WO2023067253A1 - Dispositif volant hybride - Google Patents

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WO2023067253A1
WO2023067253A1 PCT/FR2022/051459 FR2022051459W WO2023067253A1 WO 2023067253 A1 WO2023067253 A1 WO 2023067253A1 FR 2022051459 W FR2022051459 W FR 2022051459W WO 2023067253 A1 WO2023067253 A1 WO 2023067253A1
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WO
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electric
energy
electric motor
combustion engine
flying device
Prior art date
Application number
PCT/FR2022/051459
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English (en)
Inventor
Frankie Zapata
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Zipair
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D27/00—Arrangement or mounting of power plants in aircraft; Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/02—Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C29/00—Aircraft capable of landing or taking-off vertically, e.g. vertical take-off and landing [VTOL] aircraft
    • B64C29/0008—Aircraft capable of landing or taking-off vertically, e.g. vertical take-off and landing [VTOL] aircraft having its flight directional axis horizontal when grounded
    • B64C29/0083—Aircraft capable of landing or taking-off vertically, e.g. vertical take-off and landing [VTOL] aircraft having its flight directional axis horizontal when grounded the lift during taking-off being created by several motors of different type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D27/00—Arrangement or mounting of power plants in aircraft; Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/02—Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/026—Aircraft characterised by the type or position of power plants comprising different types of power plants, e.g. combination of a piston engine and a gas-turbine
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2200/00—Type of vehicle
    • B60Y2200/90—Vehicles comprising electric prime movers
    • B60Y2200/92—Hybrid vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D2221/00—Electric power distribution systems onboard aircraft
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2310/00—The network for supplying or distributing electric power characterised by its spatial reach or by the load
    • H02J2310/40—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle
    • H02J2310/44—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle for aircrafts

Definitions

  • the present invention relates to the field of hybrid flying devices making it possible to lift and transport a payload, the latter being able to take the form of a passenger and/or goods.
  • the invention relates in particular to a vertical take-off and landing device combining at least one combustion engine and at least one electric motor.
  • Helicopters are the most commonly used vertical take-off and landing aircraft.
  • a helicopter uses at least one combustion engine connected to a variable-pitch rotor which allows the helicopter to be tilted and thus to direct the vertical thrust of the engine backwards, forwards or to one side. It is also known to have aircraft whose engines can tilt so that they can provide vertical or horizontal thrust. These devices are relatively complex to manufacture and operate and cannot be generalized for urban mobility.
  • drones having a body provided with 2 to 12 arms distributed around said body. Each arm is equipped with an electric motor and provides vertical thrust. The motors being distributed all around the body, a control of the thrust of each motor makes it possible to tilt the body of the drone and to control the direction of said drone.
  • These drones are very easy to handle by playing on the thrust exerted by each motor but require the carrying of a battery.
  • the battery is generally sized according to the weight of the drone, its payload and the desired autonomy.
  • the use of such drones with large payloads requires the use of large batteries which add considerable weight to the drone, even greater than its payload, especially if you wish to have a range of several tens of kilometres.
  • the use of this type of drone is limited to a payload of the order of 10 kilograms with an autonomy of the order of 10 kilometers.
  • Combustion engines are known to use liquid, solid or gaseous fuel that weighs considerably less than a battery to produce the same amount of energy.
  • the use of a combustion engine on a flying device architecture with vertical landing and take-off is of interest for the mobility of heavy loads or people in urban areas and/or over long distances.
  • combustion engines all have significant inertia to change engine speed to increase or decrease thrust.
  • the use of combustion engines on a flying device of the drone type causes a loss of maneuverability compared to electric motors.
  • the invention proposes to improve and/or optimize the energy management of a flying device, in particular with vertical propulsion, arranged to convey a large payload in the air over a long distance.
  • the present invention aims to remedy the aforementioned drawbacks, in particular by proposing a propulsion device combining at least one combustion engine with at least one electric motor in order to benefit from the flexibility of an electric motor without having recourse to a battery of significant size.
  • the invention proposes a flying device comprising a main body on which is fixed a first combustion engine and a first electric motor, said first combustion and electric motors being arranged to create thrust vectors in the same direction of thrust and being placed on either side of the main body in order to create thrust vectors on each side of a separation plane passing through a center of gravity of said body so as to control the attitude of the flying device.
  • the flying device further comprises a first electric generator and a first energy transfer circuit.
  • the first electric generator is mechanically coupled to the first combustion engine in order to be driven by the latter.
  • the first electric energy transfer circuit is connected between the first electric generator and the first electric motor, the first energy transfer circuit being configured to create a mechanical resistance slowing down the first combustion engine and to produce energy electric to power the first electric motor.
  • the power supply to the electric motor is thus provided directly by a combustion engine, it is not necessary to provide a battery for the power supply.
  • the electric motor is powered by a generator which acts as a brake on the combustion engine while being placed on an opposite side of the body of the flywheel device, which makes it possible to increase the responsiveness of the combustion engine by braking it while allowing acceleration of the electric motor to the side opposite.
  • a generator which acts as a brake on the combustion engine while being placed on an opposite side of the body of the flywheel device, which makes it possible to increase the responsiveness of the combustion engine by braking it while allowing acceleration of the electric motor to the side opposite.
  • the first transfer circuit may comprise a first energy converter controlled to apply a load impedance to the first generator and supply the energy recovered by the load impedance to an output intended for the first electric motor.
  • the first transfer circuit may comprise a second energy converter having an energy input connected to the energy output of the first energy converter and to the first electric motor, said second converter transforming the energy received at its input into control signals of the first electric motor.
  • the first transfer circuit can also include an electrical energy storage element.
  • the electrical energy storage element is for example connected between the energy output of the first energy converter and ground to absorb excess energy not used by the second energy converter and to restore this energy if the energy supplied by said first converter is not sufficient to supply said second converter.
  • the flywheel device may comprise a second combustion engine, a second electric motor, a second electric generator and a second electric energy transfer circuit.
  • Said second combustion and electric motors create thrust vectors in the direction of thrust and are fixed on both sides on the other side of the main body in order to create thrust vectors on each side of the separation plane passing through the center of gravity of said body, the second combustion engine being placed on the same side of the separation plane as the first electric motor and the second electric motor being placed on the same side of the separation plane as the first combustion engine.
  • the second electric generator is mechanically coupled to the second combustion engine in order to be driven by the latter.
  • the second electrical energy transfer circuit is connected between the second electric generator and the second electric motor, said second transfer circuit being constituted identically to the first transfer circuit.
  • the storage elements can be high capacity capacitors.
  • the flying device may comprise a rechargeable battery connected in parallel to the storage elements of the first and second transfer circuits to recover an excess charge from said storage elements.
  • the first energy converters can be bidirectional and can power the first and second generators to serve as starters for the first and second combustion engines.
  • the battery can power said generators to start said first and second motors.
  • the first and/or second electric motors can be positioned respectively at greater distances from the center of gravity of the main body of said device than the first and/or second combustion engines.
  • the thrust vectors of the first and second combustion and electric motors can be included in a first thrust plane.
  • the flying device may further comprise a third combustion engine, a third electric motor, a fourth combustion engine, a fourth electric motor, third and fourth electric generators, and third and fourth electric energy transfer circuits.
  • Said third combustion and electric motors can create thrust vectors according to the direction of thrust and can be fixed on either side of the main body in order to create thrust vectors on each side of the separation plane passing through the center of gravity of said body.
  • Said fourth combustion and electric motors can create thrust vectors according to the direction of thrust and can be fixed on either side of the main body in order to create thrust vectors on each side of the separation plane passing through the center of gravity of said body.
  • the fourth combustion engine is for example placed on the same side of the separation plane as the third electric motor and the fourth electric motor is for example placed on the same side of the separation plane as the third combustion engine.
  • the third and fourth electric generators can be mechanically coupled and respectively to the third and fourth combustion engines in order to be driven by the latter.
  • the third and fourth electric energy transfer circuits can be connected respectively between the third and fourth electric generators and the third and fourth electric motors, said third and fourth transfer circuits being constituted identically to the first transfer circuit.
  • the thrust vectors of the third and fourth combustion and electric motors can be included in a second thrust plane secant to the first thrust plane on a crossing axis parallel to the direction of thrust.
  • the crossing axis can pass through the center of gravity of the flying device.
  • the first to fourth combustion and electric motors can be fixed to the main body by means of four support arms positioned above the center of gravity of said body and which can be arranged to support the first to fourth combustion and electric engines, and integrating electrical energy storage elements.
  • the pushing direction can be vertical.
  • FIG. 1 shows a first example of a flying device according to the invention
  • FIG. 2 illustrates a first example of an electrical circuit implemented in the flying device of Figure 1;
  • FIG. 3 illustrates a second example of an electrical circuit implemented in the flying device of Figure 1;
  • FIG. 4 shows a first implementation variant of the flying device of Figure 1;
  • FIG. 5 shows a second implementation variant of the flying device of Figure 1;
  • FIG. 6 shows a second example of a flying device according to the invention
  • FIG. 7 illustrates a first example of an electrical circuit implemented in the flying device of Figure 6;
  • FIG. 8 illustrates a second example of an electrical circuit implemented in the flying device of Figure 6;
  • FIG. 9 shows a variant implementation of the flying device of Figure 6;
  • FIG. 10 illustrates an example of an electrical circuit implemented in the flying device of Figure 10;
  • FIG. 11 shows an implementation variant for the transport of people of the flying device of Figure 9.
  • the description relates to a flying device using fixed motors and the direction of movement of which is determined by the inclination of the flying device.
  • the horizontal plane corresponds to the horizontal plane of the device which is horizontal when the latter is placed on the ground but which follows the attitude of the flying device when the latter tilts.
  • the verticality is defined with respect to the horizontal plane which follows the attitude of the flying device.
  • the motors exert a thrust which is always vertical with respect to the horizontal plane of the flying device, including when the flying device tilts.
  • the invention is not limited to devices whose thrust is only vertical. Indeed, the thrust of the engines could be inclined with respect to the vertical, or even to the horizontal. Those skilled in the art will understand that it suffices to perform a rotation of the assembly according to a chosen thrust direction.
  • the principle implemented by the invention consists in powering an electric propulsion motor located on a first side of a flying device with the aid of a combustion propulsion engine located on a second side of the flying device, opposite to the first side.
  • a first embodiment is shown in Figure 1 in side view to explain the principle.
  • the flying device of FIG. 1 comprises a main body 100 on which is fixed a combustion engine MC and an electric motor ME.
  • the attachment of MC combustion engines and ME electric engines can be carried out at using fixing arms 101 and 102 placed on either side of the main body 100.
  • the invention is not limited to the use of arms and can use any other means of fixing combustion engines MC and electric ME, the combustion engines MC and electric ME being able to be integrated into a fairing of the main body 100, the important thing being that the combustion engines MC and electric ME are placed on either side of the main body 100 in order to create vertical thrusts on two opposite sides of said body 100.
  • opposite sides it is necessary to understand any sides opposite to each other such as for example the left side and the right side or even the front side and the side rear or any other configuration.
  • the combustion engine MC is for example a 2- or 4-stroke piston engine comprising one or more pistons connected to a crankshaft which transforms an alternating movement of the piston(s) into a rotational movement.
  • the crankshaft is mechanically connected to a propeller 111 which transforms the rotation of the engine into a substantially vertical thrust vector with respect to the main body 100.
  • the connection between the propeller 111 and the combustion engine MC can be made in different ways, either directly by mounting the propeller 111 on the crankshaft of the MC combustion engine, either by means of sprockets, a belt or any other speed reducer.
  • the electric motor ME is also connected to a propeller 112 which transforms the rotation of the electric motor ME into a substantially vertical thrust vector.
  • the connection between the propeller 111 and the electric motor ME can be made in different ways, either directly by mounting the propeller 111 on the rotor of the electric motor ME, or by means of sprockets, a belt or any another speed reducer.
  • the electric motor ME can be any type of electric motor, the person skilled in the art being able to adapt the circuits described below according to the choice made on the type of electric motor.
  • the flying device of FIG. 1 further comprises an electric generator GE mechanically coupled to the combustion engine MC in order to be driven by him.
  • the GE electric generator is also an electric motor of any type but which is used as a generator, that is to say to transform the mechanical energy of rotation into electric current.
  • the mechanical coupling between the GE electric generator and the combustion engine can be by gear or by belt. It is also possible to couple the electric generator GE directly to the axis of the crankshaft of the combustion engine MC, provided that a flat electric motor, for example of the “pancake” type, is used as the electric generator.
  • FIG. 2 illustrates a first example of an electrical circuit implemented in the flying device of FIG. 1.
  • the electric generator GE and the electric motor ME are both direct current motors which transform a direct current into rotational speed and vice versa.
  • a transfer circuit 200 is connected between the electric generator GE and the electric motor ME.
  • the transfer circuit 200 can be a chopper, also known as the “buck-boost converter”.
  • the transfer circuit 200 comprises an inductor 201 having one terminal connected to a capacitor 202 and another terminal connected to the anode of a diode 203 and to a current output of the electric generator GE via a controlled switch 204.
  • the controlled switch 204 is for example a power transistor.
  • the cathode of the diode is connected to capacitor 202 and to the current input of the electric motor ME.
  • the electric generator GE, the electric motor ME, and the node between the inductor 201 and the capacitor 202 are connected to a common ground.
  • the operation of the energy transfer circuit 200 will be more fully detailed in order to explain the operating principle of the invention.
  • switch 204 When switch 204 is closed, the electric generator GE is connected to inductor 201.
  • the voltage at the terminals of the GE electric generator is proportional to its speed of rotation.
  • the current supplied by the electric generator GE charges the inductor 201 and increases in the direction of an equilibrium value according to a logarithmic curve.
  • the increase in the current supplied by the electric generator GE creates a mechanical resistance on the combustion engine MC which brakes the latter, the braking energy being transmitted to the inductance 201 .
  • the inductor 201 opposing a sudden variation in current the opening of the switch 204 causes a lowering of the voltage on the anode of the diode 203 which makes it conductive and closes the circuit composed of the inductor 201, capacitor 202 and diode 203.
  • Switch 204 being open, inductor 201 discharges into capacitor 202 which sees the voltage across its terminals increase. As the voltage increases across the terminals of capacitor 202, this increases the voltage across the terminals of electric motor ME and causes said motor ME to rotate by drawing part of the current flowing between inductance 201 and capacitor 202.
  • diode 203 turns off, inductance 201 is recharged by electric generator GE and capacitor 202 discharges into electric motor ME.
  • a control signal S alternating opening and closing of the switch 204 at a high frequency, for example a few tens of kilohertz, makes it possible to arrive at a situation of equilibrium in which the generator GE supplies a voltage and a variable current around an average value proportional to the duty cycle of the control signal S.
  • a balance is also created between the combustion engine MC and the generator GE. Indeed, the combustion engine MC must drive the propeller 111 and the average resistance of the generator GE which is also proportional to the duty cycle of the control signal S. Thus, part of the mechanical energy produced by the combustion engine MC is taken by the generator GE to be transmitted to the electric motor ME.
  • a duty cycle of 50% of the control signal S makes it possible to transfer 50% of the mechanical energy produced by the combustion engine MC to the electric motor ME thus making it possible to have a vertical thrust force equivalent to 50% of the energy produced by the combustion engine MC on each side of the main body 100.
  • a reduction in the duty cycle of the signal of control S has the effect of reducing the energy transmitted, which makes it possible to slow down the electric motor ME and to reduce the mechanical resistance applied to the combustion engine MC and therefore to increase the speed of the combustion engine MC.
  • a reduction in the duty cycle of control signal 200 has the effect of increasing the vertical thrust force produced by the combustion engine MC while reducing the thrust force of the electric motor ME, thus creating a thrust imbalance which tilts the flying device, in FIG. 1, clockwise.
  • an increase in the duty cycle of the control signal S creates a reverse thrust imbalance which tilts the flying device, in FIG. 1, counterclockwise.
  • the duty cycle of the control signal S must be adjusted accordingly.
  • the duty cycle must correspond to a call for 55% of the energy of the combustion engine MC in order to restore only 45% of this energy to the electric motor ME in order to have the same thrust force on each side of the flying device.
  • Power pairing differences between the combustion engine MC, the generator GE and the electric motor ME can also be compensated by adjusting the duty cycle. In terms of responsiveness, such a system is not symmetrical. In fact, the braking of the combustion engine MC is carried out by the generator GE which acts as an electric brake and therefore more quickly than if a gas control of the combustion engine were reduced.
  • the braking energy is directly accessible for the electric motor ME which can accelerate very quickly.
  • the transfer of thrust to the electric motor takes place very quickly.
  • the generator GE reduces the braking force.
  • the acceleration of the combustion engine MC takes place according to an acceleration curve of said engine MC which is less reactive than an electric motor.
  • the reduction in speed of the electric motor ME remains very rapid.
  • the transfer of thrust to the combustion engine MC is slower than the transfer of thrust to the electric motor ME while remaining faster than a transfer of thrust between two combustion engines.
  • FIG. 3 illustrates a second example of an electrical circuit implemented in the flying device of FIG. 1 which allows independent control of the electric generator GE and of the electric motor ME.
  • the electric generator GE and the electric motor ME can be any type of electric motor, direct current, synchronous or asynchronous alternating current, single-phase or multi-phase, or else of the stepper type. not.
  • the electric generator GE and the electric motor ME can also be of two different types but having powers of the same order of magnitude as the power of the combustion engine MC.
  • a transfer circuit 300 is connected between the electric generator GE and the electric motor ME.
  • the transfer circuit 300 mainly comprises a first energy converter 301, a second energy converter 302 and an electrical energy storage element 303.
  • the first energy converter 301 has signal inputs connected to the electric generator GE, a current output and a control signal input.
  • the first energy converter 301 is a specific converter adapted to the type of motor used as electric generator GE and has a number of signal inputs adapted to the number of phases of said GE generator to transform mechanical rotational energy into electric current. .
  • the first energy converter 301 applies one or more load impedances to the winding or windings of the generator GE and transforms the energy thus recovered into a current.
  • the current output of the first energy converter 301 provides the current IG proportional to the load impedance and the rotational speed of the generator GE.
  • the control signal input receives an analog or digital SG control signal which controls the load impedance.
  • control signal SG controls the mechanical resistance applied to the combustion engine MC by the electric generator GE.
  • the first energy converter 301 is of a known type which will not be further detailed because a large number of circuits can be used and correspond to the type of motor used.
  • the second energy converter 302 has signal outputs connected to the electric motor ME, a current input and a control signal input.
  • the second energy converter 302 is a specific converter adapted to the type of motor used as electric motor ME and has a number of signal outputs adapted to the number of phases of said motor ME to transform an electric current into mechanical rotational energy.
  • the second energy converter 302 is of a known type which will not be further detailed because a large number of circuits can be used and correspond to the type of motor used.
  • the control signal input receives an analog or digital control signal SM which corresponds to a power setpoint at supply to the electric motor ME via the signal outputs connected to the phases of said motor ME.
  • the current input of the second energy converter 302 is connected to the current output of the first energy converter 301 and draws a current IM which is transformed into control signals of the electric motor ME.
  • the electrical energy storage element 303 is connected between the current output of the first energy converter 301 and ground.
  • the energy storage circuit receives or supplies a current corresponding to the difference between the current IG and the current IM in order to absorb a surplus of energy not used by the second energy converter 302 and to restore this energy to the second energy converter 302 when the energy supplied by the first converter 301 is not sufficient to supply the second converter 302.
  • the storage element 303 serves as an energy buffer and its storage capacity remains limited.
  • the currents IG and IM can be substantially equal except during transient periods corresponding to the accelerations and reductions in the speed of rotation of the combustion engine MC and of the electric motor ME.
  • the storage element can be a high capacity capacitor also called a supercapacitor. The dimensioning of the capacity of such a capacitor can be calculated by considering that it must store enough energy to supply the electric motor for a few seconds.
  • the command signals SG and SM are decorrelated, however they must be determined jointly.
  • the control signal SG must correspond to the application of a load impedance to the GE generator which makes it possible to take 50% of the mechanical power produced by the MC combustion engine.
  • the command signal SM must correspond to a power command for supplying the electric motor ME which also corresponds to a power equal to 50% of the mechanical energy produced by the combustion engine MC.
  • the currents IG and IM are equal and correspond to the energy transmitted between the combustion engine MC and the electric motor ME. If the energy conversion losses are taken into account, the control signals SG and SM must be adapted in order to draw a higher power from the combustion engine MC compared to the power restored to the electric motor ME.
  • the storage element 303 makes it possible to supply the additional energy to the electric motor ME. For this purpose, it is necessary to have a minimum level of charge in the storage element 303 to perform such compensation.
  • the recharging of the storage element 303 can be done during a reverse tilting where the braking of the combustion engine MC can be slightly anticipated on the acceleration of the electric motor ME thus creating a generation of electrical energy greater than this that the electric motor ME absorbs.
  • Another possibility of recharging the storage element 303 can be done when the forces of the thrust vectors are balanced between the combustion engines MC and electric ME in drawing slightly more power from the MC motor while delivering slightly less power to the ME electric motor.
  • Another possibility of recharging can be done at the level of a control of the attitude of the flying device.
  • the flying device being subject to the wind, the control of its attitude can consist in accelerating or braking only one of the combustion engines MC or electric ME to restore the attitude.
  • Braking of the combustion engine MC or of the electric motor ME which is not compensated by the other electric motor ME or of the combustion engine MC also makes it possible to recharge the storage element 303. More generally, the control signals SG and SM must be generated by taking into account the level of charge of the storage element 303 in order to recharge it so that it can supply energy to the electric motor ME when the latter is not able to supply sufficient power. energy to the ME electric motor.
  • the flying device of FIG. 1 since the flying device of FIG. 1 only has two motors on two opposite sides, it can only control its attitude along a single axis of rotation. This may be suitable for a flying device which has other motors or balancing means to ensure tilting along another axis and to ensure attitude control along several axes of rotation.
  • a flying device which has other motors or balancing means to ensure tilting along another axis and to ensure attitude control along several axes of rotation.
  • such a device can be used, for example, on one of the flying devices disclosed in patent application WO 2017/174942, but only for attitude control in one direction by placing the combustion engines and electric either left and right or front and rear.
  • FIG. 4 shows a top view of a first variant of flying device using two combustion engines MC1 and MC2 and two electric motors ME1 and ME2 arranged in a star around a central body 100.
  • Each combustion engine MC1 or MC2 is placed on a side opposite an electric motor ME1 or ME2 with respect to the main body 100, the electric motors ME1 and ME2 being for example placed forward of the flying device and the combustion engines MC1 and MC2 being for example placed towards the back of the flying device.
  • each combustion engine MC1 or MC2 is coupled to an electric generator which is connected to the electric motor ME1 or ME2 via a transfer circuit identical to one of the circuits described with the aid of figure 2 or figure 3.
  • the electric motors ME1 and ME2 and the heat engines MC1 and MC2 provide identical thrust.
  • To move forward it is necessary to accelerate the combustion engines MC1 and MC2 while slowing down the electric motors ME1 and ME2.
  • For movement in another direction it is necessary to tilt the flying device in the desired direction by transferring more or less energy between the combustion engine MC1 and the electric motor ME1 or between the combustion engine MC2 and the electric motor ME2.
  • the flying device of figure 4 just like the flying device of figure 1 requires a significant transfer of energy between the combustion engines MC1 and MC2 and the electric motors ME1 and ME2. Losses related to energy transfer are proportional to the amount of energy. In order to reduce the losses linked to the transfer of energy, it is possible to use a higher number of combustion and electric motors.
  • Figure 5 shows a top view of a second variant of flying device using three combustion engines MC1, MC2 and MC3 and three electric motors ME1, ME2 and ME3 arranged on vertices of a hexagon centered around a central body 100.
  • the combustion engines MC1 to MC3 are placed alternately with respect to the electric motors ME1 to ME3 and each combustion engine MC1 to MC3 is connected via a generator and a transfer circuit to a motor electric ME1 to ME3 placed on an opposite side with respect to the main body 100.
  • the principle of energy transfer between each combustion engine MC1 to MC3 and each electric motor ME1 to ME3 is similar to that described using the figure 2 or in Figure 3.
  • the electric motors ME1 to ME3 are only used for ensuring the tilting of the flying device, the thrust in hovering flight being ensured solely by the combustion engines MC1 to MC3.
  • the flying device of FIG. 5 can indeed tilt in any direction by slowing down one or two combustion engines MC1, and/or MC2 and/or MC3 while simultaneously starting and accelerating one or two electric motors ME1 and/or ME2 and/or ME3 located opposite the combustion engine(s) MC1, and/or MC2 and/or MC3 slowed down.
  • the principle of energy transfer takes place in the same way as what has been described using Figure 2 or Figure 3, but the energy transferred is reduced because it is only used to tilt the device. steering wheel and it is not necessary to transfer 50% of the energy of the combustion engines to ensure an equivalent thrust on an opposite side in order to have a balanced thrust.
  • FIG. 6 represents a second embodiment of a flying device providing trim control along a single axis of rotation, in a side view.
  • a flying device may have other motors or balancing means to ensure tilting along another axis and ensure attitude control along several axes of rotation.
  • such a device can be used, for example, on one of the flying devices disclosed in patent application WO 2017/174942, but only for attitude control in one direction by placing the combustion engines and electric either left and right or front and rear.
  • the flying device of FIG. 6 comprises a main body 100 on which is fixed a first combustion engine MC1, a second combustion engine MC2, a first electric motor ME1 and a second electric motor ME2.
  • the fixing of the combustion engines MC1 and MC2 and electric engines ME1 and ME2 can be carried out using fixing arms 101 and 102 placed on either side of the main body 100, the first combustion engine MC1 and the second engine electrical ME2 being placed on one arms 101, the second combustion engine MC2 and the first electric motor ME1 being placed on the other arm 102.
  • the invention is not limited to the use of arms and can use any other fixing means, the important being that the first combustion engines MC1 and electric ME1 are placed on either side of the main body 100 and that the second combustion engines MC2 and electric ME2 are also placed on either side of the main body, the second combustion engine MC2 being placed on the same side as the first electric motor ME1 and the second electric motor ME2 being placed on the same side as the first combustion engine MC1.
  • the first and second combustion engines MC1 and MC2 create vertical thrust vectors on two opposite sides of the main body 100 as well as the first and second electric motors ME1 and ME2.
  • the first and second combustion engines MC1 and MC2 are preferably identical and mechanically connected to propellers 111 and 113 which transform the rotation of each engine into a substantially vertical thrust vector with respect to the main body 100.
  • the first and second electric motors ME1 and ME2 are also connected to propellers 112 and 114 which transform the rotation of the electric motor ME into a vertical thrust vector.
  • the first and second electric motors ME1 and ME2 are preferably identical but may be of lower power than the first and second combustion engines MC1 and MC2.
  • the flying device of FIG. 6 further comprises a first electric generator GE1 mechanically coupled to the first combustion engine MC1, and a second electric generator GE2 mechanically coupled to the second combustion engine MC2.
  • the first and second electric generators GE1 and GE2 are electric motors whose power is of the same order of magnitude as the first and second electric motors ME1 and ME2.
  • a first electric energy transfer circuit is connected between the first electric generator GE1 and the first electric motor ME1.
  • a second electric energy transfer circuit is connected between the second electric generator GE2 and the second electric motor ME2.
  • the first and second energy transfer circuits are identical and may correspond to the transfer circuit 200 or to the transfer circuit 300 described above.
  • the use of two combustion engines coupled to two electric motors placed opposite one another on either side of the main body 100 allows shared management of the engines which makes coupling possible between the first and second circuits of energy transfer.
  • Figure 7 illustrates a first example of a shared electrical circuit which is derived from the electrical circuit of Figure 3 in order to implement it in the flying device of Figure 6.
  • the electric circuit of FIG. 7 comprises a first transfer circuit 701, a second transfer circuit 702 and a storage element 703.
  • the first transfer circuit 701 is connected between the first electric generator GE1 and the first electric motor ME1.
  • the second transfer circuit 702 is connected between the second electric generator GE2 and the second electric motor ME2.
  • the first and second transfer circuits 701 and 702 are identical and each comprise a first energy converter 301 and a second energy converter 302.
  • the first and second energy converters 301 and 302 are of the same nature as those described jointly with Figure 3.
  • the first energy converter 301 of the first transfer circuit 701 has signal inputs connected to the first electric generator GE1, a current output and a control signal input receiving a control signal SG1.
  • the first energy converter 301 of the second transfer circuit 702 has signal inputs connected to the second electric generator GE2, a current output and a control signal input receiving a control signal SG2.
  • the second energy converter 302 of the first transfer circuit 701 has signal outputs connected to the first electric motor ME1, a current input and a control signal input SM1.
  • the second energy converter 302 of the second transfer circuit 702 has signal outputs connected to the second electric motor ME2, a current input and a control signal input SM2.
  • the current outputs of the first converters 301 are connected together to the current inputs of the second converters 302 and to a first terminal of the storage element 703.
  • a second terminal of the storage element 703 is connected to ground, the storage element 703 being for example a capacitor.
  • the first and second transfer circuits 701 and 702 do not operate simultaneously.
  • the first and second combustion engines MC1 and MC2 provide identical thrust forces and the first and second electric motors ME1 and ME2 are not powered.
  • the control signals SG1, SG2, SM1 and SM2 send a command which is for example an open circuiting of the first and second generators GE1 and GE2 and of the electric motors ME1 and ME2.
  • To tilt the flying device to one side it is necessary to start an electric motor, for example the first electric motor ME1, and to brake the combustion engine located on the opposite side, for example the first combustion engine MC1, in order to create a thrust imbalance that will tilt the flying device.
  • signal SG1 controls first converter 301 of first transfer circuit 701 so that it applies a load impedance to first generator GE1 corresponding to braking of first combustion engine MC1.
  • the energy supplied to the impedance is converted into current which charges the storage element 703.
  • the signal SM1 controls the second converter 302 of the first transfer circuit 701 so that the first ME1 electric motor starts and accelerates to a speed to achieve the required inclination.
  • the control signals SG1 and SM1 put the first generator GE1 and the first electric motor ME1 back into open circuit.
  • it is possible to activate the second electric motor ME2 by sending a command SM2 using residual energy contained in the storage element 703, which makes it possible to compensate for a slow acceleration of the first MC1 combustion engine.
  • the first and second generators GE1 and GE2 being electric motors, the latter can also be used as motors and be used as starters for the combustion engines MC1 and MC2 on condition that first reversible converters 301 are used, that is to say say bidirectional.
  • the storage element 703 can be a battery such as for example a lead battery. To limit the weight and size of the battery, it is preferable to use a battery with a high charge density, such as a lithium battery, for example. However, the circuit in Figure 7 does not allow the use of a battery that requires controlled charging.
  • Figure 8 illustrates a second example of a shared electrical circuit which is also derived from the electrical circuit of Figure 3.
  • the electric circuit of FIG. 8 comprises a first transfer circuit 801, a second transfer circuit 802, a battery 803 and a charge regulation circuit 804.
  • the first transfer circuit 801 is connected between the first electric generator GE1 and the first ME1 electric motor.
  • the second transfer circuit 802 is connected between the second electric generator GE2 and the second electric motor ME2.
  • the first and second transfer circuits 801 and 802 are identical to the transfer circuit 300 described jointly with FIG. 3 and each comprise a first energy converter 301, a second energy converter 302 and a storage element 303.
  • the first energy converter 301 of the first transfer circuit 801 has signal inputs connected to the first electric generator GE1, a current output and a control signal input receiving a control signal SG1.
  • the first energy converter 301 of the second transfer circuit 802 has signal inputs connected to the second electric generator GE2, a current output and a control signal input receiving a control signal SG2.
  • the second energy converter 302 of the first transfer circuit 801 has signal outputs connected to the first electric motor ME1, a current input and a control signal input SM1.
  • the second energy converter 302 of the second transfer circuit 802 has signal outputs connected to the second electric motor ME2, a current input and a control signal input SM2.
  • the current output of the first converter 301 is connected to the current input of the second converter 302 and to a first terminal of the storage element 303.
  • a second terminal of the storage element 303 is connected to ground, the storage element 303 being for example a capacitor.
  • the battery 803 is a battery with a high charge density, such as for example a lithium battery or a nickel battery.
  • the battery 803 comprises a first terminal connected to ground and a second terminal connected to the first terminal of the storage element 303 of each of the transfer circuits 801 and 802 via first diodes 805.
  • the regulation circuit of charge 804 is a voltage and current regulator adapted to the battery 803 in order to be able to charge the latter with a voltage and a charging current adapted to its level of charge according to a known regulation technique.
  • the charge regulation circuit 804 comprises a voltage output connected to the second terminal of the battery 803 and a voltage input connected to the first terminal of the storage element 303 of each of the transfer circuits 801 and 802 by the intermediary of second diodes 806.
  • the first diodes 805 allow current to flow only from the battery 803 to the storage elements 303.
  • the second diodes 806 allow current to flow only from the storage elements 303 to the voltage input of the charge regulation circuit 804.
  • each transfer circuit 801 and 802 has its own storage element 303.
  • the difference lies in the energy management of the storage devices 303 and the battery 803. If the voltage across a storage device 303 is lower than the battery voltage minus the switching voltage of a first diode 805, then the battery 803 charges said storage device 303.
  • each storage device 303 permanently has a minimum residual charge and can always restore energy to an electric motor ME1 or ME2 if it is necessary to accelerate said electric motor ME1 or ME2 without receiving sufficient energy from the combustion engine MC1 or MC2.
  • the storage device 303 can nevertheless be loaded during the braking of a combustion engine MC1 or MC2. If several successive switchovers are performed on the same side without a reverse switchover, a storage element 303 will see its load continually increase.
  • the charge level of a storage element 303 reaches a predetermined charge threshold, the excess charge can recharge the battery 803.
  • the predetermined charge threshold can be defined as being equal to a minimum circuit input voltage regulator 804 added to the switching voltage of the second diodes 806.
  • the regulator circuit 804 sees its input voltage higher than the minimum voltage, the regulator circuit supplies a regulated charging voltage which recharges the battery 803.
  • FIG. 9 shows a top view of a variant of the flying device of FIG. 6 which has attitude control along several axes of rotation.
  • FIG. 9 shows a first variant of a flying device using first to fourth combustion engines MC1, MC2, MC3 and MC4 and first to fourth electric motors ME1, ME2, ME3 and ME4 arranged in a star around a central body 100.
  • the first to fourth combustion engines MC1, MC2, MC3 and MC4 are respectively placed on an opposite side of the first to fourth electric motors ME1, ME2, ME3 and ME4 with respect to the main body 100 of the flying device in order to create thrust vectors vertical on two opposite sides of said body 100.
  • the first combustion engine MC1 is placed on the same side as the second electric motor ME2 on a first support arm 910.
  • the first electric motor ME1 is placed on the same side as the second combustion engine MC2 on a second support arm 920.
  • the fourth combustion engine MC4 is placed on the same side as the third electric motor ME3 on a third support arm 930.
  • the fourth electric motor ME4 is placed on the same side as the third combustion engine MC3 on a fourth support arm 940.
  • the first and second combustion engines MC1 and MC2 and electric engines ME1 and ME2 are aligned so that their thrust vectors are inscribed in a first thrust plane.
  • the third and fourth combustion engines MC3 and MC4 and electric ME3 and ME4 are aligned so that their thrust vectors are inscribed in a second thrust plane, the first thrust plane being secant to the second thrust plane on a corresponding vertical axis at the crossroads of the arms 910 to 940.
  • the vertical axis corresponding to the crossing of the arms 910 to 940 passes through the center of gravity of the flying device in order to guarantee more stability in hovering flight and therefore less attitude compensation. If you want to use less energy to ensure a tilted attitude in a preferred direction, it is possible to offset the vertical axis in an opposite direction with respect to the center of gravity.
  • the first to fourth electric motors ME1 to ME4 can also be positioned at a greater distance from the center of gravity of the main body 100 than the first to fourth combustion engines MC1 to MC4. Such a configuration makes it possible to increase the moment of force of the thrust vectors of the electric motors ME1 to ME4 with respect to the moment of force of the thrust vectors of the combustion engines MC1 to MC4. Thus, the thrust force of the electric motors ME1 to ME4 will be amplified in the attitude tilting torque of the flying device.
  • the flying device of FIG. 9 also comprises first to fourth electric generators GE1, GE2, GE3 and GE4 coupled respectively to the first to fourth combustion engines MC1, MC2, MC3 and MC4.
  • the first to fourth electric generators GE1 to GE4 are electric motors whose power is of the same order of magnitude as the first to fourth electric motors ME1 to ME4.
  • First to fourth electric power transfer circuits are respectively connected between the first to fourth electric generators GE1 to GE4 and the first to fourth electric motors ME1 to ME4.
  • the first to fourth energy transfer circuits are identical and can correspond to the transfer circuits 200, 300, 701, 702, 801 or 802 described above.
  • figure 10 shows an example of an electrical circuit used by the flying device of figure 9 adapted from the circuit of figure 8.
  • the electric circuit of FIG. 10 comprises first to fourth transfer circuits 901, 902, 903 and 904, a battery 803 and a charge regulation circuit 804.
  • the first to fourth energy transfer circuits 901 to 904 are connected respectively between the first to fourth electric generators GE1 to GE4 and the first to fourth electric motors ME1 to ME4.
  • First through fourth transfer circuits 901 through 904 are identical to transfer circuits 801 and 802 described in conjunction with Figure 8 and need not be further detailed.
  • the battery 803 comprises a first terminal connected to ground and a second terminal connected to the first terminal of the storage element 303 of each of the transfer circuits 901 to 904 via first diodes 805 and a first switch 905.
  • the charge regulation circuit 804 is a voltage and current regulator adapted to the battery 803.
  • the charge regulation circuit 804 has a voltage output connected to the second terminal of the battery 803 and a voltage input connected to the first terminal of the storage element 303 of each of the transfer circuits 801 and 802 via second diodes 806 and a switch 906.
  • the first diodes 805 allow current to flow only from the battery 803 to the storage elements 303.
  • the second diodes 806 allow current to flow only from the storage elements 303 to the voltage input of the charge regulation circuit 804.
  • the operation of the electric circuit of FIG. 10 differs mainly from that of FIG. 8 by the addition of the first and second switches 905 and 906 which serve to reduce the stress on the battery in order to increase its lifespan.
  • the first switch 905 is used to avoid systematic recharging of the storage elements 303 when the voltage at the terminals of a storage element 303 is lower than the voltage at the terminals of the battery.
  • the purpose of the first switch 905 is to remain open except to start the combustion engines MC1 to MC4 or when a storage element 303 has a level of charge which does not make it possible to be able to supply an electric motor ME1 to ME2.
  • the second switch 906 is also used to avoid systematic recharging of the battery 803 as soon as a level of charge of a storage element 303 allows it.
  • the closing of the second switch 906 can occur when a storage element 303 reaches a maximum level of charge which risks harming the electrical circuit, the second switch 906 remaining closed until the storage element 303 reaches a level much lower charge level, e.g. half the charge level maximum.
  • the second switch 906 can also close when the battery 803 is at too low a charge level, the second switch 906 then remaining closed until the battery 803 reaches a charge level close to its maximum charge without reaching it in order to allow it to be recharged if storage elements 303 are overloaded.
  • FIG. 11 represents in perspective a flying device dedicated to the transport of people which comprises eight arms B each supporting a combustion engine MC and an electric motor ME.
  • the eight arms B are arranged in a star and intersect at a central point equidistant from each combustion engine MC and each electric motor ME.
  • Each electric motor ME is supplied with energy by the combustion engine MC located on the opposite arm via a transfer circuit housed inside said arms B.
  • the eight arms B are fixed at their central point on top of a main body 100.
  • the main body 100 consists of a cabin intended to receive a passenger.
  • the main body is not limited to a passenger cabin and could be a platform or a trunk intended to receive goods.
  • Combustion and electric motors can be placed on either side of the trunk or platform.
  • the number of electric motors may be different from the number of combustion engines, one combustion engine being able to supply two electric motors, for example.
  • the attachment arms are not necessary if the combustion and/or electric motors are an integral part of the body of the flying device or are integrated into a fairing of the body of the flying device.
  • Combustion engines can be any type of engine using solid, liquid or gaseous fuel.
  • a turbojet engine can be used by recovering the mechanical energy on its central rotor.
  • the combustion engines are represented on either side of a main body and could suggest to a person skilled in the art that on each side means diametrically opposed to each other vis-à-vis vis a center of gravity. It is not necessary that the arrangement of the motors be symmetrical with respect to a center of gravity or an axis of symmetry or a plane of symmetry.
  • the flying device performs a tilting attitude, for this, it is sufficient that the motors are placed on each side any plane passing through the center of gravity of the flying device, separating the latter into two parts which are not necessarily symmetrical and said plane being aligned with the direction of thrust of the thrust vectors of the engines, in other words substantially parallel to said thrust direction.
  • a plane, axis, or center of symmetry through the center of gravity to lay out the motors only makes it easier to establish commands because the axis of rotation is easier to calculate.
  • the present description refers to combustion and electric engines producing thrust vectors in the same direction of vertical thrust.
  • the thrust vectors can be directed in another direction of thrust which is not necessarily vertical.
  • the alignment of thrust vectors can be done with a tolerance of a few degrees.

Landscapes

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Abstract

L'invention concerne un dispositif volant comportant un corps principal sur lequel est fixé un moteur à combustion (MC) et un moteur électrique (ME), un générateur électrique (GE) et un circuit de transfert d'énergie électrique (300). Les moteurs à combustion (MC) et électrique (ME) sont agencés pour créer des vecteurs de poussée et sont placés de part et d'autre du corps principal afin de créer des vecteurs de poussée de chaque côté d'un plan de séparation dudit corps. Le générateur électrique (GE) est couplé mécaniquement au moteur à combustion (MC) afin d'être entrainé par ce dernier. Le circuit de transfert d'énergie électrique (300) est connecté entre le générateur électrique (GE) et le moteur électrique (ME), le circuit de transfert d'énergie (300) étant configuré pour créer une résistance mécanique ralentissant le moteur à combustion (MC) et pour produire de l'énergie électrique afin d'alimenter le moteur électrique (ME).

Description

Dispositif volant hybride
La présente invention se rapporte au domaine des dispositifs volants hybrides permettant de soulever et transporter une charge utile, cette dernière pouvant se matérialiser par un passager et/ou une marchandise. L’invention concerne notamment un dispositif à décollage et atterrissage verticaux combinant au moins un moteur à combustion et au moins un moteur électrique.
Se déplacer aussi librement que possible dans l’espace est une préoccupation constante pour l’Homme, voire un rêve quasi-inaccessible pour certains. De nombreuses machines ont été élaborées, de la plus sommaire à la plus sophistiquée. Parmi ces machines, il existe des dispositifs volants à atterrissage et décollage verticaux présentant l’avantage de nécessiter une surface de décollage ou d’atterrissage de taille réduite.
Les hélicoptères sont les appareils à décollage et atterrissage verticaux les plus utilisés. Un hélicoptère utilise au moins un moteur à combustion relié à un rotor à pas variable qui permet d’incliner l’hélicoptère et ainsi de diriger la poussée verticale du moteur vers l’arrière, l’avant ou sur l’un des côtés. Il est également connu d’avoir des avions dont les moteurs peuvent s’incliner afin de pouvoir fournir une poussée verticale ou horizontale. Ces appareils sont relativement complexes à fabriquer et à manœuvrer et ne peuvent pas se généraliser pour de la mobilité urbaine.
Il existe également des drones disposant d’un corps muni de 2 à 12 bras répartis autour dudit corps. Chaque bras est muni d’un moteur électrique et fournit une poussée verticale. Les moteurs étant répartis tout autour du corps, un contrôle de la poussée de chaque moteur permet d’incliner le corps du drone et de contrôler la direction dudit drone. Ces drones sont très faciles à manier en jouant sur la poussée exercée par chaque moteur mais nécessitent l’emport d’une batterie. La batterie est généralement dimensionnée en fonction du poids du drone, de sa charge utile et de l’autonomie souhaitée. L’utilisation de tels drones avec des charges utiles importantes nécessite l’utilisation de batterie de taille importante qui rajoute un poids considérable au drone, voire supérieur à sa charge utile, notamment si l’on souhaite avoir une autonomie de plusieurs dizaines de kilomètres. L’usage de ce type de drone est limité à une charge utile de l’ordre de 10 kilogrammes avec une autonomie de l’ordre de 10 kilomètres.
Les moteurs à combustion sont connus pour utiliser un carburant liquide, solide ou gazeux dont le poids est considérablement plus faible que celui d’une batterie pour produire une même quantité d’énergie. L’utilisation de moteur à combustion sur une architecture de dispositif volant à atterrissage et décollage verticaux présente un intérêt pour de la mobilité de charge lourde ou de personne en zone urbaine et/ou sur de longue distance. Cependant, les moteurs à combustion présentent tous une inertie importante pour changer de régime moteur afin d’augmenter ou de diminuer une poussée. Ainsi, l’utilisation de moteurs à combustion sur dispositif volant de type drone fait perdre de la maniabilité par rapport aux moteurs électriques.
Il est également connu d’utiliser des moteurs électriques et des moteurs à combustion de manière conjointe pour pouvoir bénéficier de la souplesse d’utilisation des moteurs électriques. A titre d’exemple, le document WO 2017/174942 A1 divulgue un dispositif volant combinant des moteurs à combustion pour assurer la portance et le déplacement du dispositif volant et des moteurs électriques placés à l’avant et à l’arrière pour contrôler l’assiette du dispositif volant. Néanmoins, une batterie doit être dimensionnée pour pouvoir effectuer toutes les manœuvres en vol avec un minimum de sécurité, ce qui entraine un surdimensionnement de la batterie et donc un surpoids qui va augmenter la consommation de carburant des moteurs à combustion.
Ainsi, pour faire face à la révolution en cours sur la mobilité aérienne urbaine et aux applications en matière de déplacement de passager ou de marchandise demandant une autonomie de plusieurs dizaines de kilomètres, notamment pour des déplacements intercités, de tels dispositifs volants, à flux d’air hybride, nécessitent des perfectionnements. Il est important de parvenir à maîtriser les flux d’énergie afin d’optimiser les besoins sans avoir à ajouter des moyens de stockage d’énergie électrique pouvant alourdir et complexifier ledit dispositif volant.
À ce titre, l’invention propose d’améliorer et/ou d’optimiser la gestion énergétique d’un dispositif volant, notamment à propulsion verticale, agencé pour véhiculer dans les airs une charge utile importante sur une longue distance. Ainsi, la présente invention vise à remédier aux inconvénients précités, notamment en proposant un dispositif de propulsion combinant au moins un moteur à combustion avec au moins un moteur électrique afin de bénéficier de la souplesse d’un moteur électrique sans avoir recours à une batterie de taille importante.
À cette fin, l’invention propose un dispositif volant comportant un corps principal sur lequel est fixé un premier moteur à combustion et un premier moteur électrique, lesdits premiers moteurs à combustion et électrique étant agencés pour créer des vecteurs de poussée selon une même direction de poussée et étant placés de part et d’autre du corps principal afin de créer des vecteurs de poussée de chaque côté d’un plan de séparation passant par un centre de gravité dudit corps de manière à contrôler l’assiette du dispositif volant. Le dispositif volant comporte en outre un premier générateur électrique et un premier circuit de transfert d’énergie. Le premier générateur électrique est couplé mécaniquement au premier moteur à combustion afin d’être entrainé par ce dernier. Le premier circuit de transfert d’énergie électrique est connecté entre le premier générateur électrique et le premier moteur électrique, le premier circuit de transfert d’énergie étant configuré pour créer une résistance mécanique ralentissant le premier moteur à combustion et pour produire de l’énergie électrique afin d’alimenter le premier moteur électrique.
L’alimentation du moteur électrique étant ainsi réalisée directement par un moteur à combustion, il n’est pas nécessaire de prévoir de batterie pour l’alimentation. En outre, le moteur électrique est alimenté par un générateur qui agit comme un frein sur le moteur à combustion tout en étant placé sur un côté opposé du corps du dispositif volant, ce qui permet d’augmenter la réactivité du moteur à combustion en le freinant tout en permettant une accélération du moteur électrique sur le côté opposé. Une telle combinaison permet d’augmenter la vitesse de changement d’assiette du dispositif volant et donc d’augmenter sa réactivité et sa manœuvrabilité.
Préférentiellement, le premier circuit de transfert peut comporter un premier convertisseur d’énergie contrôlé pour appliquer une impédance de charge sur le premier générateur et fournir l’énergie récupérée par l’impédance de charge sur une sortie à destination du premier moteur électrique.
Selon une mode de réalisation, le premier circuit de transfert peut comporter un deuxième convertisseur d’énergie disposant d’une entrée d’énergie connectée à la sortie d’énergie du premier convertisseur d’énergie et au premier moteur électrique, ledit deuxième convertisseur transformant l’énergie reçue à son entrée en signaux de commande du premier moteur électrique.
Pour compenser une différence entre un courant provenant du premier générateur et à fournir au premier moteur électrique, le premier circuit de transfert peut également comporter un élément de stockage d’énergie électrique. L’élément de stockage d’énergie électrique est par exemple connecté entre la sortie d’énergie du premier convertisseur d’énergie et la masse pour absorber un surplus d’énergie non utilisée par le deuxième convertisseur d’énergie et pour restituer cette énergie si l’énergie fournie par ledit premier convertisseur n’est pas suffisante pour alimenter ledit deuxième convertisseur.
Selon une première amélioration, le dispositif volant peut comporter un deuxième moteur à combustion, un deuxième moteur électrique, un deuxième générateur électrique et un deuxième circuit de transfert d’énergie électrique. Lesdits deuxièmes moteurs à combustion et électrique créent des vecteurs de poussée selon la direction de poussée et sont fixés de part et d’autre du corps principal afin de créer des vecteurs de poussée de chaque côté du plan de séparation passant par le centre de gravité dudit corps, le deuxième moteur à combustion étant placé du même côté du plan de séparation que le premier moteur électrique et le deuxième moteur électrique étant placé du même côté du plan de séparation que le premier moteur à combustion. Le deuxième générateur électrique est couplé mécaniquement au deuxième moteur à combustion afin d’être entrainé par ce dernier. Le deuxième circuit de transfert d’énergie électrique est connecté entre le deuxième générateur électrique et le deuxième moteur électrique ledit deuxième circuit de transfert étant constitué à l’identique du premier circuit de transfert.
Préférentiellement, les éléments de stockage peuvent être des condensateurs de forte capacité.
Pour assurer une optimisation de la gestion électrique, le dispositif volant peut comporter une batterie rechargeable connectée en parallèle sur les éléments de stockage des premier et deuxième circuits de transfert pour récupérer un excédent de charge desdits éléments de stockage.
Également, les premiers convertisseurs d’énergie peuvent être bidirectionnels et peuvent alimenter les premier et deuxième générateurs pour servir de démarreurs aux premier et deuxième moteurs à combustion. La batterie peut alimenter lesdits générateurs pour démarrer lesdits premier et deuxième moteurs.
Pour amplifier la poussée de basculement des moteurs électrique, le premier et/ou deuxième moteurs électriques peuvent être positionnés respectivement à des distances plus importantes du centre de gravité du corps principal dudit dispositif que les premier et/ou deuxième moteurs à combustion.
Selon un exemple particulier de réalisation, les vecteurs de poussé des premiers et deuxièmes moteurs à combustion et électriques peuvent compris dans un premier plan de poussée. Le dispositif volant peut en outre comporter un troisième moteur à combustion, un troisième moteur électrique, un quatrième moteur à combustion, un quatrième moteur électrique, des troisième et quatrième générateurs électriques, et des troisième et quatrième circuits de transfert d’énergie électrique. Lesdits troisièmes moteurs à combustion et électrique peuvent créer des vecteurs de poussée selon la direction de poussée et peuvent être fixés de part et d’autre du corps principal afin de créer des vecteurs de poussée de chaque côté du plan de séparation passant par le centre de gravité dudit corps. Lesdits quatrièmes moteurs à combustion et électrique peuvent créer des vecteurs de poussée selon la direction de poussée et peuvent être fixés de part et d’autre du corps principal afin de créer des vecteurs de poussée de chaque côté du plan de séparation passant par le centre de gravité dudit corps. Le quatrième moteur à combustion est par exemple placé du même côté du plan de séparation que le troisième moteur électrique et le quatrième moteur électrique est par exemple placé du même côté du plan de séparation que le troisième moteur à combustion. Les troisième et quatrième générateurs électriques peuvent être couplés mécaniquement et respectivement aux troisième et quatrième moteurs à combustion afin d’être entraînés par ces derniers. Les troisième et quatrième circuits de transfert d’énergie électrique peuvent être connectés respectivement entre les troisième et quatrième générateurs électriques et les troisième et quatrième moteurs électriques, lesdits troisième et quatrième circuits de transfert étant constitués à l’identique du premier circuit de transfert. Les vecteurs de poussée des troisièmes et quatrièmes moteurs à combustion et électriques peuvent être compris dans un deuxième plan de poussée sécant au premier plan de poussée sur un axe de croisement parallèle à la direction de poussée.
Préférentiellement, l’axe de croisement peut passer par le centre de gravité du dispositif volant.
Dans un mode de réalisation particulier, les premiers à quatrième moteurs à combustion et électriques peuvent être fixés au corps principal par l’intermédiaire de quatre bras de supports positionnés au-dessus du centre de gravité dudit corps et pouvant être agencés pour soutenir les premiers à quatrièmes moteurs à combustion et électriques, et intégrer les éléments de stockage d’énergie électrique.
Dans un mode de réalisation préféré, la direction de poussée peut être verticale.
L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés à titre d’exemples illustratifs et non limitatifs, et faisant référence aux dessins annexés, parmi lesquels :
- la figure 1 représente un premier exemple d’un dispositif volant selon l’invention ;
- la figure 2 illustre un premier exemple de circuit électrique implémenté dans le dispositif volant de la figure 1 ;
- la figure 3 illustre un deuxième exemple de circuit électrique implémenté dans le dispositif volant de la figure 1 ;
- la figure 4 montre une première variante d’implémentation du dispositif volant de la figure 1 ;
- la figure 5 montre une deuxième variante d’implémentation du dispositif volant de la figure 1 ;
- la figure 6 montre un deuxième exemple d’un dispositif volant selon l’invention ;
- la figure 7 illustre un premier exemple de circuit électrique implémenté dans le dispositif volant de la figure 6 ;
- la figure 8 illustre un deuxième exemple de circuit électrique implémenté dans le dispositif volant de la figure 6 ;
- la figure 9 montre une variante d’implémentation du dispositif volant de la figure 6 ;
- la figure 10 illustre un exemple de circuit électrique implémenté dans le dispositif volant de la figure 10 ; - la figure 11 montre une variante d’implémentation pour le transport de personnes du dispositif volant de la figure 9.
Afin de simplifier la description, une même référence est utilisée dans différentes figures pour désigner un même objet ou un objet similaire assurant la même fonction. Ainsi, lorsque la description cite un objet référencé, cet objet pourra être identifié sur plusieurs figures. En outre, les figures ainsi que la description sont données à titre d’exemples non limitatifs de réalisation.
La description se rapporte à un dispositif volant utilisant des moteurs fixes et dont la direction de déplacement est déterminée par l’inclinaison du dispositif volant. Afin de simplifier la description, le plan horizontal correspond au plan horizontal du dispositif qui est horizontal lorsque celui-ci est posé sur le sol mais qui suit l’assiette du dispositif volant lorsque celui-ci s’incline. Lorsqu’il est fait référence à une poussée verticale des moteurs, la verticalité est définie vis-à-vis du plan horizontal qui suit l’assiette du dispositif volant. Ainsi les moteurs exercent une poussée qui est toujours verticale par rapport au plan horizontal du dispositif volant y compris lorsque le dispositif volant s’incline. Cependant l’invention ne se limite pas à des dispositifs dont la poussée est uniquement verticale. En effet, la poussée des moteurs pourrait être inclinée par rapport à la verticale, voire même à l’horizontale. L’homme du métier comprendra qu’il suffit d’effectuer une rotation de l’ensemble en fonction d’une direction de poussée choisie.
Le principe mis en œuvre par l’invention consiste à alimenter un moteur de propulsion électrique situé sur un premier côté d’un dispositif volant à l’aide d’un moteur de propulsion à combustion situé sur un deuxième côté du dispositif volant, opposé au premier côté. Un premier exemple de réalisation est représenté sur la figure 1 en vue de côté afin d’en expliquer le principe.
Le dispositif volant de la figure 1 comporte un corps principal 100 sur lequel est fixé un moteur à combustion MC et un moteur électrique ME. La fixation des moteurs à combustion MC et électrique ME peut être réalisée à l’aide de bras de fixation 101 et 102 placés de part et d’autre du corps principal 100. L’invention n’est pas limitée à l’usage de bras et peut utiliser tout autre moyen de fixation des moteurs à combustion MC et électrique ME, les moteurs à combustion MC et électriques ME pouvant être intégrés dans un carénage du corps principal 100, l’important étant que les moteurs à combustion MC et électrique ME soient placés de part et d’autre du corps principal 100 afin de créer des poussées verticales sur deux côtés opposés dudit corps 100. Par côtés opposés, il faut comprendre n’importe quels côtés opposés l’un à l’autre tel que par exemple le côté gauche et le côté droit ou encore le côté avant et le côté arrière ou toute autre configuration.
Le moteur à combustion MC est par exemple un moteur à piston à 2 ou 4 temps comportant un ou plusieurs pistons reliés à un vilebrequin qui transforme un mouvement alternatif du ou des pistons en mouvement de rotation. Le vilebrequin est mécaniquement relié à une hélice 111 qui transforme la rotation du moteur en vecteur de poussée sensiblement vertical par rapport au corps principal 100. La liaison entre l’hélice 111 et le moteur à combustion MC peut se faire de différentes manières, soit directement en montant l’hélice 111 sur le vilebrequin du moteur à combustion MC, soit par l’intermédiaire de pignons, d’une courroie ou de tout autre réducteur de vitesse.
Le moteur électrique ME est également relié à une hélice 112 qui transforment la rotation du moteur électrique ME en vecteur de poussée sensiblement vertical. La liaison entre l’hélice 111 et le moteur électrique ME peut se faire de différentes manières, soit directement en montant l’hélice 111 sur le rotor du moteur électrique ME, soit par l’intermédiaire de pignons, d’une courroie ou de tout autre réducteur de vitesse. Le moteur électrique ME peut être n’importe quel type de moteur électrique, l’homme du métier pouvant adapter les circuits décrits ci-après en fonction du choix réalisé sur le type de moteur électrique.
Le dispositif volant de la figure 1 comporte en outre un générateur électrique GE couplé mécaniquement au moteur à combustion MC afin d’être entraîné par ce dernier. Le générateur électrique GE est également un moteur électrique d’un type quelconque mais qui est utilisé en générateur, c’est-à-dire pour transformer l’énergie mécanique de rotation en courant électrique. Le couplage mécanique entre le générateur électrique GE et le moteur à combustion peut se faire par engrenage ou par courroie. Il est également possible de coupler directement le générateur électrique GE à l’axe du vilebrequin du moteur à combustion MC, à condition d’utiliser un moteur électrique plat, par exemple de type « pancake » comme générateur électrique.
Selon l’invention, le moteur électrique ME est alimenté par le générateur électrique GE par l’intermédiaire d’un circuit de transfert d’énergie. La figure 2 illustre un premier exemple de circuit électrique implémenté dans le dispositif volant de la figure 1 .
Dans l’exemple de la figure 2, le générateur électrique GE et le moteur électrique ME sont tous les deux des moteurs à courant continu qui transforment un courant continu en vitesse de rotation et réciproquement. Un circuit de transfert 200 est connecté entre le générateur électrique GE et le moteur électrique ME. A titre d’exemple, le circuit de transfert 200 peut être un hacheur, connu également sous l’appellation anglaise « buck-boost converter ». Dans l’exemple de la figure 2, le circuit de transfert 200 comporte une inductance 201 ayant une borne connectée à un condensateur 202 et une autre borne connectée à l’anode d’une diode 203 et à une sortie de courant du générateur électrique GE par l’intermédiaire d’un interrupteur commandé 204. L’interrupteur commandé 204 est par exemple un transistor de puissance. La cathode de la diode est connectée au condensateur 202 et à l’entrée de courant du moteur électrique ME. Le générateur électrique GE, le moteur électrique ME, et le nœud entre l’inductance 201 et le condensateur 202 sont connectés à une masse commune.
A titre d’exemple, le fonctionnement du circuit de transfert d’énergie 200 va être plus amplement détaillé afin d’expliquer le principe de fonctionnement de l’invention. Lorsque l’interrupteur 204 est fermé, le générateur électrique GE est connecté à l’inductance 201 . La tension aux bornes du générateur électrique GE est proportionnelle à sa vitesse de rotation. Le courant fourni par le générateur électrique GE charge l’inductance 201 et croit en direction d’une valeur d’équilibre selon une courbe logarithmique. L’accroissement du courant fourni par le générateur électrique GE crée une résistance mécanique sur le moteur à combustion MC qui freine celui-ci, l’énergie de freinage étant transmise à l’inductance 201 . L’inductance 201 s’opposant à une variation brusque de courant, l’ouverture de l’interrupteur 204 provoque un abaissement de la tension sur l’anode de la diode 203 qui rend celle-ci passante et ferme le circuit composé de l’inductance 201 , du condensateur 202 et de la diode 203. L’interrupteur 204 étant ouvert, l’inductance 201 se décharge dans le condensateur 202 qui voit la tension à ses bornes augmenter. La tension augmentant aux bornes du condensateur 202, cela augmente la tension aux bornes du moteur électrique ME et fait tourner ledit moteur ME en prélevant une partie du courant circulant entre l’inductance 201 et le condensateur 202. Lorsque l’on referme à nouveau l’interrupteur 204, la diode 203 se bloque, l’inductance 201 est rechargée par le générateur électrique GE et le condensateur 202 se décharge dans le moteur électrique ME.
L’application d’un signal de commande S alternant ouverture et fermeture de l’interrupteur 204 à une fréquence élevée, par exemple quelques dizaines de kilohertz, permet d’arriver à une situation d’équilibre dans laquelle le générateur GE fournit une tension et un courant variable autour d’une valeur moyenne proportionnelle au rapport cyclique du signal de commande S. Un équilibre se crée également entre le moteur à combustion MC et le générateur GE. En effet, le moteur à combustion MC doit entrainer l’hélice 111 et la résistance moyenne du générateur GE qui est également proportionnelle au rapport cyclique du signal de commande S. Ainsi, une partie de l’énergie mécanique produite par le moteur à combustion MC est prélevée par le générateur GE pour être transmise au moteur électrique ME. Si l’on considère un cas théorique dans lequel les pertes de conversion d’énergie du circuit de transfert 200 sont nulles, dans lequel le moteur à combustion MC fournit une énergie mécanique constante correspondant à une puissance nominale fixe, et dans lequel le générateur GE et le moteur électrique ME sont identiques et capables de fournir ou recevoir une puissance électrique égale tout au plus à la puissance nominale fixe, alors un rapport cyclique de 50% du signal de commande S permet de transférer 50% de l’énergie mécanique produite par le moteur à combustion MC au moteur électrique ME permettant ainsi d’avoir une force de poussée verticale équivalente à 50% de l’énergie produite par le moteur à combustion MC de chaque côté du corps principal 100. Une réduction du rapport cyclique du signal de commande S a pour effet de réduire l’énergie transmise, ce qui permet de ralentir le moteur électrique ME et de réduire la résistance mécanique appliquée sur le moteur à combustion MC et donc d’augmenter la vitesse du moteur à combustion MC. Ainsi, une réduction du rapport cyclique de signal de commande 200 a pour effet d’augmenter la force de poussée verticale produite par le moteur à combustion MC tout en réduisant la force de poussée du moteur électrique ME, créant ainsi un déséquilibre de poussée qui incline le dispositif volant, sur la figure 1 , dans le sens horaire. Inversement une augmentation du rapport cyclique du signal de commande S crée un déséquilibre de poussée inverse qui incline le dispositif volant, sur la figure 1 , dans le sens trigonométrique.
Si l’on prend en compte les pertes liées au transfert d’énergie mécanique, le rapport cyclique du signal de commande S doit être ajusté en conséquence. A titre d’exemple, si les pertes sont de l’ordre de 10%, le rapport cyclique doit correspondre à un appel de 55% de l’énergie du moteur à combustion MC pour ne restituer que 45% de cette énergie au moteur électrique ME afin d’avoir une même force de poussée de chaque côté du dispositif volant. Des différences d’appairage de puissance entre le moteur à combustion MC, le générateur GE et le moteur électrique ME peuvent également être compensées en ajustant le rapport cyclique. En termes de réactivité, un tel système n’est pas symétrique. En effet, le freinage du moteur à combustion MC est réalisé par le générateur GE qui agit comme un frein électrique et donc plus rapidement que si l’on réduisait une commande de gaz du moteur à combustion. De plus, l’énergie de freinage est directement accessible pour le moteur électrique ME qui peut accélérer très rapidement. Ainsi, le transfert de poussée vers le moteur électrique s’effectue très rapidement. A l’inverse, pour accélérer le moteur à combustion MC, le générateur GE réduit la force de freinage. Cependant, l’accélération du moteur à combustion MC se fait selon une courbe d’accélération dudit moteur MC qui est moins réactif qu’un moteur électrique. Par contre, la réduction de vitesse du moteur électrique ME reste très rapide. Le transfert de poussée vers le moteur à combustion MC est plus lent que le transfert de poussée vers le moteur électrique ME tout en restant plus rapide qu’un transfert de poussée entre deux moteurs à combustion.
Pour améliorer la réactivité, il peut être préférable de contrôler le générateur électrique GE et le moteur électrique ME de manière indépendante. Ainsi, le freinage et l’accélération du moteur à combustion MC peuvent devenir indépendants de l’accélération et du freinage du moteur électrique ME. La figure 3 illustre un deuxième exemple de circuit électrique implémenté dans le dispositif volant de la figure 1 qui permet une commande indépendante du générateur électrique GE et du moteur électrique ME.
Dans l’exemple de la figure 3, le générateur électrique GE et le moteur électrique ME peuvent être n’importe quel type de moteur électrique, à courant continu, alternatif synchrone ou asynchrone, mono phase ou multi phases, ou encore de type pas à pas. Le générateur électrique GE et le moteur électrique ME peuvent en outre être de deux types différents mais ayant des puissances du même ordre de grandeur que la puissance du moteur à combustion MC. Un circuit de transfert 300 est connecté entre le générateur électrique GE et le moteur électrique ME. Le circuit de transfert 300 comporte principalement un premier convertisseur d’énergie 301 , un deuxième convertisseur d’énergie 302 et un élément de stockage d’énergie électrique 303.
Le premier convertisseur d’énergie 301 dispose d’entrées de signaux reliées au générateur électrique GE, d’une sortie de courant et d’une entrée de signal de commande. Le premier convertisseur d’énergie 301 est un convertisseur spécifique adapté au type de moteur utilisé comme générateur électrique GE et dispose d’un nombre d’entrées de signaux adapté au nombre de phases dudit générateur GE pour transformer une énergie mécanique de rotation en courant électrique. Le premier convertisseur d’énergie 301 applique une ou plusieurs impédances de charge sur le ou les enroulements du générateur GE et transforme l’énergie ainsi récupérée en un courant. La sortie de courant du premier convertisseur d’énergie 301 fournit le courant IG proportionnel à l’impédance de charge et à la vitesse de rotation du générateur GE. L’entrée de signal de commande reçoit un signal de commande SG analogique ou numérique qui contrôle l’impédance de charge. Indirectement, le signal de commande SG contrôle la résistance mécanique appliquée sur le moteur à combustion MC par le générateur électrique GE. Le premier convertisseur d’énergie 301 est d’un type connu qui ne sera pas plus amplement détaillé car de très nombreux circuits sont utilisable et correspondent au type de moteur utilisé.
Le deuxième convertisseur d’énergie 302 dispose de sorties de signaux reliées au moteur électrique ME, d’une entrée de courant et d’une entrée de signal de commande. Le deuxième convertisseur d’énergie 302 est un convertisseur spécifique adapté au type de moteur utilisé comme moteur électrique ME et dispose d’un nombre de sorties de signaux adapté au nombre de phases dudit moteur ME pour transformer un courant électrique en énergie mécanique de rotation. Le deuxième convertisseur d’énergie 302 est d’un type connu qui ne sera pas plus amplement détaillé car de très nombreux circuits sont utilisables et correspondent au type de moteur utilisé. L’entrée de signal de commande reçoit un signal de commande SM analogique ou numérique qui correspond à une consigne de puissance à fournir au moteur électrique ME via les sorties de signaux connectées aux phases dudit moteur ME. L’entrée de courant du deuxième convertisseur d’énergie 302 est connectée à la sortie de courant du premier convertisseur d’énergie 301 et appelle un courant IM qui est transformé en signaux de commande du moteur électrique ME.
L’élément de stockage d’énergie électrique 303 est connecté entre la sortie de courant du premier convertisseur d’énergie 301 et la masse. Le circuit de stockage d’énergie reçoit ou fournit un courant correspondant à la différence entre le courant IG et le courant IM afin d’absorber un surplus d’énergie non utilisé par le deuxième convertisseur d’énergie 302 et de restituer cette énergie au deuxième convertisseur d’énergie 302 lorsque l’énergie fournie par le premier convertisseur 301 n’est pas suffisante pour alimenter le deuxième convertisseur 302.
L’élément de stockage 303 sert de tampon d’énergie et sa capacité de stockage reste limitée. En effet, les courant IG et IM peuvent être sensiblement égaux sauf lors de périodes transitoires correspondant aux accélérations et réductions de la vitesse de rotation du moteur à combustion MC et du moteur électrique ME. A titre d’exemple, l’élément de stockage peut être un condensateur de forte capacité également appelé supercondensateur. Le dimensionnement de la capacité d’un tel condensateur peut se calculer en considérant qu’il doit stocker suffisamment d’énergie pour alimenter le moteur électrique pendant quelques secondes.
En termes de fonctionnement, les signaux de commandes SG et SM sont décorrélés, cependant ils doivent être déterminés conjointement. Ainsi, en négligeant les pertes de conversion, pour avoir une répartition des forces de poussée de 50% de part et d’autre du corps principal 100, le signal de commande SG doit correspondre à l’application d’une impédance de charge sur le générateur GE qui permet de prélever 50% de la puissance mécanique produite par le moteur à combustion MC. Le signal de commande SM doit correspondre à une commande de puissance d’alimentation du moteur électrique ME qui correspond également à une puissance égale à 50% de l’énergie mécanique produite par le moteur à combustion MC. Dans une telle configuration, les courants IG et IM sont égaux et correspondent à l’énergie transmise entre le moteur à combustion MC et le moteur électrique ME. Si les pertes de conversion d’énergie sont prises en compte, les signaux de commande SG et SM doivent être adaptés afin de prélever une puissance supérieure sur le moteur à combustion MC par rapport à la puissance restituée au moteur électrique ME.
Pour freiner ou accélérer les moteurs à combustion MC et électrique ME, il convient d’agir sur les signaux de commande SG et SM de manière opposée, à savoir augmenter la puissance prélevée sur le moteur à combustion MC et diminuer la puissance restituée au moteur électrique ME, ou diminuer la puissance prélevée sur le moteur à combustion MC et augmenter la puissance restituée au moteur électrique ME. Comme indiqué précédemment, l’accélération du moteur à combustion MC est plus lente que l’accélération du moteur électrique ME. Pour compenser cette différence, il est possible de relâcher le freinage du moteur à combustion plus que ce qui est nécessaire pour que celui-ci puisse accélérer plus rapidement et ce jusqu’à ce qu’il atteigne la vitesse souhaitée. Un relâchement plus important que nécessaire du freinage va entrainer un transfert d’énergie du moteur à combustion MC moins important que ce qui est nécessaire pour le moteur électrique ME. L’élément de stockage 303 permet de fournir le complément d’énergie au moteur électrique ME. A cet effet, il est nécessaire d’avoir un niveau de charge minimal dans l’élément de stockage 303 pour effectuer une telle compensation.
Le rechargement de l’élément de stockage 303 peut se faire lors d’un basculement inverse où le freinage du moteur à combustion MC peut être légèrement anticipé sur l’accélération du moteur électrique ME créant ainsi une génération d’énergie électrique plus importante que ce que le moteur électrique ME absorbe. Une autre possibilité de rechargement de l’élément de stockage 303 peut se faire lorsque les forces des vecteurs de poussée sont équilibrées entre les moteurs à combustion MC et électrique ME en prélevant légèrement plus de puissance sur le moteur MC tout en fournissant légèrement moins de puissance au moteur électrique ME. Une autre possibilité de recharge peut se faire au niveau d’un contrôle de l’assiette du dispositif volant. Le dispositif volant étant soumis au vent, le contrôle de son assiette peut consister à accélérer ou freiner uniquement l’un des moteurs à combustion MC ou électrique ME pour rétablir l’assiette. Un freinage du moteur à combustion MC ou du moteur électrique ME qui n’est pas compensé par l’autre moteur électrique ME ou à combustion MC permet également de recharger l’élément de stockage 303. Plus généralement, les signaux de commande SG et SM doivent être générés en prenant en compte le niveau de charge de l’élément de stockage 303 afin de le recharger pour qu’il puisse fournir de l’énergie au moteur électrique ME lorsque celui-ci n’est pas en mesure de fournir suffisamment d’énergie au moteur électrique ME.
Le dispositif volant de la figure 1 ne disposant que de deux moteurs sur deux côtés opposés, celui-ci ne peut contrôler son assiette que selon un seul axe de rotation. Cela peut convenir pour un dispositif volant qui dispose d’autres moteurs ou de moyens d’équilibrage pour assurer un basculement selon un autre axe et assurer un contrôle d’assiette selon plusieurs axes de rotation. A titre d’exemple, un tel dispositif peut être utilisé par exemple sur l’un des dispositifs volants divulgués dans la demande de brevet WO 2017/174942, mais seulement pour le contrôle d’assiette selon une direction en plaçant les moteurs à combustion et électrique soit à gauche et à droite, soit à l’avant et à l’arrière.
La figure 4 montre une vue de dessus d’une première variante de dispositif volant utilisant deux moteurs à combustion MC1 et MC2 et deux moteurs électriques ME1 et ME2 disposés en étoile autour d’un corps central 100. Chaque moteur à combustion MC1 ou MC2 est placé sur un côté opposé à un moteur électrique ME1 ou ME2 par rapport au corps principal 100, les moteurs électriques ME1 et ME2 étant par exemple placés vers l’avant du dispositif volant et les moteurs à combustion MC1 et MC2 étant par exemple placés vers l’arrière du dispositif volant. En outre, chaque moteur à combustion MC1 ou MC2 est couplé à un générateur électrique qui est relié au moteur électrique ME1 ou ME2 par l’intermédiaire d’un circuit de transfert à l’identique de l’un des circuits décrits à l’aide de la figure 2 ou de la figure 3.
Pour assurer une poussée verticale, les moteurs électriques ME1 et ME2 et les moteurs thermiques MC1 et MC2 fournissent une poussée identique. Pour se déplacer vers l’avant, il convient d’accélérer les moteurs à combustion MC1 et MC2 tout en ralentissant les moteurs électrique ME1 et ME2. Pour un déplacement dans une autre direction, il convient d’incliner le dispositif volant dans la direction souhaitée en transférant plus ou moins d’énergie entre le moteur à combustion MC1 et le moteur électrique ME1 ou entre le moteur à combustion MC2 et le moteur électrique ME2.
Le dispositif volant de la figure 4, tout comme le dispositif volant de la figure 1 nécessite un transfert d’énergie important entre les moteurs à combustion MC1 et MC2 et les moteurs électriques ME1 et ME2. Les pertes liées au transfert d’énergie sont proportionnelles à la quantité d’énergie. Afin de diminuer les pertes liées au transfert d’énergie, il est possible d’utiliser un nombre de moteurs à combustion et électriques plus élevé.
La figure 5 montre une vue de dessus d’une deuxième variante de dispositif volant utilisant trois moteurs à combustion MC1 , MC2 et MC3 et trois moteurs électriques ME1 , ME2 et ME3 disposés sur des sommets d’un hexagone centré autour d’un corps central 100. Les moteurs à combustion MC1 à MC3 sont placés de manière alternée par rapport aux moteurs électriques ME1 à ME3 et chaque moteur à combustion MC1 à MC3 est relié par l’intermédiaire d’un générateur et d’un circuit de transfert à un moteur électrique ME1 à ME3 placé sur un côté opposé par rapport au corps principal 100. Le principe de transfert d’énergie entre chaque moteur à combustion MC1 à MC3 et chaque moteur électrique ME1 à ME3 est similaire à celui décrit à l’aide de la figure 2 ou de la figure 3. Toutefois avec un tel agencement des moteurs à combustion MC1 à MC3 et électriques ME1 à ME3, les moteurs électriques ME1 à ME3 ne sont utilisés que pour assurer le basculement du dispositif volant, la poussée en vol stationnaire étant assurée uniquement par les moteurs à combustion MC1 à MC3.
Le dispositif volant de la figure 5 peut en effet s’incliner dans n’importe quelle direction en ralentissant un ou deux moteurs à combustion MC1 , et/ou MC2 et/ou MC3 tout en démarrant et en accélérant simultanément un ou deux moteurs électriques ME1 et/ou ME2 et/ou ME3 situés en opposition du (ou des) moteur(s) à combustion MC1 , et/ou MC2 et/ou MC3 ralentis. Le principe de transfert d’énergie se passe de la même manière que ce qui a été décrit à l’aide de la figure 2 ou de la figure 3 mais l’énergie transférée se trouve réduite car elle ne sert qu’au basculement du dispositif volant et il n’est pas nécessaire de transférer 50% de l’énergie des moteurs à combustion pour assurer une poussée équivalente sur un côté opposé afin d’avoir une poussée équilibrée.
En exploitant le principe d’équilibrage des forces de poussée entre les moteurs à combustion, la figure 6 représente un deuxième exemple de réalisation d’un dispositif volant assurant un contrôle d’assiette selon un seul axe de rotation, selon une vue de côté. Un tel dispositif volant peut disposer d’autres moteurs ou de moyens d’équilibrage pour assurer un basculement selon un autre axe et assurer un contrôle d’assiette selon plusieurs axes de rotation. A titre d’exemple, un tel dispositif peut être utilisé par exemple sur l’un des dispositifs volants divulgués dans la demande de brevet WO 2017/174942, mais seulement pour le contrôle d’assiette selon une direction en plaçant les moteurs à combustion et électrique soit à gauche et à droite, soit à l’avant et à l’arrière.
Le dispositif volant de la figure 6 comporte un corps principal 100 sur lequel est fixé un premier moteur à combustion MC1 , un deuxième moteur à combustion MC2, un premier moteur électrique ME1 et un deuxième moteur électrique ME2. La fixation des moteurs à combustion MC1 et MC2 et électriques ME1 et ME2 peut être réalisée à l’aide de bras de fixation 101 et 102 placés de part et d’autre du corps principal 100, le premier moteur à combustion MC1 et le deuxième moteur électrique ME2 étant placés sur l’un des bras 101 , le deuxième moteur à combustion MC2 et le premier moteur électrique ME1 étant placés sur l’autre bras 102. L’invention n’est pas limitée à l’usage de bras et peut utiliser tout autre moyen de fixation, l’important étant que les premiers moteurs à combustion MC1 et électrique ME1 soient placés de part et d’autre du corps principal 100 et que les deuxième moteurs à combustion MC2 et électrique ME2 soient également placés de part et d’autre du corps principal, le deuxième moteur à combustion MC2 étant placé du même côté que le premier moteur électrique ME1 et le deuxième moteur électrique ME2 étant placé du même côté que le premier moteur à combustion MC1 . Ainsi, les premier et deuxième moteurs à combustion MC1 et MC2 créent des vecteurs de poussée verticaux sur deux côtés opposés du corps principal 100 ainsi que les premier et deuxième moteurs électriques ME1 et ME2.
Les premier et deuxième moteurs à combustion MC1 et MC2 sont préférentiellement identiques et mécaniquement reliés à des hélices 111 et 113 qui transforment la rotation de chaque moteur en vecteur de poussée sensiblement vertical par rapport au corps principal 100. Les premier et deuxième moteurs électriques ME1 et ME2 sont également reliés à des hélices 112 et 114 qui transforment la rotation du moteur électrique ME en vecteur de poussée vertical. Les premier et deuxième moteurs électriques ME1 et ME2 sont préférentiellement identiques mais peuvent être de moindre puissance que les premier et deuxième moteurs à combustion MC1 et MC2.
Le dispositif volant de la figure 6 comporte en outre un premier générateur électrique GE1 couplé mécaniquement au premier moteur à combustion MC1 , et un deuxième générateur électrique GE2 couplé mécaniquement au deuxième moteur à combustion MC2. Les premier et deuxième générateurs électriques GE1 et GE2 sont des moteurs électriques dont la puissance est du même ordre de grandeur que les premier et deuxième moteurs électriques ME1 et ME2. Un premier circuit de transfert d’énergie électrique est connecté entre le premier générateur électrique GE1 et le premier moteur électrique ME1 . Un deuxième circuit de transfert d’énergie électrique est connecté entre le deuxième générateur électrique GE2 et le deuxième moteur électrique ME2. Les premier et deuxième circuits de transfert d’énergie sont identiques et peuvent correspondre au circuit de transfert 200 ou au circuit de transfert 300 décrits précédemment. Toutefois, l’utilisation de deux moteurs à combustion couplés à deux moteurs électriques placés en vis-à-vis de part et d’autre du corps principal 100 permet une gestion mutualisée des moteurs qui rend possible un couplage entre les premier et deuxième circuits de transfert d’énergie.
La figure 7 illustre un premier exemple de circuit électrique mutualisé qui est dérivé du circuit électrique de la figure 3 afin de l’implémenter dans le dispositif volant de la figure 6.
Le circuit électrique de la figure 7 comporte un premier circuit de transfert 701 , un deuxième circuit de transfert 702 et un élément de stockage 703. Le premier circuit de transfert 701 est connecté entre le premier générateur électrique GE1 et le premier moteur électrique ME1 . Le deuxième circuit de transfert 702 est connecté entre le deuxième générateur électrique GE2 et le deuxième moteur électrique ME2. Les premier et deuxième circuits de transfert 701 et 702 sont identiques et comportent chacun un premier convertisseur d’énergie 301 et un deuxième convertisseur d’énergie 302. Les premier et deuxième convertisseurs d’énergie 301 et 302 sont de même nature que ceux décrits conjointement avec la figure 3.
Le premier convertisseur d’énergie 301 du premier circuit de transfert 701 dispose d’entrées de signaux reliées au premier générateur électrique GE1 , d’une sortie de courant et d’une entrée de signal de commande recevant un signal de commande SG1 . Le premier convertisseur d’énergie 301 du deuxième circuit de transfert 702 dispose d’entrées de signaux reliées au deuxième générateur électrique GE2, d’une sortie de courant et d’une entrée de signal de commande recevant un signal de commande SG2. Le deuxième convertisseur d’énergie 302 du premier circuit de transfert 701 dispose de sorties de signaux reliées au premier moteur électrique ME1 , d’une entrée de courant et d’une entrée de signal de commande SM1 . Le deuxième convertisseur d’énergie 302 du deuxième circuit de transfert 702 dispose de sorties de signaux reliées au deuxième moteur électrique ME2, d’une entrée de courant et d’une entrée de signal de commande SM2. Les sorties de courant des premiers convertisseurs 301 sont reliées ensemble aux entrées de courant des deuxièmes convertisseurs 302 et à une première borne de l’élément de stockage 703. Une deuxième borne de l’élément de stockage 703 est reliée à la masse, l’élément de stockage 703 étant par exemple un condensateur.
En termes de fonctionnement, les premier et deuxième circuit de transfert 701 et 702 ne fonctionnent pas simultanément. Lorsque le dispositif volant est en vol stationnaire, les premier et deuxième moteurs à combustion MC1 et MC2 fournissent des forces de poussée identiques et les premier et deuxième moteurs électriques ME1 et ME2 ne sont pas alimentés. Les signaux de commande SG1 , SG2, SM1 et SM2 envoient une commande qui est par exemple une mise en circuit ouvert des premier et deuxième générateurs GE1 et GE2 et des moteurs électriques ME1 et ME2. Pour incliner le dispositif volant d’un côté, il convient de démarrer un moteur électrique, par exemple le premier moteur électrique ME1 , et de freiner le moteur à combustion situé sur le côté opposé, par exemple le premier moteur à combustion MC1 , afin de créer un déséquilibre de poussée qui va incliner le dispositif volant. A cet effet, le signal SG1 commande le premier convertisseur 301 du premier circuit de transfert 701 pour que celui-ci applique une impédance de charge sur le premier générateur GE1 correspondant à un freinage du premier moteur à combustion MC1 . L’énergie fournie à l’impédance est convertie en courant qui charge l’élément de stockage 703. Avec un léger décalage permettant une charge de l’élément de stockage 703, le signal SM1 commande le deuxième convertisseur 302 du premier circuit de transfert 701 pour que le premier moteur électrique ME1 démarre et accélère jusqu’à une vitesse permettant d’obtenir l’inclinaison requise. Pour revenir en position d’équilibre, les signaux de commande SG1 et SM1 remettent en circuit ouvert le premier générateur GE1 et le premier moteur électrique ME1 . Pour revenir plus rapidement à une position d’équilibre, il est possible d’activer le deuxième moteur électrique ME2 en envoyant une commande SM2 en utilisant une énergie résiduelle contenue dans l’élément de stockage 703, ce qui permet de compenser une accélération lente du premier moteur à combustion MC1 .
Les premier et deuxième générateurs GE1 et GE2 étant des moteurs électriques, ces derniers peuvent également être utilisés en moteur et être utilisés comme démarreurs des moteurs à combustion MC1 et MC2 à condition d’utiliser des premiers convertisseurs 301 réversibles, c’est-à-dire bidirectionnels. A cet effet, l’élément de stockage 703 peut être une batterie telle que par exemple une batterie au plomb. Pour limiter le poids et la taille de la batterie, il est préférable d’utiliser une batterie à forte densité de charge, telle que par exemple une batterie au lithium. Cependant, le circuit de la figure 7 ne permet pas d’utiliser une batterie qui nécessite une charge contrôlée.
La figure 8 illustre un deuxième exemple de circuit électrique mutualisé qui est également dérivé du circuit électrique de la figure 3.
Le circuit électrique de la figure 8 comporte un premier circuit de transfert 801 , un deuxième circuit de transfert 802, une batterie 803 et un circuit de régulation de charge 804. Le premier circuit de transfert 801 est connecté entre le premier générateur électrique GE1 et le premier moteur électrique ME1 . Le deuxième circuit de transfert 802 est connecté entre le deuxième générateur électrique GE2 et le deuxième moteur électrique ME2. Les premier et deuxième circuits de transfert 801 et 802 sont identiques au circuit de transfert 300 décrit conjointement avec la figure 3 et comportent chacun un premier convertisseur d’énergie 301 , un deuxième convertisseur d’énergie 302 et un élément de stockage 303. Le premier convertisseur d’énergie 301 du premier circuit de transfert 801 dispose d’entrées de signaux reliées au premier générateur électrique GE1 , d’une sortie de courant et d’une entrée de signal de commande recevant un signal de commande SG1 . Le premier convertisseur d’énergie 301 du deuxième circuit de transfert 802 dispose d’entrées de signaux reliées au deuxième générateur électrique GE2, d’une sortie de courant et d’une entrée de signal de commande recevant un signal de commande SG2. Le deuxième convertisseur d’énergie 302 du premier circuit de transfert 801 dispose de sorties de signaux reliées au premier moteur électrique ME1 , d’une entrée de courant et d’une entrée de signal de commande SM1 . Le deuxième convertisseur d’énergie 302 du deuxième circuit de transfert 802 dispose de sorties de signaux reliées au deuxième moteur électrique ME2, d’une entrée de courant et d’une entrée de signal de commande SM2. Pour chacun des premier et deuxième circuits de transfert 801 et 802, la sortie de courant du premier convertisseur 301 est reliée à l’entrée de courant du deuxième convertisseur 302 et à une première borne de l’élément de stockage 303. Une deuxième borne de l’élément de stockage 303 est reliée à la masse, l’élément de stockage 303 étant par exemple un condensateur.
La batterie 803 est une batterie à forte densité de charge, telle que par exemple une batterie au lithium ou une batterie au nickel. La batterie 803 comporte une première borne reliée à la masse et une deuxième borne connectée à la première borne de l’élément de stockage 303 de chacun des circuits de transfert 801 et 802 par l’intermédiaire de premières diodes 805. Le circuit de régulation de charge 804 est un régulateur de tension et de courant adapté à la batterie 803 afin de pouvoir charger cette dernière avec une tension et un courant de charge adapté à son niveau de charge selon une technique de régulation connue. Le circuit de régulation de charge 804 comporte une sortie de tension connectée à la deuxième borne de la batterie 803 et une entrée de tension connectée à la première borne de l’élément de stockage 303 de chacun des circuits de transfert 801 et 802 par l’intermédiaire de deuxièmes diodes 806. Les premières diodes 805 autorisent un passage de courant uniquement de la batterie 803 vers les éléments de stockage 303. Les deuxièmes diodes 806 autorisent un passage de courant uniquement des éléments de stockage 303 vers l’entrée de tension du circuit de régulation de charge 804.
Le fonctionnement du circuit électrique de la figure 8 est similaire à celui de la figure 7 pour ce qui est d’un vol stationnaire ou d’une inclinaison du dispositif volant. Toutefois, chaque circuit de transfert 801 et 802 dispose de son propre élément de stockage 303. La différence réside dans la gestion de l’énergie des dispositifs de stockage 303 et de la batterie 803. Si la tension aux bornes d’un dispositif de stockage 303 est inférieure à la tension de batterie moins la tension de commutation d’une première diode 805, alors la batterie 803 charge ledit dispositif de stockage 303. Ainsi chaque dispositif de stockage 303 dispose en permanence d’une charge résiduelle minimale et peut toujours restituer de l’énergie à un moteur électrique ME1 ou ME2 s’il est besoin d’accélérer ledit moteur électrique ME1 ou ME2 sans recevoir une énergie suffisante en provenance du moteur à combustion MC1 ou MC2. Lors d’un basculement, le dispositif de stockage 303 peut néanmoins être chargé lors du freinage d’un moteur à combustion MC1 ou MC2. Si plusieurs basculements successifs sont réalisés du même côté sans basculement inverse, un élément de stockage 303 verra sa charge continuellement augmenter. Lorsque le niveau de charge d’un élément de stockage 303 atteint un seuil de charge prédéterminé, l’excédent de charge peut recharger la batterie 803. Le seuil de charge prédéterminé peut être défini comme étant égal à une tension minimale d’entrée du circuit de régulation 804 additionnée de la tension de commutation des deuxièmes diodes 806. Lorsque le circuit de régulation 804 voit sa tension d’entrée supérieure à la tension minimale, le circuit de régulation fournit une tension de charge régulée qui recharge la batterie 803.
La figure 9 montre une vue de dessus d’une variante du dispositif volant de la figure 6 qui dispose d’un contrôle d’assiette selon plusieurs axes de rotation. La figure 9 montre une première variante de dispositif volant utilisant des premier à quatrième moteurs à combustion MC1 , MC2, MC3 et MC4 et des premier à quatrième moteurs électriques ME1 , ME2, ME3 et ME4 disposés en étoile autour d’un corps central 100. Les premier à quatrième moteurs à combustion MC1 , MC2, MC3 et MC4 sont respectivement placés sur un côté opposé des premier à quatrième moteurs électriques ME1 , ME2, ME3 et ME4 par rapport au corps principal 100 du dispositif volant afin de créer des vecteurs de poussée verticaux sur deux côtés opposés dudit corps 100. Le premier moteur à combustion MC1 est placé du même côté que le deuxième moteur électrique ME2 sur un premier bras de support 910. Le premier moteur électrique ME1 est placé du même côté que le deuxième moteur à combustion MC2 sur un deuxième bras de support 920. Le quatrième moteur à combustion MC4 est placé du même côté que le troisième moteur électrique ME3 sur un troisième bras de support 930. Le quatrième moteur électrique ME4 est placé du même côté que le troisième moteur à combustion MC3 sur un quatrième bras de support 940. Les premiers et deuxièmes moteurs à combustion MC1 et MC2 et électriques ME1 et ME2 sont alignés de sorte que leurs vecteurs de poussée soient inscrits dans un premier plan de poussée. Les troisièmes et quatrièmes moteurs à combustion MC3 et MC4 et électriques ME3 et ME4 sont alignés de sorte que leurs vecteurs de poussée soient inscrits dans un deuxième plan de poussée, le premier plan de poussé étant sécant au deuxième plan de poussé sur un axe vertical correspondant à la croisée des bras 910 à 940.
Dans cette variante, l’axe vertical correspondant à la croisée des bras 910 à 940 passe par le centre de gravité du dispositif volant afin de garantir plus de stabilité en vol stationnaire et donc moins de compensation d’assiette. Si l’on souhaite utiliser moins d’énergie pour assurer une assiette inclinée dans une direction privilégiée, il est possible de déporter l’axe vertical dans une direction opposée par rapport au centre de gravité.
Les premier à quatrième moteurs électriques ME1 à ME4 peuvent également être positionnés à une distance plus importante du centre de gravité du corps principal 100 que les premier à quatrième moteurs à combustion MC1 à MC4. Une telle configuration permet d’augmenter le moment de force des vecteurs de poussée des moteurs électrique ME1 à ME4 par rapport au moment de force des vecteurs de poussée des moteurs à combustion MC1 à MC4. Ainsi, la force de poussée des moteurs électrique ME1 à ME4 sera amplifiée dans le couple de basculement d’assiette du dispositif volant.
Le dispositif volant de la figure 9 comporte en outre des premier à quatrième générateurs électriques GE1 , GE2, GE3 et GE4 couplés respectivement aux premier à quatrième moteurs à combustion MC1 , MC2, MC3 et MC4. Les premier à quatrième générateurs électriques GE1 à GE4 sont des moteurs électriques dont la puissance est du même ordre de grandeur que les premier à quatrième moteurs électriques ME1 à ME4. Des premier à quatrième circuits de transfert d’énergie électrique sont connectés respectivement entre les premier à quatrième générateurs électriques GE1 à GE4 et les premier à quatrième moteurs électriques ME1 à ME4. Les premier à quatrième circuits de transfert d’énergie sont identiques et peuvent correspondre aux circuits de transfert 200, 300, 701 , 702, 801 ou 802 décrits précédemment.
A titre d’exemple, la figure 10 montre un exemple de circuit électrique utilisé par le dispositif volant de la figure 9 adapté à partir du circuit de la figure 8.
Le circuit électrique de la figure 10 comporte des premier à quatrième circuits de transfert 901 , 902, 903 et 904, une batterie 803 et un circuit de régulation de charge 804. Les premier à quatrième circuits de transfert d’énergie 901 à 904 sont connectés respectivement entre les premier à quatrième générateurs électriques GE1 à GE4 et les premier à quatrième moteurs électriques ME1 à ME4. Les premier à quatrième circuits de transfert 901 à 904 sont identiques aux circuits de transfert 801 et 802 décrits conjointement avec la figure 8 et ne nécessitent pas d’être plus amplement détaillés. La batterie 803 comporte une première borne reliée à la masse et une deuxième borne connectée à la première borne de l’élément de stockage 303 de chacun des circuits de transfert 901 à 904 par l’intermédiaire de premières diodes 805 et d’un premier interrupteur 905. Le circuit de régulation de charge 804 est un régulateur de tension et de courant adapté à la batterie 803. Le circuit de régulation de charge 804 comporte une sortie de tension connectée à la deuxième borne de la batterie 803 et une entrée de tension connectée à la première borne de l’élément de stockage 303 de chacun des circuits de transfert 801 et 802 par l’intermédiaire de deuxièmes diodes 806 et d’un interrupteur 906. Les première diodes 805 autorisent un passage de courant uniquement de la batterie 803 vers les éléments de stockage 303. Les deuxièmes diodes 806 autorisent un passage de courant uniquement des éléments de stockage 303 vers l’entrée de tension du circuit de régulation de charge 804.
Le fonctionnement du circuit électrique de la figure 10 diffère principalement de celui de la figure 8 par l’ajout des premier et deuxième interrupteurs 905 et 906 qui servent à réduire la sollicitation de la batterie afin d’augmenter sa durée de vie. Le premier interrupteur 905 sert à éviter une recharge systématique des éléments de stockage 303 dès lors que la tension aux bornes d’un élément de stockage 303 est inférieure à la tension aux bornes de la batterie. Le premier interrupteur 905 a pour vocation de rester ouvert sauf pour démarrer les moteurs à combustion MC1 à MC4 ou lorsqu’un élément de stockage 303 présente un niveau de charge qui ne permet pas de pouvoir alimenter un moteur électrique ME1 à ME2. Le deuxième interrupteur 906 sert à éviter également une recharge systématique de la batterie 803 dès qu’un niveau de charge d’un élément de stockage 303 le permet. La fermeture du deuxième interrupteur 906 peut se produire lorsqu’un élément de stockage 303 atteint un niveau de charge maximal qui risque de nuire au circuit électrique, le deuxième interrupteur 906 restant fermé jusqu’à ce que l’élément de stockage 303 atteigne un niveau de charge bien inférieur, par exemple la moitié du niveau de charge maximale. Le deuxième interrupteur 906 peut également se fermer lorsque la batterie 803 est à un niveau de charge trop bas, le deuxième interrupteur 906 restant alors fermé jusqu’à ce que la batterie 803 atteigne un niveau de charge proche de sa charge maximale sans l’atteindre afin de permettre de la recharger si des éléments de stockage 303 sont en surcharge.
De nombreuses variantes de l’invention sont possibles, le nombre de moteurs pouvant être par exemple plus important. A titre d’exemple, la figure 11 représente en perspective un dispositif volant dédié au transport de personnes qui comporte huit bras B supportant chacun un moteur à combustion MC et un moteur électrique ME. Les huit bras B sont disposés en étoile et se croisent au niveau d’un point central à équidistance de chaque moteur à combustion MC et de chaque moteur électrique ME. Chaque moteur électrique ME est alimenté en énergie par le moteur à combustion MC situé sur le bras opposé par l’intermédiaire d’un circuit de transfert logé à l’intérieur desdits bras B. Les huit bras B sont fixés au niveau de leur point central sur le dessus d’un corps principal 100. Le corps principal 100 est constitué d’une cabine destinée à recevoir un passager.
De nombreuses autres variantes de l’invention sont possibles sans sortir du cadre de l’invention tel que défini dans les revendications. A titre d’exemple, le corps principal n’est pas limité à une cabine de passager et pourrait être une plateforme ou un coffre destiné à recevoir des marchandises. Les moteurs à combustion et électriques peuvent être placés sur chaque côté du coffre ou de la plateforme. Le nombre de moteurs électriques peut être différent du nombre de moteurs à combustion, un moteur à combustion pouvant alimenter par exemple deux moteurs électriques. Les bras de fixation ne sont pas nécessaires si les moteurs à combustion et/ou électriques font partie intégrante du corps du dispositif volant ou sont intégrés dans un carénage du corps du dispositif volant.
Les moteurs à combustion peuvent être tout type de moteur utilisant un carburant solide, liquide ou gazeux. A titre d’exemple, un turboréacteur peut être utilisé en récupérant l’énergie mécanique sur son rotor central. Dans les différents exemples représentés, les moteurs à combustion sont représentés de part et d’autre d’un corps principal et pourraient laisser penser à un homme du métier que de chaque coté signifie diamétralement opposé l’un à l’autre vis-à-vis d’un centre de gravité. Il n’est pas nécessaire que la disposition des moteurs soit symétrique par rapport à un centre de gravité ou un axe de symétrie ou un plan de symétrie. Quelle que soit la position exacte des moteurs, une action sur les moteurs à combustion et électrique opposés l’un à l’autre, le dispositif volant effectue un basculement d’assiette, pour cela, il suffit que les moteurs soient placés de chaque côté d’un plan quelconque passant par le centre de gravité du dispositif volant, séparant ce dernier en deux parties qui ne sont pas nécessairement symétriques et ledit plan étant aligné sur la direction de poussée des vecteurs de poussée des moteurs, autrement dit sensiblement parallèle à ladite direction de poussée. L’utilisation d’un plan, axe ou centre de symétrie passant par le centre de gravité pour disposer les moteurs permet seulement d’établir des commandes plus facilement car l’axe de rotation est plus facile à calculer.
Comme indiqué précédemment pour des raisons de simplification, la présente description se réfère à des moteurs à combustion et électrique produisant des vecteurs de poussée selon une même direction de poussée verticale. Les vecteurs de poussée peuvent être dirigés dans une autre direction de poussée qui n’est pas nécessairement verticale. Dans ce cas, il convient, pour les moteurs à combustion et électriques dont les forces de poussée sont ajustées par transfert d’énergie, d’agencer lesdits moteurs de sorte que leurs vecteurs de poussée soient alignés dans une même direction de poussée, l’alignement des vecteurs de poussées pouvant se faire avec une tolérance de quelques degrés.

Claims

REVENDICATIONS Dispositif volant comportant un corps principal (100) sur lequel est fixé un premier moteur à combustion (MC, MC1 ) et un premier moteur électrique (ME, ME1 ), lesdits premiers moteurs à combustion (MC, MC1 ) et électrique (ME, ME1 ) étant agencés pour créer des vecteurs de poussée selon une même direction de poussée et étant placés de part et d’autre du corps principal (100) afin de créer des vecteurs de poussée de chaque côté d’un plan de séparation passant par un centre de gravité dudit corps (100) de manière à contrôler l’assiette du dispositif volant, caractérisé en ce qu’il comporte :
- un premier générateur électrique (GE, GE1 ) couplé mécaniquement au premier moteur à combustion (MC, MC1 ) afin d’être entrainé par ce dernier ; et
- un premier circuit de transfert d’énergie électrique (200, 300, 701 , 801 , 901 ) connecté entre le premier générateur électrique (GE, GE1 ) et le premier moteur électrique (ME, ME1 ), le premier circuit de transfert d’énergie (200, 300, 701 , 801 , 901 ) étant configuré pour créer une résistance mécanique ralentissant le premier moteur à combustion (MC, MC1 ) et pour produire de l’énergie électrique afin d’alimenter le premier moteur électrique (ME, ME1 ). Dispositif volant selon la revendication précédente, dans lequel le premier circuit de transfert (300, 701 , 801 , 901 ) comporte un premier convertisseur d’énergie (301 ) contrôlé pour appliquer une impédance de charge sur le premier générateur (GE, GE1 ) et fournir l’énergie récupérée par l’impédance de charge sur une sortie à destination du premier moteur électrique (ME, ME1 ) Dispositif volant selon la revendication précédente, dans lequel le premier circuit de transfert (300, 701 , 801 , 901 ) comporte un deuxième convertisseur d’énergie (302) disposant d’une entrée d’énergie connectée à la sortie d’énergie du premier convertisseur d’énergie (301 ) et au premier moteur électrique (ME, ME1 ), ledit deuxième convertisseur (302) transformant l’énergie reçue à son entrée en signaux de commande du premier moteur électrique (ME, ME1 ). Dispositif volant selon la revendication précédente, dans lequel le premier circuit de transfert (300, 701 , 801 , 901 ) comporte un élément de stockage d’énergie électrique (703), connecté entre la sortie d’énergie du premier convertisseur d’énergie (301 ) et la masse pour absorber un surplus d’énergie non utilisée par le deuxième convertisseur d’énergie (302) et pour restituer cette énergie si l’énergie fournie par ledit premier convertisseur (301 ) n’est pas suffisante pour alimenter ledit deuxième convertisseur (302). Dispositif volant selon l’une des revendications précédente, lequel comporte :
- un deuxième moteur à combustion (MC2) et un deuxième moteur électrique (ME2), lesdits deuxièmes moteurs à combustion (MC2) et électrique (ME2) créant des vecteurs de poussée selon la direction de poussée et étant fixés de part et d’autre du corps principal (100) afin de créer des vecteurs de poussée de chaque côté du plan de séparation passant par le centre de gravité dudit corps (100), le deuxième moteur à combustion (MC2) étant placé du même côté du plan de séparation que premier moteur électrique (ME1 ) et le deuxième moteur électrique (ME2) étant placé du même côté du plan de séparation que le premier moteur à combustion (MC1 ) ;
- un deuxième générateur électrique (GE2) couplé mécaniquement au deuxième moteur à combustion (MC2) afin d’être entrainé par ce dernier ; et
- un deuxième circuit de transfert d’énergie électrique (702, 802, 902) connecté entre le deuxième générateur électrique (GE2) et le deuxième moteur électrique (ME2) ledit deuxième circuit de transfert (702, 802, 902) étant constitué à l’identique du premier circuit de transfert (701 , 801 ,
901). Dispositif volant selon la revendication précédente lorsqu’elle dépend de la revendication 4, dans lequel les éléments de stockage (303) sont des condensateurs de forte capacité. Dispositif volant selon la revendication précédente, lequel comporte une batterie rechargeable (803) connectée en parallèle sur les éléments de stockage (303) des premier et deuxième circuits de transfert (702, 802,
902) pour récupérer un excédent de charge desdits éléments de stockage (303). Dispositif volant selon la revendication précédente, dans lequel les premiers convertisseurs d’énergie (301 ) sont bidirectionnels et peuvent alimenter les premier et deuxième générateurs (GE1 , GE2) pour servir de démarreurs aux premier et deuxième moteurs à combustion (MC1 , MC2) et dans lequel la batterie (803) alimente lesdits générateurs (GE1 , GE2) pour démarrer lesdits premier et deuxième moteurs (MC1 , MC2). Dispositif volant selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le premier et/ou deuxième moteurs électriques (ME1 , ME2) sont positionnés respectivement à des distances plus importantes du centre de gravité du corps principal (100) dudit dispositif que les premier et/ou deuxième moteurs à combustion (MC1 , MC2). Dispositif volant selon l’une des revendications 5 à 9, dans lequel les vecteurs de poussée des premiers et deuxièmes moteurs à combustion (MC1 , MC2) et électriques (ME1 , ME2) sont compris dans un premier plan de poussée, dans lequel le dispositif volant comporte en outre:
- un troisième moteur à combustion (MC3) et un troisième moteur électrique (ME3), lesdits troisièmes moteurs à combustion (MC3) et électrique (ME3) créant des vecteurs de poussée selon la direction de poussée et étant fixés de part et d’autre du corps principal (100) afin de créer des vecteurs de poussée de chaque côté du plan de séparation passant par le centre de gravité dudit corps (100),
- un quatrième moteur à combustion (MC4) et un quatrième moteur électrique (ME4), lesdits quatrièmes moteurs à combustion (MC4) et électrique (ME4) créant des vecteurs de poussée selon la direction de poussée et étant fixés de part et d’autre du corps principal (100) afin de créer des vecteurs de poussée de chaque côté du plan de séparation passant par le centre de gravité dudit corps (100), le quatrième moteur à combustion (MC4) étant placé du même côté du plan de séparation que le troisième moteur électrique (ME3) et le quatrième moteur électrique (ME4) étant placé du même côté du plan de séparation que le troisième moteur à combustion (MC4) ;
- des troisième et quatrième générateurs électriques (GE3, GE4) couplés mécaniquement et respectivement aux troisième et quatrième moteurs à combustion (MC3, MC4) afin d’être entraînés par ces derniers ; et
- des troisième et quatrième circuits de transfert d’énergie électrique (903, 904) connectés respectivement entre les troisième et quatrième générateurs électriques (GE3, GE4) et les troisième et quatrième moteurs électriques (ME3, ME4), lesdits troisième et quatrième circuits de transfert (903, 904) étant constitués à l’identique du premier circuit de transfert (901 ) ; et dans lequel les vecteurs de poussée des troisièmes et quatrièmes moteurs à combustion (MC3, MC4) et électriques (ME3, ME4) sont compris dans un deuxième plan de poussée sécant au premier plan de poussée sur un axe de croisement parallèle à la direction de poussée. Dispositif volant selon la revendication précédente, dans lequel l’axe de croisement passe par le centre de gravité du dispositif volant. Dispositif volant selon l’une des revendications 10 et 11 , dans lequel les premiers à quatrième moteurs à combustion (MC1 à MC4) et électriques (ME1 à ME4) sont fixés au corps principal (100) par l’intermédiaire de quatre bras de supports (910 à 940) positionnés au-dessus du centre de gravité dudit corps (100) et étant agencés pour soutenir les premiers à quatrièmes moteurs à combustion (MC1 à MC4) et électriques (ME1 à ME4), et intégrer les éléments de stockage d’énergie électrique (303). Dispositif volant selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la direction de poussée est verticale.
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