JP7201010B2 - 飛行体用の電動アクチュエータ装置及び駆動方法 - Google Patents
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Description
このため、大型の電動モータでは、モータドライバとの組み合わせの中で機能配分を最適化することで軽量化を実現する必要がある。これまでは、電動モータの組み合わせ手法や、モータ単体の機構改善アプローチなどが支配的となっている。
特許文献1に示される飛行装置は、モータ、駆動軸、プロペラ等からなるスラスタ、本体から延びるアーム部のアーム駆動部及び姿勢制御部を備える。
これらの構成の中で、スラスタは、アーム部の先端に設けられて推進力を発生する。アーム駆動部は、アーム部のうち少なくとも1つを、三次元的に複合的に駆動して、スラスタの相互間における位置関係を変更する。姿勢制御部は、アーム駆動部で変更されたスラスタ相互の位置関係に基づいて、スラスタの推進力を制御する。
電源スイッチは、モータ制御装置が起動された直後に平滑コンデンサに大きな突入電流が流れることを防止するとともに、充電電流を制限しながら平滑コンデンサをプリチャージする。また、この電源スイッチは、モータ制御装置の起動時にはオン/オフ状態(スイッチング動作)、インバータ動作時にはオン状態(導通状態)、停止時にはオフ状態(非導通状態)となる。
また、特許文献3では、回生電圧(インバータ電圧)がバッテリの過電圧判定用しきい値の電圧を超えた場合に、モータの力行側に対して、逆方向(後進方向、逆転方向)に該モータを駆動するPWM駆動信号を出力する。これにより、特許文献3では、モータに逆トルクを発生させ、回生電力をモータにより消費させて、バッテリ及び駆動回路内の電圧上昇を抑制している。
また、特許文献2及び3では、モータを安定化させるための技術が示されているが、これら技術を、無人飛行体にどのように組み込むかについての記載はない。特許文献2及び3は、風など外乱条件による飛行体自体の制御、および、飛行体の飛行状態の変化に伴うモータ負荷の変動に応じた適切な駆動制御により当該飛行体を安定的に飛行させる技術を開示するものではない。
この電動アクチュエータ装置100は、インナーロータモータ1、モータドライバ2、飛行体電源3及び拡張機能モジュール4を具備する。インナーロータモータ1、モータドライバ2、飛行体電源3及び拡張機能モジュール4は、いずれも飛行体A内に設置される。飛行体Aとしては、航空機など有人飛行体又はドローンなどの無人の大型飛行体が想定される。
モータドライバ2はインナーロータモータ1を駆動するための駆動信号を生成して出力するために設けられている。
飛行体電源3は飛行体Aの動力源となる。
拡張機能モジュール4は、飛行体電源3からモータドライバ2へ供給する電流を制御する等のために設けられている。
突入制限モジュール5は、モータドライバ2に対してドライバ起動時の突入電流を制限するために設けられる。
回生処理モジュール6は、モータドライバ2に対してモータ減速時に発生する回生電力による電圧上昇を防止するために設けられる。
逆流防止モジュール7は、モータドライバ2に対してモータ減速時に発生する回生電力に起因する電流の逆流を防止するために設けられる。
その結果、本発明の実施形態に係る電動アクチュエータ装置100では、モータ径を大きくしながらも、インナーロータモータ1の高出力、安定化及び軽量化を同時に達成することが可能となる。
上記構成をさらに具体化した本発明の第一実施形態について、図2及び図3を参照して説明する。
この電動アクチュエータ装置101は、インナーロータモータ11、モータドライバ12、飛行体電源13及び拡張機能モジュール(拡張機能部、拡張機能手段)14を具備し、飛行体A1内に搭載される。
さらに飛行体A1は、飛行制御モジュール20をさらに具備する。飛行制御モジュール20は、モータドライバ12から出力されたモータ状態検出信号S3と、飛行体Aの飛行体状態検出器21から出力された飛行体A1の状態(飛行体A1のダイナミクスに応じた)を示す飛行体状態検出信号21Aとに基づき、モータドライバ12をフィードバック制御する。飛行制御モジュール20の詳細については後述する。飛行体状態検出器21は、飛行体A1のダイナミクスに応じて飛行体状態検出器21により取得されてもよい。
このとき、インナーロータモータ11は、ロータの回転速度や回転数などをインナーロータモータ11内に搭載するセンサ34で検出し、検出された情報をセンサ検出信号11Aとしてモータドライバ12へ出力する。これにより、モータドライバ12はインナーロータモータ11の状態を検出する。
モータドライバ電源出力信号S2は、飛行体電源13に対して電流を出力させるために拡張機能モジュール14に出力される信号である。
また、モータ状態検出信号S3は、インナーロータモータ11の状態を示す信号であって、飛行制御モジュール20に対して出力される。
拡張機能モジュール14は、飛行体電源13からモータドライバ12へ供給する電流を制御するために設けられている。拡張機能モジュール14は、モータドライバ電源入力信号14Aにより電力を供給する。
突入制限モジュール15は、モータドライバ12に対してドライバ起動時の突入電流を制限するために設けられる。
回生処理モジュール16は、モータドライバ12に対してモータ減速時に発生する回生電力による電圧上昇を防止するために設けられる。
逆流防止モジュール17は、モータドライバ12に対してモータ減速時に発生する回生電力に起因する電流の逆流を防止するために設けられる。
すなわち、本実施形態のインナーロータモータ11は、図3に示されるように、直径(R)φ270mm以上のモータ径(図3はφ300mm)を有することができる。すなわち、ステータ30は、直径(R)φ270mm以上のロータを収容する内部空間を有する。
また、インナーロータモータ11では、ステータ30側に装着した46スロット以下(図3は36スロット)のコイル32と、ロータ31側に装着した10極以上(図3は32極)の永久磁石からなるマグネット33と、ロータの回転角を検出するセンサ34によって構成される。
しかしながら、本実施形態ではインナーロータモータ11の出力を30kWとしながらも、そのインナーロータモータ単体の質量を10kg以下とするため、モータ径をφ300mmまで拡大しながら重量源となるステータ30側に設置するコイルの数を36スロットまで低減化すると同時に、ロータ31側に設置するマグネットを32極まで多極化することができる。
この結果、本実施形態のインナーロータモータ11では、モータ径としては大きくなってしまうものの、30kWの高出力と10kgの軽量化が同時に達成可能となる。
まず、飛行体電源13により生成される飛行体電源信号13Aが、拡張機能モジュール14を介してモータドライバ電源入力信号14Aとしてモータドライバ12へ入力される。
このとき、拡張機能モジュール14では、ドライバ起動時には、突入制限モジュール15からの出力に基づきモータドライバ電源入力信号14Aを出力し、また、モータ減速時には、回生処理モジュール16と逆流防止モジュール17の出力に基づきモータドライバ電源入力信号14Aを出力する。
すなわち、本実施形態では、これらモータドライバ12、飛行制御モジュール20、拡張機能モジュール14及びインナーロータモータ11を組み合わせるという独自の技術により、大型飛行体向け電動アクチュエータを安定的に駆動できる。
その結果、本実施形態の電動アクチュエータ装置101では、モータ径を大きくしながらも、インナーロータモータ11の高出力、安定化及び軽量化を同時に達成可能となる。
上記実施形態のインナーロータモータ11では、モータ径をφ300mm、コイル32の数を36スロット、マグネット33の数を32極とする構成を採用した。
2 モータドライバ
3 飛行体電源
4 拡張機能モジュール
5 突入制限モジュール
6 回生処理モジュール
7 逆流防止モジュール
11 インナーロータモータ
12 モータドライバ
13 飛行体電源
14 拡張機能モジュール
15 突入制限モジュール
16 回生処理モジュール
17 逆流防止モジュール
20 飛行制御モジュール
21 飛行体状態検出器
30 ステータ
31 ロータ
32 スロット(コイル)
33 極(マグネット)
34 センサ
100 電動アクチュエータ装置
101 電動アクチュエータ装置
A 飛行体
A1 飛行体
Claims (7)
- 飛行体用の電動アクチュエータ装置であって、
前記飛行体に搭載されかつ前記飛行体の推力を発生するインナーロータモータと、
前記インナーロータモータに駆動信号を供給するモータドライバと、
前記飛行体の動力源となる飛行体電源と、
前記モータドライバに対して、前記飛行体電源から前記モータドライバへ供給する電流を制御するための信号を出力する拡張機能モジュールと、を具備し、
前記拡張機能モジュールは、
前記モータドライバに対して、前記モータドライバが起動した時の突入電流を制限するための信号を出力する突入制限モジュールと、
前記モータドライバに対して、前記インナーロータモータが減速した時に発生する回生電力による電圧上昇を防止するための信号を出力する回生処理モジュールと、
前記モータドライバに対して、前記インナーロータモータが減速した時に発生する回生電力に起因する電流の逆流を防止するための信号を出力する逆流防止モジュールとを有し、
前記モータドライバが生成したモータドライバ電源出力信号からモータドライバが起動時なのか、インナーロータモータが減速時なのかを判定する、
飛行体用の電動アクチュエータ装置。 - 前記飛行体の状態に応じて前記モータドライバをフィードバック制御するためのインナーロータモータ駆動制御指令信号を出力する飛行制御モジュールをさらに具備する請求項1に記載の飛行体用の電動アクチュエータ装置。
- 前記飛行制御モジュールは、前記インナーロータモータの状態を示すモータ状態検出信号と、前記飛行体の状態を示す飛行体状態検出信号とに基づき、前記モータドライバをフィードバック制御するための前記インナーロータモータ駆動制御指令信号を出力する請求項2に記載の飛行体用の電動アクチュエータ装置。
- 前記インナーロータモータは、ロータ収容空間を内部に有するステータと、前記ステータのロータ収容空間内に回転自在に設けられたロータと、前記ステータに設けられて前記モータドライバを介して通電されるコイルと、前記ロータに設けられて前記コイルへの通電により生じた回転磁界が作用するマグネットとを有し、
前記モータドライバは、前記コイルに流れる電流を切り替えて前記ロータを回転させる請求項1~3のいずれか1項に記載の飛行体用の電動アクチュエータ装置。 - 前記ステータの前記ロータ収容空間は、直径270mm以上のロータを収容する空間を有し、
前記コイルの数は46以下であり、
前記マグネットの極数は10以上である請求項4に記載の飛行体用の電動アクチュエータ装置。 - 前記飛行体は、有人飛行体又は無人の大型飛行体である請求項1~5のいずれか1項に記載の飛行体用の電動アクチュエータ装置。
- 飛行体用の電動アクチュエータ装置の駆動方法であって、
前記電動アクチュエータ装置は、
前記飛行体に搭載し前記飛行体の推力を発生するインナーロータモータと、
前記インナーロータモータに駆動信号を供給するモータドライバと、
前記飛行体の動力源となる飛行体電源と、
を具備し、
前記駆動方法は、
前記モータドライバに対して、前記飛行体電源から前記モータドライバへ供給する電流を制御するための信号を出力する、ことを具備し、
前記信号を出力することは、
前記モータドライバに対して、前記モータドライバが起動した時の突入電流を制限するための信号を出力することと、
前記モータドライバに対して、前記インナーロータモータが減速した時に発生する回生電力による電圧上昇を防止するための信号を出力することと、
前記モータドライバに対して、前記インナーロータモータが減速した時に発生する回生電力に起因する電流の逆流を防止するための信号を出力することとを有し、
前記モータドライバが生成したモータドライバ電源出力信号からモータドライバが起動時なのか、インナーロータモータが減速時なのかを判定する、
駆動方法。
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