(57)【要約】      （修正有）【課題】ブラシレス励磁システムにおけるダイオードの故障および他の故障を確実に検出するシステムが求められている。【解決手段】少なくとも１個のダイオード３２を有するダイオード整流器３０を含むブラシレス励磁システム１０を設けることと、少なくとも１個のダイオードによって発生した熱エネルギーを感知すること４２と、少なくとも１個のダイオードから発生した熱エネルギーの偏差を検出すること２０と、発生した熱エネルギーの偏差が、所定の閾値偏差レベルを超えた場合に、ダイオードの故障または不良を示す信号を発生させること２０とを含む方法を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械を動作させる方法であって、
少なくとも１個のダイオード（３２）を有するダイオード整流器（３０）を含むブラシレス励磁システム（１０）を設けることと、
前記少なくとも１個のダイオードによって発生した熱エネルギーを感知すること（４２）と、
前記少なくとも１個のダイオードから発生した熱エネルギーの偏差を検出すること（２０）と、
発生した熱エネルギーの前記偏差が、所定の閾値偏差レベルを超えた場合に、ダイオードの故障または不良を示す信号を発生させること（２０）と、を含む方法。
【請求項２】
熱エネルギーを前記感知することが、前記少なくとも１個のダイオードに隣接した温度センサ（４２）を用いて行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ダイオードは複数であり、熱エネルギーを前記感知することは、前記複数のダイオードのそれぞれからの熱エネルギーを感知することを含み、前記偏差を検出することは、前記複数のダイオードのうちの１個のダイオードの熱エネルギーの、前記複数のダイオードの熱エネルギーの平均からの偏差を検出することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ダイオードは複数であり、該複数のダイオードは直列に接続されているダイオード（３２）のアレイを形成しており、熱エネルギーを前記感知することは、前記アレイ内の前記ダイオードの各ダイオードからの熱エネルギーを感知することを含み、前記偏差は、前記アレイ内の１個のダイオードからの熱エネルギーの、前記アレイ内の他のダイオードからの熱エネルギーに対する偏差である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
電気機械用ブラシレス励磁システム（１０）であって、
交流電流源（２６、２８）と電気的に結合され、前記電気機械の回転子（１３）の界磁巻線（１２）に印加される直流電流を生成するダイオード整流器（３０）と、
前記ダイオード整流器内の複数のダイオード（３２）に隣接した、複数の温度センサ（４２）であって、それぞれが、前記複数のダイオード（３２）のうちの１個のダイオードからの熱エネルギーを感知するように配置され、それぞれが、前記隣接したダイオードの前記感知された熱エネルギーを示す温度信号を発生させる、前記複数の温度センサ（４２）と、
前記複数のダイオードからの前記温度信号を示す温度データを受け取るコントローラ（２０）であって、前記温度データに基づいて、前記複数のダイオードのうちの１個が故障ダイオードまたは不良ダイオードかどうかを検出する前記コントローラ（２０）と、を備えるブラシレス励磁システム。
【請求項６】
前記コントローラ（２０）は、前記複数のダイオードのうちの、他のダイオードより低い温度で動作している１個のダイオードを、前記温度データから特定することにより、前記故障ダイオードを検出する、請求項５に記載のブラシレス励磁システム。
【請求項７】
前記温度センサは、それぞれが、前記複数のダイオードのうちの１個に隣接したヒートシンク（４０）に埋め込まれている、請求項５または６に記載のブラシレス励磁システム。
【請求項８】
前記センサからの前記温度信号を、ワイヤまたは光ファイバで受信し、前記温度信号を示す信号を、固定受信機（２２）またはコントローラ（２０）へ無線送信する送信機（２４）をさらに備える、請求項５乃至７のいずれか１項に記載のブラシレス励磁システム。
【請求項９】
電気機械用ブラシレス励磁システム（１０）であって、
交流電流源（２６、２８）と電気的に結合され、前記電気機械の回転子（１３）の界磁巻線（１２）に印加される直流電流を生成するダイオード整流器（３０）と、
一端が前記ダイオード整流器の出力端子（３４）に接続されており、他端が前記回転子の前記界磁巻線に接続されているリードコネクタ（３５）と、
前記リードコネクタに接合され、前記リードコネクタに沿って既知の距離（Ｄ）だけ離間した電気的接点（４６）と、
前記各電気的接点から電圧レベル信号を受け取り、前記リードコネクタにおける、前記距離（Ｄ）の間の電圧差を表す電圧差信号を生成する比較器（４８）と、
前記リードコネクタの温度を感知し、前記リードコネクタの温度を示す温度信号を発生させる温度センサ（４４）と、
前記温度信号および前記電圧差信号を受け取り、前記温度信号および前記電圧差信号に基づいて、前記リードコネクタを流れる電流を求めるコントローラ（２０）と、を備えるブラシレス励磁システム。
【請求項１０】
前記コントローラ（２０）は、前記リードコネクタの抵抗値と、前記温度信号の値とを、相互に関連付けるルックアップテーブル、方程式、または公式を含む、請求項９に記載のブラシレス励磁システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械を回転させるブラシレス励磁システムに関し、特に、ブラシレス励磁システム用の温度感知型故障検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ブラシレス励磁システム（または、簡単に「ブラシレス励磁機」）は、電気機械の回転子の界磁コイルに直流電流（ＤＣ）を印加する。この、回転子界磁コイル内の電流は、例えば、ＡＣ電流を生成する発電機において、回転子を取り囲む固定子のコイルに電流を誘導する電磁界を発生させる。あるいは、回転子界磁コイルからの電磁界を、モータの回転子の回転に適用可能である。
【０００３】
典型的には、ブラシレス励磁システムは、電気機械の回転子に取り付けられ、この回転子とともに回転する。このブラシレス励磁システムを、回転電機子およびダイオード整流器を含み、ダイオード整流器は、ダイオードホイールとして構成することが可能である。回転電機子内で発生した交流電流（ＡＣ）が、ダイオード整流器によって直流に変換されて、回転子の界磁巻線に印加される。
【０００４】
整流器のダイオードが故障すると、整流器によるＡＣからＤＣへの変換が不調になる可能性がある。ダイオード整流器は、典型的には、整流器の入力に印加されるＡＣ電力の各相に対して、直列に接続された２個以上の冗長ダイオードを有する。冗長ダイオードが存在することから、１個のダイオードの故障を確実に検出することは、一般に困難である。１個のダイオードが故障しても、整流器の、ＡＣ電力をＤＣ電力に変換する能力が大幅には低下しない場合がある。直列に接続されている２個以上のダイオードが故障すると、ＡＣからＤＣへの変換が不調になり、整流器全体の故障につながり、結果として、その電気機械が予期せず停止してしまう可能性がある。
【０００５】
整流器全体の故障を回避するためには、ブラシレス励磁システム内の、個々のダイオードの故障（そうではない場合は正常に動作している）を確実に検出することが有効であろう。個々のダイオードの故障を検出することができれば、操作者は、その電気機械において予定された停止動作中に、故障したダイオードを修復することが可能である。従って、ブラシレス励磁システムにおけるダイオードの故障および他の故障を確実に検出するシステムが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，８９１，７０６号
【特許文献２】米国特許第５，７３１，９６６号
【特許文献３】米国特許第５，５５０，７３０号
【特許文献４】米国特許第５，５３２，５７４号
【特許文献５】米国特許第５，０９３，５９７号
【特許文献６】米国特許第４，７５０，０７７号
【特許文献７】米国特許出願公開第２００４／０２６４０８７号
【特許文献８】米国特許出願公開第２００８／００２４９４１号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による、電気機械を動作させる方法を開示する。この方法は、少なくとも１個のダイオードを有するダイオード整流器を含むブラシレス励磁システムを設けることと、その少なくとも１個のダイオードによって発生した熱エネルギーを感知することと、その少なくとも１個のダイオードから発生した熱エネルギーの偏差を検出することと、その、発生した熱エネルギーの偏差が、所定の閾値偏差レベルを超えた場合に、ダイオードの故障を示す信号を発生させることとを含む。
【０００８】
また、本発明による電気機械用ブラシレス励磁システムを開示する。このシステムは、交流電流源と電気的に結合され、電気機械の回転子の界磁巻線に印加される直流電流を生成するダイオード整流器と、前記ダイオード整流器内のダイオード群に隣接した、複数の温度センサであって、それぞれが、ダイオード群のうちの１個のダイオードからの熱エネルギーを感知するように配置され、それぞれが、隣接したダイオードの感知された熱エネルギーを示す温度信号を発生させる、複数の温度センサと、ダイオード群からの温度信号を示す温度データを受け取るコントローラであって、その温度データに基づいて、ダイオード群のうちの１個が故障したかどうかを検出するコントローラとを備える。
【０００９】
さらに、本発明による電気機械用ブラシレス励磁システムを開示する。このシステムは、交流電流源と電気的に結合され、電気機械の回転子の界磁巻線に印加される直流電流を生成するダイオード整流器と、一端がダイオード整流器の出力端子に接続されており、他端が回転子の界磁巻線に接続されているリードコネクタと、リードコネクタに接合され、リードコネクタに沿って既知の距離（Ｄ）だけ離間した電気的接点と、各電気的接点から電圧レベル信号を受け取り、リードコネクタにおける、距離（Ｄ）の間の電圧差を表す電圧差信号を生成する比較器と、リードコネクタの温度を感知し、リードコネクタの温度を示す温度信号を発生させる温度センサと、温度信号および電圧差信号を受け取り、温度信号および電圧差信号に基づいて、リードコネクタを流れる電流を求めるコントローラとを備える。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明によるブラシレス励磁システム用回路の概略図である。
【図２】温度センサを有する、本発明によるブラシレス励磁システムのコネクタリードの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、例示的な発電機用ブラシレス励磁システム１０の概略図であり、ブラシレス励磁システム１０は、交流（ＡＣ）発電機１４（例えば、同期発電機）の回転子１３の界磁コイル１２へ励磁電力を供給している。ブラシレス励磁システム１０の構成要素は、図１において等間隔のダッシュで示した点線ボックス内にある。鎖線内の構成要素は、発電機１４の回転子１３とともに回転する。
【００１２】
ＡＣ発電機１４は、電力会社に電力を供給する三相同期発電機であってよく、この電力供給は、例えば、家庭、事業所、および他の施設にサービスを提供している電力網に適した周波数および電流レベルで電力を供給することによって行われてよい。回転子１３が回転すると、界磁コイル１２によって形成されている電磁界が、発電機の固定子１５に電流を誘導する。代替として、本明細書に開示のブラシレス励磁システムを、電動モータに適用してもよい。
【００１３】
電源１６が、ブラシレス励磁機界磁１８へＤＣ電力を供給する。電源１６は、交流（ＡＣ）電力を生成している永久磁石発電機（ＰＭＧ）であるか、ＡＣ電力の代替電源に接続された変圧器であってよい。電源１６からのＡＣ電力は、コントローラ２０で整流されて、ブラシレス励磁機界磁巻線１８へＤＣを供給する。励磁器界磁は、ブラシレス励磁システム１０の電機子２６に磁束を印加する。電源１６を、コントローラ２０（例えば、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、マイクロコントローラ、励磁レギュレータ、またはコンピュータ）によって制御および監視してもよい。コントローラ２０は、ブラシレス励磁システム１０の状態を監視し、ブラシレス励磁システム１０の状態に関するデータを解析し、ブラシレス励磁システム１０の状態に関する報告および警報を生成する。
【００１４】
受信機２２が、ブラシレス励磁システム１０の、回転している構成要素からデータを収集する。このデータ収集は、例えば、回転子１３に接触しているスリップリング、または回転子１３に取り付けられた無線送信機２４により行われる。無線送信機は、ブラシレス励磁システム１０の状態に関するデータを有する赤外線、無線周波数、または他のタイプの無線信号を送信することが可能である。
【００１５】
ブラシレス励磁システム１０の励磁機界磁コイル１８は、ブラシレス励磁システム１０用の電機子２６のコイルと電磁的に結合されている。電機子２６のコイルは、回転子２８に取り付けられており、回転子２８は、発電機１４の回転子１２の端部に取り付けられてもよい。励磁機界磁コイル１８によって、電機子の励磁機コイル２６にＡＣ電流が誘導される。励磁機界磁コイル２６からのＡＣ電力は、電流ダイオード整流器３０に印加される。このＡＣ電力は、ダイオード整流器３０によってＤＣ電力に変換される。ダイオード整流器３０からのＤＣ電力は、発電機の回転子１３の回転子界磁コイル１２に印加される。
【００１６】
ダイオード整流器３０は、励磁機回転子電機子コイル２６からのＡＣ電流（例えば、３つの電流位相）の各相に対して、ダイオード群３２のアレイを含んでよい。このダイオード群は、ダイオードホイール上に配置されてよい。ダイオード整流器３０の出力端子３４は、回転子界磁コイル１２と結合されているコネクタリード３５にＤＣ電力を印加する。ダイオード整流器３０の入力端子３６は、ＡＣ電力を受け取るために、電機子のコイルに接続されている。各アレイのダイオード群３２によって電流を一方向に流すことで、交流を直流に変換することができる。ダイオード群３２は、直列に配置されている。入力端子３６における交流電流は、ダイオード群３２を通って単一方向に流れる。
【００１７】
ダイオード群３２によって、回転子界磁コイル１２に直流電流が確実に印加される。整流器に冗長性を与えるために、２個以上のダイオードが直列に接続されることが好ましい。各アレイのダイオード群において、ダイオード群３２のうちの１個以上が故障した場合でも、アレイ内の冗長ダイオードにより、交流電流の整流が完全に行われる場合がある。ダイオード３２が１個故障しただけでは、ＡＣからＤＣへの変換が大幅には不調にならないことがあるが、これは故障したダイオードと直列に接続されている他のダイオードが整流を行うことが可能なためである。直列に接続されている両方のダイオードが故障した場合は、その相の変換は失敗する。アレイ内の２個以上のダイオードが故障した場合は、交流電流が、故障したダイオードを流れて、回転子界磁コイル１２に印加される可能性がある。回転子界磁巻線１２に印加された交流電流は、回転子１３による電磁界の形成に干渉し、発電機１４の電力発生効率を低下させ、典型的には、発電機１４を停止させる。
【００１８】
ダイオード群３２の各ダイオードの両端の電圧振幅は、比較的大きくなる場合があり、例えば、ある応用例では、およそ３００ボルトから８００ボルトになる場合があり、別の応用例では、およそ８００ボルトから１６００ボルトになる場合がある。このように高い電圧であることから、ダイオード群３２は、熱を発生させ、比較的高温で動作する。ダイオード群３２からの熱を消散させるために、各ダイオードに隣接して、ヒートシンク４０が配置されている。ヒートシンク４０は、単一ダイオードを囲む点線で示されており、これは、各ダイオード３２にヒートシンクが関連付けられていることを表している。
【００１９】
各ダイオードの温度は、そのダイオードが故障したかどうかを示す。ブラシレス励磁システムでダイオード故障が発生すると、そのダイオードは、ほぼ必ず短絡する。故障したダイオードは、電気的短絡により、電流に対する抵抗として動作せず、発生する熱エネルギーが、ダイオードとして正常に動作している場合に比べて大幅に少なくなる。
【００２０】
各ダイオード３２のそばに温度センサ４２が配置されており、温度センサ４２は、ダイオードに隣接するヒートシンク４０に埋め込まれていることが好ましい。温度センサ４２（例えば、抵抗温度検出器（ＲＴＤ））は、隣接するダイオードの動作温度を示す出力信号を発生させる。温度センサ４２からの温度信号は、ワイヤにより送信機２４に伝えられる。送信機２４は、温度信号を、受信機２２およびコントローラ２０へ送信する。
【００２１】
故障したダイオード３２を検出するために、コントローラ２０は、各温度センサ４２からの温度信号を監視する。温度信号は、センサおよびヒートシンクに隣接するダイオードの温度を示している。ダイオードの温度が下がったことをコントローラ２０が検出すると、コントローラは、ダイオードが故障したと判断する。コントローラ２０は、故障したダイオードを特定する警報または報告を提示してもよい。また、コントローラ２０は、どのダイオードが故障したのか、および／または、低ダイオード温度信号を出している温度センサを示すことも可能である。
【００２２】
センサ４２からの温度信号が故障ダイオードを示しているかどうかを判断するために、コントローラ２０は、その信号を、他の温度センサ４２からの温度信号と比較する。この比較は、整流器内の全てのセンサ４２からの全温度信号の平均を計算することと、その平均を閾値より多く下回る（例えば、平均温度信号を１０℃より多く下回る）信号がないか調べることと、を含むことが可能である。平均温度信号は、最近の一定時間において決定されてよく、例えば、直近の一定時間における全ての温度信号の平均であってよい。さらに、コントローラ２０は、ＡＣ相の１つに対応する、直列に接続されているダイオード群の各ダイオードの温度を比較することが可能である。直列に接続されているダイオード群のうちの１つの温度がかなり低い場合（例えば、１０℃低い場合）、コントローラ２０は、このより低温のダイオードが故障していると判断する。
【００２３】
さらに、ブラシレス励磁システム１０で生成された直流の電流および電力を、ダイオード整流器３０と回転子１３の界磁巻線１２との間に延びている各コネクタリード３５に取り付けられた温度センサ４４および電気的接点４６によって測定することが可能である。温度センサ４４（例えば、ＲＴＤ）は、コネクタリード３５の中ほどであって、電気的接点４６がリードに接合されている２点の間の中ほどに配置されてよい。各コネクタリードの抵抗は、リードの温度の関数である。コネクタリードの抵抗は、コネクタリードの温度を測定することによって確実に求められる。
【００２４】
コネクタリード３５を流れる電流は、リードコネクタ３５の両端の電位を感知し、リードコネクタ３５の抵抗を計算することにより求められる。リードコネクタ３５の両遠端の２点の電位は、電気的接点４６間の電位差を求めることにより測定される。演算増幅器４８の出力は、リードコネクタ３５上の２点間の電圧差を示している。演算増幅器４８からの電圧差信号およびセンサ４４からの温度信号は、コントローラ２０へ送信される。周知のとおり、オームの法則により、電圧は、電流と抵抗との積に等しい。コントローラ２０は、リードコネクタ３５の両端の電圧差を、リードコネクタ３５上の、電気的接点４６が接合されている２点の間の抵抗で除算することにより、リードコネクタ３５を流れる電流を求めることが可能である。
【００２５】
図２は、温度センサ４４および電気的リード４６を有するリードコネクタ３５の正面図であり、電気的リード４６は、リードコネクタ３５に接合され、リードコネクタ３５上で間隔をおいて配置されている。リードコネクタ３５は、ブラシレス励磁システム１０と回転子１３の界磁コイル１２との間に延びている導電性のバーまたはストラップであってよい。
【００２６】
リードコネクタ３５上の距離（Ｄ）は、電気的リード４６間の既知の距離である。電気的リード４６間の電気抵抗は、距離（Ｄ）とコネクタリード３５の温度とに基づいて、コントローラ２０によって求められる。コントローラ２０は、例えば、コネクタリード３５の温度に基づいて電気的リード４６間の抵抗を特定するルックアップテーブルを記憶できる。
【００２７】
温度センサ４２は、ダイオード整流器３０の故障を検出するために使用されている。ダイオード故障を検出できれば、ブラシレス励磁システムが回転子界磁巻線に十分なＤＣ電力を供給することが全くできなくなる前に、システムのダイオード整流器の修理がいつ必要であるかを報告できるという技術的効果が得られる。例えば、ダイオードアレイで１個のダイオードの故障を検出すると、修理が必要であることが示される。ダイオードアレイの１個のダイオードが故障しても、ダイオード整流器全体が故障することにはならないかもしれない。これに対し、ダイオードアレイ内で、直列に接続されている２個以上のダイオードが故障した場合は、ダイオード整流器の故障につながる可能性がある。１個のダイオードが故障したという表示があると、ブラシレス励磁システムの操作者は、発電機の次の予定された停止時などに修理を行うことが必要である。１個のダイオードが故障したときに直ちに修理を行うことで、ダイオード整流器全体が故障して発電機が予期せず停止するリスクを低減することができる。
【００２８】
温度センサ４４は、各リードコネクタ３５を流れる直流電流を測定するために使用される。ブラシレス励磁システムからの直流電流をリアルタイムで読み取ることができれば、回転子界磁巻線および発電機の動作状態を、コントローラ２０、および発電機の操作者に知らせることが可能である。
【００２９】
本発明を、現時点で最も実用的かつ好ましいと思われる実施形態に関連して説明してきたが、本発明はここに記載の実施形態にとどまらず、むしろ添付の特許請求の範囲の見知および本質に含まれる、様々な改変形態および記載内容と同等の措置を網羅するものとする。
【図１】
2009291062.tif 000003
【図２】
2009291062.tif 000004
【外国語明細書】
2009291062000001.pdf