JP2009545941A - 電動機システム並びに電動機の運転方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、多数の固定子コイルと、主磁束方向の磁界を生じさせる少なくとも１つの永久磁石（１７、３７）を有する移動子（１６、３６）と、移動子（１６、３６）に取り付けられている少なくとも１つのコイル巻線（２０、４０）とを備え、固定子コイル（１５、３５）の助けにより印加される交番磁界の成分によって、移動子に配置可能な負荷（２５、４５）によって受取可能である２次電流がコイル巻線（２０、４０）内に誘導可能である同期電動機（１２、３２）に関する。

Description

本発明は、多数の固定子と少なくとも１つの永久磁石を有する回転子とを備えた同期電動機に関する。更に本発明は、このような同期電動機を備えた電動機システム並びにこのような電動機システムの運転のための方法に関する。

同期電動機は一般に固定子コイルを備えた装置を有し、固定子コイルは駆動磁界発生のためにそれぞれ適切な方法で駆動電流により制御される。駆動磁界は、少なくとも１つの永久磁石を備えた移動子を駆動する。回転子として構成される移動子の場合に、駆動磁界は、常に駆動磁界が永久磁石によって生じさせられる移動子磁界の主磁束方向に対して垂直になるように印加される。

同期電動機は、移動子が永久磁石だけを含みコイルを含まず、従ってコイル電流を移動子に供給するために整流子又はブラシ、スリップリング等のその他の装置を必要としないことによって優れている。しかし、同期電動機を使用する幾つかの用途においては、移動子上にある負荷に電気エネルギーを供給するために、移動子上において電流を供給し得ることが不可欠である。

移動子に供給電流を運ぶために整流子或いはその他の装置、スリップリング又はブラシを使用することは、これらが高い消耗性を有し、従って規則正しい運転のためには定期的な保守点検が必要なことから不利である。

本発明の課題は、電流の供給のために高い消耗度を示す装置を必要とすることなく、移動子上において付加的な供給電流を用意することができる同期電動機を提供することにある。本発明の更なる課題は、低い消耗度において供給電流を移動子側に供給できる電動機システム並びにこのような電動機システムの運転方法を提供することにある。

この課題は、請求項１に基づく同期電動機、請求項８に基づく電動機システム並びに請求項１０に基づくこのような電動機システムの運転のための方法によって解決される。

本発明の他の有利な構成は従属請求項に示している。

本発明の第１の観点によれば、多数の固定子コイルと、少なくとも１つの永久磁石を備えた移動子とを有する同期電動機が提供される。移動子上の永久磁石が主磁束方向の磁界を生じさせる。更に、固定子コイルを用いて印加される交番磁界の成分によって、移動子に配置された負荷が受取可能である２次電流をコイル巻線内に誘導すべく、移動子に少なくとも１つのコイル巻線が取り付けられている。

本発明による同期電動機は、移動子に配置されたコイル巻線中に供給電流を誘導することを、簡単な方法で単に固定子コイルの利用によって可能にするので、固定子に付加的な１次巻線が必要でない。このために固定子コイルには、移動子の駆動のために必要とされる駆動電流の他に、コイル巻線中に２次電流を誘導するために、移動子に配置されたコイル巻線の巻線軸方向の交番磁界を発生させる相応の１次電流も印加される。この結果、供給電流の伝送のために消耗しやすいブラシ装置又はスリップリング装置を設けなければならないということなしに、移動子上に２次電流として電流を供給可能となる。

本発明の実施形態によれば、２次電流を供給電流として負荷に印加するためにコイル巻線に接続されている負荷が移動子に設けられている。

コイル巻線の巻線軸が永久磁石により発生される移動子磁界の主磁束方向に対し平行に経過するよう、コイル巻線が移動子に配置されているとよい。こうすると、供給電流の誘導のために固定子コイルに印加される交番磁界が移動子の駆動のための駆動磁界に影響を及ぼさない。何故なら交番磁界は移動子への付加的な駆動力を生じさせないからである。

更に、移動子が回転子を有し、回転子に配置されている少なくとも１つの永久磁石が回転軸に対して少なくとも１つの放射方向の成分を有する磁界を生じさせるとよい。

コイル巻線が少なくとも１つの永久磁石を少なくとも部分的に包囲するとよい。

更に、少なくとも１つの永久磁石の磁極が、回転子の回転軸に関して対向しているとよい。

本発明の他の実施形態に従って、同期電動機がリニア同期電動機として構成されていて、多数の固定子コイルが縦方向に配置されているとよい。

本発明の他の観点によれば、既述の同期電動機と、主磁束方向に対し垂直方向の磁界が発生させられるように固定子コイルが各駆動電流により制御されることで同期電動機を駆動するための制御ユニットとを備え、更に、コイル巻線中に２次電流が誘導可能である方向、特に少なくとも１つの永久磁石の主磁束方向に交番磁界を発生させる各１次電流を各駆動電流に重畳するように制御ユニットが構成された電動機システムが提供される。

駆動磁界印加のためにもコイル巻線中への供給電流の誘導のためにも、固定子コイルの使用は、供給電流をコイル巻線に誘導するのに付加的な１次巻線の省略を可能にする。

本発明の他の実施形態に従って、対応する１次電流を重畳された各駆動電流に界磁弱め電流を重畳するように制御ユニットを構成することにより、同期電動機を界磁弱め動作で運転するための主磁束方向の直流磁界を発生させるとよい。

本発明の他の観点によれば、主磁束方向に対して垂直方向の駆動磁界が発生させられるように固定子コイルが駆動電流により制御されることによって同期電動機が駆動され、２次電流がコイル巻線中に誘導される方向の、特に少なくとも１つの永久磁石の主磁束方向の交番磁界を発生する１次電流が駆動電流に重畳される既述の同期電動機を備えた電動機システムの運転のための方法が提供される。

更に、同期電動機の界磁弱め動作が実行可能なように主磁束方向の直流磁界を発生させるべく、各１次電流を重畳された相応の駆動電流に界磁弱め電流を重畳させるとよい。

以下、添付図面に基づいて本発明の有利な実施形態を更に詳細に説明する。

図１は、同期電動機１２および制御ユニット１３を有する電動機システム１１の概略図を示す。同期電動機１２はハウジング１４を有し、このハウジング内に固定子コイル１５が配置されている。第１の実施例では３つの固定子コイル１５が１２０°ずつ互いにずらされて内側にある回転子１６の周りに配置されている。回転子１６は２つの永久磁石１７を有し、これらの永久磁石は、瓦状磁石として、ほぼ円筒状の回転子１６の回転子軸１８に対して対向する側に配置されている。永久磁石１７はそれらの磁極を互いに同じ方向に向けられているので、永久磁石１７によって回転子１６のｄ軸方向に移動子磁界が形成され、このｄ軸方向は主磁束方向に相当する。固定子コイル１５の個数はほとんど任意に選択可能であり、固定子コイル１５のそれぞれは、固定子コイル対として、回転子軸に関して固定子６の対向する側に配置されていてもよい。

固定子コイル１５が相応の制御線１９を介して制御ユニット１３に接続されている故、永久磁石１７によって生じさせられる移動子磁界の主磁束方向に対して垂直に経過する合成駆動磁界を回転子１６の範囲に形成するために、各駆動電流の助けにより固定子コイル１５を制御することができる。その都度現在の移動子磁界の主磁束方向を決定するためには回転子位置が求められなければならず、このことは適切な位置検出器によって行なうことができる。代替として、センサレス同期電動機の場合には、固定子コイル内に結果として生じるインダクタンスの異方性が回転子位置推定のために決定されるとよい。

回転子１６は、更に１つ以上の（図示の例では２つの）コイル巻線２０を備えており、コイル巻線２０は負荷２５に接続されている。負荷２５は同期電動機内部又は回転子軸１８におけるその他の場所に配置でき、コイル巻線内に誘起される２次電流が負荷２５の動作のための供給電流として使用可能であるようにコイル巻線２０に接続されている。

同期電動機１２のハウジング１４内に設けられている１次巻線の代わりに、負荷２５の給電のための２次電流が固定子コイル１５の助けにより誘導される。固定子コイル１５は、制御ユニットによって、２次電流をコイル巻線２０に発生させるべくコイル巻線２０の巻線軸方向に交番磁界が生じさせられるように制御される。

有利な実施例においては、図１に示されているように、コイル巻線２０の巻線軸が永久磁石によって生じさせられる移動子磁界の主磁束方向のｄ軸に対して平行に経過する。この場合には、交番磁界が回転子１６のｄ軸に対して直交する回転子１６のｑ軸の方向の成分を持たないので、回転子１６の駆動は交番磁界によっては妨害されない。

制御ユニット１３が駆動ユニット２１を有し、駆動ユニットが制御線１９を介して固定子コイル１５に各制御電圧を印加するので、例えば回転子１６の一定のままの回転速度において固定子コイル１５を通して流れる駆動電流のほぼそれぞれ１２０°だけずれた正弦波状の電流経過が生じる。それによって、同期電動機１２の内部において、永久磁石１７によって生じさせられる移動子磁界の主磁束方向に対して常に直角方向、即ちｑ軸方向に経過する合成駆動磁界が形成される。

更に制御ユニット１３は、ｄ軸方向、即ちコイル巻線２０の巻線軸方向の合成交流磁界をもたらす固定子コイル１５における各１次電流を生じさせる結合回路２２を有する。

交番磁界がコイル巻線２０内に２次電流を誘導し、２次電流は負荷２５に供給可能である。この結果、２次電流を負荷２５のための供給電流として誘導するのに、同期電動機１２のハウジング１４内における１次コイル装置を省略できる。それに代えて、駆動磁界に加えて交番磁界を合成すべく、固定子コイル１５が使用される。結合回路２２は、制御線１９において制御電圧にパルス状の１次電圧を重畳することによって、固定子コイル１５における各１次電流を生じさせる。

コイル巻線２０は、１００％未満、例えば８０％の磁極幅（磁極ピッチに対する磁極幅の比率）において、瓦状磁石によって瓦状磁石の周りに案内されるので、永久磁石によって形成される移動子磁界の主磁束は妨害されない。図示された２つのコイル巻線２０の代わりに、回転子１６に、とりわけ回転軸に対して対称的に配置されている唯一のコイル巻線を設けることもできる。２つ以上のコイル巻線２０を使用する場合には、一方では回転子１６におけるアンバランスを起こさないために、そして他方では２次電流の一様な誘導を達成するために、これらのコイル巻線２０が同様に回転軸に対して対称的に配置されているように配慮すべきである。

同期電動機のより高い回転数を得るには、同期電動機の動作により生じる固定子コイルにおける電圧を低減すべく移動子磁界に対して反対向きに直流磁界を固定子コイル１５の助けにより印加する界磁弱め動作が用意されているとよい。このために、駆動電流の他に駆動回路２１によって界磁弱め電流が固定子コイルに印加され、界磁弱め電流が、主磁束方向の主磁束を低減すべく永久磁石１７の磁界に反抗する直流磁界、即ちｄ軸方向の磁界を形成する。この場合には、固定子コイル１５が、駆動電流、界磁弱め電流およびコイル巻線２０への２次電流投入のための１次電流からなる各合成電流によって制御される。

図２は、移動子上に配置されたコイル巻線中への２次電流の投入の上述の原理をリニア電動機にも使用可能なことを示す。図１では、リニア同期電動機３２と制御ユニット３３を備えたリニア電動機システム３１が設けられている。リニア同期電動機３２は、各々固定子コイル３５の１つを担持する多数の固定子突起５０を備えた固定子３４を有する。隣り合う固定子コイル３５は互いに個別に制御可能であり、特に各々３つの互いに隣り合う固定子コイル３５が制御ユニット３３によって制御可能である。

固定子３４の近傍に移動子が配置されていて、移動子は固定子３４に対して固定子３４に沿って直線方向に移動可能に配置されている。移動子３６は、少なくとも１つの移動子突起５１を有し、移動子突起５１上には、主磁束方向の移動子磁界を生じさせるために永久磁石３７が配置されている。主磁束方向は固定子３４の方向に向けられている。移動子突起５１に、もしくは移動子突起の周りにコイル巻線４０が配置されていて、コイル巻線４０は移動子上に配置されている負荷４５に電気的に接続されている。このようにして負荷４５に電気エネルギーを供給することができる。

リニア同期電動機３２の固定子コイル３５は制御ユニット３３に各制御線３９を介して接続されている。制御ユニット３３は固定子コイル３５のための各駆動電流を供給するために駆動回路４１を有する。駆動電流は、永久磁石３７の主磁束方向に対してずらされた駆動磁界が移動子範囲において形成されるように固定子コイル３５に印加され、この駆動磁界に対して永久磁石によって生じさせられる移動子磁界が合わせられる。所望の駆動トルクに応じて固定子コイル３５によって生じさせられる駆動磁界のずれが選択される。

更に、リニア同期電動機３２において移動子３６上のコイル巻線４０に２次電流を誘導するために、移動子３６のコイル巻線４０の巻線軸方向の交番磁界をもたらす１次電流が固定子コイル３５に印加される。

図示の実施例では、コイル巻線４０の巻線軸が永久磁石３７の主磁束方向に相当する。しかし異なる実施形態では永久磁石３７とコイル巻線４０の装置とを互いに分離し、これらを移動子３６上において異なる位置に配置することができる。付加的に１次電流によって印加される交番磁界が移動子３６の駆動をできるだけ妨害しないことが重要なので、コイル巻線４０と永久磁石３７とを一緒に移動子突起５１に配置するのがよい。

固定子コイル３５における１次電流は制御ユニット３３内の結合ユニット４２により発生され、駆動回路４１２により供給される駆動電流に１次電流が重畳され、即ち個別に制御可能な固定子コイル３５の各々について、駆動電流と１次電流が互いに加算される。

本発明の実施形態による電動機システムの概略図 本発明の他の実施形態による電動機システムの概略図

１１ 電動機システム、１２ 同期電動機、１３、３３ 制御ユニット、１４ ハウジング、１５、３５ 固定子コイル、１６ 回転子、１７、３７ 永久磁石、１８ 回転子軸、１９ 制御線、２０ コイル巻線、２１ 駆動ユニット、２２、４２ 結合回路、２５、４５ 負荷、３１ リニア電動機システム、３２ リニア同期電動機、３４ 固定子、３６ 移動子、３９ 制御線、４０ コイル巻線、４１ 駆動回路、５０ 固定子突起、５１ 移動子突起

Claims (11)

1. 多数の固定子コイルと、主磁束方向の磁界を生じさせる少なくとも１つの永久磁石（１７、３７）を有する移動子（１６、３６）と、移動子（１６、３６）に取り付けられている少なくとも１つのコイル巻線（２０、４０）とを備え、
   固定子コイル（１５、３５）により印加される交番磁界の成分によって、移動子に配置可能な負荷（２５、４５）によって受取可能である２次電流がコイル巻線（２０、４０）内に誘導可能である同期電動機（１２、３２）。
2. ２次電流を供給電流として負荷（２５、４５）に印加すべく、コイル巻線（２０、４０）に接続されている負荷が移動子（１５、３５）に設けられている請求項１記載の同期電動機（１２、３２）。
3. コイル巻線の巻線軸が主磁束方向に対して平行に経過するように、コイル巻線が移動子（１６、６）に配置されている請求項１又は２記載の同期電動機（１２、３２）。
4. 移動子が回転子（１６）を有し、回転子に配置されている少なくとも１つの永久磁石（１７）が回転軸に対して少なくとも１つの放射方向の成分を有する磁界を生じさせる請求項１乃至３の１つに記載の同期電動機（１２）。
5. コイル巻線が少なくとも１つの永久磁石（１７、３７）を少なくとも部分的に包囲する請求項１乃至４の１つに記載の同期電動機（１２）。
6. 少なくとも１つの永久磁石（１７）の磁極が回転子（１６）の回転軸に関して対向している請求項１乃至５の１つに記載の同期電動機（１２）。
7. 同期電動機がリニア同期電動機（３２）として構成されていて、多数の固定子コイル（３５）が縦方向に配置されている請求項１又は２記載の同期電動機（１２）。
8. 請求項１乃至７の１つに記載の同期電動機（１２）と、主磁束方向に対して垂直方向の磁界が発生させられるように固定子コイル（１５、３５）が各駆動電流により制御されることによって同期電動機（１２、３２）を駆動するための制御ユニットとを備え、更に、少なくとも１つの永久磁石（１７、３７）の主磁束方向の交番磁界を発生させる各１次電流を各駆動電流に重畳するように制御ユニット（１３、３３）が構成されている電動機システム（１１）。
9. 対応する１次電流を重畳された各駆動電流に界磁弱め電流を重畳するように制御ユニット（１３、３３）を構成することにより、同期電動機（１２、３２）を界磁弱め動作で運転するための主磁束方向の直流磁界を発生させる請求項８記載の電動機システム（１１、３１）。
10. 主磁束方向に対して垂直方向の駆動磁界が発生させられるように固定子コイル（１５、３５）が駆動電流により制御されることによって同期電動機（１２、３２）が駆動され、少なくとも１つの永久磁石（１７、３７）の主磁束方向の交番磁界を発生する１次電流が駆動電流に重畳される請求項１乃至７の１つに記載の同期電動機（１２、３２）を備えた電動機システム（１１）の運転のための方法。
11. 同期電動機（１１、３１）の界磁弱め動作が実行可能であるように主磁束方向の直流磁界を発生させるために、各１次電流を重畳された相応の駆動電流に界磁弱め電流が重畳される請求項１０記載の方法。

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