JP2000509957A - 同期電動機用パワーエレクトロニックユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 同期電動機では、事前に磁化された回転子（永久磁石または磁気抵抗）が、固定子巻線内で生じた磁場により、こうして生じた磁場内で駆動電流の周波数と同期して駆動される。このタイプの電動機で生じる問題は、固定子巻線内に蓄えられた磁場エネルギーを、かならずしも回転子の運動エネルギーだけには変換できないということである。本発明の目標は、この現在利用できていない残留エネルギーを有利な形で利用することである。本発明によれば、残留エネルギーをほかの相巻線に送る手段を含む同期電動機用のエレクトロニックパワーユニットを提供することによって、この問題は解決される。この転送は上記にいうほかの相巻線への切り替えによって行われ、また残留エネルギーとは、ある相巻線のインダクタンスに蓄えられているが、その相巻線がある電流を受けたとき、運動エネルギーに変換されなかったものである。このようにしてこの残留エネルギーは、エネルギー散逸として失われることはなく、物理的理由によって避けられない損失によって減少することはあるが、回転子の駆動のために再利用される。ただしこの場合それぞれ他の相巻線で再利用することになる。

Description

【発明の詳細な説明】 同期電動機用パワーエレクトロニックユニット 本発明は、同期電動機用の、とくに極数及び位相数に依存しない永久磁石仕様 または磁気抵抗仕様の同期電動機用のパワーエレクトロニックユニットに関する 。 同期電動機は、たとえば家庭用器具、自動車及び工作機械の各業界など、数多 くの技術的応用分野で使用されている。多くの箇所で、同期電動機は従来使用さ れてきた交直両用電動機に打ち勝った。なぜならば同期電動機は、騒音発生、寿 命、重量と体積、及び製造プロセスの単純化と標準化の点で、交直両用電動機に くらべて著しい利点があり、しかも製造コストが有利だからである。 同期電動機では、事前に磁化された回転子（永久磁石または磁気抵抗）が、固 定子巻線内で生じた磁場により、こうして生じた磁場内で駆動電流の周波数と同 期して駆動される。しかしこの場合、固定子巻線内に蓄えられた磁場エネルギー を、かならずしも回転子の運動エネルギーだけには変換できないという問題があ る。 本発明の基礎にある課題は、この現在利用できていない残留エネルギーを有利 に回収することである。 この課題は、本発明によれば、１つの相巻線に通電するとき、同期電動機のイ ンダクタンスに蓄えられたが、運動エネルギーには変換されなかった残留エネル ギーを、他の相巻線に切り替えたとき、切替を受けた他の相巻線に転送する手段 を備える、同期電動機用のパワーエレクトロニックユニットを設けることによっ て解決する。 このようにして、この残留エネルギーは、エネルギー散逸として失われること はなく、物理的に生じる避けられない損失以外は、あらためて回転子の駆動に、 ただしこの場合はその都度別な相巻線の回転子の駆動に利用される。 本発明の有利な例は他の請求項に記載されている。 本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。 図１は残留エネルギー転送のための第１変形例の概略回路図である。 図２は残留エネルギー転送のための第２変形例の概略回路図である。 図３は残留エネルギー転送のための第３変形例の概略回路図である。 図４は残留エネルギー転送のための第４変形例の概略回路図である。 図１は、二極同期電動機のパワーエレクトロニックユニットの概略回路図を示 す。２本の相巻線２、４は、整流器ブリッジ、いわゆるグレッツブリッジ６を経 由し、またスイッチＳ１及びＳ２を交互に経由して、ここには図示されない電圧 源に接続される。相巻線２及び４と並列に、中間回路コンデンサＣ２が接続され ている。 ２つの相巻線２、４に通電する間にこれら巻線のインダクタンスに蓄えられた 磁場エネルギー、すなわち通電の間に運動エネルギーに変換されなかった電気的 残留エネルギーは、それぞれ他の相巻線に切り替えるとき、変成器結合を用いて 、ここでは継鉄８を用いて、継鉄のインダクタンスに転送される。従って継鉄８ における磁束逆転損及び相巻線２、４における抵抗損を無視しても、運動エネル ギーに変換不可能な残留エネルギーの大きな部分が回収され、１つの相巻線から 他の相巻線２、４へ、またその反対方向に送られる。 図２は、図１の変形例に代わる、あるいはこれと組み合わせることが可能な第 ２の変形例の概略回路図を示す。構造上及び／または運転上の理由でデッドタイ ムが生じるため、通電されているインダクタンスの電源を切ると、つまり２本の 相巻線２、４の一方の電源を切ると、スイッチＳ１またはＳ２に過電圧を生じる 。これらのスイッチは、たとえばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ ）、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）、またはバイポー ラトランジスタのいずれかとして実施することができる。生じた過電圧は、ダイ オードＤ１またはＤ２を経由して、いわば２つのスイッチＳ１，Ｓ２に使用され るＲＣ負荷解除（Entlastung）ネットワークＲ１、Ｃ１に転送される。 この第２の変形例に代わるもの、またはそれに追加されるものとして、図３は 、第３変形例の概略回路図を示す。この変形例は第２の変形例より損失が少なく 、２つの減磁巻線１０、１２を備え、これらは相巻線２、４と厳密な結合状態に ある。これらの減磁巻線１０、１２は、運動エネルギーに変換されなかった残留 エネルギーを、変成器結合を用いて、中間回路コンデンサＣ２に返送する。ダイ オ ードＤ３、Ｄ４は減磁位相の間のみ導通し、これによって、位相巻線２、４の通 電位相時に、減磁巻線１０、１２を経由して、望ましからざる（損失）エネルギ ーの流れが生じるのを防ぐ。 図４は第４の変形例の回路図を示し、これはとくに出力の比較的大きい電動機 を運転する際に好ましいものである。図１に示した回路図と比べると、この回路 図には、さらに２個の遮断器Ｓ３、Ｓ４、及び４個の減磁ダイオードＤ５からＤ ８までが追加されている。この場合これらの追加されたスイッチエレメント（Ｓ ３、Ｓ４、Ｄ５からＤ８まで）は、２本の相巻線２、４のそれぞれに１つずつ割 り当てられた２つの非対称的ハーフブリッジとして動作する。これら２つのハー フブリッジを使用することにより、運動エネルギーに変換されず、通電されなく なる都度相巻線２、４に蓄えられた残留エネルギーはすべて、中間回路コンデン サとも呼ばれる入力側コンデンサＣ２に戻され、これによりそれぞれ相手側のそ の時点で通電されている相巻線２または４で利用される。この場合、漏れインダ クタンスの形でいずれにせよ避けられない損失は、損失として甘受しなければな らない。２つの相巻線２、４間の結合状態が悪いときでも、それは損失を生じる 影響を持たない。また第２及び第３の変形例が考慮している回路の追加を省略す ることができる。さらにこの第４の変形例の特別な利点は、相巻線２、４にデッ ドタイムなしで通電できることにある。 上記とは別に、このパワーエレクトロニックユニットには、特定の通電シーケ ンスを的をしぼってブランキングする（Austasten）ことにより、回転数を変え る能力を持たせることができる。ハードウェアによる離散的な解決策としてのこ こには図示しない制御ユニット、またはソフトウェアによる解決策としてのマイ クロコントローラ内のプログラム実走行は、制御ユニットに要求された通電シー ケンスのパーセント割合を減衰させる（ausblenden）。通電シーケンスは、２つ の相巻線２、４の交互に行われる通電からなる。従ってたとえば要求される出力 が総出力の９０％であれば、通電シーケンスの１０回中１回をマスクする。これ はたとえば半導体ダイオードとして作られたスイッチＳ１及びＳ２に対し、必要 な制御を行うことによって実現できる。供給される出力を削減する結果、同期電 動機のトルクが減少する。この影響の結果は、負荷が課されているときは、回転 数 が固有のトルク回転数特性マップに応じて変化するほどとなる。 第４の変形例のもう１つの利点は、それぞれ通電されているトランジスタ対の うち、１つのトランジスタのパルス振幅変調を、電動機周波数より高周波とする ことにより、回転数制御が可能となっていることである。パルス振幅変調電流の 惰行（Freilaut）は、それぞれの通電された回路中で２つのフリーホイールダイ オードの１つを経由して起こる。通電された相巻線中の実効電流はパルス振幅変 調によって減少し、これとともに同期電動機に供給されるエネルギーとなる。こ れにより、上記に説明した第１の方法と同様にして回転数変更が行われる。 そのほかマイクロコントローラの使用によって、必要なデューティレシオを形 成することができる。この場合ここには図示しないセンサが必要である。すなわ ち、回転子の位置を固定子を基準にして求めるセンサである。この種のセンサは 技術の現状に従って、ホール効果プローブとして、または光学的なもの、または 機械的なものを考えることができる。位置が識別されると、確認された回転子位 置に従って、相巻線２、４に対する通電シーケンスが開始される。構造上の特性 のため、通電時点と通電に入る好都合な固定子回転子位置との間の時間は、始動 のためのものと高回転数で好ましい動作点のためのものとで異なる。マイクロコ ントローラは、実回転数に応じて、固定子回転子位置と通電時間の間の時間的相 違を、電動機固有の動作点表に従って再調整する。この種の表は、特性マップと して、または回転数に依存する関数関係として、たとえば有利関数として、マイ クロコントローラに内蔵された記憶エレメントにファイルしておくことができる 。 制御ユニット、たとえばマイクロコントローラと出力部分全体は、まとめてハ イブリッド回路としてアルミニウム基盤またはアルミニウム箔の上に配置するか 、またはハイブリッドコンポーネントとしてケースの中に収めることができる。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 他の相巻線で再利用することになる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．１つの相巻線（２、４）に通電するときに、同期電動機のインダクタンス に蓄えられたが、運動エネルギーには変換されなかった残留エネルギーを、 それぞれ他の相巻線（２、４）に切り替えるとき、これらの相巻線（２、４ ）に転送する手段を備える、同期電動機用のパワーエレクトロニックユニッ ト。 ２．変成器結合、とくに継鉄（８）を用いてこの残留エネルギーを転送するこ とを特徴とする、請求項１に記載のパワーエレクトロニックユニット。 ３．変換不可能な残留エネルギーを、ＲＣエレメント（Ｒ１、Ｃ１）に転送す ることを特徴とする、請求項１または２に記載のパワーエレクトロニックユ ニット。 ４．各位相の主たる巻線（２、４）には、密結合された減磁巻線（１０、１２ ）が割り当てられており、これら減磁巻線が残留エネルギーを中間回路コン デンサ（Ｃ２）に転送することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一 項に記載のパワーエレクトロニックユニット。 ５．少なくとも２つの位相の特定の通電シーケンスを的をしぼってマスクする 手段を備える、同期電動機用のパワーエレクトロニックユニット。