(57)【要約】  航空機用の発電制御装置は、航空機エンジンの回転動力を有段変速機で変速し、前記有段変速機で変速された回転動力を無段変速機で変速して発電機に伝達する発電系統の制御装置であって、所定のシフト条件が成立すると、前記有段変速機の変速段を切り換えるように前記有段変速機を制御する有段変速制御部と、前記シフト条件が成立すると、前記有段変速機の前記変速段の切り換えによる出力回転数の変動を相殺する側に前記無段変速機を制御する無段変速制御部と、を備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機エンジンの回転動力を有段変速機で変速し、前記有段変速機で変速された回転動力を無段変速機で変速して発電機に伝達する発電系統の制御装置であって、
所定のシフト条件が成立すると、前記有段変速機の変速段を切り換えるように前記有段変速機を制御する有段変速制御部と、
前記シフト条件が成立すると、前記有段変速機の前記変速段の切り換えによる出力回転数の変動を相殺する側に前記無段変速機を制御する無段変速制御部と、を備える、航空機用の発電制御装置。
【請求項２】
前記無段変速制御部及び前記有段変速制御部は、前記有段変速機の出力回転数の変動を相殺する側に前記無段変速機が予め動作した後に前記有段変速機の前記変速段が切り換えられるように、前記無段変速機及び前記有段変速機をそれぞれ制御する、請求項１に記載の航空機用の発電制御装置。
【請求項３】
前記無段変速制御部は、
前記有段変速機が変速比を減少させるようシフトダウンするときに、前記無段変速機の出力回転数を増加側にオフセットさせるように前記無段変速機を増加オフセット制御し、
前記有段変速機が変速比を増加させるようシフトアップするときに、前記無段変速機の出力回転数を減少側にオフセットさせるように前記無段変速機を減少オフセット制御する、請求項１又は２に記載の航空機用の発電制御装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発電制御装置と、
航空機エンジンの回転動力を変速し、複数の変速段を有する有段変速機と、
前記有段変速機で変速された回転動力を変速する無段変速機と、
前記無段変速機で変速された回転動力が伝達される発電機と、を備える、航空機用の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機エンジンの回転動力を変速して発電機に伝達し且つ複数の変速段を有する有段変速機を備えた発電系統の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機の多くは、飛行用エンジンで駆動される発電装置を主電源として備える。当該発電装置の一例としては、駆動機構一体型発電装置（Integrated Drive Generator：IDG）が挙げられ、この発電装置では、発電機と、当該発電機の上流側に配置された無段変速機とを一体に備える（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１５８４００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、エンジンから取り出す動力に大きな回転数変動が生じる場合を想定し、当該動力の回転数変動レンジが大きくなっても、適切な回転数に調整して発電機に動力伝達できる構成を考える必要がある。その対策として、発電装置の無段変速機の変速レンジを大きくしようとすると、無段変速機を大径化する必要があり、装置全体が大型化してしまうので好ましくない。発電装置の大型化を抑えたまま大きな回転数変動に対応する方策としては、発電装置の上流側に小型の有段変速機（例えば、２段式の有段変速機）を設け、その有段変速機の変速動作により発電装置に入力される動力の回転数変動レンジを狭めることが考えられる。【０００５】
しかし、有段変速機では、シフトアップ時に出力回転数が瞬間的に急低下し、シフトダウン時には出力回転数が瞬間的に急増加する。有段変速機の出力回転数が緩やかに変化する場合には、有段変速機の下流側にある無段変速機が変速動作を行うことで、発電機に入力される回転数が適切な範囲に調整されるが、無段変速機の応答能力を超えて有段変速機の出力回転数が瞬間的に急変する場合には、発電装置に入力される動力の回転数が瞬間的に大きく変動し、発電周波数が不安定になる。【０００６】
そこで本発明は、発電機の上流側に有段変速機を備えた発電装置において、発電機に入力される動力の瞬間的な回転数変動を防止して発電を安定させる制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に係る航空機用の発電制御装置は、航空機エンジンの回転動力を有段変速機で変速し、前記有段変速機で変速された回転動力を無段変速機で変速して発電機に伝達する発電系統の制御装置であって、所定のシフト条件が成立すると、前記有段変速機の変速段を切り換えるように前記有段変速機を制御する有段変速制御部と、所定のシフト条件が成立すると、前記有段変速機の前記変速段の切り換えによる出力回転数の変動を相殺する側に前記無段変速機を制御する無段変速制御部と、を備える。【０００８】
前記構成によれば、有段変速機の変速段の切り換え時に有段変速機の出力回転数が瞬間的に変動しても、有段変速機の出力回転数の変動を相殺する側に無段変速機を制御（例えば、目標出力回転数を変動相殺側にずらす）ので、無段変速機の出力回転数の変動が抑制される。よって、発電機の上流側に有段変速機を備えた発電装置において、発電機に入力される動力の瞬間的な回転数変動を防止して発電を安定させることができる。【０００９】
前記無段変速制御部及び前記有段変速制御部は、前記有段変速機の出力回転数の変動を相殺する側に前記無段変速機が予め動作した後に前記有段変速機の前記変速段が切り換えられるように、前記無段変速機及び前記有段変速機を制御する構成としてもよい。【００１０】
前記構成によれば、有段変速機の変速段の切り換え時において、有段変速機の出力回転数の変動を相殺する側に無段変速機を事前に制御しておくことができ、瞬間的な回転数変動を好適に防止することができる。【００１１】
前記無段変速制御部は、前記有段変速機が変速比を減少させるようシフトダウンするときに、前記無段変速機の出力回転数を増加側にオフセットさせるように前記無段変速機を増加オフセット制御し、前記有段変速機が変速比を増加させるようシフトアップするときに、前記無段変速機の出力回転数を減少側にオフセットさせるように前記無段変速機を減少オフセット制御する構成としてもよい。【００１２】
前記構成によれば、有段変速機がシフトアップするときもシフトダウンするときも、発電機に入力される動力の瞬間的な回転数変動を防止して発電を安定させることができる。【００１３】
本発明の一態様に係る航空機用の発電装置は、前記した発電制御装置と、航空機エンジンの回転動力を変速し、複数の変速段を有する有段変速機と、前記有段変速機で変速された回転動力を変速する無段変速機と、前記有段変速機で変速された回転動力が伝達される発電機と、を備える。【００１４】
前記構成によれば、前述したように、発電機の上流側に有段変速機を備えた発電装置において、発電機に入力される動力の瞬間的な回転数変動を防止して発電を安定させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、発電機の上流側に有段変速機を備えた発電系統において、発電機に入力される動力の瞬間的な回転数変動の多発を防止して発電を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態に係る航空機エンジン及び発電系統を示す模式図である。
【図２】図１に示す発電系統のブロック図である。
【図３】図２に示す発電制御装置のブロック図である。
【図４】図３に示す無段変速制御部のブロック図である。
【図５】比較例における有段変速機の入力回転数及び出力回転数と無段変速機の出力回転数との関係を示すグラフである。
【図６】図２に示す有段変速機の入力回転数及び出力回転数と無段変速機の出力回転数との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して実施形態を説明する。
【００１８】
図１は、実施形態に係る航空機エンジン１及び発電装置１３を示す模式図である。図１に示すように、航空機エンジン１は、２軸ガスタービンエンジンであって、ファン２、圧縮機３、燃焼器４、タービン５、高圧軸６及び低圧軸７を備える。ファン２は、航空機エンジン１の前部に配置され、その周囲がファンケースで覆われている。タービン５は、前段側の高圧タービン８及び後段側の低圧タービン９を有する。高圧タービン８は、高圧軸６を介して圧縮機３と連結されている。高圧軸６は、内部に中空空間を有する筒状の軸体である。低圧タービン９は、低圧軸７を介してファン２と連結されている。低圧軸７は、高圧軸６の中空空間に挿通されている。
【００１９】
低圧軸７には、径方向外方に延びた連結軸１１が動力伝達可能に接続されている。連結軸１１には、ギヤボックス１２が動力伝達可能に接続されている。ギヤボックス１２には、発電装置１３が動力伝達可能に接続されている。即ち、低圧軸７の回転動力が、連結軸１１及びギヤボックス１２を介して発電装置１３に伝達される。低圧軸７の回転数変動は、高圧軸６の回転数変動よりも大きいため、発電装置１３に入力される動力の回転数変動レンジは大きくなる。なお、発電装置１３に伝達するための動力は、低圧軸７の代わりに高圧軸６から取り出されてもよい。
【００２０】
図２は、図１に示す発電装置１３のブロック図である。図２に示すように、発電装置１３は、有段変速機２１、無段変速機２２、発電機２３及び発電制御装置２７を備える。また、発電装置１３は、センサとして、第１〜第３回転数センサ２４〜２６を備える。航空機エンジン１の低圧軸７から取り出した回転動力は、有段変速機２１及び無段変速機２２によって夫々変速されてから発電機２３に入力され、発電機２３で発電された電力が航空機の電気機器（図示せず）に供給される。即ち、エンジン１から取り出す動力に大きな回転数変動が生じる場合を想定し、発電機２３に入力される動力の回転数が安定するように有段変速機２１及び無段変速機２２により回転数が調整される。
【００２１】
有段変速機２１には、航空機エンジン１から取り出した回転動力が入力される。有段変速機２１は、複数のギヤ列から動力伝達させるギヤ列を選択して変速を行う変速機であり、動力伝達させるギヤ列を切り替える際には出力回転数に変動が生じる。本実施形態では、有段変速機２１は、一例として２段変速式であり、下位段（等速段）と、下位段よりも変速比が大きい（減速比が小さい）上位段（増速段）とを有する。有段変速機２１では、下位段から上位段にシフトアップするときや上位段から下位段にシフトダウンするときには、一のギヤ列が選択された状態からディスエンゲージ状態（ニュートラル状態）を経て他のギヤ列が選択された状態へと切り替わる。なお、本実施形態では、有段変速機２１の変速段が２段のみの構成を例示したが、２段よりも多くてもよい。
【００２２】
無段変速機２２には、有段変速機２１が変速して出力する回転動力が入力される。無段変速機２２には、例えば、トロイダル式の無段変速機を用いることができる。トロイダル式の無段変速機は、入力ディスク及び出力ディスクに挟まれたパワーローラの位置をアクチュエータにより変化させることで、パワーローラを傾転させて変速比を変更するものである。トロイダル式の無段変速機は、公知であるためその詳細構造の説明は省略する。なお、無段変速機は、他の形式のものでもよく、例えば、油圧式変速機（Hydro Static Transmission）でもよい。
【００２３】
発電機２３には、無段変速機２２が変速して出力する回転動力が入力される。発電機２３は、交流発電機である。発電機２３は、一定回転数の動力が入力されることで一定周波数の交流を発電する。
【００２４】
第１回転数センサ２４は、有段変速機２１の入力回転数Ｎ１を検出する。第２回転数センサ２５は、有段変速機２１の出力回転数Ｎ２（即ち、無段変速機２２の入力回転数）を検出する。第３回転数センサ２６は、無段変速機２２の出力回転数Ｎ３を検出する。発電制御装置２７は、第１〜第３回転数センサ２４〜２６で検出された回転数Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３に応じて、有段変速機２１及び無段変速機２２の変速動作を制御する。なお、有段変速機２１と無段変速機２２との間に歯車を介在させ、有段変速機２１の出力回転数Ｎ２が、無段変速機２２の入力回転数と一致しない構成としてもよい。
【００２５】
図３は、図２に示す発電制御装置２７のブロック図である。図３に示すように、発電制御装置２７は、ハードウェア面において、プロセッサ、揮発性メモリ、不揮発性メモリ及びＩ／Ｏインターフェース等を有する。発電制御装置２７は、ソフトウェア面において、有段変速制御部３１及び無段変速制御部３２を有する。有段変速制御部３１及び無段変速制御部３２は、不揮発性メモリに保存されたプログラムに基づいてプロセッサが揮発性メモリを用いて演算処理することで実現される。
【００２６】
有段変速制御部３１は、第１回転数センサ２４で検出された有段変速機２１の入力回転数Ｎ１を、有段変速機２１を制御するための監視回転数として受信する。なお、有段変速機２１を制御するための監視回転数は、有段変速機２１の入力回転数ではなくてもよく、例えば有段変速機２１の出力回転数としてもよい。有段変速制御部３１は、所定のシフト条件（シフトアップ条件又はシフトダウン条件）が成立すると、無段変速制御部３２にシフト条件成立信号を送信し、かつ、有段変速機２１に変速段を切り替えさせるシフト信号（シフトアップ信号又はシフトダウン信号）を出力する。シフト信号は、有段変速機２１の変速動作用のアクチュエータ（図示せず）の駆動指令として有段変速機２１に出力される。
【００２７】
具体的には、有段変速制御部３１は、監視回転数Ｎ１が第１閾値Ａ１（図５参照）を上回ると（シフトダウン条件成立）、無段変速制御部３２にシフトダウン条件成立信号を送信し、かつ、有段変速機２１を上位段から下位段にシフトダウン（減速比増加）させるシフトダウン信号を出力する。また、有段変速制御部３１は、監視回転数Ｎ１が第２閾値Ａ２（図５参照）を下回ると（シフトアップ条件成立）、無段変速制御部３２にシフトアップ条件成立信号を送信し、かつ、有段変速機２１を下位段から上位段にシフトアップ（減速比減少）させるシフトアップ信号を出力する。第１閾値Ａ１は、例えば、第２閾値Ａ２よりも大きい値に設定されている。
【００２８】
無段変速制御部３２は、第２回転数センサ２５で検出される無段変速機２２の入力回転数Ｎ２及び第３回転数センサ２６で検出される無段変速機２２の出力回転数に基づいて、無段変速機２２の出力回転数（即ち、発電機２３の入力回転数）が一定となるように無段変速機２２の変速比を連続的に制御する。即ち、無段変速制御部３２は、無段変速機２２の入力回転数Ｎ２が増加すると無段変速機２２の変速比を減速側に変化させ、無段変速機２２の入力回転数Ｎ２が減少すると無段変速機２２の変速比を増速側に変化させる。
【００２９】
図４は、図３に示す無段変速制御部３２のブロック図である。図４に示すように、無段変速制御部３２は、傾転角推定器４１、位置推定器４２及び位置制御器４３を備える。傾転角推定器４１は、トロイダル式の無段変速機２２の前記パワーローラの傾転角の実値を推定した値である推定値φestを求める。位置推定器４２は、前記パワーローラの位置の実値を推定した値である推定値Ｘestを求める。位置推定器４２は、傾転角φのモデルと前記アクチュエータのモデルとを用いて作成されたオブザーバであり、傾転角の推定値φestと前記アクチュエータの動作指令値Ｉrefとに基づいてローラ位置の推定値Ｘestを求める。位置制御器４３は、前記パワーローラの位置の目標値Ｘrefと推定値Ｘestの偏差ΔＸを解消するように、前記パワーローラの位置を変位させる前記アクチュエータの動作指令値Ｉrefを求める。
【００３０】
傾転角推定器４１は、パワーローラの傾転角を直接的に検出するセンサに依らずに、演算によって傾転角の推定値φestを求める。傾転角推定器４１は、実変速比ＳＲを求める実変速比演算器４４（実変速比取得器）、及び実変速比ＳＲを傾転角の推定値φestに換算する換算器４５を備える。実変速比演算器４４は、無段変速機２２の入力回転数Ｎ２と無段変速機２２の出力回転数Ｎ３との比に応じて実変速比ＳＲを求める。換算器４５は、傾転角φの実変速比ＳＲに対する関数の逆関数（φ＝ｆ-1（ＳＲ））に従い、実変速比ＳＲに応じて傾転角を推定した値である推定値φestを求める。
【００３１】
無段変速制御部３２は、変速比の指令値ＳＲrefを求める目標変速比演算器４６を備える。目標変速比演算器４６は、入力回転数Ｎ２と予め記憶されている出力回転数の指令値Ｎ２refとの比に応じて変速比の指令値ＳＲrefを算出する。本実施形態では、出力回転数の指令値Ｎ２refは、航空機内の電装品の作動に適した周波数と対応する一定値に設定される。例えば、目標周波数ｆrefを400Hz、発電機２３の極数を２、出力回転数を発電機２３の入力軸の回転数とする場合、指令値Ｎ２refは24,000rpmの一定値である。
【００３２】
無段変速制御部３２は、変速比の指令値ＳＲrefと実変速比ＳＲとの偏差ΔＳＲを求める変速比減算器４７を備える（ΔＳＲ＝ＳＲref−ＳＲ）。無段変速制御部３２は、変速比の偏差ΔＳＲを減らすようにローラ位置の目標値Ｘrefを算出する目標位置演算器４８を備える。即ち、目標位置演算器４８は、メジャー閉ループ制御ＬＰ１（第１閉ループ制御；フィードバック制御）により、偏差ΔＳＲをゼロに近づけるようにローラ位置の目標値Ｘrefを算出する。
【００３３】
無段変速制御部３２は、パワーローラの位置の目標値Ｘrefと推定値Ｘestとの偏差ΔＸを求める位置減算器４９を備える（ΔＸ＝Ｘref−Ｘest）。位置制御器４３は、偏差ΔＸを減らすように無段変速機２２の前記アクチュエータの動作指令値Ｉrefを算出する。即ち、位置制御器４３は、マイナー閉ループ制御ＬＰ２（第２閉ループ制御；フィードバック制御）により、偏差ΔＸをゼロに近づけるように動作指令値Ｉrefを算出する。
【００３４】
無段変速制御部３２は、有段変速制御部３１からのシフト条件成立信号（シフトアップ条件成立信号又はシフトダウン条件成立信号）に応じてオフセット信号を出力するオフセット信号発生器５０を備える。オフセット信号発生器５０は、有段変速制御部３１からシフト条件成立信号を受信すると、シフト信号による有段変速機２１の出力回転数の変動を相殺する側に無段変速機２２を制御するオフセット信号を出力する。
【００３５】
具体的には、オフセット信号発生器５０は、有段変速制御部３１からシフトダウン条件成立信号を受信すると、無段変速機２２の出力回転数を増加側にオフセットさせる増加オフセット信号を目標位置演算器４８に出力する。目標位置演算器４８は、増加オフセット信号を受信すると、目標値Ｘrefを増加側に所定量オフセットさせる。また、オフセット信号発生器５０は、有段変速制御部３１からシフトアップ条件成立信号を受信すると、無段変速機２２の出力回転数を減少側にオフセットさせる減少オフセット信号を目標位置演算器４８に出力する。目標位置演算器４８は、減少オフセット信号を受信すると、目標値Ｘrefを減少側に所定量オフセットさせる。
【００３６】
なお、オフセット信号発生器５０のオフセット信号の入力先は、目標位置演算器４８に限られず、有段変速機２１の出力回転数の変動を相殺する側に無段変速機２２の出力回転数を制御できれば他の演算器でもよく、例えば、実変速比演算器４４、目標変速比演算器４６又は位置減算器４９等にオフセット信号を入力する構成としてもよい。
【００３７】
有段変速制御部３１は、シフト条件が成立すると、無段変速制御部３２にシフト条件成立信号を出力した後に、有段変速機２１にシフト信号を出力する。即ち、有段変速制御部３１から無段変速制御部３２へのシフト条件成立信号の出力タイミング（オフセット信号発生器５０のオフセット信号の出力タイミング）と、有段変速制御部３１から有段変速機２１へのシフト信号の出力タイミングとの間には、所定の遅延時間が設けられている。なお、無段変速機２２の動作に対して有段変速機２１の動作に遅れがある構成の場合には、必ずしもシフト信号を出力よりも先にオフセット信号を出力しなくてもよく、例えば、シフト信号とオフセット信号とが同時に出力される構成としてもよい。
【００３８】
図５は、比較例における有段変速機の入力回転数及び出力回転数と無段変速機の出力回転数との関係を示すグラフである。図６は、図２に示す有段変速機２１の入力回転数及び出力回転数と無段変速機の出力回転数との関係を示すグラフである。なお、図５及び６では、下位段（低速段）が等速であり且つ上位段（高速段）が増速である二段変速の例を示すが、上位段が下位段よりも増速比が大きい（減速比が小さい）構成であればこれに限られない。
【００３９】
図５に示す比較例では、無段変速制御部にオフセット信号発生器５０が設けられておらず、その点以外は前述した実施形態と同様の構成が採用されている。図５に示すように、比較例では、有段変速機２１の入力回転数が第１閾値Ａ１を上回るシフトダウン条件が成立すると、シフトダウン信号が出力されて有段変速機２１が上位段（高速段）から下位段（低速段）に変速されるため、有段変速機２１の出力回転数が減少側に急変動し、無段変速機２２の出力回転数も主に減少側に急変動する。また、有段変速機２１の入力回転数が第２閾値Ａ２を下回るシフトアップ条件が成立すると、シフトアップ信号が出力されて有段変速機２１が第２段（高速段）から第１段（低速段）に変速されるため、有段変速機２１の出力回転数が増加側に急変動し、無段変速機２２の出力回転数も主に増加側に急変動する。
【００４０】
これに対し、図６に示すように、無段変速制御部３２にオフセット信号発生器５０が設けられた本実施形態の例では、有段変速機２１の入力回転数が第１閾値Ａ１を上回るシフトアップ条件が成立すると、先ず増加オフセット信号が出力され、その後に所定の遅延時間を経てシフトダウン信号が出力されるため、無段変速機２２の出力回転数の減少側への変動量が抑制される。また、有段変速機２１の入力回転数が第２閾値Ａ２を下回るシフトアップ条件が成立すると、先ず減少オフセット信号が出力され、その後に所定の遅延時間を経てシフトアップ信号が出力されるため、無段変速機２２の出力回転数の増加側への変動量が抑制される。
【００４１】
以上のように、有段変速機２１のシフト信号の出力時において有段変速機２１の出力回転数が瞬間的に変動しても、有段変速機２１の出力回転数の変動を相殺する側に無段変速機２２を制御（例えば、目標出力回転数を変動相殺側にずらす）ので、無段変速機２２の出力回転数の変動が抑制される。よって、発電機２３の上流側に有段変速機２１を備えた発電装置１３において、発電機２３に入力される動力の瞬間的な回転数変動を防止して発電を安定させることができる。
【００４２】
また、シフト条件が成立すると、無段変速制御部３２がオフセット信号を出力した後に有段変速制御部３１がシフト信号を出力することになるため、有段変速機２１の出力回転数の変動を相殺する側に無段変速機２２を事前に制御しておくことができ、瞬間的な回転数変動を好適に防止することができる。
【００４３】
また、オフセット信号発生器５０は、有段変速機２１のシフト動作（シフトダウン動作又はシフトアップ動作）の完了後にオフセット信号の出力を停止する。それにより、有段変速機２１の変速動作が完了した後は、無段変速機２２の出力回転数（発電機２３の入力回転数）が従来通りに所望の設計値に制御される。オフセット信号発生器５０がオフセット信号の出力を停止するタイミングは、例えば、オフセット信号の出力開始から予め決められたタイマー時間（固定時間）が経過した時点とすることができる。
【００４４】
なお、有段変速制御部３１から無段変速制御部３２へのシフト条件成立信号の出力タイミング（オフセット信号発生器５０のオフセット信号の出力タイミング）と、有段変速制御部３１から有段変速機２１へのシフト信号の出力タイミングとの間には、前記遅延時間を設けずに、互いの出力タイミングを同時としてもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１  航空機エンジン
１３  発電装置
２１  有段変速機
２２  無段変速機
２３  発電機
２７  発電制御装置
３１  有段変速制御部
３２  無段変速制御部
【図１】
2020105082.tif 000003
【図２】
2020105082.tif 000004
【図３】
2020105082.tif 000005
【図４】
2020105082.tif 000006
【図５】
2020105082.tif 000007
【図６】
2020105082.tif 000008
【国際調査報告】
2020105082.tif 000009
2020105082.tif 000010
2020105082.tif 000011
2020105082.tif 000012