JP2009545942A - 同期電動機とセンサレス電動機システムおよび同期電動機を有するセンサレス電動機システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、多数の固定子コイル（１５）と、主磁束方向の移動子磁界を生じさせる少なくとも１つの永久磁石を有する移動子（１６）と、固定子コイルの助けにより印加される交番磁界によってコイル巻線の巻線軸方向に合成磁界を誘起させるために移動子に設けられた少なくとも１つのコイル巻線（２０）とを含み、固定子コイル（１５）の巻線軸方向に関する合成インダクタンスが移動子（１６）の異なる位置において異なる同期電動機（１２）に関する。

Description

本発明は同期電動機、特にセンサレス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センサレス電動機システムならびに同期電動機を有するセンサレス電動機システムの運転方法に関する。

一般に同期電動機は移動子を駆動するために多数の固定子コイルを有し、これら固定子コイルは少なくとも１つの永久磁石を有する移動子の近傍に配置されている。移動子は一般に回転子の形に形成されている。永久磁石は、回転子の回転軸に対し放射方向に移動子磁界を生じさせるように回転子に配置されている。同期電動機の移動子は、合成駆動磁界が生じるように各固定子コイルに相応の制御信号により相応の固定子電流が供給されることで駆動される。固定子電流は、最大限のトルクを発生させるために、永久磁石によって生じる移動子磁界の方向に対し駆動磁界がほぼ垂直になるように制御される。固定子電流を、常に固定子コイルによって生じる磁界の方向が移動子磁界に対し垂直になるように供給するには、移動子位置又は回転子位置を認識せねばならない。従って、固定子コイルを移動子の定められた位置に応じて最適に制御できるように、移動子位置が同期電動機の運転時に絶えず求められ、又は推定されるべきである。移動子位置又は回転子位置の決定のため、一般には位置検出器が設けられている。

センサレス同期電動機の場合、固定子の固定子コイルにおける合成インダクタンスの異方性を利用し、回転子位置が推定される。即ち、同期電動機の運転時に回転子位置に依存して固定子コイルにおいて異なった合成インダクタンスが測定され、合成インダクタンスを介して移動子又は回転子の位置が推定される。このため、固定子コイルのための固定子電流を供給する制御信号に、駆動磁界に加えて交番磁界が発生するように、測定信号が重畳される。その際に測定信号によって生じ、固定子コイルを通る電流の流れは、同期電動機の回転子位置に依存する合成インダクタンスに依存する。同期電動機の合成インダクタンスは既に述べたように回転子位置に依存することから、測定信号によって生じる測定電流を介して回転子位置が推定できる。

回転子位置をできるだけ正確に求めるには、同期電動機の合成インダクタンスの経過が回転子位置にできるだけ強く依存して変化し、即ち異方性であって、回転子磁界の方向とそれとは異なる方向との間で合成インダクタンスのできるだけ大きな相違が存在することが必要である。しかし、従来の回転子の場合、合成インダクタンスの僅かな異方性によって回転子位置を不正確にしか推定できないので、駆動磁界が回転子磁界に対し正確に垂直にならない。そのため同期電動機を最適なトルクで運転することができない。

本発明の課題は、移動子磁界方向に依存した固定子コイル内の合成インダクタンス経過に関する異方性が移動子位置の推定の十分な精度を可能にする同期電動機を提供することにある。更に本発明の課題は、移動子位置ができるだけ正確に推定可能である同期電動機を有するセンサレス電動機システムと、このようなセンサレス電動機システムの運転方法とを提供することにある。

これらの課題は、請求項１に基づく同期電動機、請求項９に基づくセンサレス電動機システムおよび請求項１５に基づくセンサレス電動機システムの運転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、主磁束方向の移動子磁界を生じさせる少なくとも１つの永久磁石を有する移動子とを備えた同期電動機が提供される。固定子コイルを用いて印加される交番磁界によりコイル巻線の巻線軸方向に合成磁界を誘起させるために移動子に少なくとも１つのコイル巻線が設けられることで、巻線軸方向に関する固定子コイルの合成インダクタンスが移動子の異なる位置において異なっている。

移動子にコイル巻線を設けることで、移動子位置に依存した固定子内の合成インダクタンス経過の異方性が強まる。移動子における付加的なコイル巻線は、固定子内の合成インダクタンスを、コイル巻線の巻線軸方向に関してそれとは異なる方向に比べて明白に減少させる。

交番磁界が所定の方向に加わるように固定子コイルに測定信号を印加することで、所定の方向に関し固定子コイルの合成インダクタンスを求め得る。測定信号が、合成インダクタンスに依存する固定子コイルを通して割り当てられる電流の流れをもたらす。従って、測定信号がコイル巻線の巻線軸方向の交番磁界をもたらす場合には、各固定子コイルを通して測定信号に割り当てられる測定電流が流れ、該測定電流は、測定信号がそれとは異なる方向の交流磁界を発生させた場合に生じるであろう電流より全体として大きい。

コイル巻線は短絡されているとよい。その結果、固定子コイルによって発生され、コイル巻線の巻線軸方向に延びる交番磁界が、コイル巻線内に誘導される電流を介して交番磁界に対抗する磁界、即ちコイル巻線の巻線軸の方向における合成インダクタンスを明白に減少させるできるだけ強い磁界を生成する。

移動子の永久磁石によって移動子磁界の主磁束方向およびそれとは異なる副磁束方向が定義されていて、固定子コイルの合成インダクタンスが主磁束方向に関して最小であり、副磁束方向に関し最大である。このようにして移動子の位置を最小又は最大のインダクタンスの検出によって推定できる。

有利な実施形態では、コイル巻線の巻線軸が移動子に接して、主磁束方向に対し平行に延びる。

更に、移動子が回転子として構成され、少なくとも１つの永久磁石が回転軸に対し放射方向の移動子磁界を生じさせるとよい。特に、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。

本発明の他の有利な実施形態によれば、予め定められた固有周波数を有する阻止回路を構成すべく、コイル巻線に直列に接続されたキャパシタンスが移動子に設けられる。阻止回路は、特に予め定められた固有周波数近くの周波数を有する交番磁界に関する主磁束方向のインピーダンスを高めるので、主磁束方向における合成インダクタンスが変化し、その結果固定子コイルの合成インダクタンス経過の異方性を高めることができる。

更に、阻止回路の調整のため、コイル巻線およびキャパシタンスに直列に抵抗が接続されているとよい。

本発明の他の観点に従い、上述の同期電動機を有するセンサレス電動機システムを提供する。電動機システムは、更に主磁束方向に対し異なる方向に形成される駆動磁界が移動子の位置に応じて生じるように駆動電流で固定子コイルを制御する制御ユニットを有し、制御ユニットは、測定信号により、移動子の位置を、コイル巻線により生じる固定子コイルの合成インダクタンスの異方性に基づいて求めるべく、位置検出ユニットを有する。

位置検出ユニットは、交番磁界を生じさせる測定信号を駆動電流に重畳し、かつ測定信号によって生じた合成インダクタンスに依存した測定電流に基づき移動子の位置を求めるために設けられるとよい。特に位置検出ユニットは、固定子コイルの合成インダクタンスが最大又は最小の何れかである様に測定信号により生じる交番磁界の方向を調節すべく構成されていて、移動子の位置が測定信号により生じる交番磁界の方向に依存して検出可能であるとよい。

本発明の実施形態では、移動子の永久磁石によって移動子磁界の主磁束方向およびそれとは異なる副磁束方向が定義されており、固定子コイルの合成インダクタンスが主磁束方向に関しては最小、副磁束方向に関しては最大であるようにコイル巻線が移動子に配置されていて、位置検出ユニットが主磁束方向の交番磁界を調節するように構成される。

本発明の他の実施形態によれば、予め定められた固有周波数を有する阻止回路を構成するためにコイル巻線に直列に接続されているキャパシタンスが移動子に設けられ、固定子コイルの合成インダクタンスが主磁束方向に関して最大であり、副磁束方向に関して最小であるようにコイル巻線が移動子に配置され、位置検出ユニットが主磁束方向の交番磁界を調節するように構成されている電動機システムが提供される。

コイル巻線およびキャパシタンスに直列に抵抗が接続されているとよい。

本発明の他の観点によれば、上述の同期電動機を備えたセンサレス電動機システムの運転方法が提供される。同期電動機が移動子の位置に依存して動作させられ、移動子の位置が移動子におけるコイル巻線により生じた固定子コイルにおける合成インダクタンスの異方性に基づいて決定される。

更に、固定子コイルにおける合成インダクタンスが交番磁界の方向に関して最大又は最小の何れかになるよう、測定信号により固定子コイルによって生じる交番磁界の方向が調節されるとよい。

移動子の位置が、測定信号により生じる交番磁界が調節される方向に基づいて求められると特に好ましい。

更に、移動子の永久磁石により磁界の主磁束方向と、それとは異なる副磁束方向とが定義されており、固定子コイルの合成インダクタンスが主磁束方向に関し最小であり、副磁束方向に関し最大であるようにコイル巻線が移動子に配置されていて、交番磁界が主磁束方向の方向に調節されるとよい。

代替的に、移動子の永久磁石によって磁界の主磁束方向と、それとは異なる副磁束方向が定義され、コイル巻線が、固有周波数を有する阻止回路を構成するためにキャパシタンスに直列に接続され、かつ固定子コイルの合成インダクタンスが主磁束方向に関して最大であり、副磁束方向に関して最小であるように移動子に配置されており、阻止回路の固有周波数を有する交番磁界が発生され、主磁束方向に調節されるとよい。

以下、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および同期電動機１２の運転のための制御ユニット１３を有するセンサレス電動機システム１１の概略図を示す。同期電動機１２はハウジング１４を有し、該ハウジング内に３つの固定子コイル１５が配置されている。

ハウジング１４の内部に回転子１６が配置されており、回転子は回転子軸１８に回転可能に配置されている。回転子１６は２つの永久磁石１７を有し、該永久磁石は回転子１６の回転子軸１８に対し放射方向に対向する側に配置されているので、主磁束が永久磁石１７によって発生される移動子磁界のｄ軸の方向に生じる。永久磁石１７は、円筒形の回転子１６の周辺部に沿って配置された瓦状磁石として形成されているとよい。永久磁石１７の磁極ピッチに対する磁極幅は、一般に１００％未満、例えば８０％の範囲にある。

回転子軸１８に関し、固定子コイル１５が各々互いに１２０°だけずらして配置されている。固定子コイルの個数は殆ど任意に選択可能であるが、少なくとも２個なければならない。各固定子コイル１５は、回転子軸１８に関し互いに対向すると共に、互いに直列にかつ巻方向を同じ向きにして接続された部分コイルを有するコイル対として設け得る。

固定子コイル１５は、回転子１６を駆動すべく、制御ユニット１３により相応の制御線１９を介して駆動信号により制御される。このため固定子コイル１５により磁界が回転子１６に発生され、この磁界はｑ軸の方向に対し垂直に延びる。この結果、合成駆動磁界がｑ軸方向に発生するように固定子コイル１５が制御される。固定子コイル１５は、一般に特に電圧パルスの形の駆動信号により制御され、図示の実施例では３つの互いに１２０°だけずれた正弦状の固定子電流が固定子コイル１５に生じ、回転子１６の一定の回転速度が必要とされる。

それにより、印加される駆動磁界が常に永久磁石によって発生される回転子磁界の方向に垂直に延びることができ、このことは回転子位置を決定又は推定する上で必要である。しかし、センサレス電動機システムの場合は、回転子位置が直接に適切なセンサにより検出されるのではなくて、回転子位置により生じる固定子コイル内の合成インダクタンスの異方性が回転子位置決定のために利用される。位置推定の精度は、固定子コイル内の回転子位置に依存した合成インダクタンスの変化がどれほど強いかに決定的に依存する。

合成インダクタンスを求めるべく、固定子コイル１５は相応の駆動信号（固定子電流）に加えて各々の測定信号も供給され、測定信号は、回転子１６のｄ軸方向の交番磁界が固定子コイル１５により印加されるように調節される。このような適切な測定信号の印加は同期電動機の運転特性に影響しない。何故ならば、回転子１６の駆動のために、固定子コイル１５により生じる磁界のｑ軸方向の成分だけが重要だからである。測定信号は、好ましくは例えば１ｋＨｚ以上の予め定められた周波数を有するパルス状の電圧信号なので、固定子コイル１５における合成測定電流の正弦波状の電流経過が固定子コイルにおいて作用するインダクタンスに依存してもたらされる。

１つ、２つ又はそれ以上の同じ向きにされたコイル巻線２０を有する回転子１６を設けることを提案する。特にコイル巻線２０は、それらの巻線軸が主磁束方向に対しほぼ平行に、即ち永久磁石１７の位置によって決まる移動子磁界の方向に、従ってｄ軸方向に延びるように合わせられる。コイル巻線２０は、例えば瓦状磁石として構成された永久磁石１７により定義される回転子１６の円筒セグメントの周りを経過するように回転子２０の配置されている。代替的に、コイル巻線２０は、回転子軸１８の周りにおける２つのコイル巻線２０間の中心に設けられてもよい。コイル巻線２０の巻回数は、主としてｄ軸方向における合成インダクタンスの異方性の大きさを決定する。

この実施形態において、コイル巻線２０は、特に短絡されているので、ｄ軸方向に交番磁界を生じさせる相応の測定信号によって、交番磁界に対抗する磁界を生じさせる電流がコイル巻線２０内に誘導される。この合成磁界は、測定信号に該当するｄ軸方向の合成インダクタンスＬ_dの著しい減弱をもたらす。何故ならば、コイル巻線２０の巻線軸はｑ軸に対し垂直に延び、これに対しｑ軸方向の合成インダクタンスＬ_qは影響を受けないか、又は殆ど影響を受けないからである。

合成インダクタンスは、固定子コイル１５のインダクタンス、特にｄ軸とｑ軸の方向に関するインダクタンスからの算定量である。コイル巻線２０は、上述の装置において、ｄ軸方向の合成インダクタンスの減弱をもたらす。何故ならば、コイル巻線２０内に誘起される電流が、測定信号によって固定子コイル１５中に生じる交番磁界に対し反対に作用するからである。そのため、測定信号（一般には電圧信号）は、該信号がｄ軸方向（即ちコイル巻線２０の巻線軸の方向）の磁界を生じさせる場合、これに対比可能なｑ軸方向、即ちコイル巻線２０の巻線軸とは異なる方向の交番磁界を発生させる測定信号を生じさせるよりも高い電流の流れを固定子コイル１５中に生じさせる。付加的に駆動電流も固定子コイル１５を通って流れる場合、固定子コイルを通り、割り当てられた電流の流れを決定するために、固定子コイル１５における合成総電流がｄ軸方向の成分とｑ軸方向の成分とに分けられるとよい。

回転子１６の駆動のための駆動電流を供給すべく、制御ユニット１３は固定子コイル１５の各々に接続されている駆動ユニット２１を有する。付加的に制御ユニット１３は位置検出器ユニット２２を有し、該ユニット２２は制御線１９を介して供給される駆動信号に電圧信号の形で測定信号を重畳し、測定信号がｄ軸方向の交番磁界を生じさせる。測定信号によって生じる交番磁界の持続的な調整が適切な調節装置により行なわれる。調節装置においては、測定信号に関する合成インダクタンスが最小になるように測定信号が調節される。測定信号によって確定された合成インダクタンスが最小であるとき、測定信号によって生じた交番磁界がコイル巻線の巻線軸により定義される方向に対し平行に、即ち図示の実施例においては主磁束方向に延びる。

コイル巻線２０の巻線軸を、回転子１６上において永久磁石１７によって定められる主磁束方向に対しねじることもできる。しかしコイル巻線２０の巻線軸上で設定される交番磁界が駆動磁界に影響を及ぼし、従って同期電動機１２の運転を妨害する。

合成インダクタンスの異方性によりセンサレス電動機システムにおいて位置推定を行なうことは、原理的には従来技術から十分に知られている。従って、ここでは更にこれに立ち入ることはしない。

本発明の他の実施例では、固定子コイル２０は短絡されておらず、図２の回路図に示すように、コンデンサ２３（キャパシタンス）を備えた阻止回路に接続されている。阻止回路は更に抵抗２４を有し、該抵抗２４は同様にコイル巻線とコンデンサ２３とに直列に接続されている。このように構成された阻止回路は、
ｆ₀＝１／（２π（ＬＣ）^-1/2）
なる固有周波数ｆ₀を有する。

上述のようにほぼ固有周波数ｆ₀に相当する周波数を持った測定信号が印加されると、図３から分かるように、阻止回路のインピーダンスが著しく増大し、従ってｄ軸方向の合成インダクタンスも著しく増大し、それによって同様に合成インダクタンスの回転子位置依存の異方性が変化させられる。

第１の実施形態の短絡されたコイル巻線と違って、合成インダクタンスが著しく上昇するので、位置推定のために測定信号がｄ軸方向において最小の合成インダクタンスに関してではなく、最大の合成インダクタンスに関して調節されればよい。即ち、測定信号は、測定信号によって生じさせられるその都度の測定電流の成分ができるだけ最大であるように、固定子コイル１５に印加される。

本発明の第１の実施形態による同期電動機を有するセンサレス電動機システムの概略図 他の実施形態に従って回転子側に配置されている阻止回路の回路図 図３による阻止回路の使用時における２次側インピーダンス特性を示すボード線図

１１ 電動機システム、１２ 同期電動機、１３ 制御ユニット、１４ ハウジング、１５ 固定子コイル、１６ 回転子、１７ 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 位置検出器ユニット、２３ コンデンサ、２４ 抵抗

Claims (19)

1. 多数の固定子コイル（１５）と、主磁束方向の移動子磁界を生じさせる少なくとも１つの永久磁石を有する移動子（１６）と、固定子コイルにより印加される交番磁界によってコイル巻線の巻線軸方向に合成磁界を誘起させるために移動子に設けられた少なくとも１つのコイル巻線（２０）とを含み、巻線軸方向に関する固定子コイル（１５）の合成インダクタンスが移動子（１６）の異なる位置において異なる同期電動機（１２）。
2. コイル巻線（２０）が短絡されている請求項１記載の同期電動機（１２）。
3. 移動子（１６）の永久磁石（１７）によって移動子磁界の主磁束方向およびそれとは異なる副磁束方向が定義されており、固定子コイル（１５）の合成インダクタンスが主磁束方向に関しては最小であり、副磁束方向に関しては最大である請求項１又は２記載の同期電動機（１２）。
4. コイル巻線（２０）の巻線軸が主磁束方向に対して平行に延びる請求項１乃至３の１つに記載の同期電動機（１２）。
5. 移動子（１６）が回転子として構成されており、少なくとも１つの永久磁石（１７）が回転軸（１８）に対して放射方向の移動子磁界を生じさせる請求項１乃至４の１つに記載の同期電動機（１２）。
6. 永久磁石（１７）の複数の磁極が、回転子（１６）の回転軸に関して対向している請求項５記載の同期電動機（１２）。
7. 予め定められた固有周波数を有する阻止回路を構成するためにコイル巻線に直列に接続されたキャパシタンス（２３）が移動子（１６）に設けられている請求項１乃至６の１つに記載の同期電動機（１２）。
8. コイル巻線（２０）およびキャパシタンス（２３）に直列に抵抗（２４）が配置されている請求項７記載の同期電動機（１１）。
9. 請求項１乃至６の１つに記載の同期電動機（１２）と、主磁束方向に対して異なる方向に形成される駆動磁界を移動子（１６）の位置に依存して生じさせるように駆動電流で固定子コイル（１５）を制御するための制御ユニット（１３）とを備え、
   固定子コイル（１５）に印加される測定信号により、移動子（１６）の位置を、コイル巻線（２０）によって生じる固定子コイル（１５）の合成インダクタンスの異方性に基づいて求めるために、制御ユニット（１３）が位置検出ユニット（２２）を有するセンサレス電動機システム（１１）。
10. 交番磁界を生じる測定信号を駆動電流に重畳し、かつ測定信号によって生じた、合成インダクタンスに依存した測定電流に基づき移動子（１６）の位置を求めるために、位置検出ユニット（２２）が設けられている請求項９記載の電動機システム（１１）。
11. 固定子コイル（１５）の合成インダクタンスが最大又は最小のいずれかであるように測定信号により生じる交番磁界の方向を調節するように位置検出ユニット（２２）が構成されており、移動子（１６）の位置が交番磁界の方向に依存して検出可能である請求項１０記載の電動機システム（１１）。
12. 移動子（１６）の永久磁石（１７）によって磁界の主磁束方向およびそれとは異なる副磁束方向が定義されており、固定子コイル（１５）の合成インダクタンスが主磁束方向に関しては最小であり、副磁束方向に関しては最大であるようにコイル巻線（２０）が移動子（１６）に配置されており、位置検出ユニット（２２）が主磁束方向の交番磁界を調節するように構成されている請求項９乃至１１の１つに記載の電動機システム（１１）。
13. 予め定められた固有周波数を有する阻止回路を構成するため、コイル巻線（２０）に直列に接続されているキャパシタンスが移動子に設けられており、固定子コイル（１５）の合成インダクタンスが主磁束方向に関して最大であり、副磁束方向に関して最小であるようにコイル巻線（２０）が移動子（１６）に配置されていて、位置検出ユニット（２２）が主磁束方向の交番磁界を調節するように構成されている請求項９乃至１１の１つに記載の電動機システム（１１）。
14. コイル巻線（２０）およびキャパシタンス（２３）に直列に抵抗（２４）が配置されている請求項１３記載の電動機システム（１１）。
15. 同期電動機（１２）が移動子（１６）の位置に依存して動作させられ、移動子（１６）の位置が、移動子（１６）におけるコイル巻線によって生じた固定子コイル（１５）における合成インダクタンスの異方性に基づいて決定される請求項１乃至６の１つに記載の同期電動機（１２）を備えたセンサレス電動機システム（１１）の運転方法。
16. 固定子コイル（１５）における合成インダクタンスが交番磁界の方向に関して最大又は最小のいずれかになるように、測定信号により固定子コイル（１５）によって生じる交番磁界の方向が調節される請求項１５記載の方法。
17. 移動子（１６）の位置が方向に依存して求められる請求項１６記載の方法。
18. 移動子（１６）の永久磁石（１７）によって磁界の主磁束方向およびそれとは異なる副磁束方向が定義されており、固定子コイル（１５）の合成インダクタンスが主磁束方向に関しては最小であり、副磁束方向に関しては最大であるようにコイル巻線（２０）が移動子（１６）に配置されていて、交番磁界が主磁束方向の方向に調節される請求項１５乃至１７の１つに記載の方法。
19. 移動子（１６）の永久磁石（１７）によって磁界の主磁束方向およびそれとは異なる副磁束方向が定義されており、コイル巻線が、固有周波数を有する阻止回路を構成するためにキャパシタンス（２３）に直列に接続されていて、かつ固定子コイル（１５）の合成インダクタンスが主磁束方向に関して最大であり、副磁束方向に関して最小であるように移動子（１６）に配置されており、阻止回路の固有周波数を有する交番磁界が発生されて、主磁束方向において調節される請求項１５乃至１７の１つに記載の方法。

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