JP6684359B2

JP6684359B2 - ハイブリッド動力源無人機

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Publication number: JP6684359B2
Application number: JP2018544179A
Authority: JP
Inventors: 劉江
Original assignee: Beijing Richenpower Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Richenpower Technology Co Ltd
Priority date: 2017-01-23
Filing date: 2017-11-10
Publication date: 2020-04-22
Anticipated expiration: 2037-11-10
Also published as: CN106892124B; JP2019519414A; KR102145118B1; US10875646B2; WO2018133511A1; US20190047704A1; KR20180101555A; CN106892124A

Description

本発明は、無人機の技術分野に関し、特にハイブリッド動力源無人機に関する。

エネルギー密度とは、一定の空間や質量を有する系に保存された単位体積あたりのエネルギーの量をいい、エネルギー密度が高いほど、同質量でより多いエネルギーを取り出せる。

現有の無人航空機に使用されている電力供給装置であるリチウムイオン電池は、約１５０〜２１０Ｗｈ／ｋｇのエネルギー密度を有する。無人航空機自体の総重量に制限があるため、家庭用の無人航空機に搭載された電力供給装置（すなわち、リチウムイオン電池）の重量が制限され、リチウムイオン電池での供給では、満載された無人航空機であれば１５分しか飛び続けることができず、あるいは無負荷の無人航空機であれば３２〜４５分しか飛び続けることができない。

本発明を実現する過程においては、発明者は、従来技術における以下の問題を見出した。

リチウムイオン電池を単独で電気機器の電源供給装置とした場合、エネルギー密度が低く、同質量の場合に、リチウムイオン電池が単独で構成した電力供給装置は、出力される電気エネルギーの総量は相対的に少ないため、長時間航続への要件を満たさない。

この点を踏まえて、本発明が提供するハイブリッド動力源無人機は、電力供給装置のエネルギー密度を高めることを主な目的としている。

上述した目的を達成するために、本発明は、以下の技術的な解決策を提出している。

本発明が提供するハイブリッド動力源無人機は、
燃料エンジンと、永久磁石直流ブラシレスモータと、充電池ユニットと、起動制御回路と、電子ガバナー、ブラシレスモータと、プロペラと、を備え、
前記永久磁石直流ブラシレスモータの動力入力端は、前記燃料エンジンの動力出力端に連動されるように連結され、
前記充電池ユニットの電力入力端は、前記永久磁石直流ブラシレスモータの電力出力端と電気的に接続され、
前記起動制御回路の電力入力端は、前記充電池ユニットの電力入力端に接続され、且つ前記起動制御回路の前記電力入力端は、前記永久磁石直流ブラシレスモータの電力入力端に接続され、前記充電池ユニットが前記永久磁石直流ブラシレスモータに電力を供給することの起動・停止を制御するように用いられ、
前記永久磁石直流ブラシレスモータの電力出力端及び／又は前記充電池ユニットの電力出力端を電力供給装置の電力出力インターフェースとし、
前記電子ガバナーの入力端は、同時に、永久磁石直流ブラシレスモータと充電池ユニットとに接続され、
前記ブラシレスモータの入力端は、前記電子ガバナーに接続され、
前記飛行制御部は、発電制御ユニットと前記電子ガバナーとを制御するように用いられ、
前記プロペラの入力端は、前記ブラシレスモータに接続される。
上述した技術的な解決策によって、本発明の技術的な解決策が提供するハイブリッド動力源無人機は、少なくとも以下の優れる点を有する。

本発明の技術的な解決策が提供する実施例では、起動制御回路によって、充電池ユニットにおける電力を永久磁石直流ブラシレスモータに供給させ、永久磁石直流ブラシレスモータが燃料エンジンを動作することを駆動させるとともに、燃料エンジンを点火して起動させ、燃料エンジンを点火して起動させた後、起動制御回路によって、充電池ユニットが永久磁石直流ブラシレスモータに電力を供給することを遮断するとともに、燃料エンジンが永久磁石直流ブラシレスモータの発電を駆動させ、永久磁石直流ブラシレスモータからの発電で、充電池ユニットを充電し、永久磁石直流ブラシレスモータの電力出力端及び／又は充電池ユニットの電力出力端を前記電力供給装置の電力出力インターフェースとすることを特徴とする。これは、電池を単独で電力供給装置とする場合と比べ、ガソリンエンジン・電力ハイブリッド動力源を電力供給装置としたほうは、エネルギー密度がより高い。
上述した説明は、本発明の技術的な解決策の概要である。本発明の技術の手段をより明確に理解できるように、且つ、明細書の内容に従って実施できるために、本発明の好ましい実施形態及び添付された図面を参照しながら、以下のように詳しく説明する。

下記の好ましい実施形態に関する詳細の記載より、本発明の様々な優れる点及び利点は明白である。添付の図面は、本発明の好ましい実施形態を例示するものであり、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。なお、図面においては、同様な構成には、同じ参照番号が付与されている。
本発明の実施例が提供するハイブリッド動力源無人機に使用された電力供給装置の電気接続の構造を示す図である。本発明の実施例が提供するハイブリッド動力源無人機の電気接続の構造の具体例を示す図である。本発明の実施例が提供するハイブリッド動力源無人機の電気接続の構造のもう一つの具体例を示す図である。本発明の実施例が提供するＡＣ−ＤＣ電源モジュールの電気接続の構造の具体例を示す図である。本発明の実施例が提供するＤＣ−ＤＣ電源モジュールの電気接続の構造の具体例を示す図である。本発明実施例が提供する電力供給装置の電力供給方法のフローチャートである。本発明の実施例が提供する電力供給装置が無人ヘリコプター機体内部に設置された設置方法の概略図である。本発明実施例が提供する電力供給装置がマルチローター無人機の機体の上部に設置された設置方法の概略図である。本発明実施例が提供する電力供給装置が無人ヘリコプターの機体の下方に吊り上げられた設置方法の概略図である。本発明実施例が提供する電力供給装置がマルチローター無人機の機体の下方に吊り上げられた設置方法の概略図である。本発明実施例が提供する電力供給装置が傾斜ロータレス無人機の機体内部に設置された設置方法の概略図である。本発明実施例が提供する電力供給装置が固定翼無人機の機体内部に設置された設置方法の概略図である。

本発明の目的を達成するために用いられる技術的な手段及びそれによる機能を、さらに詳しく説明するため、本発明に係る電源供給装置及び電力供給方法、並びに装置の具体的な実施形態、構成、機能及び効果を、添付の図面及び好適な実施例を参照しながら述べる。下述の説明において、異なる「一つの実施形態」または「ある実施形態」とは、必ずしも同じ実施形態であることを指していない。また、１つ又は複数の実施形態に説明されている特徴、構造、又は特性は、任意に組み合わせられることができる。

この明細書における用語「及び／又は」は、Ａ及び／又はＢのような３つの場合が存在し得ることを示している。すなわち、「Ａ及び／又はＢ」は、ＡとＢとが同時に含まれる場合、Ａだけある場合、Ｂがある場合、上記の３つの場合のいずれかを意味している。

実施例一
図１に示すように、本発明の一つの実施例が提供する電力供給装置（例え、超軽量携帯式発電機）は、
燃料エンジン１０と、永久磁石直流ブラシレスモータ２０と、充電池ユニット３０と、起動制御回路４０とを備え、
前記永久磁石直流ブラシレスモータ２０の動力入力端は、燃料エンジン１０動力出力端に連動されるように連結され、
前記充電池ユニット３０の電力入力端は、永久磁石直流ブラシレスモータ２０の電力出力端と電気的に接続され、
前記起動制御回路４０の電力入力端は、充電池ユニット３０の電力入力端と電気的に接続され、
電力入力端は、永久磁石直流ブラシレスモータ２０の電力入力端と電気的に接続され、充電池ユニット３０が永久磁石直流ブラシレスモータ２０に電力を供給することの起動・停止を制御するに用いられ、
永久磁石直流ブラシレスモータの電力出力端及び／又は充電池ユニットの電力出力端を、電力供給装置の電力出力インターフェースとし、即ち、永久磁石直流ブラシレスモータの電力出力端を電力供給装置の電力出力インターフェースとし、又は、充電池ユニットの電力出力端を電力供給装置の電力出力インターフェースとし、又は、永久磁石直流ブラシレスモータの電力出力端と充電池ユニットの電力出力端とを電力供給装置の電力出力インターフェースとすることを意味し、
前記電子ガバナーの入力端は、同時に、永久磁石直流ブラシレスモータと充電池ユニットとに接続され、
前記ブラシレスモータの入力端は、前記電子ガバナーに接続され、
飛行制御部は、発電制御ユニットと前記電子ガバナーとを制御するように用いられ、
前記プロペラの入力端は前記ブラシレスモータに接続される。

ここで、燃料エンジンは、燃料タンクを有してもよく、外付け燃料タンクに接続されてもよい。燃料エンジンは、様々な種類であっても良い。例えば、ガソリン、重油、ガソリンと潤滑油との混合物、重油と潤滑油との混合物、又はほかの類似燃料などから選べられた燃料の燃料エンジンが挙げられる。

永久磁石直流ブラシレスモータは、高効率の永久磁石ブラシレスモータを採用し、永久磁石直流ブラシレスモータの動作回転速度とトルク特性とが燃料エンジンに適合する。

本発明の技術的な解決策が提供する実施例では、起動制御回路によって、充電池ユニットの電力を永久磁石直流ブラシレスモータに供給させ、永久磁石直流ブラシレスモータが燃料エンジンの動作を駆動させ、且つ燃料エンジンを点火して起動させ、燃料エンジンを点火して起動させた後、起動制御回路が、充電池ユニットが永久磁石直流ブラシレスモータに電力を供給することを遮断するとともに、燃料エンジンが永久磁石直流ブラシレスモータの発電を駆動させ、永久磁石直流ブラシレスモータが発電した電力で、充電池ユニットを充電し、永久磁石直流ブラシレスモータの電力出力端及び／又は充電池ユニットの電力出力端を電力供給装置の電力出力インターフェースとする。これは、電池を単独で電力供給装置とする場合と比べ、ガソリンエンジン・電力ハイブリッド動力源を電力供給装置としたほうが、エネルギー密度がより高い。

永久磁石直流ブラシレスモータは、ブラシ構造を有しないため、寿命が長い。同時に、永久磁石直流ブラシレスモータは、燃料エンジンの起動モータとして使用されても良い。起動制御回路が永久磁石直流ブラシレスモータを駆動することによって、燃料エンジンを始動させることにより、従来のエンジン始動システムにおけるスターモータ及び減速構造を無くし、重量を大幅に低減し、システムの複雑性を低減し、システムの信頼性を向上させることができる。

図２に示すように、具体的な実施形態では、上記の電力供給装置では、
充電池ユニットは、ＡＣ−ＤＣ電源モジュール３１と、ＤＣ−ＤＣ電源モジュール３２と、充電池組３３とを備え、
ＡＣ−ＤＣ電源モジュール３１の電力入力端は、永久磁石直流ブラシレスモータ２０の電力出力端と電気的に接続され、永久磁石直流ブラシレスモータ２０に接続せれた交流電流を直流電流に変換するように用いられ、
ＤＣ−ＤＣ電源モジュール３２の電力入力端は、ＡＣ−ＤＣ電源モジュール３１の電力出力端と電気的に接続され、ＡＣ−ＤＣ電源モジュール３１に接続された直流電流の電圧を変換するように用いられ、
充電池組３３の電力入力端は、ＤＣ−ＤＣ電源モジュール３２の電力出力端と電気的に接続される。

ＡＣ−ＤＣ電源モジュール、すなわち、交流電流を直流電流に変換する電源モジュールは、永久磁石直流ブラシレスモータによって生成された交流電流を直流電流に変換し、ＤＣ−ＤＣ電源モジュール、すなわち、直流電流の電圧を変圧するモジュールは、ＡＣ−ＤＣ電源モジュールが変換した直流電流の電圧を変圧し、充電池組に電力を供給することができる。

永久磁石直流ブラシレスモータの電力出力端と充電池ユニットの電力出力端とを電力供給装置の電力出力インターフェースとする場合、充電池組の第１電力出力端は、ＤＣ−ＤＣ電源モジュールの電力出力端に接続され、第１電気エネルギー出力インターフェースとする。

なお、充電池組を用いて単独で電源を供給してもよく、上述した電力供給装置では、充電池組の第１電力出力端を第２電気エネルギー出力インターフェースとする。

燃料エンジンは、常に燃料を消費する必要があり、燃料が消費された後、永久磁石直流ブラシレスモータが電気エネルギーを供給しなくなり、第１電気エネルギー出力インターフェースに出力された電圧が低下し、正常の負荷運転ができなくなる虞があり、例えば、電力供給装置が無人航空機に使用される場合、燃料が消費された後、電力供給装置の第１電気エネルギー出力インターフェースが出力する電圧で、プロペラの正常回転を駆動させることができない虞があり、無人航空機の墜落を引き起こすことがある。電力供給装置の動作安定性を向上させるために、上述した電力供給装置は、図３に示すように、第３電気エネルギー出力インターフェースと、ＤＣ−ＤＣ電源変圧器５０と、電源スイッチング回路６０と、電気信号取得回路７０とをさらに備え、
電気信号取得回路７０は、ＤＣ−ＤＣ電源モジュール３２の電力出力端、又は、ＤＣ−ＤＣ電源モジュールの電力入力端に接続され、ＤＣ−ＤＣ電源モジュール３２の電力出力端又はＤＣ−ＤＣ電源モジュールの電力入力端の電気信号数値を取得するように用いられ、
充電池組３３の第１電力出力端は、ＤＣ−ＤＣ電源モジュール３２の電力出力端に接続され、電源スイッチング回路６０の第１電気エネルギーアクセスポートに接続され、
ＤＣ−ＤＣ電源変圧器５０は、充電池組３３の第２電力出力端と電源スイッチング回路６０の第２電気エネルギーアクセスポートとのそれぞれに接続され、充電池組３３の第２電力出力端から出力された定格電圧値を、充電池組３３の第１電力出力端とＤＣ−ＤＣ電源モジュール３２の電力出力端とを接続して結合された定格電圧値に変更し、
電源スイッチング回路６０の電気エネルギー出力端は、第３電気エネルギー出力インターフェースに接続され、
電源スイッチング回路６０の信号取得端は、電気信号取得回路７０に接続され、電気信号数値を受信するように用いられ、且つ、電気信号数値の大きさに応じて、電源スイッチング回路６０の第１電気エネルギーアクセスポート及び電源スイッチング回路６０の第２電気エネルギーアクセスポートの切り替えを行う。

電源スイッチング回路における切り替えを判定するステップは、具体的に、電源スイッチング回路が電気信号数値の大きさを判断し、
電気信号数値が閾値範囲以上である場合、電源スイッチング回路には、電源スイッチング回路の第１電気エネルギーアクセスポートの電気エネルギーを別個に入力し、すなわち、第３電気エネルギー出力インターフェースが、充電池組の第１電力出力端とＤＣ−ＤＣ電源モジュールの電力出力端とを接続して結合された電気エネルギーから取り出した電気エネルギーを入力し、
電気信号数値が閾値範囲より小さい場合、電源スイッチング回路には、電源スイッチング回路の第２電気エネルギーアクセスポートの電気エネルギーを単独に導入し、すなわち、第３電気エネルギー出力インターフェースが、充電池組の第１電力出力端の電気エネルギーから単独に取得した電気エネルギーを入力する。

ここでは、電気信号数値は、電圧値及び電流値の内の少なくとも１つを含むことができる。

電力供給装置が電気機器に電力を供給する場合には、電気機器の動作条件が異なり、負荷が増加したり低減したりすることがあり、電力供給装置の電力供給効率を確保するためには、上述した電力供給装置は、図２に示すように、発電制御ユニット８０をさらに備え、発電制御ユニット８０の第１信号取得端は、ＤＣ−ＤＣ電源モジュール３２の電力出力端と電気的に接続され、ＤＣ−ＤＣ電源モジュール３２の電力出力端から出力された第１電気信号を取得するように用いられ、
発電制御ユニット８０の第２信号取得端は、充電池組３３の電力出力端と電気的に接続され、充電池組３３の電力出力端から出力された第２電気信号を取得するように用いられ、
発電制御ユニット８０の制御端は、燃料エンジン１０のスロットルアクチュエータに接続され、第１電気信号及び／又は第２電気信号に応じてスロットルアクチュエータの動作を制御するように用いられる。

負荷効率が変化する際、発電制御ユニットは、ＤＣ−ＤＣ電源モジュール及び充電池組から出力された電気信号数値をリアルタイムで取得し、例えば、電流値又は電圧値を取得し、この２つのパラメータを、発電制御ユニットが電力供給装置の動作状態を判断するパラメータとし、同時に、発電制御ユニットが、スロットルアクチュエータを介して、燃料エンジンに接続され、燃料エンジンが常に最も効率的な状態で動作するように、電力供給装置の動作状態に従って燃料エンジンスロットルアクチュエータの精密制御を達成する。発電制御ユニットは、負荷効率需要を検出することによって、燃料エンジン動作点を決定し、電力供給装置動作状態での電気信号数値及びエンジンスロットルへの総合調整を通じて、エンジン動作点の変換を実現する。

より詳しくは、第１電気信号は、電流信号及び電圧信号を含み、第２電気信号は、電流信号及び電圧信号を含む。

より詳しくは、ＡＣ−ＤＣ電源モジュールは、電力供給装置動作状態に従って整流パラメータを調整するので、整流効率が９５％以上に維持されることができる。

図４に示すように、制御システムソフトウェアの複雑度を更に軽減するために、上述した電力供給装置では、
ＡＣ−ＤＣ電源モジュールは、永久磁石直流ブラシレスモータ２０電力出力端に接続される整流部と、永久磁石直流ブラシレスモータ２０と整流部とのそれぞれに接続されるパルス幅変調部とを備え、
整流部は、永久磁石直流ブラシレスモータに接続される３つの金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を含み、３つの金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴが互いに並列に接続され、各金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴは、２つの直列に接続される金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴを含み、
第１群の金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴに含まれている第１金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴＳ１のＧ極は、第１反転増幅器を介した後、パルス幅変調部のパルス幅変調器ＰＷＭの第１調整端子に接続され、第１群の金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴに含まれている第２金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴＳ２のＧ極は、パルス幅変調部のパルス幅変調器ＰＷＭの第１調整端子に接続され、
第２群の金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴに含まれている第３金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴＳ３のＧ極は、第２反転増幅器を介した後、パルス幅変調部のパルス幅変調器ＰＷＭの第２調整端子に接続され、第２群の金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴに含まれている第４金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴＳ４のＧ極は、パルス幅変調部のパルス幅変調器ＰＷＭの第２調整端子に接続され、
第３群の金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴに含まれている第５金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴＳ５のＧ極は、第３反転増幅器を介した後、パルス幅変調部のパルス幅変調器ＰＷＭの第３調整端子に接続され、第３群の金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴに含まれている第６金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴＳ６のＧ極は、パルス幅変調部のパルス幅変調器ＰＷＭの第３調整端子に接続される。

当該ＡＣ−ＤＣ電源モジュールは、永久磁石直流ブラシレスモータのＨブリッジ駆動を採用しているが、従来のダイオードパッシブ整流及び一般的なスイッチングアクテイブ整流とは異なる。従来のダイオードパッシブ整流と比べ、６個のダイオードのいずれも、低オン抵抗の金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴに置き換えられているため、高電力条件下では、金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴの導通損失が大幅に低減され、システム効率を向上させる。従来のスイッチングアクテイブ整流と比べ、高出力整流パワーフィルタインダクタを低減し、システムの重量を低減し、また、上下（第１金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴと第２金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴとの間、第３金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴと第４金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴとの間、第５金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴと第６金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴとの間）には、バックドライブ駆動式を採用しており、同期フライバックを実現することができ、システムの消費電力が大幅に削減され、また、システム全体の制御信号、すなわち、駆動ハーフブリッジ（第１金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴと第２金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴとからなる第１ハーフブリッジ、第３金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴと第４金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴとからなる第２ハーフブリッジ、第５金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴと第６金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴとからなる第３ハーフブリッジ）の制御信号は、３つのＰＷＭパルスを共用しており、従来の６つのＰＷＭパルスより、システム制御ソフトウェアの複雑度を大幅に低減した。

さらに、図５に示すように、上述した電力供給装置では、ＤＣ−ＤＣ電源モジュールは、互いに並列に接続された複数の変圧回路３２１を備え、各変圧回路３２１の電力出力が４００〜６００ｗである。各変圧回路はそれぞれ多相制御器３２２に接続されている。

ＤＣ−ＤＣ電源モジュールは、永久磁石直流ブラシレスモータの出力に従って電圧範囲を調整し、能動的な整流の高出力降圧変換技術を採用しており、ハイブリッドシステム全体の電力が比較的大きいため、単一モジュールでは実現することは比較的に難しく、放熱が困難であるため、マルチフェーズインターリーブパラレルモードを採用し、一つのパワータウンモジュール（変圧回路）の電力を約５００Ｗに制御し、３つ以上のパワーモジュール（変圧回路）を並列に接続することによって、比較的に高出力を実現することができ、同時に、整流出力端のコンデンサパルス電流を低減することができる。マルチフェーズインターリーブパラレルモードの原理は、図４に示されている。アクティブ整流とマルチフェーズインターリーブを応用することによって、ＤＣ−ＤＣ電源モジュールの全体の効率は９５％以上である。

より詳しくは、永久磁石直流ブラシレスモータは、フレキシブルカップリングを介して、燃料エンジンに接続される。

このうち、既存の移動可能な発電機は、一定な速度で動作し、中国国内電源規格の５０Ｈｚ周波数である場合、エンジンの動作回転速度は、基本的に３０００回転数／分である。エンジンが低速運転では、エンジンの効率が高くなく、体積及び重量は比較的に大きい。作業効率を向上させるために、上述した電力供給装置では、
永久磁石直流ブラシレスモータと燃料エンジンとの定格回転速度は、６０００〜１５０００回転数／分であり、燃料エンジンと永久磁石直流ブラシレスモータとのエネルギー変換効率は９０％以上である。

燃料エンジン本体では、燃料エンジンと永久磁石直流ブラシレスモータとの接続は、異なる軸にあり、永久磁石直流ブラシレスモータ回転子の不均衡な質量により、電力供給装置の振動が生じられ、その振動は、電気機器に直接伝達され、電気機器の正常動作に影響を与える。動作安定性を向上させるために、上述した電力供給装置は、
取り付けブラケット及び振動減衰機構をさらに備え、
燃料エンジンと永久磁石直流ブラシレスモータとが、振動減衰機構を介して取り付けブラケットに取り付けられる。

取り付けブラケットは、設置時に電気機器の取り付けベースに取り付けることができる。

振動減衰機構は、電力供給装置と外部接続（取り付けベース）との間に、制動（ダンピング）を提供することができ、振動が外部に伝達されることを遮断することができ、外部接続設備の正常動作を保つことができる。例えば、電気機器のマルチローター無人機は、加速度センサとデジタルシャイロスコープを用いて飛行姿勢を判断するので、これらのセンサは振動に敏感なセンサであり、振動減衰機構により、マルチローター無人機における各センサの正常動作を保証することができる。

推定によると、リン酸鉄リチウム電池のエネルギー密度は、およそ２６０Ｗｈ／ｋｇである。ガラス電池のエネルギー密度は、およそ４９０Ｗｈ／ｋｇである。燃料電池のエネルギー密度は、およそ１０００Ｗｈ／ｋｇである。本発明における電力供給装置のエネルギー密度は、およそ１５００Ｗｈ／ｋｇである。

実施例二
図６に示すように、本発明の一つの実施例が提供する電力供給装置の電力供給方法は、上述した実施例一における前記の電力供給装置を用いて実現することができ、前記方法は、以下のステップを含む。

（Ｓ１００）前記起動制御回路は、起動指令に従って、前記永久磁石直流ブラシレスモータに電力を供給するように、充電池ユニットを制御し、永久磁石直流ブラシレスモータが燃料エンジンを動作させるステップ。

（Ｓ２００）充電池ユニットを制御して、前記永久磁石直流ブラシレスモータへの電力供給を停止するステップ。

本発明の技術的な解決策が提供する実施例において、起動制御回路によって、充電池ユニットの電力を永久磁石直流ブラシレスモータに供給し、永久磁石直流ブラシレスモータ駆動燃料エンジンを動作させ、燃料エンジンを点火して起動させる。燃料エンジンを点火して起動させた後、起動制御回路によって、充電池ユニットが永久磁石直流ブラシレスモータに電力を供給することを遮断するとともに、燃料エンジン駆動永久磁石直流ブラシレスモータが発電し、永久磁石直流ブラシレスモータが発電した電力で、充電池ユニットを充電し、永久磁石直流ブラシレスモータの電力出力端及び／又は充電池ユニットの電力出力端を前記電力供給装置の電力出力インターフェースとする。これは、電池を単独で電力供給装置とする場合と比べ、ガソリンエンジン・電力ハイブリッド動力源を電力供給装置としたほうが、エネルギー密度がより高い。

より詳しくは、本実施例二における前記の電力供給装置の電力供給方法は、上述した実施例一が提供する前記電力供給装置をそのまま採用することができる。具体的な構造については、実施例一に説明した内容を参照することができ、詳細を省略する。

前記無人機は、少なくとも３つのローターを有するマルチローター無人機、少なくとも２つのプロペラを有するチルトロータ無人機、少なくとも１つのプロペラを有する固定翼無人機、無人ヘリコプターからなる群から選択される。

前記燃料エンジン、永久磁石直流ブラシレスモータ、充電池ユニット、起動制御回路では、電力供給装置が構成され、
前記電力供給装置の取付位置は、機体内部（図７に示すように、電力供給装置Ｄ１が無人ヘリコプター機体Ｊ１内部に取り付けられ、図１１に示すように、電力供給装置Ｄ５がチルトロータ無人機機体Ｊ５内部に取り付けられ、図１２に示すように、電力供給装置Ｄ６が固定翼無人機機体Ｊ６内部に取り付けられる）、機体の上方（図８に示すように、電力供給装置Ｄ２がマルチローター無人機機体Ｊ２の上方に取り付けられる）、又は、機体の下方に吊り上げられる（図９に示すように、電力供給装置Ｄ３が無人ヘリコプター機体Ｊ３下方に吊り上げられ、図１０に示すように、電力供給装置Ｄ４がマルチローター無人機機体のＪ４の下方に吊り上げられる）ことからなる群から選択される。

本発明の技術的な解決策が提供する実施例において、起動制御回路によって、充電池ユニットの電力を永久磁石直流ブラシレスモータに供給し、永久磁石直流ブラシレスモータ駆動燃料エンジンを動作させ、燃料エンジンを点火して起動させる。燃料エンジンを点火して起動させた後、起動制御回路によって、充電池ユニットが永久磁石直流ブラシレスモータに電力を提供することを停止させるとともに、燃料エンジン駆動永久磁石直流ブラシレスモータが発電し、永久磁石直流ブラシレスモータが発電した電力で、充電池ユニットを充電し、永久磁石直流ブラシレスモータの電力出力端及び／又は充電池ユニットの電力出力端を前記電力供給装置の電力出力インターフェースとする。これは、電池を単独で電力供給装置とする場合と比べ、ガソリンエンジン・電力ハイブリッド動力源を電力供給装置としたほうが、エネルギー密度がより高い。

より詳しくは、本実施例三における前記の電力供給装置は、上述した実施例一が提供する前記電力供給装置をそのまま採用することができる。具体的な構造については、実施例一に説明した内容を参照することができ、詳細を省略する。

上記の実施例についての形態の説明では、様々な技術的な特徴を絞って説明しており、特定の実施形態で詳述されていない部分は、他の実施形態の関連説明を参照することができる。

上述の装置に関連する技術的な特徴は、互いに参照できることを理解されたい。また、上記実施形態における「第１」、「第２」などの記載は、実施形態を識別するためのものであり、実施形態の長所や短所を示すものではない。

本願明細書に提供される説明では、詳細に述べられているが、本発明の実施形態は、これらの詳細な特徴がなくても実施することができる。場合によっては、本願明細書の内容をよく理解するために、周知の構造および技術に関する詳細な説明は省略されている。

なお、本発明における様々な技術的な特徴を理解しやすいように、本発明の例示的な実施形態に関する説明では、一つ又は複数の特徴を一つの実施形態にまとめて説明している。しかしながら、開示された装置は、特許請求の範囲に列挙されたものよりも多くの特徴を必要とするという意図を反映すると解釈されるべきではない。むしろ、特許請求の範囲に記載されている特徴よりも、特徴が少ない実施形態も存在、且つ実施可能である。したがって、本発明の別個の特定事項は、独立に本願発明を実現することができる。

当業者であれば、実施形態における装置の構成要素を適応的に変更し、実施形態とは異なる装置に配置することができることは理解できる。実施形態の構成要素は、１つの構成要素に組み合わされてもよく、さらに、それらは複数の構成要素にされてもよい。そのような特徴には、いくつかが互いに阻害する特徴に加えて、特許請求の範囲、要約および図面に開示された任意の構成要素を組合せて装置を構成することができる。本願明細書（特許請求の範囲、要約書および図面を含む）に開示された各特徴は、同じ、同等、又は類似の構成特徴を用いて置き換えることができる。

さらに、当業者であれば、本明細書に記載された実施形態には、他の実施形態に含まれる特定特徴を含んでも良い。異なる実施形態の特徴での組合せは、本発明の範囲内にあることを留意されたい。この場合に形成された異なる実施形態も本発明の範囲内である。例えば、以下の特許請求の範囲において、保護を請求している実施例のいずれか１つを任意に組合せて使用することができる。本発明は、様々な構成要素が単独で、又は、組合せられた状態で、実現することができる。

上述の実施形態は本発明の例示であり、本発明の範囲を限定するものではない。当業者が、添付の特許請求の範囲から逸脱せず、代替の実施形態を考案することができることに留意されたい。特許請求の範囲において、括弧にある参照符号は、限定として解釈されるべきではない。「含む」という用語は、特許請求の範囲に記載されていない構成又は部材の存在を排除するものではない。構成要素又は部材に関する記載で、「一つ」又は「１個」は、その構成を複数有する、又は複数の構成要素が存在することを排除しない。本発明は、いくつかの別個の構成要素を含む装置によって実施することができる。いくつかの構成要素を列挙する請求項において、これらの構成要素は、同じ構成要素によって具体化されるものでも良い。また、「第１」、「第２」、「第３」との用語は、順番を示すことではなく、名称として解釈すべきである。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の変更が可能であり、いずれも本発明の範囲内である。

Claims

ハイブリッド動力源無人機であって、
燃料エンジンと、永久磁石直流ブラシレスモータと、充電池ユニットと、起動制御回路と、電子ガバナーと、ブラシレスモータと、飛行制御部と、プロペラと、第１電気エネルギー出力インターフェースと、第２電気エネルギー出力インターフェースと、第３電気エネルギー出力インターフェースと、ＤＣ−ＤＣ電源変圧器と、電源スイッチング回路と、電気信号取得回路とを備え、
前記永久磁石直流ブラシレスモータの動力入力端は、前記燃料エンジンの動力出力端に連動されるように接続され、
前記充電池ユニットの電力入力端は、前記永久磁石直流ブラシレスモータの電力出力端と電気的に接続され、
前記起動制御回路の電力入力端は、前記充電池ユニットの電力入力端に接続され、且つ前記起動制御回路の電力入力端は前記永久磁石直流ブラシレスモータの電力入力端に接続され、前記充電池ユニットが前記永久磁石直流ブラシレスモータに電力を供給することの起動・停止を制御するように用いられ、
前記永久磁石直流ブラシレスモータの電力出力端及び／又は前記充電池ユニットの電力出力端を、電力供給装置の電力出力インターフェースとし、
前記電子ガバナーの入力端は、同時に、永久磁石直流ブラシレスモータと充電池ユニットとに接続され、
前記ブラシレスモータの入力端は、前記電子ガバナーに接続され、
前記飛行制御部は、発電制御ユニットと前記電子ガバナーとを制御するように用いられ、
前記プロペラの入力端は前記ブラシレスモータに接続され
前記充電池ユニットは、ＡＣ−ＤＣ電源モジュールと、ＤＣ−ＤＣ電源モジュールと、充電池組とを含み、
前記ＡＣ−ＤＣ電源モジュールの電力入力端は、前記永久磁石直流ブラシレスモータの電力出力端と電気的に接続され、前記永久磁石直流ブラシレスモータから入力された交流電流を直流電流に変換するように用いられ、
前記ＤＣ−ＤＣ電源モジュールの電力入力端は、前記ＡＣ−ＤＣ電源モジュールの電力出力端と電気的に接続され、前記ＡＣ−ＤＣ電源モジュールから入力された直流電流の電圧を変圧するように用いられ、
前記充電池組の電力入力端は、前記ＤＣ−ＤＣ電源モジュールの電力出力端と電気的に接続され、
前記電気信号取得回路は、前記ＤＣ−ＤＣ電源モジュールの電力出力端又は前記ＤＣ−ＤＣ電源モジュールの電力入力端と接続され、前記ＤＣ−ＤＣ電源モジュールの電力出力端、又は、前記ＤＣ−ＤＣ電源モジュールの電力入力端の電気信号数値を取得し、
前記充電池組の第１電力出力端が前記ＤＣ−ＤＣ電源モジュールの電力出力端に接続され、前記第１電気エネルギー出力インターフェースとして、前記電源スイッチング回路の第１電気エネルギーアクセスポートに接続され、
前記充電池組の第１電力出力端を、第２電気エネルギー出力インターフェースとし、
前記ＤＣ−ＤＣ電源変圧器は、前記充電池組の第２電力出力端と前記電源スイッチング回路の第２電気エネルギーアクセスポートとのそれぞれに接続され、前記充電池組の第２電力出力端から出力された定格電圧値を、前記充電池組の第１電力出力端と前記ＤＣ−ＤＣ電源モジュールの電力出力端とを接続して連結した後の定格電圧値に変圧するように用いられ、
前記電源スイッチング回路の電気エネルギー出力端は、前記第３電気エネルギー出力インターフェースに接続され、
前記電源スイッチング回路の信号取得端は、前記電気信号取得回路に接続され、前記電気信号数値を受信するように用いられ、且つ、前記電気信号数値の大きさに従って、前記電源スイッチング回路の第１電気エネルギーアクセスポートと前記電源スイッチング回路の第２電気エネルギーアクセスポートとの切り替えを行う、ことを特徴とするハイブリッド動力源無人機。
発電制御ユニットを、さらに備え、
前記発電制御ユニット第１信号取得端は、前記ＤＣ−ＤＣ電源モジュールの電力出力端と電気的に接続され、前記ＤＣ−ＤＣ電源モジュールの電力出力端から出力された第１電気信号を取得するように用いられ、
前記発電制御ユニット第２信号取得端は、前記充電池組の電力出力端と電気的に接続され、前記充電池組の電力出力端から出力された第２電気信号を取得するように用いられ、
前記発電制御ユニットの制御端は、前記燃料エンジンのスロットルアクチュエータに接続され、前記第１電気信号及び／又は前記第２電気信号に従って、前記スロットルアクチュエータの動作を制御するように用いられる、
ことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド動力源無人機。
前記第１電気信号は、電流信号と電圧信号とを含み、
前記第２電気信号は、電流信号と電圧信号とを含む、
ことを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド動力源無人機。
前記ＡＣ−ＤＣ電源モジュールは、前記永久磁石直流ブラシレスモータ電力出力端に接続される整流部と、それぞれ前記永久磁石直流ブラシレスモータと前記整流部とに接続されるパルス幅変調部とを備え、
前記整流部は、前記永久磁石直流ブラシレスモータの３つ群の金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴのそれぞれに接続され、３つ群の金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴが互いに並列に接続され、各群の金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴは、直列に接続される２つの金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴを含み、
第１群の金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴにおける第１金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴのＧ極は、第１反転増幅器を介した後、パルス幅変調部のパルス幅変調器の第１調整端子に接続され、第１群の金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴにおける第２金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴのＧ極は、パルス幅変調部のパルス幅変調器の第１調整端子に接続され、
第２群の金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴにおける第３金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴのＧ極は、第２反転増幅器を介した後、パルス幅変調部のパルス幅変調器の第２調整端子に接続され、第２群の金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴにおける第４金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴのＧ極は、パルス幅変調部のパルス幅変調器の第２調整端子に接続され、
第３群の金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴにおける第５金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴのＧ極は、第３反転増幅器を介した後、パルス幅変調部のパルス幅変調器の第３調整端子に接続され、第３群の金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴにおける第６金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴのＧ極は、パルス幅変調部のパルス幅変調器の第３調整端子に接続される、
ことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド動力源無人機。
前記ＤＣ−ＤＣ電源モジュールは、互いに並列に接続される複数の変圧回路を備え、各電圧回路の出力が４００〜６００ｗである、ことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド動力源無人機。
前記永久磁石直流ブラシレスモータは、フレキシブルカップリングを介して、前記燃料エンジンに連動されるように接続され、
前記永久磁石直流ブラシレスモータと前記燃料エンジンの定格回転速度は、ともに６０００〜１５０００回転数／分であり、
前記ハイブリッド動力源無人機は、取り付けブラケットと振動減衰機構とを更に備え、
前記燃料エンジンと前記永久磁石直流ブラシレスモータとが、振動減衰機構を介して、前記取り付けブラケットに設けられ、
前記無人機は、少なくとも３つのローターを有するマルチローター無人機、少なくとも２つのプロペラを有するチルトロータ無人機、少なくとも１つのプロペラを有する固定翼無人機、無人ヘリコプターからなる群から選択され、
前記燃料エンジン、永久磁石直流ブラシレスモータ、充電池ユニット、起動制御回路が電力供給装置を構成し、
前記電力供給装置の取付位置は、機体内部、機体の上方、又は機体の下方からなる群から選択される、
ことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド動力源無人機。