JP2007534284A - 同期整流デバイスとそのデバイスを実行する同期電気マシン - Google Patents

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Abstract

この発明は、H-ブリッジタイプで、同期マシンの相のコイル(５)に供給する同期整流デバイス(１０)に関し、H-ブリッシの電気的リンク(１１、１２)に配置され、かつ、各スイッチ回路(４０)で電気的に特徴付けられることにより命令される４つのスイッチ(２１、３１、２２、３２)を備え、各スイッチは、電子回路(４０)により命令される少なくとも１つのトランジスタ(Ｔ１)を備える。

Description

発明の詳細な説明
この発明は同期電気マシンを供給するHブリッジタイプのデバイスの同期整流に関連する。また、この発明はモータモードおよび発電機モード(例えば、自動車の交流スタータ)で動作するために工夫された多相の同期電気マシンに関連する。
多相の同期電気マシン(例えば、可変磁気抵抗のモータ)は、図１に示すように、ロータ１、回転角で制御された軸２と一体の永久磁石(または同等品)、およびマシンの相に対応した複数対の対向静止磁極を持つステータ３を備える。ステータの強磁性構造は、ロータを回転させる磁場を引き起こすために電流が供給されるコイル５を含む。
コイルへの電流供給、一般にバッテリ２０(その出力は、破線で囲んだ、チョーク３５０およびキャパシタ３６０を備えるフィルタ３０によりフィルタ処理される)は、ロータを同一速度(いわゆる同期速度)で駆動するための回転磁界を発生するために、バッテリとアース間に位置するH-ブリッジを含む同期整流デバイスに対し、各コイルで個別に制御される。
破線で囲んだH-ブリッジ１０は、Hの垂直分岐を形成する並列の電気的なリンク１１および１２を備え、各リンク１１および１２は、中点１３または１４で分離された２つの電気的スイッチ２１、３１および２２、３２を備え、その中点１３および１４は、マシンの相のコイル５に接続される。一般に、簡単化の理由のために採用されるこのH-ブリッジの実施例では、図１のようにスイッチは、トランジスタ２３、３４およびダイオード３３、２４であってもよく、ダイオードとトランジスタは対角位置にある。
電子回路４０により、トランジスタ２３と３４は、コイル５に電流通路を許可するために命令され、一方、ダイオード３３および２４は、前記コイルに蓄積されたエネルギーを吸収できるように、自発的に切り替えるように作用する。
しかしながら、大きな漏洩電流を示すダイオードは、阻止されても、少なくないエネルギー損失を引き起こし、マシン全体の効率は、８５％に制限されることが見出されるかもしれない。
そのうえ、スイッチは、常に命令されるか、または常に「自発的に」なるように予め決定され、そして、H-ブリッジ内のエネルギー損失は、不平衡につながり、その結果、マシンの信頼性を損なう。
交流ステータは、例えば可変磁気抵抗の同期マシンからなり、そのマシンは、H-ブリッジを備え、そして、スイッチ２１、２２、３１、３２を連続的に作動させる命令による同期および非同期に依存して、発電機およびモータのモードで動作できる。
発電機として命令されると、モータ軸で利用できる機械的エネルギーの一部を電気的エネルギーに変換して、車の電気的装備に供給し、そして、ダイオードを通じてバッテリを充電し、従って非同期モードである。
モータとして命令されると、バッテリで利用できる電気的エネルギーを、機械的エネルギーに変換し、車のエンジンを始動させるか(この場合はスタータ機能を達成)、または、低温時に役立たせるか、または、特に市街で頻繁な停止と再スタートする“停止および発進”機能を実行する。
後者の場合には、すべてのトランジスタは同期モードで命令され、モータはバッテリからのエネルギーをステータのコイルに、時折、かつ短期間で伝える。
この同期マシンは非常に高信頼でなければならない。
総合的なエネルギー効率と上のマシンの信頼性を改善するために、回路を分離することによって、H-ブリッジを改善することを追求することは可能であり、それは、発電機モードで提供するパワーをモータ２モードに提供する。明確に、それらが同時に動作しないので、それらを切り離して、特定の方法において、それらの不可欠の機能でもってそれらを改善することは可能である。しかしながら、この解決策は高価である。
本出願人は、異なったより経済的なルートを選び、そして、同じH-ブリッジにより、モータのモードでの動作および発電機モードでの動作を提供でき、ダイオードの漏洩電流によるエネルギー損失を回避し、全体的な信頼性を改善する上記タイプのマシンを提案している。
従って、この発明は、第１に、H-ブリッジタイプで、同期マシンの相コイル(５)に供給する同期整流デバイス(１０)は、H-ブリッシの電気的リンク(１１、１２)に配置され、かつ、各スイッチ回路(４０)で電気的に特徴付けられることにより命令される４つのスイッチ(２１、３１、２２、３２)を備え、各スイッチは、少なくとも１つのトランジスタ(Ｔ１)を備え、そのトランジスタは、コイル電流の強度Ｉが、所定のしきい値Ｓを超過したか否かに応じて、電子回路(４０)により、ダイオードまたはそれ以外として命令される。
ダイオードを省くことによって、それらの漏洩電流によるエネルギー損失を回避し、それにより、同期マシンの全体的な効率の第１の改善に貢献する。
望ましくは、各スイッチは、ある個数の並列のトランジスタから成り、前記個数はスイッチで引き出されるべきパワーによって決定される。
パワーの機能としてのトランジスタの個数の最適化は、さらにマシンの全体的効率を改善する。信頼性における改善に加えて、それらを並列に設けることによってこのようにして得られるトランジスタの冗長により、操作のセキュリティをも向上させる。
特に、スイッチにおける動作トランジスタの個数は、それの動作のモータモードまたは発電機モードでの同期マシンの効率を改善するために、電子回路自体によって選択されてもよい。
都合上、トランジスタはすべて同じであり、これは、マシンの産業上での製造においてより安価となる。
また、好ましくはトランジスタはMOSである。
また、この発明は、前記タイプの同期整流デバイスの制御下でDC源により供給された１相あたり１個のコイルを持つ多相の同期電気マシンに関し、電子回路により命令される４つのスイッチを備え、電子回路は４つのスイッチを個別の対で命令するように設計され、各対は、４つのスイッチの内の２つからなり、かつ、コイルに対して常に直列に選択され、全ての対は、コイルに順電流または逆電流を供給するために、またはコイルに蓄積されたエネルギーを回復するために、交互に命令される。
上で示したタイプの同期整流デバイスを使用することによって、マシンの効率は９５％に高められる。
スイッチの対の役割を交互に逆にすることによって、前述のスイッチの機能が汎用にされ、時間的に損失が平衡にされ、それにより、H-ブリッジの信頼性を改善し、その結果、同期マシンの信頼性を改善する。
好ましくはコイル回路に電流センサが備えられ、電子回路は、コイル電流が絶対値で、再決定されたしきい値より大きいならば同期モードで、そうでないなら非同期モードで、スイッチの対に命令するように設計され、関係するトランジスタは、次に、それらの内部のダイオードを通じてのみ調節し、他の２つのスイッチは、閉じるように命令される。
好都合には、スイッチに命令する電子回路は、DC源の回路短絡を回避するために、モードの変化時に、前記スイッチに対する命令を時間内でオフセットするよう設計される。
また好ましくは、同期マシンは、それのロータ上に、電子回路にリンクしたロータ位置センサを備え、そして、電子回路は、車のエンジンプロセッサにより与えられた命令に基づき、モータモードまたは発電機モードによるロータ位置の関数として、多相同期マシンに命令するように設計される。
添付した図面を参照して、この発明による同期整流デバイスおよび、その同期整流マシンを装備する同期電気マシンの好ましい実施例の以下の記述により、この発明はより明確に理解されるであろう。
図２を参照すると、多相同期電気マシンは、上で示した図１のすべての要素を含む。つまり、バッテリ２０、フィルタ３０、同期整流デバイス(ここではH-ブリッジ１０)、電子回路４０(ここではプログラム可能なロジック回路)、破線で囲まれ、軸２に関して回転するロータ１および、磁極４およびコイル５を有するモータ５０であり、前記コイル５の端子は、H-ブリッジ１０の中点１３、１４に接続される。図１、２では、１つのコイルのみが接続されている。
さらにこのマシンは、コイル５に流れる電流Ｉに関する指示を与える電流センサ４５を各コイル５に備える。その電流Ｉは、絶対値で、所定のしきい値Ｓより小さいか、あるいは大きいかを示す。
最後に、プログラム可能なロジック回路４０は、角度センサ４２により与えられた、軸２に関するロータ１の角度位置に関する指示θ、および、車(不図示)のエンジンプロセッサからの方位の指示Ｍを受け取る。
これらの指示に基づき、プログラム可能なロジック回路４０は、電気的リンク４１を通じてH-ブリッジに命令を出し、４つのスイッチ２１、２２、３１、３２を作用させる。
４つのスイッチはすべて構造的に同じである。図３を参照すると、スイッチ２１、２２、３１、３２は、n個の同一のトランジスタＴ1・・Ｔnを備え、それらのトランジスタは、それらの入力部２７、２８、３７、３８と、それらの出力部２５、２６、３５、３６との間で並列に接続される。例えば、３ないし５からn個、またはそれ以上を選ぶのは可能であり、スイッチのトランジスタは、単一の命令４１を通じて同時に、または、命令４１1ないし４１nを通じて個別に、命令される。命令されるトランジスタの個数は、マシンの動作モードおよび伝達されるべきパワーに依存して適正にされる。
MOSがトランジスタとして選ばれてもよい。
スイッチに対する命令は以下に説明される。
図２から図４を参照すると、Ａ１期間では、H-ブリッジ１０の４個のスイッチ２１、３１、２２、３２は、N相により命令され、このN値は、例えば６つの連続した相φ1 から φ6に等しい。４個のスイッチ２１、３１、２２、３２は、スイッチに対するMOS ハイ／ロー サイド、ダイオード ハイ／ロー サイド、ダイオードの欠落および、機能の一般用途として、これらは、慣例的なラベル MHS, DLS, DHS. MLS で示される。
φ１: MHS および MLS は閉に命令され 、 DHS および DLS はダイオードとして命令される。
φ2 : MHS および DHS は閉に命令され 、 MLS および DLS はダイオードとして命令される。
φ3 : MHS および MLS は閉に命令され 、 DHS および DLS はダイオードとして命令される。
φ4 : DLS および MLS は閉に命令され 、 MHS および DHS はダイオードとして命令される。
φ5 : MHS および MLS は閉に命令され 、 DHS および DLS はダイオードとして命令される。
φ6 : DHS および DLS は閉に命令され 、 MHS および MLS はダイオードとして命令される。
トランジスタがダイオードの挙動をシミュレートするように命令されるなら、スイッチは後で説明される方法で、ダイオードとして命令されるべきであると説明される。４個のスイッチがプログラム可能なロジック回路４０によって異なった対で命令されるのがわかる。各対は、コイル５と直列な２個のスイッチである。
周期Ａ１の第１と最後の位相(φ１とφ６)は、異なる２つの動作モードに対応して、それぞれ２個のサブの位相Ｍ１とＭ２に分割される。コイル５の電流Ｉが絶対値でしきい値Ｓより大きいなら、同期モードで見られたように、スイッチはダイオードとして命令される。
そうでなく、コイル電流Ｉがしきい値Ｓに達しないなら、スイッチDHS および DLSは命令されず、非同期モードにて、トランジスタは、それらの内部ダイオードのみを通じて自然に調整する。
以下に説明されるデバイスが電源短絡(“２重導通”の現象)することなく、電流Ｉによるしきい値Ｓの超過は起こらない。
図５を参照すると、次の周期Ａ２の間に、４つのスイッチ２１、３１、２２、３２はＮ個の相(ここでは６個の相φ１'からφ６')に基づき命令され、前のものと連続的に対称である。
φ１': DHS および DLS は閉に命令され 、 MHS および MLS はダイオードとして命令される。
φ2' : DHS および MHS は閉に命令され 、 DLS および MLS はダイオードとして命令される。
φ3' : DLS および DHS は閉に命令され 、 MLS および MHS はダイオードとして命令される。
φ4' : DLS および MLS は閉に命令され 、 MHS および DHS はダイオードとして命令される。
φ5' : DHS および DLS は閉に命令され 、 MHS および MLS はダイオードとして命令される。
φ6' : MHS および MLS は閉に命令され 、 DHS および DLS はダイオードとして命令される。
上と同様に、周期の第１と最後の相φ１' および φ６'は、２つの動作モード(H-ブリッジの同期モードと非同期モード)に対応して、それぞれ２個のサブの位相Ｍ１'とＭ２'に分割される。
したがって、４個のスイッチ２１、２２、３１、３２は異なった対でプログラム可能なロジック回路４０によって命令され、それぞれの対は、４つのスイッチの内の２つからなり、更に、コイル５と直列にして選ばれ、かつ、コイルに順電流または逆電流を供給するために、または、そこに蓄積されたエネルギーを回復するために、プログラム可能なロジック回路４０が全ての対に交互に命令する過程において、連続する周期Ａ１、Ａ２に基づき選択される。
プログラム可能なロジック回路４０は「ダイオード」として以下の方法でトランジスタに命令する。センサ４５により与えられた電流Ｉの値に関する命令に基づき、プログラム可能なロジック回路４０は、その電流が決定された方向(シミュレートされたダイオードの通過方向)であるときのみ、トランジスタをディセーブルにする命令を出し、そうでない場合は、トランジスタを閉にする命令を出す。すなわち、電流を通過させるが、同時に、シミュレートされたダイオードの特性に従って確立していた値でコイルに電流Ｉを設定する。
特に、上記の相φ1 , φ６ ; φ１' , φ６'間のモード変化時に、電源２０を回路短絡させることなく、同じリンクの２個のトランジスタに同時に通過するようにはできないので、プログラム可能なロジック回路４０は、２重導通であるこの回路短絡を回避するため、図６で示すように、期間Δtによるオフセット時間に関連してスイッチMHS および DLSに命令する。
選択された期間Δtは、これらのスイッチのトランジスタがロジックレベルを確立する時間に少なくとも等しい。
一方ではモータモードにて、伝達されるべきパワーの関数として効率を最適化するために、ロータ１の速度関数として必要な相φi の数Ｎを最適化することにより、および、各H-ブリッジ５の各スイッチで動作されるべきトランジスタの個数ｎを決定することにより、または、他方では発電機モードにて、DC源２０の再充電の関数として個数ｎを同様に決定して、その再充電を最適化することにより、ロータの角度位置センサ４２からの指示０および、エンジンプロセッサから来る指示Ｍは、プログラム可能なロジック回路４０が多相同期マシンに命令することを許可する。
従って、リンクの動作トランジスタの個数ｎは、プログラム可能なロジック回路４０により、モータおよび発電機の２つの動作モードで同期マシンの効率を改善するように選択される。
従来の同期電気マシンの基本的なブロック図を示す。 同期電気マシンの基本的なブロック図であり、この発明によるそれの同期整流デバイスを備える。 この発明による同期整流デバイスの構成に組み込まれる電子スイッチの回路図を示す。 この発明による同期整流デバイスの動作のタイムチャートを示す。 この発明による同期電気マシンで実施された同じデバイスの動作を示すタイムチャートである。 DC源の回路短絡を回避できるためのスイッチの命令を示すタイムチャートである。
符号の説明
１ ロータ
２ 軸
３ ステータ
５ コイル
１０ H-ブリッジ
１１、１２ リンク
１３、１４ 中点
２１、３１および２２、３２ 電気的スイッチ
２３、３４ダイオード３３、２４ トランジスタ
３０ フィルタ
２０ バッテリ
３５０ チョーク
３６０ キャパシタ
４０ 電子回路

Claims (9)

  1. H-ブリッジタイプで、同期マシンの相コイル(５)に供給する同期整流デバイス(１０)は、H-ブリッシの電気的リンク(１１、１２)に配置され、かつ、各スイッチ回路(４０)で電気的に特徴付けられることにより命令される４つのスイッチ(２１、３１、２２、３２)を備え、
    各スイッチは、少なくとも１つのトランジスタ(Ｔ１)を備え、そのトランジスタは、コイル電流の強度Ｉが、所定のしきい値Ｓを超過したか否かに応じて、電子回路(４０)により、ダイオードまたはそれ以外として命令されることを特徴とするデバイス。
  2. 各スイッチは、ある個数(n)の並列のトランジスタ(Ｔ1・・・Ｔn)から成り、前記個数はスイッチで引き出されるべきパワーによって決定される請求項１記載のデバイス。
  3. スイッチにおける動作トランジスタの個数(n)は、３〜５に選択される請求項２記載のデバイス。
  4. トランジスタ(Ｔ1・・・Ｔn)は全て同一のものである請求項１〜３のいずれかに記載のデバイス。
  5. トランジスタは、MOSである請求項１〜４のいずれかに記載のデバイス。
  6. 同期整流デバイス(１０)の制御下でDC源(２０)により供給された１相あたり１個のコイル(５)を持つ多相同期電気マシン(１０、２０、３０、４０、５０)であり、電子回路(４０)により命令される４つのスイッチ(２１、３１、２２、３２)を備え、電子回路(４０)は４つのスイッチ(２１、３１、２２、３２)を個別の対に命令するように設計され、各対は、４つのスイッチの内の２つからなり、かつ、コイル(５)に対して常に直列に選択され、全ての対は、コイル(５)に順方向(Ａ１)または逆方向(Ａ２)の電流(Ｉ)を供給するために、またはコイル(５)に蓄積されたエネルギーを回復するために、交互に命令(φ１・・・φ６';φ・・・φ６'):されることを特徴とする多相同期電気マシン。
  7. コイル(５)の回路に電流センサ(４５)が備えられ、電子回路(４０)は、コイル電流が絶対値で、再決定されたしきい値(Ｓ)より大きいならば同期モード(Ｍ２、Ｍ２')で、そうでないなら非同期モード(Ｍ１、Ｍ１')で、スイッチの対に命令するように設計され、関係するトランジスタは、次に、それらの内部のダイオードを通じてのみ調節し、他の２つのスイッチは、閉じるように命令される請求項６記載のマシン。
  8. スイッチに命令する電子回路(４０)は、DC源(２０)の回路短絡を回避するために、モードの変化時に、前記スイッチに対する命令を時間内でオフセット(Δt)するように設計される請求項７記載のマシン。
  9. 同期マシンであり、それのロータ(１)上に、電子回路(４０)にリンクしたロータ位置センサ(４２)を備え、そして、電子回路(４０)は、車のエンジンプロセッサにより与えられた指示(Ｍ)に基づき、モータモードまたは発電機モードによるロータ位置(θ)の関数として、多相同期マシンに命令するように設計される請求項６〜８のいずれかに記載のマシン。
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