JP5026243B2 - 発電機および発電機によって生成される交流の周波数を制御する方法 - Google Patents

Description

本発明は、発電機に関し、さらに詳細には、磁極変換式発電機に関する。

典型的なガスタービンエンジンは、高圧（ＨＰ）スプールおよび低圧（ＬＰ）スプールを有する。ＬＰスプールは、典型的には、広い回転速度範囲にわたって運転され、ＨＰスプールは、典型的には、狭い回転速度範囲内で運転される。

ガスタービンエンジンが搭載された乗物、例えば、航空機などは、運転に著しい量の電力を必要とする。一部の航空機用途では、上記のＨＰスプールまたはＬＰスプールの回転速度で駆動される発電機は、３６０〜８００Ｈｚの周波数範囲内の電流を生成する。この周波数範囲（すなわち、２．２２：１の周波数比）は、許容される。ＨＰスプールの回転速度は、約２．２２：１の速度比にわたっている。従って、航空機システム用の電気を生成するのに、通常、タービンエンジンの高圧（ＨＰ）スプールが用いられる。しかし、最新の航空機の効率基準によると、電力要求は、ＨＰスプールの電力抽出能力を超えて増大している。

ＬＰスプールの回転速度は、極めて広い範囲にわたって、例えば、４．４４：１の速度比にわたって変動する。ＬＰスプールからの電力抽出も可能であるが、ＬＰスプールの回転速度範囲が広いので、高速度では、３６０〜８００Ｈｚの範囲を超える周波数の電流を生成する。ＬＰスプールが低速度（例えば、２．２２：１の速度比内）で回転しているとき、ＬＰスプールは、３６０〜８００Ｈｚの許容範囲内の電流を生成する働きをする。しかし、ＬＰスプールが２．２２：１の速度比を超える高速度範囲内で回転するとき、発電機によって生成される電流の周波数は、所望される３６０〜８００Ｈｚの範囲を超えることになる。勿論、前述の範囲は、全て、単なる例にすぎない。

３６０〜８００Ｈｚの電流用に設計された航空機回路は、もしこの範囲を超える周波数の電流を受けると、損傷することがある。代替的に、航空機回路がより広い周波数範囲の電流に適応するように設計されてもよいが、その結果として、この航空機回路の重量および容積は、容認できないレベルまで増大するだろう。

開示される一実施形態では、発電機が、広い速度範囲にわたって作動される装置に設置される。開示されるように、発電機は、ガスタービンエンジンの低圧（ＬＰ）スプールに設置されてもよい。ＬＰスプールは、広い回転速度範囲内で回転する。複数の巻線を備える発電機が、第１の励磁場によって励磁される。第１の低速度範囲内での運転中、発電機の各磁極は、逆極性を有する２つの隣接磁極を有する。第２の高速度範囲内での運転中、第２の励磁場が作用し、複数の巻線の半数を通る電流の流れが反転されるように、発電機回路を変更する。電流の流れが反転された各巻線では、極性も変換される。この結果、発電機の各巻線は、逆極性の第１の隣接巻線と、同一極性の第２の隣接巻線とを有する。同一の極性を有する２つの互いに隣接する巻線は、単一の擬似磁極を形成し、ロータの磁極の数を事実上半分に減らし、発電機によって生成される電流の周波数を低減し、これによって、発電機が、高回転速度で回転しながら、引き続いて所望の周波数範囲内の電気を生成する。

図１は、例示的なガスタービンエンジン１０を示している。エンジン１０は、低圧（ＬＰ）スプール１２と、高圧（ＨＰ）スプール１４とを備える。ＬＰスプール１２は、ファン１６と、低圧圧縮機１８と、低圧タービン２０とを備える。ＨＰスプール１４は、高圧圧縮機２２と、高圧タービン２４とを備える。ＨＰスプール１４に隣接しているのは、燃焼器２６である。ファン１６が、空気を低圧圧縮機１８内に送り、この低圧圧縮機１８が、空気を高圧圧縮機２２内に送る。燃焼器２６が、燃料を空気に噴射し、燃料と空気が燃焼し、熱を生成し、高圧タービン２４と低圧タービン２０の両方を駆動する。ＬＰスプール１２に連結された発電機３０が示されているが、発電機３０のこの位置は、例示的な位置であり、発電機３０は、他の位置でＬＰスプール１２に連結されてもよい。

図２は、ガスタービンエンジンのＬＰスプールに連結され得る本発明の一実施形態による発電機３０を概略的に示している。発電機制御ユニット３２が、電流を第１の励磁固定子３４に供給し、第１の励磁固定子３４が磁場を生成する。この磁場つまり第１の励磁場が、第１の励磁電機子３６内に交流を誘導する。励磁電機子３６は、三相交流を第１の組の整流器３８に送り、第１の組の整流器３８が、三相交流を直流に変換する。この直流は、第１の組の整流器３８から複数の巻線５０，５２，５４，５６内に流れる。これらの巻線は、ＬＰスプールによって回転駆動され、これによって、巻線内を流れる電流が、静止主固定子６４内に電流を誘導する。これらの巻線および関連するロータは、適切な歯車装置を介して、ＬＰスプールによって駆動されるように接続されるとよい。主固定子６４から、電流が、三相線６６ａ，６６ｂ，６６ｃおよび中性点接続線６６ｄを通って、負荷６８に流れる。

発電機３０のスイッチング操作を行なうのは、トランジスタ４０，４２，４４，４６である。一例として、これらのトランジスタは、ＭＯＳＦＥＴであってもよい。ＬＰスプールが第１の低回転速度範囲内で回転するとき、トランジスタスイッチ４０，４４が閉じ、トランジスタスイッチ４２，４６が開く。このスイッチング構成では、電流が、Ｓ極を有する巻線５６を通ってロータ４８に入り、Ｎ極を有する巻線５０を通ってロータ４８から出る。次いで、電流が、Ｎ極を有する巻線５４を通ってロータ４８に再び入り、Ｓ極を有する巻線５２を通ってロータ４８から出る。第１の低回転速度範囲は、２．２２：１の速度比の範囲であるとよい。この第１の回転速度範囲内で運転されるとき、発電機は、所望の周波数範囲内の電流を生成する。例示的な所望の周波数範囲は、３６０〜８００Ｈｚである。この第１の回転速度範囲内での運転中、第２の励磁固定子５８、第２の励磁電機子６０、および第２の組の整流器６２は、全て、作動しない。

図２，３に示されるように、静止構成要素は、発電機制御ユニット３２、励磁固定子３４，５８、主固定子６４、および航空機負荷６８である。励磁電機子３６，６０、整流器３８，６２、トランジスタ４０，４２，４４，４６、および巻線５０，５２，５４，５６は、全て、発電機の運転中、ＬＰスプールによって回転駆動される。静止している励磁固定子３４，５８が回転している励磁電機子３６，６０内に電流を誘導するので、電流が回転している巻線内に流れることができる。さらに、回転している巻線が静止している主固定子６４内に電流を誘導するので、電流が航空機負荷６８に流れることができる。

図３は、第２の高回転速度範囲内での運転中の図２の発電機を示している。第２の高回転速度範囲は、４．４４：１の回転速度比の範囲であるとよい。ＬＰスプールの回転速度が増大するにつれて、発電機３０によって生成される電流の周波数も大きくなり、所望の周波数範囲を超えることがある。ＬＰスプールの回転速度が第２の高回転速度範囲に入ったことを発電機制御ユニット３２が検出すると、第２の励磁固定子５８が作動される。発電機制御ユニット３２が電流を第２の励磁固定子５８に供給すると、磁場つまり第２の励磁場が生じる。この第２の励磁場は、発電機３０の切換えの働きしか行なわず、実際に電流を巻線５０，５２，５４，または５６に供給しない。

第２の励磁場は、第２の励磁電機子６０内に交流を誘導する。第２の励磁電機子６０は、三相交流を第２の組の整流器６２に送り、この第２の組の整流器６２は、三相交流を直流に変換する。この直流によって、トランジスタ４０，４４が開き、トランジスタ４２，４６が閉じるように、発電機３０のスイッチング構成が変更される。このスイッチング構成では、電流は、これまでと同じように、Ｓ極を有する巻線５６を通ってロータ４８に入り、Ｎ極を有する巻線５０を通ってロータ４８から出るが、この後、スイッチング構成の変更によって、電流は、ここではＮ極を有する巻線５２を通ってロータ４８に再び入り、ここではＳ極を有する巻線５４を通ってロータ４８から出る。

各巻線５０，５２，５４，５６の極性は、その巻線の方向付けによって決定される。当技術分野において知られているように、電流が巻線内を流れるときに、所望の極性がその巻線内に生じるように、巻線を方向付けることができる。巻線内を通る電流の流れが反転されると、その巻線の極性も反転される。互いに隣接する巻線が、同一の極性を有するとき、発電機３０は、それらの巻線を単一の疑似磁極として扱う。これによって、発電機内の磁極の数が、事実上半分に低減される。この磁極の数の減少によって、低回転速度が疑似的に実現され、その結果、発電機によって生じる電流の周波数が低減される。ＬＰスプールが４．４４：１の速度比にわたる回転速度範囲内で回転しても、これらの疑似磁極によって、ＬＰスプールは、事実上、２．２２：１の速度比にわたる回転速度範囲内で回転していることになり、その結果、引き続いて所望の周波数範囲内の電流を生成する。

図４は、４つの巻線８２，８４，８６，８８を有するロータ８０を示している。図４は、ＬＰスプールが第１の低回転速度範囲内で回転しているときのロータ８０を示している。図４に示されるように、これらの巻線は、交互に異なる極性を有する。すなわち、各巻線は、逆極性の隣接巻線を有する。例えば、巻線８４は、Ｓ極を有し、隣接する巻線８２，８６は、Ｎ極を有する。これによって、ロータ８０は、４つの交互に極性の異なる磁極を有する。

同様に、図５に示されるように、ロータ９０は、８つの巻線９２，９４，９６，９８，１００，１０２，１０４，１０６を有する。ＬＰスプールが第１の低回転速度範囲内で回転しているとき、これらの巻線も、交互に異なる極性を有する。すなわち、各巻線は、逆極性の２つの隣接巻線を有する。例えば、巻線９４は、Ｓ極を有し、隣接する巻線９２，９６は、Ｎ極を有する。その結果、ロータ９０は、８つの交互に極性の異なる磁極を有する。

図６は、ＬＰスプールが第２の高回転速度範囲内で回転しているときの図４のロータ８０および巻線８２，８４，８６，８８を示している。巻線８４，８６を通る電流の流れの方向が、第２の励磁場（図示せず）によって反転され、これによって、巻線８４，８６の極性も反転されている。ここでは、各巻線は、もはや、逆極性の２つの隣接巻線を有しない。各巻線は、逆極性の第１の隣接巻線と、同一極性の第２の隣接巻線とを有する。互いに隣接する磁極が同一の極性を有すると、それらの磁極は、単一の疑似磁極になる。４磁極ロータ８０は、互いに隣接する巻線８２，８４の両方がＮ極を有し、互いに隣接する巻線８６，８８の両方がＳ極を有するので、疑似的な２磁極ロータになる。

図７は、ＬＰスプールが第２の高回転速度範囲内で回転しているときの図５のロータ９０および巻線９２，９４，９６，９８，１００，１０２，１０４，１０６を示している。巻線９２，９８，１００，１０６の極性が、第２の励磁場（図示せず）によって反転されている。８磁極ロータ９０は、各巻線が逆極性の第１の隣接巻線と同一極性の第２の隣接巻線とを有することによって、磁極の数が事実上半分に低減しているので、擬似的な４磁極ロータになる。

本出願は、４×Ｎ（Ｎ：正の偶数）の巻線を備えるどのような発電機にも及ぶ。また、ＬＰスプールと関連して開示したが、本出願は、広い速度範囲にわたって運転される他の発電機用途に適用されてもよい。

加えて、本発明の好ましい実施形態を開示したが、当業者であれば、いくつかの修正が本発明の範囲内でなされてもよいことを認めるだろう。この理由から、本発明の真の範囲および内容を決定するには、特許請求の範囲を検討されたい。

タービンエンジンを示す図である。 ＬＰスプールが第１の低回転速度範囲内で回転しているときの本発明の一実施形態による発電機の回路を概略的に示す図である。 ＬＰスプールが第２の高回転速度範囲内で回転しているときの図２の実施形態を示す図である。 ＬＰスプールが第１の低回転速度範囲内で回転しているときの本発明の一実施形態による４磁極ロータを示す図である。 ＬＰスプールが第１の低回転速度範囲内で回転しているときの本発明の一実施形態による８磁極ロータを示す図である。 ＬＰスプールが第２の高回転速度範囲内で回転しているときの図４の４磁極ロータを示す図である。 ＬＰスプールが第２の高回転速度範囲内で回転しているときの図５の８磁極ロータを示す図である。

Claims (14)

1. ガスタービンエンジンのＬＰスプールによって駆動される複数の巻線と、
   前記複数の巻線に隣接して配置された主固定子と、
   を備えた発電機において、
   前記巻線を通る電流の流れを制御する少なくとも１つのスイッチと、
   制御装置と、
   第１の励磁電機子および第２の励磁電機子と、
   第１の励磁固定子および第２の励磁固定子と、
   をさらに備え、
   第１および第２の励磁電機子並びに少なくとも１つのスイッチは、ＬＰスプールによって回転駆動され、制御装置並びに第１および第２の励磁固定子は、ＬＰスプールによって回転駆動されない静止構成要素であり、
   第１の励磁固定子は、ＬＰスプールの第１の回転速度で作動し、第２の励磁固定子は、ＬＰスプールの回転速度が第１の回転速度より高い第２の回転速度となったことを制御装置が検出すると作動し、
   前記制御装置は、所望の周波数範囲内の電流を生成するために、前記巻線の第１の速度範囲では、第１の励磁電機子および第１の励磁固定子を介して前記少なくとも１つのスイッチを第１のモードで制御し、前記巻線の第２の速度範囲では、第２の励磁電機子および第２の励磁固定子を介して前記少なくとも１つのスイッチを第２のモードで制御するように操作可能であり、巻線の第１の速度範囲は、ＬＰスプールの第１の回転速度に対応し、巻線の第２の速度範囲は、ＬＰスプールの第２の回転速度に対応することを特徴とする発電機。
2. 前記第２のモードでは、前記制御装置が、前記複数の巻線の少なくともいくつかにおける極性を反転させることを特徴とする請求項１に記載の発電機。
3. 前記複数の巻線の前記極性が、前記巻線を通る電流の流れの方向を反転させることによって、反転されることを特徴とする請求項２に記載の発電機。
4. 前記電流の流れの方向が、前記発電機内の前記複数の巻線の半数において、反転されることを特徴とする請求項３に記載の発電機。
5. 前記巻線内に極性を生じさせるように作動可能である第１の励磁場と、
   前記少なくとも１つのスイッチに連結された第２の励磁場であって、前記第２のモードにおいて、前記少なくとも１つのスイッチのスイッチング構成を前記複数の巻線の少なくともいくつかにおける前記極性を変換するように切換えるために、前記制御装置と連動する第２の励磁場と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の発電機。
6. 前記発電機が、前記第１の速度範囲において、前記第１のモードで運転しているとき、互いに隣接する巻線が、互いに逆の極性を有することを特徴とする請求項１に記載の発電機。
7. 前記発電機が、前記第２の速度範囲において、前記第２のモードで運転しているとき、前記巻線の各々が、逆極性の第１の隣接巻線と、同一極性の第２の隣接巻線とを有することを特徴とする請求項６に記載の発電機。
8. 負荷と、
   負荷に動力を供給するようにガスタービンエンジンのＬＰスプールに連結された発電機と、
   を備えた航空機であって、
   前記発電機は、
   前記ＬＰスプールによって駆動される複数の巻線と、
   前記複数の巻線に隣接して配置された主固定子と、
   前記巻線を通る電流の流れを制御する少なくとも１つのスイッチと、
   制御装置と、
   第１の励磁電機子および第２の励磁電機子と、
   第１の励磁固定子および第２の励磁固定子と、
   を備え、
   第１および第２の励磁電機子並びに少なくとも１つのスイッチは、ＬＰスプールによって回転駆動され、制御装置並びに第１および第２の励磁固定子は、ＬＰスプールによって回転駆動されない静止構成要素であり、
   第１の励磁固定子は、ＬＰスプールの第１の回転速度で作動し、第２の励磁固定子は、ＬＰスプールの回転速度が第１の回転速度より高い第２の回転速度となったことを制御装置が検出すると作動し、
   前記制御装置は、所望の周波数範囲内の電流を生成するために、前記巻線の第１の速度範囲では、第１の励磁電機子および第１の励磁固定子を介して前記少なくとも１つのスイッチを第１のモードで制御し、前記巻線の第２の速度範囲では、第２の励磁電機子および第２の励磁固定子を介して前記少なくとも１つのスイッチを第２のモードで制御するように操作可能であり、巻線の第１の速度範囲は、ＬＰスプールの第１の回転速度に対応し、巻線の第２の速度範囲は、ＬＰスプールの第２の回転速度に対応することを特徴とする航空機。
9. 前記第２のモードでは、前記制御装置が、前記複数の巻線の少なくともいくつかにおける極性を反転させることを特徴とする請求項８に記載の航空機。
10. 前記複数の巻線の前記極性が、前記巻線を通る電流の流れの方向を反転させることによって、反転されることを特徴とする請求項９に記載の航空機。
11. 前記電流の流れの方向が、前記発電機内の前記複数の巻線の半数において、反転されることを特徴とする請求項１０に記載の航空機。
12. 前記巻線内に極性を生じさせるように作動可能である第１の励磁場と、
    前記少なくとも１つのスイッチに連結された第２の励磁場であって、前記第２のモードにおいて、前記少なくとも１つのスイッチのスイッチング構成を前記複数の巻線の少なくともいくつかにおける前記極性を変換するように切換えるために、前記制御装置と連動する第２の励磁場と、をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の航空機。
13. 前記発電機が、前記第１の速度範囲において、前記第１のモードで運転しているとき、互いに隣接する巻線が、互いに逆の極性を有することを特徴とする請求項８に記載の航空機。
14. 前記発電機が、前記第２の速度範囲において、前記第２のモードで運転しているとき、前記巻線の各々が、逆極性の第１の隣接巻線と、同一極性の第２の隣接巻線とを有することを特徴とする請求項１３に記載の航空機。

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