JP2015050926A - 空気軸受モータの駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】電源電圧の短い又はある程度の中断の際に、空気支持モータ内での空気圧の低下及び速度の低下を防止し、以て空気軸受の摩耗を低減する解決策を示す。
【解決手段】本発明は、モータ軸の空気力学的支持を有する電気モータの駆動回路に関する。この駆動回路は、電気エネルギを蓄えるための少なくとも１つの蓄積手段を備え、電源電圧又は中間回路電圧の障害の際に、少なくとも時々は空気支持に必要なモータ軸の最小速度を得るために、蓄積手段によって電気モータが電気エネルギの供給を受けることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ軸の空気力学的支持を有する電気モータの駆動回路に関する。

空気軸受は、その中で互いに対して動く２つの部材が薄い空気層によって分離された軸受である。よって、両部材は、ほとんど摩擦のない相対運動が可能になる。

空気支持は、電気モータにて特に利用され得る。電気モータでは、駆動されたモータ軸、すなわちロータが、モータハウジング中のエアギャップにより支持される。空気軸受は、静圧軸受と動圧軸受とに区分される。静圧軸受では、外部手段による圧縮空気の導入によりエアギャップが生成される。動圧軸受は、エアギャップ中で必要とされる圧縮空気が固有の運動により生成されるので、圧縮空気の供給を必要としない。しかしながら、互いに対して動く２つの軸受部品が特性的な相対速度以下で互いに接触し得る結果、摩耗及び摩擦の増加を招来するという問題が、ここに生じる。

空気支持モータは、例えば空調ユニットの中で、特に鉄道車両用の空調ユニットの中で使用される。この場合の空気支持モータは、圧縮機に結合され、かつこれを駆動する。空調システムは鉄道車両中の他の電力消費システムと同様に架空線の電源電圧によって給電されるので、この電圧供給は、特定の遷移点にて短時間だけ中断し得る。中断期間の長さに応じて、このことは、空調ユニット中の空気支持モータの速度が突然に静止に至るまで減少し、空気軸受のための十分な圧縮空気が生成されないという結果を招来し得る。これにより、空気軸受の中で有害な摩擦現象が生じ、モータの寿命が大幅に減少する。

したがって、本発明は、電源電圧の短い又はある程度の中断の際に、空気支持モータ内での空気圧の低下及び速度の低下を防止し、以て空気軸受の摩耗を低減する解決策を示すことを目的とする。

この目的は、請求項１の特徴を持つ駆動回路により達成される。駆動回路の有利な実施形態は、独立請求項に従属する請求項の主題である。

請求項１は、モータ軸又はロータ軸の空気力学的支持を有する電気モータの駆動回路を提案する。本発明によれば、駆動回路は、電気エネルギを蓄えるための少なくとも１つの蓄積手段を備える。少なくとも１つの電気蓄積手段に蓄えられたエネルギは、実際の電源電圧の障害の際に、電気モータの緊急動作を維持するために利用されるものである。よって、空気モータは、少なくとも時々は、電圧低下の際に、モータ軸又はロータ軸の最小速度を維持することができるように、少なくとも１つの蓄積手段に蓄えられた電気エネルギから給電される。その最小速度は、モータ軸の満足できる空気支持がちょうど得られるように選択される。

本発明の実施形態では、駆動回路は、電気モータに電気エネルギを供給するための中間ＤＣ電流回路を備える。そのとき、少なくとも１つの電気蓄積手段は、中間回路の構成要素である。中間回路電圧の障害の際、少なくとも１つの電気蓄積手段は、電気モータへのエネルギ供給を引き継ぐ。

電気モータは、ＡＣ電流モータとして構成され得て、その場合には中間回路電圧からインバータにより給電される。インバータは、モータ速度の調整を司る。

少なくとも１つの蓄積手段は、通常動作中に電源電圧によって、又は中間回路電圧によって好都合に充電可能である。十分な電圧供給によって、少なくとも１つの蓄積手段は、特定の電圧レベルまで充電される。これにより、電源電圧又は中間回路電圧の後々の電圧障害の際に、蓄積手段中の十分な電気エネルギを利用できることが保証される。

理想的には、電源電圧又は中間回路電圧の電圧障害を認識して、この場合の少なくとも１つの蓄積手段による電気モータへの緊急電源供給に切り換える制御部が備えられる。これは、特定構成要素の能動的な切り換え処理であり得る。あるいは、少なくとも１つの蓄積手段からのエネルギが、電源電圧の中断の際に自動的に電気モータに供給されるように、少なくとも１つの蓄積手段が電気モータに接続されていてもよい。

好ましくは、駆動回路は、電源電圧又は中間回路電圧に生じ得る変動中に、それが中間回路電圧の安定を許容し続けるように設計され得る。好ましくは、駆動回路の制御部は、
それが中間回路電圧が所定の下限値を下回ったことを認識するように設計され得る。この場合、電気エネルギは、少なくとも１つの蓄積手段から電気モータへの電圧供給を支援するために、自動的に供給され得る。これにより、中間回路電圧がほぼ一定に維持され得る。

少なくとも１つの空気支持された電気モータは、出力側に少なくとも１つの結合手段を備え得る。この場合、駆動回路の制御部が当該結合を活性化するための対応する手段を有し、その結果緊急の場合に、すなわち電源電圧又は中間回路電圧の障害の際に、モータを無負荷に切り換えることは好都合である。したがって、理想的なモータ動作条件が、電源供給中断に際して可能な限り長く、蓄積手段からモータへの給電を保証し得るように生成される。

少なくとも１つの電気蓄積手段は、低電圧蓄積部あるいは高電圧蓄積部であり得る。電気蓄積手段の適切な実施形態は、少なくとも１つの二重層キャパシタ及び／又は少なくとも１つの再充電可能な化学電池、例えばＬｉイオン電池を有する。

好ましい実施形態では、少なくとも１つの蓄積手段の温度を検知するための計測手段が設けられてもよい。理想的には、この場合に、少なくとも１つの蓄積手段の充電電圧は、計測された温度に応じて決定され又は限定され得る。キャパシタセルの寿命は、特に二重層キャパシタの使用についての環境的経過時間及び印加電圧に依存する。温度が高ければ高いほど、また選択された充電電圧が高ければ高いほど、セルの寿命は一層短くなる。セルの寿命を環境温度から切り離すためには、保存温度が計測され、かつ計測された温度を考慮して、少なくとも１つの蓄積手段の充電電圧のレベルが調節される。

理想的には、セル電圧は、温度が１０℃上がるごとに約０．１Ｖだけ引き下げられる。このようにすれば、セル寿命についての温度の影響は、かなり補償される。しかしながら、本発明は、これらの例示した値に限定されるべきではない。

蓄積手段として低電圧蓄積部が使用される場合、それは双方向のＤＣ／ＤＣコンバータを介して電源電圧又は中間回路電圧に接続され得る。ＤＣ／ＤＣコンバータは、中間回路電圧又は電源電圧による当該蓄積部の充電処理のために降圧動作を実行する。電源電圧の障害の際、ＤＣ／ＤＣコンバータは、昇圧動作に切り換えられ得る。そのとき、空気軸受モータは、低電圧蓄積部から給電され得る。この実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータは、低電圧蓄積部と高電圧蓄積部との間でガルバニック分離されなければならない。

より単純な実施形態では、少なくとも１つの蓄積手段が高電圧蓄積部として設計される。この場合、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータのガルバニック分離は中間回路と蓄積手段との間で不要である。これにより、システム全体の複雑性に関し、実質的な単純化がもたらされる。

本発明の更に有利な実施形態では、少なくとも１つの蓄積手段が高電圧蓄積部であり、かつ単方向のＤＣ／ＤＣコンバータを介して電源電圧又は中間回路電圧に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータは、電源電圧又は中間回路で少なくとも１つの蓄積手段を充電するように働く。好ましくは、ＤＣ／ＤＣコンバータは、この点で降圧動作を実行する。

更に、電気蓄積部は、ダイオードを介して空気軸受モータに接続され得る。電源電圧又は中間回路電圧の障害の際に、モータは、少なくとも１つの蓄積手段からダイオードを介して、自動的に電気エネルギの供給を受ける。

ＤＣ／ＤＣコンバータの利用を不要にする代替策もある。この場合、単方向のＤＣ／ＤＣコンバータに代えて抵抗要素が用いられ、この抵抗要素を介して、少なくとも１つの蓄積部が電源電圧又は中間回路電圧に接続される。中間回路からの充電電流は、抵抗要素を介して制限され得る。抵抗値を予め固定的に定義してもよく、あるいは調整可能な抵抗値を持つ可変抵抗要素を使用してもよい。

蓄積手段の充電は、抵抗要素を介して行われる。ここで、電気モータは、電源電圧又は中間回路電圧の障害の際に、ダイオードを介して蓄積部から給電される。好都合には、抵抗要素は、必要に応じて、好ましくは蓄積手段の蓄積電圧が所定の電圧レベルに達した時に充電処理が停止できるように、接続された抵抗要素として設計される。

備えられた制御部は、ＤＣ／ＤＣコンバータの制御又は抵抗要素の制御を実行する。当該制御部は、任意的に、双方向コンバータの昇圧動作と降圧動作との間での切り換えを引き継ぐ。

少なくとも１つの蓄積手段が前記制御部によりモニタ可能であり、かつその蓄積電圧が検知されることは、更に好都合である。当該制御部は、蓄積電圧に応じて充電処理を制御し又は中断させるために、ＤＣ／ＤＣコンバータ又は切り換え可能な抵抗要素を、計測された蓄積電圧に応じて作動させ得る。

電気モータの上流に接続されたインバータを介して、モータ速度を制御し又は調整する制御は、更に適切である。結果として、当該制御又は調整は、モータ速度を検知するための対応するセンサシステムにつながる。

本発明の更に有利な実施形態によれば、同様に、インバータが、電源電圧／中間回路電圧の中断の際に、少なくとも１つの蓄積手段により、少なくとも短時間だけエネルギを供給され得る。例えば、インバータは、駆動回路又はセンサシステムを動作させるために電気エネルギを必要とする。電源電圧／中間回路電圧の中断中に、少なくとも１つの蓄積手段からインバータに必要な電源電圧を供給し、以て駆動回路の自律性を保証するために、低消費電力のＤＣ／ＤＣコンバータが少なくとも１つの蓄積手段に対して並列に接続された駆動回路の実施形態が好ましい。

駆動回路に加えて、本発明は、圧縮機を駆動する空気支持モータと、本発明又は有利な実施形態に係る駆動回路とを備えた空調システムに関する。したがって、空調システムは、
本発明に係る駆動回路と同じ特徴及び効果を有する。したがって、説明の繰り返しを省略する。

好ましくは、電気モータは結合手段を介して圧縮機に結合され、かつ電源電圧の中断の際に当該結合手段が電気モータを無負荷に切り換える。

当該空調システムは、特に、電源電圧が好ましくは架空線により供給される鉄道車両において利用される。

本発明の他の特徴及び効果については、図面に示された複数の実施形態を参照して、以下説明する。

本発明の第１実施形態に係る、空気支持モータを制御するための駆動回路の回路図である。 本発明の第２実施形態に係る駆動回路である。 本発明の第３実施形態に係る駆動回路である。 本発明の第４実施形態に係る駆動回路である。 図４の実施形態についての、インバータへの給電に関する変形に係る駆動回路である。

図１〜図５の５つの回路図は全て、電気モータ２０へのエネルギ供給のための中間回路１０を有する駆動回路を示している。モータ２０は、モータ軸の空気力学的支持を有する電気モータであって、空調圧縮機の駆動を司り、かつ不図示の結合を介して空調圧縮機に結合されている。

電気モータ２０は、ＡＣ電流モータである。したがって、インバータ３０は、中間回路１０のＤＣ電圧Ｕ_ＺＫを、モータに給電するための所要のＡＣ電圧に変換するものであって、モータ２０の上流側に接続されている。加えて、モータ２０の速度を調整するための、生成されたＡＣ電圧の周波数は、調整され得る。インバータ３０の所要の制御は、駆動回路の制御部４０により実行される。モータの回転速度ωは、モータ軸にて計測され、かつ制御部４０へ伝送される調整値として働く。その後、制御部４０は、所要の速度に応じて、インバータ３０の所要の周波数を設定する。

圧縮機を駆動するための空気支持モータ２０を有する図示の回路設計は、鉄道車両のための空調システムに多用される。空調システムは、他の電力消費システムと同様に、架空線から鉄道車両の中に給電される。ゆえに、電圧供給は、遷移点にて短時間の中断があり得るだけでなく、喪失も生じ得る。モータ２０が空気力学的支持を有するので、空気軸受の効果は、モータ２０の速度に依存している。もし速度が臨界値を下回ると、軸受の対位点間に接触が生じ、空気軸受の内部に意図しない摩擦現象が生じる結果、実質的に寿命が短くなる。

この理由のゆえに、本発明によれば、空気支持モータ２０の妨害のない動作のために、中間回路電圧Ｕ_ＺＫの電圧障害の間、必要なエネルギが供給され得るように、電気蓄積部５０，５１が中間ＤＣ電圧回路１０の中に組み込まれる。蓄積手段５０，５１の電気エネルギは、空気軸受内の空気圧をちょうど維持できるように、モータ２０の最小速度を保証する。

通常状態の間、空気支持モータが電圧供給システムにより給電され、かつ蓄積部５０，５１が同時に中間回路電圧Ｕ_ＺＫまで充電される。もし中間回路電圧Ｕ_ＺＫが、例えば架空線の遷移点にて短時間中断すると、制御部４０は、電圧障害を認識し、かつモータ２０へのエネルギ供給を蓄積部５０，５１に切り換える。同時に、空気軸受モータ２０は、負荷から切り離される。これは、モータ２０と圧縮機との間の、不図示の出力側結合により実行される。ここで、蓄積手段からモータ２０への最大供給経過時間を保証し、したがって可能な限り長く最小速度を維持することを保証するように、空気軸受モータ２０の理想的な動作条件が提供される。

電気蓄積部５０，５１は、複数の二重層キャパシタを有し、あるいはＬｉイオン電池のような再充電可能な電池を有する。

実施形態の種々の変形が、中間回路への蓄積部５０，５１の組み込みにとって適切である。以下、図１〜図４を参照して、これをより詳細に説明する。しかしながら、蓄積部５０，５１の設計に関する一般的な定義が予め与えられるべきであろう。中断時間Ｔ中のモータ２０の最小エネルギ消費は、次式のＥに等しいと仮定される。ここに、Ｐは、空気支持モータが、安全な速度で安全な動作状態を維持できる最小必要電力を表す。

必要な蓄積部の容量Ｃは、次のように計算される。

よって、次式が導かれる。ここに、Ｕ_ＳＰは蓄積部の電圧であり、Ｕ_ｍｉｎは安全なモータ動作のための最小必要中間回路電圧である。

さて、図１は、緊急動作が可能であり、かつ蓄積手段が低電圧蓄積部５１として設計された、駆動システムのブロック図を示している。中間回路１０への蓄積手段５１の組み込みは、中間回路電圧Ｕ_ＺＫと低電圧蓄積部５１との間のガルバニック分離を更に供給する、双方向のＤＣ／ＤＣコンバータ６０を介して行われる。

もし電圧供給システムが通常状態にあるならば、このことが制御部４０により認識され、かつモータがインバータ３０を介して電圧供給、すなわち中間回路電圧Ｕ_ＺＫを受けて給電される。同時に、低電圧蓄積部５１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０により充電される。ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、この目的のために降圧コンバータとして機能し、より高電圧の形態を持つ中間回路電圧Ｕ_ＺＫを、低電圧蓄積部５１のためのより低いＤＣ電圧に変換する。

電圧供給又は中間回路電圧Ｕ_ＺＫの障害の際には、制御部４０が、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を昇圧モードに切り換える。ここでは、蓄積部５１の低い電圧が昇圧され、最小速度を維持するための電気エネルギを以て、インバータ３０を介してモータ２０に給電される。この場合、必要な中間回路電圧は、蓄積部５１により供給される。

図２は、図１に対して変形した実施形態を示している。ここでは、低電圧蓄積部５１に代えて高電圧蓄積部５０が使用されている。高電圧蓄積部５０の使用により、特に蓄積部５０を中間回路１０に組み込むことにより、切り換え設計が単純化される。低い電位差のゆえに、双方向のＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、中間回路電圧Ｕ_ＺＫと高電圧蓄積部５０の電圧レベルとの間のガルバニック分離を保証する必要がない。

図３の実施形態では、図２と同様に、高電圧蓄積部５０が蓄積手段として使用される。この場合のＤＣ／ＤＣコンバータ６２は、単方向のみで、降圧モードで動作する。中間回路電圧Ｕ_ＺＫは、高電圧蓄積部５０に必要な電圧に設定される。したがって、図示の実施形態では、蓄積部５０が中間回路電圧Ｕ_ＺＫにより、通常動作の間に、所定の電圧レベルに達するまで充電される。一旦この電圧レベルに達すると、制御部４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６２をスイッチオフさせる。

中間回路電圧Ｕ_ＺＫの障害の際には、充電処理が停止し、空気軸受モータ２０が、蓄積部５０により、フローの方向にて中間回路１０に接続されたダイオード７０を介して、自動的に給電される。

図４の実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータが全く使用されない。ＤＣ／ＤＣコンバータに代えて、高電圧蓄積部５０は、通常動作にて、抵抗８０を介して中間回路電圧Ｕ_ＺＫにより充電される。高電圧蓄積部５０が所定の蓄積電圧に達した際に充電処理を中断することができるように、抵抗８０の上流側にスイッチ９０が接続される。制御部４０は、蓄積電圧Ｕ_ＳＰをモニタし、必要な場合に所望の電圧に達するや否やスイッチ９０を開く。このとき、充電処理は中断する。

中間回路電圧Ｕ_ＺＫの障害の際には、高電圧蓄積部５０が、フローの方向にて中間回路１０に接続されたダイオード７０を介して、自動的にモータ２０に電気エネルギを供給する。

抵抗８０は、特に蓄積部が完全に放電されている場合の、充電段階における充電電流を制限する。抵抗８０の抵抗値Ｒは、次のように計算される。ここに、Ｕ_ＺＫは中間回路電圧であり、Ｉ_{ＳＰ＿Ｍａｘ}は蓄積部５０の最大許容充電電流である。

図５による実施形態は、図４による実施形態に実質的に対応する。加えて、低消費電力のＤＣ／ＤＣコンバータ９５が、高電圧蓄積部５０に対して並列に接続されている。これは、インバータ３０に必要とされる電源電圧を供給して、中間回路電圧の中断中に内部駆動回路及びセンサシステムを動作させるためであり、また駆動回路の自律的動作を保証するためである。

Claims (17)

1. モータ軸の空気力学的支持を有する電気モータの駆動回路であって、
   前記駆動回路は、電気エネルギを蓄えるための少なくとも１つの蓄積手段を備え、電源電圧又は中間回路電圧の障害の際に、少なくとも時々は空気支持に必要な前記モータ軸の最小速度を得るために、前記蓄積手段によって前記電気モータが電気エネルギの供給を受けることができることを特徴とする駆動回路。
2. 前記少なくとも１つの蓄積手段は、前記電源電圧又は中間回路電圧により充電可能であることを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。
3. 前記少なくとも１つの蓄積手段の温度を計測するための手段が設けられ、前記少なくとも１つの蓄積手段の充電電圧は、前記計測された温度に応じて選択され得ることを特徴とする請求項２に記載の駆動回路。
4. 電圧障害を認識して、前記少なくとも１つの蓄積手段による前記電気モータへの緊急電源供給に切り換える制御部を備えたことを特徴とする、先行する請求項のうちの１項に記載の駆動回路。
5. 前記電源電圧／中間回路電圧が最小電圧を下回ったことを認識して、常に前記最小電圧を上回る前記中間回路電圧を維持するように前記少なくとも１つの蓄積手段を接続する制御部を備えたことを特徴とする、先行する請求項のうちの１項に記載の駆動回路。
6. 前記制御部は、前記モータを無負荷に切り換えるために、電源障害の際に出力側での前記電気モータの接続を作動させることを特徴とする、先行する請求項のうちの１項に記載の駆動回路。
7. 前記少なくとも１つの電気蓄積手段は、低電圧蓄積部又は高電圧蓄積部を有することを特徴とする、先行する請求項のうちの１項に記載の駆動回路。
8. 前記少なくとも１つの電気蓄積手段は、少なくとも１つの二重層キャパシタ及び／又は少なくとも１つの再充電可能な化学電池、特にＬｉイオン電池を有することを特徴とする、先行する請求項のうちの１項に記載の駆動回路。
9. 前記少なくとも１つの蓄積手段は、低電圧蓄積部を有し、かつ双方向のガルバニック分離されたＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記電源電圧又は前記中間回路電圧に接続されていることを特徴とする、先行する請求項のうちの１項に記載の駆動回路。
10. 前記少なくとも１つの蓄積手段は、高電圧蓄積部を有し、かつガルバニック分離されない双方向のＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記電源電圧又は前記中間回路電圧に接続されていることを特徴とする、先行する請求項のうちの１項に記載の駆動回路。
11. 前記少なくとも１つの蓄積手段は、高電圧蓄積部を有し、かつ前記蓄積手段を充電するために、単方向のＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記電源電圧又は前記中間回路電圧に接続され、かつ前記蓄積部は前記電源電圧／中間回路電圧の障害の際にダイオードを介して前記電気モータに給電することを特徴とする、先行する請求項のうちの１項に記載の駆動回路。
12. 前記少なくとも１つの蓄積手段は、高電圧蓄積部を有し、かつ前記蓄積手段を充電するために、抵抗要素を介して、特に接続された抵抗要素を介して前記電源電圧又は前記中間回路電圧に接続され、かつ前記蓄積部は前記電源電圧／中間回路電圧の障害の際にダイオードを介して前記電気モータに給電することを特徴とする、先行する請求項のうちの１項に記載の駆動回路。
13. 前記少なくとも１つの蓄積手段の充電状態は、前記制御部によりモニタ可能であり、かつ前記ＤＣ／ＤＣコンバータ又は切り換え可能な前記抵抗要素は、前記充電状態に応じて前記制御部により制御可能であることを特徴とする、先行する請求項のうちの１項に記載の駆動回路。
14. 前記電気モータは、インバータを介して前記電源電圧／中間回路電圧により給電され、かつ前記インバータは、好ましくは前記検出されたモータ速度に応じて前記制御部により制御され又は調整されることが可能であることを特徴とする、先行する請求項のうちの１項に記載の駆動回路。
15. 前記インバータは、前記電源電圧／中間回路電圧の障害の際に前記インバータの緊急電源供給を保証するように、特にＤＣ／ＤＣコンバータを介して、前記少なくとも１つの蓄積手段に接続され又は接続可能であることを特徴とする請求項１４に記載の駆動回路。
16. 圧縮機を駆動するための空気支持電気モータと、先行する請求項のうちの１項に記載の駆動回路とを備えた、特に鉄道車両のための空調システム。
17. 前記電気モータは、少なくとも１つの結合手段を介して前記圧縮機に結合され、かつ前記電源電圧／中間回路電圧の障害の際に出力側で前記圧縮機から遮断され得ることを特徴とする請求項１６に記載の空調システム。

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