JP5535422B2 - 永久磁石励磁型同期電気機器の電源中の高周波ひずみの監視回路 - Google Patents

Description

本発明は、ダンパケージを有さない回転子、第１、第２、第３巻線を有する固定子、周波数コンバータ、周波数コンバータを制御するための制御回路を具備する、永久磁石励磁型同期電気機器の電源中の高周波ひずみの監視回路に関する。

速度可変周波数コンバータによって制御され、またモーターまたは発電機として動作可能な永久磁石励磁型同期機器は、体積当たり高い電力密度を提供する。

この種の機器が生み出す損失は、回転子内では非常に小さく、また小さな負剛性という特徴を有する。よって、このような電気機器は、磁気軸受とともに用いられることに適している。

このような同期機器は、非常に高速で動作することが可能である。

ある技術では、このような同期機器の回転子は、磁石鋼の中実軸の表面に取り付けられた永久磁石を具備する。遠心力による離脱を回避するために、カーボンファイバーまたはグラスファイバーの固定帯（bonding band）が用いられる。この技術は、秒速３００メートル（ｍ／ｓ）ほど大きな線形速度にも耐え得る。

５０キロワット（ｋＷ）程度を超える電力レベルについては、機器の固定子は、一般に液体によって冷却される。エアギャップに空気または他の冷却ガスが導入されて、エアギャップを換気しても良いが、このような機器を冷却することが依然難しい。

永久磁石励磁型同期機器は、ダンパケージを有さない回転子を有する。よって、周波数コンバータがこれらを可変速度で制御する必要がある。このコンバータは、機器の回転子コイルに、振幅および周波数が可変の電流を供給する。

上記したように、モーターモードまたは発電機モードでの動作が可能である。同期機器の制御と同様な開ループでの可変速度制御は、同期を失うリスクを回避するために、角発振（angular oscillation）が電気的に安定することを要求する。

システムの強度を改善するために、コンバータを同期させるために機器の回転角（angular position）に関する情報を利用することが好ましい。このような外部同期化は、回転している機器が、同期が失われた際に自動で再度同期を取ることを可能にする。

その動作の仕方ゆえに、周波数コンバータは、機器の位相電流において高調波を生じる。これらの高調波、および直流電流（ＤＣ）は、固定子および回転子内でさらなる損失を生み出す。固定帯の下、磁石内、中実軸内で生じる回転子の損失は、この種の機器において特に重大である。複合材料の固定帯は、回転子が効率的に冷却することを妨げる断熱材である。小さな損失であっても、温度を、約１５０℃の許容限度を超えるまでに急速に上昇させる。

この問題を改善するために、高調波成分を許容値未満まで減ずるための電力フィルタを用いることが既に提案されている。電力が５０ｋＷを超える機器の場合、許容される最大の閾値の大きさの範囲は、高調波成分の総量５乃至１０％に等しい。

電力フィルタを用いた場合でも、現実には、高調波ひずみが、最大の許容値を超えるまで上昇することがある。これは、例えば、周波数コンバータを制御する電気回路が不安定であること、または電力フィルタまたは配線内の不良が理由である。

このような状況の場合、回転子の温度は急速に上昇し、永久磁石の保持のための固定帯の破壊、ひいては機器全体の破壊に繋がる。

従来の解決策、例えば回転子の温度を観測することは、このような局所的な温度上昇を、特にこれが固定帯で発生した場合に回避することができない。

本発明の目的は、上記の欠点を改善し、回転子内の損失によって生じる温度上昇が起こった場合に、機器が損傷を受けたり破壊されたりする前に、機器が緊急停止を実行できるようにすることである。

本発明の別の目的は、簡便で、安価で、信頼でき、壊れやすいまたは高価な部品を必要とせず、同期機器と結合されたコンバータの動作に対する何らの変更も必要としない、解決策を提供することである。

これらの目的は、永久磁石励磁型同期電気機器の電源における高調波ひずみの監視回路であって、前記同期電気機器は、ダンパケージを有さない回転子と、第１、第２、第３巻線を有する固定子と、周波数コンバータと、前記周波数コンバータを制御するための制御回路と、を具備し、前記監視回路は、前記固定子の前記第１巻線内の電流を表す少なくとも１つの信号と前記固定子の前記第２巻線内の電流を表す少なくとも１つの信号と、を取得するための手段と、前記固定子に対する前記回転子の回転の電気的周波数ｆｎを反映する同期パルスを生成するための回路と、前記固定子の前記第３巻線内の電流を表す信号を求めるための手段と、前記電気的周波数ｆｎに対応する高調波を拒否するために、前記第１、第２、第３巻線内の前記電流を表す前記信号をそれぞれ受け取り、前記回転子の回転の前記電気的周波数ｆｎへとサーボ制御された中心周波数をそれぞれが出力する、１組の帯域阻止ノッチフィルタと、前記帯域阻止ノッチフィルタのそれぞれから出力された信号中に残存する高調波を計測するための計測回路と、前記計測回路からの前記信号の値のうちで最大のものを警告閾値と継続して比較するためのコンパレータ回路と、を具備する回路によって達成される。

前記帯域阻止ノッチフィルタは、スイッチ・キャパシタ型であり得る。

有利な形態としては、前記帯域阻止ノッチフィルタは、前記回転子の回転の電気的周波数の値の整数ｎ倍に等しいクロック周波数ｎ．ｆｎを出力する。

ある特定の実施形態では、本回路は、同期パルスを生成するための前記回路によってもたらされる前記回転子の回転の前記電気的周波数ｆｎから前記クロック周波数ｎ．ｆｎを生成するための、位相ロックループを有する周波数乗算器回路を含む。

好ましくは、前記固定子の前記第３巻線内の電流を表す信号を求めるための前記手段は、前記第２、第３巻線内の前記電流の計測された値から前記第３巻線内の前記電流の値を計算するためのアナログ回路を具備する。

ある特定の実施形態では、前記残存する高調波を計測するための前記計測回路のそれぞれは、２乗またはマルチメータータイプの計測回路を具備する。

本発明の監視回路は、前記残存する高調波を計測するための前記計測回路と前記コンパレータ回路との間に配置されたフィルタ要素をさらに具備し得る。

ある特定の実施形態では、同期パルスを生成するための前記回路は、前記回転子の回転速度を検知するための「回転パルス」タイプセンサを具備する。

別の可能な実施形態では、本回路は、前記コンバータによる各出力位相についての電圧を表す信号を取得するための手段をさらに具備し、前記電圧と前記固定子の前記第１巻線内の前記電流を表す前記信号が同期パルスを生成するための前記回路に供給される。

本発明は、また、ダンパケージを有さない回転子と、第１、第２、第３巻線を有する回転子と、を具備する、永久磁石励磁型同期電気機器を制御するためのユニットであって、前記制御ユニットは周波数コンバータと、前記周波数コンバータを制御するための制御回路と、を具備し、前記ユニットは、上に定義した同期機器に対する電源内の高調波ひずみを監視するための回路を具備することを特徴とし、前記回転子の回転の電気的周波数ｆｎを表す同期パルスを生成するための前記回路が、前記周波数コンバータを制御するための前記制御回路内に組み込まれていることを特徴とする、ユニットを提供する。

本発明は、また、上に定義された制御ユニットを取り付けられた同期電機機器を具備する、能動磁気軸受に搭載されたロータリーアッセンブリーを駆動するためのドライバ装置を提供する。

本発明は、特に、前記同期機器の前記回転子が、表面に取り付けられた永久磁石を有する磁性鋼の中軸シャフトを具備し、前記磁石が少なくとも１つのカーボンファイバーまたはグラスファイバーの固定帯によっても保持されているドライバ装置に適用される。

有利な形態としては、本発明は、また、毎分数万回転オーダーの速度で回転するツールキャリアスピンドル、ターボ機械、またはターボ分子ポンプを駆動するための同期機器を具備するドライバ装置に適用される。

本発明の上記以外の特徴および利点は、添付の図面を参照して例として提示された具体的な実施形態についての以下の記述から明らかになる。

図１は、本発明が適用される永久磁石同期機器の例を示している。

図１において、永久磁石励磁を用いる同期動作のシンボル化された固定子１０ａは、巻線１０１、１０２、１０３を有する。巻線１０１、１０２、１０３は、位相Ｕ、Ｖ、Ｗに対応し、また共通点１００と端子５１、５２、５３との間に接続される。

動作の際、位相Ｕ、Ｖ、Ｗについての巻線１０１、１０２、１０３のそれぞれは、起電力（ｅｍｆ）１１、１２、１３によって表されることができる。起電力１１、１２、１３は、負荷が無い場合に抵抗１４、１５、１６とインダクタ１７、１８、１９により誘起される電圧に対応する。

固定子１０の端子５１、５２、５３は、線７１、７２、７３によって、周波数コンバータまたは「インバータ」２０の出力端子６１、６２、６３と接続されている。しかしながら、有利な形態としては、電力フィルタ５０が、周波数コンバータ２０の出力端子に設けられる。この場合、端子６１、６２、６３は、フィルタ５０からの出力に位置し得る。

周波数コンバータ２０は、コンバータ制御回路４０に接続されている。コンバータ２０の電力ステージは、キャパシタ２７と結合され得る直流電圧源Ｖ_DCによって電力を供給される６つの電気的スイッチ２１乃至２６のブリッジを具備する。スイッチ２１乃至２６は、制御線８０、８３を用いて制御回路４０によって制御される。これらスイッチは、５キロヘルツ（ｋＨｚ）乃至５０ｋＨｚのオーダーの高周波数で、パルス幅変調（ＰＷＭ）技術を用いて、オン／オフされる。この結果、モーターの固定子１０ａの端子間に、＋Ｖ_DCまたは−Ｖ_DCに等しい振幅の、矩形電圧パルスが発生する。

固定子電流ｉ_u、ｉ_v、ｉ_wは、サイン波変調または矩形波変調の対象とされてもよい。サイン波変調は、信号処理の点ではより複雑だが、回転子の温度上昇を小さくし、回転子の質の向上させる点で、モーターの性能向上に寄与する。矩形波変調は、実行がより簡単で、特に低電力モーター（ブラシレスタイプのモーター）で用いられる。

周波数コンバータ２０の制御回路４０は、コンバータ２０の出力端子６１、６２、６３またはモーターの固定子１０ａの入力端子５１、５２、５３において常に利用可能な電圧情報信号を信号線８５、８６、８７を介して受け取る計算回路を具備する。

同様に、巻線１０１、１０２内を流れる電流に関する情報信号ｉ_u、ｉ_vは、線８１、８２を介してコンバータ２０によって受け取られ、同様にコンバータ制御回路４０に供給される。

制御回路４０は、線８０、８３、８４上で同期パルス信号を生成する。これらの同期パルス信号は、回転子１０ｂの固定子１０ａに対する角位置を示す正のフロント（front）を有する。

制御回路４０は、また、回転当たり１パルスの形態の速度信号を線８４上で発生する。その目的は、同期モーターによって駆動されるロータリーアッセンブリーを支持する能動磁気軸受と接続された自動不安定制御システムを制御することである。

有利な形態としては、自動不安定制御システムをも含んでいるかも知れない、周波数コンバータ２０の制御回路４０は、特許書類WO 98/11662に記載されている方法で実現される。この実施形態は、角位置センサを使用することを不要にし、また後述のように本発明の監視回路と容易に組み合わされることができる。特に、制御回路４０内で生成される同期パルス信号は、周波数コンバータ２０の同期化、および後述するような同期していない高調波の検出、のために用いられることができる。

しかしながら、本発明は、周波数コンバータ２０のための制御回路の他の実施形態にも適合する。この場合、同期モーターの回転子１０ｂの回転高調波（または電気的周波数）ｆｎを示す信号を生成するために、同期パルス信号を生成するための回路を有していれば足りる。回転高調波は、モーター内でトルクを生成する、電流の有用成分を表している。例として、「回転パルス（revolution pulse）」タイプの回転速度センサがある場合、このセンサからの信号が監視回路の同期化のために直接に用いられることができ、制御回路４０がコンバータの出力端子での各位相での電圧情報信号を受け取る必要は無い。

一般に、回転高調波または電気的周波数ｆｎは、以下の関係で与えられる。

ｆｎ＝ｐ＊ｆ_mec
ただし、
ｆ_mecは機械的周波数
ｐはモーター極の対の数
である。

図３は、永久磁石１１１、１１２を付された回転子１０ｂの実施形態を示している。

回転子１０ｂは、表面に取り付けられた、例えば中実軸１１０の位置１１３、１１４によって定義される窪みにおいて受け取られるサマリウムコバルト磁石の永久磁石１１１、１１２を有する磁石鋼の中実軸１１０から構成されることができる。１つ以上のカーボンまたはグラスファイバーの固定帯１１５は、磁石１１１、１１２の位置を固定し、これらが、高速回転のときに離脱することを防止する。この高速回転は、例えば毎分回転数（ｒｐｍ）が数万であり、線形速度で３００ｍ／ｓにも達し得る。

上記のように、複合材料の固定帯１１５は、回転子１０ｂが効率的に冷却することを妨げる断熱材である。このため、モーターの位相電流内の高調波の存在によって引き起こされる、回転子の小さな損失であっても、許容される上限、例えば１５０℃を超える温度に繋がる。

（永久磁石励磁型同期機器を制御するためのユニット４００内のコンバータ制御回路４０と接続され得る）本発明の回路６０は、本機器の各位相での高調波ひずみをリアルタイムで観測し、また高調波ひずみが所定の閾値を超えた場合にリレー接点９と接続された制御線９０、９１、９２に働きかけることによって機器の緊急停止を開始する機能を有する。

電気機器の各位相内での電流高調波を計測および解析するためのデジタル式またはアナログ式の手法が存在する。しかしながら、これらの様々な手法は、比較的高価であり、動作中の機器に対して適用することが難しい。

本発明の監視回路６０は、コンバータ２０の機能に依存せず、とりわけ簡単、安価で、信頼の置けるものである。これは、この回路が高調波の検出、およびさらに任意で行われるコンバータ２０の同期化、の両方、さらに適当な場合、回転子が不安定であるがための同期のばらつきを防止するためにシステムを同期させること、に資することが可能なパルス信号が生成されることのみを必要とするからである。

図１を参照して上記したように、また図２からも分かるように、本発明の回路は、周波数コンバータ２０からの出力端子で利用可能な入力情報信号、すなわち、電流情報ｉ_u、ｉ_v、電圧情報ｕ_u、ｕ_v、ｕ_wを表す信号を受け取る。

本発明の監視回路は、電流の有用部分であってトルクを生み出す回転高調波ｆｎを拒絶する機能、および電流の非有用部分であって損失を生み出す残存する非同期高調波を解析する機能を含んでいる。非同期高調波ひずみが、ある危機的な温度上昇に繋がり得る臨界の閾値を超えた場合に、本機器の緊急停止が開始される。

本発明の監視回路６０の実施形態が、図２に示されている。

図１を参照して説明したように、制御回路４０は、電圧情報信号ｕ_u、ｕ_v、ｕ_wと、少なくとも１つの電流情報ｉ_uとを受け取り、コンバータ２０と接続され得る線８０上および周波数乗算器３と接続された線８８上とで、回転子１０ｂの回転高調波（電気的周波数）ｆｎを表すパルス信号を生成する。

監視回路６０は、また、線８１、８２上で、電流センサによって２つの位相Ｕ、Ｖにおいて測定された電流情報信号ｉ_u、ｉ_vを受け取る。

位相Ｗ内の電流もが、電流センサを用いて観測されても良い。それに代えて、またより簡便な方法として、３番目の位相Ｗ内の電流は、簡単なアナログ回路２内で、線８１、８２によって供給された電流情報信号ｉ_u、ｉ_vに基づいて、以下の関係を用いて、計算される。

ｉ_u＋ｉ_v＋ｉ_w＝０
３つの位相に関する電流情報信号ｉ_u、ｉ_v、ｉ_wは、回転高調波ｆｎを除去するための３つの高次ノッチフィルタ４ａ、４ｂ、４ｃにそれぞれ供給される。

例として、回転高調波ｆｎを除去するための帯域阻止ノッチフィルタ４ａ、４ｂ、４ｃは、スイッチ・キャパシタ型である。

帯域阻止フィルタ４ａ、４ｂ、４ｃは、回転子１０ｂの回転の電気的周波数ｆｎの値を整数ｎ倍したクロック信号ｎ．ｆｎを受け取り、回転子１０ｂの回転の電気的周波数ｆｎへとサーボ制御された中央阻止周波数をそれぞれ出力する。

クロック周波数ｎ．ｆｎは、同期パルスを生成する回路４０によって供給される回転子１０ｂの回転の電気的周波数ｆｎに基づいて、位相ロックループを有する周波数乗算器回路３によって生成されることができる。

帯域阻止フィルタ４ａ、４ｂ、４ｃによってもたらされた信号は、これらの信号中に残っている高調波を観測するための回路５ａ、５ｂ、５ｃへと供給される。この信号は、やはり温度上昇に寄与する直流成分の値を含んでいる。

回路５ａ、５ｂ、５ｃは、２乗マルチメータにおいて用いられているような、真の実効値（ｒｍｓ）メータタイプの集積回路を用いて形成されることができる。

このような２乗マルチメータは、周期的な複素の大きさの２乗平均平方根を計測する。この結果、この例では、このタイプの回路は、温度上昇に寄与する全ての信号要素、すなわち、最大で数万キロヘルツを超える値の高調波の交流成分だけでなく、直流成分をも考慮に入れることになる。

回路５ａ、５ｂ、５ｃからの出力信号は、例えばダイオード６ａ、６ｂ、６ｃを介して、直流信号の形態で、３つの値のうちの最大のものを所定の警告閾値Ｒｅｆと継続的に比較するコンパレータ７に供給される。

コンパレータ７からの出力信号は、コンパレータ７への入力として供給される信号のいずれか１つが閾値Ｒｅｆを超えた際に、通常閉リレー接点９を開放することに資する。

接点９が開放することによって、線９０、９１、９２上の信号が生成される。この結果、この信号が、具体的にはコンバータ２０に対して働きかけることによって、本機器の完全な状態を維持するように本同期機器の緊急停止を制御することが可能となる。

本発明は、数万ｒｐｍオーダーの速度で回転するツールキャリアスピンドル（tool-carrier spindle）、コンプレッサーのようなターボ機械、またはターボ分子ポンプを駆動する電気モーターの観測に適用された際に、特に有用である。

図１は、本発明の監視回路が適用された、永久磁石励磁型同期モーターの主要部の全体的かつ概略的な図である。 図２は、高調波ひずみを監視するための本発明の回路の例のブロック図である。 本発明を適用可能な同期モーター回転子のブロック図である。

Claims (13)

1. 永久磁石励磁型同期電気機器の電源における高調波ひずみの監視回路であって、
   前記同期電気機器は、ダンパケージを有さない回転子（１０ｂ）と、位相Ｕ、Ｖ、Ｗにそれぞれ対応する第１、第２、第３巻線を有する固定子（１０ａ）と、周波数コンバータ（２０）と、前記周波数コンバータを制御するための制御回路（４０）と、を具備し、
   前記監視回路は、
   前記固定子（１０ａ）の前記第１巻線（１０１）内の電流（ｉ_u）を表す少なくとも１つの信号と前記固定子（１０ａ）の前記第２巻線（１０２）内の電流（ｉ_v）を表す少なくとも１つの信号と、を取得するための手段（８１、８２）と、
   前記固定子（１０ａ）に対する前記回転子（１０ｂ）の回転の電気的周波数ｆｎを反映する同期パルスを生成するための回路（４０）と、
   前記固定子（１０ａ）の前記第３巻線（１０３）内の電流（ｉ_w）を表す信号を求めるための手段と、
   前記電気的周波数ｆｎに対応する高調波を阻止するために、前記位相Ｕ、Ｖ、Ｗにそれぞれ対応する第１、第２、第３巻線（１０１、１０２、１０３）内の前記電流（ｉ_u、ｉ_v、ｉ_w）を表す前記信号をそれぞれ受け取り、前記回転子（１０ｂ）の回転の前記電気的周波数ｆｎへとサーボ制御された中心阻止周波数を除去するようにそれぞれが構成されている、１組の帯域阻止ノッチフィルタ（４ａ、４ｂ、４ｃ）と、
   前記位相Ｕ、Ｖ、Ｗの各々について前記帯域阻止ノッチフィルタ（４ａ、４ｂ、４ｃ）のそれぞれから出力された信号中に残存する高調波を計測するための１組の計測回路（５ａ、５ｂ、５ｃ）と、
   前記計測回路（５ａ、５ｂ、５ｃ）からの前記信号の値のうちで最大のものを警告閾値（Ｒｅｆ）と継続して比較するためのコンパレータ回路（７）と、
   を具備し、
   前記コンパレータ回路（７）への入力として供給される前記信号のいずれか１つが前記警告閾値を超えた際に前記同期電気機器の緊急停止が制御される、回路。
2. 前記帯域阻止ノッチフィルタ（４ａ、４ｂ、４ｃ）が、スイッチ・キャパシタ型であることを特徴とする、請求項１の回路。
3. 前記帯域阻止ノッチフィルタ（４ａ、４ｂ、４ｃ）が、前記回転子（１０ａ）の回転の電気的周波数の値の整数ｎ倍に等しいクロック周波数ｎ．ｆｎを受け取ることを特徴とする、請求項１または２の回路。
4. 同期パルスを生成するための前記回路（４０）によってもたらされる前記回転子（１０ｂ）の回転の前記電気的周波数ｆｎから前記クロック周波数ｎ．ｆｎを生成するための、位相ロックループを有する周波数乗算器回路（３）を含むことを特徴とする、請求項３の回路。
5. 前記固定子（１０ａ）の前記第３巻線（１０３）内の電流（ｉ_w）を表す信号を求めるための前記手段が、前記第１、第２巻線（１０１、１０２）内の前記電流（ｉ_u、ｉ_v）の計測された値から前記第３巻線（１０３）内の前記電流（ｉ_w）の値を計算するためのアナログ回路（２）を具備することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項の回路。
6. 前記残存する高調波を計測するための前記計測回路（５ａ、５ｂ、５ｃ）のそれぞれが、２乗またはマルチメータータイプの計測回路を具備することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項の回路。
7. 前記残存する高調波を計測するための前記計測回路（５ａ、５ｂ、５ｃ）と前記コンパレータ回路（７）との間に配置されたフィルタ要素（６ａ、６ｂ、６ｃ）をさらに具備することを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項の回路。
8. 同期パルスを生成するための前記回路（４０）が、前記回転子の回転速度を検知するための「回転パルス」タイプセンサを具備することを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項の回路。
9. 前記コンバータ（２０）による各位相出力についての電圧（ｕ_u、ｕ_v、ｕ_w）を表す信号を取り込むための手段（８５、８６、８７）をさらに具備し、前記電圧（ｕ_u、ｕ_v、ｕ_w）と前記固定子（１０４）の前記第１巻線（１０１）内の前記電流（ｉ_u）を表す前記信号が同期パルスを生成するための前記回路（４０）に供給される、ことを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項の回路。
10. ダンパケージを有さない回転子（１０ｂ）と、第１、第２、第３巻線（１０１、１０２、１０３）を有する回転子（１０ａ）と、を具備する、永久磁石励磁型同期電気機器を制御するためのユニットであって、
    前記制御ユニットは周波数コンバータ（２０）と、前記周波数コンバータを制御するための制御回路（４０）と、を具備し、
    前記ユニットは、請求項１乃至９のいずれか１項の同期機器に対する電源内の高調波ひずみを監視するための回路を具備することを特徴とし、
    前記回転子（１０ｂ）の回転の電気的周波数ｆｎを表す同期パルスを生成するための前記回路が、前記周波数コンバータを制御するための前記制御回路（４０）内に組み込まれていることを特徴とする、
    ユニット。
11. 請求項１０の制御ユニットを取り付けられた同期電機機器を具備することを特徴とする、能動磁気軸受に搭載されたロータリーアッセンブリーを駆動するためのドライバ装置。
12. 前記同期機器の前記回転子（１０ｂ）が、表面に取り付けられた永久磁石（１１１、１１２）を有する磁性鋼の巨大（massive）シャフト（１１０）を具備し、前記磁石は、少なくとも１つのカーボンファイバーまたはグラスファイバーの固定帯（１１５）によっても保持されていることを特徴とする、請求項１１のドライバ装置。
13. 毎分数万回転オーダーの速度で回転するツールキャリアスピンドル、ターボ機械、またはターボ分子ポンプを駆動するための同期機器を具備することを特徴とする、請求項１１または１２のドライバ装置。

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