JP2008072895A - 改善された制御出力を有する高出力永久磁石交流機 - Google Patents

Abstract

【課題】交流機システムにおける潜在的に有害な高電圧故障状態を低減する方法と装置を提供すること。
【解決手段】装置１００は、モータ１１０と、モータ１１０に結合された整流器１２０と、整流器１２０に結合された出力ノード１２１０と、整流器１２０と出力ノード１２１０との間に結合され且つノーマリ・オンのスイッチ１２２０とを備える。装置１００を駆動するエンジンと、装置１００に結合された電池５００とを備える車両に装置１００を実装し、装置１００から電池５００へ電流を供給することができる。有害な事象が生じたならば、スイッチ１２２０をオフにして電池５００への電流の供給を停止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、交流モータの制御に関するものであり、特に、永久磁石モータを制御する装置、システム及び方法に関する。

交流（ＡＣ）モータは、車両応用を含む種々の応用に用いられており、単純で頑健な構成と容易なメンテナンスと費用効率の高い値段とを持つので望ましいものとされている。典型的には、車両の応用に使用されるＡＣモータは、モータ相電流が正弦波状であるように電源インバータを介して制御される。典型的には、ＡＣモータに正弦波状の入力電流を供給すると、ＡＣモータにおけるトルクのパルス状変化の源になり得る追加の低周波高調波なしに、最大の平均トルクを生成することができる。車両の応用においては、設計上で考慮すべき１つの点は、利用可能な直流（ＤＣ）電圧（例えば、電池から供給される）の利用を最大にすることである。一般に、電圧利用の最大化は、高速動力と全システム効率とを改善する。

ＡＣモータの中には、典型的には大電力密度・高効率特性を持ち、車両推進の応用に最適である永久磁石（ＰＭ）モータがある。典型的には、ＰＭモータは、車両の原動力から直接に又はベルトを介して駆動されるＰＭモータと、ＰＭモータに結合されたダイオード整流器と、ダイオード整流器及び車両の電池の出力に結合されていて車両の動作期間に電池の電流の流れを制御するスイッチとを備えている。現行のＰＭ機械では、一般に、スイッチはノーマリ・オフであり、シリコンをベースとする半導体デバイス（例えば絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）又は金属酸化物電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ））である。

交流機としての動作において、ＰＭ機械は定電流源として動作するが、スイッチ・モード整流器は、ＰＭ機械が閾値速度よりも上で動作しているときに電池に対する電圧と電力を制御するよう動作する。定電流源として動作するためには、ＰＭ機械は、典型的には、電池出力電圧よりも少なくとも４〜１０倍に達する逆起電力（ＥＭＦ）を生じるとして設計される。ＰＭ機械の動作期間には、スイッチはノーマリ・オフだから、電流は通常は電池へ流れる。電流が電池へ流れるのを方向転換させるために、スイッチはオンにされる。これによって、電流はスイッチを通って流れ、電池ではなくダイオード整流器へ戻らされる。

スイッチの適切な制御されたパルス幅変調オン／オフ・スイッチング動作での動作時には、電池にはその適切な制御された平均電圧が加えられる。スイッチのスイッチング動作が喪失される制御エラーその他のエラーが生じた場合には、電池にはＰＭモータの整流された逆起電力が加えられる。ＰＭモータの整流された逆起電力は、ＰＭモータが通常の出力を生成しているときには、制御された電池電圧よりも大きいので、通常の動作期間よりも大きな平均電圧が電池に加わることになる。

したがって、損傷を与える可能性のある高電圧故障状態を低減する交流機、システム及び方法を提供することが望ましい。更に、安価で高電力の交流機応用を提供するための交流機、システム及び方法を提供することが望ましい。また、本発明の他の望ましい特徴及び特性は、添付の図面と前記の技術分野及び背景技術を勘案することにより、以後の詳細な説明と添付の請求項から明らかになるであろう。

本発明の１つの例示の実施の形態は、モータと、モータに結合された整流器と、整流器に結合された出力ノードと、整流器と出力ノードとの間に結合されたスイッチとを備える交流機を提供する。ここで、スイッチはノーマリ・オンのスイッチである。

本発明の他の例示の実施の形態は、エンジンと、エンジンに結合された交流機とを備えた車両を提供する。ここで、交流機は永久磁石モータと、モータに結合されたダイオード整流器と、ダイオード整流器に結合されたスイッチと、ダイオード整流器とスイッチとの間に結合された電池とを備え、スイッチはノーマリ・オンのスイッチである。

本発明の更に他の例示の実施の形態は、交流機システムにおける潜在的に損傷を生じる故障条件を低減するための方法を提供する。ここで、この方法は、交流機の整流器から該整流器に結合された電池へ電流を提供するステップと、損傷を生じるイベントが発生したならば電池への電流の提供を停止するステップとを備える。停止するステップは、整流器と電池との間に結合されたノーマリ・オンのスイッチをオフにするステップを含む。

以下、本発明を添付の図面を参照しながら説明する。同じ参照数字は同じ要素を指示するものとする。

発明に関する以後の詳細な説明は本質的に単なる例示であり、発明やその応用と用途を限定するこのではない。また、前述の発明の背景や以後の発明の詳細な説明によって、またその理論によって、本発明を限定する意図はない。

図１は、電池５００（例えば車両電池）に結合された交流機１００の１つの実施の形態を示す図である。１つの例示の実施の形態において、交流機１００は永久磁石（ＰＭ）交流機である。他の例示の実施の形態においては、交流機１００はインバータレスＰＭ交流機である。

１つの例示の実施の形態においては、交流機１００は、整流器１２０に結合されたモータ１１０（例えばＰＭモータ）を備えている。更に、本発明の種々の実施の形態においては、モータ１１０は、電流を生成することができるものとして当該技術分野において公知の任意のモータ及び／又はデバイスや将来開発されるモータ及び／又はデバイスであってよい。

整流器１２０は、それぞれのダイオード対（例えば、１２０４と１２０５の対、１２０６と１２０７の対、）１２０８と１２０９の対）の間に結合された１つ以上の入力線（例えば１２０１、１２０２、１２０３）を用いてモータ１１０に結合される。ここで、ダイオード１２０４、１２０５、１２０６、１２０７、１２０８、１２０９は整流器１２０の特定の設計に適した任意のサイズのダイオードであり、これらダイオード１２０４、１２０５、１２０６、１２０７、１２０８、１２０９のそれぞれは同一の方向を向いている。また、入力線１２０１はダイオード１２０４のカソードとダイオード１２０５のアノードに結合され、入力線１２０２はダイオード１２０６のカソードとダイオード１２０７のアノードに結合され、入力線１２０３はダイオード１２０８のカソードとダイオード１２０９のアノードに結合される。また、整流器１２０は、スイッチ１２２０とダイオード１２２５のアノードとダイオード１２０５、１２０７、１２０９のカソードとに結合された出力ノード１２１０を有している。

１つの実施の形態によると、スイッチ１２２０はノーマリ・オンのスイッチである。他の実施の形態によると、スイッチ１２２０はノーマリ・オンの半導体デバイスである。ただし、スイッチ１２２０は、オフに切り換えられ、オフにゲート制御され又はオフに制御されたときにはスイッチ１２２０を通して電流が流れるようにし、オンにゲート制御されたときにはスイッチ１２２０を通して電流が流れないようにする任意の半導体デバイスである。更に別の実施の形態においては、スイッチ１２２０はノーマリ・オンのゲート接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）である。更に他の実施の形態においては、スイッチ１２２０はノーマリ・オンの炭化ケイ素ＪＦＥＴである。特に、本発明の種々の実施の形態においては、スイッチ１２２０は、当該分野で公知の又は将来開発される、ノーマリ・オンの任意のスイッチであり得るものとする。したがって、スイッチ１２２０がオフにゲート制御されると、電流は電池５００ではなくスイッチ１２２０を通って流れ、スイッチ１２２０がオンにゲート制御されると、電流はスイッチ１２２０を通って流れることはなく、電池５００へ流れることになる。

ダイオード１２５は当該分野で公知の又は将来開発される任意のダイオード（又は、ダイオードのように機能するよう制御されるスイッチ）であり、整流器１２０の特定の設計に適した任意のサイズである。ダイオード１２２５のカソードは電池５００の正端子に結合される。また、整流器１２０は電池５００の負端子とスイッチ１２２０とダイオード１２０６、１２０８のアノードとに結合されたノード１２３０を備えている。

１つの例示の実施の形態において、交流機１００はほぼ４ｋｗ〜６ｋｗの出力電力を生成する。また、種々の実施の形態において、交流機１００は５０Ａ〜１５０Ａ前後の範囲の電流を生成する。１つの例示の実施の形態によると、交流機１００は１０００Ａの電流を生成する。特に、本発明は交流機１００が任意の所望の電力及び／又は電流を生成することを意図している。

図２は、それぞれ上で検討した交流機１００及び電池５００を備える車両２００の１つの実施の形態を示す図である。図２に示す実施の形態において車両２００は自動車であるが、本発明は車両２００が当該分野では公知の又は将来開発される任意の車両であってよいことを意図している。

また、車両２００は交流機１００と結合されたエンジン２１０を備えている。本発明の実施の形態は、エンジン２１０は交流機１００を直接又は間接に駆動することができる、当該分野では公知の又は将来開発される任意のエンジンであり得ることを意図している。更に、車両２００は、交流機１００及び電池５００と結合された電気系統４００（例えば、ライト、ステレオ、ビデオ、ＧＰＳ等）を備える。

本発明の種々の実施の形態は、電気系統４００が１２Ｖ前後〜４０Ｖ前後の範囲の電気系統であることを提供する。１つの例示の実施の形態によると、電気系統４００は１２Ｖの電気系統である。他の例示の実施の形態においては、電気系統４００は４２Ｖの電気系統である。特に、本発明は電気系統が車両の応用にとって望ましい任意の大きさの電気系統であることを意図している。

更に、電池５００は電気系統４００の電圧及び／又は電流要求に対応する任意の大きさの電池であり得る。したがって、電池５００は１２Ｖ前後〜４２Ｖ前後の範囲の電圧を有する任意の電池であってよい。１つの実施の形態においては、電池５００は１２Ｖの電池であり、他の実施の形態においては、電池５００は４２Ｖの電池である。

図３は、交流機（例えば、交流機１００）における潜在的に有害な高圧故障状態を低減するための、方法３００のフロー図である。１つの例示の実施の形態において、方法３００は、交流機１００から電池（例えば５００）へ周期的に電流を提供して電池を充電すること（ステップ３１０）によって開始する。１つの実施の形態において、ステップ３１０はノーマリ・オンのスイッチ（例えばスイッチ１２２０）をオンにゲート制御して電池５００に電流を提供するステップを含む。また、別の実施の形態において、方法３００はスイッチ１２２０をオフにゲート制御して電池５００への電流の提供を停止させること（ステップ３１８）を含む。

また、方法３００は、潜在的に損傷を生じる事象が生じると電池５００への電流の提供を停止させるステップ（ステップ３２０）を含む。１つの実施の形態において、ステップ３２０は、電池５００ではなくスイッチ１２２０を通って電流が流れるようなエラー（例えば制御エラー）が生じたならばスイッチ１２２０をオフにゲート制御するステップ（ステップ３２４）を含む。別の実施の形態において、ステップ３２０は、電池５００ではなくスイッチ１２２０を通って電流が流れるような故障が生じたならばスイッチ１２２０をオフに切り換えるステップ（ステップ３２８）を含む。

上記のとおり発明の詳細な説明において少なくとも１つの例示の実施の形態を提示したが、理解されるように、極めて多数の変形が存在する。また理解されるとおり、例示の実施の形態は単なる例であり、いかなる方法によっても本発明の範囲、応用可能性又は構成を限定するものではない。むしろ、前記の詳細な説明は当業者に対して発明の例示の実施の形態を実現するためのロードマップを提供するのであり、理解されるように、特許請求の範囲に記載された発明の範囲及びその均等物から逸脱することなく、例示の実施の形態において記述した要素の機能及び配置に対して種々の変更を行うことができる。

本発明の１つの例示の実施の形態に係る、電池に結合された交流機を示す図である。 図１に示す交流機を含むシステムを備える車両の実施の形態を示す図である。 交流機における潜在的に有害な高電圧故障を低減するための方法のフロー図である。

Claims (20)

1. 交流機であって、
   モータと、
   前記モータに結合された整流器と、
   前記整流器に結合された出力ノードと、
   前記整流器と前記出力ノードとの間に結合されたノーマリ・オンのスイッチと、
   を具備する交流機。
2. 前記モータが永久磁石モータである、請求項１に記載の交流機。
3. 前記スイッチが半導体デバイスである、請求項２に記載の交流機。
4. 前記半導体デバイスが接合ゲート電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）である、請求項３に記載の交流機。
5. 前記半導体デバイスが炭化ケイ素ＪＦＥＴである、請求項４に記載の交流機。
6. インバータレス高出力ＰＭ交流機である、請求項２に記載の交流機。
7. 前記スイッチが、エラーと故障のうちの少なくとも一方が生じたならばオフになるよう構成されている、請求項１に記載の交流機。
8. 車両であって、
   エンジンと、
   前記エンジンに結合された交流機であって、永久磁石モータと、該永久磁石モータに結合されたダイオード整流器と、前記ダイオード整流器に結合されたノーマリ・オンのスイッチとを備える交流機と、
   前記ダイオード整流器と前記スイッチとの間に結合された電池と、
   を具備する車両。
9. 前記交流機に結合された４２Ｖの電気系統を更に備え、前記交流機が前記４２Ｖの電気系統に電力を提供する、請求項８に記載の車両。
10. 前記交流機に結合された１２Ｖの電気系統を更に備え、前記交流機が前記１２Ｖの電気系統に電力を提供する、請求項８に記載の車両。
11. 前記スイッチが半導体デバイスである、請求項８に記載の車両。
12. 前記半導体デバイスが接合ゲート電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）である、請求項１１に記載の交流機。
13. 前記半導体デバイスが炭化ケイ素ＪＦＥＴである、請求項１２に記載の交流機。
14. 前記スイッチが、エラーと故障のうちの少なくとも一方が生じたならばオフになるよう構成されている、請求項８に記載の交流機。
15. 交流機システムにおける潜在的に損傷が生じる高電圧故障状態を低減するための方法であって、
    前記交流機の整流器から、該整流器に結合された電池に電流を提供するステップと、
    損傷を生じる事象が生じたならば前記電池への電流の提供を停止するステップであって、損傷を生じる事象が生じたならば、前記整流器と前記電池との間に結合されたノーマリ・オンのスイッチをオフに切り換えるステップを含むステップと、
    を備える方法。
16. 停止する前記ステップが、
    前記電池への電流の提供を停止するステップと、
    制御エラーが生じたならば、前記電池ではなく前記スイッチを通して電流を提供するステップと、
    を備える、請求項１５に記載の方法。
17. 停止する前記ステップが、
    前記電池への電流の提供を停止するステップと、
    スイッチ故障が生じたならば、前記電池ではなく前記スイッチを通して電流を提供するステップと、
    を備える、請求項１５に記載の方法。
18. オフにする前記ステップが、電流が前記電池ではなく前記スイッチを通して流れるように、ノーマリ・オンの半導体デバイスをオフに切り換えるステップを備える、請求項１５に記載の方法。
19. オフに切り換える前記ステップが、電流が前記電池ではなく前記スイッチを通して流れるように、ノーマリ・オンの接合ゲート電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）をオフにするステップを備える、請求項１５に記載の方法。
20. オフに切り換える前記ステップが、電流が前記電池ではなく前記スイッチを通して流れるように、ノーマリ・オンの炭化ケイ素ＪＦＥＴをオフにするステップを備える、請求項１５に記載の方法。

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