(57)【要約】      （修正有）【課題】航空機の電力システムをモデル化する方法を提供する。【解決手段】航空機の電力システムをモデル化する方法１００は、とりわけ、電力システムの電気的特性１１０、機械的特性１１２、熱的特性１１４、およびＥＭＩ特性１１６を識別するステップと、電気的特性のうちの少なくとも１つをモデル化するために、少なくとも１つの回路に基づくソルバ１２０を適用するステップと、残りの電気的特性１６６、機械的特性１６８、熱的特性１７０、およびＥＭＩ特性１７２をモデル化するために、回路に基づくソルバと同時に、リアルタイムで、場に基づくソルバを適用するステップとを含む。【選択図】図１
2014078227.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機の電力システムの高忠実度モデリングのための方法であって、
前記電力システムの電気的特性、機械的特性、熱的特性、および電磁妨害（ＥＭＩ）特性を識別するステップと、
前記電気的特性のうちの少なくとも１つをモデル化するために、少なくとも１つの回路に基づくソルバを適用するステップと、
残りの電気的特性、機械的特性、熱的特性、およびＥＭＩ特性をモデル化するために、前記回路に基づくソルバと同時に、リアルタイムで、場に基づくソルバを適用するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記場に基づくソルバが、有限要素法であり、
前記方法が、
有限要素システムのメッシュを開始するステップと、
前記電力システムの前記特性の状態を示す複数の方程式を表すために、行列を形成するステップと、
疎線形方程式ソルバによって前記行列を解決するステップと
を含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記有限要素法が、有限要素解析（ＦＥＡ）、有限差分解析（ＦＤＡ）、および有限境界解析（ＦＢＡ）のうちの少なくとも１つである、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記電気的特性のうちの前記少なくとも１つが、電力エレクトロニクスを含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
モデル化されるべき前記電力システムが、電気機械、変圧器、接点、および電力エレクトロニクスのうちの１つである、請求項１記載の方法。
【請求項６】
少なくとも１つの回路に基づくソルバを適用する前記ステップ、および場に基づくソルバを適用する前記ステップが、ＧＰＧＰＵベースのスーパーコンピューティングシステムで実施される、請求項１記載の方法。
【請求項７】
第１の回路に基づくソルバが、ＤＣ／ＡＣコンバータを表す、請求項１記載の方法。
【請求項８】
第１の回路に基づくソルバが、ＡＣ／ＡＣコンバータを表す、請求項１記載の方法。
【請求項９】
第２の回路に基づくソルバが、ＡＣ／ＤＣコンバータを表す、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
第２の回路に基づくソルバが、ＡＣ／ＡＣコンバータを表す、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記回路に基づくソルバおよび前記場に基づくソルバの出力をコレートするステップをさらに含む請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記出力に基づいて、前記電力システムを仮想的に設計するステップ、テストするステップ、資格認定するステップ、および／または検証するステップをさらに含む請求項１１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機の電力システムの高忠実度モデリングのための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
新しい航空機電力システムの設計、開発、および検証には、コストおよびリードタイムがますます要求されており、これは、これらのシステムが必要とする制御および保護に関連した、高まる複雑性および航空機の電気負荷に対する需要のためである。高まるコストおよびリードタイムによって、新しい航空機および旧来の航空機のアップグレードは、経済的により困難となる。結果として、航空機の設計、開発、および検証に対する従来の手法は、ますます実用的ではない解決策となっている。
【０００３】
現在の電力システム開発の従来の手法は、設計、モデリング、組み立て、テスト、および修正の多数の反復を必要とする。反復により、開発のコストおよび時間が拡大し、予算の超過およびスケジュールの遅れの原因となる。しばしば、設計モデルが設計の出力を正確に予測するのに十分な忠実度を欠いているために、多数の反復が必要となる。
【０００４】
ハードウェアインザループ（ＨＷＩＬ）法が、航空機のシステム、サブシステム、およびコンポーネントの設計および開発にますます使用されており、その理由は、この方法を使用して、システムにおけるサブシステムおよびコンポーネントを組み立てる必要なしに、それらの性能を予測することができるからである。しかしながら、この方法を有効にするためには、２つのことが必要である。１つは、ＨＷＩＬ法におけるモデルがリアルタイムでなければならないこと、もう１つは、モデルに十分な忠実度がなければならないことである。現在使用されている手法では、これらの２つの要件を同時に達成することができない。リアルタイムであるためには、モデルの忠実度および精度がしばしば犠牲となり、または、反対に、より高いモデルの忠実度および精度は、計算時間を代償として実現される。これらの兼ね合いが、ＨＷＩＬ法の有効性をかなり制限している。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の一態様は、航空機の電力システムをモデル化する方法に関する。方法は、電力システムの電気的特性、機械的特性、熱的特性、およびＥＭＩ特性を識別するステップと、電気的特性のうちの少なくとも１つをモデル化するために、少なくとも１つの回路に基づくソルバを適用するステップと、残りの電気的特性、機械的特性、熱的特性、およびＥＭＩ特性をモデル化するために、回路に基づくソルバと同時に、場に基づくソルバを適用するステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の実施形態による、場および回路のハイブリッドな組み合わせのモデリング方法のブロック図である。
【図２】本発明のモデリング方法を実装することができる、先行技術のＧＰＧＰＵベースのハードウェアアーキテクチャの図である。
【図３】本発明の実施形態によるリアルタイム高忠実度シミュレーションでモデル化される、ガスタービンエンジンのための電力システムアーキテクチャの概略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
背景技術および以下の記述では、説明目的として、本明細書で説明する技術の完全な理解をもたらすために、多くの具体的な詳細が述べられる。しかしながら、これらの具体的な詳細がなくとも、例示的な実施形態を実践できることが、当業者には明らかであろう。他の例では、例示的な実施形態の説明を容易するために、構造およびデバイスが、図の形式で示される。
【０００８】
図面を参照して、例示的な実施形態を説明する。これらの図面は、本明細書で説明するモジュール、方法、またはコンピュータプログラム製品を実装する具体的な実施形態の特定の詳細を図示している。しかしながら、図面は、図面において提示されることがあるいかなる限定をも課すものとして解釈されるべきでない。方法およびコンピュータプログラム製品は、その動作を実現するために、任意の機械可読媒体上で提供されてよい。実施形態は、既存のコンピュータプロセッサを使用して、または本目的もしくは別の目的のために組み込まれた特殊目的コンピュータプロセッサによって、あるいはハードワイヤードシステムによって、実装されてよい。
【０００９】
上で述べたように、本明細書で説明する実施形態は、コンピュータプログラム製品を含むことができ、コンピュータプログラム製品は、機械実行可能命令またはデータ構造を保持する、または記憶しておくための機械可読媒体を含む。そのような機械可読媒体は、汎用コンピュータもしくは特殊目的コンピュータ、またはプロセッサを備えた他の機械がアクセスすることができる、任意の利用可能な媒体であってよい。例として、そのような機械可読媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭもしくは他の光学ディスクストレージ、磁気ディスクストレージもしくは他の磁気ストレージデバイス、または任意の他の媒体を含むことができ、これらは、所望のプログラムコードを機械実行可能命令またはデータ構造の形式で、保持する、または記憶するために使用されてよく、汎用コンピュータもしくは特殊目的コンピュータ、またはプロセッサを備えた他の機械によってアクセスされてよい。ネットワークまたは別の通信接続（ハードワイヤード、ワイヤレス、またはハードワイヤードとワイヤレスとの組み合わせのいずれか）上で、情報が機械に伝達される、または提供されるとき、機械は、その接続を機械可読媒体として適切に見る。したがって、任意のそのような接続は、機械可読媒体と適切に呼ばれる。上記の組み合わせもまた、機械可読媒体の範囲内に含まれる。機械実行可能命令は、たとえば、命令およびデータを含み、命令およびデータは、汎用コンピュータ、特殊目的コンピュータ、または特殊目的処理機械に、特定の機能もしくは機能のグループを実施させる。
【００１０】
実施形態は、方法ステップの一般的なコンテキストにおいて説明されることになり、方法ステップは、一実施形態において、たとえば、ネットワーク化された環境における機械によって実行されるプログラムモジュールの形式でのプログラムコードなどの、機械実行可能命令を含むプログラム製品によって実装されてよい。一般に、プログラムモジュールは、特定のタスクを実施する、または特定の抽象データ型を実装する技術的効果を有する、ルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造などを含む。機械実行可能命令、関連したデータ構造、およびプログラムモジュールは、本明細書で開示する方法のステップを実行するためのプログラムコードの例を表す。そのような実行可能命令または関連したデータ構造の特定のシーケンスは、そのようなステップで説明する機能を実装するための対応する作用の例を表す。
【００１１】
実施形態は、プロセッサを有する１つまたは複数のリモートコンピュータへの論理的な接続を使用して、ネットワーク化された環境において実践されてよい。論理的な接続は、ここでは限定ではなく例として提示される、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）およびワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）を含むことができる。そのようなネットワーキング環境は、オフィス規模または企業規模のコンピュータネットワーク、イントラネット、およびインターネットにおいてごく一般的であり、幅広く異なった通信プロトコルを使用することができる。そのようなネットワークコンピューティング環境は、通常、パーソナルコンピュータ、ハンドヘルドデバイス、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサベースの、またはプログラマブルなコンシューマエレクトロニクス、ネットワークＰＣ、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータなどを含む、多くのタイプのコンピュータシステム構成を包含することを、当業者であれば認識するであろう。
【００１２】
実施形態はまた、ローカルな処理デバイスによって、および通信ネットワークを介して（ハードワイヤードリンク、ワイヤレスリンクによって、またはハードワイヤードとワイヤレスリンクとの組み合わせのいずれかによって）リンクされたリモートな処理デバイスによってタスクが実施される、分散コンピューティング環境において実践されてよい。分散コンピューティング環境において、プログラムモジュールは、ローカルおよびリモートの両方のメモリストレージデバイスに位置することができる。
【００１３】
例示的な実施形態の全体または一部を実装するための例示的なシステムは、処理ユニット、システムメモリ、およびシステムメモリを含んださまざまなシステムコンポーネントを処理ユニットに結合するシステムバスを含む、コンピュータ形式での汎用コンピューティングデバイスを含むことができる。システムメモリは、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を含むことができる。コンピュータはまた、磁気ハードディスクから読み出して、そこに書き込むための磁気ハードディスクドライブ、リムーバブル磁気ディスクから読み出して、またはそこに書き込むための磁気ディスクドライブ、およびＣＤ−ＲＯＭもしくは他の光学媒体などのリムーバブル光学ディスクから読み出し、またはそこに書き込むための光学ディスクドライブを含むことができる。ドライブ、およびそれらの関連した機械可読媒体は、機械実行可能命令、データ構造、プログラムモジュール、および他のデータの不揮発性ストレージを、コンピュータに提供する。
【００１４】
実施形態において開示する方法の技術的効果は、航空機電力システムの設計、組み立て、およびテストの段階において使用されることになる、誤差１〜３％未満での高忠実度予測を可能にするリアルタイムモデルを含む。そのような高忠実度によるリアルタイムモデリングは、初回品および初回製品単位のために必要な、迅速な資格認定および検証もさらに可能にする。
【００１５】
航空機電力システムは、電気機械、変圧器、接点、電力エレクトロニクスなどからなる。通常、システムのモデリングは、各回路要素内部で生じるようなすべての電磁現象をモデル化することによって電場および磁場の影響を無視する回路手法に、もっぱら基づいてきた。この手法では、電流および電圧などの回路変数のみが計算される。しかしながら、実際には、航空機電力システムの機械および変圧器ならびに類似した要素を表す支配方程式は、回路に基づくのではなく、むしろ場に基づいている。たとえば、電力システムの解析において、電場および磁場の結合によって誘発される放射線の影響を考慮するために、マクスウェルの方程式を解決する必要がある。マクスウェルの方程式は、ＥＭ場を、電流および電荷分布ならびにシステムの材料特性に関連付ける一組の結合偏微分方程式である。場の問題を解決するために知られる数多くの方法は、有限要素解析（ＦＥＡ）、有限差分解析（ＦＤＡ）、有限境界解析（ＦＢＡ）、モーメント法（ＭｏＭ）などを含む。方程式は、磁気、機械、熱、および電磁妨害（ＥＭＩ）の現象学などの、実世界の物理的特性をモデル化する。
【００１６】
その複雑性のために、支配偏微分方程式は、通常、合理的な時間内で利用可能なコンピューティングリソースによって解決できる必要のある、一組の回路に基づく方程式に簡略化され、近似される。近似式は、モデリング計算に大きな誤差を持ち込むことがあり、組み立てられ、テストされる最終ハードウェアピースのパラメータおよび性能に、予測を不正確に反映させる。近似誤差のために、設計および開発は、多数の反復を必要とし、コストの上昇とスケジュールの遅れをもたらす。
【００１７】
図１は、先に概説した問題を未然に防ぐ、本発明の実施形態による、場および回路のハイブリッドな組み合わせのモデリング方法のブロック図である。航空機の電力システムをモデル化する方法１００は、最初に、電気的特性１１０、機械的特性１１２、熱的特性１１４、および電磁妨害（ＥＭＩ）特性１１６などの、特性を識別する必要がある。実装形態に応じて、他の特性が識別され、モデリングシステムに統合されてもよい。特性１１０、１１２、１１４、１１６は、モデルに対する最初のプロセスであり、１１８で、プロセッサに入力される。
【００１８】
航空機電力システムの電力エレクトロニクスのモデリングのために、プロセッサは、電気的特性のうちのいくつかをモデル化するために、１２０で、電力エレクトロニクス回路ソルバなどの回路に基づくソルバを適用することができる。１２０での電力エレクトロニクス回路ソルバは、ＤＣ／ＡＣコンバータまたはＡＣ／ＡＣコンバータをモデル化することができる、回路に基づくソルバである。電力エレクトロニクス回路ソルバの結果としての解は、航空機電力システムの電力エレクトロニクスについての動作上の値および特性を表す一組の電流および電圧となる。電力エレクトロニクス回路ソルバによってモデル化されてよい航空機電力システムの要素は、電気機械、変圧器、接点、および電力エレクトロニクスを含む。実装形態に応じて、他の電気デバイスがこのやり方でモデル化されてもよい。
【００１９】
限定はしないが、さらなる電気的特性、機械的特性、熱的特性、およびＥＭＩ特性を含む残りの特性が、同時に、場に基づく手法によりモデル化される。本発明の実施形態によれば、ステップ１２０からの電圧値および電流値により、電気的特性をさらに改善することができる。場に基づくソルバは、少なくとも３つの別個の計算ステップを有する有限要素法である。ステップは、ステップ１２２、１３２、１３４、１３６、および１３８などの有限要素システムのメッシュを開始するステップ、ステップ１２４、１４０、１４４、１４８、および１５２などの有限要素システムの状態特性を表すために、行列を形成するステップ、ならびにステップ１２６、１４２、１４６、１５０、および１５４などの線形方程式ソルバを含む。場に基づくソルバは、有限要素解析（ＦＥＡ）、有限差分解析（ＦＤＡ）、または有限境界解析（ＦＢＡ）などのよく知られた有限要素法のいずれかであってよい。実装形態に応じて、他の方法が使用されてもよい。
【００２０】
プロセッサは、ステップ１２２、１３２、１３４、１３６、および１３８などで、有限要素システムのメッシュを形成することによって、有限要素法を開始することができる。メッシュは、モデル化される構造の表面を離散化する一連の節点である。通常、節点の密度は、モデル化される構造またはプロセスのローカルな複雑性に左右される。動的に、または大きく可変することが知られる範囲は、より節点が密集している。
【００２１】
開始したメッシュに基づいて、ステップ１２４、１４０、１４４、１４８、および１５２などで、行列が形成される。行列は、有限要素システムの特性の状態を示す複数の方程式を表す。航空機電力システムのモデリングでは、特性は、１１８で、最初にプロセッサに入力される、電気的特性１１０、機械的特性１１２、熱的特性１１４、およびＥＭＩ特性１１６であってよい。メッシュのあらゆる節点が、節点における所望の特性の状態を表す一組の場の方程式によってモデル化される。各節点において、一組の場の方程式は、いくつかの限定された隣接する節点の組に依存するように形成され、有限要素システムの特性の疎行列表現を形成する。
【００２２】
プロセッサは次いで、ステップ１２６、１４２、１４６、１５０、および１５４などで、疎線形方程式ソルバによって行列を解決することができる。疎線形方程式ソルバは、行列を更新し、解決して、有限要素システムの各節点の場に基づく特性の推定値を形成することができる。プロセッサは、ステップ１２８、１５６、１５８、１６０、および１６２などで、後処理を実装して、結果としての解を、さらなるモデリングの取り組みに統合することができる使用可能な値または表示可能な値に、フォーマットすることができる。
【００２３】
図１に示すように、本発明の実施形態によれば、電気機械または変圧器などの航空機電力システムのための電磁デバイスについて、５つの場の問題が存在する。場の問題および結果としてのソルバは、航空機電力システムのモデリングに重要な、電気的特性、機械応力特性、熱的特性、ＥＭＩ特性、および機械力学特性を表す。５つの場の問題のそれぞれは、本発明の方法１００の独立した経路において解決される。
【００２４】
プロセッサは、ステップ１２０で電力エレクトロニクス回路ソルバにおいて計算された電圧値および電流値に部分的に基づいて、ステップ１２２で、有限要素システムのメッシュを開始することによって、電気的特性をモデル化する。プロセッサは次いで、ステップ１２４で、航空機電力システムの電気的特性の状態を表すために、行列を形成する。プロセッサは次いで、ステップ１２６で、場に基づく電気的特性についての行列を更新し、解決する。プロセッサは、ステップ１２８で、データを後処理して、結果としての出力をフォーマットする。プロセッサは次いで、ステップ１３０で、追加の回路に基づくソルバを実装して、場に基づく電気的特性に基づいた電力エレクトロニクスの一組の電圧および電流を計算することができる。１３０での電力エレクトロニクス回路ソルバは、ＡＣ／ＤＣコンバータまたはＡＣ／ＡＣコンバータをモデル化することができる回路に基づくソルバである。
【００２５】
プロセッサは、ステップ１３０で電力エレクトロニクス回路ソルバにおいて計算された電圧値および電流値、ならびにステップ１１８で入力された、モデル化されるシステムの最初の特性に部分的に基づいて、ステップ１３２で、有限要素システムのメッシュを開始することによって、機械応力特性をモデル化する。プロセッサは次いで、ステップ１４０で、航空機電力システムの機械応力特性の状態を表すために、行列を形成する。プロセッサは次いで、ステップ１４２で、場に基づく機械応力特性についての行列を更新し、解決する。プロセッサは、ステップ１５６で、データを後処理して、結果としての出力をフォーマットする。
【００２６】
機械応力特性のモデリングと同時に、プロセッサは、ステップ１３０で電力エレクトロニクス回路ソルバにおいて計算された電圧値および電流値、ならびにステップ１１８で入力された、モデル化されるシステムの最初の特性に部分的に基づいて、ステップ１３４で、有限要素システムのメッシュを開始することによって、熱的特性をモデル化する。プロセッサは次いで、ステップ１４４で、航空機電力システムの熱的特性の状態を表すために、行列を形成する。プロセッサは次いで、ステップ１４６で、場に基づく熱的特性についての行列を更新し、解決する。プロセッサは、ステップ１５８で、データを後処理して、結果としての出力をフォーマットする。
【００２７】
機械応力特性および熱的特性のモデリングと同時に、プロセッサは、ステップ１３０で電力エレクトロニクス回路ソルバにおいて計算された電圧値および電流値、ならびにステップ１１８で入力された、モデル化されるシステムの最初の特性に部分的に基づいて、ステップ１３６で、有限要素システムのメッシュを開始することによって、ＥＭＩ特性をモデル化する。プロセッサは次いで、ステップ１４８で、航空機電力システムのＥＭＩ特性の状態を表すために、行列を形成する。プロセッサは次いで、ステップ１５０で、場に基づくＥＭＩ特性についての行列を更新し、解決する。プロセッサは、ステップ１６０で、データを後処理して、結果としての出力をフォーマットする。
【００２８】
機械応力特性、熱的特性、およびＥＭＩ特性のモデリングと同時に、プロセッサは、ステップ１３０で電力エレクトロニクス回路ソルバにおいて計算された電圧値および電流値、ならびにステップ１１８で入力された、モデル化されるシステムの最初の特性に部分的に基づいて、ステップ１３８で、有限要素システムのメッシュを開始することによって、機械力学特性をモデル化する。プロセッサは次いで、ステップ１５２で、航空機電力システムの機械力学特性の状態を表すために、行列を形成する。プロセッサは次いで、ステップ１５４で、場に基づく機械力学特性についての行列を更新し、解決する。プロセッサは、ステップ１６２で、データを後処理して、結果としての出力をフォーマットする。
【００２９】
プロセッサは、ステップ１６４で、システム特性のそれぞれについて後処理したデータから、回路に基づくソルバおよび場に基づくソルバの出力をコレートして、結果としてのシステムの最終モデルを形成する。電気的特性１６６、機械的特性１６８、熱的特性１７０、およびＥＭＩ特性１７２のモデル化された推定値は、本発明の実施形態によるモデル化する方法に基づいて、モデル化された航空機電力システムの正確な表現を提供する。本発明の方法の高忠実度のリアルタイムな出力に基づいて、電力システムを仮想的に設計すること、テストすること、資格認定すること、および／または検証することなどのさらなる措置が可能になる。
【００３０】
本発明の一実施形態において、モデリング方法は、汎用グラフィック処理ユニット（ＧＰＧＰＵ）ベースのスーパーコンピューティングクラスタ２００で実装される。図２は、リモートでアクセスされてよい、そのようなクラスタの例を示す。クラスタの各ノード２１０、２１２、２１４は、たとえば、１ＭＢのＬ２キャッシュおよび１ＧＨｚのハイパートランスポートリンクを含む２つの２．４ＧＨｚ  ＡＭＤオプテロンデュアルコア２２１６プロセッサ２１６、ならびに８ＧＢ（４×２ＧＢ）のＤＤＲ２−６６７メモリ２２４を備えたＨＰ  ｗｘ９４００ワークステーションであってよい。各ノード２１０、２１２、２１４は、２つのＰＣＩｅ  Ｇｅｎ１×１６スロット２１８、２２０、および１つのＰＣＩｅ×８スロット２２６を有する。２×１６スロット２１８、２２０は、単一のＴｅｓｌａ  Ｓ１０７０コンピューティングシステム（４つのＧＰＧＰＵ）２２２に接続するために使用され、×８スロット２２６は、ＩｎｆｉｎｉＢａｎｄ  ＱＤＲ  アダプタ  ２２８に接続するために使用される。
【００３１】
そのようなＧＰＧＰＵベースのスーパーコンピューティングクラスタ２００の利点は、図１に示すような大きな場に基づいたソルバが、多数のＧＰＧＰＵに分散されて、高速並列処理を実施できることである。行列形成および大きな疎線形方程式解決の両方が、適切なアルゴリズムにより多数のＧＰＧＰＵに分散されて、同時に計算される。本発明の方法によれば、機能上、計算の複雑性の観点から、３つの別個の処理のグループが存在する。第１の最も小さなグループは、エレクトロニクスおよび電力エレクトロニクスのために使用される、ステップ１２０および１３０の回路に基づくソルバである。第２のグループは、ステップ１２２、１３２、１３４、１３６、および１３８などでメッシュを初期設定し、ステップ１２４、１４０、１４４、１４８、および１５２などで行列形成を処理、更新し、ステップ１２８、１５６、１５８、１６０、および１６２などで結果を後処理することになる。第３の最も大きなグループは、ステップ１２６、１４２、１４６、１５０、および１５４などで疎線形方程式を解決することになる。
【００３２】
図３は、本発明の実施形態によるリアルタイム高忠実度シミュレーションでモデル化される、ガスタービンエンジンのための電力システムアーキテクチャ４０の概略ブロック図である。最新のガスタービンエンジンのシステムアーキテクチャ４０の複雑性は、図１に示すモデリングの方法、および方法の計算のためのＧＰＧＰＵベースのスーパーコンピューティングクラスタの必要性を、コンテキストの中で捉えるのに役立つ。システムアーキテクチャ４０は、本明細書では少なくとも左エンジンシステム４２および右エンジンシステム４４を含むように示す、多数のエンジンシステムを含む。左エンジンシステム４２および右エンジンシステム４４は、実質的に同一であってよい。したがって、簡潔にするために、左エンジンシステム４２のみを詳細に説明することにする。左エンジンシステム４２は、ガスタービンエンジンのＨＰスプール２６およびＬＰスプール２８を含むことができるが、システムアーキテクチャ４０は、他のエンジンにもまた適用される。本明細書で示す左エンジンシステム４２は、２つのスプール、すなわち、ＨＰスプール２６およびＬＰスプール２８によって提供される機械力を使用する。システムアーキテクチャ４０は、航空機の補助電力ユニット（ＡＰＵ）４６と、外部電源（ＥＰＳ）４８とをさらに含むことができる。本明細書で示すように、ＡＰＵ４６およびＥＰＳ４８の各々は、ＤＣ出力５０、５２をそれぞれ有する。
【００３３】
例示的なシステムアーキテクチャ４０において、左エンジンシステム４２は、第１の単巻変圧器ユニット（ＡＴＵ）統合ジェネレータ５６と、第２のＡＴＵ統合ジェネレータ５８とを含み、第１のＡＴＵジェネレータ５６は、本明細書ではＡＴＵ統合スタータジェネレータ５６として示され、ＨＰスプール２６によって供給される機械力から可変周波数（ＶＦ）ＡＣ電力を生成するように構成されており、第２のＡＴＵ統合ジェネレータ５８は、ＬＰスプール２８によって供給される機械力から一定周波数（ＣＦ）ＡＣ電力を生成するように構成されている。
【００３４】
ＡＴＵ統合スタータジェネレータ５６は、電力発生部６０と、ＡＴＵ部６２とを含む。ＡＴＵ部６２は、電力発生部６０の電気巻線での電力変換のために必要な電気巻線のいくつかを統合することによって、電力発生部６０に統合される。
【００３５】
ＨＰスプール２６に機械的に結合した入力、および電力発生部６０に機械的に結合した出力を有するＨＰ駆動アセンブリによって、ＨＰスプール２６を、ＡＴＵ統合スタータジェネレータ５６に動作可能に結合することができる。ＡＴＵ統合スタータジェネレータ５６は、アクセサリギアボックス６４に取り付けられ、結合されてよい。アクセサリギアボックス６４内で、電力はまた、他のエンジンアクセサリに伝達されてよい。ＡＴＵ統合スタータジェネレータ５６の電力発生部６０は、ＨＰスプール２６によって供給された機械力を電力にコンバートし、３つの位相出力を有する電力供給６６を生成する。ＡＴＵ統合スタータジェネレータ５６のＡＴＵ部６２は、電力供給６６の３つの位相出力を９つの位相電力出力６８に変換すると共に、電力供給の電圧を上げるように機能する。
【００３６】
ＡＴＵ統合スタータジェネレータ５６はまた、航空機に始動機能を提供する。あるいは、左エンジンシステム４２のＨＰ側のＡＴＵ統合ジェネレータ５６は、航空機に始動機能を提供しないジェネレータを含んでもよい。この場合、アクセサリギアボックス６４に接続された別個のスタータモータが、航空機のための始動機能を実施するように提供されてもよい。さらに、左エンジンシステム４２は、ある程度の冗長性を提供するための電力を生成するように、ＨＰスプール２６から機械力を引き出す多数のジェネレータを含むことができる。
【００３７】
ＡＴＵ統合ジェネレータ５８は、電力発生部７０と、ＡＴＵ部７２とを含む。ＬＰスプール２８に機械的に結合した入力、および電力発生部７０に機械的に結合した出力を有するＬＰ駆動アセンブリによって、ＬＰスプール２８を、ＡＴＵ統合ジェネレータ５８に動作可能に結合することができる。定速駆動部（ＣＳＤ）７４が、ＡＴＵ統合ジェネレータ５８に機械的に結合されてよく、定速で電力発生部７０を駆動する。ＡＴＵ統合ジェネレータ５８の電力発生部７０は、ＬＰスプール２８によって供給される機械力を電力にコンバートし、３つの位相出力を有する電力供給７６を生成する。ＡＴＵ統合ジェネレータ５８のＡＴＵ部７２は、電力供給７６の３つの位相出力を９つの位相電力出力７８に変換すると共に、電力供給の電圧を上げるように機能する。ＣＳＤにより、電力供給６６、７６は、一定周波数を有することになる。
【００３８】
本発明の方法と従来のモデリング手法との重要な区別は、高忠実度モデルを、リアルタイムで実装できることである。コンピューティング能力におけるすさまじい進歩、すなわち、マルチコアマイクロプロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）プロセッサ、グラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）、および汎用ＧＰＵ（ＧＰＧＰＵ）ベースのスーパーコンピューティングクラスタのコンピューティング速度により、今やパラダイムシフトが生じ、ユーザを回路近似から場の計算へと移行させることが可能である。
【００３９】
この書面による説明は、例を使用して、ベストモードを含む本発明を開示し、あらゆる当業者が、任意のデバイスまたはシステムを作成し、使用し、任意の組み込まれた方法を実施することを含んで、本発明を実践することもまた可能にする。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思いつく他の例を含むことができる。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの言語と異ならない構造的要素を有する場合、または、それらが特許請求の範囲の文字通りの言語とわずかな違いを伴う均等な構造的要素を含む場合に、特許請求の範囲内であることを意図する。
【符号の説明】
【００４０】
２６  ＨＰスプール
２８  ＬＰスプール
４０  ガスタービンエンジンのシステムアーキテクチャ
４２  左エンジンシステム
４４  右エンジンシステム
４６  航空機の補助電力ユニット（ＡＰＵ）
４８  外部電源（ＥＰＳ）
５０  ＡＰＵのＤＣ出力
５２  ＡＰＵのＤＣ出力
５６  第１の単巻変圧器ユニット（ＡＴＵ）統合ジェネレータ
５８  第２のＡＴＵ統合ジェネレータ
６０  電力発生部
６２  ＡＴＵ部
６４  アクセサリギアボックス
６６  ３つの位相出力を有する電力供給
６８  ９つの位相電力出力
７０  電力発生部
７２  ＡＴＵ部
７４  定速駆動部（ＣＳＤ）
７６  ３つの位相出力を有する電力供給
７８  ９つの位相電力出力
１００  航空機電力システムをモデル化する方法
１１０  入力電気的特性
１１２  入力機械的特性
１１４  入力熱的特性
１１６  入力ＥＭＩ特性
１１８  入力プロセス
１２０  第１の電力エレクトロニクス回路ソルバ
１２２、１３２、１３４、１３６、１３８  メッシュ初期設定
１２４、１４０、１４４、１４８、１５２  行列の形成および更新
１２６、１４２、１４６、１５０、１５４  疎線形方程式ソルバ
１２８、１５６、１５８、１６０、１６２  後処理
１３０  第２の電力エレクトロニクス回路ソルバ
１６４  マージされた出力プロセス
１６６  出力電気的特性
１６８  出力機械的特性
１７０  出力熱的特性
１７２  出力ＥＭＩ特性
２００  ＧＰＧＰＵベースのスーパーコンピューティングクラスタ
２１０、２１２、２１４  ＧＰＧＰＵベースのスーパーコンピューティングクラスタのノード
２１６  コアプロセッサ
２１８、２２０  コネクタ
２２２  ＧＰＵ
２２４  コンピュータメモリ
２２６  コネクタ
２２８  ＩｎｆｉｎｉＢａｎｄ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
2014078227000001.pdf