(57)【要約】  少なくとも１つの制御モータを含む移動体であって、前記制御モータが、固定部分並びに回転可能部分を含む駆動モータと、固定部分並びにピッチ制御リンク機構を備える回転可能部分を各々が含む少なくとも１つのピッチモータと、前記ピッチ制御リンク機構に接続された少なくとも１つの可変ピッチブレードホルダとを備え、前記駆動モータの回転可能部分は、ロータに結合されたロータシャフトに結合され、ロータシャフトを回転させるように構成され、前記ピッチモータの固定部分はステータであり、各ピッチモータの回転可能部分は前記ピッチ制御リンク機構を介して前記ロータに接続され、前記可変ピッチロータブレードホルダのピッチ角は、制御信号の使用により前記ロータの各回転内で前記少なくとも１つのピッチモータによって調整可能である、移動体が提供される。【選択図】図１Ａ
2020531366.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの制御モータを含む移動体であって、
前記制御モータは、
（ａ）駆動モータ固定部分および駆動モータ回転可能部分を含む駆動モータであって、前記駆動モータ回転可能部分は、ロータシャフトに結合され、前記駆動モータは、前記ロータシャフトを回転させるように構成され、前記ロータシャフトはロータブレードに結合され、前記ロータシャフトと前記ロータブレードとは、両方に結合された可変ピッチロータブレードホルダによって結合される、該駆動モータと、
（ｂ）ピッチモータ固定部分およびピッチモータ回転可能部分を含む少なくとも１つのピッチモータであって、前記ピッチモータ固定部分はステータであり、前記ピッチモータ回転可能部分は、前記ステータによって駆動され、前記ロータシャフトと同軸で回転し、前記ピッチモータ回転可能部分は、ピッチ制御リンク機構を備え、前記ピッチ制御リンク機構を介して前記可変ピッチロータブレードホルダに接続される、該少なくとも１つのピッチモータとを備え、
前記ピッチモータ回転可能部分、前記ピッチ制御リンク機構、前記可変ピッチロータブレードホルダ、および前記ロータブレードは、前記ロータシャフトと同じ名目回転速度で回転するように構成され、前記ロータブレードのピッチ角は、回転状態の前記ロータブレードの基準フレームに対する前記ピッチモータ回転可能部分の角度位置の変化に従って調整され、前記角度位置は、前記ピッチモータの前記ステータへの制御信号に従って変化することを特徴とする移動体。
【請求項２】
請求項１に記載の移動体であって、
前記少なくとも１つのピッチモータの前記ピッチモータ固定部分は、前記ピッチモータ回転可能部分に電磁的に結合され、前記ピッチモータ回転可能部分は、移動体の前記基準フレームに固定されている電気回路からの前記ピッチモータ固定部分への信号によって制御されることを特徴とする移動体。
【請求項３】
請求項１に記載の移動体であって、
前記少なくとも１つのピッチモータは、各前記ピッチ制御リンク機構を介して単一の前記ロータブレードに独立して接続されることを特徴とする移動体。
【請求項４】
請求項１に記載の移動体であって、
前記少なくとも１つのピッチモータは、各前記ピッチ制御リンク機構を介して複数の前記ロータブレードに独立して接続されることを特徴とする移動体。
【請求項５】
請求項４に記載の移動体であって、
前記複数のロータブレードと同軸に整列され、前記複数のロータブレードの反対の角度方向に駆動される第２の複数のロータブレードをさらに含むことを特徴とする移動体。
【請求項６】
請求項５に記載の移動体であって、
前記第２の複数のロータブレードは、第２の駆動モータによって駆動され、
前記第２の駆動モータは、第２の制御モータ、電気モータまたはガスモータを含むことを特徴とする移動体。
【請求項７】
請求項６に記載の移動体であって、
前記駆動モータ、前記ピッチモータ、および前記第２の駆動モータは、複数種のモータ群から選択され、前記複数種のモータ群は、ブラシ付きＤＣモータと、ブラシレスＤＣ（ＢＬＤＣ）モータと、磁気ブレーキと、燃焼エンジンと、ガスモータと、軸方向磁束モータと、ボイスコイルアクチュエータと、通電コイルに電磁的に結合された磁石のグループを含むハイブリッドモータであって、前記通電コイルまたは前記磁石は、半独立に移動するように構成される、該ハイブリッドモータとからなることを特徴とする移動体。
【請求項８】
請求項６に記載の移動体であって、
前記制御モータの前記ピッチモータは、送信された制御信号の出力コマンドに従って前記可変ピッチロータブレードホルダを動かし、
前記第２の制御モータのピッチモータは、前記送信された制御信号の前記出力コマンドに従って前記第２の制御モータの可変ピッチロータブレードホルダを制御することを特徴とする移動体。
【請求項９】
請求項６に記載の移動体であって、
各前記ピッチモータは、前記ロータブレードの回転速度の周波数値よりも高い周波数値か、等しい周波数値か、または低い周波数値で、各前記可変ピッチロータブレードホルダの前記ピッチ角を独立して動的に調整するように配置されることを特徴とする移動体。
【請求項１０】
請求項６に記載の移動体であって、
前記駆動モータ固定部分に固定的に接続されたノイズ低減ハウジングをさらに含み、
前記ノイズ低減ハウジングは、前記ロータブレードおよび前記第２の複数のロータブレードを外囲するように配置され、前記ノイズ低減ハウジングの内面は、ノイズ低減構造を含み、前記ノイズ低減ハウジングの外面は、衝撃適合材料を含むことを特徴とする移動体。
【請求項１１】
請求項１に記載の移動体であって、
パターンをなすように配置された複数の前記制御モータをさらに含むことを特徴とする移動体。
【請求項１２】
請求項１に記載の移動体であって、
前記駆動モータと前記ピッチモータとは前記ステータを共有することを特徴とする移動体。
【請求項１３】
請求項１に記載の移動体であって、
制御信号は、前記移動体の前記基準フレーム内で静止しているワイヤを介して送信されることを特徴とする移動体。
【請求項１４】
請求項１に記載の移動体であって、
前記駆動モータおよび前記ピッチモータは、複数種のモータ群から選択され、前記複数種のモータ群は、ブラシ付きＤＣモータと、ブラシレスＤＣ（ＢＬＤＣ）モータと、磁気ブレーキと、燃焼エンジンと、ガスモータと、軸方向磁束モータと、ボイスコイルアクチュエータと、通電コイルに電磁的に結合された磁石のグループを含むハイブリッドモータであって、前記通電コイルまたは前記磁石は、半独立に移動するように構成される、該ハイブリッドモータとからなることを特徴とする移動体。
【請求項１５】
請求項１に記載の移動体であって、
前記ピッチモータは、送信された制御信号の出力コマンドに従って前記可変ピッチロータブレードホルダを動かすことを特徴とする移動体。
【請求項１６】
請求項１に記載の移動体であって、
前記ピッチ制御リンク機構は、第１の歯車および第２の歯車からなる一対の対向する歯車を備え、
前記第１の歯車は前記可変ピッチロータブレードホルダに接続され、前記第１の歯車に対向する第２の歯車は前記ピッチモータ回転可能部分に接続されることを特徴とする移動体。
【請求項１７】
請求項１６に記載の移動体であって、
各前記歯車は傘歯車であることを特徴とする移動体。
【請求項１８】
請求項１に記載の移動体であって、
各前記ピッチモータは、前記ロータブレードの回転速度の周波数値よりも高い周波数値か、等しい周波数値か、または低い周波数値で、各前記可変ピッチロータブレードホルダの前記ピッチ角を独立して動的に調整するように配置されることを特徴とする移動体。
【請求項１９】
請求項１に記載の移動体であって、
前記駆動モータ固定部分に固定的に接続されたノイズ低減ハウジングをさらに含み、
前記ノイズ低減ハウジングは、前記ロータブレードを外囲するように配置され、前記ノイズ低減ハウジングの内面は、ノイズ低減構造を含み、前記ノイズ低減ハウジングの外面は、衝撃適合材料を含むことを特徴とする移動体。
【請求項２０】
請求項１９に記載の移動体であって、
前記ノイズ低減ハウジングは炭素繊維シートを含み、前記炭素繊維シートの間に構造発泡体またはハニカム層が配置されることを特徴とする移動体。
【請求項２１】
請求項１９に記載の移動体であって、
前記ノイズ低減ハウジングはスペクトラ繊維またはアラミド繊維を含むことを特徴とする移動体。
【請求項２２】
制御モータであって、
（ａ）駆動モータ固定部分および駆動モータ回転可能部分を含む駆動モータであって、前記駆動モータ回転可能部分は、回転可能シャフトに結合され、前記駆動モータは、前記回転可能シャフトを回転させるように構成され、前記回転可能シャフトはロータ要素に結合され、前記回転可能シャフトと前記ロータ要素とは、両方に結合された可変ピッチロータ要素ホルダによって接続される、該駆動モータと、
（ｂ）ピッチモータ固定部分およびピッチモータ回転可能部分を含む少なくとも１つのピッチモータであって、前記ピッチモータ固定部分はステータであり、前記ピッチモータ回転可能部分は、ピッチ制御リンク機構を備え、前記ピッチ制御リンク機構を介して前記可変ピッチロータ要素ホルダに接続される、該少なくとも１つのピッチモータとを備え、
前記ピッチモータ回転可能部分、前記ピッチ制御リンク機構、および前記可変ピッチロータ要素ホルダは、前記回転可能シャフトと同じ名目回転速度で回転するように構成され、前記ロータ要素のピッチ角は、回転状態の前記ロータ要素の基準フレームに対する前記ピッチモータ回転可能部分の角度位置の変化に従って調整され、前記角度位置は、前記ピッチモータの前記ステータへの制御信号に従って変化することを特徴とする制御モータ。
【請求項２３】
ロータブレードピッチ制御機構であって、
（ａ）共通軸の周りを回転するように構成された複数のロータブレードと、
（ｂ）ピッチモータ回転可能部分およびピッチモータ非回転部分を含む少なくとも１つのピッチモータであって、前記ピッチモータ非回転部分はステータであり、前記ピッチモータ回転可能部分は、前記ロータブレードと同軸で回転し、前記ロータブレードは、前記ピッチモータ以外の少なくとも１つの他の駆動源によって前記共通軸の周りに駆動される、該少なくとも１つのピッチモータと、
（ｃ）前記ピッチモータ非回転部分を制御するように構成された制御システムと、
（ｄ）前記ピッチモータ回転可能部分と前記ロータブレードの少なくとも１つとの間をリンクするリンク機構とを備え、
前記制御システムは、リンクされた前記ロータブレードの少なくとも１つのピッチ角を、回転状態のリンクされた前記ロータブレードの少なくとも１つの基準フレームに対する前記ピッチモータ回転可能部分の角度位置の変化に従って変化させ、前記角度位置は、前記ピッチモータの前記ステータへの制御信号に従って変化することを特徴とするロータブレードピッチ制御機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、空中または水中ロータ駆動の移動体などの電気機械駆動システムに関する。本発明は特に、安全で、正確で、静かな動作をする電気機械ヘリコプターに関する。
【背景技術】
【０００２】
小型無人航空機（ＳＵＡＶ）の一般的な種類のロータ式移動体には、中心軸とテールロータの周りに１つまたは２つのロータを有するヘリコプター、および２つ以上の略平行な軸に沿ってロータを配置する「マルチロータ」型が含まれる。これらの種類のロータ型移動体は、ロータの回転速度を変更するか、ブレードの「ピッチ」を変更する、ロータブレードの角度は回転面に対して変化させることで揚力を変更できるという基本原理に基づいている。すべてのロータの回転速度が一様に変化すると、揚力が増加または減少して、垂直方向の上下運動が生ずる。一方、ロータ間の回転速度の相対的な変化、またはロータ間のブレードピッチの相対的な変化、またはロータの一回転内でのブレードピッチの変化のいずれも揚力ベクトルの水平成分を生成して、ロータ型移動体の推力すなわち横方向の動きが生じる。
【０００３】
今日最も人気のある消費者用ＳＵＡＶは、ドローンとも呼ばれるマルチロータ技術に基づくものである。４つのロータを備えたドローンが最も一般的で、「クワッドコプター」または「クワッドロータ」ドローンと呼ばれるが、他の種類のドローンでは３つ、６つ、または８つのロータを使用するものもある。低価格のモータ、電子機器、センサとともに、モータの速度を制御するソフトウェアが存在し、これらによりドローンの安定性の維持および空中でのホバリングまたは移動が可能となるので複数のロータの使用が一般的である。
【０００４】
典型的なマルチロータドローンでは、各モータにおいて発生するトルクにより、ドローン全体が垂直軸を中心にロータの回転方向と反対方向に「ヨー」運動が生ずる。これに対抗するために、隣接するモータが反対方向に回転するので、ドローンがヨーに対して安定する。ドローンの傾斜方向への平行移動を可能にするピッチ運動またはロール運動を行うために、適切なモータの速度が変更され、異なるモータからの相対的な揚力が変えられて、ピッチ運動またはロール運動、またはそれらを組み合わせた運動が生ずる。
【０００５】
一般的に使用されているにもかかわらず、マルチロータドローンにはいくつかの欠点がある。まず、所与の面積と質量のフットプリントに対して、マルチコプターはある所与の面積のフットプリント内に複数のロータを取り付ける必要があり、その結果、大きな半径を持つ単一のロータではなく、それぞれ小さな半径を持つ複数のロータを設けたものとなる。特に小スケールのロータの場合、レイノルズ数が増加するとトルクあたりの推力が増加するので、ロータの直径が大きくなるとと揚力効率が向上する。さらに、ロータの先端が互いに通り過ぎる場合に、効率が大幅に低下する。従って、マルチロータドローンは、ヘリコプターなどの単一の大型ロータ飛行体よりも本質的に効率が低くなる。さらに、揚力の損失を補うために、マルチコプターは伝統的に非常に高い回転速度でロータを動作させる。これにより、ロータによって生成されるノイズの周波数が高くなり振幅が増大し、大きなノイズが発生する。さらに、マルチロータドローンの操縦性と敏捷性は限定的になるが、この理由は、モータ速度を変更することで平行移動が可能となるが、これを行うにはモータの慣性を打ち消す必要があり、その結果、移動開始までに比較的大きなタイムラグが発生するからである。
【０００６】
ヘリコプターは通常、単一のロータを備えており、複数のロータのロータ速度の相対的な変化によらずに横推力ベクトルを生じさせるため、マルチロータドローンとは異なる動作をする。飛行方向を変更するために、ヘリコプターはロータの一回転内でロータブレードのピッチ角を変更します。この角度はブレードの回転の水平面に対して測定される角度である。一定の限度内で、ピッチ角が大きいブレードは揚力が大きくなるため、ロータの一回転の異なるポイントでブレードピッチを高くまたは低く設定することで、ロータの一回転内で異なる揚力を生成し、これによってヘリコプターにおけるトルクを生成し、ヘリコプターの平行移動に必要な横方向推力ベクトルを提供する。ロータ回転の単一サイクル内でブレードピッチを変更するこのメカニズムは、「サイクリックピッチ」として知られている。ヘリコプターは、周期的なピッチに加えて、一回転中は一定ピッチとなるようにブレードピッチを変える「コレクティブピッチ」を行う機能も備える。コレクティブ（全体的）ピッチはヘリコプターの揚力を増減するために使用でき、サイクリック（周期的）ピッチは、横方向推力ベクトルに影響を与えてヘリコプターの横方向の平行移動を可能にする。ロータのコレクティブピッチと回転速度は揚力を増加または減少させる同じ作用を有するが、一般的には、急速で小さい揚力の変化を起こすためにはコレクティブピッチが使用される。これは、ロータの加速または減速の場合の慣性が非常に高いのに対して、ブレードピッチの変化の慣性が本質的に低いからである。
【０００７】
従って、効率、ノイズ、操縦性の観点からは、ＳＵＡＶとしてはマルチコプター構成ではなく、ヘリコプター型のロータ構成を使用した方がよい。
【０００８】
ヘリコプターはスワッシュプレートを使用して、ロータの一回転内でブレードのピッチを変更する。スワッシュプレートは、回転可能なプレートと、回転可能なプレートを保持する固定プレートとを備え、回転可能プレートは固定プレートと平行に回転する。回転可能プレートは、ヘリコプターの回転ロータと結合されている。回転軸に対するプレートの「高さ」と角度は、３つ以上のサーボモータによって制御される。
【０００９】
スワッシュプレートは、可変ピッチヘリコプターで広く使用されている。しかし、スワッシュプレートは、一回転中でのブレードピッチの正弦波状変化しか生成できない。スワッシュプレートには、オフセット、振幅、位相を含むブレード位置に関して調整できる３つの変数がある。「オフセット」は、一回転全体にわたってすべてのブレードに同じブレードピッチを与えるのでコレクティブピッチの角度を決定する。「振幅」は、一回転内の最大と最小のブレードピッチ間の角度差の半分を表し、従って、生成される推力ベクトルの大きさに影響する。振幅が大きいほど、横推力ベクトルが大きくなり、ヘリコプターが横方向に移動する速度が高くなる。「位相」は、ピッチが最大および最小である回転サイクルの角度位置を示し、これは推力ベクトルの方向に影響を与えてヘリコプターの平行移動を可能とする。
【００１０】
場合によっては、ピッチを一定のオフセットで駆動することのみが必要で、これが利用可能な唯一の制御（コレクティブ制御と呼ばれる）とする構成とする。クワッドコプターのコレクティブ制御の利点は、モータ速度よりもはるかに速くピッチを変更できるため、実質的に操縦性が高いことである。
【００１１】
スワッシュプレートは商用輸送ヘリコプターに広く使用されているが、移動体のスケールを縮小すると他の問題を引き起こすため、ＳＵＡＶではあまり用いられていない。スケールを小さくすると、スワッシュプレートの機械的な複雑さのため、複数のサーボモータ、リンク機構、およびボールジョイントが含まれ、かつ移動体の垂直方向の形状（フォームファクタ）すなわち「Ｚ方向高さ」プロファイルの大幅な増加が必要となる機械システムに起因して、移動体のサイズの増加に対して重量が不均衡に増加し、また信頼性が低下することになる。
【００１２】
コレクティブピッチおよびサイクリックピッチが可能なスワッシュプレートをもたないヘリコプターを構築することが試みられてきた。一例では、アクチュエータがブレードに直接結合されたものがあった。別の試みとして、揚力を制御するために、ピッチを変える代わりにロータブレードに後縁フラップを形成したものがあった。これらのアクチュエータ機構の欠点は、従来のスワッシュプレート機構について上記で説明したように小スケールの場合の機械的複雑性に起因する固有の欠点を克服するための比較的小さな改変を加えることに加えて、アクチュエータに電力と制御を送るためにスリップリングが必要なことである。
【００１３】
別の試みでは、あるグループが、モータトルクパルス動作と組み合わせて角度付きブレードヒンジを使用する機構を提示した。このシステムは、ＳＵＡＶ用のスワッシュプレートの欠点のいくつかを排除するが、サイクリックピッチにしか対応できない。さらに、モータトルクパルスを使用するシステムは本質的にサイクリックピッチ制御を欠いており、このシステムのサイクリックピッチは、システムの空力弾性に加えて、モータトルクの「開ループ」動作に基づくものであり、またベアリングの摩擦とヒンジの剛性が、動作時に変化する可能性もある。
【００１４】
スワッシュプレートを使用するマルチロータドローンおよびヘリコプターの両方のＳＵＡＶの形状（フォームファクタ）には、システムレベルで他の欠点がもたらされる。特に、比較的高い回転速度で回転するロータの露出した回転ブレードが、商業環境で用いる場合、特に人がいる場所を比較的低い高度で飛行する場合に、人や他の資産に危険をもたらす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
必要なのは、スワッシュプレート機構に固有の複雑さと欠点のない、コレクティブピッチ制御およびサイクリックピッチ制御が可能な単一の大径ロータを備えたノイズが少なく効率的で安全なドローンである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
当技術分野におけるこの必要性に応えるために、少なくとも１つの制御モータを含む移動体であって、前記制御モータは、駆動モータ固定部分および駆動モータ回転可能部分を含む駆動モータであって、前記駆動モータ回転可能部分は、ロータシャフトに結合され、前記駆動モータは、前記ロータシャフトを回転させるように構成され、前記ロータシャフトはロータブレードに結合され、前記ロータシャフトと前記ロータブレードとは、両方に結合された可変ピッチロータブレードホルダによって結合される、該駆動モータと、
ピッチモータ固定部分およびピッチモータ回転可能部分を含む少なくとも１つのピッチモータであって、前記ピッチモータ固定部分はステータであり、前記ピッチモータ回転可能部分は、前記ステータによって駆動され、前記回転可能シャフトと同軸で回転し、前記ピッチモータ回転可能部分は、ピッチ制御リンク機構を備え、前記ピッチ制御リンク機構を介して前記可変ピッチロータブレードホルダに接続される、該少なくとも１つのピッチモータとを備え、
前記ピッチモータ回転可能部分、前記ピッチ制御リンク機構、前記可変ピッチロータブレードホルダ、および前記ロータブレードは、前記回転可能シャフトと同じ名目回転速度で回転するように構成され、前記ロータブレードのピッチ角は、回転状態の前記ロータブレードの基準フレームに対する前記ピッチモータ回転可能部分の角度位置の変化に従って調整され、前記角度位置は、前記ピッチモータの前記ステータへの制御信号に従って変化することを特徴とする移動体が提供される。
【００１７】
本発明の一態様では、前記少なくとも１つのピッチモータの前記ピッチモータ固定部分は、前記ピッチモータ回転可能部分に電磁的に結合され、前記ピッチモータ回転可能部分は、移動体の前記基準フレームに固定されている電気回路からの前記ピッチモータ固定部分への信号によって制御される。
【００１８】
本発明の別の態様によれば、前記少なくとも１つのピッチモータは、各前記ピッチ制御リンク機構を介して単一の前記ロータブレードに独立して接続される。
【００１９】
本発明のさらに別の態様では、前記少なくとも１つのピッチモータは、各前記ピッチ制御リンク機構を介して複数の前記ロータブレードに独立して接続される。一態様では、前記移動体は、前記複数のロータブレードと同軸に整列され、前記複数のロータブレードの反対の角度方向に駆動される第２の複数のロータブレードをさらに含む。一態様では、前記第２の複数のロータブレードは、第２の駆動モータによって駆動され、前記第２の駆動モータは、第２の制御モータ、電気モータまたはガスモータを含む。別の態様では、前記駆動モータ、前記ピッチモータ、および前記第２の駆動モータは、複数種のモータ群から選択され、前記複数種のモータ群は、ブラシ付きＤＣモータと、ブラシレスＤＣ（ＢＬＤＣ）モータと、磁気ブレーキと、燃焼エンジンと、ガスモータと、軸方向磁束モータと、ボイスコイルアクチュエータと、通電コイルに電磁的に結合された磁石のグループを含むハイブリッドモータであって、前記通電コイルまたは前記磁石は、半独立に移動するように構成される、該ハイブリッドモータとからなる。さらに別の態様では、前記制御モータの前記ピッチモータは、送信された制御信号の出力コマンドに従って前記可変ピッチロータブレードホルダを動かし、前記第２の制御モータのピッチモータは、前記送信された制御信号の前記出力コマンドに従って前記第２の制御モータの可変ピッチロータブレードホルダを制御する。さらに別の態様では、各前記ピッチモータは、前記ロータブレードの回転速度の周波数値よりも高い周波数値か、等しい周波数値か、または低い周波数値で、各前記可変ピッチロータブレードホルダの前記ピッチ角を独立して動的に調整するように配置される。本実施形態は、前記駆動モータ固定部分に固定的に接続されたノイズ低減ハウジングをさらに含み、前記ノイズ低減ハウジングは、前記ロータブレードおよび前記第２の複数のロータブレードを外囲するように配置され、前記ノイズ低減ハウジングの内面は、ノイズ低減構造を含み、前記ノイズ低減ハウジングの外面は、衝撃適合材料を含む。
【００２０】
一態様では、本発明は、パターンをなすように配置された複数の前記制御モータをさらに含む。
【００２１】
本発明の一態様によれば、前記駆動モータと前記ピッチモータとは前記ステータを共有する。
【００２２】
本発明の別の態様によれば、制御信号は、前記移動体の前記基準フレーム内で静止しているワイヤを介して送信される。
【００２３】
本発明のさらに別の態様によれば、前記駆動モータおよび前記ピッチモータは、複数種のモータ群から選択され、前記複数種のモータ群は、ブラシ付きＤＣモータと、ブラシレスＤＣ（ＢＬＤＣ）モータと、磁気ブレーキと、燃焼エンジンと、ガスモータと、軸方向磁束モータと、ボイスコイルアクチュエータと、通電コイルに電磁的に結合された磁石のグループを含むハイブリッドモータであって、前記通電コイルまたは前記磁石は、半独立に移動するように構成される、該ハイブリッドモータとからなる。
【００２４】
本発明の一態様によれば、前記ピッチモータは、送信された制御信号の出力コマンドに従って前記可変ピッチロータブレードホルダを動かす。
【００２５】
本発明の別の態様によれば、前記ピッチ制御リンク機構は、第１の歯車および第２の歯車からなる一対の対向する歯車を備え、前記第１の歯車は前記可変ピッチロータブレードホルダに接続され、前記第１の歯車に対向する第２の歯車は前記ピッチモータ回転可能部分に接続される。一態様では、各前記歯車は傘歯車である。
【００２６】
本発明のさらに別の態様によれば、各前記ピッチモータは、前記ロータブレードの回転速度の周波数値よりも高い周波数値か、等しい周波数値か、または低い周波数値で、各前記可変ピッチロータブレードホルダの前記ピッチ角を独立して動的に調整するように配置される。
【００２７】
本発明の別の態様によれば、本発明は、前記駆動モータ固定部分に固定的に接続されたノイズ低減ハウジングをさらに含み、前記ノイズ低減ハウジングは、前記ロータブレードを外囲するように配置され、前記ノイズ低減ハウジングの内面は、ノイズ低減構造を含み、前記ノイズ低減ハウジングの外面は、衝撃適合材料を含む。一態様では、前記ノイズ低減ハウジングは炭素繊維シートを含み、前記炭素繊維シートの間に構造発泡体またはハニカム層が配置される。別の態様では、前記ノイズ低減ハウジングはスペクトラ繊維またはアラミド繊維を含む。
【００２８】
一実施形態では、制御モータであって、
駆動モータ固定部分および駆動モータ回転可能部分を含む駆動モータであって、前記駆動モータ回転可能部分は、回転可能シャフトに結合され、前記駆動モータは、前記回転可能シャフトを回転させるように構成され、前記回転可能シャフトはロータ要素に結合され、前記回転可能シャフトと前記ロータ要素とは、両方に結合された可変ピッチロータ要素ホルダによって接続される、該駆動モータと、
ピッチモータ固定部分およびピッチモータ回転可能部分を含む少なくとも１つのピッチモータであって、前記ピッチモータ固定部分はステータであり、前記ピッチモータ回転可能部分は、ピッチ制御リンク機構を備え、前記ピッチ制御リンク機構を介して前記可変ピッチロータ要素ホルダに接続される、該少なくとも１つのピッチモータとを備え、
前記ピッチモータ回転可能部分、前記ピッチ制御リンク機構、および前記可変ピッチロータ要素は、前記回転可能シャフトと同じ名目回転速度で回転するように構成され、前記ロータ要素のピッチ角は、回転状態の前記ロータ要素の基準フレームに対する前記ピッチモータ回転可能部分の角度位置の変化に従って調整され、前記角度位置は、前記ピッチモータの前記ステータへの制御信号に従って変化することを特徴とする制御モータが提供される。
【００２９】
別の実施形態では、ロータブレードピッチ制御機構であって、
共通軸の周りを回転するように構成された複数のロータブレードと、
ピッチモータ回転可能部分およびピッチモータ非回転部分を含む少なくとも１つのピッチモータであって、前記ピッチモータ非回転部分はステータであり、前記ピッチモータ回転可能部分は、前記ロータブレードと同軸で回転し、前記ロータブレードは、前記ピッチモータ以外の少なくとも１つの他の駆動源によって前記共通軸の周りに駆動される、該少なくとも１つのピッチモータと、
前記ピッチモータ非回転部分を制御するように構成された制御システムと、
前記ピッチモータ回転可能部分と前記ロータブレードの少なくとも１つとの間をリンクするリンク機構とを備え、
前記制御システムは、リンクされた前記ロータブレードの少なくとも１つのピッチ角を、回転状態のリンクされた前記ロータブレードの少なくとも１つの基準フレームに対する前記ピッチモータ回転可能部分の角度位置の変化に従って変化させ、前記角度位置は、前記ピッチモータの前記ステータへの制御信号に従って変化することを特徴とするロータブレードピッチ制御機構が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の一実施形態による制御モータの断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の一実施形態による制御モータの斜視図である。
【図２】図２は、ＡおよびＢよりなり、本発明による、ロータブレードのピッチ角を変更するピッチ制御モータの動作の一般的な原理を示す図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態による複合モータ機構を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明による同軸逆回転モータ構成の例示的な実施形態を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明による同軸逆回転モータ構成の例示的な実施形態を示す図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明による同軸逆回転モータ構成の例示的な実施形態を示す図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、本発明による同軸逆回転モータ構成の例示的な実施形態を示す図である。
【図５】図５は、Ａ〜Ｃよりなり、本発明の様々な実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明は、スワッシュプレートのなくノイズが低減し、効率を向上させた、小型無人航空機（ＳＵＡＶ）に使用できるヘリコプターに関するものである。本発明によれば、コレクティブピッチおよびサイクリックピッチには閉ループフィードバックが提供され、ロータシャフト軸周りのロータブレードの回転の任意の瞬間においてロータブレードのピッチの動的制御が可能となる。スワッシュプレートのないメカニズムは、従来のスワッシュプレートを用いた移動体よりも高い信頼性をもたらし、従来は達成できなかった効果的なコレクティブピッチおよびサイクリックピッチの制御が可能となる。また本発明は、発生するノイズをさらに低減するために、本質的に非正弦波であり得るサイクリックピッチ制御、ならびに各ロータブレードの独立したピッチ制御を可能とする。
【００３２】
本発明は、ハブに、またはロータシステムの中心軸の周りに取り付けられた電気機械システムを含む。一実施形態では、主駆動モータは、ロータブレードを回転させるための動力を供給する。ロータブレードのピッチ角調整は、固定プラットフォームに取り付けられ、ロータブレードに機械的にリンクされている他の非固定要素に電磁的に結合された電気制御要素によって行われる。電磁的および機械的に結合された要素は、ロータブレードを作動させて、ロータブレードの回転中に任意に定められかつ時間的に可変のブレードピッチ角を実現できる。このメカニズムの利点は、電磁アクチュエータの電気的接続またはワイヤが固定されているため、スリップリングが不要であり、回転要素への電力供給の問題を回避できることである。
【００３３】
本開示全体にわたって、ロータは、ロータシャフトおよびロータブレードを備えるものとしまた、ロータは、単一のロータブレード、互いに反対側に位置する一対のロータブレード、または複数のロータブレードを含み得る。一例では、本発明は、「同軸逆回転ロータ飛行体」を形成する共通軸に沿って上下に位置する２組のロータブレードを有する改善されたロータ飛行体を提供する。また、効率を高め、モータとロータからの音を吸収し、飛行体からの騒音を低減するために、ロータ飛行体のロータを外囲する別に設計された「ダクト」に加えて、互いに独立した個々のロータブレードのピッチを制御するシステムについて記載する。結果として得られる飛行体は、従来のマルチロータドローンと比較して、効率が向上し、ノイズが減少し、安全性が向上したものとなる。
【００３４】
一実施形態では、電気的に制御される要素、すなわち電気制御要素は、２つの別個のブラシレス直流（ＢＬＤＣ）モータのステータである。これらのモータの「ロータ」要素は、ステータに電磁的に結合されており、ステータの歯の巻線に流れる電流に応じて回転できる。
【００３５】
別の実施形態では、移動体ロータハブの周りに配置された単一のモータステータが、ステータの周囲に互いに隣接して配置された３つの独立した分離モータロータに電磁結合される。１つのモータロータセグメントは、主たる飛行体ロータを駆動するために使用され、他のモータロータセグメントはそれぞれ、ギアまたは他の機械的リンク機構を介して飛行体ロータの個々のブレードに機械的に結合される。尚、モータ、シャフト、飛行体、およびリンク機構のサイズはスケールを示すものではなく、個々の機械部品のサイズは移動体の設計に応じて異なる場合があることを理解されたい。
【００３６】
さらに別の実施形態では、電気制御要素は、同心円状に配置され、移動体ロータの中心ハブ軸の周り設けられた電気的に独立した分離ステータである。これらのステータの１つは、移動体の主ロータを駆動するモータロータ要素に電磁的に結合されており、他の２つのステータは、他の２つのモータロータに電磁的に結合され、それぞれが移動体のロータシステムのブレードに機械的にリンクされている。
【００３７】
さらに別の実施形態では、電気的に制御される固定要素は、移動体ロータの回転ハブの近傍に配置されるコイルである。コイルは、移動体のロータブレードに機械的にリンクされて回転する磁石に電磁的に結合されている。ロータの回転中に適切な瞬間にコイルに電流が流れると、磁石が作動し、磁石をブレードに結合する機械的リンク機構がブレードのピッチ変化を引き起こす。
【００３８】
上記の実施形態のそれぞれにおいて、この機構が適切に動作するためには、主駆動モータおよび少なくとも１つのピッチ制御アクチュエータの回転運動が調整されなければならない。ブレードピッチは、トルク生成機構に対するピッチ制御機構の瞬間位置を変えることにより変更される。
【００３９】
ここで図面を参照する。図１Ａおよび図１Ｂは、それぞれ、本発明の一実施形態による制御モータ１００のおよび等角図を示す。図示されているのは、固定部分１０４と回転可能部分１０６を有する駆動モータ１０２であり、駆動モータの回転可能部分１０６はロータシャフト１０８に連結され、駆動モータ１０２はロータシャフト１０８を回転させ、ロータシャフト１０８はロータヘッド１１０に連結されている。さらに図示されているのは、ロータシャフト１０８に沿った２つのピッチモータ１１２であり、各ピッチモータ１１２は、ロータシャフト１０８に沿った固定部分１１４と、ロータシャフト１０８に対する回転可能部分１１６とを有し、ピッチモータの固定部分１１４は、ステータであるか、ステータに接続されている。図１Ａの左側に示すように、ピッチモータ固定部分１１４は、ピッチモータ回転可能部分１１６の内側に配置されている。各ピッチモータ回転可能部分１１６は、ピッチ制御リンク機構１１８ｂ／１１９ｂを含み、ピッチモータ回転可能部分１１６は、ブレードホルダリンク機構（１１８ａ／１１９ａ）とモータリンク機構（１１８ｂ／１１９ｂ）とを有するピッチ制御リンク機構（１１８ａ／１１８ｂおよび１１９ａ／１１９ｂ）を介して可変ピッチブレードホルダ１２０に接続される。図示されるように、ピッチモータ回転可能部分１１６は、ピッチ制御リンク機構（１１８ａ／１１８ｂおよび１１９ａ／１１９ｂ）を介して可変ピッチロータブレードホルダ１２０に接続され、ピッチモータ回転可能部分１１６、ピッチ制御リンク機構（１１８ａ／１１８ｂおよび１１９ａ／１１９ｂ）、可変ピッチロータブレードホルダ１２０、およびロータブレード１２２は、ロータシャフト１０８と同じ名目回転速度で回転するように構成され、可変ピッチロータブレード１２２のピッチ角は、回転状態のロータブレードの基準フレームに対するピッチモータ回転可能部分１１６の角度位置の変化に従って調整され、角度位置は、ピッチモータ１１２の固定部分１１４への制御信号に従って変化する。
【００４０】
可変ピッチブレードホルダ１２０は、ブレードホルダリンク機構１１８ａ／１１９ａに接続され、ロータブレード１２２を保持する可変ピッチブレードホルダ１２０のピッチ角は、制御信号を使用してピッチモータ１１２により調整可能であり、制御電子回路を有する回路基板は、マウントプレート１０３またはそのようなマウントプレートに取り付けられた移動体フレームなどの移動体システムの固定部分に配置される。ピッチモータ１１２の各々は、各ピッチ制御リンク機構（１１８ｂ／１１９ｂおよび１１８ａ／１１９ａ）を介してブレードホルダ１２０に独立して接続される。
【００４１】
本発明の重要な一態様は、従来のモータのステータであり得るピッチモータ固定部分が、スリップリングを使用することなく信号で制御されることであり、ピッチモータ固定部分１１４は、ピッチに電磁的に結合され、モータ回転可能部分１１６は、一般的な電気モータまたは機械的モータなどの既存のモータのロータであり得る。２つのピッチモータ１１２用のワイヤは、中空の固定シャフト１２４の側面に沿って延びるスロットを通して送られる。ピッチ制御モータ１１２の内側部分は、主要な移動体構造に対して回転しないため、ワイヤは静止したままであり得る。ワイヤは、移動体フレームまたはマウントプレート１０３の制御電子回路に接続され、これらの電子回路により、信号によってピッチ制御モータ１１２の回転速度と位置、ひいてはロータブレード１２２のピッチ角を制御することが可能となる。
【００４２】
この実施例では、ピッチ制御モータ１１２は両方ともブラシレスＤＣ（ＢＬＤＣ）モータである。ロータシャフト１０８を介してロータブレード１２２を回転させるトルクは、駆動モータ１０２によって提供され、図１Ａに示される実施形態では、これは標準的なアウトランナーＢＬＤＣモータである。モータ内部にはラジアルベアリングとスラストベアリングがあり、シャフトが純粋な回転運動をするように規制する。
【００４３】
図１Ａに示されるように、駆動モータ１０２の固定部分または移動体マウントプレート１０３には、ピッチ制御モータ１１２用の中空の支持シャフト１２４が取り付けられている。駆動モータ１０２の固定部分は、移動体や乗り物、無人機、またはヘリコプターフレームにも取り付けられる（図４Ａ〜４Ｂを参照）。駆動動力源としては、電磁モータまたは燃焼エンジンなどのモータ、ならびに機械的、空力的および流体力学的動力源等が挙げられることを理解されたい。２つのピッチ制御モータ１１２のステータは、中空の支持シャフト１２４にしっかりと取り付けられているが、それらのピッチモータ回転可能部分１１６は、互いに独立して、駆動モータ１０２に対して自由に回転できる。動作中、２つのピッチモータ１１２上のピッチモータ回転可能部分１１６は、略同一速度で回転する。ピッチ制御モータ１１２の１つの回転速度が短時間の間わずかに変化すると、駆動モータ１０２に対するそのピッチモータ１１２の位相が変化する。これにより、ピッチモータ回転可能部分１１６に取り付けられたピッチ制御リンク機構１１８ｂ／１１９ｂのベベルギアが回転して、これにより、ベベルギアであり得るブレードホルダリンク機構１１８ａ／１１９ａを介してブレードホルダ１２０が回転し、これがロータブレードのピッチを変化させる。
【００４４】
サイクリックピッチ変化の場合、ロータブレード１２２は通常、単一の回転サイクル内で最大から最小のピッチ角の全範囲にわたって変化する。ロータブレード１２２を一方向にピッチするには、ピッチモータ１１２が駆動モータ１０２よりも速い速度になるように加速する必要がある。これを行うためにバッテリからのエネルギーが必要である。しかし、ロータブレードが１８０度回転した後、ブレードのピッチは反対方向の位置にあり、ピッチ制御モータ１１２を駆動モータ１０２よりも遅い速度に減速させる必要がある。回生ブレーキを使用してモータを減速すると、以前にブレードピッチを変更するために使用されていたエネルギーのほとんどが回収される。
【００４５】
駆動モータ１０２は、次の一群のモータから選択されるモータのいずれか、すなわちブラシ付きＤＣモータと、ブラシレスＤＣ（ＢＬＤＣ）モータと、磁気ブレーキと、燃焼エンジンと、ガスモータと、軸方向磁束モータと、ボイスコイルアクチュエータと、通電コイルに電磁的に結合された磁石のグループを含むハイブリッドモータであって、前記通電コイルまたは前記磁石は、半独立に移動するように構成される、該ハイブリッドモータとからなる群から選択されるいずれかであり得る。
【００４６】
図２Ａおよび図２Ｂは、ロータブレード１２２のピッチ角を変更するピッチ制御モータ１１２（図１Ａを参照）の動作の一般的な原理を示している。図２Ａおよび図２Ｂは、可変ピッチブレードホルダ１２０によって保持されたロータブレード１２２を示し、可変ピッチブレードホルダ１２０はブレードホルダリンク機構１１８ａに接続され、ブレードホルダリンク機構１１８ａはピッチ制御リンク機構１１８ｂに結合される。図２Ａは、水平な第１の状態のロータブレード１２２を示し、図２Ｂは、傾斜した第２の状態のロータブレード１２２を示しており、これらの図ではピッチモータ回転可能部分１１６は、それぞれ図２Ａと図２Ｂとの間で右から左に平行移動することが示されているが、このときピッチ制御リンク機構１１８ｂは、ブレードホルダリンク機構１１８ａを駆動して、可変ピッチブレードホルダ１２０およびロータブレード１２２を回転させる。
【００４７】
ブレードのロータでは、コレクティブピッチ変化またはサイクリックピッチ変化が必要か否かに応じて、通常は、ブレードは任意の瞬間に同じ方向または反対方向にピッチ変化する必要がある。それらが反対方向にピッチ変化するときに、一方のピッチモータは駆動モータに対して加速することが必要となり、他方のピッチモータは駆動モータに対して減速することが必要となる場合がある。ギア機構が適切に設計されている場合、一方のブレードピッチ機構はエネルギーを必要とし、他の機構は保存されたエネルギーを放出する。ギア機構が両方のピッチ制御モータを一緒に加速する必要がある場合、バッテリまたは別のコンデンサを使用して、ロータの半回転の間にエネルギーを保存する必要がある。
【００４８】
本発明の一実施形態では、ピッチ制御モータ１１２はＢＬＤＣモータ（ブラシレス直流モータ）である。このような構成の利点は、アクチュエータの位相を駆動モータに対して正または負にする必要があるか否かに応じて、ピッチをいずれの方向にも調整可能なことである。欠点は、完全な電子モータ制御システムが必要であり、モータ制御装置が、ブレードピッチの望ましくない変化の原因になるトルクリップルを最小限に抑えることが必要となる点である。一態様では、このモータ制御装置は、フィールド指向制御（ＦＯＣ）（ベクトル制御）を使用してトルクリップルを最小限に抑える。本発明の別の態様では、駆動モータ１０２およびピッチモータ１１２は、次の一群のモータから選択されるモータのいずれか、すなわちブラシ付きＤＣモータと、ブラシレスＤＣ（ＢＬＤＣ）モータと、磁気ブレーキと、燃焼エンジンと、ガスモータと、軸方向磁束モータと、ボイスコイルアクチュエータと、通電コイルに電磁的に結合された磁石のグループを含むハイブリッドモータであって、前記通電コイルまたは前記磁石は、半独立に移動するように構成される、該ハイブリッドモータとからなる群から選択されるいずれかであり得る。
【００４９】
図１Ａおよび図１Ｂの例示的な実施形態では、ピッチ制御モータ１１２からロータブレード１２２にトルクを伝達するように配置されたリンク機構１１８ａ／１１８ｂとしてのベベルギアの使用が図示されているが、他の機構も可能である。ベベル歯車は、平歯車、クラウン歯車、またはピッチ制御モータからブレードへのボールジョイントを備えたリンクアームに置き換えることができる。
【００５０】
別の実施形態では、ピッチ制御モータ１１２と主駆動モータ１０２を組み合わせてもよい。図３は、この実施形態の例示的な図を示しており、主駆動モータおよびピッチ制御モータが「複合モータ」３００機構に置き換えられている。この複合モータ機構３００は、所望の回転速度でロータブレードホルダ１２０に取り付けられたロータブレード（図示せず）のスピンアップ（ブレードを立てること）を可能とし、移動体の揚力（リフト）を生成するが、１周期の間にモータ３００のサブセクションを「パルス」的に動作させ、それがリンク機構１１８ａ／１１８ｂギア機構（ここではベベルギアが図示されている）を介してロータブレードのピッチ変化に変換される。図３に示す実施形態は、実質的に図１Ａと同じ形態（トポロジー）であるが、図１Ａの駆動モータと両方のピッチモータが、同じステータ３０２を共有している。ステータ３０２は、ステータ歯の周りに巻回された複数のコイル（図示せず）を含む。さらに、この実施形態では、モータの「ロータ」は、モータの回転可能部分であり、周囲の磁石を含む外側のリングである。駆動モータ回転可能部分３１４およびピッチモータ回転可能部分３１６は、共通ステータすなわち共有ステータ３０２の周りの、別個の独立したロータリングの各一部分を構成する。ＢＬＤＣモータとの大きな違いは、複合モータ３００では、外側のロータリングが連続的ではなく、４つのセグメントに分割されていることである。これらのうち２つは、周方向に対称的に配置されたより大きなセグメント、すなわち駆動ロータ部分およびピッチモータ回転可能部分３１６であり、駆動ロータ部分は、ロータの周方向の両側に２つの要素３１４（図示は１つのみ）を含み、ロータシャフト３１０を駆動する、ピッチモータ回転可能部分３１６は、両側の駆動ロータ部分である２つの要素３１４の間に配置され、固定シャフト３０４の周りを回転して動く。
【００５１】
駆動ローターセグメントは、（ステータに接続された）固定シャフト３０４の内部に延在しており、固定シャフト３０４の上部から出るロータシャフト３１０に接続される。２ピッチロータ可動部分３１６は、ピッチモータが固定シャフトの周りを回転できるように、ラジアルベアリング（図示せず）で固定シャフト３０４の外側に取り付けられている。ロータシャフト３１０には、ロータシャフト３１０から直角に延びる「ロータヘッド」３０６が取り付けられている。２つのロータブレードグリップ１２０は、このロータヘッド３０６の両端にベアリングで取り付けられており、これにより、ブレードグリップ１２０をロータヘッド軸周りに「ピッチ変化」できるようになっている。各ブレードグリップ１２０はまた、ベベルギア３０８によりピッチロータ可動リンク機構１１８ｂの１つに接続されて、ピッチモータ回転可能部分１１６の角度位置が回転状態のロータブレードの基準フレームに対して変更されると、ブレードホルダ１２０およびブレードもピッチが変化するように構成されている。
【００５２】
動作中、コイル（ステータ３０２内）は、駆動ロータ回転可能部分３１４とピッチモータ回転可能部分３１６の両方が同じ位相になるように駆動され、これにより、ロータブレードが同じ回転速度で回転することが可能となる。このロータブレードの「回転基準フレーム」では、ピッチモータ回転可能部分３１６の１つが駆動ロータ回転可能部分３１４に対して短時間「加速」または「減速」されると、ベベルギア３０８を介して接続されたロータブレードのピッチ変化運動が生じる。
【００５３】
本発明のこの実施形態の駆動電子機器は、ステータ３０２内のすべてのコイルが他のコイルから独立して駆動されなければならないため、より複雑である。通常のモータでは、モータの３相を制御するために３本のワイヤしかなく、合計６個のトランジスタ（３つのハーフＨブリッジ回路）しか必要とならない。この実施形態では、各コイルは実質的に独立したモータ相であり、また、１８コイルのステータ（図を参照）では、各コイルの各脚部にハーフＨブリッジが必要となるので、合計７２個のトランジスタが必要になる。
【００５４】
図３に示されているこの実施形態の利点は、特に小型ＵＡＶ（すなわち小型の回転翼飛行体ドローン）の場合に、単一のモータで主駆動モータとスワッシュプレートの機能を果たすことができるため、「ｚ方向高さ」プロファイルと移動体の質量を大幅に小さくすることが可能となる点である。また、小型ＵＡＶでは、通常、スワッシュプレート機構の小型リンク機構の信頼性はあまり高くないため、頻繁に交換する必要がでてくる。しかし、本発明のギア機構ははるかに信頼性が高い。またピッチアクチュエータの作動周波数と波形を変更する機能により、発生音を種々の周波数に広く分散させることでノイズを低減することもできる。
【００５５】
次に、本発明の別の態様に関して、電力供給が止まった場合、ブレードが自動回転を促進するために好ましいピッチをとることが望ましい。磁気ブレーキアクチュエータの場合、バネの使用が不可欠であって、そのようなバネは、ブレーキが作動しない時の自動ピッチ回転の際にブレードピッチを最適な角度に駆動するように取り付ける必要がある。アクチュエータがモータの場合、モータが駆動されていない場合、ブレードをその好ましい自動回転ピッチに保つために、ブレードホルダとロータの間の設けたねじりバネを使用できる。あるいは、ギアを、自動停止に最適な最小ピッチでハードストップが生じるように設計することができる。
【００５６】
一般的に、電気モータには鉄心のあるステータ（固定子）がある。鉄心の効果の１つは、鉄心にヒステリシス損失と渦電流損失が常に存在することである。
一実施形態によれば、本発明ではコアレスステータを使用してこれらの損失を低減する。コアレスモータは、あらゆる出力においても重量を低減することもできる。
【００５７】
本発明のさらに別の態様では、移動体は、制御モータまたは同軸に配置、または軸からオフセットして配置された第２の駆動モータを含み、第２の駆動モータのシャフトは、飛行中の移動体のヨーの制御を可能にするために、制御モータシャフトの反対方向に第２のロータブレードの組（第１のロータブレードの組と同軸に整列）を駆動する。第２の駆動モータは、第２の制御モータまたは単軸モータを含む。さらに別の態様において、第２の駆動モータは、次の一群のモータから選択されるモータのいずれか、すなわちブラシ付きＤＣモータと、ブラシレスＤＣ（ＢＬＤＣ）モータと、磁気ブレーキと、燃焼エンジンと、ガスモータと、軸方向磁束モータと、ボイスコイルアクチュエータと、通電コイルに電磁的に結合された磁石のグループを含むハイブリッドモータであって、前記通電コイルまたは前記磁石は、半独立に移動するように構成される、該ハイブリッドモータとからなる群から選択されるいずれかであり得る。また、第２駆動モータのピッチモータは、送信された制御信号の出力コマンドに従って可変ピッチブレードホルダを動かす。各ピッチモータは、各可変ピッチロータブレードのピッチ角を独立して動的に調整するべく配置されている。さらに別の態様では、実施形態が、駆動モータの固定部分に固定的に接続されたノイズ低減ハウジングをさらに含み、ノイズ低減ハウジングは、第１のロータブレードと第２のロータブレードを外囲するように配置され、ノイズ低減ハウジングの内面は、ノイズ低減構造を含み、ノイズ低減ハウジングの外面は、衝撃適合材料を含む。
【００５８】
同軸逆回転モータ構成４００のいくつかの例示的な実施形態が図４Ａ〜図４Ｄに示されており、本実施形態は、スワッシュプレート機構、フライバー、およびテールロータを必要としない。図４Ａに示す実施形態は、共通の回転軸を有し、短い距離だけ離隔して設けられた２組の逆回転ロータブレードを備え、これらはヨー効果を排除するために実質的に同じ回転速度で反対方向に回転する。図４Ｂは、軸からオフセットして配置された駆動モータで回転する２組の同軸逆回転ロータブレードを示す。
【００５９】
ロータのコレクティブピッチまたはサイクリックピッチを生成するために、上記した本発明の実施形態のいずれかを使用する。この機構は、同軸の一対のモータの一方のモータのみ、または両方のモータに適用できる。モータの一方のみに適用される場合には、他のモータは、図４Ａに示すように、第２のロータ４０２に回転トルクのみを提供する単一の電気モータ１００であり得る。
【００６０】
一実施形態では、本発明は、２つのロータを囲んで円筒形状を形成するダクト４０４（図４Ｃおよび図４Ｄを参照）を有する。ダクト４０４は、単一のロータ飛行体を外囲するために使用できることは理解さされよう。ダクトには、以下のように複数の利点がある。
（１）ダクトは、ブレードの先端で発生する揚力を減らすように作用するブレードの先端の渦を減らすことにより、ドローンの効率を向上させる。また、ダクトの空力形状により誘導速度が高くなり、あらゆるＲＰＭで総推力が大きくなる。
（２）ダクトは、側面方向のブレードへの直接的な露出を防ぐことにより、安全性を高めるのに役立つ。
（３）ダクトは、モータとブレードによって生成されるノイズの一部を吸収するのに役立つ。
【００６１】
重量を最小限に抑えるために、ダクト４０４は、軽量の構造発泡体またはハニカム層が間に挟まれた２枚の炭素繊維シートなど、薄いが比較的硬質の材料でできている。
【００６２】
一実施形態では、ダクト４０４は、図４Ｃおよび図４Ｄに示されるように「フレーム」を介してロータブレードの両組と同軸上にある中心軸ハブに接続される。フレームは複数の要素、すなわち（ａ）中央ハブから外周まで径方向に延びるロータの上下に設けられた複数の「ストラット」と、（ｂ）上下のリングを一緒に保持する複数の垂直部材とから構成される。これらの部材は、個々の要素、すなわち、各々が中央ハブに接続された３つの独立したＵ字型部材で構成され得る。ロータを通る空気の流れを妨げず、またフレームの重量を最小限に抑えるために、フレームの要素の厚さは最小にされる。ただし、フレームは、あらゆる方向の過度の曲げや周方向の過度のねじれに耐えるのに十分な剛性を有するように設計する必要もある。フレームのストラットおよび他の要素は、高い剛性と重量比を有する、炭素繊維、ガラス繊維、またはアラミド繊維などの材料で作られていることが好ましく、これらによりコストを高めずに製造できる。
【００６３】
ロータの上下の領域は、「ネット」（テニスラケット様のウェブやその他のパターンのもの）で覆われ、人間や物体が上下方向からブレードに直接接触するのを防ぎ、ドローンの安全性を向上させる。この「ネット」の材料には、軽量で耐摩耗性があり、高張力に対応でき、容易に入手できるスペクトラ繊維またはアラミド繊維が含まれる。
【００６４】
ダクト４０４の外側円筒状の周縁は、弾性特性を有する図４Ｃおよび図４Ｄに示すように、柔軟なシェルで覆われている。シェルの弾性特性は、発泡材などの柔らかくて剛性の低い材料でシェルを構築するか、シェルとダクトの間の領域を空気で覆い、シェルを柔らかいコンプライアントな材料で作成することで実現できる。この方式の構成は、衝撃を受けたときにシェルを圧縮し、シェル内の材料またはエアポケットの圧縮により運動エネルギーの多くを吸収するのに役立つ。このようにして、ドローンと人間または別の物体との衝突が起きた場合、ドローンが衝撃時に多くのエネルギーを吸収する。ダクトを囲む発泡材に使用される材料の例としては、ポリウレタン、ＥＰＰ、マイクロセル発泡材などが挙げられる。
【００６５】
同様に、中央ハブをフレームの外周に接続するストラットの上の領域も弾性部材で覆われており、衝撃時に「クッション」を提供して、衝撃時にドローンがエネルギーの一部を吸収できるようにする。この部品は、ナイロン（商標）、ＰＥＴ、ＰＰ、繊維強化プラスチック、またはそのような材料の組み合わせなど、多種のプラスチックから作成することができる。
【００６６】
これらの例示的な設計では、ドローンのすべての表面が丸みを帯びており、衝撃時に最大の接触面積を提供することにより、人体を傷つけることや、鋭い角部分が刺さって裂傷が形成される可能性が減少する。センサやその他の電子機器（例えばカメラ、プリント基板、バッテリなど）がドローンに取り付けられている場合、これらの電子機器は通常、ダクトとシェルの間に配置され、カメラが外の世界に露出されるように、シェルまたはシェル内に「ポート」が設けられている。これにより、ドローンの形状を維持して、カメラやその他の電子機器の鋭い角部が衝撃にさらされるのをより確実に防ぐことができる。
【００６７】
さらなる態様において、本発明は、「個別ブレード制御（ＩＢＣ）」とダクトとの組み合わせによりノイズ低減を提供するように構成される。
【００６８】
ロータ式飛行体のノイズは、以下のようないくつかの原因から発生する。
（１）「厚さノイズ」とは、ブレードが空気を動かすことによって生じるノイズである。このノイズはロータの平面内を伝播する。
（２）「負荷ノイズ」とは、ブレードに加わる圧力の変化によって発生するノイズである。このノイズは主にロータの下で発生する。
（３）「ブレード渦相互作用ノイズ」（ＢＶＩ）は、ブレードとそれ自身または他から生じた渦との相互作用によって生成されるノイズである。ブレードと渦の相互作用は、気流が不安定で、ボディに沿って表面圧力が不安定になる結果として発生する。ヘリコプターでは、これにより不安定な荷重条件が発生し、ブレードに沿った低周波振動と反射音響放射が発生する。従来のヘリコプターでは、下降時にブレードがその下方向の気流とより多くの相互作用を引き起こしたときによく発生するが、ホバリング中または前方飛行中に発生する可能性もある。これにより機体に著しい振動が発生することが多く、これが原因で効率と信頼性が低下するだけでなく、乗客に不快感を与えること、センサの性能が低下することが生じ得る。同軸システムでは、用語の定義によれば第２のブレードが、第１のブレードが作る渦に遭遇しなければならないため、このノイズが主たるノイズとなる。ＢＶＩは、「垂直方向のミ スディスタンス」を大きくするか、迎角を小さくすることで低減させることができる。
（４）「ブロードバンドノイズ」とは、乱流などの確率的効果によって生じるノイズである。
【００６９】
従来のヘリコプターはスワッシュプレートを使用して振幅、位相、オフセットを介した正弦波ブレードピッチ制御を行うことができるが、個別ブレード制御（ＩＢＣ）は、ブレードのピッチの高次高調波制御（ＨＨＣ）を達成することを目標とするヘリコプターの制御方法である。ＩＢＣは、ブレード渦相互作用ノイズ（ＢＶＩ）の低減のために適した手法である。
【００７０】
次に、本発明によるノイズ低減に目を向けると、迎え角を小さくすることはＢＶＩに大きな影響を与えるため、本発明に従ってブレードピッチを個別に制御することにより、揚力の低減を最小にしつつノイズを低減することができる。これが可能なのは、渦の相互作用が発生する期間のみピッチを小さくできるからである。いくつかの研究により、ＩＢＣは、ＢＶＩによって生成されるノイズをフルサイズのヘリコプターで最大１２ｄＢ低減できることが分かった。また、ＩＢＣを使用するヘリコプターでは、ホバリングに必要な動力エネルギーが最大１０％削減された。ＮＡＳＡは、個別ブレード制御により最大１１ｄＢノイズを低減できることを示している。
【００７１】
ダクト４０４は、ＢＶＩおよび広帯域ノイズを低減するように構成される。ノイズの低減は、ブレードの先端での渦度を低減するダクトの特性によって達成される。これにより、第２のブレードと相互作用するときの渦の大きさが小さくなり、システムの全体的な乱流が低減する。
【００７２】
厚さノイズもダクト４０４の影響を受ける。この影響は、ダクトの内面からのノイズの反射によるものである。これらの反射音を吸収するための音響ライナの選択が行われる。
【００７３】
本発明は、ＩＢＣシステムおよびダクトの使用を可能とすることによって、ロータの音響特性ノイズを大幅に低減する。
【００７４】
上記から明らかなように、複合モータシステムはスワッシュプレートの代わりとなるシステムであり、例えば以下に記載のようないくつかの利点が達成できる。
・重量と「Ｚ方向プロファイル」の減少。小型ドローンの場合、複合モータが主駆動モータとスワッシュプレートの代わりになるため、「Ｚ方向プロファイル」と質量を減少させることができる。クワッドコプターとは異なり、２モータドローン、すなわち複合モータと逆回転ロータ用の通常のモータからなるドローンが可能となる。
・操縦性と信頼性の向上。クワッドコプターの平行移動は、慣性が大きいモータの相対速度の変化によって達成される。これとは異なり、出願人のドローンが平行移動するのに必要となるのはピッチロータセグメントのより高速なパルス動作のみである。出願人のドローンの操縦性は、（非常に敏捷性の高い）ＲＣヘリコプターの操縦性に匹敵するが、スワッシュプレートリンク機構の信頼性の問題は生じない。
・ノイズプロファイルの低下。これが達成できるのは回転中にブレードピッチを個別に制御できるためである。
【００７５】
図５Ａ〜５Ｃは、本発明のさらに別の例示的な実施形態を示す。図５Ａは、パターンをなすように配置された複数の制御モータを示し、図５Ｂは、アクセル５００を介して駆動モータ１０２をピッチ制御モータ１１２に接続するベベルギア３０８を示す。図５Ｃは、駆動モータとして動作する燃焼エンジン５０２を示す。
【００７６】
以上、いくつかの例示的な実施形態に従って本発明を説明したが、これらの実施形態は、本発明を限定するものではなく、すべての態様が例示を意図している。従って、本発明は、当業者が本明細書に含まれる説明から導き出せる詳細な実施形態において多くの変形が可能である。いくつかの変形実施形態には異なるサイズの移動体が含まれ、あるいは１：１以外のギア比を有し、ピッチモータの角度変化がギア比に応じてブレードに異なる角度変化をもたらようにした構成でも同様の結果を達成できる。別の変形実施形態では、ギアをリンク機構内に設けて、ピッチモータ対ブレードホルダ比をある比率とするなど、さまざまな機械要素の速度が異なる構成にすることもできる。
【００７７】
そのような変形実施形態はすべて、以下の特許請求の範囲の請求項の記載内容およびその均等物として定められる本発明の範囲内にあるとみなされる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【国際調査報告】
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