(57)【要約】  電機系への接続用同期機は、前記同期機の一部として構成された固定子と、前記同期機の一部として構成され前記固定子に対して回転可能な回転子と、前記回転子を制御して前記回転子が前記固定子に対して継続的にすべりを起こすのを可能にする制御回路と、を備える。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気系への接続用同期機であって、前記同期機は、
前記同期機の一部として構成された固定子と、
前記同期機の一部として構成され、前記固定子に対して回転可能な回転子と、
前記回転子を制御して、前記回転子が前記固定子に対して継続的にすべりを起こすのを可能にする制御回路と、を備える電気系への接続用同期機。
【請求項２】
第１巻線群と第２巻線群とを備え、前記第１巻線群は少なくとも一つの第１導体を備え、前記第２巻線群は少なくとも一つの第２導体を備え、前記第１導体および前記第２導体は、スロット毎に段階式に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電気系への接続用同期機。
【請求項３】
前記段階式構成は、第１スロットと第２スロットとを備え、前記第１スロットと、前記第１スロットに直接隣接する前記第２スロットは、前記第１導体および前記第２導体の両方を備え、前記第１スロットの前記第１導体と前記第２スロットの第１導体の数の違いは、前記第１導体１つ分が一つであることを特徴とする請求項２に記載の電気系への接続用同期機。
【請求項４】
前記第１スロットの前記第２導体と前記第２スロットの前記第２導体の違いは、前記第２導体１つ分が一つであることを特徴とする請求項２に記載の電気系への接続用同期機。
【請求項５】
前記制御回路が、前記回転子および前記固定子間のすべりの角度を決定するすべり角度生成器を備えることを特徴とする請求項１に記載の電気系への接続用同期機。
【請求項６】
前記制御回路が、前記回転子および前記固定子間のすべりの量を生成する量生成器を備えることを特徴とする請求項１に記載の電気系への接続用同期機。
【請求項７】
前記制御回路が、角度加算回路を備えることを特徴とする請求項１に記載の電気系への接続用同期機。
【請求項８】
前記制御回路が、量加算回路を備えることを特徴とする請求項１に記載の電気系への接続用同期機。
【請求項９】
前記制御回路が、前記回転子に接続する第１乗算回路を備えることを特徴とする請求項１に記載の電気系への接続用同期機。
【請求項１０】
前記制御回路が、前記回転子に接続する第２乗算回路を備えることを特徴とする請求項１に記載の電気系への接続用同期機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気機械に関し、より詳しくは同期機に関する。
【背景技術】
【０００２】
同期電動機は交流モーターであって、定常状態では軸の回転は供給電流の周波数と同期しており、回転周期は交流周期の整数に正確に等しい。同期電動機は、その固定子上に、線電流の振動に同調して回転する磁界を作る多相の交流電磁石を有する。永久磁石または電磁石を備える回転子が、前記固定子の磁界に合わせて同じ速度で回転し、その結果、交流モーターには第二の同期された回転磁界が供される。同期電動機は、回転子と固定子の両方に、別個に励磁される多相の交流電磁石を備える場合にのみ二重給電とみなされる。
【０００３】
同期電動機および誘導電動機は、最も広く使用されているタイプの交流モーターである。両者の違いは、同期電動機は電源周波数に正確に同期して回転することである。同期電動機は、電流誘導によらずに回転子の磁界を作る。一方、誘導電動機は、回転子巻線において電流を誘導するために、「滑り」、つまり回転子が交流電流の交番よりわずかに遅く回転する必要があること、を必要とする。小型の同期電動機は、モーターが正確な速度で動作しなければならないような同期クロック、電化製品のタイマー、テープレコーダー、精密測定用サーボ機構といった時間測定に用いられている。相互接続された大型の電気系統網において慎重に制御されている電源周波数の速度の精度は、制御された電源周波数の精度となる。
【０００４】
同期電動機は、小部品としての自励式サイズのものから高馬力の工業規模のサイズで利用可能である。小部品としてのサイズの場合、ほとんどの同期電動機は、正確な一定速度が要求されるところで用いられる。これらの機械は通常、正確な時間が必要とされるアナログ電気時計、タイマー、その他の機器に用いられる。高馬力の工業規模サイズの場合、同期電動機には二つの重要な機能がある。一つ目は、交流エネルギーを仕事に変換する非常に効率的な手段であることである。二つ目は、進み力率または力率１で動作することができるため、力率補正をすることができることである。
【０００５】
同期電動機は、同期発電機も含む同期機といった、より一般的なカテゴリーに該当する。発電機としての動作は、「原動機の前進運動によって、結果として得られる空隙磁束より先に界磁極が動く」場合に観測されるものである。電動機としての動作は、軸荷重の制動トルクによって、結果として得られる空隙磁束より遅れて界磁極が動く」場合に観測されるものである。
【０００６】
同期電動機には、回転子を磁化する方法によって、つまり無励磁か直流励磁かによって、主に二つのタイプがある。
【０００７】
磁界方向制御（ＦＯＣ）ともよばれるベクトル制御は、三相交流モーターの固定子電流が、ベクトルで可視化することができる二つの直交成分として確認される可変周波数駆動（ＶＦＤ）制御方式である。一方の成分は前記モーターの磁束であり、もう一方の成分はトルクである。この駆動方式の制御システムでは、この駆動方式の速度制御より得られる磁束基準とトルク基準から、それに相当する電流成分の基準が計算される。
【０００８】
ベクトル制御において、交流誘導電動機又は同期電動機は、別個に励磁された多相の直流電動機のような動作条件の下で制御される。すなわち、この交流電動機は、磁界および電機子（すなわちトルク成分）電流それぞれによって作られた界磁鎖交磁束および電機子鎖交磁束が、トルク制御の際に界磁鎖交磁束が影響されないようにし、動的トルク応答が可能となるように、直角に並んでいる構造を有する直流モーターのようにふるまう。
【０００９】
従って、ベクトル制御は、複素電圧ベクトルに由来する三相ＰＷＭモーター電圧出力を生成し、三相モーター固定子電流入力に由来する複素電流ベクトルを制御する。それは、三相の速度および時間に依存する座標系と、これらのベクトルの、時間に対して不変の回転二次元基準座標との間で、双方向に行われる射影や回転によって、行われる。
【００１０】
そのような複素の固定子モーター電流空間ベクトルは、電流の界磁磁束鎖交成分がｄ軸（直軸）に沿い、電流のトルク成分がｑ軸（横軸）に沿って並ぶように、ｄ軸とｑ軸に沿った直交成分を用いた（ｄ，ｑ）座標系で定義することができる。誘導電動機の（ｄ，ｑ）座標系は、モーターのその瞬間の（ａ，ｂ，ｃ）三相正弦波系に重畳することができる。（ｄ，ｑ）座標系電流ベクトルの成分により、ＤＣモーターと同様、比例制御や積分制御やＰＩ制御といった従来の制御が可能となる。
【発明の概要】
【００１１】
本同期機は、第１巻線群と第２巻線群を備えてもよい。前記第１巻線群は、少なくとも一つの第１導体を備えてもよく、前記第２巻線群は少なくとも一つの第２導体を備えてもよい。前記第１導体および第２導体は、スロット毎に段階式に構成されていてもよい。
【００１２】
前記段階式構成は、第１スロットと第２スロットを備えてもよい。前記第１スロットと、前記第１スロットに直接隣接する前記第２スロットは、前記第１導体および前記第２導体の両方を備えてもよい。前記第１スロットの前記第１導体と前記第２スロットの前記第１導体の数の違いは、前記第１導体１つ分が一つであることである。
前記第１スロットの前記第２導体と前記第２スロットの前記第２導体の違いは、前記第２導体１つ分が一つであることである。
【００１３】
制御回路は、前記回転子および前記固定子間のすべりの角度を決定する角度生成器を備えてもよい。
【００１４】
前記制御回路は、前記回転子および前記固定子間のすべりの量を生成する外れ量生成器を備えてもよい。
【００１５】
前記制御回路は、角度加算回路を備えてもよい。
【００１６】
前記制御回路は、量加算回路を備えてもよい。
【００１７】
前記制御回路は、前記回転子に接続する第１乗算回路を備えてもよい。
【００１８】
前記制御回路は、前記回転子に接続する第２乗算回路を備えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
本発明について、添付の図面と併せて下記の説明を参照の上理解してもらいたいが、これらの図において同じ番号は同じ要素を表している。
【図１】図１は、本発明の調整されたすべりを有する同期機用の制御システムを示す図である。
【図２】図２は、本発明の調整されたすべりを有する同期機の第１スロットを示す図である。
【図３】図３は、本発明の調整されたすべりを有する同期機の第２スロットを示す図である。
【図４】図４は本発明の調整されたすべりを有する同期機の第３スロットを示す図である。
【図５】図５は、本発明の調整されたすべりを有する同期機の第９スロットを示す図である。
【図６】図６は、本発明の調整されたすべりを有する同期機の固定子および回転子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の調整されたすべりを有する同期機は、回転子面１０３の周りの起磁力（ｍｍｆ）ベクトルの大きさと角度を確実に制御するために、回転子１０３上に２つの巻線群２０３および２０７を備えることができる。本発明の調整されたすべりを有する同期機１００の固定子１０１は、従来の同期機の固定子と同じものでもよい。具体的には、本発明の同期機１００は、回転子面の周りに配置された２つの（又はそれ以上の）巻線群２０３および２０７を備えてもよい。巻線２０１および２０５は、前記第１巻線群２０３および第２巻線群２０７の電流、より詳しくは前記第１巻線２０１および前記第２巻線２０５内の電流を制御するために制御回路１０２に接続された専用の一組のスリップリング１０７により電圧を加えられてもよい。前記巻線２０１および２０５は、１つのスロットに一緒に置かれ、そして複数の共有スロットにおいて、スロット毎に前記巻線２０１および２０５の総数が同じに保たれるように、隣接するスロット間で前記第１巻線群２０３の前記巻線２０１の数が一つずつ増える（減る）一方で前記第２巻線群２０７の前記巻線２０５の数が一つずつ減る（増える）ように変えた段階式にして置かれてもよい。本発明は、前記回転子１０３上のスロットの数が、磁極数の１より大きい奇数を乗じた数の２倍になる場合は有利である。また、本発明の有利な点は、各スロットの巻き付け数又は巻き付け組の数が、この奇数の任意の整数倍に１を加えたものであることである。回転子面の周りのスロット間では、前記２つの巻線群２０３および２０７は、前記巻線２０１および２０５の数が相互に対して連続的に段階式になっている。この巻線構成により、前記回転子１０３の周りに任意の所望のｍｍｆ磁極位置角で近似正弦ｍｍｆ波が分布されるだけでなく、前記回転子１０３は容易に機械的平衡を得られる。前記回転子の両端に非強磁性スペーサを組み込み、前記回転子鉄心の端部積層に入る漂遊磁束を減らすことが望ましい。この構成によって生成された前記正弦分布のｍｍｆ波は主に、エアギャップを隔てて基本磁界強度を伝達するのみである。そのため、基本磁界強度成分の高調波はほとんど伝達されない。この構成により、従来の機械の場合よりも少ない熱損失で、エアギャップを隔てたエネルギー変換の移動を最大とすることができる。また、磁界強度成分の高調波が減少したことで、固定子巻線を短節巻する必要性がなくなる。前記回転子１０３から機枠への熱伝達は断熱過程としてモデルとされる場合もあるため、この構成により、従来設計のエアギャップより小さなエアギャップで前記回転子１０３を冷却することができる。この構成により、調整されたすべりを有する同期機のトルク速度特性が向上し、より大きなエネルギーが従来設計の同期機より小さいサイズの回転子および固定子の鉄心で伝達される。向上したトルク速度特性でもって、前記回転子を傾斜させることが望ましい。例えば、四極機の奇数として奇数９が選択された場合、スロットの数は７２であり、各スロットを通る前記巻線２０１および２０５の巻き付け数は１０、になる。前記導体／巻線２０１および２０５は、第１巻線群２０３の第１導体２０１が１つと第２巻線群２０７の第２導体２０５が９つから開始して、第２巻線群２０７の導体２０５が１つと第１群の導体２０１が９つになるまで、隣接スロットに対して第１巻線群２０３の第１導体２０１を１つずつ増やしていく一方で第２巻線群２０７の第２導体２０５を１つずつ減らしていくように並べる。７２個スロットの回転子の場合、図２の第１スロット２０９は、前記スロット２０９中に第１巻線群２０３の１つの第１導体２０１と、前記スロット２０９中に第２巻線群の９つの第２導体２０５とを備えることになる。第２スロット２１１は、前記スロット２１１中に第１巻線群２０３の２つの第１導体２０１と、前記スロット２１１中に第２巻線群２０７の８つの第２導体２０５を備える。第３スロット２１３は、前記スロット２１３中に第１巻線群２０３の３つの導体２０１と、前記スロット２１３中に第２巻線群２０７の７つの導体２０５を備える。この並べ方が続いて、第９スロット２１５は、前記スロット２１５中に第１巻線群２０３の９つの導体２０１と、前記スロット２１５中に第２巻線群２０７の１つの導体２０５を備える。次の９つのスロット内の並べ方はこの逆になり、第１巻線群２０３の第１導体２０１が９つと第２巻線群２０７の導体２０５が１つから開始して、第２巻線群２０７の導体２０５が９つと第１巻線群２０３の導体２０１が１つになるまで、第１巻線群２０３の導体２０１を１つずつ減らす一方で第２巻線群２０７の導体２０５を１つずつ増やしていく。第１０スロットは前記第９スロットと同じように巻かれるものの、電流は、第２巻線群２０７においては前記第９スロットと逆向きで、第１巻線群２０３においては前記第９スロットと同じ向きで流れる。
【００２１】
この四極機を例にとると、巻線群毎に４つの回転子領域があり、それぞれ磁極面同士の中心に等間隔で置かれている。この四極の例の場合、第１巻線群の４つの回転子の鉄心中心領域は、第２巻線群の４つの回転子の鉄心中心領域に対して電気角で９０度ずらされている。スロット９および１０の間、スロット２７および２８の間、スロット４５および４６の間、スロット６３および６４の間の回転子領域はそれぞれ、第２巻線群の４つの磁極面の中心である。スロット７２および１の間、スロット１８および１９の間、スロット３６および３７の間、スロット５４および５５の間の回転子鉄心領域はそれぞれ、第１巻線群の４つの磁極面の中心である。第１巻線群が、特定の単位当たり量Ｘの電流×所望のｍｍｆベクトル角度ｋの余弦で、スリップリングを介して電圧を加えられた場合、および、第２巻線群が、ほぼ同じ特定の量Ｙの電流×所望のｍｍｆベクトル角度ｋの正弦で、スリップリングを介して電圧を加えられた場合、磁束のパターンは、ゼロ度のロケーションからほぼ所定のｍｍｆベクトル角度ｋの分だけ前方に移動する。二つの制御ループが、回転子軸速度および位置（一つの入力）、機械端末電圧または無効電力（また別の一つの入力）、２組のスリップリングに接続された二つの電流源（二つの出力）との間に築かれ、能動的に回転子のすべりを制御し調整する。この構成により、固定子のｍｍｆ波に対する回転子の位置を変えることができるだけでなく、固定子のｍｍｆ波速度に対して特定の速度で回転子が動作することも可能にする。
【００２２】
この調整されたすべりを有する同期機は従来誘導機が用いられているような用途において用いることができるが、前記調整されたすべりを有する同期機の回転子巻線は、同期機を動作限界の範囲内の所望の力率で励磁し動作させることができる。電気提供者から力率が低いことを咎められている工場の場合、その工場は、前記調整されたすべりを有する同期機に対して、工場全体の電気的負荷を力率１に近づけることができるような、回転子の励磁を行えばよい。これにより、工場と電気提供者の両方の電気損失も減らすことができる。軍事施設において給電線の終端部での電圧維持が必要な場合、この調整されたすべりを有する同期機を誘導機の代わり使い、上記のような回転子の励磁で動作させて適切なバス電圧とシステム安定性を確立してもよい。また、前記調整されたすべりを有する同期機は、操作者が所望する正確な回転子速度で動作することができる。この適応性によって、操作者は前記調整されたすべりを有する同期機を低速高トルク状況下で動作することができるため、前記調整されたすべりを有する同期機は、誘導機技術と従来の同期機技術の両方において、通常高い突入電流を減らすのに用いることができる。この構成は、長い給電線の終端部で好適な電圧が維持されつつ、モーターにおいて高トルクと可変速度が所望される鉱業やガス石油産業の両方において役立つものである。前記調整されたすべりを有する同期機が、機械から電気へのエネルギー変換の用途において用いられた場合、本発明の調整されたすべりを有する同期機の回転子は、原動力機の速度および位置が固定子ｍｍｆ波速度および位置に正確に一致し、固定子と回転子の間のエアギャップを隔てた二つのエネルギー源が結合するよう動作するよう構成してもよい。これは、電流系統の安定性が所望され、風力発電所の所有者が、自力起動ユニットの立場で送電系統事業体からの支払いを受けたいといった風力エネルギー産業での適用において非常に役立つものである。
【００２３】
本発明は、調整されたすべりを有する同期機である。誘導機技術においては、従来機が同期速度で運転されるのは、モーターモードから発電モードへの遷移時やその逆の遷移時、又は従来機が閾値で動作している時のみである。矢印は、同期機の固定子および回転子間のＭＭＦ磁石モーターの磁力パターンを示すものである。同期機においては、前記磁石モーターの磁力パターンを移動させない場合、従来型の同期機の場合には、電気のバスであろうと別のユーティリティバスであろうとどんな接続ソースに対しても、固定された条件で運転される。従来型の同期機の場合は、機械にとって非常に悪条件である磁極のすべりが起こらないかぎり、固定された条件で運転しなければならず、そうでないならば動かない（ゼロ回転）。
【００２４】
本発明は、前記調整されたすべりを有する同期機の運転中、磁極を回転子の周りで動かし回転子を再磁化するための、調整されたすべりを有する同期機を提供するものである。本発明は、回転子の周りのＭＭＦパターンを変えて、調整されたすべりを有する同期機をこの遷移中に加速又は減速させる。
【００２５】
本発明は、二つの巻線群を制御することで、可変速度を有する同期機の特徴を得るものである。一つの巻線のみに電圧を加えもう一方には電圧を加えないことは本発明の範囲内であるが、最適な動作よりは劣る結果となり得る。
【００２６】
回転子のすべりは、上記のように、固定子の各スロット内における第１巻線と第２巻線の位置を段階式にすることと、第１巻線群の励磁と第２巻線群の励磁を連係させながら変えることで実現される。回転子のすべりは、ｍｍｆ波を回転子面の周りで予測通りに移動させ、第１巻線群および第２巻線群内でそれぞれ変化する電流量に一致させて調整されたすべりを有する同期機をゆっくり又は速く運転させることで制御することができる。採掘作業においては、三相給電線といった電気給電線のような長い給電線の終端部で大きなモーター負荷が存在する。本発明を用いれば、本発明の調整されたすべりを有する同期機に接続して巻線（巻線群１、巻線群２）を制御し、長い給電線の終端部における電圧を力率が１となる１００％まで戻すかＶＡＲＳを電源まで送り返し、無効電力を変えて給電線の終端部での電力伝送を最大レベル近くに変えることができる。上記の利点に加えて、本発明は、ＭＭＦパターンが固定子の周りを回転するタービンなどの風力発電所に適用できる。
【００２７】
風力タービンに用いられる従来型の同期機を適用する場合、前記従来型同期機は一つの速度に固定される。この場合、前記従来型同期機が原動機のトルク速度特性を最適化するのは難しいだろう。
【００２８】
このような状況等に、前記調整されたすべりを有する同期機に係る本発明を導入すると、トルク速度特性が調整され、最大の電源供給が送電網に供給される。本発明は、多相の場合に適用できるだけでなく、単相の場合にも適用することができる。
【００２９】
７２個の回転子スロットの四極機の例では、一組の極に付き３６個のスロットを有する。ＭＭＦ極分布およびパターンは、四つの磁極面の全ての周囲でほぼ正弦曲線を描く。
【００３０】
前記制御回路１０２は、巻線電流を制御するのに用いられる。
【００３１】
前記磁極面において重要なのは、直軸と横軸が回転子上のどこにあるかということである。直軸と横軸の特徴は、保護と制御、エアギャップを隔てた電力の伝送を計算するためのものである。四極機の場合には、第１巻線群２０３には二つの直軸６０１と二つの横軸６０３があり、第２巻線群２０７にもまた二つの直軸６０３と二つの横軸６０１がある。動的制御下では、仮想の直軸と横軸の組が回転子面１０３の周りで移動するが、それは射影される場合には仮想の移動であって、測定される場合には本物の移動である。
【００３２】
図１は、本発明の調整されたすべりを有する同期機１００用の制御回路１０２を備える制御システム示し、回転可能な軸１０５と連携可能な回転子１０３の周囲に設けられた固定子１０１を示す。前記調整されたすべりを有する同期機１００は、本発明の教示に従って、発電機として動作するようにしてもよいし、電動機として動作するようにしてもよい。前記軸１０５は、該軸の回転位置等の位置を示したり、前記調整されたすべりを有する同期機１００のすべりを示す光学ホイールである位置センサー１２１に接続されてもよい。図１はまた、前記回転子１０３内に位置する第１巻線群および第２巻線群にそれぞれ接続するための前記軸１０５上のスリップリング１０７に接続可能な第１乗算回路１１７および第２乗算回路１１９を示す。所望する前記回転子１０３の位置およびすべりと、実際の前記回転子１０３の位置およびすべりを定める、位置およびすべり回路１２３からの出力とが、加算回路１１３に入力可能であり、前記加算回路１１３はこれら二つの入力間の差を計算可能である。または、これらの二つの入力の一つのみが所望する位置およびすべりに対して照合され、もう一方が動作帯域幅（一組の境界）を設定するようにしてもよい。すべり量は、位置量の時間導関数として計算されるものである。加算回路１１３の出力は角度生成器１０９に入力され、所望する位置および所望するすべりに基づいて角度が生成がされる。所望する励磁量が量加算回路１１５に入力され、Ｑ又はＶ（記号Ｑは無効電力を意味し、記号Ｖは電圧を意味する）が前記量加算回路１１５にさらに入力される。前記量加算回路１１５の出力はすべり量生成回路１１１に入力され、前記第１乗算回路１１７および前記第２乗算回路１１９用にすべり量が生成され、前記角度生成器１０９の出力は前記第１乗算回路１１７および前記第２乗算回路１１９に入力される。前記第１乗算回路１１７は、前記入力されたすべり量を前記入力されたすべり角度の余弦で掛け、前記第２乗算回路１１９は、前記入力されたすべり量を前記入力されたすべり角度の正弦で掛ける。前記第１乗算回路１１７および前記第２乗算回路１１９の出力は、前記回転子１０３の前記第１巻線群および前記第２巻線群に入力される。
【００３３】
本発明の具体的な実施態様について詳細に図示、記載してきたが、様々な修正や置き換えが可能である。しかしながら、本明細書の中での具体的な実施態様についての説明は、開示された個々の形態に発明を制限することを意図したものではない。
【図１】
2018534906.tif 000002
【図２】
2018534906.tif 000003
【図３】
2018534906.tif 000004
【図４】
2018534906.tif 000005
【図５】
2018534906.tif 000006
【図６】
2018534906.tif 000007
【国際調査報告】
2018534906.tif 000008