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Introdução:
Esta patente é fundamentada em uma Moto Voadora e um Sistema de Propulsão Eletromagnético; Sistema este que alimenta voo da moto. A moto voadora é concebida para que ela possa executar o voo eVTOL (electric Vertical Take Off and Landing – aeronave elétrica com capacidade para decolagem e pouso na vertical).
O Sistema de Propulsão Eletromagnético permite a operação da Moto Voadora habilitando o voo eVTOL. O Sistema de Propulsão Eletromagnético possui duas versões, sendo que esta patente apresenta as duas versões dos Sistemas de Propulsão.
O equipamento opera com um gerador de energia híbrido, sendo que utiliza etanol e/ou gasolina para alimentar um motor flex que alimenta as baterias; e estas baterias alimentam os sistemas de propulsão eletromagnético, nas duas versões.
A Moto Voadora utiliza 10 baterias para gerar de propulsão sendo 8 para os Sistemas de Propulsão Eletromagnético focado no voo vertical; e 2 baterias focado no Sistema de Propulsão Eletromagnético para voo horizontal. Além destas 10 baterias para propulsão, utiliza-se mais 1 bateria para dar partida do motor a etanol/gasolina.
Assim opera-se 8 baterias e 8 Sistemas de Propulsão Eletromagnético para executar o voo vertical para cima, voo pairado e voo para baixo; e 2 baterias e 2 Sistemas de Propulsão Eletromagnético para executar o voo horizontal para frente, voo parado e voo horizontal para trás; e estes mesmos 2 sistemas para executar voo guinado horário de anti-horário.
O motor a etanol / gasolina (com 100 Hp ou mais) opera para gerar energia alimentando o alternador (36 kW - 3600 rpm ou mais) que alimenta o retificador (10 saídas 12 V 300 Acc) , que alimenta as 10 baterias estas baterias alimentam os 10 Sistemas de Propulsão Eletromagnético com 300 Acc.
Os Sistemas de Propulsão Eletromagnético versão 1 e versão 2 são baseados nas Lei de Biot-Savart e Lei de Lorentz.
A navegação em voo é controlada pelo Sistema de Controle em Malha Fechada para operar com z (altitude), vx (velocidade horizontal); teta z (ângulo horizontal (medido pela bussola); teta x (estabilidade de voo vertical na direção x); teta y (estabilidade de voo horizontal há direção y); Estas variáveis de controle são planejadas e projetadas por um pacote de tomada de decisão que utiliza um Arduíno que monitora através de ultrassom as distâncias de objetos físicos (outras aeronaves acima, abaixo, a frente, a trás, a direita e a esquerda ou estruturas (a baixo, a frente, a trás, a direita e a esquerda), garantindo a segurança de voo, que deve e precisa ser certificada pela ANAC, SEPROD ou CENIPA.
As principais vantagens da Moto Voadora em relação às aeronaves eVTOL Flying Car são menor peso pois as baterias utilizam menos carga já que quem mantem as cargas ativas são os combustíveis de etanol e/ou de gasolina; gera maior autonomia pois as aeronaves eVTOL tem autonomia de 15 minutos e o etanol trabalha com 8 horas, usando um tanque de 100 litros; menor tempo de recarga, pois as baterias necessitam entre 4 e 7 horas para realizar a recarga elétrica e o tanque de etanol é carregado em cerca de 12 a 15 minutos em qualquer posto de gasolina; e poluem muito, com exceção no Brasil, que polui muito menos já a carga elétrica utiliza energia hidrelétrica, energia solar e energia eólica; já na América do Norte e na Europa utiliza-se combustível fóssil para recarregar as baterias.
Outra grande vantagem das Motos Voadoras é que como elas não possuem nem asas rotativas, nem rotores, mas sim Sistemas de Propulsão Eletromagnéticas, estas permitem o uso de paraquedas o que gera uma grande vantagem em comparação com helicópteros, e com aeronaves eVTOL, pois estas utilizam asas rotativas e rotores e desta forma estes equipamentos puxam o paraquedas para baixo, impedindo que eles operem de forma viável e segura. Outro fator de segurança é a utilização de várias baterias que permitem executar o pouso em segurança usando um número menor de baterias; e também usam motor a etanol o que se houver uma falha neste motor, as baterias conseguem executar o peso também em segurança.
A proposta das Motos Voadoras é oferecer a utilização para Profissionais de Emergência (bombeiros, salva vidas, ambulância, médicos, para médicos, polícia civil, polícia militar, polícia federal, exército, marinha e aeronáutica, e claro também para empresários, profissionais liberais e população civil.
Descritivo:
A Moto Voadora projetada pelo Engenheiro Valter Barbosa Junior é adaptada a qualquer motocicleta tradicional e operacional e em funcionamento; ou seja, qualquer motociclista pode apresentar sua moto para que ela venha a operar no voo VTOL, bastando unicamente que ele faça o brevê de pilotagem da Moto Voadora em 40 horas de treinamento. Pode-se ver a Moto Voadora na fig. 1.
Enquanto observa-se a planta da Moto Voadora na visão lateral Fig.1; observa-se também a planta da Moto Voadora na visão superior na Fig.2.
Na fig.1 e pode-se observar a montagem no motor a etanol (2) e o alternador (3) e a bateria de partida (5) e, também o radiador (4) para resfriar o motor em contato com os piloto e passageiro.
Na fig.1 e na fig. 2 observa-se as baterias de alimentação (6) do Sistema de Propulsão Eletromagnético para execução de voo vertical. E apresenta-se o Sistema de Propulsão Eletromagnético (8) para execução de voo vertical (para cima, pairado e para baixo) que é estabelecido utilizando-se duas versões. O Sistemas de Propulsão Eletromagnético serão detalhados a seguir. Já o Sistema de Propulsão Eletromagnético (8.2) é utilizado para voo horizontal (para frente, parado, para trás e guinado horário e anti-horário) e este sistema e controlado pelo Arduino (8.3) em redundância com dois sistemas de controle.
É necessário também o uso de um contrapeso (7) para executar o balanceamento em compensando o peso do motor a etanol, do alternador, da bateria de partida e do radiador. Outro sistema de execução de balanceamento nas direções x e y (frontal e lateral) é o servo mecanismo e o contrapeso no modelo de pêndulo (7.2) que estabiliza a inclinação da Moto Voadora operando em equilíbrio nas direções x e y.
A estrutura de segurança do paraquedas (9) e a capsula do paraquedas (9.2) onde ele é montado são construídas na parte frontal, traseira e superior da Moto Voadora.
Além do uso do paraquedas que executa segurança para voos elevados, a Moto Voadora também possui sistemas de airbags (10) que realizam segurança tanto para voos elevados quanto para voos mais baixos. Os airbags são usados internamente na aeronave, quanto também, para operação externa o que permite segurança também para pedestres, para veículos e para estruturas e objetos físicos.
Na parte posterior da aeronave apresenta-se o tanque de combustível (16) para voo usando 100 litros. Com 100 litros de etanol, a aeronave executa um voo com autonomia de 8 horas.
Nas fig.3 e fig.4 é apresentado a primeira versão do Sistema de Propulsão Eletromagnético que apresenta a bobina do estator (11), a bobina do propulsor (13) e a estrutura do estator (12). Este Sistema de Propulsão Eletromagnético opera com intensidade de corrente elétrica entre zero e 300 amperes. E trabalha com 8 Propulsores na vertical e 2 propulsores na horizontal. Os 8 propulsores na vertical operam para cima, pairado, para baixo e os 2 propulsores na horizontal operam para frente, parado, para trás e em guinada.
A fig.3 apresenta o Sistema de Propulsão Eletromagnético versão 1 com montagem em paralelo nas visões superior e lateral. E a fig.4 apresenta o Sistema de Propulsão Eletromagnético versão1 com montagem em série nas visões superior e lateral. Tanto a montagem em paralelo quanto a montagem em série permitem a construção de vários sistemas em paralelo quanto em série, onde a construção mínima e de duas unidades, pois o campo magnético opera em direção oposta, nas duas unidades.
Na fig.5 apresenta-se o Sistema de Propulsão Eletromagnético versão 2 na montagem da moto versão superior e a Fig.6 na montagem da moto versão lateral. Em ambas as fig.5 e fig.6 apresenta-se as bobinas estatoras (14) que gera o campo magnético na horizontal; e o condutor elétrico (15) que gera a corrente elétrica também na horizontal, mas perpendicular ao campo magnético; esta composição dos dois constrói uma força eletromagnética perpendicular a ambos (campo magnético e corrente elétrica). Esta força é baseada nas Leis de Biot-Savart e de Lorentz.
O Sistema de Propulsão Eletromagnético versão 2 está apresentado na montagem na Moto Voadora visão superior na Fig.5 e nas duas visões lateral Fig.6. A Fig6. são demonstradas duas vezes, pois são apresentadas para se observar a diferença entre e com a visão superior e a visão frontal. O Sistema de Propulsão Eletromagnético versão 2 também é representado na Fig.7 na visão frontal. O Sistema de Propulsão Eletromagnético apresentado na Fig.5, na Fig.6 e na Fig.7 mostra 6 bobinas estatoras (14) e 5 bobinas propulsoras (15). Contudo o conjunto demostrado pode trabalhar com outras quantidades de bobinas (3, 4, 5, 6, 7 ou mais) e outras quantidades de condutores elétricos (2, 3, 4, 5, 6 ou mais); sendo que estas montagens podem ser executadas em série ou em paralelo para cima, ou em conjunto para cima e para a lateral simultaneamente.
Na Fig.8 apresenta-se o Modelo Funcional de Carga de Etanol / Gasolina para Sistemas de Propulsão Eletromagnético. Apresenta-se inicialmente o Tanque de Combustível (17) de 100 litros ou mais (com 100 litros de etanol trabalha-se com uma autonomia de 8 horas).
O Motor Flex (18) usado tanto para etanol / gasolina no Brasil; e na América do Norte e Europa somente com gasolina. No Brasil o uso de etanol é viável pois o país Brasil trabalha com este combustível bio-energético; no entanto na América do Norte e na Europa não se usa etanol o que obriga aos cidadãos usar gasolina.
O Motor Flex (opera próximos a 3600 rpm) gera rotação para o Alternador. Este alternador (19) trabalha com 11 saídas (8 saídas para os 8 retificadores (20) as 8 baterias e para os 8 Sistemas de Propulsão Eletromagnéticos verticais; 2 saídas para alimentar os 2 retificadores, e as duas baterias e os dois Sistemas de Propulsão horizontais; e 1 saída para alimentar a bateria de partida do motor a combustão. Ou seja, trata-se de um modelo híbrido que usa combustível líquido (etanol / gasolina) para gerar energia e baterias para gerar eletricidade para os Sistemas de Propulsão Eletromagnético que geram as forças verticais e horizontais para a operação da Moto Voadora.
O Alternador (19) por tanto gera 11 saídas que alimenta os 11 retificadores (20), sendo que 10 deles são usadas para gerar uma corrente contínua para as baterias do Sistema de Propulsão Eletromagnético num valor estimado de 300 A para cada um dos retificadores (20); Os retificadores alimentam 10 baterias (21) dos propulsores verticais (oito baterias) e dos propulsores horizontais (duas baterias); e mais uma saída do alternador para alimentar a bateria de partida. O Alternador utilizando 10 baterias trabalha com 300 amperes; cada uma das 10 bateria opera com 12 V e 50 Ah; esta amperagem abastece os 10 Sistemas de Propulsão Eletromagnéticos (22) que operam com este valor de 300 amperes para execução da propulsão vertical e horizontal. O que significa que na Fig.9, cada saída do retificador gera 300 amperes, que carregam a voltagem da bateria que tem uma capacidade de trabalho de 50 Ah e alimenta o Sistema de Propulsão Eletromagnético com 300 amperes. Isto gera uma carga e uma descarga de 300 Amperes que geram uma capacidade de trabalho que dura 10 minutos; mas como a carga opera 100% do tempo usando combustível líquido (etanol / gasolina), este trabalho ocorre durante 8 horas usando 100 litros de etanol. Este trabalho de carga e descarga da bateria ocorre o tempo todo carregando eletricidade da bateria e descarregando eletricidade da bateria para alimentar o Sistema de Propulsão Eletromagnético).
Na Fig.10 demonstra-se o modelo funcional de utilização de Arduino (24) com Ultrassom (23), onde 6 sistemas de ultrassom geram medição de distância de qualquer objeto entre as direções verticais (zc – altitude acima; zb – altitude abaixo), direções laterais (ye – esquerda; yd – direita) e direções frontais e traseiras (xfr – direção frontal; xtr – direção traseira).
O Arduino (24) estabelece um aplicativo em software que monitora todas as distâncias medidas por cada um dos 6 ultrassons e realiza a decisão e ajuste de voo garantindo a segurança de voo da Moto Voadora. O Arduino trabalha com 2 equipamentos em paralelo para garantir redundância, pois se um deles falhar, o outro opera em segurança para executar o pouso seguro e desejado numa emergência.
Na Fig.11 apresenta-se o modelo funcional de planejamento e controle de voo. O sistema ultrassom (25) que apresenta os 6 sistemas de ultrassom (23) fornece para o Arduino (24) as 6 variáveis zc, zb, ye, yd, xfr, xtr.
E a operação de trabalho do Arduino opera com o Joystick (26.2) para o voo vertical; com o Joystick (26.3) para o voo horizontal; e com o botão de direção de voo (26.4) para o voo em guinada.
O Planejamento de Voo e Desenho de Futuro de Voo (27) é construído pelo Arduino (24) e utiliza-se a Tomada de Decisão para Execução de Voo (26); Esta tomada de decisão construída por algoritmo dentro do Arduino utiliza das 6 variáveis dos sistemas de ultrassom (zc, zb, ye, yd, xfr, xtr) para controlar a distância de objetos físicos (aeronaves, estruturas e pedestres) e os comandos de voo na vertical (26.2), na horizontal (26.3) e de guinada (26.4). Gerando para o Planejamento de Voo e Desenho do Futuro de Voo (27) as variáveis desejadas de voo de altitude z, de velocidade de voo horizontal vx e de ângulo de guinada teta z com total segurança. Planejamento este que alimenta o Controle de Voo (28) com as variáveis de altitude z, de velocidade horizontal vx, de voo com guinada teta z; e de inclinação frontal teta x e de inclinação lateral teta y.
Nas Fig.12 e Fig.13 apresenta-se o controle de altitude z e o controle de velocidade vx; Nas Fig.14 e Fig.15 apresenta-se o controle de guinada teta z e o controle inclinação teta x; e Na Fig.16 apresenta-se o controle de inclinação teta y.
Na Fig.17 apresenta-se o modelo funcional de controle de variáveis. Este controle opera em Malha Fechada e usa a variável desejada (33), a variável de amplificação (29), a planta a ser controlada (30), que no nosso caso controlam-se as força vertical e a força horizontal e usa-se o torque que controlar a guinada, e as inclinações frontal e lateral. A variável real (32) e a variável a ser controlada trabalha executando-se a medição com o instrumento de medição (31); instrumento este que gera e variável medida (34). Esta variável medida é subtraída da variável desejada (33) gerando a variável de erro (35) a ser controlado conforme desejado. Ou seja, a variável real (32) opera de maneira a obedecer a variável desejada (33).
Na Fig.18 e na Fig. 19 apresenta-se os circuitos elétricos de potência para alimentar tanto as bobinas estatoras (39) quanto as bobinas propulsoras (37) nas duas versões do Sistema de Propulsão Eletromagnético trabalham gerando corrente elétrica desde zero até 300 amperes. As bobinas das duas versões são construídas para trabalhar com 200 voltas em cada uma delas. As bobinas estatoras (39) operam com corrente constante de 300 A utilizando uma resistência de limitação de corrente (38); e as bobinas propulsoras trabalham com velocidade controlada, onde a corrente elétrica possui uma resistência de limitação de corrente (36) operando sua bobina com uma corrente que varia desde zero até 300 A. A combinação entre a corrente constante das bobinas estatoras (que gera um campo magnético constante) e a corrente controlada das bobinas propulsoras (que operam de zero a 300 A) geram a força eletromagnética construída pelo Sistema de Propulsão Eletromagnético operando e gerando as variáveis z, vx, teta z, teta x, e teta y.
Desta maneira a Moto Voadora consegue gerar controle de voo nas variáveis desejadas de altitude z, de velocidade de voo horizontal vx, de guinada teta z; e um controle de inclinação a partir de um controle desejado igual a zero nas direções x e y, o que define e garante a estabilidade vertical do sistema.
Deve-se observar também que as variáveis z, vx e teta z são controladas através do Sistema de Tomada de Decisão para Execução de Voo usando não somente as variáveis dos Joysticks (26.2 e 26.3) e a variável do Botão de Direção de Voo (26.4), mas também as variáveis medidas pelo sistema de ultrassom (zc, zb. ye, yd, xfr, xtr) permitindo assim, o controle de voo e sua execução de maneira desejada.
Requisitos:
A Moto Voadora deve estabelecer como requisitos de operação para a patente todas as variáveis, sistemas e subsistemas da motocicleta (1), incluindo motor flex (2), alternador (3), radiador (4), bateria de partida (5), baterias de propulsão (6), sistema de contra peso (7) e um sistema de estabilidade para voo vertical gerando um pêndulo nas direções x e y (7.2), os Sistemas de Propulsão Eletromagnético nas duas versões para voo vertical (8) e para voo horizontal (8.2), um sistema de estrutura de paraquedas (9) e sua capsula de paraquedas (9.2), as capsulas de airbags (10) e o Tanque de Combustível (16).
Os Sistemas de Propulsão Eletromagnéticos devem apresentar duas versões; sendo que as duas versões são demonstradas na versão 1 e na versão 2.
Na versão 1 do Sistema de Propulsão Eletromagnético, este controla a operação da bobina estatora (11), da bobina propulsora (13) e utiliza-se a estrutura da bobina estatora (12).
Já a versão 2 do Sistema de Propulsor Eletromagnético, este controla a bobina estatora (14) e a bobina propulsora (15). Apresentando as visões superior, lateral e frontal.
É importante observar que os modelos de voo do Sistema de Propulsão Eletromagnético na versão 1 pode operar com diversos sistemas em paralelo ou em série, sendo que cada um deste opera com um par para cada sistema, uma vez que cada par do sistema da versão 1 opera com campos magnéticos com direções contrárias; os modelos da versão 1 podem operar cada um com 2 conjuntos, ou 4, 6, 8, 10 ou mais sistemas de bobinas usando as bobinas estatoras e as bobinas propulsoras.
Já o modelo de voo do Sistema de Propulsão Eletromagnético na versão 2 pode operar também com vários sistemas em série, utilizando-se de 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 bobinas ou mais para alimentar as bobinas estatoras; e 2,3,4,5,6,7,8,9 ou mais para alimentar as bobinas propulsoras. Além deste conjunto de bobinas estatoras, e propulsoras este Sistema de versão 2 pode ser montado com um novo conjunto de propulsores em montagem na direção superior e em montagem na direção lateral, permitindo assim aumentar a força eletromagnética gerada em paralelo por estes conjuntos de sistemas da versão.
As variáveis de controle de altitude, de velocidade horizontal, de guinada e de inclinação nas direções x e y, são fundamentais para a execução de controle de translado e de segurança de voo, onde esta operação é construída pelo Arduíno em software, onde este Arduino utiliza de duas funções para garantir a redundância na navegação.
O modelo funcional de carga de etanol / gasolina para Sistema de Propulsão Eletromagnético (22) usa o tanque de combustível (17) de no mínimo 100 litros, para alimentar o motor flex (18) de 100 Hp ou mais; este motor alimenta o alternador (19) que em 11 unidades de saída alimenta os retificadores; e em cada uma destas saídas dos retificadores (20) em 11 unidades (8 unidades dos Sistemas de Propulsão Eletromagnético vertical; duas unidades para os Sistemas de Propulsão Eletromagnético de velocidade horizontal; e mais uma unidade para bateria de partida). Todos os sistemas de controle de altitude z, de velocidade vx, de guinada teta z, de inclinação do voo teta x e teta y são utilizados pelo Sistema de Controle em Malha Fechada.
A saída dos retificadores opera com cada uma destes de forma a carregar as baterias, cada uma destas baterias trabalham com carga e descarga de 300 Amperes para de alimentação; as Baterias trabalham com capacidade de 12 V e 50 Ah operando durante 10 minutos, tanto para carga quanto para a descarga; Todas as baterias operam o tempo todo carregado (até o tanque de combustível apresentar valor próximo de zero), pois a entrada das baterias opera com 300 amperes, assim como na saída baterias com 300 Amperes, que permitem alimentar as bobinas propulsoras do Sistema de Propulsão Eletromagnético de zero a 300 amperes e as baterias dos sistemas são carregadas e descarregadas em 300 A e com sua capacidade de 50 Ah para cada bateria.
Nas saídas dos Sistemas de Propulsão das Bobinas Propulsoras existe um transistor de potência (40) para alimentação das bobinas com corrente elétrica variável de zero a 300 amperes, aumentando ou diminuindo o valor das variáveis z, vx, teta z, teta x e teta y. Já na saída dos Sistemas das bobinas estatoras existe uma chave liga-desliga (41) para definição de uma corrente constante no valor de 300 amperes.
Portanto todas estas informações e variáveis são necessárias para o depósito da Patente no INPI.
