(57)【要約】固定子（３０）と回転子（３１）とを有する電気機械が開示される。このモータは、適切な電力電子コントローラ（４０１）によって通電される界磁巻線（Ｆ）と電機子巻線（Ａ）とを有する。コントローラ（４００）が、機械の動作を制御するために電機子電流を制御するための電力電子コントローラ（４０１）に信号を送る。機械がモータとして動作している時には、電機子巻線（Ａ）は、回転子（３１）の回転に同期して印加電圧を印加することによって電力電子コントローラから電流が供給されるであろう。回転子の回転位置に依存している相互に誘導された第１の電気信号が、界磁巻線（Ｆ）内で誘導されるであろう。これは、電力電子コントローラ（４０１）によって送られる界磁電流に重畳勾配を発生させるであろう。この相互に誘導された第１の電気信号は、微分器回路であってもよく、または、界磁電流導線の周囲の磁界に結合されるコイルであってもよいブロック（４０２）によって界磁電流から抽出することができる。フィルタ回路を含んでもよい信号調整回路（４０３）が備えられている。ブロック（４０４）が比較器（４０５）のための基準電圧を発生させる。この基準電圧は、比較器（４０５）が相互誘導された第１の電気信号の極性を判定するようにゼロであることが可能である。比較器からの出力は、相互誘導された第１の電気信号がブロック（４０４）によって与えられた閾値よりも小さいかまたは大きいかどうかを示すディジタル信号である。この比較器出力、すなわち、第２の電気信号は、固定子に対する回転子の回転位置を表し、かつ、電機子励磁と回転子位置との間の同期を維持するためにコントローラ（４００）に供給される。
2005538675.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気エネルギーを機械エネルギーに変換し、および／または、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するための電気機械であって、
前記機械は、
複数の回転子磁極を有する回転子と、
前記回転子を回転自在に受ける固定子であって、前記回転子と前記固定子との間の第１の起磁力を発生させる界磁磁石手段を有し、前記固定子は少なくとも２つの電気巻線を組込み、前記電気巻線の少なくとも１つが、前記第１の起磁力に対して横断方向の成分を有する変化する第２の起磁力を発生させるために前記固定子に対する前記回転子の回転と同期して変化する電流を伝送するようになっている電機子巻線である固定子と、
前記のまたは各々の電機子巻線に対する電流の供給を制御する制御手段と、
前記固定子に対する前記回転子の回転位置に依存している少なくとも１つの誘導された第１の電気信号を検出する位置検出手段であって、前記のまたは各々の第１の電気信号は前記巻線の少なくとも１つの他の巻線の両端間の電圧によって前記巻線のそれぞれの１つにおいて誘導され、前記電圧は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換し、および／または、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するため、前記電気機械の通常動作が要求され、それにより、前記固定子に対する前記回転子の回転位置を表す少なくとも１つの第２の電気信号を前記制御手段に対し供給する位置検出手段と、
を備えることを特徴とする機械。
【請求項２】
前記固定子は複数の固定子磁極を有し、かつ、少なくとも１つの前記電機子巻線が複数の固定子磁極ピッチに対応するピッチで巻かれる請求項１に記載の機械。
【請求項３】
前記界磁磁石手段は、少なくとも１つの前記電機子巻線を含む回路と直列または並列に接続されるようになっている少なくとも１つの界磁巻線を含む請求項１または２に記載の機械。
【請求項４】
前記位置検出手段は、少なくとも１つの界磁巻線内の前記少なくとも１つの誘導された第１の電気信号を検出するようになっている請求項３に記載の機械。
【請求項５】
前記位置検出手段は、少なくとも１つの前記誘導された第１の電気信号が前記少なくとも１つの第２の電気信号を生じさせるため少なくとも１つの閾値を何時通過するかを検出するようになっている請求項１から４のいずれか一項に記載の機械。
【請求項６】
前記位置検出手段は、前記巻線の少なくとも１つが実質的に均一な電圧で通電される時、および／または、前記巻線の少なくとも１つが通電されない時に、少なくとも１つの前記誘導された第１の電気信号が少なくとも１つのそれぞれの閾値を何時通過するかを検出するようになっており、前記電圧は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するための、および／または、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するための前記機械の通常の動作が要求される請求項５に記載の機械。
【請求項７】
前記位置検出手段は、少なくとも１つの前記誘導された第１の電気信号が、前記回転子の予め決められた回転期間中に前記巻線の少なくとも１つにおける少なくとも１つのそれぞれの閾値よりも大きいかまたは小さい時間の相対比率を求めることによって、少なくとも１つの前記電機子巻線の通電を何時開始するかおよび／または何時終了するかを決定するようになっている請求項５または６に記載の機械。
【請求項８】
前記位置検出手段は、前記少なくとも１つの誘導された第１の電気信号が、予め決められた制限内において前記巻線の少なくとも１つにおける少なくとも１つのそれぞれの閾値よりも大きいかまたは小さい時間の相対比率を維持するために、少なくとも１つの前記電機子巻線の通電のタイミングを制御するようになっている請求項７に記載の機械。
【請求項９】
前記予め決められた制限は、前記機械の出力性能に応じて変化するようになっている請求項８に記載の機械。
【請求項１０】
前記位置検出手段は、前記制御手段に対して入力される少なくとも１つの誤差信号によって前記通電のタイミングを制御するようになっている請求項８または９に記載の機械。
【請求項１１】
前記位置検出手段は、予め決められた期間中に閾値を通過する少なくとも１つの前記誘導された第１の電気信号の検出失敗に応じて前記通電のタイミングを選択的に制御するようになっている請求項８から１０のいずれか一項に記載の機械。
【請求項１２】
前記位置検出手段は、少なくとも１つの前記誘導された第１の電気信号が少なくとも１つの前記第２の電気信号を生じさせるため少なくとも１つのそれぞれの閾値を何時通過するかを検出するようになっており、かつ、少なくと１つの前記閾値は、前記対応する前記誘導された第１の電気信号の関数である請求項５から１１のいずれか一項に記載の機械。
【請求項１３】
前記位置検出手段は、前記機械の少なくとも１つの電気巻線の両端間の電圧の存在の結果として生じる前記電気巻線において発生する電流の変化率から、前記固定子に対する前記回転子の回転位置に依存する少なくとも１つの前記誘導された第１の電気信号を抽出するようになっている請求項１から１２のいずれか一項に記載の機械。
【請求項１４】
前記位置検出手段は、前記巻線の少なくとも１つを通過する電流を伝送する導体によって発生される磁界に磁気的に結合されるようになっている少なくとも１つのそれぞれのコイルを含む請求項１３に記載の機械。
【請求項１５】
前記位置検出手段は、少なくとも１つの前記誘導された第１の電気信号に関するデータを取得し、前記データを少なくとも１つの既知の回転子位置に関するデータと比較するようになっている請求項１から１４のいずれか一項に記載の機械。
【請求項１６】
前記位置検出手段は、前記巻線の少なくとも１つの他の巻線が通電される時、前記巻線の少なくとも１つにおける少なくとも１つの前記誘導された第１の電気信号を検出することによって、停止状態にある前記回転子の回転位置を表す少なくとも１つの前記第２の電気信号を提供するようになっている請求項１から１５のいずれか一項に記載の機械。
【請求項１７】
前記制御手段は、前記回転子の停止状態において発生される前記位置検出手段からの少なくとも１つの前記第２の電気信号に応答して、前記回転子を前記固定子に対し安定平衡位置に移動させるようになっている請求項１６に記載の機械。
【請求項１８】
前記位置検出手段は、前記少なくとも１つの他の巻線が通電される時に前記少なくとも１つの巻線における前記それぞれの前記誘導された第１の電気信号を監視することによって、前記固定子に対して前記回転子の最も近い安定平衡位置を示すようになっている請求項１７に記載の機械。
【請求項１９】
前記位置検出手段は、少なくとも１つの前記誘導された第１の電気信号を間欠的にサンプリングすることによって、当該第１の電気信号を監視するようになっている請求項１から１８のいずれか一項に記載の機械。
【請求項２０】
前記位置検出手段は、少なくとも１つの前記第２の電気信号を間欠的にサンプリングすることによって、当該第２の電気信号を監視するようになっている請求項１から１９のいずれか一項に記載の機械。
【請求項２１】
前記位置検出手段は、前記巻線を通過する前記磁束の変化によって引き起こされる前記少なくとも１つの誘導された第１の電気信号の変化率を検出するようになっている請求項１から２０のいずれか一項に記載の機械。
【請求項２２】
電気エネルギーを機械エネルギーに変換するための、および／または、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するための電気機械を制御する方法であって、前記機械は、複数の回転子磁極を有する回転子と、前記回転子を回転自在に受けるための、かつ、前記回転子と前記固定子との間に第１の起磁力を発生させる界磁磁石手段を有する固定子とを備え、前記固定子は少なくとも２つの電気巻線を有し、前記電気巻線の少なくとも１つは、前記第１の起磁力に対して横断方向の成分を有する変化する第２の起磁力を発生させるために前記固定子に対する前記回転子の回転と同期して変化する電流を伝送するようになっているそれぞれの電機子巻線であり、
前記方法は、
前記固定子に対する前記回転子の回転位置に依存する少なくとも１つの誘導された第１の電気信号を検出する段階であって、前記のまたは各々の第１の電気信号は前記巻線の少なくとも１つの他の巻線の両端間の電圧によって前記巻線のそれぞれ１つにおいて誘導され、前記電圧は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するための、および／または、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するための前記電気機械の通常動作が要求される検出段階と、
前記固定子に対する前記回転子の回転位置を表している少なくとも１つの第２の電気信号を供給する段階と、
少なくとも１つの前記第２の電気信号に応答して前記のまたは各々の電機子巻線に対する電流供給を制御する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの誘導された第１の電気信号の検出は、前記界磁磁石手段の少なくとも１つの界磁巻線における少なくとも１つの前記誘導された第１の電気信号を検出する段階を含む請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記少なくとも１つの誘導された第１の電気信号の検出は、少なくとも１つの前記誘導された第１の電気信号が、少なくとも１つの前記第２の電気信号を生じさせるために少なくとも１つの閾値を何時通過するかを検出する段階を含む請求項２２または２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記少なくとも１つの誘導された第１の電気信号の検出は、前記巻線の少なくとも１つが実質的に均一な電圧で通電される時、および／または、前記巻線の少なくとも１つが通電されない時に、少なくとも１つの誘導された第１の電気信号が少なくとも１つのそれぞれの閾値を何時通過するかを検出する段階を含み、かつ、前記電圧は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するための、および／または、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するための前記機械の通常動作が要求される請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
少なくとも１つの前記誘導された第１の電気信号が、前記回転子の予め決められた回転期間中に前記巻線の少なくとも１つにおける少なくとも１つのそれぞれの閾値よりも大きいかまたは小さい時間の相対比率を求めることによって、少なくとも１つの前記電機子巻線の通電を何時開始するかおよび／または何時終了するかを決定する段階をさらに含む請求項２４または２５に記載の方法。
【請求項２７】
少なくとも１つの前記誘導された第１の電気信号が、予め決められた制限内において前記巻線の少なくとも１つにおいて少なくとも１つのそれぞれの閾値よりも大きいかまたは小さい時間の相対比率を維持するために、少なくとも１つの前記電機子巻線の通電のタイミングを制御する段階をさらに含む請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記機械の出力性能に依存する形で前記予め決められた制限を変化させる段階をさらに含む請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
少なくとも１つの誤差信号によって前記通電のタイミングを制御する段階をさらに含む請求項２２から２８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
予め決められた期間中に閾値を通過する少なくとも１つの前記誘導された第１の電気信号の検出失敗に応じて前記通電のタイミングを選択的に制御する段階をさらに含む請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記少なくとも１つの誘導された第１の電気信号の検出は、少なくとも１つの前記第２の電気信号を発生させるために、少なくとも１つの前記誘導された第１の電気信号が少なくとも１つのそれぞれの閾値を何時通過するかを検出する段階を含み、かつ、少なくと１つの前記閾値は、対応する前記誘導された第１の電気信号の平均値の関数である請求項２２から３０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３２】
前記巻線の１つまたは複数の他の巻線の両端間の電圧の存在の結果として発生する前記巻線の１つにおいて発生する電流の変化率から、前記固定子に対する前記回転子の回転位置に依存している少なくとも１つの前記誘導された第１の電気信号を抽出する段階をさらに含む請求項２２から３１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３３】
少なくとも１つの前記誘導された第１の電気信号に関するデータを取得する段階と、前記データを少なくとも１つの既知の回転位置に関するデータと比較する段階と、をさらに含む請求項２２から３２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３４】
前記巻線の少なくとも１つの他の巻線が通電される時に、前記巻線の少なくとも１つにおける少なくとも１つの前記誘導された第１の電気信号を検出することによって、停止状態にある前記回転子の回転位置を表す少なくとも１つの前記第２の電気信号を提供する段階をさらに含む請求項２２から３３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３５】
前記回転子の停止状態において発生する前記位置検出手段からの少なくとも１つの前記第２の電気信号に応答して、前記回転子を前記固定子に対し安定平衡位置に移動させる段階を含む請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記巻線の少なくとも１つの他の巻線が通電される時に前記巻線の少なくとも１つにおける前記それぞれの前記誘導された第１の電気信号を監視することによって、前記固定子に対して前記回転子の最も近い安定平衡位置を示す段階をさらに含む請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
少なくとも１つの前記誘導された第１の電気信号を間欠的にサンプリングすることによって、少なくとも１つの前記誘導された第１の電気信号を監視する段階をさらに含む請求項２２から３６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３８】
少なくとも１つの前記第２の電気信号を間欠的にサンプリングすることによって、少なくとも１つの前記第２の電気信号を監視する段階をさらに含む請求項２２から３７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３９】
前記回転子の回転位置に依存している前記少なくとも１つの第１の電気信号の検出は、前記巻線を通過する前記磁束の変化によって引き起こされる前記少なくとも１つの誘導された第１の電気信号の変化率を検出する段階を含む請求項２２から３８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４０】
電気エネルギーを機械エネルギーに変換するための、および／または、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するための電気機械の少なくとも１つの巻線における電流の変化率を求める方法であって、前記方法は前記電流を伝送する導体によって発生される磁界に磁気的に結合される少なくとも１つのそれぞれのコイルにおいて誘導される電圧を監視する段階を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気機械の制御に関し、より特定的には、しかし非限定的ではあるが、機械的軸位置センサなしの電気機械の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１ａと図１ｂが、２つの相に対応する２つの通電（励磁）巻線対５、６が備えられている、互いに反対側に配置されておりかつ内方に向けられている２つの突極対３、４を有する固定子２と、巻線のない、互いに反対側に配置されておりかつ外方に向けられている１つの突極対８を有する回転子７とを備える、従来の２相切替リラクタンスモータ（ｔｗｏ−ｐｈａｓｅ  ｓｗｉｔｃｈｅｄ  ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ  ｍｏｔｏｒ）を示す。その４つの通電巻線の各々は、巻線対６の各巻線の２つの互いに直径方向に反対側の部分を示す記号Ｙ−Ｙと、巻線対５の各巻線の２つの互いに直径方向に反対側の部分を示す記号Ｘ−Ｘとによって示されているように、その対応する磁極の周りに巻き付けられている。励磁回路（図示されていない）が、より詳細に後述するように、巻線によって生じさせられる磁界内における最小リラクタンス位置に回転子自体を配置する回転子７の傾向によってトルクが生じさせられるように回転子の回転と同期して固定子の巻線を交互に通電することによって、固定子２内で回転子７を回転させるために設けられている。こうした可変リラクタンスモータは、消耗部品である整流子とブラシとが回転子に対する電流供給のために必要とされないという、従来の巻線型回転子モータを上回る利点を提供する。さらに、回転子上に導線が存在せず、かつ、高コストの永久磁石が不要なので、他の利点が実現される。
【０００３】
図１ａと図１ｂにおける記号＋と記号Ｂが、これらの図で見る場合に、回転子７が水平位置または垂直位置に引き寄せられている、２つの交番励磁モードにおける巻線内の電流の方向を示す。回転子７の回転が巻線対５、６の交互通電を必要とし、巻線対５または巻線対６の一方だけが一度に通電されることが好ましく、および、電流はこうした通電中に一方向にだけ巻線対５または巻線対６の各々に供給されることが普通である。しかし、巻線は、有効トルクが生じさせられなければならない場合に、１回転毎に最大でその半分の時間だけしか通電されず、その結果として電気回路の高度の利用はこうしたモータでは不可能である。
【０００４】
これとは対照的に、Ｊ．Ｄ．ＷａｌｅおよびＣ．Ｐｏｌｌｏｃｋによって、”Ｎｏｖｅｌ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ  Ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ  ｆｏｒ  ａ  Ｔｗｏ−Ｐｈａｓｅ  Ｓｗｉｔｃｈｅｄ  Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ  Ｍｏｔｏｒ  ｗｉｔｈ  Ｆｕｌｌｙ  Ｐｉｔｃｈｅｄ  Ｗｉｎｄｉｎｇｓ（全節巻線を有する２相切替リラクタンスモータのための新規の変換器トポロジ）”，ＩＥＥＥ  Ｐｏｗｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｂａｖｅｎｏ，Ｊｕｎｅ  １９９６，ｐｐ．１７９８−１８０３に説明されており、および、図２ａと図２ｂ（同じ参照番号が図１ａと図１ｂの部品と同じ部品を示すために使用されている）に示されているような、全節巻可変リラクタンスモータが、モータの磁極ピッチの２倍であり、すなわち、その例示されている例では１８０°であるピッチを有し、かつ、互いに９０°に配置されている２つの巻線１０、１１を備える。回転子７の片側の巻線の一部分が磁極対３、４の互いに隣接する磁極の間に画定されている固定子スロット１２を満たし、および、回転子７の直径方向に反対側の巻線１１の別の部分が磁極対３、４の２つの別の互いに隣接する磁極の間に画定されている固定子スロット１３を満たすように、巻線１１が巻き付けられてよい。巻線１０は、直径方向に互いに対向する固定子スロット１４、１５を満たす対応する部分を有する。こうして、２つの巻線１０、１１はモータの幅の全体に及び、かつ巻線１０、１１の軸線は互いに対して直角である。
【０００５】
さらに、回転子７の水平位置と垂直位置とに対応するこうしたモータの２つの交番励磁モードが図２ａと図２ｂとに示されており、これらの図から、巻線１０、１１の両方が両方の励磁モードで通電されるということと、巻線１０内の電流の方向が両方のモードで同じなのに対して、巻線１１における電流の流れの方向がその２つのモードの間で変化するということとが理解されるだろう。両方の相巻線１０、１１に両方のモードで電流が供給されるので、および、巻線１０または巻線１１の各々が固定子スロット面積全体の半分を占めるので、こうしたシステムはそのスロット面積の１００％の利用率を実現することが可能である。これは、一度に１つの相巻線だけしか通電されない上述の従来の巻線型可変リラクタンスモータによって実現される５０％の利用率とは対照的である。さらに、巻線１０における電流方向が変化することが不要なので、界磁巻線と呼ばれることもある巻線１０は、スイッチングなしに直流が供給されることが可能であり、このことは、使用される励磁回路の単純化をもたらす。
【０００６】
しかし、電機子巻線と呼ばれることがある巻線１１は、回転子を水平位置と垂直位置とに交互に引きつけるのに必要とされる固定子磁束の変化方向を決定するために、回転子位置と同期して交番する電流によって通電されなければならない。こうしたモータにおいて電機子巻線に交番電流を供給する必要が、著しく複雑で高コストである励磁回路を結果的に生じさせる可能性がある。
【０００７】
ＷＯ９８／０５１１２が、図３ａに概略的に示されているように、（回転子位置とは実質的に無関係である結合によって）密結合している２つのコイル２２、２３またはコイル２４、２５の形に各々が分割されており、かつ、両方のコイルの直径方向に互いに反対側の部分が直径方向に互いに反対側の固定子スロット内に配置されるように巻き付けられている、界磁巻線１０と電機子巻線１１とを備えている４極固定子２を有する全節巻線型磁束スイッチング可変リラクタンスモータを開示する。
【０００８】
図３ｂは、電機子コイル２４、２５を通電するための汎用の回路図を示す。コイル２４、２５は、両コイル２４、２５の互いに反対の巻線の結果として互いに反対の方向に起磁力を発生させるように端子２６、２７に対する直流供給が両コイル２４、２５を通って同一方向に流れるように、その回路内で接続されている。例えば電界効果トランジスタまたは絶縁ゲートバイポーラトランジスタを含んでよいスイッチ２８、２９が、コイル２４、２５に直列に接続されており、および、互いに反対方向に作用する所要の起磁力を提供するようにコイル２４、２５の交番通電を生じさせるために交互に切り替えられる。この構成の利点は、電機子巻線が、比較的単純な励磁回路系が使用可能であるように各コイルが一方向だけに電流によって通電されることを可能にする２つの密結合コイルによって構成されているということである。同様の構成が電気交流発電機において実現されてもよい。
【０００９】
ＷＯ９８／０５１１２によって導入された回路系の単純化は、単純で低コストの電子機械制御を可能にする。ＷＯ９８／０５１１２に開示されている機械から最適の性能を得るために、位置検出手段が、回転子の位置を求めるために、および、したがって、所要の方向における連続回転のためのスイッチ２８、２９の適正な状態を検出するために、必要である。従来の磁束スイッチング機械では、位置検出手段は、反射区域または透明区域を有する符号化ディスク（ｃｏｄｅｄ  ｄｉｓｋ）の回転を監視する、その機械の固定子上に取り付けられている光センサによって提供されることが可能である。この光センサは、回転子の回転と同期して変化する電気信号を与える。これに対する代案としては、固定子上の光センサがホール効果装置のように磁気極性に応答してもよく、および、回転子上の符号化ディスクは回転子の歯を表す磁気パターンを含むだろう。回転子と共に符号化磁気ディスクが回転することが、回転子の回転と同期して変化する定置センサにおける電気信号を生じさせる。他の様々な形態の位置検出手段が当業者に公知であるが、こうした位置検出手段はすべて機械的な位置合わせ誤差の問題を有する。この機械の製造中に、定置センサが既知の位置すなわち事前定義された位置において機械の固定子に取り付けられなければならない。さらに、符号化ディスクも、回転子磁極に対して既知の角位置すなわち事前定義された角位置において回転子上に取り付けられなければならない。したがって、このことは、低コストで実現することが容易ではない高精度の製造プロセスを必要とする。
【００１０】
こうした位置検出構成が一般的に使用されるが、著しい機械的複雑性を有し、および、必ずしも低い製造コストであるというわけではない。さらに、回転子の位置に関するスイッチングのタイミングがモータの性能に直接的な影響を与えるので、回転子に対する符号化センサディスクの位置合わせと、固定子上での電子ピックアップ（光学またはホール効果）の位置決めとが高い精度で実現されなければならない。こうした位置合わせは、さらに、回転子の回転速度が増大させられるにつれてますます重要なものとなる。固定子またはその電気巻線における直接的または間接的な電気測定値に完全に基づいている回転子位置検出システムが、機械的誤差の発生の可能性がないので好ましい。
【００１１】
機械的センサを使用しない、ブラシレスモータにおける回転子位置検出の特定の従来の方法は、逆起電力（ｂａｃｋ  ｅｍｆ）のゼロ交差を発見するために逆起電力波形の再構成に依存してきた。こうした再構成手法は、正確な逆起電力波形の再生を確実なものにするために電機子巻線の抵抗とインダクタンスとに関する正確なモデルに大きく依存している。抵抗が製造交差の範囲内でかつ温度に応じて著しく変化し、および、そのインダクタンスが製造交差に応じて、かつ、電流レベルに応じて著しく変化するので、この方法は、著しく高いコストと複雑性とを伴わずに実現されることが非常に困難である。界磁起磁力が界磁巻線によって与えられるあらゆる磁束スイッチング機械では、逆起電力検出法は界磁の起磁力（ｍｍｆ）が一定値でないことによってさらに複雑化されるだろう。
【００１２】
他の従来技術の方法は、源（ＳＯＵＲＣＥ）巻線内の通常のモータ駆動電流の上への高周波数信号の導入を使用してきた。位置に応じた高周波数電流の変調が、複雑なフィルタリング／信号処理電子機器回路を用いて電気機械内の源巻線または他の巻線において復号されることが可能である。さらに別の従来技術の方法は、磁束と電流との間の関係に関する詳細なモータモデルを使用してきたが、こうしたモデルは、非線形的な電流依存関係を明らかにすることを可能にする。しかし、こうした方法は、依然として、正確な電子回路とすべての測定の瞬間における正確な巻線抵抗値とを必要とする非常に正確な磁束測定に基づいている。従来技術の方法のすべては、複雑な電子回路系を必要とし、および、機械に関する多少とも詳細な知識と、温度のような物理的パラメータに対する依存性とを必要とする。
【００１３】
固定子に対するモータの回転子の相対的位置を求めるさらに別の従来技術の方法が、ＵＳＰ  Ｎｏ．５，８２１，７１３に開示されており、および、この方法は、回転子の位置を推定するためにモータの回転子巻線の自己インダクタンスの変化に依存している回転子の位置によって生じさせられるモータ巻線における電流の勾配における変化を使用する。この方法は、自己インダクタンスが回転子の回転位置に応じて著しく変化することがないので、磁束スイッチングモータには適用されることが不可能である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の好ましい実施態様が、従来技術の上述の欠点を克服することを求め、および、特に、単純な制御回路系と、回転子上の符号化ディスクの必要なしに、かつ、機械の固定子に対して相対的に特定の機械的位置に取り付けられている検出装置の必要なしに動作し、複雑な電子回路系を必要とせず、および、巻線の自己インダクタンスが位置に応じて著しく変化することがないモータにおいて機能することが可能である位置検出手段とを有する電気機械を提供することを求める。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一側面によって、電気エネルギーを機械エネルギーに変換し、および／または、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するための電気機械が提供され、この電気機械は、複数の回転子磁極を有する回転子と、前記回転子を回転自在に受ける固定子であって、前記回転子と前記固定子との間の第１の起磁力を発生させる界磁磁石手段を有し、前記固定子は少なくとも２つの電気巻線を組込み、前記電気巻線の少なくとも１つが、前記第１の起磁力に対して横断方向の成分を有する変化する第２の起磁力を発生させるために前記固定子に対する前記回転子の回転と同期して変化する電流を伝送するようになっている電機子巻線である、固定子と、前記のまたは各々の電機子巻線に対する電流の供給を制御する制御手段と、前記固定子に対する前記回転子の回転位置に依存している少なくとも１つの誘導された第１の電気信号を検出する位置検出手段であって、前記のまたは各々の第１の電気信号は前記巻線の少なくとも１つの他の巻線の両端間の電圧によって前記巻線のそれぞれの１つにおいて誘導され、前記電圧は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換し、および／または、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するため、電気機械の通常動作が要求され、それにより、前記固定子に対する前記回転子の回転位置を表す少なくとも１つの第２の電気信号を前記制御手段に対し供給する位置検出手段と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
前記固定子に対する前記回転子の回転位置に依存している少なくとも１つの誘導された第１の電気信号を検出するための位置検出手段を設けることによって、前記のまたは各々の第１の電気信号が前記巻線の少なくとも１つの他の巻線の両端間の電圧により前記巻線のそれぞれ１つにおいて誘導され、前記電圧は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換し、および／または、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するため、電気機械の通常動作が要求され、それにより、前記固定子に対する前記回転子の回転位置を表す少なくとも１つの第２の電気信号を前記制御手段に対し供給する。このことが、前記のまたは各々の互いに誘導された第１の電気信号が著しく変化し、前記固定子に対する前記回転子の回転位置を表す、前記制御手段に対する少なくとも１つの第２の電気信号を発生することを可能にするという利点を提供する。このように、製造時に高度の精度を要求するか、または、かなりなコストと複雑性とを要求する逆起電力波形の再構成を要求する機械的回転位置検出器を必要としないという利点が提供される。このことは、換言すれば、この装置を組込んだ電気機械のコストを著しく低減させることが可能であるという利点を提供する。
【００１７】
好ましい実施態様では、前記固定子は複数の固定子磁極を有し、かつ、少なくとも１つの電機子巻線が複数の固定子磁極ピッチに対応するピッチで巻かれる。
【００１８】
前記界磁磁石手段は、少なくとも１つの前記電機子巻線を含む回路と直列または並列に接続されるようになっている少なくとも１つの界磁巻線を含むことが好ましい。
【００１９】
このことが、界磁巻線と電機子巻線との通電を制御する適切なスイッチング構成を設けることによって、これらの巻線の通電を制御する電子回路を単純にすることが可能であるという利点を提供する。
【００２０】
前記位置検出手段は、少なくとも１つの前記界磁巻線から少なくとも１つの相互に誘導された第１の電気信号を検出するようになっていてもよい。
【００２１】
このことが、前記または各々の界磁巻線に対して一方向の通電が加えられることと、変化する方向の通電が前記または各々の電機子巻線に加えられることとを可能にすることによって、制御回路を単純化するという利点を提供する。
【００２２】
好ましい実施態様では、前記位置検出手段は、少なくとも１つの前記相互に誘導された第１の電気信号が少なくとも１つの第２の電気信号を生じさせるため少なくとも１つの閾値を何時通過するかを検出するようになっている。このことが、回転子の回転位置を表す少なくとも１つの第２の電気信号が、少なくとも１つの相互に誘導された第１の電気信号の振幅に影響を与える電気機械の条件の変化によって影響されないという利点を提供する。
【００２３】
前記位置検出手段は、電気機械の電気巻線が実質的に均一な電圧で通電される時、および／または、前記巻線が通電されない時に、少なくとも１つの相互に誘導された第１の電気信号が少なくとも１つのそれぞれの閾値を何時通過するか、を検出するようになっていてもよく、この電圧は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するための、および／または、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するための電気機械の通常の動作が要求される。
【００２４】
このことが、少なくとも１つの電機子コイルが実質的に均一なまたはゼロの電圧で通電される時に、電気機械のそれぞれの第２の巻線内における少なくとも１つの相互に誘導された第１の電気信号の状態の変化が、第２の巻線と電機子巻線との間の結合の実質的な変化を原因としているので、結合の変化を原因とするその相互に誘導された少なくとも１つのまたは各々の第１の電気信号の閾値の通過が容易に検出可能であるという利点を提供する。
【００２５】
前記位置検出手段は、少なくとも１つの相互に誘導された第１の電気信号が、前記回転子の予め決められた回転期間中に電気機械の少なくとも１つの巻線における少なくとも１つのそれぞれの閾値よりも大きいかまたは小さい時間の相対比率を求めることによって、少なくとも１つの前記電機子巻線の通電を何時開始するかおよび／または何時終了するかを決定するようになっていてもよい。
【００２６】
前記位置検出手段は、少なくとも１つの相互に誘導された第１の電気信号が、予め決められた制限内において電気機械の少なくとも１つの巻線における少なくとも１つのそれぞれの閾値よりも大きいかまたは小さい時間の相対比率を維持するために、少なくとも１つの前記電機子巻線の通電のタイミングを制御するようになっていてもよい。
【００２７】
この予め決められた制限は、前記機械の出力性能に応じて変化するようになっていてもよい。
【００２８】
前記位置検出手段は、前記制御手段に対して入力される少なくとも１つの誤差信号によって前記通電のタイミングを制御するようになっていてもよい。
【００２９】
前記位置検出手段は、予め決められた期間中に閾値を通過する少なくとも１つの相互に誘導された第１の電気信号の検出失敗に応じて前記通電のタイミングを選択的に制御するようになっていてもよい。
【００３０】
前記位置検出手段は、少なくとも１つの相互に誘導された第１の電気信号が、少なくとも１つの前記第２の電気信号を生じさせるために、少なくとも１つのそれぞれの閾値を何時通過するかを検出するようになっており、かつ、少なくと１つの前記閾値は、対応する前記相互に誘導された第１の電気信号の平均値の関数である。
【００３１】
前記位置検出手段は、前記機械の電気巻線の１つまたは複数の他の巻線の両端間の電圧の存在の結果として生じる前記機械の電気巻線において発生する電流の変化率から、前記固定子に対する前記回転子の回転位置に依存する少なくとも１つの相互に誘導された第１の電気信号を抽出するようになっていてもよい。
【００３２】
前記位置検出手段は、少なくとも１つの前記巻線を通過する電流を伝送する導体によって発生される磁界に磁気的に結合されるようになっている少なくとも１つのそれぞれのコイルを含んでもよい。
【００３３】
このことが、前記コイルの両端間の電圧が対応する互いに誘導された第１の電気信号として使用されることが可能なので、前記機械の電気巻線において発生する電流から、前記固定子に対する前記回転子の回転位置に依存している前記のまたは各々の互いに誘導された第１の電気信号の抽出を単純化するという利点を提供する。さらに別の実施態様では、位置検出手段は、少なくとも１つの相互に誘導された第１の電気信号に関するデータを取得して、前記データを少なくとも１つの既知の回転位置に関するデータと比較するようになっている。
【００３４】
前記位置検出手段は、電気機械の少なくとも１つの他の電気巻線が通電される時、少なくとも１つの電気巻線における少なくとも１つの相互に誘導された第１の電気信号を検出することによって、停止状態にある回転子の回転位置を表す少なくとも１つの第２の電気信号を提供するようになっていてもよい。
【００３５】
前記制御手段は、前記回転子の停止状態において発生される前記位置検出手段からの少なくとも１つの第２の電気信号に応答して、前記回転子を前記固定子に対し安定平衡位置に移動させるようになっていてもよい。
【００３６】
前記位置検出手段は、前記機械の少なくとも１つの他の電気巻線が通電される時に少なくとも１つの前記電気巻線におけるそれぞれの相互に誘導された第１の電気信号を監視することによって、前記固定子に対して前記回転子の最も近い安定平衡位置を示すようになっていてもよい。
【００３７】
前記位置検出手段は、少なくとも１つの前記相互に誘導された第１の電気信号を間欠的にサンプリングすることによって、当該第１の電気信号を監視するようになっていてもよい。
【００３８】
前記位置検出手段は、少なくとも１つの前記第２の電気信号を間欠的にサンプリングすることによって、当該第２の電気信号を監視するようになっていてもよい。
【００３９】
本発明の別の側面によって、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するための、および／または、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するための電気機械を制御する方法が提供され、この電気機械は、複数の回転子磁極を有する回転子と、前記回転子を回転自在に受けるための、かつ、前記回転子と前記固定子との間の第１の起磁力を発生させる界磁磁石手段を有する固定子とを備え、前記固定子は少なくとも２つの電気巻線を有し、前記電気巻線の少なくとも１つは、前記第１の起磁力に対して横断方向の成分を有する変化する第２の起磁力を発生させるために前記固定子に対する前記回転子の回転と同期して変化する電流を伝送するようになっているそれぞれの電機子巻線であり、前記方法は、前記固定子に対する前記回転子の回転位置に依存する少なくとも１つの誘導された第１の電気信号を検出する段階であって、前記のまたは各々の第１の電気信号は前記巻線の少なくとも１つの他の巻線の両端間の電圧によって前記巻線のそれぞれ１つにおいて誘導され、前記電圧は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換し、および／または、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するための前記電気機械の通常動作が要求される検出段階と、前記固定子に対する前記回転子の回転位置を表している少なくとも１つの第２の電気信号を供給する段階と、少なくとも１つの前記第２の電気信号に応答して前記のまたは各々の電機子巻線に対する電流の供給を制御する段階と、を含むことを特徴とする。
【００４０】
前記方法は、さらに、少なくとも１つの前記界磁巻線からの少なくとも１つの相互に誘導された第１の電気信号を検出する段階を含んでもよい。
【００４１】
前記方法は、さらに、少なくとも１つの前記相互に誘導された第１の電気信号が少なくとも１つの前記第２の電気信号を生じさせるため、少なくとも１つの閾値を何時通過するかを検出する段階を含んでもよい。
【００４２】
前記方法は、さらに、前記電気機械の電気巻線が実質的に均一な電圧で通電される時、および／または、前記巻線が通電されない時に、少なくとも１つの相互に誘導された第１の電気信号が少なくとも１つのそれぞれの閾値を何時通過するかを検出する段階を含み、この電圧は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するための、および／または、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するための前記電気機械の通常動作が要求される。
【００４３】
前記方法は、さらに、少なくとも１つの相互に誘導された第１の電気信号が、前記回転子の予め決められた回転期間中に前記電気機械の少なくとも１つの巻線における少なくとも１つのそれぞれの閾値よりも大きいかまたは小さい時間の相対比率を求めることによって、少なくとも１つの前記電機子巻線の通電を何時開始するかおよび／または何時終了するかを決定する段階を含んでもよい。
【００４４】
前記方法は、さらに、少なくとも１つの相互に誘導された第１の電気信号が、予め決められた制限内において前記電気機械の少なくとも１つの巻線において少なくとも１つのそれぞれの閾値よりも大きいかまたは小さい時間の相対比率を維持するために、少なくとも１つの前記電機子巻線の通電のタイミングを制御する段階を含んでもよい。
【００４５】
前記方法は、さらに、前記機械の出力性能に依存する形で前記予め決められた制限を変化させる段階を含んでもよい。
【００４６】
前記方法は、さらに、少なくとも１つの誤差信号によって前記通電のタイミングを制御する段階を含んでもよい。
【００４７】
前記方法は、さらに、予め決められた期間中に閾値を通過する少なくとも１つの相互に誘導された第１の電気信号の検出失敗に応じて前記通電のタイミングを選択的に制御する段階を含んでもよい。
【００４８】
前記方法は、さらに、少なくとも１つの第２の電気信号を発生させるために、少なくとも１つの前記相互に誘導された第１の電気信号が少なくとも１つのそれぞれの閾値を何時通過するかを検出する段階を含んでもよく、かつ、少なくと１つの前記閾値は、対応する前記相互に誘導された第１の電気信号の平均値の関数である。
【００４９】
前記方法は、さらに、前記電気機械の電気巻線の１つまたは複数の他の巻線の両端間の電圧の存在の結果として発生する前記電気機械の巻線の１つにおいて発生する電流の変化率から、前記固定子に対する前記回転子の回転位置に依存している少なくとも１つの相互に誘導された第１の電気信号を抽出する段階を含んでもよい。
【００５０】
前記方法は、さらに、少なくとも１つの相互に誘導された第１の電気信号に関するデータを取得する段階と、前記データを少なくとも１つの既知の回転位置に関するデータと比較する段階とを含んでもよい。
【００５１】
前記方法は、さらに、前記電気機械の少なくとも１つの他の電気巻線が通電される時に、少なくとも１つの電気巻線における少なくとも１つの相互に誘導された第１の電気信号を検出することによって、停止状態にある前記回転子の回転位置を表す少なくとも１つの前記第２の電気信号を提供する段階を含んでもよい。
【００５２】
前記方法は、さらに、前記回転子の停止状態において発生する前記位置検出手段からの少なくとも１つの前記第２の電気信号に応答して、前記回転子を前記固定子に対して安定平衡位置に移動させる段階を含んでもよい。
【００５３】
前記方法は、さらに、前記電気機械の少なくとも１つの他の電気巻線が通電される時に少なくとも１つの前記電気巻線におけるそれぞれの相互に誘導された第１の電気信号を監視することによって、前記固定子に対して前記回転子の最も近い安定平衡位置を示す段階を含んでもよい。
【００５４】
前記方法は、さらに、少なくとも１つの前記相互に誘導された第１の電気信号を間欠的にサンプリングすることによって、少なくとも１つの前記相互に誘導された第１の電気信号を監視する段階を含んでもよい。
【００５５】
前記方法は、さらに、少なくとも１つの前記第２の電気信号を間欠的にサンプリングすることによって、少なくとも１つの前記第２の電気信号を監視する段階を含んでもよい。
【００５６】
本発明のさらに別の側面によって、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するための、および／または、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するための電気機械の少なくとも１つの巻線における電流の変化率を求める方法が提供され、この方法は、前記電流を伝送する導体によって発生される磁界に磁気的に結合される少なくとも１つのそれぞれのコイルにおいて誘導される電圧を監視する段階を含むことを特徴とする。
【００５７】
以下では、本発明の好ましい実施形態が、添付図面を参照しながら、単なる例示のために、かつ、全く限定を意味することなしに説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５８】
電力電子構成
図４を参照すると、磁束スイッチング機械が、８つの内向きの突極３０を備えている固定子２と、巻線のない４つの外向きの突極３１を有する回転子７とを有する。固定子２は界磁巻線１０と電機子巻線１１とを備えている。界磁巻線は通常は同一方向に電流を搬送するように構成されており、一方、電機子巻線は、交番方向に電流を搬送するように構成されている。図４に示されている機械では、電機子電流の１つのサイクルが１つの回転子磁極の回転ピッチに相当する。したがって、電機子電流の１つのサイクルが回転子の９０°の回転に相当する。
【００５９】
図４では、電機子巻線が、２つの固定子スロットに各々がまたがる２つのコイルＡ１、Ａ２、または、隣接するコイルのアクティブ部分が同一の固定子スロット内に収容されるように各々に固定子磁極の周りに巻き付けられている４つのコイルＡ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４を備える。これらのコイルは、電機子巻線を形成するように互いに直列または並列に接続されている。図４の電機子スロット内の正と負の符号が２つの電機子励磁モードの一方における電機子電流極性を示す。電機子電流方向の反転が４つの電機子スロットすべてにおける電流方向を変化させる。
【００６０】
同様に、図４の８スロット固定子内の界磁巻線は、２つの固定子スロットに各々がまたがる２つのコイルＦ１、Ｆ２、または、隣接するコイルのアクティブ部分が同一の固定子スロット内に収容されるように固定子磁極の周りに巻き付けられている４つのコイルＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４を備える。これらのコイルは磁界巻線を形成するように互いに直列または並列に接続されている。
【００６１】
電機子巻線内の両方向性の電流が、図５に示されている幾つかの回路構成（インバータ）の例を使用して制御されることが可能である。
【００６２】
図５ａが、４つの半導体スイッチと４つのダイオードとを使用するフルブリッジインバータ（ｆｕｌｌ  ｂｒｉｄｇｅ  ｉｎｖｅｒｔｅｒ）を示す。Ｓ1とＳ3をオンにすることが、電機子巻線を通って正の電流が流れることを可能にする。スイッチＳ2、Ｓ4をオンにすることが、電機子巻線を通って負の電流が流れることを可能にする。電流がどちらかの方向で生じさせられると、１つのスイッチと１つのダイオードとが導通し、および、ゼロ電圧が電機子巻線に印加される追加の動作モードが使用されることが可能である。
【００６３】
図５ｂが、２つの半導線スイッチが２つのコンデンサと共に必要とされるさらに別のインバータ回路を示す。この２つのコンデンサは、その２つのコンデンサの間のノードに対して２極電源を形成する。スイッチＳ1をオンにすることが、正の電流が電機子巻線を通って流れることを可能にする。スイッチＳ2をオンにすることが、負の電流が電機子巻線を通って流れることを可能にする。各々のスイッチと並列であるダイオードが、反対のスイッチがオフにされる時に電流を伝導する。
【００６４】
これに代わる代案として、各々の電機子巻線部分（Ａ１およびＡ２、または、Ａ１、Ａ２、Ａ３、および、Ａ４）が、緊密に磁気的に結合されている２つのコイルに分割される。電機子コイルは反対の方向に巻き付けられており、および、適切な場合には２本巻きされて、例えばＷＯ９８／０５１１２の図６を参照して説明されているように、電機子巻線の各々が、互いに直列または並列に接続されている４つのコイルＡ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４を備えるように接続されてもよく、および、隣接のコイルのアクティブ部分が同一の固定子スロット内に収容されるように固定子の磁極の周りに巻き付けられてもよい。その次に、これら２つの電機子巻線は、ＷＯ９８／０５１１２で説明されているように、および、図５ｃに示されているように、さらに別のインバータ回路に接続されることが可能である。スイッチＳ1をオンにすることが、正の電流が電機子巻線を通って流れることを可能にする。スイッチＳ2をオンにすることが、電機子巻線の第２の電機子巻線を通電し、および、これが反対の仕方で電源に接続されているので、電機子スロット内の有効電流が負である。反対のスイッチがオフにされる時に、各スイッチと並列のダイオードが電流を伝導する。
【００６５】
界磁巻線内の一方向の電流が、電機子スイッチング構成と直列に界磁巻線を接続する（図６ａと図７ａ）ことによって、または、界磁巻線が電機子スイッチング構成と並列である分路構成（図６ｂと図７ｂ）において、実現されることが可能である。直列の構成では、ダイオードまたはコンデンサまたはその両方が、ＷＯ９８／０５１１２で説明されているように含まれてもよい。図６ｂと図７ｂとに示されている分路構成では、追加のスイッチ（Ｓ5）とダイオードとが、電機子スイッチング構成とは無関係に界磁電流励磁の制御を実現するように示されている。この追加のスイッチは採用随意である。さらに別の代案が、電機子スイッチング構成と直列に接続されている一部の界磁巻線と、その電子スイッチング構成と並列に接続されている一部の界磁巻線とを有することである。さらに、界磁巻線１０は別個の電源から電流を供給されてもよい。
【００６６】
電機子巻線１１は、直列または並列に接続されている２つの電機子巻線部分Ａ１、Ａ２を備えてもよく、および、界磁巻線１０は、直列または並列に接続されている２つの界磁巻線部分Ｆ１、Ｆ２を備えてもよく、これらの巻線部分は、図４において固定子内に示されているように、固定子２上に巻き付けられている。
【００６７】
この場合における巻線構成は、図４に、その図における固定子の外側に表示されている記号によって示されている。図４では、記号「＋」と記号「−」は、１つの励磁モードにおける巻線内の電流の流れの方向を示し、および、交番励磁モードでは、電機子巻線内の電流の流れの方向が反転されるのに対して、界磁巻線内での電流の流れの方向は変化されないということが理解されるだろう。
【００６８】
回路の実施形態のすべてにおいて、電機子スロット内の電流の流れの方向が周期的に反転されるのに対して、界磁巻線における電流の流れの方向が変化されないということが、当業者によって理解されるだろう。
【００６９】
基本的な位置推定方法と低速の具体例
磁束スイッチング機械の電力電子実施形態では、電機子巻線（または界磁巻線）に対する電圧の印加が、界磁巻線（または電機子巻線）内での誘導電圧の形での相互に誘導された電気信号を生じさせる。この誘導電圧の大きさと符号は回転位置に依存する。後述の説明は、回転子の位置を発見するために、および、したがって、その機械を制御するために、どのようにこの誘導電圧が容易に検出されて使用されることが可能であるかを説明する。磁束スイッチング機械の最も普通の動作モードが、電機子に印加される電圧および／または電流を制御することと、制御される電機子と直列または並列に界磁巻線を接続することであるので、本発明の後述の説明は、電圧が電機子巻線に印加されるということと、相互に誘導された電気信号の検出が界磁巻線に関連しているということとを仮定する。モータを回転させるために電機子巻線および／または界磁巻線に印加される電圧が、電気機械の通常の動作のために必要とされる電圧として定義されることが可能な電圧であるということが理解される。
【００７０】
電機子巻線の励磁による界磁巻線内の誘導電圧の大きさは、回転子の回転位置が固定子磁極に対する整合位置の付近にある時に最大である。さらに、これは、界磁巻線内の誘導電圧の（回転子位置に対する）変化率が最小であり、すなわち、これらの整合位置の両側の位置における界磁巻線内の誘導電圧の大きさの変化が制限されている回転子位置でもある。これらの整合位置は、誘導電機子の逆起電力がゼロであり、かつ、最適の電気機械エネルギー変換のための電機子励磁の極性の反転のための理想点である位置である。
【００７１】
基本的な位置検出法の１つの具体例が図８に示されている。図８は、直列接続された界磁巻線を有する磁束スイッチングモータの動作を示す。図８における動作は、電機子電流が過大なレベルに達することを避けるために電機子スイッチの変調が各々の電機子伝導ブロック中に必要とされるように、誘導された電機子の起電力が利用可能な電機子供給電圧よりも著しく低い場合の速度にある。図８に示されているスイッチ信号はスイッチＳ1、Ｓ2に関するものである。図６ａと図６ｂとに示されているように電機子がフルブリッジインバータによって制御される場合には、スイッチＳ3とスイッチＳ4はそれぞれにＳ1とＳ2と同一のパターンに従ってもよいし（ハードチョッピング（ｈａｒｄ  ｃｈｏｐｐｉｎｇ））、または、各々のそれぞれの電機子伝導ブロック中はオンのままにされてもよい（ソフトチョッピング（ｓｏｆｔ  ｃｈｏｐｐｉｎｇ））。
【００７２】
（Ｓ3が存在する場合には、Ｓ3と共に）スイッチＳ1がオンにされる毎に、電機子巻線の両端間での電圧が正であり、電機子電流Ｉ3の正の流れを生じさせる。増大する電機子磁束漏洩が界磁巻線内の誘導電圧を誘導し、この誘導電圧の方向と大きさは位置の関数である。界磁巻線内のこの誘導された電圧は、界磁電流の勾配における変動を重畳する。この変動は、回転子の回転位置に依存した相互に誘導された電気信号を与えるために抽出されることが可能である。
【００７３】
正の電機子起磁力の各々の電機子伝導ブロックの始点（図８の線Ｉ3の始点によって示される）には、電機子に対する正電圧の印加が、界磁電流における正の勾配を重畳する磁界巻線内の電圧を誘導する。この時点では、１つまたは複数のスイッチがオフである時間中に負電圧が電機子巻線に印加される時に、界磁電流の誘導された勾配は負である。
【００７４】
界磁巻線内の誘導電圧と、したがって界磁電流における重畳勾配とが、電機子伝導ブロック中の特定の時点でゼロに減少し、および、界磁電流の重畳勾配は、電機子に印加される電圧の状態に無関係に、無視できるほどにわずかである。この領域内では、電機子の逆起電力は一般に最大であり、および、最大のトルクが特定の電機子電流の場合に発生される。これが電機子伝導ブロックの中央の付近であることが普通である。
【００７５】
正の起磁力の電機子伝導ブロックの終点に向かって、正電圧が電機子に印加される時には界磁電流の重畳勾配は負であり、および、負電圧が電機子巻線に印加される時には界磁電流の重畳勾配は正である。
【００７６】
回転子が回転するのに応じて、回転子が固定子と整合している位置の付近では、電機子の起磁力の極性は、理想的には、所望の方向にトルクを維持するために反転されるべきである。
【００７７】
界磁電流のこの重畳勾配から、最も単純な実現可能な位置検出方法が、図８に点１００ａで示されているサンプル点において、それぞれの電機子スイッチがオンにされる時に界磁電流の重畳勾配の極性を検出する。図８は、界磁電流の重畳勾配の符号が、それが正である（比較器からのロー出力）かまたは負であるか（比較器からのハイ出力）を判定するために比較器によって検査される具体例を示す。（各々の電機子伝導ブロックの第１の部分中に生じるように）界磁電流の重畳勾配がそれぞれのスイッチのオン時間中に正である時には、図８における比較器信号Ｘ1は各々のサンプル点においてローである。そのスイッチの連続したオン時間中に、界磁電流の重畳勾配は減少するが、比較器は、黒点１００ａによって示されているサンプリング点において依然としてローのままである。電機子伝導ブロックの中央付近では、界磁電流の重畳勾配が、そのスイッチがオンである時に負になり、および、そのスイッチがオフである時に正になる。したがって、サンプル点は比較器に関するハイ値を返す。先行のサンプルからのこの変化が、論理信号Ｘ2の状態を変化させるために使用される。この論理信号Ｘ2は、電機子電流の極性が、固定子磁極ピッチの約半分だけ、すなわち、図４では約２２．５°だけ反転させられる必要がある点の順方向にある（図８のＴ2を参照されたい）。この位置は、モータ設計特徴と、機械の運転速度と、必要とされるトルクと依存しているだろう。回転子の速度を知ることによって、１つまたは複数の反対のスイッチが電機子の起磁力の極性を反転させるために使用される必要がある時点を、図８において矢印で示されているように予想することが可能である。
【００７８】
負の電機子の起磁力の電機子伝導ブロックの始点では、負電圧が電機子に印加される時に界磁電流の重畳勾配が正であり、正電圧が電機子巻線に印加される時に界磁電流の重畳勾配が負である。
【００７９】
界磁巻線内の誘導電圧と、したがって界磁電流における重畳勾配とが、負の起磁力の電機子伝導ブロックの中央付近でゼロを通過する。負の起磁力の電機子伝導ブロックの終点では、負電圧が電機子に印加される時に界磁電流の重畳勾配が負であり、正電圧が電機子巻線に印加される時に重畳勾配が正である。
【００８０】
連続したサンプルの相互間の比較器の状態における変化を検出するために必要とされる論理は、それが正または負の伝導ブロックであるかどうかに係わらず同一である。
【００８１】
界磁電流の重畳勾配がモータパラメータと他の回路パラメータとに非常に依存しているので、界磁電流の重畳勾配の極性だけの検出が、界磁電流の重量勾配の絶対測定の必要性をなくす。しかし、これらの問題にも係わらず、追加の位置情報が、各時点における界磁電流の重畳勾配の絶対値を監視することによって得られることが可能である。
【００８２】
微分法
本発明の実施が、電気機械の界磁巻線１０２における電流の測定によって、その次に、界磁電流を表す信号を微分する回路によって実現されることが可能である。微分された信号はその電流の変化率を表しており、また、その値が回転子の位置を計算するために使用されることが可能である。ホール効果電流変換器１０３が、界磁巻線１０２内を流れる電流を測定するために使用されることが可能であり、また、図９ａと図９ｂに示されている通りの単純なＣＲ（１１２と１１３）回路を使用するアナログ微分回路が使用されることが可能である。図９ａを参照すると、交流電源１００からの整流された直流電流が整流器ブリッジ１０１を経由して界磁巻線１０２に供給され、この界磁巻線１０２はホール効果電流変換器１０３に直列に接続されている。密結合した２本巻巻線の中の１対の電機子巻線１０４、１０５が、それぞれのトランジスタスイッチ１０６、１０７によって界磁巻線１０２に選択的に直列接続される。スイッチ１０６、１０７の各々は、その他の巻線１０５、１０４を制御するスイッチ１０７、１０６がオフにされる時に巻線１０４、１０５内に誘導される電流を伝導するためにダイオード１０８を備えている。抵抗器１１０とコンデンサ１１１と２つのダイオード１１１ａとを備えるスナバ回路１０９が、巻線１０４、１０５内で誘導される電圧がスイッチング遷移中にそのスイッチに損傷を与えることを防止する。スナバ回路１０９の役割は、密結合した電機子巻線の漏洩インダクタンスに関連したエネルギーを吸収することである。スナバ回路１０９の動作はＷＯ９８／０５１１２にさらに詳細に説明されている。
【００８３】
本発明の最も単純な実施形態では、モータを制御するための十分な情報が、界磁電流の重畳勾配を表す信号の抽出なしに、界磁電流の勾配の極性の検出から得ることが可能である。さらに明確に述べると、モータを制御するために十分な情報が、電力電子変換器におけるスイッチの状態の変化によっては引き起こされない界磁電流の勾配の極性の反転の検出から得ることが可能である。こうした実施形態では、微分された界磁電流信号をゼロレベルに対して比較するように設定された比較器１１４の使用が、界磁電流の勾配の極性だけに依存しているロジックハイ（ｌｏｇｉｃ  ｈｉｇｈ）またはロジックロー（ｌｏｇｉｃ  ｌｏｗ）を生じさせる。これらの論理信号は、例えばマイクロコントローラ１１５の形で具体化されるディジタルコントローラに対する入力として直接使用することが可能である。これも図９ｂに示されている。
【００８４】
図９ｂにさらに詳細に示されているように、抵抗器１１６の両端間で生じさせられるホール効果電流変換器１０３の出力電圧が、界磁巻線１０２内を流れる電流の大きさに比例しており、また、抵抗器１１２とコンデンサ１１３とを含む微分回路に入力され、（界磁巻線１０２における電流の変化率を表す）その微分回路の出力が比較器１１４に入力される。界磁巻線１０２における電流の変化率が正または負であるかどうかを示す比較器１１４からの出力信号が、スイッチ１０６、１０７の動作を制御するコントローラ１１５に入力される。
【００８５】
実際の磁束スイッチング駆動装置では、界磁電流が、より高コストのホール効果電流変換器ではなく接地基準抵抗器（ｇｒｏｕｎｄ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｄ  ｒｅｓｉｓｔｏｒ）によって検出され得ることが好ましい。これを具体化する回路が図１０に示されており、この回路では図９ａの実施形態と共通する部品が１００を増分した類似の参照番号によって示されており、また、この回路は、得られる信号がすべての論理および電力スイッチと同一の接地を直接に基準としていることを可能にする。この場合には、信号は正のレール（ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｒａｉｌ）における界磁電流の測定に関連して反転させられているが、これは計算に入れることが可能である。その次に、抵抗器２０３の両端間での電圧が図９ｂの場合のように微分回路に入力することが可能である。
【００８６】
これまでに説明してきた実施形態が、巻線における電流の測定とこの信号の微分とを比較的低コストで可能にするが、その単純な微分回路では、帯域幅が制限されており、かつ、電圧利得が得られない。より高性能の回路は、当業者にはよく知られているように、演算増幅器を使用して実現されるアナログ微分器回路を使用するだろう。こうした回路におけるノイズと位相遅延とを最小限にするために注意が払われなければならない。
【００８７】
本発明の好ましい実施形態が、電気機械の巻線内の電流を搬送する導線を取り囲む磁界に結合されている、コイル内で誘導される電圧を監視することによって、単一の段階で巻線電流の微分を実現する。機械の界磁電流を搬送する導線は、その導線内を流れる電流に比例している、その導線を取り囲む磁界を有する。１つのコイル（すなわち、一巻線）が導線を取り囲む磁界と結合するように配置されており、また、導線内の電流の変化率に比例しているそのコイル内に誘導される電圧を有するだろう。導線の周囲の磁界は、１より大きい相対的に透磁性の適切な磁路によってその導線の磁界をそのコイルに結合するように構成することによって有効に強化されることが可能である。好ましい構成は、図１１ａに示されているような磁心の中央を通過する微分されるべき電流を搬送する導線を有する単純な磁心とコイルとを使用するだろう。
【００８８】
様々な磁気結合構成を使用する代案を想定することが可能である。導線とコイルとが、図１１ｂに示されているようにプリント回路基板の表面上に存在することも可能である。こうした構成の磁気結合は、必要に応じて、プリント回路基板の上方または下方に磁性材料を追加することによって強化されることが可能である。
【００８９】
最も単純な採用可能な検出方法では、図１１ａまたは図１１ｂにおけるコイル内で誘導される電圧が、電圧比較器の正および負の信号入力に直接的に印加される。この比較器からの電気出力信号は、コイルを通過する導線内の電流の勾配の符号に応じてロジックハイかロジックローであるだろう。その比較器の電気出力信号は回転子の回転位置に関する情報を含み、また、本発明によるディジタルコントローラに対する入力として使用可能である。
【００９０】
図１２に示されている本発明の１つの実際的な具体例では、磁界電流を搬送する導線が、巻回数１０００のコイルを伴う環状磁心（Ｔｅｌｃｏｎ  ｃｏｒｅ  ＨＥＳ  ２５ＶＴ）３２０の中央を通過する。このコイル上の電圧は、その磁心内の磁束の変化率と、したがって界磁電流の変化率とに比例している。アナログ処理が不要である場合には、そのコイルの一方の末端は、１０ｋ抵抗器３２１を経由して直接的に比較器３２２の第１の入力に送り込まれる。このコイルの第２の末端は、比較器３２２の第２の入力に接続されており、また、この場合には、それはゼロ電圧供給レールである。比較器３２２の出力は、その比較器の電気出力信号から回転子の回転位置を復号するためのモータ制御アルゴリズムおよび論理を含むマイクロコントローラ３２４に対する入力として使用される。このマイクロコントローラは、上述したように予め決められたサンプル点における比較器の状態を記録するように、また、２つの連続したサンプルが状態を変化させる時点を発見するように構成されている。その次に、電機子励磁の反転のための理想点の予測が、回転速度と、回転子が固定子磁極ピッチのさらに半分を回転するのに要する時間とに基づいて行われ得る。
【００９１】
本発明のこの実施形態は実際の界磁電流の測定と調整とを必要とせず、このことがこの実施形態を極めて低コストにすると共に、製造上のばらつきまたは温度を原因とするモータパラメータの変化に対して非常に安定したものにする。コイルの第２の末端は、任意の選択された基準電圧に接続されてよく、または、比較器だけに単純に接続されてもよい。
【００９２】
高速の具体例
モータの速度が増大するにつれて、各々の電機子導電ブロック全体にわたって反復パルス幅変調によって電機子電流の値を変調する必要が減少する。これは、特に、電機子が２つの密結合巻線によって構成されている図７ａと図７ｂの回路に当てはまる。こうした回路では、反復スイッチングが、装置のスイッチング損失に加えて、コイルの漏洩インダクタンスに関連したエネルギー消散を引き起こす。モータの速度とトルクとの制御が、各々の電機子伝導サイクル中の時間長さの間の電機子スイッチの動作によって実現されることが可能であり、この時間長さは、ＰＣＴ／ＧＢ００／０３１９７に説明されているように負荷の必要条件と回転子速度とによって決定される。
【００９３】
したがって、図８に示されている方法は、反復パルス幅変調がもはや適切ではないより高速の速度における使用に適するように適合化されなければならない。さらに、回転子の速度が増大するにつれて、界磁電流の勾配のサンプリングに基づいている方法は、勾配が符号を変える時点の検出において誤りを生じさせ、この誤りは、モータの回転周波数に関連したサンプル周波数の減少率に関係している。そのスイッチの状態がパルス幅変調電流制御または電圧制御を実現するように変化していないので、スイッチがオンである時間中に、または、スイッチがオフである時間中に生じる界磁電流の勾配の状態のあらゆる変化は、界磁巻線と電機子巻線との間の結合における変化に純粋に起因している。
【００９４】
電機子電流の各極性に関連している電機子スイッチが電機子伝導サイクルの一部分の間は伝導状態のままである高速モードでの本発明の動作方法を、図１４を参照して説明することが可能である。界磁電流の勾配の状態変化は、インバータにおける電機子スイッチのオン時間またはオフ時間中に発生して検出されることが可能である。
【００９５】
図１４は、典型的な電機子伝導サイクル全体にわたっての事象シーケンスを示す。図１４の始点では、信号ＡＲＭＳＷ１がハイである。このことは、図７ａと図７ｂのＳ1（または、図６ａと図６ｂではスイッチＳ1とスイッチＳ3）がオンであり、かつ、正電圧が電機子巻線に印加され、かつ、有効（組合せ）電機子電流が正であるということを示す。電機子巻線に正電圧を印加することにより、モータの界磁巻線内の電圧を誘導する。モータが回転するのに応じて、その相互に誘導された電圧が正から負に変化し、このことが、界磁電流の重畳勾配を正から負に変化させる要因となる。
【００９６】
正の電機子伝導ブロック中の時点において、界磁電流の勾配が、比較器信号の立ち上がりエッジによって示されているように正から負に変化するだろう。この状態変化の時点がマイクロコントローラまたはこれと同等の電子回路によって記録され、および、図１４ではＴc（領域Ｃの持続時間）である、正の電圧が最初に電機子に印加されてから経過した時間が算出される。
【００９７】
次に、ハイの状態のままであるＡＲＳＷ１信号の残留時間Ｔa（領域Ａの持続時間）が算出可能である。Ｔa＝Ｔpulse−Ｔcであり、ここでＴpulseは、ＰＣＴ／ＧＢ００／０３１９７または他の同等の手段にしたがって計算されてよいパルスの持続時間であるか、または、電機子反復サイクルの固定された割合であってよいパルスの持続時間である。
【００９８】
Ｔaが経過し終わった後に、ＡＲＭＳＷ１がローとなって１つまたは複数の電機子スイッチをオフにし、また、領域Ｂが開始させられる。電機子励磁サイクル時間の各半サイクルに要する時間（８つの固定子磁極と４つの回転子磁極とを有するモータにおける４５回転に要する時間）がＴhalfcycleであり、領域Ｂの間の時間Ｔbを、Ｔb＝Ｔhalf-cycle−Ｔpulseから算出することが可能である。
【００９９】
領域Ｂの終点では、反対の電機子スイッチ信号ＡＲＭＳＷ２がハイにされ、１つまたは複数の反対の電機子スイッチをオンにし、電機子巻線に負の電圧を印加し、および、モータの完全動作サイクルのために必要な負の電機子電流を生じさせる。
【０１００】
代案のまたは追加の同期化方法として、界磁電流の勾配の符号を表す比較器を領域Ｂ中に監視することが可能である。正の電機子伝導ブロックに後続する領域Ｂの最中は、電機子に印加される電圧は負である。領域Ｂが電機子伝導半サイクルの後半部分内で生じているので、界磁電流の勾配は、１つまたは複数のスイッチがオフにされた後では正であり、かつ、比較器信号がローであることになる。
【０１０１】
領域Ｂ中には、正から負へのその勾配の符号の変化は、回転子が、印加された負の電機子電圧が界磁電流の負勾配を生じさせている時点に達し終わるのに十分な角度にわたって回転し終わっているということを示す。これは、負の電機子伝導ブロックが開始することが可能である回転子角度の明確な表示である。電機子回路は、反対の極性の電流によって再び通電することが可能である。したがって、スイッチがオフである時間中における正から負へのその勾配変化（図１４における比較器のロー／ハイ）の検出が、反対の極性の電機子伝導を開始する時点を同期させるために使用することが可能である。この遷移を検出した時点で直ちに反対の極性の電機子伝導を開始することは必ずしも必要であるとは限らない。Ｔpulseが各半サイクルＴhalfcycleの予測された時間よりも小さい場合には、図１４に示されているように遅延を挿入することが可能である。全負荷条件下で生じるように、Ｔpulseが各半サイクルＴhalf-cycleの予測された時間よりも大きい場合には、このポイントにおける遅延は最小限だろう。
【０１０２】
フィルタ位置と呼ばれる信号も、同様に図１４に示されている。微分信号中の擬似の遷移がスイッチング後に生じる可能性があるので、スイッチがオンにされた後の一定の時間の間は比較器信号が監視されないことが推奨される。同様のフィルタリングを、スイッチをオフにした後（領域Ｂの開始）後に加えることが可能である。
【０１０３】
特定の具体例では、各々の電機子反転に応じて状態を変化させる内部信号をコントローラ内で生じさせることが有利なことがある。この信号、すなわち、図１４のＳ状態は、従来のセンサを有する機械において通常存在する信号と同一である。
【０１０４】
モータが加速するのに応じて、異なるアルゴリズムが、各速度におけるパルスを計算するために使用される。モータの速度がコントローラにとって使用可能であり、また、領域Ａ、Ｂ、Ｃの時間の合計によって得られる。クローズドループ速度制御システムが、この時間を各半サイクルに関する目標時間と比較することと、測定された速度におけるあらゆる誤差を訂正するためにその次の半サイクル中により大きいかより小さいパルスを生じさせることとによって、容易に実現することが可能である。
【０１０５】
特定の具体例では、電機子巻線に印加される相互に誘導された電圧以外の効果を原因とする界磁電流の勾配の変化が存在する時間があってよい。
【０１０６】
例えば、直列磁束スイッチングモータの電機子巻線に印加される割合励磁の急激な増大がある場合には、このことは界磁電流の増大に伴われるだろう。
【０１０７】
さらに別の例では、図５、図６または図７の電力電子回路に印加される直流電圧が、最小の平滑静電容量を伴う整流交流電源から得られる場合には、電力電子回路の両端間での電圧は整流された正弦波の波形（ｐｒｏｆｉｌｅ）で変化するだろう。電機子巻線と界磁巻線とにおける電流波形は、この整流された正弦波にしたがって変化するだろう。その電圧がゼロから上昇すると、界磁巻線内の電流の変化率が平均の正値を有するだろう。電機子巻線の励磁を原因とする界磁巻線内の相互誘導電圧が、界磁電流の勾配のこの平均の正値に重畳された界磁電流の勾配の追加的な変化を生じさせる。回転子の回転位置を表す相互に誘導された電気信号は、依然として存在するが、界磁電流の勾配が電機子伝導サイクル中には極性を全く変化させないように、界磁電流の勾配のより長期間の平均値によってマスクしてもよい。したがって、回転子の回転位置を表している相互に誘導された電気信号を明瞭に検出することを可能にするためには、その電流の勾配の長期間の平均値の影響を電流波形の微分から取り除くことが必要である。
【０１０８】
こうした状況下における位置検出手段の動作が幾つかの方法で進行することが可能であり、また、２つのこうした方法を例示のために本明細書で説明する。
【０１０９】
界磁巻線から得られた微分信号は、回転子の回転位置を表している相互に誘導された電気信号を含み、また、その機械の平均励磁レベルのあらゆる変動も含んでいる。機械の平均励磁レベルの変動は、一般的に、相互誘導の変動に比較して低周波数においてであろう。第１の方法は、微分された界磁電流を表す信号が比較器に印加される前に、その信号をフィルタリングすることである。このフィルタは、機械の平均励磁におけるより緩慢な変動を原因として、信号を除去する最中に、相互誘導された電気信号を含む信号が通過することを可能にするための高域フィルタまたは低域フィルタであるだろう。その次に、このフィルタの出力が、上述したように比較器に送られて、相互に誘導された電気信号が正であるか負であるかどうかを判定するために、また、したがって回転子の回転位置を発見するために、ゼロと比較することが可能である。
【０１１０】
高域フィルタの具体化は、一般的に、低域フィルタよりも困難である。第２の方法は、モータの平均励磁の変化率を表している界磁電流の勾配の成分を表す信号を生じさせる電気信号の低域フィルタを使用する。この信号は比較器の基準ピンに印加される。その次に、回転子の回転位置と機械の平均励磁レベルの変動とを表している相互に誘導された電気信号を含む電気信号が、この非ゼロの基準と比較される。この方法は、最小の電圧平滑を伴う交流給電の整流から得られる直流電圧から機械を作動させる時に特に有益である。本発明の１つの完全な具体化が図２６によって示されている。固定子３０と回転子３１を有する電気機械が、適切な電力電子コントローラ４０１によって通電される界磁巻線Ｆと電機子巻線Ａとを有する。コントローラ４００が、その機械の所望の動作を実現するように電機子電流を制御するために電力電子コントローラ４０１に信号を送る。
【０１１１】
その機械がモータとして動作する時は、電機子巻線Ａは、回転子３１の回転と同期した印加電圧の印加によって電力電子コントローラから電流を供給されるだろう。回転子の回転位置に基づいている相互に誘導された第１の電気信号が界磁巻線Ｆ内で誘導されるだろう。これは、電力電子コントローラ４０１によって供給される界磁電流に重畳勾配を生じさせるだろう。この相互に誘導された第１の電気信号は、微分器回路であってもよいしまたは界磁電流導線の周囲の磁界に結合しているコイルであってもよいブロック４０２によって界磁電流から抽出されることが可能である。ブロック４０２の出力は、相互に誘導された第１の電気信号の大きさを表す。ブロック４０３は、フィルタ回路を含んでよい採用随意の信号調整回路である。ブロック４０４は比較器４０５のための基準電圧を生じさせる。比較器４０５がその相互に誘導された第１の電気信号の極性を判定するように、この基準電圧はゼロであることが可能である。比較器からの出力は、相互に誘導された第１の電気信号がブロック４０４によって印加される閾値よりも小さいか大きいかどうかを示すディジタル信号である。この比較器出力、すなわち、第２の電気信号は、固定子に対する相対的な回転子の回転位置を表し、また、電機子励磁部と回転子位置との間の同期性を維持するためにコントローラ４００に印加される。コントローラ４００は、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路、または、任意の他の適切な電子回路であってよい。
【０１１２】
上述の改良された具体例では、ブロック４０４は、相互に誘導された第１の電気信号の平均値から基準を生じさせるための低域フィルタを実現する。この基準は比較器の一方の入力に加えられる。この場合には、ブロック４０３は、相互に誘導された第１の電気信号をフィルタリングなしに比較器に直接送ってもよい。
【０１１３】
基本的な方法に対するこれらの副次的な変形例は、上述の方法が、相互に誘導された電気信号が極性を変化させるポイントを正確に検出する最良の機会を有することを確実なものにする。
【０１１４】
モータの初期設定と始動
図８が、低速度では、界磁電流の勾配の極性変化が電機子電流の反転の理想点から固定子磁極ピッチの約半分だけ離れて生じることを示した。モータが回転すると、この情報を、同一方向にトルクを維持するために電機子電流の反転のための位置を推定するために使用することが可能である。しかし、モータが静止状態にある時には、利用可能な情報は、それ自体としては、所望の方向にモータを始動するためのトルクを生じさせる電機子電流の極性を決定するのには不十分である。
【０１１５】
本発明のさらに別の実施形態を含む新たな手順が、モータの適切な始動を可能にする。始動時には、位置情報を、モータの一方の巻線、例えば電機子巻線にパルス印加（ｐｕｌｓｅ）することによって発見することが可能である。他方の巻線、例えば界磁巻線内で誘導される電圧は、回転子位置に関する何らかの情報を得るために検出することが可能な第２の巻線内を流れる電流の変化を発生させる。
【０１１６】
図１５は、この方法から得ることが可能な位置情報を示す。Ｓ1（および、フルブリッジインバータの場合には、Ｓ3）が短い時間の間だけオンにされる場合には、正電圧が電機子巻線に印加されるだろう。電機子巻線内の電流が増大するだろう。しかし、界磁巻線内の電流は、回転子の方向配置と、電機子巻線と界磁巻線との間の磁気結合の度合いとに応じて増減するだろう。図１５は、回転子磁極が固定子磁極と整合している場合の、固定子の磁極ピッチ（８／４モータでは４５°）分だけ離れている２つの位置を示す。整合位置１は、界磁巻線内の電流と電機子巻線内の電流とが両方とも正である時の回転子に関する安定平衡位置である（通電されたＳ1との（およびＳ3が存在する場合にはＳ3との）整合した位置）。整合位置２は、界磁巻線内の電流が正であるが電機子巻線内の電流が負である時の回転子に関する安定平衡位置である（通電されたＳ2との（およびＳ4が存在する場合にはＳ4との）整合した位置）。（８／４モータにおける）約２２．５°の場合には、短いパルスをＳ1に印加する整合位置１の両側が、電機子に対して正電圧を印加し、また、界磁電流に負の勾配を生じさせる。比較器の上述の説明で使用した構成では、これは比較器においてハイ値を生じさせるだろう。この同じ領域内で、Ｓ2にパルス印加することが、図１５に示すように、界磁電流における正の増大と、比較器のロー値とを生じさせるだろう。
【０１１７】
電機子巻線に対してどちらかの極性の電圧を印加することが、２つの整合位置のどちらに回転子がより近いかを判定するために、図１５に示されている情報と組み合わせて使用することが可能である。
【０１１８】
この情報によって、領域１または領域２のどちらかに存在するものとして回転子を分類することが有用である。回転子が領域１内にある場合には、Ｓ1（および、フルブリッジインバータの場合にはＳ3）の通電が、正の電機子電流と、領域１の整合位置１に向かって回転子を引っ張る作用をするトルクとを生じさせるだろう。これは両方向の回転を含んでよいが、整合位置に対して最短の角距離であることが確実なものにされる。
【０１１９】
機械が何らかの既知の固定子非対称性または回転子非対称性を有するならば、反対の電流極性による電機子の通電が、既知の方向において領域１の整合位置１の外に回転子を引っ張り出すためのトルクを生じさせるだろう。（所望の方向における整合位置からの始動トルクを確実なものにするために回転子が非対称性を有することは、回転子磁極の２倍の数の固定子磁極を有する磁束スイッチングモータまたは切替リラクタンスモータにおいて一般的である。）
【０１２０】
その後で、界磁電流の勾配におけるその次の反転が、その次の整合位置への中間位置で検出され、また、電機子電流極性を再び反転させる時点を予測するために使用されるだろう。
【０１２１】
先行の特許出願（ＰＣＴ／ＧＢ００／０３２１３）が、初期電機子励磁パルスが界磁電流の流れを生じさせるために長さを伸長させられ、および、その後に、短縮されたデューティ比でパルス幅変調が引き続いて行われる、モータの始動のための手順を説明した。機械的センサなしの本発明の上述の実施形態によるモータの始動が実現可能であると同時に、ＰＣＴ／ＧＢ００／０３２１３において具体化されている通りの直列磁束スイッチングモータのための始動手順にも合致する。
【０１２２】
一方の極性の電機子電流によってモータが通電されるまで、センサのないコントローラにとっては位置情報は使用不可能である。電機子電流極性の初期選択は重要ではない。初期パルスは、界磁電流を生じさせるのに十分な持続時間を有する。電機子から界磁への誘導された電圧の効果が界磁電流の初期設定に関連した電流の大きな正の変化率によって覆い隠されるので、初期パルスの最中における界磁電流とその勾配との検出は困難である。
【０１２３】
両方の電圧極性の後続のパルス幅変調パルスの最中の界磁電流の勾配が、より明確な位置依存情報を与える。その次に、この後続のパルス幅変調パルスにおいて、図１４に示されている情報を、その２つの領域の一方の内側の回転子位置を発見するために使用することが可能である。
【０１２４】
領域１内では、回転子が整合位置１に最も近く、正の電機子電流が、正の電機子電流に関する安定平衡点に向かって、回転子ピッチの４分の１以下だけ回転子を順方向または逆方向に移動させるだろう。適切な時間が経過した後に、励磁を負に変化させることが、固定子および回転子の積層構造設計における何らかの非対称性によって決定された既知の回転方向において、安定平衡点から遠ざかるように回転子を引っ張るだろう。すべての後続の整流点を、図８を参照して説明されるようにセンサなしのデータから算出することが可能である。
【０１２５】
領域２内では、回転子が整合位置２に最も近く、負の電機子電流が、負の電機子電流に関する安定平衡点に向かって回転子を順方向または逆方向に移動させるだろう。適切な時間が経過した後に、励磁を正に変化させることが、既知の回転方向において安定平衡点から遠ざかるように回転子を引っ張るだろう。
【０１２６】
電流の反転が生じる前に回転子が静的平衡点に完全に静止しているように準備することは必要ではない。これは、回転子が順方向にその領域の整合位置に向かって移動しているならば、回転子が静止状態になる前に電流反転が生じることが可能であり、および、回転子の慣性が所望の方向に回転子の回転を保つことを補助するだろうからである。これとは反対に、回転子がそれぞれの領域の整合位置に向かって逆方向に引っ張られなければならない場合には、生じさせられるトルクが適正な方向にあるので、電流の早期の反転が生じても支障がない。初期の領域選択によって決定される初期極性から、既知の方向におけるトルク発生のために必要とされる極性へ励磁における変化が生じるための適切な時間の長さが、積層設計、静的負荷トルク、回転子慣性、供給電圧、パルス幅変調デューティ比、固定子巻線インピーダンス等によって決まるだろう。この時間は、経験的に最適化することが可能であり、または、電気および機械システムの数学的モデルから決定することが可能である。
【０１２７】
磁束スイッチングモータ（ＰＣＴ／ＧＢ００／０２４３９）における固定子の非対称性が、一方の領域を他方の領域よりもわずかに広くすることがあるが、本発明の原理に悪影響を与えないということが留意されなければならない。この方法は、最初に既知の始動方向において回転子を動かすことと、その次に方向の反転を始めることとによって、非対称性がそのために設計されていた方向とは反対の方向の回転を実現するように容易に適合化することが可能である。
【０１２８】
低速度（パルス幅変調）から高速度（単一パルス）への移行
低速度のパルス幅変調制御モードから高速度の単一パルスルーチンへの移行中には、界磁電流の平均レベルの急激な増大が生じる可能性がある。界磁電流のこの大きな増大は、電機子結合の変動を理由として内部誘導電圧をマスクする。したがって、通常の微分器／比較器構成は、スイッチのオンタイム中の界磁電流の勾配の極性変化を検出しないことがある。これは、単一パルスモードに入った後の最初の３つの電機子パルス中における、図１６に示されている実験波形から理解することが可能である。図１６では、トレースＸ10が基準のためだけに示されているモータの軸上の機械的センサであり、トレースＸ12が組合せ電機子電流（２０Ａ／ｄｉｖ）であり、トレースＸ14が、微分界磁電流信号をゼロ基準に比較することによって生じさせられた比較器からの電気出力信号であり、トレースＸ16が界磁電流（２０Ａ／ｄｉｖ）である。比較器の立ち上がりエッジは、パルス幅変調チョッピングの終了後の第１および第３の電機子電流パルスにおいてはスイッチのオンタイム中には存在しない。
【０１２９】
本発明の実施形態が、電機子の正および負サイクルに関するスイッチング時間の選択がパルス幅変調モードから単一パルスモードへの移行の直前の回転子の位置および速度の情報から予め計算されることを可能にする。幾つかの電機子パルスにより、明白にオープンループの形でモータを駆動することが、安定させるための界磁電流移行時間と、回復されるべき（図１４に示されているような）通常の比較器単一パルス動作とをもたらす。この移行が図１６に示されている。
【０１３０】
単一パルスルーチンに入る判断が電機子伝導ブロック内の幾つかのパルス幅変調サイクルに基づいている場合には、移行が開始される際の実際の速度に変動がある可能性がある。予め算出されたスイッチング時間を使用して半回転以上にわたってモータの開いたループを駆動するシステムが、誤りを生じさせやすい可能性がある。
【０１３１】
この移行の安定性を改善するために、本発明のさらに別の実施形態を使用することが可能である。本発明のこのさらに別の実施形態では、回転子位置に関する巻線への電圧印加の開始と終了の位置を、機械回転のあらゆる部分中における巻線電流の正および／または負の勾配の相対的な時間を監視することによって変更することが可能である。
【０１３２】
この実施形態の１つの具体例では、その移行後の４番目のパルスが、適応パルス位置アルゴリズムを実行するために監視される。パルス幅変調から比較器の立ち上がりエッジへの移行の後に４番目の電機子伝導ブロックを開始するためのスイッチのターンオンからの時間が、パルスの位置の測度を与える。この時間は図１７（ａ）にカーソルによって示されており、トレースＸ20が基準のためだけに示されているモータの軸上の機械的センサであり、トレースＸ22が組合せ電機子電流（２０Ａ／ｄｉｖ）であり、トレースＸ24が、微分界磁電流信号をゼロ基準と比較することによって生じた比較器からの電気出力信号であり、トレースＸ26が界磁電流（２０Ａ／ｄｉｖ）である。トレースＸ28、Ｘ30、Ｘ32、Ｘ34が、単一パルス動作に入った後の４番目の電機子電流パルスをより明瞭に示すための、水平軸線において拡大されたＸ20、Ｘ22、Ｘ24、Ｘ26の詳細図である。
【０１３３】
単一パルスへの移行が約５０００回転／分の測度で生じていた１つの特定の例では、８つの固定子歯と４つの回転子歯を有するモータにおける電機子励磁の完全サイクルの期間（正と負の電機子伝導ブロック）が、この速度で３ミリ秒である。本発明のこの実施形態の一例は、電機子に対する正の電圧の印加から比較器の立ち上がりエッジ（界磁電流の勾配が正から負に変化する時点）までの時間を測定する。この時間は、図１４ではＴcとして定義されている時間である。この例では、この速度において、時間Ｔcが７５０マイクロ秒未満（回転子が４５度回転するのに要する時間の５０％）であり、その次に、５番目のパルスを開始するためにその次のスイッチがオンになる前のオフ時間（その次のＴb）が、Ｔcの測定値の１．５倍に設定される。これは、図１７（ａ）にカーソルによって示されており、この図では、４番目のパルスの始点から比較器の立ち上がりエッジまでの測定された時間が３０４ミリ秒にすぎなかった。図１７ｂは、４番目のパルスのターンオフから５番目のパルスのターンオン点までの時間がＴcの１．５倍、すなわち、４５６マイクロ秒に設定されているということを示す。
【０１３４】
４番目のパルスにおいて測定された時間Ｔcが７５０マイクロ秒よりも大きかった場合には、６番目のスイッチがオンになる前のオフ時間がその測定された時間と同じ値に設定され、すなわち、Ｔb＝Ｔcであるだろう。
【０１３５】
７５０マイクロ秒というこの例において示されている値は、電機子伝導ブロックの約半分に相当する。したがって、Ｔcの値が電機子半サイクルの持続時間の５０％未満であることを確実なものにするように、パルスを調整することが好ましく、また、好ましくは、Ｔcは電機子半サイクルの２０％から４０％の範囲内であるべきである。しかし、電機子電圧パルスの時間（Ｔpulse）がＴhalfcycleの５０％未満である場合には、好ましくは、Ｔcの値がＴhalf-cycleの２０％未満であることが許されてもよい。
【０１３６】
このアルゴリズムの実行が、単一パルスルーチンに入る際の速度の変動に対処するための５番目のパルスの位置決めを著しく改善するということが発見されている。
【０１３７】
単一パルスルーチンにおける適応パルス再位置決め
特定の場合には、特に、勾配情報が電機子スイッチのオフ時間中に得られない場合には、電機子スイッチのターンオン点が理想よりも早すぎるか遅すぎることがある。電機子電流の非理想的なターンオン点を、そのスイッチのターンオンから界磁電流トレースのピークまでに要する時間の長さＴcから検出することが可能である。これは、時間ｔ0からｔ1として図１８に示されており、および、図１４においてはＴcとして定義されていた。
【０１３８】
電機子電流のターンオン点が理想よりも遅い場合には、時間ＴcはＴpulseのより小さい割合になり、ここでＴpulseは、正または負の電圧が電機子伝導ブロック中に電機子に印加される時間である（図１８ではｔ2−ｔ0）。この時間は、適切な電子回路によって、または、マイクロコントローラ内のタイマによって測定することが可能である。ｔ1−ｔ0の測定値は、Ｓ2の励磁がｔ4ではなくｔ3で開始されるように、その次の電機子励磁パルスに関するより適切な位置を計算するために使用することが可能である。より早期のターンオン点が、理想トルク発生領域のより近くに電機子伝導ブロックを移動させる。この調整が完了すると、時間ｔ5−ｔ3（その次のパルスにおけるＴc）が再び時間Ｔpulseのより適切な部分である。
【０１３９】
図１９は、理想よりも早期に起こっている電機子励磁パルスを訂正するためのこのアルゴリズムの具体例を示す。図１９では、トレースＸ60が基準のためだけに示されているモータの軸上の機械的センサであり、トレースＸ62が組合せ電機子電流（２０Ａ／ｄｉｖ）であり、トレースＸ64が、各電機子伝導パルスの開始を引き起こすタイマ中断の位置を示すマイクロコントローラのディジタル出力であり、トレースＸ66が、微分された界磁電流信号をゼロ基準と比較することによって生じさせられる比較器からの電気出力信号である。２つの正の電機子パルスと２つの負の電機子パルスは、電機子パルスの間のオフ時間中の比較器立ち上がりエッジの不在時にタイマによって位置決めされたものである。
【０１４０】
有効立ち上がりエッジ比較器信号が幾つかの連続したパルスのオフ時間中に検出されない場合には、パルス位置が理想的ではないと仮定することが可能である。時間Ｔcが測定される（図１９におけるズーム窓の中央を過ぎた直後）。その次に、その次のオフ時間（Ｔb）が、その次の電機子電流パルスを再位置決めして、取り出される電流を減少させ、また、オフ時間中の比較器エッジを即座に再形成する、１．２５Ｔcとして算出される。
【０１４１】
それに続いて、オフ時間比較器なしに４つの電機子半サイクルが生じる場合には、再位置決めアルゴリズムを再び実行することが可能である。
【０１４２】
これまでに説明された再位置決めアルゴリズムは、スイッチのオフ時間中の比較器信号を再発生することが可能となるように、パルスの位置がある特定の位置に移動されることを確実にするためにパルス位置に対する予め算出された調整を使用する。特定の機械では、オフ時間比較器信号が、パルス位置の同期化のために信頼するのに十分だけの頻度で生じることがないことがある。これは、次の状況において生じるだろう。
１．特定の電子回路の具体例では、図６ａと図７ａにおけるコンデンサが駆動装置のコストを低減させるために存在しなくてもよい。これは、特に単一パルスモードにおいて界磁電流波形の形状を変化させ、また、スイッチのオフ時間中の比較器信号が一貫性がより低く、また、全く存在しないことも時としてある。
２．特定の電子回路の具体例では、高速度での電機子電圧の昇圧を可能にするために、図６ａと図７ａにおけるダイオードを取り除くことが有益である。これは、特に単一パルスモードにおいて界磁電流波形の形状を変化させ、また、電機子スイッチング回路のオフ時間中の界磁電流の勾配の変化が、電機子電流のオフ時間中のより大きい負の界磁巻線電圧によってマスクされる。
３．磁束スイッチングモータにおける電機子パルスが使用可能時間の１００％に近づく時に、その次の電機子パルスのターンオンを同期化するために使用されるオフ時間中の比較器エッジが消滅する。
４．界磁巻線に恒久的に接続されているダイオードと共に作動するように設計されている磁束スイッチングモータが、界磁と電機子との間の低減させられた巻数比を有する。これは、電機子スイッチングを原因として磁界内に誘導された電圧がより低く、また、界磁電流の重畳勾配における変化の検出が、特にスイッチがオフである時間中には、より困難である可能性があるということを意味する。
【０１４３】
これまでに説明した再位置決めアルゴリズムは、さらに、パルスの位置を移動させるために特定のタイミングを使用する。このタイミングは一般的に機械の速度範囲全体にわたって適用可能であるというわけではなく、また、したがって、特定の速度に限定される。本発明の改善された実施形態は、回転子位置との最適の同期化のために各作動サイクルにおいて電機子パルスの位置を調整するように、パルス再位置決めが連続的に生じることを可能にする。
【０１４４】
特定の速度におけるＴhalf-cycleに対するＴpulseの相対的な持続時間（Ｔhalf-cycle（＝Ｔa＋Ｔb＋Ｔc）とＴpulseとが図１４に関して定義された）が、所望の負荷特性を維持するために、または、現在速度を維持するために、負荷によって必要とされるトルクに常に依存している。このさらに別の実施形態は、最適のトルク発生のためには、電機子スイッチのターンオンから界磁電流の転換点までの時間ＴcがＴpulseの１５％から６５％の範囲内に維持されるべきであり、好ましくはＴpulseの２５％から５５％の範囲内に維持されるべきであるように、回転子位置に対する電機子励磁パルスの相対的な位置が連続的に調整されるべきであるという事実を使用する。これは、測定されたパルスよりも早くまたは遅くその次のパルスの開始位置を調整するために、Ｔcの測定と、それから、その次のＴbの値を算出することとによって実現することが可能である。
【０１４５】
スイッチのオン時間中に生じる界磁電流における転換点は、回転子に対して相対的な固定位置ではなく、
（ｉ）回路トポロジと素子値、
（ｉｉ）界磁と電機子との間の巻数比、
（ｉｉｉ）モータ速度、
（ｉｖ）ターンオン点、
（ｖ）先行のターンオフ点、
（ｖｉ）特定の負荷および速度における励磁の平均レベル
に依存する。
【０１４６】
その結果として、界磁電流の勾配変化は絶対位置では生じず、また、したがって、それ自体としては、電機子スイッチのスイッチングを直接的に同期させるために使用することが不可能である。しかし、転換点の位置の上述の依存性のすべてにも係わらず、最適のトルク発生が、印加された電機子パルス幅の特定の部分に界磁電流の転換点を維持することによって任意の動作点に維持することが可能である。
【０１４７】
図２４に示されている方法の１つの例では、界磁電流の転換点がｘ％で生じるべきであり、このｘ％は、各々のそれぞれの電機子スイッチのオン時間を経過する行程の２５％から６５％であり、また、より好ましくは３５％から５５％であってもよい。図２４では、第１の電機子パルスが負の電機子電流に関連付けられており、また、Ｓ2（および、フルブリッジインバータの場合にはＳ4）を通電する信号ＡＲＭＳＷ２によって制御される。第１の電機子パルスの長さがＴｐｕｌｓｅ１であり、ここでＴｐｕｌｓｅ１は、所望の速度を維持するために、または、その現在の速度で所要のトルクを送り出すために必要とされる長さとして算出される。パルスＴｐｕｌｓｅ１の終端では、信号ＡＲＭＳＷ２が時間Ｔｂ１の間はローになり、電機子巻線を電源切断する。時間Ｔｂ１が、Ｔｂ２に関して後述されるように算出された。Ｔｂ１の終端では、ＡＲＭＳＷ１がハイになり、正の電流による電機子の通電を開始する。電機子スイッチをオンにする時点から界磁電流の転換点までに要する時間（図２４のＴc2）がマイクロコントローラまたは他の適切な回路によって測定される。これは、現在の電機子パルス持続時間のｘ％の目標値と比較される。領域Ｃの長さに関する目標値が、界磁電流の転換点の実際の発生の直後の点線としてその図に示されている。図２４に示されている例では、測定値Ｔｃ２はこの目標値よりも小さい。測定値Ｔｃ２とＴcに関する目標値との間の差が誤差信号を生じさせる。
【０１４８】
誤差＝Ｔc2−〔ｘ／１００〕Ｔpulse
【０１４９】
図２４に示されている事例では、Ｔｃ２が目標値よりも小さいので、この誤差は負数である。この誤差が負数であるという事実は、回転子位置に対する相対的なパルス位置が最適なトルク発生のためには遅すぎるということを示す。この誤差は、回転子位置に対する相対的なより最適な位置のパルスを送るために、その次のオフ時間Ｔｂ２の値を調整するために使用される。
【０１５０】
誤差信号は、その次の電機子パルスの位置が目標値により近いように電機子パルス間のオフ時間の持続時間を変更するためにＰＩＤコントローラにおいて使用される。比例した唯一の条件を伴う具体例が、
Ｔb2＝訂正前の算出値Ｔb＋Ｋp（誤差）
Ｔb2＝Ｔa1＋Ｔb1＋Ｔc1−Ｔpulse2＋Ｋp（誤差）
である。
【０１５１】
値Ｋpは比例制御ループにおける比例ゲインである。その値は、そのシステムが安定した解に収束する比率を制御する。Ｋpが高すぎる場合には、結果的に不安定状態が生じることがある。１の領域内の値が一般的に典型的な用途において許容可能であろう。コントローラは、当業者には公知である誤差の積分と導関数とを使用することによってさらに改善されてもよい。
【０１５２】
図２４は、誤差の負の符号のせいでＴｂ２の長さがＴｂ１の長さよりも短いことを示す。したがって、Ｔｐｕｌｓｅ３の位置は回転子位置に対して相対的に順方向に移されており、また、この場合は、Ｔｃ３の値がＴｃに関する目標値に近い。
【０１５３】
勾配の極性における変化の位置がＴｃに対する目標値よりも遅い場合に、このことが現在のパルスが回転子の位置に対して過剰に早期に発生したということの表示であるということが理解可能である。生じた誤差は正であり、また、その次のＴｂの計算値は、それがそうでない場合にとる値よりも大きく、したがって機械の回転子に対して相対的にパルスの位置を移動させる。
【０１５４】
Ｔｃの測定の後に続く各Ｔｂの計算の最中においては、モータの電気半サイクルの間の現在時間Ｔhalf-cycleを再計算することが重要であるが、これは機械の速度が常に正確に監視されることを可能にするからである。これは、その次のパルスの長さとＴｃに対するその目標値Ｔｃとがモータの現在の速度に対応していることを確実なものにする。
【０１５５】
この方法がスイッチのオフ時間中の監視された電流の勾配の状態変化を検出することに依存していないので、図１２に示されていた検出回路に対して何らかの追加のアナログフィルタリングを加えることが好ましいことがある。この変更が図１３に示されている。コイル３２０と比較器３２２との間に挿入されている抵抗器（１０ｋ）とコンデンサ（２．２ｎＦ）が、勾配検出回路系の高周波数内容の多くを除去するように選択されることが可能な低域フィルタを形成する。この回路は、図１２に示されている回路を上回るノイズ耐性の改善を実現するが、スイッチのオフ時間中の勾配情報の大半を除去する傾向がある。この結果として、この回路は、スイッチのオフ時間中の勾配の測定に依存していない本発明の具体例と組み合わせる形でだけ使用されるべきである。
【０１５６】
この方法の手順は図１３と組み合わせて具体化されており、および、図２０（ａ）と図２０（ｂ）におけるオシロスコープのプロットによって示されており、このプロットでは、
トレースＸ70  界磁電流５Ａ／ｄｉｖ、
トレースＸ72  界磁電流５Ｖ／ｄｉｖの勾配の符号を表す、マイクロコントローラに対する入力、
トレースＸ74  １つの電機子スイッチ信号  ５Ｖ／ｄｉｖ、
トレースＸ76  結合電機子電流  ５Ａ／ｄｉｖ、
トレースＸ80  界磁電流  ５Ａ／ｄｉｖ、
トレースＸ82  界磁電流５Ｖ／ｄｉｖの勾配の符号を表す、マイクロコントローラに対する入力、
トレースＸ84  １つの電機子スイッチ信号  ５Ｖ／ｄｉｖ、
トレースＸ86  組合せ電機子電流  ５Ａ／ｄｉｖ
である。
【０１５７】
各電機子半サイクルの間の時間Ｔhalfcycleは、マイクロコントローラによって監視される。安定した値を生じさせるために、この時間が幾つかの半サイクルにわたって平均化されることが有益である。図２０（ａ）では、マイクロコントローラによって記録される電機子通電の開始（Ｘ74の立ち上がりエッジ）から、比較器Ｘ72の立ち上がりエッジまでの時間が測定され、オシロスコープのカーソルによってプロットの形で９５６マイクロ秒であることが示されている。このプロットにおいて具体化されているコントローラは、半サイクルの間に測定された時間の１３／１６（０．８１２５）すなわち７７８マイクロ秒であった電機子パルス長さであった。
【０１５８】
各電機子スイッチのターンオンから比較器のその次の立ち上がりエッジまでの時間に関する目標値は、この場合に、（９／３２）Ｔpulseに設定され、したがって、この特定の速度では、Ｔｃの目標値（比較器立ち上がりエッジの前のそのパルスの部分）は７７８×（９／３２）＝２１９マイクロ秒である。
【０１５９】
図２０（ｂ）では、オシロスコープのカーソルが、その次の電機子パルス中に実際に生じた時間Ｔcを測定するために動かされ終わっている。Ｔcの測定値は２２０マイクロ秒であり、目標値よりも１マイクロ秒長い。したがって、誤差信号が１マイクロ秒に設定される。
誤差＝測定Ｔc−（９／３２）Ｔpulse＝２２０−２１９＝１マイクロ秒
新値Ｔb＝算出値Ｔb＋Ｋ（誤差）＝Ｔa＋Ｔb＋Ｔc−Ｔpulse＋誤差
新値Ｔb＝９５６−７７８＋１＝１７９マイクロ秒
【０１６０】
正の誤差値が、１マイクロ秒だけその次の電機子パルスの開始を逆戻りさせるために使用される新たなＴbの新たな値を生じさせるように、Ｔbの計算値に加算される。その次のサイクルにおけるわずかに後のターンオン点が、その次のサイクル中に測定されるＴcの値を減少させて、適正な位置にそのパルスを維持するのを補助する働きをするであろう。
【０１６１】
この実施形態は、任意のパルスサイズと、任意の回転子速度と、Ｔcに相当する時間に関する任意の目標割合とにおいて実現されることが可能である。実際には、最適の効率を維持するためにそのパルスの目標割合を負荷に対して調整することが有利だろう。
【０１６２】
モータがパルス幅変調モードで動作している時には、パルス再位置決めアルゴリズムも使用可能である。この場合には、比較器の状態が先行のパルス幅変調サイクル中の状態から何時変化するかを検出するために、各パルス幅変調サイクルにおける比較器の状態をサンプリングすることによって、時間Ｔｃが測定される。誤差計算とパルス間の時間Ｔｂの調整とが、単一パルスモードの場合と同様に進行する。
【０１６３】
界磁巻線によって構成されている界磁磁石手段の代わりに、または、この界磁磁石に追加して、界磁磁石手段は界磁巻線または永久磁石であってもよい。界磁磁石手段が永久磁石である磁束スイッチング機械が図２５に示されている。４つの永久磁石３５４が４つの鋼製セクション３５０を点在させる。電機子巻線は鋼製セクション３５０内のスロットの中に挿入され、各々の電機子巻線は図４の場合のように２つの固定子歯全体にまたがる。回転子３５２は図４の回転子と形状が類似している。
【０１６４】
位置検出手段を形成するための本発明の具体化は、電機子巻線の軸線に対して横断方向の軸線を有するように配置されている追加の電気巻線の挿入を必要とする。永久磁石セクションに隣接したより小さいスロット３５６を、この追加の電気巻線を担持するために使用することが可能である。この追加の巻線は、さらに、２つの固定子歯に相当するピッチを有するだろう。この追加の巻線は、通常は、固定子の永久磁石セクションを通過する磁束を結合するように配置されるだろう。この代案としては、これは、モータの少なくとも１つの永久磁石セクションと同中心である小さい巻線を配置することによって実現することが可能である。電機子巻線上に電圧が存在する時には、この追加の電気巻線内に電圧が誘導され、この電圧は、電機子巻線とその追加の電気巻線との間の相互磁気結合に応じて変化し、および、微分の必要なしに位置検出手段のためにそのまま使用可能である。この追加の電気巻線からの信号は、その追加の電気巻線内の相互に誘導された電圧が何時正または負であるかを判定するために、また、したがって回転子の回転位置を検出するために、比較器に対して印加することが可能である。
【０１６５】
永久磁石と通電された界磁巻線との両方を界磁磁石手段が含む機械では、本発明の方法は上述の通りに進行することが可能である。さらに、上述した方法に類似した仕方で回転子の回転位置に応じて相互誘導電圧を生じさせる、界磁巻線に密結合されている追加の電気巻線を、磁束スイッチングモータ内に備えることが可能である。
【０１６６】
実験室テストで使用される完全な回路
本発明の１つの完全な実施形態が図２１の回路の形で示されており、この回路では、図１２の実施形態と共通の部品が同じ参照番号で示されており、また、図９ａの実施形態と共通の部品が、２００が増分された形の同じ参照番号で示されており、また、本発明にしたがって制御されたモータから得られた幾つかの実験結果が、図２２がそれぞれに１．０Ｎｍと１．８Ｎｍとにおける結果を示す図２２と図２３とに示されている。図２１が図７（ａ）のインバータ構成の具体例を示すが、本発明は図７ｂ、図６ａ、図６ｂの回路によって同等に具体化することが可能である。
【０１６７】
トレースＸ90が、比較器からの電気出力信号であり、
トレースＸ92が、電機子電流  １０Ａ／ｄｉｖであり、
トレースＸ94が、（基準のためのだけの）機械的センサ信号  ５Ｖ／ｄｉｖであり、
トレースＸ96が、タイマ信号  ５Ｖ／ｄｉｖであり、
トレースＸ100が、比較器からの電気出力信号であり、
トレースＸ102が、電機子電流  １０Ａ／ｄｉｖであり、
トレースＸ104が、（基準のためだけの）機械的センサ信号  ５Ｖ／ｄｉｖであり、
トレースＸ106が、タイマ信号  ５Ｖ／ｄｉｖである。
【０１６８】
本発明は界磁電流の勾配の変化を誘導する電機子スイッチに関して説明されてきたが、界磁の励磁が変更させられている間に電機子電流の勾配を測定するために、本発明が同様に適用可能であるということが、その方法の基本的な本質から理解されることが可能である。界磁制御スイッチＳ5がこの目的のために使用されてもよい。
【０１６９】
さらに先進的な制御システムでは、前記巻線における電流の変化率の符号の極性だけが記録されるのでなく、前記巻線における電流の変化率の大きさと符号とが記録される。記録された値を、（回転子速度と電流の大きさとを計算に入れて）位置に応じた電流の変化率の既知の（または、予め決められた）変動と比較することが可能である。この比較の結果が、前記電流の勾配が極性を変える位置の相互間での回転子の位置に関するデータを提供するだろう。このシステムは、各々の電機子伝導サイクル内における回転子速度の変化に対してより応答性が大きいが、さらに、より高コストの回路系を必要とし、および、温度に起因するモータパラメータの変動と機械交差との影響を受けやすいだろう。
【０１７０】
上述の実施形態が全く限定の意図なしに単に例示のためにだけ説明されてきたということと、添付されている特許請求の範囲における請求項によって定義されている本発明の範囲から逸脱することなしに、様々な変形と変更とが可能であるということが、当業者によって理解されるだろう。特に、上述の実施形態は特に磁束スイッチングモータにおける本発明の具体化に限定されたものであったが、上述の方法が磁束スイッチング発電機の制御のために使用可能であるということが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０１７１】
【図１ａ】２つの励磁モードを示す図であり、従来技術の２相可変リラクタンスモータを示す説明図である。
【図１ｂ】２つの励磁モードを示す図であり、従来技術の２相可変リラクタンスモータを示す説明図である。
【図２ａ】２つの励磁モードを示す図であり、従来技術の磁束スイッチングモータを示す説明図である。
【図２ｂ】２つの励磁モードを示す図であり、従来技術の磁束スイッチングモータを示す説明図である。
【図３Ａ】ＷＯ９８／０５１１２に開示されている通りの従来技術の２相可変リラクタンスモータのための固定子巻線を示す説明図である。
【図３Ｂ】図３Ａの巻線を励磁するための励磁回路図である。
【図４】本発明を具体化する電気機械で使用するための、８極固定子と４極回転子とを有する磁束スイッチングモータを示す図である。
【図５ａ】本発明の実施形態の磁束スイッチングモータの界磁巻線を通電するための回路構成を示す回路図である。
【図５ｂ】本発明の実施形態の磁束スイッチングモータの界磁巻線を通電するための回路構成を示す回路図である。
【図５ｃ】本発明の実施形態の磁束スイッチングモータの界磁巻線を通電するための回路構成を示す回路図である。
【図６ａ】本発明の実施形態の界磁巻線と電機子巻線とを通電するための回路構成を示す回路図である。
【図６ｂ】本発明の実施形態の界磁巻線と電機子巻線とを通電するための回路構成を示す回路図である。
【図７ａ】本発明の実施形態の界磁巻線と電機子巻線を通電するためのさらに別の回路構成を示す回路図である。
【図７ｂ】本発明の実施形態の界磁巻線と電機子巻線を通電するためのさらに別の回路構成を示す回路図である。
【図８】本発明の一実施形態の具体化に関する波形とタイミングとを示す図である。
【図９ａ】ホール効果電流変換器を使用する界磁電流の測定のための本発明の第１の実施形態の回路構成を示す図である。
【図９ｂ】図９ａの実施形態における電流信号の微分と、その次の勾配の符号の検出のための比較器の使用とのための単純な回路を示す図である。
【図１０】接地基準抵抗器を使用して界磁電流が測定される、本発明の第２の実施形態を示す図である。
【図１１ａ】微分されるべき電流を搬送する導線の周りの磁界がその電流の変化率に比例しているコイル内の電圧を生じさせる本発明の第３実施形態の部品を示す図である。
【図１１ｂ】微分されるべき電流を搬送する導線の周りの磁界がその電流の変化率に比例しているコイル内の電圧を生じさせる本発明の第４実施形態の部品を示す図である。
【図１２】実際のモータ駆動装置の形で具体化された素子値を有する図１１ａと図１１ｂの実施形態の回路の具体例を示す図である。
【図１３】図１２の回路の変形例を示す図である。
【図１４】電機子制御パルスのタイミングと、電機子制御パルスのタイミングを回転子の位置に同期させるために使用される界磁電流の勾配の符号の変化から得られる情報とを示す図である。
【図１５】停止状態のモータの巻線（電機子巻線）にパルス印加することと、別の巻線（界磁巻線）内の電流の勾配を監視することとから得られる情報を示す図である。
【図１６】パルス幅変調動作から単一パルスへの移行中に適用される本発明の実施形態を示す実験的な波形を示す図である。
【図１７ａ】適応パルス位置決めのための本発明の実施形態の具体例を示す図である。
【図１７ｂ】適応パルス位置決めのための本発明の実施形態の具体例を示す図である。
【図１８】適応パルス位置決めに関与している重要な時間を示す図である。
【図１９】適応パルス位置決めのための本発明の実施形態のさらに別の具体例を示す図である。
【図２０ａ】図１９の実施形態で使用される制御アルゴリズムの具体例を示す図である。
【図２０ｂ】図１９の実施形態で使用される制御アルゴリズムの具体例を示す図である。
【図２１】本発明の第５の実施形態の完全な磁束スイッチングモータ駆動装置を示す図である。
【図２２（ｐａｒｔ−ｉ）】本発明の第５の実施形態の完全な磁束スイッチングモータ駆動装置を示す図である。
【図２２（ｐａｒｔ−ｉｉ）】本発明の第５の実施形態の完全な磁束スイッチングモータ駆動装置を示す図である。
【図２３（ｐａｒｔ−ｉ）】本発明を具体化する実際の磁束スイッチングモータにおける、図２１の回路によって得られる試験結果を示す図である。
【図２３（ｐａｒｔ−ｉｉ）】本発明を具体化する実際の磁束スイッチングモータにおける、図２１の回路によって得られる試験結果を示す図である。
【図２４】電機子制御パルスのタイミングのさらに別の具体例と、回転子の位置に対して電機子制御パルスのタイミングを同期させるために使用される界磁電流の勾配の符号の変化から得られる情報とを示す図である。
【図２５】界磁磁石手段が１つまたは複数の永久磁石によって構成されている別の実施形態の略図である。
【図２６】本発明の実施形態のブロック図である。
2005538675.tif 000003
2005538675.tif 000004
2005538675.tif 000005
【図４】
2005538675.tif 000006
2005538675.tif 000007
2005538675.tif 000008
2005538675.tif 000009
【図８】
2005538675.tif 000010
【図９ａ】
2005538675.tif 000011
【図９ｂ】
2005538675.tif 000012
【図１０】
2005538675.tif 000013
2005538675.tif 000014
【図１２】
2005538675.tif 000015
【図１３】
2005538675.tif 000016
【図１４】
2005538675.tif 000017
【図１５】
2005538675.tif 000018
【図１６】
2005538675.tif 000019
【図１７ａ】
2005538675.tif 000020
【図１７ｂ】
2005538675.tif 000021
【図１８】
2005538675.tif 000022
【図１９】
2005538675.tif 000023
【図２０ａ】
2005538675.tif 000024
【図２０ｂ】
2005538675.tif 000025
【図２１】
2005538675.tif 000026
【図２２（ｐａｒｔ−ｉ）】
2005538675.tif 000027
【図２２（ｐａｒｔ−ｉｉ）】
2005538675.tif 000028
【図２３（ｐａｒｔ−ｉ）】
2005538675.tif 000029
【図２３（ｐａｒｔ−ｉｉ）】
2005538675.tif 000030
【図２４】
2005538675.tif 000031
【図２５】
2005538675.tif 000032
【図２６】
2005538675.tif 000033
【国際調査報告】
2005538675.tif 000034
2005538675.tif 000035
2005538675.tif 000036