JP2019154222A

JP2019154222A - 始動器として独立速度可変周波数発電機を操作するためのシステム及び方法

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Publication number: JP2019154222A
Application number: JP2019002625A
Authority: JP
Inventors: ションイーリウ，; Shengyi Liu; リジュンガオ，; Lijun Gao
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2018-01-16
Filing date: 2019-01-10
Publication date: 2019-09-12
Anticipated expiration: 2039-01-10
Also published as: JP6800253B2; US20190219020A1; EP3512091B1; US10415530B2; CN110048649A; CN110048649B; EP3512091A1

Abstract

【課題】始動器として独立速度可変周波数（ＩＳＶＦ）発電機を操作するためのシステム及び方法を提供する。【解決手段】システム１００は、発電機制御ユニット１６０と、独立速度可変周波数（ＩＳＶＦ）発電機１０２のパイロット永久磁石発電機ステージ１０８と、外部電力源１７０との間の接続を開閉するように構成された第１のバス転送スイッチ１５０を含み得る。システム１００は、ＩＳＶＦ発電機１０２の主フィールド巻線１３４をモータ状態に設定するように構成されたインバータ１３２をさらに含み得る。システム１００は、ＩＳＶＦ発電機１０２の主電機子巻線１３８と、配電バス１９２と、主電機子巻線１３８を通して電流を送信し、回転子１０４を回転させてエンジンの起動を可能にする磁界パターンを生成するように構成されたモータ始動駆動器１８０との間の接続を開閉するように構成された第２のバス転送スイッチ１９０を含み得る。【選択図】図１

Description

本開示は、概して、ビークルのエンジンを始動することに関し、具体的には、始動器として独立速度可変周波数（ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｓｐｅｅｄｖａｒｉａｂｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＩＳＶＦ））発電機を操作するためのシステム及び方法に関する。

航空機及びその他のビークルは、通常、推進システム及びその他の機械的且つ電気的システムのための電力源として、タービン発電エンジン、ジェットエンジン、燃焼エンジン等のエンジンを使用する。航空機又は他のビークルが使用されていないとき、エンジンは休止状態であり得る。エンジンを始動させて、エンジンを使用するように準備するためには、通常、外部回転力を加えなければならない。それにより、反応が起こり、最終的にエンジンの連続回転がもたらされる。

通常のエンジン始動システムでは、始動中にエンジンへの外部回転力を起こすために、追加のモータが必要な場合がある。幾つかのシステムでは、エンジンからの機械的動力を電力に変換するように構成された発電機を逆転させて、電力をエンジンに加えられる機械的動力に変換することがある。このようにすれば、発電機は、エンジンの始動中、モータとして効果的に使用することができる。しかしながら、ＩＳＶＦ発電機の場合、典型的な航空機のように、モータの出力に電流を印加するだけではエンジンを始動させるのに十分ではない。なぜなら、ＩＳＶＦモータでは、通常、単一の回転子に複数の発電のステージが伴うからである。したがって、典型的なエンジン始動システムは、ＩＳＶＦ発電機と共に動作するように備えられていない。その他の欠点も存在し得る。

一実施形態では、システムは、発電機制御ユニットと、独立速度可変周波数（ＩＳＶＦ）発電機のパイロット永久磁石発電機ステージとの間の接続を開閉し、且つ発電機制御ユニットと外部電力源との間の接続を開閉するように構成された第１のバス転送スイッチを含む。当該システムは、発電機制御ユニットからＩＳＶＦ発電機の回転子へ電力信号を送信するように構成された変圧器をさらに含む。当該システムは、発電機制御ユニットからの制御信号に応答して、回転子に取り付けられた主フィールド巻線をモータ状態に設定するように構成されたインバータをさらに含む。当該システムは、ＩＳＶＦ発電機の主電機子巻線と配電バスとの間の接続を開閉し、且つ主電機子巻線と、主電機子巻線を通して電流を送信し、回転子を回転させてエンジンの起動を可能にする磁界パターンを生成するように構成されたモータ始動駆動器との間の接続を開閉するように構成された第２のバス転送スイッチを含む。

幾つかの実施形態では、変圧器は、固定子に取り付けられた第１の巻線、及び回転子に取り付けられた第２の巻線を有する高周波（ＨＦ）変圧器である。幾つかの実施形態では、発電機制御ユニットは、周波数変換器をさらに含む。周波数変換器は、電力信号を変調してＨＦ電力信号を形成し、ＨＦ電力信号を用いてＨＦ変圧器の第１の巻線を駆動することにより、回転子に取り付けられた第２の巻線においてＨＦ電力信号を受信させるように構成されている。幾つかの実施形態では、インバータは、主フィールド巻線と整流電力信号配分肢線との間の第１の組のスイッチ、及び主フィールド巻線と中性点電圧肢線との間の第２の組のスイッチを含む。

幾つかの実施形態では、主フィールド巻線は、３相ラインを含み、第１の組のスイッチは、３つのスイッチを含み、第２の組のスイッチは、３つのスイッチを含み、第１の組のスイッチの各スイッチは、３相ラインのそれぞれの相ライン上の第２の組のスイッチの対応するスイッチと対になる。幾つかの実施形態では、当該システムは、第１の組のスイッチを開き、第２の組のスイッチを閉じて、誘導モータ等価回路を形成するように構成されたコントローラを含む。幾つかの実施形態では、当該システムは、第１の組のスイッチのうちの１つのスイッチをパルス作動し、第１の組のスイッチの残りのスイッチを開き、第１の組のスイッチのうちの１つのスイッチと対になった第２の組のスイッチのうちの１つのスイッチを開き、第２の組のスイッチの残りのスイッチを閉じて、同期モータ等価回路を形成するように構成されたコントローラを含む。幾つかの実施形態では、外部電力源には、バッテリ又は地上設置電源が含まれる。

一実施形態では、方法は、発電機制御ユニットを独立速度可変周波数（ＩＳＶＦ）発電機のパイロット永久磁石発電機ステージから切断することを含む。当該方法は、発電機制御ユニットを外部電力源に接続することをさらに含む。当該方法は、電力信号を発電機制御ユニットからＩＳＶＦ発電機の回転子へ伝送することをさらに含む。当該方法は、回転子に取り付けられた主フィールド巻線をモータ状態に設定することを含む。当該方法は、ＩＳＶＦ発電機の主電機子巻線を配電バスから切断することをさらに含む。当該方法は、主電機子巻線をモータ始動駆動器に接続することをさらに含む。当該方法は、主電機子巻線を通して、モータ始動駆動器から電流パターンを送信して、回転子を回転させてエンジンの起動を可能にする磁界パターンを生成することを含む。

幾つかの実施形態では、当該方法は、エンジンの始動の後、発電機制御ユニットを外部電力源から切断すること、及び発電機制御ユニットをパイロット永久磁石発電機ステージに接続することを含む。幾つかの実施形態では、当該方法は、エンジンの始動の後、ＩＳＶＦ発電機の主電機子巻線をモータ始動駆動器から切断すること、及び主電機子巻線を配電バスに接続することをさらに含む。幾つかの実施形態では、電力信号を発電機制御ユニットからＩＳＶＦ発電機の回転子へ伝送することは、電力信号を変調して、高周波（ＨＦ）電力信号を形成すること、ＨＦ電力信号を用いてＩＳＶＦ発電機の固定子に取り付けられたＨＦ変圧器巻線を駆動すること、及びＩＳＶＦ発電機の回転子に取り付けられたＨＦ変圧器巻線においてＨＦ電力信号を受信することを含む。

幾つかの実施形態では、回転子に取り付けられた主フィールド巻線をモータ状態に設定することは、インバータのスイッチを誘導モータ等価回路を形成するように構成することを含む。幾つかの実施形態では、インバータのスイッチを構成することは、主フィールド巻線と整流電力信号配分肢線との間の第１の組のスイッチを開くこと、及び主フィールド巻線と中性点電圧肢線との間の第２の組のスイッチを閉じることを含む。幾つかの実施形態では、回転子に取り付けられた主フィールド巻線をモータ状態に設定することは、インバータのスイッチを同期モータ等価回路を形成するように構成することを含む。

幾つかの実施形態では、インバータのスイッチを構成することは、主フィールド巻線と整流電力信号配分肢線との間の第１の組のスイッチのうちの１つのスイッチをパルス作動し、第１の組のスイッチの残りのスイッチを開き、第１の組のスイッチのうちの１つのスイッチと対になった、主フィールド巻線と中性点電圧肢線との間の第２の組のスイッチのうちの１つのスイッチを開き、第２の組のスイッチの残りのスイッチを閉じることを含む。幾つかの実施形態では、主電機子巻線を通して、モータ始動駆動器から電流パターンを送信することは、フィールド配向制御信号を生成すること、又は、直接トルク制御信号を生成することを含む。

一実施形態では、システムは、発電機の回転子に取り付けられた主フィールド巻線を含む。当該システムは、主フィールド巻線と整流電力信号配分肢線との間の第１の組のスイッチをさらに含む。当該システムは、主フィールド巻線と中性点電圧肢線との間の第２の組のスイッチをさらに含む。当該システムは、第１の組のスイッチ及び第２の組のスイッチを制御して、エンジンの起動フェーズの間、主フィールド巻線をモータ状態に設定するように構成されたコントローラを含む。

幾つかの実施形態では、主フィールド巻線は、モータ状態にあるときに、誘導モータ等価回路を形成する。幾つかの実施形態では、主フィールド巻線は、モータ状態にあるときに、同期モータ等価回路を形成する。

始動器としてＩＳＶＦ発電機を操作するためのシステムの実施形態を示す概略ブロック図である。ＩＳＶＦ発電機のフィールド制御ステージの実施形態を示す概略ブロック図である。第１の状態のフィールド制御ステージの実施形態を示す図である。第１の状態のフィールド制御ステージの誘導モータ等価回路を示す図である。第２の状態のフィールド制御ステージの実施形態を示す図である。第２の状態のフィールド制御ステージの同期モータ等価回路を示す図である。始動器としてＩＳＶＦ発電機を操作するための方法を示すフロー図である。

本開示は、様々な修正及び代替的な形態の影響を受け易いが、図面の中で特定の実施形態が実施例として示されており、本明細書において詳細に説明される。しかしながら、本開示は、開示された特定の形態に制限されることが意図されているわけではないことを理解すべきである。むしろ、本開示の範囲内に入るすべての修正例、均等物、及び代替例を包含することが意図されている。

図１を参照すると、始動器としてＩＳＶＦ発電機を操作するためのシステム１００が図示されている。システム１００は、ＩＳＶＦ発電機１０２、第１のバス転送スイッチ１５０、発電機制御ユニット１６０、外部電力源１７０、モータ始動駆動器１８０、及び第２のバス転送スイッチ１９０を含み得る。

ＩＳＶＦ発電機１０２は、回転子１０４及び固定子１０６を含み得る。さらに、ＩＳＶＦ発電機１０２における発電は、諸ステージで実行され得る。例えば、ＩＳＶＦ発電機１０２は、パイロット永久磁石発電機（ｐｉｌｏｔｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｇｅｎｅｒａｔｏｒ（ＰＭＧ））ステージ１０８、高周波（ＨＦ）変圧器ステージ１１０、フィールド制御ステージ１１２、及び主要機械ステージ１１４を含み得る。ＩＳＶＦ発電機の背景技術の例は、２０１７年１１月２１日に出願された「ＩｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔＳｐｅｅｄＶａｒｉａｂｌｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙＡｌｔｅｒｎａｔｉｎｇＣｕｒｒｅｎｔＧｅｎｅｒａｔｏｒ」と題する米国特許出願番号第１５／８１９，９１９号で見ることができる。システム１００全体を理解するために有用であり得るため、ＩＳＶＦ発電機１０２及びその諸ステージの簡単な説明も本明細書に含まれる。

パイロットＰＭＧステージ１０８は、エンジンなどの原動機に機械的に連結され得る原動機入力１１８を含み得る。原動機入力１１８を通してエンジンを回転させることにより、回転子１０４を回転させ得る。同様に、回転子１０４の回転は、他の状況では休止するエンジンを回転させ得る。パイロットＰＭＧステージ１０８は、回転子１０４に取り付けられた永久磁石１２０、及び固定子１０６に取り付けられたパイロット巻線１２２をさらに含み得る。発電の間、永久磁石１２０及びパイロット巻線１２２は、回転中に回転子１０４が表す機械的エネルギーの一部をパイロット電力信号に変換するように構成され得る。

ＨＦ変圧器ステージ１１０は、固定子ＨＦ変圧器巻線１２６、及び回転子ＨＦ変圧器巻線１２８を含み得る。ＨＦ変圧器巻線１２６、１２８は、共に、ＨＦ変圧器構成を形成して、固定子１０６から回転子１０４へとＨＦ交流（ＡＣ）電力信号を送信する。発電の間、ＨＦ変圧器ステージ１１０は、フィールド制御ステージ１１２及び主要機械ステージ１１４のために、回転子１０４に電力を供給するよう使用され得る。

フィールド制御ステージ１１２は、整流器１３０及びインバータ１３２を含み得る。整流器１３０は、多相ＡＣ電力信号を直流（ＤＣ）電力信号に変換する回路を含み得る。発電の間、インバータ１３２は、ＤＣ電力信号を、回転子１０４に対して回転する主要機械ステージ１１４で磁界を生成するために選択される周波数、位相、及び振幅を有するＡＣ電力信号に変換して戻すように制御され得る。制御連結デバイス１３６は、固定子１０６から回転子１０４へと、インバータ１３２に制御信号を送信するように使用され得る。

主要機械ステージ１１４は、回転子１０４に取り付けられた主フィールド巻線１３４、及び固定子１０６に取り付けられた主電機子巻線１３８を含み得る。発電の間、主要機械ステージ１１４は、配分するＡＣ電力信号が生成される場所である。主フィールド巻線１３４は、回転子１０４に対する回転磁界を表し得る。このようにして、主電機子巻線１３８で拾い上げられた磁界の周波数は、回転子１０４の回転周波数と主フィールド巻線１３４における回転磁界の回転周波数との組み合わせに基づく。したがって、主電機子巻線で生成されたＡＣ電力信号は、原動機の回転周波数から独立した周波数を有する。

ＩＳＶＦ発電機１０２の主な使用は、ＡＣ発電のためであり得るが、第１のバス転送スイッチ１５０、発電機制御ユニット１６０、外部電力源１７０、モータ始動駆動器１８０、及び第２のバス転送スイッチ１９０は、原動機入力１１８に連結されたエンジン用の始動器としてＩＳＶＦ発電機１０２を構成するように使用され得る。

第１のバス転送スイッチ１５０は、発電機制御ユニット１６０とＩＳＶＦ発電機１０２のパイロットＰＭＧステージ１０８との間の接続を開閉し、発電機制御ユニット１６０と外部電力源１７０との間の接続を開閉するように構成され得る。図１は、第１のバス転送スイッチ１５０の入力及び出力を単一のラインとして示しているが、入力及び出力は、多相電力の入力及び出力を表し得ることを理解されたい。具体的には、第１のバス転送スイッチ１５０の入力及び出力は、３相電力信号として構成され得る。

発電機制御ユニット１６０は、周波数変換器１６２、及びコントローラ１６４を含み得る。周波数変換器１６２は、ＡＣ電力信号を受信し、ＡＣ電力信号を変調して、固定子１０６から回転子１０４への送信のためのＨＦＡＣ電力信号を生成するように構成された回路を含み得る。本明細書で用いられるＨＦＡＣ電力信号は、回転子１０４の回転周波数より大きな周波数を有する。実際には、ＨＦ変圧器ステージ１１０の間の電力変換に対する回転子１０４の回転周波数の影響をごくわずかにするために、周波数は十分に高い。周波数変換器１６２は、変調器、インバータ、及び／又はその他の変調回路を含み得る。

コントローラ１６４は、マイクロプロセッサ又は別の種類のコントローラユニットを含み得る。例えば、コントローラ１６４は、中央処理装置（ＣＰＵ）、グラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、周辺インターフェースコントローラ（ＰＩＣ）、別の種類のマイクロプロセッサ、又はこれらの組み合わせを含み得る。これは、集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、ロジックゲート回路の組み合わせ、他の種類のデジタル又はアナログ電気設計構成要素、又はこれらの組み合わせとして実装され得る。ＡＳＩＣの場合、ＡＳＣＩに接続された周辺構成要素には、アナログ／デジタル変換機（ＡＤＣ）、デジタル／アナログ変換機（ＤＡＣ）、信号フィルタ、信号増幅器、入力及び出力インターフェース、マルチチャンネルデータバス、記憶装置等が含まれ得る。

図１は、コントローラ１６４が発電機制御ユニット１６０内に囲い込まれているように示しているが、幾つかの実施形態では、コントローラ１６４の一部が回転子１０４に取り付けられてもよい。回転子１０４に取り付けられたコントローラ１６４の一部と、発電機制御ユニット１６０に取り付けられた部分とは、制御連結デバイス１３６を介して通じ得る。外部電力源１７０は、地上設置型電力供給システム、発電機、バッテリ、又はこれらの組み合わせを含み得、システム１００に対して固定型又は可動型であってよい。

モータ始動駆動器１８０は、エンジンを回転且つ始動させるために電流パターンをモータに印加するように構成された回路を含み得る。例えば、モータ始動駆動器１８０は、ＩＳＶＦ発電機１０２の主電機子巻線１３８に対して、フィールド配向制御（ＦＯＣ）信号を印加するか、又は、直接トルク制御（ＤＴＣ）信号を生成するように構成され得る。モータ始動駆動器１８０は、様々な種類の変動周波数モータ駆動（ＶＦＭＤ）形態を含み得る。

第２のバス転送スイッチ１９０は、ＩＳＶＦ発電機の主電機子巻線１３８と配電バス１９２との間の接続を開閉し、主電機子巻線１３８とモータ始動駆動器１８０との間の接続を開閉するように構成され得る。第１のバス転送スイッチ１５０と同様に、第２のバス転送スイッチ１９０の入力及び出力は、多相電力の入力及び出力であり得る。具体的には、第２のバス転送スイッチ１９０の入力及び出力は、３相電力信号を含み得る。

作動中、発電機制御ユニット１６０をＩＳＶＦ発電機１０２のパイロットＰＭＧステージ１０８から切断し、発電機制御ユニット１６０を外部電力源１７０に接続するために、（例えば、ユーザによって）第１のバス転送スイッチ１５０が制御され得る。切断及び接続の動作は、（例えば、ほぼ同時に）単一の切り替え動作に応答して、又は、複数の動作に応答して、実行され得る。

ＨＦ変圧器は、外部電力源１７０からのＡＣ電力信号を変調して、ＨＦＡＣ電力信号を生成し得る。ＨＦＡＣ電力信号は、ＨＦ変圧器巻線１２６、１２８を介して、発電機制御ユニット１６０から回転子１０４へ送信され得る。ＨＦＡＣ電力信号は、ＩＳＶＦ発電機１０２のフィールド制御ステージ１１２と発電機制御ユニット１６０との間の通信を確立し、主フィールド巻線１３４を構成するように使用され得る。

主フィールド巻線１３４は、モータ状態に設定されてもよい。例えば、主フィールド巻線１３４は、インバータ１３２を設定することによって、電気的に短絡させられ得る。これは、整流器１３０からゲート駆動電力をインバータ１３２に供給することにより、且つ、コントローラ１６４からゲート駆動制御信号をインバータ１３２に供給することにより、達成され得る。この状態では、主要機械ステージ１１４は、誘導モータ回路と実効的に等価であり得る。別の実施例として、主フィールド巻線１３４は、整流器１３０からの直流が主フィールド巻線１３４の少なくとも１つの肢線に印加され得るように構成され得る。これは、整流器１３０からゲート駆動電力をインバータ１３２に供給することにより、且つ、コントローラ１６４からゲート駆動制御信号をインバータ１３２に供給することにより、達成される。この状態では、主要機械ステージ１１４は、同期モータ回路と実効的に等価であり得る。これらの２つの状態の主フィールド巻線１３４の特定の構成は、ここでさらに詳しく説明される。

第２のバス転送スイッチ１９０は、ＩＳＶＦ発電機１０２の主電機子巻線１３８を配電バス１９２から切断し、主電機子巻線１３８をモータ始動駆動器１８０に接続するように制御され得る。第１のバス転送スイッチ１５０と同じように、切断及び接続の動作は、（例えば、ほぼ同時に）単一の切り替え動作に応答して、又は、複数の動作に応答して、実行され得る。

一旦、第１のバス転送スイッチ１５０及び第２のバス転送スイッチ１９０が設定され、ＩＳＶＦ発電機１０２が構成されると、発電機制御ユニット１６０のコントローラ１６４は、モータ始動駆動器１８０に、主電機子巻線１３８を通して電流パターンを送信し、回転子１０４を回転させる磁界パターンを生成するように指令を与え得る。回転子１０４の回転は、エンジンの始動を可能にし得る。

一旦エンジンが始動すると、第１のバス転送スイッチ１５０は、発電機制御ユニット１６０を外部電力源１７０から切断し、発電機制御ユニット１６０をパイロットＰＭＧステージ１０８に接続し得る。同様に、第２のバス転送スイッチ１９０は、ＩＳＶＦ発電機１０２の主電機子巻線１３８をモータ始動駆動器１８０から切断し、主電機子巻線１３８を配電バス１９２に接続し得る。次いで、ＩＳＶＦ発電機１０２は、電力の生成に使用され得る。

システム１００の利点は、ＩＳＶＦ発電機１０２を始動器として使用するように構成することにより、エンジンの始動用の追加のモータを除外し得ることである。航空機用途で使用されると、フライト中の重量が減少することがあり、これにより、航空機の効率が向上し得る。その他の利点も存在し得る。

図２を参照すると、ＩＳＶＦ発電機の回転子に取り付けられたフィールド制御ステージ１１２の実施形態が示される。フィールド制御ステージ１１２は、整流器１３０、及びインバータ１３２を含み得る。整流器１３０は、第１の組のダイオード２１０、及び第２の組のダイオード２２０を含み得る。第１の組のダイオード２１０はそれぞれ、第２の組のダイオード２２０のうちの対応するダイオードと対になり得る。例えば、第１の組のダイオード２１０の第１のダイオード２１２は、第２の組のダイオード２２０の第１のダイオード２２２と対になり得、第１の組のダイオード２１０の第２のダイオード２１３は、第２の組のダイオード２２０の第２のダイオード２２３と対になり得、第１の組のダイオード２１０の第３のダイオード２１４は、第２の組のダイオード２２０の第３のダイオード２２４と対になり得る。

第１のダイオード２１２、２２２は、第１相入力２５０に連結され、第１相入力２５０上のＨＦＡＣ電力信号の相を整流し、整流電力信号配分肢線２７０上に整流されたＤＣ電力信号を形成し得る。同様に、第２のダイオード２１３、２２３は、第２相入力２５１上のＨＦＡＣ電力信号の相を整流し得る。第３のダイオード２１４、２２４は、第３相入力２５２上のＨＦＡＣ電力信号の相を整流し得る。したがって、整流器１３０で受信されたＨＦＡＣ電力信号は、ＤＣ電力信号に変換され得る。

図２では、整流器１３０は、３相整流を実行するように示されているが、３つより多くの又は３つより少ない相が整流されてもよい。さらに、各組のダイオード２１０、２２０は、３つより多くの又は３つより少ないダイオードを含んでもよい。また、図２は、整流器形態の一実施形態を示す。本開示の恩恵を受けた当業者にとって自明であるように、他の形態が使用されてもよい。整流器１３０とインバータ１３２との間で、整流電力信号配分肢線２７０が、整流器１３０によって生成されたＤＣ電力信号を搬送し得る。中性点電圧肢線２７２は、インバータ１３２に電力供給するために、共通の又は中立の電圧を供給し得る。

インバータ１３２は、第１の組のスイッチ２３０、及び第２の組のスイッチ２４０を含み得る。第１の組のスイッチ２３０は、それぞれ、第２の組のスイッチ２４０のうちの対応するスイッチと対になり得る。例えば、第１の組のスイッチ２３０の第１のスイッチ２３２は、第２の組のスイッチ２４０の第１のスイッチ２４２と対になり得、第１の組のスイッチ２３０の第２のスイッチ２３３は、第２の組のスイッチ２４０の第２のスイッチ２４３と対になり得、第１の組のスイッチ２３０の第３のスイッチ２３４は、第２の組のスイッチ２４０の第３のスイッチ２４４と対になり得る。

発電の間、各組のスイッチ２３０、２４０の入力は、整流ＤＣ電力信号肢線２７０からのＤＣ電力信号を変調するように動作し、第１の相出力２６０上にＡＣ電力信号の第１の相、第２の相出力２６１上にＡＣ電力信号の第２の相、且つ第３の相出力２６２上にＡＣ電力信号の第３の相を生成し得る。発電機制御ユニット１６０（図１に図示）のコントローラ１６４（図１に図示）は、各組のスイッチ２３０、２４０の入力に連結され、これらを操作する。インバータ１３２によって生成されたＡＣ電力信号は、主フィールド巻線（例えば、主フィールド巻線１３４）を駆動するように使用されたときに、回転磁界を生成するように構成され得る。

実際には、インバータ１３２の切り替え形態の中に追加の構成要素が含まれてもよい。例えば、スイッチ２３０、２４０の組の各スイッチは、スイッチ−ダイオードの対を含み得る。さらに、本開示では、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、及び／又は他の種類の半導体スイッチを含む様々な種類のスイッチが有用であり得る。図２では、各組のスイッチ２３０、２４０において３つのスイッチを示すが、インバータ１３２は、異なる数の相を有するＡＣ電力信号を生成するために、３つより多くの又は３つより少ないスイッチを含み得る。

図３Ａを参照すると、フィールド制御ステージ１１２は、第１の状態で示されている。エンジンの始動が望まれるときに第１の状態が使用され得る。第１の状態では、ＡＣ相出力２６０〜２６２が設定され、主フィールド巻線（例えば、主フィールド巻線１３４）でモータを効果的に形成し得る。例えば、第１の組のスイッチ２３０（図２に図示）が開かれて、第２の組のスイッチ２４０（図２に図示）が閉じられ得る。この構成では、ＡＣ相出力２６０〜２６２は、それぞれ、整流ＤＣ電力配分肢線２７０から切断される。

図３Ｂを参照すると、図３Ａを参照して示されたように設定されたフィールド制御ステージ１１２は、誘導モータ等価回路として示される。第２の組のスイッチ２４０がそれぞれ閉じられた状態では、主フィールド巻線１３４の各相の間で実効的な短絡３０２が存在し得る。短絡３０２は、相出力２６０〜２６２がそれぞれ、中性点電圧肢線２７２に接続された結果であり得る。外部回転磁界（例えば、図１の主電機子巻線１３８からの）が作用すると、主フィールド巻線１３４は、誘導モータとして動作し、取り付けられた回転子（例えば、回転子１０４）の回転を引き起こし得る。

図４Ａを参照すると、フィールド制御ステージ１１２は、第２の状態で示されている。第２の状態では、インバータ１３２は、ＡＣ相出力２６０〜２６２を設定し、主フィールド巻線（例えば、主フィールド巻線１３４）で同期モータを効果的に形成するように構成され得る。例えば、第１の組のスイッチ２３０からの第１のスイッチ２３２は、矢印４０２に示すように、パルス作動し得る（例えば、所定の速度で開と閉との間で迅速循環する）。第１の組のスイッチ２３０からの残りのスイッチ（スイッチ２３３、２３４）が開かれ得る。第２の組のスイッチ２４０からの第１のスイッチ２４２が同様に開かれてもよく、一方で、第２の組のスイッチ２４０からの残りのスイッチ（スイッチ２４３、２４４）が閉じられ得る。

図４Ｂを参照すると、図４Ａを参照して示されたように設定されたフィールド制御ステージ１１２は、同期モータ等価回路として示される。この構成では、スイッチ２３２のパルス動作は、主フィールド巻線１３４を通して、ＤＣ電流（ｉ_ＤＣ）を実効的に制御し得る。パルスのデューティサイクルは、ＤＣ電流の振幅を決定することができ、より高いデューティサイクルがより高い電流をもたらす。主フィールド巻線１３４を通るＤＣ電流は、主フィールド巻線の残りの肢線を通って等しく分岐し、静止磁界を生成する結果となり得る。（例えば、主電機子巻線１３８を通して）主フィールド巻線１３４に回転磁界を印加することにより、主フィールド巻線１３４が同期モータとして動作し、取り付けられた回転子（例えば、回転子１０４）の回転を引き起こし得る。

誘導モータ、同期モータ、又は任意の種類の他のモータとして作動することにより、ＩＳＶＦ発電機１０２、具体的には、主フィールド巻線１３４と共にフィールド制御ステージ１１２は、エンジンを回転させ、追加のモータ及び／又は外部のモータに依存せずに始動させることを可能とし得る。その他の利点が存在し得る。

図５を参照すると、始動器としてＩＳＶＦ発電機を操作するための方法５００が図示されている。方法５００は、５０２では、発電機制御ユニットをＩＳＶＦ発電機のパイロット永久磁石発電機ステージから切断することを含み得る。例えば、第１のバス転送スイッチ１５０は、発電機制御ユニット１６０をＩＳＶＦ発電機１０２のパイロット永久磁石発電機ステージ１０８から切断し得る。

方法５００は、５０４では、発電機制御ユニットを外部電力源に接続することをさらに含み得る。例えば、第１のバス転送スイッチ１５０は、発電機制御ユニット１６０を外部電力源１７０に接続し得る。

方法５００は、５０６では、電力信号を発電機制御ユニットからＩＳＶＦ発電機の回転子へ伝送することをさらに含み得る。例えば、周波数変換器１６２は、電力信号を固定子ＨＦ変圧器巻線１２６に供給することがあり、次に、電力信号が回転子１０４上の回転子ＨＦ変圧器巻線１２８に伝導され得る。

方法５００は、５０８では、回転子に取り付けられた主フィールド巻線をモータ状態に設定することを含み得る。例えば、主フィールド巻線１３４は、本明細書に記載されたように、インバータ１３２によって、モータ状態に設定され得る。

方法５００は、５１０では、ＩＳＶＦ発電機の主電機子巻線を配電バスから切断することをさらに含み得る。例えば、第２のバス転送スイッチ１９０は、主電機子巻線１３８を配電バス１９２から切断し得る。

方法５００は、５１２では、主電機子巻線をモータ始動駆動器に接続することをさらに含み得る。例えば、第２のバス転送スイッチ１９０は、主電機子巻線１３８をモータ始動駆動器１８０に接続し得る。

方法５００は、５１４では、主電機子巻線を通して、モータ始動駆動器から電流パターンを送信して、回転子を回転させてエンジンの起動を可能にする磁界パターンを生成することを含み得る。例えば、モータ始動駆動器１８０は、主電機子巻線１３８を通して、電流パターンを送信し、回転子１０４を回転させる磁界パターンを生成し得る。

さらに、本開示は、以下の条項に係る実施形態を含む。

条項１
システムであって、発電機制御ユニットと、独立速度可変周波数（ＩＳＶＦ）発電機のパイロット永久磁石発電機ステージとの間の接続を開閉し、且つ前記発電機制御ユニットと外部電力源との間の接続を開閉するように構成された第１のバス転送スイッチ、前記発電機制御ユニットから前記ＩＳＶＦ発電機の回転子へ電力信号を送信するように構成された変圧器、前記発電機制御ユニットからの制御信号に応答して、前記回転子に取り付けられた主フィールド巻線をモータ状態に設定するように構成されたインバータ、及び前記ＩＳＶＦ発電機の主電機子巻線と配電バスとの間の接続を開閉し、且つ前記主電機子巻線と、前記主電機子巻線を通して電流を送信し、前記回転子を回転させてエンジンの起動を可能にする磁界パターンを生成するように構成されたモータ始動駆動器との間の接続を開閉するように構成された第２のバス転送スイッチを備えているシステム。

条項２
前記変圧器が、固定子に取り付けられた第１の巻線、及び前記回転子に取り付けられた第２の巻線を有する高周波（ＨＦ）変圧器である、条項１に記載のシステム。

条項３
前記発電機制御ユニットが、周波数変換器をさらに備え、前記周波数変換器は、前記電力信号を変調してＨＦ電力信号を形成し、前記ＨＦ電力信号を用いて前記ＨＦ変圧器の前記第１の巻線を駆動することにより、前記回転子に取り付けられた前記第２の巻線において前記ＨＦ電力信号を受信させるよう構成されている、条項２に記載のシステム。

条項４
前記インバータが、前記主フィールド巻線と整流電力信号配分肢線との間の第１の組のスイッチ、及び前記主フィールド巻線と中性点電圧肢線との間の第２の組のスイッチを備えている、条項１に記載のシステム。

条項５
前記主フィールド巻線が、３相ラインを含み、前記第１の組のスイッチが、３つのスイッチを含み、前記第２の組のスイッチが、３つのスイッチを含み、前記第１の組のスイッチの各スイッチが、前記３相ラインのそれぞれの相ライン上の前記第２の組のスイッチの対応するスイッチと対になる、条項４に記載のシステム。

条項６
前記第１の組のスイッチを開き、前記第２の組のスイッチを閉じて、誘導モータ等価回路を形成するように構成されたコントローラをさらに備えている、条項４に記載のシステム。

条項７
前記第１の組のスイッチのうちの１つのスイッチをパルス作動し、前記第１の組のスイッチの残りのスイッチを開き、前記第１の組のスイッチのうちの前記１つのスイッチと対になった前記第２の組のスイッチのうちの１つのスイッチを開き、前記第２の組のスイッチの残りのスイッチを閉じて、同期モータ等価回路を形成するように構成されたコントローラをさらに備えている、条項４に記載のシステム。

条項８
前記外部電力源が、バッテリ又は地上設置電源を含む、条項１に記載のシステム。

条項９
方法であって、発電機制御ユニットを独立速度可変周波数（ＩＳＶＦ）発電機のパイロット永久磁石発電機ステージから切断すること、前記発電機制御ユニットを外部電力源に接続すること、電力信号を前記発電機制御ユニットから前記ＩＳＶＦ発電機の回転子へ伝送すること、前記回転子に取り付けられた主フィールド巻線をモータ状態に設定すること、前記ＩＳＶＦ発電機の主電機子巻線を配電バスから切断すること、前記主電機子巻線をモータ始動駆動器に接続すること、及び前記主電機子巻線を通して、前記モータ始動駆動器から電流パターンを送信して、前記回転子を回転させてエンジンの起動を可能にする磁界パターンを生成することを含む方法。

条項１０
前記エンジンの始動の後、前記発電機制御ユニットを前記外部電力源から切断すること、及び前記発電機制御ユニットを前記パイロット永久磁石発電機ステージに接続することをさらに含む、条項９に記載の方法。

条項１１
前記エンジンの始動の後、前記ＩＳＶＦ発電機の前記主電機子巻線を前記モータ始動駆動器から切断すること、及び前記主電機子巻線を前記配電バスに接続することをさらに含む、条項９に記載の方法。

条項１２
前記電力信号を前記発電機制御ユニットから前記ＩＳＶＦ発電機の前記回転子へ伝送することが、前記電力信号を変調して、高周波（ＨＦ）電力信号を形成すること、前記ＨＦ電力信号を用いて前記ＩＳＶＦ発電機の固定子に取り付けられたＨＦ変圧器巻線を駆動すること、前記ＩＳＶＦ発電機の前記回転子に取り付けられたＨＦ変圧器巻線において前記ＨＦ電力信号を受信することを含む、条項９に記載の方法。

条項１３
前記回転子に取り付けられた前記主フィールド巻線を前記モータ状態に設定することが、インバータのスイッチを誘導モータ等価回路を形成するように構成することを含む、条項９に記載の方法。

条項１４
前記インバータのスイッチを構成することが、前記主フィールド巻線と整流電力信号配分肢線との間の第１の組のスイッチを開くこと、及び前記主フィールド巻線と中性点電圧肢線との間の第２の組のスイッチを閉じることを含む、条項１３に記載の方法。

条項１５
前記回転子に取り付けられた前記主フィールド巻線を前記モータ状態に設定することが、インバータのスイッチを同期モータ等価回路を形成するするように構成することを含む、条項９に記載の方法。

条項１６
前記インバータのスイッチを構成することが、前記主フィールド巻線と整流電力信号配分肢線との間の第１の組のスイッチのうちの１つのスイッチをパルス作動し、前記第１の組のスイッチの残りのスイッチを開き、前記第１の組のスイッチのうちの前記１つのスイッチと対になった、前記主フィールド巻線と中性点電圧肢線との間の第２の組のスイッチのうちの１つのスイッチを開き、前記第２の組のスイッチの残りのスイッチを閉じることを含む、条項１５に記載の方法。

条項１７
前記主電機子巻線を通して、前記モータ始動駆動器から前記電流パターンを送信することが、フィールド配向制御信号を生成すること、又は、直接トルク制御信号を生成することを含む、条項９に記載の方法。

条項１８
発電機の回転子に取り付けられた主フィールド巻線、前記主フィールド巻線と整流電力信号配分肢線との間の第１の組のスイッチ、前記主フィールド巻線と中性点電圧肢線との間の第２の組のスイッチ、並びに前記第１の組のスイッチ及び前記第２の組のスイッチを制御して、エンジンの起動フェーズの間、前記主フィールド巻線をモータ状態に設定するように構成されたコントローラを備えているシステム。

条項１９
前記主フィールド巻線が、前記モータ状態にあるときに、誘導モータ等価回路を形成する、条項１８に記載のシステム。

条項２０
前記主フィールド巻線が、前記モータ状態にあるときに、同期モータ等価回路を形成する、条項１８に記載のシステム。

様々な実施形態を示し説明してきたが、本開示は、それらに限定されるものではなく、当業者に自明な修正例及び変形例をすべて包含するものと理解すべきである。

Claims

システム（１００）であって、
発電機制御ユニット（１６０）と、独立速度可変周波数（ＩＳＶＦ）発電機（１０２）のパイロット永久磁石発電機ステージ（１０８）との間の接続を開閉し、且つ前記発電機制御ユニットと外部電力源（１７０）との間の接続を開閉するように構成された第１のバス転送スイッチ（１５０）、
前記発電機制御ユニットから前記ＩＳＶＦ発電機の回転子（１０４）へ電力信号を送信するように構成された変圧器（１１０）、
前記発電機制御ユニットからの制御信号に応答して、前記回転子に取り付けられた主フィールド巻線（１３４）をモータ状態に設定するように構成されたインバータ（１３２）、及び
前記ＩＳＶＦ発電機の主電機子巻線（１３８）と配電バス（１９２）との間の接続を開閉し、且つ前記主電機子巻線と、前記主電機子巻線を通して電流を送信し、前記回転子を回転させてエンジンの起動を可能にする磁界パターンを生成するように構成されたモータ始動駆動器（１８０）との間の接続を開閉するように構成された第２のバス転送スイッチ（１９０）
を備えているシステム（１００）。
前記変圧器が、固定子（１０６）に取り付けられた第１の巻線（１２２）、及び前記回転子に取り付けられた第２の巻線（１２８）を有する高周波（ＨＦ）変圧器（１１０）である、請求項１に記載のシステム。
前記発電機制御ユニットが、周波数変換器（１６２）をさらに備え、前記周波数変換器（１６２）は、前記電力信号を変調してＨＦ電力信号を形成し、前記ＨＦ電力信号を用いて前記ＨＦ変圧器の前記第１の巻線を駆動することにより、前記回転子に取り付けられた前記第２の巻線において前記ＨＦ電力信号を受信させるよう構成されている、請求項２に記載のシステム。
前記インバータが、
前記主フィールド巻線と整流電力信号配分肢線（２７０）との間の第１の組のスイッチ（２３０）、及び
前記主フィールド巻線と中性点電圧肢線（２７２）との間の第２の組のスイッチ（２４０）
を備えている、請求項１又は２に記載のシステム。
方法（５００）であって、
発電機制御ユニット（１６０）を独立速度可変周波数（ＩＳＶＦ）発電機（１０２）のパイロット永久磁石発電機ステージ（１０８）から切断すること（５０２）、
前記発電機制御ユニットを外部電力源（１７０）に接続すること（５０４）、
電力信号を前記発電機制御ユニットから前記ＩＳＶＦ発電機の回転子（１０４）へ伝送すること（５０６）、
前記回転子に取り付けられた主フィールド巻線（１３４）をモータ状態に設定すること（５０８）、
前記ＩＳＶＦ発電機の主電機子巻線（１３８）を配電バス（１９２）から切断すること（５１０）、
前記主電機子巻線をモータ始動駆動器（１８０）に接続すること（５１２）、及び
前記主電機子巻線を通して、前記モータ始動駆動器から電流パターンを送信して、前記回転子を回転させてエンジンの起動を可能にする磁界パターンを生成すること（５１４）
を含む方法。
前記エンジンの始動の後、前記発電機制御ユニットを前記外部電力源から切断すること、及び
前記発電機制御ユニットを前記パイロット永久磁石発電機ステージに接続すること
をさらに含む、請求項５に記載の方法。
前記エンジンの始動の後、前記ＩＳＶＦ発電機の前記主電機子巻線を前記モータ始動駆動器から切断すること、及び
前記主電機子巻線を前記配電バスに接続すること
をさらに含む、請求項５又は６に記載の方法。
前記電力信号を前記発電機制御ユニットから前記ＩＳＶＦ発電機の前記回転子へ伝送することが、
前記電力信号を変調して、高周波（ＨＦ）電力信号を形成すること、
前記ＨＦ電力信号を用いて前記ＩＳＶＦ発電機の固定子（１０６）に取り付けられたＨＦ変圧器巻線（１２６）を駆動すること、及び
前記ＩＳＶＦ発電機の前記回転子に取り付けられたＨＦ変圧器巻線（１２８）において前記ＨＦ電力信号を受信すること
を含む、請求項５から７のいずれか一項に記載の方法。
前記回転子に取り付けられた前記主フィールド巻線を前記モータ状態に設定することが、インバータ（１３２）のスイッチ（１５０、１９０）を誘導モータ等価回路を形成するように構成することを含む、請求項５から８のいずれか一項に記載の方法。
前記回転子に取り付けられた前記主フィールド巻線を前記モータ状態に設定することが、インバータ（１３２）のスイッチ（１５０、１９０）を同期モータ等価回路を形成するように構成することを含む、請求項５から９のいずれか一項に記載の方法。