JP5955960B2 - 地上の航空機に電力を供給するための装置 - Google Patents

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Description

本発明は、地上の航空機に電力を供給するための装置であって、特に、航空機の客室とコックピットに電力を供給するための航空機電気回路網と、電気的タキシング用回路網との少なくとも2つの回路網を備える装置に関する。
本願出願人による仏国特許出願第10/55457号明細書および仏国特許出願第10/59612号明細書には、航空機の電気回路網に電力を供給するための装置および航空機のタキシング動作時に電動アクチュエータによって再生されたエネルギーを処理するための電気構造についてそれぞれ記載されている。
航空機は、航空機着陸装置の車輪を使用して地上を移動または走行する際に、いわゆる「タキシング」を行う。タキシングは、航空機の下部構造の少なくとも1つの車輪(および、通常は、主着陸装置の車輪)が、タキシング回路網の一部を形成する電気モータによって駆動される場合、「電気的動作」である。
航空機回路網およびタキシング回路網は、補助動力ユニット(APU)によって駆動される少なくとも1つの発電機によって電力が供給される。
先行技術においては、APUはバッテリによって電力が供給される独立型始動機を使用して始動され、上述の発電機を駆動させるための出力シャフトを有する。
APUによって送られたエネルギーを使用して航空機回路網およびタキシング回路網に電力を供給するための複数の電気構造が提案されてきた。
第1の先行技術の電気構造は、APUによって駆動される2つの発電機を有する。第1の発電機は交流電圧Vac1(230ボルト(V))をタキシング回路網に送り、第2の発電機は交流電圧Vac2(115V)を航空機回路網に送る。タキシング回路網は、航空機の車輪を駆動する電気モータを制御するための電子モータ制御ユニット(MCU)であって、接続/切断手段によって第1の発電機に接続される制御ユニットを含む。
この構造の利点は、タキシング回路網と航空機回路網とは互いに独立しており、別々の発電機によって電力が供給されるという点である。そのため、(ATA24タイプの)航空機回路網の認証のための検証に関する制約がタキシング回路網に影響を及ぼすことがないので、タキシング回路網は単純な電子制御ユニットを有し、その結果、制御ユニットの重量を(約50kg)低減することができる。
しかしながら、APUの始動機の電力の他に、上述の発電機の電力は共に、それぞれ120キロボルトアンペア(kVA)、90kVAと比較的高い。したがって、航空機内に搭載される電力は比較的多い。高い電力レベルにより、発電機は重く、かさ高となり、APUの出力シャフトに取り付けることが難しく、または不可能にさえなる場合がある。
先行技術の第2の電気構造では、航空機回路網およびタキシング回路網は、APUによって駆動される共通の高電力発電機(150kVA)によって電力が供給される。この発電機は、接続/切断手段によって発電機に接続されている航空機回路網およびタキシング回路網に交流電圧Vac2(115V)を送る。タキシング回路網は、航空機の車輪を駆動させる電気モータに接続される電子制御式電力ユニットを有する。
この電気構造の欠点は、タキシング回路網は航空機に適用される回路網基準(例えば、ATA24タイプ)の全てを満たさなければならないという点、およびタキシング回路網には115Vの電圧Vac2で電力が供給されるという点である。タキシング回路網の電子制御式電力ユニットは、航空機回路網を効率を落とすことなく電圧レベルを上昇させる働きをするエネルギー変換機能を含む。一般に、この機能は自動変圧整流ユニット(ATRU)によって行われるので、このユニットの重量を(約50kgから100kgも)大幅に増加させることになる。
また、別の先行技術の電気構造においては、航空機エンジンによって駆動される少なくとも1つの発電機を使用して航空機のタキシング回路網に電力を供給し、航空機電気回路網はAPUによって駆動される別の発電機によって電力が供給される構造がすでに提案がされている。しかしながら、この構造は、エンジンを作動させる必要があるので、電気的タキシング機能を有する航空機から期待される燃費節約率が大幅に低下することになる。
国際公開第2010/079308号
本発明の特定の目的は、簡単で有効かつ安価な方法で、航空機を電気的にタキシングするための新規な電気構造を使用して先行技術の上述の欠点のうちの少なくともいくつかを減らす、または取り除くことである。
上述の目的を達成するために、本発明は、補助動力ユニットによって駆動される2つの発電機、つまり、航空機の車輪を駆動するための電気モータを含む電気的タキシング回路網に電力を供給する第1の発電機と、航空機電気回路網に電力を供給する第2の発電機とを備える地上の航空機用の電力供給装置であって、第1の発電機は、選択可能な接続/切断手段によって航空機回路網およびタキシング回路網に接続され、航空機回路網に接続された場合に、航空機回路網に第1の交流電圧Vac2を送るか、またはタキシング回路網に接続された場合に、より高い交流電圧Vac1または電力Pをタキシング回路網に送ること、さらに、第2の発電機は、接続/切断手段によって航空機回路網に接続され、第1の発電機が電気的タキシング回路網に電力を供給している時のみ航空機回路網に前記交流電圧Vac2を送ることを特徴とする電力供給装置を提供する。
本発明の装置では、補助動力ユニットによって駆動される第1の発電機は、航空機が地上を走行する必要がある時にタキシング回路網に電力を供給し、タキシング回路網に電力が供給されていない時に航空機回路網に電力を供給するのに使用される。この第1の発電機は、いわゆる「ハイブリッド型」であり、選択的に、タキシング回路網に電力を供給するために電圧Vac1を送るか、または航空機回路網に電力を供給するために電圧Vac2を送ることができる。変形形態では、第1の発電機は、選択的に、タキシング回路網に電力を供給するために電力Pを送るか、または航空機回路網に電力を供給するために電圧Vac2を送るようにしてよい。第2の発電機は、第1の発電機が電気的タキシング回路網に電力を供給している時に航空機回路網に電力を供給するのに使用される。第2の発電機は、有利には、地上の航空機に必要な電力のみ供給することができるサイズであるので、機内の電力を低減することができ、ひいては航空機に設置される容積を低減することができる。接続/切断手段は、タキシング動作時に、(タキシング回路網に電圧Vac1または電力Pを供給するために)第1の発電機をタキシング回路網に接続し、(航空機回路網に電圧Vac2を供給するために)第2の発電機を航空機回路網に接続するように制御され、航空機の動作の他の段階では、航空機回路網に電圧Vac2を供給するために第1の発電機を航空機回路網に接続するように制御される(この時、第2の発電機は停止される)。
したがって、本発明により、航空機に特有の回路網に適用できる(ATA24タイプ)の規格によって課せられる制約を満たさなくてもタキシング回路網を設計することができると同時に、タキシング機能に関連した高調波汚染の制約を低減することも可能になる。
本発明の別の特徴によれば、2つの発電機のうちの一方は補助動力ユニットを始動させるのに適した始動機/発電機であるので、先行技術で使用されている独立型始動機と置き換えることができ、重量を大幅に節減することができる。さらに、この始動機/発電機は、始動機の代わりにAPUに(通常は、先行技術の始動機専用の歯車群に)取り付けられるので、APUの出力シャフトに他の発電機を取り付ける際に邪魔にならない。
本発明の装置はさらに、補助動力ユニットの始動を制御するために始動機/発電機に接続される電子制御式電力ユニットを含む。このユニットは、始動機/発電機によって送られる電流または電圧を調節して、電気的過負荷の場合に始動機/発電機を保護するための発電機制御ユニット(GCU)タイプの制御手段を備えてよい。
第1の発電機は、巻線形回転子励磁による3段式同期発電機であるのが好ましい。回転子の励磁を変化させることにより、タキシングにとって必要な電力、例えば、150キロワット(kW)の電力に応じて、発電機からの出力電圧をVac1とVac2の値の間で変化させる、または電圧発生器(実質的に一定の交流電圧Vac2を送る)と実質的に一定の電流を送る電流発生器もしくは実質的に一定の電力を送る発電機との間で切り替えることができる。
第1の発電機は、航空機回路網に接続された場合に90kVAの電力で115Vacの交流電圧(Vac2)を送ることができ、またはタキシング回路網に接続された場合に(電圧または電力が調節される発電機として)230Vacの交流電圧(Vac1)および150kWの電力を送ることができる。
第2の発電機は、30kVAから40kVAの電力と、400ヘルツ(Hz)で115Vの電圧Vac1を送ることができる。したがって、地上での動作のための航空機内の電力は上述の先行技術で使用される電力よりはるかに小さい(先行技術における210kVAと比較すると、120kVAから130kVAである)。さらに、第2の発電機は低電力であるので、コンパクトであり、APUの出力シャフトによって第1の発電機と共に駆動可能である。
さらに、本発明は、上述の装置を使用して地上の航空機に電力を供給する方法であって、第1の発電機によってタキシング回路網に電力を供給し、第2の発電機を使用して航空機回路網に電力を供給するステップと、タキシング機能が使用されていない時に第1の発電機を使用して航空機回路網に電力を供給し、その際に第2の発電機は使用されないステップとを含むことを特徴とする方法に関する。
有利には、第1の発電機は、巻線形回転子励磁による3段式同期発電機であり、この発電機の励磁は、電圧Vac1発生器と電圧Vac2発生器との間で切り替えるために、または電力Pの発電機と電圧Vac2発生器との間で切り替えるために、電子制御式電力ユニットによって制御される。
非限定的な例として添付図面を参照しながら詳述される以下の説明を読めば、本発明をより十分に理解することができ、本発明の他の特徴、詳細、および利点がより明らかになるであろう。
航空機の先行技術の電力供給装置の図である。 航空機の先行技術の電力供給装置の図である。 航空機の本発明の電力供給装置の図である。 タキシング機能が使用されていない時のGNTPCUの接触器の図である。 本発明の巻線形回転子励磁による3段式同期発電機の図である。 本発明の電力供給装置の変形形態を示した図である。 本発明の電力供給装置の変形形態を示した図である。
最初に、図1を参照しながら説明する。図1は、航空機回路網12に電気を供給し、特に、航空機のコックピットおよび客室内の機器に電力を供給し、かつ電気的タキシング回路網14に電力を供給するための先行技術の装置10を有する航空機の図である。
それぞれの回路網12、14は、補助動力ユニット(以降では、APUとする)20によって駆動されるそれぞれの発電機16、18によって電力が供給される。
APU20は、航空機の機体の後方に位置し、発電機16、18の回転子を駆動するための出力シャフト(図示せず)を有する。APU20には、バッテリおよびAPUの始動を制御するための手段に接続される独立型始動機(図示せず)が取り付けられる。
発電機16は、90kVAの電力を有し、115Vの交流電圧Vac2を回路網12に送る。回路網12は、図1では、電気ハーネス24によって発電機16に接続された主配電ユニット22として示されている。
発電機18は、120kVAの電力を有し、230Vの交流電圧Vac1をタキシング回路網14に送る。回路網14は、4つのモータ(M)26で示されており、モータ(M)26は、整流器30によって発電機18に接続される電子モータ制御ユニット(MCU)28に接続される。発電機18からの出力は、接続/切断手段32によってタキシング回路網14に接続される。接続/切断手段32は、タキシング機能が必要でない時、例えば、航空機が飛行中に、発電機をタキシング回路網14から分離する役割をする。
この電気構造は、上述したように、主に、発電機16、18の比較的高い電力(それぞれ90kVAおよび120kVA)、発電機16、18の重量、および発電機16、18が占めるスペースによる欠点を有する。
図2は、航空機回路網112およびタキシング回路網114に電力を供給するための別の先行技術の装置110が取り付けられた航空機の図である。
回路網112、114は、APU120によって駆動される共通の発電機116によって電力が供給される。
発電機116からの出力は、接続/切断手段132によって回路網112、114に接続され、発電機116はこれらの回路網に115Vの交流電圧Vac2を送る。
タキシング回路網114の電子制御式電力ユニット(MCU)128は、エネルギーを変換するための自動変圧整流ユニット(ATRU)モジュールを含み、該モジュールは、発電機116によって送られた電圧レベルを上昇させる働きをする。
この図2の電気構造も、主に、ATRUモジュールが電子制御式電力ユニット(MCU)128の重量を大幅に増加させてしまうということ、さらにタキシング回路網114が(ATA24タイプの)航空機12の回路網112に適用できる認証基準の全てを満たす必要があるということから欠点を有する。
本発明は、2つの発電機(そのうちの1つは、「ハイブリッド型」で、選択的にいずれかの回路網に電力を供給することができる)を使用してタキシング回路網および航空機専用の回路網に電力を供給することにより、先行技術の欠点の少なくともいくつかを克服することができる。
図3は、本発明の好適な実施形態の装置210を示した図である。装置210において、航空機の機体の後方に位置するAPU220は、2つの独立した発電機216、218の回転子を駆動する。
発電機216からの出力は、接続/切断手段232によって航空機回路網の主配電ユニット222の入力に接続され、ユニット222の出力(複数可)は、例えば、コックピット内の機器および航空機機体の種々のコンパートメントに接続される。ユニット222、手段232、および発電機216それぞれの間の電気接続は、電気ハーネス224によって確立される。
発電機216は、30kVAから40kVAの電力を有し、例えば、115V、400Hzで交流電圧Vac2を航空機回路網212に送る。
発電機218からの出力は、接続/切断手段232によってタキシング回路網の整流器230の入力に接続され、整流器230からの出力は、航空機の主着陸装置の車輪を駆動するためのモータ226に電力を供給する電子制御式電力ユニット(MCU)228の入力に接続される。これらのモータ226は4つにしてもよい。
図示されている例では、発電機216、218を回路網212、214に接続/切断するための手段232は、発電機218とタキシング回路網214との間の電気接続、発電機218と航空機回路網212との間の電気接続、および発電機216と航空機回路網212との間の電気接続を確立するのに適した接触器などを有する共通のグリーンタキシング電力制御ユニット(GNTPCU)で形成される。GNTPCUは、接触器を使用して航空機の電気構造を管理する働きをし、後述するように、発電機218の励磁を制御するために少なくとも1つの発電機制御ユニット(GCU)タイプのカードをさらに含む。
発電機218は、約90kVAの電力を有し、例えば、タキシング回路網214および航空機回路網212に電力を供給するのに適している。
タキシング機能が使用されていない時には、発電機218からの出力は、手段232によって航空機回路網212に接続され、発電機218は航空機回路網212に、例えば、400Hzで115Vの交流電圧Vac2を送る。発電機218からの出力は、手段232によってタキシング回路網214から切断される。発電機216からの出力も同様に、手段232によって回路網212から切断されてもよい。この時、GNTPCUの接触器は、図3に示されている位置にある。
タキシング機能を使用する必要がある時には、発電機216からの出力は、手段232によって航空機回路網212に接続され、発電機216が航空機回路網212に、交流電圧Vac2(例えば、400Hzで115V)を送る。発電機218からの出力は、手段232によってタキシング回路網214に接続され、発電機218がタキシング回路網214に、交流電圧Vac1(例えば、400Hzで230V)か、電力P(例えば、230Vで150kW)を送る。この時、GNTPCUの接触器は、図3aに示されている位置にある。
整流器230は、AC/DC型の整流器であり、交流電圧Vac1を直流電圧Vdc1に変換する働きをする。MCU228は、接触器または少なくとも1つのエネルギー変換器を有してもよく、それぞれ1つまたは複数のインバータを含む。有利には、インバータは、発電機218が電気または電力をタキシング回路網214に送っている時に、電気切り替えモードでのみ動作する。
発電機216は、APU220を始動させるためにエネルギーが加えられた時に「モータ」モードで使用可能である始動機/発電機(S/G)であるのが好ましい。このことにより、先行技術では単にAPUを始動させるものであった始動機を省略することができる。低電力発電機216は、元の始動機の代わりにAPU220に取り付けられるので、APU220の出力シャフトに発電機218を設置する際に邪魔になることはない。
変形形態では、APU220の始動に使用されるのは、発電機218である。2つの電圧Vac1およびVac2、または電圧Vac2および電力Pを選択的に送るのに適した発電機218は、有利には、巻線形回転子励磁による3段式同期発電機である。その動作原理を図4に示す。
発電機218は、巻線形主固定子252内部でAPUの出力シャフト248によって駆動される巻線形主回転子250を備える。発電機218は、3段式(3つの回転子/固定子アセンブリ)の発電機であり、主回転子250および主固定子252を含むアセンブリの他に、永久磁石の回転子254と固定子256、および励磁器の回転子258と固定子260をさらに備え、永久磁石回転子254と励磁器の回転子258は、APUの出力シャフト248に固定される。
励磁器の回転子258からの出力は、ダイオード整流器262の入力に接続され、ダイオード整流器262は、シャフト248に固定され、主回転子250の入力に接続される出力を有する。
励磁器の固定子260の入力と永久磁石固定子256の出力は、発電機218の電流または電圧を調整して過負荷の場合に発電機218を保護する少なくとも1つのGCUカードを含む調整制御手段264に接続される。これらの手段264は、主固定子252からの出力にも接続され、航空機の回路網212、214に送られた電圧または電流を検出する手段を含む。調整制御手段264は、GNTPCU内に収容されてもよい。
したがって、発電機218は、次のように動作することができる。
APU220の出力シャフト248は、所定の速度で発電機218の主回転子250を駆動する。調整制御手段264は、励磁器の回転子258に電流を誘導する磁界を生成するように励磁器の固定子260への電力供給を調整し、この電流は回転子258を出て、主回転子250に電力を供給する前に整流器262によって整流されて、発電機の第3段目の主固定子252内に所定の電圧または電流を誘導する。永久磁石の回転子254および固定子256は、特に、調整制御手段264にシャフト248の回転速度に関する情報を伝える働きをする。
主回転子250は、上述の回路網212、214の一方または他方に電力を供給するための主固定子252内に電流または電圧を誘導する。調整制御手段264は、特に、タキシング回路網御に電力を供給するために、発電機218が実質的に一定または場合によっては可変の規定電圧(Vac1またはVac2)を送り、電圧発生器となるように、または実質的に一定の電流または電力を送り、特に、タキシング回路網に電力を供給するための電流発生器/発電機となるように、発電機218からの出力で検出された電圧または電流に応じて発電機218の励磁を制御する。
発電機218の励磁変化により、(電圧Vac2(例えば、115V)によって回路網212に電力を供給するために)電圧Vac2を調整するモードから(電力P(例えば、150kW)によって回路網214に電力を供給するために)電力Pを調整するモードに変えることができる、または(電圧Vac2(例えば、115V)によって回路網212に電力を供給するために)電圧Vac2を調整するモードから(電圧Vac1(例えば、230V)によって回路網214に電力を供給するために)電圧Vac1を調整するモードに変えることができる。
発電機218は、航空機回路網に接続された時に、115Vacの電圧および90kVAの電力を送り、タキシング回路網に接続された時に、150kWの電力を送るのが好ましい。
図5の変形形態では、スタータボックスユニット(SBU)タイプの電子制御式電力ユニット270がユニット222と並列にハーネス224に接続される。このユニット270は、始動機/発電機216または218を介してAPU220の始動を制御するのに使用される。このような状況で、GNTPCUの接触器(手段232)を制御する方法は、それに応じて変えてもよい。
図6の変形形態は、MCUの代わりにモータ始動制御ユニット(MSCU)またはモータ始動ユニット(MSU)272が使用されている点が図4の形態とは異なる。MSU272は、始動機/発電機216または218を使用してAPU220の始動を制御するために、GNTPCUのパワーエレクトロニクス機器のいくつかを組み込む。
本発明で使用されるAPUを始動させるための電気システムは、本願出願人による国際公開第2010/079308号に記載されているタイプにしてよい。
さらに別の変形形態(図示せず)では、タキシング回路網のモータ(M)226の数は、4個ではなく、例えば、2個である。

Claims (9)

  1. 補助動力ユニット(220)によって駆動される2つの発電機(216、218)、つまり、航空機の車輪を駆動するための電気モータ(226)を含む電気的タキシング回路網(214)に電力を供給する第1の発電機と、航空機電気回路網(212)に電力を供給する第2の発電機とを備える地上の航空機用の電力供給装置(210)であって、第1の発電機は、選択可能な接続/切断手段(232)によって航空機回路網およびタキシング回路網に接続され、航空機回路網に接続された場合に、航空機回路網に第1の交流電圧Vac2を送る、またはタキシング回路網に接続された場合に、より高い交流電圧Vac1または電力Pをタキシング回路網に送るのに適しており、さらに、第2の発電機は、接続/切断手段(232)によって航空機回路網に接続され、第1の発電機が航空機の電気的タキシング回路網に電力を供給している時のみ航空機回路網に第1の交流電圧Vac2を送ることを特徴とする、電力供給装置。
  2. 発電機(216、218)のうちの一方が、補助動力ユニット(220)を始動させるのに適した始動機/発電機であることを特徴とする、請求項1に記載の装置。
  3. 補助動力ユニット(220)の始動を制御するために始動機/発電機(216、218)に接続される電子制御式電力ユニット(228、270、272)を含むことを特徴とする、請求項2に記載の装置。
  4. 第1の発電機(218)が、巻線形回転子励磁による3段式同期発電機であることを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載の装置。
  5. 第1の発電機(218)が、航空機回路網に接続された場合に、400Hzで115Vacの電圧(Vac2)および電力90kVAを送ることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の装置。
  6. 第1の発電機(218)が、タキシング回路網に接続された場合に、150kWの電力を送ることを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載の装置。
  7. 第2の発電機(216)が、30kVAから40kVAの電力、および400Hzで115Vacの電圧Vac1を送ることを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載の装置。
  8. 請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の装置(210)を使用して地上の航空機に電力を供給する方法であって、第1の発電機(218)によってタキシング回路網(214)に電力を供給し、第2の発電機(216)を使用して航空機回路網(212)に電力を供給するステップと、タキシング機能が使用されていない時に第1の発電機(218)を使用して航空機回路網(212)に電力を供給し、その際に第2の発電機(216)は使用されないステップとを含むことを特徴とする、方法。
  9. 第1の発電機(218)が、巻線形回転子励磁による3段式同期発電機であり、この発電機の励磁は、電圧Vac1発生器と電圧Vac2発生器との間で切り替えるために、または電力Pの発電機と電圧Vac2発生器との間で切り替えるために電子制御式電力ユニット(232)によって制御されることを特徴とする、請求項8に記載の方法。
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