JP4698587B2 - 電気機械 - Google Patents

Description

本発明は電気機械に関し、より詳細には、このような電気機械におけるコイル上の巻回の短絡によって生じる損傷に対する保護に関する。
永久磁石電気機械は、電動機として使用されようと、発電機として使用されようと、安全性が決定的に重要な状況において使用される。したがって、電気機械は、機械の電機子巻線における短絡された巻回又はコイルにもかかわらず動作し続けなければならない。典型的には、こうした永久磁石電気機械は、交互の電機子歯に巻回されたコイルが物理的及び電磁的に分離されているモジュール型巻線を有する。モジュール型巻線という用語が導き出されるのは、電機子コイルがこのように分離されているからである。真にフォールト・トレラントな電気機械では、ユニットあたり約１．０の電機子リアクタンスが一般に必要とされ、したがって、これには、例えばＨブリッジ変換器ユニットなどの適宜なモジュール型電力変換器が各相に対して必要になる。

フォールト・トレラントな永久磁石機械を用いると、理解されるように、機械は動作し続けることができ、すなわち、１つの相の開回路又は短絡を許容しながら、残りの相が正常又はほぼ正常な定格電力であり続けることができる。このような状況では、電気機械は修理又は交換が可能になるまで機能し続けることができる。

電気機械の端子での短絡障害に加え、モジュール型巻線を備える永久磁石機械が個々の巻回における短絡に対する許容性を有することも望ましい。しかし、そのような許容性を持たせるためには、従来技術は、適切な知的監視システムを用いて巻回間の欠陥を直ちに認識し、認識すると、影響を受ける相全体を短絡することを提案した。認識及び短絡がそのように行われない場合、短絡された巻回での電流が過度に大きくなり、巻線全体を直ちに危険にさらす、又は将来の性能に対する信頼性を損なう恐れがある。簡潔に言えば、短絡された巻回又は巻線は、機械全体の進行中の動作の完全性を保護するために分離される。それにもかかわらず、巻線コイルあたりの巻回数が少ない場合、理解されるように、フォールト・トレラントな電気機械における短絡された巻回に対する保護のための通常の手法を用いることが困難となり得る。

本発明によれば、コイルと回転子との間の相対的な回転に応じて複数の動作相を提供するための電機子に関連する複数のコイルと、故障した巻回を決定するための、少なくとも１つの前記コイルにおける電気的短絡の検出手段と、故障した巻回において電気的短絡が検出されると、当該コイルに適切な電流を注入し、コイルの故障した巻回又はコイルのその他の部分を過大な電流が流れるのを妨げるために、そのコイル又はそのコイルの電気的に短絡された部分を効果的に保護する電流注入手段とを備える電気機械が提供される。

通常、電気機械は永久磁石電動機又は発電機である。
典型的には、注入電流は、短絡を通って電流が流れるのを妨げるために、電気機械の磁石の磁束と正反対の磁束を生じる磁界を生み出す位相角を有する。

典型的には、電流は、電気的に短絡されるコイルの各端部における端子から注入される。
場合によっては、注入電流の値は、コイル内の電気的短絡が生じた位置によって変わる。代わりに、コイルへ流入する短絡電流の許容可能な減少に対して、一定の注入電流値が決定される。

典型的には、注入電流はコイル又は相の定格短絡電流とほぼ等しい、又はそれを超える値を有する。
ここで、本発明の一つの実施の形態を、添付の図面を参照しながら単なる例として説明する。

図１を参照すると、本発明に係る電気機械１の部分断面図が示されている。すなわち、電気機械１は固定子鉄心２を備え、その内部に、一般に矩形断面の導線の別々の巻回の形であるが必ずしも引抜き銅棒で形成されなくてもよいコイル４を収容するためのスロット３が設けられている。スロット３は、剛性のバーコイル４を有することに対応して開いているものとして図示されているが、理解されるように、コイル４がその内部に配置される半閉のスロットを設けてもよい。図１では、破線５は電機子巻線リアクタンスに寄与する磁束路を示す。つまり、線５ａは電機子スロットの漏れ磁束と関係し、線５ｂは歯の漏れ磁束と関係し、線５ｃは電機子コイルから永久磁石７を組み込んだ回転子６に至る空隙磁束と関係する。理解されるように、コイル巻線４を通る適切な相の電流とその結果生じる磁束５によって、回転子６の回転が磁束５と磁石７の磁束との相互作用によって実現される。

コイル４の完全な電気的短絡、又は、端子での完全な相の短絡がある場合、コイル４に対する全電機子磁束鎖交、すなわち、コイル４の各巻回に対する全磁束鎖交５の和は、コイル４の抵抗の影響を無視したとき、磁束鎖交に等しく且つそれと反対向きである。このような状況では、短絡されたコイルの正味の又は総計の磁束鎖交、及び、コイル４の両端間の正味電圧はゼロになる。短絡電流は、移動磁石によって誘導されるコイル４の起電力（ＥＭＦ）をコイル４のリアクタンスで割った値に等しい。この短絡電流は、コイル４又は相の定格短絡電流として知られており、以後そのように呼ぶ。

各コイル４の電気的リアクタンスがユニットあたり１．０であれば、定格短絡電流はコイル４を通る機械の正常定格電流と等しい。定格短絡電流は、磁石７が短絡されたコイル４又は相と整列するときにピーク電流が生じるような位相角を持つ。そのような状況では、コイル４の磁界は磁石７の磁界と反対向きになる。

理解されるように、電気的短絡はコイル４内の複数の点や位置に、又は或る相の端子で生じ得る。短絡保護の構成は、これら全ての点及び位置での短絡に対応する必要がある。
スロット３の開口に最も近い巻回４ａで短絡が生じたとき、短絡された巻回４ａ内の正味電圧はゼロでなくてはならず、コイル４のその巻回４ａでの電流は必然的に極めて大きくなる。いずれにせよ、この電流は定格短絡電流よりずっと大きく、定格短絡電流の何倍にも（例えば図１では約８倍に）なり得る。参考として述べると、電気的短絡は、巻回４の間の巻回間絶縁の低下又は不足の結果として、スロット３の開口付近の巻回４ａで生じる。巻回４ａに鎖交する正味磁束が実質的にゼロになることが、数学的に又は有限要素解析によって簡単に示される。したがって、巻回４ａに、コイルの残りの部分との磁束鎖交を有効にゼロにするように磁界と完全に反対向きの磁界を生成する大きな電流が存在する。

図２は、有限要素磁束分布を、電気機械のコイル巻線２４内の電気的に短絡された巻回２４ａと共に示す概略図である。この巻回２４ａはスロット開口（図示せず）に最も近く、歯の残りの部分、すなわち、図２に示す領域２０へ磁束がほとんど侵入しないことを証明している。この状況はコイル巻線２４の更なる巻回が電気的に短絡される場合もほとんど変化しない。

本発明によれば、巻回がその内部で電気的に短絡される動作相の端子に電流を注入して、完全なコイル２４又は相の短絡と同様のスロット磁束パターンを生じさせる。そのような状況では、注入電流に必要とされる位相角を、磁束とは正反対にすることが必要である。通常は、注入電流の大きさは上で定義された定格短絡電流と同じであるか、それより大きい。いずれにしても、短絡された巻回４ａ、２４ａの電流は効果的に減少され、電気機械は、短絡された故障巻回を通る過大な電流が更なる問題を生じる危険性がほとんどない状態で動作し続けることができる。

上記のように、電気的短絡はコイル４又は相内の複数の位置で生じ得る。本発明によれば、注入電流は、電気機械の各相に接続された変換器モジュールによって供給される。短絡電流はコイル４、２４又は相内の電気的短絡の位置に応じて変わる。

理想的には、注入電流の大きさは、コイル４、２４の特定の短絡された又は故障した巻回の位置に依存する。したがって、可能な場合、注入電流の大きさは、電気的に短絡されたコイルの全体的な熱発散を最小限にし、コイル４、２４内の短絡された巻回の過度の加熱を回避するように調整される。

理解されるように、ほとんどの状況で、電気的短絡の位置を検出すること、すなわち、電気的短絡位置がスロット３の開口に最も近い第１の巻回４ａ、２４ａと、スロット３の底部に最も近い巻回４ｂ、２４ｂと、それらの間の中間位置にある巻回とのいずれであるかを検出することは、時間又は複雑さの点で不可能又は非実用的である。そのような状況では、電機短絡の位置にかかわらず、コイル４、２４の電気的に短絡された巻回における及びコイルの残りの部分における電流を適度に低減させる値の短絡電流を単に注入することが好ましい。そのような状況では、電気的に短絡されたコイルの巻回における電流の大きさは所望の値よりも高くなるが、許容可能な状態を続ける。つまり、故障した相コイルの端子に一定の電流を注入し、コイル又は相の短絡された部分での電流を低減させる。

本発明によれば、一定の注入電流は、コイルの様々な位置での短絡電流の有限要素解析によって通常は決定される。こうして、特定の配置及びコイルの細部に対するこのような有限要素解析により、適切且つ妥協的な注入電流が決定され得る。このような状況では、電気機械のコイルのうちの１つに電気的短絡が生じたことをセンサが決定すると、典型的にはマイクロプロセッサの形である制御装置は、コイル４、２４又は相の端子への一定の電流の注入を始動する。

図３は、コイル３４の巻回３４ａが電気的に短絡されている動作相を概略的に示す図である。こうして、動作相３０は電流Ｉが通る電気回路を備える。該電気回路はコイル３４と象徴的にコイル４４として示されるその他のコイルとを備えるが、理解されるように、回路にはそのようなコイル４４が多数存在するのが普通である。電流Ｉはコイル３４、４４を周期的に流れて磁束を生成し、磁束は磁石７と連携して回転子６（図１）を回転させ、或いはその逆に、回転子が駆動されるとコイル３４、４４に電流を発生させる。本発明によれば、図示されるように、コイル３４の巻回３４ａは電気的短絡３７を有するため、使用時には過大な電流が巻回３４ａを通過し、巻回３４ｂ、３４ｃは短絡３７によって磁気的に遮蔽される。本発明によれば、この潜在的に危険な状況を防止するために、相３０のコイル３４の端子に電流を注入し、相３０でのコイル３４に対する損傷を効果的に回避する。既に示したように、危険な過熱及び電気機械の劣化を防止するために、理想的には、注入電流は電気的短絡３７の位置に合わせられ、又は、短絡を流れる電流を適度に低減させるための一定の注入電流を含むことができる。

図１に戻ると、８本の導線が、各スロット３内のコイル４の巻回を形成していることがわかる。電機子鉄心のリアクタンスの約４０％が、コイル４の領域におけるスロット横断磁束に関連する。定格短絡電流の約１．４倍の電流を注入することによって、本発明による十分な保護が得られることが判明した。それにもかかわらず、スロット横断磁束を均等に低減させると、電機子鉄心のリアクタンスが減少し、したがって必要な又は理想的な注入電流の大きさも同様に低減され得る。

理解されるように、変換器３９（図３）が相３０の回路を通して電流を供給する。既に示したように、典型的なフォールト・トレラントな電気機械のリアクタンスは、ユニットあたり１．０である。しかし、定格電流よりも大きくてよい電流を今や注入する必要があるので、変換器３９はこの大きい注入電流を供給できることが必要である。それにもかかわらず、典型的には、この注入電流はこうした変換器３９のためのパラメータの許容可能な設計内にある。

本発明に従って適切な電流を注入することによって、故障していない巻回に生成された磁界は、故障した巻回に過大な電流が流れるのを妨げる働きをすることが理解される。また、理解されるように、相周期における適切な点で、故障した相の端子に適切な電流を注入することによって、短絡された巻回での電流が効果的に低減され、電気機械は他の相で動作し続けることができる。このような状況では、回転子６及び固定子鉄心２を組み込んだ電気機械は、１つのコイルに短絡があるにもかかわらず、少なくとも電気機械が修理又は交換されるまで動作し続けることができる。本発明に係る電気機械は信頼性が高いので、安全性が決定的に重要な用途に受け入れられる。

８つのコイル巻回に関して説明してきたが、理解されるように、電気機械は種々の数の導電性巻回で構成され得、同様に、コイル・モジュール及び／又は回転子６上の磁石７の数及び分布は必要な動作要件に合わせて変更可能である。

これまで詳細に述べたところにおいては、本発明の特に重要と考えられる特徴に注意を引くよう努めてきたが、出願人は、本明細書で言及され及び／又は図示された任意の特許性ある特徴又は特徴の組合せに関して、それらが特に強調されているか否かに拘わらず、保護を要求する。

本発明に係る電気機械の概略部分断面図である。 コイル内の短絡した又は故障した巻回の磁束密度を概略的に示す図である。 本発明に係る電気機械内で使用するための電流注入配置を概略的に示す図である。

Claims (7)

1. コイルと回転子との間の相対的な回転に応じて複数の動作相を提供するための電機子に関連する複数のコイルを備える電気機械であって、それぞれの前記動作相が電気回路を備え、それぞれの前記電気回路が複数のコイルと前記電気回路を介して電流を供給する変換器とを備える電気機械において、
   故障した巻回を決定するための、前記電気回路における前記複数のコイルのうちの少なくとも１つのコイルにおける電気的短絡の検出手段と、
   前記故障した巻回における電気的短絡が検出されると、前記少なくとも１つのコイルの前記故障した巻回を過大な電流が流れるのを妨げるために、前記少なくとも１つのコイル又は前記少なくとも１つのコイルの電気的に短絡された部分を効果的に保護するように、前記故障した巻回を含む前記動作相の前記電気回路へ電流を注入する電流注入手段と、
   を備え、前記の注入電流が、前記電気的に短絡された部分を電流が流れるのを妨げるために、前記電気機械における磁石の磁束と正反対の磁界を生成する位相角を有することを特徴とする電気機械。
2. 電流が、電気的に短絡された前記少なくとも１つのコイルの各端部における端子から注入される、請求項１に記載の電気機械。
3. 一定の注入電流値が、前記少なくとも１つのコイルへ流入する短絡電流の低減のために、コイルの様々な位置での短絡電流の有限要素解析によって決定される、請求項１又は２に記載の電気機械。
4. 前記注入電流が、前記少なくとも１つのコイル又は相の定格短絡電流とほぼ同じ又はそれより大きい値を有する、請求項１〜３のうちのいずれか一つに記載の電気機械。
5. 前記注入電流が、前記少なくとも１つのコイル又は相の定格短絡電流の１．４倍の値を有する、請求項１〜４のうちのいずれか一つに記載の電気機械。
6. 前記検出手段が、前記機械の前記少なくとも１つのコイルのいずれか又は全てにおける電気的短絡に対するものである、前記請求項１〜５のうちのいずれか一つに記載の電気機械。
7. 前記電気機械が、電動機及び／又は発電機として使用される永久磁石電気機械である、請求項１〜６のうちのいずれ一つかに記載の電気機械。

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