(57)【要約】冷却空気の供給および電力の供給を生み出すタービン発電機械は、タービンロータにより駆動されるシャフトへ固定された永久磁石発電機を有し、タービンは、供給された空気を膨張させる働きをする。磁気軸受が、精確に設けた軸を中心に回転するシャフトを半径方向に支持する一方、磁気スラスト軸受が、精確に固定された軸方向位置にシャフトを保つ。磁気軸受のための電力は、動作時にタービン発電機により供給される。発電機のエアギャップは、磁気軸受のエアギャップと調整をとった大きさになされ、そして、発電機のステータおよびシャフトは、発電機からの漏洩磁束を最小にすることにより永久磁石ロータと磁気軸受との間の相互作用を最小にするような大きさになされる。
2005501500.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと；
前記ハウジング内に配置され、中心軸を有するシャフトと；
前記シャフトに搭載された永久磁石発電機と；
前記永久磁石発電機と軸方向に離間した関係で前記シャフトに取り付けられ、気体を受け入れる吸入手段を有するタービンであって、前記タービンは、前記気体により駆動されるとともに、前記シャフトを介して前記永久磁石発電機を駆動するよう働き、前記タービンにより受け入れられる前記気体は前記タービン内で膨張し、膨張した結果冷却されて前記タービンにより冷却気体として排出されるようになした、前記タービンと；
前記ハウジング内で回転させるために前記シャフトを半径方向に支持するための軸方向に離間した軸受であって、前記各軸受は、前記ハウジング内に取り付けられるとともに前記シャフト周りに角度を付けて離間配置された複数の電磁石を備え、前記電磁石は、前記ハウジング内で前記シャフトを半径方向に支持する磁力を生成するための選択的に通電可能な電気コイルを備える、前記軸受と；
前記シャフト軸の半径方向位置を感知するための半径方向位置センサと；
前記コイルの通電を変化させて前記シャフト軸が所定の軸と一致するように保つために、前記半径方向位置センサに応答する磁気軸受コントローラと；
前記ハウジング内の所定軸方向位置に前記シャフトを維持するための補助軸受であって、前記ハウジング内に取り付けられるとともに前記シャフトと実質的に同心配置された、軸方向に離間するとともに軸方向に対向する電磁石を備える前記補助軸受と；
前記軸方向に対向する電磁石の間に配置され、前記シャフトに固定され前記シャフトから半径方向に突出するディスクであって、前記軸方向に対向する電磁石は、軸方向に対向するように前記ディスクに作用する磁力を生成するための選択的に通電可能な電気コイルを備えるようになした前記ディスクと；
前記シャフトの軸方向位置を検出するための軸方向位置センサと；を備え、
前記磁気軸受コントローラは、前記シャフトを所定の軸方向位置に保持するように前記軸方向に対向する電磁石の前記コイルの通電量を変化させるために、前記軸方向位置センサに応答するようになしたタービン発電機。
【請求項２】
前記永久磁石発電機は、前記シャフトに取り付けられた永久磁石ローター、および前記永久磁石ローターから第１のエアギャップ距離だけ半径方向に離して配置した巻線ステータを含み、前記シャフトを半径方向に支持するための前記軸受は、前記シャフトから第２のエアギャップ距離だけ半径方向に離して配置し、前記第２のエアギャップ距離を前記第１のエアギャップ距離より狭くした、請求項１のタービン発電機。
【請求項３】
前記第２のエアギャップ距離の前記第１のエアギャップ距離に対する比がほぼ１：３と１：４の間にある、
請求項２のタービン発電機。
【請求項４】
前記第２のエアギャップ距離は略０．０１５インチ（０．３８１ｍｍ）であり、前記第１のエアギャップ距離は略０．０５０インチ（１．２７ｍｍ）である、
請求項２のタービン発電機。
【請求項５】
前記永久磁石発電機は、前記シャフトに取り付けられた永久磁石ローター、および前記永久磁石ローターから第１のエアギャップ距離だけ半径方向に離して配置した巻線ステータを含み、前記シャフトを半径方向に支持するための前記軸受は、前記シャフトから第２のエアギャップ距離だけ半径方向に離して配置し、前記第２のエアギャップ距離は、前記永久磁石ローターと前記巻線ステータとの間に発生する横吸引力に前記軸受が耐えるように前記第１のエアギャップ距離との関連でサイズが決定される、
請求項１のタービン発電機。
【請求項６】
前記永久磁石発電機は、前記シャフトに取り付けられた永久磁石ローター、および前記永久磁石ローターから半径方向に離して配置した巻線ステータを含み、前記永久磁石発電機から前記軸受への磁束漏洩が、前記シャフト軸を前記所定軸に一致させて維持するという前記軸受の能力を妨げないように、軸方向の磁束断面を半径方向の磁束断面より小さい関係にした、
請求項１のタービン発電機。
【請求項７】
前記永久磁石発電機は、前記シャフトに取り付けられた永久磁石ローター、および前記永久磁石ローターから半径方向に離して配置した巻線ステータを含み、前記永久磁石ローターの軸方向磁気中心が、機械的バイアス力なしで浮上でき、従って前記シャフトにかかるスラスト負荷を軽減できる、
請求項１のタービン発電機。
【請求項８】
前記シャフトを半径方向に支持するための前記軸受の通電は、前記永久磁石発電機の動作中は、それが発電する電力から、前記磁気軸受コントローラを介して供給される、
請求項１のタービン発電機。
【請求項９】
前記シャフトを半径方向に支持するための前記軸受の通電は、前記タービンが所定の最低回転速度に達するまでは航空機の電力から、前記磁気軸受コントローラを介して供給される、
請求項８のタービン発電機。
【請求項１０】
前記シャフトを軸方向に支持するための前記軸受の通電は、前記永久磁石発電機の動作中は、それが発電する電力から、前記磁気軸受コントローラを介して供給される、
請求項１のタービン発電機。
【請求項１１】
前記シャフトを半径方向に支持するための前記軸受は、前記シャフト周りに角度を付けて配置される４個の４分円セグメントを備える、
請求項１のタービン発電機。
【請求項１２】
ハウジングと；
前記ハウジング内に配置されたシャフトと；
前記シャフトに搭載された発電機と；
前記発電機と軸方向に離間した関係で前記シャフトに取り付けられ、空気流を受け入れるための吸入口、および冷却空気を排出するための排出口を有するタービンであって、前記タービンは前記空気により駆動されるとともに、前記シャフトを介して前記発電機を駆動するよう働くようになした前記タービンと；
前記ハウジング内で回転させるために前記シャフトを半径方向に支持するための磁気軸受であって、前記磁気軸受は、前記発電機の両端部に配置され、前記シャフトの周りに角度を付けて離間配置されるようになした前記磁気ベアリングと；
前記シャフトの半径方向位置を感知するための半径方向位置センサと；
前記磁気軸受の通電を変化させて前記シャフトが所定の軸と一致するように保つために、前記半径方向位置センサに応答する磁気軸受コントローラと；
を備えるタービン発電機。
【請求項１３】
前記ハウジング内の所定の軸方向位置に前記シャフトを維持するための補助軸受であって、前記補助軸受は、前記ハウジング内に取り付けられ軸方向に離間し軸方向に対向するとともに、前記シャフトと実質的に同心に配置された電磁石を備えるようになした前記補助軸受と；
前記シャフトに固定されるとともに前記シャフトから半径方向に突出する、前記軸方向に対向する電磁石の間に配置されるディスクであって、前記軸方向に対向する電磁石は、軸方向に対向するように前記ディスクに作用する磁力を発生するために選択的に通電可能な電気コイルを備えるように成した前記ディスクと；
前記シャフトの軸方向位置を検知するための軸方向位置センサと；を更に備え、
前記磁気軸受コントローラは、前記軸方向の対向する電磁石の前記コイルの通電量を変化させて、前記シャフトを所定の軸方向位置に保つために、前記軸方向位置センサに応答するように成した、
請求項１２のタービン発電機。
【請求項１４】
前記発電機は、前記シャフトに取り付けられた永久磁石ローター、および前記永久磁石ローターから第１のエアギャップ距離だけ半径方向に離して配置された巻線ステータを含み、前記磁気軸受は、前記シャフトから第２のエアギャップ距離だけ半径方向に離して配置され、前記第２のエアギャップ距離を前記第１のエアギャップ距離より狭くした、
請求項１２のタービン発電機。
【請求項１５】
前記第２のエアギャップ距離の前記第１のエアギャップ距離に対する比がほぼ１：３と１：４の間にある、
請求項１４のタービン発電機。
【請求項１６】
前記第２のエアギャップ距離は略０．０１５インチ（０．３８１ｍｍ）であり、前記第１のエアギャップ距離は略０．０５０インチ（１．２７ｍｍ）である、
請求項１４のタービン発電機。
【請求項１７】
前記発電機は、前記シャフトに取り付けられた永久磁石ローター、および前記永久磁石ローターから第１のエアギャップ距離だけ半径方向に離して配置した巻線ステータを含み、前記磁気軸受は、前記シャフトから第２のエアギャップ距離だけ半径方向に離して配置し、前記第２のエアギャップ距離は、前記永久磁石ローターと前記巻線ステータとの間に発生する横吸引力を前記磁気軸受が補正するように前記第１のエアギャップ距離との関連でサイズが決定される、
請求項１２のタービン発電機。
【請求項１８】
前記発電機は、前記シャフトに取り付けられた永久磁石ローター、および前記永久磁石ローターから半径方向に離して配置した巻線ステータを含み、前記永久磁石発電機から前記磁気軸受への磁束漏洩が、前記シャフトを前記所定の軸に一致させて維持するという前記磁気軸受の能力を妨げないように、軸方向の磁束断面を半径方向の磁束断面より小さい関係にした、
請求項１２のタービン発電機。
【請求項１９】
前記発電機は、前記シャフトに取り付けられた永久磁石ローター、および前記永久磁石ローターから半径方向に離して配置した巻線ステータを含み、前記永久磁石ローターの軸方向磁気中心が、機械的バイアス力なしで浮上でき、従って前記シャフトにかかるスラスト負荷を軽減できる、
請求項１２のタービン発電機。
【請求項２０】
前記磁気軸受の通電は、前記発電機の動作中は、それが発電する電力から、前記磁気軸受コントローラを介して供給される、
請求項１２のタービン発電機。
【請求項２１】
前記磁気軸受の通電は、前記タービンが所定の最低回転速度未満で動作している間は航空機の電力から、前記磁気軸受コントローラを介して供給される、
請求項２０のタービン発電機。
【請求項２２】
前記磁気軸受は、前記シャフト廻りに角度を付けて配置される４個の４分円セグメントを備える、
請求項１２のタービン発電機。
【請求項２３】
ハウジングと；
前記ハウジング内に配置されたシャフトと；
前記シャフトに搭載された発電機と；
前記発電機と軸方向に離間した関係で前記シャフトに取り付けられ、空気流を受け入れるための吸入口、および冷却空気を排出するための排出口を有するタービンであって、前記タービンは、前記空気により駆動されるとともに、前記シャフトを介して前記発電機を駆動するよう作動する前記タービン；
前記ハウジング内で前記シャフトを所定の軸方向位置に維持するための軸受であって、前記軸受は、前記ハウジング内に取り付けられるとともに前記シャフトと実質的に同心配置された、軸方向に離間するとともに軸方向に対向する電磁石を備える軸受と；
前記シャフトに固定されるとともに前記シャフトから半径方向に突出し、前記軸方向に対向する電磁石の間に配置されるディスクであって、前記軸方向に対向する電磁石は、軸方向に対向するように前記ディスクに作用する磁力を発生するための選択的に通電可能な電気コイルを備えるように成した前記ディスクと；
前記シャフトの軸方向位置を検知するための軸方向位置センサと；
前記軸方向に対向する電磁石の前記コイルの通電量を変化させて、前記シャフトを所定の軸方向位置に保つために、前記軸方向位置センサに応答する磁気軸受コントローラと；
を備えるタービン発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般にタービン発電機に関し、より詳細には永久磁石発電機ベースのタービン発電機のための軸受支持および制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
発電のみならず、冷気および空調された加圧空気の両方を生成する必要がある航空機用途では、エンジン抽気で駆動されるタービン発電機を用いると、例えば他の発電機システムと比較して、航空機の性能に悪影響を与えない小型で内包形のシステムが得られる。タービン発電機では、ハウジング内にシャフトが回転可能に支持され、永久磁石発電機とタービンとを結合する役割を果たしている。加圧された供給空気は、タービンに供給されて膨張すると非常に低い温度に達し、これを冷却に用いることができる。タービンに作用する圧縮空気はシャフトを回転し、シャフトは、永久磁石発電機（ＰＭＧ）を駆動する。ＰＭＧローターの回転はステータ巻線に回転磁界を発生する。この磁界は、電圧と周波数がローター回転速度と直接関係する電力出力を生成する。
【０００３】
ＰＭＧとタービンとを結合するシャフトを支持するために、タービン発電機に普通は３個の軸受が使われる。そのうち２個の軸受は、シャフトが半径方向へ片寄るのを防ぐラジアル軸受である。第３の軸受は、シャフトを軸方向の定位置に保つスラスト軸受である。これら軸受が、必要なごく僅かな遊びを超える遊びを持つ場合、発電機ローターの強力な永久磁石の影響を受け、あるいはタービンに負荷がかかったときにシャフトが片寄り、ローターまたはブレードの先端が周囲ハウジングに接触してしまうことになる。
【０００４】
従来のタービン発電機では、玉軸受、流体膜軸受（普通は空気軸受と称す）等の軸受を用いて、半径方向および軸方向でシャフトを位置決めする。というのは、これら軸受は最小限の遊びを備えているからである。しかし、空気軸受は極端に狭い間隙を必要とし、そして冷却用の給気が必要であり、低回転速度での支持力欠如の結果、始動および停止時に僅かながら損傷を受ける。空気軸受の狭い間隙が原因で、塵埃あるいは他の化合物が損傷発生度を高め、更に、かかる間隙が比較的高い摩擦力と熱を生み出す。その結果、軸受交換は頻出するコスト項目となり、動作中に故障が発生すると、ＰＭＧおよび／またはタービンが損傷を受けることになりかねない。空気軸受により支持されるシャフトは、修理または交換のためにハウジングから軸方向に取り外さなければならないので、通常は、航空機からタービン発電機を取り外し、離れた修理工場へ送る必要がある。
【０００５】
磁気軸受は各種機械でシャフトを支持するために用いられている。ラジアル磁気軸受にはいくつかの電磁石がシャフトの周りに角度をつけて離間配置され、通電すると対向磁力を発生し、この磁力がシャフトをハウジング内の自由空間に浮揚させる。センサはシャフトの実位置を検出し、シャフトを所定軸上へ正確にセンタリングして保つように電磁石への通電量を変化させる。かかるシステムの一つが、本出願の譲受人に譲渡された米国特許第５，３１０，３１１号、発明の名称「磁気軸受を有する空気サイクル機械」に記載されており、この教示および開示は全文を本明細書に引用して組み込む。磁気軸受装置の初期コストは空気軸受装置より幾分高いが、磁気軸受の方が容易に機械加工公差が得られて間隙が大きく、冷却空気も不要で、耐用年数も比較的長く、そして静止時であっても、１０万ＲＰＭ以上の回転速度での運転時であってもシャフトを支持する能力がある。
【０００６】
磁気軸受は明らかな利点を持つにもかかわらず、航空機の動作に合わせて設計されたＰＭＧベースのタービン発電機への使用は阻まれてきた。これら用途、特に戦闘機用途の運転では、タービン発電機アセンブリは非常に小型で、サイズと重量を軽減するために高回転速度で動作する。さらに、ＰＭＧで用いる永久磁石は高磁束密度を持ち、動作中に最小限の重量で最大発電出力を可能とする。これら要因により、タービン発電機内は高磁束を含む環境となる。磁気軸受は、磁束変化を正確に制御することにより僅かなシャフト位置変動を修正するので、ＰＭＧベースのタービン発電機の高磁束環境でのこれら装置の使用はこれまで避けられてきた。特に、航空機操縦に起因する極端に大きい動的力が普通に加わる戦闘機用途ではそうであった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記に鑑み、本発明の目的は、磁気軸受を利用して、ジェット機では普通に見られる、高振動、高衝撃、高温の環境内で高速に回転するＰＭＧ／タービンシャフトを精確に支持する新規な改良型タービン発電機械を提供することにある。
【０００８】
本発明のさらに別の目的は、タービン発電機のシャフトおよび／または他の部品を修理または交換するために、軸受およびハウジングからのシャフトの取り外しが比較的迅速かつ容易にできるように、独特のクラムシェル構造で組み立てられた磁気軸受およびハウジングを有するタービン発電機を提供することにある。
【０００９】
本発明の目的は、ＰＭＧの永久磁石とステータとの間に作用する磁束により生じる横の力に抗して、半径方向にバイアス力をシャフトへ加えるために磁力を用いることにもある。これは、磁気軸受のエアギャップとＰＭＧローター／ステータのエアギャップとの比など、設計パラメータの調整により支援される。さらに、磁気軸受の精確な制御は、磁気軸受の制御と感知を乱すＰＭＧからの軸方向漏洩磁束を最小化することにより可能となる。一実施の形態において、これは、ＰＭＧステータおよびシャフトの、軸方向および半径方向断面の比を調節することにより達成される。さらに、本発明のシステムは、ＰＭＧの磁気中心をステータハウジング内に浮上させることができる、つまり機械的なセンタリングをする必要がない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一実施の形態では、タービン発電機は、永久磁石発電機を有する半径流タービンである。タービンおよび発電機は、磁気軸受に支持された単一シャフトに搭載される。タービン発電機は高エネルギーローター用のローター容器を含む。磁気軸受中心部は軸方向に分割した形体を採っているので、普通のハンドツールを用いてシャフトとホイールのアセンブリを交換することができ、従って高いメンテナンス性を提供する。これはサービスが必要な時にオーバーホール時間を劇的に減少させる。このタービン発電機を、レーダーのポリ・アルファ・オレフィン（ＰＡＯ）冷却ループ用の冷気、およびレーダー用電力の両方を提供する例示のシステムで用いてもよい。このシステムは、抽気接続、電力接続の始動／遮断、および排気を除けば自己充足型である。
【００１１】
本発明の一実施の形態において、航空機用タービン発電機は、ハウジング、およびハウジング内に配置されて中心軸を有するシャフトを備える。このシャフトには、永久磁石発電機が搭載されている。さらに、このシャフトには、永久磁石発電機と軸方向に離れた関係でタービンが取り付けられている。このタービンは、航空機エンジンからの気体を受け入れる吸入口を含み、気体により駆動されてシャフトを介して永久磁石発電機を駆動する。タービンに受け入れられた気体はその内部で膨張し、その結果冷却され、冷却気体としてタービンにより排気される。ハウジング内で回転するシャフトを半径方向で支持する軸方向に離間した軸受も含まれる。各軸受は、ハウジング内に搭載され、シャフト周りに角度をつけて離間する多数の電磁石を備える。電磁石は、磁力を生成するために選択的に通電可能な電気コイルを含んで、ハウジング内にシャフトを半径方向に浮遊させる。シャフトの軸の半径方向位置を感知する半径方向位置センサも含まれる。磁気軸受コントローラは、コイルの通電量を変化させて、シャフトの軸を所定軸と一致させたままに保つよう半径方向位置センサに応答する。シャフトをハウジングの所定の軸方向位置に維持する補助軸受も含まれる。この補助軸受は、ハウジング内に取り付けられシャフトと実質的に同軸に位置決めされた、軸方向に離間するとともに軸方向に対向する電磁石を備える。シャフトに固定され、シャフトから半径方向に突出するディスクが軸方向に対向する電磁石間に配置されている。軸方向に対向する電磁石は、軸方向に対向するようにしてこのディスクに作用する磁力を発生するために選択的に通電可能な電気コイルも備える。シャフトの軸方向位置を検出する軸方向位置センサも含まれる。磁気軸受コントローラは、軸方向に対向する電磁石のコイルの通電量を変化させて、シャフトを所定の軸方向位置に保つように、軸方向位置センサに応答することが好ましい。
【００１２】
代替の実施の形態では、半径方向バックアップ軸受が設けられて、ラジアル磁気軸受が通電されていない場合に、シャフトを半径方向に支持する。さらに別の実施の形態では、軸方向バックアップ軸受も設けられて、軸方向磁気軸受が通電されていない場合に、シャフトを軸方向に支持する。軸方向バックアップ軸受は、軸方向磁気軸受と一体に設けることが好ましい。一実施の形態では、軸方向バックアップ軸受は、軸方向磁気軸受のコイルが巻かれている面に備えられる。
【００１３】
一実施の形態において、永久磁石発電機は、シャフトに搭載された永久磁石ローター、およびそこから第１のエアギャップ距離分、半径方向に離間した巻線ステータを含む。シャフトを半径方向に支持する軸受は、シャフトから第２のエアギャップ距離分、半径方向に離間し、このギャップは第１のエアギャップ距離より小さい。第２のエアギャップ距離の第１のエアギャップ距離に対する比は、略１：３と１：４の間にある。別の実施の形態では、第２のエアギャップ距離は略０．０１５インチ（０．３８１ｍｍ）であり、第１のエアギャップ距離は略０．０５０インチ（１．２７ｍｍ）である。好適な実施の形態では、第２のエアギャップ距離は、永久磁石ローターと巻線ステータ間に生じる横引力に軸受が耐えられるように、第１のエアギャップ距離との関係で寸法が決められる。
【００１４】
本発明の代替の実施の形態では、軸方向の磁束断面は、半径方向の磁束断面より小さい関係にあるので、永久磁石発電機から軸受への磁束漏洩は、シャフトの軸を所定の軸に一致させて維持する軸受能力を妨げることはない。一実施の形態では、永久磁石ローターの軸方向の磁気中心は、機械的バイアス力がなくても浮上できるので、シャフトにかかるスラストを軽減できる。
【００１５】
本発明のさらに別の実施の形態では、シャフトを半径方向に支持する軸受の通電は、永久磁石発電機の動作中は、永久磁石発電機が発電した電力から磁気軸受コントローラを介して供給される。シャフトを半径方向に支持する軸受の通電は、タービンが所定の最低回転速度に達するまで、航空機の電力から、磁気軸受コントローラを介して供給されるのが好ましい。一実施の形態では、シャフトを半径方向に支持する軸受は、シャフト周りに角度を付けて配置した４分円セグメントを備える。本発明のさらに別の実施の形態では、シャフトを軸方向に支持する軸受の通電は、永久磁石発電機の動作中は、永久磁石発電機が発電する電力から磁気軸受コントローラを介して供給される。シャフトを軸方向に支持する軸受の通電は、タービンが所定の最低回転速度に達するまで、航空機の電力から、磁気軸受コントローラを介して供給されるのが好ましい。シャフトを半径方向に支持する磁気軸受およびシャフトを軸方向に支持する磁気軸受の両磁気軸受を利用した本発明の実施の形態では、シャフトを半径方向および軸方向の両方向で支持する軸受の通電は、永久磁石発電機の動作中は、永久磁石発電機が発電する電力から磁気軸受コントローラを介して供給される。これら軸受の通電は、タービンが所定の最低回転速度に達するまで、航空機の電力から、磁気軸受コントローラを介して供給されるのが好ましい。
【００１６】
本発明の他の目的および利点は、以下の詳細な説明を添付の図面と照らし合わせて明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
明細書に組み込まれ、明細書の一部を形成する添付の図面により、本明細書の幾つかの局面を図示し、また、その説明と併せて本発明の原理を解説する。図面では、
【図１】図１は、本発明の磁気軸受支持タービン発電機の実施の形態が特に適用可能な例示システムの単線結線要図である。
【図２】図２は、本発明の磁気軸受支持タービン発電機の実施の形態の略図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態のタービン発電機シャフトの断面におけるラジアル磁気軸受の構造および配置を説明する部分等角投影図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態の軸方向スラスト磁気軸受構造を説明する部分略図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明を特定の好適な実施の形態と関連して説明するが、これらの実施の形態に限定する意図はない。逆に、その意図は、付帯する請求範囲により定義されるように、本発明の趣旨と範囲に含まれるすべての代替、改変および同等なものを範囲に含めることにある。
【００１９】
説明のために、本発明は、タービン発電機を用いた冷却システムおよび電力発電システムに組み込まれているとして図面に示す。戦闘機用途に応用した場合、図１に示すような本発明のシステムは必要な冷却量の発生を可能と成し、よって、冷却用外部ラム空気がなくても電子装置が動作可能である。従って、冷却装置による追加抗力および関連する航続距離減少を最小化できる。この基本的な冷却システム１０は、一実施の形態では、エネルギー源としてエンジン（不図示）からの抽気１２を用いる冷却法を提供する。しかし、注意すべきは、当業者に理解されるように、例えば、ボトル入気体、ヒドラジン分解物、圧縮気体などの他の気体源を適切に、あるいは所望するように、使用してよい。従って、以下の検討では、この気体源をエンジンからの抽気として引用しているが、かかる気体源は単なる例示であり、検討を簡潔にするものとして受け取られるべきである。
【００２０】
好ましくは、膨張タービン１４が、エンジンからの抽気１２の要求された温度低下を提供するように用いられる。この膨張タービンにかかる充分な負荷があることを保証するために、本システムでは、膨張タービン１４により駆動される永久磁石発電機１６を利用する。しかし、他の形式の発電機を適切に、または所望に応じて用いてもよく、従来技術による公知の方法で励起して電力を発生してもよい。これは、膨張タービン１４に加えられる要求負荷を提供して、要求冷却量の供給を可能にする機構である。かかるアセンブリは、当業者には言うまでもなく、普通にはタービン発電機１８と称される。しかし、本用途で独特な点は、磁気軸受コントローラ２０、ラジアル磁気軸受２２、２４、および軸方向スラスト磁気軸受２６を含むことである。磁気軸受および他の形式の軸受をともに用いる他のハイブリッド軸受用途では、他の形式の軸受を軸方向スラスト軸受に用いる場合、磁気軸受コントローラ２０はラジアル磁気軸受２２、２４を制御するだけであり、あるいは、異なる形式のラジアル軸受を用いる場合、軸方向磁気軸受２６だけである。
【００２１】
本例示の冷却および電力システムに用いられた本発明の動作全体の理解を助けるために、詳細には図１の要図に移る。この要図に示すように、吸入気体１２は、本冷却システム１０の出力冷却要件に基づいてシステムコントローラ３０により制御される変調弁２８を介して制御される。この気体１２を用いて膨張タービン１４を駆動し、膨張タービンは、磁気軸受２２、２４、２６により支持されたシャフト３２を介して、永久磁石発電機（ＰＭＧ）１６を駆動する。気体１２は、膨張タービン１４を通過すると温度低下を被るので、温度プローブ３４により感知される温度は気体１２の温度未満となる。この冷気３６は、熱交換器３８を貫流し、熱交換器から熱を除去する。
【００２２】
図１の要図には示されていないが、熱交換器３８は、熱を除去すべき電子装置と機能的に接続されている。当業者には言うまでもなく、この熱交換器３８は、熱媒体を介して、熱が除去されるべき部品に連通する精巧な熱交換システムは無論のこと、熱が除去される単一または複数の個別部品を表してもよい。かかるシステムは、複数部品を連通する熱循環路を貫流する冷却システムを含む。空気は、熱交換器３８を一旦貫流すると矢印４０で示すようにシステムから排気される。
【００２３】
本発明のタービン発電機１８は、例示の実施の形態では、永久磁石型の発電機１６を含み、その出力電圧特性は、駆動される入力回転速度に比例する。動作中、出力電力は、制御モジュール４２を介してシステムコントローラ３０により制御される。この制御モジュール４２は、バラスト負荷４４および利用装置４６へ出力を制御可能に接続する。注意すべきは、制御モジュール４２を介した出力電力の利用装置４６への接続は、出力電力が許容電力品質基準内にある限り、この電力を負荷４６へ常に利用可能であるようにシステムコントローラ３０により制御される。すなわち、タービン発電機１８が最小動作回転速度に達すると、制御モジュール４２は、システムコントローラ３０に命令されて出力電力を利用装置４６に接続する。
【００２４】
しかし、電力をバラスト負荷４４へ接続する制御は、利用負荷４６への電力の制御とは著しく異なる。すなわち、システムコントローラ３０は、動作およびバラスト負荷４４への出力電力の接続を、制御モジュール４２を介して、全体システム１０のシステム冷却要件との間で調整する。この調整により、システム１０の冷却要件および電気過渡特性要件を満たすのに必要な膨張タービン１４の要求負荷量を、発電機１６が確実に提供する。動作中は、システムコントローラ３０はシステムに接続されたバラスト負荷４４の量を効率良く増減することにより発電機１６へ接続された負荷の総量を変化させる。この効率的なバラスト負荷４４の増減も利用装置４６の出力要件と調整して行われるので、タービン１４のための必要負荷とは無関係に、利用装置４６への出力電力品質は常に許容限界内に収まる。この制御は、本願と同一日付で出願された同時係属中の出願第＿＿＿号、名称「タービン発電機用バラスト負荷を提供するためのシステムおよび方法」に記載されている。その教示と開示を引用して全体を本明細書に組み込む。
【００２５】
図２で示すように、タービン発電機１８は、ハウジング４８、ハウジング４８内で回転可能に支持されたシャフト５０、永久磁石発電機１６、およびハウジング４８の一端にあるタービン１４を含む。永久磁石発電機１６は、ステータ５４内で回転可能な永久磁石ローター５２を含む。ステータ５４は、ステータ５４に巻かれた３０°ずらした２つの３相巻線５６を備える。ＰＭＧローター５２からの磁束は、その磁束がステータ５４を横切るときに、ステータ巻線５６に電圧を誘起する。このＡＣ電圧の大きさは、ローターとステータの幾何条件、材質、および回転速度に依存する。ＡＣ電圧はローター回転速度に直接比例する。
【００２６】
当業者には言うまでもないが、どの形式の発電機を用いても、特に永久磁石発電機は、機械の周囲に大量の磁束を生み出す。これは、電力出力を最大化するとともに永久磁石発電機１６全体のサイズと重量を最小化するために、高磁束密度材料を永久磁石発電機のローター５２に用いた所産である。しかし、磁気軸受制御は、磁気軸受により発生した、非常に特殊な磁束の調整にかかっている。永久磁石発電機のローターからの漏洩磁束は、特に、ＰＭＧがもたらす電気負荷を変化させる状況のもとでは、シャフトを安定な位置に維持する磁気軸受コントローラの能力を著しく低下させるおそれがある。磁気軸受２２、２４と相互作用し、悪影響を与えそうなＰＭＧローターからの迷走磁束の量を最小化するために、本発明は、ＰＭＧステータが供給する半径方向磁路断面と比較させて、軸方向磁路断面を調整する。すなわち、シャフト５０のサイズを、ＰＭＧの半径方向断面に関して特に調整して、この迷走漏洩磁束から生じるＰＭＧローターと磁気軸受との間の反作用を打ち消して最小化する。これにより、ＰＭＧを磁気軸受から絶縁する磁気遮蔽が不要になり、全体構成が単純化され、その結果重量が軽減される。
【００２７】
発電機エアギャップ５８はラジアル磁気軸受エアギャップ６０と調整して、始動および全負荷運転中の安定動作をもたらす。特に、発電機ローターエアギャップとラジアル磁気軸受エアギャップとの比を調整する。始動および全負荷運転中の動作が更に安定することに加えて、かかるエアギャップ比の調整により、ローター永久磁石の強力な磁気引力から生じるステータへの横引力がタービン発電機１８の動作に影響を与えるのを磁気軸受が防ぐことができる。好適な実施の形態では、ラジアル磁気軸受のエアギャップ比をＰＭＧエアギャップに対して小さく保つ。この様にして、永久磁石ローターの磁石とステータ間の磁気引力から起きるどのような半径方向の動きも、ラジアル磁気軸受の制御作用により補正される。一実施の形態では、磁気軸受のエアギャップはほぼ０．０１５インチ（０．３８１ｍｍ）である一方、ＰＭＧエアギャップは略０．０５０インチ（１．２７ｍｍ）である。略１：３および１：４の範囲の比は、また、ＰＭＧの磁気ローターによって起きるどのような半径方向の動きに対しても磁気軸受が容易に補正できるので、顕著な効果がある。実際、当業者には言うまでもなく、１対１の比を利用してもよいが、磁気軸受のエアギャップがＰＭＧ機械のエアギャップ未満であると、より安定な動作がもたらされる。
【００２８】
タービン１４は、シャフト５０の端部に固定され、ステータ６４内で回転可能であるブレード付ローター６２を含む。吸入プレナム、つまりケーシング６６は、ステータ６４と接続され、ステータ６４に気体を受け入れるための吸入口を含む。気体は、タービン１４を横切ると膨張して温度が低下し、次にケーシング６８の排気口を通じて熱交換器３８（図１）に放出される。これは、シャフト９０を介して永久磁石発電機ローター５２を駆動するのに必要なパワーを生み出すだけではなく、冷却に用いる空気流をも生み出す。このシステムでは、シャフトは１０万ＲＰＭを十分に超える回転速度で回転する。
【００２９】
ローター５２および６２を、ステータ５４および６４内で高回転速度かつ僅かな間隙で回転可能とするためには、航空機の操作中にタービン発電機１０に加えられる、シャフトへの変動負荷があっても、強振動、強衝撃負荷、および高温があっても、シャフト５０をハウジング４８内で支持して、正確な水平軸周りを一定に回転することが必要である。本発明の実施の形態によれば、磁気軸受２２、２４、２６を利用して、シャフト５０をハウジング４８内の自由空間で浮揚させるとともに、あらゆる負荷および温度の条件のもとで、正確に設置した軸廻りにシャフトを回転し続ける。磁気軸受は機械式軸受よりもはるかに耐久性があり、以下に説明するように、タービン発電機に従来用いられている形式の他の軸受を越える幾多の利点を提供する。ラジアルバックアップ軸受２３、２５も設けられて、磁気軸受２２、２４が通電されていない場合に、シャフト５０を支持する。更に、軸方向バックアップ軸受も設けられる。好ましくは、軸方向バックアップ軸受は軸方向磁気軸受２６と一体化して提供される。一実施の形態では、軸方向バックアップ軸受は、軸方向磁気軸受のコア９０の、コイル８８（図４参照）が巻かれている面９２（図４）に提供される。更に、認識すべきは、他の用途では、ラジアル磁気軸受２２、２４、または軸方向スラスト軸受２６のいずれかの代わりに、別の形式の軸受が用いられる、ハイブリッド軸受システムを利用してもよい。
【００３０】
より詳細には、図３を参照すると、４個の軸方向に離間した磁気軸受を用いて軸受２２、２４を形成し、永久磁石発電機１６の両端部でシャフト５０を取り囲むように配置する。これら磁気軸受はシャフト５０をハウジング４８内で半径方向に支持する役割を担う。４個のラジアル軸受２２、２４は同一であるので、一個だけについて説明する。一般的な条件では、この軸受は複数の電磁石７０を備え、この電磁石は、ハウジング４８に支持され、シャフト５０に固定されたカラー７２の周りに等間隔に離間配置され、そして磁気飽和が高い材料で形成されている。使用電磁石の数を変更してもよいが、典型的には８個の電磁石をカラー周りに離間配置する。電磁石は、一対当たり２個の逆極性の電磁石で、隣接対の隣接電磁石は同一極性の対で編成する。
【００３１】
各ラジアル軸受２２、２４用の電磁石７０を、図３に概略で図示する。図示のように、磁極片を画成し、カラー７２と同心の円弧状の磁極面７６を有し、そして、カラーから略１５ミル（０．３８１ｍｍ）の狭い半径方向エアギャップだけ離間するコア７４が、電磁石毎に備えられている。電気コイル７８が各コアの周りに巻かれ、図１に略示する磁気軸受コントローラ２０を用いて、通電されるようになっている。非接触位置センサ８０は、カラー７２に隣接するカラー８２周りに角度を付けて離間配置され、シャフト５０に対する半径方向実位置を検出するとともに、コントローラ２０にその位置を表す信号を送信する。位置センサの信号は、位置命令を伴って、フィードバック回路を介して、軸受制御およびコイル駆動回路へ送られる。センサ信号は、シャフトからの距離に逆比例して変化する電圧である。これらのコイル駆動回路は１０個ある。すなわち、ＰＭＧの各端部を支持するラジアル軸受コイル用に４個、スラスト軸受コイル２６用に２個から成る1セットである。
【００３２】
コイル７８が通電されると、２個の軸受２２、２４の電磁石７０は磁場を創出し、この磁場はカラー７２と共に作用して、シャフト５０をラジアルバックアップ軸受２３、２５（図２）との物理的接触から浮揚させる。シャフトの半径方向位置は、センサ８０により常に監視され、精確に設定した軸から半径方向にシャフトが片寄る場合には、シャフトコントローラ２０が電磁石に供給される電流を調整してシャフトを適切な位置に戻す。
【００３３】
ハウジング４８内の所定の軸位置にシャフト５０を保つスラスト磁気軸受２６が設けられる。スラスト軸受２６はシャフトの一端に配置され、ここでは、シャフト５０に固定されるとともにシャフト５０から半径方向に突出するディスク８４を備える。更に、スラスト軸受は軸方向に離間し対向している電磁石８６を備え、この電磁石はハウジング４８に固定され、ディスク対向面に配置されている。図４に示すように、２個の電磁石８６はディスクの各側面に配置される。
【００３４】
この実施例では、スラスト軸受２６の各電磁石８６は、ディスク８４と対向するように配置され、ほぼ０．０１０インチ（０．２５４ｍｍ）の狭い軸方向エアギャップによりディスクから離間する環状磁極面を有する金属コア８０を含む。電気コイル８８が各コア９０の周りに巻かれていて、それぞれの電磁石に対して軸方向にディスクを引きつけようとする磁束を生成するためにディスクと相互作用するように通電されたときに操作される。コイルは、コントローラ２０を介して、ＰＭＧが供給する電流で通電されるようになっている。非接触位置センサ２７（図２参照）も、スラストコントローラと関連していて、シャフト１６の軸方向実位置を検出するとともに、その位置を表す信号をコントローラに送信する。
【００３５】
スラスト軸受２６の軸方向に離間した電磁石８６は、ディスク８４に軸方向の対向磁力を加えて、シャフト５０を所定の軸方向位置に保持する。シャフトがその位置から片寄る場合、シャフトが適切な軸方向位置に戻るように、ディスクのどちらかの面または両面の電磁石８６に供給する電流をコントローラ２０が調整する。
【００３６】
シャフトが静止している場合、および電磁石への電力が比較的短時間（例えば、最大７秒間）失われた場合にシャフト５０を支持するために、バックアップの機械式軸受を備える。本実施例では、バックアップ軸受は、ハウジング１５の端部の壁に取り付けた固定ブッシュを含む。ブッシュはシャフト端部を支持する。
【００３７】
空気軸受と比較して、タービン発電機１８には磁気軸受２２、２４、２６を用いる方が、幾つかの点で有利である。空気軸受の稼動間隙は非常に狭く保つ必要がある一方、磁気軸受については許容される稼動間隙はずっとゆるく、例えば、約±０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）である。磁気軸受の比較的大きな軸受間隙によりゴミ破片の影響は受けにくくなり、従って摩擦や温度上昇も少ない。さらに、比較的大きな軸受間隙は、汚れや他の汚染による損傷を被る機会を減少させる。磁気軸受は始動時および遮断時に損傷を被ることがなく、これは、上記の検討要因と考え合わせると、軸受のサービス寿命を著しく高め、メンテナンス費用を著しく低下させる。
【００３８】
さらに、本発明によると、ハウジング４８および軸受２２、２４、２６は独特な構造を持ち、修理のためにシャフトをハウジングおよび軸受から軸方向に引き出さなくても、シャフト５０およびハウジング内へアクセスができる。その結果、タービン発電機の完全なオーバーホールをその場で行うことができ、修理工場へ機械を送らなくてもよい。
【００３９】
上記の構造は特に、ハウジング４８を、２つのハウジング部分を有する分割アセンブリとして形成することにより達成される。２つのハウジング部分は、ねじ等の固定部品を受ける孔を持つ取付けフランジを有して形成する。ハウジング部分をシャフト５０に組み付ける場合、ハウジング部分の取付けフランジは、面と面を組み合わせるように配置し、組合せフランジ間の境界は、実質的にシャフトの軸を含む平面と一致している面上にある。ハウジング部分はフランジの孔を通したねじの効力により組立て関係を保つ。ねじを外し、シャフトから半径方向にハウジング部分を引張ることによりどちらのハウジング部分もシャフトから取り外すことができる。このように、ハウジング部分はクラムシェル状になっており、ハウジングから軸方向にシャフトを引き出さなくても、開けるだけでシャフトにアクセスできる。
【００４０】
軸受２２、２４、２６もクラムシェル状になっており、上記の方法でハウジング部分の半径方向分解ができるように、軸受とブッシュはシャフト５０の軸上で分割されている。図２および図３に明瞭に示すように、ラジアル軸受２２、２４は分割モジュールとして構成され、各モジュールは２個の電磁石７０を含み、そしてそれぞれは、電磁石を支持するほぼ４分円の取付けブラケットを持つ。同様に、スラスト軸受２６の軸方向に離間した部品はそれぞれ、ほぼ半円の取付けブラケットを持つ２個の分割モジュールとして構成されている。スラスト軸受の軸方向に離間した部品それぞれの各モジュールは電磁石を含む。
【００４１】
特許、特許出願、および出版物を含む、ここで引用した文献はすべて本明細書に引用してその全体を組み込む。
【００４２】
以上の本発明の多様な実施の形態の記載は、説明と記述のために提示したものである。開示した精確な実施の形態は、本発明を網羅したり、あるいは限定したりする意図はない。数多くの改変または変形が上記教示に照らして可能である。検討した実施の形態を選択かつ説明して、本発明の原理についての最上の説明、およびその実践的適用を提供し、それにより、目的とする特定の使用に適するように多様な実施の形態および多様な改変により、当業者が本発明を利用することを可能にした。公正に、法的に、そして公平に権利を有する範囲に従って解釈した場合、かかる改変および変形はすべて付帯する請求範囲により決定されるように本発明の範囲内にある。
【符号の説明】
【００４３】
１０            冷却システム
１２            抽気
１６            永久磁石発電機（ＰＭＧ）
１８            タービン発電機
２０            磁気軸受コントローラ
２２、２４      ラジアル磁気軸受
２３、２５      ラジアルバックアップ軸受
２６            軸方向スラスト磁気軸受
２７            非接触位置センサ
２８            変調弁
３０            システムコントローラ
３２            シャフト
３４            温度プローブ
３６            冷気
３８            熱交換器（ＨＸ）
４２            制御モジュール
４４            バラスト負荷
４６            負荷
４８            ハウジング
５０            シャフト
５２            永久磁石ローター
５４            ステータ
６０            ラジアル磁気軸受エアギャップ
６２            ブレード付ローター
６４            ステータ
６６、６８      ケーシング
７０            電磁石
７２、８２      （シャフトに固定された）カラー
７４、９０      コア
７６            円弧状の磁極面
７８、８８      電気コイル
８０            非接触位置センサ
８４            ディスク
【図１】
2005501500.tif 000003
【図２】
2005501500.tif 000004
【図３】
2005501500.tif 000005
【図４】
2005501500.tif 000006
【国際公開パンフレット】
2005501500.tif 000007
2005501500.tif 000008
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2005501500.tif 000029
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2005501500.tif 000031
2005501500.tif 000032
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005501500.tif 000033
2005501500.tif 000034
【国際調査報告】
2005501500.tif 000035