JP-2026514739-A - 航空機の飛行制御面およびプロペラの電気的減衰のためのシステムおよび方法

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Abstract

構造的飛行要素の動きを減衰させるための航空機システム。航空機システムは、可動航空機構造物、電源、コントローラ、抵抗器、および抵抗器に直列に接続された第１のトランジスタを含む。航空機の電源が電力を提供しているときに、コントローラは、第１のトランジスタの端子および抵抗器を通る電流の流れを防止するように、第１のトランジスタを制御する。さらに、航空機の電源が電力を提供していないときに、第１のトランジスタは、逆ＥＭＦ（起電力）電圧によって生成された電流がその端子および抵抗器を通って流れることを可能にし、逆ＥＭＦ電圧は、可動航空機構造物の動きによって作り出される。

Inventors

バーナード，ガイ
バウワー，ジェフリー
マリウス，ディーデリク
ワグナー，カート
スピテリ，スティーブン

Assignees

アーチャーアヴィエイションインコーポレイテッド

Dates

Publication Date: 20260513
Application Date: 20240329
Priority Date: 20231230

Claims (20)

航空機用の電気システムであって、コントローラ、第１の抵抗器、前記第１の抵抗器に直列に接続されたスイッチングデバイス、を含み、前記コントローラは、前記航空機の電源が電力を提供しているときに前記第１の抵抗器を通る電流の流れを防止するように前記スイッチングデバイスを制御するように構成され、前記スイッチングデバイスは、前記航空機の前記電源が電力を提供していないときに、逆ＥＭＦ（起電力）電圧によって生成された電流が前記第１の抵抗器を通って流れることを可能にするように構成され、前記逆ＥＭＦ電圧は、前記航空機の可動航空機構造物の動きによって作り出される、電気システム。
請求項１に記載の電気システムであって、前記スイッチングデバイスは、第１のトランジスタである、電気システム。
請求項２に記載の電気システムであって、前記第１の抵抗器および前記第１のトランジスタに直列に接続された第２のトランジスタをさらに備える、電気システム。
請求項３に記載の電気システムであって、前記コントローラは、前記航空機の前記電源が電力を提供しているときに、前記第２のトランジスタの端子にわたり、かつ前記第１の抵抗器を通る電流の流れを防止するように、前記第２のトランジスタを制御するように構成され、前記第２のトランジスタは、前記航空機の前記電源が電力を提供していないときに、前記逆ＥＭＦ電圧によって生成された電流が前記第２のトランジスタの前記端子にわたり、かつ前記第１の抵抗器を通って流れることを可能にするように構成される、電気システム。
請求項２または３に記載の電気システムであって、前記コントローラは、電圧を前記第１のトランジスタに提供することによって、前記第１のトランジスタの端子にわたり、かつ前記第１の抵抗器を通る電流の流れを防止するように前記第１のトランジスタを制御するように構成される、電気システム。
請求項１～５のいずれかに記載の電気システムであって、前記可動航空機構造物は、プロペラまたは飛行制御面である、電気システム。
請求項１～６のいずれかに記載の電気システムであって、第３のトランジスタ、第４のトランジスタ、第５のトランジスタ、および第６のトランジスタをさらに備え、前記第３、第４、第５、および第６のトランジスタの各々は、前記可動航空機構造物を制御するために、前記航空機の前記電源から前記航空機のモータのステータ巻線への電流の流れを制御するように構成される、電気システム。
請求項７に記載の電気システムであって、前記第３のトランジスタ、前記第４のトランジスタ、前記第５のトランジスタ、または前記第６のトランジスタのうちの少なくとも１つは、前記航空機の前記電源が電力を提供していないときに、前記少なくとも１つのトランジスタの端子にわたり、かつ前記第１の抵抗器を通る電流の流れを可能にするように構成される、電気システム。
請求項８に記載の電気システムであって、前記少なくとも１つのトランジスタは、前記少なくとも１つのトランジスタが前記コントローラから電圧を受け取らないとき、前記少なくとも１つのトランジスタの前記端子にわたり、かつ前記第１の抵抗器を通る前記電流の流れを可能にするように構成される、電気システム。
請求項７～９のいずれかに記載の電気システムであって、前記可動航空機構造物は、プロペラを備え、前記第３のトランジスタ、前記第４のトランジスタ、前記第５のトランジスタ、および前記第６のトランジスタは、前記プロペラを制御するために前記モータの前記ステータ巻線に正弦波電圧出力を提供するように構成される、電気システム。
請求項７～１０のいずれかに記載の電気システムであって、キャパシタをさらに備え、前記コントローラは、短絡状態を検出し、前記第３のトランジスタ、前記第４のトランジスタ、前記第５のトランジスタ、および前記第６のトランジスタを制御するように構成され、前記第３、第４、第５、および第６のトランジスタを制御することは、全ての前記ステータ巻線を短絡させ、前記キャパシタは、前記コントローラが前記ステータ巻線を短絡させるとき、前記第１の抵抗器を通して放電する、電気システム。
請求項１１に記載の電気システムであって、前記コントローラは、前記キャパシタが閾値を下回って放電されるときを検出するように構成され、前記コントローラは、前記キャパシタが前記閾値を下回って放電されたことを検出すると、前記逆ＥＭＦ（起電力）電圧によって生成された前記電流が前記第１の抵抗器を通って流れることを可能にするように構成される、電気システム。
請求項１に記載の電気システムであって、前記スイッチングデバイスは、リレーである、電気システム。
請求項１３に記載の電気システムであって、前記リレーは、単極双投リレーである、電気システム。
請求項１３または１４に記載の電気システムであって、前記コントローラは、前記コントローラが前記リレーに電圧を提供することによって、前記第１の抵抗器を通る電流の流れを防止するように前記リレーを制御するように構成される、電気システム。
請求項１３～１５のいずれかに記載の電気システムであって、前記可動航空機構造物は、プロペラまたは飛行制御面である、電気システム。
請求項１３～１６のいずれかに記載の電気システムであって、第３のトランジスタ、第４のトランジスタ、第５のトランジスタ、および第６のトランジスタをさらに備え、前記第３、第４、第５、および第６のトランジスタの各々は、前記可動航空機構造物を制御するために、前記航空機のモータのステータ巻線への電流の流れを制御するように構成される、電気システム。
請求項１７に記載の電気システムであって、前記第３のトランジスタ、前記第４のトランジスタ、前記第５のトランジスタ、または前記第６のトランジスタのうちの少なくとも１つは、前記航空機の前記電源が電力を提供していないときに、前記少なくとも１つのトランジスタの端子にわたり、かつ前記第１の抵抗器を通る電流の流れを可能にするように構成される、電気システム。
請求項１８に記載の電気システムであって、前記少なくとも１つのトランジスタは、前記少なくとも１つのトランジスタが前記コントローラから電圧を受け取らないとき、前記少なくとも１つのトランジスタの前記端子にわたり、かつ前記第１の抵抗器を通る前記電流の流れを可能にするように構成される、電気システム。
請求項１７～１９のいずれかに記載の電気システムであって、前記可動航空機構造物は、プロペラを備え、前記第３のトランジスタ、前記第４のトランジスタ、前記第５のトランジスタ、および前記第６のトランジスタは、前記プロペラを制御するために前記モータの前記ステータ巻線に正弦波電圧出力を提供するように構成される、電気システム。

Description

関連出願の相互参照本出願は、２０２３年１２月３０日に出願された「ＳｙｓｔｅｍｓａｎｄＭｅｔｈｏｄｓｆｏｒＥｌｅｃｔｒｉｃＤａｍｐｉｎｇｏｆＡｉｒｃｒａｆｔＦｌｉｇｈｔＣｏｎｔｒｏｌＳｕｒｆａｃｅｓａｎｄＰｒｏｐｅｌｌｅｒｓ」と題する米国非仮出願第１８／４０１，４４６号（代理人整理番号１６１６３．００２６－０００００）の優先権および利益を主張し、当該非仮出願はさらに、２０２３年４月１４日に出願された「ＳｙｓｔｅｍｓａｎｄＭｅｔｈｏｄｓｆｏｒＥｌｅｃｔｒｉｃＤａｍｐｉｎｇｏｆＡｉｒｃｒａｆｔＦｌｉｇｈｔＣｏｎｔｒｏｌＳｕｒｆａｃｅｓａｎｄＰｒｏｐｅｌｌｅｒｓ」と題する米国仮出願第６３／４５９，３２４号（代理人整理番号１６１６３．６０１０－０００００）の優先権および利益を主張する。上述の出願の全内容は、その全体において、あらゆる目的のために本明細書に組み込まれる。本開示は、一般に、動力付き航空車両の分野に関する。より詳細には、限定するものではないが、本開示は、電気式推進システムを使用するチルトロータ航空機の革新に関する。本開示のある特定の態様は、一般に、モータ制御される航空機飛行要素を電気的に減衰させることに関する。さらに、本開示のある特定の態様は、移動する飛行要素によって作り出される逆ＥＭＦ（起電力）電圧を使用して、動きに対抗する逆トルクを生成するモータ制御システムおよび関連回路に関する。本開示の実施形態は、航空機飛行要素の動きを減衰させるシステムを提供する。本明細書で使用される場合、航空機飛行要素は、飛行制御面（例えば、補助翼、昇降舵、方向舵など）、ロータ、プロップロータ、および／またはプロペラなどの航空機の１つ以上の可動構造的構成要素を指し得る。本開示の一態様は、コントローラと、抵抗器と、第１の抵抗器に直列に接続されたスイッチングデバイスと、を含む、航空機用の電気システムを対象とする。コントローラは、航空機の電源が電力を提供しているときに、第１の抵抗器を通る電流の流れを防止するようにスイッチングデバイスを制御するように構成される。スイッチングデバイスは、航空機の電源が電力を提供していないときに、逆ＥＭＦ（起電力）電圧によって生成された電流が第１の抵抗器を通って流れることを可能にするように構成され、逆ＥＭＦ電圧は、航空機の可動航空機構造物の動きによって作り出される。本開示の実施形態に整合する、巡航構成の例示的なＶＴＯＬ航空機を例解する。本開示の実施形態に整合する、上昇構成の例示的なＶＴＯＬ航空機を例解する。本開示の実施形態に整合する、負荷状態にある制動抵抗器を含むモータ制御システムを例解する。本開示の実施形態に整合する、無負荷状態の制動抵抗器を含むモータ制御システムを例解する。本開示の実施形態に整合する、２つのデプレッションモードトランジスタの間に制動抵抗器を含むモータ制御システムを例解する。本開示の実施形態に整合する、リレーを含むモータ制御システムを例解する。本開示の実施形態に整合する、デプレッションモードトランジスタのセットを含むモータ制御システムを例解する。本開示の実施形態に整合する、キャパシタ放電状態における受動放電抵抗器およびダイオードを含むモータ制御システムを例解する。本開示の実施形態に整合する、減衰状態にある受動放電抵抗器およびダイオードを含むモータ制御システムを例解する。本開示の実施形態に整合する、短絡故障を軽減する方法を例解する。本開示は、主に非従来型航空機で使用するための電動垂直離着陸（ｅＶＴＯＬ）航空機の構成要素に対処する。例えば、本開示のｅＶＴＯＬ航空機は、人口密集地域の上空の、人口密集地域内への、および人口密集地域外への、頻繁な（例えば、稼働日当たり５０回を超える飛行）、短時間の飛行（例えば、飛行当たり１００マイル未満）を目的とし得る。航空機は、低騒音および低振動の経験を期待する４～６人の乗客または通勤者を搬送することが意図され得る。したがって、それらの構成要素は、摩耗することなく頻繁な使用に耐えるように構成および設計されること、熱および振動の発生が少ないこと、航空機が構成要素によって発生する熱または振動を効果的に制御および管理する機構を含むことが望ましくあり得る。さらに、これらの航空機のうちのいくつかは、混雑した大都市圏にわたって互いに近くで動作することが意図され得る。したがって、それらの構成要素は、航空機の内部および外部で低レベルの騒音を生成し、様々な安全およびバックアップ機構を有するように構成および設計されることが望ましくあり得る。例えば、安全上の理由から、航空機が分散型推進システムによって推進され、単一障害点のリスクを回避し、滑走路上で従来の離着陸が可能であることが望ましくあり得る。さらに、航空機が、約４～６人の乗客または通勤者を付随する荷物とともに輸送しながら、従来の空港の滑走路と比較して相対的に制限された空間（例えば、ヴァーティポート、駐車場、または私道）から安全に垂直に離着陸できることが望ましくあり得る。これらの使用要件は、航空機のサイズ、重量、動作効率（例えば、抗力、エネルギー使用）に設計制約を課す場合があり、これは、航空機構成要素の設計および構成に影響を与える場合がある。開示された実施形態は、従来の航空機において観察されない航空機構成要素の新しいかつ改善された構成、および／または従来の航空機の構成要素とは異なる構成要素の特定された設計基準を提供する。かかる代替の構成および設計基準は、従来の構成要素の欠点および課題に対処することと組み合わせて、ｅＶＴＯＬ航空機構成要素の様々な構成および設計について本明細書に開示される実施形態を生み出している。いくつかの実施形態では、本開示のｅＶＴＯＬ航空機は、垂直飛行、前方飛行、および移行を可能にする分散型電気式推進システムを備えた、垂直および従来の離着陸の両方が可能であるように設計され得る。推力は、分散型電気式推進システムの電気エンジンに高電圧電力を供給することによって生成され得、それらは各々、高電圧電力を、プロペラを回転させるための機械的シャフトパワーに変換し得る。本明細書に開示される実施形態は、電気式推進システムのエネルギー密度を最適化することを伴い得る。実施形態は、車載電源に接続された電気エンジンを含み得、車載電源は、バッテリまたはキャパシタなどのエネルギーを蓄積することができるデバイスを含み得る、または燃料発電機またはソーラーパネルアレイなどの電気を利用または生成するための１つ以上のシステムを含み得る。いくつかの開示される実施形態は、航空機内の構成要素の軽量化および省スペース化を提供し、それによって航空機の効率および性能を向上させる。乗客輸送における安全性に焦点を当てると、開示される実施形態は、航空機推進システムにおける任意の単一障害点を最小限に抑えるために、故障の場合に備えて、新しいかつ改善された安全プロトコルおよびシステム冗長性を実装する。いくつかの開示される実施形態はまた、航空および輸送の法律および規制を満たすための新しいかつ改善されたアプローチを提供する。好ましい実施形態では、分散型電気式推進システムは、航空機の主翼の前方および後方のブーム上に装着され得る１２個の電気エンジンを含み得る。前方電気エンジンは、（例えば、前方推力を生成するために）水平に配向された位置と（例えば、垂直揚力を生成するために）垂直に配向された位置との間で飛行中に傾斜可能であり得る。前方電気エンジンは、プロペラの回転方向に関して時計回りタイプまたは反時計回りタイプであってもよい。後方電気エンジンは、（例えば、垂直揚力を生成するために）垂直に配向された位置に固定され得る。それらはまた、プロペラの回転方向に関して時計回りタイプまたは反時計回りタイプであってもよい。いくつかの実施形態では、航空機は、前方および後方電気エンジンの様々な組み合わせを有し得る。例えば、航空機は、６つの前方電気エンジンおよび６つの後方電気エンジン、４つの前方電気エンジンおよび４つの後方電気エンジン、または前方電気エンジンおよび後方電気エンジンの数が等しくない実施形態を含む、前方エンジンおよび後方エンジンの任意の他の組み合わせを有し得る。いくつかの実施形態では、航空機は、４つの前方プロペラおよび４つの後方プロペラを有し得、これらのプロペラのうちの少なくとも４つは、傾斜可能なプロペラを含む。好ましい実施形態では、垂直離着陸（ＶＴＯＬ）ミッションのために、前方電気エンジンならびに後方電気エンジンは、離着陸中に垂直推力を提供し得る。航空機が前方飛行モードにある飛行フェーズ中、前方電気エンジンは、水平推力を提供し得る一方、後方電気エンジンのプロペラは、抗力を最小限に抑えるために固定位置に収容され得る。後方電気エンジンは、位置監視をしながら能動的に収容され得る。垂直飛行から水平飛行への移行およびその逆の移行は、チルトプロペラサブシステムを介して達成され得る。チルトプロペラサブシステムは、垂直飛行モード中の主に垂直な方向から、前方飛行モード中のほぼ水平な方向へ推力を再指向させ得る。可変ピッチ機構は、ホバリングフェーズ、移行フェーズ、および巡航フェーズ中の動作のために、前方電気エンジンのプロペラハブアセンブリのブレードのコレクティブ角を変更し得る。いくつかの実施形態では、従来の離着陸（ＣＴＯＬ）ミッションでは、前方電気エンジンは、主翼支持離陸、巡航、および着陸のための水平推力を提供し得る。いくつかの実施形態では、後方電気エンジンは、ＣＴＯＬミッション中に推力を生成するために使用され得ず、後方プロペラは、所定の位置に収容され得る。いくつかの実施形態では、電動エンジンは、航空機のブームに収容または接続され、モータ、インバータ、およびギアボックスを含み得る。いくつかの実施形態では、モータ、インバータ、およびギアボックスは、それらが中心軸を共有するようにインターフェース接続され得る。いくつかの実施形態では、モータに起因するトルクは、推進システムのプロペラから離れてギアボックスに送られ得る。いくつかの実施形態では、ギアボックスは、ギア減速を提供し、次いで、メインシャフトを介して、モータの内側に位置する軸受を通してプロペラにトルクを送り返し得る。いくつかの実施形態では、インバータは、トルクをプロペラに出力するときに主シャフトがインバータを通って移動しないように、ギアボックスの後部に装着され得る。いくつかの実施形態では、チルトプロペラシステムは、動作中に推進システムの向きを変更するための線形または回転アクチュエータを含み得る。いくつかの実施形態では、推進システムのピッチは、推進システムの向きの関数として変更され得る。いくつかの実施形態では、回転アクチュエータは、モータ、インバータ、およびギアボックスを含み得る。いくつかの実施形態では、ギアボックスは、推進システムを配向することが可能なギア減速を提供するようにインターフェース接続する様々なタイプのギアを含み得る。いくつかの実施形態では、チルトプロペラシステムは、複数のモータ、インバータ、およびギアボックスが存在し、ギアを使用してインターフェース接続するように、冗長構成を含み得る。いくつかの実施形態では、複数のモータ、ギアボックス、およびインバータを利用する構成は、冗長構成の故障部分が、構成の別の部分のモータ、インバータ、およびギアボックスによって駆動されることを可能にし得る。いくつかの実施形態では、ギアボックス構成はまた、システムによって提供される追加の動力の助けを借りて、または追加の動力なしで、チルトプロペラシステムが推進システムの向きを維持することを可能にし得る。いくつかの実施形態では、本明細書に記載の電気式推進シ