JP2004509599A - 電気機械 - Google Patents

Abstract

永久磁石で励磁可能なロータ（１９）及びステータ（１６）を有する電気機械、とりわけスタータジェネレータを提案し、このステータ（１６）は多相巻線（３８）を支持し、閉ループ制御乃至は開ループ制御装置（２３）によって制御可能な変換器（２２）を有し、この閉ループ制御乃至は開ループ制御装置（２３）によってステータ（１６）は弱め界磁動作で動作可能であり、ロータ（１９）は、ステータ（１６）の多相巻線（３８）の相の個数のｎ倍に相応する極数を有し、各相巻線（３６）は少なくとも１つのコイル（３４）から成り、ステータ（１６）の多相巻線（３８）の全コイル（３４）は並んで配置されており、ロータ（１９）は数４のｎ倍に相応する極数を有し、ステータ（１６）の極（３２）は磁極ピッチ（Ｔｐ）の最大幅を有し、ステータ（１６）の２つの極（３２）の間隔（Ａ）は少なくとも磁極ピッチ（Ｔｐ）の１／３に相応する。

Description

【０００１】
従来技術
本発明は独立請求項の上位概念記載の電気機械に関する。米国特許６１６３１２８号から電気機械を制御するための方法が公知であり、この方法によって電気機械は弱め界磁動作で動作される。確かに永久磁石で励磁されたロータ及びステータ巻線を有する同期機がこのように制御されることが記載されている。しかし、この電気機械に関して詳細は記載されていない。
【０００２】
本発明の利点
主請求項の特徴部分の構成を有する本発明の電気機械は、ステータの特別な構成によって磁化インダクタンスがとりわけ高く、それゆえ特に弱め界磁動作に適しているという利点を有する。短絡電流は、この巻線の幾何学的構成において、この短絡電流が定格電流のオーダにあり、従って理論的には無限の弱め界磁領域を可能にするほどに低減される。この機械のゼロインダクタンス（Ｎｕｌｌｉｎｄｕｋｔｉｖｉｔａｅｔ）はこの装置では非常に小さい。ステータの歯が永久磁石乃至はロータの全磁束を利用するために、コイルのコイル幅は磁極ピッチよりも大きくは構成されない。原理的にはこの場合磁極ピッチの１／３の最小開口を有する空いた溝が存在する。これによって巻線技術が簡素化されるか又は予め製造されたコイルをこれらの空いた溝に組み込むことができる。
【０００３】
従属請求項に記載された構成によって主請求項の電気機械の有利な実施形態が可能である。
【０００４】
磁界指向制御（ｆｅｌｄｏｒｉｅｎｔｉｅｒｔｅ Ｒｅｇｅｌｕｎｇ）は、この機械が直流機のとりわけ有利な特性、とりわけ制御可能性を得ることをもたらす。これにより磁界を形成する直軸電流及び回転トルクを形成する横軸電流は互いに別個に制御され、この機械はもはや不安定になり得ない。永久励磁された機械の場合、基本回転数領域においてこの機械の直軸電流はゼロに制御される。これによってこの機械は最小の電流で要求された回転トルクを発生し、それゆえ最小の機械損失を生じる。
【０００５】
弱め界磁動作によって、この機械の端子電圧が変換器電圧の最大値に達する際の回転数より上においてこの電気機械は動作可能となる。
【０００６】
さらに例えば一定の寸法でそれぞれの溝にそれぞれのコイル側面を配置することによって、この機械のインダクタンスがさらに高められ、この結果、比較的小さい弱め界磁電流が必要であり、これによってこの機械の負荷が低下する。
【０００７】
少なくとも１つの溝に冷却媒体を導けば、とりわけ良好かつ効果的なコイルの冷却が得られる。とりわけ効率的な冷却は、この場合、直接的又は間接的な銅導体への接触によって熱を直ぐに排出する冷却液体のための冷却チャネルが設けられている場合に実現される。
【０００８】
ロータとステータの歯との間のエアギャップが歯の周辺端部の方向に広がるようにこの機械を構成すれば、ロータとステータとの間の係止トルク（Ｒａｓｔｍｏｍｅｎｔ）が低減される。この係止トルクによってロータとステータとの間の回転トルク経過は不均一となり、これによって低周波振動が発生し、この低周波振動がこの電気機械及び隣接する構成部材の振動を引き起こす。従って、係止トルクの低下は走行快適性の改善乃至は比較的円滑な回転トルク経過をもたらす。しかし、さらに、低下した係止トルクによって高周波振動すなわち騒音が回避される。円周方向のステータの個々の歯の歯幅を磁極ピッチの２／３と１磁極ピッチとの間にすると、この手段を介して係止トルクが随伴する欠点とともに回避される。
【０００９】
図面
図面において本発明の電気機械の実施例を図示する。
【００１０】
図１は電気機械の概略図を示し、
図２はステータにおけるコイルの配置の第１の実施例を示し、
図３はステータにおけるコイルの第２の実施例を示し、
図３Ａはロータとステータとの間のエアギャップの実施形態の詳細を示し、
図４はこの電気機械の簡略化された等価回路図を示し、
図５はこの電気機械の簡略化された等価回路図に対するベクトル図を示し、
図６は最大変換器電圧よりも大きい多相巻線における電圧に対するベクトル図を示し、
図７は限界出力よりも小さい出力を有する一般的な動作点に対するベクトル図を示し、
図８は最大変換器電圧よりもはるかに大きい多相巻線における電圧に対するベクトル図を示し、
図９は変換器を介して中間回路に接続された電気機械の装置全体を示す。
【００１１】
記述
図１にはハウジング１３にステータ１６を支持している電気機械１０が図示されている。ステータ１６の内側には永久磁石で励磁されたロータ１９が配置されている。ステータ１６は変換器２２によって開ループ制御乃至は閉ループ制御可能であり、この変換器２２は開ループ制御乃至は閉ループ制御装置２３によって制御可能である。ロータ１９はその円周に複数の永久磁石２５を支持しており、これらの永久磁石２５は、ステータ１６の方に向いたロータ１９の表面にＮ極及びＳ極が互いに交互するように配置されている。ロータ１９の円柱状の表面とステータ１６の表面との間にはエアギャップ２８が存在する。
【００１２】
図２はロータ１９とステータ１６の互いに向かい合った領域の拡大図、つまり展開図を示す。この実施例では永久磁石２５により形成されたロータ１９の４つの極と３つの歯３１により形成されたステータ１６の極３２とが向かい合っている。これらの３つの歯３１はそれぞれ相巻線３６のコイル３４を支持している。全３つの相巻線３６は一緒になって多相巻線３８を形成し、この多相巻線３８はこの場合三相交流巻線である。これらの相巻線３６は三相交流巻線Ｕ，Ｗ及びＶに対する通常の記号を有する。この例ではそれぞれの溝３３には相の異なるコイル３４のそれぞれ２つのコイル側面４２が配置されている。
【００１３】
歯幅ｂ_ｚはこの例では磁極ピッチＴ_ｐよりもいくらか小さい。従って、２つの歯３１の間の間隔Ａは磁極ピッチＴ_ｐの１／３よりもいくらか大きい。
【００１４】
一般的に言えば、電気機械１０のステータ１６は、このステータ１６における多相巻線３８の相の個数のｎ倍に相応する極数を有する。この場合、各相巻線３６は、ステータ１６において並んで配置されている少なくとも１つのコイル３４から成る。ロータ１９は数４のｎ倍に相応する極数を有する。ｎはゼロではない整数である。ステータ１６の極３２は磁極ピッチＴ_ｐの最大幅を有し、ステータ１６の２つの極３２の間隔Ａは磁極ピッチＴ_ｐの少なくとも１／３に相応する。
【００１５】
２つの歯３１の間には溝３３によって冷却媒体のための通路が存在し、例えばこの場合冷却空気が流れる。同じ図２には右端に別の冷却方法が図示されている。この例では２つの隣り合う相の異なるコイル側面４２の間に液体冷却システム４６の冷却管４５が存在し、この冷却管４５はこれらの２つのコイル側面４２の間に配置されており、その内部に冷却液体４８を流す。
【００１６】
図３にはステータ１６及びロータ１９の第２の実施例が図示されている。この実施例ではロータ１９のそれぞれ８つの永久磁石２５とステータ１６の６つの歯３１とが互いに向かい合っている。しかし、第１の実施例とは異なり、この場合、１つの歯３１おきに１つのコイル３４を支持し、この結果、それぞれの溝３３に１つコイル３４のコイル側面４２が配置されている。
【００１７】
図３Ａには歯３１の構成の詳細が図示されている。できるだけ小さい係止トルクを保持するために、歯３１とロータ１９の円柱状の表面との間のエアギャップ２８を歯３１の周辺端部の方向に広げると有利である。第１の実施例では、すなわち図３Ａの左側では、歯３１はロータ１９の表面に向かって弓状に曲がった表面を有する。これによってロータ１９に対する歯３１の中心部の間隔は歯３１の側面端部の間隔よりも小さい。図３Ａの第２の実施例では、歯３１は曲がっていない表面を有し、この結果、この場合歯３１とロータ１９との間の間隔は歯の中心部で最小である。歯３１とロータ１９との間のギャップは、磁界がこのエアギャップにおいて正弦波状の経過を有する場合に最も有利に構成される。
【００１８】
モータ動作においては永久励磁された回転磁界機械は主に変換器２２において動作される。変換器２２のブリッジ弁の所期の切り換えによってこの場合機械１０に適当な多相システムが提供される。
【００１９】
この場合、多数の異なる制御方法がある。しかし、大抵の場合、電流はロータ位置に依存して制御される。磁界指向制御においては、ステータ電流が最大トルクを発生するように調整される。これは、この機械１０においてロータ磁界に対して垂直な起磁力が発生されることを意味する。磁界指向制御は変換器２２の最大出力電圧より下で行われる。
【００２０】
図４には機械１０の簡略化された等価回路図が図示されている。電気機械１０はこの場合誘導性リアクタンスＸに還元され、この誘導性リアクタンスはこの機械１０の中で多相電圧Ｕ_ｐを発生する電圧源５０に直列に接続されている。電圧Ｕ１は変換器２２から給電される電流により生ずる端子電圧に相応する。
【００２１】
図５には図４の電気機械１０に所属のベクトル図が図示されており、この場合ジェネレータ動作に対する図が選択されている。
【００２２】
２つの軸はｄとｑによって示されている。この場合、ｄはこの機械における直軸（磁極の方向の軸）であり、ｑは横軸（ｄ軸に対して垂直）である。
【００２３】
変換器２２は最大電圧Ｕ_{１，ｍａｘ}しか多相巻線３８の端子において調整できない。この電圧は変換器２２の給電電圧及びこの変換器２２の内部回路によって予め設定されている。回転数が上がるにつれてロータにより発生される機械の多相巻線３８における電圧Ｕ_ｐは直線状に上昇するので、電圧Ｕ_ｐは所定の回転数から最大変換器電圧に到達してしまい、全くの横軸電流Ｉ１による動作をもはや実現できず、より高い回転数へとさらに進む。
【００２４】
より高い回転数ではいわゆる弱め界磁領域が実現される。しかし、この場合、ロータ磁界の弱めは起こらず、ステータにおいて付加的な電流が給電される。この付加的な電流はロータ磁界に反作用し、ロータ１９とステータ１６との間のエアギャップ磁界をこれによって低減する。この弱め界磁領域における制御は変換器２２の最大出力電圧より上において行われる。
【００２５】
図６には最大変換器電圧Ｕ１より大きいステータ電圧Ｕ_ｐに対するベクトル図が図示されている。この動作領域では、変換器電圧Ｕ１はその最大値に調整される。ステータ電流は思考の上では最大変換器電圧Ｕ１に相応するステータ電圧Ｕ_ｐが再び生じるまでｑ軸から回転される。ｄ軸におけるステータ電流（Ｐ_ｍａｘにおいてのみＩ_ｄ＝Ｉ_ｋが成り立つ）は弱め界磁電流である。図６には最大出力のポイントが図示されている。この出力は多相巻線３８における所与の最大電圧の際のこの機械の限界出力であり、これを越えることはできない。
【００２６】
限界出力よりも小さい出力を有する一般的な動作点に対しては図７のベクトル図が得られる。ここではリアクタンスＸは角周波数ωと等しく多相巻線３８のインダクタンスＬと乗算される。ステータ電圧Ｕ_ｐと最大変換器電圧Ｕ_{１，ｍａｘ}との間の電圧差Ｕはリアクタンスと電流Ｉ１との積である無効電圧ＵＬになる。
【００２７】
非常に大きな回転数ではこの機械のステータ電圧Ｕ_ｐは最大変換器電圧_{Ｕ１，ｍａｘ}、図８、よりもはるかに大きい。ｄ軸における必要な弱め界磁電流Ｉ１はこの場合機械の短絡電流Ｉ_ｋ＝Ｕ_ｐ／Ｘにますます近づく。従って、非常に高い回転数ではほぼ短絡電流に相応する直軸電流が必要である。この弱め界磁電流は機械１０の無負荷運転においてもほぼ同じ大きさで存在する。従って、広い弱め界磁領域に対して短絡しにくい機械が必要である。これは、短絡電流Ｉ_ｋがこの機械の磁気的な損害も熱的な損害も引き起こしてはいけないことを意味する。
【００２８】
従って、良好な弱め界磁可能性のために小さい短絡電流Ｉ_ｋを有する機械１０が必要である。この機械がこの短絡電流Ｉ_ｋを永続的に流すことができれば、弱め界磁は原理的には無限に可能である。従って、機械１０の短絡電流Ｉ_ｋはその定格電流の近くになければならない。
【００２９】
弱め界磁領域における永久励磁された機械の場合、すなわち、高い回転数の場合、さらに、この機械を変換器２２の故障の際に確実な動作状態にもたらすことの困難性が生じる。高い回転数においてこの変換器２２が遮断切り換えされるならば、この機械はその高いステータ電圧によってこの変換器２２のバックワードダイオードを介して中間回路５３に逆給電する。図９を参照。
【００３０】
中間回路５３が一般的な給電電源から給電されるならば、この中間回路５３は大抵の場合電力を受け取ることができず、中間回路電圧が許容値を上回り、このことが変換器の破壊をもたらすかもしれない。車両における適用例では、中間回路５３はバッテリ５７によって形成される。この場合に変換器２２の故障が生じると、機械１０はバックワードダイオードを介してバッテリ（自動車搭載用電源）に制御されずに電力を給電し、そこで破損を生じるかもしれない。
【００３１】
結果は変換器２２における中間回路電圧の急激な上昇である。しかし、ダイオード６２を介する逆給電が阻止されるならば、機械１０におけるステータ電圧が内部電圧（Ｐｏｌｒａｄｓｐａｎｎｕｎｇ）の値にまで上昇する。この値は許容できないほど高い値になりうるし、この機械における絶縁を破壊しうる。小さい短絡電流Ｉ_ｋを有し、この短絡電流Ｉ_ｋを永続的に流すことができる機械では、この機械を弁６５を介して短絡させることが可能である。従って、許容できない電圧が機械１０の多相巻線３８の端子に生じることはありえず、変換器２２を危険にさらすような電力が中間回路に逆給電されることはありえない。しかし、このためにはこれらの弁が機械の短絡電流Ｉ_ｋを通すことができなくてはならない。これは、短絡電流が機械の定格電流の領域にある場合には困難ではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は電気機械の概略図を示す。
【図２】
図２はステータにおけるコイルの配置の第１の実施例を示す。
【図３】
図３はステータにおけるコイルの第２の実施例を示す。図３Ａはロータとステータとの間のエアギャップの実施形態の詳細を示す。
【図４】
図４はこの電気機械の簡略化された等価回路図を示す。
【図５】
図５はこの電気機械の簡略化された等価回路図に対するベクトル図を示す。
【図６】
図６は最大変換器電圧よりも大きい多相巻線における電圧に対するベクトル図を示す。
【図７】
図７は限界出力よりも小さい出力を有する一般的な動作点に対するベクトル図を示す。
【図８】
図８は最大変換器電圧よりもはるかに大きい多相巻線における電圧に対するベクトル図を示す。
【図９】
図９は変換器を介して中間回路に接続された電気機械の装置全体を示す。
【符号の説明】
１０　電気機械
１３　ハウジング
１６　ステータ
１９　ロータ
２２　変換器
２３　開ループ制御乃至は閉ループ制御装置
２５　永久磁石
２８　エアギャップ
３１　歯
３２　極
３３　溝
３４　コイル
３６　相巻線
３８　多相巻線
４２　コイル側面
５０　電圧源
５３　中間回路
５７　バッテリ
６２　ダイオード
６５　弁

Claims (7)

1. 永久磁石で励磁可能なロータ（１９）及びステータ（１６）を有する電気機械、とりわけスタータジェネレータであって、
   前記ステータ（１６）は多相巻線（３８）を支持し、閉ループ制御乃至は開ループ制御装置（２３）によって制御可能な変換器（２２）を有し、前記閉ループ制御乃至は開ループ制御装置（２３）によって前記ステータ（１６）は弱め界磁動作で動作可能である、電気機械、とりわけスタータジェネレータにおいて、
   前記ロータ（１９）は、前記ステータ（１６）の前記多相巻線（３８）の相の個数のｎ倍に相応する極数を有し、各相巻線（３６）は少なくとも１つのコイル（３４）から成り、前記ステータ（１６）の前記多相巻線（３８）の全コイル（３４）は並んで配置されており、前記ロータ（１９）は数４のｎ倍に相応する極数を有し、前記ステータ（１６）の極（３２）は磁極ピッチ（Ｔｐ）の最大幅を有し、前記ステータ（１６）の２つの極（３２）の間隔（Ａ）は少なくとも前記磁極ピッチ（Ｔｐ）の１／３に相応することを特徴とする、電気機械、とりわけスタータジェネレータ。
2. ステータ（１６）は変換器（２２）の最大出力電圧より下において磁界指向で制御可能であることを特徴とする、請求項１記載の電気機械。
3. ステータ（１６）は変換器（２２）の最大出力電圧より上において弱め界磁動作で動作可能であることを特徴とする、請求項１又は２記載の電気機械。
4. それぞれの溝（３３）には相の異なるコイル（３４）のそれぞれ２つのコイル側面（４２）が配置されていることを特徴とする、請求項１〜３のうちの１項記載の電気機械。
5. それぞれの溝（３３）には１つのコイル（３４）の１つのコイル側面（４２）が配置されていることを特徴とする、請求項１〜４のうちの１項記載の電気機械。
6. 少なくとも１つの溝（３３）には冷却媒体が導かれることを特徴とする、請求項１〜５のうちの１項記載の電気機械。
7. ロータ（１９）とステータ（１６）の歯（３１）との間のエアギャップ（２８）を前記歯（３１）の周辺端部の方向に広げることを特徴とする、請求項１〜６のうちの１項記載の電気機械。