JP7345207B2 - 推力生成分割フライホイールジャイロスコープの方法と装置 - Google Patents

Description

優先権主張
本出願は、２０１８年７月２７日に出願された米国仮特許出願第６２／７０３，８８３号からの優先権の利益を主張し、その出願の内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本発明は、一般に、航空機を推進するための推力を生み出すために使用される推進方法に関する。より具体的には、本発明は、バランスと安定性を生み出しながら推力を生成する電気ジャイロスコープからなる自給式推進システムに関する。

電気航空機推進システムは、電気モータをプロペラロータで構成される補助手段に直接接続するか、ドライブシャフトおよび/またはギアボックスを介してモータ出力シャフトに接続することによって推力を生み出す。これらの方法は、用途に合わせて正しくサイズ設定すれば適切な推力を得ることができるが、効率は自給式推進方法よりも低い。第２の欠点は、推進方法の本質的な不安定性であり、これは、ビークルを安定に保つために相殺手段を必要とする。

したがって、電気航空機推進システムの分野では、外部モータのない自給式装置が必要であり、代わりに、指向性のある気流を生成し、かつパーソナルエアビークルを推進するために使用できる自己安定型ジャイロスコープを備えたモータを有する組立体を提供する。

本発明は、電気パーソナルエアビークル（ＰＡＶ）を効率的かつ安全に推進するための方法および装置を含む。本発明は、１組がフライホイールのハブセクション（ハブ部分）の近くに、もう１組がフライホイールの外周セクション（外周部分）の近くに配置された２組の界磁コイルを備えた両面固定子によって分離された内側ハブセクションおよび外周セクションを備えた分割フライホイールジャイロスコープを使用している。外周フライホイールとハブフライホイールには、適切な固定子コイルに近接して磁石が組み込まれている。各界磁コイルはコントローラにリンクされており、例えば、３６個の界磁コイルがある場合は３６個のコントローラがあり、これにより本発明はフライホイールの永久磁石に作用する電磁界の位相を瞬時に変更できる。ハブフライホイールは、外周フライホイールとは逆向きに十分な速度で回転し、本発明が回転しないようにする逆回転トルクのバランスをとる。２つの回転子間の速度を変えることを利用して、本発明を任意の所望の位置へ回転させることができる。

推力を生み出すために、両方のセクションのフライホイールスポークは、回転したときに指向性のある気流を供給するように成形されている。本発明では、ハブフライホイールのスポークは、内部リングと外部リングとを結合している。外周フライホイールのスポークは内部リングにのみ取り付けられている。代替の実施形態では、各フライホイールセクションのスポークは、内部リングと外部リングとを結合している。代替の実施形態では、外周フライホイールは内部リングにのみ取り付けられ、ハブフライホイールは外部リングにのみ取り付けられている。代替の実施形態は、上記の変形に限定されず、ハブフライホイールおよび外周フライホイールを備えた他の内部／外部リング配置を含む。ジャイロスコープのハブフライホイールは、その外径に沿って複数の転がり軸受によって支持される。外周フライホイールは、その内径に沿って複数の転がり軸受によって支持される。

本発明は、自給式電気推力生成分割フライホイールハブレスジャイロスコープの方法および装置であり、その高速回転するハブフライホイールおよび外周フライホイールによって生み出されるジャイロスコープ力により自己安定化し、２つのフライホイールのスポークの形状により推力を生成し、逆回転するフライホイールセクションに起因して回転トルクを相殺する。

本発明のこれらおよび他の特徴および利点は、添付の図面に関連して考慮される場合、以下の詳細な説明を参照することによって同じことがよりよく理解されるようになるので、より容易に理解されるであろう。

本発明の様々な実施形態による、推力生成分割フライホイールジャイロスコープ組立体の方法および装置の斜視図を示す。 本明細書に記載の様々な実施形態による、推力生成分割フライホイールジャイロスコープ組立体の外周セクションの斜視図を示す。 本明細書に記載の様々な実施形態による、推力生成分割フライホイールジャイロスコープ組立体のハブセクションの斜視図を示す。 推力生成分割フライホイールジャイロスコープの方法と装置で使用される両面固定子の鉄製コンポーネントの斜視図を示す。 推力生成分割フライホイールジャイロスコープの方法で使用される両面固定子組立体の上面図と、固定子と界磁コイルを示す装置を示す。 推力生成分割フライホイールジャイロスコープの方法および装置で使用される２つのモータコントローラに接続された本発明の２つの界磁コイルを示す。 推力生成分割フライホイールジャイロスコープの方法と装置の軸受システムの分解図の例を示す。 磁気推力生成スポーク／ブレード、二重界磁コイル位置決め、および二重界磁コイルを受け入れるように修正された固定子を備えたジャイロスコープ推力生成分割フライホイールジャイロスコープの方法および装置の代替実施形態を示す。

本明細書で使用される用語は、実施形態を説明するためだけのものであり、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書で使用される場合、「および／または」という用語は、１つまたは複数の関連するリストされた項目の全ての組合せを含む。本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」「および」「ｔｈｅ」は、文脈から明確に示されていない限り、単数形だけでなく複数形も含むことを意図している。本明細書で使用される場合の「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および／または「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、記載された特徴、ステップ、操作、要素、および／またはコンポーネントの存在を指定するが、１つまたは複数の他の機能、ステップ、操作、要素、コンポーネント、および/またはそれらのグループの追加を排除するものではないことがさらに理解されるであろう。

別段の定義がない限り、本明細書で使用される技術用語および科学用語を含めて本明細書で使用される全ての用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。一般に使用される辞書で定義されているような用語は、関連する技術および本開示の１つの文脈におけるそれらの意味と一致する意味を有すると解釈されるべきであり、本明細書で明示的に定義されていない限り、理想的または過度に形式的な意味で解釈されることはないことがさらに理解されるであろう。

本発明を説明する際に、いくつかの技術およびステップが開示されることが理解されるであろう。これらのそれぞれには個別の利点があり、それぞれを他の開示された技術の１つまたは複数（または場合によっては全て）と組み合わせて使用することもできる。したがって、明確にするために、本明細書では、個々のステップのあらゆる可能な組合せを不必要に繰り返すことを控えることにする。それにもかかわらず、明細書および特許請求の範囲については、そのような組合せが完全に本発明および特許請求の範囲内にあることを理解して読むべきである。

本明細書では、セルフレベリング、回転トルクの除去、安定かつ効率的な推進システムを作成するための様々な実施形態による新しい推力生成分割フライホイールジャイロスコープの方法および装置について議論する。以下の説明では、本発明の実施形態の完全な理解を与えるために、多数の特定の詳細が示されている。しかしながら、本発明がこれらの特定の詳細なしで実施され得ることは当業者には明らかであろう。

本開示は、本発明の例示と見なされるべきであり、本発明を、以下の図または説明によって示される特定の実施形態に限定することを意図するものではない。

ここで、好ましい実施形態を表す添付図を参照することにより、本発明を説明する。図１は、本発明の様々な実施形態による、推力生成分割フライホイールジャイロスコープ装置組立体を構成し得る要素の斜視図を示す。好ましい実施形態では、図１および図２を参照して示される一般的な組立体は、少なくとも１つの外周ジャイロスコープフライホイールセクション２００で構成される組立体の各要素を含む。ジャイロスコープフライホイールセクションは、軽量複合材料、アルミニウム、または別の適切な材料でできていてもよく、ネオジムまたは別の適切な磁性材料で構成される複数の磁石２０１を受け入れるように構成される。複数の磁石は、軽量複合材料、アルミニウム、または別の適切な材料でできていてもよい下位軸受カップル２０２と、軽量複合材料、アルミニウム、または別の適切な材料でできていてもよい上位軸受カップル２０３との間に、ジャイロスコープの内部に沿って配置することが好ましい。好ましい実施形態では、軸受カップルが磁石を所定の位置にロックする。磁石はリング２０５に近接しており、リング２０５は、軽量複合材料、アルミニウム、または推力生成スポークを上位および下位の軸受カップルに接続する別の適切な材料でできていてもよい。ジャイロスコープの外周の表面積を均等に分割するために、必要に応じて、複数の垂直方向の突起により磁石が分離される。外周ジャイロスコープセクションに取り付けられた外周フライホイールスポーク２０４は、軽量複合材料アルミニウムまたは別の適切な材料でできていて、回転したときに所望の気流／推力を生み出すための断面および有益な入射角を有することができる。ジャイロスコープのフライホイールの回転が速いほど、推力とジャイロスコープ効果が大きくなる。

図３を参照して示されるように、軽量複合材料、アルミニウム、または別の適切な材料でできていてもよいハブジャイロスコープフライホイールセクション３００は、ジャイロスコープの外周に沿ってネオジムまたは別の磁性材料で構成される複数の磁石３０１を受け入れるように構成されている。磁石は、磁石を所定の位置にロックするように構成されている、軽量複合材料、アルミニウム、または別の適切な材料でできていてもよい上位軸受カップル３０２と、軽量複合材料、アルミニウム、または別の適切な材料でできていてもよい下位軸受カップル３０３との間に配置されることが好ましい。推力生成ハブスポーク３０４は、中央の円錐部分３０５をジャイロスコープ力生成リング３０６に接続し、リング３０６は、次に、磁石３０１を支持する。ジャイロスコープの外周の表面積を均等に分割するために、必要に応じて、垂直方向の突起により磁石が分離される。ハブジャイロスコープセクションのフライホイールスポーク３０４は、軽量複合材料、アルミニウム、または別の適切な材料でできていてもよく、回転したときに所望の気流／推力を生み出すための断面および有益な入射角を有する。ジャイロスコープのフライホイールの回転が速いほど、推力とジャイロスコープ効果が大きくなる。

図８に示される代替の実施形態では、ジャイロスコープハブスポーク８０１は、全部または一部が磁場生成要素で構成され、これは、磁気繊維、ネオジム粒子、銅、または炭素繊維複合構造に埋め込まれた別の磁性材料でできていてもよい。界磁コイル８０２は二重化されており、１つは推力生成スポークが中心を維持するように移動するスロットの上に、もう１つは該スロットの下に配置される。固定子８０３は、二重界磁コイルを受け入れるように修正されている。代替の実施形態では、単一の界磁コイルが、スポーク／ブレードの先端の上、下、または近くに配置される。

図４および図５を参照してさらに示されるように、好ましい実施形態では、軽量鉄複合材料、鉄、または別の適切な鉄材料でできていてもよい固定子４００が、外周推力生成フライホイール２００（図２）とハブ推力生成フライホイール３００（図３）との間に配置される。複数の固定子フィンガ４０１、４０２は、固定子の外側と内側の両方に配置される。コーティングされた銅線または炭素繊維などの複合材料中の他の適切な導電性材料でできていてもよい複数の外部界磁コイル５０１は、外周フライホイール２００（図２）の磁石２０１に作用するように配置される。コーティングされた銅線または炭素繊維などの複合材料中の他の適切な導電性材料でできていてもよい複数の内部界磁コイル５０２は、ハブフライホイール３００（図３）の磁石３０１に作用するように配置される。界磁コイルは、それぞれの固定子フィンガ４０１、４０２の周りに巻き付けられている。代替の実施形態では、磁気ジャイロスコープセクションを取り囲むボディワークまたはシェルは、固定子組立体を置き換える位相磁場を生成する。シェルについては、複合材料マトリックスに組み込まれた、またはシェルの表面に沿った導電性材料のネットワークを使用して製造することが好ましい。代替的に、鉄材料が複合材料に含まれる。

図６をさらに参照すると、個々の界磁コイル５０１、５０２は、本発明に課せられる異なるニーズに対応するために、無限の数の差異を有する界磁コイルによって生成される各磁場の強度を命令する別個のモータコントローラ５０３に接続される。界磁コイルによって生成される磁場は、外周およびハブジャイロスコープセクションにある磁石に作用して、逆回転を引き起こす。ジャイロスコープセクションの回転速度はコントローラによってバランスが取られ、必要に応じて回転トルクを除去する。代替の実施形態では、ハブおよび外周ジャイロスコープセクションは同じ方向に回転する。モータコントローラは、図示されていない中央アビオニクスコンピュータに接続され、推力、バランス、および安定性の望ましい結果を作り出す。重力の中和をシミュレートするチマラ効果（Ｃｈｉｍａｒａ Ｅｆｆｅｃｔ）は、機体を安定させて推進すると同時に、質量の任意の変化に適応する等しく反対の力でビークルの重量のバランスをとることによって得られる。システムに追加されるエネルギが多いほど、システムはより安定する。本発明は、組立体が、推進手段が露出していないパーソナルエアビークルを推進するために使用できる指向性のある気流を生成する自己安定型ジャイロスコープモータであるので、外部モータを持たない自給式装置である。

図７をさらに参照すると、固定子４００（図４）に配置された複数の貫通部４０３、４０４は、複数のプーリー／シーブ７０３を備えた複数の転がり軸受７０２を配置する複数のロッド７０１を支持するものであり、プーリー／シーブ７０３は軽量複合材料、アルミニウム、または別の適切な材料でできていてもよい。これにより、ジャイロスコープのフライホイールセクションが回転し、周囲の静的組立体に推力が伝達される。複数のワッシャ７０４および係止ナット７０５によって軸受組立体が固定される。固定子貫通部４０３、４０４（図４）はオフセットされているので、貫通部４０３に位置する軸受組立体は、外周ジャイロスコープセクション２００（図２）の軸受カップル２０２、２０３にのみ作用し、一方、４０４に位置する軸受組立体は、ハブジャイロスコープセクション３００の軸受カップル３０２、３０３（図３）にのみ作用する。代替の実施形態では、ハブジャイロスコープセクション３００は、ハブの中心に配置された集中型軸受システムによって支持される。図示されていない一連のチューブによって、中央ハブ軸受システムが固定子組立体に接続される。代替の実施形態では、外周フライホイールセクションは、その外径に沿って配置された軸受カップルによって支持される。別の実施形態では、軸受システムを磁場に置き換えて、組立体のコンポーネントを配置し、推力およびジャイロスコープ効果を周囲のボディワーク／機体に伝達することができる。代替の実施形態では、転がり軸受およびシーブ／プーリーは、各セクションの外側または内側のいずれかでジャイロスコープセクションのそれぞれを取り囲む円形軸受に置き換えられ、該円形軸受は軽量複合材料、アルミニウム、または他の適切な材料でできていてもよい。

上部外部シェルは、軽量複合材料、アルミニウム、または別の適切な材料でできていてもよく、図示されていないが、本発明の揚力を増加させ、空気を推力生成フライホイールの両方のセクションに向けるように成形することができる。外部シェルは、推力生成ジャイロスコープ組立体の上下両方に勾配のないルーバーを組み込んで、接近状態にある周囲部にスポーク/ブレードが当たらないようにすることができる。下部外部シェルは、軽量複合材料、アルミニウム、または別の適切な材料でできていてもよく、図示されていないが、特定の条件下で揚力を増加させることができるように、流出する気流を方向付けるように成形することができる。代替の実施形態では、必要に応じて下降気流をより小さな領域に集中させるために、下部外部シェルを、空気を導き、気流を変え、気流を制限し、気流を解放することができるダクトに成形することができる。

代替の実施形態では、２つの固定子があり、１つは外周フライホイールの外側に配置され、もう１つはハブフライホイールの内側に配置される。両方のセクションの磁石は、それぞれの固定子に近接するように移動される。

代替の実施形態では、ジャイロスコープのフライホイールは、ジェットタービンによって動力を供給される。

代替の実施形態では、フライホイールは、内燃機関によって動力を供給される。

代替の実施形態では、複数の外周フライホイール／回転子を組立体に追加することができ、回転可能または固定されている。

代替の実施形態では、本発明では、外周フライホイールは回転可能であり、固定子は２つのセクションに分割され、外側セクションは外周フライホイールと共に回転可能である。
排他的財産または特権が主張される本発明の実施形態は、以下のように定義される。

Claims (5)

1. 内面および外面を有する外周セクション（２００）であって、回転したときに方向付けられた推力を提供するように成形された前記外面から延びる複数の外周スポーク（２０４）と、前記内面に沿って配置された複数の磁石（２０１）と、備えた外周セクション（２００）と、
   内面および外面を有するハブセクション（３００）であって、前記ハブセクション（３００）の前記外面に沿って配置された複数の磁石（３０１）と、前記ハブセクション（３００）の前記内面から内側に延び、回転したときに推力を生成するように構成された複数のハブスポーク（３０４）と、を備えたハブセクション（３００）と、
   その外径に沿って複数の外部界磁コイル（５０１）およびその内径に沿って複数の内部界磁コイル（５０２）を有する固定子（４００）であって、前記複数の外部界磁コイル（５０１）が前記外周セクション（２００）の前記磁石（２０１）に作用するように配置され、前記複数の内部界磁コイル（５０２）が前記ハブセクション（３００）の前記磁石（３０１）に作用して、前記複数の外周スポーク（２０４）および前記複数のハブスポーク（３０４）の逆回転を生み出すように配置される固定子（４００）と、
   を備える、フライホイールジャイロスコープ構成体（１００）。
2. 前記ハブセクション（３００）は前記ハブセクションの前記外面を形成するリング（３０６）をさらに含み、前記複数の磁石（３０１）は前記ハブセクション（３００）の前記外面上の前記リングに沿って支持される、請求項１に記載のフライホイールジャイロスコープ組立体。
3. 前記複数の外部界磁コイル（５０１）および前記複数の内部界磁コイル（５０２）が別個のマイクロプロセッサによって個別に制御される、請求項１に記載のフライホイールジャイロスコープ組立体。
4. 内面および外面を有する外周セクション（２００）であって、回転したときに方向付けられた推力を提供するように成形された前記外面から延びる複数の外周スポーク（２０４）と、前記内面に沿って配置された複数の磁石（２０１）と、を備える外周セクション（２００）と、
   ハブセクション（３００）であって、中央円錐部分（３０５）と、前記中央円錐部分（３０５）から外向きに延び、回転したときに推力を生成するように構成され、磁場生成要素の少なくとも一部で構成される複数のハブスポーク（３０４）と、を備えるハブセクション（３００）と、
   その外径に沿って複数の外部界磁コイル（５０１）およびその内径に沿って複数の内部界磁コイル（５０２）を有する固定子（４００）であって、前記複数の外部界磁コイル（５０１）が前記外周セクション（２００）の前記磁石（２０１）に作用するように配置され、前記複数の内部界磁コイル（５０２）が前記ハブスポーク（３０４）を前記固定子（４）に対して中心に維持し、前記ハブスポーク（３０４）の前記磁場生成要素に作用し、前記複数の外周スポーク（２０４）および前記複数のハブスポーク（３０４）の逆回転を生み出すように配置される固定子（４００）と、
   を備える、フライホイールジャイロスコープ組立体（１００）。
5. 前記複数の外部界磁コイル（５０１）および前記複数の内部界磁コイル（５０２）が別個のマイクロプロセッサによって個別に制御される、請求項４に記載のフライホイールジャイロスコープ組立体。

Images