JP6626328B2 - 航空機の電動タキシングシステム - Google Patents

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Description

本発明は、電動モータの動力を推進力に用いる航空機に関する。
ジェットエンジンを推進源とする航空機は一般に、ジェットエンジンの推力を利用して飛行場の誘導路をタキシング（自力走行）する。しかし、タキシングの際にジェットエンジンが多くの燃料を消費するため、近年では、タキシングに電動モータの動力を用いて燃費向上を図る試みが行われている（例えば、特許文献１）。
タキシングの動力源とする電動モータは、離陸滑走時のジェットエンジンによる推力をアシストするのに用いることができる他、着陸時の制動源として活用することもできる。この場合には、ジェネレータとして機能する電動モータに回生電力が発生する（例えば、特許文献２，３）。
回生電力は航空機内のバッテリに充電して蓄積してもよいが、その分、バッテリの充電制御が複雑化する。これを避けるためには、回生電力をできるだけ発生した時点で消費することが理想的である。これを実現するような提案として、航空機の電動モータで発生した回生電力が負荷の消費電力以内である場合には回生電力を負荷に供給し、消費電力を上回る場合には回生電力を内部抵抗に供給するものがある（例えば、特許文献４）。
米国特許出願公開第２０１３／０２８４８５４号明細書 特開２００９−２３６２８号公報 特開２００９−２３６２９号公報 特開２００１−９５２７２号公報
上述した回生電力の大きさにより供給先を切り替える従来の提案では、回生電力を負荷で消費できない場合に回生電力が内部抵抗で無駄に消費されてしまう。このため、タキシングや離陸時の滑走の動力源とする電動モータを着陸時の制動源として利用する場合には、電動モータに発生する回生電力を有効活用することが望ましい。
本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、航空機のタキシングや離陸時の滑走の際に動力源として用いる電動モータを着陸時の制動源として利用する際に発生する電動モータの回生電力を有効活用することができる航空機の電動タキシングシステムを提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の第１の態様による航空機の電動タキシングシステムは、
航空機の車輪と、
前記航空機の着陸時に前記車輪と共に回転されて該車輪に制動力を付与すると共に該制動力に応じた回生電力を発生し、前記航空機のタキシング時に前記車輪を回転させるタキシング用モータと、
前記回生電力を、前記航空機の着陸又は着陸を中止して行われる再離陸のために駆動される前記航空機の電動要素に供給する電源制御ユニットと、
を備える。
本発明の第１の態様による航空機の電動タキシングシステムによれば、航空機の着陸時に車輪と共に回転したタキシング用モータに回生電力が発生すると、航空機の着陸時又は着陸時に続く再離陸時に駆動される電動要素に回生電力が供給されて消費される。
このため、タキシング用モータを用いて航空機のタキシングを電動で行うようにする場合に、着陸の際にタキシング用モータで発生する回生電力を、余剰電力としてダミーの負荷（高抵抗値の内部抵抗等）で無駄に消費させることなく、供給先の電動要素によって回生電力を効率よく消費させて、回生電力を有効活用することができる。
なお、電動要素としては、例えば、本発明の第２の態様による航空機の電動タキシングシステムのように、前記航空機の着陸時に該航空機のジェットエンジンのバイパス空気流を前記航空機の前方に偏向させる逆推力ユニットを電動要素に含めることができる。
また、本発明の第１の態様による航空機の電動タキシングシステムでは、前記航空機の離陸時及び再離陸時に該航空機のジェットエンジンの回転をアシストする電動アシストモータを電動要素に含めて、前記電源制御ユニットが、前記再離陸時に前記回生電力を前記電動アシストモータに供給するようにした。
このようにすることで、着陸時にモータジェネレータに発生した回生電力を、着陸した航空機に制動をかけるために駆動される逆推力ユニットや、着陸を中止して再離陸する際にジェットエンジンの回転をアシストするために駆動される電動アシストモータで効率よく消費させて、回生電力を有効活用することができる。
さらに、タキシング用モータで発生した回生電力は、本発明の第３の態様による航空機の電動タキシングシステムのように、前記電源制御ユニットによって、前記電動要素以外の前記航空機に設けられた電動機器にも供給するようにすることができる。
このようにすることで、タキシング用モータで発生した回生電力が再離陸時に駆動される電動要素では全て消費し尽くせない場合であっても、航空機に設けられた電動機器によって余剰の回生電力を有効活用することができる。
本発明によれば、航空機のタキシングや離陸時の滑走の際に動力源として用いる電動モータを着陸時の制動源として利用する際に発生する電動モータの回生電力を有効活用することができる。
本発明の一実施形態に係る電動タキシングシステムが搭載される航空機の斜視図である。 図１の航空機の内部の電気的な概略構成を示す説明図である。 図１の航空機の内部の電気的な概略構成の別例を示す説明図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態に係る電動タキシングシステムが搭載される航空機の斜視図である。
図１に示す航空機１は、胴体３の下部に格納式の前脚５及び主脚７を有しており、前脚５及び主脚７はそれぞれ車輪５ａ，７ａを有している。胴体３の左右に設けられた主翼９，１１はそれぞれ、着陸時に跳ね上げられて航空機１に制動力を付与するスポイラー９ａ，１１ａを有している。主翼９，１１はそれぞれエンジンナセル１３，１５を支持している。
エンジンナセル１３，１５はそれぞれジェットエンジン１７，１９を収納している。エンジンナセル１３，１５とジェットエンジン１７，１９との間には、ジェットエンジン１７，１９のファンによってエンジンナセル１３，１５に吸い込まれた空気のうちジェットエンジン１７，１９をバイパスするバイパス空気流の通路が形成されている。
エンジンナセル１３，１５にはスライド式のナセルカバー１３ａ，１５ａが設けられている。このナセルカバー１３ａ，１５ａは、上述した主翼９，１１のスポイラー９ａ，１１ａと共に、航空機１の着陸時に制動をかける逆推力ユニットを構成している。
ナセルカバー１３ａ，１５ａが航空機１の後方にスライドしてエンジンナセル１３，１５にリング状の隙間が形成されると、エンジンナセル１３，１５内のバイパス空気流の通路がこの隙間を介してエンジンナセル１３，１５の外部と連通する。そして、エンジンナセル１３，１５内のバイパス空気流は、リング状の隙間を通ってエンジンナセル１３，１５の外部に排出され、航空機１の前方に偏向された空気流となる。この偏向された空気流は、航空機１に制動力を付与する。
図２は図１の航空機１の内部の電気的な概略構成を示す説明図である。航空機１は、内部の電動要素に電力を供給する電源供給ラインを構成する電源バス２１を有している。この電源バス２１は、不図示の制御装置を介して、逆推力ユニットを構成し図１に示すスポイラー９ａ，１１ａやナセルカバー１３ａ，１５ａを動作させる電動アクチュエータ９ｂ，１１ｂ，１３ｂ，１５ｂに電力を供給する。また、電源バス２１は、航空機１の客室内の空気調和を行う冷凍サイクル（ＶＣＳ）２３とその制御系（環境制御システム；ＥＣＳ）２５等の電動機器にも電力を供給する。
さらに、電源バス２１には、電源制御装置２７（請求項中の電源制御ユニットに相当）が接続されている。電源制御装置２７には、それぞれの制御装置５ｃ，７ｃ，２９ｂ，３１ｂを介して、電動脚モータ５ｂ，７ｂ（請求項中のタキシング用モータに相当）やスタータ・ジェネレータ２９ａ，３１ａ（請求項中の電動アシストモータに相当）が接続されている。
なお、本実施形態では、電動アクチュエータ９ｂ，１１ｂ，１３ｂ，１５ｂやスタータ・ジェネレータ２９ａ，３１ａが、請求項中の電動要素に相当している。
電動脚モータ５ｂ，７ｂは、電源制御装置２７から電動脚モータ制御装置５ｃ，７ｃを介して供給される電力により前脚５及び主脚７の車輪５ａ，７ａを回転させるものである。この電動脚モータ５ｂ，７ｂは、例えば、車輪５ａ，７ａのハブ内に格納されたインホイールモータによって構成することができる。
この電動脚モータ５ｂ，７ｂは、電源制御装置２７からの電力供給を受けていないときに車輪５ａ，７ａが回転すると、回転抵抗による制動力（回生ブレーキ）を回転中の車輪５ａ，７ａに付与すると共に、制動力に応じた回生電力を発生する。なお、電動脚モータ５ｂ，７ｂで発生した回生電力は、電動脚モータ制御装置５ｃ，７ｃを介して電源制御装置２７に回収される。
電源制御装置２７に回収された回生電力は、電動要素である電動アクチュエータ９ｂ，１１ｂ，１３ｂ，１５ｂやスタータ・ジェネレータ２９ａ，３１ａに供給される。また、電源制御装置２７に回収された回生電力は、冷凍サイクル（ＶＣＳ）２３とその制御系（環境制御システム；ＥＣＳ）２５等の電動機器にも供給される。
スタータ・ジェネレータ２９ａ，３１ａは、電源制御装置２７からスタータ・ジェネレータ制御装置２９ｂ，３１ｂを介して供給される電力により、ジェットエンジン１７，１９のタービン軸の回転をアシストするものである。このスタータ・ジェネレータ２９ａ，３１ａは、不図示の動力伝達系を介してジェットエンジン１７，１９のタービン軸に接続されている。
このスタータ・ジェネレータ２９ａ，３１ａは、電源制御装置２７からの電力供給を受けていないときには発電機として機能し、ジェットエンジン１７，１９から不図示の電力伝達系を介して伝わる動力により回転し発電する。スタータ・ジェネレータ２９ａ，３１ａが発電した電力は、スタータ・ジェネレータ制御装置２９ｂ，３１ｂを介して電源制御装置２７に回収される。
電源制御装置２７は、電動脚モータ５ｂ，７ｂから回収した回生電力や、スタータ・ジェネレータ２９ａ，３１ａが発電した電力を、電源バス２１や電源制御装置２７に接続された動作中の電動要素や電動機器に供給し消費させる。
そして、本実施形態では、この電源制御装置２７と、電動脚モータ５ｂ，７ｂ及びスタータ・ジェネレータ２９ａ，３１ａ、それに、電源バス２１に接続された電動アクチュエータ９ｂ，１１ｂ，１３ｂ，１５ｂや、冷凍サイクル（ＶＣＳ）２３とその制御系（環境制御システム；ＥＣＳ）２５等の電動機器を含んで、航空機１の電動タキシングシステムが構成されている。
次に、本実施形態の電動タキシングシステムの動作（作用）について説明する。まず、航空機１が離着陸に際してタキシングを行うとき、スタータ・ジェネレータ２９ａ，３１ａが発電した電力は少なくとも、電源制御装置２７から電動脚モータ制御装置５ｃ，７ｃを介して電動脚モータ５ｂ，７ｂに供給される。この電力供給を受けた電動脚モータ５ｂ，７ｂは、前脚５及び主脚７の車輪５ａ，７ａを回転させて、航空機１を電動でタキシングさせる。
また、航空機１の着陸に際して、接地した車輪５ａ，７ａと共に回転して制動力に応じた回生電力が電動脚モータ５ｂ，７ｂで発生した場合、この回生電力は少なくとも、電源制御装置２７から電源バス２１とそれぞれの制御装置（図示せず）とを介して電動アクチュエータ９ｂ，１１ｂ，１３ｂ，１５ｂに供給される。
回生電力の供給を受けた電動アクチュエータ９ｂ，１１ｂ，１３ｂ，１５ｂは、航空機１に制動をかけるためにスポイラー９ａ，１１ａやナセルカバー１３ａ，１５ａを動作させて、供給された回生電力を消費する。
さらに、航空機１が着陸を途中で中止して再離陸（タッチアンドゴー）する場合は、着陸の際に電動脚モータ５ｂ，７ｂで発生した回生電力が、電源制御装置２７からスタータ・ジェネレータ制御装置２９ｂ，３１ｂを介してスタータ・ジェネレータ２９ａ，３１ａにも供給される。
回生電力の供給を受けたスタータ・ジェネレータ２９ａ，３１ａは、航空機１の再離陸に際して加速されるジェットエンジン１７，１９の回転をアシストするために、モータとして機能してジェットエンジン１７，１９のタービン軸を回転させ、供給された回生電力を消費する。
なお、電源バス２１に接続された冷凍サイクル（ＶＣＳ）２３やその制御系（環境制御システム；ＥＣＳ）２５等の電動機器には、ジェットエンジン１７，１９が動作している間、スタータ・ジェネレータ２９ａ，３１ａで発電した電力が常時供給される。
また、電源制御装置２７から電源バス２１を介して冷凍サイクル（ＶＣＳ）２３やその制御系（環境制御システム；ＥＣＳ）２５等の電動機器には、上述した航空機１の着陸時や再離陸時に、電動脚モータ５ｂ，７ｂで発生した回生電力を供給して消費させることもできる。
ちなみに、図３の説明図に示すように、ジェットエンジン１７，１９に対応して、スタータ・ジェネレータ３３ａ，３５ａ及びスタータ・ジェネレータ制御装置３３ｂ，３５ｂをもう１系統追加して、常時発電機として機能させるようにしもよい。
その場合には、スタータ・ジェネレータ２９ａ，３１ａがモータとして機能しているときでも、スタータ・ジェネレータ３３ａ，３５ａが発電した電力を、電源バス２１に接続された冷凍サイクル（ＶＣＳ）２３やその制御系（環境制御システム；ＥＣＳ）２５等の電動機器に安定的に供給することができる。
以上に説明したように、本実施形態の航空機１では、電動脚モータ５ｂ，７ｂを用いて航空機１のタキシングを電動で行うようにした。そして、着陸の際に電動脚モータ５ｂ，７ｂで発生する回生電力を、航空機１の着陸時に駆動されるスポイラー９ａ，１１ａやナセルカバー１３ａ，１５ａの電動アクチュエータ９ｂ，１１ｂ，１３ｂ，１５ｂ、あるいは、着陸時に続く再離陸時に駆動されるスタータ・ジェネレータ２９ａ，３１ａに供給して消費させるようにした。
このため、航空機１の着陸時に電動脚モータ５ｂ，７ｂで発生した回生電力を、余剰電力として高抵抗値の内部抵抗等のダミー負荷で無駄に消費させることなく、着陸又はこれに続く再離陸時に、電動アクチュエータ９ｂ，１１ｂ，１３ｂ，１５ｂやスタータ・ジェネレータ２９ａ，３１ａによって回生電力を効率よく消費させて、回生電力を有効活用することができる。
また、本実施形態の航空機１では、航空機１の着陸時に電動脚モータ５ｂ，７ｂで発生した回生電力を、冷凍サイクル（ＶＣＳ）２３とその制御系（環境制御システム；ＥＣＳ）２５等の電動機器にも供給するようにした。
このため、電動脚モータ５ｂ，７ｂで発生した回生電力が電動アクチュエータ９ｂ，１１ｂ，１３ｂ，１５ｂやスタータ・ジェネレータ２９ａ，３１ａによって全て消費し尽くせない場合であっても、冷凍サイクル（ＶＣＳ）２３とその制御系（環境制御システム；ＥＣＳ）２５等の電動機器によって余剰の回生電力を有効活用することができる。
なお、上述した実施形態では、前脚５及び主脚７の両方の車輪５ａ，７ａに電動脚モータ５ｂ，７ｂが設けられている場合について説明したが、どちらか一方の車輪５ａ，７ａだけに電動脚モータ５ｂ，７ｂが設けられている場合にも、本発明は適用可能である。
また、電動脚モータ５ｂ，７ｂで発生した回生電力の供給先は、着陸時の電動アクチュエータ９ｂ，１１ｂ，１３ｂ，１５ｂを除外し、再離陸時のスタータ・ジェネレータ２９ａ，３１ａのみとしてもよい。
さらに、それら以外にも、電動脚モータ５ｂ，７ｂで回生電力が発生する航空機の着陸時やそれに続く再離陸時に、着陸又は再離陸のために駆動される各種の電動要素を、電動脚モータ５ｂ，７ｂで発生した回生電力の供給先とすることができる。
また、冷凍サイクル（ＶＣＳ）２３とその制御系（環境制御システム；ＥＣＳ）２５等の電動機器を、電動脚モータ５ｂ，７ｂで発生した回生電力の供給先から除外してもよい。
そして、本発明は、民間機であるか軍用機であるかや、旅客機であるか貨物機であるかに関係なく、航空機に広く適用可能である。
１ 航空機
３ 胴体
５ 前脚
５ａ，７ａ 車輪
５ｂ，７ｂ 電動脚モータ
５ｃ，７ｃ 電動脚モータ制御装置
７ 主脚
９，１１ 主翼
９ａ，１１ａ スポイラー
９ｂ，１１ｂ，１３ｂ，１５ｂ 電動アクチュエータ
１３，１５ エンジンナセル
１３ａ，１５ａ ナセルカバー
１７，１９ ジェットエンジン
２１ 電源バス
２３ 冷凍サイクル（ＶＣＳ）
２５ 冷凍サイクル制御系（環境制御システム；ＥＣＳ）
２７ 電源制御装置
２９ａ，３１ａ，３３ａ，３５ａ スタータ・ジェネレータ
２９ｂ，３１ｂ，３３ｂ，３５ｂ スタータ・ジェネレータ制御装置

Claims (3)

  1. 航空機の車輪と、
    前記航空機の着陸時に前記車輪と共に回転されて該車輪に制動力を付与すると共に該制動力に応じた回生電力を発生し、前記航空機のタキシング時に前記車輪を回転させるタキシング用モータと、
    前記回生電力を、前記航空機の着陸又は着陸を中止して行われる再離陸のために駆動される前記航空機の電動要素に供給する電源制御ユニットとを備え、
    前記電動要素は、前記航空機の離陸時及び再離陸時に前記航空機のジェットエンジンの回転をアシストする電動アシストモータを含んでおり、
    前記電源制御ユニットは、前記再離陸時に前記回生電力を前記電動アシストモータに供給する、
    航空機の電動タキシングシステム。
  2. 前記電動要素は、前記航空機の着陸時に該航空機のジェットエンジンのバイパス空気流を前記航空機の前方に偏向させる逆推力ユニットを含んでいる請求項１記載の航空機の電動タキシングシステム。
  3. 前記電源制御ユニットは、前記電動要素以外の前記航空機に設けられた電動機器にも前記回生電力を供給する請求項１又は２記載の航空機の電動タキシングシステム。
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