(57)【要約】【課題】装置をより複雑にしたり装置の全体的な信頼性を低下させることなく、装置を確実に保護する過負荷保護装置を提供する。【解決手段】回転または固定の電気機械式装置の被駆動構成要素（１０）にかかる負荷を求める方法は、回転可撓性を有するシャフト部（２０）によって、軸を中心に回転可能な駆動ロータ（１４）を備える駆動構成要素（１２）と被駆動構成要素（１０）とを動作可能に連結することを含む。駆動ロータ（１４）と被駆動構成要素（１０）との角度位置が求められる。被駆動構成要素（１０）にかかる負荷の大きさが、駆動ロータ（１４）と被駆動構成要素（１０）との角度位置の違いと、シャフト部（２０）の既知のねじり剛性に基づいて計算される。【選択図】図１
2011180141.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸を中心に回転可能な駆動ロータを備える駆動構成要素と、
前記軸を中心に回転可能な被駆動構成要素と、
回転に対して可撓性を有するとともに、前記軸を中心とする駆動ロータの回転によって前記軸を中心に被駆動構成要素が回転駆動されるように、駆動ロータと被駆動構成要素とを動作可能に連結するシャフト部と、を有し、
駆動ロータと被駆動構成要素との回転量の違いが、被駆動要素にかかる負荷を示していることを特徴とする電気機械式装置。
【請求項２】
角度位置を求めるために駆動ロータおよび／または被駆動構成要素と動作可能に設けられた少なくとも１つの位置センサをさらに有することを特徴とする請求項１記載の電気機械式装置。
【請求項３】
駆動構成要素は、スイッチドリラクタンスモータ、ブラシレスＤＣモータまたは誘導モータのいずれかであることを特徴とする請求項１記載の電気機械式装置。
【請求項４】
シャフト部は、既知のばね定数を有するねじりばねを備えることを特徴とする請求項１記載の電気機械式装置。
【請求項５】
所望の角度位置で駆動ロータの回転を停止するように構成されたブレーキ機構をさらに有することを特徴とする請求項１記載の電気機械式装置。
【請求項６】
ブレーキ機構が係合したときの駆動ロータの回転量は、被駆動構成要素によって駆動モータに作用するトルクの量を示すことを特徴とする請求項５記載の電気機械式装置。
【請求項７】
ブレーキ機構は、シャフト部に動作可能に連結されているとともに複数のブレーキギア歯を有するブレーキギアと、複数のブレーキギア歯と係合可能なつめと、を有することを特徴とする請求項５記載の電気機械式装置。
【請求項８】
前記つめは、つめ車で動かすことができることを特徴とする請求項７記載の電気機械式装置。
【請求項９】
回転に対して可撓性を有するシャフト部によって、軸を中心に回転可能な駆動ロータを備える駆動構成要素と被駆動要素とを動作可能に連結し、
駆動ロータの角度位置を求め、
被駆動構成要素の角度位置を求め、
駆動ロータと被駆動構成要素との角度位置の違いおよびシャフト部の既知のねじり剛性に基づいて、被駆動構成要素にかかる負荷の大きさを計算することを含むことを特徴とする電気機械式装置の被駆動構成要素にかかる負荷を求める方法。
【請求項１０】
駆動ロータおよび／または被駆動構成要素の角度位置を求めることは、これらに動作可能に設けられた１つまたは複数ロータ位置センサによって行われることを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１１】
駆動構成要素は、電気モータであることを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１２】
駆動ロータの角度位置を求めることは、駆動構成要素の測定された電気的特性と既知のプロファイルとの比較によって行われることを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記電気的特性は、電圧および／または電流であることを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記負荷を所定の限度と比較することを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１５】
ブレーキ機構を係合させて駆動ロータの回転を停止し、
被駆動構成要素を介して駆動ロータに加わるトルクによって、駆動ロータの角度位置を変更し、
駆動ロータの角度位置の変化量とシャフト部の既知のねじり剛性とによってトルクの大きさを計算することをさらに含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１６】
トルクの大きさが所定の限度を超えた場合に、駆動構成要素からトルクを取り除くことを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
トルクは、ブレーキ機構の解除によって取り除かれることを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
ブレーキ機構の係合は、ブレーキギアに設けられた複数のブレーキギア歯につめを係合させることを含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１９】
駆動構成要素は、スイッチドリラクタンスモータ、ブラシレスＤＣモータまたは誘導モータのいずれかを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に、電気機械式装置に関し、特に、電気機械式装置におけるトルクの検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気モータおよび電気モータの駆動に関する技術における最近の進歩によって、航空機、宇宙船、船や車両に搭載された従来の機械式、空気圧式、油圧式の装置を電動装置に置き換えることが有利になっている。電動装置は、効率および信頼性が高く、作動液による環境危険や火災危険が少なく、保守費用が安価で、かつ軽量で外装が小さいという利点を有する。電気機械式アクチュエータ、始動発電機、電動ポンプ、などの耐負荷用途では、安全な設計マージンを超える回転トルクや過負荷トルクが一時的に装置に加わることがある。過負荷状態における安全性は大変重要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
機械的な過負荷状態を検出する必要性は、装置および外部の環境に機械的または電気的な損傷を与えないように、適切な時間枠内で負荷を検出してこれに対処することを要求する。典型的に、機械的および電気的な負荷／力センサが駆動装置の保護に使用される。しかし、作動装置にセンサを追加すると、信頼性が低下するとともに装置全体がより複雑になる。機械的な作動装置は、設計閾値を超える機械的負荷を取り除く確実な機構を必要とする。シヤーシャフト、ブレーキ、スリップクラッチ、負荷センサなどの安全機能は、従来より過負荷に対する保護を提供してきたが制限がある。同様に、油圧式や空気圧式の作動装置も、装置圧力／装置負荷が設計閾値を超えたときに開くばね付勢された安全弁を典型的に使用する。当該技術では、装置をより複雑にしたり装置の全体的な信頼性を低下させることなく、装置を確実に保護する過負荷保護装置が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一形態では、電気機械式装置は、軸を中心に回転可能な駆動ロータを備える駆動構成要素と、上記軸を中心に回転可能な被駆動構成要素と、を含む。回転に対して可撓性を有するシャフト部が、駆動ロータおよび被駆動構成要素と動作可能に設けられている。シャフト部は、軸を中心とする駆動ロータの回転によって被駆動構成要素が上記軸を中心に回転駆動されるように、駆動ロータおよび被駆動構成要素と動作可能に連結されている。駆動ロータと被駆動構成要素との回転量の違いが、被駆動構成要素にかかる負荷を示す。
【０００５】
本発明の他の形態では、電気機械式装置の被駆動構成要素にかかる負荷を求める方法は、回転に対して可撓性を有するシャフト部によって、軸を中心に回転可能な駆動ロータを備える駆動構成要素と被駆動構成要素とを動作可能に設けることを含む。シャフト部は、これらに動作可能に連結される。駆動ロータと被駆動構成要素との角度位置が求められる。被駆動構成要素にかかる負荷の大きさが、駆動ロータと被駆動構成要素との角度位置の違いおよびシャフト部の既知のねじり剛性に基づいて計算される。
【０００６】
上記のおよび他の利点や特徴は、以下の実施形態および図面によってさらに明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】電気機械式装置の一実施例の概略説明図である。
【図２】電気機械式装置の一実施例の部分断面図である。
【図３】電気機械式装置の他の実施例の概略説明図である。
【図４】電気機械式装置の部分断面図である。
【図５】電気機械式作動装置の一実施例に加わるトルクを示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１には、例えばタービンエンジン１０である第１の構成要素と、例えばタービンエンジン１０の始動モータ１２である第２の構成要素と、を含む電気機械式装置が示されている。いくつかの実施例では、始動モータ１２は電気モータである。始動モータ１２は、始動ロータ１４を含み、この始動ロータ１４は、該始動ロータ１４とタービンロータ１６との間に延在するタービンシャフト１８を介してタービンロータ１６に連結されている。タービンシャフト１８は、始動ロータ１４とタービンロータ１６との間に設けられ、回転に対して可撓性のあるシャフト部２０を含む。
【０００９】
タービンロータ１６および始動ロータ１４の両方の角度位置がいつでも分かっている。いくつかの実施例では、始動モータ１２とタービンエンジン１０とは、回転位置データを得るために始動ロータ１４およびタービンロータ１６のそれぞれの角度位置を検出可能な少なくとも１つのロータ位置センサ２２をそれぞれ含む。始動モータ１２は、スイッチドリラクタンス（ＳＲ）モータ、ブラシレスＤＣモータ、誘導モータ、または始動ロータ１４のコミュテーションに使用される既存のロータ位置センサ２２を含む他のモータとすることができる。他のモータを使用し、始動ロータ１４およびタービンロータ１６の一方または両方の角度位置を求めるためにタービンシャフト１８に固定されたリゾルバなどの位置センサ２２を使用することもできる。他の実施例では、始動ロータ１４の位置がロータ位置センサ２２を用いずに求められる。このような実施例では、始動ロータ１４の角度位置は、始動ロータ１４が始動モータ１２の軸を中心に回転するときの電圧分布および／または電流などの既知のプロファイルを用いるアルゴリズムによって数学的に求められる。始動モータ１２の電圧プロファイルは、始動ロータ１４の角度位置の関数として既知なので、所望の点における電圧および／または電流を測定し、測定値を既知のプロファイルと比較することによって始動ロータ１４の角度位置を求めることができる。
【００１０】
回転可撓性があるシャフト部２０は、始動ロータ１４とタービンロータ１６の間のタービンシャフト１８に沿って、実施例によってはタービンシャフト１８の２つの回転剛性のある部分の間に設けられている。図２に示すように、シャフト部２０は、タービンシャフト１８に連結されたねじりばね２８とすることができる。ねじりばね２８は、既知のばね定数すなわち与えられる単位力当たりのねじりを有する。図２では、シャフト部２０としてねじりばね２８が示されているが、与えられる単位力当たり既知の回転可撓性すなわちねじりを有する他のシャフト部２０の構成も使用することができる。例えば、シャフト部２０は、与えられる単位力当たり既知の回転可撓性を有する中実のシャフトとすることもできる。
【００１１】
再び図１を参照すると、始動ロータ１４およびタービンロータ１６の両方の角度位置と、シャフト部２０のばね定数が分かっていることにより、始動ロータ１４とタービンロータ１６との間の公称の関係が定められ、つまり始動ロータ１４の回転位置に対するタービンロータ１６の公称位置が得られる。このような構成は、多くの状況で有用である。例えば、始動ロータ１４およびタービンロータ１６の位置とともにシャフト部２０のばね定数が分かっていることにより、タービンエンジン１０の負荷を求めることができる。さらに、このような構成は、タービンエンジン１０の状態監視に利用可能である。始動ロータ１４の位置とタービンロータ１６の位置とを同時にサンプリングすることで、デルタ位置を計算することができる。始動ロータ１４とタービンロータ１６との間のばね定数が既知のため、続いてタービンエンジン１０のトルク負荷を求めることができる。トルク負荷が与えられた（温度、空気密度などの）運転条件における公称範囲から外れた場合には、タービンエンジン１０の整備を許可することができる。
【００１２】
図３には、電気機械式装置の他の実施例が示されている。この実施例では、第１の構成要素は、例えば電気機械式アクチュエータ３０であり、この電気機械式アクチュエータ３０は、実施例によっては直線式または回転式とすることができ、駆動モータ３２に接続されてこれにより駆動される。駆動モータ３２は、駆動モータ３２の駆動モータロータ３４の角度位置が検出可能な少なくとも１つのロータ位置センサ２２を含む。
【００１３】
電気機械式装置は、モータシャフト３８の一端に設けられたブレーキ機構３６を含む。図４に示すように、ブレーキ機構３６は、モータシャフト３８に固定されたブレーキギア４０と、ラチェットサーボ機構４４に取り付けられたラチェットつめ４２と、を含んでもよい。ブレーキギア４０は、複数のブレーキギア歯４６を有し、これらのブレーキギア歯にラチェットつめが係合することにより、所望の点でモータシャフト３８の回転を停止して電気機械式アクチュエータ３０の作動を停止することができる。ここでは、ラチェットつめとブレーキギアを含むブレーキ機構３６を説明したが、他の種類のブレーキ機構３６を含む実施例も本開示内容の範囲内に含まれる。
【００１４】
モータシャフト３８は、駆動モータ３２とブレーキ機構３６との間に設けられた回転可撓性を有するシャフト部２０を含む。上記と同様に、いくつかの実施例では、シャフト部２０は、モータシャフト３８に連結されたねじりばね２８である。ねじりばね２８は、既知のばね定数すなわち与えられた単位力当たりのねじりを有する。ねじりばね２８は、ブレーキギアのシャフト５０を受け入れるキー溝４８を有する。図４には、シャフト部２０としてねじりばね２８が示されているが、他の形態のシャフト部２０も利用できる。例えば、シャフト部２０は、与えられた単位力当たり既知の回転可撓性を有する中実のシャフトとしてもよい。
【００１５】
電気機械式装置の運転時には、駆動モータ３２は、モータシャフト３８の回転によって電気機械式アクチュエータ３０を所望の位置に駆動する。続いて、ブレーキ機構３６が、モータシャフト３８の回転を停止するために係合される。電気機械式アクチュエータ３０に作用する力によって、モータシャフト３８にトルクが作用しうる。このトルクは、シャフト部２０を有する駆動モータ３２によって監視される。既知のばね定数を有するシャフト部２０があることにより、ブレーキ機構３６の係合時にモータシャフト３８に与えられるトルクによって駆動モータロータ３４とモータシャフト３８の非可撓性部分５２の回転が可能となる。この回転は図５に示されており、負荷がかかっていないロータ１４ａと負荷がかかったロータ１４ｂとの相対位置が図示されている。ロータ１４の運動は、位置センサ２２または検出アルゴリズムによって検出される。回転運動の量およびシャフト部２０のばね定数が既知のため、加わったトルクを計算することができる。いくつかの実施例では、加わったトルクは、電気機械式装置の完全性または安全性のために所定の限度を有しうる。加わったトルクが所定の限度を超えた場合には、ブレーキ機構３６を解除してモータシャフト３８の回転を許容し、ひいては電気機械式アクチュエータ３０を作動させて、モータシャフト３８に加わるトルクを取り除くことができる。
【００１６】
シャフト部２０を有し、ロータ位置センサ２２または他の手段によってロータ位置の検出を行う電気機械式装置では、電気機械式装置１０に直接的なトルクセンサを設ける必要性がなくなる。
【００１７】
制限された数の実施例のみに関連して本発明を詳細に説明したが、本発明は開示された実施例に限定されるものではない。むしろ、本発明は、本発明の趣旨および範囲と同等である上述していない変形物、変更、代替物や相当する構成をいくつでも含むように改良することができる。加えて、本発明の種々の実施例を説明したが、本発明の形態は説明された実施例のいくつかのみを含みうる。従って、本発明は、上述の説明によって限定されるものではなく、請求項の範囲のみによって限定されるものである。
【符号の説明】
【００１８】
１０…タービンエンジン
１２…始動モータ
１４…始動ロータ
１６…タービンロータ
１８…タービンシャフト
２０…シャフト部
２２…ロータ位置センサ
【図１】
2011180141.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2011180141.tif 000006
【図５】
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