JP3844260B2

JP3844260B2 - 切り換えリラクタンス駆動システム、二相切り換えリラクタンス機械の出力制御方法および二相切り換えリラクタンス機械用の位置トランスデューサ

Info

Publication number: JP3844260B2
Application number: JP06491596A
Authority: JP
Inventors: ニールソンフルトンノーマン
Original assignee: Switched Reluctance Drives Ltd
Current assignee: Nidec SR Drives Ltd
Priority date: 1995-03-21
Filing date: 1996-03-21
Publication date: 2006-11-08
Anticipated expiration: 2016-03-21
Also published as: TW314669B; DE69608599D1; EP0734117A3; CA2172121A1; GB9505655D0; DE69608599T2; EP0734117B1; US5747962A; KR960036248A; KR100420714B1; EP0734117A2; JPH08340693A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はリラクタンス（磁気抵抗）機械に関し、特に切り換えリラクタンス電動機（スイッチドリラクタンスモータ）に関する。特に、本発明は、二相切り換えリラクタンス電動機の始動トルクと回転トルクを増加する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般には、リラクタンス機械は、磁気回路のリラクタンスが最小になる、すなわち、励磁巻線のインダクタンスが最大になる位置に可動部分が移動する傾向によってトルクが発生する電動機である。
【０００３】
リラクタンス電動機の一つのタイプでは、相巻線の付勢が制御された周波数で起こる。このような電動機は、一般には、同期リラクタンス電動機と称される。リラクタンス電動機の第２のタイプでは、回転子の角度位置を探知し、この回転子の位置の関数として相巻線を付勢する回路が装備されている。この第２のタイプのリラクタンス電動機は、一般に、切り換えリラクタンス電動機として知られている。
【０００４】
図１は、６個の固定子極１１〜１６から成る固定子１０を備える切り換えリラクタンス電動機の例を示している。固定子と内側を向いている固定子極１１〜１６によって形成されている穴内に、回転子１８が配置されており、回転子１８はベアリングに取り付けられ、自由に回転する。また回転子１８は、回転子極を形成するいくつかの外側に延びている突起部１９を有してている。
【０００５】
各固定子極に、１個の巻線コイル１７が関係づけられる。図示の電動機では、相対する固定子極のコイルが共に結合されて、三相を形成している。すなわち、相Ａ（極１１と１４のコイル）、相Ｂ（極１２と１５のコイル）、相Ｃ（極１３と１６のコイル）である。図１の例では、相Ａを付勢するとき、電流がそのコイルに流れ、固定子極１１がたとえば正の極性の内側を向いた電磁石になり、固定極１４が負の極性の電磁石になる。このような電磁石は付勢された固定極と回転子極間に引きつけ力を発生し、トルクが生じる。
【０００６】
１つの相から他の相に付勢を切り換えれば、回転子の角度位置に関係なく望ましいトルクを維持できる。正のトルクを発生するように、相巻線の付勢を切り換えれば、この電動機は電動機として作動できる。制動トルクを発生するように、相巻線を付勢すれば、この電動機はブレーキまたは発電機として作動できる。
【０００７】
図２は、回転子が３６０度回転したときの図１の電動機の３つの相のトルク曲線を一般的に示している。このトルク曲線は、説明し易いように簡単にしてある。トルク曲線２０は、図１の電動機の相Ａのトルク曲線を一般的に示している。このトルク曲線は、一定の電流が固定子極１１と１４の周囲に配置された巻線コイルを通るならば、回転子の角度位置の関数として発生する。図２に示すように、回転子極が固定子極１１および１４と完全に一致しないときの最初の回転子位置２１がある。この位置では、相Ａ用の相巻線を付勢してもトルクを発生しない。回転子がこの最初の位置から移動するとき、正のトルクが回転子に作用する。図２の線２０が示すように、回転子の位置が固定子極に近づくにつれて、固定子極周囲の巻線を付勢して発生するトルクは増加する。トルクは、回転子と固定子極が重複し始める直後まで増加し続け、その後減少する。回転子と固定子極が完全に一致するとき、たとえば、位置２２で、トルクはゼロまで低下する。回転子の位置が固定子極に対して変化し続けるので、回転子が再度、固定子極と完全に一致しなくなるまで、たとえば、点２３の位置になるまで、負のトルクが発生する。この位置２３では、発生するトルクが再度、ゼロになる。図２に示すように、１８０度から３６０度への回転子の回転に対応するトルク曲線は０度〜１８０度のトルク曲線と同一であるが、１８０度違っている。
【０００８】
図１の例では、回転子と固定子極が回転子と固定子周囲に規則的に配置されているので、他の２つの相のトルク曲線は相Ａと同じであるが、６０度変位している。図２では、相Ｂのトルク曲線は線２４で表されており、相Ｃのトルク曲線は線２５で表されている。一般には、回転子と固定子極が対称的に配置されているリラクタンス機械では、全ての相のトルク曲線は同一だが、３６０／（Ｎ_r ＊ｐ）変位している。ここで、Ｎ_r は回転子極数で、ｐは相数である。
【０００９】
多くの電動機の用途では、比較的高いトルクを発生するように、電動機を付勢できるのが望ましい。このような望ましい一定のトルクは図２で線Ｔ_D で表されている。再度、図２を見れば確認できるように、どの回転子位置でも、望ましいトルクＴ_D に近い正のトルクを発生するように付勢できる一つの相が常にある。たとえば、回転子が位置２６にあれば、望ましいトルクＴ_D に近いトルクを発生するように相Ａを付勢できる。回転子が位置２７にあれば、トルクＴ_D に近いトルクを発生するように相Ｂを付勢できる。また、回転子が位置２８にあれば、望ましいトルクＴ_D に近いトルクを発生するように相Ｃを付勢できる。
【００１０】
回転子位置に関係なく、比較的高いトルクＴ_D を発生できることに加えて、図１のリラクタンス電動機は、望ましいトルクＴ_D に最も近いトルクを発生する巻線を常に付勢して、比較的一定で、連続したトルクも発生できる。一般には、３つ以上の相を有するどのリラクタンス電動機でも、常に、１つの巻線を付勢し、望ましい一定トルクＴ_D またはこれに近いトルクを発生できる。
【００１１】
図１の電動機と違って、典型的な二相リラクタンス電動機は、発生しうる全ての回転子位置で比較的高くて望ましいトルクＴ_D を発生できない。これは、二相電動機の場合、別々の相の正のトルク範囲が有効に重複しないからである。これは、図３と４に一般的に示されている。
【００１２】
図３は、典型的な二相リラクタンス電動機を一般的に示している。二相電動機は４個の固定子極３１〜３４から成る固定子３０を有している。このような固定子極の周囲にコイル１７が配置されている。相対するコイルが接続され、２つの相巻線を形成する。すなわち、極３２と３４のコイルから成る相Ａと、極３１と３３周囲のコイルから成る相Ｂである。また、この電動機は、２個の回転子極がある回転子３５を有している。図３の電動機では、回転子３５は、「段付エアギッャプ」３６が各回転子極にあるような構造をしている。当業者が認識するように、段付エアギップ３６を導入したので、電動機の各相毎のトルク曲線の正の範囲が延長する。このため、電動機の各相で非対称的なトルク曲線が得られ、正のトルク範囲が負のトルク範囲よりも大きい角度位置で延びる。この非対称なトルク曲線によって、二相の正のトルク範囲間で僅かな重複が起こり、どの回転子位置でも正のトルクを発生できる。段付エアギャップを利用すれば、どの回転子位置でも二相電動機を始動できる。二相リラクタンス電動機で段付エアギャップ回転子を使用する方法は、先行技術で一般に知られており、たとえば、E1-
Khazendar & Stephenson、Proceedings of ICEM Munich (1986年) で検討されている。
【００１３】
図４は、一定の電流が電動機巻線を流れるときの、１８０度の回転での図３の二相電動機のトルク曲線を一般的に示している。線４１は相Ａのトルク曲線を示しており、線４２は相Ｂのトルク曲線を示している。
【００１４】
図示されているように、段付エアギッャプ回転子を使用すれば、二相のトルク曲線が延びるので、点４３と４３’近くに重複範囲が得られ、これらの位置で両方の相から発生するトルクは正になる。点４３と４３’は、２つのトルク曲線が交差する点を表す。
【００１５】
周知の二相切り換えリラクタンス電動機では、巻線の付勢を制御するため、ホール効果装置、光学装置、容量または磁気ベース装置のような単一位置センサーを備える回転子位置トランスデューサー（ＲＰＴ）が使用されている。２つの相巻線が各々、電気サイクルの半分ずつ付勢されるので、単一センサー素子が使用されている。この場合、単一センサーの出力が一つのレベル（たとえば、論理ロジック「１」）であれば、第１の相巻線が付勢される。単一センサーの出力が反対のロジックレベル（たとえば、論理ロジック「０」）に変化するとき、第１の相巻線が消勢され、第２の相巻線が付勢される。この方法では、２つの相巻線の付勢は相互に排他的であり、単一センサーのロジック１の継続時間はセンサーのロジック０出力の継続時間にほぼ等しい。典型的には、１つの相巻線が消勢され、他の巻線が付勢される点は、二相のトルク曲線が交差する点（つまり、図４の点４３と４３’）である。
【００１６】
図５と図６は、周知の二相切り換えリラクタンス電動機で使用される典型的なタイプのＲＰＴを示している。典型的な構成では、シャフト５０が二相切り換えリラクタンス電動機の回転子３５に結合されている。羽根部５１はシャフト５０に結合されているので、シャフトと共に回転する。この羽根部５１には２種類の領域、マーク領域５２とスペース領域５３がある。検知素子（センサー）５４が羽根部のマーク領域に近いか、スペース領域に近いか検知できるように、シャフトと十分近い位置に検知素子５４が配置されている。周知の二相切り換えリラクタンス電動機では、羽根部の各マーク領域とスペース領域はほぼ等しく、各々は一般に近似角度（１８０／Ｎ_r ）の角度範囲によって定義されている。ここで、Ｎ_r は回転子極の数である。
【００１７】
作動状態では、羽根部のマーク領域が検知素子５４近くに位置しているとき、検知素子５４は一つのロジック値（たとえば、高電圧またはロジック「１」）の第１の信号を発生する。また、羽根部のスペース領域が検知素子５４近くに位置しているとき、検知素子５４は別のロジックレベル（たとえば、低電圧またはロジック「０」）の第２の信号を発生する。当業者には判るように、羽根部５１で２つの等しいマーク／スペース領域を利用しているとき、回転子を１８０度回転する毎に、検知素子５４は回転の半分でロジック「１」信号を発生し、回転の他の半分でロジック「０」信号を発生する。これは、図６（Ａ）に一般に示されている。ここでは、回転子が０度として定義されている位置から９０度として定義されている位置に回転するので、検知素子５４の出力はロジック「１」であり、回転子が９０度位置から１８０度位置に回転するとき、この素子５４の出力はロジック「０」である。羽根部の構造が対称的なので、この信号は１８０度から３６０度の回転期間繰り返す。
【００１８】
周知の二相切り換えリラクタンス電動機では、各相巻線が他の巻線から独立して相互に付勢されるので、電動機の付勢を制御するため、単一検知素子５４からの出力を使用する。たとえば、センサー５４の出力がロジック「１」である時間中、１つの相巻線、たとえば、通常、相Ａが付勢され、相Ｂが消勢される。検知素子５４の出力がロジック「０」である時間中、他の相巻線、この例では相Ｂが付勢され、相Ａが消勢される。これは図６（Ｂ）と図６（Ｃ）で一般的に示されている。当業者には判るように、検知素子５４の出力を相巻線用の切り換え信号に変換するのに必要な電子機器は簡単で、低コストで製造できる。
【００１９】
切り換えリラクタンス電動機で使用されているものには、多数のタイプの羽根部５１と検知素子５４がある。たとえば、羽根部５１は、マークとスペース領域を定義する光透過素子および光遮蔽素子を有するディスクも含むことができる。また、検知素子５４は、光源と光検出器を有するセンサーを含むことができ、この場合、羽根部５１のマーク領域が光源から検出器への光ビームを中断する。光透過／光遮蔽羽根部では、ときには、光ビームの有限幅を補正するため、マーク領域の角度範囲を少し調整するのが望ましく、これによって、検知素子５４は同一継続時間のロジック「ｈｉｇｈ」およびロジック「ｌｏｗ」信号を発生できる。他の例として、羽根部５１は強磁性材料のマーク領域を有することができ、また、検知素子５４は、センサーが強磁性信号を検知するとき、第１のロジック信号を発生し、他のとき第２のロジック信号を発生するホール効果素子を有することができる。図５に示す検知素子のタイプでは、強磁性羽根部に隣接した空気におけるフラックスフリンジング（磁束の周辺）の近接効果を補正するため、マーク領域の角度の広がりを調整することは知られている。この場合、検知素子５４が同一継続時間のロジック「ｈｉｇｈ」およびロジック「ｌｏｗ」信号を発生するように調整される。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
図３の電動機のような典型的な二相電動機では、図４の点４３と４３’の近くに回転子位置がある。このような点では、電動機が発生できるトルクは比較的低い。多くの二相電動機では、この低点でのトルクは、電動機が発生できる最大トルクの３０％以下になる。この低トルク点では、回転子が点４３と４３’で表される位置近くの位置で停止するならば、電動機を始動するのが困難になると言う問題が発生するおそれがある。さらに、電動機が回転するとき、低トルク点は電動機のトルク出力を大きく変動する。トルクリプルと称されるトルク出力のこのような変動は、一般には望ましくない。
【００２１】
電動機の始動トルクを増加し、トルクリプルの量を減少する周知の方法は、相巻線を通る電流（したがって、発生したトルク）が他の場合よりも点４３と４３’で大きいように、相巻線に加えられる電流の量を調整することである。この方法は、二相リラクタンス電動機を望ましいものにする低コストで、簡単な設計上の利点を相殺する比較的複雑な制御回路を必要とするだけでなく、増加した電流を処理するため電力変換機の相当な定格アップを必要とするので、望ましくない。
【００２２】
本発明は、相巻線内の電流を調整せずに、また電力変換機内のスイッチの電流定格を増加せずに、二相リラクタンス機械の始動トルクを増加し、トルクリプルを減少することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一般に、電動機が回転子、第１の相巻線および第２の相巻線を含む場合、回転子の各回転期間の一部で両方の相巻線を同時に付勢して、トルクが増加し、滑らかになるように、二相切り換えリラクタンス電動機を作動する方法に関する。
【００２４】
本発明は、固定子極を備える１個の固定子と、１個の回転子と、固定子極を付勢するため固定子に対応して配置された相巻線とを含む二相切り換えリラクタンス機械と、
相巻線の各々と接続されている切り換え手段と、
固定子に対する回転子の位置を示す信号を発生する位置表示手段と、
入力要求と位置表示手段からの前記信号に応答し、相巻線の電流を制御する切り換え手段を作動するための制御手段とを含む切り換えリラクタンス駆動システムにおいて、
前記制御手段は、両方の相の付勢が入力要求に従って同一の方向にトルクを発生する位置に回転子があるとき、両方の相の切り換え手段を同時に作動するように操作可能であることを特徴とする切り換えリラクタンス駆動システムである。
また本発明は、前記位置表示手段は、相の一方で望ましい方向にトルクを発生する、固定子に対する回転子の位置の領域に応じて切り換え手段用のオンおよびオフ信号を発生するように配置された第１の位置検知手段と、相の他方で前記の望ましい方向にトルクを発生する、固定子に対する回転子の位置の領域に応じてオンおよびオフ信号を発生するように配置された第２の位置検知手段とを含むことを特徴とする。
また本発明は、センサー出力の作用部材が、回転子とともに回転するように配置され、かつ第１および第２の位置検知手段は、それによって作用を受ける前記部材に関連させて配置されていることを特徴とする。
また本発明は、前記部材は、回転子が回転するにつれて、前記位置検知手段が切り換え手段のオンおよびオフ信号に対応するバイナリ出力を発生するように、第１および第２センサー出力の作用領域を定義する羽根であることを特徴とする。
また本発明は、前記制御手段は、第１の位置検知手段の出力を調整する信号調整手段と、第２の位置検知手段の出力を調整する第２の信号調整手段とを含み、かつ、調整手段の出力部が各々、２つの相の切り換え手段を作動するように接続されていることを特徴とする。
また本発明は、回転子は、固定子極の面に比較的半径方向に近く、また該面から離れている２つの弧状面を定義する少なくとも１つの半径方向で外部の極面を有する段付エアギャップ回転子であることを特徴とする。
また本発明は、前記制御手段および回転子位置検知手段は、切り換えリラクタンス機械を電動機として運転するよう配置されていることを特徴とする。
また本発明は、前記制御手段および回転子位置検知手段は、切り換えリラクタンス機械を発電機として運転するよう配置されていることを特徴とする。
また本発明は、１個の回転子と、１個の固定子と各相毎に少なくとも１つの相巻線を有する二相切り換えリラクタンス機械の出力を制御する方法であって、
固定子に対して回転子の位置を検知すること、
固定子に対する回転子の位置に応じて切り換え手段を作動し、相巻線を順々に付勢し、出力を発生すること、
さらに、両方の相を付勢すれば、望ましい方向にトルクを出力する位置に回転子があるとき、相巻線を同時に付勢するために固定子に対する回転子の位置に応じて切り換え手段を作動すること、
以上のステップを含んでなることを特徴とする二相切り換えリラクタンス機械の出力制御方法である。
また本発明は、１つの相の少なくとも１つの巻線と関連した固定子極に対する回転子の位置を検知し、そして他の相の少なくとも１つの巻線と関連した固定子極に対する回転子の位置を別々に検知することを含むことを特徴とする。
また本発明は、固定子極を備える１個の固定子と、１個の回転子と、固定子極の付勢のため固定子に関連付けて配置された相巻線とを含む二相切り換えリラクタンス機械用の位置トランスデューサーであって、
望ましい方向のトルク発生が二相の一方から得られる固定子に対する回転子の位置を示す、位置信号を発生する第１の位置表示手段と、
望ましい方向のトルク発生が二相の他方から得られる固定子に対する回転子の位置を示す、位置信号を発生する第２の位置表示手段とを含み、かつ
前記第１の位置表示手段および第２の位置表示手段は、
望ましい方向のトルク発生が二相から同時に得られる回転子の位置を示す、信号を発生するように配置されることを特徴とする二相切り換えリラクタンス機械用の位置トランスデューサーである。
また本発明は、前記第１位置表示手段および第２の位置表示手段は、機械の回転子と共に回転するように、取り付けることができる部材を共有し、かつ各位置表示手段が該部材の作用下で位置信号を発生するように作動するセンサーを備えることを特徴とする二相切り換えリラクタンス機械用の位置トランスデューサーである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の１つの実施の形態では、望ましい方向にトルクを発生するため、二相切り換えリラクタンス電動機を制御するシステムが提供される。第１の相巻線を付勢して、望ましい方向にトルクを発生するときに第１のレベルの信号を発生する第１の回転子位置トランスデューサーと、第２の相巻線を付勢して、望ましい方向にトルクを発生するときに第１のレベルの信号を発生する第２の回転子位置トランスデューサーを、この制御システムは含んでいる。また、第１の回転子位置トランスデューサーによって発生された信号が第１のレベルであるとき、第１の相巻線を付勢するための、第１の回転子位置トランスデューサーに電気的に結合した第１の切り換え装置と、第２の回転子位置トランスデューサーによって発生した信号が第１のレベルであるとき、第２の相巻線を付勢するための、第２の回転子位置トランスデューサーに電気的に結合した第２の切り換え装置を、この制御システムは含んでいる。
【００２６】
なお本発明の他の実施の形態は、固定子、第１の相巻線、第２の相巻線および回転子から成る二相切り換えリラクタンス電動機を含む切り換えリラクタンス電動機システムを含んでいる。この電動機は、第１および第２の相巻線の付勢をそれぞれ制御する信号を発生する第１および第２の回転子位置トランスデューサーセンサーを有している。
【００２７】
また本発明のさらに他の実施の形態は、回転子、回転子と結合したシャフト、第１の相巻線および第２の相巻線から成る二相切り換えリラクタンス電動機用の回転子位置トラスンデューサーアセンブリを提供している。ここでは、回転子と相巻線は望ましい方向にトルクを発生するように配置されている。この実施の形態の回転子位置トラスンデューサーアセンブリは、第１の相巻線の付勢を制御する信号を発生する第１の検知素子、第２の相巻線の付勢を制御する信号を発生する第２の検知素子、およびシャフトと結合された羽根部を有している。羽根部にはマーク領域とスペース領域がある。
【００２８】
本発明の他の側面と利点は、以下の詳細な説明を読んで、図面を参照すれば、明らかになる。幾つかの図面中で、同一の参照符号は同一の部品を示している。
【００２９】
本発明では、電動機の始動トルクが増加し、トルクリプルが減少するように、二相切り換えリラクタンス電動機の複数の相巻線を付勢するため、切り換え装置が配置されている。本発明では、相巻線の付勢を制御するため、２つの検知ヘッドを有するＲＰＴが使用されており、各ＲＰＴ検知ヘッドが相巻線の１つの付勢と消勢を独立して制御している。さらに、本発明では、相巻線の付勢が正のトルクを発生する点の近くで、各ＲＰＴに対応する相巻線がオンに切り換わり、トルクがゼロに低下するとき、相巻線がオフに切り換わるように、２つのＲＰＴ検知ヘッドの各々が構成されている。この切り換え方式では、回転子が完全に回転する毎に、両方の相巻線が同時に付勢される期間がある。このような期間中では、２つの巻線の付勢で発生したトルクが合計され、その結果、単一の相巻線だけが付勢される場合利用できるよりも大きいトルクが発生する。
【００３０】
図７は、本発明に従って設計された二相切り換えリラクタンス電動機システムを一般的に示している。このシステムは、一般的には、固定子７１と回転子７２から成る切り換えリラクタンス電動機７０、および電動機シャフトと結合され、特別に構成された羽根部７４と２個の検知素子７５および７６を備えるＲＰＴを有している。検知素子７５および７６の出力は、電動機７０の相巻線の付勢を制御する電子コントローラ７７に印加される。
【００３１】
図７の電動機７０の回転子７２は、図３に示す回転子と類似した２極段付エアギャップ回転子である。本発明は、段付エアギャップ回転子の使用のみに限られず、回転子の角度回転の１／２を超える場合に、各相が正のトルクを発生できる全ての二相リラクタンス電動機に適用される。本発明は、回転子の段付、傾斜付または他の形状にも適用できる。
【００３２】
本発明で採用する電動機の設計は、ＲＰＴを除いて、従来の切り換えリラクタンス電動機設計方法に従ってもよい。たとえば、固定子は、周囲に電動機巻線が巻かれている固定子極を有する多数の積み重ね固定子積層体から構成できる。回転子はシャフトに固定された多数の積み重ね回転子積層体から構成できる。このような二相切り換えリラクタンス電動機の構成は一般に理解できるものであり、ここでは詳細に述べない。
【００３３】
図５のような公知の二相電動機システムと違って、本発明の二相電動機システムは、同一羽根部７４による作用を受ける２個の検知素子７５と７６を有するＲＰＴを使用している。本発明では、２個の検知素子の各々は別々の巻線相と関連しており、関連相巻線の付勢が正のトルクを発生するとき第１のロジックレベル信号（たとえば、ロジック「ｈｉｇｈ」）を発生し、他の全ての時間に第２のロジックレベル信号（たとえば、ロジック「ｌｏｗ」）を発生するように、各検知素子は構成され、配置されている。
【００３４】
また電子コントローラ７７は、電動機の相巻線とＤＣ電圧源間に結合されている（図７に示されていない）切り換え装置に結合されている。
【００３５】
図８は、本発明で利用できるコントローラ７７の簡単なブロックダイヤグラムである。図８に示されているように、ＤＣ電圧＋Ｖの電源がＤＣバスライン８０と８１の両端に設置されている。ＤＣバスライン８０と８１の両端に、（相Ａに対応する）インダクタンス８２と（相Ｂに対応する）８３として図示されている電動機７０の相巻線が結合されている。スイッチ８４ａと８５ａは相巻線を正のラインに結合し、スイッチ８４ｂと８５ｂは相巻線をＤＣバスの負または接地ライン８１に結合している。スイッチ装置は、リレー、電力トランジスター、電力ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳ制御サイリスター（ＭＣＴ）または同様なもののどれでもよい。スイッチ８４および／または８５がオフされ、電流がなお関連相巻線にあるとき、電流路を確保するため、リターンダイオード８６ａと８７ａが相巻線とＤＣバスラインの正のライン８０に結合されている。同様に、ダイオード８６ｂと８７ｂは相巻線を低ＤＣバスラインに接続している。
【００３６】
図８に示すように、コントローラ７７は検知素子７５と７６からの出力信号を受け取り、スイッチ装置を制御する切り換え信号を発生する。図８の単純化されたダイヤグラムでは、電子コントローラは、スイッチ用の切り換え信号を得るため、検知素子７５と７６各々からクリーンアップ信号を受け取り、出力信号を増幅する信号調整回路８８と８９を有している。別の実施の形態では、調整回路８８と８９を省略し、スイッチ装置を制御するため、直接、検知素子７５と７６からの出力を使用できる。図８の例の切り換え装置では、検知素子からのロジック「ｈｉｇｈ」出力が該当するスイッチ装置をオンし、関連する相巻線を付勢する切り換え信号を発生する。たとえば、検知素子７５の出力がロジック「ｈｉｇｈ」であれば、コントローラ７７はスイッチ８４ａと８４ｂをオンする信号を発生し、このようにして、相巻線８２を通って正のバスライン８０と接地バスライン８１間の電気路が確保される。スイッチ８４ａと８４ｂがオンされるとき、スイッチ８４ａと８４ｂがオフされるまで、電流が相巻線８２を流れる。オフされるときには、相巻線８２の電流はダイオード８６ａと８６ｂで確保される経路を通って減衰する。
【００３７】
当業者が認識するように、図８に示した簡単なコントローラ７７は、本発明に従って使用できるコントローラの一つの例にすぎない。本発明は多数のコントローラに適用でき、図８のコントローラ例に限定することを意図していない。たとえば、スイッチ装置の制御された切り換えを通じて巻線に印加される電圧を細切れすることによって相巻線の電流を制御するもっと複雑なコントローラを使用できる。
【００３８】
上記の通り、本発明は、始動トルクが増加し、トルクリプルが減少するように、二相切り換えリラクタンス電動機を制御する方法に関している。本発明に従ってこのような利点を得る方法は、図９Ａと９Ｂを参照して一般的に説明される。
【００３９】
図９は、３６０度の回転子回転における図７の二相電動機の場合のトルク曲線を実線で示している。幾つかの細部は説明しやすいように、誇張されている。９０と印された線は、相Ａの巻線に一定電流が加えられるならば、発生するトルク曲線を表しており、また、９１と印された線は相Ｂの場合の同一の情報を表している。図示通りに、相Ａまたは相Ｂ単独の付勢によって発生した正のトルクが比較的低い点９３がある。本発明者は、本発明に従って巻線を付勢することによって、位置９３に対応する位置で停止すれば、二相電動機の始動トルクを大きく増加でき、トルクリプルを減少できることを確認した。特に、巻線を相互に独立して付勢すれば、最小トルクが実際に２倍になり、トルクリプルを最小限にできる。たとえば、各巻線が正のトルクを発生し始める時点近くで、各相巻線を付勢し、負のトルクを発生する時点近くで、各相巻線を消勢すれば、両方の相巻線を付勢する回転子位置が得られる。このような時間中、２つの巻線が発生するトルクは合計され、電動機の発生トルク量を増加できる。
【００４０】
相Ａ用の相巻線を（相Ａが正のトルクを発生し始める点に近い）点９４で付勢し、（相Ａが負のトルクを発生し始める点に近い）点９６で消勢し、また相Ｂ用相巻線を対応する点９５で付勢し、点９８で消勢するならば、発生するトルク曲線は、図１０の点線で示されている。この破線が示すように、両方の相を付勢する時間中、トルクは合計され、発生トルクは相当増加し、点９３でもっと高い始動トルクともっと小さいリプルが確保される。図１０に示す特定の付勢および消勢位置は本発明に重要でないことに注意しなければならない。両方の相巻線が付勢され、正のトルクを発生する時間がある限り、電動機の始動トルクを増加し、トルクリプルを減少できる。
【００４１】
本発明の切り換え装置を実施するため、相巻線の付勢を制御するのに、２個の検知素子を有する固有の構成と配置のＲＰＴを利用できる。各相巻線の付勢を独立して制御するために単一の検知素子を使用するので、２個の検知素子が必要である。各検知素子からのロジック高信号の継続時間が各検知素子からのロジック低信号の継続時間と異なることが要求されるので、固有の構成のＲＰＴが必要である。このＲＰＴは二相電動機用の公知のＲＰＴと異なっている。本発明では、段付ギャップ電動機の場合、負のトルク範囲に対する電動機のトルク曲線の正のトルク範囲の継続時間の比が１より大きいので、固有の構成のＲＰＴが使用されている。本発明では、１個の検知素子と関連した相巻線の付勢が回転子に正のトルクを発生する電気サイクルの部分で、この検知素子が第１のロジックレベル信号（たとえば、ロジック「１」）を発生し、またこの素子と関連した相巻線の付勢が回転子に負のトルクを発生する電気サイクルの部分で、この検知素子が第２のロジックレベル信号（たとえば、ロジック「０」）を発生するように、ＲＰＴが構成され、配置されている。
【００４２】
図１０の下部は、本発明で使用できるＲＰＴからの望ましい出力を一般的に示している。ここで採用されている角度の絶対値が例示のためだけのものである。第１のデジタル信号ＲＰＴ_A は、相巻線Ａと関連した検知素子の場合の望ましい出力を表している。図１０に示されているように、相Ａが付勢されるとき、回転子が正のトルクを発生する回転子の回転サイクルの部分では、この検知素子の出力はロジック「ｈｉｇｈ」であり、他の全ての時間ではロジック「ｌｏｗ」である。同様に、相Ｂを付勢して発生するトルクが正であるとき、ＲＰＴ_B の出力はロジック「ｈｉｇｈ」であり、他の全ての時間ではロジック「ｌｏｗ」である。確認できるように、（相巻線Ｂの付勢と相巻線Ａの消勢に対応する点である）点９５と９６間では、各相の付勢が正のトルクを発生するので、両方の検知素子の出力は高い。同様に、点９７と９８間、９９と１００間、１０１と１０２と９４間でも両方の巻線が付勢される。
【００４３】
上記の通りに、本発明では、該当する巻線に給電する切り換え信号としてＲＰＴ出力を使用する電子コントローラ７７にＲＰＴ検知素子の出力が加えられる。上記の例では、電子コントローラ７７は、ＲＰＴ_A の出力が高いとき、相巻線Ａに給電し、ＲＰＴ_B の出力が高いとき、相巻線Ｂに給電する。ＲＰＴ信号に応答してリラクタンス電動機の相巻線に給電する電子コントローラの構造は先行技術で知られており、上記のようにＲＰＴ信号に従って電流が加えられる限り、電子コントローラの固有の構造が本発明にとって重要でないので、詳細に示されない。
【００４４】
図１０が示すように、ＲＰＴの出力がロジック「ｌｏｗ」である回転子の回転サイクルの部分に対する特定のＲＰＴの出力がロジック「ｈｉｇｈ」である回転子の回転サイクルの部分の比は、公知のＲＰＴトルクに典型的なように１でない。したがって、固有の構成のＲＰＴを使用しなければならない。
【００４５】
図１１は、図７で一般的に示されている本発明のＲＰＴ構成の一つの例を詳細に示している。図１１は、羽根部７４の曲線と検知素子７５および７６の位置を一般的に示している。
【００４６】
図１１の実施の形態では、検知素子７５と７６は、光源と光検出器を有しているタイプである。したがって、図１１に示されている羽根部７４は光透過部分１１０および１１１（羽根部の「スペース」部分）と光遮蔽部分１１２および１１３（羽根部の「マーク」部分）を有している。公知の二相切り換えリラクタンス電動機で使用されている羽根部と違って、本発明に従って設計された羽根部７４は等しくないマーク領域とスペース領域を有している。
【００４７】
切り換え羽根部と光検出器を使用するＲＰＴの操作は充分理解されている。一般には、光源から検出器に達する光ビームが使用されている。光ビームが検出器に入射するとき、検出器は第１のロジックレベル（たとえば、ロジック「０」）のデジタル信号を発生する。光ビームが中断されるとき、たとえば、ビーム源と検出器間の羽根部を通ることによって中断されるとき、ビームは検出器に入射せず、検出器は第２のロジックレベル（たとえば、ロジック「１」）のデジタル出力を発生する。この例では、検出器がロジック「１」信号を発生するときの時間間隔は「マーク」期間と称され、検出器がロジック「０」信号を発生する時間間隔は「スペース」期間と称される。
【００４８】
図１１を見れば、羽根部７４のマーク部分１１２、１１３の角度の広がりが羽根部のスペース部分１１０、１１１の角度の広がりと相当違っていることに注意すべきである。本発明のこの例では、羽根部７４のマーク部分がトルク曲線の正のトルク範囲に直接対応するように、羽根部７４は設計されている。たとえば、図１０を見れば、相Ａの正のトルク領域が０度位置から１２０度位置までの回転子の回転によって定義される範囲と１８０度位置から３００度位置までの回転子の回転によって定義される範囲に伸びていることを確認できる。したがって、羽根部７４には、０度位置から１２０度位置の角度に広がる第１のマーク領域１１２と１８０度位置から３００度位置までの角度に広がる第２のマーク領域１１３がある。
【００４９】
図１１の回転子羽根部７４の構造は例示にすぎない。当業者に判るように、本発明は正のトルクの別々の範囲で別々のトルク曲線を有する他の二相電動機に、また極数が違う二相電動機に応用できる。しかし、一般には、羽根部のマーク領域は電動機の特定の相の正のトルク範囲に対応しなければならない。実際には、特定の電動機の正のトルクを発生する範囲は実験的に計算できるか、また好ましくは、電動機を調べて経験的に確定できる。公知のトルク測定方法を使用してその結果のトルクを測定しながら、各相巻線を付勢でき、回転子を０度の機械角度の位置から３６０度の機械角度まで回転できる。
【００５０】
上記の通りに、相巻線の正のトルク発生範囲が判明すれば、適切な羽根部の構造は簡単に判明する。特定の相の正のトルク発生範囲を確定し、それから、正のトルク範囲に対応する回転子のマーク領域の寸法を決定する。羽根部のマークおよびスペース領域を確定した後、周知の切断および製造方法を使用して、ＲＰＴ羽根部を製造できる。
【００５１】
当業者には判るように、また一般的に検討したように、適切なＲＰＴ信号を発生するため、羽根部によって中断される光ビームが有限幅を有していると言う事実を補正するため、望ましいマーク領域をわずかばかり増加することが時々必要になる。ビーム幅補正が必要な範囲で、本発明に従ってマーク／スペース領域を確定した後、マーク領域を羽根部に追加しなければならない。このような修正を実施するとき、羽根部のマーク領域の角度スパンは相巻線の正のトルク発生範囲に一般的に対応するが、正確には対応しないだろう。検知素子の他のタイプでも、同様な修正が必要なこともある。しかし、全ての場合に、目的は、マーク／スペース比が正と負のトルクの角度期間の比に一致するＲＰＴ信号を発生することである。
【００５２】
本発明の２個の検知素子７５と７６の配置は、回転子周囲の回転子極の配置が対称で、また各回転子極が１８０度の機械角度違う次の隣接した回転子極で相殺される事実を利用している。２個の対称回転子極を有する回転子を使用するとき、２個の検知素子７５と７６によって形成される角度が９０度の機械角度になるように、２個の検知素子７５と７６を配置しなければならない。このことは、検知素子７５と７６によって形成される角度が９０度の機械角度である図１１に示されている。
【００５３】
本発明に従ってＲＰＴ羽根を適切に設計し、検知素子を適切に配置するとき、適切な切り換え信号が発生する。これは図１２（Ａ）〜図１２（Ｄ）に示されている。図１２（Ａ）が示すように、回転子が０度で表されている角度位置から３０度で表されている角度位置まで回転する時間中、検知素子７５およびＲＰＴ_A の出力、また検知素子７６およびＲＰＴ_B の出力は両方とも「１」であり、相巻線ＡおよびＢを付勢することになる。回転子が３０度から９０度まで回転し続けるので、羽根部のマーク領域が検知素子７５からの光を遮蔽し続け、この時間中にロジック「１」ＲＰＴ_A 信号を発生し、相巻線Ａを連続して付勢する。この同一期間中、検知素子７６への光を遮蔽するものはなにもなく、出力ＲＰＴ_B 信号はロジック「０」である。これは図１２（Ｂ）に示されている。
【００５４】
図１２（Ｃ）は、９０度から１２０度への回転子の回転を示している。この回転期間中、両方のＲＰＴセンサーの出力は高く、両方の相巻線が付勢される。図１２（Ｄ）は、１２０度から１８０度まで回転子を回転する出力を示している。この時間中、ＲＰＴ_Aの出力はロジック「０」で、ＲＰＴ_Bの出力はロジック「１」である。回転子が対称なので、１８０度〜３６０度で定義される範囲でのＲＰＴ出力は、０度〜１８０度で定義される範囲の場合の重複である。上記の説明通りに、ＲＰＴの出力は相巻線の切り換えを制御する電子コントローラに印加される。
【００５５】
本発明は、望ましい方向のトルクが二相リラクタンス機械の両方の相から得られる重複する角度範囲を利用している。トルクが得られる範囲の少なくとも一部でこの状態に達するため、両方の相が同時に付勢される。両方の相からトルクが得られる全範囲に関してこれまで説明したが、当業者が判るように、同時に付勢するため、この範囲の特定の割合を代わりに利用できる。
【００５６】
また本発明は、加えられた入力トルクが出力電圧に変換されるリラクタンス発電機にも応用できる。本発明に従って巻線を同時に切り換えれば、もっと滑らかな出力電圧を発生できる。
【００５７】
また、当業者に判るように、回転子が内部固定子を囲むように、リラクタンス機械を配置できる。本発明は、同じく、この構造にも適用できる。同様に、可動部材が順々に付勢される固定子トラックを移動する線形リラクタンス電動機に関しても、本発明を利用できる。線形リラクタンス電動機における可動部材も、しばしば、回転子と称されている。本明細書中、「回転子」という用語は、線形リラクタンス電動機内のこのような可動部材を含むことを意図する。
【００５８】
本発明が上記の実施例に関連して説明されたが、当業者に判るように、本発明から逸脱せずに多くの変更を実施できる。たとえば、上記の例は、光センサーと光透過および光遮蔽領域を有する羽根を利用しているＲＰＴを使用した。当業者が認識するように、本発明の範囲から逸脱せずに、光反射および非光反射領域を使用でき、ホール効果または容量性、誘導性または磁性ベース装置を使用するＲＰＴ、またマークおよびスペース領域が逆であるＲＰＴを含むＲＰＴの他のタイプを使用できる。さらに、上記の例における固有のマークおよびスペース領域は説明目的で設定されているにすぎない。本発明から逸脱せずに、種々のマーク・スペース領域を使用できることは理解できる。
【００５９】
幾つかの実施の形態の上記の説明は、例として挙げただけで、制限を目的としていない。特に、本発明は上記の例と違った数の固定子と回転子を有する切り換えリラクタンス機械にも適用可能である。
【００６０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、二相リラクタンス機械において、相巻線内の電流を調整せずに、また電力変換機内のスイッチの電流定格を増加させずに、機械の始動トルクを増加し、トルクリプルを減少させることができる。
【００６１】
本発明によれば、二相の各巻線が正のトルクを発生し始める回転子の各位置で各相巻線を付勢し、負のトルクを発生し始める位置で各相巻線を消勢しているので、両方の相巻線が同時に付勢される期間があり、このような期間中、両方の相巻線が発生するトルクは合計され、その結果、単一の相巻線だけが付勢される場合のトルクより大きなトルクが発生し、トルクリプルも減少する。
【図面の簡単な説明】
【図１】６個の固定子極と２個の回転子極を有する典型的な三相リラクタンス電動機の模式的断面図である。
【図２】図１の三相リラクタンス電動機のトルク曲線を一般的に示す図である。
【図３】４個の固定子極と２個の回転子極と段付エアギャップ回転子とを有する二相切り換えリラクタンス電動機の模式的断面図である。
【図４】図３の二相リラクタンス電動機のトルク曲線を一般的に示す図である。
【図５】公知の切り換えリラクタンス電動機で使用されているタイプのＲＰＴを一般的に示す全体斜視図である。
【図６】図５のＲＰＴの検知素子の出力と図３の二相リラクタンス電動機の相巻線の切り換え信号の関係を一般的に示す図である。
【図７】本発明に従う二相切り換えリラクタンスシステムを一般的に示す全体斜視図である。
【図８】本発明で使用できるコントローラを表すブロックダイアグラムである。
【図９】本発明で使用できる二相切り換えリラクタンス電動機のトルク曲線を一般的に示す図である。
【図１０】本発明に従う切り換えリラクタンス電動機システムで利用できるトルクと切り換え信号の関係を一般的に示す図である。
【図１１】本発明のＲＰＴの構造と配置を詳細に示す断面図である。
【図１２】本発明に従う回転子の角度位置に応答して切り換え信号を発生する過程を一般的に説明する説明図である。
【符号の説明】
１０，３１，７１固定子
１１，１２，１３，１４，１５，１６，３１，３２，３３，３４固定子極
１７巻線コイル
１８，３５，７２回転子
１９突起部
３６段付エアギャップ
５０シャフト
５１，７４羽根部
５２，１１２，１１３マーク領域
５３，１１０，１１１スペース領域
５４，７５，７６検知素子
７０二相切り換えリラクタンス電動機
７７電子コントローラ

Claims

固定子極を備える１個の固定子と、１個の回転子と、固定子極を付勢するため固定子に対応して配置された相巻線とを含む二相切り換えリラクタンス機械と、
相巻線の各々と接続されている切り換え手段と、
固定子に対する回転子の位置を示す信号を発生する位置表示手段と、
入力要求と位置表示手段からの前記信号に応答し、相巻線の電流を制御する切り換え手段を作動するための制御手段とを含む切り換えリラクタンス駆動システムにおいて、
前記制御手段は、両方の相の付勢が入力要求に従って同一の方向にトルクを発生する位置に回転子があるとき、両方の相の切り換え手段を同時に作動するように操作可能にして、両方の相の相巻線を同時に付勢することを特徴とする切り換えリラクタンス駆動システム。
前記位置表示手段は、相の一方で望ましい方向にトルクを発生する、固定子に対する回転子の位置の領域に応じて切り換え手段用のオンおよびオフ信号を発生するように配置された第１の位置検知手段と、相の他方で前記の望ましい方向にトルクを発生する、固定子に対する回転子の位置の領域に応じてオンおよびオフ信号を発生するように配置された第２の位置検知手段とを含むことを特徴とする請求項１記載の切り換えリラクタンス駆動システム。
センサー出力の作用部材が、回転子とともに回転するように配置され、かつ第１および第２の位置検知手段は、それによって作用を受ける前記部材に関連させて配置されていることを特徴とする請求項２記載の切り換えリラクタンス駆動システム。
前記部材は、回転子が回転するにつれて、前記位置検知手段が切り換え手段のオンおよびオフ信号に対応するバイナリ出力を発生するように、第１および第２センサー出力の作用領域を定義する羽根であることを特徴とする請求項３記載の切り換えリラクタンス駆動システム。
前記制御手段は、第１の位置検知手段の出力を調整する信号調整手段と、第２の位置検知手段の出力を調整する第２の信号調整手段とを含み、かつ、調整手段の出力部が各々、２つの相の切り換え手段を作動するように接続されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の切り換えリラクタンス駆動システム。
回転子は、固定子極の面に比較的半径方向に近く、また該面から離れている２つの弧状面を定義する少なくとも１つの半径方向で外部の極面を有する段付エアギャップ回転子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の切り換えリラクタンス駆動システム。
前記制御手段および回転子位置検知手段は、切り換えリラクタンス機械を電動機として運転するよう配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の切り換えリラクタンス駆動システム。
前記制御手段および回転子位置検知手段は、切り換えリラクタンス機械を発電機として運転するよう配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の切り換えリラクタンス駆動システム。
１個の回転子と、１個の固定子と各相毎に少なくとも１つの相巻線を有する二相切り換えリラクタンス機械の出力を制御する方法であって、
固定子に対して回転子の位置を検知すること、
固定子に対する回転子の位置に応じて切り換え手段を作動し、相巻線を順々に付勢し、出力を発生すること、
さらに、両方の相を付勢すれば、望ましい方向にトルクを出力する位置に回転子があるとき、両方の相の相巻線を同時に付勢するために固定子に対する回転子の位置に応じて切り換え手段を作動すること、
以上のステップを含んでなることを特徴とする二相切り換えリラクタンス機械の出力制御方法。
１つの相の少なくとも１つの巻線と関連した固定子極に対する回転子の位置を検知し、そして他の相の少なくとも１つの巻線と関連した固定子極に対する回転子の位置を別々に検知することを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
固定子極を備える１個の固定子と、１個の回転子と、固定子極の付勢のため固定子に関連付けて配置された相巻線とを含む二相切り換えリラクタンス機械用の位置トランスデューサーであって、
望ましい方向のトルク発生が二相の一方から得られる固定子に対する回転子の位置を示す、位置信号を発生する第１の位置表示手段と、
望ましい方向のトルク発生が二相の他方から得られる固定子に対する回転子の位置を示す、位置信号を発生する第２の位置表示手段とを含み、かつ
前記第１の位置表示手段および第２の位置表示手段は、望ましい方向のトルク発生が二相から同時に得られる回転子の位置を示す、信号を発生するように配置され、
前記第１位置表示手段および第２の位置表示手段は、機械の回転子と共に回転するように、取り付けることができる部材を共有し、かつ各位置表示手段が該部材の作用下で位置信号を発生するように作動するセンサーを備え、
前記部材は、望ましい方向のトルク発生範囲に対応するマーク領域およびスペース領域を有し、第１および第２の位置表示手段の各センサーが、同じマーク領域およびスペース領域を検出することを特徴とする二相切り換えリラクタンス機械用の位置トランスデューサー。