JP5385145B2 - 航空機内に搭載された少なくとも１つの誘導機に電力を供給するための装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、航空機内に搭載された少なくとも１つの誘導機に電力を供給するための装置及び方法に関する。

以下の説明は、説明を単純化するための例として、飛行機型の航空機のために付与されるであろう。

誘導機（誘導電動機）は、航空分野で広く使用される電気機械式アクチュエータである。そのような誘導機は、その単純な操作原理、その頑健性、及びその製造の容易さのために多くの利点を有する。

航空機システム構造は、機械的負荷が液圧ポンプ、燃料ポンプ又はファンなどを駆動させなければならない適応性において、３層式誘導機を広く使用させる。

最初に、電圧及び周波数の両方が一定（１１５ボルトの交流、４００Ｈｚ）に維持されるので、電気的な分配バー（distribution bars）を使用して誘導機のための電力供給に関する特定の問題が１つもない。しかし、航空機システムの利用率のために連続的に増加している重要とともに、機内に搭載された電気的なネットワークは、可変周波数ネットワーク（３６０Ｈｚ〜８００Ｈｚ）に徐々に変化させており、該可変周波数ネットワーク（３６０Ｈｚ〜８００Ｈｚ）は、電力発生システムを単純化し、且つ電力発生システムの信頼性をより高くさせる。

しかし、誘導機の電力供給周波数が広い周波数帯に亘って増加される一方、電圧を一定に維持する場合、エアギャップにおける最大フラックス及びそれ故に、誘導機による最大機械トルク出力は、高周波数のために非常に高い割合で減少する：最大トルクは、周波数の２乗で減少する。それ故に、可変周波数ネットワークを通じて、そのような誘導機への「直接的な」電力供給は、質量を増加し、効率を低下させ、不適格である。

そのような技術的問題を解決するための１つの可能な解決方法は、電気エネルギーの変換によって固定された電圧及び周波数を回復するように、可変周波数の分配バーと誘導機との間に静的なコンバータ（パワーエレクトロニクス）を追加することである。そのような解決方法は、可変周波数の機内に搭載されたネットワークを使用して、航空機内の誘導機を使用し続けることを可能にする利点を有する。しかしながら、この解決方法とともに、誘導機に対する２つの変換段階（整流段階＋インバータ段階）とともに静的なコンバータを追加することが必要であり、システムの信頼性を一桁分低下させる。

この発明の目的は、質量を増加することなく、任意のパワーエレクトロニクスを追加することなく、単純且つ高信頼の解決方法である、航空機内に搭載された少なくとも１つの誘導機に電力を供給するための装置及び方法を提案することによって、そのような技術的問題を解決することである。

本発明は、航空機、例えば飛行機内に搭載された少なくとも１つの誘導機に電力を供給するための装置であって、可変周波数の電気的な分配バーが前記少なくとも１つの誘導機に供給する装置において、電圧及び周波数の両方が可変であるが、一定の割合である少なくともＣＶＦＲ型電源であって、前記少なくとも１つの誘導機に電力を供給する少なくともＣＶＦＲ型電源を備え、前記少なくとも１つの誘導機は、少なくとも２つのカーゴを有する誘導電動機、又はディープスロットを有する誘導電動機であることを特徴とする装置に関する。

第１の実施形態において、本発明による装置は、永久磁石交流発電機（alternator）を備える。

第２の実施形態において、本発明による装置は、制御発生器によって制御されたＶＦＧ型交流発電機を備える。

第３の実施形態において、本発明による装置は、誘導電圧調整器と、角度位置制御ループと、を備え、前記角度位置制御ループは、分割器と、参照値と比較する手段と、低電力インバータと、角度位置決めアクチュエータと、を備える。

本発明はまた、航空機、例えば、飛行機内に搭載された少なくとも１つの誘導機に電力を供給するための方法であって、可変周波数の電気的な分配バーが前記少なくとも１つの誘導機に動力を供給する方法において、前記少なくとも１つの誘導機は、少なくとも１つのCVFR型電源によって電力を供給され、該CVFR型電源は、電圧及び周波数の両方が可変であるが、一定の割合であり、前記少なくとも１つの誘導機は、少なくとも１つのカーゴを有する誘導電動機、又はディープスロットを有する誘導電動機であることを特徴とする方法に関する。

第１の実施形態において、永久磁石交流発電機は、ＣＶＦＲ型電源を形成するために使用される。

第２の実施形態において、ＶＦＧ型発生器は、ＣＶＦＲ型電源を形成するために使用される。

第３の実施形態において、固定された電力及び可変の周波数でネットワークによって電力を供給された誘導電圧調整器が、使用され、ロータの準静的位置が周波数に対する電圧の割合に従動する。

少なくとも１つの誘導機のための一定の電圧及び可変の周波数での電力供給を示す図である。 本発明による誘導機のためのＣＶＦＲ型電力供給を示す図である。 二重カーゴモータを有するＣＦＶＲ型電力供給を示す図である。 二重カーゴモータを有するＣＦＶＲ型電力供給を示す図である。 二重カーゴモータを有するＣＦＶＲ型電力供給を示す図である。 本発明による装置の第１の実施形態を示す図である。 本発明による装置の第２の実施形態を示す図である。 本発明による装置の第３の実施形態を示す図である。 本発明による装置の第３の実施形態を示す図である。

図１は、誘導機のための一定の電圧及び可変の周波数の電力供給を示す。この図は、電圧Ｖ及び周波数ｆの関数として、電力供給の電圧及び周波数によって強制的に駆動されたフラックスアクチュエータである誘導機の最大トルクの変化を示す。このトルクＣは、Ｃ＝ｋ（Ｖ／ｆ）^２によって規定される。それ故に、図１における曲線は、電圧が１１５ボルトで一定に維持される場合、及び周波数が４００Ｈｚから８００Ｈｚまで変化する場合に、誘導機の電磁気トルクにおける変化を示し、曲線１０は、４００Ｈｚでのトルクを示し、曲線１１は、６００Ｈｚでのトルクを示し、且つ曲線１２は８００Ｈｚでのトルクを示す。８００Ｈｚでの最大トルクは、４００Ｈｚでの最大トルクの四分の一であり、この電力供給が所望されていないことを裏付ける。

本発明による装置は、電圧及び周波数が変化するが、一定に維持される割合で変化するＣＶＦＲ（一定の周波数に対する電圧の割合（constant voltage-to-frequency ratio））型電源によって、電力が供給された誘導機を使用することからなる。図２における曲線は、そのような誘導機の電磁気トルクの変化を示す。曲線２０は、１１５ボルト及び４００Ｈｚでのトルクを示し、曲線２１は１７２．５ボルト及び６００Ｈｚでのトルクを示し、且つ曲線２２は、２３０ボルト及び８００Ｈｚでのトルクを示す。最大トルクは、周波数の変動範囲全体に亘って不変である。それにもかかわらず、開始時のトルクは減少し、全負荷で開始時にいくつかの問題を引き起こす。

図３Ａは、いわゆる「二重カーゴ」の誘導電動機の詳細な構成を示す。この場合において、電動機には、２つの同心カーゴ３０及び３１からなるロータが設けられ、外側カーゴ３０は、高抵抗及び低インダクタンスを有し、内側カーゴ３１は、低抵抗及び高インダクタンスを有する。

図３Ｂは、２つの異なるカーゴによって生成されるトルクＣを示し、曲線３２は外側カーゴのためであり、曲線３３は内側カーゴのためであり、曲線３４は合計トルクのためである。

（スリップが１に近い）低い回転速度で開始する場合、電磁場の変化が表皮効果のために、電磁場がロータ内にほとんど浸透しないようになり、外側カーゴ３０（低インダクタンス及び高抵抗）のみが影響する。（スリップが０に近い）高い回転速度では、電磁場は、ロータに対してゆっくり回転し、且つ電磁場はロータ内に深く浸透する。この瞬間に、内側カーゴ３１（低抵抗及び高インダクタンス）は、その影響を与える一方、外側カーゴ３０のインピーダンスは、あまりにも高いので、高電流が外側カーゴに生じる。それ故に、外側カーゴは、その影響を失う。中間の回転速度では、内側カーゴ３１及び外側カーゴ３０は、トルクを生み出すことの一因となる。すべての場合において、モータのトルクは、内側カーゴ３１及び外側カーゴ３０によって生み出されたトルクの瞬時の合計によって付与される。

図３Ｃにおける曲線は、本発明と一致するＣＶＦＲ型電源によって電力を供給された二重カーゴモータの周波数の挙動を示す。曲線３６は、１１５ボルト及び４００Ｈｚでのトルクのためであり、曲線３７は、１７２．５ボルト及び６００Ｈｚでのトルクのためであり、曲線３８は、３３０ボルト及び８００Ｈｚでのトルクのためである。そのような装置の１つはまた、周波数の範囲全体に亘って、全負荷で開始することを可能にするために、周波数の範囲全体に亘って始動トルクをかなり改善する。これは、三重カーゴ又はディープスロットモータの使用のために真実である。

それ故に、本発明による装置は、電圧及び周波数の両方が可変であるが、一定又は準一定の割合であるＣＶＦＲ（一定の周波数に対する電圧の割合）型電源を使用して誘導機に電力を供給することからなり、エアギャップにおける誘導機の最大フラックスが一定に維持され、従って、最大電磁気トルクが不変に維持される。

誘導機の速度は、可変であり、電力供給の周波数及び駆動される機械的な負荷に直接的に依存し、駆動される機械的システム（液圧電気ポンプ又は燃料電気ポンプ）が（ポンプ、自動制御された流れに可変な傾斜板を追加して）可変な速度に調節する場合に、完全に許容される。

誘導機の開始トルクは、低い周波数より高い周波数で低い。しかし、「二重カーゴ」、「三重カーゴ」、又は「ディープスロット」型のロータを有する誘導電動機の使用は、全負荷で始動することを可能にし、開始時に、そのようなカーゴ型の技術の使用は、ロータが突入電流を低減することを可能にし、いくつかの効率点の損失を生じる。駆動されたシステムが手動ポンプ（可変流量ポンプ）である場合、プレートの初期位置は、開始（ポンプのためのゼロ流量）時に抵抗トルクが最小になるようにすることができる。

我々は、これから本発明による装置の様々な有利な実施形態を考慮するであろう。

［１．第１の実施形態：永久磁石交流発電機の使用］
この第１の実施形態は、単純で、頑丈な、且つ有利な解決方法である。ＣＶＦＲ型の電源は、永久磁石交流発電機（ＰＭＡ）４０を使用してなされる。図４に示されるように、この永久磁石交流発電機４０は、例えば、ＣＶＦＲ型ブスバー（busbar）４１を通じて３つの誘導機Ｍ１、Ｍ２、及びＭ３に電力を供給する。そのような永久磁石交流発電機４０は、永久磁石を移動することによって生み出された起電力Ｅ（ＦＥＭ）が、その機械シャフトの回転周波数に直接的に比例する（Ｅ＝ｋ．ｆ）ので、ＣＦＶＲ電圧を「自然に」発生する。そのような永久磁石交流発電機が、誘導反応が低いように寸法決めされる場合、出力電圧は、負荷とともに大きく変化せず、電圧が付与された周波数で略一定であることと仮定され得る。

さらに、そのような永久磁石交流発電機４０は、その外乱を制御するための任意のコンピュータを必要としないので、雷に対して非常に感応でないとの利点を有する。

［２．第２の実施形態：ＶＦＧ発生器の使用］
図５に示された第２の実施形態において、ＶＦＧ（「可変周波数発生器」）は、ＣＶＦＲ型ブスバー５１に電力を供給して使用され、１つの特定の操作モード、すなわちＣＶＦＲモードでＧＣＵ（発生器制御ユニット）によって制御されて使用される。周波数又は負荷が変化する場合に規定ポイント（Point Of Regulation）（POR）で電圧を維持する代わりに、Ｖ／ｆ＝ｋ（一定）の法則は、ＰＯＲポイントで電圧ＶがＧＣＵ発生器５２によって測定された周波数ｆに比例するように、励磁電流に適用される。それ故に、出力電圧の最大値は、交流発電機の励磁電流による作用によって生み出された周波数ｆに従動させる。この解決方法は、負荷電流が変化する場合に、発生器５０の電機子反作用（armature reaction）のために、電圧変化を補正する利点を有する。言い換えれば、Ｖ／ｆの割合は、確かに一定に維持されることができる。

［３．第３の実施形態：誘導電圧調整器の使用］
図６Ａに示された第３の実施形態は、分配バーと誘導機との間に「誘導電圧調整器」型のコンバータ（回転磁界変圧器）６０を挿入することからなる。

このコンバータ６０は、一定の電圧及び可変の周波数で電力を供給され、その変換割合は、非常に低電力アクチュエータ６１（モータ）によって、モータ速度に従動される。

この実施形態とともに、もはやＣＶＦＲ型の電力供給に発生器を専念する必要性はない。固定された電圧及び可変の周波数で通常の負荷に電力を供給し続けるために、航空機のメイン発生器を使用することが可能になる。

コンバータ６０とともに、航空機のネットワークの残りに独立して、Ｖ／ｆの一定の割合（ＣＶＦＲ）の負荷に専用の分配バー６３を生み出すことが可能になる。

この実施形態は、同期式の巻き線型ロータ変換器に類似の電気機械式構造を使用するが、ロータが準静的である。このロータの位置は、付与された電力供給の周波数のために固定されるが、システムの電力供給の周波数が変化する場合に調整されることができる。電圧Ｖ１は、分配バー６３から主に受容される一定の電力供給電圧である。電圧２は、第二巻き線を通じてコンバータ６０によって自動誘導された電圧である。図６Ｂに示されるように、出力電圧Ｖｓは、誘導機６２に電力を供給するであろう電圧Ｖ１及び電圧Ｖ２のベクトル和に等しい。角度位置θは、付与された周波数及び付与された負荷のそれぞれに対応する。この角度θは、図６に示された角度位置スレーブループ６７のために、Ｖｓ／ｆ＝（Ｖ１＋Ｖ２）／ｆの一定の割合(CVFR)を維持するように、Ｖ１及びＶ２の組み合わせベクトルを変えるために調整されることができる。このループ６７は、Ｖｓ／ｆの割合を計算するための分割器６４と、例えば１１５／４００＝０．２８８などの参照割合Ｒｒｅｆと比較し、角度位置アクチュエータ６１を制御する低電力インバータ６６に割合における差△Ｒを出力する手段６５と、を備える。

そのような実施形態とともに、誘導機は、誘導機の本来の信頼性を低下することなく、単純且つ非常にロバストな解決方法によって、パワーエレクトロニクスなしで操作されることができる。

１０ 曲線
１１ 曲線
１２ 曲線
２０ 曲線
２１ 曲線
２２ 曲線
３０ 外側カーゴ
３１ 内側カーゴ
３２ 曲線
３３ 曲線
３４ 曲線
３６ 曲線
３７ 曲線
３８ 曲線
４０ 永久磁石交流発電機
４１ ＣＶＦＲ型ブスパー
５０ ＶＦＧ発生器
５１ ＣＶＦＲ型ブスパー
５２ ＧＣＵ発生器
６０ コンバータ
６１ 低電力アクチュエータ
６２ 誘導機
６３ 分配バー
６４ 分割器
６５ 比較手段
６６ 低電力インバータ
６７ 角度位置スレーブループ
Ｍ１ 誘導機
Ｍ２ 誘導機
Ｍ３ 誘導機
Ｒｒｅｆ 参照割合
Ｖｓ 出力電圧
Ｖ１ 電圧
Ｖ２ 電圧
ｆｓ 出力周波数
θ１ 角度位置
θ２ 角度位置
△Ｒ 割合の差

Claims (9)

1. 周波数が３６０Ｈｚ〜８００Ｈｚの範囲で変化する可変周波数ネットワークを少なくとも備えている航空機であって、
   少なくとも１つの可変周波数の電気的な分配バーと、機械的負荷を駆動する少なくとも１つの誘導機（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３；６２）に電力を供給するための装置とを備えている前記航空機において、
   前記可変周波数の電気的な分配バーが、少なくとも１つの前記誘導機に供給する装置において、
   前記装置が、電圧及び周波数の両方が可変であるが、一定の割合である少なくとも１つのＣＶＦＲ型電源（４０；５０；６０）であって、少なくとも１つの前記誘導機に電力を供給する少なくとも１つのＣＶＦＲ型電源（４０；５０；６０）を備え、
   少なくとも１つの前記誘導機は、少なくとも２つのかごを有する誘導電動機、又は深溝を有する誘導電動機であり、
   前記航空機が、前記可変周波数の電気的な分配バー（６３）と前記誘導機（６２）との間に挿入されている誘導電圧調整器（６０）と、角度位置制御ループ（６７）とを備えており、
   前記角度位置制御ループ（６７）は、分割器（６４）と、参照値（Ｒｒｅｆ）と比較する手段（６５）と、低電力インバータ（６６）と、角度位置決めアクチュエータ（６１）と、を備えることを特徴する航空機。
2. 永久磁石交流発電機（４０）を備えることを特徴とする請求項１に記載の航空機。
3. 制御発生器（５２）によって制御されたＶＦＧ型発生器（５０）を備えることを特徴とする請求項１に記載の航空機。
4. 前記航空機が飛行機であることを特徴する請求項１〜３のいずれか一項に記載の航空機。
5. 周波数が３６０Ｈｚ〜８００Ｈｚの範囲で変化する可変周波数ネットワークを少なくとも備えている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の航空機であって、少なくとも１つの可変周波数の電気的な分配バーと、機械的負荷を駆動する少なくとも１つの誘導機とを備えている前記航空機に電力を供給するための方法であって、
   前記可変周波数の電気的な分配バーが少なくとも１つの前記誘導機に供給する方法において、
   電圧及び周波数の両方が可変であるが、一定の割合であり、
   前記電圧及び前記周波数が、前記可変周波数の電気的な分配バーと前記少なくとも１つの誘電機との間に配置されている少なくとも１つのＣＶＦＲ型電源によって、少なくとも１つの前記誘導機に電力を供給され、
   少なくとも１つの前記誘導機は、少なくとも１つのかごを有する誘導電動機、又は深溝を有する誘導電動機であることを特徴とする方法。
6. 永久磁石交流発電機（４０）は、ＣＦＶＲ型電源を形成するために使用されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. ＶＦＧ型発生器（５０）は、ＣＦＶＲ型電源を形成するために使用されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
8. 固定された電圧及び可変の周波数とともにネットワークによって電力が供給された誘導電圧調整器（６０）は、使用され、
   ロータの準静的位置が、前記周波数に対する前記電圧の割合に従動されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
9. 請求項５〜８のいずれか一項に記載の方法を使用することが可能である装置を備えることを特徴とする航空機。

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