(57)【要約】システムは、トルクセンサと、ハイブリッド電力システムとを含む。ハイブリッド電力センサは、フレームと、フレーム上に搭載された機関と、発電機とを含み、発電機は、機関のシャフトに機械的に結合された発電機回転子と、トルクセンサによってフレームに結合された発電機固定子とを含む。トルクセンサは、発電機固定子へのトルクを測定するように構成されている。一実施形態において、システムは、コンピューティングシステムを備え、コンピューティングシステムは、測定されたトルクおよび機関の毎分回転数に基づいて、機関の機械的出力パワーを決定することと、機関の機械的出力パワーを発電機の電気出力にマッピングすることとを行うように構成されている。
2019534665.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
システムであって、前記システムは、
トルクセンサと、
ハイブリッド電力システムと
を備え、
前記ハイブリッド電力システムは、
フレームと、
前記フレーム上に搭載された機関と、
発電機と
を備え、
前記発電機は、
前記機関のシャフトに機械的に結合された発電機回転子と、
前記トルクセンサによって前記フレームに結合された発電機固定子と
を含み、
前記トルクセンサは、前記発電機固定子へのトルクを測定するように構成されている、システム。
【請求項２】
前記発電機の電気出力を測定するように構成されているデバイスを備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
コンピューティングシステムを備え、前記コンピューティングシステムは、
前記測定されたトルクおよび前記機関の毎分回転数に基づいて、前記機関の機械的出力パワーを決定することと、
前記機関の機械的出力パワーを前記発電機の電気出力にマッピングすることと
を行うように構成されている、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記発電機に電気的に接続された電気負荷を備えている、請求項１−３のいずれかに記載のシステム。
【請求項５】
前記電気負荷は、時変電気負荷を備えている、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記電気負荷は、電気モータを備えている、請求項４または５に記載のシステム。
【請求項７】
前記電気負荷は、電気モータと、前記電気モータによって駆動されるプロペラとを備えている、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記電気モータは、ブラシレス直流電流モータを備えている、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記電気モータの速度を制御するように構成されている制御システムを備えている、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記電気負荷は、無人航空機の特性に基づいて選択される、請求項４−９のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１】
前記機関は、往復ピストン機関を備えている、請求項１−１０のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２】
前記発電機は、永久磁石多極発電機を備えている、請求項１−１１のいずれかに記載のシステム。
【請求項１３】
前記発電機は、交流電流出力を生産し、前記システムは、前記発電機からの交流電流出力を直流電流に変換するように構成されている整流器を備えている、請求項１−１２のいずれかに記載のシステム。
【請求項１４】
前記発電機回転子は、可撓なカップリングによって前記機関のシャフトに機械的に結合されている、請求項１−１３のいずれかに記載のシステム。
【請求項１５】
前記可撓なカップリングは、ポリウレタン製カップリングを備えている、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
無人航空機を備え、前記ハイブリッド電力システムは、前記無人航空機上に搭載されている、請求項１−１５のいずれかに記載のシステム。
【請求項１７】
方法であって、前記方法は、
ハイブリッド電力システムを動作させることであって、
ハイブリッド電力システムは、
フレームと、
前記フレーム上に搭載された機関と、
発電機と
を備え、
前記発電機は、
前記機関のシャフトに機械的に結合された発電機回転子と、
前記フレームに結合された発電機固定子と
を含む、ことと、
前記ハイブリッド電力システムの動作中、（ｉ）前記発電機固定子を前記フレームに結合するトルクセンサを使用して、前記発電機固定子へのトルクを測定することと、（ｉｉ）前記発電機の電気出力を測定することと
を含む、方法。
【請求項１８】
前記測定されたトルクおよび前記機関の毎分回転数に基づいて、前記機関の機械的出力パワーを決定することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記機関の機械的出力パワーを前記発電機の電気出力にマッピングすることを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記発電機に電気的に接続された電気負荷を変動させることを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記変動する電気負荷の関数として、前記機関の機械的出力パワーを前記発電機の電気出力にマッピングすることを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記電気負荷は、電気モータと、前記電気モータによって駆動されるプロペラとを備えている、請求項２０または２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記電気負荷を変動させることは、前記電気モータの速度を制御することを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記機械的出力パワーが最大である特定の毎分回転数を識別することを含む、請求項１９−２３のいずれかに記載の方法。
【請求項２５】
前記機械的出力パワーが最大である特定の毎分回転数に基づいて、前記発電機の動作を制御することを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記機関の効率のインジケータを決定することを含む、請求項１９−２５のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（優先権の主張）
本願は、米国仮出願第６２，４１０，６３２号（２０１６年１０月２０日出願）に対する優先権を主張し、上記出願の内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
（技術分野）
本開示は、燃焼機関等のエネルギー源の電力の測定に関する。
【背景技術】
【０００３】
電力およびトルクは、燃焼機関等の機関の性能を決定するために測定されることができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
ある側面では、システムは、トルクセンサと、ハイブリッド電力システムとを含む。ハイブリッド電力センサは、フレームと、フレーム上に搭載された機関と、発電機とを含み、発電機は、機関のシャフトに機械的に結合された発電機回転子と、トルクセンサによってフレームに結合された発電機固定子とを含む。トルクセンサは、発電機固定子へのトルクを測定するように構成される。
【０００５】
実施形態は、以下の特徴のうちの１つ以上のものを含むことができる。
【０００６】
システムは、発電機の電気出力を測定するように構成されている、デバイスを含む。システムは、測定されたトルクおよび機関の毎分回転数に基づいて、機関の機械的出力パワーを決定し、機関の機械的出力パワーを発電機の電気出力にマッピングするように構成されているコンピューティングシステムを含む。
【０００７】
システムは、発電機に電気的に接続された電気負荷を含む。電気負荷は、時変電気負荷を備えている。電気負荷は、電気モータを備えている。電気負荷は、電気モータと、電気モータによって駆動されるプロペラとを備えている。電気モータは、ブラシレス直流電流モータを備えている。システムは、電気モータの速度を制御するように構成されている制御システムを含む。電気負荷は、無人航空機の特性に基づいて選択される。
【０００８】
機関は、往復ピストン機関を備えている。発電機は、永久磁石多極発電機を備えている。発電機は、交流電流出力を生産し、システムは、発電機からの交流電流出力を直流電流に変換するように構成されている整流器を含む。
【０００９】
発電機回転子は、ポリウレタン製カップリング等の可撓なカップリングによって機関のシャフトに機械的に結合される。
【００１０】
システムは、無人航空機を含み、ハイブリッド電力システムは、無人航空機上に搭載される。
【００１１】
ある側面では、方法は、フレームと、フレーム上に搭載された機関と、発電機であって、機関のシャフトに機械的に結合された発電機回転子と、フレームに結合された発電機固定子とを含む発電機とを含む、ハイブリッド電力システムを動作させることを含む。方法は、ハイブリッド電力システムの動作中、（ｉ）発電機固定子をフレームに結合するトルクセンサを使用して、発電機固定子へのトルクを測定することと、（ｉｉ）発電機の電気出力とを測定することとを含む。
【００１２】
実施形態は、以下の特徴のうちの１つ以上のものを含むことができる。
【００１３】
方法は、測定されたトルクおよび機関の毎分回転数に基づいて、機関の機械的出力パワーを決定することを含む。方法は、機関の機械的出力パワーを発電機の電気出力にマッピングすることを含む。方法は、発電機に電気的に接続された電気負荷を変動させることを含む。方法は、変動する電気負荷の関数として、機関の機械的出力パワーを発電機の電気出力にマッピングすることを含む。電気負荷は、電気モータと、電気モータによって駆動されるプロペラとを備えている。方法は、電気モータの速度を制御することを含む電気負荷を変動させることを含む。方法は、機関の機械的出力パワーが最大である特定の毎分回転数を識別することを含む。方法は、機械的出力パワーが最大である特定の毎分回転数に基づいて、発電機の動作を制御することを含む。方法は、機関の効率のインジケータを決定することを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、小型ハイブリッド発電機システムを図示する。
【図２】図２は、ハイブリッド発電機システム内に含まれる反作用トルクセンサを図示する。
【図３】図３は、フローチャートである。
【図４】図４は、例示的ハイブリッド発電機システムの略図を描写する。
【図５】図５Ａおよび５Ｂは、ハイブリッド発電機システムの一部の略図である。
【図６】図６は、ハイブリッド発電機システムの側面斜視図を描写する。
【図７】図７Ａおよび７Ｂは、それぞれ、ハイブリッド発電機の側面図および分解側面図を描写する。
【図８】図８は、ハイブリッド発電機システムの制御システムを示す。
【図９】図９は、ハイブリッド発電機システムと統合されるＵＡＶの斜視図である。
【図１０Ａ】図１０Ａ−１０Ｃは、ＵＡＶの略図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａ−１０Ｃは、ＵＡＶの略図である。
【図１０Ｃ】図１０Ａ−１０Ｃは、ＵＡＶの略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
内燃機関およびシステムの試験では、動力計が、多くの場合、機関の性能を特性評価するために使用される。動力計は、直接、着目機関に、または間接的に、機関が取り付けられる機械の出力トランスミッションを通してのいずれかにおいて、制御された負荷を与える機械的システムである。動力計は、システムのトルクおよび速度（典型的には、毎分回転数ｒｐｍ）等の出力を測定しながら、並行して、能動負荷を機関またはシステムに与える。動力計によって与えられる能動負荷は、多くの機械的または電気的形態をとることができる。機械的負荷は、例えば、機械的摩擦制動、水制動、油圧負荷、および空気制動を含むことができる。電気的負荷は、例えば、電気モータ、ポンプ、および発電機を含むことができる。機関は、典型的には、出力速度および電力レベルの全範囲の少なくとも一部にわたり試験される。
【００１６】
自動車の場合、機関は、それらの出力特性を理解および定量化するために、単一構成要素として試験され得る。自動車は、機関、トランスミッション、および駆動系の性能をより完全に定量化するために、駆動輪出力における出力パワーを試験する動力計を使用して試験されることができる。この場合、動力計は、能動負荷を与えることと、システムの速度および出力トルクを測定することとの両方を行うことができる。
【００１７】
仮想動力計も、小型ハイブリッド電力システムの定質化および／または定量化のために使用されることができる。小型ハイブリッド電力システムでは、電気発電機の回転子は、典型的には、直接、内燃機関等の機関の出力シャフトに結合されている。機関は、直接、発電機固定子（例えば、発電機筐体）に結合されたフレーム構造上に搭載される。このフレーム構造は、回転子を回転からの発電機固定子へのトルク負荷を防止することに役立つ構造的堅さを提供する。
【００１８】
仮想動力計では、反作用トルクセンサが、フレームと発電機固定子との間の機械的経路内に設置される。反作用トルクセンサは、歪みセンサを含むフレーム構成要素であり、それは、負荷下で機械的に剛のまま、構成要素（典型的には、フランジを両端上に伴う柱状体）への総トルクを測定することができる。トルクセンサを発電機固定子とフレームとの間に搭載することによって、内燃機関のリアルタイム出力パワーが、トルク測定値および機関速度を使用して、測定されることができる。トルクセンサが、直接、固定されたフレーム経路内に搭載された状態では、機関シャフトおよび発電機回転子の動的挙動は、影響されない。
【００１９】
ハイブリッド電力システムによって生産された電力は、最終用途を複製する電気負荷に向けられることができる。この電力は、システムおよび負荷の静的および動的応答をさらに適格とするために、および、整流およびモータ制御等の種々の負荷成分を理解するために、種々の電気負荷点において測定されることができる。方法を通して、ハイブリッド電力ユニットのシステム応答が、研究され、種々の用途のために、例えば、無人航空機または遠隔電力用途において使用するために最適化されることができる。
【００２０】
小型機関に対して、機関搭載、結合、および／または負荷方法に起因して、時として、機関を完全に適格とすることは、困難であり得る。着目機関が、その実際の使用のそれと異なる様式において負荷される場合、試験プロセスは、実際の使用条件と比較して、正確な結果を提供しないこともある。動力計の能動負荷または機械的特性（例えば、インピーダンス）が、実際の最終用途と異なる場合、結果は、紛らわしいものとなり得る。機関が、直接、発電機に結合される小型ハイブリッド電力システムの場合、システムへの機械的負荷は、概して、実際の発電機の負荷と異なる回転慣性および機械的剛性を有するであろう。これらの差異は、定常状態動作の定量化における試験エラーのみならず、変動する負荷に対するシステムの動的応答における試験エラーにもつながり得る。
【００２１】
以下の説明は、仮想動力計の詳細なレイアウトを示す。図１では、小型ハイブリッド電力システム１００が、示される。ハイブリッド電力システム１００は、往復ピストン機関等の機関１０２と、カップリング１０４と、永久磁石多極発電機等の発電機１０６と、フレーム１０８とを含む。図２では、同一小型ハイブリッド電力システム１００が、示され、発電機１０６筐体とフレーム１０８との間に搭載される、反作用トルクセンサ１１０を含む。発電機１０６からの出力電力は、ダイオード整流器（図示せず）の中に通され、直流電流（ＤＣ）電気供給量を生産する、３相交流電流（ＡＣ）出力であることができる。このＤＣ供給量は、次いで、種々の電気負荷のいずれかの中に通されることができる。
【００２２】
機関１０２の毎分回転数（ｒｐｍ）が、発電機１０６筐体への反作用トルクとともに測定されることができる。これらの測定値は、例えば、ｒｐｍと反作用トルクの積を決定することによって、機関１０２の瞬間機械的出力パワーをもたらすために使用されることができる。発電機１０６の電気出力電力は、発電機１０６からの出力電圧および電流を測定することによって、計算されることができる。機関１０２からの機械的電力出力と発電機１０６からの電力とを比較することは、発電機１０６の効率に関する情報をもたらすことができる。
【００２３】
発電機１０６からの電気出力は、抵抗器バンク、電気モータ、または別のタイプの負荷等の制御可能電気負荷に通されることができる。電気負荷を変動させることによって、ハイブリッド電力システム１００性能が、定量化され、所与の最終用途のために最適化されることができる。例えば、大部分の内燃機関は、あるｒｐｍにおいてピークに達する電力曲線を有する。このあるｒｐｍを上回ると、およびそれを下回ると、機関シャフトにおける出力パワーは、そのピークより低くなるであろう。あるｒｐｍでは、発電機は、ある電圧および電流出力を生産するであろう。典型的には、電圧出力は、ｒｐｍに依存し、出力電流は、電気負荷に従って調節されるであろう。負荷から独立して固定ｒｐｍで動作するようにハイブリッド電力システムの制御システムを構成することによって、システムへの出力電圧は、負荷から独立してほぼ一定のままであろう。電気負荷が増加するにつれて、機関は、したがって、より多くの機械的電力を同一ｒｐｍで提供し、供給電圧を一定に保つように制約されるであろう。この状態は、機関または発電機のピーク電力出力定格が得られるまで継続するであろう。いくつかの例では、発電機および機関の電力定格は、合致させられることができる。機関のピーク電力ｒｐｍにおける全負荷での動作は、ハイブリッド電力ユニットの最高電力／重量比を送達するであろう。発電機設計は、本ピーク電力ｒｐｍにおいて所望の電圧および電流を提供するように修正されることができる。
【００２４】
仮想動力計を使用して、ハイブリッド電力システムを定質化または特性評価するとき、電気負荷は、実際の状態を表すことができる。電気負荷の一例は、抵抗バンクであるが、しかしながら、これらのタイプのシステムは、多くの場合、高電流負荷下（例えば、２００＋アンペアを上回る）では、調節されることが困難である。抵抗器ネットワークは、並列および直列構成を変化させ、および／または、抵抗器を追加または除去することによって、総負荷に対して調節されることができる。加減抵抗器、可変抵抗器等の他の構成要素も、負荷微調節のために使用されることができる。
【００２５】
電気負荷の別の例は、モータ／プロペラアセンブリ、例えば、最終用途の無人航空機のためのモータ／プロペラアセンブリと同一または挙動が類似するアセンブリであることができる。例えば、電子速度制御と結合される複数のブラシレスＤＣモータの使用は、ハイブリッド電力システムが、低レベル電力からピーク電力出力までの連続曲線において負荷が与えられることを可能にする。モータ、プロペラ、および速度制御ユニットの複数のユニットは、種々の可能な電力レベルを取り扱うように構成されることができる。動的負荷変化は、ハイブリッド電力システムの動的負荷性能を研究するために生産されることができる。このアプローチは、機関制御システムおよびソフトウェアをモデル化および／または試験するために使用されることもできる。
【００２６】
直接駆動ハイブリッド電力システムの中への反作用トルクセンサの据え付けは、静的および動的負荷条件の両方下での全電力帯にわたり性能および電力出力の特性評価を可能にする。反作用トルクおよびモータシャフトｒｐｍを測定することによって、機関の機械的出力パワーは、発電機の電気出力にマッピングされることができる。機関効率が、計算および改良されることができ、発電機設計は、機関性能により良好に合致するように調節されることができる。最終用途の目標に合致する動的電気負荷の使用は、試験中、使用され、機関制御システムを調整し、最終用途の目標に非常に好適なハイブリッド電力システムおよび飛行推進システムが開発されることを可能にすることができる。
【００２７】
図３を参照すると、例示的方法では、ハイブリッド電力システムが、動作させられる（３００）。ハイブリッド電力システムは、フレームと、フレーム上に搭載される機関と、発電機とを含む。発電機は、例えば、ポリウレタン製カップリング等の可撓なカップリングを介して機関のシャフトに機械的に結合される発電機回転子を含む。発電機は、例えば、反作用トルクセンサによってフレームに結合された発電機固定子を含む。
【００２８】
電気負荷が、発電機に電気的に接続される（３０２）。電気負荷は、例えば、プロペラを駆動する電気モータであることができる。いくつかの例では、電気負荷は、変動させられる（３０４）。
【００２９】
ハイブリッド電力システムの動作中、発電機固定子へのトルクが、発電機固定子をフレームに結合する反作用トルクセンサを使用して測定される（３０６）。機関シャフトの毎分回転数も、測定され（３０８）、機関の機械的出力パワーが、トルクおよび機関の毎分回転数に基づいて決定される（３０９）。発電機の電気出力が、測定され（３１０）、機械的出力パワーと比較される（３１２）。機関の効率が、比較に基づいて、決定されることができる（３１４）。いくつかの例では、電気負荷が変動させられると、発電機の電気出力は、変動させられる電気負荷にわたり、機械的出力パワーにマッピングされることができる（３１６）。発電機の設計および／または動作は、発電機の電気出力と機械的出力パワーのマッピングによって把握されることができる（３１８）。
【００３０】
ハイブリッド発電機システムは、例えば、無人航空機（ＵＡＶ）との使用のためのエネルギー変換効率を伴うポータブルハイブリッド発電機電源を提供する。ハイブリッド発電機システムは、２つのシステムを含むことができる。第１のシステムは、発電機モータに結合されるガソリン動力式機関を含み、第１のシステムは、ハイブリッド発電機システムの一次エネルギー源、例えば、電気エネルギーとしての役割を果たすことができる。第２のシステムは、高エネルギー密度再充電可能バッテリを含むことができる。第１のシステムおよび第２のシステムは、一緒に組み合わせて、ＵＡＶ等の負荷のための高ピーク電力可用性を伴う高エネルギー連続エネルギー源を形成する。例えば、第１の電力システムは、電気エネルギーをＵＡＶの回転子モータおよび／または再充電可能バッテリに提供する。再充電可能バッテリも、電気エネルギーをＵＡＶの回転子モータに提供することができる。いくつかの例では、第１の電力システムおよび第２の電力システムのうちの１つは、他の電力システムが故障を被る場合、ハイブリッド発電機システムのバックアップ電源としての役割を果たすことができる。
【００３１】
図４は、例示的ハイブリッド発電機システム８００の略図である。ハイブリッド発電機システム８００は、燃料源８０２、例えば、ガソリン、ガソリンと油の混合物、または別の燃料もしくは燃料の混合物を貯蔵するための容器を含む。燃料源８０２は、燃料を第１の電力システムの機関８０４に提供する。機関８０４は、燃料源８０２からの燃料を使用して、機械的エネルギーを発生させる。機関８０４は、ＵＡＶ上に収まるようにサイズおよび寸法調整される。いくつかの例では、機関８０４は、小型の２または４ストローク機関であることができる。ハイブリッド発電機システム８００の第１の電力システムは、機関８０４に結合された発電機８０６も含む。発電機８０６は、機関８０４によって発生させられた機械的エネルギーから交流電流（ＡＣ）電気エネルギーを発生させる。
【００３２】
ハイブリッド発電機システム８００は、ブリッジ整流器８０８によって発電機モータ８０６に結合されるリチウムポリマーバッテリまたはリチウム硫黄バッテリ等の再充電可能バッテリ８１０を含む。ブリッジ整流器８０８は、発電機モータ８０６からのＡＣ電気エネルギー出力を直流電流（ＤＣ）電気エネルギーに変換する。ブリッジ整流器８０８からのＤＣエネルギーは、再充電可能バッテリ８１０を充電するために、ライン８２０を介してＤＣエネルギーを負荷８１８に提供するために使用されることができるか、または、ライン８２４を介して、エネルギーをＤＣ／ＡＣインバータ８２２に提供し、したがって、ＡＣエネルギーを負荷８２６に提供するために使用されることができる。再充電可能バッテリ８１０は、ＤＣ電力を、ライン８３０を介して負荷８２８に、またはライン８３４を介して、ＡＣ電力を負荷８３６に提供するためのＤＣ／ＡＣインバータ８３２に提供することができる。
【００３３】
いくつかの例では、ブリッジ整流器８０８および／または再充電可能バッテリ８１０の出力は、ライン８３８を介して、ＵＡＶの１つ以上の回転子モータ８１６内に統合される１つ以上の電子速度制御デバイス（ＥＳＣ）８１４に提供される。ＥＳＣ８１４は、ブリッジ整流器８０８および／または再充電可能バッテリ８１０によって回転子モータ８１６に提供されるＤＣ電気エネルギーを制御することができる。いくつかの例では、能動整流が、与えられ、ハイブリッド発電機システムの効率を改良することができる。いくつかの例では、ＥＳＣ８１４は、例えば、ＵＡＶの飛行経路を制御するオペレータから受信された入力に応答して、回転子モータ８１６に提供されるエネルギーの量を制御することができる。
【００３４】
ハイブリッド発電機システム８００は、プロセッサと、メモリと、不揮発性記憶装置と、インターフェースとを含むコンピュータシステムとして実装され得る電子制御ユニット（ＥＣＵ）８１２を含む。ＥＣＵ８１２は、ブリッジ整流器８０８と、再充電可能バッテリ８１０とに結合される。ＥＣＵ８１２は、機関８０４の毎分回転数（ＲＰＭ）に正比例する発電機モータ８０６の出力のＡＣ電圧を測定し、ＡＣ電圧出力とブリッジ整流器８０８のＤＣ電圧出力を比較するように構成されることができる。ＥＣＵ８１２は、負荷、例えば、回転子モータ８１６のうちの１つ以上のものもしくは負荷８１８、８２６、８２８、および８３６のうちの１つ以上のものの負荷が変化するにつれて、機関８０４のスロットルを制御し、ブリッジ整流器８０８のＤＣ電圧出力を増加または減少させることができる。
【００３５】
図５Ａを参照すると、いくつかの例では、発電機モータ８０６は、ポリウレタン製カップリング等の可撓な直接カップリング７０４を通して、機関８０４に結合される。特に、発電機モータ８０６は、発電機本体５９２内に格納される発電機回転子７０６と、発電機固定子７０８とを含む。発電機回転子７０６は、発電機軸受５９４によって発電機本体５９２に取り付けられる。発電機回転子７０６は、カップリング７０４を介して、機関シャフト８５６に結合される。直接カップリングは、第１の電力システムの信頼性に寄与し得、それは、ひいては、ハイブリッド発電機システムが長時間にわたって高電力で持続的に動作することを可能にする。加えて、直接カップリングは、第１の電力システムの耐久性に寄与し、したがって、数百万機関サイクル等の多くの機関サイクルにわたってさえ、機械的クリープおよび疲労を低減させることに役立ち得る。機関８０４と発電機モータ８０６との間の直接カップリングは、第１の電力システムが小型形状因子を有するコンパクトかつ軽量の電力システムであることを可能にすることができる。コンパクトかつ軽量の電力システムは、ＵＡＶの中に容易に統合されることができる。
【００３６】
図５Ｂを参照すると、いくつかの例では、フレームレスまたは軸受レス発電機８５８が、ウレタンカップリングの代わりに、発電機モータと機関８０４との間で使用されることができる。例えば、発電機上の軸受（図５Ａにおける５９４）は、除去されることができ、発電機回転子７０６は、直接、機関シャフト８５６に篏合されることができる。発電機固定子７０８は、機関８１６のフレーム８６０に固定されることができる。この構成は、小型形状因子と、低減された重量および複雑性とを提供しながら、発電機とカップリングを過度に拘束することを防止する。
【００３７】
いくつかの例では、熱管理方略が、ハイブリッド発電機システムの構成要素を能動的または受動的に冷却するために採用されることができる。高電力高密度構成要素は、例えば、熱消散が、通常、表面積に比例するので、過熱しやすい。加えて、内燃は、本質的に、非効率的プロセスであり、それは、熱を生成する。能動冷却方略は、遠心ファン等のファンを含むことができる。遠心ファンは、ファンが機関と同一ＲＰＭでスピンし、したがって、有意な空気流を生産するように、機関シャフトに結合されることができる。遠心ファンは、空気流が、機関のある構成要素、例えば、シリンダヘッド等の機関の最も高温の試験部品に対して向けられるように、位置付けられることができる。ＵＡＶの飛行運動によって発生させられる空気流も、ハイブリッド発電機システムを冷却するために使用されることができる。例えば、ＵＡＶの回転子によって押し進められる空気（プロップウォッシュと称される）が、ハイブリッド発電機システムの構成要素を冷却するために使用されることができる。受動冷却方略も、ハイブリッド発電機システムの構成要素を冷却するために、単独で、または能動冷却方略と組み合わせて、使用されることができる。いくつかの例では、ハイブリッド発電機システムの１つ以上の構成要素は、消散型ヒートシンクと接触して位置付けられ、したがって、構成要素の動作温度を低減させることができる。例えば、ＵＡＶのフレームは、アルミニウム等の熱伝導性材料から形成されることができ、それは、ヒートシンクとしての機能を果たすことができる。いくつかの例では、フィン２３０２が、機関上（例えば、機関のシリンダヘッドのうちの１つ以上のもの上）に形成され、機関の対流表面積を増加させ、したがって、熱伝達の増加をもたらすことができる。いくつかの例では、ハイブリッド発電機システムは、ある構成要素が、構成要素をさらに冷却するために、周囲空気またはＵＡＶの飛行運動によって発生させられた空気流に選択的にさらされるように構成されることができる。
【００３８】
いくつかの例では、機関８０４のシャフトおよび／または機関と発電機との間のカップリングデバイスは、熱を機関８０４および／または発電機モータ８０６から消散させるように位置付けられ、向けられるファンを含む。例えば、図６、７Ａ、および７Ｂは、例示的ハイブリッド発電機システム８５０の側面斜視図、側面図、および分解側面図である。ハイブリッド発電機システム８５０では、機関８０４は、カップリングおよび冷却デバイス８５２を含み、それは、発電機モータ８０６のシャフトを機関８０４のシャフトに機械的に結合し、シンクフィン８５４を用いて冷却も提供する。図７Ａおよび７Ｂを具体的に参照すると、いくつかの例では、カップリングおよび冷却デバイス８５２は、発電機モータ８０６のシャフト７０６と、機関８０４のシャフト７０８とに結合する位置決めねじ７０４を含むカップリングファン７０２を含むことができる。いくつかの例では、カップリングおよび冷却デバイス８５２は、ゴム製のカップリングリングを含むことができる。
【００３９】
いくつかの例では、ハイブリッド発電機システム８００は、ハイブリッド発電機システム８００からの熱の伝達を促進するための構成要素を含むことができる。例えば、ハイブリッド発電機システム８００は、特定の構成要素、例えば、整流器上に冷却フィンを含むことにより、熱をハイブリッド発電機システムから外に伝達することができる。いくつかの例では、ハイブリッド発電機システム８００は、空気流を熱を生産する構成要素にわたってもたらし、例えば、熱をＵＡＶの外部に向かって伝達する構成において、ＵＡＶの中に統合されることができる。
【００４０】
機関８０４は、フライホイール８５６を含み、機械的雑音および／または機関振動を低減させることができる。機関８０４は、ホール効果センサ７１０と、フライホイール８５６に結合されるホール効果磁石とを含むことができる。機関８０４が動作しているとき、フライホイール８５６は、スピンし、フライホイール８５６の毎分回転数に正比例する電圧を発生させる。この電圧は、ホール効果センサ７１０によって測定され、入力され、それは、測定された電圧と発電機モータ８０６によって出力された電圧との間の比較に基づいて、発電機モータ８０６および機関８０４のいずれかまたは両方のスロットルを制御することができる。
【００４１】
いくつかの例では、機関８０４は、スタータモータ８５８、サーボ８６０、マフラ８６２、および振動マウント８６４等の追加の構成要素を含むことができる。
【００４２】
いくつかの例では、ハイブリッド発電機システム８００は、例えば、機関をＵＡＶのフレームに結合するためのカップリングを含む、二重振動減衰システムを使用して、ＵＡＶの中に統合される。カップリングは、ウレタン製カップリング等の可撓なカップリングであることができる。例えば、機関８０４は、ＵＡＶの敏感な構成要素が機関によって発生させられた振動から隔離されることを可能にする、防振システムを介して、ＵＡＶ上に搭載されることができる。防振システムは、機関をＵＡＶのフレームに取り付ける、振動減衰マウントを含むことができる。振動減衰マウントは、ＵＡＶのフレームから独立して、機関８０４が振動することを可能にし、したがって、振動が機関からＵＡＶの他の構成要素に伝達されることを防止する。振動減衰マウントは、せん断または引き裂きを伴わずに、機関の運動によって発生させられた機械的エネルギーを吸収し、したがって、機械的エネルギーがＵＡＶの残りに伝達されることを防止し得るゴム等のロバストなエネルギー吸収材料から形成されることができる。いくつかの例では、振動減衰マウントは、スペーサを用いて一緒に堅く接合される２層のゴムダンパから形成されることができる。スペーサの長さは、マウントのための所望の剛性を達成するように調節されることができる。ゴムの硬度は、振動エネルギーを吸収するために、所望の減衰特性を達成するように調節されることができる。
【００４３】
図８は、ハイブリッド発電機システムの制御システムを示す。ハイブリッド発電機システムは、機関および発電機を含み、点火モジュール９５４に結合される発電装置９５２を含む。点火モジュール９５４は、物理的スパークを発電装置９５４に提供することによって、発電装置９５２を始動させるように機能する。点火モジュール９５４は、点火バッテリエリミネータ回路（ＩＢＥＣ）９５６に結合される。ＩＢＥＣ９５６は、点火モジュール９５４に給電するように機能する。発電装置９５２は、ＥＣＵ９５８によって制御され、ＥＣＵ９５８は、スロットルサーボを通して発電装置に結合され、スロットルサーボは、機関のスロットルによって動作させられ、発電装置９５２に生産される電力の量を増加または減少させ得る。ＥＣＵ９５８は、分圧器９６０に結合される。分圧器９６０を通して、ＥＣＵは、ＥＣＵ９５８が発生させる電力の量を決定し、機関のスロットルを増加させるか、減少させるか、または一定に保つかを決定することができる。
【００４４】
発電装置は、配電盤９６２に結合される。配電盤９６２は、発電装置９５２によって発生させられた電力を、バッテリパック９６４およびＵＡＶの１つ以上の回転子モータ等の負荷９６６のいずれかまたは両方に分配することができる。配電盤９６２は、バッテリエリミネータ回路（ＢＥＣ）９６８に結合され、ＢＥＣ９６８は、電力をＥＣＵ９５８および受信機９７０に提供する。受信機９７０は、ＩＢＥＣ９５６を制御し、ＩＢＥＣ９５６が点火モジュール９５４に給電するようにする。受信機９７０は、発電装置９５２の機関のスロットルを制御することにおいて使用される情報をＥＣＵ９５８に送信することも行う。
【００４５】
図９は、ＵＡＶ９００と統合される、ハイブリッド発電機システム８００の斜視図である。ＵＡＶ９００は、６つの回転子モータ８１６を含み、各々は、対応するプロペラ９０２に結合される。ハイブリッド発電機システム８００は、ＵＡＶ９００の飛行を持続させるためのエネルギーを提供することができる。いくつかの例では、ハイブリッド発電機システム８００は、ＵＡＶ９００が、その目的地に到達し、飛行中ではないとき、別の負荷、例えば、図４の外部負荷８１８、８２６、８２８、および／または８３６のうちの１つ以上のもののためのエネルギーの一次源としての機能を果たすことができる。負荷は、ＵＡＶ９００のオンボードまたはＵＡＶのオフボード負荷であることができる。負荷は、センサ、コンピューティングデバイス、ロボットデバイス、または他のタイプの負荷を含むことができる。
【００４６】
いくつかの例では、ＵＡＶは、ハイブリッド発電機システムによって提供される電力を使用して、初期場所から遠隔場所に進行し、次いで、新しい場所における一般的用途のために電力を発生させる。例えば、遠隔場所において電力を提供する能力は、配備される軍隊に、発電機および／または燃料の移送が困難である人道もしくは災害救済状況において、または電力の要求を満たすために電力が全くもしくは不十分な電力しか利用可能ではない他の状況において、電力を供給するために有用であり得る。
【００４７】
いくつかの例では、ハイブリッドエネルギー発生システムは、地上または空中ロボット、データ記憶機器、通信機器、センサ、または他のアイテム等の１つ以上の取り外し可能サブシステムを含む。取り外し可能サブシステムは、電力および／またはデータの伝送のためのテザーを介して、ハイブリッドエネルギー発生システムに接続されることができる。ハイブリッドエネルギー発生システムおよび１つ以上の取り外し可能サブシステムは両方とも、ＵＡＶの中に統合されることができる。
【００４８】
図１０Ａは、ハイブリッド発電機システムによって給電されるＵＡＶの上部部分７５０の図である。ＵＡＶは、対応するモータ７５４−１・・・７５４−６（以降、「モータ７５４」）によって駆動される６つの回転子７５２−１・・・７５２−６（以降、「回転子７５２」）を含む。モータ７５４は、ハイブリッド発電機システムを通して給電されることができる。ＵＡＶの上部表面７５６は、湾曲縁を有し、空気抗力を低減させ、ドローンの空気力学的性能を改良することができる。上部表面７５６は、それを通して空気が流動し、ハイブリッド発電機システムの少なくとも一部からの熱を消散させ得る開口部７５８を含むことができる。
【００４９】
図１０Ｂは、機関８０４と、発電機モータ８０６とを含むハイブリッド発電機システム８００によって給電されるＵＡＶの底部部分７７０の図である。図１０Ｃは、ハイブリッド発電機システム８００によって給電されるＵＡＶの内部の上面図を示す。回転子モータ７５４および対応する回転子７５２は、アーム７７２−１・・・７７２−６（以降、「アーム７７２」）によって、ドローンの底部部分７７０の主要本体から離れるように位置付けられる。ＵＡＶの底部部分７７０の外側表面および／またはアーム７７２は、湾曲縁を有し、空気抗力を低減させ、ドローンの空気力学的性能を改良することができる。
【００５０】
いくつかの例では、ハイブリッド発電機システムおよび／またはＵＡＶ自体の材料は、高強度／重量比を伴う材料等、軽量であることができる。例示的材料は、アルミニウムもしくは高強度アルミニウム合金（例えば、７０７５合金）、炭素繊維ベースの材料、または他の材料を含むことができる。いくつかの例では、構成要素は、例えば、増加剛性を有するように構成要素を設計することによって、または構成要素の機能に関連しない材料を除去することによって、構成要素のために使用される材料の量を低減させるように設計されることができる。
【００５１】
ＵＡＶおよびハイブリッド発電機システムのさらなる説明は、米国特許第９，７５１，６２５号（その内容は、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）に見出され得る。
【００５２】
他の実施形態も、以下の請求項の範囲内である。
【図１】
2019534665.tif 000003
【図２】
2019534665.tif 000004
【図３】
2019534665.tif 000005
【図４】
2019534665.tif 000006
【図５Ａ】
2019534665.tif 000007
【図５Ｂ】
2019534665.tif 000008
【図６】
2019534665.tif 000009
【図７Ａ】
2019534665.tif 000010
【図７Ｂ】
2019534665.tif 000011
【図７Ｃ】
2019534665.tif 000012
【図８】
2019534665.tif 000013
【図９】
2019534665.tif 000014
【図１０Ａ】
2019534665.tif 000015
【図１０Ｂ】
2019534665.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】令和1年9月27日(2019.9.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
システムであって、前記システムは、
トルクセンサと、
ハイブリッド電力システムと
を備え、
前記ハイブリッド電力システムは、
フレームと、
前記フレーム上に搭載された機関と、
発電機と
を備え、
前記発電機は、
前記機関のシャフトに機械的に結合された発電機回転子と、
前記トルクセンサによって前記フレームに結合された発電機固定子と
を含み、
前記トルクセンサは、前記機関によって与えられる前記発電機固定子へのトルクの値を測定するように構成されている、システム。
【請求項２】
前記発電機の電気出力を測定するように構成されているデバイスを備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
コンピューティングシステムを備え、前記コンピューティングシステムは、
前記トルクの前記測定された値および前記機関の毎分回転数に基づいて、前記機関の機械的出力パワーを決定することと、
前記機関の機械的出力パワーを前記発電機の電気出力にマッピングすることと
を行うように構成されている、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記発電機に電気的に接続された電気負荷を備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記電気負荷は、時変電気負荷を備えている、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記電気負荷は、電気モータを備えている、請求項４に記載のシステム。
【請求項７】
前記電気負荷は、前記電気モータと、前記電気モータによって駆動されるプロペラとを備えている、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記電気モータは、ブラシレス直流電流モータを備えている、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記電気モータの速度を制御するように構成されている制御システムを備えている、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記電気負荷は、無人航空機の特性に基づいて選択される、請求項４に記載のシステム。
【請求項１１】
前記機関は、往復ピストン機関を備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記発電機は、永久磁石多極発電機を備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記発電機は、交流電流出力を生産し、前記システムは、前記発電機からの交流電流出力を直流電流に変換するように構成されている整流器を備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記発電機回転子は、可撓なカップリングによって前記機関のシャフトに機械的に結合されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記可撓なカップリングは、ポリウレタン製カップリングを備えている、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
無人航空機を備え、前記ハイブリッド電力システムは、前記無人航空機上に搭載されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
方法であって、前記方法は、
ハイブリッド電力システムを動作させることであって、
ハイブリッド電力システムは、
フレームと、
前記フレーム上に搭載された機関と、
発電機と
を備え、
前記発電機は、
前記機関のシャフトに機械的に結合された発電機回転子と、
前記フレームに結合された発電機固定子と
を含む、ことと、
前記ハイブリッド電力システムの動作中、（ｉ）前記発電機固定子を前記フレームに結合するトルクセンサを使用して、前記機関によって与えられる前記発電機固定子へのトルクの値を測定することと、（ｉｉ）前記発電機の電気出力を測定することと
を含む、方法。
【請求項１８】
前記トルクの前記測定された値および前記機関の毎分回転数に基づいて、前記機関の機械的出力パワーを決定することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記機関の機械的出力パワーを前記発電機の電気出力にマッピングすることを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記発電機に電気的に接続された電気負荷を変動させることを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記変動する電気負荷の関数として、前記機関の機械的出力パワーを前記発電機の電気出力にマッピングすることを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記電気負荷は、電気モータと、前記電気モータによって駆動されるプロペラとを備えている、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記電気負荷を変動させることは、前記電気モータの速度を制御することを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記機関の前記機械的出力パワーが最大である前記機関の特定の毎分回転数を識別することを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
前記機械的出力パワーが最大である前記特定の毎分回転数に基づいて、前記発電機の動作を制御することを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記機関の効率のインジケータを決定することを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２７】
前記発電機固定子は、前記トルクセンサによって、実質的に固定された方向に前記フレームに結合されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項２８】
前記発電機固定子は、前記トルクセンサによって、実質的に固定された方向に前記フレームに結合されている、請求項１７に記載の方法。
【請求項２９】
前記トルクセンサは、歪みセンサを備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３０】
歪みセンサを使用して前記トルクの前記値を測定することを含む、請求項１７に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
方法は、測定されたトルクおよび機関の毎分回転数に基づいて、機関の機械的出力パワーを決定することを含む。方法は、機関の機械的出力パワーを発電機の電気出力にマッピングすることを含む。方法は、発電機に電気的に接続された電気負荷を変動させることを含む。方法は、変動する電気負荷の関数として、機関の機械的出力パワーを発電機の電気出力にマッピングすることを含む。電気負荷は、電気モータと、電気モータによって駆動されるプロペラとを備えている。方法は、電気モータの速度を制御することを含む電気負荷を変動させることを含む。方法は、機関の機械的出力パワーが最大である特定の毎分回転数を識別することを含む。方法は、機械的出力パワーが最大である特定の毎分回転数に基づいて、発電機の動作を制御することを含む。方法は、機関の効率のインジケータを決定することを含む。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
システムであって、前記システムは、
トルクセンサと、
ハイブリッド電力システムと
を備え、
前記ハイブリッド電力システムは、
フレームと、
前記フレーム上に搭載された機関と、
発電機と
を備え、
前記発電機は、
前記機関のシャフトに機械的に結合された発電機回転子と、
前記トルクセンサによって前記フレームに結合された発電機固定子と
を含み、
前記トルクセンサは、前記発電機固定子へのトルクを測定するように構成されている、システム。
（項目２）
前記発電機の電気出力を測定するように構成されているデバイスを備えている、項目１に記載のシステム。
（項目３）
コンピューティングシステムを備え、前記コンピューティングシステムは、
前記測定されたトルクおよび前記機関の毎分回転数に基づいて、前記機関の機械的出力パワーを決定することと、
前記機関の機械的出力パワーを前記発電機の電気出力にマッピングすることと
を行うように構成されている、項目２に記載のシステム。
（項目４）
前記発電機に電気的に接続された電気負荷を備えている、項目１−３のいずれかに記載のシステム。
（項目５）
前記電気負荷は、時変電気負荷を備えている、項目４に記載のシステム。
（項目６）
前記電気負荷は、電気モータを備えている、項目４または５に記載のシステム。
（項目７）
前記電気負荷は、電気モータと、前記電気モータによって駆動されるプロペラとを備えている、項目６に記載のシステム。
（項目８）
前記電気モータは、ブラシレス直流電流モータを備えている、項目７に記載のシステム。
（項目９）
前記電気モータの速度を制御するように構成されている制御システムを備えている、項目８に記載のシステム。
（項目１０）
前記電気負荷は、無人航空機の特性に基づいて選択される、項目４−９のいずれかに記載のシステム。
（項目１１）
前記機関は、往復ピストン機関を備えている、項目１−１０のいずれかに記載のシステム。
（項目１２）
前記発電機は、永久磁石多極発電機を備えている、項目１−１１のいずれかに記載のシステム。
（項目１３）
前記発電機は、交流電流出力を生産し、前記システムは、前記発電機からの交流電流出力を直流電流に変換するように構成されている整流器を備えている、項目１−１２のいずれかに記載のシステム。
（項目１４）
前記発電機回転子は、可撓なカップリングによって前記機関のシャフトに機械的に結合されている、項目１−１３のいずれかに記載のシステム。
（項目１５）
前記可撓なカップリングは、ポリウレタン製カップリングを備えている、項目１４に記載のシステム。
（項目１６）
無人航空機を備え、前記ハイブリッド電力システムは、前記無人航空機上に搭載されている、項目１−１５のいずれかに記載のシステム。
（項目１７）
方法であって、前記方法は、
ハイブリッド電力システムを動作させることであって、
ハイブリッド電力システムは、
フレームと、
前記フレーム上に搭載された機関と、
発電機と
を備え、
前記発電機は、
前記機関のシャフトに機械的に結合された発電機回転子と、
前記フレームに結合された発電機固定子と
を含む、ことと、
前記ハイブリッド電力システムの動作中、（ｉ）前記発電機固定子を前記フレームに結合するトルクセンサを使用して、前記発電機固定子へのトルクを測定することと、（ｉｉ）前記発電機の電気出力を測定することと
を含む、方法。
（項目１８）
前記測定されたトルクおよび前記機関の毎分回転数に基づいて、前記機関の機械的出力パワーを決定することを含む、項目１７に記載の方法。
（項目１９）
前記機関の機械的出力パワーを前記発電機の電気出力にマッピングすることを含む、項目１８に記載の方法。
（項目２０）
前記発電機に電気的に接続された電気負荷を変動させることを含む、項目１９に記載の方法。
（項目２１）
前記変動する電気負荷の関数として、前記機関の機械的出力パワーを前記発電機の電気出力にマッピングすることを含む、項目２０に記載の方法。
（項目２２）
前記電気負荷は、電気モータと、前記電気モータによって駆動されるプロペラとを備えている、項目２０または２１に記載の方法。
（項目２３）
前記電気負荷を変動させることは、前記電気モータの速度を制御することを含む、項目２２に記載の方法。
（項目２４）
前記機械的出力パワーが最大である特定の毎分回転数を識別することを含む、項目１９−２３のいずれかに記載の方法。
（項目２５）
前記機械的出力パワーが最大である特定の毎分回転数に基づいて、前記発電機の動作を制御することを含む、項目２４に記載の方法。
（項目２６）
前記機関の効率のインジケータを決定することを含む、項目１９−２５のいずれかに記載の方法。
【国際調査報告】
2019534665.tif 000017
2019534665.tif 000018