JPH02501794A - ハイブリッド永久磁石／誘導機を使用する始動装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ハイブリッド永久磁石／誘導機 を　る　お　び　′ Ｂし術ヨ盆」野− この発明は、一般に原動機を始動する装置および方法１、　特に専用の始動用電 動機の使用を必要としない原動機始動装置および方法に関するものである。

パ」−乙グシととｆ− 過去において、原動力を発電装置へ供給する原動機は、専用の始動用電動機によ り或は原動機によって駆動されて電力を生じる装置の構成要素により、停止状態 から始動されていた。しかしながら、専用の始動用電動機を使用すると、発電装 置に少し−か使用されない構成要素を付加することになり、その寸法および重量 を不所望に増大する。従って発電装置構成要素を使用して原動機を始動する後者 の解決策は増々受容されてきた。

その−例は米国特許第４，４８１，４５９号に開示されている。

この特許は、発電モードでは原動機によって駆動されて交流電力を生じかつ始動 モードでは原動機を始動するための原動力を生じるように動作できるブラシレス 発を機を開示する。始動モードでは、増大する電圧および周波数の交流電力がイ ンバータによってブラシレス発電機の永久磁石発電器（ＰＭＧ）へ供給される。

これは、ＰＭＧに共通の回転子および主発電機をその同期速度まで加速する。一 度この同期速度に達したならば、主発電機の同期周波数の交流電力はその固定子 巻線へ印加され、主発電機を同期電動機として運転させ、これにより始動用トル クを生じる。主発電機と原動機の間に結合されているトルク・コンバータは、作 動されて始動用トルクを原動機へ伝え、この原動機を自立速度にもたらす。

クローニン（Ｃｒｏｎｉｎ）の米国特許第４，４７３，７５２号は、航空機用エ ンジンを始動するのに使用され得る始動機−発電機を開示する。この始動機−発 電機は、かご形誘導回転子内に固定されている回転子状固定子を含む０回転子は 、その外周に取り付けられた磁石のアレイを含む、始動機−発を機は、回転子状 固定子内に配置された導線へ３相交流電力を印加することにより始動機として運 転される。これは誘導回転子および永久磁石を加速する。一度所定の回転子速度 に達すると、交流電力は回転子を取り巻く外側固定子内の固定子巻線へ印加され 、原動力が生じられるように永久磁石によって生じられた回転磁界を、固定子に 生じられた回転磁界と同期させる。原動力は原動機へ伝えられて原動機を始動す る。

発電機を駆動する同期電動機を始動するための始動装置はフレッチャ−（Ｆｌｅ ｔｃｈｅｒ）の米国特許第３，８６７．６７７号に開示されている。誘導始動用 電動機は、交流電力が供給されると同期電動機の回転子および発電機を加速する 。

電力はその後に同期電動機へ供給されてこれに原動力を生じさせ、この原動力は その後に発電機へ与えられる。

同期電動機へ電力を印加する前に同期電動機を回転させることにより大きな電力 線路外乱は防止されると云われている。

フレッチャー特許はまた、力率１で電動機を運転するための回路を開示する０位 相比較器は、入力電圧の位相を入力電流の位相と比較して電動機界磁を制御する 誤差信号を発生し、電動機を力率１に維持する。

スターン（Ｓｔｅｅｎ）の米国特許第４，１３９，７９０号は、回転子を有しそ の内部のスロットに配置された複数個の磁石を含む同期電動機を開示する。一連 の導電性バーは、回転子の全周のまわりに配置されかつ一緒に接続されてかご形 導線を形成する。スターン特許の電動機は、同期速度に達するまで交流電力を固 定子巻線へ印加することにより誘導モードで運転される。その後、回転子中の磁 石によって生じられた磁界と固定子巻線に流れる電流によって生じられた磁界と の相互作用により同期運転は行われる。

かご形構成中に導電性バーを有する永久磁石回転子を開示する他の特許は、例え ばモリール（Ｍｏｒｒｉｌｌ）の米国特許第２，４３２，４３６号、シェーフ７ −　（Ｓｃｈａｅｆｅｒ）の米国特許第２，４８８，４３７号およびブライナー ト（Ｂｒａｉｎａｒｄ）の米国特許第２，４９３，１０２号である。

交流電力を発電機へ直接印加して発電機分電動機として運転させると、発電機へ 供給された電力中に大きな過電力を印加する前に同期発電機回転子を回転させる ことにより電力過渡状態を低減するためのフレッチャー等の装置による試みは全 く成功しなかった。それと云うのは、同期電動機および発電機回転子の両方が誘 導始動用電動機で駆動されるからである。始動用電動機にか−るこの高慣性負荷 は、交流電力が誘導電動機に印加される時に相当な過渡状態を生じることになる 。

ラド（Ｒａａｄ）等の名儀で１９８７年６月１７日に同日付で特許出願された米 国出願シリアルＮｏ、第０６３，２９６号“原動機の始動装置および方法”は、 トルク・リンクによって発電機へ接続された原動機を始動するための始動装置お よび方法を開示する。トルク・リンクが不作動である間、発電機の回転子を停止 状態から所定の期間に特定速度まで回転させるのに要する最小トルクに事実上等 しいトルク定格を有する誘導電動機が含まれる。を源と、トルク・リンクが不作 動の時に電源を誘導電動機に接続して発電機回転子を特定速度まで加速するため のコンタクタと、一度発電機回転子が特定速度に達したら電源を発ｔｉ巻線へ接 続して発電機を同期電動機として運転させるための第２組のコンタクタと、一度 発電機が同期電動機として運転するとトルク・リンクを作動して原動機を始動速 度までもたらすためのトルク・リンク・アクチュエータとが設けられる。電源中 に生じた普通のの大きな過渡状態はより小さな幾つかの過渡状態に分けられる。

ｆｌΔに この発明によれば、発電装置構成要素を使用して原動機を始動するための始動装 置および方法は、別な電動機や他の電磁構成を使用する必要がなく、発電構成要 素へ供給された交流電力中の過渡状態を低減する。

もう少し詳しく説明すれば、作動可能なトルク・リンクによって主発電機の回転 子へ選択的に結合された原動機を始動するための始動装置および方法は、発を樋 口転子に結合された回転子および固定子中に配置された固定子巻線を有するハイ ブリッド永久磁石／誘導機と、このハイブリッド機の固定子巻線へ選択的に接続 でき、誘導モードではハイブリッド機回転子を同期速度まで加速するための交流 電源とを利用し、同期速度ではハイブリッド機が同期モードで電動機として運転 し、発電機回転子を特定速度で回転させる０発電機が一度特定速度で回転するな らば、発電機が同期電動機として運転するように、発電機の界磁および電機子へ 電力を印加するための手段も含まれる。その後、トルク・リンクは作動されて発 電機を原動機へ接続し、原動機を自立速度までもたらす。

ハイブリッド機および主発電機がブラシレス発電機の構成部品であることは特に 重要である。従って、始動機能は別な構成要素や少しＮか使用されない構成要素 を使用することなく行われる。

更に、ハイブリッド機が誘導モードで運転して発電機回転子を作動できるので、 発電機回転子を特定速度までもたらすのに複雑で高価な電力調整処理回路は不要 である。

この発明の他の様子によれば、ハイブリッド機の回転子は、補極領域によって分 けられた２個の磁極および補極領域にのみ配置されたかご形巻線を有する少なく とも１個の永久磁石を含む、これは、かご形巻線の導体が磁石と固定子の間に配 置されるスターン特許の回転子とは違う、スターン特許の回転子と比較されるよ うに、この発明におけるハイブリッド機の磁石、固定子間実効距離は実質的に短 縮され得る。

１１へ１弧 第１図は、負荷へ電力を供給するために発電モードでも使用され得るこの発明に 係る始動装置のブロック図である。

第２図は、第１図に示した装置の一部を示す回路図およびブロック図である。

第３図は、第１図および第２図に示したハイブリッド永久磁石／誘導機の回転子 を示す側面図および保持スリーブを一部破断して示す断面図である。

第４図は、第３図の線４−４沿いの断面図である。

第５図は、保持スリーブおよび磁石バリアを除いて示す第３図および第４図の回 転子の斜視図である。

第６ａ区ないし第６ｃ図は、従来装置の動作（第６ｂ図）と原動機速度（第６ａ 図）を増すためのこの発明の方法（第６ｃ図）とを例示するグラフである。

ｔ・めのベスト・モード 第１図を参照すれば、原動機１０は作動可能なトルク・リンク１２によって発電 機１４へ接続されており、この発電機１４は３相を有するブラシレス同期型のも のが望ましい０発電機１４は１発１を機１５、励磁機１６およびハイブリッド永 久磁石／誘導機１７を含み、その各々はシャフト１８によって相互接続された回 転子を有する。

発電モードでの運転中、原動８１１０は原動力を生じ、この原動力はトルク・リ ンク１２によってシャフト１８へ伝えられる。ハイブリッド機は交流電力を生じ 、この交流電力は３相全波整流器ブリツジ１９および電圧調整器２０によって整 流・調整される０回路２０によって生じられた電力は励磁機１６へ供給され、励 磁機１６は主発電機１５のための励磁を生じる。主発電機１５は、多相負荷２６ に結合されている出力線路２２ａ〜２２ｃに多相電力を生じる。

第２図を参照すれば、電磁機１５〜１８は始動装置３０として作動でき、原動機 を停止状態から自立速度まで加速し、これにより原動機を始動する。この発電運 転モードでは、トルク・リンク１２が作動されず、例えば４００Ｈｚの一定周波 数交流電力が外部交流電源３３から連動スイッチＳＷ１〜ＳＷ３を通してハイブ リッド機１７のｘｉ子巻線３２ａ〜３２ｅへ供給される。なお、連動スイッチＳ ＷＩ〜ＳＷ３は発電位置Ｇと始動位置Ｓに動き得る。所望ならば、スイッチＳＷ １〜ＳＷ３の代りに３相コネクタを使用しても良い、第３図〜第５図に詳しく示 されているように、ハイブリッド機１７の回転子３４は、補極領域３８＆〜３８ ｄによって分離されている磁極を有する少なくとも１個望ましくは４個の磁石３ ６ａ〜３６ｄを含む０回転子３４は、所望ならば５個以上の磁石を含んでいても 良い、補極領域３８ａ〜３８ｄのスロット４０中には複数本の導電性バー４２が 配置され、これら導電性バー４２は端部リング４４によって電気的に一緒に接続 されている。なお、端部リング４４は１個だけを第３図に示す、バー４２および 端部リング４４は一緒になってかご形巻線を形成し、このかご形巻線は電機子巻 線３２ａ〜３２ｃの交流電力に応答して誘導磁界を生じる。これによりハイブリ ッド機１７は誘導モードで運転してシャフト１８を加速する。

最終的にハイブリッド１ｌｆｉ１７の回転子３４の速度は同期速度近くの速度に 達する。この時、同期速度への引き込みは磁石３６ａ〜３６ｄによって生じられ た磁界と電機子巻線３２ａ〜３２ｃに流れる電流によって生じられた磁界との相 互作用で起きる。その後、ハイブリッド機は永久磁石同期電動機として働く。

ハイブリッド樋口転子３４の引き込みの少し後で一対の連動スイッチＳＷ４〜Ｓ Ｗ５は始動位置Ｓに動かされる。直流電力は制御可能な外部直流電源５０により 或は外部交流電源３３から図示のように線路５１、整流器ブリッジ１９および電 圧調整器２０を通して励磁機界磁巻線５２へ供給される。シャフト１８の回転と 結合したこの巻線への被制御直流電力の印加は、１組の回転電機子巻線５４ａ〜 ５４ｃに交流電力を生じさせる。この交流電力はブリッジ形層に接続されたダイ オードＤ１〜Ｄ６から成る回転整流器回路によって整流され、そして得られた直 流電力は抵抗Ｒ１および主発電機界磁巻線５６の両端間に印加される。スイッチ ＳＷ４およびＳＷ５が始動位置に動かされるのと同時に、３個のスイッチＳＷ６ 〜ＳＷＳも始動位置Ｓに動かされて一定周波数の交流電力が電源３３により１組 の主発電機電機子巻線５８ａ〜５８ｃへ供給されるようになる。上述したように 、スイッチＳＷ６〜ＳＷ８の代りに３相コンタクタを使っても良い、望ましい実 施例では、ハイブリッド機１７の同期速度は主発電ｉ１５の同期速度に等しい、 従って、主発電機電機予巻ｔａ５８　ａ〜５８ｅが交流電源３３から一定周波数 の電力を受けかつ直流電力が主発電機界磁巻線５６へ印加される時に、主発電機 １５は同期電動機として運転される。主発電機１５によって生じられた原動力は シャフト１８によってトルク・リンク１２へ伝えられる。

この点で、アクチュエータ６０　（第１図）は作動され、トルク・リンク１２を 閉じ、これにより原動力を原動機１０へ伝えて原動機１０を自立速度にもたらす 、一度自立速度に達したら、スイッチＳＷ６〜ＳＷ８は、を機子巻線５８ａ〜５ ８ｅが電源３３から切り離されるように始動位置Ｓおよび発電位置Ｇと接触しな い中性位置に動かされる。原動機は運転速度まで加速され得る。

原動機１０が始動して運転速度に達した後に、スイッチＳＷＩ〜ＳＷ８は正常な 発電運転が始まるように発電位ｒ！ＩＧへ動かされる。

第６ａ図〜第６ｃ図を参照すれば、代表的な従来の始動装置および方法の動作（ 第６ｂ図）がこの発明の始動装置および方法の動作（第６Ｃ図）と比較される。

第６ｂ図に例示された従来方法は、交流電源によって供給された多相一定周波数 交流電力の主発電機電機子巻線への直接印加を含み、これにより主光ｔｍ回転子 は制御巻線回路を含む、この場合、時点ｔ＝　ｔｏでの電機子巻線への６加は、 交流電源によって供給された主光ｔａ！電機子電流をかなり増加させることにな る　（負方向で）、この過渡電流は主発電機の定格電流の６倍ないし７倍（或は ６Ｐ、Ｕ、と云われる）に達し得る。その後、電流は、主発電機回転子の速度が 高くなるにつれて第２の時点１＝　１．に達するまで指数関数的に減少する０時 点ｔ、では主発電機回転子の回転速度が引き込む、すなわち主発電機電機子巻線 の電流によって生じられた回転界磁の速度と同期する。この過渡電流は同期機の 過渡的かつ準過渡的なりアクタンスの結果として生じる。

時点ｔ、以後、主発電機回転子がトルク・リンクまたは他の結合装置によって原 動機１０へ接続されるまで、主発電機電機子電流は再び指数関数的に減少する。

その後、原動機速度は１＝　１２で自立速度まで増加する１時点ｔ、で発電Ｓ＊ 路コンタクタまたは他のスイッチング装置は開かれ、交流電源から主を機子巻線 を切り離せる。従って、発電機電流はゼロまで減少し、そして原動機は運転速度 まで加速する。

時点１＝　１．で発電機線路コンタクタは再び閉じられて正常な発電運転を起さ せる。

第６ｃ図を参照すれば、この発明の始動装置および方法は、従来装置で出会った 大きな過渡電流を幾つかの小さな過渡を流に分け、これら小さな過渡電流は外部 交流。

ハイブリッド機１７へ印加され、大体１．７　Ｐ、Ｕ、の電流になる。その後、 電源３３によって供給された電流は、時点ｔ　＝ｔ　４でハイブリッド機１７の 引き込みすなわち同期運転に達するまで指数関数的に減少する。この過渡電流は 、主発電機の界磁巻線および電機子巻線に交流電源３３から電力が供給される時 点１＝　１．で、再び出会う。

その後、外部電源３３によって供給された電流はトルク・リンク１２が閉じられ るまで減少し、トルク・リンク１２が閉じられた時点で別な過渡電流が生じられ る。この時点以後、外部電源３３によって供給された電流は第６ｂ図について説 明したのと大体同じである。

第６ｃ図から理解できるように、外部交流電源３３によって供給された電力の最 大の過渡電流は従来の装置および方法で生じられた過渡電流の１／３よりも小さ い。

この過渡電流の減少は、携帯用接地式電力カート等のような様々な外部交流電源 と一緒に始動装置を使用させる。

始動装置および方法はまた、１９８７年６月１７日付で出願された出願人による 米国出願シリアルＮｏ、　０６３，２９６号“原動機始動装置および方法”に開 示されたのと同様な“電動機力率制御回路”を備え、こ−でも参考のためこの出 願にふれる。力率１の制御回路は、主発電機１５への入力電流、入力電圧および 入力電力を検知し、かつ直流電源５０により或は交流電源３３、整流器１９およ び調整器２０により励磁機界磁巻線５２へ印加される直流電力を制御して主発電 機１５の力率を１に維持する。

力率１の制御回路は、設けても良いし設けなくても良いので、こ）では詳しくは 説明しない。

スイッチ５Ｗ１−ＳＷ８およびトルク・リンク・アクチュエータ６０は手動で作 動されても良いし或は始動制御回路６１によって自動的に制御されても良い、自 動制御の場合には、回路６１は始動スイッチＳＷ９の閉成に応答して始動運転を 開始でき、その後原動機の速度およびシャフト１８の速度に応答し得る。また、 もし交流電源３３、整流器１９および調整器２０が励磁機界磁巻線５２へ被制御 直流電力を供給すべきなら、３個の別なスイッチまたはコンタクタは、始動モー ドでは電源３３を整流器１９へ接続するために必要とされるが、一度自立速度に 達すると電源３３を整流器１９から切り離すために必要とされる。これら別なス イッチも始動制御回路６１で制御され得る。

再び第３区〜第５図を参照すれば、ハイブリット樋口転子３４は磁石３６ａ〜３ ６ｄの各々の近くに磁束バリア６２を更に含み、これは漏洩磁束を最少にする０ 回転子３４の主部分６４は軟鉄または他の磁気的に透過性の材料で作られた積層 体から成る。スロット４０は主部分６４の軸方向区域上に小さいピッチを更に有 してはめ歯および先端を防止する。

回転子全体は非磁性保持スリーブ６８　（第３図および第４図）によって囲まれ 、これは回転子が高い回転速度で分離したり摩擦したりするのを防止する。

かご形巻線の導電性バー４２が補極領域中のみに配置されるので、磁石３６ａ〜 ３６ｄは回転子３４の外周まで充分に延出し得る。従って、空隙の長さは上述し た米国出願にＩ開示されたような他のハイブリット機回転子と比較して効果的に 短縮される。

ＦＩＧ、　３ ＦＩＧ、　６ａ 国際調査報告 ｌＩＩ＋ｅ＋ｗｌｌｎａｌ＾６ｅｌ＋１ＪｌｌｌｌＲＴｊ１１．ｐ、−１，：、 ／１１Ｑ８Ｂ１０ｑ４ｐ７

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．回転子上に配置された界磁巻線および固定子に配置された少なくとも１個の 電機子巻線を含む発電機の前記回転子へ、作動可能なトルク・リンクによって選 択的に結合された原動機を始動するための始動装置であつて、 前記発電機回転子へ結合された回転子および固定子中に配置された固定子巻線を 有するハイブリット永久磁石／誘導機と、 このハイブリッド機の固定子巻線へ選択的に接続でき、誘導モードでは前記ハイ ブリッド機回転子を同期速度まで加速し、前記同期速度に達すると前記ハイブリ ッド機が電動機として同期モードで動作して前記発電機回転子を特定速度で回転 させる交流電源と、 前記発電機回転子が一度前記特定速度で回転すると、前記発電機が同期電動機と して動作するように前記発電機界磁巻線および前記発電機電機子巻線へ電力を印 加し、前記発電機の前記同期電動機としての動作時に前記トルク・リンクが作動 されて前記発電機を前記原動機へ接続し、前記原動機を自立速度までもたらすた めの手段と、 を備えた始動装置。
2. ２．ハイブリッド機は、少なくとも２個の永久磁石およびその回転子上に配置さ れたかご形巻線を含む請求の範囲第１項記載の始動装置。
3. ３．永久磁石は補極領域によって分離された２個の磁響極を含み、そしてかご形 巻線は前記補極領域中に配置される請求の範囲第２項記載の始動装置。
4. ４．主発電機は、ハイブリッド機の同期速度に等しい同期速度を有する同期機で ある請求の範囲第１項記載の始動装置。
5. ５．作動可能なトルク・リンクによって原動機へ選択的に結合されて界磁巻線お よび電機子巻線を有する主発電機、並びにこの主発電機の回転子に結合された回 転子および巻線が設けられた固定子を有するハイブリッド永久磁石／誘導機を使 用して前記原動機を始動する方法であって、 （ａ）前記ハイブリッド機が量初は誘導電動機として働いて前記ハイブリッド機 回転子を加速するように前記ハイブリッド機固定子巻線へ交流電力を印加し、そ の後前記ハイブリッド機が同期電動機として働いて前記主発電機回転子を特定速 度で回転させるステップ、（ｂ）前記主発電機回転子が一皮前記特定速度で回転 すれば、前記主発電機が同期電動機として作動するように前記主発電機界磁巻線 へ直流電力を印加すると共に前記主発電機電機子巻線へ交流電力を印加するステ ツブ、および （ｃ）前記主発電機が一度同期電動機として作動すれば、前記トルク・リンクを 作動して前記原動機を自立速度にもたらすステップ、 を含む始動方法。
6. ６．ステップ（ａ）は一定周波数の交流電力をハイブリッド機へ供給するステッ プを含み、そしてステップ（ｂ）は一定周波数の交流電力を主発電機電機子巻線 へ印加するステップを含む請求の範囲第５項記載の方法。
7. ７．主発電機は同期速度そのま、の同期機であり、そして主発電機回転子の特定 速度はその同期速度に等しい請求の範囲第５項記載の方法。
8. ８．補極領域によって分離された２つの磁極を含む少なくとも１個の永久磁石、 および前記補極領域中のみに配置されたかご形巻線を備えた、ハイブリッド永久 磁石／誘導機のための回転子。
9. ９．４個の磁石は、回転子上に等間隔で配置されかつ４個の補極領域によって分 離されている請求の範囲第８項記載の回転子。
10. １０．かご形巻線の一部は補極領域の各々中に配置されている請求の範囲第９項 記載の回転子。