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JP6730842B2 - 航空機の推進およびリフトのための電気直結駆動装置 - Google Patents

航空機の推進およびリフトのための電気直結駆動装置 Download PDF

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Description

関連出願に対する相互引用
本願は２０１５年５月５日付けの米国仮出願番号第６２／１５７,０５０号の優先権を主張する出願(non-provisional)であり、ここで引用したことにより、その内容全体が含まれるものとする。
本開示は、全般的に、電気的に駆動される航空機の推進およびリフト(lift)に関し、特に、これらには限定されないが、航空機の推進およびリフトのための電気直結駆動装置に関するものである。
電気的に駆動される航空機の推進およびリフトで見いだされる問題点を軽減することは、依然として関心をひく領域である。これに対する現在のアプローチは、特定の適用に関し様々な制約および不利な点を被っている。例えば、この分野での現在の適用は高重量なものとなり得るし、航空機の内部に高い空間面積を占めることになり得て、それらの適用を抑制的なものにする。したがって、この技術に対する更なる貢献が必要となる。
本開示の一実施形態は、航空機の推進およびリフトのための一意的な電気直結駆動装置である。他の実施形態は、装置、システム、デバイス、ハードウェア、およびそれら使用の方法を含む。本出願の更なる実施形態、様態、特徴、態様、利益、および利点は、本明細書に提供する説明および図から明らかなものとなろう。
図１は、航空機の推進およびリフトのための電気駆動装置の概略図である。 図２は、本明細書にて開示される、航空機の推進およびリフトのための電気直結駆動装置の実施形態の概略図である。
本開示の原理の理解を進める目的で、これより、図面に示される実施形態への参照を行う。特定の言い回しが同一のことを説明するのに用いられることになる。それにも拘わらず、ここに開示する範囲を限定することが意図されないものと理解されよう。説明する実施形態において如何なる代替や更なる修正の態様、更には、本明細書に説明される開示する原理の更なる適用は、本開示が関連する技術分野における当業者にとって通常生じるであろうものとして考察される。
図１を参照する。電気推進／リフト駆動装置を有するシステム１００の概要図が示される。システム１００の実施形態は、電力ジェネレータ１０４から電気モータ１１０ａ，１１０ｂまでの電力潮流を調整するために、大規模で大きく(bulky)、重く、複雑で且つ高価なパワー・エレクトロニクス(power electronics)を利用する。電気モータ１１０ａ，１１０ｂは、昇降プラットフォームのために推進機能またはリフト機能の何れをも提供する。パワー・エレクトロニクス機器は、ジェネレータ（複数可）１０４の出力（例えば、電圧、電流、および周波数）を電気モータ（複数可）１１０ａ，１１０ｂの特定のニーズ（例えば、電圧、電流、および周波数）に変換する。パワー・エレクトロニクスの「最高水準の技術」の測定基準は、電力密度が３〜５ｋＷ／キログラムにわたり、また、特定の密度が５〜７ｋＷ／リットルにわたることを示す。従来型の昇降プラットフォームの実施形態のためのリフトおよびの推進要件は非常に高度になることがあり、つまり、重量および体積を、この抑制的な概念の下でパワー・エレクトロニクスに要求する。
図１に示すように、原動機１０２（エンジンでもよい）は、ジェネレータ１０４に結合される。ジェネレータ１０４は、ＡＣ／ＤＣ変換器１０６（例えば、整流器）に電気的に結合される。各電気モータ１１０ａ，１１０ｂは、ファン／プロペラ１１２ａ，１１２ｂを駆動させ、ＤＣ／ＡＣ変換器１０８ａ，１０８ｂを通じてＡＣ／ＤＣ変換器１０６に接続される。エネルギ蓄積デバイス１１４がまた、システム１００に提供することができる。システム１００は、原動機１０２、ジェネレータ１０４、ＡＣ／ＤＣ変換器パワー・エレクトロニクス１０６、変換器１０８ａ，１０８ｂ、電気モータ１１０ａ，１１０ｂ、ファン／プロペラ１１２ａ，１１２ｂ、エネルギ蓄積１１４、およびコネクション１１６を含むことができる。コネクション１１６は、システム１００のそれぞれのコンポーネント間のコネクション１１６ａ〜ｉを含むことができる。
これにより図２を参照する。本開示の電気推進／リフト駆動装置を有するシステム２００の例示の実施形態における概要図が提供される。システム２００は、従来型のシステムにおいて以前より利用されてきたパワー・エレクトロニクスの多くを取り除くことができる。これは、例えば、電気モータ１１０ａ，１１０ｂ（例えば、推進／リフト・ファン・モータ）に電力を供給することによって達成される。
システム２００は、原動機２０２（例えば、ガス・タービン・エンジンのようなエンジン）、ジェネレータ２０４（例えば、多相電力ジェネレータ）、変換器２０８（例えば、ＤＣ／ＡＣ変換器パワー・エレクトロニクス）、モータ２１０ａ，２１０ｂ（例えば、多相同期モータのような電気モータ）、ファン／プロペラ２１２ａ，２１２ｂ、エネルギ蓄積２１４（例えば、１つ以上の電池）、および１つ以上のコネクション２１６を含むことができる。コネクション２１６は、システム２００の複数のコンポーネントを動作可能または電気的に結合または接続する直接接続または間接のコネクションを含むことができる。コネクション２１６ａ，２１６ｂは、原動機２０２およびジェネレータ２０４を接続することができる。コネクション２１６ｃは、ジェネレータ２０４および変換器２０８を接続することができる。コネクション２１６ｄは、変換器２０８およびエネルギ蓄積２１４を接続することができる。コネクション２１６ｅ，２１６ｆは、ジェネレータ２０４およびモータ２１０ａ，２１０ｂを接続することができる。コネクション２１６ｇ，２１６ｈは、モータ２１０ａ，２１０ｂおよびエネルギ蓄積２１４を接続することができる。
図示されるように、直接のコネクション２１６ｅ，２１６ｆはジェネレータ２０４（例えば、多相電力ジェネレータ）および電気モータ２１０ａ，２１０ｂ（例えば、多相同期モータ）の間に設けられる。多相電力ジェネレータ２０４は、例えば、同期または非同期永久磁石または巻線界磁型同期電力ジェネレータとしてもよい。多相同期モータ２１０ａ，２１０ｂは、例えば、永久磁石または巻線界磁型の同期モータとしてもよい。例えばガス・タービン・エンジンまたは往復運動ピストン内燃機関のような原動機２０２がジェネレータを駆動させる。電気モータ２１０ａ，２１０ｂは、リフトおよび／または水平推進のためのファン／プロペラ２１２ａ，２１２ｂを駆動させる。
モータ２１０ａ，２０１ｂの運動速度、つまりファン／プロペラ２１２ａ，２１２ｂのファン／プロペラ速度は、ジェネレータ２０４に結合される原動機２０２の速度を変化させることによって制御することができる。ジェネレータ２０４の速度は、出力電圧、電流、および周波数を直接決定する。このことは、ファン／プロペラ２１２ａ，２１２ｂを駆動させるモータ２１０ａ，２１０ｂの速度を決定する。巻線界磁型ジェネレータまたはモータの場合は、速度は界励磁(field excitation)を変化させることによって制御することができる。
非常事態での目的のために、システム２００は、双方向電源変換器２０８を有する小規模エネルギ蓄積デバイス／コンポーネント（複数可）２１４を含むことができる。エネルギ蓄積デバイス／コンポーネント（複数可）２１４は、エンジン式ジェネレータ、１つ以上の電池、またはこれらの組み合わせとしてもよい。双方向電源変換器２０８は、例えば、ＤＣ／ＡＣ変換器としてもよい。双方向電源変換器２０８は、エネルギ蓄積デバイス２１４を充電するために、ジェネレータ２０４からのＡＣ電源をＤＣ電源に整流することができる。次いで、非常事態の電源が必要とされるときに、双方向電源変換器２０８は、電気モータ２１０ａ，２１０ｂに向けたエネルギ蓄積デバイス２１４からのＤＣ電源をＡＣ電源に反転させる(invert)ことになる。十分なエネルギを搬送するには、エネルギ蓄積デバイス／コンポーネント（複数可）２１４を必要とするのみでよく、その結果、昇降プラットフォームを動作中の高度から地面に安全に提供(delivery)することができる。
システム２００は装置を含むことができる。システム２００は、ジェネレータ２０４に結合される原動機２０２、ジェネレータ２０４に電気的に直接結合される１つ以上の電気モータ２１０ａ，２１０ｂ、１つ以上の電気モータ２１０ａ，２１０ｂに結合され、１つ以上の電気モータ２１０ａ，２１０ｂによって駆動される１つ以上のプロペラ２１２ａ，２１２ｂ、並びに、ジェネレータ２０４に結合されエネルギ蓄積デバイス２１４に更に結合される変換器２０８（例えば、双方向電源変換器）を含むことができる。エネルギ蓄積デバイス２１４は、１つ以上の電気モータ２１０ａ，２１０ｂに選択的に結合することができる。モータ２１０ａ，２１０ｂは、多相同期モータ、巻線界磁型同期モータ、またはこれらの組み合わせを含んでもよい。ジェネレータ２０４は、巻線界磁型同期多相電力ジェネレータ、永久磁石多相電力ジェネレータ、またはこれらの組み合わせを含んでもよい。エネルギ蓄積装置２１４は、１つ以上の電池、エンジン式ジェネレータ、またはこれらの組み合わせを含んでもよい。
システム２００は、航空機推進またはリフト・システムを含むことができる。システム２００は、１つ以上のジェネレータ２０４（例えば、多相電力ジェネレータ）に結合される１つ以上の原動機２０２、ジェネレータ２０４に電気的に直接結合される１つ以上のモータ２１０ａ，２１０ｂ（例えば、多相電気モータ）、各モータ２１０ａ，２１０ｂに結合され１つ以上のモータ２１０ａ，２１０ｂによって駆動されるプロペラ２１２ａ，２１２ｂ、並びに、ジェネレータ２０４に駆動されエネルギ蓄積デバイス２１４に更に結合される電源変換器２０８（例えば、双方向電源変換器）を収容する航空機を含むことができる。エネルギ蓄積デバイス２１４は、電気モータ２１０ａ，２１０ｂに選択的に結合することができる。
システム２００を使用する方法がまた考案される。方法は、電気モータ２１０ａ，２１０ｂに電気的に直接結合される電力ジェネレータ２０４に対し、航空機に収容される原動機２０２を結合するステップを含むことができる。本方法は更に、原動機２０２の速度および界励磁の少なくとも一方を変化させることを通じて、電気モータ２１０ａ，２１０ｂの速度を変化させるステップを含むことができる。
図面および前述の説明において本開示を詳細に示し説明してきたが、本開示は、例示的であって文字において制限されないものとして考えられるべきである。好適な実施形態を示し説明したに過ぎず、本発明の趣旨の範囲内に収まる変更形態および修正形態はすべて、保護されることが望まれていることが理解される。上記の説明において利用された、好ましい(preferable)、好ましくは(preferably)、好適な(preferred)、またはより好適な(more preferred)のような言葉の使用は、そのように説明された特徴がより望ましい場合があることを示す一方で、それにもかかわらずそうした言葉の使用が必要でない場合もあり、そうした言葉の使用がない実施形態も本発明の範囲内にあるとして考えられてもよく、この範囲は、以下の特許請求の範囲によって規定されることを理解されたい。特許請求の範囲を読む際に、「１つの、ある」（「ａ」、「ａｎ」）、「少なくとも１つの」（「ａｔｌｅａｓｔｏｎｅ」）、または「少なくとも１つの部分」（「ａｔｌｅａｓｔｏｎｅｐｏｒｔｉｏｎ」）などの言葉が用いられる場合、クレームにおいてそれとは反対に具体的に述べられていなければ、そのクレームを唯一の項目に限定する意図はない。「少なくとも１つの部分」（「ａｔｌｅａｓｔｏｎｅｐｏｒｔｉｏｎ」）および／または「部分」（「ａｐｏｒｔｉｏｎ」）という文言が用いられる場合、その項目は、それとは反対に具体的に述べられていなければ、部分および／または項目全体を含むことができる。
別途特定または限定されない限り、「取り付けられ(mounted)」、「接続され(connected)」、「支持され(supported)」および「結合され(coupled)」なる用語およびその変形態様は、広範に使用され、直接的および間接的の両方の取付け、接続、支持および結合を含むものである。更に、「接続され(connected)」および「結合され(coupled)」は、物理的または機械的な接続または結合に限定されないものである。

Claims (29)

  1. 航空機推進システムにおける装置であって、
    ジェネレータに結合される原動機と、
    前記ジェネレータに電気的に直接結合される電気モータと、
    前記電気モータに結合され、前記電気モータによって駆動されるプロペラと、
    前記ジェネレータに結合され、更にエネルギ蓄積デバイスに結合される双方向電源変換器と、を備え、
    前記エネルギ蓄積デバイスが前記電気モータに選択的に結合され、
    前記エネルギ蓄積デバイスが前記原動機について電力を選択的に伝達する別のジェネレータを含む、装置。
  2. 前記電気モータが多相同期モータである、請求項１記載の装置。
  3. 前記電気モータが巻線界磁型同期モータである、請求項１記載の装置。
  4. 前記ジェネレータが巻線界磁型同期多相電力ジェネレータである、請求項１記載の装置。
  5. 前記ジェネレータが永久磁石多相電力ジェネレータである、請求項１記載の装置。
  6. 前記エネルギ蓄積デバイスが１つ以上の電池を備える、請求項１記載の装置。
  7. 航空機推進システムであって、
    １つ以上の多相電力ジェネレータに結合される１つ以上の原動機と、
    前記１つ以上の多相電力ジェネレータに電気的に直接結合される１つ以上の多相電気モータと、
    前記１つ以上の多相電気モータの各々に結合され、前記１つ以上の多相電気モータの各々よって駆動されるプロペラと、
    前記１つ以上の多相電力ジェネレータに結合され、更にエネルギ蓄積デバイスに結合される双方向電源変換器と、を備え、
    前記エネルギ蓄積デバイスが前記１つ以上の多相電気モータに選択的に結合され、
    前記エネルギ蓄積デバイスが前記１つ以上の原動機について電力を選択的に伝達する別のジェネレータを含む、航空機推進システム。
  8. 前記１つ以上の原動機がガス・タービン・エンジンである、請求項７記載の航空機推進システム。
  9. 前記１つ以上の多相電力ジェネレータが巻線界磁型同期ジェネレータである、請求項７記載の航空機推進システム。
  10. 前記１つ以上の多相電気モータが巻線界磁型同期モータである、請求項７記載の航空機推進システム。
  11. 前記エネルギ蓄積デバイスが１つ以上の電池を備える、請求項７記載の航空機推進システム。
  12. 航空機推進システムにおける方法であって、
    航空機に収容される原動機を電力ジェネレータに結合するステップであって、前記電力ジェネレータが電気モータに電気的に直接結合される、ステップと、
    前記原動機の速度および界励磁の少なくとも１つの変化を通じて前記電気モータの速度を変化させるステップと、
    前記原動機について電力を選択的に伝達する別のジェネレータを含むエネルギ蓄積デバイスを設けるステップと、
    を含む、方法。
  13. 前記電気モータが少なくとも１つの巻線界磁型電気モータを含む、請求項１２記載の方法。
  14. 前記電気モータが多相同期モータおよび巻線界磁型同期モータの内少なくとも１つを含む、請求項１２記載の方法。
  15. 前記電力ジェネレータが巻線界磁型同期多相電力ジェネレータである、請求項１２記載の方法。
  16. 前記電力ジェネレータが永久磁石多相電力ジェネレータである、請求項１２記載の方法。
  17. 前記エネルギ蓄積デバイスが１つ以上の電池を備える、請求項１２記載の方法。
  18. 航空機推進システムにおける装置であって、
    ジェネレータに結合される原動機と、
    前記ジェネレータに結合される電気モータと、
    前記電気モータに結合され、前記電気モータによって駆動されるプロペラと、
    前記ジェネレータに結合され、更にエネルギ蓄積デバイスに結合される電源変換器と、を備え、
    前記エネルギ蓄積デバイスが前記電気モータに選択的に結合され、
    前記電源変換器が双方向電源変換器であり、
    前記電気モータが、ＡＣ／ＤＣおよびＤＣ／ＡＣ変換器の形態のパワー・エレクトロニクスなしで、前記原動機について電力を選択的に伝達する前記ジェネレータに電気的に直接結合され、
    前記エネルギ蓄積デバイスが、前記原動機について電力を選択的に伝達する別のジェネレータを含むことを特徴とする装置。
  19. 前記電気モータが多相同期モータである、請求項１８記載の装置。
  20. 前記電気モータが巻線界磁型同期モータである、請求項１８または１９記載の装置。
  21. 前記ジェネレータが巻線界磁型同期多相電力ジェネレータである、請求項１８から２０の何れか一項記載の装置。
  22. 前記ジェネレータが永久磁石多相電力ジェネレータである、請求項１８から２１の何れか一項記載の装置。
  23. 前記エネルギ蓄積デバイスが１つ以上の電池を備える、請求項１８から２２の何れか一項記載の装置。
  24. 航空機推進システムにおける方法であって、
    航空機に収容される原動機を電力ジェネレータに結合するステップであって、前記電力ジェネレータが電気モータに電気的に直接結合される、ステップと、
    双方向電源変換器を、前記ジェネレータに結合し、更にエネルギ蓄積デバイスに結合するステップと、
    前記エネルギ蓄積デバイスを、前記電気モータに選択的に結合するステップと、
    前記原動機の少なくとも１つの速度の変化を通じて前記電気モータの速度を変化させるステップと、を含み、
    前記電力ジェネレータが、ＡＣ／ＤＣおよびＤＣ／ＡＣ変換器の形態のパワー・エレクトロニクスなしで、前記原動機について電力を選択的に伝達するように前記電気モータに電気的に直接結合され、
    前記エネルギ蓄積デバイスが前記原動機について電力を選択的に伝達する別のジェネレータを備えることを特徴とする、方法。
  25. 前記電気モータが少なくとも１つの巻線界磁型電気モータを含む、請求項２４記載の方法。
  26. 前記電気モータが多相同期モータおよび巻線界磁型同期モータの内少なくとも１つを含む、請求項２４または２５記載の方法。
  27. 前記ジェネレータが巻線界磁型同期多相電力ジェネレータである、請求項２４から２６の何れか一項記載の方法。
  28. 前記ジェネレータが永久磁石多相電力ジェネレータである、請求項２４から２７の何れか一項記載の方法。
  29. 前記エネルギ蓄積デバイスが１つ以上の電池を備える、請求項２４から２８の何れか一項記載の方法。
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