JPWO2016009824A1 - 電動化航空機並びに電動化航空機における電動モータの出力及び数を決定する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
このような課題に対し、例えば特許文献1に記載されているように、推進系を多発化することで推力の完全喪失を防止することが考えられる。
本発明の別の目的は、駆動系の総重量の増加を抑制しつつ安全性を確保することができる電動化航空機並びに電動化航空機における電動モータの出力及び数を決定する方法を提供するものである。
また、前記複数の電動モータの合計出力と、要求出力との間に、以下の関係を有する。
Pmax(n−1)/n>Preq
Pmax:電動モータの合計出力(kW)
n:電動モータの数
Preq:要求出力(kW)
本発明の一形態に係る電動化航空機は、少なくとも1つの推進系プロペラ又はファンと、前記1つの推進系プロペラ又はファンを回転駆動する複数の電動モータとを具備する。
本発明の一形態に係る方法は、1つの推進系プロペラ又はファンを回転駆動する複数の電動モータを有する電動化航空機における電動モータの出力及び数を決定する方法であって、 前記複数の電動モータの合計出力と、要求出力との間に、
Pmax(n−1)/n>Preq
Pmax:電動モータの合計出力(kW)
n:電動モータの数
Preq:要求出力(kW)
の関係を有するように電動化航空機における電動モータの出力及び数を決定する。
また、駆動系の総重量の増加を抑制しつつ航空機において要求される安全性を確保することができる。
本発明の一形態に係る電動化航空機は、電動モータの数と、機体の要求出力との間に、
√(0.15Preq)≦n≦√(0.15Preq)+2
の関係を有する。
これにより、機体の要求出力に応じた最適な数とし、航空機に要求される高信頼性と推進系重量の低減を両立できる。
モータトルク推定部が、電流検出手段から得られた電流及び回転数検出手段から得られた回転数を用いてモータトルクを推定する。
このことで、異常状態となった特定の電動モータに対する対処を的確に行うことが可能となり、さらに、安全性を確保することができる。
次に、図1、図2に本発明に係る電動化航空機の推進系の概要を示す。
図1に示す例では、複数の電動モータ130が直列に多段に配置されて、プロペラ110が直接駆動される。
図2に示す例では、複数の電動モータ130が並列に配置され、プロペラ110は伝動機構132を介して駆動される。
それぞれの電動モータ130は電源装置134からインバータ133を介して電力供給を受けている。
不具合が人命に直結する有人航空機は、無人航空機と比較して非常に高い信頼性を要求される。
このとき、電動モータ数nと電動モータとインバータの重量合計Wnと推進系重量Wth[kgf]の関係は
Wth=n・Wn
となる。
加えて、図3に示すように、10kW程度以上の出力では、各電動モータの最大出力Pnmaxを各段の最大出力として、
Wn=C1・Pnmax+C0
(C0=3.125[kgf]、C1=0.469[kgf/kW])
と近似できる。
また、推進系の総最大出力Pmax[kW]は単段故障時に備えたるため、推進系の要求出力Preq[kW]を維持するために下式を満たす必要がある。
Pmax(n−1)/n≧Preq
ここで
Pmax=n・Pnmax
である。
推進系重量Wthが各電動モータ数nにおいて最少となるのは上式の等号が成立する時であるから、
Pmax(n−1)/n=n・Pnmax(n−1)/n
=(n−1)Pnmax
=(n−1)(Wn−C0)/C1
=(n−1)(Wth/n−C0)/C1
=Wth(n−1)/C1n−C0(n−1)/C1
=Preq
Wth(n−1)/C1n=Preq+C0(n−1)/C1
Wth=C1・Preq・n/(n−1)+C0n
従って推進系重量Wthを最小化する電動モータ数noptは
∂Wth/∂n=−C1・Preq/(n−1)2+C0
=0
から、
(nopt−1)2=C1Preq/C0
nopt=√(C1Preq/C0)+1
となる。
√(0.15Preq)≦nopt≦√(0.15Preq)+2
となる。
よって上記のような構成とすることで、有人機に要求される高信頼性と推進系重量の低減を両立できる。
以上の説明について、理解を容易にするために、更に詳細に説明する。
この範囲が、上記した√(0.15Preq)≦nopt≦√(0.15Preq)+2であり、これが図5に示されている。
次に、本発明に係る電動化航空機の制御の基本概要について電動モータ130が1つの例で説明する。
図6に示すように、プロペラ110は電源装置134からインバータ133を介して供給される電力で回転する電動モータ130により駆動される。
本発明に係る電動化航空機の推進系の第1実施形態乃至第4実施形態の概略構成を、図8乃至図11に示す。
回生電動モータ130gは、他の電動モータ130より低トルク領域で効率が高くなる特性を持っている。
第3実施形態では、図10に示すように、プロペラ110につながる動力軸111が伝動機構132を介してモータ出力軸137により回転駆動される。
第4実施形態では、図11に示すように、回生電動モータ130gはプロペラ110につながる動力軸111とクラッチ136を介して接続され、それ以外の電動モータ130は動力軸111とワンウェイクラッチ131を介して接続されている。
なお、第1実施形態及び第3実施形態の伝動機構132は、チェーン、ベルト、ギヤ等のいかなる機構であってもよく、減速機構を兼ねていてもよい。
電動モータによりプロペラを駆動する電動化航空機はプロペラに流入する風力を電気エネルギとして回生することが可能であることがすでに公知である。
次に、本発明に係る電動化航空機の制御の概要を、図14に示すようなモデル、図19及び図20に示すフローチャートに基づいて説明する。
異常状態が検知されたとき、駆動制御手段120は各電動モータ130へのトルク指令値を個別に変化させる。
例えば合計n台の各電動モータ130及びインバータ133がすべて同一の出力特性を有していた時、駆動制御手段120はある時間幅おきに、
τmi=0、 ・・・ (i=1、2、・・・n)
τmj=τp/(n−1) ・・・ (i≠j)
と単一の電動モータ130のみのトルク指令値を他の要素に対して別の値に設定する。
以上のような処理がn回繰り返され、これにより、n個のサンプル、つまり、n個の線形和τti(i=1、2、・・n)が得られる。
110 ・・・ プロペラ(推進系プロペラ)
111 ・・・ 動力軸
120 ・・・ 駆動制御手段
130 ・・・ 電動モータ
130g・・・ 回生電動モータ
131 ・・・ ワンウェイクラッチ
132 ・・・ 伝動機構
133 ・・・ インバータ
134 ・・・ 電源装置
135 ・・・ 電源兼蓄電装置
136 ・・・ クラッチ
137 ・・・ モータ出力軸
140 ・・・ 気流検知手段
Claims (13)
- 1つの推進系プロペラ又はファンを回転駆動する複数の電動モータを有する電動化航空機であって、
前記複数の電動モータの合計出力と、要求出力との間に、
Pmax(n−1)/n>Preq
Pmax:電動モータの合計出力(kW)
n:電動モータの数
Preq:要求出力(kW)
の関係を有する電動化航空機。 - 請求項1に記載の電動航空機であって、
前記電動モータの数と、前記要求出力との間に、
√(0.15Preq)≦n≦√(0.15Preq)+2
の関係を有する電動化航空機。 - 請求項1又は請求項2に記載の電動化航空機であって、
前記駆動制御手段は、予め記録された推進系プロペラ又はファンのトルク特性に関する特性データ群を有するとともに、プロペラトルク推定部、モータトルク推定部及び比較検知部を備え、
前記プロペラトルク推定部は、前記回転数検出手段から得られた回転数、前記特性データ群のデータ、前記気流検出手段から得られた大気密度及び対気速度を用いて前記推進系プロペラ又はファンのプロペラトルクを推定し、
前記モータトルク推定部は、前記電流検出手段から得られた電流及び前記回転数検出手段から得られた回転数を用いてモータトルクを推定し、
前記比較検知部は、推定されたプロペラトルク及びモータトルクを比較し、プロペラトルクとモータトルクの倍数の差が所定の値を超えたことで前記電動モータの異常状態を検知する電動化航空機。 - 請求項3に記載の電動化航空機であって、
前記比較検知部は、前記駆動制御手段がそれぞれの電動モータにモータトルクの変化指令を与えたときに、推定されたプロペラトルクとモータトルクの線形和の差が所定の値を超えたことで、複数の前記電動モータのうち異常状態が発生している電動モータを特定する電動化航空機。 - 請求項3に記載の電動化航空機であって、
前記比較検知部は、前記駆動制御手段が前記推進系プロペラ又はファンの回転数を維持するようそれぞれの前記電動モータにモータトルクの変化指令を与えたときに、推定されたプロペラトルクとモータトルクの線形和の差が所定の値を超えたことで、複数の前記電動モータのうち異常状態が発生している電動モータを特定する電動化航空機。 - 請求項1から5のうちいずれか1項に記載の電動化航空機であって、
前記駆動制御手段が、前記推進系プロペラ又はファンの回転により前記電動モータに発電を行わせる際、複数の電動モータのモータトルクの割合を、駆動時と異なるように制御する電動化航空機。 - 請求項1から6のうちいずれか1項に記載の電動化航空機であって、
複数の前記電動モータの少なくとも1つが、ワンウェイクラッチを介して前記推進系プロペラ又はファンを回転駆動する電動化航空機。 - 請求項3から7のうちいずれか1項に記載の電動化航空機であって、
前記駆動制御手段が、異常時演算部を備え、
前記異常時演算部が、推定された前記プロペラトルクと前記異常状態が発生している電動モータ以外の電動モータのモータトルクの線形和とのトルク差を算出し、算出された前記トルク差から前記異常状態が発生している電動モータのトルクを推定する電動化航空機。 - 請求項3から8のうちいずれか1項に記載の電動化航空機であって、
前記駆動制御手段が、前記推進系プロペラ又はファンの複数の異なる回転数で前記比較検知部を作動させ、異常状態が発生している電動モータのモータトルクと前記推進系プロペラ又はファンの回転数の関係に関する異常時データ群を算出する電動化航空機。 - 請求項3から9のうちいずれか1項に記載の電動化航空機であって、
前記駆動制御手段が、前記特性データ群と前記異常時データ群とを用い、異常状態が発生する以前の推力又はプロペラトルクを所定の範囲内に維持するよう制御することを特徴とする電動化航空機。 - 請求項3から10のうちいずれか1項に記載の電動化航空機であって、
前記電動化航空機が、複数のプロペラ又はファンを備え、
前記駆動制御手段は、前記電動モータの異常状態の発生後の機体に作用するモーメントの値と発生前の機体に作用するモーメント値との差を所定の範囲内に維持するよう制御する電動化航空機。 - 少なくとも1つの推進系プロペラ又はファンと、
前記1つの推進系プロペラ又はファンを回転駆動する複数の電動モータと
を具備する電動化航空機。 - 1つの推進系プロペラ又はファンを回転駆動する複数の電動モータを有する電動化航空機における電動モータの出力及び数を決定する方法であって、
前記複数の電動モータの合計出力と、要求出力との間に、
Pmax(n−1)/n>Preq
Pmax:電動モータの合計出力(kW)
n:電動モータの数
Preq:要求出力(kW)
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