(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＣ電源（１）から電力が供給される入力端子を備えるインバーター（３）の出力端子に接続された電気機械装置（Ｍ）向けの電気ブレーキシステムであって、
インバーター（３）の入力端子間に接続された電気回路を備え、さらに、
電気機械装置のブレーキ段階の間に、電気機械装置（Ｍ）によってインバーター（３）の入力端子に戻される電気的エネルギーを消散するための手段と、
電気機械装置のブレーキ段階の間には前記電気回路を閉じ、電気機械装置のブレーキ段階以外では前記電気回路を開くように意図されたスイッチング手段（Ｔ）と
を直列に備え、
電気的エネルギーを消散するための手段が、磁気回路部材（４）に巻き付けられた消散インダクタ（Ｌｆ）を備え、ブレーキ段階の間に電気機械装置によって戻される電気的エネルギーが、消散インダクタ（Ｌｆ）によって回復されるとともに、磁気回路部材（４）のヒステリシスおよび渦電流の損失によって消散され、
インバーター（３）の入力端子は、電気機械装置によって戻される電気的エネルギーを消散するための抵抗を備えていない、
電気ブレーキシステム。
【請求項２】
差動モードフィルタがＤＣ電源（１）とインバーター（３）の間に直列で配置され、磁気回路（２）の周りに巻き付けられた、フィルタリングインダクタ（Ｌ）、およびインバーター（３）の入力端子間に配置されたフィルタリングコンデンサ（Ｃ）を備え、フィルタリングインダクタ（Ｌ）および消散インダクタ（Ｌｆ）が共有の磁気回路部材（４）を有している、請求項１に記載の電気ブレーキシステム。
【請求項３】
フィルタリングインダクタ（Ｌ）および消散インダクタ（Ｌｆ）が互いに磁気的に結合されていない、請求項２に記載の電気ブレーキシステム。
【請求項４】
磁気回路部材（４）がＥＩまたはＥＥ形状回路部材で、フィルタリングインダクタが直列に接続された同一の２つのコイル（Ｌ’、Ｌ’’）を備え、それぞれのコイルがＥの外側の脚部に巻き付けられ、消散インダクタがＥの中心の脚部に巻き付けられている、請求項３に記載の電気ブレーキシステム。
【請求項５】
磁気回路部材（４）がＥＩまたはＥＥ形状回路部材で、消散インダクタが直列に接続された同一の２つのコイルを備え、それぞれのコイルがＥの外側の脚部に巻き付けられ、フィルタリングインダクタがＥの中心の脚部に巻き付けられている、請求項３に記載の電気ブレーキシステム。
【請求項６】
フィルタリングインダクタ（Ｌ）および消散インダクタ（Ｌｆ）が一緒に結合されている、請求項２に記載の電気ブレーキシステム。
【請求項７】
磁気回路部材（１０）が２つの向かい合った巻き線分岐を有するＯ形状回路部材で、フィルタリングインダクタが直列に接続された２つのコイル（Ｌ１、Ｌ２）から構成され、それぞれが分岐の周りに巻き付けられ、消散インダクタが直列に接続された２つのコイル（Ｌｆ１、Ｌｆ２）から構成され、それぞれも分岐の周りに巻き付けられている、請求項６に記載の電気ブレーキシステム。
【請求項８】
Ｏ形状回路部材（１０）が、非磁気材料から作られた空隙（１３）を介して互いに固定された２つのＣ形状部分（１１、１２）から構成される、請求項７に記載の電気ブレーキシステム。
【請求項９】
消散インダクタの磁気回路が、固定されているケースの壁方向の熱の流れのレベルの制御を可能にする熱絶縁手段とともに備えられている、請求項１から８のいずれか一項に記載の電気ブレーキシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源ネットワークまたはそのインタフェースが双方向でない場合、ブレーキ段階の間に電気機械装置により生成されるエネルギーを消散するよう意図された磁気損失による電気ブレーキシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機械装置が直流から直接、電力を供給される場合（例えば、ブラシモーター）と、インバーターを介して交流により電力が供給される場合の両方で、装置のブレーキ段階の間に生成されたエネルギーは、ＤＣバスに接続されたシステムによって通常、消散される。ほとんどの場合、消散は抵抗によって行われる。これらの抵抗が大量のエネルギーを保存する必要がある場合、および／または大量の動作サイクルに耐える必要がある場合、それらの抵抗は重く、大きく、高価になる。その上、固定されているハウジングの壁の方向への消散の流れは、このような場合、制御が難しい。このために、適用時の熱管理が困難になる。
【０００３】
図１は、ブレーキによって戻されるエネルギーが抵抗で消散する従来の電気ブレーキシステムを示す電気回路図である。この電気ブレーキシステムは電気機械装置Ｍの電源回路に配置されている。電源回路は、電気機械装置Ｍが接続されている端子のインバーター３に、保護ダイオードＤｐを介して、電源を供給するＤＣ電源１を備えている。保護ダイオードＤｐのカソードとＤＣ電源１が接続されている端子間に、逆向きに、フリーホイールダイオードＤ１および差動モードフィルタがある。差動モードフィルタは、磁気回路２に巻き付けられたインダクタＬ、およびコンデンサＣを備えている。インバーター３はコンデンサＣの端子に接続されている。電気ブレーキシステムは、直列で逆向きにコンデンサＣの端子に接続されている２つのダイオードＤ２およびＤ３を備える第１分岐を備えている。Ｔで参照されているトランジスタ（ＩＧＢＴなど）と直列のブレーキ抵抗Ｒｆを備える第２分岐はコンデンサＣの端子に接続されている。ブレーキ抵抗ＲｆとトランジスタＴの間の中間点は、ダイオードＤ２とダイオードＤ３の間に位置する中間点に接続されている。電気機械装置Ｍのブレーキの間、ブレーキエネルギーは抵抗Ｒｆで消散される。
【０００４】
図１の回路の動作は、次のとおりである。電気機械装置Ｍが機械的エネルギーを供給する場合、トランジスタＴはロックされたモードに制御され、抵抗Ｒｆには電流が流れない。この段階では、ダイオードＤ２およびダイオードＤ３は動作していない。電気機械装置が機械的エネルギーを受け取る場合、インバーター３が電気的エネルギーをコンデンサＣに戻す。通常はＰＷＭ（パルス幅変調）により、トランジスタＴを導通状態にすることによって、次に、電流は抵抗Ｒｆを通過し、インバーターの入力に電気機械装置から戻された電気的エネルギーを熱の形で消散される。ダイオードＤ２およびダイオードＤ３は、抵抗ＲｆとトランジスタＴから構成される分岐の寄生インダクタのすべてに対し、フリーホイールダイオードとして機能する。
【０００５】
米国特許第６０７２２９１号明細書では、インバーターの入力端子はＤＣ電源から電源が供給され、インバーターの出力端子に接続された電気機械装置向けの電気ブレーキシステムを開示している。システムは、インバーターの入力端子間に接続された電気回路を備え、
電気機械装置のブレーキ段階の間にインバーターの入力端子に電気機械装置から戻される電気的エネルギーを消散するための手段と、
電気機械装置のブレーキ段階の間には前記電気回路を閉じ、電気機械装置のブレーキ段階ではない場合には前記電気回路を開くよう意図されたスイッチング手段とが直列に接続されたものを備えている。
【０００６】
米国特許第６０７２２９１号明細書によると、ブレーキ段階の間にインバーターの入力端子に戻される電気的エネルギーは、主に、ブレーキ抵抗で消散される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６０７２２９１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、電気機械装置の電気ブレーキのための、電気的抵抗での消散以外の解決策を提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
提案されている解決策は、ブレーキ段階の間に電気機械装置により生成されたエネルギーを、インダクタのコアで、消散することであり、このインダクタは、例えば、ＤＣ電源用のフィルタリングインダクタと同じ磁気コアを共有する。
【００１０】
コアでの磁気損失は、誘導変化の周波数および振幅に応じて異なる。したがってコアで消散されるエネルギー量は、トランジスタＴに印加される固定または可変周波数ＰＷＭによっていつでも評価されることが可能である。
【００１１】
したがって、本発明は、インバーターの入力端子がＤＣ電源から電源が供給され、インバーターの出力端子に接続された電気機械装置向けの電気ブレーキシステムに関し、システムはインバーターの入力端子間に接続された電気回路を備え、さらに
電気機械装置のブレーキ段階の間にインバーターの入力端子に電気機械装置から戻される電気的エネルギーを消散するための手段と、
電気機械装置のブレーキ段階の間には前記電気回路を閉じ、電気機械装置のブレーキ段階ではない場合には前記電気回路を開くよう意図されたスイッチング手段とが直列に接続されたものを備えており、
電気的エネルギーを消散するための手段が磁気回路に巻き付けられたインダクタを備え、ブレーキ段階の間にインダクタによって回復されたエネルギーが磁気回路のヒステリシスおよび渦電流の損失によって消散されることを特徴としている。
【００１２】
差動モードフィルタが使用されることが可能である。このフィルタは、磁気回路を巻き付け、ＤＣ電源とインバーター間に直列で配置されるフィルタリングインダクタ、およびインバーターの入力端子間に配置されたフィルタリングコンデンサを含むことができる。フィルタリングインダクタおよび消散インダクタは、実施形態に応じて、共有の磁気回路を有する場合も、そうではない場合もある。
【００１３】
一実施形態によると、フィルタリングインダクタおよび消散インダクタは同じ磁気回路を使用するが、互いに磁気的に結合されていない。その場合、磁気回路はＥＩまたはＥＥ回路することができ、フィルタリングインダクタは直列に接続された同一の２つのコイルを備え、それぞれのコイルはＥの外側の脚部に巻き付けられており、消散インダクタはＥの中心の脚部に巻き付けられている。反対の配置も可能であり、消散インダクタは直列に接続された同一の２つのコイルを備え、それぞれのコイルはＥの外側の脚部に巻き付けられており、フィルタリングインダクタはＥの中心の脚部に巻き付けられている。
【００１４】
別の実施形態によると、フィルタリングおよび消散インダクタは互いに結合されている。その場合、磁気回路は、２つの向かい合った巻き線分岐を有するＯ型形状回路とすることができ、フィルタリングインダクタは直列に接続された２つのコイルから構成され、それぞれが分岐の周りに巻き付けられており、消散インダクタは直列に接続された２つのコイルから構成され、それぞれも分岐の周りに巻き付けられている。
【００１５】
本発明は、直接またはコンバータを介して、ＤＣバスに接続されるすべての可逆の電気機械装置に適用可能である。ほとんどの適用例では、これには、三相インバーターを介してＤＣバスに接続された三相同期または非同期装置が含まれる。説明を簡単にするために、この場合のみが提示されるが、決して装置／コンバータの他の場合を排除するものではない。
【００１６】
本発明は、添付図面とともに、非限定的な例として提供され、以下の説明を読むときに、より良く理解され、他の利点および特徴が明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】既に説明されたとおり、従来の技術に従い、ブレーキにより回復されたエネルギーの消散が抵抗で行われ、電気機械装置の電源回路に配置される電気ブレーキシステムを示す電気回路図である。
【図２】本発明に従い、ブレーキにより戻されたエネルギーの消散がフィルタリングインダクタとは異なる磁気回路の周りに巻き付けられたインダクタで行われ、電気機械装置の電源回路に配置される第１電気ブレーキシステムを示す電気回路図である。
【図３】本発明に従い、ブレーキにより回復されたエネルギーの消散がフィルタリングインダクタと共有される磁気回路の周りに巻き付けられたインダクタで行われ、電気機械装置の電源回路に配置される第２電気ブレーキシステムを示す電気回路図である。
【図４】本発明に従い、ブレーキにより戻されたエネルギーの消散がフィルタリングインダクタと共有されるが磁気的結合がない磁気回路の周りに巻き付けられたインダクタで行われ、電気機械装置の電源回路に配置される第３電気ブレーキシステムを示す電気回路図である。
【図５】本発明に従い、図４で説明された、電気ブレーキシステムで使用可能なインダクタを装備した磁気回路を示す図である。
【図６】本発明に従い、ブレーキにより戻されたエネルギーの消散が磁気回路の周りに巻き付けられたインダクタで行われ、電気機械装置の電源回路に配置される第４電気ブレーキシステムを示す電気回路図である。
【図７】本発明に従い、図４で説明されたシステムを除く、電気ブレーキシステムで使用可能なインダクタを装備した磁気回路の斜視図である。
【図８】電気ブレーキシステムを収容したケース中に、本発明に従い電気ブレーキシステムで使用可能な、磁気回路の配置方法を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下の説明の部分では、図１の電気回路図で示された構成部品と同一の電気回路図の構成部品が同じように参照される。
【００１９】
図２は、ブレーキにより戻されたエネルギーの消散が磁気回路の周りに巻き付けられたインダクタで行われ、電気機械装置（例えば、三相モータ）の電源回路に配置される第１電気ブレーキシステムを示す電気回路図である。
【００２０】
図２の回路図はブレーキエネルギー用の消散抵抗Ｒｆが磁気回路４の周りに巻き付けられたインダクタＬｆに置き換えられているという点で、図１の回路図とは異なる。この回路図では、インダクタＬおよびＬｆの間での結合や共有構成部品がない。ブレーキ段階の際、インダクタＬｆにより回復されたエネルギーは、磁気回路４のヒステリシスおよび渦電流の損失によって消散される。
【００２１】
図３は、本発明による第２の電気ブレーキシステムを示す電気回路図である。この実施形態では、磁気回路４が差動モードフィルタとのインダクタＬとブレーキエネルギーの消散インダクタＬｆとで共有されている。この場合、インダクタＬおよびＬｆのコイルが結合されている。参照符号Ｌｓは、インダクタＬｆと直列に配置され、フィルタリング品質を保持するよう意図された可飽和インダクタを示している。
【００２２】
図４は、本発明による第３の電気ブレーキシステムを示す電気回路図である。この実施形態では、磁気回路４が差動モードフィルタのインダクタＬとブレーキエネルギーの消散インダクタＬｆとで共有されている。図３の回路図で示された電気ブレーキシステムとは異なり、インダクタＬおよびＬｆのコイルの間には、磁気的結合がない。この結果を得るには、例えば、図５で示されているとおり、ＥＩ形状磁気回路４を使用することが可能である。次に、差動モードフィルタのインダクタＬは、直列に接続された同一の２つのコイルＬ’およびＬ’’から構成され、それぞれが磁気回路のＥ形状部分の外側の脚部に配置される。フィルタモードでの動作の場合、すなわち、ＤＣ電源から供給される電力がモータ向きである段階の間、Ｅの中心の脚部には磁気の流れがない（図５の暗い矢印を参照）。ブレーキエネルギーを消散するインダクタＬｆは磁気回路のＥ形状部分の中心脚部に巻き付けられている。ブレーキモードでの動作の間に、Ｅ形状磁気回路部分の外側の脚部に流れる磁気の流れは反対方向である（図５の明るい矢印を参照）。したがって、差動モードフィルタインダクタＬの端子では電圧が生成されない。
【００２３】
図６は、本発明による第４の電気ブレーキシステムを示す電気回路図である。この実施形態では、磁気回路４は差動モードフィルタのインダクタＬとブレーキエネルギーを消散するインダクタＬｆとで共有されている。インダクタＬｆと直列にコンデンサＣｆが追加されている。コンデンサＣｆの値は、インダクタＬｆと共振回路を形成するために選択される（およそ２０ＫＨｚの周波数で使用）。図６の場合、そのような訳で、これは直列の共振回路であるが、並列の共振回路を考慮することができる。この代替形態の利点は、ブレーキの電子スイッチの損失の低減化および電磁波妨害（ＥＭＩ）レベルの緩和にある。
【００２４】
図７は、本発明による電気ブレーキシステムで使用されることが可能な、インダクタを装備した磁気回路の斜視図である。磁気回路１０には、２つのＣ形状部分１１および１２が含まれ、そのそれぞれの端部が向かい合っている。磁気回路の材料は、この例では、重量でＳｉが３％の割合のＦｅＳｉタイプからできている。飽和状態を防止するため、向かい合っている部分１１と１２の端部の間に、非磁気材料１３から作られる空隙が備えられている（例えば、空気、絶縁体）。フィルタリングおよびエネルギー消散インダクタは、図７で示されているように、それぞれ２つのコイルに分散されている。フィルタリングインダクタが最初に巻き付けられる。フィルタリングインダクタは、直列に接続される、第１のコイルＬ１および第２のコイルＬ２を含んでいる。次に、消散インダクタが巻き付けられる。消散インダクタは直列に接続される、第１の針金コイルＬｆ１および第２のコイルＬｆ２を含んでいる。例にあるように、磁気回路の寸法は、次のようにすることができる：
空隙１３の幅、Ｌｇａｐ＝１．０５ｍｍ
コイルウィンドウの高さ、Ｈｗ＝１４．７ｍｍ
コイルウィンドウの幅、Ｌｗ＝１１．５ｍｍ
磁気回路の両側の長さ、Ｓｇａｐ＝２０．９ｍｍ
【００２５】
差動モードフィルタのインダクタの特性は、例えば、２４０μＨ、最大５０Ａ、交流１０Ａ、抵抗４０ｍΩ、巻線２８回である。消散インダクタの特性は、例えば、１５μＨ、平均５０Ａ、最大１５０Ａ、抵抗２５ｍΩ、巻線７回である。
【００２６】
これらのインダクタを装備したこの磁気回路は３００Ｖ、１５ＫＷ、１０ＫＪのＤＣバスで使用することができる。このことは、ブレーキ電力ビルドアップ時間が１０μＳで１５ＫＷであることを意味している。０．７５Ｔの最大誘導により、平均５０Ａで最大１５０Ａを制御する、２３ＫＨｚでＰＷＭ（パルス幅変調）コマンド３００Ｖにより１５，８００Ｗを消散することが可能である。
【００２７】
４００Ｊ／℃．Ｋｇの比熱がＦｅＳｉ３％に対して考慮され、５０℃の温度上昇が許容可能とすると、磁気回路はパルスモードで、１０ＫＪを吸収することができる。
【００２８】
熱容量が十分ではない場合、段階変更材料の追加が考慮されることができる。
【００２９】
平均消散が高い場合、ケースとの優れた熱接触が容易に達成される。
【００３０】
ケースの残りの部分との熱の流れがないことが望まれる場合、磁気回路にそれ自体の冷却システムを装備されることが可能である。
【００３１】
図８は、電気ブレーキシステムを収容するケースの中に、本発明による電気ブレーキシステムで使用可能な磁気回路を配置する方法を例示している。この適用例の場合、目的は非常に短い時間期間で大量のエネルギーを吸収し、次に、ゆっくりとケースの壁の方向に向け、それを消散できるようにすることである。磁気回路２０は、Ｃ形状部分２１およびＩ形状部分２２の２つの部分を含んでいる。部分２１および２２は、非磁気および非導通材料から作られた空隙２３を挿入して磁気回路を閉じるように組み立てられている。図７で示されている構造に関して、フィルタリングインダクタは直列で接続された２つのコイルＬ１およびＬ２を有し、消散インダクタは直列で接続された２つのコイルＬＦ１およびＬＦ２を有している。得られる構造は、適切な熱抵抗を有する手段２５を介してケースの壁２４に固定される。この配置によって、強力なブレーキエネルギーパルスが発生した場合でも、ケースの壁の方向に、生成された熱を徐々に消散することが可能になる。固定化は接着剤で行うことができる。
【００３２】
本発明は大部分のところで、実質的な益をもたらし、特に共有が差動モードフィルタリングインダクタで可能な場合である。高温の磁気材料の使用でも、この利点を増すことが可能になる。
【００３３】
本発明はさらに、熱サイクルに対する優秀な抵抗のおかげで、信頼性および耐用期間において実質的な利点がもたらされる。
【００３４】
解決策の主な利点は、電子的ケースに対して磁気回路を適応させるための無数の可能性のおかげで、消散されるエネルギーを管理することの柔軟性にある。アセンブリの熱状態を最適化することがより容易になる。
【００３５】
電力およびブレーキエネルギーレベルが高くなると、ますます提案された解決策が興味深くなる。関心の高いより低いしきい値は数十ワット付近であるべきである。
【００３６】
ＤＣバスの電圧を調整する、ブレーキの力のためのマイナーループにより、安定性の余裕および応答時間の面で、より高度に実行されるようになる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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