2020年12月15日
超電導応用研究会シンポジウム

電動航空機におけるアクチュエータ技術

1-1. 航空機におけるのアクチュエータ群①①ステアリング

②主脚格納

③②④③

https://www.kyb.co.jp/products/aircraft.html

今までの航空機：• 主 翼• 尾 翼 の 方 向 舵 面動作• 主脚格納• テ イル ス キ ッド
• ブレーキ• ス テ ア リ ン グ etc…

東京大学
大学院新領域創成科学研究科
先端エネルギー工学専攻
寺尾 悠

The University of Tokyo, Graduate School of Frontier Sciences, Ohsaki Laboratory③フライトコントロ ー ル ④ テ イ ル ス キ ッ ド

ほぼすべての動作機構に油圧を使用→ 配管の複雑さや油漏れ→ より簡易な構造に→ 電動化が検討

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1-2. アクチュエータ電動化技術の黎明期21-3. 電動アクチュエータプロジェクトの歴史

http://military.sakura.ne.jp/aircraft/3_c-141.htm

C-141

EMAS: Electromechanical Actuation System
EPAD: Electrically Powered Actuation DesignIEEE TRANSACTIONS ON AEROSPACE AND ELECTRONIC SYSTEMS VOL. AES-20, NO. 3 MAY 19841980年代に、軍用機においてElectromechanical Actuation System (EMAS)が検討→ おそらくこれが最初の検討プロジェクト
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http://eaglet.skr.jp/MILITARY/FA-18EF.htm

F/A-18• 電動アクチュエータは軍用機で検討されてきた（上記以外にも複数検討されてきた）• 主に検討されていた部位はエルロン
The University of Tokyo, Graduate School of Frontier Sciences, Ohsaki Laboratory42-1. 油圧式と電気油圧/電気機械式の比較
従来機: HSA (hydraulic servo actuators)

2-2. アクチュエータ構成の比較

A380, F-35: EHA (Electro Hydrostatic Actuator)
B787: EMA (Electro Mechanical Actuator)

HSA
(従来機)

機体の発電機か ら 電力供給

機体の油圧ポンプから油圧供給

電動モータ
ポンプ
&減速器

電動モータ
ポンプ
&減速器

電動モータ

EHA
(A380, F-35)

ポンプ
&減速器

大依仁, 日本航空宇宙学会誌, vol.63, No.2, pp. 38-40, 2015期待される効果

現状の課題• 油圧ポンプや配管の削除• EMA: 油圧レス、EHA：油圧配管不要→ 整備性向上• 油圧ポンプや配管の 重量が大• 整備性が悪い• 油漏れ発生

EMA(B787)
G. Qiao, et al., Journal of Mech. Engin. Sci., 4128-4151, 2018.

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52-3. 電気油圧式ア ク チ ュ エ ー タ （ E H A ）The University of Tokyo, Graduate School of Frontier Sciences, Ohsaki Laboratory

62-4. EHAの派生型アクチュエータ（EBHA）
EBHA (Electro Backup Hydrostatic Actuator)

EHA (Electro Hydrostatic Actuator)
Drive Power fromactuator controller(s)Reversible
Pump-motorRam・ ア ク チ ュ エ ー タ に 付随の 電気モータ
が油圧ポンプ を回して 油圧を高め、
ア ク チ ュ エ ー タ を 作動

• EHAの派生型装置として開発され
てい るバ ッ ク ア ッ プ EHA

概念図ElectronicmoduleHydraulic pump+elec. motor• 油圧系 コンポー ネ ン ト（ア ク チ ュ エータ、 ア キ ュ ム レ ー タ、制御バルブ）とモ ー タ が組み合わさっ た構造•概念図• 通常、図中のElectrical system部分は遮断され集中油圧系駆動• 集中油圧系の 故障時に モータが起動し必要な油圧を供給

A380に使用されている（左図）• EHAよ りサ イ ズ は 大きくなる

A380に使用されているEHA
MOOG社 のEBHA

Jensen, Stephen C., and Daniel Dawson, Digital Avionics Systems Conference 2000. Proceedings. DASC. The 19th. Vol. 1. IEEE,2000.
http://www.fzt.haw-hamburg.de/pers/Scholz/dglr/hh/text_2007_09_27_A380_Flight_Controls.pdf• A380に搭載されている

Amit Kulshreshtha, and J. Charrier, “Electric actuation for flight and engine control: evolution andchallenges,” Presented in SAE-ACGSC Meeting, Vol. 99, 2007

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2-5. EHA/EBHAの適用例
1. A380のフライトコントロール

2-5. EHA/EBHAの適用例
2. A380のフライトコントロールにおけるアクチュエータ配置

左主翼

右主翼

油圧式

EBHAとHSA

EHAとHSA

油圧式（HSA）とペアになっている

水平尾翼
垂直尾翼
Van Den Bossche, D. (2006, September). The A380 flight control
electrohydrostatic actuators, achievements and lessons learnt. In 25thinternational congress of the aeronautical sciences (pp. 1-8).

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Van Den Bossche, D. (2006, September). The A380 flight control
electrohydrostatic actuators, achievements and lessons learnt. In 25thinternational congress of the aeronautical sciences (pp. 1-8).
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102-6. 電気機械式ア ク チ ュ エ ー タ （ E M A ）2-5. EHA/EBHAの適用例
3. A380の翼の中に格納されたアクチュエータ

EMA (Electro-Mechanical Actuator)
Motor

Drive Power fromactuator controller(s)Gear box• モ ータ で駆動され、モータの回転運動を ア ク チ ュ エ ー タ の 直線運動に変換する (ボ ー ル ね じ を 使用)

Ball screw

各パートには２つずつのアクチュエータが実装

概念図→冗長性の確保（GとY 及び E1とE2）• 油圧系 のコン ポ ー ネントを使用しない点でEHAや EBHAよりもコンパクトかつ軽量となる可能性• エ ネルギー効率はEHAよりも高い(EMAは 制御翼面の位置を変える時の み作動)

→ “2H2E”(2つの油圧とモータ)
EHA(E1 or E2)

HSA(Y or G)

Parker社のEMA

翼内に格納された様子

Van Den Bossche, D. (2006, September). The A380 flight control electrohydrostatic actuators, achievements and lessons learnt. In 25th international congressof the aeronautical sciences (pp. 1-8).

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11Jensen, Stephen C., and Daniel Dawson, Digital Avionics Systems Conference 2000. Proceedings. DASC.
The 19th. Vol. 1. IEEE,2000.

The University of Tokyo, Graduate School of Frontier Sciences, Ohsaki Laboratory122-7. EMAの適用例
1. B787におけるフライトコントロール部分とブレーキ• 前輪の電気式ブレーキ• 翼のミッドボードスポイラー• 水平安定板

2-7. EMAの適用事例
2. B787のフライトコントロールシステム部分に使用

https://www.moog.co.jp/products/servoactuators/ele
ctric-actuators/customized-model.html

ミッドボードスポイラー用アクチュエータ

Qiao, Guan, et al., Proc. of the Institution of Mechanical Engineers,
Part C: Journal of Mechanical Engineering Science 232.22 (2018):
4128-4151.

予想される内部構造• 冗長性を考えてモータドライブ系統を2通り保有している• 重量及び動作の最適化を考えて先進的な材料を使用
MOOG社ホームページよりhttps://www.moog.com/products/actuation-systems/aircraft/primary-flight-control-actuation-system-for-787.html
https://www.moog.com/products/actuation-systems/aircraft/primary-flight-control-actuation-system-for-787.html

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2-7. EMAの適用事例
3. B787の電気式ブレーキ

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2-7. EMAの適用事例
4. B787の電気式ブレーキの仕組みと導入
タイヤ側

http://www.safranmbd.com/

ブ レ ー キ シ ス テ ム 構成図

B787の電気式ブレーキ
https://response.jp/article/img/2015/01/05/240902/812992.html

ブ レ ー キ 部分では摩擦熱が発生す る→熱に よ っ て 油 圧 アクチュエータ内 の油に引火、火災が発生する危険性

導入の結果・・・• システ ム重量は油圧ブレーキシステムよりも重くなった降着装置から油を除去す る こ と は 、重要な技術的課題
導入メリット• 機器レベルでの信頼性はまだ低いがシステムレベルでほぼ従来通りを確保• 火災発生リ ス ク の 回避
• 構成が簡単になる• ブ レ ー キ 内 の カ ー ボ ン デ ィ ス ク の 磨耗を監視可能（センサを使用）The University of Tokyo, Graduate School of Frontier Sciences, Ohsaki Laboratory

http://www.iadf.or.jp/document/pdf/28-5.pdf• 部分的な電動ブレーキ故障に対する定時出発率は格段に向上
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2-9. フライトコントロールにおけるEMAの研究例

2-8. EMAの技術的課題
ジ ャミング：
電動モータで駆動される機構部品が、摩耗 によるコンタミネーション（摩耗片）あるいは疲労による部品破損等によって固着し 回転できなくなる【Nittingham大（英）】モータ基本仕様

まだ完全なる信頼性は確保されておらず、世界中で研究が行われている【冗長性確保の研究例】

システム概要• 二次操縦翼面でのシステム冗長性確保のため、二つのモータドライブシステムを装備• 永久磁石型同期モータは温度変化における減磁に強い、サマリウムコバルト磁石を使用し、ハルバッハ配列を採用（出力密度向上のため）

P. Giangrande, et al., "Design of PMSM for EMA
employed in secondary flight controlsystems," ESARS-ITEC 2018, IEEE, 2018.

モータドライブシステムを2つ実装• 二つのドライブシステムで片方が短絡事故を起こした場合でも正常に稼働

Qiao, Guan, et al., Proc. of the Institution of Mechanical Engineers,
Part C: Journal of Mechanical Engineering Science 232.22 (2018):4128-4151.

制御部分を2つ実装

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永久磁石型同期モータ概要
173-1. 降着装置装置およびステアリング装置

P. Giangrande, et al., "Design of PMSM for EMA employed in secondary
flight control systems," ESARS-ITEC 2018, IEEE, 2018.

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3-2. EHAを用いた降着装置装置の研究例

降着装置・ステアリングの一例

https://www.spp.co.jp/category/aerospace/research/eha.html
http://www.iadf.or.jp/document/pdf/28-5.pdf

http://skyfantasy.exblog.jp/14092510

通常機では、降着装置やステアリングは 集中油圧システムで作動• EMA/EHAならば集中システムから切り離し、システムを分散配置可能• 前輪に は い く つ か の EMA/EHAが 導入もしくは、技術検討が進んでいる
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降着装置を電動化するこ とで・・・• 集中油圧システムを排除することが可能• 機体配管を含めて機体全体の軽量化に貢献できる可能性
住友精密工業とエアバスによりEHAを用いた次世代航空機用降着装置の研究開発が進行中
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3-4. ステアリング装置用EMAの研究例
1. ハーモニックドライブ構造の概要

3-3. EMAを用いたステアリング装置の研究
ステアリング装置【従来のEMAランディングギア】• 航空機の 地上移動の 際の 燃料消費を抑 えたい→電気モ ー タ に よ る 「自走式車輪」の実用化を 検討• SAFRAN社（仏）と Honeywell社（米）に よ る「egtsTMプロジェクト」が進行中→ま ず は 機内1通路の小型旅客機へ の 導入が目標
http://www.safranmbd.com/

SAFRAN社（仏）と Honeywell社（米）による試験機【ナポリ大学提案】

モータ
ステアリング
シリンダ• 欧米各国で様々なプロジェクトが進行中

ハーモニックドライブ

ステアリング軸• Newcastle大（英）の グ ル ー プ が 「ELGEARプ ロ ジ ェ ク ト 」
として「前輪の舵取りの電動化」を 研究• 冗長性の確保の た め 指示系統を 2つ 用意→片方が故障の際にはClutch(図中のS)で切り離しが出来る よ う に 設計

ボール
スクリュー

モータ

ステアリング軸

Bennett, J. W., et al., Electric Power Applications, IET 5.1, 2011

モータ

ボールスクリュークラッチ
ステアリング軸

ハーモニックドライブギア

モータ

ラック＆ピニオン
https://www.hds.co.jp/products/hd_theory/

Newcastle大(英)に よ る 前輪ス テ ア リ ン グ 装置

G. Brando, et al., 2016 International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM). IEEE, 2016.

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3-4. ステアリング装置用EMAの研究例
2. 永久磁石型同期モータ構造の概要

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4. まとめ

5相永久磁石型同期モータの仕様• 電動航空機におけるアクチュエータ技術に関して導入事例や、進められている研究の一例を紹介した。

180 ℃• 近年は油圧式アクチュエータを電気・油圧式（EHA/EBHA）や電気機械式（EMA）に置き換えた航空機（A380, B787, etc.…）が登場してきている• ただしEMAはジャミングなどの技術的な問題があり、これらの完全なる解決がなされていないため、現在もまだ信頼性確保のために様々な検討が行われている

5相永久磁石同期モータの概念図• 従来のEMAは、二つのモータ+ボールスクリューにより構成→ボールスクリュー部分とラック&ピニオンの直列接続• これらの解決がなされることで、将来的にはステアリング装置をはじめとした様々な部位への導入が可能となる。

• より信頼性を高めるため、ハーモニックドライブギアと5相巻線（高トルク+高冗長性）による構成を採用• 最適設計によるモータ重量低減、巻線最大温度の増加を達成
G. Brando, et al., 2016 International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM). IEEE, 2016.

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