(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
力率補正システムであって、
交流電流（ＡＣ）電源の電圧を整流して、前記ＡＣ電源の周期において２回にわたり半正弦波として最小振幅から最大振幅に遷移して最小振幅に戻る電圧波形、を発生させる第１の整流器と、
前記電圧波形によって誘起される電流を伝える、モーターの第１の相巻線と、
第１の蓄電コンポーネントと、
前記第１の蓄電コンポーネントにエネルギを蓄えるように、前記第１の相巻線によって前記第１の蓄電コンポーネントに伝えられる電流の流れを調整する第１のレギュレータと、
を備えており、
前記第１の蓄電コンポーネントが前記第１の相巻線を通して電流を流すことにより蓄えられたエネルギを放出するための回路上の経路は存在しない、
力率補正システム。
【請求項２】
前記第１の相巻線の１つまたは複数のターンが前記モーターの固定子の第１の固定子磁極の周囲に巻かれており、１つまたは複数のターンが前記モーターの第２の固定子磁極の周囲に巻かれている、請求項１に記載の力率補正システム。
【請求項３】
前記第１の固定子磁極が、前記固定子において前記第２の固定子磁極に直径方向に対向している、請求項２に記載の力率補正システム。
【請求項４】
前記第１の固定子磁極の周囲に巻かれている巻線の１つまたは複数のターンと、前記第２の固定子磁極の周囲に巻かれている１つまたは複数のターンとを有する、前記モーターの第２の相巻線と、
前記第２の相巻線を通して電流を流すことにより前記第１の蓄電コンポーネントが蓄えたエネルギの放出を調整する第２のレギュレータと、
をさらに備えている、請求項２に記載の力率補正システム。
【請求項５】
前記第１の固定子磁極の周囲に巻かれている前記第２の相巻線の前記ターンは、前記第２の固定子磁極の周囲に巻かれている前記第２の相巻線の前記ターンと電気的に並列に接続されている、請求項４に記載の力率補正システム。
【請求項６】
前記第１の固定子磁極の周囲に巻かれている前記第２の相巻線の前記ターンは、前記第２の固定子磁極の周囲に巻かれている前記第２の相巻線の前記ターンと電気的に直列に接続されている、請求項４に記載の力率補正システム。
【請求項７】
前記第１の相巻線が前記モーターの固定子のバックアイアンの周囲に巻かれている、請求項１に記載の力率補正システム。
【請求項８】
前記第１の相巻線の１つまたは複数のターンが前記固定子の前記バックアイアンの第１の部分の周囲に巻かれており、１つまたは複数のターンが、前記第１の部分に直径方向に対向している、前記バックアイアンの第２の部分、の周囲に巻かれている、請求項７に記載の力率補正システム。
【請求項９】
前記電圧波形によって誘起される電流を伝える、モーターの第２の相巻線と、
前記第２の相巻線によって伝えられる前記電流の流れを調整して前記第１の蓄電コンポーネントにエネルギとして蓄える第２のレギュレータと、
前記第１の蓄電コンポーネントにエネルギを蓄えるように前記第２の相巻線によって前記第１の蓄電コンポーネントに伝えられる電流の流れを調整する第２のレギュレータと、
をさらに備えている、請求項１に記載の力率補正システム。
【請求項１０】
前記第１の相巻線の１つまたは複数のターンが前記モーターの固定子の第１の固定子磁極の周囲に巻かれており、１つまたは複数のターンが前記モーターの第２の固定子磁極の周囲に巻かれており、
前記第２の相巻線の１つまたは複数のターンが前記モーターの第３の固定子磁極の周囲に巻かれており、１つまたは複数のターンが前記モーターの第４の固定子磁極の周囲に巻かれている、
請求項９に記載の力率補正システム。
【請求項１１】
前記第１の固定子磁極が前記固定子において前記第２の固定子磁極に直径方向に対向しており、前記第３の固定子磁極が前記固定子において前記第４の固定子磁極に直径方向に対向している、請求項１０に記載の力率補正システム。
【請求項１２】
前記第１の固定子磁極の周囲に巻かれている巻線の１つまたは複数のターンと、前記第２の固定子磁極の周囲に巻かれている１つまたは複数のターンとを有する、前記モーターの第３の相巻線と、
前記第３の固定子磁極の周囲に巻かれている巻線の１つまたは複数のターンと、前記第４の固定子磁極の周囲に巻かれている１つまたは複数のターンとを有する、前記モーターの第４の相巻線と、
前記第３の相巻線を通して電流を流すことにより前記第１の蓄電コンポーネントが蓄えたエネルギの放出を調整する第３のレギュレータと、
前記第３の相巻線と前記第２の蓄電コンポーネントを通して電流を流すことにより前記第３の相巻線から放出されたエネルギを蓄える第２の蓄電コンポーネントと、
前記第４の相巻線と前記第２の蓄電コンポーネントを通して電流を流すことにより前記第２の蓄電コンポーネントが蓄えたエネルギの放出を調整する第４のレギュレータと、
をさらに備えている、請求項１０に記載の力率補正システム。
【請求項１３】
前記モーターの固定子の第１の固定子磁極の周囲に巻かれている１つまたは複数のターンおよび第２の固定子磁極の周囲に巻かれている１つまたは複数のターンを有する第２の相巻線であって、前記第１の固定子磁極の周囲に巻かれている前記第２の相巻線の前記ターンが、前記第２の固定子磁極の周囲に巻かれている前記第２の相巻線の前記ターンと電気的に並列に接続されている、第２の相巻線と、
前記第２の相巻線を通して電流を流すことにより前記第１の蓄電コンポーネントが蓄えたエネルギの放出を調整する第２のレギュレータと、
をさらに備えている、請求項７に記載の力率補正システム。
【請求項１４】
前記モーターの固定子の第１の固定子磁極の周囲に巻かれている１つまたは複数のターンおよび第２の固定子磁極の周囲に巻かれている１つまたは複数のターンを有する第２の相巻線であって、前記第１の固定子磁極の周囲に巻かれている前記第２の相巻線の前記ターンが、前記第２の固定子磁極の周囲に巻かれている前記第２の相巻線の前記ターンと電気的に直列に接続されている、第２の相巻線と、
前記第２の相巻線を通して電流を流すことにより前記第１の蓄電コンポーネントが蓄えたエネルギの放出を調整する第２のレギュレータと、
をさらに備えている、請求項７に記載の力率補正システム。
【請求項１５】
前記モーターの第２の相巻線と、
前記第２の相巻線を通して電流を流すことにより、前記第１の蓄電コンポーネントによって蓄えられるエネルギの放出、を調整する第２のレギュレータと、
第２の蓄電コンポーネントと、をさらに備え、
前記第２の相巻線は、前記第２の蓄電コンポーネントにエネルギを蓄えるように前記第２の蓄電コンポーネントを通して電流を流すことにより蓄えられたエネルギを放出する、請求項１に記載の力率補正システム。
【請求項１６】
前記モーターの第３の相巻線と、
前記第３のモーター相巻線を通して電流を流すことにより、前記第２の蓄電コンポーネントによって蓄えられるエネルギを放出する第３のレギュレータと、
をさらに備えている、請求項１５に記載の力率補正システム。
【請求項１７】
前記第１の相巻線が、前記モーターの固定子の前記バックアイアンの、直径方向に対向する部分、に巻かれている２つの個別の巻線部分、を備えており、
前記第２の相巻線が、前記固定子の個別の磁極にそれぞれ巻かれている３つの個別の巻線部分、を備えており、
前記第３の相巻線が、前記固定子の個別の磁極にそれぞれ巻かれている３つの個別の巻線部分、を備えている、
請求項１６に記載の力率補正システム。
【請求項１８】
前記第１の相巻線によって発生する磁束が、前記第２の相巻線および前記第３の相巻線によって発生する磁束と同じ方向である、請求項１６に記載の力率補正システム。
【請求項１９】
前記第１の相巻線によって発生する磁束が、前記第２の相巻線および前記第３の相巻線によって発生する磁束と同じ方向である、請求項１７に記載の力率補正システム。
【請求項２０】
前記電圧波形によって前記第１の相巻線に誘起される電流によって、前記モーターに印加されるトルクが発生する、請求項１に記載の力率補正システム。
【請求項２１】
モーターシステムであって、
モーターと、
交流電流（ＡＣ）電源の電圧を整流して、前記ＡＣ電源の周期において２回にわたり半正弦波として最小振幅から最大振幅に遷移して最小振幅に戻る電圧波形、を発生させる整流器と、
力率補正回路であって、
前記電圧波形によって誘起される電流を伝える、前記モーターの第１の相巻線と、
蓄電コンポーネントと、
前記蓄電コンポーネントにエネルギを蓄えるように、前記第１の相巻線によって前記蓄電コンポーネントに伝えられる電流の流れを調整する第１のレギュレータであり、前記電圧波形によって前記第１の相巻線内に誘起される電流によって、前記モーターに印加されるトルクが発生する、前記第１のレギュレータと、
を備えている、前記力率補正回路と、
を備えており、
前記蓄電コンポーネントが前記第１の相巻線を通して電流を流すことにより蓄えられたエネルギを放出するための回路上の経路は存在しない、
モーターシステム。
【請求項２２】
前記モーターが、永久磁石を使用する機械である、請求項２１に記載のモーターシステム。
【請求項２３】
前記モーターがスイッチドリラクタンスモーターである、請求項２１に記載のモーターシステム。
【請求項２４】
前記モーターが、可変リラクタンスに基づいており、相互インダクタンスに基づくトルクが存在しない、請求項２１に記載のモーターシステム。
【請求項２５】
前記モーターが、４つの補助固定子磁極と、２つの主固定子磁極と、３つの回転子磁極とを有し、
前記第１の相巻線が、前記モーターの固定子の前記バックアイアンの、直径方向に対向する部分、に巻かれている２つの個別の巻線部分、を備えており、
前記第１の相巻線の励磁によって、前記補助固定子磁極を通る磁束が発生する、
請求項２１に記載のモーターシステム。
【請求項２６】
前記モーターが、複数組の４つの補助固定子磁極と、複数組の２つの主固定子磁極と、複数組の３つの回転子磁極とを有し、
前記バックアイアンに発生するすべての磁束が同じ方向である、
請求項２５に記載のモーターシステム。
【請求項２７】
前記第１の相巻線が、前記モーターの固定子の前記バックアイアンの、直径方向に対向する部分、に巻かれている、力率補正のための２つの個別の巻線部分、を備えており、前記固定子を流れる磁束が方向を反転しない、請求項２１に記載のモーターシステム。
【請求項２８】
前記固定子磁極が、同じ方向に発生する磁束を伝える、請求項２５に記載のモーターシステム。
【請求項２９】
前記モーターが二相または三相以上を有する、請求項２５に記載のモーターシステム。
【請求項３０】
力率補正方法であって、
交流電流（ＡＣ）電源の電圧を整流して、前記ＡＣ電源の周期において２回にわたり半正弦波として最小振幅から最大振幅に遷移して最小振幅に戻る電圧波形、を発生させるステップと、
前記電圧波形をモーターの相巻線に印加して、前記相巻線を通る電流の伝導を誘起するステップと、
蓄電コンポーネントの両端に一定の電圧が発生するように、前記相巻線によって伝えられる前記電流の流れを調整して前記蓄電コンポーネントにエネルギとして蓄えるステップと、
前記蓄電コンポーネントにエネルギを蓄えかつ前記蓄電コンポーネントの両端に一定の電圧が発生するように、前記相巻線によって前記蓄電コンポーネントに伝えられる電流の流れを調整するステップと、
を含んでいる、力率補正方法。
【請求項３１】
前記相巻線を通る電流の前記伝導によって発生するトルクを前記モーターの回転子に印加するステップ、
をさらに含んでいる、請求項３０に記載の力率補正方法。
【請求項３２】
力率補正装置であって、
第１のスイッチと、
第１の容量性要素と、
一方向に電流を流す第１の一方向電流要素とを備え、
前記第１のスイッチ、前記第１の容量性要素、および前記第１の一方向電流要素は、次の状態で結合されており、すなわちモーターの第１の巻線および全波整流電圧源と結合したとき、
前記第１のスイッチがオンの状態であるとき、前記全波整流電圧源は、前記第１の巻線を通して電流を流し、
前記第１のスイッチがオフの状態であるとき、前記第１の容量性要素にエネルギを蓄えるように、前記全波整流電圧源は、前記第１の巻線、前記第１の一方向電流要素、および前記第１の容量性要素を通して電流を流し、
前記第１の容量性要素が前記第１の巻線を通して電流を流すことにより蓄えられたエネルギを放出するための回路上の経路は存在しない、
力率補正装置。
【請求項３３】
第２のスイッチと、
一方向に電流を流す第２の一方向電流要素と、
第２の容量性要素と、
前記第１のスイッチ、前記第２のスイッチ、前記第１の容量性要素、前記第２の容量性要素、前記第１の一方向電流要素、および前記第２の一方向電流要素は、次の状態で結合されており、すなわち前記モーターの第１の巻線、前記モーターの第２の巻線および前記全波整流電圧源と結合したとき、
前記第２のスイッチがオンの状態のとき前記第２の巻線にエネルギが蓄えられるように、前記第１の容量性要素により蓄えられたエネルギは電流を前記第２の巻線を通して流すことにより放出され、
前記第２の容量性要素にエネルギが蓄えられるように、前記第２の巻線により蓄えられたエネルギは電流を前記第２の一方向電流要素および前記第２の容量性要素を通して流すことにより放出される、
請求項３２に記載の力率補正装置。
【請求項３４】
第３のスイッチをさらに備え
前記第１のスイッチ、前記第２のスイッチ、前記第３のスイッチ、前記第１の容量性要素、前記第２の容量性要素、前記第１の一方向電流要素および前記第２の一方向電流要素は、次の状態で結合されており、すなわち前記モーターの前記第１の巻線、前記モーターの前記第２の巻線、前記モーターの前記第３の巻線および前記全波整流電圧源と結合したとき、
前記第３のスイッチがオンの状態のとき前記第３の巻線にエネルギが蓄えられるように、前記第２の容量性要素により蓄えられたエネルギは電流を前記第３の巻線を通して流すことにより放出される、
請求項３３に記載の力率補正装置。
【請求項３５】
一方向に電流を流す第３の一方向電流要素をさらに備え、前記第１のスイッチ、前記第２のスイッチ、前記第３のスイッチ、前記第１の容量性要素、前記第２の容量性要素、前記第１の一方向電流要素、前記第２の一方向電流要素および前記第３の一方向電流要素は、次の状態で結合されており、すなわち第１の巻線、第２の巻線、第３の巻線および全波整流電圧源と結合したとき、
前記第３のスイッチがオフの状態のとき前記第１の容量性要素にエネルギが蓄えられるように、前記第３の巻線により蓄えられたエネルギは電流を前記第３の一方向電流要素および前記第１の容量性要素に通して流すことにより放出される、
請求項３４に記載の力率補正装置。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、米国仮特許出願第６０／９５５，６６１号「Power Factor Correction for Switched Reluctance Machines（スイッチドリラクタンス機の力率補正）」（Krishnan Ramu）（出願日：２００７年８月１４日）によって提供される優先権の利益を主張し、この仮特許出願は、参照によって本出願に組み込まれている。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、交流電流（ＡＣ）−直流電流（ＤＣ）変換整流器によって電気モーターに供給される電力の力率補正に関する。
【背景技術】
【０００３】
可変速度モーター駆動装置は、ＡＣ−ＤＣ変換ダイオードブリッジまたは個々のダイオード整流器と、キャパシタおよび通常ではインダクタによって形成されるフィルタとを通じてＡＣ電源に接続されることが多い。ＡＣ−ＤＣ変換整流器は、大きなピークを持つ不連続な擬似正弦波電流を受け取り、非正弦波電流を整流器の負荷側に伝える。ＡＣ入力電流の不連続性および非正弦波特性は、４つの影響を及ぼす。第一に、大きなピークおよび不連続という条件のため、整流器の瞬間電流の定格を増大させなければならない。
【０００４】
第二に、入力電流のフーリエスペクトルは、電源周波数における基本周波数成分と、電源周波数の２の倍数（例えば、供給周波数の２倍、４倍、６倍、８倍、１０倍）における別の成分とを有する。これらの非基本周波数成分は、それによってＡＣ電源（商用電源）入力に電流が逆循環しないようにフィルタリングしなければならない。このフィルタリングには大型フィルタが要求され、国によっては大型フィルタが義務づけられており、したがって、負荷装置のコストが増大する。
【０００５】
第三に、ＡＣ入力電圧と、整流器に流れ込む電流の基本波成分との間の位相角が大きくなる。この位相角の余弦は、電力系統の力率として知られている。１以外の力率は、それによって大きな無効電力成分が流れるため、電気事業者の供給電力が有効に利用されない。世帯主や小店舗は、実消費電力に対して支払うのみであり、ＡＣ−ＤＣ整流において整流器によって必要とされる無効電力消費量については、これらの顧客によって支払われない。結果として、電気事業者は無効電力消費のコストを吸収しなければならず、これにより金銭的損失を被る。電気事業者の発電容量全体が負荷側において実消費電力として完全に使用されて無効電力消費がゼロであるならば、電気事業者および使用者の両方が利益を得る。
【０００６】
第四に、過負荷またはその他の原因によって電源のＡＣ電圧の実効（ＲＭＳ）振幅が減少すると、整流後のＤＣ電圧のＲＭＳ振幅も変化する。可変電圧または可変電流と、通常では可変周波数とをモーターに供給するために、この整流後のＤＣ電圧を受け取るパワーエレクトロニクスコンバータにおいては、入力電圧の減少したＲＭＳ振幅は、モーターの性能にマイナスに影響し、全負荷トルクを発生させることのできる速度が低下し、定格トルクおよび定格速度を提供するうえでのモーターの能力が低減する。
【０００７】
いま、従来技術のスイッチドリラクタンスモーター（ＳＲＭ）駆動システムであって、パワーエレクトロニクスコンバータがダイオードブリッジ整流器によってＡＣ電源に接続されるシステムを考える。この従来技術のシステムは、３つの大きな不都合がある。第一に、安定化されていない商用電力系統においてしばしば起こるように、ＡＣ電源のＲＭＳ電圧振幅が減少すると、ブリッジ整流器の出力ＤＣ  ＲＭＳ電圧振幅が減少し、これによって、モーターの動作能力が制限される。第二に、ブリッジ整流器に流れ込む電流は非正弦波であり、これによって電気事業者の電力線上に雑音および高調波が発生する。第三に、電気事業者に提供されるシステムの力率が１未満であり、したがって発電量全体が実消費電力に利用されないことにより、電気事業者にマイナスに影響する。
【０００８】
図１は、二相モーター用の従来技術の電力変換装置１００を示している。電力変換装置１００は、ブリッジ整流器１０２を含んでおり、この整流器１０２は、ＡＣ電源１０４からのＡＣ電力を受け取り、ＡＣ電力の電圧を整流してＤＣ電源を生成し、そのエネルギはキャパシタ１０６に蓄えられる。相Ａのトランジスタ１０８は、蓄電キャパシタ１０６からモーターの相Ａの巻線１１０を通るエネルギの流れを調整する。相Ａの巻線１１０によって放電される、モーターによって使用されないエネルギは、ダイオード１１４によって形成される回路によってキャパシタ１１２に蓄えられる。相Ｂのトランジスタ１１６は、蓄電キャパシタ１１２からモーターの相Ｂの巻線１１８を通るエネルギの流れを調整する。相Ｂの巻線１１８によって放電される、モーターによって使用されないエネルギは、ダイオード１２０によって形成される回路によってキャパシタ１０６に送られて蓄えられる。
【０００９】
電力変換装置１００の機械側１２２は、非対称の変換装置のように相あたり２つのトランジスタおよび２つのダイオードを有するのではなく、機械の相あたり１つのトランジスタと、１つのキャパシタと、１つのダイオードとを有する。さらに、電力変換装置１００は、２相の間にキャパシタを備えていない。したがって、上述した電力変換装置１００の動作によると、ＡＣ  ＲＭＳ入力電圧が低下すると、モーターの相において利用可能なＤＣ  ＲＭＳ電圧が低下し、結果としてモーターの動作能力が減少する。
【００１０】
本明細書中に引用されているすべての参考文献は、参照によって本開示に組み込まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第７，０１５，６１５号明細書（Krishnan Ramu、Nimal Lobo）（出願：２００６年３月）
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】"Two Phase SRM With Flux Reversal Free Stator: Concept, Analysis, Design and Experimental Verification,"（S. G. Oh、R. Krishnan）（Proc. of IEEE Industry Applications Conference Annual Meeting, vol. 3,  pp. 1155-1162, Oct.  2006）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従来技術の上述した欠点を克服する目的で、電力変換装置の機械側へのＤＣ入力ＲＭＳ電圧を一定に維持することによって、ＡＣラインのＲＭＳ電圧振幅の変化の影響を補正するため、力率補正（ＰＦＣ）回路を採用することができる。さらに、ＰＦＣ回路内のインダクタとしてモーターの相巻線を使用することにより、ＰＦＣ回路のインダクタを提供することと、このインダクタを通る電流の流れを使用して、トルクと、したがってモーターの出力パワーを発生させるという２つの目的が果たされる。これらの２つの利点は極めて有利である。
【００１４】
したがって、本発明の目的は、従来技術において直面する上述した欠点および問題を克服することである。
【００１５】
本発明の別の目的は、電力変換装置に要求されるパワーコンポーネントの数を低減することである。
【００１６】
本発明のさらに別の目的は、極めて効率的な電力変換装置を提供することである。
【００１７】
本発明のさらなる目的は、不利なＡＣ電力条件下において全範囲の速度制御を有する電力変換装置を提供することである。
【００１８】
本発明のさらなる目的は、電力変換装置の実装サイズを低減することである。
【００１９】
本発明のさらなる目的は、モーター駆動装置の全体的なコストを低減することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の目的は、力率補正システムであって、交流電流（ＡＣ）電源の電圧を整流して、ＡＣ電源の周期において２回にわたり半正弦波として最小振幅から最大振幅に遷移して最小振幅に戻る電圧波形、を発生させる整流器、を備えている力率補正システム、によって、すべてまたは一部を達成することができる。モーターの相巻線が、電圧波形によって誘起される電流を伝え、レギュレータが、相巻線によって伝えられる電流の流れを調整して、蓄電コンポーネントにエネルギとして蓄える。
【００２１】
本発明の目的は、モーターと、整流器と、力率補正回路とを有するモーターシステム、によって、すべてまたは一部をさらに達成することができる。整流器は、ＡＣ電源の電圧を整流して、ＡＣ電源の周期において２回にわたり半正弦波として最小振幅から最大振幅に遷移して最小振幅に戻る電圧波形、を発生させる。モーターの相巻線が、電圧波形によって誘起される電流を伝え、レギュレータが、相巻線によって伝えられる電流の流れを調整して、蓄電コンポーネントにエネルギとして蓄える。
【００２２】
本発明の目的は、力率補正方法によって、すべてまたは一部をさらに達成することができる。この方法によると、ＡＣ電源の電圧を整流して、ＡＣ電源の周期において２回にわたり半正弦波として最小振幅から最大振幅に遷移して最小振幅に戻る電圧波形、を発生させる。この電圧波形をモーターの相巻線に印加して、相巻線を通る電流の伝導を誘起させる。相巻線によって伝えられてエネルギとして蓄電コンポーネントに蓄えられる電流の流れは、蓄電コンポーネントの両端に一定の電圧が発生するように調整される。
【００２３】
本明細書の以下の段落では、本発明の好ましい実施形態について説明する。これらの実施形態は、添付の図面を参照しながら読み進めることによって、より深く理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】二相モーター用の従来技術の電力変換装置を示している。
【図２】図２Ａモーターの１相の巻線のための力率補正（ＰＦＣ）装置を示している。図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄ、図２Ｅは、それぞれ図２ＡのＰＦＣ装置に関連する波形を示している。
【図３】モーター固定子の対向する磁極に個別の巻線部分として配置されている２相の巻線を示している。
【図４】モーター固定子の２組の対向する磁極それぞれに配置されている２組の相巻線を示している。
【図５】図４に示した固定子を採用することのできるスイッチドリラクタンスモーター（ＳＲＭ）用の電力変換装置を示している。
【図６】固定子のバックアイアンの周囲に２相の巻線が巻かれている６／３極ＳＲＭを示している。
【図７】図６に示した６／３極ＳＲＭ用の電力変換装置を示している。
【図８】図２Ａに示したＰＦＣ装置を動作させる方法の流れ図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図２Ａは、モーターの１相の巻線のための力率補正（ＰＦＣ）装置２００を示している。ＰＦＣ装置２００はブリッジ整流器２０２を有し、この整流器２０２は、交流電流（ＡＣ）電源２０４によって提供されるＡＣ電力の電圧を整流して、モーター（図示していない）の相巻線２０６に供給される直流電流（ＤＣ）電源を生成する。トランジスタ２０８は、ダイオード２１０とキャパシタ２１２の直列接続に電気的に並列に接続されており、相巻線２０６を通る電流の流れを調整してキャパシタ２１２にエネルギとして蓄える。
【００２６】
より具体的には、トランジスタ２０８がオンになると、ブリッジ整流器２０２から相巻線２０６およびトランジスタ２０８を通って回路グランドに電流が流れる。トランジスタ２０８がオフになると、ブリッジ整流器２０２から、相巻線２０６、ダイオード２１０、およびキャパシタ２１２を通って回路グランドに電流が流れ、これによってキャパシタ２１２が充電される。この充電によってキャパシタ２１２の両端に発生するＤＣ電圧は、トランジスタ２０８のスイッチングデューティサイクル（すなわち、オンタイムとオフタイムの合計に対するオンタイムの比であり、パルス幅変調周期に対するオンタイムの比としても表される）によって調整される。したがって、ＰＦＣ装置２００は、キャパシタ２１２の両端に発生するＤＣ電圧を調整し、たとえＡＣ電源２０４の実効（ＲＭＳ）電圧振幅が減少したときにも所望の電圧を維持するように動作する。
【００２７】
図２Ｂ〜図２Ｅは、ＰＦＣ装置２００を通る電流の流れがトランジスタ２０８のスイッチング動作によってどのように調整されるかを、ＡＣ電力の１サイクルについて示している。トランジスタ２０８がオンになると、整流後、ＡＣ入力電圧全体が相巻線２０６に印加され、結果として電流が増大する。電流が所望の大きさを超えると、トランジスタ２０８がオフになる。図２Ｂは、ＡＣ電源２０４によってブリッジ整流器２０２に提供されるＡＣ電圧２２０およびＡＣ電流２２２の振幅を示している。図２Ｃは、ブリッジ整流器２０２によって出力されるＤＣ電圧２３０およびＤＣ電流２３２の振幅を示している。図２Ｄは、トランジスタ２０８のスイッチング動作によってトランジスタ２０８を流れる電流２４０の振幅を示しており、図２Ｅは、トランジスタ２０８のスイッチング動作によってキャパシタ２１２に流れ込む電流２５０の振幅を示している。
【００２８】
図２Ｄに示した、トランジスタ２０８を電流が流れている期間は、トランジスタ２０８がオンになっている期間を表す。（ａ）ＡＣ  ＲＭＳ入力電圧振幅の大きな変動（例えば、（マイナス）３０％以上）においてキャパシタ２１２の両端のＲＭＳ電圧が一定であること、（ｂ）ＡＣ入力電流が正弦波であること、および（ｃ）力率が１であること、が維持される利点の１つまたは複数が達成されるように、トランジスタ２０８のスイッチング動作を制御回路（図示していない）によって調整することができる。
【００２９】
１相の巻線に関連して上述した原理は、複数の多相巻線にも同様に適用することができる。
【００３０】
図３は、モーター固定子３００の対向する磁極に個別の巻線部分として配置されている２相の巻線を示している。固定子３００は、直径方向に対向する磁極３０２，３０４を有する２極の固定子である。合計巻数がＴ１である相Ａ１の巻線３０６は、２つの巻線部分の最大の漏れインダクタンスが発生するように、それぞれが等しい巻数Ｔ１／２、または好ましくは等しくない巻数の２つの巻線部分３０８，３１０に分けられており、したがって、これらの巻線部分３０８，３１０を独立して制御することができる。巻数を等しくしない理由は、入力力率補正を最適化し、力率補正（ＰＦＣ）トランジスタにおいて低損失のスイッチング周波数を得るためである。さらに、巻線部分の漏れインダクタンスが大きいように、２つの巻線部分を隔てることが好ましい。例えば、一方の磁極が相Ａの一方の部分を有し、直径方向に対向する磁極が相Ａの残りの部分を有することができ、したがって、互いに隔てられている２つの場所に２つの部分が配置されている。相Ａ１の巻線部分３１４は、巻数ｋ１Ｔ１において固定子磁極３０２の周囲に巻かれており（ｋ１は割合比）、相Ａ１の巻線部分３１０は、巻数（１−ｋ１）Ｔ１において固定子磁極３０４の周囲に巻かれている。同様に、合計巻数がＴ２である相Ａ２の巻線３１２は、それぞれが巻数ｋ１Ｔ２および（１−ｋ１）Ｔ２である２つの巻線部分３１４，３１６に分けられている。相Ａ２の巻線部分３０８は、巻数ｋ１Ｔ２において固定子磁極３０２の周囲に巻かれており、相Ａ２の巻線部分３１６は、巻数（１−ｋ１）Ｔ２において固定子磁極３０４の周囲に巻かれている。
【００３１】
巻数Ｔ１およびＴ２は等しい必要はなく、巻線に所望の電流が流れ込むように結合が完全である必要がないようにこれらを不均一に維持することには、いくつかの利点がある。同様に、相Ａ１の巻線部分３１４，３１０は等しい巻数を有する必要がなく、相Ａ２の巻線部分３０８，３１６は等しい巻数を有する必要がない。相Ａ１の巻線部分３１４，３１０は、巻数が同じである単一部分の相巻線の起磁力（ＭＭＦ）と等価の合計起磁力を有することができる。同様に、相Ａ２の巻線部分３０８，３１６は、巻数が同じである単一部分の相巻線の起磁力と等価である合計起磁力を有することができる。
【００３２】
相Ａ１の巻線３０６および相Ａ２の巻線３１２のいずれかまたは両方を、図２Ａにおける相巻線２０６として使用することができる。
【００３３】
図４は、モーター固定子４００の２組の対向する磁極それぞれに配置されている２組の相巻線を示している。固定子４００は、直径方向に対向する第１の組の磁極４０２，４０４と、直径方向に対向する第２の組の磁極４２２，４２４とを有する４極の固定子である。合計巻数がＴ１である相Ａ１の巻線４０６は、それぞれ巻数がＴ１より少ない２つの巻線部分４０８，４１０に分けられている。相Ａ１の巻線部分４０８は固定子磁極４０２の周囲に巻かれており、相Ａ１の巻線部分４１０は固定子磁極４０４の周囲に巻かれている。同様に、合計巻数がＴ２である相Ａ２の巻線４１２は、それぞれ巻数がＴ２より少ない２つの巻線部分４１４，４１６に分けられている。相Ａ２の巻線部分４１４は固定子磁極４０２の周囲に巻かれており、相Ａ２の巻線部分４１６は固定子磁極４０４の周囲に巻かれている。
【００３４】
合計巻数がＴ３である相Ｂ１の巻線４２６は、それぞれ巻数がＴ３より少ない２つの巻線部分４２８，４３０に分けられている。相Ｂ１の巻線部分４２８は固定子磁極４２２の周囲に巻かれており、相Ｂ１の巻線部分４３０は固定子磁極４２４の周囲に巻かれている。同様に、合計巻数がＴ４である相Ｂ２の巻線４３２は、それぞれ巻数がＴ４より少ない２つの巻線部分４３４，４３６に分けられている。相Ｂ２の巻線部分４３４は固定子磁極４２２の周囲に巻かれており、相Ｂ２の巻線部分４３６は固定子磁極４２４の周囲に巻かれている。異なる数の固定子磁極を有する固定子においても、類似する構造を実施することができる。
【００３５】
図５は、図４に示した固定子を採用することのできるスイッチドリラクタンスモーター（ＳＲＭ）用の電力変換装置５００を示している。電力変換装置５００はブリッジ整流器５０２を有し、この整流器５０２は、ＡＣ電源５０４によって提供されるＡＣ電力の電圧を整流して、モーターの相Ａ１の巻線５０６に供給されるＤＣ電源を生成する。トランジスタ５０８は、ダイオード５１０とキャパシタ５１２の直列接続に電気的に並列に接続されており、相Ａ１の巻線５０６を通る電流の流れを調整してキャパシタ５１２にエネルギとして蓄える。同様に、トランジスタ５１８は、ダイオード５２０とキャパシタ５１２の直列接続に電気的に並列に接続されており、相Ｂ１の巻線５１６を通る電流の流れを調整してキャパシタ５１２にエネルギとして蓄える。
【００３６】
より具体的には、トランジスタ５０８がオンになると、ブリッジ整流器５０２から相Ａ１の巻線５０６およびトランジスタ５０８を通って回路グランドに電流が流れる。トランジスタ５０８がオフになると、ブリッジ整流器５０２から、相Ａ１の巻線５０６、ダイオード５１０、およびキャパシタ５１２を通って回路グランドに電流が流れ、これによってキャパシタ５１２が充電される。同様に、トランジスタ５１８がオンになると、ブリッジ整流器５０２から相Ｂ１の巻線５１６およびトランジスタ５１８を通って回路グランドに電流が流れる。トランジスタ５１８がオフになると、ブリッジ整流器５０２から、相Ｂ１の巻線５１６、ダイオード５２０、およびキャパシタ５１２を通って回路グランドに電流が流れ、これによってキャパシタ５１２が充電される。キャパシタ５１２の両端に発生するＤＣ電圧は、トランジスタ５０８およびトランジスタ５１８のスイッチングデューティサイクルによって調整される。
【００３７】
トランジスタ５２８は、蓄電キャパシタ５１２からモーターの相Ａ２の巻線５３０を通るエネルギの流れを調整する。相Ａ２の巻線５３０によって放電される、モーターによって使用されないエネルギは、ダイオード５３４によって形成される回路によってキャパシタ５３２に蓄えられる。トランジスタ５３６は、蓄電キャパシタ５３２からモーターの相Ｂ２の巻線５３８を通るエネルギの流れを調整する。相Ｂ２の巻線５３８によって放電される、モーターによって使用されないエネルギは、ダイオード５４０によって形成される回路によってキャパシタ５１２に送られて蓄えられる。
【００３８】
相Ａ１の巻線４０６および相Ａ２の巻線４１２は、スイッチドリラクタンスモーターの相ＡにおけるＭＭＦを提供し、相Ｂ１の巻線４２６および相Ｂ２の巻線４３２は、モーターの相ＢにおけるＭＭＦを提供する。相Ａ１の巻線４０６および相Ｂ１の巻線４２６は、ＰＦＣインダクタと、トルクおよびパワーを発生させる機械の相の両方として利用されるのに対し、相Ａ２の巻線４１２および相Ｂ２の巻線４３２は、トルクおよびパワーを発生させるためにのみ利用される。
【００３９】
相Ａのトランジスタ５０８および５２８は、同じ休止時間にて同時に切り換えることができるが、デューティサイクルが同じである必要はない。トランジスタ５０８のデューティサイクルは、（ａ）ＡＣピークＲＭＳ入力振幅の大きな変動（例えば、（マイナス）３０％以上）においてキャパシタ５１２の両端のＲＭＳ電圧が一定であること、（ｂ）ＡＣ入力電流が正弦波であること、（ｃ）力率が１であること、または（ｄ）その他の設計基準、が達成されるように決定する。トランジスタ５２８のデューティサイクルは、相Ａ２の巻線５３０の電流調整の要求条件によって決定する。
【００４０】
同様に、相Ｂのトランジスタ５１８および５３６は、同じ休止時間にて同時に切り換えることができるが、デューティサイクルが同じである必要はない。トランジスタ５１８のデューティサイクルは、（ａ）ＡＣピークＲＭＳ入力振幅の大きな変動（例えば、（マイナス）３０％以上）においてキャパシタ５１２の両端のＲＭＳ電圧が一定であること、（ｂ）ＡＣ入力電流が正弦波であること、（ｃ）力率が１であること、または（ｄ）その他の設計基準、が達成されるように決定する。トランジスタ５３６のデューティサイクルは、相Ｂ２の巻線５３８の電流調整の要求条件によって決定する。
【００４１】
図５は、２つのＰＦＣ回路と機械の２つの相とを示しているが、ＰＦＣおよび機械の相の数のさまざまな選択肢に適するように電力変換装置５００を修正することができる。
【００４２】
図６は、固定子のバックアイアン６０２の周囲に２相の巻線が巻かれている６／３極ＳＲＭ  ６００を示している。モーター６００は、６つの固定子磁極６０４〜６１４と、３つの回転子磁極６１６〜６２０を有する。６／３極ＳＲＭについては、特許文献１および非特許文献１に、さらに詳細に記載されている。
【００４３】
モーター６００の相Ａの巻線７２０（図７を参照）は、並列接続されている巻線Ａ２  ６２４および巻線Ａ３  ６２６に直列接続されている巻線Ａ１  ６２２を備えている。同様に、モーター６００の相Ｂの巻線７２８は、並列接続されている巻線Ｂ２  ６３０および巻線Ｂ３  ６３２に直列接続されている巻線Ｂ１  ６２８を備えている。巻線Ｌ１  ６３４は、バックアイアン６０２の周囲に巻かれており、補助固定子磁極６１２および６１４の間に配置されており、巻線Ｌ２  ６３６は、バックアイアン６０２の周囲に巻かれており、補助固定子磁極６０６および６０８の間に配置されている。巻線Ｌ１  ６３４および巻線Ｌ２  ６３６は、電気的に直列に接続されており（すなわち、Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２）、図７に示したＰＦＣ回路７３２において誘導相巻線Ｌ  ７０６として使用されている。ＰＦＣ回路の作動によって巻線Ｌ１  ６３４および巻線Ｌ２  ６３６を流れる電流によっても、相Ａおよび相Ｂの両方におけるトルク発生をサポートするための磁束が発生する。
【００４４】
図７は、図６に示した６／３極ＳＲＭ  ６００用の電力変換装置７００を示している。電力変換装置７００はブリッジ整流器７０２を有し、この整流器７０２は、ＡＣ電源７０４によって提供されるＡＣ電力の電圧を整流して、モーター６００の相Ｌの巻線７０６に供給されるＤＣ電源を生成する。トランジスタ７０８は、ダイオード７１０とキャパシタ７１２の直列接続に電気的に並列に接続されており、相Ｌの巻線７０６を通る電流の流れを調整してキャパシタ７１２にエネルギとして蓄える。
【００４５】
より具体的には、トランジスタ７０８がオンになると、ブリッジ整流器７０２から相Ｌの巻線７０６およびトランジスタ７０８を通って回路グランドに電流が流れる。トランジスタ７０８がオフになると、ブリッジ整流器７０２から、相Ａ１の巻線７０６、ダイオード７１０、およびキャパシタ７１２を通って回路グランドに電流が流れ、これによってキャパシタ７１２が充電される。キャパシタ７１２の両端に発生するＤＣ電圧は、トランジスタ７０８のスイッチングデューティサイクルによって調整される。
【００４６】
トランジスタ７１８は、蓄電キャパシタ７１２からモーター６００の相Ａの巻線７２０を通るエネルギの流れを調整する。相Ａの巻線７２０によって放電される、モーター６００によって使用されないエネルギは、ダイオード７２４によって形成される回路によってキャパシタ７２２に蓄えられる。トランジスタ７２６は、蓄電キャパシタ７２２からモーターの相Ｂの巻線７２８を通るエネルギの流れを調整する。相Ｂの巻線７２８によって放電される、モーター６００によって使用されないエネルギは、ダイオード７３０によって形成される回路によってキャパシタ７１２に送られて蓄えられる。
【００４７】
ＳＲＭ  ６００におけるＰＦＣ回路の相Ｌの巻線７０６（すなわち、相巻線Ｌ１  ６３４およびＬ２  ６３６）が励磁されると、相Ａおよび相Ｂによって発生する磁束と同じ方向に、機械のバックアイアン６０２に磁束が発生する。したがって、固定子鉄心に磁束反転は存在しない。これにより鉄心損失が減少し、したがって、モーター６００の効率が向上する。言い換えれば、相Ｌの巻線７０６（すなわち、相巻線Ｌ１  ６３４およびＬ２  ６３６）は、（ａ）ＰＦＣ回路７３２におけるインダクタとして使用され、そして、（ｂ）機械におけるトルクの発生を増大させる、またはトルクを発生させる。
【００４８】
相巻線Ａ２  ６２４、Ａ３  ６２６、Ｂ２  ６３０、およびＢ３  ６３２は、オプションであり、これらの励磁は、相巻線Ｌ１  ６３４およびＬ２  ６３６によって提供することができ、これによって、接続の数が減少し、製造工程が節約される。このことは、巻線がオプションである磁極の必要性を排除するものではない。バックアイアンの相巻線Ｌ１  ６３４およびＬ２  ６３６と、主磁極の巻線Ａ１  ６２２およびＢ１  ６２８によって発生する磁束を伝えるうえで、磁極は必要である。
【００４９】
ＳＲＭ  ６００におけるバックアイアン巻線構造と、関連する電力変換装置７００とによって、要求されるＰＦＣ回路の数が１つに減少し、要求されるトランジスタおよびダイオードが、ＰＦＣ回路７３２においてそれぞれ１つに減少する。したがって、図３〜図５に関連して説明した２相４極モーターとの比較において、コンパクトな電子回路実装と、少ない数のコンポーネントとを達成することができる。
【００５０】
ＳＲＭ  ６００は、可変リラクタンスの原理に基づいて機能し、この機械には相互インダクタンスに基づくトルクは存在しない。したがって、この機械は、トルクが相互結合および磁束反転に基づく、永久磁石を用いたハイブリッド車用スイッチドリラクタンス機のクラスから除外される。
【００５１】
相巻線Ｌ１  ６３４および相巻線Ｌ２  ６３６における巻数は、相Ａの巻線７２０および相Ｂの巻線７２８における巻数と、ＰＦＣ回路７３２のスイッチング周波数とによって決定する。
【００５２】
本文書に開示されているＰＦＣ回路においては、正弦波電流および台形波電流のスイッチングのいずれも実施することができる。
【００５３】
図８は、図２Ａに示したＰＦＣ装置を動作させる方法の流れ図を示している。この方法によると、図２Ｃに示したように、ＡＣ電源２０４によって提供されるＡＣ電圧をブリッジ整流器２０２によって整流し（８０２）、ＡＣ電源の周期において２回にわたり半正弦波として最小振幅から最大振幅に遷移して最小振幅に戻る電圧波形、を発生させる。相巻線２０６およびトランジスタ２０８の両端に発生する電圧波形によって、相巻線２０６およびトランジスタ２０８を通る電流の流れが誘起されるように、トランジスタ２０８を作動させる（８０４）。トランジスタ２０８がオフになったとき、相巻線２０６に蓄えられているエネルギがダイオード２１０を通じて放電されてキャパシタ２１２に蓄えられ、したがって電流を伝えないように、トランジスタ２０８を繰り返しオン／オフすることによって、トランジスタ２０８を通る電流の流れを調整する（８０６）。トランジスタ２０８を通る電流の調整は、キャパシタ２１２の両端に、振幅が一定またはほぼ一定である所望の電圧が発生するように実行される。
【００５４】
ここまでの記載は、本発明について説明した。しかしながら、本開示は、本発明の好ましい実施形態のみについて説明しており、本発明はさまざまな他の組合せ、修正形態、および環境において使用できることを理解されたい。さらに、本発明は、本文書に開示されている発明的なコンセプトの範囲内で、上記の教示内容と当業者の技能あるいは知識から導かれる変更または修正を行うことができる。
【００５５】
本明細書に説明されている実施形態は、本発明を実施するうえでの既知の最良の形態を説明することと、当業者が、本発明の特定の用途または使用形態において要求されうるさまざまな修正を施したうえで、説明した実施形態および別の実施形態において本発明を利用できるようにすることとを、さらなる目的としている。したがって、上記の説明は、本明細書に開示した形態に本発明を制限することを意図するものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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