(57)【要約】  本発明の電子整流子回路は、その低速トルクの制約を克服するために、周知である電子整流子内に組み込まれうる強制転流手段を提供する。強制転流手段は、基本スイッチングステージに対して１対のサイリスタ（１、４）を使用した強制転流機能強化からなる。コンデンサ（３、６）は、予め充電され、放電されるときにコイル電圧が補充されてもよく、これにより、転流重なり期間が減少して、サイリスタ（１、４）の順阻止能力を得るために利用されるターンオフ時間を最大にできる。このような容量放電を実現する２つの手段が使用されうる。第１の手段は転流後に電流を流すのと同じサイリスタによって容量放電を開始する。第２の手段は補助サイリスタによって容量放電を開始する。
2009512417.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブラシレス直流電気機械の固定子巻線用の電子整流子回路であって、前記固定子巻線はいくつかのコイルを有し、該コイルは同数の共通結合点（巻線タップｎ、巻線タップｎ＋１）によって連結され、前記電子整流子回路は同数のスイッチングステージを備え、各スイッチングステージは前記共通結合点（巻線タップｎ、巻線タップｎ＋１）のそれぞれ１つと第１および第２の直流端子（ＤＣ１、ＤＣ２）との間に接続されており電圧を前記固定子巻線に選択的に放電する容量性強制転流手段を含むことを特徴とする電子整流子回路。
【請求項２】
各スイッチングステージは、
アノードが前記第１の直流端子（ＤＣ１）に接続された第１のサイリスタ（１）と、
カソードが前記第２の直流端子（ＤＣ２）に接続された第２のサイリスタ（４）と、
電圧を前記固定子巻線に選択的に放電するための前記共通結合点（巻線タップｎ）に接続された第１のコンデンサ（３）を含む前記第１のサイリスタ（１）に関連する第１の強制転流手段と、
電圧を前記固定子巻線に選択的に放電するための前記共通結合点（巻線タップｎ）に接続された第２のコンデンサ（６）を含む前記第２のサイリスタ（４）に関連する第２の強制転流手段と、
をさらに含む、請求項１に記載の電子整流子回路。
【請求項３】
前記第１の強制転流手段は前記第１のサイリスタ（１）のカソードと前記共通結合点（巻線タップｎ）との間に接続された第１のダイオード（２）をさらに含み、前記第１のコンデンサ（３）は前記第１のダイオード（２）と並列に接続され、前記第２の強制転流手段は前記第２のサイリスタ（４）のアノードと前記共通結合点（巻線タップｎ）との間に接続された第２のダイオード（５）をさらに含み、前記第２のコンデンサ（６）は前記第２のダイオード（５）と並列に接続される、請求項２に記載の電子整流子回路。
【請求項４】
前記スイッチングステージの１つは、
前記第１のダイオード（２）のカソードと前記第２のダイオード（５）のアノードとに接続された第１の端子と、前記共通結合点（巻線タップｎ）に接続された第２の端子とを有する一次巻線（８）と、
前記一次巻線（８）に磁気的に結合された二次巻線（９）と、
を有する第１のリアクトル（７）をさらに備える、請求項３に記載の電子整流子回路。
【請求項５】
前記第１のリアクトル（７）は前記直流電気機械の定格機械巻線電流のほんの少しで飽和するコアを含む、請求項４に記載の電子整流子回路。
【請求項６】
前記スイッチングステージの別の１つに関連する第１のダイオードのカソードと前記スイッチングステージの前記別の１つに関連する第２のダイオードのアノードとに接続された第１の端子と、前記スイッチングステージの前記別の１つに関連する前記共通結合点（巻線タップｎ＋１）に接続された第２の端子とを備えた一次巻線（８ｎ＋１）と、
第１の端子と第２の端子とを備えた前記一次巻線（８ｎ＋１）に磁気的に結合される二次巻線（９ｎ＋１）であって、
該第１の端子は、
（ｉ）前記スイッチングステージの前記１つの前記第１のダイオード（２）のカソードと、前記第１のリアクトル（７）の前記一次巻線（８）との間の接合点と、
（ｉｉ）前記スイッチングステージの前記１つの前記第２のダイオード（５）のアノードと、前記第１のリアクトル（７）の前記一次巻線（８）との間の接合点と、
に接続され、
該第２の端子は、
（ｉ）第１のダイオード列または等価ダイオード（１０）を介して前記第１のダイオード（２）のアノードと、
（ｉｉ）第２のダイオード列または等価ダイオード（１１）を介して前記第２のダイオード（５）のカソードと、
に接続される前記二次巻線（９ｎ＋１）と、
を有する第２のリアクトル（７ｎ＋１）をさらに備える、請求項４または請求項５に記載の電子整流子回路。
【請求項７】
スイッチング電源（２０）に接続された一次巻線（１９）と該一次巻線（１９）に磁気的に結合された二次巻線（９ｎ＋１）とを有するパルストランス（１８）をさらに備え、前記二次巻線（９ｎ＋１）は前記第１のダイオード（２）のカソードと前記第２のダイオード（５）のアノードとに接続された第１の端子と、第１のダイオード列または等価ダイオード（１０）を介して前記第１のダイオード（２）のアノードと第２のダイオード列または等価ダイオード（１１）を介して前記第２のダイオード（５）のカソードとに接続された第２の端子とを有する、請求項４〜６のいずれかに記載の電子整流子回路。
【請求項８】
前記スイッチングステージの前記別の１つは前記第１のリアクトル（７）に関連する前記スイッチングステージの前記１つに隣接する、請求項６または請求項７に記載の電子整流子回路。
【請求項９】
前記スイッチングステージの前記別の１つに関連する前記第２のリアクトル（７ｎ＋１）と前記第１のリアクトル（７）とは整数個のスイッチングステージだけずらされる、請求項６または請求項７に記載の電子整流子回路。
【請求項１０】
前記第１の強制転流手段は、第１の補助サイリスタ（１４）が前記第１のサイリスタ（１）と同じ極性を有するように、互いに直列に接続され、さらに第１のサイリスタ（１）に並列に接続された前記第１の補助サイリスタ（１４）と第１のコンデンサ（１２）とをさらに含み、前記第２の強制転流手段は、第２の補助サイリスタ（１７）が前記第２のサイリスタ（４）と同じ極性を有するように、互いに直列に接続され、さらに前記第２のサイリスタ（４）に並列に接続された前記第２の補助サイリスタ（１７）と第２のコンデン
サ（１５）とをさらに含む、請求項２に記載の電子整流子回路。
【請求項１１】
前記スイッチングステージの１つは第１のリアクトル（７）をさらに備え、
該第１のリアクトル（７）は、
前記第１のサイリスタ（１）のカソードと前記第２のサイリスタ（４）のアノードとに接続された第１の端子と、前記共通結合点（巻線タップｎ）に接続された第２の端子とを備えた一次巻線（８）と、
前記一次巻線（８）に磁気的に結合された二次巻線（９）と、
を有する、請求項１０に記載の電子整流子回路。
【請求項１２】
前記第１のリアクトル（７）は前記直流電気機械の前記定格機械巻線電流のほんの少しで飽和するコアを含む、請求項１０に記載の電子整流子回路。
【請求項１３】
前記スイッチングステージの別の１つに関連する第１のサイリスタのカソードと前記スイッチングステージの前記別の１つに関連する第２のサイリスタのアノードとに接続された第１の端子と、前記スイッチングステージの前記別の１つに関連する前記共通結合点に接続された第２の端子とを備えた一次巻線（８ｎ＋１）と、
第１の端子と第２の端子とを備えた前記一次巻線（８ｎ＋１）に磁気的に結合された二次巻線（９ｎ＋１）であって、
該第１の端子は、
（ｉ）前記スイッチングステージの前記１つの前記第１のサイリスタ（１）のカソードと、前記第１のリアクトル（７）の前記一次巻線（８）との間の接合点と、
（ｉｉ）前記スイッチングステージの前記１つの前記第２のサイリスタ（４）のアノードと前記第１のリアクトル（７）の前記一次巻線（８）との間の接合点と、
に接続され、
該第２の端子は、
（ｉ）第１のダイオード列または等価ダイオード（１３）を介して前記第１の補助サイリスタ（１４）と前記第１のコンデンサ（１２）との接合点と、
（ｉｉ）第２のダイオード列または等価ダイオード（１６）を介して前記第２の補助サイリスタ（１７）と前記第２のコンデンサ（１５）との接合点と、
に接続される前記二次巻線（９ｎ＋１）と、
を有する第２のリアクトル（７ｎ＋１）をさらに備える、請求項１１または請求項１２に記載の電子整流子回路。
【請求項１４】
スイッチング電源に接続された一次巻線と前記一次巻線に磁気的に結合された二次巻線とを有するパルストランスをさらに含み、前記二次巻線は前記第１のサイリスタのカソードと前記第２のサイリスタのアノードとに接続された第１の端子と、第１のダイオード列または等価ダイオードを介して前記第１の補助サイリスタと前記第１のコンデンサとの接合点と第２のダイオード列または等価ダイオードを介して前記第２の補助サイリスタと前記第２のコンデンサとの接合点とに接続された第２の端子とを有する、請求項１１〜１３のいずれかに記載の電子整流子回路。
【請求項１５】
前記スイッチングステージの前記別の１つは前記第１のリアクトル（７）に関連する前記スイッチングステージの前記１つに隣接する、請求項１３または請求項１４に記載の電子整流子回路。
【請求項１６】
前記スイッチングステージの前記別の１つに関連する前記第２のリアクトル（７ｎ＋１）および前記第１のリアクトル（７）は整数個のスイッチングステージだけずらされる、請求項１３または請求項１４に記載の電子整流子回路。
【請求項１７】
前記第１および第２のコンデンサ（１２、１５）は少なくとも１台の直流的に絶縁された補助電源によって充電される、請求項２〜１６のいずれかに記載の電子整流子回路。
【請求項１８】
回転子と、固定子と、いくつかのコイルであって同数の共通結合点によって連結されたコイルを有する固定子巻線と、請求項１〜１７のいずれかの請求項に記載の電子整流子回路とを備えるブラシレス直流回転機械であって、前記電子整流子回路の各スイッチングステージは前記共通結合点のそれぞれの１つと第１および第２の直流端子との間に接続される、ブラシレス直流回転機械。
【請求項１９】
トランスレータと、固定子と、いくつかのコイルであって同数の共通結合点によって連結されたコイルを有する固定子巻線と、請求項１〜１７のいずれかに記載の電子整流子回路とを備える直流線形機械であって、前記電子整流子回路の各スイッチングステージは前記共通結合点のそれぞれの１つと第１および第２の直流端子との間に接続される、直流線形機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子整流子回路に関し、特に、電子式強制転流を使用する回転機械および線形機械（たとえば、ブラシレス直流回転機械および線形機械など）用の回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流回転機械は、通常、巻線型固定子によって包囲された回転子を含む。回転子の角度位置に基づいて固定子巻線の電流の転流を制御するために電子スイッチング回路が使用される。固定子は回転磁界を発生するが、これは永久磁石、スリップリングまたはブラシレス励磁電源を備える通常の巻線、あるいは適当な励磁電源を備える超伝導巻線によって発生されうる。
【０００３】
英国特許出願第２１１７５８０号（特許文献１）は、電子スイッチング回路を使用したブラシレス直流回転機械を開示している。この電子スイッチング回路は、本質的に、業界標準の重ね巻き固定子に対して従来のブラシおよび整流子トポロジーを模したもので、ここでは、ブラシがサイリスタで置き換えられ、整流子セグメントが関連するサイリスタ対間の共通結合点で置き換えられている。各サイリスタ対の一方のサイリスタのアノードは第１の直流端子に接続され、この対の他方のサイリスタのカソードは第２の直流端子に接続される。ｎ個のコイルが直列に接続された固定子巻線は、電子スイッチング回路でｎ個の共通結合点を遮断するｎ個のノードを有する。これは、ｎ＝８の場合について図１に示される。
【０００４】
図１から、第１のコイルＣ１は第１の共通結合点ＰＣＣ１によって第２のコイルＣ２と第１のサイリスタスイッチ対Ｓ１ａおよびＳ１ｂとに接続されることが分かる。サイリスタＳ１ａのアノードは第１のリング「リング１」によって第１の直流端子ＤＣ１に接続され、サイリスタＳ１ｂのカソードは第２のリング「リング２」によって第２の直流端子ＤＣ２に接続される。第２のコイルＣ２は第２の共通結合点ＰＣＣ２によって第３の巻線Ｃ３と第２のサイリスタスイッチ対Ｓ２ａおよびＳ２ｂとに接続される。サイリスタＳ２ａのアノードは第１のリング「リング１」によって第１の直流端子ＤＣ１に接続され、サイリスタＳ２ｂのカソードは第２のリング「リング２」によって第２の直流端子ＤＣ２に接続される。残りのコイルは第１の直流端子ＤＣ１と第２の直流端子ＤＣ２に同様に接続される。
【０００５】
サイリスタ対は、ブラシレス直流回転機械の逆起電力（すなわち、固定子巻線に誘起される起電力）と回転子の角度位置に同期化されたゲートパルスの印加とによって転流される。低い回転子速度では、この逆起電力はサイリスタの転流に不十分な場合があり、直流ラインタイプの外部転流回路が使用される。この外部転流回路も、回転子の角度位置、つまりはサイリスタ対のゲート駆動に同期化される。
【０００６】
英国特許出願第２１１７５８０号（特許文献１）のブラシレス直流回転機械は、以下の欠点を免れない。
（ｉ）サイリスタ対のゲート駆動を回転子の角度位置に同期化させることは、実現が困難であり、電磁干渉を受けやすい。
（ｉｉ）サイリスタ対のゲート駆動同期と、その後の転流過程とは、機械の負荷条件に正確に適合できない。
【０００７】
英国特許出願第２１１７５８０号（特許文献１）に記載されたブラシレス直流回転機械と等価な、一般的な線形機械を得られることは容易に理解されよう。このブラシレス直流回転機械は、１対のリング型直流端子と円形配列のスイッチングステージを有するものとして図１に示されているが、これらは分りやすくするために線形形式で表わされうる。
【０００８】
基本的な固定子巻線（多角形巻きまたは重ね巻き）と電子整流子回路の線形形式が図２に示される。電子整流子回路は、円形配列ではなく線形配列で配置された複数の同一のスイッチングステージからなる。各スイッチングステージは、図３に示されるように１対のサイリスタ１と４を含む。直流電気機械が発電モードで動作している間の大半の期間、直流電流は配列内の第１の点において固定子巻線に流れ込み、配列の第２の点において固定子巻線から流れ出る。第２の点は第１の点から約１８０度の電気角度だけずらされている。巻線電流は、図２に示されるように、第１の点において２つのほぼ等しい径路に分岐し第２の点において再合流する。転流を行うために、第１の点または第２の点の位置は、配列に沿って１ステップごとに間欠駆動（index）されなければならない。間欠駆動は、第１の点から第３の点、および、第２の点から第４の点に同時に行われてもよいし、最初に第１の点から第３の点に、続いて第２の点から第４の点に順次行われてもよい。周知である自然転流の用語によると、転流後に電流を通すスイッチング装置は入力装置として知られ、転流前に電流を通す装置は出力装置として知られる。これら２つの装置の状態は重なりと逆回復の影響を受けるため、位相制御が使用されることもある。この場合、間欠駆動は、端子が順方向バイアス（アノードがカソードに対して正）されていれば入力装置にゲートパルスを印加することによって行われ、その際出力装置の電源端子が逆バイアスされる。
【０００９】
隣接するスイッチングステージの入力および出力サイリスタに関する一般的な転流過程が図４と５に示される。図４は等価回路の定義を示し、図５は理想化された転流波形を示す。
【００１０】
図４を参照すると、定電流源「Ｉｌｏａｄ」は出力サイリスタから入力サイリスタに転流される電流を表わす。転流される電流の変化率は、固定子巻線の等価回路表示によって決定され、時間的に変化する転流電圧Ｅと、インダクタンスＬを有する転流リアクタンスとを含む。出力サイリスタは、電流「Ｉｏｕｔ」を通し、電圧「Ｖｏｕｔ」を保持する。入力サイリスタは、電流「Ｉｉｎ」を通し、電圧「Ｖｉｎ」を保持する。
【００１１】
出力サイリスタは、転流過程の開始時にオン状態にラッチされるがゲート駆動されないものと考えられる。入力サイリスタがゲート駆動されてオンになると、電圧「Ｖｉｎ」は消滅し、電流「Ｉｉｎ」はＥ／Ｌの割合で増加する。電流源「Ｉｌｏａｄ」は一定であるため、電流「Ｉｏｕｔ」はＥ／Ｌの割合で減少する。電流「Ｉｏｕｔ」がゼロに減少するまでに要する時間は重なりと定義される。重なりの最後に、出力サイリスタでターンオフ過程が始まる。ターンオフ過程は出力サイリスタの逆回復で始まり、最初出力サイリスタは逆方向に導通し、それによって電流「Ｉｉｎ」にオーバシュートが生じ、電流変化率はＥ／Ｌで決定される。結局、逆回復の終わりごろに、出力サイリスタの導通角が減少して電圧「Ｖｏｕｔ」は時間的に変化する転流電圧−Ｅに向かって上昇する。電圧「Ｖｏｕｔ」が増加すると、出力サイリスタから電流を強制的に流すことになる。この時点で、出力サイリスタは十分な順阻止能力を得ていないが、逆阻止能力を確実に有する。したがって、固定子巻線の電流が遮断された結果として電圧「Ｖｏｕｔ」はオーバシュートする。転流が続くと、出力サイリスタの定常状態と過渡状態の順電圧阻止能力が増す。
【００１２】
最終的に、電圧「Ｖｏｕｔ」は反転し、出力サイリスタはこの電圧を保持しなければならない。出力サイリスタが所要の順電圧阻止能力を得るために有効な全時間はターンオフ時間Ｔｑとして知られる。これは、電流「Ｉｏｕｔ」の負方向への反転とこれに続く電圧「Ｖｏｕｔ」の正方向への反転の間の時間である。ターンオフ時間Ｔｑが十分であれば、電流「Ｉｏｕｔ」はゼロに保たれ、その間、電圧「Ｖｏｕｔ」は時間的に変化する転流電圧Ｅをたどる。しかし、ターンオフ時間Ｔｑが十分でなければ、「Ｖｏｕｔ」は正になるため、電流「Ｉｏｕｔ」は再度構築され、電圧「Ｖｏｕｔ」はオン状態に戻り、出力サイリスタはターンオフに失敗することになる。この失敗は「Ｔｑ失敗」とも呼ばれ、関連機器の壊滅的な故障を伴う出力サイリスタの破壊を招くおそれがある。
【００１３】
このような転流における電流「Ｉｉｎ」と「Ｉｏｕｔ」の変化率は、サイリスタのターンオン損失、ターンオフ損失、および順阻止能力を得るために必要な時間（Ｔｑ）に重大な影響を与える。
【００１４】
分りやすくするために、負荷電流「Ｉｌｏａｄ」は一方向（すなわち、図示のように右から左）であると仮定されているので図４には各スイッチングステージの１個のサイリスタのみが示される。両方のサイリスタは同じ極性を有し、これにより、逆回復時を除き、サイリスタ電流は図示のように右から左に流れる。しかし、負荷電流が周期的に反転される場合は、各スイッチングステージには反対極性のサイリスタ対を組み入れることになる。
【特許文献１】英国特許出願第２１１７５８０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
基本的に、自然転流するサイリスタは、ブラシレス直流回転機械がモータリングのアプリケーションに使用される場合に理想的である。しかし、固定子巻線における電流の最適な入口点は、確かな転流を行わせるには不十分なコイル電圧のある場所に設定されるので、低速で使用するときは性能上の制約が重要である。モータリングトルクが大きい低速では、得られる転流の重なり期間によって、サイリスタが順阻止能力を得るまでの時間が不十分となる。自然転流の制約を解消するために外部の直流転流装置が使用されうるが、これは望ましくない振幅の大きなトルクの脈動と、さらなる電力損失を生じる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の電子整流子回路は、その低速トルクの制約を克服するために、周知である電子整流子内に組み込まれうる強制転流手段を提供する。強制転流手段は、基本スイッチングステージに対して１対のサイリスタを使用した強制転流機能強化からなる。コンデンサは、予め充電され、放電されるときにコイル電圧が補充されてもよく、これにより、転流重なり期間が減少して、サイリスタが順阻止能力を得るために利用されるターンオフ時間を最大にできる。このような容量放電を実現する２つの手段が使用されうる。第１の手段は転流後に電流を流すのと同じサイリスタによって容量放電を開始する。第２の手段は補助サイリスタによって容量放電を開始する。
【００１７】
より具体的には、本発明は、ブラシレス直流電気機械の固定子巻線用電子整流子回路を提供するもので、固定子巻線はいくつかのコイルを有し、このコイルは同数の共通結合点によって連結され、電子整流子回路は同数のスイッチングステージを備え、各スイッチングステージは共通結合点のそれぞれ１つと第１および第２の直流端子との間に接続されており電圧を選択的に固定子巻線に放電する容量性強制転流手段を含む。各スイッチングステージは、アノードが第１の直流端子に接続された第１のサイリスタ、カソードが第２の直流端子に接続された第２のサイリスタと、電圧を選択的に固定子巻線に放電するための共通結合点に接続された第１のコンデンサを含む第１のサイリスタに関連する第１の強制転流手段と、電圧を選択的に固定子巻線に放電するための共通結合点に接続された第２のコンデンサを含む第２のサイリスタに関連する第２の強制転流手段をさらに含んでもよい。
【００１８】
本発明の第１の態様において、第１の強制転流手段は、第１のサイリスタのカソードと第１のコンデンサと結合する共通点との間に接続された第１のダイオードをさらに含んでもよく、第１のコンデンサは第１のダイオードと並列に接続されており、第２の強制転流手段は第２のサイリスタのアノードと第２のコンデンサと結合する共通点との間に接続された第２のダイオードをさらに含んでもよく、第２のコンデンサは第２のダイオードと並列に接続されている。
【００１９】
電子整流子回路のスイッチングステージの１つは、一次巻線および磁気的に一次巻線に結合された二次巻線とを有する第１のリアクトルをさらに含むことが好ましい。一次巻線は、第１のダイオードのカソードと第２のダイオードのアノードとに接続されることが好ましい第１の端子と、共通結合点に接続されることが好ましい第２の端子を有する。
【００２０】
第１のリアクトルは、直流電気機械の定格機械巻線電流のほんの少しで飽和するコアを含むことが好ましい。コアの飽和は、定格機械巻線電流の１０％以下のリアクトル巻線電流で生じることが好ましい。また、リアクトル巻線のインダクタンスの飽和値は、隣接する２つの共通結合点間で測定された固定子巻線のインダクタンスの１％以下であることが好ましく、実現可能な限り小さいことが最も好ましい。リアクトル巻線インダクタンスの非飽和値をリアクトル巻線インダクタンスの飽和値で除した比は、１０倍よりも大きいことが好ましく、実現可能な限り大きいことが最も好ましい。可飽和な第１のリアクトルの目的は、関連する第１および第２のサイリスタの電流変化率を低減すること、すなわち、スイッチング電力損失を低減することである。電流変化率の低減は、低電流時および電流反転時においてのみ必要である。したがって、第１のリアクトルは、電子整流子回路が動作している他のすべての時点で目立たないことが好ましい。このため、望まれることは非飽和インダクタンスと飽和インダクタンスの現実的な比率の最大値と飽和電流の可能な最小値とを使用することである。
【００２１】
電子整流子回路は、一次巻線と、一次巻線に磁気的に結合された二次巻線とを有する第２のリアクトル（好ましくは前述された第１のリアクトルと同じ特性を有する）とをさらに含んでもよい。第２のリアクトルの一次巻線は、スイッチングステージの別の１つ（すなわち、前述された第１のリアクトルに関連しない電子整流子回路のスイッチングステージ）の第１のダイオードのカソードと、スイッチングステージの別の１つと関連する第２のダイオードのアノードとに接続されることが好ましい第１の端子を有する。また、第２のリアクトルの一次巻線は、スイッチングステージの別の１つと関連する共通結合点に接続されることが好ましい第２の端子を含む。
【００２２】
第２のリアクトルの二次巻線は、第１の端子と第２の端子を含むことが好ましい。第１の端子は、スイッチングステージの上記１つの第１のダイオードのカソードと第１のリアクトルの一次巻線との接合点と、スイッチングステージの上記１つの第２のダイオードのアノードと第１のリアクトルの一次巻線との接合点とに接続されることが好ましい。第２の端子は、第１のダイオード列または等価ダイオードを介してスイッチングステージの上記１つの第１のダイオードのアノードと、第２のダイオード列または等価ダイオードを介してスイッチングステージの上記１つの第２のダイオードのカソードとに接続されることが好ましい。
【００２３】
ダイオード列または等価ダイオードは、スイッチングステージの別の１つからスイッチングステージの上記１つに電力を供給する手段を備え、第１および第２のコンデンサを充電してスイッチングステージの上記１つの中で強制転流の利益をもたらす。電力供給は、スイッチングステージの別の１つに関連する第２のリアクトルの変成器作用と、整流作用、あるいは、第２のリアクトルの二次巻線の第２の端子をスイッチングステージの上記１つの第１および第２のコンデンサに接続するダイオード列または等価ダイオードによって行われる。
【００２４】
単一の等価ダイオードが十分に小さい電流定格と十分に高い電圧阻止能力の両方を有することはあまりないので、経済性の理由でダイオード列が使用されてもよい。ただし、適当な部品が入手可能な場合は単一の等価ダイオードが使用されうる。ダイオード列が使用される場合は、静的および動的な電圧が効果的に分担されるように、必要に応じてＮ＋１直列冗長を持たせる業界標準の手段が使用されなければならない。ダイオード列または等価ダイオードの逆回復パラメータは、パルスデューティに相応しくなければならない。
【００２５】
可飽和リアクトルの一次巻線に電流が流れると、その二次巻線に電流が流れる。このための１つの条件は、二次巻線が十分に低い負荷インピーダンスを有する部品に接続されなければならないことである。
【００２６】
本発明の電子整流子回路において、ダイオード列または等価ダイオードの１つと、スイッチングステージの上記１つの中に使用されて可飽和リアクトル一次巻線電流の最初の半サイクル中に強制転流の利益をもたらす関連コンデンサとは、可飽和リアクトル巻線電流の最初の半サイクルでのみ第２のリアクトルの二次巻線に電流を流すことができる十分に低い負荷インピーダンスを呈する。可飽和リアクトル一次巻線電流の反対の半サイクルにおいて、もう１つのダイオード列または等価ダイオードと、スイッチングステージの上記１つの中に使用されて可飽和リアクトル一次巻線電流の反対の半サイクル中に強制転流の利益をもたらす関連するコンデンサとは、可飽和リアクトル巻線電流の反対の半サイクルでのみ第２のリアクトルの二次巻線に電流を流すことができる十分に低い負荷インピーダンスを呈する。
【００２７】
スイッチングステージの上記１つの第１および第２のコンデンサを充電する電力を供給する第２のリアクタは、スイッチングステージの上記１つの中には設置することができなないが、他のあらゆる好都合なスイッチングステージの中に設置することができる。第１および第２のコンデンサは、充電と強制転流放電の間の期間中に過度に放電せず、第２のリアクトルに関連するスイッチングステージの別の１つと第２のリアクタによって充電される第１および第２のコンデンサに関連するスイッチングステージの上記１つとの間のオフセット（換言すると、スイッチングステージの円形または直線配列内の間隔）が相応に選択されうることが一般に好ましい。共通結合点の相回転が一方向である場合、リアクトルの位相と、電荷を供給するリアクトルとこれらに関連する電荷を受け取るコンデンサとの間のスイッチングステージオフセットとを、転流コンデンサの放電の影響を最小にするように設定することが可能である。共通結合点の相回転が双方向で、かつトルクが回転に関して対称でなければならない場合、リアクトルの位相と、電荷を供給するリアクトルとこれらに関連する電荷を受け取るコンデンサとの間のスイッチングステージオフセットとをできる限り対称に近くなるように設定する必要がある。実際に、電荷を供給するリアクトルとこれらに関連する電荷を受け取るコンデンサとの間のスイッチングステージオフセットを１間欠駆動ステップの最小値に設定することが必要になる。トルクが非対称でなければならない双方向システムは、アプリケーション特有の最適化過程にしたがって対称な転流コンデンサ充電からずれてもよい。
【００２８】
電子整流子回路は、スイッチング電源に接続された一次巻線と、一次巻線に磁気的に結合されかつ第１の端子と第２の端子を有する二次巻線とを有するパルストランスをさらに含んでもよい。二次巻線の第１の端子は第１のダイオードのカソードおよび第２のダイオードのアノードに接続されることが好ましい。パルストランスの二次巻線の第２の端子は、第１のダイオード列または等価ダイオードを介して第１のダイオードのアノードと、第２のダイオード列または等価ダイオードを介して第２のダイオードのカソードとに接続されることが好ましい。
【００２９】
このようなスイッチング電源とパルストランスとを使った第１および第２のコンデンサの充電には、充電容量を常に備えることによって機械の速度、方向、およびトルクの過敏性を回避できるという利点がある。実際に、都合の良い数のパルストランスに給電するために、都合に良い数のスイッチング電源が使用されてもよい。パルストランスは都合の良い数の二次巻線を備えていてもよい。さらに、前述された可飽和な、第１および第２のリアクトルは、都合の良い数の二次巻線を有していてもよく、スイッチング電源およびパルストランスからの給電による充電と組み合わせて使用されてもよい。
【００３０】
また、第１および第２のコンデンサは少なくとも１つの直流的に絶縁された補助電源によって充電されうる。第１および第２のコンデンサが少なくとも１台の直流的に絶縁された補助電源によって充電される電子整流子回路を使用したブラシレス直流機械は、英国特許出願第２１１７５８０号（特許文献１）のブラシレス直流回転機械と同様に動作することになる。ただし、本発明の電子整流子回路の能力は、固定子電圧、すなわち軸速度、または直線速度の影響を実質的に受けない。電子整流子回路が固定子電圧の影響を受けないことは、電子整流子回路が巻線電圧に対する制御システムの同期不良に起因して生じる動作上の問題に遭遇しないことを意味する。各スイッチングステージの第１および第２のコンデンサの特定の１つを充電するために複数の電源が備えられるときは、各電源がそれぞれダイオード列または等価ダイオードを有していなければならない。
【００３１】
本発明の第２の態様において、第１の強制転流手段は、第１の補助サイリスタが第１のサイリスタと同じ極性を持つように、互いに直列に接続され、さらに第１のサイリスタに並列に接続される第１の補助サイリスタと第１のコンデンサとをさらに含んでもよく、第２の強制転流手段は、第２の補助サイリスタが第２のサイリスタと同じ極性を持つように、互いに直列に接続され、さらに第２のサイリスタに並列に接続される第２の補助サイリスタと第２のコンデンサとをさらに含んでもよい。
【００３２】
電子整流子回路のスイッチングステージの１つは、一次巻線と、一次巻線に磁気的に結合された二次巻線とを有する第１のリアクトルをさらに含むことが好ましい。一次巻線は、第１のサイリスタのカソードと第２のサイリスタのアノードとに接続されることが好ましい第１の端子と、共通結合点に接続されることが好ましい第２の端子とを有する。
【００３３】
また、本発明の第２の態様の第１のリアクトルは、直流電気機械の定格機械巻線電流のほんの少しで飽和するコアを含むことが好ましい。第１のリアクトルの他の特性は、前述された本発明の第１の態様の第１のリアクトルと同じであることが好ましい。
【００３４】
電子整流子回路は、一次巻線と、一次巻線に磁気的に結合された二次巻線とを有する第２のリアクトル（好ましくは前述された第１のリアクトル同じ特性を有する）をさらに含んでもよい。一次巻線は、スイッチングステージの別の１つ（すなわち、前述された第１のリアクトルに関連しない電子整流子回路のスイッチングステージ）の第１のサイリスタのカソードと、スイッチングステージの別の１つに関連する第２のサイリスタのアノードとに接続されることが好ましい第１の端子と、スイッチングステージの別の１つに関連する共通結合点に接続されることが好ましい第２の端子とを有する。
【００３５】
第２のリアクトルの二次巻線の第１の端子は、スイッチングステージの上記１つの第１のサイリスタのカソードと第１のリアクトルの一次巻線との間の接合点と、スイッチングステージの上記１つの第２のサイリスタのアノードと第１のリアクトルの一次巻線との間の接合点とに接続されることが好ましい。
【００３６】
第２のリアクトルの二次巻線の第２の端子は、第１のダイオードを介して第１の補助サイリスタと第１のコンデンサの接合点と、第２のダイオードを介して第２の補助サイリスタと第２のコンデンサの接合点とに接続されることが好ましい。第１および第２のダイオードは、スイッチングステージの別の１つからスイッチングステージの上記１つに電力を供給し第１および第２のコンデンサを充電してスイッチングステージの上記１つに強制転流の利益をもたらす手段を提供する。第２のリアクトルからスイッチングステージの上記１つと関連する第１および第２のコンデンサへの電力の供給は、本発明の第１の実施態様に関して前述された内容とほぼ同じである。
【００３７】
また、先にさらに詳しく説明されたように、スイッチング電源とパルストランスおよび／または少なくとも１つの直流的に絶縁された補助電源を使用して第１および第２のコンデンサを充電することも可能である。
【００３８】
電子整流子回路は、回転子と、固定子と、いくつかのコイルであって、同数の共通結合点によって連結されたコイルを有する固定子巻線を備えた直流回転機械に使用されうるもので、電子整流子回路の各スイッチングステージは共通結合点のそれぞれ１つと第１および第２の直流端子との間に接続される。
【００３９】
また、電子整流子回路は、トランスレータと、固定子と、いくつかのコイルであって同数の共通結合点によって連結されたコイルを有する固定子巻線を備える直流線形機械に使用されうるもので、この場合、電子整流子回路の各スイッチングステージは共通結合点のそれぞれ１つと第１および第２の直流端子との間に接続される。
【００４０】
ブラシレス直流電気機械は適当な手段によって励磁されうるもので、励磁の種類は電子整流子回路の動作と利益に影響しない。したがって、電子整流子回路は、半径方向磁束、軸方向磁束、および横方向磁束における、従来型、表裏逆、および両面構造の、スリップリングまたはブラシレス界磁を有する直流電気機械、従来のもしくは高温超伝導または低温超伝導の界磁巻線を有する直流電気機械、永久磁石回転子を有する直流電気機械に使用されうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
分りやすくするために、スイッチング補助回路（スナバと呼ばれることもある）は図に含まれていない。しかし、実際には、電子整流子回路のすべてが電力半導体装置のスイッチング損失を低減する目的でスイッチング補助回路を含んでいるはずであることは当業者には明らかであろう。また、以下で言及される可飽和リアクトルは、上述の利点の他、スイッチング補助回路の全般的な有効性に寄与する。
【００４２】
電子整流子回路は直流回転機械を参照して以下に説明されるが、直流線形機械に使用するように適合されうる。線形機械の場合、「回転子」という用語の使用は、必要に応じて、「トランスレータ」、「可動部材」、またはその他の適当な用語で置き換えられうる。線形機械の固定子巻線、および、可動部材との線形機械の電磁関係はすべての固定子および可動部材の端部において不連続になるが、下記の回転ブラシレス直流電気機械は連続電磁回路を有する。
【００４３】
図６Ａは、ブラシレス直流電気機械の第１の電子整流子回路を示す。この回路は、第１のダイオード２に直列接続された第１のサイリスタ１と第２のダイオード５に直列接続された第２のサイリスタ４とを含む。第１および第２のダイオード２と５は、リアクトル７の一次巻線８の左側に接続される。一次巻線８の右側は、スイッチングステージごとに２つのコイルを有する固定子巻線の巻線タップｎに接続される。第１のダイオード２は、電流が直流端子ＤＣ１から第１のサイリスタ１、第１のダイオード２、およびリアクトル７の一次巻線８を通って巻線タップｎに流れうるように適切な極性で一次巻線８に接続される。同様に、第２のダイオード５は、電流が巻線タップｎから一次巻線８、第２のダイオード５、および第２のサイリスタ４を通って直流端子ＤＣ２に流れうるように適切な極性で一次巻線に接続される。
【００４４】
リアクトル７の機能が他の電子部品の影響を受けない（第１のダイオード２が短絡していると仮定）と考えられる場合、リアクトルのコアは定格機械巻線電流のほんの少しで飽和するように設計されていると理解されうる。一次巻線８にリアクトル７のコアの飽和に必要な電流よりも小さい電流が流れるとき、一次巻線の誘導は最大となる。他方、一次巻線８にリアクトル７のコアの飽和に必要な電流よりも大きい電流が流れるとき、一次巻線の誘導は最小となる。第１のサイリスタ１がターンオンすると、一次巻線８に流れる電流が最初は小さく一次巻線のインダクタンスが第１のサイリスタにおけるターンオン損失を減らすのに有利に働くのでリアクトル７は飽和しない。電子整流子回路内の他の部分のサイリスタ１が動作した結果として第１のサイリスタが転流されると、一次巻線のインダクタンスが増加して一次巻線８に流れる電流がほぼゼロとなる。一次巻線のインダクタンスは、第１のサイリスタ１におけるターンオフ損失を減らす役割を果たす。リアクトル７の機能は、第２のサイリスタ４のターンオン損失およびターンオフ損失を減らすのに同様に有利に働く。
【００４５】
実際には、リアクトル７の機能は追加部品の存在によってさらに複雑になる。ここで、これらの追加部品とリアクトル７との相互作用を説明する。電子整流子回路は、第１のダイオード２に並列接続された第１のコンデンサ３と第２のダイオード５に並列接続された第２のコンデンサ６とを含む。固定子巻線の隣接する巻線タップｎ＋１が同様のリアクトル７ｎ＋１に接続される。このリアクトル７ｎ＋１は二次巻線９ｎ＋１を有し、この出力は第１のダイオード列１０の半波整流作用によって第１のコンデンサ３を充電するために使用される。また、二次巻線９ｎ＋１の出力は、第２のダイオード列１１の半波整流作用によって第２のコンデンサ６を充電するためにも使用されうる。一次および二次巻線を備えた可飽和リアクトルはパルストランスとしても使用されることができ、したがって、エネルギーはリアクトル７ｎ＋１の一次巻線８ｎ＋１から第１のコンデンサ３と第２のコンデンサ６に一時的に移されうることが、簡単に理解されるであろう。また、リアクトル７の二次巻線９は、隣接する巻線タップｎ−１に関連する電子整流子回路における１対のコンデンサ（図示せず）を充電するためにも使用されうる。
【００４６】
第１および第２のコンデンサ３と６が充電された場合の、第１および第２のサイリスタ１と４の転流に関するこれらのコンデンサの作用をここで説明する。第１のダイオード２が逆バイアスされるように第１のコンデンサ３が充電されるとき、分りやすくするために一次巻線インピーダンスを無視すると、図２および３の周知である電子整流子回路の第１のサイリスタ１に通常かかるオフ状態電圧に、第１のコンデンサ３の両端電圧がさらに印加される。したがって、第１のサイリスタ１がゲート駆動されると、第１のコンデンサ３両端の電圧は、図３の周知である電子整流子回路の第１のサイリスタ１に流れる電流の増加率に比べて第１のサイリスタ１の電流の増加率を大きくする。同様に、第１のサイリスタ１がゲート駆動されると、第１のコンデンサ３両端の電圧は、周知である電子整流子回路の等価サイリスタに流れる出力サイリスタ（別記されているが、この転流に関連する）の電流の、第１のサイリスタ１がゲート駆動されない場合の減少分を増強する。同様に、第２のコンデンサ６両端の電圧は、第２のサイリスタ４に関連する転流を促進するために使用されうる。第１および第２のサイリスタ１と４の電流変化率の増加によって、重なり角が減少し、このために、サイリスタのターンオフ時間が、周知である電子整流子回路に対して増加する。リアクトル７の適切な設計によって、転流過程の速度を回転子速度から十分に分離することができるので、軸速度が低くて、コイル電圧自体が確実な自然転流を行うのに不十分なときにでも、大きい電流が強制転流されうる。
【００４７】
前述された電子整流子回路は、可変速駆動アプリケーションを反転させるときに許容できない方向過敏性を有することがありうる。このような機械の転流シーケンスは、一度に１スイッチングステージずつ間欠駆動（index）し、たとえば、図６Ａの標示付け規約に従って巻線タップｎ−１、巻線タップｎ、巻線タップｎ＋１、巻線タップｎ＋２などである。このような電子整流子回路においては、第１および第２のコンデンサ３と６とが、それぞれ第１および第２のサイリスタ１と４のゲート駆動前に相応に充電されることが不可欠である。したがって、これらのコンデンサを、巻線タップｎ＋２から巻線タップｎ＋１への転流（すなわち、巻線タップｎ＋１から巻線タップｎへの転流直前の転流）中に充電し、それによって、コンデンサ充電と切替え放電の間の時間を最小にし、コンデンサが十分に充電される前に放電する危険性を軽減することがより有効であるかもしれない。この場合、充電と切替え放電の間の時間は１つの固定子巻線ピッチの角度間隔に関連することになる。各リアクトル７は、直流電気機械の回転子が完全に１回転する間に２回の転流を行い、各転流の間隔は固定子の基本周波数において１８０度であるので、直流電気機械が反対方向に回転する場合、コンデンサ充電は切替え放電の前に１８０度から１つの固定子巻線ピッチの角度間隔を差し引いた値で行われることになる。
【００４８】
この方向過敏性は、第１および第２のコンデンサ３と６を充電するために固定子の基本周波数において約９０度に配置されたリアクトルを使って解決されうる。実際に、リアクトルの二次巻線と、関連する第１および第２のコンデンサとの間の角度のずれは固定子巻線ピッチの適当な整数個に設定されることができる。さらに、第１および第２のコンデンサ３と６を充電するために複数の二次巻線が使用されうる。この場合、各コンデンサは二次巻線の各々に対してダイオード列を必要とすることになる。
【００４９】
第１および第２のダイオード列１０と１１は、過剰な割合の負荷電流が第１および第２のダイオード２と５からリアクトル７ｎ＋１の二次巻線９ｎ＋１に転流しないために十分な順電圧降下を有していなければならない。第１および第２のダイオード２と５に負荷電流が流れているとき、二次巻線９ｎ＋１に転流される負荷電流の割合はリアクトル７ｎ＋１を飽和させるのに必要な電流よりもはるかに小さくなければならない。
【００５０】
方向過敏性を回避するもう１つの方法は、直流的に絶縁された補助電源（図示せず）を使用して第１および第２のコンデンサ３と６を充電することである。直流絶縁のためにパルストランスを使用することができ、パルストランスの二次巻線はリアクトル７の二次巻線９に代用される。都合のよい数のパルストランスと電源が使用されてもよく、パルストランスは共通の一次巻線のほかに必要な数の二次巻線を備えてもよい。図６Ｂは図６Ａの電子整流子回路の変形形態を示し、ここでは、一次巻線１９を有するパルストランス１８に交流電圧を供給するためにスイッチング電源２０が使用される。図６Ａの電子整流子回路の二次巻線９と９ｎ＋１は、パルストランス１８に置き換えられて示され、これにより、電力がスイッチング電源２０から二次巻線９と９ｎ＋１に変成されうる。実際には、パルストランス１８は、都合のよい数の二次巻線が施されていてもよい。たとえば、４つの二次巻線９、９ｎ＋１、９ｎ＋２、および９ｎ＋３がパルストランス１８に施され、４つの二次巻線９ｎ＋４、９ｎ＋５、９ｎ＋６、および９ｎ＋７が第２のパルストランス（図示せず）に施されていてもよく、以下同様である。パルストランス１８は、その物理的な大きさを最小にし絶縁設計を簡素化するために、比較的高いパルス繰返し周波数、たとえば、約２０ｋＨｚで動作することができる。パルストランス１８の設計は、初期コストを削減し、実用的な数だけの二次巻線を有することによって初期的に装置が簡素化されることと、多すぎる二次巻線によってパルストランスの二次巻線の絶縁、終端、製造、および取付けが複雑になりすぎることとの妥協となる。図６Ｂに示されていない簡素化の一手段は、単一のスイッチング電源から複数のパルストランスの一次巻線に給電することである。スイッチング電源は電力定格規模の経済利益による利点があり、各パルストランスには都合の良い数の二次巻線が施される。
【００５１】
以下に、図７〜１０を参照して第１の電子整流子回路の動作をさらに説明する。固定子巻線の巻線タップｎに関連する第１のスイッチングステージと、固定子巻線の隣接する巻線タップｎ＋１に関連する第２のスイッチングステージとの一般的な場合についての動作が示される。転流シーケンスは、直流電気機械の回転子に関連する界磁の回転に合わせて固定子巻線における巻線電流の入口点および出口点を間欠駆動するように構成される。以下に記載される状況では、第１のサイリスタからの負荷電流は第２のサイリスタに転流され、その間第３のサイリスタに電流が流れ続ける。
【００５２】
実用的には、固定子巻線の出口点で行われる転流シーケンスは、固定子巻線の入口点で行われる転流シーケンスの影響を受けない。出口点と入口点における転流は同時に行われてもよいし、入口点の転流が出口点の転流より先であってもよく、またその逆であってもよいが、多角形巻線に電流が循環するためにはタイミングのずれ（skew）が大きすぎてはならない。いずれにしても転流シーケンスは同じである。したがって、図７〜１０を参照した詳細説明は、第１の巻線タップｎに関する第１のサイリスタ１ｎから、隣接する巻線タップｎ＋１に関連する第１のサイリスタ１ｎ＋１への転流に重点を置く。第１の巻線タップｎに関連する第２のサイリスタ４ｎから、隣接する巻線タップｎ＋１に関連する第２のサイリスタ４ｎ＋１への転流は、電流と電圧の極性が反転されていることを別として同じである。固定子巻線の入口点における転流が第１のサイリスタ１ｎから第１のサイリスタ１ｎ＋１に行われるとき、固定子巻線の出口点における転流は第２のサイリスタ４ｎ＋ｍから第２のサイリスタ４ｎ＋ｍ＋１に行われることになり、ここで、ｍは特定の多角形巻線または重ね巻き巻線における共通結合点の数の１／２に対応するオフセットである。相次ぐ転流によって固定子巻線の入口点と出口点が指定されるにつれて、入口点は最終的に出口点から固定子基本波周波数で１８０度ずれた点となる。
【００５３】
転流の前、巻線電流は、図２に示されるように固定子巻線を流れ、固定子巻線の入口点から流入し固定子巻線の出口点から流出する。転流の開始点は図７に示される。巻線タップｎ＋１に関連するコンデンサ３ｎ＋１は、初期電圧Ｖｃａｐａｃｉｔｏｒまで充電され、固定子巻線内の負荷電流が供給される点に接続される。コンデンサ３ｎ＋１に関連するサイリスタ１ｎ＋１には、コンデンサ電圧Ｖｃａｐａｃｉｔｏｒとコイル電圧Ｖｃｏｉｌの和に等しい順電圧Ｖｔｈｙｒｉｓｔｏｒがかかる。通常であれば、コイル電圧Ｖｃｏｉｌが単独で素早く通電するのに十分でないときでも、コンデンサ電圧Ｖｃａｐａｃｉｔｏｒが存在することによって、巻線タップｎ＋１に関連するサイリスタ１ｎ＋１はゲート駆動されると素早く通電されうる。
【００５４】
図８に示されるように、電流の転流はサイリスタ１ｎ＋１の点弧によって開始される。サイリスタ１ｎ＋１にかかる順電圧Ｖｔｈｙｒｉｓｔｏｒが消滅すると、電圧がリアクトル７ｎ＋１に印加され、電流が初期の低い変化率（ｄｉ／ｄｔ）で増加し始める。電流はさらに増加して（定格機械巻線電流のほんの少しで）リアクトル７ｎ＋１が飽和し、電流の変化率（ｄｉ／ｄｔ）はリアクトルのインダクタンスが減少する結果として増加する。電流は、最初コンデンサ３ｎ＋１を通り、コンデンサ３ｎ＋１は、これにより電流がダイオード２ｎ＋１に移るまで放電する。こうして、最終的には、図９に示されるように、巻線タップｎと巻線タップｎ＋１の間の固定子巻線のコイルを流れる電流が反転する。
【００５５】
転流過程が続くと、サイリスタ１ｎの電流はゼロに向かって減少する。ダイオード２ｎはサイリスタ１ｎよりも速い逆回復を持つものが選択され、したがって、ダイオード２ｎはサイリスタ１ｎが逆回復を完了する前に逆電圧を維持し始める。このためサイリスタ１ｎの逆回復損失は最小となるが、ターンオフ時間（Ｔｑ）失敗を回避するためにコイル電圧Ｖｃｏｉｌはサイリスタ１ｎが十分に回復するのに十分な期間正のままでなければならない。ダイオード２ｎとサイリスタ１ｎの回復過程は、可飽和リアクトル７ｎの存在によって支援され、電流がゼロに近づいて可飽和リアクトル７ｎのコアが非飽和になると可飽和リアクトル７ｎのインダクタンスによってサイリスタ１ｎの電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）が減少する。このため、逆回復電流が減少する。図１０は、転流過程終了後のスイッチングステージの状態を示す。
【００５６】
直流電気機械がモータリングモードで動作しているとき（すなわち、電流が電子整流子回路から固定子巻線の直列接続コイルに供給されているとき）のサイリスタ波形は、図１１に示される波形と同様の形態をとる。サイリスタが逆バイアスされている時間（「Ａ」と表示）の比率は比較的小さく、電圧リップルは固定子巻線のコイル数に依存する。サイリスタのソフトな逆回復電流が明確に示されている。「Ｂ」と表示された波形部分は、電荷が関連コンデンサに注入されてサイリスタ電圧Ｖｔｈｙｒｉｓｔｏｒが増加している時間を表わす。「Ｃ」と表示された波形部分は、サイリスタがゲート駆動されてターンオンする時点を表わす。「Ｄ」と表示された波形部分は、サイリスタのソフトな逆回復電流を表わす。図１２では、転流過程、特にサイリスタのターンオフ時間Ｔｑおよび重なりμがよく分かるように図１１の波形がさらに拡大されている。
【００５７】
直流電気機械が発電モードで動作しているとき（すなわち、電流が固定子巻線の直列接続コイルから電子整流子回路に供給されているとき）のサイリスタ波形は、図１３に示される波形と同様の形態をとる。サイリスタが逆バイアスされている間の時間（「Ａ」と表示）の比率は比較的大きい。サイリスタのソフトな逆回復電流が明確に示されている。「Ｂ」と表示された波形部分は、電荷が関連コンデンサに注入されてサイリスタ電圧Ｖｔｈｙｒｉｓｔｏｒが増加している時間を表わす。「Ｃ」と表示された波形部分は、サイリスタがゲート駆動される時点を表わす。「Ｄ」と表示された波形部分は、サイリスタのソフトな逆回復電流を表わす。
【００５８】
モータリングと発電の両アプリケーションが可能な直流電気機械では、直流端子の電流は一方向であり、極性は関連する直流端子に対するサイリスタの極性によって決定される。モータリングおよび発電モードの制御は、固定子の位置に対するサイリスタの点弧位置を調整することによって行うことができ、それによって、周知であるサイリスタ変換装置の位相制御原理に従って直流端子電圧の平均値の調整と反転が可能となる。これによって、サイリスタが逆バイアスされる時間の比率が調整されうる。また、位相制御によって、回転方向は、直流端子電圧の極性に対して制御されうる。また、直流電気機械の動作点は、たとえば、整流および逆変換が可能なサイリスタ電源ブリッジなどの外部手段で直流端子電流を調整することによって制御されうる。
【００５９】
したがって、電気的に転流される直流電気機械は以下のモードで動作されうる。
（i）直流出力電圧がその巻線電圧にほぼ比例する発電機として
（ii）直流出力電圧がその巻線電圧に関して調整されることができ、したがって、直流側障害電流を自己制限するように使用されうる発電機として
（iii）直流出力電圧がその巻線電圧にほぼ比例するモータとして
（iv）直流端子電圧がその巻線電圧に関して調整されることができ、したがって、その動作性能を積極的に制御するか、またはその動作性能の制御に寄与するように使用されうるモータとして
（v）巻線電圧に関する直流端子電圧の大きさと極性の調整によってモータリングまたは発電が可能であり、したがって、周知である「四象限」アプリケーションに使用されうる機械として
【００６０】
図１４は、直流電気機械の第２の電子整流子回路を示す。この回路は、リアクトル７の一次巻線８の左側に接続された、第１のサイリスタ１および第２のサイリスタ４を含む。一次巻線８の右側は固定子巻線の巻線タップｎに接続される。第１のサイリスタ１は、電流が第１のサイリスタとリアクトル７の一次巻線８を介して直流端子ＤＣ１から巻線タップｎに流れうるように適切な極性で一次巻線８に接続される。同様に、第２のサイリスタ４は、電流が一次巻線８と第２のサイリスタを介して巻線タップｎから直流端子ＤＣ２に流れうるように適切な極性で一次巻線に接続される。
【００６１】
リアクトル７は、前述された第１の電子整流子回路のリアクトルと同様に機能する。同じく、第１および第２のコンデンサ１２と１５は、スイッチングによるこれらの放電がそれぞれ第３および第４の補助サイリスタ１４と１７のゲート駆動によって開始されることを除き、前述された第１の電子整流子回路の第１および第２のコンデンサ３と６と同様に機能する。補助サイリスタ１４と１７を点弧すると第１および第２のサイリスタ１と４は瞬時に逆バイアスされるので、補助サイリスタが順バイアスされて確実にターンオンし、その際に補助サイリスタ１４と１７をそれぞれ転流させるために、第１および第２のサイリスタのゲート駆動は補助サイリスタの点弧に対して一瞬遅らせなければならない。その他の点で、第１および第２のサイリスタ１と４の機能は前述された第１の電子整流子回路を参照して説明された通りである。
【００６２】
第１および第２のダイオード１３と１６の機能は、第１の電子整流子回路のダイオード列１０と１１それぞれの説明と全く同じであるが、補助サイリスタ１４と１７の転流によって電流がリアクトル７ｎ＋１の二次巻線９ｎ＋１から転流されるので高い順電圧降下を発生させるための直列接続されたダイオード列を必要としない。
【００６３】
また、第１および第２のコンデンサ１２と１５の充電は、第１の電子整流子回路を参照してさらに詳しく前述されたように、パルストランスおよび直流的に絶縁された電源を使って行われうる。
【００６４】
以下に、図１５〜２０を参照して第２の電子整流子回路の動作をさらに説明する。固定子巻線の巻線タップｎに関連する第１のスイッチングステージと、固定子巻線の隣接する巻線タップｎ＋１に関連する第２のスイッチングステージとに関する一般的な場合についての動作が示される。ここでもやはり、転流シーケンスは、直流電気機械の回転子に関連する界磁の回転に合わせて固定子巻線における巻線電流の入口点および出口点を指定するように構成される。以下に記載される状況では、第１のサイリスタからの負荷電流は第２のサイリスタに転流され、その間第３のサイリスタに電流が流れ続ける。転流は補助サイリスタによって開始される。
【００６５】
転流の前、巻線電流は、図２に示されるように、固定子巻線を流れ、固定子巻線の入口点から流入し固定子巻線の出口点から流出する。転流の開始点は図１５に示される。コンデンサ１２ｎ＋１は、初期電圧Ｖｃａｐａｃｉｔｏｒまで充電され、固定子巻線内の負荷電流が供給される点に接続される。コンデンサ１２ｎ＋１に関連する補助サイリスタ１４ｎ＋１には、コンデンサ電圧Ｖｃａｐａｃｉｔｏｒとコイル電圧Ｖｃｏｉｌの和に等しい順電圧Ｖａｕｘ＿ｔｈｙｒｉｓｔｏｒがかかる。通常であれば、コイル電圧Ｖｃｏｉｌが単独で素早く通電するのに十分でないときでも、コンデンサ電圧Ｖｃａｐａｃｉｔｏｒが存在することによって、補助サイリスタ１４ｎ＋１はゲート駆動されると素早く通電されうる。
【００６６】
図１６に示されるように、電流の転流は補助サイリスタ１４ｎ＋１の点弧によって開始される。補助サイリスタ１４ｎ＋１にかかる順電圧Ｖａｕｘ＿ｔｈｙｒｉｓｔｏｒが消滅すると、電圧がリアクトル７ｎ＋１に印加され、電流が初期の低い変化率（ｄｉ／ｄｔ）で増加し始める。この電流は補助サイリスタ１４ｎ＋１とコンデンサ１２ｎ＋１を流れる。この電流はさらに増加して（定格機械巻線電流のほんの少しで）リアクトル７ｎ＋１が飽和し、電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）はリアクトルのインダクタンスが減少する結果として増加する。この電流が増加すると、サイリスタ１ｎから巻線タップｎへの電流が減少する。コンデンサ１２ｎ＋１を流れる電流によってコンデンサ電圧Ｖｃａｐａｃｉｔｏｒは低下する。
【００６７】
図１７に示されるように、コンデンサ１２ｎ＋１を流れる電流によって、コンデンサ電圧Ｖｃａｐａｃｉｔｏｒは最終的に反転し、それによって、サイリスタ１ｎ＋１は順バイアスされ、さらにダイオード１３ｎ＋１を流れる電流は、関連するリアクトル７ｎ＋２の二次巻線に流れる。コンデンサ電圧Ｖｃａｐａｃｉｔｏｒのこの反転は適当な制御手段（図示せず）によって検出され、この検出によってサイリスタ１ｎ＋１はゲート駆動されうる。したがって、サイリスタ１４ｎ＋１は転流され、巻線電流はサイリスタ１ｎ＋１に移る。また、図１８に示されるように、ダイオード１３ｎ＋１とその関連リアクトル７ｎ＋２の電流は遮断される。図１９に示されるように、サイリスタ１ｎ＋１を流れる電流が引き続き増加すると、最終的に巻線タップｎと巻線タップｎ＋１の間の固定子巻線コイルを流れる電流が反転することになる。図２０に示されるように、この後にサイリスタ１ｎの逆回復が続く。
【００６８】
コイル電圧Ｖｃｏｉｌは、ターンオフ時間（Ｔｑ）失敗を回避するためにサイリスタ１ｎが完全に回復するまでの十分な期間正のままでなければならない。サイリスタ１ｎの回復過程は可飽和リアクトル７ｎの存在によって支援され、電流がゼロに近づいてそのコアが非飽和になると、可飽和リアクトルのインダクタンスによってサイリスタ１ｎの電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）が減少する。サイリスタ波形は、図１１〜１３に示されるように、第１の電子整流子回路の波形に似ている。主な違いは、ターンオンする前のサイリスタ１４ｎ＋１の瞬時逆バイアスである。
【００６９】
第２の電子整流子回路は、第１の電子整流子回路と同じ動作能力および特性を有する直流電気機械を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】ブラシがサイリスタで置き換えられ、整流子セグメントが関連するサイリスタ対間の共通結合点によって置き換えられた、業界標準の重ね巻き固定子に対して従来のブラシおよび整流子トポロジーを模した先行技術の固定子巻線および関連する電子整流子を示す略図である。
【図２】線形形式で先行技術の固定子巻線と電子整流子回路を示す略図である。
【図３】図２の先行技術の電子整流子回路の１つのスイッチングステージを示す略図である。
【図４】スイッチングステージとして１対のサイリスタを使用した一般的な転流過程に関する等価回路の定義を示す略図である。
【図５】図４の一般的な転流過程に関する理想化した転流波形を示す波形図である。
【図６Ａ】本発明によるブラシレス直流電気機械に関する第１の電子整流子回路を示す略図である。
【図６Ｂ】パルストランスを組み入れた、図６Ａの第１の電子整流子回路の変更形態を示す略図である。
【図７】図６Ａの第１の電子整流子回路の動作を示す略図である。
【図８】図６Ａの第１の電子整流子回路の動作を示す略図である。
【図９】図６Ａの第１の電子整流子回路の動作を示す略図である。
【図１０】図６Ａの第１の電子整流子回路の動作を示す略図である。
【図１１】ブラシレス直流電気機械がモータリングモードで動作しているときの図６Ａの第１の電子整流子回路に関するサイリスタ波形を示す波形図である。
【図１２】図１１のサイリスタ波形をさらに詳しく示す波形図である。
【図１３】ブラシレス直流電気機械が発電モードで動作しているときの図６Ａの第１の電子整流子回路に関するサイリスタ波形を示す波形図である。
【図１４】本発明によるブラシレス直流電気機械に関する第２の電子整流子回路を示す略図である。
【図１５】図１４の第２の電子整流子回路の動作を示す略図である。
【図１６】図１４の第２の電子整流子回路の動作を示す略図である。
【図１７】図１４の第２の電子整流子回路の動作を示す略図である。
【図１８】図１４の第２の電子整流子回路の動作を示す略図である。
【図１９】図１４の第２の電子整流子回路の動作を示す略図である。
【図２０】図１４の第２の電子整流子回路の動作を示す略図である。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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