JP2011130661A

JP2011130661A - 二重反転可能発電機

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Publication number: JP2011130661A
Application number: JP2010281202A
Authority: JP
Inventors: Peter David Toot; ピーター・デビッド・トゥート
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2011-06-30
Anticipated expiration: 2030-12-17
Also published as: CA2723349C; EP2337192A3; US20110148237A1; JP5815941B2; EP2337192B1; US8063528B2; EP2337192A2; CA2723349A1

Abstract

【課題】広範囲のエンジン運転速度にわたり多大な量の電力を提供するのに使用することができる、航空機ターボファンガスタービンエンジン用発電機を提供する。
【解決手段】二重反転可能発電機１８０は、同心の二重反転可能半径方向内側極ロータ２１６及び外側マグネットロータ２１２と、同心状にある発電機ステータ１８６を含む。マグネットロータ２１２が極ロータ２１６を囲み、極ロータ２１６が発電機ステータ１８６を囲む。ロータエアギャップ１３０がマグネットロータ２１２及び極ロータ２１６間に配置され、変圧器エアギャップ２２４が極ロータ２１６及びステータ１８６間に配置される。マグネットロータ２１２は、円周方向に交互する北／南及び南／北の方位を有するマグネット２１４の円形アレイを含み、該円形アレイがマグネット保持リング２１５内に保持され、該マグネット２１４は、非磁性材料のスペーサ２１３により互いに円周方向に分離される。
【選択図】図４

Description

本発明は、発電機及びモータに関し、より詳細には、二重反転可能ロータを備えた発電機及びモータに関する。

航空機システムは、次第に、発電用の他の応用のような、益々大きな電気負荷に対応するよう設計されている。電力は、航空機並びに他の移動体を作動させるエンジンから機械的に抽出される。比較的低出力レベルで航空機エンジンが作動している場合、例えば、高所から緩慢に降下する間、エンジン機械的出力からの電力抽出は、エンジンを適切に作動させる能力を低下させる可能性がある。航空機出力のより大きな需要量を必要とする現在のターボファン航空機ガスタービンエンジンは、コア駆動ギヤボックスに装着される極めて大型の発電機を利用する。進入のような低推力且つ高電力が必要とされる飛行条件では、コアエンジンは、電力需要を保持するために高速で稼働しなくてはならないが、進入速度を維持するのに損なわれる推力がより多く生じる結果となり、従って、燃料効率が低下する。

電力は、ガスタービンエンジンにおける高圧（ＨＰ）エンジンスプールから抽出することができる。ＨＰエンジンスプールの比較的高い運転速度により、エンジンに接続された発電機を駆動する機械的動力源が理想的なものになる。しかしながら、発電機を駆動するためにＨＰエンジンスプールにだけ依存するのではなく、エンジン内の他の発生源から動力を引き出すことが望ましい。低圧（ＬＰ）エンジンスプールは、動力伝達装置の代替の発生源を提供するが、低速度の発電機は、高速度で作動する類似の定格発電機よりも大型であることが多いので、比較的低速度のＬＰエンジンスプールは通常、ギヤボックスの使用を必要とする。ＬＰロータ又はスプールから切り離されて作動する発電機は、速度を上昇させるためにＬＰロータ又はギヤボックスの速度が低速であることに起因して、大型の発電機を必要とする。これらの発電機は、単一ロータ及びステータ構成である。

米国特許第７，５０８，１５７号公報

従って、広範囲のエンジン運転速度にわたり多大な量の電力を提供するのに使用することができる、航空機ターボファンガスタービンエンジン用発電機に対する必要性がある。

二重反転可能発電機は、発電機ステータと、二重反転可能半径方向内側極ロータ及び外側マグネットロータとを含み、全て同心状にある。二重反転可能発電機の１つの実施形態において、半径方向外側マグネットロータが半径方向内側極を囲み、半径方向内側極が発電機ステータを囲み、ロータエアギャップがマグネットロータ及び極ロータ間に配置され、変圧器エアギャップが極ロータ及びステータ間に配置される。マグネットロータは、円周方向に交互する北／南及び南／北の方位を有するマグネットの円形アレイを含み、該円形アレイは、非磁性材料のスペーサにより互いに円周方向に分離されるマグネット保持リング内に保持される。

極ロータの更に特定の実施形態は、軸方向に延びる回転可能棒状極の１つ又はそれ以上のセットをそれぞれ支持する１つ又はそれ以上の極ハブを有する１つ又はそれ以上の極組立体を含む。棒状極の各々が、極ハブのそれぞれから外側棒状部に半径方向外向きに延びたコネクタにより極ハブのそれぞれに接続された軸方向に延びる外側棒状部を含む。非磁性材料が極組立体間に軸方向及び半径方向に配置される。非磁性材料は、極組立体間に軸方向及び半径方向に配置されるアーバーの形態とすることができる。極ハブ及び棒状極が磁性鋼から作られる。

ステータの更に特定の実施形態は、シャフト又は環状ハブ上の均等に分散され又は等距離に離間して配置される環状軸方向極の周りの軸方向巻線と、第１及び第２の軸方向巻線間のステータ円筒形シャフト又は環状ハブ上に軸方向に中心を置いたほぼ円筒形又は環状極ハブから半径方向外向きに延びる半径方向コアとを含む。半径方向コアは、極ハブの周りに等角度に間隔を置いて配置され、半径方向巻線が半径方向コアの周りに巻かれる。

代替のステータは、ステータ円筒形シャフト又は環状ハブから半径方向外向きに延び且つ等距離に間隔を置いて配置される半径方向コアのステータ円筒形シャフト又は環状ハブのセットを含む。このセットの各々の半径方向コアは、ステータ円筒形シャフト又は環状ハブの周りに等角度に間隔を置いて配置され、半径方向巻線が半径方向コアの周りに巻き付けられる。

二重反転可能発電機は、デルタ結線及び／又はＹ結線固定巻線を有する軸方向に隣接するステータ極を備えたステータ円筒形シャフト又は環状ハブを有するステータを含むことができる。

ステータは、Ｙ結線することができ、二重反転可能発電機がＮ個の相を備えた多相である。次いで、ステータ円筒形シャフト又は環状ハブが同じＮ個のＹ結線固定巻線を有し、Ｙ結線固定巻線全てが半径方向巻線とすることができる。ステータの更に特定の実施形態は、シャフト又は環状ハブの対向する端部にＹ結線固定軸方向末端巻線を含み、軸方向末端巻線間のＹ結線固定巻線全てが半径方向巻線である。

二重反転可能発電機は、デルタ結線ステータを有し、Ｎ個の相を備えた多相とすることができる。ステータ円筒形シャフト又は環状ハブは、同じＮ＋１個のデルタ結線固定巻線を備えたＮ＋１個のステータ極を有する。デルタ結線固定巻線全てが軸方向巻線である。ステータの更に特定の実施形態は、シャフト又は環状ハブの対向する端部にデルタ結線固定半径方向末端巻線を含み、軸方向末端巻線間のデルタ結線固定巻線全てが軸方向巻線である。

二重反転可能ブースタ段を備えた航空機ターボファンガスタービンエンジンに配置された二重反転可能発電機の例示的な実施形態の長手方向断面図。図１に示す二重反転可能発電機のより詳細な拡大長手方向断面図。図２の線３−３からみた、二重反転可能発電機が駆動される差動ギヤボックスの軸方向図。図２に示す二重反転可能発電機の部分切り欠き斜視図。図４の線５−５からみた、二重反転可能発電機のステータの固定半径方向巻線の立面図。図４に示す二重反転可能発電機の極ロータの斜視図。図６に示す極ロータの拡大斜視図。図４に示す二重反転可能発電機のステータの斜視図。４つのＰＭＧマグネットを有する代替の単相二重反転可能発電機の断面図。図９の線１０−１０からみた二重反転可能発電機の軸方向断面図。図４に示す二重反転可能発電機の代替のステータの斜視図。二重反転可能発電機の３相Ｙ結線ステータの概略図。二重反転可能発電機の３相デルタ結線ステータの概略図。単一の軸方向巻線を有する単相ステータを備えた二重反転可能電気オルタネータの軸方向断面図。３相Ｙ結線された軸方向及び半径方向ステータ巻線を備えた二重反転可能発電機の軸方向断面図。図１５に示す発電機の全て半径方向ステータ巻線を備えた３相Ｙ結線ステータの軸方向断面図。３相デルタ結線軸方向ステータ巻線を備えた二重反転可能発電機の軸方向断面図。図１７に示す発電機の軸方向及び半径方向ステータ巻線を備えた３相デルタ結線ステータの軸方向断面図。軸方向及び半径方向ステータ巻線を備えた多相Ｙ結線ステータの軸方向断面図。半径方向ステータ巻線のみを備えた多相Ｙ結線ステータの軸方向断面図。軸方向ステータ巻線のみを備えた多相デルタ結線ステータの軸方向断面図。半径方向ステータ巻線と、これらの間に軸方向ステータ巻線のみとを備えた多相デルタ結線ステータの軸方向断面図。

本発明の上記の態様及び他の特徴は、添付図面を参照しながら、以下の明細書において説明される。

図１及び２には、エンジン中心線８の回りを囲み、周囲空気５の入口空気流を受け取るファンセクション１２を有する例示的なターボファンガスタービンエンジン１０が図示される。ファンセクション１２は、ファンブレード１４の単一のファン段１０４を含む。ファンセクション１２の下流側には、二重反転可能なブースタ段の第１及び第２のセット１５、１９を備えた二重反転可能ブースタ１６がある。ブースタ段の第１のセット１５は、回転可能なブースタブレード１７の第１、第３、及び第５のブースタ段３８、４０、４２を含む。ブースタ段の第２のセット１９は、二重反転可能なブースタ段６５を備えた二重反転可能な第２及び第４のブースタ段６２、６４を含む。ブースタ段の第１及び第２のセット１５、１９の１つは、エンジン中心線８の回りに時計回りに回転可能であり、ブースタ段の第１及び第２のセット１５、１９の他方は、エンジン中心線８の回りに反時計回りに回転可能である。従って、ブースタ段の第１及び第２のセット１５、１９は、互いに二重反転可能であるように説明することができる。

第１、第３、及び第５のブースタ段３８、４０、４２は、第１、第３、及び第５のブースタブレード列４８、５０、５２をそれぞれ有する。第２及び第４のブースタ段６２、６４は、第２及び第４のブースタブレード列６６、６８をそれぞれ有する。第１及び第３のブースタブレード列４８、５０は、第２及び第４のブースタブレード列６６、６８と噛み合う。

図１を参照すると、ファンセクション１２に続いて、高圧圧縮機（ＨＰＣ）１８と、ＨＰＣ１８により加圧された空気５と燃料とを混合して、高圧タービン（ＨＰＴ）２４を通って下流側に流れる燃焼ガスを発生させるようにする燃焼器２０と、燃焼ガスがエンジン１０から排出される低圧タービン（ＬＰＴ）２６とがある。高圧シャフト２７は、ＨＰＴ２４をＨＰＣ１８に連結する。高圧圧縮機１８、燃焼器２０、及び高圧タービン２４は総称してコアエンジン２５と呼ばれ、本発明においては高圧シャフト２７を含む。

図１及び２を参照すると、単一のファン段１０４は、低圧シャフト３０により低圧タービン２６に駆動可能に接続される。ブースタ段の第１のセット１５はまた、低圧シャフト３０に駆動可能に接続される。ブースタ段の第２のセット１９は、ファン段１０４に対して二重反転可能であるように差動歯車ギヤボックス５６を介して低圧シャフト３０に駆動可能に接続される。ギヤボックス５６は、二重反転可能ブースタ１６のブースタ段の二重反転可能な第１及び第２のセット１５、１９の半径方向内方に位置付けられたエンジンのブースタキャビティ５７内に配置される。

ギヤボックス５６は、図３に更に示すように、ファンフレーム３４により支持される環状キャリア２０２と、環状キャリア２０２から片持ちされるピン２０６上に回転可能に装着されたプラネタリギア２０４とを含む。サンギア２０８は、プラネタリギア２０４と噛み合い、該プラネタリギア２０４の半径方向内方に回転可能に装着され、リングギア２１０は、プラネタリギア２０４と噛み合い、該プラネタリギア２０４の半径方向外方に回転可能に装着される。サンギア２０８は、低圧シャフト３０により低圧タービン２６に駆動可能に接続される。サンギア２０８は、プラネタリギア２０４を駆動するよう動作可能であり、該プラネタリギア２０４は、サンギア２０８に対して二重反転してリングギア２１０を駆動するよう動作可能である。ブースタ段の第２のセット１９は、ファン段１０４及びブースタ段の第１のセット１５に対して二重反転可能であるようにリングギア２１０に接続される。

図１及び２には、ブースタキャビティ５７内に配置された二重反転可能発電機１８０が示される。二重反転可能発電機１８０は、エンジン中心線８と一致する回転軸を有し、発電機ステータ１８６がその周りに配置される。発電機ステータ１８６は、ファンフレーム３４に装着されてこれにより支持される。半径方向内側極ロータ２１６は、発電機ステータ１８６を囲み、半径方向外側マグネットロータ２１２は、半径方向内側極ロータ２１６を囲み、エンジン作動中に二重反転する。半径方向外側マグネットロータ２１２は、半径方向内側極ロータ２１６に対して二重反転可能である。極ロータ２１６は、低圧シャフト３０により低圧タービン２６に駆動可能に接続され、従って、ファン段１０４及びブースタ段の第１のセット１５と共回転可能である。マグネットロータ２１２は、リングギア２１０に駆動可能に接続され、従って、極ロータ２１６に対して二重反転可能であり、ブースタ段の第２のセット１９と共回転可能である。発電機ステータ１８６は、ファンフレーム３４に装着され且つこれにより支持される。半径方向外側マグネットロータ２１２及び半径方向内側極ロータ２１６並びに発電機ステータ１８６は、本明細書で例示されるようにエンジン中心線８と一致する中心線の周りで同心である。更に、本明細書で示される二重反転可能発電機１８０の例示的な実施形態において、半径方向外側マグネットロータ２１２及び半径方向内側極ロータ２１６並びに発電機ステータ１８６は、軸方向に同一の広がりを有する。二重反転可能発電機１８０は、マグネットと極ロータ２１２、２１６との間にロータエアギャップ１３０と、極ロータ２１６とステータ１８６との間に変圧器エアギャップ２２４とを含む。本発明の出願人に譲受された、２００９年６月１５日出願の名称「ＣＯＵＮＴＥＲ−ＲＯＴＡＴＡＢＬＥＧＥＮＥＲＡＴＯＲ（二重反転可能発電機）」の特許出願２３０３１７−２では二重反転可能発電機が開示され、当該特許出願は引用により本明細書に組み込まれる。

図４及び５においてより詳細に示されている二重反転可能発電機１８０は、巻線をＹ結線又はデルタ結線の何れかで接続することができる３相１２極二重反転永久磁石発電機（ＰＭＧ）である。図６及び８に示す二重反転可能発電機１８０は、該二重反転可能発電機１８０の説明において簡単にするために図示された３相６極二重反転永久磁石発電機（ＰＭＧ）である。図４を参照すると、二重反転可能発電機１８０は、ステータ１８６、極ロータ２１６、及びマグネットロータ２１２を含む、永久磁石発電機（ＰＭＧ）である。マグネットロータ２１２は、円周方向に交互する北／南及び南／北の方位Ｎ、Ｓを備えたマグネット２１４の円形アレイを含む。マグネット２１４は、マグネット保持リング２１５内に半径方向に保持される。マグネット２１４は、非磁性材料のスペーサ２１３により互いに円周方向に分離される。

図４、６、及び７を参照すると、極ロータ２１６は、軸方向に延びる回転可能棒状極２４２の対応する第１、第２、及び第３のセット２３６、２３８、２４０を支持する第１、第２、及び第３の極ハブ２３０、２３２、２３４を有する第１、第２、及び第３の極組立体２２５、２２７、２２９を含む。棒状極２４２の各々は、半径方向に延びるコネクタ２４６により第１、第２、及び第３の極ハブ２３０、２３２、２３４のそれぞれに接続された軸方向に延びる外側棒状部２４４を含む。コネクタ２４６は、第１、第２、及び第３の極ハブ２３０、２３２、２３４のそれぞれから外側棒状部２４４に半径方向外向きに延びる。３つの極組立体は、３相動作及び発電の発電機を提供する。

アーバー２１９の形態とすることができる非磁性材料２１７は、第１、第２、及び第３の極組立体２２５、２２７、２２９間に軸方向及び半径方向に配置される。非磁性材料２１７は、透明な網掛けとして示され、極ロータ２１６に中実の円筒形環状形状を与えるのを助ける。非磁性材料２１７は、明確にする目的で図４及び７には示されていない。

図４、６、及び７に示された極ロータ２１６は、３つのハブと、１２の極とを有し、各極が１つの棒状部と１つのコネクタとを備える。極ロータ２１６の代替の実施形態は、様々な数のハブ及び各ハブ上に様々な数の極を含むことができる。ハブ及び極の組み合わせは、磁性鋼から作ることができ、均質又は積層化することができる。積層体は、エンジン中心線８に沿って軸方向にスタックすることができる。積層体の別の可能性のある向きは、中心線８に沿って軸方向にスタックされる積層体のハブ及び棒状セクション、並びにハブ及び棒状セクションとコネクタとの間にほぼ円周方向にスタックされるコネクタセクションに向けたものである。

図４、５、及び８を参照すると、ステータ１８６は、軸方向に隣接する半径方向及び軸方向極２６６及び２２６上の固定巻線２２８を有するステータ円筒形シャフト又は環状ハブ２７２を含む。これらの図に示される固定巻線２２８は、固定の第１及び第２の軸方向巻線２５２、２５４、並びに半径方向巻線２６２である。ステータ半径方向極２６６は、ほぼ円筒形又は環状の極ハブ２５０として図４、５、及び８に示され、ステータ円筒形シャフト又は環状ハブ２７２上に中心が置かれ、中心線８の周りを囲む。固定の第１及び第２の軸方向巻線２５２、２５４は、第１及び第２の軸方向極２５６、２５８それぞれの軸方向コア２５９の周りに巻き付けられ、これらの軸方向極は、シャフト又はハブ２７２上に均等に分散され又は等距離に離間して配置される。第１及び第２の軸方向極２５６、２５８は更に、軸方向コア２５９と連続又は一体化された環状又は円筒形ステータ極端部２６４を含む。

ステータ半径方向極２６６は、極ハブ２５０から半径方向外向きに延びる固定半径方向コア２６０を含み、第１及び第２の軸方向巻線２５２、２５４間で軸方向に中心が置かれる。半径方向巻線２６２は、半径方向コア２６０の周りに巻き付けられる。半径方向コア２６０は、極ハブ２５０の周りに等角度に間隔を置いて配置され、該半径方向コア２６０の周りを囲む極リム２６８を支持する。

ステータ極２６１は、ステータ半径方向極２６６と、第１及び第２の軸方向極２５６、２５８とを含み、該ステータ極２６１は、ステータ１８６のシャフト又はハブ２７２上に等距離に離間して配置される。ステータ極端部２６４は、シャフト又はハブ２７２の対向する端部に配置され、ステータ半径方向極２６６は、固定ステータ極端部２６４間に等距離に位置付けられる。図４から６に示すステータ１８６の例示的な実施形態は、４つの半径方向コア２６０を有する。二重反転可能発電機１８０の他の実施形態は、これよりも多い又はより少ない半径方向コア、軸方向極、及び／又はマグネット２１４を有することができる。

マグネット及び極ロータ２１２、２１６は、互いに対して二重反転可能である。マグネットロータ２１２は、１つの回転方向（時計回り、又は反時計回り）に駆動され、従来のオルタネータである場合と同様に回転磁束場を提供する。極ロータ２１６は、別の回転方向（時計回り、又は反時計回り）で駆動される。何れかの所与の円周方向位置において、磁束場は、適切な正弦振幅を有してＮ−ＳとＳ−Ｎ極性の間を交互する。固定巻線２２８は、二重反転可能マグネット及び極ロータ２１２、２１６に対して固定され、図１及び２でファンフレーム３４により支持されるように本明細書で示されている。

従来のＰＭＧにおいて、マグネットロータは固定の同軸ステータの内部又は外部に位置付けられ、該ステータは、磁極上で電気巻線を貫通する交番磁界を伝導する磁極を有する。巻線内の交番磁界は、巻線において電界を誘起し、従って、外部電気システムに提供するために電位を生成する。所与の幾何形状及びマグネット設計において、発生電圧は、磁界が発振する周波数に比例し、すなわち、マグネットロータが回転する速度に比例する。

二重反転可能発電機１８０は、ロータを１つの方向で回転させ、従来「ステータ」と呼ばれるものを別の方向で回転することにより、発電機の見かけ上の速度を増大させる。回転する「ステータ」からシステムの固定部分に電流を流すためにスリップリングを不要にするために、磁極が極ロータ２１６上で回転され、巻線２２８は発電機ステータ１８６すなわちファンフレーム３４に装着され且つこれにより支持されるエンジン１０の固定部品上にあるような、回転する変圧器の概念を利用する。回転変圧器において、磁束は、軸方向に分離された特徴のないリング形エアギャップにわたって送られる。従来のマグネット軸受ロータは、従来の機械と同じ速度及び直径限界が観測される必要があるが、巻線又はマグネットを備えていない単純な磁気合金形状（単極又は誘導発電機のロータと全く同様の）を有する極ロータは、より高速で回転することができる。二重反転可能発電機１８０は、マグネットと極ロータ２１２、２１６との間のロータエアギャップ１３０と、極ロータ２１６とステータ１８６との間の変圧器エアギャップ２２４とを含む。

二重反転可能発電機１８０は、他の種々のガスタービンエンジン装備並びに他の装備で使用することができる。二重反転可能発電機１８０は、二重反転可能低圧タービンによって二重反転可能ファンと共に駆動することができる。二重反転可能発電機１８０は、同様に二重反転可能高圧タービンによって駆動することができる。二重反転可能発電機１８０は、テールコーン又は中心本体キャビティなど、ブースタキャビティ以外のキャビティにおいてエンジン内に配置することができる。本発明の出願人に譲受された、２００９年６月１５日出願の名称「ＣＯＵＮＴＥＲ−ＲＯＴＡＴＡＢＬＥＧＥＮＥＲＡＴＯＲ（二重反転可能発電機）」の特許出願２３０３１７−２では、二重反転可能発電機１８０の例示的な装備が開示され、当該特許出願は引用により本明細書に組み込まれる。

図１及び２を参照すると、ファンケーシング１１により半径方向に境界付けられたバイパスダクト２１、及び回転可能な環状半径方向内側バイパスダクト壁９が、ブースタ１６と、コアエンジン２５の高圧圧縮機１８に対するコアエンジン入口ダクト２９とを囲む。ファンケーシング１１は、ファンフレームストラット３５によりファンフレーム３４に固定接続される。ファンフレーム３４により半径方向内向きに支持される複数のブースタストラット３７は、第４のブースタ段６４と第５のブースタ段４２との間のコアエンジン入口ダクト２９に配置される。バイパスダクト２１は、環状ファンケーシング１１により半径方向外向きに境界付けられ、且つ図２に示す環状の半径方向内側バイパスダクト壁９により半径方向内向きに境界付けられる。半径方向内側バイパスダクト壁９は、第１のブースタ段３８の第１のブースタブレード列４８に固定装着された回転可能壁セクション２２を含む。半径方向内側バイパスダクト壁９はまた、ファンフレーム３４に固定装着された固定又は非回転可能壁セクション２３を含む。

図９及び１０には二重反転可能発電機１８０が示され、より具体的には、上記で示したような他の多くの設計による単相４極設計を有するオルタネータが企図される。マグネットロータ２１２は、マグネット保持リング２１５内に半径方向に保持され且つ非磁性材料スペーサ２１３により互いに円周方向に間隔を置いて配置された４つのマグネットを有する。極ロータ２１６は、第１及び第２の極ハブ２３０、２３２を有する第１及び第２の極組立体２２５、２２７を有し、該極ハブは、軸方向に延びる回転可能棒状極２４２の対応する第１及び第２のセット２３６、２３８を支持する。２つの棒状極２４２は、第１及び第２の極ハブ２３０、２３２の各々から半径方向外向きに延びる。棒状極２４２は、本明細書ではアーバー２１９として示された非磁性材料２１７により分離され且つ半径方向に支持される。発電機のステータ１８６は、１つの軸方向巻線２１８を支持する１つの軸方向極２２６を有し、均衡に分散される。極ロータ２１６及びステータ１８６は、協働して変圧器として機能する。巻線２１８は、エポキシのような非磁性材料の軸方向極２２６上の所定位置に保持される。

外側マグネットロータ２１２が内側極ロータ２１６と相対的に転回すると、正弦波的に変化する磁束が変圧器エアギャップ２２４をわたってステータ１８６に送られ、これにより、単一の軸方向巻線２１８として図９及び１０に示すステータ巻線に単相正弦波電圧が誘起される。電圧及び周波数の大きさは共に、ロータ速度に比例する。電圧の大きさはまた、極ロータ２１６及びステータ１８６間の変圧器エアギャップ２２４のサイズにより影響を受ける。一般に、変圧器エアギャップが小さくなるほど、ステータ１８６に生成される磁界強度が大きくなる。

二重反転可能発電機１８０は、ロータを１つの方向で回転させ、従来「ステータ」と呼ばれるものを別の方向で回転することにより、発電機の見かけ上の速度を増大させる。回転する「ステータ」からシステムの固定部分に電流を流すためにスリップリングを不要にするために、磁極が極ロータ２１６上で回転され、巻線２１８が、マグネット及び極ロータ２１２、２１６に対して非回転可能である発電機ステータ１８６上に装着されるような、回転する変圧器の概念を利用する。

回転変圧器において、磁束は、軸方向に分離された特徴のないリング形エアギャップにわたって送られる。従来のマグネット軸受ロータは、従来の機械と同じ速度及び直径限界が観測される必要があるが、巻線又はマグネットを備えていない単純な磁気合金形状（単極又は誘導発電機のロータと全く同様の）を有する極ロータは、より高速で回転することができる。二重反転可能発電機１８０は、マグネットと極ロータ２１２、２１６との間のロータエアギャップ１３０と、極ロータ２１６とステータ１８６との間の変圧器エアギャップ２２４とを含む。

図１１に示す１つの代替のステータ２７０は、軸方向巻線を持たない。代替のステータ２７０は、ステータ円筒形シャフト又は環状ハブ２７２から半径方向外向きに延びる固定半径方向コア２６０の３つのセット（他の数のセットを用いることもできる）を有する。このセットは、シャフト又はハブ２７２上に均等に配分され又は等距離に間隔を置いて配置される。半径方向巻線２６２は、半径方向コア２６０の周りに巻き付けられる。半径方向コア２６０は、ハブ２７２の周りを等角度に間隔を置いて配置される。

図１２は、Ａ、Ｂ、及びＣで表記された３つのステータ環状極２６１を有する二重反転可能発電機用の３相Ｙ結線ステータと、ａ、ｂ、及びｃで表記されたＹ結線固定巻線２２８とを示している。図１３は、Ａ、Ｂ、及びＣで表記された３つのステータ環状極２６１と、ａｂ、ｂｃ、及びｃａで表記された３つのデルタ結線固定巻線２２８とを有する二重反転可能発電機用の３相デルタ結線ステータとを示している。図１２及び１３は、ステータ１８６がＹ結線又はデルタ結線固定巻線２２８をどのように有することができるかを示している。

図１４は、シャフト又はハブ２７２の対向する端部に位置付けられる２つのステータ極端部２６４間に単一の軸方向巻線２７４を備えた単相ステータ１８６を有する二重反転可能発電機２８０の一部を示している。極ロータ２１６は、第１及び第２の極ハブ２３０、２３２を有する第１及び第２の極組立体２２５、２２７を含み、該極ハブは、軸方向に延びる回転可能棒状極２４２の対応する第１及び第２のセット２３６、２３８を支持する。棒状極２４２の各々は、半径方向に延びるコネクタ２４６により第１及び第２の極ハブ２３０、２３２のそれぞれに接続された軸方向に延びる外側棒状部２４４を含む。

図１５は、ステータ１８６上に３相Ｙ結線軸方向及び半径方向ステータ巻線２１８及び２６２を備えた二重反転可能発電機１８０を示している。この構成は、図４、５及び８でより詳細にしめされ、上記で検討されている。図１６は、図１５に示す発電機１８０で使用できる３つの半径方向ステータ巻線２６２を備えた３相Ｙ結線ステータ１８６を概略的に示している。ステータ環状極２６１は、半径方向ステータ巻線２６２が巻かれる半径方向コアを囲み且つこれにより支持される極リム２６８を含む。

図１７は、ステータ１８６上に３相デルタ結線軸方向ステータ巻線２１８を備えた二重反転可能発電機１８０を示している。ステータ１８６は、シャフト又はハブ２７２の対向する端部に位置付けられる２つのステータ極端部２６４を有する４つのステータ環状極２６１と、固定ステータ極端部２６４間に等距離に位置付けられた２つのステータ中間極２６６とを含む。

図１８は、シャフト又はハブ２７２上の２つの半径方向ステータ巻線２６２間の中心に置かれ且つ図１７に示す発電機で使用するよう設計された単一の軸方向ステータ巻線２１８を備えた３相デルタ接続ステータ１８６を示している。単一の軸方向ステータ巻線２１８は、２つのステータ環状極２６１間のシャフト又はハブ２７２上に配置される。ステータ端部極２６６は、半径方向ステータ巻線２６２が巻かれる半径方向コアにより支持される極リム２６８を含む。

本明細書で示される二重反転可能発電機１８０は、Ｙ結線又はデルタ結線ステータの何れかを備えた多相又はＮ相発電機とすることができる。図１９から２０は、半径方向ステータ巻線２６２又は軸方向ステータ巻線２１８の何れか、或いは半径方向ステータ巻線２６２及び軸方向ステータ巻線２１８の両方の組み合わせである、Ｙ結線又はデルタ結線ステータ巻線２２８の何れかを備えたＮ相ステータ１８６を概念的に示している。ステータの構成に関する幾つかの一般規則は以下の通りである。

オルタネータ（図１４に示す）は、単相発電機であり、２つのステータ極端部２６４間の軸方向コア２５９の周りに巻かれた単一の軸方向巻線２７４のみを有する。

多相ステータ１８０では、ステータの２つの端部にある２つの巻線は、図１５に示すステータ１８６と比べて、図１６に示すステータ１８６などの半径方向巻線２６２又は軸方向巻線２１８とすることができる。

図１９及び２０に示すＹ結線多相ステータ１８０は、Ｎ個の相、Ｎ個のステータ極１８１、及びＮ個のステータ巻線を有し、シャフト又は環状ハブ２７２の対向する端部にある末端巻線２７８を除いて、ステータ巻線は半径方向巻線２６２でなければならない。これは、図１５、１６、１９、及び２０に示す３相Ｙ結線ステータ１８６として示される。図１９及び２０に示す破線２７６は、追加のステータ巻線及びステータ極を示している。

図２１及び２２に示すように、デルタ結線多相ステータ１８０は、Ｎ個の相、Ｎ＋１個のステータ極１８１、及びＮ個のステータ巻線を有し、末端巻線２７８を除いて、巻線は軸方向巻線２１８でなければならない。図２０及び２１に示す破線２７６は、追加のステータ巻線及びステータ極を示している。

例示的な方法で本発明を説明してきた。使用した技術用語は、限定の用語としてではなく、説明の用語の性質のものであることが意図される点を理解されたい。本明細書では本発明の好ましく例示的な実施形態であると考えられるものについて説明してきたが、当業者であれば、本明細書の教示から本発明の他の修正が明らかになる筈であり、従って、全てのこのような修正は、本発明の技術思想及び技術的内に属するものとして特許請求の範囲において保護されることが望まれる。

従って、本特許によって保護されるべきものは、提出した特許請求の範囲で定義され且つ区別される発明である。

５周囲空気
８エンジン中心線
９バイパスダクト壁
１０ガスタービンエンジン
１１ファンケーシング
１２ファンセクション
１４ファンブレード
１５ブースタ段の第１のセット
１６ブースタ
１７ブースタブレード
１８高圧圧縮機（ＨＰＣ）
１９ブースタ段の第２のセット
２０燃焼器
２１バイパスダクト
２２回転可能壁セクション
２３非回転可能壁セクション
２４高圧タービン（ＨＰＴ）
２５コアエンジン
２６低圧タービン（ＬＰＴ）
２７高圧シャフト
２９入口ダクト
３０低圧シャフト
３４ファンフレーム
３５ファンフレームストラット
３７ブースタストラット
３８第１のブースタ段
４０第３のブースタ段
４２第５のブースタ段
４８第１のブースタブレード列
５０第３のブースタブレード列
５２第５のブースタブレード列
５６ギヤボックス
５７ブースタキャビティ
６２第２のブースタ段
６４第４のブースタ段
６５ブースタブレード
６６第２のブースタブレード列
６８第４のブースタブレード列
１０４ファン段
１３０ロータエアギャップ
１８０二重反転可能発電機
１８６ステータ
２０２環状キャリア
２０４プラネタリギア
２０６ピン
２０８サンギア
２１０リングギア
２１２外側マグネットロータ
２１３スペーサ
２１４マグネット
２１５マグネット保持リング
２１６内側極ロータ
２１７非磁性材料
２１８軸方向巻線
２１９アーバー
２２４変圧器エアギャップ
２２５第１の極組立体
２２６軸方向極
２２７第２の極組立体
２２８固定巻線
２２９第３の極組立体
２３０第１の極ハブ
２３２第２の極ハブ
２３４第３の極ハブ
２３６第１のセット
２３８第２のセット
２４０第３のセット
２４２棒状極
２４４外側棒状部
２４６コネクタ
２５０中心極セクション
２５２第１の軸方向巻線
２５４第２の軸方向巻線
２５６第１の軸方向磁極
２５８第２の軸方向磁極
２５９軸方向コア
２６０半径方向コア
２６１ステータ極
２６２半径方向巻線
２６４ステータ極端部
２６６半径方向極
２６８極リム
２７０代替のステータ
２７２環状ハブ
２７４単一の軸方向巻線
２７６破線
２７８末端巻線
２８０オルタネータ

Claims

二重反転可能発電機（１８０）において、
発電機ステータ（１８６）と、
二重反転可能半径方向内側極ロータ及び外側マグネットロータ（２１６、２１２）と、
を備え、
前記半径方向外側マグネットロータ（２１２）、前記半径方向内側極ロータ（２１６）、及び前記発電機ステータ（１８６）が同心状にある、
二重反転可能発電機（１８０）。
前記半径方向外側マグネットロータ（２１２）が前記半径方向内側極ロータ（２１６）を囲み、前記前記半径方向内側極ロータ（２１６）が前記発電機ステータ（１８６）を囲み、
前記二重反転可能発電機（１８０）が更に、
前記マグネットロータ（２１２）及び前記極ロータ（２１６）間のロータエアギャップ（１３０）と、
前記極ロータ（２１６）及び前記ステータ（１８６）間の変圧器エアギャップ（２２４）と、
を備える、
請求項１に記載の二重反転可能発電機（１８０）。
前記マグネットロータ（２１２）が、円周方向に交互する北／南及び南／北の方位を有するマグネット（２１４）の円形アレイを含み、
前記マグネット（２１４）の円形アレイがマグネット保持リング（２１５）内に保持され、
前記マグネット（２１４）が非磁性材料のスペーサ（２１３）により互いに円周方向に分離される、
請求項２に記載の二重反転可能発電機（１８０）。
前記極ロータ（２１６）が、軸方向に延びる回転可能棒状極（２４２）の１つ又はそれ以上のセットをそれぞれ支持する１つ又はそれ以上の極ハブ（２３０、２３２、２３４）を有する１つ又はそれ以上の極組立体（２２５、２２７、２２９）を含み、
前記棒状極（２４２）の各々が、コネクタ（２４６）により前記極ハブ（２３０、２３２、２３４）のそれぞれに接続された軸方向に延びる外側棒状部（２４４）を含み、前記コネクタが、極ハブ（２３０、２３２、２３４）のそれぞれから外側棒状部（２４４）に半径方向外向きに延び、
前記極組立体（２２５、２２７、２２９）間に軸方向及び半径方向に配置された非磁性材料（２１７）を更に備える、
請求項２に記載の二重反転可能発電機（１８０）。
前記極ハブ（２３０、２３２、２３４）及び前記棒状極（２４２）が磁性鋼から作られている、
請求項４に記載の二重反転可能発電機（１８０）。
前記ステータ（１８６）が、軸方向に隣接する半径方向及び軸方向極（２６６、２２６）を備えたステータ円筒形シャフト又は環状ハブ（２７２）を含み、
前記軸方向極（２２６）が、前記シャフト又は環状ハブ（２７２）上の環状軸方向極（２５６、２５８）の軸方向コア（２５９）の周りに巻かれた１つ又はそれ以上の軸方向巻線（２５２、２５４）を含み、
前記半径方向極（２６６）の各々が、前記ステータ円筒形シャフト又は環状ハブ（２７２）上の円筒形又は環状極ハブ（２５０）から半径方向外向きに延びる半径方向コア（２６０）の周りに巻かれた半径方向巻線（２６２）を含み、
前記半径方向コア（２６０）が前記極ハブ（２５０）の周りに等角度に間隔を置いて配置される、
請求項２に記載の二重反転可能発電機（１８０）。
前記マグネットロータ（２１２）が、円周方向に交互する北／南及び南／北の方位を有するマグネット（２１４）の円形アレイを含み、
前記マグネット（２１４）の円形アレイがマグネット保持リング（２１５）内に保持され、
前記マグネット（２１４）が非磁性材料のスペーサ（２１３）により互いに円周方向に分離される、
請求項６に記載の二重反転可能発電機（１８０）。
前記ステータ（１８６）が、ステータ円筒形シャフト又は環状ハブ（２７２）を含み、
前記軸方向巻線（２５２、２５４）が、前記シャフト又は環状ハブ（２７２）上に均等に配分され又は等距離に間隔を置いて配置される環状軸方向極（２５６、２５８）の周りに巻かれ、
前記半径方向コア（２６０）が、前記第１及び第２の軸方向巻線（２５２、２５４）間の前記ステータ円筒形シャフト又は環状ハブ（２７２）上に軸方向に中心が置かれたほぼ円筒形又は環状の極ハブ（２５０）から半径方向外向きに延び、
前記半径方向コア（２６０）が、前記極ハブ（２５０）の周りを等角度で間隔を置いて配置され、
前記半径方向巻線（２６２）が前記半径方向コア（２６０）の周りに巻き付けられる、
請求項６に記載の二重反転可能発電機（１８０）。
前記二重反転可能発電機（１８０）が、前記シャフト又は環状ハブ（２７２）の対向する端部に位置付けられる２つのステータ極端部（２６４）間に単一の軸方向巻線（２７４）を有するオルタネータ（２８０）であり、
前記マグネットロータ（２１２）が、円周方向に交互する北／南及び南／北の方位を有するマグネット（２１４）の円形アレイを含み、
前記マグネット（２１４）の円形アレイがマグネット保持リング（２１５）内に保持され、
前記マグネット（２１４）が非磁性材料のスペーサ（２１３）により互いに円周方向に分離される、
請求項２に記載の二重反転可能発電機（１８０）。
前記ステータ（１８６）が、デルタ結線及び／又はＹ結線固定巻線（２２８）を有する軸方向に隣接するステータ極（２６１）を備えたステータ円筒形シャフト又は環状ハブ（２７２）を含む、
請求項２に記載の二重反転可能発電機（１８０）。
前記ステータ（１８６）がＹ結線されており、
前記二重反転可能発電機（１８０）が、Ｎ個の相を備えた多相であり、
前記ステータ円筒形シャフト又は環状ハブ（２７２）が同じＮ個のＹ結線固定巻線（２２８）を有し、
前記Ｙ結線固定巻線（２２８）全てが半径方向巻線（２６２）である、
請求項１０に記載の二重反転可能発電機（１８０）。
前記ステータ（１８６）がＹ結線されており、
前記二重反転可能発電機（１８０）が、Ｎ個の相を備えた多相であり、
前記ステータ円筒形シャフト又は環状ハブ（２７２）が同じＮ個のＹ結線固定巻線（２２８）と、前記シャフト又は環状ハブ（２７２）の対向する端部にＹ結線固定軸方向末端巻線（２７８）とを有し、
前記軸方向末端巻線（２７８）間の前記Ｙ結線固定巻線（２２８）全てが半径方向巻線（２６２）である、
請求項１０に記載の二重反転可能発電機（１８０）。
前記ステータ（１８６）がデルタ結線されており、
前記二重反転可能発電機（１８０）が、Ｎ個の相を備えた多相であり、
前記ステータ円筒形シャフト又は環状ハブ（２７２）が、同じＮ＋１個のデルタ結線固定巻線（２２８）を備えたＮ＋１個のステータ極（２６１）を有し、
前記デルタ結線固定巻線（２２８）全てが軸方向巻線（２１８）である、
請求項１０に記載の二重反転可能発電機（１８０）。
前記ステータ（１８６）がデルタ結線されており、
前記二重反転可能発電機（１８０）が、Ｎ個の相を備えた多相であり、
前記ステータ円筒形シャフト又は環状ハブ（２７２）が、同じＮ＋１個のデルタ結線固定巻線（２２８）と、前記シャフト又は環状ハブ（２７２）の対向する端部にデルタ結線固定半径方向末端巻線（２７８）とを備えたＮ＋１個のステータ極（２６１）を有し、
前記軸方向末端巻線（２７８）間の前記デルタ結線固定巻線（２２８）全てが軸方向巻線（２６２）である、
請求項１０に記載の二重反転可能発電機（１８０）。