JP2013539648A - 回転する支持体によって保持された機器のための電源 - Google Patents

Abstract

固定部と、前記固定部に対して回転駆動することができる回転支持体と、前記回転支持体によって保持された少なくとも１つの電気機器（２３）と、前記電気機器に電気エネルギを供給することができる電力供給装置と、を備える装置であって、前記電力供給装置が、前記固定部に固定されたステータ（８）と前記回転支持体によって保持されたロータ（１０）とを備える非同期機（３０）、および励起装置（２４）を備えており、前記ステータが、少なくとも１つのスイッチ（２１）を含む電気回路（２０）を有し、該スイッチ（２１）を、前記電気回路が開かれる開状態と前記電気回路が閉じられる閉状態との間で切り換えることができ、前記ロータが、前記電気機器へと接続された少なくとも１つの巻線を備えており、前記励起装置が、ステータの前記電気回路またはロータの前記巻線へと無効電流をもたらすことができることを特徴とする装置。

Description

本発明は、回転する支持体によって保持された電気機器への電気エネルギの供給に関する。特に、本発明は、航空機用エンジンのロータによって保持された電気機器への電気エネルギの供給に関する。

航空機用エンジンのロータによって保持された羽根に、氷の形成を防止するように意図された加熱抵抗を備える除氷装置を装備することが知られている。前記除氷装置に電力を供給するために、電気エネルギをロータへと伝えなければならない。

この目的のために、典型的にはブラシ装置が使用される。しかしながら、ブラシ装置は、一般に信頼性が低く、早期の摩耗を免れない。したがって、定期的な保守が必要である。さらに、ブラシ装置は、概して重くて邪魔になり、周囲の油との適合性の問題を引き起こす可能性もある。

また、回転トランスを介してロータへと電気エネルギを伝えることも知られている。伝えるべき電力が大きい場合、回転トランスは、概して重くて邪魔な装置である。さらに、ロータが必要とする電力に相当する出力を有する供給源による供給が必要である。したがって、大電力をもたらすためのサイズを有する電力変換装置およびエネルギ源が必要である。

さらに、非同期機が、自励非同期発電機として機能できることが知られている。非同期機は、典型的には、閉じた電気回路を備えたロータ（かご形ロータまたは閉回路に接続された巻線）と、負荷へと接続することができる少なくとも１つの巻線を備えたステータとを備える。自励非同期発電機としての機能を可能にするために、無効電力を供給するように意図されたコンデンサバンクが、非同期機へと接続される。

ロータが回転駆動するとき、コンデンサバンクの容量値が負荷および回転速度に関して適切に選択されているならば、前記非同期機は、発電機として機能し、ステータの負荷へと電気エネルギを供給することができる。

本発明は、回転する支持体によって保持された電気機器に電力を供給しなければならない装置であって、上述の先行技術の欠点の少なくとも一部を有さない装置を提供することを目指す。とくには、本発明の１つの目的は、電気エネルギを電気機器へと信頼できる方式で重くて邪魔な装置を必要とせずに伝えることを可能にすることにある。

この目的のため、本発明は、固定部と、前記固定部に対して回転駆動することができる回転支持体と、前記回転支持体によって保持された少なくとも１つの電気機器と、前記電気機器に電気エネルギを供給することができる電力供給装置と、を備える装置であって、前記電力供給装置が、前記固定部に固定されたステータと前記回転支持体によって保持されたロータとを備える非同期機、および励起装置を備えており、前記ステータが、少なくとも１つのスイッチを含む電気回路を有し、該スイッチを、前記電気回路が開かれる開位置と前記電気回路が閉じられる閉状態との間で切り換えることができ、前記ロータが、前記電気機器へと接続された少なくとも１つの巻線を備えており、前記励起装置が、ステータの前記電気回路またはロータの前記巻線へと無効電流を供給することができることを特徴とする装置を提案する。

スイッチが閉状態にあるとき、ステータの電気回路は閉じている。結果として、回転支持体、したがって非同期機のロータが回転駆動すると、非同期機が自励非同期発電機として機能し、ロータの巻線に電気エネルギを生じさせることができる。換言すると、本発明は、回転支持体によって保持された電気機器へと電力を供給する装置として、ステータおよびロータの役割が冒頭で述べた自励非同期発電機と比べて逆である自励非同期発電機として機能するように構成された非同期機を使用することを提案する。結果として、ブラシ装置または回転変圧器を必要とすることなく、回転支持体において利用することができる電気エネルギを生成して、回転支持体によって保持された電気機器へと電力を供給することができる。さらに、電気機器によって消費される電力が、すべて回転支持体から得られる。回転支持体への電力を生成するために、非同期機のステータへと電力を供給する必要がない。

励起装置は、コンデンサを備えることができる。

前記コンデンサが、回転支持体の回転速度および電気機器の負荷が実質的に一定であるとき、非同期機の自励を可能にする。この場合、装置は、容量一定、したがって単純な構造のコンデンサを、励起装置として使用することができる。

励起装置が、容量可変のコンデンサバンクまたは指令された無効電流を供給することができる電子装置を備えてもよい。

これは、回転速度および／または負荷が変化するときに非同期機を自励非同期発電機として動作させることを可能にする。

一実施形態によれば、励起装置が、ステータの前記電気回路に接続される。

装置は、前記スイッチの切り換えを指令することができ、かつ前記電気回路を循環する電流を表わす測定信号の関数として前記電気機器を循環する電流を推定することができる電子指令ユニットを備えることができる。電子指令ユニットに、非同期機のステータから電力を取り出すことができる装置によって供給を行なうことができる。

これは、励起装置、スイッチ、および診断装置が、回転支持体の位置に広がるであろう高温に関する応力および遠心加速度に関する機械的な応力に曝されることを、防止できるようにする。

一変形例によれば、装置は、スイッチが閉状態にあるときに前記電気回路に電流を循環させることができるプライミングを補助するための装置を備える。

装置は、例えば電気機器がエンジンのロータから電力を受け取る航空機用エンジンなど、固定部と、電力を必要とする電気機器を保持する回転支持体とを備える任意の種類の装置であってよい。したがって、さらに本発明は、主シャフトと、第２の回転支持体と、主シャフトの回転を回転支持体の第１の方向の回転および第２の回転支持体の前記第１の方向とは反対の第２の方向の回転へと変換することができる出力ギアボックスとをさらに備える航空機用エンジンに関する。

一実施形態によれば、前記回転支持体が、羽根を保持しており、前記電気機器が、羽根に一体化された抵抗を含む除氷装置を備えている。

さらに本発明は、固定部と、前記固定部に対して回転駆動することができる回転支持体と、前記回転支持体によって保持された電気機器と、前記電気機器に電気エネルギを供給することができる電力供給装置と、を備える装置の前記電気機器に電力を供給する方法であって、前記電力供給装置が、前記固定部に固定されたステータと前記回転支持体によって保持されたロータとを備える非同期機、および励起装置を備えており、前記ステータが、少なくとも１つのスイッチを含む電気回路を有し、該スイッチを、前記電気回路が開かれる開状態と前記電気回路が閉じられる閉状態との間で切り換えることができ、前記ロータが、前記電気機器へと接続された少なくとも１つの巻線を備えており、前記励起装置が、ステータの前記電気回路またはロータの前記巻線へと無効電流を供給でき、前記非同期機を自励非同期発電機として機能させるステップを含むことを特徴とする方法に関する。

本発明は、添付の図面を参照しつつ、本発明を限定するものではない以下の説明によって、より理解されるであろう。

本発明の一実施形態による航空機用エンジンの斜視図である。 図１のエンジンの部分断面図である。 図１のエンジンに電力を供給する装置の概略図である。 図３の電力供給装置の一相の等価回路図である。 実施形態の一変形例を示す図３と同様の図である。 実施形態の一変形例を示す図４と同様の図である。

図１が、きわめて概略的に描かれた航空機用エンジン１の斜視図を示している。エンジン１は、反対向きに回転する２つの回転支持体を有しているダクト無しファンの形式のエンジンである。各々の回転支持体が、羽根１４を保持している。図２の図が、主シャフトの回転を回転支持体の２つの反対方向の回転へと変換できるようにする出力ギアボックス（Ｐｏｗｅｒ Ｇｅａｒ Ｂｏｘ）におけるエンジン１の一部分を概略的に示している。

エンジン１は、固定部２と、回転駆動する主シャフト３（例えば、ガスタービン）とを備えている。さらにエンジン１は、回転支持体４および回転支持体５を備えている。軸受７が、固定部２に対する主シャフト３ならびに回転支持体４および５の回転を可能にしている。

出力ギアボックス６が、主シャフト３を回転支持体４および回転支持体５へと接続している。より具体的には、主シャフト３が第１の方向に回転するとき、出力ギアボックス６が、回転支持体５を同じ第１の方向に駆動し、回転支持体４を第２の反対の方向に駆動する。さらに、出力ギアボックス６は、回転速度の減速も行なう。例えば、＋６０００ｒｐｍの主シャフト３の典型的な回転速度において、回転支持体５は、＋９００ｒｐｍの速度で回転し、回転支持体４は、−９００ｒｐｍの速度で回転する。

回転支持体４および５によって保持される羽根１４は、図２には示されていない。回転支持体４および５の各々は、羽根１４に一体化された電気抵抗を備える除氷装置（図示されていない）を有している。

さらにエンジン１は、どちらも固定部２に固定されたステータ８およびステータ９、ならびにエンジン１の回転支持体５によって保持されたロータ１０およびエンジン１の回転支持体４によって保持されたロータ１１を備えている。ステータ８およびロータ１０が、回転支持体５の除氷装置へと電力を供給する第１の非同期機を形成している。この非同期機の構成および機能は、後で詳しく説明される。同様に、ステータ９およびロータ１１が、回転支持体４の除氷装置へと電力を供給する第２の非同期機を形成している。この非同期機の構成および機能は、第１の非同期機の構成および機能と実質的に同一であり、したがって詳しくは説明しない。

最後に、エンジン１は、電子指令ユニット１２と、電子指令ユニット１２に電力をもたらして自立した動作を可能にする永久磁石を有する発電機１３を備えている。変形例として、あるいはこれに加えて、電子指令ユニット１２に、例えば航空機の機上の配電網から電力をもたらしてもよい。第２の変形例として、電子指令ユニット１２に、航空機の機上の配電網および非同期機から電力を取り出すことができる装置１７の両方によって電力をもたらしてもよい。したがって、用途が許すのであれば、いかなる補助の発電機１３も追加することなく自立した機能を保証することが可能である。装置１７は、さらに詳しく後述される。

図３が、回転支持体５の除氷装置の抵抗２３への電力の供給の方式を概略的に示している。上述したように、非同期機３０が、ステータ８およびロータ１０によって形成されている。

ステータ８が、巻線２２とスイッチ２１とを備える電気回路２０を備えている。図示の例では、電気回路２０が３相回路である。変形例として、単相または多相回路であってもよい。また、変形例として、巻線２２を導線バーで置き換えてもよい。

スイッチ２１が閉状態にあるとき、電気回路２０は閉じた回路であり、スイッチ２１が開状態にあるとき、電気回路２０は開いた回路である。

電子指令ユニット１２が、電気回路２０を循環する電流を表わす測定信号を受信する。また、電子指令ユニット１２は、スイッチ２１の開閉を指令することができる。

非同期機３０のロータ１０が、抵抗２３へと接続された巻線（図示されていない）を備えている。図示の例では、ロータ１０の電気回路が、３相回路である。変形例として、多相回路の単相であってもよい。

自励コンデンサ２４が、ロータ１０へと接続されている。

図４が、非同期機３０の一相の等価回路図を示している。この図において、
ｇはスリップを表わし、
Ｒ_２はステータの抵抗を表わし、
ｊＸ_２はステータの漏れインダクタンスを表わし、
Ｒ₁はロータの抵抗を表わし、
ｊＸ₁はロータの漏れインダクタンスを表わし、
ｊＸ_ｍは磁化インダクタンスを表わし、
Ｒ_ｍは磁気損失を表わし、
Ｉ_ｍは磁化電流を表わし、
Ｒ_Ｌは負荷、すなわち抵抗２３を表わし、
Ｖ_Ｌは、抵抗Ｒ_Ｌの端子間における電圧を表わし、
Ｃはコンデンサ２４を表わす。

スリップｇは、
ｇ＝（Ｎｒ／（６０×ｐ）−Ｆｓｔ）／Ｎｒ／（６０×ｐ）
に等しく、ここで
Ｎｒは回転支持体５の回転速度（単位は、回転数／分）であり、
ｐは対極数であり、
Ｆｓｔは生成された電流の周波数である。

非同期機３０は、以下のように機能する。

スイッチ２１が開いているとき、電流は、ステータ８の電気回路２０を循環することができない。したがって、巻線２２が、いかなる磁界も生成しない。したがって、ロータ１０の巻線に電圧が生じることはなく、抵抗２３へと電力が供給されることがない。

スイッチ２１が閉じられているとき、電流がステータ８の電気回路２０を循環することができる。したがって、巻線２２が磁界も生成できる。エンジン１の回転支持体５の回転速度Ｎｒがコンデンサ２４の値に関して良好な条件下にある場合、非同期機３０は、コンデンサ２４によって自励非同期発電機として機能することができ、したがってロータ１０の巻線に電圧を生じさせ、抵抗２３への電力の供給を可能にすることができる。

スイッチ２１が閉じられるとき、自己プライミング（ｓｅｌｆ−ｐｒｉｍｉｎｇ）の現象が、非同期機３０の残留磁束によって開始される。一実施形態においては、プライミングを補助するための装置２５が、電気回路２０へと接続される。スイッチ２１の閉鎖時に、プライミング補助装置２５が、残留磁界を生成してプライミングを可能にするために、例えば変圧器を介して電気回路２０へと電流パルスを送信する。

換言すると、非同期機３０が、ステータおよびロータの役割が冒頭で述べた自励非同期発電機と比べて逆にされた自励非同期発電機として機能するように構成される。これにより、エンジン１の回転支持体５によって保持された抵抗２３へと電力を供給することが可能になる。ブラシ装置や回転トランスが不要である。加えて、抵抗２３によって消費される電力が、完全に回転支持体５の回転から得られる。ロータ１０への電力を生成するために非同期機３０のステータ８へと電力を供給する必要がない。

自励非同期発電機としての前記機能を可能にするために、コンデンサ２４の容量値は、とくには非同期機３０の特性、回転支持体５の回転速度Ｎｒ、および負荷（すなわち、抵抗２３）に対して適切に選択されなければならない。容量値の決定は、当業者にとって公知であり、その詳しい説明は不要である。

すでに述べたように、エンジン１は、反対向きに回転する２つの回転支持体を有しているダクト無しファンの形式のエンジンである。公称の出力において、この形式のエンジンは、実質的に一定の回転速度で動作する。さらに、抵抗２３が、実質的に一定の抵抗負荷を形成する。したがって、コンデンサ２４は、一定の容量の単純なコンデンサであってよい。

しかしながら、本発明は、この形式のエンジンの除氷装置への電力の供給に限られない。本発明は、固定部と、電力の供給を必要とする電気機器を保持している回転支持体とを備える任意の種類の装置に広く関係することができる。したがって、回転の速度および負荷の値は、必ずしも一定でない。

回転速度および／または負荷が変化する場合に、自励非同期発電機としての機能を可能にするために、各々のコンデンサ２４を、いくつかのコンデンサとスイッチとを備えており、自身の容量を変化させることができるコンデンサバンクで置き換えることができる。さらに一変形例として、自励無効電流を電気または電子装置によって供給することができる。

すでに説明したように、電子指令ユニット１２が、電気回路２０を循環する電流を表わす測定信号を受信する。電気回路２０を循環している電流を知ることで、電子指令ユニット１２は、抵抗２３における電流の循環を推定することによって、電力供給装置アセンブリの故障の検出を容易にすることができる。さらに、電子指令ユニット１２は、非同期機３０の機能が正常であることを確認できるようにする他の信号を受信することができ、とくには回転速度Ｎｒ、温度、などを表わす信号を受信することができる。

電子指令ユニット１２は、ステータの電流にもとづいて抵抗２３における電流が（例えば、短絡などの故障が原因で）強すぎると推定する場合、羽根１４の劣化を防止するためにスイッチ２１の開放を指令することができる。

非同期機３０の指令および監視を、エンジン１の回転支持体５にいかなるスイッチ、センサ、または他の電子要素を必要とせずに保証できることも、見て取ることができる。これは、回転支持体５の位置に広がるであろう高温（場合によっては２００℃を超える）に関する制約および遠心加速度に関する機械的な制約を回避することを可能にする。

しかしながら、たとえ電子指令ユニット１２が故障を検出せず、あるいはスイッチ２１の開放を指令しなくても、羽根１４は過電流に対して保護される。短絡などの故障は、抵抗２３の値に変化を生じさせる。この場合、コンデンサ２４が、もはや自励非同期発電機としての機能に適合しなくなり、電力の生成の停止につながる無効化現象が生じる。

加えて、すでに述べたように、一変形例によれば、電子指令ユニット１２に、非同期機３０のステータ８から電力を取り出すことができる装置１７によって電力をもたらすことができる。装置１７は、図３に示されている。この電力を取り出すために、装置１７は、電気回路２０の各相の線に位置する抵抗１５と、抵抗１５において取り出される電圧を処理するための装置１６とを備えている。非同期機３０がプライミングされるや否や、回路２０の各相を循環する電流によって、それぞれの相の抵抗１５における電圧降下が生じ、処理装置１６が、これらの電圧降下を使用して電子指令ユニット１２に電力をもたらすことを可能にする。一変形例によれば、抵抗１５を、随意により変圧器によって置き換えることができる。

図５および図６は、図３および図４と同様であり、実施形態の変形例を示している。図３および図４における構成要素と同一またな同様の構成要素は、同じ参照番号を有しており、さらに詳しい説明は省略される。

実施形態のこの変形例においては、コンデンサ２４がステータ８の電気回路２０に直列に取り入れられていることを、見て取ることができる。したがって、コンデンサ２４を、エンジン１の回転支持体５から離して配置することができ、これも回転支持体５の位置に広がるであろう高温（場合によっては２００℃を超える）に関する制約および遠心加速度に関する機械的な制約を回避することを可能にする。

図２が、エンジン１におけるステータ８および９ならびにロータ１０および１１の配置の例を示している。変形例として、他の配置も考えられる。さらに、回転支持体４および５の一方だけが非同期機を備えてもよい。また、回転支持体４および５の一方に複数の非同期機を設けてもよい。例えば、除氷装置が複数の抵抗群を備え、各群に所定のサイクルに従って順に電力が供給される場合、エンジン１は、各群につき１つの非同期機を備えることができる。

最後に、エンジン１の主シャフト３ならびに回転支持体４および５が公称の速度で回転駆動している公称の動作のもとで除氷装置へと供給される電力について説明した。実施形態の一変形例においては、回転が停止したときや、回転速度が遅いときも、非同期機３０を変圧器モードで使用して除氷装置へと電力をもたらすことができる。この目的のため、エンジン１は、電気回路２０へと接続することができる交流電圧源を備える。

Claims (11)

1. 固定部（２）と、前記固定部（２）に対して回転駆動することができる回転支持体（４、５）と、前記回転支持体（４、５）によって保持された少なくとも１つの電気機器（２３）と、前記電気機器（２３）に電気エネルギを供給することができる電力供給装置と、を備える装置（１）であって、前記電力供給装置が、前記固定部に固定されたステータ（８、９）と前記回転支持体によって保持されたロータ（１０、１１）とを備える非同期機（３０）、および励起装置（２４）を備え、前記ステータ（８）が、少なくとも１つのスイッチ（２１）を含む電気回路（２０）を有し、該スイッチ（２１）を、前記電気回路が開かれる開状態と前記電気回路が閉じられる閉状態との間で切り換えることができ、前記ロータ（１０）が、前記電気機器（２３）へと接続された少なくとも１つの巻線を備えており、前記励起装置（２４）が、ステータの前記電気回路またはロータの前記巻線へと無効電流をもたらすことができることを特徴とする、装置。
2. 前記励起装置（２４）が、コンデンサを備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記励起装置が、容量可変のコンデンサバンクを備える、請求項１に記載の装置。
4. 前記励起装置が、指令された無効電流をもたらすことができる電子装置を備える、請求項１に記載の装置。
5. 前記励起装置（２４）が、ステータ（８）の前記電気回路（２０）に接続されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記スイッチ（２１）の切り換えを指令することができ、かつ前記電気回路（２０）を循環する電流を表わす測定信号に関して前記電気機器（２３）を循環する電流を推定することができる電子指令ユニット（１２）を備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記電子指令ユニット（１２）に、非同期機（３０）のステータ（８）から電力を取り出すことができる装置（１７）によって電力が供給される、請求項６に記載の装置。
8. スイッチ（２１）が閉状態にあるときに前記電気回路（２０）に電流を循環させることができるプライミングを補助するための装置（２５）を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の装置を備える航空機用エンジン（１）であって、主シャフト（３）と、第２の回転支持体（４）と、主シャフトの回転を回転支持体（５）の第１の方向の回転および第２の回転支持体（４）の前記第１の方向とは反対の第２の方向の回転へと変換することができる出力ギアボックス（６）とをさらに備えている、航空機用エンジン。
10. 前記回転支持体（５）が、羽根（１４）を保持しており、前記電気機器（２３）が、羽根（１４）に一体化された抵抗を含む除氷装置を備えている、請求項９に記載の航空機用エンジン。
11. 固定部（２）と、前記固定部に対して回転駆動することができる回転支持体（４、５）と、前記回転支持体によって保持された電気機器（２３）と、前記電気機器に電気エネルギを供給することができる電力供給装置と、を備える装置（１）の前記電気機器（２３）に電力を供給する方法であって、前記電力供給装置が、前記固定部に固定されたステータ（８、９）と前記回転支持体によって保持されたロータ（１０、１１）とを備える非同期機（３０）、および励起装置（２４）を備え、前記ステータが、少なくとも１つのスイッチ（２１）を含む電気回路を有し、該スイッチ（２１）を、前記電気回路が開かれる開位置と前記電気回路が閉じられる閉位置との間で切り換えることができ、前記ロータが、前記電気機器へと接続された少なくとも１つの巻線を備えており、前記励起装置が、ステータの前記電気回路またはロータの前記巻線へと無効電流を供給でき、前記非同期機を自励非同期発電機として機能させるステップを含むことを特徴とする、方法。

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