JP2014532868A - 回転電機および回転電機の回転子の変位を測定する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
エアギャップ(または「スロットレス」)巻線を有するAMBは、スロットスペースの高調波に起因する損失および高帯域幅に対して高い無効電力を要する大きなインダクタンスといった、高速に関連するほとんどの問題を解決する。このような、高速用途用のローレンツ型軸受の構想は、冒頭で引用したBaumgartner, T.I.; Looser, A.; Zwyssig, C; Kolar, J.W.; , "Novel high-speed, Lorentz-type, slotless self-bearing motor," Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2010 IEEE , vol., no., pp.3971-3977, 12-16 Sept. 2010において提案されている。しかしながら、エアギャップ巻線を有するローレンツ型軸受の場合、回転子に鉄が存在しないのでインダクタンスに基づいたセルフセンシング法は適用できず、そのため、巻線コイルインダクタンスと回転子の変位との間に明確な関連性はない。よって、高周波信号注入法を用いる、すなわち高周波変位(または位置)測定注入信号を注入する、渦電流測定に基づいた、新たなセルフセンシング法が提示される。位置測定における高い感度を得るためには、できるだけ高い信号注入周波数を選択することが有利であり、これはまた、位置測定のための高帯域幅を得るためにも好ましい。信号注入周波数の上限は、軸受コイルの自己共振によってのみ与えられ、これは、設計により、広い範囲で選択できる。したがって、最大数十メガヘルツの信号注入周波数を得ることができ、干渉なしでまたは帯域幅を妥協せずに、およそ数十キロヘルツである軸受制御電流を、変位(または位置)測定注入信号電流から容易に分離できる。
Claims (16)
- 回転電機であって、
固定子(2)と、
回転子(3)と、
前記回転子(3)を前記固定子(2)に対して支持する少なくとも1つの能動型磁気軸受(21,22,31,32,33)とを備え、各磁気軸受は軸受巻線(21;22)を含み、前記軸受巻線(21;22)は、エアギャップ巻線であり、少なくとも第1の相巻線(B)と第2の相巻線(A)とを含み、
前記回転子(3)の、前記固定子(2)に対する変位を測定するための測定機構(4,5,6,7)を備え、
前記測定機構は、前記回転子(3)の変位を、変位測定注入信号を前記磁気軸受のうちの1つの前記軸受巻線(21;22)のうちの少なくとも1つの少なくとも一部分に注入することによって測定するように、かつ少なくとも1つの変位測定信号を得るように構成され、前記変位測定信号は、前記回転子の、前記固定子に対する径方向の変位に依存し、この依存は、前記変位測定注入信号によって誘導された、前記回転子における渦電流に起因する、回転電機。 - 前記軸受のうちの1つにおける前記回転子(3)の変位は、前記第1の相巻線(B)を流れる第1の軸受電流および前記第2の相巻線(A)を流れる第2の軸受電流によって制御可能であり、前記第1および第2の相巻線(A,B)のうちの少なくとも1つは、直列接続されたコイルの対であるコイル対(211,212;211x,212x;211y,212y)を含み、前記コイル対(211,212;211x,212x;211y,212y)は、変位測定注入信号を前記コイル対に注入するように、かつ、前記コイル対を構成する2つのコイルに対する前記変位測定注入信号の配分を示す信号を発生するように構成されたコイル‐測定機構(6)の一部である、請求項1に記載の回転電機。
- 前記コイル‐測定機構(6)は、
軸受電流入力端子(615)から前記コイル対を構成するコイル(211,212;211x,212x;211y,212y)を通って軸受電流出力端子(616)まで延び前記第1の軸受電流を搬送するための軸受電流経路と、
第1の注入信号端子(611)および第2の注入信号端子(612)とを含み、前記変位測定注入信号は前記第1および第2の注入信号端子を通して前記コイル‐測定機構(6)に注入され、
前記第1および第2の注入信号端子(611,612)のうちの少なくとも一方は、前記軸受電流入力端子(615)および前記軸受電流出力端子(616)のうちのいずれか一方と同一ではない、請求項2に記載の回転電機。 - 軸受電流入力端子(615)から前記コイル対を構成するコイル(211,212;211x,212x;211y,212y)を通って軸受電流出力端子(616)まで延び前記第1の軸受電流を搬送するための軸受電流経路と、
第1および第2のHF電流をそれぞれ搬送するための第1および第2のHF電流測定経路とを備え、
前記第1のHF測定経路は、第1の注入信号端子(611)から、前記コイル対を構成する第1のコイル(211,211x,211y)、第1の周波数選択素子(631)、および差動電流測定部(62)の第1の分岐を通って、第2の注入信号端子(612)まで延び、
前記第2のHF測定経路は、前記第1の注入信号端子(611)から、前記コイル対を構成する第2のコイル(212,212x,212y)、第2の周波数選択素子(632)、および前記差動電流測定部(62)の第2の分岐を通って、前記第2の注入信号端子(612)まで延び、
前記差動電流測定部(62)は、前記第1の分岐を流れる電流と前記第2の分岐を流れる電流の差に従って電圧または電流信号を発生するように構成される、請求項2または3に記載の回転電機。 - 前記軸受電流経路は、前記周波数選択素子(631,632)も前記差動電流測定部(62)も通らない、請求項4に記載の回転電機。
- 前記差動電流測定部(62)は差動トランスを含み、前記差動トランスは、前記第1のHF測定経路における第1の巻線(621)と、前記第2のHF測定経路における第2の巻線(622)と、差動電流を搬送するかまたは前記測定信号に対応する前記差動電流に比例する電圧信号を与える第3の巻線(623)とを有する、請求項4または5に記載の回転電機。
- 前記差動電流測定部(62)は、前記第1のHF測定経路における第1のチョーク巻線(624)および前記第2のHF測定経路における第2のチョーク巻線(625)を有するコモンモードチョークと、前記軸受電流入力および出力端子(615,616)側の前記コモンモードチョークの端子間の電圧差を増幅するための差動増幅器(626)とを含み、前記電圧差が前記測定信号に対応する、請求項4または5に記載の回転電機。
- 前記差動電流測定部(62)は、前記第1のHF測定経路における測定インピーダンス(627)と、前記第2のHF測定経路における第2の測定インピーダンス(628)と、前記軸受電流入力および出力端子(615,616)側の前記測定インピーダンス(627,628)の端子間の電圧差を増幅するための差動増幅器(626)とを含み、前記電圧差が前記測定信号に対応する、請求項4または5に記載の回転電機。
- 少なくとも第1および第2のコイル‐測定機構(6x,6y)を備え、直列接続され追加のインピーダンス(92)によって分離された、前記第1のコイル‐測定機構(6x)の前記コイル対(211x,212x)と前記第2のコイル‐測定機構(6y)の前記コイル対(211y,212y)とが、前記第1の軸受電流を搬送するための電流経路を構成する、請求項2〜8のうちの1項に記載の回転電機。
- 高周波信号注入回路(5)を備え、前記高周波信号注入回路は、前記変位測定注入信号を前記コイル‐測定機構(6)に注入するように、かつ、軸受電流が前記高周波信号注入回路(5)に流入することを阻止するようにおよび/または逆起電力電圧が前記信号注入回路(5)の端子から流出することを阻止するように設計される、請求項2〜9のうちの1項に記載の回転電機。
- コイル‐測定機構(6)で測定された電圧に基づいて前記回転子(3)の角位置を求めるための回転子角測定部(8)を備え、前記電圧は、前記軸受電流入力端子(615)で測定された第1の電圧、前記軸受電流出力端子(616)で測定された第2の電圧、および、コイル対(211,212)の中間点電圧端子(618)で測定された第3の電圧であり、前記角位置は、前記第1および第2の電圧の平均値を前記第3の電圧から減算することによって得られた信号の積分を計算することによって求められ、前記積分は回転子角の正弦または余弦に比例する、請求項2〜10のうちの1項に記載の回転電機。
- 好ましくは請求項1〜11のうちの1項に記載の回転電機であって、
固定子(2)と、
回転子(3)と、
前記回転子(3)を前記固定子(2)に対して回転可能に支持する少なくとも1つの能動型磁気軸受(21,22,31,32,33)と、
前記回転子(3)を前記固定子(2)に対して回転可能に支持する少なくとも1つの流体膜軸受(25)とを備え、
前記回転電機は、
前記能動型磁気軸受(21,22,31,32,33)が能動状態でなく前記流体軸受(25)が安定状態である場合には公称回転速度で、
前記能動型磁気軸受(21,22,31,32,33)が能動状態である場合には前記公称速度よりも遅い速度で、
動作するように設計される、回転電機。 - 始動コントローラを備え、前記始動コントローラは、少なくとも、
前記能動型磁気軸受(21,22,31,32,33)が能動状態である状態で前記回転電機(1)の回転速度を増し、
前記流体膜軸受(25)の安定回転速度に達した後に、前記能動型磁気軸受(21,22,31,32,33)を非能動状態にする
という順序で、前記回転電機を始動するように構成される、請求項12に記載の回転電機。 - 回転電機(1)の回転子(2)の、前記回転電機の固定子(2)に対する変位を測定する方法であって、前記回転子(3)は、前記固定子(2)に対し、少なくとも1つの能動型磁気軸受(21,22,31,32,33)によって回転可能に支持され、前記方法は、
変位コントローラ(9)が、前記回転子の、軸受巻線(21;22)に対する変位を制御するステップを含み、前記軸受巻線(21;22)は、エアギャップ巻線であり、少なくとも第1の相巻線(B)と第2の相巻線(A)とを含み、前記変位コントローラは、前記変位を、前記第1の相巻線(B)を流れる第1の軸受電流(Ib)および前記第2の相巻線(A)を流れる第2の軸受電流(Ia)を制御することによって制御し、
測定機構(4,5,6,7)が、前記回転子(3)の、前記固定子(2)に対する変位を測定するステップを含み、前記測定機構は、前記変位を、変位測定注入信号を前記磁気軸受のうちの1つの前記軸受巻線(21;22)のうちの少なくとも1つの少なくとも一部分に注入することによって測定し、少なくとも1つの変位測定信号を得、前記変位測定信号は、前記回転子の、前記固定子に対する径方向の変位に依存し、この依存は、前記変位測定注入信号によって誘導された前記回転子における渦電流に起因する、方法。 - 前記軸受のうちの1つにおける前記回転子(3)の変位を、前記第1の相巻線(B)を流れる第1の軸受電流および前記第2の相巻線(A)を流れる第2の軸受電流によって制御するステップと、
前記軸受における前記回転子(3)の変位を、変位測定注入信号を前記第1の相巻線(B)のコイル対に注入し、前記コイル対を構成する2つのコイルに対する前記変位測定注入信号の配分を示す信号を測定することによって、測定するステップとを含む、請求項14に記載の方法。 - 前記変位測定注入信号の周波数は2MHzよりも高い、請求項14または15に記載の方法。
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