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電動飛行機

電動モータと飛行機

初めに


magniX's magni500 electric aircraft mo
商用航空は、世界でも厳しい安全要件が課されている最も規制が厳しい業界の1つです。

このことと経済性リスクから、民間航空機の設計分野では目覚ましい変化はあまり起きていません。
自動車や運輸業界は急速に電化されていますが、電動飛行機のアイデアは、技術的にも商業的にも実行不可能であると長い間考えられてきました。

電気モーターメーカーのmagniXとHarbourAirSeaplanesが、バンクーバで最初の商用電気飛行試験を行ったのは2019年12月10日でした。
歴史的な水上飛行機は、magniXの560kW電気推進システムを搭載したHavilland DHC-2 Beaver を改造したものでした。
eBeaverの処女飛行はわずか15分しか続きませんでしたが、それは脱炭素分野における進歩と、今後の可能性への重要な一歩となりました。
2020年5月28日、歴史的なeBeaver飛行から6か月も経たないうちに、magniXは最初の成功を収めました。
今回は、DHC-2よりもかなり大きな飛行機である電気推進式セスナ208Bグランドキャラバンでテスト飛行しました。
(eCaravanは、4〜5人の乗客を乗せ160 km(100マイル)飛ぶことができます。)

最近の技術革新は、eBeaverやeCaravanのような電動飛行機の実現に大きく貢献しています。

1つ目は、magniXの主な専門分野であり、飛行に必要な推力が生できる高度に最適化された高密度電気モータの開発です。
2つ目は、パワーエレクトロニクスにおける効率、動作電圧、耐熱性の急速な進歩です。
電動飛行機が現状直面する最後の、そして最も重要な制約は、バッテリー技術です。

ジェット燃料はリチウムイオン電池に対して40倍以上エネルギー密度が高いため、重量が大幅に増加し、総飛行時間が制限されます。
Harbour Airが飛行するような短い地域ルートは (電動飛行機が)理想的な最初の市場セグメントです。


「研究と業界での幅広い使用、複雑なパワーエレクトロニクスハードウェアの高速で正確なエミュレーション、優れたカスタマーサポートで、HILシステムとしてOPAL-RTを使用することにしました」


目的/課題


magniX's 750-hp electric motor
magniXの目的は、 eBeaverとeCaravanプロジェクトの両方で、テスト飛行の準備として電気推進コントローラーソフトウェアを迅速にテストすることでした。

このために、モータとインバーターをOPAL-RTリアルタイムシミュレーターを使用してシミュレーションし、プロトタイプのコントローラーモジュールで実行されている制御ソフトウェアを統合検証できるようにしました。
 
magniXは、電動にする際に、標準のタービンエンジンにもいくつかの変更を加えました。 冗長なチャネルに加えて、モータからプロペラへの動きを変換するために必要な従来の重いギアボックスを変える方法を設計しました。
先駆的なプロジェクトにおけるリアルタイムシミュレーションの長所は、すぐに確認出来るものが数多くあることです。
シミュレーションを使い、ユーザーは実現可能性を分析し、変数に繰り返し変更を加えて、結果への影響を確認できます。
ハードウェアに最初に何らかの変更を加える前に、これらのことを仮想的に行うことができます。


「目的は、飛行用に設計された制御ソフトウェアを非常に短期間でテストすることでした。
OPAL-RTシステムは、ソフトウェアの検証と妥当性確認に使用されるハードウェアの迅速なモデリングとエミュレーションに役立ちました」
Akshat Yadav, Power Electronics Engineer at magniX

解決手法

単純なR-L(抵抗、インダクタ)負荷モデルのエミュレーションから開始して、ハードウェア/ソフトウェア統合、完全なモータモデル統合に移行します。

R-L負荷モデルは、400 ns未満のタイムステップで実行されるFPGAベースのeHS(Power Electoronics ToolBox)を使用して作成され、RL負荷が接続されたインバータモデルをリアルタイムでエミュレートします。

eHSツールボックスは、さまざまな重要パラメータでリアルタイム測定へアクセスできます。 コントローラとR-L負荷の統合が成功した後、モータモデルがシステムに統合されました。

ツールボックス内で提供されるモータモデルは、妥当性の検証と確認に不可欠なソフトウェア機能洞察をするさまざまなモーターパラメーターへアクセスできます。

PythonベースのAPIは、テストを自動化して時間を節約し、人的エラーを減らすことに役立ちました。 

OPAL-RTシミュレータは、複雑なパワーエレクトロニクスシステムの迅速なモデリングとエミュレーションを行い、開発の初期段階でソフトウェアのバグを修正しました。


magniXは、OPAL-RTのFPGAベースのパワーエレクトロニクスツールボックス(eHS)を備えたOP5707を使用して、コントローラーの開発とテスト用にmagniDriveインバータとmagniシリーズモータをシミュレートしました。


結果

OPAL-RTシステムを使用した反復型開発とHIL検証は、magni500推進システムに統合されたmagniDriveインバータ用制御ソフトウェアの開発と検証に役立ちました。

この推進システムは、世界初の商用電気航空機(eBeaver)と世界最大の全電気商用航空機(eCaravan)の推進に役立ちました。

電気航空の長所の1つは、eBeaverの30分間の飛行の電力コストが約8.20ドルだったことです。同じ区間における標準eBeaverの燃料費は約$ 135.00です。

magniXは、HILシステムとして、OPAL-RTの使用を決定しました。理由は広範な研究と、業界での使用状況、複雑なパワーエレクトロニクスハードウェアの高速で正確なエミュレーション、および優れたカスタマーサポート等でした。

セットアップとインストールの間、OPAL-RTチームは非常に協力的で素早い対応でした。



初飛行が成功した後、格納庫でのmagniXチーム。 後ろはeBeaver。


「セットアップとインストールの間、OPAL-RTチームは非常に協力的で素早い応答でした。
OPAL-RTによって提供されたコネクタと周辺機器はシームレスで、制御モジュールと測定ユニットに対し簡単に統合できました。
OPALによって提供されたドキュメント、サンプル事例、トレーニング は、システムを素早くセットアップするのに役立ちました。」

Akshat Yadav, Power Electronics Engineer at magniX
お問い合わせ先
株式会社 NEAT
愛知県名古屋市千種区池下1-11-21
TEL:052-764-3311FAX:052-764-3632

Opal-RT Technologies,Inc.
1751 Richardson, Suite 2525 Montreal, Quebec, Canada, H3K 1G6
TEL:+1-514-935-2323FAX:+1-514-935-4994

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