(57)【要約】ステータ、ロータおよびロータに配置された制御装置を備えた電気モータ、特に誘導モータ。３つのロータ巻線は、ロータに搭載されたインバータおよびコントローラユニットを備えるロータ制御装置に接続される。キャパシタは、ＤＣリンクに配置される。キャパシタは、ロータに誘起されたＥＭＦから供給される。ロータ巻線での電流は、ロータ電流とステータＭＭＦベクトルとの間で９０度位相シフトを達成するように進んでいる。これを達成するために、ロータ電流の周波数および振幅、そして位相シフトが変化できる。ロータインバータの周波数は、滑り(slip)周波数と整合している。
2019506122.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータ（２０）、ロータ（４０）および、ロータ（４０）に配置された制御装置（６０）を備え、
ステータ（２０）は、動作中にＥＭＦ（起電力）をロータ（４０）の中に誘起するように構成され、
制御装置（６０）は、ロータ内の誘起ＥＭＦに基づいて、力率及び／又はロータの滑りを変化させるように構成される、電気モータ、特に誘導モータ。
【請求項２】
ステータ（２０）は、３つ以上のステータ巻線（４３）を備え、
ロータ（４０）は、３つ以上のロータ巻線（４２）を備え、この中にＥＭＦ（電磁力）が誘起可能であり、
制御装置（６０）は、下記の少なくとも１つを変化または調整するように構成される、請求項１記載の誘導モータ、特に二重給電誘導モータ。
・ロータ巻線での電流
・及び／又は、ロータ磁束ベクトルの角度
・及び／又は、モータの滑り
【請求項３】
制御装置（６０）は、ロータ電流の位相及び／又は大きさ／振幅を変化させて、ロータ磁束ベクトルの角度および大きさを適応させるように構成される、請求項１または２記載の誘導モータ。
【請求項４】
制御装置（６０）は、ロータ電流の周波数及び／又は大きさ／振幅を変化させて、滑りに適応するように構成される、請求項１〜３のいずれかに記載の誘導モータ。
【請求項５】
ロータ（４０）は、制御装置（６０）に電気的に接続されたロータ巻線（４２）を備える、請求項１〜４のいずれかに記載の誘導モータ。
【請求項６】
ロータ制御装置（６０）は、ロータコントローラユニット（６１）、ロータインバータユニット（６６）、エネルギー保存ユニット（７４）、通信ユニット（８４）、及び／又は電位測定ユニットを備える、請求項１〜５のいずれかに記載の誘導モータ。
【請求項７】
ロータ制御装置（６０）は、接線加速度及び／又は半径方向加速度を測定できる加速度計センサを備える、請求項１〜６のいずれかに記載の誘導モータ。
【請求項８】
ロータコントローラユニット（６１）は、少なくとも１つのＰＩ制御ループ（６２）を含む能動制御装置である、請求項６記載の誘導モータ。
【請求項９】
スイッチングユニット（６８）が、複数のトランジスタおよびダイオードを含む、請求項１〜８のいずれかに記載の誘導モータ。
【請求項１０】
制御装置（６０）は、ロータコントローラユニット（６１）にＤＣを通電するように構成された電源ユニット（７２）を備える、請求項１〜９のいずれかに記載の誘導モータ。
【請求項１１】
エネルギー保存ユニット（７４）は、スイッチ可能な抵抗器に接続される、請求項６〜１０のいずれかに記載の誘導モータ。
【請求項１２】
ロータ巻線（４２）をロータインバータユニット（６６）に種々の代替的に選択可能な構成で電気的に接続するように構成されたロータスイッチングユニット（６８）を備える、請求項１〜１１のいずれかに記載の誘導モータ。
【請求項１３】
ロータスイッチングユニット（６８）は、ロータ（４０）の磁極数を変化させるように構成される、請求項１２記載の誘導モータ。
【請求項１４】
少なくとも１つの位置角度エンコーダを備え、少なくとも１つの位置角度エンコーダは、ロータ位置角度エンコーダ（７８）である、請求項１〜１３のいずれかに記載の誘導モータ。
【請求項１５】
少なくとも１つの電流センサ（８０）を備え、好ましくは少なくとも２つの電流センサ（８０）がロータ（４０）の巻線に位置決めされる、請求項１〜１４のいずれかに記載の誘導モータ。
【請求項１６】
ステータ（２０）に電気的に接続されたステータ制御装置（８２）を備え、
ステータ制御装置（８２）は、好ましくは、通信ユニット（８４）を介してロータ制御装置（６０）に接続される、請求項１〜１５のいずれかに記載の誘導モータ。
【請求項１７】
ステータ制御装置（８２）は、ステータ（４０）の電流または電圧の周波数、位相及び／又は大きさ／振幅を変化させるように構成される、請求項１６記載の誘導モータ。
【請求項１８】
ステータ（２０）およびロータ（４０）を有する電気モータ、特に誘導モータを動作させる方法であって、
ロータ（４０）に誘起されるＥＭＦを使用して、ロータ電流の大きさ／振幅、周波数及び／又は位相を変化させるステップを含む、方法。
【請求項１９】
・ロータ巻線（４２）に誘起されるＥＭＦを使用して、電気エネルギーをエネルギー保存ユニット（７４，７６）に保存するステップと、
・エネルギー保存ユニット（７４，７２）に保存されたエネルギー、要求トルク及び／又はＲＰＭを使用して、ロータ巻線（４２）での電流を変更、調整するステップと、
・通信ユニット（８４）を介してロータ制御装置から送信される情報、要求トルク及び／又はＲＰＭを使用して、ステータ巻線での電流を調整するステップと、
・全てのセンサからの情報、要求トルク及び／又はＲＰＭを使用して、ロータおよびステータでの適切な磁極数を選択して切り替えるステップと、
・振動する非回転のステータＭＭＦベクトルによって、ロータ巻線でＥＦＭを発生するステップと、を含む請求項１８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気モータ、特に誘導モータに関し、および電気モータ、特に誘導モータを動作させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
同期電気モータは、一般に、誘導電気モータより効率的であるが、誘導モータは未だ、多くの用途で広く使用されている。その理由は、同期モータと比較して低コスト、少ないメンテナンス、簡単な設計である。誘導モータのより低い効率の理由の１つは、ロータ磁束場が、強度および方向の点で制御するのが極めて困難であることである。定常状態条件（一定のＲＰＭおよびトルク）において、ステータＭＭＦ（起磁力）ベクトルとロータ磁束ベクトルとの間の角度は、最適な９０°（電気）ではない。より大きい電流をステータおよびロータにおいて維持する必要があることからの結果として、オーミック損失および空隙損失をもたらし、これは効率を削減し、過熱問題を引き起こすことがある。また、瞬時トルクがモータから要求される場合、ロータ場を増加させるのにかなりの時間を要する。ロータをさらに励磁するプロセスは、最大で数秒を要し、その間にモータがストールすることがあり、種々の問題をもたらす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、本発明の目的は、電気モータ、特に誘導モータに、先行技術の誘導モータよりも方向および強度の両方の点で、ロータ場ベクトル制御のためのより良い能力を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この目的は、請求項１に係る電気モータによって、そして請求項１６に係る電気モータを動作させる方法によって達成される。本発明の好ましい実施形態の追加の利点および特徴は、従属請求項で規定される。
【０００５】
本発明によれば、電気モータ、特に誘導モータは、ステータ、ロータおよび制御装置、特にロータに配置されたロータ制御装置を備え、ステータは、動作中にＥＭＦ（起電力）をロータの中に誘起するように構成され、制御装置は、ロータ内の誘起ＥＭＦに基づいて、力率及び／又はロータの滑り(slip)を変化させるように構成される。
【０００６】
好都合には、ステータは３つ以上のステータ巻線を備え、ロータは３つ以上のロータ巻線を備え、この中にＥＭＦ（電磁力）が誘起可能であり、制御装置は、下記の少なくとも１つを変化または調整するように構成される。
・ロータ巻線での電流
・及び／又は、ロータ磁束ベクトルの角度
・及び／又は、モータの滑り
【０００７】
ロータ制御装置は、適切な時期に電気エネルギーをロータ巻線から引き出すように構成され、該エネルギーの一部をロータエネルギー保存ユニット、即ち、キャパシタのバンクに電荷の形態で保存する。その結果、電位がロータエネルギー保存ユニットの端子間に蓄積する。そしてロータエネルギー保存ユニットに保存されたエネルギーは、ロータエネルギー保存ユニットで既に蓄積された電位を用いて、電位をロータ巻線に印加して、適切な時期にロータ巻線での電流を変更することによって、ロータ自体及び／又はモータの滑りに対して、ロータ磁束場の強度および角度を変化させるために使用される。
【０００８】
好都合には、ロータ制御装置は、ロータ電流の位相及び／又は大きさ／振幅を変化させて、ロータ磁束ベクトル、特にロータ磁束場の角度および大きさを適応させるように構成される。こうして電流は、ロータ内での誘起ＥＭＦとの同期のために、時間軸で前方または後方にシフトできる。さらに電流のレベル、大きさまたは振幅は増加または減少でき、このことは巻線内の電流が変化／変調可能であることを意味する。
【０００９】
さらに、ロータ制御装置は、好ましくは、ロータ電流の周波数及び／又は大きさ／振幅を変化させて、滑りに適応するように構成される。滑り周波数は、ステータＭＭＦベクトル回転（同期）周波数と実際のシャフト回転周波数との間の差として定義される。滑りは、同期周波数に対する滑り周波数の比率として定義される。滑りは、同期速度でのゼロから変化し、ロータが停止した場合は１である。
【００１０】
一実施形態によれば、ロータは、ロータ制御装置にそれぞれ電気的に接続された複数のロータ巻線を備える。より詳細には、ロータ制御装置の一部としてのロータインバータユニットに電気的に接続される。好ましい実施形態によれば、３つのロータ巻線は、互いに１２０°ピッチで巻回され、スターまたはデルタ接続で接続される。こうしてロータ巻線の周りの回転ステータ磁場に起因して、３相ＡＣが３つのロータ巻線に誘導されるようになる。ロータ内のＥＭＦの周波数は、滑り周波数に等しい。ロータ制御装置は、全ての３つのロータ巻線での電流を位相シフトするように構成され、いずれの巻線での電流は、好ましくはその中の誘起ＥＭＦと同相になる。しかしながら、ロータ内の誘起ＥＭＦは、回転ステータＭＭＦベクトルに対して電気的な９０°だけ常に遅延している（ファラデーの電磁誘導の法則に従って）。また、ロータ磁束ベクトルは、ロータ電流ベクトルに正比例する。こうして、もしロータＡＣ電流が誘起ＥＭＦと同相に維持される場合、ロータ磁束ベクトルはまた、ステータＭＭＦベクトルに対して正確に電気的に９０°だけ遅延するようになる。この条件は理想的であり、ロータ磁束ベクトルおよびステータＭＭＦベクトルが電気的に９０°である場合、単位電流当りの最大トルクが正確に達成されるためである。明らかに、これは、ロータ電流、よってロータ磁束ベクトルに追加の遅延が存在し、即ち、ステータＭＭＦベクトルに対して９０°＋φであり、常にオフセット角度φ＞０である標準的な誘導モータについては真実ではない。それは、先行技術のロータが多数の純粋なＲＬ（誘導抵抗性）電気ループからなり、ループ内の誘起ＥＭＦに対してロータの全ループでの電流の遅延を生じさせるためである。換言すると、先行技術でのロータループの力率は１未満であり、これは、ロータ磁束ベクトルをステータＭＭＦベクトルに対して９０°ではないようにオフセットする。
【００１１】
一実施形態によれば、ロータ制御装置は、ロータコントローラユニット、ロータインバータユニット、エネルギー保存ユニット、通信ユニット、及び／又は電位測定ユニットを備える。好ましくは、ロータ制御装置は、接線加速度及び／又は半径方向加速度を測定できる加速度計センサを備える。
【００１２】
ロータは、種々の滑り周波数で動作するように構成されるため、受動素子（簡単なキャパシタなど）または簡単なＲＬ回路を使用して、ロータ電流の位相を補正することは適切でない。従って、ロータ制御装置は、好ましくは、少なくとも１つの制御ループ、例えば、ＰＩ（比例積分）制御ループを含む能動プログラム可能装置であるコントローラユニット、及び／又は少なくとも１つのロータインバータユニットを備える。一実施形態によれば、各ＰＩ制御ループは、フィードバックまたはロープコントローラを備える。フィードバックは、ロータ巻線での電流センサ、エネルギー保存ユニットでの電位センサ、および温度センサ、シャフト位置エンコーダ、加速度計などの他のセンサによって提供される。特に、コントローラユニットは、ＰＩ制御ループ及び／又はロータインバータユニットを動作させるように構成される。システム全体は、ロータに好都合に配置され、従ってロータとともにスピンまたは回転する。スイッチングユニットは、ロータコントローラユニットにＤＣを通電するように構成された電源ユニットを備える。
【００１３】
好ましくは、ロータ制御装置は、コントローラユニット、エネルギー保存装置、ロータインバータユニットを有し、これは、例えば、複数のトランジスタおよびダイオードを含む。ロータの巻線は、ロータインバータユニットに電気的に接続される。
【００１４】
さらに、制御装置は、ロータコントローラユニットに、特に、その動作に必要になる適切なＤＣ電力を通電するように構成された電源ユニットを備える。ロータの巻線はまた、電源ユニットに電気的に接続される。
【００１５】
好ましい実施形態によれば、エネルギー保存ユニットは、少なくとも１つのキャパシタを備える。これらのコンポーネントはまた、好ましくはロータの巻線に接続される。電位測定センサが、エネルギー保存ユニットの両方の端子に装着され、情報をロータコントローラユニットに渡す。スイッチ可能な抵抗器もエネルギー保存ユニットに接続される。多すぎるエネルギーがエネルギー保存ユニットに蓄積された場合、該エネルギーの一部がスイッチ可能な抵抗器を介して熱として散逸できる。
【００１６】
一実施形態によれば、エネルギー保存ユニットは、電気エネルギーが電荷の形態で保存されるキャパシタバンクである。そして、このエネルギーは、ロータ電流ベクトルの周波数及び／又は大きさ／振幅を適切に変調するために使用され、それはステータＭＭＦベクトルに対して９０°に可能な限り近いように維持される。定常条件では、ロータインバータモジュールは、正弦波ＰＷＭデューティサイクルを出力し、これは、ロータ電流をより速く来るようにし、こうしてその他の純粋ＲＬ回路においてロータ電流の位相ラグを除去するロータコントローラユニットによって管理される。
【００１７】
ロータインバータによって発生した周波数は、瞬時滑り周波数に等しくなるように維持される。ロータインバータがその３相周波数を増加させた場合、滑り周波数も等しく増加する。より多くの滑りがあると、ロータ内の誘起ＥＭＦも大きくなり、ロータ巻線での電流も増加し、ロータ磁束を増加させる。もしロータインバータがその３相周波数を減少させた場合、滑り周波数も等しく減少する。滑りが少なくなると、ロータ内の誘起ＥＭＦを低下させ、ロータ巻線での電流も低下し、ロータ磁束を減少させる。またロータ磁束は、滑りを調整する必要なしで、ロータインバータモジュールデューティサイクルを調整することによって変化できる。このようにロータ磁束は、要求トルクに応じて好都合に変化できる。
【００１８】
ステータ制御装置は、ＡＣをステータに提供するように構成される。一実施形態によれば、ステータ制御装置はまた、少なくとも１つの制御ループ、例えば、ＰＩ（比例積分）制御ループがその中に設けられたステータコントローラユニット、及び／又は少なくとも１つのインバータユニットを備える。
【００１９】
一実施形態によれば、ステータ制御装置モジュールは、ステータの電流または電圧の周波数、位相及び／又は大きさ／振幅を変化させるように構成される。
【００２０】
好ましい実施形態において、ロータ制御装置および、特にロータコントローラユニットは、内蔵したロジック（ＰＩ制御ループ）に基づいて、滑りおよび他のロータパラメータを調整するようにプログラム可能である。他の実施形態において、ロータ制御装置は、無線通信ユニットを介して外部コマンドを受信し、滑りおよび他のロータパラメータを相応に調整できる。こうした実施形態において、ＰＩ制御ループは、ロータの外部で実行される。好ましくは、ステータ制御装置およびその集積プログラム可能ステータコントローラユニットは、ＰＩループをロータの外部で実行する。またロータ制御装置は、同じ無線通信ユニットを介して外部に及び／又はステータ制御装置にロータ状態および条件に関する情報を送信する。こうした情報は、ステータコントローラユニットで実行するＰＩループへのフィードバックの一部として使用される。フィードバックの他の部分は、ステータ電流センサ（８０）からのデータである。好ましくは、ロータ制御装置は、ステータ回転場によってロータ内の誘起ＥＭＦによって全体的に通電され、スリップリングまたは電磁エキサイタなど、追加の電力転送モジュールを必要としない。
【００２１】
一実施形態によれば、誘導モータは、ロータ巻線をロータインバータユニットに種々の代替的に選択可能な構成で電気的に接続するように構成されたロータスイッチングユニットを備える。好ましくは、ロータスイッチングユニットは、ロータの磁極数を変化させるように構成される。好ましくは、電気モータは、モータとして及び／又は発電機として動作可能である。
【００２２】
一実施形態によれば、ロータ及び／又はステータはまた、動作中に誘導モータの極数を好都合に変化させて、瞬間ＲＰＭおよびトルク要求に関して効率を最適化するための極数スイッチングユニットが設置できる。ロータスイッチングユニットが、好ましくはロータに装着され、これは、ロータとともに回転／スピンすることを意味する。こうした実施形態において、ロータスイッチングユニットは、ロータ制御装置の一部であり、ロータコントローラユニットによって命令される。好ましい実施形態によれば、ロータスイッチングユニットはまた、いずれのスリップリングも必要としない。こうした実施形態において、ロータおよびステータは、好ましくはそれぞれ６つの巻線を含む。巻線は、ロータおよびステータにおいて６０°ピッチで分配される。ロータスイッチングユニットおよびステータスイッチングユニットは、ロータ巻線およびステータ巻線をそれぞれロータインバータユニットおよびステータインバータユニットにデルタ構成で同時に電気的に接続して、誘導モータを４磁極構成で動作できる。またロータスイッチングユニットおよびステータスイッチングユニットは、代替的に切り替えて、ロータ巻線およびステータ巻線をそれぞれロータインバータユニットおよびステータインバータユニットにダブルスター構成で電気的に接続して、誘導モータを２磁極構成で動作できる。異なる数の代替的にスイッチ可能なロータおよびステータ磁極数セットを備えた他の実施形態も可能であり好ましい。磁極数スイッチングは、立て続けに実施される３つのステップで行われる。
・ＲＰＭが予め設定したポイント以下に低下した場合、両方のロータコントローラおよびステータコントローラは、ロータインバータおよびステータインバータのデューティサイクルをオフに切り替える。
・両方のロータスイッチングユニットおよびステータスイッチングユニットは、ロータ巻線およびステータ巻線を４磁極位置（デルタ構成）に切替えるように命令される。
・両方のロータインバータおよびステータインバータは、そのデューティサイクルをそれぞれその初期周波数のダブルで再開する。
【００２３】
同様に、４磁極から２磁極への切り替えは、ＲＰＭが予め設定したポイントを超えた場合に同様にして行われるが、ロータインバータおよびステータインバータのデューティサイクルは、それぞれその初期周波数の半分で再開する。周波数調整は、ステータＭＭＦベクトルおよびロータ場ベクトルの回転速度を実際のシャフト回転速度と同期させるために重要であり、これは磁極数スイッチングプロセスの際にほとんど変化しないままである。しかしながら、両方のベクトルの物理的回転速度は、磁極数変化のために変化し、シャフト回転速度と再び整合する調整を必要とする。磁極数スイッチングのプロセスは、通信ユニットを通じて同期され、ロータおよびステータで同時に行われる。
【００２４】
一実施形態によれば、誘導モータは、少なくとも１つの位置角度エンコーダを備え、少なくとも１つの位置角度エンコーダは、シャフト位置角度エンコーダである。こうしてロータ電流ベクトルは、ロータ自体で行われる測定から正確に知られ、位置角度エンコーダから知られるシャフトの角度を追加する。他の実施形態において、ロータ磁束ベクトルの角度を決定するために、センサ無しの方法が使用される。
【００２５】
一実施形態によれば、誘導モータは、少なくとも１つの電流センサを備え、好ましくは少なくとも２つの電流センサがロータの巻線に位置決めされる。
【００２６】
一実施形態によれば、誘導モータは、ステータ巻線に電気的に接続されたステータ制御装置を備え、インバータモジュールは、プログラム可能装置であるステータコントローラユニットによって動作される。好ましくは、ステータコントローラユニットは、通信ユニットを介してロータコントローラユニットと情報を交換できる。一実施形態において、通信ユニットは、有線式または無線式の通信ユニットでもよい。他の実施形態において、ロータ制御装置およびステータ制御装置は、追加の低電力変調高周波信号をロータ巻線およびステータ巻線に付与するエンコーディング／デコーディングユニットが設けられる。メッセージは、この可変高周波においてＦＭコード化され、これは、反対の巻線に同じＦＭ周波数をもつ小さいＥＭＦを誘起させることによって空隙を通過する。信号は、反対の巻線から他端においてフィルタ除去され、対応するエンコーディング／デコーディングユニットによってデコードされる。こうしてロータ制御装置およびステータ制御装置は、追加のアンテナまたはワイヤの必要なしで情報を交換できる。
【００２７】
本発明はまた、ステータおよびロータを有する電気モータ、特に誘導モータを動作させる方法に関し、下記ステップを含む。
・ロータに誘起されるＥＭＦ、及び／又はエネルギー保存装置に保存されたエネルギーを使用して、ロータ電流の大きさ／振幅、周波数及び／又は位相を変化させるステップ。
【００２８】
一実施形態によれば、方法は、下記ステップを含む。
・ロータ巻線に誘起されるＥＭＦを使用して、電気エネルギーをエネルギー保存ユニットに保存するステップ。
・エネルギー保存ユニットに保存されたエネルギー、要求トルク及び／又はＲＰＭを使用して、ロータ巻線での電流を変更、調整するステップ。
・通信ユニットを介してロータ制御装置から送信される情報、要求トルク及び／又はＲＰＭを使用して、ステータ巻線での電流を調整するステップ。
・全てのセンサからの情報、要求トルク及び／又はＲＰＭを使用して、ロータおよびステータでの適切な磁極数を選択して切り替えるステップ。
・振動する非回転のステータＭＭＦベクトルによって、ロータ巻線でＥＦＭを発生するステップ。
【００２９】
本発明に係る電気モータに関して提示される特徴および利点はまた、本発明に係る方法にも適用され、逆も同様である。
【００３０】
電気モータの開始手順が、下記のようにできる。最初にロータおよびステータには電流が存在しない。そしてステータ制御装置モジュールは、ステータインバータユニットでの一定の低いデューティサイクルを変調することによって、振動する（非回転）ＭＭＦベクトルをステータにおいて発生する。これは、単にステータインバータユニットの６つのトランジスタのうちの１つだけを「オン」および「オフ」に切り替えることによって行われる。こうして発生したＭＭＦベクトルは回転していないため、シャフトに作用するトルクは存在せず、ロータに作用する小さい半径方向力だけが発生するようになる。ステータ振動ＭＭＦベクトルに起因して、比較的小さいＥＭＦがロータ巻線に誘起される。ＭＭＦベクトルは回転していないため、シャフトにトルクは存在しない。ロータインバータユニットのダイオードは、整流器として機能し、エネルギー保存ユニット（キャパシタ）は、電荷を受けて、その端子間の電位の蓄積をもたらす。電源装置は、キャパシタからの電位によって活性化され、正確に制御されたＤＣ電力をロータコントローラユニットに出力する。ロータコントローラユニットは、「レディ(ready)」信号を起動し、通信ユニットを介してステータコントローラユニットに送信する。この状態が達成された後、電気モータは未だトルクを発生しないが、「スタンバイ」モードにあり、動作する準備中である。回転ステータＭＭＦベクトルが、ある最小滑り周波数を超える回転周波数でステータにおいて起動した場合、シャフトにトルクが存在するようになり、最終的に回転する。命令されたトルク及び／又はＲＰＭは、ステータ制御装置に接続された外部インタフェースを介して受信される。
【００３１】
下記において、下記表現を用いていろいろな動作モードを説明している。
ｆｓｔａｔｏｒ  ：ステータインバータユニットで発生した３相周波数。ステータＭＭＦベクトル回転周波数である。
ｆｒｏｔｏｒ  ：ロータインバータユニットで発生した３相周波数。滑り周波数に等しい。
ｆｓｈａｆｔ＝ｆｓｔａｔｏｒ−ｆｒｏｔｏｒ  ：シャフト回転周波数（モータシャフトの物理的回転周波数）。
ωｒｏｔｏｒ＝２πｆｒｏｔｏｒ  ：ロータ自体に対するロータ磁束ベクトル角速度。
ωｓｔａｔｏｒ＝２πｆｓｔａｔｏｒ  ：ステータＭＭＦベクトル角速度。
ωｓｈａｆｔ＝２πｆｓｈａｆｔ＝ωｓｔａｔｏｒ−ωｒｏｔｏｒ  ：物理的シャフト角速度。
Ｉｓｔａｔｏｒ  ：ステータ電流ベクトル。ステータＭＭＦベクトルに正比例する。
Ｉｒｏｔｏｒ  ：ロータ電流ベクトル。ロータ磁束ベクトルに正比例する。
τ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）  ：瞬時トルク。ベクトルロータおよびステータ電流から導出される。
Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）  ：ロータ電流ベクトルとステータ電流ベクトルとの間の角度。ロータ磁束ベクトルとステータ磁束ベクトルとの間の角度にも等しい。
【００３２】
磁界方向制御動作−電流センサを使用
【００３３】
第１ステップ：電流センサをそれぞれ用いて、２相のステータ電流およびロータ電流の測定。
【００３４】
第２ステップ：ロータおよびステータの磁束角Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）を推定（２つの測定したロータ位相電流および２つのステータ位相電流を知る）。ロータ磁束角は、ロータ物理位置の角度およびロータ自体に対するロータ磁束角を加算することによって決定される。ロータ物理瞬時位置は、ロータ位置角度エンコーダから決定される。ロータ自体に対するロータ磁束角は、２つのロータ巻線での２つの測定電流に基づいて推定される。また、角度Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）を推定するセンサ無し方法は、先行技術から知られている。ロータ磁束ベクトルとステータ磁束ベクトルとの間の角度は、ステータ電流位相シフト（逆ＥＭＦ）に影響することが知られている。そのターンでのロータ磁束ベクトルはまた、ステータでのＥＭＦを誘起する。この逆ＥＭＦは、ステータにおいて追加の電流ベクトルを生成し、ステータでの全体位相シフトに影響する。この影響を測定することによって、測定された対応するステータ電流値、その位相シフトおよび角速度から、ロータ磁束とステータ磁束との間の角度についての値を推定する方法が存在する。好ましくは、ロータ電流ベクトルＩｒｏｔｏｒは、ロータ自体で取られた測定値から正確に知られており、一方、先行技術では、それはステータで生じた影響から推定され、これはかなり遅く、不正確な方法である。
【００３５】
第３ステップ：もしロータ磁束ベクトルとステータ磁束ベクトルとの間の角度Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）が９０°未満である場合、下記ステップの少なくとも１つが実施される。
・ロータコントローラユニットは、ロータインバータユニットに対してロータ３相電流の角速度ωｒｏｔｏｒを減少させるように命令する。こうした動作は、滑りを減少させ、シャフトＲＰＭ（ωｓｈａｆｔ）を増加させ、ロータ磁束ベクトルとステータ磁束ベクトルとの間の角度Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）を９０°に接近させるようになる。こうした動作は、先行技術の誘導モータでは不可能である。
・ステータインバータに命令して、ステータ角速度ωｒｏｔｏｒを増加させる。こうした動作はまた、シャフトＲＰＭまたはωｓｈａｆｔを増加させるようになる。
・ステータインバータに命令して、ステータデューティサイクルを減少させる。こうした動作は、ＲＰＭを維持し、トルクを減少させるようになる。
【００３６】
もしロータ磁束ベクトルとステータ磁束ベクトルとの間の角度Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）が９０°より大きい場合、下記ステップの少なくとも１つが実施される。
・ロータコントローラユニットは、ロータインバータユニットに対してロータ３相電流の周波数（ωｓｔａｔｏｒ）を増加させ、ロータ電流ベクトルを前進させるように命令する。こうした動作は、滑りを増加させ、シャフトＲＰＭ（ωｓｈａｆｔ）を減少させ、ロータ磁束ベクトルとステータ磁束ベクトルとの間の角度Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）を９０°に接近させるようにする。こうした動作は、先行技術の誘導モータでは不可能である。
・ステータインバータに命令して、ステータ周波数（ωｓｔａｔｏｒ）を減少させる。こうした動作はまた、シャフトＲＰＭまたはωｓｈａｆｔを減少させるようになる。
・ステータインバータに命令して、ステータデューティサイクルを増加させる。こうした動作は、トルクを増加させるようになる。
・もし必要ならば、前述したステップの少なくとも１つを繰り返す。
【００３７】
磁界方向制御動作−ＰＩ制御ループを使用
【００３８】
モータ制御は、比例積分（ＰＩ）制御ループを用いて行うことができる。
・第１制御ループにおいて、角度Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）が９０°と比較される。もしΘ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）＜９０°である場合、エラーメッセージがＰＩコントローラに供給され、ωｒｏｔｏｒを適切に減少させる。それ以外ならば、ＰＩコントローラは、ωｒｏｔｏｒを適切に増加させる。
・第２制御ループにおいて、瞬時トルクが、ロータ電流およびステータ電流の値および、これらのベクトルが９０°であるという前提から推定される。瞬時トルクτ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）は、命令されたトルクと比較され、エラーメッセージがＰＩコントローラに供給される。もしより多くのトルクが必要である場合、ステータインバータは、そのデューティサイクルを適切に増加させるように命令され、これは、最終的にステータ電流およびロータ電流を増加させるようになり、より高いトルクを反映する。
・第３制御ループにおいて、命令されたＲＰＭは、実際のシャフト角速度（ωｓｈａｆｔ）であるωｓｔａｔｏｒ−ωｒｏｔｏｒと比較される。もし測定したωｓｈａｆｔが命令したものより小さい場合、ステータインバータは、その周波数を適切に増加させるように命令される。それ以外ならば、反対のコマンドが与えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
本発明の追加の利点および特徴は、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態の下記説明で示される。個々の実施形態の１つ１つの特徴または特性は、本発明の範囲内で明らかに組合せ可能である。
【００４０】
【図１】ロータに装着されたロータ制御装置を備える電気モータの概略斜視図を示す。
【図２ａ】ロータ巻線およびステータ巻線をダブルスター構成で接続するロータスイッチングユニットおよびステータスイッチングユニットを備えた電気モータの一実施形態の設計図を示す。
【図２ｂ】ロータ巻線およびステータ巻線をデルタ構成で接続するロータスイッチングユニットおよびステータスイッチングユニットを備えた電気モータの一実施形態の設計図を示す。
【図３】電気モータを動作させる異なる方法を視覚化するチャートを示す。
【図４】３相電流からの２つの既知の電流の値から磁束角を推定する方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
図１は、シャフト９０を含むロータ４０を備えたモータの概略斜視図を示す。制御装置６０は、ロータ４０またはシャフト９０に装着される。ロータ４０は、互いに１２０°で搭載され、スター接続またはデルタ接続で接続できる３つの巻線４２を含むロータ巻線４２を備える。こうして３相ＡＣが、ステータ（図示せず）の回転磁場に起因して３つの巻線４２の中に誘導できる。制御装置６０は、ロータ３相電流の位相及び／又は大きさ／振幅を変化させることによって、力率および滑りを補正するように構成される。
【００４２】
図２ａと図２ｂは、ロータ巻線およびステータ巻線をダブルスター構成（図２ａ）およびデルタ構成（図２ｂ）で接続するロータスイッチングユニットおよびステータスイッチングユニットを備えた本発明モータに係る電気モータの一実施形態の設計図を示す。ロータ４０は、３相を含み／形成するロータ巻線４２を備える。ロータ４０は、制御装置６０と組み合わされる。制御装置６０は、電源ユニット７２によって支援されるコントローラユニット６１と、少なくとも１つのキャパシタ７６を含むエネルギー保存ユニット７４とを備える。制御装置６０は、複数のトランジスタ６８およびダイオード７０を含むロータインバータユニット６６を備える。ロータインバータユニット６６は、ロータ巻線４２、または適切な相と電気的に接続される。ロータ４０の少なくとも２つの相には、電流センサ８０が設けられる。さらに、ロータ４０は、ロータ角度エンコーダ７８を備える。コントローラユニット６１または制御装置６０は、通信ユニット８４によってロータ制御装置８２にそれぞれ接続される。ロータ制御装置８２は、３相を含み、少なくとも２つの相が電流センサ８０を含むステータ２０と電気的に接続される。ロータ制御装置８２は、３相ＡＣシステムに接続される。
【００４３】
図３は、電気モータを動作させる異なる方法を視覚化するチャートを示す。制御ループ６２、好ましくはＰＩ制御ループ６２およびロータインバータユニット６４が、ロータ４０に接続される。これらは、Ｉｒｏｔｏｒ，ＩｓｔａｔｏｒおよびΘを処理する。２つの制御ループ６２、好ましくは２つのＰＩ制御ループ６２が、ステータ２０に接続される。これらは、Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ，ωｓｔａｔｏｒ，ωｒｏｔｏｒ，ωｓｈａｆｔ，τおよび命令されたトルクまたは命令されたシャフトＲＰＭをそれぞれ処理する。図３に関して、異なる動作モードが記載される。
【００４４】
磁界方向制御動作−電流センサを使用
第１ステップ：電流センサ８０をそれぞれ用いて、２相のステータ電流およびロータ電流の測定。
【００４５】
第２ステップ：ロータおよびステータの磁束角Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）を推定（２つの測定したロータ位相電流および２つのステータ位相電流を知る）。ロータ磁束角は、ロータ物理位置の角度およびロータ磁束角を加算することによって決定される。ロータ物理瞬時位置は、ロータ位置角度エンコーダ７８から決定される。また、角度Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）を推定するセンサ無し方法は、先行技術から知られている。ロータ磁束ベクトルとステータ磁束ベクトルとの間の角度は、ステータ電流位相シフト（逆ＥＭＦ）に影響することが知られている。そのターンでのロータ磁束ベクトルはまた、ステータ２０でのＥＭＦを誘起する。この逆ＥＭＦは、ステータにおいて追加の電流ベクトルを生成し、ステータでの全体位相シフトに影響する。この影響を測定することによって、測定された対応するステータ電流値、その位相シフトおよび角速度から、ロータ４０磁束とステータ２０磁束との間の角度についての値を推定する方法が存在する。本発明では、ロータ電流ベクトルＩｒｏｔｏｒは、ロータ４０自体で取られた測定値から正確に知られており、一方、先行技術では、それはステータで生じた影響から推定され、これはかなり遅く、不正確な方法である。
【００４６】
第３ステップ：もしロータ磁束ベクトルとステータ磁束ベクトルとの間の角度Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）が９０°未満である場合、下記ステップの少なくとも１つが実施される。
・ロータコントローラユニット６１は、ロータインバータユニット６４に対してロータ３相電流の角速度ωｒｏｔｏｒを減少させるように命令する。こうした動作は、滑りを減少させ、シャフトＲＰＭ（ωｓｈａｆｔ）を増加させ、ロータ磁束ベクトルとステータ磁束ベクトルとの間の角度Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）を９０°に接近させるようになる。こうした動作は、先行技術の誘導モータでは不可能である。
・ロータ制御装置８２に命令して、ステータ角速度ωｒｏｔｏｒを増加させる。こうした動作はまた、シャフトＲＰＭまたはωｓｈａｆｔを増加させるようになる。
・ロータ制御装置８２に命令して、ステータデューティサイクルを減少させる。こうした動作は、ＲＰＭを維持し、トルクを減少させるようになる。
【００４７】
もしロータ磁束ベクトルとステータ磁束ベクトルとの間の角度Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）が９０°より大きい場合、下記ステップの少なくとも１つが実施される。
・ロータコントローラユニット６１は、ロータインバータユニット６６に対してロータ３相電流の周波数（ωｓｔａｔｏｒ）を増加させ、ロータ電流ベクトルを前進させるように命令する。こうした動作は、滑りを増加させ、シャフトＲＰＭ（ωｓｈａｆｔ）を減少させ、ロータ磁束ベクトルとステータ磁束ベクトルとの間の角度Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）を９０°に接近させるようになる。こうした動作は、先行技術の誘導モータでは不可能である。
・ロータ制御装置８２に命令して、ステータ周波数（ωｓｔａｔｏｒ）を減少させる。こうした動作はまた、シャフトＲＰＭまたはωｓｈａｆｔを減少させるようになる。
・ロータ制御装置８２に命令して、ステータデューティサイクルを増加させる。こうした動作は、トルクを増加させるようになる。
・もし必要ならば、前述したステップの少なくとも１つを繰り返す。
【００４８】
磁界方向制御動作−ＰＩ制御ループを使用
【００４９】
モータ制御は、比例積分（ＰＩ）制御ループを用いて行うことができる。
・第１制御ループ６２において、角度Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）が９０°と比較される。もしΘ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）＜９０°である場合、エラーメッセージがＰＩコントローラ６２に供給され、ωｒｏｔｏｒを適切に減少させる。それ以外ならば、ＰＩコントローラ６２は、ωｒｏｔｏｒを適切に増加させる。
・第２制御ループ６２において、瞬時トルクが、ロータ電流およびステータ電流の値および、これらのベクトルが９０°であるという前提から推定される。瞬時トルクτ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）は、命令されたトルクと比較され、エラーメッセージがＰＩコントローラ６２に供給される。もしより多くのトルクが必要である場合、ロータ制御装置８２は、そのデューティサイクルを適切に増加させるように命令され、これは、最終的にステータ電流およびロータ電流を増加させるようになり、より高いトルクを反映する。
・第３制御ループ６２において、命令されたＲＰＭは、実際のシャフト角速度（ωｓｈａｆｔ）であるωｓｔａｔｏｒ−ωｒｏｔｏｒと比較される。もし測定したωｓｈａｆｔが命令したものより小さい場合、ロータ制御装置８２は、ステータ周波数を適切に増加させるように命令される。それ以外ならば、反対のコマンドが与えられる。
【００５０】
図４は、３相電流からの２つの既知の電流の値から磁束角を推定する方法を示す。
【００５１】
【数１】
2019506122.tif 000003
2019506122.tif 000004
【００５２】
ここで、Ａｔは相Ａでの瞬時電流値であり、Ｂｔは相Ｂでの瞬時電流値である。
【００５３】
もしｓｉｎ（ωｔ）＝０ならば、Ａｔ＝０で、電流角ωｔ＝０である。
【００５４】
もしｓｉｎ（ωｔ）≠０ならば、電流角は下記のように計算できる。
【００５５】
【数２】
2019506122.tif 000005
2019506122.tif 000006
【００５６】
下記の３つの式を代入する。
【００５７】
【数３】
2019506122.tif 000007
2019506122.tif 000008
2019506122.tif 000009
【００５８】
瞬間電流ベクトル角は、下記の式である。
【００５９】
【数４】
2019506122.tif 000010
【００６０】
参照符号
２０  ステータ
４０  ロータ
４２  ロータ巻線
４３  ステータ巻線
６０  ロータ制御装置
６１  ロータコントローラユニット
６２  （ＰＩ）制御ループ、（ＰＩ）コントローラ
６６  ロータインバータユニット
６８  ロータスイッチングユニット
７０  電位測定センサ
７１  スイッチ可能な抵抗器
７２  電源ユニット
７４  エネルギー保存ユニット
７６  キャパシタ
７８  シャフト角度エンコーダ
８０  電流センサ
８２  ロータ制御装置
８３  ステータコントローラユニット
８５  ステータインバータユニット
８６  外部インタフェース
８７  ステータスイッチングユニット
８４  通信ユニット
８５  ステータインバータユニット
９０  シャフト
Ｐ  パワー
Ｉ  電流
ε  ＥＭＦ
ω  角速度
ωｔ  電流ベクトル角
Ａｔ  相Ａでの瞬時電流値
Ｂｔ  相Ｂでの瞬時電流値
【図１】
2019506122.tif 000011
【図２ａ】
2019506122.tif 000012
【図２ｂ】
2019506122.tif 000013
【図３】
2019506122.tif 000014
【図４】
2019506122.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成30年3月23日(2018.3.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータ（２０）、ロータ（４０）および、ロータ（４０）に配置された制御装置（６０）を備え、
ステータ（２０）は、動作中に起電力（ＥＭＦ）をロータ（４０）の中に誘起するように構成され、
ロータ（４０）は、３つ以上のロータ巻線（４２）を有し、この中にＥＭＦが誘起可能であり、これらは制御装置（６０）に電気的に接続され、
ステータ（２０）は、３つ以上のステータ巻線（４３）を有し、
制御装置（６０）は、ロータ内の誘起ＥＭＦに基づいて、これを用いて力率を変化させるように構成され、そして、下記の少なくとも１つを変化または調整するように構成され、
・ロータ巻線（４２）での電流
・及び／又は、ロータ磁束ベクトルの角度
制御装置（６０）は、ロータに誘起されたＥＭＦを用いて、ロータ電流の位相、周波数及び／又は大きさ／振幅を変化させ、ロータ磁束ベクトルとステータ起磁力（ＭＭＦ）ベクトルとの間の９０°の最適角度を達成するように構成されることを特徴する二重給電電気モータ。
【請求項２】
制御装置（６０）は、ロータ電流の周波数及び／又は大きさ／振幅を変化させて、滑りに適応するように構成される、請求項１記載の二重給電電気モータ。
【請求項３】
ロータ制御装置（６０）は、ロータコントローラユニット（６１）、ロータインバータユニット（６６）、エネルギー保存ユニット（７４）、通信ユニット（８４）、及び／又は電位測定ユニットを備える、請求項１または２記載の二重給電電気モータ。
【請求項４】
ロータ制御装置（６０）は、接線加速度及び／又は半径方向加速度を測定できる加速度計センサを備える、請求項１〜３のいずれかに記載の二重給電電気モータ。
【請求項５】
ロータコントローラユニット（６１）は、少なくとも１つのＰＩ制御ループ（６２）を含む能動制御装置である、請求項３記載の二重給電電気モータ。
【請求項６】
スイッチングユニット（６８）が、複数のトランジスタおよびダイオードを含む、請求項１〜５のいずれかに記載の二重給電電気モータ。
【請求項７】
制御装置（６０）は、ロータコントローラユニット（６１）にＤＣを通電するように構成された電源ユニット（７２）を備える、請求項１〜６のいずれかに記載の二重給電電気モータ。
【請求項８】
エネルギー保存ユニット（７４）は、スイッチ可能な抵抗器に接続される、請求項３〜７のいずれかに記載の二重給電電気モータ。
【請求項９】
ロータ巻線（４２）をロータインバータユニット（６６）に種々の代替的に選択可能な構成で電気的に接続するように構成されたロータスイッチングユニット（６８）を備える、請求項１〜８のいずれかに記載の二重給電電気モータ。
【請求項１０】
ロータスイッチングユニット（６８）は、ロータ（４０）の磁極数を変化させるように構成される、請求項９記載の二重給電電気モータ。
【請求項１１】
少なくとも１つの位置角度エンコーダを備え、少なくとも１つの位置角度エンコーダは、ロータ位置角度エンコーダ（７８）である、請求項１〜１０のいずれかに記載の二重給電電気モータ。
【請求項１２】
少なくとも１つの電流センサ（８０）を備え、好ましくは少なくとも２つの電流センサ（８０）がロータ（４０）の巻線に位置決めされる、請求項１〜１１のいずれかに記載の二重給電電気モータ。
【請求項１３】
ステータ（２０）に電気的に接続されたステータ制御装置（８２）を備え、
ステータ制御装置（８２）は、好ましくは、通信ユニット（８４）を介してロータ制御装置（６０）に接続される、請求項１〜１２のいずれかに記載の二重給電電気モータ。
【請求項１４】
ステータ制御装置（８２）は、ステータ（４０）の電流または電圧の周波数、位相及び／又は大きさ／振幅を変化させるように構成される、請求項１３記載の誘導モータ。
【請求項１５】
ステータ（２０）およびロータ（４０）を有する二重給電電気モータを動作させる方法であって、
ステータ（２０）は、３つ以上のステータ巻線（４３）を備え、
ロータ（４０）は、３つ以上のロータ巻線（４２）を有し、この中にＥＭＦが誘起可能であり、制御装置（６０）がロータ（４０）に配置され、ロータ巻線（４２）は制御装置（６０）に電気的に接続され、
制御装置（６０）は、ロータ（４０）内の誘起ＥＭＦに基づいて、これを用いて力率を変化させ、そして、下記の少なくとも１つを変化または調整し、
・ロータ巻線（４２）での電流
・及び／又は、ロータ磁束ベクトルの角度
制御装置（６０）は、ロータに誘起されたＥＭＦを用いて、ロータ電流の位相、周波数及び／又は大きさ／振幅を変化させ、ロータ磁束ベクトルとステータ起磁力（ＭＭＦ）ベクトルとの間の９０°の最適角度を達成することを特徴する、方法。
【請求項１６】
・ロータ巻線（４２）に誘起されるＥＭＦを使用して、電気エネルギーをエネルギー保存ユニット（７４，７６）に保存するステップと、
・エネルギー保存ユニット（７４，７２）に保存されたエネルギー、要求トルク及び／又はＲＰＭを使用して、ロータ巻線（４２）での電流を変更、調整するステップと、
・通信ユニット（８４）を介してロータ制御装置から送信される情報、要求トルク及び／又はＲＰＭを使用して、ステータ巻線での電流を調整するステップと、
・ロータ巻線での電流センサ、エネルギー保存ユニットでの電位センサ、温度センサ、シャフト位置エンコーダ、または加速度計センサなどのセンサからの情報、要求トルク及び／又はＲＰＭを使用して、ロータおよびステータでの適切な磁極数を選択して切り替えるステップと、
・振動する非回転のステータ起磁力（ＭＭＦ）ベクトルによって、ロータ巻線でＥＦＭを発生するステップと、を含む請求項１５記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二重給電電気モータ関し、および二重給電電気モータを動作させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
同期電気モータは、一般に、誘導電気モータより効率的であるが、誘導モータは未だ、多くの用途で広く使用されている。その理由は、同期モータと比較して低コスト、少ないメンテナンス、簡単な設計である。誘導モータのより低い効率の理由の１つは、ロータ磁束場が、強度および方向の点で制御するのが極めて困難であることである。定常状態条件（一定のＲＰＭおよびトルク）において、ステータＭＭＦ（起磁力）ベクトルとロータ磁束ベクトルとの間の角度は、最適な９０°（電気）ではない。より大きい電流をステータおよびロータにおいて維持する必要があることからの結果として、オーミック損失および空隙損失をもたらし、これは効率を削減し、過熱問題を引き起こすことがある。また、瞬時トルクがモータから要求される場合、ロータ場を増加させるのにかなりの時間を要する。ロータをさらに励磁するプロセスは、最大で数秒を要し、その間にモータがストールすることがあり、種々の問題をもたらす。簡単な誘導モータに対するより効率的な代替品は、いわゆる二重給電電気モータであり、ロータ場は、スリップリングまたは追加の電磁エキサイタを介してより正確に外部制御される。
文献：米国公開第２０１５／１４５４６６号は、二重給電電気モータを示し、ステータへの単相グリッド電源または直流電源を備える。更なる文献：米国特許第４９８２１４７号および米国公開第２０１５／３４９６８７号も二重給電電気機械を示すが、ロータベクトル場を制御するために、これらの文献は、従来のスリップリングを経由してロータインバータに接続された追加の外部電源を使用することを提案する。
しかしながら、スリップリングは、摩耗を免れず、頻繁なメンテナンスを要する。
いわゆるブラシレス二重給電電気機械が、例えば、米国特許第６２７８２１１号などの先行技術から知られている。これらの機械は、電磁誘導を経由してエネルギーをロータへ／から伝達するためにだけに特化した追加のステータ巻線およびロータ巻線を使用する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、本発明の目的は、スリップリングまたは電磁エキサイタの使用なしで、二重給電電気モータに、先行技術の誘導二重給電電気モータよりも方向および強度の両方の点で、ロータ場ベクトル制御のためのより良い能力を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この目的は、請求項１に係る電気モータによって、そして請求項１５に係る電気モータを動作させる方法によって達成される。本発明の好ましい実施形態の追加の利点および特徴は、従属請求項で規定される。
【０００５】
本発明によれば、二重給電電気モータは、ステータ、ロータおよび制御装置、特にロータに配置されたロータ制御装置を備え、ステータは、動作中にＥＭＦ（起電力）をロータの中に誘起するように構成され、ロータは、３つ以上のロータ巻線を有し、この中にＥＭＦが誘起可能であり、これらは制御装置に電気的に接続され、ステータは、３つ以上のステータ巻線を有し、制御装置は、ロータ内の誘起ＥＭＦに基づいて、これを用いて力率を変化させ、そしてロータ巻線内の電流及び／又はロータ磁束ベクトルの角度の少なくとも１つを変化させるように構成され、制御装置は、ロータに誘起されたＥＭＦを用いて、ロータ電流の位相、周波数及び／又は大きさ／振幅を変化させ、ロータ磁束ベクトルとステータ起磁力（ＭＭＦ）ベクトルとの間の９０°の最適角度を達成するように構成される。
【０００６】
【０００７】
ロータ制御装置は、適切な時期に電気エネルギーをロータ巻線から引き出すように構成され、該エネルギーの一部をロータエネルギー保存ユニット、即ち、キャパシタのバンクに電荷の形態で保存する。その結果、電位がロータエネルギー保存ユニットの端子間に蓄積する。そしてロータエネルギー保存ユニットに保存されたエネルギーは、ロータエネルギー保存ユニットで既に蓄積された電位を用いて、電位をロータ巻線に印加して、適切な時期にロータ巻線での電流を変更することによって、ロータ自体及び／又はモータの滑りに対して、ロータ磁束場の強度および角度を変化させるために使用される。
【０００８】
好都合には、ロータ制御装置は、ロータ電流の位相及び／又は大きさ／振幅を変化させて、ロータ磁束ベクトル、特にロータ磁束場の角度および大きさを適応させるように構成される。こうして電流は、ロータ内での誘起ＥＭＦとの同期のために、時間軸で前方または後方にシフトできる。さらに電流のレベル、大きさまたは振幅は増加または減少でき、このことは巻線内の電流が変化／変調可能であることを意味する。
【０００９】
さらに、ロータ制御装置は、好ましくは、ロータ電流の周波数及び／又は大きさ／振幅を変化させて、滑りに適応するように構成される。滑り周波数は、ステータＭＭＦベクトル回転（同期）周波数と実際のシャフト回転周波数との間の差として定義される。滑りは、同期周波数に対する滑り周波数の比率として定義される。滑りは、同期速度でのゼロから変化し、ロータが停止した場合は１である。
【００１０】
一実施形態によれば、ロータは、ロータ制御装置にそれぞれ電気的に接続された複数のロータ巻線を備える。より詳細には、ロータ制御装置の一部としてのロータインバータユニットに電気的に接続される。好ましい実施形態によれば、３つのロータ巻線は、互いに１２０°ピッチで巻回され、スターまたはデルタ接続で接続される。こうしてロータ巻線の周りの回転ステータ磁場に起因して、３相ＡＣが３つのロータ巻線に誘導されるようになる。ロータ内のＥＭＦの周波数は、滑り周波数に等しい。ロータ制御装置は、全ての３つのロータ巻線での電流を位相シフトするように構成され、いずれの巻線での電流は、好ましくはその中の誘起ＥＭＦと同相になる。しかしながら、ロータ内の誘起ＥＭＦは、回転ステータＭＭＦベクトルに対して電気的な９０°だけ常に遅延している（ファラデーの電磁誘導の法則に従って）。また、ロータ磁束ベクトルは、ロータ電流ベクトルに正比例する。こうして、もしロータＡＣ電流が誘起ＥＭＦと同相に維持される場合、ロータ磁束ベクトルはまた、ステータＭＭＦベクトルに対して正確に電気的に９０°だけ遅延するようになる。この条件は理想的であり、ロータ磁束ベクトルおよびステータＭＭＦベクトルが電気的に９０°である場合、単位電流当りの最大トルクが正確に達成されるためである。明らかに、これは、ロータ電流、よってロータ磁束ベクトルに追加の遅延が存在し、即ち、ステータＭＭＦベクトルに対して９０°＋φであり、常にオフセット角度φ＞０である標準的な誘導モータについては真実ではない。それは、先行技術のロータが多数の純粋なＲＬ（誘導抵抗性）電気ループからなり、ループ内の誘起ＥＭＦに対してロータの全ループでの電流の遅延を生じさせるためである。換言すると、先行技術でのロータループの力率は１未満であり、これは、ロータ磁束ベクトルをステータＭＭＦベクトルに対して９０°ではないようにオフセットする。
【００１１】
一実施形態によれば、ロータ制御装置は、ロータコントローラユニット、ロータインバータユニット、エネルギー保存ユニット、通信ユニット、及び／又は電位測定ユニットを備える。好ましくは、ロータ制御装置は、接線加速度及び／又は半径方向加速度を測定できる加速度計センサを備える。
【００１２】
ロータは、種々の滑り周波数で動作するように構成されるため、受動素子（簡単なキャパシタなど）または簡単なＲＬ回路を使用して、ロータ電流の位相を補正することは適切でない。従って、ロータ制御装置は、好ましくは、少なくとも１つの制御ループ、例えば、ＰＩ（比例積分）制御ループを含む能動プログラム可能装置であるコントローラユニット、及び／又は少なくとも１つのロータインバータユニットを備える。一実施形態によれば、各ＰＩ制御ループは、フィードバックまたはロープコントローラを備える。フィードバックは、ロータ巻線での電流センサ、エネルギー保存ユニットでの電位センサ、および温度センサ、シャフト位置エンコーダ、加速度計などの他のセンサによって提供される。特に、コントローラユニットは、ＰＩ制御ループ及び／又はロータインバータユニットを動作させるように構成される。システム全体は、ロータに好都合に配置され、従ってロータとともにスピンまたは回転する。
【００１３】
好ましくは、ロータ制御装置は、コントローラユニット、エネルギー保存装置、ロータインバータユニットを有し、これは、例えば、複数のトランジスタおよびダイオードを含む。ロータの巻線は、ロータインバータユニットに電気的に接続される。
【００１４】
さらに、制御装置は、ロータコントローラユニットに、特に、その動作に必要になる適切なＤＣ電力を通電するように構成された電源ユニットを備える。ロータの巻線はまた、電源ユニットに電気的に接続される。
【００１５】
好ましい実施形態によれば、エネルギー保存ユニットは、少なくとも１つのキャパシタを備える。これらのコンポーネントはまた、好ましくはロータの巻線に接続される。電位測定センサが、エネルギー保存ユニットの両方の端子に装着され、情報をロータコントローラユニットに渡す。スイッチ可能な抵抗器もエネルギー保存ユニットに接続される。多すぎるエネルギーがエネルギー保存ユニットに蓄積された場合、該エネルギーの一部がスイッチ可能な抵抗器を介して熱として散逸できる。
【００１６】
一実施形態によれば、エネルギー保存ユニットは、電気エネルギーが電荷の形態で保存されるキャパシタバンクである。そして、このエネルギーは、ロータ電流ベクトルの周波数及び／又は大きさ／振幅を適切に変調するために使用され、それはステータＭＭＦベクトルに対して９０°に可能な限り近いように維持される。定常条件では、ロータインバータモジュールは、正弦波ＰＷＭデューティサイクルを出力し、これは、ロータ電流をより速く来るようにし、こうしてその他の純粋ＲＬ回路においてロータ電流の位相ラグを除去するロータコントローラユニットによって管理される。
【００１７】
ロータインバータによって発生した周波数は、瞬時滑り周波数に等しくなるように維持される。ロータインバータがその３相周波数を増加させた場合、滑り周波数も等しく増加する。より多くの滑りがあると、ロータ内の誘起ＥＭＦも大きくなり、ロータ巻線での電流も増加し、ロータ磁束を増加させる。もしロータインバータがその３相周波数を減少させた場合、滑り周波数も等しく減少する。滑りが少なくなると、ロータ内の誘起ＥＭＦを低下させ、ロータ巻線での電流も低下し、ロータ磁束を減少させる。またロータ磁束は、滑りを調整する必要なしで、ロータインバータモジュールデューティサイクルを調整することによって変化できる。このようにロータ磁束は、要求トルクに応じて好都合に変化できる。
【００１８】
ステータ制御装置は、ＡＣをステータに提供するように構成される。一実施形態によれば、ステータ制御装置はまた、少なくとも１つの制御ループ、例えば、ＰＩ（比例積分）制御ループがその中に設けられたステータコントローラユニット、及び／又は少なくとも１つのインバータユニットを備える。
【００１９】
一実施形態によれば、ステータ制御装置モジュールは、ステータの電流または電圧の周波数、位相及び／又は大きさ／振幅を変化させるように構成される。
【００２０】
好ましい実施形態において、ロータ制御装置および、特にロータコントローラユニットは、内蔵したロジック（ＰＩ制御ループ）に基づいて、滑りおよび他のロータパラメータを調整するようにプログラム可能である。他の実施形態において、ロータ制御装置は、無線通信ユニットを介して外部コマンドを受信し、滑りおよび他のロータパラメータを相応に調整できる。こうした実施形態において、ＰＩ制御ループは、ロータの外部で実行される。好ましくは、ステータ制御装置およびその集積プログラム可能ステータコントローラユニットは、ＰＩループをロータの外部で実行する。またロータ制御装置は、同じ無線通信ユニットを介して外部に及び／又はステータ制御装置にロータ状態および条件に関する情報を送信する。こうした情報は、ステータコントローラユニットで実行するＰＩループへのフィードバックの一部として使用される。フィードバックの他の部分は、ステータ電流センサ（８０）からのデータである。好ましくは、ロータ制御装置は、ステータ回転場によってロータ内の誘起ＥＭＦによって全体的に通電され、スリップリングまたは電磁エキサイタなど、追加の電力転送モジュールを必要としない。
【００２１】
一実施形態によれば、二重給電電気モータは、ロータ巻線をロータインバータユニットに種々の代替的に選択可能な構成で電気的に接続するように構成されたロータスイッチングユニットを備える。好ましくは、ロータスイッチングユニットは、ロータの磁極数を変化させるように構成される。好ましくは、電気モータは、モータとして及び／又は発電機として動作可能である。
【００２２】
一実施形態によれば、ロータ及び／又はステータはまた、動作中に二重給電電気モータの極数を好都合に変化させて、瞬間ＲＰＭおよびトルク要求に関して効率を最適化するための極数スイッチングユニットが設置できる。ロータスイッチングユニットが、好ましくはロータに装着され、これは、ロータとともに回転／スピンすることを意味する。こうした実施形態において、ロータスイッチングユニットは、ロータ制御装置の一部であり、ロータコントローラユニットによって命令される。好ましい実施形態によれば、ロータスイッチングユニットはまた、いずれのスリップリングまたは電磁エキサイタも必要としない。こうした実施形態において、ロータおよびステータは、好ましくはそれぞれ６つの巻線を含む。巻線は、ロータおよびステータにおいて６０°ピッチで分配される。ロータスイッチングユニットおよびステータスイッチングユニットは、ロータ巻線およびステータ巻線をそれぞれロータインバータユニットおよびステータインバータユニットにデルタ構成で同時に電気的に接続して、二重給電電気モータを４磁極構成で動作できる。またロータスイッチングユニットおよびステータスイッチングユニットは、代替的に切り替えて、ロータ巻線およびステータ巻線をそれぞれロータインバータユニットおよびステータインバータユニットにダブルスター構成で電気的に接続して、二重給電電気モータを２磁極構成で動作できる。異なる数の代替的にスイッチ可能なロータおよびステータ磁極数セットを備えた他の実施形態も可能であり好ましい。磁極数スイッチングは、立て続けに実施される３つのステップで行われる。
・ＲＰＭが予め設定したポイント以下に低下した場合、両方のロータコントローラおよびステータコントローラは、ロータインバータおよびステータインバータのデューティサイクルをオフに切り替える。
・両方のロータスイッチングユニットおよびステータスイッチングユニットは、ロータ巻線およびステータ巻線を４磁極位置（デルタ構成）に切替えるように命令される。
・両方のロータインバータおよびステータインバータは、そのデューティサイクルをそれぞれその初期周波数のダブルで再開する。
【００２３】
同様に、４磁極から２磁極への切り替えは、ＲＰＭが予め設定したポイントを超えた場合に同様にして行われるが、ロータインバータおよびステータインバータのデューティサイクルは、それぞれその初期周波数の半分で再開する。周波数調整は、ステータＭＭＦベクトルおよびロータ場ベクトルの回転速度を実際のシャフト回転速度と同期させるために重要であり、これは磁極数スイッチングプロセスの際にほとんど変化しないままである。しかしながら、両方のベクトルの物理的回転速度は、磁極数変化のために変化し、シャフト回転速度と再び整合する調整を必要とする。磁極数スイッチングのプロセスは、通信ユニットを通じて同期され、ロータおよびステータで同時に行われる。
【００２４】
一実施形態によれば、二重給電電気モータは、少なくとも１つの位置角度エンコーダを備え、少なくとも１つの位置角度エンコーダは、シャフト位置角度エンコーダである。こうしてロータ電流ベクトルは、ロータ自体で行われる測定から正確に知られ、位置角度エンコーダから知られるシャフトの角度を追加する。他の実施形態において、ロータ磁束ベクトルの角度を決定するために、センサ無しの方法が使用される。
【００２５】
一実施形態によれば、二重給電電気モータは、少なくとも１つの電流センサを備え、好ましくは少なくとも２つの電流センサがロータの巻線に位置決めされる。
【００２６】
一実施形態によれば、二重給電電気モータは、ステータ巻線に電気的に接続されたステータ制御装置を備え、インバータモジュールは、プログラム可能装置であるステータコントローラユニットによって動作される。好ましくは、ステータコントローラユニットは、通信ユニットを介してロータコントローラユニットと情報を交換できる。一実施形態において、通信ユニットは、有線式または無線式の通信ユニットでもよい。他の実施形態において、ロータ制御装置およびステータ制御装置は、追加の低電力変調高周波信号をロータ巻線およびステータ巻線に付与するエンコーディング／デコーディングユニットが設けられる。メッセージは、この可変高周波においてＦＭコード化され、これは、反対の巻線に同じＦＭ周波数をもつ小さいＥＭＦを誘起させることによって空隙を通過する。信号は、反対の巻線から他端においてフィルタ除去され、対応するエンコーディング／デコーディングユニットによってデコードされる。こうしてロータ制御装置およびステータ制御装置は、追加のアンテナまたはワイヤの必要なしで情報を交換できる。
【００２７】
本発明はまた、請求項１５に係る二重給電電気モータ動作させる方法に関する。
【００２８】
一実施形態によれば、方法は、下記ステップを含む。
・ロータ巻線に誘起されるＥＭＦを使用して、電気エネルギーをエネルギー保存ユニットに保存するステップ。
・エネルギー保存ユニットに保存されたエネルギー、要求トルク及び／又はＲＰＭを使用して、ロータ巻線での電流を変更、調整するステップ。
・通信ユニットを介してロータ制御装置から送信される情報、要求トルク及び／又はＲＰＭを使用して、ステータ巻線での電流を調整するステップ。
・ロータ巻線での電流センサ、エネルギー保存ユニットでの電位センサ、および温度センサ、シャフト位置エンコーダ、加速度計などの他のセンサからの情報、要求トルク及び／又はＲＰＭを使用して、ロータおよびステータでの適切な磁極数を選択して切り替えるステップ。
・振動する非回転のステータＭＭＦベクトルによって、ロータ巻線でＥＦＭを発生するステップ。
【００２９】
【００３０】
電気モータの開始手順が、下記のようにできる。最初にロータおよびステータには電流が存在しない。そしてステータ制御装置モジュールは、ステータインバータユニットでの一定の低いデューティサイクルを変調することによって、振動する（非回転）ＭＭＦベクトルをステータにおいて発生する。これは、単にステータインバータユニットの６つのトランジスタのうちの１つだけを「オン」および「オフ」に切り替えることによって行われる。こうして発生したＭＭＦベクトルは回転していないため、シャフトに作用するトルクは存在せず、ロータに作用する小さい半径方向力だけが発生するようになる。ステータ振動ＭＭＦベクトルに起因して、比較的小さいＥＭＦがロータ巻線に誘起される。ＭＭＦベクトルは回転していないため、シャフトにトルクは存在しない。ロータインバータユニットのダイオードは、整流器として機能し、エネルギー保存ユニット（キャパシタ）は、電荷を受けて、その端子間の電位の蓄積をもたらす。電源装置は、キャパシタからの電位によって活性化され、正確に制御されたＤＣ電力をロータコントローラユニットに出力する。ロータコントローラユニットは、「レディ(ready)」信号を起動し、通信ユニットを介してステータコントローラユニットに送信する。この状態が達成された後、電気モータは未だトルクを発生しないが、「スタンバイ」モードにあり、動作する準備中である。回転ステータＭＭＦベクトルが、ある最小滑り周波数を超える回転周波数でステータにおいて起動した場合、シャフトにトルクが存在するようになり、最終的に回転する。命令されたトルク及び／又はＲＰＭは、ステータ制御装置に接続された外部インタフェースを介して受信される。
【００３１】
下記において、下記表現を用いていろいろな動作モードを説明している。
ｆｓｔａｔｏｒ  ：ステータインバータユニットで発生した３相周波数。ステータＭＭＦベクトル回転周波数である。
ｆｒｏｔｏｒ  ：ロータインバータユニットで発生した３相周波数。
ｆｓｈａｆｔ＝ｆｓｔａｔｏｒ−ｆｒｏｔｏｒ  ：シャフト回転周波数（モータシャフトの物理的回転周波数）。
ωｒｏｔｏｒ＝２πｆｒｏｔｏｒ  ：ロータ自体に対するロータ磁束ベクトル角速度。
ωｓｔａｔｏｒ＝２πｆｓｔａｔｏｒ  ：ステータＭＭＦベクトル角速度。
ωｓｈａｆｔ＝２πｆｓｈａｆｔ＝ωｓｔａｔｏｒ−ωｒｏｔｏｒ  ：物理的シャフト角速度。
Ｉｓｔａｔｏｒ  ：ステータ電流ベクトル。ステータＭＭＦベクトルに正比例する。
Ｉｒｏｔｏｒ  ：ロータ電流ベクトル。ロータ磁束ベクトルに正比例する。
τ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）  ：瞬時トルク。ベクトルロータおよびステータ電流から導出される。
Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）  ：ロータ電流ベクトルとステータ電流ベクトルとの間の角度。ロータ磁束ベクトルとステータ磁束ベクトルとの間の角度にも等しい。
【００３２】
磁界方向制御動作−電流センサを使用
【００３３】
第１ステップ：電流センサをそれぞれ用いて、２相のステータ電流およびロータ電流の測定。
【００３４】
第２ステップ：ロータおよびステータの磁束角Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）を推定（２つの測定したロータ位相電流および２つのステータ位相電流を知る）。ロータ磁束角は、ロータ物理位置の角度およびロータ自体に対するロータ磁束角を加算することによって決定される。ロータ物理瞬時位置は、ロータ位置角度エンコーダから決定される。ロータ自体に対するロータ磁束角は、２つのロータ巻線での２つの測定電流に基づいて推定される。また、角度Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）を推定するセンサ無し方法は、先行技術から知られている。ロータ磁束ベクトルとステータ磁束ベクトルとの間の角度は、ステータ電流位相シフト（逆ＥＭＦ）に影響することが知られている。そのターンでのロータ磁束ベクトルはまた、ステータでのＥＭＦを誘起する。この逆ＥＭＦは、ステータにおいて追加の電流ベクトルを生成し、ステータでの全体位相シフトに影響する。この影響を測定することによって、測定された対応するステータ電流値、その位相シフトおよび角速度から、ロータ磁束とステータ磁束との間の角度についての値を推定する方法が存在する。好ましくは、ロータ電流ベクトルＩｒｏｔｏｒは、ロータ自体で取られた測定値から正確に知られており、一方、先行技術では、それはステータで生じた影響から推定され、これはかなり遅く、不正確な方法である。
【００３５】
第３ステップ：もしロータ磁束ベクトルとステータ磁束ベクトルとの間の角度Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）が９０°未満である場合、下記ステップの少なくとも１つが実施される。
・ロータコントローラユニットは、ロータインバータユニットに対してロータ３相電流の角速度ωｒｏｔｏｒを減少させるように命令する。こうした動作は、滑りを減少させ、シャフトＲＰＭ（ωｓｈａｆｔ）を増加させ、ロータ磁束ベクトルとステータ磁束ベクトルとの間の角度Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）を９０°に接近させるようになる。こうした動作は、先行技術の誘導モータでは不可能である。
・ステータインバータに命令して、ステータ角速度ωｒｏｔｏｒを増加させる。こうした動作はまた、シャフトＲＰＭまたはωｓｈａｆｔを増加させるようになる。
・ステータインバータに命令して、ステータデューティサイクルを減少させる。こうした動作は、ＲＰＭを維持し、トルクを減少させるようになる。
【００３６】
もしロータ磁束ベクトルとステータ磁束ベクトルとの間の角度Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）が９０°より大きい場合、下記ステップの少なくとも１つが実施される。
・ロータコントローラユニットは、ロータインバータユニットに対してロータ３相電流の周波数（ωｓｔａｔｏｒ）を増加させ、ロータ電流ベクトルを前進させるように命令する。こうした動作は、滑りを増加させ、シャフトＲＰＭ（ωｓｈａｆｔ）を減少させ、ロータ磁束ベクトルとステータ磁束ベクトルとの間の角度Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）を９０°に接近させるようにする。こうした動作は、先行技術の誘導モータでは不可能である。
・ステータインバータに命令して、ステータ周波数（ωｓｔａｔｏｒ）を減少させる。こうした動作はまた、シャフトＲＰＭまたはωｓｈａｆｔを減少させるようになる。
・ステータインバータに命令して、ステータデューティサイクルを増加させる。こうした動作は、トルクを増加させるようになる。
・もし必要ならば、前述したステップの少なくとも１つを繰り返す。
【００３７】
磁界方向制御動作−ＰＩ制御ループを使用
【００３８】
モータ制御は、比例積分（ＰＩ）制御ループを用いて行うことができる。
・第１制御ループにおいて、角度Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）が９０°と比較される。もしΘ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）＜９０°である場合、エラーメッセージがＰＩコントローラに供給され、ωｒｏｔｏｒを適切に減少させる。それ以外ならば、ＰＩコントローラは、ωｒｏｔｏｒを適切に増加させる。
・第２制御ループにおいて、瞬時トルクが、ロータ電流およびステータ電流の値および、これらのベクトルが９０°であるという前提から推定される。瞬時トルクτ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）は、命令されたトルクと比較され、エラーメッセージがＰＩコントローラに供給される。もしより多くのトルクが必要である場合、ステータインバータは、そのデューティサイクルを適切に増加させるように命令され、これは、最終的にステータ電流およびロータ電流を増加させるようになり、より高いトルクを反映する。
・第３制御ループにおいて、命令されたＲＰＭは、実際のシャフト角速度（ωｓｈａｆｔ）であるωｓｔａｔｏｒ−ωｒｏｔｏｒと比較される。もし測定したωｓｈａｆｔが命令したものより小さい場合、ステータインバータは、その周波数を適切に増加させるように命令される。それ以外ならば、反対のコマンドが与えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【００４０】
【図１】ロータに装着されたロータ制御装置を備える電気モータの概略斜視図を示す。
【図２ａ】ロータ巻線およびステータ巻線をダブルスター構成で接続するロータスイッチングユニットおよびステータスイッチングユニットを備えた電気モータの一実施形態の設計図を示す。
【図２ｂ】ロータ巻線およびステータ巻線をデルタ構成で接続するロータスイッチングユニットおよびステータスイッチングユニットを備えた電気モータの一実施形態の設計図を示す。
【図３】電気モータを動作させる異なる方法を視覚化するチャートを示す。
【図４】３相電流からの２つの既知の電流の値から磁束角を推定する方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
図１は、シャフト９０を含むロータ４０を備えたモータの概略斜視図を示す。制御装置６０は、ロータ４０またはシャフト９０に装着される。ロータ４０は、互いに１２０°で搭載され、スター接続またはデルタ接続で接続できる３つの巻線４２を含むロータ巻線４２を備える。こうして３相ＡＣが、ステータ（図示せず）の回転磁場に起因して３つの巻線４２の中に誘導できる。制御装置６０は、ロータ電流の位相及び／又は大きさ／振幅を変化させることによって、力率および滑りを補正するように構成される。
【００４２】
図２ａと図２ｂは、ロータ巻線およびステータ巻線をダブルスター構成（図２ａ）およびデルタ構成（図２ｂ）で接続するロータスイッチングユニットおよびステータスイッチングユニットを備えた本発明に係る電気モータの一実施形態の設計図を示す。ロータ４０は、３相を含み／形成するロータ巻線４２を備える。ロータ４０は、制御装置６０と組み合わされる。制御装置６０は、電源ユニット７２によって支援されるコントローラユニット６１と、少なくとも１つのキャパシタ７６を含むエネルギー保存ユニット７４とを備える。制御装置６０は、複数のトランジスタ６８およびダイオード７０を含むロータインバータユニット６６を備える。ロータインバータユニット６６は、ロータ巻線４２、または適切な相と電気的に接続される。ロータ４０の少なくとも２つの相には、電流センサ８０が設けられる。さらに、ロータ４０は、ロータ角度エンコーダ７８を備える。コントローラユニット６１または制御装置６０は、通信ユニット８４によってロータ制御装置８２にそれぞれ接続される。ロータ制御装置８２は、３相を含み、少なくとも２つの相が電流センサ８０を含むステータ２０と電気的に接続される。ロータ制御装置８２は、３相ＡＣシステムに接続される。
【００４３】
図３は、電気モータを動作させる異なる方法を視覚化するチャートを示す。制御ループ６２、好ましくはＰＩ制御ループ６２およびロータインバータユニット６４が、ロータ４０に接続される。これらは、Ｉｒｏｔｏｒ，ＩｓｔａｔｏｒおよびΘを処理する。２つの制御ループ６２、好ましくは２つのＰＩ制御ループ６２が、ステータ２０に接続される。これらは、Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ，ωｓｔａｔｏｒ，ωｒｏｔｏｒ，ωｓｈａｆｔ，τおよび命令されたトルクまたは命令されたシャフトＲＰＭをそれぞれ処理する。図３に関して、異なる動作モードが記載される。
【００４４】
磁界方向制御動作−電流センサを使用
第１ステップ：電流センサ８０をそれぞれ用いて、２相のステータ電流およびロータ電流の測定。
【００４５】
第２ステップ：ロータおよびステータの磁束角Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）を推定（２つの測定したロータ位相電流および２つのステータ位相電流を知る）。ロータ磁束角は、ロータ物理位置の角度およびロータ磁束角を加算することによって決定される。ロータ物理瞬時位置は、ロータ位置角度エンコーダ７８から決定される。また、角度Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）を推定するセンサ無し方法は、先行技術から知られている。ロータ磁束ベクトルとステータ磁束ベクトルとの間の角度は、ステータ電流位相シフト（逆ＥＭＦ）に影響することが知られている。そのターンでのロータ磁束ベクトルはまた、ステータ２０でのＥＭＦを誘起する。この逆ＥＭＦは、ステータにおいて追加の電流ベクトルを生成し、ステータでの全体位相シフトに影響する。この影響を測定することによって、測定された対応するステータ電流値、その位相シフトおよび角速度から、ロータ４０磁束とステータ２０磁束との間の角度についての値を推定する方法が存在する。本発明では、ロータ電流ベクトルＩｒｏｔｏｒは、ロータ４０自体で取られた測定値から正確に知られており、一方、先行技術では、それはステータで生じた影響から推定され、これはかなり遅く、不正確な方法である。
【００４６】
第３ステップ：もしロータ磁束ベクトルとステータ磁束ベクトルとの間の角度Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）が９０°未満である場合、下記ステップの少なくとも１つが実施される。
・ロータコントローラユニット６１は、ロータインバータユニット６４に対してロータ３相電流の角速度ωｒｏｔｏｒを減少させるように命令する。こうした動作は、滑りを減少させ、シャフトＲＰＭ（ωｓｈａｆｔ）を増加させ、ロータ磁束ベクトルとステータ磁束ベクトルとの間の角度Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）を９０°に接近させるようになる。こうした動作は、先行技術の誘導モータでは不可能である。
・ロータ制御装置８２に命令して、ステータ角速度ωｒｏｔｏｒを増加させる。こうした動作はまた、シャフトＲＰＭまたはωｓｈａｆｔを増加させるようになる。
・ロータ制御装置８２に命令して、ステータデューティサイクルを減少させる。こうした動作は、ＲＰＭを維持し、トルクを減少させるようになる。
【００４７】
もしロータ磁束ベクトルとステータ磁束ベクトルとの間の角度Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）が９０°より大きい場合、下記ステップの少なくとも１つが実施される。
・ロータコントローラユニット６１は、ロータインバータユニット６６に対してロータ３相電流の周波数（ωｓｔａｔｏｒ）を増加させ、ロータ電流ベクトルを前進させるように命令する。こうした動作は、滑りを増加させ、シャフトＲＰＭ（ωｓｈａｆｔ）を減少させ、ロータ磁束ベクトルとステータ磁束ベクトルとの間の角度Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）を９０°に接近させるようになる。こうした動作は、先行技術の誘導モータでは不可能である。
・ロータ制御装置８２に命令して、ステータ周波数（ωｓｔａｔｏｒ）を減少させる。こうした動作はまた、シャフトＲＰＭまたはωｓｈａｆｔを減少させるようになる。
・ロータ制御装置８２に命令して、ステータデューティサイクルを増加させる。こうした動作は、トルクを増加させるようになる。
・もし必要ならば、前述したステップの少なくとも１つを繰り返す。
【００４８】
磁界方向制御動作−ＰＩ制御ループを使用
【００４９】
モータ制御は、比例積分（ＰＩ）制御ループを用いて行うことができる。
・第１制御ループ６２において、角度Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）が９０°と比較される。もしΘ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）＜９０°である場合、エラーメッセージがＰＩコントローラ６２に供給され、ωｒｏｔｏｒを適切に減少させる。それ以外ならば、ＰＩコントローラ６２は、ωｒｏｔｏｒを適切に増加させる。
・第２制御ループ６２において、瞬時トルクが、ロータ電流およびステータ電流の値および、これらのベクトルが９０°であるという前提から推定される。瞬時トルクτ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）は、命令されたトルクと比較され、エラーメッセージがＰＩコントローラ６２に供給される。もしより多くのトルクが必要である場合、ロータ制御装置８２は、そのデューティサイクルを適切に増加させるように命令され、これは、最終的にステータ電流およびロータ電流を増加させるようになり、より高いトルクを反映する。
・第３制御ループ６２において、命令されたＲＰＭは、実際のシャフト角速度（ωｓｈａｆｔ）であるωｓｔａｔｏｒ−ωｒｏｔｏｒと比較される。もし測定したωｓｈａｆｔが命令したものより小さい場合、ロータ制御装置８２は、ステータ周波数を適切に増加させるように命令される。それ以外ならば、反対のコマンドが与えられる。
【００５０】
図４は、３相電流からの２つの既知の電流の値から磁束角を推定する方法を示す。
【００５１】
【数１】
2019506122.tif 000016
2019506122.tif 000017
【００５２】
ここで、Ａｔは相Ａでの瞬時電流値であり、Ｂｔは相Ｂでの瞬時電流値である。
【００５３】
もしｓｉｎ（ωｔ）＝０ならば、Ａｔ＝０で、電流角ωｔ＝０である。
【００５４】
もしｓｉｎ（ωｔ）≠０ならば、電流角は下記のように計算できる。
【００５５】
【数２】
2019506122.tif 000018
2019506122.tif 000019
【００５６】
下記の３つの式を代入する。
【００５７】
【数３】
2019506122.tif 000020
2019506122.tif 000021
2019506122.tif 000022
【００５８】
瞬間電流ベクトル角は、下記の式である。
【００５９】
【数４】
2019506122.tif 000023
【００６０】
参照符号
２０  ステータ
４０  ロータ
４２  ロータ巻線
４３  ステータ巻線
６０  ロータ制御装置
６１  ロータコントローラユニット
６２  （ＰＩ）制御ループ、（ＰＩ）コントローラ
６６  ロータインバータユニット
６８  ロータスイッチングユニット
７０  電位測定センサ
７１  スイッチ可能な抵抗器
７２  電源ユニット
７４  エネルギー保存ユニット
７６  キャパシタ
７８  シャフト角度エンコーダ
８０  電流センサ
８２  ロータ制御装置
８３  ステータコントローラユニット
８５  ステータインバータユニット
８６  外部インタフェース
８７  ステータスイッチングユニット
８４  通信ユニット
８５  ステータインバータユニット
９０  シャフト
Ｐ  パワー
Ｉ  電流
ε  ＥＭＦ
ω  角速度
ωｔ  電流ベクトル角
Ａｔ  相Ａでの瞬時電流値
Ｂｔ  相Ｂでの瞬時電流値
【手続補正書】
【提出日】平成30年9月11日(2018.9.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４５】
第２ステップ：ロータおよびステータの磁束角Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）を推定（２つの測定したロータ位相電流および２つのステータ位相電流を知る）。ロータ磁束角は、ロータ物理位置の角度およびロータ磁束角を加算することによって決定される。ロータ物理瞬時位置は、ロータ位置角度エンコーダ７８から決定される。また、角度Θ（Ｉｒｏｔｏｒ，Ｉｓｔａｔｏｒ）を推定するセンサ無し方法は、先行技術から知られている。ロータ磁束ベクトルとステータ磁束ベクトルとの間の角度は、ステータ電流位相シフト（逆ＥＭＦ）に影響することが知られている。そのターンでのロータ磁束ベクトルはまた、ステータ２０でのＥＭＦを誘起する。この逆ＥＭＦは、ステータにおいて追加の電流ベクトルを生成し、ステータでの全体位相シフトに影響する。この影響を測定することによって、測定された対応するステータ電流値、その位相シフトおよび角速度から、ロータ４０磁束とステータ２０磁束との間の角度についての値を推定する方法が存在する。本発明の実施形態では、ロータ電流ベクトルＩｒｏｔｏｒは、ロータ４０自体で取られた測定値から正確に知られており、一方、先行技術では、それはステータで生じた影響から推定され、これはかなり遅く、不正確な方法である。
【国際調査報告】
2019506122.tif 000024
2019506122.tif 000025
2019506122.tif 000026