JP2013085458A

JP2013085458A - 発電機

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Publication number: JP2013085458A
Application number: JP2012220938A
Authority: JP
Inventors: Xiaochuan Jia; シャオチュアン・ジア; Hao Fang; ハオ・ファン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-10-07
Filing date: 2012-10-03
Publication date: 2013-05-09
Anticipated expiration: 2032-10-03
Also published as: EP2579430A3; JP6130640B2; CN103036342A; US8723385B2; BR102012025474A2; EP2579430B1; CN103036342B; CA2791024C; US20130088017A1; EP2579430A2; CA2791024A1

Abstract

【課題】発電機と整流器の間に設けられ、電圧を上昇又は下降させたりするのに使用される単巻変圧器を不要とする発電機を提供する。
【解決手段】発電機のステータ巻線を、メイン巻線９８ａ、９８ｂ、９８ｃ、及び、これに接続された二次巻線１００ａ〜１００ｉ、を有する一体式単巻変圧器ユニットで構成する。
【選択図】図３

Description

タービンエンジン、とりわけガスタービンエンジンは、燃焼タービンエンジンとしても知られており、エンジンを介して複数のタービンブレードへとから流れる燃焼ガスの流れからエネルギーを抽出する回転エンジンである。ガスタービンエンジンは、陸上および海での移動および電力生成に利用されてきたが、もっとも一般的にはヘリコプターを含めた飛行機などの航空用途で利用されている。飛行機では、ガスタービンエンジンは、航空機の推進力に利用される。

ガスタービンエンジンは、２つ以上のスプールを有しており、すなわち全体の推進系推力の有意な部分を提供する低圧（ＬＰ）スプールと、１つまたは複数の圧縮機を駆動し、排出される生成物を船尾方向に誘導することによって、追加の推力を生成する高圧（ＨＰ）スプールが含まれる。３段スプールガスタービンエンジンは、第３の中間圧力（ＩＰ）スプールを含んでいる。

またガスタービンエンジンは通常、発電機、始動機／発電機、永久磁石交流発電機（ＰＭ）、燃料ポンプおよび液圧式ポンプ、例えば推進力以外の航空機に必要な機能のための装備などいくつかの多様な付属機器に動力を供給する。例えば最近の航空機は、アビオニクス機器、モータおよび他の電気設備用に電力を必要とする。ガスタービンエンジンに結合した発電機は、エンジンの機械的動力を必要とされる電気エネルギーに変換して、付属機器に電力を供給する。

米国特許第７８１３１４７号明細書

異なる電圧階級で作動するシステムを相互に接続し、発電機の高調波成分および整流器の出力におけるリップルを減少させる目的で、単巻変圧器（ＡＴＵ）が電力用途で使用されることが多い。航空機では、単巻変圧器は典型的には、発電機と整流器の間の電圧を上昇させたり下降させたりするのに使用される。ＡＴＵは、発電機から離れており、エンジンの重量および体積に加えられる。さらにＡＴＵは、強制的な液体冷却システムを必要とすることが多く、このようなシステムはエンジンに対してさらに重量および体積を追加する。

一実施形態において、発電機は、３つのメイン巻線を有するステータと、この３つのメイン巻線のそれぞれに接続されて一体式単巻変圧器ユニットを形成する少なくとも２つの二次巻線と、３つのメイン巻線に接続された第１の組の導体と、少なくとも２つの二次巻線にそれぞれ接続された第２の組の導体とを含んでいる。

別の実施形態において、ガスタービンエンジンは、３つのメイン巻線を有するステータと、この３つのメイン巻線のそれぞれに接続されて一体式単巻変圧器ユニットを形成する少なくとも２つの二次巻線と、３つのメイン巻線に接続された第１の組の導体と、少なくとも２つの二次巻線にそれぞれ接続された第２の組の導体とを含む発電機を有する。

航空機のためのガスタービンエンジンの概略断面図である。図１のガスタービンエンジンの電力システム構造の概略的なブロック図であり、このシステム構造は、本発明の第１の実施形態による一体式単巻変圧器ユニットを備えた発電機を有する図である。図２の電力システム構造の一体式単巻変圧器ユニット備えた発電機と、ＡＣ−ＤＣ電力変換器の電気回路図である。図３からの一体式単巻変圧器ユニットを備えた発電機のステータ巻線の電気回路図である。図４からのステータ巻線の巻線ベクトルの図である。図１のガスタービンエンジンのための電力システム構造の概略ブロック図であり、このシステム構造が、本発明の第２の実施形態による一体式単巻変圧器ユニットを有する図である。図６の電力システム構造の一体式単巻変圧器ユニットを備えた発電機と、ＡＣ−ＤＣ電力変換器の電気回路図である。図３からの一体式単巻変圧器ユニットを備えた発電機のステータ巻線の電気回路図である。図８からのステータ巻線の巻線ベクトルの図である。図１のガスタービンエンジンのための電力システム構造の概略ブロック図であり、このシステム構造が、本発明の第３の実施形態による一体式単巻変圧器ユニットを備えた発電機を有する図である。図１０の電力システム構造の一体式単巻変圧器ユニットを備えた発電機と、ＡＣ−ＤＣ電力変換器の電気回路図である

本発明の記載される実施形態は一般に、機械的動力を電力に変換する発電機を対象としている。本発明の実施形態は、航空機エンジンからの電力生成に関して記載されており、より詳細にはタービンエンジンから、好ましくはガスタービンエンジンから電力を生成することができる少なくとも１つの発電機を有する電力システム構造に関して記載されている。しかしながら本発明は、これに限定するものではなく、航空機以外の用途、例えば他の移動用途、ならびに移動しない産業向け、商業向けおよび住宅向け用途における電力システム構造に対する一般的な用途を有することを理解されたい。

図１は、航空機のためのガスタービンエンジン１０の概略断面図である。エンジン１０は、下流に連続して流れる関係において、ファン１４を含むファン部分１２と、ブースタまたは低圧（ＬＰ）圧縮機１６と、高圧（ＨＰ）圧縮機１８と、内燃部分２０と、ＨＰタービン２２と、ＬＰタービン２４とを含んでいる。ＨＰシャフトまたはスプール２６が、ＨＰタービン２２をＨＰ圧縮機１８に駆動式に接続し、ＬＰシャフトまたはスプール２８が、ＬＰタービン２４をＬＰ圧縮機１６およびファン１４に駆動式に接続する。ＨＰタービン２２は、ロータ３０の周辺部に設置されたタービンブレード３２を有するＨＰタービンロータ３０を含む。ブレード３２は、ブレードプラットフォーム３４から半径方向外側のブレード先端３６まで半径方向外向きに延在している。

図２は、本発明の第１の実施形態による電力システム構造４０の概略ブロック図である。システム構造４０は、複数のエンジンシステムを含んでおり、少なくとも左側のエンジンシステム４２と右側のエンジンシステム４４とを含むように本明細書では示されている。左側と右側のエンジンシステム４２、４４は、ほぼ同一であるため、簡潔にするために、左側のエンジンシステム４２のみを詳細に記載する。左側のエンジンシステム４２は、図１に示されるガスタービンエンジン１０のＨＰスプール２６とＬＰスプール２８を含むことができるが、システム構造４０には、他のエンジンに対する用途もある。本明細書に示される左側のエンジンシステム４２は、２つのスプール、すなわちＨＰスプール２６とＬＰスプール２８によって供給される機械的動力を利用する。しかしながらシステム構造４０は、３つ以上のスプール、例えばＨＰスプールおよびＬＰスプールに加えて中間圧力スプールを有する３つのスプールのエンジンに実装することもできる。システム構造４０はさらに、航空機の補助動力装置（ＡＰＵ）４６と、外部電源（ＥＰＳ）４８を含むことができる。本明細書に示されるように、ＡＰＵ４６およびＥＰＳ４８はそれぞれ、ＤＣ出力５０、５２をそれぞれ有する。

例示の実施形態において、左側のエンジンシステム４２は、第１の単巻変圧器ユニット（ＡＴＵ）と一体式発電機５６と、第２のＡＴＵと一体式発電機５８を含んでおり、第１の単巻変圧器ユニット（ＡＴＵ）一体式発電機５６は、本明細書ではＡＴＵと一体式始動機−発電機５６として示され、ＨＰスプール２６によって供給される機械的動力から可変周波数（ＶＦ）ＡＣ電力を生成するように構成されており、第２のＡＴＵ一体式発電機５８は、ＬＰスプール２８によって供給される機械的動力から一定周波数（ＣＦ）ＡＣ電力を生成するように構成されている。

ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６は、電力生成部分６０とＡＴＵ部分６２を含む。以下により詳細に説明するようにＡＴＵ部分６２は、電力生成部分６０の電気巻線の動力変換に必要な電気巻線の一部を組み込むことによって、電力生成部分６０と一体式になっている。これにより本質的に、電力生成部分６０とＡＴＵ部分６２において巻線が重複することがなくなり、これは恐らく航空機の重量およびコスト削減につながる。

ＨＰスプール２６は、ＨＰ駆動組立体によってＡＴＵ一体式始動機−発電機５６に作動式に結合させることができ、この組立体は、ＨＰスプール２６に機械的に結合された入力と、電力生成部分６０に機械的に結合された出力を有する、ＨＰ駆動組立体の一実施形態は、付属のギアボックス６４であり、この場合ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６は、付属のギアボックス６４に設置され、そこに結合させることができる。付属のギアボックス６４の中で、動力を他のエンジン付属品に伝えることもできる。ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６の電力生成部分６０は、ＨＰスプール２６によって供給された機械的動力を電力に変換し、３相出力を有する電源６６を形成する。ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６のＡＴＵ部分６２は、電源６６の３相出力を９相の電力出力６８に変換する機能と、電源の電圧を上昇させる両方の機能がある。

ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６はまた、航空機に起動する機能を与える。あるいは左側のエンジンシステム４２のＨＰ側のＡＴＵ一体式発電機５６が、航空機に起動する機能を与えない発電機を備える場合もある。この場合、付属ギアボックス６４に接続された別個の始動モータを設けることで、航空機に起動する機能を与えることができる。さらに左側のエンジンシステム４２は、冗長度の方策を提供するために、ＨＰスプール２６から機械的動力を引き出す複数の発電機を含むことができる。

ＡＴＵ一体式発電機５８は、電力生成部分７０と、ＡＴＵ部分７２を含む。ＬＰスプール２８は、ＬＰ駆動組立体によって、ＡＴＵ一体式発電機５８に作動式に結合させることができ、この組立体は、ＬＰスプール２８に機械的に結合された入力と、電力生成部分７０に機械的に結合された出力を有する。ＬＰ駆動組立体の一実施形態は、一定の速度の駆動装置（ＣＳＤ）７４であり、この装置によって、ＬＰスプール２８からの可変速度の入力を一定の速度に変換する。本明細書に示されるように、ＣＳＤ７４は、ＡＴＵ一体式発電機５８に機械的に結合することができ、一定の速度で電力生成部分７０を駆動する。ＡＴＵ一体式発電機５８の電力生成部分７０は、ＬＰスプール２８によって供給された機械的動力を電力に変換し、３相出力を有する電源７６を形成する。ＡＴＵ一体式発電機５８のＡＴＵ部分７２は、電源７６の３相出力を９相の電力出力７８に変換する機能と、電源の電圧を上昇させる両方の機能がある。ＣＳＤがあることにより、電源６６、７６は、一定の周波数を有する。あるいはＣＳＤ７４をなくすことで、ＶＦ電力出力を生成することもできる。

本明細書に示される実施形態は、左側のエンジンシステム４２のＬＰ側にある１つのＡＴＵ一体式発電機５８を使用するものとして記載されているが、本発明の別の実施形態は、複数のＡＴＵ一体式発電機５８を利用して、ＬＰスプール２８から機械的動力を引き出しＡＣ電力を生成することで、冗長度の方策を提供する場合もある。さらに別個のＡＴＵ一体式発電機５８とＣＳＤ７４が本明細書で考察されているが、ＣＳＤ７４とＡＴＵ一体式発電機５８を共通のユニットに組み合わせた一体式駆動発電機を代替として利用することもできる。

ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６からの電力出力６８が、第１のＡＣ／ＤＣ変換器に供給されて、ＡＣ電力出力６８をＤＣ電力出力８０に変換する。例示のように、第１のＡＣ／ＤＣ変換器は、第１の整流器デバイス８２と、第１のフィルタ８４とを含むことにより、ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換し、第１の電気バス８６に供給される前に電流を均等にすることができる。同様にＡＴＵ一体式発電機５８からの電力出力７８は、第２のＡＣ／ＤＣ変換器に供給されて、ＡＣ電力出力７８をＤＣ電力出力８８に変換する。例示のように、第２のＡＣ／ＤＣ変換器は、第２の整流器デバイス９０と、第２のフィルタ９２とを含むことにより、ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換し、第２の電気バス９４に供給される前に電流を均等にすることができる。

モータ−始動機制御装置９６が、第１の電気バス８６からＡＴＵ一体式始動機−発電機５６に選択的に動力を供給することで、航空機の起動手順を開始する。モータ−始動機制御装置９６をＡＴＵ一体式始動機−生発電機５６と一体式にすることで、図２に示されるように、モータ−始動機制御装置９６をＡＴＵ一体式始動機−発電機５６の特定の場所に接続することによってエンジンを起動することができる。３相のモータ−始動機制御装置９６が、３相の電源６６に接続されることで、ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６を３相の始動機として駆動させてエンジンを始動する。

第１および第２の電気バス８６、９４は、ＤＣ電源を必要とする１つまたは負荷（図示せず）にＤＣ電力を供給するように構成されている。第１および第２の電気バス８６、９４が選択的に接続されることで、ＨＰスプール２６とＬＰスプール２８によって負荷を共有することができる。

作動中、ガスタービンエンジン１０が始動すると、ＨＰＴ２２がＨＰスプール２６を回転させ、ＬＰＴ２４がＬＰスプールを回転させる。回転するＨＰスプール２６によって付属のギアボックス６４が駆動され、ＨＰスプール２６からＡＴＵ一体式始動機−発電機５６に機械的動力を伝える。ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６は、ＨＰスプール２６によって供給された機械的動力を電力に変換し、ＤＣ電力出力８０を生成する。回転するＬＰスプール２８によってＣＳＤ７４が駆動され、ＬＰスプール２８からの機械的動力をＡＴＵ一体式発電機５８に伝える。ＡＴＵ一体式発電機５８は、ＬＰスプール２８によって供給された機械的動力を電力に変換し、ＤＣ電力出力８８を生成する。電力出力８０、８８はそれぞれ、ＤＣ電源を必要とする１つまたは複数の負荷（図示せず）にＤＣ電力を供給するように構成された電気バス８６、９４に供給される。電力を消費する負荷のタイプによって、システム構造４０によって抽出されるＤＣ電力は、負荷に使用される前に別の処理を受ける場合もある。ＡＰＵ４４およびＥＰＳ４８のＤＣ電力出力５０、５２もまた、電気バス８６、９４に供給することができる。

左側のエンジンシステム４２および右側エンジンシステム４４、ＡＰＵ４６およびＥＰＳ４８は、必要に応じて航空機の様々な負荷にＤＣ電力を供給することができる。左側のエンジンシステム４２、右側エンジンシステム４４、ＡＰＵ４６およびＥＰＳ４８の多様なＤＣ出力は、適切なスイッチによって統合され、無瞬断切換（ＮＢＰＴ）を航空機に提供する。

図３は、図２の電力システム構造４０で使用するＡＴＵ一体式始動機−発電機５６と、第１のＡＣ−ＤＣ電力変換器の電気回路図である。第１および第２のＡＴＵ一体式発電機５６、５８と、ＡＣ−ＤＣ電力変換器は、ＨＰスプール２６およびＬＰスプール２８の両方に関してほぼ同一であるため、簡潔にするために左側のエンジンシステム４２のＨＰ側のみを簡潔のため図３で詳細に記載する。

ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６は、３つのメインまたは一次巻線９８ａから９８ｃと、９つの二次巻線１００ａから１００ｉを備えたステータを有することができる。メイン巻線９８ａから９８ｃはそれぞれ、共通の中点１０２に接続された中立末端と、３相出力電源６６の１相出力１０６ａから１０６ｃに接続されたタップ１０４ａから１０４ｃを有する。各相出力１０６ａから１０６ｃは、導線またはリードワイヤを介して３相のモータ−始動機制御装置９６（図２）に供給される。二次巻線１００ａから１００ｉは、関連する３つの組で、メイン巻線９８ａから９８ｃにあるタップ１０４ａから１０４ｃの１つに接続され、９相電力出力６８を生成するように構成されている。例示の実施形態において、一次巻線９８ａから９８ｃは、Ｙ字状回路構成で配置されており、一体式ＡＴＵの全体の構成は星型結線構成である。あるいは一次巻線９８ａから９８ｃは、デルタ結線構成であり、一体式ＡＴＵの全体の構成はデルタまたは拡張デルタ結線構成の場合もある。

９相電力出力６８は、導線１０８ａから１０８ｉによって整流器デバイス８２に送られる。導線１０８ａから１０８ｉはリードワイヤであってよい。整流器デバイス８２は、発電機５６と一体式にされ、あるいはパッケージにされる、あるいは発電機５６から切り離して設けることもできる。整流器デバイス８２は、複数のダイオードを含む３つの整流器ブリッジを含むことができる。ダイオードの数は、ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６の所望のパルス数に匹敵する。本明細書に示されるように、１８個のダイオードがあるため、パルス数は１８である。他の数のダイオード、例えば１２、１８、２４または他の６の倍数などを使用することもできる。１つの好適なタイプのダイオードは、その高温性能により、炭化珪素（ＳｉＣ）から作製される。ダイオード以外の整流器デバイスが使用される場合もある。

例示のＡＴＵ一体式始動機−発電機５６はパルス数が１８であるように示されているが、上記に述べたように始動機−発電機５６は、他のパルス数になるように構成される場合もある。例えば３つの二次巻線の代わりに２つの二次巻線１００を設けることにより、パルス数が１２の発電機を設けることができる。別の例では、３つの二次巻線を設ける代わりに４つの二次巻線１００を設けることにより、パルス数が２４の発電機を設けることができる。

例示のように、導線１０８ａ、１０８ｅおよび１０８ｉは、６つのダイオード１１２を有する第１の整流器ブリッジ１１０に接続され、導線１０８ｃ、１０８ｄおよび１０８ｈは、６つのダイオード１１６を有する第２の整流器ブリッジ１１４に接続され、導線１０８ｂ、１０８ｆおよび１０８ｇは、６つのダイオード１２０を有する第３整流器ブリッジ１１８に接続される。

導線１０８ａ、１０８ｅおよび１０８ｉにおいて利用できる３相は、ダイオード１１２を有する第１の整流器ブリッジ１１０によって整流され、２つの第１の出力１２２ａと１２２ｂ間に第１のＤＣ電圧を出力する。導線１０８ｃ、１０８ｄおよび１０８ｈにおいて利用できる３相は、ダイオード１１６を有する第２の整流器ブリッジ１１４によって並行して整流され、２つの第２の出力１２４ａと１２４ｂ間に第２のＤＣ電圧を出力する。導線１０８ｂ、１０８ｆおよび１０８ｇにおいて利用できる３相も、ダイオード１２０を有する第３整流器ブリッジ１１８によって並行して整流され、２つの第３出力１２６ａと１２６ｂ間に第３ＤＣ電圧を出力する
各々の整流器ブリッジ１１０、１１４、１１８からの一方の出力１２２ａ、１２４ａおよび１２６ａは、第１の相間変圧器１２８に結合され、この変圧器が、出力１２２ａ、１２４ａおよび１２６ａ間の瞬間的な電圧差を吸収する。各々の整流器ブリッジ１１０、１１４、１１８からの他方の出力１２２ｂ、１２４ｂおよび１２６ｂは、第２の相間変圧器１３０に結合され、この変圧器が、出力１２２ｂ、１２４ｂおよび１２６ｂ間の瞬間的な電圧差を吸収する。第１の相間変圧器１２８および第２の相間変圧器１３０のコイルの接合点が、第１の出力１３２と、第２の出力１３４をそれぞれ形成し、これらの出力は、フィルタ８４に接続される。

図４は、図３によるＡＴＵ一体式始動機−発電機５６のＡＴＵ部分６２のステータ巻線の電気回路図である。上記で考察したように各々のメイン巻線９８ａから９８ｃは、共通の中点１０２からタップ１０４ａから１０４ｃの１つに延びている。第１のメイン巻線９８ａにある二次巻線１００ａから１００ｃはそれぞれ、タップ１０４ａから端子Ａ１、Ａ２、Ａ３まで延びている。第２のメイン巻線９８ｂにある二次巻線１００ｄから１００ｆはそれぞれ、タップ１０４ｂから端子Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３まで延びている。第３メイン巻線９８ｃにある二次巻線１００ｇから１００ｉはそれぞれ、タップ１０４ｃから端子Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３まで延びている。

図５は、図４のＡＴＵ一体式始動機−発電機５６のＡＴＵ部分６２のステータ巻線の巻線ベクトル図である。この巻線ベクトル図を利用して、ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６のＡＴＵ部分６２のステータ巻線を設計することができる。ステータ巻線は、本明細書ではパルス数が１８であるように示されているが、例えば１２、１８、２４などの他の６の倍数のパルス数を有するように構成することもできる。

ここから分かるように、ベクトル図は、起点である共通点Ｏから発する９つのメインベクトルＡ１、Ａ２、Ａ３、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を含んでおり、この起点は、図４のステータ巻線の中点１０２に相当する。メインベクトルＡ１〜Ｃ３は、導線１０８ａから１０８ｉによって図３の整流器デバイス８２に送られる各相出力を表している。メインベクトルＡ１〜Ｃ３の大きさまたは長さＶは、生成されるＡＣ電圧を表しており、各々のメインベクトルＡ１〜Ｃ３の方向または配向は、生成されたＡＣ電圧の０−３６０°の相を表している。本明細書に示されるように、メインベクトルＡ１〜Ｃ３は、同一の長さＶであるが、角度αだけ相が異なる場合がある。メインベクトルＡ１〜Ｃ３がグループ分けされることで、メインベクトルＡ１、Ｂ１、Ｃ１は、１つの３相出力を表しており、メインベクトルＡ２、Ｂ２、Ｃ２は、別の３相出力を表し、メインベクトルＡ３、Ｂ３、Ｃ３は、他の３相出力を表している。

メインベクトルＡ１、Ｂ１およびＣ１がそれぞれ、地点Ｐ（これは図４のタップ１０４ａ〜１０４ｃに相当する）から発する２つのサブベクトルＸ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２、Ｚ１、Ｚ２を含むことで、他のメインベクトルＡ２、Ａ３、Ｂ２、Ｂ３、Ｃ２、Ｃ３の１つと合流する。起点である共通点Ｏと地点Ｐ間の距離は、長さＬ１として表されている。地点ＰからメインベクトルＡ１までの距離は、長さＬ２として表されている。したがって、メインベクトルＡ１、よって他のメインベクトルＡ２、Ａ３、Ｂ２、Ｂ３、Ｃ２、Ｃ３の長さＶは、以下の関係式によって得られる。

サブベクトルＸ２は、メインベクトルＡ１からメインベクトルＡ３まで一定の角度θ１で延びており、長さＬ３である。図５には示されていないが、他のサブベクトルＸ２、Ｙ１、Ｙ２、Ｚ１、Ｚ２もやはり長さＬ３であり、関連するメインベクトルからθ１に匹敵する一定の角度で伸びている。メインベクトルＡ１およびＡ３の末端は、距離ｄだけ隔てられており、長さＬ２およびＬ３と一緒に内角θ１、θ２およびθ３を画定する頂点を有する三角形を形成する。長さＬ１〜Ｌ３と、角度θ１およびαは、図３のＡＴＵ一体式始動機−発電機５６のＡＴＵ部分６２のステータ巻線を設計するように選択することができる。

角度α、θ１、θ２およびθ３は、パルス数Ｎに左右され、その関係は以下の数式によって得られる。

この例では、Ｎ＝１８で、θ１＝６０°と仮定することができる。したがって角度α＝２０°で、角度θ３＝８０°で角度θ２＝４０°である。θ１の代わりに、θ２またはθ３が付与される場合もあることを理解されたい。

長さＬ２、Ｌ３、ｄと、角度θ１、θ２およびθ３の関係は、正弦法則より知られている。

メインベクトルＡ１の末端からメインベクトルＡ３の末端の距離ｄは、以下の関係式によって得られる。

正弦法則を使用して、長さＬ２およびＬ３が以下の関係式によって得られる。

電圧Ｖと長さＬ１、Ｌ２の関係を使用して、長さＬ１を以下の関係式を使用して求めることができる。

したがって所望のパルス数Ｎ、所望の電圧Ｖおよび少なくとも１つの他の変数を知ることによって、図３のＡＴＵ一体式始動機−発電機５６のＡＴＵ部分６２のメインステータ巻線を設計することができる。この場合、他の所与の変数はθ１である。しかしながら別の変数、例えば異なる角度、または長さが代わりに付与される場合もあることを理解されよう。

図６は、本発明の第２の実施形態による電力システム構造１４０の概略ブロック図である。システム構造１４０は、図２に示されるシステム構造４０とほぼ同様であり得るため、同様の要素は、同一参照番号を使用して示されている。図６に示されるシステム構造１４０と、図２に示されるシステム構造４０の１つの相違点は、両方のＡＴＵ一体式発電機５６、５８に関して、ＡＴＵ部分６２、７２が、３つの巻線を加える代わりに２つの二次巻線を加えることによって、電源６６、７６の３相出力を９相の電力出力１４２、１４４に変換するように機能することである。

図７は、図６の電力システム構造１４０で使用するＡＴＵ一体式始動機−発電機５６と、第１のＡＣ−ＤＣ電力変換器の電気回路図である。第１および第２のＡＴＵ一体式発電機５６、５８と、ＡＣ−ＤＣ電力変換器は、ＨＰスプール２６およびＬＰスプール２８の両方に関してほぼ同一であり得るため、簡潔にするために左側のエンジンシステム４２のＨＰ側のみを簡潔のため図７で詳細に記載する。

ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６は、関連する２つの組において、メイン巻線９８ａから９８ｃにあるタップ１０４ａから１０４ｃの１つに接続された６つの二次巻線１４６ａから１４６ｆを有することができる。例示の実施形態において、一次巻線９８ａから９８ｃは、Ｙ字状回路構成で配置されており、一体式ＡＴＵの全体の構成はフォーク型結線構成である。あるいは一次巻線９８ａから９８ｃは、デルタ結線構成で配置される場合もある。

９相電力出力１４２は、導線１４８ａから１４８ｆおよび１５０ａから１５０ｃによって整流器デバイス８２に送られる。導線１４８ａ、１４８ｃおよび１４８ｅは、第２の整流器ブリッジ１１４に接続され、導管１４８ｂ、１４９ｄ、１４８ｆは、第３整流器ブリッジ１１８に接続されている。導管１５０ａから１５０ｃは、一次巻線９８ａから９８ｃから延びており、第１の整流器ブリッジ１１０に接続されている。導管１４８ａから１４８ｆおよび１５０ａから１５０ｃはリードワイヤであってよい。残りの電力の整流およびフィルタリングは、図３に関して上記に記載したものと同様である。

例示のＡＴＵ一体式始動機−発電機５６は、パルス数が１８であるように示されているが、始動機−発電機５６は、他のパルス数になるように構成される場合もある。例えば２つの二次巻線の代わりに１つの二次巻線１４６を設けることにより、パルス数が１２の発電機を設けることができる。別の例では、２つの二次巻線を設ける代わりに３つの二次巻線１４６を設けることにより、パルス数が２４の発電機を設けることができる。

図８は、図７によるＡＴＵ一体式始動機−発電機５６のＡＴＵ部分６２のステータ巻線の電気回路図である。上記に考察したように、各々のメイン巻線９８ａから９８ｃは、共通の中点１０２からタップ１０４ａから１０４ｃまでの１つに延びている。第１のメイン巻線９８ａにある二次巻線１４６ａおよび１４６ｂは、端子Ａ１としても示されるタップ１０４ａから端子Ａ２およびＡ３までそれぞれ延びている。第２のメイン巻線９８ｂにある二次巻線１４６ｃおよび１４６ｄは、端子Ｂ１として示されるタップ１０４ｂから端子Ｂ２およびＢ３までそれぞれ延びている。第３メイン巻線９８ｃにある二次巻線１４６ｅおよび１４６ｆは、端子Ｃ１としても示されるタップ１０４ｃから端子Ｃ２およびＣ３までそれぞれ延びている。

図９は、図８のＡＴＵ一体式始動機−発電機５６のＡＴＵ部分６２のステータ巻線の巻線ベクトル図である。この巻線ベクトル図を利用して、ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６のＡＴＵ部分６２のステータ巻線を設計することができる。ステータ巻線は、本明細書ではパルス数が１８であるように示されているが、例えば１２、１８、２４などの他の６の倍数のパルス数を有するように構成することもできる。

ここから分かるように、ベルトル図は、起点である共通点Ｏから発する９つのメインベクトルＡ１、Ａ２、Ａ３、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を含んでおり、この起点は、図８のステータ巻線の中点１０２に相当する。メインベクトルＡ１〜Ｃ３は、導線１４８ａ〜ｆおよび１５０ａ〜ｃによって図７の整流器デバイス８２に送られる各相出力を表している。メインベクトルＡ１〜Ｃ３の大きさまたは長さＶは、生成されるＡＣ電圧を表しており、各々のメインベクトルＡ１〜Ｃ３の方向または配向は、生成されたＡＣ電圧の０−３６０°の相を表している。本明細書に示されるように、メインベクトルＡ１〜Ｃ３は、同一の長さＶであるが、角度αだけ相が異なる場合がある。

メインベクトルＡ１、Ｂ１およびＣ１がそれぞれ、地点Ｅ（これは図８のタップ１０４ａ〜１０４ｃに相当する）から発する２つのサブベクトルＸ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２、Ｚ１、Ｚ２を含むことで、他のメインベクトルＡ２、Ａ３、Ｂ２、Ｂ３、Ｃ２、Ｃ３の１つと合流する。起点である共通点Ｏと地点Ｅ間の距離は、長さＬ１として表されている。したがって、メインベクトルＡ１、よって他の全てのメインベクトルＡ２、Ａ３、Ｂ２、Ｂ３、Ｃ２、Ｃ３は、以下の関係式によって得られる。

サブベクトルＸ２は、メインベクトルＡ１からメインベクトルＡ３まで一定の角度θで延びており、長さはＬ２である。図９には示されていないが、他のサブベクトルＸ２、Ｙ１、Ｙ２、Ｚ１、Ｚ２もやはり長さＬ２であり、関連するメインベクトルからθに匹敵する一定の角度で延びている。長さＬ１およびＬ２と、角度θおよびαは、図７のＡＴＵ一体式始動機−発電機５６のＡＴＵ部分６２のステータ巻線を設計するように選択することができる。

角度θ１およびαは、パルス数Ｎに左右され、その関係は以下の数式によって得られる。

この例では、Ｎ＝１８であると仮定することができる。したがって角度α＝２０°で、角度θ＝８０°である。

末端地点ＥからメインベクトルＡ３の末端までの長さＬ２は、以下の関係式から得られる。

したがって所望のパルス数Ｎ、所望の電圧Ｖを知ることによって、図３のＡＴＵ一体式始動機−発電機５６のＡＴＵ部分６２のメインステータ巻線を設計することができる。

図１０は、本発明の第３の実施形態による電力システム構造１６０の概略ブロック図である。システム構造１６０は、図２に示されるシステム構造４０とほぼ同様であり得るため、同様の要素は、同一参照番号を使用して示されている。図１０に示されるシステム構造１６０と、図２に示されるシステム構造４０の１つの相違点は、ＡＴＵ部分６２が、９相電力出力６８の他にＡＣバス１６４に供給されるＡＣ電力出力１６２を含むことである。

図１１は、図１０の電力システム構造１６０で使用するＡＴＵ一体式始動機−発電機５６と第１のＡＣ−ＤＣ電力変換器の電気回路図である。ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６は、図３に示される第１の実施形態のＡＴＵ一体式始動機−発電機５６とほぼ同様であり得るが、例外は、メイン巻線９８ａから９８ｃに追加の二次巻線１６６ａから１６６ｃが設けられていることである。追加の二次巻線１６６ａから１６６ｃは、３相出力電源６６の１相出力１０６ａから１０６ｃに接続されたタップ１０４ａから１０４ｃの１つによって接続することができる。各相出力１０６ａから１０６ｃは、３相モータ−始動機制御装置９６（図１０）に供給される。ＡＣ電力出力１６２は、整流器デバイス８２によってＤＣに変換されずに、導線１６８ａから１６８ｃによって巻線１６６ａから１６６ｃからＡＣバス１６４（図１０）に送られる。導線１６８ａから１６８ｃはリードワイヤであってよい。ＤＣ電力の残りの整流およびフィルタリングは、図３に関して上記に記載したものと同様である。

本明細書に開示されるシステム構造は、航空機用の一体式ＡＴＵ発電機を提供する。記載されるシステムおよび方法の一部の実施形態を実践する際に達成することができる１つの利点は、従来のパルス数の大きなＡＴＵをなくすことができ、それと等価なものが少なくとも１つの発電機に組み込まれ、この発電機が、整流器デバイスに接続されることで、高調波成分の少ないＤＣ出力を生成する点である。このような構成は、エンジンの重量を有意に削減し、エンジン構成要素の冷却を簡素化することができる。一体式ＡＴＵ発電機を設けることで、航空機における別個のＡＴＵに必要な空間をなくすこともできる。

記載されるシステムおよび方法の一部の実施形態を実践する際に達成することができる別の利点は、ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６が３相モータ−始動機制御装置９６の利用を脅かすことがない点であり、これはモータ−始動機制御装置９６が、ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６のＡＴＵ部分６２において３相電源６６が９相電力出力に変換されないうちに、３相電源６６に接続されるためである。

記載されるシステムおよび方法の一部の実施形態を実践する際に達成することができる別の利点は、ガスタービンエンジン１０の両方のスプール２６、２８からＤＣ電力を抽出することができる点である。またＨＰスプール２６およびＬＰスプール２８から引き出した電力を絶え間なく制御することによって、ガスタービンエンジン１０の作業効率も上がる。ＨＰスプール２６およびＬＰスプール２８から引き出されたＤＣ電力に加えて、ＡＰＵ４６およびＥＰＳ４８からのＤＣ出力５０、５２を統合して無瞬断切換（ＮＢＰＴ）を実現することもできる。

記載されるシステムおよび方法の一部の実施形態を実践する際に達成することができる別の利点は、このシステム構造が、一定レベルの余剰のＤＣ電力生成を提供する点であり、これはＤＣ電力を、ガスタービンエンジン１０のＬＰスプール２８ならびにＨＰスプール２６から引き出すことができるためである。２つのスプール２６、２８から電力を引き出すことにより、ＤＣ電力の余剰量を上げることになり、そのためスプール２６、２８の片方あるいは発電機４２、４４の片方が故障した場合でも、ＤＣ電力は、残りの作動するスプール２６、２８および発電機４２、４４から変わらず抽出される。

記載されるシステムおよび方法の一部の実施形態を実践する際に達成することができるさらに別の利点は、エンスト問題を避けることであり、この問題は典型的には、ＨＰスプール２６とＬＰスプール２８の間でＤＣ負荷を共有することにより航空機の下降モードにおいて遭遇する。ＬＰスプールならびにＨＰスプールから電力を引き出すことができることにより、航空機が下降する際に、エンストのリスクが生じることなく、より低い毎分回転数で飛行することが可能になり、これにより航空機の燃料効率を維持することができる。

記載されるシステムおよび方法の一部の実施形態を実践する際に達成することができるさらに別の利点は、ＡＣおよびＤＣ電力の両方をガスタービンエンジン１０から抽出することができる点である。本明細書に記載される本発明の第３の実施形態はとりわけ、両方のタイプの電力に対してエアフレーマーアクセス権を与えるシステム構造を提供しており、これによりエアフレーマーは、航空機における特定の用途のためにいずれかのタイプの電力を選択することができる
この書面による記述は、最適な態様を含めたいくつかの例を利用して本発明を開示し、また当業者が本発明を実施することができるようにしており、これには、いずれかのデバイスまたはシステムを作成する、および使用する、ならびに任意の採用された方法を実施することが含まれる。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義されており、当業者が思い付く他の例を含むことができる。このような他の例は、それらが、特許請求の範囲の文字通りの言い回しと差異のない構造上の要素を有する場合、あるいは他の例が、特許請求の範囲の文字通りの言い回しとわずかに差異のある等価な構造上の要素を含んでいる場合、特許請求の範囲の範囲内にあることを意味する。

１０ガスタービンエンジン
１２ファン部分
１４ファン
１６ＬＰＣ
１８ＨＰＣ
２０内燃部分
２２ＨＰＴ
２４ＬＰＴ
２６ＨＰスプール
２８ＬＰスプール
３０ＨＰＴロータ
３２ブレード
３４ブレードプラットフォーム
３６ブレード先端
４０電力システム構造
４２左側のエンジンシステム
４４右側のエンジンシステム
４６補助動力装置（ＡＰＵ）
４８外部電源（ＥＰＳ）
５０ＤＣ出力（ＡＰＵ）
５２ＤＣ出力（ＥＰＳ）
５４ＡＰＵ始動機−発電機
５６ＡＴＵ一体式始動機−発電機（ＨＰ）
５８ＡＴＵ一体式発電機（ＬＰ）
６０電力生成部分
６２ＡＴＵ部分
６４付属のギアボックス
６６３相出力電源
６８９相電力出力
７０電力生成部分
７２ＡＴＵ部分
７４一定速度の駆動装置（ＣＳＤ）
７６３相出力電源
７８９相電力出力
８０ＤＣ電力出力
８２第１の整流デバイス
８４第１のフィルタ
８６第１の電気バス
８８ＤＣ電力出力
９０第２の整流デバイス
９２第２のフィルタ
９４第２の電気バス
９６モータ−始動機制御装置
９８ａ〜９８ｃ一次巻線
１００ａ〜１００ｉ二次巻線
１０２中点
１０４ａ〜１０４ｃタップ
１０６ａ〜１０６ｃ相出力
１０８ａ〜１０８ｉ導線
１１０第１の整流ブリッジ
１１２第１のダイオード
１１４第２の整流ブリッジ
１１６第２のダイオード
１１８第３の整流ブリッジ
１２０第３のダイオード
１２２ａ〜１２２ｂ第１の出力
１２４ａ〜１２４ｂ第２の出力
１２６ａ〜１２６ｂ第３の出力
１２８第１の相間変圧器
１３０第２の相間変圧器
１３２第１の出力
１３４第２の出力
１４０システム構造
１４２電力出力
１４４電力出力
１４６ａ〜１４６ｆ二次巻線
１４８ａ〜１４８ｆ導線
１５０ａ〜１５０ｃ導線
１６０システム構造
１６２ＡＣ電力出力
１６４ＡＣバス
１６６ａ〜１６６ｃ二次巻線
１６８ａ〜１６８ｃ導線
Ａ１〜Ａ３メインベクトル
Ｘ１〜Ｚ２サブベクトル
Ｏ起点
Ｐ地点
Ｌ１長さ
Ｌ２長さ
Ｌ３長さ
ｄ距離
α 角度
θ１角度
θ２角度
θ３角度
Ｅ末端地点

Claims

３つのメイン巻線を有するステータと、
前記３つのメイン巻線のそれぞれに接続されて一体式単巻変圧器ユニットを形成する少なくとも２つの二次巻線と、
前記３つのメイン巻線に接続された第１の組の導体と、
前記少なくとも２つの二次巻線のそれぞれに接続された第２の組の導体と
を備える発電機。
前記少なくとも２つの二次巻線が、３つの二次巻線を備える、請求項１記載の発電機。
前記３つの二次巻線が互いにデルタ結線構成で接続される、請求項２記載の発電機。
前記３つのメイン巻線が互いにＹ字状回路構成で接続される、請求項１記載の発電機。
前記３つのメイン巻線が互いにデルタ結線構成で接続される、請求項１記載の発電機。
前記一体式単巻変圧器ユニットが、６の倍数のパルスを伝えるように構成される、請求項１記載の発電機。
前記一体式単巻変圧器ユニットが、１２、１８および２４のパルス数のうちの１つを有する、請求項１記載の発電機。
前記第１の組の導体にそれぞれ接続された第３の組の導体をさらに備える、請求項１記載の発電機。
前記３つのメイン巻線のそれぞれに接続され、バスにＡＣ電力を送るように構成された１つの追加の巻線をさらに備える、請求項１記載の発電機。
請求項１の発電機を備えるガスタービンエンジン。
前記発電機が、前記ガスタービンエンジンのスプールに作動可能に結合されたロータをさらに備える、請求項１０記載のガスタービンエンジン。