JP2012514447A - エンジンスタータ／発電機のための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

エンジンスタータ／発電機のための方法およびシステムが提供される。スタータ／発電機システムには、三相かご形誘導機と、該三相かご形誘導機に電気結合された三相インバータ／コンバータが含まれる。スタータ／発電機システムには、さらに、三相インバータ／コンバータに電気結合された双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、始動モードの間、誘導機に対する複数の相電流から、センサを使用することなく回転子角度を決定するように構成されたディジタル制御基板が含まれる。始動モードの間、ディジタル制御基板内の論理は、スタータ／発電機システムを誘導電動機、三相ＤＣ−ＡＣインバータおよびＤＣ−ＤＣ昇圧コンバータの組合せに構成し、また、発電モードの間、ディジタル制御基板内の論理は、スタータ／発電機システムを誘導発電機、三相ＡＣ−ＤＣコンバータおよびＤＣ−ＤＣバックコンバータの組合せに構成する。
【選択図】図１

Description

本発明の分野は、一般に、航空機エンジンスタータおよび航空機発電機の組合せに関し、より具体的には、誘導機をベースとするセンサレス航空機エンジンスタータ／発電機に関する。

通常、航空機には、航空機エンジンを始動させるために使用され、航空機エンジンが作動した後は発電するために使用される機械が含まれる。この電気機械は、この機械を駆動するための外部から供給される電力を受け取るように構成されており、次いで航空機エンジンを始動させる。例えば、この電気機械は、ガスタービンサイクルを開始するために使用され、サイクルが開始された後で航空機エンジンが作動する。航空機エンジンは、航空機エンジンが作動している状態になった後で、発電を促進するこの電気機械に動力を供給するように構成されている。

知られている航空機エンジンスタータには、ブラシを含む直流（ＤＣ）機が含まれる。ブラシ付きＤＣ機の利点は、エンジンアイドル速度の２倍乃至３倍の速度で、エンジンを始動させるための大きいトルク、および発電するための大きい出力を共にもたらすことができることである。しかしながら、ブラシ付きＤＣ機の欠点は、一部の応用例にとって保守頻度が高く、また、耐用年数が短いことである。保守には、電流を搬送するブラシおよびばねの定期的な交換、ならびに整流子の洗浄または交換が含まれる。

上述の欠点を克服するために少なくともいくつかの知られているブラシレス法が試行されている。１つの方法は、永久磁石ブラシレス機械法であるが、ブラシ付き機械の場合と比較して、競合できる重量および大きさの場合、３〜１速度範囲にわたって始動時に大きいトルクが達成できず、大きい発電することもできないため、その性能は満足すべきものではない。知られている第２の方法は、スイッチ磁気抵抗機械をベースとする手法である。このスイッチ磁気抵抗機械の性能も、永久磁石ブラシレス機械手法の場合と同じ理由で満足すべきものではない。第３の方法は、誘導機をベースとする手法であるが、この手法は、その実装方法のため、適切に対処されない問題があるので、満足すべき性能を達成しておらず、したがって従来の誘導機をベースとする手法は、永久磁石ブラシレス機械およびスイッチ磁気抵抗機械の場合と同じ問題を抱えている。第４の方法は、同期巻線磁界機械手法であり、大きい始動トルク能力および大きい電力発電能力の２つの重要な基準を単一の機械で達成するのにある程度成功している。しかしながら機械のコストが高いことにより、多くのコスト競争の激しい航空宇宙産業用において、特にビジネスジェット用エンジンにこの方法を直ちに適用することはできない。さらに、同期巻線磁界機械には、シャフト内の回転整流器である回転電子アセンブリが含まれており、また、別の機械であるエキサイタを持たせなければならず、そのため、システムの信頼性を著しく低下させる部品要件および複雑性が増す。その上、これらの方法では、機械式位置センサが導入され、それがさらに信頼性を低下させ、かつ、エンジンのコストをさらに上昇させる。

米国特許第６４８７９９８号

一実施形態では、エンジンスタータ／発電機のための方法およびシステムが提供される。スタータ／発電機システムには、三相かご形誘導機と、該三相かご形誘導機に電気結合された三相インバータ／コンバータが含まれる。スタータ／発電機システムには、さらに、三相インバータ／コンバータに電気結合された二重双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、始動モードの間、誘導機に対する複数の相電流から、センサを使用することなく回転子角度を決定するように構成されたディジタル制御基板が含まれる。始動モードの間、ディジタル制御基板内の論理は、スタータ／発電機システムを誘導電動機、三相ＤＣ−ＡＣインバータおよびＤＣ−ＤＣ昇圧コンバータの組合せに構成し、また、発電モードの間、ディジタル制御基板内の論理は、スタータ／発電機システムを誘導発電機、三相ＡＣ−ＤＣコンバータおよびソフトスイッチングＤＣ−ＤＣバックコンバータの組合せに構成する。

他の実施形態では、エンジンを始動させ、かつ、該エンジンを使用して発電するためのエンジンスタータ／発電機システムを制御する方法には、始動モードの間、ＤＣ−ＤＣコンバータを使用して入力電圧を昇圧するステップと、昇圧されたＤＣ電圧を、エンジンを回転させるように構成された誘導電動機を駆動する三相ＡＣ出力に変流するステップと、三相電流のうちの２つ、すなわちｉ_aおよびｉ_bを測定するステップが含まれる。この方法には、さらに、相電流ｉ_aおよびｉ_bをｉ_dおよびｉ_qに変換するステップであって、ｉ_dが回転子鎖交磁束と整列している電流であり、ｉ_qが回転子鎖交磁束に対して直交する電流であるステップと、ｉ_dを使用してスタータ／発電機システムの誘導機の磁界を制御するステップと、ｉ_qを使用してスタータ／発電機システムの誘導機のトルクを制御するステップが含まれる。この方法には、発電モードの間、誘導機の三相ＡＣ電圧出力を三相コンバータの入力に印加するステップと、三相ＡＣ電圧をスタータ／発電機システムの所定の大きさの出力電圧より大きい第１の大きさの電圧のＤＣ電圧に変換するステップと、ＤＣ電圧を縦続ＤＣ−ＤＣコンバータを使用してスタータ／発電機システムの所定の大きさの出力電圧までバッキングするステップが含まれる。

さらに他の実施形態では、エンジンを始動させ、かつ、該エンジンから発電するためのブラシレススタータ／発電機（ＢＳ／Ｇ）および補機ギヤボックス（ＡＧＢ）アセンブリには、オーバハングギヤボックスシャフトの周りに回転させることができるかご形回転子、少なくとも部分的に回転子を取り囲んでいる固定子、および回転子および固定子を密閉しているハウジングを含む誘導電磁機械が含まれる。このアセンブリには、さらに、オーバハングギヤボックスシャフトに同軸結合されたエンジン補機ギヤボックス（ＡＧＢ）と、ＢＳ／Ｇ内で生成される熱を、ＡＧＢへの対流および伝導のうちの少なくともいずれかを介してエンジンに結合されている潤滑油システムに伝達するように構成されたドライ空胴オイルシステムが含まれる。

図１〜９は、本明細書において説明されている方法およびシステムの例示的な実施形態を示したものである。

本発明の例示的な実施形態によるブラシレススタータ／発電機（ＢＳ／Ｇ）システムのブロック図である。 図１に示されている、本発明の例示的な実施形態によるスタータ／発電機誘導機の側面図である。 本発明の例示的な実施形態による、図２に示されている回転子および固定子を冷却するために使用することができるオイル回路の略ブロック図である。 図１に示されている、本発明の例示的な実施形態によるスタータ／発電機誘導機の可変周波数動作のトルク速度特性グラフである。 図１に示されている、本発明の例示的な実施形態によるＩＣＣユニットの略ブロック図である。 本発明の例示的な実施形態による回転子磁束推定方法のためのアルゴリズムの略線図である。 本発明の例示的な実施形態によるスタータ／発電機誘導機の始動モードのシステムブロック図である。 本発明の例示的な実施形態によるスタータ／発電機誘導機のセンサレス制御のためのシステムブロック図（発電モードにおける）である。 本発明の代替実施形態によるＩＣＣユニットの略ブロック図である。

本書は、例を使用し、最良の形態を含む本発明を開示し、また、デバイスまたはシステムを製造し使用すること、および組み込まれている方法を実施することを含めて、当業者が本発明を実施することができるようにする。本発明の特許性のある範囲は特許請求の範囲で定義されており、当業者に思いつく他の例を含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文字通りの文言と同じ構造構成要素を有する場合であれ、あるいは特許請求の範囲の文字通りの文言とわずかしか異ならない等価の構造構成要素を含んでいる場合であれ、特許請求の範囲の範疇であることが意図されている。

以下の詳細な説明は、本発明の実施形態を一例として示したものであり、本発明を何ら制限するものではない。本発明は、産業用、商用、および住宅用における回転機械類のシステムおよび方法実施形態に広く適用されることが企図されている。

本明細書において使用されているように、単数形で表現され、「ａ」または「ａｎ」という語が先行する構成要素またはステップは、単数であることが明確に示されていない限り、複数の構成要素またはステップを排他するものではないことを理解されたい。さらに、本発明の「一実施形態」という表現の参照には、記載されている特徴が同じく組み込まれている追加実施形態の存在を排他するものとしてこの表現を解釈すべきことは意図されていない。

図１は、本発明の例示的な実施形態によるブラシレススタータ／発電機（ＢＳ／Ｇ）システム１００のブロック図である。この例示的な実施形態では、システム１００には、スタータ／発電機誘導機１０２およびインバータ／コンバータ／コントローラ（ＩＣＣ）ユニット１０４が含まれる。この例示的な実施形態の場合、スタータ／発電機機械１０２は、定格４７，０００ｒｐｍの４極油冷誘導機であり、始動速度は約０ｒｐｍから２９，１４０ｒｐｍ、発電機の速度は約２９，１４０ｒｐｍから４７，０００ｒｐｍである。

インバータ／コンバータ／コントローラ（ＩＣＣ）ユニット１０４の接続形態は双方向性であり、始動モードではバッテリ１０６からスタータ／発電機誘導機１０２へ、また、発電機モードではスタータ／発電機誘導機１０２から例えば航空機の２８ＶＤＣメインバスにそれぞれ電力を流すことができる。スタータ／発電機誘導機１０２およびインバータ／コンバータ／コントローラ（ＩＣＣ）ユニット１０４のアーキテクチャは、インバータ／コンバータ／コントローラ（ＩＣＣ）ユニット１０４の胴体設置を可能にする。

図２は、本発明の例示的な実施形態によるスタータ／発電機誘導機１０２の側面図である。この例示的な実施形態では、スタータ／発電機誘導機１０２は、システムの重量を軽くし、かつ信頼性を高くするためにエンジン補機ギヤボックス（ＡＧＢ）（図２には示されていない）と共に高度に統合される誘導機を備える。スタータ／発電機誘導機１０２は、高速かご形回転子２０２、固定子２０４およびハウジング２０６を備える。回転子２０２には、比較的重量が軽く、かつ、比較的小型の設計を提供するオーバハングギヤボックスシャフト２０８が含まれる。共有オイルシステムである「ドライ空胴」構造により、発電機絶縁材料および／またはワニス材料が老化すると「ウェット空胴／噴霧オイル冷却」システム内で遭遇することになるギヤボックスのオイル汚染が除去される。

固定子２０４はハウジング内に設置された静止部分であり、この固定子２０４には、多相銅コイル（図２には示されていない）を担持する鋼成層スロット付き鉄心２１０が含まれる。例示的な実施形態では、コイルは固定数の磁極を生成するように構成されている。コイルのリード線は電源に接続されている。かご形回転子２０２は、鋼成層スロット付き鉄心および複数のアルミニウムバーまたは銅バーを含むシャフト２０８に取り付けられている。これらのすべてのバーは、各端部でまとめて短絡される。

回転子２０２は、ＡＧＢシャフト（図２には示されていない）のオーバハング部分の上に取り付けられており、ＡＧＢの必要不可欠の部分になっている。回転子２０２の構造には、鋼積層の鉄心、および積層中に円周状に取り付けられた複数の銅バーが含まれる。回転子積層材料は、強い物理的応力環境に対して最適化される。シャフト２０８は、ＡＧＢおよびＢＳ／Ｇの内部圧迫によって支持される。

固定子２０４と回転子２０２の間のギャップ２１２は、効率が最大化され、かつ、温度応力に対する適切な機械的クリアランスが維持されるようにサイズ設定される。固定子２０４の構造には、鋼鉄心積層および銅磁石ワイヤコイルが含まれる。

ＡＧＢの外部に取り付けられているハウジング２０６は、固定子２０４、回転子２０２および電気コネクタ２１４を保持する。例示的な実施形態では、ハウジング２０６は、極めて軽い重量を達成するためにマグネシウム合金製である。

ＢＳ／Ｇ１００には、エンジンからの共有オイルおよび「ドライ空胴」冷却原理が使用されている。ＢＳ／Ｇ１００内で生成される熱は、ＡＧＢへの対流および伝導を介してエンジン潤滑油システム（図２には示されていない）によって除去される。共有オイルドライ空胴システムの特徴には、重量が比較的軽いシステム（ギヤボックス、ポンプ、フィルタおよび熱交換器構成部品を含む）の達成を容易にする共有オイルが含まれる。さらに、冷却油とＢＳ／Ｇ１００内で使用されている絶縁システムが接触することはなく、また、冷却油がギャップ２１２に流入することもない。オイルが絶縁材料などの非金属材料と接触する典型的なウェット空胴設計と比較して、このドライ空胴システムによって信頼性が改善される。ドライ空胴システムの場合、熱いオイルが巻線に直接衝突することがないため、絶縁システムが劣化することはない。さらに、腐食した絶縁材料がオイル中に懸濁することもなく、したがってオイルの汚染が防止され、この汚染の防止は、共有オイルシステムの場合、特に重要である。オイルは、霧状になることも、空気と混ざることもなく、したがって泡立つことがないため、空気分離装置は不要である。また、「自由オイル」がないため、回転子２０２に関わる風損が抑制される。回転子鉄心は、シャフト２０８の中心を通って流れるオイルからの対流によって冷却される。ＡＧＢから供給されるオイルは、シャフト２０８の中に統合されている内部管２１６の内側のシャフト２０８内に流入し、内部管２１６の外側のＡＧＢへ戻る。

図３は、本発明の例示的な実施形態による、固定子２０４を冷却するために使用することができるオイル回路３００の略ブロック図である。例示的な実施形態では、固定子オイル回路３００には、固定子２０４の外部周囲と少なくとも部分的に外接するオイルジャケット３０２が組み込まれている。オイルジャケット３０２には、単一通過、平行オイルフローのための軸方向通路３０４を使用した押出しアルミニウム管熱交換器設計が含まれる。両側の端部部分のマニホルド３０６および３０７は、それぞれオイル入口３０８分配およびオイル出口３１０分配を提供しており、周囲全体にわたって一様な流れを供給するように設計される。各マニホルド３０６のアウトボード端には、オイルの漏れを防止するためのＯリングシール３１２が設けられている。オイルは、ＢＳ／Ｇ１００のフランジ（図示せず）の中に取り付けられたオイルフィッティングを介して駆動端マニホルド３０６に供給される。オイルは、次に、平行固定子冷却通路３０４を通ってＢＳ／Ｇ１００の非駆動端のリターンマニホルド３０７へ軸方向に流れた後、オイル入口３０８とは約１８０°反対側に流出する。入口３０８および出口３１０を互いに約１８０°反対側に提供することにより、通路３０４を通るすべてのオイル経路の長さが本質的に同じ長さになり、オイルが比較的一様に分配される。オイルは、ＢＳ／Ｇ取付けフランジの中に配置されるオイルフィッティングによってＡＧＢへ戻る。また、固定子鉄心は、エンジンギヤボックスハウジングへの伝導によっても冷却される。

三相スタータ／発電機誘導機１０２の場合、固定子コイルの接続は、Ｙ接続であるか、あるいはΔ接続のいずれかである。固定子コイルが一定の電圧および一定の周波数のＡＣ電源に接続されると、これらの固定子コイルは、ギャップ２１２中に、回転子バーとリンクする回転磁界を展開し、それにより回転子逆起電力（ＥＭＦ）が生成される。ギャップ２１２中の回転磁界は、電源周波数ｆおよび誘導機極数２ｐで決まる同期速度ｎ_sで回転し、ｎ_s＝６０ｆ／ｐである。

すべての回転子バーは短絡されるため、それらの内側を電流が循環し、導体にローレンツ力を展開して回転子を加速させることになる。回転子の速度が速くなると、無負荷状態の場合、絶対すべりと呼ばれる回転磁界と回転子の間の相対速度が、始動時のｎ_sから極めて小さい値に低下する。この条件の下では、回転子電流は極めて小さく、回転子摩擦および風損に打ち勝つだけの十分なトルクを展開するのに必要な電流にすぎない。固定子２０４は、この電流および回転磁界を展開させるのに必要な励起電流を搬送する。この無負荷電流は、機械の設計によっては固定子全負荷電流に対して高い割合に達することがあるが、一般的には無負荷百分率電流は、機械の電力定格が小さいほど大きく、また、その逆も真である。負荷が大きくなると回転子の速度が若干遅くなり、したがってその負荷トルクに打ち勝つだけの十分なトルクを展開するための十分な電流を回転子および固定子に流すことができる。全負荷状態下における回転子の速度は、定格および設計に応じて同期速度の９５％から９９．５％までの範囲である。例示的な実施形態では、スタータ／発電機誘導機１０２は、スタータ／発電機誘導機１０２自体が自身の励起を提供しなければならないため、常に遅れ力率電流を引き出すことになる。

図４は、本発明の例示的な実施形態によるスタータ／発電機誘導機１０２の可変周波数動作のトルク速度特性グラフである。例示的な実施形態では、グラフ７００には、定トルク領域７０２および定電力領域７０４が含まれる。

始動モードでは、加速速度要件を満足するためには比較的大きいトルクモータ出力が望ましい。例示的な実施形態では、スタータ／発電機誘導機１０２は、励起電流を制御してスタータ／発電機誘導機１０２中の磁束密度をほぼその飽和限界に等しい密度に維持することにより、所定の速度範囲にわたって最大定トルクを提供するように制御される。スタータ／発電機誘導機１０２中の磁束密度は、単純にＶ₁／ｆに比例する。この比率が実質的に一定に維持される場合、ある周波数で電圧が電源電圧限界に到達し、もはやこの比率を維持することができなくなるまでの間、トルクを実質的に一定に維持することができる。周波数が高くなると比率Ｖ₁／ｆが小さくなり、また、トルクが小さくなるが、電力は実質的に一定を維持する。この周波数に対応する回転子の速度はベース速度と呼ばれており、図４に示されている１ＰＵ速度である。図には、始動モードおよび発電モードに関連する定トルク領域および定電力領域が示されている。図に示されているように、速度が０ｐｕから２ｐｕまでであり、かつ、トルクがゼロより大きい場合、機械は始動モードにある。一方、速度が２ｐｕから４ｐｕまでであり、かつ、トルクがゼロ未満である場合、機械は発電モードにある。言及したように、定電力領域は、回転子の速度がベース速度に到達した後に生じる。明らかに、領域には部分始動モードおよび全発電モードが含まれる。本文書に使用されている慣習によれば、始動モードにおける電力は正であり、一方、発電モードにおける電力は負である。

スタータ／発電機誘導機１０２によって展開される最大トルクは、近似的にＶＩ ２／ｘ（ＶＩは機械の電圧であり、ｘは漏れリアクタンスである）に比例することは解析によって示すことができ、より速い高速（ベース速度より速い速度）での過負荷状態は、電圧を高くして定トルク領域７０２を拡張するか、あるいは機械の漏れリアクタンスを小さくしない限り達成することができないことを示している。一実施形態では、スタータ／発電機誘導機１０２は特大化されており、スタックの長さ、つまり回転子ＯＤが大きくなり、かつ、巻き数が少なくなっている。他の実施形態では、スタータ／発電機誘導機１０２には、始動モードの間、２ｐ個の極が含まれ、また、過負荷状態の間、ｐ個の極が含まれる。例示的な実施形態では、より高い電圧を達成して電圧を高くするために、インバータとバッテリバスの間に電力コンバータ段が結合されている。

図５は、本発明の例示的な実施形態によるＩＣＣユニット１０４の略ブロック図である。例示的な実施形態では、ＩＣＣユニット１０４には、電磁的干渉（ＥＭＩ）フィルタ８０２、双方向コンバータ８０４、高周波絶縁変圧器およびＩＧＢＴ三相インバータ８０８が含まれる。ＥＭＩフィルタ８０２は、始動モードならびに発電モードの間、ＥＭＩ磁化率を最小化するようにフィルタリングする。双方向コンバータ８０４には、互いに位相がシフトしている２つの交互配置コンバータが含まれる。交互配置コンバータのこの構成により、電圧リプルが最小化され、リプル周波数が高くなる。リプル周波数が低いほど、必要なフィルタリングが著しく削減され、その結果、ＥＭＩフィルタ８０２の重量がより軽くなり、また、より小型化され、電力品質が改善される。制御基板８１０には、同期空間ベクトルパルス幅変調（ＳＶＰＷＭ）および保護のためのディジタル信号プロセッサ８１２が含まれる。ゲートドライバ基板８１４および電源８１６は、独立形構成部品として提供することができ、あるいは制御基板８１０の中またはＩＣＣユニット１０４の他の構成部品の中に組み込むことも可能である。

例示的な実施形態では、ＥＭＩフィルタ８０２は、雑音干渉を最小化し、かつ、ＥＭＩイミュニティを提供するために、残りの電気回路から個別のコンパートメントの中に隔離されている。二重並列コンバータ段は、リプル電圧を最小化し、かつ、リプル周波数を２倍にするために、適切なゲートドライバ制御によって交互配置される。このような構成にすることにより、ＥＭＩフィルタ８０２の構成部品の重量を軽くし、かつ、サイズを小さくすることができ、また、その一方で電力品質を改善することができる。

発電モードの間、コンバータ段電力スイッチのゼロ電圧スイッチングがスイッチのより広い帯域幅を促進しており、それによりシステムの動的性能を著しく改善している。制御基板８１０は、発電モードおよび始動モードの間、三相絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）スイッチを制御するための高水準空間ベクトルパルス幅変調（ＳＶＰＷＭ）を提供している。

ＩＣＣユニット１０４には、熱管理のための熱クラッド基板が含まれる。熱クラッド基板は、熱インピーダンスを最小化し、また、標準のプリント配線回路基板と比較して熱をより有効かつ効果的に伝導させる。この熱クラッド基板構成によれば、有効な機械的パッケージングおよび比較的より高い電力密度が提供される。電力スイッチは、熱クラッド基板タイプの回路基板の上に取り付けられている。ゲートドライバ基板は、ゲートまでの配線の長さを最短化するために、電力スイッチの上に互い違いに配置される。

コールドプレート／ヒートシンクは、シャシのための主構造の一部を形成している。コールドプレートと電力基板の間に熱インタフェース材料が配置される。電力基板は絶縁金属基板（ＩＭＳ）であり、一般的には熱伝達を良好にするための銅ベース材料を備える。ＦＲ４をベースとする、電力デバイスのためのインタフェースおよびドライバ回路を含む回路カードアセンブリがＩＭＳの上に直接配置される。

双方向コンバータ８０４は、スタートアップ段階の間、昇圧コンバータとして作用し、バッテリの２８ＶＤＣ電力を２００〜２３０ＶＤＣの高電圧に変換する。この高電圧は、双方向コンバータ８０４内の絶縁逓昇変圧器を介してバッテリ電力から分離されている。始動モードの間、ＩＣＣユニット１０４は電流源インバータとして作用する。双方向コンバータ８０４の出力段からの高ＤＣ電圧は、ＩＧＢＴ三相インバータ８０８に供給され、また、ＳＶＰＷＭを使用してＩＧＢＴスイッチが制御され、それにより可変三相ＡＣ電圧および周波数がスタータ／発電機誘導機１０２に提供される。スタータ／発電機誘導機１０２の始動トルクは、双方向コンバータ８０４の電圧および周波数によって制御され、この制御によって始動モードの間に必要なバッテリ電流が制御され、それによりバッテリエネルギーの利用が改善される。ＩＧＢＴ三相インバータ８０８には、ＦＰＧＡ／ＤＳＰをベースとする、ＩＧＢＴスイッチのＳＶＰＷＭのための制御アルゴリズムが含まれる。

発電モードの間、ＩＧＢＴ三相インバータ８０８は、エンジンによって動力が供給される誘導発電機として作用する。スタータ／発電機誘導機１０２の速度が最小発電モード速度に到達すると、電力の流れの方向が変化し、スタータ／発電機誘導機１０２は発電機として作用して三相インバータ８０８に電力を供給する。三相インバータ８０８は６パルスダイオードブリッジとして作用し、スタータ／発電機誘導機１０２の三相電圧を２００〜３２５ＶＤＣに変換する。三相インバータ８０８ＤＣ電圧は、高入力ＤＣ電圧を調整２８ＶＤＣに変換するバックコンバータとして作用する双方向コンバータ８０４に供給される。双方向コンバータ８０４からの出力はＥＭＩフィルタ８０２を通過し、航空機のＤＣバスに２８ＶＤＣが提供される。ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）を使用することにより、システムは、高い効率、高いスイッチング周波数および小さいスイッチング損失で動作する。また、このコンバータ接続形態によれば、コンバータの帯域幅および動的応答が改善される。二重交互配置コンバータ段を使用することにより、２８ＶＤＣのリプルをより小さくし、かつ、リプル周波数を２倍にすることができる。したがってフィルタの重量およびサイズが著しく軽減され、電力品質が改善される。

図６は、本発明の例示的な実施形態による回転子磁束推定方法９００のためのアルゴリズムの略線図である。例示的な実施形態では、始動モード動作の間、間接的磁界配向（ＩＦＯ）ベクトル制御が使用される。ＩＦＯにより、トルクおよび磁束の独立した制御が保証される。回転子磁束角度を推定するための電圧−モデル磁束−オブザーバ原理が設計されており、回転子磁束角度から回転子の位置が決定される。図９では、

図７は、本発明の例示的な実施形態によるスタータ／発電機誘導機１０２の始動モードのシステムブロック図である。始動モードの間、スタータ／発電機誘導機１０２は、エンジン抗力トルクに打ち勝ち、かつ、エンジンを加速させるだけの十分なトルクを提供する。スタータ／発電機誘導機１０２の始動トルクはプラトー状態に達し、次に、エンジンが着火すると低下し始める。スタータ／発電機誘導機１０２の始動モード動作では、最初に入力電圧がＤＣ−ＤＣコンバータを介してより高い望ましい電圧まで昇圧される。昇圧コンバータのゲート動作は、ディジタル制御基板によって提供される。ここでの電圧昇圧器の利点は、縦続三相インバータに流れる電流が小さくなり、かつ、ＤＣ−ＡＣインバータと三相誘導機の間のケーブルが短くなることである。ディジタル制御基板によって制御されるインバータは、昇圧されたＤＣ電圧を誘導電動機を駆動する三相ＡＣ出力に変流する。ディジタル制御基板８１０は、三相電流のうちの２つ、すなわちｉ_aおよびｉ_bを測定し、相毎の量をｉ_dおよびｉ_qに変換する。ｉ_dは回転子鎖交磁束と整列している電流であり、また、ｉ_qは回転子鎖交磁束に対して直交する電流である。この変換の大きな利点は、ブラシＤＣ機のような誘導機を制御するための最適方法が提供されることであり、つまり、ちょうど界磁巻線翼ブラシＤＣ機の電流を制御するようにｉ_dによって機械の磁界が制御され、一方、ちょうどブラシＤＣ機の電機子巻線の電流を制御するようにｉ_qによって機械のトルクが制御される。２つの電流の直交性により、ディジタル制御基板は誘導機の出力トルクを最適化することができ、延いてはシステムの効率を最大化することができる。変換には、ｉ_aおよびｉ_bからｉ_dおよびｉ_qへの変換を実現するための鎖交磁束位置、いわゆる回転子角度が必要である。従来、回転子角度は、機械のシャフトの上に取り付けられた機械式位置センサによって獲得されている。例示的なセンサレス手法では、回転子の位置は、電流ｉαおよびｉβならびに電圧コマンドｖ^*αおよびｖ^*βを使用し、鎖交磁束方法を使用して決定される。エンジンを始動させるためのこの全体的な手法により、始動モードの間、最小電流および最大効率のシステム性能が独自に提供される。

図８は、本発明の例示的な実施形態によるスタータ／発電機誘導機１０２のセンサレス制御のためのシステムブロック図（発電モードにおける）である。発電モードの間、スタータ／発電機誘導機１０２は、磁束弱化領域で高速で動作する。このシステムの場合、より高いＤＣバス電圧を得るために、始動モードの間、昇圧コンバータ段を使用してバッテリ電圧が昇圧される。コンバータ電圧は、速度に比例した逆起電力の増加に伴って、高い電圧まで変化させることができる。この場合、より大きい電流を生成し、かつ、２００％過負荷などのより大きいトルクを出力するためには、全ＤＣバス電圧を利用しなければならない。すべりが０とプルアウトすべりの間で変化する場合、全ＤＣバス電圧を使用することにより、すべりが大きいほど、大きいトルクが生成される。この関係に基づいて、ロバストな間接的磁界配向制御アルゴリズムが実施される。フィードバックを使用してＤＣバス電圧が、一定の値、例えばそれには限定されないが３０ＶＤＣに制御され、ＤＣバス電圧Ｐ１コントローラの出力がすべり速度である。始動モードの場合と同様、それと同時に回転子の位置および速度が同じく電圧−モデル磁束−オブザーバによって推定される。システム同期速度は、すべり速度と推定回転子速度の合計である。この同期速度を積分すると、磁界配向を制御するために使用されるパラメータである同期磁束回転角度が得られる。

動作中、スタータ／発電機誘導機１０２は、スタータ／発電機誘導機１０２がディジタル制御基板８１０によって提供される適切なゲート信号によって発電機として動作するように制御される。スタータ／発電機誘導機１０２の三相出力は三相コンバータ８０４の入力に印加される。三相ＡＣ−ＤＣコンバータ８０４は、ディジタル制御基板８１０によってゲーティングされると、三相ＡＣ電圧をＢＳ／Ｇシステム１００の所望の出力電圧より高いＤＣ電圧に変換する。縦続ＤＣ−ＤＣは、次に、コンバータ８０４の出力部分で、この内部ＤＣバスを所望のＤＣバス電圧にバックする。従来のベクトル制御三相ＡＣ−ＤＣコンバータとは異なり、回転子角度は、例示的な実施形態では、推定回転子速度とすべり速度の合計を積分することによって得られる。すべり速度は、図に示されているように出力電圧調整器の出力である。次に、回転子角度を使用して事前設定の電圧コマンドｖ^*αおよびｖ^*βが、いつでもゲート信号に変換することができる電圧コマンドに変換される。他の方法とは異なり、この例示的な実施形態によれば、システムは、特に動作速度の上限端で発電機の出力を最大化することができる。

ＡＣ−ＤＣ電圧の出力のＤＣ電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータが縦続されているため、出力ＤＣバス電圧よりはるかに高くすることができ、したがってＤＣ−ＤＣコンバータとＡＣ−ＤＣコンバータの間のケーブルの重量を著しく軽くすることができ、また、より高い動作効率が得られる。ＤＣ−ＤＣコンバータは、内蔵ソフトスイッチング機構を使用して構築されており、したがってシステムの効率がさらに高くなる。回転子角度は、推定速度とすべり速度の合計を積分することによって間接的に計算されるため、位置センサを必要とすることなく、発電機モードにおけるスタータ／発電機誘導機１０２の出力を最大化するために適したロバストなセンサレス方法が提供される。

スタータ／発電機誘導機１０２およびＩＣＣユニット１０４の始動モード要件は、それぞれのエンジンのトルク要件によって駆動される。速度範囲が広範囲にわたるセンサレス制御システムの場合、スタータ／発電機誘導機１０２のパラメータは、動作条件毎に変化する。通常、電流はインダクタンスに影響を及ぼし、一方、抵抗は温度によって変化する。回転子位置の推定はスタータ／発電機誘導機１０２のパラメータに基づいており、したがって温度による抵抗の変化は補償される。システムをよりロバストにするために、コントローラには、適応パラメータシステムおよび自己同調が含まれる。

バッテリのＡｈ（アンペア時）定格は、スタートアップ電力要件または非常電力要件によって決定される。航空機配電アーキテクチャに応じて、バッテリスタートアップ要件がバッテリサイズを駆動している場合、ＢＳ／Ｇシステムは、バッテリのサイズを小さくし、かつ、重量を軽くする可能性、ならびにバッテリの寿命／信頼性を改善する可能性を有する。ＢＳ／Ｇは、さらに、スタートアップの間、バッテリのピーク電流を制御するための、ブラシ形システムに匹敵する利点を提供している。ＢＳ／ＧシステムのＩＣＣユニット１０４には、コンバータ／インバータ段、および始動モードの間、必要なトルク（Ｖ／Ｈｚ）を制御するＤＳＰベーススタートアップモードトルク制御アルゴリズムが含まれる。この接続形態および制御アルゴリズムによれば、バッテリ電流は、始動モードの間、制御されたピーク電流を確実に有することになる。ブラシ形ＤＣシステムの場合、バッテリからのピーク電流は制御されないため、ブラシレスシステムと比較して、より大きい応力がバッテリにかかることになる。

ブラシレスシステムの場合、バッテリの代わりに外部地上電力が使用される場合、外部源からのピーク電流は、ＩＣＣユニット１０４内のプログラムされたトルク制御アルゴリズムによって制御される。したがってエンジンが複数回にわたる試行で始動しない場合、ＩＣＣユニット１０４およびスタータ／発電機誘導機１０２は、ブラシ形システムの場合と比較して、受ける加熱問題が少なくなる。

図９は、本発明の代替実施形態によるＩＣＣユニット９００の略ブロック図である。図に示されているように、２つの三相セットＡ１、Ｂ１、Ｃ１およびＡ２、Ｂ２、Ｃ２が存在している。Ａ１、Ｂ１、Ｃ１セット９０２は、ＩＣＣの上側のセット９０６に接続されており、一方、Ａ２、Ｂ２、Ｃ２セット９０４は、ＩＣＣの下側のセット９０８に接続されている。この手法によれば、ＥＭＩのためのフィルタリングが軽減されるだけでなく、輪郭、重量およびサイズが最適化されたＩＣＣ全体のパッケージングがより達成可能になる。

プロセッサという用語は、本明細書において使用されているように、中央処理装置、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、縮小命令セット回路（ＲＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、論理回路、および本明細書において説明されている機能を実行することができる他の任意の回路またはプロセッサを意味する。

本明細書において使用されているように、「ソフトウェア」および「ファームウェア」という用語は互いに交換可能であり、これらの用語には、プロセッサによる実行のために、ＲＡＭメモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリおよび不揮発性ＲＡＭ（ＮＶＲＡＭ）メモリを始めとするメモリに記憶される任意のコンピュータプログラムが含まれる。上記のメモリタイプは、単に例示的なものにすぎず、したがってコンピュータプログラムを記憶するために使用することができるメモリのタイプについて限定するものではない。

以上の明細書に基づいて理解されるように、本開示の上述の実施形態は、コンピュータソフトウェア、ファームウェア、ハードウェアまたはそれらの任意の組合せあるいはサブセットを含むコンピュータプログラミングまたはエンジニアリング技法を使用して実施することができ、その技術的効果は、センサレス整流を使用したブラシレススタータ／発電機の構成および動作を制御するためのものである。結果として得られる、コンピュータ可読コード手段を有する任意のこのようなプログラムは、１つまたは複数のコンピュータ可読媒体の中で具体化し、あるいはこれらの中に提供することができ、それにより、本開示の上述の実施形態に従ってコンピュータプログラム製品、つまり製造物品を製造することができる。コンピュータ可読媒体は、例えば、それらに限定されないが、固定（ハード）ドライブ、ディスケット、光ディスク、磁気テープ、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）などの半導体記憶装置、および／またはインターネットまたは他の通信ネットワークあるいはリンクなどの任意の送信／受信媒体であってもよい。コンピュータコードを含む製造物品は、１つの媒体からコードを直接実行することによって、もしくは１つの媒体から他の媒体へコードをコピーすることによって、またはネットワークを介してコードを転送することによって製造および／または使用することができる。

上述の、エンジンスタータ／発電機のための方法およびシステムの実施形態によれば、エンジンを始動させ、かつ、運転中、エンジンから発電するための比較的軽量のシステムのための費用効果的、かつ信頼性の高い手段が提供される。より具体的には、本明細書において説明されている方法およびシステムによれば、始動モードの間、スタータ／発電機の始動電流およびトルクを容易に制御することができる。さらに、上述の方法およびシステムによれば、回転子位置センサを使用することなく容易に回転子角度を決定することができる。さらに、第２のＩＣＣの追加によってリプル周波数が２倍になり、インタフェース位相変圧器（ＩＰＴ）を使用することなくＰＷＭに起因するリプルの大きさが約半分になる。したがってこの手法によれば、ＥＭＩのためのフィルタリングが最小限に抑えられるだけでなく、輪郭、重量およびサイズが最適化されたＩＣＣ全体のパッケージングがより達成可能になる。したがって本明細書において説明されている方法およびシステムによれば、費用効果的、かつ信頼性の高い方法で容易にエンジンを始動させることができ、かつ、エンジンから発電することができる。

上では、フローモデルを使用してガス制御弁入口における燃料ガスの物理的特性を自動的かつ連続的に決定し、また、ガス燃料フロー利得に対する修正を決定するための例示的な方法および装置が詳細に説明されている。実例で示されている装置は、本明細書において説明されている特定の実施形態に限定されず、各構成部品は、本明細書において説明されている他の構成部品とは独立して、個々に利用することができる。また、各システム構成部品は、他のシステム構成部品と組み合わせて使用することも可能である。

以上、本開示について、様々な特定の実施形態の形で説明したが、本開示は、特許請求の範囲の精神および範囲の範疇で修正を加えて実践することができることは認識されよう。

１００ ブラシレススタータ／発電機（ＢＳ／Ｇ）システム
１０２ スタータ／発電機誘導機
１０４、９００ インバータ／コンバータ／コントローラ（ＩＣＣ）ユニット
１０６ バッテリ
２０２ 高速かご形回転子
２０４ 固定子
２０６ ハウジング
２０８ オーバハングギヤボックスシャフト
２１０ 鋼成層スロット付き鉄心
２１２ 固定子と回転子の間のギャップ
２１４ 電気コネクタ
２１６ シャフトの中に統合されている内部管
３００ オイル回路
３０２ オイルジャケット
３０４ 軸方向通路（固定子冷却通路）
３０６、３０７ マニホルド
３０８ オイル入口
３１０ オイル出口
３１２ Ｏリングシール
７００ トルク速度特性グラフ
７０２ 定トルク領域
７０４ 定電力領域
８０２ 電磁的干渉（ＥＭＩ）フィルタ
８０４ 双方向コンバータ
８０８ ＩＧＢＴ三相インバータ
８１０ 制御基板（ディジタル制御基板）
８１２ ディジタル信号プロセッサ
８１４ ゲートドライバ基板
８１６ 電源
９００ 回転子磁束推定方法
９０２ 三相Ａ１、Ｂ１、Ｃ１セット
９０４ 三相Ａ２、Ｂ２、Ｃ２セット
９０６ ＩＣＣの上側のセット
９０８ ＩＣＣの下側のセット

Claims (20)

1. 三相かご形誘導機と、
   第１の電気経路を介して前記三相かご形誘導機に動作可能に結合された第１の三相インバータ／コンバータ／コントローラ（ＩＣＣ）ユニットとを備え、前記ＩＣＣが、
   前記三相かご形誘導機に電気結合された三相インバータ／コンバータと、
   前記三相インバータ／コンバータに電気結合された双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、
   始動モードの間、前記誘導機に対する複数の相電流から、センサを使用することなく回転子角度を決定するように構成されたディジタル制御基板と
   を備えた、スタータ／発電機システムであって、始動モードの間、前記ディジタル制御基板内の論理が前記スタータ／発電機システムを誘導電動機、三相ＤＣ−ＡＣインバータおよびＤＣ−ＤＣ昇圧コンバータの組合せに構成し、また、発電モードの間、前記ディジタル制御基板内の論理が前記スタータ／発電機システムを誘導発電機、三相ＡＣ−ＤＣコンバータおよびＤＣ−ＤＣバックコンバータの組合せに構成するスタータ／発電機システム。
2. 前記三相インバータ／コンバータの整流がセンサレス機構を使用して決定される、請求項１記載のスタータ／発電機システム。
3. 前記ＤＣ−ＤＣ昇圧コンバータが、入力電力を第１の電圧値から第２の電圧値に昇圧するように構成され、前記第２の値の大きさが前記第１の値より大きい、請求項１記載のスタータ／発電機システム。
4. 前記ディジタル制御基板が、
   前記誘導電動機の三相電流のうちの２つ、すなわちｉ_aおよびｉ_bを測定し、
   相電流ｉ_aおよびｉ_bの相毎の量を、回転子鎖交磁束と整列している電流である電流ｉ_d、および前記回転子鎖交磁束に対して直交する電流である電流ｉ_qに変換し、
   ｉ_dを使用して前記誘導電動機の磁界を制御し、かつ、
   ｉ_qを使用して前記誘導電動機のトルクを制御する
   ように構成されている、請求項１記載のスタータ／発電機システム。
5. 前記ディジタル制御基板が、前記電流ｉ_aおよびｉ_b、ならびに第１の電圧コマンドｖ^*αおよび第２の電圧コマンドｖ^*βを使用して前記誘導電動機の回転子角度を決定するようにさらに構成されている、請求項４記載のスタータ／発電機システム。
6. 前記ディジタル制御基板が、鎖交磁束方法を使用して前記誘導電動機の回転子角度を決定するようにさらに構成されている、請求項４記載のスタータ／発電機システム。
7. 前記第１の電気経路と平行の第２の電気経路を介して前記三相かご形誘導機に動作可能に結合された第２の三相インバータ／コンバータ／コントローラ（ＩＣＣ）ユニットをさらに備え、前記第２のＩＣＣが、
   前記三相かご形誘導機に電気結合された三相インバータ／コンバータと、
   前記三相インバータ／コンバータに電気結合された双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、
   始動モードの間、前記誘導機に対する複数の相電流から、センサを使用することなく回転子角度を決定するように構成されたディジタル制御基板と
   を備えた、請求項１記載のスタータ／発電機システム。
8. ディジタル制御基板が、推定回転子速度とすべり速度の合計を積分することによって回転子角度を決定するように構成されている、請求項１記載のスタータ／発電機システム。
9. ディジタル制御基板が、出力電圧調整器の出力からすべり速度を決定するように構成されている、請求項１記載のスタータ／発電機システム。
10. 前記ディジタル制御基板が、第１の事前設定の電圧コマンドｖ^* _dおよび第２の事前設定の電圧コマンドｖ^* _qを、回転子角度を使用して前記ＡＣ−ＤＣコンバータをゲーティングするためのそれぞれの電圧コマンドに変換するように構成されている、請求項１記載のスタータ／発電機システム。
11. エンジンを始動させ、かつ、前記エンジンを使用して発電するためのエンジンスタータ／発電機システムを制御する方法であって、
    始動モードの間、
    ＤＣ−ＤＣコンバータを使用して入力電圧を昇圧するステップと、
    昇圧されたＤＣ電圧を、前記エンジンを回転させるように構成された誘導電動機を駆動する三相ＡＣ出力に変流するステップと、
    三相電流のうちの２つ、すなわちｉ_aおよびｉ_bを測定するステップと、
    相電流ｉ_aおよびｉ_bをｉ_dおよびｉ_qに変換するステップであって、ｉ_dが回転子鎖交磁束と整列している電流であり、ｉ_qが前記回転子鎖交磁束に対して直交する電流であるステップと、
    ｉ_dを使用して前記スタータ／発電機システムの誘導機の磁界を制御するステップと、
    ｉ_qを使用して前記スタータ／発電機システムの誘導機のトルクを制御するステップと
    を含み、発電モードの間、
    三相ＡＣ電圧を生成するために、前記誘導機の三相出力を三相コンバータの入力に印加するステップと、
    前記三相ＡＣ電圧を前記スタータ／発電機システムの所定の大きさの出力電圧より大きい第１の大きさの電圧のＤＣ電圧に変換するステップと、
    前記ＤＣ電圧を縦続ＤＣ−ＤＣコンバータを使用して前記スタータ／発電機システムの前記所定の大きさの出力電圧までバッキングするステップと
    を含む方法。
12. 推定回転子速度とすべり速度の合計を積分することによって回転子角度を決定するステップをさらに含み、前記すべり速度が出力電圧調整器の出力である、請求項１１記載の方法。
13. 第１の事前設定の電圧コマンドｖ^* _dおよび第２の事前設定の電圧コマンドｖ^* _qを、回転子角度を使用して前記ＡＣ−ＤＣコンバータをゲーティングするためのそれぞれの電圧コマンドに変換するステップをさらに含む、請求項１１記載の方法。
14. ディジタル制御基板を使用して前記ＤＣ−ＤＣコンバータをゲーティングするステップをさらに含む、請求項１１記載の方法。
15. 相電流ｉ_aおよびｉ_bをｉ_dおよびｉ_qに変換するステップが、前記誘導機の回転子の鎖交磁束位置を使用して相電流ｉ_aおよびｉ_bをｉ_dおよびｉ_qに変換するステップを含む、請求項１１記載の方法。
16. 電流ｉαおよびｉβならびに電圧コマンドｖ^*αおよびｖ^*βを使用して、鎖交磁束方法によって、センサを使用することなく前記誘導機の回転子の位置を決定するステップをさらに含む、請求項１１記載の方法。
17. エンジンを始動させ、かつ、前記エンジンから発電するためのブラシレススタータ／発電機（ＢＳ／Ｇ）および補機ギヤボックス（ＡＧＢ）アセンブリであって、
    オーバハングギヤボックスシャフトの周りに回転させることができるかご形回転子、少なくとも部分的に前記回転子を取り囲んでいる固定子、および前記回転子および固定子を密閉しているハウジングを備えた誘導電磁機械と、
    前記オーバハングギヤボックスシャフトに同軸結合されたエンジン補機ギヤボックス（ＡＧＢ）と、
    前記ＢＳ／Ｇ内で生成される熱を、前記ＡＧＢへの対流および伝導のうちの少なくともいずれかを介して前記エンジンに結合されている潤滑油システムに伝達するように構成されたドライ空胴オイルシステムと
    を備えたＢＳ／Ｇ／ＡＧＢアセンブリ。
18. 前記オーバハングギヤボックスシャフトが、前記回転子に生成される熱を対流によって除去するために、前記ＡＧＢと前記ＢＳ／Ｇの間をオイルが流れるように構成された内部オイル通路を備えた、請求項１７記載のＢＳ／ＧおよびＡＧＢアセンブリ。
19. 前記内部オイル通路が、前記ＢＳ／Ｇにオイルが流入するように構成された第１の管、および前記ＢＳ／Ｇからオイルを流すために前記第１の管と流れ連通する第２の管を備えた、請求項１７記載のＢＳ／ＧおよびＡＧＢアセンブリ。
20. 前記第１の管および前記第２の管が同心整列している、請求項１７記載のＢＳ／ＧおよびＡＧＢアセンブリ。

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