固定子の電界磁束間の相互作用により磁気トルクが生成され、前記永久磁石は軸線方向に整列しかつ関連する固定子界磁コイルと整列した磁束によってＮ極
   とＳ極とを交番し、
   少なくとも１つのホール効果センサを用いて前記固定子に対する前記回転子の位置を検出し、検出された回転子の位置情報は、前記制御装置の処理装置へ送られ、
   連続的にトルクを生成させて電動機に供給して前記界磁固定子コイルを励磁させて前記固定子界磁コイルに印加された電力と同期させて磁気トルクが生成さられるように、前記処理装置よりの制御信号は、光アイソレータを経て電力貯蔵装置および／または搭載型電力源からの電力を前記固定子界磁コイルに印加する多相ブラシレス整流駆動制御器に送られ、
   前記車輪の電動機内部において順方向または逆方向で電動機動作を起こすためのユーザ入力を開始するために、前記光アイソレータを介して情報を前記処理装置に供給するユーザ制動／電動の前記制御装置からの入力に応じて、電動機動作が順方向または逆方向のいずれかで行われる、請求項３に記載の電動機。
5. 前記電動機は、制御装置を備えたブラシレスの軸線方向磁束電動機／発電機を備えた電動機であり、
   回転子の永久磁石と固定子のコイルの相対的動きにより電力が生成され、前記永久磁石は軸線方向に整列しかつ関連する固定子界磁コイルと整列した磁束によってＮ極とＳ極とを交番することにより、発電機動作が行われ、
   固定子界磁コイルによって回生制動／多相整流制御器への電力接続が設けられ、変動多相電力信号が前記固定子と前記回転子が相対的に動くことにより多相電力信号が固定子界磁コイル内に生成され、
   処理装置制御信号が電力貯蔵および／または電力散逸に必要であり直流電力信号が前記回生制動／多相整流制御器から電力貯蔵装置および／または搭載型電力源に送られるか、かつ／または発生電力の散逸のために電力散逸抵抗器に送られる場合には、前記変動多相電力信号は、ユーザ制動／電動の前記制御装置からの入力に応じて、変動多相電力信号を直流信号に変換する前記回生制動／多相整流制御器へと送られる、請求項４に記載の電動機。
6. 前記回生制動／多相整流制御器は、前記処理装置の制御信号により多相電力を電動制動制御器に供給し、
   電力を他の固定子の固定子界磁コイルに供給して前記回転子の回転方向とは逆方向に電動することによって制動効果を増大させて制動電動効果が与えられるように、多相電力信号は、同じまたは他の固定子の固定子磁界コイルに印加される、請求項５に記載の電動機。
7. 前記電動機は、航空機用着陸装置の車輪内に備えられている、請求項１に記載の電動機。
8. 前記発電機としての電動機は、航空機用着陸装置の車輪内に備えられている、請求項２に記載の電動機。
9. 前記回転子は所定の磁束界磁を発生させる永久磁石であり、
   前記固定子は、導電線を備え、前記導電線に電流が流れることにより、前記回転子の磁束界磁と相互作用して磁束界磁が生成されると共に、渦電流が生成して磁気トルクを生成して、生成された磁気トルクが前記車輪に作用して前記車輪が制動される、請求項１に記載の電動機。

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