(57)【要約】  多相モータドライブは、電流を供給したときに磁界が発生するコイルマグネットを有する。コイルマグネットは、電気マトリクスの形に構成される。スイッチは、コイルマグネットとともに電気回路に配置される。各コイルマグネットは、少なくとも２つのスイッチと電気的に接続され、各スイッチは、２つ以上のコイルマグネットと電気的に接続される。スイッチは対で動作してコイルマグネットに通電し、多相モータドライブには、数量がコイルマグネットより少ないスイッチ対が含まれる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流を供給したときに磁界が発生する複数のコイルマグネットと、
前記複数のコイルマグネットとともに電気回路に配置され、前記複数のコイルマグネットと電気的に接続された複数のスイッチと、
を有し、
前記複数のコイルマグネットの各々は、少なくとも２つのスイッチと電気的に接続され、前記少なくとも２つのスイッチの各々は、２つ以上のコイルマグネットと電気的に接続されることを特徴とする多相モータドライブ。
【請求項２】
上記複数のコイルマグネットは、電気回路からなる列と電気回路からなる行を含む電気マトリクスの形で配列され、上記複数のスイッチは、行をなすスイッチを有し、前記行をなすスイッチの各々は、前記電気回路からなる列の１つと電気的に接続されることを特徴とする請求項１に記載のドライブ。
【請求項３】
上記複数のスイッチは、列をなすスイッチを有し、前記列をなすスイッチの各々は、上記電気回路からなる行の１つに電気的に接続されることを特徴とする請求項２に記載のドライブ。
【請求項４】
前記電気回路からなる列の各々は、第１のスイッチと電気的に接続された少なくとも２つのコイルマグネットを有し、前記電気回路からなる行の各々は、前記第１のスイッチとは異なる第２のスイッチと電気的に接続された少なくとも３つのコイルマグネットを有することを特徴とする請求項３に記載のドライブ。
【請求項５】
上記電気マトリクスは、８つのコイルマグネットおよび６つのスイッチを有することを特徴とする請求項３に記載のドライブ。
【請求項６】
コイルマグネットの個数Ｎおよびスイッチの個数Ｓは、式Ｓ＝２（Ｎ1/2）で関係づけられることを特徴とする請求項３に記載のドライブ。
【請求項７】
第１のスイッチ対が、第１のコイルマグネットと電気的に接続され、前記第１のスイッチ対の一方のスイッチを含む第２のスイッチ対が、前記第１のコイルマグネットとは異なる第２のコイルマグネットと電気的に接続されることを特徴とする請求項１に記載のドライブ。
【請求項８】
上記複数のコイルマグネットが、管状のロータガイドに沿って離間し、少なくとも１つのロータが、上記磁界に応じて前記管状のロータガイド内を移動することを特徴とする請求項１に記載のドライブ。
【請求項９】
管状のロータガイドと、
前記管状のロータガイドに沿って離間し、電流を供給したときに磁界が発生する複数のコイルマグネットと、
前記磁界に応じて前記管状のロータガイド内を移動するロータと、
前記複数のコイルマグネットとともに電気マトリクスの形で配列され、それぞれが、前記電気マトリクスの電気回路からなる列または電気回路からなる行の少なくとも一方と電気的に接続された複数のスイッチと、
を有する多相モータ。
【請求項１０】
上記管状のロータガイドは、基本的には直線の、上記少なくとも１つのロータ用移動路を有することを特徴とする請求項９に記載のモータ。
【請求項１１】
上記管状のロータガイドは、上記少なくとも１つのロータ用の環状移動路を有することを特徴とする請求項９に記載のモータ。
【請求項１２】
上記複数のコイルマグネットの各々は、上記管状のロータガイドの外周部に配置され、基本的には互いに等間隔に配置されることを特徴とする請求項９に記載のモータ。
【請求項１３】
選択的に電流を供給したときにそれぞれ磁界が発生する複数のコイルマグネットと、
前記磁界に応じて移動する少なくとも１つのロータと、
協働して前記コイルマグネットに選択的に通電する複数のトランジスタと、
を有し、
ある個数のコイルマグネットをより少ない個数のトランジスタ対で制御するステップと、
前記ロータを移動させる磁界を発生させるために、前記コイルマグネットの１つに通電するステップと、
を含むことを特徴とする多相モータを駆動する方法。
【請求項１４】
第１のトランジスタ対を使用して第１のコイルマグネットに通電し、前記第１のトランジスタ対の一方のトランジスタを含む第２のトランジスタ対を使用して、前記第１のコイルマグネットとは異なる第２のコイルマグネットに通電するステップを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
コイルマグネットからなる電気的な行および電気的な列を有する電気回路マトリクスの形で上記コイルマグネットを配列するステップを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
非対称電気回路マトリクス構成で上記コイルマグネットを配列するステップを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
選択したコイルマグネットのオン／オフデューティサイクルをパルスで送って少なくとも１つのロータの速度を制御するステップを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
パルス間の時間長さを変えて少なくとも１つのロータに作用する磁力を制御するステップを含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
上記ロータと上記選択したコイルマグネットとの間の一連の異なる距離にわたって、上記少なくとも１つのロータに作用する磁力を基本的に一定に維持するステップを含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
複数のコイルマグネットに同時に通電するステップを含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多相モータドライブに関し、より詳細には、電気回路マトリクスの形で配列されたコイルマグネットおよびトランジスタを含む多相モータドライブに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気多相モータは、ポンプやコンプレッサなどの用途に広く使用されている。典型的な多相モータドライブは、コイルマグネットを用いて選択的に発生させた磁界に応じて１つまたは複数のロータを駆動する。各コイルマグネットは、モータドライブと電気的に接続され、このモータドライブは、コイルマグネットに選択的に通電して、ロータを駆動する磁界を発生させる。ロータは空気や油圧油などの流体を入口部から吐出部に送る。
【０００３】
不都合にも、これら従来のモータドライブを使用してコイルマグネットに通電した場合に、コイルマグネットによって発生した全磁力がロータに作用する。これは、効率を落とす恐れのあるジャーク型のロータ運動を引き起こす。これは、ロータ速度が比較的遅い場合に最も顕著である。例えば、９つのコイルマグネットからなる多相モータの各コイルマグネットが１秒間通電されるとすると、そのときには、ロータの１サイクルは９秒かかる。ロータがマグネット間を移動する時間は、おそらく１秒の１／１０にすぎないであろう。１秒のうちの残りの９／１０の間、ロータは止まることになる。このタイプのモータ駆動制御は、ロータがスタート時と停止時に慣性エネルギを浪費するので比較的非効率である。
【０００４】
典型的なモータドライブは、各コイルマグネットが２つのトランジスタスイッチ間に接続されるように構成される。３つのコイルマグネットを有する１つの例では、各コイルマグネットは、ローサイドトランジスタとハイサイドトランジスタとの間に電気的に接続される。ローサイドトランジスタは、マイナスの直流接地バスに接続され、ハイサイドトランジスタは、プラスの直流バスに接続される。選択したコイルマグネットに通電するために、関連するローサイドトランジスタおよびハイサイドトランジスタをオンにして電気接続を開始する。コイルマグネットを追加した他の従来例では、追加した各コイルマグネットに対してハイサイドトランジスタおよびローサイドトランジスタを追加する必要がある。各コイルマグネットに対して２つのトランジスタを利用すると、多相モータドライブシステムの費用が比例して増加する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、（１つまたは複数の）ロータの運動をより効率的に制御しながら、各コイルマグネットに対して１対より少ないトランジスタを利用するモータドライブシステムが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による多相モータドライブは、電流を供給した場合に磁界を発生させる複数のコイルマグネットと、電気回路に複数のコイルマグネットとともに配置された複数のスイッチとを有する。複数のスイッチは複数のコイルマグネットと電気的に接続され、各コイルマグネットは、複数のスイッチのうちの少なくとも２つと電気的に接続される。各スイッチは、複数のコイルマグネットのうちの２つ以上と電気的に接続される。
【０００７】
制御部は、コイルマグネットのオン／オフデューティサイクルをパルスで送ることで、ロータの速度と力を制御する。磁界をパルス化することにより、ロータに作用する引きつけ力を制御して、ロータの速度および力を制御することができる。管状のロータガイド内の流体にロータが加える力は、磁界パルスの長さが長くなるにつれて増大する。「オン」パルスが長くなればなるほど引きつけ力と力は大きくなる。制御部はまた、ロータがコイルマグネットからより遠くに離れたときにより大きな磁力を供給する。ロータ制御のこれらの特徴は、従来の１つおよび複数の多相モータドライブに比べて駆動効率が上がるという利益をもたらす。
【０００８】
したがって、本発明は、各コイルマグネットにつき１対より少ないトランジスタを利用して（１つまたは複数の）ロータの運動をより効率的に制御するモータドライブシステムを提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、管状の切換式リラクタンスリニアモータ１０の簡略化した断面図である。リラクタンスリニアモータ１０は、コイルマグネット１６で発生させた磁界に応じてロータ１４が移動する管状のロータガイド１２を有する。コイルマグネット１６は、Ｍ１〜Ｍ９の番号が付いており、各コイルマグネット１６は、直列につながったＮ極およびＳ極の２つのコイルを含む。図示した位置では、ロータ１４はコイルマグネットＭ１に隣接して配置されている。Ｍ２コイルマグネット１６に選択的に通電すると、磁界が発生する。この磁界は、ロータ１４の磁性材料を引きつけ、それによって、ロータ１４は、図１に示した位置から移動してＭ２コイルマグネット１６と整列する。移動の過程で、ロータ１４は管状のロータガイド１２の内部に含まれる流体を移動させる。
【００１０】
図２は、管状の切換式リラクタンストーラスモータ２６の簡略化した断面図を示している。リラクタンストーラスモータ２６は、円形形状を形成しているが、楕円形や他の形状も使用してもよい。リラクタンストーラスモータ２６をさらに理解するには、本発明の代理人に譲渡され、全体として本明細書に組み込むものとする「ＴＯＲＵＳ  ＧＥＯＭＥＴＲＹ  ＭＯＴＯＲ  ＳＹＳＴＥＭ」と題した米国特許出願を見るとよい。
【００１１】
リラクタンストーラスモータ２６は、ロータ１４がコイルマグネット１６を用いて発生させた磁界に応じて移動する管状のロータガイド１２を有する。コイルマグネット１６は、ロータ１４が管状のロータガイド１２を通って、この内部に含まれる流体を移動させるように選択的に通電される。
【００１２】
図３は、リラクタンスリニアモータ１０、リラクタンストーラスモータ２６、または他の電気多相モータを駆動するのに使用するモータドライブ回路構成３６の簡略化した回路図である。モータドライブ回路構成３６は、コイルマグネット１６からなる電気マトリクス３８を有する。コイルマグネット１６は、電気接続４０を用いてコイルマグネットからなる行および列の形で相互接続されている。示した例では、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３コイルマグネット１６が１つの行を形成し、Ｍ１，Ｍ４，Ｍ７コイルマグネット１６が１つの列を形成している。
【００１３】
複数のトランジスタ４２は、トランジスタ４２からなる行４４およびトランジスタ４２からなる列４６として、コイルマグネットに電気的に接続されている。行４４内の各トランジスタ４２は、コイルマグネット１６からなる列に対応している。Ｃ２トランジスタ４２は、Ｍ２，Ｍ５，Ｍ８コイルマグネット１６からなる列に対応している。トランジスタ４２からなる列４６内の各トランジスタ４２は、コイルマグネット１６からなる行に対応している。制御部４８は、トランジスタ４２の動作を制御し、コイルマグネット１６に選択的に通電する。
【００１４】
一例で、Ｍ５コイルマグネット１６に通電することが望まれている。制御部４８は、Ｃ２トランジスタ４２とＲ２トランジスタ４２を選択的にオンにして、正負の直流電圧間を電気接続する。この回路は９個のコイルマグネット１６および６個のトランジスタ４２を含むが、他の回路構成、例えば、限定するものではないが、７個のトランジスタ４２とともに１２個のコイルマグネット１６、９個のトランジスタ４２とともに１８個のコイルマグネット１６、８個のトランジスタ４２とともに１６個のコイルマグネット１６、１２個のトランジスタ４２とともに３６個のコイルマグネット１６、１８個のトランジスタ４２とともに８１個のコイルマグネット１６なども可能である。従来のモータドライブ回路と異なり、モータドライブ回路構成３６は、数量を減らしたトランジスタ４２の対を用いたコイルマグネット１６の制御を可能にする。
【００１５】
図４は、コイルマグネット１６からなる２つの行と３つの列を有する電気マトリクス３８を含む別のモータドライブ回路構成３６の簡略化した回路図を示している。図３に示した回路と異なり、この回路は、各行内と同じ数量のコイルマグネット１６を各列内に含んでいない。これは、以下で説明するように、２個以上のコイルマグネット１６の同時動作つまり重複動作を制御できるという利点をもたらす。
【００１６】
モータドライブ回路構成３６では、トランジスタ４２の個数は、式Ｓ＝２（Ｎ1/2）によって、コイルマグネット１６の個数と関係づけられ、ここで、Ｓはトランジスタの個数であり、Ｎはコイルマグネット１６の個数である。この式に従ったモータドライブ回路構成３６は、図３の例に示すように、対称電気マトリクス３８かまたは図４の例に示すように、非対称電気マトリクス３８で配列することができる。
【００１７】
モータドライブ回路構成３６は、従来のモータドライブ回路に比べて平均電流が小さくなるという利益をもたらす。一例では、公知のモータドライブは、６０アンペアのピーク電流で動作する６個のトランジスタとともに３個のコイルマグネットを有する。トランジスタ当たりの平均電流は２０アンペアである。１２個のトランジスタ４２とともに３６個のコイルマグネット１６を有する一例としての電気マトリクス３８も、６０アンペアのピーク電流で動作する。トランジスタ４２当たりの平均電流は１０アンペアである。一例としての電気マトリクス３８の平均電流が小さいために、より小型でより低価格のトランジスタ４２を利用することができる。
【００１８】
別のモータドライブ回路構成３６の例では、制御部４８は、コイルマグネット１６のオン／オフデューティサイクルをパルスで送ってロータ１４の速度を制御する。制御部４８は、サイクル周期にわたって、選択したコイルマグネット１６に選択した周波数でパルスを送る。選択したコイルマグネット１６が通電されると、磁界がロータ１４を引きつけ、選択したコイルマグネット１６がオフになると、ロータ１４を引きつける磁界は全くなくなる。ロータ１４の速度および力を制御するために、磁界をパルスで発生させて、ロータ１４に作用する引きつけ力を制御することができる。
【００１９】
ロータ１４が管状のロータガイド１２（図２）内の流体に加える力は、磁界パルスの長さが長くなるにつれて増大する。すなわち、「オン」パルスが長くなるほど、引きつけ力と力は大きくなる。ロータ１４制御のこの特徴は、従来の多相モータおよびモータドライブに比べて駆動効率が高くなるという利益をもたらす。
【００２０】
１つの駆動例では、選択したパルスの周波数は３，９０６ｋＨｚであり、サイクル周期は２５６マイクロ秒である。制御部４８は、２５６マイクロ秒のサイクル周期のうち６４マイクロ秒の間「オン」にし、残りの１９２マイクロ秒の間「オフ」にするように選択したコイルマグネット１６にパルスを送る。より速いロータ速度またはより大きい力を必要とするならば、制御部４８は、例えば、２５６マイクロ秒のサイクル周期の５０％，６０％または７５％の間、選択したコイルマグネット１６にパルスを送る。１，０２４マイクロ秒の始動パルスの場合、制御部４８は、２５６マイクロ秒のサイクル周期を４回繰り返す。
【００２１】
別のモータドライブ回路構成３６の駆動例では、制御部４８は、パルスの時間長さを変えてロータ１４に作用する磁界引きつけ力を制御する。公知のように、ロータ１４に作用する磁界引きつけ力は、ロータ１４と磁界を発生させるコイルマグネット１６との間の距離に反比例する。すなわち、ロータ１４がコイルマグネット１６に接近するほど、磁界引きつけ力は大きくなる。したがって、ロータ１４がコイルマグネット１６に接近するにつれて、力は動的に増加し、ロータ１４の速度が増速される。制御部４８は、ロータがコイルマグネット１６からより遠く離れるときに磁力をより多く供給することで、ロータ１４がより円滑に運動するようにこの力を制御する。ロータ１４制御のこの特徴は、従来の多相モータおよびモータドライブに比べて駆動効率が高くなるという利益をもたらす。
【００２２】
別の駆動例では、制御部４８は、選択したコイルマグネット１６のオン／オフデューティサイクルをパルスで送る。「オン」デューティサイクルの長さは、ロータ１４と選択したコイルマグネット１６との間の距離に比例する。すなわち、ロータ１４が選択したコイルマグネット１６から最も遠くに離れたときに、「オン」デューティサイクルはより長くなり、ロータ１４に作用する磁界引きつけ力をより多量に発生させる。ロータ１４が選択したコイルマグネット１６により近接したときに、「オン」デューティサイクルはより短くなって、ロータ１４に作用する磁界引きつけ力はより小さくなる。これは、従来の多相モータおよびモータドライブに比べて、選択したコイルマグネット１６間のロータの運動を円滑にするという利益をもたらす。
【００２３】
別のモータドライブ構成３６の例では、制御部４８は、複数のコイルマグネット１６に同時に通電する。制御部４８は、トランジスタ４２からなる行４４の選択したトランジスタ４２と、トランジスタ４２からなる列４６の少なくとも２個の選択したトランジスタ４２とをオンにする。これは、選択的にオンにした３個のトランジスタ４２に対応するコイルマグネット１６に通電することになる。
【００２４】
別の駆動例では、制御部４８は、Ｃ２トランジスタ４２，Ｒ１トランジスタ４２およびＲ２トランジスタ４２をオンにして、Ｍ２，Ｍ５コイルマグネット１６に通電する（図３を参照のこと）。この特徴は、複数のロータ１４を同時に、つまり時間的に重なるように動かすという利点をもたらすことができる。別の例では、Ｍ２，Ｍ５コイルマグネット１６の両方に通電するのに必要な電流を追加できるように、Ｃ２トランジスタ４２は、他のトランジスタ４２よりも大きな電流容量に対処する。
【００２５】
本発明の好ましい実施形態が開示されたが、当業者ならば、特定の修正が本発明の範囲に入ると分かるであろう。この理由から、本発明の範囲と内容を確定するために、以下の特許請求の範囲を検討するべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】一例としての切換式管状リラクタンスリニアモータの断面図である。
【図２】一例としての切換式管状リラクタンストーラスモータの断面図である。
【図３】一例としてのモータドライブ構成の回路図である。
【図４】モータドライブの別の実施形態の回路図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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