JP2012016267A - 発電機に関する非正弦波電流波形励磁のためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電機の高調波を最小限にし、高出力密度及び高効率を維持する。
【解決手段】発電機２６は、分数スロット集中型巻き線を有する固定子と、界磁巻き線を有する回転子とを含む。界磁巻き線への電流の流れを制御する回路２４と、正弦波固定子巻き線を有する発電機２６に所望のＡＣ電力を出力させるＤＣ磁場電流需要を表す初期ＤＣ磁場電流を回路２４に出力させる初期ＤＣ磁場電流需要を該回路２４に入力する制御器２８とを有するドライブ１０が設けられる。制御器２８は、初期ＤＣ磁場電流が発生させる磁場に関するフィードバックを受け取り、磁場の理想的基本成分を分離して修正済みＤＣ磁場電流需要を生成して、回路２４に入力する。回路２４は、正弦波回転エアギャップ磁場を生成させる非正弦波瞬時電流を界磁巻き線に出力する。
【選択図】図２

Description

本発明は、全般的には発電機に関し、またさらに詳細には、分数スロット（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ−ｓｌｏｔ）集中型巻き線及び回転子界磁巻き線を有する発電機を励磁するための制御スキームに関する。

様々な産業における電気式機械の使用は時と共に多数の工業、商業及び輸送業において普及の進展が続いている。パワーエレクトロニクスやこうした電気式機械に関する制御技法の分野ではすさまじい進歩及び大きな実績が得られており、これにより省エネルギー及び制御の柔軟性が進展した。こうした実績が得られたことにより、ディジタルテクノロジーに由来するコンピュータテクノロジーの継続した進歩が得られている。ディジタルテクノロジーはコンピュータのサイズ及びコストに対して非常に大幅な削減をもたらしており、これにより旧式で嵩が大きくかつ比較的高価な機械式システムをコンピュータに首尾よく置き換えることが可能である。

ディジタル強化式の制御システムやコンピュータの機能は進歩しているが、こうした制御システムで用いられる電気式機械の構造はそのほとんどの部分が元のままである。例えば、発電所で使用される発電機など大多数の固定速度発電機は、固定子上にある分散型正弦波巻き線と回転子上にあるＤＣ磁場または永久磁石とを用いて設計されている。図１に示すように従来技術の発電機２は、整数スロットの（ｉｎｔｅｇｒａｌ−ｓｌｏｔ）分散型固定子巻き線４と回転子８上の永久磁石６とを装備することがある。一例として図１は、固定子巻き線４に関して２４スロットのオーバーラップ分散型配列を表している。動作時には発電機２の永久磁石６が回転子８と固定子巻き線４の間のエアギャップ内に磁場を生成し、これが回転子８を回転させて固定子巻き線４の中に電気エネルギーを発生させる。

分散型正弦波巻き線４を実現している図１に示した発電機２の構造に従った発電機の製作はしかし、これに関連して性能及びコストに関する欠点を伴う。例えば、分散型正弦波巻き線を実現している発電機はその端部巻き線での電気的損失のために効率の低下を生じる。端部巻き線が長いと抵抗が上昇し、このためにオーム損失がより高くなり発電機の効率が低下する。端部巻き線が長いとさらに、複雑な冷却システム（例えば、液体水素冷却システム）の実現を必要とし、これが発電機の冷却コストの上昇につながる。さらに永久磁石によって、発電機の出力密度、エネルギー効率、動作温度、寿命及び信頼度が制限される。

分散型正弦波巻き線及び永久磁石を実現している図１に示すような発電機では、動作コストの上昇以外にさらに、その製作コストも高くなる。例えばこうした発電機は、製作費用が高い高価な薄層固定子積層を含むことが多い。さらに、エアギャップ磁場の生成に用いられる回転子上の永久磁石は、電磁石や界磁巻き線を組み込んだ発電機と比較して高価である。

米国特許第６２６２５５０号

したがって、非正弦波固定子巻き線を利用可能な発電機をその製作及び動作に関連するコストを低減するように設計することが望ましい。さらに、非正弦波固定子巻き線を利用した発電機を非正弦波巻き線に関連することが一般的な追加の高調波成分の影響を抑制するように制御するための制御スキームを提供し、これにより高調波を最小限にすると共に発電機の高い出力密度及び高い効率を維持することが望ましい。

本発明の実施形態は、分数スロット集中型巻き線及び回転子界磁巻き線を有する発電機を非正弦波瞬時電流により励磁するためのシステム及び方法を提供することによって上述の欠点を克服している。

本発明の一態様による発電機は、複数の分数スロット集中型巻き線を有する固定子と、該固定子の内部にこれを基準として回転するように位置決めされた回転子であって該固定子と回転子の間のエアギャップ内にこれに加えられた電流に応答して回転磁場を生成するように構成された界磁巻き線をこれと電気的に結合させて有する回転子と、電源に接続可能な入力及び界磁巻き線に接続可能な出力を有するドライブと、を含む。このドライブはさらに、界磁巻き線への電流の流れを制御するように構成された回路と、該回路に接続されると共に、該回路に対して正弦波固定子巻き線を有する発電機に所望のＡＣ電力を出力させることになるようなＤＣ磁場電流需要を表す初期ＤＣ磁場電流を出力させるように該回路に初期ＤＣ磁場電流需要を入力するようにプログラムされた制御器と、を含む。この制御器はさらに、初期ＤＣ磁場電流により発生させた回転磁場に関するフィードバックを受け取ること、該フィードバックに基づいて回転磁場の理想的基本成分を決定し分離すること、該理想的基本成分に基づいて修正済みＤＣ磁場電流需要を生成すること、並びに該修正済みＤＣ磁場電流需要を該回路に入力することを行うようにプログラムされており、これにより該回路に対して正弦波回転エアギャップ磁場を生成するような非正弦波瞬時電流を界磁巻き線に出力させている。

本発明の別の態様では、複数の分数スロット集中型巻き線を有する固定子と複数の界磁巻き線を有する回転子とを有する発電機においてＡＣ電力を発生させるための方法を提供しており、該方法は、正弦波固定子巻き線を有する発電機に所望のＡＣ電力を出力させることになるようなＤＣ磁場電流需要を表す試験ＤＣ磁場電流需要をインバータに入力するステップと、該試験ＤＣ磁場電流需要に応答してインバータ内に、回転子と固定子の間に試験回転磁場を生成するために回転子上の複数の界磁巻き線に出力される初期ＤＣ磁場電流を発生させるステップと、を含む。本方法はさらに、回転磁場の基本成分及び高調波成分を決定するステップと、試験ＤＣ磁場電流需要及び基本成分から該回転磁場に関する理想的基本成分を決定するステップと、該理想的基本成分に基づいて所望の電流波形を決定するステップと、を含む。本方法はさらに、該所望の電流波形に基づいて修正済みＤＣ磁場電流需要を生成し該修正済みＤＣ磁場電流需要をインバータに入力するステップを含んでおり、これによりインバータに対して回転子上の複数の界磁巻き線に正弦波回転磁場を生成するような非正弦波ＡＣ電流波形を出力させ、またこれにより発電機内にＡＣ電力を発生させている。

本発明のさらに別の態様による発電機は、複数の非正弦波集中型巻き線を有する固定子と、該固定子の内部にこれを基準として回転するように位置決めされた回転子であって該固定子と回転子の間のエアギャップ内にこれに加えられた電流に応答して回転磁場を生成するように構成された界磁巻き線を有する回転子と、電源から界磁巻き線への電流の流れを制御するためのドライブと、を含む。このドライブは、正弦波固定子巻き線を有する発電機に所望のＡＣ電力を出力させることになるようなＤＣ磁場電流需要を表す第１の電流需要に基づいて回転子に初期入力電流を提供すると共に、該初期入力電流により生成される回転磁場に関するフィードバックを受け取るように構成されている。このドライブはさらに、該フィードバックに基づいて第２の電流需要を生成すると共に、該第２の電流需要に基づいてエアギャップ内に正弦波回転磁場を生成しかつ発電機内にＡＣ電力を発生させるように界磁巻き線に非正弦波電流波形を成す修正済み瞬時入力電流を提供するように構成されている。

別の様々な特徴及び利点については以下の詳細な説明及び図面から明らかとなろう。

図面では、本発明を実施するために目下のところ企図される好ましい実施形態を表している。

発電機の従来技術の固定子巻き線構成の概要図である。 本発明の一実施形態によるＡＣドライブの概要図である。 本発明の一実施形態による発電機に関する固定子巻き線構成及び界磁巻き線配列の概要図である。 本発明の一実施形態によるＡＣドライブを制御するための制御器実現による技法の流れ図である。 本発明の一実施形態によるドライブ及び発電機を組み入れた牽引作動力を生成するための装置のブロック概要図である。

本発明の実施形態は、非正弦波集中固定子巻き線を有する発電機、並びに回転子上の界磁巻き線に電流を提供し回転子と固定子の間に正弦波エアギャップ磁場を生成するための制御スキームを目的とする。本制御スキームは、界磁巻き線に加えたときに、基本成分のみを有する回転エアギャップ磁場を生成しかつ磁場高調波がすべて排除され、これにより回転子から固定子への最適エネルギー変換（すなわち、高い効率での高出力パワー）が得られるような非正弦波瞬時電流需要を生成するために、インバータ／電子処理回路に加えられる初期ＤＣ磁場電流需要を処理している。

本発明の実施形態は、可変及び固定速度の発電機を含む発電機、並びにこの発電機を動作させるための制御スキームを目的とする。図２に本発明の一実施形態に従ったＡＣドライブ１０の全体構造を示す。ドライブ１０は例えば、３相ＡＣ電力入力を受け取り、このＡＣ入力を整流し、かつこの整流済みセグメントを発電機などの電気式機械に供給する周波数及び振幅が可変の３相交流電圧になるようにＤＣ／ＡＣ変換を実行するように設計された速度調節可能ドライブ（ＡＳＤ）として構成されることがある。代替的な実施形態ではそのドライブ１０は、ＤＣ電力入力を受け取りこのＤＣ電力を電気式機械に供給される周波数及び振幅が可変の多相交流電圧になるようにＤＣ／ＡＣ変換を実行するように設計し得ることが理解されよう。好ましい一実施形態ではそのＡＳＤは、例示的なボルト対ヘルツ特性に従って動作する。この際にドライブは、定常状態において総高調波歪みが３％未満、出力周波数が±０．１Ｈｚ並びに全負荷レンジにわたる高速ダイナミックステップ負荷応答により±１％の電圧調節を提供する。

一実施形態では、３相ＡＣ入力１２ａ〜１２ｃが３相整流器ブリッジ１４に供給される。入力ラインインピーダンスは３つの相すべてについて等しい。整流器ブリッジ１４はこのＡＣ電力入力を、整流器ブリッジ１４とスイッチアレイ１６の間にＤＣバス電圧が提示されるようなＤＣ電力に変換している。このバス電圧はＤＣバスコンデンサバンク１８によって平滑化される。スイッチアレイ１６は、共同してインバータまたはチョッパ回路２４を形成する一連のＩＧＢＴスイッチ２０と逆並列ダイオード２２からなる。インバータ２４は、ドライブ制御器２８により生成された電流需要に従って発電機２６などの電気式機械に伝達するためのＡＣ電圧波形を合成する（これについては、以下でさらに詳細に説明することにする）。制御器２８は、電流需要信号並びにＤＣバス電圧及び極電流の（例えば、電圧センサ３４を通じた）検知を介してインバータ２４とインタフェースし、これによりＤＣバス電圧の変化を検知することが可能である。これらの電圧変化を過渡的な負荷条件と解釈しかつこれをインバータ２４に対する瞬時電流需要の生成／入力に使用することができ、これにより疑似定常状態負荷条件を維持することができる。

図２に示した実施形態では発電機２６を、可変速度動作を提供するためのインバータ２４を実現した可変速度発電機の形態としている。しかしまた、本発明の実施形態は固定速度発電機（例えば、オルタネータ）向けとすることが可能であり、この場合にドライブ制御器２８により生成した電流需要に従って発電機２６に伝達するためのＡＣ電圧波形を合成するより単純な電子処理回路（図示せず）によってインバータ２４を置き換えた単純なドライブ１０を実現することも可能であることも理解されよう。

本発明の一実施形態では発電機２６は例えば、図３に示すような構造を有する。図３に示すように発電機２６は、固定子コア４０と該固定子コア４０上に巻き付けられた巻き線４２とを有する固定子３６をその内部に含む。固定子コア４０はコア本体４４を、その軸方向端部表面上に設けられた電磁鋼と絶縁体（図示せず）から製作された多数の環形状の薄いプレートを重ね合わせて形成して有する。固定子コア４０は、その円周方向に沿った所定のピッチ位置に複数のティース４６を備える。例示的な一実施形態では巻き線４２は、それぞれのティース４６の上に巻き付けられており、したがって分数スロット集中型巻き線すなわち「ティース巻き線」の形態となっている。円周方向に沿って隣り合ってティース４６間にスロット４８が形成されている。図３に示すように固定子３６の一実施形態は、本発明の一実施形態に従ってすべてのティース４６の周りに巻き線４２を巻き付けた非重複式の集中配列にして６つのスロット４８を含む。集中型巻き線を別の配列にして含む発電機２６も本発明の実施形態で使用可能であると想定されるため、図３のこの巻き線配列は単に一例である。

さらに図３に示したように、回転子５０は固定子３６内で回転可能に装着されている。回転子５０は、以下でより詳細に説明する非正弦波電流波形などの励磁電流を供給したときに、回転子５０と固定子３６の間のエアギャップ５４内に回転磁場を生成するようなＤＣ磁場を回転子５０上に励磁するような４極界磁巻き線５２を形成するためのコイルをその上に巻き付けて有する。界磁巻き線５２は、例えばドライブ制御器２８により生成される電流需要に従って、インバータ２４（図２）からこうした励磁電流を受け取ることが可能である。したがって、界磁巻き線５２に電流が供給されると、回転子と固定子の間のエアギャップ５４内に生成される回転磁場が固定子３６内にＡＣ電力を発生させ、このため発電機２６によりＡＣ電力が生成される。

図２及び３を参照を続けながらここで図４を参照すると、例えば制御器２８により実現されるドライブ１０を動作させるための制御スキーム５６を表したブロック図を示している。図４の制御スキーム５６は、発電機２６とインバータ２４の両者に関して高出力密度、高効率及びコスト削減を達成するために、分数スロット集中固定子巻き線４２及び回転子界磁巻き線５２を有する発電機２６と一緒に使用される電子処理細目（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｄｅｔａｉｌｓ：ＥＰＤ）を実行する。すなわち制御スキーム５６は、回転子５０上にＤＣ磁場を励磁して基本成分のみを含む回転エアギャップ磁場を発生させると共に磁場高調波をすべて排除することにより、回転子から固定子への最適エネルギー変換（すなわち、高い効率での高出力パワー）が得られるような非正弦波瞬時電流需要を生成するように実現される。

先ず制御スキーム５６のブロック５８は、受け取った第１の入力電流６０と受け取った第２の入力電流６２に対して選択的に「同期時間関数」演算を実行する。第１の入力電流６０は、初期ＤＣ磁場電流需要に応答して生成された（このために、初期ＤＣ磁場電流と呼ばれる）初期すなわち試験電流入力である。この初期ＤＣ磁場電流需要は、発電機２６の固定子上で完全な正弦波巻き線が使用されたとした場合に回転子上にＤＣ磁場を生成するのに要する電流需要を表す。最初の反復実行すなわち試験／セットアップ実行では、第２の入力電流６２は存在しない。

第１の入力６０は初期ＤＣ磁場電流需要に応答してブロック５８を無影響で通過する（すなわち、第１の入力６０に対して時間同期は実行されない）。第１の入力６０はしたがって、例えば電流需要値及び適当な調整係数に関する保存しておいたテーブルに従ってＤＣ磁場電流の振幅を調整するように機能するブロック６４で受け取られる。例えば第１の入力６０が高いＤＣ磁場電流需要を示す場合は、固定子３６内に大きな損失が生成されるのを回避するように振幅が調整される。逆に第１の入力６０が非常に低いＤＣ磁場電流需要を示す場合は、容易に検出可能な回転エアギャップ磁場を生成するように需要されるＤＣ磁場電流が適正に調整される（すなわち、増大させる）ことになる（これについては以下で説明することにする）。ブロック６４により追加された調整係数は次いで、発電機２６からクリーンな需要正弦波出力パワーを生成するのに使用される実際の瞬時電流を生成するための基準ループ（すなわち、第２の電流ループ６２）として後で使用するために保存される（これについては以下で説明することにする）。

ブロック６６で追加された調整済みＤＣ磁場電流に加えられると、回転子５０と固定子３６の間に、固定子の集中型／同心性巻き線４２のために不用な高調波成分を含むような回転するエアギャップ磁場が生成される。回転エアギャップ磁場は次いで、電気式機械２６内に組み込まれた高温ホールプローブ６６を（例えば、下流側の正確な信号処理で必要となる固定子内径及び分解能に応じて必要な数だけ）用いることによって検出される。別法として、好ましくは固定子３６の中心に配置させた探りコイル（図示せず）を、固定子コイル４２の巻き線の間に探りコイルを追加しかつ固定子スロット４８の内部に保持して実現することも可能である。

探りコイル／ホールプローブ６６の出力はブロック６８に送られ、これにより回転エアギャップ磁場の強度に関するフィードバックとしてこれが受け取られる（すなわち、制御器２８により受け取られる）。ブロック６８では、エアギャップ回転磁場の基本成分及び高調波成分を決定／解析するために、エアギャップ磁場フィードバックに対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が実行される。すなわち、エアギャップ回転磁場の基本成分及び高調波成分の瞬時値が決定される。

エアギャップ回転磁場の瞬時基本成分及び瞬時高調波成分についてブロック６８で決定した値は、エアギャップ磁場の高調波成分を排除するように動作するブロック７０に渡る。これによりエアギャップ磁場の基本成分が分離されて、これが引き続きブロック７２に渡る。図４に示すように、エアギャップ磁場の分離された瞬時基本成分は、第１の入力６０（すなわち、初期ＤＣ磁場電流）と一緒にブロック７２に入力される。ブロック７２では、複数のＤＣ磁場電流と該複数のＤＣ磁場電流の各々から生成される回転磁場の理想的基本成分とをその内部に保存して有するルックアップテーブルが保存される。需要される各ＤＣ磁場電流に関連付けされた回転磁場の「理想の」基本成分はルックアップテーブル内において、正弦波巻き線を有する発電機に対して需要されるＤＣ磁場電流の入力により生成される最も大きい基本成分と規定される。

エアギャップ磁場の分離した瞬時基本成分と第１の入力６０の初期ＤＣ磁場電流とはブロック７２においてルックアップテーブルに対して解析／比較される。より具体的には、エアギャップ磁場の瞬時基本成分及び初期ＤＣ磁場電流がルックアップテーブルを基準として解析され、エアギャップ磁場の瞬時基本成分を生成するために正弦波巻き線を有する発電機にどんなＤＣ磁場電流を印加する必要があるかが決定される。この決定に基づいて、回転磁場の瞬時基本成分に補正が加えられ、これにより必要なＤＣ磁場電流に関する理想的基本成分が実現される。

さらに図４を参照すると、回転磁場の理想的基本成分が決定されると、この理想的基本成分はブロック７４に入力される。ブロック７４ではさらに、この調整を相殺するためのブロック６４からブロック７４への入力を先行して実施させていることによって以前にブロック６４において初期ＤＣ磁場電流に加えられた調整係数が除去される。すなわちブロック７４は、ブロック７２で生成された基本エアギャップ磁場の振幅を取り込みその生成に理想的には必要となるＤＣ磁場電流を決定するようなテーブルを有する。決定したこのＤＣ磁場電流は、ブロック６４からの補正係数の逆数が掛け算されて初期ＤＣ磁場電流を比較され、これらが同一であることが確認される。この基本エアギャップ磁場は、発電機２６が完全に正弦波の固定子巻き線を有しているかのように（時間と空間の両方の高調波を包含する）原初ＤＣ磁場電流に関して当該時点の基本エアギャップ磁場を最適に表現したものとなる。

したがって、「真の」基本エアギャップ信号がブロック７４から出力されると共にブロック７６によって受け取られる。ブロック７６では、ブロック７４からの信号に対してラプラス変換が実行される。次にブロック７８は、電気式機械内の集中型巻き線に関するラプラス伝達関数を表している。ブロック７８の伝達関数は、発電機２６に対する第１の入力６０（すなわち、初期ＤＣ磁場電流の振幅）と探りコイル／ホールプローブにより計測された回転磁場（すなわち、回転磁場の基本部分）との間で得られる。これは、制御産業分野で周知のような標準小信号じょう乱技法を用いて発電機２６の全速度レンジにわたって計測される。

瞬時エアギャップ磁場のラプラス伝達であるブロック７６の出力は、分数スロット集中型巻き線の伝達関数であるブロック７８の入力であると見なされる。次にブロック８０では、ブロック７８の出力に対して逆ラプラス変換を適用し、インバータに印加したときに所望の瞬時電流を生成することになるような厳密な瞬時低電圧電流波形が再構築される。したがって、回転磁場の理想的基本成分を生成するための所望の電流波形がブロック７６、７８及び８０から決定される。この所望の電流波形に基づいてブロック８２において、インバータ２４に加えたときに必要な基本エアギャップ磁場を生成するための所望の電流波形を生成することになる修正済みＤＣ磁場電流需要が生成される。

ブロック５８では、第１の入力電流６０をゼロ復帰させると共に、修正済みＤＣ磁場電流需要に従って第２の電流６２に対して同期時間関数演算が実行され、第２の入力電流のタイミングが調整される。インバータ２４に修正済みＤＣ磁場電流需要を与えることによって修正された入力電流（すなわち、第２の電流６２）が生成され、これがインバータ２４から高パワーの非正弦波瞬時電流の形態で出力される。調整済み（すなわち、瞬時）非正弦波電流は回転子５０の界磁巻き線５２に加えられ、固定子３６上で集中型／同心性巻き線４２（すなわち、非正弦波巻き線）が使用されているにも関わらずエアギャップ磁場中に高調波が存在しないため損失を最小限とした高出力パワーを生成する正弦波エアギャップ磁場を発生させる。

ここで図５を参照すると、図４に示した制御スキーム／電子処理を実現しているドライブ８４を、本発明の一実施形態に従って牽引作動力を発生させると共に回生ブレーキを実現しているハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）ＡＣ推進システム８６内に組み込んだところを表している。推進システム８６は、ドライブ８４と、エネルギー源８８と、電気モータと発電機の両方として選択的に動作するように構成された分数スロット集中型巻き線（すなわち、ティース巻き線）を有する電気式機械９０と、を含む。

システム８６から牽引作動力を発生させる際に、エネルギー源８８は高いＤＣ電圧９２を発生させると共に、ドライブ８４はこの高いＤＣ電圧９２から多相電動機電圧９４を発生させ、この電動機電圧９４から電気式機械９０が牽引作動力を発生させている。図５の実施形態ではエネルギー源８８は、熱機関９６、オルタネータ９８、整流器１００、牽引／エネルギー電池１０２及び牽引ブーストコンバータ１０４を備えたハイブリッド電気エネルギー源として構成されている。牽引ブーストコンバータ１０４のことは効率よくパワーを伝達しながらデバイスの入力と出力の間の電圧を脱結合させるように機能する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータあるいは双方向ブースト／バックコンバータと呼ぶこともある。牽引作動力を発生させるための動作の際に、熱機関９６は燃料を燃やすことによって力学的パワー１０６を発生させている。オルタネータ９８は力学的パワー１０６から交流電圧１０８を発生させ、次いで整流器１００がこの交流電圧１０８を整流し低ＤＣ電圧１１０を発生させている。牽引電池１０２は低ＤＣ電圧１１０から導出されたエネルギーを蓄積かつ伝達しており、また牽引ブーストコンバータ１０４は低ＤＣ電圧１１０をブーストし高ＤＣ電圧９２を生成している。ＤＣ電圧に関する「低い」や「高い」という表現は本明細書で使用する場合、単に相対的意味であり特定の絶対的電圧レベルを含意するものではない。この高いＤＣ電圧９２はドライブ８４に伝達されており、このドライブ８４はその内部に、高ＤＣ電圧９２を受け取りこれに応答して牽引作動力を発生させるために電気式機械に提供される多相のＡＣ電動機電圧９４を高ＤＣ電圧９２から発生させているコンバータ／インバータ１１２を含む。

さらにコンバータ／インバータ１１２は、回生ブレーキ動作中に多相電動機電圧９４から高いＤＣ電圧９２を発生させるように構成されている。すなわち回生ブレーキ動作の間には、加速度を生成するトルクと逆の極性のトルク（牽引パワーを発生させるトルクと反対の逆転トルク）によって電気式機械９０が動作するようにさせこれにより車輪を減速させすなわち遅くさせている。回生ブレーキモードで動作している間では電気式機械９０が発電機の役割をして多相電圧９４を発生させ、これが牽引インバータ／コンバータ１１２を通じて牽引電池１０２に供給される。具体的には、電動機多相電圧９４から生成された高いＤＣ電圧９２が、「バック（ｂｕｃｋ）」動作モードを通じて双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４の高電圧側９２から双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４の低電圧側１１０まで流れる。

回生ブレーキ動作中に電気式機械９０を発電機として動作させるように電気式機械を制御するために、ドライブ８４は初期ＤＣ磁場電流需要（すなわち、第１の入力）を生成している。図４を参照しながら詳細に記載したようにドライブ８４（すなわち、電動機ドライブ８４内の制御器）は、この初期ＤＣ磁場電流需要を牽引インバータ１１２に送り、電気式機械９０の回転子（図示せず）に送るための初期電流を発生させる。発電機９０は、ドライブ８４がそこから成分基本と高調波成分を決定する初期ＤＣ磁場電流需要に応答して回転エアギャップ磁場を発生させる。エアギャップ磁場の高調波成分が排除されると共に、電動機ドライブ８４は基本成分に対して補正を当て理想的基本成分を生成する。発電機９０内に理想的基本成分を生成するのに必要な瞬時電流とコンバータ１１２に加えたときに必要な瞬時電流を発生させる厳密な瞬時低電圧電流波形とがドライブ８４によって決定される。所望の電流波形に基づいてドライブ８４は、コンバータ／インバータ１１２に加えたときに所望の電流波形が生成されることになる非正弦波瞬時ＤＣ磁場電流需要を生成する。ドライブ８４からのこの非正弦波瞬時ＤＣ磁場電流需要に基づいて、コンバータ／インバータ１１２はしたがって修正済みすなわち第２の入力１１４を発生させて所望の非正弦波電流波形を有する電気式機械９０に送っている。

図５にはドライブ８４と付属の電気式機械９０が牽引作動力及び回生ブレーキ動作を介した電気的パワーを発生させるＨＥＶシステム８６内に組み込まれるように表しているが、非正弦波瞬時電流波形によって発電機を励磁するための技法を実現するように構成したドライブはさらに別の多様なタイプの電気式機械に対して適用可能であることを理解されたい。したがって、ドライブ及びドライブ制御器を目的とした本発明の実施形態は、多数の工業、商業及び輸送業における電気式機械に適用可能である。

開示した方法及び装置の技術的寄与の１つは、回転子界磁巻き線に送られる非正弦波瞬時電流波形によって集中型固定子巻き線を有する発電機を励磁するための制御器実現による技法が提供されることにある。基本成分のみにより回転エアギャップ磁場が生成されかつ磁場高調波がすべて排除され、これにより回転子から固定子へのエネルギー変換が最適となる（すなわち、高効率で高パワー出力となる）ように非正弦波瞬時ＤＣ磁場電流需要を生成するためにインバータに加えられる初期ＤＣ磁場電流需要を処理する制御スキームを実現している。

したがって本発明の一実施形態による発電機は、複数の分数スロット集中型巻き線を有する固定子と、該固定子の内部にこれを基準として回転するように位置決めされた回転子であって該固定子と回転子の間のエアギャップ内にこれに加えられた電流に応答して回転磁場を生成するように構成された界磁巻き線をこれと電気的に結合させて有する回転子と、電源に接続可能な入力及び界磁巻き線に接続可能な出力を有するドライブと、を含む。このドライブはさらに、界磁巻き線への電流の流れを制御するように構成された回路と、該回路に接続されると共に、該回路に対して正弦波固定子巻き線を有する発電機に所望のＡＣ電力を出力させることになるようなＤＣ磁場電流需要を表す初期ＤＣ磁場電流を出力させるように該回路に初期ＤＣ磁場電流需要を入力するようにプログラムされた制御器と、を含む。この制御器はさらに、初期ＤＣ磁場電流により発生させた回転磁場に関するフィードバックを受け取ること、該フィードバックに基づいて回転磁場の理想的基本成分を決定し分離すること、該理想的基本成分に基づいて修正済みＤＣ磁場電流需要を生成すること、並びに該修正済みＤＣ磁場電流需要を該回路に入力することを行うようにプログラムされており、これにより該回路に対して正弦波回転エアギャップ磁場を生成するような非正弦波瞬時電流を界磁巻き線に出力させている。

本発明の別の実施形態では、複数の分数スロット集中型巻き線を有する固定子と複数の界磁巻き線を有する回転子とを有する発電機においてＡＣ電力を発生させるための方法を提供しており、該方法は、正弦波固定子巻き線を有する発電機に所望のＡＣ電力を出力させることになるようなＤＣ磁場電流需要を表す試験ＤＣ磁場電流需要をインバータに入力するステップと、該試験ＤＣ磁場電流需要に応答してインバータ内に、回転子と固定子の間に試験回転磁場を生成するために回転子上の複数の界磁巻き線に出力される初期ＤＣ磁場電流を発生させるステップと、を含む。本方法はさらに、回転磁場の基本成分及び高調波成分を決定するステップと、試験ＤＣ磁場電流需要及び基本成分から該回転磁場に関する理想的基本成分を決定するステップと、該理想的基本成分に基づいて所望の電流波形を決定するステップと、を含む。本方法はさらに、該所望の電流波形に基づいて修正済みＤＣ磁場電流需要を生成し該修正済みＤＣ磁場電流需要をインバータに入力するステップを含んでおり、これによりインバータに対して回転子上の複数の界磁巻き線に正弦波回転磁場を生成するような非正弦波ＡＣ電流波形を出力させ、またこれにより発電機内にＡＣ電力を発生させている。

本発明のさらに別の実施形態による発電機は、複数の非正弦波集中型巻き線を有する固定子と、該固定子の内部にこれを基準として回転するように位置決めされた回転子であって該固定子と回転子の間のエアギャップ内にこれに加えられた電流に応答して回転磁場を生成するように構成された界磁巻き線を有する回転子と、電源から界磁巻き線への電流の流れを制御するためのドライブと、を含む。このドライブは、正弦波固定子巻き線を有する発電機に所望のＡＣ電力を出力させることになるようなＤＣ磁場電流需要を表す第１の電流需要に基づいて回転子に初期入力電流を提供すると共に、該初期入力電流により生成される回転磁場に関するフィードバックを受け取るように構成されている。このドライブはさらに、該フィードバックに基づいて第２の電流需要を生成すると共に、該第２の電流需要に基づいてエアギャップ内に正弦波回転磁場を生成しかつ発電機内にＡＣ電力を発生させるように界磁巻き線に非正弦波電流波形を成す修正済み瞬時入力電流を提供するように構成されている。

この記載では、本発明（最適の形態を含む）を開示するため、並びに当業者による任意のデバイスやシステムの製作と使用及び組み込んだ任意の方法の実行を含む本発明の実施を可能にするために例を使用している。本発明の特許性のある範囲は本特許請求の範囲によって規定していると共に、当業者により行われる別の例を含むことができる。こうした別の例は、本特許請求の範囲の文字表記と異ならない構造要素を有する場合や、本特許請求の範囲の文字表記と実質的に差がない等価的な構造要素を有する場合があるが、本特許請求の範囲の域内にあるように意図したものである。

２ 従来技術の電動機
４ 整数スロット分散型固定子巻き線
６ 永久磁石
８ 回転子
１０ ＡＣドライブ
１２ ３相ＡＣ入力
１４ ３相整流器ブリッジ
１６ スイッチアレイ
１８ ＤＣバスコンデンサバンク
２０ ＩＧＢＴスイッチ
２２ ダイオード
２４ インバータ、チョッパ回路
２６ 発電機
２８ ドライブ制御器
３６ 固定子
４０ 固定子コア
４２ 巻き線
４４ コア本体
４６ ティース
４８ スロット
５０ 回転子
５２ 界磁巻き線
５４ エアギャップ
５６ 制御スキーム
６０ 第１の入力
６２ 第２の電流ループ
６６ ホールプローブ
８４ ドライブ
８６ ハイブリッド電気自動車ＡＣ推進システム
８８ エネルギー源
９０ 電動機
９２ 高ＤＣ電圧
９４ 電動機電圧
９６ 熱機関
９８ オルタネータ
１００ 整流器
１０２ 牽引／エネルギー電池
１０４ 牽引ブーストコンバータ
１０６ 力学的パワー
１０８ 交流電圧
１１０ 低ＤＣ電圧
１１２ コンバータ／インバータ
１１４ 第２の入力

Claims (10)

1. 複数の分数スロット集中型巻き線（４２）を含んだ固定子（３６）と、
   前記固定子（３６）の内部に位置決めされると共にこれに対して回転するように構成された回転子（５０）であって該回転子（５０）は、これに電気的に結合させて該固定子（３６）と該回転子（５０）の間のエアギャップ（５４）内にそれに加えられた電流に応答して回転磁場を生成するように構成させた界磁巻き線（５２）を有する回転子（５０）と、
   電源に接続可能な入力及び界磁巻き線（５２）に接続可能な出力を有するドライブ（１０）と、を備える発電機（２６）であって、該ドライブ（１０）は、
   界磁巻き線（５２）への電流の流れを制御するように構成された回路（２４）と、
   前記回路（２４）に接続された制御器（２８）であって該制御器（２８）は、
   前記回路（２４）により初期ＤＣ磁場電流を出力させるために回路（２４）に対して、正弦波固定子巻き線を有する発電機に所望のＡＣ電力を出力させることになるようなＤＣ磁場電流需要を表す初期ＤＣ磁場電流需要を入力すること、
   前記初期ＤＣ磁場電流により発生させた回転磁場に関するフィードバックを受け取ること、
   前記フィードバックに基づいて回転磁場の理想的基本成分を決定し分離すること、
   前記理想的基本成分に基づいて修正済みＤＣ磁場電流需要を生成すること、
   前記修正済みＤＣ磁場電流需要を前記回路（２４）に入力しこれにより該回路（２４）によって、正弦波回転エアギャップ磁場を生成するように界磁巻き線（５２）に対して非正弦波瞬時電流を出力させること、
   を実行するようにプログラムされている制御器（２８）と、
   を備えている、発電機（２６）。
2. 前記制御器（２８）はさらに、
   初期ＤＣ磁場電流に調整係数を適用しその振幅を修正すること、
   理想的基本成分が生成された時点で前記調整係数を除去すること、
   を実行するようにプログラムされている、請求項１に記載の発電機（２６）。
3. 前記制御器（２８）はさらに、初期ＤＣ磁場電流及び回転磁場の理想的基本成分から導出された回転磁場のラプラス伝達関数を実行するようにプログラムされている、請求項２に記載の発電機（２６）。
4. 前記制御器（２８）はさらに、
   回転磁場の瞬時基本成分及び瞬時高調波成分を決定すること、
   回転磁場フィードバックの瞬時高調波成分を排除すること、
   回転磁場の瞬時基本成分に対して補正を適用し理想的基本成分を生成すること、
   を実行するようにプログラムされている、請求項２に記載の発電機（２６）。
5. 前記制御器（２８）はさらに、瞬時基本成分及び瞬時高調波成分を決定するために回転磁場フィードバックに対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を実行するようにプログラムされている、請求項４に記載の発電機（２６）。
6. 前記制御器（２８）はさらに、
   調整係数がそれに対して適用された初期ＤＣ磁場電流から及び回転磁場の瞬時基本成分から導出される発電機（２６）の分数スロット集中型巻き線（４２）に関するラプラス伝達関数を実行すること、
   分数スロット集中型巻き線（４２）のラプラス伝達関数に対して瞬時回転磁場のラプラス伝達関数を適用すること、
   を実行するようにプログラムされている、請求項４に記載の発電機（２６）。
7. 前記制御器（２８）はさらに、回路に回転磁場の理想的基本成分の生成に必要な非正弦波電流を出力させる修正済みＤＣ磁場電流需要を決定するために発電機（２６）の分数スロット集中型巻き線（４２）に関する逆ラプラス伝達関数を実行するようにプログラムされている、請求項６に記載の発電機（２６）。
8. 前記制御器（２８）はさらに、
   複数のＤＣ磁場電流需要の各々に関連付けされた回転磁場の理想的基本成分をその内部に保存して有するルックアップテーブルにアクセスすることであって、該理想的基本成分は複数のＤＣ磁場電流需要の各々に関する最も大きい基本成分を含むルックアップテーブルへのアクセスと、
   初期ＤＣ磁場電流需要に関連付けされた瞬時基本成分を初期ＤＣ磁場電流需要に関連付けされた理想的基本成分と比較すること、
   瞬時基本成分に対して補正を適用し理想的基本成分を生成すること、
   を実行するようにプログラムされている、請求項４に記載の発電機（２６）。
9. 前記制御器（２８）はさらに、回路（２４）から非正弦波電流出力を生成するために修正済みＤＣ磁場電流需要に従って電源からの入力電流のタイミングを調整するようにプログラムされている、請求項１に記載の発電機（２６）。
10. 前記回路（２４）は発電機（２６）にオルタネータの役割をさせるように、発電機（２６）の可変速度動作を提供するように構成されたインバータと、発電機（２６）の固定速度動作を提供するように構成された専用回路と、のうちの一方を備える、請求項１に記載の発電機（２６）。