KR102513704B1 - 자기 부상을 이용한 수직 이착륙을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 시스템 및 방법은 스테이터 및 스테이터에 의해 자기 부상되는 로터를 포함할 수 있는 수직 이착륙(VTOL) 플랫폼에 관한 것이다. 로터 및 스테이터는 환형일 수 있으므로, 로터는 회전축에 대해 회전한다. 스테이터는 로터를 구동하기 위해 그리고 특정 피치 각도로 독립적으로 회전될 수 있는 로터의 로터 블레이드의 작동을 제어하여 VTOL 플랫폼의 양력, 피치, 롤 또는, 요 중 적어도 하나를 제어하기 위해 안내, 부상 및 구동력을 제공하는 자석을 포함할 수 있다. 다양한 제어기를 사용하여 VTOL 플랫폼의 구성 요소의 독립적인 그리고 중복적인 제어를 가능하게 할 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 개시는 2018년 4월 17일에 출원된 "자기 추진을 이용한 수직 이착륙을 위한 시스템 및 방법"이라는 발명의 명칭의 미국 가출원 번호 62/659,013 및 2018년 12월 4일에 출원된 "수직 이착륙을 위한 자기 부상"이라는 발명의 명칭의 미국 가출원 번호 62/775,253의 이점 및 우선권을 주장하고, 이들의 개시 내용은 그 전체가 본원에 참고로 포함된다.
기술 분야
본 개시는 일반적으로 수직 이착륙에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 수직 이착륙을 위한 자기 부상에 관한 것이다.
다양한 공중 플랫폼은 수직 이착륙(VTOL)을 수행할 수 있으며, 여기서 플랫폼은 호버링, 수직으로 이륙, 및 착륙할 수 있다. VTOL 플랫폼은 고정 날개 플랫폼 및 회전 날개 플랫폼을 포함할 수 있다. VTOL 플랫폼은 무인 항공기를 포함할 수 있다. VTOL 플랫폼은 분산된 전기 추진력을 가질 수 있으며, 틸트 로터 및/또는 틸트 날개 구성을 가질 수 있다.
전형적으로, VTOL 플랫폼은 양력 및 다른 운동 힘을 생성하기 위해 연소 기반 동력 생성에 의존한다. 또한, VTOL 플랫폼은 상대적으로 큰 폼 팩터를 가질 수 있다. 따라서, 기존 VTOL 플랫폼은 이러한 플랫폼을 도시 환경 및 개인 사용 모드에서 사용하기에 어렵게 만드는 기술적 한계를 가질 수 있다.
본 개시의 적어도 하나의 양태는 VTOL 플랫폼에 관한 것이다. VTOL 플랫폼은 로터, 스테이터, 비행 제어기, 및 모터 제어기를 포함한다. 로터는 로터 축에 대해 배향되고 스테이터로부터 반경 방향으로 이격된 복수의 로터 블레이드를 포함한다. 각 로터 블레이드는 로터 아암에 결합되어, 로터 아암의 회전으로 인해 로터 블레이드가 로터 피치 축에 대해 회전하게 된다. 로터 아암은 제 2 로터 자석으로부터 이격된 제 1 로터 자석에 결합된다. 스테이터는 복수의 전자석을 포함한다. 비행 제어기는 이동 지시를 수신하고, 이동 지시로부터 원하는 이동을 추출하고, 로터가 추력, 요 축에 대한 힘의 모멘트, 플랫폼 피치 축에 대한 힘의 모멘트, 또는 롤 축에 대한 힘의 모멘트 중 적어도 하나를 생성하게 하도록 구성된 하나 이상의 비행 명령을 생성하도록 구성된다. 모터 제어기는 하나 이상의 비행 제어 명령을 수신하고 하나 이상의 비행 제어 명령에 기초하여 전자석을 통해 전기 신호를 구동하도록 구성된다. 복수의 전자석은 전기 신호에 대응하는 전자기장을 출력하도록 구성되어, 로터의 로터 자석을 구동하여, 로터를 로터 축에 대해 회전시키고, 로터 블레이드를 블레이드 중립 피치 축에 대해 회전시키고, 로터가 추력, 요 축에 대한 힘의 모멘트, 플랫폼 피치 축에 대한 힘의 모멘트, 또는 플랫폼 롤 축에 대한 힘의 모멘트 중 적어도 하나를 생성하게 한다.
본 개시의 적어도 하나의 양태는 스테이터와 함께 작동하기 위한 로터에 관한 것이다. 로터는 회전축을 정의하고 스테이터 주위에 배열된 복수의 로터 세그먼트를 포함하는 환형 로터 베이스를 포함한다. 각각의 로터 세그먼트는 회전축으로부터 이격된 측벽, 측벽의 제 1 단부로부터 회전축을 향해 연장되는 제 1 로터 벽, 및 측벽의 제 2 단부로부터 회전축을 향해 연장되는 제 2 로터 벽을 포함하고, 제 2 로터 벽은 제 1 로터 벽으로부터 이격되고, 로터는 제 1 로터 벽 및 제 2 로터 벽을 통과하고 회전축에 평행한 로터 축을 정의한다. 각각의 로터 세그먼트는 제 1 로터 벽과 결합된 적어도 하나의 제 1 로터 자석을 포함하고, 적어도 하나의 제 1 로터 자석은 로터 축을 따라 제 1 로터 벽과 제 1 스테이터 자석 사이의 제 1 공간을 유지하도록 구성된다. 각각의 로터 세그먼트는 제 2 로터 벽과 결합된 적어도 하나의 제 2 로터 자석을 포함하고, 적어도 하나의 제 2 로터 자석은 로터 축을 따라 제 2 로터 벽과 제 2 스테이터 자석 사이에 제 2 공간을 유지하도록 구성된다. 각각의 로터 세그먼트는 측벽과 결합되고 스테이터의 하나 이상의 추진 자석으로부터 이격된 적어도 하나의 제 3 로터 자석을 포함한다. 로터는 적어도 하나의 제 3 로터 자석과 상호 작용하는 하나 이상의 추진 자석의 자기장을 통해 추진 자석에 의해 구동되도록 구성된다.
적어도 하나의 양태는 로터와 함께 작동하기 위한 스테이터에 관한 것이다. 스테이터는 복수의 스테이터 세그먼트를 포함하는 환형 스테이터 베이스를 포함하고, 스테이터 베이스는 중심 축을 정의한다. 각 스테이터 세그먼트는 측벽, 측벽으로부터 연장되는 지지 구조물, 지지 구조물의 제 1 표면과 결합된 적어도 하나의 제 1 스테이터 자석, 제 1 표면에 대향하는 지지 구조물의 제 2 표면과 결합된 적어도 하나의 제 2 스테이터 자석, 및 적어도 하나의 추진 자석을 포함한다. 적어도 하나의 제 1 스테이터 자석 및 적어도 하나의 제 2 스테이터 자석은 중심 축에 평행한 스테이터 축을 정의하고, 적어도 하나의 제 1 스테이터 자석은 스테이터 축을 따라 로터의 제 1 로터 자석과 적어도 하나의 제 1 스테이터 자석 사이에 제 1 공간을 유지하도록 구성되고, 적어도 하나의 제 2 스테이터 자석은 스테이터 축을 따라 로터의 제 2 로터 자석과 적어도 하나의 제 2 스테이터 자석 사이에 제 2 공간을 유지하도록 구성된다. 적어도 하나의 추진 자석은 지지 구조물과 결합되고, 로터의 하나 이상의 제 3 로터 자석으로부터 이격되고, 적어도 하나의 추진 자석은 중심 축에 대해 로터를 구동하기 위해 제어 신호에 응답하여 자기장을 출력하도록 구성된다.
적어도 하나의 양태는 로터 제어 시스템에 관한 것이다. 로터 제어 시스템은 로터 및 스테이터를 포함한다. 로터는 하나 이상의 제 1 스테이터 코일과 정렬된 제 1 로터 자기 구성 요소, 하나 이상의 제 2 스테이터 코일과 정렬되고 제 1 로터 자기 구성 요소에 인접한 제 2 로터 자기 구성 요소, 제 1 로터 자기 구성 요소와 제 2 로터 자기 구성 요소를 연결하는 아암, 및 아암에 고정된 제 1 로터 블레이드를 포함한다. 아암의 제 1 아암 단부는 제 1 로터 자기 구성 요소와 결합되고, 제 2 로터 자기 구성 요소와 결합된 아암의 제 2 아암 단부는 제 2 로터 자기 구성 요소에 인가된 제 2 자기력에 대한 제 1 로터 자기 구성 요소에 인가된 제 1 자기력에 기초하여 변화하는 아암 각도를 정의한다. 제 1 로터 블레이드는 블레이드 피치 축을 따라 아암으로부터 연장되고, 제 1 로터 블레이드는 블레이드 피치 축에 대한 블레이드 피치 각도를 정의하고, 블레이드 피치 각도는 아암 각도에 대응한다. 스테이터는 적어도 하나의 제어 신호에 응답하여 제 1 로터 자기 구성 요소를 구동하는 제 1 자기장 및 제 2 로터 자기 구성 요소를 구동하는 제 2 자기장을 적어도 출력하도록 구성된 복수의 전자석을 포함하고, 적어도 하나의 제어 신호는 블레이드 피치 각도를 제어하기 위해 제 1 자기장이 제 1 로터 자기 구성 요소에 제 1 자기력을 인가하게 하고, 제 2 자기장이 제 2 자기 구성 요소에 제 2 자기력을 인가하게 한다.
적어도 하나의 양태는 로터 제어 시스템에 관한 것이다. 로터 제어 시스템은 로터 및 스테이터를 포함한다. 로터는 회전축을 정의하고 스테이터 주위에 배열된 복수의 로터 세그먼트를 포함하는 환형 로터 베이스를 포함한다. 각각의 로터 세그먼트는 회전축에 수직인 블레이드 피치 축에 대해 회전되도록 구성된 제 1 로터 블레이드, 전력 수신기 회로, 블레이드 피치 축에 대해 제 1 로터 블레이드를 회전시키기 위해 전력 수신기 회로를 통해 받은 전력을 사용하여 회전하는 모터, 제어 신호에 응답하여 블레이드 피치 축에 대해 제 1 로터 블레이드를 회전시키기 위해 모터에 모터 신호를 제공하는 모터 제어기, 및 제어 신호를 수신하고 제어 신호를 모터 제어기에 제공하는 제 1 무선 송수신기를 포함한다. 스테이터는 제어 명령을 수신하고 제어 명령에 기초하여 제어 신호를 제 1 무선 송수신기에 무선으로 송신하는 제 2 무선 송수신기, 및 전력 수신기 회로에 전력을 제공하기 위해 전력 수신기 회로와 상호 작용하는 자기장을 출력하는 전력 송신기 회로를 포함한다.
적어도 하나의 양태는 시스템에 관한 것이다. 시스템은 로터 및 스테이터를 포함한다. 로터는 측벽, 측벽의 제 1 단부로부터 연장되는 제 1 로터 벽, 및 측벽의 제 2 단부로부터 연장되는 제 2 로터 벽을 포함하고, 제 2 로터 벽은 제 1 로터 벽으로부터 이격되고, 적어도 하나의 제 1 로터 자석은 제 1 로터 벽과 결합되고, 적어도 하나의 제 2 로터 자석은 제 2 로터 벽과 결합된다. 스테이터는 제 1 로터 벽과 제 2 로터 벽 사이에서 연장되는 지지 구조물, 지지 구조물의 제 1 표면과 결합되고 적어도 하나의 제 1 로터 자석에 근접한 적어도 하나의 제 1 스테이터 자석 - 적어도 하나의 제 1 로터 자석은 적어도 하나의 제 1 스테이터 자석과 적어도 하나의 제 1 로터 자석 사이의 제 1 거리에 대응하여 적어도 하나의 제 1 스테이터 자석에서 전류를 유도함 - , 및 제 1 표면에 대향하는 지지 구조물의 제 2 표면과 결합되고 적어도 하나의 제 2 로터 자석에 근접한 적어도 하나의 제 2 스테이터 자석 - 적어도 하나의 제 2 스테이터 자석은 제 1 스테이터 자석으로부터 전류를 받기 위해 적어도 하나의 제 1 스테이터 자석과 전기적으로 결합되고, 적어도 하나의 제 2 스테이터 자석은 제 1 스테이터 자석으로부터의 전류에 기초하여 자기장 강도를 갖는 자기장을 출력하고, 자기장은 적어도 하나의 제 2 스테이터 자석과 적어도 하나의 제 2 로터 자석 사이의 제 2 거리를 제어하기 위해 적어도 하나의 제 2 로터 자석과 상호 작용함 - 을 포함한다.
적어도 하나의 양태는 시스템에 관한 것이다. 시스템은 로터 및 스테이터를 포함한다. 로터는 측벽, 측벽의 단부로부터 연장되는 로터 벽, 및 로터 벽과 결합된 적어도 하나의 로터 자석을 포함한다. 스테이터는 로터 벽에 인접한 지지 구조물, 적어도 하나의 로터 자석에 근접한 지지 구조물의 표면과 결합된 제 1 스테이터 자석 - 적어도 하나의 로터 자석은 제 1 스테이터 자석과 적어도 하나의 로터 자석 사이의 제 1 자기장의 제 1 자기력에 대응하여 제 1 스테이터 자석에 전류를 유도함 - , 및 지지 구조물의 표면에 결합된 제 2 스테이터 자석 - 제 2 스테이터 자석은 제 1 스테이터 자석에 전기적으로 결합되고, 제 2 스테이터 자석은 제 1 스테이터 자석으로부터 전류를 받아 제 2 스테이터 자석과 적어도 하나의 로터 자석 사이의 제 2 자기장의 제 2 자기력을 제어함 - 을 포함한다.
적어도 하나의 양태는 시스템에 관한 것이다. 시스템은 로터 및 스테이터를 포함한다. 로터는 회전축을 정의하는 로터 측벽, 측벽의 제 1 표면을 따라 측벽과 결합되고 측벽을 가로지르는 하나 이상의 로터 블레이드, 및 제 1 표면에 대향하는 로터 측벽의 제 2 표면을 따라 측벽과 결합된 로터 자석을 포함한다. 스테이터는 로터 측벽의 제 2 표면에 대면하는 스테이터 측벽의 표면을 따라 둘레 방향으로 배열된 복수의 스테이터 자석, 및 복수의 스테이터 자석에 무선으로 결합된 제어기 - 제어기는 회전축을 따라 양력을 생성하기 위해 회전축에 대해 로터 및 로터 블레이드를 회전시키기 위해 로터의 로터 자석과 상호 작용하는 각각의 자기장을 선택적으로 생성하도록 복수의 스테이터 자석을 제어함 - 를 포함한다.
적어도 하나의 양태는 시스템에 관한 것이다. 시스템은 로터 및 스테이터를 포함한다. 로터는 회전축을 정의하는 로터 측벽, 측벽의 제 1 표면을 따라 측벽과 결합되고 측벽을 가로지르는 하나 이상의 로터 블레이드, 및 제 1 표면에 대향하는 로터 측벽의 제 2 표면을 따라 측벽과 결합된 로터 자석을 포함한다. 스테이터는 로터 측벽의 제 2 표면에 대면하는 스테이터 측벽의 표면을 따라 둘레 방향으로 배열된 복수의 스테이터 자석, 및 복수의 스테이터 자석에 전기적으로 결합된 제어기 - 제어기는 각각의 자기장을 선택적으로 생성하도록 스위칭 레이트로 복수의 스테이터 자석을 제어하고, 자기장은 로터의 로터 자석과 상호 작용하여, 로터 및 로터 블레이드를 스위칭 레이트에 대응하는 회전 속도로 회전시켜 양력 속도로 양력을 생성함 - 를 포함한다.
적어도 하나의 양태는 시스템에 관한 것이다. 본 시스템은 회전축에 대해 회전하도록 구성된 로터 및 스테이터를 포함한다. 로터는 로터 측벽, 측벽의 제 1 표면을 따라 측벽과 회전 가능하게 결합된 적어도 하나의 로터 블레이드 - 적어도 하나의 로터 블레이드는 측벽을 가로질러 연장되는 블레이드 축에 대해 회전함 - , 및 제 1 표면에 대향하는 로터 측벽의 제 2 표면을 따라 측벽과 결합된 제 1 로터 자석 및 제 2 로터 자석을 포함한다. 스테이터는 로터 측벽에 대면하는 스테이터 측벽을 따라 둘레 방향으로 배열된 복수의 제 1 스테이터 자석 - 복수의 제 1 스테이터 자석 중 적어도 하나는 제 1 로터 자석에 근접함 - , 각각의 제 1 스테이터 자석으로부터 이격되고 스테이터 측벽을 따라 둘레 방향으로 배열된 복수의 제 2 스테이터 자석 - 복수의 제 2 스테이터 자석 중 적어도 하나는 제 2 로터 자석에 근접함 - , 및 복수의 제 1 스테이터 자석 및 복수의 제 2 스테이터 자석에 전기적으로 결합된 자석 제어기 - 자석 제어기는 블레이드 축에 대한 로터 블레이드의 회전을 생성하기 위해 제 1 스위칭 레이트로 복수의 제 1 스테이터 자석을 제어하고 제 2 스위칭 레이트로 복수의 제 2 스테이터 자석을 제어함 - 를 포함한다.
적어도 하나의 양태는 시스템에 관한 것이다. 본 시스템은 스테이터 및 로터를 포함한다. 스테이터는 스테이터의 표면을 따라 둘레 방향으로 배열된 복수의 스테이터 자석을 포함한다. 로터는 회전축에 대해 회전하도록 구성되고, 스테이터를 둘러싸는 환형 로터 베이스를 갖는다. 로터는 복수의 로터 세그먼트를 포함한다. 각각의 로터 세그먼트는 제 1 표면 및 제 1 표면에 대향하는 제 2 표면을 갖는, 회전축으로부터 이격된 측벽, 제 1 표면을 따라 측벽에 결합된 적어도 하나의 로터 자석 - 로터는 적어도 하나의 로터 자석과 상호 작용하는 복수의 스테이터 자석의 각각의 자기장을 통해 복수의 스테이터 자석에 의해 구동되도록 구성됨 - , 및 측벽의 제 2 표면과 결합된 제 1 블레이드 단부 및 제 2 블레이드 단부를 갖는 적어도 하나의 로터 블레이드 - 제 1 단부 및 제 2 단부는 로터 블레이드 길이를 정의하고, 제 2 단부 및 회전축은 회전 반경을 정의하며, 팁의 회전 반경에 대한 로터 블레이드 길이의 비는 0.75 이하임 - 를 포함한다.
적어도 하나의 양태는 시스템에 관한 것이다. 본 시스템은 회전축에 대해 회전하도록 구성된 로터 및 스테이터를 포함한다. 로터는 로터 측벽, 측벽의 제 1 표면을 따라 측벽과 회전 가능하게 결합된 제 1 로터 블레이드 - 제 1 로터 블레이드는 측벽을 가로질러 연장되는 제 1 블레이드 축에 대해 회전함 - , 측벽의 제 1 표면을 따라 측벽과 회전 가능하게 결합된 제 2 로터 블레이드 - 제 2 로터 블레이드는 측벽을 가로질러 연장되는 제 2 블레이드 축에 대해 회전함 - , 제 1 로터 블레이드에 근접한 제 1 표면에 대향하는 로터 측벽의 제 2 표면을 따라 측벽과 결합된 제 2 로터 자석 및 제 1 로터 자석을 포함하는 제 1 세트의 로터 자석, 및 제 2 로터 블레이드에 근접한 로터 측벽의 제 2 표면을 따라 측벽과 결합된 제 4 로터 자석 및 제 3 로터 자석을 포함하는 제 2 세트의 로터 자석을 포함한다. 스테이터는 로터 측벽에 대면하는 스테이터 측벽을 따라 둘레 방향으로 배열된 복수의 제 1 스테이터 자석 - 복수의 제 1 스테이터 자석 중 적어도 하나는 제 1 로터 자석에 근접하고, 복수의 제 1 스테이터 자석 중 적어도 하나는 제 3 로터 자석에 근접함 - , 각각의 제 1 스테이터 자석으로부터 이격되고 스테이터 측벽을 따라 둘레 방향으로 배열된 복수의 제 2 스테이터 자석 - 복수의 제 2 스테이터 자석 중 적어도 하나는 제 2 로터 자석에 근접하고, 복수의 제 2 스테이터 자석 중 적어도 하나는 제 4 로터 자석에 근접함 - , 및 복수의 제 1 스테이터 자석 및 복수의 제 2 스테이터 자석에 전기적으로 결합된 적어도 하나의 제어기 - 적어도 하나의 제어기는 이동 지시를 수신하고, 이동 지시로부터 원하는 이동을 추출하고, 원하는 이동에 기초하여 복수의 제어 신호를 생성하고, 및 복수의 제어 신호를 복수의 제 1 스테이터 자석 및 복수의 제 2 스테이터 자석에 제공하여, 복수의 제 1 스테이터 자석 및 복수의 제 2 스테이터 자석이 회전축에 대해 로터를 회전시키고, 제 1 블레이드 축에 대해 제 1 로터 블레이드를 회전시키고, 제 2 블레이드 축에 대해 제 2 로터 블레이드를 회전시키도록 로터의 로터 자석을 구동시키는 복수의 제어 신호에 대응하는 자기장을 출력하게 하여, 원하는 이동을 생성하도록 구성됨 - 를 포함한다.
적어도 하나의 양태는 스테이터와 함께 작동하기 위한 로터에 관한 것이다. 로터는 회전축을 정의하고, 스테이터 주위에 배열되고 회전축에 대해 제 1 방향으로 구동되도록 구성된 복수의 제 1 로터 세그먼트, 및 복수의 제 1 로터 세그먼트에 인접하여 스테이터 주위에 배열되고 제 1 방향에 반대되는 제 2 방향으로 회전축에 대해 구동되도록 구성된 복수의 제 2 로터 세그먼트를 포함하는 환형 로터 베이스를 포함하고, 각 로터 세그먼트는 회전축으로부터 이격된 측벽, 측벽의 제 1 단부로부터 회전축을 향해 연장되는 제 1 로터 벽, 및 측벽의 제 2 단부로부터 회전축을 향해 연장되는 제 2 로터 벽 - 제 2 로터 벽은 제 1 로터 벽으로부터 이격되고, 로터는 제 1 로터 벽 및 제 2 로터 벽을 통과하고 회전축에 평행한 로터 축을 정의함 - , 제 1 로터 벽과 결합된 적어도 하나의 제 1 로터 자석 - 적어도 하나의 제 1 로터 자석은 로터 축을 따라 제 1 로터 벽과 제 1 스테이터 자석 사이에 제 1 공간을 유지하도록 구성됨 - , 제 2 로터 벽과 결합된 적어도 하나의 제 2 로터 자석 - 적어도 하나의 제 2 로터 자석은 로터 축을 따라 제 2 로터 벽과 제 2 로터 자석 사이에 제 2 공간을 유지하도록 구성됨 - , 측벽과 결합되고 스테이터의 하나 이상의 추진 자석으로부터 이격된 적어도 하나의 제 3 로터 자석 - 로터는 적어도 하나의 제 3 로터 자석과 상호 작용하는 하나 이상의 추진 자석의 자기장을 통해 추진 자석에 의해 구동되도록 구성됨 - 을 포함한다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 로터 블레이드는 제 1 로터 블레이드이고, 로터 자석은 제 1 로터 블레이드에 대응하는 제 1 로터 자석이며, 제 1 로터 블레이드는 제 1 회전축에 대해 제 1 방향으로 회전하도록 구성되고, 로터는 제 1 로터 블레이드로부터 이격된 제 2 로터 블레이드 - 제 2 로터 블레이드는 측벽의 제 1 표면을 따라 측벽과 결합되고 측벽을 가로지름 - , 및 제 2 로터 블레이드에 대응하는 제 2 로터 자석 - 제 2 로터 자석은 제 1 방향과 반대되는 제 2 방향으로 회전축에 대해 제 2 로터 블레이드를 구동하도록 구동됨 - 을 포함한다.
당업자는 본 요약이 단지 예시적인 것일 뿐이며 어떤 방식으로든 제한하려는 의도가 아니라는 것을 이해할 것이다. 특허 청구 범위에 의해서만 정의되는 본 명세서에 설명된 장치 및/또는 방법의 다른 양태, 발명적 특징, 및 이점은 첨부된 도면과 함께 본 명세서에 설명된 상세한 설명에서 명백해질 것이다.
본 개시의 전술한 그리고 다른 목적, 양태, 특징, 및 이점은 첨부 도면과 관련하여 취해진 다음의 설명을 참조함으로써 보다 명백해지고 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 VTOL 플랫폼의 일 실시예의 개략도이다.
도 2는 도 1의 VTOL 플랫폼의 일부의 개략도이다.
도 3은 도 1의 VTOL 플랫폼의 다양한 시스템의 블록도이다.
도 4는 도 1의 VTOL 플랫폼의 모터 구역의 부분 사시도이다.
도 5는 도 1의 VTOL 플랫폼의 모터 구역의 단면도이다.
도 6은 부상 및 안내 시스템의 일 실시예의 개략도이다.
도 7은 VTOL 플랫폼의 비행 역학 시스템의 일 실시예의 블록도이다.
도 8은 도 7의 비행 역학 시스템에 의해 실행되는 집합적 피치 제어의 개략도이다.
도 9는 도 7의 비행 역학 시스템에 의해 실행되는 주기적 피치 제어의 개략도이다.
도 10은 VTOL 플랫폼의 모터 제어기의 일 실시예의 블록도이다.
도 11은 VTOL 플랫폼의 스테이터의 일 실시예의 블록도이다.
도 12는 VTOL 플랫폼의 로터 제어 시스템의 블록도이다.
도 13은 VTOL 플랫폼을 제어하는 방법의 일 실시예의 흐름도이다.
도 14a는 모터 구동 로터 블레이드를 갖는 로터의 일 실시예의 개략도이다.
도 14b는 모터 구동 로터 블레이드를 사용하는 로터 제어 시스템의 일 실시예의 블록도이다.
도 1은 VTOL 플랫폼의 일 실시예의 개략도이다.
도 2는 도 1의 VTOL 플랫폼의 일부의 개략도이다.
도 3은 도 1의 VTOL 플랫폼의 다양한 시스템의 블록도이다.
도 4는 도 1의 VTOL 플랫폼의 모터 구역의 부분 사시도이다.
도 5는 도 1의 VTOL 플랫폼의 모터 구역의 단면도이다.
도 6은 부상 및 안내 시스템의 일 실시예의 개략도이다.
도 7은 VTOL 플랫폼의 비행 역학 시스템의 일 실시예의 블록도이다.
도 8은 도 7의 비행 역학 시스템에 의해 실행되는 집합적 피치 제어의 개략도이다.
도 9는 도 7의 비행 역학 시스템에 의해 실행되는 주기적 피치 제어의 개략도이다.
도 10은 VTOL 플랫폼의 모터 제어기의 일 실시예의 블록도이다.
도 11은 VTOL 플랫폼의 스테이터의 일 실시예의 블록도이다.
도 12는 VTOL 플랫폼의 로터 제어 시스템의 블록도이다.
도 13은 VTOL 플랫폼을 제어하는 방법의 일 실시예의 흐름도이다.
도 14a는 모터 구동 로터 블레이드를 갖는 로터의 일 실시예의 개략도이다.
도 14b는 모터 구동 로터 블레이드를 사용하는 로터 제어 시스템의 일 실시예의 블록도이다.
아래의 다양한 실시예들의 설명을 읽을 목적으로, 본 명세서의 섹션들 및 그 각각의 내용의 다음 열거가 도움이 될 수 있다:
- 섹션 A는 자기 부상을 사용하여 작동하는 VTOL 플랫폼의 시스템 및 방법의 실시예를 설명한다.
- 섹션 B는 자기 부상을 사용하여 작동하는 VTOL 플랫폼의 부상 및 안내 시스템 및 방법의 실시예를 설명한다.
- 섹션 C는 비행 역학, 모터 제어, 및 피치 제어를 포함하여, 자기 부상을 사용하여 작동하는 VTOL 플랫폼을 제어하는 시스템 및 방법의 실시예를 설명한다.
A. 자기 부상을 이용한 VTOL 플랫폼의 시스템 및 방법
일반적으로 도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 개시에 따른 VTOL 플랫폼은 수직 이착륙뿐만 아니라 양력, 피치, 롤, 및 요 제어와 같은 비행 제어 작동을 가능하게 하도록 스테이터로 로터를 효율적으로 구동하기 위해 자기 부상 및 특정 제어 메커니즘을 사용할 수 있다. VTOL 플랫폼은 내부 연소 기반 시스템에 비해 증가된 전력 밀도를 포함하여, 기존 시스템에 비해 향상된 크기, 무게, 전력, 및 비용(SWAP-C) 팩터를 가질 수 있다. VTOL 플랫폼은 환형 플랫폼 구성을 위해 높은 로터 회전률을 달성할 수 있다.
VTOL 플랫폼은 기계적 및 공기 역학적 소음 발생을 감소시킴으로써 유사한 성능을 가진 기존 시스템에 비해 소음을 감소시킬 수 있다. 기어 박스, 스와시 플레이트, 및 발전기의 기계적 작동에 의존하는 기존 시스템은 상당한 소음을 발생시킬 수 있다. 터빈에서 기계적 소음은 터빈의 구조를 따라 전달되어 그 표면으로부터 방출될 수 있으며, 공기 역학적 소음은 블레이드 위의 공기 흐름에 의해 생성될 수 있다. 헬리콥터에서는, 메인 로터 및 테일 로터가 공기와 상호 작용하여 소음이 발생될 수 있다. 이는 이륙하는 동안 헬리콥터의 주파수 스펙트럼을 분석하여 확인될 수 있다: 각 로터 블레이드의 주파수를 통과하는 각 블레이드에서 글로벌 및 로컬 최대값이 있을 수 있다. 또한 고주파수에 걸쳐 스위핑하는 매우 큰 음향 파워 분포가 있을 수 있으며, 이러한 광대역 소음은 터빈, 기어 박스, 및 변속기의 작동을 포함하여, 복수의 소음 메커니즘의 조합으로 인해 발생할 수 있다. 본 솔루션은 기계적 구성 요소 간의 더 적은 상호 작용에 의존하는 직접 전기 파워 트레인을 사용하고 또한 소음 발생을 줄이는 방식으로 로터 블레이드를 구성함으로써 이러한 소음원을 해결할 수 있다. 따라서, 본 솔루션은 기존 시스템이 도시 환경 및 개인 사용 모드에 적합하지 않게 만드는 소음과 관련된 방해뿐 아니라 소음 발생과 관련된 에너지 비-효율성도 감소시킬 수 있다.
일부 실시예에서, VTOL 플랫폼은 로터, 스테이터, 비행 제어기 및 모터 제어기를 포함한다. 로터는 로터 축에 대해 배향되고 스테이터로부터 반경 방향으로 이격된 복수의 로터 블레이드를 포함한다. 각 로터 블레이드는 로터 아암에 결합되어, 로터 아암의 회전으로 인해 로터 블레이드가 로터 피치 축에 대해 회전하게 된다. 로터 아암은 제 2 로터 자석으로부터 이격된 제 1 로터 자석에 결합된다. 스테이터는 복수의 전자석을 포함한다. 비행 제어기는 이동 지시를 수신하고, 이동 지시로부터 원하는 이동을 추출하고, 및 로터가 추력, 요 축에 대한 힘의 모멘트, 플랫폼 피치 축에 대한 힘의 모멘트, 또는 플랫폼 롤 축에 대한 힘의 모멘트 중 적어도 하나를 생성하도록 구성된 하나 이상의 비행 명령을 생성하도록 구성된다. 모터 제어기는 하나 이상의 비행 제어 명령을 수신하고 하나 이상의 비행 제어 명령에 기초하여 전자석을 통해 전기 신호를 구동하도록 구성된다. 복수의 전자석은 전기 신호에 대응하는 전자기장을 출력하여 로터의 로터 자석을 구동하여 로터를 로터 축에 대해 회전시키고, 로터 블레이드를 블레이드 중립 피치 축에 대해 회전시키고, 로터가 추력, 요 축에 대한 힘의 모멘트, 플랫폼 피치 축에 대한 힘의 모멘트, 또는 플랫폼 롤 축에 대한 힘의 모멘트 중 적어도 하나를 생성하게 하도록 구성된다.
이제 도 1 내지 도 2를 참조하면, VTOL 플랫폼(100)은 로터(120)를 구동하는 스테이터(110)를 포함한다. 로터(120)는 스테이터(110)로부터 하우징(130)(예를 들어, 나셀)으로 연장될 수 있다. 지지 구조물(140)는 예를 들어 VTOL 플랫폼(100)의 조작자(144)를 위한 좌석(142)을 제공하기 위해 스테이터(110)에 장착될 수 있다. 도 1 내지 도 2는 스테이터(110)가 로터(120)의 안쪽을 향하는 것을 도시하고 있지만, 스테이터(110)는 로터(120)로부터 바깥쪽에 있을 수 있다. 로터(120)는 스테이터(110)에 대해 회전하도록 스테이터(110)에 결합된 부상 시스템(예를 들어, 도 3을 참조하여 설명된 부상 시스템(360))에 의해 지지될 수 있다. 스테이터(110) 및 로터(120)는 다양한 자석(예를 들어, 영구 자석; 전자기 코일; 전자기 코일이 자기장을 생성하도록 전류가 구동될 수 있는 전자기 코일)을 포함할 수 있다.
스테이터(110)는 회전축(122)에 대해 로터(120)를 회전시키는 것을 포함하여, 로터(120)의 자석을 구동하기 위해 전자기장을 출력함으로써 로터(120)를 구동하기 위해 전력 공급부(112)로부터의 전력을 사용할 수 있다. 예를 들어, 스테이터(110)는 여기에서 더 논의되는 바와 같이 제어기로부터 수신된 제어 신호에 기초하여 로터(120)를 구동할 수 있다. 전력 공급부(112)는 하나 이상의 배터리를 포함할 수 있다. 전력 공급부(112)는 지지 구조물(140) 내로 고도로 분산되고 통합될 수 있고, 이는 기존 시스템과 비교하여 강성을 개선하고 VTOL 플랫폼(100)의 무게를 감소시킬 수 있다.
스테이터(110)는 기존의 기계 시스템에 비해 증가된 효율을 가질 수 있다. 기계적 연결보다는 스테이터(110)와 로터(120) 사이의 전자기 결합을 사용하면, 기존 시스템에 비해 작동을 개선할 수 있다. 기존 시스템에서 본 솔루션에 의해 가능하게 될 수 있는 바와 같은 유사한 성능 파라미터를 갖는 VTOL 플랫폼을 달성하기 위해서는, 엔진이 큰 반경의 로터보다 훨씬 빠르게 회전하는 소형 기어를 구동하는 것이 필요한데, 이는 상당한 기계적 마찰 손실을 초래할 수 있으며, 구동된 액슬에 장착된 단순한 로터보다 훨씬 더 무겁다. 이러한 기존 시스템에서는, 극단적인 기어비, 대형 기어형 및/또는 톱니형 링 구조로부터의 큰 고유한 제조 어려움, 환형 로터 기하학적 구조의 임의의 공력 음향 이점보다 큰 소음이 있는 기계적 상호 작용, 및/또는 전체 무게를 상당히 증가시킬 수 있는 동력 전달에 사용되는 크고 무거운 구조로 인해, 큰 효율성 손실이 있을 수 있다. 본 솔루션은 스테이터(110)를 사용하여 로터(120)를 구동함으로써 이러한 현상을 해결할 수 있다 - 일부 실시예에서, 본 솔루션은 로터 링으로서 토크 전달을 위한 기어 박스 또는 액슬 대신에, 전력 밀도가 높고 효율적이며 응답성이 뛰어난 전기 동기 모터를 사용하여 분산된 토크를 생성할 수 있고, 전자 기계식 로터, 구동 액슬, 및 블레이드 허브로서 역할을 동시에 수행할 수 있으므로, 이에 따라 무게, 효율성 손실, 및 기계적 복잡성을 줄일 수 있다.
또한, 스테이터(110) 및 로터(120)와 관련하여, 모터 전력 밀도는 허브 반경에 따라 선형적으로 증가하고, 모터 높이에 따라 선형적으로 감소하는 것으로 밝혀졌다. 본 솔루션은 효율 및 전력 밀도를 증가시키기 위해 스테이터(110)가 상대적으로 큰 반경 및 상대적으로 낮은 두께를 갖도록 구성하는 이러한 특징을 구현할 수 있으며, 이는 스테이터(110)가 기존의 내연 기반 시스템에 비해 더 적은 질량 및/또는 더 큰 전력 출력을 가질 수 있게 한다.
로터(120)는 스테이터(110) 및 지지 구조물(140)에 대해 선회할 수 있는 환형 로터로서 도시된다. 로터(120)는 복수의 제 1 블레이드(124)(본 명세서에서 더 논의되는 바와 같이 각각의 자석에 결합됨)를 포함한다. 복수의 제 1 블레이드(124)는 스테이터(110)와 하우징(130) 사이에서 연장될 수 있다. 일부 실시예에서, 스테이터(110)는 각각의 제 1 블레이드(124)의 피치 각도를 제어한다. 제 1 블레이드(124)는 측벽(134)과 결합되고 측벽(134)에 대해 횡 방향(예를 들어, 수직)일 수 있다. 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 각각의 제 1 블레이드(124)는 측벽(134)(예를 들어, 측벽(134)의 로터 세그먼트(132))과 결합된 제 1 블레이드 단부(예를 들어, 블레이드 루트)(444)로부터, 하우징(130)과 결합되거나 또는 하우징(130)으로부터 자유로울 수 있는 제 2 블레이드 단부(예를 들어, 블레이드 팁)(448)까지 연장될 수 있다. 제 1 블레이드(124)는 제 1 블레이드 단부(444)로부터, 회전축(122)에 수직일 수 있는 제 2 블레이드 단부까지 연장되는 블레이드 축(440)을 정의할 수 있다.
일부 실시예에서, 로터(120)는, 제 1 블레이드(124)와 유사할 수 있고 복수의 제 1 블레이드(124)에 대해 독립적으로 회전축(122)에 대해 회전할 수 있는 복수의 제 2 블레이드(126)를 포함한다. 제 2 블레이드(126)는 예를 들어 제 1 블레이드(124) 아래의 측벽(134)(예를 들어, 측벽(134)의 로터 세그먼트(132))과 결합되거나, 또는 제 1 블레이드(124) 아래의 제 2 측벽(134)과 결합되는 제 1 블레이드(124)로부터 이격될 수 있다.
제 1 블레이드(124) 및/또는 제 2 블레이드(126)를 회전시킴으로써, VTOL 플랫폼(100)은 VTOL 플랫폼(100)을 통과하는 공기 상의 제 1 블레이드(124) 및/또는 제 2 블레이드(126)의 작용으로 인해 양력을 생성할 수 있다. 유사하게, 제 1 블레이드(124) 및/또는 제 2 블레이드(126)는 요, 롤 및/또는 피치 축에 대한 회전을 유발하는 방식으로 구동될 수 있다.
로터 블레이드(124, 126)는 VTOL 플랫폼(100)의 안내를 위한 주기적 및 집합적 피치 명령(cyclic and collective pitch commands)을 유지하기 위해 개별적으로 페더링(feathering)될 수 있다(예를 들어, 기류의 방향에 대해 특정 각도로 정렬된 블레이드 표면). 스와시 플레이트가 로터 블레이드의 작동을 제어하기 위해 사용될 수 있는 기존 시스템과 비교하여, 본 솔루션은 마찰 없는 방식으로 각 로터 블레이드(124, 126)의 피치를 개별적으로 제어할 수 있다.
이중 반전 로터(Contra-Rotating Rotors)를 사용하여 양력을 제어하는 시스템 및 방법
일부 실시예에서, 복수의 제 1 블레이드(124)는 회전축(122)에 대해 제 1 방향으로 회전하는 반면, 복수의 제 2 블레이드(126)는 제 1 방향에 반대되는 제 2 방향으로 회전축(122)에 대해 회전한다. 이와 같이, 복수의 제 1 블레이드(124) 및 복수의 제 2 블레이드(126)는 이중 반전할 수 있다. 예를 들어, 각각의 제 2 블레이드(126)는 제 2 방향으로 스테이터(110)에 의해 구동되는 각각의 로터 자석(380)과 결합될 수 있다. 여기에서 더 논의된 바와 같이, 제어 회로(310)는 복수의 제 1 블레이드(124)가 제 1 각도율로 제 1 방향으로 회전축(122)에 대해 회전하게 하는 제 1 제어 신호를 제공함으로써 복수의 제 1 블레이드(124)의 동작을 제어할 수 있고, 복수의 제 2 블레이드(126)가 제 2 각도율로 제 2 방향으로 회전축(122)에 대해 회전하게 하는 제 2 제어 신호를 제공함으로써 복수의 제 2 블레이드(126)의 동작을 제어할 수 있다. 제어 회로(310)는 VTOL 플랫폼(100)의 원하는 모션을 생성하기 위해 제 1 제어 신호 및 제 2 제어 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, VTOL 플랫폼(100)이 호버 모드에서 작동할 수 있게 하기 위해, 제어 회로(310)는 VTOL 플랫폼(100)의 힘 균형이 적어도 수직 방향에서 0이 되도록(예를 들어, 복수의 제 1 블레이드(124)에 의해 생성된 상향 힘은 복수의 제 2 블레이드(126)에 의해 생성된 하향 힘 및 중력에 상쇄됨) 제 1 각도율 및 제 2 각도율이 구성되도록 제 1 제어 신호 및 제 2 제어 신호를 생성할 수 있다.
회전 중심에 대한 유효 로터 영역을 기초로 하여 소음을 감소시키기 위한 시스템 및 방법
일부 실시예에서, 로터 블레이드(124, 126)는 예를 들어 VTOL 플랫폼(100)의 이동을 지지하기에 충분한 양력을 생성하면서 감소된 소음을 생성하기 위해, 비교적 낮은 음향 프로파일을 가능하게 하도록 구성된다. 본 솔루션에서, 로터 블레이드(124, 126)의 개수는 상대적으로 높도록 선택될 수 있으며, 블레이드는 위상 변조된 간격을 갖고 있어, 양력이 유지되는 동안 소음을 감소시킨다. 각각의 블레이드(124, 126)는 비교적 큰 팁 직경을 가질 수 있다. 로터 블레이드(124, 126)는 비-간섭적으로 작동하도록 서로에 대해 위치되고 정렬될 수 있다. 따라서, 로터(120)와 주변 유체의 상호 작용으로 인한 소음이 감소될 수 있다. 일부 실시예에서, 로터 블레이드(124, 126)는 0.5의 최대 팁 마하수 및 0.41의 호버 팁 마하수를 갖는다. 일부 실시예에서, 로터 블레이드(124, 126)는 양력 생성을 증가시키고, 안전성을 개선하고, 로터 블레이드(124, 126)로부터 방사되는 소음을 감소시킬 수 있는 덕트형 또는 덮개형 중 적어도 하나이다. 일부 실시예에서, 하우징(130)은 소음을 상향 반사하도록 형상화되고, 또한 로터(120)로부터 외부로 이동하는 소음을 감소시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 로터 블레이드(124, 126)는 제 2 블레이드 단부(448)의 회전 반경에 비해 상대적으로 짧은 길이를 갖는다. 예를 들어, 로터 블레이드(124, 126)는 블레이드 축(440)을 따라 제 1 블레이드 단부(444)로부터 제 2 블레이드 단부(448)까지의 로터 블레이드 길이를 정의할 수 있다(예를 들어, 블레이드 루트에서 블레이드 팁까지). 제 2 블레이드 단부(448)는 제 2 블레이드 단부(448)로부터 회전축(122)까지의 회전 반경을 정의할 수 있다. 로터 블레이드(124, 126)는 회전 반경에 대한 로터 블레이드 길이의 비를 정의할 수 있다. 일부 실시예에서, 비는 0.75 이하이다. 일부 실시예에서, 비는 0.6 이하 및 0.3 이상이다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 로터 블레이드(124, 126)는 회전축(122)의 바깥쪽으로 시작한다. 일부 실시예에서, 회전 중심으로부터의(예를 들어, 회전축(122)으로부터의) 거리의 함수로서 양력을 생성하는 로터 블레이드의 효율은 일반적으로 블레이드 루트보다 블레이드 팁쪽으로 더 높다. 따라서 본 솔루션은 주로 고효율 구역에서 작동하는 블레이드를 선택함으로써 상대적으로 적은 성능 손실로 소음을 감소시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 로터 블레이드(124, 126)는 비교적 높은 블레이드 유효 영역 또는 블레이드 견고성을 갖는다. 제 2 블레이드 단부(448)는 제 1 주변부(예를 들어, 제 2 블레이드 단부(448)가 회전축(122)에 대해 회전함에 따라 제 2 블레이드 단부(448)에 의해 스위핑된 주변부)를 정의할 수 있다. 측벽(134)(또는 제 1 블레이드 단부(444))은 제 1 주변부의 안쪽에 있는 제 2 주변부를 정의할 수 있다. 로터 블레이드(124 및/또는 126)는 또한 제 1 주변부와 제 2 주변부 사이의 제 1 평면(예를 들어, 제 1 주변부와 제 2 주변부가 놓인 제 1 평면)에서 블레이드 회전 영역을 정의할 수 있다. 블레이드 회전 영역은 제 1 로터 블레이드(124)가 회전축(122)에 대해 회전할 때 제 1 평면에서 제 1 로터 블레이드(124)에 의해 스위핑된 영역을 나타낼 수 있다. 로터 블레이드(124) 및/또는 로터 블레이드(126)는 제 1 평면에 블레이드 표면 영역을 정의할 수 있으며, 이는 (로터 블레이드(124) 또는 로터 블레이드(126)가 안정되거나 또는 움직이지 않는 동안) 제 1 평면에 있는 로터 블레이드(124) 및/또는 로터 블레이드(126)의 표면 영역을 나타낼 수 있다. 복수의 제 1 로터 블레이드(124)(또는 복수의 제 2 로터 블레이드(126))는 블레이드 회전 영역에 대한 블레이드 표면 영역의 비로서 블레이드 유효 영역을 정의할 수 있다. 일부 실시예에서, 블레이드 유효 영역은 (예를 들어, 많은 기존 시스템에서 0.2에 비해) 0.4 이상이다. 일부 실시예에서, 블레이드 유효 영역은 0.6 이상이다. 증가된 블레이드 유효 영역을 가짐으로써, 로터 블레이드(124, 126)는 낮은 속도 및 피치에서 양력을 보다 효율적으로 생성할 수 있다; VTOL 플랫폼(100)은 로터(120)의 회전을 구동하기 위한 마찰 없는 방법을 사용함으로써 더 큰 블레이드 유효 영역을 달성할 수 있으며, 이는 그렇지 않으면 로터(120)를 회전시키기 위해 스와시 플레이트 및 기어 박스와 같은 기계적 커플링을 사용하여 가능하지 않을 것이다(또는 증가된 블레이드 유효 영역으로 인한 소음 감소를 상쇄하는 증가된 기계적 소음을 발생시킬 것이다).
VTOL 플랫폼(100)은 지지 구조물(140)로부터 하우징(130)으로 연장되는 복수의 빔(150)을 포함할 수 있다. 빔(150)은 단방향 탄소 섬유 스포크일 수 있다. 빔(150)은 각 빔(150)에 작용하는 로터 블레이드(124, 126)로부터 입사 웨이크(incident wakes)의 개수를 증가시키기 위해 스위핑되고 기울어질 수 있으며, 웨이크의 위상각을 확산시켜 비-간섭성을 달성할 수 있다. 빔(150)은 하우징(130)이 지지 구조물(140)에 대해 고정된 상태를 유지하기 위해 반경 방향, 수직, 및 비틀림 강성을 제공할 수 있다.
이제 도 3 내지 도 5를 참조하면, VTOL 시스템(300)은 제어 회로(310), 스테이터(110) 및 로터(120)를 포함한다. VTOL 시스템(300)은 도 1 내지 도 2를 참조하여 설명된 VTOL 플랫폼(100)의 동작을 제어하도록 구현될 수 있다. 제어 회로(310)는 프로세서(312) 및 메모리(314)를 포함한다. 프로세서(312)는 특정 목적 프로세서, ASIC(application specific integrated circuit), 하나 이상의 FPGAs(field programmable gate arrays), 처리 구성 요소의 그룹, 또는 다른 적절한 전자 처리 구성 요소로서 구현될 수 있다. 프로세서(312)는 분산 컴퓨팅 시스템 또는 멀티 코어 프로세서일 수 있다. 메모리(314)는 본 개시에 설명된 다양한 사용자 또는 클라이언트 프로세스, 계층 및 모듈을 완료하고 용이하게 하기 위한 데이터 및 컴퓨터 코드를 저장하기 위한 하나 이상의 장치(예를 들어, RAM, ROM, 플래시 메모리, 하드 디스크 스토리지)이다. 메모리(314)는 휘발성 메모리 또는 비-휘발성 메모리이거나 또는 이들을 포함할 수 있고, 데이터 베이스 구성 요소, 객체 코드 구성 요소, 스크립트 구성 요소, 또는 본 명세서에 개시된 발명 개념의 다양한 활동 및 정보 구조를 지원하기 위한 임의의 다른 유형의 정보 구조를 포함할 수 있다. 메모리(314)는 프로세서(312)에 통신 가능하게 연결되고, 여기에 설명된 하나 이상의 프로세스를 실행하기 위한 컴퓨터 코드 또는 지시 모듈을 포함한다. 메모리(314)는 프로세서가 본 명세서에 설명된 시스템 및 방법을 실행하게 하는 다양한 회로, 소프트웨어 엔진, 및/또는 모듈을 포함할 수 있다. 메모리는 서로 다른 장치에 분산될 수 있다.
메모리(314)는 비행 제어기(316) 및 모터 제어기(318)를 포함한다. 비행 제어기(316)는 비행 역학 모델, 로터 상태, 및 제어 법칙을 사용하여 VTOL 시스템(300)의 원하는 이동을 비행 제어 신호(320)로 변환하고, 비행 제어 신호(320)를 모터 제어기(318)로 송신할 수 있다. 모터 제어기(318)는 비행 제어 신호(320)를 수신하고, VTOL 플랫폼(100)이 원하는 이동을 달성하도록 하기 위해, 스테이터(110)의 동작을 제어하도록 비행 제어 신호(320)에 기초하여 모터 제어 신호(322)를 생성할 수 있다.
VTOL 시스템(300)은 통신 회로(330)를 포함할 수 있다. 통신 회로(330)는 데이터를 수신하고 송신하도록 구성된다. 통신 회로(330)는 수신기 전자 장치 및 송신기 전자 장치를 포함할 수 있다. 통신 회로(330)는 무선 주파수 통신을 위해 구성된 라디오를 포함할 수 있다. 통신 회로(330)는 데이터 링크 라디오를 포함할 수 있다. 통신 회로(330)는 원격 플랫폼으로부터/원격 플랫폼으로 내비게이션 정보를 수신하고 송신할 수 있다.
VTOL 시스템(300)은 적어도 하나의 센서(334)를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 센서(334)는 제어 회로(310)에 센서 데이터를 제공할 수 있다. 적어도 하나의 센서(334)는 VTOL 시스템(300)의(예를 들어, VTOL 시스템(300)을 구현하는 VTOL 플랫폼(100)의) 위치, 속도, 가속도, 고도, 배향 및 다른 상태 파라미터를 검출할 수 있다. 적어도 하나의 센서(334)는 온도, 기압 및 풍속과 같은 환경 파라미터를 검출할 수 있다. 적어도 하나의 센서(334)는 (3 개의 자이로스코프 및 3 개의 가속도계와 같은 하나 이상의 자이로스코프 및 하나 이상의 가속도계를 포함할 수 있는) 관성 측정 유닛, 공기 데이터 센서(예를 들어, 정압의 표시를 검출하고 출력하도록 구성된 센서(들)), 또는 자기 나침반 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 센서(334)는 GNSS(Global Navigation Satellite System) 수신기 및/또는 GPS(Global Positioning System) 수신기를 포함할 수 있다.
VTOL 시스템(300)은 디스플레이 장치(342) 및 사용자 입력 장치(344)를 포함하는 사용자 인터페이스(340)를 포함할 수 있다. 디스플레이 장치(342)는 제어 회로(310)로부터 디스플레이 데이터를 수신하고, 수신된 디스플레이 데이터를 제공할 수 있다. 디스플레이 장치(342)는 CRT, LCD, 유기 LED, 도트 매트릭스 디스플레이 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 디스플레이 구성 요소를 포함할 수 있다. 디스플레이 장치(342)는 내비게이션 디스플레이, 기본 비행 디스플레이, 전자 비행 백 디스플레이, 애플 인크.(Apple, Inc.)에서 제조한 iPad® 컴퓨터와 같은 태블릿, 또는 태블릿 컴퓨터, 합성 비전 시스템 디스플레이, 프로젝터가 있는 또는 없는 HUDs, 헤드 업 안내 시스템, 웨어러블 디스플레이, 시계, Google Glass® 또는 다른 HWD 시스템을 포함할 수 있다. 디스플레이 장치(342)는 항공 교통 관제 데이터, 날씨 데이터, 내비게이션 데이터(예를 들어, 비행 계획), 및 지형 정보와 같은 디스플레이 데이터를 제공할 수 있다.
사용자 입력 장치(344)는 예를 들어 다이얼, 스위치, 버튼, 터치 스크린, 키보드, 마우스, 조이스틱, 커서 제어 장치(CCDs)를 포함할 수 있다. 사용자 입력 장치(344)는 디스플레이 장치(342)의 하나 이상의 구성 요소에 의해 제공되는 터치 인터페이스를 포함할 수 있다. 사용자 입력 장치(344)는 제어 회로(310)가 처리할 수 있는 오디오 정보(예를 들어, 조작자로부터의 음성 정보)를 수신하도록 구성된 오디오 입력 장치를 포함할 수 있다. 사용자 입력 장치(344)는 제어 회로(310)가 제스처 제어, 머리 추적, 및/또는 눈 추적과 같은 이미지 처리 기능을 실행하고 이미지 처리에 기초하여 제어 지시를 생성할 수 있도록 이미지 캡처 장치를 포함할 수 있다.
사용자 인터페이스(340)는 사용자 입력을 수신하고, 사용자 입력(346)의 표시를 비행 제어기(316)로 송신할 수 있다. 비행 제어기(316)는 사용자 입력(346)의 표시를 수신하고, 사용자 입력(346)의 표시로부터 입력 명령을 추출하고, 비행 제어 신호(320)를 생성하기 위해 입력 명령에 기초하여 VTOL 플랫폼(100)의 원하는 이동을 결정한다.
로터와 함께 사용하기 위한 개선된 스테이터 조립체
스테이터(110)는 복수의 스테이터 자석(352)(예를 들어, 추진 자석)을 지지하는 스테이터 하우징(350)(예를 들어, 환형 스테이터 베이스)을 포함한다. 스테이터 하우징(350)은 복수의 스테이터 세그먼트(351)를 포함할 수 있으며, 이는 일체형 또는 모놀리식과 같이 연속적일 수 있거나, 또는 별도의 부재이거나 또는 인접한 스테이터 세그먼트(351)보다 좁은 연장부에 의해 연결되는 것과 같이 적어도 부분적으로 분리될 수 있다. 복수의 스테이터 자석(352)은 각각 모터 제어 신호(322)에 의해 구동될 수 있다. 복수의 스테이터 자석(352)은 전자석일 수 있다. 예를 들어, 복수의 스테이터 자석(352)은 전자기 코일을 통해 구동되는 전기 신호에 기초하여 전자기장을 출력하는 전자기 코일을 포함할 수 있다. 전자석 코일은 알루미늄 또는 구리를 포함하여, 다양한 전도성 재료로 제조될 수 있다. 일부 실시예에서, 경량이고, 높은 열전도도를 가지며, 질량의 함수로서 구리의 두 배 초과의 전기 전도도를 갖는 것을 기준으로 알루미늄이 사용될 수 있다(예를 들어, 주어진 부피에 대해 구리 전도도의 61 %이지만 구리 질량의 30 %를 갖는 알루미늄이 선택될 수 있어, 동일한 암페어 정격을 달성하기 위해 부피 증가를 상쇄하는 질량 절약이 가능하다). 스테이터(110)는 스테이터 자석(352)에 인접한 적층 철심(504)을 포함할 수 있으며, 이는 스테이터 자석(352)에 의해 출력되는 자기장의 크기를 증가시킬 수 있다.
특정 모터 제어 신호(322)를 수신하는 것에 응답하여, 각각의 스테이터 자석(352)은 대응하는 전자기장(354)을 출력할 수 있다. 각각의 스테이터 자석(352)은 수신된 모터 제어 신호(322)에 따라 시간의 함수로서 출력된 전자기장(354)의 크기를 변경할 수 있다. 예를 들어, 모터 제어 신호(322)가 진폭 및 주파수와 같은 파라미터의 가변 값을 갖는 경우, 전자기장(354)의 진폭 및 주파수는 유사하게 변할 수 있다.
본 명세서에 추가로 설명되는 바와 같이, 스테이터(110)는 LGS(360)의 자석(362a, 362b, 364a 및 364b)을 포함할 수 있고, 이는 로터 자석(372, 374)과 상호 작용하여 스테이터(110)와 로터(120) 사이의 각각의 공간을 유지하고 차례로 로터(120)로부터 양력을 받아 스테이터(110)를 들어 올릴 수 있다. 예를 들어, 스테이터 자석(352)이 전자기장(354)을 출력함에 따라, 로터(120)의 회전에 의해 생성된 양력은 로터(120)가 위쪽으로(예를 들어, 자석(372)에 더 가깝고 자석(374)으로부터 더 멀리) 이동하게 할 수 있다; 그 결과, 로터(120)는 스테이터(110)의 자석(372, 374)을 통해 힘을 가하고, 자석(362a, 362b, 364a, 364b)의 작동으로 스테이터(110)를 들어 올려, 로터(120)에 의해 가해지는 힘을 조정하고 힘을 스테이터 하우징(350)으로 전달한다.
스테이터와 함께 사용하기 위한 개선된 로터 조립체
로터(120)는 로터 베이스(128)를 포함한다. 로터 베이스(128)는 회전축(122) 주위로 연장되고 로터 베이스(128)와 스테이터 하우징(350) 사이의 공간을 정의하는 환형일 수 있다. 로터 베이스(128)는 복수의 로터 세그먼트(132)를 포함할 수 있다. 각각의 로터 세그먼트(132)는 회전축(122)으로부터 이격된 측벽(134)을 포함할 수 있다. 로터 세그먼트(132)는 예를 들어 각각의 로터 세그먼트(132)가 인접한 로터 세그먼트(132)와 연결되거나 또는 일체형 또는 모놀리식인 것과 같이 연속적일 수 있다. 로터 세그먼트(132)는 예를 들어 별도의 부재이거나 또는 회전축(122)에 수직인 방향으로 인접한 로터 세그먼트(132)보다 좁은 연장부에 의해 연결되는 것에 의해 적어도 부분적으로 분리될 수 있다.
로터(120)는 로터(120) 주위에 배열된 복수의 로터 자석(380)을 포함한다. 하나 이상의 로터 자석(380)은 대응하는 측벽(134)과 결합될 수 있다. 각각의 로터 자석(380)은 복수의 스테이터 자석(352)에 의해 출력되는 대응하는 전자기장에 의해 구동될 수 있다. 복수의 로터 자석(380)은 본 솔루션의 폼 팩터에 대해 초전도 자석보다 높은 자속 밀도를 가질 수 있는 영구 자석일 수 있다. 일부 실시예에서, 복수의 로터 자석(380)(일부 실시예에서, 이하에 설명되는 LGS(360)의 자석(372))은 네오디뮴 영구 자석을 포함하고, 이는 최대 1 테슬라의 자기장 강도를 가질 수 있으며, 할박(Halbach) 어레이로 기하학적으로 구성되어 자기장 강도를 최대 1.4 T까지 증가시킬 수 있다. 스테이터 자석(352)의 위치 설정과 함께, 복수의 스테이터 자석(352)에 의해 생성된 전자기장(354)의 시변 특성은 로터 축(예를 들어, 도 2에 도시된 회전축(122))에 대해 회전하도록 복수의 로터 자석(380)을 구동할 수 있다.
각각의 로터 블레이드(124, 126)는 적어도 하나의 로터 자석(380)에 기계적으로 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 로터 자석(380)이 회전함에 따라, 로터 자석(380)은 스테이터(110)에 의해 야기되는 추진(416)에 의해 회전축(122) 주위에서 차동적으로 구동될 수 있고, 로터 블레이드(124, 126)는 피치 축에 대해 회전할 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 로터 블레이드(124, 126)가 회전함에 따라, 양력(402)이 생성될 수 있다. 캐스터 휠(508)(예를 들어, 고무, 나일론 캐스터 휠)은 스테이터(110)와 로터(120) 사이에 위치되어, 로터(120)가, 부상 시스템(360)으로부터의 부상과 결합될 때, 중력을 극복하여 로터(120)를 부상시키는 충분한 양력을 생성하는 속도 임계값 아래로 로터(120)가 회전할 때 로터(120)가 지지되고 스테이터(110)에 대해 계속 회전할 수 있게 할 수 있다. 캐스터 휠(508)은 스테이터(110)와 로터(120) 사이에서 연장되어 스테이터(110)와 로터(120)를 분리할 수 있다.
로터 블레이드(124, 126)는 복합 구조로 제조될 수 있다. 블레이드(124, 126)의 복합 섬유 외피는 블레이드(124, 126)의 원심력 및 굽힘 하중을 액슬(418)(예를 들어, 페더링 그립 액슬)로 전달할 수 있다. 일부 실시예에서, 액슬(418)은 로터 블레이드(124, 126)의 1차 굽힘 및 전단 모멘트를 보상하기 위해 황동 부싱을 포함할 수 있는 한 쌍의 추력 베어링(420)에 의해 원심 및 공기 역학적 부하에 대해 저항된다. 로터(120)는 블레이드 조립체(예를 들어, 각각의 블레이드(124, 126) 및 대응하는 액슬(418) 및 베어링(420)) 및 구동 자석(380)을 장착하는 박스 후프의 모듈식 조립체일 수 있는 지지 링(422)을 포함할 수 있다. 지지 링(422)은 자석(372, 374)을 유지하기 위해 중공 디스크 단부 플레이트(424)를 포함할 수 있다.
B. VTOL 플랫폼의 부상 및 안내 시스템 및 방법
추가로 도 3 내지 도 5 및 이제 도 6을 참조하면, VTOL 시스템(300)은 부상 및 안내 시스템(LGS)(360)을 포함하고, 이는 스테이터(110)가 VTOL 플랫폼(100)을 이동시키기 위해 로터(120)와 스테이터(110) 사이의 에어 갭을 가로질러 로터(120)로부터 양력을 받을 수 있게 하는 것을 포함하여, 스테이터(110)에 대한 로터(120)의 위치(및 배향)를 유지한다.
스테이터에 대한 로터의 부상을 유지하기 위한 시스템 및 방법
본 솔루션은 스테이터(예를 들어, 스테이터(110))에 대한 로터(예를 들어, 로터(120))의 부상을 유지할 수 있다. 스테이터가 로터를 구동하는 구현에서, 로터는 (예를 들어, 마찰을 제한하기 위해) 스테이터로부터 이격될 필요가 있을 수 있다. 본 명세서에 설명된 구현 및 실시예는 스테이터 및 로터가 지면에서 부상하는 경우에도 스테이터로부터 로터를 이격시킨다.
일부 실시예에서, 시스템은 로터 및 스테이터를 포함한다. 로터는 측벽 및 측벽의 2 개의 단부로부터 연장되는 2 개의 로터 벽을 포함하여, 2 개의 로터 벽은 서로 이격된다. 로터는 각각의 로터 벽과 결합된 제 1 및 제 2 로터 자석을 포함한다. 스테이터는 로터 벽 사이에서 연장되는 지지 구조물을 포함한다. 스테이터는 로터 자석(예를 들어, 제 1 로터 자석) 중 하나에 인접한 지지 구조물의 제 1 표면에 결합된 스테이터 자석(예를 들어, 제 1 스테이터 자석)을 포함한다. 제 1 로터 자석은 제 1 스테이터 자석과 제 1 로터 자석 사이의 거리에 대응하는 전류를 제 1 스테이터 자석에 유도한다. 스테이터는 제 2 로터 자석에 인접한 지지 구조물의 제 2 표면에 결합된 다른 스테이터 자석(예를 들어, 제 2 스테이터 자석)을 포함한다. 스테이터 자석은 제 2 스테이터 자석이 제 1 스테이터 자석으로부터 전류를 받도록 서로 전기적으로 결합된다. 제 2 스테이터 자석은 제 1 스테이터 자석으로부터의 전류에 기초하여 자기장 강도를 갖는 자기장을 출력한다. 제 2 스테이터 자석으로부터의 자기장은 적어도 하나의 제 2 스테이터 자석과 적어도 하나의 제 2 로터 자석 사이의 거리를 제어하기 위해 제 2 로터 자석과 상호 작용할 수 있다.
예를 들어, 여전히 도 3 내지 도 5 및 도 6을 참조하면, LGS(360)는 스테이터(110)에 대해 회전축(122)을 따라(예를 들어, 수직으로) 로터(120)의 위치를 유지할 수 있다. 예를 들어, LGS(360)는 제 1 자석(362) 및 대응하는 제 2 자석(364)을 통한 총 자속이 0이 되도록(예를 들어, LGS(360)는 널 플럭스 조건을 확립하도록) 수동 전자기 코일이고 전기적으로 결합된 복수의 제 1 자석(362) 및 복수의 제 2 자석(364)(여기서는 스테이터 자석이라고도 함)을 포함할 수 있다. 자석(362, 364)은 로터 벽(512, 514) 사이에서 연장되고 로터(120)의 측벽(516)에 인접하는 스테이터(110)의 지지 구조물(510)의 각각의 표면과 결합될 수 있다. 자석(362, 364)은 스테이터 축을 따라 배열될 수 있다.
로터(120)가 (예를 들어, 스테이터(110)의 지지 구조물에 결합된 자석(352)이 로터(120)의 측벽(516)에 결합된 자석(380)을 구동함으로 인해) 회전함에 따라, 블레이드(124, 126)는 양력(402)을 생성한다. LGS(360)는 로터(120)가 로터 축(122)을 따라 수직으로 이동함에 따라 제 1 자석(362)을 통해 양력을 받고, 양력을 스테이터 하우징(350)으로 전달하여, VTOL 플랫폼(100)이 들어 올려지게 한다. LGS(360)는 로터 축(122)에 수직인 방향으로 로터(120)의 위치를 안정화시킨다. 예를 들어, 로터(120)의 일부가 스테이터(110)에 가깝게 또는 이로부터 멀리 이동함에 따라, LGS(360)는 로터(120)를 다시 평형 위치로 당기거나 또는 밀 것이다.
로터(120)가 회전하고 로터 블레이드(124, 126)에 의해 생성된 양력(402)으로 인해 들어 올려짐에 따라, 로터(120)의 각각의 로터 벽(512, 514)과 결합된 자석(372, 374)(여기서는 로터 자석이라고도 함)은 자석(362, 364)에 각각의 힘을 가하는 자기장(410, 412)을 출력할 것이다. 자석(372, 374)은 영구 자석일 수 있다. 자석(372, 374)은 로터(120)의 회전축에 평행하게 연장되는 로터 축을 따라 배열될 수 있다. 일부 실시예에서, 자석(들)(372) 및 자석(들)(362)이 정렬될 수 있고, 자석(들)(374) 및 자석(들)(364)이 정렬될 수 있다. 일부 구현에서, 로터 축은 자석(362, 364, 372, 374) 각각이 정렬되도록 스테이터 축과 정렬될 수 있다.
자기장(410)과 관련된 힘의 크기는 제 3 자석(372)이 복수의 제 1 자석(362)에 가깝게 이동함에 따라 증가할 것이고, 한편 제 4 자석(374)이 제 2 자석(364)으로부터 더 멀리 이동함에 따라 자기장(412)의 크기는 감소할 것이다(또는 그 반대도 마찬가지이다). 로터 축(122)을 따른 로터(120)의 이동은, 로터(120)의 회전이 양력(402)을 초래할 때(이를 포함하지만 이에 제한되지 않음), VTOL 시스템(300)의 작동 동안 다양한 현상으로 인해 발생할 수 있다. 특히, 로터(120)의 회전이 양력(402)을 초래함에 따라, 로터(120)는 수직으로 구동되어, 스테이터(110)에 순 수직력을 가한다. 일부 실시예에서, 제 1 자석(362)이 제 2 자석(364)에 전기적으로 결합되기 때문에, 크기가 증가하는 자기장(410)으로 인해 제 1 자석(362)에서 유도된 전류는 (예를 들어, 널 플럭스 조건으로 인해) 제 2 자석(364)으로 구동될 것이며, 자기장(412)의 크기가 증가하게 하고, 차례로 제 4 자석(374)을 제 2 자석(364)에 더 가깝게 당겨서 이에 따라 로터 축(122)을 따라 스테이터(110)에 대한 로터(120)의 위치를 유지한다. LGS(360)에 의해 구현된 안정화와 관련된 반발력은 선형일 수 있어, 안정화 효과를 촉진할 수 있다.
스테이터에 대한 로터의 개선된 안내를 위한 시스템 및 방법
본 솔루션은 예를 들어 스테이터에 더 가깝게 또는 더 멀리 이동하는 로터에 응답하여 회전축(122)에 수직인 축을 따라 로터를 적절한 위치에 유지하기 위해, 스테이터에 대한 로터(예를 들어, 로터(120), 스테이터(110))의 개선된 안내를 가능하게 할 수 있다. 스테이터가 로터를 구동하는 구현에서, 로터는 (예를 들어, 원심력 및 구심력으로 인해) 회전 중에 측면으로 이동하는 경향을 가질 수 있다. 이러한 측면 이동의 결과로서, 로터 및 스테이터가 오정렬되어, 시스템이 오작동하거나 또는 심지어 작동 불능 상태가 될 수 있다. 본 명세서에 설명된 구현 및 실시예는 오정렬을 방지하기 위해 스테이터에 대한 로터의 위치를 유지한다.
일부 실시예에서, 시스템은 로터 및 스테이터를 포함한다. 로터는 측벽 및 측벽의 단부로부터 연장되는 로터 벽을 포함한다. 로터는 로터 벽과 결합된 로터 자석을 포함한다. 스테이터는 로터 벽에 인접한 지지 구조물을 포함한다. 스테이터는 제 1 스테이터 자석 및 제 2 스테이터 자석을 포함한다. 스테이터 자석은 로터 자석에 근접한 지지 구조물의 표면과 결합된다. 스테이터 자석은 서로 전기적으로 결합될 수 있다. 로터 자석은 제 1 스테이터 자석과 로터 자석 사이의 자기력에 대응하여 제 1 스테이터 자석에 전류를 유도할 수 있다. 제 2 스테이터 자석은 제 1 스테이터 자석으로부터 전류를 받아 제 2 스테이터 자석과 로터 자석 사이의 자기력을 제어할 수 있다.
도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 제 1 자석(362)(예를 들어, 스테이터 자석)은 한 쌍의 제 1 자석(362)을 포함하고, 하나의 제 1 자석(362a)은 반경 방향 내측에 그리고 하나의 제 1 자석(362b)은 반경 방향 외측에 있다. 제 2 자석(364)(예를 들어, 스테이터 자석)은 유사하게 내측 제 2 자석(364a) 및 외측 제 2 자석(364b)을 포함한다. 일부 실시예에서, 제 1 자석(362a)은 제 1 자석(362b)에 전기적으로 결합되고, 제 2 자석(364a)은 제 2 자석(364b)에 전기적으로 결합되어, 대응하는 자석(362, 364) 사이에서와 유사한 널 플럭스 조건을 가능하게 한다. 평형 위치에서, 자석(362a, 364a)은 상응하는 자석(372, 374)(예를 들어, 로터 자석)의 내측에 있고, 자석(362b, 364b)은 상응하는 자석(372, 374)의 외측에 있다. 로터(120)가 스테이터(110)쪽으로 이동하면, 자기장(376)의 크기가 변경되어 이동에 대응하도록 변경될 것이다. 예를 들어, 로터(120) 및 이에 따라 자석(372, 374)이 로터 축(122)을 향해 더 가깝게 이동함에 따라, 자석(372, 374)은 자석(362a, 364a)을 향해, 그리고 자석(362b, 364b)으로부터 더 멀리 이동할 것이다. 따라서, 자석(372, 374)과 자석(362a, 364a) 사이의 거리가 증가한다. 차례로, 자석(372)과 자석(362a) 사이의 제 1 자기장(604a)(예를 들어, 제 1 자기장(604a)의 자기력)의 크기가 증가할 것이고, 한편 자석(372)과 자석(362b) 사이의 제 2 자기장(604b)(예를 들어, 제 2 자기장(604b)의 자기력)의 크기는 감소할 것이다(마그넷(374) 및 자석(364a, 364b)에 대해서도 유사함). 자기장(604a)의 크기가 증가함에 따라, 전류는 자석(362a)에서 유도된다. 자석(362a, 362b)이 전기적으로 결합되기 때문에, 자석(362a, 362b) 사이의 유도 전류의 변화는 자석(372)의 이동을 방해할 것이며, 따라서 로터(120)를 평형 위치를 향해 다시 이동시킬 것이다. 자석(362a, 362b, 364a, 364b) 사이의 유도 전류는 자석(372, 374)과 자석(362a, 362b, 364a, 364b) 사이의 자기력을 제어하여 로터(120)를 평형 위치로 다시 이동시킬 수 있다.
C. VTOL 플랫폼을 제어하는 시스템 및 방법
이제 도 7 내지 도 9를 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 비행 제어기(700)가 도시되어 있다. 예를 들어 VTOL 플랫폼(예를 들어, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명된 VTOL 플랫폼(100))의 모션을 제어하기 위한 지시를 생성하기 위해, 비행 제어기(700)는 도 3을 참조하여 설명된 비행 제어기(316)의 특징을 포함할 수 있다. 예를 들면, 비행 제어기(700)는 VTOL 플랫폼의 추력, 요, 피치, 및 롤 이동(예를 들어, 추력, 요 축에 대한 힘의 모멘트, 플랫폼 피치 축에 대한 힘의 모멘트, 플랫폼 롤 축에 대한 힘의 모멘트)을 유발하는 명령을 생성할 수 있다.
자기 부상 로터의 구동 제어를 위한 시스템 및 방법
본 솔루션은 예를 들어 로터(120)가 양력을 발생시키게 하기 위해, VTOL 플랫폼(100)의 이동을 제어하기 위해 로터(120)의 작동을 제어하는데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 비행 제어기(700)는 비행 역학 모델(702)을 포함한다. 비행 역학 모델(702)은 VTOL 플랫폼(100)의 모션과 관련된 변수를 계산할 수 있다. 예를 들어, 비행 역학 모델(702)은 VTOL 플랫폼(100)에 작용하는 추력, 항력, 및 중력 간의 관계를 모델링할 수 있다. 비행 역학 모델(702)은 VTOL 플랫폼(100)에 작용하는 힘에 대응하는 양력을 계산할 수 있다. 비행 역학 모델(702)은 각 로터 블레이드의 피치 각도에 기초하여 각 로터 블레이드(예를 들어, 로터 블레이드(124, 126))에 의해 생성된 추력을 계산하는 함수를 포함할 수 있다; 유사하게, 비행 역학 모델(702)은 모든 로터 블레이드의 피치 각도에 기초하여 모든 로터 블레이드에 의해 생성된 총 추력(예를 들어, 총 추력의 크기 및 방향)을 계산할 수 있다.
비행 제어기(700)는 비행 역학 제어기(704)를 포함한다. 비행 역학 제어기(704)는 VTOL 플랫폼(100)이 원하는 이동을 수행하게 하는 제어 명령(708)을 생성하는데 사용되는 비행 역학 제어 법칙을 포함하여, 예를 들어 (예를 들어, 후술하는 바와 같이 모터 제어기(1000) 및 스테이터 시스템(1100)을 통해) 스테이터 자석(352)을 선택적으로 제어하여 로터 자석(380)과 상호 작용하는 각각의 자기장을 생성하여 양력을 생성하기 위해 회전축(122)에 대해 로터(120)를 회전시키고, 각각의 블레이드 축(440)에 대한 로터 블레이드(124, 126)의 각도를 제어하기 위해 로터 블레이드(124, 126)의 작동을 제어할 수 있다. 특히, 비행 역학 제어기(704)는 수직 명령(708a), 피치 명령(708b), 요 명령(708c), 및 롤 명령(708d)을 생성할 수 있다. 비행 역학 제어기(704)는 각 로터 블레이드의 피치 각도를 각 로터 블레이드에 의해 생성된 대응하는 추력에 매핑하고, 각 로터 블레이드의 추력을 결과적인 추력(예를 들어, 총 추력), 요, 피치, 및 롤에 매핑함으로써 명령(708a, 708b, 708c, 708d)을 생성할 수 있다. 비행 역학 제어기(704)는 요 축에 대한 힘의 모멘트에 대한 명령(708b), 피치 축에 대한 힘의 모멘트에 대한 명령(708c), 및 롤 축에 대한 힘의 모멘트에 대한 명령(708d)을 생성할 수 있다.
비행 역학 제어기(704)는 VTOL 플랫폼(100)의 원하는 수직 모션을 표시하기 위해 수직 명령(708a)을 생성할 수 있다. 예를 들어, 비행 역학 제어기(704)는 VTOL 플랫폼(100)에 의해 달성될 원하는 양력을 표시하기 위해 수직 명령(708a)을 생성할 수 있다.
비행 역학 제어기(704)는 수직 가속도를 생성하기 위해 집합적 로터 피치 제어를 실행하기 위한 수직 명령(708a)을 생성할 수 있어, 상부 및 하부 로터 디스크(예를 들어, 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 로터 블레이드(124)에 대응하는 상부 디스크, 로터 블레이드(126)에 대응하는 하부 디스크)는 VTOL 플랫폼(100)의 중심에서 요 토크를 무효화하기 위해 추력을 동일하게 증가 또는 감소시킬 수 있다. 비행 역학 제어기(704)는 회전축(122)에 대한 각 로터 블레이드(124, 126)의 각도 위치와 무관하게, 각각의 로터 블레이드(124, 126)의 피치 각도를 집합적으로 변경함으로써 추력을 제어하는 수직 명령(708a)을 생성할 수 있다.
예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 비행 역학 제어기(704)는 로터 블레이드(800)(예를 들어, 로터 블레이드(124) 또는 로터 블레이드(126)의 구현을 예시함)가 로터 축(806)에 평행한 개별 추력(802)을 발생시키는 피치 각도를 갖게 할 수 있어, 로터 축(806)에 평행한 총 추력(804)이 발생한다. 도 8은 로터 블레이드(800) 중 하나에 대해 도시된 피치 축(808)과 같은, 각각의 피치 축에 대해 동일한 피치 각도를 갖는 각각의 로터 블레이드(800)를 예시한다.
방향 제어를 달성하기 위해 로터 조립체의 로터 블레이드의 독립적인 피치 제어를 위한 시스템 및 방법
본 솔루션은 각 로터 블레이드(800)의 피치를 독립적으로 제어하는데 사용될 수 있으며, VTOL 플랫폼의 방향 제어(예를 들어, 추력, 피치, 요, 롤 제어)를 가능하게 한다. 예를 들어, 비행 역학 제어기(704)는 VTOL 플랫폼(100)의 피치 및 롤을 제어하기 위해 주기적 로터 피치 제어를 실행할 수 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 비행 역학 제어기(704)는 제 1 로터 블레이드(900)가 나머지 로터 블레이드(900)보다, 특히 제 1 로터 블레이드(900)에 대향하는 로터 블레이드(900)의 더 작은 추력(902b)보다 더 큰 추력(902a)에 대응하는 피치를 갖게 할 수 있고, 로터 축(906)에 대해 수평 성분을 갖는 총 추력(904)을 생성하고, 더 많은 양의 추력에 대응하는 수평 성분이 제 1 로터 블레이드(900)가 위치되는 로터 축(906)의 제 1 측면에서 생성된다. 도 11 내지 도 12를 참조하여 설명되는 바와 같이, 로터 블레이드(900)가 로터 축(906)에 대해 회전함에 따라, 비행 역학 제어기(704)는 선택적으로 각 로터 블레이드(900)가 로터 블레이드(900)의 위치의 함수로서 원하는 피치 각도를 달성하게 할 수 있다. 예를 들어, 원하는 시간 동안 도 9에 도시된 총 추력(904)을 달성하기 위해, 비행 역학 제어기(704)는 로터 블레이드(900)가 로터 축(906)에 대해 회전함에 따라 각각의 로터 블레이드(900)가 도 9에 도시된 다양한 피치 각도를 통해 그 피치 각도를 변경하게 하는 명령을 생성할 수 있다. 여기에서 더 논의된 바와 같이, 각 로터 블레이드(900)의 피치 각도는 예를 들어, 로터 블레이드(900)를 회전시키기 위해 로터 블레이드(900)와 결합된 모터 또는 로터 블레이드(900)를 회전시키기 위해 스테이터 자석에 의해 구동될 수 있는 로터 블레이드(900)와 결합된 로터 자석과 같은 다양한 메커니즘을 통해 제어될 수 있다.
일부 실시예에서, 비행 역학 제어기(704)는 제어 명령(708)을 생성하기 위해 조작자 입력(706)(도 3을 참조하여 설명된 사용자 인터페이스(340)로부터 수신될 수 있음)을 사용한다. 예를 들어, 비행 역학 제어기(704)는 제어 명령(708)을 생성하기 위해 조작자 입력에 의해 표시된 이동 지시를 추출할 수 있다. 일부 실시예에서, 비행 역학 제어기(704)는 자동 조종 장치를 사용하여 제어 명령(708)을 생성한다. 예를 들어, 자동 조종 장치는 비행 계획 상의 경유지와 같은 목표 목적지를 비행 역학 제어기(704)에 제공할 수 있다. 자동 조종 장치는 VTOL 플랫폼(100)이 따라갈 경로(예를 들어, 복수의 경유지를 통과하는 경로)를 정의하기 위해 시간이 지남에 따라 복수의 목표 목적지를 제공할 수 있다.
비행 역학 제어기(704)는 제어 명령(708)을 생성하기 위해 비행 역학 모델(702)을 사용할 수 있다. 예를 들어, 비행 역학 제어기(704)는 비행 역학 모델(702)을 사용하여, 로터 블레이드의 피치 각도가 주어진 경우 로터(120)에 의해 생성될 것으로 예상되는 양력을 계산할 수 있다. 비행 역학 제어기(704)는 원하는 이동을 나타내는 지시(예를 들어, 특정 수직 속도 및 대기 속도에서 더 높은 고도로 원하는 이동을 나타내는 조작자 입력을 통해 추출된 지시)를 변환하기 위해 비행 역학 제어 법칙을 실행할 수 있고, 원하는 이동을 달성할 것으로 예상되는 양력, 요, 피치, 및/또는 롤을 생성하기 위해 로터 블레이드(900)의 작동을 제어하는 방법을 결정하기 위해 비행 역학 모델(702)을 사용한다.
비행 역학 제어기(704)는 제어 명령(708)을 제 1 네트워크(710)에 출력한다. 제 1 네트워크(710)는 CAN(controller area network) 버스, LIN(Local Interconnect Network) 버스, 또는 PJON(padded jittering operative network) 네트워크와 같은 통신 버스일 수 있다. 제 1 네트워크(710)는 마이크로 제어 스택 네트워크 스택 프로토콜을 사용하여 동작할 수 있다.
이제 도 10을 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 모터 제어기(1000)가 도시되어 있다. 모터 제어기(1000)는 예를 들어 VTOL 플랫폼의 스테이터(예를 들어, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명된 스테이터(110) 및 VTOL 플랫폼(100))의 작동을 제어하기 위한 전자 지시를 생성하도록, 도 3을 참조하여 설명된 모터 제어기(318)의 특징을 포함할 수 있다.
모터 제어기(1000)는 적어도 하나의 모터 제어 회로(1002)를 포함한다. 예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 모터 제어기(1000)는 제 1 모터 제어 회로(1002a), 제 2 모터 제어 회로(1002b), 및 제 3 모터 제어 회로(1002c)를 포함한다. 적어도 하나의 모터 제어 회로(1002)는 제 1 네트워크(710)로부터 제어 명령(예를 들어, 도 7을 참조하여 설명된 제어 명령(708))을 수신할 수 있고, 제 2 네트워크(1006)를 통해 스테이터(110)로 출력될 모터 제어 신호(1004)를 생성한다. 제 2 네트워크(1006)는 제 1 네트워크(710)와 유사할 수 있다.
예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 제 1 모터 제어 회로(1002a)는 제 1 모터 제어 신호(1004a)를 출력할 수 있고, 제 2 모터 제어 회로(1002b)는 제 2 모터 제어 신호(1004b)를 출력할 수 있으며, 제 3 모터 제어 회로(1002c)는 제 3 모터 제어 신호(1004c)를 출력할 수 있다. 일부 실시예에서, 모터 제어 회로(1002)의 개수는 스테이터(110)의 자석의 동작의 위상의 개수에 대응하고; 예를 들어, 도 10에 도시된 모터 제어기(1000)는 3상 작동으로 구성될 수 있다. 모터 제어기(1000)는 스테이터(110)의 동기 제어를 실행할 수 있으며, 예를 들어 정격 최대 부하 미만인 임의의 부하 조건에 대해, 모터 제어 신호(1004)의 소스 주파수를 유지함으로써 로터(120)의 일정한 회전 속도를 유지할 수 있다.
도 11을 참조하여 더 설명되는 바와 같이, 적어도 하나의 모터 제어 회로(1002)는 모터 제어 신호(1004)를 생성하여, 로터(120)의 자석의 결과적인 모션을 야기하기 위해 스테이터(110)의 전자석에 특정 파형이 인가되게 할 수 있다. 모터 제어기(1000)는 제 3 네트워크(1008)로부터 위치 신호(1010)를 수신하는 위치 인코더(1004)를 포함한다. 제 3 네트워크(1008)는 제 1 네트워크(710) 및 제 2 네트워크(1006)와 유사할 수 있다.
위치 신호(1010)는 로터(120)의 자석의 위치를 나타내며, 위치 인코더(1004)는 이를 위치 데이터로 변환할 수 있으며, 적어도 하나의 모터 제어 회로(1002)는 이 위치 데이터를 사용하여 제어할 스테이터(110)의 전자석(및 이에 따라 스테이터(110)의 전자석에 인가될 파형을 생성하는 방법)을 결정할 수 있다 .
로터의 회전 속도를 제어하기 위해 독립적 스테이터 코일을 동적으로 트리거하기 위한 시스템 및 방법
이제 도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스테이터 시스템(1100)이 도시된다. 스테이터 시스템(1100)은 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명된 스테이터(110)의 특징을 포함할 수 있다. 스테이터 시스템(1100)은 각각 3상 제어 방식의 하나의 양태를 실행할 수 있는 자석 제어기(1102a, 1102b, 1102c)와 같은 적어도 하나의 자석 제어기(1102)를 포함한다. 적어도 하나의 자석 제어기(1102)는 제 2 네트워크(1006)로부터 모터 제어 신호(1004)를 수신한다. 예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이, 제 1 자석 제어기(1102a)는 제 1 모터 제어 신호(1004a)를 수신하고, 제 2 자석 제어기(1102b)는 제 2 모터 제어 신호(1004b)를 수신하고, 제 3 자석 제어기는 제 3 모터 제어 신호(1004c)를 수신한다. 스테이터 시스템(1100)은 회전축(122)에 대해 원하는 회전 속도로 로터(110)를 회전시키는데 사용될 수 있는 자기장을 출력하기 위해 스테이터(110)의 전자석(예를 들어, 스테이터 코일) 또는 전자석의 그룹을 독립적으로 트리거하는데 사용될 수 있다.
스테이터 시스템(1100)은 복수의 전자석(예를 들어, 전자기 코일)을 포함한다. 도 11은 9 쌍의 전자석(1110, 1112; 1114, 1116; 1118, 1120; 1122, 1124; 1126, 1128; 1130, 1132; 1134, 1136; 1138, 1140)을 도시한다. 각 쌍의 전자석은 도 4에 도시된 바와 같이 대응하는 스테이터 레일(404 또는 408)에 제공될 수 있다. 예를 들어, 전자석(1110, 1114, 1118, 1122, 1126, 1130, 1134, 1138 및 1142)은 스테이터 레일(404)에 제공될 수 있으며, 전자석(1112, 1116, 1120, 1124, 1128, 1132, 1136, 1140, 1144)는 스테이터 레일(408)에 제공될 수 있다. 도 11은 3 개의 자석 제어기(1102a, 1102b, 1102c)에 의해 제어되는 9 쌍의 전자석을 포함하는 스테이터 시스템(1100)을 도시하지만, 스테이터 시스템(1100)은 자석 제어기 및 전자석의 추가 모듈을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다 - 예를 들어, 스테이터 시스템(1100)은 스테이터 시스템(1100)이 회전축(122) 주위의 모두로부터 로터(120)를 구동할 수 있게 하는 자석 제어기 및 전자석의 원주 형 링을 포함할 수 있다.
제 1 자석 제어기(1102a)는 전자석(1110, 1112; 1122, 1124; 및 1134, 1136)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들면, 제 1 자석 제어기(1102a)는 개별 자석 제어 신호를 각각의 전자석(1110, 1112; 1122, 1124; 및 1134, 1136)에 송신할 수 있다. 일부 실시예에서, 스테이터 시스템(1100)은 전자석(1110)에 결합된 제 1 액추에이터(1142) 및 전자석(1112)에 결합된 제 2 액추에이터(1144)를 포함한다. 제 1 액추에이터(1142) 및 제 2 액추에이터(1144)는 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)와 같은 스위치 회로를 사용하여 구현될 수 있다. 스테이터 시스템(1100)은 (도 11에 도시된 바와 같이) 각각의 전자석에 결합된 액추에이터를 포함할 수 있다.
적어도 하나의 자석 제어기(1102)는 수신된 모터 제어 신호(1004)에 기초하여 출력된 자석 제어 신호의 전류 또는 전압 중 적어도 하나를 제어하기 위해 예를 들어 수신된 모터 제어 신호(1004)에 기초하여 펄스 폭 변조(PWM)를 실행함으로써 전자석의 작동을 제어하기 위해 자석 제어 신호를 송신할 수 있다. 예를 들어, PWM을 사용하여 제어 신호의 듀티 사이클을 증가시킴으로써, 적어도 하나의 자석 제어기(1102)는 전자석이 상대적으로 더 큰 전계 강도를 갖는 자기장을 출력하게 할 수 있다. 제 1 자석 제어기(1102a)는 제 1 액추에이터(1142)가 전자석(1110)을 통해 제 1 전기 신호를 구동하게 하기 위해 제 1 자석 제어 신호를 송신할 수 있어, 전자석(1110)이 대응하는 제 1 자기장을 출력하게 하고, 제 2 액추에이터(1142)가 전자석(1112)을 통해 제 2 전기 신호를 구동하여 대응하는 제 2 자기장을 출력하게 하도록 제 2 자석 제어 신호를 송신할 수 있다. 자석 제어기(1102)가 (예를 들어, 전자석으로부터 출력된 자기력에 기초하여, 자기장을 출력하는 전자석 사이의 스위칭 레이트 등에 기초하여) 전자석을 제어함에 따라, 자석 제어기(1102)는 스테이터(110)에 대한 로터(120)의 회전 속도를 제어할 수 있다. 스위칭 레이트는 각각의 전자석을 통해 구동되는 전류 속도 또는 적어도 하나의 자석 제어기(1102)에 의해 출력되는 펄스 속도에 대응할 수 있다. 자석 제어기(1102)는 각각의 자기장을 생성하기 위해 전자석이 순차적으로 여기되는 속도를 변경함으로써 스위칭 레이트를 수정할 수 있다. 자석 제어기(1102)는 전류를 증가시키고, 듀티 사이클을 증가시키는 등에 의해 (예를 들어, 각각의 자기장의 자기장 강도의 크기에 기초하여) 자기력을 수정할 수 있다. 예를 들어, 자기 제어기(1102)는 회전 속도를 증가시키기 위해 자기력을 증가시킬 수 있고, 회전 속도를 증가시키기 위해 스위칭 레이트를 증가시킬 수 있고, 다른 방법도 가능하다. 회전 속도를 증가시킴으로써, 로터 블레이드(124, 126)는 더 많은 양력을 생성할 수 있다. 일부 실시예에서, 자석 제어기(1102a)는 제 1 스위칭 레이트에서 전자석(1110, 1112; 1122, 1124; 및 1134, 1136)을 제어할 수 있고, 제 2 자석 제어기(1102b)는 제 1 스위칭 레이트와 다른 제 2 스위칭 레이트에서 전자석(1114, 1116; 1126, 1128; 및 1138, 1140)을 제어할 수 있다.
제 2 자석 제어기(1102b)는 전자석(1114, 1116; 1126, 1128; 및 1138, 1140)의 작동을 제어할 수 있다. 예를 들면, 제 2 자석 제어기(1102b)는 개별 자석 제어 신호를 각각의 전자석(1114, 1116; 1126, 1128; 및 1138, 1140)에 송신할 수 있다. 제 3 자석 제어기(1102c)는 전자석(1118, 1120; 1130, 1132; 및 1142, 1144)의 작동을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제 3 자석 제어기(1102c)는 개별 자석 제어 신호를 각각의 전자석(1118, 1120; 1130, 1132; 및 1142, 1144)으로 송신할 수 있다. 자석 제어기(1102)가 (예를 들어, 전자석에서 출력된 자기력에 기초하여, 자기장을 출력하는 전자석 사이의 스위칭 레이트 등에 기초하여) 전자석을 제어함에 따라, 자석 제어기(1102)는 스테이터(110)에 대한 로터(120)의 회전 속도를 제어할 수 있다. 자석 제어기(1102)는 각각의 자기장을 생성하기 위해 전자석이 순차적으로 여기되는 속도를 변경함으로써 스위칭 레이트를 수정할 수 있다. 예를 들어, 자기 제어기(1102)는 회전 속도를 증가시키기 위해 자기력을 증가시킬 수 있고, 속도를 증가시키기 위해 스위칭 레이트를 증가시킬 수 있고, 다른 방법도 가능하다. 속도를 증가시킴으로써, 로터 블레이드(124, 126)는 더 많은 양력을 생성할 수 있다.
로터 블레이드의 피치를 제어하기 위해 독립적인 스테이터 코일을 동적으로 트리거하기 위한 시스템 및 방법
본 솔루션은 스테이터 시스템(1100)의 전자석 또는 전자석의 그룹의 작동을 독립적으로 트리거하고 제어하며, 차례로 로터(120) 및 그 자석과 상호 작용하는 전자석에 의해 출력되는 각각의 자기장을 제어함으로써, 로터 블레이드(1164)의 피치 각도를 제어하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 자석 제어기(1102)는 원하는 자기장을 출력하기 위해 스테이터 시스템(1100)의 전자석을 선택적으로 제어하는 듀티 사이클, 크기, 스위칭 레이트 또는 다른 파라미터를 갖는 제어 신호를 출력할 수 있다. 도 11에 도시된 구성에서, 제 3 자석 제어기(1102c)는 전자석(1120)이 전자기장(1152)을 출력하게 하는 자석 제어 신호를 출력한다. 제 3 자석 제어기(1102c)는 예를 들어 제 1 로터 자석(1160)의 대응하는 래깅-측(lagging-side) 극을 밀어내도록 전자기장(1152)의 크기 및 극성을 타이밍함으로써, 제 1 로터 자석(1160)(예를 들어, 도 4 내지 도 5에 도시된 바와 같이 로터 블레이드(124)와 상호 작용하는 2 개의 로터 자석(380) 중 하부 로터 자석)을 밀어내도록 전자기장(1152)을 구성한다. 제 2 자석 제어기(1102b)는 예를 들어 제 1 로터 자석(1160)의 대응하는 리딩-측 극을 끌어당기도록 전자기장(1154)의 크기 및 극성을 타이밍함으로써, 전자석(1128)이 제 1 로터 자석(1160)을 끌어당기도록 구성된 전자기장(1154)을 출력하게 하도록 자석 제어 신호를 출력한다. 이와 같이, 스테이터 시스템(1100)은 출력된 자기장의 타이밍, 크기, 및/또는 극성을 제어함으로써 방향(1170)을 따라 원하는 속도로 제 1 로터 자석(1160)을 구동할 수 있다. 유사하게, 도 11에 도시된 구성에서, 제 1 자석 제어기(1102a)는 전자석(1122)이 전자기장(1156)을 출력하여 제 2 로터 자석(1162)의 래깅-측 극을 밀어내게 하도록 자석 제어 신호를 출력하고, 제 3 자석 제어기(1102c)는 전자석(1130)이 제 2 로터 자석(1162)의 리딩-측 극을 끌어당기기 위해 전자기장(1158)을 출력하게 하도록 자석 제어 신호를 출력하고, 이에 따라 방향(1170)을 따라 원하는 속도(제 1 로터 자석(1160)이 구동되는 속도와 다를 수 있음)로 제 2 로터 자석(1162)을 구동한다.
로터 블레이드(1164)는 제 1 및 제 2 로터 자석(1160, 1162)에 결합되어, 이에 따라 제 1 및 제 2 로터 자석(1160, 1162)의 이동에 의해 방향(1170)을 따라 구동될 수 있다. 이와 같이, 스테이터 시스템(1100)은 로터 블레이드(1164)가 구동되는 속도 및 로터 블레이드(1164)가 배향되는 피치 각도에 기초하여 원하는 양력을 생성할 수 있다. 도 12를 참조하여 더 설명되는 바와 같이, 스테이터 시스템(1100)은 (모터 제어기(1000)로부터 수신된 모터 제어 신호(1004)에 기초하여) 제 1 및 제 2 로터 자석(1162, 1164)을 서로에 대해 선택적으로 래깅 및 리딩하여 로터 블레이드(1164)의 피치 각도를 조정하여, 양력, 요, 피치, 및 롤 제어를 가능하게 할 수 있다. 또한, 스테이터 시스템(1100)은 각 쌍의 로터 자석(1160, 1162)에 인가되는 조합된 인력 및 반발력으로 인해 로터 자석(1160, 1162)과의 동기화를 유지할 수 있다.
로터 자석(1160, 1162)이 방향(1170)을 따라 구동될 때, 적어도 하나의 자석 제어기(1102)는 수신된 모터 제어 신호(1004)를 계속 사용하여 전자석(도시된 전자석(1110, 1112; 1114, 1116; 1118, 1120; 1122, 1124; 1126, 1128; 1130, 1132; 1134, 1136; 1138, 1140)을 포함함)을 선택적으로 활성화할 수 있고, 따라서 스테이터 시스템(1100)에 대한 완전한 회전에 걸쳐 로터 자석(1160, 1162)을 구동할 수 있다.
스테이터 시스템(1100)은 위치 인코더(1104)를 포함한다. 위치 인코더(1104)는 제 3 네트워크(1008)를 통해 각각의 로터 블레이드(예를 들어, 로터 블레이드(1164))의 위치를 나타내는 위치 신호를 모터 제어기(1000)의 위치 인코더(1004)로 송신할 수 있어, 모터 제어기(1000)는 스테이터 시스템(1100)으로 송신하도록 적절한 모터 제어 신호(1004)를 생성하기 위해 각각의 로터 블레이드의 위치를 사용할 수 있다. 위치 인코더(1004)는 전체 둘레 방향 작동을 가능하게 하기 위해 도 11에 도시된 스테이터 시스템(1100)의 구성이 스테이터(110)에 걸쳐 분포될 수 있는 것과 유사한 방식으로 스테이터(110)에 걸쳐 분포될 수 있다.
위치 인코더(1104)는 역기전력(back EMF) 인코더를 포함할 수 있고, 이는 스테이터 시스템(1100)의 각 전자석의 역 EMF를 측정하고, 측정된 역 EMF에 기초하여 로터 자석(1160, 1162) 및 이에 따라 로터 블레이드(1164)의 위치를 결정한다. 예를 들어, 각각의 모터 제어 상태에서, 위치 인코더(1104)는 스테이터 시스템(1100)의 무-전력 전자석의 분산된 선택의 역 EMF를 검출할 수 있다; 각각의 전자석에서 전압 신호의 제로 크로싱은 전자석 코일의 중심을 통한 대응하는 로터 자석(1160, 1162)의 통과를 나타낼 수 있다. 모터 제어기(1000)의 위치 인코더(1104) 및/또는 위치 인코더(1004)는 칼만 필터(Kalman filter)와 결합된 고분해능의 로터 자석 위치를 사용하여 다수의 블레이드에 대한 블레이드 위치/피치의 고속 측정 및 예측을 생성할 수 있어, 매우 정확한 타이밍으로 모터 제어 신호(1004)를 생성할 수 있다.
가변 블레이드 피치 제어를 위한 시스템 및 방법
본 솔루션은 로터 블레이드(예를 들어, 로터 블레이드(124, 126, 1164))의 피치의 독립적이고 가변적인 블레이드 피치 제어를 위한 다양한 솔루션을 가능하게 할 수 있어, 로터 블레이드의 개별적 및 집합적 피치(예를 들어, 피치 각도)에 기초하여 VTOL 플랫폼(100)의 방향 제어를 허용한다. VTOL 플랫폼(100)이 차량으로 사용되는 구현에서, VTOL 플랫폼(100)을 상이한 방향으로 이동하는 것이 바람직할 수 있다. 본 명세서에 설명된 시스템 및 방법은 로터 및 이에 따라 VTOL 플랫폼(100)의 전체적으로 원하는 이동을 달성하기 위해 로터 블레이드의 피치 각도를 수정할 수 있다.
일부 실시예에서, 시스템은 로터 및 스테이터를 포함한다. 로터는 하나 이상의 제 1 스테이터 코일과 정렬된 제 1 로터 자기 구성 요소를 포함한다. 로터는 하나 이상의 제 2 스테이터 코일과 정렬되고 제 1 로터 자기 구성 요소에 인접한 제 2 로터 자기 구성 요소를 포함한다. 로터는 제 1 로터 자기 구성 요소와 제 2 로터 자기 구성 요소를 연결하는 아암을 포함한다. 아암의 제 1 아암 단부는 제 1 로터 자기 구성 요소와 결합되고, 아암의 제 2 아암 단부는 제 2 로터 자기 구성 요소와 결합되어, 제 2 로터 자기 구성 요소에 인가된 제 2 자기력에 대한 제 1 로터 자기 구성 요소에 인가된 제 1 자기력에 기초하여 변화하는 아암 각도를 함께 정의한다. 로터는 아암에 고정된 제 1 로터 블레이드를 포함하고, 제 1 로터 블레이드는 블레이드 피치 축을 따라 아암으로부터 연장된다. 제 1 로터 블레이드는 블레이드 피치 각도가 아암 각도에 대응하는 블레이드 피치 축에 대한 블레이드 피치 각도를 정의한다. 스테이터는 제 1 로터 자기 구성 요소를 구동하는 적어도 제 1 자기장 및 제어 신호(들)에 응답하여 제 2 로터 자기 구성 요소를 구동하는 제 2 자기장을 출력하도록 구성된 복수의 전자석을 포함한다. 제어 신호(들)는 블레이드 피치 각도를 제어하기 위해 제 1 자기장이 제 1 로터 자기 구성 요소에 제 1 자기력을 인가하고 제 2 자기장이 제 2 자기 구성 요소에 제 2 자기력을 인가하게 한다.
일부 실시예에서, 시스템은 로터, 및 회전축에 대해 로터를 회전시키는 스테이터를 포함한다. 로터는 회전축을 정의하고 스테이터 주위에 배열된 복수의 로터 세그먼트를 포함하는 환형 로터 베이스를 포함한다. 각각의 로터 세그먼트는 회전축에 수직인 블레이드 피치 축에 대해 회전되도록 구성된 제 1 로터 블레이드를 포함한다. 로터 세그먼트는 전력 수신기 회로를 포함한다. 로터 세그먼트는 블레이드 피치 축에 대해 제 1 로터 블레이드를 회전시키기 위해 전력 수신기 회로를 통해 받은 전력을 사용하여 회전하는 모터를 포함한다. 로터 세그먼트는 제어 신호에 응답하여 블레이드 피치 축에 대해 제 1 로터 블레이드를 회전시키기 위해 모터에 모터 신호를 제공하는 모터 제어기를 포함한다. 로터 세그먼트는 제어 신호를 수신하고 제어 신호를 모터 제어기에 제공하는 제 1 무선 송수신기를 포함한다. 스테이터는 제어 명령을 수신하고 제어 명령에 기초하여 제 1 무선 송수신기에 제어 신호를 무선으로 송신하는 제 2 무선 송수신기를 포함한다. 스테이터는 전력 수신기 회로에 전력을 제공하기 위해 전력 수신기 회로와 상호 작용하는 자기장을 출력하는 전력 송신기 회로를 포함한다.
이제 도 12를 참조하면, 본 개시의 실시예에 따른 로터 제어 시스템(1200)이 도시된다. 로터 제어 시스템(1200)은 마찰 없는 블레이드 피치 제어를 가능하게 할 수 있고, 본 솔루션에 의해 달성된 폼 팩터에 전통적인 피치 제어 접근법을 적용함으로써 발생할 수 있는 어려움들을 회피할 수 있다. 예를 들어, 기존 시스템은 일반적으로 방향 제어 입력을 로터 피치 제어 장치로 전송하기 위해 스와시 플레이트를 사용한다. 그러나, 비슷한 회전 속도로 회전하는 더 큰 반경에 적용되면, 링의 허브의 반경 속도가 훨씬 더 클 수 있으며, 이는 훨씬 더 큰 마찰 손실을 초래할 수 있으며, 피로 강도에서 반복 하중을 지지하기 위해 더 많은 재료가 필요하여 더 큰 베어링 솔루션이 더 크게 강화되고, 복잡한 냉각 방법이 필요할 수 있고, 많은 양의 마모 및 더 많은 유지 보수가 발생할 수 있고, 그리고 달리 환형 및 전기 모터 구성에 의해 달성될 수 있는 개선된 소음 성능을 경감시킬 수 있는 고속 베어링의 반복 하중으로 인한 기계적 소음이 증가할 수 있다. 로터 제어 시스템(1200)은 에어 갭을 가로질러 제어된 전자기장을 사용하여 로터 블레이드 회전을 구동함으로써 이러한 어려움을 회피할 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 로터 제어 시스템(1200)은 제 1 로터 자석(1160)을 지지하는 제 1 (예를 들어, 상부) 자석 부재(1202), 및 제 2 로터 자석(1162)을 지지하는 제 2 (예를 들어, 하부) 자석 부재(1204)를 포함한다. 제 1 자석 부재(1202)는 아암(1206)에 의해 제 2 자석 부재(1204)에 결합된다. 로터 블레이드(예를 들어, 도 11을 참조하여 설명된 로터 블레이드(1164))가 아암(1206)에 고정되어, 아암(1206)이 자석 부재(1202, 1204)의 이동 방향(1208)에 수직인 피치 축(도 12에 도시된 도면 내로 연장됨)에 대해 회전할 때(이동 방향(1208)은 로터 축(예를 들어, 도 2에 도시된 회전축(122)에 대한 것임), 로터 블레이드의 피치 각도(1210)는 변할 것이다.
상부 스테이터 레일(404)의 전자석은 제 1 모터 자석(1160)에 제 1 힘을 가하는 제 1 전자기장을 출력하여, 제 1 자석 부재(1202)가 방향(1211)으로 전방으로 구동되게 한다. 제 1 힘은 상부 스테이터 레일(404)(도 11을 참조하여 설명됨)의 전자석을 통해 구동되는 전류뿐만 아니라 상부 스테이터 레일(404)과 제 1 모터 자석(1160) 사이의 공간적 관계에도 의존할 것이다. 유사하게, 하부 스테이터 레일(408)의 전자석은 제 2 자석 부재(1204)를 방향(1212)으로 전방으로 구동시키기 위해 제 2 로터 자석(1162)에 제 2 힘을 인가하는 제 2 전자기장을 출력한다. 자석 부재(1202, 1204)의 초기 위치 및 제 1 및 제 2 힘의 크기에 기초하여, 자석 부재(1202, 1204)는 위치로 이동하여, (예를 들어, 자석 부재(1202, 1204)의 단부에서 평면(1214, 1216)으로부터 측정될 때) 자석 부재(1202, 1204) 사이의 래그/리드 거리(lag/lead distance)(1218)를 발생시킬 것이다. 래그/리드 거리(1218)는 아암(1206)이 자석 부재(1202, 1204)에 고정될 때 피치 각도(1210)에 대응하고, 래그/리드 거리(1218)가 변화함에 따라 회전할 것이다.
다양한 실시예에서, 스테이터(예를 들어, 스테이터(110), 스테이터 시스템(1100))가 로터 자석(1160, 1162)에 인가하는 전자기장의 동기화 힘은 스테이터의 최대 구동력과 크기가 대략 동일할 수 있다. 따라서, 로터 제어 시스템(1200)은 스테이터 및 대응하는 자석 부재(1202, 1204)(예를 들어, 로터 자석(1160, 1162))가, 위상 사이에서 개별 자석 부재(1202, 1204)에 대한 스테이터의 최소 선형 구동력이 다음 힘들: 로터 블레이드(예를 들어, 로터 블레이드(1164))에 대한 피크 블레이드 항력, 로터 블레이드의 1/4 코드에 대한 피크 공기 역학적 피칭 모멘트의 반력, 및 과속 작동 시 최대 주기적 피치 설정에서 로터 블레이드의 페더링 축에 대한 최대 블레이드 회전 관성의 반력의 최대 조합보다 클 정도로 충분히 큰 스테이터 레일(404, 408)과 자석 부재(1202, 1204) 사이의 에어 갭을 가로질러 이동하는 전자기장을 생성하도록 크기가 설정되는 방식으로 구성된다. 이러한 다양한 실시예에서, 너무 적은 블레이드가 각각의 로터 블레이드 허브에 장착된 대형 자석 어레이로 이어질 수 있고, 너무 많은 로터 블레이드가 증가된 중량으로 이어질 수 있기 때문에, 이러한 팩터에 기초하여 로터 블레이드의 개수가 선택될 수 있다.
이제 도 13을 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 VTOL 플랫폼의 작동을 제어하기 위한 방법(1300)이 도시된다. 본 방법(1300)은 VTOL 플랫폼(100), VTOL 시스템(300), 비행 제어기(700), 모터 제어기(1000), 스테이터 시스템(1100), 및 로터 제어 시스템(1200)을 포함하는 본 명세서에 개시된 다양한 시스템 및 구성 요소를 사용하여 구현될 수 있다.
1305에서, VTOL 플랫폼의 비행 제어기는 VTOL 플랫폼의 원하는 이동을 나타내는 이동 지시를 수신한다. 작동 지시는 사용자 입력을 수신하도록 구성된 사용자 인터페이스로부터 수신될 수 있다. 작동 지시는 자동 조종 장치로부터 수신될 수 있다; 예를 들어, 원하는 이동은 비행 계획의 경유지를 향한 이동으로 표시될 수 있다.
1310에서, 비행 제어기는 원하는 이동에 기초하여 하나 이상의 비행 제어 명령을 생성한다. 비행 제어기는 비행 역학 모델을 사용하여 하나 이상의 비행 제어 명령을 생성할 수 있다. 예를 들어, 비행 역학 제어기는 비행 역학 모델을 사용하여, VTOL 플랫폼의 로터 블레이드의 피치 각도가 주어진 경우, VTOL 플랫폼의 로터에 의해 생성될 것으로 예상되는 양력을 계산할 수 있다. 비행 역학 제어기는 비행 역학 제어 법칙을 실행하여, 원하는 이동을 나타내는 지시(예를 들어, 특정 수직 속도 및 대기 속도에서 더 높은 고도로의 원하는 이동을 나타내는 조작자 입력을 통해 추출된 지시)를 변환할 수 있고, 비행 역학 모델을 사용하여, 원하는 이동을 달성하기 위해 예상되는 양력, 요, 피치, 및/또는 롤을 생성하기 위해 로터 블레이드의 작동을 제어하는 방법을 결정한다. 일부 실시예에서, 비행 제어기는 VTOL 플랫폼이 양력을 발생시키게 하도록 집합적 피치 제어를 실행하기 위해 하나 이상의 비행 제어 명령을 생성한다. 일부 실시예에서, 비행 제어기는 VTOL 플랫폼이 피치 및/또는 롤 각도에 대한 이동을 생성하게 하도록 주기적 피치 제어를 실행하는 하나 이상의 비행 제어 명령을 생성한다.
1315에서, 모터 제어기는 비행 제어 명령(들)에 기초하여 하나 이상의 모터 제어 신호를 생성한다. 모터 제어기는 모터 제어 신호를 생성하여, 특정 파형이 VTOL 플랫폼의 스테이터의 전자석에 인가되도록 하여, 전자석은 VTOL 플랫폼이 이동 지시에 표시된 원하는 이동을 실행하게 할 것으로 예상되는 전자기장을 출력할 수 있다. 일부 실시예에서, 모터 제어기는 로터의 로터 블레이드의 위치를 나타내는 위치 신호를 수신하고, 모터 제어기는 이 위치 신호를 사용하여, 각 로터 블레이드의 동작을 개별적으로 제어하기 위해 모터 제어 신호를 생성할 수 있다. 모터 제어기는 모터 제어 신호를 생성하고, 하나 이상의 송수신기를 통해, 모터 제어 신호를 제공하여, 로터 블레이드를 원하는 피치 각도로 회전시키기 위해 로터 블레이드와 결합된 모터의 작동을 제어할 수 있다.
1320에서, 스테이터는 모터 제어 신호에 기초하여 스테이터의 전자석을 구동한다. 예를 들어, 스테이터는 모터 제어 신호에 기초하여 각각의 전자석에 원하는 전류 및/또는 전압으로 전기 신호를 구동하기 위해 복수의 자석 제어기를 사용할 수 있다. 자석 제어기는 PWM을 실행하여 각 전자석을 통해 전기 신호를 구동할 수 있다. 일부 실시예에서, 자석 제어기는 모터 제어 신호에 기초하여 각각의 전자석을 통해 전기 신호를 선택적으로 구동하기 위해 MOSFET 회로와 같은 스위치 회로를 작동시킨다. 일부 실시예에서, 스테이터의 부상/안내 자석은 로터를 회전시키기 위해 로터의 대응하는 자석과 상호 작용하는 자기장을 출력한다.
1325에서, 전자석은 각 전자석을 통해 구동되는 전기 신호에 대응하는 전자기장을 출력한다. 로터의 자석은 차례로 전자기장에 의해 이동된다. 일부 실시예에서, 로터는 로터 아암을 통해 한 쌍의 자석에 각각 결합된 복수의 로터 블레이드를 포함하여, 자석의 선택적 이동은 로터 블레이드의 피치 각도를 변화시켜, 원하는 양력, 요, 피치, 및/또는 롤을 발생시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 로터의 모터는 전자기장을 통해 전력을 받고, 전력을 사용하여 각각의 로터 블레이드를 회전시킨다.
이제 도 14a 및 도 14b를 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 로터 제어 시스템(1400)이 도시되어 있다. 도 14a 및 도 14b에 도시된 실시예에 도시된 다양한 요소 및 구성 요소는 도 1 내지 도 13을 참조하여 위에서 설명된 해당 요소 및 구성 요소와 유사하다. 따라서, 유사한 특징을 나타 내기 위해 동일한 참조 번호가 사용된다. 로터 제어 시스템(1400)은 블레이드 제어기(1402)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 블레이드 제어기(1402)는 원하는 이동을 생성하거나 또는 달성하기 위해 로터 블레이드(124, 126)의 이동을 제어하도록 설계되거나 또는 구현된 임의의 요소, 장치, 구성 요소, 스크립트 등일 수 있다. 블레이드 제어기(1402)는 일부 양태에서 위에서 설명한 비행 제어기(700)와 유사할 수 있다. 일부 구현에서, 블레이드 제어기(1402)는 비행 제어기(700) 상에 또는 그 구성 요소로 구현될 수 있다. 블레이드 제어기(1402)는 로터 블레이드(들)(124, 126)에 대한 원하는 피치 각도(예를 들어, 블레이드 피치 각도)를 결정하도록 구성될 수 있다. 블레이드 제어기(1402)는 (예를 들어, 유지 관리된 명령 대장에 기초하여, 로터 블레이드(124, 126)에 직접 또는 간접적으로 결합된 인코더로부터의 데이터 등에 기초하여) 로터 블레이드(들)(124, 126)의 현재 위치를 결정할 수 있다. 블레이드 제어기(1402)는 원하는 이동을 발생시키도록 원하는 피치 각도를 달성하기 위해 로터 블레이드(들)(124, 126)에 대한 피치 각도를 수정하도록 구성될 수 있다. 아래에서 더 자세히 설명되는 바와 같이, 블레이드 제어기(1402)는 로터 블레이드(들)(124, 126)를 원하는 피치 각도로 이동시키기 위해 로터 블레이드(들)(124, 126)에 결합된 모터(1404)에 모터 제어 신호를 생성하도록 구성될 수 있다.
블레이드 제어기(1402)는 모터(1404)를 움직이기 위해 모터(1404)와 통신하기 위한 모터 제어 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 일부 구현들에서, 블레이드 제어기(1402)는 모터(1404)에 대한 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 생성할 수 있다. PWM 신호는 모터를 일정 개수의 단계 또는 회전 각도로 움직이는 듀티 사이클을 가질 수 있다. 블레이드 제어기(1402)는 스테이터(110)를 통해 모터 제어 신호를 모터에 전달할 수 있다. 일부 구현에서, 각각의 로터 블레이드(124, 126)는 전용 블레이드 제어기(1402)에 대응할 수 있다. 다른 구현에서, 복수의 로터 블레이드(124, 126)는 공통 블레이드 제어기(1402)에 의해 제어될 수 있다.
블레이드 제어기(1402)는 로터(120)의 송수신기(1408)에 통신 가능하게 결합되는 스테이터(110)의 송수신기(1406)에 결합되는 것으로 도시되어 있다. 송수신기(1406, 1408)는 거리에 걸쳐 데이터를 무선으로 송신하도록 설계되거나 또는 구현된 임의의 장치(들), 구성 요소(들), 요소(들), 회로(들) 등일 수 있다. 송수신기(1406, 1408)는 다양한 프로토콜에 따라 통신하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 송수신기(1406, 1408)는 ZigBee(예를 들어, 고주파) 데이터 전송 프로토콜을 통해 통신하도록 구성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 송수신기(1406, 1408)는 NFC(Near-Field Communication) 프로토콜, RFID(Radio Frequency Identification) 프로토콜, 적외선(IR) 또는 다른 자유 공간 광 통신 전송 프로토콜 등을 통해 통신하도록 구성될 수 있다.
스테이터(110)는 전력 송신기 회로(1410)를 포함하는 것으로 도시된다. 전력 송신기 회로(1410)는 거리에 걸쳐 전력을 송신하도록 설계되거나 또는 구현된 임의의 장치(들), 구성 요소(들), 요소(들) 또는 회로(들)일 수 있다. 로터(120)는 이에 대응하여 전력 수신기 회로(1412)를 포함할 수 있다. 전력 수신기 회로(1412)는 거리에 걸쳐 전력을 받도록 설계되거나 또는 구현된 임의의 장치(들), 구성 요소(들), 요소(들) 또는 회로(들)일 수 있다. 전력 송신기 회로(1410) 및 전력 수신기 회로(1412)는 전력 송신기 회로(1410)가 전력 수신기 회로(1412)에 무선으로 전력을 송신하도록 서로 결합될 수 있다. 일부 구현에서, 전력 송신기 회로(1410) 및 전력 수신기 회로(1412)는 자기 역학 결합을 통해 서로 결합될 수 있다. 다른 구현에서, 전력 송신기 회로(1410) 및 전력 수신기 회로(1412)는 유도 결합(예를 들어, Qi 또는 일부 다른 형태의 유도 결합), 공진 유도 결합, 레이저 결합 등을 통해 서로 결합될 수 있다. 전력 수신기 회로(1412)는 전력 송신기 회로(1410)로부터 받은 전력을 로터(120)의 송수신기(1408) 및 모터(1404)로 전달하도록 구성될 수 있다. 따라서, 송수신기(1408) 및 모터(1404)는 무선으로 전력이 공급될 수 있다. 일부 구현에서, 전력 수신기 회로(1412)는 필요에 따라 DC 부하를 구동하기 위해 AC 전원을 정류하기 위한 (예를 들어, 다이오드 세트를 통해) 정류 회로를 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 전력 수신기 회로(1412)는 특정 부하 또는 장치(예를 들어, 로터(120)의 모터(1404) 또는 송수신기(1408))를 구동하기 위해 전압/전류/전력을 승압(또는 강압)하기 위한 승압 또는 강압 회로를 포함할 수 있다.
로터(120)의 송수신기(1408)는 스테이터(110)의 송수신기(1406)로부터 모터 제어 신호를 무선으로 수신하도록 구성될 수 있다. 송수신기(1408)는 모터 제어 신호를 모터(1404)에 제공하도록 구성될 수 있다. 모터(1404)는 로터 블레이드(들)(124, 126)를 구동하도록 구성될 수 있다. 모터(1404)는 로터 블레이드(들)(124, 126)의 위치를 제어하도록 설계되거나 또는 구현된 다양한 유형의 모터(1404)이거나 또는 이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 모터(1404)는 공심(Air-Core) BM-BLDC 모터일 수 있다. 다른 실시예에서, 모터(1404)는 스테퍼 모터, 기어 톱니 서보 액추에이터(예를 들어, 원격 제어(RC)) 모터, 철심(Iron-Core) PM-BLDC, 또는 다른 유형의 모터일 수 있다. 모터(1404)는 송수신기(1406, 1408)를 통해 블레이드 제어기(1402)로부터 모터 제어 신호를 수신하도록 구성될 수 있다. 로터(120)는 모터(1404) 및/또는 로터 블레이드(들)(124, 126)에 결합되어 모터(1404) 및/또는 로터 블레이드(들)(124, 126)의 위치를 검출하도록 구성된 인코더를 포함할 수 있다. 인코더는 모터(1404)/로터 블레이드(들)(124, 126)의 위치에 대응하는 데이터를 블레이드 제어기(1402)에 제공하도록 구성될 수 있으며, 블레이드 제어기(1402)는 이 데이터를 로터 블레이드(들)(124, 126)의 위치를 조정하기 위한 피드백으로 사용한다.
"또는"에 대한 언급은 "또는"을 사용하여 설명된 임의의 용어가 설명된 용어들 중 하나, 하나 초과 및 모두 중 임의의 것을 나타낼 수 있도록 포괄적인 것으로 해석될 수 있다. 용어의 결합 목록 중 적어도 하나에 대한 언급은 설명된 용어들 중 하나, 하나 초과 및 모두 중 임의의 것을 나타내는 포괄적 OR로 해석될 수 있다. 예를 들어, " 'A' 및 'B' 중 적어도 하나"에 대한 언급은 'A'만, 'B'만, 'A' 및 'B'를 모두 포함할 수 있다. "포함하는" 또는 다른 개방형 용어와 함께 사용되는 이러한 언급은 추가 항목을 포함할 수 있다.
다양한 예시적인 실시예에 도시된 바와 같은 시스템 및 방법의 구성 및 배열은 단지 예시적인 것일 뿐이다. 본 개시에서는 예시적인 실시예만이 상세하게 설명되었지만, 많은 수정이 가능하다(예를 들어, 다양한 요소의 크기, 치수, 구조, 모양 및 비율, 파라미터 값, 장착 배열, 재료의 사용, 색상, 배향 등의 변화). 예를 들어, 요소의 위치는 반전되거나 또는 달리 변경될 수 있으며, 개별 요소 또는 위치의 특성 또는 개수는 변경되거나 또는 변할 수 있다. 따라서, 이러한 수정은 본 개시의 범위 내에 포함되도록 의도된다. 임의의 프로세스 또는 방법 단계의 순서 또는 시퀀스는 대안적인 실시예에 따라 변경되거나 또는 재-배열될 수 있다. 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 예시적인 실시예들의 설계, 작동 조건 및 배열에서 다른 치환, 수정, 변경, 및 생략이 이루어질 수 있다.
본 개시는 다양한 동작을 수행하기 위한 임의의 기계 판독 가능 매체 상의 방법, 시스템 및 프로그램 제품을 고려한다. 본 개시의 실시예는 기존의 컴퓨터 프로세서를 사용하여, 또는 이러한 또는 다른 목적을 위해 통합된 적절한 시스템을 위한 특수 목적 컴퓨터 프로세서에 의해 또는 하드 와이어 시스템에 의해 구현될 수 있다. 본 개시의 범위 내의 실시예는 기계 실행 가능 명령어 또는 데이터 구조가 저장되어 있거나 또는 이러한 데이터 구조를 전달하기 위한 기계 판독 가능 매체를 포함하는 프로그램 제품을 포함한다. 이러한 기계 판독 가능 매체는 범용 또는 특수 목적 컴퓨터 또는 프로세서를 갖는 다른 기계에 의해 액세스될 수 있는 임의의 사용 가능한 매체 일 수 있다. 예를 들어, 이러한 기계 판독 가능 매체는 RAM, ROM, EPROM, EEPROM, CD-ROM, 또는 다른 광학 디스크 저장 장치, 자기 디스크 저장 장치 또는 다른 자기 저장 장치, 또는 기계 실행 가능 명령어 또는 데이터 구조의 형태로 원하는 프로그램 코드를 전달하거나 또는 저장하는데 사용될 수 있고 범용 또는 특수 목적 컴퓨터 또는 프로세서를 갖는 다른 기계에 의해 액세스될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다. 위의 조합도 기계 판독 가능 매체의 범위 내에 포함된다. 기계 실행 가능 명령어는 예를 들어 범용 컴퓨터, 특수 목적 컴퓨터, 또는 특수 목적 처리 기계가 특정 기능 또는 기능 그룹을 수행하게 하는 명령어 및 데이터를 포함한다.
도면들은 방법 단계의 특정 순서를 나타내지만, 단계의 순서는 도시된 것과 다를 수 있다. 또한 2 개 이상의 단계가 동시에 또는 부분적으로 동시에 수행될 수 있다. 이러한 변화는 선택된 소프트웨어 및 하드웨어 시스템 및 설계자 선택에 따라 달라진다. 이러한 모든 변형은 본 개시의 범위 내에 있다. 마찬가지로, 소프트웨어 구현은 다양한 연결 단계, 처리 단계, 비교 단계 및 결정 단계를 수행하기 위해 규칙 기반 논리 및 다른 논리를 사용하는 표준 프로그래밍 기술로 수행될 수 있다.
Claims (96)
- 로터와 함께 작동하는 스테이터로서,
복수의 스테이터 세그먼트를 포함하고 중심 축을 정의하는 환형 스테이터 베이스
를 포함하고,
각각의 스테이터 세그먼트는,
측벽;
상기 측벽으로부터 연장되는 지지 구조물;
상기 지지 구조물의 제 1 표면과 결합된 적어도 하나의 제 1 스테이터 자석;
상기 제 1 표면에 대향하는 상기 지지 구조물의 제 2 표면과 결합된 적어도 하나의 제 2 스테이터 자석;
상기 지지 구조물과 결합되고 상기 로터의 하나 이상의 제 3 로터 자석으로부터 이격된 적어도 하나의 추진 자석으로서, 상기 적어도 하나의 추진 자석은 상기 중심 축을 중심으로 상기 로터를 구동하기 위해 제어 신호에 응답하는 자기장을 출력하도록 구성되는 것인 적어도 하나의 추진 자석
을 포함하며,
상기 적어도 하나의 제 1 스테이터 자석 및 상기 적어도 하나의 제 2 스테이터 자석은 상기 중심 축에 평행한 스테이터 축을 정의하고, 상기 적어도 하나의 제 1 스테이터 자석은 상기 스테이터 축을 따라 상기 로터의 제 1 로터 자석과 상기 적어도 하나의 제 1 스테이터 자석 사이에 제 1 공간을 유지하도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 제 2 스테이터 자석은 상기 스테이터 축을 따라 상기 로터의 제 2 로터 자석과 상기 적어도 하나의 제 2 스테이터 자석 사이에 제 2 공간을 유지하도록 구성되며,
상기 스테이터는 전력 송신기 회로를 더 포함하고, 상기 전력 송신기 회로는, 상기 로터에 결합된 로터 블레이드의 피치 각도를 제어하기 위해 상기 로터의 모터에 전력을 무선으로 송신하는 것인 스테이터. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 제 1 스테이터 자석 및 상기 적어도 하나의 제 2 스테이터 자석은 전자기 코일을 포함하는 것인 스테이터. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 제 1 스테이터 자석은, 상기 제 1 표면을 따라, 서로 전기적으로 결합된 한 쌍의 스테이터 자석을 포함하는 것인 스테이터. - 제 1 항에 있어서,
상기 스테이터 베이스는 전력 공급 챔버를 한정하고, 상기 스테이터는 상기 전력 공급 챔버 내에 전력 공급부를 포함하고, 상기 적어도 하나의 추진 자석은 상기 전력 공급부로부터 전력을 받는 것인 스테이터. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 추진 자석은 복수의 추진 자석을 포함하고, 각각의 추진 자석은, 각각의 추진 자석이 해당 자기장을 출력하게 하는 해당 제어 신호에 대응하는 해당 전류를 독립적으로 받는 것인 스테이터. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 추진 자석은 적층 철심 또는 공심(air core) 중 적어도 하나와, 알루미늄 전도체 또는 구리 전도체 중 적어도 하나를 포함하는 전자기 코일을 포함하는 것인 스테이터. - 제 1 항에 있어서,
상기 자기장은 제 1 자기장이고, 상기 적어도 하나의 제 1 스테이터 자석은, 상기 제 1 로터 자석의 이동에 응답하여 상기 제 1 로터 자석과 상호 작용하는 제 2 자기장을 생성함으로써 상기 제 1 공간을 유지하도록 구성되는 것인 스테이터. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 추진 자석은 상기 지지 구조물을 따라 둘레 방향으로 배열된 복수의 추진 자석을 포함하는 것인 스테이터. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 스테이터 세그먼트는 인접하는 것인 스테이터. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 제 1 스테이터 자석은 상기 적어도 하나의 제 2 스테이터 자석과 전기적으로 결합되는 것인 스테이터. - 스테이터 축을 따라 로터의 제 1 로터 자석과 제 1 스테이터 자석 사이에 제 1 공간을 유지하기 위해, 환형 스테이터 베이스의 복수의 스테이터 세그먼트 중 하나의 스테이터 세그먼트의 지지 구조물의 제 1 표면과 제 1 스테이터 자석을 결합시키는 단계로서, 상기 스테이터 베이스는 상기 스테이터 축에 평행한 중심 축을 정의하고, 상기 지지 구조물은 상기 스테이터 세그먼트의 측벽으로부터 연장되는 것인 단계;
스테이터 축을 따라 로터의 제 2 로터 자석과 제 2 스테이터 자석 사이에 제 2 공간을 유지하기 위해, 상기 제 1 표면에 대향하는 지지 구조물의 제 2 표면과 제 2 스테이터 자석을 결합시키는 단계로서, 상기 제 1 스테이터 자석과 상기 제 2 스테이터 자석은 상기 스테이터 축을 정의하는 것인 단계;
로터의 하나 이상의 제 3 로터 자석으로부터 이격되도록 추진 자석을 지지 구조물과 결합시키는 단계;
상기 중심 축을 중심으로 상기 로터를 구동하기 위해 제어 신호에 응답하는 자기장을 추진 자석에 의해 출력하는 단계; 및
상기 로터에 결합된 로터 블레이드의 피치 각도를 제어하기 위해 상기 로터의 모터에 전력을 상기 스테이터의 전력 송신기 회로에 의해 무선으로 송신하는 단계
를 포함하는 방법. - 제 11 항에 있어서,
적어도 하나의 상기 제 1 스테이터 자석 및 적어도 하나의 상기 제 2 스테이터 자석은 전자기 코일을 포함하는 것인 방법. - 제 11 항에 있어서,
적어도 하나의 상기 제 1 스테이터 자석은, 상기 제 1 표면을 따라, 서로 전기적으로 결합된 한 쌍의 스테이터 자석을 포함하는 것인 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 스테이터 베이스의 전력 공급 챔버 내의 전력 공급부로부터 추진 자석으로 전력을 제공하는 단계
를 더 포함하는 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 추진 자석은 복수의 추진 자석을 포함하고,
상기 방법은,
각각의 추진 자석이 해당 자기장을 출력하게 하는 해당 제어 신호에 대응하는 해당 전류를, 상기 복수의 추진 자석 각각에, 제공하는 단계
를 더 포함하는 것인 방법. - 제 11 항에 있어서,
적어도 하나의 상기 추진 자석은 적층 철심 또는 공심(air core) 중 적어도 하나와, 알루미늄 전도체 또는 구리 전도체 중 적어도 하나를 포함하는 전자기 코일을 포함하는 것인 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 자기장은 제 1 자기장이고,
상기 제 1 공간을 유지하는 것은, 상기 제 1 로터 자석의 이동에 응답하여 상기 제 1 로터 자석과 상호 작용하는 제 2 자기장을, 상기 제 1 스테이터 자석에 의해, 생성하는 것을 포함하는 것인 방법. - 제 11 항에 있어서,
적어도 하나의 상기 추진 자석은, 상기 지지 구조물을 따라 둘레 방향으로 배열된 복수의 추진 자석을 포함하는 것인 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 복수의 스테이터 세그먼트는 인접하는 것인 방법. - 제 11 항에 있어서,
적어도 하나의 상기 제 1 스테이터 자석은 적어도 하나의 상기 제 2 스테이터 자석과 전기적으로 결합되는 것인 방법. - 삭제
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