(57)【要約】      （修正有）【課題】パーツの点数が少なく、信頼性を高めることができるラムエアタービン発電システムを提供する。【解決手段】航空機の外部気流に曝されると発電するラムエアタービン発電機システム１２であって、複数のブレード２６と、このブレードに作動的に結合され且つシャフト３０とマウントされたステータ５４の周りで回転する永久磁石５７を備えたロータ５６とを有するタービンを有し、ブレードの回転がロータを回転させ、ステータの周りでのロータの回転で電力が発生する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機のラムエアタービン発電機であって、
航空機の一部にマウントするように構成されたマウントプレートと、
前記マウントプレートに固定的にマウントされるシャフトと、
前記シャフトに固定的にマウントされ且つ複数の巻線を有するステータと、
前記シャフトに回転可能にマウントされ且つ少なくとも部分的に前記ステータを内包するロータハウジングと、
前記ロータハウジングの内面にマウントされた複数の永久磁石と、
前記ロータハウジングに作動的に結合され且つ複数のブレードを有するプロペラと、
を有し、
前記ブレード上を流れる空気が前記プロペラを回転させて前記ロータハウジングを回転させ、これによって、前記複数の巻線の周りで前記永久磁石を回転させて前記巻線において電流を発生させる、ラムエアタービン発電機。
【請求項２】
前記マウントプレートが、前記航空機から延出可能なパイロンをマウントするように構成される、請求項１に記載のラムエアタービン発電機。
【請求項３】
前記シャフトの端部が前記マウントプレートに固定される、請求項１に記載のラムエアタービン発電機。
【請求項４】
前記複数の巻線が、前記ステータの周りで半径方向に均等に離間している、請求項１に記載のラムエアタービン発電機。
【請求項５】
前記複数の永久磁石が、少なくとも２つの直径方向に対向する永久磁石である、請求項４に記載のラムエアタービン発電機。
【請求項６】
前記ロータハウジングが、前記シャフトに回転可能にマウントされたシリンダである、請求項１に記載のラムエアタービン発電機。
【請求項７】
一対のベアリングであって、各ベアリングが、前記シャフト上の、前記ステータの反対側に設けられ、前記シリンダが前記ベアリングに載置される一対のベアリングを更に有する、請求項６に記載のラムエアタービン発電機。
【請求項８】
前記ロータハウジングが磁束リターンパスを形成する、請求項１に記載のラムエアタービン発電機。
【請求項９】
前記プロペラが前記ロータハウジングに直接マウントされる、請求項１に記載のラムエアタービン発電機。
【請求項１０】
前記発電機が、前記プロペラを前記ロータハウジングに作動的に結合するギヤボックスを更に有する、請求項１に記載のラムエアタービン発電機。
【請求項１１】
前記ギヤボックスが前記シャフトに支持される、請求項１０に記載のラムエアタービン発電機。
【請求項１２】
前記ギヤボックスに増速ギヤトレインを設け、前記ギヤボックス出力素子が前記プロペラよりも高速で回転するようになっている、請求項１０に記載のラムエアタービン発電機。
【請求項１３】
前記シャフトが回転しない、請求項１に記載のラムエアタービン発電機。
【請求項１４】
航空機用ラムエアタービン発電機であって、
複数の巻線を有するステータと、
少なくとも部分的に前記ステータを内包し且つ複数の永久磁石を有するロータと、
前記ロータと一緒に回転するように前記ロータに結合され且つ複数のブレードを有するプロペラと、
を有し、
前記ブレード上を流れる空気が前記プロペラを回転させて前記ロータを回転させ、これによって、前記複数の巻線の周りで前記永久磁石を回転させて前記巻線において電流を発生させる、ラムエアタービン発電機。
【請求項１５】
前記複数の巻線が前記ステータの周りで半径方向に均等に離間している、請求項１４に記載のラムエアタービン発電機。
【請求項１６】
前記複数の永久磁石が、少なくとも２つの直径方向に対向する永久磁石である、請求項１５に記載のラムエアタービン発電機。
【請求項１７】
前記プロペラが前記ロータハウジングに直接的にマウントされる、請求項１４に記載のラムエアタービン発電機。
【請求項１８】
前記発電機が、前記プロペラに結合され且つ前記ロータに作動的に結合されたギヤボックス出力素子を有するギヤボックスを更に有する、請求項１４に記載のラムエアタービン発電機。
【請求項１９】
前記ギヤボックスに増速ギヤトレインを設け、前記ギヤボックス出力素子が前記プロペラよりも高速で回転するようになっている、請求項１８に記載のラムエアタービン発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機のラムエアタービン発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
ラムエアタービン（ＲＡＴ）システムは、非常用電源又は補助電源システムとして現代の航空機に使用されている。これらは、通常、作動的に発電機に結合された、回転ハブ及び複数のブレードを備えたタービンを有する。このタービンは、発電機の駆動源となる。当初、飛行時は、航空機の機体の、コンパートメントドアに覆われたコンパートメントにＲＡＴシステムが収容されている。非常用電源又は補助電源として必要な場合、ＲＡＴシステムは、機体から周囲気流へと展開され、ブレードを駆動させて発電機を回転させ、気流からエネルギーを抽出する。航空機システムの動力需要が増大するにつれて、ＲＡＴシステムの発電能力が増大し続けている。
【発明の概要】
【０００３】
一態様において、航空機用ラムエアタービン発電機は、複数の巻線を有するステータと、ステータを少なくとも部分的に内包し且つ複数の永久磁石を有するロータと、ロータと一緒に回転するようにロータに結合され且つ複数のブレードを有するプロペラを有し、ブレード上を流れる空気がプロペラを回転させることでロータを回転させ、これによって、（巻線において電圧を誘起する等して）永久磁石を複数の巻線の周りで回転させて電流を発生させる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】本発明の一実施形態に係る、ラムエアタービンを有する航空機の部分側面図である。
【図２】図１のラムエアタービンの概略断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る、統合ギヤボックスアセンブリを備えたラムエアタービンの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
図１に示すように、航空機１０は、航空機１０の外部気流に曝されると航空機１０への発電を行うＲＡＴシステム１２を有する。ＲＡＴシステム１２はＲＡＴ１４を有し、ＲＡＴ１４は、航空機１０からパイロン１６とマウントアセンブリ１８によって吊架される。ＲＡＴ１４は、航空機１０の機体又はウィングの適当なコンパートメント内に格納されており、パイロン１６をマウントアセンブリ１８に対して移動させることで迅速且つ容易に展開可能である。これによって、ＲＡＴシステム１２を、航空機１０を通過する気流中の露出位置へと移動させる。
【０００６】
図２に示すように、ＲＡＴ１４は、発電機２２を内蔵するハウジング２０を有する。ハウジング２０は、ハウジング２０の端部を閉じて航空機１０の一部に実装するように構成された、マウントプレート２１を有する。プロペラ２８から突出した複数のブレード２６の形態をとるタービンは、マウントプレート２１の反対側の、ハウジング２０の他端に設けられる。図示の実施形態では２枚のブレード２６のみを示しているが、何枚のブレード２６を使用してもよいものとする。
【０００７】
タービンは、更に、タービン出力シャフト３０を有し、この出力シャフト３０は、第１の端部３２においてブレード２６に作動的に結合され、ブレード２６の回転によってタービン出力シャフト３０が回転するようになっている。タービン出力シャフト３０は、ブレード２６に適当に結合されてブレード２６から後方に突出しており、発電機２２等の補助電源ユニットを駆動させる回転出力を提供する。非限定的な例として、ロータシャフト３４が、ブレード２６から延出し、タービン出力シャフト３０にスプライン嵌合されているか、或いは適当に機械的に結合されており、ブレード２６の回転が、このロータシャフト３４からタービン出力シャフト３０へと伝達されるようになっている。或いは、ブレード２６又はプロペラ２８の一部がタービン出力シャフト３０に直接結合される。タービン出力シャフト３０の第２の端部３６が、発電機２２の一部に作動的に結合される。
【０００８】
ハウジング２０は、図示のように、対向する第１及び第２のキャップ４６、４８によって閉鎖された本体部４４を有し、発電機２２を受容する内部４０を画定する、共通のハウジングとなっている。図示のように、ハウジング２０は、複数の放熱フィン又は冷却フィン５０を更に含む。冷却フィン５０は、ハウジング２０の周縁から外方へと突出するように、いずれかの適当な態様で形成される。冷却フィン５０は、本体部４４の周縁まわりで離間していてもよい。冷却フィン５０の寸法及び数は、ＲＡＴシステム１２の個々の放熱需要に応じたものであってよい。
【０００９】
マウントプレート２１は、マウントプレート２１にパイロン１６が実装されるように、ＲＡＴシステム１２を支持するように構成される。発電機２２は、コンダクタケーブル５８によって航空機１０に電気的に結合される。パイロン１６は、コンダクタケーブル５８が発電機２２から航空機１０へと通る通路５９を、更に画定する。こうして、コンダクタケーブル５８と、ＲＡＴシステム１２と航空機１０の間のその他の何らかのリンケージが、パイロン１６内で保護的に覆い隠されるので、損傷を抑えることができる。
【００１０】
発電機２２は、ハウジング内部４０内に配置され、更に、ロータハウジング５５に囲繞される（軟磁性鋼で形成されるものとして図示する）ステータ５４を有し、これによってロータ５６を画定している。この意味で、発電機２２は、外部ロータ構造を有している。ステータ５４は、コア（当該コアの周りで均等に半径方向に離間した複数の電気巻線を受容するスロット構造を形成する巻線積層体から成るコア）等のいずれかの適当な構造を有する。ロータ５６は、更に、いずれの適当な構造を有してもよいが、図示においてはロータ極を画定する複数の永久磁石５７を備えたロータである。永久磁石５７はロータハウジング５５に貼り付けられ、ロータハウジング５５は、磁石５７を受容するスロットを有してもよい。
【００１１】
発電機２２は、非回転式マウントシャフト４２の形態であるステータサポートを更に有し、非回転式マウントシャフト４２は、少なくとも、片持ち構造でマウントプレート２１にマウントされた第１の端部４３を有する。片持ち構造を図示しているが、その他のマウント構造も可能である。ステータ５４は、ステータコアをマウントシャフト４２にスライドさせる等して、マウントシャフト４２に固定的にマウントされている。キー／キーウェイ構成を、ステータコア及びマウントシャフト４２に形成することで、ステータ５４のマウントシャフト４２に対する回転を防止できる。
【００１２】
ロータ５６は、組立時、ステータ５４、ハウジング本体部４４、及びマウントプレート２１から離間しており、これによって回転時の機械的クリアランスを提供する。ロータハウジング５５は、マウントシャフト４２にマウントされた複数の離間したベアリング３８上で回転的に支持されており、これによってマウントシャフト４２周りでロータハウジング５５が回転する。ＲＡＴ１４は、タービン出力シャフト３０によってロータハウジング５５に作動的に結合されており、ブレード２６を流れる空気に伴うプロペラ２８の回転によって、ロータハウジング５５を回転させるようになっている。
【００１３】
発電機２２は、発電機制御ユニット（ＧＣＵ）７０を更に有し、発電機制御ユニット（ＧＣＵ）７０は、コントローラ７２と（シリコン制御全波整流器等の）全波整流器７４を有し、このとき、ＧＣＵ７０は、第２のハウジング端部キャップ４８内に物理的に配置され、ステータ巻線の電圧出力部７６とコンダクタケーブル５８の間に電気的に配置されている。ＧＣＵ７０は、航空機１０の電気システムへ送電するために、発生した電力の整流及び調整を行う。典型的な航空機の電圧は、例えば２８ＶＤＣ及び２７０ＶＤＣであるが、電気システムの需要に応じて可変である。ＧＣＵ７０は、発電機２２の後方に図示されているが、航空機１０の内部等の別の配置も考えられる。コントローラ７２は、典型的なバック／ブーストコンバータ構成に組み込まれる、１つ以上の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を含み得る。
【００１４】
ＲＡＴシステム１２の作動中、ＲＡＴ１４は航空機を取り巻く気流中に延出する。この気流は、ブレード２６上を流れてブレード２６を回転させ、ひいてはタービン出力シャフト３０をブレード２６と同じｒｐｍで回転させる。タービン出力シャフト３０は、ロータハウジング５５をマウントシャフト４２とステータ５４の周りでロータハウジング５５を駆動させ、ＧＣＵで調整された電力を生成し、これをコンダクタケーブル５８から航空機１０へと伝達できる。
【００１５】
更に、図３に、本発明の第２の実施形態に係る、別のＲＡＴシステム１１２を示す。第２の実施形態は第１の実施形態に類似しているため、１００を加算した同様の数字で同様のパーツを示している。なお、第１の実施形態と同様のパーツの説明は、別途記載しない限り、第２の実施形態でも同じである。第１の実施形態と第２の実施形態の違いは、ＲＡＴハウジング１２０がギヤボックス１２３を有し、ギヤボックス１２３が、ＲＡＴ１１４を発電機１２２に結合するギヤボックス出力素子１２４を、第１の実施形態の直接接続の代わりに有することである。
【００１６】
図示のように、タービン出力シャフト１３０の第２の端部１３６を、ギヤボックス１２３の一部に作動的に結合できる。ロータハウジング１５５は、更に、ギヤボックス出力素子１２４に作動的に結合され、ギヤボックス出力素子１２４がロータハウジング１５５への駆動力を提供して発電を行うようになっている。
【００１７】
ギヤボックス１２３は、増速ギヤトレイン１６０を有する。具体的には、出力ギヤ１６２、第１の中間ギヤ１６４、第２の中間ギヤ１６６、及び出力駆動ギヤ１６８が、増速ギヤトレイン１６０に含まれる。入力ギヤ１６２の呼称は別の名称であってもよいが、ここで入力ギヤとしている理由は、動力が、ギヤボックス１２３の増速ギヤトレイン１６０へと、増速ギヤトレイン１６０の入力ギヤエンドにおいて入力されるからである。入力ギヤ１６２は、タービンシャフト１３０に、通常はその第２の端部１３６付近において、スプライン嵌合或いは適当に機械的に結合される。入力ギヤ１６２は、入力ギヤ１６２と第２の中間ギヤ１６６の両方に架かる高さを有する第１の中間ギヤ１６４に噛合する。こうして、第１の中間ギヤ１６４が、第２の中間ギヤ１６６に噛合する。第２の中間ギヤ１６６は、出力駆動ギヤ１６８に更に噛合し、出力駆動ギヤ１６８は、ギヤボックス出力素子１２４にスプライン嵌合されるか或いは適当に機械的に結合されているが、これが、ベアリング１３８によって回転可能に支持されるシャフトとして図示されている。ベアリング１３８は、ギヤボックス出力素子１２４を、タービン出力シャフト１３０と同軸に回転可能に支持する構造内に設けられる。
【００１８】
ギヤトレイン１６０を含む、ギヤボックス１２３の別の構成も可能である。例えば、ギヤボックス１２３は、発電機１２２を備えたＲＡＴハウジング１２０内に配置されるものとして図示されているが、発電機１２２に結合された別個のハウジングであってもよい。
【００１９】
ＲＡＴシステム１１２の作動中、ＲＡＴ１１４が航空機を取り巻く気流へと延出しており、ブレード１２６上を流れるこの気流が、ブレード１２６を回転させ、ひいてはタービン出力シャフト１３０を、ブレード１２６と同じｒｐｍで回転させる。タービン出力シャフト１３０が、増速ギヤトレイン１６０の入力ギヤ１６２を駆動させ、これがひいては、第１及び第２の中間ギヤ１６４、１６６を駆動させ、更には、出力駆動ギヤ１６８及びギヤボックス出力要素１２４を駆動させる。増速ギヤトレイン１６０が、ギヤボックス出力素子１２４をブレード１２６よりも高速で回転させ、これに続く低速回転を、発電に適した高速回転へと変換するように作用する。
【００２０】
非限定的な例として、発電機２２は、２０，０００ｒｐｍで少なくとも３０ｋＷを創出できるように構成可能である。具体的には、出力駆動ギヤ１６８に対する入力ギヤ１６２の比を、出力駆動ギヤ１６８が、入力ギヤ１６２よりも実質的に高速で回転するように選択できる。増速ギヤトレイン１６０のギヤ構成及びギヤ比を、タービン出力シャフトの所定の回転速度である６，０００ｒｐｍに応動してギヤボックス出力素子１２４が２０，０００ｒｐｍで回転するように選択できる。ロータハウジング１５５がギヤボックス出力素子１２４によって駆動され、これによって、発電機１２２で、コンダクタケーブル１５８から航空機１１０へと受け渡されるＧＣＵで調整された電力が生成される。発電機２２は、更に、パンケーキ構造のものであってよく、このとき、ステータ５４とロータ５６は両方とも、典型的なＲＡＴシステムよりも大きな直径及び短い軸方向長さを有する。パンケーキ構造は、増速ギヤボックス１２３を要することなく、プロペラ２８及びロータ５６の最低速度において、典型的なＲＡＴシステムと同量の動力を生成可能であることが知られている。非限定的な例として、パンケーキ型発電機２２は、６，０００ｒｐｍで少なくとも３０ｋＷを生成するように構成可能である。したがって、パンケーキ構造の発電機を適用すると、その部品点数の少なさ、低速回転の動作条件から、本質的に信頼性が高まるので好適であり、或いは、航空機においては、ＲＡＴシステムの組み込みに必要な軸方向の空間が少なくて済む。
【００２１】
以上に説明した図面以外にも、多くの別の実施形態及び構成が、本開示から考えられる。例えば、本発明の一実施形態は、マウントプレート２１に取り付けられるマウントシャフト４２を意図しており、ステータ５４がロータハウジング５５と共通の軸周りを回転可能になっている。このとき、ステータ５４の回転方向が、ロータハウジング５５と同じであっても反対であってもよい。更に、こうした実施形態では、ステータ５４の回転速度がロータハウジング５５の速度とは異なっていてもよい。本発明の別の例では、冷却用の自給オイルシステム又は冷却用空気を用いることを意図している。本発明のまた別の例では、開口又は耐火山灰構造を有することを意図している。加えて、様々な部品の設計及び配置を、多数の異なるインライン構成が可能となるように変更してもよい。
【００２２】
ここで開示する実施形態は、インサイドアウト構造を備えたＰＭＧ  ＲＡＴシステムを提供する。上記の実施形態で可能な利点のひとつは、上記の実施形態が、重量及び寸法の点で従来型のＲＡＴシステムを上回る利点を有することである。提示したパンケーキ構造を用いると、ギヤなしで高周縁速度ＰＭＧが可能になる。その理由は、永久磁石を確実に封入できるのがシリンダリングならではの性質であり、これによって、封じ込め及び磁束リターンパスがもたらされるからである。更に、電磁ギャップは機械的な半径方向のクリアランスと同じであることから、電磁ギャップが最小限となるので、高い周縁速度が可能になる。周縁速度が高いほど、発電機の電磁石の重量が軽くて済む。
【００２３】
航空機部品の設計時、取り組むべき重要なファクターは、寸法、重量、及び信頼性である。上記のＲＡＴシステムでは、当該システムが最小限の電力変換設備でＤＣ出力を調整できることから、パーツの点数が少なく、システム全体の信頼性を本質的に更に高めることができる。これによって、軽量、小型、高性能、及び高い信頼性のシステムになる。パーツの点数が少なくメンテナンスが減少することによって、製品コストが減少し、稼働コストが削減される。軽量化及び小型化は、飛行時に競合する利点と相互に関係する。
【００２４】
本明細書では、最良の態様を含む例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる装置又はシステムの作製及び使用、並びにあらゆる付随の方法の実施を含め、当業者が本発明を実施できるように本発明を開示している。本発明の特許請求の範囲は、請求項によって定義されるが、当業者に想到可能なその他の例もこれに含まれる。かかるその他の例は、請求項の文言と相違ない構成要素を有する場合、又は請求項の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を有する場合、特許請求の範囲内であることを意図している。
【図１】
2014091514.tif 000003
【図２】
2014091514.tif 000004
【図３】
2014091514.tif 000005