JP5771857B1 - モータ及びモータ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な手段によって高い発電効率及び回生効率を実現できるモータ及びモータ制御方法を提供する。【解決手段】上記課題を解決するため、ロータＲと、生成された電気エネルギーを充電する蓄電池Ｂ及びキャパシタＣ（電源）と、電源から供給された電流により生じる磁力によってロータＲを回転させると共に、ロータＲの回転エネルギーを電気エネルギーに変換することによって発電を行うＳＲモータ部Ｍと、励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗに供給される電流の大きさを測定する電流センサＳ１〜Ｓ３と、電流センサＳ１〜Ｓ３により測定された電流の大きさが、充電を行うことによって、ロータＲを回転させるために必要な予め設定された下限値を下回る時には、電源から励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗへ電気エネルギーを供給することにより電流を増加させて回転を維持する半導体スイッチ駆動・発電制御回路５とを備えたモータを提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、モータ及びその制御技術に係るものである。

一般的に、永久磁石を使用しないスイッチトリラクタンスモータ（Switched Reluctance Motor: ＳＲモータ）を駆動動作から制動動作に切り替える場合、当該制動エネルギーを電気エネルギーに変換するため、いわゆる発電機の動作モードに切り替えることによりエネルギーの回生が行われている。

そして、本回生では、ＳＲモータの励磁電流を維持しながら発電した電圧を電源側に戻す必要があるために、複雑な回生回路が用いられている。また、上記のエネルギー変換についても、リアクトルやキャパシタ等を使用した複雑な回路が用いられている。

ここで、以下の特許文献１及び２には、ＳＲモータの小型化や回生制動時のエネルギー回収効率の向上等を図った回生型ＳＲモータ駆動システムが開示されている。

また、以下の特許文献３における段落［００４４］等には、ＳＲモータを駆動するための巻線に流れる電流を直流電源３０に回生する技術が開示されている。

また、以下の特許文献４における段落［００４５］〜［００５６］には、ＳＲモータ１０の制御開始から所定の時間だけバッテリーＢの電源を使用し、残る期間は第１相コイルＣＬ１に蓄えられたエネルギーを使って通電制御することにより、バッテリーＢの電流消費の低減を図る技術が開示されている。

ここで、本技術においては、特許文献４の段落［００５０］〜［００５１］に記されているように、上記第１相コイルＣＬ１に流れる電流Ｉが目標電流値から減少して行った後、タイマに基づいて第１低電位側トランジスタＱＬ１をオンするタイミングを判断した上で当該閉ループを再形成することにより、電流Ｉを再び上記目標電流値に向かって緩やかに増大させている。

ＷＯ２００９/１５０７１４ Ａ１ 特開２０１０−１３０７５４号公報 特開２０１２−４４８１６号公報 特開２００２−２４７８８９号公報

上記のようなモータにおいては、低速回転域では発電電圧が低いために、励磁と回生を同時に維持するための物理的条件が厳しく、かかる条件を一瞬でも満たさない場合に当該発電が中断してしまうという課題がある。

なお、上記発電電圧の低下を回避するためには複雑な回路が必要であり、かかる回路を設けた場合であっても発電効率が低下し、結果的に低速回転域における回生が困難になる。

また、上記特許文献４に記載されているように、励磁コイルを含む閉ループをタイマに基づいてスイッチングした場合には、本来的に当該スイッチングによりエネルギー損失が生じることから、必ずしも最適な発電効率を実現することはできないという課題がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、簡素な手段によっても、より高い発電効率及び回生効率を実現できるモータ及びモータ制御方法を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するため、回転子と、電源と、電源から供給された電流により生じる磁力によって回転子を回転させると共に、回転子の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電動作を行う回転手段と、発電動作により生成された電気エネルギーを充電する充電手段と、回転手段に供給される電流の大きさを測定する電流量測定手段と、電流量測定手段により測定された電流の大きさが、充電を行うことによって、発電動作を行うために必要な予め設定された下限値を下回る時には、電源から回転手段へ電気エネルギーを供給することにより電流を増加させて発電動作を維持する制御手段とを備えたモータを提供する。

また、本発明は上記課題を解決するため、回転子と、電源と、電源から供給された電流により生じる磁力によって回転子を回転させると共に、回転子の回転エネルギーを電気エネルギーに変換することによって発電を行う回転手段と、回転手段に供給される電流の大きさを測定する電流量測定手段と、電流量測定手段により測定される電流の大きさが回生動作を維持するために必要な予め設定された下限値を下回る時には、電源から電流が供給されない状態において回転手段に発電を行わせることにより上記電流を増加させて上記回生動作を維持する制御手段とを備えたモータを提供する。

また、本発明は上記課題を解決するため、回転子と、電源と、電源から供給された電流により生じる磁力によって回転子を回転させると共に、回転子の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電動作を行う回転手段と、発電動作により生成された電気エネルギーを充電する充電手段とを備えたモータを制御するモータ制御方法であって、回転手段を流れる電流の大きさを測定する第一のステップと、第一のステップで測定された電流の大きさが、上記充電を行うことによって、発電動作を行うために必要な予め設定された下限値を下回る時には、電源から回転手段へ電気エネルギーを供給することにより上記電流を増加させて発電動作を維持する第二のステップとを有するモータ制御方法を提供する。

また、本発明は上記課題を解決するため、回転子と、電源と、電源から供給された電流により生じる磁力によって回転子を回転させると共に、回転子の回転エネルギーを電気エネルギーに変換することによって発電を行う回転手段とを備えたモータを制御するモータ制御方法であって、回転手段を流れる電流の大きさを測定する第一のステップと、第一のステップで測定される電流の大きさが回生動作を維持するために必要な予め設定された下限値を下回るか否か判断する第二のステップと、第二のステップで下限値を下回っていると判断した時は、電源から電流が供給されない状態において回転手段に発電を行わせることにより電流を増加させて上記回生動作を維持する第三のステップとを有するモータ制御方法を提供する。

本発明によれば、より高い発電効率及び回生効率を実現するモータ及びモータ制御方法を提供することができる。

本発明の実施の形態に係るＳＲモータの構成を示す図である。 図１に示された半導体スイッチ駆動・発電制御回路５ｐ１〜５ｐ３の構成を説明するための回路図である。 図１に示されたＳＲモータ部Ｍの構成を示す図である。 図３に示された励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗが巻かれたステータＳＴ及びロータＲによる発電の原理を説明するための図である。 図１に示されたＳＲモータに高速回転で発電させる場合の制御方法を示す波形図である。 図１に示されたＳＲモータに低速回転で発電させる場合の制御方法を示す波形図である。

以下において、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一又は相等部分を示す。

図１は、本発明の実施の形態に係るＳＲモータの構成を示す図である。図１に示されるように、本発明の実施の形態に係るＳＲモータは、操作指令部１と、駆動・発電励磁タイミング生成回路３と、半導体スイッチ駆動・発電制御回路５と、３相の励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗを含むＳＲモータ部Ｍと、ロータ位置検出器ＲＤと、電流センサＳ１〜Ｓ３と、蓄電池Ｂと、キャパシタＣと、励磁制御用半導体スイッチＴｕ１〜Ｔｕ３と、回生制御用半導体スイッチＴｄ１〜Ｔｄ３と、高速ダイオードＤｕ１〜Ｄｕ３，Ｄｄ１〜Ｄｄ３とを備える。

なお、半導体スイッチ駆動・発電制御回路５は、同じ構成を有する三個の半導体スイッチ駆動・発電制御回路５ｐ１〜５ｐ３からなるが、この半導体スイッチ駆動・発電制御回路５ｐ１〜５ｐ３の構成については後述する。

ここで、操作指令部１は駆動・発電励磁タイミング生成回路３と半導体スイッチ駆動・発電制御回路５に接続され、駆動・発電励磁タイミング生成回路３はロータ位置検出器ＲＤと半導体スイッチ駆動・発電制御回路５に接続される。

また、半導体スイッチ駆動・発電制御回路５は上記の他、電流センサＳ１〜Ｓ３と励磁制御用及び回生制御用半導体スイッチＴｕ１〜Ｔｕ３，Ｔｄ１〜Ｔｄ３のゲートに接続される。

また、励磁コイルＵは励磁制御用半導体スイッチＴｕ１のソースと回生制御用半導体スイッチＴｄ１のドレインとの間に接続され、励磁コイルＶは励磁制御用半導体スイッチＴｕ２のソースと回生制御用半導体スイッチＴｄ２のドレインとの間に接続され、励磁コイルＷは励磁制御用半導体スイッチＴｕ３のソースと回生制御用半導体スイッチＴｄ３のドレインとの間に接続される。

また、蓄電池Ｂは回生制御用半導体スイッチＴｄ１〜Ｔｄ３のソースと励磁制御用半導体スイッチＴｕ１〜Ｔｕ３のドレインとの間に接続され、キャパシタＣは蓄電池Ｂと並列に接続される。

また、高速ダイオードＤｕ１〜Ｄｕ３はそれぞれ、回生制御用半導体スイッチＴｄ１〜Ｔｄ３のドレインと蓄電池Ｂの正極との間に接続され、高速ダイオードＤｄ１〜Ｄｄ３はそれぞれ、蓄電池Ｂの負極と励磁制御用半導体スイッチＴｕ１〜Ｔｕ３のソースとの間に接続される。

また、電流センサＳ１〜Ｓ３はそれぞれ、励磁制御用半導体スイッチＴｕ１〜Ｔｕ３のソースから励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗへ流れる電流の大きさを測定し、ロータ位置検出器ＲＤは、ＳＲモータ部Ｍに含まれた図３に示されるロータＲの回転軸に設けられてロータＲの回転位置を検出する。

図２は、図１に示された半導体スイッチ駆動・発電制御回路５ｐ１〜５ｐ３の構成を説明するための回路図である。

上記のように、これら３つの半導体スイッチ駆動・発電制御回路５ｐ１〜５ｐ３は同じ構成とされ、本構成は、図２に示された半導体スイッチ駆動・発電制御回路５ｐ１〜３として示される。

ここで、図２における励磁制御用半導体スイッチＴｕ１〜３は、上記の半導体スイッチ駆動・発電制御回路５ｐ１〜３が図１に示された半導体スイッチ駆動・発電制御回路５ｐ１である場合には図１に示された励磁制御用半導体スイッチＴｕ１であり、同様に、半導体スイッチ駆動・発電制御回路５ｐ２である場合には励磁制御用半導体スイッチＴｕ２、半導体スイッチ駆動・発電制御回路５ｐ３である場合には励磁制御用半導体スイッチＴｕ３であることを意味するものである。

なお、図２に示された回生制御用半導体スイッチＴｄ１〜３、高速ダイオードＤｕ１〜３、Ｄｄ１〜３、電流センサＳ１〜３、励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗ、励磁コイル電流信号Ｉｃ１〜３、励磁指令信号ＲＳ１〜３も同様な意味を有するものである。

図２に示されるように、半導体スイッチ駆動・発電制御回路５ｐ１〜３は電流設定アンプ１１と、電流センサアンプ１２と、分圧器１３と、回生電流値比較器１４と、励磁電流値比較器１５と、ＡＮＤ回路１６，１７と、アイソレーションドライバー１８，１９により構成される。

ここで、電流設定アンプ１１は図１に示された操作指令部１及び分圧器１３に接続され、電流センサアンプ１２の入力端は電流センサＳ１〜３に、出力端は回生電流値比較器１４のマイナス（−）入力端及び励磁電流値比較器１５のマイナス（−）入力端に接続される。

また、分圧器１３の出力端は回生電流値比較器１４のプラス（＋）入力端及び励磁電流値比較器１５のプラス（＋）入力端に接続され、回生電流値比較器１４及び励磁電流値比較器１５の出力端はそれぞれ、ＡＮＤ回路１６，１７の入力端に接続される。

また、ＡＮＤ回路１６，１７の他の入力端は共に駆動・発電励磁タイミング生成回路３に接続され、それぞれＡＮＤ回路１６の出力端はアイソレーションドライバー１８の入力端に、ＡＮＤ回路１７の出力端はアイソレーションドライバー１９の入力端に接続される。

また、アイソレーションドライバー１８の出力端は回生制御用半導体スイッチＴｄ１〜３のゲートに接続され、アイソレーションドライバー１９の出力端は励磁制御用半導体スイッチＴｕ１〜３のゲートに接続される。

図３は、図１に示されたＳＲモータ部Ｍの構成を示す図である。図３に示されるように、ＳＲモータ部Ｍは３相の励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗが巻かれたステータＳＴと、回転子としてのロータＲを含む。

ここで、ロータＲは、紙面に垂直な回転軸の周りを回転すると共に、上記回転軸の周りに回転角４５度の間隔で８個配設された凸部２０を有する。また、励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗが巻かれたステータＳＴは上記回転軸の周りに回転角３０度の間隔で１２個配設され、そのうち同相の励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗが巻かれたステータＳＴはそれぞれ、上記回転軸の周りに回転角９０度の間隔で配設されている。

以下において、ＳＲモータ部Ｍによる駆動動作及び発電動作について説明する。
なお、「駆動」とは電気エネルギーから運動エネルギーを作り出すことを意味し、「発電」とは駆動動作で作り出した運動エネルギー又は外的運動エネルギーによりＳＲモータに含まれた回転子（ロータ）が回転させられた際、当該運動エネルギー若しくは回転エネルギーから電気エネルギーを作り出すことを意味する。

また、後述する「回生」とは、励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗが有するエネルギーを電気エネルギーとして蓄電池ＢやキャパシタＣ（以下これらを総称して「電源」という。）に回収、すなわち充電させることを意味する。

なお、上記の回収（充電）は、駆動動作のために用いられる電源に限られず、他の電源に対して行っても良い。

駆動動作については、例えばロータＲが図３に示された状態にあるとき、励磁コイルＵのみに定電流を流し励磁すると、ロータＲは励磁コイルＵに吸引され、方向ＣＷ（時計回り）に回転することになる。

そして、上記のように定電流を流す励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗを、励磁コイルＵから順に、励磁コイルＶ、励磁コイルＷと切り替えることによって、ロータＲの上記回転を連続駆動させることができる。

一方、発電動作は、ロータＲが真下に位置して重なった状態にあるステータＳＴに巻かれた励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗの一つを定電流励磁した状態で、外力によりロータＲが回転することによって、定電流励磁されている励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗ内の磁束が時間的に変化することを利用する。このことから、図３に示されたロータＲは、１回転する間にステータＳＴの数だけ、すなわち１２回の発電動作を行うことになる。

すなわち、このような磁束変化により電磁誘導の法則による電気エネルギーが励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗに発生し、発生した本エネルギーを電源で回収する。

なお、本回収時においては、励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗで発生した上記エネルギーで励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗ自体に流れる励磁電流を維持することが必須となるため、発電により生成するエネルギーの大きさは、励磁電流を維持するために必要なエネルギーの大きさと上記回収を行う回路におけるエネルギー損失の大きさとの和以上である必要がある（以下「回収必要条件」という。）。

なぜなら、仮にこの回収必要条件を満たさない状態となり、励磁電流が維持されない場合には、一瞬にして発電動作が停止してしまうためである。

また一般的に、電源電圧と発電電圧との差により上記電気エネルギーを回収するためには、上記磁束変化により励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗに生じる起電力（発電電圧）の大きさが、当該電源電圧と回収回路の電圧降下との和以上であることが必要十分条件となる（以下「回収必要十分条件」という。）。

以下、発電動作を具体的に説明する。例えばロータＲが図３に示された状態にあるとき、励磁コイルＷのみに定電流を流し励磁すると、ロータＲは励磁コイルＷに吸引されるが、外力によりロータＲが方向ＣＷへ回転させられると、励磁コイルＷでは上記定電流が流れた定電流励磁状態で磁束が変化するため、励磁コイルＷに起電力が生じ発電電圧が発生する。なお、本発電電圧は、ロータＲの回転速度に比例した大きさとなる。

このようにして、励磁させるコイルを励磁コイルＷ、励磁コイルＶ、励磁コイルＵの順で順次切り替え、ロータＲの回転エネルギーを電気エネルギーに変換することによって、連続的に発電することができる。

これより、ＳＲモータ部Ｍでは、磁石を使用する通常の発電機と異なり磁石を使用することなく、励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗが巻かれたステータＳＴをロータＲが通過する際の磁束変化を利用して発電が行われることになる。

従って、本発明の実施の形態に係るＳＲモータにおいては、ロータＲとステータＳＴの位置関係を考慮した駆動制御のほか、発電及び回生のための制御が重要となる。

そこで、以下においては、図４を参照しつつ励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗが巻かれたステータＳＴ及びロータＲによる発電の原理について、より詳しく説明する。

ここで、図４（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、１回の上記発電動作における発電開始時、発電中、発電終了時のステータＳＴ及びロータＲの位置関係を示す。

なお、図４（ａ）〜（ｃ）のいずれにおいても、ステータＳＴに巻かれているコイルは励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗのいずれか一つであり、同一のコイルを図示したものである。

また、図４（ａ）〜（ｃ）に示されたロータＲは、図３に示されたロータＲが回転軸の周りに有する８個の上記凸部２０の中の任意の１個の凸部２０を図示したものである。

図４（ａ）に示されるように、回転しているロータＲがステータＳＴの直下に位置して重なったとき、当該ステータＳＴに巻かれた励磁コイルに定電流Ｉが流れると、励磁コイルが生成する磁力によりステータＳＴはロータＲを吸引する。

このとき、ロータＲがステータＳＴの及ぼす吸引力を振り切る運動エネルギー（回転エネルギー）を持ってさらに回転方向に回転すると、図４（ｂ）に示されるように、ステータＳＴとロータＲの重なる部分が減少する。これにより、励磁コイル内の磁束が減少するため、かかる磁束の時間変化に応じた発電電圧ｇｖが励磁コイルに生じることになる。

そして、図４（ｃ）に示されるように、ロータＲがさらに回転方向に回転してステータＳＴと全く重ならない状態になると、励磁コイル内の磁束はもはや時間変化しないため、発電が終了することになる。

以上より、ロータＲが定電流励磁されたステータＳＴの直下を通過する期間だけ発電されることになる。

このことから、本発明の実施の形態に係るＳＲモータは、ロータＲの位置に応じてステータＳＴを励磁制御することにより上記のような発電を行うための条件を作り出し、発電により得られた電気エネルギーを回生するものである。

より具体的には、本発明の実施の形態に係るＳＲモータは、発電により得られたエネルギーを励磁状態にある励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗを含む閉回路に還流させることにより励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗに流れる電流（以下「励磁電流」という。）を増加させて励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗ内にエネルギーを蓄積し、かつ、蓄積された本エネルギーを電源へ回収、すなわち充電する。

以下において、図１及び図２を参照しつつ、図１に示された本発明の実施の形態に係るＳＲモータの動作を、ロータＲが高速回転することにより発電する状態（以下「高回転モード」という。）と、ロータＲが低速回転することにより発電する状態（以下「低回転モード」という。）に分けて、詳しく説明する。

なお、いずれのモードにおいても、ロータＲは、図４（ａ）を用いて説明したように、停止状態にあるロータＲの凸部２０が、励磁された最寄りの励磁コイルに吸引されることによって回転を始めることになる。

図５は、図１に示されたＳＲモータを高回転モードで動作させる制御方法を示す波形図である。以下においてはまず、本図を用いて高回転モードにおける動作を説明する。

図５において、時刻０〜時刻Ｔ１では、図４（ａ）に示されるようにロータＲ（のある凸部２０）がステータＳＴの直下に位置して完全に重なった状態で上記励磁が行われる。また、時刻Ｔ１〜時刻Ｔ３では、図４（ｂ）に示されるようにロータＲ（の上記凸部２０）がステータＳＴと一部重なった状態で上記励磁と上記発電動作、及び上記回生動作が行われ、時刻Ｔ３〜時刻Ｔ４では、図４（ｃ）に示されるようにロータＲ（の上記凸部２０）とステータＳＴとの重なりがなくなった状態で上記回生動作が行われる。

最初に、図１に示されたＳＲモータのユーザが、励磁電流設定値Ｉｒを設定すると共に本モータに発電させるよう操作指令部１を操作すると、操作指令部１は発電指令信号を駆動・発電励磁タイミング生成回路３へ供給する。

発電指令信号を受けた駆動・発電励磁タイミング生成回路３は、ロータ位置検出器ＲＤから供給されたロータＲの回転位置を示す信号に応じてロータＲが最寄りのステータＳＴの直下に位置し重なったと判断された時刻０に、図５（ａ）に示されるように、励磁指令信号ＲＳ１〜３をロウレベル（Ｏｆｆ）からハイレベル（Ｏｎ）へ遷移させる。

一方、上記ユーザが操作指令部１において設定した励磁電流設定値Ｉｒは、図２に示された電流設定アンプ１１へ供給される。

電流設定アンプ１１は、入力された励磁電流設定値Ｉｒを増幅して分圧器１３へ供給する。分圧器１３は入力された信号を分圧し、生成された回生電流設定値Ｉｋを回生電流値比較器１４のプラス（＋）入力端に供給すると共に、励磁電流設定値Ｉｒを励磁電流値比較器１５のプラス（＋）入力端に供給する。

また、図２に示された電流センサＳ１〜３は、励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗに流れる電流の大きさを検知して、検知した励磁電流の大きさを示す信号Ｉｃ１〜３を電流センサアンプ１２へ供給する。

電流センサアンプ１２は、入力された信号Ｉｃ１〜３を増幅し、増幅された信号（以下「電流増幅信号」という。）を回生電流値比較器１４のマイナス（−）入力端と励磁電流値比較器１５のマイナス（−）入力端に供給する。

このとき、励磁電流値比較器１５は、図５（ｄ）に示されるように、［プラス入力端に供給された励磁電流設定値Ｉｒ＋ヒステリシスＨ１の大きさの１／２］（以下「励磁電流上限値」という。）と、マイナス入力端に供給された電流増幅信号とを比較し、電流増幅信号が励磁電流上限値より小さい場合にはハイレベルの信号を出力し、電流増幅信号が励磁電流上限値より大きくなった時点で出力信号をロウレベルへ遷移させる。

また、励磁電流値比較器１５は、電流増幅信号が［プラス入力端に供給された励磁電流設定値Ｉｒ−ヒステリシスＨ１の１／２の大きさ］（以下「励磁電流下限値」という。）より小さくなった時点で出力信号をロウレベルからハイレベルへ遷移させる。

なお、上記ヒステリシスＨ１の大きさは、励磁電流値比較器１５に対して予め設定される。

また同様に、回生電流値比較器１４は、図５（ｄ）に示されるように、［プラス入力端に供給された回生電流設定値Ｉｋ＋ヒステリシスＨ２の１／２の大きさ］（以下「回生電流上限値」という。）と、マイナス入力端に供給された電流増幅信号とを比較し、電流増幅信号が回生電流上限値より小さい場合にはハイレベルの信号を出力し、電流増幅信号が回生電流上限値より大きくなった時点で出力信号をロウレベルへ遷移させる。

また、回生電流値比較器１４は、電流増幅信号が［プラス入力端に供給された回生電流設定値Ｉｋ−ヒステリシスＨ２の１／２の大きさ］（以下「回生電流下限値」という。）より小さくなった時点で出力信号をロウレベルからハイレベルへ遷移させる。

なお、上記ヒステリシスＨ２の大きさは、回生電流値比較器１４に対して予め設定される。

従って、ユーザが上記操作を行った時点では励磁電流はゼロであるから、回生電流値比較器１４及び励磁電流値比較器１５はハイレベルの信号を出力する。

従って、ＡＮＤ回路１６，１７は、上記のように励磁指令信号ＲＳ１〜３がハイレベルに遷移した時刻０でそれぞれ、アイソレーションドライバー１８，１９へハイレベルの信号を供給する。

この時、アイソレーションドライバー１８，１９はそれぞれ、図５（ｃ）及び図５（ｂ）に示されるように、回生制御用半導体スイッチＴｄ１〜３のゲート及び励磁制御用半導体スイッチＴｕ１〜３のゲートへハイレベルの信号を供給するため、回生制御用半導体スイッチＴｄ１〜３及び励磁制御用半導体スイッチＴｕ１〜３は共にオンする。

これにより、図５（ｅ）に示されるように、蓄電池Ｂの正極から励磁制御用半導体スイッチＴｕ１〜３、励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗ、回生制御用半導体スイッチＴｄ１〜３、蓄電池Ｂの負極へと電源電流Ｉｐが流れることになる。

なお、図５（ｅ）においては、蓄電池Ｂの正極から励磁制御用半導体スイッチＴｕ１〜３等を含む回路を介して蓄電池Ｂの負極へ向かう電源電流Ｉｐ（消費電流）はプラス（＋）で、蓄電池Ｂの負極から高速ダイオードＤｕ１〜３等を含む回路を介して蓄電池Ｂの正極へ向かう電源電流Ｉｐ（充電電流）はマイナス（−）で表記されている。

このとき、ロータＲの回転により励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗ内の磁束が変化すると励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗに起電力が生じるため、図５（ｄ）に示されるように、励磁電流は時間と共に増加する。

そして、時刻Ｔ１において励磁電流が励磁電流上限値を超えると、上記のように励磁電流値比較器１５は出力信号をハイレベルからロウレベルへ遷移させる。

これより、図５（ｂ）に示されるように、励磁制御用半導体スイッチＴｕ１〜３のゲートに供給される信号はロウレベルに遷移するため本スイッチはオフし、図５（ｅ）に示されるように、電源電流Ｉｐの大きさはゼロとなる。

このため、図５（ｄ）に示されるように、励磁電流の大きさは減少する。

そして、図５（ｄ）及び図５（ｂ）に示されるように、励磁電流の大きさが励磁電流下限値を下回ると、上記のように励磁電流値比較器１５は出力信号をハイレベルへ遷移させるため、励磁制御用半導体スイッチＴｕ１〜３のゲートに供給される信号がハイレベルに遷移して本スイッチがオンされる。

これにより、図５（ｅ）に示されるように、プラス（＋）の電源電流Ｉｐが再度流れるため、図５（ｄ）に示されるように、時刻０〜時刻Ｔ１の間と同様に励磁電流が増加する。

そして、図５（ｄ），（ｂ），（ｅ）に示されるように、励磁電流の大きさが励磁電流上限値を超えた時点で時刻Ｔ１と同じように動作し、結果として励磁電流がヒステリシスＨ１の範囲内で維持されることになる。

ここで、図５（ｂ）に示されるように励磁制御用半導体スイッチＴｕ１〜３がオフすると、励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗと回生制御用半導体スイッチＴｄ１〜３、及び高速ダイオードＤｄ１〜３からなる閉回路が形成されるため、ロータＲが高速回転することによって大きな上記起電力が生じる場合には、図５（ｄ）に示されるように、本閉回路に流れる電流が増大し、励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗ内に電気エネルギーが蓄積される。

このようにして、時刻Ｔ２において励磁電流が回生電流上限値を超えると、回生電流値比較器１４は出力信号をロウレベルに遷移させるため、図５（ｃ）に示されるように、回生制御用半導体スイッチＴｄ１〜３のゲートに供給される信号もロウレベルに遷移して本スイッチがオフされる。

これにより、励磁制御用半導体スイッチＴｕ１〜３と回生制御用半導体スイッチＴｄ１〜３の双方がオフされるため、高速ダイオードＤｄ１〜３と励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗ、高速ダイオードＤｕ１〜３、及び電源からなる閉回路（以下「回生ループ」という。）が形成される。

そして、図５（ｅ）に示されるように、電源電流Ｉｐはこの回生ループを蓄電池Ｂの正極から蓄電池Ｂの内部を経由して蓄電池Ｂの負極へ向かって流れる（以下このような電流を「回生電流」という。）が、このことにより、励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗが有するエネルギーが電源に回生される。

なお、このような電源への回生は、上記のように励磁電流が回生電流上限値を超えた時点で、回生制御用半導体スイッチＴｄ１〜３のスイッチング動作により励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗに生じる自己誘導起電力で得られる十分な電圧を利用してなされるものである。

またこのとき、図５（ｄ）に示されるように、上記回生に伴って励磁電流は減少する。そして、励磁電流が回生電流下限値まで低下すると、回生電流値比較器１４は出力信号をハイレベルに遷移させるため、図５（ｃ）に示されるように回生制御用半導体スイッチＴｄ１〜３のゲートに供給される信号もハイレベルに遷移し、本スイッチがオンされる。

これにより、励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗと回生制御用半導体スイッチＴｄ１〜３、及び高速ダイオードＤｄ１〜３からなる閉回路（以下「発電ループ」という。）が形成され、図５（ｅ）に示されるように電源電流Ｉｐはゼロとなる。

発電ループでは、上記のように、ロータＲが高速回転することにより励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗに生じる起電力によって、流れる電流が増大し、励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗ内に電気エネルギーが蓄積される。

そして、励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗを流れる電流が回生電流上限値を超えると、時刻Ｔ２における動作と同じように動作するため、図５（ｃ）〜（ｅ）に示されるように、時刻Ｔ２〜時刻Ｔ３の間では励磁電流がヒステリシスＨ２の範囲内に維持されると共に、励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗで発電されたエネルギーが間欠的に電源に回生される。

時刻Ｔ３において、駆動・発電励磁タイミング生成回路３は、ロータ位置検出器ＲＤから供給されるロータＲの位置を示す信号に基づいてロータＲとステータＳＴの位置関係が図４（ｃ）に示される状態であると判断し、図５（ａ）に示されるように、励磁指令信号ＲＳ１〜３をハイレベルからロウレベルへ遷移させて励磁を終了させる。

これにより、ＡＮＤ回路１６の出力信号はロウレベルに遷移するため、図５（ｃ）に示されるように回生制御用半導体スイッチＴｄ１〜３のゲートに供給される信号はロウレベルに遷移し、本スイッチはオフされる。

この時、回生ループが形成されるため、図５（ｅ）に示されるように、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までの間において、励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗに保有されたエネルギーが電源に回生されると共に励磁電流が減少する。

そして、ロータＲがさらに方向ＣＷに回転を続け、隣接する次のステータＳＴの直下に重なった時から、再び上記時刻０〜時刻Ｔ４の動作と同様な動作を行うことになる。

以上が、図１に示されたＳＲモータを高回転モードで動作させる制御方法であるが、上記のように励磁電流上限値と励磁電流下限値を予め設定してヒステリシスＨ１の間で励磁電流を維持することにより、励磁制御用半導体スイッチＴｕ１〜３のスイッチング回数を必要最小限の回数とすることができる。

これにより、電源の消費電力を最小限に抑えつつ、ロータＲを安定的に駆動させることができる。

また、上記のように回生電流上限値と回生電流下限値を予め設定してヒステリシスＨ２の間で励磁電流を維持しながら間欠的に回生動作を行わせることにより、回生制御用半導体スイッチＴｄ１〜３のスイッチング回数を必要最小限の回数としつつ、回生動作を維持させることができる。

これにより、上記スイッチングによるエネルギー損失を最小限に抑え、かつ、回生動作を安定的に継続させることができるため、エネルギー的により効率的な発電動作及び回生動作を実現することができる。

なお、上記発電ループの替わりに、励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗと高速ダイオードＤｕ１〜３、及び励磁制御用半導体スイッチＴｕ１〜３からなる閉回路を用いることによっても同様な作用効果を得ることができ、後述する図６に示された制御方法においても同じことがいえる。

また、上記のヒステリシスＨ１及びヒステリシスＨ２は、後述する図６に示された制御方法においても採用され、同様な作用効果が奏される。

図６は、図１に示されたＳＲモータを低回転モードで動作させる制御方法を示す波形図である。以下においては、本図を用いて低回転モードにおける動作を説明する。

なお、図６において、時刻０〜時刻Ｔ１では、図４（ａ）に示されるようにロータＲ（のある凸部２０）がステータＳＴの直下に位置して完全に重なった状態で上記励磁が行われる。また、時刻Ｔ１〜時刻Ｔ７では、図４（ｂ）に示されるようにロータＲ（の上記凸部２０）がステータＳＴと一部重なった状態で上記励磁と上記発電動作、及び上記回生動作が行われ、時刻Ｔ７〜時刻Ｔ８では、図４（ｃ）に示されるようにロータＲ（の上記凸部２０）とステータＳＴとの重なりがなくなった状態で上記回生動作が行われる。

また、図６における時刻０〜時刻Ｔ３の動作は、図５における時刻０〜時刻Ｔ３の動作と同様であり、図６における時刻Ｔ６〜時刻Ｔ８の動作は、図５における時刻Ｔ２〜時刻Ｔ４の動作と同様であるため、図６におけるこれら期間の動作については説明を省略する。

図６（ｄ）に示されるように、時刻Ｔ３からは上記のように回生ループにおける回生動作がなされ、それに伴って励磁電流が減少する。このとき、ロータＲが低速で回転する場合は発電電力が少ないため、励磁電流が回生電流下限値まで低下した時に回生制御用半導体スイッチＴｄ１〜３をオンして発電ループを形成しても、発電電力を環流して励磁電流を維持することが難しくなることから、図５に示された高回転モードと異なり、励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗに大きな起電力が生じない。

このため、図６（ｄ）に示されるように、励磁電流は回生電流下限値よりさらに低下するが、時刻Ｔ４において励磁電流下限値に至ると、励磁電流値比較器１５は出力信号をハイレベルに遷移させ、図５（ｂ）に示されるように励磁制御用半導体スイッチＴｕ１〜３をオンさせる。

これにより、図６（ｅ）に示されるように、時刻Ｔ４〜時刻Ｔ５においては、蓄電池Ｂの正極から励磁制御用半導体スイッチＴｕ１〜３、励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗ、回生制御用半導体スイッチＴｄ１〜３を順に経由して、蓄電池Ｂの負極へ電源電流Ｉｐが流れるため、図６（ｄ）に示されるように励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗを流れる励磁電流は増加する。

なお、このような時刻Ｔ４〜時刻Ｔ５における動作は、励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗによる上記発電動作及び上記回生動作が維持されるよう、電源から励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗへ電気エネルギーを補給するという意義を持つものである。

そして、時刻Ｔ５において励磁電流の大きさが励磁電流上限値を超えると、励磁電流値比較器１５は出力信号をロウレベルに遷移させるため、図６（ｂ）に示されるように、励磁制御用半導体スイッチＴｕ１〜３のゲートに供給される信号もロウレベルに遷移し、本スイッチがオフする。

これより、図６（ｅ）に示されるように電源電流Ｉｐがゼロになると共に、上記発電ループが形成されて上記と同様な発電動作がなされるため、図６（ｄ）に示されるように、時刻Ｔ６まで励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗを流れる励磁電流は時間と共に増加することになる。

そして、図５に示された高回転モードの場合と同様に、図６に示された低回転モードの場合においても、ロータＲがさらに方向ＣＷに回転を続け、隣接する次のステータＳＴの直下に重なった時から、再び上記時刻０〜時刻Ｔ８の動作と同様な動作を行うことになる。

以上より、図１に示された本発明の実施の形態に係るＳＲモータによれば、たとえ回生動作中にロータＲの回転速度が低下して発電電力が下がり、励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗを流れる電流が回生電流下限値を下回って充電不能となった場合であっても、励磁電流下限値まで低下した時点で励磁制御用半導体スイッチＴｕ１〜３がオンすることによって、回生動作を継続するために必要な電気エネルギーが電源から励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗに供給されるため、回生動作を中断させることなく維持することができる。

従って、図１に示される簡素なＳＲモータにより、ロータＲの低速回転域まで回生動作を可能とし、蓄電池Ｂの正極から負極へ流れる電源電流Ｉｐによる消費電力に対する回生電流による回生電力の比率、すなわち回生効率を従来よりも高くすることができる。

また、上記のように構成が簡素であることにより、回生時に使用される回路によるエネルギー損失を皆無に近くすることができるため、上記の回収必要条件を充分に満たすことができる。

さらに、上記のように、励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗの自己誘導現象による自己誘導起電力を利用することによって理論的には発電電圧を無限に高められるため、回生時に利用される電源電圧の大きさによらず、確実に上記の回収必要十分条件を満たすことができる。

また、図１に示されたＳＲモータは、永久磁石を使用しないことから、高温下における磁力低下の影響も受けず、ロータＲの駆動動作と発電動作、及び回生動作を安定的に実現することができると共に、コギングトルクもないという特徴がある。

また、図１に示されたＳＲモータは、ロータＲを回転させる回転モータのほか、発電機としても使用できるので、広い用途を持つ。

ここで、上記のように本ＳＲモータを発電機として使用する場合、発電機を駆動する機械系のトルクに見合った励磁電流を励磁コイルＵ，Ｖ，Ｗに流すことによって、上記機械系の運動エネルギーを電気エネルギーに転換し効率の良い回生を実現することができる。

なお、図５及び図６の波形図に示された本発明の実施の形態に係るモータ制御方法は、図１〜図４に示されたＳＲモータを制御対象とする場合に限られず、他の構成を有するモータに広く適用できることはいうまでもない。

１ 操作指令部、３ 駆動・発電励磁タイミング生成回路、５，５Ｐ１〜５ｐ３ 半導体スイッチ駆動・発電制御回路、１１ 電流設定アンプ、１３ 分圧器、１４ 回生電流値比較器、１５ 励磁電流値比較器、Ｍ ＳＲモータ部、Ｒ ロータ、Ｕ，Ｖ，Ｗ 励磁コイル、ＲＤ ロータ位置検出器、Ｓ１〜Ｓ３ 電流センサ、Ｂ 蓄電池、Ｔｄ１〜Ｔｄ３ 回生制御用半導体スイッチ、Ｔｕ１〜Ｔｕ３ 励磁制御用半導体スイッチ。

Claims (10)

1. 回転子と、
   電源と、
   前記電源から供給された電流により生じる磁力によって前記回転子を回転させると共に、前記回転子の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電動作を行う回転手段と、
   前記発電動作により生成された前記電気エネルギーを充電する充電手段と、
   前記回転手段に供給される前記電流の大きさを測定する電流量測定手段と、
   前記電流量測定手段により測定された前記電流の大きさが、前記充電を行うことによって、前記発電動作を行うために必要な予め設定された下限値を下回る時には、前記電源から前記回転手段へ電気エネルギーを供給することにより前記電流を増加させて前記発電動作を維持する制御手段とを備えたモータ。
2. 前記制御手段は、さらに、前記電流量測定手段により測定される前記電流の大きさが、回生動作を維持するために必要とされる予め設定された下限値を下回る時には、前記電源から前記電流が供給されない状態において前記回転手段に前記発電を行わせることにより前記電流を増加させて前記回生動作を維持する請求項１に記載のモータ。
3. 前記電源は前記充電手段を兼ねる、請求項１又は２に記載のモータ。
4. 回転子と、
   電源と、
   前記電源から供給された電流により生じる磁力によって前記回転子を回転させると共に、前記回転子の回転エネルギーを電気エネルギーに変換することによって発電を行う回転手段と、
   前記回転手段に供給される前記電流の大きさを測定する電流量測定手段と、
   前記電流量測定手段により測定される前記電流の大きさが回生動作を維持するために必要な予め設定された下限値を下回る時には、前記電源から前記電流が供給されない状態において前記回転手段に前記発電を行わせることにより前記電流を増加させて前記回生動作を維持する制御手段とを備えたモータ。
5. 前記モータはスイッチトリラクタンスモータであって、
   前記回転手段は、三相コイルからなり、前記回転子の回転による前記コイル内における磁束の時間変化によって前記電気エネルギーを生成する請求項１又は４に記載のモータ。
6. 回転子と、電源と、前記電源から供給された電流により生じる磁力によって前記回転子を回転させると共に、前記回転子の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電動作を行う回転手段と、前記発電動作により生成された前記電気エネルギーを充電する充電手段とを備えたモータを制御するモータ制御方法であって、
   前記回転手段を流れる電流の大きさを測定する第一のステップと、
   前記第一のステップで測定された前記電流の大きさが、前記充電を行うことによって、前記発電動作を行うために必要な予め設定された下限値を下回る時には、前記電源から前記回転手段へ電気エネルギーを供給することにより前記電流を増加させて前記発電動作を維持する第二のステップとを有するモータ制御方法。
7. さらに、前記第一のステップで測定された前記電流の大きさが、回生動作を維持するために必要とされる予め設定された下限値を下回る時には、前記電源から前記電流が供給されない状態において前記回転手段に前記発電を行わせることにより前記電流を増加させて前記回生動作を維持する第三のステップを有する請求項６に記載のモータ制御方法。
8. 前記電源は前記充電手段を兼ねる、請求項６又は７に記載のモータ制御方法。
9. 回転子と、電源と、前記電源から供給された電流により生じる磁力によって前記回転子を回転させると共に、前記回転子の回転エネルギーを電気エネルギーに変換することによって発電を行う回転手段とを備えたモータを制御するモータ制御方法であって、
   前記回転手段を流れる前記電流の大きさを測定する第一のステップと、
   前記第一のステップで測定される前記電流の大きさが回生動作を維持するために必要な予め設定された下限値を下回るか否か判断する第二のステップと、
   前記第二のステップで下限値を下回っていると判断した時は、前記電源から前記電流が供給されない状態において前記回転手段に前記発電を行わせることにより前記電流を増加させて前記回生動作を維持する第三のステップとを有するモータ制御方法。
10. 前記モータはスイッチトリラクタンスモータであって、
    前記回転手段は、三相コイルからなり、前記回転子の回転による前記コイル内における磁束の時間変化によって前記電気エネルギーを生成する、請求項６又は９に記載のモータ制御方法。