JP2012115133A - 高出力密度で高逆起電力の永久磁石機械及びその製造方法 - Google Patents

高出力密度で高逆起電力の永久磁石機械及びその製造方法 Download PDF

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アイマン・モハメッド・ファウジ・エル−レファイエ
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ロバート・ディーン・キング
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Abstract

【課題】永久磁石機械を含む電気駆動システムを提供する。
【解決手段】電気駆動システムは、回転子（１１６）及び固定子（１１８）を持つ永久磁石機械（７０）と、前記永久磁石機械（７０）に電気的に結合されていて、前記永久磁石機械（７０）を駆動するためにＤＣリンク電圧をＡＣ出力電圧に変換するように構成された電力変換器（６２）とを含む。前記電力変換器（６２）は、前記永久磁石機械（７０）の最高速度における前記永久磁石機械（７０）のピーク線間逆起電力を超える電圧定格を持つ複数の炭化珪素スイッチング装置（７４〜８４）を含む。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、一般的に云えば、高出力密度を持つ永久磁石機械に関し、より具体的には、炭化珪素ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）を含む電力変換器を設けることによって、高出力密度で高逆起電力の永久磁石機械における故障状態を防止するための方法及びシステムに関するものである。
高出力密度で高効率の電気機械（すなわち、電動機及び発電機）が、広く様々な用途に、特にハイブリッド電気自動車及び／又は電気自動車用の牽引用途に長く要望されてきた。エネルギ供給及び環境問題に起因して、効率及び信頼性の両方が高く、しかも平均的な消費者にとって妥当な価格のハイブリッド電気自動車及び／又は電気自動車を生産しようとする意欲が増大している。しかしながら、ハイブリッド電気自動車及び電気自動車に利用可能である駆動技術は一般に非常にコストが高く、その結果として、消費者の値ごろ感又は製造者の収益性の内の一方（又は両方）を低下させている。
殆どの市販のハイブリッド電気自動車及び電気自動車は、牽引用の埋込式永久磁石（ＩＰＭ；internal permanent magnet ）電気機械に依存しており、これは、ＩＰＭ機械が広い速度範囲にわたって高い出力密度及び高い効率を持つことが分かっており、また前輪駆動車に組み込むのに容易であるからである。しかしながら、このような高い出力密度を得るためには、ＩＰＭ機械は高価な焼結高エネルギ製品磁石を使用しなければならない。また更に、ＩＰＭ機械は最適な出力密度を得るために高速（例えば、１４０００ｒｐｍ）で運転される。永久磁石機械の出力密度は、永久磁石機械の出力と容積との比として定義される。典型的には、比較的高い出力密度（例えば、容積に対して高い出力）が望ましい。出力密度が高いと、永久磁石機械は所与の出力で全体の寸法（大きさ）をより小さくすることができ、或いは所与の寸法（大きさ）で出力をより高くすることができる。
永久磁石機械の回転子の速度が増すにつれて、固定子に発生される電圧（これは「逆起電力」と呼ばれる）が増大する。これにより、次いで、所望のトルクを発生させるために印加すべき端子電圧を次第に高くすることが必要になる。機械の逆起電力は永久磁石機械では速度に比例する。最大速度でのピーク線間逆起電力がＤＣリンク電圧よりも高い場合に、電力変換器に対する制御が失われた場合、永久磁石機械は非制御発電（ＵＣＧ）モードで動作し始める。ＵＣＧは、６つのインバータ・スイッチへの制御信号がターンオフされ又は切断されたときに生じる。この状態の際、その電動機はインバータ・スイッチの逆並列ダイオードを介してＤＣ電源に接続される。それらの逆並列ダイオードは、電動機動作状態及びＤＣ電源電圧に依存して、電流が流れる潜在的な通路を生成する。この場合、永久磁石機械は、回転力を電流へ変換する発電機として作用し、また電力変換器内の逆並列ダイオードを介してＤＣリンクにエネルギを放出し始めて、ＤＣリンク電圧を増大させる。このエネルギが散逸されない場合、又はＤＣリンク電圧の増大が制限されない場合、ＤＣリンク電圧は電力変換器内の能動装置の電圧定格を超えることがある。
ＵＣＧモードの動作の発生を最小にし又は防止するために、典型的には機械の逆起電力に限界が設定され、或いは追加のクランプ回路又はクローバー(crowbar) 回路がＤＣリンクに並列に付け加えられる。しかしながら、機械の逆起電力を制限することは、機械の出力又はトルク密度及び速度容量を低減する。更に、クローバー回路を付け加えることは、永久磁石機械駆動システムの回路のコスト及び複雑さを増加させる。機械の逆起電力はまた、機械内の磁石の量又は相対的な強度を制限することによって低減することができるが、これはまた出力又はトルク密度に悪影響を与える。
従って、機械の逆起電力限界を設定しないで済むようにし及び／又はＵＣＧ動作モード中に装置の電圧定格を超えないようにクローバー回路を付加することしないで済むようにすれば望ましいであろう。
米国特許第７５２１７３２号
本発明の一面によれば、電気駆動システムが提供され、該電気駆動システムは、回転子及び固定子を持つ永久磁石機械と、前記永久磁石機械に電気的に結合されていて、前記永久磁石機械を駆動するためにＤＣリンク電圧をＡＣ出力電圧に変換するように構成された電力変換器とを含む。前記電力変換器は、前記永久磁石機械の最高速度における前記永久磁石機械のピーク線間逆起電力を超える電圧定格を持つ複数のＳｉＣスイッチング装置を含む。
本発明の別の面によれば、電気駆動システムを製造する方法が提供され、該方法は、複数のＳｉＣスイッチング装置を持っていて、電源に結合可能であるＳｉＣ電力変換器を設ける工程を含む。本方法はまた、最高速度において電源のＤＣリンク電圧よりも大きいピーク線間逆起電力を持つ永久磁石機械を設ける工程と、前記永久磁石機械を駆動するために前記永久磁石機械に前記ＳｉＣ電力変換器を結合する工程とを含む。
本発明の更に別の面によれば、自動車駆動システムが提供され、該自動車駆動システムは、永久磁石回転子及び固定子を持つ電動機を含む。該駆動システムはまた、ＤＣリンクを含むと共に、前記永久磁石電動機を駆動するために前記ＤＣリンクと前記永久磁石回転子との間に電気的に結合された電力変換器を含む。前記電力変換器は、前記永久磁石電動機の前記固定子に発生されることのある最大逆起電力よりも高い動作電圧定格を持つ複数のＳｉＣスイッチング装置を有する。
他の様々な特徴及び利点が以下の詳細な説明及び図面から明らかになろう。
図面は、本発明を実施するために現在考えられる実施形態を例示する。
図１は、従来の永久磁石機械駆動システムを例示する。 図２は、本発明の一実施形態に従った高出力密度の永久磁石機械駆動システムを例示する。
図１は、従来の三相永久磁石機械駆動システム１０を例示する。システム１０は、ＤＣ入力電圧を供給するＤＣリンク１２を含み、該ＤＣ入力電圧は、永久磁石機械１４を駆動するＡＣ波形に変換すなわち逆変換される。入力フィルタ・コンデンサ１６が、ＤＣリンク１２上の電圧ＶDCを濾波するためにＤＣリンク１２に結合される。ＤＣリンク１２からＡＣ永久磁石機械１４へ電力が流れるとき、電力変換器１８がＤＣリンク１２から入力電圧を受け取る。この方向の電力の流れは、しばしば「モータリング」モードで動作していると称される。電力の流れが永久磁石機械１４から電力変換器１８への方向であるとき、電力変換器１８への入力電圧は永久磁石機械１４からのＡＣ電圧であり、また電力変換器１８の出力はＤＣリンク１２上のＤＣ電圧である。ＡＣ永久磁石機械１４から電力変換器１８へ電力が流れる動作は、しばしば回生制動モードの動作と称されており、これは、例えば、車両において、下り坂で速度を所与の値に保持すること、又は車両を減速することが望ましい場合に有用である。
電力変換器１８は、各々の相枝路に２つの直列接続のスイッチング装置を持つ典型的な三相インバータ（逆電力変換器）である。例えば、装置２０及び２２が第１の相枝路を形成し、装置２４及び２６が第２の相枝路を形成し、装置２８及び３０が第３の相枝路を形成する。装置２０乃至３０は、例えば、シリコンＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、シリコン・バイポーラ・ダーリントン電力トランジスタ、ＧＴＯ、ＳＣＲ、又はＩＧＣＴ型装置のような、通常のシリコン半導体スイッチング装置である。ダイオード３２，３４，３６，３８，４０，４２が、それぞれのシリコン・スイッチング装置２０〜３０の両端間に逆並列関係に結合される。
図２は、本発明の一実施形態に従った永久磁石機械駆動システム４４を例示する。駆動システム４４は、ＤＣ電源電圧（ＶS ）４８を持つＤＣリンク４６を含む。駆動システム４４は、ＤＣ電源電圧（ＶS ）４８を供給する電源５０を含む。駆動システム４４は、ＤＣリンク４６を電源５０に結合し又は該電源から切り離すために、好ましくは２つの接触器（Ｃ１及びＣ２）５２及び５４、又は少なくとも１つの接触器（Ｃ１）を含む。一実施形態では、電源５０は、ＡＣ電源５８と、ＡＣ電源５８の電圧をＤＣリンク又は電源電圧（ＶS ）へ変換するように構成された整流器５６とを含む。別の実施形態では、電源５０は、蓄電池、燃料電池、又は関連した電力用電子変換器を備えたフライホイールのような、ＤＣ電源５８を含む。更に別の実施形態では、電源５０は、電源電圧をＤＣリンク又は電源電圧（ＶS ）へ昇圧する両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器５６に結合された、蓄電池、燃料電池、ウルトラキャパシタ、又は関連した電力用電子変換器を備えたフライホイールのような、ＤＣ電源５８を含む。ＤＣリンク４６はＤＣ出力電圧（ＶDC）６０を電力変換器又はインバータ６２へ供給する。正のＤＣ線路６６と負のＤＣ線路６８との間に入力フィルタ・コンデンサ６４が例示されているが、これは、正及び負の線路６６及び６８の間の電力品質を保証するために電源５０からの高周波電流に対してフィルタ機能を提供するように作用する。
電力変換器６２はＤＣリンク４６からＤＣ入力電圧（ＶDC）６０を受け取って、以下に詳しく述べるように、永久磁石機械７０を駆動するための適当な形のＡＣ電力を供給するようにＤＣ入力電圧を変換する。駆動システム４４はまた制御器７２を含み、この制御器７２は、ＶS ４８、ＶDC６０からの検知された電圧入力、機械７０からの速度センサ入力、オペレータ入力、並びに電力変換器６２内で生じ得る故障の検出に基づいて、接触器（Ｃ１及びＣ２）５２及び５４を開閉する手段を含む。制御器７２はまた、両方向ＤＣ−ＤＣ昇圧変換器５６への昇圧電力指令を制御する手段も含む 。
一実施形態によれば、電力変換器６２は、複数のスイッチング装置７４，７６，７８，８０，８２，８４を持つ三相ＤＣ−ＡＣインバータである。各スイッチング装置７４〜８４は、炭化珪素（ＳｉＣ）ＭＯＳＦＥＴ８６，８８，９０，９２，９４，９６と、関連した逆並列ダイオード９８，１００，１０２，１０４，１０６，１０８とを含む。
ＳｉＣは、高電圧及び高電力用途のためにシリコンに代わるものとして魅力的である材料特性を持つ結晶性物質である。例えば、ＳｉＣは、漏洩電流を非常に小さくする大きなバンドギャップを有しており、これにより、動作する温度を高くし得る。実際に、ＳｉＣ基板上に製造された半導体装置は、２００℃を超える温度に耐えることができる。ＳｉＣはまた、シリコンよりも約１０倍高い降伏電界を持ち、且つシリコンよりも約３倍大きい熱伝導度を持ち、その結果、ＳｉＣ回路ではより高い出力密度に対処することができる。更に、ＳｉＣでは電子移動度が高いので、高速のスイッチングが可能になる。従って、ＳｉＣは、次世代の電力用半導体装置の製造にとって有利な材料と考えられている。このような装置としては、例えば、ショットキーダイオード、サイリスタ、及びＭＯＳＦＥＴが挙げられる。
図２で左から右へ進むと、スイッチング装置７４及び７６が第１の出力相１１０に関連しており、スイッチング装置７８及び８０が第２の出力相１１２に関連しており、またスイッチング装置８２及び８４が第３の出力相１１４に関連している。図２には三相電力変換器及び三相永久磁石機械７０が例示されているが、当業者には、本発明の実施形態が単相又は他の多相の実施形態に等しく適用可能であることが理解されよう。例えば、別の実施形態では、様々な相数を持つ、例えば、ｎ＝１、２、４、５、７、又はそれより大きい数として、ｎ相を持つ構成が含まれ、その場合、電力変換器の各相は装置８６，８８と同様な複数のスイッチング装置を含み、各々の装置にはダイオード９８，１００と同様な逆並列ダイオードが付設される。
電力変換器６２は永久磁石機械７０を駆動する。一実施形態では、永久磁石機械７０は、例えば、電気自動車を駆動する牽引電動機のような、永久磁石回転子１１６及び固定子１１８を含む牽引電動機である。永久磁石回転子１１６のような永久磁石回転子は、様々な実施形態に従って、表面取付け、内部又は埋込み永久磁石回転子として構成することができる。別の実施形態では、永久磁石機械７０は、例えば、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）又はプラグイン式ハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）の動作に役立つ電力を発生するために補助電源装置（ＡＰＵ）内の熱機関に結合された永久磁石交流発電機のような、永久磁石回転子１１６及び固定子１１８を含む交流発電機である。
ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ８６〜９６の高電圧定格により、永久磁石機械７０は非制御発電モードについて心配することなく高い逆起電力を持つように設計することができ、その結果として永久磁石機械７０の出力密度を有意に増大させることができる。すなわち、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ８６〜９６は、永久磁石機械７０の非制御発電モード中のＤＣリンク電圧を超える電圧定格を持つ。市販の路上走行ＥＶ、ＨＥＶ及びＰＨＥＶにおける従来のシリコンＩＧＢＴ電力モジュール使用の電力変換器回路は、典型的には、約６００Ｖの電圧定格を持ち、或いはＳＵＶ、トラック及びバスを含む幾分大形の又は高性能の車について１２００Ｖの電圧定格を持つ。一実施形態によれば、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ８６〜９６は、約３〜４ｋＶの電圧定格を持つゼネラル・エレクトリック社製の高電圧ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴである。高出力密度多相永久磁石機械７０と組み合わせた組合せ高電圧ＳｉＣ電力変換器６２は、出力密度を２〜４倍以上にすることができると共に、電力変換器６２に対する制御が失われた期間又は電力変換器６２内の電力モジュールへのゲート駆動が失われた期間中での耐故障性がかなり改善される。ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ８６〜９６は従来のシリコンＭＯＳＦＥＴよりも物理的に小さくなるように製造することができるので、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ８６〜９６は自動車環境内にパッケージ化することができ、またより高い温度で動作させることができる。
永久磁石機械７０の過大な起電力電圧は電源５０のＤＣ電源５８を損傷することがある。そのため、一実施形態では、制御器７２は、電力変換器６２における故障及び電力変換器６２の関連ゲート駆動回路の故障を検出するように構成される。例えば、線間逆起電力がＤＣ電源５８の電圧定格の閾値百分率内にある場合に故障を検出することができる。故障が検出された場合、制御器７２はＤＣ電源５８を電力変換器６２から切断又は知り離すことができる。この結果、電力変換器６２内の故障状態中に永久磁石機械７０によって発生される過大な起電力電圧が、ＤＣ電源５８に対して過電圧損傷を生じさせることはない。ＳｉＣ電力変換器６２及びその関連構成部品８６〜９６の高電圧定格は、たとえ機械７０が高速度で動作している間に潜在的な故障が生じても、高出力永久磁石機械７０からの逆起電力に耐える。
従って、本発明の一実施形態によれば、電気駆動システムが、回転子及び固定子を持つ永久磁石機械と、前記永久磁石機械に電気的に結合されていて、前記永久磁石機械を駆動するためにＤＣリンク電圧をＡＣ出力電圧に変換するように構成された電力変換器とを含む。前記電力変換器は、永久磁石機械の最高速度における永久磁石機械のピーク線間逆起電力を超える電圧定格を持つ複数のＳｉＣスイッチング装置を含む。
本発明の別の実施形態によれば、電気駆動システムを製造する方法が、複数のＳｉＣスイッチング装置を持っていて、電源に結合可能であるＳｉＣ電力変換器を設ける工程を含む。本方法はまた、最高速度において電源のＤＣリンク電圧よりも大きいピーク線間逆起電力を持つ永久磁石機械を設ける工程と、前記永久磁石機械を駆動するために前記永久磁石機械に前記ＳｉＣ電力変換器を結合する工程とを含む。
本発明の更に別の実施形態によれば、自動車駆動システムが、永久磁石回転子及び固定子を持つ電動機を含む。本駆動システムはまた、ＤＣリンクを含むと共に、前記永久磁石電動機を駆動するために前記ＤＣリンクと前記永久磁石回転子との間に電気的に結合された電力変換器を含む。前記電力変換器は、前記永久磁石電動機の前記固定子に発生され得る最大逆起電力よりも高い動作電圧定格を持つ複数のＳｉＣスイッチング装置を有する。
本明細書は、最良の実施形態を含めて、本発明を開示するために、また当業者が任意の装置又はシステムを作成し使用し、任意の採用した方法を遂行すること含めて、本発明を実施することができるようにするために、幾つかの例を使用した。本発明の特許可能な範囲は「特許請求の範囲」の記載に定めており、また当業者に考えられる他の例を含み得る。このような他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの記載から実質的に差異のない構造的要素を持つ場合、或いはそれらが「特許請求の範囲」の文字通りの記載から実質的に差異のない等価な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内にあるものとする。
１０ 三相永久磁石機械駆動システム
１２ ＤＣリンク
１４ 永久磁石機械
１６ 入力フィルタ・コンデンサ
１８ 電力変換器
２０、２２、２４、２６、２８、３０ スイッチング装置
３２、３４、３６、３８、４０、４２ ダイオード
４４ 永久磁石機械駆動システム
４６ ＤＣリンク
４８ ＤＣ電源電圧（ＶS ）
５０ 電源
５２、５４ 接触器
５６ 整流器又は両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器
５８ ＡＣ電源又はＤＣ電源
６０ ＤＣ出力電圧（ＶDC）
６２ 電力変換器又はインバータ
６４ 入力フィルタ・コンデンサ
６６ 正のＤＣ線路
６８ 負のＤＣ線路
７０ 永久磁石機械
７４、７６、７８、８０、８２、８４ スイッチング装置
８６、８８、９０、９２、９４、９６ 炭化珪素（ＳｉＣ）ＭＯＳＦＥＴ
９８、１００、１０２、１０４、１０６、１０８ 逆並列ダイオード

Claims (10)

  1. 回転子（１１６）及び固定子（１１８）を持つ永久磁石機械（７０）と、
    前記永久磁石機械（７０）に電気的に結合されていて、前記永久磁石機械（７０）を駆動するためにＤＣリンク電圧をＡＣ出力電圧に変換するように構成された電力変換器（６２）であって、前記永久磁石機械（７０）の最高速度における前記永久磁石機械（７０）のピーク線間逆起電力を超える電圧定格を持つ複数の炭化珪素（ＳｉＣ）スイッチング装置（７４〜８４）を含んでいる電力変換器（６２）と、
    を有する電気駆動システム。
  2. 前記複数のＳｉＣスイッチング装置（７４〜８４）は複数のＳｉＣ金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）（８６〜９６）を有している、請求項１記載の電気駆動システム。
  3. 前記電気駆動システムの最大ＤＣリンク電圧が前記複数のＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ（８６〜９６）の電圧定格よりも小さい、請求項１記載の電気駆動システム。
  4. 前記複数のＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ（８６〜９６）は約３ｋＶよりも大きい電圧定格を持っている、請求項３記載の電気駆動システム。
  5. 前記永久磁石機械（７０）は、３、５、７及び９相の内の一つを持つ多相永久磁石牽引電動機で構成されている、請求項１記載の電気駆動システム。
  6. 前記永久磁石機械（７０）は単相永久磁石牽引電動機で構成されている、請求項１記載の電気駆動システム。
  7. 前記永久磁石機械（７０）は、熱機関に結合された多相永久磁石交流発電機で構成されている、請求項１記載の電気駆動システム。
  8. 前記電力変換器（６２）は更に、前記複数のＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ（８６〜９６）と逆並列構成で接続された複数のダイオード（１００〜１０８）を有している、請求項１記載の電気駆動システム。
  9. 前記電力変換器（６２）は三相電力変換器である、請求項１記載の電気駆動システム。
  10. 更に、前記電力変換器（６２）に結合されたＤＣリンク（４６）と、
    前記ＤＣリンク（４６）に結合されていて、電源電圧を前記ＤＣリンク（４６）に供給するように構成されている電圧電源（５０）と
    を有している請求項１記載の電気駆動システム。
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