JP2010537615A - 単一スイッチ制御方式のスイッチトリラクタンス機 - Google Patents

Abstract

多相スイッチトリラクタンス機に使用するための改良された単一スイッチ制御回路を提供する。この制御回路は少なくとも、第１の相巻線および第２の相巻線と、スイッチと、キャパシタと、ダイオードとを含む。キャパシタは、制御回路における電源の極性とは逆の極性を有する。第１の巻線は、スイッチに直列に接続し、第２の巻線を備えている回路ブロックに並列に接続する。第２の巻線は、キャパシタに並列かつダイオードに直列に接続する。動作時、スイッチを使用して、電流を第１の巻線から第２の巻線に経路変更する。第１の巻線における電流の流れを実質的に止めるのに十分なエネルギを最終的に蓄えるまで、経路変更された電流によってキャパシタを充電する。次に、キャパシタは、自身の蓄えたエネルギを第２の巻線を通る電流として放電する。このようにして、第１の巻線からのエネルギの実質的にすべてを第２の巻線に伝達することができる。

Description

本明細書における開示は、スイッチトリラクタンス機の分野に関し、より詳細には、多相スイッチトリラクタンス機の相励磁を制御する新規の単一スイッチ制御回路に関する。

（優先出願）
米国特許法第１１９条（ｅ）項の規定により本願は米国仮特許出願第６０／９５５，６５６号「Single Switch Controlled Switched Reluctance Machine」（Ｋ．Ｒａｍｕ、出願日：２００７年８月１４日）の利益を主張し、この仮出願は本願に援用される。

誘導電動機およびユニバーサルモータは、現在、一定速度かつ低馬力が要求される用途のほとんどにおいて使用されており、主たる理由は、これらのモータのコスト競争力である。このような従来のモータに置き換える目的で、過去１０年にわたり、単相のスイッチトリラクタンス機（「ＳＲＭ」）に関する研究が行われてきた。しかしながら、従来の単相ＳＲＭ機は、一般的に高性能用途には適しておらず、なぜなら、出力パワー密度が低い、トルク発生のデューティサイクルがわずか５０％であるといった固有の制限があることが知られているためである。さらに、単相ＳＲＭ機では、自己始動のための永久磁石または補助巻線の形での追加のコンポーネントも要求される。

単相ＳＲＭのこれら既知の制限のため、特に、高トルクもしくは高効率、またはその両方である用途のための多相（すなわち二相以上を有する）ＳＲＭ機への関心が高まっている。例えば、家庭用電化製品および動力工具などにおける可変速度用途においては、二相ＳＲＭをブラシレスモータ駆動装置として採用することができる。二相ＳＲＭは、設計が比較的単純であることと製造コストが低いため、特に望ましい。例えば、特許文献１（Ｋ．Ｒａｍｕら、２００６年３月２１日発行）に記載されているものなど、従来技術にはさまざまなタイプの二相ＳＲＭが知られている。

図１Ａおよび図１Ｂは、従来の二相ＳＲＭ１００の一例を示している。この例示的な二相ＳＲＭは、４つの固定子磁極１１５を有する固定子１１０と、２つの回転子磁極１２５を有する回転子１２０とを含んでいる。回転子１２０は、回転子の中心に結合されている固定シャフト１３０を中心に回転するようにされている。第１の組の同心巻線１４０（例えば、銅線コイル）は、直径方向に対向するそれぞれの固定子磁極１１５Ａの周囲に配置されている。これらの巻線１４０は、電気的に直列または並列に接続することができる。同様に、第２の組の同心巻線１５０は、直径方向に対向するそれぞれの固定子磁極１１５Ｂの周囲に配置されている。これらの巻線１５０は、同様に直列または並列に接続することができる。図１Ａは、第１の相における例示的な二相ＳＲＭ１００を示している。この第１の相においては、電流が巻線１４０を通じて印加され、結果としての磁力によって回転子磁極１２５が固定子磁極１１５Ａに整列する。図１Ｂは、第２の相を示しており、第２の相においては、巻線１５０を通る電流に起因して回転子磁極１２５が固定子磁極１１５Ｂに整列する。巻線１４０および巻線１５０を選択的に励磁することによって、ＳＲＭの第１の相および第２の相が駆動され、回転子１２０の回転速度を制御することができる。

多相ＳＲＭにおける相巻線は、一般には、ＳＲＭに関連付けられる制御回路によって励磁される。本明細書において使用する「相巻線」は、ＳＲＭあるいは他のブラシレス機の単相を駆動するために使用される１つまたは複数の巻線を意味する。例えば、図１Ａおよび図１Ｂにおいて、巻線１４０および巻線１５０の各組が、ＳＲＭ１００における相異なる相巻線を構成することができる。最も一般には、ＳＲＭ制御回路は、１つの相巻線あたり、その巻線における電流の流れをオンおよびオフにするための少なくとも１つのスイッチを有する。例えば、再び図１Ａおよび図１Ｂを参照し、相巻線１４０を通る電流の流れを、少なくとも１つのスイッチ（図示していない）を使用して制御することができる一方で、相巻線１５０を通る電流の流れを、少なくとも１つの別のスイッチ（図示していない）によって制御することができる。特許文献２（Ｋ．Ｒａｍｕら、２００７年９月１８日発行）の図１〜図４には、多相ＳＲＭ機において使用するための従来技術のマルチスイッチ制御回路のさまざまな例が示されている。

従来のマルチスイッチ式のＳＲＭ制御回路の１つの欠点は、そのコストである。すなわち、制御回路における各スイッチには、一般に、その動作を制御するための追加の回路が関連付けられている。例えば、各スイッチは、そのスイッチの状態を変更するための回路が関連付けられているトランジスタスイッチとして実施することができ、さらに、別の回路コンポーネント（例えば、ダイオード、抵抗器、キャパシタ）を関連付けることができる。さらには、マルチスイッチ回路における各スイッチは独立して制御されることがあるため、個別のスイッチ制御方式を実施するためにさらに追加の回路が要求されうる。複数のスイッチのそれぞれに関連付けられる追加の回路によって、ＳＲＭ制御回路のコストおよび複雑さの両方が大幅に増大する傾向にある。

マルチスイッチ制御回路の不都合を克服する目的で、多相ＳＲＭ機において使用するための単一スイッチ制御回路が提案されている。これまでに知られている単一スイッチ回路は、一般には、従来のマルチスイッチ制御回路よりも要求される回路）が少ない（例えば、トランジスタスイッチおよびダイオードが少ない）。結果として、単一スイッチ制御回路では、ＳＲＭのコストおよび複雑さの両方を低減することができる。さらに、このような単一スイッチ回路は、複数のスイッチを制御するための複数の制御方式が要求されないという利点を持つ。１つのみのスイッチを能動的に制御して、ＳＲＭの複数の相を生じさせることができる。例えば特許文献２には、さまざまな単一スイッチ式のＳＲＭ制御回路が開示されている。

図２は、二相ＳＲＭにおいて使用することのできる例示的な単一スイッチ制御回路２００を示している。特許文献２の例えば図１０には、類似する単一スイッチ制御回路が開示されている。例示的な制御回路２００は、直流電流（「ＤＣ」）電源２１０および制御回路２２０を含んでいる。図示したように、ＤＣ電源２１０は、交流電流（「ＡＣ」）電圧源２１５と、フルブリッジ整流器（ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，およびＤ４）と、電源用キャパシタＣ１とを有する。電源用キャパシタＣ１は、その正の端子（すなわち、正のレール）と負の端子（「負のレール」、「共通」、または「グランド」とも称する）との間に実質的にＤＣ（すなわち一定の）電圧レベルが維持されるように、有極性とすることができる。これに代えて、ＤＣ電源として使用するための、実質的に一定の電圧レベルおよび電流源を供給する別のタイプの電源、例えば、ハーフブリッジ整流器あるいはＤＣ電圧源（バッテリなど）に置き換え得ることが、当業者には理解されるであろう。

制御回路２２０は、特に、「主」相巻線Ｌ１および「補助」相巻線Ｌ２を含んでおり、いずれも、ＤＣ電源２１０の正のレールに電気的に接続されている正の端子を有する。主相巻線Ｌ１の負の端子は、トランジスタスイッチＱ１のコレクタ端子と、ダイオードＤ５のアノード端子とに電気的に接続されている。補助相巻線Ｌ２の負の端子は、補助キャパシタＣ２の正の端子と、ダイオードＤ５のカソード端子とに電気的に接続されている。このコンテキストにおいて、電流は、相巻線にその正の端子を通じて入り、負の端子を通じてその相巻線から出る。補助キャパシタＣ２は、電源用キャパシタＣ１と同じ極性を有する有極性のキャパシタとすることができる。補助キャパシタＣ２の負の端子は、例えば、電源用キャパシタＣ１の負の端子に電気的に接続することができる。

主相巻線および補助相巻線は、それぞれの固定子磁極１１５Ａの組および固定子磁極１１５Ｂの組に配置することができる（例えば、図１Ａおよび図１Ｂに示した巻線１４０および巻線１５０）。相巻線Ｌ１および相巻線Ｌ２は、制御回路２２０から空間的に隔てることができ、場合によっては、制御回路の一部ではなくＳＲＭモータの一部を形成するものとみなすことができるが、説明を目的として、これらの巻線は制御回路２２０の中に示してある。

電流が主相巻線Ｌ１を流れるとき、二相ＳＲＭの第１の相を駆動することができる。第２の相は、電流が補助相巻線Ｌ２を流れるときに駆動することができる。電流が相巻線Ｌ１またはＬ２のいずれかを流れ、したがってこれらの巻線が励磁されると、結果としての磁気エネルギによって、励磁されている巻線に対する回転子１２０の位置に応じて、ＳＲＭに正または負のトルクが発生する。例えば、回転子磁極１２５が、励磁されている巻線の固定子磁極に向かって回転している場合、その固定子磁極におけるインダクタンスの変化は正であり、したがって、ＳＲＭによって出力される正の「モータリング」トルクが発生する。これに対して、回転子磁極１２５が、励磁されている巻線の固定子磁極から離れる向きに動いている場合、インダクタンスの傾きは負であって負の「回生」トルクが発生し、すなわち、ＤＣ電源用キャパシタＣ１にエネルギが戻される。

動作時、トランジスタスイッチＱ１によって、電流が主相巻線Ｌ１または補助相巻線Ｌ２のいずれかに導かれ、したがって、ＳＲＭにおける所望の相の駆動が選択される。この例示的な実施形態に示したように、トランジスタスイッチは、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタによって実施されており、そのエミッタ端子が共通（グランド）電位に電気的に接続されており、そのコレクタ端子が主相巻線Ｌ１およびダイオードＤ５に接続されている。トランジスタスイッチＱ１は、そのベース端子に印加される制御信号によってオンおよびオフにされる。制御信号を供給する追加の制御回路（例えば、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、特定用途向け集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイなど）は図示していないが、当業者には明らかであろう。

トランジスタスイッチＱ１がオンになると、電源用キャパシタＣ１からのＤＣ電圧が主相巻線Ｌ１およびトランジスタスイッチＱ１に印加され、これによって主相巻線およびトランジスタスイッチに電流が流れる。ＤＣ電源電圧レベルと比較したときの、通電中のトランジスタスイッチＱ１における電圧降下は、一般には無視できる。トランジスタスイッチＱ１がオンである間、補助キャパシタＣ２はＤＣ電圧源キャパシタＣ１に放電するため、補助相巻線Ｌ２における電流が急激に減衰し、これによって補助キャパシタＣ２における電圧が最終的に電源用キャパシタＣ１における電圧に等しくなり、すなわち、結果として補助相巻線Ｌ２の両端の電圧が０になる。補助キャパシタＣ２がＤＣ電源２１０に迅速に放電してＤＣ電源電圧レベルに達することができるようにするため、補助キャパシタＣ２は、ＤＣ電源容量Ｃ１と比較して相対的に小さい静電容量を有することができる。

このような従来の単一スイッチ制御の例においては、主相巻線Ｌ１を通る電流が所定のレベルを超える、または何らかの別の基準が満たされたとき、トランジスタスイッチに印加される制御信号を調整してトランジスタスイッチＱ１をオフにすることができる。この場合、主相巻線Ｌ１を通る電流は、ダイオードＤ５に経路変更され、ダイオードＤ５は、トランジスタスイッチＱ１が通電を停止したとき順バイアス状態になる。経路変更された電流によって、補助キャパシタＣ２がその残留電圧（すなわちＤＣ電源電圧に等しい電圧）よりも高い電圧に急速に充電され、補助キャパシタの電圧がＤＣ電源電圧を超え、それによって電流が補助相巻線Ｌ２を流れる。

いくつかの用途においては、従来の単一スイッチ制御回路では、ＳＲＭのトルク発生能力が十分に生かされないことがある。例えば、主相巻線Ｌ１を電流が流れ終わる前に、補助キャパシタＣ２によって補助相巻線Ｌ２に電流が発生する状況が起こりうる。このような状況においては、主相巻線および補助相巻線に電流が同時に流れることにより、ＳＲＭによって発生する正味トルクが減少することがあり、なぜなら、主相巻線Ｌ１によって負のトルクが発生するのと同時に補助相巻線Ｌ２によって正のトルクが発生しうる（またはこの逆）ためである。補助相巻線Ｌ２に経路変更された電流が主相巻線Ｌ１または電源キャパシタＣ１に再循環すると、正味トルクがさらに減少しうる。これらの場合、補助相巻線Ｌ２は、主相巻線Ｌ１から自身に伝達されるエネルギのすべてを利用することができず、したがって、ＳＲＭにおいて補助相巻線Ｌ２が発生させることのできるトルク量が減少する。さらに、このような再循環により、第１の相から第２の相への遷移に要求される転流時間も増大することがある。

米国特許第７，０１５，６１５号明細書 米国特許第７，２７１，５６４号明細書

開示する実施形態は、多相スイッチトリラクタンス機において使用するための改良された単一スイッチ制御回路を提供する。この目的のため、新規の制御回路は、少なくとも、電源と、第１の相巻線および第２の相巻線と、スイッチと、キャパシタと、ダイオードとを含んでいる。開示する実施形態によると、第１の相巻線および第２の相巻線のうち励磁される相巻線が、スイッチの動作によって決まる。制御回路の構成は、第１の相巻線がスイッチに直列に電気的に接続されており、かつ、第２の相巻線を備えている回路ブロックに並列に電気的に接続されているようにすることができる。具体的には、第２の巻線を、キャパシタに並列かつダイオードに直列に電気的に接続することができる。開示する実施形態においては、キャパシタは、電源の極性とは逆の極性を有する有極性キャパシタとすることができる。このようにキャパシタの極性を方向付けることによって、スイッチを使用して第１の巻線に電流を導くとき（例：ＳＲＭの第１の相）、キャパシタおよび第２の巻線のいずれにも実質的にまったく電流が流れない。したがって、この技術分野において公知である単一スイッチ制御回路とは異なり、スイッチをオン／オフすることによって第１の巻線の電流が制御されるとき、キャパシタには本質的に電荷が蓄えられない。

さらに、開示する実施形態においては、スイッチを使用して、電流を第１の巻線から第２の巻線に経路変更することができる（例：ＳＲＭの第２の相）。キャパシタは、第１の相の駆動時からの残留電荷を本質的に蓄えていないため、第１の巻線における電流の流れを実質的に止めるのに十分なエネルギを最終的に蓄えるまで、経路変更された電流によってキャパシタを充電することができる。次に、キャパシタは、自身の蓄えたエネルギを第２の巻線に放電することができ、次いで、第１の巻線から放電された電流は第２の巻線において消費され、トルクが発生する。ダイオードは、キャパシタから放電される電流が第２の巻線に直接流れ込み、第１の巻線には戻らないようにする役割を果たすことができる。この改良された制御方法においては、第１の巻線からのエネルギの実質的にすべてをキャパシタを介して第２の巻線に伝達することができ、これにより、ＳＲＭにおいて第２の巻線によって発生させることのできるトルク量が最大になる。さらには、この新規の単一スイッチ制御回路の向上した効率においては、第２の巻線における電流が第１の巻線または電源に再循環することが阻止されることにより、ＳＲＭにおける再循環損失（recirculation losses）を排除することができる。

開示する実施形態は、さまざまな多相ＳＲＭ機のみならず、２つ以上の相を有する永久磁石ブラシレス機にも適用することができ、これは有利である。本発明の態様のさらなる利点については、一部は以下の説明に記載してあり、一部は以下の説明から明らかであり、一部は本発明を実施することによって認識されるであろう。本発明のこれらの利点は、請求項に具体的に記載してある要素およびそれらの組合せによって実現および達成されるであろう。なお、ここまでの全般的な説明および以下の詳細な説明は、いずれも説明を目的とする例示的なものにすぎず、特許請求の範囲に記載の本発明を制限するものではないことを理解されたい。

図面（本明細書に組み込まれておりその一部を構成している）は、本発明の実施形態を図解しており、明細書の説明と合わせて本発明の原理を説明する役割を果たす。すべての図面を通じて、可能な箇所については、同一または類似する部分を同じ参照数字を使用して表してある。

第１の相が励磁された状態にある、前述した従来の２相ＳＲＭの概略図 第２の相が励磁された状態にある、前述した従来の２相ＳＲＭの概略図 この技術分野において公知である、前述した単一スイッチ式のＳＲＭ制御回路の回路図 本発明の第１の開示する実施形態に従って使用することのできる、例示的な単一スイッチ式のＳＲＭ制御回路の回路図 本発明の第２の開示する実施形態に従って使用することのできる、例示的な単一スイッチ式のＳＲＭ制御回路の回路図

開示する実施形態は、多相スイッチトリラクタンス機において使用するための、改良された単一スイッチ制御回路を提供する。開示する例示的な実施形態においては、単一スイッチ式のＳＲＭ制御回路は、主相巻線を含んでいることができ、この主相巻線は、スイッチに直列に電気的に接続されており、補助相巻線を備えている回路ブロックには並列に電気的に接続されている。主相巻線および補助相巻線のそれぞれは、ＳＲＭにおける固定子磁極に配置されている１つまたは複数の同心コイルを備えていることができる。さらには、主相巻線および補助相巻線は、主相巻線および補助相巻線のいずれかに電流が印加されたときにＳＲＭにおいて（正または負の）トルクが発生するように、配置することができる。補助相巻線は、補助キャパシタに並列に電気的に接続し、かつダイオードに直列に接続することができる。補助キャパシタは、制御回路におけるＤＣ電源の極性とは逆の極性を有する有極性のキャパシタとすることができる。スイッチを使用して主相巻線に電流が導かれるとき（例：ＳＲＭの第１の相）、直列に接続されたダイオードによって、主相巻線から補助相巻線または補助キャパシタへの電流の流れが阻止される。さらに、補助キャパシタとダイオードの配置構成によっても、第１の相の駆動時に補助相巻線に電流が流れることが阻止される。

スイッチは、主相巻線から補助相巻線に電流を経路変更する（例：ＳＲＭの第２の相）ために使用することができる。補助キャパシタは、第１の相である間に本質的に電荷を蓄えないため、主相巻線における電流の流れを実質的に止めるのに十分なエネルギを最終的に蓄えるまで、経路変更された電流によって充電される。次に、補助キャパシタは、自身の蓄えたエネルギを補助相巻線を流れる電流として放電することができ、次いで、放電された電流は補助相巻線において消費され、ＳＲＭにおけるトルクが発生する。ダイオードの方向によって、補助キャパシタから放電される電流が補助相巻線に直接流れ込み、主相巻線には戻らないようにすることができる。

この制御方法においては、主相巻線からのエネルギの実質的にすべてを補助キャパシタを介して補助相巻線に伝達することができ、これにより、第２の相の間に補助相巻線によって発生させることのできるトルク量が最大になる。さらには、開示する単一スイッチ制御回路の向上した効率においては、第２の相の駆動時に補助相巻線における電流が主相巻線に再循環する、またはＤＣ電源に流れ込むことが阻止されることにより、ＳＲＭにおける再循環損失を排除することができる。

図３は、本発明の第１の開示する実施形態に従って使用することのできる、例示的な単一スイッチ式のＳＲＭ制御回路３００を示している。開示する制御回路３００は、ＤＣ電源３１０および制御回路３２０を含んでいる。ＤＣ電源３１０は、例えば、ＡＣ電圧源３１５と、フルブリッジ整流器（ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、およびＤ４）と、電源用キャパシタＣ１とを備えていることができる。電源用キャパシタＣ１は、その正の端子（「正のレール」）と負の端子（「負のレール」、「共通」、または「グランド」）との間に実質的にＤＣの（すなわち一定の）電圧レベルを維持するため、有極性とすることができる。これに代えて、例えばハーフブリッジ整流器あるいはＤＣ電圧源（バッテリなど）を使用して、別のタイプのＤＣ電源に置き換え得ることが、当業者には理解されるであろう。

制御回路３２０は、特に、主相巻線Ｌ１および補助相巻線Ｌ２を含んでいる。主相巻線および補助相巻線は、多相ＳＲＭにおける１つまたは複数の固定子磁極１１５に配置することができる。いくつかの実施形態においては、主相巻線Ｌ１を、ＳＲＭにおけるトルクの大部分を発生させるように構成することができる一方で、補助相巻線Ｌ２を、主相巻線の転流、速度反転、トルク発生のうちの少なくとも１つにおいて主相巻線を支援するために使用することができる。

主相巻線Ｌ１および補助相巻線Ｌ２のそれぞれは、相巻線の中で直列または並列に接続することのできる１つまたは複数の導電性コイル（例えば銅線コイル）から構成することができる。補助相巻線Ｌ２は、主相巻線Ｌ１と同じ特性を示す必要はなく、例えば、異なる通電能力、巻数、銅の量、断面積（内径）のうちの１つ以上を備えていることができる。より一般的には、主相巻線および補助相巻線の電気特性および材料特性は、制御回路３００を採用する特定の用途と、その用途において考慮すべきコスト条件とに基づいて、選択することができる。相巻線Ｌ１および相巻線Ｌ２は制御回路３２０から空間的に隔てることができ、場合によっては、制御回路の一部ではなく多相機の一部を形成するものとみなすことができるが、説明を目的として、巻線Ｌ１およびＬ２は制御回路３２０の中に示してある。

第１の開示する実施形態によると、主相巻線Ｌ１の正の端子をＤＣ電源３１０の正のレールに電気的に接続することができ、主相巻線の負の端子を、ダイオードＤ５のアノード端子およびスイッチＴ１のコレクタ端子の両方に電気的に接続することができる。スイッチＴ１のエミッタ端子は、ＤＣ電源３１０の負のレールに接続することができる。一例として、例示的なスイッチＴ１は、ＮＰＮバイポーラ接合（「ＢＪＴ」）トランジスタとして示してある。しかしながら、これに代えて、スイッチＴ１は、任意のタイプの電気式スイッチ、機械式スイッチ、または電気機械式スイッチ（例えばリレー）を備えていることができる。スイッチＴ１は、例えば、少なくとも１つのトランジスタスイッチを使用して実施することができ、トランジスタスイッチとしては、ＢＪＴトランジスタスイッチ、金属酸化膜半導体（「ＭＯＳ」）トランジスタスイッチ、電界効果（「ＦＥＴ」）スイッチ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（「ＩＧＢＴ」）スイッチ（ただしこれらに限定されない）、またはこれらの任意のバリエーションまたは組合せが含まれる。

さらに、第１の開示する実施形態においては、補助相巻線Ｌ２の負の端子をＤＣ電源３１０の正のレールに電気的に接続することができ、補助相巻線Ｌ２の正の端子をダイオードＤ５のカソード端子に電気的に接続することができる。補助相巻線Ｌ２の正の端子は、さらに補助キャパシタＣ２の正の端子に電気的に接続することができる。補助キャパシタＣ２は、電源キャパシタＣ１とは逆の極性を有する有極性キャパシタとすることができる。補助キャパシタＣ２の負の端子は、例えば図示したように、電源キャパシタＣ１の正の端子に電気的に接続することができる。

動作時、例えばトランジスタスイッチＴ１のベース端子に印加される制御信号（または「ゲーティング信号」）によって、トランジスタスイッチＴ１をオンおよびオフにすることができる。この目的のため、ベース端子をゲート駆動電子回路（図示していない）に結合することができ、この電子回路としては、例えば、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（「ＤＳＰ」）、特定用途向け集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ、または、制御信号をトランジスタスイッチＴ１に提供するその他の任意の処理回路もしくは論理回路またはその両方、が挙げられる。スイッチＴ１がオン（例えば、導通状態）になると、電流は、ＤＣ電源３１０の正のレールから主相巻線Ｌ１およびスイッチＴ１を通ってＤＣ電源の負のレールに流れる。トランジスタスイッチＴ１がオンである間、補助キャパシタＣ２には本質的に電荷が蓄えられず、なぜなら、補助キャパシタＣ２の極性が電源キャパシタＣ１とは逆であるためである。さらに、主相巻線Ｌ１が励磁されている間に電流が補助相巻線Ｌ２を流れることが、ダイオードＤ５の向きによって阻止される。

主相巻線Ｌ１を通る電流が所定のレベルを超える、または何らかの別の基準が満たされたとき、トランジスタスイッチＴ１に印加される制御信号を調整してスイッチをオフに（例えば非導通状態に）することができる。この場合、主相巻線Ｌ１を通る電流は、ダイオードＤ５を通って補助キャパシタＣ２に流れるように経路変更される。補助キャパシタＣ２およびダイオードＤ５は、トランジスタＴ１のスナバ回路として機能する。スイッチＴ１がオンであった間に補助キャパシタＣ２は本質的に電荷を蓄えていないため、補助キャパシタＣ２は、主相巻線Ｌ１における電流の流れを実質的に止めるのに十分なエネルギを最終的に蓄えるまで、経路変更された電流によって充電される。補助キャパシタＣ２は、迅速に充電され得るように、電源容量Ｃ１と比較して相対的に小さい静電容量を有することができる。

補助キャパシタＣ２によって蓄えられたエネルギの実質的にすべてを、補助相巻線Ｌ２における電流を発生させるために使用することができる。具体的には、補助キャパシタＣ２は、自身の蓄えたエネルギを補助相巻線Ｌ２を通る電流として放電することができ、次いで、放電された電流は補助相巻線Ｌ２において消費され、多相ＳＲＭにおけるトルクが発生する。ダイオードＤ５は、補助キャパシタＣ２から放電される電流が補助相巻線Ｌ２に直接流れ込み、主相巻線Ｌ１には戻らないようにする役割を果たすことができる。この制御方法においては、経路変更された電流の実質的にすべてが補助相巻線Ｌ２において消費され、これにより、補助相巻線Ｌ２における電流が主相巻線Ｌ１または電源キャパシタＣ１に再循環することが回避される。さらには、この単一スイッチ構造においては、補助相巻線Ｌ２を通る電流を能動的に制御する必要性も回避され、したがって、補助相巻線における高調波に関連するコア損失が防止される。

第１の開示する実施形態においては、ＤＣ電源３１０の負のレールは、制御回路３２０、ゲート駆動電子回路（図示していない）、およびその他の任意の関連する計算回路（図示していない）のための共通の電位として使用することができる。このコンテキストにおいて、および前述したように、ゲート駆動電子回路またはゲート制御電子回路は、トランジスタスイッチのオン／オフを切り換える（または「ゲーティングする」）ために使用される制御信号を発生させる任意の論理回路もしくは処理回路、またはその両方を意味する。その他の関連する計算回路としては、スイッチＴ１を切り換えるための制御方式を実施する論理回路もしくは処理回路、またはその両方（例：マイクロプロセッサ、ＤＳＰなど）が挙げられる。多相ＳＲＭにおいては、ＤＣ電源または制御回路、ゲーティング回路、または計算回路を電気的に絶縁する必要なしに、１つの共通の電位のみを使用できるため、制御回路３００の相対的なサイズ、複雑さ、およびコストを低減することができる。

図４は、本発明の第２の開示する実施形態に従って使用することのできる、例示的な単一スイッチ式のＳＲＭ制御回路を示している。開示する制御回路４００は、ＤＣ電源４１０および制御回路４２０を含んでいる。ＤＣ電源４１０は、例えば、ＡＣ電圧源４１５と、フルブリッジ整流器（ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、およびＤ４）と、電源用キャパシタＣ１とを備えていることができる。電源用キャパシタＣ１は、その正の端子（「正のレール」）と負の端子（「負のレール」、「共通」、または「グランド」）との間に実質的にＤＣの（すなわち一定の）電圧レベルを維持するため、有極性とすることができる。これに代えて、例えばハーフブリッジ整流器あるいはＤＣ電圧源（バッテリなど）を使用して、別のタイプのＤＣ電源に置き換え得ることが、当業者には理解されるであろう。

制御回路４２０は、特に、主相巻線Ｌ１および補助相巻線Ｌ２を含んでいる。主相巻線および補助相巻線は、多相ＳＲＭにおける１つまたは複数の固定子磁極１１５に配置することができる。いくつかの実施形態においては、主相巻線Ｌ１を、ＳＲＭにおけるトルクの大部分を発生させるように構成することができる一方で、補助相巻線Ｌ２を、主相巻線の転流、速度反転、トルク発生のうちの少なくとも１つにおいて主相巻線を支援する目的に使用することができる。

主相巻線Ｌ１および補助相巻線Ｌ２のそれぞれは、相巻線の中で直列または並列に接続することのできる１つまたは複数の導電性コイル（例えば銅線コイル）から構成することができる。補助相巻線Ｌ２は、主相巻線Ｌ１と同じ特性を示す必要はなく、例えば、異なる通電能力、巻数、銅の量、断面積（内径）のうちの１つ以上を備えていることができる。より一般的には、主相巻線および補助相巻線の電気特性および材料特性は、制御回路４００を採用する特定の用途と、その用途において考慮すべきコスト条件とに基づいて、選択することができる。相巻線Ｌ１および相巻線Ｌ２は制御回路４２０から空間的に隔てることができ、場合によっては、制御回路の一部ではなく多相機の一部を形成するものとみなすことができるが、説明を目的として、相巻線Ｌ１および相巻線Ｌ２は制御回路４２０の中に示してある。

第２の開示する実施形態によると、スイッチＴ１のコレクタ端子をＤＣ電源４１０の正のレールに電気的に接続することができ、スイッチＴ１のエミッタ端子を主相巻線Ｌ１の正の端子に電気的に接続することができる。主相巻線Ｌ１の正の端子は、ダイオードＤ５のカソード端子にも電気的に接続することができる。ダイオードＤ５のアノード端子は、補助相巻線Ｌ２の負の端子および補助キャパシタＣ２の負の端子の両方に接続することができる。主相巻線Ｌ１の負の端子と、補助相巻線Ｌ２の正の端子と、補助キャパシタＣ２の正の端子は、いずれもＤＣ電源４１０の負のレールに電気的に接続することができる。補助キャパシタＣ２は、電源キャパシタＣ１とは逆の極性を有する有極性キャパシタとすることができる。例えば、図示した配置構成においては、補助キャパシタＣ２の正の端子を電源キャパシタＣ１の負の端子に電気的に接続することができる。

一例として、例示的なスイッチＴ１は、制御回路４００においてはＮＰＮバイポーラ接合トランジスタとして示してある。しかしながら、これに代えて、スイッチＴ１は、任意のタイプの電気式スイッチ、機械式スイッチ、または電気機械式スイッチ（例えばリレー）を備えていることができる。スイッチＴ１は、例えば、少なくとも１つのトランジスタスイッチを使用して実施することができ、トランジスタスイッチとしては、ＢＪＴトランジスタスイッチ、金属酸化膜半導体トランジスタスイッチ、電界効果トランジスタスイッチ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタスイッチ（ただしこれらに限定されない）、またはこれらの任意のバリエーションまたは組合せが含まれる。

トランジスタスイッチＴ１は、例えばトランジスタスイッチＴ１のベース端子に印加される制御信号（または「ゲーティング信号」）によって、オンおよびオフにすることができる。この目的のため、トランジスタスイッチＴ１のベース端子を、制御電子回路（図示していない）（例えば、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（「ＤＳＰ」）、特定用途向け集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ、または、制御信号をトランジスタスイッチＴ１に提供するその他の任意の処理回路もしくは論理回路またはその両方）に結合することができる。トランジスタスイッチＴ１のエミッタ電圧は、例えばスイッチのオン動作状態とオフ動作状態との間での切り替えによって大幅に変動するため、制御信号をトランジスタスイッチＴ１に供給するゲート駆動電子回路（図示していない）を、制御回路４００から電気的に絶縁することができる。

スイッチＴ１がオン（例えば、導通状態）になると、電流は、ＤＣ電源３１０の正のレールから、導通状態のスイッチＴ１および主相巻線Ｌ１を通ってＤＣ電源の負のレールに流れる。トランジスタスイッチＴ１がオンである間、補助キャパシタＣ２には本質的に電荷が蓄えられず、なぜなら、補助キャパシタＣ２の極性が電源キャパシタＣ１とは逆であるためである。さらに、主相巻線Ｌ１が励磁されている間に電流が補助相巻線Ｌ２を流れることが、ダイオードＤ５の向きによって阻止される。

主相巻線Ｌ１を通る電流が所定のレベルを超える、または何らかの別の基準が満たされたとき、トランジスタスイッチＴ１に印加される制御信号を調整してスイッチをオフに（例えば非導通）状態に）することができる。この場合、主相巻線Ｌ１を通る電流は、補助キャパシタＣ２に経路変更される。スイッチＴ１がオンであった間に補助キャパシタＣ２は本質的に電荷を蓄えていないため、補助キャパシタＣ２は、主相巻線Ｌ１における電流の流れを実質的に止めるのに十分なエネルギを最終的に蓄えるまで、経路変更された電流によって充電される。補助キャパシタＣ２は、迅速に充電され得るように、電源容量Ｃ１と比較して相対的に小さい静電容量を有することができる。

補助キャパシタＣ２によって蓄えられたエネルギの実質的にすべてを、補助相巻線Ｌ２における電流を発生させるために使用することができる。具体的には、補助キャパシタＣ２は、自身の蓄えたエネルギを補助相巻線Ｌ２を流れる電流として放電することができ、次いで、放電された電流は補助相巻線Ｌ２において消費され、多相ＳＲＭにおけるトルクが発生する。ダイオードＤ５は、補助キャパシタＣ２から放電される電流が補助相巻線Ｌ２に直接流れ込み、主相巻線Ｌ１には戻らないようにする役割を果たすことができる。この制御方法においては、経路変更された電流の実質的にすべてが補助相巻線Ｌ２において消費され、これにより、補助相巻線Ｌ２における電流が主相巻線Ｌ１または電源キャパシタＣ１に再循環することが回避される。さらには、この単一スイッチ構造においては、補助相巻線Ｌ２を通る電流を能動的に制御する必要性も回避され、したがって、補助相巻線における高調波に関連するコア損失が防止される。

さらに、第２の開示する実施形態においては、主相巻線Ｌ１および補助相巻線Ｌ２のそれぞれを流れる電流量を監視するため、比較的小さい「電流検出」抵抗器（図示していない）をＳＲＭ機のこれらの巻線に直列に追加することができる。例えば、第１の電流検出抵抗器（図示していない）を、主相巻線Ｌ１の負の端子と共通の電位との間に直列に追加することができる。同様に、第２の電流検出抵抗器（図示していない）を、補助相巻線Ｌ２の正の端子と共通の電位との間に直列に追加することができる。これらの電流検出抵抗器の両端の電圧をゲート駆動電子回路（図示していない）またはその他の関連付けられる制御回路にフィードバックすることができ、これらの回路は、トランジスタスイッチＴ１に印加される制御信号を電流検出測定値を使用して調整する。

通常、低コスト用途の環境においては電流センサーは高価であり、この実施形態では、独自の安価な方法においてかつ絶縁（isolation）を必要とせずに、相巻線の瞬間的な電流を測定することができる。例えば、制御電子回路（図示していない）のための共通の電圧がＤＣ電源電圧の負のレールである場合、検出される電流は、電流検出抵抗器の両端の電圧降下の形で得ることができ、この場合、検出される信号と、これらの信号が入力される制御回路との間を電気的に絶縁する必要がない。同様に、主相巻線および補助相巻線に印加される電圧は、例えば、主相巻線とＤＣ電源の負のレールとの間、および、補助相巻線とＤＣ電源の負のレールとの間にそれぞれ接続されている２つの検出抵抗器（図示していない）を使用して、測定することができる。この場合も、これらの検出される電圧信号は、制御回路に供給するために絶縁する必要はない。制御電子回路は、このような検出される電圧および電流を使用して、ＳＲＭ機のさまざまなパラメータ（例えば、回転子の位置、相巻線に入力される電力）を決定または推定することができ、決定または推定されたパラメータは、トランジスタスイッチＴ１に印加される制御信号を介して多相ＳＲＭを制御する目的に使用することができる。

ここまで、本発明の可能な実施形態について詳しく説明した。本明細書を検討し、本明細書に開示されている本発明を実施することによって、当業者には本発明の別の実施形態が明らかであろう。例えば、本明細書に開示した例示的な制御回路３００および制御回路４００は、追加の自己始動回路（例えば、永久磁石あるいは巻線（図示していない））を必要としないが、開示した制御回路を、このような自己始動回路と組み合わせて使用できることも明らかに予測される。さらに、開示した例示的な単一スイッチ制御回路は、さまざまな多相（すなわち２つ以上の相を有する）ＳＲＭ機のみならず、２つ以上の相を有する永久磁石ブラシレス機において採用することができる。さらには、例示的な制御回路３００および制御回路４００のそれぞれは、二相ＳＲＭを制御するために使用できるが、より一般的には、多相ＳＲＭにおいてこれらの例示的な制御回路の１つまたは複数を採用することも、明らかに予測される。例えば、四相ＳＲＭが、例示的な実施形態による２つの異なる単一スイッチ制御回路を含んでいることができ、それぞれの回路が、ＳＲＭ相の異なる対を制御するために使用される。

開示した例示的な実施形態は、ハードウェアに基づいて実施されるが、当業者には明らかであるように、本発明の少なくとも一部分を、ソフトウェア（例えば、コンピュータ、ファームウェア、ハードウェア、またはこれらの組合せにおいて実行されるプログラム命令を有するコンピュータ可読媒体）において実施できることが、明らかに予測される。さらには、開示した実施形態は、図３および図４に示した例示的な回路に制限されない。本発明の教示内容は、示した特定のコンポーネントに加えて、またはこれらに代えて、別の電気コンポーネント、機械コンポーネント、電気機械コンポーネントを採用する別の実施形態にも適用可能であることが、当業者には理解されるであろう。したがって、本明細書およびそこに開示されている実施形態は、例示のみを目的としており、本発明の真の範囲および概念は請求項によって示されていることを理解されたい。

Claims (20)

1. 多相機を制御する制御回路であって、
   対応する極性を有する電源と、
   第１の巻線と、
   前記第１の巻線に並列に電気的に接続されており、
   ダイオードと、
   前記電源に対応する前記極性とは逆の極性を有するキャパシタと、
   前記キャパシタに並列に電気的に接続されており、かつ前記ダイオードに直列に電気的に接続されている第２の巻線と、
   を備えている、回路ブロックと、
   前記第１の巻線に直列に電気的に接続されており、前記スイッチの動作によって、前記第１の巻線または前記第２の巻線のうち前記電源によって励磁される巻線が決まり、前記第１の巻線が励磁されることに応じて、前記多相機の第１の相が駆動され、前記第２の巻線が励磁されることに応じて、前記多相機の第２の相が駆動される、スイッチと、
   を備えている、制御回路。
2. 前記スイッチが、少なくとも第１の動作状態に関連付けられており、
   前記第１の動作状態においては、
   前記スイッチを使用して前記第１の巻線に電流を導き、前記キャパシタに実質的にまったく電荷が蓄えられない、
   請求項１に記載の制御回路。
3. 前記スイッチが、少なくとも第２の動作状態に関連付けられており、
   前記第２の動作状態においては、
   前記第１の巻線を通る電流の流れを実質的に止めるのに十分なエネルギを前記キャパシタが蓄えるまで、前記スイッチを使用して前記第１の巻線から前記キャパシタに電流を経路変更し、さらには、前記キャパシタが、前記蓄えたエネルギを前記第２の巻線を通る電流として放電する、
   請求項２に記載の制御回路。
4. 前記ダイオードが、前記キャパシタから放電される電流が前記第１の巻線に再循環することが防止されるような方向に、配置されている、請求項３に記載の制御回路。
5. 前記第１の巻線および前記第２の巻線が、それぞれの正の端子および負の端子を有し、前記ダイオードがアノード端子およびカソード端子を有し、前記スイッチが少なくとも第１の端子および第２の端子を有し、さらに、
   前記キャパシタの前記正の端子と前記第２の巻線の前記正の端子が、いずれも前記ダイオードの前記カソード端子に電気的に接続されており、
   前記ダイオードのアノード端子が、前記第１の巻線の前記負の端子と前記スイッチの前記第１の端子の両方に電気的に接続されている、
   請求項１に記載の制御回路。
6. 前記電源が正の端子および負の端子を有し、さらに、
   前記電源の前記正の端子が、前記第１の巻線の前記正の端子に電気的に接続されており、さらに、前記キャパシタの前記負の端子および前記第２の巻線の前記負の端子にも電気的に接続されており、
   前記電源の前記負の端子が前記スイッチの前記第２の端子に電気的に接続されている、
   請求項５に記載の制御回路。
7. 前記第１の巻線および前記第２の巻線が、それぞれの正の端子および負の端子を有し、前記ダイオードがアノード端子およびカソード端子を有し、前記スイッチが少なくとも第１の端子および第２の端子を有し、さらに、
   前記スイッチの前記第２の端子が、前記第１の巻線の前記正の端子と前記ダイオードの前記カソード端子とに電気的に接続されており、
   前記ダイオードの前記アノード端子が、前記第２の巻線の前記負の端子および前記キャパシタの前記負の端子の両方に電気的に接続されている、
   請求項１に記載の制御回路。
8. 前記電源が正の端子および負の端子を有し、さらに、
   前記電源の前記正の端子が前記スイッチの前記第１の端子に電気的に接続されており、
   前記電源の前記負の端子が、前記第１の巻線の前記負の端子と、前記第２の巻線の前記正の端子と、前記キャパシタの前記正の端子のそれぞれに、電気的に接続されている、
   請求項７に記載の制御回路。
9. 前記スイッチがトランジスタを備えている、請求項１に記載の制御回路。
10. 前記第１の巻線および前記第２の巻線が、前記多相機における固定子磁極に配置されている１つまたは複数の同心巻線を備えている、請求項１に記載の制御回路。
11. 多相機であって、
    対応する極性を有する電源と、
    第１の巻線と、
    前記第１の巻線に並列に電気的に接続されており、
    ダイオードと、
    前記電源に対応する前記極性とは逆の極性を有するキャパシタと、
    前記キャパシタに並列に電気的に接続されており、かつ前記ダイオードに直列に電気的に接続されている第２の巻線と、
    を備えている、回路ブロックと、
    前記第１の巻線に直列に電気的に接続されており、前記スイッチの動作によって、前記第１の巻線または前記第２の巻線のうち前記電源によって励磁される巻線が決まり、前記第１の巻線が励磁されることに応じて、前記多相機の第１の相が駆動され、前記第２の巻線が励磁されることに応じて、前記多相機の第２の相が駆動される、スイッチと、
    を備えている、多相機。
12. 前記スイッチが、少なくとも第１の動作状態に関連付けられており、
    前記第１の動作状態においては、
    前記スイッチを使用して前記第１の巻線に電流を導き、前記キャパシタに実質的にまったく電荷が蓄えられない、
    請求項１１に記載の多相機。
13. 前記スイッチが、少なくとも第２の動作状態に関連付けられており、
    前記第２の動作状態においては、
    前記第１の巻線を通る電流の流れを実質的に止めるのに十分なエネルギを前記キャパシタが蓄えるまで、前記スイッチを使用して前記第１の巻線から前記キャパシタに電流を経路変更し、さらには、前記キャパシタが、前記蓄えたエネルギを前記第２の巻線を通る電流として放電する、
    請求項１２に記載の多相機。
14. 前記ダイオードが、前記キャパシタから放電される電流が前記第１の巻線に再循環することが防止されるような方向に、配置されている、請求項１３に記載の多相機。
15. 前記第１の巻線および前記第２の巻線が、それぞれの正の端子および負の端子を有し、前記ダイオードがアノード端子およびカソード端子を有し、前記スイッチが少なくとも第１の端子および第２の端子を有し、さらに、
    前記キャパシタの前記正の端子と前記第２の巻線の前記正の端子が、いずれも前記ダイオードの前記カソード端子に電気的に接続されており、
    前記ダイオードのアノード端子が、前記第１の巻線の前記負の端子と前記スイッチの前記第１の端子の両方に電気的に接続されている、
    請求項１１に記載の多相機。
16. 前記電源が正の端子および負の端子を有し、さらに、
    前記電源の前記正の端子が、前記第１の巻線の前記正の端子に電気的に接続されており、さらに、前記キャパシタの前記負の端子と前記第２の巻線の前記負の端子にも電気的に接続されており、
    前記電源の前記負の端子が前記スイッチの前記第２の端子に電気的に接続されている、
    請求項１５に記載の多相機。
17. 前記第１の巻線および前記第２の巻線が、それぞれの正の端子および負の端子を有し、前記ダイオードがアノード端子およびカソード端子を有し、前記スイッチが少なくとも第１の端子および第２の端子を有し、さらに、
    前記スイッチの前記第２の端子が、前記第１の巻線の前記正の端子と前記ダイオードの前記カソード端子とに電気的に接続されており、
    前記ダイオードの前記アノード端子が、前記第２の巻線の前記負の端子および前記キャパシタの前記負の端子の両方に電気的に接続されている、
    請求項１１に記載の多相機。
18. 前記電源が正の端子および負の端子を有し、さらに、
    前記電源の前記正の端子が前記スイッチの前記第１の端子に電気的に接続されており、
    前記電源の前記負の端子が、前記第１の巻線の前記負の端子と、前記第２の巻線の前記正の端子と、前記キャパシタの前記正の端子のそれぞれに、電気的に接続されている、
    請求項１７に記載の多相機。
19. 前記スイッチがトランジスタを備えている、請求項１１に記載の多相機。
20. 前記第１の巻線および前記第２の巻線が、前記多相機における固定子磁極に配置されている１つまたは複数の同心巻線を備えている、請求項１１に記載の多相機。
    

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