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特表2025-501423外部励磁同期電動機に関する設定電流の最適化された指定

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2025-01-21

(54)【発明の名称】外部励磁同期電動機に関する設定電流の最適化された指定

(51)【国際特許分類】

H02P 27/06 20060101AFI20250114BHJP

H02P 21/00 20160101ALI20250114BHJP

【ＦＩ】

H02P27/06

H02P21/00

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024542063

(86)(22)【出願日】2022-12-13

(85)【翻訳文提出日】2024-09-12

(86)【国際出願番号】 EP2022085543

(87)【国際公開番号】W WO2023134940

(87)【国際公開日】2023-07-20

(31)【優先権主張番号】22151805.3

(32)【優先日】2022-01-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】516128728

【氏名又は名称】プライメタルズ・テクノロジーズ・ジャーマニー・ゲーエムベーハー

(74)【代理人】

【識別番号】100154922

【弁理士】

【氏名又は名称】崔允辰

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部達彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広信哉

(72)【発明者】

【氏名】ヨハンネス・ラインハルト

(72)【発明者】

【氏名】クヌート・グライヘン

(72)【発明者】

【氏名】クラウス・レーエ

【テーマコード（参考）】

5H505

【Ｆターム（参考）】

5H505BB02

5H505DD03

5H505DD06

5H505EE30

5H505HA10

5H505HB01

5H505JJ03

5H505JJ26

5H505LL22

5H505LL24

(57)【要約】

設定値決定装置（１０）は、瞬時回転速度（ｎ）と加えられるべき設定トルク（Ｍ^＊）との積を通じて与えられる外部励磁同期電動機（１）の要求電力（Ｐ）が、電力（Ｐ）に関する最大値（Ｐｍａｘ）を超えているかを検査する。設定値決定装置（１０）は、一方の場合において、電流ベクトル（ｉ）に関する第１の最適化問題（Ｏ１）を、他方の場合において、第２の最適化問題（Ｏ２）を設定してリアルタイムで解く。第１の最適化問題（Ｏ１）を解くために、設定値決定装置（１０）は電流ベクトル（ｉ）を決定し、電流ベクトル（ｉ）は、モータ電流（Ｉ）の界磁形成成分（Ｉｄ）及びトルク形成成分（Ｉｑ）と励磁電流（Ｉｅ）とを含み、これによって、設定トルク（Ｍ^＊）が得られ、同期原動機（１）の損失が最小化される。他方の場合では、設定値決定装置（１０）は、結果として生じる実トルク（Ｍ）が最大化されるように電流ベクトル（ｉ）を決定する。すべての場合において、設定値決定装置（１０）は、境界条件を考慮し、当該境界条件によると、モータ電流（Ｉ）の大きさが最大でモータ電流（Ｉ）に関する最大値（Ｉｍａｘ）に到達し、励磁電流（Ｉｅ）の大きさが最大で励磁電流（Ｉｅ）に関する最大値（Ｉｅｍａｘ）に到達し、モータ電圧（Ｕ）の大きさが最大でモータ電圧（Ｕ）に関する最大値（Ｕｍａｘ）に到達する。設定値決定装置（１０）は、決定された電流ベクトル（ｉ）を、設定値として電流制御装置（９）に指定し、電流制御装置（９）はコンバータ装置（８）を対応して作動させる。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

励磁巻線（６）及びモータ巻線（３）を有する外部励磁同期電動機（１）の運転方法であって、
－設定値決定装置（１０）は、同期電動機（１）の瞬時回転速度（ｎ）及び前記同期電動機（１）によって加えられるべき設定トルク（Ｍ^＊）を受信し、
－前記励磁巻線（６）に供給される励磁電流（Ｉｅ）に関する最大値（Ｉｅｍａｘ）、前記モータ巻線（３）に供給されるモータ電流（Ｉ）に関する最大値（Ｉｍａｘ）、前記モータ電流（Ｉ）を駆動するモータ電圧（Ｕ）に関する最大値（Ｕｍａｘ）、及び前記同期電動機（１）の電力（Ｐ）が前記設定値決定装置（１０）に知られており、
－さらに、前記励磁巻線（６）及び前記モータ巻線（３）の抵抗値（Ｒｅ、Ｒ）が前記設定値決定装置（１０）に知られており、
－前記設定値決定装置（１０）は、瞬時回転速度（ｎ）と加えられるべき設定トルク（Ｍ^＊）との積を通じて与えられる前記同期電動機（１）の要求電力（Ｐ）が、電力（Ｐ）に関する最大値（Ｐｍａｘ）を超えているか否かを検査し、
－前記設定値決定装置（１０）は、前記要求電力（Ｐ）が前記電力（Ｐ）に関する最大値（Ｐｍａｘ）を超えない場合、電流ベクトル（ｉ）に関する第１の最適化問題（Ｏ１）を設定してリアルタイムで解き、及び／又は、前記要求電力（Ｐ）が前記電力（Ｐ）に関する最大値（Ｐｍａｘ）を超える場合、電流ベクトル（ｉ）に関する第２の最適化問題（Ｏ２）を設定してリアルタイムで解き、
－前記電流ベクトル（ｉ）は、前記モータ電流（Ｉ）の界磁形成成分（Ｉｄ）、前記モータ電流（Ｉ）のトルク形成成分（Ｉｑ）、及び前記励磁電流（Ｉｅ）に関してそれぞれ１つの成分を有し、
－前記設定値決定装置（１０）は、前記第１の最適化問題（Ｏ１）を解く範囲内で、前記励磁巻線（６）及び前記モータ巻線（３）で生じる損失（Ｖ）が最小化されるように前記電流ベクトル（ｉ）を決定し、
－前記設定値決定装置（１０）は、前記第１の最適化問題（Ｏ１）の範囲内で、補足的な条件として、前記励磁電流（Ｉｅ）及び前記モータ電流（Ｉ）に基づいて生じる前記同期電動機（１）の実トルク（Ｍ）が前記設定トルク（Ｍ^＊）に一致することを考慮し、
－前記設定値決定装置（１０）は、前記第１の最適化問題（Ｏ）の範囲内で、さらに第１の一般境界条件を考慮し、前記第１の一般境界条件によると、
‐‐前記モータ電流（Ｉ）の大きさが最大で前記モータ電流（Ｉ）に関する最大値（Ｉｍａｘ）に到達し、
‐‐前記励磁電流（Ｉｅ）の大きさが最大で前記励磁電流（Ｉｅ）に関する最大値（Ｉｅｍａｘ）に到達し、
‐‐前記モータ電圧（Ｕ）の大きさが最大で前記モータ電圧（Ｕ）に関する最大値（Ｕｍａｘ）に到達し、
－前記設定値決定装置（１０）は、前記第２の最適化問題（Ｏ２）を解く範囲内で、結果として生じる前記同期電動機（１）の実トルク（Ｍ）が最大化されるように前記電流ベクトル（ｉ）を決定し、
－前記設定値決定装置（１０）は、前記第２の最適化問題（Ｏ２）の範囲内で補足的な条件として、前記モータ電圧（Ｕ）の大きさが前記モータ電圧（Ｕ）に関する最大値（Ｕｍａｘ）に等しいことを考慮し、
－前記設定値決定装置（１０）は、前記第２の最適化問題（Ｏ２）の範囲内で、さらに第２の一般境界条件を考慮し、第２の一般境界条件によると、
‐‐前記モータ電流（Ｉ）の大きさが最大で前記モータ電流（Ｉ）に関する最大値（Ｉｍａｘ）に到達し、
‐‐前記励磁電流（Ｉｅ）の大きさが最大で前記励磁電流（Ｉｅ）に関する最大値（Ｉｅｍａｘ）に到達し、
－前記設定値決定装置（１０）は、前記第１の最適化問題（Ｏ１）又は前記第２の最適化問題（Ｏ２）を解くことによって決定された前記電流ベクトル（ｉ）の成分を、コンバータ装置（８）に関する電流制御装置（９）に設定値として指定し、これによって、前記電流制御装置（９）が前記コンバータ装置（８）を作動させ、前記コンバータ装置（８）は前記励磁巻線（６）に前記励磁電流（Ｉｅ）を供給し、前記モータ巻線（３）に前記モータ電流（Ｉ）を供給する、運転方法。

【請求項2】

前記設定値決定装置（１０）が、前記第１の最適化問題（Ｏ１）を解く範囲内で、
－まず、前記第１の一般境界条件を考慮せずに前記電流ベクトル（ｉ）を暫定的に決定し、
－次に、暫定的に決定された前記電流ベクトル（ｉ）が前記第１の一般境界条件を満たすか否かを検査し、
－暫定的に決定された前記電流ベクトル（ｉ）が前記第１の一般境界条件を満たす場合には、暫定的に決定された前記電流ベクトル（ｉ）を電流ベクトル（ｉ）として使用し、それ以外の場合は、以下の第１の特別境界条件のうち少なくとも１つを考慮して前記電流ベクトル（ｉ）を決定し、前記第１の特別境界条件によると、
‐‐前記モータ電流（Ｉ）の大きさは前記モータ電流（Ｉ）に関する最大値（Ｉｍａｘ）に等しく、
‐‐前記励磁電流（Ｉｅ）の大きさは前記励磁電流（Ｉｅ）に関する最大値（Ｉｅｍａｘ）に等しく、
‐‐前記モータ電圧（Ｕ）の大きさは前記モータ電圧（Ｕ）に関する最大値（Ｕｍａｘ）に等しく、
－前記第１の一般境界条件のいずれが満たされていないかに応じて、前記第１の特別境界条件のいずれを考慮するかを決定することを特徴とする、請求項１に記載の運転方法。

【請求項3】

前記設定値決定装置（１０）が、暫定的に決定された前記電流ベクトル（ｉ）が前記第１の一般境界条件を満たすか否かを検査する範囲内で、
－まず、前記モータ電流（Ｉ）の大きさが最大で前記モータ電流（Ｉ）に関する最大値（Ｉｍａｘ）に達し、前記励磁電流（Ｉｅ）の大きさが最大で前記励磁電流（Ｉｅ）に関する最大値（Ｉｅｍａｘ）に達するか否かを検査し、
－その後で初めて、前記モータ電圧（Ｕ）の大きさが最大で前記モータ電圧（Ｕ）に関する最大値（Ｕｍａｘ）に達するか否かを検査することを特徴とする、請求項２に記載の運転方法。

【請求項4】

前記設定値決定装置（１０）が、第２の最適化問題（Ｏ２）を解く範囲内で、
－まず、第２の一般境界条件を考慮せずに前記電流ベクトル（ｉ）を暫定的に決定し、
－次に、暫定的に決定された前記電流ベクトル（ｉ）が前記第２の一般境界条件を満たすか否かを検査し、
－暫定的に決定された前記電流ベクトル（ｉ）が前記第２の一般境界条件を満たす場合には、暫定的に決定された前記電流ベクトル（ｉ）を電流ベクトル（ｉ）として使用し、それ以外の場合は、以下の第２の特別境界条件のうち少なくとも１つを考慮して前記電流ベクトル（ｉ）を決定し、前記第２の特別境界条件によると、
‐‐前記モータ電流（Ｉ）の大きさは前記モータ電流（Ｉ）に関する最大値（Ｉｍａｘ）に等しく、
‐‐前記励磁電流（Ｉｅ）の大きさは前記励磁電流（Ｉｅ）に関する最大値（Ｉｅｍａｘ）に等しく、
－前記第２の一般境界条件のいずれが満たされていないかに応じて、前記第２の特別境界条件のいずれを考慮するかを決定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運転方法。

【請求項5】

前記設定値決定装置（１０）が、暫定的に決定された前記電流ベクトル（ｉ）が第２の一般境界条件を満たすか否かを検査する範囲内で、
－まず、前記モータ電流（Ｉ）の大きさが最大で前記モータ電流（Ｉ）に関する最大値（Ｉｍａｘ）に達するか否かを検査し、
－その後で初めて、前記励磁電流（Ｉｅ）の大きさが最大で前記励磁電流（Ｉｅ）に関する最大値に達するか否かを検査することを特徴とする、請求項４に記載の運転方法。

【請求項6】

前記設定値決定装置（１０）が、損失（Ｖ）として、銅損（ＶＫ）のみを考慮することを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の運転方法。

【請求項7】

設定値決定装置（１０）に関するコンピュータプログラムであって、コンピュータプログラムは、前記設定値決定装置（１０）によって処理可能なマシンコード（１２）を含み、前記設定値決定装置（１０）による前記マシンコード（１２）の処理は、前記設定値決定装置（１０）に請求項１から６のいずれか一項に記載の運転方法を実行させる、コンピュータプログラム。

【請求項8】

外部励磁同期電動機（１）の励磁電流（Ｉｅ）及びモータ電流（Ｉ）に関する設定値を決定するための設定値決定装置（１０）であって、設定値決定装置（１０）が動作中に請求項１から６のいずれか一項に記載の運転方法を実行するような請求項７に記載のコンピュータプログラム（１１）でプログラムされている、設定値決定装置（１０）。

【請求項9】

駆動部であって、
－駆動部は、励磁巻線（６）及びモータ巻線（３）を備えた外部励磁同期電動機（１）を有し、
－駆動部は、コンバータ装置（８）を有し、前記コンバータ装置（８）は、励磁電流（Ｉｅ）を供給するために前記励磁巻線（６）に接続され、モータ電流（Ｉ）を供給するために前記モータ巻線（３）に接続されており、
－駆動部は、電流制御装置（９）を有し、前記電流制御装置（９）は前記コンバータ装置（８）を作動させ、
－駆動部は、請求項８に記載の設定値決定装置（１０）を有し、
－前記設定値決定装置（１０）は、同期電動機（１）の瞬時回転速度（ｎ）と前記同期電動機（１）によって加えられるべき設定トルク（Ｍ^＊）とを受信するための入力部を有し、
－前記設定値決定装置（１０）は、前記モータ電流（Ｉ）の界磁形成成分（Ｉｄ）の値及び前記モータ電流（Ｉ）のトルク形成成分（Ｉｑ）の値及び励磁電流（Ｉｅ）の値を指定するために、前記電流制御装置（９）に接続されている、駆動部。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、励磁巻線とモータ巻線とを有する外部励磁同期電動機の運転方法に基づいており、
－設定値決定装置は、同期電動機の瞬時回転速度と、同期電動機によって加えられるべき設定トルクとを受信し、
－設定値決定装置は、励磁巻線に供給されるべき励磁電流とモータ巻線に供給されるべきモータ電流とに関するそれぞれの設定値を決定し、
－設定値決定装置は、決定された設定値を設定値として、コンバータ装置に関する電流制御装置に指定し、これによって、電流制御装置がコンバータ装置を作動させ、コンバータ装置は励磁巻線に励磁電流を供給し、モータ巻線にモータ電流を供給する。

【背景技術】

【0002】

本発明はさらに、設定値決定装置に関するコンピュータプログラムに基づいており、コンピュータプログラムは、設定値決定装置によって処理可能なマシンコードを含み、設定値決定装置によるマシンコードの処理は、設定値決定装置に当該運転方法を実行させる。

【0003】

本発明はさらに、外部励磁同期電動機の励磁電流及びモータ電流に関する設定値を決定するための設定値決定装置に基づいており、設定値決定装置は、設定値決定装置が動作中に当該運転方法を実行するようなコンピュータプログラムでプログラムされている。

【0004】

本発明はさらに、駆動部に基づいており、
－駆動部は、励磁巻線及びモータ巻線を備えた外部励磁同期電動機を有し、
－駆動部は、コンバータ装置を有し、コンバータ装置は、励磁電流を供給するために励磁巻線に接続され、モータ電流を供給するためにモータ巻線に接続されており、
－駆動部は、電流制御装置を有し、電流制御装置はコンバータ装置を作動させ、
－駆動部は、このような設定値決定装置を有し、
－設定値決定装置は、同期電動機の瞬時回転速度と同期電動機によって加えられるべき設定トルクとを受信するための入力部を有し、
－設定値決定装置は、モータ電流の界磁形成成分の値及びモータ電流のトルク形成成分の値及び励磁電流の値を指定するために、電流制御装置に接続されている。

【0005】

近年、外部励磁同期電動機（ＥＥＳＭ）の使用が急増している。これは、動作範囲全体にわたる高い効率と、始動時の高いトルクとによるものである。特に、永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ）に対するさらなる利点は、入手可能性の低い材料、特にレアアースが不要であることにある。さらに、励磁電流によって調整可能であるロータの磁束は、エネルギー効率が高く柔軟な方法で所望のトルクを得ることを可能にする、付加的な自由度を示している。

【0006】

ＥＥＳＭのトルクの制御は一般に、界磁方向の座標で行われる。このためには、モータパラメータ、コンバータデータ、及び瞬時回転速度に依存して、達成すべきトルクの指定から設定電流を計算する必要がある。これらの設定電流に関する条件は、特に、要求されるトルクが可能な限り最良の方法で得られ、さらに、生じる損失が可能な限り少ないことにある。計算は１制御サイクル内に完了しなければならないので、リアルタイム性を有していなければならない。例えばコンバータ装置の使用可能な最大電圧及びモータ内の最大電流などの物理的な制約を順守する必要があり、したがって、計算の際に考慮する必要がある。

【0007】

先行技術では、モータ電流の電流成分、すなわち界磁形成成分及びトルク形成成分と励磁電流とは、部分的に互いから独立して決定される。加えられるべき設定トルクは電流フィルタに供給され、電流フィルタはフィルタリングを用いて、モータ電流のトルク形成電流成分（一般にｑ電流と呼ばれる）の設定値を決定し、当該設定値を電流制御装置に指定する。さらに、モータ電圧の最大値及び現在のモータ電圧が、弱め界磁制御装置に供給される。当該弱め界磁制御装置は一方で、励磁電流の設定値を決定し、当該設定値を電流制御装置に指定する。さらに、弱め界磁制御装置は、モータ電流の界磁形成成分（一般にｄ電流と呼ばれる）に関する暫定的な設定値を決定する。同期電動機の瞬時回転速度を基に、特性曲線を利用して、モータ電流の界磁形成成分に対する設定値の補正値が決定される。モータ電流の界磁成分に対する最終的な設定値は、当該補正値をモータ電流の界磁形成成分に関する暫定的な設定値に加算することによって決定される。モータ電流の界磁形成成分に関する最終的な設定値は、再び電流制御装置に指定される。

【0008】

ＥＥＳＭに対する他のアプローチも、この問題を解決することに取り組んでいる。しかしながら、つねに部分問題が解決されるに過ぎない。さらに、これらの解決策はリアルタイム性を有していない。他の先行技術の方法は、基本回転速度範囲（弱め界磁なしで作業可能な範囲）のみを考慮し、弱め界磁範囲では、すなわち高い回転速度では、弱め界磁制御装置に関する特性曲線を使用する。したがって、これらの方法では、予め記録しておかねばならない特性曲線が必要となる。加えて、モータ電流と励磁電流とは、互いから独立して考慮されるので、得られる解は準最適である。

【0009】

瞬時回転速度及び要求されるトルクに依存して最適な動作点を見つけるために、オフラインで最適化された電流に関するルックアップテーブルを使用することも、先行技術では同様に知られている。しかしながら、この解決策には、極めて大量の測定データと、ある程度の準備とが必要である。このようにして作成されたモータ電流及び励磁電流に関するルックアップテーブルは、実行時の柔軟性に欠け、機械のパラメータが変更された場合には完全に適合させる必要がある。さらに、ルックアップテーブルを高精度に、モータパラメータに依存して用いる場合、ルックアップテーブルは非常に多くのメモリを必要とする。

【0010】

特許文献１からは、励磁巻線及びモータ巻線を有する外部励磁同期電動機の運転方法が知られている。当該運転方法では、設定値決定装置が、同期電動機の瞬時回転速度と同期電動機によって加えられるべき設定トルクとを受信する。励磁巻線に供給される励磁電流に関する最大値、モータ電流を駆動するモータ電圧に関する最大値、同期電動機の電力、励磁巻線及びモータ巻線の抵抗値が、設定値決定装置に知られている。設定値決定装置は、電流ベクトルに関する最適化問題を設定し、リアルタイムで当該問題を解く。電流ベクトルは、モータ電流の界磁形成成分、モータ電流のトルク形成成分、及び励磁電流に関してそれぞれ１つの成分を有する。設定値決定装置は、最適化問題を解く範囲内で、励磁巻線及びモータ巻線で生じる損失が最小化されるように、電流ベクトルを決定する。設定値決定装置は、励磁電流及びモータ電流に基づいて生じる同期電動機の実トルクが設定トルクに一致するように電流ベクトルを決定する。設定値決定装置は補足的な条件として、励磁電流の大きさが最大で励磁電流に関する最大値に達し、モータ電圧の大きさが最大でモータ電圧に関する最大値に達することを考慮する。設定値決定装置は、コンバータ装置のための電流制御装置の決定された電流ベクトルの成分を設定値として指定し、これによって、電流制御装置はコンバータ装置を作動させ、コンバータ装置は励磁巻線に励磁電流を供給し、モータ巻線にモータ電流を供給する。

【0011】

先行技術の手順では、すべての動作状態においては外部励磁同期電動機の最適な運転につながらない。特に、弱め界磁と、これに対応するモータ電流の界磁形成成分に関する設定値に対する補正値の決定は、一般に、外部励磁同期電動機の回転速度が限界回転速度を超えている場合にのみ行われる。

【0012】

ＰＭＳＭに関しては、最適な運転モードを決定することができる手順が存在する。しかしながら、ＥＥＳＭにおける問題の複雑さと解決可能性は、ＰＭＳＭにおけるよりも著しく大きい。これは、最適解を求めるための決定論理にも当てはまる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0013】

【特許文献1】独国特許出願公開第１０２０１４２２３０１４号明細書

【非特許文献】

【0014】

【非特許文献1】O. Haala, B. Wagner, M. Hofmann and M. Marz, “Optimal current control of externally excited synchronous machines in automotive traction drive applica-tions”, International Journal of Electrical and Computer Engineering、volume 7 (2013), pp.1133-1139.

【非特許文献2】D. Schroder, “Elektrische Antriebe: Regelung von Antriebssystemen”, Springer-Verlag, 2009.

【非特許文献3】H. Eldeeb, C. M. Hackl, J. Kullick, and L. Horlbeck, “Analytical solutions for the optimal reference currents for MTPC/MTPA, MTPV and MTPF control of anisotropic synchronous machines”, Proc. 2017 IEEE International Electric Machines and Drives Conference (IEMDC), 2017, pp.1-6.

【非特許文献4】T. Englert and K. Graichen, “Optimal setpoint computation for constrained torque control of PMSMs”, Proc. 2018 European Control Conference (ECC), 2018, pp.2671-2677.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0015】

本発明の課題は、外部励磁同期電動機を最適な方法で運転できる可能性を創出することにある。特に、同期電動機の損失を最小化すべきである。解決策は、リアルタイムで実行可能でなければならない。

【課題を解決するための手段】

【0016】

本課題は、請求項１の特徴を有する運転方法によって解決される。運転方法の有利な実施形態は、従属請求項２～６の対象である。

【0017】

本発明によると、外部励磁同期電動機の運転方法が創出され、当該運転方法では、
－設定値決定装置は、同期電動機の瞬時回転速度及び同期電動機によって加えられるべき設定トルクを受信し、
－励磁巻線に供給される励磁電流に関する最大値、モータ巻線に供給されるモータ電流に関する最大値、モータ電流を駆動するモータ電圧に関する最大値、及び同期電動機の電力が設定値決定装置に知られており、
－さらに、励磁巻線及びモータ巻線の抵抗値が設定値決定装置に知られており、
－設定値決定装置は、瞬時回転速度と加えられるべき設定トルクとの積を通じて与えられる同期電動機の要求電力が、電力に関する最大値を超えているか否かを検査し、
－設定値決定装置は、要求電力が電力に関する最大値を超えない場合、電流ベクトルに関する第１の最適化問題を設定し、第１の最適化問題をリアルタイムで解き、及び／又は、要求電力が電力に関する最大値を超える場合、電流ベクトルに関する第２の最適化問題を設定し、第２の最適化問題をリアルタイムで解き、
－電流ベクトルは、モータ電流の界磁形成成分、モータ電流のトルク形成成分、及び励磁電流に関してそれぞれ１つの成分を有し、
－設定値決定装置は、第１の最適化問題を解く範囲内で、励磁巻線及びモータ巻線で生じる損失が最小化されるように電流ベクトルを決定し、
－設定値決定装置は、第１の最適化問題の範囲内で、補足的な条件として、励磁電流及びモータ電流に基づいて生じる同期電動機の実トルクが設定トルクに一致することを考慮し、
－設定値決定装置は、第１の最適化問題の範囲内で、さらに第１の一般境界条件を考慮し、第１の一般境界条件によると、
‐‐モータ電流の大きさが最大でモータ電流に関する最大値に到達し、
‐‐励磁電流の大きさが最大で励磁電流に関する最大値に到達し、
‐‐モータ電圧の大きさが最大でモータ電圧に関する最大値に到達し、
－設定値決定装置は、第２の最適化問題を解く範囲内で、結果として生じる同期電動機の実トルクが最大化されるように電流ベクトルを決定し、
－設定値決定装置は、第２の最適化問題の範囲内で補足的な条件として、モータ電圧の大きさがモータ電圧に関する最大値に等しいことを考慮し、
－設定値決定装置は、第２の最適化問題の範囲内で、さらに第２の一般境界条件を考慮し、第２の一般境界条件によると、
‐‐モータ電流の大きさが最大でモータ電流に関する最大値に到達し、
‐‐励磁電流の大きさが最大で励磁電流に関する最大値に到達し、
－設定値決定装置は、第１の最適化問題又は第２の最適化問題を解くことによって決定された電流ベクトルの成分を、コンバータ装置に関する電流制御装置に設定値として指定し、これによって、電流制御装置がコンバータ装置を作動させ、コンバータ装置は励磁巻線に励磁電流を供給し、モータ巻線にモータ電流を供給する。

【0018】

つまり、関連するすべての電流（界磁形成成分、トルク形成成分、励磁電流）に関して、均一化された解決がなされる。これによって、加えられるべき設定トルクが得られるあらゆる運転状態において、同期電動機を最小限の損失で運転することができる。加えられるべき設定トルクが得られないあらゆる運転状態では、同期電動機のトルクを加えられるべき設定トルクに可能な限り近づけるように同期電動機を運転することができる。

【0019】

したがって、本発明に係る解決策は、適切な最適化問題を解くことによって、モータ電流及び界磁電流を決定することに基づいている。

【0020】

第１の最適化問題は、少なくともリアルタイムで、現在利用可能な大量生産に適したハードウェアでは、その一般性において一括して解くことができない。したがって、第１の最適化問題を効率的に解くためには、好ましくは、第１の最適化問題を解く範囲内で、設定値決定装置が、
－まず、第１の一般境界条件を考慮せずに電流ベクトルを暫定的に決定し、
－次に、暫定的に決定された電流ベクトルが第１の一般境界条件を満たすか否かを検査し、
－暫定的に決定された電流ベクトルが第１の一般境界条件を満たす場合には、暫定的に決定された電流ベクトルを電流ベクトルとして使用し、それ以外の場合は、以下の第１の特別境界条件のうち少なくとも１つを考慮して電流ベクトルを決定し、第１の特別境界条件によると、
‐‐モータ電流の大きさはモータ電流に関する最大値に等しく、
‐‐励磁電流の大きさは励磁電流に関する最大値に等しく、
‐‐モータ電圧の大きさはモータ電圧に関する最大値に等しく、
－第１の一般境界条件のいずれが満たされていないかに応じて、第１の特別境界条件のいずれを考慮するかを決定する、と規定されている。

【0021】

つまり、解析的に解決可能であるか、又は少なくとも数値近似的に解決可能である部分問題への区分が行われる。解析的に解決不可能である場合には、効率的な数値最適化が用いられ、わずか数回の反復で最適動作点に到達する。決定木に基づいて、いずれの部分問題を実際に解決し、その解を使用するかが決定される。この手順によって、特に決定の複雑さが大幅に軽減され、リアルタイム性が保証され得る。

【0022】

好ましくは、設定値決定装置は、暫定的に決定された電流ベクトルが第１の一般境界条件を満たすか否かを検査する範囲内で、
－まず、モータ電流の大きさが最大でモータ電流に関する最大値に達し、励磁電流の大きさが最大で励磁電流に関する最大値に達するか否かを検査し、
－その後で初めて、モータ電圧の大きさが最大でモータ電圧に関する最大値に達するか否かを検査すると規定されている。

【0023】

この手順は、単純で処理が容易な決定木を用いて、正しい解、つまり電流ベクトルを迅速にもたらす。

【0024】

第２の最適化問題を効率的に解くために、好ましくは、設定値決定装置は、第２の最適化問題を解く範囲内で、
－まず、第２の一般境界条件を考慮せずに電流ベクトルを暫定的に決定し、
－次に、暫定的に決定された電流ベクトルが第２の一般境界条件を満たすか否かを検査し、
－暫定的に決定された電流ベクトルが第２の一般境界条件を満たす場合には、暫定的に決定された電流ベクトルを電流ベクトルとして使用し、それ以外の場合は、以下の第２の特別境界条件のうち少なくとも１つを考慮して電流ベクトルを決定し、第２の特別境界条件によると、
‐‐モータ電流の大きさはモータ電流に関する最大値に等しく、
‐‐励磁電流の大きさは励磁電流に関する最大値に等しく、
－第２の一般境界条件のいずれが満たされていないかに応じて、第２の特別境界条件のいずれを考慮するかを決定する、と規定されている。

【0025】

これによって、特に決定の複雑さが大幅に軽減され、リアルタイム性が保証され得る。

【0026】

好ましくは、設定値決定装置は、暫定的に決定された電流ベクトルが第２の一般境界条件を満たすか否かを検査する範囲内で、
－まず、モータ電流の大きさが最大でモータ電流に関する最大値に達するか否かを検査し、
－その後で初めて、励磁電流の大きさが最大で励磁電流に関する最大値に達するか否かを検査する、と規定されている。

【0027】

この手順は、単純で処理が容易な決定木を用いて、正しい解、つまり電流ベクトルを迅速にもたらす。

【0028】

好ましくは、設定値決定装置は、損失として銅損のみを考慮する。銅損への限定は、確かに単純化ではある。しかしながら、銅損が全損失の大部分（少なくとも７０％、しばしば８０％以上）を占めており、さらに同期電動機は通常、鉄損に比べて銅損が特に優勢である基本回転速度範囲で運転されるので、この単純化は正当化される。

【0029】

本課題はさらに、請求項７の特徴を有するコンピュータプログラムによって解決される。本発明によると、設定値決定装置によるコンピュータプログラムの処理によって、設定値決定装置は本発明に係る運転方法を実行する。

【0030】

本課題はさらに、請求項８の特徴を有する設定値決定装置によって解決される。本発明によると、設定値決定装置は、本発明に係るコンピュータプログラムでプログラムされており、これによって、設定値決定装置は、動作中に、本発明に係る運転方法を実行する。

【0031】

本課題はさらに、請求項９の特徴を有する駆動部によって解決される。本発明によると、冒頭に述べた種類の駆動部において、設定値決定装置は、本発明に係る設定値決定装置として構成されている。

【0032】

上述した本発明の特性、特徴及び利点、並びにこれらがどのようにして得られるかについては、図面に関連してより詳細に行われる以下の実施例の説明に関連してより明確になり、より理解しやすくなる。この際、以下が概略的に示されている。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】駆動部を示す図である。

【図2】フローチャートの図である。

【図3】第１の最適化問題を示す図である。

【図4】フローチャートの図である。

【図5】第２の最適化問題を示す図である。

【図6】フローチャートの図である。

【発明を実施するための形態】

【0034】

図１によると、駆動部は、外部励磁同期電動機１を有する。同期電動機１は、内部にモータ巻線３が配置されたステータ２を有する。モータ巻線３には、コンバータ４を介してモータ電流Ｉが供給される。モータ巻線３は一般に三相巻線として形成されている。したがって、モータ電流Ｉは、三相系のａ相、ｂ相、ｃ相を含んでいる。同期電動機１はさらに、共回転する励磁巻線６を備えたロータ５を有している。励磁巻線６には、さらなるコンバータ７を介して、励磁電流Ｉｅが供給される。励磁電流Ｉｅは一般に直流である。コンバータ４及びコンバータ７は共にコンバータ装置８を形成する。コンバータ装置８は、電流制御装置９によって作動する。

【0035】

駆動部はさらに、設定値決定装置１０を有している。設定値決定装置１０は、電流制御装置９に、設定値として、モータ電流Ｉの界磁形成成分Ｉｄ及びトルク形成成分Ｉｑと励磁電流Ｉｅとを指定する。界磁形成成分Ｉｄとトルク形成成分Ｉｑとは共に、モータ電流Ｉの設定値を形成する。２つの成分ＩｄとＩｑとは、局所的に、互いに対して９０°回転している。つまり、モータ電流Ｉは、設定値決定装置１０におけるモータ電流Ｉの内部処理及び電流制御装置９への設定値の指定に関する限り、ベクトル変数であり、（共回転の）ｄｑシステムでは、関係

【0036】

【数1】

【0037】

が適用される。

【0038】

上記の設定値Ｉｄ、Ｉｑ及びＩｅの指定に基づいて、電流制御装置９は、コンバータ７が励磁巻線６に励磁電流Ｉｅを供給し、コンバータ４がモータ巻線３にモータ電流Ｉを供給するように、コンバータ装置８を作動させることができる。共回転のｄｑシステムからａｂｃシステムへの変換は、当業者にはよく知られており、詳細に説明する必要はない。

【0039】

設定値決定装置１０は、本発明の実際の中心的な対象である。設定値決定装置１０は、コンピュータプログラム１１でプログラムされている。コンピュータプログラム１１は、設定値決定装置１０によって処理され得るマシンコード１２を含んでいる。設定値決定装置１０によるマシンコード１２の処理に基づいて、設定値決定装置１０は、以下においてまず図２に関連して、次に他の図を付加的に参照して、さらに詳細に説明する運転方法を実行する。

【0040】

図２によると、設定値決定装置１０には、ステップＳ１において、値Ｉｍａｘ、Ｉｅｍａｘ及びＵｍａｘが知らされる。上記の値Ｉｍａｘ、Ｉｅｍａｘ及びＵｍａｘは、例えば、コンピュータプログラム１１によって決定されていてよいか、又は駆動部の運転開始の際に一回限りで決定され得る。必要に応じて、駆動部の状態、例えば同期モータ１の動作温度の関数として、動的にも決定され得る。

【0041】

値Ｉｍａｘはモータ電流Ｉの大きさに関する最大値である。値Ｉｅｍａｘは励磁電流Ｉｅの大きさに関する最大値である。値Ｕｍａｘは、モータ電流Ｉを駆動するモータ電圧Ｕの大きさに関する最大値である。モータ電圧Ｕに関する最大値Ｕｍａｘは、例えば、コンバータ４の入力側のＤＣリンク電圧など、コンバータ４の供給電圧によって決定され得る。

【0042】

モータ電圧Ｕは、共回転のｄｑシステムにおいて、モータ電流Ｉと同様に、ｄ成分及びｑ成分を有し、これらの成分は、以下において界磁形成電圧成分及びトルク形成電圧成分Ｕｄ及びＵｑと呼ばれる。モータ電流Ｉと同様に、関係

【0043】

【数2】

【0044】

が適用される。

【0045】

設定値決定装置１０にはさらに、ステップＳ２において、モータ巻線３の抵抗値Ｒと励磁巻線６の抵抗値Ｒｅが知らされる。値Ｒ、Ｒｅは、同様に、コンピュータプログラム１１によって決定されていてよいか、又は駆動部の運転開始の際に一回限りで決定され得る。

【0046】

今や与えられている変数に基づいて、モータ電圧Ｕの成分Ｕｄ、Ｕｑと励磁電圧Ｕｅと、及びモータ電流Ｉの成分Ｉｄ、Ｉｑと励磁電流Ｉｅとは、互いに関連付けられ得る。なぜなら、これは、定常運転の場合、

【0047】

【数3】

【0048】

が近似的に適用されるからである、

【0049】

方程式（３）から方程式（５）において、ωは電気角周波数である。Ｌｄ及びＬｑは、ｄ軸及びｑ軸におけるモータ巻線３の自己インダクタンスである。Ｌｍは励磁巻線６の相互インダクタンスである。

【0050】

方程式（５）からはまた、最大励磁電圧Ｕｅが励磁電流Ｉｅと直線関係にあるので、最大励磁電圧Ｕｅを詳細に考慮する必要がないことが間接的に明らかである。したがって、最大値Ｉｅｍａｘは、先に生じた制限（励磁電流Ｉｅ又は励磁電圧Ｕｅ）に対応するように決定されていてよい。

【0051】

方程式（３）から方程式（５）では、モータ電流Ｉ及び励磁電流Ｉｅの経時的変化に基づいて生じる影響は考慮されていない。これは、これらの変化とその結果生じる影響とが小さいので許容される。さらに、方程式（３）から方程式（５）では、抵抗Ｒ、Ｒｅは経時的に一定であると仮定される。しかしながら、場合によっては生じ得る温度依存性又は駆動部の別の状態への依存性は、問題なく考慮され得る。

【0052】

モータ巻線３の自己インダクタンスＬｄ、Ｌｑ及び励磁巻線６の相互インダクタンスＬｍは、モータ電流Ｉの成分Ｉｄ、Ｉｑ及び励磁電流Ｉｅに依存する。必要な場合には、モータ巻線３の自己インダクタンスＬｄ及びＬｑと励磁巻線６の相互インダクタンスＬｍとの具体的な値は、設定値決定装置１０内のルックアップテーブルに格納することができる。

【0053】

設定値決定装置１０にはさらに、同期電動機１の電力Ｐに関する最大値Ｐｍａｘが知らされる。同期電動機１の電力Ｐに関する最大値Ｐｍａｘを設定値決定装置１０に明確に指定することが可能である。代替的に、設定値決定装置１０が、ステップＳ３において、関係

【0054】

【数4】

【0055】

に従って、最大値Ｐｍａｘ自体を決定することも可能である。

【0056】

ステップＳ４において、設定値決定装置１０は、同期電動機１の瞬時（機械）回転速度ｎと、同期原動機１によって加えられるべき設定トルクＭ^＊とを受信する。設定トルクＭ^＊の指定方法は任意のものであり得る。当該方法は、本発明の対象ではない。瞬時回転速度ｎの指定方法も、本発明の対象ではない。例えば、駆動部は、同期原動機１の実際の動作状態に基づいて回転速度ｎを決定する決定ブロック１３を有することができる。代替的に、回転速度ｎの代わりに電気角周波数ωを決定し、電気角周波数ωから回転速度ｎを算出することもできる。電気角周波数ωを決定し、電気角周波数ωから回転速度ｎを算出するための適切な手順は、当業者に広く知られている。さらに、以下では、設定トルクＭ^＊が正の値を有すると仮定する。設定トルクＭ^＊が負の値であれば、符号に影響を与えるのみで、界磁形成成分Ｉｄ、トルク形成成分Ｉｑ、励磁電流Ｉｅの大きさは変化しないであろう。

【0057】

ステップＳ５において、設定値決定装置は、同期電動機１の瞬時要求電力Ｐを決定する。同期電動機１の瞬時要求電力Ｐは、瞬時回転速度ｎと加えられるべき設定トルクＭ^＊との積によって与えられる。

【0058】

ステップＳ６において、設定値決定装置１０は、瞬時要求電力Ｐが最大値Ｐｍａｘを超過するか否かを検査する。要求電力Ｐが最大値Ｐｍａｘを超過しない場合、設定値決定装置１０はステップＳ７に移行する。ステップＳ７において、設定値決定装置１０は、電流ベクトルｉに関して第１の最適化問題Ｏ１を設定し、リアルタイムで解く。これに対して、要求電力Ｐが最大値Ｐｍａｘを超過する場合、設定値決定装置１０はステップＳ８に移行する。ステップＳ８において、設定値決定装置１０は、電流ベクトルｉに関して第２の最適化問題Ｏ２を設定し、リアルタイムで解く。

【0059】

電流ベクトルｉは、３つの成分、すなわち、モータ電流Ｉの界磁形成成分Ｉｄ及びトルク形成成分Ｉｑと励磁電流Ｉｅとを含んでいる。したがって、第１又は第２の最適化問題Ｏ１、Ｏ２の解は、設定値決定装置１０が電流制御装置９に設定値として指定する値である。この指定はステップＳ９で行われる。

【0060】

設定値決定装置１０が第２の最適化問題Ｏ２を解いた場合に、上位装置（図示せず）にメッセージを出力するように、図２の手順を補足することが可能である。これによって、要求された設定トルクＭ^＊が供給され得ないことを上位装置に知らせることができる。

【0061】

第１の最適化問題Ｏ１を解く範囲内で、図３に係る設定値決定装置１０は、生じる損失Ｖが最小化されるように電流ベクトルｉを決定する。本発明の範囲内では、励磁巻線６及びモータ巻線３で生じる銅損ＶＫのみが考慮される。実際には、銅損ＶＫはその他の損失よりも著しく大きいので、その他の損失、特に鉄損は無視することができる。

【0062】

銅損ＶＫは、関係

【0063】

【数5】

【0064】

の形において優れた近似で設定され得る。第１の最適化問題Ｏ１の範囲内で、設定値決定装置１０は、補足的な条件として、同期電動機１の実トルクＭが設定トルクＭ^＊に対応するという第１の最適化問題Ｏ１の基本的前提条件を考慮する。実トルクＭは、励磁電流Ｉｅ及びモータ電流Ｉの成分Ｉｑ、Ｉｄによって決定される。優れた近似で、

【0065】

【数6】

【0066】

が生じる。Ｚは同期電動機１の極対数である。

【0067】

さらに、設定値決定装置１０は、第１の最適化問題Ｏ１の範囲内で、第１の一般境界条件を考慮する。第１の一般境界条件によると、
－モータ電流Ｉの大きさが最大でモータ電流Ｉに関する最大値Ｉｍａｘに到達すること、
－励磁電流Ｉｅの大きさが最大で励磁電流Ｉｅに関する最大値Ｉｅｍａｘに到達すること、
－モータ電圧Ｕの大きさが最大でモータ電圧Ｕに関する最大値Ｕｍａｘに到達すること、が求められる。

【0068】

数学的には、第１の最適化問題Ｏ１は、次のように定式化できる：

【0069】

【数7】

【0070】

以下が考慮される：

【0071】

【数8】

【0072】

実トルクＭは、電流ベクトルｉの成分に複雑に依存し、さらに不等式（１０）～不等式（１２）に係る非線形制約を考慮しなければならないので、第１の最適化問題Ｏ１を解くことは自明な課題ではない。第１の最適化問題Ｏ１を解くための正確な手順は、図４との関連において以下に詳細に説明される。

【0073】

図４は、設定値決定装置１０が第１の最適化問題Ｏ１を解く範囲内で電流ベクトルｉを決定する際の具体的な手順を示している。

【0074】

図４によると、設定値決定装置１０は、まず、ステップＳ１１において、電流ベクトルｉ＝ｉ１を決定する。電流ベクトルｉ１は、第１の一般境界条件を考慮することなく、設定値決定装置１０によって決定される。つまり、設定値決定装置１０は、確かに、第１の最適化問題Ｏ１を方程式（９）に従って方程式（１３）を考慮して解く。しかしながら、設定値決定装置１０は、同時に、不等式（１０）～不等式（１２）を考慮せずに最適化問題Ｏ１を解く。

【0075】

実際には、ステップＳ１１は、例えばラグランジュアプローチを使って正確に解析的に解決され得る。この解法は文献から知られている。純粋な例として、非特許文献１を参照することができる。非特許文献２も挙げられる。この解法は、回転速度ｎ又は電気角周波数ωに依存しない。当業者の間では、この解法は電流あたりの最大トルク（ＭＴＰＣ）として知られている。

【0076】

ステップＳ１１で決定された解は暫定的なものに過ぎない。設定値決定装置１０が電流ベクトルｉ＝ｉ１を最終的な電流ベクトルｉとして採用する前に、設定値決定装置１０は、まず、ステップＳ１２において、モータ電流Ｉの大きさが最大でモータ電流Ｉに関する最大値Ｉｍａｘに達したか否かを検査する。この条件が満たされる場合、設定値決定装置１０は、次に、ステップＳ１３において、励磁電流Ｉｅの大きさが最大で励磁電流Ｉｅに関する最大値Ｉｅｍａｘに達したか否かを検査する。

【0077】

ステップＳ１２における検査がすでに否定的である場合、すなわち電流ベクトルｉ１に関して、モータ電流Ｉの大きさがモータ電流Ｉに関する最大値Ｉｍａｘよりも大きい場合、設定値決定装置１０はステップＳ１４において電流ベクトルｉ＝ｉ２を決定する。設定値決定装置１０は、方程式（１３）を考慮して方程式（９）を解くことによって、従来と同様に電流ベクトルｉ２を決定する。しかしながら、設定値決定装置１０は、付加的に第１の特別境界条件

【0078】

【数9】

【0079】

も考慮して、方程式（９）を解く。当該境界条件に基づいて、方程式（９）で最小化される項は明らかに簡略化され得る。これは、成分Ｒ（Ｉｄ^２＋Ｉｑ^２）が方程式（１４）によると定数であり、値ＲＩｍａｘ^２を有し、したがって最小化の範囲内では無視することができるからである。結果として、抵抗Ｒｅも定数係数に過ぎないので、無視することができる。したがって、（完全な）銅損ＶＫを最小化する代わりに、項Ｉｅ^２を最小化すれば十分である。厳密に言えば、励磁電流Ｉｅの大きさを最小化すれば十分である。さらに、方程式（１４）に基づいて、界磁形成成分Ｉｄの値を用いてトルク形成成分Ｉｑの大きさを決定することができるので、結果において変化させる必要のある変数が１つ少なくなる。実際には、ステップＳ１４は、同様にラグランジュアプローチによって解析的に解決され得る。

【0080】

電流ベクトルｉがステップＳ１２の検査には合格するが、ステップＳ１３の検査には合格しない場合、設定値決定装置１０は、ステップＳ１５において、電流ベクトルｉ＝ｉ３を決定する。設定値決定装置１０は、方程式（１３）を考慮して方程式（９）を解くことによって、従来と同様に電流ベクトルｉ３を決定する。しかしながら、設定値決定装置１０は、付加的に第１の特別境界条件

【0081】

【数10】

【0082】

も考慮して、方程式（９）を解く。

【0083】

ステップＳ１５は、解として永久励磁同期機のＭＴＰＣ軌跡を有する。この解は文献から知られている。純粋な例として、非特許文献３を参照することができる。また、非特許文献４も参照可能である。

【0084】

電流ベクトルｉ＝ｉ２を決定する手順と同様に、電流ベクトルｉ＝ｉ３を決定する際にも、方程式（９）の範囲内で最小化されるべき項を明らかに簡略化することができる。なぜなら、成分ＲｅＩｅ^２は、方程式（１５）によると定数であり、ＲｅＩｅｍａｘ^２の値を有し、したがって最小化の範囲内では無視され得るからである。結果として、係数３Ｒ／２も、定数係数に過ぎないので、無視され得る。したがって、（完全な）銅損ＶＫを最小化する代わりに、項Ｉｄ^２＋Ｉｑ^２を最小化すれば十分である。さらに、方程式（１５）に基づき、変化させる必要がある変数が１つ少なくなる。なぜなら、励磁電流Ｉｅの大きさが固定されているからである。したがって、励磁電流Ｉｅは、＋Ｉｅｍａｘ又は－Ｉｅｍａｘの値のみを有し得る。

【0085】

ステップＳ１４及びＳ１５の電流ベクトルｉ＝ｉ２及びｉ＝ｉ３も暫定的なものに過ぎない。設定値決定装置１０が電流ベクトルｉ＝ｉ２又は電流ベクトルｉ＝ｉ３を最終的な電流ベクトルｉとして採用する前に、設定値決定装置１０はステップＳ１６又はＳ１７において、それぞれ残存する電流条件が満たされているか否か、すなわち電流ベクトルｉ＝ｉ２の場合に不等式（１１）が満たされているか否か、又は電流ベクトルｉ＝ｉ３の場合に不等式（１０）が満たされているか否かを検査する。一方では電流ベクトルｉ＝ｉ２が不等式（１１）を満たさない場合、又は他方では電流ベクトルｉ＝ｉ３が不等式（１０）を満たさない場合、設定値決定装置１０は、ステップＳ１８において、電流ベクトルｉ＝ｉ４を決定する。設定値決定装置１０は、方程式（１３）を考慮して方程式（９）を解くことによって、従来と同様に電流ベクトルｉ４を決定する。しかしながら、設定値決定装置１０は、同時に、方程式（１４）及び方程式（１５）に係る条件を考慮して方程式（９）を解く。

【0086】

ステップＳ１８の解は（ほぼ）自明である。なぜなら、結局のところ、界磁形成成分Ｉｄのみを変化させればよいからである。これによって、トルク形成成分Ｉｑは、その符号を除いて固定されている。励磁電流Ｉｅも同様に、その符号を除いて固定されている。

【0087】

ステップＳ１１からＳ１８までの実施形態に対する代替案もあり得る。特に、ステップＳ１２及びＳ１３の検査を逆の順序で実施し、これによって、電流ベクトルｉ＝ｉ２ではなく電流ベクトルｉ＝ｉ３を優先的に決定することが可能である。さらに良いのは、ステップＳ１２の検査とＳ１３の検査とが組み合わされた手順である。当該実施形態において、電流ベクトルｉ＝ｉ１が２つの検査のうち一方のみに合格しなかった場合、設定値決定装置１０は、２つの電流ベクトルｉ＝ｉ２及びｉ＝ｉ３を決定し、２つの電流ベクトルｉ＝ｉ２及びｉ＝ｉ３に関して、それぞれ他の検査に合格するか否かを検査する。つまり、設定値決定装置１０は、電流ベクトルｉ＝ｉ２が不等式（１１）の条件を満たし、電流ベクトルｉ＝ｉ３が不等式（１０）の条件を満たすか否かを検査する。電流ベクトルｉ＝ｉ２も電流ベクトルｉ＝ｉ３もそのそれぞれの検査に合格した場合、設定値決定装置１０は電流ベクトルｉとして、２つの電流ベクトルｉ＝ｉ２及びｉ＝ｉ３のうち、銅損ＶＫが小さい方を選択する。２つの電流ベクトルｉ＝ｉ２及びｉ＝ｉ３のうちの一方のみがその検査に合格し、２つの電流ベクトルｉ＝ｉ２及びｉ＝ｉ３のうちの他方がその検査に合格しなかった場合、設定値決定装置１０は電流ベクトルｉとして、２つの電流ベクトルｉ＝ｉ２及びｉ＝ｉ３のうちのその検査に合格した方を選択する。２つの電流ベクトルｉ＝ｉ２及びｉ＝ｉ３の両方がそれぞれの検査に合格しなかった場合、設定値決定装置１０は、電流ベクトルｉ＝ｉ４の決定を継続する。

【0088】

ここで決定された電流ベクトルｉは、電流ベクトルｉ１、ｉ２、ｉ３又はｉ４のいずれであるかに関係なく、不等式（１０）及び不等式（１１）の電流制限を満たしている。しかしながら依然として、不等式（１２）に従う電圧制限も満たされていることは保証されていない。したがって、設定値決定装置１０は、ステップＳ１９において、決定された電流ベクトルｉに関して、電流ベクトルｉが不等式（１２）に係る条件を満たすか否かを検査する。つまり、設定値決定装置１０は、モータ電圧Ｕの大きさが最大でモータ電圧Ｕに関する最大値Ｕｍａｘに達するか否かを検査する。

【0089】

電流ベクトルｉがステップＳ１９の検査に合格した場合、設定値決定装置１０は、ステップＳ１１～Ｓ１８の処理によって決定された電流ベクトルｉを用いる。その他の場合には、設定値決定装置１０は、ステップＳ２０において、電流ベクトルｉ＝ｉ５を決定する。設定値決定装置１０は、方程式（１３）を考慮して方程式（９）を解くことによって、従来と同様に電流ベクトルｉ５を決定する。しかしながら、設定値決定装置１０は、同時に条件

【0090】

【数11】

【0091】

を考慮して方程式（９）を解く。

【0092】

電流ベクトルｉ＝ｉ５を決定するために、電流ベクトルｉ＝ｉ５を数値的に計算する必要があってもよい。このために、当業者には様々な決定方法が利用可能である。

【0093】

例えば、直線探索法又は多次元ニュートン法を用いた勾配法で、電流ベクトルｉ＝ｉ５を解くことは可能である。しかしながら、これらの方法の場合、時間を多く要しすぎるという危険性が存在する。しかしながら、電流ベクトルｉ＝ｉ５に関する最適化問題の構造に基づいて、解析的な部分解を決定することが可能であり、したがって、非常に効率的な数値法を導き出すことができる。

【0094】

このような方法の例として、励磁電流Ｉｅの不動点反復が挙げられる。この場合、最適化問題の必要な一次最適性条件は、ラグランジュアプローチ

【0095】

【数12】

【0096】

を用いて決定される。Ｌａはラグランジュ関数である。λ１及びλ２はラグランジュ乗数である。Ｒ’、Ｍ’、Ｕ’は３×３行列であり、抵抗Ｒ、Ｒｅ、生成されたトルクＭ、電圧成分Ｕｄ、Ｕｑ、及び励磁電圧Ｕｅを用いて、顧慮されるべき境界条件（方程式（１３）及び方程式（１６））と組み合わせて決定され得る。勾配

【0097】

【数13】

【0098】

は少なくとも条件

【0099】

【数14】

【0100】

を満たさなければならない。当該条件は、モータ電流Ｉの成分Ｉｄ、Ｉｑの関数として励磁電流Ｉｅ及びラグランジュ乗数λ１、λ２を計算するために使用され得る。具体的には、関数

【0101】

【数15】

【0102】

が存在する。

【0103】

この関数の解はラグランジュ乗数λ１及びλ２に依存しない。

【0104】

同様に、これは、トルクＭ（方程式（１３））及びモータ電圧Ｕ（方程式（１６））に関する境界条件にも適用され得る。モータ電流Ｉの界磁形成成分Ｉｄ及びトルク形成成分Ｉｑは、励磁電流Ｉｅの関数として、関数

【0105】

【数16】

【0106】

及び

【0107】

【数17】

【0108】

として計算され得る。

【0109】

関数ｆ_Ｉｅ、ｆ_Ｉｄ、ｆ_Ｉｑに基づいて、反復解法が、不動点反復の形

【0110】

【数18】

【0111】

で定式化され、ここでｋはそれぞれの反復ステップである。反復規則の不動点は最適電流ベクトルｉ＝ｉ５となり、ラグランジュ乗数λ１及びλ２は解析的に計算され得る。

【0112】

反復は、リアルタイム性を保証するために、適切な時点で中止される。中止の基準は、例えば、最大回数の反復が実行されること、又は結果がわずかに変化するのみであることにある。適切な出発点を使用することによって、実際の解が非常に少ない反復ステップで得られる。出発点は、例えば、設定値決定装置１０によって電流制御装置９に最後に出力された励磁電流Ｉｅであってよい。しかしまた、他のアプローチも可能である。

【0113】

代替的に、関数のゼロ点を決定するために一次元の方法を使うこともできる。これらの方法は非常に効率的である。この場合、方程式（１９）は自明ではない解を有さなければならないと仮定される。その結果、行列

【0114】

【数19】

【0115】

はカーネルを有し、行列の行列式は０の値を有さなければならない。これによって、式（２４）をλ１又はλ２に分解することができる。例えば、λ１はλ２の関数として表現され得る。この結果、最適な電流ベクトルｉ＝ｉ５の解が得られる。なぜなら、電流ベクトルｉ＝ｉ５は、勾配方程式を満たすために、行列のカーネルでなければならないからである。つまり、

【0116】

【数20】

【0117】

が有効でなければならない。

【0118】

ここで、ｉ（λ２）は長さ１の電流ベクトルであり、したがって、電流ベクトルｉ＝ｉ５の「方向」、すなわち電流ベクトルｉ＝ｉ５の３つの成分の比を決定する。長さＩＬは、方程式（１３）及び方程式（１６）の条件によって決定される。なぜなら、

【0119】

【数21】

【0120】

及び

【0121】

【数22】

【0122】

が有効でなければならないからである。

【0123】

方程式（２６）及び方程式（２７）をＩＬ^２に従って解き、等化することによって、方程式

【0124】

【数23】

【0125】

が得られる。

【0126】

方程式（２８）では、λ２のみが未知である。したがって、方程式（２８）は最初から、λ２に従って解決され得る。とは言え、方程式（２８）に関して、解析的な閉形式解は知られていない。しかしながら、ゼロ点、すなわちλ２の具体的な値を決定するために、一般に知られているゼロ点決定方法、例えばニュートン法又は二分法を使用することができる。

【0127】

方程式（２８）を数値的に解決した後、モータ電流Ｉの成分Ｉｄ、Ｉｑ及びλ１を解析的に算出することができる。やはり、計算ステップで得られた最適値を前もって初期解として使用することができる。

【0128】

自明のことながら、他の解決方法を用いることもできる。

【0129】

説明した手順の範囲内で、求められた解が許容電流範囲内であることが保証されなければならない。この事実を検証するために、方程式（１３）（方程式（８）と併せて）、方程式（１４）、方程式（１６）を解析的に解くことができる。これによって、維持しなければならない励磁電流Ｉｅの最小値と最大値とが算出される。算出された最小値が０より小さい場合は、値が０に引き上げられる。算出された最大値が最大励磁電流Ｉｍａｘより大きい場合、算出された最大値の代わりに最大励磁電流Ｉｍａｘが用いられる。電流ベクトルｉ＝ｉ５の励磁電流Ｉｅがこのようにして決定された動作範囲の外にある場合は、算出された最小値が最適解となる。これによって、電流制限が守られ、すべての制約を満たし、同時に要求されるトルクＭ^＊を提供する有効な解がつねに求められることが保証される。

【0130】

第２の最適化問題Ｏ２を解く範囲内で、設定値決定装置１０は、同期電動機１の実トルクＭが最大化されるように、すなわち実トルクＭが設定トルクＭ^＊に可能な限り近づくように、図５に従って電流ベクトルｉを決定する。損失Ｖ、特に銅損ＶＫは、第２の最適化問題Ｏ２を解く範囲内では考慮されない。

【0131】

第２の最適化問題Ｏ２の範囲内で、設定値決定装置１０は、補足的な条件として、方程式（１６）が満たされていることを考慮する。これは、内容的には、同期電動機１の実トルクＭが最大化されるように、コンバータ４を可能な限り作動させるという試みに対応する。

【0132】

さらに、設定値決定装置１０は、第２の最適化問題Ｏ２の範囲内で第２の一般境界条件を考慮する。これらの境界条件によると、
－モータ電流Ｉの大きさが最大でモータ電流Ｉに関する最大値Ｉｍａｘに達すること（不等式（１０））、及び
－励磁電流Ｉｅの大きさが最大で励磁電流Ｉｅに関する最大値Ｉｅｍａｘに達すること（不等式（１１））が求められる。

【0133】

したがって、数学的には、第２の最適化問題Ｏ２は以下のように定式化できる：

【0134】

【数24】

【0135】

ここで、設定値決定装置１０はさらに、方程式（１６）と不等式（１０）及び不等式（１１）とを考慮する。第２の最適化問題Ｏ２を解くための正確な手順は、図６に関連してより詳細に説明される。

【0136】

図６は、設定値決定装置１０が第２の最適化問題Ｏ２を解く範囲内で電流ベクトルｉを決定する際に用いる具体的な手順を示している。

【0137】

図６によると、設定値決定装置１０はまず、ステップＳ３１において、電流ベクトルｉ６として電流ベクトルｉを決定する。設定値決定装置１０は、第２の一般境界条件を考慮することなく電流ベクトルｉ６を決定する。つまり、設定値決定装置１０は、方程式（１６）を付加的に考慮して、方程式（２９）に従って第２の最適化問題Ｏ２を解く。不等式（１０）及び不等式（１１）を設定値決定装置１０はステップＳ３１において考慮しない。

【0138】

ステップＳ３１は、実際には、例えばラグランジュアプローチを用いて正確に解析的に解決され得る。この解法は、電流ベクトルｉ２及びｉ３の決定に類似している。

【0139】

ステップＳ３１で決定された解は暫定的なものに過ぎない。設定値決定装置１０が電流ベクトルｉ６を最終的な電流ベクトルｉとして採用する前に、設定値決定装置１０は、まずステップＳ３２において、モータ電流Ｉの大きさが最大でモータ電流Ｉに関する最大値Ｉｍａｘに達しているか否かを検査する。

【0140】

電流ベクトルｉ＝ｉ６がステップＳ３２の検査に合格しなかった場合、設定値決定装置１０は、電流ベクトルｉをステップＳ３３において電流ベクトルｉ７として決定する。ステップＳ３４において、設定値決定装置１０は再び方程式（２９）を解く。しかしまた、設定値決定装置１０は、付加的に、方程式（１６）だけでなく、方程式（１４）も考慮する。

【0141】

次に、設定値決定装置１０はステップＳ３４において、今決定された電流ベクトルｉが、電流ベクトルｉ６又はｉ７であるかに関係なく、励磁電流Ｉｅが不等式（１１）を満たす、すなわち励磁電流Ｉｅの大きさが最大で励磁電流Ｉｅに関する最大値Ｉｅｍａｘに達するという条件を満たすか否かを検査する。

【0142】

電流ベクトルｉがステップＳ３４の検査に合格した場合、設定値決定装置１０は、検査の基となった電流ベクトルｉ、すなわち電流ベクトルｉ=ｉ６又は電流ベクトルｉ＝ｉ７を用いる。電流ベクトルｉがステップＳ３４の検査に合格しなかった場合、設定値決定装置１０は、ステップＳ３５において、電流ベクトルとして電流ベクトルｉ８を決定する。ステップＳ３５において、設定値決定装置１０は、再び方程式（２９）を解く。しかしながら、設定値決定装置１０は、付加的に、方程式（１６）だけではなく方程式（１５）も考慮する。

【0143】

電流ベクトルｉ＝ｉ２及びｉ＝ｉ３の場合の手順と同様に、電流ベクトルｉ＝ｉ７及びｉ＝ｉ８を決定する際にも、トルク形成成分Ｉｑの大きさは界磁形成成分Ｉｄの値を用いて決定され得るか、又は励磁電流Ｉｅの大きさが固定されているので、変化させる必要がある変数が１つ少なくなる。

【0144】

ステップＳ３５では、さらなる最適化問題を解かなければならない。この最適化問題は、方程式（１６）に従う電圧制限を守りつつ、励磁電流Ｉｅの最大値ＩｅｍａｘでトルクＭを最大化する。この最適化問題は、永久磁石同期機に関して知られており、解析的な解を有する。この解の軌跡は、文献ではＭＴＰＶ（電圧当たり最大トルク）と呼ばれ、例えば、すでに挙げた非特許文献３及び非特許文献４から知られている。解の軌跡は、１：１で採用され得る。

【0145】

ステップＳ３５は、実際には、例えばラグランジュアプローチを用いて正確に解析的に解決され得る。

【0146】

ステップＳ３６において、設定値決定装置１０は、電流ベクトルｉ＝ｉ８に関して、モータ電流Ｉの大きさが最大でモータ電流Ｉに関する最大値Ｉｍａｘに達したか否かを検査する。電流ベクトルｉがステップＳ３６の検査に合格した場合、設定値決定装置１０は、ステップＳ３５で決定された電流ベクトルｉ＝ｉ８を用いる。電流ベクトルｉがステップＳ３６のテストに合格しなかった場合、設定値決定装置１０は、ステップＳ３７において電流ベクトルｉ=ｉ９を決定する。電流ベクトルｉ９の決定の範囲内で、設定値決定装置１０は再び方程式（２９）を解く。しかしまた、設定値決定装置１０は、付加的に、方程式（１６）だけではなく方程式（１４）も考慮する。

【0147】

この最適化問題は、永久磁石同期機に関しては知られており、解析的な解を有する。解は、例えば非特許文献３及び非特許文献４から知られている。

【0148】

図６の実施形態においても、手順の変更が可能である。この変更は、図４の実施形態における変更に類似している。特に、ステップＳ３２の検査とＳ３４の検査とを逆の順序で実施し、電流ベクトルｉ＝ｉ７ではなく電流ベクトルｉ＝ｉ８を優先的に決定することが可能である。さらに良いのは、ステップＳ３２の検査とＳ３４の検査とを組み合わせた手順である。当該実施形態において、電流ベクトルｉ＝ｉ６が２つの検査のうち一方のみに合格しなかった場合、設定値決定装置１０は、２つの電流ベクトルｉ＝ｉ７及びｉ＝ｉ８を決定し、電流ベクトルｉ＝ｉ７及びｉ＝ｉ８の両方に関して、それぞれ他の検査に合格するか否かを検査する。つまり、設定値決定装置１０は、電流ベクトルｉ＝ｉ７が不等式（１１）の条件を満たすか否かと、電流ベクトルｉ＝ｉ８が不等式（１０）の条件を満たすか否かとを検査する。電流ベクトルｉ＝ｉ７と及び電流ベクトルｉ＝ｉ８の両方がそれぞれの検査に合格した場合、設定値決定装置１０は、電流ベクトルｉとして、２つの電流ベクトルｉ＝ｉ７及びｉ＝ｉ８のうち、より高い実トルクＭを供給する方を選択する。２つの電流ベクトルｉ＝ｉ７及びｉ=ｉ８のうちの一方のみがその検査に合格し、２つの電流ベクトルｉ＝ｉ７及びｉ＝ｉ８のうちの他方がその検査に合格しなかった場合、設定値決定装置１０は、電流ベクトルｉとして、２つの電流ベクトルｉ＝ｉ７及びｉ＝ｉ８のうち、その試験に合格した方を選択する。電流ベクトルｉ＝ｉ７及びｉ＝ｉ８の両方がそれぞれの検査に合格しなかった場合、設定値決定装置１０は、電流ベクトルｉ＝ｉ９の決定を継続する。

【0149】

図４の電流ベクトルｉ１～ｉ４及び図６の電流ベクトルｉ６～ｉ９は解析的に、したがって非常に効率的に計算され得る。電流ベクトルｉ５に関しては、数値解のみが可能であるが、この解も非常に高速に計算できるので、電流ベクトルｉ５もリアルタイムに決定され得る。２つの最適化問題Ｏ１、Ｏ２を、状況（電流制限及び電圧制限の順守、一方の電流制限のみの順守、他方の電流制限のみの順守など）に応じて解かれる複数の部分問題に分割することによって、特に電流ベクトルｉを決定するためのリアルタイム性が得られ、電流ベクトルｉは、モータ電流Ｉの界磁形成成分Ｉｄとトルク形成成分Ｉｑとの両方、及び励磁電流Ｉｅ、したがってすべての関連電流を含む。

【0150】

本発明は多くの利点を有する。例えば、本発明に係る方法は任意のＥＥＳＭで使用され得る。多くの費用を要して予め記録又は計算されていたモータ電流Ｉ及び／又は励磁電流Ｉｅに関するルックアップテーブルは不要である。重大な単純化も行われない。モータパラメータが知られてさえいればよい。これによって、本発明に係る方法は、新しい同期電動機１にも迅速に適応し得る。ＥＥＳＭの１つの部分動作範囲（特に基本回転速度範囲）のみを考慮し、次に動作限界を順守するために弱め界磁制御装置を用いる方法と比較して、本発明に係る方法は、すべての動作範囲がエネルギーが最適化された方法で考慮されるという利点を提供する。実際の最適動作点の算出によって、同じ電力でより大きなトルクが得られるか、又はより少ない電力で同じトルクが得られる。すべての電流及び電圧の制限を考慮することによって、同様に、高い回転速度におけるトルク挙動も改善される。本発明に係る運転方法は、すべての外部励磁同期電動機１において設定及び適用され得る。また、既存の駆動部に装備することも可能である。先行技術による解決策に対して、電気エネルギーの節約は少なくとも３％、最大１０％に達する可能性がある。

【0151】

本発明を、好ましい実施例を通じて詳細に図示し、説明してきたが、本発明は、開示された例によって限定されるものではなく、特許請求の範囲内において、本発明の保護範囲から逸脱することなく、当業者によって、他の変型例が導出され得る。

【符号の説明】

【0152】

１同期原動機
２ステータ
３モータ巻線
４、７コンバータ
５ロータ
６励磁巻線
８コンバータ装置
９電流制御装置
１０設定値決定装置
１１コンピュータプログラム
１２マシンコード
１３決定ブロック
ａ、ｂ、ｃ相
ｉ、ｉ１～ｉ９電流ベクトル
Ｉモータ電流
Ｉｄ界磁形成成分
Ｉｅ励磁電流
Ｉｑトルク形成成分
Ｉｍａｘ最大値（モータ電流）
Ｉｅｍａｘ最大値（励磁電流）
Ｍ実トルク
Ｍ^＊設定トルク
ｎ回転速度
Ｏ１、Ｏ２最適化問題
Ｐ電力
Ｐｍａｘ最大値（電力）
Ｒ抵抗（モータ巻線）
Ｒｅ抵抗（励磁巻線）
Ｓ１～Ｓ３７ステップ
Ｕモータ電圧
Ｕｅ励磁電圧
Ｕｄ、Ｕｑモータ電圧の成分
Ｕｍａｘ最大値（モータ電圧）
ω 電気角周波数

【図1】