(57)【要約】【課題】拡張された機能範囲を備えた駆動およびエネルギー伝達機能を有する電気駆動機械を提供する。【解決手段】駆動およびエネルギー伝達機能のための巻線および／または永久磁石を有する固定子および回転子からの共通な能動部分を備えた電気機械（１５）が、位置検出を僅かな追加費用にて可能にするために、エネルギー伝達のために存在する回転子巻線の利用を可能にする。このために、エネルギー伝達機能のための電気エネルギー取り出しに用いられる回転子における電力変換器が、交流電圧を回転子巻線に印加し、交流電圧が固定子において検出され、回転子位置の検出を可能にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子および回転子を有し、回転子の駆動のための駆動システムを構成すると共に、回転子への電気エネルギーの供給のためのエネルギー伝達システムを構成する電気機械（１５）で、
駆動システムおよびエネルギー伝達システムの巻線および永久磁石のうち少なくとも巻線が設けられている両システムのための共通な能動部分と、能動部分における少なくとも１つの回転子巻線（３４）および少なくとも１つの固定子巻線（３３）とを備えている電気機械であって、
電気エネルギーの取り出しのための回転子に電力変換器（３２）を接続し、
この電力変換器（３２）は、位置検出機能のための交流電圧を回転子巻線に印加するように構成され、
エネルギー供給システム内に、交流電圧によって固定子巻線（３３）において発生させられる電流成分を検出しこの電流成分から回転子位置を求めるための手段が設けられていることを特徴とする電気機械。
【請求項２】
位置検出機能のための交流電圧の周波数が、うず電流に起因する固定子からの磁界抑圧にもかかわらず十分な結合がもたらされるように選定されている請求項１記載の電気機械。
【請求項３】
位置検出機能のための回転子電圧に基づく電流成分が固定子側で他の交流電圧の印加によって補償される請求項１又は２記載の電気機械。
【請求項４】
同期機（２５）として構成されていて、固定子が駆動システムおよびエネルギー伝達システムに割り当てられている固定子巻線（３３）のみを有する請求項１乃至３の１つに記載の電気機械。
【請求項５】
固定子が２つの固定子巻線（３３）を有し、そのうち一方がエネルギー伝達システムに割り当てられ、他方が駆動システムに割り当てられている請求項１乃至３の１つに記載の電気機械。
【請求項６】
エネルギー伝達システムの割り当てを、磁極ピッチの大きさに応じて行う請求項５記載の電気機械。
【請求項７】
非同期機として構成されている請求項５又は６記載の電気機械。
【請求項８】
同期機（２５）として構成されている請求項５又は６記載の電気機械。
【請求項９】
永久磁石励磁または電気励磁される同期機（２５）として構成されている請求項４又は８記載の電気機械。
【請求項１０】
同期リラクタンス機として構成されている請求項４又は８記載の電気機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気駆動機械に関する。このような電気駆動機械は、特に同期機、非同期機または同期リラクタンス機の原理に基づいて構成されていて、リニア駆動装置または回転駆動装置として用いられる。
【背景技術】
【０００２】
電気駆動機械は固定子および固定子に対して相対的に移動される回転子からなる。この場合に、事情によっては回転子上における電気エネルギーが、例えば電気励磁される同期機または二重給電される非同期機における励磁機出力のように、回転子の別個の給電による駆動出力の制御のために必要であり、輸送機器における荷積みおよび荷降ろしのための補助エネルギー、工作物または工具の付勢のための補助エネルギー、例えば温度、位置のセンサ装置のための補助エネルギー、データ伝送システムのための補助エネルギーとして必要である。
【０００３】
駆動機械におけるエネルギー伝達のためには、適切なエネルギー伝達システムが必要である。駆動機械は用途に応じて同期機、非同期機またはリラクタンス機として特有の下位型式を含めて設計されていることから、それの設計のためにかなりのパラメータが考慮されるべきである。エネルギー伝達システムは作業機械に組み込まれるか、または別個に取り付けられルことになる。従来技術の場合に、必要な電力は、例えば滑り接触またはドラムケーブルにより（限られた移動行程、移動角度において）伝達される。空間的に分離された能動部分、例えば同期機における励磁機を有する別個のエネルギー伝達システム、またはリニア誘導エネルギー伝達システムは公知となっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
これらの公知の問題解決策に内在する問題は次の点にある。
ａ）エネルギー伝達システムのために付加的に構造空間／質量が必要なこと。そのうえにドラムケーブルの場合に可動牽引ケーブル質量が変化し得ること。
ｂ）磨耗、摩擦、汚染が存在すること。
【０００５】
駆動機能およびエネルギー伝達機能を共通な能動部分に収納し、巻線パラメータの適切な選定によって駆動機能およびエネルギー伝達機能が大幅に互いに独立に作動可能であるように配慮するやり方は公知となっている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】独国特許出願公開第４２３６３４０号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０２００５０２４２０３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、上述の問題を勘案して、拡張された機能範囲を備えた駆動機能およびエネルギー伝達機能を有する電気駆動機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、請求項１による特徴を有する電気機械によって解決される。発展形態は従属の請求項に示されている。
【０００８】
本発明による電気機械は次のユニットを有する。
ａ）固定子および回転子、
ｂ）回転子を駆動するための駆動システム、
ｃ）回転子に電気エネルギーを供給するためのエネルギー伝達システム、
ｄ）駆動システムおよびエネルギー伝達システムの巻線および場合によっては永久磁石が設けられている両システムのための共通な能動部分、
ｅ）能動部分における少なくとも１つの回転子巻線および少なくとも１つの固定子巻線、
ｆ）電気エネルギーの取り出しのための回転子内の電力変換器。
【０００９】
電力変換器は位置検出機能のための交流電圧を回転子巻線に印加するように構成されていて、エネルギー供給システムには交流電圧によって固定子巻線内に発生させられる電流成分の検出ならびに電流成分からの回転子位置の算定のための手段が設けられている。
【００１０】
機械は回転駆動装置または代替としてリニア駆動装置である。駆動機械の駆動システムは、単相または多相に構成されていて、駆動システムの特徴的な磁極ピッチを有する固定子および回転子の磁界の相互作用によって回転子の駆動をひき起こす。
【００１１】
固定子および回転子は、それぞれ、単相または多相に構成されている少なくとも１つの巻線を有する。更に、機械の特定の形態における付加的な巻線のほかに、永久磁石が能動部分に設けられていてもよい。駆動もしくはエネルギー伝達のための巻線および場合によって永久磁石が、共通な能動部分において空間的に隣り合って同一のスロットに収納されている。
【００１２】
エネルギー伝達システムは、回転子において、例えば工具の付勢、センサまたは他の駆動軸の給電に役立つ電気エネルギーが自由に使用可能であるように配慮する。電気エネルギーは電力変換器、特に自励変換器を介して回転子において取り出される。このような電力変換器により回転子側電圧を昇圧調節して整流し、エネルギーを固定子に回生させることができる。同時に、好ましくは高められた周波数を有する交流電圧を回転子巻線に印加することができる。
【００１３】
印加された交流電圧から結果として生じる磁界が固定子巻線に鎖交し、固定子巻線に対応する電流成分を発生させる。回転子に固定されている巻線システムに印加される交流電圧は、回転子の位置の決定を可能にする固定子電流を誘導する。
【００１４】
固定子側で無負荷動作する固定子巻線に関しては典型的なレゾルバがもたらされる。固定子側のインバータにより、固定子電流が測定周波数にて制御されるならば、固定子巻線は測定周波数において無負荷動作する巻線のように振る舞う。電流調節器の出力は誘導された測定すべき電圧をもたらす。
【００１５】
交流電圧は、とりわけ一義的な位置決定を可能にするために、回転子に固定の空間ベクトル位置を有することが好ましい。回転子巻線システムの規定すべき軸において交流電圧ｕd（ｔ）が印加されるならば、固定子電流および固定子磁束鎖交は、直交α／β固定子座標系において、次の関係に従う。この場合に、Ａ，Ｂ，Ｍ，Ｌ1およびσは機械に依存した定数であるか、または緩やかに変化する回転子位置βLに依存する。回転子側に印加される電圧が固定子固定の座標系においてｓｉｎ／ｃｏｓ状に変調された励振で表されることが認識されている。
【数１】
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【００１６】
上述の特徴を有する本発明による駆動機械は、駆動機能およびエネルギー伝達機能のほかに、ほとんど追加の費用なしに、回転子のための位置検出機能を有する。このような位置検出は、位置調節または回転数調節される駆動装置にとって原則的に必要である。特別な付加的なセンサ、例えばインクリメンタル発信器は必要でない。
【００１７】
駆動機能を有するだけでなく、同時に電力を回転子に供給し、かつその場合に他の磁気的な能動部分なしで間に合わせる駆動装置は、機械における駆動およびエネルギー伝達の目標において、コスト、構造スペースおよび複雑性を低減する有利な解決策である。特別なセンサを付加的に組み込む必要なしに、このような機械に位置検出機能を組み込むことは、構造が複雑でなくもしくは機能範囲が拡張されることから、機械の故障安全性および頑強さが高まる。
【００１８】
交流電圧の周波数は、できるだけ高く、しかしうず電流に起因する固定子からの磁界抑圧にもかかわらず十分な結合がもたらされるように選ばれることが好ましい。
【００１９】
本発明の有利な実施形態および発展形態において、駆動機械は、印加された交流電圧によって固定子側にもたらされる電流成分が固定子側で他の交流電圧の印加によって補償されるように構成されている。位置検出機能による付加的な損失が、これによって最小限にされる。
【００２０】
同期機およびそれの下位種類の場合に、唯一の固定子巻線が、駆動システムおよびエネルギー伝達システムに共通に割り当てられていて、両システムによって使用されるとよい。このためにエネルギー伝達が機械のｄ軸、すなわち回転子磁界軸において変圧器作用で行なわれる。付加的に位置検出のための測定電圧が回転子巻線内でｄ軸において印加される。
【００２１】
回転子は、電気励磁回転子として、または埋め込み式または表面に取り付けられた磁石を有する永久磁石回転子として構成されているとよい。電気励磁回転子の場合にはエネルギー供給巻線および位置検出巻線が最初から存在する。
【００２２】
従来のセンサレス調節に関する次の位置検出が特殊な地位を占める。固定子から高周波電圧が印加され、その反応が電流にて回転子固定の異方性を考慮して測定されて評価される。飽和作用または幾何学的実状に基づく異なる巻線軸における異なるリラクタンスが磁気異方性である。しかし、特に永久磁石励磁同期機は大きな有効磁気空隙に基づいて僅かな異方性を有する。表面永久磁石の磁極間隙にかご形巻線が収納される場合には、かご形巻線におけるうず電流路のゆえに、磁界軸において横軸におけるよりも外見上小さいインダクタンスが作用する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下における図面に基づく実施例の図の説明から請求項に関連して本発明の更なる詳細および利点を明らかにする。図面において、概略表示にて、図１は誘導式エネルギー伝達および位置検出を有する電気駆動機械のブロック図を示し、図２は駆動およびエネルギー伝達機能のための固定子巻線を有する同期機のブロック図を示し、図３は単相自励変換器による回転子側の電圧取り出し／電圧印加を示す。
【００２４】
図１および図２から本発明による原理的な構成がもたらされ、他の図はそれぞれ異なる構成可能性のための個別観点を示す。
【００２５】
図１には３相交流系統１０に接続された駆動機械１５が示されている。駆動機械１５はエネルギー伝達のためのシステムを含んでいる。図１は更に電力変換器１９を示し、電力変換器１９は詳細には整流器１１と直流電圧中間回路に接続された２つのインバータ１２および１３とから構成されている。第１のインバータ１２はモータの駆動機能を担当し、第２のインバータ１３はエネルギー伝達機能を担当する。両インバータ１２，１３は駆動機械１５の対応する固定子巻線に作用し、固定子巻線は共通な能動部分に収納されている。更に駆動機械１５は回転数ｎにて回転する駆動軸１４を有する。更に電気的負荷１８が象徴的に抵抗として存在する。電気的負荷１８はエネルギー伝達システムを介して電力が供給され、電力の取り出しは自励変換器１７を介して行なわれる。この場合に、負荷回路から固定子へのエネルギー回生も可能である。駆動軸における機械的負荷は図示されていない。
【００２６】
サーボ調節器１６が第１のインバータ１２への帰還結合に用いられ、したがって回転数および／または位置の調節に役立つ。サーボ調節器１６のための入力データを供給する位置検出システムが同様に実現されている。このためにサーボ調節器１６がエネルギー伝達および駆動機能のための固定子巻線に接続されている。固定子巻線はエネルギー伝達のほかに位置センサの任務に役立つ。このために自励変換器１７によってエネルギー伝達システムの回転子巻線中に交流電圧が印加される。結果として生じる磁界が、回転子位置に関連付けられた一定の安定した磁界と共に固定子巻線に作用するので、固定子において対応した電流成分が生じる。この電流成分がサーボ調節器１６により検出されて評価される。このために従来技術と違って専用の位置検出システムがもはや必要でない。
【００２７】
第２の構成可能性がブロック図として図２に示されている。図２による機械は同期機２５である。これは図１に示された機械と違って１つの固定子巻線しか持たず、この固定子巻線が駆動機能用にもエネルギー伝達用にも使用される。したがって、この場合には、整流器１１もインバータ２２も１つしか必要とせず、図１の第２の固定子側のインバータを省略することができる。サーボ調節器１６が、固定子巻線およびインバータ２２に接続されていて、ここでも回転子の位置および／または回転数ｎをセンサなしで検出し、インバータ２２を調節されるモータ運転に関して制御する。
【００２８】
エネルギー伝達システムにおけるエネルギー取り出しのために、すなわち負荷１８の給電のために、これらの２つのケースでは、図３による単相の自励変換器３２が使用される。更に、図３は同期機２５の共通な能動部分３１を示し、能動部分３１は、固定子における３相の固定子巻線３３と、回転子におけるエネルギー伝達システムの単相の回転子巻線３４と、ここでは回転子における駆動機能の回転子磁束のための永久磁石４１とを含んでいる。同様に回転子磁束をｄ軸における励磁巻線により電気的に発生させることもできる（励磁）。その際に、この励磁巻線は同時にエネルギー伝達および位置検出に役立つので、更なる変更なしにこれらの両機能をこの種の機械に組み込むことができる。回転子巻線３４は変換器３２に接続されている。回転子巻線３４は、この場合にエネルギー伝達のほかに位置検出にも用いられ、このために回転子巻線３４には上述の交流電圧が印加される。
【００２９】
例えば図３による永久磁石励磁機械の例では、ｄ軸において永久磁石のリラクタンスに基づいて比較的大きな有効な空隙が作用し、その結果として固定子と回転子との間の比較的不十分な変圧器結合が作用する。エネルギー伝達機能の大きな選定可能な磁極ピッチであっても、図１に応じて駆動とエネルギー伝達とを割り当てた場合のエネルギー伝達固定子巻線の存在によれば、図２に基づく駆動とエネルギー伝達とを同一の固定子巻線にて行う実施形態におけるよりも良好な変圧器結合が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】誘導式エネルギー伝達および位置検出を有する電気駆動機械のブロック図
【図２】駆動およびエネルギー伝達機能のための固定子巻線を有する同期機のブロック図
【図３】単相自励変換器による回転子側の電圧取り出し／電圧注入を示す概略図
【符号の説明】
【００３１】
１０        ３相交流系統
１１        整流器
１２        インバータ
１３        インバータ
１４        駆動軸
１５        駆動機械
１６        サーボ調節器
１７        自励変換器
１８        電気的負荷
１９        電力変換器
２２        インバータ
２３        自励変換器
２５        同期機
３１        能動部分
３２        自励変換器
３３        固定子巻線
３４        回転子巻線
４１        永久磁石
【図１】
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【図２】
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【図３】
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