特開 2024-153252 推進装置、航空機、および、推進装置の制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024153252

(43)【公開日】2024-10-29

(54)【発明の名称】推進装置、航空機、および、推進装置の制御方法

(51)【国際特許分類】

   B64D 35/06 20060101AFI20241022BHJP

   B64D 27/24 20240101ALI20241022BHJP

   B64U 50/19 20230101ALI20241022BHJP

   B64U 30/24 20230101ALI20241022BHJP

【ＦＩ】

B64D35/06

B64D27/24

B64U50/19

B64U30/24

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023067029

(22)【出願日】2023-04-17

(71)【出願人】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】遠藤 俊

(72)【発明者】

【氏名】上妻 央

(72)【発明者】

【氏名】高畑 良一

(72)【発明者】

【氏名】大野 友幹

(57)【要約】

【課題】 二重反転プロペラを有する推進装置であって、故障時の揚力や推力の低下を抑制しつつ、不要なロールモーメントやピッチングモーメントも抑制できる推進装置を提供する。
【解決手段】 第１プロペラと第２プロペラを同軸配置した二重反転プロペラを有する推進装置であって、前記第１プロペラを正転方向に回転させる駆動力を発生させる第１モータと、前記第１モータの駆動力を前記第１プロペラに伝達する第１クラッチと、前記第２プロペラを反転方向に回転させる駆動力を発生させる第２モータと、前記第２モータの駆動力を前記第２プロペラに伝達する第２クラッチと、前記第１プロペラと前記第２プロペラの回転を同期させるギアと、を有し、前記第１クラッチ、前記第２クラッチ、および、前記ギアは、接続を解除可能である推進装置。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１プロペラと第２プロペラを同軸配置した二重反転プロペラを有する推進装置であって、
前記第１プロペラを正転方向に回転させる駆動力を発生させる第１モータと、
前記第１モータの駆動力を前記第１プロペラに伝達する第１クラッチと、
前記第２プロペラを反転方向に回転させる駆動力を発生させる第２モータと、
前記第２モータの駆動力を前記第２プロペラに伝達する第２クラッチと、
前記第１プロペラと前記第２プロペラの回転を同期させるギアと、を有し、
前記第１クラッチ、前記第２クラッチ、および、前記ギアは、接続を解除可能であることを特徴とする推進装置。

【請求項2】

請求項１に記載の推進装置において、
正常時には、前記第１クラッチおよび前記第２クラッチを接続するとともに、前記ギアの接続を解除することを特徴とする推進装置。

【請求項3】

請求項１に記載の推進装置において、
前記第１モータの異常時には、前記第１クラッチの接続を解除し、前記第２クラッチを接続するとともに、前記ギアを接続することを特徴とする推進装置。

【請求項4】

請求項１に記載の推進装置において、
前記第１プロペラの異常時には、前記第１プロペラおよび前記第２プロペラを停止することを特徴とする推進装置。

【請求項5】

請求項１に記載の推進装置を複数備えた航空機であって、
ある推進装置の第１プロペラの異常時には、
当該推進装置のギアを解除し、当該推進装置の第１プロペラを停止し、第２プロペラを回転させるとともに、
他の推進装置のギアを解除し、他の推進装置の第２プロペラを停止し、第１プロペラを回転させることを特徴とする航空機。

【請求項6】

第１プロペラと第２プロペラを同軸配置した二重反転プロペラを有する推進装置の制御方法であって、
前記推進装置は、
前記第１プロペラを正転方向に回転させる駆動力を発生させる第１モータと、
前記第１モータで発生した駆動力を前記第１プロペラに伝達する第１クラッチと、
前記第２プロペラを反転方向に回転させる駆動力を発生させる第２モータと、
前記第２モータで発生した駆動力を前記第２プロペラに伝達する第２クラッチと、
前記第１プロペラと前記第２プロペラの回転を同期させるギアと、を有し、
前記第１クラッチ、前記第２クラッチ、および、前記ギアは、接続を解除可能であり、
前記第１モータの異常時には、前記第１クラッチの接続を解除し、前記第２クラッチを接続するとともに、前記ギアを接続することを特徴とする推進装置の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、二重反転プロペラを有する推進装置、それを備えた航空機、および、二重反転プロペラを有する推進装置の制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

複数の推進装置（ロータ）を備えた従来の航空機として、特許文献１の電動垂直離着陸機（ｅＶＴＯＬ機）が知られている。このｅＶＴＯＬ機は、同文献の図１や図２等に示されるように、複数の推進装置（ロータ）を備えており、同文献の段落００３８で「１つのＶＴＯＬロータ２０に関連する電気系統又は機械系統が故障すると、そのＶＴＯＬロータ２０は停止する。この場合、停止したＶＴＯＬロータ２０と対をなす他のＶＴＯＬロータ２０を回転させたままにすると、他のＶＴＯＬロータ２０が発生させる反力が打ち消されずに機体に作用する。すると、機体にヨーモーメントが発生する。また、停止したＶＴＯＬロータ２０と対をなす他のＶＴＯＬロータ２０を回転させたままにすると、左右のＶＴＯＬロータ２０の推力のバランスが崩れる。すると、機体にロールモーメントとピッチングモーメントが発生する。このような事態を避けるために、対をなす一方のＶＴＯＬロータ２０が故障等で停止した場合は、他方のＶＴＯＬロータ２０を停止させる必要がある。このようにすることで、反力（トルク反力）のバランスが崩れることに起因するヨーモーメント、及び、推力のバランスが崩れることに起因するロールモーメントとピッチングモーメントを抑制することができる。」と説明されるように、何れかの推進装置（ロータ）が故障しても、ロールモーメントとピッチングモーメントを抑制しつつ飛行を継続することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２２－１５７２８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１のｅＶＴＯＬ機では、１つのロータの故障時に正常なロータを含む２つのロータが停止するため、ロータ故障に対する冗長性がロータ数に比例して向上せず、また、本来は停止不要な正常なロータも停止するため揚力や推力が過剰に低下するという問題がある。

【0005】

そこで、本発明は、二重反転プロペラを有する推進装置であって、故障時の揚力や推力の低下を抑制しつつ、不要なロールモーメントやピッチングモーメントも抑制できる推進装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するため、第１プロペラと第２プロペラを同軸配置した二重反転プロペラを有する推進装置であって、前記第１プロペラを正転方向に回転させる駆動力を発生させる第１モータと、前記第１モータの駆動力を前記第１プロペラに伝達する第１クラッチと、前記第２プロペラを反転方向に回転させる駆動力を発生させる第２モータと、前記第２モータの駆動力を前記第２プロペラに伝達する第２クラッチと、前記第１プロペラと前記第２プロペラの回転を同期させるギアと、を有し、前記第１クラッチ、前記第２クラッチ、および、前記ギアは、接続を解除可能である推進装置とした。

【発明の効果】

【0007】

本発明の推進装置によれば、故障時の揚力や推力の低下を抑制しつつ、不要なロールモーメントやピッチングモーメントも抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】一実施例の航空機を上から見た模式図。

【図2】一実施例の航空機の機能ブロック図。

【図3】一実施例の航空機の二重反転プロペラの回転機構の概略図。

【図4】一実施例の航空機の故障発生時の制御フローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を用いて、本発明の推進装置と航空機の一実施例を説明する。

【0010】

図１は、本実施例に係る航空機１を上から見た模式図である。ここに例示するように、本実施例の航空機１は、二重反転プロペラで推力を発生させるマルチロータ航空機であり、人や荷物を載せるための胴体１０と、４つの推進装置２０（左前推進装置２０_ＦＬ、右前推進装置２０_ＦＲ、左後推進装置２０_ＲＬ、右後推進装置２０_ＲＲ）と、制御装置３０を備える。なお、図１では、４つの推進装置２０を備えた航空機１を例示しているが、推進装置２０の数はこの例に限定されるものではない。

【0011】

図２は、航空機１の機能ブロック図である。なお、各々の推進装置２０の構成は略同等であるので、以下では、右前推進装置２０_ＦＲと右後推進装置２０_ＲＲの構成を詳細に説明することとし、左前推進装置２０_ＦＬと左後推進装置２０_ＲＬの詳細説明は省略する。

【0012】

ここで示されるように、右前推進装置２０_ＦＲは、１つの駆動部２１と、２つの電気コンポーネント２２を有する。また、右後推進装置２０_ＲＲは、１つの駆動部２１と、２つの電気コンポーネント２２と、電気コンポーネント２２に電力を供給するための２つのバッテリ２３を有する。なお、バッテリ２３は、バッテリを持たない推進装置２０へも電力を供給する。

【0013】

＜駆動部２１＞
駆動部２１は、二重反転構成のプロペラを回転させることで推力を発生させる機能部であり、上プロペラ２１ａと、下プロペラ２１ｂと、ギア２１ｃと、上下２つのクラッチ２１ｄを有する。

【0014】

上プロペラ２１ａと下プロペラ２１ｂは、等しい回転速度で互いに逆方向に回転する同軸配置のプロペラであり、例えば、上プロペラ２１ａが所定の回転速度で正転方向（例えば、上面視で時計方向）に回転する場合には、下プロペラ２１ｂは同等の回転速度で反転方向（例えば、上面視で反時計方向）に回転する。これにより、上プロペラ２１ａによるヨーモーメントと、下プロペラ２１ｂによるヨーモーメントが相殺し、駆動部２１全体としてのヨーモーメントの発生を解消している。

【0015】

ギア２１ｃは、上プロペラ２１ａと下プロペラ２１ｂを接続して、両プロペラを同期回転させる機構である。このギア２１ｃは、制御装置３０からの指令に応じて、上下プロペラの接続を解除する機能を有する。

【0016】

クラッチ２１ｄは、後述するモータ２２ａで発生させた駆動力を各プロペラに伝達する機構である。このクラッチ２１ｄは、制御装置３０からの指令に応じて、モータ２２ａとプロペラとの接続を解除する機能を有する。

【0017】

＜電気コンポーネント２２＞
電気コンポーネント２２は、駆動部２１に駆動力を提供する機能部であり、モータ２２ａと、インバータ２２ｂと、コンデンサ２２ｃを有する。なお、図２に示すように、本実施例では、上プロペラ２１ａ用の電気コンポーネント２２と、下プロペラ２１ｂ用の電気コンポーネント２２を個別に設けることで、冗長性を向上させている。

【0018】

モータ２２ａは、プロペラを回転させる駆動力を発生させる回転電機であり、クラッチ２１ｄを介して上プロペラ２１ａまたは下プロペラ２１ｂと接続されている。

【0019】

インバータ２２ｂとコンデンサ２２ｃは、バッテリ２３からの直流電力を交流電力に変換してモータ２２ａに供給するための電気回路である。

【0020】

＜二重反転プロペラの回転機構＞
図３は、二重反転プロペラの回転機構の概略図である。ここに示すように、各々の推進装置２０では、上プロペラ２１ａと下プロペラ２１ｂが同軸配置されている。上プロペラ２１ａの上方には、上プロペラ２１ａ用のクラッチ２１ｄとモータ２２ａが配置されている。同様に、下プロペラ２１ｂの下方には、下プロペラ２１ｂ用のクラッチ２１ｄとモータ２２ａが配置されている。

【0021】

また、上プロペラ２１ａと下プロペラ２１ｂの間には、上プロペラ２１ａと下プロペラ２１ｂを同じ回転速度で互いに逆方向に回転させるギア２１ｃが設けられている。ギア２１ｃの構成としては、図３に例示するように、上プロペラ２１ａの回転軸下端に設けた上傘歯車と、下プロペラ２１ｂの回転軸上端に設けた下傘歯車と、上傘歯車と下傘歯車の双方に接触する中継傘歯車を組み合わせたものが挙げられるが、ギア２１ｃの構成はこの例に限定されない。なお、図３の例では、中継傘歯車を右方向に移動させることで、上プロペラ２１ａと下プロペラ２１ｂの同期回転を解除することができる。

【0022】

さらに、上プロペラ２１ａの先端と下プロペラ２１ｂの先端の間には、プロペラの通過周期を検出するプロペラ検出センサ３１が配置されており、プロペラ通過周期の異常から、プロペラの羽根の欠落等の異常を検出することができる。

【0023】

＜推進装置故障時の制御フローチャート＞
図４は、何れかの推進装置２０が故障した場合の制御フローチャートである。

【0024】

ステップＳ１は、推進装置２０が正常である時の駆動部２１の制御状態を示している。ここに示すように、推進装置２０の正常時には、制御装置３０は、ギア２１ｃを解除し、上下２つのクラッチ２１ｄを共に接続した状態に制御する。これにより、上プロペラ２１ａが上側のモータ２２ａによって独立駆動され、下プロペラ２１ｂが下側のモータ２２ａによって独立駆動される状態となる。

【0025】

推進装置２０が故障すると、ステップＳ２では、制御装置３０は、故障した部位を特定する。そして、電気コンポーネント２２の故障であれば、ステップＳ３へ進み、プロペラの故障であれば、ステップＳ４へ進む。なお、電気コンポーネント２２の故障は、モータ２２ａの負荷の異常や、インバータ２２ｂの出力の異常などから検出することができ、プロペラの故障は、プロペラ検出センサ３１で検出した、プロペラ通過周期の異常から検出することができる。

【0026】

ステップＳ３では、制御装置３０は、ギア２１ｃを接続するとともに、故障した電気コンポーネント２２側のクラッチ２１ｄを解除する。これにより、正常な電気コンポーネント２２から供給される駆動力によって、上下プロペラを逆方向に同期回転させることができるため、揚力や推力を維持しつつ、ヨーモーメントの発生を抑えることができる。なお、クラッチ２１ｄの接続を解除しているため、故障側のモータ２２ａは正常側のモータ２２ａの負荷にはならない。

【0027】

ステップＳ４では、制御装置３０は、ギア２１ｃを解除し、故障したプロペラ側のモータ２２ａを停止するとともに、故障したプロペラの反転プロペラ側のモータ２２ａも停止する。鳥と衝突するなどしてプロペラの羽根が破損した場合、すなわち、上下プロペラの形状が相違する場合には、ステップＳ３のようにギア接続して両プロペラを回転させると、不要なヨーモーメントが発生するため、本ステップでは、ギア接続を解除し、故障プロペラと対になっている、反転しているプロペラを停止させることでヨーモーメントの発生を抑制する。

【0028】

なお、本ステップで停止する反転プロペラは、同じ推進装置２０の反転プロペラである必要はなく、他の推進装置２０の反転プロペラであっても良い。例えば、図１の右前推進装置２０_ＦＲの上プロペラ２１ａが故障した場合であれば、そのプロペラと対角位置にある、左後推進装置２０_ＲＬの下プロペラ２１ｂを停止させても良い。これにより、右前推進装置２０_ＦＲの上下プロペラを停止する場合に比べ、不要なヨーモーメントの発生をより抑制することができる。

【0029】

上記したように、本発明の推進装置によれば、ステップＳ１～Ｓ４の制御により、電気品故障時は対の正常なプロペラを停止させずヨーモーメントの発生を抑制することで、推力の低下を抑え冗長性を向上させることができる。また、ギアの切り離しにより、プロペラ故障時にもヨーモーメントの発生を抑制することができる。

【符号の説明】

【0030】

１ 航空機
１０ 胴体
２０ 推進装置
２１ 駆動部
２１ａ 上プロペラ
２１ｂ 下プロペラ
２１ｃ ギア
２１ｄ クラッチ
２２ 電気コンポーネント
２２ａ モータ
２２ｂ インバータ
２２ｃ コンデンサ
２３ バッテリ
３０ 制御装置
３１ プロペラ検出センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】