JP2019106872A - 永久磁石（ｐｍ）磁場を修正するための固定子二次巻線 - Google Patents

永久磁石（ｐｍ）磁場を修正するための固定子二次巻線 Download PDF

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Abstract

【課題】永久磁石同期発電機（PMSG）の永久磁石（PM）磁場を修正するための二次巻線用のシステム、方法、および装置を提供する。【解決手段】1つ以上の例において、PMSG用の開示されるシステムは、回転して永久磁石磁場を発生させるPMSGの永久磁石（PM）を含む。システムは、永久磁石磁場から一次電流を生成するPMSGの複数の固定子一次巻線（SPW）をさらに含む。さらに、システムは、電源から二次電流を引き出し、二次電流から固定子二次巻線磁場を生成するPMSGの複数の固定子二次巻線（SSW）を含む。1つ以上の例において、永久磁石磁場および固定子二次巻線磁場がPMSGの全磁場を一緒に作り出す。【選択図】図９

Description

本開示は、永久磁石同期発電機（PMSG）に関する。特に、本開示は、PMSGの永久磁石（PM）磁場を修正するための固定子二次巻線に関する。
永久磁石同期発電機（PMSG）においては、装置のシャフトに結合した回転子に取り付けられた永久磁石（PM）が、一定の磁場を生成する。短絡故障の場合に、不変の永久磁石の磁場強度が、回転子が回転する限りにおいて発電機の固定子巻線を励磁し続け、結果として、機械が完全に停止するまで大きな短絡電流が流れ続ける。この継続的かつ大きな短絡電流は、発電機に著しい損傷を引き起こし、発電機を使用不可能にする可能性がある。
現時点において、発電機の短絡保護に使用されている従来からの方法は、回線に設置される熱磁気式の回路遮断器の使用である。この種の回路遮断器の使用の欠点は、熱効果が、作動に比較的長い時間を必要とすることである。さらに、この回路遮断器も、故障を免れない。これらの場合のどちらにおいても、回路遮断器は、発電機を保護することができない可能性がある。
したがって、発電機の短絡保護のための改良された設計が、必要とされている。
本開示は、永久磁石同期発電機（PMSG）の永久磁石（PM）磁場を修正するための二次巻線用の方法、システム、および装置に関する。1つ以上の例において、永久磁石同期発電機（PMSG）のための方法は、PMSGの永久磁石（PM）を回転させることを含む。この方法は、回転する永久磁石から永久磁石磁場を生成することをさらに含む。1つ以上の例において、永久磁石磁場は、PMSGの複数の固定子一次巻線（SPW）を通して結合する。さらに、この方法は、固定子一次巻線によって永久磁石磁場から一次電流を生成することを含む。さらに、この方法は、PMSGの複数の固定子二次巻線（SSW）によって電源から二次電流を引き出すことを含む。さらに、この方法は、固定子二次巻線によって二次電流から固定子二次巻線磁場を生成することを含む。1つ以上の例において、永久磁石磁場および固定子二次巻線磁場がPMSGの全磁場を一緒に作り出す。
少なくとも1つの例において、固定子二次巻線磁場は、永久磁石磁場を打ち消し、弱め、あるいは強める。いくつかの例において、永久磁石は、回転子に取り付けられる。1つ以上の例において、一次電流は、三相電流である。少なくとも1つの例において、電源は、三相電源（TPS）である。いくつかの例において、二次電流は、三相正弦波電流または三相準正弦波電流である。
1つ以上の例において、電源は、コントローラーと、複数のスイッチと、直流（DC）電源とを含む。いくつかの例において、スイッチは、インバータを形成する。少なくとも1つの例において、この方法は、コントローラーによって負荷電流を基準の最大電流と比較することをさらに含む。いくつかの例において、この方法は、負荷電流が最大電流よりも大きいときにコントローラーによって複数のパルス列を生成することをさらに含む。1つ以上の例において、この方法は、パルス列を使用することによって複数のスイッチを切り替えて二次電流を生じさせることをさらに含む。
少なくとも1つの例において、永久磁石同期発電機（PMSG）のためのシステムは、回転して永久磁石磁場を発生させるPMSGの永久磁石（PM）を含む。システムは、永久磁石磁場から一次電流を生成するPMSGの複数の固定子一次巻線（SPW）をさらに含む。また、システムは、電源から二次電流を引き出し、二次電流から固定子二次巻線磁場を生成するPMSGの複数の固定子二次巻線（SSW）を含む。1つ以上の例において、永久磁石磁場および固定子二次巻線磁場がPMSGの全磁場を一緒に作り出す。
1つ以上の例において、コントローラーは、負荷電流を最大電流と比較する。いくつかの例において、コントローラーは、負荷電流が最大電流よりも大きいときに複数のパルス列を生成する。少なくとも1つの例において、複数のスイッチは、二次電流を生じさせるために、パルス列を使用することによって切り替えられる。
特徴、機能、および利点は、本開示の種々の例において独立して達成可能であり、あるいはさらに他の例において組み合わせられてもよい。
本開示のこれらの特徴、態様、および利点、ならびに他の特徴、態様、および利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、および添付の図面に関して、よりよく理解されるであろう。
従来からの永久磁石同期発電機（PMSG）を、この発電機の固定子一次巻線（SPW）によって生成される三相電流と併せて示す図である。 本開示の少なくとも1つの例による固定子二次巻線（SSW）を使用する本開示の永久磁石同期発電機（PMSG）を、固定子一次巻線（SPW）によって生成される三相電流および固定子二次巻線（SSW）を流れる三相電流と併せて示す図である。 図2の本開示の永久磁石同期発電機（PMSG）において使用すべく採用され得る本開示の少なくとも1つの例による典型的な三相電源（TPS）の図である。 本開示の少なくとも1つの例による図3Aの三相電源（TPS）によって生成され得る典型的な正弦波電流を示すグラフである。 本開示の少なくとも1つの例による図2の永久磁石同期発電機（PMSG）の固定子二次巻線（SSW）によって生成される典型的な固定子二次巻線磁場（ψssw）を示すグラフである。 本開示の少なくとも1つの例による短絡（SC）故障に直面する図2の本開示の永久磁石同期発電機（PMSG）を示す概略図である。 本開示の少なくとも1つの例に従って、どのようにして図2の本開示の永久磁石同期発電機（PMSG）の固定子二次巻線（SSW）によって生成される磁場
Figure 2019106872
 で、永久磁石（PM）の磁場
Figure 2019106872
 を打ち消して、短絡保護をもたらすことができるのかを示す表である。
本開示の少なくとも1つの例による図2の本開示の永久磁石同期発電機（PMSG）の永久磁石（PM）によって生成される典型的な励磁磁場
Figure 2019106872
 および固定子二次巻線（SSW）によって生成される典型的な励磁磁場
Figure 2019106872
 を示すグラフである。
本開示の少なくとも1つの例による永久磁石同期発電機（PMSG）の永久磁石（PM）磁場を修正するための固定子二次巻線（SSW）のための本開示のシステムを示す図である。 本開示の少なくとも1つの例による図6Aの永久磁石同期発電機（PMSG）の永久磁石（PM）磁場を修正するための固定子二次巻線（SSW）のための本開示のシステムのコントローラーの機能図である。 本開示の少なくとも1つの例に従って、どのようにして図2の本開示の永久磁石同期発電機（PMSG）の固定子二次巻線（SSW）によって生成される磁場
Figure 2019106872
 で、永久磁石（PM）の磁場
Figure 2019106872
 を弱めることができるのかを示すグラフである。
本開示の少なくとも1つの例に従って、どのようにして図2の本開示の永久磁石同期発電機（PMSG）の固定子二次巻線（SSW）によって生成される磁場
Figure 2019106872
 で、永久磁石（PM）の磁場
Figure 2019106872
 を強めることができるのかを示すグラフである。
本開示の少なくとも1つの例による永久磁石同期発電機（PMSG）の永久磁石（PM）磁場を修正するための固定子二次巻線（SSW）のための本開示の方法を示すフロー図である。
本明細書に開示される方法および装置は、永久磁石同期発電機（PMSG）の永久磁石（PM）磁場を修正するための二次巻線用の有効なシステムを提供する。1つ以上の例において、本開示のシステムは、固定子二次巻線（SSW）の設計および制御方法によって、永久磁石同期発電機の永久磁石磁場を修正することを可能にする。とくに、本開示のシステムは、永久磁石同期発電機における固定子二次巻線を使用する。少なくとも1つの例において、固定子二次巻線は、（1）永久磁石同期発電機の永久磁石磁場を打ち消して、短絡（SC）故障から発電機を保護するために、磁場を生成する。いくつかの例において、固定子二次巻線は、永久磁石同期発電機の永久磁石磁場を（2）弱め、あるいは（3）強めるために、磁場を生成する。具体的には、固定子の二次巻線は、短絡故障に対する保護を提供し、さらには磁場を弱め、あるいは強めるために、永久磁石の主磁場の磁束鎖交の制御を可能にする。
すでに述べたように、PMSGにおいては、装置のシャフトに結合した回転子に取り付けられた永久磁石が、不変の磁場を生成する。短絡故障の場合に、不変の永久磁石の磁場強度が、回転子が回転する限りにおいて発電機の固定子巻線（すなわち、固定子一次巻線）を励磁し続け、結果として、機械が完全に停止するまで大きな短絡電流が流れ続ける。この継続的かつ大きな短絡電流は、発電機に著しい損傷を引き起こし、発電機を使用不可能にする可能性がある。
発電機の短絡保護に現時点において使用されている従来からの方法は、回線に設置される熱磁気式の回路遮断器の使用である。この種の回路遮断器の使用の欠点は、熱効果が、作動に比較的長い時間を必要とすることである。さらに、この回路遮断器も、故障を免れない。これらの場合のどちらにおいても、回路遮断器は、発電機を保護することができない可能性がある。本開示のシステムは、発電機を短絡故障から保護するために、発電機の永久磁石磁場を打ち消すための磁場を、永久磁石同期発電機の固定子二次巻線（SSW）に発生させる。
以下の説明では、システムのより完全な説明を提供するために、多くの詳細が述べられる。しかしながら、開示されたシステムを、これらの特定の詳細を備えなくても実施できることは、当業者にとって明らかであろう。他の場合において、周知の特徴は、システムを不必要に不明瞭にすることがないよう、詳細には説明されていない。本開示の例は、本明細書において、機能的および／または論理的な構成要素、ならびに種々の処理ステップに関して説明され得る。そのような構成要素を、特定の機能を実行するように構成された任意のいくつかのハードウェア、ソフトウェア、および／またはファームウェア構成要素によって実現できることを、理解されたい。例えば、本開示の一例は、1つ以上のプロセッサ、マイクロプロセッサ、または他の制御デバイスの制御下で種々の機能を実行することができる種々の集積回路構成要素（例えば、メモリ素子、デジタル信号処理素子、論理素子、ルックアップテーブル、など）を使用することができるさらに、当業者であれば、本開示の例を他の構成要素と組み合わせて実施することができ、本明細書に記載のシステムが本開示の単なる一例にすぎないことを、理解できるであろう。
簡潔さのために、発電機に関する従来からの技術および構成要素、ならびにシステム（および、システムの個々の動作構成要素）の他の機能的側面は、本明細書では詳細には説明しない。さらに、本明細書に含まれる種々の図に示される接続線は、種々の要素間の典型的な機能的関係および／または物理的結合を表すように意図されている。本開示の例において、多数の代替または追加の機能的関係または物理的接続が存在し得ることに、注意すべきである。
図1は、従来からの永久磁石同期発電機（PMSG）100を、この発電機の固定子一次巻線（SPW）120によって生成される三相電流110と併せて示す図である。この図において、PMSG100は、円形の形状であり、複数のバー150を備えている。この図において、PMSG100は、6つのバー150を備えている。6つのバー150上に、3対の固定子一次巻線（SPW）120が構成され、A相の巻線（a−a’）、B相の巻線（b−b’）、およびC相の巻線（c−c’）を形成している。各々の巻線は、2つのコイルを備え（例えば、A相の巻線は、コイルaおよびコイルa’を備える）、各々のコイルは、複数の巻きを含むことができる（図1では、各々のコイルについて3巻きが例として示されている）。また、図1において、左側の図は、PMSG100の物理的な図を示し、右側の図は、三相固定子一次巻線120の電気記号を示している。
PMSG100は、永久磁石（PM）130をさらに備える。永久磁石130は、原動力（例えば、機械）（図示せず）のシャフトに結合した回転子（図示せず）に取り付けられる。永久磁石130は、北端（「N」と標記されている）および南端（「S」と標記されている）を有する細長いバーの形態で描かれている。永久磁石130を、図1に示した細長いバー以外の種々のさまざまな形状となるように製造してもよいことに、注意すべきである。さらに、永久磁石130が、磁極（例えば、北端および南端）の対を、図1に示したものよりも多く、2対以上備えてもよいことに、注意すべきである。
機械が動作しているとき、回転子は、矢印140の方向に回転し、したがって永久磁石130も、それに応じて回転する。永久磁石130の回転は、不変の励磁磁場（例えば、永久磁石磁場）
Figure 2019106872
を作り出す。この不変の励磁磁場（例えば、永久磁石磁場）
Figure 2019106872
が、固定子一次巻線120のコイルを通して結合する（すなわち、コイルを貫いて広がる）ことにより、固定子一次巻線120に三相電流（例えば、一次電流）110を発生させる。PMSG100の全磁場
Figure 2019106872
が、永久磁石磁場
Figure 2019106872
だけを含むことに、注意すべきである。
図2は、本開示の少なくとも1つの例による固定子二次巻線（SSW）260を使用する本開示の永久磁石同期発電機（PMSG）200を、固定子一次巻線（SPW）220によって生成される三相電流210および固定子二次巻線（SSW）260を流れる三相電流270と併せて示す図である。図2の本開示のPMSG200は、本開示のPMSG200が固定子二次巻線260をさらに備える点を除いて、図1の従来からのPMSG100と同様である。
この図において、PMSG200は、円形の形状であり、複数のバー250を備えている。この図において、PMSG200は、6つのバー250を備えている。他の例において、PMSG200が、図2に示されている6つのバー250よりも多数または少数のバー250を備えてもよいことに、注意すべきである。6つのバー250上に、3対の固定子一次巻線（SPW）220が構成され、A相の巻線（a−a’）、B相の巻線（b−b’）、およびC相の巻線（c−c’）を形成している。各々の巻線は、2つのコイルを備え（例えば、A相の巻線は、コイルaおよびコイルa’を備える）、各々のコイルは、複数の巻きを含むことができる（図2では、各々のコイルについて3巻きが例として示されている）。
さらに、この図において、6つのバー250上に、3対の固定子二次巻線（SSW）260が構成され、A相の巻線（a−a’）、B相の巻線（b−b’）、およびC相の巻線（c−c’）を形成している。各々の巻線は、2つのコイルを備え（例えば、A相の巻線は、コイルaおよびコイルa’を備える）、各々のコイルは、複数の巻きを含むことができる（図2では、各々のコイルについて1巻きが例として示されている）。
また、図2において、左側の図は、PMSG100の物理的な図を示し、右上の図は、三相固定子一次巻線220の電気記号を示し、右下の図は、三相固定子二次巻線260の電気記号を示している。
PMSG200は、永久磁石（PM）230をさらに備える。永久磁石230は、原動力（例えば、機械）（図示せず）のシャフトに結合した回転子（図示せず）に取り付けられる。1つ以上の例において、機械は、空中ビークル（例えば、航空機）、地上ビークル（例えば、トラックまたは乗用車）、または海洋ビークル（例えば、船舶またはボート）などのビークルのモーターまたはエンジンであってよい。永久磁石230は、北端（「N」と標記されている）および南端（「S」と標記されている）を有する細長いバーの形態で描かれている。1つ以上の例において、永久磁石230を、図2に示した細長いバー以外の種々のさまざまな形状となるように製造してもよいことに、注意すべきである。さらに、永久磁石230が、磁極（例えば、北端および南端）の対を、図2に示したものよりも多く、2対以上備えてもよいことに、注意すべきである。
機械が動作しているとき、回転子は、矢印240の方向に回転し、したがって永久磁石230も、それに応じて回転する。永久磁石230の回転は、不変の励磁磁場（例えば、永久磁石磁場）
Figure 2019106872
を作り出す。この不変の励磁磁場（例えば、永久磁石磁場）
Figure 2019106872
が、固定子一次巻線220のコイルを通して結合する（すなわち、コイルを貫いて広がる）ことにより、固定子一次巻線220に三相電流（例えば、一次電流）210を発生させる。
また、動作中に、固定子一次巻線220は、配電のための三相電流（例えば、一次電流）210を発生させる。PMSG200の固定子二次巻線260は、電源（例えば、図3Aおよび図6Aの300を参照）から三相電流（例えば、二次電流）270を引き出す。典型的な電源の動作に関する詳細は、図6Aおよび図6Bの説明において後述される。
三相電流（例えば、二次電流）270は、特別に調整された三相正弦波電流（例えば、図3Bを参照）または三相準正弦波電流である。固定子二次巻線260へと注入された三相電流（例えば、二次電流）270は、固定子一次巻線220と結合して固定子二次巻線磁場
Figure 2019106872
を生じさせる回転磁場を作り出す。永久磁石磁場
Figure 2019106872
と固定子二次巻線磁場
Figure 2019106872
とがPMSG200の全磁場（ψgen）を一緒に作り出す。1つ以上の例において、固定子二次巻線磁場
Figure 2019106872
が、永久磁石磁場
Figure 2019106872
を打ち消し、永久磁石磁場に加算され、あるいは永久磁石磁場から引き算されることで、永久磁石磁場
Figure 2019106872
だけを含むPMSG200の当初の全磁場
Figure 2019106872
を修正する（例えば、相殺し、強め、あるいは弱める）ことに、注意すべきである。
PMSG200が、図2に示されている6つのバー250よりも多数または少数のバー250を備えるように製造される場合、一次電流210、二次電流270、および電源（例えば、図3Aおよび図6Aの300を参照）の各々が、三相よりも多数または少数であってよいことに、注意すべきである。具体的には、一次電流210、二次電流270、および電源（例えば、図3Aおよび図6Aの300を参照）の各々は、PMSG200のバー250の数の半分に等しい数の相を含むと考えられる。例えば、PMSG200が8つのバーを備えるように製造される場合、一次電流210、二次電流270、および電源の各々は、4相を含むと考えられる。
図3Aは、図2の本開示の永久磁石同期発電機（PMSG）200において使用すべく採用され得る本開示の少なくとも1つの例による典型的な三相電源（TPS）300の図である。この図において、PMSG200の固定子二次巻線260が、三相電源300に接続されている。三相電源300は、コントローラー310と、複数のスイッチ（例えば、6つのスイッチ）320と、電圧源（例えば、直流電圧源（Vdc））330とを備える。他の例においては、複数のスイッチ320のスイッチの数が、図3Aに示されるとおりのスイッチの数（すなわち、6つのスイッチ）よりも少なくても、あるいは多くてもよいことに、注意すべきである。
三相電源300の動作時、電圧源330が、電圧を供給する一方で、コントローラー310が、複数のスイッチ320に切り替えを指示する。複数のスイッチ320の切り替えは、PMSG200の固定子二次巻線260によって引き出される三相電流（例えば、二次電流）270を生じさせる。三相電流（例えば、二次電流）270は、周期の3分の1だけ時間的にオフセットされた3つの正弦波電流（図3B参照）を含む。
図3Bが、本開示の少なくとも1つの例による図3Aの三相電源（TPS）300によって生成され得る典型的な正弦波電流を示すグラフである。とくには、この図は、三相電源（TPS）300によって生成される三相電流（例えば、二次電流）270の典型的な正弦波形を示している。このグラフにおいて、x軸は時間を示し、y軸は振幅（単位は、ボルト）を示している。
PMSG200（図2を参照）の動作時に、三相電流（例えば、二次電流）270が固定子二次巻線260によって引き出されると、通電された固定子二次巻線260は、空間的に回転する磁場（すなわち、固定子二次巻線磁場）
Figure 2019106872
を生成する（図3Cを参照）。
図3Cは、本開示の少なくとも1つの例による図2の永久磁石同期発電機（PMSG）の固定子二次巻線（SSW）260によって生成される典型的な固定子二次巻線磁場
Figure 2019106872
を示すグラフである。この図において、固定子二次巻線磁場
Figure 2019106872
は、固定子二次巻線260の磁束鎖交フェーザーであり、ここでωは、回転子の速度であり、θは、回転子の位置角である。
図4Aは、本開示の少なくとも1つの例による短絡（SC）故障400に直面する図2の本開示の永久磁石同期発電機（PMSG）200を示す概略図である。1つ以上の例においては、動作中に、PMSG200が、相間の短絡故障400に直面する。他の場合には、固定子一次巻線220のうちの少なくとも1つが、接地への短絡（すなわち、相−接地の短絡）に直面する。PMSG200が短絡故障400に直面すると、本開示のシステムは、PMSG200の全磁場
Figure 2019106872
がゼロに等しくなるように永久磁石によって生成される永久磁石磁場
Figure 2019106872
を打ち消す固定子二次巻線磁場
Figure 2019106872
を固定子二次巻線260に生成させることによって、PMSG200に短絡保護を提供することができる（図4Bを参照）。
図4Bは、本開示の少なくとも1つの例に従って、どのようにして図2の本開示の永久磁石同期発電機（PMSG）200の固定子二次巻線（SSW）260によって生成される磁場
Figure 2019106872
で、永久磁石（PM）230の磁場
Figure 2019106872
を打ち消して、短絡保護をもたらすことができるのかを示す表である。この表において、表の第1行は、固定子二次巻線260が固定子二次巻線磁場
Figure 2019106872
を生じさせることを示し、表の第2行は、どのようにして永久磁石230が永久磁石磁場
Figure 2019106872
を生じさせるかを示している。永久磁石磁場
Figure 2019106872
は、永久磁石230の磁束鎖交フェーザーであり、ここでωは、回転子の速度であり、θは、回転子の位置角である。
表の右欄は、永久磁石磁場
Figure 2019106872
と大きさが同じで位相が逆である固定子二次巻線磁場
Figure 2019106872
が、どのようにして永久磁石磁場
Figure 2019106872
を打ち消してPMSG200の全磁場
Figure 2019106872
をゼロ（0）にする
Figure 2019106872
のかを示している。
図5は、本開示の少なくとも1つの例による図2の本開示の永久磁石同期発電機（PMSG）200の永久磁石（PM）230によって生成される典型的な励磁磁場
Figure 2019106872
および固定子二次巻線（SSW）260によって生成される典型的な励磁磁場
Figure 2019106872
を示すグラフである。図5に関連する以下の式は、どのようにして固定子二次巻線260によって生成される磁場
Figure 2019106872
が永久磁石230によって生成される磁場
Figure 2019106872
と数学的に関連するのかについての式を示す。
以下の式において与えられる特定の例は、短絡保護のために、永久磁石230が発生させる磁場
Figure 2019106872
を打ち消す磁場
Figure 2019106872
を固定子二次巻線260によって発生させるために、固定子二次巻線260が引き出す三相電流（例えば、二次電流）270を計算する方法を示す。
永久磁石230が発生させる磁束は、
Figure 2019106872
であり、
Figure 2019106872
は、一定であり、PM材料と生成された構造とによって決まる。
θ1は、測定可能である。
固定子二次巻線260が発生させる磁束は、下記のとおりである。
Figure 2019106872
ここで、kは、定数であり、発電機の材料および構造によって決定される。
Figure 2019106872
を完全に打ち消すためには、
Figure 2019106872
である。
したがって、
Figure 2019106872
であり、
θ2＝90＋θ1
である。
最後に、三相電源300のコントローラー310は、三相電源300の複数のスイッチ（例えば、6つのスイッチ）320に対し、一緒に式1と称される以下の式を使用して三相電流（例えば、二次電流）270をPMSG200の固定子二次巻線260に注入するように指令する。
Figure 2019106872
以上の式を（わずかな変更を加えて）使用して、磁場を強め、あるいは弱めるために、永久磁石230が発生させる磁場
Figure 2019106872
 に加算され、あるいは永久磁石230が発生される磁場から引き算される磁場（ψssw）を固定子二次巻線260によって発生させるために、固定子二次巻線260によって引き出されるべき三相電流（例えば、二次電流）270を計算できることに、注意すべきである。
図6Aは、本開示の少なくとも1つの例による永久磁石同期発電機（PMSG）200の永久磁石（PM）磁場
Figure 2019106872
を修正するための固定子二次巻線（SSW）260のための本開示のシステムを示す図である。この図において、三相電源（TPS）300は、コントローラー310と、複数のスイッチ（例えば、6つのスイッチ）320と、電圧源（例えば、直流電源（Vdc））330とを備える。1つ以上の例において、スイッチ320は、インバータを形成する。
図6Bは、本開示の少なくとも1つの例による図6Aの永久磁石同期発電機（PMSG）200の永久磁石（PM）磁場
Figure 2019106872
を修正するための固定子二次巻線（SSW）260のための本開示のシステムのコントローラー310の機能図である。
図6Aおよび図6Bを参照すると、三相電源300の動作時に、一次センサ（例えば、電流トランスデューサ）620が、固定子一次巻線220によって生成された三相電流（例えば、一次電流）210を検出する。次いで、一次センサ620は、検出された三相電流（例えば、一次電流）210に基づいて、一次電流信号（Iload）（すなわち、一次電流の測定値）610を生成する。
また、動作時に、二次センサ（例えば、電流トランスデューサ）660は、固定子二次巻線260によって引き出される三相電流（例えば、二次電流）270を検出する。次いで、二次センサ660は、検出された三相電流（例えば、二次電流）270に基づいて、二次電流信号（ISSW）（すなわち、二次電流の測定値）670を生成する。
動作時に、電圧源330が電圧を供給する一方で、コントローラーは、一次センサ（例えば、電流トランスデューサ）620から一次電流信号（Iload）610を受信し、二次センサ（例えば、電流トランスデューサ）660から二次電流信号（ISSW）670を受信し、永久磁石230の回転子の位置角θを受信する。
コントローラー310の比較器600が、一次電流信号（Iload）610を所定の最大電流（Imax）と比較して、Iload610がImaxより大きいかどうかを判定する。比較器600がIload610がImax以下であると判定した場合、この判定は、PMSG200が短絡故障400に直面していないことを示し、比較器は、コントローラー310のスイッチ620を「No」位置（例えば、第1の位置）へと切り替える信号（例えば、「0」信号）を出力する。スイッチ620が「No」位置へと切り替えられた後に、コントローラー310の少なくとも1つのプロセッサ（図示せず）は、コントローラー310に単に一次電流信号（Iload）610を所定の最大電流（Imax）と比較してIload610がImaxよりも大きいか否かを判定する比較器600のプロセスを繰り返させるだけで、他に何も実行させない（すなわち、ゼロ）610。
しかしながら、比較器600がIload610がImaxよりも大きいと判定した場合、これは、PMSG200が短絡故障400に直面していることを示し、比較器は、スイッチ620を「Yes」位置（すなわち、第2の位置）へと切り替える信号（例えば、「1」信号）を出力する。スイッチ620が「Yes」位置へと切り替えられた後に、コントローラー310のプロセッサは、上述の式1の式を永久磁石230の回転子の位置角θとともに使用して、短絡保護のために、永久磁石230によって生成される磁場
Figure 2019106872
を打ち消す磁場（ψssw）を固定子二次巻線260によって生成するために、固定子二次巻線260によって引き出される三相電流（例えば、計算された二次電流）を算出する。
図6Bの機能図は、式1の式の使用を指定しているが、他の例においては、式1の式の代わりに、式1の式のわずかな修正を使用して、永久磁石230が発生させる磁場
Figure 2019106872
を強め、あるいは弱めるための固定子二次巻線磁場
Figure 2019106872
を生成できることに、注意すべきである。
次いで、コントローラー310の減算器630が、算出された三相電流（例えば、計算された二次電流）から、二次センサ（例えば、電流トランスデューサ）660から受信される二次電流信号（ISSW）670を引き算して、これらの電流の間の差（すなわち、差分値）を求める。次いで、この差分値が、比例積分微分コントローラー（PID）640に入力される。PID640は、差分値に正確かつ迅速な補正を適用して、補正された差分値を生成する。次いで、補正された差分値は、パルス幅変調（PWM）発生器650に入力される。PWM発生器650は、補正された差分値を使用して、複数のスイッチ320の各々のスイッチのためのパルス列を生成する（例えば、6つのスイッチの各々に1つずつ、合計6つのパルス列を生成する）。次いで、コントローラー310は、パルス列を出力する。
次いで、パルス列は、複数のスイッチ320へと入力される。パルス列は、複数のスイッチ320の切り替えを指令する。複数のスイッチ320の切り替えは、三相電流（例えば、二次電流）270を生じさせるように信号を変調する。三相電流（例えば、二次電流）270は、PMSG200の固定子二次巻線260によって引き出される。固定子二次巻線260へと注入された三相電流（例えば、二次電流）270は、固定子一次巻線220と結合して固定子二次巻線磁場
Figure 2019106872
を生じさせる回転磁場を作り出す。固定子の二次巻線磁場
Figure 2019106872
は、短絡保護のために永久磁石磁場
Figure 2019106872
を打ち消す。
図7は、本開示の少なくとも1つの例に従って、どのようにして図2の本開示の永久磁石同期発電機（PMSG）の固定子二次巻線（SSW）によって生成される磁場
Figure 2019106872
で、永久磁石（PM）の磁場
Figure 2019106872
を弱めることができるのかを示すグラフである。このグラフは、永久磁石磁場
Figure 2019106872
よりも大きさが小さくて位相が逆である固定子二次巻線磁場
Figure 2019106872
を示している。固定子二次巻線磁場
Figure 2019106872
は、永久磁石磁場
Figure 2019106872
 を弱める効果を有し、したがって、PMSG200の全磁場
Figure 2019106872
 が弱められる。
図8は、本開示の少なくとも1つの例に従って、どのようにして図2の本開示の永久磁石同期発電機（PMSG）の固定子二次巻線（SSW）によって生成される磁場
Figure 2019106872
で、永久磁石（PM）の磁場
Figure 2019106872
を強めることができるのかを示すグラフである。このグラフは、永久磁石磁場
Figure 2019106872
よりも大きさが小さくて位相が同じである固定子二次巻線磁場
Figure 2019106872
を示している。固定子二次巻線磁場
Figure 2019106872
は、永久磁石磁場
Figure 2019106872
を強める効果を有し、したがって、PMSG200の全磁場
Figure 2019106872
が強められる。
他の例において、固定子二次巻線磁場
Figure 2019106872
が、永久磁石磁場
Figure 2019106872
ならびにPMSG200の全磁場
Figure 2019106872
を強めるために、永久磁石磁場
Figure 2019106872
よりも小さい大きさまたは大きい大きさ、かつ同じ位相であってよいことに、注意すべきである。
図9は、本開示の少なくとも1つの例による永久磁石同期発電機（PMSG）の永久磁石（PM）磁場を修正するための固定子二次巻線（SSW）のための本開示の方法900を示すフロー図である。この方法の開始910において、PMSGの永久磁石（PM）が回転させられる（920）。永久磁石は、永久磁石磁場を生成する（930）。永久磁石磁場は、PMSGの複数の固定子一次巻線（SPW）を通って広がる。固定子一次巻線は、永久磁石磁場から一次電流を生成する（940）。次いで、PMSGの複数の固定子二次巻線（SSW）が、電源から二次電流を引き出す（950）。複数の固定子二次巻線は、二次電流から固定子二次巻線磁場を生成する（960）。永久磁石磁場および固定子二次巻線磁場がPMSGの全磁場を一緒に作り出す。その後に、方法900は終了する（970）。
さらに、本開示は、以下の条項による例を含む。
条項1．永久磁石同期発電機（PMSG）（200）のための方法であって、
前記PMSG（200）の永久磁石（PM）（230）を回転させるステップと、
前記回転する永久磁石（230）から、永久磁石磁場を生成するステップであって、
前記永久磁石磁場が、前記PMSG（200）の複数の固定子一次巻線（SPW）（220）を通して結合する、
ステップと、
前記固定子一次巻線（220）によって前記永久磁石磁場から一次電流を生成するステップと、
前記PMSG（200）の複数の固定子二次巻線（SSW）（260）によって電源（300）から二次電流を引き出すステップと、
前記固定子二次巻線（260）によって前記二次電流から固定子二次巻線磁場を生成するステップと
を含み、
前記永久磁石磁場および前記固定子二次巻線磁場が前記PMSG（200）の全磁場を一緒に作り出す、
方法。
条項2．前記固定子二次巻線磁場は、前記永久磁石磁場を打ち消し、弱め、あるいは強める、条項1に記載の方法。
条項3．前記永久磁石（230）は、回転子に取り付けられている、条項1に記載の方法。
条項4．前記一次電流は、三相電流である、条項1に記載の方法。
条項5．前記電源（300）は、三相電源（TPS）である、条項1に記載の方法。
条項6．前記二次電流は、三相正弦波電流または三相準正弦波電流である、条項1に記載の方法。
条項7．前記電源（300）は、コントローラー（310）と、複数のスイッチ（320）と、直流（DC）電源（330）とを含む、条項1に記載の方法。
条項8．前記スイッチ（320）は、インバータを形成する、条項7に記載の方法。
条項9．前記コントローラー（310）によって負荷電流を最大電流と比較するステップをさらに含む、条項7に記載の方法。
条項10．前記負荷電流が前記最大電流よりも大きいときに前記コントローラー（310）によって複数のパルス列を生成するステップをさらに含む、条項9に記載の方法。
条項11．前記パルス列を使用することによって前記複数のスイッチ（320）を切り替えて前記二次電流を生じさせるステップをさらに含む、条項10に記載の方法。
条項12．永久磁石同期発電機（PMSG）（200）のためのシステムであって、
回転して永久磁石磁場を生成するPMSG（200）の永久磁石（PM）（230）と、
前記永久磁石磁場から一次電流を生成する前記PMSG（200）の複数の固定子一次巻線（SPW）（220）と、
電源（300）から二次電流を引き出し、前記二次電流から固定子二次巻線磁場を生成する前記PMSG（200）の複数の固定子二次巻線（SSW）（260）と
を備え、
前記永久磁石磁場および前記固定子二次巻線磁場が前記PMSG（200）の全磁場を一緒に作り出す、システム。
条項13．前記固定子二次巻線磁場は、前記永久磁石磁場を打ち消し、弱め、あるいは強める、条項12に記載のシステム。
条項14．前記永久磁石（230）は、回転子に取り付けられている、条項12に記載のシステム。
条項15．前記電源（300）は、三相電源（TPS）である、条項12に記載のシステム。
条項16．前記二次電流は、三相正弦波電流または三相準正弦波電流である、条項12に記載のシステム。
条項17．前記電源（300）は、コントローラー（310）と、複数のスイッチ（320）と、直流（DC）電源（330）とを含む、条項12に記載のシステム。
条項18．前記コントローラー（310）は、負荷電流を最大電流と比較する、条項17に記載のシステム。
条項19．前記コントローラー（310）は、前記負荷電流が前記最大電流よりも大きいときに複数のパルス列を生成する、条項18に記載のシステム。
条項20．永久磁石同期発電機（PMSG）（200）のためのコントローラー（310）であって、
（1）PMSG（200）の複数の固定子一次巻線（SPW）（220）によって生成される一次電流の測定値である一次電流信号（Iload）を所定の最大電流（Imax）と比較して、前記一次電流信号（Iload）が前記所定の最大電流（Imax）よりも大きいか否かを判定し、（2）前記一次電流信号（Iload）が前記所定の最大電流（Imax）以下であると判定したときに、スイッチ（620）を第1の位置へと切り替える信号を出力し、（3）前記一次電流信号（Iload）が前記所定の最大電流（Imax）よりも大きいと判定したときに、前記スイッチ（620）を第2の位置へと切り替える信号を出力する、ように動作することができる比較器（600）と、
（1）前記スイッチ（620）が前記第1の位置へと切り替えられたときに、前記比較器（600）に前記比較の実行を続けさせ、（2）前記スイッチ（620）が前記第2の位置へと切り替えられたときに、前記PMSG（200）の全磁場を修正するための固定子二次巻線磁場を前記PMSG（200）の複数の固定子二次巻線（SSW）（260）に生成させるために前記固定子二次巻線（260）によって引き出されるべき計算された二次電流を決定する、ように動作することができる少なくとも1つのプロセッサと、
前記固定子二次巻線（260）によって引き出される二次電流の測定値である二次電流信号（ISSW）を前記計算された二次電流から引き算して差分値を決定するように動作することができる減算器（630）と、
前記差分値に正確かつ迅速な補正を加えて補正された差分値を生成するように動作することができる比例積分微分コントローラー（PID）（640）と、
前記補正された差分値に基づいて、前記PMSG（200）の前記固定子二次巻線磁場を生成するために使用される少なくとも1つのパルス列を生成するように動作することができるパルス幅変調（PWM）発生器（650）と
を備える、コントローラー（310）。
特定の例を示して説明したが、以上の検討が、これらの例の範囲を限定しようとするものではないことを、理解されたい。本発明の多数の態様の例および変形を本明細書において開示および説明してきたが、そのような開示は、あくまでも説明および例示の目的で提示されているにすぎない。したがって、特許請求の範囲の技術的範囲から外れることなく、さまざまな変更および修正を行うことが可能である。
上述の方法が、特定の順序で起きる特定の事象を示している場合に、当業者であれば、本開示に鑑みて、そのような順序が変更可能であり、そのような変更が本開示のいくつかの変形に合致していることを、理解できるであろう。さらに、方法の一部を、可能であれば並行処理にて同時に実行しても、順次に実行してもよい。さらに、方法のより多くの部分またはより少ない部分を実行してもよい。
したがって、例は、特許請求の範囲の技術的範囲に包含され得る代替物、改変物、および等価物を例示するように意図されている。
説明に役立つ特定の例および方法を本明細書において開示したが、そのような例および方法の変形および改変を、開示された技術の真の精神および範囲から逸脱することなく行うことができることが、以上の開示から当業者にとって明らかであろう。開示された技術について、細部の問題においてのみ互いに相違する多数の他の例が存在する。したがって、開示された技術を、添付の特許請求の範囲ならびに適用法の規則および原則によって要求される範囲を超えて限定してはならない。
100 永久磁石同期発電機（PMSG）
110 三相電流（一次電流）
120 三相固定子一次巻線（SPW）
130 永久磁石（PM）
140 矢印
150 バー
200 永久磁石同期発電機（PMSG）
210 三相電流、一次電流
220 三相固定子一次巻線（SPW）
230 永久磁石（PM）
240 矢印
250 バー
260 固定子二次巻線
270 三相電流、二次電流
300 三相電源（TPS）
310 コントローラー
320 スイッチ
330 電圧源
400 短絡故障
600 比較器
610 一次電流信号
620 一次センサ、スイッチ
630 減算器
640 比例積分微分コントローラー（PID）
650 PWM発生器
660 二次センサ
670 二次電流信号（ISSW）
910 開始

Claims (15)

  1. 永久磁石同期発電機（PMSG）（200）のための方法であって、
    前記PMSG（200）の永久磁石（PM）（230）を回転させるステップと、
    回転する前記永久磁石（230）から、永久磁石磁場を生成するステップであって、前記永久磁石磁場が、前記PMSG（200）の複数の固定子一次巻線（SPW）（220）を通して結合する、ステップと、
    前記固定子一次巻線（220）によって前記永久磁石磁場から一次電流を生成するステップと、
    前記PMSG（200）の複数の固定子二次巻線（SSW）（260）によって電源（300）から二次電流を引き出すステップと、
    前記固定子二次巻線（260）によって前記二次電流から固定子二次巻線磁場を生成するステップと
    を含み、
    前記永久磁石磁場および前記固定子二次巻線磁場が前記PMSG（200）の全磁場を一緒に作り出す、方法。
  2. 前記固定子二次巻線磁場は、前記永久磁石磁場を打ち消し、弱め、あるいは強める、請求項1に記載の方法。
  3. 前記一次電流は、三相電流であり、前記電源（300）は、三相電源（TPS）であり、前記二次電流は、三相正弦波電流または三相準正弦波電流である、請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記電源（300）は、コントローラー（310）と、複数のスイッチ（320）と、直流（DC）電源（330）とを含む、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記方法が、前記コントローラー（310）によって負荷電流を最大電流と比較するステップをさらに含む、請求項4に記載の方法。
  6. 前記方法が、前記負荷電流が前記最大電流よりも大きいときに前記コントローラー（310）によって複数のパルス列を生成するステップをさらに含む、請求項5に記載の方法。
  7. 前記方法が、前記パルス列を使用することによって前記複数のスイッチ（320）を切り替えて前記二次電流を生じさせるステップをさらに含む、請求項6に記載の方法。
  8. 永久磁石同期発電機（PMSG）（200）のためのシステムであって、前記システムが、
    回転して永久磁石磁場を生成するPMSG（200）の永久磁石（PM）（230）と、
    前記永久磁石磁場から一次電流を生成する前記PMSG（200）の複数の固定子一次巻線（SPW）（220）と、
    電源（300）から二次電流を引き出し、前記二次電流から固定子二次巻線磁場を生成する前記PMSG（200）の複数の固定子二次巻線（SSW）（260）と
    を備え、
    前記永久磁石磁場および前記固定子二次巻線磁場が前記PMSG（200）の全磁場を一緒に作り出す、システム。
  9. 前記固定子二次巻線磁場は、前記永久磁石磁場を打ち消し、弱め、あるいは強める、請求項8に記載のシステム。
  10. 前記永久磁石（230）は、回転子に取り付けられている、請求項8または9に記載のシステム。
  11. 前記二次電流は、三相正弦波電流または三相準正弦波電流である、請求項8から10のいずれか一項に記載のシステム。
  12. 前記電源（300）は、コントローラー（310）と、複数のスイッチ（320）と、直流（DC）電源（330）とを含む、請求項8から11のいずれか一項に記載のシステム。
  13. 前記コントローラー（310）は、負荷電流を最大電流と比較する、請求項12に記載のシステム。
  14. 前記コントローラー（310）は、負荷電流が最大電流よりも大きいときに複数のパルス列を生成する、請求項12または13に記載のシステム。
  15. 永久磁石同期発電機（PMSG）（200）のためのコントローラー（310）であって、前記コントローラーが、
    （1）PMSG（200）の複数の固定子一次巻線（SPW）（220）によって生成される一次電流の測定値である一次電流信号（Iload）を所定の最大電流（Imax）と比較して、前記一次電流信号（Iload）が前記所定の最大電流（Imax）よりも大きいか否かを判定し、（2）前記一次電流信号（Iload）が前記所定の最大電流（Imax）以下であると判定したときに、スイッチ（620）を第1の位置へと切り替える信号を出力し、（3）前記一次電流信号（Iload）が前記所定の最大電流（Imax）よりも大きいと判定したときに、前記スイッチ（620）を第2の位置へと切り替える信号を出力する、ように動作することができる比較器（600）と、
    （1）前記スイッチ（620）が前記第1の位置へと切り替えられたときに、前記比較器（600）に前記比較の実行を続けさせ、（2）前記スイッチ（620）が前記第2の位置へと切り替えられたときに、前記PMSG（200）の全磁場を修正するための固定子二次巻線磁場を前記PMSG（200）の複数の固定子二次巻線（SSW）（260）に生成させるために前記固定子二次巻線（260）によって引き出されるべき計算された二次電流を決定する、ように動作することができる少なくとも1つのプロセッサと、
    前記固定子二次巻線（260）によって引き出される二次電流の測定値である二次電流信号（ISSW）を前記計算された二次電流から引き算して差分値を決定するように動作することができる減算器（630）と、
    前記差分値に正確かつ迅速な補正を加えて補正された差分値を生成するように動作することができる比例積分微分コントローラー（PID）（640）と、
    前記補正された差分値に基づいて、前記PMSG（200）の前記固定子二次巻線磁場を生成するために使用される少なくとも1つのパルス列を生成するように動作することができるパルス幅変調（PWM）発生器（650）と
    を備える、コントローラー（310）。
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