JP5188169B2 - 回転機械の可変磁気結合 - Google Patents

Description

本発明は、回転機械を結合するための方法および装置に関し、特にターボファン機械の高圧（ＨＰ）および低圧（ＬＰ）のタービンシャフトの結合に関する。

ガスタービンエンジンは、一般に、１つまたはそれ以上のコンプレッサを含み、その後に、燃焼室と、高圧および低圧のタービンとを順番に包含する。これらのエンジンコンポーネントは、連続的に流れ連通して配置され、環状外側ケース内におけるエンジンの長手方向軸中心線の回りに配設される。各コンプレッサは作動中、それぞれのタービンおよびコンプレッサ空気によって駆動される。コンプレッサ空気は、燃料と混合され、燃焼室内において点火され、高温燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、高圧および低圧のタービンを介して流れ、それらが高温燃焼ガスによって生じたエネルギーを抽出し、各コンプレッサを駆動し補助動力を発生させる。

エンジン出力は、シャフト出力またはスラストのいずれかとして伝達され、飛行中の航空機に動力を供給する。例えば、バイパス式ターボファンエンジンにおけるファンロータまたはガスタービン式プロペラエンジンにおけるプロペラのようなその他の回転可能な負荷において、動力は高圧および低圧のタービンから抽出され、それぞれのファンロータおよびプロペラを駆動する。

ターボファンエンジンの個々のコンポーネントは作動中、異なった動力パラメータを必要とするものであると十分に理解されている。例えば、ファンの回転速度は、ファンの直径が非常に大きくて、回転速度が非常に遅くなければならないので、その先端速度によって或る程度まで制限される。コアコンプレッサは一方で、その遥かに小さい先端直径の故に、より高い回転速度において駆動され得る。従って、航空機ガスタービンエンジンにおけるファンおよびコアコンプレッサには、独立的な動力伝達装置を備えた別体の高圧および低圧のタービンが必要である。更にまた、タービンがより高い回転速度において最も効率的であるので、ファンを駆動する低速タービンには、必要な動力を抽出するために補足的なステージが必要である。

多くの新しい航空機システムは、現在の航空機システムにおけるものよりも大きい電気的負荷に対応するように設計されている。現在開発中である民間旅客機用の設計の電気システム仕様は、最新型の民間旅客機の２倍もの電力を要求し得る。この電力需用の増大は、航空機を駆動するエンジンから抽出される機械的な動力に由来するに他ならない。例えば高所からアイドリング降下する間のように、比較的低い出力レベルで航空機エンジンを作動させるとき、この補足的な電力をエンジンの機械的動力から抽出することは、エンジンを適切に作動させる能力を低下させ得る。

従来的には、電力はガスタービンエンジン内における高圧（ＨＰ）エンジンスプールから抽出される。ＨＰエンジンスプールは、ＨＰエンジンスプールの比較的高い作動速度により、それをエンジンに接続する発電機を駆動するための機械的動力の理想的な供給源となる。しかし、発電機を駆動するためには、単にＨＰエンジンスプールだけに頼るのではなく、エンジン内部の補足的な供給源からも動力を抽出することが好適である。ＬＰエンジンスプールは動力伝達の代替的な供給源を提供するが、低速で駆動する発電機は同様の定格のより高速で駆動する発電機よりも大型であることが多いので、比較的低速のＬＰエンジンスプールには一般的にギアボックスが必要となる。

しかし、比較的低い出力レベル（例えば、高所からのアイドリングまたはアイドリング状態に近い降下、タクシング用の低出力など）で作動しているときに、エンジンからこの補足的な機械的動力を抽出することは、エンジン操作性を低下させ得る。従来的には、この動力は高圧（ＨＰ）エンジンスプールから抽出されている。ＨＰエンジンスプールはその比較的高い作動速度により、それをエンジンに取付けられる発電機を駆動するための機械的動力の理想的な供給源となる。しかし、何らかの他の手段によってそれにトルクおよび動力を伝達することによって、このスプールにおいて利用可能である動力の量を増大させることも好適である。

エンジンの中におけるもう１つの動力供給源は低圧（ＬＰ）スプールであり、典型的には、ＨＰスプールより遥かに低速において、且つ比較的広い速度領域にわたって作動する。この低速の機械的な動力源を変形なしに利用すると、発電機が大きくなり実用的ではなくなってしまう。

この変形に対する多くの解決策が、従来的な動力伝達装置、機械的な歯車装置および電気機械的な構成の様々な形式を包含し提案された。そのような解決策の１つとして、発電機を独立的に駆動させる第３の中圧（ＩＰ）スプールを利用するタービンエンジンがある。しかし、この第３スプールもまたＨＰスプールに結合することが必要である。ＩＰおよびＨＰの各スプールを結合するために使用される手段は、機械的クラッチまたは粘着性タイプの結合機構である。

２００５年５月２４日付けで公布された「トルク偏重能力を備えた差動歯車式タービンエンジン（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｇｅａｒｅｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｅｎｇｉｎｅ ｗｉｔｈ Ｔｏｒｑｕｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｃａｐａｃｉｔｙ）」という発明の名称の米国特許第６，８９５，７４１号において、３本のシャフトを有する機械的にギア操作されるエンジンが開示されている。そのファン、コンプレッサおよびタービンシャフトは、補足的な周転円運動式ギア構成を適用することによって、機械的に結合する。電磁機械が、コンプレッサおよびファンの速度特性に対するトルクを選択的に調整し、且つタービン、コンプレッサおよびファンの間における回転速度関係を調整するために制御されても良い。それらの機械は、電気的なスタータとして使用されても良い。コンプレッサロータシャフトおよびファンロータシャフトのいずれかまたは両方が、電力を受け取ってエンジンを電気的に始動させるモータとして機能する機械によって回転されても良い。しかし、これによって機械ギアボックスなしに、並行して回転するＨＰおよびＬＰのターボシャフトの結合が達成されるわけではない。
米国特許第６，８９５，７４１号明細書

従って、機械ギアボックスなしに様々な速度において作動する独立的な回転機械の間において制御可能に動力を伝達するシステムと、磁気的な結合技術を使用して独立的な回転機械の間においてトルクを伝達することとが、必要とされている。

新たに説明される方法では、１台の回転機械からもう１台の機械へと機械的トルクを可変伝達し、プラネタリ磁気ギアボックスにおける磁気的な効果にのみ依拠して、１台の機械をもう１台に結合させる。第２手段は、トルク伝達を可変制御するために使用される。本発明は、ターボファンエンジンに適用可能であり、ターボファンエンジン内の様々な速度における回転シャフトを結合させて、動力を制御可能に伝達する。比較的高速および低速のエンジンシャフトを周転円運動式磁気ギアボックスに適用することにより、効果的なギア比が、周転円運動式ギアボックスの第３入力において可変に作動させることによって調整され得る。標準的な作動速度の範囲内においてトルク調整することにより、シャフト間における制御可能な動力が伝達される。本発明は特に、エンジンからより大きな機械的動力を抽出するために、または動力学的なエンジン性能を強化する際に有益であり得る。任意により補足的な動力歯車装置が、所望の範囲の操作性を達成すべく採用されても良い。

１つの態様において、本発明はエンジンの独立的且つ並行して回転する１対のシャフト間においてトルクを伝達するシステムに関する。当該システムは、磁気ギアボックスを包含する。磁気ギアボックスは、第１リング構造、第２リング構造および中間リング構造を有する。第１、第２および中間のリング構造はそれぞれに、それらを貫通する環状開口を含み、その中に埋め込んだ複数の磁極片を有する。中間リング構造は、第１リング構造と第２リング構造の間に配設される。第１、第２および中間のリング構造は、残りのリング構造に対して同軸的に配設され、同心的且つ独立的に回転可能である。第１および第２のリング構造は、別個の回転エンジンシャフトに結合する。中間リング構造は、第１リング構造および第２リング構造と協働して、１対のシャフト間において伝達されるトルクのレベルを決定する。

中間リング構造は、回転機械に結合しても良い。当該回転機械は、コントローラを有しており、角速度の比率を調節し、それに従って１対のシャフト間において伝達される動力の比率も調節するように動作可能である。１つの実施例では、回転機械はコントローラから発生した信号に応じて、中間リング構造からの動力を受け取りそれに対して動力を供給するように構成されるモータ／発電機であり、動力は１対の回転シャフト間において可変配分される。

もう１つの態様では、本発明はガスタービンエンジンに関する。ガスタービンエンジンは、低圧タービンスプール、高圧タービンスプール、少なくとも１つの圧縮ステージ、燃焼室、排気システム、および回転ファンブレード構成を包含する。低圧タービンスプールおよび高圧タービンスプールは、磁気ギアボックスを介して磁気結合する。磁気ギアボックスは、第１リング構造、第２リング構造、および中間リング構造を有する。第１、第２および中間のリング構造はそれぞれに、それらを貫通する環状開口を含み、その中に埋め込んだ複数の磁極片を有する。中間リング構造は、第１リング構造と第２リング構造の間に配設される。第１、第２および中間のリング構造は、残りのリング構造に対して同軸的に配設され、同心的且つ独立的に回転可能である。第１および第２のリング構造は、別個の回転エンジンシャフトに結合する。中間リングは、高圧タービンスプールと低圧タービンスプールの間においてトルクを伝達すべく動作可能である。中間リング構造は、回転機械に結合しても良い。回転機械は、コントローラを有しており、高圧タービンスプールと低圧タービンスプールの間において伝達される動力の比率を調節すべく動作可能である。回転機械は、コントローラから発生した信号に応じて、中間リング構造からの動力を受け取りそれに対して動力を供給するように構成されるモータ／発電機であっても良く、トルクは１対の回転シャフト間において可変に配分される。

本発明はまた、ガスタービンエンジンの第１および第２の独立的に回転するシャフト間においてトルクを伝達する方法に関する。当該方法は、第１リング構造、第２リング構造および中間リング構造を有する調節可能な磁気ギアボックスを提供し、第１、第２および中間のリング構造の各々が、それらを貫通する環状開口とその中に埋め込んだ複数の磁極片とを有し、中間リング構造が、第１リング構造と第２リング構造の間に配設され、第１、第２および中間のリング構造の各々が、残りのリング構造に対して同軸的に配設され、同心的且つ独立的に回転可能であり； 磁気ギアボックスの第１シャフトを第１リング構造に結合させ； 磁気ギアボックスの第２シャフトを第２リング構造に結合させ； 回転機械を中間リング構造に結合させて、第１および第２のシャフトと回転機械のうちの少なくとも２つを並行して回転させ； 中間リング構造に対して電力を供給し或いはそこから電力を抽出すべく回転機械を作動させることによって、第１リング構造と第２リング構造の間において伝達される動力の比率を制御する、各ステップを包含する。

多くのその他の動力結合技術は、機械的な動力を電力に変換する発電を使用して、電力をもう１本のシャフト上における機械的な動力に変換するモータに対して電力が適用される、複数のモータ／発電機の構成に関する。そのようなシステムは、電力用配線装置、動力コネクタ、および補助的な制御システムにかなり依拠しているため、動力変換を達成するものの、コストの増大および信頼性の低さを伴う。

本発明の１つの利点は、機械的なリンク機構または接触が各エンジンスプールの間において何も必要とされず、振動の伝達を削減することである。

本発明のもう１つの利点は、それがエンジンの内部にあるかまたは外部にあっても良いことである。

本発明の更にもう１つの利点は、可変トルク伝達（例えば、ハイブリッド式自動車用動力伝達装置など）を必要とするその他の形式の機械的な装置においても適用され得ることである。

本発明の更にもう１つの利点は、如何なる機械的な接触もなしに１本の回転シャフトをもう１本に結合する定常的なトルク可変式動力結合を許容することである。本発明は、更に、電力に対する中間的な転換なしで、トルクまたは動力の結合を許容するものでもある。

本発明の補足的な利点は、その他の様式において機械的な歯車装置が使用されるときに生じ得る故障に対して耐性がある任意のマルチスプール式タービンエンジンの各スプールの間において機械的な動力を制御可能に伝達する方法を提供することである。入力と出力の間において機械的な接触が存在しないので、壊滅的な損傷または故障の機会もまた僅かしか存在しない。

本発明は、エンジン能力に対する影響を最小限にする様式においてタービンエンジンからより大きな量の機械的な動力を抽出するシステムを提供するものであり、動力抽出の供給源を変更可能に選択することによって、エンジンの操作性を潜在的に向上させ得るものでもある。

本発明のその他の特徴および利点は、本発明の原理を具体例として示している添付図面と共に考慮して、好適な実施例に関する後続の更に詳細な説明から明らかになる。

図１において示したものは、全てが連続的な軸方向流れ関係で配置されている、ファン３５、ブースタ１１、高圧コンプレッサ２０、燃焼室２２、高圧タービン２３、および低圧タービン２７を有する例示的な一般的ターボファンエンジン１０である。ファン３５、ブースタ１１および低圧タービンは、低圧スプール２９によって、連続的に接続する。高圧コンプレッサ２０、燃焼室２２および高圧タービンは、高圧スプール２１によって連続的に接続する。

コアエンジン内の燃焼室２２は、高圧力コンプレッサ２０からの圧縮空気を燃料と混合させ、結果として生じる燃料および空気の混合物に点火して、燃焼ガスを発生させる。或る仕事量が、これらのガスから各高圧タービンブレード（図示せず）によって抽出され、それが高圧コンプレッサ２０を駆動する。燃焼ガスは、コアエンジンから動力タービンまたは１列の低圧タービンブレードを有する各低圧タービンブレード（図示せず）の中に吐出される。

次に図２を参照すると、磁気的な周転円運動式ギア構成すなわちギアボックス１１０は、内側磁石リング１１２、中央または中間のリング１１４および外側磁石リング１１６を包含する。各々のリング（内側１１２、中央１１４および外側１１６の）は、リング構造１１２，１１４および１１６に沿って間隔を置いて埋め込まれる予め定めた個数の磁極片１１２ａ，１１４ａおよび１１６ａによって構成される。極片１１２ａおよび１１６ａは永久磁石によって構成され、極片１１４ａは磁気透過性材料によって構成され、極片１１４ａは磁気的に非透過性のセクター１１４ｂによって分離される。内側および外側のリング構造１１２，１１６は、磁気透過性材料によって構成される。磁気ギアボックス１１０は、各々のリング１１２，１１４および１１６の中における磁極の個数によって規定される固定トルク比率を有する。磁気ギアボックス１１０は、ターボファンエンジン１０のＨＰおよびＬＰのスプール２１，２９を結合させる。固定トルク比率は、各リング１１２，１１４および１１６の回転速度が以下で規定される式１を満たす状況においてのみ、適用されることに留意すること。エンジン内の力は各ロータの速度が互いに独立しているようなものであるので、理想的なトルク分割は、中間リングがスリップを排除するに足る十分に低い負荷で自由に回転するときにのみ実現される。固定トルク比率は、磁気ギアボックス１１０が機能する傾向性を説明する理想的特性である。磁気ギアボックス１１０に負荷を掛けることは、磁気ギアボックス１１０を理想的な関係から逸脱させるが、小さな速度変化の場合に［下記の式１から］結果として生じる力は、理想的なトルク比率を復元し、且つ各速度を［式１に従って］調和させる方向におけるものである。

磁気ギアボックス１１０は、図３に示した機械式周転円運動プラネタリギアボックス１２０の完全に受動的な磁気的等価物を提供する。高度な磁気結合が磁気ギア構成１１０において達成され、それが機械式周転円運動プラネタリギアボックス１２０に匹敵するトルク密度を可能にする。しかし、磁気ギアボックス１１０は、各リング１１２，１１４および１１６の間における機械的な接触なしで機能し、結果として、機械的な振動を削減する。その脱出トルクは磁気ギアボックス１１０が摺動することを許容し、過度のトルクに曝されるときにも、故障して破損する機械的なギア構成と比較して安全性のファクタを可能にする。磁気ギアボックスのギア比は１未満（すなわちｉ_０＜１．０）であり得るが、機械的な周転円運動式ギアボックスのギア比（下記の式２を参照）はｉ_０＞１．０（差動ギアボックスの場合にはｉ_０＝１．０）に限定されるので、磁気ギアボックス１１０は、機械的な周転円運動式ギアボックスに対して補足的な利点を提示する。

再び図３を参照すると、上述のように、磁気ギアボックス１１０は、内側リング１１２、中間リング１１４および外側リング１１６を有するものであり、それらは、機械的な周転円運動式ギアボックス１２０の３つの主要なコンポーネントに類似し、すなわち、最も内側の「太陽」ギア１２２、中央の「プラネット」キャリア１２４および最も外側のリングギア１２６が、それぞれに、内側リング１１２、中間リング１１４および外側リング１１６に対応する。ギア１２２，１２４および１２６の各々は、それぞれに、１２２ａ，１２４ａおよび１２６ａとして示される歯を有する。プラネットキャリア１２１は、各中央「プラネット」キャリア１２４の一様な位置を「太陽」ギア１２２の回りに維持するために使用される。

図４を参照すると、太陽ギア１２２（ω_ｓによって示した）、プラネタリギア１２４（ω_ｐによって示した）およびリングギア１２６（ω_ｒによって示した）の角速度は、図４に示した計算図表によって例示される。各々のギア角速度ω_ｓ，ω_ｐおよびω_ｒは、垂直方向軸１３２，１３４および１３６によってそれぞれに示される。角速度ω_ｓ，ω_ｐおよびω_ｒは、以下の通りに式１によって決定される。

ω_ｃ（１−ｉ_０）＝ω_ｓ - （ｉ_０）（ω_ｒ） ・・・（式１）
ここでは、プラネタリギアセットの比率はｉ_０であり、
ｉ_０＝−ｚ_ｒ／ｚ_ｓ ・・・（式２）
ｚ_ｒ＝リングギアの歯の本数であり、ｚ_ｓ＝太陽ギアの歯の本数である。

キャリア速度ω_ｃの縦座標１４０は、太陽ギア速度ω_ｓおよびリングギア速度ω_ｒの縦座標１４２，１４４の間において、水平方向軸１３８に沿って配設される。キャリア縦座標１４０は、水平方向軸１３８の下において矢印１４６，１４８で示したように、１からｉ_０までの比率において、２つの外側の縦座標１４２，１４４の間における間隔を分割する。垂直方向軸１３２，１３４および１３６のそれぞれに対する線１５８の交点１５２，１５４および１５６は、それぞれに、角速度ω_ｓ，ω_ｃおよびω_ｒの数値を規定する。周転円運動式歯車装置の速度を変化させることによって、斜線１５８は回転する。トルクＴ_ｓ，Ｔ_ｃおよびＴ_ｒは、式３に従って太陽ギア１２２、キャリア１２４およびリングギア１２６の各シャフトに作用する。
Ｔ_ｓω_ｓ ＋ Ｔ_ｃω_ｃ ＋ Ｔ_ｒω_ｒ ＝ ０ ・・・（式３）
次に図５を参照すると、ＨＰスプール２１とＬＰスプール２９の間に配設した可変式磁気ギアボックス１１０を有するターボファンエンジン１０が、概略的に示されている。磁気ギアボックス１１０の外側リング１１６はＨＰスプール２１に結合し、内側リング１１２はＬＰスプール２９に結合し、第３リング１１４はモータ／発電機（Ｍ／Ｇ）１６０に結合する。エンジン１０は、ＨＰスプール２１に結合して、スタータ／発電機１６４，１６６を駆動する従来的なギアボックス１６２をも含み、航空機システムのための主要な電力供給源を提供する。本発明は、エンジンの高速および低速のスプールを接続する２つ以上のスプールを有するエンジンに対しても適用され得ると理解すべきである。中間リング１１４は、Ｍ／Ｇ１６０に結合する。中間リング１１４は、２つの効果的なリング１１４ｂおよび１１４ｃに分割されても良く、それらは、中間リング１１４が磁気ギアボックス１１０によってエンジンスプール２１，２９の間に準備される結合が何も存在しないフリーホイールであるべく許容されて相殺するように、或いは内側リング１１２と外側リング１１６の間における結合の度合いすなわちパーセンテージを調節するように、磁場のフェージングを前進させるかまたは遅延させるべく制御可能に調整されても良い。これは、一般的なキー付きシャフト上に２つの個別リング１１４ｂ，１１４ｃを取付けて、それぞれの磁場の位相調整を提供する制御手段（図示せず）を提供することによって達成されても良い。１つの代替的な方法は、それぞれの磁場のための外部的な位相制御装置（図示せず）を備えたインターリーブ式磁極１１４ｂ，１１４ｃを有する単一の統合的なリング１１４を提供することである。特には中間リング１１４が磁気ギアボックス１１０によってエンジンスプール２１，２９の間に準備される結合が何も存在しないフリーホイールであるように許容することによって、磁気ギアボックス１１０に接続するシャフトの間における磁気的な結合を制御する能力は、ＨＰスプール２１およびＬＰスプール２９のような２本のシャフトを切離すことが必要であるとき、安全性機能を提供する。ＨＰスプール２１、ＬＰスプール２９およびＭ／Ｇの構成は、以下で更に詳細に議論されるように、選択的に修正されても良く、内側リング１１２、中間リング１１４および外側リング１１６が、ＨＰスプール２１、ＬＰスプール２９およびＭ／Ｇの何れかに結合して、代替的なトルク伝達特性を達成すると留意すべきである。

図６を参照すると、立体分解図が磁気ギアボックス１１０の３リング式構成を示している。内側リング１１２はＬＰスプール磁石１１２ａを内包する。この実施例では、中間リング１１４の磁極１１４ｂ，１１４ｃは、同軸的な条線１１４ｂ，１４４ｃによって示したように、インターリーブ配置される。中間リング１１４は、Ｍ／Ｇ１６０に結合し、ＨＰスプール２１とＬＰスプール２９の間におけるトルクの相対的な配分を制御するために使用される。外側磁石リング１１６はＨＰスプール２１に結合し、内側磁石リング１１２はＬＰスプール２９に結合する。リング１１２，１１４および１１６の各々は、他のものに対して同軸的且つ同心的であり、独立的に回転可能なものでもある。

図７および図８を参照すると、本発明の好適な実施例が示されている。磁気ギアボックス１１０は、標準的にＬＰスプール２９より高速度で回転するＨＰスプール２１が内側リング磁石１１２に結合して内側リング磁石１１２をより高速度で作動させ、ＬＰスプール２９がＨＰスプール２１より低速度で作動する外側磁石リング１１６に結合するようにして、構成される。この関係は、例えば、プラネタリ歯１２２ａの固定セットの場合に、磁気ギアボックス１０の自然な歯車装置比率に追随するものである。しかし、ＨＰおよびＬＰのスプール２１，２９は、互いに独立的に且つ変化する速度で作動しても良い。そのような状況下では、固定比率の結合は許容され得ないので、中間磁石リング１１４が、これもまた同様に独立的に回転するように配置される。中間磁石リング１１４は、式１および２によって規定される角速度で回転する。線１５８（図４を参照）は、ＬＰに対するＨＰの速度の或る特定の比率で速度０を通過することが可能であった。可動式中間リング１１４にトルクを掛けることによって、トルクは、磁気ギアボックスの式１および２に従って、内側リング１１２および外側リング１１６に伝達される。可動式中間リング１１４上に掛かるトルクは、所望の方向に動力を伝達するためにポジティブであるかまたはネガティブであっても良い。このトルクは、回転している中間リング１１４に掛けられ、その結果として、動力は、この場所において何れかの方向に流れることになる。この伝達される動力のための電源および負荷は、可変に供給されるべきである。例えば、モータ／発電機１６０は、図５に示すように、動力を中間リング１１４に供給し或いはその中において動力を消費させるべく使用されることが可能であった。しかし、この電力は、既存の電力システムから獲得されなければならない。その際、動力を循環させることは、機械的な形態および電気的な形態の両方において生じ得る。設計において慎重に考慮されない場合には、動力システムの重量およびサイズの増大が生じるかもしれない。不都合に循環する動力を最小限にするためには、可変トルクカプラ２００が、中間リング１１４に掛かる出力トルク或いは周転円運動式磁気ギアボックス１１０に対するその他の入力を変化させる。

図８に示したように、可変トルクカプラ２００は、入力のための回転式永久磁石２０２と、出力シャフト２０６を駆動する回転式カゴ形誘電ロータ２０４と、摺動式磁気シールド制御装置（図示せず）とを有する。ロータ２０４は、キー付き出力シャフト２０６上を摺動して、可変トルクカプラ２００の出力トルクを選択的に制御する。矢印２０８によって示したように、可変トルクカプラをエンジンの中心線に対して軸方向に摺動させることによって、ロータ上において誘導される電流およびトルクが調節される。このカプラ２００の出力は、シャフト２０６を介して磁気ギアボックス１１０の中間リング１１４の入力に対して適用され、結果として、それを介する動力の流れを制御する。

可変トルクカプラ２００に加えて、連続的且つ無限可変式の機械的な動力伝達装置、油圧的な動力伝達装置、モータ／発電機の組合せ、および新規な電気機械的構成を含みた幾つかのその他の構成が採用されても良い。

本発明は、それを介する動力の流れを制御する連続的且つ可変的な方法と組み合わせた周転円運動式磁気ギアボックス１１０を開示している。この連続的な可変性の適用は、ＨＰおよびＬＰのスプール２１，２９の作動領域の全体にわたって任意に適用され得るものであり、例えば、幾つかの作動方式では、中間リング１１４は、如何なるトルクが掛かることもなく完全に自由に回転しても良い。逆に言えば、その他の作動方式では、中間リング１１４は、１つの方向において回転するように拘束されても良く、ＬＰスプール２９に対するＨＰスプール２１の速度比率を一定に維持するために必要なトルクを提供する。磁気ギアボックスの固定ギア比は、変更可能に形成される。可変的なギア比を備えた磁気ギアボックス１１０は、第１の機械的な回転シャフトから第２の機械的な回転シャフトに対する動力の伝達を制御する能力を提示する。任意選択的には、補足的な歯車装置のステージが、エンジンスプールの作動速度の最適化を許容すべく提供されても良い。

下記の表１は、ＬＰスプール２９、ＨＰスプール２１およびＭ／Ｇセット１６０がそれらの間におけるトルク結合に関して構成され得る実行可能な並べ替えを示している。

もう１つの様相では、磁気ギアボックス１１０は、ターボファンエンジンのＨＰスプール２１とＬＰスプール２９の間におけるトルク伝達の固定比率を提供し得るものであり、そこでは、Ｍ／Ｇ１６０または可変トルクカプラ２００のような第３の入力装置は中間磁気リング１１４に接続しない。例えば、図９には、磁気ギアボックス１１０がＨＰスプール２１およびＬＰスプール２９に結合する単純化した構成が示されている。この構成は、標準的な機械式ギアボックス構成１６２を介して動力をＨＰスプール２１から抽出するものであり、そこでは、ギアボックス１６２が１つまたはそれ以上のスタータ１６８またはスタータ／発電機１６４に結合する。スタータ／発電機１６４による動力の抽出が増大するとき、ＬＰスプール２９は、磁気ギアボックス１１０を介して補足的な動力を提供し得るものであり、ＨＰスプール２１によって提供される動力の量がほぼ一定になり、ＨＰスプール２１の速度を一定のままに維持することを許容する。これは、少なくとも３つの有益な効果を有する。すなわち、（１）緊急用スラストを増大させる低加速時間、（２）ＨＰスプールの高い安定性マージン、および（３）ＬＰスプール速度を低下させることに起因するアイドルスラストの削減である。トルク結合式磁気ギアボックス１１０は、例えば、ＨＰタービン２３とＬＰタービン２７の間において分割される動力を最適化し、或いは、コアエンジン１８の加速または減速を支援する動力供給源／動力シンクとしてＬＰスプール２１を利用するためにトルクを伝達するようなその他の様式において、パフォーマンスおよび操作性を向上させるべく内部的に使用され得るものでもある。ファン速度制御装置の下にある間に動力をファンに対して移動させることがサイクルを再度バランスさせるので、この構成は、定常状態の空気速度安定性のためのスラスト制御装置としては使用されないことに留意すること。これは燃料フローを変化させ得るが、より多くのスラストを形成することにはならない。

様々なターボファン構成は、図面で示したそれらの具体例以外の磁気ギアボックス１１０を採用しても良い。具体例として、３スプール式ターボファン（例えばＨＰ、ＬＰおよび補助用）が、磁気ギアボックス１１０を備えて構成されても良く、３つのスプールのうちの任意の２つのスプールが接続し得ることになる。代替的には、３つのスプールを有するターボファンにおいて、２つの磁気ギアボックス１１０が、残りの２つのスプールに対して任意のスプールを接続するように構成されても良い。更にもう１つの構成では、３スプール式ターボファンは、１つの磁気ギアボックス１１０が３つの全てのスプールに接続され得ることになり、１つのリング１１２，１１４および１１６が各々のスプールに接続するようにして、構成されても良い。磁気ギアボックス１１０に対する入力動力は、ターボファンの第３スプールから供給されても良い。或いは、２スプール式ターボファンにおいて、ギアボックスの使用によって形成される第３の従属的なスプールが、ギア付きファンまたはギア付きブースタのようなものを備えたＨＰスプールの各部分を切離すべく採用されても良い。

本発明は、ターボファンエンジン以外の回転機械に対しても適用され得るものである。例えば、自動車形式の差動ドライブシステムが磁気ギアボックス１１０を採用しても良く、そこでは、左の車軸が１つのリング構造に接続し、右の車軸がリング構造の他のものに接続し、中間リングが固定される［すなわち、ｉ_０＝１］。良好な牽引力を備えた直線的な運転では、両方のリングは、対向方向において同じ速度で回転する。カーブでは、それらのリング速度は、一方がより速くなり一方がより遅くなって、僅かに逸脱するものであり、小さな復元トルクが、速い車軸を遅らせて、遅い車軸を加速させる傾向になる。一方の車輪が逸脱する場合には、何らかのスリップ速度が存在することになり、その速度において、実質的なトルクが、それらの車輪を同じ回転速度に復帰させるべく生成される牽引力を備えて、スリップしている車輪から車輪へと動力を伝達するように機能する。

本発明のもう１つの適用では、マルチ発電機式パワーシステムが、１つのプライム・ムーバから駆動されても良く、そこには、１つのマスター発電機が存在していて、残りの発電機は従属的発電機である。プライム・ムーバからマスター発電機への結合は剛直であり、それは複式磁気ギアボックス１１０の第１リングに接続する。プライム・ムーバと従属的発電機の間における継手または各継手は、基準値からの接線方向への変位の限定的な範囲内において捩り撓み性であることになる。それらの従属的発電機は、同様な個数の磁気ギアボックス１１０の１つまたはそれ以上の第２リングに接続する。中間リング１１４は、接線方向の変位の前記限定的な範囲内においてそれらの従属的発電機を遅延させるかまたは前進させるべく制御され、全ての従属的発電機はマスター発電機に対する同一の位相角度で作動していることになる。この構成は、パワーシステムにおいて相当な損失を引き起こし得るものであるギアボックスのミスアラインメントおよび摩耗、ロータおよびステータの製造公差などの問題を取り除いて、発電機の全体にわたってより一様な電気的負荷を配分する。

本件の書面に拠る説明は、最適の態様を包含させて、本発明を開示する具体例を使用していて、当業者が本発明を実行して使用することを可能にするものでもある。本発明の特許可能な範囲は、その請求項によって規定されていて、当業者に想起されるその他の具体例を含み得るものである。そのようなその他の具体例は、それらが各請求項の文字通りの表現から実質的には相違していない構造的要素を有しているならば、請求項の範囲内に納まるものであると意図されている。

一般的なターボファンエンジンの概略図である。 磁気的な周転円運動式ギア構成の概略図である。 機械式周転円運動プラネタリギアボックスの概略図である。 図３の周転円運動式ギアボックスに関するベクトル数学的な関係を示している計算図表である。 可変式磁気ギアボックスを有するターボファンエンジン１０の概略図である。 可変式磁気ギアボックスの３リング式構成を示している立体分解図である。 可変トルクコントローラを備えた可変式磁気ギアボックスを有するターボファンエンジンを示している好適な実施例の概略図である。 図７に示した可変トルクコントローラの概略図である。 磁気ギアボックスが一定比率の構成においてＨＰスプールおよびＬＰスプールに結合する単純化した構成を示している。

可能である場合にはいつでも、同じ参照番号が、図面の全体にわたって同じであるかまたは同様である部品を指し示すために使用されるものとする。

符号の説明

１０ ターボファンエンジン
３５ ファン
１１ ブースタ
２０ 高圧コンプレッサ
２２ 燃焼室
２３ 高圧タービン
２７ 低圧タービン
２９ 低圧スプール
２１ 高圧スプール
１１０ 磁気的な周転円運動式ギアボックス
１１２ 内側磁石リング
１１４ 中央または中間のリング
１１６ 外側磁石リング
１１２ａ 磁極片
１１４ａ 磁極片
１１６ａ 磁極片
１２０ 機械的な周転円運動式ギアボックス
１２２ 太陽ギア
１２４ プラネタリギア
１２６ リングギア
１２２ａ 太陽ギア歯
１２４ａ プラネタリギア歯
１２６ａ リングギア歯
１２１ プラネットキャリア
１２４ プラネットキャリア
１３２ ギア角速度軸
１３４ ギア角速度軸ω_ｐ
１３６ ギア角速度軸ω_ｒ
１３８ 水平方向軸
１４０ キャリア速度ωｃ縦座標
１４２ 太陽ギア速度ωｓ縦座標
１４４ リングギア速度ωｒ縦座標
１４６ 矢印
１４８ 矢印
１５２ 交点ωｓ
１５４ 交点ωｃ
１５６ 交点ωｒ
１５８ 斜線
１６０ モータ／発電機（Ｍ／Ｇ）
１６２ スタータ／発電機ギアボックス
１６４ スタータ／発電機
１６６ スタータ／発電機
２００ 可変トルクカプラ
２０２ 永久磁石
２０４ ロータ
２０６ 出力シャフト
２０８ 矢印

Claims (10)

1. エンジンの独立的に且つ並行して回転する１対のシャフトの間においてトルクを伝達するシステムであって、当該システムが：
   磁気ギアボックス（１１０）を含み、該磁気ギアボックス（１１０）が、第１リング構造（１１６）、第２リング構造（１１２）、および中間リング構造（１１４）を含み、各々の第１（１１６）、第２（１１２）および中間（１１４）のリング構造が、それらを貫通する環状開口と、その中に埋め込んだ複数の磁極片（１１２ａ，１１４ａ，１１６ａ）とを有し、中間リング構造（１１４）が、第１リング構造（１１６）と第２リング構造（１１２）の間に配設され、各々の第１（１１６）、第２（１１２）および中間（１１４）のリング構造が、残りのリング構造に対して同軸的に配設され、同心的且つ独立的に回転可能であり；
   第１（１１６）および第２（１１２）リング構造が、それぞれに回転エンジン（１０）シャフトの別体のものに結合し、中間リング構造（１１４）が、第１リング構造（１１６）および第２リング構造（１１２）と協働して、シャフトの対の間において伝達されるトルクレベルを決定する、
   システム。
2. 中間リング構造（１１４）が回転機械に結合していて、回転機械がコントローラを有し、回転機械がシャフトの対の間において伝達されるトルクレベルを調節すべく動作可能である、
   請求項１記載のシステム。
3. 回転機械は、コントローラによって生成される信号に応じて中間リング構造（１１４）からの動力を受け取り且つそれに対して動力を供給するように構成されるモータ／発電機（１６０）であり、トルクが回転シャフトの対の間において可変伝達される、
   請求項２記載のシステム。
4. 回転機械がロータ部分（２０４）と複数の永久磁石（２０２）をその中に埋め込んだ第３環状リング（１１４）構造とを含み、ロータ部分（２０４）が、出力シャフト（２０６）を含み、回転機械の軸に沿って２方向に運動してロータ（２０４）を第３リング（１１４）の中に磁気結合するように構成され、第３環状リング（１１４）が、独立的に回転するエンジン（１０）のシャフトのうちの１本に対して駆動的に結合し、ロータ部分（２０４）の中において電磁場を誘導して、出力シャフト（２０６）の出力トルクを選択的に制御し、ロータ（２０４）の出力シャフト（２０６）が、第１（１１６）、中間（１１４）または第２（１１２）のリング構造のうちの１つに結合する、
   請求項２記載のシステム。
5. ロータ部分（２０４）がカゴ形誘電ロータである、
   請求項４記載のシステム。
6. 磁気ギアボックス（１１０）が機械式周転円運動プラネタリギアボックスの完全に受動的な磁気的等価物を含む、
   請求項１乃至５のいずれかに記載のシステム。
7. 磁気ギアボックス（１１０）の脱出トルクが、過剰に掛かったトルクに応じて、第１（１１６）、第２（１１２）および中間（１１４）のリング構造が摺動することを許容して、磁気ギアボックス（１１０）に対する機械損傷を防止する、
   請求項１乃至６のいずれかに記載のシステム。
8. 第１（１１６）、第２（１１２）および中間（１１４）のリング構造が以下の式によって関連付けられる角速度ωｐ，ωｓおよびωｒを有し：
   ωｃ（１−ｉ０）＝ωｓ−（ｉ０）（ωｒ）
   ここでは、比率ｉ０＝ｚｒ／ｚｓであり、ｚｒ／ｚｓは、第２リング構造（１１２）中の永久磁石（２０２）の個数に対する磁気ギアボックス（１１０）の外側プラネタリリング上の第１リング構造（１１６）中の永久磁石（２０２）の個数によって規定される比率である、
   請求項２記載のシステム。
9. トルクＴｓ，ＴｃおよびＴｒは、第１リング構造（１１６）、第２リング構造（１１２）および中間リング構造（１１４）に対応し、以下の式に従って、第１（１１６）、第２（１１２）および中間（１１４）のリング構造にトルクを掛ける：
   Ｔｓωｓ ＋ Ｔｃωｃ ＋ Ｔｒωｒ ＝ ０
   請求項８記載のシステム。
10. エンジン（１０）が第１シャフトに結合する高圧タービン（２３）と第２シャフトに結合する低圧タービン（２７）とを有するターボファン航空機エンジンである、
    請求項１乃至９のいずれかに記載のシステム。
    

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