(57)【要約】本発明は、シンクロモータ（１０）を備えたブラシレス直流駆動系であって、前記シンクロモータは、多相の固定子巻線（１５）を支持するステータ（１２）と、永久磁石極（２０）を備えたロータ（１３）とを有しており、前記永久磁石極（２０）は、固定子巻線（１５）を貫通する磁束を生成し、さらに、前記固定子巻線（１５）に前置接続され電子制御機器（１８）によって制御される、固定子巻線（１５）の整流（転流）のためのスイッチング装置（１１）を有しているブラシレス直流駆動系において、ロータ（１３）内でフェイル・サイレント特性を生み出すために界磁巻線（２１）が配設されており、該界磁巻線（２１）は、エラーが生じた場合に、永久磁石極（２０）の磁束に対抗する磁束が生み出されるように通電可能に構成されている。
2004519999.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シンクロモータ（１０）を備えたブラシレス直流駆動系であって、前記シンクロモータは、多相の固定子巻線（１５）を支持するステータ（１２）と、永久磁石極（２０）を備えたロータ（１３）とを有しており、
前記永久磁石極（２０）は、固定子巻線（１５）を貫通する磁束を生成し、さらに、前記固定子巻線（１５）に前置接続され電子制御機器（１８）によって制御される、固定子巻線（１５）の整流（転流）のためのスイッチング装置（１１）を有している形式のものにおいて、
前記ロータ（１３）内に界磁巻線（２１）が配設されており、該界磁巻線（２１）は、エラーが発生した際に永久磁石極（２０）の磁束に対抗する磁束が生み出されるように通電され得ることを特徴とする直流駆動系。
【請求項２】
前記界磁巻線（２１）は、永久磁石極（２０）の数に相応した数のコイル（２４）を有しており、それらのコイルはそれぞれ１つの永久磁石極（２０）を取囲んでいる、請求項１記載の直流駆動系。
【請求項３】
前記コイル（２４）は、並列または直列に接続されており、さらに回転不動にロータ（１３）と接続されたループリング（２２，２３）に接続されている、請求項２記載の直流駆動系。
【請求項４】
前記ループリング（２２，２３）は、直流電流が印加可能であり、その電流の大きさは、制御装置（２５）によって設定可能である、請求項３記載の直流駆動系。
【請求項５】
前記制御装置（２５）は、電子制御機器（１８）内に統合されている、請求項４記載の直流駆動系。
【請求項６】
前記制御装置（２５）は、パルス幅変調器を有している、請求項４または５記載の直流駆動系。
【請求項７】
前記制御装置（２５）は、モータ温度に依存して直流電流を設定調整する、請求項４から６いずれか１項記載の直流駆動系。
【請求項８】
前記制御装置（２５）は、固定子巻線（１５）内を流れるより線電流に依存して直流電流を設定調整する、請求項４から７いずれか１項記載の直流駆動系。
【請求項９】
シンクロモータ（１０）を備えたブラシレス直流駆動系であって、前記シンクロモータは、多相の固定子巻線（１５）を支持するステータ（１２）と、永久磁石極（２０）を備えたロータ（１３）とを有しており、
前記永久磁石極（２０）は、固定子巻線（１５）を貫通する磁束を生成し、さらに、前記固定子巻線（１５）に前置接続され電子制御機器（１８）によって制御される、固定子巻線（１５）の整流（転流）のためのスイッチング装置（１１）を有している形式のものにおいて、
前記ロータ（１３）内に界磁巻線（２１）が配設されており、該界磁巻線（２１）は、永久磁石極（２０）の数に相応した数のコイル（２４）を有しており、それらのコイルはそれぞれ１つの永久磁石極（２０）を取囲んでいることを特徴とするブラシレス直流駆動系。
【請求項１０】
前記コイル（２４）は、並列または直列に接続されており、さらにループリング（２２，２３）に接続されている、請求項９記載の直流駆動系。
【請求項１１】
前記コイルは、回転方向で順次連続しているコイル（２４）によって形成された磁束の方向は反対である、請求項９または１０記載の直流駆動系。
【請求項１２】
前記ループリング（２２，２３）は、その電流の大きさが制御装置（２５）により有利にはパルス幅変調を介して設定可能になるように直流電流が印加可能である、請求項１１記載の直流駆動系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は請求項１の上位概念による、ブラシレス直流駆動系に関する。
【０００２】
自動車においては、界磁形ブラシレス直流駆動系が多岐にわたる目的のために、特に掘り下げてゆけば、パワーステアリングのために用いられている。この直流駆動系は、ステータまたは電機子巻線と、界磁ロータを有している。電機子巻線は、半導体パワースイッチを備えたブリッジ回路のインバータを介して直流電圧網に接続される。ステータ巻線の整流に作用するインバータは、電子制御装置によって制御されている。
【０００３】
ドイツ連邦共和国特許出願ＤＥ ３７ ０９ １６８ Ａ１ 明細書では、直流電圧網において稼働されるシンクロモータが開示されており、ここでは制御装置によって駆動制御された３つの半導体パワースイッチが、スター接続されたステータ巻線の巻線相帯内に配設されている。ステータ巻線および／またはパワースイッチ内でエラーが生じた場合には、直流駆動系は、直流電圧の印加なしで、連続的な電磁制動モーメントを生じる。なぜならここにおいては同期モータが低抵抗な負荷抵抗に対するジェネレータとして動作するからである。多くの適用ケースにおいては、そのような制動モーメントは、直流駆動系が用いられている装置ないしシステム全体に少なからず影響を与える。例えば電動パワーステアリングにおいては、何らかの欠陥が生じて現れた制動モーメントが、本来の操舵力とは違う著しい負担を強いることとなる。そのためドライバはそれに対抗すべく自身の体力を使い果たさなければならない。それに伴って、ドライバがもはや車両を安全に操ることができなくなって車両のコントロールを完全に失うような自体に陥る危険性が生じる。このような直流駆動系に次のような装置、すなわち欠陥の生じた直流駆動系がそのような自体に陥った場合に、装置ないしシステム全体に悪影響を及ぼすことがないように、その直流駆動系の存在を絶つような動作をする装置を設けることは公知である。
【０００４】
公知の電動パワーステアリングのもとでは、フェイル・サイレント特性の形成のために、シンクロモータのドライブシャフトをステアリングギヤへ係合させる機械的クラッチが利用されている。このクラッチは、故障時には切られ、それによってモータが当該操舵システムから分離される。
【０００５】
またハイブリッドな電気機械装置が公知であり（ＥＰ ０ ７２９ ２１７ Ｂ１参照）、この装置ではロータの磁界が永久磁石によっても、励磁電流の印加される界磁巻線によっても形成されている。ロータは軸方向で２つのロータ半部に分割されており、それらはロータシャフトの軸方向で相互に間隔をおいて組み付けられている。各ロータ半部の金属性パケット内部には収容開口部が設けられており、その中に永久磁石が挿入されている。これらの永久磁石は、ロータ半部内のそれらの極性に関して次のように配設されている。すなわち一方のロータ半部ではそのＮ極が機械の空隙に無機、もう一方のロータ半部ではそのＳ極が機械の空隙に向くように配設される。これらの２つのロータ半部内の永久磁石は、分極のために相対的にずらされている。２つのロータ半部の間に生じている介在空間内には、環状コイルとして形成された界磁巻線が挿入されている。この界磁巻線に直流電流が印加されると、、励磁電流の通流方向に応じて永久磁石の磁束を強めたり弱めたりする磁束が形成される。これによって、機械の回転数ないし電圧に対し、より大きな制御範囲が得られるものとなる。
【０００６】
発明の利点
請求項１の特徴部分に記載の本発明によるブラシレス直流駆動系は次のような利点を有している。すなわち直流駆動系の所望のフェイル・サイレント特性が、例えば機械的なクラッチなどの高価な外部構成要素なしで、直流電動系自体における簡単な制御過程のみで達成できることである。界磁巻線の相応の駆動制御によって、支障が生じた場合に永久磁石の磁界が、界磁巻線の磁界によって低減されるか打ち消される。そのためシンクロモータでは電圧が全く生じないかまたはごく僅かな制動トルクしか引き起こさないくらいの低い誘起電圧しか生じない。その場合磁界の温度に依存した穏やかな低減が制動トルクの低減につながり、永久磁石の不可逆的な消磁と連続的な損傷を回避する。制動トルクの低減が十分ではない場合には、磁界全体をゼロにもたらしてもよい。その場合はいずれにせよ磁界を持続的に損なうことは受入れなければならない。
【０００７】
ロータの界磁巻線が故障の際にだけでなく通常の運転においても通電されるならば、一方ではモータにおける磁界の付加のもとで高い出力密度が達成でき、他方では可変回転数の運転において意図的に引き起こした磁界の減衰によって比較的高い回転数が得られる。
【０００８】
従属請求項に記載された手段によれば、請求項１に記載された本発明の直流駆動系のさらに別の有利な実施例や改善例が可能となる。
【０００９】
本発明の有利な実施形態によれば、界磁巻線が、永久磁石の数に応じた数のコイルを有し、それらがそれぞれ永久磁石の１つを取囲んでいる。これらのコイルは、並列または直列に接続され、回転不動にロータに接続されたループリング対に接続される。このような界磁巻線のシンクロモータ内での構造的な統合化は、所望のフェイル・サイレント特性を呼び込むための構造上の製造技術的な付加的コストを僅かにする。
【００１０】
図面
図面には本発明の実施例が示されており、これは以下の明細書で詳細に説明される。この場合、
図１は、ブラシレス直流駆動系の回路図を示しており、
図２は、図１による直流駆動系の３相または４相のシンクロモータの断面が概略的に示されており、
図３は、図２におけるシンクロモータのロータの平面図である。
【００１１】
実施例の説明
図１の回路図に示されているブラシレス直流駆動系は、シンクロモータ１０を有している。このシンクロモータ１０は、直流電圧網における電子的な整流（転流）のためのスイッチング装置１１を用いて駆動される。図１では“＋”と“−”で表わされており、直流駆動系の接続端子３０，３１に接続されている。シンクロモータ１０は、公知のようにステータ１２とロータ１３を有しており、このロータは、ケーシングの中で回転可能に支承されたロータシャフト１４（図２）に据え付けられている。ステータ１２は、電機子ないし固定子巻線１５を支持しており、図示の実施例では三相に構成されており、それらの位相巻線１５１〜１５３は、スター結線されている。ステータ巻線１５の巻線端子１，２，３は、それぞれ１つの接続線路１６を介してスイッチング回路１１と接続される。
【００１２】
Ｂ６−インバータとして構成されているスイッチング装置１１は、６つの半導体パワースイッチ１５をブリッジ回路で有している。これらのパワースイッチは当該実施例ではＭＯＳＦＥＴとして構成されている。巻線端子１，２，３に接続される接続線路１６は、それぞれ２つのパワースイッチ１７の直列接続によって形成されるブリッジ分岐のタップ４，５，６に接続される。これらはそれぞれ２つのパワースイッチ１７の接続路に置かれる。固定子巻線１５の整流（転流）のためには、すなわちロータの回転位置との一致の中で位相巻線１５１〜１５３の直流電圧網への適時の通電のためには、パワースイッチ１７が電子制御機器１８から駆動制御される。
【００１３】
図１では象徴的にのみ描画され、図２および図３では断面図で概略的に表わされているロータ１３は、金属性パケットまたは忠実の鉄性パケットによって形成された回転体１９を有し、これは回転不動にロータシャフト１４に座着している。この回転体１９の外側には複数の永久磁石極２０が備わっている。図２中に概略的に書かれているロータ１３は、４極構造で構成され、それに相応して９０゜だけ回転体１９周面でずらされて配置された４つの永久磁石局２０を有する。この場合順次連続する永久磁石局２０が交互に極性“Ｎ”と“Ｓ”を有し、これは図３に示されている。さらに回転体１９には界磁巻線２１が設けられており、これはロータシャフト１４に回転不動に座着されたループリング対２２，２３に接続されている。界磁巻線２１は、全部で４つのコイル２４からなっており、この場合それぞれ１つのコイル２４は永久磁石極２０の１つに巻回されており、つまり永久磁石極２０をその軸方向および周面方向に延在する全部で４つの側面で取囲んでいる。コイル２４は、図２および図３の実施例においては並列に接続されている。そして並列回路は、ループリング２２，２３に接続されている。代替的にこれらのコイル２４は、直列に接続することも可能である。これらのコイル２４は、次のように巻回されている。すなわち順次連続するコイル２４内でループリング２２，２３によって取出される励磁電流は、逆の界磁を形成する。
【００１４】
界磁巻線２１は、直流駆動系のいわゆるフェイル・サイレント特性を得るための装置であって、これは、例えば欠陥の生じたパワースイッチ１７もしくは固定子巻線１５内の巻線端子によって引き起こされ得る、直流電流駆動系におけるエラーの発生の際に、当該直流駆動系と共同作業しているシステムに支承や悪影響がでないことを保証する。界磁巻線２１の他にこの装置は、制御機器１８内に統合されている制御装置２５、それぞれ位相巻線１５１〜１５３内に配設されている測定分路２６、モータ温度を検出する温度センサ２７を有している。測定分路２６と温度センサ２７は、測定線路２８を介して制御装置２５の入力側に接続されている。制御装置２５の２つの出力側は、制御線路２９を介してループリング２２，２３に接続している。制御装置２５は、制御機器１８のように直流駆動系の接続端子３０，３１に接続されると共に直流電圧網にも接続される。接続端子３０の直ぐ後には、電流遮断部３２が設けられており、これは制御装置２５によって駆動制御可能である。
【００１５】
制御装置２５は、測定分路２６を介して流れる電流を絶対値と位相に関して測定し、これをベクトル的に加算する。支承ないし障害のない直流駆動系のもとでは、この加算結果は常にゼロとなる。ベクトルの和がゼロから大幅にずれている場合には、エラーが位相巻線１５１〜１５３の中か、パワースイッチ１７の中に存在する。このような場合には、制御装置２５によって電流遮断部３２が開かれて界磁巻線２１に励磁電流が印加されるように制御される。この励磁電流は、コイル２４を介して、永久磁石極２０の磁束に対抗する磁束を生み出す。それにより、シンクロモータ１０の界磁は減衰され、それに伴って固定子巻線１５内では電圧が全く誘起されないか、されても極僅かでしかない。従って制動トルクは皆無かほとんど影響のない程度にしか現れない。このような磁束の減衰は、温度センサ２７を介して検出され制御装置２５に供給されるシンクロモータ１０の温度に依存して行われる。この温度に依存した磁束の減衰は、この場合次のように行われる。すなわち、永久磁石極２０の不可逆的な消磁と、それに伴うシンクロモータの持続的な損傷が除かれるように行われる。制御装置２５からループリング２２，２３に印加される励磁電流の大きさ（これは例えばパルス幅変調を用いて設定されてもよい）は、固定子巻線１５内のより線電流に依存して制御される。すなわち、励磁電流は、それによって達成される界磁減衰がごく僅かな電圧しか誘起しなくなりかつ許容範囲の制動トルクしか生じさせない極僅かな短絡電流しか流れなくなるまで増大される。このようになされる制動トルクの低減が不十分である場合には、結果的として生じる界磁をゼロにしてもよい。その場合はいずれにせよ、永久磁石極２０の持続的な損傷は受入れなければならない。
【００１６】
フェイル・サイレント特性を生み出すための装置は、有利には直流駆動系の通常運転中においても利用することができる。界磁巻線２１内の電流方向は、それによって形成される界磁が永久磁石極２０の磁束に加算されかつモータにより高い出力密度が生じるように選択される。界磁巻線２１中の電流方向が逆になり、それによって生じる磁束が減衰すると、より高い回転数が設定可能となる。界磁の増大または減衰の大きさも、制御装置２５によってループリング２２，２３に供給される直流電流のパルス幅変調によって設定される。電流遮断部３２の駆動制御は行われない。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ブラシレス直流駆動系の回路図を示したものである。
【図２】
図１による直流駆動系の３相または４相シンクロモータの概略的断面図である。
【図３】
図２におけるシンクロモータのロータの平面図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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