(57)【要約】本発明は、発電機‐電動機コンビネーション装置の固定子巻線（１）の電流を切り換える装置および方法に関する。固定子巻線（１）は少なくとも１つの装置（Ｔ１，Ｄ１；Ｔ２，Ｄ２）を介して短絡可能であるかまたは高抵抗に接続される少なくとも１つの巻線を有している。この巻線はコンデンサ（Ｃ）に接続されており、このコンデンサを介して電圧ピークは切り換え過程により低減され、固定子巻線に蓄積されているエネルギがバッファリングされる。巻線とコンデンサ（Ｃ）とのあいだに少なくとも１つの切り換え可能な分離エレメント（２）が配置されており、この分離エレメント（２）を介して、装置が遮断される非動作サイクルにおいては蓄積されるエネルギがコンデンサへの充電電流として導出され、動作サイクルにおいては蓄積されているエネルギが動作電流として固定子巻線（１）へフィードバックされる。分離エレメント（２）はコンデンサ電圧ＵＣが固定の電圧値を下回らないようにフィードバックの際に一時的に駆動される。
2005536178.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子巻線（１）は少なくとも１つの装置（Ｔ１，Ｄ１；Ｔ２，Ｄ２）を介して短絡または高抵抗に切り換えられる少なくとも１つの巻線を有しており、該巻線はコンデンサ（Ｃ）に接続されており、該コンデンサを介して電圧ピークが切り換え過程により低減され、固定子巻線に蓄積されているエネルギがバッファリングされる
発電機‐電動機コンビネーション装置の固定子巻線の電流を切り換える装置において、
巻線とコンデンサ（Ｃ）とのあいだに少なくとも１つの切り換え可能な分離エレメント（２）が配置されており、
該分離エレメント（２）を介して、装置が遮断される非動作サイクルにおいては蓄積されるべきエネルギがコンデンサへの充電電流として導出され、動作サイクルにおいては蓄積されているエネルギが動作電流として固定子巻線（１）へフィードバックされ、
分離エレメント（２）はコンデンサ電圧ＵＣが固定の電圧値を下回らないようにフィードバックの際に一時的に駆動される
ことを特徴とする発電機‐電動機コンビネーション装置の固定子巻線の電流を切り換える装置。
【請求項２】
分離エレメント（２）は並列接続されたフリーホイールダイオード（Ｄ３，Ｄ４）を備えたスイッチ（Ｔ３，Ｔ４）として構成されている、請求項１記載の装置。
【請求項３】
コンデンサ電圧ＵＣに対する固定の電圧値は非動作サイクルでの分離エレメント（２）の電圧以上の値である、請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
巻線のそれぞれの端部に並列接続されたフリーホイールダイオード（Ｄ１，Ｄ２）を備えた少なくとも１つのスイッチ（Ｔ１，Ｔ２）が配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
分離エレメント（２）は中間タップとして巻線に接続されている、請求項４記載の装置。
【請求項６】
巻線はブリッジ回路内に配置されており、ブリッジの一方の分岐に２つの分離エレメント（Ｔ３，Ｄ３；Ｔ４，Ｄ４）が配置され、他方の分岐に並列接続されたフリーホイールダイオード（Ｄ１，Ｄ２）を備えた２つのスイッチ（Ｔ１，Ｔ２）が配置されている、請求項４記載の装置。
【請求項７】
各スイッチ（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４）はトランジスタとして構成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
【請求項８】
各トランジスタはＩＧＢＴとして構成されている、請求項７記載の装置。
【請求項９】
固定子巻線（１）は相互に独立した複数の巻線を部分モータ（１１〜１５）として有しており、該部分モータは共通のコンデンサ（Ｃ）とともに構成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１０】
固定子巻線（１）は少なくとも１つの装置（Ｔ１，Ｄ１；Ｔ２，Ｄ２）を介して短絡または高抵抗に切り換えられる少なくとも１つの巻線を有している
発電機‐電動機コンビネーション装置の固定子巻線の電流を切り換える方法において、
切り換え可能な分離エレメント（２）を介して少なくとも１つの巻線をコンデンサ（Ｃ）に接続し、
分離エレメント（２）を介して、巻線が高抵抗に切り換えられているときには固定子巻線に蓄積されるエネルギをコンデンサへの充電電流としてバッファリングし、動作サイクルにおいては分離エレメント（２）を導通することにより蓄積されているエネルギを動作電流として固定子巻線（１）へフィードバックし、
コンデンサ（Ｃ）がつねにコンデンサ電圧ＵＣの固定の電圧値以上の値までしか放電されないようにする
ことを特徴とする発電機‐電動機コンビネーション装置の固定子巻線の電流を切り換える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機‐電動機コンビネーション装置の固定子巻線の電流を切り換える装置および方法に関する。
【０００２】
この種の発電機‐電動機コンビネーション装置は独国特許第４４０８７１９号明細書から公知である。ここで発電機‐電動機コンビネーション装置は双方の回転子および固定子の配置されたケーシングを有している。回転子および固定子は入力軸に固定された中空円筒形の発電機回転子と出力軸に国定された中空円筒形の電動機回転子とを有している。２つの回転子は軸線上に並んで配置されており、その周方向内側には交番の極性を有する永久磁石が分布している。中空円筒形の回転子の内側に配置された中空円筒形の固定子は２つの回転子の永久磁石の位置に依存して切り換えられる少なくとも１つの巻線を有している。固定子巻線は電動機の所望の力方向に応じて公知の装置のハーフブリッジ回路のスイッチとして機能する電力半導体により電動機の極位置ごとに交互に短絡と高抵抗とのあいだで切り換えられる。
【０００３】
この公知の装置の欠点は、固定子巻線の電流を遮断する際に、インダクタンスに蓄積されたエネルギが不可避的に失われてしまうことである。また遮断によって発生する極端に高い電圧ピークによってスイッチが損傷を受けるおそれもある。
【０００４】
こうした問題を解消するために、独国公開第１９８５３５１６号明細書からは、インダクタンスを有する巻線を少なくとも１つのタップにより２つの部分巻線へ分割することが公知である。このタップにはコンデンサが接続されており、このコンデンサによって高周波数の遮断電流が印加される際に２つの部分巻線が少なくとも部分的に分離される。こうしてインダクタンスに蓄積されているエネルギはコンデンサへバッファリングされ、動作サイクルで巻線が再び短絡されるとその巻線へフィードバックされる。エネルギのバッファリングのほか、コンデンサは半導体スイッチで発生するピーク電圧を式
Ｉ２・Ｌ／２＝Ｕ２・Ｃ／２
にしたがって制限する。なぜならコンデンサ電圧は跳躍的には増大しないからである。さらに付加的にコンデンサ分岐に組み込まれたスイッチにより、非動作サイクル（巻線が高抵抗で接続されている場合）での望ましくないコンデンサの充電とＬＣ回路の過渡特性による電流の振動とが阻止される。
【０００５】
この回路の欠点は所定のインダクタンスでのエネルギ蓄積器の充放電の時定数がコンデンサの大きさに依存して変動するということである。一方ではピーク電圧を低減するための大きな容量への要求があり、他方では小さい時定数による急峻なパルスを得るために小さい容量が所望される。
【０００６】
したがって本発明の基礎とする技術的な課題は、発電機‐電動機コンビネーション装置の固定子巻線の電流を切り換える装置および相応の方法を提供し、インダクタンスから電気エネルギをバッファリングする際に急峻な立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジで切り換えられるようにすることである。
【０００７】
この課題は請求項１記載の特徴を有する装置、および請求項１０記載の特徴を有する方法により解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。
【０００８】
本発明では、巻線とコンデンサとのあいだに少なくとも１つの切り換え可能な分離エレメントが配置されており、この分離エレメントは装置または巻線の遮断時の非動作サイクルで導通する。これにより電圧ピークがコンデンサを介して制限され、インダクタンスに蓄積されたエネルギはコンデンサへの充電電流としてバッファリングされ、すでにバッファリングされているエネルギは動作サイクルの動作電流として固定子巻線へフィードバックされる。分離エレメントはフィードバック時に一時的に駆動されるので、コンデンサ電圧ＵＣは固定の電圧値を下回らない。
【０００９】
本発明の基本的な着想は、コンデンサを動作サイクルごとに完全には充放電せず、機械の駆動中はその電圧を負荷点に応じてできるだけ高く一定に維持するということである。これは分離エレメントを所定の機能のうち１つのみに応じて導通させることによって行われる。これを例えば所定の時間範囲で行ってもよい。例えばコンデンサの最小充電電圧を、放電にどれだけの時間がかかるかという時定数ＲＣに即して求め、コンデンサ電圧が所定の電圧値を下回らないようにする。他の手段として、コンデンサ電圧を測定し、その測定信号から分離エレメントの制御信号を形成してもよい。巻線の短絡または高抵抗の切り換えを行う装置での過電圧のレベルは、独国公開第１９８５３５１６号明細書では、式
Ｉ２・Ｌ／２＝Ｕ２・Ｃ／２
によって定義されているが、これは容量Ｃを大きくすることによって小さく維持できる。しかもコンデンサが完全には放電されないので、大きな容量Ｃは実際には固定子巻線のオンオフ後の電流の時定数に何らの悪影響も与えない。
【００１０】
有利な実施形態によれば、分離エレメントは並列接続されたフリーホイールダイオードを備えたスイッチとして構成されている。ここでスイッチはコンデンサの放電時にのみ短時間だけ閉成される。これに対して固定子巻線を遮断することにより電圧ピークが生じる場合にはフリーホイールダイオードを介して充電電流がコンデンサへ流れるので、分離エレメントは充電の際にはいわば自己制御を行う。
【００１１】
有利には、コンデンサ電圧ＵＣに対する固定の電圧値は非動作サイクルでの分離エレメントの電圧以上の値であり、これにより非動作サイクル中の充電が回避される。非動作サイクルでの２つの回転子の極位置に基づいて誘導電圧が加わり、切り換えフェーズ以外での分離エレメントの最大電圧値となる。こうしてコンデンサの望ましくない充電は動作サイクルまたは非動作サイクルのいずれの駆動状態においても回避される。
【００１２】
２つの回転子の任意の回転方向を実現するために、有利には、巻線のそれぞれの端部に、並列接続されたフリーホイールダイオードを備えた少なくとも１つのスイッチが配置されている。これにより巻線の電流方向は所望の回転方向に応じて切り換え可能となる。
【００１３】
別の有利な実施形態によれば、スイッチはトランジスタとして構成されており、特に有利にはＩＧＢＴである。
【００１４】
別の有利な実施形態によれば、固定子巻線は相互に独立した複数の巻線を部分モータとして有しており、これが共通のコンデンサとともに構成されている。これにより脈動モーメントは均等化され、小さな寸法の共通のコンデンサでの動作によりコンデンサの電圧幅が低減される。なぜなら部分モータとして作用する各巻線はそれぞれ同じ駆動状態または切り換え状態にはなく、エネルギは分離エレメントを介して一方の部分モータから他方の部分モータへ部分的に直接に流れ、その際にはコンデンサの充放電が起こらないからである。
【００１５】
本発明を以下に有利な実施例に則して詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】固定子巻線用の中間タップを備えた回路装置を示す図である。
【図２】固定子巻線用のブリッジ回路を備えた回路装置を示す図である。
【図３】複数の部分モータを備えた図１の回路装置を示す図である。
【図４】複数の部分モータを備えた図２の回路装置を示す図である。
【００１７】
図１の回路装置はインダクタンスＬを備えた固定子巻線１を有しており、この巻線の一方の端部に並列接続されたフリーホイールダイオードＤ１を備えたスイッチＴ１が配置されており、他方の端部に並列接続されたフリーホイールダイオードＤ２を備えたスイッチＴ２が配置されている。中間タップとして接続された分離エレメント２を介して固定子巻線１はコンデンサＣに接続されている。分離エレメント２は並列接続されたフリーホイールダイオードＤ３を備えたスイッチＴ３を有している。
【００１８】
発電機‐電動機コンビネーション装置を駆動するために、固定子巻線１は理想的にはパルス状の短絡と高抵抗とのあいだで切り換えられ、固定子巻線１での電流方向によりコンビネーション装置の回転方向が変化する。こうした発電機‐電動機コンビネーション装置の駆動の基本原理は独国特許第４４０８７１９号明細書および独国公開第１９８５３５１６号明細書に詳細に記載されている。
【００１９】
例えば固定子巻線１の電流が図１に示されているように流れる場合、この駆動状態ではスイッチＴ１は持続的に阻止され、スイッチＴ２はパルス状にオンとなる。このときインダクタンスＬに基づいて電流変化は台形状にしかならない。
【００２０】
スイッチＴ２が阻止されると２つのダイオードＤ１，Ｄ２は相互に逆極性となり、それ以降の電流の流れを阻止する。この大きなｄＩＳＴ／ｄｔが固定子巻線１にかかる大きな電圧ＵＳＴに作用する。ここで電圧ＵＳＴ／２がコンデンサ電圧ＵＣよりも大きければ、分離エレメント２のフリーホイールダイオードＤ３が導通する。コンデンサＣの電圧はエネルギ上の理由から跳躍的には変化できないため、コンデンサＣによりコイルの電圧の変化速度が制限される。こうして電圧ピークはインダクタンスＬでの電流変化のために減衰され、インダクタンスＬ内に蓄積されたエネルギは充電電流の形式でフリーホイールダイオードＤ３を介してコンデンサＣへ流れ、これを充電する。
【００２１】
中間タップによりインダクタンスは分割される。２つの部分コイルＬ１，Ｌ２はそれぞれ固定子巻線１の巻線半部のみを有するので、部分コイルＬ１，Ｌ２のインダクタンスはＬ／４となり、電圧変化は前述の場合と同様に式
ＵＳＴ／２＝Ｌ２（ｄｉ／ｄｔ）
にしたがって制限される。これはインダクタンスＬと巻線数Ｎとのあいだに２乗関係が存在するためである。インダクタンスＬ１に蓄積されたエネルギは電圧としてインダクタンスＬ２へかかり、充電電流としてコンデンサＣにバッファリングされる。相電圧ＵＳＴ／２が部分コイルＬ２でコンデンサ電圧ＵＣを下回って低下すると、ダイオードＤ３がスイッチＴ３とともに阻止され、コンデンサＣが固定子巻線１から分離される。非動作サイクル（ＩＳＴ＝０）でバッファリングされたエネルギは動作サイクルでスイッチＴ２が再び閉成されるとフィードバックされる。このときスイッチＴ３も閉成され、コンデンサＣは放電され、放電電流は符号に応じて給電される。
【００２２】
本発明によればコンデンサＣは完全には放電されない。つまり非動作サイクルでは電圧ＵＣ≧ＵＳＴ／２までしか放電されない。本発明の基本的着想は、コンデンサ電圧ＵＣが機械の動作サイクルまたは非動作サイクルのいずれの駆動状態でもつねに分離エレメントでの相電圧以上の値を取るようにすることにある。このためフリーホイールダイオードＤ３によりいずれの駆動状態においても機械の無効電力が高まってしまうようなコンデンサＣへのエネルギ流が発生しないことが保証される。非動作サイクルでは同じ符号で電圧が加わるので、永久磁石により２つの回転子に誘導される相電圧が最大となり、有利にはコンデンサ電圧ＵＣが相電圧に非動作サイクルで適合化される。基本的にはコンデンサ電圧ＵＣが固定の電圧値を下回って放電されないかぎり切り換え過程は改善されるが、その場合には無効電力が増大してしまう。
【００２３】
本発明の回路装置の利点は、誘導エネルギのバッファリングにより電圧ピークを制限でき、しかもきわめて急峻な台形状のエッジを実現できることである。なぜならコンデンサＣが小さな電圧幅でしか充放電されないからである。
【００２４】
スイッチＴ３の駆動は種々に行うことができる。例えばコンデンサ電圧ＵＣを測定し、これが固定の電圧値に達したときにスイッチＴ３を相応に開放することができる。またＲＣ時定数に基づいて、いずれの駆動状態でもコンデンサ電圧ＵＣが充分に高くなるようにスイッチの閉成時間を定めてもよい。この場合には回路装置が自己制御的に動作するという別の利点も得られる。例えば固定子巻線を遮断する際に次の切り換え過程の動作サイクルでフィードバックされるよりも多くのエネルギがバッファリングされると、コンデンサ電圧ＵＣが上昇する。コンデンサ電圧ＵＣの上昇は次の給電の際に自動的により大きなＩＣをもたらす。つまりコンデンサ電圧ＵＣが上昇するとコンデンサＣにはより多くのエネルギがフィードバックされる。こうしてコンデンサＣの自己破壊が阻止される。
【００２５】
図２には固定子巻線１がブリッジ回路内に配置されている代替的な回路装置が示されている。前述の実施例の１つの分離エレメント２に代えて、この実施例では２つの分離エレメントが固定子巻線１の各端部に配置されている。基本的には図１の回路と同様の構成が当てはまるが、ここではコンデンサ電圧ＵＣは完全な相電圧ＵＳＴ以上の値に選定されている。ここでの回路動作は、動作サイクルでは所望の回転方向に応じてスイッチＴ１またはＴ２が持続的に開放され、他方のスイッチＴ２またはＴ１がパルス状にオンとなるようになっている。これに対して非動作サイクルでは全てのスイッチが開放される。遮断過程ではコンデンサＣは対角的に配置されたフリーホイールダイオードＤ３，Ｄ４を介して充電される。例えばスイッチＴ２がクロック制御されるとき、その遮断時には電流がフリーホイールダイオードＤ３を介して流れる。コンデンサＣの放電時には相応にスイッチＴ３が短時間だけ閉成される。前述の中間タップに比べてブリッジ回路の有利な点は、特に、図１のタップで発生するような２つのコイル半部のあいだの結合損失が回避されることである。
【００２６】
図３には５つの部分モータ１１〜１５に対する図１の回路装置が示されている。これらの部分モータはそれぞれ独立の巻線であり、有利には相互に等間隔にステータ上に巻回されている。図３からわかるように、全ての部分モータ１１〜１５は共通のコンデンサＣに対して動作し、このことは例えば独国公開第１９８５３５１６号公報に記載の装置では不可能である。さらに有利なことに、全ての部分モータ１１〜１５はそのつど同じ駆動状態にはない。永久磁石が各部分モータ１１〜１５の種々の巻線を通過することにより、例えば或る時点で第１の部分モータは動作サイクルから非動作サイクルへの移行フェーズにあるが、第２の部分モータはまだ動作サイクル中にある。このためインダクタンスに蓄積されたエネルギの一部が直接に動作電流として動作サイクル中の部分モータへ給電され、コンデンサにはバッファリングされない。これにより一方ではコンデンサＣを小さく設計してコンデンサＣの電圧幅を低減することができる。
【００２７】
図４には５つの部分モータ１１〜１５に対する図２の回路装置が示されている。この装置も共通のコンデンサＣに対して動作でき、図３に即して説明したのと同様の利点が得られる。
【図１】
2005536178.tif 000003
【図２】
2005536178.tif 000004
【図３】
2005536178.tif 000005
【図４】
2005536178.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成17年2月18日(2005.2.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機‐電動機コンビネーション装置の固定子巻線の電流を切り換える装置および方法に関する。
【０００２】
この種の発電機‐電動機コンビネーション装置は独国特許第４４０８７１９号明細書から公知である。ここで発電機‐電動機コンビネーション装置は双方の回転子および固定子の配置されたケーシングを有している。回転子および固定子は入力軸に固定された中空円筒形の発電機回転子と出力軸に国定された中空円筒形の電動機回転子とを有している。２つの回転子は軸線上に並んで配置されており、その周方向内側には交番の極性を有する永久磁石が分布している。中空円筒形の回転子の内側に配置された中空円筒形の固定子は２つの回転子の永久磁石の位置に依存して切り換えられる少なくとも１つの巻線を有している。固定子巻線は電動機の所望の力方向に応じて公知の装置のハーフブリッジ回路のスイッチとして機能する電力半導体により電動機の極位置ごとに交互に短絡と高抵抗とのあいだで切り換えられる。
【０００３】
この公知の装置の欠点は、固定子巻線の電流を遮断する際に、インダクタンスに蓄積されたエネルギが不可避的に失われてしまうことである。また遮断によって発生する極端に高い電圧ピークによってスイッチが損傷を受けるおそれもある。
【０００４】
こうした問題を解消するために、独国公開第１９８５３５１６号明細書からは、インダクタンスを有する巻線を少なくとも１つのタップにより２つの部分巻線へ分割することが公知である。このタップにはコンデンサが接続されており、このコンデンサによって高周波数の遮断電流が印加される際に２つの部分巻線が少なくとも部分的に分離される。こうしてインダクタンスに蓄積されているエネルギはコンデンサへバッファリングされ、動作サイクルで巻線が再び短絡されるとその巻線へフィードバックされる。エネルギのバッファリングのほか、コンデンサは半導体スイッチで発生するピーク電圧を式
Ｉ２・Ｌ／２＝Ｕ２・Ｃ／２
にしたがって制限する。なぜならコンデンサ電圧は跳躍的には増大しないからである。さらに付加的にコンデンサ分岐に組み込まれたスイッチにより、非動作サイクル（巻線が高抵抗で接続されている場合）での望ましくないコンデンサの充電とＬＣ回路の過渡特性による電流の振動とが阻止される。
【０００５】
この回路の欠点は所定のインダクタンスでのエネルギ蓄積器の充放電の時定数がコンデンサの大きさに依存して変動するということである。一方ではピーク電圧を低減するための大きな容量への要求があり、他方では小さい時定数による急峻なパルスを得るために小さい容量が所望される。
【０００６】
したがって本発明の基礎とする技術的な課題は、発電機‐電動機コンビネーション装置の固定子巻線の電流を切り換える装置および相応の方法を提供し、インダクタンスから電気エネルギをバッファリングする際に急峻な立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジで切り換えられるようにすることである。
【０００７】
この課題は請求項１記載の特徴を有する装置、および請求項１０記載の特徴を有する方法により解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。
【０００８】
本発明では、巻線とコンデンサとのあいだに少なくとも１つの切り換え可能な分離エレメントが配置されており、この分離エレメントは装置または巻線の遮断時の非動作サイクルで導通する。これにより電圧ピークがコンデンサを介して制限され、インダクタンスに蓄積されたエネルギはコンデンサへの充電電流としてバッファリングされ、すでにバッファリングされているエネルギは動作サイクルの動作電流として固定子巻線へフィードバックされる。分離エレメントはフィードバック時に一時的に駆動されるので、コンデンサ電圧ＵＣは固定の電圧値を下回らない。
【０００９】
本発明の基本的な着想は、コンデンサを動作サイクルごとに完全には充放電せず、機械の駆動中はその電圧を負荷点に応じてできるだけ高く一定に維持するということである。これは分離エレメントを所定の機能のうち１つのみに応じて導通させることによって行われる。これを例えば所定の時間範囲で行ってもよい。例えばコンデンサの最小充電電圧を、放電にどれだけの時間がかかるかという時定数ＲＣに即して求め、コンデンサ電圧が所定の電圧値を下回らないようにする。他の手段として、コンデンサ電圧を測定し、その測定信号から分離エレメントの制御信号を形成してもよい。巻線の短絡または高抵抗の切り換えを行う装置での過電圧のレベルは、独国公開第１９８５３５１６号明細書では、式
Ｉ２・Ｌ／２＝Ｕ２・Ｃ／２
によって定義されているが、これは容量Ｃを大きくすることによって小さく維持できる。しかもコンデンサが完全には放電されないので、大きな容量Ｃは実際には固定子巻線のオンオフ後の電流の時定数に何らの悪影響も与えない。
【００１０】
有利な実施形態によれば、分離エレメントは並列接続されたフリーホイールダイオードを備えたスイッチとして構成されている。ここでスイッチはコンデンサの放電時にのみ短時間だけ閉成される。これに対して固定子巻線を遮断することにより電圧ピークが生じる場合にはフリーホイールダイオードを介して充電電流がコンデンサへ流れるので、分離エレメントは充電の際にはいわば自己制御を行う。
【００１１】
有利には、コンデンサ電圧ＵＣに対する固定の電圧値は非動作サイクルでの分離エレメントの電圧以上の値であり、これにより非動作サイクル中の充電が回避される。非動作サイクルでの２つの回転子の極位置に基づいて誘導電圧が加わり、切り換えフェーズ以外での分離エレメントの最大電圧値となる。こうしてコンデンサの望ましくない充電は動作サイクルまたは非動作サイクルのいずれの駆動状態においても回避される。
【００１２】
２つの回転子の任意の回転方向を実現するために、有利には、巻線のそれぞれの端部に、並列接続されたフリーホイールダイオードを備えた少なくとも１つのスイッチが配置されている。これにより巻線の電流方向は所望の回転方向に応じて切り換え可能となる。
【００１３】
別の有利な実施形態によれば、スイッチはトランジスタとして構成されており、特に有利にはＩＧＢＴである。
【００１４】
別の有利な実施形態によれば、固定子巻線は相互に独立した複数の巻線を部分モータとして有しており、これが共通のコンデンサとともに構成されている。これにより脈動モーメントは均等化され、小さな寸法の共通のコンデンサでの動作によりコンデンサの電圧幅が低減される。なぜなら部分モータとして作用する各巻線はそれぞれ同じ駆動状態または切り換え状態にはなく、エネルギは分離エレメントを介して一方の部分モータから他方の部分モータへ部分的に直接に流れ、その際にはコンデンサの充放電が起こらないからである。
【００１５】
本発明を以下に有利な実施例に則して詳細に説明する。
【００１６】
図１は固定子巻線用の中間タップを備えた回路装置を示す図である。図２は固定子巻線用のブリッジ回路を備えた回路装置を示す図である。図３は複数の部分モータを備えた図１の回路装置を示す図である。図４は複数の部分モータを備えた図２の回路装置を示す図である。
【００１７】
図１の回路装置はインダクタンスＬを備えた固定子巻線１を有しており、この巻線の一方の端部に並列接続されたフリーホイールダイオードＤ１を備えたスイッチＴ１が配置されており、他方の端部に並列接続されたフリーホイールダイオードＤ２を備えたスイッチＴ２が配置されている。中間タップとして接続された分離エレメント２を介して固定子巻線１はコンデンサＣに接続されている。分離エレメント２は並列接続されたフリーホイールダイオードＤ３を備えたスイッチＴ３を有している。
【００１８】
発電機‐電動機コンビネーション装置を駆動するために、固定子巻線１は理想的にはパルス状の短絡と高抵抗とのあいだで切り換えられ、固定子巻線１での電流方向によりコンビネーション装置の回転方向が変化する。こうした発電機‐電動機コンビネーション装置の駆動の基本原理は独国特許第４４０８７１９号明細書および独国公開第１９８５３５１６号明細書に詳細に記載されている。
【００１９】
例えば固定子巻線１の電流が図１に示されているように流れる場合、この駆動状態ではスイッチＴ１は持続的に阻止され、スイッチＴ２はパルス状にオンとなる。このときインダクタンスＬに基づいて電流変化は台形状にしかならない。
【００２０】
スイッチＴ２が阻止されると２つのダイオードＤ１，Ｄ２は相互に逆極性となり、それ以降の電流の流れを阻止する。この大きなｄＩＳＴ／ｄｔが固定子巻線１にかかる大きな電圧ＵＳＴに作用する。ここで電圧ＵＳＴ／２がコンデンサ電圧ＵＣよりも大きければ、分離エレメント２のフリーホイールダイオードＤ３が導通する。コンデンサＣの電圧はエネルギ上の理由から跳躍的には変化できないため、コンデンサＣによりコイルの電圧の変化速度が制限される。こうして電圧ピークはインダクタンスＬでの電流変化のために減衰され、インダクタンスＬ内に蓄積されたエネルギは充電電流の形式でフリーホイールダイオードＤ３を介してコンデンサＣへ流れ、これを充電する。
【００２１】
中間タップによりインダクタンスは分割される。２つの部分コイルＬ１，Ｌ２はそれぞれ固定子巻線１の巻線半部のみを有するので、部分コイルＬ１，Ｌ２のインダクタンスはＬ／４となり、電圧変化は前述の場合と同様に式
ＵＳＴ／２＝Ｌ２（ｄｉ／ｄｔ）
にしたがって制限される。これはインダクタンスＬと巻線数Ｎとのあいだに２乗関係が存在するためである。インダクタンスＬ１に蓄積されたエネルギは電圧としてインダクタンスＬ２へかかり、充電電流としてコンデンサＣにバッファリングされる。相電圧ＵＳＴ／２が部分コイルＬ２でコンデンサ電圧ＵＣを下回って低下すると、ダイオードＤ３がスイッチＴ３とともに阻止され、コンデンサＣが固定子巻線１から分離される。非動作サイクル（ＩＳＴ＝０）でバッファリングされたエネルギは動作サイクルでスイッチＴ２が再び閉成されるとフィードバックされる。このときスイッチＴ３も閉成され、コンデンサＣは放電され、放電電流は符号に応じて給電される。
【００２２】
本発明によればコンデンサＣは完全には放電されない。つまり非動作サイクルでは電圧ＵＣ≧ＵＳＴ／２までしか放電されない。本発明の基本的着想は、コンデンサ電圧ＵＣが機械の動作サイクルまたは非動作サイクルのいずれの駆動状態でもつねに分離エレメントでの相電圧以上の値を取るようにすることにある。このためフリーホイールダイオードＤ３によりいずれの駆動状態においても機械の無効電力が高まってしまうようなコンデンサＣへのエネルギ流が発生しないことが保証される。非動作サイクルでは同じ符号で電圧が加わるので、永久磁石により２つの回転子に誘導される相電圧が最大となり、有利にはコンデンサ電圧ＵＣが相電圧に非動作サイクルで適合化される。基本的にはコンデンサ電圧ＵＣが固定の電圧値を下回って放電されないかぎり切り換え過程は改善されるが、その場合には無効電力が増大してしまう。
【００２３】
本発明の回路装置の利点は、誘導エネルギのバッファリングにより電圧ピークを制限でき、しかもきわめて急峻な台形状のエッジを実現できることである。なぜならコンデンサＣが小さな電圧幅でしか充放電されないからである。
【００２４】
スイッチＴ３の駆動は種々に行うことができる。例えばコンデンサ電圧ＵＣを測定し、これが固定の電圧値に達したときにスイッチＴ３を相応に開放することができる。またＲＣ時定数に基づいて、いずれの駆動状態でもコンデンサ電圧ＵＣが充分に高くなるようにスイッチの閉成時間を定めてもよい。この場合には回路装置が自己制御的に動作するという別の利点も得られる。例えば固定子巻線を遮断する際に次の切り換え過程の動作サイクルでフィードバックされるよりも多くのエネルギがバッファリングされると、コンデンサ電圧ＵＣが上昇する。コンデンサ電圧ＵＣの上昇は次の給電の際に自動的により大きなＩＣをもたらす。つまりコンデンサ電圧ＵＣが上昇するとコンデンサＣにはより多くのエネルギがフィードバックされる。こうしてコンデンサＣの自己破壊が阻止される。
【００２５】
図２には固定子巻線１がブリッジ回路内に配置されている代替的な回路装置が示されている。前述の実施例の１つの分離エレメント２に代えて、この実施例では２つの分離エレメントが固定子巻線１の各端部に配置されている。基本的には図１の回路と同様の構成が当てはまるが、ここではコンデンサ電圧ＵＣは完全な相電圧ＵＳＴ以上の値に選定されている。ここでの回路動作は、動作サイクルでは所望の回転方向に応じてスイッチＴ１またはＴ２が持続的に開放され、他方のスイッチＴ２またはＴ１がパルス状にオンとなるようになっている。これに対して非動作サイクルでは全てのスイッチが開放される。遮断過程ではコンデンサＣは対角的に配置されたフリーホイールダイオードＤ３，Ｄ４を介して充電される。例えばスイッチＴ２がクロック制御されるとき、その遮断時には電流がフリーホイールダイオードＤ３を介して流れる。コンデンサＣの放電時には相応にスイッチＴ３が短時間だけ閉成される。前述の中間タップに比べてブリッジ回路の有利な点は、特に、図１のタップで発生するような２つのコイル半部のあいだの結合損失が回避されることである。
【００２６】
図３には５つの部分モータ１１〜１５に対する図１の回路装置が示されている。これらの部分モータはそれぞれ独立の巻線であり、有利には相互に等間隔にステータ上に巻回されている。図３からわかるように、全ての部分モータ１１〜１５は共通のコンデンサＣに対して動作し、このことは例えば独国公開第１９８５３５１６号公報に記載の装置では不可能である。さらに有利なことに、全ての部分モータ１１〜１５はそのつど同じ駆動状態にはない。永久磁石が各部分モータ１１〜１５の種々の巻線を通過することにより、例えば或る時点で第１の部分モータは動作サイクルから非動作サイクルへの移行フェーズにあるが、第２の部分モータはまだ動作サイクル中にある。このためインダクタンスに蓄積されたエネルギの一部が直接に動作電流として動作サイクル中の部分モータへ給電され、コンデンサにはバッファリングされない。これにより一方ではコンデンサＣを小さく設計してコンデンサＣの電圧幅を低減することができる。
【００２７】
図４には５つの部分モータ１１〜１５に対する図２の回路装置が示されている。この装置も共通のコンデンサＣに対して動作でき、図３に即して説明したのと同様の利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】固定子巻線用の中間タップを備えた回路装置を示す図である。
【図２】固定子巻線用のブリッジ回路を備えた回路装置を示す図である。
【図３】複数の部分モータを備えた図１の回路装置を示す図である。
【図４】複数の部分モータを備えた図２の回路装置を示す図である。
【国際調査報告】
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