JP2011523341A

JP2011523341A - 同期発電機

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Publication number: JP2011523341A
Application number: JP2011513042A
Authority: JP
Inventors: カレン，ジョン・ジェームス・アンソニー; トレイナー，デビット・レジナルド; ロング，スティーブン・アンドリュー; ムーディー，アンガス・ジョージ・ルイス
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2008-06-09
Filing date: 2009-05-12
Publication date: 2011-08-04
Anticipated expiration: 2029-05-12
Also published as: JP5596024B2; WO2010004239A1; EP2286510B1; CN102119481B; EP2286510A1; CN102119481A; US8653797B2; GB0810400D0; ATE532255T1; US20110080000A1

Abstract

同期発電機（４０）は、複数の相（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ、５０Ｅ）、および同期発電機（４０）の相の少なくとも１つ（５０Ｅ）における断線故障を検出するように設定される検出手段を含む。絶縁手段は、故障を有する同期発電機（４０）の少なくとも１つの相（５０Ｅ）を絶縁するように設定される。位相偏移手段（５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ、５２Ｄ、５２Ｅ）は、同期発電機（４０）の残りの相（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ）によって発生する第２高調波出力の位相角を調整するために、同期発電機（４０）の残りの相内の電圧（起電力）と電流との間の制御位相偏移を発生させるように設定され、同期発電機の残りの相の第２高調波出力ベクトルのベクトル和が、トルク脈動を除去するために零になるようにする。位相偏移手段（５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ、５２Ｄ）は、同期発電機（４０）のトルク無脈動出力を最大化するために、全ての残りの相（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ）の位相角を同じ所定の角度だけ調整するように設定される。
【選択図】図３

Description

本発明は、同期発電機、具体的には、ガスタービンエンジン用の電気始動器／発電機などの同期発電機に関する。

現在の航空宇宙利用において、電力は、従来の巻線界磁型同期発電機を使用して発生させる。これらの同期発電機は、ガスタービンエンジンロータからの半径方向駆動軸および変速機などの複雑な機械的伝達システムを使用して、ガスタービンエンジンのロータに結合される。これらの同期発電機は、保守、および／または同期発電機に故障が生じたときの交換のために、同期発電機に容易に接近できるガスタービンエンジン上の位置に搭載される。

同期発電機をガスタービンエンジンに内蔵すること、たとえば、同期発電機のロータがガスタービンエンジンのロータに結合することが提案される。内蔵型同期発電機の利点は、この同期発電機により複雑な機械的伝達システムが除去され、または極めて簡単になり、著しい動作上および効率上の利得を提供することである。しかし、これらの内蔵型同期発電機は、故障／破損が生じたときに除去および交換するのが困難である。ＥＰ０６５９２３４Ｂ１は、結合された同期発電機およびガスタービンエンジンに内蔵された同期発電機の使用を開示する。

ガスタービンエンジンを始動し、また電気を発生させるのに同期発電機を使用するのが望ましく、それは、これが空気式始動器への依存を除去し、付加的なエンジン設計利得を提供するからである。電力工学的インターフェイスは、同期発電機が発電機としてではなくモータとして動作するのを可能にするために、同期発電機に設けられる。具体的に、電力工学的インターフェイスは、同期発電機がモータ、または発電機のいずれとして動作しているかには関係なく、入力および出力周波数を様々にすることを可能にする。電力工学的変換器を利用する発電機システムは、永久磁石設計などの極めて高い出力密度の機械技術を同期発電機に使用することを可能にし、それは、従来の同期発電機と比べてさらにサイズおよび重量の利得を与える。

高信頼性かつ耐故障性の航空機ガスタービンエンジン用内蔵型同期発電機の必要性がある。具体的に、相の１つの断線故障に耐性がある同期発電機の必要性がある。

したがって、本発明は、上述の問題を低減し、好ましくはそれを克服する新規の同期発電機を提供することを目的とする。

したがって、本発明は、複数の相と、同期発電機の相の少なくとも１つにおける故障を検出するように設定される検出手段と、故障を有する同期発電機の少なくとも１つの相を絶縁するように設定される絶縁手段と、同期発電機の残りの相によって発生する第２高調波出力の位相角を調整するために、同期発電機の残りの相内の電圧（起電力）と電流との間の制御位相偏移を発生させるように設定され、同期発電機の残りの相の第２高調波出力ベクトルのベクトル和が、トルク脈動を除去するために零になるようにする位相偏移手段とを含む同期発電機を提供し、この位相偏移手段は、同期発電機の出力を最大化するために、全ての残りの相の位相角を同じ所定の角度だけ動かすように設定される。

位相偏移手段は、複数の変換器を含み、各相は、対応する変換器を備えることが好ましい。

同期発電機は、モータ／発電機であることが好ましい。

同期発電機は、始動器／発電機であることが好ましい。

同期発電機は、永久磁石発電機を含むことが好ましい。

同期発電機は、複数の円周方向に離間する永久磁石を備えるロータと、複数の電気コイルを備えるステータとを含むことが好ましい。

同期発電機は、３つ以上の相を含むことが好ましい。

同期発電機は、５つの相を含むことが好ましい。この５つの相は、７２電気角度離間して設定される。

通常、５つの相は、７２電気角度離間して設定され、５つの相の第２高調波出力角度は、１４４電気角度の角度ずつ分割され、位相偏移手段は、同期発電機の残りの相の第１の相内の電圧（起電力）と電流との間の１８度位相偏移前進と、残りの相の第２の相内の電圧（起電力）と電流との間の３６度位相偏移前進と、残りの相の第３の相内の電圧（起電力）と電流との間の５４度位相偏移前進と、残りの相の第４の相内の電圧（起電力）と電流との間の７２度位相偏移前進とを発生させるように設定され、同期発電機の残りの相の第２高調波出力ベクトルのベクトル和が、トルク脈動を除去するために零になるようにする。

位相偏移手段は、同期発電機の出力を最大化するために、全ての残りの相に追加の４５度位相偏移遅延を発生させるように設定されることが好ましい。

位相偏移手段は、残りの相の第１の相内の正味２７°位相角遅延と、残りの相の第２の相内の正味９°遅延と、残りの相の第３の相内の正味９°位相角前進と、残りの相の第４の相内の正味２７°位相角前進とを発生させるように設定されることが好ましい。

同期発電機は、同期リラクタンス発電機を含むことが好ましい。

本発明は、複数の相を含む同期発電機を動作させる方法も提供し、この方法は、同期発電機の相の少なくとも１つにおける故障を検出するステップと、故障を有する同期発電機の少なくとも１つの相を絶縁するステップと、同期発電機の残りの相によって発生する第２高調波出力の位相角を調整するために、同期発電機の残りの相内の電圧（起電力）と電流との間の制御位相偏移を発生させ、同期発電機の残りの相の第２高調波出力ベクトルのベクトル和が、トルク脈動を除去するために零になるようにするステップと、同期発電機の出力を最大化するために、全ての残りの相の位相角を同じ所定の角度だけ動かすステップとを含む。

各相は、対応する変換器を備え、この方法は、制御位相偏移を発生させるために変換器を使用するステップを含むことが好ましい。

同期発電機は、モータ／発電機であることが好ましい。

同期発電機は、始動器／発電機であることが好ましい。

同期発電機は、永久磁石発電機を含むことが好ましい。

同期発電機は、３つ以上の相を含むことが好ましい。

同期発電機は、５つの相を含むことが好ましい。

この５つの相は、７２電気角度離間して設定されることが好ましい。

通常、５つの相は、７２電気角度離間して設定され、５つの相の第２高調波出力角度は、１４４電気角度の角度ずつ分割され、同期発電機の残りの相の第１の相内の電圧（起電力）と電流との間の１８度位相偏移前進と、残りの相の第２の相内の電圧（起電力）と電流との間の３６度位相偏移前進と、残りの相の第３の相内の電圧（起電力）と電流との間の５４度位相偏移前進と、残りの相の第４の相内の電圧（起電力）と電流との間の７２度位相偏移前進とを発生させ、同期発電機の残りの相の第２高調波出力ベクトルのベクトル和が、トルク脈動を除去するために零になるようにする。

同期発電機の出力を最大化するために、全ての残りの相に追加の４５度位相偏移遅延を発生させることが好ましい。

残りの相の第１の相内の正味２７°位相角遅延と、残りの相の第２の相内の正味９°遅延と、残りの相の第３の相内の正味９°位相角前進と、残りの相の第４の相内の正味２７°位相角前進とを発生させることが好ましい。

あるいは、同期発電機は、同期リラクタンス発電機を含む。

本発明は、添付の図面を参照して例によってより十分に説明される。

本発明による、同期発電機を含むターボファンガスタービンエンジンの図である。図１に示された同期発電機の部分断面図である。本発明による、同期発電機および電力工学的変換器の線図である。図４ａは、正常動作中の５相同期発電機における第２高調波出力ベクトルを示すグラフである。図４ｂは、正常動作中の５相同期発電機における第２高調波出力ベクトルを示し、それらのベクトルが合計して零になることを示すために、第２高調波出力ベクトルが再配置されたグラフである。図５ａは、１つの相が断線故障を有する５相同期発電機における第２高調波出力ベクトルを示すグラフである。図５ｂは、１つの相が断線故障を有する５相同期発電機における第２高調波出力ベクトルを示し、それらのベクトルが合計して零にならないことを示すために、第２高調波出力ベクトルが再配置されたグラフである。第２高調波出力ベクトルが合計して零になるように、それらのベクトルの位相角が調整される前後の、１つの相が断線故障を有する５相同期発電機における第２高調波出力ベクトルを示すグラフである。故障前、および相の１つにおける断線故障に追従して位相角が再平衡した後の５相同期発電機における無脈動出力位相ベクトルを示すグラフである。故障前、および相の１つにおける断線故障に追従して位相角が再平衡し、出力を上昇させるために位相が偏移した後の５相同期発電機における無脈動出力位相ベクトルを示すグラフである。

ターボファンガスタービンエンジン１０は、図１に示されるように、吸気口１２、ファン領域１４、圧縮機領域１６、燃焼領域１８、タービン領域２０、および排気口２２を含む。タービン領域２０は、高圧タービン、中圧タービン、および低圧タービンを含む。圧縮機領域は、中圧圧縮機および高圧圧縮機を含み、ファン領域は、ファンを含む。高圧タービンは、第１の軸を介して高圧圧縮機を駆動するために設けられ、中圧タービンは、第２の軸を介して中圧圧縮機を駆動するために設けられ、低圧タービンは、第３の軸を介してファンを駆動するために設けられる。同期発電機４０は、ターボファンガスタービンエンジン１０に内蔵される。

同期発電機４０は、図２により明確に示されるように、ロータ４２の外周上に複数の円周方向に離間する永久磁石４３を備えるロータ４２と、ステータ４４上の半径内側方向に延びる歯４８上に設けられる複数の電気コイル４６を備えるステータ４４とを含む。コイル４６は、複数の出力発生相として配置される。同期発電機４０のロータ４２は、この配置においてターボファンガスタービンエンジン１０の第３の軸によって駆動されるが、ターボファンガスタービンエンジン１０の第２の軸または第１の軸によっても同様に十分に駆動することができる。

同期発電機４０、具体的には永久磁石発電機は、相のいずれか１つの故障がその他の相のいずれにも影響を及ぼさないように、磁気的、電気的、および熱的に互いに絶縁される複数の同一の相５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ、および５０Ｅを含む。永久磁石発電機４０のこれらの相５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ、および５０Ｅの電気インピーダンスは、システムが設計熱限界内で安全に動作し続けることを可能にする同期発電機端子において短絡状態中に生じる故障電流を制限するために、意図的に高く設定される。

永久磁石発電機４０の端子において発生する交流電圧の大きさは、永久磁石発電機４０のロータの回転速度と共に、したがってターボファンガスタービンエンジン１０のロータの回転速度と共に変化し、電源インピーダンスは、電力負荷が変化するとき、付加的な調整効果をもたらす。多相型のそのような永久磁石発電機４０は、出力がほとんど電力負荷中心に供給されるようにするために、出力相が結合されなければならないことを示す。

同期発電機４０の各相５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ、および５０Ｅには、複数の電力工学的ＡＣ／ＤＣ変換器５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ、５２Ｄ、および５２Ｅの対応する１つを供給される。出力発生相の結合および電圧調整問題は、システムを図３に示される共通ＤＣ母線５３において結合することができるようにするこれらの電力工学的ＡＣ／ＤＣ変換器５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ、５２Ｄ、および５２Ｅを使用して調整される。ＡＣ／ＤＣ変換器５２Ａ〜５２Ｅが３５０ボルト以外の電圧を発生させることを可能にすることができる。あるいは、変換器５２Ａ〜５２Ｅは、ＡＣ／ＡＣ変換器とすることができる。

単独の電力相は、電圧および電流の電気周波数に対して第２高調波周波数で振動する電力を供給することが知られている。

同期発電機４０は、その正常動作状態、すなわち無故障に対して最適化される。たとえば、同期発電機４０は、５つの相５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ、および５０Ｅを含み、それらの相の起電力は、７２電気角度離間して設定される。これは、同期発電機４０の設計の際に決定される。一般に、ｍ個の相を含む同期発電機４０において、相は、３６０／ｍ電気角度離間して設定され、ｍ個の相の第２高調波出力角度は、故障なく動作中に２ｘ３６０／ｍ電気角度の角度ずつ分割される。

そのような同期発電機４０は、故障がないとき、正常に動作して十分に機能する。しかし、断線故障が起こると、同期発電機４０の関連する故障相が絶縁され、結合される定出力特性が失われる。これは、同期発電機４０の残りの４つの相から提供される出力の第２高調波成分が合計して零にならないことから起こる。これは、大きいトルク脈動をもたらすため、重大な欠点である。

本発明において、変換器は、断線故障状態中に回路構成が変化するとき、第２高調波出力の相殺を復元するように設定され、動作する。たとえば、５番目の相５０Ｅに故障が発生したとき、変換器５２Ｅは、同期発電機４０の５番目の相５０Ｅの故障を検出し、変換器５２Ｅは、同期発電機４０の５番目の相５０Ｅを絶縁するように設定される。残りの変換器５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ、および５２Ｄは、同期発電機４０の残りの相５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、および５０Ｄ内で基本波電圧（起電力）と基本波電流との間の制御位相偏移を発生させるように設定され、トルク脈動を除去するために、同期発電機４０の残りの相５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、および５０Ｄの第２高調波出力ベクトルのベクトル和が零になるようにする。

具体的には、残りの変換器５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ、および５２Ｄは、同期発電機４０の残りの相５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、および５０Ｄによって発生する基本波電流の位相角を調整するように設定され、残りの相間の分割角度が再び等しく９０電気角度となるようにし、同期発電機４０の残りの相５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、および５０Ｄの第２高調波電流ベクトルのベクトル和がほぼ零になるようにする。これは、同期発電機４０内のトルク脈動を除去するか、またはほぼ除去する。

第２高調波出力ベクトルが合計して零になるように設定されると、次いで、残りの変換器５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ、および５２Ｄは全て、残りの相５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、および５０Ｄの基本波電流の位相角を同じ角度だけ動かすように設定され、同期発電機の出力トルク／出力が最大化されるようにする。

本発明の原理は、５つの相を含む同期発電機を参照して説明される。

基本波正弦関数起電力Ｅ．ｓｉｎ（ｗｔ）および基本波電流Ｉ．ｓｉｎ（ｗｔ＋ｐｈｉ）を伝える単相（ここでｐｈｉは起電力と電流との間の位相角である）を考察されたい。この相の瞬時出力ｐは、
１．Ｐ＝Ｅ．Ｉ．ｓｉｎ（ｗｔ）．ｓｉｎ（ｗｔ＋ｐｈｉ）＝０．５Ｅ．Ｉ［ｃｏｓ（ｐｈｉ）−ｃｏｓ（２ｗｔ＋ｐｈｉ）］
である。

５相耐故障性同期発電機の故障前に、相（０、１、２、３、および４と番号のついた）は、時間的に等しく離間するそれらの起電力を有し、全ての相が同じ位相角ｐｈｉで動作（すなわち、好ましい平衡動作）するとき、それらの正味瞬時出力Ｐは、
２．Ｐ＝ｐ０＋．．．＋ｐ４＝０．５｛５Ｅ．Ｉ．ｃｏｓ（ｐｈｉ）−Ｅ．Ｉ．［ｃｏｓ（２ｗｔ＋ｐｈｉ＋（０ｘ１４４°））＋．．．＋ｃｏｓ（２ｗｔ＋ｐｈｉ＋（４ｘ１４４°）］｝
となるようにし、
３．ここで、１４４°＝２ｘ７２°で、この角度は、５相同期発電機の第２高調波出力の分割（すなわち、３６０°／５＝７２°）である。
４．図４ａおよび４ｂも参照して、代数は、式ｃｏｓ（２ｗｔ＋ｐｈｉ＋（ｎｘ１４４°））の全ての項（ここで、ｎ＝０、１、２、３、または４）が合計して零になることを示す。ゆえに、故障前瞬時電力は、時間から独立し、５相同期発電機においてＰ＝２．５Ｅ．Ｉ．ｃｏｓ（ｐｈｉ）であり、したがって、同期発電機のトルク脈動は発生しない。

ここで、同期発電機の５つの相の１つ、たとえば相０で断線故障が起こることを仮定されたい。図５ａおよび５ｂを参照して、方程式２の式ｃｏｓ（２ｗｔ＋ｐｈｉ＋（ｎｘ１４４°））の残りの４つの項は、合計して零にはならず、したがって、正味瞬時電力は、ｃｏｓ（２ｗｔ＋．．．）の項を含む。ゆえに、相０の故障は、同期発電機のトルク脈動をもたらす。

本発明は、同期発電機の平衡動作を復元しようとし、同期発電機が相の１つに断線故障を有するのにもかかわらず、ｃｏｓ（２ｗｔ＋．．．）の項が再度相殺するようにする。

本発明は、それぞれの相における基本波電流の位相角ｐｈｉを調整するために、各相の電力工学的変換器を使用することによって、これを達成する。方程式２から、相の電流の位相角が反時計方向に進むとき、図６を参照して、出力平衡４相システムは、以下のようになることがわかり、
４ａ．相３で、ｐｈｉ＝ｐｈｉ＋１８°、相１で、ｐｈｉ＝ｐｈｉ＋３６°、相４でｐｈｉ＝ｐｈｉ＋５４°、および相２でｐｈｉ＝ｐｈｉ＋７２°である。

再平衡の数学は、方程式５で与えられ、ここで、方程式２の出力の第２高調波項だけが、再平衡の後にそれらが合計して零になることを明示するために列挙され、
５．ｐ’_{２ｎｄｈａｒｍｏｎｉｃ}＝０．５Ｅ．Ｉ［ｃｏｓ（２ｗｔ＋｛ｐｈｉ＋３６°｝＋１４４°）＋ｃｏｓ（２ｗｔ＋｛ｐｈｉ＋７２°｝＋２８８°）＋ｃｏｓ（２ｗｔ＋｛ｐｈｉ＋１８°｝＋４３２°）＋ｃｏｓ（２ｗｔ＋｛ｐｈｉ＋５４°｝＋５７６°）］となる。
６．ゆえに、ｐ’_{２ｎｄｈａｒｍｏｎｉｃ}＝０．５Ｅ．Ｉ［ｃｏｓ（２ｗｔ＋ｐｈｉ＋１８０°）＋ｃｏｓ（２ｗｔ＋ｐｈｉ＋０°）＋ｃｏｓ（２ｗｔ＋ｐｈｉ＋９０°）＋ｃｏｓ（２ｗｔ＋ｐｈｉ＋２７０°）］＝０となる。
７．各相がその他の相の位相角とは異なるそれ自体の位相角を有するので、方程式２の０．５ｘ５Ｅ．Ｉｃｏｓ（ｐｈｉ）＝２．５Ｅ．Ｉｃｏｓ（ｐｈｉ）となる正味の時間不変量または無脈動出力は、方程式１および４ａより、
８．トルク無脈動出力ｐ’＝０．５Ｅ．Ｉ［ｃｏｓ（ｐｈｉ＋３６°）＋ｃｏｓ（ｐｈｉ＋７２°）＋ｃｏｓ（ｐｈｉ＋１８°）＋ｃｏｓ（ｐｈｉ＋５４°）］となる。
８ａ．故障前に、方程式１によって与えられる５つの相からの無脈動出力が、１００％出力であると定義される。
９．次に、１つの相が断線した状態で、残りの４つの故障がない相の定格上昇がなければ、最大無脈動出力は、８０％になる可能性がある。
１０．しかし、方程式８に与えられる無脈動出力は、８０％最大値よりも小さい。発電機巻線の分布係数を計算するのに使用される数学と同様の数学により、方程式８、すなわち１つの相が先に断線したときの故障後再平衡は、図７を参照して、無脈動出力のわずか５３％を表示することを示すことができる。

合計出力トルク無脈動出力の減少は、主に、相殺を可能にする出力の第２高調波成分の相対位相角の調整動作によってもたらされる。これは、無用な無効出力を発生させ、利用可能な合計有効出力を減少させる。

無脈動出力を５３％から８０％水準まで回復するために、図８を参照して、合成後のｐ’を４５°だけ遅らせ、すなわち、時計方向に回転させ、ｐ’が「４つの相からの可能性」線と一直線に並ぶようにし、それによってその全７５％の無脈動出力を供給することが必要である。
１１．この回転は、位相角をｐｈｉからｐｈｉ−４５°まで変化させる各相の電力工学的変換器を使用することによって達成される。数学的な方程式８は、
１２．トルク無脈動出力ｐ’’＝０．５Ｅ．Ｉ［ｃｏｓ（ｐｈｉ−４５°＋３６°）＋ｃｏｓ（ｐｈｉ−４５°＋７２°）＋ｃｏｓ（ｐｈｉ−４５°＋１８°）＋ｃｏｓ（ｐｈｉ−４５°＋５４°）］＝０．５Ｅ．Ｉ［ｃｏｓ（ｐｈｉ−９°）＋ｃｏｓ（ｐｈｉ＋２７°）＋ｃｏｓ（ｐｈｉ−２７°）＋ｃｏｓ（ｐｈｉ＋９°）］となる。
三角法は、ｃｏｓ（Ａ−Ｂ）＋ｃｏｓ（Ａ＋Ｂ）＝２．ｃｏｓＡ．ｃｏｓＢを使用して、方程式１２を以下のように簡単にすることができることを明確にする。
１３ａ．ｃｏｓ（ｐｈｉ−９°）＋ｃｏｓ（ｐｈｉ＋９°）＝２ｃｏｓ（ｐｈｉ）ｃｏｓ（９°）．
１３ｂ．ｃｏｓ（ｐｈｉ−２７°）＋ｃｏｓ（ｐｈｉ＋２７°）＝２ｃｏｓ（ｐｈｉ）ｃｏｓ（２７°）．
１４．ゆえに、ｐ’’＝０．５Ｅ．Ｉｘ２ｃｏｓ（ｐｈｉ）ｘ［ｃｏｓ（９°）＋ｃｏｓ（２７°）］＝１．８７９Ｅ．Ｉ．ｃｏｓ（ｐｈｉ）．
１５．断線故障および再平衡後無脈動出力は、ｐ’’／ｐ＝１．８７９／２．５ｘ１００％＝７５％と同じ高さにすることができるのが、方程式７、８ａおよび１４からわかる。
１６．５相同期発電機の４つの相からの最大出力は、８０％の定格出力なので、無脈動方策を実施する損失は、８０−７５％＝５％の定格出力のみである。

故障前位相角ｐｈｉが、ｐｈｉの絶対値＞０°となるようにするとき、出力を増加させるために、ｐｈｉの絶対値を零に向かって減少させることができ、それによって、無脈動方策の損失を、方程式１６のように、零に向かって減少させる。以上の方策を実施するとき、各相の位相角に３つまでのいくつかの変化がある。知能制御装置は、これらの変化を一度で全て達成することができる。以上の大部分を通して、電力は、無脈動方策を説明するのに使用されるパラメータとされてきたことに留意されたい。しかし、（ｉ）出力は、回転速度とトルクとの積であり、（ｉｉ）回転速度は、都合の良いことに一定であるとみなされ、それは、たとえば航空機ガスタービンエンジンによって駆動される同期発電機において、電力がシステム出力に対して小さいときに当てはまるので、以上のことは、無脈動電磁トルクに同様によく当てはまる。

本発明の利点は、本発明によって、１つの相に断線故障を有する同期発電機が、故障同期発電機の理論最大値により近いトルク／出力を発生させる間に、トルク脈動を発生させることなく動作することが可能になり、たとえば、この同期発電機が同期発電機のトルク無脈動出力を最大化することである。したがって、これは、共振による振動および／または損傷を除去する。

本発明は、複数の独立相、具体的に３つ以上の相を有するいずれの同期発電機にも適用でき、各独立相は、それ自体の独立した電力工学的変換器を備え、相は、故障前に平衡し、また時間的に均等に離間するという条件を与えられる。耐故障性同期発電機は、通常、４つ、５つ、６つ、または７つの相を含むことに留意されたい。

本発明は、単相の故障および単相の絶縁を参照して説明されてきたが、本発明は、１つよりも多い相の故障および１つよりも多い相の絶縁が生じたときに同様に適用できる。本発明は、永久磁石同期発電機を参照して説明されてきたが、本発明は、同期リラクタンス発電機またはその他の発電機にも適用できる。本発明は、軸方向磁束発電機などの同期発電機のいずれの接続形態にも適用できる。本発明は、単位法で１の誘導抵抗発電機以外の同期発電機にも適用できる。

本発明は、ターボファンガスタービンエンジンを参照して説明されてきたが、本発明は、ターボジェット、ターボプロペラ、またはターボシャフトガスタービンエンジンなどのその他の航空ガスタービンエンジン、ならびに海洋および産業用ガスタービンエンジンにも同様に適用できる。

本発明は、３軸ガスタービンエンジンを参照して説明されてきたが、本発明は、２軸ガスタービンエンジンまたは１軸ガスタービンエンジンに同様に適用できる。

本発明は、ガスタービンエンジンに内蔵される同期発電機を参照して説明されてきたが、本発明をガスタービンエンジン上のその他の位置における同期発電機に適用することが同様に可能である。

本発明は、その他の適用例用の同期発電機、特に、たとえば高トルク密度で、安全重視の適用例などにおいて高稼働率が要求される耐故障性同期発電機にも適用できる。

本発明において、無脈動出力とは、同期発電機の軸／ロータの機械的出力のことを指し、同期発電機の端子における電力のことを指すのではない。

Claims

同期発電機（４０）であって、
複数の相（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ、５０Ｅ）と、
前記同期発電機（４０）の前記相の少なくとも１つ（５０Ｅ）における故障を検出するように設定される検出手段と、
故障を有する前記同期発電機（４０）の前記少なくとも１つの相（５０Ｅ）を絶縁するように設定される絶縁手段と、
位相偏移手段（５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ、５２Ｄ）とを備え、
前記位相偏移手段（５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ、５２Ｄ）は、前記同期発電機（４０）の残りの相（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ）によって発生する第２高調波出力の位相角を調整するために、前記同期発電機（４０）の前記残りの相（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ）内の電圧（起電力）と電流との間の制御位相偏移を発生させるように設定され、前記同期発電機の前記残りの相の第２高調波出力ベクトルのベクトル和が、トルク脈動を除去するために零になるようにし、
前記位相偏移手段（５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ、５２Ｄ）は、前記同期発電機（４０）の出力を最大化するために、全ての前記残りの相（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ）の位相角を同じ所定の角度だけ動かすように設定される、同期発電機（４０）。
請求項１に記載の同期発電機において、前記位相偏移手段（５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ、５２Ｄ、５２Ｅ）は、複数の変換器を含み、各相（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ、５０Ｅ）は、対応する変換器を備える、同期発電機。
請求項１または請求項２に記載の同期発電機において、前記同期発電機（４０）は、モータ／発電機である、同期発電機。
請求項３に記載の同期発電機において、前記同期発電機（４０）は、始動器／発電機である、同期発電機。
請求項１、請求項２、請求項３または請求項４のいずれか１項に記載の同期発電機において、前記同期発電機（４０）は、永久磁石発電機または同期リラクタンス発電機を含む、同期発電機。
請求項５に記載の同期発電機において、前記同期発電機（４０）は、複数の円周方向に離間する永久磁石（４３）を備えるロータ（４２）と、複数の電気コイル（４６）を備えるステータ（４４）とを含む、同期発電機。
請求項１から６のいずれか１項に記載の同期発電機において、３つ以上の相（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ、５０Ｅ）を含む、同期発電機。
請求項７に記載の同期発電機において、５つの相（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ、５０Ｅ）を含む、同期発電機。
請求項８に記載の同期発電機において、前記５つの相（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ、５０Ｅ）は、７２電気角度離間して設定される、同期発電機。
請求項９に記載の同期発電機において、
前記５つの相（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ、５０Ｅ）は、７２電気角度離間して設定され、前記５つの相（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ、５０Ｅ）の第２高調波出力角度は、１４４電気角度の角度ずつ分割され、
前記位相偏移手段（５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ、５２Ｄ）は、前記同期発電機（４０）の前記残りの相の第１の相（５０Ａ）内の電圧（起電力）と電流との間の１８度位相偏移前進と、前記残りの相の第２の相（５０Ｂ）内の電圧（起電力）と電流との間の３６度位相偏移前進と、前記残りの相の第３の相（５０Ｃ）内の電圧（起電力）と電流との間の５４度位相偏移前進と、前記残りの相の第４の相（５０Ｄ）内の電圧（起電力）と電流との間の７２度位相偏移前進とを発生させるように設定され、これにより、前記同期発電機（４０）の前記残りの相（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ）の第２高調波出力ベクトルのベクトル和が、トルク脈動を除去するために零になるようにする、同期発電機。
請求項１０に記載の同期発電機において、前記位相偏移手段（５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ、５２Ｄ）は、前記同期発電機の出力を最大化するために、全ての前記残りの相（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ）に追加の４５度位相偏移遅延を発生させるように設定される、同期発電機。
請求項１から１１のいずれか１項に記載の同期発電機（４０）を含む、ガスタービンエンジン（１０）。
複数の相（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ、５０Ｅ）を含む同期発電機（４０）を動作させる方法であって、前記方法は、
前記同期発電機（４０）の前記相の少なくとも１つ（５０Ｅ）における故障を検出するステップと、
故障を有する前記同期発電機（４０Ｅ）の前記少なくとも１つの相（５０Ｅ）を絶縁するステップと、
前記同期発電機（４０）の残りの相（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ）によって発生する第２高調波出力の位相角を調整するために、前記同期発電機（４０）の前記残りの相（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ）内の電圧（起電力）と電流との間の制御位相偏移を発生させ、前記同期発電機（４０）の前記残りの相（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ）の第２高調波出力ベクトルのベクトル和が、トルク脈動を除去するために零になるようにするステップと、
前記同期発電機（４０）の出力を最大化するために、全ての前記残りの相（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ）の位相角を同じ所定の角度だけ動かすステップとを含む、方法。
請求項１３に記載の方法において、各相（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ、５０Ｅ）は、対応する変換器を備え、前記方法は、前記制御位相偏移を発生させるために前記変換器を使用するステップを含む、方法。
請求項１３または請求項１４に記載の方法において、前記同期発電機は、モータ／発電機である、方法。
請求項１３から１５のいずれか１項に記載の方法において、３つ以上の相（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ、５０Ｅ）を含む、方法。
請求項１６に記載の方法において、５つの相（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ、５０Ｅ）を含む、方法。
請求項１７に記載の方法において、前記５つの相（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ、５０Ｅ）は、７２電気角度離間して設定される、方法。
請求項１８に記載の方法において、
前記５つの相（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ、５０Ｅ）は、７２電気角度離間して設定され、
前記５つの相（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ、５０Ｅ）の第２高調波出力角度は、１４４電気角度の角度ずつ分割され、
前記同期発電機（４０）の前記残りの相の第１の相（５０Ａ）内の電圧（起電力）と電流との間の１８度位相偏移前進と、前記残りの相の第２の相（５０Ｂ）内の電圧（起電力）と電流との間の３６度位相偏移前進と、前記残りの相の第３の相（５０Ｃ）内の電圧（起電力）と電流との間の５４度位相偏移前進と、前記残りの相の第４の相（５０Ｄ）内の電圧（起電力）と電流との間の７２度位相偏移前進とを発生させ、これにより、前記同期発電機（４０）の前記残りの相（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ）の第２高調波出力ベクトルのベクトル和が、トルク脈動を除去するために零になるようにする、方法。
請求項１９に記載される同期発電機において、前記同期発電機（４０）の出力を最大化するために、全ての前記残りの相（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ）に追加の４５度位相偏移遅延を発生させる、同期発電機。