JP7486712B2 - 耐圧低減回路、回転機、および、インバータ電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、耐圧低減回路、回転機、および、インバータ電源装置に関する。

回転機において、直流電動機は速度制御に優れるため、従来から、大型では電気車両用やクレーンなどに、また、小型では電動工具や自動車の電装用として用いられている。しかしながら、直流電動機は、ブラシと整流子（コミュテータ）が搭載されており、モータの動作時は、整流器にブラシが押し当てられて摩耗が発生するため、ブラシや整流子のメンテナンスが必須となるとともに、機械的スイッチによるために電気ノイズや機械ノイズが発生するという課題があった。

このため、ブラシと整流子をインバータ回路に置き換えて、ブラシと整流子の除去を実現したブラシレスモータが開発されているが、現在、実用化されている多くのブラシレスモータは、三相のコイルを備えた同期モータであって、多数の整流子片を備えた直流電動機の無接点化を図ったものではない。三相のコイルを有するブラシレスモータは、原理的には、インバータを用いて各コイルに三相交流電流を供給する三相の永久磁石型同期モータと同じである。

しかしながら、三相のコイルを有するブラシレスモータの各コイルに流れる電流は、例えば、最も一般的な１２０度通電駆動では、ゼロとなる期間があり、コイルに流す電流の利用率が低いという問題がある。また、正弦波駆動を行う場合も、コイルに流れる電流は正弦波状に増減するため、コイルに流せる電流の利用率は、直流を流す場合よりも低くなっている。

このため、出願人は、多数の整流子片を有する直流機を無整流子化あるいはブラシレス化することによって、ブラシ付き直流電動機と同等のコイルの電流利用率が高い直流機を提案した（特許文献１参照。）。

特許第６６１０９１０号公報

図１７は、特許文献１で開示された従来の直流電動機の概略を示す図であり、図１８は、図１７で示す直流電動機の回転子、位置検出センサ、及び、制御回路を除く等価回路を示す図である。

直流電動機１００は、図１７に示すように、固定子１０、回転子２０、スイッチング回路１３０、位置検出センサ４０、および、制御回路５０を備えており、スイッチング回路１３０には直流電源６０が接続される。固定子コア１１の各スロットには、分布巻した９個のコイルＡ～Ｉからなる固定子巻線１２を備えており、９個のコイルＡ～Ｉの各コイル辺は、それぞれで２π／ｎの位相をずらせてスロットに収納されている。なお、固定子巻線１２を構成するコイルは、スロットに収納されて電磁力を発生する部分であるコイル辺と、スロット内のコイル辺をつなぐ部分であるコイル端と、コイルの両端部分の口出線を有している。後で詳述するが、本明細書では、コイル辺Ａとコイル辺ａを有するコイルをコイルＡと呼んでいる。

図１８に示す等価回路から明らかなように、９個の各コイルＡ～Ｉはそれぞれが直列接続されており、全体で環状の閉ループが形成されている。各コイルＡ～Ｉの接続点は、それぞれスイッチング回路１３０のスイッチング素子でありハーフブリッジを構成するトランジスタＴＡ１～ＴＩ２を介して、直流電源６０のプラス側メイン電源線６１およびマイナス側メイン電源線６２に接続されている。

そして、直流電動機１００は、位置検出センサ４０で検出した回転子２０の磁極の位置に応じて、スイッチング回路１３０の上アームのトランジスタＴＡ１～ＴＩ１のいずれか１つと、下アームのトランジスタＴＡ２～ＴＩ２のいずれか１つがオン状態になるように制御している。例えば、上アームのトランジスタＴＡ１と下アームのトランジスタＴＥ２がオン状態のときに、他のトランジスタは全てオフの状態となる。このため、下アームのトランジスタＴＡ２と上アームのトランジスタＴＥ１には直流電源６０の電源電圧Ｖｄｃが印加される。また、トランジスタＴＢ１には、コイルＡを流れる電流の電圧降下分に相当する電圧が印加され、トランジスタＴＢ２には、電源電圧ＶｄｃからコイルＡを流れる電流の電圧降下分に相当する電圧を差し引いた電圧が印加されることになる。

このように、特許文献１で開示された直流機は、スイッチング回路１３０として複数のハーフブリッジを備えており、個々のスイッチング素子には、電源電圧の大きさに耐えうる耐圧が求められる。そして、各コイルを直列接続しているため、直流機の出力トルクを大きくするためには、電源電圧Ｖｄｃを大きくする必要が生じ、使用するスイッチング素子に求められる耐圧も高くする必要がある。さらに、コイル数の２倍のスイッチング素子が必要となるため、高出力を得るためには、耐圧が大きく高価なトランジスタを数多く用いる必要がある。

このことは、スイッチング回路として複数のハーフブリッジを介して直流電源から負荷に対して電流を供給する電気機器についても同様である。例えば、特許文献１で開示された直流電動機の回転子を、かご型回転子に置き換えて、回転子の磁極の位置に応じてスイッチング素子を導通・非導通を切り換える代わりに、所定の周期でスイッチング素子を導通・非導通する誘導伝導機として構成した場合も同様である。さらに、複数のハーフブリッジを介して直流電源から負荷に対して交流を供給するインバータ電源装置についても同様である。

本発明は、これらの実情に鑑みてなされたものであり、複数のハーフブリッジを介して直流電源から負荷に電力を供給する際に、耐圧の低いスイッチング素子の利用を可能にした耐圧低減回路を提供するとともに、この耐圧低減回路をスイッチング回路として備えた回転機およびインバータ電源装置を提供することをその目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の技術手段は、複数のハーフブリッジを介して直流電源から負荷に対して電流を供給する電源装置のための耐圧低減回路であって、複数の前記ハーフブリッジが、それぞれ複数の前記ハーフブリッジを有するｋ個（ｋは２以上の整数）のスイッチ群に分けられ、各前記スイッチ群の前記ハーフブリッジの複数の上アームの第１スイッチング素子および複数の下アームの第１スイッチング素子が、それぞれ各前記スイッチ群に設けたプラス側サブ電源線およびマイナス側サブ電源線に接続され、各前記スイッチ群の各前記プラス側サブ電源線および各前記マイナス側サブ電源線が、それぞれ第２スイッチング素子を介して、前記直流電源のプラス側メイン電源線およびマイナス側メイン電源線に接続されており、さらに、それぞれ抵抗を介して当該前記スイッチ群のいずれかの前記ハーフブリッジの接続点に接続されているか、あるいは、直接抵抗を介して接続されていることを特徴とするものである。

第２の技術手段は、一の前記スイッチ群の前記上アームの前記第１スイッチング素子と他の一の前記スイッチ群の前記下アームの前記第１スイッチング素子を導通させるとともに、導通させた前記上アームの前記第１スイッチング素子および前記下アームの前記第１スイッチング素子が属する前記スイッチ群の前記第２スイッチング素子を導通させ、他の前記第１および前記第２スイッチング素子が非導通となるように、前記第１および第２のスイッチング素子の導通・非導通を切り換える制御回路を備えたことを特徴とするものである。

第３の技術手段は、２π／ｎ（ｎは４以上の整数）位相をずらせて設けたｎ個のコイルを備えた極数２ｍ（ｍは整数）の固定子と、スイッチング回路を有し、隣接する前記コイルの口出線が順次接続されて各前記コイルが環状に直列接続され、各前記コイルの前記口出線の接続点がそれぞれ前記スイッチング回路の２個の第１スイッチング素子からなるハーフブリッジの接続点に接続された回転機であって、前記スイッチング回路における隣接する前記コイルの前記口出線に接続された前記ハーフブリッジが、それぞれ複数の前記ハーフブリッジを有するｋ個（ｋは２以上の整数）のスイッチ群に分けられ、各前記スイッチ群の前記ハーフブリッジの複数の上アームの前記第１スイッチング素子および複数の下アームの前記第１スイッチング素子が、それぞれ各前記スイッチ群に設けたプラス側サブ電源線およびマイナス側サブ電源線に接続され、各前記スイッチ群の前記プラス側サブ電源線および前記マイナス側サブ電源線が、それぞれ第２スイッチング素子を介して、直流電源のプラス側メイン電源線およびマイナス側メイン電源線に接続されており、さらに、それぞれ抵抗を介して当該前記スイッチ群のいずれかの前記ハーフブリッジの前記接続点に接続されているか、あるいは、直接抵抗を介して接続されていることを特徴とするものである。

第４の技術手段は、第３の技術手段において、ｎ個の前記コイルが、前記固定子の磁極ピッチ（２π／２ｍ）に略等しいコイルピッチを有していることを特徴とするものである。

第５の技術手段は、第３の技術手段において、前記固定子がｎ個のスロットを有し、ｎ個の各前記コイルが隣接する２つの前記スロットに収納されていることを特徴とするものである。

第６の技術手段は、第３から第５のいずれか１の技術手段において、前記回転子が、永久磁石回転子、あるいは、励磁コイルを有する回転子であって、Ｎ極とＳ極の極数２ｍの磁極を有することを特徴とするものである。

第７の技術手段は、第６の技術手段において、前記回転子の前記磁極の位置に応じて、前記第１および第２スイッチング素子の導通・非導通を切り換える制御回路を備えることを特徴とするものである。

第８の技術手段は、第３から第５のいずれか１の技術手段において、前記回転子が、かご形回転子、あるいは、巻線形回転子であることを特徴とするものである。

第９の技術手段は、第８の技術手段において、所定の周期で、前記第１および第２スイッチング素子の導通・非導通を切り換える制御回路を備えることを特徴とするものである。

第１０の技術手段は、第７または第９の技術手段において、前記制御回路が、前記固定子の磁極ピッチに略等しい間隔離れた２個の前記コイルの口出線の接続点にそれぞれ接続される２個の前記ハーフブリッジの内、一の前記スイッチ群の前記上アームの前記第１スイッチング素子および他の前記スイッチ群の前記下アームの前記第１スイッチング素子を導通させるとともに、導通させた前記上アームの前記第１スイッチング素子および前記下アームの前記第１スイッチング素子が属する前記スイッチ群の前記第２スイッチング素子を導通させ、他の前記第１および前記第２スイッチング素子が非導通となるように、前記第１および第２のスイッチング素子の導通・非導通を切り換えることを特徴とするものである。

第１１の技術手段は、第１０の技術手段において、前記制御回路が、導通状態から非導通状態に切り換える前記第１または第２スイッチング素子と、次に非導通状態から導通状態に切り換える前記第１または第２スイッチング素子との両者を、所定の微小時間だけ共に導通状態に保つことを特徴とするものである。

第１２の技術手段は、第３から第１１のいずれか１の技術手段において、前記第１スイッチング素子の耐圧が、前記第２スイッチング素子の耐圧よりも低いことを特徴とするものである。

第１３の技術手段は、直流電源を交流に変換するインバータ電源装置であって、ｎ（ｎは４以上の整数）個のスロットと、隣接する２つの前記スロットに収納されｎ個の一次側コイルを備えた一次側コアと、該一次側コアの前記スロットによって形成されたｎ個の第１突極と磁気結合し、二次側コイルが卷回されたｑ（ｑは２以上の整数）個の第２突極を備えた二次側コアと、スイッチング回路を有し、隣接する前記一次側コイルの口出線が順次接続されて各前記一次側コイルが環状に直列接続され、各前記一次側コイルの前記口出線の接続点がそれぞれ前記スイッチング回路の２個の第１スイッチング素子からなるハーフブリッジの接続点に接続され、前記スイッチング回路における隣接する前記一次側コイルの前記口出線に接続された前記ハーフブリッジが、それぞれ複数の前記ハーフブリッジを有するｋ個（ｋは２以上の整数）のスイッチ群に分けられ、各前記スイッチ群の前記ハーフブリッジの複数の上アームの前記第１スイッチング素子および複数の下アームの前記第１スイッチング素子が、それぞれ各前記スイッチ群に設けたプラス側サブ電源線およびマイナス側サブ電源線に接続され、各前記スイッチ群の前記プラス側サブ電源線および前記マイナス側サブ電源線が、それぞれ第２スイッチング素子を介して、前記直流電源のプラス側メイン電源線およびマイナス側メイン電源線に接続されており、さらに、それぞれ抵抗を介して当該前記スイッチ群のいずれかの前記ハーフブリッジの前記接続点に接続されているか、あるいは、直接抵抗を介して接続されていることを特徴とするものである。

第１４の技術手段は、第１３の技術手段において、制御回路をさらに備え、該制御回路は、一の前記スイッチ群の前記上アームの前記第１スイッチング素子と他の一の前記スイッチ群の前記下アームの前記第１スイッチング素子を導通させるとともに、導通させた前記上アームの前記第１スイッチング素子および前記下アームの前記第１スイッチング素子が属する前記スイッチ群の前記第２スイッチング素子を導通させ、他の前記第１および前記第２スイッチング素子が非導通となるように、前記第１および第２のスイッチング素子の導通・非導通を周期的に切り換えることを特徴とするものである。

本発明によれば、複数のハーフブリッジを介して直流電源から負荷に電力を供給する際に、耐圧の低いスイッチング素子の利用を可能にした回路耐圧低減回路を得るとともに、この耐圧低減回路をスイッチング回路として備得ることで、耐圧の低いスイッチング素子の利用を可能にした回転機およびインバータ電源装置を得ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る直流電動機の概略を示す図である。 図１に示す直流電動機のスイッチング回路と固定子巻線の展開を示す図である。 本発明の第１～第４の実施形態に係る直流電動機または誘導電動機のコイルとスイッチング回路の等価回路を示す図である。 図４Ｂとともに、第１、第２の実施形態に係る直流電動機の制御回路の一構成例を示す図である。 図４Ａとともに、第１、第２の実施形態に係る直流電動機の制御回路の一構成例を示す図である。 本発明の第１～第５の実施形態に係る直流電動機、誘導電動機、または、インバータ電源装置のスイッチング素子のオン・オフ状態の遷移を示す図である。 図１に示す直流電動機の各コイル辺に流れる電流を説明するための図である。 図１に示す直流電動機の各コイル辺に流れる電流を説明するための図である。 図１に示す直流電動機の各コイル辺に流れる電流を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る直流電動機の変形例の概略を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る直流電動機の概略を示す図である。 図８に示す直流電動機のスイッチング回路と固定子巻線の展開を示した図である。 本発明の第３の実施形態に係る誘導電動機の概略を示す図である。 図１０に示す誘導電動機のスイッチング回路と固定子巻線の展開を示した図である。 本発明の第４の実施形態に係る誘導電動機の概略を示す図である。 図１２に示す誘導電動機のスイッチング回路と固定子巻線の展開を示した図である。 第４、第５の実施形態に係る誘導電動機の固定子またはインバータ電源装置の一次側コアの突極に現れる極性の遷移を示す図である。 本発明の第５の実施形態に係るインバータ電源装置の概略を示す図である。 図１５に示すインバータ電源装置の等価回路を示す図である。 従来の直流電動機の概略を示す図である。 図１７に示す直流電動機の回転子、位置検出センサ、及び、制御回路を除く等価回路を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の耐圧低減回路、回転機、および、インバータ電源装置に係る好適な実施形態として、直流電動機、誘導電動機、およびインバータ電源装置を例に説明する。以下の説明において、異なる図面においても同じ符号を付した構成は同様のものであるとして、その説明を省略する場合がある。なお、本発明はこれらの実施形態での例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された事項の範囲内および均等の範囲内におけるすべての変更を含む。また、回転機に関する以下の説明では、固定子にスロットを形成したインナーロータ型の回転機を例に説明するが、本発明の回転機は、アウターロータ型、あるいは、アキシャルギャップ型等の回転機として構成してもよい。また、スロットを構成要件としない回転機は、スロットレスの回転機として構成してもよい。

さらに、以下で説明する直流電動機は、従来のブラシ付き直流電動機と同様に発電機としても機能するものであり、その構造は直流電動機と同様である。また、以下で説明する誘導電動機は、従来のすべりｓが負の状態で運転される誘導発電機としても機能するものであり、その構成は誘導電動機と同様である。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る直流電動機の概略を示す図であり、図２は、本実施形態に係る直流電動機のスイッチング回路と固定子巻線の展開を示した図である。また、図３は、本実施形態に係る直流電動機のコイルとスイッチング回路の等価回路を示す図である。本実施形態の直流電動機１０１は、図１に示すように、固定子１０、回転子２０、スイッチング回路３０、位置検出センサ４０、および、制御回路５０を備えており、スイッチング回路３０には直流電源６０が接続される。

本実施形態を含む直流電動機の実施形態においては、説明の簡単化のため、回転子２０の極数を２ｍ（ｍは整数）とした場合に、ｍが１の場合、すなわち、回転子の磁極がＮ極とＳ極の２極の場合について説明する。また、図面によっては、簡略化のため、トランジスタをスイッチの記号あるいは方形のブロックとして表現しているが、これらのトランジスタは、図２に示すフリーホイルダイオードを備えたトランジスタと同様のものである。トランジスタの表現は、他の図面についても同様である。なお、図１では、直流電動機１０１を模式的に描いているため、回転子２０と固定子１０とが離れているが、製作上、回転子２０と固定子１０とのギャップは、磁気結合が十分確保できる長さとする。この点は、他の図面においても同様である。

図１において、固定子１０は、ｎ（ｎは４ｍ以上の整数であり、本実施形態ではｎ＝１５）個のスロット（溝）を形成した電磁鋼板を積層した固定子コア１１と、固定子コア１１の各スロットに収納した１５個のコイルＡ～Ｏからなる固定子巻線１２を備えている。本実施形態の固定子巻線１２は２層巻きの分布巻となっている。以下の説明で、例えば、「Ａ」の符号については、「コイルＡ」と「コイル辺Ａ」の両者に用いるが、分布巻の場合、図１、図２に示すように、「コイルＡ」は、回転子２０の磁極ピッチだけ隔てた２つのスロットに収納されたコイル辺Ａおよびコイル辺ａと、これらの２つのコイル辺Ａ，ａを接続するコイル端と、２本の口出線を有するものを意味し、「コイル辺Ａ」と記す場合は、コイルＡの２つのコイル辺の一方のコイル辺Ａを示すものとする。他のコイルＢ～０についても同様である。分布巻の固定子１０を有する実施形態において、コイル辺は、回転子２０の磁界の磁力線が直角に交差するコイル部分である。

本実施形態の直流電動機の場合、回転子２０の磁極数と固定子１０の磁極数とは等しくなる。したがって、直流電動機１０１の固定子１０の極数は２（２ｍでｍ＝１）である。
また、固定子１０の磁極ピッチは、固定子１０の隣接する磁極同士の間隔（角度）を意味する。例えば、固定子１０に、Ｎ極、Ｓ極の２個の磁極が形成される２極機の場合は、固定子１０の磁極ピッチは１８０°となる。この場合、回転子２０の極数も固定子１０の極数と等しいため、回転子２０の磁極ピッチも１８０°となる。また、固定子１０が、例えば、Ｎ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極の４個の磁極が形成される４極機の場合は、回転子２０と固定子１０の磁極ピッチはともに９０°となる。

１５個のコイルＡ～Ｏの各コイル辺は、それぞれで２π／ｎの位相をずらせてスロットに収納されている。コイル数ｎが奇数の場合、スロット数も奇数となる。この場合、１５個のコイルＡ～Ｏのそれぞれのコイル辺は、一方のコイル辺を収めたスロットとこのスロットから固定子１０の磁極ピッチ（１８０°）内で最も磁極ピッチに近いスロットに他方のコイル辺が収められる。換言すれば、各コイルの２つのコイル辺は、ｎ／２の商、すなわち、７（１５÷２＝７余り１）個離れたスロットに収納される。

なお、２極機でスロット数が偶数の場合は、各コイルの２つのコイル辺は１８０°離れた位置のスロットに収められる。すなわち、スロット数が偶数の場合は、全節巻となり、コイルピッチは磁極ピッチと等しくなる。また、スロット数が奇数の場合は、短節巻となり、コイルピッチは磁極ピッチよりも短くなるが最も磁極ピッチに近くなるように設けられる。本発明では、スロットを有する固定子の場合に、コイルピッチが磁極ピッチと等しい場合および磁極ピッチよりも短いが最も磁極ピッチに近い場合の両者を含めて、コイルピッチが磁極ピッチに略等しいコイルピッチという。

１５個のスロットは位相差２π／ｎ（ｎ＝１５）を有して設けられているため、コイルＡ～Ｏは、２π／１５の位相、すなわち２４°の位相をずらせて各スロットに収納されている。コイルの数は、奇数、偶数を問わず４個以上であればよい。このため、スロットを有する固定子の場合、コイルが収納される固定子のスロット数も４個以上となる。図１に示す直流電動機１０１は、２極のロータと１５個のスロットに収納したコイルＡ～Ｏと１５個の整流子片を備えたブラシ付き直流電動機に相当する。

固定子巻線１２に関して、より具体的には、コイルＡは、コイル辺Ａが収納されるスロットとこのスロットから７個のスロット分離れたスロットに収納されるコイル辺ａとを有している。また、コイルＢは、コイル辺Ａが収納されるスロットに隣接したスロットに収納されるコイル辺Ｂとこのスロットから７個のスロット分離れたスロットに収納されるコイル辺ｂとを有している。以降、コイルＣ～Ｏについても同様であり、例えば、コイルＩは、コイル辺Ａが収納されるスロットから８個のスロット分離れたスロットに収納されるコイル辺Ｉと、コイル辺Ａが収納されるスロットと同じスロットに収納されるコイル辺ｉとを有している。

これにより、コイル辺Ａとコイル辺ｉ、コイル辺Ｂとコイル辺ｊ、コイル辺Ｃとコイル辺ｋ、コイル辺Ｄとコイル辺ｌ、コイル辺Ｅとコイル辺ｍ、コイル辺Ｆとコイル辺ｎ、コイル辺Ｇとコイル辺ｏ、コイル辺Ｈとコイル辺ａ、・・・、および、コイル辺Ｏとコイル辺ｈが、順次同じスロット内に収納される。

本実施形態では、図２に示す固定子巻線１２の展開を示す図あるいは図３に示す等価回路から明らかなように、１５個のコイルＡ～Ｏはそれぞれが直列接続されており、全体で環状の一つの閉ループが形成されている。これにより、本実施形態の直流電動機１０１は、隣接する２つのコイルに電流を流した際に、２つのコイルが共通に取り囲む領域において、同じ方向の磁界が発生するように、隣接するコイルの口出線が順次接続されて、各コイルが環状に直列接続されている。例えば、隣接する２つのコイルＢ，Ｃに注目すると、コイル辺Ｂの口出線からコイル辺ｃの口出線へ電流を流した際に、コイルＢとコイルＣに生じる磁束は、２つのコイルＢ，Ｃが共通に取り囲む領域に対しては同方向の磁界が発生する。

図１、図２、図３におけるスイッチング回路３０は、本発明の耐圧低減回路に相当するものであり、第１の実施形態の直流電動機１０１の構成要素となっている。具体的には、コイルＡ～Ｏの接続点は、それぞれ２個の上アームと下アームの第１スイッチング素子であるトランジスタＴＡ１とＴＡ２,トランジスタＴＢ１とＴＢ２,・・・,トランジスタＴＯ１とＴＯ２からなる１５個のハーフブリッジＴＡ，ＴＢ,・・・,ＴＯの接続点に接続されている。以降、第１スイッチング素子のトランジスタＴＡ１とＴＡ２からなるハーフブリッジをハーフブリッジＴＡと呼ぶ、他のハーフブリッジについても同様であり、例えば、第１スイッチング素子のトランジスタＴＨ１とＴＨ２からなるハーフブリッジをハーフブリッジＴＨと呼ぶ。なお、本発明では、ハーフブリッジのプラス電源側に接続され、負荷に電流を供給する側の回路を上アームと呼び、ハーフブリッジのマイナス電源側に接続され、負荷からの電流をマイナス側メイン電源線に引き込む回路を下アームと呼ぶ。

図２、図３に示すように、本実施形態では、スイッチング回路３０の１５個のハーフブリッジＴＡ～ＴＯは、それぞれ複数、例えば、５つのハーフブリッジからなるｋ個（ｋは２以上の整数で本実施形態ではｋ＝３）のスイッチ群に分割されている。具体的は、ハーフブリッジＴＡ～ＴＥが第１スイッチ群３１、ハーフブリッジＴＦ～ＴＪが第２スイッチ群３２、ハーフブリッジＴＫ～ＴＯが第３スイッチ群３３の３群に分割されている。そして、各第１～第３スイッチ群３１～３３に属する上アームのスイッチング素子は、それぞれ各スイッチ群で共通のプラス側サブ電源線３１Ｈ～３３Ｈに接続され、第１～第３スイッチ群３１～３３に属する下アームのスイッチング素子は、それぞれ各スイッチ群で共通のマイナス側サブ電源線３１Ｌ～３３Ｌに接続されている。

例えば、第１スイッチ群３１について説明すれば、コイルＯのコイル辺ｏ側の口出線と隣接するコイルＡのコイル辺Ａ側の口出線が接続され、その接続点は第１スイッチング素子であるトランジスタＴＡ１を介してプラス側サブ電源線３１Ｈに接続されるとともに、第１スイッチング素子であるトランジスタＴＡ２を介してマイナス側サブ電源線３１Ｌに接続されている。また、コイルＡのコイル辺ａ側の口出線と隣接するコイルＢのコイル辺Ｂ側の口出線が接続され、その接続点は第１スイッチング素子であるトランジスタＴＢ１を介してプラス側サブ電源線３１Ｈに接続されるとともに、第１スイッチング素子であるトランジスタＴＢ２を介してマイナス側サブ電源線３１Ｌに接続されている。コイルＢのコイル辺ｂ側の口出線からコイルＥのコイル辺Ｅ側の口出線の各接続点についても同様に、上アーム側の第１スイッチング素子であるトランジスタＴＣ１～ＴＥ１を介してプラス側サブ電源線３１Ｈに接続されるとともに、下アーム側の第１スイッチング素子であるトランジスタＴＣ２～ＴＥ２を介してマイナス側サブ電源線３１Ｌに接続されている。

具体的には、第１スイッチ群３１に属する上アームの第１スイッチング素子であるトランジスタＴＡ１～ＴＥ１がプラス側サブ電源線３１Ｈに接続され、第１スイッチ群３１に属する下アームの第１スイッチング素子であるトランジスタＴＡ２～ＴＥ２がマイナス側サブ電源線３１Ｌに接続されている。また、第２スイッチ群３２に属する上アームの第１スイッチング素子であるトランジスタＴＤ１～ＴＨ１がプラス側サブ電源線３２Ｈに接続され、第２スイッチ群３２に属する下アームの第１スイッチング素子であるトランジスタＴＤ２～ＴＨ２がマイナス側サブ電源線３２Ｌに接続されている。第３スイッチ群３３についても同様であり、上アームの第１スイッチング素子であるトランジスタＴＫ１～ＴＯ１が共通のプラス側サブ電源線３３Ｈに接続され、下アームの第１スイッチング素子であるトランジスタＴＫ２～ＴＯ２が共通のマイナス側サブ電源線３３Ｌに接続されている。

また、第１～第３スイッチ群３１～３３の各プラス側サブ電源線３１Ｈ～３３Ｈが、それぞれ第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１１～Ｔ３１を介して、直流電源６０のプラス側メイン電源線６１に接続されており、第１～第３スイッチ群３１～３３の各マイナス側サブ電源線３１Ｌ～３３Ｌが、それぞれ第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１２～Ｔ３２を介して、直流電源６０のマイナス側メイン電源線６２に接続されている。具体的には、例えば、第１スイッチ群３１のプラス側サブ電源線３１Ｈが第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１１を介して直流電源６０のプラス側メイン電源線６１に接続されており、マイナス側サブ電源線３１Ｌが第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１２を介して、直流電源６０のマイナス側メイン電源線６２に接続されている。この構成は、他の第２スイッチ群３２、第３スイッチ群３３についても同様である。

さらに、第１～第３スイッチ群３１～３３の各プラス側サブ電源線３１Ｈ～３３Ｈが、それぞれ抵抗Ｒ１１～Ｒ３１を介して当該第１～第３スイッチ群３１～３３のいずれかのハーフブリッジの接続点に接続されており、同様に、第１～第３スイッチ群３１～３３の各マイナス側サブ電源線３１Ｌ～３３Ｌが、それぞれ抵抗Ｒ１２～Ｒ３２を介して当該第１～第３スイッチ群３１～３３のいずれかのハーフブリッジの接続点に接続されている。具体的には、例えば、第１スイッチ群３１のプラス側サブ電源線３１Ｈが抵抗Ｒ１１を介して当該第１スイッチ群３１のいずれか１つのハーフブリッジ、例えば、ハーフブリッジＴＡの接続点に接続されており、第１スイッチ群３１のマイナス側サブ電源線３１Ｌが抵抗Ｒ１２を介して当該第１スイッチ群３１の同じハーフブリッジＴＡの接続点に接続されている。この構成は、他の各スイッチ群のプラス側サブ電源線３２Ｈ、３３Ｈおよびマイナス側サブ電源線３２Ｌ、３３Ｌについても同様である。

なお、本実施形態では、抵抗Ｒ１１と抵抗Ｒ１２とは、それぞれ同じハーフブリッジＴＡの接続点に接続されているが、同じスイッチ群内であれば異なるハーフブリッジの接続点に接続されていてもよい。例えば、プラス側サブ電源線３１Ｈが抵抗Ｒ１１を介してハーフブリッジＴＢの接続点に接続され、マイナス側サブ電源線３１Ｌが抵抗Ｒ１２を介してハーフブリッジＴＤの接続点に接続されていてもよい。この接続の構成は、他のスイッチ群についても同様であり、他の実施形態においても同様である。また、これらの抵抗Ｒ１１～Ｒ３２は、抵抗Ｒ１１～Ｒ３２に流れる電流が各コイルＡ～Ｏを流れる電流に比べて無視しうる程度の高い抵抗値を有している。

このように、本実施形態では、各コイルＡ～Ｏに電流を流すためのスイッチング回路３０では、隣接するコイルの口出線の接続点にそれぞれハーフブリッジが接続され、各ハーフブリッジが複数のハーフブリッジからなる複数の第１～第３スイッチ群３１～３３に分けられ、各スイッチ群のハーフブリッジの複数の上アームのスイッチング素子および複数の下アームのスイッチング素子が、それぞれ各スイッチ群に共通のプラス側サブ電源線およびマイナス側サブ電源線に接続され、各スイッチ群の各プラス側サブ電源線および各マイナス側サブ電源線が、それぞれ上アーム側の第２スイッチング素子および下アーム側の第２スイッチング素子を介して、直流電源のプラス側メイン電源線およびマイナス側メイン電源線に接続されるとともに、それぞれ抵抗を介して当該スイッチ群のいずれかのハーフブリッジの接続点に接続されている。

そして、各ハーフブリッジＴＡ～ＴＯを構成する第１スイッチング素子である３０個のトランジスタＴＡ１～ＴＯ２は、第１スイッチング素子として同じ規格のトランジスタが用いられ、第１スイッチング素子であるトランジスタＴＡ１～ＴＯ２を直流電源６０に接続する６個のトランジスタＴ１１～Ｔ３２は、第２スイッチング素子として第１スイッチング素子とは異なる規格のトランジスタが用いられる。

図２に示すように、プラス電源側の上アームの複数のトランジスタＴＡ１～ＴＯ１とマイナス電源側の下アームのトランジスタＴＡ２～ＴＯ２の接続点を直流電動機の整流子片と仮定した場合、各コイルＡ～Ｏは、一方の口出線と他方の口出線とが隣接する整流子片に接続される。本実施形態の直流電動機１０１の各コイルＡ～Ｏは，整流子付き直流電動機における重ね巻と同様の固定子巻線構造となっている。

図１に戻り、回転子２０は図示しない軸を中心に回転可能に設けられており、本実施形態では永久磁石を備えている。回転子２０は永久磁石回転子に限る必要はなく、励磁コイルを備えたものでもよい。また、説明を簡単にするために、本実施形態では、固定子１０と回転子２０の極数は２極としているが、２極より多くても構わない。例えば、回転子２０を４極とし、本実施形態と同様の構成をとる場合は、例えば、回転子２０の２極（Ｎ局とＳ極）当たりに１５個のコイルを配置すればよく、３０個のスロットに３０個のコイルを収納した固定子巻線１２とし、固定子１０を４極で構成すればよい。但し、スイッチング回路３０のトランジスタの数と後述する位置検出センサ４０のセンサの数は２倍にする必要はない。直流電動機１０１を４極機として構成する場合は、空間的に１８０°の対称位置にある２本のコイルの口出線を、同じハーフブリッジの２個のトランジスタ素子の接続点に接続すればよく、スイッチング回路３０、位置検出センサ４０、後述する制御回路５０は共通のものを用いることができる。

位置検出センサ４０は、図１に示すように、回転子２０の回転位置を検出するためのものであり、本実施形態では、スロット数あるいはコイル数に等しいｎ個（ｎ＝１５）のホール素子からなるセンサＳａ～Ｓｏが用いられる。図１では、固定子１０のスロットの箇所にセンサＳａ～Ｓｏが位置するように図示しているが、実際は、固定子１０から軸方向に離間させた位置に設けることができる。ホール素子からなるセンサＳａ～Ｓｏは回転子２０の磁界を検出する一例であり、可飽和コイルを用いたセンサや、非接触で回転子２０の位置を検出できるものであれば光検出素子によるアブソリュートエンコーダを用いてもよい。センサＳａ～Ｓｏは、例えば、回転子２０のＮ極が対向している際に論理値“Ｈ”を出力し、Ｓ極が対向しているときに論理値“Ｌ”を出力するように調整されている。なお、回転子２０の位置検出のためにレゾルバを用い回転子２０の回転角を算出してもよい。

制御回路５０は、位置検出センサ４０からの回転子２０の位置信号を受けて、スイッチング回路３０のプラス側メイン電源線６１に接続された上アーム側のトランジスタＴ１１～Ｔ３１、および、マイナス側メイン電源線６２に接続された下アーム側のトランジスタＴ１２～Ｔ３２のオン・オフ状態を切り換えるとともに、各ハーフブリッジＴＡ～ＴＯを構成する上アームのトランジスタＴＡ１～ＴＯ１、および、下アームのトランジスタＴＡ２～ＴＯ２のオン・オフ状態を切り換えることによって、各コイルＡ～Ｏに流れる電流の方向を切り換えている。

本実施形態では、後述するスイッチング素子のオン・オフの切り換え時を除き、通常、第１スイッチング素子である上アームのトランジスタＴＡ１～ＴＯ１のいずれか１つがオン状態になり、このオン状態のトランジスタとは異なる下アームのトランジスタＴＡ２～ＴＯ２であって、オン状態にある上アームのトランジスタが接続されたコイルと磁極ピッチに相当する略１８０°離れた位置にあるコイルに接続されたトランジスタがオン状態になる。さらに、オン状態にある上アームのトランジスタに接続された第２スイッチング素子である上アーム側の第２スイッチング素子のトランジスタＴ１１～Ｔ３１のいずれか１つと、オン状態にある下アームのトランジスタに接続された第２スイッチング素子である下アーム側のトランジスタＴ１２～Ｔ３２のいずれか１つがオン状態になる。また、第１スイッチング素子および第２スイッチング素子の他のトランジスタは、全てオフ状態となる。

次に、本実施形態の直流電動機の第１スイッチング素子および第２スイッチング素子のオン・オフを切り換えるための制御回路について説明する。
図４Ａは、図４Ｂとともに、図１に示す直流電動機の制御回路５０の一構成例を示す図であり、図４Ｂは、図４Ａとともに、図１に示す直流電動機の制御回路５０の一構成例を示す図である。また、図５は、本実施形態に係る直流電動機のスイッチング素子のオン・オフ状態の遷移を示す図である。図５において、ｔ１からｔ９は時刻を示しており、上から下にかけて時間が経過する。また、それぞれの時刻においてオン状態にあるトランジスタを太枠で囲みハッチングを施している。

図４Ａ、図４Ｂに示す制御回路５０は、１５個のセンサＳａ～Ｓｏの信号を受けて、第１スイッチング素子である３０個のトランジスタＴＡ１～ＴＯ２と第２スイッチング素子トランジスタであるトランジスタＴ１１～Ｔ３２の各ゲートへオン・オフ信号を送信する。制御回路５０を構成する論理回路は、センサＳａ～Ｓｏ側を上流側、トランジスタＴＡ１～ＴＯ２側を下流側とした場合、図４Ａに示す第１段目５１の１５個のＸＯＲ（排他的論理和）回路と、第２段目５２の１５個のＸＯＲ回路と、第３段目５３の１５個のＮＯＴ（否定）回路と、第４段目５４の３０個のＡＮＤ（論理積）回路、および、第５段目５５の３０個の増幅器と、図４Ｂに示す第６段目５６の６個のＯＲ（論理和）回路と、第７段目５７の６個の増幅器を備えている。

第４段目５４のＡＮＤ回路は１５個のコイルおよび各ハーフブリッジの上アームのトランジスタと下アームのトランジスタに対応した対をなしており、第４段目５４のＡＮＤ回路の出力信号は、第５段目５５の増幅器で増幅されて第１スイッチング素子の各トランジスタＴＡ１～ＴＯ２のゲートに供給されている。すなわち、一対のＡＮＤ回路からの出力は、それぞれ第１～第３スイッチ群３１～３３のプラス側サブ電源線３１Ｈ～３３Ｈとマイナス側サブ電源線３１Ｌ～３３Ｌに接続されたハーフブリッジを構成する一対のトランジスタの各ゲートに入力される。

例えば、コイルＣとコイルＤ（コイル辺ｃとコイル辺Ｄ）の口出線の接続点に接続されたハーフブリッジを構成するトランジスタＴＤ１，ＴＤ２に注目すると、隣接する２つのホール素子、例えば、センサＳｃとＳｄからの信号が、第１段目５１のＸＯＲ回路に入力され、その出力は、トランジスタＴＤ１，ＴＤ２に接続された第４段目５４の対となるＡＮＤ回路にそれぞれ入力される。また、センサＳｃからの信号と正逆回転制御入力端子７０からの正逆信号Ｑが、第２段目５２のＸＯＲ回路に入力され、その出力は、対となる第４段目５４のＡＮＤ回路の一方に直接入力され、他方のＡＮＤ回路には、第３段目５３のＮＯＴ回路を介して入力される。このため、トランジスタＴＤ１，ＴＤ２に接続された第４段目５４の対となるＡＮＤ回路の出力値は同時に“Ｈ”になることはない。

また、センサＳａ～Ｓｏは、各トランジスタをスイッチングすることによって各コイルＡ～Ｏに電流を流した際に、回転子２０にトルクが作用するように図４Ａに示す位置に配設される。例えば、回転子２０のＮ極がセンサＳｈ～Ｓｏに対向し、回転子２０のＳ極がセンサＳａ～Ｓｇに対向している状態とすると、センサＳｈ～Ｓｏの出力は“Ｈ”となり、センサＳａ～Ｓｇの出力は“Ｌ”となる。そして、正逆回転制御入力端子７０からの正逆信号Ｑが正回転の論理値“Ｈ”である場合、第１スイッチング素子であるトランジスタＴＡ１のゲートに接続される第４段目５４のＡＮＤ回路とトランジスタＴＨ２のゲートに接続される第４段目５４のＡＮＤ回路の出力値が“Ｈ”となり、他の第１スイッチング素子であるトランジスタのゲートに接続されたＡＮＤ回路の出力は全て“Ｌ”となる。この状態は、図５に示すスイッチング素子のオン・オフ状態の遷移図において、時刻ｔ１の状態を示している。

図４Ａに示した第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１１～Ｔ３２へのゲート信号は、第４段目５４のＡＮＤ回路の所定の出力信号の論理和信号から得ている。具体的には、図４Ｂに示すように、例えば、第１スイッチ群３１の上アーム側に設けた第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１１のゲート信号Ｓ１１は、第１スイッチ群３１に属する上アームのトランジスタＴＡ１，ＴＢ１，ＴＣ１，ＴＤ１，ＴＥ１のゲート信号となる信号Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１，Ｅ１の論理和信号から得ている。この構成は、他の第２、第３スイッチ群３２、３３の上アーム側に設けた第２スイッチング素子であるトランジスタＴ２１、Ｔ３１のゲート信号Ｓ２１、Ｓ３１についても、同様である。

また、第１スイッチ群３１の下アーム側に設けた第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１２のゲート信号Ｓ１２は、第１スイッチ群３１に属する下アームのトランジスタＴＡ２，ＴＢ２，ＴＣ２，ＴＤ２，ＴＥ２のゲート信号となる信号Ａ２，Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２，Ｅ２の論理和信号から得ている。この構成は、他の第２、第３スイッチ群３２、３３の下アーム側に設けた第２スイッチング素子であるトランジスタＴ２２、Ｔ３２のゲート信号Ｓ２２、Ｓ３２についても、同様である。

これにより、本実施形態では、コイルに接続された第１スイッチング素子であるハーフブリッジの上アームまたは下アームのいずれかのトランジスタＴＡ１～ＴＯ２のゲートが論理値“Ｈ”となった場合に、ゲートが論理値“Ｈ”となった第１スイッチング素子であるトランジスタが属するスイッチ群の第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１１～Ｔ３２のゲートが論理値“Ｈ”となるように構成されている。このため、ゲートが論理値“Ｈ”となった上アームのトランジスタＴＡ１～ＴＯ１は、プラス側メイン電源線６１に接続され、ゲートが論理値“Ｈ”となった下アームのトランジスタＴＡ２～ＴＯ２は、マイナス側メイン電源線６２に接続される。また、他のすべての第１、第２スイッチング素子のゲート信号は論理値“Ｌ”となるように構成されている。

これにより、制御回路５０は、一つのスイッチ群に属する上アーム側の第１スイッチング素子の１つと第２スイッチング素子をオン状態にするととともに、他のスイッチ群に属する下アーム側の第１スイッチング素子の１つと第２スイッチング素子をオン状態にする。

図５は、このような第１スイッチング素子と第２スイッチング素子のオン・オフ状態の遷移を示している。例えば、時刻ｔ１において上アームのトランジスタＴＡ１がオンしているときには、トランジスタＴＡ１が属する第１スイッチ群３１の上アーム側の第２のスイッチング素子であるトランジスタＴ１１がオンする。また、下アームのトランジスタＴＨ２がオンしているときには、トランジスタＴＨ２が属する第２スイッチ群３２の下アーム側の第２のスイッチング素子であるトランジスタＴ２２がオンする。このため、本実施形態では、コイルＡ～Ｏに流れる電流は、第１スイッチング素子であるハーフブリッジを構成するトランジスタＴＡ１～ＴＯ２のオン・オフ状態に注目することによって求まる。

図５に示す時刻ｔ１では、回転子２０のＮ極がセンサＳｈ～Ｓｏに対向し、回転子２０のＳ極がセンサＳａ～Ｓｇに対向している状態であり、上アーム側は、第１スイッチング素子であるトランジスタＴＡ１と第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１１がオン状態にあり、下アーム側は、第１スイッチング素子であるトランジスタＴＨ２と第２スイッチング素子であるトランジスタＴ２２がオン状態にある。図３の等価回路を参照すれば、時刻ｔ１において、直流電源６０からの電流は、プラス側メイン電源線６１、トランジスタＴ１１、プラス側サブ電源線３１Ｈ、トランジスタＴＡ１を経て、コイルＡ、コイルＢ、コイルＣ、コイルＤ、コイルＥ、コイルＦ、コイルＧの順に直列接続された１つのコイル群に流れる経路と、コイルＯ、コイルＮ、コイルＭ、コイルＬ、コイルＫ、コイルＪ、コイルＩ、コイルＨ、の順に直列接続されたもう１つのコイル群に流れる経路に分かれ、さらに、トランジスタＴＨ２、マイナス側サブ電源線３２Ｌ、トランジスタＴ２２を経由してマイナス側メイン電源線６２に流れる。

図６Ａ～図６Ｃは、図１に示す直流電動機の各コイル辺に流れる電流を説明するための図であり、図６Ａは、図５の時刻ｔ１の状態を示し、図６Ｂは、図５の時刻ｔ２の状態を示し、図６Ｃは、図５の時刻ｔ３の状態を示している。

時刻ｔ１において、各コイル群に流れる電流によって、図６Ａに示すように、コイル辺Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，ｈ，ｉ，ｊ，ｋ，ｌ，ｍ，ｎ，ｏには紙面手前から奥に向けて、また、コイル辺Ｈ、Ｉ，Ｊ，Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎ，Ｏ，ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇには紙面奥から手前に向けて電流が流れる。なお、同じスロットに収納されたコイル辺Ｏとコイル辺ｈには互いに逆方向に電流が流れる。これにより、固定子１０の内部には、図６Ａに示す回転子２０の磁極ＮＳの境界線にほぼ沿った方向（コイル辺ｈ，Ｏを収納したスロット位置からコイル辺ｏ，Ｇを収納したスロットとコイル辺ａ、Ｈを収納したスロットとの中間位置に向かう方向）の磁界が発生する。固定子１０の磁界と回転子２０の磁界とはほぼ９０°の位相差を有しており、回転子２０の磁界の方向が固定子１０の磁界の方向に揃うように回転子２０に力が作用する。これにより、回転子２０には反時計方向のトルクが作用し、回転子２０は、正回転方向である反時計方向に回転する。

図６Ａに示す時刻ｔ１の状態から、さらに回転子２０が反時計方向に回転すると、図６Ｂに示すように、回転子２０のＮ極がセンサＳｉ～Ｓｏに対向し、回転子２０のＳ極がセンサＳａ～Ｓｈに対向する。これにより、トランジスタＴＡ１のゲートに接続される第４段目５４のＡＮＤ回路とトランジスタＴＩ２のゲートに接続される第４段目５４のＡＮＤ回路の出力値が“Ｈ”となり、第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１１，Ｔ２２のゲート信号が“Ｈ”となる。また、他のトランジスタのゲート信号は全て“Ｌ”となる。そして、図５の時刻ｔ２に図示するように、第１スイッチング素子であるトランジスタＴＡ１，ＴＩ２、および、第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１１，Ｔ２２がオン状態となり、他のトランジスタは全てオフ状態となる。

この状態では、直流電源６０からの電流は、コイルＡ、コイルＢ、コイルＣ、コイルＤ、コイルＥ、コイルＦ、コイルＧ、コイルＨの経路のコイル群と、コイルＯ、コイルＮ、コイルＭ、コイルＬ、コイルＫ、コイルＪ、コイルＩのコイル群に分かれて流れるため、図６Ｂに示すように、コイル辺Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，ｉ，ｊ，ｋ，ｌ，ｍ，ｎ，ｏには紙面手前から奥に向けて、また、コイル辺Ｉ，Ｊ，Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎ，Ｏ，ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈには紙面奥から手前に向けて電流が流れる。なお、同じスロットに収納されたコイル辺ａとコイル辺Ｈには互いに逆方向に電流が流れる。このため、固定子１０の内部には、図６Ｂに示す回転子２０のＮＳの境界線にほぼ沿った方向（コイル辺ｉ，Ａを収納したスロットとコイル辺ｈ，Ｏを収納したスロットとの中間位置からコイル辺ａ，Ｈを収納したスロット位置に向かう方向）の磁界が発生する。この磁界より、回転子２０には反時計方向のトルクが作用し、反時計方向に回転する。

さらに回転子２０が反時計方向に回転すると、図６Ｃに示すように、回転子２０のＮ極がセンサＳｉ～Ｓｏ，Ｓａに対向し、回転子２０のＳ極がセンサＳｂ～Ｓｈに対向する。これにより、図５の時刻ｔ３に図示するように、第１スイッチング素子であるトランジスタＴＢ１，ＴＩ２、および、第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１１，Ｔ２２がオン状態となり、他のトランジスタは全てオフ状態となる。

この状態では、直流電源６０からの電流は、コイルＢ、コイルＣ、コイルＤ、コイルＥ、コイルＦ、コイルＧ、コイルＨの経路のコイル群と、コイルＡ、コイルＯ、コイルＮ、コイルＭ、コイルＬ、コイルＫ、コイルＪ、コイルＩのコイル群に分かれて流れるため、図６Ｃに示すように、コイル辺Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，ｉ，ｊ，ｋ，ｌ，ｍ，ｎ，ｏ，ａには紙面手前から奥に向けて、また、コイル辺Ｉ，Ｊ，Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎ，Ｏ，Ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈには紙面奥から手前に向けて電流が流れる。なお、同じスロットに収納されたコイル辺ｉとコイル辺Ａには互いに逆方向に電流が流れる。このため、固定子１０の内部には、図６Ｃに示す回転子２０のＮＳの境界線にほぼ沿った方向の磁界が発生する。この磁界によって、回転子２０には反時計方向のトルクが作用し、反時計方向に回転する。図５に示す第１スイッチング素子と第２スイッチング素子のオン・オフ状態の遷移によって、時刻ｔ１から時刻ｔ３の間に、図１に示す回転子２０は、反時計方向に、２π／１５、すなわち２４°回転する。

以降、同様に、回転子２０が反時計方向のトルクを受けて、反時計方向に回転するにしたがって、位置検出センサ４０の各センサＳａ～Ｓｏの信号出力が変化し、これに伴って、図２に示す第１スイッチング素子である上アームのトランジスタＴＡ１～ＴＯ１と下アームのトランジスタＴＡ２～ＴＯ２のオン状態にあるトランジスタが切り換わる。さらに、第１スイッチング素子のオン・オフ状態の切り換わりに連動して第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１１～Ｔ３２のオン・オフ状態が切り換わる。これにより、回転子２０は正回転方向である反時計方向に回転し続ける。

図５に示すように、固定子巻線として奇数個（１５個）のコイルＡ～Ｏがある場合、上アームのトランジスタＴＡ１～ＴＯ１のオン状態の切り換えと、下アームのトランジスタＴＡ２～ＴＯ２のオン状態の切り換えは、交互に行われる。すなわち、時刻ｔ２では時刻ｔ１の状態から、下アームのトランジスタＴＨ２に代わってトランジスタＴＩ２がオン状態になり、時刻ｔ３では上アームのトランジスタＴＡ１に代わってトランジスタＴＢ１がオン状態になり、さらに、時刻ｔ４では下アームのトランジスタＴＩ２に代わってトランジスタＴＪ２がオン状態になる。なお、固定子１０のスロットの数が偶数の場合は、上アームのトランジスタと下アームのトランジスタは、同じタイミングでオン状態が切り換わる。

以上のように、本実施形態の直流電動機１０１は、固定子１０のすべてのコイルに流れる電流が回転子２０に回転トルクを与えることになる。このため、直流電動機１０１は、コイルの電流利用率の高い直流電動機となる。

また、図４Ａに示す制御回路において、正逆回転制御入力端子７０からの正逆信号Ｑを逆回転の論理値“Ｌ”にした場合は、図１に示す回転子２０は、時計方向に回転する。例えば、図４Ａに示すように、回転子２０のＮ極がセンサＳｈ～Ｓｏに対向し、回転子２０のＳ極がセンサＳａ～Ｓｇに対向している状態とすると、センサＳｈ～Ｓｏの出力は“Ｈ”となり、センサＳａ～Ｓｇの出力は“Ｌ”となる。そして、正逆回転制御入力端子７０からの正逆信号Ｑが正回転の論理値“Ｌ”である場合、第１スイッチング素子であるトランジスタＴＨ１のゲートに接続される第４段目５４のＡＮＤ回路とトランジスタＴＡ２のゲートに接続される第４段目５４のＡＮＤ回路の出力値が“Ｈ”となり、他の第１スイッチング素子であるトランジスタのゲートに接続されたＡＮＤ回路の出力は全て“Ｌ”となる。これにともない、第２スイッチング素子であるトランジスタＴ２１とトランジスタＴ１２のゲート信号が“Ｈ”となる。

この状態において、図３の等価回路を参照すれば、直流電源６０からの電流は、プラス側メイン電源線６１、トランジスタＴ２１、プラス側サブ電源線３２Ｈ、トランジスタＴＨ１を経て、コイルＨ、コイルＩ、コイルＪ、コイルＫ、コイルＬ、コイルＭ、コイルＮ、コイルＯの順に直列接続された１つのコイル群に流れる経路と、コイルＧ、コイルＦ、コイルＥ、コイルＤ、コイルＣ、コイルＢ、コイルＡの順に直列接続されたもう１つのコイル群に流れる経路に分かれ、さらに、トランジスタＴＡ２、マイナス側サブ電源線３１Ｌ、トランジスタＴ１２を経由してマイナス側メイン電源線６２に流れる。

このため、各コイル辺に流れる電流は、図６Ａで示した各コイル辺Ａ～ｏに流れる電流とは反対方向となる。そして、固定子１０の内部には、図６Ａに示す回転子２０の磁極ＮＳの境界線に沿った方向（コイル辺ｏ，Ｇを収納したスロットとコイル辺ａ、Ｈを収納したスロットとの中間位置からコイル辺ｈ，Ｏを収納したスロット位置に向かう方向）の磁界が発生する。固定子１０の磁界と回転子２０の磁界とはほぼ９０°の位相差を有しており、回転子２０の磁界の方向が固定子１０の磁界の方向に揃うように回転子２０に力が作用する。これにより、回転子２０には時計方向のトルクが作用し、回転子２０は、逆回転方向である時計方向に回転する。以降、正回転方向の場合と同様に、回転子２０は逆回転方向である時計方向に回転を続ける。

このように、本実施形態の直流電動機１００は、回転子２０の磁極の位置に応じて、回転子のＮ極に対向するコイルのコイル辺とＳ極に対向するコイルのコイル辺とに流れる電流の方向が異なる方向となるように、制御回路５０がスイッチング素子である各トランジスタＴＡ１～ＴＩ２の導通・非導通を切り換えている。

以上のように、本実施形態の直流電動機１０１は、図１７、図１８で従来例として示した直流電動機１００と比べて、回転子と、極数２ｍ（ｍは整数）の磁極ピッチに略等しいコイルピッチを有し、２π／ｎ（ｎは４以上の整数）位相をずらせて設けたｎ個のコイルを備え、各コイルはそれぞれ２本の口出線を有しており、隣接するコイルの口出線が順次接続されて各コイルが環状に直列接続され、各口出線の接続点がそれぞれ２個の第１スイッチング素子からなるハーフブリッジの接続点に接続されている点で共通している。しかしながら、従来例と比べて、次の点でその構成が異なっている。
（１）隣接するコイルの口出線に接続されたハーフブリッジが、それぞれ複数のハーフブリッジを有するｋ個（ｋは２以上の整数）のスイッチ群に分けられ、各スイッチ群のハーフブリッジの複数の上アームの第１スイッチング素子および複数の下アームの第１スイッチング素子が、それぞれ各スイッチ群に設けたプラス側サブ電源線およびマイナス側サブ電源線に接続されている点。
（２）各スイッチ群の各プラス側サブ電源線および各マイナス側サブ電源線が、それぞれ第２スイッチング素子を介して、直流電源のプラス側メイン電源線およびマイナス側メイン電源線に接続されている点。
（３）各スイッチ群のプラス側サブ電源線およびマイナス側サブ電源線が、それぞれ抵抗を介して当該スイッチ群のいずれかのハーフブリッジの接続点に接続されているか、あるいは、直接抵抗を介して接続されている点。

上記の（１）～（３）の構成による作用効果について、以下に説明する。例えば、図５に示す時刻ｔ１では、第１スイッチ群３１の上アーム側の第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１１、第１スイッチ群３１の上アームのトランジスタＴＡ１、第２スイッチ群３２の下アームのトランジスタＴＨ２、および、第２スイッチ群３２の下アーム側の第２スイッチング素子であるトランジスタＴ２２の４つのトランジスタがオン状態にあり、他のすべてのトランジスタがオフ状態にある。図３に示した等価回路は、図５に示す時刻ｔ１での状態を示している。

図３を参照すれば、第１スイッチ群３１において、第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１１はオン状態にあるが、第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１２はオフ状態にあるため、トランジスタＴ１２は直流電源６０の電源電圧Ｖｄｃに耐え得る高耐圧のトランジスタを用いる必要がある。また、第２スイッチ群３２において、第２スイッチング素子であるトランジスタＴ２２はオン状態にあるが、第２スイッチング素子であるトランジスタＴ２１はオフ状態にあるため、トランジスタＴ２１は直流電源６０の電源電圧Ｖｄｃに耐え得る高耐圧のトランジスタを用いる必要がある。第１スイッチング素子のオン状態の切り換えを考慮すれば、プラス側メイン電源線６１またはマイナス側メイン電源線６２に接続される第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１１～Ｔ３２は、電源電圧Ｖｄｃに耐え得る高耐圧のトランジスタを用いる必要がある。

各コイルＡ～Ｏに接続されるハーフブリッジＴＡ～ＴＯにおいて、それぞれ第１～第３スイッチ群３１～３３の上アームのトランジスタＴＡ１～ＴＯ１はプラス側サブ電源線３１Ｈ～３３Ｈに接続され、下アームのトランジスタＴＡ２～ＴＯ２はマイナス側サブ電源線３１Ｌ～３３Ｌに接続されている。図３に示す状態では、直流電源６０からの電流は、プラス側メイン電源線６１、第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１１、プラス側サブ電源線３１Ｈ、第１スイッチング素子であるトランジスタＴＡ１を経由して、コイルＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ、Ｆ，Ｇの直列回路を流れる。

各コイルの口出線の接続点の電位、すなわち各ハーフブリッジ接続点の電位は、ハーフブリッジＴＡの接続点の電位から、直列接続されたコイルの電圧降下分に相当する電圧分を差し引いた電位となる。このため、第１スイッチ群３１の第１スイッチング素子であるトランジスタＴＡ１～ＴＥ２に係る電圧は次のようになる。

第１スイッチ群３１の第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１１と第１スイッチング素子であるトランジスタＴＡ１がオン状態にあるため、トランジスタＴＡ１の印加電圧は零となり、プラス側サブ電源線３１ＨとハーフブリッジＴＡの接続点は、プラス側メイン電源線６１とほぼ同電位となっている。このため、上アームのトランジスタＴＢ１には、コイルＡを流れる電流の電圧降下分に相当する電圧が印加され、上アームのトランジスタＴＣ１には、コイルＡ，Ｂを流れる電流の電圧降下分に相当する電圧が印加される。また、上アームのトランジスタＴＥ１には、コイルＡ～Ｄを流れる電流の電圧降下分に相当する電圧が印加される。

一方、下アーム側の第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１２はオフ状態であるため、トランジスタＴ１２には、ほぼ電源電圧Ｖｄｃに等しい電圧が印加される。そして、マイナス側サブ電源線３１Ｌは、マイナス側メイン電源線６２とは同電位とはならず、数ＭΩの高い抵抗値の抵抗Ｒ１２、Ｒ１１を通じて、プラス側メイン電源線６１とほぼ同電位となっている。

このため、第１スイッチ群３１の下アームの第１スイッチング素子に注目すれば、トランジスタＴＡ２の印加電圧は零となり、下アームのトランジスタＴＢ２には、コイルＡを流れる電流の電圧降下分に相当する電圧が印加され、下アームのトランジスタＴＣ２には、コイルＡ，Ｂを流れる電流の電圧降下分に相当する電圧が印加される。また、例えば、下アームのトランジスタＴＥ２には、コイルＡ～Ｄを流れる電流の電圧降下分に相当する電圧が印加される。このように、第１スイッチ群３１の下アーム側の第２スイッチング素子であるトランジスタＴ２１には高い電源電圧Ｖｄｃがかかるが、第１スイッチ群３１の第１スイッチング素子である各トランジスタＴＡ１～ＴＥ２には電源電圧Ｖｄｃよりも低い電圧しかかからない。

また、第２スイッチ群３２に注目すれば、第２スイッチング素子であるトランジスタＴ２２と第１スイッチング素子であるトランジスタＴＨ２がオン状態になるため、トランジスタＴＨ２の印加電圧は零となり、マイナス側サブ電源線３２ＬおよびハーフブリッジＴＨの接続点は、マイナス側メイン電源線６２とほぼ同電位となっている。このため、例えば、下アームのトランジスタＴＦ２には、コイルＦ，Ｇを流れる電流の電圧降下分に相当する電圧が印加され、また、例えば、下アームのトランジスタＴＧ２には、コイルＧを流れる電流の電圧降下分に相当する電圧が印加され、下アームのトランジスタＴＩ２には、コイルＨを流れる電流の電圧降下分に相当する電圧が印加される。

一方、上アーム側の第１スイッチング素子であるトランジスタＴ２１はオフ状態であるため、上アーム側のトランジスタＴ２１には、ほぼ電源電圧Ｖｄｃに等しい電圧が印加される。そして、プラス側サブ電源線３２Ｈは、第２スイッチング素子であるトランジスタＴ２２がオン状態にあるため、プラス側メイン電源線６１とは同電位とはならず、数ＭΩの高い抵抗値の抵抗Ｒ２１を通じて、ハーフブリッジＴＦの接続点と同じ電位になっている。

このため、上アームのトランジスタＴＦ１の印加電圧は零となる。また、上アームの第１スイッチング素子であるトランジスタＴＧ１には、コイルＦを流れる電流の電圧降下分に相当する電圧が印加され、上アームのトランジスタＴＨ１の印加電圧はコイルＦ，Ｇを流れる電流の電圧降下分に相当する電圧が印加され、上アームのトランジスタＴＩ１には、コイルＦ，Ｇを流れる電流の電圧降下分とコイルＨを流れる電流の電圧降下分との差分に相当する電圧が印加される。このように、第３スイッチ群３３の下アーム側の第２スイッチング素子であるトランジスタＴ３２には高い電源電圧Ｖｄｃがかかるが、第３スイッチ群３３の各第１スイッチング素子であるトランジスタＴＧ１～ＴＩ２には電源電圧Ｖｄｃよりも低い電圧しかかからない。

また、第３スイッチ群３３に注目すれば、第２スイッチング素子であるトランジスタＴ２１とトランジスタＴ２２がともにオフ状態になるため、トランジスタＴ３１、抵抗Ｒ２１，Ｒ２２、および、トランジスタＴ３２には電源電圧Ｖｄｃが印加される。また、第２スイッチ群３２のプラス側サブ電源線３２Ｈおよびマイナス側サブ電源線３２Ｌの電位は、それぞれ抵抗Ｒ３１およびＲ３２を介して、ハーフブリッジＴＫの接続点（コイル辺ｊとコイル辺Ｋの接続点）の電位となっている。このため、第１スイッチング素子のトランジスタＴＫ１，ＴＫ２には電圧が印加されず、トランジスタＴＬ１，ＴＬ２にはコイルＫを流れる電流の電圧降下分に相当する電圧が印加され、トランジスタＴＭ１，ＴＭ２には、コイルＫ，Ｌを流れる電流の電圧降下分に相当する電圧が印加される。このように、第３スイッチ群３３では、上アーム側と下アーム側の第２スイッチング素子であるトランジスタＴ３１、Ｔ３２には高電圧（それぞれ電源電圧Ｖｄｃの１／２）がかかるが、第３スイッチ群３３の各第１スイッチング素子であるトランジスタＴＫ１～ＴＯ２には低い電圧しかかからない。

以上のように、本実施形態では、各スイッチ群の上アーム側と下アーム側の第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１１～Ｔ３２の６個のトランジスタについては、高耐圧のトランジスタを用いる必要があるが、各ハーフブリッジを構成する第１スイッチング素子であるトランジスタＴＡ１～ＴＯ２の３０個のトランジスタについては、低耐圧のトランジスタを用いることが可能になる。このことは、オン状態にあるスイッチング素子が順次切り換わった場合においても、同様である。

直流電動機の出力トルクを大きくするためには、コイルＡ～Ｏに流す電流の値を大きくする必要があり、直流電源６０の電源電圧Ｖｄｃの値を大きくする必要が生じる。このため、使用するスイッチング素子に求められる耐圧も高くする必要がある。また、直列接続したコイルの電磁的なリアクションを軽減し、回転子２０のコギングトルクを小さくするためには、固定子１０のスロット数を多くしコイル数を増やすことが望ましい。このため、図１７、図１８で従来例として示した直流電動機１００では、コイルの電流効率は高くできるものの、コイル数の２倍のスイッチング素子が必要となり、高出力を得るためには、耐圧は大きいが高価なトランジスタを用いる必要がある。例えば、直流電源６０の電源電圧Ｖｄｃが２５０Ｖで、コイル数が１５個として構成した場合、少なくとも耐圧性能が２５０Ｖのトランジスタがコイル数の２倍の３０個必要となる。

ここで、第１の実施形態における直流電動機において、電源電圧Ｖｄｃと第１スイッチング素子に印加される電圧の関係について説明する。コイル数ｎ、スイッチ群数ｋとし、コイル数ｎが偶数でｋ個の各コイル群のコイル数が同じである場合、コイルを流れる電流は２つの経路に分かれるため、各コイルには、Ｖｄｃ／（ｎ／２）の電圧が印加される。また１つのスイッチ群にはｎ／ｋ本のコイルが含まれ、各スイッチング素子のいずれかはサブ電源線に接続されているため、第１スイッチング素子には最大で（ｎ／ｋ－１）本のコイルの電圧降下分の電圧がかかる。したがって、スイッチング素子の耐圧は、２Ｖｄｃ×（ｎ／ｋ－１）／ｎとなる。また、コイル数ｎが奇数で各コイル群のコイル数が同じである場合は、各コイルには最大でＶｄｃ／（（ｎ－1）／２）の電圧がかかることになるため、第１スイッチング素子の耐圧は、２Ｖｄｃ×（ｎ／ｋ－１）／（ｎ－１）となる。このように、本実施形態では、第１スイッチング素子である低耐圧のトランジスタの耐圧は、第２スイッチング素子である高耐圧のトランジスタの耐圧に比べて、２Ｖｄｃ×（ｎ／ｋ－１）／ｎまたは２Ｖｄｃ×（ｎ／ｋ－１）／（ｎ－１）まで引き下げることができる。

したがって、スイッチ群の数ｋを多くするほど第２スイッチング素子の耐圧を低くすることができ、２ｋ個の高耐圧のトランジスタと２ｎ個の低耐圧のトランジスタを用いて、直流電動機１０１の耐圧低減回路としてのスイッチング回路３０を構成することができる。そして、コイル数ｎとスイッチ群数ｋを選択することにより、第１スイッチング素子として耐圧性能が１００Ｖ以下のトランジスタを選ぶことが実用上望ましい。例えば、電源電圧Ｖｄｃが２５０Ｖで、コイル数ｎを１６、スイッチ群数ｋを４とした場合、耐圧が２５０Ｖのトランジスタ８個と、耐圧１００Ｖ以下のトランジスタ３２個でスイッチング回路３０を構成することができる。このように、本実施形態の直流電動機１０１では、トランジスタの総数は増えるものの、従来例と比べて必要な高耐圧のトランジスタの数を大幅に減らすことができ、全体としてスイッチング素子の大幅なコストダウンが可能となる。

［スイッチング素子切り換え方法］
次に、第１スイッチング素子である上アームのトランジスタＴＡ１～ＴＯ１あるいは下アームのトランジスタＴＡ２～ＴＯ２について、オン状態にあるトランジスタを切り換える際の方法について説明する。例えば、図５に示す時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて、下アームのトランジスタＴＨ２がオン状態からオフ状態に、また、これに伴い、下アームのトランジスタＴＩ２がオフ状態からオン状態に切り換わる。これによって、コイルＨに流れる電流の方向が、時刻ｔ１と時刻ｔ２とでは反対方向に切り換わることになる。このため、コイルＨを流れる電流による電磁的なリアクションがトランジスタのスイッチングに問題となる場合がある。

この場合、トランジスタＴＨ２からＴＩ２へオン状態の切り換え方法として、下アームのトランジスタＴＩ２をオフ状態からオン状態にする際に、同時にオン状態にあるトランジスタＴＨ２をオフ状態にするのではなく、トランジスタＴＩ２をオン状態にした際に、トランジスタＴＨ２については微小時間だけオン状態を保つようにし、その後、トランジスタＴＨ２をオフ状態にすることが望ましい。これにより、コイルＨは、トランジスタの切り換え時に微小時間だけ短絡された状態となる。これは、ブラシ付き直流電動機において、ブラシが隣接する整流子片に跨って接触した際に、コイルが短絡される現象と同じであり、トランジスタＴＨ２とトランジスタＴＩ２とを同時に開閉する場合よりも、安定的にコイルに流れる電流を切り換えることができる。

このように、第１スイッチング素子のオン状態を順次切り換える際は、オン状態の切り換えの対象となる２つのトランジスタを微小時間だけ両者ともオン状態に保つことが望ましい。これにより、例えば、スイッチ群を跨って第１スイッチング素子のオン状態を切り換える際は、第１スイッチング素子が属するスイッチ群に対応する第２のスイッチング素子についても、切り換える２つのトランジスタをともに微小時間だけオン状態に保つことが望ましい。

［第１の実施形態の変形例］
図７は、本発明の第１の実施形態に係る直流電動機の変形例の概略を示す図である。本実施形態の直流電動機１０１’は、耐圧低減回路を構成するスイッチング回路３０’において、第１～第３スイッチ群３１’～３３’の各プラス側サブ電源線３１Ｈ～３３Ｈと当該第１～第３スイッチ群３１’～３３’のマイナス側サブ電源線３１Ｌ～３３Ｌとが、それぞれ抵抗Ｒ１～Ｒ３を介して直接接続されている。抵抗Ｒ１～Ｒ３については数ＭΩ以上の高抵抗が用いられる。他の構成については、第１の実施形態の直流電動機１００と同じである。

直流電動機１０１’において、第１～第３スイッチ群３１’～３３’の第２スイッチング素子については、上アーム側または下アーム側のいずれかの第２スイッチング素子がオン状態になるか、あるいは、両者がオフ状態になるため、第２スイッチング素子のトランジスタＴ１１～Ｔ３２は、電源電圧Ｖｄｃが印加されるため、高い耐電圧のトランジスタを用いる必要がある。

例えば、図５に示す時刻ｔ１では、第１スイッチ群３１の上アーム側の第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１１、第１スイッチ群３１の上アームのトランジスタＴＡ１、第２スイッチ群３２の下アームのトランジスタＴＨ２、および、第２スイッチ群３２の下アーム側の第２スイッチング素子であるトランジスタＴ２２の４つのトランジスタがオン状態にあり、他のすべてのトランジスタがオフ状態にある。

この状態において、第１スイッチ群３１’に注目すれば、第１スイッチ群３１’のプラス側サブ電源線３１Ｈとマイナス側サブ電源線３１Ｌの電位は、プラス側メイン電源線６１の電位とほぼ等しくなっている。このため、上アームのトランジスタＴＢ１～ＴＥ１および下アームのトランジスタＴＢ２～ＴＥ２には、それぞれコイルＢ～Ｄを流れる電流の電圧降下分に応じた電圧しか印加されない。

また、第２スイッチ群３２’については、第２スイッチ群３２’のプラス側サブ電源線３２Ｈとマイナス側サブ電源線３２Ｌの電位は、マイナス側メイン電源線６２の電位とほぼ等しくなっている。このため、上アームのトランジスタＴＨ１と下アームのトランジスタＴＨ２には電圧がかからない。また、上アームのトランジスタＴＦ１，ＴＧ１と下アームのトランジスタＴＦ２，ＴＧ２には、それぞれコイルＦ，Ｇを流れる電流の電圧降下分に応じた電圧しか印加されない。上アームのトランジスタＴＩ１，ＴＪ１と下アームのトランジスタＴＩ２，ＴＩ２についても、コイルＨ，Ｉを流れる電圧降下分に応じた電圧が印加されることになる。

第３スイッチ群３３’については、第２スイッチング素子である上アーム側のトランジスタＴ３１と下アーム側のトランジスタＴ３２がともにオフの状態にある。このため、第３スイッチ群３３のプラス側サブ電源線３３Ｈとマイナス側サブ電源線３３Ｌの電位は定まらない、このため、第１スイッチング素子である上アームのトランジスタＴＫ１～ＴＯ１と下アームのトランジスタＴＫ２～ＴＯ２については、電圧が印加されない。

このように、本実施形態の直流電動機１０１’では、耐圧低減回路としてのスイッチング回路３０’の一部の構成が、直流電動機１００のスイッチング回路３０と異なり、各スイッチ群のプラス側サブ電源線およびマイナス側サブ電源線を、それぞれ抵抗を介して当該スイッチ群のいずれかのハーフブリッジの接続点に接続する代わりに、直接抵抗を介して接続しているが、直流電動機１００のスイッチング回路３０と同様に、第１スイッチング素子の耐圧を低くすることができる。このため、スイッチング回路３０’のトランジスタの総数は増えるものの、従来例と比べて必要な高耐圧のトランジスタの数を大幅に減らすことができ、全体としてスイッチング素子の大幅なコストダウンが可能となる。なお、他のすべての実施形態において、耐圧低減回路としてのスイッチング回路３０として、本実施形態の変形例と同様に、各スイッチ群のプラス側サブ電源線およびマイナス側サブ電源線を、直接抵抗を介して接続した構成を採用することができる。

［第２の実施形態］
図８は、本発明の第２の実施形態に係る直流電動機の概略を示す図であり、図９は、図８に示す直流電動機のスイッチング回路と固定子巻線の展開を示した図である。本実施形態の直流電動機１０２は、図８に示すように、固定子１０’、回転子２０、耐圧低減回路としてのスイッチング回路３０、位置検出センサ４０、および、制御回路５０を備えており、スイッチング回路３０には直流電源６０が接続される。

固定子１０’は、ｎ（ｎは４ｍ以上の整数であり、本実施形態ではｎ＝１５）個のスロット（溝）を形成した電磁鋼板を積層した固定子コア１１と、固定子コア１１の各スロットに収納した１５個のコイルＡ～Ｏからなる固定子巻線１２’を備えている。各コイルＡ～Ｏは、隣接するスロット間にコイル収納された、いわゆる集中巻となっており、隣接するコイルがそれぞれ直列接続されており、全体で環状の一つの閉ループを形成している。したがって、コイルＡ～Ｏは、１５個のスロットに位相差２π／ｎ（ｎ＝１５）を有して設けられる。

第１の実施形態の直流電動機１０１では、各コイルＡ～Ｏからなる固定子巻線１２は、２層巻きの分布巻であったが、本実施形態の直流電動機１０２では、各コイルＡ～Ｏが、集中巻となっている。後述するように、本実施形態の集中巻の固定子１０’を有する直流電動機１０２の各コイルＡ～Ｏの配置と各ハーフブリッジＴＡ～ＴＯの配置関係が、分布巻の固定子１０を有する直流電動機１０１のそれらの配置関係と同じ場合に、集中巻の固定子１０’内に生じる磁界の方向は、分布巻の固定子１０内に生じる磁界の方向と、ほぼ９０°ずれる。本実施形態の直流電動機１０２は、回転子２０の磁極の位置に応じて、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子のオン・オフを切り換えている。そして、回転子２０に回転トルクを与えるために、本実施形態の直流電動機１０２では、各コイルＡ～Ｏに対する位置検出センサ４０の各センサＳａ～Ｓｏの位置を第１の実施形態の直流電動機１０１と異ならせており、ほぼ９０°ずらしている。その他の構成については、本実施形態の直流電動機１０２は、第１の実施形態の直流電動機１０１と同じ構成となっている。このため、図３に示す直流電動機のコイルとスイッチング回路の等価回路を示す図、図４Ａと図４Ｂに示す制御回路の構成を示す図、および、図５に示す直流電動機のスイッチング素子のオン・オフ状態の遷移を示す図は、本実施形態に係る直流電動機１０２にも、適用可能である。

制御回路５０は、回転子２０の磁極ピッチに略等しいコイルピッチ離れた２個のコイルの口出線の接続点にそれぞれ接続される２個のハーフブリッジの内、一のスイッチ群の上アームの第１スイッチング素子および他のスイッチ群の下アームの第１スイッチング素子を導通させる。同時に、制御回路５０は、導通させた上アームの第１スイッチング素子および下アームの第１スイッチング素子が属するスイッチ群の第２スイッチング素子を導通させる。

例えば、図８に示すように、回転子２０のＮ極がセンサＳｈ～Ｓｏに対向し、回転子２０のＳ極がセンサＳａ～Ｓｇに対向している場合、第１の実施形態において説明したように、図４Ａ，図５Ｂに示す制御回路５０によって、上アーム側は、第１スイッチング素子であるトランジスタＴＡ１と、第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１１がオン状態となり、下アーム側は、第１スイッチング素子であるトランジスタＴＨ１と第２スイッチング素子であるトランジスタＴ２２がオン状態となる。

これにより、図９に示す展開図において、直流電源６０からの電流は、プラス側メイン電源線６１、トランジスタＴ１１、プラス側サブ電源線３１Ｈ、トランジスタＴＡ１を経て、コイルＡ、コイルＢ、コイルＣ、コイルＤ、コイルＥ、コイルＦ、コイルＧの順に直列接続された１つのコイル群に流れる経路と、コイルＯ、コイルＮ、コイルＭ、コイルＬ、コイルＫ、コイルＪ、コイルＩ、コイルＨ、の順に直列接続されたもう１つのコイル群に流れる経路に分かれ、さらに、トランジスタＴＨ２、マイナス側サブ電源線３２Ｌ、トランジスタＴ２２を経由してマイナス側メイン電源線６２に流れる。

図８に示した矢印は、この時に各コイルＡ～Ｏを流れる電流の方向を示したものであり、各コイルＡ～Ｏを流れる電流によって、図８に示す突極Ｐ１～Ｐ７はＳ極となり、突極Ｐ８～Ｐ１５はＮ極となる。このように。集中巻の固定子１０’内に発生する磁界の方向は、第１の実施形態の直流電動機１０１のように分布巻の固定子１０内に発生する磁界の方向とほぼ９０°ずれている。そして、固定子１０’の磁界と回転子２０の磁界とはほぼ９０°の位相差を有しており、回転子２０のＮ極が固定子１０’のＳ極に、また、回転子２０のＳ極が固定子１０’のＮ極に揃うように回転子２０に力が作用する。これにより、回転子２０には反時計方向のトルクが作用し、回転子２０は、正回転方向である反時計方向に回転する。

以降、回転子２０が反時計方向のトルクを受けて、反時計方向に回転するにしたがって、位置検出センサ４０の各センサＳａ～Ｓｏの信号出力が変化し、これに伴って、図９に示す第１スイッチング素子である上アームのトランジスタＴＡ１～ＴＯ１と下アームのトランジスタＴＡ２～ＴＯ２のオン状態にあるトランジスタが図５の遷移図に示すように、切り換わる。さらに、第１スイッチング素子のオン・オフ状態の切り換わりに連動して第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１１～Ｔ３２のオン・オフ状態が切り換わる。これにより、回転子２０は正回転方向である反時計方向に回転し続ける。

そして、本実施形態の直流電動機１０２においても、第１の実施形態の直流電動機１０１と同様に、耐圧低減回路としてスイッチング回路３０を備えており、従来例と比べて、トランジスタの総数は増えるものの、必要な高耐圧のトランジスタの数を大幅に減らすことができ、全体としてスイッチング素子の大幅なコストダウンが可能となる。なお、本実施形態においても、オン状態にあるトランジスタを切り換える際は、第１の実施形態と同様に、切り換える２つのトランジスタをともに微小時間だけオン状態に保つことが望ましい。また、スイッチング回路３０の代わりに図７で示した変形例のスイッチング回路３０’を用いてもよい。

［第３の実施形態］
第３の実施形態は、本発明を誘導電動機として構成したものである。誘導電動機は、固定子が作る回転磁界によって回転子に誘導電流を発生させ、その誘導電流の電磁力によって回転子を回転させるものである。誘導電動機は、電動機の中でも構造が簡単であり、高い安定性と耐久性を持っている。図１０は、本発明の第３の実施形態に係る誘導電動機の概略を示す図であり、図１１は、図１０に示す誘導電動機の固定子の概略を示す図である。

誘導電動機１０３は、固定子１０、回転子２０、耐圧低減回路であるスイッチング回路３０、および、制御回路５０’を備えている。スイッチング回路３０には直流電源６０が接続される。図１０、図１１に示す本実施形態の誘導電動機１０３と第１の実施形態で説明した直流電動機１０１と比較すると、本実施形態の誘導電動機１０３では、回転子２１として、一般的にかご形回転子が用いられ、回転子２１の位置検出のための位置検出センサ４０を備えていない。このため、制御回路５０は、回転子の位置に応じてスイッチング回路３０のトランジスタのオン・オフ状態を切り換えるのではなく、所望の周期でスイッチング回路３０のトランジスタのオン・オフ状態を切り換えることによって、固定子１０に回転磁界を発生させている。回転子２１は、エンドリングとロータバー２２を備えたかご型回転子以外に、スリップリングを介して外部抵抗が接続可能な巻線形回転子であってもよい。

図１０、図１１に示す誘導電動機１０３では、固定子１０の極数を２ｍ（ｍは整数）とした場合に、ｍが１の場合、すなわち２極の場合について記載している。誘導電動機１０３は、固定子１０の極数によって回転磁界の同期速度が変化する。固定子１０にＮ極とＳ極の磁極を１組発生させる場合は２極となり、Ｎ極とＳ極の磁極を２組発生させる場合は４極となる。また、中心から見た場合、隣接する磁極同士の間隔（角度）が磁極ピッチとなる。本実施形態は、２極の誘導電動機であり、磁極ピッチは１８０度となる。

固定子１０は、ｎ（ｎは４ｍ以上の整数であり、本実施形態ではｎ＝１５）個のスロット（溝）を形成した電磁鋼板を積層した固定子コア１１と、固定子コア１１の各スロットに収納した１５個のコイルＡ～Ｏからなる分布巻の固定子巻線１２を備えている。誘導電動機１０３の固定子コア１１と固定子巻線１２からなる固定子の構成は、第１の実施形態で説明した直流電動機１０１の固定子１０と同じであるため、その説明を省略する。

図１１において、誘導電動機１０３の１５個のコイルＡ～Ｏとスイッチング回路３０の接続関係は、第１実施形態の直流電動機１０１と同じである。すなわち、１５個のコイルＡ～Ｏはそれぞれが直列接続されており、全体で環状の閉ループが形成されている。そしてコイルＡ～Ｏの接続点は、それぞれ２個の上アームと下アームの第１スイッチング素子であるトランジスタＴＡ１とＴＡ２,トランジスタＴＢ１とＴＢ２,・・・,トランジスタＴＯ１とＴＯ２からなる１５個のハーフブリッジＴＡ，ＴＢ,・・・,ＴＯの接続点に接続されている。また、１５個のハーフブリッジＴＡ～ＴＯは、それぞれ５つのハーフブリッジからなる３個（ｋ＝３）のスイッチ群に分割されている。

そして、各第１～第３スイッチ群３１～３３の各プラス側サブ電源線３１Ｈ～３３Ｈが、第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１１～Ｔ３１を介して、直流電源６０のプラス側メイン電源線６１に接続されており、各第１～第３スイッチ群３１～３３の各マイナス側サブ電源線３１Ｌ～３３Ｌが、第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１２～Ｔ３２を介して、直流電源６０のプラス側メイン電源線６１に接続されている。さらに、各プラス側サブ電源線３１Ｈ～３３Ｈが、それぞれ抵抗Ｒ１１～Ｒ３１を介して当該第１～第３スイッチ群３１～３３のいずれかのハーフブリッジの接続点に接続されており、各マイナス側サブ電源線３１Ｌ～３３Ｌが、それぞれ抵抗Ｒ１２～Ｒ３２を介して当該第１～第３スイッチ群３１～３３のいずれかのハーフブリッジの接続点に接続されている。

制御回路５０は、スイッチング回路３０のプラス側メイン電源線６１に接続された上アーム側のトランジスタＴ１１～Ｔ３１、および、マイナス側メイン電源線６２に接続された下アーム側のトランジスタＴ１２～Ｔ３２のオン・オフ状態を切り換えるとともに、各ハーフブリッジＴＡ～ＴＯを構成する上アームのトランジスタＴＡ１～ＴＯ１、および、下アームのトランジスタＴＡ２～ＴＯ２のオン・オフ状態を切り換えている。これにより、各コイルＡ～Ｏに流れる電流の方向が切り換わり、固定子１０に回転磁界が発生する。誘導電動機１０３は、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子である各トランジスタのオン・オフ状態の切り換えの周期を可変とすることにより、三相誘導電動機のインバータ制御と同様の可変速運転が可能である。

図３に示した等価回路および図５に示したスイッチング素子のオン・オフ状態の遷移を示す図は、それぞれ、第３の実施形態の誘導電動機１０３についても適用可能である。制御回路５０’は、固定子１０の磁極ピッチに略等しいコイルピッチ離れた２個のコイルの口出線の接続点にそれぞれ接続される２個のハーフブリッジの内、一のスイッチ群の上アームの第１スイッチング素子および他のスイッチ群の下アームの第１スイッチング素子を導通させる。同時に、制御回路５０’は、導通させた上アームの第１スイッチング素子および下アームの第１スイッチング素子が属するスイッチ群の第２スイッチング素子を導通させる。

例えば、図３に示す場合と同様に、第１スイッチング素子であるＴＡ１とＴＨ２，および、第２スイッチング素子であるＴ１１とＴ２２がオン状態にあるとき、直流電源６０からの電流は、プラス側メイン電源線６１、第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１１、プラス側サブ電源線３１Ｈ、第１スイッチング素子であるトランジスタＴＡ１を経由して、コイルＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ、Ｆ，Ｇの直列回路を流れる経路とコイルＯ，Ｎ．Ｍ．Ｌ，Ｋ，Ｊ，Ｉ，Ｈの直列回路を流れる経路に分かれ、さらに、第１スイッチング素子であるトランジスタＴＨ２、マイナス側サブ電源線３１Ｌ、第２スイッチング素子であるトランジスタＴ２２、マイナス側メイン電源線６２を経由して流れる。

これにより、コイル辺Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ、Ｆ，Ｇ，ｏ，ｎ，ｍ，ｌ，ｋ，ｊ、ｉ,ｈには、図１０の紙面手前から奥に向けて、また、コイル辺ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ、ｆ，ｇ，Ｏ，Ｎ．Ｍ．Ｌ，Ｋ，Ｊ，Ｉ，Ｈには、図１０の紙面奥から手前に向けて電流が流れる。この電流の方向は、図６Ａに示した第１の実施形態の直流電動機１０１の各コイル辺に流れる電流の方向と同じである。これにより、固定子１０の内部には、コイル辺ｈ，Ｏを収納したスロット位置からコイル辺ｏ,Ｇを収納したスロットとコイル辺ａ、Ｈを収納したスロットとの中間位置に向かう方向の磁界が発生する。以降、誘導電動機１０３の固定子１０の巻線に流れる電流の方向は、図６Ｂ、図６Ｃに示した第１の実施形態の直流電動機１０１の各コイル辺に流れる電流の方向と同様に変化する。このように、本実施形態の誘導電動機１０３では、ｎ個（本実施形態ではｎ＝１５）のコイルの隣接するコイル辺を２ｍ（本実施形態ではｍ＝１）組のコイル辺群に分割した際に、隣接する組のコイル辺群を流れる電流が互いに反対方向となるように、制御回路５０’が第１および第２のスイッチング素子のオン・オフ状態を切り換えている。そして、制御回路５０’は、図５に示すように、各スイッチング素子のオン・オフ状態を周期的に切り換えることによって、固定子１０内に回転磁界を発生させている。

第１の実施形態の直流電動機１０１は、回転子２０の位置に応じて各スイッチング素子のオン・オフを切り換えているのに対して、第２の実施形態の誘導電動機１０３は、所望のスイッチング時間間隔（周期）で各スイッチング素子のオン・オフを切り換えている点が異なる。誘導電動機１０３において、各コイルＡ～Ｏに流れる電流や第１スイッチング素子であるトランジスタＴＡ１～ＴＯ２や第２スイッチング素子である各トランジスタＴ１１～Ｔ３２に印加される電圧は、直流電動機１０１の場合と同様である。

本実施形態の誘導電動機１０３では、第１の実施形態の直流電動機１０１と同様に、耐圧低減回路としてスイッチング回路３０を備えており、第１の実施形態の直流電動機１０１と同様に、各スイッチ群の上アーム側と下アーム側の第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１１～Ｔ３２の６個のトランジスタについては、高耐圧のトランジスタを用いる必要があるが、各ハーフブリッジを構成する第１スイッチング素子であるトランジスタＴＡ１～ＴＯ２の３０個のトランジスタについては、低耐圧のトランジスタを用いることが可能になる。このように、本実施形態の誘導電動機１０３は、ハーフブリッジに用いるトランジスタの耐圧を低減することができる。なお、本実施形態においても、オン状態にあるトランジスタを切り換える際は、第１の実施形態と同様に、切り換える２つのトランジスタをともに微小時間だけオン状態にすることが望ましい。また、スイッチング回路３０の代わりに図７で示した変形例のスイッチング回路３０’を用いてもよい。

［第４の実施形態］
図１２は、本発明の第４の実施形態に係る誘導電動機の概略を示す図であり、図１３は、図１２に示す誘導電動機の固定子の概略を示す図である。本実施形態の誘導電動機１０４は、固定子１０’、回転子２０、スイッチング回路３０、および、制御回路５０’を備えている。スイッチング回路３０には直流電源６０が接続される。本実施形態の誘導電動機１０４は、第３の実施形態の誘導電動機１０３の固定子巻線１２を、分布巻から集中巻の固定子巻線１２’に変更したものであり、その他の構成については同様であるので、詳細な説明は省略する。

図３に示した等価回路および図５に示したスイッチング素子のオン・オフ状態の遷移を示す図は、それぞれ、第４の実施形態の誘導電動機１０４についても適用可能である。制御回路５０’は、固定子１０’の磁極ピッチに略等しいコイルピッチ離れた２個のコイルの口出線の接続点にそれぞれ接続される２個のハーフブリッジの内、一のスイッチ群の上アームの第１スイッチング素子および他のスイッチ群の下アームの第１スイッチング素子を導通させる。同時に、制御回路５０’は、導通させた上アームの第１スイッチング素子および下アームの第１スイッチング素子が属するスイッチ群の第２スイッチング素子を導通させる。

例えば、図５の時刻ｔ１で示すように、第１スイッチング素子であるＴＡ１とＴＨ２，および、第２スイッチング素子であるＴ１１とＴ２２がオン状態にあるとき、図１３に示す直流電源６０からの電流は、プラス側メイン電源線６１、第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１１、プラス側サブ電源線３１Ｈ、第１スイッチング素子であるトランジスタＴＡ１を経由して、コイルＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ、Ｆ，Ｇの直列回路を流れる経路とコイルＯ，Ｎ．Ｍ．Ｌ，Ｋ，Ｊ，Ｉ，Ｈの直列回路を流れる経路に分かれ、さらに、第１スイッチング素子であるトランジスタＴＨ２、マイナス側サブ電源線３１Ｌ、第２スイッチング素子であるトランジスタＴ２２、マイナス側メイン電源線６２を経由して流れる。

ここで、第１スイッチング素子であるＴＡ１とＴＨ２は、固定子１０’の磁極ピッチに略等しいコイルピッチ離れた２個のコイルの口出線の接続点にそれぞれ接続される２個のハーフブリッジＴＡとＴＨに属しており、トランジスタＴＡ１は、ハーフブリッジＴＡ，ＴＨの内、一のスイッチ群である第１スイッチ群３１の上アームの第１スイッチング素子であり、トランジスタＴＨ２は、他のスイッチ群である第２スイッチ群３２の下アームの第１スイッチング素子である。本実施形態では、制御回路５０’は、固定子１０’の磁極ピッチに略等しい間隔離れた２個のコイルの口出線の接続点にそれぞれ接続される２個のハーフブリッジの内、一の前記スイッチ群の上アームの第１スイッチング素子および他のスイッチ群の下アームの第１スイッチング素子を導通させている。

図１２に示した矢印は、この時に各コイルＡ～Ｏを流れる電流を示したものであり、各コイルＡ～Ｏを流れる電流によって、図１２に示す突極Ｐ１～Ｐ７はＳ極となり、突極Ｐ８～Ｐ１５はＮ極となる。そして、制御回路５０’は、図５の遷移図に示すように、各スイッチング素子のオン・オフ状態を周期的に切り換えることによって、固定子１０内に回転磁界を発生させている。図１４は、第４の実施形態に係る誘導電動機の固定子の突極に現れる極性の遷移を示す図であり、図５に示した第１、第２のスイッチング素子のオン・オフ状態の遷移に応じて、それぞれ時刻ｔ１～ｔ９において各突極Ｐ１～Ｐ９に現れる極性の変化を示している。図１４に示すように、固定子１０’内には回転磁界が発生する。

本実施形態の誘導電動機１０４は、第３の実施形態の直流電動機１０２と比べて、回転子の磁極の位置によらず、所望のスイッチング時間間隔（周期）で各スイッチング素子のオン・オフを切り換えている点が異なる。

本実施形態の誘導電動機１０４では、他の実施形態の直流電動機や誘導電動機と同様に、耐圧低減回路としてスイッチング回路３０を備えており、第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１１～Ｔ３２の６個のトランジスタについては、高耐圧のトランジスタを用いる必要があるが、第１スイッチング素子であるトランジスタＴＡ１～ＴＯ２の３０個のトランジスタについては、低耐圧のトランジスタを用いることが可能になる。このように、本実施形態の誘導電動機１０４は、ハーフブリッジに用いるトランジスタの耐圧を低減することができる。なお、本実施形態においても、オン状態にあるトランジスタを切り換える際は、第１の実施形態と同様に、切り換える２つのトランジスタをともに微小時間だけオン状態にすることが望ましい。また、スイッチング回路３０の代わりに図７で示した変形例のスイッチング回路３０’を用いてもよい。

本発明の回転機では、コイル数が偶数の場合は、ハーフブリッジの上アームのトランジスタと下アームのトランジスタのスイッチングを同時に行うことになる。これにより、コイルの電磁的なリアクションが大きくなり、コギングトルクも増加する。これに対して、コイル数が奇数の場合は、ハーフブリッジの上アームのトランジスタと下アームのトランジスタのスイッチングが時間的に交互に行われる。このため、コイル数を奇数とした直流電動機や誘導電動機は、コイルの電磁的なリアクションが小さくなり、コギングトルクを低減できる。

また、スイッチ群の数は３以上が望ましく、各スイッチ群のハーフブリッジには複数のコイルが接続されるため、コイルの数は６個以上を設けるのが望ましい。なお、各スイッチ群に属するハーフブリッジの数は、等しいことが望ましいが、各スイッチ群で異なっていてもよい。

［第５の実施形態］
図１５は、本発明の第５の実施形態に係る、直流電源から単相、三相、多相交流電源を得ることのできるインバータ電源装置の概略を示す図であり、図１６は、図１５に示す三相インバータ電源装置の等価回路を示した図である。また、図５に示したスイッチング素子のオン・オフ状態の遷移を示す図、および、図１４に示した突極に現れる極性の遷移を示す図は、本実施形態においても適用可能である。

本実施形態のインバータ電源装置１０５は、図１５に示すように、一次側ユニット８０、二次側ユニット９０からなるトランスと、スイッチング回路３０、および、制御回路５０’を備えており、スイッチング回路３０には直流電源６０が接続される。以下の説明では、直流電源から三相交流を得るためのインバータについて説明する。なお、トランスについては、コイルを卷回しやすくするために、一次側コア８１と二次側コア９１とを別体に作製し、両者を接触させることで磁気的に結合したコアを有するトランスを例に説明するが、一次側コア８１と二次側コア９１とは、一体に形成されていてもよい。図１５では、一次側コア８１と二次側コア９１とを一体に形成した場合における、一次側コア８１と二次側コア９１との境界を破線で示している。なお、後述するように、一次側コア８１と二次側コア９１を別体に形成し、積層断面が櫛形のコアの櫛形端部を互いに重ねた接触部を有する場合は、一次側コア８１と二次側コア９１の境界は、実際の接触部と一致しない。

一次側ユニット８０は、環状のコアの内側にｎ（ｎは４以上の整数であり、本実施形態ではｎ＝１５）個のスロット（溝）を形成した電磁鋼板を複数枚積層した一次側コア８１と、一次側コア８１の各スロットに収納した１５個のコイル（一次側コイル）Ａ～Ｏからなる一次側巻線８２を備えている。一次側ユニット８０の構成は、第２の実施形態の直流電動機１０２の固定子１０’および第４の実施形態の誘導電動機１０４の固定子１０’の構成と同じであり、その詳細な説明は省略する。一次側コア８１は、１５個のスロットによって形成された１５個の一次側の突極Ｐ１～Ｐ１５を有している。なお、一次側の突極は、本発明の第１突極に相当する。

二次側ユニット９０は、中心のコア部分からｑ（ｑは２以上の整数であり、本実施形態ではｑ＝３）個の二次側の突極Ｐｕ～Ｐｗを備えた電磁鋼板を複数枚積層した二次側コア９１と、３個の突極Ｐｕ～Ｐｗのそれぞれに卷回された二次側コイル９２ｕ～９２ｗからなる二次側巻線９２とを備えている。一次側ユニット８０の一次側の突極Ｐ１～Ｐ１５と二次側コア９１の二次側の突極Ｐｕ～Ｐｗは、１個の二次側の突極Ｐｕ～Ｐｗに対して隣接する５個の一次側の突極Ｐ１～Ｐ１５が接触することで磁気的に結合している。本実施形態のインバータ電源装置１０５は、三相の電源装置であり、二次側コイル９２ｕ～９２ｗは外部の三相負荷に接続される。なお、二次側の突極は、本発明の第２突極に相当する。

図１５において破線で示した、一次側コア８１と二次側コア９１との境界付近の接触部では、それぞれの電磁鋼板の接触部の積層断面が櫛形となるように形成し、櫛形積層コアの櫛形端部を互いに重ねてた接触部とすることによって、接触部の磁気抵抗を低減することが望ましい。このため、例えば、一次側コア８１の突極Ｐ１～Ｐ１５の先端部分の積層鋼板の積層断面が櫛形となるように形成するとともに、二次側コア９１の突極Ｐｕ～Ｐｗからそれぞれ一次側コア８１の突極Ｐ１～Ｐ１５に向けて突出した突出部分を形成し、この突出部分の積層断面が櫛形となるように形成する。そして、両者の櫛形端部を互いに重ねてた接触部とする。また、二次側コア９１についても同様に、二次側コイル９２ｕ～９２ｗを卷回しやすくするために、突極Ｐ１～Ｐ１５の先端の円弧状部分と二次側コイル９２ｕ～９２ｗを卷回したコイル卷回部分を別体で形成し、円弧状部分とコイル卷回部分の接触部における磁気抵抗を小さくするために、コイル卷回部分において、積層断面が櫛形のコアの櫛形端部を互いに重ねた接触部として形成することが望ましい。

一次側コア８１の各スロットに収納した１５個のコイルＡ～Ｏは、隣接するスロット間にコイル収納された、いわゆる集中巻となっており、隣接するコイルがそれぞれ直列接続されており、全体で環状の一つの閉ループを形成している。このため、コイルＡ～Ｏは、１５個のスロットに位相差２π／ｎ（ｎ＝１５）を有して設けられている。各コイルＡ～Ｏの口出線の接続点は、図１６の等価回路に示すように、スイッチング回路３０の１５個のハーフブリッジＴＡ～ＴＯの各接続点に接続されている。

本実施形態のスイッチング回路３０は、耐圧低減回路になっており、第１～第４の実施形態のスイッチング回路３０とその構成が同じである。すなわち、スイッチング回路３０の１５個のハーフブリッジＴＡ～ＴＯは、それぞれ複数、例えば、５つのハーフブリッジからなるｋ個（ｋは２以上の整数で本実施形態ではｋ＝３）のスイッチ群に分割されている。具体的には、ハーフブリッジＴＡ～ＴＥが第１スイッチ群３１、ハーフブリッジＴＦ～ＴＪが第２スイッチ群３２、ハーフブリッジＴＫ～ＴＯが第３スイッチ群３３の３群に分割されている。そして、各第１～第３スイッチ群３１～３３に属する上アームのスイッチング素子は、それぞれ各スイッチ群で共通のプラス側サブ電源線３１Ｈ～３３Ｈに接続され、第１～第３スイッチ群３１～３３に属する下アームのスイッチング素子は、それぞれ各スイッチ群で共通のマイナス側サブ電源線３１Ｌ～３３Ｌに接続されている。

このように、スイッチング回路３０は、隣接するコイルの口出線に接続された前記ハーフブリッジが、それぞれ複数の前記ハーフブリッジを有するｋ個（ｋは２以上の整数）のスイッチ群に分けられ、各スイッチ群のハーフブリッジの複数の上アームの第１スイッチング素子および複数の下アームの第１スイッチング素子が、それぞれ各スイッチ群に設けたプラス側サブ電源線およびマイナス側サブ電源線に接続され、各スイッチ群のプラス側サブ電源線およびマイナス側サブ電源線が、それぞれ第２スイッチング素子を介して、直流電源６０のプラス側メイン電源線およびマイナス側メイン電源線に接続されており、さらに、各スイッチ群のプラス側サブ電源線およびマイナス側サブ電源線が、それぞれ抵抗を介して当該スイッチ群のいずれかのハーフブリッジの接続点に接続されている。

本実施形態では、制御回路５０’は、一次側ユニット８０内にＮ極とＳ極の２極の磁極が現れるように、スイッチング回路３０のプラス側メイン電源線６１に接続された上アーム側のトランジスタＴ１１～Ｔ３１、および、マイナス側メイン電源線６２に接続された下アーム側のトランジスタＴ１２～Ｔ３２のオン・オフ状態を切り換えるとともに、各ハーフブリッジＴＡ～ＴＯを構成する上アームのトランジスタＴＡ１～ＴＯ１、および、下アームのトランジスタＴＡ２～ＴＯ２のオン・オフ状態を切り換えることによって、各コイルＡ～Ｏに流れる電流の方向を切り換えている。

一次側ユニット８０内に、Ｎ極、Ｓ極の２個の磁極を形成する場合、一次側ユニット８０の磁極ピッチは１８０°となる。制御回路５０’は、一次側ユニット８０の磁極ピッチ（１８０°）に略等しいコイルピッチ離れた２個のコイルの口出線の接続点にそれぞれ接続される２個のハーフブリッジの内、一のスイッチ群の上アームの第１スイッチング素子および他のスイッチ群の下アームの第１スイッチング素子を導通させる。同時に、制御回路５０’は、導通させた上アームの第１スイッチング素子および下アームの第１スイッチング素子が属するスイッチ群の第２スイッチング素子を導通させる。例えば、コイルＡに対して１８０°に略等しいコイルピッチ離れたコイルは、コイルＨまたはコイルＩとなる。

図５は、本実施形態のインバータ電源装置１０５のスイッチング素子のオン・オフ状態の遷移を示しており、図１４は、本実施形態のインバータ電源装置１０５の一次側ユニット８０の突極に現れる極性の遷移を示している。本実施形態のインバータ電源装置１０５の制御回路５０’、スイッチング回路３０、および、一次側ユニット８０の構成は、第４の実施形態の誘導電動機１０４の制御回路５０’、スイッチング回路３０、および、固定子１０の構成と同様である。このため、図５に示した第１、第２のスイッチング素子のオン・オフ状態の遷移に応じて、それぞれ時刻ｔ１～ｔ９において、一次側コア８１の各突極Ｐ１～Ｐ１５には、図１４に示す極性が現れる。すなわち、スイッチング素子のオン・オフ状態の切り換えによって、一次側ユニット８０内には２極の回転磁界が発生する。制御回路５０’は、一次側コア８１の突極Ｐ１～Ｐ１５を流れる磁束によって、突極Ｐ１～Ｐ１５の断面に現れる磁極による磁界が回転磁界となるように、第１、第２のスイッチング素子のオン・オフ状態を周期的に切り換えている。

一次側ユニット８０と二次側ユニット９０とは互いに接触して固定されているが、磁気的には、二次側ユニット９０の周囲を、一次側ユニット８０が疑似的に外転型の２極永久磁石回転子として回転している場合と同じと考えられる。このため、一次側ユニット８０の各突極Ｐ１～Ｐ１５を流れる磁束の変化に応じて、二次側ユニット９０の各二次側の突極Ｐｕ～Ｐｗを流れる磁束が変化する。これにより、二次側コイル９２ｕ～９２ｗに鎖交する磁束が変化し、二次側コイル９２ｕ～９２ｗには、それぞれ電圧ｅ_ｕ～ｅ_ｗの交流電圧が発生する。二次側ユニット９０の各二次側の突極Ｐｕ～Ｐｗは、本実施形態の場合、それぞれ１２０°の位相差を有しているため、電圧ｅ_ｕ～ｅ_ｗとして直流電源６０と絶縁された三相交流電圧が得られる。

本実施形態のインバータ電源装置１０５では、他の実施形態の直流電動機や誘導電動機と同様に、耐圧低減回路としてスイッチング回路３０を備えており、第２スイッチング素子であるトランジスタＴ１１～Ｔ３２の６個のトランジスタについては、高耐圧のトランジスタを用いる必要があるが、第１スイッチング素子であるトランジスタＴＡ１～ＴＯ２の３０個のトランジスタについては、低耐圧のトランジスタを用いることが可能になる。このように、本実施形態のインバータ電源装置１０５は、ハーフブリッジに用いるトランジスタの耐圧を低減することができる。なお、本実施形態においても、オン状態にあるトランジスタを切り換える際は、第１の実施形態と同様に、切り換える２つのトランジスタをともに微小時間だけオン状態にすることが望ましい。また、スイッチング回路３０の代わりに図７で示した変形例のスイッチング回路３０’を用いてもよい。

なお、二次側ユニット９０として、２つの突極間に１本の二次側巻線９２を卷回した二次側コアを用い、各突極をそれぞれ一次側コアの複数の突極に接触させた場合は、出力として単相交流電圧を得ることができる。この場合、一次側コアの突極数は偶数とし、二次側コアの各突極に接触する一次側コアの突極数を等しくすることが望ましい。

以上、耐圧低減回路としてスイッチング回路３０を用いた直流電動機、誘導電動機、および、インバータ電源装置に係る好適な実施形態について説明したが、各実施形態で説明したスイッチング回路３０の構成は、複数のハーフブリッジを介して直流電源から負荷に対して電力を供給する際の耐圧低減回路として利用可能である。

この場合、耐圧低減回路の複数のハーフブリッジは、それぞれ複数のハーフブリッジを有するｋ個（ｋは２以上の整数）のスイッチ群に分けられ、各スイッチ群のハーフブリッジの複数の上アームの第１スイッチング素子および複数の下アームの第１スイッチング素子が、それぞれ各スイッチ群に設けたプラス側サブ電源線およびマイナス側サブ電源線に接続される。そして、各スイッチ群の各プラス側サブ電源線および各マイナス側サブ電源線が、それぞれ第２スイッチング素子を介して、直流電源のプラス側メイン電源線およびマイナス側メイン電源線に接続されており、さらに、それぞれ抵抗を介して当該スイッチ群のいずれかのハーフブリッジの前記接続点に接続されているか、あるいは、直接抵抗を介して接続されている。

また、耐圧制御回路は、一のスイッチ群の上アームの記第１スイッチング素子と他の一のスイッチ群の下アームの第１スイッチング素子を導通させるとともに、導通させた上アームの第１スイッチング素子および下アームの第１スイッチング素子が属するスイッチ群の第２スイッチング素子を導通させ、他の第１および第２スイッチング素子が非導通となるように、第１および第２のスイッチング素子の導通・非導通を切り換える制御回路を備えていてもよい。

そして、本発明に係る耐圧低減回路では、第２スイッチング素子の数は増えるものの、第１スイッチング素子の耐圧を大幅に減少することが可能となるため、回路のコストダウンを図ることができる。

１０，１０’…固定子、１１…固定子コア、１２、１２’…固定子巻線、２０，２１…回転子、２２…ロータバー、３０，３０’，１３０…スイッチング回路、３１～３３，３１’～３３’…第１～第３スイッチ群、３１Ｈ～３３Ｈ…プラス側サブ電源線、３１Ｌ～３３Ｌ…マイナス側サブ電源線、４０…位置検出センサ、５０,５０'…制御回路、５１…第１段目（ＸＯＲ回路）、５２…第２段目（ＸＯＲ回路）、５３…第３段目（ＮＯＴ回路）５４…第４段目（ＡＮＤ回路）、５５…第５段目（増幅器）、５６…第６段目（ＯＲ回路）、５７…第７段目（増幅器）、６０…直流電源、６１…プラス側メイン電源線、６２…マイナス側メイン電源線、７０…正逆回転制御入力端子、８０…一次側ユニット、８１…一次側コア、８２…一次側巻線、９０…二次側ユニット、９１…二次側コア、９２…二次側巻線、９２ｕ，９２ｖ，９２ｗ…二次側コイル、１００，１０１’，１０２…直流電動機、１０３，１０４…誘導電動機、１０５…インバータ電源装置。

Claims (14)

1. 複数のハーフブリッジを介して直流電源から負荷に対して電流を供給する電源装置のための耐圧低減回路であって、
   複数の前記ハーフブリッジが、それぞれ複数の前記ハーフブリッジを有するｋ個（ｋは２以上の整数）のスイッチ群に分けられ、各前記スイッチ群の前記ハーフブリッジの複数の上アームの第１スイッチング素子および複数の下アームの第１スイッチング素子が、それぞれ各前記スイッチ群に設けたプラス側サブ電源線およびマイナス側サブ電源線に接続され、
   各前記スイッチ群の各前記プラス側サブ電源線および各前記マイナス側サブ電源線が、それぞれ第２スイッチング素子を介して、前記直流電源のプラス側メイン電源線およびマイナス側メイン電源線に接続されており、さらに、それぞれ抵抗を介して当該前記スイッチ群のいずれかの前記ハーフブリッジの接続点に接続されているか、あるいは、直接抵抗を介して接続されていることを特徴とする、耐圧低減回路。
2. 一の前記スイッチ群の前記上アームの前記第１スイッチング素子と他の一の前記スイッチ群の前記下アームの前記第１スイッチング素子を導通させるとともに、導通させた前記上アームの前記第１スイッチング素子および前記下アームの前記第１スイッチング素子が属する前記スイッチ群の前記第２スイッチング素子を導通させ、
   他の前記第１および前記第２スイッチング素子が非導通となるように、前記第１および第２のスイッチング素子の導通・非導通を切り換える制御回路を備えたことを特徴とする、請求項１に記載の耐圧低減回路。
3. 回転子と、
   ２π／ｎ（ｎは４以上の整数）位相をずらせて設けたｎ個のコイルを備えた極数２ｍ（ｍは整数）の固定子と、
   スイッチング回路を有し、
   隣接する前記コイルの口出線が順次接続されて各前記コイルが環状に直列接続され、
   各前記コイルの前記口出線の接続点がそれぞれ前記スイッチング回路の２個の第１スイッチング素子からなるハーフブリッジの接続点に接続された回転機であって、
   前記スイッチング回路における隣接する前記コイルの前記口出線に接続された前記ハーフブリッジが、それぞれ複数の前記ハーフブリッジを有するｋ個（ｋは２以上の整数）のスイッチ群に分けられ、各前記スイッチ群の前記ハーフブリッジの複数の上アームの前記第１スイッチング素子および複数の下アームの前記第１スイッチング素子が、それぞれ各前記スイッチ群に設けたプラス側サブ電源線およびマイナス側サブ電源線に接続され、
   各前記スイッチ群の前記プラス側サブ電源線および前記マイナス側サブ電源線が、それぞれ第２スイッチング素子を介して、直流電源のプラス側メイン電源線およびマイナス側メイン電源線に接続されており、さらに、それぞれ抵抗を介して当該前記スイッチ群のいずれかの前記ハーフブリッジの前記接続点に接続されているか、あるいは、直接抵抗を介して接続されていることを特徴とする、回転機。
4. ｎ個の前記コイルが、前記固定子の磁極ピッチ（２π／２ｍ）に略等しいコイルピッチを有していることを特徴とする、請求項３に記載の回転機。
5. 前記固定子がｎ個のスロットを有し、ｎ個の各前記コイルが隣接する２つの前記スロットに収納されていることを特徴とする、請求項３に記載の回転機。
6. 前記回転子が、永久磁石回転子、あるいは、励磁コイルを有する回転子であって、Ｎ極とＳ極の極数２ｍの磁極を有することを特徴とする、請求項３から５のいずれか１項に記載の回転機。
7. 前記回転子の前記磁極の位置に応じて、前記第１および第２スイッチング素子の導通・非導通を切り換える制御回路を備えることを特徴とする、請求項６項に記載の回転機。
8. 前記回転子が、かご形回転子、あるいは、巻線形回転子であることを特徴とする、請求項３から５のいずれか１項に記載の回転機。
9. 所定の周期で、前記第１および第２スイッチング素子の導通・非導通を切り換える制御回路を備えることを特徴とする、請求項８に記載の回転機。
10. 前記制御回路が、前記固定子の磁極ピッチに略等しい間隔離れた２個の前記コイルの口出線の接続点にそれぞれ接続される２個の前記ハーフブリッジの内、一の前記スイッチ群の前記上アームの前記第１スイッチング素子および他の前記スイッチ群の前記下アームの前記第１スイッチング素子を導通させるとともに、導通させた前記上アームの前記第１スイッチング素子および前記下アームの前記第１スイッチング素子が属する前記スイッチ群の前記第２スイッチング素子を導通させ、
    他の前記第１および前記第２スイッチング素子が非導通となるように、前記第１および第２のスイッチング素子の導通・非導通を切り換えることを特徴とする、請求項７または９に記載の回転機。
11. 前記制御回路が、導通状態から非導通状態に切り換える前記第１または第２スイッチング素子と、次に非導通状態から導通状態に切り換える前記第１または第２スイッチング素子との両者を、所定の微小時間だけ共に導通状態に保つことを特徴とする、請求項１０に記載の回転機。
12. 前記第１スイッチング素子の耐圧が、前記第２スイッチング素子の耐圧よりも低いことを特徴とする、請求項３から１１のいずれか１項に記載の回転機。
13. 直流電源を交流に変換するインバータ電源装置であって、
    ｎ（ｎは４以上の整数）個のスロットと、隣接する２つの前記スロットに収納されｎ個の一次側コイルを備えた一次側コアと、
    該一次側コアの前記スロットによって形成されたｎ個の第１突極と磁気結合し、二次側コイルが卷回されたｑ（ｑは２以上の整数）個の第２突極を備えた二次側コアと、
    スイッチング回路を有し、
    隣接する前記一次側コイルの口出線が順次接続されて各前記一次側コイルが環状に直列接続され、
    各前記一次側コイルの前記口出線の接続点がそれぞれ前記スイッチング回路の２個の第１スイッチング素子からなるハーフブリッジの接続点に接続され、
    前記スイッチング回路における隣接する前記一次側コイルの前記口出線に接続された前記ハーフブリッジが、それぞれ複数の前記ハーフブリッジを有するｋ個（ｋは２以上の整数）のスイッチ群に分けられ、各前記スイッチ群の前記ハーフブリッジの複数の上アームの前記第１スイッチング素子および複数の下アームの前記第１スイッチング素子が、それぞれ各前記スイッチ群に設けたプラス側サブ電源線およびマイナス側サブ電源線に接続され、
    各前記スイッチ群の前記プラス側サブ電源線および前記マイナス側サブ電源線が、それぞれ第２スイッチング素子を介して、前記直流電源のプラス側メイン電源線およびマイナス側メイン電源線に接続されており、さらに、それぞれ抵抗を介して当該前記スイッチ群のいずれかの前記ハーフブリッジの前記接続点に接続されているか、あるいは、直接抵抗を介して接続されていることを特徴とする、インバータ電源装置。
14. 制御回路をさらに備え、
    該制御回路は、一の前記スイッチ群の前記上アームの前記第１スイッチング素子と他の一の前記スイッチ群の前記下アームの前記第１スイッチング素子を導通させるとともに、導通させた前記上アームの前記第１スイッチング素子および前記下アームの前記第１スイッチング素子が属する前記スイッチ群の前記第２スイッチング素子を導通させ、
    他の前記第１および前記第２スイッチング素子が非導通となるように、前記第１および第２のスイッチング素子の導通・非導通を周期的に切り換えることを特徴とする、請求項１３に記載のインバータ電源装置。