電動航空機および“More Electric Aircraft（MEA）”向けモータおよびインバータ試験における課題

近年、電動航空機やMore Electric Aircraft（MEA）への関心が高まっています。これには、全電動の新型航空機をはじめ、ドローン、硬式飛行船、さらには高効率化・電動化されたコンポーネントを搭載した従来型航空機まで、様々なものが含まれます。これらのシステムおよびコンポーネントの検証は、航空宇宙分野特有の試験要件に加え、システム自体の高度な複雑性により、多くの課題を伴います。航空宇宙試験では、飛行機や部品が飛行する前に、すべての電気的・機械的システムに対して厳格な信頼性試験と検証が求められます。高い信頼性を実現するための様々な技術によって、設計面だけでなく計測・測定面においても技術的な課題があげられます。

多数のモータを使用する構成や多相モータの採用は、地上用途と比較して、より高いレベルの複雑性が要求されます。本稿では、電動航空機の試験において見られる課題のいくつかについて詳述するとともに、HBKのeDriveシステムが、テストスタンドの設置、高度に複雑な試験、高周波電力の測定、エレクトロメカニクス試験、および高電圧試験といった課題の克服にどのように貢献するかについて解説します。

HBK eDriveパワーアナライザは、電動航空機のパワートレインの開発および検証に最適な測定システムとなる独自の特長を備えています。eDriveソリューションは、複雑な試験を、より簡素化し、さらに迅速に実施することを可能にし、試験に対する高レベルのトレーサビリティを提供します。これは、電気的・機械的多チャンネルから連続データを記録し、そのデータをリアルタイムで処理して、パワーや効率の演算を行うことで実現します。

初期の完全電動推進システムの多くは、主推進源として1基または複数の電動プロペラを採用しています。電動推進を新しい輸送手段として捉えるグループがある一方で、内燃機関方式と比較した場合の電動推進の効率性を実証しようとするグループもあります。そのためには、航空機全体のパワートレインにおいて、非常に高い効率を達成・実証することが求められます。また、機体の航続距離を最大化し、市場性を高めるためにも、最高レベルの効率を実現することが重要となります。パワートレイン全体の総合効率を数値として示し、その数値に基づいて所定の航続距離で安全に飛行できるという確信を得るためには、パワートレインを構成するすべてのコンポーネントに対する包括的な試験が不可欠です。電動プロペラの場合、1台または複数のインバータ、モータ、そしてプロペラが試験対象に含まれます。

この種の推進方式における電動パワートレインを、図1に示します。電源がインバータに電圧／電流を供給します。インバータは、交流または直流電力を入力し、それを可変周波数の交流電圧／電流に変換します。自動車や産業用途では交流電力は3相であることが一般的ですが、航空宇宙分野では冗長性確保のため、6相、9相、あるいはそれ以上の多相構成が採用されるケースが一般的になっています。このn相電流がモータに供給され、トルクと回転数を発生させることでプロペラを回転させ、空気の流れと推力を生み出します。システム全体の総合効率ならびに各コンポーネントの効率を評価するためには、上記に挙げたすべてのパラメータを計測することが必要となります。

プロペラ効率を計算するためには、推力および空気流量（空気の動き）の計測が必要となり、これらからプロペラ出力を求めます。これらの計測項目に加え、一般的なモータ試験で行われるトルク、回転数、電圧、電流の計測が必要になります。そのため、高精度な電力計測や回転出力計測が可能な計測システムだけでは、同時に、プロペラ効率計算に必要な追加信号を取得できない場合があり、計測システム設計上の課題になります。これらを単一の計測装置で連続した計測チェーンとして測定することで、すべての信号が時間的に同期され、最も高い精度の結果を得ることができます。

テストスタンドの設計においては、柔軟性が高く、さまざまな試験に対応できることが望まれます。電気パワートレインの完全な検証には、ダイナモメータによる負荷試験からなる従来のモータ検証に加え、プロペラやその他の機械要素を含めた、プロペラ全体の効率検証が求められる可能性が高いです。図2に示すテストスタンドは、プロペラの総合効率試験を行うことを目的としていますが、従来の負荷装置と組み合わせることで、モータやインバータの詳細な効率分析を行うことも可能です。このテストスタンドは、推進システムを取り付けるための高剛性の支持構造、推力を測定するためのロードセル、モータシステム、トルクセンサ、カップリングおよび取り付けブラケット、合わせてプロペラまたは負荷装置を取り付けるためのアタッチメントで構成されています。このテストスタンドには、n相電流用センサ、電圧の直接計測、および空気流量（空気の動き）を計測する流量センサが備えられます。温度、騒音、振動を測定するセンサも簡単に追加することができます。図1に示すように、これらのセンサは単一のeDriveシステムに直接接続され、シンプルかつ体系的な試験を実現します。

電動プロペラの試験には、効率を適切に評価するためにパワートレインの全運転範囲の特性評価が求められます。すなわち、正確な航続距離を算出するためには、プロペラの全飛行サイクルを正確に評価する必要があります。航空機はまた、飛行中に発生し得る外乱や故障にも対処できる必要があります。これらのさまざまな効率特性や運用条件を評価するために、試験では回転開始、離陸、定常飛行、ならびに想定される外乱事象を含めた試験が行われます。これら各運転状態では、それぞれ異なる計測値・評価項目が対象となります。モータ起動時の試験では、効率や消費電力を含む、機械の動特性が評価されます。定常飛行の試験では、異なる空気密度条件における効率を評価するとともに、外乱の影響を排除（または低減）した評価が可能となります。故障試験では、何が起こったのか、その原因、そして故障時にシステムがどのように動作したかを検証します。

図3は、これらすべての運転状態を組み込んだ電動プロペラ試験の一例を示しています。試験開始時には、初期段階で非線形な出力特性が現れることから、プロペラは非常に非線形な挙動で回転を開始します。その後、プロペラは一定時間定常状態で動作し、その後、外乱を排除する動作が求められます。この外乱は、3つすべてのパワー値が一時的に低下していることから確認できます。プロペラの停止につながる不具合が発生した時点で、試験は終了します。

この試験は、数分間にわたって実信号とパワーレベルの両方を連続的に測定できるため、エンジニアにとって非常に有益な試験です。エンジニアは、回転開始や外乱などの制御イベントに対して正確なパワーを把握できるため、実際の負荷条件下でシステムの校正や調整を行うことが可能になります。動的パワーデータにより、エンジニアは飛行中の効率を把握することができます。最後に、故障発生時のデータに加え、故障に至るまでの時間データを取得できることで、エンジニアは問題の原因を認識し、適切な対策を講じることが可能となります。

電気およびメカニカル信号のすべてのデータを正確に記録できる単一のシステムで、これらすべての試験を実施できることは、試験手順を大幅に簡素化することになるでしょう。パワー測定の性質上、システム全体や動的パワーの特性評価は、想像されるほど単純なものではありません。効率評価のためのパワー計測では、インバータから出力される交流波形と同一の時間軸上で平均化された値を用いる必要があります。これを実現するには、すべての電気およびメカニカルデータを同一のタイムスタンプで取得し、同一周期にわたって平均化する必要があります。この点については、後ほどさらに詳しく説明します。

こうしたシステムレベルの試験を行うことで、システムレベルでの相互作用を把握できるだけでなく、コンポーネントレベルの最適化や設計変更を行うための正確な情報を得ることができます。

システムレベルの試験では、複数台のメカニカルの効率性、複数台のメカニカル制御、および温度や振動の特性評価といった追加の課題があり、その結果、試験要件がより厳しくなり、様々な入力データや演算が必要となります。eDriveシステムにより、ユーザーはこれらすべての信号を長期間にわたって継続的に測定することができ、開発のスピードアップと設定の簡素化を実現します。

電動航空機の推進力を計測するための多様な信号に加えて、複数の機器構成や、ギヤステージを有する機構や冗長インバータなど、より高い高度で複雑な機能を有する機器が含まれる場合もあります。より高度なテスト環境を構築するには、従来のシステムとのハードウェアおよびソフトウェアの両面において、統合作業が必要となる場合があります。多チャンネルおよび多様な信号の計測に加え、eDriveシステムは、セットアップおよび可視化を簡素化するための高度なソフトウェアを備えています。

ドローンは、4基以上のモータおよびインバータを備え、それぞれが独立して動作する複数の電圧および電流系統を持つ複雑なシステムの一例です。各モータ／インバータにはそれぞれ固有の効率がありますが、それらはサブシステムの効率やシステム全体の効率にも寄与しています。しかし、これは、今まで採用されることが少ない、独自のパワートレインであるため、このような構成や特定コンポーネント要件を満たす、特化された計測器が存在しない可能性が高く、計測上の課題となります。単なる測定結果だけでなく、ユーザは経営陣や顧客に説明用としてのパワートレインのグラフ表示を必要とする場合があります。

eDriveシステムは、多数のチャンネルを単一のデータ収集ユニットに集約することでこれらの課題に解決しており、ユーザが独自のパワートレイン構成を設計できるGUI ”eDrive Creator”というソフトウェアを備えています。パワートレインのコンポーネント、入力および出力を定義し、効率を算出するために、ブロックをドラッグ アンド ドロップして、システムを構築します。これにより、多数のパワーステージやパワーデバイスを含む複雑な設定も容易に解析できるようになります。eDrive Creatorは、リアルタイムで計算されるパワーおよび効率の演算式を自動的に生成します。チャネル数の多いシステムでは、これによりハードウェアおよびソフトウェアの構成が簡素化されるだけでなく、ポスト処理時間も短縮されます。

図4は、コントローラの機能と効率を検証するために機器が取り付けられた、4つの電動プロペラを備えたバッテリ駆動ドローンの試験設定の一例を示しています。ドローンのバッテリ電力は4台のインバータに供給され、直流電力を4台のモータ用の交流電力に変換します。この試験では、エンジニアはドローンの離陸シーケンス中におけるパワーおよび効率の特性評価を目的としていました。そのためには、各インバータとモータの組み合わせのパワーと効率、およびシステム全体の効率を測定する必要がありました。”eDrive Creator” ウィンドウには、各パワートレイン･コンポーネントとその名称、およびシステム全体の効率が表示され、ユーザーに分かりやすく情報を提供します。ユーザが1つまたは複数のブロックをクリックすると、そのブロックの個別信号を表示できる波形表示エリアが開きます。

図5は、1台のプロペラが機能していない状態でのクアッドコプタの離陸例を示しています。3つのチャンネルにおいて、RMS電圧と電流が増加していることが確認できます。2つのプロペラはある程度の動的変化を伴いながら安定していますが、3つ目のプロペラは故障したプロペラを補うため、非常に大きく変動する動作を示しています。このような試験は、正常動作時および故障時におけるシステムコントローラの挙動を理解するための重要な情報を提供します。

クアッドコプタのような複雑な試験においては特に、他の試験と同様の可視化や記録が重要です。一度構成が設定されると、その演算式は次回の試験時にも同様に展開され、実行されます。記録されたすべてのデータおよびリアルタイムで計算されたデータは、ハードディスク容量が許す限り保存されるため、データ欠損や必要なトリガイベントの欠落することなく、ユーザはシステムダイナミクスなどを含む完全なテストデータを実行・確認することが可能となります。

これらの表示画面により、ユーザは試験の進行状況をリアルタイムで確認できるほか、試験完了後に結果を確認・検証することも可能です。この機能はeDriveソフトウェアに標準搭載されており、ユーザは試験設定を大幅に変更する手間をかけずに、試験環境を容易に変更することができます。