モーターの選び方、トルクを見るか、出力を見るか。飛行機をモーターで離陸

質問

モーターの選び方、トルクを見るか、出力を見るか。飛行機をモーターで離陸速度まで加速することは可能でしょうか？

学校の自由課題で行き詰まってしまいました。アドバイスを頂けたらと思います。

飛行機が離陸する瞬間、
v:速度 v=64.137m/s
T:推力 T=126700N
r:タイヤの半径 r=0.483m
だとします。ここから、

ω:角速度 ω=v/r=1269rpm
τ:必要トルク τ=rT=61140Nm
P:必要な出力 P=τω=8126kW

ここで、エンジンを使わずにモーターでこの推力、速度を得ようと思います。

Pmax:最高出力 Pmax=240kW
τmax:最大トルク τmax=716Nm

トルクと出力の関係として、τ=P/ω とあるので、最大出力の値を使って計算をすると、
τ=240kW/1269rpm=1806Nm
となり、最大トルクよりも大きな値が出ます。
もし、このトルクの値を使うなら、単純計算で33個のモーターがあれば、必要トルクが出せることになります。
ギヤを使用すれば、トルクは大きくなりますから、もっと少ない個数で大丈夫なわけですが、
モーターが最大トルク以上のトルクを発生することって可能なんでしょうか？
又、この場合、モーターを選ぶ際、出力とトルクのどちらを見るべきなんでしょうか？

よろしくお願いします。

回答No.4

funflier · ベストアンサー

No.２です。お礼／補足のお返事を見てようやく内容が理解出来ましたが、ご自身でもおっしゃられ
るように、この発想自体若干無理を感じます。

飛行機をタイヤ駆動にして加速しようとしても、通常の飛行機では速度増加と共に、揚力が発生し、
離陸速度／ローテーション速度に達する前にタイヤグリップはどんどん失われるので、ある時点で
スリップして全く加速出来なくなります。仮に離陸速度まで出来たとしても、離昇と同時に減速して
接地を繰り返すだけです。もし機体改造して主翼取り付け角や滑走姿勢変更その他を施して
「ただ走るだけ」のものにすれば可能かもしれませんが、それでは「飛行機の形をした自動車」
で、しかも主翼分の大きな空気抵抗を持ったものであり、何のための飛行機ベースなのか意味
不明になります。これらを無視した、純粋な仮想ということだとは思いますが。

ただ、飛行機の電気装備としては、連続運転は出来ない出力をモーターに出させることは常用
されています。例えばエンジンにしても離陸推力を出せるのは５分以内等と決められます。
離陸時の推力を１００％とすると、巡航では６０％程度で済むので、初めから１００％を連続して
出せるエンジンを積むと過大で重くなり、「軽い」のが信条の飛行機では使わないのです。
そこで制限を決めて連続運転可能な出力より「ちょっと頑張らせて」使います。これは電気装備も
同じで、連続運転しないものは厳密に何秒以内等と時間制限（duty cycle）を定めて小型軽量の
モーターを選択します。

モーターのトルクや出力に詳しくはありませんが、エンジン同様、回転数でも最大値をとるところ
がトルクと出力では違う筈です。電気自動車／ハイブリッドカーも実用になってる現在ですので
その方面で調べてお考えになってはいかがでしょう。

お礼

お礼が遅くなって申し訳ありません。
確かに飛行機が離陸するとき、急に飛び上がるのではなく、徐々に浮いていきますね。
タイヤグリップが失われるというご指摘、なるほどと思うと同時に気がつかなかった自分に笑ってしまいました。

課題のテーマが変えられないので、タクシングの際の使用、又、離陸の滑走を始める時の最初の推進力に使用できないか、という方向で調べていきたいと思います。
詳しい説明、明確な指摘にとても助けられました。又、何かあれば質問させていただきたいと思います。

本当にありがとうございました。

回答No.3

masa2211

＞モーターが最大トルク以上のトルクを発生することって可能なんでしょうか？
不可能です。
出力とトルクと回転数の３つの縛りがあり、全部が許容値内である必要があります。
具体的には
飛行機が停止から動き出した瞬間は、ω＝0なので、τは無限大。
間違いなく、モーターが焼き切れます。
だから、電流を減らして、最大トルクに押さえ込むよう制御します。

なお、最大値はいろいろあって、
定格とか３０分定格とか。
定格は、何時間でもその値で大丈夫なもの。３０分定格は、30分なら大丈夫でそれ以上運転したら焼ききれる可能性があるもの。
飛行機の離陸は、おそらくは1分以内だから、最高出力や最高トルクは、短時間に対する出力/トルクが質問の性能であるとの意味にとります。

お礼

お礼が遅くなって申し訳ありません。
すべての数値が最大値以下でないとだめなんですね。
定格の説明、とてもわかりやすかったです。
ありがとうございました。

回答No.2

funflier

＞飛行機をモーターで離陸速度まで加速することは可能でしょうか？

現在、ラジコン模型等は、飛行機、ヘリコプター共にエンジンと遜色無いまでの性能の電動機
が出ています。小型かつ軽量、強力なリチウムイオンポリマー電池の出現によって可能となり
ました。これらは世界規模の競技でも使われる状況になってきており、無論飛行機は自力で
滑走して離陸しています。

理屈だけで言えば、エンジン機と大差無い推力と重量が実現出来れば実機サイズでも可能
でしょう。ですが、ご質問のこれ以降の内容が私には理解不能です。ラジコン飛行機でも、
ましてや実用サイズの実機でも、自力滑走・離陸滑走に「タイヤを駆動して」加速するもの
は皆無ですので、何故タイヤ半径や駆動トルクをお考えになっているのか解らないのですが。
（機体でなく、飛行機を乗せて加速するカタパルトとかダリーの類の話なのでしょうか？）

お礼

回答ありがとうございます。
ジェットエンジン機のタイヤを駆動式にして、着陸時の加速、タクシングができるようになれば面白いかなと思って始めた課題です。
プロペラの使用ではなく、電気自動車の様に駆動式のタイヤにするとどうなるのかと。

やはりアイデア自体ちょっと無理があったみたいですね（苦笑。

補足

ごめんなさい。間違えました。
着陸時ではなく、離陸時です。

回答No.1

debukuro

ややこしいことをしなくても電力さえ十分に供給できれば重量に対する出力は電動機の方が遙かに大きいです
電動機の弱点は移動可能な軽量電源が得にくいことです
鉄道船舶自動車では電動機の優位性は立証済みです
小型で大出力の電動機はいくらでもあります
電動機の問題ではないのです

補足

早速の回答ありがとうございます。

電力さえ確保できれば可能だということですね。
電源の重量が加算されるので、そこがネックになっているということでしょうか。

重ねてお伺いしたいのですが、電力が存分に供給されていると仮定した場合、その電動機で機体を既定の速度まで加速することが出来るという証明は"必要な出力が得られている"、ということで良いのでしょうか？

考えていたのは、必要トルク/出力がモーターによって得られていれば、そこから、モーターの重さを足し、又、不必要になった燃料の重さを引いて、逆計算して推力/速度を出そうと思っていたのですが、そう簡単でもなさそうですね。。。
考えれば考えるだけ、分からなくなっていく気がします。

モーターが33個となればそれだけで重量は結構あるのに・・・電源の重さに関してはすっかり失念していました。
ありがとうございます。