(57)【要約】  本発明は、固定子2および回転子4を有する電気マシン中の界磁巻線を通る界磁電流を決定する方法および装置に関し、ここで電気マシン1は回転子側における電流の誘導により界磁電流ＩＤＣを発生させるため界磁回路変成器7を具備しており、界磁電流ＩＤＣによって界磁巻線6は励起磁界を発生するために付勢され、方法は、−回転子4において界磁回路変成器7中の２次側に誘起される電流から得られる界磁電流ＩＤＣを発生するために界磁回路変成器7の１次側で駆動し、−界磁回路変成器7中の１以上の１次側相の１以上の相電流を測定し、１以上の測定された相電流Ｉ１にしたがって最大値Ｉｐｅａｋ＿ｍｅａｓｕｒｅを決定し、決定された最大値Ｉｐｅａｋ＿ｍｅａｓｕｒｅにしたがって界磁巻線6を通る界磁電流ＩＤＣを決定するステップを含んでいる。【選択図】図２
2010539869.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子（2）および回転子（4）を有する電気マシン中の界磁巻線を通る界磁電流を決定する方法において、
前記電気マシン（1）は回転子側における電流の誘導により界磁電流（ＩＤＣ）を発生させるため界磁回路変成器（7）を具備しており、前記界磁電流（ＩＤＣ）によって界磁巻線（6）は励起磁界を発生するために付勢され、前記方法は、  
前記界磁回路変成器（7）の１次側を駆動して前記界磁回路変成器（7）の２次側に誘起される電流から得られる界磁電流（ＩＤＣ）を前記回転子（4）において発生させ、
前記界磁回路変成器（7）中の１以上の１次側の相の相電流を測定し、
前記１以上の測定された相電流（Ｉ１）にしたがって最大値（Ｉｐｅａｋ＿ｍｅａｓｕｒｅ）を決定し、
前記決定された最大値（Ｉｐｅａｋ＿ｍｅａｓｕｒｅ）にしたがって前記界磁巻線（6）を通る前記界磁電流（ＩＤＣ）を決定するステップを含んでいる方法。
【請求項２】
前記界磁電流（ＩＤＣ）の前記決定は、１次側固定子界磁巻線（8）と２次側回転子界磁巻線（9）の巻数比により行われる前記界磁回路変成器（7）の減衰ファクタにしたがって、予め定められた補正ファクタにしたがって、および前記界磁回路変成器（7）の磁化インダクタンスと、磁化インダクタンスと前記界磁巻線（6）のインピーダンスとの和との比にしたがって実行される請求項１記載の方法。
【請求項３】
複数の相電流（Ｉ１）は１次側相において測定され、前記最大値（Ｉｐｅａｋ＿ｍｅａｓｕｒｅ）は前記複数の相電流の各最大値を平均することにより決定される請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
複数の相電流は１次側相において測定され、前記最大値（Ｉｐｅａｋ＿ｍｅａｓｕｒｅ）はブリッジ整流器中の前記複数の相電流から得られる電流と電圧の整流によって、および前記整流された電流と前記整流された電圧にそれぞれしたがった前記最大値の決定によって決定される請求項１または２記載の方法。
【請求項５】
固定子（2）および回転子（4）を有する電気マシン中の界磁巻線（6）を通る界磁電流（ＩＤＣ）を決定する装置において、
前記電気マシン（1）は前記回転子側における電流の誘導により前記界磁電流（ＩＤＣ）を発生させる界磁回路変成器（7）を具備し、前記界磁電流（ＩＤＣ）によって前記界磁巻線（6）は励起磁界を発生するために付勢され、前記装置は、  
前記界磁回路変成器（7）の１次側を駆動して前記界磁回路変成器（7）の２次側に誘起される電流から得られる界磁電流（ＩＤＣ）を前記回転子（4）において発生させる装置と、
前記界磁変成器（7）の１以上の１次側相中の１以上の相電流（Ｉ１）を測定するための電流検出装置（24）と、
前記１以上の測定された相電流（Ｉ１）にしたがって最大値（Ｉｐｅａｋ＿ｍｅａｓｕｒｅ）を決定するための最大電流決定装置（25）と、
決定された前記最大値（Ｉｐｅａｋ＿ｍｅａｓｕｒｅ）にしたがって前記界磁巻線（6）を通る前記界磁電流（ＩＤＣ）を決定するためのモーター制御装置（26）とを具備している装置。
【請求項６】
変成器制御装置（20）が前記界磁回路変成器（7）の前記１次側駆動を実行するために設けられ、前記変成器制御装置（20）はｒｍｓ相電流を一定であるように設定し、またはモーター制御装置（26）により予め規定されるように設定する請求項４記載の装置。
【請求項７】
請求項５または６に記載の装置と、
固定子（2）と回転子（4）を備え、界磁巻線（6）を有し、前記回転子側に電流を誘起することにより前記界磁電流（ＩＤＣ）を発生するための前記界磁回路変成器（7）を具備する電気マシン（1）とを具備しており、前記界磁電流（ＩＤＣ）により界磁巻線（6）が励起磁界を発生するモーターシステム。
【請求項８】
前記電気マシンは前記界磁回路変成器（7）の２次側で発生される変成器電流を整流するためのダイオードブリッジ整流器（10）を有する請求項７記載のモーターシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、界磁巻線を有するブラシレス電気マシンおよび、そのようなマシンを動作する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば同期電動機のようなブラシレス電気マシンは、固定子巻線に加えて回転子上に設けられた界磁巻線も有することができる。界磁巻線は励起磁界を発生するために電気エネルギが供給される必要がある。電気エネルギは固定子上の１以上の１次コイルと回転子上の１以上の２次コイルとの間を結合している変成器のために界磁巻線に対して与えられる。１次コイルと２次コイルから形成される界磁回路変成器は、例えば回転電気マシンにおいて軸的にオフセットして配置されることができる。他のケースでは、固定子巻線が界磁回路変成器の１次コイルとして使用されることも可能である。
【０００３】
界磁回路変成器は１次コイルとしての固定子界磁巻線と、２次コイルとしての回転子界磁巻線とを具備している。回転子界磁巻線はダイオード整流器ブリッジを介して界磁巻線に接続されている。結果として、界磁巻線には直流電流と界磁電流が与えられ、これは励起磁界を発生する。
【０００４】
しかしながら、例えば決定されたトルクを設定するためのこのような電気マシンの規定された動作において、界磁巻線を通る界磁電流を決定し、必要ならば前記界磁電流を調整して、界磁巻線により発生する磁界の強度を決定できることが必要である。電気マシンは回転子側に電流用のタップをもたず、任意の他の方法でも確実な電流測定を許容しないので、固定子側上での電気変数の測定により界磁電流を評価することが必要である。
【０００５】
従来の評価方法は高い時間分解能を有する付勢素子の２つの相電流と２つの相間出力電圧の測定に基づいており、これは複雑な方法で変換されることを必要とする。付勢素子の出力電圧は非正弦電圧が付加され、その結果として界磁電流の決定のための評価の計算の複雑性は高い。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の目的は、単に固定子側で測定された電流変数の測定を使用するだけで界磁電流が確実な方法で正確に決定されることができる方法および装置を提供することである。この目的は請求項１に記載されている電気マシンの界磁電流を決定する方法と、別の請求項に記載されている装置および電動機システムにより実現される。
【０００７】
本発明のさらに有効な改良が従属請求項に与えられている。
【０００８】
第１の特徴によれば、固定子および回転子を有する電気マシン中の界磁巻線を通る界磁電流を決定する方法が提供される。電気マシンは回転子側における電流の誘導により界磁電流を発生させるため界磁回路変成器を具備しており、界磁巻線は励起磁界を発生するために界磁電流により付勢される。方法は以下のステップを含んでいる。  
・回転子において界磁回路変成器中の２次側に誘起される電流から得られる界磁電流を発生するために界磁回路変成器の１次側を駆動し、
・界磁回路変成器中の１以上の１次側の相電流を測定し、
・１以上の測定された相電流にしたがって最大値を決定し、
・決定された最大値にしたがって界磁巻線を通る界磁電流を決定する。
【０００９】
前述の方法の１つの概念は固定子側上の相電流の最大値にしたがって簡単な電流分割計算を用いて界磁電流を計算することからなる。これは高いサンプリング周波数における固定子側の相電流と相間電圧の測定のために界磁電流を決定する場合に、回転子で使用される整流器のダイオードのスイッチオン時間を決定するために複雑な計算が行われる必要がある一方で、相電流の最大値の測定が容易に行われることができるという利点を有する。
【００１０】
界磁電流を決定する上記の方法は、時間における特定点で、電流が常に回転子界磁巻線の２つのコイルを通過し、その結果磁化インダクタンスは回転子界磁巻線の各コイルについて推測されることができ、固定子側上で流れる相電流は変成器の結合のために電流を引き起こすという仮定に基づいている。界磁巻線を流れる界磁電流はそれ故、電流分割器における全体的な変成器誘起の２次側電流の部分的な電流として決定されることができる。電流分割器は回転子界磁巻線の２つのアクチブコイルの２つの磁化インダクタンスを通る第１の電流路と界磁巻線を通る第２の電流路とを有する。
【００１１】
さらに、界磁電流の決定は１次側コイルと２次側コイルの巻数比に対応する界磁回路変成器の減衰因子にしたがって、経験的に決定されることのできる予め定められた補正因子にしたがって、例えば電気マシンの回転速度にしたがっておよび、界磁回路変成器の磁化インダクタンスと、磁化インダクタンスと界磁巻線のインピーダンスの和との比にしたがって実行されることができる。
【００１２】
１実施形態によれば、複数の相電流は１次側相で測定されることができ、最大値は複数の相電流の最大値を平均することにより決定される。
【００１３】
別の実施形態によれば、複数の相電流は１次側相で測定されることができ、最大値はブリッジ整流器中の複数の相電流から得られる電流と電圧の整流によって、および整流された電流と整流された電圧にそれぞれしたがった最大値の決定によって決定されることができる。
【００１４】
さらに別の特徴によれば、固定子および回転子を有する電気マシン中の界磁巻線を通る界磁電流を決定する装置が提供され、その電気マシンは回転子側における電流の誘導により界磁電流を発生させるための界磁回路変成器を具備しており、界磁電流によって界磁巻線は励起磁界を発生するために付勢される。装置は、  
・界磁回路変成器の１以上の１次側相中の１以上の相電流を検出するための電流検出装置と、
・１以上の測定された相電流にしたがって最大値を決定するための最大電流決定装置と、
・決定された最大値にしたがって界磁巻線を通る界磁電流を決定するためのモーター制御装置とを具備している。
【００１５】
さらに、変成器制御装置は界磁回路変成器の１次側駆動を実行するために設けられることができ、変成器装置は相電流を一定にするように、またはモーター制御装置により予め決定されるように設定する。
【００１６】
さらに別の特徴によれば、モーターシステムが提供される。モーターシステムは、
・前述の装置と、
・界磁巻線を有している固定子と回転子を備え、回転子側に電流を誘起することにより界磁電流を発生するための界磁回路変成器を具備する電気マシンとを具備しており、前記界磁電流により界磁巻線は励起磁界を発生する。
【００１７】
さらに、電気マシンは界磁回路変成器の２次側で発生される変成器電流を整流するためのダイオードブリッジ整流器を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】界磁回路変成器を有する電気マシンの断面図である。
【図２】図１に示されている電気マシンの電子回路を示す回路図である。
【図３】界磁回路変成器の等価回路図である。
【図４】回転子のアクチブ回路の等価回路図である。
【図５】１次側の相電流のプロフィールと、電気マシンの回転速度と、測定された界磁電流と、および計算された界磁電流を示す信号／時間グラフの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の好ましい実施形態を添付図面を参照して以下より詳細に説明する。  
図１は回転電気マシン１、例えばモーターの断面図を示している。電気マシン１は固定子巻線３を有する固定子２と、シャフト５上に適合されている回転子４（例えば回転モーターの場合）とを具備している。回転子４は励起磁界を発生するための界磁巻線６を具備している。電気マシンは固定子巻線３を駆動することによってモーターとして動作されることができる。
【００２０】
界磁回路変成器７は軸方向で隣接するシャフト５上の１位置に構成されている。界磁回路変成器７は固定子２上または回転子４に関して固定された１位置における固定子界磁巻線８と、回転可能なシャフト５上に構成される回転子界磁巻線９とを有する。
【００２１】
固定子巻線３、回転子巻線６、固定子界磁巻線８、回転子界磁巻線９はそれぞれコイルを有することができ、その極（図示せず）は放射方向で整列されている。固定子界磁巻線８の個々のコイルは駆動され、それによって円周方向の交番磁界はシャフト５の回転速度にしたがって生じ、その結果電流は回転子界磁巻線９のコイルで交互に発生される。
【００２２】
回転子界磁巻線９のコイル中に誘起された界磁電流はダイオードブリッジ整流器10で整流される。キャパシタンスと抵抗から形成される下流のダイオード保護回路11はダイオードブリッジ整流器10を保護する目的を行う。整流された界磁電流ＩＤＣは励起磁界を発生するために回転子４の界磁巻線６を通って流れる。
【００２３】
図２は電子回路図の形態の図１に示されている電気マシン１を示している。電気マシン１の界磁回路変成器２は３相の固定子界磁巻線８および対応する回転子界磁巻線９を有して形成される。本発明の例示的な実施形態では、固定子界磁巻線３は固定子界磁巻線８の３つの星型接続コイルを具備している。電気マシン１に４相以上の固定子界磁巻線８を取付けることも可能である。さらに、星型接続の代わりにデルタ接続でコイルが構成されることができる。
【００２４】
さらに、回転子界磁巻線９のコイルは固定子界磁巻線８のコイルに対して変成器の形態で結合され、その結果交流電流が回転子界磁巻線８中に誘導発生される。結果的な３相交流電流はダイオードブリッジ整流器10へ供給され、このダイオードブリッジ整流器10は既知の方法で相互に接続されている６つの整流器ダイオード14を有する。４相以上の場合、２つのさらに別の整流器ダイオードがさらに別の各相について設けられ、それによって既知の方法で電流の正の半サイクルが出力線のうちの１つを通ることを可能にし、電流の負の半サイクルが別の出力線を通ることを可能にする。
【００２５】
界磁回路変成器７は１次側の固定子界磁巻線８の適切な駆動により動作され、その結果、対応する交流電流が回転子界磁巻線９で発生される。固定子磁界巻線８のコイルの駆動は通常、電流が回転子界磁巻線９の幾つかのコイルのみで同時に流れるように行われ、それに対応して、対応する電流は各ケースにおいて回転子界磁巻線９の２つのコイルだけで２次側で発生される。
【００２６】
さらに、ダイオードブリッジ整流器10の出力は界磁巻線６に実質的に一定の界磁電流ＩＤＣを与える。界磁巻線６は直流磁界を与える目的を行う。界磁電流ＩＤＣはそれ故、ダイオードブリッジ整流器10における整流によって、変成器により回転子界磁巻線９で発生された交流電流から発生される。
【００２７】
さらに、図２は変成器制御装置20を示し、これはインバータ出力段22のプルアップスイッチ21とプルダウンスイッチ21（例えば磁界効果トランジスタ）を駆動し、そのインバータ出力段22にはＤＣ電圧源（ＶＤＤ，ＶＧＮＤ）が与えられ、それによってプルアップスイッチ21とプルダウンスイッチ21は常に閉じられ、それ故固定子界磁巻線８の幾つかのコイルを通る（本発明の例では固定子界磁巻線８の２つのコイルを通る）電流路を規定する。
【００２８】
インバータ出力段の代わりに、ＡＣサイリスタ付勢素子も設けられることができ、それにおいては多相の交流電流端子の各相はサイリスタ切換装置を介して固定子界磁巻線８の相端子の１つに接続される。サイリスタ切換え装置の切換えによって、変成器制御装置20により制御され、個々の相は２次側の電流を与えるためにオン又はオフに切り換えられることができる。
【００２９】
例えば測定抵抗（例えば分流抵抗）の形態の電流測定素子23は相電流プロフィールを測定するために固定子界磁巻線８の相端子の少なくとも１つに配置される。測定抵抗を使用するとき、測定される電流に比例する測定電圧が与えられ、前記測定電圧は電流検出装置24で検出される。測定電圧から得られることができる相電流プロフィールにおけるデータはデジタルまたはアナログ形態で最大電流決定装置25へ与えられる。
【００３０】
最大電流決定装置25は相電流プロフィールから相電流Ｉ１の最大値Ｉｐｅａｋ＿ｍｅａｓｕｒｅ、即ち相電流Ｉ１の各正の半サイクルの最大値が決定される。最大電流決定装置25は相電流Ｉ１の最大値Ｉｐｅａｋ＿ｍｅａｓｕｒｅを界磁電流決定装置27へ与える。
【００３１】
代わりに、複数の、又は全ての相の相電流が検出されることができる。結果的な測定電流または測定電圧はその後、例えば１次側ブリッジ整流器によって整流されることができる。整流された測定電流は電流検出装置24で検出され、その結果、結果的な整流された測定電流の最大値は最大電流決定装置25で最大値Ｉｐｅａｋ＿ｍｅａｓｕｒｅとして決定されることができる。
【００３２】
界磁電流決定装置27は後述する計算方法にしたがって相電流Ｉ１の最大値Ｉｐｅａｋ＿ｍｅａｓｕｒｅから界磁電流ＩＤＣを決定し、界磁電流ＩＤＣのデータをモーター制御装置26へ与える。モーター制御装置26は変成器制御装置20を駆動でき、決定された界磁電流ＩＤＣにしたがって変成器制御装置20はインバータ出力段22を動作し、それによって例えば適切な調整によって例えば界磁電流ＩＤＣを一定に維持するかまたは前記界磁電流ＩＤＣを設定点入力に対応して設定する。
【００３３】
図３は固定子界磁巻線８のコイルの１つと回転子界磁巻線９のコイルの１つとの間の結合の等価回路図を示している。即ち、図３に示されている等価回路図は決定された相電流Ｉ１が流れているならば、固定子界磁巻線８と回転子界磁巻線９との間の変成器結合に適用される。界磁巻線６のインピーダンスはこの場合Ｒｅｘｕ／ｓであり、ここでｓは回転子４のスリップに対応する。スリップｓは次式のように決定される。  
ｓ＝（ｆｓｕｐｐｌｙ−ｎ・ｐ）／ｆｓｕｐｐｌｙ 
ここでｆｓｕｐｐｌｙは固定子側の相電流の周波数に対応し、
ｐは界磁回路変成器９の極対の数に対応し、
ｎは毎秒当りの回転における回転速度に対応する。
【００３４】
図３の電気等価回路図は定常状態の３相モデルについての界磁回路変成器７の応答に適用される。この等価回路図は必須のインダクタンスとして磁化インダクタンスＬＭを有する。低レベルの信号等価回路図は界磁電流決定装置27で行われる電流評価に使用される。ダイオードブリッジ整流器10の２つの相のみが時間における任意の特定点でアクチブであるので、アクチブな整流器ブリッジのみ、即ちアクチブなダイオードのみが考慮される必要があり、その結果、相シフトを計算する必要はない。
【００３５】
図４の等価回路図から、回転子界磁巻線９のコイルの磁化インダクタンスＬＭのみが低レベルの信号等価回路図で考慮され、界磁回路変成器７の回転子浮遊インダクタンスＬσは考慮される必要がないことが認められる。
【００３６】
図４に示されている等価回路図では、以下の関係が電流分割器を使用して得られる。  
ＩＤＣ，ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ＝ｒｅｘ・ｋ・Ｉｐｅａｋ＿ｍｅａｓｕｒｅ・（Ｚ１／Ｚ２）  
Ｚ１＝２・ωＬであり、Ｚ２＝（Ｒｅｘｕ／ｓ）＋Ｚ１であり、
ここで、Ｌ＝Ｌｍ１＝Ｌｍ２は界磁回路変成器７の磁化インダクタンスに対応し、
Ｉｐｅａｋ＿ｍｅａｓｕｒｅは１次側の相電流Ｉ１の最大値に対応し、
ｋは補正ファクタに対応し、これは予め定められるか又は経験的に固定されることができ、例えば値１．１へ固定されることができ、
ｒｅｘは（固定子から回転子までの）界磁回路変成器７の減衰因子に対応し、これは回転子界磁巻線９のコイルに関する固定子界磁巻線８のコイルの巻数比により決定されることができる。
【００３７】
界磁インピーダンスＲｅｘｕは次式のように決定されることができる。  
【数１】
2010539869.tif 000003
【００３８】
ここでＲｆは単位当り界磁巻線６の非反応抵抗に対応し、即ち０単位であり、
（回転子から固定子までの）ｒｍａは減衰因子に対応し、これは固定子巻線３のコイルに関する界磁巻線６のコイルの巻数比から得られ、
Ｕｒａｔｅｄは電気マシンの定格電圧に対応し、
Ｉｒａｔｅｄは（データシートに対応する）電気マシンの定格電流に対応する。
【００３９】
上記関係式による界磁電流ＩＤＣは容易に計算されることができる。  
ＩＤＣ，ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ＝Ｋ・Ｉｐｅａｋ＿ｍｅａｓｕｒｅ・Ｊ（ｎ）  
ここでＫは定数を表し、これは基礎として物理的モデルを使用するとき計算によって決定されることができるか、または経験的に決定されることができ、そうでなければ（スリップｓにわたる）回転速度に依存するインピーダンス比Ｊ（ｎ）は同様に容易に決定されることができる。低い回転速度ｎの場合、インピーダンス比は幾つかの事情では一定であるとさえも仮定されることができる。
【００４０】
したがって、１次側の相電流と回転速度の最大値における界磁電流ＩＤＣの関数依存性は次式として得られる。  
ＩＤＣ＝ｆ（Ｉｐｅａｋ＿ｍｅａｓｕｒｅ，ｎ）
このような関数依存性は界磁電流決定装置27で簡単な方法で実行されることができる。相電流プロフィールの最大値は発振期間中にただ一度生じるので、界磁電流の計算は供給の頻度により予め決定された発生率に対応してのみ行われる。したがって界磁電流決定装置27の計算力における需要は減少されることができる。
【００４１】
図５は１次側の相電流Ｉ１、１次側の相電流Ｉ１の最大値Ｉｐｅａｋ＿ｍｅａｓｕｒｅ、測定された界磁電流ＩＤＣ＿ｍ、計算された界磁電流ＩＤＣ、回転速度ｎのプロフィールを示している。界磁電流ＩＤＣは１次側の相電流Ｉ１の最大値から高い正確度で得られることができることが分かる。
【符合の説明】
【００４２】
1…電気マシン、2…固定子、3…固定子巻線、4…回転子、5…シャフト、6…界磁巻線、7…界磁回路変成器、8…固定子界磁巻線、9…回転子界磁巻線、10…ダイオードブリッジ整流器、11…ダイオード保護回路、14…整流器ダイオード、20…変成器制御装置、21…プルアップスイッチまたはプルダウンスイッチ、22…インバータ出力段、23…電流測定素子、24…電流検出装置、25…最大電流決定装置、26…モーター制御装置、27…界磁電流決定装置。
【図１】
2010539869.tif 000004
【図２】
2010539869.tif 000005
【図３】
2010539869.tif 000006
【図４】
2010539869.tif 000007
【図５】
2010539869.tif 000008
【国際調査報告】
2010539869.tif 000009
2010539869.tif 000010
2010539869.tif 000011
2010539869.tif 000012