JP7235756B2 - 電気機械における永久磁石の減磁を防止するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、広くには、永久磁石電気機械に関し、より詳細には、そのような電気機械における永久磁石の減磁を防止するための故障後保護の仕組みを実現するためのシステムおよび方法に関する。

さまざまな産業における電気機械の使用が、時代とともに、多数の工業、商業、および輸送の業界において、ますます一般的になり続けている。そのような業界において一般的に使用されている１つのそのような種類の電気機械は、永久磁石を備えた電気機械である永久磁石（ＰＭ）機械であり、機械に配置された永久磁石が磁場をもたらし、この磁場に対して回転子場が相互作用して、電気機械にトルクが生じる。大多数の標準的なＰＭ機械、すなわちＰＭ同期機械において、永久磁石は回転子に配置され、回転子の積層スタックの表面に取り付けられ、あるいは積層スタックの内部に埋め込まれる。固定子ＰＭ機械においては、永久磁石および巻線が、一般的な回転子永久磁石の形態ではなく、固定子に配置され、固定子ＰＭ機械の例として、永久磁石磁束切り替え機械、磁束反転機械、および二重突極永久磁石機械が挙げられる。

ＰＭ電気機械の１つの欠点は、永久磁石の形成に使用される材料の法外なコストであり、なぜならば、永久磁石は、多くの場合に、少なくとも部分的に高価な希土類元素で形成されるからであり、ネオジム磁石が一般的な例である。コストを下げるために、セラミック永久磁石を、希土類永久磁石の代案として使用することができる。セラミック磁石は安価であり、ＰＭ同期機械または固定子ＰＭ機械の性能を向上させるために使用することができる。しかしながら、セラミック永久磁石は、モータの巻線の内部故障の場合に生じる強い減磁場に対して、減磁への抵抗をほとんど示さない。ひとたび磁石の減磁が生じると、機械の固定子および回転子の両方を廃棄しなければならない。さらに、モータの突然の故障は、その機械に関係するプロセスが制御されずに中断する結果となるため、プロセスへの損害につながる可能性もある。

したがって、故障後の低コストの永久磁石（例えば、セラミック永久磁石）の減磁を防止するためのシステムおよび方法を提供することが、望ましいと考えられる。このような減磁を防止することにより、電気機械を保護する一方で、電気機械に接続されたプロセスを安全かつ制御されたやり方で中断させることができ、したがって電気機械の損傷を、比較的容易に再建できる巻線のみに限定することができる。

本発明の一態様によれば、１つ以上の永久磁石を有する電気機械を駆動するためのモータ駆動装置が提供される。モータ駆動装置は、電気機械の電流および端子電圧を制御するために選択的に操作される複数のスイッチを有するインバータと、インバータに動作可能に接続され、複数のスイッチのスイッチングを制御して電気機械の電流および端子電圧を制御するように構成されたコントローラとを備える。コントローラは、１つ以上の相において電気機械へと供給される電圧および電流のうちの少なくとも１つを分析して電気機械の故障を特定し、特定された故障に基づいてインバータの複数のスイッチのスイッチングを制御して電気機械の電流および端子電圧を変更するようにプログラムされ、電気機械の変更された電流および端子電圧は、電気機械の１つ以上の永久磁石の減磁を防止する。

本発明の別の態様によれば、電気機械における永久磁石の減磁を防止するための故障後保護技術を実現するための方法が提供される。この方法は、電気機械へと供給される電圧および電流のうちの少なくとも１つをコントローラによって監視するステップと、電気機械へと供給される電圧および電流のうちの少なくとも１つをコントローラによって分析して電気機械における故障状態を検出するステップと、電圧および電流のうちの分析された少なくとも１つに基づいて検出された故障状態の故障の種類をコントローラによって判断するステップと、判断された故障の種類に基づいて少なくとも１つの相において電気機械へと供給される電圧および電流をコントローラによって変更するステップとを含み、少なくとも１つの相において電気機械へと供給される電圧および電流を変更することで、電気機械における負のｄ軸磁束が制御され、したがって永久磁石の減磁が防止されるように、電気機械における故障電流が抑制される。

本発明のさらに別の実施形態によれば、インバータの動作を制御してインバータに接続された永久磁石電気機械へと出力される電流および電圧を制御するように構成されたコントローラが提供される。コントローラは、１つ以上の相において永久磁石電気機械へと供給される電圧および電流のうちの少なくとも１つに関する入力を受け取り、電圧および電流のうちの少なくとも１つを分析して永久磁石電気機械における故障を特定し、故障が特定されると、特定された故障の種類に基づいて永久磁石電気機械へと供給される電流および電圧を変更すべくインバータの複数のスイッチのスイッチングを制御するようにプログラムされたプロセッサを備える。永久磁石電気機械へと供給される変更された電流および電圧は、永久磁石電気機械におけるｄ軸磁束を、永久磁石電気機械の１つ以上の永久磁石の減磁を防止するレベルに保つ。

他のさまざまな特徴および利点が、以下の詳細な説明および図面から明らかになるであろう。

図面は、本発明を実施するための現時点において想定される好ましい実施形態を示している。
本発明の実施形態とともに使用することができる永久磁石機械の図である。 本発明の実施形態とともに使用することができる永久磁石機械の図である。 本発明の実施形態とともに使用することができる磁束切り替え永久磁石機械の概略図である。 本発明の実施形態とともに使用することができるスポークロータ永久磁石機械の概略図である。 本発明の実施形態とともに使用することができる表面永久磁石機械の概略図である。 本発明の実施形態とともに使用することができる内部永久磁石（ＩＰＭ）機械の一部分の概略図である。 本発明の実施形態とともに使用することができる内部永久磁石（ＩＰＭ）機械の一部分の概略図である。 本発明の実施形態とともに使用することができる外側回転子永久磁石機械の概略図である。 本発明の実施形態において使用するためのモータ駆動部ならびに関連のインバータおよびコントローラの回路概略図である。 永久磁石電気機械におけるターンツーターン故障（ｔｕｒｎ－ｔｏ－ｔｕｒｎ ｆａｕｌｔ）を示す回路概略図である。 永久磁石電気機械におけるセラミック永久磁石の減磁を防止するための本発明の実施形態による故障後保護の仕組みを示すフローチャートである。

本発明の実施形態は、これに限られるわけではないが低コストの永久磁石（例えば、セラミック永久磁石）を含むＰＭ電気機械であって、モータにおける故障状態の検出時に、ＰＭ電気機械へと供給される電圧および電流を制御して、そのような故障の発生時の磁石の減磁を回避する制御の仕組みを有するＰＭ電気機械に関する。このような制御の仕組みを、永久磁石が回転子または固定子に配置されている永久磁石機械において利用することができ、磁石の構成は、ハルバッハ配列を含むＳＰＭ（表面永久磁石）、ＩＰＭ（内部永久磁石）、ＸＰＭ（インセット永久磁石）、スポークＰＭ、または任意の他の構成であってよい。永久磁石機械は、機械の故障時に発生する強い減磁磁場に対して減磁に対する抵抗をあまり示さないセラミック永久磁石（または、他の低コストの永久磁石）、または減磁に対してより高い抵抗を示すが、高出力の密集した電気機械において使用される場合などの特定の用途においてはやはり減磁を被る可能性がある他のより高コストの永久磁石（例えば、ネオジムまたはサマリウム磁石などの希土類磁石）のいずれかを含む。本発明の実施形態をどのように実現することができるかを説明する目的で、本明細書における以下の説明は、三相の半径方向磁束の回転機械において発生するターンツーターン故障の特定の実施形態に主として言及する。しかしながら、他の種類の故障、他の種類の機械（例えば、線形機械または軸方向磁束機械、三相または他の多相機械、など）も、本発明の技術的範囲に包含されると考えられる。

図１および図２を参照すると、本発明の実施形態が有利となり得る典型的なＰＭ電気機械１０が示されている。電気機械１０は、半径方向において回転子１４を囲み、回転子１４に沿って軸方向に延びている固定子１２（例えば、薄板１３で形成された積層鉄製固定子）を含み、固定子１２と回転子１４との間にエアギャップ１５が存在している。固定子１２は、複数の固定子極１６をさらに含み、各々の固定子極１６は、半径方向において対向する固定子極と対をなし、固定子極対を形成する。固定子極対１６ａおよび１６ｂに、コントローラ２２によって制御することができる電源２０（例えば、制御されたＡＣ電源）を介して従来からのやり方で駆動されてよい相巻線１８が巻き付けられている。さらに、残りの固定子極１６も、別の相巻線１８を同様のやり方で備えている。

図１に示されるように、回転子１４は、複数の突極片２６を有する突極回転子として形成されるが、回転子は、別の構成を有してもよいと考えられる（例えば、円形回転子）。一実施形態によれば、回転子１４は、図２に示される回転子１４の図から見て取ることができるように、一体的な薄板２８の積層で構成されるが、例えばコアを鋼から機械加工し、あるいは焼結磁性材料で形成するなど、回転子コアを単一ピースとして形成することも可能であると考えられる。回転子１４は、突磁極として機能する複数の突出部／歯２６を含む。回転子１４の中央部分は、駆動軸３０を挿入することができる回転子穴を含み、回転子１４は、駆動軸３０を中心にして回転することができる。

本発明の実施形態によれば、電気機械の正確な構造は、多数の形態のうちの１つを取ることができる。例えば、電気機械は、固定子に埋め込まれた永久磁石３２（想像線で示されている）を含む固定子ＰＭ機械（例えば、永久磁石磁束切り替え機械、永久磁石磁束反転機械、または二重突極永久磁石機械）として構成されてよい。このような固定子ＰＭ機械において、巻線１８の電流が、磁石３２に関連する磁場と相互作用して、回転子１４を回転させる。あるいは、電気機械は、回転子に添えられ、あるいは回転子に埋め込まれた永久磁石３２（想像線で示されている）を含む内部永久磁石（ＩＰＭ）機械として構成されてよい。このようなＩＰＭ機械において、巻線１８の電流が、磁石３２に関連する磁場と相互作用して、回転子１４を回転させる。

本発明の実施形態に従って実現することができる種々の永久磁石電気機械のより具体的な例が、図３～図８に示されている。最初に図３を参照すると、本発明の実施形態による磁束切り替え永久磁石機械４０の概略の平面図が示されている。磁束切り替え永久磁石機械４０において、固定子４２が回転子４４に対して配置されて図示されており、固定子４２および回転子４４の各々が、それぞれの歯４６、４８を有している。永久磁石５０は、固定子積層体４２の各々の歯に埋め込まれている。回転子４４および固定子４２は、異なる数の歯を有しており、したがって固定子４２に対する回転子４４のあらゆる向きにおいて、回転子の歯のうちの特定の歯は、最も近い固定子の歯に対してずれた位置にある。交流電流が固定子巻線５２を通過すると、永久磁石５０がもたらす固定磁場に重畳する変動磁場が生成される。結果として生じる組み合わせの磁場が時間とともに変化し、回転子の歯４８を固定子の歯４６に対して最小の磁気抵抗の位置へともたらそうとするため、固定子４２の内側での回転子４４の回転が生じる。

図４を参照すると、セグメント化されたスポーク回転子永久磁石機械として構成された回転子アセンブリ５６および固定子アセンブリ５８を含むＩＰＭ機械５４が示されている。回転子アセンブリ５６は、回転子シャフト６２上に配置された回転子コア６０を含み、回転子コア６０は、ＩＰＭ機械５４の長手軸を中心にして回転するように構成されている。シャフト６２は、主シャフト本体６６上に形成された複数の突出部６４を有するように構成され、突出部６４は、主シャフト本体６６の周囲に、主シャフト本体６６の軸方向長さに沿って形成されている。

図４に示されるように、回転子コア６０は、複数の別個の突極回転子極６８から形成されたセグメント化された回転子として構成される。各々の回転子極６８は、それぞれの突出部２２上に配置された薄板（図示せず）の積層体から形成される。回転子極６８を形成する薄板の積層体は、隣接する回転子極６８の間に極間ギャップ７０（すなわち、蟻継ぎ凹部）が形成されるように、シャフト６２の周囲に配置（すなわち、蟻継ぎ）される。永久磁石７２は、極間ギャップ７０に配置され、永久磁石７２は、回転子５６と固定子５８との間のエアギャップにおいて半径方向に向けられる磁場を生成する。さらに、永久磁石７２によって生成される磁場は、固定子磁場と相互作用してトルクを発生させる。

ＩＰＭ機械１０の固定子アセンブリ５８は、複数の固定子歯７６を有する固定子コア７４を含み、固定子歯７６は、固定子コア７４の中心にキャビティ７８を形成するように周状に配置されている。固定子アセンブリ５８は、磁場を生成し、内面によってキャビティ７８を定めつつ、長手軸に沿って延びている。上述したように、回転子アセンブリ５６は、固定子コア４０によって定められたキャビティ７８内に配置される。固定子アセンブリ５８は、歯７６に巻き付けられた分布巻線８２を受け入れるための固定子スロット８０を含む。巻線８２は、例えば、銅コイルとして形成されてよく、ＡＣ電流によって励起されたときに、エアギャップ内にほぼ正弦波の回転磁場を生成するように機能する。

次に図５～図７を参照すると、おおむね円形の回転子（すなわち、突極回転子極が存在しない）を備えるさらなるＩＰＭ機械が示されている。図５は、回転子８６の外面８９に表面永久磁石８８（ＳＰＭ）が添えられ／埋め込まれているＩＰＭ機械８４を示している。図６および図７の各々は、永久磁石９４が回転子９２に（すなわち、回転子の薄板積層体の内部に）埋め込まれているＩＰＭ機械９０の一部分を示しており、図６は、永久磁石９４がＵ字形のパターンおよびＶ字形のパターンにて埋め込まれた回転子９２を示しており、図７は、永久磁石９４がＶ字形のパターンにて埋め込まれた回転子９２を示している。

図８を参照すると、別の実施形態による外側回転子永久磁石電気機械９５が示されている。機械９５の構成は、回転子９６が機械の外側部分を形成し、固定子９７の周囲に配置されるような構成である。永久磁石９８は、固定子９７に隣接する回転子の内面において回転子上に設けられ、永久磁石９８は、回転子９６と固定子９７との間のエアギャップにおいて半径方向に向けられる磁場を生成する。さらに、永久磁石９８によって生成される磁場は、固定子磁場と相互作用してトルクを発生させる。

図３～図８が、あくまでも本発明の実施形態を取り入れることが有利となり得る電気機械の例を示すことを意図しているにすぎないことを、理解すべきである。すなわち、本発明の実施形態は、複数の異なる種類のＰＭ電気機械において実施することが可能であり、したがって本発明の実施形態は、図３～図８に図示および説明される種類の電気機械のみへの限定を意味しない。やはり本発明の実施形態を取り入れることが有利となり得るさらなるＰＭ電気機械として、これらに限られるわけではないが、モータおよび／または発電機として機能するＰＭ電気機械、半径方向磁束、軸方向磁束、および横方向磁束の電気機械の形態、ならびに内側回転子、外側回転子、デュアル固定子、またはデュアル回転子電気機械などの他の半径方向磁束機械を挙げることができる（ただし、これらのすべてが本明細書において具体的に説明されているわけではない）。またさらに、そのようなＰＭ電気機械は、例えば歯に巻かれた（集中型の）巻線または分布巻線、型巻きコイルまたは乱巻きコイル、単線導体またはリッツ線導体、ならびに非中空導体または中空導体など、さまざまな特徴／アーキテクチャを備えることができる。

本発明の典型的な実施形態によれば、図１～図８に示されるＰＭ電気機械の各々が、故障の発生時に生じ得る永久磁石の減磁を防止するために、動作中に実行される保護の仕組みを有することができる。ＰＭ電気機械へと供給される三相電圧および電流の変化の検出などによってＰＭ電気機械の故障（例えば、ターンツーターン故障、全相、など）を検出すると、制御の仕組みが、各相においてＰＭ電気機械に供給される電圧（および、関連の電流）を制御することによって永久磁石の減磁を防止するように、ＰＭ電気機械に三相電力を供給するインバータのスイッチングを選択的に制御するように動作する。

次に図９を参照すると、本発明を説明する目的で、ＰＭ電気機械に三相電力を供給するモータ駆動装置１０１の一部として動作するインバータ１００の概略図が示されている。図９に示されるとおり、ＤＣリンク１０２が、三相パルス幅変調（ＰＷＭ）インバータ１００によってＰＭ電気機械１０４を動作させるＡＣ波形へと変換されるＤＣ入力電圧を供給する。インバータ１００は、相レグごとに２つの直列接続されたスイッチングデバイスを含む。例えば、デバイス１０６および１０８が第１の相レグを形成し、デバイス１１０および１１２が第２の相レグを形成し、デバイス１１４および１１６が第３の相レグを形成する。例えば、デバイス１０６～１１６は、例えばＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＳＣＲ、またはＩＧＣＴといった種類のデバイスなど、従来からのシリコン半導体スイッチングデバイスである。ダイオード１１８が、それぞれのシリコンスイッチングデバイス１０６～１１６をまたいで逆並列の関係にて接続されている。コントローラ１２０が、スイッチングデバイス１０６～１１６に動作可能に接続されて、導通のオン状態と非導通のオフ状態との間のスイッチングデバイスのスイッチングを制御し、ＰＭ電気機械１０４へと供給される三相出力電流および電圧を制御する。

動作時に、コントローラ１２０（および、コントローラ１２０内のプロセッサ１２１）は、ＰＭ電気機械１０４の故障部分に流れる電流と合成され、永久磁石を減磁させるように作用するピーク磁束成分の制限をもたらし、すなわち磁束の負のｄ軸成分を制限するインバータ１００からの対応する出力電流を生じさせるために、インバータ１００内のスイッチングデバイス１０６～１１６のスイッチングを（スイッチングデバイスへとゲート信号を供給することによって）選択的に制御して、インバータ１００によって各相１２２に出力される電圧または電流の組を生じさせる制御の仕組みを実行するように動作し、電流は、直接的または電圧を制御することによって間接的に制御される。ＰＭ電気機械１０４へと供給される電流の組は、減磁を防止するために特定の故障に対してカスタマイズされた解決策が提供されるように、特定された故障、すなわち故障の種類、相の数などに特有であろう。

ＰＭ電気機械の三相電流、電圧、および磁束の制御に関して、ｄｑ０（または、ｄｑｚ）変換が電気機械の分析における一般的なツールであることが知られており、ｄｑ０変換が、機械において正弦波状に変化する信号（すなわち、電流、電圧、磁束）を一定値に変換することで、分析の実行をはるかに容易にする基本変換である。三相電気機械について、変換は

（式１）
によって表され、
ここで、Ｐは採用された変換行列であり、θはそのような変換のパラメータであり、通常は固定子おおび回転子の基準点の間の相対的な電気的位置に等しいと仮定され、１つの一般的な選択肢は、機械の相のうちの１つにおける基本的な磁束鎖交のピークに対応する固定子－回転子の相対位置についてθ＝０とする。

平衡かつ対称な三相システムにおいて、式１は

（式２）
をもたらし、
ここで、ωはｒａｄ／ｓを単位として表される磁場の基本成分の電気速度（ω=2πf_synch
であり、ｆ_{ｓｙｎｃｈ}は機械の同期周波数である）であり、γは、機械の相へと供給される電流の平衡な組と、回転子内に位置する磁石によって生み出される回転磁場によって同じ相に引き起こされる逆起電力の平衡な組との間の位相変位角である。

しかしながら、故障状態が存在するＰＭ電気機械の場合、機械における三相電流、電圧、および磁束が不平衡になり、この不平衡が、磁束の負のｄ軸成分が制限されないならば、機械の永久磁石に損傷をもたらす可能性があることが知られている。ここで図１０を参照すると、一例によるＰＭ電気機械におけるそのような不平衡を説明する目的で、ターンツーターン故障を説明する回路概略図が示されている。図１０において、故障は、相Ａの一次巻線において、短絡した巻線にまたがって故障抵抗（Ｒ＿ｓｈｏｒｔ）を接続することによって示されている。ＰＭ電気機械にターンツーターン故障が存在する場合、故障部分は、実際には、インバータから直接供給されない第４の相のように挙動し、したがって機械の三相電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ（および、ターンツーターン故障状態のときの電圧）は、

（式３）
に従って表すことができ、
ベクトルおよび行列は、

（式４）
に対応し、
ここで、ｅは、回転する磁石によって相に誘導される時間変化する逆起電力（すなわち、開回路電圧）を表し、L_jおよびM_j,kは、相ｊの自己インダクタンスおよび相ｊと相ｋとの間の相互インダクタンスをそれぞれ表す。潜在的に、自己および相互インダクタンスは、異方性の回転子（例えば、図８に示したＩＰＭの構成）の影響により、回転子位置の関数にもなり得る。下付き文字ａｈおよびａｆは、それぞれ相巻線の正常な部分および故障部分を示す。最後に、項V_af (0^-)は、故障の発生の直前に巻線の故障部分に作用していた誘導電圧を表す数学的アーティファクトであり、この項は、故障の瞬間に巻線の故障部分に関するインダクタンスに（磁場として）蓄積されていたエネルギを表す。そのようなエネルギはすぐにはゼロに減衰できないため、故障した回路に電流の単極成分を誘導し、したがって電流は故障の事象の直後は同じ振幅を維持し、蓄積されていたエネルギが巻線抵抗におけるオーム損失として失われるにつれてゆっくりと減少し、最終的に故障電流の純粋な正弦波成分へとつながる。V_af (0^-)は、正弦波よりもむしろＤＣの電圧限である。

ターンツーターン故障の発生時に、故障電流Ｉ_ｆｌｔを制御することはできないが、他のすべてのパラメータを知り、式３を解くことによって、各々の時点において計算することは可能である。ひとたび電流がわかると、相ａ、ｂ、ｃ（および、おそらくはターンツーターン故障の場合のａ_ｆ）の磁束鎖交Ψも

（式５）
に従って計算することができ、
ここで、Ψ_ａｆは故障した相ａの磁束鎖交であり、Ψ_ａｈは正常な相ａの磁束鎖交であり、Ｌは式３において導入されたインダクタンスの行列であり、Ψ_０は逆起電力を生成する開路磁束鎖交である。相磁束鎖交から、変換された磁束鎖交値Ψ_ｄ、Ψ_ｑ、Ψ_ｚも決定でき、Ψ_ｚがもはや一定ではない（すなわち、もはやｚ＝０でない）ことが認識される。第４の相が導入されると、式１に示した変換行列はもはや有効でなく、特定の故障状態に合わせて調整された新たな変換行列を決定する必要があり、これを例えば空間ベクトル分解法を使用して行うことができることを、指摘しておく必要がある。新たな変換により、通常のｄおよびｑ軸が電気機械エネルギ変換に寄与しないｚ１およびｚ２と呼ばれる２つのｚ軸で補完される新たな４次元空間がもたらされる。

本発明の実施形態によれば、インバータ１００（図９）から出力される三相電力（電圧および関連の電流）が、ｄ軸磁束Ψ_ｄが減磁しきい値未満に留まるように制御されるように選択的に制御され、ｄ軸磁束Ψ_ｄの変化が、ＰＭ電気機械の構成に基づいて変化し得る特定されたレベル（例えば、－０．２ボルト－秒（Ｖ－ｓ））未満に保持される。典型的な実施形態においては、Ψ_ｄが、故障前および故障後の状態の間で一定のままである一方で、Ψ_ｑ、Ψ_ｚ１、およびΨ_ｚ２は、変動／変化することが許容され、この制御は、

（式６）
に従って表される。

通常の故障前の電圧および電流をＰＭ電気機械に供給し続けると、自然の進展に従い、したがってｄ軸磁束Ψ_ｄの付随の変化をもたらし、ＰＭ電気機械の永久磁石の減磁を引き起こしかねない故障電流Ｉ_ｆが発生することが認識されている。しかしながら、本発明の実施形態によれば、Ｉ_ｆの進展を抑制し、したがって負のｄ軸磁束Ψ_ｄの振幅を制限することによって、ＰＭ電気機械の永久磁石の減磁を防止するために、ターンツーターン故障の場合に三相電圧の各々を制御し、あるいは単相故障の場合に２相への電圧を制御するなど、ＰＭ電気機械へと供給される電圧／電流を適切に制御することによって、Ｉ_ｆの進展を間接的に強制／抑制することができる。

負のｄ軸磁束Ψ_ｄの変化を制限することによるＰＭ電気機械の永久磁石の減磁の防止に加えて、ＰＭ電気機械へと供給される電圧／電流の変化は、機械の継続動作が可能な限り最適化されるような変化であるとさらに望ましい。すなわち、ＰＭ電気機械へと供給される電圧／電流は、永久磁石の減磁を防止する一方で、機械における損失も最小化し、故障前の動作状態と比べて同じトルク、速度、および出力を機械において生みだし、同じでない場合でも、トルク／速度／出力を可能な限り高く保つ。

ここで図１１を参照し、さらに図１～図９および図１～図９における構成要素を再び参照すると、減磁への抵抗をあまり示さない低コストな（例えば、セラミック）永久磁石および減磁に対してより大きな抵抗を示す高コストな永久磁石（例えば、ネオジムまたはサマリウム磁石などの希土類磁石）を含むＰＭ電気機械における永久磁石の減磁を防止するための故障後保護の仕組み１３０を説明するフローチャートが示されている。この技術は、ステップ１３２において、ＰＭ電気機械の故障状態の検出によって始まる。ＰＭ電気機械の故障状態を、１つの相または複数の相をまたいで／１つの相または複数の相においてモータへと供給される電圧および／または電流、ならびにＰＭ電気機械における電圧／電流を監視し、これらの電圧および／または電流のパターンの変化を測定することによって検出することができる。図９においてセンサ１２６によって示されているように、ＰＭ電気機械に電力を供給する入力相および／またはＰＭ電気機械の巻線などのさまざまな場所に電圧および／または電流センサを含む検知システムによって、検出された電圧および／または電流をもたらすことができる。

ＰＭ電気機械の故障が検出されると、ステップ１３４において、存在する故障の種類に関して判断が行われる。ＰＭ電気機械に存在する故障の種類の判断を、図９に示されるコントローラ１２０または別個の専用コントローラなどのコントローラによって行うことができる。コントローラ１２０には、インテリジェントな電圧／電流シグネチャ識別技術およびルックアップテーブルを使用してＰＭ電気機械に存在する故障の種類を識別するアルゴリズムが格納されていてよい。本発明の実施形態によれば、アルゴリズムは、検知システムからのサンプリングされた電圧／電流読み取り値を分析して、各相の電圧／電流値の大きさを決定し、相間の電圧／電流値の差を決定し、電圧／電流読み取り値をしきい値電圧／電流値と比較し、さらには／あるいは電圧／電流読み取り値におけるパターンを識別することができる。

各相の電圧／電流値の大きさを決定し、相間の電圧／電流値の差を決定する際に、取得された電圧／電流読み取り値を、ルックアップテーブル内にある保存されたしきい値電圧／電流値と比較することができ、示されたしきい値を上回り、あるいは下回る読み取り値は、特定の故障の種類を示している。電圧／電流読み取り値におけるパターンの識別において、取得された電圧／電流読み取り値を、例えばこれに限られるわけではないが５ミリ秒などの所定の時間期間にわたって分析することができ、サンプリング周波数は、モータの特定の動態および用途に応じて調整されるべきである。取得された電流読み取り値を、ノイズの影響を受けず、パターン検出のための関連の周波数ウィンドウにおいてキャプチャされたデータを含むようにフィルタ処理し、その後に、ＰＭ電気機械の動作特性および使用に依存し得る特定の故障状態を表す所定の電流パターンと比較することができる。種々の実施形態によれば、特定の故障状態を表す電流パターンを、これらに限られるわけではないが、検知された電流データの整定時間および／または検知された電流データ内の積分パターンに基づいて定義することができる。一実施形態においては、コントローラ１２０またはコントローラ１２０の内部メモリモジュールが、さまざまな種類のＰＭ電気機械についての特定の故障状態を表すいくつかの所定の電圧／電流パターンで事前にプログラムされる。コントローラ１２０を、特定のＰＭ電気機械の構成にふさわしい所定の電圧／電流パターンにアクセスするように構成することができる。別の実施形態において、コントローラ１２０は、ＰＭ電気機械の動作の最中に特定の故障状態を表す電流／電圧パターンを識別する学習モードで動作するようにプログラムされる。故障が識別されると、コントローラ１２０は、故障状態の識別に先立って検知システムから受信された検知された電流／電圧データ内のパターンを分析するアルゴリズムを動作させる。本発明の一実施形態において、これらのパターンは、コントローラ１２０のメモリモジュール、あるいはコントローラに接続されたコンピュータまたは外部記憶装置（図示せず）に保存される。コントローラ１２０は、ＰＭ電気機械の後の動作の際に、これらの保存されたパターンにアクセスして、特定の故障を識別するようにプログラムされる。しかしながら、本発明の他の実施形態は、ニューラルネットワークおよび／または深層学習技術を利用して、障害の種類を識別することができる。

ステップ１３６においてＰＭ電気機械に存在する特定の故障の種類を判断すると、技術１３０は、故障の特定の種類に基づく適切な救済戦略を実施することによって継続する。すなわち、救済戦略は、例えば故障が複数の異なる相と対比してただ１つの相に係わるターンツーターン故障である場合、機械において相違すると考えられる。特定の適切な救済戦略を実施する際に、技術１３０は、ＰＭ電気機械へと三相電力を供給するインバータのスイッチングを選択的に制御することで、各相に出力される電圧／電流を制御するように動作する。

図１１に示されるように、典型的な実施形態によれば、救済戦略は、最初にステップ１３６で時刻ｔ（ｋ）においてＰＭ電気機械へと供給される三相電圧を決定することによって実行される。ステップ１３８において、故障電流Ｉ_ｆｌｔが、すでに述べた式３の使用などにより、時刻ｔ（ｋ）において計算される。計算された故障電流Ｉ_ｆｌｔに基づいて、時刻ｔ（ｋ＋１）においてインバータからＰＭ電気機械へと供給される指令電流が、ステップ１４０において計算され、これらの電流が、ＰＭ電気機械の故障部分に流れる電流と組み合わさり、永久磁石を減磁させるように働くピーク磁束成分の制限し、すなわち磁束の負のｄ軸成分を制限する。次に、技術１３０は、ステップ１３４へと再び戻り、時刻ｔ（ｋ＋１）における救済戦略の実行を継続する。

このように、本発明の実施形態は、有益なことに、このような電気機械における永久磁石の減磁を防止するための故障後保護の仕組みを実現するためのシステムおよび方法を提供する。故障後保護の仕組みが、ＰＭ電気機械の種類および機械が直面する特定の故障、すなわち故障の種類、相の数、などに基づいて実行され、ＰＭ電気機械へと供給される三相の電圧および電流が、減磁を防止するために特定の故障に対してカスタマイズされた解決策を提供するように、特定された故障の種類に合わせて調整される。磁束の負のｄ軸成分は、その値が特定の値を超える場合に、永久磁石を減磁させるように働くと理解されているが、ＰＭ電気機械へと供給される相電圧および電流を制御することにより、磁束成分のピークの負のｄ軸成分を制御することができる。このようにして、故障の後の永久磁石の減磁が防止される一方で、ＰＭ電気機械によって実行されているプロセスを安全かつ制御されたやり方で停止させることも可能になる。したがって、ＰＭ電気機械において故障によって引き起こされる損傷が、例えば巻線故障が機械の巻線（比較的容易に再建できる）および／または電力変換器だけを損傷させ、損傷が永久磁石まで伝播することがないなど、機械のあまり高価でない構成要素に制限／限定される。

したがって、本発明の一実施形態によれば、１つ以上の永久磁石を有する電気機械を駆動するためのモータ駆動装置が提供される。モータ駆動装置は、電気機械の電流および端子電圧を制御するために選択的に操作される複数のスイッチを有するインバータと、インバータに動作可能に接続され、複数のスイッチのスイッチングを制御して電気機械の電流および端子電圧を制御するように構成されたコントローラとを備える。コントローラは、１つ以上の相において電気機械へと供給される電圧および電流のうちの少なくとも１つを分析して電気機械の故障を特定し、特定された故障に基づいてインバータの複数のスイッチのスイッチングを制御して電気機械の電流および端子電圧を変更するようにプログラムされ、電気機械の変更された電流および端子電圧は、電気機械の１つ以上の永久磁石の減磁を防止する。

本発明の別の実施形態によれば、電気機械における永久磁石の減磁を防止するための故障後保護技術を実現するための方法が提供される。この方法は、電気機械へと供給される電圧および電流のうちの少なくとも１つをコントローラによって監視するステップと、電気機械へと供給される電圧および電流のうちの少なくとも１つをコントローラによって分析して電気機械における故障状態を検出するステップと、電圧および電流のうちの分析された少なくとも１つに基づいて検出された故障状態の故障の種類をコントローラによって判断するステップと、判断された故障の種類に基づいて少なくとも１つの相において電気機械へと供給される電圧および電流をコントローラによって変更するステップとを含み、少なくとも１つの相において電気機械へと供給される電圧および電流を変更することで、電気機械における負のｄ軸磁束が制御され、したがって永久磁石の減磁が防止されるように、電気機械における故障電流が抑制される。

本発明のさらに別の実施形態によれば、インバータの動作を制御してインバータに接続された永久磁石電気機械へと出力される電流および電圧を制御するように構成されたコントローラが提供される。コントローラは、１つ以上の相において永久磁石電気機械へと供給される電圧および電流のうちの少なくとも１つに関する入力を受け取り、電圧および電流のうちの少なくとも１つを分析して永久磁石電気機械における故障を特定し、故障が特定されると、特定された故障の種類に基づいて永久磁石電気機械へと供給される電流および電圧を変更すべくインバータの複数のスイッチのスイッチングを制御するようにプログラムされたプロセッサを備える。永久磁石電気機械へと供給される変更された電流および電圧は、永久磁石電気機械におけるｄ軸磁束を、永久磁石電気機械の１つ以上の永久磁石の減磁を防止するレベルに保つ。

本明細書においては、本発明を最良の態様を含めて開示するとともに、あらゆる装置またはシステムの製作および使用ならびにあらゆる関連の方法の実行を含む本発明の実施を当業者にとって可能にするために、いくつかの例を使用している。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定められ、当業者であれば想到する他の例を含み得る。そのような他の例は、特許請求の範囲の文言から相違しない構造要素を有し、あるいは特許請求の範囲の文言から実質的には相違しない構造要素を含むならば、特許請求の範囲の技術的範囲に包含される。

Claims (25)

1. １つ以上の永久磁石を有する電気機械を駆動するためのモータ駆動装置であって、
   前記電気機械の電流および端子電圧を制御するために選択的に操作される複数のスイッチを有するインバータと、
   前記インバータに動作可能に接続され、前記複数のスイッチのスイッチングを制御して前記電気機械の前記電流および端子電圧を制御するように構成されたコントローラと
   を備え、
   前記コントローラは、
   １つ以上の相において前記電気機械へと供給される電圧および電流のうちの少なくとも１つを分析して、前記電気機械の故障を特定し、
   前記電気機械の前記１つ以上の永久磁石の減磁を防止するために、前記特定された故障に基づいて、負のｄ軸磁束を制限するように前記インバータの前記複数のスイッチのスイッチングを制御して前記電気機械の電流および端子電圧を変更する
   ようにプログラムされているモータ駆動装置。
2. 前記１つ以上の永久磁石は、セラミック永久磁石を含む、請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記電気機械の故障状態の特定において、前記コントローラは、前記電気機械へと供給される前記電圧および電流のうちの少なくとも１つのパターンの変化を特定するようにさらにプログラムされている、請求項１に記載のモータ駆動装置。
4. 前記電気機械の故障状態の特定において、前記コントローラは、
   インテリジェントなシグネチャ識別アルゴリズムによって前記電圧および電流のうちの少なくとも１つを分析して、前記電圧および電流のうちの少なくとも１つからの電圧および／または電流シグネチャを特定し、
   前記特定された電圧および／または電流シグネチャに基づいて、ルックアップテーブル、ニューラルネットワーク、または深層学習技術のうちの１つ以上によって前記電気機械の故障の種類を特定する
   ようにさらにプログラムされている、請求項１に記載のモータ駆動装置。
5. 前記電気機械の電流および端子電圧の変更において、前記コントローラは、前記変更された電流および端子電圧に基づいて前記電気機械の故障電流を間接的に制御するようにさらにプログラムされている、請求項１に記載のモータ駆動装置。
6. 前記電気機械の電流および端子電圧の変更ならびに前記故障電流の制御において、前記コントローラは、前記電気機械の前記永久磁石の減磁を防止するために、前記電気機械におけるｄ軸磁束を所定のしきい値よりも上に保つようにさらにプログラムされている、請求項５に記載のモータ駆動装置。
7. 前記電気機械の電流および端子電圧の変更において、前記コントローラは、前記電気機械へと供給される前記変更された電圧および電流によって、前記電気機械のトルクおよび速度を故障前のトルクおよび速度のレベルに維持するようにさらにプログラムされている、請求項１に記載のモータ駆動装置。
8. 前記電気機械の電流および端子電圧の変更において、前記コントローラは、前記電気機械の前記変更された電流および端子電圧によって、前記電気機械における損失を最小化するようにさらにプログラムされている、請求項１に記載のモータ駆動装置。
9. 前記特定される故障は、ターンツーターン故障または全相故障のうちの１つ以上を含む、請求項１に記載のモータ駆動装置。
10. 前記駆動される電気機械は、モータおよび／または発電機として動作することができる、請求項１に記載のモータ駆動装置。
11. 前記駆動される電気機械は、半径方向磁束、軸方向磁束、または横方向磁束電気機械のうちの１つを含み、前記電気機械は、内側回転子、外側回転子、デュアル固定子、またはデュアル回転子電気機械のうちの１つを含む、請求項１に記載のモータ駆動装置。
12. 前記駆動される電気機械は、歯に巻かれた巻線または分布巻線のうちの一方を備え、前記電気機械は、型巻きコイルまたは乱巻きコイルのうちの一方を備える、請求項１に記載のモータ駆動装置。
13. 前記駆動される電気機械は、単線またはリッツ線として形成され、あるいは中空または非中空導体として形成された導体を備える、請求項１に記載のモータ駆動装置。
14. 前記電気機械の前記１つ以上の永久磁石は、ＳＰＭ（表面永久磁石）、ＩＰＭ（内部永久磁石）、ＸＰＭ（インセット永久磁石）、またはスポーク永久磁石の構成を含む１つ以上の永久磁石からなる構成にて、前記電気機械の回転子または固定子に位置する、請求項１に記載のモータ駆動装置。
15. 電気機械の永久磁石の減磁を防止するための故障後保護技術を実現するための方法であって、
    前記電気機械へと供給される電圧および電流のうちの少なくとも１つをコントローラによって監視するステップと、
    前記電気機械へと供給される前記電圧および電流のうちの少なくとも１つを前記コントローラによって分析して、前記電気機械における故障状態を検出するステップと、
    前記電圧および電流のうちの前記分析された少なくとも１つに基づいて、前記検出された故障状態の故障の種類を前記コントローラによって判断するステップと、
    前記判断された故障の種類に基づいて少なくとも１つの相において前記電気機械へと供給される電圧および電流を前記コントローラによって変更するステップと
    を含み、
    前記少なくとも１つの相において前記電気機械へと供給される電圧および電流を変更することで、前記電気機械における負のｄ軸磁束が制御され、したがって前記永久磁石の減磁が防止されるように、前記電気機械における故障電流が抑制される、方法。
16. 前記電気機械における故障状態を検出するステップは、前記電気機械へと供給される前記電圧および電流のうちの少なくとも１つのパターンの変化を特定するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記検出された故障状態の故障の種類を判断するステップは、
    インテリジェントなシグネチャ識別アルゴリズムによって前記電圧および電流のうちの少なくとも１つを分析して、前記電圧および電流のうちの少なくとも１つからの電圧および／または電流シグネチャを特定するステップと、
    前記特定された電圧および／または電流シグネチャに基づいて、ルックアップテーブル、ニューラルネットワーク、または深層学習技術のうちの１つ以上によって前記電気機械の故障の種類を特定するステップと
    を含む、請求項１５に記載の方法。
18. 前記電気機械におけるｄ軸磁束が、前記永久磁石の減磁を防止するために所定のしきい値よりも上に保たれる、請求項１５に記載の方法。
19. 前記電気機械へと供給される電圧および電流を変更するステップにおいて、前記方法は、前記電気機械へと供給される前記変更された電圧および電流によって、前記電気機械のトルクおよび速度を故障前のトルクおよび速度のレベルに維持することを含む、請求項１５に記載の方法。
20. 前記電気機械へと供給される電圧および電流を変更するステップにおいて、前記方法は、前記電気機械のすべての利用可能な相へと供給される入力電圧および電流を制御するために、前記電気機械に動作可能に接続されたモータ駆動装置の動作を制御することを含む、請求項１５に記載の方法。
21. インバータの動作を制御して、インバータに接続された永久磁石電気機械へと出力される電流および電圧を制御するように構成されたコントローラであって、
    １つ以上の相において前記永久磁石電気機械へと供給される電圧および電流のうちの少なくとも１つに関する入力を受け取り、
    前記電圧および電流のうちの少なくとも１つを分析して前記永久磁石電気機械における故障を特定し、
    故障が特定されると、前記特定された故障の種類に基づいて前記永久磁石電気機械へと供給される電流および電圧を変更すべく前記インバータの複数のスイッチのスイッチングを制御する
    ようにプログラムされたプロセッサを有しており、
    前記永久磁石電気機械へと供給される前記変更された電流および電圧が、前記永久磁石電気機械における負のｄ軸磁束を、前記永久磁石電気機械の１つ以上の永久磁石の減磁を防止するレベルに保つ、コントローラ。
22. 前記プロセッサは、インテリジェントなシグネチャ識別アルゴリズムによって前記電圧および電流のうちの少なくとも１つを分析して、故障の種類を表す前記電圧および電流のうちの少なくとも１つからの電圧および／または電流シグネチャを特定することによって、前記故障の種類を判断するようにプログラムされている、請求項２１に記載のコントローラ。
23. 前記永久磁石電気機械へと供給される電流および電圧の変更において、前記プロセッサは、前記変更された電流および電圧に基づいて前記永久磁石電気機械の故障電流を間接的に制御することによって、前記永久磁石電気機械におけるｄ軸磁束を前記所望のレベルに保つようにプログラムされている、請求項２１に記載のコントローラ。
24. 前記プロセッサは、前記永久磁石電気機械へと供給される前記変更された電圧および電流によって、前記永久磁石電気機械のトルクおよび速度を故障前のトルクおよび速度のレベルに維持するようにプログラムされている、請求項２１に記載のコントローラ。
25. 前記永久磁石電気機械へと供給される電流および電圧の変更は、前記故障の種類および故障が存在する相の数に基づいて選択的に制御される、請求項２１に記載のコントローラ。

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