(57)【要約】【課題】交換及びアップグレードに時間を要しない始動発電システムを提供すること。【解決手段】ブラシレス始動発電機システムは、単一の筐体１０内に収容される。筐体１０は、動力源からの駆動スプライン１６を受けるための開口を備える第１端１８、及び対向する第２端２０を有する。ブラシレス回転機３２が、第１端１８に隣接して配置され、駆動スプライン１６に機械的に接続可能になっている。電力制御ユニット３４が、第２端２０に隣接しており、ブラシレス回転機３２に電気的に連結されている。ブラシレス回転機３２は、同期機、永久磁石機、及び誘導機からなる群から選択される。完全な「ドロップイン」交換を可能にして、交換やアップグレードを容易にするために、電気的及び機械的インターフェースは、同様の定格のブラシ付き回転機と同一である。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の筐体１０内に収容された始動発電機システム３０において、
動力源からの駆動スプライン１６を受けるための開口を備える第１端１８、及び対向する第２端２０を有する前記筐体１０と、
前記第１端１８に隣接し、前記駆動スプライン１６に機械的に接続可能なブラシレス回転機３２と、
前記第２端２０に隣接し、前記ブラシレス回転機３２に電気的に連結された電力制御ユニット３４と
を備えることを特徴とする始動発電機システム３０。
【請求項２】
前記ブラシレス回転機３２が、同期機５０、永久磁石機、及び誘導機からなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の始動発電機システム３０。
【請求項３】
前記動力源が、航空機のタービンエンジン又はピストンエンジンであることを特徴とする請求項２に記載の始動発電機システム３０。
【請求項４】
前記第２端２０が、吸気ダクト２２において終端することを特徴とする請求項２に記載の始動発電機システム３０。
【請求項５】
前記機械５０が、同期型であり、
ＰＣＵ３４が、主に始動モードにおいて前記エンジンを駆動するために用いられ、また、発電モードにおいて、最大整流効率が得られるように交流出力を直流電流に同期的に整流するために用いられる
ことを特徴とする請求項２に記載の始動発電機システム３０。
【請求項６】
ブラシ付きユニットと同一の電気的及び機械的インターフェースを備え、且つ、
カーボンブラシ及び他のいかなる摺動接触子をも使用しない
ことを特徴とする請求項２に記載の始動発電機システム３０。
【請求項７】
前記ＰＣＵ３４の構成要素が、環境から効果的に保護されるように、前記筐体１０内の周囲環境から密閉された区画に収容されていることを特徴とする請求項６に記載の始動発電機システム３０。
【請求項８】
前記ＰＣＵ３４の発熱が大きい構成要素が、効果的に冷却され且つ周囲環境から保護されるように、冷却用空気流２２に沿って設置されたヒートシンク６１に接続されていることを特徴とする請求項７に記載の始動発電機システム３０。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
始動発電機システムは、ピストンエンジンやガスタービンエンジンを備える航空機及び他のビークルに広く用いられている。この始動発電機は、エンジン又はタービン翼に接続するシャフトに連結される。始動発電機システムは、エンジン始動時には、シャフトを回転させてエンジンを始動させるモータとして機能する。始動発電機システムは、エンジンの停止状態からエンジン速度がアイドル速度に近づくまで、モータとして機能する。エンジンがアイドル速度に達すると、始動発電機システムは、作動状態のエンジンからシャフト回転という形で与えられる機械動力を、２８ＶＤＣ（ボルト−直流）等の使用可能な電力に変換する発電機として機能する。
【０００２】
Ｘｕ等による特許文献１「Ｈｙｂｒｉｄ  Ｇａｓ  Ｔｕｒｂｉｎｅ  Ｅｎｇｉｎｅ  Ｓｔａｒｔｅｒ−Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ」には、一般的な始動発電機システムが開示されている。カーボンブラシが整流子片に対して電気的に接触及び分離できるように選択的に移動可能になっており、回転子巻線に対して直流電源を電気的に連結させ、また、電気的に切り離すようになっている。始動発電機システムは、全体がエンジンナセル内に配置されている。従って、修理や交換は航空機の１箇所に制限されるため、比較的容易に一つのシステムを交換品に取り換えることができる。ブラシ付き始動発電機システムの問題として、定期的にブラシを交換する必要があることや、摩耗によりブラシから生じたカーボン粒子により、汚染され、時には危険な環境になることが挙げられる。遭遇する他の問題として、スパークや、効率性の低さ、信頼性の低さ、所有コストの悪さが挙げられる。
【０００３】
カーボンブラシを必要としない始動発電機システムもある。その一つのシステムが、Ｐａｔｔｅｒｓｏｎによる特許文献２「Ｆａｕｌｔ  Ｃｌｅａｒｉｎｇ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ  Ｍａｃｈｉｎｅｓ」に開示されている。このシステムは、動作部と電力変換部を備える。動作部は、エンジンナセル内に配置され、電力変換部は、胴体における客室からアクセス不可能な部分の内部に配置されている。電流供給ケーブルにより、動作部が電力変換部に接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７，３２７，０４８号明細書
【特許文献２】米国特許第７，８８０，４４８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ブラシ付きシステムから上述のブラシレス始動発電機システムに交換又はアップグレードするには、エンジンナセルと胴体の両方へアクセスする必要がある。通常、上述の接続ケーブルも交換する必要がある。交換及びアップグレードは時間を要するため、航空機が長期間に運用できなくなる。
【０００６】
上述した不都合がない始動発電機システムが求められている。一般的なブラシ付き始動発電機システムは、以下の特性を特徴とする。
・モータが、バッテリから供給された２８ボルトＤＣ（ＶＤＣ）で動作する。バッテリが部分的に消耗していることもあるため、モータは、１８ＶＤＣの入力で航空機を始動できる必要がある。モータは、始動機として、少なくとも３３．９ニュートンメートル（２５フィートポンド）のトルクを発生させる。
・発電機としての出力は、少なくとも３００アンペア（Ａ）である。
・外部の発電機制御ユニット（ＧＣＵ：Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）を用いて、電圧を調節し、保護機能を提供する。
・始動発電機は、１４．５１ｋｇ（３２ポンド）の公称重量、１５．２４ｃｍ（６インチ）の最大直径、及び２７．９４ｃｍ（１１インチ）の最大長さを有する。
・始動発電機は、空冷式であり、別途に冷却コイルを必要としない。
【０００７】
始動発電機は、航空機のエンジンにおける動作部であるタービンシャフトに取り付けられるため、更に以下の特徴が必要となる：
・最大でセ氏１００°（Ｃ）の入口温度に晒されても長寿命動作を実現する能力。
・長時間にわたる０〜２，０００Ｈｚの２０Ｇ（重力の２０倍）の振動に耐える能力。
・エンジンが−４０℃の温度でソークさせた状態で必要な最大始動力（３３．９Ｎｍのトルク（２５フィートポンド））を供給する能力。
・最大で１５０℃のソークバック温度に晒されても長寿命動作を実現する能力。
・砂、埃、塩の飛沫、湿気、雨、化学的な流体等の空中汚染物質に晒されても長寿命動作を実現する能力。
・形態（構造）の変形に耐える能力
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書では、単一の筐体に収容される始動発電機システムが開示される。交換やアップグレードを容易にするために、その電気的及び機械的なインターフェースは、ブラシ付き始動発電機と同一である。筐体は、動力源からの駆動スプラインを受けるための開口を備える第１端、及び対向する第２端を有する。ブラシレス回転機が、第１端に隣接して配置され、駆動スプラインに機械的に接続可能になっている。電力制御ユニットが、第２端に隣接しており、ブラシレス回転機に電気的に連結されている。ブラシレス回転機は、同期機、永久磁石機、及び誘導機からなる群から選択される。
【０００９】
一実施例では、動力源は、航空機のタービンエンジンである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、先行技術のブラシ付き始動発電機と同一の外周を有するブラシレス始動発電機を示す。また、この図は、回転機及び電力制御ユニット（ＰＣＵ：Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）のための空間の相対的な割り当ても示す。
【図２】図２は、ブラシ付き始動発電機と同じ寸法内で、回転機が割り当てられた空間に配設可能である様子を示す。
【図３】図３は、回転機が同期機である場合における、回転機及び電力制御ユニットを有する始動発電機システムを示すブロック図である。
【図４】図４は、回転機が永久磁石機である場合における、回転機及び電力制御ユニットを有する始動発電機システムを示すブロック図である。
【図５】図５は、回転機が誘電機である場合における、回転機及び電力制御ユニットを有する始動発電機システムを示すブロック図である。
【図６】図６は、始動時に用いられる電力制御ユニットに一体化された同期回転機を示す概略図である。
【図７】図７は、電力制御ユニットの外観図である。
【図８】図８は、外側の筐体の内側にある構成要素を示すために筐体を外した、図７の電力制御ユニットの概略図である。
【図９】図９は、外部の発電機制御ユニット（ＧＣＵ）を含めた発電モードにおける同期機のトポロジーの図である。
【図１０】図１０は、外部の発電機制御ユニット（ＧＣＵ）を外した始動モードにおける同期機のトポロジーの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、始動発電ユニット（ＳＧＵ：Ｓｔａｒｔｅｒ−Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ  Ｕｎｉｔ）１２及び電力制御ユニット１４を備える始動発電機システムの筐体１０を示す。始動発電ユニット１２は、筐体１０の第１端１８から延出する駆動スプライン１６により、航空機のタービンエンジン（不図示）等の動力源に機械的に接続される。筐体１０の対向する第２端２０は、吸気ダクト２２において終端している。図示したように、筐体は、１５．２４ｃｍ（６インチ）の公称外径を有する略バレル状であり、そのバレルの直径は、第２端２０において徐々に減少し、吸気ダクト２２で約７．６２ｃｍ（３インチ）になる。吸気ダクト２２を除いた長さは、約２７．９４ｃｍ（１１インチ）である。
【００１２】
図２を参照すると、一体型のブラシレス始動発電機３０は、上述のブラシ付き始動発電機システムと同じ筐体の寸法内で、ブラシレス回転機３２が、それに付属する電力制御ユニット（ＰＣＵ）３４と組み合わされている。このブラシレス始動発電機３０は、物理的な大きさが同様であり且つ機械的及び電気的インターフェースが同一であるため、小型から中型の航空機に一般的に使用され、カーボンブラシに起因する問題が発生するブラシ付き始動発電機に対して、完全な「ドロップイン」の交換機となる。
【００１３】
ユニット３０におけるブラシレス回転機３２の部分は、任意の数の実行可能なトポロジーを回転機の部分に適用してよく（例えば、図３に示すような同期（ＳＭ）用、図４に示すような永久磁石（ＰＭ）用、又は図５に示すような誘電（ＩＭ）用）、それは最終的な用途によって選択される。ＰＭを用いる場合は、システムに危険な障害が生じた際にユニットの回転及び発電を止めるために、一時的又は恒久的なシャフト切断部が設けられる。このようなシャフト切断部は、Ｐａｔｔｅｒｎｓｏｎによる特許文献２に開示されている。ＳＭ機又はＩＭ機を用いる場合は、同様の状況に陥った際には、磁場を消せばよい。
【００１４】
再び図２を参照すると、ＰＣＵ３４は、ユニット３０の回転機３２と同じ筐体内で組み合わされている。これを実現するには、ＰＣＵ３４を、簡素であり流線形且つ小型にし、更にエンジンナセルの過酷な環境に耐えられるように耐久性を高める必要がある。ソフトウェア又はファームウェア、大規模な回路集積化、モジュール性、及びカプセル封じが広く利用される。或いは、エンジンナセルの高温に耐え得る炭化ケイ素等の半導体組成物を検討してもよい。装置の熱負荷を低減するために、Ｖｉｅｎｎａ整流等の様々な高効率電力変換トポロジーを採用してもよい。
【００１５】
この装置は、以下の２つの機能を目的として、航空機のエンジンに採用される：
・エンジンの始動−停止からアイドルに近いカットオフ速度に達するまで動作するモータモード領域。
・発電−エンジンからの機械動力を使用可能な電力、例えば２８ＶＤＣに変換する被駆動モード。
【００１６】
始動モード
始動モードにおいては、機体搭載バッテリ、外部電源、又は始動済みの第２エンジンに搭載された発電機（クロススタート）からの公称２８ＶＤＣの電力が、ＰＣＵ３４に取り込まれる。この低電圧の直流電力は、端子台３５を介してＰＣＵ３４で受電された後、単位電流毎のトルクの発生を最大限に高めるために、回転子の位置に対する誘導磁場の位置に応じて逆変換及び調節されて、ＳＧＵ３２に送られる。ＳＧＵ３２は、モータとして動作することで、エンジンを素早く且つ効率的に始動するために必要なトルクを発生させる。整流子に対して高性能なＰＣＵ３４を用いた場合、幾つかの利点があり、その中でも、トルクの急増によって生じた応力からエンジン及びそのドライブトレーンを保護し、バッテリの消費を抑える「ソフト始動」制御が可能になるという利点がある。これにより、始動をより多くの回数試みることが可能になる。
【００１７】
発電モード
エンジンがアイドル速度に達して、自立動作が可能になると、ユニットは、発電モードに戻る。発電した電力は、端子台３５を介して航空機の各種機能部に供給される。図３は、「始動モード」と「発電モード」を比較したブロック図である。使用する装置がＳＭの場合、外部に搭載された発電機制御ユニット（ＧＣＵ）３６が代わりに回転機３２の直流磁場を変化させることで、３８（ＰＯＲ：Ｐｏｉｎｔ  ｏｆ  Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ）及び出力電圧３９を調節して、速度及び電気負荷の変化を補償する。また、過電圧、不足電圧、過電流、及び差動電流等に対して必要な保護機能、並びに電流制限及び接触器制御電力等の補助制御機能も提供する。エンジン始動時に最も積極的に用いられるＰＣＵ部分３４は、発電モードでも、回転機３２の出力３９を航空機の負荷４２が使用可能な直流電流に整流するために用いられる。発電機の全体的な効率を高めるために、同期整流が広く利用される。
【００１８】
図６は、同期機５０を概略的に示す。駆動シャフト１６は、動力を供給して、筐体１０内の回転機３２を軸受５２周りに回転させる。即着脱部６０は、通常、始動発電機を航空機のエンジンに同軸に連結し、また、始動発電機を航空機のエンジンから切り離すことを可能にする鍵装置等のアライメントシステムを備える。また、図６は、回転機の非駆動端（ＡＤＥ：Ａｎｔｉ−Ｄｒｉｖｅ  Ｅｎｄ）に連結されたＰＣＵ３４を、エンジンナセル内で晒される過酷な環境から保護するために密閉された区画に配置された回路カードアセンブリ（ＣＣＡ：Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｃａｒｄ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と共に示している。ヒートシンクフィン６１が、冷却用空気の流れに沿って設置されている。
【００１９】
図７は、始動発電ユニットとの間で直流電力を伝送するための端子台３５を備える電力制御ユニット３４の外観図を示す。電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）モジュール３７が、電力制御ユニット３４における端子台３５と他の構成要素を互いに接続して、直流電力を、回転機をブラシレスエンジン始動機として機能させるために回転機を駆動する際に必要な交流パルスに電気的に逆変換する。これは、図８がより分かり易く示している。図８では、ＰＣＵの筐体が外されており、トルク−速度プロファイルに応じてタイミング及びロジックをＦＥＴモジュール３７に提供するゲート駆動ＣＣＡ１３９が開示されている。ゲート駆動ＣＣＡは、フレキシブルケーブル４１により、ＥＭＩ及び周囲環境の遮蔽を目的に採用された他のＰＣ基板に電気的に接続されている。
【００２０】
図９に示す回転機のトポロジーは、一体化されたＰＣＵ及び遠隔ＧＣＵに電気的に接続された一般的な２イン１ブラシレス同期機を示している。発電機として、ＧＣＵは、直流電流を励磁機制御フィールドに送る。これにより、直流の静磁場が確立され、これを通るように励磁機における電機子の導体が回転して、交流電流を発生させる。この交流電流は、回転ダイオードブリッジにより整流され、回転している主磁場に直流電流として送られる。このように固定された主電機子の導体に対して介入することで、使用可能な交流電力が作られ、この交流電力は、直流端子に送られる前に、ＰＣＵの各ＦＥＴ内に配置されたダイオードによって同期的に整流される。ＧＣＵは、出力電圧を検知し、それに応じて制御フィールドへの直流電圧を調節して、調節された電圧レベルを維持する。これにより、回転によるブラシレスでの直流電力の発電が実現する。
【００２１】
図１０に示す回転機のトポロジーは、始動モードにおける図９で説明した回転機を示す。ここでもＰＣＵと一体化されている一方で、電機子及び重ダンパ（アモルト）バーのみを用いてエンジンを駆動する。このモードでは、制御誘導電動機のように、直流電力がＰＣＵに取り込まれ、その後交流電力に逆変換され且つ調整されて、回転機の電機子に送られる。先行技術において周知の他の様々な方法によって回転機を駆動させることも可能である。
【００２２】
同期機として用いる場合、一定のトレードオフの技術が存在する：
・制御可能な直流磁場のための巻線磁場。
・小型のユニットである一方、励磁機５４が、ブラシや他の摺動接触子を用いずに主磁場を発生させる必要がある。
・励磁機の回転子の交流出力を整流するための回転ダイオード段５６。
・回転機のアモルト回路５８をかごとして用いる誘導始動。
・発電機として簡単かつ単純な調節。
・効果的な始動周期を実現する簡素な可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ：Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）変換器。
【００２３】
図４を参照すると、使用する回転装置３２がＰＭの場合、ＰＣＵ３４は、一般的にパルス幅変調（ＰＷＭ：Ｐｕｌｓｅ−Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）回路で実現される、出力を切り替えるバックトポロジーにより出力電圧を調節する電力調節ユニットとなる。ＰＣＵ３４は、上記に挙げた保護機能も提供するが、差動電流保護により、単純な脱励磁ではなく、特許文献２に記載されたようなシャフト切断部を作動させることになる。
【００２４】
永久磁石機として用いる場合、一定のトレードオフの技術が存在する：
・自己励磁機であるため、最小且つ最も簡素な設計となる。
・アーク故障に対する保護としてシャフト切断装置が必要となる。
・発電モードにおいて速度及び電気負荷の変化を補償するために複雑な切り替え調節を行う
・始動モードにおいてブラシレス直流モータ（ＢＬＤＣ：Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ  ＤＣ  Ｍｏｔｏｒ）として最も効果的に用いられる。
【００２５】
図５を参照すると、使用する回転装置３２がＩＭの場合、ＰＣＵ３４は、回転機から得られた有効電力４４の位相をシフトさせて、これを、負の滑り（対応する機械的速度よりも僅かに（〜５％）低い電気的周波数）を発生させたことと同等の周波数及び振幅を有する無効電力として再度送る励磁変換機となる。また、ＰＣＵ３４により同じ保護機能が提供されるが、これらにより、発電機４６に発電させないようにする脱励磁が実行されるという条件がある。
【００２６】
誘導機として用いる場合、一定のトレードオフの技術が存在する：
・小型且つ耐久性の高いユニット。
・高電圧で最も性能を発揮する。このため、低電圧ではあまり性能を発揮しない。
・電圧の昇圧・降圧段４８が必要となる。
・発電モードでは、動的な交流電流（ＡＣ）の問題がある。これにより、ドライブトレーンの寿命にとって悪影響をもたらす振動現象が生じ得る。
【００２７】
本明細書に開示した概念の新規性は、従来では胴体に配置されていたＰＣＵを、エンジンに取り付けられ、ナセルの厳しい環境に晒されても耐え抜かなくてはならないＳＧＵと組み合わせることを含む。上記の新規性は、ＰＣＵを簡素化及び小型化するための全ての改良、及びその耐久性を高めて、故障がなく、長い寿命を実現するための全ての対策も包含する。最後に、ブラシ付きユニットに関するこれまでの全ての要件を満たす又は上回るブラシレス始動発電機を、完全なドロップインの交換機から実現することにも新規性がある。
【００２８】
更なる特徴として、外部の発電機制御ユニット（ＧＣＵ）のエンベロープ（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）を制御部に用いる能力も挙げられる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018019593.tif 000009
【図８】
2018019593.tif 000010
【図９】
2018019593.tif 000011
【図１０】
2018019593.tif 000012
【外国語明細書】
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