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特表2023-553214信頼できる電動飛行のための軽量であり、高効率であり、エネルギー密度が高いハイブリッド動力システム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-12-20
(54)【発明の名称】信頼できる電動飛行のための軽量であり、高効率であり、エネルギー密度が高いハイブリッド動力システム
(51)【国際特許分類】
   B64U 50/33 20230101AFI20231213BHJP
   H02P 21/36 20160101ALI20231213BHJP
   H02K 1/2783 20220101ALI20231213BHJP
   H02P 25/22 20060101ALI20231213BHJP
   B64D 27/04 20060101ALI20231213BHJP
   B64D 27/24 20060101ALI20231213BHJP
   B64U 50/19 20230101ALI20231213BHJP
   B60K 6/46 20071001ALI20231213BHJP
   B60K 6/26 20071001ALI20231213BHJP
   B60W 10/06 20060101ALI20231213BHJP
   B60W 10/08 20060101ALI20231213BHJP
   B60W 20/00 20160101ALI20231213BHJP
   B60W 10/26 20060101ALI20231213BHJP
   B60L 50/61 20190101ALI20231213BHJP
【ＦＩ】
B64U50/33
H02P21/36
H02K1/2783
H02P25/22
B64D27/04
B64D27/24
B64U50/19
B60K6/46 ZHV
B60K6/26
B60W10/06 900
B60W10/08 900
B60W20/00
B60W10/26 900
B60L50/61
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023559966
(86)(22)【出願日】2021-11-11
(85)【翻訳文提出日】2023-08-03
(86)【国際出願番号】 US2021059016
(87)【国際公開番号】W WO2022125263
(87)【国際公開日】2022-06-16
(31)【優先権主張番号】17/209,900
(32)【優先日】2021-03-23
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】63/124,236
(32)【優先日】2020-12-11
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】523220031
【氏名又は名称】ラウンチポイント エレクトリック プロパルジョン ソリューションズ，インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100079108
【弁理士】
【氏名又は名称】稲葉 良幸
(74)【代理人】
【識別番号】100109346
【弁理士】
【氏名又は名称】大貫 敏史
(74)【代理人】
【識別番号】100117189
【弁理士】
【氏名又は名称】江口 昭彦
(74)【代理人】
【識別番号】100134120
【弁理士】
【氏名又は名称】内藤 和彦
(72)【発明者】
【氏名】リッチー，マイケル，アール．
(72)【発明者】
【氏名】ペイドン，デイビッド，ビー．
(72)【発明者】
【氏名】ヴァラハムルティ，ヴィシャール
(72)【発明者】
【氏名】クラーク，ブライアン，ジェー．
(72)【発明者】
【氏名】ペイドン，ブラッドリー，イー．
【テーマコード（参考）】
3D202
5H125
5H505
5H622
【Ｆターム（参考）】
3D202AA07
3D202BB00
3D202BB11
3D202CC52
3D202DD18
3D202DD24
3D202DD26
3D202DD27
3D202DD44
3D202DD45
3D202DD47
3D202DD48
3D202EE00
3D202EE02
5H125AA20
5H125AC08
5H125AC12
5H125BA00
5H125BB02
5H125BB03
5H125BD17
5H125EE02
5H125EE08
5H125EE27
5H125FF01
5H505AA30
5H505CC04
5H505DD08
5H505EE41
5H505EE48
5H505EE49
5H505GG04
5H505HB01
5H505JJ23
5H505JJ24
5H505LL22
5H622CA02
5H622CB02
(57)【要約】
相数Ｎｐｈａｓｅが３以上である自冷式多相軸方向磁束デュアルハルバッハ配列モータ／オルタネータ（３０６）に結合された原動機内燃機関又はガスタービン（３００）を含む、電動航空機（９９）のための軽量であり、エネルギー密度が高く、高効率なハイブリッド動力システム（２００）。モータ／オルタネータは、同様にＮｐｈａ相を有する回生電力変換駆動部（３１８Ｂ）に接続され、これは、次に、ＤＣ電力バス（３１９）、バッテリー（３２０）、バッテリー管理システム（３２２）及びシステム制御装置（３１８Ａ）に接続される。いくつかの実施形態では、モータ／オルタネータ及び回生電力変換駆動部は、中性接続を有する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電動航空機（９９）のためのハイブリッド動力システム（２００）であって、
原動機（３００）、
前記原動機に接続されている、Ｎｐｈａｓ相を備える自冷式多相軸方向磁束デュアルハルバッハ配列モータ／オルタネータ（３０６）、
前記モータ／オルタネータ及びＤＣ電力バス（３１９）に接続されている、Ｎｐｈａｓｅ相を備える多相回生駆動部（３１８Ｂ）、
前記ＤＣ電力バスに接続されたバッテリー（３２０）、
前記バッテリーに動作可能に接続されたバッテリー管理システム（３２２）、及び
前記原動機、前記回生駆動部及び前記バッテリー管理システムに動作可能に接続されたシステム制御装置（３１８Ａ）
を含むハイブリッド動力システム（２００）。
【請求項2】
前記原動機は、エンジンシャフト（６０１）によってモータ発電機に接続された内燃機関（ＩＣＥ）又はガスタービンであり、及び前記システム制御装置は、前記原動機に少なくともスロットルコマンドを提供するために接続される（９１８）、請求項１に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項3】
Ｎｐｈａｓｅは、３以上である、請求項１に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項4】
Ｎｐｈａｓｅは、６である、請求項１に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項5】
前記システム制御装置は、回生駆動部電流コマンド
【数1】

を発するように構成され、及び前記モータ／オルタネータは、Ｎｐｈａｓｅ端子及び中性点（Ｎ）を有し、及び前記回生駆動部は、
前記回生電流コマンドを受信し、及び応答して複数のバイナリゲート電圧信号（１０１０、１０１２、１０１４、１０２０、１０２２、１０２４）を命令するように構成されたプロセッサ（１０００）、及び
それぞれの相補的な対が前記モータ／オルタネータの共通相端子（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に接続された状態で、相補的な対において接続された前記複数のバイナリゲート電圧信号に応答する複数の半導体スイッチ（１００７ａ～１００７ｆ）を有する半導体スイッチ電力ブリッジ（１００７）
を含む、請求項２に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項6】
前記プロセッサは、パルス幅変調（ＰＷＭ）サブモード、同期整流サブモード又はモータモードの選択された１つで前記複数のバイナリゲート電圧信号を提供するように構成された制御装置（１２０４）をさらに含む、請求項５に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項7】
前記制御装置は、
前記モータ／オルタネータから相電流を受け取り、及び相電流（Ｉα Ｉβ）Ｔ出力を提供するように構成されたクラーク変換モジュール（１２１０）、
前記（Ｉα Ｉβ）Ｔ出力を受信し、及びモータ／オルタネータ電流（Ｉｄ Ｉｑ）Ｔ出力を提供するように構成されたパーク変換モジュール（１２１２）、
前記モータ／オルタネータ電流（Ｉｄ Ｉｑ）Ｔ出力及び前記電流コマンドを受信する電流制御装置（１２２４）であって、前記電流コマンドに応答して電圧（Ｖｄ Ｖｑ）Ｔ出力を提供するように構成された電流制御装置（１２２４）、
前記電圧（Ｖｄ Ｖｑ）Ｔ出力を受信し、及び修正された電圧出力ベクトル（Ｖα Ｖβ）Ｔを提供するように構成された逆パーク変換モジュール（１２２６）、及び
前記修正された電圧出力ベクトル（Ｖα Ｖβ）Ｔを受信し、及び前記ＰＷＭサブモードで動作可能な前記半導体スイッチ電力ブリッジに前記複数のバイナリゲート電圧信号を提供するように構成されたＰＷＭタイミングモジュール（１２３０）
を含む、請求項６に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項8】
前記制御装置は、前記半導体スイッチ電力ブリッジに選択的に接続可能な同期整流タイミングモジュール（１２３１）をさらに含み、前記同期整流タイミングモジュールは、前記半導体スイッチ電力ブリッジに前記複数のバイナリゲート電圧信号を提供するように構成され、それにより、前記半導体スイッチ電力ブリッジは、前記同期整流サブモードで動作可能なブリッジ整流器として応答する、請求項６に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項9】
前記モータ／オルタネータは、発電機定数を有し、それにより、ピーク相間電圧がバス電圧に等しい前記エンジンシャフトの回転速度は、ピークエンジン出力点での前記速度の１００％～１１５％に対応する、請求項２に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項10】
モータ／オルタネータ出力電圧は、前記エンジンシャフトの前記回転速度が前記ピークエンジン出力点であるとき、前記バス電圧から＋１５％未満変化する、請求項９に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項11】
Ｎｐｈａｓｅは、３に等しく、及び前記モータ／オルタネータは、前記中性点（Ｎ）とワイ接続され、及び前記半導体スイッチ電力ブリッジと並列で前記共通相端子（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に及び前記中性点に接続されたハーフブリッジ（１１００）をさらに含む、請求項５に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項12】
Ｎｐｈａｓｅは、６に等しく、及び前記多相回生駆動部は、前記ＤＣバスに接続された第１の三相回生駆動部（１６０２）及び前記ＤＣバスに接続された第２の三相回生駆動部（１６０４）を含む、請求項１に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項13】
Ｎｐｈａｓは、５に等しく、及び前記多相回生駆動部は、前記ＤＣバスに接続された５つの単相回生駆動部（１７０２、１７０４、１７０６、１７０８、１７１０）を含む、請求項１に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項14】
前記原動機は、前記エンジンシャフト（６０１）に軸方向に接続されたクランクシャフト（８００）を有するピストン機関ＩＣＥであり、及び前記モータ／オルタネータは、
ハルバッハ配列を形成する前部ロータ磁石（４０７Ａ）を支持する前部モータロータ（４０６）、及び
第２のハルバッハ配列を形成する後部モータ磁石（４０７Ｂ）を支持する後部モータロータ（５０２）
を含み、
前記前部モータロータ及び後部モータロータは、前記エンジンシャフトから半径方向に延在して、フライホイールとして機能する、請求項２に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項15】
前記前部モータロータ及び後部モータロータは、前記クランクシャフトに係合されたベアリングによって回転可能に支持される、請求項１４に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項16】
前記バッテリー管理システムは、充電状態（ＳＯＣ）信号を前記システム制御装置に提供するように構成され、及び前記システム制御装置は、前記ＳＯＣ信号及びＳＯＣ設定点に応答して、前記回生駆動部電流コマンド
【数2】

を調整するように構成される、請求項５に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項17】
前記システム制御装置は、
バッテリー電流（Ｉｂａｔ）、前記ＳＯＣ信号及び前記ＳＯＣ設定点を受信する電流サブシステム（２３０６）への電流フィードバックであって、ＰＩＤ出力を提供するように構成される電流フィードバック、
ＲＰＭ信号及びバス電力Ｐｂｕｓ信号を受信し、及び電流コマンドを提供するように構成された電力対電流フィードフォワードサブシステム（２３１４）、及び
前記ＰＩＤ出力及び前記電流コマンドを受信し、及び前記回生駆動部電流コマンド
【数3】

を提供するように構成された加算器（２３０４）
をさらに含む、請求項１６に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項18】
前記システム制御装置は、バス電力Ｐｂｕｓ信号及びＲＰＭ信号に応答して、前記ＩＣＥにスロットル信号を発するように構成される、請求項５に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項19】
前記システム制御装置は、前記Ｐｂｕｓ信号及び前記ＲＰＭ信号を受信し、及び前記スロットルコマンドを提供するように構成されたスロットル制御システムモジュール（２２０７）をさらに含む、請求項１８に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項20】
前記システム制御装置は、ミッション制御装置（３１８Ａ’）を含み、前記ミッション制御装置は、飛行軌跡入力及び航法データ入力を受信し、及び前記飛行軌跡入力に応答して前記スロットルコマンドを発する、請求項２に記載のハイブリッド動力システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、２０２０年１２月１１日出願のLIGHTWEIGHT, HIGH EFFICIENCY, ENERGY DENSE HYBRID POWER SYSTEM FOR RELIABLE ELECTRIC FLIGHTという名称の米国仮特許出願第６３１２４２３６号及び２０２１年３月２３日出願のLIGHTWEIGHT, HIGH-EFFICIENCY, ENERGY-DENSE HYBRID POWER SYSTEM FOR RELIABLE ELECTRIC FLIGHTという名称の米国特許出願第１７２０９９００号の優先権を主張し、これらの両方は、本出願と共通の譲受人を有し、その開示が本明細書に援用される。
【0002】
背景
分野
本明細書で開示する実装形態は、エネルギー密度が高く、出力密度が高く、効率的であり、信頼でき、ロータ及びプロペラを駆動する電動モータに電力を供給し、それによりバス電流に反応しにくいバス電圧によって揚力及び／又は推力をもたらし、バスが低電圧及び電流リップルを有する、電気推進アーバンエアモビリティ（ＵＡＭ）ビークル及び無人航空機（ＵＡＶ）のための動力源に関する。より詳細には、エンジン又は他の原動機は、モータ／オルタネータに給電するように構成され、及び回生電力変換駆動部（「回生駆動部」）は、モータ／オルタネータに結合されて、機械的動力をビークルの動力バスで電気的動力に変換する。回生駆動部は、逆にも動作して、モータ／オルタネータに給電してエンジンを始動させる。
【背景技術】
【0003】
関連技術
電動モータは、ピストン機関又はタービン機関よりも遥かに高い動力／ｋｇを有し得、それら電動モータは、そのような熱機関よりも簡単にスケールアップ及びスケールダウンするため、電気推進は、航空機にとって刺激的である。これは、電動推進ユニットが、マルチロータ航空機の空気力学的に好都合なロケーション、例えば翼端に又は「アーム」の端部に配置され得ることを意味する（当業界では「分散型電気推進」と呼ばれることが多い）。しかしながら、従来の液体燃料と比べて、電気エネルギー蓄電池（バッテリー）は重くて嵩張る。これは、どのような長時間の飛行（これは多くのエネルギーを必要とする）にも、電気推進概念がバッテリーの重量及び嵩のために適さないことを意味する。
【0004】
従来技術のハイブリッド電気推進が、非常にエネルギー密度が高い液体燃料を電気エネルギーに変換するために使用されてきているため、「分散型電気推進」は、エネルギー密度が高い液体燃料エネルギー蓄電池と組み合わされ得る。そのようなシステムでは、タービン又はピストン内燃機関（「ＩＣＥ」）は、液体燃料を機械的エネルギーに変換し、それが、次に、モータ／オルタネータ及び電力エレクトロニクスによって電気エネルギーに変換される。しかしながら、エネルギー変換チェーンにおけるエンジン及び発電機及びエレクトロニクスの質量及びそれほどの重要性はない効率は、システムを非常に重くし得、ビークルには、非常に長く飛行するための十分な燃料を搭載するための搭載容量がない。
【0005】
さらに、当業者は認識するように、モータ／オルタネータ及び電力エレクトロニクスは、より小型に及びより軽量に作製されるため、それらの熱質量及び表面積が小さくなり、それらから廃熱を除去することは、制限のある課題になる。これらの構成要素は、多くの動力を処理し、さらに５％又は２％の損失で小型の高パワーのモータ／オルタネータを直ちに過熱し得る。冷却するための典型的な従来技術の解決法は、大型のヒートシンク及び冷却フィンをボルト留めし、廃熱を除去するためにシステムを高速の気流中に置くことを含む。いくつかの従来技術のシステムでは、モータ及び電力エレクトロニクスの熱管理は、これらのシステムの質量の大体５０％であり得る。モータにヒートシンクフィンを追加し、その後モータ（又は発電機）を高速の気流中に置くことにより、航空機に「冷却抗力」を加え、これも航空機の動力及びエネルギー需要を増大させ、燃料の重量は、エネルギー密度、揚力及び航続距離をさらに低減させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
従って、当技術分野におけるこれらの制限を克服することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【0007】
発明の概要
本明細書の実装形態は、ＤＣ電力バスにＮｐｈａｓｅ相が接続された状態で多相回生駆動部にＮｐｈａｓｅ相が接続されている、自冷式多相軸方向磁束デュアルハルバッハ配列モータ／オルタネータに結合された原動機を有する、電動航空機のための軽量であり、エネルギー密度が高く、高効率のハイブリッド動力システムを提供する。バッテリーは、ＤＣ電力バスに接続される。バッテリー管理システムは、バッテリーに動作可能に接続される。システム制御装置は、原動機、バッテリー管理システム及び多相回生駆動部に動作可能に接続される。
【0008】
例示的な実装形態では、原動機は、内燃機関又はガスタービンである。
【0009】
さらなる例示的な実装形態では、Ｎｐｈａｓｅは、３以上である。
【0010】
代替的な例示的な実装形態では、Ｎｐｈａｓｅは、６以上である。
【0011】
本開示の実装形態のさらなる理解は、関連の図面と併せて以下の詳細な説明によってもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
図面の簡単な説明
【図1A】離陸及びホバリング用に構成された、本開示の実装形態を用いる飛行体を表示する図である。
【図1B】巡航飛行用に構成された、本開示の実装形態を用いる飛行体を表示する図である。
【図2A】例示的なハイブリッド動力システムを開示するために切り取られた飛行体を表示する図である。
【図2B】飛行体内の例示的なハイブリッド動力システムの詳細な描写である。
【図3A】内燃機関（ＩＣＥ）としてピストン機関を備える例示的な実装形態及びその構成要素の分解図である。
【図3B】ＩＣＥの４ストローク実施形態に関する例示的な性能曲線を表示するグラフである。
【図4A】多相デュアルハルバッハ配列アキシャルギャップモータ／オルタネータの前面図である。
【図4B】多相デュアルハルバッハ配列アキシャルギャップモータ／オルタネータの側面図である。
【図5】モータオルタネータの側面分解図である。
【図6A】モータ／オルタネータ軸の中心にある対称軸で、概略的な半部の軸方向断面図である（全ての構成要素の広がりを示すために半径方向寸法が圧縮されて示されている）。
【図6B】軸方向及び接線方向（ｔａｎ）で明示されている、図６ＡのＡ－Ａに沿って取った周方向断面のセグメントである。
【図7A】巻線の円弧セグメントのみが示されている、三相モータ／オルタネータのための巻線相導体の詳細な図である。
【図7B】巻線の円弧セグメントのみが示されている、六相モータ／オルタネータのための巻線相導体を示す。
【図8】モータ／オルタネータ及びＩＣＥとしてのピストン機関のクランクシャフトの断面図である。
【図9】重要な接続及び相互作用を示す、例示的な実装形態の機能ブロック図である。
【図10】三相モータ／オルタネータのための回生駆動部の概略図である。
【図11】ワイ接続された三相モータ／オルタネータの中性点に導体を介して接続された追加的なハーフブリッジの追加状態の概略図である。
【図12】三相回生駆動部のためのＭＯＳＦＥＴ電力ブリッジの制御を示すブロック図である。
【図13】図１２の概略的な電流制御装置の詳細図である。
【図14】ＳＶＰＷＭタイミングブロックを表示する図である。
【図15A】モータモード及びオルタネータモード／ＳＶＰＷＭサブモードにおけるモータ／オルタネータの相Ｕに関する電流波形を表示するグラフである。
【図15B】オルタネータモード／同期整流器サブモードにおける個々の相の電流波形を表示するグラフである。
【図16A】回生駆動部に接続された２つの三相ワイ接続で構成された例示的な六相モータ／オルタネータを表示する図である。
【図16B】図１１に示すように、中性点を回生駆動部内の追加的なハーフブリッジに接続することによって追加的な冗長性が達成される、２つの別個の回生駆動部を備える代替的な実施形態を表示する図である。
【図17】５つの相が独立して駆動される、別の冗長システムを表示する図である。
【図18】図１０の回路と組み合わされる第２の回生駆動部の詳細の概略図である。
【図19】２つの電力ブリッジが端子Ｐ＋及びＰ－で接続されるときの、図１０の電流Ｉｃａｐ及び図１８の
【数1】

を表示するグラフである。
【図20】図１９の２つの波形の和を表示するグラフであり、バスコンデンサーに生じた電流リップルを表す。
【図21A】ピークバス電圧が１に正規化された状態の、同期整流器サブモードにおける例示的な三相システムのバス電圧リップルを表示するグラフである。
【図21B】ピークバス電圧が１に正規化された状態の、同期整流器サブモードにおける例示的な六相システムを表示するグラフである。
【図22A】スロットル制御及びバッテリー充電制御のためにシステム制御装置３１８Ａにおいて使用されるバス電力計算のブロック図である。
【図22B】原動機スロットル制御システムのブロック図である。
【図23】システム制御装置内に存在する充電制御システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
発明の詳細な説明
本明細書で開示する実装形態は、電動航空機のための、信頼性が強化され、軽量で、小容量で、エネルギー密度が高く、高効率のハイブリッド動力システムを提供し、このシステムは、広い側面では、自冷式多相軸方向磁束デュアルハルバッハ配列電動モータ／オルタネータ（ここで、相数Ｎｐｈａｓｅは、３以上である）に結合された「原動機」（内燃機関又はガスタービン）を含む。モータ／オルタネータは、Ｎｐｈａｓｅ相を有する回生駆動部に接続され、これは、次に、ＤＣ電力バス、バッテリー、バッテリー管理システム及びシステム制御装置に接続される。
【0014】
より具体的には、例示的な実装形態において、原動機に取り付けられたデュアルハルバッハ配列のモータ／オルタネータは、ロータ・ステータ・ギャップに取り込まれ、モータ／オルタネータを通して及び巻線にわたって遠心力を利用して送り込まれる空気により、それ自体を冷却する。そのため、原動機は、ビークルの内部に装着され得、モータ／オルタネータは、取り込まれた空気によってそれ自体を冷却する。廃熱を排出するために内部体積部に対して空気交換を保証するために、低い抗力の「ＮＡＣＡ」入口のみが、航空機の外面に設けられる必要がある。モータ／オルタネータにより、その動作の一部として、良好な対流及び冷却を得るために必要とされる高速の気流が提供されるため、追加的なヒートシンク又は冷却フィン若しくは水冷ジャケット及び熱交換器は必要とされない。
【0015】
本開示の実装形態は、ＩＣＥの実装形態として、ピストン機関との統合にもよく適している。ピストン機関は、動力行程において大きいトルクパルスが生じ、多くの場合に大きい（重い）フライホイールがエンジンに追加されて、出力トルクをならす。航空機では、重いフライホイールは選択肢にはないため、エンジン出力部に取り付けられるいずれのものも、動力行程のトルク変動に耐えることができる必要がある。ピストン機関からのピークトルクは、エンジンの平均トルク出力の１５倍であり得る。これは、モータ／オルタネータ構造のねじり強さが、要求される名目上の平均動力出力トルクから１５倍だけ過大設計される必要があることを意味する。本明細書で開示する軸方向磁束機は、ねじりに極めて強い、実質的に平らなディスクを含むため、エンジンの動力行程のパルスに対処するために十分な強度を有するための重量ペナルティが実質的にない。
【0016】
航空機は、自動車よりも遥かに高い信頼性の要件も有する。自動車エンジンが故障し得ると、運転手は、単に路肩に止め得る。航空機にはこの選択肢はないため、野原に着陸する羽目になる。及びホバリングしている電動ＶＴＯＬ機は、「パワード・リフト」飛行モードにある間に動力故障する場合、一瞬にして直接地面に落下し、これらの航空機のほとんどは、ヘリコプターができるように「自転」できない（及びヘリコプターは、自転するために前進速度を必要とするため、いずれの真の垂直飛行経路も、動力故障による危険に極めてさらされる）。例示的な軸方向磁束モータ／オルタネータに使用される好ましいデュアル三相（すなわち六相）構成は、ある程度の冗長性を与える。一方の巻線が故障する場合、他方の巻線が、全六相モータ／オルタネータから定格は下がるが、依然として動力を供給する。三相巻線の１つが故障する場合、航空機は、利用可能な余剰動力が低下し、フライトエンベロープを低下させるものの、依然として安全に着陸するために利用可能な十分な動力を有し得る。
【0017】
同じ冗長性を電力エレクトロニクスに応用すれば、これは、多数の構成要素及び複雑さのために信頼性の課題を示し得る。例えば、Ｎｐｈａｓｅが６に等しい場合、六相エレクトロニクスは、２つの独立した三相システムとして構築される。そのため、三相システムの一方の故障は、他方のシステムが機能し続け、航空機に部分的な動力を供給することを不可能にしない。
【0018】
六相（整流後の１２個のパルス）は、ＡＣオルタネータとＤＣバスとの変換に生じる固有のリップル電流が、従来の三相（６パルス）の動力変換の場合よりも、さらに低減されることを意味する。リップル電流の低減は、より小型の（及び重要なことにはより軽量な）バスコンデンサーを使用することを可能にし（バスコンデンサーは、動力変換エレクトロニクスの重量の２５％であり得る）、また動力変換システムの別のかなりの質量源である、ＤＣバスのための動力のフィルタリング部が、著しく減少される。
【0019】
１２パルス変換は、航空機産業では知られているが、一般に、重い「変圧整流ユニット」（「ＴＲＵ」）に接続される三相オルタネータ（一般に、例示的な実装形態で用いられているような永久磁石機ではなく、磁界巻き付け機）を使用することによって達成され、これは、変圧器にワイ巻線及びデルタ巻線を有する相変圧器（重い電気鋼及び銅）を特徴とし、これにより、元の三相から相シフトされる第２の組の３つの相を作り出す－「六相」出力を作り出し、これがその後整流される。航空機産業におけるこの変換は、動力発生方向における一方向のみでもあり、モータ／オルタネータも始動用にモータとして使用される例示的な実装形態のように双方向ではない。軸方向磁束の巻線設計は、いずれの電磁設計ペナルティもなく、モータ／オルタネータから直接６つの相を全て作り出すことを可能にする。他のより一般的なモータ／オルタネータは、モータ／オルタネータから直接出力される六相をもたらすために、磁極／歯／スロットの組み合わせの選択において著しいペナルティを被る。
【0020】
その結果、例示的な実装形態は、航空機の航続距離及び容量を大幅に増大させながら、信頼性の強化及び安全性の向上をもたらす。
【0021】
電動航空機のためのハイブリッド動力プラントなどの複雑なシステム設計は、ある範囲のシステム要件に応え、開示する実装形態は、構成要素の特徴の斬新的な配置構成及び構成要素の斬新性により、システム要件のニーズを満たす。構成要素の特徴及び組み合わせの種々の組み合わせは、ビークルのミッション次第で最適である。ホバリングのみの航空機は、全飛行フェーズの間中、比較的一貫した平均動力レベルを必要とするが、ホバリングから固定翼飛行に変更する移行式ビークルは、４以上の範囲にわたって変わる常時動力要件を有し得る。ホバリング航空機は、原動機が故障する場合に安全に着陸するために、「電気式燃料の予備」のための小型バッテリーパックのみを有し、パックは、飛行中、ほぼフル充電された状態にある。移行式航空機は、飛行の離陸部分及びホバリング部分の最中の高い常時動力を支援するために使用される、より大型のパックを有し得、パックは、フルレングスのホバリング飛行段階中に深く放電され得る。
【0022】
ホバリングビークルは、おそらく、最良の出力密度を達成するために、常にピーク付近の常時動力及び最大回転速度で原動機を運転するが、移行式ビークルは、おそらく、巡航などの時間に、原動機からの最良の燃料効率を達成するために、より少ない動力及び低い回転速度で原動機を運転する。ハイブリッド動力プラント設計に繰り返し出現する重要なシステム要件は、エネルギー密度、出力密度、効率、信頼性及び電力品質（一定のバス電圧並びに低電流及び電圧リップル）に対する要求である。ビークル重量は最小限にされるものの、エネルギーは比較的長期間にわたって供給される必要があるため、エネルギー密度は、長距離ミッションに重要な特徴である。ハイブリッド動力プラントは、主要エネルギー源として液体燃料を使用することによってエネルギー密度を提供する。出力密度は、重量は最小限にされるものの、ピーク出力が供給される必要がある離陸及び緊急時の操縦に必要な、重要な特徴である。ハイブリッド動力プラントは、電気エネルギーを蓄え、離陸中にそれを短時間で供給し得るバッテリーを含むことによって出力密度を提供する。
【0023】
効率は、エネルギー密度及び出力密度に寄与するため、重要である。効率は、構成要素への熱ストレスを最小限にするためにも重要であり、これは、構成要素の非効率性が熱をもたらし、この熱は、質量に寄与する冷却システムを備えるビークルから移される必要があるためである。信頼性は、動力の喪失が、人命、積み荷及びビークルの喪失につながり得、これは許容できないため、不可欠な特徴である。動力品質は、推力コマンドに続くビークル推進システムの信頼できる制御に寄与する。さらに、動力バスでの雑音及び外乱は、影響を受けやすい構成要素の欠陥を引き起こし得る。
【0024】
図１Ａは、ＮＡＳＡ ＧＬ－１０電動垂直離着陸（ｅＶＴＯＬ）機９９のような例示的な従来技術の航空機を示す。ＧＬ－１０は、離陸及びホバリング形態１００と、図１Ｂに示す巡航形態１５０とを有する移行式ｅＶＴＯＬである。図１Ａには、１２０などの揚力ロータ／プロペラと、ロータ／プロペラを駆動する電動モータを含むナセル１３０とが示されている。ＧＬ－１０には、合計１０のロータ／プロペラがある。胴体１１０が、翼１１２、水平安定板１１４及び垂直安定板１１６に接続されている。翼、水平安定板及び垂直安定板は、主に、巡航形態１５０で使用するように設計されている。巡航では、１０のロータ／プロペラのうちの６つが、１２２のような格納形態にある。固定翼の動作は、効率的に揚力をもたらすため、必要とされるロータ／プロペラの数が少なくなり、不必要なロータ／プロペラを格納することによって抗力が減少される。胴体１１０は、ハイブリッド動力プラント及び１人以上の乗員乗客、手荷物、積み荷及び航法装置並びに他の物体及び機器を含む。本明細書で開示する実装形態は、そのような電動航空機及び他のビークルに応用でき、それらに電気的動力を供給する。固定翼電動航空機、移行式電動航空機、電動ヘリコプター、クワッドロータ及びマルチロータのような様々な形の電動航空機がある。本開示の実装形態は、全てのタイプの電動航空機に応用する。
【0025】
図２Ａ及び図２ｂは、巡航形態１５０にある電動航空機９９の胴体に位置決めされた２つの例示的なハイブリッド動力システム２００を示す。横向きのハイブリッド動力システム２００が例に示されており、縦向きは、代替的な形態で応用され得る。単一機内の２つのハイブリッド動力プラントは、追加的な冗長性を与え、安全性を向上させるが、これらの目的には単一のハイブリッド動力システムで十分であることを強調すべきである。
【0026】
図３Ａは、例示的な実装形態及びその構成要素の分解図を示す。構成要素の相対的位置は、説明のために広げて示されており、構成要素は、飛行体中ではより密集して詰め込まれている。例示的な構成要素は、原動機、例示的な実装形態では、液冷内燃機関（ＩＣＥ）３００であり、燃料タンク３０２から燃料経路３０４を経由して燃料を引き出す。図示の実施形態は、別個の石油供給部３０５を有する２シリンダー２ストロークピストン機関である。４ストロークエンジン又はガスタービンは、ＩＣＥのための代替的な原動機である。モータ／オルタネータ３０６が、ＩＣＥ ３００のクランクシャフトに取り付けられる。（本明細書で使用されるような、用語モータ／オルタネータは、モータモードではモータ又はオルタネータモードではオルタネータとして動作可能な単一の電気機械であると定義される）。エンジン排気は、排気マニフォルド３０７を通してマフラー３０８まで、その後、図３Ａに示す図では見えないエンジン排気部まで流れる。吸気フィルタ３１２及び一対の電子制御式キャブレター３１０も示されている。エンジン冷却液は、パイプ３１４を通して及びラジエータ３１６を通して流れ、ラジエータは、ビークルの動きに起因して又はファン３２３に起因してラジエータを通して流れる周囲空気に廃熱を伝える。冷却液ボトル３１５が冷却液を貯蔵し、冷却液は、システム内の冷却液の熱膨張が原因であふれる可能性がある。
【0027】
ハイブリッド動力システムのための原動機制御システムは、マスフロー、シリンダーヘッド温度、吸気温度、冷却液温度、排気ガス温度及び燃焼室圧力又は燃焼室温度のためのセンサーを含む、原動機制御の技術分野で知られているような種々のタイプのセンサーによって増強され得る。キャブレターは、ＩＣＥ内の燃料油噴射システムと置き換えられ得る。
【0028】
モータ／オルタネータ３０６への／からの電気的動力は、端子接続３１７を通してエレクトロニクスユニット３１８に移る。追加的な信号ケーブル（図示せず）が、モータ／オルタネータ３０６の軸角又は電気角のための信号ケーブルを含み得る。エレクトロニクスユニット３１８は、回生駆動部エレクトロニクスを含み、モータ／オルタネータ及びシステム制御装置への／からの動力潮流を管理する。エレクトロニクスユニット３１８は、ＤＣバス３１９に接続され、これは、次に、バッテリー３２０及び図１Ａに示すナセル１３０に含まれる推進モータに接続される。バッテリー管理システム（ＢＭＳ）３２２がバッテリー３２０に接続される。
【0029】
図３Ｂは、ＩＣＥ ３００の４ストロークピストンの実施形態の例示的な性能曲線を示す。同様の性能曲線が、２ストローク及びガスタービン機関に存在する。ピーク燃料効率曲線３５０が、各エンジン回転数で最適な動作トルクを規定する。ピーク燃料効率点３６０が、全エンジン回転数にわたって最善であり、ｌｂ／ｈｐ－ｈｒ又はｇｍ／ｋＷ－ｈｒ単位で頻繁に測定される最小正味燃料消費率（ＢＳＦＣ）を与える。図３Ｂは、大きく開いたスロットル（ＷＯＴ）の曲線３６５を含む種々のスロットル角度のトルク対速度曲線も示す。ピーク出力点３７０は、ＷＯＴ曲線で発生する。定出力曲線、例えば１００ｈｐ曲線３７５及び０．４９３ｌｂ／ｈｐ－ｈｒ（３００ｇｍ／ｋＷ－ｈｒ）曲線３８０におけるような定燃料消費曲線も示されている。これらの曲線は、効率及び動力出力の両方に対する最適な原動機制御を決定するのに重要である。
【0030】
図４Ａ及び図４Ｂは、多相デュアルハルバッハ配列のアキシャルギャップモータ／オルタネータである、本開示の実装形態の例示的なモータ／オルタネータ３０６を示す。このモータ／オルタネータは、鉄を含まず、鉄心モータ／オルタネータで発生するヒステリシスと渦電流の損失とをなくすため、高速での出力密度が高い応用に好適である。そのようなモータ／オルタネータ及びそれらの構成要素の構造は、米国特許第１０，５７４，１１０号及び米国特許第１０，１４１，８２２号に説明されており、それらの開示全体を参照することにより本書に援用する。ステータリング４０４は、ステータ巻線５００（図５に示す）に取り付ける。前部モータロータ４０６は、チタン又は他の非磁性構造材料で作製され、ハルバッハ配列を形成する前部ロータ磁石４０７Ａを支持する。図示の実施形態では、磁気サイクル当たり６つの磁石があり、磁極対当たり６つの磁石、すなわち磁極当たり３つの磁石と同等である。各磁極には、図示のチタンロータのポケット内に３つの磁石が支持されている。サイクル当たりの磁石の数は、４以上の任意の整数及び好ましくは偶数の整数であり得る。連続回転磁化方向も、J Mallinson,“One-sided fluxes-a magnetic curiosity?”; IEEE Transactions on Magnetics, 9(4):678-682, 1973に説明されているように、可能にされる。連続回転磁化方向を達成するために、改良された磁化方法が必要とされる。電力コネクタ４０２、ステータ支持部４０８及びモータ／オルタネータ取付部４１０も示されている。
【0031】
図５は、モータ／オルタネータ３０６の詳細を追加的に示す。具体的には、後部ロータ５０２及びステータリング４０４に取り付ける自己支持形ステータ巻線５００である。前部及び後部ロータ４０６、５０２は、ボルト５０４で一緒に留められる。
【0032】
図６Ａ及び図６Ｂは、例示的な三相モータ／オルタネータ３０６のためのモータ／オルタネータのハルバッハ配列４０７Ａ及び４０７Ｂ並びに巻線形態のさらなる詳細を示す。これは、説明のためであり、本明細書の特許請求の範囲を、３に等しい数の相Ｎｐｈａｓｅの多相機に限定するものではない。図６Ａは、エンジンシャフト６０１の中心にある軸６００の周りで対称的な軸方向断面の半部を示す図である。モータ／オルタネータ３０６は、冷却ポート６１０を通して空気を自然に入れてモータのアキシャルギャップに流れ６１２を生じるため、自冷式である。そのような冷却システムは、軽量で信頼でき、これらの点に関して総合システム性能に寄与する。図６Ｂは、図６ＡのＡ－Ａに沿って取った周辺側断面のセグメントであり、軸方向及び接線方向（ｔａｎ）が示されている。図６Ｂでのモータロータの位置は、軸方向磁場が、導体セグメント６０２、６０３及び６０４を組み込む相巻線Ｕにおいて最高であるようになっている。相Ｖ及びＷは、文字によって示されており、ここで、Ｖ’及びＷ’は、正の向きの電流フローが、紙面から出る方向であり、プライム記号のないＶ及びＷは、正の向きの電流フローが紙面に向かう方向であることを示す。ハルバッハ配列は、最適に近い形でハルバッハ配列（前部ロータ磁石４０７Ａ、後部ロータ磁石４０７Ｂは、それぞれ前部モータロータ４０６及び後部モータロータ５０２内に支持されている）間のギャップの磁場に焦点を当て、モータ／オルタネータ及びハイブリッド動力システム全体の出力密度に寄与する。６０２において「Ｘ」を囲む円は、相Ｕ内の正の方向の電流フローが、紙面に及びエンジンシャフト６０１の方に向かうことを示す。６０３で「・」を囲む円は、正の向きの電流フローが、相Ｕにおいて紙面から出て、エンジンシャフト６０１から離れることを示す。この実施形態において、ハルバッハ配列、前部ロータ磁石４０７Ａ、後部ロータ磁石４０７Ｂは、サイクル６０６当たり６つの磁石を有する。
【0033】
図７Ａは、巻線相導体のさらなる詳細を示す。巻線中心７０４の周りの巻線の円弧セグメントのみが示されており、ヘビのような巻線パターンが、円弧セグメント７０６及び７０８を有する円に沿って続いて、相端子を備える環状リング全体を形成する。巻線中心７０４及び導体セグメント６０２は、図６Ａの半径方向像ではなく、軸方向像で示されている。相巻線Ｕでは、外側端の転回部７００Ｕ及び７０１Ｕが示されており、内側端の転回部７０２Ｕが示されている。相Ｖの外側端の転回部７００Ｂ及び７０１Ｂが示されており、相Ｗの外側端の転回部７００Ｗ及び７０１Ｗが示されており、相Ｖ及びＷの内側端の転回部が、符号を付さずに示されている。相導体は、好ましくはリッツ線であり、巻線の渦電流損失を最小限にする。
【0034】
図７Ｂは、六相モータ／オルタネータのための巻線相導体を示す。巻線の円弧セグメントのみが示されており、ヘビのような巻線パターンが、円弧セグメント７５０及び７６０並びに中心７７０を有する円に沿って続く。６つの相Ｕ、Ｖ、Ｗ、Ｘ、Ｙ及びＺのセグメントが示されており、相Ｕのより大きいセグメントは、一部を破線の曲線７５２で示している。各相は、回生駆動部に接続するための端子を有する。モータ設計の当業者によって設計され得るように可能であり、図７Ａ及び図７Ｂと異なる広範な巻線パターンがある。高い信頼性に必要な重要な特徴は、ヘビのようなパターンで達成されるように、相巻線上の各点が同じ相巻線上の任意の他の点と近くないことである。
【0035】
ヘビのような巻線パターンは、相巻線自体の重なり合いがなく、転回部間短絡としても知られる相の自己短絡のリスクが皆無であることを保証する。そのような短絡は、他の従来技術の巻線設計では起こり得るため、飛行体では大惨事となり得る。ヘビのような巻線では、相間短絡は起こり得るが、ワイ接続において各相にヒューズを備えるワイ接続において保護され得る。ヘビのような巻線は、安全性及び信頼性に関わる本発明の重要な利点である。ほぼ任意の数の相を備えるヘビのような巻線は、本開示の実装形態の教示内で、このタイプのモータにおいて構築及び使用され得る。
【0036】
同様に、巻線の高い信頼性が必要とされない代替的な実施形態では、例えば、複数の層の巻線７Ａが互いに積み重ねられ得る。複数の層の巻線７Ｂも互いに積み重ねられ得る。モータ設計の技術分野で知られているように、種々の巻線の幾何学的形状が使用され得る。
【0037】
図８は、ＩＣＥ ３００としてピストン機関を備えるモータ／オルタネータ３０６及びモータ／オルタネータに係合されたエンジンシャフト６０１で終端するクランクシャフト８００の断面図である。クランクシャフト８００に係合した主ベアリング８０２及びクランクピン８０４が、クランクシャフト８００上に示されている。アキシャルギャップ多相モータ／オルタネータ３０６は、ＩＣＥ ３００からのカンチレバーの距離８０８を最小限にするとき、機械的ロバスト性、単純さを提供し、重量を減らす。前部モータロータ４０６及び後部モータロータ５０２は、ＩＣＥ ３００のベアリング８０２によって回転可能に支持される。そのため、モータ／オルタネータ３０６内に追加的なベアリングは、必要ではなく、システムは、振動に対してよりロバストであり、そのため、付加質量を必要とせず、より信頼できる。本開示の実装形態のハイブリッド動力システムは、よりコンパクトでもあり、支持構造は、より軽量である。さらに、ハルバッハ配列は、比較的大きいギャップを越えて磁場を突出させるため、モータ／オルタネータギャップは、ベアリングの摩耗及び許容範囲の積み重なりのために大きくなる機械的な動き８０６に対してよりロバストになるように設計され得、さらに、安全性及び信頼性を高める。航空機では、重いフライホイールは選択肢にないため、エンジン出力部に取り付けられるものは全て、動力行程のトルク変動に耐えることができる必要がある。ピストン機関ＩＣＥからのピークトルクは、エンジンの平均トルク出力の１５倍であり得る。これは、モータ／オルタネータ構造のねじり強さは、要求される名目上の平均動力出力トルクから１５倍だけ、過大設計される必要があることを意味する。図８に示すように、本明細書で開示するモータ／オルタネータ３０６として用いられる軸方向磁束機は、実質的に平らなディスクにおいてエンジンシャフト６０１の軸６００から半径方向に延在するモータロータ４０６、５０２を含み、これは、ねじりに極めて強いため、エンジンの動力行程のパルスに対処するために十分な強度を有するための重量ペナルティが実質的にない。さらに、モータロータ４０６、５０２のディスク様の形態は、比較的大きい回転の慣性を提供し、これは、ＩＣＥのクランクシャフト８００に密結合されるフライホイールとして機能する。すなわち、モータ／オルタネータ３０６は、従来のピストン機関のフライホイールが行うように、回転振動を減らす役割を果たす。
【0038】
図９は、システム並びに重要な接続及び相互作用の機能ブロック図を示す。同じ構成要素のほとんどは、図３に機械的な形で現れている。しかしながら、システム制御装置３１８Ａ及び回生駆動部３１８Ｂは、この図面では別々に示されており、それら両方とも、図３に示すエレクトロニクスユニット３１８に含まれていることに留意されたい。冗長性に関し、ハイブリッド動力システムは、複数のバッテリーパック並びにＢＭＳシステム又はＩＣＥ、システム制御装置及び回生駆動部からなる複数の「発電セットユニット」並びに補助装置を有するように構成され得ることにも留意されたい。システム制御装置は、システム所要電力を満たすように通信及び協働するようにプログラムされ得る。冗長なユニットは全て、ＤＣバス上で並列接続される。
【0039】
図９では、燃料タンク３０２は、燃料経路３０４を経由してＩＣＥ ３００に燃料を供給する。ＩＣＥは、２ストローク、４ストローク若しくは任意の種類のピストン機関であり得るか、任意の数のシリンダーを有し得るか又はガスタービンであり得る。機械的エネルギーは、ＩＣＥの運転時、エンジンシャフト６０１を経由してモータ／オルタネータ３０６に伝えられ、オルタネータは、電力を供給し続ける。機械的エネルギーは、ＩＣＥ ３００の始動時にモータ／オルタネータ３０６から伝えられる。デュアルハルバッハ配列モータ／オルタネータ３０６は、ワイ、デルタ又は他の相互接続形態により、３つ、５つ６つ又は任意の数の相を有し得る。モータ／オルタネータ電力端子は、端子接続３１７を介して、エレクトロニクスユニット３１８内の回生駆動部３１８Ｂに接続される。さらに、モータ／オルタネータ３０６は、ホール効果センサー又は軸角センサーによって測定されたモータ／オルタネータ電気角９０４を、整流子による整流及びエンジンＲＰＭの計算を含む目的のために回生駆動部３１８Ｂに伝える。回生駆動部３１８Ｂは、発電中に同期整流器若しくはパルス幅変調（ＰＷＭ）整流器として又はＩＣＥの始動中にモータ駆動部として機能する。本明細書で開示する実装形態では、空間ベクトルパルス幅変調が用いられる。しかしながら、代替的な実装形態では、アナログ又はデジタルのいずれかの制御実装形態による他のＰＷＭ方法が用いられ得る。回生駆動部３１８Ｂは、発電中、正のＤＣ電流Ｉａｌｔを出力し、ＩＣＥの始動中、Ｉａｌｔは、負である。Ｉａｌｔは、ノード９０６においてバッテリー電流Ｉｂａｔと合算されて、バス電流Ｉｂｕｓ＝Ｉａｌｔ＋Ｉｂａｔとなる。回生駆動部は、ＤＣバス３１９上のバス電圧Ｖｂｕｓにも電力を提供する。ＤＣバス電圧は、バッテリー３２０の電圧と適合し、バッテリーの充電状態（ＳＯＣ）によって変わる。バッテリー管理システム（ＢＭＳ）３２２が、バッテリー３２０を監視し、バランス感知接続部９０８により、セル電圧がほとんど同一になるようにバランスをとる。ＢＭＳ ３２２は、電流センサー９１０を使用してバッテリー電流も測定する。
【0040】
ＢＭＳ ３２２は、計算したＳＯＣ、Ｉｂａｔの測定値及びＶｂｕｓの測定値を、接続路９１６を介してエレクトロニクスユニット３１８内のシステム制御装置３１８Ａに送信する。回生駆動部３１８Ｂは、その内部で使用するためのバス電圧も測定する。ＢＭＳ ３２２は、セル電圧感知回路、バッテリーパック電流センサー及びアルゴリズムを実行するマイクロプロセッサを組み込み、セル及びパックの測定値から充電状態を推定する。ＢＭＳ ３２２は、セル温度センサーも含み得、ＤＣバスへのバッテリーパックの出力から電流路接続を断つように制御され得るパック切断リレー／スイッチを含み得る。システム制御装置３１８Ａは、回生駆動部から接続路９１４を介して毎分回転数（ＲＰＭ）でモータ／オルタネータ角速度、Ｉａｌｔの値及び所望のバッテリー充電状態ＳＯＣ＊も受信する。システム制御装置３１８Ａは、次に、接続路９１８でスロットルコマンド及び回生駆動部電流コマンド
【数2】

を送信する。始動及び停止中、システム制御装置３１８Ａは、チョーク及び点火イネーブルコマンドも送信する。
【0041】
本開示の実装形態のハイブリッド動力システムの耐障害性実施形態では、バッテリーパック及び／又は回生駆動部は、システム制御装置によって制御される切断スイッチ、回路遮断器又は切断リレーを有し得る。これらの切断スイッチは、ＤＣバスを短絡させ得る、障害のあるエレクトロニクス又は欠陥のあるバッテリーパックを隔離するために使用され得る。バッテリーパックが、障害のためにＤＣバスから切断される場合、組み合わされたエンジン、モータ／オルタネータ及び回生駆動部の制御アルゴリズムは、原動機速度及びＤＣバス電圧でフィードフォワードマップ及びフィードバックループを用いる同じ全般制御スキームに基づいて、前述の動力及び電流制御スキームから、バス電圧を一定のコマンド値に調整するアルゴリズムに変化する。
【0042】
図１０は、三相モータ／オルタネータのための回生駆動部３１８Ｂの概略図である。回生駆動部３１８Ｂは、端子＋及び－でＤＣバス３１９に接続され、オルタネータが電力を生じているときに電流ＩａｌｔをＤＣバスに供給する。ＩＣＥ ３００を始動しているときに（別名「モータモード」）Ｉａｌｔ＜０である。電流センサー１００１が、システム制御装置３１８Ａに送るためのＩａｌｔを監視する。値Ｃを備えるコンデンサー１００３は、主バスコンデンサーであり、これは、パルス幅変調（ＰＷＭ）中、本明細書の例でＭＯＳＦＥＴ電力ブリッジ１００７として実装されている半導体スイッチ電力ブリッジのバス電圧を維持し、ＤＣバス３１９に伝えられる電流リップルを減衰させる。当技術分野で知られているような他の半導体スイッチが、代替的な実装形態では用いられる。値Ｃｉを備えるコンデンサー１００４及び値Ｌｉを備えるインダクタ１００５は、ＤＣバスに伝えられている電流及び電圧リップルをさらに減衰させる。コンデンサーＣｉとインダクタＬｉの組み合わせは、本明細書では、電磁干渉（ＥＭＩ）フィルタと呼ばれる。主バスコンデンサー及びＥＭＩフィルタのフィルタリング効果のため、Ｉａｌｔの電流リップルは、Ｉｃａｐよりも遥かに小さい。Ｉｃａｐの正の向きは、モータモード中、電流フローと一致するように選択され、ＭＯＳＦＥＴ電力ブリッジ１００７中に向かう。
【0043】
モータモード中、ピーク相間モータ／オルタネータ電圧は、バス電圧未満であり、回生駆動部は、電圧を必要な相電圧まで「振り落とし」、バスから電力を取り出す。オルタネータモード及びＳＶＰＷＭサブモード中、回生駆動部は、相電圧をバス電圧まで押し上げ、電力を出力する。ピーク相間電圧が、バス電圧に到達するか又はそれをわずかに上回っているとき、ＳＶＰＷＭによってもたらされた押し上げは、必要ではなく、駆動部は、同期整流器サブモードで動作される。同期整流器サブモードでは、ＭＯＳＦＥＴ電力ブリッジ１００７は、パッシブダイオードブリッジ整流器を模倣するように制御される－ＭＯＳＦＥＴは、あたかもダイオードであったかのように、スイッチが入れられる。そのため、ＭＯＳＦＥＴは、ＳＶＰＷＭと比べて遥かに遅い速度で切り替えられ、スイッチング損失が減らされて効率が上がる。この実装形態の特徴は、ピーク相間電圧がバス電圧と等しいＩＣＥ ３００のエンジンシャフト６０１の回転速度が、ピークエンジン出力３７０の回転速度（図３Ｂのエンジン曲線の場合、約５６００ＲＰＭ）の１００％～１１５％となるように、モータ／オルタネータの発電機定数（別名逆起電力定数）が選択されることである。このようにして、ＩＣＥのピーク出力点は、整流プロセスのピーク効率点である。同期整流器サブモードにおけるＭＯＳＦＥＴの切り替えは、相間電圧がバス電圧を上回るときに電気角に応じるため、電気角９０４を使用して達成される。
【0044】
図１０は、ＭＯＳＦＥＴ電力ブリッジ１００７が、相補的な対におけるバスに接続され、バイナリゲート電圧信号ｂＵ １０１０、ｂＶ １０１２及びｂＷ １０１４並びに上線を備えて示されているそれらの論理構成要素１０２０、１０２２及び１０２４によってそれぞれ制御される６つのＭＯＳＦＥＴ １００７ａ～１００７ｆを組み込んでいることも示す。「オン」及び「オフ」に対応する実際の電圧レベルは、選択されたＭＯＳＦＥＴ次第である。いずれのハーフブリッジ（モータ／オルタネータ３０６の共通相端子に接続された２つのトランジスタ（１組の相補的な対））においても、主又は相補的なトランジスタ（例えば１００７ａ又は１００７ｄ）のいずれかが、１度にオンになる。切り替え中に、一方のトランジスタは、他方が約１ナノ秒、数ナノ秒又は数十ナノ秒だけオンにされる前に、オフにされて、ハーフブリッジの短絡を防止するという例外がある。回生駆動部は、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、マイクロプロセッサ又は関連のメモリを備える他の演算要素の形のプロセッサ１０００を組み込んで、電流入力コマンド
【数3】

、電圧センサー１００２からのバス電圧、相電流センサー１００９からの相電流、電気角９０４及び他のシステム入力を受信し、電力ブリッジ１００７内のＭＯＳＦＥＴへのゲート電圧信号１０１０、１０１２、１０１４、１０２０、１０２２及び１０２４を応答して制御し、３つの相電流センサー１００９による相電流フィードバック制御をもたらし、過電流及び過電圧保護並びに通信機能を提供する。電圧は、電圧センサー１００２によって感知され、プロセッサ１０００によって受信されて、ＰＷＭ変調のデューティーサイクルを制御する。回生駆動部３１８Ｂは、プロセッサ１０００に電力を供給するための電力供給装置１００６及び電力ブリッジ１００７のためのゲートドライバ（図示せず）も組み込む。
【0045】
図１０は、相端子Ｕ、Ｖ及びＷでの例示的な三相モータ／オルタネータ３０６への回生駆動部の接続も示す。正の向きの相電流ＩＵ、ＩＶ及びＩＷは矢印によって示され、電流は、オルタネータモード及びモータモードの両方において交流である。相から中性の逆起電力電圧源モジュール１０３０、１０３２及び１０３４は、モータモード中に相電流と同相であり、オルタネータモード中に相がずれている。相から中性の逆起電力電圧モジュールによって実行される式は、図面に示されており、逆起電力定数Ｋｅ、エンジンシャフト角速度ω、エンジン軸角θ及びモータ極数Ｎｐに応じたものである。ワイ接続の中性点Ｎが示されている。相間、別名端子間の、抵抗及びインダクタンスは、それぞれＲφφ及びＬφφである。そのため、相から中性の抵抗１０４０及びインダクタンス１０４２は、これらの値の２分の１であるため、それぞれＲφφ／２及びＬφφ／２に等しい。相数は、説明のために３になるように示されており、以下に説明するように、追加的なハーフブリッジは、端子Ｐ＋及びＰ－で追加的な相のために加えられ得る。さらに、１つ以上のワイ接続にある１つ以上の中性点へのハーフブリッジ接続が可能である。
【0046】
図１０の回路に対して、図１１は、Ｐ＋及びＰ－端子で接続され、ＭＯＳＦＥＴ電力ブリッジ１００７と並列であり、また導体１１０２を介してワイ接続の三相モータ／オルタネータの中性点Ｎに接続される追加的なハーフブリッジ１１００の追加を示す。図１１は、F. Richardeau, J. Mavier, H. Piquet and G. Gateau,“Fault-Tolerant inverter for on-board aircraft EHA,”2007 European Conference on Power Electronics and Applications, Aalborg, 2007, pp. 1-9, doi: 10.1109/EPE.2007.4417537（この全体を参照することにより援用する）で説明されているような耐障害性スキームを可能にする４本脚のワイ接続を示す。１つ以上の故障したハーフブリッジ又は巻線の場合、対応する１つ又は複数の脚は、対応する固体回路遮断器又はリレー１１０６の１つとの接続が切られ得る。そのため、電流センサー１１０４を備える中性経路Ｎは、電流帰路を提供する。中性経路は、一般的に、全く定電圧ではなく、その名称は、歴史的な理由で使用されていることが理解される。図１１には、多相デュアルハルバッハ配列アキシャルギャップモータ／オルタネータ３０６における好ましいヘビのような巻線における相間短絡から保護するヒューズ１１０８も示されている。ある実施形態は、回路遮断器１１０６若しくはヒューズ１１０８又はそれら両方を有し得ることが理解される。
【0047】
図１２は、三相回生駆動部のために、図１０のＭＯＳＦＥＴ電力ブリッジ１００７のための制御装置１２０４（プロセッサ１０００に含まれ得る）を示す。図示のフィードバックループは、よく知られているｄｑ座標における設定点
【数4】

でモータ／オルタネータ３０６の相電流を維持する目的を果たし、設定点は、２つの信号
【数5】

及びＩ＊ ｄ １２０８ｂとしての入力である。上付きのＴは、転置行列を示すため、
【数6】

は、列ベクトルである。列ベクトルは、行列が右側で列ベクトルによって乗じられて、別の列ベクトルを生じるために、使用される。クラーク変換モジュール１２１０及びパーク変換モジュール１２１２は、保持する振幅であり、この設定点は、
【数7】

に等しいピーク値を備える相電流に対応する。パーク変換モジュール１２１２、電流制御装置１２２４及び逆パーク変換モジュール１２２６は、モータ／オルタネータ３０６の電気角９０４を使用する。ｄ電流は、エネルギー伝達のためのトルクを生じないが、巻線及び他の損失機構内のジュール加熱によって廃熱は生じるため、設定点
【数8】

を有する。
【数9】

は、システム制御装置３１８Ａから回生駆動部３１８Ｂに送信された、図９に示すコマンド信号であることを思い出されたい。
【0048】
再度図１２を参照して説明すると、電力ブリッジ１００７は、モータ／オルタネータ３０６のための相電圧、従って電流センサー１２０２によって測定される相電流ＩＵ、ＩＶ及びＩＷを制御する。モータ／オルタネータ軸角はθであるため、電気角は
【数10】

であり、及び電気周波数は
【数11】

である。電流測定値は、アナログ・デジタル変換器１２１６によって２進数に変換され、それに続いて、プロセッサ１０００及び制御装置１２０４内のモジュールによってデジタル式に処理される。図１２の種々のモジュールは、ソフトウェア又はハードウェアのいずれかに実装され得ることが理解される。例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイが使用され得る。ＡＤＣ １２１６によって出力される電流の列ベクトル（ＩＵ ＩＶ ＩＷ）Ｔは、アンペア単位である。行列クラーク変換モジュール１２１０による動作は、αβ座標の電流列ベクトル（Ｉα Ｉβ）Ｔを生じ、コネクタ１２１８上に２つの信号として表される。クラーク変換は、モータ／オルタネータ相電流が正弦波であり、三相モータでみられるように同相で１２０電気角度だけ分離されていることを条件として、（Ｉα Ｉβ）Ｔの構成要素のぞれぞれのピーク値が、構成要素（ＩＵ ＩＶ ＩＷ）Ｔのピーク値と同じという意味で、保持する振幅である。（Ｉα Ｉβ）Ｔは、モータの電気周波数で全体的に回転しており、良好に制御されると、回転ｄｑ座標枠内でゆっくりと変化する。（用語「全体的に回転する」及び「ゆっくりと変化する」の使用は、伝えるために使用されており、限定を意図するものではない）。（Ｉα Ｉβ）Ｔと行列回転パーク変換モジュール１２１２を掛けることにより、コネクタ１２２０でのｄｑ座標のモータ／オルタネータ電流（Ｉｄ Ｉｑ）Ｔを生じ、コネクタ１２２２におけるｄｑ座標のモータ電圧（Ｖｄ Ｖｑ）Ｔを命令する電流制御装置１２２４により、設定点
【数12】

と比較される。電圧（Ｖｄ Ｖｑ）Ｔは、逆パーク変換モジュール（パーク－１）１２２６によってαβ座標に変換され、コネクタ１２２８における結果として生じる修正された電圧出力ベクトル（Ｖα Ｖβ）Ｔは、ＳＶＰＷＭタイミングモジュール１２３０によって電力ブリッジのパルス幅変調を制御する。好ましい変調スキームは、空間ベクトルパルス幅変調（ＳＶＰＷＭ）であり、これは、よく知られており、下記に要約される。代わりに、オルタネータモードでは、電力ブリッジは、スイッチ１２００によって同期整流タイミングに切り替えられて、下記で説明するように、同期整流サブモードに影響を与える。
【0049】
ＳＶＰＷＭタイミングモジュール１２３０は、バイナリスイッチ状態の行ベクトル（ｂＵ ｂＶ ｂＷ）１０１０、１０１２、１０１４を生じ、これは、電力ブリッジ１００７の３つのハーフブリッジの状態を規定する。ＳＶＰＷＭスイッチング周波数は、一般に、２０ｋＨｚ～１００ｋＨｚの範囲であり、高性能ＳｉＣ及びＧａＮ ＭＯＳＦＥＴは、より高いスイッチング周波数を可能にする。モータ／オルタネータ３０６の電気周波数ωｅは、一般に最大数ｋＨｚであり、ＳＶＰＷＭ周波数対電気周波数の比は、一般に１０～２０以上である。これらの値及び比は、限定ではなく、説明を意図している。
【数13】

の値次第で、モータ／オルタネータは、モータモード又はオルタネータモードになる。本出願人らの符号の規約は、
【数14】

はモータモードに対応し、及び
【数15】

はオルタネータモードに対応するというものである。モータモードでは、ピーク相間電圧は、バス電圧未満であり、ＭＯＳＦＥＴ電力ブリッジ１００７は、バス電圧を相間電圧波形まで振り落とす。オルタネータモードでは、２つの電圧条件がある。第１に、オルタネータピーク相間電圧が、バス電圧の約９５％未満～９７％であるとき、電力ブリッジ１００７は、ＳＶＰＷＭサブモードで動作することにより、オルタネータ相間電圧をバス電圧まで押し上げる。オルタネータ相間電圧がバス電圧に到達してそれをわずかに上回ると、電力ブリッジは、同期整流サブモードで制御される。
【0050】
同期整流サブモードは、別の発電モード及びオルタネータモードのサブモードである。これは、同期整流タイミングブロック１２３１の出力を電力ブリッジ１００７に送信して、ブリッジ整流器として応答するように、スイッチ１２００を切り替えることによって達成される。説明のために、電力ブリッジ１００７の全てのＭＯＳＦＥＴがオフ状態にあると仮定する。次いで、ＭＯＳＦＥＴのボディダイオード（例えばＭＯＳＦＥＴ１００７ａのボディダイオード１００８ａ）が、集合的にブリッジ整流器を形成し、ピーク相間電圧がダイオードでの電圧降下以上だけバス電圧を上回ると、バスに電力を供給する。同期整流サブモードでの動作中、ＭＯＳＦＥＴボディダイオードが導通しているときのこれらの時点において、同期整流タイミングブロック１２３１は、そのＭＯＳＦＥＴをオンにするため、ボディダイオードでの電圧降下と比べて電圧降下は、減らされ、相電流は、ＭＯＳＦＥＴの逆方向オン抵抗のみを流れる。同期整流タイミングブロック１２３１は、ボディダイオードが導通するわずかに後に個々の各ＭＯＳＦＥＴをオンして、ＭＯＳＦＥＴの順方向導通を回避するように構成される。このモードは、バスにピーク電力を供給するために使用され、オルタネータモードのＳＶＰＷＭサブモードと比べてスイッチング損失を減らす。この動作モードは、システムの全体効率に寄与する。最大電力で連続的に動作する純粋なホバリングビークルのためのいくつかの実施形態では、パッシブダイオードブリッジ整流器又はＰＷＭ能力のない、同期整流器サブモードで常に動作する同期整流器のみを使用することが、コストと重量に有益である。この場合、原動機は、電力エレクトロニクスにはモータとしてモータ／オルタネータを制御する能力が欠如しているため、別個の電動、ハンドプル又は外部から加えられる始動モータで増強される。
【0051】
移行式ｅＶＴＯＬでは、離陸及びホバリングにおいて高電力が必要とされ、長時間の巡航運転では高効率が望ましい。これらの要件は、本開示の実装形態のハイブリッド動力システムにぴったり合う。図３Ｂでは、ピーク出力３７０は、最大エンジンＲＰＭ近くで起きるが、最良の燃料消費点３６０は、ピーク出力のおよそ５０％及びピーク出力での速度の５０％であることに留意されたい。これは、ピストン機関性能、特に４ストロークエンジンの典型であり、移行式ｅＶＴＯＬで使用される２モード整流システムの性能とよく一致する。ＩＣＥ ３００は、短期間の垂直離陸及びホバリング中、ピーク出力及び同期整流器サブモードで動作し、巡航中、ＩＣＥは、ピーク効率及びバッテリー充電のためのＳＶＰＷＭサブモードで動作するか又はオフにされるかのいずれかである。
【0052】
図１３は、図１２の電流制御装置１２２４の詳細を提供する。図１３のコネクタ１２２０及び１２０８における入力並びにコネクタ１２２２における出力は、予想通りに、図１２の電流制御装置のものと適合することが観察される。入力Ｉｑは、加算接合器１３０４におけるコマンド入力
【数16】

とは差があり、誤差信号１３０５は、閉ループ電流制御システムに好適な安定性余裕及び十分に早い時間応答をもたらすように設計される比例積分（ＰＩ）制御装置１３１１への入力である。ＰＩ制御装置１３１１の出力は、交差項ブロック１３０１の出力と合算されて、電圧コマンドＶｑを形成する。同様に、入力Ｉｄは、加算接合器１３０２におけるコマンド入力
【数17】

とは差があり、ＰＩ制御装置１３１０への入力を形成し、これは、好ましくは、ｄ及びｑの動力学的にかなりの対称性を示すため、同じ制御ゲイン及びＰＩ制御装置１３１１を有する。ＰＩ制御装置１３１０の出力は、加算接合器１３０８の交差項ブロック１３００の出力とは差があり、電圧コマンドＶｄを生じる。交差項ブロック１３００及び１３０１は、ブロック１３２０での微分により、電気角θｅから導かれる電気周波数ωｅによって変わるゲインを有することに留意されたい。交差項ブロックを含めることにより、より高速のモータ／オルタネータにおいて制御システムのロバスト安定性をもたらす。本出願人らは、これらの速度依存性交差項を有する制御システムのこの特徴を、モータ／オルタネータｄｑデカップリングと呼ぶ。ブロック１３００及び１３０１から出力される値は正確である必要はなく、プラス又はマイナス５０％以上変わることがあり、それでも、これらの交差項を有していないシステムと比べて性能を向上させることが重要である。
【0053】
交差項ブロック１３００及び１３０１は、ｄｑ座標におけるモータ／オルタネータの電気力学に関して理解され得る。
【数18】

式中、ｓは、ラプラス又は微分演算子であり、ωは、モータ／オルタネータの軸角速度であり、Ｋｅは逆起電力定数である。上述の行列の非対角項に留意されたい。正確なモータ／オルタネータｄｑデカップリングは、これらの非対角項を取り消し、行列を対角化し、システムを、一定ではない電気周波数ωｅで、時変ではなく、時不変である２つの単一入力単一出力システムに切り離す。
【0054】
図１４は、図１２のＳＶＰＷＭタイミングブロックの詳細を提供する。図１２のＳＶＰＷＭタイミングブロックは、図１４において、入力として、ベクトルＶαβ＝（Ｖα，Ｖβ）Ｔ １４０１を受け入れ、急速な時変スイッチ状態（ｂＵ，ｂＶ，ｂＷ）を電力ブリッジ１００７に出力する。図１４の六角形の頂点には、種々のスイッチ状態のラベルが付けられており、六角形は、Ｖαβの可能値の一部を表すことに留意されたい。ハーフブリッジが全て高い又は全て低いときにモータ／オルタネータの両端子間に電圧差がないため、図１４の原点１４００には、スイッチ状態（０，０，０）及び（１，１，１）の両方のラベルも付けられている。これらは、どちらも「ゼロ状態」と呼ばれる。１４０２の（１，０，０）スイッチ状態では、αβ座標のモータ／オルタネータ端子の電圧は、図示の通り
【数19】

であり、他の頂点の電圧は、幾何学から推論され得る。例えば、１４０４における（１，１，０）スイッチ状態の電圧は、
【数20】

である。六角形の頂点及び原点は、モータ／オルタネータに印加され得る可能な出力電圧にすぎない。しかしながら、頂点と原点との間を急速に切り替えることにより、六角形内のいずれの電圧も平均して印加され得る。例えば、図示の影付き三角形に示すベクトルＶαβ（１４０１）には、ロケーション１４００、１４０２及び１４０４の頂点に（０，０，０）、（１，０，０）、（１，１，０）及び（１，１，１）のラベルが付けられていることを考慮されたい。三角形の頂点の状態間を急速に切り替え、モータ／オルタネータ相インダクタンスの積分効果を使用することにより、所望のＶαβが平均してもたらされ得る。標準ＳＶＰＷＭでは、図示のベクトルＶαβに関して期間ＴＳ内で続くシーケンスは、（０，０，０）→（１，０，０）→（１，１，０）→（１，１，１）→（１，１，０）→（１，０，０）→（０，０，０）である。三角形の頂点は、反時計方向の後、この三角形を時計方向に逆行して横切られる。各頂点でのドウェル時間は、Ｖαβ次第であり、ＳＶＰＷＭ設計の技術分野で知られている。ドウェル時間は、例えば、Narayanan, G., et al.“Space vector based hybrid PWM techniques for reduced current ripple.”IEEE Transactions on Industrial Electronics 55.4 (2008): 1614-1627において与えられており、この文献は、出力電流リップルを低減させる標準ＳＶＰＷＭの変化についても説明している－そのような代替的なＳＶＰＷＭスキーム及び他のＰＷＭスキームが本発明の代替的な実装形態において用いられ得る。六角形の他の領域に値をもたらすシーケンスは、ベクトルＶαβの値を含む三角形の頂点に対応する。
【0055】
図１５Ａは、モータモード及びオルタネータモード／ＳＶＰＷＭサブモードにおけるモータ／オルタネータの相Ｕの例示的な電流波形を示す。波形は、動力潮流の異なる方向に対応して、記号が異なる。ＳＶＰＷＭ期間ＴＳは、１５０１に示されている。波形は、ほぼ正弦波であり、期間Ｔは、モータ／オルタネータの電気期間に対応する。図１５Ｂは、オルタネータモード／同期整流器サブモードにおける、個々の相における電流波形を示す。予想通り、波形は、相間電圧がバス電圧を上回るときに発生する電流パルスのために正弦波ではない。パルスは、実システムでの非ゼロバッテリーインピーダンス及び相電流に影響を与える他のインピーダンスに起因して、曲線的である。正電流の相Ｕには２つのピークがあり、これらは、相Ｖの負ピーク１５０２及び相Ｗの負ピーク１５００に対応することに留意されたい。これらの電流が整流されると、結果として生じるバス電流は、立ち上がりパルスが立ち下がりパルスと位置合わせするため、６つのパルスを有する。
【0056】
図１６Ａは、回生駆動部１６００に接続された２つの三相ワイ接続を有する例示的な六相モータ／オルタネータ３０６’を示す。回生駆動部１６００は、共通バスコンデンサー（Ｐ＋及びＰ－で接続される図１０及び図１８の回路）を共有する２つの三相回生駆動部で構成され、本明細書では、２×３の冗長システムと呼ばれる。相Ｕ、Ｖ及びＷのための接続路が示されており、相Ｘ、Ｙ及びＺのための接続路は、図面を乱さないようにするために、中断して示されている。モータ／オルタネータ及び回生駆動部上の点Ｘは接続されており、Ｙ及びＺも同様である。回生駆動部は、電力バス３１９に接続される。相ＵとＸとの間の電気角１６０６は、３０電気角度であることに留意されたい。６０度の相角は望ましくなく、なぜなら、これは、相Ｕ及び相Ｚを、１８０度相をずらして置くことになり、これら２つの相のトルク生成能力を同一にするためである。より滑らかな性能が、図示の相関係では、モータモード及びオルタネータモードにおいて達成可能であり、モータ／オルタネータ整流周波数におけるバスコンデンサー電流リップルも低減される。
【0057】
図１６Ｂは、図１１に示すように中性点を回生駆動部内の追加的なハーフブリッジに接続することによって追加的な冗長性が達成された、２つの別個の回生駆動部１６０２、１６０４を備える追加的な代替的な実施形態を示す。回生駆動部は、バス３１９に接続され、接続路１６０８を介して同期し得る。この形態は、本明細書では、２×（３＋Ｎ）のシステムと定義される。
【0058】
図１７は、モータ／オルタネータ３０６”のためのさらに別の冗長システムを示し、ここでは、５つの相が独立して駆動される。５つの回生駆動部１７０２、１７０４、１７０６、１７０８及び１７１０は、電力バス３１９に接続し、４つの接続路１７００を介して同期し得る。この形態は、本明細書では、５Ｉシステムと呼ばれる。
【0059】
本開示の実装形態の追加的な特徴が、回生駆動部から接続を切られる、１つ以上の欠陥のある相を有するモータ／オルタネータの電流の制御である。この特徴は、本明細書では、最適な故障時動作整流（ＯＦＯＣ）と呼ばれる。目標は、利用可能な逆起電力電圧源に定電力を供給することであるため、モータ／オルタネータは定トルクを供給し、これは、正又は負であり得る。Ｖ（ｔ）により、機能している巻線の逆起電力電圧の列ベクトルを示す。例えば、相Ｗが故障していて、図１１において接続を切られていると想定する。すると、Ｖ（ｔ）＝（ＶＵ（ｔ），ＶＶ（ｔ））Ｔである。２つの残りの逆起電力電圧に定電力を供給するこれら２つの相の最小二乗平均平方根（ｒｍｓ）の電流ベクトルは、
Ｉ（ｔ）＝（Ｖ（ｔ）ＴＶ（ｔ））－１Ｖ（ｔ）Ｐ 式１
（式中、Ｐは、電磁トルクによってエンジンシャフトに供給される所望の電力レベルである）
による周知のムーア・ペンローズ逆行列で計算され得る（Ｐは、所望の出力電力と、摩擦、ウィンデージ、渦電流抗力などに起因する機械損失との和である）。このＯＦＯＣの利益は、電流が式１で与えられるものとぴったりではないときに大部分が達成され得ることが理解される。ＳＶＰＷＭが使用されるとき、電流リップルがあり、ＯＦＯＣは近似されるが、良好な性能が依然として達成される。正弦波逆起電力も仮定されるが、この仮定に何らかの誤差がある場合、式１の近似値は、依然として、非常に良好な性能をもたらす。そのため、ＯＦＯＣの定義は、任意の電流波形
【数21】

を含み、これは、
【数22】

（式中、Ｔは、電気期間であり、及びδは、０．０１、０．１又は０．２５である）
の意味で、式１のＩ（ｔ）の値に近く、及び正規化された二乗平均平方根誤差を表す。
【0060】
図１８は、図１０の回路と組み合わされ、図１６Ａの回生駆動部１６００に組み込まれた第２の回生駆動部の詳細である。図１８の回路は、図１６Ｂの回生駆動部１６０２として、それ自体で存在する。図１８の６つの追加的なＭＯＳＦＥＴの第２の電力ブリッジ１８０７は、両図面の端子Ｐ＋及びＰ－において図１０の電力ブリッジ１００７に接続される。相Ｘの起電力電圧１８００が示され、相Ｕに対してπ／６ラジアン（３０度）シフトされる。同様に、相Ｙ及びＺは、相Ｖ及びＷに対してπ／６ラジアン（３０度）シフトされる。相導体Ｕ、Ｖ、Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚは、図７Ｂに示すように単一の巻線に組み合わされる。低電力動作では、相Ｘ、Ｙ及びＺと関連するＭＯＳＦＥＴはオフにされて、６つのうちの３つの動作に影響を与え得る。すなわち、２つの三相モータ／オルタネータの一方のみを使用して、低電力での回生駆動損失の大部分であり得るスイッチング損失を低減させる。
【0061】
図１９は、２つの電力ブリッジが端子Ｐ＋及びＰ－で接続されるときの、図１０の電流Ｉｃａｐ及び図１８の
【数23】

を示す。２つのＳＶＰＷＭ変調スキームは、３つの相の２つの群によって発生した電流リップルを部分的に取り消すように、同期されることが好ましい。２つの電力ブリッジの同期は、図１９の上パネル及び下パネルに、波形の相対的位置で示され、「相同期ＳＶＰＷＭ」と呼ばれる。２つのＳＶＰＷＭスキームのゼロ状態は、互いに正又は負のＴＳ／４秒シフトされる。そのため、１つの波形での高電流の期間は、他方の低電流の期間と位置合わせされる。そのため、バスコンデンサーに加わる電流リップルストレスは低減され、より小さい静電容量も必要とされる。相電流波形は、図示の電流波形に特徴１９００、１９０２及び１９０３を引き起こす。ロケーション１９０４は、相Ｕ電流のピークに対応し、１９０６は、相Ｖ電流のピークに対応し、１９０３は、相Ｘ電流のピークに対応する。相Ｘのピークは、相Ｕと相Ｖとの間の中間であるという事実は、相トルクの良好な分布及び一方の相が障害のために失われている場合のよりロバストな動作を示す。
【0062】
図２０は、図１９の２つの波形の和を示し、バスコンデンサーが経験する電流リップルを表す。ｒｍｓリップルは、いくつかの動作条件での非同期システムのリップルの約半分であり得る。これは、バスコンデンサーの電流リップル定格が、多くの場合、コンデンサーのサイズを決める制限設計因子の１つであるため、有益である。コンデンサーの電流リップルの低減により、コンデンサーのストレスを少なくし及び寿命を長くすること又はより小型及びより軽量なコンデンサーを使用することを可能にするため、信頼性を高め、重量を減少させる。
【0063】
図２１Ａは、ピークバス電圧が１に正規化された状態の、同期整流器サブモードにおける例示的な三相システムのバス電圧リップルを示す。電気期間Ｔ当たり６つのパルス２１００があり、ピーク間電圧リップル２１０２は、ピークバス電圧の
【数24】

倍、すなわち１３．４％である。
【0064】
図２１Ｂは、ピークバス電圧が１に正規化された状態の、同期整流器サブモードにおける例示的な六相システムを示す。電気期間Ｔ当たり１２個のパルス２１０４があり、ピーク間電圧リップル２１０６は、ピーク電圧の
【数25】

倍、すなわち３．４％である。これは、三相６パルスシステムの電圧リップルのほぼ１／４である。これは、相の正弦曲線ピークの大まかに放物形状に続いて起こる。六相システムは、同期整流モードにおいてより高い品質の電力を提供し、好ましい実施形態において使用される。２１Ａ及び２１Ｂの波形は、純抵抗負荷に対して理想的であるが、六相モータ／オルタネータの利益を伝える役割を果たす。
【0065】
図２２Ａは、スロットル制御及びバッテリー充電制御のためにシステム制御装置３１８Ａにおいて使用されるバス電力計算モジュールを示す。バス電力計算への入力は、Ｖｂｕｓ、Ｉｂａｔ及びＩａｌｔであり、これらの測定値には、ＳＶＰＷＭスイッチング雑音、プロセッサクロック雑音、点火雑音、バスでの整流子による整流誘発電流及び電圧リップル並びに他の雑音源が入り込む程度に応じたレベルの雑音が含まれる。この雑音は、ノイズフィルタ１ ２２０２、ノイズフィルタ２ ２２０４及びノイズフィルタ３ ２２０６によってそれぞれフィルタリングされる。これらのフィルタは、１次ローパスフィルタであり得、また雑音中の特定の周波数成分に同調されたノッチフィルタを含み得る。雑音源と同期される追跡ノッチフィルタも含まれ得、これは、そのようなフィルタの基準タイミングが、システム内で利用できるためである。フィルタリングされたＩｂａｔ信号及びＩａｌｔ信号は、加算ノード２２００で加算されて、バス電流Ｉｂｕｓ推定値を生じ、次いで、これに、乗算ノード２２０８でバス電圧Ｖｂｕｓを乗じて、バス電力信号Ｐｂｕｓを生じる。
【0066】
図２２Ｂは、システム制御装置３１８Ａ内に存在し、入力Ｐｂｕｓ及びエンジンＲＰＭに依存し、スロットルコマンドを提供するように構成された原動機スロットル制御システムを示す。エンジンＲＰＭは、ノイズフィルタ１、２及び３の特徴のいずれか又は全てを有し得るノイズフィルタ４ ２２１０でフィルタリングされる。スロットル制御システムモジュール２２０７は、フィードフォワード信号を提供するように構成され、電力対ｒｐｍマップ及び電力対スロットルマップの少なくとも１つを含む電力対スロットルフィードフォワードサブシステム２２１２を含む。これらのマップは、制御アルゴリズムを知らせるエンジン動力計データに基づく。各電力レベルに対する最大燃料経済性のためのスロットル及びＲＰＭ動作点は、オフラインで計算され、スロットル制御ループで使用するためにシステム制御装置３１８Ａに記憶される。（図３Ｂでは、最大燃料効率曲線３５０は、５１００ＲＰＭを上回り、ピーク出力点３７０にある及びそれを下回るＷＯＴ曲線と一致することに留意されたい）。この電力フィードフォワードは、燃料消費を最小限にし、応答性の電力の生産をもたらし、利用可能な動力を増強し、航続距離を高める。さらに、フィードフォワードするためのこのアプローチは、バス電圧の変動を補償する。電力対ｒｐｍマップは、指令エンジン回転数ＲＰＭ＊を生じ、これは、加算接合器２２１４で実際のＲＰＭとは差がある。誤差信号とも呼ばれる差は、比例積分微分（ＰＩＤ）制御装置２２１８に送信される。ＰＩＤ制御装置の出力は、加算器２２１６で電力対スロットルフィードフォワード信号が加算され、接続路９１８でエンジンへのスロットルコマンドを生じる。
【0067】
図２３は、システム制御装置３１８Ａ内に存在する充電制御システムを示す。電流サブシステム２３０６への電流フィードバックへの入力は、フィルタリングされるバッテリー電流Ｉｂａｔ（これは、その後、図２２Ａに示すものと同じノイズフィルタ２ ２００４によってフィルタリングされる）及び接続路９１６でＢＭＳ ３２２から送信される充電状態（ＳＯＣ）である。システム制御装置３１８Ａは、ＳＯＣ信号及びＳＯＣ設定点に応答して、回生駆動部電流コマンド
【数26】

を調整するように構成される。ＳＯＣは、ＢＭＳにより、必要に応じてフィルタリングされる。追加的な入力は、フル充電を表す充電状態設定点ＳＯＣ＊、ＲＰＭ及びＰｂｕｓである。電流サブシステム２３０６への電流フィードバックが、ＰＩＤ出力を提供するように構成される。ＳＯＣは、電流サブシステム２３０６への電流フィードバックにある差分ノード２３００において設定点ＳＯＣ＊とは差があり、その差である誤差信号は、充電電流設定点
【数27】

を計算する充電計算器２３１０に送られる。Ｉｂａｔは、ノイズフィルタ２によってフィルタリングされた後、差分ノード２３０２において設定点
【数28】

と比較され、結果として生じる誤差がＰＩＤ制御装置２３０３への入力である。電流サブシステム２３０６への電流フィードバック経路からのＰＩＤ出力は、加算器２３０４で受信され、電力対電流フィードフォワードサブシステム２３１４から出力される電力対電流フィードフォワード信号と加算されて、回生駆動部エレクトロニクスのための回生駆動部電流コマンド
【数29】

のための設定点を生じる。
【数30】

は、モータ／オルタネータ相電流に影響を与え、これは、次に、値Ｉａｌｔに影響を与えることが理解される。電力対電流フィードフォワードサブシステム２３１４は、電流コマンドを提供するように構成され、電力対電流フィードフォワードは、ノイズフィルタ４ ２２１０によってフィルタリングされたＲＰＭ信号を、ラジアン／秒の単位を有する角速度ωに変換することによって達成される。必要なトルクは、モジュール２３１０内でＰｂｕｓ入力を使用して計算され、モジュール２３１２は、これを、モータ／オルタネータトルク定数Ｋτによって電流コマンドに変換する。この図面のトルク定数に適切な単位は、（ニュートン・メートル）／（アンペアピーク）である。
【0068】
代替的な実施形態では、ＳＯＣ及びＳＯＣ＊の差分並びに充電アルゴリズムは、ＢＭＳ ３２２内に組み込まれ得、その後、ＢＭＳは、システム制御装置３１８Ａに信号を送る。アルゴリズムは、上述したものと同じように機能するが、機能の所定の部分は、便宜上、異なるサブシステムに動かされ得る。この場合、異なるバッテリーパックがビークルの内外で取り替えられるため、充電アルゴリズムは、電池のエージング又は異なるパックの異なる電池特性のために異なり得る。そのため、バッテリーパックに装着されるＢＭＳに充電アルゴリズムを有することは、システムが、その特定のバッテリーパックに適切になるように交換され得る異なる各パックを充電することを保証する。
【0069】
システム制御装置３１８Ａは、図２４に示すようなミッション制御装置３１８Ａ’と置き換えられ得る。ミッション制御装置は、システム制御装置が提供する出力信号９１２及び９１８を提供する。さらに、ミッション制御装置３１８Ａ’は、舵面コマンド２４０４（例えば補助翼、方向舵、昇降舵及びフラップに対する）並びに推進コマンド２４０６（例えばプロペラ及び揚力ロータに対する）を提供する。ミッション制御装置は、システム制御装置のように入力９１４及び９１６を使用するだけでなく、飛行軌跡２４００及び航法データ２４０２も入力として受け入れる。飛行軌跡は、時間又はパイロットからの制御信号に応じた経度、緯度及び高度であり得る。航法データは、例えば、ＧＰＳシステム又は慣性航法装置からの経度、緯度、機首方位及び高度であり得る。ミッション制御装置は、その制御出力を最適にして、ミッション性能を最大にする。性能は、燃料効率、エンジン摩耗、雑音レベル及び特定のミッションによって決定されるような他の処置の組み合わせである。例えば、最大燃料効率で動作するとき、エンジンは、ピーク燃料効率点３６０近くで動作するように制御されることであろう。垂直離着陸（ＶＴＯＬ）機の離陸中、ミッション制御装置は、ＩＣＥをピーク出力点３７０で動作させ、オルタネータサブモードを同期整流器サブモードに切り替え得る。より一般的に、ミッションは、ＩＣＥのオフと、ピーク燃料効率点３６０でのＩＣＥ動作と、ピーク燃料効率曲線３５０に沿ったＩＣＥの動作と、ピーク出力点３７０近くの大きく開いたスロットルでの動作との間での動作の切り替えによって最適にされ得る。必要な出力が、ピーク燃料効率点の出力を下回るとき、ＩＣＥは、オフとピーク燃料効率点との間を交互に切り替え、バッテリーは、必要なレベルまで出力電力を平均化する機構を提供する。例えば、最大燃料効率で費やした時間である。
【0070】
ミッション制御装置３１８Ａ’又はシステム制御装置３１８Ａは、システムに、特定のミッション制約があるときに電気のみのモードで動作するように命令し得ることにも留意されたい。このモードでは、原動機エンジン３００は、雑音又は熱シグニチャーを減少させるために完全に停止され得、ビークルは、バッテリー電力のみで純粋な電気ビークルとして動作し得る。このモードでは、全てのエンジン制御及び回生制御アルゴリズムが機能抑止にされる。ミッション制御装置／システム制御装置コマンドが、ハイブリッド電気動力飛行に戻ると、システム制御装置３１８Ａからのコマンドは起動シーケンスを開始する。起動シーケンスでは、システム制御装置は、回生駆動部によってバッテリー３２０からの電力を使用して、モータ／オルタネータにモータ作動用トルクをもたらすだけでなく、原動機３００の点火及び給油システムの動作を可能にする。システム制御装置が、原動機が始動しており、トルクをもたらしており、及び回転速度を加速していることを検出したら、モータ－オルタネータトルクを除去し、電流及び速度制御ループを初期化して開始させ、その後、前述のＳＶＰＷＭ又は同期整流制御モードを入力する。
【0071】
要するに、説明した本開示の実装形態は、デュアルハルバッハ配列アキシャルギャップの鉄を含まないモータ／オルタネータと併せた要素の種々の組み合わせにより、信頼できる電動飛行のために、どのように軽量で、高効率で、エネルギー密度が高いハイブリッド動力システムを提供するかを実証している。鉄を含まないモータ／オルタネータは、鉄心モータと比べて、低インダクタンス及び効率性の改善をもたらす。オルタネータとして動作しているとき、これは、出力電圧が電流に反応しにくく、電力品質が改善されることを意味する。モータとして動作しているとき、低インダクタンスは、より低いバス電圧で高トルクが達成され得ることを意味する。低インダクタンスの利点は、１に近い力率としても定量化され、これは、上述の利点並びに当技術分野で知られている他の利点がある。
【0072】
このアキシャルギャップモータ／オルタネータ形態は、原動機 － 本開示の実装形態の教示による内燃機関又はガスタービン － と組み合わされるとき、コンパクトな機械的形態を提供する。このコンパクトな形態は、モータ／オルタネータの軸長が短いため、重量を減らし、振動性能を向上させる。短い軸は、より硬質にされ、それにより、可撓軸及びロータの構造共鳴に関連付けられる回転力学的な問題を回避する。
【0073】
ロータのほとんど平面的な構造は、ロータに著しい構造質量を加えることなく、ピストン機関の動力行程からのねじりインパルス荷重に対して非常にロバストにできる。このタイプのモータ／オルタネータは、その巻線全体にわたって自然に冷却空気もポンプで送り込むため、追加的な冷却システムが必要とされない － そのため、重量が減らされ、信頼性が高められる。大きい直径で短い機械は、同じ動力及びトルク定格の、より一般的な機械と比べて、大きい慣性を有し、この高慣性は、内燃機関が、圧縮行程に打ち勝つために、所定量の慣性を必要とするため、有利であり、アキシャルギャップ機械の使用は、エンジンでのフライホイールとして機能し、追加的なシステム質量を節約する。
【0074】
デュアルハルバッハ配列は、モータ／オルタネータに高磁場を提供し、効率及び出力密度を高める。システムは、多くの小さい磁極を備えて設計され得、これにより、多くの小さい磁極によって達成可能な薄い磁石断面のためにモータ／オルタネータの質量を低下させる。その後、システムは、高電気周波数で動作し、これは、鉄損及び無効電圧のため、型にはまった一般的な従来技術のモータ／オルタネータでは非効率的である。鉄を含まないモータ／オルタネータには鉄がないため、高電気周波数での鉄損ペナルティはない。
【0075】
追加的な安全性及び信頼性が、アキシャルギャップ多相モータ／オルタネータ内の好ましいヘビのような巻線によってもたらされる。巻線のこの形は、それ自体が重なり合わず、単相で自己短絡（別名転回部間の短絡）を招くことがほぼ不可能である。これらの巻線は、好ましくは、巻線の望ましくない渦電流を減らすリッツ線から作製され得る。
【0076】
ヘビのような巻線は、相間短絡を経験し得るため、本開示の実装形態は、ワイ接続にヒューズを含むことによって安全性を高めるため、短絡した相が機能を抑止される。さらに、４本脚のワイ接続が用いられ得、ここでは、三相電気系統は、３本の相端子脚及び追加的な第４の中性端子脚を有し、ここで、３つの相巻線は集まって、ワイを形成する。電流は、相のうちの１つの相に関して巻線又は駆動部に障害がない限り、中性では流れる必要はない。欠陥がある場合、中性接続は、電流帰路を提供し、動作し続ける。
【0077】
最適な故障時動作整流（ＯＦＯＣ）は、正弦波逆起電力波形を備えるモータに提供され、複数の相の最大効率整流電流は、逆起電力電圧と同相である正弦波電流である。オルタネータでは、電流は、完全に相がずれる。１つ以上の巻線を失っている場合、最大効率で一定指令トルクを提供する整流電流は、必然的に変化する。ＯＦＯＣは、正弦波及び非正弦波逆起電力波形に固有の最大効率相電流を提供する。
【0078】
さらに、例示的な六相形態は、ブリッジ整流器又は同期整流器が使用されるとき、冗長性、信頼性並びにバス電圧リップル及びバス電流リップルの減少をもたらす。六相モータ／オルタネータ駆動部は、単一動力変換ユニットとして又は２つの三相ワイ巻線で構成された六相モータ／オルタネータに動力供給する２つの三相回生電力変換駆動部として構成され得る。性能の向上に加えて、この実施形態は、より標準的でより低コストの三相回生駆動部を利用する。２つの三相システムは、４本脚ワイシステムとして構成され得る。
【0079】
２つの統合された三相モータ／オルタネータで構成された六相モータ／オルタネータでは、６つのうちの３つの動作を達成するために、モータ／オルタネータに関連付けられたＭＯＳＦＥＴの全てのスイッチをオフにすることにより、そのモータ／オルタネータの１つをオフにすることが望ましいことがある。ＭＯＳＦＥＴをオンにしたりオフにしたりするとき、ＭＯＳＦＥＴゲート静電容量を充放電するために必要な電力と、ＭＯＳＦＥＴによって切り替えられる電流量とは無関係な他の「固定オーバーヘッド」電力の要求とがある。そのため、低電流では、固定オーバーヘッドは、回生駆動損失の比較的大きい部分になり得、全体効率は、６つの利用可能な相のうちの３つのみを使用することにより、高められ得る。この考えを広げたものは、任意の多相モータに応用され、ここでは、減少された数の相が駆動され得る。
【0080】
さらに、六相モータ／オルタネータでは、２つの三相モータ／オルタネータのセクションが、バスコンデンサーに対する電流ストレス、必要なバス静電容量並びに回生駆動バス電圧及び電流リップルを減少させるために相が同期されている２つの空間ベクトルパルス幅変調（ＳＶＰＷＭ）駆動部によって駆動される。
【0081】
モータ／オルタネータがオルタネータモードで使用されるとき、２つのサブモードがある：
ａ．回生駆動部が相電圧をバス電圧まで押し上げるサブモード。これは、本明細書では、ＰＷＭサブモード（又は特定の空間ベクトルＰＷＭ実施によるＳＶＰＷＭサブモード）であると認定される。種々のＰＷＭスキームが使用され得ることが理解される。このモードでは、原動機速度は、最良の燃料消費率で必要なＤＣバス電力を生じる速度に調整され得る。このモードは、一般に、ピストン機関が一般にピーク出力の約５０％及びピーク出力速度の５０％で最良の燃料消費を達成するため、部分パワー動作モードに使用される。このモードでは、回生駆動部の熱損失は、導通損失とＰＷＭスイッチング損失との間でほぼ等しく分割されるため、熱管理システム質量は、組み合わされた両損失メカニズムによって駆動される。
ｂ．回生駆動部が同期整流器としての役割を果たすサブモード。より高速の原動機において、ピーク相間オルタネータ電圧は、ＤＣバス電圧に到達し、それをわずかに上回り、ＰＷＭブーストは必要とされない。同期整流に切り替えることにより、スイッチング損失が低減され、電力変換エレクトロニクスの効率が上がる。さらに、電力エレクトロニクスの熱管理要件及び重み付けは、処理される最大電力に対して低減される。しかしながら、原動機速度は、ＤＣバス電圧及びＤＣバス電力に関連する固定速度で厳密に調整される必要があるため、原動機の燃料消費を最適にするために原動機速度を変更するための柔軟性がない。このモードは、一般に、原動機が一般に最大回転速度近くで最大動力を達成するために、フルパワー動作に使用される。これは、同期整流器サブモードと呼ばれる。
【0082】
モータ／オルタネータ制御で使用される良く知られているｄｑ座標では、ｄ電流はｑ電圧に影響を与え、逆も同様である。これらの影響は、速度と共に高まり、モータ／オルタネータ電流制御の不安定さ及び故障を引き起こし得る。このクロスカップリング効果は、本開示の実装形態では、電流制御ループにおいて相殺され、より良好なシステムの信頼性をもたらす。
【0083】
動力バスの電気的要求量に対する原動機内燃機関の応答時間は、本開示の実装形態の斬新的な制御スキームによって改善される。バス動力に対するほぼ瞬間的な反応は、ＲＰＭ設定点及びスロットル設定点で影響される。この制御技術は、ＲＰＭ及びスロットルコマンドを知的に計算するために、動力計データを使用する。本発明のある実施形態では、ＲＰＭ設定点及びスロットル設定点の情報のいずれか又は両方が使用され得ることが理解される。
【0084】
最後に、ミッション制御装置の使用は、ミッション中の最善のＩＣＥの速度と動力の時間プロファイルを練り、解決するための体系的な方法を提供する。ミッション要件を満たすために、航続距離は最適にされ、雑音は所定の期間最小限にされるか、又はピーク出力が離陸中又は他の期間にもたらされ得る。
【0085】
特許法に必要とされるような種々の実装形態をこれまで詳細に説明してきており、当業者は、本明細書で開示した特定の実装形態に対する修正及び置換を認識するであろう。そのような修正は、以下の特許請求の範囲及び意図内にある。本明細書及び特許請求の範囲内では、用語「含む」、「組み込む（incorporate）」、「組み込む（incorporates）」又は「組み込んでいる」、「包含する（include）」、「包含する（includes）」又は「包含している」、「有する（has）」、「有する（have）」又は「有している」及び「含有する（contain）」、「含有する（contains）」又は「含有している」は、限定しない列挙であることを意図し、追加的又は均等な要素が存在し得る。本明細書及び特許請求の範囲内で使用されるような用語「実質的に」は、列挙した特性、パラメータ又は値が、厳密に達成される必要がなく、例えば、許容範囲、測定誤差、測定精度限界及び当業者に公知の他の要因を含む逸脱又は変動が、特性が提供することを意図した影響を除外しない量で起こり得ることを意味する。
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4A-4B】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15A】
【図15B】
【図16A】
【図16B】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21A】
【図21B】
【図22A】
【図22B】
【図23】
【図24】
【国際調査報告】
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