JP2014501482A - 外部励起またはハイブリッド励起される電気機械を動作させる方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、電子転流式電気機械（２）に関しており、この電気機械（２）は、回転子（２１）と、定磁場をこの回転子（２１）に形成するかまたはこの定地場を変化させるためにこの回転子（２１）に配置される励磁巻線（６）と、相線路（８）を介して駆動制御可能な相を備えた３相または多相のステータ巻線（２３）を有するステータ（２２）とが含まれており、上記の励磁巻線（６）はステータ巻線（２３）に接続されている。

Description

本発明は、外部励起またはハイブリッド励起される電気機械に関しており、殊にこのような電気機械を動作させる方法に関する。

従来の技術
電子転流式電気機械として同期モータが広く使用されている。同期モータは、多くの応用に極めて適しているが、殊に部分負荷領域では、この部分負荷領域において必要となる場の減衰が、極めて大きなコストをかけなければ実現できないという欠点を有する。これとは異なり、外部励起またはハイブリッド励起式の電気機械では、励起磁場を低減することにより、極めて簡単に上記の場の減衰が得られる。外部励磁式の電気機械では、励起磁場が別個の励磁巻線によって形成されるのに対し、ハイブリッド励磁式の電気機械では励起磁場は、永久磁石によって形成される共に別個の励磁巻線によっても形成される。

上記の励磁巻線は、静磁場をロータ体に配向するのに使用され、このロータ体は、磁束を集め、ロータ極２４を介してこの磁束をステータの方向に導く。従来の外部励磁式またはハイブリッド励磁式モータでは、付加的な励磁巻線により、回路コストが増大し、励磁巻線を通して直流電流を供給するため、この電極機械の外部にも内部にも共に相応の配線が必要であった。これにより、このような外部励磁式またはハイブリッド励磁式電気機械を製造および使用する際のコストは格段に増大してしまうのである。

したがって本発明の課題は、外部励磁式またはハイブリッド励磁式電気機械において励磁巻線を配線するためのコストを低減することである。本発明の課題はさらに、外部励磁式またはハイブリッド励磁式電気機械を動作させる方法を提供することである。

発明の開示
上記の課題は、請求項１に記載の電気機械によって、ならび別の独立請求項に記載したモータシステムおよび電気機械を動作させるための方法によって解決される。

本発明の別の有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。

第１の態様によれば、電子転流式電気機械が設けられる。この電気機械には、
− 回転子と、
− 定磁場をこの回転子に形成するかまたは定磁場を変化させるためにこの回転子に配置される励磁巻線と、
− 相線路を介して駆動制御可能な相を有する３相または多相のステータ巻線とが含まれており、
− 上記の励磁巻線はステータ巻線に接続されている。

上記の電気機械のアイデアは、この励磁巻線の駆動制御を１つまたは複数の相巻線を介して直接実現することにある。これにより、上記の励磁巻線を駆動制御するためにも、上記の相電圧用の既存の電気接続部を付加的に利用することが可能になる。電気機械の外部においても内部においても共にこれまで必要であった励磁巻線を接続するための付加的なコストを格段に低減することが可能である。

励磁部が一層小さくなるため、上記の電気機械の効率を高めることができる。

さらに、上記の電気機械の内部における相分離リレーの配置を省略できるため、この電気機械は、それ自体安全である。エラー時には励磁巻線の電流通流が同時に中止されることによって上記の励起磁場が直ちに遮断されるため、ないしは（ハイブリッド励起型機械では）大きく低減されるため、例えばケーブル破損、パワースイッチの短絡または類似ものなどの種々のエラー時に上記の電気機械は自動的にトルクがなくなり、これにより、スイッチまたは類似のものを所期のように駆動制御することなく、またはコストのかかるハードウェアコストをかけることなくそれ自体で安全な状態を実現することができるのである。

さらに上記の励磁巻線は、励磁巻線線路を介して給電電位に接続することができ、ここでこの励磁巻線線路は、殊に電気機械の導電性ケーシングに接続される。

１つの実施形態では、上記の励磁巻線と、上記の複数の相線路のうちの１つの相線路とを接続することができる。

別の実施形態では、上記のスタータ巻線は、スター回路に接続されるステータコイルを有することができ、上記の励磁巻線は、このスター回路のスター点に接続される。

別の１つの態様では、モータシステムが設けられる。このモータシステムには以下が含まれている。すなわち、
− 上記の励磁巻線と、複数の相線路のうちの１つの相線路とが接続された上記の電気機械と、
− これらの相線路に相電圧または相電流を供給するための出力段と、
− この出力段を駆動制御して、上記の励磁巻線に接続されている相線路が、一定の相電位を有し、上記の相線路間の差分電圧としてそれぞれ正弦波状の電圧経過が生じるように残りの相電圧が供給されるようにする制御ユニットとが含まれている。

別の１つの態様では、モータシステムが設けられる。このモータシステムには、
− 上記のステータ巻線がスター回路に接続されるスターコイルを有しており、かつ、上記の励磁巻線と、このスター回路のスター点と接続されている上記の電気機械が含まれており、
上記のモータシステムはさらに
− 上記の複数の相線路に複数の相電圧ないしは相電流を供給する出力段と、
− これらの出力段を駆動制御して、相電圧がそれぞれ、正弦波状の互いに位相シフトした電圧経過を有するようにする制御ユニットとが含まれている。

さらに、上記の相電圧を形成するためのパルス幅変調のデューティ比を変化させることによってパルス幅変調を用いて相電圧を形成し、かつ、すべての相電圧に対する上記のデューティ比に１つのデューティ比オフセットを加えることによって上記の励磁巻線を通る電流を設定するように上記の制御ユニットを構成することができる。

励磁巻線が複数の相線路のうちの１つの相線路に接続されている上記の電気機械を動作させる方法の別の態様によれば、上記の励磁巻線に接続されている相線路に一定の相電位を印加し、相線路間の差分電圧としてそれぞれ正弦波状の電圧経過が生じるように残りの相電圧を供給する。

上記のステータ巻線がスター回路に接続されるステータコイルを有し、かつ、上記の励磁巻線がスター回路のスター点に接続されている上記の電気機械を動作させる方法の別の態様によれば、上記の相電圧がそれぞれ正弦波状の、互いに位相シフトした電圧経過を有するように上記の出力段を駆動制御する。

１つの実施形態によれば、上記の相電圧を形成するためのパルス幅変調のデューティ比を変化させることにより、このパルス幅変調によって前記相電圧を形成し、および、すべての相電圧に対するデューティ比に１つのデューティ比オフセットを加えることにより、上記の励磁巻線を通る電流を設定する。

従来の外部励磁式電気機械の概略図である。 図１の電気機械の動作時における相電流の経過を示す線図である。 外部励磁式電気機械の１つの実施形態の概略図である。 外部励磁式電気機械の別の１つの実施形態の概略図である。

以下では本発明の有利な実施形態を添付の図面に基づき、詳しく説明する。

実施形態の説明
図１には、外部励磁式電気機械２を動作させるためのモータシステム１の概略図が示されている。電気機械２は、電子式に転流され、回転子極２４を有する例えばロータ型の回転子２１と、この回転子の方を向いたステータ歯を有するステータ２２とを有する。このモータシステムは、出力段３を有しており、この出力段は、相線路８を介して電気機械２に接続されている。出力段３は、電気機械２を動作させるための相電圧ないしは相電流を供給する。

この実施例では、電気機械２は３相に構成されているため、出力段３は、いわゆるＢ６配置構成の３つのインバータ回路９を有している。これらのインバータ回路９は、電圧の高い方の給電電位Ｖ_Hと、電圧の低い方の給電電位Ｖ_Lとの間に２つずつ直列接続されたパワー半導体スイッチ４を有しており、これらのスイッチは、開閉のため、すなわち非導通状態または導通状態にスイッチングするために制御ユニット５によって駆動制御可能である。パワー半導体スイッチ４は、例えば、サイリスタ、IGBT、IGCT、パワーCMOSトランジスタなどとして構成することができる。インバータ回路９のパワー半導体スイッチ４間には相線路８が接続されている。

電気機械２は、外部励磁式またはハイブリッド励磁式であり、すなわち、上記の励起磁場は、全部がまたは部分的に励磁巻線６によって供給されるのである。励磁巻線６は一般的に電気機械２の軸方向に対して横向きに配置されており、磁場を軸方向に形成し、この磁場が回転子２１によって取り入れられる。回転子２１は、取り入れた磁場の方向の向きを換えさせ、この磁場は回転子極２４を通り、ステータ歯の方向に回転子極２４を出て行く。

励磁巻線６には、励磁回路７を介して電気エネルギが供給される。励磁回路７は、調整可能な励磁電流ないしは調整可能な励磁電圧を励磁巻線６に印加することができ、ここでこの励磁電圧ないしは励磁電流は、励磁回路７のインバータ回路９をパルス幅変調駆動制御することによって形成することが可能である。

電気機械２を駆動制御するため、制御ユニット５は、相電圧を相線路８に印加する。これらの相電圧は、正弦波転流を実現するため、相シフトされた３つの正弦波状の電圧経過として形成され、これらの電圧経過は、図２に例示的に示した相電流Ｉ_U，Ｉ_V，Ｉ_Wを生じさせる。

図２には、回転トルクが一定である場合の電気機械２の一定の回転に対し、相電流Ｉ_U，Ｉ_V，Ｉ_Wの典型的な電流経過が示されている。正弦波状の相電流は、１２０°（電気的な回転子位置）だけ互いに相がシフトしている。例えば図２に経過が示されている相電流Ｉ_U，Ｉ_V，Ｉ_Wを形成するため、相応する相電圧Ｕ_U，Ｕ_V，Ｕ_Wないしは相電位を印加することができる。しかしながらこの際に相電位の絶対的な大きさは重要ではない。なぜならば相電流Ｉ_U，Ｉ_V，Ｉ_Wは、相間の差分電圧だけによって決定されるからである。

従来の外部励磁式電気機械は、励磁回路７、ならびに、励磁回路７と励磁巻線６との間の電気接続部を有しており、このことは必然的に、殊に従来の同期機械に比べて、外部励磁式ないしハイブリッド励磁式の電気機械を構成する際の付加的なコストになっていた。

相電圧Ｕ_U，Ｕ_V，Ｕ_Wを形成するため、制御ユニット５により、パルス幅変調によってパワー半導体スイッチ４を駆動制御する。このパルス幅変調によって可能になるのは、高い方の給電電位Ｖ_Hと、低い方の給電電位Ｖ_Lとを高速に交番に上記の相線路に印加することによって各時点にデューティ比を設定することであり、ここでこのデューティ比は基本的に、出力段３に印加される給電電圧Ｕ_Vers＝Ｖ_H−Ｖ_Lの一部として、設定すべき電圧を表す。所定の相電圧を調整するため、制御ユニット５において、上記のデューティ比は、パルス幅変調の確定したサイクル持続時間に対する、高い方の給電電位Ｖ_Hに接続されるパワー半導体スイッチ４（プルハイスイッチ）のスイッチオン時間の比として設定される。上記のスイッチオン持続時間中、該当するインバータ回路９の２つのパワー半導体スイッチ４のプルハイスイッチは閉じられ、これによって給電電圧Ｕ_Versが上記の相端子に送出される。上記のスイッチオン持続時間が、相応するサイクルの終了時点まで経過した後、プルハイスイッチは開かれ、そのかわりにプルロースイッチが閉じられて、アース電位ないしは低い方の給電電位Ｖ_Lが、該当する相端子に印加される。

図３にはモータシステム１０の略図が示されており、ここでは励磁回路７を省略することができ、例えば低い方の給電電位Ｖ_Lのような給電電位と、励磁巻線６とを電気的に接続するための励磁巻線線路１１だけが設けられている。その他の点では実質的に図１のモータシステム１に相応する図３の実施形態において、低い方の給電電圧Ｖ_Lと、この場合に相Ｗの相線路８である相線路８との間に励磁巻線６が接続されている。

励磁巻線６を駆動制御するため、一般的には直流電流が必要であり、この直流電流は、動作点だけに依存して、すなわち、相電圧Ｕ_U，Ｕ_V，Ｕ_Wないし相電流Ｉ_U，Ｉ_V，Ｉ_Wの場合よりも格段に緩慢に変化可能である。この励磁巻線を通る励磁直流電流を供給するため、相Ｗに対応するインバータ回路９が実質的に一定の電圧を供給するように、出力段３のパワー半導体スイッチ４の駆動制御を変化させる。この電圧は、あらかじめ設定したデューティ比を有するパルス幅変調によって形成可能である。このデューティ比は、動作点に依存して制御ユニット５によって確定することができ、励磁巻線６によって形成される励起磁場の強度を決定する。

残りの相Ｕ，Ｖのインバータ回路９は、図２において略示した３相の駆動制御に相応する駆動制御と比較して、同じ相電流Ｉ_U，Ｉ_V，Ｉ_Wが流れるように駆動制御される。これは、相Ｗの相電圧Ｕ_Wがほぼ一定に保たれるのにもかかわらず、相Ｕ，Ｖ，Ｗ間の差分電圧が、従来の３相動作において生じる差分電圧と等しくなるように相電圧Ｕ_U，Ｕ_Vを変化させることによって達成される。これにより、相Ｗの相線路８を介して、励磁巻線６にも、電気機械２の相応するステータ巻線２３にも共に電流を流すことできる。

図４には外部励磁式電気機械の別の実施形態が略示されている。図３の実施例とは異なり、ここでは低い方の給電電位Ｖ_Lと、３相ステータ巻線２３のスター点との間に励磁巻線６が接続されている。ステータ巻線２３のスター点は、例示的に図２の電流経過によって示した３相の駆動制御によって一般的には準固定の電位になるため、励磁巻線６を流れる一定の励磁電流を保証することができる。しかしながらこの励磁電流を調整するため、上記のスター点電位は、出力段３のインバータ回路９を駆動制御する際に、デューティ比を変えることによって変化させることができる。電気機械のスター点と、上記の複数の給電電位のうちの１つの給電電位との間の励磁電圧の変化は、例えば、出力段３の各インバータ回路９をパルス幅変調制御するためのデューティ比に所定のデューティ比オフセットを加えることによって得ることができる。

上記の励磁コイルのインダクタンスが、ステータ巻線２３の相応するインダクタンスよりも格段に大きく、例えば１０の巾乗以上大きいと有利である。これによって間接的に形成されかつ格段に低い遮断周波数を有する励磁回路のローパスフィルタリングにより、励磁巻線６はスタータ巻線２３のインダクタンスからデカップリングされる。

別の実施形態によれば、低い方の給電電位に接続されている励磁巻線６の端子は、一般的にケーシングに接触しているモータアースに接続することができる。これによって可能になるのは、励磁巻線６を接続するための励磁巻線線路１１をケーシングに直接接続し、これによって励磁巻線線路１１も削減することである。

Claims (10)

1. 電子転流式電気機械（２）において、
   − 回転子（２１）と、
   − 該回転子（２１）に定磁場を形成するかまたは定磁場を変更するために当該回転子（２１）に配置される励磁巻線（６）と、
   − 相線路（８）を介して駆動制御可能な複数の相を備えた３相または多相のステータ巻線（２３）を有するステータ（２２）とを有しており、
   − 前記励磁巻線（６）は前記ステータ巻線（２３）に電気接続されている、
   ことを特徴とする電子電流式電気機械（２）。
2. 請求項１に記載の電気機械（２）において、
   前記励磁巻線（６）は、励磁巻線線路（１１）を介して給電電位に接続可能であり、
   殊に前記励磁巻線線路（１１）は、前記電気機械（２）の導電性ケーシングに接続されている、
   ことを特徴とする電気機械（２）。
3. 請求項１または２に記載の電気機械において、
   前記励磁巻線（６）は、前記複数の相線路（８）のうちの１つの相線路（８）に接続されている、
   ことを特徴とする電気機械。
4. 請求項１または２に記載の電気機械において、
   前記ステータ巻線（２３）は、スター回路に接続される複数のステータコイルを有しており、前記励磁巻線（６）は、前記スター回路のスター点に接続されている、
   ことを特徴とする電気機械。
5. モータシステム（１）において、
   該モータシステム（１）は、
   − 請求項３に記載の電気機械（２）と、
   − 前記相線路（８）に相電圧ないしは相電流を供給する出力段（３）と、
   − 当該出力段を駆動制御して、前記励磁巻線（６）に接続される前記相線路（８）が一定の相電位を有し、かつ、相線路（８）間の差分電圧としてそれぞれ正弦波状の電圧経過が発生するように残りの相電圧を供給する制御ユニット（５）とを有する、
   ことを特徴とするモータシステム（１）。
6. モータシステム（１）において、
   該モータシステム（１）は、
   − 請求項４に記載の電気機械（２）と、
   − 前記相線路（８）に相電圧ないしは相電流を供給する出力段（３）と、
   − 相電圧がそれぞれ正弦波状の、互いに位相がシフトした電圧経過を有するように前記出力段（３）を駆動制御する制御ユニット（５）とを有している、
   ことを特徴とするモータシステム（１）。
7. 請求項６に記載のモータシステム（１）において、
   前記相電圧を形成するためのパルス幅変調のデューティ比を変化させることにより、当該パルス幅変調によって前記相電圧を形成するため、および、すべての相電圧に対する前記デューティ比に１つのデューティ比オフセットを加えることにより、前記励磁巻線を通る電流を設定するため、前記制御ユニット（５）は構成されている、
   ことを特徴とするモータシステム（１）。
8. 請求項３に記載の電気機械（２）を動作させる方法において、
   前記励磁巻線（６）に接続されている前記相線路（８）に一定の相電位を印加し、前記相線路（８）間の差分電圧としてそれぞれ正弦波状の電圧経過が生じるように残りの相電圧を供給する、
   ことを特徴とする、電気機械（２）を動作させる方法。
9. 請求項４に記載の電気機械（２）を動作させる方法において、
   前記出力段（３）を駆動制御して、相電圧がそれぞれ正弦波状の、互い位相シフトした電圧経過を有するようにする、
   ことを特徴とする、電気機械（２）を動作させる方法。
10. 請求項９に記載の方法において、
    前記相電圧を形成するためのパルス幅変調のデューティ比を変化させることにより、当該パルス幅変調によって前記相電圧を形成し、および、すべての相電圧に対する前記デューティ比に１つのデューティ比オフセットを加えることにより、前記励磁巻線（６）を通る電流を設定する、
    ことを特徴とする方法。

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