JP4217615B2 - 励弧回路および、フラックス切替モーターの励起方法 - Google Patents

Description

本願は、２００１年８月６日出願の米国仮出願番号６０／３１０，３８２の優先権主張したものであり、基礎出願を本願の一部として含むこととする。

本発明は、電動機の励弧回路（excitation circuit）に関するものであり、より詳細には、励弧回路および、フラックス切替モーター（flux switching motor）の励起方法に関するものである。

フラックス切替モーターは、アンワウンド（unwound）で、突起したポール回転子と、固定子における２組の完全にピッチされた（pitched）コイルとによって特徴付けられる。これらコイルの一方の組、界磁コイルは、事実上単向電流を有する。他方のコイルの組、電機子コイルは、可逆電流によって励起され、極性は回転子の位置によって決定される。

フラックス切替モーターは、大型家庭用電化製品や、テーブルソーや留め継ぎ用のつり掛けのこぎり等のような分数馬力出力よりも大きな出力を要する電動工具を含む多種の応用例に用いられるのが好適である。フラックス切替モーターはまた、ブラシがないことから、のこぎりや、ユニバーサルモーター（universal motor）に使用される従来型の整流子のような電動工具に非常に有効に使用される。ブラシや、該ブラシと整流子間の機械的接続の欠失は、密閉モーター（sealed motor）に、粉塵に対する高い耐性を与えている。この粉塵は、一方では、従来型のユニバーサルモーターのブラシおよび整流子の操作に影響を及ぼすものである。このようなモーター（密閉モーター）はまた、長寿命であり、通常、整流子およびブラシがモーターの整流に必要とされる場合に起こる擦り切れがないことから、定期的な修復および／または点検をほとんど必要としない。

フラックス切替モーターとともに、一対の電子切替（electronic switches）の使用を通じて、密閉モーターのようなモーターを電子的に整流することは一般的である。該電子切替は、以下の方法における形式のコントローラーを介して制御される。この方法とは、一つ以上の電機子コイルの一つまたは、異なる部分のバイファイラ電機子コイル（a bifilar armature winding）を通った電流の方向を、モーターの整流のために制御できるというものである。

多く従来型の整流回路は、電流を流す経路を提供するための“スナバ”回路を、モーターを非作動にして整流する電子切替として使用する必要があった。しかしながら、このようなスナバ回路は、電機子コイルの一つまたは、単一バイファイラコイル部分を通して電流が切り替えられる度に、浪費電力となる多量の電力を消耗する。このような手法の銅線使用もまた非常に少ない。

近年のフラックス切替モーターの励弧回路もまた、回路の整流器部分の出力に含まれるために、アルミニウム電子コンデンサを一般的に必要とする。それは安定した直流電圧を生成するためであり、かつ、モーターの整流中に生成された過渡を操作するためである。しかしながら、一般的には“バルク”コンデンサと呼ばれるアルミニウム電子コンデンサがないと、待機状態からのフラックス切替モーターの起動は非常に遅く、かつ、一定ではなくなるであろう。加えて、このようなバルクコンデンサがないと、モーターの操作速度に達するまでに必要とする時間が長くなってしまう。テーブルソーや留め継ぎ用のつり掛けのこぎりといった電動工具など様々な適用例において、モーターが操作速度に達して、使用できるまで２，３秒間またはそれ以上待機しなくてはならなかった。このようなバルクコンデンサはまた、モーターが電流保護分岐回路から引き出すことが出来る電力を削減する低い力率を設定する。なお低い力率とは０．７５〜０．７０である。バルクコンデンサはまた、比較的大きく、プリント回路基板上における容積を非常に使用してしまい、さらに寿命に制限がある（一般的には約２０００時間）。さらにバルクコンデンサは、振動に弱く、したがって電動工具における使用にはあまり適さない。またさらに、バルクコンデンサはＡＣ電源への調波の影響を緩和することができる。これは実際、アメリカ合衆国では重大な検討事項ではないが、一方ではヨーロッパでのＡＣ電源への調波の導入は、非常に深刻な検討事項であり、ヨーロッパにおいて使用されるモーターの励弧回路に設計される場合に考慮される必要がある。

したがって、励弧回路をフラックス切替モーターに提供するためには以下の点が要求される。それは、複数の電気的切替と、電気的にモーターを整流する切替制御スキームとの構成を用いて、電機子コイルを通る電流の再循環を提供するものである。上述した切替制御スキームと切替の構成の使用を通じた従来型スナバ回路に対する要求を除去することもまた関連する目的である。

また本発明の他の目的としては、該励弧回路の整流部分の出力を交差する従来のバルクコンデンサよりも比較的小さなフィルムコンデンサを使用するようにしたフラックス切替モーターの励弧回路を提供することにある。従来のバルクコンデンサよりもフィルムコンデンサを使用することは、回路の力率をかなり増進することができる。加えて、該回路によってＡＣ電源への戻される調波をかなり低減することが可能となる。また、ＥＭＩの軽減に対しても前向きに寄与する。

また本発明の他の目的としては、モーターの電機子コイルの逆整流への影響を制御することのできる切替回路を使用するようにしたフラックス切替モーターの励弧回路を提供することにある。さらにこれによってモーターが非作動になった場合に即時に停止できるようになる。この特徴は、フラックス切替モーターがテーブルソーや留め継ぎ用のつり掛けのこぎりや回転式ハンマー等に用いられる場合に高く要求されるものである。

本発明の実施の形態にて、上述した特徴およびその他の特徴は、フラックス切替モーターの励弧回路によって与えられている。励弧回路は、切替回路を含む。該切替回路は、フラックス切替モーターの電機子コイルとともにＨブリッジ構成を構成した複数の電子切替装置を含む。モーターを整流している間の電機子電流の再循環を可能にするために、ダイオードのようなバイパス構造を有する電子切替は少なくとも一つ選択される。これは、従来型のスナバ回路の必要性をなくし、モーターのトルク／速度性能を向上するものである。

励弧回路はさらに、励弧回路の整流位置の出力を越える、従来型のバルクコンデンサによりもフィルムコンデンサを含む。フィルムコンデンサは、励弧回路に電力を与えるＡＣ電源によって明らかとなるハーモニックを低減する一方で、励弧回路の力率を向上させる。

励弧回路はさらに、電子切替装置の切替を制御するコントローラーを含む。好ましいコントローラーの構成としては、電子切替に提供される切替信号の負荷サイクルを制御するために、パルス幅変調速度制御（ＰＷＭ）スキームがシングルパルス制御と組み合わされて実行される微小演算装置を含む構成である。コントローラーをＰＷＭスキームとともに使用することは、実行されるトルク／速度プロファイルの変更をさらに可能にし、フラックス切替モーター自身は全く変調することなくシングルフラックス切替モーターの性能特性を様々な応用に用いることができる。コントローラーととも使用されるソフトウエアのみの改良で、編成されるモーターのトルク／速度プロファイルに、使用するモーターを備えた特定工具または複数の特定工具に対するモーターの最適性能を実現させる。

本発明におけるさらなる適用領域は以下に記載する詳細な説明から明らかとなるだろう。本発明の好ましい実施形態を示した詳細な説明および実施例は、本発明の範囲を限定するものではない。

以下に記載の実施の形態は一例であって、本発明の適用や用途がこれに限定されるものではない。

図１は、本発明の実施の形態における励弧システム１０である。一般的に励弧システム１０は、フラックス切替モーター１４に接続した電力／切替回路１２を構成する。フラックス切替モーター１４は、複数の極をもつ固定子を有する従来型のフラックス切替モーターと、完全にピッチされた（pitched）界磁コイルと、完全にピッチされた（pitched）電機子コイルとを備える。上記複数の極は、好ましくは４つである。界磁コイルおよび電機子コイルの巻数は変化するが、一実施形態としてフラックス切替モーター１４は、コイル当たり４０巻を有する界磁コイルと、コイル当たり２０巻を有する電機子コイルを備えていることが好ましい。一実施形態では、該固定子は１対のコンセクエント極（consequent poles）を有し、該１対のコンセクエント極は、２つの平行位置にあって電機子コイルを配置（arranging）することになる。

フラックス切替モーター１４はまた、位置センサー１６によって回転位置を監視される回転子を備えている。該位置センサー１６の出力信号は、超小型演算装置のようなコントローラー１８に提供される。複数の電子切替装置は、様々な状況を該コントローラー１８に知らせるためのコントローラー１８への情報入力のために使用することができる。様々な状況とは、例えば該フラックス切替モーター１４を作動するためのトリガ・スイッチ（trigger switch）２０ａのオン／オフの作動のようなものである。該コントローラー１８は、駆動回路２２に提供される切替信号を提供する。駆動回路２２からの出力は、電源／切替回路１２の制御切替構成要素として使用され、フラックス切替モーター１４を電子的に整流する。

励弧システム１０は、様々な電動工具に広く用いられるであろうことは言うまでもなく、また特徴的な実施としては、テーブルソー（table saw）や留め継ぎ用のつり掛けのこぎり（mitre saw）の接続に用いられるということである。この実施において、フラックス切替モーター１４がテーブルソーの場合または留め継ぎ用のつり掛けのこぎりの場合のどちらに使用されていたとしても、典型的な複数の外部スイッチはコントローラー１８への信号供給のために備えられる。この情報から、コントローラー１８は、駆動部２２が特定要求トルク（specific desired torque）や速度性能曲線を提供することによってフラックス切替モーター１４の伝達を制御できるように、駆動部２２へのコントローラー１８自身の出力信号を修正することができる。

冗長切替検出回路部２４は、外部スイッチ２０の作動を監視するために備えられることが好ましい。この冗長切替検出回路部２４は駆動部２２に、１つ以上の外部スイッチ２０のオンまたはオフの表示信号を提供する。駆動部２２は、駆動部２２がフラックス切替モーター１４を作動するための信号を生成する前に、冗長切替検出回路部２４と同じく、コントローラー１８から適切な信号を受信する。したがって、冗長切替検出回路部２４は、コントローラー１８が如何なるに誤作動を起こしても、コントローラー１８自体からフラックス切替モーター１４を作動させる信号が駆動部２２に伝達することを防ぐことを保証する安全装置としての役割を担う。選択的データ集積回路２６は、ＥＥＰＲＯＭにおける記憶手段使用データ（storing tool use data）のために用いられることが好ましい。

図２は、励弧システム１０の電源／切替回路１２をより詳細に示した図である。なお図２には、冗長切替検出回路部２４と、外部スイッチ２０と、駆動部２２と、データ集積回路２６とは図示していない。フラックス切替モーター１４は、界磁コイル２８および電機子コイル３０により簡潔に構成されて示されている。ＡＣ電源３２は、交流入力を全波ブリッジ整流回路（a full wave bridge rectifier circuit）３４に供給する。フィルムコンデンサ３６は、全波ブリッジ整流回路３４の出力（すなわち直流側）と連結するために、直流レール（the DC rails）３３ａおよび３３ｂと連結される。フィルムコンデンサ３６の好ましい形態として、約１０μｆｄ〜１５μｆｄ、より好ましくは約１２．５μｆｄの電気容量を有する金属化ポリプロピレンフィルムコンデンサを含むことが好ましい。その値は、ＥＭＩテストおよびハーモニックテスト（harmonics tests）によって得られる。

起動ダイオード３８は、継電器４０の出力側の一対のスイッチ接触部（switch contacts）４０ａを介して界磁コイル２８の両側に連結される。起動ダイオード３８及び継電器４０は、トライアック（triac）出力またはサイリスタ（thyristor）出力の光学スイッチ、またはパルス変成器によってゲートされた（gated）サイリスタや適切な半導体のようなものによって置換できる。電機子エネルギー回収コンデンサ（an armature energy recovery capacitor）４２はまた、直流レール３３ａおよび３３ｂに渡って連結される。電機子エネルギー回収コンデンサ４２は、約１０μｆｄ〜１５μｆｄ、より好ましくは約１２．５μｆｄの静電容量を有することが好ましい。

起動ダイオード３８は、モーター操作が起動モードなのか作動モードなのかに基づいて、回路から該起動ダイオードを保持する、または除くために、継電器接触部４０ａと組み合わせて用いられる。代わりとなる実施形態としては、ダイオードの代わりにサイリスタ３５を用いることであり、継電器の代わりにパルス変成器３５ａ（図２ａ）を用いることである。これらの機能は基本的に同じである。

さらに図２には、電力／切替回路１２に複数の電子切替装置４４，４６，４８，５０を含み、これらは電機子コイル３０にＨブリッジ形式で接続されている。電子切替装置４４〜５０はそれぞれ適当な電子切替装置のあらゆる形態を含むが、電子切替装置４４〜５０がそれぞれ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を含むことが好ましい。なおまた、それぞれの電子切替装置４４〜５０は、リスペクティブダイオード（a respective diode）４４ａ〜５０ａを含んでいる。リスペクティブダイオード４４ａ〜５０ａとは、一般的に“フリーホイーリングダイオード”といわれている。上記フリーホイーリングダイオード４４ａ〜５０ａは、フラックス切替モーター１４の起動中に電機子エネルギーの再循環を促進する。この特徴について詳細に説明する。

まず、電子切替装置４４〜５０は、第１対である電子切替装置４４および４６、第２対である電子切替装置４８と５０という２つで制御される。電子切替装置４４〜５０のそれぞれのゲートは駆動部２２を介してコントローラー１８と連結する。電子切替装置４４および４８のそれぞれは、パルス幅変調速度（ＰＷＭ）制御スキーム（scheme）を用いることによって、またはシングルパルス（single-pulse）制御、検知モーター速度（the sensed motor speed）に依存したコントローラー１８によって作動する。電子切替装置４６および５０は、シングルパルス制御スキームによってのみ制御される。

コントローラー１８は、位置センサー１６から、フラックス切替モーター１４の回転子５２の回転位置を示す信号を受信する。上記位置センサー１６は光学センサーであることが好ましい。例えば、株式会社オプテックテクノロジー（テキサス州キャロルトン）製のスロット光学スイッチは特に励弧システム１０に適して使用することができる。位置センサー１６は、複数の異なる構成要素によって形成することができ、例えばマグネティックスイッチ（magnetic switch）であれば、回転子の位置を示すことができる。

図３には、図２に示す回転子５２の各極５２ａの位置を検知する位置センサー１６によって得られる波形５４を示す。各極５２ａの検出により、一般的に方形波パルスといわれる方形波パルスの正方向の前縁５６を、波形５４は有する。４極回転子５２では３６０°周期に４つのパルスがもたらされる。したがって、各パルスの幅は、４極モーターに対して約４５°機械度（mechanical degrees）となる。波形５４の周期は、検知モーター速度によって増減する。

作動モード
励弧システム１０は、起動中に過剰な電流になることなくフラックス切替モーター１４が定格モーター速度に達するように初期起動される時点から順次実行される複数の作動モードを実行する。定格モーター速度とは、約１５，０００ｒｐｍが好ましい。これら４モードは以下に１〜４に分けて説明する。

（１）初期起動モード（約０〜４５０ｒｐｍ）
図２および４は、フラックス切替モーター１４の初期起動中、ＡＣ電源３２は整流器３４の入力側へ交流電力（ＡＣ電流）（AC power）を供給する。該交流電流は、２３０ボルト交流信号（a 230 volt AC signal）が好ましい。整流器３４は、直流母線３３ａおよび３３ｂを経て整流された交流信号を提供する。フラックス切替モーター１４が初期起動された場合に、もしセンサー出力波形５４がロジック“１”（すなわち“高”）レベルであったならば、コントローラー１８は電子切替装置４４および４６に電機子コイル３０を通して矢印５８の方向へ電流を流すように作動させる。回転子５２は、好ましくは、続行されるか、フラックス切替モーター１４のアウトプットシャフトと連結されて、正となることが知られている電機子コイル３０によって生成されるバックＥＭＦ（the back EMF）は、位置センサー１６に対して整列される。したがって、ポジティブトルクに達するために、電流は矢印５８の方向に電機子コイル３０を通して流れる必要がある。

フラックス切替モーター１４が初期起動されると、起動ダイオード３８は、スイッチ接触部４０ａを閉鎖した継電器４０の起動によって、界磁コイル２８を越える形で配置される。これは、界磁電流が操作の起動状態中に不連続となることがないように、界磁コイル２８は界磁電流の再循環のための手段として用いられる。４番目の部門で説明するように、たとえフラックス切替モーター１４が少なくとも約１５，０００ｒｐｍの速度で操作していても、起動ダイオード３８は開いたスイッチ接触部４０ａによって電力／切替回路１２から除かれ、継電器４０を非作動化する。これは、モーターの高性能および高出力の結果によるモーターの最適性能を保証するものである。

初期起動モードの間、波形５４がロジック１レベルを示す場合に、ＰＷＭ切替信号６０（図４ａ）は電子切替装置４４のみに提供される。電子切替装置４６はコントローラー１８によって作動状態に維持される。同じく、対となっている電子切替装置４８および５０は、コントローラー１８によって作動状態に切替られる（図４ｂに示すのは波形５４がロジック０レベルの場合）場合、電子切替装置４８のみがＰＷＭ切替信号６０を受信し、電子切替装置５０は電子切替装置４８および５０の対がコントローラー１８によって電源が切られるまで、コントローラーによって作動状態を維持する。このスキームは、ここに説明する起動モード全てを通して実行される。

ここに説明する起動モード全てを通して、電子切替装置４４および４８に供給されるＰＷＭ切替信号６０の周波数は、約５ＫＨｚ（２００マイクロ秒単位）であることが好ましく、修正されるのはＰＷＭ切替信号６０の負荷サイクル（the duty cycle）のみである（図５）。しかしながら、この５ＫＨｚのＰＷＭ切替信号６０は適用される場合に適宜増減するものである。

初期起動モードの間（すなわち０〜４５０ｒｐｍの間）では、コントローラー１８によって確実に判断（検出）されるにはモーター速度が遅すぎる。この範囲の回転速度では、ＰＷＭ切替信号６０は一定の（すなわち修正された）負荷サイクル、約１０〜２５％の範囲が好ましく、約２０％がより好ましい、を有している。これは図５に図示する曲線７０の位置７０ａに示されている。このとき負荷サイクルは２０％である。図４Ａには、約２００ｒｐｍのモーター速度での制御信号を示すものである。したがって、波形５４は、７５ミリ秒の周期を有する。波形５４のロジックレベル１状態の間（約３７．５ミリ秒）は、電子切替装置４４のゲートに約１８８ＰＷＭサイクルが送られる。図５に示すように、これらＰＷＭサイクルの負荷サイクルは、この低回転速度においておよそ２０％ほどしかないが、図４Ａの規模になるとＰＷＭパルスの負荷サイクルは認められない。

図４Ａでは、ＰＷＭ切替信号６０はまた、位置センサー１６によって生成される方形位置センサー出力波形５４に対して制御される。ＰＷＭ切替信号６０は、位置センサー１６によってもたらされる各々のロジック１レベルパルスにより形成されるエンベロープに適用されるために制御される。なお“エンベロープ”とは、ＰＷＭ切替信号６０が適用される位置センサー出力波形５４の作動時の部分（すなわち周期）を意味する。すなわち、図４ａにて、ＰＷＭ切替信号６０は、位置センサー出力波形５４の各“作動”パルスの周期と一致したエンベロープを有する。なお図４ａは、トップスイッチ（top switch）４４に対するＰＷＭ信号のみを示す。ＰＷＭ信号は、波形５４がロジックレベル０である場合に、トップスイッチ４８に適用される。その波形５４は図４ｂに示す。

さらに、起動モードにおいて重要な特徴は、逆“キック（kick）”（すなわちパルス）である。これは、モーターが非作動状態から作動する場合には毎回提供される。上述したように、コントローラー１８はまず、位置センサー出力波形５４から、フラックス切替モーター１４の回転開始に必要な電子切替装置が、電子切替装置４４および４６または、電子切替装置４８・５０のどちらなのか決定する。上述した例では、コントロール１８はまず、パルスする必要がある電子切替装置４４・４６を決定する。それに応じて、電子切替装置４４を“作動”“非作動”にパルシング（pulsing）し、かつ、フラックス切替モーター１４の回転を開始するために電子切替装置４６を作動する直前に、コントローラー１８は、少なくとも１パルスを、検知された回転子の位置を考慮して作動される電子切替装置４４・４６または電子切替装置４８・５０のもう一方の電子切替装置を作動することによって、フラックス切替モーター１４に加える。すなわち、この例では、波形５４が起動時にてロジック１レベルであるため、コントローラー１８は電子切替装置４８および５０に８〜１０ミリ秒間ほどパルスを発生させる。これはフラックス切替モーター１４の確実な起動のためにフラックス切替モーター１４に提供される瞬間的な逆パルスである。そして結果的にフラックス切替モーター１４は、起動が困難であったとしても回転の位置に配置される。この瞬間的な逆パルスはモーター１４がオン・オフトリガー・スイッチ２０ａを介して初めに起動される際に毎回提供される。

電子切替装置４４にＰＷＭ切替信号６０を提供しているときに、電子切替装置４６の作動を維持することは、ＰＷＭ切替信号６０が提供されている間に電子切替装置４４が瞬間的に非作動にされる場合における電機子電流の再循環をさらに可能にする。この再循環は、電子切替装置４６と、電子切替装置５０のフリーホイーリングダイオード５０ａと、電機子コイル３０とを介している。また同じく、電子切替装置４８・５０対がコントローラー１８によって作動されていると、ＰＷＭ切替信号６０が提供されている間の電子切替装置４８が瞬間的に非作動にされている場合には、電機子電流の再循環が、電子切替装置５０と、電子切替装置４６のフリーホイーリングダイオード４６ａと、電機子コイル３０とを通じて提供される。

さらに、位置センサー出力波形５４の全ての移動の後、電機子電流の再循環は、ＰＷＭ切替信号６０が電子切替装置４４または４８の一方に提供される場合に、ＰＷＭ切替信号６０のいくつかのサイクルに対して用いられる。したがって、電子切替装置４４が非作動であると、関連する電子切替装置４８は電子切替装置５０がその後作動したとしても作動したままである。電子切替装置４６および電子切替装置５０はともに、電子切替装置４６が非作動になり、電子切替装置４８が作動となる次の波形５４の正方向の前縁が検出されるまで、作動したままの状態である。電子切替装置５０が再度非作動となり、電子切替装置４４が作動となる次の波形５４の正方向の前縁が検出されるまで、電子切替装置４８は非作動であり、電子切替装置５０は作動したままの状態であり、電子切替装置４６は作動する。この様式は、電機子電流再循環が要求されているまでは継続する。電機子電流の再循環は、バルク直流コンデンサ（a bulk dc capacitor）がなくともフラックス切替モーター１４の起動のさらなる定常性およびさらなる速さを可能にする。電機子電流の再循環であることから、Ｈブリッジ切替配置はスナバ回路を必要としない。電機子エネルギーの再循環はまた、フラックス切替モーター１４の顕著な高性能化を提供している。

初期起動モーターを継続している間に、波形５４がロジック０レベル、すなわち波形５４の後縁部分６２、に移動していることをコントローラー１８が検知すると、電子切替装置４４・４６がコントローラー１８によって非作動となり、電子切替装置４８および５０が作動となる。再度、電機子電流の再循環は、ＰＷＭ切替信号６０が電子切替装置４８・５０に提供される前に数サイクルのＰＷＭ切替信号６０を見込んでおく。電子切替装置４８はその後、位置センサー出力波形５４がロジック０レベルである間、何度かパルスされる。電子切替装置４８がパルスオンされると、電子切替装置４８を通して、矢印６４の方向に電機子コイル３０を通して、電子切替装置５０を通して電流が流される。電子切替装置４８がパルスオフされると、電子切替装置４６のフリーホイールダイオード４６ａは、電機子電流の再循環を許可する。

コントローラー１８は、波形５４のロジック０レベル位置への変位を検知すると、電子切替装置４４・４６の非作動を決定し、かつ、電子切替装置４８・５０の作動を決定する。波形５４がロジック０レベルであるということは、フラックス切替モーター１４のバックＥＭＦがまさにネガティブであることを示し、かつ、フラックス切替モーター１４からポジティブトルクを再度得るために矢印６４方向への電流が必要となるだろう。バックＥＭＦは、位置センサー出力波形５４に重ねあわされる波形６６によって図３に示される。波形５４の他の前縁５６がいったんコントローラー１８によって検知されると、電子切替装置４４が所定の起動ＰＷＭ負荷サイクル（すなわち２０％が好適）に沿ったＰＷＭ切替信号６０によって何度かパルスされるとともに、コントローラー１８は電子切替装置４８・５０を非作動にし、再度電子切替装置４４・４６を作動する。この方法は１４が、コントローラー１８によって正確な判断が可能となる所定のスピードに達するまで継続される。

起動の間の電機子エネルギーの再循環はまた、電機子エネルギー蓄積コンデンサ４２の電圧制御を補助できる。電機子エネルギーの再循環とともに、電機子エネルギー回収コンデンサ４２は、電圧は２３０ボルト交流入力信号が使用された場合、６００ボルトの流れを維持することができる。界磁コイル２８とともにフィルムコンデンサ３６および電機子エネルギー蓄積コンデンサ４２を使用することはまた、ＥＭＩおよび、ＡＣ電源３２に導入されるであろう過度電流の低減を補助するピフィルター（pifilter）を形成する。

（２）第１中間起動モード
第１中間起動モードは、初期起動モードに続き、４５０ｒｐｍから好ましい約６０００ｒｐｍ〜７５００ｒｐｍの範囲、より好ましくは６７００ｒｐｍに拡大する。この起動モードの間では、ＰＷＭ切替信号６０はコントローラー１８によって直線的に増加し、図５のグラフ７０の７０ｂの部分に示すように、モーター速度に対して、約２０％から約４０％増加する。フラックス切替モーター１４が４５０ｒｐｍの速度をはるかに超えて増加しているこの中間モードの間、電機子エネルギーの再循環が電子切替装置４４・４８の切替を介して用いられる。図４ｃは、約４０００ｒｐｍのモーター速度での制御信号を示したものである。４０００ｒｐｍでの波形５４の周期は約３．７５ミリ秒である。したがって、波形５４のロジック１部分の周期は約２ミリ秒である。波形５４のロジック１部分の間には、およそ９ＰＷＭサイクルが電子切替装置４４のゲートに提供される。これらのＰＷＭサイクルの負荷サイクルはおよそ４０％である（図５）。

（３）第２中間起動モード
第２中間起動モードは、第１中間起動モードに続き６７００ｒｐｍのモーター速度から約１４５００ｒｐｍが好適となる。モーター速度が６７００ｒｐｍに達すると、コントローラー１８はＰＷＭ切替信号６０のエンベロープ（波形５４によって示される）を変える。具体的には６７００ｒｐｍ速度閾値に達すると、ＰＷＭ切替信号に対するエンベロープは、段階的に、位置センサー出力波形５４の各々の“作動”パルスの周期の区分まで減少される。波形５４の該“作動”パルス幅に対する新しいエンベロープ幅の比の数値は、図６にしめす速度の部分である。このエンベロープの変形は図４ｄに示され、ＰＷＭ切替信号６０は、位置センサー出力波形５４の１パルスの“作動”周期によって定義されるよりも小さなエンベロープに含まれているようである。図４ｄは約１００００ｒｐｍのモーター速度での制御信号を示したものである。４０００ｒｐｍでの波形５４の周期は約１．５ミリ秒である。したがって、波形５４のロジック１部分の周期は約０．８ミリ秒であるが、負荷サイクル制御はさらにおよそ０．６ミリ秒に短縮される（図６）。波形５４のロジック１部分の間には、およそ３ＰＷＭサイクルが電子切替装置４４のゲートに提供される。これらのＰＷＭサイクルの負荷サイクルはおよそ５５％である（図５）。

この中間モードの間、ＰＷＭ切替信号６０の負荷サイクルはモーター速度とともに直線的に６７００ｒｐｍで約４０％から、最高で１１０００ｒｐｍで約６０％まで増加し続ける。約１１０００ｒｐｍから約１４５００ｒｐｍの間では、図５のグラフ７０の７０ｃの部分に示されるように、ＰＷＭ切替信号６０の負荷サイクルは一定に保たれる。しかしながら、ＰＷＭ切替信号６０のエンベロープは、図４ｄおよび図６に示されるように、各々の“作動”パルスの周期の約６０％から約８０％まで継続して増加する。したがって、モーター速度が１４５００ｒｐｍに達するときまで、ＰＷＭ切替信号６０の負荷サイクルは最高で約６０％となり、かつ、ＰＷＭ切替信号６０のエンベロープは、位置センサー出力波形５４が各“作動”パルスのパルス幅の約８０％になる。電機子エネルギーの再循環は約１０００００ｒｐｍの速度まで用いられ、その後は継続されない。

（４）最終起動モード（操作の位相同期（phase lock）モード）
最終起動モードは、約１４５００ｒｐｍから定格モード速度までのモード速度範囲を網羅するものである。定格モード速度は特定の手段に依存して１４を用いて変化するが、１５０００ｒｐｍから１７０００ｒｐｍまでの間が好適である。この速度範囲の初めでは、操作のフェーズロックモードが開始され、定格モード速度まで継続される。位相同期操作中、電子切替装置４４〜５０へのシングルパルス制御が用いられる。なお“シングルパルス”制御は、非ＰＷＭ切替信号が用いられていないが、シングルであるという意味であり、継続的“作動”パルスは、波形５４の各“作動”パルスの周期の間に与えられる。これは図４ｅおよび図５に示されている。図４ｅは、波形５４の各“作動”パルスの約８０％のエンベロープに対応する“作動”継続を各々に有するパルス５９を含むシングルパルス切替信号５９を示す。約１４５００ｒｐｍから定格モード速度までの間で、パルス５９の持続は、図４ｅに示されるようにこの８０％エンベロープ値で維持される。約１５０００ｒｐｍにて、起動ダイオード３８はシステムから消される。

起動モードのまとめ
４つの上述した起動モードを通して、ＰＷＭ切替信号６０またはパルス５９は、電子切替装置４４または４８のどちらか一方に提供されることがわかる。電子切替装置４６および５０がそれぞれ作動されると、それらは、波形５４のパルスの“作動”状態に同調して“作動”状態でシングルパルスを常に受信する。フラックス切替モーター１４への電力の初期適用に関する場合にのみ唯一の例外が存在する。

フラックス切替モーター１４が使用されている特定工具は、使用のために選択される最適モーター性能曲線に関係をもつことができる。例えば、フラックス切替モーター１４がテーブルソーとともに用いられる場合、１５０００ｒｐｍから１７０００ｒｐｍの定格モーター速度が一般に選択される。また、フラックス切替モーター１４が留め継ぎ用のつり掛けのこぎりとともに用いられる場合、２００００ｒｐｍから２５０００ｒｐｍの範囲、より好ましくは２２０００ｒｐｍの定格モーター速度が一般に選択される。正確な負荷サイクル／モーター速度の関係もまた、フラックス切替モーター１４とともに用いる特定工具によって変化する。本明細書中で説明している励弧システム１０では、約１４５００ｒｐｍの位相同期閾値が使用されているが、位相同期閾値を異なるモーター速度で設定することができる。しかしながら、ＡＣ入力源における過渡電流スパイクに結果としてなる電源誘導電圧影響（the source inductive voltage effects）を避けるために、操作の位相同期状態を導入する前に、モーター速度が少なくとも７０００ｒｐｍを上回る速度になるまで待機することが好ましい。励弧システム１０が、操作のフェーズロックモード状態に入る前が好適であるが、フラックス切替モーター１４がロードされるのは起動操作中のいつであってもよい。

ＰＷＭ切替信号６０の負荷サイクルと、提供されている間のエンベロープと、位相同期操作が導入された正確な速度との制御を行うことによって、幅広いモータートルクプロファイルを実行することがかのである。これら多種のモータートルクプロファイルは、モーターや、テーブルソーや、留め継ぎ用のつり掛けのこぎりといった多種にわたる他のモード駆動工具のような特定工具の操作の調節に用いられる。

可逆整流を用いた停止動作
励弧システム１０のさらなる特徴は、フラックス切替モーター１４がユーザーによって“非作動”にされた場合に、フラックス切替モーター１４の可逆整流がモーターの即時停止に用いられることである。モーターの即時停止は、多くの電動工具において、特にテーブルソーや留め継ぎ用のつり掛けのこぎりのような装置において、重要な考慮内容である。

励弧システム１０は、停止操作中に電子切替装置４４〜５０に提供されるＰＷＭ切替信号６０に対する修正されたＰＷＭ周波数および負荷サイクルを使用させる。図３において、停止中、ポジティブモータートルクを維持するために矢印５８の方向への電流の流れを必要とするロジックハイレベルに波形５４が移動したことをコントローラー１８が検知すると、コントローラー１８は電子切替装置４８・５０を作動する。これは、ネガティブトルクとなる矢印６４の方向への電流を引き起こす。この間に継電器４０は、停止時間を最短（通常３〜４秒）に維持することを助けるため、起動ダイオード３８を励弧システム１０への戻すための切替に使用される。ポジティブモータートルクを維持するための電機子コイル３０を通じた矢印６４の方向への電流を必要としている波形５４の各パルスの後縁６２が起こると、電子切替装置４８・５０を非作動にし、電子切替装置４４・４６を作動する。これは、矢印５８への電流を起こし、回転子の回転中にネガティブトルクを生成する。

同じような理由から、他のＰＷＭスキームも停止モードに使用できることがわかる。例えば可変負荷サイクルＰＷＭパルスは、修正周波数に使用することができる。該負荷サイクルＰＷＭパルス幅は、変わりにモーター速度の一部として生成される。さらに、ＰＷＭ負荷サイクルプロファイルは、モーターの即時停止を達成するために（例えば、半球 対 直線（dome vs. linear））変化する。これらの例の全てにおいて、停止中に実行される負荷サイクルプロファイルの制限要素は、電機子エネルギー回収コンデンサ４２への電圧である。典型的なアルミニウム電解コンデンサよりも高電圧（６００ボルトが好適）であるフィルムコンデンサ３６の存在が、本発明の停止スキームを非常に画期的なものとしている。フラックス切替モーター１４は、１２インチ（３０．４８センチ）ブレード（blade）のソーを駆動するために使用される場合、約４秒未満で位相同期閾値速度以上の速度で停止を行うにことができる。

最適性能のための回転子位置センサー信号の増進
図３ではさらに、フラックス切替モーター１４の最大性能を得るためには、位置センサー１６からの信号５４は、バックＥＭＦがフラックス切替モーター１４により生成され始めるまで、電機子コイル３０における電流を定めるために、物理的またはコントローラー１８内のソフトウエアを介して、少しずつ増進されなくてはならない。該バックＥＭＦは、図３の波形６６に示される。波形６０ａ・６０ｂは、提供される増進（the advance）とともに、電子切替装置４４・４６および電子切替装置４８・５０それぞれを制御するために用いられるＰＷＭ切替信号を示す。幅６６ａおよび６６ｂは、波形６０ａ・６０ｂに提供される増進量（the degree of advance）を示すものである。幅６６ａによるＰＷＭ切替波形６０ａ・６０ｂのパルスの増進は、矢印５８方向（図２）への電流に、バックＥＭＦが正（positive）になり始めるまで、電機子巻線３０を通して定められることを可能にする。幅６６ｂによるＰＷＭ切替信号６０ｂのパルスの増進は、矢印６４方向（図２）への電流に、バックＥＭＦが負（negative）になり始めるまで、電機子巻線３０を通して定められることを可能にする。

回転子５２に対する位置センサー１６の物理的アライメントを通して得られる電機子コイルバックＥＭＦに関する増進角度の場合では、フラックス切替モーター１４が起動する際に回転子５２が間違った方向に回転する可能性がある。これは、バックＥＭＦがセンサー信号プレイスメント（placement）と同調しない領域（すなわち回転子５２の増進を表す領域）において、回転子５２が回転を停止した場合に発生する。この問題の一つの解決策としては、波形６６のゼロ交点と一致する正方向パルスを生成する位置センサー１６を配置することおよび、コントローラー１８のソフトウエアに整流増進アングルを組み込むことである。しかしながら、ここでの制限因子は、周期測定を実施するためにコントローラー１８にかかる時間である。けれども、起動時にフラックス切替モーター１４の一時的な後方回転の可能性を避けるためにソフトウエアを適した整流増進を実行することが好ましい。

起動中の過渡電流の制限
起動時に考慮しなくてはならないもう一つの因子としては、励弧システム１０が電気抵抗の高い“ソフト”電源とともに用いられる場合の、ＡＣ電源３２に導入される過渡電流ピークである。フラックス切替モーター１４が待機時から起動するときに、バックＥＭＦはゼロで、かつ、イン・ラッシュ電流（in-rush current）は比較的大きくすることができる。これは、ＡＣ入力電圧波形のピークでより顕著である電圧過渡ピークに結果としてなることができる。全波ブリッジ整流回路３４のＤＣ側にて、典型的なバルクコンデンサがないために、この現象は励弧システム１０とともにさらに顕著となる。これらのピークは、ＰＷＭパルス幅およびＰＷＭ周波数に依存して５００ボルトの高さになることができる。

起動中のイン・ラッシュ電流を制限するため、かつ、電力線インピーダンスの影響を低減させるために、上述した起動モードに対する２つの修正が実行される。第１の修正は、低起動負荷サイクル（例えば約２０％）の高位ＰＷＭ周波数（例えば２０ＫＨｚ）および、続く、負荷サイクルにおける緩慢な変化の使用である。第２の修正には、ＡＣ入力電圧波形に応じたＰＷＭ切替信号６０の負荷サイクルの調整が含まれる。この方法は、図７に示され、ＡＣ入力波形は７２として示される。一度正確なモーター速度情報（一般的には４５０ｒｐｍを上回る）がコントローラー１８によって得られると、コントローラー１８は、検知されたモーター速度に基づいたパーセンテージ値によって、電子切替装置４４および４６ならびに電子切替装置４８および５０に提供されるＰＷＭ負荷サイクルを修正する（すなわち低減する）。この負荷サイクルはその後、ＡＣ入力電圧波形７２にしたがって、図７に示されるように、ＡＣ入力電圧ピークが達成されるときに負荷サイクル値が減少するような方法により修復される。したがって、与えられたモーター速度にて、ＡＣ入力電圧波形７２のゼロ交点における負荷サイクル値は最大となる（すなわち、ここに提供されたのはまったくパーセンテージ低減していない）。ＡＣ入力電圧波形７２が正であっても負ピークであっても、負荷サイクルは最小となる（しかしながら０％である必要はない）。ＡＣ入力電圧波形７２のピークにて負荷サイクルを減少させて最小にするために使用される増倍率は、ＡＣ電源における過渡電圧軽減によって指示される。

追加する操作的特徴
励弧システム１０によるフラックス切替モーター１４の起動中に用いられるさらなる操作的特徴としては、回転子５２の瞬間移動の検知である。回転子位置センサー１６がもし開始１００ミリ秒の間に回転子５２の位置の変化を検知しない場合には、フラックス切替モーター１４に対する作動／非作動スイッチは毎回点けられ（すなわち作動状態となっており）、コントローラー１８はフラックス切替モーター１４の整流を継続しない。この例では、ユーザーに、作動／非作動スイッチを外し、また接続するということを要求される。これはまた、フラックス切替モーター１４へのダメージを防ぐことにも役立つ。

フラックス切替モーター１４を保護する他の特徴には、電流が流れている間（例えばのこぎりで切り始めるときなど）のモーターの速度を監視するコントローラー１８も含まれる。もし、速度が１００００ｒｐｍを下回る場合、フラックス切替モーター１４を非作動にする。ユーザーはその後、フラックス切替モーター１４が再始動される前に作動／非作動スイッチを外さなくてはならない。

なお、発明を実施するための最良の形態の項においてなした具体的な実施態様または実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にもに限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と次に記載する特許請求の範囲内で、いろいろと変更して実施することができるものである。

本発明は、詳細な説明および図面によってより理解されるだろう。

図１は、本発明の実施の形態における励弧回路のブロック概略図である。 図２は、図１に示す励弧回路のＨブリッジ切替回路を詳細に示した回路図である。 図２ａは、界磁コイル全体からダイオードを除いた選択回路の回路図である。 図３は、フラックス切替モーターによって生成された位置センサー出力信号およびバックＥＭＦの図であり、また用いられるＰＷＭ切替信号のアドバンスを表す図である。 図４ａ〜４ｄは、回転子位置センサー出力波形に対するＰＷＭ切替信号のグラフであり、操作の様々な起動モード中のフラックス切替モーター速度として負荷サイクルにおける変化を簡略に示したものである。また図４ｅは、モーター速度に対するシングルパルス切替信号のグラフである。 図５は、モーター速度に対する、本発明のシステムにより導入される代表的なＰＷＭ負荷サイクルプロファイルのグラフである。 図６は、モーター速度に対するＰＷＭ負荷サイクルの全体的なエンベロープ（envelope）のグラフである。 図７は、起動中におけるＡＣ線電圧に対するＰＷＭ負荷サイクル変調のグラフである。

Claims (13)

1. 界磁コイルおよび電機子コイルを有するフラックス切替モーターの励弧回路であって、
   ＡＣ入力信号を整流ＡＣ信号に変換する整流回路と、
   上記電機子コイルに接続され、上記整流ＡＣ信号に応答するＨブリッジ切替回路と、
   上記Ｈブリッジ切替回路の出力側に接続された電機子エネルギー回収コンデンサと、
   上記フラックス切替モーター操作起動中に、上記Ｈブリッジ切替回路の選択された切替構造および、上記電機子コイルを通じて、電機子電流の再循環を可能にする複数のバイパス素子を備えた上記Ｈブリッジ切替回路と、
   上記Ｈブリッジ切替回路の上記切替構造それぞれの作動および非作動切替を制御するコントローラーと、さらに
   エネルギー再循環のために上記界磁コイルに接続された半導体と、
   上記フラックス切替モーター操作の起動中に、界磁コイルの両側を結ぶ上記半導体の切替のための、上記コントローラーにより制御される切替素子
   とを含み、
   上記界磁コイルは上記Ｈブリッジ切替回路に直列に接続され、かつ上記切替素子は上記界磁コイルに並列に接続されている励弧回路。
2. 上記切替素子は、界磁エネルギーを再循環する継電器を含むことを特徴とする請求項１に記載の励弧回路。
3. 上記バイパス素子は、フリーホイーリングダイオード（free wheeling diode）を含むことを特徴とする請求項１に記載の励弧回路。
4. 上記コントローラーは、上記フラックス切替モーター操作起動中に、選択された上記切替構造へパルス幅変調速度制御（ＰＷＭ）切替信号を提供することを特徴とする請求項１に記載の励弧回路。
5. 上記コントローラーは、上記フラックス切替モーターが非作動されると停止動作を行うように上記Ｈブリッジ切替回路を制御することを特徴とする請求項１に記載の励弧回路。
6. 上記整流回路の出力に接続する、約１０μｆｄ〜１５μｆｄの静電容量範囲を有するフィルムコンデンサをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の励弧回路。
7. 界磁コイルおよび電機子コイルを有するフラックス切替モーターの励弧回路であって、上記励弧回路には、
   ＡＣ入力信号を受け、整流したＡＣ信号を一対のＤＣ母線へ発生させる整流回路と、
   上記ＤＣ母線の両側を結ぶＨブリッジ切替回路と、
   上記ＤＣ母線を結び、かつ、上記Ｈブリッジ切替回路を結ぶ電機子エネルギー回収コンデンサと、
   上記Ｈブリッジ切替回路を制御する切替信号を生成するコントローラー
   と、さらに
   上記フラックス切替モーター操作起動中に、上記界磁コイルの両側を結ぶ電流バイパス素子
   とを含み、
   上記電機子コイルは、上記Ｈブリッジ切替回路の複数の切替構造から選択された切替構造を結び、
   上記Ｈブリッジ切替回路には、上記フラックス切替モーター操作起動中に、上記電機子コイルを電機子電流の再循環を可能にする複数のバイパス構造を含み、
   上記コントローラーは、選択された上記切替構造を制御するパルス幅変調速度制御（ＰＷＭ）切替信号を生成し、
   上記界磁コイルは上記Ｈブリッジ切替回路に直列に接続され、かつ上記電流バイパス素子は上記界磁コイルに並列に接続されている励弧回路。
8. 上記ＤＣ母線を結ぶフィルムコンデンサをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の励弧回路。
9. 上記電流バイパス素子はダイオードを含み、かつ、
   上記ダイオードは、上記フラックス切替モーター操作起動中に、電流経路を提供するために上記界磁コイルを越えて選択的に切替られる
   ことを特徴とする請求項７に記載の励弧回路。
10. 上記界磁コイルを越えて上記ダイオードを選択的に切替えるために、上記コントローラーに応答する継電器をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の励弧回路。
11. 上記コントローラーは、上記フラックス切替モーターが非作動にされると、再生式停止動作を実行するために上記Ｈブリッジ切替回路を制御することを特徴とする請求項７に記載の励弧回路。
12. 界磁コイルおよび電機子コイルを有するフラックス切替モーターの励起方法であって、
    上記方法とは、
    ＡＣ電源からＡＣ入力信号を提供する工程と、
    上記ＡＣ入力信号を受け、一対のＤＣ母線に整流されたＡＣ信号を提供する整流器を使用する工程と、
    上記電機子コイルを通じて上記整流されたＡＣ信号の電流を選択的に方向付けるために、上記電機子コイルと操作可能に結ばれるＨブリッジ切替回路を使用する工程と、
    上記フラックス切替モーター操作起動中に、上記電機子コイルを通じて上記電流の再循環を可能にするために上記Ｈブリッジ切替回路と一体となった複数のバイパス構造を使用する工程と、
    上記フラックス切替モーターを操作するために上記Ｈブリッジ切替回路を制御するためのコントローラーを使用する工程と、
    上記Ｈブリッジ切替回路を結び電機子エネルギーを蓄積する電機子エネルギー回収コンデンサを使用する工程と、さらに
    上記フラックス切替モーター操作起動中に、上記Ｈブリッジ切替回路に直列に接続された上記界磁コイルの両側を結ぶ電流バイパス素子を使用する工程
    とを含むフラックス切替モーターの励起方法。
13. 界磁コイルおよび電機子コイルを有するフラックス切替モーターの励起方法であって、
    ＡＣ電源からＡＣ入力信号を提供する工程と、
    整流ＡＣ信号を生成するために上記ＡＣ入力信号を整流する工程と、
    電機子コイルと一体となった切替回路に上記整流されたＡＣ信号を、上記電機子コイルを通して流れる電機子電流の方向を交互に切替えるために、提供する工程と、
    上記電機子電流の方向を切替えると、上記電機子コイルを通して流れる上記電機子電流の再循環を可能にするために、上記切替回路とともに複数のバイパス構造を使用する工程と、
    上記切替回路の操作を制御するためにコントローラーを使用する工程と、
    上記フラックス切替モーター操作起動中に、電機子エネルギーを蓄積する電機子エネルギー回収コンデンサを使用する工程と、さらに
    上記フラックス切替モーター操作起動中に、上記Ｈブリッジ切替回路に直列に接続された上記界磁コイルの両側を結ぶ電流バイパス素子を使用する工程
    とを含むフラックス切替モーターの励起方法。