TWI523407B - 能量變換系統 - Google Patents

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TWI523407B
TWI523407B TW103125858A TW103125858A TWI523407B TW I523407 B TWI523407 B TW I523407B TW 103125858 A TW103125858 A TW 103125858A TW 103125858 A TW103125858 A TW 103125858A TW I523407 B TWI523407 B TW I523407B
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恩田謙一
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吉原徹
岩路善尙
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日立製作所股份有限公司
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Description

能量變換系統
本發明是有關能量變換系統,特別是有關適合於直流電力與交流電力的變換,交流電力與機械力的變換之能量變換系統。
近年來,在變換能量的系統中,為了整流發電機的發電輸出,大多使用由半導體元件所構成的電路,或,為了驅動電動機,大多使用以半導體元件構成的電路。
發電機或電動機是以定子(stator)與轉子(Rotor)能夠相對性地旋轉的方式構成,在該定子例如設置第1捲線(winding),第2捲線,第3捲線,各自取得輸出電力,或,各自供給電力之下,取得發電或旋轉動力。例如,電動機的情況,有以半導體元件作為構成電路,分別在被連接至直流電源的複數的電容器並聯由全橋電路所構成的直交變換電路,分別連接該直交變換電路的交流輸出端子與在旋轉電機中互相被絕緣的複數的交流輸 入端子之間而構成的技術為人所知。
此技術是在直交變換電路以非常短的時間間隔來導通/遮斷複數之中的預定的電容器的直流電力之下作出擬似性的波形而供給至例如電動機的U相捲線,另一方面,分別以非常短的時間間隔來導通/遮斷其他的2個電容器的直流電力之下作出擬似性的波形而供給至例如V相,W相的捲線。
如此的技術是例如記載於日本特開昭61-142995號公報。
[先行技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開昭61-142995號公報
上述以往的技術是以非常短的時間間隔來導通/遮斷直流電壓,因此導通/遮斷所造成的損失大。有關各自構成直交變換電路的開關元件的電力損失減低或交流電壓波形形狀的改善方面未被考慮。
於是本發明的1個課題是在具有直流電力與交流電力的變換,交流電力與機械力的變換之能量變換系統中,減低直交變換電路的開關元件的電力損失。
又,其他的課題是在具有直流電力與交流電 力的變換,交流電力與機械力的變換之能量變換系統中,改善交流電壓波形形狀。
為了解決上述之中的至少1個的課題,本發明的能量變換系統係構成具備:複數的變換電路,其係以具有4個半導體元件的全橋電路所形成,變換直流與交流之間;旋轉機或線性型機,其係具有互相被絕緣的複數的電樞線圈;一方側電位端子;及另一方側電位端子,複數的變換電路係串聯於前述一方側電位端子與前述另一方側電位端子之間,各自的變換電路係具有成為前述被串聯的電路的一部分的電路端子,各自的變換電路的電路端子係直接或經由變壓器來連接至所對應的電樞線圈,以一方側電位端子與另一方側電位端子的電壓能夠成為一定的方式,調整電樞線圈的輸出電壓,或,以各自的變換電路的電路端子的輸出電壓的大小的和能夠與一定電壓相等的方式分割被施加於一方側電位端子及另一方側電位端子的一定電壓,而輸出至電樞線圈,使變換電路動作。
並且,構成具備旋轉電機或線性馬達,該等旋轉電機或線性馬達係具有:被施加直流電壓,且以具有4個開關元件的全橋電路所形成,將直流變換成交流之複數的直交變換電路,及互相被絕緣之複數的交流輸出入端,複數的前述直交變換電路的直流輸出入端係分別被串聯,交流輸出入端是分別直接或經由變壓器來連接至前述旋轉電機或線性馬達的互相被絕緣的複數的交流輸出入端,前述直交變換電路的前述開關元件的ON與OFF的切換時,形成4個的前述開關元件之中3個以上成為ON那樣的相位(phase)。
或,本發明的能量變換系統係構成具備旋轉電機或線性馬達,該等旋轉電機或線性馬達係具有:以2×N相(N為2以上)的全橋電路所形成的直交變換電路,及輸出2×N相的交流之2×N個的電樞線圈,各電樞線圈的端部係與和該電樞線圈的相前後的相的電樞線圈的端部連接的結果,具有2×N個的連接端,前述直交變換電路的2×N個的交流輸出入端係使相的前後關係形成相同而分別直接或經由變壓器來連接至前述旋轉電機的2×N個的連接端。
或,本發明的能量變換系統係構成具備線性馬達,該線性馬達係具有:串聯2個的開關元件,並聯(M+1)個以該連接端作為交流輸出入端的單位電路而形成之直交變換電路,及M個的電樞線圈, 連接鄰接的電樞線圈的端部的結果具有(M+1)個的連接端,前述直交變換電路的(M+1)個的交流輸出入端係使相的前後關係形成相同而分別直接或經由變壓器來連接至前述線性馬達的(M+1)個的連接端。
本發明的能量變換系統係構成在前述旋轉電機或線性馬達以一定速度運動時,產生於預定的複數的電樞線圈之感應電動勢的絕對值的和為一定。
若根據本發明,則在具有直流電力與交流電力的變換,交流電力與機械力的變換之能量變換系統中,可降低直交變換電路的開關元件的電力損失。
或,在具有直流電力與交流電力的變換,交流電力與機械力的變換之能量變換系統中,可改善交流電壓波形形狀。
2‧‧‧開關元件控制手段
11、21、31‧‧‧直交變換電路
SW11、SW12、SW13、SW14‧‧‧主開關元件
SW21、SW22、SW23、SW24‧‧‧主開關元件
SW31、SW32、SW33、SW34‧‧‧主開關元件
SW41、SW42、SW51、SW52、SW61、SW62、SW71、SW72、SW81、SW82、SW91、SW92、SW101、SW102、SW111、SW112、SWM1、SWM2‧‧‧主開關元件
DI11、DI12、DI13、DI14‧‧‧二極體
DI21、DI22、DI23、DI24‧‧‧二極體
12、22‧‧‧變壓器
Coil1、Coil2、Coil3、Coil4、Coil5、Coil6、Coil7、Coil8、Coil9、Coil10‧‧‧電樞線圈
70‧‧‧旋轉電機或線性馬達
71‧‧‧磁場
V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8、V9‧‧‧感應電動勢
100‧‧‧電力變換裝置
圖1是實施例1的主電路構成圖。
圖2是表示實施例1的每個動作相位的各開關元件的動作的表。
圖3是實施例1的每個動作相位的電位關係式的表。
圖4是實施例1的旋轉電機的動作的構造圖。
圖5是實施例1的旋轉電機的磁場的磁束密度-電角度圖。
圖6是實施例1的旋轉電機的感應電動勢-電角度圖。
圖7是表示實施例1的其他的旋轉電機的動作的構造圖。
圖8是實施例1的其他的旋轉電機的磁場的磁束密度-電角度線圖。
圖9是實施例1的其他的旋轉電機的感應電動勢-電角度線圖。
圖10是實施例1的開關元件動作-時間線圖。
圖11是實施例1的感應電動勢-時間線圖。
圖12是實施例1的感應電動勢絕對值-時間線圖。
圖13是實施例1的其他的旋轉電機的構造圖。
圖14是實施例1的線性馬達的構造圖。
圖15是實施例2的主電路構成圖。
圖16是表示實施例2的初期動作時的各開關元件的動作的表。
圖17是表示實施例2的初期動作時的旋轉電機的動作的構造圖。
圖18是實施例3的主電路構成圖。
圖19是表示實施例3的每個動作相位的各開關元件的動作的表。
圖20是表示實施例3的每個動作相位的電位關係式 的表。
圖21是表示實施例3的旋轉電機的動作的構造圖。
圖22是實施例3的旋轉電機的磁場的磁束密度-電角度圖。
圖23是實施例3的旋轉電機的感應電動勢-電角度圖。
圖24是實施例3的開關元件動作-時間線圖。
圖25是實施例3的感應電動勢-時間線圖。
圖26是實施例3的感應電動勢絕對值-時間線圖。
圖27是實施例4的主電路構成圖。
圖28是實施例5的主電路構成圖。
圖29是實施例5的每個動作相位的各開關元件的動作的表。
圖30是實施例5的開關元件動作-時間線圖。
圖31是實施例5的旋轉電機的構造圖。
圖32是實施例5的感應電動勢-時間線圖。
圖33是實施例5的感應電動勢絕對值-時間線圖。
圖34是實施例6的主電路構成圖。
圖35是實施例6的每個動作相位的各開關元件的動作的表。
圖36是實施例1的旋轉電機的磁場的磁束密度-電角度圖。
圖37是實施例1的旋轉電機的感應電動勢-電角度圖。
圖38是實施例1的其他的旋轉電機的構造圖。
圖39是構成實施例1的其他的旋轉電機的轉子的一部分之籠形導體的構造圖。
以下,利用圖面來說明實施例。另外,為了明確本發明的本質,以下的實施例是設為可無視電路的各開關元件,二極體的電壓降低或配線的電阻,電感,寄生電容,旋轉電機或變壓器的激磁電感等之理想的狀態者進行說明。
[實施例1]
利用圖1~圖14,圖36~圖37來說明有關實施例1。圖1是本實施例的能量變換系統的主電路構成圖,圖2是表示該能量變換系統的每個動作相位的各開關元件SW11,SW12,SW13,SW14,SW21,SW22,SW23,SW24,SW31,SW32,SW33,SW34的動作的表,圖3是表示每個動作相位的電位關係式的表,圖4是表示本實施例的旋轉電機的動作的構造圖,圖5是圖4的旋轉電機的磁場的磁束密度-電角度(electrical angle)圖,圖6是圖4的旋轉電機的感應電動勢-電角度圖,圖7是表示本實施例的其他的旋轉電機的動作的構造圖,圖8是圖7的旋轉電機的磁場的磁束密度-電角度線圖,圖9是圖7的旋轉電機的感應電動勢-電角度線圖,圖10是開關元件的動作 -時間線圖,圖11是旋轉電機的各電樞線圈的感應電動勢-時間線圖,圖12是各電樞線圈的感應電動勢絕對值-時間線圖,圖13是本實施例的其他的旋轉電機的構造圖,圖14是本實施例的線性馬達的構造圖,圖36是本實施例的其他的旋轉電機的磁場的磁束密度-電角度圖。圖37是本實施例的其他的旋轉電機的感應電動勢-電角度圖。
本實施例的能量變換系統是是在圖1中由串聯複數的直交變換電路11,21,31而構成的電力變換裝置100形成,該複數的直交變換電路11,21,31是以具有4個開關元件的全橋電路所形成,將直流變換成交流。
直交變換電路11是形成為全橋電路,在連接點a與連接點d之間串聯開關元件SW11及SW12。而且,與開關元件SW11及SW12並列地在連接點a與連接點d之間串聯開關元件SW13,SW14。在開關元件SW11,SW12,SW13,SW14並聯飛輪二極體DI11,DI12,DI13,DI14。開關元件SW11與SW12的連接點是構成輸出入端b,開關元件SW13與SW14的連接點是構成輸出入端c。
直交變換電路21及直交變換電路31是分別以開關元件SW21,SW22,SW23,SW24,開關元件SW31,SW32,SW33,SW34所構成,與直交變換電路11同樣的構成。並且,在直交變換電路21及直交變換電路31中,在各開關元件SW21,SW22,SW23,SW24,開關元件SW31,SW32,SW33,SW34並聯有飛輪二極體 (free wheel diode)DI21,DI22,DI23,DI24,飛輪二極體DI31,DI32,DI33,DI34。另外,開關元件是例如可使用IGBT等的周知的元件。
直交變換電路11的一方端是經由連接點a來連接至可變直流電源50,直交變換電路11的另一方端與直交變換電路21的一方端是經由連接點d來連接,直交變換電路21的另一方端與直交變換電路31的一方端是經由連接點g來連接,直交變換電路31的另一方端是經由連接點m來連接至可變直流電源50。如此,可變直流電源50與電力變換裝置100是在連接點a及連接點m被連接。
具備具有互相絕緣的複數的電樞線圈Coil1,Coil2,Coil3之旋轉電機70。電樞線圈Coil1是具有端部p11,p12,電樞線圈Coil2是具有端部p21,p22,電樞線圈Coil3是具有端部p31,p32,該等的端部分別直交變換電路11的輸出入端b,c是被連接至電樞線圈Coil1的端部p11,p12,直交變換電路21的輸出入端e,f是被連接至電樞線圈Coil2的端部p21,p22,直交變換電路31的輸出入端h,k是被連接至電樞線圈Coil3的端部p31,p32。
而且,開關元件SW11,SW12,SW13,SW14,SW21,SW22,SW23,SW24,SW31,SW32,SW33,SW34是由控制手段2來接受ON/OFF脈衝的供給,亦即,一旦由控制手段2來接受ON訊號,則形成導 通狀態,在OFF訊號是成為遮斷狀態,藉由控制手段2來控制開關元件SW11,SW12,SW13,SW14,SW21,SW22,SW23,SW24,SW31,SW32,SW33,SW34的各自的ON/OFF動作。
其次,說明本實施例的能量變換系統的動作。一連串的開關動作的主要動作相位是顯示於圖2的Ph1~12者。磁場71會隨著開關元件SW11,SW12,SW13,SW14,SW21,SW22,SW23,SW24,SW31,SW32,SW33,SW34的各自的ON/OFF動作來旋轉。亦即,在動作相位Ph1及Ph2旋轉60度,其次,在動作相位Ph3及Ph4旋轉60度,在從動作相位Ph12移至Ph1時旋轉360度(1旋轉)。
並且,在該等主要動作相位,圖1所示的各連接點間的電壓間的關係式是成為圖3所示者。圖中,例如有關Vbc是意味在連接點b與連接點c之間的電壓,將連接點b的電位比連接點c的電位更高的情況設為正,相反的場合為負。E是被施加於連接點a與連接點m之間的直流電壓50的輸出電壓。
例如,首先,若說明有關動作相位Ph1,Ph3,Ph5,Ph7,Ph9,Ph11,則在該等動作相位中是針對直交變換電路11的交流輸出入兩端電壓Vbc,及直交變換電路21的交流輸出入兩端電壓Vef,以及直交變換電路31的交流輸出入兩端電壓Vhk的值來分別供給輸出電壓至電樞線圈Coil1,Coil2,Coil3時,Vbc+Vef+Vhk= 可變直流電源50的輸出電壓E的關係式會成立。另一方面,各自的電壓的值是電力變換裝置100不單獨決定。該等的電壓的值決定於與被連接的旋轉電機70所產生的感應電動勢V1,V2,V3的關係。在此,電樞線圈Coil1,Coil2,Coil3是彼此以電角度錯開120度構成,因此必然成為錯開120度的同波形的電壓。
另一方面,有關動作相位Ph2,Ph4,Ph6,Ph8,Ph10,Ph12是構成直交變換電路11,21,31的任一直交變換電路的4個開關元件會全部ON動作,另一方面,有關其他的直交變換電路是在負荷形成電流通路的2個開關元件會ON動作,因此有關Vbc,Vef,Vhk是任一為0,剩下的2個電壓的絕對值的和會成為E。
其次,利用圖4~圖6來說明在本實施例中所被使用的旋轉電機70的詳細。在圖4中以下線所示的動作相位是與圖2及圖3所示的動作相位一致。但有關附在各動作相位的最後之A,B是表示A為動作相位的初期附近,B為動作相位的終了附近的狀態。圖4所示的旋轉電機是具有以相數N=3的分布捲繞電樞線圈Coil1,Coil2,Coil3所構成的電樞72,磁場71是以永久磁石所構成,該磁場71產生的磁束密度分布是顯示於圖5者。
在圖5中是顯示3個的例子(I),(Ⅱ),(Ⅲ)作為磁場71產生的磁束密度分布。例如,若以有關磁場71在圓周方向端部產生的磁束密度會至端部為止相同的方式構成磁性體,則形成如例子(I) 般,若以有關磁場71磁束密度會在圓周方向端部緩緩地變小的方式構成磁性體,則形成如例子(Ⅱ)般,若以有關磁場71磁束密度會在圓周方向端部變小的方式構成磁性體,則形成如例子(Ⅲ)般。該等是可在設想磁場71的磁性體的構成之下選擇(I)~(Ⅲ)來構成。
任一情況皆磁場的單極的磁束為使產生於電角度180°×(1-1/N)=90°以內的範圍。在圖6中是橫軸以電角度來顯示具有圖5的磁束密度分布的磁場71以一定旋轉速度來旋轉時產生於1個電樞線圈的兩端的感應電動勢的波形形狀。
利用圖7~圖9來說明具有上述說明的構造的旋轉電機以外,合適於適用在本實施例的其他的旋轉電機的詳細。在圖7中以下線所示的動作相位是與圖2及圖3所示的動作相位一致。圖7所示的旋轉電機是具有以相數N=3的集中捲繞電樞線圈Coil1,Coil2,Coil3所構成的電樞72,該磁場71產生的磁束密度分布是圖8所示者。在圖8中顯示3個的例子(I),(Ⅱ),(Ⅲ)作為磁場71產生的磁束密度分布。在任一的情況皆磁場的單極的磁束為使一定的磁束密度產生於電角度180°/N=60°以上的範圍。在圖9中是橫軸以電角度來顯示具有圖8的磁束密度分布的磁場71以一定旋轉速度旋轉時在1個電樞線圈的兩端產生的感應電動勢的波形形狀。此波形形狀是與前述圖6所示的波形形狀相同者。
其次,利用圖10~圖12來說明本實施例的各 開關元件的動作時序與各種電壓波形的關係。圖10是以橫軸時間的時間圖來表示本實施例的各開關元件的動作時序。本圖中是在圖2所定義的主要動作相位也表記。圖中,T是各自的直交變換電路的交流輸出的1週期,為同一的值。△T是從Ph1開始到Ph3開始的時間間隔,在雙方的直交變換電路使進行相似的動作時,△T=T/N。而且圖11及圖12為顯示在本圖所示的時間圖使各開關元件動作時的各電壓波形。在(I),(Ⅱ),(Ⅲ)的任一例皆可變直流電源50的輸出電壓E為控制於E=| V1 |+| V2 |+| V3 |=一定。換言之,本實施例的能量變換系統是可只藉由週期性的開關動作來將一定電壓的直流電壓變換成一定速度的旋轉機械力。而且,本系統中是在與被連接至旋轉電機的負荷的阻力矩成比例的電流流動之下自動地將旋轉速度保持於一定,因此不需要特殊的開關動作之調整。
另外,在各自的電樞線圈產生的感應電動勢的絕對值的和成為一定的是不限於舉例說明的(I),(Ⅱ),(Ⅲ)時,在具備分布捲繞電樞線圈的旋轉電機中是只要磁場的單極的磁束為使產生於電角度180°×(1-1/N)=90°以內的範圍,怎樣的磁束密度分布皆可,並且,在具備集中捲繞電樞線圈的旋轉電機中是只要磁場的單極的磁束為使一定的磁束密度產生於電角度180°/N=60°以上的範圍,怎樣的磁束密度分布皆可。
可是就(Ⅱ)及(Ⅲ)的例子而言,在產生 於電樞線圈的感應電動勢成為0的時刻,該感應電動勢的時間微分值成為0。換言之,感應電動勢成為0或接近0的值的時間與(I)的例子作比較會變長。因此,容易使在先前說明的動作相位產生開關OFF的時序,亦即從Ph2到Ph3,從Ph4到Ph5,從Ph6到Ph7,從Ph8到Ph9,從Ph10到Ph11,從Ph12到Ph1的時序配合在與該開關連接的電樞線圈產生的感應電動勢成為0或接近0的值的時間,可容易實現軟開關(soft switching)的一種的零電壓開關。當然(I)的例子的情況也可藉由精度佳控制時序來實現零電壓開關。
另外,對於本實施例,亦可使用圖13所示的磁場的極數為4極的旋轉電機或圖14所示的線性馬達。
並且,如圖38及圖39所示般適用將籠形導體75安裝於磁場71的旋轉電機時,感應電流會流動於籠形導體,而使能夠消除流動於電樞線圈的負荷電流所使產生的交流磁場,因此可抑制該負荷電流所引起之感應電動勢的變動。
在此,亦可如圖36所示般使能夠取得旋轉電機的磁場的磁束密度-電角度圖。又,亦可如圖37所示般使能夠取得旋轉電機的感應電動勢-電角度圖。
並且,作為能量變換系統,旋轉電機70是可構成為感應電動機,或純粹的發電機。
[實施例2]
利用圖15~圖17來說明有關實施例2。在圖中符號的號碼相同者基本上是與實施例1同等者。以下的實施例是以和至此說明的實施例不同的部分為中心進行說明,說明省略的部分是只要與至此說明的實施例技術上未不同,則即是相同者。
圖15是本實施例的能量變換系統的主電路構成圖,圖16是表示該能量變換系統的初期動作時的每個動作相位的各開關元件SW11,SW12,SW13,SW14,SW21,SW22,SW23,SW24,SW31,SW32,SW33,SW34的動作的表,圖17是表示本實施例的旋轉電機的初期動作的構造圖。
本實施例是圖1所示的實施例1的可變直流電源50置換成一定電壓輸出直流電源51者。旋轉電機從停止狀態到達定格旋轉速度為止的初期動作時,旋轉電機所產生的感應電動勢的絕對值的和要比直流電源51所輸出的一定電壓E0更小,因此一旦進行圖2所示的開關動作,則過大的電流會持續流動,所以產生裝置破損的情形。在初期動作時實施圖16所示的開關動作,亦即如圖16以黑框所包圍的部分顯示般,動作相位2'是取代動作相位2,將開關元件SW21,SW22,SW23,SW24全部設為OFF,動作相位4'是取代動作相位4,將開關元件SW31,SW32,SW33,SW34全部設為OFF,動作相位6'是取代動作相位6,將開關元件SW11,SW12,SW13,SW14全部設為OFF,藉此,如圖17的Phase2'所示般, 只要在電樞線圈Coil1,Coil2,Coil3的全部遮斷電流的供給,間歇性地流動電流的方式進行動作控制而使加速至定格旋轉速度,便可防止過大電流連續流動所造成裝置的破損。只要在到達定格旋轉速度之後實施圖2所示的開關動作之運轉即可。
[實施例3]
利用圖18~圖26來說明有關實施例3。圖18是本實施例的能量變換系統的主電路構成圖,圖19是表示該能量變換系統的每個動作相位的各開關元件SW11,SW12,SW13,SW14,SW21,SW22,SW23,SW24的動作的表,圖20是表示每個動作相位的電位關係式的表,圖21是表示本實施例的旋轉電機的動作的構造圖,圖22是圖21的旋轉電機的磁場的磁束密度-電角度圖,圖23是圖21的旋轉電機的感應電動勢-電角度圖,圖24是開關元件的動作-時間線圖,圖25是旋轉電機的各電樞線圈的感應電動勢-時間線圖,圖26是各電樞線圈的感應電動勢絕對值-時間線圖。
實施例1為使用三相交流,相對的,本實施例是成為使用二相交流的能量變換系統。在本實施例中也和實施例1的能量變換系統相同,可只藉由週期性的開關動作來將一定電壓的直流電壓變換成一定速度的旋轉機械力。並且,在與被連接至旋轉電機的負荷的阻力矩成比例的電流流動之下自動地將旋轉速度保持於一定,因此不需 要特殊的開關動作之調整。
[實施例4]
利用圖27來說明有關實施例4。圖27所示的本實施例的能量變換系統與實施例3的能量變換系統作比較,旋轉電機70為純粹的發電機的點,開關元件全部置換成二極體的點,控制手段2省略的點,直流電源50置換成負荷60的點不同。在將旋轉電機70設為純粹的發電機之下,系統可簡略化,且可將一定速度的旋轉機械力變換成一定電壓的直流電壓。
[實施例5]
利用圖28~圖33來說明有關實施例5。圖28是本實施例的能量變換系統的主電路構成圖,圖29是該能量變換系統的每個動作相位的各開關元件SW11,SW12,SW21,SW22,SW31,SW32,SW41,SW42,SW51,SW52,SW61,SW62的動作的表,圖30是開關元件的動作-時間線圖,圖31是本實施例的旋轉電機的構造圖,圖32是旋轉電機的各電樞線圈的感應電動勢-時間線圖,圖33是各電樞線圈的感應電動勢絕對值-時間線圖。
在圖28中,就本實施例的能量變換系統而言,以六相的電橋電路所形成的電力變換裝置100是在可變直流電源50的正側連接點a與負側連接點m之間分別 並聯6個的電橋電路,由開關元件SW11,SW12所構成的電橋電路,由開關元件SW21,SW22所構成的電橋電路,由開關元件SW31,SW32所構成的電橋電路,由開關元件SW41,SW42所構成的電橋電路,由開關元件SW51,SW52所構成的電橋電路,由開關元件SW61,SW62所構成的電橋電路。
具有產生旋轉電機70的六相的感應電動勢之6個的電樞線圈Coil1,Coil2,Coil3,Coil4,Coil5,Coil6,且端部p11與p12會被連接至電樞線圈Coil1,端部p21與p22會被連接至電樞線圈Coil2,端部p31與p32會被連接至電樞線圈Coil3,端部p41與p42會被連接至電樞線圈Coil4,端部p51與p52會被連接至電樞線圈Coil5,端部p61與p62會被連接至電樞線圈Coil6。
開關元件SW11與SW12之間的輸出入端p1是被連接至端部p62與p11之間,開關元件SW21與SW22之間的輸出入端p2是被連接至端部p12與p21之間,開關元件SW31與SW32之間的輸出入端p3是被連接至端部p22與p31之間,開關元件SW41與SW42之間的輸出入端p4是被連接至端部p32與p41之間,開關元件SW51與SW52之間的輸出入端p5是被連接至端部p42與p51之間,開關元件SW61與SW62之間的輸出入端p6是被連接至端部p52與p61之間。如此,端部p1,p2,p3,p4,p5,p6會使相的前後關係形成相同而分別直接連接至前述旋轉電機的6個的連接端。
然後圖29所示的開關動作會以圖30所示的動作時序來實施。當開關元件SW11與SW42為ON,其他的開關元件為OFF時,可變直流電源50的電力是從可變直流電源50的正側經由開關元件SW11來通過輸出入端子p1而供給至端部p61與p62之間,通過電樞線圈,而形成從端部p41與p32之間通過端部p4經由開關元件SW42回到可變直流電源50的路徑。圖29所示的其他的開關動作也同樣,可變直流電源50的電力是從可變直流電源50的正側經由該當的開關元件來供給至預定的端部間,通過電樞線圈,而形成從預定的端部間通過預定的端部經由該當的開關元件回到可變直流電源50的路徑。
旋轉電機70的詳細構造及各動作相位的狀態是圖31所示者,該磁場71產生的磁束密度分布是與顯示於圖5者相同。磁場71以一定旋轉速度旋轉時產生於1個電樞線圈的兩端的感應電動勢的波形形狀是與圖6所示者相同。
在本實施例的能量變換系統中也與實施例1相同,可只藉由週期性的開關動作來將一定電壓的直流電壓變換成一定速度的旋轉機械力。而且,在與被連接至旋轉電機的負荷的阻力矩成比例的電流流動之下自動地將旋轉速度保持於一定,因此不需要特殊的開關動作之調整。
[實施例6]
利用圖34~圖35來說明有關實施例6。圖34 是本實施例的能量變換系統的主電路構成圖,圖35是表示該能量變換系統的每個動作相位的各開關元件的動作的表。
本實施例的能量變換系統是使用線性馬達者,依然可只藉由週期性的開關動作來將一定電壓的直流電壓變換成一定速度的直線機械力。而且,在與被連接至線性馬達的負荷的阻力成比例的電流流動之下自動地將速度保持於一定,因此不需要特殊的開關動作之調整。
在以上的說明中,為了明確本發明的本質,而說明有關無電路的各開關元件,二極體的電壓降低或配線的電阻,電感,寄生電容,變壓器的激磁電感等之理想的狀態,但在實際的電路中皆大小存在。有關補償該等的電阻成分,靜電電容成分,電感成分的附加電路是以往有各種的方式為人所知,在本發明的構成中附加該等附加電路,或在同一電路拓撲結構的範圍改變主要電路,對於同業者而言容易。
2‧‧‧開關元件控制手段
11、21、31‧‧‧直交變換電路
SW11、SW12、SW13、SW14‧‧‧主開關元件
SW21、SW22、SW23、SW24‧‧‧主開關元件
SW31、SW32、SW33、SW34‧‧‧主開關元件
DI11、DI12、DI13、DI14‧‧‧二極體
DI21、DI22、DI23、DI24‧‧‧二極體
DI31、DI32、DI33、DI34‧‧‧二極體
p11、p12、p21、p22、p31、p32‧‧‧端部
Coil1、Coil2、Coil3‧‧‧電樞線圈
50‧‧‧可變直流電源
70‧‧‧旋轉電機或線性馬達
V1、V2、V3‧‧‧感應電動勢
100‧‧‧電力變換裝置
a、d、g、m‧‧‧連接點
b、c、e、f、h、k‧‧‧輸出入端

Claims (21)

  1. 一種能量變換系統,其特徵係具備:複數的變換電路,其係以具有4個半導體元件的全橋電路所形成,變換直流與交流之間;旋轉機或線性型機,其係具有互相被絕緣的複數的電樞線圈;一方側電位端子;及另一方側電位端子,前述複數的變換電路係串聯於前述一方側電位端子與前述另一方側電位端子之間,前述各自的變換電路係具有成為前述被串聯的電路的一部分的電路端子,前述各自的變換電路的電路端子係直接或經由變壓器來連接至所對應的前述電樞線圈,以前述一方側電位端子與另一方側電位端子的電壓能夠成為一定的方式,調整前述電樞線圈的輸出電壓,或,以各自的變換電路的電路端子的輸出電壓的大小的和能夠與前述一定電壓相等的方式,分割被施加於前述一方側電位端子及另一方側電位端子的一定電壓,而輸出至前述電樞線圈,使前述變換電路動作。
  2. 如申請專利範圍第1項之能量變換系統,其中,當前述旋轉機或線性型機以一定速度運動時,使前述複數的電樞線圈產生各自的絕對值的和成為一定的感應電動勢。
  3. 如申請專利範圍第2項之能量變換系統,其中,當 前述旋轉機或線性型機具有2以上的相數N的分布捲繞電樞線圈時,前述旋轉機或線性型機的磁場的單極的磁束係使產生於電角度180°×(1-1/N)以內的範圍。
  4. 如申請專利範圍第2項之能量變換系統,其中,當前述旋轉機或線性型機具有2以上的相數N的集中捲繞電樞線圈時,前述旋轉機或線性型機的磁場的單極的磁束係使一定的磁束密度產生於電角度180°/N以上的範圍。
  5. 一種能量變換系統,其特徵係具備旋轉機或線性馬達,該等旋轉機或線性馬達係具有:複數的直交變換電路,其係以具有4個開關元件的全橋電路所形成,在直流與交流之間變換;及互相被絕緣的複數的電樞線圈,複數的前述直交變換電路的直流輸出入端係分別串聯,交流輸出入端係分別直接或經由變壓器來連接至前述旋轉電機或線性馬達的互相被絕緣的複數的電樞線圈,前述直交變換電路的前述開關元件的ON及OFF的切換時,形成4個前述開關元件之中3個以上成為ON那樣的相位。
  6. 如申請專利範圍第5項之能量變換系統,其中,當前述旋轉機或線性馬達以一定速度運動時,前述複數的電樞線圈係使產生各自的絕對值的和成為一定的感應電動勢。
  7. 如申請專利範圍第6項之能量變換系統,其中,當 前述旋轉機或線性馬達具有2以上的相數N的分布捲繞電樞線圈時,前述旋轉電機或線性馬達的磁場的單極的磁束係使產生於電角度180°×(1-1/N)以內的範圍。
  8. 如申請專利範圍第6項之能量變換系統,其中,當前述旋轉機或線性馬達具有2以上的相數N的集中捲繞電樞線圈時,前述旋轉電機或線性馬達的磁場的單極的磁束係使一定的磁束密度產生於電角度180°/N以上的範圍。
  9. 如申請專利範圍第5項之能量變換系統,其中,使產生於前述電樞線圈的感應電動勢成為0的時刻,該感應電動勢的時間微分值成為0。
  10. 一種能量變換系統,其特徵係具備旋轉電機或線性馬達,該等旋轉電機或線性馬達係具有:以2×N相(N為2以上)的全橋電路所形成之直交變換電路,及輸出2×N相的交流之2×N個的電樞線圈,各電樞線圈的端部係與和該電樞線圈的相前後的相的電樞線圈的端部連接而具有2×N個的連接端,前述直交變換電路的2×N個的交流輸出入端係使相的前後關係形成相同而分別直接或經由變壓器來連接至前述旋轉電機的2×N個的連接端。
  11. 如申請專利範圍第10項之能量變換系統,其中,形成:某一相的高壓側開關元件與從該相偏離N相的相的低壓側開關元件同時成為ON,除此以外的開關元件成為OFF的相位,作為前述直交變換電路的前述開關元件的ON與OFF的動作相位。
  12. 如申請專利範圍第10項之能量變換系統,其中,前述旋轉電機或線性馬達以一定速度運動時,鄰接的任意的N個的電樞線圈產生的感應電動勢的絕對值的和為一定。
  13. 如申請專利範圍第10項之能量變換系統,其中,當前述旋轉電機或線性馬達具有相數2×N的分布捲繞電樞線圈時,前述旋轉電機或線性馬達的磁場的單極的磁束係使產生於電角度180°×(1-1/N)以內的範圍。
  14. 如申請專利範圍第10項之能量變換系統,其中,當前述旋轉電機或線性馬達具有相數2×N的集中捲繞電樞線圈時,前述旋轉電機或線性馬達的磁場的單極的磁束係使一定的磁束密度產生於電角度180°/N以上的範圍。
  15. 如申請專利範圍第10項之能量變換系統,其中,在前述電樞線圈產生的感應電動勢成為0的時刻,該感應電動勢的時間微分值成為0。
  16. 一種能量變換系統,其特徵係具備線性馬達,該線性馬達係具有:串聯2個的開關元件,並聯(M+1)個以該連接端作為交流輸出入端的單位電路而形成之直交變換電路,及M個的電樞線圈,且連接鄰接的電樞線圈的端部的結果具有(M+1)個的連接端,前述直交變換電路的(M+1)個的交流輸出入端係使相的前後關係形成相同而分別直接或經由變壓器來連接至前述線性馬達的(M+1)個的連接端, M≧2×N(N為2以上)。
  17. 如申請專利範圍第16項之能量變換系統,其中,形成:某單位電路的高壓側開關元件,及從該單位電路偏離N個(N為2以上)的單位電路的低壓側開關元件,及從前述單位電路偏離2×N個的單位電路的高壓側開關元件,及從前述單位電路偏離3×N個的單位電路的低壓側開關元件同時成為ON,除此以外的開關元件成為OFF的相位,作為前述直交變換電路的前述開關元件的ON與OFF的動作相位。
  18. 如申請專利範圍第16項之能量變換系統,其中,前述線性馬達以一定速度運動時,鄰接的任意的N個的電樞線圈產生的感應電動勢的絕對值的和為一定。
  19. 如申請專利範圍第16項之能量變換系統,其中,當前述線性馬達具有分布捲繞電樞線圈時,前述線性馬達的磁場的單極的磁束係使產生於電角度180°×(1-1/N)以內的範圍。
  20. 如申請專利範圍第16項之能量變換系統,其中,當前述線性馬達具有集中捲繞電樞線圈時,前述線性馬達的磁場的單極的磁束係使一定的磁束密度產生於電角度180°/N以上的範圍。
  21. 如申請專利範圍第16項之能量變換系統,其中,在前述電樞線圈產生的感應電動勢成為0的時刻,該感應電動勢的時間微分值成為0。
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