JP3875083B2 - 二重電圧源による切換式リラクタンス駆動システムの運転 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、切換式リラクタンス駆動システムに関する。詳細には、限られた容量を備える給電システムにおける限られたデューティサイクルによって操作される当該システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
切換式リラクタンスシステムの特性および動作は、当該技術において周知であり、たとえば、参照によって本願に組込まれる、StephensonおよびBlakeによる「切換式リラクタンスモータおよび駆動装置の特性、設計および用途」（"The characteristics, design and application of switched reluctance motors and drives", PCIM'93, Nuernberg, 21-24 June 1993）に記載されている。図１は、切換式リラクタンスモータ１２が負荷１９を駆動する、典型的な切換式リラクタンス駆動装置を概略形式で示している。入力ＤＣ電源１１は、たとえば、電池または、整流ろ波されたＡＣ主電源とすることができる。電源１１によって供給されたＤＣ電圧は、電子制御装置１４の制御下でパワーコンバータ１３によってモータ１２の相巻線１６間で切換えられる。切換えは、駆動装置の適正な動作のために回転子の回転角度と正しく同期されていなければならない。その目的で、回転子の角位置に対応する信号を供給するために、回転子位置検出器１５が一般に使用される。回転子位置検出器１５は、ソフトウェアアルゴリズムの形態を含む多くの形態をとることができ、その出力はまた、速度フィードバック信号を生成するために使用され得る。
【０００３】
多様なパワーコンバータトポロジが知られており、そのいくつかは上述のStephensonの論文において検討されている。図２は、多相システムの単一の位相についての最も普通の構成の１つを示しており、ここにおいて、機械の相巻線１６は母線２６，２７間の２個のスイッチング装置２１，２２と直列に接続されている。母線２６，２７は集合的に、コンバータの「ＤＣリンク」と呼ばれる。エネルギーリカバリダイオード２３，２４は、スイッチ２１，２２が開かれたときに相巻線電流がＤＣリンクに流れ戻ることができるように、相巻線と接続されている。「ＤＣリンクコンデンサ」として知られるコンデンサ２５は、電源から引出されるかまたはそれに戻ることができないＤＣリンク電流（すなわち、いわゆる「リプル電流」）のあらゆる交番成分をソースまたはシンクするためにＤＣリンク間に接続されている。実際には、コンデンサ２５は、直列および／または並列に接続された数個のコンデンサを含んでいてもよく、並列接続が使用される場合、それらの素子のいくつかはコンバータ全体に分散されていてもよい。
【０００４】
図３は、図２に示された回路の動作サイクルに関する典型的な波形を示している。図３（ａ）は、スイッチ２１およびスイッチ２２が閉じられたときの導通角θcの持続時間に印加される電圧を示す。図３（ｂ）は、相巻線１６の電流がピークまで上昇し、その後わずかに下降することを示している。導通周期の終わりに、スイッチは開かれ、電流はダイオードに移り、相巻線間に反転リンク電圧をかけ、それゆえ磁束および電流をゼロに押し下げる。ゼロ電流時には、ダイオードは導通を止め、回路は次の導通周期の開始まで非活動状態である。スイッチが開かれると、図３（ｃ）に示すように、ＤＣリンクの電流が逆転し、戻された電流は電源に戻されるエネルギーとなる。エネルギーが電源回路に戻されることを可能にする切換式リラクタンス機械のこの能力は、利点を有する。たとえば、参照によって本願に組込まれる、米国特許５，７０５，９１８号公報は、発電効率を増大させるために高圧母線からのエネルギーを低圧母線へ移すことができる発電機を開示している。
【０００５】
切換式リラクタンス駆動装置の電流波形の形状は、機械の運転点および採用されるスイッチング戦略に依存して変化する。たとえば上述のStephensonの論文にも記載されており、周知のとおり、低速度運転は一般に、ピーク電流を包含するために電流チョッピングの使用を伴い、スイッチを非同時的にオフにすることによって、一般に「フリーホイーリング」として知られる動作モードが得られる。
【０００６】
切換式リラクタンス駆動装置は一般に、主電源によって駆動される。しかしながら、一部の駆動装置は、それらがたとえば航海または自動車機器に取付けられるので、公共電源との固定接続を有していない。こうした状況では、システムは一般に、化石燃料燃焼原動機によって駆動される交流発電機から給電される。原動機を始動するために十分なエネルギーを蓄え、発電機容量を超えて負荷に給電するために、蓄電池が通常備えられる。システム負荷によって要求されるものを上回る十分な発電容量が存在する場合、それは交流発電機によって再充電される。
【０００７】
上述の交流発電機／蓄電池システムには、必然的に、資本費、重量および性能の間における妥協が存在する。設計者はシステムの電圧を低下させずに一部または全部の負荷に給電できるシステムを得たいと望むのに対し、それは電池および／または交流発電機の容量を増大させることによってしか行えない。それはシステムの資本費および重量を増大させ、さらには、増大したランニングコストおよび／または、船舶または車両からの低下した運動性能をもたらす。大きい負荷が間欠的に運転される場合、特にシステムがすでに電圧変動に敏感な他の負荷に給電している場合、特定の問題が生じる。たとえば、白熱フィラメントを使用する車両またはキャビンの照明は、電圧変動に敏感であると周知の負荷であり、実際、別の負荷が同じ供給母線上でスイッチされるときにわずかな減光が生じることが普通である。負荷が、たとえば数秒のオンに続き数十秒のオフといったデューティサイクルを有する場合、それは目を刺激し得る。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、著しい電圧外乱を生じることなく、限られた容量の母線上の駆動装置を間欠的に動作させる方法の必要性が存在する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の局面に従えば、回転子と、巻線を有する固定子と、巻線に給電するために第１および／または第２の電圧源のどちらかを選択的に接続する手段と、巻線に給電するために第１の電圧源が使用されるときに戻りエネルギーが巻線から第２の電圧源に移され、それによって第２の電圧源を充電することを可能にするための、巻線と第２の電圧源との間のエネルギー帰路とを有するコントローラとを含む、切換式リラクタンス駆動装置が提供される。
【００１０】
この駆動装置の利点は、間欠的使用のために第２の電圧源を充電するためにエネルギーが巻線から移されることである。
【００１１】
第２の電圧源は第１の電圧源よりも大きくてもよい。好ましくは、第２の電圧源は、所定の値、たとえば第１の電圧源のそれの２または３倍まで充電される。
【００１２】
第１および第２の電圧源は直列または並列に接続されてもよい。第１および第２の電圧源はそれぞれ、各電圧源に並列に接続されたコンデンサを含んでいてもよい。
【００１３】
エネルギー帰路は、エネルギーを巻線から第２の電圧源に移すように巻線の一端と第２の電圧源との間に接続されているダイオードを含んでいてもよい。
【００１４】
巻線に給電するために第１および／または第２の電圧源のどちらかを選択的に接続する手段は、並列に配置された１対のスイッチを含んでいてもよく、第１のスイッチは巻線と第１の電圧源との間に接続され、第２のスイッチは巻線と第２の電圧源との間に接続されており、第１のスイッチが開かれ、第２のスイッチが閉じられたとき、第２の電圧源は巻線に給電するために使用され得る。巻線を第１および第２の電圧源の両方の共通端子に接続するための第３のスイッチが設けられてもよい。
【００１５】
巻線に給電するために第１および／または第２の電圧源のどちらかを選択的に接続する手段は、一方の位置では巻線に給電するために第１の電圧源を接続するように動作可能であり、他方の位置では巻線に給電するために第２の電圧源を接続するように動作可能である、切換スイッチを含んでいてもよい。巻線は、１対のスイッチの間に直列に接続することができる。
【００１６】
本発明の他の局面に従えば、回転子と、巻線を有する固定子とを含む切換式リラクタンス駆動装置を動作させる方法が提供される。この方法は、巻線に給電するために第１の電圧源を駆動装置と接続し、巻線にわたって第１の電圧源をオンオフに切換え、第１の電圧源がオフに切換えられたときにエネルギーを巻線から第２の電圧源に移し、それによって第２の電圧源を充電し、巻線に給電するために第２の電圧源を選択的に接続する。
【００１７】
好ましくは、移す工程は、第２の電圧源が、好ましくは第１の電圧源の定格電圧よりも高い所定の値、たとえば第１の電圧源の定格電圧の２または３倍に充電されるまで実行される。
【００１８】
第１および第２の電圧源は直列または並列に接続されてもよい。第１および第２の電圧源はそれぞれ、各電圧源に並列に接続されたコンデンサを含んでいてもよい。
【００１９】
移す工程は、エネルギーを巻線から第２の電圧源に移すように巻線の一端と第２の電圧源との間に接続されているダイオードを含むエネルギー帰路を通じて、巻線から第２の電圧源にエネルギーを導くことを伴っていてもよい。
【００２０】
巻線は１対のスイッチの間に直列に接続されていてもよく、切換え工程は、開位置と閉位置との間でスイッチの対を切換えることを伴っていてもよい。
【００２１】
方法はさらに、第２の電圧源が所定のレベルまで充電されたときを検出することを伴っていてもよい。好ましくは、方法は、所定のレベルまで充電されたときに第２の電圧源に戻されるエネルギーを低減するために切換え工程を修正することを伴う。
【００２２】
さらに詳しくは、本発明は、回転子と、巻線を有する固定子とを備える機械を含む切換式リラクタンス駆動装置であって、該駆動装置はコントローラをさらに含み、該コントローラは、
第１の電圧源と、該第１の電圧源の両端間に接続される第１のコンデンサとを有する第１の給電回路と、
第２の電圧源と、該第２の電圧源の両端間に接続される第２のコンデンサとを有する第２の給電回路と、
異なる電圧で巻線に給電して前記機械を駆動するために第１および第２の電圧源のうちの少なくともいずれか一方を選択的に接続する手段と、
巻線に給電するために第１の電圧源が使用されるときに、一の導通サイクルの終わりから次の導通サイクルの開始までの間、エネルギーが巻線から第２の電圧源に移され、これによって第２の電圧源を充電することを可能にするための、巻線と第２の電圧源との間の電気的接続とを有し、
コントローラは、第２の電圧源を接続して第１の電圧源だけから利用可能な電圧よりも大きな電圧で巻線に給電することによって、駆動装置をハイパワーモードで動作させるように構成されることを特徴とする切換式リラクタンス駆動装置である。
【００２３】
本発明において、第２の電圧源は、第１の電圧源の電圧の２または３倍まで充電されることを特徴とする。
【００２４】
本発明において、第１および第２の電圧源は直列に配置されることを特徴とする。
【００２５】
本発明において、第１および第２の電圧源は並列に配置されることを特徴とする。
【００２７】
本発明において、電気的接続は、エネルギーを巻線から第２の電圧源に移すように巻線の一端と第２の電圧源との間に接続されるダイオードを含むことを特徴とする。
【００２８】
本発明において、巻線に給電するために第１および第２の電圧源のうちの少なくともいずれか一方を選択的に接続する手段は、並列に配置された第１のスイッチおよび第２のスイッチを含み、第１のスイッチは使用時に巻線と第１の電圧源との間で接続され、第２のスイッチは使用時に巻線と第２の電圧源との間で接続され、第１のスイッチが開かれ、第２のスイッチが閉じられたとき、第２の電圧源は巻線に給電するために使用されることを特徴とする。
【００２９】
本発明において、巻線を第１および第２の電圧源の両方の共通端子に接続するための第３のスイッチを備えることを特徴とする。
【００３０】
本発明において、選択的に接続するための手段は、第１、第２または第３のスイッチを作動させる制御手段をさらに含むことを特徴とする。
【００３１】
本発明において、巻線に給電するために第１および第２の電圧源のうちの少なくともいずれか一方を選択的に接続する手段は、一方の位置では巻線に給電するために第１の電圧源を接続し、他方の位置では巻線に給電するために第２の電圧源を接続するように動作可能である、切換スイッチを含むことを特徴とする。
【００３２】
本発明において、巻線は１対のスイッチの間に直列に接続されることを特徴とする。
【００３３】
本発明において、第２の電圧源が所定のレベルまで充電されたときを検出する検出器をさらに含むことを特徴とする。
【００３４】
本発明において、第２の電圧源が所定のレベルまで充電されたときに、第２の電圧源に移されるエネルギーを低減するために駆動装置の動作を修正する手段を含むことを特徴とする。
【００３５】
本発明において、駆動装置が多相駆動装置であることを特徴とする。
本発明は、回転子と、巻線を有する固定子とを備える機械を含む切換式リラクタンス駆動装置を動作させる方法において、
第１の電圧源と、該第１の電圧源の両端間に接続される第１のコンデンサとを有する第１の給電回路を駆動装置に接続して、機械を動作させるために巻線に給電し、
第１の給電回路の巻線からの切断、および第１の給電回路の巻線への再接続を行い、
第１の給電回路が切断されたときに、エネルギーを、電気的接続を通して、巻線から、第２の電圧源と、該第２の電圧源の両端間に接続される第２のコンデンサとを有する第２の給電回路に移し、これによって第２の電圧源を充電し、
第２の給電回路を選択的に接続して第１の電圧源だけから利用可能な電圧よりも大きな電圧で巻線に給電し、これによって駆動装置をハイパワーモードで動作させることを特徴とする方法である。
【００３６】
本発明において、第２の電圧源は、第１の電圧源の電圧の２または３倍まで充電されることを特徴とする。
【００３７】
本発明において、第１および第２の電圧源が直列に配置されることを特徴とする。
【００３８】
本発明において、第１および第２の電圧源が並列に配置されることを特徴とする。
【００４０】
本発明において、移す工程は、エネルギーを巻線から第２の電圧源に移すように巻線の一端と第２の電圧源との間に接続されているダイオードを含む電気的接続を通じて、巻線から第２の電圧源にエネルギーを導くことを伴うことを特徴とする。
【００４１】
本発明において、巻線は１対のスイッチの間に直列に接続されており、切断および再接続を行う工程は、開位置と閉位置との間でスイッチの対を切換えることを伴うことを特徴とする。
【００４２】
本発明において、第２の電圧源が所定のレベルまで充電されたときを検出することを含むことを特徴とする。
【００４３】
本発明において、第２の電圧源が所定のレベルまで充電されたときに、第２の電圧源に移されるエネルギーを低減するために切断および再接続を行う工程を修正することを含むことを特徴とする。
【００４４】
【発明の実施の形態】
本発明のいくつかの実施例を以下に添付図面に関して例示としてのみ説明する。
【００４５】
図４は、第１のＤＣリンク２６／２７間に接続された第１の電圧源Ｖ１および第１のコンデンサ２５と、第２のＤＣリンク間に接続された第２の電圧源Ｖ２および第２のコンデンサ２９とを示しており、第１および第２のＤＣリンクは共通の負線路２７を共有している。第１のＤＣリンクの正線路２６には、巻線１６のトップと接続されている第１のスイッチ２１が接続されており、巻線１６はその下端で、共通の負線路と接続されている第２のスイッチ２２に接続されている。巻線１６のトップと負線路との間にはダイオード２４が接続されており、それは負線路から巻線１６に向けて電流を導通するように動作可能である。巻線１６のトップと第２のＤＣリンクの正線路との間には第３のスイッチ２８が接続されている。巻線１６のボトムと第２のＤＣ母線の正線路との間には、巻線１６から第２のＤＣ母線に向けて電流を導通するように接続されているダイオード２３がある。このようにして、ダイオード２３は、巻線１６と第２の電圧源（Ｖ２）との間にエネルギー帰路を付与する。
【００４６】
図４の機械は、従来のスイッチ２１，２２を用いて第１の電圧源Ｖ１から、アイドルモードにおいて、相対的に低い速度時に、および小電流を引出す際に、動作することができる。これらのスイッチが開かれるたびに、戻された電流は第２の電源Ｖ２および／またはそのコンデンサ２９に流入する。それゆえ、数動作サイクルにわたり、電源Ｖ２の電圧は、好ましくはＶ１のそれよりも高い、一般にＶ１よりも２または３倍高い、いずれかの所定の値まで上昇する。その時点で、機械は、オフに切換えられるか、または、以下に説明するように、サイクルの終わりにごくわずかなエネルギーを戻すモードのどちらかにおいて動作し得る。機械がハイパワーで動作するように求められる場合には、スイッチ２８がスイッチ２１の代わりに使用され、それによって、第２の高い電圧源Ｖ２によって機械を駆動する。これは電子制御装置１４の制御下で行われる。機械がＶ２によって駆動される場合、Ｖ１から引出される電流はまったく存在せず、したがって線路２６の電圧外乱もまったく存在しない。
【００４７】
Ｖ１から給電されるときに機械がアイドルモードにあると述べたが、それが必ずしもそうである必要がないことは理解されよう。たとえば、機械は、Ｖ２を充電している間に、第１の相対的に低い負荷を駆動するために使用できるであろう。負荷が増大した場合、機械はＶ２によって給電され、増大した負荷を駆動するように動作するであろう。あるいはまた、機械がＶ１によって給電され、Ｖ２が充電されているときには、機械の回転子は静止していることもできよう。この場合、機械は、充電期間の間、単一の位相を使用して、または複数の位相を同時に使用して動作するであろう。機械が負荷を駆動するために必要とされる場合、Ｖ２は、負荷を駆動するために機械に給電するように接続される。いずれにせよ、負荷は機械の回転子に強固に接続され得るか、または、必要に応じて回転子を負荷と接続するためにクラッチを設けることができよう。
【００４８】
図４の構成は、車両においてファンを間欠的に駆動するために好適に使用することができる。この場合、車両バッテリはＶ１として使用され、機械に給電し、別の電源Ｖ２を充電し、それによってファンを駆動するために十分な電力を提供する。この用途の具体的な例として、照明および他の付随的な負荷に給電するために設けられている標準の１２Ｖ自動車バッテリがＶ１として使用され、たとえば公称３６Ｖ定格の小形補助バッテリがＶ２として使用される。たとえば定格速度の１５％の、アイドル速度において、機械はＶ１によって給電される。この段階の間、機械がアイドリングしているときには、バッテリＶ２は、巻線１６からＶ２に移されるエネルギーによって充電される。ファンが加速し、高速で動作するように要求されると、電源要求が増加し、バッテリＶ２は稼働にスイッチされ得る。
【００４９】
図４からただちに明白とはならない別の利点がある。従来の回路では、スイッチは、最大電力に関係するピーク電流に対処するための定格とされなければならない。しかしながら、より高い電圧源Ｖ２によって動作される際には、同一の電力出力に必要なピーク電流における対応する降下が存在する。これによって、スイッチ２２，２８は、より小さな定格電流を有することができる。スイッチ２１はアイドルモードにおいて使用されるだけなので、それも小さい定格を有することができる。スイッチ定格のこの低減は、余分なスイッチ、コンデンサおよび電源のコストを相殺するために使用できる。
【００５０】
図４は単一の位相だけを示しているが、本発明の原理が多相構成においても等しく使用され得ることが理解されよう。この場合、回路は、スイッチ、ダイオードおよび巻線だけを複製することになり、コンデンサおよび電圧源は全部の位相について共通である。二相機械用のコンバータ回路の例を図５に示す。
【００５１】
本発明を実施するための代替的回路が、図６に示されている。この場合、回路は、直列に接続されている第１の電圧源Ｖ１および第２の電圧源Ｖ２を有する。２つの電源Ｖ１，Ｖ２間には出力端子５２があり、それによって、機械によって使用される電圧はＶ１の出力か、またはＶ１とＶ２との合成出力のいずれかとなり得る。２つの出力間でトグルするために、切換スイッチ５０が設けられている。スイッチ５０とＤＣ母線の負端との間にコンデンサ２５が接続されている。コンデンサ２５と並列に、第１のスイッチ２１、巻線１６および第２のスイッチ２２の直列の組合せがその順序で存在する。第１のスイッチ２１と巻線１６との間にはダイオード２４の一方端が接続され、その他方端でＤＣ母線の負線路と接続されており、ダイオード２４は負線路２７から巻線１６のトップに電流を導通するものとしてある。
【００５２】
第２のスイッチ２２と巻線１６の下端との間には、ダイオード２３の一方端が接続されており、その他方端で第２の電圧源Ｖ２の正端と接続されており、巻線１６から第２の電圧源Ｖ２に電流を導通する。このようにして、エネルギー帰路が巻線１６と第２の電圧源Ｖ２との間に設けられる。ダイオード２３の上端と下側ＤＣリンクとの間にコンデンサ２９が接続されており、それは第１および第２の電圧源の両方の間で有効に接続されている。
【００５３】
図６の機械は、機械間のＶ１を接続するために切換スイッチ５０を使用し、従来のスイッチ２１，２２を使用することによって第１の電圧源Ｖ１から小電流を引出すために、相対的に低い速度で、または前述の通り静止モードにおいて動作することができる。従来のスイッチが開かれるたびに、戻された電流は、ダイオード２３を介して第２の電源Ｖ２および／またはそのコンデンサ２９に流入する。それゆえ、数動作サイクルにわたり、電源Ｖ２の電圧は、Ｖ１のそれよりも高いとし得る、いずれかの所定の値まで上昇する。機械がハイパワーで動作するように要求される場合、切換スイッチ５０は、巻線１６間のＶ１とＶ２との合成出力を接続し、それによってより高い合成電圧で機械を駆動するようにトグルされる。車両の状況において、スイッチ５０をトグルする決定は、車両の要求電力に従って従来のエンジン管理システムによって行われるはずである。他の状況では、対応する制御手段が同じ効果を得るために使用でき、たとえば図１の制御装置１４に組込むことができる。
【００５４】
図６の回路の場合、たとえそれが低電圧時のピーク電力に要求されるような電流よりもずっと小さいとしても、電源Ｖ１は、低電圧および高電圧の両方で機械を動作させる際に巻線１６に電流を供給しなければならないことに留意するべきである。
【００５５】
図６は単一の位相だけを示しているが、その原理は多相構成においても使用できることが理解されよう。その場合、回路は、スイッチ、ダイオードおよび巻線だけを複製することになり、コンデンサおよび電圧源は全部の位相に共通である。二相機械用のコンバータ回路の例を図７に示す。
【００５６】
図８は、本発明が実施されている別のシステムを示す。これは、第１電圧源Ｖ１および第２の電圧源Ｖ２がそれぞれ並列に配置されていることを除き、図６および７の構成と同様である。しかしながら、この構成は２つの電圧源の独立動作を可能にするので、機械が全出力で運転されるときに、低い電圧源Ｖ１が余分な電流を供給する必要がない。
【００５７】
図８は単一の位相だけを示しているが、その原理は多相構成においても使用できることが理解されよう。その場合、回路は、図９に図示するように、スイッチ、ダイオードおよび巻線だけを複製することになり、コンデンサおよび電圧源は全部の位相に共通である。図６〜９に示された構成では、機械の相数を問わず、１個の切換スイッチ５０だけが要求される。
【００５８】
図６〜９に示された構成では、コンデンサ２５は、切換スイッチ５０が操作される際に電圧の変化に突然さらされ、コンデンサおよびスイッチへのストレスおよび／または電圧源への外乱を潜在的に生じる。この問題は、コンデンサ２５のトップ結線を端子５２に移動させることによって回避できる。これによって、コンデンサの接続を、不要な迷インダクタンスを切換え経路に導入するスイッチ２１，２２から物理的に切離すことが可能になる。これは、コンデンサ２５を２個以上の要素に分割することによって対処できよう。すなわち、端子５２に取付けられ、低周波成分に対処するように寸法決めされた大形のコンデンサと、スイッチ近くに接続され、高周波成分だけを吸収するように寸法決めされ、スイッチが操作される際の回路への衝撃がずっと小さい、１以上の小形のコンデンサとである。
【００５９】
上述の例のＶ１は、電池といったいずれかの適当な電源とすることができる。Ｖ２は、たとえば電池またはコンデンサあるいは超コンデンサなどの、いずれかの適当な電気蓄積用装置とすることができる。
【００６０】
当業者は、図４〜９に示された回路が共通の負側レールを使用しているが、同じ効果を得るために共通の正側レールを有するように再構成することは日常的な事柄であることを容易に理解するであろう。
【００６１】
上述の回路のそれぞれについて、充電するために高電圧源に移されている電力量を調節することが可能である。一部の用途では、機械を発電機として駆動することが可能であり、その場合、高電圧源に発電し、低い電圧源から励磁を引出す、従来の切換式リラクタンス機械制御を使用することができる。しかしながら、ほとんどの状況では、機械的パワーのソースがまったくないはずであるので、機械を発電機として使用することはできないであろう。それにもかかわらず、上述の技法を使用して低い電圧源からより高い電圧源を効率的を充電することがやはり可能である。その技法は、スイッチオフの時点で回収できるエネルギーの量は、機械の磁界に蓄積されたものと密接に関連するという認識に基づく。切換え角がユーザの制御下にあるので、機械の蓄積エネルギーの量を、したがって電気的パワーに回収される量を変化させるために、適切な角度を選択することができる。一般に、ピーク電動効率のために従来使用される「より遅い」角度がより多くのエネルギーを回収するであろう。
【００６２】
電源Ｖ２が、所要のレベルまで充電されると（電圧監視または、電源に送られた電荷の量を積分することによって検出できる）、機械を運転可能にするが、スイッチオフ時にごくわずかな蓄積エネルギーと関係づけられる角度を使用するために、スイッチング戦略を修正することが適切である。これを行う１つの方法は、長期間のフリーホイーリングを後続させる相対的に短い導通角を（おそらくサイクルのごく早期に）使用することである。これは、巻線および装置にわたる電圧降下によって磁束が減少せざるを得なくする。代替例として、機械を単にオフに切換えるか、または、蓄積エネルギーを低減させるために短時間Ｖ２によって運転することができよう。
【００６３】
【発明の効果】
本発明は、高電圧源を充電しながら、切換式リラクタンス機械が、限られた容量の低電圧母線上でアイドルモードにおいてモータとして動作することを可能にする動作の回路および方法を提供する。高電圧源は、その後、低電圧母線への外乱をほとんど、またはまったく伴わずに短時間ハイパワーで機械を稼働させるために使用できる。これは有利である。
【００６４】
本発明のさらに別の用途は、電池または主電源が供給されているかにかかわらず、従来の駆動システムの非常時運転のためのハイパワーモードを提供することである。
【００６５】
当業者は、開示された構成の変更が本発明を逸脱することなく可能であることを理解するであろう。したがって、いくつかの実施例の上述の説明は、限定の目的ではなく、例示として行われている。上述の動作に対する著しい変更を伴わずに若干の修正が構成に対して行い得ることが、当業者には明白であろう。本発明は、以下の請求項の範囲のみによって限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】周知の切換式リラクタンスシステムの略図を示す。
【図２】１つの相巻線とパワーコンバータとの接続を示す。
【図３】図３（ａ）は図２の相巻線に印加される典型的な電圧波形を示し、図３（ｂ）は図３（ａ）に対応する相電流波形を示し、図３（ｃ）は図３（ｂ）に対応するコンバータ供給電流波形を示す。
【図４】切換式リラクタンス機械の単相用の回路である。
【図５】図４の機械の多相機用の回路である。
【図６】切換式リラクタンス機械用の代替的回路を示す。
【図７】図６の機械の多相機用の回路である。
【図８】図６の回路の変更例を示す。
【図９】図８の機械の多相機用の回路である。
【符号の説明】
１１ 電源
１２ 切換式リラクタンスモータ
１３ パワーコンバータ
１４ 電子制御装置
１５ 回転子位置検出器
１６ 相巻線
２１，２２，２８ スイッチ
２３，２４ エネルギーリカバリダイオード
２５，２９ コンデンサ
２６，２７ 母線
５０ 切換スイッチ
５２ 出力端子
Ｖ１，Ｖ２ 電圧源
【発明の属する技術分野】
本発明は、切換式リラクタンス駆動システムに関する。詳細には、限られた容量を備える給電システムにおける限られたデューティサイクルによって操作される当該システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
切換式リラクタンスシステムの特性および動作は、当該技術において周知であり、たとえば、参照によって本願に組込まれる、StephensonおよびBlakeによる「切換式リラクタンスモータおよび駆動装置の特性、設計および用途」（"The characteristics, design and application of switched reluctance motors and drives", PCIM'93, Nuernberg, 21-24 June 1993）に記載されている。図１は、切換式リラクタンスモータ１２が負荷１９を駆動する、典型的な切換式リラクタンス駆動装置を概略形式で示している。入力ＤＣ電源１１は、たとえば、電池または、整流ろ波されたＡＣ主電源とすることができる。電源１１によって供給されたＤＣ電圧は、電子制御装置１４の制御下でパワーコンバータ１３によってモータ１２の相巻線１６間で切換えられる。切換えは、駆動装置の適正な動作のために回転子の回転角度と正しく同期されていなければならない。その目的で、回転子の角位置に対応する信号を供給するために、回転子位置検出器１５が一般に使用される。回転子位置検出器１５は、ソフトウェアアルゴリズムの形態を含む多くの形態をとることができ、その出力はまた、速度フィードバック信号を生成するために使用され得る。
【０００３】
多様なパワーコンバータトポロジが知られており、そのいくつかは上述のStephensonの論文において検討されている。図２は、多相システムの単一の位相についての最も普通の構成の１つを示しており、ここにおいて、機械の相巻線１６は母線２６，２７間の２個のスイッチング装置２１，２２と直列に接続されている。母線２６，２７は集合的に、コンバータの「ＤＣリンク」と呼ばれる。エネルギーリカバリダイオード２３，２４は、スイッチ２１，２２が開かれたときに相巻線電流がＤＣリンクに流れ戻ることができるように、相巻線と接続されている。「ＤＣリンクコンデンサ」として知られるコンデンサ２５は、電源から引出されるかまたはそれに戻ることができないＤＣリンク電流（すなわち、いわゆる「リプル電流」）のあらゆる交番成分をソースまたはシンクするためにＤＣリンク間に接続されている。実際には、コンデンサ２５は、直列および／または並列に接続された数個のコンデンサを含んでいてもよく、並列接続が使用される場合、それらの素子のいくつかはコンバータ全体に分散されていてもよい。
【０００４】
図３は、図２に示された回路の動作サイクルに関する典型的な波形を示している。図３（ａ）は、スイッチ２１およびスイッチ２２が閉じられたときの導通角θcの持続時間に印加される電圧を示す。図３（ｂ）は、相巻線１６の電流がピークまで上昇し、その後わずかに下降することを示している。導通周期の終わりに、スイッチは開かれ、電流はダイオードに移り、相巻線間に反転リンク電圧をかけ、それゆえ磁束および電流をゼロに押し下げる。ゼロ電流時には、ダイオードは導通を止め、回路は次の導通周期の開始まで非活動状態である。スイッチが開かれると、図３（ｃ）に示すように、ＤＣリンクの電流が逆転し、戻された電流は電源に戻されるエネルギーとなる。エネルギーが電源回路に戻されることを可能にする切換式リラクタンス機械のこの能力は、利点を有する。たとえば、参照によって本願に組込まれる、米国特許５，７０５，９１８号公報は、発電効率を増大させるために高圧母線からのエネルギーを低圧母線へ移すことができる発電機を開示している。
【０００５】
切換式リラクタンス駆動装置の電流波形の形状は、機械の運転点および採用されるスイッチング戦略に依存して変化する。たとえば上述のStephensonの論文にも記載されており、周知のとおり、低速度運転は一般に、ピーク電流を包含するために電流チョッピングの使用を伴い、スイッチを非同時的にオフにすることによって、一般に「フリーホイーリング」として知られる動作モードが得られる。
【０００６】
切換式リラクタンス駆動装置は一般に、主電源によって駆動される。しかしながら、一部の駆動装置は、それらがたとえば航海または自動車機器に取付けられるので、公共電源との固定接続を有していない。こうした状況では、システムは一般に、化石燃料燃焼原動機によって駆動される交流発電機から給電される。原動機を始動するために十分なエネルギーを蓄え、発電機容量を超えて負荷に給電するために、蓄電池が通常備えられる。システム負荷によって要求されるものを上回る十分な発電容量が存在する場合、それは交流発電機によって再充電される。
【０００７】
上述の交流発電機／蓄電池システムには、必然的に、資本費、重量および性能の間における妥協が存在する。設計者はシステムの電圧を低下させずに一部または全部の負荷に給電できるシステムを得たいと望むのに対し、それは電池および／または交流発電機の容量を増大させることによってしか行えない。それはシステムの資本費および重量を増大させ、さらには、増大したランニングコストおよび／または、船舶または車両からの低下した運動性能をもたらす。大きい負荷が間欠的に運転される場合、特にシステムがすでに電圧変動に敏感な他の負荷に給電している場合、特定の問題が生じる。たとえば、白熱フィラメントを使用する車両またはキャビンの照明は、電圧変動に敏感であると周知の負荷であり、実際、別の負荷が同じ供給母線上でスイッチされるときにわずかな減光が生じることが普通である。負荷が、たとえば数秒のオンに続き数十秒のオフといったデューティサイクルを有する場合、それは目を刺激し得る。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、著しい電圧外乱を生じることなく、限られた容量の母線上の駆動装置を間欠的に動作させる方法の必要性が存在する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の局面に従えば、回転子と、巻線を有する固定子と、巻線に給電するために第１および／または第２の電圧源のどちらかを選択的に接続する手段と、巻線に給電するために第１の電圧源が使用されるときに戻りエネルギーが巻線から第２の電圧源に移され、それによって第２の電圧源を充電することを可能にするための、巻線と第２の電圧源との間のエネルギー帰路とを有するコントローラとを含む、切換式リラクタンス駆動装置が提供される。
【００１０】
この駆動装置の利点は、間欠的使用のために第２の電圧源を充電するためにエネルギーが巻線から移されることである。
【００１１】
第２の電圧源は第１の電圧源よりも大きくてもよい。好ましくは、第２の電圧源は、所定の値、たとえば第１の電圧源のそれの２または３倍まで充電される。
【００１２】
第１および第２の電圧源は直列または並列に接続されてもよい。第１および第２の電圧源はそれぞれ、各電圧源に並列に接続されたコンデンサを含んでいてもよい。
【００１３】
エネルギー帰路は、エネルギーを巻線から第２の電圧源に移すように巻線の一端と第２の電圧源との間に接続されているダイオードを含んでいてもよい。
【００１４】
巻線に給電するために第１および／または第２の電圧源のどちらかを選択的に接続する手段は、並列に配置された１対のスイッチを含んでいてもよく、第１のスイッチは巻線と第１の電圧源との間に接続され、第２のスイッチは巻線と第２の電圧源との間に接続されており、第１のスイッチが開かれ、第２のスイッチが閉じられたとき、第２の電圧源は巻線に給電するために使用され得る。巻線を第１および第２の電圧源の両方の共通端子に接続するための第３のスイッチが設けられてもよい。
【００１５】
巻線に給電するために第１および／または第２の電圧源のどちらかを選択的に接続する手段は、一方の位置では巻線に給電するために第１の電圧源を接続するように動作可能であり、他方の位置では巻線に給電するために第２の電圧源を接続するように動作可能である、切換スイッチを含んでいてもよい。巻線は、１対のスイッチの間に直列に接続することができる。
【００１６】
本発明の他の局面に従えば、回転子と、巻線を有する固定子とを含む切換式リラクタンス駆動装置を動作させる方法が提供される。この方法は、巻線に給電するために第１の電圧源を駆動装置と接続し、巻線にわたって第１の電圧源をオンオフに切換え、第１の電圧源がオフに切換えられたときにエネルギーを巻線から第２の電圧源に移し、それによって第２の電圧源を充電し、巻線に給電するために第２の電圧源を選択的に接続する。
【００１７】
好ましくは、移す工程は、第２の電圧源が、好ましくは第１の電圧源の定格電圧よりも高い所定の値、たとえば第１の電圧源の定格電圧の２または３倍に充電されるまで実行される。
【００１８】
第１および第２の電圧源は直列または並列に接続されてもよい。第１および第２の電圧源はそれぞれ、各電圧源に並列に接続されたコンデンサを含んでいてもよい。
【００１９】
移す工程は、エネルギーを巻線から第２の電圧源に移すように巻線の一端と第２の電圧源との間に接続されているダイオードを含むエネルギー帰路を通じて、巻線から第２の電圧源にエネルギーを導くことを伴っていてもよい。
【００２０】
巻線は１対のスイッチの間に直列に接続されていてもよく、切換え工程は、開位置と閉位置との間でスイッチの対を切換えることを伴っていてもよい。
【００２１】
方法はさらに、第２の電圧源が所定のレベルまで充電されたときを検出することを伴っていてもよい。好ましくは、方法は、所定のレベルまで充電されたときに第２の電圧源に戻されるエネルギーを低減するために切換え工程を修正することを伴う。
【００２２】
さらに詳しくは、本発明は、回転子と、巻線を有する固定子とを備える機械を含む切換式リラクタンス駆動装置であって、該駆動装置はコントローラをさらに含み、該コントローラは、
第１の電圧源と、該第１の電圧源の両端間に接続される第１のコンデンサとを有する第１の給電回路と、
第２の電圧源と、該第２の電圧源の両端間に接続される第２のコンデンサとを有する第２の給電回路と、
異なる電圧で巻線に給電して前記機械を駆動するために第１および第２の電圧源のうちの少なくともいずれか一方を選択的に接続する手段と、
巻線に給電するために第１の電圧源が使用されるときに、一の導通サイクルの終わりから次の導通サイクルの開始までの間、エネルギーが巻線から第２の電圧源に移され、これによって第２の電圧源を充電することを可能にするための、巻線と第２の電圧源との間の電気的接続とを有し、
コントローラは、第２の電圧源を接続して第１の電圧源だけから利用可能な電圧よりも大きな電圧で巻線に給電することによって、駆動装置をハイパワーモードで動作させるように構成されることを特徴とする切換式リラクタンス駆動装置である。
【００２３】
本発明において、第２の電圧源は、第１の電圧源の電圧の２または３倍まで充電されることを特徴とする。
【００２４】
本発明において、第１および第２の電圧源は直列に配置されることを特徴とする。
【００２５】
本発明において、第１および第２の電圧源は並列に配置されることを特徴とする。
【００２７】
本発明において、電気的接続は、エネルギーを巻線から第２の電圧源に移すように巻線の一端と第２の電圧源との間に接続されるダイオードを含むことを特徴とする。
【００２８】
本発明において、巻線に給電するために第１および第２の電圧源のうちの少なくともいずれか一方を選択的に接続する手段は、並列に配置された第１のスイッチおよび第２のスイッチを含み、第１のスイッチは使用時に巻線と第１の電圧源との間で接続され、第２のスイッチは使用時に巻線と第２の電圧源との間で接続され、第１のスイッチが開かれ、第２のスイッチが閉じられたとき、第２の電圧源は巻線に給電するために使用されることを特徴とする。
【００２９】
本発明において、巻線を第１および第２の電圧源の両方の共通端子に接続するための第３のスイッチを備えることを特徴とする。
【００３０】
本発明において、選択的に接続するための手段は、第１、第２または第３のスイッチを作動させる制御手段をさらに含むことを特徴とする。
【００３１】
本発明において、巻線に給電するために第１および第２の電圧源のうちの少なくともいずれか一方を選択的に接続する手段は、一方の位置では巻線に給電するために第１の電圧源を接続し、他方の位置では巻線に給電するために第２の電圧源を接続するように動作可能である、切換スイッチを含むことを特徴とする。
【００３２】
本発明において、巻線は１対のスイッチの間に直列に接続されることを特徴とする。
【００３３】
本発明において、第２の電圧源が所定のレベルまで充電されたときを検出する検出器をさらに含むことを特徴とする。
【００３４】
本発明において、第２の電圧源が所定のレベルまで充電されたときに、第２の電圧源に移されるエネルギーを低減するために駆動装置の動作を修正する手段を含むことを特徴とする。
【００３５】
本発明において、駆動装置が多相駆動装置であることを特徴とする。
本発明は、回転子と、巻線を有する固定子とを備える機械を含む切換式リラクタンス駆動装置を動作させる方法において、
第１の電圧源と、該第１の電圧源の両端間に接続される第１のコンデンサとを有する第１の給電回路を駆動装置に接続して、機械を動作させるために巻線に給電し、
第１の給電回路の巻線からの切断、および第１の給電回路の巻線への再接続を行い、
第１の給電回路が切断されたときに、エネルギーを、電気的接続を通して、巻線から、第２の電圧源と、該第２の電圧源の両端間に接続される第２のコンデンサとを有する第２の給電回路に移し、これによって第２の電圧源を充電し、
第２の給電回路を選択的に接続して第１の電圧源だけから利用可能な電圧よりも大きな電圧で巻線に給電し、これによって駆動装置をハイパワーモードで動作させることを特徴とする方法である。
【００３６】
本発明において、第２の電圧源は、第１の電圧源の電圧の２または３倍まで充電されることを特徴とする。
【００３７】
本発明において、第１および第２の電圧源が直列に配置されることを特徴とする。
【００３８】
本発明において、第１および第２の電圧源が並列に配置されることを特徴とする。
【００４０】
本発明において、移す工程は、エネルギーを巻線から第２の電圧源に移すように巻線の一端と第２の電圧源との間に接続されているダイオードを含む電気的接続を通じて、巻線から第２の電圧源にエネルギーを導くことを伴うことを特徴とする。
【００４１】
本発明において、巻線は１対のスイッチの間に直列に接続されており、切断および再接続を行う工程は、開位置と閉位置との間でスイッチの対を切換えることを伴うことを特徴とする。
【００４２】
本発明において、第２の電圧源が所定のレベルまで充電されたときを検出することを含むことを特徴とする。
【００４３】
本発明において、第２の電圧源が所定のレベルまで充電されたときに、第２の電圧源に移されるエネルギーを低減するために切断および再接続を行う工程を修正することを含むことを特徴とする。
【００４４】
【発明の実施の形態】
本発明のいくつかの実施例を以下に添付図面に関して例示としてのみ説明する。
【００４５】
図４は、第１のＤＣリンク２６／２７間に接続された第１の電圧源Ｖ１および第１のコンデンサ２５と、第２のＤＣリンク間に接続された第２の電圧源Ｖ２および第２のコンデンサ２９とを示しており、第１および第２のＤＣリンクは共通の負線路２７を共有している。第１のＤＣリンクの正線路２６には、巻線１６のトップと接続されている第１のスイッチ２１が接続されており、巻線１６はその下端で、共通の負線路と接続されている第２のスイッチ２２に接続されている。巻線１６のトップと負線路との間にはダイオード２４が接続されており、それは負線路から巻線１６に向けて電流を導通するように動作可能である。巻線１６のトップと第２のＤＣリンクの正線路との間には第３のスイッチ２８が接続されている。巻線１６のボトムと第２のＤＣ母線の正線路との間には、巻線１６から第２のＤＣ母線に向けて電流を導通するように接続されているダイオード２３がある。このようにして、ダイオード２３は、巻線１６と第２の電圧源（Ｖ２）との間にエネルギー帰路を付与する。
【００４６】
図４の機械は、従来のスイッチ２１，２２を用いて第１の電圧源Ｖ１から、アイドルモードにおいて、相対的に低い速度時に、および小電流を引出す際に、動作することができる。これらのスイッチが開かれるたびに、戻された電流は第２の電源Ｖ２および／またはそのコンデンサ２９に流入する。それゆえ、数動作サイクルにわたり、電源Ｖ２の電圧は、好ましくはＶ１のそれよりも高い、一般にＶ１よりも２または３倍高い、いずれかの所定の値まで上昇する。その時点で、機械は、オフに切換えられるか、または、以下に説明するように、サイクルの終わりにごくわずかなエネルギーを戻すモードのどちらかにおいて動作し得る。機械がハイパワーで動作するように求められる場合には、スイッチ２８がスイッチ２１の代わりに使用され、それによって、第２の高い電圧源Ｖ２によって機械を駆動する。これは電子制御装置１４の制御下で行われる。機械がＶ２によって駆動される場合、Ｖ１から引出される電流はまったく存在せず、したがって線路２６の電圧外乱もまったく存在しない。
【００４７】
Ｖ１から給電されるときに機械がアイドルモードにあると述べたが、それが必ずしもそうである必要がないことは理解されよう。たとえば、機械は、Ｖ２を充電している間に、第１の相対的に低い負荷を駆動するために使用できるであろう。負荷が増大した場合、機械はＶ２によって給電され、増大した負荷を駆動するように動作するであろう。あるいはまた、機械がＶ１によって給電され、Ｖ２が充電されているときには、機械の回転子は静止していることもできよう。この場合、機械は、充電期間の間、単一の位相を使用して、または複数の位相を同時に使用して動作するであろう。機械が負荷を駆動するために必要とされる場合、Ｖ２は、負荷を駆動するために機械に給電するように接続される。いずれにせよ、負荷は機械の回転子に強固に接続され得るか、または、必要に応じて回転子を負荷と接続するためにクラッチを設けることができよう。
【００４８】
図４の構成は、車両においてファンを間欠的に駆動するために好適に使用することができる。この場合、車両バッテリはＶ１として使用され、機械に給電し、別の電源Ｖ２を充電し、それによってファンを駆動するために十分な電力を提供する。この用途の具体的な例として、照明および他の付随的な負荷に給電するために設けられている標準の１２Ｖ自動車バッテリがＶ１として使用され、たとえば公称３６Ｖ定格の小形補助バッテリがＶ２として使用される。たとえば定格速度の１５％の、アイドル速度において、機械はＶ１によって給電される。この段階の間、機械がアイドリングしているときには、バッテリＶ２は、巻線１６からＶ２に移されるエネルギーによって充電される。ファンが加速し、高速で動作するように要求されると、電源要求が増加し、バッテリＶ２は稼働にスイッチされ得る。
【００４９】
図４からただちに明白とはならない別の利点がある。従来の回路では、スイッチは、最大電力に関係するピーク電流に対処するための定格とされなければならない。しかしながら、より高い電圧源Ｖ２によって動作される際には、同一の電力出力に必要なピーク電流における対応する降下が存在する。これによって、スイッチ２２，２８は、より小さな定格電流を有することができる。スイッチ２１はアイドルモードにおいて使用されるだけなので、それも小さい定格を有することができる。スイッチ定格のこの低減は、余分なスイッチ、コンデンサおよび電源のコストを相殺するために使用できる。
【００５０】
図４は単一の位相だけを示しているが、本発明の原理が多相構成においても等しく使用され得ることが理解されよう。この場合、回路は、スイッチ、ダイオードおよび巻線だけを複製することになり、コンデンサおよび電圧源は全部の位相について共通である。二相機械用のコンバータ回路の例を図５に示す。
【００５１】
本発明を実施するための代替的回路が、図６に示されている。この場合、回路は、直列に接続されている第１の電圧源Ｖ１および第２の電圧源Ｖ２を有する。２つの電源Ｖ１，Ｖ２間には出力端子５２があり、それによって、機械によって使用される電圧はＶ１の出力か、またはＶ１とＶ２との合成出力のいずれかとなり得る。２つの出力間でトグルするために、切換スイッチ５０が設けられている。スイッチ５０とＤＣ母線の負端との間にコンデンサ２５が接続されている。コンデンサ２５と並列に、第１のスイッチ２１、巻線１６および第２のスイッチ２２の直列の組合せがその順序で存在する。第１のスイッチ２１と巻線１６との間にはダイオード２４の一方端が接続され、その他方端でＤＣ母線の負線路と接続されており、ダイオード２４は負線路２７から巻線１６のトップに電流を導通するものとしてある。
【００５２】
第２のスイッチ２２と巻線１６の下端との間には、ダイオード２３の一方端が接続されており、その他方端で第２の電圧源Ｖ２の正端と接続されており、巻線１６から第２の電圧源Ｖ２に電流を導通する。このようにして、エネルギー帰路が巻線１６と第２の電圧源Ｖ２との間に設けられる。ダイオード２３の上端と下側ＤＣリンクとの間にコンデンサ２９が接続されており、それは第１および第２の電圧源の両方の間で有効に接続されている。
【００５３】
図６の機械は、機械間のＶ１を接続するために切換スイッチ５０を使用し、従来のスイッチ２１，２２を使用することによって第１の電圧源Ｖ１から小電流を引出すために、相対的に低い速度で、または前述の通り静止モードにおいて動作することができる。従来のスイッチが開かれるたびに、戻された電流は、ダイオード２３を介して第２の電源Ｖ２および／またはそのコンデンサ２９に流入する。それゆえ、数動作サイクルにわたり、電源Ｖ２の電圧は、Ｖ１のそれよりも高いとし得る、いずれかの所定の値まで上昇する。機械がハイパワーで動作するように要求される場合、切換スイッチ５０は、巻線１６間のＶ１とＶ２との合成出力を接続し、それによってより高い合成電圧で機械を駆動するようにトグルされる。車両の状況において、スイッチ５０をトグルする決定は、車両の要求電力に従って従来のエンジン管理システムによって行われるはずである。他の状況では、対応する制御手段が同じ効果を得るために使用でき、たとえば図１の制御装置１４に組込むことができる。
【００５４】
図６の回路の場合、たとえそれが低電圧時のピーク電力に要求されるような電流よりもずっと小さいとしても、電源Ｖ１は、低電圧および高電圧の両方で機械を動作させる際に巻線１６に電流を供給しなければならないことに留意するべきである。
【００５５】
図６は単一の位相だけを示しているが、その原理は多相構成においても使用できることが理解されよう。その場合、回路は、スイッチ、ダイオードおよび巻線だけを複製することになり、コンデンサおよび電圧源は全部の位相に共通である。二相機械用のコンバータ回路の例を図７に示す。
【００５６】
図８は、本発明が実施されている別のシステムを示す。これは、第１電圧源Ｖ１および第２の電圧源Ｖ２がそれぞれ並列に配置されていることを除き、図６および７の構成と同様である。しかしながら、この構成は２つの電圧源の独立動作を可能にするので、機械が全出力で運転されるときに、低い電圧源Ｖ１が余分な電流を供給する必要がない。
【００５７】
図８は単一の位相だけを示しているが、その原理は多相構成においても使用できることが理解されよう。その場合、回路は、図９に図示するように、スイッチ、ダイオードおよび巻線だけを複製することになり、コンデンサおよび電圧源は全部の位相に共通である。図６〜９に示された構成では、機械の相数を問わず、１個の切換スイッチ５０だけが要求される。
【００５８】
図６〜９に示された構成では、コンデンサ２５は、切換スイッチ５０が操作される際に電圧の変化に突然さらされ、コンデンサおよびスイッチへのストレスおよび／または電圧源への外乱を潜在的に生じる。この問題は、コンデンサ２５のトップ結線を端子５２に移動させることによって回避できる。これによって、コンデンサの接続を、不要な迷インダクタンスを切換え経路に導入するスイッチ２１，２２から物理的に切離すことが可能になる。これは、コンデンサ２５を２個以上の要素に分割することによって対処できよう。すなわち、端子５２に取付けられ、低周波成分に対処するように寸法決めされた大形のコンデンサと、スイッチ近くに接続され、高周波成分だけを吸収するように寸法決めされ、スイッチが操作される際の回路への衝撃がずっと小さい、１以上の小形のコンデンサとである。
【００５９】
上述の例のＶ１は、電池といったいずれかの適当な電源とすることができる。Ｖ２は、たとえば電池またはコンデンサあるいは超コンデンサなどの、いずれかの適当な電気蓄積用装置とすることができる。
【００６０】
当業者は、図４〜９に示された回路が共通の負側レールを使用しているが、同じ効果を得るために共通の正側レールを有するように再構成することは日常的な事柄であることを容易に理解するであろう。
【００６１】
上述の回路のそれぞれについて、充電するために高電圧源に移されている電力量を調節することが可能である。一部の用途では、機械を発電機として駆動することが可能であり、その場合、高電圧源に発電し、低い電圧源から励磁を引出す、従来の切換式リラクタンス機械制御を使用することができる。しかしながら、ほとんどの状況では、機械的パワーのソースがまったくないはずであるので、機械を発電機として使用することはできないであろう。それにもかかわらず、上述の技法を使用して低い電圧源からより高い電圧源を効率的を充電することがやはり可能である。その技法は、スイッチオフの時点で回収できるエネルギーの量は、機械の磁界に蓄積されたものと密接に関連するという認識に基づく。切換え角がユーザの制御下にあるので、機械の蓄積エネルギーの量を、したがって電気的パワーに回収される量を変化させるために、適切な角度を選択することができる。一般に、ピーク電動効率のために従来使用される「より遅い」角度がより多くのエネルギーを回収するであろう。
【００６２】
電源Ｖ２が、所要のレベルまで充電されると（電圧監視または、電源に送られた電荷の量を積分することによって検出できる）、機械を運転可能にするが、スイッチオフ時にごくわずかな蓄積エネルギーと関係づけられる角度を使用するために、スイッチング戦略を修正することが適切である。これを行う１つの方法は、長期間のフリーホイーリングを後続させる相対的に短い導通角を（おそらくサイクルのごく早期に）使用することである。これは、巻線および装置にわたる電圧降下によって磁束が減少せざるを得なくする。代替例として、機械を単にオフに切換えるか、または、蓄積エネルギーを低減させるために短時間Ｖ２によって運転することができよう。
【００６３】
【発明の効果】
本発明は、高電圧源を充電しながら、切換式リラクタンス機械が、限られた容量の低電圧母線上でアイドルモードにおいてモータとして動作することを可能にする動作の回路および方法を提供する。高電圧源は、その後、低電圧母線への外乱をほとんど、またはまったく伴わずに短時間ハイパワーで機械を稼働させるために使用できる。これは有利である。
【００６４】
本発明のさらに別の用途は、電池または主電源が供給されているかにかかわらず、従来の駆動システムの非常時運転のためのハイパワーモードを提供することである。
【００６５】
当業者は、開示された構成の変更が本発明を逸脱することなく可能であることを理解するであろう。したがって、いくつかの実施例の上述の説明は、限定の目的ではなく、例示として行われている。上述の動作に対する著しい変更を伴わずに若干の修正が構成に対して行い得ることが、当業者には明白であろう。本発明は、以下の請求項の範囲のみによって限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】周知の切換式リラクタンスシステムの略図を示す。
【図２】１つの相巻線とパワーコンバータとの接続を示す。
【図３】図３（ａ）は図２の相巻線に印加される典型的な電圧波形を示し、図３（ｂ）は図３（ａ）に対応する相電流波形を示し、図３（ｃ）は図３（ｂ）に対応するコンバータ供給電流波形を示す。
【図４】切換式リラクタンス機械の単相用の回路である。
【図５】図４の機械の多相機用の回路である。
【図６】切換式リラクタンス機械用の代替的回路を示す。
【図７】図６の機械の多相機用の回路である。
【図８】図６の回路の変更例を示す。
【図９】図８の機械の多相機用の回路である。
【符号の説明】
１１ 電源
１２ 切換式リラクタンスモータ
１３ パワーコンバータ
１４ 電子制御装置
１５ 回転子位置検出器
１６ 相巻線
２１，２２，２８ スイッチ
２３，２４ エネルギーリカバリダイオード
２５，２９ コンデンサ
２６，２７ 母線
５０ 切換スイッチ
５２ 出力端子
Ｖ１，Ｖ２ 電圧源
Claims (21)
- 回転子と、巻線を有する固定子とを備える機械を含む切換式リラクタンス駆動装置であって、該駆動装置はコントローラをさらに含み、該コントローラは、
第１の電圧源と、該第１の電圧源の両端間に接続される第１のコンデンサとを有する第１の給電回路と、
第２の電圧源と、該第２の電圧源の両端間に接続される第２のコンデンサとを有する第２の給電回路と、
異なる電圧で巻線に給電して前記機械を駆動するために第１および第２の電圧源のうちの少なくともいずれか一方を選択的に接続する手段と、
巻線に給電するために第１の電圧源が使用されるときに、一の導通サイクルの終わりから次の導通サイクルの開始までの間、エネルギーが巻線から第２の電圧源に移され、これによって第２の電圧源を充電することを可能にするための、巻線と第２の電圧源との間の電気的接続とを有し、
コントローラは、第２の電圧源を接続して第１の電圧源だけから利用可能な電圧よりも大きな電圧で巻線に給電することによって、駆動装置をハイパワーモードで動作させるように構成されることを特徴とする切換式リラクタンス駆動装置。 - 第２の電圧源は、第１の電圧源の電圧の２または３倍まで充電されることを特徴とする請求項１記載の切換式リラクタンス駆動装置。
- 第１および第２の電圧源は直列に配置されることを特徴とする請求項１または２記載の切換式リラクタンス駆動装置。
- 第１および第２の電圧源は並列に配置されることを特徴とする請求項１または２記載の切換式リラクタンス駆動装置。
- 電気的接続は、エネルギーを巻線から第２の電圧源に移すように巻線の一端と第２の電圧源との間に接続されるダイオードを含むことを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の切換式リラクタンス駆動装置。
- 巻線に給電するために第１および第２の電圧源のうちの少なくともいずれか一方を選択的に接続する手段は、並列に配置された第１のスイッチおよび第２のスイッチを含み、第１のスイッチは使用時に巻線と第１の電圧源との間で接続され、第２のスイッチは使用時に巻線と第２の電圧源との間で接続され、第１のスイッチが開かれ、第２のスイッチが閉じられたとき、第２の電圧源は巻線に給電するために使用されることを特徴とする請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載の切換式リラクタンス駆動装置。
- 巻線を第１および第２の電圧源の両方の共通端子に接続するための第３のスイッチを備えることを特徴とする請求項６記載の切換式リラクタンス駆動装置。
- 選択的に接続するための手段は、第１、第２または第３のスイッチを作動させる制御手段をさらに含むことを特徴とする請求項６または７記載の切換式リラクタンス駆動装置。
- 巻線に給電するために第１および第２の電圧源のうちの少なくともいずれか一方を選択的に接続する手段は、一方の位置では巻線に給電するために第１の電圧源を接続し、他方の位置では巻線に給電するために第２の電圧源を接続するように動作可能である、切換スイッチを含むことを特徴とする請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載の切換式リラクタンス駆動装置。
- 巻線は１対のスイッチの間に直列に接続されることを特徴とする請求項９記載の切換式リラクタンス駆動装置。
- 第２の電圧源が所定のレベルまで充電されたときを検出する検出器をさらに含むことを特徴とする請求項１〜１０のうちのいずれか１つに記載の切換式リラクタンス駆動装置。
- 第２の電圧源が所定のレベルまで充電されたときに、第２の電圧源に移されるエネルギーを低減するために駆動装置の動作を修正する手段を含むことを特徴とする請求項１１記載の切換式リラクタンス駆動装置。
- 駆動装置が多相駆動装置であることを特徴とする請求項１〜１２のう ちのいずれか１つに記載の切換式リラクタンス駆動装置。
- 回転子と、巻線を有する固定子とを備える機械を含む切換式リラクタンス駆動装置を動作させる方法において、
第１の電圧源と、該第１の電圧源の両端間に接続される第１のコンデンサとを有する第１の給電回路を駆動装置に接続して、機械を動作させるために巻線に給電し、
第１の給電回路の巻線からの切断、および第１の給電回路の巻線への再接続を行い、
第１の給電回路が切断されたときに、エネルギーを、電気的接続を通して、巻線から、第２の電圧源と、該第２の電圧源の両端間に接続される第２のコンデンサとを有する第２の給電回路に移し、これによって第２の電圧源を充電し、
第２の給電回路を選択的に接続して第１の電圧源だけから利用可能な電圧よりも大きな電圧で巻線に給電し、これによって駆動装置をハイパワーモードで動作させることを特徴とする方法。 - 第２の電圧源は、第１の電圧源の電圧の２または３倍まで充電されることを特徴とする請求項１４記載の方法。
- 第１および第２の電圧源が直列に配置されることを特徴とする請求項１４または１５記載の方法。
- 第１および第２の電圧源が並列に配置されることを特徴とする請求項１４または１５記載の方法。
- 移す工程は、エネルギーを巻線から第２の電圧源に移すように巻線の一端と第２の電圧源との間に接続されているダイオードを含む電気的接続を通じて、巻線から第２の電圧源にエネルギーを導くことを伴うことを特徴とする請求項１４〜１７のうちのいずれか１つに記載の方法。
- 巻線は１対のスイッチの間に直列に接続されており、切断および再接続を行う工程は、開位置と閉位置との間でスイッチの対を切換えることを伴うことを特徴とする請求項１４〜１８のうちのいずれか１つに記載の方法。
- 第２の電圧源が所定のレベルまで充電されたときを検出することを含むことを特徴とする請求項１４〜１９のうちのいずれか１つに記載の方法。
- 第２の電圧源が所定のレベルまで充電されたときに、第２の電圧源に移されるエネルギーを低減するために切断および再接続を行う工程を修正することを含むことを特徴とする請求項２０記載の方法。
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