JP4302470B2

JP4302470B2 - スイッチトリラクタンス機械とともに用いられる回路

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Publication number: JP4302470B2
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Inventors: ポールタンカード，マイケル
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Description

本発明は、スイッチトリラクタンス機械、特に電動モードと発電モードとのいずれにおいても動作する必要のあるスイッチトリラクタンス機械の効率的な動作のための回路に関する。

一般にリラクタンス機械は、磁気回路のリラクタンスが最小となる位置、すなわち励磁巻線のインダクタンスが最大となる位置に、可動部が移動する傾向によってトルクが発生する電気機械である。いくつかの形式において、回転子の角度位置を検出し、回転子位置の関数として相巻線を通電するための回路が設けられる。この形式のリラクタンス機械は、スイッチトリラクタンス機械として一般的に知られており、電動機または発電機として動作可能である。そのようなスイッチトリラクタンス機械の特性は周知であり、たとえば、非特許文献１に記載されている。この非特許文献１には、相巻線のインダクタンスを周期的に変化させる特性をともに生成するスイッチトリラクタンス機械の特徴について幾分詳細に述べている。そのようなリラクタンス機械が相巻線内を流れる電流の方向を変えることなく、巻線励磁のタイミングを変えることによって簡単に電動モードまたは発電モードのいずれかで動作可能であることは、当該技術において周知である。

図１は、負荷１９に接続された典型的なスイッチトリラクタンス駆動装置システムの主要な構成要素を示す。入力ＤＣ電源１１は、電池または整流・濾波されたＡＣ電源のいずれでもよく、大きさは一定または可変のいずれでもよい。既知の駆動装置の中には、電源１１が、０と所定の値との間で急速に変化して電力スイッチの０電圧切換えを可能にするＤＣ電圧を生成する共振回路を含むものがある。電源１１によって供給されたＤＣ電圧は、電動機１２の相巻線１６間にわたって電子制御装置１４の制御の下で電力コンバータ１３によって切換えられる。切換えは、駆動装置の適正な動作のために、回転子の回転角と正しく同期されなければならない。回転子位置検出器１５または位置検出アルゴリズムは、回転子の角度位置を示す信号を供給する。

スイッチトリラクタンス機械における相巻線への通電は、回転子の角度位置の検出に依存する。このことは、図２および図３を参照して説明され、これらの図は、電動機として動作するリラクタンス機械の切換えを示す。図２は、一般的に、矢印２２に従って固定子極２１に近づいている回転子極２０を示している。図２に示されるように、完全な相巻線１６の部分２３は、固定子極２１のまわりに巻回される。固定子極２１のまわりの相巻線１６の部分２３が通電されると、回転子極２０が引付けられて固定子極２１と整列させる傾向を持つ力が、回転子に及ぼされる。図３は、一般的に、固定子極２１のまわりの部分２３を含む相巻線１６の通電を制御する電力コンバータ１３内の典型的な切換え回路を示す。電圧母線３６，３７は、一般的にＤＣリンクとして知られており、それらの母線間にわたって設けられるコンデンサ３５は、ＤＣリンクコンデンサとして知られている。ＤＣリンクコンデンサの機能は、ＤＣリンク上で交番電流を取扱う。スイッチ３１および３２が閉じている場合、相巻線は、ＤＣ電力の電源に接続され通電される。スイッチトリラクタンス機械の相巻線に上述した方法で通電される場合、磁気回路内の磁束によって生じた磁界は、上述したように回転子極を固定子極と整列させるように作用する周方向の力を生じさせる。

一般的に、相巻線は通電され、以下に示すように回転子の回転に影響を与える。回転子の第１の角度位置（いわゆる「ターンオン角」θ_on）において、制御装置１４は、スイッチング素子３１および３２の両方をオンにするために切換え信号を供給する。スイッチ３１および３２がオンになった場合、相巻線はＤＣリンクとつながり、増加した磁束を機械内に確立させる。磁束は、回転子極に作用する空隙に磁界を形成し、電動トルクを生成する。機械内の磁束は、ＤＣ電源１１からスイッチ３１および３２および相巻線２３を通って流れる電流によって提供される起磁力（ｍｍｆ）によって支援される。電流フィードバックが一般的に用いられ、相電流の大きさは、切換え装置３１および／または３２の一方または両方を急速にオンオフすることによる電流のチョッピングによって制御される。図４（ａ）は、チョッピングモードの動作における典型的な電流波形を示し、ここで電流は２つの一定レベル間でチョッピングされる。電動動作において、ターンオン角θ_onが、回転子上の極間空間の中心線が固定子極の中心線と整列する回転子位置であるようにしばしば選択されるが、他の角度であってもよい。図４（ａ）は、相巻線の理想化されたインダクタンス曲線も示す。

多くのシステムにおいて、回転子が回転し、「フリーホイーリング角」θ_fwと呼ばれる角度位置に到達するまで、相巻線は、ＤＣリンクと接続されたまま（または、チョッピングが用いられた場合には断続的に接続されたまま）である。回転子が、フリーホイーリング角に相当する角度位置（たとえば、図２に示された位置）に到達すると、スイッチのうちの一方、たとえば３１がオフにされる。したがって、相巻線を通って流れる電流は流れ続けるが、スイッチのうちの一方のみ（この例では３２）およびダイオード３３／３４のうちの一方のみ（この例では３４）を通って流れる。フリーホイーリング期間中に、相巻線の両端間の電圧降下は小さく、磁束は実質的に一定のままである。回転子が、「ターンオフ角」θ_offとして知られる角度位置に回転するまで（たとえば、回転子極の中心線が固定子極の中心線と整列する場合）、回路は、このフリーホイーリング状態を維持する。回転子がターンオフ角に到達すると、両スイッチ３１および３２は、オフにされ、相巻線２３内の電流はダイオード３３および３４を通って流れ始める。その後ダイオード３３および３４は、逆方向にＤＣリンクからＤＣ電圧を印加し、機械内の磁束（したがって相電流）を減少させる。

他の切換え角および他の電流制御方式を用いることは、当該技術において周知である。同様に、積層幾何学、巻線位相幾何学および切換え回路の多くの他の構成は、当該技術において周知であり、そのうちのいくつかは、非特許文献１で議論されている。

機械の速度が上昇するにつれて、電流がチョッピングレベルまで上昇する時間がより少なくなり、駆動装置は通常、「単一パルス」モードの動作で運転される。このモードでは、ターンオン角、フリーホイーリング角およびターンオフ角は、たとえば、速度および負荷トルクの関数として選択される。あるシステムは、フリーホイーリングの角度期間を用いておらず、すなわちスイッチ３１および３２は同時にオンオフに切換えられる。図４（ｂ）は、フリーホイーリング角が０の場合の典型的な単一パルス電流波形を示す。ターンオン角、フリーホイーリング角およびターンオフ角の値は、予め定められ、必要に応じて制御システムによって検索するための何らかの適当な形式で記憶可能であるか、またはリアルタイムで計算または推定可能であるということは周知である。

図５（ａ）は、電動における典型的な単一パルス動作点に対する電流波形および磁束波形を示す。電圧がθ_onで相巻線に印加されるとすぐに、電流および磁束が上昇し始めるということが特記されるであろう。電圧は、導通角θ_ｃの間印加される。スイッチオフ角θ_offで、コイルの両端間の電圧が反転すると、磁束の勾配が反転し、磁気回路内に渦電流がない場合、電流および磁束がともに０に到達する。この図は、抵抗が０の理想的な場合に対して示されており、上昇時間および下降時間は等しい。図５（ｂ）は、対応する発電点に対する波形を示し、該波形は図５（ａ）の波形の鏡像である。

スイッチ内およびダイオード内の電流は一般的に異なっているということが特記されるであろう。たとえば、図５（ａ）の電動モードでスイッチ電流はダイオード電流よりもかなり大きく、実際のところ実効値はおそらくダイオード電流のおそらく３倍であろう。対照的に、図５（ｂ）の発電モードでは、ダイオード電流が、より大きな値を有する。つまり、電動および発電において、概して同一の出力を提供するために駆動装置が必要とされる場合、スイッチおよびダイオードの定格は概して同一でなければならない。

スイッチ内およびダイオード内の電流に関連する損失は、素子をその動作温度制限内に保持するために、素子自身の冷却に関するか、または駆動装置の全体の効率に関して重要であるかもしれない。たとえば、４００Ｖ、３相の電源から動作し、数十キロワットまたは数百キロワットを生み出す工業用駆動装置において、装置の損失はおそらく全入力電力の３％以下であろう。ただし、低電圧駆動装置の損失は全入力電力の１０％またはそれ以上になり得る。

業界標準モジュールで入手可能な、スイッチトリラクタンス駆動装置用に用いられるＩＧＢＴおよびダイオードの標準構成を用いることは、周知であった。たとえば、非特許文献２は、図７において再び現れたＩＧＢＴおよびダイオードの配置を記載している。この回路の使用は、非特許文献２の５１７頁、第２欄に記載されている。位相通電の１サイクルで、ＩＧＢＴであるＳ_ＡおよびＳ_Ｄがスイッチとして用いられ、戻りダイオードはＤ_ＢおよびＤ_Ｃである。ＩＧＢＴであるＳ_ＢおよびＳ_Ｃはバイアスをかけられて、オフ状態になる。次の位相通電のサイクルで、ＩＧＢＴであるＳ_ＣおよびＳ_Ｂがスイッチとして用いられ、戻りダイオードはＤ_ＡおよびＤ_Ｄである。ＩＧＢＴであるＳ_ＡおよびＳ_Ｄはバイアスをかけられて、オフ状態になる。このことは、連続するサイクルで相巻線内を電流が反対方向に流れるようにしてなされ、こうして非特許文献２の５１８頁、第１欄、下半分の部分に記載されるように、隣接する相間の相互結合を減らす。

特許文献１もまた、半ブリッジモジュールが、電圧レール間で接続されているスイッチング回路を開示している。ダイオードは、各スイッチを横切って接続され正のレールの方へ導通する。相電流は、交互周期またはグループ周期で方向を反転する。

欧州特許出願公開第０８８６３７０号明細書ジェイ・エム・スティーブンソン（J.M. Stephenson）, アール・ジェイ・ブレーク（R.J. Blake）, 「スイッチトリラクタンスモータおよび駆動装置の特性、設計および用途（The Characteristics, Design and Applications of Switched Reluctance Motors and Drives）」, ＰＣＩＭ’９３会議・展示会，ドイツ，ニュルンベルク，１９９３年６月２１日〜２４日ミラー（Miller）他，「ハイブリッド電気車両用始動交流発電器：誘導および可変リラクタンス機械と駆動装置との比較（Starter-alternator for hybrid electric vehicle : Comparison of induction and variable reluctance machines and drives），ＩＥＥＥ，工業応用協会１９９８年年次総会議事録，１９９８年１０月１２日〜１５日，ミズーリ州セントルイス，第１巻、５１３頁〜５２３頁

この問題の解決策の１つは、より大きなシリコン領域を有する装置を使用することであり、これによって、装置の大きさとコストに関する費用がかかったとしても、状況は制限された範囲内で改善される。しかしながら、このことは、主にスイッチに対して有益である。なぜなら、ダイオードの電圧降下特性が一定値（たとえば、１．０Ｖ）であるか、または一定値に電流依存項を加えた値（たとえば、０．５Ｖ＋０．０５ｉ）であるからである。このことは、ダイオード電流が相対的に小さい場合、電動モードではそれほど大きな問題ではない。しかしながら、発電モードでは、より大きな電流が、効率的な動作に対する重大な欠点である損失をしばしば生じる。

図６に示すように、ダイオードをサイリスタと置換えることができるであろうが、２つの理由のためにこの置換えに利点はない。第１の理由は、対応する主スイッチが開かれた時点でサイリスタが導通状態にされる必要があるので、サイリスタの切換えタイミングは絶対的に重要になるであろうということである。装置に関連する有限の切換え時間（一般的には、装置の大きさによるが、１０〜２０μｓｅｃのオーダ）のために、常に正しいファイアリングを保証することは極めて困難であろう。第２の理由は、たとえ第１の難点が克服されたとしても、サイリスタの両端間の電圧降下が、サイリスタと置換えられたダイオード電圧降下よりも大きくなり、その結果、素子損失がより小さくはならずに、より大きくなるであろうということである。

他の型式のスイッチは、同じ理由または追加の理由によって除外される。たとえば、統合ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）は、それがサイリスタよりも素子損失が小さいという根拠で検討され得るが、ＩＧＢＴを通る逆電圧がＩＧＢＴを破壊するので、ダイオードのＩＧＢＴへの置換えは、うまくいかない。

図７に示される構成によって、非特許文献２の著者が求める高トルク出力を達成し、その高トルク出力はコスト面で非常に解決策となる一方で、位相毎に８個の装置を必要とする。

本発明の目的は、電動モードおよび発電モードのいずれにおいても動作可能なスイッチトリラクタンス駆動装置用の効率的かつ経済的な回路を提供することである。

本発明に従えば、スイッチトリラクタンス駆動装置用励磁回路であって、前記励磁回路は、相巻線を電源に接続するための複数のスイッチを含み、該複数のスイッチは電流を相巻線に供給するための、および電流を電源に戻すための第１のセットおよび第２のセットを含む複数のスイッチを含み、該第１のセットおよび第２のセットのスイッチは、第１の方向および第２の方向の両方向に電流を導通可能にし、該第１のセットおよび第２のセットは異なるピーク電流を取扱うことができることを特徴とする励磁回路が提供される。

励磁回路は、好ましくは、電動モード中に第１のセットを介して相巻線に電流を供給し、第２のセットを介して電源に電流を戻すための経路を提供し、発電モード中に第２のセットを介して相巻線に電流を供給し、第１のセットを介して電源に電流を戻すための経路を提供するように設けられる。電動モードにおける相巻線内の電流の方向は、発電モードにおける相巻線内の電流の方向と一般に反対である。

好ましくは、少なくともスイッチのうちの１つは、ダイオードとして動作可能であり、たとえば、スイッチは、固有の一体型逆ダイオードを有してもよい。適切なスイッチの一例は金属酸化膜シリコン電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）であり、特にエンハンスメント形ＭＯＳＦＥＴである。各スイッチはＭＯＳＦＥＴであってもよい。

好適な実施において、４つのスイッチが提供され、第１のセットは２つのスイッチを含み、該２つのスイッチは、第２のセットを形成する残り２つのスイッチよりも高い定格に設定される（すなわち、より高いピーク電流を取扱える）。励磁回路は、相巻線の第１の端部と第１の電圧レールとの間に接続される第１のスイッチと、相巻線の第１の端部と第２の電圧レールとの間に接続される第２のスイッチと、相巻線の第２の端部と第１の電圧レールとの間に接続される第３のスイッチと、相巻線の第２の端部と第２の電圧レールとの間に接続される第４のスイッチとを含み、第１および第４のスイッチは第１のセットを形成する。第２のセットは第２および第３のスイッチを含む。

本発明のさらなる局面において、複数の回転子極を規定する回転子と、複数の固定子極を規定する固定子と、２つまたはそれ以上の極を励磁するための少なくとも１つの相巻線とを有する機械を含むスイッチトリラクタンス駆動装置であって、前記スイッチトリラクタンス駆動装置は、電源に相巻線を接続するための複数のスイッチを含む励磁回路を含み、前記複数のスイッチは、第１のセットおよび第２のセットを含み、前記励磁回路は、電動モード中に、第１のセットを介して相巻線に電流を供給し、第２のセットを介して電源に電流を戻すための経路を提供し、発電モード中に、第２のセットを介して相巻線に電流を供給し、第１のセットを介して電源に電流を戻すように設けられ、前記第１のセットおよび第２のセットは、異なるピーク電流を取扱うことができることを特徴とするスイッチトリラクタンス駆動装置が提供される。

好ましくは、電動モードにおける相巻線内の電流の方向は、発電モードにおける相巻線内の電流の方向と反対である。

本発明のさらなる局面において、複数の回転子極を規定する回転子と、複数の固定子極を規定する固定子と、２つまたはそれ以上の極を励磁するための少なくとも１つの相巻線とを有する機械を含むスイッチトリラクタンス駆動装置の制御方法であって、前記スイッチトリラクタンス駆動装置は、電源に相巻線を接続するための複数のスイッチを含む励磁回路を含み、前記複数のスイッチは、第１のセットおよび第２のセットを含み、前記方法は、電動モード中に、第１のセットを介して相巻線に電流を供給し、第２のセットを介して電源に電流を戻し、発電モード中に、第２のセットを介して相巻線に電流を供給し、第１のセットを介して電源に電流を戻すことを特徴とするスイッチトリラクタンス駆動装置の制御方法が提供される。

本発明は、スイッチトリラクタンス駆動装置用励磁回路であって、
電源に電気的に接続される第１および第２の電圧レールと、
前記第１および第２の電圧レール間に電気的に接続されるコンデンサと、
前記第１および第２の電圧レール間に、前記コンデンサと並列に電気的に接続され、相巻線を電源に接続するための複数のスイッチであって、エンハンスメント形金属酸化膜シリコン電界効果トランジスタ（enhancement layer MOSFET）からなり、ダイオードとしても動作可能な複数のスイッチとを含み、
該複数のスイッチは電流を相巻線に供給するための、および電流を電源に戻すための第１のセットおよび第２のセットを含み、
該第１のセットおよび第２のセットのスイッチは、第１の方向および第２の方向の両方向に電流を導通可能にし、第１のセットおよび第２のセットは異なるピーク電流を取扱うことができ、
前記スイッチは４つ設けられ、第１のセットは、第２のセットを形成する残り２つのスイッチよりも高い定格に設定されている２つのスイッチを含み、
前記複数のスイッチは、前記相巻線の第１の端部と第１の電圧レールとの間に接続される第１のスイッチと、前記相巻線の第１の端部と第２の電圧レールとの間に接続される第２のスイッチと、前記相巻線の第２の端部と第１の電圧レールとの間に接続される第３のスイッチと、前記相巻線の第２の端部と第２の電圧レールとの間に接続される第４のスイッチとを含み、相巻線のまわりにブリッジ構成で配置され、第１および第４のスイッチは第１のセットを形成し、前記第２および前記第３のスイッチは、前記第２のセットを形成し、
該励磁回路は電動モード中に第１のセットを介して前記相巻線に電流を供給し、第２のセットを介して電源に電流を戻すための経路を提供し、発電モード中に第２のセットを介して前記相巻線に電流を供給し、第１のセットを介して電源に電流を戻すための経路を提供するように設けられ、
電動モードにおける相巻線内の電流の方向が、発電モードにおける相巻線内の電流の方向と反対であることを特徴とする励磁回路である。

本発明は、複数の回転子極を規定する回転子と、複数の固定子極を規定する固定子と、２つまたはそれ以上の極を励磁するための少なくとも１つの相巻線とを有する機械を含むスイッチトリラクタンス駆動装置において、前記スイッチトリラクタンス駆動装置は、電源に相巻線を接続するための複数のスイッチを含む励磁回路をさらに含み、該励磁回路は、
電源に電気的に接続される第１および第２の電圧レールと、
前記第１および第２の電圧レール間に電気的に接続されるコンデンサと、
前記第１および第２の電圧レール間に、前記コンデンサと並列に電気的に接続され、相巻線を電源に接続するための複数のスイッチであって、エンハンスメント形金属酸化膜シリコン電界効果トランジスタ（enhancement layer MOSFET）からなり、ダイオードとしても動作可能な複数のスイッチとを含み、
該複数のスイッチは電流を相巻線に供給するための、および電流を電源に戻すための第１のセットおよび第２のセットを含み、
該第１のセットおよび第２のセットのスイッチは、第１の方向および第２の方向の両方向に電流を導通可能にし、第１のセットおよび第２のセットは異なるピーク電流を取扱うことができ、
前記スイッチは４つ設けられ、第１のセットは、第２のセットを形成する残り２つのスイッチよりも高い定格に設定されている２つのスイッチを含み、
前記複数のスイッチは、前記相巻線の第１の端部と第１の電圧レールとの間に接続される第１のスイッチと、前記相巻線の第１の端部と第２の電圧レールとの間に接続される第２のスイッチと、前記相巻線の第２の端部と第１の電圧レールとの間に接続される第３のスイッチと、前記相巻線の第２の端部と第２の電圧レールとの間に接続される第４のスイッチとを含み、相巻線のまわりにブリッジ構成で配置され、第１および第４のスイッチは第１のセットを形成し、前記第２および前記第３のスイッチは、前記第２のセットを形成し、
該励磁回路は電動モード中に第１のセットを介して前記相巻線に電流を供給し、第２のセットを介して電源に電流を戻すための経路を提供し、発電モード中に第２のセットを介して前記相巻線に電流を供給し、第１のセットを介して電源に電流を戻すための経路を提供するように設けられ、
電動モードにおける相巻線内の電流の方向が、発電モードにおける相巻線内の電流の方向と反対であることを特徴とするスイッチトリラクタンス駆動装置である。

本発明は、複数の回転子極を規定する回転子と、複数の固定子極を規定する固定子と、２つまたはそれ以上の極を励磁するための少なくとも１つの相巻線とを有する機械を含むスイッチトリラクタンス駆動装置の制御方法において、
前記スイッチトリラクタンス駆動装置は、電源に相巻線を接続するための複数のスイッチを含む励磁回路をさらに含み、該励磁回路は、
電源に電気的に接続される第１および第２の電圧レールと、
前記第１および第２の電圧レール間に電気的に接続されるコンデンサと、
前記第１および第２の電圧レール間に、前記コンデンサと並列に電気的に接続され、相巻線を電源に接続するための複数のスイッチであって、エンハンスメント形金属酸化膜シリコン電界効果トランジスタ（enhancement layer MOSFET）からなり、ダイオードとしても動作可能な複数のスイッチとを含み、
該複数のスイッチは電流を相巻線に供給するための、および電流を電源に戻すための第１のセットおよび第２のセットを含み、
該第１のセットおよび第２のセットのスイッチは、第１の方向および第２の方向の両方向に電流を導通可能にし、第１のセットおよび第２のセットは異なるピーク電流を取扱うことができ、
前記スイッチは４つ設けられ、第１のセットは、第２のセットを形成する残り２つのスイッチよりも高い定格に設定されている２つのスイッチを含み、
前記複数のスイッチは、前記相巻線の第１の端部と第１の電圧レールとの間に接続される第１のスイッチと、前記相巻線の第１の端部と第２の電圧レールとの間に接続される第２のスイッチと、前記相巻線の第２の端部と第１の電圧レールとの間に接続される第３のスイッチと、前記相巻線の第２の端部と第２の電圧レールとの間に接続される第４のスイッチとを含み、相巻線のまわりにブリッジ構成で配置され、第１および第４のスイッチは第１のセットを形成し、前記第２および前記第３のスイッチは、前記第２のセットを形成し、
該励磁回路は電動モード中に第１のセットを介して前記相巻線に電流を供給し、第２のセットを介して電源に電流を戻すための経路を提供し、発電モード中に第２のセットを介して前記相巻線に電流を供給し、第１のセットを介して電源に電流を戻すための経路を提供するように設けられ、
電動モードにおける相巻線内の電流の方向が、発電モードにおける相巻線内の電流の方向と反対であり、
電動モード中に、第１のセットを介して前記相巻線に電流を供給し、第２のセットを介して電源に電流を戻し、発電モード中に、前記第２のセットを介して相巻線に電流を供給し、前記第１のセットを介して電源に電流を戻すことを特徴とするスイッチトリラクタンス駆動装置の制御方法である。

本発明によれば、上述の構成にすることによって、従来のダイオードを用いた場合と比べて、回路の導通損失を低下させることができ、効率を向上させることができる。また電動モードおよび発電モードにかかわらず、２つの素子の定格を低下させることができる。このような回路および動作方法は、コスト削減および効率増大という２つの利点を達成する。

本発明は、多くの方法で実行可能であり、その内のいくつかは一例として添付図面を参照して説明される。

本発明は、両方向に電流を導通させることができ、少なくとも一時的にダイオードとして作用することができるいくつかのスイッチの特性をうまく利用している。たとえば、金属酸化膜シリコン電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）は、必要な特性を有している。これらの特性は、当該技術において周知であり、標準的なテキスト、たとえば「パワーセミコンダクタアプリケーションズ（Power Semiconductor Applications）」，Philips
Semiconductors，１９９１年４月に網羅されている。エンハンスメント形ＭＯＳＦＥＴは、使用されるべき好適なスイッチである。

図８に示されるように、スイッチトリラクタンス機械を通電するための励磁回路の実施形態は４つの能動スイッチＭ_Ａ，Ｍ_Ｂ，Ｍ_Ｃ，Ｍ_Ｄを有し、これらのスイッチは、好ましくは金属酸化膜シリコン電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）であり、相巻線１６のまわりにブリッジ構成で配置される。スイッチは、第１の方向および第２の方向の両方向に電流を導電可能であり、ダイオードとして動作可能である。相巻線１６を通る電流の流れの方向は、電動から発電への変化の場合と発電から電動への変化の場合とで逆転する。スイッチの定格は、エネルギ供給電流およびエネルギ戻り電流に応じて設定される。

はじめに、駆動装置が電動モードで動作していると仮定する。スイッチＭ_ＡおよびスイッチＭ_Ｄは、巻線を励磁するために通電スイッチとして作用する。導通期間の終わりには、フリーホイーリングが用いられているか否かに依存して一方または両方のスイッチが開かれる。ＭＯＳＦＥＴであるＭ_ＢおよびＭ_Ｃはオンに切換えられていないが、素子の本体ダイオードは最初は従来のダイオードとして作用し、電流を電源に導く。この点で、素子Ｍ_Ａおよび／または素子Ｍ_Ｄに対する充分な時間によって、完全にオフにすることが可能となるので、スイッチＭ_ＢおよびスイッチＭ_Ｃは導通状態にされる。このようにしてスイッチＭ_ＢおよびスイッチＭ_Ｃは、素子内の主電流搬送チャネルを通して電流を導通させることができるようになる。これらの装置は、電流が０に下がるまで導電状態を保つ。

素子Ｍ_Ｂおよび素子Ｍ_Ｃは、このように従来のダイオードとして作用する。ＭＯＳＦＥＴの導通損失は、電流定格が同一のダイオードの導通損失よりも少ないので、この回路は従来の均等物よりも効率がよい。

駆動装置が発電モードで動作中であると仮定する。回路は、降下しているインダクタンスと一致するようにタイミングを図った励磁とともに、上記に概要を述べた方法と正確に同じ方法で動作される。励磁電流は小さいので、素子Ｍ_Ａおよび素子Ｍ_Ｄは、充分に活用されなくなる。対照的に、より大きな電流が素子Ｍ_Ｂおよび素子Ｍ_Ｃによって搬送され、素子Ｍ_Ｂおよび素子Ｍ_Ｃは、その電流を搬送するような定格にされなければならない。

しかしながら、回路は左右対称であり、リラクタンス機械内でのトルク生成は、磁束の大きさにのみ依存し、磁束の方向には依存しないので、ＭＯＳＦＥＴの役割を逆転させることができ、そのため、相巻線内の電流の方向を逆転させることができる。リラクタンス機械の出力は変わらないが、素子Ｍ_Ｂおよび素子Ｍ_Ｃは、より小さい励磁電流を供給するようにスイッチとして作用し、素子Ｍ_Ａおよび素子Ｍ_Ｄは、より大きなエネルギ戻り電流を搬送するダイオードとして作用する。

発電に関する相電流方向のこのような逆転によって、駆動装置が電動中であるか発電中であるかにかかわらず、より小さい電流が素子Ｍ_Ｂおよび素子Ｍ_Ｃによって搬送されることがわかる。したがって、これら２つの素子の定格を低下させることができる。たとえば、電動および発電のいずれの場合も、定格２ｋＷの駆動装置において、これらの素子の定格は、他の２つのスイッチの２５％に低下させることができ、かなりの節約を意味する。このように、上述したこの回路および動作方法は、コスト削減および効率増大という２つの利点を達成する。

本願明細書は、ＭＯＳＦＥＴ型のスイッチのみに言及しているけれども、本発明は、電流が逆転した場合にスイッチおよびダイオードの両方として作用するように将来開発され得る、他のスイッチを網羅するように拡張することが意図されている。本発明は、第１の方向および第２の方向の両方に電流を導くことができ、ダイオードとして動作可能なそれらのスイッチへと特に拡張する。

本発明は、任意の相数、任意の極数および任意の積層幾何学を有する任意のスイッチトリラクタンス機械にも適用できるということが理解されるであろう。同様に、本発明は、しばしば、「回転子」と呼ばれる移動部が直線的に移動するリニア機械に適用可能である。このように、当業者は、開示された配置の変形例が本発明から逸脱することなく可能であると認識するであろう。したがって、いくつかの実施形態についての上述の記載は例示を目的としてなされたものであり、限定を目的としてなされたものではない。本発明は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることを意図している。

スイッチトリラクタンス駆動装置システムの主要な構成要素を示す。固定子極に近づく回転子極の概略図を示す。図１に示した機械の相巻線の通電を制御する電力コンバータ内の典型的なスイッチング回路を示す。図４（ａ）および図４（ｂ）は、チョッピングモードおよび単一パルスモードで動作するスイッチトリラクタンス機械の典型的な電流波形をそれぞれ示す。図５（ａ）および図５（ｂ）は、電動モードおよび発電モードに対する電流波形および磁束波形をそれぞれ示す。相巻線を通電するための交流回路を示す。相ごとに８個の素子を用いた先行技術の通電回路を示す。本発明の実施一形態に従う通電回路を示す。

符号の説明

１１電源
１２電動機
１３電力コンバータ
１４電子制御装置
１５回転子位置検出器
１６相巻線
１８電流トランスデューサ
１９負荷
２０回転子極
２１固定子極
３１，３２スイッチング素子
３３，３４ダイオード
３５コンデンサ
３６，３７電圧母線
Ｍ_Ａ，Ｍ_Ｂ，Ｍ_Ｃ，Ｍ_Ｄ能動スイッチ

Claims

スイッチトリラクタンス駆動装置用励磁回路であって、前記励磁回路は、相巻線を電源に接続するための複数のスイッチを含み、該複数のスイッチは電流を相巻線に供給するための、および電流を電源に戻すための第１のセットおよび第２のセットを含み、該第１のセットおよび第２のセットのスイッチは、第１の方向および第２の方向の両方向に電流を導通可能にし、前記第１のセットのスイッチは、前記第２のセットのスイッチよりも高い電流定格に設定されることを特徴とする励磁回路。
前記励磁回路は、電動モード中に第１のセットを介して前記相巻線に電流を供給し、第２のセットを介して電源に電流を戻すための経路を提供し、発電モード中に第２のセットを介して前記相巻線に電流を供給し、第１のセットを介して電源に電流を戻すための経路を提供するように設けられることを特徴とする請求項１記載の励磁回路。
電動モードにおける相巻線内の電流の方向が、発電モードにおける相巻線内の電流の方向と反対であることを特徴とする請求項１または２記載の励磁回路。
少なくともスイッチの１つはダイオードとして動作可能であることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の励磁回路。
少なくとも１つのスイッチは、固有の一体型逆ダイオードを有することを特徴とする請求項４記載の励磁回路。
少なくとも１つのスイッチは、金属酸化膜シリコン電界効果トランジスタ（MOSFET）からなることを特徴とする請求項４または５記載の励磁回路。
前記スイッチは、エンハンスメント形金属酸化膜シリコン電界効果トランジスタ（
enhancement layer MOSFET）からなることを特徴とする請求項１〜６のうちのいずれか１つに記載の励磁回路。
４つのスイッチが提供され、第１のセットは、第２のセットを形成する残り２つのスイッチよりも高い定格に設定されている２つのスイッチを含むことを特徴とする請求項１〜７のうちのいずれか１つに記載の励磁回路。
前記励磁回路は、前記相巻線の第１の端部と第１の電圧レールとの間に接続される第１のスイッチと、前記相巻線の第１の端部と第２の電圧レールとの間に接続される第２のスイッチと、前記相巻線の第２の端部と第１の電圧レールとの間に接続される第３のスイッチと、前記相巻線の第２の端部と第２の電圧レールとの間に接続される第４のスイッチとを含み、第１および第４のスイッチは第１のセットを形成することを特徴とする請求項１〜８のうちのいずれか１つに記載の励磁回路。
前記第２および前記第３のスイッチは、前記第２のセットを形成することを特徴とする請求項９記載の励磁回路。
各スイッチは、金属酸化膜シリコン電界効果トランジスタ（MOSFET）であることを特徴とする請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載の励磁回路。
複数の回転子極を規定する回転子と、複数の固定子極を規定する固定子と、２つまたはそれ以上の極を励磁するための少なくとも１つの相巻線とを有する機械を含むスイッチトリラクタンス駆動装置であって、前記スイッチトリラクタンス駆動装置は、電源に相巻線を接続するための複数のスイッチを含む励磁回路を含み、前記複数のスイッチは、第１のセットおよび第２のセットを含み、前記励磁回路は、電動モード中に、前記第１のセットを介して前記相巻線に電流を供給し、前記第２のセットを介して前記電源に電流を戻すための経路を提供し、発電モード中に、前記第２のセットを介して前記相巻線に電流を供給し、前記第１のセットを介して前記電源に電流を戻すように設けられ、前記第１のセットのスイッチは、前記第２のセットのスイッチよりも高い電流定格に設定されることを特徴とするスイッチトリラクタンス駆動装置。
電動モードにおける前記相巻線内の電流の方向は、発電モードにおける前記相巻線内の電流の方向と反対であることを特徴とする請求項１２記載のスイッチトリラクタンス駆動装置。
複数の回転子極を規定する回転子と、複数の固定子極を規定する固定子と、２つまたはそれ以上の極を励磁するための少なくとも１つの相巻線とを有する機械を含むスイッチトリラクタンス駆動装置の制御方法であって、前記スイッチトリラクタンス駆動装置は、電源に相巻線を接続するための複数のスイッチを含む励磁回路を含み、前記複数のスイッチは、第１のセットおよび第２のセットを含み、前記方法は、電動モード中に、第１のセットを介して前記相巻線に電流を供給し、第２のセットを介して電源に電流を戻し、発電モード中に、前記第２のセットを介して相巻線に電流を供給し、前記第１のセットを介して電源に電流を戻すことを特徴とするスイッチトリラクタンス駆動装置の制御方法。
前記第１のセットのスイッチは、前記第２のセットのスイッチよりも高い電流定格に設定されることを特徴とする請求項１４記載のスイッチトリラクタンス駆動装置の制御方法。
スイッチトリラクタンス駆動装置用励磁回路であって、
電源に電気的に接続される第１および第２の電圧レールと、
前記第１および第２の電圧レール間に電気的に接続されるコンデンサと、
前記第１および第２の電圧レール間に、前記コンデンサと並列に電気的に接続され、相巻線を電源に接続するための複数のスイッチであって、エンハンスメント形金属酸化膜シリコン電界効果トランジスタ（enhancement layer MOSFET）からなり、ダイオードとしても動作可能な複数のスイッチとを含み、
該複数のスイッチは電流を相巻線に供給するための、および電流を電源に戻すための第１のセットおよび第２のセットを含み、
該第１のセットおよび第２のセットのスイッチは、第１の方向および第２の方向の両方向に電流を導通可能にし、
前記スイッチは４つ設けられ、第１のセットは、第２のセットを形成する残り２つのスイッチよりも高い定格に設定されている２つのスイッチを含み、
前記複数のスイッチは、前記相巻線の第１の端部と第１の電圧レールとの間に接続される第１のスイッチと、前記相巻線の第１の端部と第２の電圧レールとの間に接続される第２のスイッチと、前記相巻線の第２の端部と第１の電圧レールとの間に接続される第３のスイッチと、前記相巻線の第２の端部と第２の電圧レールとの間に接続される第４のスイッチとを含み、相巻線のまわりにブリッジ構成で配置され、第１および第４のスイッチは第１のセットを形成し、前記第２および前記第３のスイッチは、前記第２のセットを形成し、
該励磁回路は電動モード中に第１のセットを介して前記相巻線に電流を供給し、第２のセットを介して電源に電流を戻すための経路を提供し、発電モード中に第２のセットを介して前記相巻線に電流を供給し、第１のセットを介して電源に電流を戻すための経路を提供するように設けられ、
電動モードにおける相巻線内の電流の方向が、発電モードにおける相巻線内の電流の方向と反対であることを特徴とする励磁回路。
複数の回転子極を規定する回転子と、複数の固定子極を規定する固定子と、２つまたはそれ以上の極を励磁するための少なくとも１つの相巻線とを有する機械を含むスイッチトリラクタンス駆動装置において、前記スイッチトリラクタンス駆動装置は、電源に相巻線を接続するための複数のスイッチを含む励磁回路をさらに含み、該励磁回路は、
電源に電気的に接続される第１および第２の電圧レールと、
前記第１および第２の電圧レール間に電気的に接続されるコンデンサと、
前記第１および第２の電圧レール間に、前記コンデンサと並列に電気的に接続され、相巻線を電源に接続するための複数のスイッチであって、エンハンスメント形金属酸化膜シリコン電界効果トランジスタ（enhancement layer MOSFET）からなり、ダイオードとしても動作可能な複数のスイッチとを含み、
該複数のスイッチは電流を相巻線に供給するための、および電流を電源に戻すための第１のセットおよび第２のセットを含み、
該第１のセットおよび第２のセットのスイッチは、第１の方向および第２の方向の両方向に電流を導通可能にし、
前記スイッチは４つ設けられ、第１のセットは、第２のセットを形成する残り２つのスイッチよりも高い定格に設定されている２つのスイッチを含み、
前記複数のスイッチは、前記相巻線の第１の端部と第１の電圧レールとの間に接続される第１のスイッチと、前記相巻線の第１の端部と第２の電圧レールとの間に接続される第２のスイッチと、前記相巻線の第２の端部と第１の電圧レールとの間に接続される第３のスイッチと、前記相巻線の第２の端部と第２の電圧レールとの間に接続される第４のスイッチとを含み、相巻線のまわりにブリッジ構成で配置され、第１および第４のスイッチは第１のセットを形成し、前記第２および前記第３のスイッチは、前記第２のセットを形成し、
該励磁回路は電動モード中に第１のセットを介して前記相巻線に電流を供給し、第２のセットを介して電源に電流を戻すための経路を提供し、発電モード中に第２のセットを介して前記相巻線に電流を供給し、第１のセットを介して電源に電流を戻すための経路を提供するように設けられ、
電動モードにおける相巻線内の電流の方向が、発電モードにおける相巻線内の電流の方向と反対であることを特徴とするスイッチトリラクタンス駆動装置。
複数の回転子極を規定する回転子と、複数の固定子極を規定する固定子と、２つまたはそれ以上の極を励磁するための少なくとも１つの相巻線とを有する機械を含むスイッチトリラクタンス駆動装置の制御方法において、
前記スイッチトリラクタンス駆動装置は、電源に相巻線を接続するための複数のスイッチを含む励磁回路をさらに含み、該励磁回路は、
電源に電気的に接続される第１および第２の電圧レールと、
前記第１および第２の電圧レール間に電気的に接続されるコンデンサと、
前記第１および第２の電圧レール間に、前記コンデンサと並列に電気的に接続され、相巻線を電源に接続するための複数のスイッチであって、エンハンスメント形金属酸化膜シリコン電界効果トランジスタ（enhancement layer MOSFET）からなり、ダイオードとしても動作可能な複数のスイッチとを含み、
該複数のスイッチは電流を相巻線に供給するための、および電流を電源に戻すための第１のセットおよび第２のセットを含み、
該第１のセットおよび第２のセットのスイッチは、第１の方向および第２の方向の両方向に電流を導通可能にし、
前記スイッチは４つ設けられ、第１のセットは、第２のセットを形成する残り２つのスイッチよりも高い定格に設定されている２つのスイッチを含み、
前記複数のスイッチは、前記相巻線の第１の端部と第１の電圧レールとの間に接続される第１のスイッチと、前記相巻線の第１の端部と第２の電圧レールとの間に接続される第２のスイッチと、前記相巻線の第２の端部と第１の電圧レールとの間に接続される第３のスイッチと、前記相巻線の第２の端部と第２の電圧レールとの間に接続される第４のスイッチとを含み、相巻線のまわりにブリッジ構成で配置され、第１および第４のスイッチは第１のセットを形成し、前記第２および前記第３のスイッチは、前記第２のセットを形成し、
該励磁回路は電動モード中に第１のセットを介して前記相巻線に電流を供給し、第２のセットを介して電源に電流を戻すための経路を提供し、発電モード中に第２のセットを介して前記相巻線に電流を供給し、第１のセットを介して電源に電流を戻すための経路を提供するように設けられ、
電動モードにおける相巻線内の電流の方向が、発電モードにおける相巻線内の電流の方向と反対であり、
電動モード中に、第１のセットを介して前記相巻線に電流を供給し、第２のセットを介して電源に電流を戻し、発電モード中に、前記第２のセットを介して相巻線に電流を供給し、前記第１のセットを介して電源に電流を戻すことを特徴とするスイッチトリラクタンス駆動装置の制御方法。