KR102275753B1

KR102275753B1 - 호버링 가능한 항공기용 로터 및 관련 방법

Info

Publication number: KR102275753B1
Application number: KR1020197020238A
Authority: KR
Inventors: 마시모 브루네티
Original assignee: 레오나르도 에스.피.에이.
Priority date: 2016-12-30
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2021-07-12
Also published as: US11174012B2; KR20190105007A; US20190329876A1; CN110167840A; WO2018122371A1; EP3342706A1; RU2733456C1; EP3342706B1; CN110167840B

Abstract

호버링 가능한 항공기용 로터가 개시되어 있으며, 상기 로터는: 고정자; 고정자에 대해 축을 중심으로 회전 가능한, 회전 가능한 부재; 부재와 연결된 블레이드; 자기장의 소스를 지지하고 정지식이거나 또는 제 1 회전 속도로 회전 구동되는 지지 부재; 및 부재와 각을 이루어 일체형이고, 제 1 회전 속도와 다른 제 2 회전 속도로 회전 구동될 수 있는 제 1 전기 회로를 포함하고; 상기 제 1 전기 회로는 소스와 전자기적으로 결합되어, 제 1 전기 회로에 기전력이 자기적으로 유도되고 제 1 전기 회로에 제 1 전류가 흐르고; 로터는 정지식이거나 또는 제 1 회전 속도로 회전 구동되는 제 2 전기 회로; 및 제 2 전기 회로 상에 유도된 역기전력과 연관되는 신호를 발생시키는 센서를 더 포함한다.

Description

호버링 가능한 항공기용 로터 및 관련 방법

우선권 주장

본 출원은 2016년 12월 30일자로 출원된 유럽 특허 출원 제16207538.6호의 우선권을 주장하며, 그 개시 내용은 본원에 참고로 포함된다.

기술 분야

본 발명은 호버링 가능한 항공기, 특히 헬리콥터 또는 전환식 비행기(convertiplane)용 로터에 관한 것이다. 본 발명은 또한 호버링 가능한 항공기, 특히 헬리콥터 또는 전환식 비행기용 로터를 작동시키는 방법에 관한 것이다.

알려진 헬리콥터들은 동체, 동체로부터 상향으로 돌출된 메인 로터, 및 동체의 꼬리에 배치된 테일 로터를 포함한다. 또한, 알려진 헬리콥터들은 터빈, 터빈으로부터 메인 로터로 모션을 전달하는 주 변속기 그룹, 및 주 변속기 그룹으로부터 테일 로터로 모션을 전달하는 추가 변속기 그룹을 포함한다.

메인 로터 및 테일 로터는 각각:

- 고정식 케이스;

- 주 또는 추가 변속기 그룹에 의해 자체 축을 중심으로 회전 구동되는 마스트;

- 마스트에 의해 회전 구동되는 허브; 및

- 허브에 대해 연결되는(articulated) 복수의 블레이드를 포함한다.

당업계에서는 메인 및 테일 로터의 회전 구성 요소, 즉 마스트, 허브 및 블레이드들에 전력을 공급할 필요성을 느낀다. 예를 들어, 전력은 블레이드들에 임베딩된 복수의 도전체에 의해 형성되고 줄 효과(Joule effect)에 의해 관련된 블레이드들을 가열하도록 구성된 제빙 또는 방빙 시스템의 활성화를 위해 또는 블레이드들의 일부 가동 표면들을 활성화시키기 위해 사용될 수 있다. 메인 로터의 회전 구성 요소에 필요한 전력을 제공하기 위해, 알려진 헬리콥터들은 보통 주 변속기 그룹 및 슬립-링에 전기적으로 연결된 샤프트에 의해 작동되는 발전기를 포함한다. 슬립-링은 발전기에 전기적으로 연결된 고정식 도체들로부터 메인 또는 테일 로터의 회전 도체들로 마찰 접촉을 생성하여 전력을 전달한다. 전술한 솔루션은 잘 수행되더라도 개선의 여지가 있다. 사실, 슬립-링은 제조 및 유지 보수가 복잡하며 마모 영향을 받기 쉽다. 이러한 결점은 특히 메인 로터보다 빠른 속도로 회전하는 반-토크 테일 로터들(anti-torque tail rotors)에서 악화된다. 따라서, 업계내에서는 메인 로터 또는 테일 로터의 회전 부분에 전력을 전달하면서, 전술한 단점을 직접적이고 저비용으로 제거할 필요성을 느낀다. 보다 정확하게는, 이전에 확인된 단점을 회피하면서 안전을 이유로 부속품들의 작동 상태를 모니터링할 필요성을 느낀다. 예를 들어, 전기적으로 공급되는지 여부, 공급되는 전기 에너지의 레벨, 단락의 존재 여부를 모니터링할 필요성을 느낀다.

참고문헌[US 2016/32977, US 2014/248168; US-B-8,851,415; 및 US-A-2012 /229428]은 알려진 로터 솔루션들을 개시한다.

본 발명의 목적은 상기 요건들 중 적어도 하나를 충족시키는, 호버링 가능한 항공기용 로터를 제공하는 것이다.

전술한 목적은 제 1 항에 청구된 호버링 가능한 항공기용 로터에 관한 본 발명에 의해 달성된다.

본 발명은 또한 제 14 항에 청구된 호버링 가능한 항공기용 로터를 작동하는 방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 더욱 잘 이해할 수 있도록 하기 위해 비-제한적인 실시예로서 첨부 도면을 참조하여 5개의 바람직한 실시 형태가 개시된다:
도 1은 본 발명에 따른 메인 및 테일 로터를 포함하는 헬리콥터의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 형태에 따른 도 1의 메인 로터의 횡단면도이다.
도 3은 도 2의 로터의 전기 회로들의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시 형태에 따른 도 2의 테일 로터의 횡단면도이다.
도 5는 도 4의 로터의 전기 회로의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시 형태에 따른 테일 로터의 전기 회로의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 제 4 실시 형태에 따른 테일 로터의 전기 회로의 개략도이다.
도 8은 도 1 내지 도 7의 로터의 추가 전기 회로의 개략도이다.
도 9는 도 1 내지 도 7의 로터의 전기 회로들의 일부 전기량들의 시간에 대한 그래프 도면이다.
도 10 및 도 11은 도 2 및 도 8의 로터들의 다른 전기 회로들의 일부 구성 요소들을 확대도로 도시하고 명확성을 위해 부품들을 제거하였다.

도 1을 참조하면, 도면 부호(1)는 호버링 가능한 항공기, 특히 헬리콥터를 나타낸다.

헬리콥터(1)는 노즈(5)를 갖는 동체(2); 동체(2)의 상단에 끼워져서 축(A)을 중심으로 회전 가능한 메인 로터(3); 및 노즈(5)의 대향 단부에서 동체(2)로부터 돌출한 핀(fin)에 끼워지고 축(A)을 가로지르는 축(B)을 중심으로 회전 가능한 반-토크 테일 로터(4)를 필수적으로 포함한다(도 1).

더욱 상세하게는, 메인 로터(3)는 헬리콥터(1)에 이를 들어올리기 위한 리프트 및 그것을 앞으로 움직이게 하는 추력(thrust)을 제공하고, 로터(4)는 핀에 힘을 가하여 동체(2) 상에 직선 토크를 발생시킨다. 직선 토크는 메인 로터(3)에 의해 동체(2)에 가해진 토크와 균형을 이루고, 그렇지 않으면 동체(2)를 축(A)을 중심으로 회전시킨다.

헬리콥터(1)는 또한:

- 한 쌍의 터빈(6)(하나만 도시됨);

- 터빈(6)으로부터의 모션을 전달하는 주 변속기 그룹(7); 및

- 주 변속기 그룹(7)에서 테일 로터(4)로 모션을 전달하는 추가 변속기 그룹(8)을 포함한다.

도 2를 참조하면, 로터(3)는 실질적으로:

- 동체(2)에 고정된 고정자(10);

- 고정자(10)에 대해 축(A)을 중심으로 회전 가능한 마스트(11);

- 마스트(11)에 대해 회전식으로 일체형인 허브(12); 및

- 허브(12)에 연결된 복수의 블레이드(13)(도 2에는 2개만 도시됨)를 포함한다.

도시된 실시 형태에서, 고정자(10)는 축(A)에 대해 고정식이다. 또한, 고정자(10), 마스트(11) 및 허브(12)는 중공이다. 로터(3)는 또한 주 변속기 그룹(7)의 단부 샤프트(도시되지 않음)로부터 마스트(11) 및 허브(12)로 모션을 전달하는 에피사이클릭 기어열(17)을 포함한다.

상세하게, 에피사이클릭 기어열(17)은 축(A)과 동축이고:

- 주 변속기 그룹(7)의 단부 샤프트에 의해 축(A)을 중심으로 회전 구동되고 방사상의 외측 톱니부를 포함하는 태양 기어(20);

- 태양 기어(20)와 맞물리는 방사상 내측 톱니와 고정자(10)에 의해 규정된 방사상 내측 톱니부와 맞물리는 방사상 외측 톱니부를 각각 포함하는 복수의 유성 기어(21)(도 2에는 2개만 도시됨); 및

- 유성 기어(21) 및 마스트(11)와 회전식으로 일체형이고 이들에 연결되는 캐리어(22)를 포함한다.

특히, 고정자(10)는 에피사이클릭 기어열(17)의 고정식 크라운(23)으로서 작용한다.

유성 기어(21)는 축(A)에 평행한 관련된 축들(E)을 중심으로 회전하고 축(A)을 중심으로 돌아간다(revolve).

유리하게, 로터(3)는:

- 자기장 B_S의 소스(30)를 지지하고 축(A)을 중심으로 회전 속도(ω1)로 회전 구동되는 지지 부재(36); 및

- 마스트(11)에 작동 가능하게 연결되고 제 1 회전 속도(ω1)와 다른 회전 속도(ω2)로 회전 구동되는 전기 회로(32); 전기 회로(32)는 상기 소스(30)와 전자기적으로 결합되어, 사용시 전기 회로(32)에 기전력(emf_R)이 자기적으로 유도되고 전기 회로(32)에 전류(i_R)가 흐른다;

- 고정자(10) 상에 배치된 전기 회로(65); 및

- 지지 부재(36) 상에 유도되는 역기전력(bemf_C)에 연관되고 전기 회로(32) 상에 흐르는 전류(i_R)에 연관되는 양을 검출하도록 구성된 센서(58)를 포함한다(도 2 및 도 3).

이러한 방식으로, 소스(30) 및 전기 회로(32)는, 차동 회전 속도(ω2-ω1)로 인해, 마스트(11)에 및 이에 따른 허브(12) 및 블레이드들(13)에 기전력(emf_R)을 유도하는 발전기를 형성한다.

도시된 실시 형태에서, 소스(30)는, 지지 부재(36)에 끼워지고 축(A)에 대해 각을 이루어 이격된 복수의 영구 자석(81)을 포함한다. 기전력(emf_R)은 전기 회로(32)에 전류(i_R)를 생성한다. 전류(i_R)는 자기장(B_r)을 발생시키고, 자기장(B_r)은 차례로 패러데이 법칙에 의해 고정자(10)에 역기전력(bemf_C)을 유도한다. 도시된 실시 형태에서, 발전기는 축 방향 자속 기계이고, 여기서 소스(30)에 의해 발생된 자기장은 주로 축(A)과 평행하게 배향된다.

전기 회로(32)는, 각각의 블레이드(13) 내부에서 부분적으로 연장되고 공통 매듭(61; common knot)에서 서로 전기적으로 연결되는 복수의 분기부(60)(도시된 실시 형태에서는 3개)를 포함한다(도 3). 각각의 분기부(60)는 관련된 블레이드(13) 상에 배치된 저항 부하(62)를 포함한다. 분기부(60)에 흐르는 전류는 도 3에 (i_R)로 표시된다. 부하(62)는 블레이드(13) 내부에 임베딩된 전기 회로에 의해 결정될 수 있고 전류(i_R)가 공급된다. 이 전기 회로는 방빙 시스템 또는 제빙 시스템으로 작동한다. 다른 실시 형태에서, 부하(62)는 전류(i_R)가 공급되는 각각의 액추에이터들에 의해 결정될 수 있다.

도 10 및 도 11을 참조하면, 전기 회로(32)는 각 분기부(60)에 대해, 복수의, 도시된 실시 형태에서는 2개의 권선(68) 및 각각의 스위치(69)를 포함한다. 각 분기부(60)의 권선(68) 및 스위치(69)는 매듭(61)과 관련된 부하(62) 사이에 개재된다. 전기 회로(32)의 각 분기부(60)는 또한, 도 11에 도시된 일 실시 형태에서, 관련된 부하(62) 및 매듭(61)으로부터 연장되고 권선(68)에 대해 부하(62)의 대향 측면 상에 배치되는 복귀 부분(66; return portion)을 포함한다. 분기부(60)는 또한 관련된 부분(66) 상에 배치된 스위치(65)를 포함한다. 대안적으로, 전기 회로(32)는, 모든 부하(62)를 매듭(61)에 전기적으로 연결하고 이를 따라 스위치(66)가 개재되는 모든 분기부(60)에 공통인 복귀 부분(71)만을 포함한다(도 10).

따라서, 권선들(68) 중 하나의 결함 또는 일부 권선들(68)의 단락의 경우에는 일정 정도의 리던던시가 보장된다. 스위치들(65, 69) 및 부분(71)은 도 3 및 도 5 내지 도 7에는 도시되지 않는다.

각각의 분기부(60)는 도 3에서 저항기 및 인덕터로 각각 모델링된 등가 저항(R_R) 및 인덕턴스(L_R)를 갖는다. 또한, 도 3에서, 각각의 분기부(60) 상에 작용하는 기전력(emf_R)은 대체 전압 발생기로 모델링된다. 각 분기부(60)는 또한 허브(12)와 관련된 블레이드(13) 사이에서 연장되는 부분(87)(도 2)을 포함한다. 소스(30)는 축(A)에 평행한 자기장(Bs_s)을 발생시키는 복수의 각을 이루어 이격된 영구 자석(81)(도 2에는 하나만 도시됨)을 포함한다.

전기 회로(65)는 도시된 실시 형태에서, 전기 회로(32)와 전자기적으로 결합되는 개방 코일(67)이다. 전기 회로(65)는 도 3에서 저항기 및 인덕터로 각각 모델링된 등가 전기 저항(R_C) 및 인덕턴스(L_C)를 갖는다. 또한, 도 3에서, 전기 회로(65) 상에 작용하는 역기전력(bemf_C)은 대체 전압 발생기로 모델링된다. 센서(58)는 전압 센서이고 전기 회로(65) 양단의 전압(V_C)을 검출하고 전압(V_C)에 연관된 신호를 발생시키도록 구성된다.

로터(3)는 전기 회로(80)를 더 포함하고(도 8에만 개략적으로 도시됨), 이것은 센서(58)에 의해 발생된 신호를 입력에서 수신하고 전압(V_C) 및 따라서 역기전력(bemf_C)의 피크 값(V_Cmax)을 출력한다. 전압(V_C)의 피크 값(V_Cmax)은 부하(62) 내부에 흐르는 전류(i_R)의 피크 값과 연관된다. 특히, 전압(V_C)의 피크 값(V_Cmax) 및 이에 따른 전류(i_R)의 피크 값(V_Cmax)에 기초하여, 전기 회로(32)의 다음의 작동 구성들을 인식하는 것이 가능하다:

- 전류(i_R)의 피크 값은 널(null)이다; 이 상태는 부하(62)가 전기적으로 공급되지 않는, 예를 들어, 방빙 시스템이 작동하지 않는다는 사실에 대응한다;

- 전류(i_R)의 피크 값은 최대 값보다 낮다; 이 상태는 권선(68) 중 하나 또는 일부의 결함에 대응한다;

- 전류(i_R)의 피크 값은 최대 값보다 더 높다; 이 상태는 동일한 부하(62)에 전기적으로 연결된 권선(68)의 단락에 해당한다.

로터(3)는 전기 회로(80)로부터의 전압(V_C)의 피크 값(V_Cmax)을 수신하고 따라서 스위치(65, 69)를 제어하거나 경고 신호를 발생하도록 구성된 제어 유닛(200)(도 8)을 더 포함한다. 예를 들어, 동일한 부하(62)에 연결된 권선(68)의 단락의 경우, 제어 유닛(200)은 관련된 스위치(65)를 개방 위치로 설정하도록 프로그램된다. 부하(62)에 연결된 하나의 권선(68)에 결함이 있는 경우, 제어 유닛(200)은 관련된 스위치(68)를 개방 위치로 설정하도록 프로그램된다. 부하(62)가 결함이 있는 경우, 제어 유닛(200)은 파일럿에 대한 경고 알람을 발생시킨다.

로터(3)는:

- 축(A)에 평행하게 신장되고 고정자(10)에 고정되는 샤프트(35); 및

- 지지 부재(36); 및

- 에피사이클릭 기어열(37)을 더 포함한다.

지지 부재(36)는:

- 축(A)을 중심으로 신장된 샤프트(38);

- 축(A)에 직각으로 샤프트(38)로부터 돌출하는 한 쌍의 디스크(39)를 포함한다.

디스크(39)는 축(A)을 따라 서로 대면하고 영구 자석들(81)이 끼워지는 각각의 면들(40)을 포함한다.

에피사이클릭 기어열(37)은 실질적으로:

- 고정자(10)의 축 방향 측면 상에 배치되는 샤프트(38)의 축 방향 단부 기어(45)에 의해 규정된 방사상 외측 톱니부;

- 축(A)과 평행하고 이로부터 엇갈리는 각각의 축들(F)을 중심으로 연장되고 단부 기어(45)의 방사상 외측 톱니부와 맞물리는 관련된 축들(F)에 대해 방사상 외측 톱니부를 각각 갖는 복수의 유성 기어(46);

- 하나의 축 방향 측면의 유성 기어(46)에 회전식으로 일체형이고 이에 연결되고 다른 축 방향 측면의 샤프트(35)에 연결되는 캐리어(47); 및

- 허브(12)에 연결되고 이와 회전식으로 일체형이고 유성 기어(46)의 방사상 외측 톱니부와 맞물리는 축(A)에 대해 방사상 내측 톱니부를 포함하는 환형 링(48)을 포함한다.

유성 기어(46)는 각각의 축들(F)을 중심으로 회전하고 축(A)을 중심으로 돌아간다(revolute).

허브(12)는:

- 주 관형 본체(51); 및

- 본체(51)로부터 축(A)을 향하여 그리고 축(A)에 직교하여 연장되는 한 쌍의 링(52, 53)을 포함한다.

링(52)은 고정자(10)의 축 방향 측면에 허브(12)를 한정한다. 링(53)은 링들(52, 48) 사이에 축 방향으로 개재된다. 또한 링(48)은 본체(51)로부터 축(A)을 향하여 그리고 축(A)에 직교하여 연장된다. 링(53)은 전기 회로(32)를 지지한다. 링(52)은 지지 부재(26)의 디스크들(39) 사이에 축 방향으로 개재된다. 링(52, 53)은 샤프트(38) 및 샤프트(35)를 방사형 갭을 개재하여 각각 둘러싼다.

따라서 축(A)을 중심으로 관련된 회전 속도를 갖는 로터(3) 내부의 3개의 조립체:

- 축(A)을 중심으로 정지되는 고정자(10) 및 샤프트(35);

- 축(A)을 중심으로 제 1 방향으로 회전 속도(ω1)로 회전하는 지지 부재(36) 및 소스(30); 및

- 축(A)을 중심으로 제 1 방향과 반대인 제 2 방향으로 회전 속도(ω2)로 회전하는 마스트(11), 허브(12)와 전기회로(32)를 식별하는 것이 가능하다.

로터(3)는 또한 허브(12)의 축 방향 단부에 연결되고 허브(12)와 회전식으로 일체형인 중공 흐름 디플렉터(85)를 포함한다. 흐름 디플렉터(85)는 고정자(10)의 대향하는 축 방향 측면 상에 로터(3)를 한정한다. 흐름 디플렉터(85)는 하나의 디스크(39), 샤프트(46)에 대향하는 샤프트(38)의 상단 축 방향 단부, 및 디스크(52)를 수용한다. 또한, 흐름 디플렉터(85)는 영구 자석들(81) 및 전기 회로(32)를 제어하기 위한 전자 제어 유닛(86)을 수용한다. 바람직하게, 흐름 디플렉터(85)에는 도전 부재(32) 내부에 흐르는 전류에 의해 충전되는 전력 저장 장치(89)가 구비된다. 흐름 디플렉터(85)는 금속으로 제조되며 링(53)에 연결된 복수의 열 도전 링(90)을 포함한다.

로터(3)는 축(A)에 대하여:

- 축(A)에 대해 샤프트(38)와 허브(12) 사이에 방사상으로 개재된 베어링(100); 및

- 축(A)에 대해 샤프트(35)와 마스트(11)와 허브(12) 사이에 방사상으로 개재된 한 쌍의 축 방향으로 이격된 베어링(101)을 더 포함한다.

사용시, 주 변속기 그룹(7)의 단부 샤프트는 축(A)을 중심으로 에피사이클릭 기어열(17)의 태양 기어(20)를 회전 구동시킨다. 따라서, 유성 기어(21) 및 캐리어(22)도 축(A)을 중심으로 회전시키고, 따라서 마스트(11), 허브(12) 및 블레이드들(13)을 동일한 축(A)을 중심으로 회전 구동시킨다. 블레이드들(13)은 축(A)을 중심으로 허브(12)에 의해 회전 구동되고 알려진 방식으로 허브(12)에 대해 이동할 수 있다. 허브(12), 링(48) 및 따라서 도전 부재(32)는 축(A)을 중심으로 회전 속도(ω2)로 회전한다. 한편, 에피사이클릭 기어열(37)은 축(A)을 중심으로 회전 속도(ω2)로 회전하는 링(48)으로부터의 모션을 수신하고, 지지 부재(36), 따라서 소스(30) 및 영구 자석(81)을 축(A)을 중심으로 회전 속도(ω1)로 회전 구동시킨다. 특히, 허브(12)와 일체형인 링(48)은 축(A)을 중심으로 정지된 유성 기어들(46)과 맞물리고, 유성 기어들(46)은 지지 부재(36) 및 소스(30)와 회전식으로 일체형인 기어(45)와 맞물린다. 결과적으로, 소스(30)는 회전 속도(ω1)로 회전하고, 전기 회로(32)는 회전 속도(ω1)와 다른 회전 속도(ω2)로 회전하고 소스(30) 및 도전 부재(32)는 축(A)을 따라 서로 대면한다. 따라서, 자기장(B_S)은 소스(30)에 의해 생성되고 기전력(emf_R)은 패러데이의 법칙에 의해 허브(12)와 일체로 회전하는 분기부(60)에서 자기적으로 유도된다. 기전력(emf_R)은 분기부(60) 및 부하(62)에 전류(i_R)의 흐름을 야기한다. 특히, 스위치(65, 69)가 폐쇄되면, 전류(i_R)는 관련된 권선(68) 내부로 흐르고, 부하(62)에 전기적으로 공급된다. 전류(i_R)는 여러 목적으로 사용된다. 예를 들면, 이것은 블레이드(13) 내부에 전기 회로들을 공급하고 제빙 또는 방빙 기능을 제공하는데 사용될 수 있다. 대안적으로 또는 조합하여, 블레이드(13)에 끼워진 액추에이터들을 작동시키기 위해 기전력이 사용될 수 있다. 전류(i_R)가 시간에 따라 가변하면, 이들은 시간에 따라 가변하는 자기장(B_R)을 생성한다. 시-변 자기장(B_R)은 패러데이의 법칙에 의해 전기 회로(65)에 역기전력(bemf_C)을 유도한다.

센서(58)는 전기 회로(65) 양단의 전압(V_C)을 감지한다. 교류에 의해 전압(V_C)이 발생되면, 센서(58)에 의해 발생된 신호는 전류(i_R)에 의해 변조되는 특성 프로파일(이것의 실시예는 도 9에 도시됨)을 갖는다. 특히, 전류(i_R) 및 전압(V_C)의 진폭 및 주파수는 마스트(11) 및 허브(12)의 회전 속도(ω2)에 의존한다. 주어진 부하(62) 및 회전 속도(ω2)에 대해, 신호는 전류(i_R)에 비례하며 마스트(11) 및 허브(12)의 회전 속도(ω2)에 의존하는 주파수로 주기적이다. 따라서, 신호는 부하(62)의 작동에 관한 유용한 정보를 포함한다. 바람직하게는, 전기 회로(80)는 센서(58)에 의해 발생된 신호를 입력에서 수신하고 전압(V_C) 및 따라서 역기전력(bemf_C)의 피크 값(V_Cmax)을 출력한다. 전압(V_C)의 피크 값(V_Cmax)은 부하(62) 내부에 흐르는 전류(i_R)의 피크 값에 비례한다. 특히, 전압(V_C) 및, 따라서 (i_R)의 피크 값(V_Cmax)에 기초하여, 전기 회로(32) 및 부하(62)의 다음의 작동 구성들을 인식하는 것이 가능하다:

- 전류(i_R)의 피크 값은 널이다; 이 상태는 부하(62)가 전기적으로 공급되지 않는, 예를 들어, 방빙 시스템이 작동하지 않는다는 사실에 해당한다;

- 전류(i_R)의 피크 값은 최대 값보다 낮다; 이 상태는 권선(68) 중 하나 또는 일부의 결함에 해당한다;

- 전류(i_R)의 피크 값은 최대 값보다 높다; 이 상태는 일부 권선(68)의 단락에 해당한다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 참조 번호(4)는 전체로서 본 발명의 제 2 실시 형태에 따른 반-토크 테일 로터를 나타낸다.

로터(4)는 로터(3)와 유사하며, 이하에서는 그것과 다른 점만 기술될 것이다; 로터(4, 3)의 대응하는 또는 등가인 부분은 가능한 한 동일한 참조 번호로 표시될 것이다.

특히, 로터(4)는 실질적으로:

- 동체(2)에 끼워진 중공 하우징(150);

- 축(A)을 가로지르는 축(B)을 중심으로 회전 속도(ω2)로 회전 가능하고, 마스트(151)의 축 방향 단부에 배치된 베벨 기어(152)에 의해 추가 변속기 그룹(8)의 단부 샤프트(157)에 연결되는 중공 마스트(151);

- 마스트(151)와 회전식으로 일체형이고 이에 연결되는 허브(153); 및

- 허브(153) 상에 연결되고 각각의 길이 방향 축들(D)을 따라 연장되는 복수의 블레이드(154)(도 4에는 그중 2개만 도시됨)을 포함한다(도 4).

베벨 기어(152) 및 마스트(151)가 하우징(150) 내부에 포함된다. 허브((153) 및 블레이드(154)는 하우징(150) 외부로 연장된다.

로터(4)는 또한, 축(B)을 따라 연장되고 마스트(151)에 대하여 축(B)을 따라 슬라이딩 가능한 제어봉(155)을 포함한다. 제어봉(155)은 레버(156)에 고정된 기어(152)의 대향 측면 상의 축 방향 단부를 포함한다. 레버(156)는 축(B)에 횡 방향으로 연장되고, 관련된 축들(D)에 대해 편심된 블레이드들(154)에 연결된다. 이러한 방식으로, 축(B)을 따른 제어봉(155)의 이동은 관련된 축들(D)을 따른 블레이드들(154)의 회전과 관련된 피치 각의 조정을 야기한다.

더욱 상세하게는, 하우징(150)은:

- 축(B)을 따라 신장된 본체(160); 및

- 축(B)의 대향 측면 상에 본체(160)로부터 방사상으로 돌출하고 축(B)에 직교하는 관련된 평면 상에 놓이는 한 쌍의 환형 디스크(161)를 포함한다.

디스크들(161)은, 서로 축 방향으로 대면하고 이에 영구 자석들(164)이 끼워지는 관련된 표면(162)을 포함한다. 영구 자석들(164)은 축(B)에 평행하게 자기장(B_S)을 발생시킨다.

허브(153)는:

- 마스트(151)에 연결되고, 베벨 기어(152)에 대해 축 방향 대향 측면 상의 하우징(150)의 축 방향 단부의 전방에 배치되는 본체(165); 및

- 본체(165)에 연결되고 베벨 기어(152)에 대향하는 하우징(150)의 개방된 축 방향 단부를 둘러싸는 본체(166)를 포함한다.

더욱 상세하게는, 블레이드들(154)은 본체(165)에 연결된다. 본체(166)는 본체(165)로부터 축(B)을 따라 베벨 기어(152)를 향해 진행하여:

- 본체(165)에 연결된 환형 링(167);

- 전기 회로(169)가 고정되는 환형 링(168); 및

- 전기 회로(169)를 제어하는 전자 제어 유닛(171)이 끼워지는 환형 링(170)을 포함한다.

링(168)은 디스크들(161) 사이에 축 방향으로 개재된다.

전기 회로(169)는 영구 자석들(164) 사이에 축 방향으로 개재된다.

이러한 방식으로, 회전 속도(ω2)에서 회전하는 전기 회로(169)는 회전 속도ω1 = 0으로 회전하는, 즉 축(B)을 중심으로 정지하는 자기장(B_S)의 소스(163)와 자기적으로 결합된다. 따라서, 소스(163) 및 전기 회로(169)는 발전기를 형성하고, 이는 차동 회전 속도(ω2 - ω1 = ω2)로 인해, 패러데이의 법칙에 의해 마스트(151) 및, 따라서 허브(152) 및 블레이드들(154)에서 기전력을 유도한다. 전기 회로(169)는 전선들(172)에 의해 블레이드들(154)에 전기적으로 연결된다. 이러한 방식으로, 전류(i_R)가 블레이드들(154)에 이용 가능하다.

최종적으로, 로터(4)는 축(B)에 대해,:

- 제어봉(155)과 마스트(152) 사이에 방사상으로 개재되는 복수의 베어링(180);

- 마스트(152)와 하우징(150)의 방사상 내측 표면 사이에 방사상으로 개재되는 베어링들(181); 및

- 하우징(150)의 방사상 외측 표면과 관련된 디스크들(167, 170) 사이에 방사상으로 개재되는 베어링들(183)을 포함한다.

로터(4)의 작동은 로터(3)와 유사하며 로터(3)의 작동과 다른 점만 기술된다.

특히, 추가 변속기 그룹(8)의 단부 샤프트(157)는 축(B)을 중심으로 회전 속도(ω2)로 베벨 기어(152)를 회전 구동시킨다. 따라서, 허브(152)와 블레이드들(154) 및 전기 회로(169)도 또한 축(B)을 중심으로 회전 속도(ω2)로 회전 구동된다. 블레이드들(154)은 축(B)을 중심으로 허브(152)에 의해 회전 구동되고 알려진 방식으로 허브(152)에 대해 이동할 수 있다. 또한, 블레이드들(154)의 관련된 축들(D)에 대한 피치 각들은 축(B)을 따라 제어봉(155)의 슬라이딩 운동에 의해 조정될 수 있다.

소스(163) 및 영구 자석들(164)은 하우징(150)에 끼워지고, 축(B)을 중심으로 고정식이며 즉, 소스(163) 및 영구 자석들은 축(B)을 중심으로 회전 속도(ω1 = 0)로 회전하는 것으로서 보여질 수 있다. 영구 자석(164)은 자기장(B_S)을 생성한다. 전기 회로(169)와 소스(163) 사이의 상이한 회전 속도 덕분에, 허브(152)와 일체형으로 회전하는 전기 회로(169)에서 패러데이의 법칙에 의해 기전력이 자기적으로 유도된다.

도 5를 참조하면, 전류(i_R)가 시간에 따라 가변하면, 이들은 시간에 따라 가변하는 자기장(B_R)을 생성한다.

시-변 자기장(B_R)은 패러데이의 법칙에 의해 전기 회로(65)에 역기전력(bemf_C)을 유도한다.

센서(58)는 전기 회로(65) 양단의 전압(V_C)을 감지한다.

도 6을 참조하면, 4'는 전체로서 본 발명의 제 3 실시 형태에 따른 테일 로터를 나타낸다.

로터(4')는 로터(4)와 유사하며, 이하에서는 그것과 다른 점만 기술될 것이다; 로터(4, 4')의 대응하는 또는 등가인 부분은 가능한 한 동일한 참조 번호로 표시될 것이다.

특히, 로터(4')는 소스(163)가 이격된 영구 자석들(164) 대신에, 축(B)을 따라 배향된 자기장(B_S)을 발생시키는 전기 회로(70)를 포함한다는 점에서 로터(4)와 다르다. 전기 회로(70)는 전기 회로(169)와 전자기적으로 결합된다. 전기 회로(70)는, 전압(V_S)을 발생시키고 도 6에서 저항기 및 인덕터로 각각 모델링된 등가 전기 저항(R_S) 및 인덕턴스(L_S)를 갖는 전압 발생기(71)를 포함한다. 전압 발생기(71)는 전기 회로(70) 내부에 전류(i_s)가 흐르게 한다. 전류(i_s)는 차례로, 자기장(B_S)을 발생시킨다. 바람직하게, 전압 발생기(71)는 직류 전압 발생기이다. 또한, 도 6에서, 전기 회로(70)에서 작용하는 역기전력(bemf_C)은 교류 전압 발생기로 모델링된다. 센서(58)는 전압 센서이고 전기 회로(70) 양단의 전압(V_C)을 검출하도록 구성된다.

로터(4')의 작동은 로터(4)와 유사하고 로터(4)의 작동과 다른 점만 기술된다. 특히, 로터(4')의 작동은 하우징(150)의 전기 회로(70)에 의해 자기장(B_S)이 발생된다는 점과, 전기 회로(70) 상에서 자기장(B_S)에 의해 역기전력(bemf_S)이 유도된다는 점에서 로터(4)와 다르다.

도 7을 참조하면, 4"는 전체로서 본 발명의 제 4 실시 형태에 따른 테일 로터를 나타낸다. 로터(4")는 로터(4)와 유사하며, 이하에서는 그것과 다른 점만 기술될 것이다; 로터(4, 4")의 대응하는 또는 등가인 부분은 가능한 한 동일한 참조 번호로 표시될 것이다. 특히, 로터(4")는 전기 회로(70) 외에도, 전기 회로(90)를 포함한다는 점에서 로터(4')와 다르다. 전기 회로(90)는 전기 회로(169)와 전자기적으로 결합된다. 전기 회로(90)는 도시된 실시 형태에서, 전기 회로(169)와 전자기적으로 결합되는 개방 코일(170)이다. 전기 회로(90)는 도 7에서 저항기 및 인덕터로 각각 모델링된 등가 전기 저항(R_C) 및 인덕턴스(L_C)를 갖는다. 또한, 도 6에서, 코일(170) 상에서 작용하는 역기전력(Bemf_C)이 교류 전압 발생기로 모델링된다. 센서(58)는 전압 센서이고 전기 회로(90) 양단의 전압(V_C)을 검출하도록 구성된다.

로터(4")의 작동은 로터(4)와 유사하고 로터(4)의 작동과 다른 점만 기술된다. 특히, 로터(4")의 작동은 전기 회로(90) 상에서 자기장(B_R)에 의해 역기전력(bemf_C)이 유도된다는 점에서 로터(4)와 다르다.

본 발명에 따른 로터(3, 4, 4', 4") 및 방법의 이점은 전술한 설명으로부터 명백할 것이다.

특히, 로터(3, 4, 4', 4")는 전기 회로(32) 내부에 흐르는 가변 전류(i_R)에 의해 전기 회로(65, 70, 90)에 유도되는 역기전력(bemf_C,bemf_S)과 연관된 신호를 발생시키는 센서(58)를 포함한다.

이 신호는 부하(62) 및 권선(68)의 몇몇 동작 구성과 연관된 i_R의 시간 변화의 일부 특징을 인식하게 한다.

특히,:

- 전류(i_R)가 널인 경우, 부하(62)는 전기적으로 공급되지 않고, 예를 들어, 방빙 시스템이 작동하지 않는다;

- 전류(i_R)가 최대 값보다 낮은 경우, 권선(68) 중 하나 또는 일부에 결함이 있다;

- 전류(i_R)의 피크 값이 최대 값보다 높은 경우, 동일 부하(62)에 전기적으로 연결된 권선(68)의 단락이 있다.

따라서, 예를 들어 방빙 시스템이 작동하지 않거나 권선(68)의 단락 회로의 존재가 마스트(11)와 허브(12)에 작용하는 토크의 초과를 유발할 수 있다는 사실과 같이, 로터(3, 4, 4', 4")에 대해 잠재적으로 위험하다는 것을 인식할 수 있다.

또한(도 10 및 도 11), 각 부하(62)와 관련된 권선(68) 사이에 스위치(69)가 개재되면, 적절하게 작동되지 않는 경우에 권선들(68) 중 하나를 제외할 수 있다.

매듭(61)과 관련된 부하(62) 사이에 스위치(65)가 개재되면, 단락의 경우에 두 관련된 권선(68)을 제외할 수 있다. 따라서, 센서(58)에 의해 발생된 신호는, 지지 부재(36) 또는 하우징(150)과 허브(11) 사이에 아무런 물리적 연결도 필요로 하지 않고, 부하(62) 및 따라서 대응하는 부속품의 동작 상태에 대한 관련성 높은 정보를 제공한다. 이러한 정보는 동체(2) 내부에 제공될 수 있다.

도 3 및 도 4에 도시된 로터(3)에 관해서는, 전기 회로(65)는 고정자(10)에 끼워진다. 따라서, 영구 자석(81)이 회전 속도(ω1)로 회전하는 지지 부재(36)와 각을 이루어 일체형인 경우에도, 센서(58)에 의해 제공되는 신호는 고정자(10) 및, 따라서 헬리콥터(1)의 동체(2)에서 이용 가능하다. 따라서, 로터(3)는 축의 크기의 감소로, 도전 부재(32)와 자기장의 소스(30) 사이의 차동 회전 속도(ω2 - ω1)를 증가시킬 수 있다. 따라서, 차동 회전 속도(ω2 - ω1)가 높을수록 도전 부재(32)에 유도되는 소정 값의 기전력에 필요한 토크가 낮기 때문에, 지지 부재(32) 및 허브(12)는 더 작게 제조될 수 있고 더욱 중량 효율적일 수 있다. 토크가 작을수록, 지지 부재(32)와 허브(12)의 직경이 작고, 따라서 중량도 작아서, 패이로드에 대한 분명한 이점을 가진다. 이것은 허브(12)의 회전 속도(ω2)가 메인 로터(3)에서와 같이 느린 것이 필요할 때 특히 유리하다.

또한, 소스(30, 163)와 전기 회로(32, 169)뿐만 아니라 전기 회로(65, 70, 90)와 센서(58)에 의해 형성된 발전기는 포함된 축 방향 크기를 가지므로, 아무런 재설계도 필요로 하지 않고, 로터(3, 4, 4', 4")의 통상적인 크기에 쉽게 일체화될 수 있다.

동일한 이유로, 소스(30, 163) 및 도전 부재(32, 169)에 의해 형성된 발전기는 기존의 로터(3, 4, 4', 4") 내부에 쉽게 재장착될 수 있다.

분명히, 본 발명에 따른 로터(3, 4, 4', 4") 및 방법에 대한 변경이 첨부된 청구 범위 내에 규정된 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.

특히, 소스(30, 163) 및 전기 회로(32, 169)에 의해 형성된 발전기는 방사상 자속 기계이고, 여기서 소스(30, 163)에 의해 생성된 자기장은 주로 축(A, B)에 방사상으로 배향된다.

또한, 로터(3)의 전기 회로(65)는 지지 부재(36) 상에 배치되어 축(A)을 중심으로 회전 속도(ω1)로 회전할 수 있다.

로터(3)의 자기장(B_S)의 소스(30)는 영구 자석(81) 대신에, 로터(4')의 전기 회로(70)와 유사하고 지지 부재(36) 상에 배치된 전기 회로일 수 있다.

로터(3, 4, 4', 4")는 기계적 주 및 추가 변속기 그룹(7, 8) 대신에, 로터(3, 4, 4', 4")를 구동하기 위한 전기 모터를 포함할 수 있다. 이 경우, 로터(3, 4', 4", 4"')는 소스(30, 163)가 끼워지는 고정자 및 전기 회로(32, 169)가 끼워지는 로터를 포함한다.

항공기(1)는 헬리콥터 대신에 전환식 비행기일 수 있다.

항공기(1)는 본 발명에 따른 로터(3, 4', 4", 4"') 및 종래의 반-토크 테일 로터, 또는 종래의 주 로터 및 본 발명에 따른 반-토크 테일 로터(4)를 포함할 수 있다.

Claims

호버링 가능한 항공기(1)용 로터(3, 4, 4', 4")로서:
- 고정자(10, 150);
- 상기 고정자(10, 150)에 대해 축(A, B)을 중심으로 회전 가능한, 회전 가능한 부재(11, 151);
- 상기 부재(11, 151)와 작동 가능하게 연결된 적어도 하나의 블레이드(13, 154)를 포함하는, 상기 로터(3, 4, 4', 4")에 있어서,
- 자기장(B_S)의 소스(30)를 지지하고 정지되거나 또는 사용시 제 1 회전 속도(ω1)로 회전 구동되는 지지 부재(36; 160, 161); 및
- 상기 부재(11, 151)와 각을 이루어 일체형이고, 사용시 상기 제 1 회전 속도(ω1)와 다른 제 2 회전 속도(ω2)로 회전 구동될 수 있는 제 1 전기 회로(32, 169)를 포함하고;
상기 제 1 전기 회로(32, 169)는 상기 소스(30, 163)와 전자기적으로 결합되어, 사용시 상기 제 1 전기 회로(32, 169) 자체에 기전력(emf_R)이 자기적으로 유도되고 사용시 상기 제 1 전기 회로(32, 169)에 제 1 전류(i_R)가 흐르고;
상기 로터(3, 4, 4', 4")는:
- 정지되거나 또는 사용시 제 1 회전 속도(ω1)로 회전 구동되는 제 2 전기 회로(65; 65; 70; 90); 및
- 상기 제 2 전기 회로(65; 70; 90) 상에 유도되는 역기전력(bemf_C, bemf_S)의 값과 연관되고 상기 제 1 전기 회로(32) 내부에 흐르는 상기 전류(i_R)와 연관되는 신호(V_C)를 발생시키도록 구성된 센서(58)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 호버링 가능한 항공기용 로터.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 전기 회로(70)는 상기 소스(30)를 규정하고;
상기 제 2 전기 회로(70)는 전압 발생기(71)를 포함하고;
상기 역기전력(bemf_S)은 사용시 상기 제 2 전기 회로(70) 상에 유도되고;
상기 센서(58)는 상기 제 2 전기 회로(70) 양단의 전압(V_C)을 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 호버링 가능한 항공기용 로터.
제 2 항에 있어서,
상기 전압 발생기(71)는 직류 전압 발생기인 것을 특징으로 하는, 호버링 가능한 항공기용 로터.
제 1 항에 있어서,
상기 소스(30, 163)는 상기 제 2 전기 회로(65, 90)와 구별되는 것을 특징으로 하는, 호버링 가능한 항공기용 로터.
제 4 항에 있어서,
상기 소스(30)는 상기 지지 부재(36)에 끼워지고, 상기 제 2 전기 회로(65, 90)는 상기 고정자(10)에 끼워지고;
상기 지지 부재(36)는 상기 축(A)을 중심으로 상기 제 1 회전 속도(ω1)로 회전 가능한 것을 특징으로 하는, 호버링 가능한 항공기용 로터.
제 4 항에 있어서,
상기 제 2 전기 회로(65, 90)는 상기 센서(58)가 양단에 끼워진 개방 코일(67, 170)인 것을 특징으로 하는, 호버링 가능한 항공기용 로터.
제 1 항에 있어서,
상기 센서(58)는 전압 센서인 것을 특징으로 하는, 호버링 가능한 항공기용 로터.
제 1 항에 있어서,
사용시 상기 센서(58)로부터 상기 신호(V_C)가 공급되고, 사용시 상기 역기전력(bemf_C, bemf_S)의 피크 값과 연관된 양(V_cmax)을 출력하는 제 3 전기 회로(80)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 호버링 가능한 항공기용 로터.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전기 회로(32, 169)는 각각의 블레이드들(13)의 내부로 부분적으로 연장되는 복수의 분기부(60)를 포함하고;
각각의 상기 분기부(60)는 상기 관련된 블레이드(13) 내부에 배치되는 관련된 전기 부하(62)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 호버링 가능한 항공기용 로터.
제 9 항에 있어서,
각각의 상기 분기부(60)는:
- 단일의 상기 관련된 전기 부하(62)에 전기적으로 연결된 적어도 2개의 권선(68); 및
- 관련된 상기 권선(68)과 상기 단일의 관련된 부하(62) 사이에 개재된 적어도 2개의 스위치(65)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 호버링 가능한 항공기용 로터.
제 9 항에 있어서,
상기 제 1 전기 회로(32, 169)는 상기 분기부들(62) 및 적어도 하나의 복귀 부분(66)에 공통인 매듭(61; knot)을 포함하고;
상기 제 1 전기 회로(32, 169)는 상기 복귀 부분(66)을 따라 개재되는 제 2 스위치(69)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 호버링 가능한 항공기용 로터.
제 9 항에 있어서,
상기 관련된 블레이드(13, 164)를 위한 방빙 또는 제빙 시스템을 포함
하고; 상기 방빙 또는 제빙 시스템은 상기 부하(62)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 호버링 가능한 항공기용 로터.
- 동체(2); 및
- 메인 로터(3) 및 반-토크 테일 로터(4)를 포함하고;
- 상기 메인 로터(3) 및 상기 반-토크 테일 로터(4, 4', 4") 중 적어도 하나는 제 1 항에 따르는 로터인, 호버링 가능한 항공기(1).
호버링 가능한 항공기(1)용 로터(3, 3')를 작동시키는 방법으로서, 상기 로터(3, 4, 4', 4")는:
- 고정자(10, 150);
- 상기 고정자(10, 150)에 대해 축(A, B)을 중심으로 회전 가능한, 회전 가능한 부재(11, 151);
- 상기 부재(11, 151)와 작동 가능하게 연결된 적어도 하나의 블레이드(13, 154)를 포함하는, 상기 방법에 있어서,
- 상기 축(A, B)에 대해 자기장(B_S)의 소스(30, 163)를 정지되게 유지하거나 또는 제 1 회전 속도(ω1)로 회전 구동시키는 단계;
- 상기 부재(11, 151)와 각을 이루어 일체형인 제 1 전기 회로(32, 169)를 상기 제 1 회전 속도(ω1)와 다른 제 2 회전 속도(ω2)로 회전 구동시키는 단계;
- 사용시 상기 제 1 전기 회로(32, 169)에 기전력(emf_R)이 자기적으로 유도되고 상기 전기 회로(32, 169) 내부에 전류(i_R)가 흐르도록, 상기 제 1 전기 회로(32, 169)를 상기 소스(30, 163)와 전자기적으로 결합하는 단계;
- 상기 축(A, B)을 중심으로 제 2 전기 회로(65; 70; 90)를 정지되게 유지하거나 또는 상기 축(A, B)을 중심으로 제 1 회전 속도(ω1)로 회전 구동시키는 단계; 및
- 상기 제 2 전기 회로(65; 70; 90) 상에 유도되는 역기전력(bemf_C, bemf_S)과 연관되고 상기 제 1 전기 회로(32, 169) 내부에 흐르는 상기 전류(i_R)와 연관되는 신호(V_C), 양을 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 로터 작동 방법.
제 14 항에 있어서,
- 상기 제 2 전기 회로(70)에 의해 상기 자기장(B_S)을 발생시키는 단계;
- 상기 제 2 전기 회로(70) 양단에 전압(V_S)을 발생시키는 단계;
- 사용시 상기 제 2 전기 회로(70) 상에 상기 역기전력(bemf_S)을 유도하는 단계; 및
- 상기 제 2 전기 회로(70) 양단의 전압(V_C)에 연관된 상기 신호(V_C)를 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 로터 작동 방법.