説明

電磁装置

【課題】発電機またはモータのロータの位置を決定するための電磁装置が提供される。
【解決手段】電磁装置は、ボア21を画成するステータ20と、ステータ20のボア21内で回転可能なロータ30であって、磁極34の列を画成するようにロータ30の外面32の周りに配置された永久磁石部材33を有するロータ30と、電力コイル50であって、ロータ30の回転に起因して磁極34の第1の部分が電力コイル50のそれぞれを横切る際に、電力電流を生成するように構成された電力コイル50と、検出コイル60であって、ロータ30の回転に起因して磁極34の第2の部分が検出コイル60のそれぞれを横切る際に、検出電流を生成するように構成された検出コイル60と、を備える。直流(DC)出力を生成するシステム75は、上述した電磁装置10を備えており、さらに、駆動装置80と、処理装置90と、整流器100とを備えている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願に開示される主題は、電磁装置および機械に関し、より詳細には、発電機またはモータのロータの位置を決定する装置に関する。
【0002】
(連邦政府研究の陳述)
本特許出願は、2010年9月20日付けの米国陸軍契約第40096327号に従って発明された主題に関する。政府は、本発明に一定の権利を有する。
【背景技術】
【0003】
可変速、一定周波数(variable−speed,constant−frequency)(VSCF)電力生成システムなどの電力変換システムでは、発電機、典型的にはブラシレス三相同期発電機が、発電モードで作動して、原動機によって供給される可変速原動力を可変周波数交流(AC)電力に変換する。原動機は例えば、航空機のガスタービンエンジンとすることができる。ある場合には、発電機によって生成された可変周波数AC電力は、整流器に送られ、そこで整流されて、直流(DC)信号としてDCリンクを介してインバータに供給される。インバータは次いで、負荷バスを介して1つまたは複数のAC負荷に供給するために、DCリンク上のDC信号を一定周波数AC電力に変換することができる。
【0004】
発電機はまた、始動モードではモータとして作動されて、外部AC電源によって供給される電力を原動力に変換することができ、この原動力は次いで、原動機に供給されて、原動機を自立速度に至らしめることができる。例えば、始動モードで作動されるとき、発電機は、航空機のガスタービンエンジンを始動させるのに使用可能である。
【0005】
発電機モードおよび始動モードの両方で作動可能なブラシレス同期発電機の種類の1つとして、永久磁石発電機(permanent magnet generator)(PMG)が挙げられる。このような発電機を適切に制御するためには、発電機のロータの位置と整流を同期させる必要がある。従来そのような同期は、ホール効果センサなどの位置センサを用いて達成されていた。PMGのロータが回転するにつれ、各ホール効果センサに生じる電圧は、ホール効果センサの出力がロータの位置を表すように、ロータの位置の関数としてゼロから最大まで変化する。ホール効果センサからの出力信号は次いで、整流器のスイッチング素子を制御するために使用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、このような位置センサの使用には、位置センサ自体やそれに付随する電子機器にかなりの費用が必然的に伴い、さらに、位置検出装置を設置するために余分の配線や余分の組み立て工程が生じる。また、作動パラメータによって、一般にこのような位置センサの精度が制限される。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の1つの態様によれば、電磁装置が提供され、この電磁装置は、ボアを画成するステータと、ステータのボア内で回転可能なロータであって、磁極の列を画成するようにロータの外面の周りに配置された永久磁石部材を有するロータと、電力コイルであって、ロータの回転に起因して磁極の第1の部分が電力コイルのそれぞれを横切る際に、電力電流を生成するように構成された電力コイルと、検出コイルであって、ロータの回転に起因して磁極の第2の部分が検出コイルのそれぞれを横切る際に、検出電流を生成するように構成された検出コイルと、を備える。
【0008】
本発明の別の態様によれば、電磁装置が提供され、この電磁装置は、ボアを画成するステータと、ステータのボア内で回転可能なロータであって、磁極の列を画成するようにロータの外面の周りに配置された永久磁石部材を有するロータと、ロータの第1のセクションの周りでステータ内に支持されるように巻かれた電力コイルであって、ロータの回転に起因して磁極の第1の部分が電力コイルのそれぞれを横切る際に、電力電流を生成するように構成された電力コイルと、ロータの第2のセクションの周りでステータ内に支持されるように巻かれた検出コイルであって、ロータの回転に起因して磁極の第2の部分が検出コイルのそれぞれを横切る際に、検出電流を生成するように構成された検出コイルと、を備える。
【0009】
本発明のさらなる別の態様によれば、電磁装置が提供され、この電磁装置は、ボアを画成するステータと、ステータのボア内で回転可能なロータであって、28個の磁極の列を画成するようにロータの外面の周りに配置された永久磁石部材を有するロータと、ロータの第1のセクションの周りでステータ内に支持されるように巻かれた電力コイルであって、ロータの回転に起因して磁極の少なくとも25個が電力コイルのそれぞれを横切る際に、電力電流を生成するように構成された電力コイルと、電力コイルから磁気的および電気的に切り離され、ロータの第2のセクションの周りでステータ内に支持されるように巻かれた検出コイルであって、ロータの回転に起因して磁極の残りの3つのうちの少なくとも1つが検出コイルのそれぞれを横切る際に、検出電流を生成するように構成された検出コイルと、を備える。
【0010】
これらと他の利点および特徴は、図面に関連して取り上げられた以下の説明からより明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】実施例による電磁装置の軸周りの概略図である。
【図2】さらなる実施例による電磁装置の軸周りの概略図である。
【図3】実施例による図1、図2の電磁装置の電力コイルおよび検出コイルの構成を示す概略図である。
【図4】さらなる実施例による図1、図2の電磁装置の電力コイルおよび検出コイルの構成を示す概略図である。
【図5】直流(DC)出力を生成するシステムを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本発明と見做される主題は、明細書の結論における特許請求の範囲に詳細に指摘されかつ明確に請求されている。本発明の上述した特徴および利点、さらには他の特徴および利点は、付随する図面に関連して取り上げられた以下の詳細な説明から明らかである。
【0013】
詳細な説明は、図面を参照する実施例によって、本発明の実施例を利点および特徴と共に説明する。
【0014】
図1、図2を参照すると、電磁装置10が提供される。電磁装置10は、ハウジングまたはステータ20と、ロータ30と、電力コイル50と、検出コイル60とを備える。ステータ20は、ボア21を画成し、ロータ30が、ボア21内に回転可能に配置される。ステータ20は、本体22を有し、本体22は、鋳造、成形、または機械加工され、または複数の積層板から形成されることができ、複数の積層板は、一緒に結合されてスロット23を画成する。本体22は、図1に示すように一体の部材24として、または図2に示すように複数の部材25、26として形成可能である。いずれの場合も、本体22は、実質的に円筒形の内部形状を有することができ、ボア21が、本体22を通って軸方向に延在するように画成される。ロータ30は、ロータ30の中心長手軸線を通って延在する長手軸31周りに自由に回転するように、同様に実質的に円筒形で、ボア21内に嵌まるような大きさである。
【0015】
ロータ30は、ボア21の円筒形の内側向きの面に対向する実質的に円筒形の外面32を有する。永久磁石部材33が、1つまたは複数の軸方向位置においてロータ30の周りでこの外面32の上または近くに配置される。永久磁石部材33は、N極341、S極342を含む磁極34の列を画成するように構成および配置され、これらの極は、繰り返す交互の実質的に一様な列として配置される。実施例によれば、28個の磁極34がロータ30の周りに画成されることができる。
【0016】
電力コイル50は、例えば、2/3ピッチで、三相Y結線(3 phase “wye” connection)で、ステータ20の本体22のスロット23内に支持されるように巻かれる。電力コイル50は、A相電力コイル501、B相電力コイル502、C相電力コイル503を有することができ、従って、ロータ30の第1のセクション52の周りに画成された領域を一緒に含む一連の巻線51(即ち、三相巻線)を形成する。ロータ30がボア21内で回転する間に、磁極34のそれぞれは、各電力コイル50の各巻線51に近づき、そして離れる。従って、この回転によって生成される磁束が、各電力コイル50内に交流を誘導する。従って、回転に起因して磁極34の常に変化する第1の部分が各電力コイル50の各巻線51を横切る際に、電力コイル50は、交流(AC)の形態で電力電流を生成するように構成される。
【0017】
ステータ20はまた、検出コイル60を備えており、検出コイル60は、電力コイル50から磁気的および電気的に分離および絶縁されており、電力コイル50と同様に、例えば、2/3ピッチで、Δ(delta)または三相Y結線で、ステータ20の本体22のスロット23内に支持されるように巻かれる。検出コイル60は、A相検出コイル601、B相検出コイル603、C相検出コイル602を有することができ、従って、ロータ30の第2のセクション62の周りに画成された領域を一緒に含む一連の巻線61(即ち、三相巻線)を形成する。ロータ30がボア21内で回転する間に、磁極34のそれぞれは、各検出コイル60の各巻線61に近づき、そして離れる。従って、この回転によって生成される磁束が、各検出コイル60内に交流を誘導する。従って、回転に起因して磁極34の常に変化する第2の部分が各検出コイル60の各巻線61を横切る際に、検出コイル60は、交流(AC)の形態で検出電流を生成するように構成される。
【0018】
検出コイル60の電流出力を参照することで、検出電流を誘導する1つまたは複数の磁極34の現在の回転位置および/または速度を決定することができる。さらに、磁極34は、繰り返す交互の一様な列として配置されるので、検出電流を誘導する1つまたは複数の磁極34の現在の位置を決定することは、ロータ30の周りの各磁極34の現在の位置について、そして、ロータ30の現在の回転位置および/または速度について、事実上決定論的となる。従って、電力コイル50の巻線51に対する磁極34の各位置および動きも決定可能となり、それによって、電力コイル50によるAC出力が、以下に説明するように高い精度および精密さで整流可能となる。電力コイル50によるAC出力を整流するこの能力によって、ロータ30の第2のセクション62にある数の電力コイル50を対応する数の検出コイル60と置き換えることで規定される電力損失に取って代わる電磁装置10の効率的な作動が可能となる。
【0019】
図1、図2に示すように、ロータ30の第1のセクション52は、28個の磁極34のうちの少なくとも25個を含む。これら25個の磁極34は、ロータ30の回転の間、常に変化する。ロータ30の第2のセクション62は、同様に常に変化する、28個の磁極34のうちの残りの3つのうちの少なくとも1つを含む。第1のセクション52が28固の磁極34を含み、第2のセクション62が1つの磁極34を含む場合、検出コイル60は、エアギャップ70によって電力コイル50から分離可能である。
【0020】
図3を参照すると、電磁装置10の電力コイル50および検出コイル60の構成が示されている。図3に示すように、A相電力コイル501は、C相電力コイル503の巻線51に30°遅れる一連の巻線51を形成する。同様に、C相電力コイル503の巻線51は、B相電力コイルの巻線51に30°遅れる。検出コイル60は、電力コイル50と同期するよう配置可能となるように、電力コイル50の電気的かつ極性的に反対となる端部間に画成されるギャップ内に配置されるとはいえ、これは、以下に説明するように必要ではない。検出コイルについては、A相検出コイル601は、C相検出コイル602の巻線61に30°遅れる巻線61を形成する。同様にC相検出コイル602の巻線61は、B相検出コイル603の巻線61に30°遅れる。
【0021】
図4を参照すると、電磁装置10の電力コイル50および検出コイル60の代替の構成が示されている。図4に示すように、検出コイル60には、電力コイル50の相に対する進み(lead)または遅れ(lag)位相シフトを与えることができる。図4では、この位相シフトは、30°進み位相シフトとして示されているとはいえ、これは単なる例示であって、進みまたは遅れ位相シフトがさまざまな角度で可能であることは、理解されたい。進み位相シフトの場合、以下に説明する処理装置90(図5参照)には、ロータ30の回転位置および/または回転速度を検定するための付加的な処理時間を設定することが可能であり、さらに位相シフトに起因する付加的な時間の処理をするようプログラムすることもできる。
【0022】
図5を参照すると、直流(DC)出力を生成するシステム75が提供されている。システム75は、上述した電磁装置10を備えており、さらに、駆動装置80と、処理装置90と、整流器100とを備えている。駆動装置80は、ロータ30の回転を駆動する原動力を提供するものであり、例えば、ロータ30に連結されまたはロータ30と一体に形成される駆動シャフトを有するガスタービンエンジンとすることができる。処理装置90は、デジタル信号プロセッサと、内部に記憶された実行可能命令を有するメモリ/記憶装置とを備えることができる。実行時には、実行可能命令によって、デジタル信号プロセッサは、検出コイル60からのACを受け取り、ロータ30の回転位置および/または速度を決定する。しかしながら、命令が、ハードウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせとして実現可能であることは、理解されたい。
【0023】
整流器100は、処理装置90に接続されており、決定されたロータ30の回転位置および/または速度に従って電力コイル50のACを直流(DC)電圧の出力へと整流する。この目的で、整流器100は、電力コイル50からACを受け取ることができ、各トランジスタ101がA相電力コイル501、B相電力コイル502、C相電力コイル503と接続される一連のトランジスタ101を備えることができる。トランジスタ101は、決定されたロータ30の回転位置および/または速度に基づいて適切な時間、オン・オフすることで作動して、例えば、受け取ったA相電力コイル501、B相電力コイル502、およびC相電力コイル503のAC電流のピーク値からDC出力を協同して生成する。
【0024】
本発明は、ほんの限られた数の実施例に関して詳細に説明したとはいえ、本発明がこのような開示された実施例に限定されないことは、容易に理解されるはずである。むしろ本発明は、これまで記載されていないが、本発明の趣旨および範囲に相応する、任意の数の変形物、代替物、置換物または均等構成物を含むように変更可能である。さらに、本発明のさまざまな実施例を説明したとはいえ、本発明の態様が上述した実施例のほんの一部を含み得ることは、理解されたい。従って、本発明は、上述した説明によって限定されるものとして理解されるべきではなく、添付の特許請求の範囲によって限定されるだけである。
【符号の説明】
【0025】
10…電磁装置
20…ステータ
21…ボア
22…本体
23…スロット
24…一体の部材
25、26…複数の部材
30…ロータ
32…外面
33…永久磁石部材
34…磁極
341…N極
342…S極
50…電力コイル
51…巻線
52…第1のセクション
60…検出コイル
61…巻線
62…第2のセクション
70…エアギャップ
75…システム
80…駆動装置
90…処理装置
100…整流器
101…トランジスタ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ボアを画成するステータと、
ステータのボア内で回転可能なロータであって、磁極の列を画成するようにロータの外面の周りに配置された永久磁石部材を有するロータと、
電力コイルであって、ロータの回転に起因して磁極の第1の部分が電力コイルのそれぞれを横切る際に、電力電流を生成するように構成された電力コイルと、
検出コイルであって、ロータの回転に起因して磁極の第2の部分が検出コイルのそれぞれを横切る際に、検出電流を生成するように構成された検出コイルと、
を備えることを特徴とする電磁装置。
【請求項2】
検出コイルは、電力コイルから磁気的および電気的に切り離されていることを特徴とする請求項1記載の電磁装置。
【請求項3】
検出コイルは、エアギャップによって電力コイルから分離されていることを特徴とする請求項1記載の電磁装置。
【請求項4】
検出コイルは、電力コイルに対して30°の位相シフトを有することを特徴とする請求項1記載の電磁装置。
【請求項5】
ボアを画成するステータと、
ステータのボア内で回転可能なロータであって、磁極の列を画成するようにロータの外面の周りに配置された永久磁石部材を有するロータと、
ロータの第1のセクションの周りでステータ内に支持されるように巻かれた電力コイルであって、ロータの回転に起因して磁極の第1の部分が電力コイルのそれぞれを横切る際に、電力電流を生成するように構成された電力コイルと、
ロータの第2のセクションの周りでステータ内に支持されるように巻かれた検出コイルであって、ロータの回転に起因して磁極の第2の部分が検出コイルのそれぞれを横切る際に、検出電流を生成するように構成された検出コイルと、
を備えることを特徴とする電磁装置。
【請求項6】
ステータは、複数のセグメントから形成されるステータコアを備えることを特徴とする請求項5記載の電磁装置。
【請求項7】
検出コイルは、電力コイルから磁気的および電気的に切り離されていることを特徴とする請求項5記載の電磁装置。
【請求項8】
永久磁石部材は、ロータの外面の周りにN極およびS極の繰り返しパターンで配置されることを特徴とする請求項5記載の電磁装置。
【請求項9】
永久磁石部材は、28個の磁極を画成するように配置されることを特徴とする請求項5記載の電磁装置。
【請求項10】
ロータの第1のセクションが、28個の磁極のうちの少なくとも25個を含み、ロータの第2のセクションが、28個の磁極のうちの残りの3つのうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項9記載の電磁装置。
【請求項11】
検出コイルは、エアギャップによって電力コイルから分離されていることを特徴とする請求項5記載の電磁装置。
【請求項12】
電力コイルは、2/3ピッチでかつ三相Y結線で配置されることを特徴とする請求項5記載の電磁装置。
【請求項13】
検出コイルは、2/3ピッチでかつΔまたは三相Y結線で配置されることを特徴とする請求項5記載の電磁装置。
【請求項14】
検出コイルは、電力コイルに対して30°の位相シフトを有することを特徴とする請求項5記載の電磁装置。
【請求項15】
検出コイルは、電力コイルに対して30°の進み位相シフトを有することを特徴とする請求項5記載の電磁装置。
【請求項16】
検出コイルは、電力コイルに対して30°の遅れ位相シフトを有することを特徴とする請求項5記載の電磁装置。
【請求項17】
請求項1に記載の電磁装置を備えた、直流(DC)出力を生成するシステムであって、
ロータの回転を駆動する駆動装置と、
検出電流からロータの回転位置を決定するように検出コイルに接続された処理装置と、
決定された回転位置に従って電力電流を整流するように電力コイルおよび処理装置に接続された整流器と、
を備えることを特徴とするシステム。
【請求項18】
駆動装置は、ガスタービンエンジンから成ることを特徴とする請求項17記載のシステム。
【請求項19】
整流器は、協同してDC出力を生成する一連のトランジスタを備えることを特徴とする請求項17記載のシステム。
【請求項20】
ボアを画成するステータと、
ステータのボア内で回転可能なロータであって、28個の磁極の列を画成するようにロータの外面の周りに配置された永久磁石部材を有するロータと、
ロータの第1のセクションの周りでステータ内に支持されるように巻かれた電力コイルであって、ロータの回転に起因して磁極の少なくとも25個が電力コイルのそれぞれを横切る際に、電力電流を生成するように構成された電力コイルと、
電力コイルから磁気的および電気的に切り離され、ロータの第2のセクションの周りでステータ内に支持されるように巻かれた検出コイルであって、ロータの回転に起因して磁極の残りの3つのうちの少なくとも1つが検出コイルのそれぞれを横切る際に、検出電流を生成するように構成された検出コイルと、
を備えることを特徴とする電磁装置。

【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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【公開番号】特開2013−102672(P2013−102672A)
【公開日】平成25年5月23日(2013.5.23)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−194818(P2012−194818)
【出願日】平成24年9月5日(2012.9.5)
【出願人】(500107762)ハミルトン・サンドストランド・コーポレイション (165)
【氏名又は名称原語表記】HAMILTON SUNDSTRAND CORPORATION
【住所又は居所原語表記】One Hamilton Road, Windsor Locks, CT 06096−1010, U.S.A.
【Fターム(参考)】