JP2013542709A - 非同期機を含む航空機の電源回路 - Google Patents

Abstract

航空機に電気エネルギーを供給するための電源回路（１）にして、航空機エンジンの電気機器（７）に電力を供給するために航空機のエンジン（２）によって回転駆動される電源発電機を備える電源回路（１）であって、
電源発電機は、励磁装置（８）に接続される非同期機（５）を備え、
非同期機（５）はエンジン（２）によって回転駆動されるのに適した回転子と前記電気機器（７）に接続される固定子とを含み、
励磁装置（８）は前記固定子内に無効電流の流れを発生させるのに適することを特徴とする電源回路（１）。

Description

本発明は、航空エンジンの電気機器への電力供給に関する。

エンジンに結合される電気機器に電力を供給するための電気エネルギーを発生させるには、航空機のエンジンに組み込まれた発電機を使用するのが周知である。例えば、仏国特許出願公開第２９１１８４８号明細書には、航空エンジンの除氷回路に接続される電源発電機が記載されている。

このタイプの用途に使用される電源発電機は、典型的には、２段または３段を有する同期発電機である。この同期発電機により、規則正しい、かつ優れた形状係数を有する交流電圧を供給することができる。したがって、電源発電機を駆動するエンジンの回転速度が変動しても、実質的に一定の振幅の交流電圧を供給することができる。しかし、一般に、このような複雑な多段同期発電機では、体積増加、信頼性の低下、およびコスト高となる。また、信頼性の理由から冗長設計が必要となる場合に、冗長設計を取り入れることが難しい。

さらに、特に、風力タービンから電気エネルギーを発生させる技術分野では、非同期機が自励非同期発電機として動作できることが周知である。このような非同期機は、典型的には、閉電気回路を有する回転子（かご形回転子または巻線が閉回路に接続された回転子）と、負荷に接続できる少なくとも１つの巻線を含む固定子とを備える。自励非同期発電機モードでの動作を可能にするために、無効電力を供給するためにコンデンサバンクが非同期機に接続される。回転子が回転駆動されると、負荷および回転速度に応じてコンデンサバンクの静電容量が適切に選択されれば、この非同期機が発電機として動作し、固定子に接続されている負荷に電気エネルギーを供給することができる。

仏国特許出願公開第２９１１８４８号明細書

本発明の目的は、先行技術の上述の少なくともいくつかの欠点のない航空機エンジンの電源回路を提供することである。

上述の目的を達成するために、本発明は、航空機に電気エネルギーを供給するための電源回路にして、航空機エンジンの電気機器に電力を供給するために航空機のエンジンによって回転駆動される電源発電機を備える電源回路であって、電源発電機は、励磁装置に接続される非同期機を備え、非同期機はエンジンによって回転駆動されるのに適した回転子と前記電気機器に接続される固定子とを含み、励磁装置は前記固定子内に無効電流の流れを発生させるのに適することを特徴とする電源回路を提供する。

したがって、本発明により、航空エンジンの電気機器に電力を供給するのに非同期機を使用することができ、その結果いくつかの利点が得られることになる。特に、非同期機は、ロバスト性および信頼性が高く、安価な機械である。さらに、非同期機の設計時に、形状係数の選択の自由度が非常に高く、したがって、非同期機を航空機エンジンに組み込むのが容易になる。また、励磁装置は、電気機器の電源電流よりも小さい非同期機の磁化電流に関してのみ寸法設計すればよい。したがって、励磁装置は、特に単純な形で設計することができ、限られた寸法設計にすることができるので、励磁装置のサイズおよびコストを抑えることができる。

励磁装置は、１つまたは複数のコンデンサを備えてもよい。

この状況下で、励磁装置は、特に単純な構造を有することができるので、励磁装置のサイズおよびコストを抑えることができる。

一実施形態では、非同期機は、以下の関係

で表される磁化インダクタンスＬ_ｍを有する。この場合、Ｌ_０はゼロ電流での電磁誘導であり、Ｉ_μ２は磁化インダクタンスＬ_ｍを１／２だけ減少させる磁化電流であり、Ｌ_ｍは磁化電流であり、αは非同期機の特性によって決まる係数であって２．５未満である。

この２に近い係数により、エンジンの回転速度が１対２の割合で変動する時でも非同期機によって発生した電圧の振幅変動を抑えることができる。したがって、実質的に一定の振幅の電圧が必要とされる電気機器に電力を供給することが可能である。

一実施形態では、電源回路は、励磁装置によって供給された無効電流を制御するのに適した電子制御ユニットを含む。

これらの特性を使用して、実質的に一定の振幅の電圧が必要とされる電気機器に電力を供給することが可能となる。

例えば、励磁装置は可変静電容量のセルを含んでもよく、電子制御ユニットは可変静電容量セルの静電容量を制御するのに適した構造にしてもよい。

この状況下で、可変静電容量セルは、静電容量設定点に応じて決定されるデューティー比でスイッチを開閉するのに適したモジュールを備えてもよい。

別の実施例では、励磁装置は、電子制御装置によって制御される無効電流を供給するのに適した電子装置を備える。

この状況下では、電子装置はインバータとしてもよい。

一実施形態では、電源回路は、非同期機に接続される第２の励磁装置を含む。

この冗長設計により、電源回路の信頼性を向上させることができる。さらに、この励磁装置は、特に単純な形で設計することができ、限られた寸法設計にすることができるので、この冗長設計によりサイズが大きくなることはない、またはコストが高くなることはない。

さらに、本発明は、本発明の電源回路を含む航空エンジンを提供する。

本発明は、非限定的な例として添付図面を参照して説明された以下の記述を読めばより良く理解できるであろう。

本発明の一実施形態の電源回路を周囲環境と共に示した図である。 図１の電源回路のより詳細な図である。 図２のタイプの電源回路の相電圧を回転速度の関数として示したグラフである。 図２のタイプの電源回路の相電圧を回転速度の関数として示したグラフである。 本発明の他の実施形態を示した図２と同様の図である。 図５の電源回路の相電圧を回転速度の関数として示したグラフである。 本発明の他の実施形態を示した図２と同様の図である。 本発明の他の実施形態を示した図２と同様の図である。

図１は、本発明の一実施形態の電源回路１を周囲環境と共に示している。電源回路１は、航空機エンジン２の１つの電気機器７に電力を供給するためのものである。例えば、エンジン２は、ガスタービンとしてもよい。電気機器７は、主に抵抗式の機器である。例えば、以下の説明では、電気機器７は、エンジン２の入口縁部に組み込まれる除氷抵抗器から成るエンジン２の除氷回路を備えるものとする。

電源回路１は、電源発電機５、電気機器７、および励磁装置８を備える。電源発電機５は、エンジン２のシャフト３によって回転駆動される。さらに、シャフト３は、エンジン２を始動する時には同期電動機として動作し、エンジン２が動作中には、例えば、航空機の機内回路網６に電力を供給するために、同期発電機として動作することができる始動発電機（Ｓ／Ｇ）４に接続される。

電源発電機５は、非同期機である。したがって、以下で非同期機を指すのに同じ参照番号５が使用されている。

図２は、電源回路１をより詳細に示した図である。非同期機５は、シャフト３に接続される回転子９と、電気回路１２によって電気機器７の除氷抵抗器１１に接続される固定子１０とを有する。例えば、回転子９はかご形回転子である。図示されている例では、固定子１０、電気回路１２、および除氷抵抗器１１は、三相系を形成する。変形形態では、これらは多相系を形成してもよい。

励磁装置８は、電子制御ユニット１３、スイッチ１４、およびコンデンサ１５を備える。

電子制御ユニット１３は、コンピュータのハードウェアアーキテクチャを有する。電子制御ユニット１３は、特に、プロセッサ、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、およびインターフェースを備える。プロセッサは、ＲＯＭに記憶されているコンピュータプログラムを実行すると同時に、ＲＡＭを利用するのに役立つ。インターフェースにより、測定信号および命令メッセージを受信し、さらに制御信号および報告メッセージを出すことができる。

このようにして、電子制御ユニット１３は、電気回路１２の電圧および電流を表す測定信号を受信する。また、電子制御ユニット１３は、スイッチ１４の開閉を制御することができる。さらに、電子制御ユニット１３は、例えば、エンジン２の主コンピュータから、除氷を動作させるように指示する命令メッセージを受け取ることができ、主コンピュータに、除氷機能の状態および健全性に関する報告メッセージを送信することができる。

スイッチ１４が閉状態の時には、コンデンサ１５は電気回路１２に接続され、スイッチ１４が開状態の時には、コンデンサ１５は電気回路１２に接続されない。

電源回路１は、以下のように動作する。

スイッチ１４が開状態の時には、無効電流が固定子１０に供給されない。非同期機５内に、磁場が発生しない。したがって、電圧が発生せず、除氷抵抗器１１に電力が供給されない。

スイッチ１４が閉状態の時には、スイッチは固定子１０に無効電流を供給する。したがって、非同期機５内に、磁場が発生する。エンジン２のシャフト３の回転速度Ｎがコンデンサ１５の静電容量および除氷抵抗器１１の抵抗に対して十分な回転速度である場合、非同期機５は自励非同期発電機として動作することができるので、固定子１０において電圧を発生させることができ、その結果、除氷抵抗器１１に電力を供給することができる。

スイッチ１４が閉状態にある時、非同期機５の残留磁束により自己トリガ現象が開始される。一実施形態では、トリガ支援装置（図示せず）が電気回路１２に接続される。スイッチ１４が閉状態にある時、トリガ支援装置は、トリガを発生させことができる残留磁場を形成するために、例えば、変圧器を介して電気回路１２に電流パルスを送る。

動作が自励非同期発電機モードで動作することができるためには、コンデンサ１５の静電容量は、特に、非同期機５の特性、シャフト３の回転速度Ｎ、および除氷抵抗器１１の抵抗に応じて、適切に選択されなければならない。当業者には静電容量の適切な値の決定方法は周知であるので、それについて詳細に説明する必要はない。

図３は、自励非同期発電機が回転速度Ｎが１から２の範囲で変動した場合でも動作可能であることを示したグラフである。電気機器７は主に抵抗式であるので、大きな不利益を発生することなく数パーセントの電圧変動に対応できるような設計にすることができる。

特に、非同期機５は、以下の式

を使用した飽和関係で表される磁化インダクタンスＬ_ｍを特徴とする。

この数式において、
Ｌ_ｍは、電磁誘導（ヘンリー）であり、
Ｌ_０は、ゼロ電流における電磁誘導（ヘンリー）であり、
Ｉ_μ２は、磁化インダクタンスＬ_ｍを１／２だけ減少させる磁化電流であり、
Ｉ_ｍは、磁化電流であり、
αは、非同期機５の特性、主に、使用される磁性材料および空隙によって決まる係数である。

典型的な非同期機では、係数αは約３である。図３の曲線１６は、係数α＝３の場合の非同期機５によって発生される電圧Ｖの変動を示している。

航空機エンジンの典型的な動作範囲Ｎ_１＝３５００回転／分（ｒｐｍ）からＮ_２＝７０００ｒｐｍである１から２の範囲で変動する回転速度Ｎでは、電圧Ｖは約＋６．２％から−６．２％の電圧変動に相当する［Ｖ_ｍｉｎ−Ｖ_ｍａｘ］の範囲で変動し、この電圧変動は、最低速度Ｎ_１と最高速度Ｎ_２との間の約２５％の電力変動に相当することがわかる。電気機器７は主に抵抗式であるので、一実施形態では、この変動は許容範囲である。

図４は図３と同様のグラフであり、曲線１７は係数α＝２に対応する。電圧Ｖの変動は図３の変動に比べてかなり小さいことがわかる。したがって、電気機器７が電圧の限られた変動量のみを調整できる場合、本発明の一実施形態は、例えば、使用される磁性材料を適切に選択することによって、または空隙を適切に寸法設計することによって、２に近いまたは２に等しい係数αが得られるように非同期機５を設計することを提案する。適切な磁性材料の一例として、ＦｅＣｏ製の積層膜がある。

本発明の説明の文脈の中では、係数αは２．５未満であれば、好ましくは、２．２５未満であれば、２に近いものとする。

図２の実施形態では、非同期機５の係数αが（図４に示されるように）２に近いか（図３に示されるように）２より大きいかに関係なく、励磁装置８は、スイッチ１４によって電気回路１２に接続される一定の静電容量の単純なコンデンサ１５を備えてもよい。さらに、コンデンサ１５およびスイッチ１４は、除氷抵抗器１１に供給される電源電流より小さい非同期機５に必要な磁化電流に関してのみ寸法設計されてもよい。したがって、励磁装置８は、特に単純な形で設計することができ、特に限られた寸法設計にすることができるので、励磁装置８のサイズおよびコストを抑えることができる。

図５および図６を参照して、コンデンサ１５が可変静電容量のセル１５’に置き換えられた一実施形態について説明する。図５の電源回路１の他の要素は図２の要素と同じまたは同様の要素である。したがって、これらの要素には同じ参照番号を付与し、再度詳細に説明しない。

図５では、細部Ｉには、可変静電容量セル１５’の一実施形態が示されている。

この実施例では、セル１５’は、静電容量Ｃｂのコンデンサ１９と、インダクタ２０および抵抗器２１を並列接続したＬＲ回路と、スイッチ２２とを直列に含むブランチと並列接続される静電容量Ｃａのコンデンサ１８を備える切り替え式静電容量セルである。セル１５’はさらに、スイッチ２２を制御するのに適したモジュール２３を有する。モジュール２３およびスイッチ２２は、電子回路の形態にしてもよい。

スイッチ２２が恒久的に開状態である場合、セル１５’はＣａに等しい静電容量Ｃを有する。スイッチ２２が恒久的に閉状態である場合、セル１５’はＣａ＋Ｃｂに等しい静電容量Ｃを有する。また、ユニット２３がスイッチ２２をデューティー比Ｄで開閉させる時、セル１５’はＣａ＋Ｃｂ×Ｄに等しい静電容量Ｃのように動作する。

電子制御ユニット１３から受信した静電容量設定点に応じて、また静電容量Ｃの測定値に応じて、モジュール２３はスイッチ２２を開閉するまたはデューティー比Ｄで開状態と閉状態との間で切り替える。所定のデューティー比Ｄを求めるのに使用されるパルス幅変調の周波数は、非同期機５の電気周波数より大幅に高くなるように選択される。

インダクタ２０は、スイッチ２２を閉じる際に過渡電流の振幅を制限する働きをし、抵抗器２１はスイッチ２２を開放する際に過渡電流の振幅を制限する働きをする。コンデンサ１９およびインダクタ２０で構成されるＬＣ回路の共振周波数は、パルス幅変調周波数よりも大幅に高くなるように選択される。

図６は、図３および図４のグラフと同様のグラフであり、係数α＝３の非同期機５の場合のグラフである。曲線２４および曲線２５は、セル１５’の２つの異なる静電容量Ｃの値に関して、回転速度Ｎに応じて電圧Ｖが変動する様子を示している。より正確には、曲線２４は、曲線２５に対応する静電容量Ｃ_２より小さい静電容量Ｃ_１に対応する。曲線２５は点（Ｎ_１，Ｖ_０）を通り、曲線２４は点（Ｎ_２，Ｖ_０）を通る。図６の曲線は、静電容量Ｃ_１が静電容量Ｃ_２より１８％小さい例に相当する。

Ｃ_１からＣ_２の範囲内の任意の静電容量Ｃに対して、曲線２４と曲線２５との間に位置する曲線をトレースすることができる。この曲線は点（Ｎ，Ｖ_０）を通る。この場合、ＮはＮ_１からＮ_２の範囲にある。

したがって、Ｎ_１からＮ_２の範囲にある任意の回転速度Ｎに対して、セル１５’を対応する静電容量Ｃが得られるように制御することによって振幅電圧Ｖ_０を発生させることができることがわかる。

図１の電源回路１において、電子制御ユニット１３は、特に、回転速度Ｎに応じてセル１５’の静電容量設定点を決定して、実質的に一定の振幅Ｖ_０で除氷抵抗器１１に交流電圧を供給できるようにする。決定された設定点は、セル１５’のモジュール２３に送信される。

図２の実施形態に比べて、図５の実施形態では、実質的に一定の振幅の電源電圧が必要な電気機器７に電力を供給することができる。また、スイッチ２２は、磁化電流のごく一部に対応できるように寸法設計してもよく、そうすることで励磁装置８のサイズおよびコストを抑えることができる。

図７を参照して、コンデンサ１５がインバータ２６およびコンデンサ２７に置き換えられた一実施形態について説明する。図７の電源回路１の他の要素は図２の要素と同じまたは同様の要素である。したがって、これらの要素には同じ参照番号を付与し、再度詳細に説明しない。

インバータ２６は、ブリッジアームがスイッチ１４および平滑インダクタ２８を介して電気回路１２に接続された三相インバータである。コンデンサ２７は、無効電力を交換するために必要なエネルギーを蓄えるためにインバータ２６の電源レールに接続される。

インバータ２６は、電子制御ユニット１３によって、特に、回転速度Ｎに応じて制御され、所定の範囲で変動する回転速度Ｎに対して実質的に一定の振幅Ｖ_０の交流電圧を発生させるのに対応した磁化電流を供給できるようにする。

図２の実施形態に比べて、図７の実施形態では、実質的に一定の振幅の電源電圧が必要な電気機器７に電力を供給する。さらに、インバータ２６は、除氷抵抗器１１に供給される電源電流より小さい非同期機５に必要な磁化電流に関してのみ寸法設計してもよく、そうすることで励磁装置８のサイズおよびコストを抑えることができる。

図８は、励磁装置８が冗長設計にされた一実施形態を示す図である。図８において、図示されている励磁装置８は、図２の実施形態と同じように、一定の静電容量の装置である。変形形態として、励磁装置８は、図５の実施形態で示されるような可変静電容量の装置とすることもできる、または図７の実施形態で示されるようなインバータ装置とすることもできる。

図示されている実施形態では、スイッチ２９、３０は、保護装置（図示せず）によって生成されたアクティブチャネル信号に応じて、励磁装置８の一方または他方を接続する働きをする。保護装置は、例えば、エンジン２の主コンピュータとしてもよい。作動中の励磁装置８で不具合が検出されると、他方の励磁装置８に切り替えることができるので、より信頼性の高い電源回路１にすることができる。

図示されていない変形形態では、励磁装置８は、直接、すなわちスイッチ２９、３０を介さずに電気回路１２に接続される。この状況下で、作動中でない励磁装置８の内部スイッチ１４は開放された状態で維持される。

上述したように、図２、図５および図７の励磁装置８は、電気機器７に必要な電源電流より電流が小さい非同期機５に必要な磁化電流（励磁電流）に関して寸法設計してもよい。したがって、図８で提案されている冗長設計では、体積やコストが大きくならない。

本発明により、例えば、航空機エンジンの除氷抵抗器に電力を供給するのに非同期機を使用することができるので、いくつかの利点が得られる。特に、非同期機は、ロバスト性および信頼性が高く、安価な機械である。さらに、非同期機の設計時に、形状係数の自由度が非常に高く、したがって、非同期機を航空機エンジンに組み込むのが容易になる。

また、電源回路１を電子制御ユニット１３によって容易に監視することができる。電気回路１２で測定される電流に応じて作動する電子制御ユニット１３が、例えば、短絡故障のために除氷抵抗器１１を流れる電流が大きすぎると判断した場合、スイッチ１４を開放することで非同期機５が励磁されなくなる。

また、電子制御ユニット１３が不具合を検出しなくても、またはスイッチ１４を開放しなくても、除氷抵抗器１１は、意図的に電源１によって供給される電力の最大量が除氷抵抗器１１によって調整される電力の最大量と一致すれば（または以下であれば）過電流から保護される。短絡故障は、部分的であっても、除氷抵抗器１１の抵抗を変動させる可能性がある。この状況下で、励磁装置８によって供給される磁化電流は、自励非同期発電機モードで動作するのに適さなくなり、デトリガ現象が発生し、発電を止めることができる。

Claims (3)

1. 航空機に電気エネルギーを供給するための電源回路（１）にして、航空機エンジンの電気機器（７）に電力を供給するために航空機エンジン（２）によって回転駆動される電源発電機を備える電源回路（１）であって、
   電源発電機は、励磁装置（８）に接続される非同期機（５）を備え、
   非同期機（５）はエンジン（２）によって回転駆動されるのに適した回転子（９）と前記電気機器（７）に接続される固定子（１０）とを含み、
   励磁装置（８）は前記固定子（１０）内に無効電流の流れを発生させるのに適しており、
   前記励磁装置（８）は１つまたは複数のコンデンサ（１５）を含み、
   前記非同期機（５）は、
   

   

   の関係で表される磁化インダクタンスＬ_ｍを有し、
   この場合、Ｌ_０はゼロ電流での電磁誘導であり、Ｉ_μ２は磁化インダクタンスＬ_ｍを１／２だけ減少させる磁化電流であり、Ｌ_ｍは磁化電流であり、αは非同期機の特性によって決まる係数であって２．５未満であることを特徴とする、電源回路（１）。
2. 非同期機（５）に接続される第２の励磁装置（８）を含む、請求項１に記載の電源回路。
3. 請求項１または請求項２に記載の電源回路（１）を含む、航空エンジン（２）。

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