JPH10509017A

JPH10509017A - 低電圧源を使用したスタータゼネレータシステムと方法

Info

Publication number: JPH10509017A
Application number: JP8516012A
Authority: JP
Inventors: ベイカー、ドーナル・イー
Original assignee: サンドストランド・コーポレイション
Priority date: 1994-11-15
Filing date: 1995-04-03
Publication date: 1998-09-02
Also published as: US5493201A; EP0826269A4; EP0826269A1; WO1996015580A1

Abstract

(57)【要約】発電モードでの動作中に、タービンエンジンからの機械的動力を電力に変換することができ、また、始動モードでの動作中に、低電圧直流電源からの電力を、タービンエンジンを駆動するための機械的動力に変換することができる、タービンエンジンのための電気式スタータゼネレータは、多相巻線形ステータ（１１２）と、その中に回転可能な状態で配置されているロータ（１１４）とを有する同期型スタータゼネレータ（１１０）からなり、ロータ（１１４）は、タービンエンジンに駆動可能な状態で連結されている。本システムは、励起インバータ（１１６）と、直結された直流電源（１１８）とによって、ロータ（１１４）内に電界を形成する。モータとして、本スタータゼネレータを駆動するための多相ステータ巻線（１１２Ａ、１１２Ｂ、及び１１２Ｃ）の各巻線の励起手段は、電池（１１８）から電源供給される。インバータ（１２４）が、ステータ内に回転電界を形成するので、ロータから一定のトルクが生成されて、タービンエンジンを駆動する。

Description

【発明の詳細な説明】低電圧源を使用したスタータゼネレータシステムと方法技術分野本発明は、タービンエンジン用スタータゼネレータシステムに関し、特に、航空機用電池等の低電圧源からの始動を可能にする航空機用補助電源ユニット（ＡＰＵ）と共に使用して、電池電圧の昇圧インバータと絶縁変圧器を不要にするスタータゼネレータシステムに関する。背景技術航空機用タービンエンジンは、通常、発電システムから独立している始動システムを採用している。現在、モータとして駆動され得るゼネレータと、駆動機能を発揮する電子式電力コンバータから成る単一システムに、これらの機能を組み込むことを可能にする技術が存在する。補助電源ユニットは、この複合スタータゼネレータ技術の候補でもある、航空機用タービンエンジンの部分セットである。補助電源ユニットのアプリケーションにおいて、タービンエンジンは、通常、一定速度で動作して、一定速度でゼネレータを駆動するので、発電モードの動作のために、追加の電力変換は不要である。しかし、始動を実行するために、モータとして、そのゼネレータを駆動するためには、始動モードは、専用の電子式コンバータを必要とする。従来の専用スタータモータ、それに関連する歯車列、及び機械的分離装置（クラッチ）の削除により、そのシステムに、このコンバータを追加することは、コスト、重量、及び信頼性に関して、効果的に相殺される。つまり、新しいコンバータが、競争力のある候補であるために保有していなければならない、信頼性と共に、寸法とコストの制約がある。この新しい補助電源ユニットの別の追加要件は、既存のシステムや動作要件と適合性があるように、既存の航空機用電池で動作できなければならないことである。これらの要件を満たすためには、現在の補助電源ユニット式スタータゼネレータシステムの概念は、かなり複雑である。例えば、図１に示すように、通常のスタータゼネレータシステム１００は、３台の電力コンバータ（インバータ）を必要とする：モータトルクの発生及び制御機能（主ステータ電流）用コンバータ１０２、励起電源の制御（主ロータ電流）用コンバータ１０４，及び始動プロセス中に、スタータゼネレータ１０８によって生成されると適合するレベルまで、通常の28 Vdc電池電圧を昇圧するためのインバータ１０６。また、補助電源ユニットのアプリケーションにおいて、始動システムの入力端子と、出力端子との間にガルバーニ絶縁を備えているという要件も、常に存在する。これは、航空機への取り付けの際に、ゼネレータの中性端子と、電池の陰極が、アース（航空機の筐体）に、恒久的に接続されるので、トルクを生まない不要な電流が流れないように、絶縁が必要であり、従って、この絶縁が、最小の電池寸法で、最大の効率を提供するからである。電池から使用できるエネルギーの量は限られているので、電池式始動システムにおいては、全体的なスタータ効率は、非常に大切である。この種の構造を持つ始動システムが、現在の直流モータ式始動システムと、会計上で競争力が無いということは、異常ではないが、この状況を、うまく、効果的に改良するための有効な方法は、見出されていない。従って、補助電源ユニット式スタータゼネレータの概念の目標は、電力コンバータと絶縁変圧器の数を減らすことによって、最良のコストと効率を提供することである。この目標の達成により、通常、そのシステムの寸法、重量、及び効率が改善される。発明の開示従って、改善された新スタータゼネレータシステムを提供することが、本発明の主要な目的である。さらに、具体的にいえば、システムの全体的な効率を増加しながら、システムの全体的な重量とコストを削減する航空機用電池等の低電圧直流電源から、タービンエンジン等の原動機を駆動できる、改善された新スタータゼネレータシステムを提供することが、本発明の主要な目的である。本発明のある実施例において、発電モードでの動作の間、タービンエンジンからの機械的動力を電力に変換し、また、始動モードでの動作の間は、低電圧直流電源からの電力を、そのタービンエンジンを駆動するための機械的動力に変換することができる、タービンエンジン用電力スタータゼネレータは、多相巻線形ステータと、その中に回転可能な状態で配置されているロータとを有する同期型スタータゼネレータから成り、そのロータは、そのタービンエンジンに、駆動可能な状態で連結されている。さらに、本システムは、そのロータ内に電界を形成し、また、モータとしてスタータゼネレータを駆動するための多相巻線の各巻線を交互に励起するためのインバータに、その直流電源を直結している。このインバータは、そのステータ内に回転電界を形成し、一定のトルクが、そのロータによって生成されて、そのタービンエンジンを駆動する。本発明の好適な実施例においては、その直流電源に接続された入力部と、ロータ励起の界磁巻線に電気的に接続されている出力部とを有するロータ励起インバータによって、その電界が生成される。そのロータ励起インバータは、交流励起波形を生成する。また、通常、高い直列インダクタンス（リアクタンス）を持つ既存の直流励起巻線を駆動する目的で、十分に大きな交流電圧を供給するために、ロータ励起インバータの出力部と、ロータ励起界磁巻線との間に、昇圧変圧器が挿入される。故障許容を増大するための、その直流電源と励起回路との間の絶縁は、任意に選択できる。さらに、この好適な実施例は、レゾルバ、または、好ましい電子式位置検出のどちからによるロータ位置検出部と、ステータ励起（モータ駆動）インバータのスイッチを制御するために、このロータ位置に反応するコントローラを具備している。このコントローラは、希望のレベルのトルクを維持する目的でステータ励起波形を生成するための、駆動信号を生成する。この好適な実施例においては、このインバータは、全波インバータであり、また、ステータ励起波形は、多相正弦波である。この全波式実施例用に、その多相ステータ巻線は、アースに接続される中性線を有する星形構造で、巻線されている。しかし、始動モードの動作の間、アース絶縁リレーまたは他の適切な手段によって、中性線は、アースから切り離されている。本発明のさらに好適な実施例において、ステータ励起インバータは、接続点経由で、直流電源と対面した状態で直列に結合された、位相毎のダイオード、または、さらに好適な制御整流器等の、スイッチ及び整流器を有する半波インバータを具備している。制御整流器が使用される場合、スタータゼネレータによって生成された逆起電力波形が、負になったときに、位相毎の制御整流器を使用不可にするために、コントローラは、整流器制御信号を生成する。このようにして、電流を生成する逆トルクは抑止され、逆起電力波形の負の部分は介入されることが無く、さらに、そのコントローラは、ロータの位置を検出するために、この波形を使用できる。このさらに好適な実施例用に、一定で、リプルの無いトルクを維持するために、そのコントローラは、その波形の半サイクルの間、1.5から3.0まで変化する倍率によって、半波インバータによって生成され、通常の半波と異なるステータ励起波形を生成する。このようにして、ステータ励起波形は、半波正弦波形から疑似矩形電流波形に変換される。本発明の好適な実施例においては、モータとしてスタータゼネレータを駆動する方法は、電界の励起ステップ、多相で周期的な半波正弦モータ駆動信号の生成ステップ、倍率によるモータ駆動信号のスケーリングステップ、疑似矩形波電流波形を生成するために、モータ駆動信号の各周期の間、その倍率を変更するステップ、さらに、一定のトルクを生成するようにロータを駆動するために、その疑似矩形電流波形と、巻線形ステータとの連結ステップとから成る。さらに、この方法は、そのモータによって生成された逆起電力波形をモニタして、その負のサイクルの間に、その逆起電力波形からロータの位置を計算する。図面の簡単な説明本明細書は、発明事項を詳細に指摘し、また、明確に主張している請求項によって結論付けられているが、本発明の構成、利点、及び目的は、以下の添付図面と共に読めば、下記の詳細な説明から、当業者には明白になるであろう。図１は、従来のスタータゼネレータシステムのブロック図である。図２は、本発明のスタータゼネレータの一実施例のブロック図である。図３は、図２の実施例の始動パラメータのグラフである。図４は、図２の実施例の始動パラメータの別のグラフである。図５は、図２の実施例によって生成された全波電流とトルクのグラフである。図６は、本発明のスタータゼネレータの別の実施例のブロック図である。図７は、真の半波インバータによって生成された半波電流とトルクのグラフである。図８は、図６の実施例によって生成された修正半波電流とトルクのグラフである。図９は、図６のスタータゼネレータシステムの実施例の回路図である。図１０は、図６のスタータゼネレータシステムの別の実施例の回路図である。図１１は、本発明のスタータゼネレータの好適な実施例の回路図である。発明を実施するための最良の形態本発明の好適な実施例においては、図２に示すように、多相巻線形ステータ１１２と、その中に、回転可能な状態で配置されているロータ１１４を有しているスタータゼネレータ１１０。そのロータ１１４は、タービンエンジンか、または他の負荷(図示せず)に、駆動可能な状態で連結されている。好適な実施例は、さらに、ロータ励起インバータ１１６によって図示されているように、そのロータ内に電界を生成するための手段を具備している。そのロータ励起インバータ１１６は、28 Vdcの航空機用電池１１８等の低電圧直流電源に直結されている入力部を有している。このインバータ１１６は、励起電圧用昇圧変圧器１２０を経由して、スタータゼネレータ１１０の励起界磁１２２に連結される正弦励起波形を生成する。この分野で知られている他の手段が、永久磁石等の使用により、ロータ内に電界を形成するために使用される場合がある。多相ステータ巻線112_A、１１２_B、１１２_Cの各巻線を交互に励起する手段は、ステータ１１２に回転電界を形成するために、電池１１８に直結される。この回転電界は、タービンエンジンまたは他の負荷（図示せず）を駆動するために、一定トルクでロータ１１４を駆動する。この励起手段は、電池１１８に直結された入力部と、多相ステータ巻線11 2_A、１１２_B、１１２_Cに直結された多相出力部とを有するインバータ１２４を具備している。コントローラ１２６によって示されているように、インバータ１２４と、ロータ励起インバータ１１６とのスイッチを制御するための手段は、レゾルバ１２８または他の適切な手段により、ロータ１１４の位置を検出する。このコントローラは、インバータ１１６と１２４を制御するために、配線１３０と１３２上に駆動信号を生成する。インバータ１２４は、多相正弦波ステータ励起波形を生成する全波インバータである。Ｙまたは星形構成のステータ１１２の中性線１３４は、始動モードでの動作の間、アース１３６から中性線１３４を切り離すための手段を経由して、接続される。図２に示すように、この手段は、コントローラ１２６からの信号によって制御される中性線絶縁リレー１３８である。補助電源ユニットの始動に必要な機械的クランク動力に対するスタータゼネレータ定格の固有の高い比率を示している補助電源ユニット電源システムのアプリケーションに、このシステムは、特に向いている。その比率が、15-20:1の範囲にあると好適である。しかし、航空機用電池の要件は、電池電圧が非常に低いことを許容しているので、その直流電圧の、有用なクランク動力を提供できる限界の低下量を、確定する必要がある。大きな関心は、スタータゼネレータ１１０によって生成される内部逆起電力にあるが、それは、最小の直流連結電圧に対する要件を決定するのが、この逆起電力であるからである。スタータゼネレータの励起界磁１２２は、始動サイクルの間、主界磁励起のために、上記のように交流で駆動されることを仮定している。スタータゼネレータ１１０の全波動作に続いて、最大ピークトルクが所与の速度で得られる、つまり、その電流が、スタータゼネレータ１１０の逆起電力と同期しているように、ロータ位置に比例したモータ電流が、インバータ１２４により供給されるものとする。この種の同期形スタータシステムを支配する法則がある。最初の法則は、下記のように、スタータゼネレータ１１０の逆起電力は、速度と励起レベルの積に比例するという機械法則である：Ｖ_emf＝Ｎ*Ｉ_x (1) ここで、V_emfは、スタータゼネレータ１１０の内部逆起電力であり、Nは、rpm単位の考慮中の速度であり、また、I_xは、主界磁励起電流である。分析を簡単にするために、これらの全変数は、発電モードの機械定格に比例している単位当たりの条件で、表現される。その逆起電力は、インバータ１２４が打ち消さなければならないので、V_emfは、単位当たりに必要な最小インバータ直流電圧も表すことができる。従って：Ｖ_link＝Ｎ*Ｉ_x (2) 第２の機械法則は、スタータゼネレータの機械的出力部（軸１４０）におけるトルク、速度、及び電力の間の関係に関連している。この法則は、下記のように定義された点で、一定電力曲線が、一定トルク直線と交差することを示している：Ｐ_max＝Ｎ_crit*Ｔ_max (3) ここで、これらの変数も、単位当たりの条件で表現されており、また、N_critは、トルクと馬力曲線が交差する速度である。ここで、第３の関係は重要であるが、それは、トルクが、ステータ電流と励起電流との積に比例することを示している、機械法則である。コントローラ１２６が、ステータ電流と、最良のトルクに対するロータ位置との間の角度を制御することを考慮すると、その関係は、下記のように表せる：Ｔ＝Ｉ_stator*Ｉ_x (4) この関係を方程式(3)に代入すると：Ｐ_max＝Ｎ_crit*Ｉ_{stator max}*Ｉ_x (5) 再度、スタータゼネレータ定格に比例する単位当たりの数値である。速度項Nを削除するために、方程式(3)または方程式(5)を、方程式(1)と組み合わせると、下記のように、スタータモードの動作に対して、重要な方程式の組が得られる：または 60 kVAのスタータゼネレータ定格を有する例示的なシステムに対して、約3.0 kWの最大軸出力は、単位当たり（PU）.050である。インバータ１２４の出力（I_s _tatormax ）が1.0であるとすると、方程式(7)から、下記のことが分かる：つまり、115 Vac線路電圧システム、つまり、270Vdcに整流されるシステムに対する最小電池電圧は、下記の通りである： 270*0.05＝135Ｖdc. (9) これは、交流給電電圧の低下に対処するための余裕を持って、20 Vdcの最低電圧で動作する、28 Vdc電池１１８の手の届く範囲内である。通常のシステムにとって、エンジンを加速するために必要なピーククランクトルクは、エンジンで約５フィート・ポンド、またはスタータゼネレータの軸１４０で約37.5フィート・ポンドである。6000 rpmで60 kVAのスタータゼネレータの定格トルクは、70フィート・ポンドであるので、クランクトルクは、37.5/70、または0.53 単位当たりトルク（図３参照）である。方程式(4)から、励起界磁は、下記の値で駆動されなけばならないことが分かる：当業者には分かるように、この特定の例においては、システム性能を最適化するために使用できる自由度がある。例えば、電池電圧V_linkは、I_statorを下げることによって（方程式(7)参照）、さらに高いレベルに変更でき、また、それに応じて励起を上げることにより（方程式(4)参照）所望のトルクを得ることができる。例えば、0.53単位当たりトルクは、単位当たり0.53のI_statorと、単位当たり1.0のI_xとで、実現できる。特別な連結電圧を使用できる場合、同一の限界速度（N_crit）に到達することが可能である（図４参照）。本発明の実施例に関する上記の説明で示したように、補助電源ユニットの始動は、従来技術が必要とした昇圧コンバータを必要としないで、航空機用電池１１８によって、直接的に実行され得る。本発明のシステムは、限界速度を越えて、補助電源ユニットを加速したので、20-28 Vdcの連結電圧と適合性のあるスタータゼネレータの逆起電力を維持するために、主モータの逆励起が必要である。つまり、最適の効率を維持するために、本システムの動作には、ステータ電流とロータ励起の両方の制御が必要である。図５に示すように、多相励起波形の各相の電流１４４によって生成されるトルク１４２は、３相の例示的システムでは、同じ振幅で、120°ずれている他のトルク成分と合計される。従って、生成される総トルクは、３つの独立のトルク成分の合計であり、1.5 単位当たりトルクの値を有する直線１４６として、図５に示されている。図６に示すようなさらに好適な実施例では、ステータ励起インバータ１２４と中性線絶縁リレー１３８は、半波インバータ１４８と置換されている。半波方式でスタータゼネレータを動作させることは、上記のように、また図２に示すような全波型の実施例に対するより、さらに低い電圧と、さらに多くの電流で、スタータゼネレータ１１０を使用する。このさらに好適な実施例の利点は、スタータゼネレータ１１０によって生成される有効逆起電力（内部電圧）が、駆動インバータ１４８に対して、さらに小さい状態で発生するが、それは、適用可能な逆起電力が、図２の全波インバータ１２４に見られる全波線間電圧ではなくて、半波線路電圧であるからである。つまり、さらに好適な実施例のインバータ１４８は、全波型の実施例に必要な電圧より、さらに低い電圧の電池１１８で動作できる。上記の全波型実施例の限界速度用直流電圧は、13.5 Vdc未満まで下げられるので、20 Vdcの最低電池電圧との適合性を有している。最適のトルク角を持つインバータ１４８から、半波電流モードで動作している３相スタータゼネレータの分析をすると、線路電流のアンペア当たりのトルクの減少が示されている。これは、常に、半波駆動のスタータゼネレータは、励起された主モータ巻線１１２_A、１１２_B、１１２_Cのアンペア回数が、さらに少ないという事実によるものである。当業者には明白なように、ステータ電流と上記のロータ位置との間に、最適のトルク角が取られている場合、常に、全波型モータは、1.5のアンペア回数結合係数に達する有効トルクを有している。一方、半波スタータゼネレータは、図７に示すように、0.5と1.0との間で変化する係数を有している。この図面は、単相半波電流波形１５０，その対応するトルク成分１５２，及び３相全部の合成である総合トルク波形１５４を示している。所望の1.5という有効値にトルクを回復させるために、さらに好適な実施例の半波インバータは、その波形の、ある点における正弦波の値の1.5倍（1.5/1.0）以上であって、他の点では、３倍（1.5/0.5）以上に電流を増加することを要求される。全波型の実施例と等価なトルクを発生させるために、本発明の半波型の実施例で必要な合成電流は、全波型システムにおけるピーク正弦波電流の振幅の、約1.46倍の実効振幅値を有する疑似矩形波１５６である（図８参照）。この電流波形１５６によって生成されるトルク１５８は、リプルの無い定トルク１６０を形成するために、他の位相の成分と合計される。この実施例のさらに詳しい回路を、図９に示している。この図から分かるように、ロータ励起インバータ１１６は、スイッチ１１６_S1、１１６_S2、１１６_S3、及び１１６_S4と、それらに対応して交差接続されているダイオード１１６_D1、１１６_D2、１１６_D3、及び１１６_D4とを有し、電池１１８と交差して、直結されている単相全波インバータを具備している。半波ステータ励起インバータ１４８は、位相毎に、電池１１８に対向して、直列に接続点を経由して接続された、スイッチ１４８_S1とダイオード１４８_D1を具備している。各接続点は、インバータ１４８の出力部を形成し、システム要件に基づいて、スタータゼネレータのステータ巻線に接続される前に、フィルタ１６２によって濾過される場合がある。当業者には明白なように、インバータ１４８のスイッチは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）、MOS型制御サイリスタ（MCT）、静電誘導トランジスタ（SITs）等の任意の適切な技術によるものでよい。半波インバータ１４８のさらに好適な実施例は、図１０に示されている。この実施例においては、モータ電流が確実に半波であるように、逆電流を防止する手段を提供するために、ダイオード１４８_D1、１４８_D2、及び１４８_D3は、制御整流器１４８_SCR1、１４８_SCR2、及び１４８_SCR3に、置換されている。また、ロータ位置の検出は、配線１６４経由で、スタータゼネレータ１１０によって生成される負の起電力をモニタすることによって実施されるので、レゾルバ1２８（図１参照）は不要である。スタータゼネレータの位相電圧の逆起電力が負である期間は、スイッチも制御整流器も遮断されるように、ドライバ１６６は、スイッチ１４８_S1、１４８_S2、及び１４８_S3と、制御整流器１４８_SCR1、１４８_SCR2、及び１４８_SCR3とを制御する。つまり、逆トルクまたは給電銅損が発生しないとすると、半波インバータ１４８の関連する「極」は、負電流が流れないように、完全に遮断される。つまり、本システムの最大動作効率が、確保される。この実施例の別の利点は、上記のように、負の半サイクルの間、比較的、関連する位相の電圧は、電気的に乱されないので、ロータ位置に関する有用な情報を提供できることである。電子的位置センサは、所望の位置を解読し、その代わりに、専用位置センサ１２８（図１参照）と、コントローラ１２６とスタータゼネレータ１１０間の関連配線とを、不要にする。本発明のさらに上位の好適な実施例が、図１１に示されている。当業者には明白なように、ロータ励起インバータ１１６とステータ半波インバータ１４８は、現在、電池にも直結されている昇圧変圧器１２０を経由して、双方とも、接続されている。この実施例において、ロータ励起インバータ１１６は、トランジスタ１６８等の第１の制御可能スイッチ、及び、昇圧トランジスタ１２０と帰路に接続されているトランジスタ１７０等の第２の制御可能スイッチを具備している。これらのスイッチ１６８と１７０は、それによって生成される交流励起波形の周波数を変えることによって、励起レベルを制御するために、交互に起動される。この実施例の利点は、第１と第２の整流ダイオード１７２と１７４を追加することによって、インバータ１４８に入力される電圧レベルが増加するので、高抵抗のステータを有する旧型ゼネレータを補償することが可能であり、つまり、本発明を多くのアプリケーションに使用可能にすることである。異なる位置における、昇圧変圧器１２０への結合によって、つまり、結合する巻数を変えることによって、入力電圧が変化する。さらに、整流変圧器１７６と、ステアリングダイオード１７８が、本実施例で使用されていて、インバータ１４８用の負電圧基準を生成するために、制御整流器１４８_SCR1、１４８_SCR2、及び１４８_SCR3と、電池との間に挿入されている。アースとは逆の、負電圧への整流は、負のdi/dtを増加して、ステータ電流の減少を早めるので、所望の疑似矩形波にさらに近いトルク波形となる（図８のトレース１５８参照）。上記の説明から当業者にとって、本発明の多数の変更や代わりの実施例は、明白であろう。従って、この説明は、図解のためだけに構成されたものであり、本発明の実施の最良の様式を、当業者に教えるためである。構造上の細部については、本発明の精神から離れることなく、実質的に変更することは可能であり、付随の請求項の範囲内にある全ての変更の独占的な使用は、留保されている。

【手続補正書】特許法第１８４条の７第１項【提出日】１９９５年９月５日【補正内容】請求の範囲１．発電モードでの動作中に、タービンエンジンからの機械的動力を電力に変換することができ、且つ、始動モードでの動作中に、低電圧直流電源からの電力を、前記タービンエンジンを駆動するための機械的動力に変換することができる、前記タービンエンジンのための電力スタータゼネレータシステムであって：多相巻線形ステータと、その中に回転可能な状態で配置され且つ前記タービンエンジンに駆動可能な状態で連結されたロータと、を有する同期型スタータゼネレータと；前記ロータ内に電界を形成する手段と；前記直流電源に直結されて、モータとして前記スタータゼネレータを駆動するために、前記多相ステータ巻線の各巻線を交互に励起し、且つ、前記ステータ内に回転電界を形成することにより、前記ロータから一定のトルクが生成されて前記タービンエンジンを駆動するための励起手段と；を備え、前記励起手段は：前記直流電源に直結された入力部と、前記多相ステータ巻線に直結された多相出力部と、完全な始動モードでの動作中に、ステータ励起波形を生成するための駆動信号に応答する制御可能なスイッチと、を有するインバータと；ロータ位置を検出するための手段と；前記ロータ位置に応答して前記スイッチを制御し、前記ステータ励起波形を生成させるための前記駆動信号を生成して、前記トルクを所望のレベルに維持する制御手段と；を備えたことを特徴とするスタータゼネレータシステム。２．前記ロータ内に電界を形成するための前記手段は、前記直流電源に接続された入力部と、ロータ励起界磁巻線に電気的に接続された出力部と、を有するロータ励起インバータを備え、前記ロータ励起インバータは、前記出力部に正弦波励起波形を生成することを特徴とする請求項１記載のスタータゼネレータシステム。３．前記ロータ内に電界を形成するための前記手段は、前記ロータ励起インバータ出力部と前記ロータ励起界磁巻線との間に挿入された昇圧変圧器、をさらに備えたことを特徴とする請求項２記載のスタータゼネレータシステム。４．前記ロータ励起インバータは、前記昇圧変圧器を介して接続された第１および第２の制御可能なスイッチを備え、前記制御可能なスイッチは、前記正弦波励起波形の周波数を変えることによって励起レベルを制御するために、交互に起動されることを特徴とする請求項３記載のスタータゼネレータシステム。５．（取り消し）６．発電モードでの動作中に、タービンエンジンからの機械的動力を電力に変換することができ、且つ、始動モードでの動作中に、低電圧直流電源からの電力を、前記タービンエンジンを駆動するための機械的動力に変換することができる、前記タービンエンジンのための電力スタータゼネレータシステムであって：多相巻線形ステータと、その中に回転可能な状態で配置され且つ前記タービンエンジンに駆動可能な状態で連結されたロータと、を有する同期型スタータゼネレータと；前記ロータ内に電界を形成する手段と；前記直流電源に直結されて、モータとして前記スタータゼネレータを駆動するために、前記多相ステータ巻線の各巻線を交互に励起し、且つ、前記ステータ内の回転電界を形成することにより、前記ロータから一定のトルクが生成されて前記タービンエンジンを駆動するための励起手段と：を備え、前記励起手段は：前記直流電源に直結された入力部と、前記多相ステータ巻線に直結された多相出力部と、ステータ励起波形を生成するための駆動信号に応答する制御可能なスイッチと、を有するインバータと；ロータ位置を検出するための手段と；前記ロータ位置に応答して前記スイッチを制御し、前記ステータ励起波形を生成させるための前記駆動信号を生成して、前記トルクを所望のレベルに維持する制御手段と；を備え、前記インバータは、全波インバータであり、また、前記ステータ励起波形は、多相正弦波形であることを特徴とするスタータゼネレータシステム。７．前記多相ステータ巻線は、グランドに接続された中性線を持つ星形構造に巻かれ、且つ、始動モードでの動作中に、グランドから前記中性線を切り離す手段、をさらに備えたことを特徴とする請求項６記載のスタータゼネレータシステム。８．前記切り離し手段は、リレー制御信号に応答する絶縁リレーを備え、前記制御手段は、前記始動モードでの動作中に、前記リレー制御信号をさらに生成することにより、グランドから前記中性線を切り離す前記絶縁リレーを開くことを特徴とする請求項７記載のスタータゼネレータシステム。９．発電モードでの動作中に、タービンエンジンからの機械的動力を電力に変換することができ、且つ、始動モードでの動作中に、低電圧直流電源からの電力を、前記タービンエンジンを駆動するための機械的動力に変換することができる、前記タービンエンジンのための電力スタータゼネレータシステムであって：多相巻線形ステータと、その中に回転可能な状態で配置され且つ前記タービンエンジンに駆動可能な状態で連結されたロータと、を有する同期型スタータゼネレータと；前記ロータ内に電界を形成する手段と；前記直流電源に直結されて、モータとして前記スタータゼネレータを駆動するために、前記多相ステータ巻線の各巻線を交互に励起し、且つ、前記ステータ内に回転電界を形成することにより、前記ロータから一定のトルクが生成されて前記タービンエンジンを駆動するための励起手段と；を備え、前記励起手段は：前記直流電源に直結された入力部と、前記多相ステータ巻線に直結された多相出力部と、ステータ励起波形を生成するための駆動信号に応答する制御可能なスイッチと、を有するインバータと；ロータ位置を検出するための手段と；前記ロータ位置に応答して前記スイッチを制御し、前記ステータ励起波形を生成させるための前記駆動信号を生成して、前記トルクを所望のレベルに維持する制御手段と；を備え、前記インバータは、半波インバータであることを特徴とするスタータゼネレータシステム。１０．前記半波インバータは、位相毎に、前記直流電源の両端間に、接続点を介して対向するように直列に接続されたスイッチおよびダイオードを備え、前記接続点は、位相毎に、前記インバータの出力部を形成することを特徴とする請求項９記載のスタータゼネレータシステム。１１．前記ロータ位置検出手段は、レゾルバであることを特徴とする請求項１０記載のスタータゼネレータシステム。１２．ステアリングダイオードと前記直流電源との間に挿入されて、前記ステアリングダイオードと直列の整流変圧器、をさらに備え、前記整流変圧器およびステアリングダイオードは、前記半波インバータ用の負の基準電圧を生成することにより、負のｄｉ／ｄｔを改善し、電流の急速な減少を確保することを特徴とする請求項１０記載のスタータゼネレータシステム。１３．前記半波インバータは、位相毎に、前記直流電源の両端間に、接続点を介して対向するように直列に接続されたスイッチおよび制御整流器を備え、前記制御整流器は、整流器制御信号に応答し、前記接続点は、位相毎に前記インバータ出力部を形成し、前記制御手段は、前記スタータゼネレータによって生成される逆起電力が負になったときに、位相毎に前記制御整流器を無効にする前記整流器制御信号を生成することを特徴とする請求項９記載のスタータゼネレータシステム。１４．前記ロータ位置検出手段は、前記負の逆起電力波形をモニタすることにより、前記ロータ位置を測定することを特徴とする請求項１３記載のスタータゼネレータシステム。１５．前記制御整流器と前記直流電源との間に挿入されて、前記ステアリングダイオードと直列の整流変圧器、をさらに備え、前記整流変圧器およびステアリングダイオードは、前記半波インバータ用の負の基準電圧を生成することにより、負のｄｉ／ｄｔを改善して、電流の急速な減少を確保することを特徴とする請求項１３記載のスタータゼネレータシステム。１６．前記ステータ励起波形は、約１．５のアンペア回数結合係数に達する有効トルクを有する、多相疑似矩形波であることを特徴とする請求項９記載のスタータゼネレータシステム。１７．前記半波インバータによって生成された前記ステータ励起波形は、一定のトルクを維持するための可変倍率だけ、通常の半波正弦波と異なることを特徴とする請求項９記載のスタータゼネレータシステム。１８．前記可変倍率は、前記ステータ励起波形の各サイクルの間に、１．５から３．０までの範囲にわたって変化することを特徴とする請求項１７記載のスタータゼネレータシステム。１９．多相巻線形ステータと、励起界磁と、前記ロータの中に回転可能に配置され且つ軸によって負荷に連結されたロータと、を有するモータ、を駆動する方法であって：界磁励起を形成するステップと；多相の周期的半波正弦波モータ駆動信号を生成するステップと；前記モータ駆動信号を、倍率によってスケーリングするステップと；疑似矩形電流波形を生成するために、前記モータ駆動信号の各周期の間に、前記倍率を変化させるステップと；前記ロータを駆動して一定のトルクを生成するために、前記疑似矩形電流波形を前記巻線形ステータに接続するステップと；を備えたことを特徴とする方法。２０．前記ロータの位置を検出するステップと；最適のトルク角にするために、前記疑似矩形電流波形の位相変位をずらすステップと；をさらに備えたことを特徴とする請求項１９記載の方法。２１．前記ロータの位置を検出する前記ステップは：前記モータによって生成される逆起電力をモニタするステップと；逆起電力波形から、それの負のサイクルの間に、ロータの位置を計算するステップと；を含むことを特徴とする請求項２０記載の方法。２２．発電モードでの動作中に、タービンエンジンからの機械的動力を電力に変換することができ、且つ、始動モードでの動作中に、低電圧直流電源からの電力を、前記タービンエンジンを駆動するための機械的動力に変換することができる、前記タービンエンジンのための電力スタータゼネレータシステムであって：多相巻線形ステータと、その中に回転可能な状態で配置され且つ前記タービンエンジンに駆動可能な状態で連結されたロータと、を有する同期型スタータゼネレータと；前記直流電源に接続された昇圧変圧器と；前記昇圧変圧器に接続されて、前記ロータ内に電界を形成するための手段と；前記昇圧変圧器に接続されて、モータとして前記スタータゼネレータを駆動するために、前記多相ステータ巻線の各巻線を交互に励起し、且つ、前記ステータ内に回転電界を形成することにより、前記ロータから一定のトルクが生成されて前記タービンエンジンを駆動するための励起手段と；を備えたことを特徴とするスタータゼネレータシステム。２３．前記ロータ内に電界を形成する前記手段は、交流励起波形を生成するロータ励起インバータを備え、前記ロータ励起インバータは、前記昇圧変圧器を介して接続された第１および第２の制御可能スイッチを有し、前記第１および第２の制御可能スイッチは、前記交流波形の周波数を変えることによって励起レベルを制御するために、交互に起動されることを特徴とする請求項２２記載のスタータゼネレータシステム。２４．前記励起手段は：第１および第２の整流ダイオードによって前記昇圧変圧器に接続された入力部と、前記多相ステータ巻線に直結された多相出力部と、ステータ励起波形を生成するための駆動信号に応答する制御可能スイッチと、を有する半波インバータと；ロータ位置を検出するための手段と；前記ロータ位置に応答して前記スイッチを制御し、前記ステータ励起波形を生成させるための前記駆動信号を生成して、前記トルクを所望のレベルに維持するための制御手段と；を備えたことを特徴とする請求項２２記載のスタータゼネレータシステム。２５．前記半波インバータは、位相毎に、接続点を介して対向するように直列に接続されたスイッチおよびダイオードを備え、前記接続点は、位相毎に、前記インバータの出力部を形成することを特徴とする請求項２４記載のスタータゼネレータシステム。２６．ステアリングダイオードと前記直流電源との間に挿入されて、前記ステアリングダイオードと直列の整流変圧器、をさらに備え、前記整流変圧器およびステアリングダイオードは、前記半波インバータ用の負の基準電圧を生成することにより、負のｄｉ／ｄｔを増加することを特徴とする請求項２５記載のスタータゼネレータシステム。２７．前記半波インバータは、位相毎に、接続点を介して対向するように直列に接続されたスイッチおよび制御整流器を備え、前記制御整流器は、整流器制御信号に応答し、前記接続点は、位相毎に前記インバータ出力部を形成し、前記制御手段は、前記スタータゼネレータによって生成される逆起電力が負になったときに、位相毎に前記制御整流器を無効にする前記整流器制御信号を生成することを特徴とする請求項２４記載のスタータゼネレータシステム。２８．前記ロータ位置検出手段は、負の逆起電力波形をモニタすることによって、前記ロータ位置を測定することを特徴とする請求項２７記載のスタータゼネレータシステム。２９．前記制御整流器と前記直流電源との間に挿入されて、ステアリングダイオードと直列の整流変圧器、をさらに備え、前記整流変圧器およびステアリングダイオードは、前記半波インバータ用の負の基準電圧を生成することにより、負のｄｉ／ｄｔを増加することを特徴とする請求項２７記載のスタータゼネレータシステム。３０．前記ステータ励起波形は、約１．５のアンペア回数結合係数に達する有効トルクを有する、多相疑似矩形波であることを特徴とする請求項２４記載のスタータゼネレータシステム。３１．発電モードでの動作中に、タービンエンジンからの機械的動力を電力に変換することができ、且つ、始動モードでの動作中に、低電圧直流電源からの電力を、前記タービンエンジンを駆動するための機械的動力に変換することができる、前記タービンエンジンのための電力スタータゼネレータシステムであって：多相巻線形ステータと、その中に回転可能な状態で配置され且つ前記タービンエンジンに駆動可能な状態で連結されたロータと、を有する同期型スタータゼネレータと；前記直流電源に接続された昇圧変圧器と；前記昇圧変圧器に接続されて、前記ロータ内に電界を形成するための手段と；前記昇圧変圧器に接続されて、モータとして前記スタータゼネレータを駆動するために、前記多相ステータ巻線の各巻線を交互に励起し、且つ、前記ステータ内に回転電界を形成することにより、前記ロータから一定のトルクが生成されて前記タービンエンジンを駆動するための励起手段と；を備え、前記励起手段は：第１および第２の整流ダイオードによって前記昇圧変圧器に接続された入力部と、前記多相ステータ巻線に直結された多相出力部と、ステータ励起波形を生成するための駆動信号に応答する制御可能スイッチと、を有する半波インバータと；ロータ位置を検出するための手段と；前記ロータ位置に応答して前記スイッチを制御し、前記ステータ励起波形を生成させるための前記駆動信号を生成して、前記トルクを所望のレベルに維持するための制御手段と；を備え、前記半波インバータによって生成された前記ステータ励起波形は、一定のトルクを維持するための可変倍率だけ、通常の半波正弦波と異なることを特徴とするスタータゼネレータシステム。３２．前記可変倍率は、前記ステータ励起波形の各サイクルの間に、１．５から３．０までの範囲にわたって変化することを特徴とする請求項３１記載のスタータゼネレータシステム。

Claims

【特許請求の範囲】１．発電モードでの動作中に、タービンエンジンからの機械的動力を電力に変換することができ、且つ、始動モードでの動作中に、低電圧直流電源からの電力を、前記タービンエンジンを駆動するための機械的動力に変換することができる、前記タービンエンジンのための電力スタータゼネレータシステムであって：多相巻線形ステータと、その中に回転可能な状態で配置され且つ前記タービンエンジンに駆動可能な状態で連結されたロータと、を有する同期型スタータゼネレータと；前記ロータ内に電界を形成する手段と；前記直流電源に直結されて、モータとして前記スタータゼネレータを駆動するために、前記多相巻線ステータ巻線の各巻線を交互に励起し、且つ、前記ステータ内に回転電界を形成することにより、前記ロータから一定のトルクが生成されて前記タービンエンジンを駆動するための励起手段と；を備えたことを特徴とするスタータゼネレータシステム。２．前記ロータ内に電界を形成するための前記手段は、前記直流電源に接続された入力部と、ロータ励起の界磁巻線に電気的に接続された出力部と、を有するロータ励起インバータを備え、前記ロータ励起インバータは、前記出力部に正弦波励起波形を生成することを特徴とする請求項１記載のスタータゼネレータシステム。３．前記ロータ内に電界を形成するための前記手段は、前記ロータ励起インバータ出力部と前記ロータ励起界磁巻線との間に挿入された昇圧変圧器、をさらに備えたことを特徴とする請求項２記載のスタータゼネレータシステム。４．前記ロータ励起インバータは、前記昇圧変圧器を介して接続された第１および第２の制御可能なスイッチを備え、前記制御可能なスイッチは、前記正弦波励起波形の周波数を変えることによって励起レベルを制御するために、交互に起動されることを特徴とする請求項３記載のスタータゼネレータシステム。５．前記励起手段は：前記直流電源に直結された入力部と、前記多相ステータ巻線に直結された多相出力部と、ステータ励起波形を生成するための駆動信号に応答する制御可能なスイッチと、を有するインバータと；ロータ位置を検出するための手段と；前記ロータ位置に応答して前記スイッチを制御し、前記ステータ励起波形を生成させるための前記駆動信号を生成して、前記トルクを所望のレベルに維持するための制御手段と；を備えたことを特徴とする請求項１記載のスタータゼネレータシステム。６．前記インバータは、全波インバータであり、前記ステータ励起波形は、多相正弦波形であることを特徴とする請求項５記載のスタータゼネレータシステム。７．前記多相ステータ巻線は、グランドに接続された中性線を持つ星形構造に巻かれ、且つ、始動モードでの動作中に、グランドから前記中性線を切り離す手段、をさらに備えたことを特徴とする請求項６記載のスタータゼネレータシステム。８．前記切り離し手段は、リレー制御信号に応答する絶縁リレーを備え、前記制御手段は、前記始動モードでの動作中に、前記リレー制御信号をさらに生成することにより、グランドから前記中性線を切り離す前記絶縁リレーを開くことを特徴とする請求項７記載のスタータゼネレータシステム。９．前記インバータは、半波インバータであることを特徴とする請求項５記載のスタータゼネレータシステム。１０．前記半波インバータは、位相毎に、前記直流電源の両端間に、接続点を介して対向するように直列に接続されたスイッチおよびダイオードを備え、前記接続点は、位相毎に、前記インバータの出力部を形成することを特徴とする請求項９記載のスタータゼネレータシステム。１１．前記ロータ位置検出手段は、レゾルバであることを特徴とする請求項１０記載のスタータゼネレータシステム。１２．ステアリングダイオードと前記直流電源との間に挿入されて、前記ステアリングダイオードと直列の整流変圧器、をさらに備え、前記整流変圧器およびステアリングダイオードは、前記半波インバータ用の負の基準電圧を生成することにより、負のｄｉ／ｄｔを改善して、電流の急速な減少を確保することを特徴とする請求項１０記載のスタータゼネレータシステム。１３．前記半波インバータは、位相毎に、前記直流電源の両端間に、接続点を介して対向するように直列に接続されたスイッチおよび制御整流器を備え、前記制御整流器は、整流器制御信号に応答し、前記接続点は、位相毎に前記インバータ出力部を形成し、前記制御手段は、前記スタータゼネレータによって生成される逆起電力が負になったときに、位相毎に前記制御整流器を無効にする前記整流器制御信号を生成することを特徴とする請求項９記載のスタータゼネレータシステム。１４．前記ロータ位置検出手段は、前記負の逆起電力波形をモニタすることによって、前記ロータ位置を測定することを特徴とする請求項１３記載のスタータゼネレータシステム。１５．前記制御整流器と前記直流電源との間に挿入されて、前記ステアリングダイオードと直列の整流変圧器、をさらに備え、前記整流変圧器およびステアリングダイオードは、前記半波インバータ用の負の基準電圧を生成することにより、負のｄｉ／ｄｔを改善して、電流の急速な減少を確保することを特徴とする請求項１３記載のスタータゼネレータシステム。１６．前記ステータ励起波形は、約１．５のアンペア回数結合係数に達する有効トルクを有する、多相疑似矩形波であることを特徴とする請求項９記載のスタータゼネレータシステム。１７．前記半波インバータによって生成された前記ステータ励起波形は、一定のトルクを維持するための可変倍率だけ、通常の半波正弦波と異なることを特徴とする請求項９記載のスタータゼネレータシステム。１８．前記可変倍率は、前記ステータ励起波形の各サイクルの間に、１．５から３．０までの範囲にわたって変化することを特徴とする請求項１７記載のスタータゼネレータシステム。１９．多相巻線形ステータと、その中に回転可能に配置され且つ軸によって負荷に連結されたロータと、を有するモータ、を駆動する方法であって：界磁励起を形成するステップと；多相の周期的半波正弦波モータ駆動信号を生成するステップと；前記モータ駆動信号を、倍率によってスケーリングするステップと；疑似矩形電流波形を生成するために、前記モータ駆動信号の各周期の間に、前記倍率を変化させるステップと；前記ロータを駆動して一定のトルクを生成するために、前記疑似矩形電流波形を前記巻線ステータに接続するステップと；を備えたことを特徴とする方法。２０．前記ロータの位置を検出するステップと；最適のトルク角にするために、前記疑似矩形電流波形の位相変位をずらすステップと；をさらに備えたことを特徴とする請求項１９記載の方法。２１．前記ロータの位置を検出する前記ステップは：前記モータによって生成される逆起電力をモニタするステップと；逆起電力波形から、それの負のサイクルの間に、ロータの位置を計算するステップと；を含むことを特徴とする請求項２０記載の方法。２２．発電モードでの動作中に、タービンエンジンからの機械的動力を電力に変換することができ、且つ、始動モードでの動作中に、低電圧直流電源からの電力を、前記タービンエンジンを駆動するための機械的動力に変換することができる、前記タービンエンジンのための電力スタータゼネレータシステムであって：多相巻線形ステータと、その中に回転可能な状態で配置され且つ前記タービンエンジンに駆動可能な状態で連結されたロータと、を有する同期型スタータゼネレータと；前記直流電源に接続された昇圧変圧器と；前記昇圧変圧器に接続されて、前記ロータ内に電界を形成するための手段と；前記昇圧変圧器に接続されて、モータとして前記スタータゼネレータを駆動するために、前記多相ステータ巻線の各巻線を交互に励起し、且つ、前記ステータ内に回転電界を形成することにより、前記ロータから一定のトルクが生成されて前記タービンエンジンを駆動するための励起手段と；を備えたことを特徴とするスタータゼネレータシステム。２３．前記ロータ内に電界を形成する前記手段は、交流励起波形を生成するロータ励起インバータを備え、前記ロータ励起インバータは、前記昇圧変圧器を介して接続された第１および第２の制御可能スイッチを有し、前記第１および第２の制御可能スイッチは、前記交流波形の周波数を変えることによって励起レベルを制御するために、交互に起動されることを特徴とする請求項２２記載のスタータゼネレータシステム。２４．前記励起手段は：第１および第２の整流ダイオードによって前記昇圧変圧器に接続された入力部と、前記多相ステータ巻線に直結された多相出力部と、ステータ励起波形を生成するための駆動信号に応答する制御可能スイッチと、を有する半波インバータと；ロータ位置を検出するための手段と；前記ロータ位置に応答して前記スイッチを制御し、前記ステータ励起波形を生成させるための前記駆動信号を生成して、前記トルクを所望のレベルに維持するための制御手段と；を備えたことを特徴とする請求項２２記載のスタータゼネレータシステム。２５．前記半波インバータは、位相毎に、接続点を介して対向するように直列に接続されたスイッチおよびダイオードを備え、前記接続点は、位相毎に、前記インバータの出力部を形成することを特徴とする請求項２４記載のスタータゼネレータシステム。２６．ステアリングダイオードと前記直流電源との間に挿入されて、前記ステアリングダイオードと直列の整流変圧器、をさらに備え、前記整流変圧器およびステアリングダイオードは、前記半波インバータ用の負の基準電圧を生成することにより、負のｄｉ／ｄｔを増加することを特徴とする請求項２５記載のスタータゼネレータシステム。２７．前記半波インバータは、位相毎に、接続点を介して対向するように直列に接続されたスイッチおよび制御整流器を備え、前記制御整流器は、整流器制御信号に応答し、前記接続点は、位相毎に前記インバータ出力部を形成し、前記制御手段は、前記スタータゼネレータによって生成された逆起電力が負になったときに、位相毎に前記制御整流器を無効にする前記整流器制御信号を生成することを特徴とする請求項２４記載のスタータゼネレータシステム。２８．前記ロータ位置検出手段は、前記負の逆起電力波形をモニタすることによって、前記ロータ位置を測定することを特徴とする請求項２７記載のスタータゼネレータシステム。２９．前記制御整流器と前記直流電源との間に挿入されて、ステアリングダイオードと直列の整流変圧器、をさらに備え、前記整流変圧器およびステアリングダイオードは、負の基準電圧を生成し、これにより、前記半波インバータは、負のｄｉ／ｄｔを増加することを特徴とする請求項２７記載のスタータゼネレータシステム。３０．前記ステータ励起波形は、約１．５のアンペア回数結合係数に達する有効トルクを有する、多相疑似矩形波であることを特徴とする請求項２４記載のスタータゼネレータシステム。３１．前記半波インバータによって生成される前記ステータ励起波形は、一定のトルクを維持するための可変倍率だけ、通常の半波正弦波と異なることを特徴とする請求項２４記載のスタータゼネレータシステム。３２．前記可変倍率は、前記ステータ励起波形の各サイクルの間に、１．５から３．０までの範囲にわたって変化することを特徴とする請求項３１記載のスタータゼネレータシステム。