JP2014093941A - 電気モータの始動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】同期モータにおいて制動巻線の熱損傷を防止した始動方法を提供する。
【解決手段】主機械１４、励起子１６、及び永久磁石発電機（ＰＭＧ）１２を備え、各々がステータ１２Ｂ、１４Ｂと、共通シャフト１８に各々装着されたロータ１２Ａ、１４Ａとを有する電気モータを始動させる方法であって、方法は、始動電流を主機械のステータに印加して、主機械のロータの制動巻線２０に制動電流を誘導させ、共通シャフトの回転を開始させる始動トルクを発生させることによって主機械を非同期モードで始動させる段階と、励起子のロータから主機械のロータに運転電流を供給することによって主機械を同期モードで運転させる段階と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気モータの始動方法に関する。

特に航空機で使用されるタイプの同期モータにおいては、発電機過渡性能を向上させるために主機械ロータに制動巻線が使用されている。同機モータは始動トルクを持たないので、ある形式の補助動力装置（ＡＰＵ）を用いて非同期始動モード中の交流（ＡＣ）励起子を駆動するための電力を供給して、励起子に回転磁場を発生させ、その結果としてトルクを発生させるようにする。トルクは、同期励起子が励起子ロータ巻線の出力にて主ロータに動力を供給するのに十分なＡＣ電圧を生成して、同期運転モードを可能にするまで共通回転シャフトを回転させる。

米国特許第７，８２１，１４５号明細書

主機械、励起子、及び永久磁石発電機（ＰＭＧ）を備え、各々がステータと、共通シャフトに各々装着されたロータとを有する電気モータを始動させる方法であって、本方法は、始動電流を主機械のステータに印加して、主機械のロータの制動巻線に制動電流を誘導させ、共通シャフトの回転を開始させる始動トルクを発生させることによって主機械を非同期モードで始動させる段階と、励起子のロータから主機械のロータに運転電流を供給することによって主機械を同期モードで運転させる段階と、を含む。

スタータ／発電機組立体の断面図。 制動巻線組立体を示す、図１の線２−２に沿った部分断面図。 スタータ／発電機組立体の回転シャフトの概略図。 非同期及び同期作動モード中にトルクが印加されたときの発電機の速度を示すグラフ。

本発明は、同期電気モータを用いるあらゆる環境において実施できるが、現行では、ジェットエンジン環境において実施することを企図しており、ここで電気モータは通常機械と呼ばれ、その一例がスタータ／発電機（Ｓ／Ｇ）である。従って、企図される環境の概要は、より完全な理解を助けるはずである。図１は、ガスタービン航空機エンジンに搭載されるか、又はその内部にあるＳ／Ｇ組立体１０を概略的に示している。ガスタービンエンジンは、一般的には現行の商用及び軍用航空機で使用される、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＧＥｎｘ又はＣＦ６ シリーズエンジンのようなターボファンエンジンとすることができ、或いは、ターボプロップ又はターボシャフトのような、様々な他の公知のガスタービンエンジンとすることができる。ガスタービンエンジンはまた、低圧タービン領域の下流側の追加の燃料量を燃焼させるアフターバーナーを有し、排出ガスの速度を増大させ、これにより推力を増進させることができる。

Ｓ／Ｇ組立体１０は、ファンを含むガスタービンエンジンの吸気領域の外側又は高圧加圧領域付近のコア上に装着することができる。Ｓ／Ｇ組立体１０の外部に少なくとも１つの電圧出力が設けられ、Ｓ／Ｇ組立体１０との間の電力の伝送を可能にする。図示のようなこの電力接続は、電力ケーブル１１によって伝送され、Ｓ／Ｇ組立体１０から接地基準出力を有して三相を供給することができる。

Ｓ／Ｇ組立体１０は、回転シャフト１８、同期主機械１４、励起子１６、及び永久磁石発電機（ＰＭＧ）１２を含む。回転シャフト１８は、離間軸受１９により支持される。ＰＧＭ１２、主機械１４、及び励起子１６の各々は、対応するロータ１２ａ、１４ａ、１６ａそれぞれと、対応するステータ１２ｂ、１４ｂ、１６ｂそれぞれとを有する。ロータ１２ａ、１４ａ、１６ａは、回転シャフト１８に装着されて、ステータ１２ｂ、１４ｂ、１６ｂと相対回転するようにし、該ステータ１２ｂ、１４ｂ、１６ｂは、Ｓ／Ｇ組立体１０無いに回転可能に固定される。ステータ１２ｂ、１４ｂ、１６ｂは、Ｓ／Ｇ組立体１０のハウジング部分の何れか好適な部分に装着することができる。

図示の実施形態において、主機械１４は、Ｓ／Ｇ組立体１０の後部に位置し、ＰＭＧ１２は、Ｓ／Ｇ組立体１０の前部に位置付けられる。励起子１６は、主機械１４とＰＭＧ１２との間のＳ／Ｇ組立体１０内に位置付けられる。主機械１４、ＰＭＧ１２、及び励起子１６の他の位置も想定され、特許保護される範囲は、どのような単一の実施形態にも限定されるものではない。

主機械ロータ１４ａは、その端部にて導電プレート２４により短絡される制動巻線２０を備え、該制動巻線２０は、Ｓ／Ｇ組立体１０の定常運転中に極をつなぐ磁界の位置又は大きさのパルス変動を阻止する。換言すると、制動巻線２０は、通常運転中のＳ／Ｇ組立体１０の電気接続部での負荷変動の結果として生じる可能性がある何らかの速度変動を減衰させる。

ここで図２を参照すると、主機械ロータ１４ａの制動巻線２０は、該主機械ロータ１４ａの界磁極２３上に取り付けられた導電材料２１（銅など）製巻線を含む。すなわち、制動巻線２０は、主機械ロータ１４ａの周りに半径方向に離間して配置される。主機械ロータ１４ａは更に、主機械ロータ１４ａの長さに延びて界磁極２３間に位置付けられる電気巻線２９を含む。

典型的な４００ＨｚＳ／Ｇ組立体１０は、２〜４個の磁極を有し、各磁極が５〜１１個の制動巻線２０を有している。例証として、制動巻線２０は、直径が０．６０〜０．２５０インチの銅から構成される。別の実施例として、油冷式１００ｋＷ発電機は、制動巻線２０において３００Ａ程の電流を生成する。

図３を参照すると、Ｓ／Ｇ組立体１０は更に、発電機制御ユニット（ＧＵＵ）２２を含む。ＧＣＵ２２は、開放及び閉止位置を有する電気スイッチ２８を含み、励起子ステータ１６ｂは、スイッチ２８が開放位置にあるときに電気的に切断され、スイッチ２８が閉止位置にあるときに電気的に接続される。

ＰＭＧロータ１２ａは、少なくとも２つの磁極を有する永久磁石を備え、ＰＭＧステータ１２ｂは、ＧＣＵ２２を介して励起子ステータ１６ｂへの共通供給ラインに提供されるリード部Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３に沿って３相出力を供給するよう配列された巻線を備える。

励起子ステータ１６ｂは、ＧＣＵ２２の出力リード３１に結合された励起子巻線を含む。励起子ロータ１６ａは、図示のように整流器２６に提供されるリード部Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６に沿って３相出力を供給するよう配列された巻線を備え、該整流器は、ダイオード式回転整流器として例示されている。整流器２６は更に、主機械ロータ１４ａに共通供給ライン３３を提供する。

主機械ステータ１４ｂは、第１の位置及び第２の位置を有する非同期始動制御スイッチ３４と結合するよう配列されたリード部Ｌ７、Ｌ８、Ｌ９を有し、ステータ１４ｂは、スイッチが第１の位置にあるときに、単相スタータドライブ３０のような外部電源に接続され、スイッチが第２の位置にあるときには、航空機の配電ノード３２に接続される。

スタータドライブ３０は、ＡＣ電源３５と、スタータドライブ３０の出力周波数を調整可能なコントローラ２７とを備える。本明細書で記載される周波数制御された単相ＡＣへの出力を調整可能である範囲で、別の運転エンジン、一般的な３相壁コンセント、或いは、必要な３相電力を発生させるのにインバータに結合される場合であればバッテリなどの直流（ＤＣ）電源をも含む、代替の外部電源が想起される。

図４を参照すると、本発明の方法によるＳ／Ｇ組立体１０は、非同期始動モードと同期運転モードの２つの別個のモードで作動し、非同期始動モードは、回転シャフト１８の始動トルクと加速を提供するよう作動し、同期運転モードは、定常自足に基づいて作動する。

非同期始動モードの開始時には、回転シャフト１８は回転しておらず、ＧＣＵ２２の電気スイッチ２８が開放状態にあり、ＰＭＧステータ１２ｂ電圧出力が励起子ステータ１６ｂから結合解除され、また、制御スイッチ３４が第１の位置にあり、スタータドライブ３０から主機械ステータ１４ｂのリード部Ｌ７、Ｌ８、Ｌ９にＡＣ電源入力を受け取る。

この状態から、スタータドライブ３０からのＡＣ電源入力が、主機械ステータ１４ｂにおいて回転磁界を発生させ、これにより主機械ロータ１４ａの制動巻線２０上に電流が誘導される。結果として生じた誘導電流は、装着されている回転シャフト１８の回転を始めるのに十分なトルクを主機械ロータ１４ａに発生させる。

制動巻線２０上への電流誘導の際には、ＡＰＵコントローラ２７は、ある時間期間にわたって周波数ステップ動作を行い、主機械ステータ１４ｂに供給される発生電力の界磁周波数を増大させる。この単相の周波数ステップ動作によって、回転する主機械ロータ１４ａに最適トルクが誘起され、回転シャフト１８の回転が加速される。

例えば、ＡＰＵコントローラ２７は、主機械ステータ１４ｂの界磁周波数を連続的に増大させることにより周波数ステップ動作を提供し、主機械ロータ１４ａに最大始動トルクを提供する。この周波数ステップ動作の方法は、非同期始動モード中に主機械ロータ１４ａ、及びその結果として回転シャフト１８に一定のトルクを提供する。

誘導電流はまた、制動巻線２０に熱を発生させるが、巻線２０には、故障が生じる既知の熱限界がある。１つの実施例では、典型的な制動巻線２０の熱限界は、２００〜２４０℃の間である。制動巻線２０は、始動巻線として機能するよう設計されていない比較的小型の巻線であり、初期非同期モードの間、熱損傷を防ぐよう留意しなければならない。１つの実施例において、典型的な始動巻線は、制動巻線２０（直径０．２３９〜０．４８８インチ）の３倍の断面積を有する場合があり、制動巻線２０の電流の２倍の量に連続的に耐えるよう構成することができる。制動巻線２０は、図示のように、巻線２０の熱状態を監視するため温度センサ２５と結合される。

非同期始動モード中、本方法は、温度センサ２５によって測定されたときに、制動巻線２０が故障することなく制動巻線２０において発生する結果として生じる熱が許容するであろう高さの温度まで、主機械ステータ１４ｂに電力を供給する必要がある。１つの実施例において、温度センサ２５の測定値は、無線で送信することができる。本方法の１つの目標は、できる限り迅速に目標とする回転周波数に到達することである。この最大入力電力は、周波数ステップセグメントの各々の間に回転シャフトにピークトルク量を発生させ、従って、制動巻線２０の熱的故障を生じることなくより高速の回転加速をもたらす。或いは、非同期始動モードセグメントの長さは、システムの特定の発電機及び既知の電気的特性に基づいて予め計算した時間とすることができる。１つの実施例において、非同期始動モードの予め計算した合計の時間期間は、１０〜２５秒である。

回転シャフト１８が周波数ステップ動作により作動周波数（例えば、６０Ｈｚ）に達すると、本方法は、非同期始動モードから同期運転モードに変わる。このモード変更の時点で、非同期始動制御スイッチ３４は、第１の位置から第２の位置に切り替わり、主機械ステータ１４ｂの出力リード部Ｌ７、Ｌ８、Ｌ９は、航空機の配電ノード３２に３相電力を供給する。ＧＣＵ電気スイッチ２８はまた、開放状態から閉止状態に切り替わり、ＧＣＵ２２をＰＭＧステータ１２ｂの出力リード部Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３に電気的に接続する。

同期運転モード中、回転するＰＧＭロータ１２ａは、ＰＭＧステータ１２ｂのリード部Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３に３相出力を発生させ、ＧＣＵ２２に電力を供給する。次に、ＧＣＵ２２は引き続き、ＧＣＵ２２及び励起子ステータ１６ｂによって回転シャフト１８の回転周波数を定常作動周波数の６０Ｈｚにする。

励起子ロータ１６ａの定常回転は、リード部Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６にて３相電力を発生させ、これは回転整流器２６によりＤＣ電力に変換される。ＤＣ電力は、主機械ステータ１４ｂにより回転する主機械ロータ１４ａに供給されて、リード部Ｌ７、Ｌ８、Ｌ９にてＳ／Ｇ組立体１０の３相出力を生成し、航空機の配電ノード３２に供給する。

回転シャフト１８の速度が、非同期始動モード及び同期運転モード中に供給されるトルクとの関連で図４に示されている。周波数ステップ作動中の制動巻線２０における誘起電流が、２０、４０、及び６０Ｈｚの周波数によるトルク曲線のスナップショットとして例示されているが、実際には、コントローラが周波数を連続的に変化させるときに、基本的には無限数のトルク曲線が存在し、非同期始動モード中の最大トルクレベルにて点線を生じる結果となる。点線は、非同期始動モード中の一定トルクを表している。始動が完了すると、コントローラは、トルクを最大にするようには作動せず、その結果、同期運転モード中にトルク曲線が下降することになる。同様に、図４には、回転速度が目標値に達したときの非同期始動モードから同期始動モードへの変化が示されている。

本明細書で開示される方法は、制動巻線を用いて始動する航空機エンジンを提供する。上記の方法で実現できる１つの利点は、本方法が、励起子ステータ１６ｂにおいて外部ＡＣ励起を必要とすることなく制動巻線２０を介して回転シャフト１８を回転させるのに十分な始動トルクを提供することである。

航空機構成要素を設計する際に対処すべき重要な要因は、サイズ、重量、及び信頼性である。上述の方法は、本システムが既存のＧＣＵ２２にＡＣ励起電気回路を付加する必要もなくＳ／Ｇ組立体１０の始動を可能にすることができるので、部品点数が削減され、システム全体の本来の信頼性がより一層向上する。これにより軽量化、小型化、性能向上、及びシステム信頼性の向上が得られる。部品点数が少ないこと、及び保守管理が低減されることで、製造コスト及び運用コストの削減がもたらされることになる。重量及びサイズの低減は、フライト中の優位な利点と関連している。

構成要素は、既知の同期モータ及び発電機の組み合わせとすることができる。本実施形態で示した補機に加えて、特定の用途において作動させる必要がある他の構成要素が存在してもよい。例えば、図示の電気機械補機に加えて、オイルポンプ、流体圧縮機、又は油圧ポンプなど、同じ回転シャフト１８によって駆動される他の補機が存在してもよい。本方法では３相を記載しているが、初期、加速、及び定常作動において使用するために、単相、６０Ｈｚに達する３つの連続するセグメント加速、他の相、セグメント、及び周波数が企図される。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０ スタータ／発電機組立体
１１ 電力ケーブル
１２ 永久磁石発電機（ＰＭＧ）
１２ａ ＰＭＧロータ
１２ｂ ＰＭＧステータ
１４ 主機械
１４ａ 主機械ロータ
１４ｂ 主機械ステータ
１６ 励起子
１６ａ 励起子ロータ
１６ｂ 励起子ステータ
１８ 回転シャフト
１９ 転がり軸受
２０ 制動巻線
２１ 制動巻線 導電性材料
２２ 発電機制御ユニット（ＧＣＵ）
２３ 磁極
２４ 導電プレート
２５ 制動巻線温度センサ
２６ 回転整流器
２７ ＡＰＵコントローラ
２８ 電気スイッチ
２９ 主機械ロータ巻線
３０ スタータドライブ
３１ ＧＣＵ出力リード部
３２ 配電ノード
３３ 整流器共通出力
３４ 非同期始動制御スイッチ
３５ ＡＰＵ ＡＣ電源

Claims (19)

1. 主機械、励起子、及び永久磁石発電機（ＰＭＧ）を備え、各々がステータと、共通シャフトに各々装着されたロータとを有する機械を作動させる方法であって、
   始動電流を前記主機械のステータに印加して、前記主機械のロータの制動巻線に制動電流を誘導させ、前記共通シャフトの回転を開始させる始動トルクを発生させる段階と、
   前記共通シャフトによる前記ＰＭＧロータの回転に応答して前記ＰＭＧのステータにＰＭＧ電流を誘導させる段階と、
   前記ＰＭＧ電流を前記励起子のステータに供給し、前記励起子のロータにおいて励起子ロータ電流を誘導させる段階と、
   前記励起子ロータ電流を前記主機械のロータに供給する段階と、
   を含み、前記始動電流の印加が、前記制動巻線が熱限界を超える前に終了するようにする、方法。
2. 前記始動電流の印加段階が、ＤＣ電源から前記始動電流を生成する段階を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記始動電流の生成段階が、前記ＤＣ電源を逆変換して始動電流用のＡＣ電流を生成する段階を含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記ＡＣ電流が３相である、請求項３に記載の方法。
5. 前記ＰＭＧ電流を誘導する段階が、ＡＣ電流を誘導する段階を含む、請求項１に記載の方法。
6. ＡＣ電流が３相である、請求項５に記載の方法。
7. 前記ＰＭＧ電流を前記励起子ステータに供給する段階が、前記ＰＭＧ電流を３相から単相に変換する段階を含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記ＰＭＧ電流を前記励起子ステータに供給する段階が、前記ＰＭＧ電流を励起子ステータ電流に変換する段階を含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記ＰＭＧ電流を励起子ステータ電流に変換する段階が、前記励起子ステータ電流の周波数を経時的に増大させる段階を含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記励起子ロータ電流を前記主機械のロータに供給する段階が、前記励起子ロータ電流を整流する段階を含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記ＰＭＧ電流を前記励起子ステータに供給する段階が、前記制動巻線が熱限界に達する前に行われる、請求項１に記載の方法。
12. 前記始動電流の印加の終了が、前記ＰＭＧ電流を前記励起子ステータに供給する段階と同時に起こる、請求項１に記載の方法。
13. 主機械、励起子、及び永久磁石発電機（ＰＭＧ）を備え、各々がステータと、共通シャフトに各々装着されたロータとを有する機械を作動させる方法であって、
    始動電流を前記主機械のステータに印加して、前記主機械のロータの制動巻線に制動電流を誘導させ、前記共通シャフトの回転を開始させる始動トルクを発生させることによって、前記主機械を非同期モードで始動させる段階と、
    前記励起子のロータから前記主機械のロータに運転電流を供給することによって前記主機械を同期モードで運転させる段階と、
    を含む、方法。
14. 前記始動電流の印加段階が、ＤＣ電源から前記始動電流を生成する段階を含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記始動電流の生成段階が、前記ＤＣ電源を逆変換して始動電流用のＡＣ電流を生成する段階を含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記ＡＣ電流が３相である、請求項１５に記載の方法。
17. 前記制動巻線が熱限界に達する前に、非同期モードから同期モードに切り換える段階を更に含む、請求項１３に記載の方法。
18. 前記非同期モードから同期モードに切り換える段階が、前記始動電流の印加の終了と同時に起こる、請求項１７に記載の方法。
19. 記始動電流の印加の終了と同時に前記非同期モードから同期モードに切り換える段階を更に含む、請求項１３に記載の方法。