(57)【要約】同期機の、個別に励起される回転子巻線（ＬＲ）のための制御装置が開示され、これは、回転子巻線（ＬＲ）に接続され、電気エネルギー（Ｅ）を電源（４）から回転子巻線（ＬＲ）に伝送するための電圧源（２）を備え、前記回転子巻線が固定子側の回転磁界によって回転させられるようになっている。本発明によれば、制御装置はさらに、回転子巻線（ＬＲ）に接続され、電気エネルギー（Ｅ）を回転子巻線（ＬＲ）から電源（４）へと伝送するための需要部（３）をさらに備える。さらに、同期機の、個別に励起される回転子巻線（ＬＲ）を制御する方法が開示される。
2013517754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期機の、個別に励起される回転子巻線（ＬＲ）のための制御装置において、
回転子巻線（ＬＲ）に接続され、電気エネルギー（Ｅ）を電源（４）から回転子巻線（ＬＲ）に伝達することにより固定子側の回転磁界によって回転させられるようにする電圧源（２）を備え、回転子巻線（ＬＲ）に接続され、電気エネルギー（Ｅ）を回転子巻線（ＬＲ）から電源（４）に伝送するための需要部（３）を備えることを特徴とする制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の制御装置において、
回転子巻線（ＬＲ）に供給され、および／またはそこから除去される電気（Ｅ）が調節可能であることを特徴とする制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の制御装置において、
前記制御装置が、磁化のためには、電圧源（２）を通じて回転子巻線（ＬＲ）に供給される電力が、需要部（３）を通じて除去される電力より多くなるようにし、消磁のためには、電圧源（２）を通じて回転子巻線（ＬＲ）から除去される電力が、需要部（３）を通じて除去される電力より少なくなるように設定されていることを特徴とする制御装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の制御装置において、
電圧源（２）が、電源（４）に接続されたステップダウンコンバータ（５）またはステップアップコンバータを備え、
需要部（３）が、電源（４）に接続されたステップダウンコンバータまたはステップアップコンバータ（６）を備える
ことを特徴とする制御装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の制御装置において、
電圧源（２）が、静止型の第一のインバータ（８）と、第一の回転トランス（Ｔ１）の一次巻線であって、前記インバータに接続された一次巻線と、第一の回転トランス（Ｔ１）の二次巻線に接続され、回転子巻線（ＬＲ）と同方向に回転する第一の整流子（７）と、を備えることを特徴とする制御装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の制御装置において、
需要部（３）が、回転子巻線（ＬＲ）に接続され、それと同方向に回転する第二のインバータ（９）と、第二の回転トランス（Ｔ２）の一次巻線であって、第二のインバータ（９）に接続された一次巻線と、第二の回転トランス（Ｔ２）の二次巻線に接続された静止型の第二の整流子（１０）と、を備えることを特徴とする制御装置。
【請求項７】
前項までのいずれかに記載の制御装置において、
回転子巻線（ＬＲ）に並列に接続されたバリスタ（１１）を備えることを特徴とする制御装置。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれかに記載の制御装置において、
回転子巻線（ＬＲ）の消磁のために、両方のインバータ（８，９）をシャットダウンするように設定されていることを特徴とする制御装置。
【請求項９】
請求項５から８のいずれかに記載の制御装置において、
制御信号を第一および／または第二のインバータ（８，９）に変換して伝送する手段を備えることを特徴とする制御装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の制御装置において、
前記第一の回転トランス（Ｔ１）が１つまたはそれ以上の二次コイルを有し、そこで第二のインバータ（９）のための制御信号が分岐されることを特徴とする制御装置。
【請求項１１】
前項までのいずれかに記載の制御装置において、
前記制御装置が、単独の回転子巻線（ＬＲ）のための接続部を備えることを特徴とする制御装置。
【請求項１２】
前項までのいずれかに記載の制御装置と、そこに接続された同期機を備えるシステムにおいて、
前記同期機が単独の回転子巻線（ＬＲ）のみを有することを特徴とするシステム。
【請求項１３】
同期機の、個別に励起される回転子巻線（ＬＲ）を制御する方法において、回転子巻線（ＬＲ）に、前記回転子巻線に接続された電圧源（２）を通じて電源（４）から電気エネルギー（Ｅ）が供給されて、前記回転子巻線が固定子側の回転磁界によって回転させられるようになっており、
電気エネルギー（Ｅ）が前記回転子巻線に接続された需要部（３）を通じて回転子巻線（ＬＲ）から取り出され、電源（４）に伝送されることを特徴とする方法。
【請求項１４】
個別に励起される回転子巻線のための制御装置において、
電圧源を備え、前記電圧源が回転子巻線の第一の側に電気的に接続され、
前記電圧源が電気エネルギーを電源から前記回転子巻線に伝送し、
前記回転子巻線の第二の側に電気的に接続され、電気エネルギーを前記回転子巻線から前記電源に伝送する需要部回路を備える
ことを特徴とする制御装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の、個別に励起される回転子巻線のための制御装置において、
前記電圧源が、前記回転子巻線に供給される電気エネルギーを制御可能に調節するように構成されていることを特徴とする制御装置。
【請求項１６】
請求項１４に記載の、個別に励起される回転子巻線のための制御装置において、
前記需要部回路が、前記回転子巻線から除去される電気エネルギーを制御可能に調節するように構成されていることを特徴とする制御装置。
【請求項１７】
請求項１４に記載の、個別に励起される回転子巻線のための制御装置において、
前記電圧源の中のステップダウンコンバータをさらに備え、
前記ステップダウンコンバータが前記電源に電気的に接続されていることを特徴とする制御装置。
【請求項１８】
請求項１４に記載の、個別に励起される回転子巻線のための制御装置において、
前記電圧源の中のステップアップコンバータをさらに備え、
前記ステップアップコンバータが前記電源に電気的に接続されていることを特徴とする制御装置。
【請求項１９】
請求項１４に記載の、個別に励起される回転子巻線のための制御装置において、
前記需要部回路の中のステップダウンコンバータをさらに備え、
前記ステップダウンコンバータが前記電源に電気的に接続されていることを特徴とする制御装置。
【請求項２０】
請求項１４に記載の、個別に励起される回転子巻線のための制御装置において、
前記需要部回路の中のステップアップコンバータをさらに備え、
前記ステップアップコンバータが前記電源に電気的に接続されていることを特徴とする制御装置。
【請求項２１】
請求項１４に記載の、個別に励起される回転子巻線のための制御装置において、
前記回転子巻線に並列に電気的に接続されたバリスタをさらに備えることを特徴とする制御装置。
【請求項２２】
請求項１４に記載の、個別に励起される回転子巻線のための制御装置において、
前記電圧源の中の静止型の第一のインバータと、
前記静止型の第一のインバータに接続された第一の回転トランスの一次巻線と、
第一の回転トランスの二次巻線であって、第一の整流子に電気的に接続されており、前記回転子巻線に連結されて、これと同方向に回転する前記第一の回転トランスの二次巻線と、
をさらに備えることを特徴とする制御装置。
【請求項２３】
請求項２２に記載の、個別に励起される回転子巻線のための制御装置において、
前記回転子巻線に電気的に接続され、前記巻線に連結されて、これと同方向に回転する第二のインバータと、
第二の回転トランスの一次巻線であって、前記第二のインバータに電気的に接続された第二の回転トランスの一次巻線と、
静止型の第二の整流子であって、第二の回転トランスの二次巻線に電気的に接続された前記第二の整流子と、
をさらに備えることを特徴とする制御装置。
【請求項２４】
請求項２３に記載の、個別に励起される回転子巻線のための制御装置において、
制御信号を前記第一のインバータに伝送するように構成された制御信号転送器をさらに備えることを特徴とする制御装置。
【請求項２５】
請求項２４に記載の、個別に励起される回転子巻線のための制御装置において、
制御信号を前記第二のインバータに伝送するように構成された制御信号転送器をさらに備えることを特徴とする制御装置。
【請求項２６】
請求項２５に記載の、個別に励起される回転子巻線のための制御装置において、
前記第一の回転トランスの一次巻線と前記第一の回転トランスの二次巻線が第一の回転トランスを形成し、
前記第一の回転トランスからの前記第二のインバータのための制御信号を分岐するように構成された二次コイルをさらに備えることを特徴とする制御装置。
【請求項２７】
請求項２４に記載の、個別に励起される回転子巻線のための制御装置において、
前記第一のインバータを制御するように構成されたモニタユニットをさらに備え、前記モニタユニットが前記制御信号転送器に接続されていることを特徴とする制御装置。
【請求項２８】
個別に励起される回転子巻線を制御する方法において、
電気エネルギーを電源から供給するステップと、
電圧源において、電源からの電気エネルギーを受け取るステップと、
電圧源で受け取った電気エネルギーを回転子巻線に供給するステップと、
固定子側の回転磁界の作用によって回転子巻線を回転させるステップと、
需要部回路で回転巻線から電気エネルギーを取り出すステップと、
回転巻線から取り出した電気エネルギーを電源に伝送して戻すステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２９】
請求項２８に記載の、個別に励起される回転子巻線を制御する方法において、
磁化のためには、同時に需要部回路を通じて回転巻線からより少ない電力を除去することに関して、より多くの電力を、電圧源を通じて回転巻線に供給するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項３０】
請求項２８に記載の、個別に励起される回転子巻線を制御する方法において、
消磁のためには、同時に需要部回路を通じて巻線回路からより多くの電力を除去することに関して、より少ない電力を、電圧源を通じて回転巻線から除去するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項３１】
請求項２８に記載の、個別に励起される回転子巻線を制御する方法において、
回転子巻線の消磁のために、電圧源と需要部回路においてインバータをシャットダウンするステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項３２】
個別に励起される回転子巻線のための制御装置において、
電圧源を備え、前記電圧源が回転子の第一の側に電気的に接続され、前記電圧源が、前記回転子巻線に供給される電気エネルギーを制御可能に調節するように構成され、
前記電圧源が、電源から前記回転子巻線へと電気エネルギーを伝送し、
前記電圧源が、前記電源に電気的に接続されたステップダウンコンバータを含み、前記電圧源が静止型の第一のインバータを含み、前記電圧源が、前記静止型の第一のインバータに接続された第一の回転トランスの一次巻線を含み、前記電圧源が第一の回転トランスの二次巻線を含み、前記第一の回転トランスの二次巻線が第一の整流子に電気的に接続され、前記第一の回転トランスの二次巻線が前記回転子巻線に連結されて、これと同方向に回転し、
前記回転子巻線の第二の側に電気的に接続され、前記回転子巻線から前記電源に電気エネルギーを伝送する需要部回路を備え、前記需要部回路が、前記回転子巻線から除去された電気エネルギーを制御可能に調節するように構成され、
前記需要部回路が、前記電源に電気的に接続されたステップアップコンバータを含み、前記需要部回路が、前記回転子巻線に電気的に接続され、前記巻線に連結されて、これと同方向に回転する第二のインバータを含み、前記需要部回路が、第二の回転トランスの一次巻線を含み、前記第二の回転トランスの一次巻線が、前記第二のインバータに電気的に接続され、前記需要部回路が静止型の第二の整流子を含み、前記第二の整流子が第二の回転トランスの二次巻線に電気的に接続され、
前記第一の回転トランスの一次巻線と前記第一の回転トランスの第二の巻線が第一の回転トランスを形成し、
前記回転子巻線に並列に電気的に接続されたバリスタを備える
ことを特徴とする制御装置。
【請求項３３】
請求項３２に記載の、個別に励起される回転子巻線のための制御装置において、
前記第一の回転トランスからの前記第二のインバータのための制御信号を分岐させるように構成された二次コイルをさらに備えることを特徴とする制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１０年１月１４日に出願された先願である米国仮出願第６１／２９５，１６１号の優先権およびその非仮出願としての利益を主張し、本願はまた、２０１０年１月１３日に出願された先願であるスイス国内出願第００３８／２０１０号の優先権の利益を主張し、スイス出願第００３８／２０１０号と米国出願第６１／２９５，１６１号の全文を、参照によって、あらゆる意図と目的のために、本明細書にそのまま記載されているかのように本願に引用することを明記する。
【０００２】
本発明は、同期機の、個別に励起される回転子巻線のための制御装置に関し、この装置は、回転子巻線に接続され、電気エネルギーを電源から回転子巻線に伝送し、これが固定子側の回転磁界によって回転させられるようにするための電圧源を備える。さらに、本発明は、同期機の、個別に励起される回転子巻線を制御する方法に関し、この方法では、電源からの電気エネルギーが、前記回転子巻線に接続された電圧源を通じて回転子巻線に供給され、これが固定子側の回転磁界によって回転させられるようになっている。
【背景技術】
【０００３】
同期機は古くから知られており、発電機としても、電動機としても、さまざまな目的のために使用される。これらはまた、ブラシレス直流電動機として、直流駆動技術において広く用いられている。固定子を励起するためのＡＣ電圧は、インバータの利用によって、ＤＣ電圧から生成される。同期機はさらに、永久励磁型と個別励磁型の同期機に分類できる。１つ目の設計では回転子が永久磁石を備え、２つ目の設計の場合は、巻線に電流が流れた直後に、それに対応する回転子の磁界を発生させる回転子巻線が設けられる。
【０００４】
個別励磁型同期機の一般的な実施形態は、回転子上に配置された回転子巻線と、回転子と共に動作する整流子からなる。前記整流子には、スリップリングを通じて、または回転トランスを通じてＡＣ電圧が供給され、前記ＡＣ電圧を回転子巻線に必要なＤＣ電圧に変換する。回転子巻線が磁化されると、同期機は、原理上、固定子側に印加される回転磁界の中で動作することができる。
【０００５】
同期機を起動させる際の周知の問題に加えて、さらに回転子巻線の消磁の問題もある。たとえば、同期発電機は一般に、回転子巻線の消磁のためにスイッチが切られる。回転磁界がないと、固定子側の巻線にはＡＣ電圧が誘起されない。特に故障した場合、回転子巻線をできるだけ早く消磁して、それ以上電圧が生成されないようにし、そのような電圧によって引き起こされるかもしれない損傷を防止しなければならない。先行技術では、回転子巻線を消磁するためのいくつかの解決策が開示されている。
【０００６】
たとえば、オーストリア特許第３６２  ４５６  Ｂ号は、同方向に回転する抵抗器とサイリスタを通じて消磁させることのできる回転子を有する同期機を開示している。
【０００７】
さらに、ドイツ特許出願公開第１  ６３８  ３４４  Ａ号は、２つの反対の極性の回転子巻線を有する回転子を備えるブラシレス同期機を開示しており、この回転子巻線は、２つの回転トランスおよび同方向に回転する２つ整流子を通じて個別に作動させることができる。
【０００８】
これに加えて、ドイツ特許出願公開第２  ７３７  ５４１  Ａ１号には、同方向に回転する制御された整流子を有するブラシレス同期機が記載されており、整流子は、動作に応じて、励磁装置の正または負の半波長電圧で導電状態とされる。
【０００９】
最後に、欧州特許出願公開第０  １５２  ７１９  Ａ１号は、同方向に回転する整流子を有する同期機を開示しており、その中では、回転子巻線の中の電流の方向は、スリップリングを通じて作動され、同方向に回転する２つのサイリスタを利用して逆転させることができる。
【００１０】
周知の解決策は特定の用途や特定の状況には適しているが、先行技術では消磁がそれほど迅速にも、または効率的にも行われないという事実は問題である。しかしながら、特に電気自動車の構成に同期電動機を使用する場合、これらの限定は容認できないことが多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】オーストリア特許第３６２  ４５６号明細書
【特許文献２】独国特許発明第１  ６３８  ３４４号明細書
【特許文献３】独国特許発明第２  ７３７  ５４１号明細書
【特許文献４】欧州特許出願公開第０  １５２  ７１９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、本発明の目的は、同期機の、個別に励起される回転子巻線を制御するための、特に回転子巻線の迅速で効率的な消磁に関して改良された制御装置と改良された制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、上記の目的は、冒頭に記した種類の制御装置によって達成され、この制御装置は、回転子巻線に接続され、電気エネルギーを回転子巻線から電源へと伝送するための需要部を有する。
【００１４】
本発明によれば、上記の目的はまた、冒頭に記した種類の方法によって達成され、この方法において、電気エネルギーは、それに接続された需要部を通じて回転子巻線から取り出され、電源へと伝送される。
【００１５】
本発明によって、先行技術のいくつかの欠点が同時に克服される。第一に、回転子巻線を非常に素早く消磁することができ、第二に、これを非常に効率的に行うことができる。これが可能なのは、回転子巻線に保存されたエネルギーが通常のように熱に変換されるのではなく、電源に戻されるからである。このために、必要な熱出力を扱うことのできる大型の抵抗器を提供する必要もない。すなわち、エンジニアはもはや、同期機の設計にあたり、大きな負荷抵抗器と迅速な消磁または小さな負荷抵抗器と遅い磁化という矛盾する選択肢のいずれをとるか苦慮せずにすむ。これに加えて、エネルギーが熱の形態で「破壊される」ことはない。
【００１６】
本発明の利点は、もちろん他の分野においても使用可能であるが、特に同期機が電気自動車に使用される時に明白となる。電気自動車は一般に、人を輸送するためのものであるため、ここでは、乗客の健康を危険にさらさないように、特別な安全対策を講じる必要がある。
【００１７】
たとえば、固定子巻線に電流を供給するコンバータが故障するかもしれず、そしてそれをオフにすることができないかもしれない。これは、回転子が消磁されるまで、車輪が引き続き望ましくない方法で駆動されうることを意味するであろう。さらに、固定子巻線間に短絡が起こると、回転子をできるだけ早く消磁しないかぎり、回転子の、ひいては自動車の車輪の駆動がブロックされてしまう可能性がある。高速消磁はまた、したがって、内燃機関を有する自動車の（機械的）クラッチを作動させることと同等のものとみなすことができる。有利な点として、これでこの構成要素を省くことができ、電子回路に置き換えることが可能であり、これは一般に機械的クラッチより小型で、より軽量で、より信頼性が高く、また、より安価である。さらに、回転子の迅速な消磁が可能であることにより、運転者のニーズ（加速器）に合わせて、自動車の反応（加速／減速）も改善される。
【００１８】
安全性増大のための回転子巻線の迅速な消磁に加えて、エネルギーの面ももちろん、重要な役割を果たす。特に、電気自動車の場合、いずれにせよ不足することになる保存される電気エネルギーを慎重に管理するべきである。周知の解決策においては、回転子に保存される磁気エネルギーは、前述のように、一般には負荷抵抗器を通じて、脱励起時に熱に変換され、したがって使用されずに消散するが、本発明によれば、回転子に保存される磁気エネルギーは、電気自動車の車載電源供給部（一般に、数百ボルトの電圧を有するＤＣ電圧供給）の中にフィードバックされる。したがって、エネルギーは失われず、次の磁化工程に使用できる。エネルギー効率のよい消磁により、本発明は、先行技術から知られている解決策より大きな利点を有する。自動車の「クラッチ」は、特に都市において、たとえば自動車が赤信号で止まり、再度自動車の運動エネルギーを使用する（いずれにせよ、これが駆動部を通じてバッテリに回収されないかぎり）等のために、非常に頻繁に使用される。
【００１９】
最後に、「電圧源」と「需要部」という用語は、回転子巻線の「見方」に関係していることにも留意するべきである。電気エネルギーにおいて、エネルギー源は電流と電圧の方向が異なるように特徴付けられ、需要部では方向が同じである。磁化の場合、回転子巻線が需要部であり、したがって、これに電圧源またはエネルギー源からエネルギーが供給される。消磁の場合、回転子巻線はエネルギー源であり、ここから需要部を通じてエネルギーが引き出される。しかしながら、供給の観点からは、回転子巻線と連携する電圧源は需要部として機能し、回転子巻線と連携する需要部は電圧源として機能する。厳密に言えば、回転子巻線と調整される電圧源と回転子巻線と調整される需要部は、したがって「コンバータ」である。
【００２０】
本発明の有利な構成およびさらに発展させたものは、特許請求の範囲の従属項から、および図面に描かれた図と併せて説明を読むことから明らかとなり、あるいはこれらによって開示される。
【００２１】
回転子巻線に供給され、および／またはそこから除去されるエネルギーが調節可能であれば有利である。このようにすれば、磁化または消磁の動力学過程を、非常に区別された方法で起こすことができる。すなわち、同期機が非常に敏感に影響を受けるようにすることができる。
【００２２】
制御装置が、磁化のためには、電圧源を通じて回転子巻線に供給される電力が、需要部を通じて除去される電力より多くなるようにし、消磁のためには、電圧源を通じて回転子巻線から除去される電力が、需要部を通じて除去される電力より少なくなるように設定されていればさらに有利である。電圧源と需要部は、交互にだけでなく、同時に動作させることもできる。供給され、または除去されるパワーを適当に調節することによって、回転子巻線を磁化または消磁することができる。
【００２３】
電圧源が電源に接続されたステップダウンコンバータまたはステップアップコンバータを備えている、および／または需要部が電源に接続されたステップダウンコンバータまたはステップアップコンバータを備えていればさらに有利である。このようにすれば、回転子回路に必要な電圧を、電源に存在する電圧に合わせて容易に調節することができる。
【００２４】
電圧供給部が静止型の第一のインバータと、第一の回転トランスの一次巻線であって、前記インバータに接続された一次巻線と、第一の回転トランスの二次巻線に接続され、回転子巻線と同方向に回転する第一の整流子と、を備えていれば特に有利である。このようにすれば、固定子から回転子への接触を用いずに、エネルギーを伝送することができる。このように得られた制御装置およびこのように得られたシステムはしたがって、特に耐摩耗性が高く、故障しにくい。
【００２５】
「回転トランス」は一般に、一次巻線と二次巻線が、相互に関して回転可能となるように取り付けられるトランスである。回転トランスまたは「回転信号転送器」は、なかんずく、静止部品から回転部品へ、またはその逆に電気エネルギーまたは電気信号を伝送する役割を果たす。回転トランスはまた、原理上、単相ＡＣ電圧で機能するため、これは、一般に回転可能に取り付けられた一次巻線と二次巻線を持たない「三相トランス」とは区別されるべきである。
【００２６】
さらに、需要部が、回転子巻線に接続され、それと同方向に回転する第二のインバータと、第二の回転トランスの一次巻線であって、第二のインバータに接続された一次巻線と、第二の回転トランスの二次巻線に接続された静止型の第二の整流子と、を備えていれば特に有利である。このようにすれば、回転子から固定子への接触を用いずに、エネルギーを伝送することができる。したがって、このように得られた制御装置とこのように得られたシステムも同様に、特に耐摩耗性が高く、故障しにくい。
【００２７】
制御装置が回転巻線に並列接続されたバリスタを備えていれば特に有利である。これは、需要部が電源に接続されていなくても回転子巻線を消磁できる代替策となる。
【００２８】
これに関連して、制御装置が、回転子巻線の消磁のために両方のインバータをシャットダウンするように設定されていれば特に有利である。これによって、消磁が上記のバリスタによって実行される「緊急消磁」を実現することが可能となる。もちろん、これはインバータを意図的にシャットダウンする場合だけでなく、インバータが偶発的に故障した場合にも可能である。本発明による回路のこのような変形はしたがって、特に安全である。
【００２９】
また、制御装置が、第一および／または第二のインバータに制御信号を変換して伝送するための手段を備えていれば特に有利である。これは、本発明による制御装置または本発明によるシステムを耐摩耗性の高い、故障しにくいものとするための別の手段である。
【００３０】
これに関連して、第一の回転トランスが１つまたはそれ以上の二次コイルを備え、そこで第二のインバータのための制御信号が分岐されるようになっていれば特に有利である。このようにすれば、第一のインバータの出力電圧を、それが第一の回転トランスの複数の二次コイルを通じて第二のインバータの制御手段接続部、すなわち多くの場合、インバータのトランジスタのゲート接続部に伝送されるという点で、第二のインバータを作動させるために直接使用できる。
【００３１】
最後に、制御装置が単独の回転子巻線のための接続部を備えていれば有利である。このようにすれば、制御装置と同期機のいずれも複雑化せずにすむ。このように得られた構成要素は第一に軽量であり、第二に、複雑さが軽減することで、安全性も高い。これらはしたがって、電気自動車への設置に特に適している。
【００３２】
本発明の上記の構成およびさらに発展させたものは、どのような望ましい方法でも組み合わせることができる。
【００３３】
以下に、図面の概略図に示される実施例を参照しながら本発明を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明によるシステムの第一の形態を概略的に示す図である。
【図２】ステップアップおよびステップダウンコンバータが追加された、本発明によるシステムの第二の形態を概略的に示す図である。
【図３】本発明によるシステムの第三の詳細な実施形態を示す図である。
【図４】本発明によるシステムの第四の詳細な実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図面の図において、同一の、および同様の部品には同一の参照番号が付与され、機能的に同様の要素と特徴には、特に別段の記載がないかぎり、同一の参照番号に異なる添え字を加えたものが付与される。
【００３６】
図１は、本発明によるシステムの第一の形態を示しており、これは制御装置とこれに接続された同期機からなる。図はごく簡略化されたものであり、そのため、同期機の個別に励起される回転子巻線ＬＲが１本のみ示されている。電源４から回転子巻線ＬＲへと電気エネルギーＥを伝送するための電圧源２は、制御装置の一部として前記回転子巻線に接続される。本発明によれば、制御装置はまた、回転子巻線ＬＲに接続され、電気エネルギーＥを回転子巻線ＬＲから電源４へと伝送するための需要部３を備える。
【００３７】
図１に示される装置の機能は以下のとおりである。
【００３８】
電気エネルギーＥが電源４から電圧源２を通じて回転子巻線ＬＲに供給されると、回転子巻線ＬＲが励起、すなわち磁化し、固定子巻線（図示せず）において発生した回転磁界によって、回転子巻線ＬＲおよび、ひいては回転子が周知の方法で回転する。脱励起または消磁のために、今度は、電気エネルギーＥを、需要部３の利用によって回転子巻線ＬＲから取り出し、電源４にフィードバックすることができる。すると、固定子巻線の中の回転磁界はもはや、回転子巻線ＬＲを回転させない。
【００３９】
需要部３の設計に応じて、この工程は時には非常に迅速に実行でき、それは、特にかかる同期機が電気自動車に使用された場合に有利である。前述のように、固定子巻線に給電するコンバータは、たとえば故障するかもしれず、それ自体をオフに切り換えられないかもしれない。あるいは、固定子巻線間の短絡によって、回転子および、ひいては自動車の駆動輪がブロックされるかもしれない。安全性を高めるための回転子巻線ＬＲの迅速な消磁に加え、エネルギーの面ももちろん、前述のように、重要な役割を果たす。特に、電気自動車の場合、いずれにせよ不足する保存される電気エネルギーは実際に、慎重に管理されるべきである。
【００４０】
もちろん、本発明はまた、他の目的のため、たとえば静止型の同期機のためにも使用できる。
【００４１】
回転子の磁界に影響を与える別の可能性に関して、回転子巻線ＬＲに供給され、および／またはそこから除去されるエネルギーＥが調節可能であれば有利である。その結果、回転子の磁界と固定子の磁界の相互作用を、非常に影響を受けやすくすることができる。もちろん、電圧源２と需要部３は、交互に接続できるだけでなく、同時に動作させることもできる。磁化のためには、回転子巻線ＬＲに電源２を通じて供給される電力が、需要部３を通じて除去される電力より多くなるようにするべきであり、消磁のためには、そこに電圧源２を通じて供給される電力が、需要部３を通じて除去される電力より少なくなるようにするべきである。
【００４２】
図２は、本発明によるシステム１ｂの第二の形態を示し、これは図１に示されるシステム１ａによく似ている。システム１ａは、電圧源２が電源４に接続されたステップダウンコンバータ５を備え、需要部３が電源４に接続されたステップアップコンバータ６を備えるように拡張されている。このようにして、電圧源２、需要部３および電源４の間の電位差を非常に容易に設定して、所望のエネルギー流Ｅを発生させることができる。
【００４３】
図３は、本発明による第三の、幾分より詳細な形態のシステム１ｃを示す。図３において、同期機の回転子は上側部分に、固定子は下側部分に示されている。回転子と固定子との間の分離線は、２つの回転トランスＴ１とＴ２によって形成される。
【００４４】
システム１ｃは、電源（図３では図示せず）への接続部を備え、これを通じてシステム１ｃにＤＣ電圧Ｕ１が供給される。以下の説明では、単純にするために、電圧Ｕ１は一定であると仮定する。実際のシステムでは、この前提条件が完全に満足されるわけではない。その場合には、電圧変動を相応に考慮するべきである。回転子巻線ＬＲはここでも、電圧源２と需要部３を通じて電源に接続される。
【００４５】
電圧源２は、ステップダウンコンバータ５と、ステップダウンコンバータ５に接続された静止型の第一のインバータ８と、第一の回転トランスＴ１の一次巻線であって、前記インバータに接続された一次巻線と、第一の回転トランスＴ１の二次巻線に接続され、回転子巻線ＬＲと同方向に回転する第一の整流子７と、を備える。
【００４６】
需要部３は、回転子巻線ＬＲに接続され、それと同方向に回転する第二のインバータ９と、第二の回転トランスＴ２の一次巻線であって、第二のインバータ９に接続された一次巻線と、第二の回転トランスＴ２の二次巻線に接続された静止型の第二の整流子１０と、整流子１０に接続されたステップアップコンバータ６と、を備える。
【００４７】
これに加えて、バリスタ１１が回転子巻線ＬＲに並列接続されている。さらに、制御装置は、ステップダウンコンバータ５に接続されたモニタユニット１２と、ステップアップコンバータ６と、第一のインバータ８と、を備える。
【００４８】
最後に、制御装置は、制御信号を変換して第一および／または第二のインバータ８、９に伝送する手段を備える。これらは、第一に、第一のインバータ８のトランジスタを作動せる４つの二次コイルを有する第三のトランスＴ３と、第二に、第一の回転トランスＴ１の別の４つの二次コイルによって形成され、そこで第二のインバータ９のための制御信号が分岐される。
【００４９】
固定子と回転子との間の電気エネルギーと電気信号の伝送は、この例において、誘導的にのみ行われるが、伝送が、たとえばスリップリングを通じて行われる実施形態もまた、もちろん考えられる。たとえば、無線または光データ送信は原理上、信号伝送に利用できる。
【００５０】
図３に示される装置の機能は以下のとおりである。
【００５１】
入力電圧Ｕ１は、ステップダウンコンバータ５を通じてそれより低い任意の電圧Ｕ２に変圧される。この電圧Ｕ２は、第一のインバータ８を通じてＡＣ電圧に変換され、第一の回転トランスＴ１を通じて回転子に伝送され、ここで、第一の整流子７を利用してＤＣ電圧Ｕ３に変圧される。
【００５２】
第二のインバータ９もまた、第一のインバータ８と同時に作動され、このインバータ９はＤＣ電圧Ｕ４をＡＣ電圧に変換し、これが第二の回転トランスＴ２を通じて回転子から固定子に伝送され、そこで、第二の整流子１０を利用して変換されてＤＣ電圧Ｕ５に戻る。このＤＣ電圧Ｕ５は、ステップアップコンバータ６を通じて電圧Ｕ１に昇圧される。
【００５３】
ステップダウンコンバータ５を適当に作動させることによって、どのような所望の電圧Ｕ３も設定できる。同様に、ステップアップコンバータ６を適当に作動させることによって、どのような所望の電圧Ｕ４も設定できる。その結果、回転子巻線ＬＲでもまた、どのような所望の電圧も設定できる。電圧Ｕ３が電圧Ｕ４より大きい場合、電流ＩＬは回転子巻線ＬＲによって増大し、電圧Ｕ３が電圧Ｕ４より小さい場合、電流ＩＬは減少する。
【００５４】
もちろん、電圧比もまた、２つのインバータ８と９のデューティサイクルによって、および２つの回転トランスＴ１とＴ２の変圧比によって決定される。適当に設計することにより、任意で、ステップダウンコンバータ５の代わりにステップアップコンバータを、および／またはステップアップコンバータ６の代わりにステップダウンコンバータを使用することも適当であるかもしれない。相応の電位差を設けることにより、いずれの場合も、エネルギーＥを電源から回転子巻線ＬＲへ、またはその逆に伝送することができる。
【００５５】
ステップダウンコンバータ５、ステップアップコンバータ６および第一のインバータ８はこれで、モニタユニット１２により、必要な電流ＩＬが回転子巻線ＬＲから得られるように制御される。異なる動作が行われるケース間を区別することが可能であり、この例では、２つの回転トランスＴ１とＴ２の変圧比は１と仮定される。
−ベース負荷：たとえば、Ｕ２＝Ｕ３＝１５０Ｖ、Ｕ４＝Ｕ５＝１００Ｖ、回転子巻線ＬＲでの電圧はＵ３−Ｕ４＝５０Ｖ
−負荷増大時：たとえば、Ｕ２＝Ｕ３＝３００Ｖ、Ｕ４＝Ｕ５＝０Ｖ、回転子巻線ＬＲでの電圧はＵ３−Ｕ４＝３００Ｖ
−制御された消磁：たとえば、Ｕ２＝Ｕ３＝１５０Ｖ、Ｕ４＝Ｕ５＝４５０Ｖ、回転子巻線ＬＲでの電圧はＵ３−Ｕ４＝−３００Ｖ、回転子の電流ＩＬは急速に減少する。
−緊急消磁：第一のインバータ８はオフにされる。その結果、第二のインバータ９もまた作動せず、すべてのトランジスタ（この場合はＭＯＳＦＥＴ）がオフに切り換えられる。回転子巻線ＬＲでの電圧は、バリスタ１１によって、たとえば−１０００Ｖに制限される。回転子巻線内にあるエネルギーは、バリスタ１１において熱に変換される。
【００５６】
この例において各々６００Ｖの逆電圧を有する２つのトランジスタが直列でインバータ上にあるため、これらは過負荷とならない。図の例においてはさらに、ロータのＭＯＳＦＥＴを相互接続するのに約６Ｖのゲート電圧が十分であり、２０Ｖの最大値が許容されると仮定される。この例において、電圧Ｕ２またはＵ３はしたがって、約１：３の比の中で変化してもよい。このような制限を回避しようとする場合は、ゲート電圧を適当な方法によって、または別の第三の回転トランスを通じてゲートを作動させることによって制限できる。
【００５７】
最後に、本発明の第四の形態について説明する。原理的に、１つの回転トランスだけでも対処できるが、すると、第二の電源回路（インバータ）内のバイポーラスイッチまたは、インバータと回転子巻線との間の極性インバータが必要となる。この場合、制御信号のための少なくとも１つの別のトランスがあれば有利である。
【００５８】
図４は、装置のコンバータがエネルギーを双方向に流すことができるように設計された上記のような装置を示す。このために、以下のサブサーキットがそれぞれ1つの回路に統合され、それが、対応するサブサーキットの機能を実行する。
−ステップダウンコンバータ５とステップアップコンバータ６の機能は、逆並列ダイオードを内蔵する２つのＭＯＳＦＥＴで構成されるハーフブリッジ１３によって実行される。
−第一のインバータ８と第二の整流子１０の機能は、逆並列ダイオードを内蔵する２つのＭＯＳＦＥＴで構成される第一のインバータ８によって実行される。
−第一の整流子７と第二のインバータ９の機能は、それぞれ、逆並列ダイオードを内蔵する２つの逆直列ＭＯＳＦＥＴからなるフルブリッジ１４によって実行される。バリスタ１１における電圧ＵＲの極性は、第一のインバータ８の第三のトランスＴ３での、および第四の回転トランスＴ４における制御信号の位相によって決まる。両方の信号が同相であれば、電圧ＵＲは正である。信号が逆相であれば、電圧ＵＲは負である。ここで、ハーフブリッジ１３、第一のインバータ８およびフルブリッジ１４について、ＭＯＳＦＥＴの代わりに、およびＭＯＳＦＥＴのほかに、ＩＧＢＴを利用してもよいことに留意するべきである。さらに、ＭＯＳＦＥＴがいずれにしても内部逆並列ダイオードを備えている点に留意するべきであり、それによって外部の逆並列ダイオードを省略してもよい。しかしながら、ＩＧＢＴは内部逆並列ダイオードを持たないため、この場合は外部のダイオードが必要となる。
【００５９】
最後に、説明した形態は、本発明による制御装置のさまざまな可能性からの数例のみを表しており、発明の応用範囲を限定するために使用してはならないことを明記する。当業者にとっては、そのニーズに合わせて、本明細書における上記の考慮事項に基づき、本発明の保護範囲から逸脱することなく、本発明に改良を加えることは容易なはずである。さらに、図に示された装置の部分もまた、独立した発明のための基礎を成すことができる点を指摘する。
【符号の説明】
【００６０】
１ａ〜１ｃ  制御装置と回転子巻線からなるシステム、２  電圧源、３  需要部、４  電源、５  ステップダウンコンバータ、６  ステップアップコンバータ、７  第一の整流子、８  第一のインバータ、９  第二のインバータ、１０  第二の整流子、１１  バリスタ、１２  モニタユニット、１３  ハーフブリッジ、１４  フルブリッジ、Ｅ  エネルギー、ＬＲ  回転子巻線、ＩＬ  回転子巻線内の電流、Ｕ１  供給電圧、Ｕ２  第一のインバータの電圧、Ｕ３  第一の整流子の電圧、Ｕ４  第二のインバータの電圧、Ｕ５  第二の整流子の電圧、ＵＲ  バリスタの電圧、Ｔ１  第一の回転トランス、Ｔ２  第二の回転トランス、Ｔ３  第三のトランス、Ｔ４  第四の（回転）トランス。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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