WO2017183735A1 - 定電流制御によるスイッチドリラクタンスモータ装置 - Google Patents

定電流制御によるスイッチドリラクタンスモータ装置 Download PDF

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constant current
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允 田仲
千津子 寺内
美香 田村
Original Assignee
Ｋａｉｓｅｉモータ株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/08—Reluctance motors

Definitions

  • the present invention relates to a switched reluctance motor device by constant current control.
  • a switched reluctance motor (hereinafter referred to as an SR motor) includes a stator having a plurality of exciting coils and a rotor made of a magnetic material that can rotate relative to the stator, and the stator coil.
  • the rotor is driven to rotate by a magnetic attraction generated by supplying an electric current to the rotor according to the position of the rotor.
  • SR motors are attracting attention because they are smaller and more efficient than AC motors and do not require permanent magnets.
  • an excitation control switch for exciting each of the three-phase stator coils a regeneration control switch for regenerating electrical energy in the coils, and two high-speed diodes for each phase are used.
  • a regenerative loop or a power generation loop to regenerate the electrical energy of the exciting coil to the power source (see, for example, Japanese Patent No. 577857).
  • the SR motor shown in Patent Document 1 is a motor driven by a constant voltage power source, and in order to use the regenerated electric energy for the other coil, the electric energy is supplied to the charging / discharging capacitor in series with the power source. It is regenerating. For this reason, a switch for regenerating electrical energy is separately provided in the charge / discharge capacitor separately from the switch for controlling the current supply to the coil. For this reason, the circuit loss of electric power is large, and the further efficiency improvement is calculated
  • the regenerative loop is configured by an excitation coil and two high-speed diodes when both the excitation control switch and the regeneration control switch are off, When the number of rotations of the rotor is high and a predetermined current or more is flowing, regeneration (power generation) is possible, but regeneration (power generation) is not possible until the rotor stops rotating.
  • the present invention solves the above-described problems, and provides a switched reluctance motor device by constant current control that can improve efficiency by reducing circuit loss of power and can regenerate (power generation) until the rotor stops rotating.
  • the purpose is to provide.
  • the present invention provides a motor having a rotor made of a magnetic material and a stator around which coils for excitation are provided so as to face the rotor in the circumferential direction.
  • a constant current power source for supplying a constant current from a battery or a capacitor to the motor;
  • a commutation circuit that drives and regenerates a motor by sequentially supplying and shutting off the current supplied from the constant current power source to the coils of each phase at a predetermined timing based on various detection signals and command signals, and performing a commutation operation.
  • the commutation circuit is connected from a connection point between a switch for supplying and interrupting current to the coils of each phase and a negative electrode side of the coils of each phase and the switch toward a positive electrode terminal side of the constant current power source.
  • a recovery diode, and The coils of each phase are connected via a switch of the commutation circuit between a positive electrode side terminal and a negative electrode side terminal of the constant current power source, the switch is provided only on the negative electrode side of the coil,
  • the commutation circuit collects and recycles the residual magnetic energy of the coil when the motor is driven and regeneratively by superimposing it on the next excited coil through the recovery diode, and at the time of regeneration, supplies current to the coil.
  • a switched reluctance motor device by constant current control, wherein the stored magnetic energy amplified by the speed electromotive force is commutated so as to charge the battery or the capacitor.
  • the open / close switch for supplying and cutting off the current to the coil is provided on only the negative side of the coil, the open / close switch is provided on only the negative side of the coil.
  • the open / close switch is provided on only the negative side of the coil.
  • the circuit block diagram of the SR motor apparatus which concerns on one Embodiment of this invention.
  • (A) is a figure which shows the structure of the motor of the SR motor apparatus.
  • (A) is a timing diagram of switch opening and closing control during driving in the SR motor device,
  • (b) is a timing diagram of switch opening and closing control during regeneration.
  • (A) is a figure explaining the operation
  • (b) is a figure explaining the flow of the electric current at the time of the motor drive.
  • movement at the time of motor regeneration of the SR motor apparatus of (a), (b) is the figure explaining the flow of the electric current at the time of the motor regeneration.
  • FIG. 1 shows a circuit configuration of the SR motor device 100.
  • the SR motor device 100 includes a constant current power source 10, a commutation circuit 20 to which power is supplied from the constant current power source 10, and an SR motor 30 (hereinafter referred to as a motor).
  • the constant current power source 10 has a built-in constant current control system and outputs a DC constant current having a value corresponding to a command given from the outside.
  • a battery 10 ⁇ / b> B (or capacitor) such as a lithium ion battery as a DC power supply is provided in parallel to the constant current power supply 10.
  • the commutation circuit 20 supplies the current to the coils 32 of the respective phases of the motor 30 by switches SA, SB, SC, and the connection point between the negative side of the coils 32 of each phase and the switches SA, SB, SC. And recovery diodes D1, D2, and D3 connected toward the positive terminal of the constant current power source 10.
  • the commutation circuit 20 also includes a commutation control circuit 61 that controls opening and closing of the switches SA, SB, and SC.
  • the recovery diodes D1, D2, and D3 are for recovering residual magnetic energy (details will be described later) of the exciting coil.
  • the motor 30 has a three-phase (A-phase, B-phase, C-phase) coil 32 as a multi-phase coil for stator excitation in this example.
  • a plurality of the coils 32 of each phase are provided in a parallel relationship (also possible in a serial relationship), and each of the plurality of convex magnetic poles provided in the circumferential direction of the stator is sequentially and repeatedly wound.
  • the stator magnetic poles are sequentially excited by a DC constant current switched and supplied to the coils 32 of each phase at a predetermined timing, a rotating magnetic field is formed, and a rotor made of a magnetic material is attracted to the stator 32 to rotate.
  • the coils 32 of each phase are connected between the positive electrode side terminal and the negative electrode side terminal of the constant current power supply 10 via switches SA, SB, SC arranged on the negative electrode side.
  • switches SA, SB and SC semiconductor switching elements made of silicon carbide or the like may be used.
  • the commutation control circuit 61 controls the opening / closing of the switches SA, SB, SC of the commutation circuit 20 at a predetermined timing based on various detection signals and command signals, and supplies a constant current power source to each phase coil 32 of the motor 30.
  • the DC constant current from 10 is sequentially switched to a DC square waveform to supply and shut off. Thereby, the motor 30 is driven and regenerated.
  • the switches SA, SB, and SC have a low-side cutting type configuration that is provided only on the negative electrode side of the coil 32.
  • the commutation circuit 20 collects and recycles the residual magnetic energy of the exciting coil by superimposing it on the next excited coil through the recovery diodes D1, D2, and D3 when the motor is driven and regenerated, and at the time of regeneration.
  • a commutation operation is performed so as to charge the battery 10B or the capacitor with the current supplied to the exciting coil and the residual magnetic energy.
  • the constant current power supply 10 incorporates a known constant current circuit (not shown), and further includes a charging diode D4 that allows current to flow from the negative terminal side to the positive terminal side.
  • the constant current power supply 10 passes through the charging diode D ⁇ b> 4, the current supplied to the coil of the motor 30, and the current due to the accumulated magnetic energy obtained by amplifying the residual magnetic energy of the coil by the speed electromotive force.
  • a regenerative switch KS that is closed and controlled during regeneration is provided in series with the charging diode D4.
  • a current sensor 7 for detecting a coil current is provided in series with the coil 32 of the motor 30.
  • the current sensor 7 may be provided in each phase coil.
  • the commutation control circuit 61 receives, in addition to the detection signal of the current sensor 7, angular position information of the rotor, a control command, and the like, and outputs a switch opening / closing operation command.
  • the commutation control circuit 61 is based on the angular position information (detected by the angular position detector provided in the motor 30) representing the relative angular position of the rotor 33 with respect to the stator 1, and the commutation circuit 20
  • the operation signals for turning on / off the switches SA, SB, SC corresponding to the respective phases are output.
  • the commutation control circuit 61 sets the output timing of the operation signal to an electrical angle of 120 degrees (three-phase) from the timing at the time of driving. Switch to the timing shifted by the rotation time. This electrical angle is appropriately set according to the number of phases of the exciting coil.
  • the commutation control circuit 61 switches the internal circuit of the constant current power supply 10 or the commutation circuit 20 according to the input operation command.
  • the battery 10B can be charged with the residual magnetic energy of the coil during regeneration.
  • a current flows from the positive electrode of the battery 10B to the coil through the constant current power supply 10 and the commutation circuit 20, and this current returns to the negative electrode of the battery 10B.
  • the stator magnetic poles are excited by energization of the coils, whereby the rotor is attracted and rotated. During regenerative braking, the rotor rotates with external force.
  • the switching SA to SC perform constant current control by PWM control, and a phase-shifted current flows from the positive electrode of the battery 10B through the constant current power source 10 to the stator coil to excite the coil.
  • the magnetic flux generated in the stator 31 pulls the rotor 33 rotating by an external force backward.
  • the rotor 33 cuts the magnetic flux, accumulated magnetic energy is generated in the coil as a speed electromotive force.
  • control charging of the battery 10B that is, control of power regeneration.
  • the power regeneration can be performed until the motor is stopped by flowing a current corresponding to the internal loss of the motor coil.
  • FIG. 2 shows a configuration of the motor 30 according to the embodiment.
  • the motor 30 includes a stator 31 and a rotor 33, and the stator 31 is formed of a laminated steel plate and is provided so as to surround the rotor 33.
  • the rotor 33 is formed of a laminated steel plate, is fixed to a rotation shaft (not shown), and the rotation shaft is rotatably supported by a bearing.
  • the rotor 33 may be provided so as to face the outer periphery of the stator 31.
  • the rotational angular position of the rotary shaft is detected by an angular position detector (not shown).
  • a coil is wound around each of the magnetic poles 311 to 322. The coil is not shown.
  • a predetermined magnetic gap is formed between the tips of the magnetic poles 311 to 322 of the stator 31 and the tips of the convex poles 331 to 334 of the rotor 33.
  • (A) shows the timing at the time of motor drive
  • (b) shows the timing at the time of regeneration.
  • the constant current control circuit 61 controls the switches SA, SB, and SC so that current is sequentially supplied to the coils of each phase with a 120-degree electrical angle of the rotor.
  • the switch opening / closing operation is in the order of A phase, B phase, and C phase.
  • the electrical angle of the square wave DC constant current waveform is shifted by 120 degrees with respect to that during driving.
  • FIG. 4 shows a current waveform during a period from when the coil current of each phase is turned on to when it is turned off.
  • t1, t2, and t3 are commutation timings.
  • the circuits are switched by the switching operations of the switches SA, SB, and SC in the commutation circuit 20, and as a result, a square wave DC constant current flows sequentially through the coils of each phase.
  • the cycle of the on / off operation of the current flowing through the coils of each phase is performed at the square wave fundamental frequency f.
  • commutation equivalent frequency f 0 is a concept that is dependent on the speed of the current switching in the commutation circuit 20, suitable value is selected in the range of f ⁇ f 0.
  • a phase excitation will be described as a representative.
  • the position indicated as “excitation start” in FIG. 5A is the tip of the rotor salient poles (1, 2, 3, 4) in the rotational direction. It is a position close to the upstream end point of the magnetic pole (1A-4A).
  • the switch SA is on, and the switches SB and SC are off.
  • the residual magnetic energy of the C phase coil flows to the A phase coil through the diode D3.
  • the residual magnetic energy is collected and reused by being superimposed on the coil of the next phase at the time of commutation both when the motor is driven and during regeneration (power generation).
  • the magnetic poles of the respective phases of the stator 31 are sequentially excited, whereby the convex poles of the rotor 31 are attracted and torque is generated in the forward direction.
  • the width in the rotation direction of each convex pole of the rotor 31 is set larger than the width in the rotation direction of each magnetic pole of the stator 33 (for example, 1.25 times), and the entire width of the excitation pole faces the convex pole.
  • the current flow at the time of A-phase excitation flows to the negative electrode side of the constant current power supply 10 through the A-phase coil together with the supply excitation current, as indicated by the arrow in FIG. 5B.
  • B phase excitation it flows to the negative electrode side of the constant current power source 10 through the B phase coil together with the supply excitation current.
  • the A phase residual magnetic energy flows to the B phase coil.
  • C-phase excitation it flows through the C-phase coil together with the supply excitation current and flows to the negative side of the constant current power source 10.
  • the B phase residual magnetic energy flows to the C phase coil.
  • the convex poles 1-4 correspond to the convex poles 331-334.
  • the SR motor device 100 operates as a generator during the regenerative operation by the commutation circuit 10 and amplifies the residual magnetic energy.
  • Ea + ⁇ I power (watts) and an A-phase, B-phase, or C-phase exciting coil (resistance R power I 2 ⁇ R by the current I through) (watts) is supplied from the constant current source 10.
  • Ea + ⁇ I power (watts) is a mechanical output
  • I 2 R power (watts) is a loss.
  • Ea is generated in the motor 30, mechanical power is, Ea - is converted into electric power ⁇ I power (watts) and I 2 R, I 2 R power (watts ) Is the loss. Ea ⁇ ⁇ I power (watts) is recovered by the constant current power supply 10 (regeneration).
  • the speed electromotive force Ea is switched between positive and negative during driving and regenerative braking, so the commutation circuit 20 flows through the coil under the control of the commutation control circuit 61. Just by shifting the phase of the DC constant current square wave by 120 degrees (electrical angle), power is automatically supplied and regenerated.
  • Table 1 shows the open / close modes of the switches SA, SB, SC of each phase and the states of the recovery diodes D1, D2, D3 during driving by constant current control.
  • the regeneration switch KS is turned off.
  • the switches SA, SB, and SC generate a DC constant current square wave having an electrical angle width of 120 degrees.
  • Table 2 shows the open / close modes of the switches SA, SB, SC of each phase and the states of the recovery diodes D1, D2, D3 during regeneration and power generation by constant current control.
  • the regeneration switch KS is turned on. It is charged by the accumulated electromagnetic energy by the speed electromotive force.
  • the excitation timing is shifted by 120 degrees between driving and regeneration / power generation.
  • Table 3 shows the switching modes of the switches SA, SB, SC of each phase and the states of the recovery diodes D1, D2, D3 during commutation by constant current control. At the time of commutation (both driving and regeneration), the residual magnetic energy is superimposed on the next phase and recovered and reused.
  • the switch for controlling the coil current is compared with a double-cut type in which a switch for controlling the coil current is provided on the positive electrode side and the negative electrode side of the coil.
  • the phenomenon that current due to inductance cannot flow can be avoided. Therefore, the residual magnetic energy of the coil at the time of commutation can be recovered and reused for the excitation coil of the next phase, a large drive current can be obtained by the amplification action, the supply current from the power source can be reduced, and the power circuit loss can be reduced. As a result, efficiency can be improved.
  • the double-cut type configuration it takes time to rise due to the inductance of the coil, and a phenomenon in which no current can flow occurs.
  • the excitation current rises to eliminate the state of zero current and can be maintained at a large current level. For this reason, torque ripple is reduced.
  • the current level can be arbitrarily controlled by switch control.
  • the excitation current to the motor coil is 5 A, and the output current is about 10 times the input current.
  • the reason why a drive current higher than the supply current is obtained in this way is as follows. (1) A constant current. In addition, since a voltage rises for every commutation at a constant voltage, the breakdown voltage of the switch element becomes a problem. (2) The constant-voltage half-bridge has two switches (in series) for each phase, whereas the constant-current low-side switch of the present invention has one switch for each phase. Therefore, a large current level can be maintained.
  • FIG. 7 shows a specific circuit example of a low-side cut motor device.
  • This example is a case where there is one current sensor 7.
  • This motor device includes coils LA, LB, and LC for each phase of the motor, switches SA, SB, and SC that form a commutation circuit 20 connected to the negative side of each coil, and recovery diodes D1, D2, and D3,
  • a constant current power supply 10 and a constant current control circuit 61 are provided.
  • the constant current power supply 10 is shown with a + terminal and a ⁇ terminal, and details are omitted, but a charging diode for flowing a current in the direction of charging the battery 10B connected to the + terminal and the ⁇ terminal at the time of regeneration is built in. To do.
  • the constant current control circuit 61 includes a CPU for controlling commutation of the switches SA, SB, and SC, and includes a PWM circuit and a selector that selects an excitation phase.
  • the constant current control circuit 61 receives a signal from the angular position detector 309 of the rotor and an accelerator / brake command signal.
  • the current sensor 7 may be inserted in series with each of the coils LA, LB, and LC. In addition, it is desirable to provide a circuit for preventing overcharging of the battery 10B and to cut off the current in the charging direction when the battery is overcharged.
  • the constant current control circuit 61 performs PWM control on the switches SA, SB, and SC of the commutation circuit 20 in accordance with the coil current (residual magnetic energy) detected by the current sensor 7, and from the constant current power supply 10.
  • the current value is controlled at a constant current.
  • the rotation speed that is, the speed of the motor can be controlled.
  • commutation timing signals at the time of driving and regeneration are output according to the position of the rotor detected by the angular position detector 309.
  • the residual magnetic energy of the exciting coil at the time of commutation is recovered and reused by being superimposed on the coil of the next exciting phase through the recovery diodes D1, D2, and D3.
  • the present invention is not limited to the configuration of the above embodiment, and can be variously modified.
  • a capacitor may be used instead of the battery 10B, or both may be provided in parallel.
  • the regenerative switch KS that is controlled to be closed at the time of regeneration is provided in series with the charging diode D4 is shown.
  • the regenerative switch KS can be omitted.

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Abstract

定電流制御によるスイッチドリラクタンスモータ装置において、電力の回路損失を少なくして効率改善を図り、また、回転子の回転停止まで回生（発電）できるものとする。モータ装置は、モータのコイルに流れる電流を定電流電源１０からの電流を供給・遮断して定電流制御する転流回路２０を備え、転流回路２０は、各相のコイル３２に電流を供給、遮断するスイッチと、各相のコイルの負極側とスイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣとの接続点から定電流電源１０の正極端子側に向けて接続された回収ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３とを備え、各相のコイルは、定電流電源１０の正極側端子と負極側端子との間にスイッチを介して接続され、スイッチはコイルの負極側にのみ備えられ、転流回路２０は、モータ駆動時及び回生時に、コイルの残留磁気エネルギーを、回収ダイオードを通して次に励磁されるコイルに重畳して回収再利用し、かつ、回生時にはコイルへの供給電流及び残留磁気エネルギーをバッテリー１０Ｂ又はキャパシタに充電するように、転流動作させる。

Description

定電流制御によるスイッチドリラクタンスモータ装置
　本発明は、定電流制御によるスイッチドリラクタンスモータ装置に関する。
　スイッチドリラクタンスモータ（以下、ＳＲモータという）は、複数の励磁用のコイルを持つ固定子と、固定子に対して相対的に回転可能な磁性体から成る回転子とを備え、固定子のコイルに回転子の位置に応じて電流を供給することで生じる磁気吸引力によって回転子を回転駆動させる。ＳＲモータは、交流モータよりも小型かつ高効率であり、かつ、永久磁石を必要としないことから注目されている。
　ところが、ＳＲモータは、１つの相のコイルへの通電を次の相のコイルへの通電に切り換える転流動作時に、残留磁気エネルギーが回転子にブレーキとして作用して、振動、騒音を発生しやすい。こうしたＳＲモータにおいて、モータの加速、減速時に、一方のコイルに残留している電気エネルギーを回生し、この回生した電気エネルギーを他方のコイルに利用し、電力効率の向上を図ることが知られている（例えば、特開２０１４−１３１４６５号公報参照）。
　また、ＳＲモータにおいて、３相の固定子コイルを各々励磁するための励磁制御用スイッチと、コイル内の電気エネルギーを回生するための回生制御用スイッチと、各相について２つの高速ダイオードとを用いて、回生ループや発電ループを形成して、励磁コイルが有する電気エネルギーを電源に回生することが提案されている（例えば、特許５７７１８５７号公報参照）。
　ところが、特許文献１に示されるＳＲモータは、定電圧電源によるモータ駆動であって、回生した電気エネルギーを他方のコイルに利用するために、電源と直列関係にある充放電用コンデンサに電気エネルギーを回生している。そのため、コイルへの電流供給を制御するスイッチとは別に、充放電用コンデンサに電気エネルギーを回生するためのスイッチを別個に設けている。このため、電力の回路損失が大きく、更なる効率改善が求められる。
　また、特許文献２に示されるＳＲモータにおいては、回生ループは、励磁制御用スイッチ回生制御用スイッチがともにオフのときに、励磁コイルと２つの高速ダイオードとにより形成される構成であって、回転子の回転数が高くて所定の電流以上が流れている時は回生（発電）できるが、回転子の回転停止まで回生（発電）できるものではない。
　本発明は、上記課題を解決するものであり、電力の回路損失を少なくして効率改善を図り、また、回転子の回転停止まで回生（発電）できる、定電流制御によるスイッチドリラクタンスモータ装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明は、磁性体から成る回転子、及び前記回転子に周方向に対向して設けられた励磁用の各相のコイルが巻かれた固定子を有したモータと、
　バッテリー又はキャパシタから前記モータに定電流を供給する定電流電源と、
　各種検出信号や指令信号に基づいて所定のタイミングで前記定電流電源から供給される電流を前記各相のコイルに順次に供給、遮断して転流動作させることによりモータ駆動及び回生させる転流回路と、を備え、
　前記転流回路は、前記各相のコイルに電流を供給、遮断するスイッチと、前記各相のコイルの負極側と前記スイッチとの接続点から前記定電流電源の正極端子側に向けて接続された回収ダイオードと、を備え、
　前記各相のコイルは、前記定電流電源の正極側端子と負極側端子との間に前記転流回路のスイッチを介して接続され、前記スイッチは前記コイルの負極側にのみ備えられ、
　前記転流回路は、モータ駆動時及び回生時に、前記コイルの残留磁気エネルギーを、前記回収ダイオードを通して次に励磁されるコイルに重畳して回収再利用し、かつ、回生時には前記コイルへの供給電流及び速度起電力により増幅された蓄積磁気エネルギーをバッテリー又はキャパシタに充電するように転流動作させる、ことを特徴とする定電流制御によるスイッチドリラクタンスモータ装置である。
　本発明によれば、コイルへの電流を供給、遮断する開閉スイッチがコイルの負極側にのみ備えられたローサイド切り構成であるため、開閉スイッチがコイルの両極側に備えられた両切り構成に較べ、転流時に、コイルのインダクタンスによる電流を流せなく現象を回避でき、電流増幅作用が得られ、定電流電源からの供給電流以上の大きな電流がコイルに流れ、モータ出力が得られる。また、電力の回路損失も少なく、効率改善が可能となる。また、構成も簡単で駆動トルクの脈動も少なくなり、振動は低減される。また、モータ停止まで電力回生が可能となる。
本発明の一実施形態に係るＳＲモータ装置の回路構成図。 （ａ）は同ＳＲモータ装置のモータの構成を示す図。 （ａ）は同ＳＲモータ装置における駆動時のスイッチの開閉制御のタイミング図、（ｂ）は回生時のスイッチの開閉制御のタイミング図。 同ＳＲモータ装置における転流回路による転流動作のタンムチャート図。 （ａ）は同ＳＲモータ装置のモータ駆動時の動作を説明する図、（ｂ）は同モータ駆動時の電流の流れを説明する図。 （ａ）の同ＳＲモータ装置のモータ回生時の動作を説明する図、（ｂ）は同モータ回生時の電流の流れを説明する図。 ローサイド切り式のモータ装置の具体回路図。
（ＳＲモータ装置）
　本発明の一実施形態に係る、定電流制御によるスイッチドリタクタンスモータ（以下、ＳＲモータという）装置について図面を参照して説明する。図１はＳＲモータ装置１００の回路構成を示す。ＳＲモータ装置１００は、定電流電源１０と、定電流電源１０から電力が供給される転流回路２０と、ＳＲモータ３０（以下、モータという）とを備える。定電流電源１０は、定電流制御系を内蔵し、外部から与えられる指令に応じた値の直流定電流を出力する。本実施形態では、直流電源としてのリチウムイオン電池等のバッテリー１０Ｂ（又はキャパシタ）が定電流電源１０に並列に設けられている。
　転流回路２０は、モータ３０の各相のコイル３２に電流を供給、遮断するスイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣと、各相のコイル３２の負極側と各スイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣとの接続点から定電流電源１０の正極端子側に向けて接続された回収ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３と、を備える。転流回路２０は、スイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣを開閉制御する転流制御回路６１をも含む。回収ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３は、励磁コイルの残留磁気エネルギー（詳細は後述）を回収するためのものである。
　モータ３０は、本例では固定子励磁用の多相コイルとして、３相（Ａ相、Ｂ相、Ｃ相）のコイル３２を持つ。これら各相のコイル３２は、複数個が並列関係（直列関係でも可能）に備えられ、固定子の周方向に設けられた複数の凸形状の磁極の３つ毎に順次繰り返し巻回されている。各相のコイル３２に所定のタイミングで切換え供給される直流定電流によって固定子磁極が順次励磁され、回転磁界が形成され、それに磁性体で成る回転子が吸引されることで回転する。各相のコイル３２は、定電流電源１０の正極側端子と負極側端子との間に、負極側に配されたスイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣを介して接続されている。これらスイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣには、シリコンカーバイト等で成る半導体スイッチング素子を用いればよい。
　転流制御回路６１は、各種検出信号や指令信号に基づいて所定のタイミングで、転流回路２０のスイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣの開閉を制御し、モータ３０の各相のコイル３２に定電流電源１０からの直流定電流を直流方形波形に順次に切換え供給、遮断する。それによりモータ３０を駆動及び回生させる。スイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣはコイル３２の負極側にのみ備えられたローサイド切り式の構成とされている。また、転流回路２０は、モータ駆動時及び回生時に、励磁コイルの残留磁気エネルギーを、回収ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３を通して次に励磁されるコイルに重畳して回収再利用し、かつ、回生時には励磁コイルへの供給電流及び残留磁気エネルギーをバッテリー１０Ｂ又はキャパシタに充電するように転流動作させる。
　定電流電源１０は、周知の定電流回路（図示省く）を内蔵し、さらに、負極側端子側から正極側端子側に電流を流す充電用ダイオードＤ４を備えている。定電流電源１０は、転流回路１０による回生動作時に、充電用ダイオードＤ４を通して、モータ３０のコイルへの供給電流、及び、コイルの残留磁気エネルギーが速度起電力により増幅された蓄積磁気エネルギーによる電流を、バッテリー１０を充電する方向に流す。また、本例では、充電用ダイオードＤ４と直列に、回生時に閉制御される回生スイッチＫＳを備えている。また、モータ３０のコイル３２と直列に、コイル電流を検知するための電流センサ７が設けられている。電流センサ７は各相コイルに設けられていてもよい。転流制御回路６１は、電流センサ７の検出信号のほか、回転子の角度位置情報、制御指令等が入力され、スイッチの開閉動作指令を出力する。
（ＳＲモータ装置の転流制御について）
　転流制御回路６１は、回転子３３の固定子１に対する相対的な角度位置を表す角度位置情報（モータ３０に設けられた角度位置検出器により検出される）に基づいて、転流回路２０内の各相に対応するスイッチＳＡ、ＳＢ、ＳＣをオン、オフさせるための動作信号を出力する。また、転流制御回路６１は、駆動指令に代えて回生・制動指令が入力されると、前記動作信号の出力タイミングを、駆動時のタイミングから、回転子３３が電気角１２０度（３相の場合）に対応する角度を回転する時間だけシフトしたタイミングに切り換える。この電気角は、励磁コイルの相数等に応じて適宜設定される。
　転流制御回路６１は、入力される動作指令に応じて定電流電源１０の内部回路又は転流回路２０を切換える。これにより、回生時にコイルの残留磁気エネルギーでもってバッテリー１０Ｂを充電できる。駆動時、バッテリー１０Ｂの正極より定電流電源１０及び転流回路２０を通してコイルに電流が流れ、この電流はバッテリー１０Ｂの負極に戻る。コイルへの通電により固定子磁極が励磁され、それにより回転子が吸引され回転する。回生制動時には、回転子は外部の力で回転している。スイチングＳＡ~ＳＣはＰＷＭ制御により定電流制御し、バッテリー１０Ｂの正極より定電流電源１０を通して位相シフトされた電流を固定子のコイルに流し、コイルを励磁する。それにより固定子３１に発生する磁束は、外力で回っている回転子３３を後ろに引っ張る。このとき、回転子３３が磁束を切ることにより、コイルに速度起電力として蓄積磁気エネルギーが発生する。ＰＷＭ制御のデユーテイ比を制御することにより、バッテリー１０Ｂに充電制御つまり電力回生の制御が可能となる。電力回生は、モータコイルの内部損出分の電流を流すことでモータ停止まで可能となる。
（モータ構成）
　図２は、一実施形態に係るモータ３０の構成を示す。モータ３０は、固定子３１と回転子３３とを備え、固定子３１は、積層鋼鈑にて形成され、回転子３３を囲むように設けられている。回転子３３は、積層鋼鈑にて形成され、不図示の回転軸に固定され、回転軸は回転自在に軸受に支持されている。回転子３３が固定子３１の外周に対向して設けられた構成であってもよい。回転軸の回転角度位置は、不図示の角度位置検出器により検出される。固定子３１は、円周上に等角度間隔にて配列された６ｎ個（ｎは２以上の整数、本例ではｎ＝２）の磁極３１１~３２２を備えている。それら磁極３１１~３２２の各々にはコイルが巻回されている。コイルは図示を省いている。回転子３３は、円周上に等間隔に並ぶ２ｎ個（ｎは２以上の整数、本例ではｎ＝２）の凸極３３１~３３４を備えている。固定子３１の磁極３１１~３２２の先端部と回転子３３の凸極３３１~３３４の先端との間には所定の磁気ギャップが形成されている。
　次に、図３（ａ）（ｂ）を参照して、定電流制御回路６１による転流回路２０のスイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣの開閉制御を説明する。（ａ）はモータ駆動時のタイミングを示し、（ｂ）は回生時のタイミングを示す。定電流制御回路６１は、回転子の電気角１２０度幅で各相のコイルに順次、電流が供給されるようにスイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣを制御する。駆動時、回生制動時のいずれにおいてもスイッチの開閉動作をＡ相、Ｂ相、Ｃ相の順とする。回生時は、駆動時に対して方形波直流定電流波形の電気角を１２０度シフトさせる。
　図４を参照して、転流回路２０による転流動作を説明する。図４は、各相のコイルの電流がオンしてからオフになるまでの期間の電流波形を示す。同図において、ｔ１，ｔ２，ｔ３は転流タイミングである。転流回路２０におけるスイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣの開閉動作により回路が切り換えられ、その結果、各相のコイルに方形波直流定電流が順次流れる。各相のコイルを流れる電流のオン・オフ動作の周期は、方形波基本周波数ｆで行なわれる。一相のコイルの電流がオンすると共に前の相のコイルの電流がオフする転流過渡期間における電流の立ち上り、立ち下りは、転流等価周波数ｆ０で行われる。方形波基本周波数ｆは、モータ３０における励磁コイル極数Ｐと回転速度Ｎ（毎秒）に依存し、ｆ＝Ｐ／２×Ｎにより表される。転流等価周波数ｆ０は、転流回路２０における電流切換の速さに依存した概念であって、ｆ＜ｆ０の範囲で適値が選択される。
（モータ駆動時の動作）
　次に、図５（ａ）（ｂ）を参照して、ＳＲモータ装置１００のモータ駆動時の動作と電流の流れを説明する。モータ駆動時は、固定子３１のＡ相の磁極（１Ａ，２Ａ，３Ａ，４Ａ）、Ｂ相の磁極（１Ｂ，２Ｂ，３Ｂ，４Ｂ）、Ｃ相の磁極（１Ｃ，２Ｃ，３Ｃ，４Ｃ）の各々に巻回されたコイル３２（各コイル３２は各相において直列接続）に定電流制御により順次、適宜のタイミングで通電することにより、Ａ相→Ｂ相→Ｃ相（１相→２相→３相）の回転磁界が形成され、回転子３３は順次、吸引され回転する。詳細には、代表してＡ相励磁について説明すると、図５（ａ）に「励磁開始」として指し示す位置は、回転子凸極（１，２，３，４）の回転方向先端が、固定子磁極（１Ａ−４Ａ）の上流側端点に近接した位置である。この時は、Ｃ相コイルの励磁状態からＡ相側への転流が完了した状態であり、スイッチＳＡはオン、スイッチＳＢ，ＳＣはオフである。次に、回転子凸極の回転方向先端が、固定子の同磁極の下流側端点に近接した位置に来たときは、Ｂ相側への転流を開始し、回転子凸極の回転方向先端が、固定子の次の磁極の上流側端点に近接した位置に来たときは、Ｂ相側への転流が完了した状態であり、スイッチＳＢはオン、スイッチＳＣ，ＳＡはオフである。以下、同様である。Ａ相コイルからＢ相コイルへの転流の切換により、固定子３１の１極ピッチ分だけ回転子３３は矢印方向に回転する。なお、磁極１Ａのコイル３２の他は、図示を省いている。
　Ａ相コイルの励磁への転流時には、Ｃ相コイルの残留磁気エネルギーはダイオードＤ３を通してＡ相コイルに流れる。残留磁気エネルギーは、モータ駆動時、回生（発電）時とも、転流時に、次相のコイルに重畳して回収再利用する。また、固定子３１の各相の磁極が順次励磁されることにより、回転子３１の凸極が吸引され、順方向にトルクを生じる。回転子３１の各凸極の回転方向の幅は、固定子３３の各磁極の回転方向の幅より大きく設定されており（例えば１．２５倍）、励磁極の幅全体が凸極に対向した状態が維持され、回生エネルギーを効率良く回収できる。このため、コイルの残存電流による反抗トルクが生じない。また、転流開始で立ち上がりつつある電流による吸引力は、近傍に回転子３３の他の凸極が対向していないので、回転子３３の回転に悪影響を及ぼさない。
　電流の流れは、Ａ相励磁時の電流流れを図５（ｂ）に矢印で示すように、供給励磁電流と共にＡ相のコイルを通り定電流電源１０の負極側に流れる。Ｂ相励磁時は、供給励磁電流と共にＢ相のコイルを通り定電流電源１０の負極側に流れる。このとき、Ａ相の残留磁気エネルギーはＢ相コイルに流れる。Ｃ相励磁時は、供給励磁電流と共にＣ相のコイルを通り定電流電源１０の負極側に流れる。このとき、Ｂ相の残留磁気エネルギーはＣ相コイルに流れる。他の相の励磁時についても同様である。なお、図５（ａ）において、磁極１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，・・・は、図２に示した磁極３１１，３１２，３１２，・・・に対応する。凸極１−４は、凸極３３１−３３４に対応する。
（モータ回生時の動作）
　次に、図６（ａ）（ｂ）を参照して、ＳＲモータ装置１００のモータ回生時の動作と電流の流れを説明する。回生（発電）時は、回転子３３は外力で回っている。回転子３３の凸極（１，２，３，４）は、固定子３１の磁極（１Ａ−４Ａ，１Ｂ−４Ｂ，１Ｃ−４Ｃ）のコイル３２への定電流制御による通電励磁により回転方向と逆に引っ張られる。代表してＡ相励磁時に、図６（ａ）に「励磁開始」として指し示すように、回転子３３の凸極（１，２，３，４）の回転方向先端が、固定子３１の磁極（１Ａ−４Ａ）の下流側端点に近接した位置（励磁開始位置）に来た時に、スイッチＳＡをオンさせると、Ｃ相コイルの残留磁気エネルギーはダイオードＤ３に流れ、さらにＡ相コイルに流れる。回生（発電）時の励磁は、駆動時の電気角を１２０度位相シフトさせたものとする。定電流制御では電流の流れる方向が一定のため、Ａ相励磁時は、供給励磁電流と共に速度起電力により増幅された蓄積磁気エネルギーがＡ相コイルを通り、定電流電源１０内の回生スイッチＫＳ、ダイオードＤ４を通って、バッテリー１０Ｂに充電される。他の相の励磁時についても同様である。このような動作が得られるのは、ＳＲモータ装置１００が、転流回路１０による回生動作時には発電機として動作し、残留磁気エネルギーを増幅していることに起因する。
（転流回路の動作）
　モータ３０が駆動している状態では、モータ３０には正の起電力Ｅａが発生しており、Ｅａ＋×Ｉの電力（ワット）と、Ａ相又はＢ相又はＣ相の励磁コイル（抵抗Ｒ）を通る電流ＩによってＩ２×Ｒの電力（ワット）が定電流電源１０から供給される。この場合、Ｅａ＋×Ｉの電力（ワット）が機械的な出力となり、Ｉ２Ｒの電力（ワット）が損失分となる。モータ３０の回生制動時には、モータ３０において負の起電力Ｅａが発生し、機械的動力が、Ｅａ−×Ｉの電力（ワット）及びＩ２Ｒの電力に変換され、Ｉ２Ｒの電力（ワット）が損失分となる。Ｅａ−×Ｉの電力（ワット）が定電流電源１０に回収される（回生）。モータ３０が駆動停止状態で、慣性運転状態にあるときには、起電力Ｅａの発生はなく、Ａ相又はＢ相又はＣ相の励磁コイルでの損失分であるＩ２Ｒの電力（ワット）、すなわち、コイルの内部損失分の電流が、電流センサ７で検出したコイル電流に応じて転流回路２０の制御によって定電流電源１０から供給される。
　このように、本実施形態のＳＲモータ装置１００においては、駆動と回生制動時とで、速度起電力Ｅａが正負に入れ替わるので、転流回路２０は、転流制御回路６１の制御によってコイルに流れる直流定電流方形波を１２０度（電気角）位相シフトさせるだけで、電力の供給及び回生が自動的に行われる。
　表１に、定電流制御による駆動時における、各相のスイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣの開閉モード及び回収ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３の状態を示す。駆動時、回生スイッチＫＳはオフとする。スイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣは、電気角１２０度幅の直流定電流方形波を生成する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表２に、定電流制御による回生・発電時における、各相のスイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣの開閉モード及び回収ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３の状態を示す。回生・発電時、回生スイッチＫＳはオンとする。速度起電力による蓄積電磁エネルギーにより充電する。駆動時と回生・発電時とでは、励磁タイミングを１２０度シフトさせる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表３に、定電流制御による転流時における、各相のスイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣの開閉モード及び回収ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３の状態を示す。転流時（駆動・回生とも）、残留磁気エネルギーは次相に重畳して回収再利用する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
（ローサイド切り式の増幅作用）
　上述した本実施形態によるＳＲモータ装置１００は、定電流制御でのローサイド切り式であるので、コイル電流を制御するスイッチがコイルの正極側及び負極側に設けられた両切り式に較べて、コイルのインダクタンスによる電流が流せない現象を回避できる。そのため、転流時のコイルの残留磁気エネルギーを次の相の励磁コイルに回収再利用でき、増幅作用により大きな駆動電流が得られ、電源からの供給電流は少なくて済み、電力の回路損失を少なくして効率改善が図れる。ちなみに、両切り式の構成では、コイルのインダクタンスによる立ち上がりに時間がかかり、電流を流せない現象が生じる。
　また、ローサイド切り式では、転流を繰り返すと、励磁電流は上昇して電流ゼロの状態をなくし、かつ大きい電流レベルに保つことができる。このため、トルクリップルは低減する。電流レベルはスイッチ制御により任意に制御することができる。
　また、ローサイド切り式での実測によれば、入力電流が０．５Ａのとき、モータコイルへの励磁電流が５Ａとなり、出力電流は入力電流の約１０倍となった。このように、供給電流以上の駆動電流が得られる理由は、次の通りである。
（１）定電流であること。なお、定電圧では転流毎に電圧が上昇していくので、スイッチ素子の耐圧が問題になる。
（２）定電圧方式のハーフブリッジは、１相毎に（直列関係の）スイッチが２つあるのに対して、本発明の定電流方式のローサイド切り式では、１相毎にスイッチが１つであるので、大きい電流レベルに保つことができる。
（３）モータ駆動時に定電流が固定子コイルに流れると、固定子に回転子が吸引され、回転子が固定子を通過する度に、順次、他の相に励磁電流が切り換る。転流毎に、定電流方形波がコイルに印加され、出力電流が上昇してゆき、大きい電流レベルに保たれる。このことが、急駿なパルス電流を強制的にコイルに流すことなく、転流動作させることで自動的に達成できる。
　図７は、ローサイド切り式のモータ装置の具体回路例を示す。この例は、電流センサ７が１つの場合である。このモータ装置は、モータの各相のコイルＬＡ，ＬＢ，ＬＣと、各コイルの負極側に接続された転流回路２０を成すスイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣと、回収ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３と、定電流電源１０と、定電流制御回路６１と、を備える。定電流電源１０は、＋端子、−端子で示し、詳細は省いているが、回生時に、＋端子、−端子に接続されたバッテリー１０Ｂを充電する方向に電流を流すための充電用ダイオードを内蔵する。定電流制御回路６１は、スイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣを転流制御するためのＣＰＵを含み、ＰＷＭ回路と、励磁相を選択するセレクタとを備える。定電流制御回路６１には、回転子の角度位置検出器３０９からの信号と、アクセル／ブレーキの指令信号が入力される。電流センサ７は、各コイルＬＡ，ＬＢ，ＬＣに直列に挿入されてもよい。なお、バッテリー１０Ｂへの過充電を防ぐための回路を設けて、バッテリーが過充電時は充電方向の電流を遮断することが望ましい。
　上記構成において、定電流制御回路６１は、電流センサ７により検出されたコイル電流（残留磁気エネルギー）に応じて転流回路２０のスイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣをＰＷＭ制御して、定電流電源１０からの電流値を定電流制御する。ＰＷＭ制御の周波数を制御することで、モータの回転数すなわち速度を制御できる。また、角度位置検出器３０９により検知された回転子の位置に応じて駆動時及び回生時の転流タイミング信号が出力される。かくして、転流時の励磁コイルの残留磁気エネルギーは、回収ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３を通して次の励磁相のコイルに重畳して流すことで回収再利用される。これにより、コイルには電源からの供給電流以上の駆動電流が得られて、ロスが減り、大きな出力が得られる。また、残留磁気エネルギーが有効に利用されるので、モータの発熱が低減される。また、ローサイド切り式によれば、コイルのインダクタンスによる電流が流せない現象を回避できる。
　本発明は、上記実施形態の構成に限られることなく、種々変形することが可能である。例えば、バッテリー１０Ｂに代えてキャパシタを用いてもよいし、両者を並列関係に設けたものであってもよい。また、上記では、充電用ダイオードＤ４と直列に、回生時に閉制御される回生スイッチＫＳを備えた例を示したが、定電流電源１０の構成によっては回生スイッチＫＳを省くこともできる。
　１００　　ＳＲモータ装置
　１，２，３，４　回転子の凸極
　１Ａ−４Ａ　固定子のＡ相磁極
　１Ｂ−４Ｂ　固定子のＢ相磁極
　１Ｃ−４Ｃ　固定子のＣ相磁極
　７　　電流センサ
　１０　定電流電源
　１０Ｂ　バッテリー
　２０　転流回路
　３０　モータ
　３１　固定子
　３２　コイル（Ａ相、Ｂ相、Ｃ相）
　３３　回転子
　６１　転流制御回路
　ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ　スイッチ
　ＫＳ　回生スイッチ
　Ｄ１~Ｄ３　回収ダイオード
　Ｄ４　充電用ダイオード

Claims (4)

  1. 　磁性体から成る回転子、及び前記回転子に周方向に対向して設けられた励磁用の各相のコイルが巻かれた固定子を有したモータと、
    　バッテリー又はキャパシタから前記モータに定電流を供給する定電流電源と、
    　各種検出信号や指令信号に基づいて所定のタイミングで前記定電流電源から供給される電流を前記各相のコイルに順次に供給、遮断して転流動作させることによりモータ駆動及び回生させる転流回路と、を備え、
    　前記転流回路は、前記各相のコイルに電流を供給、遮断するスイッチと、前記各相のコイルの負極側と前記スイッチとの接続点から前記定電流電源の正極端子側に向けて接続された回収ダイオードと、を備え、
    　前記各相のコイルは、前記定電流電源の正極側端子と負極側端子との間に前記転流回路のスイッチを介して接続され、前記スイッチは前記コイルの負極側にのみ備えられ、
    　前記転流回路は、モータ駆動時及び回生時に、前記コイルの残留磁気エネルギーを、前記回収ダイオードを通して次に励磁されるコイルに重畳して回収再利用し、かつ、回生時には前記コイルへの供給電流及び速度起電力により増幅された蓄積磁気エネルギーをバッテリー又はキャパシタに充電するように転流動作させる、ことを特徴とする定電流制御によるスイッチドリラクタンスモータ装置。
  2. 　前記定電流電源は、回生時に前記コイルへの供給電流及び残留磁気エネルギーによる電流をバッテリー又はキャパシタに充電する方向に流す充電用ダイオードを備える、請求項１に記載の定電流制御によるスイッチドリラクタンスモータ装置。
  3. 　前記コイルに流れる電流を検出する電流センサをさらに備え、
    　前記転流回路は、少なくともモータ駆動停止時に、前記電流センサにより検出したコイル電流に応じて前記定電流電源より前記コイルの内部損失分の電流を流すことにより慣性運転する、請求項２に記載の定電流制御によるスイッチドリラクタンスモータ装置。
  4. 　前記モータは、第１相、第２相、及び第３相から成る３相構成であり、
    　前記転流回路は、前記回転子の電気角１２０度幅で前記各相のコイルに順次供給されるように前記スイッチを制御し、駆動時と回生時とで直流定電流方形波の電気角を１２０度シフトさせ、さらに、駆動時と回生時のいずれにおいても前記スイッチの開閉動作を第１相、第２相、第３相の順とする、請求項３に記載の定電流制御によるスイッチドリラクタンスモータ装置。
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