KR20210005609A - 자체 추진식 추력 발생 제어된 모멘트 자이로스코프 - Google Patents

자체 추진식 추력 발생 제어된 모멘트 자이로스코프 Download PDF

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KR20210005609A
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제씨 안토인 마르셀
제프리 스콧 시멘티
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Abstract

본 발명은 일반적으로 추력을 발생하는 자이로스코프 플라이 휠을 포함하는 자이로스코프 이동 조립체로 구성된 개인용 항공기를 위한 새로운 추진 방법 및 장치를 포함한다. 바람직한 실시예에서 자이로스코프는 허브를 가지지 않는다. 자이로스코프 플라이 휠은 주변 링을 따라 영구 자석을 통합하는 반면, 에어 포일 단면과 양의 입사각을 가진 스포크는 회전시 공기 흐름을 발생한다. 스포크는 자이로스코프의 주변 링과 더 작은 중앙 허브리스 링을 결합한다. 자이로스코프의 플라이 휠 근처에서 자이로스코프 이동 조립체를 회전시키는 위상 조정 전자기장을 발생시키는 전자석 고정 조립체가 있다. 조립체가 항공, 육상 및 해상 차량을 추진하기 위해 이용할 수 있고 방향을 가진 공기 유동을 발생시키는 자체 안정화 자이로스코프를 가진 모터이기 때문에 본 발명은 외부 모터가 없는 내장형 장치를 포함한다.

Description

자체 추진식 추력 발생 제어된 모멘트 자이로스코프
우선권 주장
본 출원은 2018년 3월 28일에 출원된 미국 가특허출원 제62/649,097호를 우선권으로 주장하며, 상기 가특허출원의 주제는 그 전체가 본원에 참고로 포함된다.
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 항공기를 추진하기 위한 추력을 발생시키는 추진 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 균형과 안정성을 형성하면서 추력을 발생하는 전기식, 바람직하게 허브리스(hubless) 자이로스코프로 구성된 내장형(self contained) 추진 시스템에 관한 것이다.
발명의 배경
전기식 항공기 추진 시스템은 전기 모터를 프로펠러/회전자로 구성된 보조 수단에 직접 연결하거나 구동 샤프트 및/또는 기어 박스를 통해 모터 출력 샤프트에 연결하여 추력을 발생한다. 상기 방법은 해당 적용예들에 대해 정확한 크기를 가질 때 적절한 추력을 제공할 수 있지만 내장형 추진 시스템보다 상대적으로 작은 효율을 가진다. 또 다른 단점은 상기 추진 방법은 본질적으로 불안정성을 가져서 비히클(vehicle)을 안정하게 유지하기 위한 오프셋팅(offsetting) 수단을 요구한다.
그러므로, 전기식 항공기 추진 시스템 분야에서 외부 모터를 가지지 않는 내장형 장치가 필요한 데, 상기 조립체는 개인용 항공기(air behicle)을 추진하기 위해 이용될 수 있는 방향성 공기 유동을 발생시키는 자체 안정식 자이로스코프를 갖는 모터이기 때문이다.
발명의 요약
본 발명은 전기식 개인용 항공기를 효율적이고 안전하게 추진하기 위한 방법 및 장치를 포함한다. 본 발명은 회전될 때 방향을 가진 공기유동을 제공하는 형상을 가진 스포크를 가지고 바람직하게 제어되는 모멘트 허브리스 자이로스코프 플라이 휠을 이용한다. 상기 스포크는 자이로스코프의 플라이 휠의 링 둘레를 지지되지 않는 중앙 링과 연결시킨다. 자이로스코프의 플라이 휠의 둘레는 다중 상 자기장을 발생시키는 근접한 고정식 전자석에 의해 작동하는 자석을 포함한다. 자이로스코프의 플라이 휠은 시브를 가진 복수의 롤링 요소 베어링에 의해 주변에서 지지된다. 상기 조립체는 개인용 항공기를 추진하기 위해 이용될 수 있고 방향을 가진 공기 유동을 발생시키는 자체 안정식 자이로스코프를 가진 모터이기 때문에 본 발명은 외부 모터를 가지지 않는 내장형 장치이다.
본 발명의 상기 특징과 장점 및 다른 특징과 장점은 하기 상세한 설명을 참고하여 더 잘 이해되고 더욱 용이하게 인식될 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예 및 선택적인 실시예는 하기 도면을 참고하여 아래에서 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전기식 추력 발생 제어 모멘트 허브리스 자이로스코프의 예를 도시한 분해도이다.
도 2는 본 명세서에 설명된 다양한 실시예에 따른 플라이 휠의 예를 도시한 평면도이다.
도 3은 본 명세서에 설명된 다양한 실시예에 따르고 하부 베어링 커플이 제거된 하부 자석 유지 링의 예를 도시한 측면도이다.
도 4는 자이로스코프의 플라이 휠의 둘레에 대해 복수의 자석들을 제위치에 구속하는 기구로서 작동하고 제거 가능한 베어링 커플의 예를 도시한 측면도이다.
도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 플라이 휠을 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 롤링 요소 베어링 및 베어링 시브를 도시한 측면도이다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 상부 링 베어링 커플에 근접한 롤링 요소 베어링 및 베어링 시브를 도시한 평면도이다.
도 8은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 본 발명의 단면을 도시한다.
도 9는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고정자를 도시한 평면도이다.
도 10은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 근접 코일을 갖는 고정자 핑거를 도시한다.
도 11은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고정자의 측면 프로파일을 도시한다.
도 12는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 쉘 지지부를 도시한 평면도이다.
도 13은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전기식 추력 발생 자이로스코프를 위한 쉘 지지 조립체를 도시한 사시도이다.
도 14는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 상측 외부 쉘 및 흡기 구성 요소를 도시한다.
도 15는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 상측 외부 쉘 및 흡기 덕트 조립체를 도시한다.
도 16은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 하측 외부 쉘 및 배기 덕트 구성 요소를 도시한다.
도 17은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 하측 외부 쉘 조립체 및 배기 덕트를 도시한다.
도 18은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전기식 추력 발생 제어 모멘트 자이로스코프의 예를 도시한 사시도이다.
도 19는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 성능을 미리 정해진 방식으로 제어하는 모터 제어기 장치를 도시한 블록 선도이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 이용되는 용어 "및/또는"은 하나 이상의 열거된 관련 항목의 임의의 조합과 모든 조합을 포함한다. 본 명세서에서 사용된 것처럼, 단수 형태("a", "an", "the")는 문맥에서 명백하게 다르게 설명하지 않는 한, 단수 형태뿐만 아니라 복수 형태도 포함한다. 본 명세서에서 사용될 때 "포함하는" 및/또는 "포함한"이라는 용어는 언급된 특징, 단계, 동작, 요소 및/또는 구성 요소의 존재를 명시하지만 하나 이상의 다른 특징, 단계, 동작, 요소, 구성 요소 및/또는 이들의 군을 배제하지 않는다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함하여 본 명세서에서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 이용되는 사전에 정의된 용어와 같은 용어는 관련 기술 및 본 개시 내용의 한 맥락에서 그 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며 여기에서 명시적으로 정의하지 않는 한 지나치게 형식적인 의미 또는 이상화된 용어로 해석되지 않는 것을 이해할 것이다. 본 발명을 설명할 때, 여러 기술 및 단계가 개시되어 있음을 이해할 것이다. 이들 각각은 개별적인 이점을 가지며 각각은 또한 개시된 하나 이상의 다른 기술(또는 일부 경우에는 모두)과 함께 이용될 수 있다. 따라서, 명확한 이해를 위해, 상기 설명은 불필요하게 개별 단계의 가능한 모든 조합을 반복하지 않는다. 그럼에도 불구하고, 명세서 및 청구 범위는 상기 조합이 전적으로 본 발명 및 청구 범위 내에 있다는 것을 이해해야 한다.
새로운 추력 발생 제어 모멘트 자이로스코프 장치, 자체 레벨링(self leveling) 기능을 발생시키기 위한 장치와 방법 및, 안정적이고 효율적인 추진 시스템이 본 명세서에서 설명된다. 하기 설명에서, 설명을 위하여, 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 세부 사항이 제공된다. 그러나, 본 발명이 이러한 특정 세부 사항 없이 실시될 수 있다는 것을 당업자가 이해할 것이다. 본 개시는 본 발명의 예시로서 고려되어야 하며, 본 발명을 하기 도면 또는 설명에 의해 예시된 특정 실시예로 제한하려는 것이 아니다.
본 발명은 바람직한 선택적인 실시예를 도시하는 첨부된 도면을 참고하여 설명될 것이다. 도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 추력 발생 자이로스코프 장치("장치")를 포함할 수 있는 구성요소들의 분해도이다. 바람직한 실시예에서, 도 18에 도시된 일반적인 조립체는 경량 복합 재료, 알루미늄 또는 다른 적절한 재료로 제조될 수 있고 도 5에 도시된 적어도 하나의 중앙 자이로스코프 플라이 휠 주변부 링(100)으로 구성된 장치의 각 구성 요소들을 포함한다. 상기 링(100)은 복수 개의 자석들을 제위치에 구속하고 분리될 수 있는 하부 베어링 커플(102) 및 상부 베어링 커플(101) 사이에 위치한 자이로스코프의 외부 둘레를 따라 상기 복수의 자석(105)들 [단지 한 개의 자석일 수 있는가 또는 복수 개이어야 하는 가?]을 수용하도록 구성된다. 수직 돌출부는 자이로스코프의 둘레의 표면적을 균등하게 분할해야 할 때 상기 자석들을 분리한다. 선택적인 실시예에서, 자이로스코프 플라이 휠은 모두 또는 부분적으로 자기장 발생 요소로 구성되며, 예를 들어 복합 직물, 네오디뮴 입자, 구리 또는 복합 구조 속으로 매립된 다른 적절한 재료로 제조된다.
바람직한 실시예에서, 자이로스코프의 플라이 휠은 분리가능한 베어링 커플(102)과 함께, 도 8에 도시된 일체형 베어링 커플(101)에 의해 지지된다. 복수 개의 스포크(103)들이 자이로스코프 회전자 둘레 링(100)을 중심의 원형 허브(104)와 연결시키고 경량 복합 재료, 알루미늄 또는 기타 적합한 재료로 제조될 수 있다. 경량 복합 재료, 알루미늄 또는 다른 적절한 재료로 제조될 수 있는 자이로스코프의 플라이 휠 스포크(103)는 원하는 공기 유동을 발생하기 위한 횡단면과 양의 입사각을 갖는다. 다른 실시예에서, 도 5에 도시된 자이로스코프 플라이 휠은 중앙 액슬에 부착된 허브(104)에 의해 지지된다.
도 8에 도시된 것처럼, 본 발명은 경량 복합 재료, 알루미늄 또는 다른 적절한 재료로 제조될 수 있고 자이로스코프 플라이 휠의 회전 및 주위의 정적 조립체로 추력의 전달을 허용하는 시브(110,111)를 가진 복수의 롤링 요소 베어링 상부(112) 및 하부(113)를 포함한다. 자이로스코프가 회전하면 자이로스코프의 스포크가 추력을 발생시키고 자이로스코프의 플라이 휠은 방향을 유지한다. 자이로스코프 플라이 휠의 회전이 빠를수록 추력과 자이로스코프의 효과는 더 커진다.
도 9를 참고하여 도시된 것처럼, 자이로스코프 플라이 휠에 근접한 위치에 경량 복합 재료, 철 또는 다른 적절한 재료로 제조될 수 있는 고정자(121)가 위치한다. 도 10을 참고하여 도시된 것처럼, 상기 고정자(121)의 핑거들은 경량 복합 재료, 구리 또는 다른 적절한 재료로 제조될 수 있는 절연 와이어 코일(122)에 의해 개별적으로 감겨진다. 도 19를 참고하여 도시된 것처럼, 개별 코일은 모터 제어기(135)에 의해 제어되는 다상 전자석을 형성하도록 서로 배선(wired)된다. 선택적인 실시예에서, 자기 자이로스코프를 둘러싸는 몸체 또는 쉘이 위상조정(phasing) 자기장을 발생시키고 선호되는 실시예의 고정자 조립체를 교체하며, 상기 쉘은 복합 매트릭스 속에 일체 구성되거나 쉘 표면을 따라 일체 구성되는 전기 전도성 재료의 네트워크로 제조된다. 선택적인 실시예에서, 도 4를 참고하여 도시된 것처럼, 자석은 허브(104) 상에 위치하거나 허브(104) 내에 위치하여 다중 상 자기장을 발생시키는 고정자가 허브의 자석과 근접한 위치에서 회전운동을 발생시킨다. 도 8 및 9를 참고하여 도시된 것처럼, 바람직한 실시예에서, 고정자 주변부(123) 내에 위치한 복수의 관통부는 복수의 막대(114)를 지지하고 상기 막대는 복수의 시브(110,111)를 갖는 복수의 롤링 요소 베어링(112, 113)을 위치시킨다.
도 14에 도시되고 경량 복합 재료, 알루미늄 또는 다른 적합한 재료로 제조될 수 있는 복수의 상부 쉘 구성 요소(140,141)로 구성된 도 15의 외측 상부 쉘이 도 8에 도시된 자이로스코프의 플라이 휠 및 고정자 조립체를 감싼다. 도 1을 참고하여 도시된 것처럼, 상기 구성 요소들은 자이로스코프의 스포크(103) 속으로 공기를 유도하면서 외부에서 외부 물체와 충돌로부터 본 발명을 보호한다.
도 17에 도시된 외측 하부 쉘은 바람직하게 도 16을 참고하여 도시된 것처럼 복수의 하부 쉘 구성 요소(150, 151)로 구성되며, 경량 복합 재료, 알루미늄 또는 다른 적절한 재료로 제조될 수 있고 전기식 추력 발생 자이로스코프로부터 공기를 내보내고 외부에서 외부 물체와 충돌로부터 상기 발명을 보호한다. 도 15에 도시된 상측 외부 쉘 및 도 17에 도시된 하측 외부 쉘은 도 9를 참고하여 도시된 것처럼 고정자(121)와 결합되고, 도 13을 참고하여 도시된 쉘 지지 조립체(130)는 바람직하게 경량 복합 재료, 알루미늄 또는 다른 적절한 재료로 제조될 수 있는 복수의 쉘 지지 구성요소(130)로 구성된다. 도 9를 참고하여 도시된 것처럼, 쉘 지지 조립체는 복수의 관통부(124)를 통해 부착된 볼트에 의해 고정자(121)에 부착된다. 선택적인 실시예에서, 충분한 강도의 접착제 또는 인터록킹(interlocking) 표면이 도 18에 도시된 전체 조립체의 구조에서 이용된 볼트의 전부 또는 일부를 대체한다.
선택적 실시예에서, 자이로스코프의 플라이 휠은 제트 터빈에 의해 구동된다.
또 다른 선택적 실시예에서, 플라이 휠은 내연 기관에 의해 구동된다.
선택적인 실시예에서, 자체 추진식 추력 발생 제어 모멘트 허브리스 자이로스코프의 방법 및 장치는 항공, 육상 및 해상 차량에 동력을 공급하기 위해 이용될 수 있다.
선택적 실시예에서, 자체 추진식 추력 발생 제어 모멘트 허브리스 자이로스코프의 방법 및 장치는 상업용, 전문가용 및 레크리에이션용 무인항공기에 동력을 공급하기 위해 이용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 예시되고 설명되었지만, 상기 설명과 같이, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 많은 변경이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 바람직한 실시예의 개시에 의해 제한되지 않는다. 대신에, 본 발명은 전적으로 하기 청구 범위를 참고하여 결정되어야 한다.
독점적 재산 또는 특권이 청구되는 본 발명의 실시예는 다음과 같이 정의된다:

Claims (9)

  1. 자체 추진식 허브리스 자이로스코프로서:
    제1 자기장을 갖는 플라이 휠,
    상기 플라이 휠에 근접한 제2 자기장을 포함하고, 상기 제1 자기장과 제2 자기장 사이의 상호 작용에 의해 플라이 휠이 회전하고 자이로스코프의 방향을 레벨링(level)하며;
    플라이 휠의 둘레를 중앙에 위치한 링에 연결하는 복수의 스포크를 포함하고, 상기 스포크는 플라이 휠이 회전하여 추력을 발생시킬 때 방향을 가진 공기 유동을 발생시키는 것을 특징으로 하는 자이로스코프.
  2. 제1항에 있어서, 상기 플라이 휠은 적어도 부분적으로 제1 자기장을 형성하는 자기장 발생 요소로 구성되는 것을 특징으로 하는 자이로스코프.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 자기장을 형성하는 요소들은 상기 플라이 휠에 대해 주변에 장착된 적어도 하나의 자석인 것을 특징으로 하는 자이로스코프.
  4. 제1항에 있어서, 위상 조정된 자기장을 발생하기 위해 플라이 휠과 근접하게 장착된 고정자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자이로스코프.
  5. 제2항에 있어서, 고정자는 절연된 와이어 코일에 의해 개별적으로 감겨진 핑거로 구성되고,
    상기 개별 코일은 다중 상 전자석을 형성하기 위해 서로 배선되는 것을 특징으로 하는 자이로스코프.
  6. 제1항에 있어서, 위상 조정된 자기장을 발생하기 위해 복합 매트릭스 또는 표면 중 적어도 하나에 일체 구성된 전기 전도성 재료의 네트워크를 갖는 플라이 휠을 둘러싸는 쉘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자이로스코프.
  7. 자체 추진식 허브리스 자이로스코프로서:
    제1 자기장을 갖는 플라이 휠,
    상기 플라이 휠에 근접한 제2 자기장을 포함하고, 상기 제1 자기장과 제2 자기장 사이의 상호 작용에 의해 상기 플라이 휠은 회전하고 자이로스코프의 방향을 레벨링(level)하며;
    위상 조정된 자기장을 발생시키기 위해 플라이 휠과 근접하게 장착된 고정자를 포함하고,
    플라이 휠의 둘레를 중앙에 위치한 링에 연결하는 복수의 스포크를 포함하며, 상기 스포크는 플라이 휠이 회전하여 추력을 발생시킬 때 방향을 가진 공기 유동을 발생시키는 것을 특징으로 하는 자이로스코프.
  8. 제7항에 있어서, 상기 플라이 휠은 적어도 부분적으로 제1 자기장을 형성하는 자기장 발생 요소로 구성되는 것을 특징으로 하는 자이로스코프.
  9. 제7항에 있어서, 상기 제1 자기장을 형성하는 요소들은 상기 플라이 휠에 대해 주변에 장착된 적어도 하나의 자석인 것을 특징으로 하는 자이로스코프.
KR1020207031152A 2018-03-28 2019-03-28 자체 추진식 추력 발생 제어된 모멘트 자이로스코프 KR20210005609A (ko)

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