JP2000514636A

JP2000514636A - 短節巻線を有するリラクタンス機械とそのための駆動装置

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Publication number: JP2000514636A
Application number: JP10505315A
Authority: JP
Inventors: タング，イーファン; リー，ユー
Original assignee: エマーソンエレクトリックカンパニー
Priority date: 1996-07-09
Filing date: 1997-07-08
Publication date: 2000-10-31
Also published as: CN1114255C; CN1229535A; US5889347A; KR20000023639A; BR9710266A; EP0910887A1; WO1998001932A1; AU3516397A; US6078122A

Abstract

(57)【要約】リラクタンス機械は、複数の相巻線を含み、各々の相巻線は、複数の短節巻コイルを含む。リラクタンス機械は、一つ、二つ若しくはそれ以上の相巻線を付勢することができる駆動装置へ接続することができ、出力トルクは、（ｉ）相巻線の自己インダクタンスか、(ｉｉ)相巻線の自己インダクタンスと相巻線間の相互インダクタンスとの組合せか、若しくは（ｉｉｉ）相巻線間の相互インダクタンスに由来するものとなる。

Description

【発明の詳細な説明】短節巻線を有するリラクタンス機械とそのための駆動装置発明の分野本発明は、リラクタンス機械と機械システム、特にスイッチ切換式リラクタンス機械と機械システムに係る。より詳細には、本発明は、リラクタンス機械の巻線の形態と、かかる機械のための駆動装置に係る。発明の背景一般的に、リラクタンス機械は、付勢された相巻線のインダクタンスが最大にされる位置へ可動部分が移動しようとする傾向によって、トルクが生成されるようになっている電気機械である。リラクタンス機械の一つの形式では、相巻線の付勢が、制御された周波数で生ずるようになっている。これらの機械は、一般に、同期式リラクタンス機械と言われている。リラクタンス機械のもう一つの形式では、可動部分（一般に、「回転子」と言われる。）の位置を検出し、その回転子の位置の関数として相巻線を付勢するための回路が備えられている。これらの形式の機械は、一般にスイッチ切換式リラクタンス機械として知られている。本発明は、同期式、スイッチ切換式のリラクタンス機械の両方に適用することができる。一般的なリラクタンス機械、特にスイッチ切換式リラクタンス機械の構成及び作動の一般的な理論は、当技術分野において知られたものであり、例えば、PCIM '93会議及び展示（PCIM'93 Conference and Exhibitions，Nuremberg，Germany，1993年6月2 1-24日）で示されたステフェンソンとブレイクスの「スイッチ切換式リラクタンスモーターと駆動装置の特性、構成及び応用」(Stephenson and Blaks,"The Cha racteristics and Design and Applications of Switched Reluctance Motors a nd Drives")に議論されている。ほとんどのリラクタンス機械は、「固定子」と呼ばれる固定された部材を含み、また、固定子は、いくつかの突起(固定子歯)を含む多数の積み重ねられた積層体を含んでおり、これらの突起は、多数の互いに分離された固定子極を郭定する。そして固定子歯の隙間には、ワイヤコイル（典型的には、銅）が配置され、一つ若しくはそれ以上の相巻線を形成する。リラクタンス機械を構成するのに用いられている最も一般的な巻線の構成は、各々の固定子歯が一つの線コイルによって囲繞されているようになった「単歯」巻線配列である。そして、種々のコイルが直列に若しくは並列に連結され、一つ若しくはそれ以上の相巻線を形成することができる。図１は、６極固定子１０と４極回転子１２を含む伝統的な「単歯」リラクタンス機械の簡単な例図を示す。固定子を含む積層体は、六つの固定子極を郭定する六つの内方へ突出した固定子歯を有している。各々の固定子歯１３−１８は、各々の線コイルａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２、ｃ１及びｃ２によって囲繞され、固定子を囲繞するコイルは、電気的に接続され、三つの相巻線Ａ、Ｂ及びＣを形成する。コイルの配置は、図１の点（・）と十字（×）によって示されており、ここにおいて、十字は、正の電流が紙面に向かって流れ込むワイヤの部分を示し、点は、正の電流が紙面から手前に流れ出るワイヤの部分を示している。単歯リラクタンス機械の典型的な作動において、各々の相巻線は、回転子の一回転の三分の一に対応する間隔で付勢され、各々の相巻線は、一回転するうちの三分の一の時間において正のトルクの生成に寄与する。図１に例示されているような単歯リラクタンス機械は、そのトルク生成の機構が各々の付勢された相巻線の自己インダクタンスの作用のみに依る構成に概ね限られている。単歯の巻線の性質によって、かかる機械における相は、互いに組み合わされておらず、かくして、相巻線の間の相互インダクタンスの変化に起因する相当のトルク生成は生じない。このようなことから、単歯巻線を有するリラクタンス機械においては、一つの巻線の有効な区間が巻線の自己インダクタンスが増大する期間に限られるので、リラクタンス機械の最大トルク出力及び効率は制限されている。単歯巻線構成の潜在的な制限にもかかわらず、リラクタンス機械の分野の当業者の一般的な見解では、相巻線の相互インダクタンスは、一般に、好ましくないので、単歯巻線は、望ましいとされている。かかる固定的な偏見は、リラクタンス機械に関する文献、リーズ大学（Leads University，Leads，England ）で行われた１９７６年７月のステッピングモーター及びシステムの国際会議（ International Conference on Stepping Motors and Systems）で示されたヒュー等「ＶＲモーターのトルク−速度特性に対する作動モードの効果」(Effect of Operating Mode on Torque-Speed Characteristics of VR Motor;Leads Un)に表現されており、そこでは、相間の相互インダクタンスは、通常の単極励起による三相リラクタンス機械の利用可能なトルク生成を低減することが主張されている。上記に議論した単歯機械、即ち、実質的に相互インダクタンスがなく、すべてのトルクが自己インダクタンスの作用として生成されている機械とは対照的に、自己インダクタンスがなく、トルク生成が相巻線間の相互インダクタンスの変化の作用のみであるリラクタンス機械の構成が提案されている。かかるリラクタンス機械は、全節巻の巻線構成を用いている。一般的に、全節巻線は、Ｍ（Ｍは、相巻線の数に等しい整数）個の固定子極にわたる巻コイルを含む巻線である。こうような構成のひとつが、メクロー(B.C．Mecrow)により提案されており、彼の論文、テキサス州ヒューストンで行われたIEEE産業応用学会１９９２年１０月年会（the October 1992 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting）において刊行された「二重突起リラクタンス機械のための新しい巻線構成」(New Winding Configuration for Doubly Salient Reluctance Machines)に示されている。図２は、上記に参照したメクローの論文に開示された形式の全節巻線を用いたリラクタンス機械を例示している。概して、この機械は、６極固定子２０と４極回転子２２とを含み、固定子と回転子は、図１の単歯機械の固定子１０と回転子１２の構造と実質的に同一である。図１の単歯機械と図２の全節巻機械の基本的な違いは、巻線の配置と配列である。図２の全節巻機械には、三つの巻線ａ、ｂ及びｃしかなく、各々のコイルの固定子内の配置は、例示された６つの固定子極と４つの回転子極の構成の場合、極間の隙間のコイルの端部が１８０度ごと互いにずれるようになっている。図２の機械の巻線の全節巻の性質により、実質的に全てのトルク生成は、二つの巻線間の相互インダクタンスの変化の結果として生ずる。メクローの論文に説明されているように、このような機械においては、各々の相巻線は、回転子が完全に一回転するうちの三分の二を含む期間にわたって付勢され、二つの巻線間の相互インダクタンスの変化を通して、回転子の各回転の三分の二に対応する期間において正のトルク生成に寄与する。参照したメクローの論文によれば、この相互インダクタンスのみによる全節巻の機械においては、かかる機械により成される電気−機械回路のより良い有用性が提供される。メクローの全節巻リラクタンス機械の変形が、バラス、メクロー及びクロジアの「全節巻スイッチ切換式リラクタンス駆動装置の単極作動」(P．G．Barrass，B．C.Mecrow & A．C．Clothier，“The Unipolar Operation of a Fully Pitched Winding Switched Reluctance Drives”)、メクローの「全節巻線スイッチ切換式リラクタンス及びステッピングモーター構成」(B．C．M ecrow，“Fully pitched-winding switched-reluctance and stepping-motor ar rangements”;IEEE Proceedings-B，Vol．40，No.1(January 1993))、バラス、メクロー及びクロジアの「全節巻スイッチ切換式リラクタンス駆動装置の二極作動」（P．G．Barrass，B.C.Mecrow & A．C．Clothier，“The Bi-polar Operati on of a Fully Pitched Winding Switched Reluctance Drives”;International Conference on Machines and Drives(Sept.1995))、英国特許GB2,262,843号「二重突起リラクタンス機械」において、すべて議論されている。全節巻リラクタンス機械における巻線の全節巻の性質により、単歯リラクタンス機械の相巻線のインダクタンスに比較すると、多くの巻線はかなり高い自己インダクタンスを有することとなる。この比較的高い自己インダクタンスは、相巻線中の電流の変化速度を制限し、かくして、相電流がゼロからピーク値、従って、トルク生成のピーク値まで増大することのできる速度を抑制する。従って、全節巻リラクタンス機械における巻線の全節巻の性質によって、「モーターを動かすのに用いられる駆動装置が、許容され得る時間量において所望の値まで電流を駆動するのに十分大きくなくてはならない」、或いは、「機械の性能はその比較的高い自己インダクタンスによる相電流波形上の制限のために妥協されなければならない」という高自己インダクタンスによる不利益が生ずる。全節巻機械の更なる欠点は、相巻線を形成するのに用いられる全節巻コイルを構成するために必要なエンドタム銅の量である。かかる大きく且長いエンドタムは、巻線の銅の量に直接につながり得る工作費用の増大を引き起こす。更に、かかる全節巻線を構成するために必要な銅の量が多いことにより、機械の通常の作動中の抵抗が増大し、或いは銅の損失を生ずる。本発明の一つの目的は、単歯リラクタンス機械及び全節巻リラクタンス機械の上記に参照した制限若しくはその他の制限を克服する改良されたリラクタンス機械を提供することである。発明の概要本発明は、伝統的なリラクタンス機械の既に述べた制限及びその他の制限を、多数の相巻線を含む固定子であって各々の相巻線が電気的に接続された多数の「短節巻」コイルを含んでいる固定子を有するリラクタンス機械を提供することによって克服する。コイルは、単歯コイルの制限されたピッチと全節巻コイルのピッチとの間のピッチを有することから、「短節巻」ということになる。本発明の機械のコイルの短節巻の性質により、相巻線の自己インダクタンスと相巻線間の相互インダクタンスの双方が機械のトルク出力に寄与することができるようになる。固定子内の短節巻コイルの位置設定に依存して、相巻線間の相互インダクタンスは、対称的（例えば、同一の極性及び形状だが位相が異なる。）でも、非対称的に（例えば、同一の極性及び形状でない。）でも良い。もし短節巻線が非対称的であれば、自己及び相互インダクタンスの作用としての出力トルクを提供するために必要な付勢電流は、形状において、三つの相巻線間で異なる。もし短節巻線が対称的であれば、自己及び相互インダクタンスの双方の、或いは、まさに相互インダクタンスの作用としての出力トルクを提供するために必要な付勢電流は、同一の形状で所与の量だけ位相が異なっていることとなろう。本発明は、また、上記の短節巻線を有するリラクタンス機械を付勢するための方法に係る。本発明の種々の特性は、以下にまとめられた明細書に含まれる構成を参照することから理解されるであろう。図面の簡単な説明図１は、伝統的な「単歯」リラクタンス機械の例を示している。図２は、全節巻線を有するリラクタンス機械を示している。図３は、本発明による短節巻線を有する６つの固定子極と４つの回転子極のリラクタンス機械を示している。図４は、回転子の角度方向位置の関数としての、図３の機械の三つの相巻線の自己インダクタンスと三つの相巻線間の相互インダクタンスとを示している。図５は、図３の機械を駆動するために用いることのできる例示的な「単相」付勢スキームであって、一つの相巻線のみが所与の時間付勢されるようになっているスキームを示している。図６は、図３の機械を駆動するために用いることのできる例示的な「二相」付勢スキームであって、二つの相巻線が同時に付勢されるようになっているスキームを示している。図７は、図３の機械において、図６の付勢スキームを実行するために用いることのできる例示的な駆動装置を示している。図８は、図３の機械を駆動するために用いることのできる例示的な「三相」付勢スキームであって、三つの相巻線が同時に付勢されるようになっているスキームを示している。図９は、図１の機械において、図８の三相付勢スキームを実行するために用いることのできる例示的な駆動装置を示している。図１０は、本発明による短節巻線を有する６つの固定子極と４つの回転子極のリラクタンス機械の別の実施例を示している。図１１は、回転子の角度方向位置の関数としての、図１０の機械の三つの相巻線の自己インダクタンスと三つの相巻線間の相互インダクタンスとを示している。図１２は、図１０の機械を駆動するために用いることのできる例示的な「単相」付勢スキームであって、一つの相巻線のみが、所与の時間、付勢されるようになっているスキームを示している。図１３は、図１０の機械を駆動するために用いることのできる例示的な「二相」付勢スキームであって、二つの相巻線が同時に付勢されるようになっているスキームを示している。図１４は、図１０の機械を駆動するために用いることのできる例示的な「三相」付勢スキームであって、三つの相巻線が同時に付勢される。ようになっているスキームを示している。図１５は、図１０の機械を駆動するために用いることのできる別の例示的な「三相」付勢スキームであって、三つの相巻線が同時に付勢されるようになっているスキームを示している。図１６は、本発明による短節巻線を有する１２個の固定子極と８つの回転子極のリラクタンス機械を示している。図１７は、本発明による短節巻線を有する別の１２個の固定子極と８つの回転子極のリラクタンス機械を示している。図１８は、図１７のリラクタンス機械を駆動するために用いられる対称的な駆動装置を示している。図面の参照において、同一の符号は、同一の部分を示す。発明の詳細な説明図面、特に図３を参照して、本発明によるリラクタンス機械３０が例示されている。概して、リラクタンス機械３０は、六つの内方へ向かった固定子極を郭定した固定子３２と四つの外方へ延在した回転子極を郭定した回転子３４とを含んでいる。固定子３２と回転子３４は、適当な材料、例えば、鋼、からなる多数の積層体から構成することができ、かかる固定子３２と回転子３４の積層体の基本的な構成は、リラクタンス機械のかかる要素を構成するための通常の技術を用いて達成することができる。固定子３２と回転子３４とを含む積層体は標準的なもので良いが、機械３０の巻線の配列は異なる。図３の機械３０には、三つの相巻線Ａ、Ｂ及びＣがあり、相巻線Ａは、コイルａ１及びａ２を含み、相巻線Ｂは、コイルｂ１及びｂ２を含み、相巻線Ｃは、コイルｃ１及びｃ２を含むように、各々の相巻線は、二つのコイルから成っている。相巻線を構成する二つのコイルは、直列若しくは並列に接続されて良い。図３の例において、各々の相巻線を含むコイルは、並列に接続されている。別の固定子／回転子極の組合せ（例えばＮ×６／Ｎ×４）を有する機械については、所与の相巻線を含むコイルは、直列及び並列の組合せで接続されていて良い。図３に例示されているように、各々の相巻線を含むコイルは、一つより多い固定子を取り巻いているので、「単歯」コイルではない。更に、相巻線を含むコイルは、全節巻コイルでもない。図３の実施例３０におけるコイルは、単歯コイルよりも多い歯（若しくは固定子極）にわたっているが、全節巻コイルよりも少ない歯にわたっている「短節巻」コイルである。図３の機械３０の短節巻コイルの正確な配列及び向きは、点及び十字の識別子で表現されている。図に用いられている規則では、点と十字が矢印の一部と見て、正の電流は、矢印の後（尾）端（十字）から矢印の先端（点）へ流れるとしている。この正の電流によって、右手の法則に従ったときに、即ち、手の指の先端が矢印の方向を指すようにして指を矢印に沿うようにしたときに親指の指す方向に対応する北極を有する磁場が生成される。かくして、コイルａ１を流れる正の電流により、図３に示された点線矢印３６の方向に北極を有する磁場が生ずる。同様の磁場が、その他のコイルの正の付勢によって達成される。相巻線Ａ、Ｂ及びＣを含むコイルの短節巻の性質により、回転子３４が固定子３２の中で回転すると、各々の巻線の自己インダクタンスと巻線間の相互インダクタンスが変化する。従って、相巻線が適切に付勢されると、相互及び自己インダクタンスの沿双方が出力トルクに寄与できるようになる。図４は、図３の機械３０の三つの相巻線Ａ、Ｂ及びＣの自己インダクタンスＬ_A 、Ｌ_B、Ｌ_cと、それぞれの相巻線間の相互インダクタンスＭａｂ、Ｍｂｃ及びＭｃａとを、回転子の角度方向の位置θｒの関数として示している。回転子の角度方向位置の関数としての種々の自己インダクタンスと相互インダクタンスの導関数も示されている。図３の三相リラクタンス機械３０について、機械のトルク出力は、以下の等式（１）によって概算される。ここにおいて、ｉ_A、ｉ_B及びｉ_cは、相巻線Ａ、Ｂ及びＣに流れる電流を示し、等式中の最初の３項は、全自己インダクタンスのトルクへの寄与に対応し、等式の最後の３項は、相互インダクタンスのトルクへの寄与に対応する。図４及び等式（１）を参照して明らかになるように、全トルク出力が、完全に自己インダクタンスによるトルクの結果となるように、又は完全に相互インダクタンスによるトルクの結果となるように、或いは又、これら二つの組合せの結果となるように、図３の機械３０の相巻線を流れる付勢電流を制御することができる。図５は、図１の機械３０を駆動するために用いることのできる一つの電流切換スキームを示しており、所与の時間において唯一の相巻線が付勢され、トルク出力の全てが自己インダクタンスの結果となるようになっている。この特定の切換スキームにおいては、所与の時間において唯一の相巻線が付勢されているので、等式（１）の最後の３項の各々の電流の変数のうちの一つが常に零であり、このスキームのもとでは、相互インダクタンスによるトルクは生成されない。図４と図５とを比較して、図５の「単相」付勢スキームにおいて各々の相巻線は、回転子の回転の区間のうち相巻線の自己インダクタンスが増大するときにおいてのみ付勢されることが気づかれるであろう。例えば、図４及び図５を参照すると、相巻線Ａの自己インダクタンスは、４３及び４６と示されている区間において増大していることが気づかれるであろう。かくして、これらの区間において、相巻線Ａに電流が生成される。同様に、相巻線Ｂの自己インダクタンスは、４１、４４及び４７によって定められた区間において増大し、かくして相Ｂは、それらの区間で付勢され、相Ｃは、４２、４５及び４７により定められた区間において付勢される。自己インダクタンスのトルクへの寄与は、電流の二乗の関数なので、図５の単相励起モードにおける相巻線中の電流の極性は、重要ではない。この点に関し、図５の付勢スキームは、標準的な「単歯」に巻かれた形式のスイッチ切換式リラクタンス機械に用いられる切換スキームと同様である。従って、標準的なスイッチ切換式リラクタンス機械の駆動装置が図３の機械３０に用いることができる。図５の単相付勢スキーム、に加えて、相巻線の自己インダクタンスと種々の相巻線間の相互インダクタンスの双方の組合せとなるトルク出力を得るために、二つの相巻線が同時に付勢される「二相」付勢スキームを用いることができる。かかる切換スキームのための電流波形が図６に示されている。この切換スキームにおいては、各々の相巻線は、（ｉ）自己インダクタンスが増大する回転区間(即ち、図５のスキームに用いられているのと同じ付勢区間)及び(ｉｉ)正の相互インダクタンスによるトルクが生成され得る区間において付勢される。図５及び図６とを比較して、付勢スキームの一部（自己インダクタンスの部分）が図５の単相付勢スキームと完全に共通していることが理解されるであろう。かくして、相Ａは、区間４３及び４６において、相Ｂは、区間４１、４４及び４７において、相Ｃは、４２、４５及び４８において付勢されつづける。しかしながら、更に、各々の相巻線は、相巻線が正の相互インダクタンスによるトルクを生成することとなる区間においても付勢される。図６を参照して、相Ａを例にすると、相Ａは、区間４３及び４６において付勢されて自己インダクタンスによるトルクを生成する。相Ａは、また、区間４１、４４及び４７においても付勢される。図４に示されているように、これらの区間において、相Ａと相Ｂとの間の相互インダクタンスは増大する。（同様に相Ａは、相Ａと相Ｃとの間の相互インダクタンスが増大する区間４３及び４６において付勢される。）相Ａが付勢されていない区間４２、４５及び４８において、相Ａの巻線の自己インダクタンスは減少する。したがって、この期間においては、もし相Ａの巻線を付勢すると、付勢電流の極性によらず、相Ａの巻線の自己インダクタンスの結果として負のトルクが発生することに寄与することとなる。図６のスキームでは、相Ａの巻線は、その相巻線の付勢により負のリラクタンストルクを生成しない区間の全てにおいて付勢される。相Ａの付勢と同様の態様で、相Ｃは、区間４２、４５及び４８と区間４３、４６及び４９とを含む負のトルクを生成しない区間の各々において付勢される。図６の二相モードにおける相Ｂの相付勢スキームは、相Ｂの相巻線の付勢により負のトルクが生成されない区間の全てにおいて相Ｂが付勢されるという点で、相Ａ及びＣのスキームと同様である。しかしながら、相巻線Ｂを含む短節巻コイルの、その配列のため、図６の付勢スキームでは、相Ａ及びＣの電流は一方向であるのに対し、相Ｂの電流は二方向であり正負双方の極性の電流を含む点で、相Ｂの付勢は相Ａ及びＣとわずかに異なっている。例えば、自己インダクタンスの増大する区間４１、４４及び４７においては、相Ａと相Ｂとの間の相互インダクタンスがそれらの区間で増大するので正の相互インダクタンスによるトルクの寄与を得るために、相Ｂの付勢電流の極性は、相Ａの相電流の極性と同一でなければならない。しかしながら、区間４２、４５及び４８では、相Ｂの自己インダクタンスは変化しないが(従って、自己インダクタンスによるトルクの寄与はない。)、それらの区間における相Ｂと相Ｃの間の相互インダクタンスは減少し、回転子の位置についての相Ｂと相Ｃとの間の相互インダクタンスの導関数が負となる。等式（１）を参照して、相互インダクタンスの勾配が負の場合に正のトルクを生成するためには、二つの相互の連結した巻線における電流の積は、負でなければならない。従って、正のトルクに寄与するべく、相Ｂの相電流の極性は、相Ｃの極性と逆でなければならない。従って、区間４２、４５及び４８では、相Ｂの相付勢電流は、図６において、負の極性のものとなる。図３の機械３０について、図６の特定の二相切換スキームを用いると、図５の単相切換スキームで利用可能であったよりも大きなトルク出力が提供される。それは、いかなる時間においても全トルクの寄与は、一つの付勢された相巻線の自己インダクタンスと二つの付勢された相巻線間の相互インダクタンスとの双方の関数となっているからである。しかしながら、この付勢スキームは、相巻線の一つ（例では巻線Ｂ）のための双極性付勢電流を利用する必要があり、この場合、特別な形式の駆動回路が必要とされる。図６の付勢スキームを実行するために図３の機械３０と組み合わせることのできる例示的な駆動装置の一つが図７に示されている。図７は、上側ＤＣバスレール７０＋と下側ＤＣバスレール７０−とから形成されるＤＣバスを含む例示的な駆動装置７０を示している。ＤＣバスに供給されるＤＣ電圧は、電池若しくはＡＣ−ＤＣ変換器を含む任意の適当な電源によって供給されてよい。フィルターコンデンサー（図示せず）若しくはその他の制御デバイスがＤＣバスへ供給される回復されたエネルギーを蓄積するため、或いは、ＤＣバス間に生ずるＤＣ電圧を安定化し制御するために用いられてよい。相巻線Ａ及びＣの各々は、上側電力切換デバイス７２と、下側電力切換デバイス７３と、上側及び下側フライバックダイオード７４及び７５とによって、ＤＣバスの間に接続される。図７における相巻線上のドットは、正の極性の電流が流れ込む巻線における点に対応する。電力切換デバイス７２及び７３は、任意の適当な電力切換デバイスであってよく、デバイスの正確な構造は、駆動装置が連結されるリラクタンス機械の寸法及び用途と、電力切換デバイスヘ供給される切換信号の性質とに依存して変化することとなろう。しかしながら、一般的には、デバイスは、双極性接合型トランジスター、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ及びそれらと同様のものを含むトランジスター、若しくは、機械的スイッチなどの適当な電力切換デバイスであってよい。当業者により、図７から理解されるように、巻線Ａ及びＣに用いられる切換の配列は、相巻線中の単極性電流の生成を考慮したものである。具体的には、電力切換デバイス７３及び７４を導通状態へ動作すると、ＤＣバス間に現れるＤＣ電圧が適当な相巻線へ与えられ、ドットで記された点において、電流が相巻線へ流れ込む。相巻線Ａ及びＣに用いられる切換配列は、単極性電流を生成することができる。図６の切換スキームを実行するためには、相巻線Ｂにおいて、双極性電流が生成されなければならないので、その相については、異なる切換配列が用いられなければならない。図７を参照して、実施例の相Ｂ巻線に用いられる切換配列は、二つの上側電力切換デバイス７６及び７７と、二つの電力切換デバイス７８及び７９を含むＨブリッジ型の配列である。電力切換デバイス７６−７９の構造は、それらの各々が、ＭＯＳＦＥＴなどのいくつかの形式のデバイスにおいて内在し得る反平行逆回復ダイオードを必要とすることを除いて、電力切換デバイス７２及び７３について先に議論したようなものと同じ構造であってよい。かかる反平行ダイオードは例示されていないが、それらの構造及び位置は、必要であれば、当業者にとって明らかであろう。相巻線Ｂに関連される電力切換デバイスを適切に付勢することにより、双極性電流を相巻線Ｂにおいて生成することができる。例えば、電力切換デバイス７６及び７９が導通状態へ動作されると、図７のドットで記された相巻線Ｂの端部へ電流が流れ込む態様で、ＤＣバス間のＤＣ電圧が相巻線Ｂに与えられる。かくして、この状態により、相巻線Ｂにおいて正の電流が生成される。同様に、電力切換デバイス７７及び７８が導通状態に動作されると、ＤＣバス間の電圧が相巻線へ逆に与えられ、電流は、相巻線Ｂの、図７のドットで記された端部とは反対の端部へ流れ込み、相巻線Ｂにおいて負の極性の電流が生成される。当業者に理解されるように、図６の付勢スキーム（及び図５のスキームについても）は、回転子の位置の関数として（例えば、回転子の角度方向位置を監視して）駆動装置７０の種々の電力切換デバイスを動作することによって実行することができる。更に、駆動装置７０の接続されている機械の回転速度或いはトルク出力を制御できるように、相巻線中の電流の大きさは、電力切換デバイスへ供給される動作信号を（例えば、パルス幅変調若しくはパルス周波数変調を介して）調節することによって制御することができる。駆動装置７０を用いた、このような制御スキームの実行は、ここにおける開示の利益を享受する当業者の能力の範囲内であるので、ここにおいて、更に詳しくは触れないこととする。上記の単相及び二相付勢スキームに加えて、図３の機械３０は、所与の時間において三つの相巻線のすべてが付勢されるようになっている「三相」モードで付勢することもできる。かかる三相付勢スキームの一つの例が図８に例示されている。図８を参照して、相巻線の各々は、上記の「二相」付勢スキームに対応する区間において付勢される。しかしながら、更に、各々の相巻線は、その相巻線の自己インダクタンスが減少する残りの区間、即ち、自己インダクタンスのトルクへの寄与が負である区間において付勢される。例えば、図８の切換スキームにおいて、相巻線Ａは、区間４２、４５及び４８において付勢される。図４を参照して、これらの区間では、相巻線Ａの自己インダクタンスは減少しており、従って、それらの区間では、相Ａからのトルクの寄与が負であることが気づかれるであろう。しかしながら、これらの区間の各々においては、相Ａが関連する相互インダクタンスの寄与がある。例えば、区間４２においては、相Ａ及びＣの間の相互インダクタンスは零であるが、相Ａ及びＢとの間の相互インダクタンスは負である。しかしながら、図８を参照して、この区間の相Ｂの電流の極性もまた負である。従って、区間４２における相Ａ及び相Ｂの間の相互インダクタンスに由来する正味の相互インダクタンスによるトルクへの寄与は、正である。相巻線を含むコイルを適当に構成することにより、又は、この区間の相巻線Ａ及びＢに流れる電流の大きさを制御することによって、区間４２における相Ａからの正味のトルクへの寄与を正にすることは可能である。かくして、連続的に相Ａを付勢することによって、自己インダクタンスによりいくらかの負のトルクが生成されるが、相Ａの連続的な付勢に起因する全体のトルクの寄与は正となる。同様に相Ｂ及びＣは、連続的に付勢され、各々の区間において、正味で正のトルクを生成する。図８の付勢スキームを用いて、各々の区間において各々の相巻線で生成される正味のトルクを正にすることを確実にするためには、相巻線のうちの一つ（例において、相巻線Ａ）に流れる電流は、連続的で単極性にすべきであり、他の二つの相巻線に流れる電流は、双極性とすべきである。図８で例示されている切換スキームによれば、図３の機械３０を駆動するためには、伝統的な単極性駆動装置を用いることはできない。図８の三相付勢スキームを実行するために用いることのできる駆動装置の例の一つは、図９に例示されている。図９は、正のバスレール９１＋と負のバスレール９１−とを有するＤＣバスを含む駆動装置９０を示す。ＤＣフィルターキャパシター９２がＤＣバスの間に接続されていてよい。図８の付勢スキームについての相Ａの付勢電流は、連続的な単極性電流であるので、相Ａは、単にＤＣバス９１の間に接続される。相Ａの電流の大きさが、パルス幅変調若しくはその他の適当な技術を介して制御されるべき場合は、電力切換デバイスとフライバックダイオード（図示せず）が、相巻線ＡをＤＣバス９１へ接続するために設定されてよい。相巻線Ｂ及びＣの各々は、Ｈ型ブリッジ構造に構成された四つの電力切換デバイスを含む切換配列によってＤＣバスへ接続される。これらの切換デバイスは、図７の電力切換デバイス７６−７９について上に記載した態様で作動される。特に、駆動装置９０の切換配列の数は、相巻線の数よりも一つ少ない。図３のリラクタンス機械３０は、改良された性能のリラクタンス機械を提供するために短節巻線を用いることのできる態様の単なる一つの実施例である。短節巻線を用いた改良されたリラクタンス機械の更なる例が図１０に提供されている。図１０は、図３に関して既に述べた態様で構成された固定子と回転子とを有する６つの固定子極と四つの回転子極の三相リラクタンス機械を示している。図３と同様の態様で、三つの相巻線Ａ、Ｂ及びＣの各々は、二つのコイルを含み、コイルの各々は、短節巻コイルである。しかしながら、図１０の機械１００のコイルの配置は、基本的には、相巻線Ｂ及びＣのコイルが固定子において図３の機械３０の場合と反対の向きに置かれているという点で、図３の機械３０の構成と異なっている。コイルの正確な配置は、図１０の点符号及び十字符号により表されている。図１１は、図１０の機械１００の三つの相巻線Ａ、Ｂ及びＣについての自己及び相互インダクタンスを、回転子の角度方向位置の関数として示したものである。図１１と図４を比較して気づかれるように、三つの相巻線の自己インダクタンスは、図３の機械３０のものと実質的に同様であるが、機械１００の相互インダクタンスは、基本的には、その相互インダクタンスがすべて負であるという点で、機械３０のものとは異なっている。特に、機械１００の相互インダクタンスは、同一の極性及び期間を有するが、所与の量だけ位相がずれている。図３の機械３０と同様に、機械１００は、全トルク生成が三つの相巻線の自己インダクタンスから提供される単相モードで作動することができる。理解されるように、機械１００についての切換スキームは、実質的には、図３の機械３０についての図５に例示されているものと同一である。これは、相巻線を含むコイルの方向性が相巻線の自己インダクタンスに容易に認識し得るほど影響を与えないからである。標準的なリラクタンス駆動装置が図１２の切換スキームを実行するために用いることができる。図１３は、機械の全トルク出力が相巻線の自己インダクタンスと相巻線間の相互インダクタンスとの双方の寄与となる機械１００の二相切換スキームを示している。機械１００の相互インダクタンスが機械３０のそれとは異なるので、機械１００の二相切換スキームは、機械３０のものとは異なる。具体的には、機械１００の巻線の性質から、二相切換スキームでは、三つ相巻線の付勢電流が同じ形状であるが、所与の角度量だけ互いにずれているという程度において、相電流を「対称的」とすることができる。概して、付勢電流は、固定子極１ピッチ分に等しい角度量だけ離れていなければならない。多くの応用において、図１３の対称的な二相付勢スキームは、その付勢電流の対称性により回転子位置のトランスデューサーと制御回路をより簡単で廉価にすることができるので、図６のものよりも実行しやすくなるであろう。図１３の付勢スキームにおける三つの相巻線の全てについて付勢電流は双極性であるので、この切換スキームを実行するためには、標準的なスイッチ切換式リラクタンス駆動装置は用いることができない。適切な三相双極性駆動装置、三相とも全てＨ型ブリッジ（完全Ｈ型ブリッジ）の駆動装置などが用いることができる。更に、対称的な付勢電流は、標準的な誘導モーターに見られるものと同様なので、標準的な誘導モーター駆動装置が、ほとんど若しくは全くハードウェア上の修正をすることなく、図１２の付勢スキームによる機械１００の駆動に用いることができる。三つの相巻線間の相互インダクタンスがそのトルク出力の全体に寄与するように図１０の機械１００を作動するために二つの別の「三相」付勢スキームを用いることができる。かかる切換スキームは、図１４に例示されており、機械３０のための図８のものと同様である。双方の例において、相巻線Ａの相付勢電流は、連続的である。図１０の機械１００の相Ｂ及びＣを含むコイルの向きは、機械３０の相Ｂ及びＣを含むコイルのものと反対であるので、図１４の付勢スキームにおける機械１００の相巻線Ｂ及びＣの相付勢電流の極性は、相を付勢する間の如何なる時間においても図８の付勢スキームにおける相Ｂ及びＣについての相付勢電流の極性と反対である。図９の駆動装置９０は、図１０の機械１００において図１４の付勢スキームを実行するために用いることができる。機械１００の別の三相切換スキームが図１５に示されている。この付勢スキームでは、三つの相巻線の付勢電流は同一であるが、ある一定の角度量、この実施例においては、固定子極１ピッチ分だけ互いに位相がずれている。三相双極性電流を生成することのできる如何なる駆動装置、例えば、完全Ｈ型ブリッジの若しくは伝統的な誘導モーター駆動装置などが、図１５に例示された付勢電流を生成するために用いられてよい。図１３の二相付勢スキームのように、図１５の三相付勢スキームの付勢電流は対称的であり、従って、非対称切換スキームを実行する場合に必要とされる回転子位置トランスデューサー及び制御回路の複雑さを潜在的に低減することとなる。上記の図３及び１０の６つの固定子極と４つの回転子極の機械は、本発明の短節巻リラクタンス機械の実施例である。短節巻線は、異なる固定子極／回転子極の組合せを有するリラクタンス機械に用いることができる。例えば、図１６は、本発明による１２固定子極及び８回転子極のリラクタンス機械である。図１６の機械１６０は、１２極の固定子１６２と８極の回転子１６４とを有し、これらは、図３の機械３０の回転子及び固定子に関して前記した態様で構成される。三つの相巻線Ａ、Ｂ及びＣは、固定子１６２内に置かれ、各々の相巻線は、図１６に示されているように配置された四つの短節巻コイルを含む。機械３０及び１００のコイルと同様に、所与の相巻線を含むコイルは、直列若しくは並列に連結されていて良い。図１６の機械１６０は、二相若しくは三相付勢スキームによる場合、その付勢において図３の機械３０に関する切換スキームに示されていたものと類似の非対称的な相電流が必要とされる点で、機械３０と同様である。機械１６０の非対称性は、短節巻コイルの機械内における配置に依存したものである。図１６の機械において、コイルは、固定子内において、三つの相巻線間の相互インダクタンスが対称的にならないように置かれている。機械１６０の多相付勢には、相巻線の三つの全てにおいて、双極性電流が必要とされるので、機械１６０を駆動するためには、適当な三相双極性電流駆動装置（例えば、一相当たり四つのスイッチを有する三相Ｈ型ブリッジ）を用いることができる。図１７は、短節巻１２固定子極及び８回転子極のリラクタンス機械１７０に構成された別の実施例を示している。機械１７０は、機械１６０のものと実質的に同様の態様で構成された回転子と固定子とを有しているが、三つの相巻線を含むコイルは、図１７に表されているように、異なった態様で置かれている。機械１７０で用いられている短節巻線の配置は、相互インダクタンス（従って、許容可能な二相及び三相の付勢スキームにおける付勢電流）が対称的であるという点で、対称的である。この態様において、機械１７０は、図１０の機械１００と同様である。機械１６０と同様に、機械１７０は、単相、二相及び三相付勢スキームにより付勢することができる。機械１７０を駆動するためには一相当たり四つのスイッチを有する標準的なＨ型ブリッジ駆動装置が用いることができる。更に、機械１７０の対称性により、機械１７０を駆動するために電力切換デバイスを六つのみ有する対称的なインバーターを用いることができる。かかる駆動装置を有するシステムの一つの例が図１８に示されている。図１８は、正のレール１８１＋と負のレール１８１−を確定するＤＣバス１８１を有する対称的な駆動装置１８０を示している。ＤＣ電圧が、ＤＣ電池、ＡＣ −ＤＣ変換器若しくはその他の適当なＤＣ電力源１８２によりＤＣバスへ与えられる。ＤＣバス１８１の間には、上側ＤＣキャパシタ１８３及び下側ＤＣキャパシタ１８４が接続されている。キャパシタ１８３及び１８４は、共通接点１８５において共に接続されている。また、ＤＣバスには、電力切換デバイスの組１８６も接続されている。電力切換デバイスの組の各々は、リラクタンス機械１７０の三つの相巻線Ａ、Ｂ及びＣのうちの一つに関連させられており、電力切換デバイスの組の各々は、上側電力切換デバイスと下側電力切換デバイスとを含む。上記の電力切換デバイスと同様に、組１８６を含む電力切換デバイスは、トランジスター、機械的デバイス若しくはその他のものでよい。概して、電力切換デバイスは、電力切換デバイスが不導通状態へ動作されたとき、電流の帰還路を備えているべきである。ある形式のデバイス（電力用ＭＯＳＦＥＴなど）については、かかるデバイスに内在するダイオードにより、この帰還路は利用可能である。その他の形式のデバイスについては、電力切換デバイスをはさんでフライバックダイオードを加えることが必要であろう。図１８の例では、ダイオードはトランジスタに内在のダイオードで良いのであるが、組１８６を含む電力切換デバイスは、トランジスタスイッチとダイオードとから成るものとして示されている。各々の組１８６の二つの電力切換デバイスの接合部には、機械１７０の相巻線Ａ、Ｂ及びＣのうちの一つの一方の端が接続されている。三つの相巻線の他方の端は、星型形状に共に接続され、三つの相巻線の接合点は、引き出されて、接点１８５へ電気的に接続されている。コントローラ及び電流レギュレータ１８８は、相巻線の電流を示す電流フィードバック信号と、回転子の角度方向位置を表す回転位置トランスデューサー１８９からの出力信号とを受け取る。回転位置トランスデューサー１８９からの出力信号と電流フィードバック信号とに応答して、コントローラ１８８は、組１８６を含む電力切換デバイスを駆動するために用いられるゲート信号を生成する。切換信号の正確な性質及び形態は、機械１７０を駆動するために選択される付勢スキームに依存して変化することとなるものであり、この開示の利点を享受する当業者により得られるものである。対称的な駆動装置１８０は、前記の図１０の対称的な機械１００を駆動するためにももちいることができる。図示していないが、図１８の駆動装置１８０は、三つの相巻線の共通接続部分が共通接点１８５に接続しているのでなく、移動する状態のままになっている機械を駆動するために用いることができる。ここで例示し、記載した短節巻機械は、伝統的な単歯リラクタンス機械及び全節巻リラクタンス機械を超える多大な利点を提供する。特に、本発明による短節巻機械を構成する費用は、銅に関して及び鋼に関して、相当の全節巻リラクタンス機械若しくは単歯リラクタンス機械の費用よりもしばしば低くなる。更に、トルク生成に関して、自己及び相互インダクタンスの両方を利用するので、最小のトルクリップル（変動）で、より平滑なトルク出力が得られ、トルク出力が増大され、より高いトルク密度が得られる。更に、本発明による短節巻機械に用いることのできる対称的な双極性付勢スキームによれば、機械を駆動するのに、ほとんど若しくは全くハードウェアについて修正することなく、標準的な誘導モーターパルス幅変調インバータを用いることができる。上記のいくつかの実施例の説明は、例示のためのものであり、制限することを目的としない。多くの変更が、本発明の範囲及び概念を逸脱することなく、ここに開示した実施例及び方法になされ得る。例えば、本発明は、種々の相、固定子／回転子極の組合せを有するリラクタンス機械の多くの例に対して、及び、ここでの応用において例示されたものと異なる回転子の構造を有するリラクタンス機械に対して適用可能である。本発明は、請求の範囲によってのみ限定されると意図されている。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims

【特許請求の範囲】１．リラクタンス機械のための固定子であって、複数の固定子極を郭定し、前記固定子内に置かれた相巻線を複数含み、少なくとも一つの相巻線が短節巻コイルを含んでいる固定子。２．請求の範囲第１項の固定子であって、前記相巻線が電気的に並列に接続された複数の短節巻コイルを含んでいる固定子。３．請求の範囲第１項の固定子であって、各々の相巻線が電気的に直列に接続された複数の短節巻コイルを含んでいる固定子。４．請求の範囲第３項の固定子であって、六つの固定子歯を郭定し、前記短節巻コイルが二つの固定子歯を囲繞している固定子。５．請求の範囲第３項の固定子であって、１２個の固定子歯を郭定し、前記短節巻コイルが二つの固定子歯を囲繞している固定子。６．請求の範囲第１項の固定子であって、前記相巻線の前記コイルが前記固定子内において各々の相巻線の間の対応する相互インダクタンスが対称的になるように置かれている固定子。７．請求の範囲第１項の固定子であって、前記相巻線の前記コイルが前記固定子内において各々の相巻線の間の対応する相互インダクタンスが非対称的になるように置かれている固定子。８．リラクタンス機械であって、複数の固定子極を郭定する固定子と、複数の回転子極を郭定する回転子と、固定子内に置かれた相巻線とを含み、前記相巻線が複数の短節巻コイルを含んでいるリラクタンス機械。９．請求の範囲第８項のリラクタンス機械であって、前記固定子が六つの固定子歯を郭定し、前記回転子が四つの回転子極を郭定し、各々のコイルが二つの固定子歯を囲繞しているリラクタンス機械。１０．請求の範囲第９項のリラクタンス機械であって、三つの相巻線があり、各々の相巻線が二つの短節巻コイルを含んでいるリラクタンス機械。１１．請求の範囲第１０項のリラクタンス機械であって、各々の相巻線の間の対応する相互インダクタンスが対称的であるリラクタンス機械。１２．請求の範囲第８項のリラクタンス機械であって、前記固定子が１２個の固定子歯を郭定しており、前記回転子が８つの回転子極を郭定しているリラクタンス機械。１３．請求の範囲第１２項のリラクタンス機械であって、三つの相巻線があり、各々の相巻線が４つの短節巻コイルを含み、各々のコイルが二つの固定子歯を囲繞しているリラクタンス機械。１４．請求の範囲第１３項のリラクタンス機械であって、前記コイルが前記固定子内において各々の相巻線の間の相互インダクタンスが対称的になるように置かれているリラクタンス機械。１５．請求の範囲第１３項のリラクタンス機械であって、前記コイルが前記固定子内において各々の相巻線の間の相互インダクタンスが非対称的になるように置かれているリラクタンス機械。１６．請求の範囲第１０項のリラクタンス機械であって、相巻線の対応する相互インダクタンスが非対称的であるリラクタンス機械。１７．リラクタンス機械システムであって、複数の相巻線にしてその各々が複数の短節巻コイルを含んでいる相巻線を含むリラクタンス機械と、前記リラクタンス機械の相巻線へ電気的に接続された出力を複数有する電力駆動装置と、を含むリラクタンス機械システム。１８．請求の範囲第１７項のリラクタンス機械システムであって、前記電力駆動装置が、前記駆動装置の出力の各々に関連した四つの電力切換デバイスを有する完全Ｈ型ブリッジ型駆動装置を含んでいるリラクタンス機械システム。１９．請求の範囲第１７項のリラクタンス機械システムであって、前記電力駆動装置が、前記駆動装置の出力の各々に関連した二つの電力切換デバイスを有する半分Ｈ型ブリッジ型駆動装置を含んでいるリラクタンス機械システム。２０．複数の相巻線にしてその各々が複数の短節巻コイルを含んでいる相巻線を含むリラクタンス機械を付勢する方法であって、任意の回転子の位置について、その位置での前記機械のトルク出力が、前記回転子の位置の関数としての前記巻線のうちの少なくとも一つの自己インダクタンスの変化と前記回転子の位置の関数としての前記巻線のうちの少なくとも二つの間の相互インダクタンスの変化との関数となるように二つ若しくはそれ以上の相巻線を付勢する過程を含む方法。２１．リラクタンス機械システムであって、複数の短節巻相巻線を有するリラクタンス機械と、相巻線に電気的に接続された駆動装置にして、複数の切換配列を有し、それら切換配列の各々が前記短節巻相巻線のうちの一つへ双極性付勢電流を供給できるように構成されており、切換配列の数が前記短節巻相巻線の数より少なくなっている駆動装置とを含むリラクタンス機械システム。２２．請求の範囲第２１項のシステムであって、各々の切換配列が完全Ｈ型ブリッジであるシステム。２３．請求の範囲第２１項のシステムであって、切換配列の数が前記短節巻相巻線の数より１つ少なくなっているシステム。