(57)【要約】  ロータ側に励磁回路をもつ他励同期機（１ｂ．．．１ｋ）が、励磁巻線（３）と、励磁巻線（３）用の電源と、電源を励磁巻線（３）に接続するスイッチング素子（８ａ，８ｅ）とを含む。また、他励同期機（１ｂ．．．１ｋ）は、ステータ側第１の一次巻線（５ａ．．．５ｆ）と、ロータ側第１の二次巻線（６ａ．．．６ｆ）とを備える。さらに、他励同期機（１ｂ．．．１ｋ）は、ａ）スイッチング素子（８ａ、８ｅ）の制御素子（９ａ、９ｅ）に接続されたロータ側第１の二次巻線（６ｄ）のタップ、または、ｂ）ステータ側第１の一次巻線（５ａ．．．５ｆ）に結合され、スイッチング素子（８ａ、８ｅ）の制御素子（９ａ、９ｅ）に接続されたロータ側第２の二次巻線（１４ｄ）を備えてもよい。
2014508498.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ側に励磁回路をもつ他励同期機（１ｂ．．．１ｋ）であって、励磁巻線（３）と、前記励磁巻線（３）用の電源と、前記電源を前記励磁巻線（３）に接続するスイッチング素子（８ａ、８ｅ）と、ステータ側第１の一次巻線（５ａ．．．５ｆ）と、前記ステータ側第１の一次巻線（５ａ．．．５ｆ）に結合され、ロータ回路の前記電源の少なくとも一部を形成するロータ側第１の二次巻線（６ａ．．．６ｆ）と、を備える他励同期機であって、
ａ）前記スイッチング素子（８ａ、８ｅ）の制御素子（９ａ、９ｅ）に接続された前記ロータ側第１の二次巻線（６ｄ）のタップ、または、
ｂ）前記ステータ側第１の一次巻線（５ａ．．．５ｆ）に結合され、前記スイッチング素子（８ａ、８ｅ）の制御素子（９ａ、９ｅ）に接続されたロータ側第２の二次巻線（１４ｄ）によって特徴付けられる他励同期機。
【請求項２】
ｂ）の場合に、前記第１の二次巻線（６ｄ）および前記第２の二次巻線（１４ｄ）が、共通のコアに配置される、請求項１に記載の他励同期機（１ｄ、１ｅ）。
【請求項３】
共通の一次巻線（５ｄ、５ｆ）の電圧がオフに切り替えられた後、前記スイッチング素子（８ａ、８ｅ）が遅れて開放されるように、前記ロータ側第１の二次巻線（６ｆ）または前記ロータ側第２の二次巻線（１４ｄ）と前記スイッチング素子（８ａ、８ｅ）の制御素子（９ａ，９ｅ）との間に配置され接続されたコンデンサ（２１、２６、２９）および／またはインダクタンス（３２）によって特徴付けられる、前述の請求項のいずれか１項に記載の他励同期機（１ｂ．．．１ｋ）。
【請求項４】
前記スイッチング素子（８ｅ）が電界効果トランジスタのドレイン−ソースパスによって形成され、前記制御素子（９ｅ）が前記トランジスタのゲート電極によって形成される、前述の請求項のいずれか１項に記載の他励同期機（１ｂ．．．１ｋ）。
【請求項５】
前記コンデンサ（２１、２６、２９）および／または前記インダクタンス（３２）が、前記トランジスタの前記ゲート電極とドレイン電極との間または前記ゲート電極とソース電極との間に配置される、請求項３および請求項４に記載の他励同期機（１ｂ．．．１ｋ）。
【請求項６】
前記電界効果トランジスタは、前記電界効果トランジスタがオフに切り替えられた後、アバランシェ効果を介して前記励磁巻線３に格納されている誘導エネルギーを放散するように構成されている、請求項４または請求項５に記載の他励同期機（１ｃ）。
【請求項７】
前記スイッチング素子（８ｅ）が、絶縁ゲートバイポーラトランジスタのエミッタ−コレクタパスによって形成され、前記制御素子（９ｅ）が、前記トランジスタの前記ゲート電極によって形成され、前記コンデンサ（２１、２６、２９）および／または前記インダクタンス（３２）が、前記ゲート電極と前記エミッタ電極との間または前記ゲート電極と前記コレクタ電極との間に配置されている、請求項３〜６のいずれか１項に記載の他励同期機（１ｂ．．．１ｋ）。
【請求項８】
前記ロータ回路への供給がなくても、前記スイッチング素子（８ａ）が駆動されることを可能にする電気エネルギー（１６）を格納する要素によって特徴付けられる請求項１〜７のいずれか１項に記載の他励同期機（１ｃ）。
【請求項９】
バリスタまたはツェナーダイオードが、前記スイッチング素子（８ａ，８ｅ）と並列に配置されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の他励同期機（１ｃ）。
【請求項１０】
ロータ側回路構成と、
前記ロータ側回路構成内の励磁回路と、
前記励磁回路の励磁巻線と、
前記励磁巻線用の電源と、
前記電源を少なくとも部分的に形成するロータ側二次巻線と、
前記電源を前記励磁巻線に接続するよう構成されたスイッチと、
前記ロータ側二次巻線と電気的に結合されたステータ側第１の一次巻線と、
前記ロータ側二次巻線のタップであって、前記スイッチの制御部に接続されたタップと、を備える他励同期機。
【請求項１１】
前記ロータ側二次巻線と前記制御部との間に接続され、前記一次巻線の電圧の終了後に遅れて前記スイッチを開放するコンデンサをさらに備える、請求項１０に記載の他励同期機。
【請求項１２】
前記スイッチを形成する電界効果トランジスタドレイン−ソースパスと、
前記制御部を形成する電界効果トランジスタゲート電極と、
前記ドレイン−ソースパスと前記ゲート電極とを含む電界効果トランジスタと、をさらに備える、請求項１０に記載の他励同期機。
【請求項１３】
前記ロータ側二次巻線と前記制御部との間に接続され、前記電界効果トランジスタの前記ゲート電極とソース電極との間に配置されたコンデンサをさらに備える、請求項１２に記載の他励同期機。
【請求項１４】
前記ロータ側二次巻線と前記制御部との間に接続され、前記電界効果トランジスタの前記ゲート電極とドレイン電極との間に配置されたコンデンサをさらに備える、請求項１２に記載の他励同期機。
【請求項１５】
前記電界効果トランジスタが、トランジスタ遮断の後で前記励磁巻線の格納された誘導エネルギーを放散させるのに十分なアバランシェ効果を有する、請求項１２に記載の他励同期機。
【請求項１６】
前記スイッチを形成する絶縁ゲートバイポーラトランジスタエミッタ−コレクタパスと、
前記制御部を形成する絶縁ゲートバイポーラトランジスタゲート電極と、
前記エミッタ−コレクタパスと前記ゲート電極とを含む絶縁ゲートバイポーラトランジスタと、をさらに備え、
前記コンデンサは、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタの前記ゲート電極とコレクタ電極との間に配置されている、請求項１０に記載の他励同期機。
【請求項１７】
前記スイッチを形成する絶縁ゲートバイポーラトランジスタエミッタ−コレクタパスと、
前記制御部を形成する絶縁ゲートバイポーラトランジスタゲート電極と、
前記エミッタ−コレクタパスと前記ゲート電極とを含む絶縁ゲートバイポーラトランジスタと、をさらに備え、
前記コンデンサは、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタの前記ゲート電極とエミッタ電極との間に配置されている、請求項１０に記載の他励同期機。
【請求項１８】
前記スイッチと並列に配置されたツェナーダイオードをさらに備える、請求項１０に記載の他励同期機。
【請求項１９】
前記スイッチと並列に配置されたバリスタをさらに備える、請求項１０に記載の他励同期機。
【請求項２０】
ロータ側回路構成と、
前記ロータ側回路構成内の励磁回路と、
前記励磁回路の励磁巻線と、
前記励磁巻線用の電源と、
前記電源を少なくとも部分的に形成するロータ側第１の二次巻線と、
前記電源を前記励磁巻線に接続するよう構成されたスイッチと、
前記ロータ側第１の二次巻線と電気的に結合されたステータ側第１の一次巻線と、
前記ステータ側第１の一次巻線と電気的に結合され、前記スイッチの制御部に接続されたロータ側第２の二次巻線と、を備える、他励同期機。
【請求項２１】
共通のコアをさらに備え、前記ロータ側第１の二次巻線と前記ロータ側第２の二次巻線が前記共通のコアに配置される、請求項２０に記載の他励同期機。
【請求項２２】
前記ロータ側二次巻線と前記制御部との間に接続され、前記一次巻線の電圧の終了後に遅れて前記スイッチを開放するコンデンサをさらに備える、請求項２０に記載の他励同期機。
【請求項２３】
前記スイッチを形成する電界効果トランジスタドレイン−ソースパスと、
前記制御部を形成する電界効果トランジスタゲート電極と、
前記ドレイン−ソースパスと前記ゲート電極とを含む電界効果トランジスタと、をさらに備える、請求項２０に記載の他励同期機。
【請求項２４】
前記ロータ側二次巻線と前記制御部との間に接続され、前記電界効果トランジスタの前記ゲート電極とソース電極との間に配置されたコンデンサをさらに備える、請求項２３に記載の他励同期機。
【請求項２５】
前記ロータ側二次巻線と前記制御部との間に接続され、前記電界効果トランジスタの前記ゲート電極とドレイン電極との間に配置されたコンデンサをさらに備える、請求項２３に記載の他励同期機。
【請求項２６】
前記電界効果トランジスタが、トランジスタ遮断の後で前記励磁巻線の格納された誘導エネルギーを放散させるのに十分なアバランシェ効果を有する、請求項２３に記載の他励同期機。
【請求項２７】
前記スイッチを形成する絶縁ゲートバイポーラトランジスタエミッタ−コレクタパスと、
前記制御部を形成する絶縁ゲートバイポーラトランジスタゲート電極と、
前記エミッタ−コレクタパスと前記ゲート電極とを含む絶縁ゲートバイポーラトランジスタと、をさらに備え、
前記コンデンサは、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタの前記ゲート電極とコレクタ電極との間に配置されている、請求項２０に記載の他励同期機。
【請求項２８】
前記スイッチを形成する絶縁ゲートバイポーラトランジスタエミッタ−コレクタパスと、
前記制御部を形成する絶縁ゲートバイポーラトランジスタゲート電極と、
前記エミッタ−コレクタパスと前記ゲート電極とを含む絶縁ゲートバイポーラトランジスタと、をさらに備え、
前記コンデンサは、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタの前記ゲート電極とエミッタ電極との間に配置されている、請求項２０に記載の他励同期機。
【請求項２９】
前記スイッチと並列に配置されたツェナーダイオードをさらに備える、請求項２０に記載の他励同期機。
【請求項３０】
前記スイッチと並列に配置されたバリスタをさらに備える、請求項２０に記載の他励同期機。
【請求項３１】
ロータ側回路構成と、
前記ロータ側回路構成内の励磁回路と、
前記励磁回路の励磁巻線と、
前記励磁巻線用の電源と、
前記電源の少なくとも一部に含まれるロータ側二次巻線と、
前記ロータ側二次巻線と電気的に結合されたステータ側第１の一次巻線と、
前記電源を前記励磁巻線に接続するよう構成されたスイッチと、
前記スイッチと並列に接続された抵抗負荷と、
前記スイッチを制御可能に選択的に開閉するよう構成された制御部と、
前記制御部を含む制御回路であって、前記制御部に電力供給するよう構成されたロータ側電圧源を含む制御回路と、
前記スイッチを操作するように前記ロータ側電圧源を前記制御部に制御可能に接続するよう構成された光カプラであって、前記光カプラは、前記制御回路において受光素子を有し、前記受光素子に制御信号を提供するように構成された制御可能な光源を有する光カプラと、を有する他励同期機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１１年３月１１日に出願された先行する米国仮特許出願第６１／４５１，９８８号に優先権を主張する非仮出願である。また、本願は、２０１１年３月１１日に出願された先行する欧州特許出願第１１１５７８８３号に優先権を主張する。同欧州特許出願第１１１５７８８３号および同米国仮特許出願第６１／４５１，９８８号の明細書全文は、本明細書にて提供された開示と矛盾しない限りにおいて、事実上、参照として本明細書に明示的に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、ロータ側に励磁回路をもつ他励同期機であって、励磁巻線と、励磁巻線用の電源と、電源を励磁巻線に接続するスイッチング素子と、ステータ側第１の一次巻線と、ステータ側第１の一次巻線に結合されロータ回路の電源の少なくとも一部に含まれるロータ側第１の二次巻線と、を備える他励同期機に関する。
【背景技術】
【０００３】
同期機は長年にわたり知られており、モータおよび発電機の両方として多くの用途に使用されてきた。同期機は、とりわけ「ブラシレス直流モータ」の用語で、電気自動車等における様々な駆動装置に使用されている。ここではステータの回転磁界はインバータを用いて直流電流から生成される。また、同期機は永久励磁同期機と、他励同期機に分けることができる。永久励磁では、ロータ磁界は永久磁石によって生成されるが、他励では、ロータ磁界は（直流電流が通って流れる）ロータ側励磁巻線によって生成される。
【０００４】
このために、他励同期機は、ロータ巻線と一緒に回転する整流器であって、スリップリングまたは回転変圧器のいずれかを介して交流電流が供給されるとこの交流電流をロータ巻線用の直流電流に変換する整流器を、高い頻度で備えている。励磁巻線がこのように磁化されると、ロータはステータに印加される回転磁界と同期して一緒に回転する。
【０００５】
容易に「同期が外れる（脱調する）」（負荷トルクが、ポーラホイール角（位相角）９０°のときの最大トルク（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ  ｔｏｒｑｕｅ）を超える）ことが起こり得るという、同期機の起動時の既知の課題に加えて、同期機の迅速なシャットオフ動作または高速応答制御に都合がよい、ロータの迅速な消磁を達成するという課題もある。そうでなければ、ロータ磁界が自ら減衰するまでの長い時間にわたって電流がステータに誘導されてしまい、これは接続された装置に損傷を引き起こす可能性がある。
【０００６】
特に、電気自動車では、同期機は「電気クラッチ」としても使用することができ、したがって機械クラッチの必要性が回避される。ここで、ロータ磁界がオフに切り替えられると、同期機はその後自由に動作することができる。この結合動作は、迅速に完了されるべきであり、そうすることによって、例えば、緊急事態において駆動トルクを電気自動車の駆動輪から迅速に除去することができる。
【０００７】
この課題を解決するために、例えば、従来技術から知られるＰＣＴ特許公開第ＷＯ１９９３／０２０６１４号を参照すると、通常動作時にはサイリスタを介して短絡される回転抵抗を介して同期機のロータを消磁することが開示されている。サイリスタの駆動はスリップリングを介して行われる。
【０００８】
この解決策の問題点は、ワイパーとスリップリングとの間の相対運動のせいで、前者が後者から非常に急速に離れて（ｌｉｆｔ  ｏｆｆ）しまいがちであり、特にワイパーとスリップリングの両方が汚れたり摩耗したりしているときには、サイリスタの起動エラーにつながるという点である。この状況は、一度加熱され導電性を有したままのサイリスタを使用する場合には、許容可能であるが、他の迅速に反応するスイッチング素子を使用する場合には許容できない。また、電気自動車でのドライブのようなセーフティクリティカルな用途には信頼性の高いソリューションが必要とされる。
【０００９】
ブラシレス発電機のロータを消磁するための別の例が、米国特許出願公報第２００６／０１８１２４９号から知られている。この解決策の問題点は、複雑であることと、第２の巻線の全電圧で常に動作することである。また、消磁には長い時間が必要になる。
【００１０】
また、特開昭５８−０３６１９８には、負荷が中断された後、発電機の界磁回路と直列に抵抗器を挿入することにより、荷重解除時の発電機の電圧上昇を抑制する構成が開示されている。このため、抵抗器とスイッチからなる並列回路が、同期発電機の界磁回路に挿入されるが、ここではスイッチは通常閉じられている。バスの電圧を低減するように負荷が遮断されると、電圧降下検出器が操作されてスイッチが開く。したがって、抵抗器は、界磁コイルと直列に接続されている。このようにして、負荷遮断時の電圧上昇を抑制することができる。
【００１１】
最後に、米国特許出願公報第２００９／１５３１０５号は、発電機であって、出力電圧を供給する主二次巻線を備えた発電機ステータと、少なくとも１つの補助巻線と、補助巻線によって電力供給された励磁機界磁巻線と、発電機の出力電圧を調整する調整器と、励磁機の２次巻線を備える発電機ロータと、励磁機の２次巻線によって電力供給された回転磁界巻線と、回転磁界巻線への電力供給を制御し、電圧調整器からの制御信号に応答して回転磁界巻線への電力供給を制御することにより、発電機からの出力電圧の振幅を所定のレベルに維持するように構成された制御回路であって、補助巻線は、回転時に回転磁界巻線によって生成された変動磁場にさらされているために電圧を生成する、制御回路と、を備える発電機が開示されている。電圧調整器からの信号は、専用の変圧器を用いてステータ側からロータ側へ送信される。
【００１２】
ただし、米国特許出願公報第２００９／１５３１０５号で提案されている構成は、比較的複雑である。したがって、そのような発電機は高価であり、同時に、複雑な構成のために故障の危険性が比較的高い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】国際公開第１９９３／０２０６１４号
【特許文献２】米国特許出願公開第２００６／０１８１２４９号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００９／１５３１０５号明細書
【特許文献４】米国特許第３９８４７５５号明細書
【特許文献５】特開昭５８−０３６１９８
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】”整流器(Gleichrichter)”、ｐ３−４、[online]、平成２３年２月２５日、ウィキペディア（WIKIPEDIA）、[平成２５年４月２５日]、インターネット<URL:http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Gleichter&oldid=85743528>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、改良された同期機の要件を満たすことを提案している。要件とは、具体的には、少ない付加的技術的努力でロータの安全かつ迅速な消磁を確実にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明によれば、この要件は、冒頭で述べた種類の同期機によって達成され、この同期機は、
ａ）スイッチング素子の制御素子に接続されたロータ側第１の二次巻線のタップ、または、
ｂ）ステータ側第１の一次巻線に結合され、スイッチング素子の制御素子に接続されたロータ側第２の二次巻線を備える。
【００１７】
一方で、スイッチング素子用の制御信号は、ワイパーとスリップリングとの間の接触エラーによる影響を受けることがなくなる。スイッチング素子は、このようにして確実に駆動されるため、ロータをいつでも確実に消磁することが可能になる。一方、ステータ側第１の一次巻線は、ロータ回路の電源目的およびスイッチング素子の制御素子に電力を供給する目的（ケースａおよびケースｂ）で使用されるので、構成に必要となる追加部品数は少なくてよい。また、さらに、ロータ側第１の二次巻線は、ロータ回路の電源目的およびスイッチング素子の制御素子に電力を供給する目的（ケースａ）で使用することができる。したがって、ステータ側第１の一次巻線とロータ側第１の二次巻線の両方により２つの利点が提供される。
【発明の効果】
【００１８】
上記構成によって以下の利点が提供される。
−  ロータに非接触で電気エネルギーを供給することができる。
−  ケースａ）の場合、第１の回転変圧器は、ロータ側励磁巻線に供給するだけでなく、スイッチング素子を駆動するのにも使用されるため、第１の回転変圧器は２つの目的を達成する。
−  ケースｂ）の場合、第１の回転変圧器（ステータ側第１の一次巻線とロータ側第１の二次巻線とを備える）は、励磁巻線の供給を達成するように最適に設計されることが可能であり、一方で、第２の回転変圧器（第１のステータ側一次巻線とロータ側第２の二次巻線とを備える）は、スイッチング素子の駆動を達成するように最適に設計されることが可能である。このように、回転変圧器はより簡単で、したがって費用対効果の高い方法で構成することができる。異なる方法で２つの二次巻線を設計することによって、２つの二次巻線はやはりそれらの目的に合うように最適に構成されることができる。
【００１９】
本発明は、特に、電気自動車用の同期機に適しており、また本発明は、言うまでもなく、その他の目的、特に定置プラントの同期機にも適用可能である。
【００２０】
本発明の好都合な実装形態およびさらなる発展は、従属請求項および図面と併せて読んだときの本明細書の結果として生じるものであり、またそうすることにより開示される。
【００２１】
ケースｂ）で第１および第２の２次巻線を共通のコアに配置し、これにより、回転変圧器の構造を一層簡素化して、さらにその費用対効果を高めるならば、特に好都合である。
【００２２】
また、他励同期機が、コンデンサおよび／またはインダクタンスであって、共通の一次巻線の電圧がオフになった後、例えば、数ミリ秒後にスイッチング素子が遅れて開放されるように、ロータ側第１の二次巻線またはロータ側第２の二次巻線とスイッチング素子の制御素子との間に配置され、接続されたコンデンサおよび／またはインダクタンスを備えるならば、特に好都合である。このようにして、励磁電圧におけるまたは脈動励磁電圧の電圧ギャップにおける意図しない短期的な電圧降下があった場合に、スイッチング素子の駆動を防ぐことができる。このような電圧ギャップは、特に、ステータ側のインバータと組み合わされたロータ側ブリッジ整流器またさらにロータ側一方向整流器などによって引き起こされる。この点について、上記コンデンサおよび/またはインダクタは、ローパス特性をもっている。特に、容量／誘導率は、ステータ側インバータおよび／またはロータ側整流器によって引き起こされる電圧ギャップが（ちょうど）ブリッジされるように定格を設定することができる。
【００２３】
スイッチング素子が、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のドレイン−ソースパスによって形成され、制御素子が、上記トランジスタのゲート電極によって形成されるならば好都合である。電界効果トランジスタは、低オン抵抗かつ高オフ抵抗を有する。したがって、同期機の通常の動作状態での電力消費は非常に低い。
【００２４】
この状況において、コンデンサ／インダクタンスが、上記トランジスタのゲート電極とドレイン電極との間またはゲート電極とソース電極との間に配置されるならば特に好都合である。電界効果トランジスタが必要とするゲート電流は非常に低く、そのため、ほんのわずかな容量を使用して共通の一次巻線の電圧をオフに切り替えた後、スイッチング素子が遅延して開放される。
【００２５】
上記電界効果トランジスタは、電界効果トランジスタをスイッチオフした後、そのアバランシェ効果を介して、励磁巻線に格納されている誘導エネルギーを放散するように構成されるならば特に好都合である。したがって、この変形例では、励磁巻線に格納されたエネルギーが、電界効果トランジスタにおいて直接熱に変換される。そのため、少なくともいくつかの部分において抵抗の特性をもつトランジスタに並列に接続された要素（例えば、抵抗、バリスタ、ツェナーダイオードなど）は、省略してもよく、その結果、ロータ回路は非常に単純な構造になる。
【００２６】
さらに、スイッチング素子が、絶縁ゲートバイポーラトランジスタのエミッタ−コレクタパスによって形成された場合、制御素子は、上記トランジスタのゲート電極によって形成され、上記キャパシタ／インダクタは、ゲート電極とエミッタ電極との間かまたはゲート電極とコレクタ電極との間に配置されているのが好都合である。絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、制御入力用の絶縁ゲート電界効果トランジスタとスイッチとしてのバイポーラパワートランジスタを組み合わせることにより、電界効果トランジスタの単純なゲート駆動特性とバイポーラトランジスタの高電流かつ低飽和電圧の能力とを組み合わせる。したがって、同期機の通常の動作状態では、電力消費は、通常の電界効果トランジスタと比較してさらに低くなる。
【００２７】
また、他励同期機は、ステータ側に光源およびロータ側に受光素子をもつ光カプラを備え、この光学素子（光カプラ）がスイッチ素子の制御素子に接続されているのが好適である。これにより、移動するロータに固定ステータからの制御信号を非接触方式で送信するための、さらに素晴らしい可能性が提供される。
【００２８】
光カプラは、同期機の回転軸の領域に配置されているのが好都合である。このように、ステータ側の光源とロータ側の受光素子は、ロータが回転しているときも常に対向位置にある。これにより、光カプラが常に信頼性高く機能することが確実になる。
【００２９】
さらに、他励同期機が、電気エネルギーを格納する素子であって、ロータ回路に電力が供給されない場合であってもスイッチング素子の駆動を可能にする素子を備えるならば好都合である。この手段は、ロータ回路の整流器のせいで、励磁電圧が短期的に降下または脈動した場合に、スイッチング素子があまりにも早くオフに切り替えられるのを防ぐ。ここでも、エネルギー格納素子は、インダクタンス、（特に、いわゆる、「スーパーキャパシタ」と呼ばれる）コンデンサ、および／または蓄電池でよい。スイッチング素子が遅れて動作される上記の変形例と比較すると、ここでは、省エネ素子が電気エネルギーを利用可能にする期間全体にわたって、スイッチング素子を積極的に駆動することができる。
【００３０】
また、少なくともいくつかの部分において抵抗特性をもつ素子がスイッチング素子と並列に配置されるならば好都合である。励磁巻線に格納されている誘導エネルギーを熱に変換するために、例えば、（線形）抵抗器、バリスタ（電圧依存抵抗器ＶＤＲとも呼ばれる）、またはツェナーダイオードをスイッチング素子と並列に設けてもよい。
【００３１】
本発明の上記の実装およびさらなる発展は、様々な方法で組み合わせることができる。
【００３２】
図面の概略図に示された実施形態を参照しながら、本発明を以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来技術による同期機を示す概略図である。
【図２】スイッチング素子を駆動させるための第２の回転変圧器を備える、本発明による第１の同期機を示す概略図である。
【図３】スイッチング素子を動作させるための光カプラを備える、本発明による第２の同期機を示す概略図である。
【図４】回転変圧器が組み合わされた同期機のさらなる変形例を示す図である。
【図５】図４の同期機だが、スイッチング素子として電界効果トランジスタを備える同期機を示す図である。
【図６】１つの一次巻線と１つの二次巻線のみを有する、回転変圧器を備える本発明による同期機の変形例を示す図である。
【図７】図６の本発明による同期機であるが、スイッチング素子の駆動が異なる同期機を示す図である。
【図８】ロータ側第１の二次巻線のタップが、スイッチング素子の制御素子に接続している同期機を示す図である。
【図９】図６と同様の構成だが、スイッチング素子を制御するためにコンデンサの代わりにインダクタンスを備える構成を示す図である。
【図１０】図９と同様の構成だが、スイッチング素子としてＦＥＴの代わりにＩＧＢＴを備える構成を示す図である。
【図１１】図７と同様の構成だが、ロータ側第１の２次巻線の極性が異なる構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図面の図では、同一および類似の構成要素は同一の符号を用いて示され、同様の機能を有する要素および機能も、他に何も定義されていない限り、同一の符号だが指数が異なるようにして示される。読者は、本明細書において、「接続された」または「結合された」という用語および関連する用語は、操作上の意味で使用されており、必ずしも直接的な接続または結合に限定されるものではないことを理解しなければならない。
【００３５】
図１は、従来技術による他励同期機１ａを概略的に示す。同期機１ａは、ステータ２と、（ロータ側）励磁巻線３と、第１の回転変圧器４ａであって、ステータ側第１の一次巻線５ａ、３つのロータ側第１の二次巻線６ａ、およびそこに接続された整流部７ａを有する第１の回転変圧器４ａと、を備える。励磁巻線３および整流部７ａを含むロータ回路は、その中に配置された、ロータ回路を遮断するために設けられたスイッチング素子８ａをさらに有する。本実施例では、スイッチング素子８ａは、制御コイル９ａによって駆動され、制御コイル９ａとともにリレーを形成する。制御コイル９ａの接続が、スリップリング１０を介して静止ステータ側接続をもたらしている。最後に、抵抗１１がスイッチング素子８ａと並列に接続されている。
【００３６】
従来技術による同期機１ａの機能は以下の通りである。
【００３７】
交流電圧がステータ側第１の一次巻線５ａに印加されると、交流電圧はロータ側第１の二次巻線６ａにおいて誘起され、この電圧は整流器７ａを用いて直流電圧に変換される。スイッチング素子８ａが閉じている場合、直流電流が励磁巻線３を通じて流れ、そこでロータ磁場を引き起こす。回転変圧器４ａおよび整流器７ａは、このようにしてロータ回路／励磁巻線３の電源を形成する。交流電流がステータ２に印加されると、ステータ２に生成された回転磁界が既知の方法でロータに回転トルクを生成する。
【００３８】
同期機１ａがシャットダウンされた場合に回転磁界を除去するために、スイッチング素子８ａは、必要に応じて、スリップリング１０を介してステータ側で駆動したり開いたりすることができる。換言すれば、同期機１ａがシャットダウンされると、抵抗１１を介してロータの電流ひいてはロータ磁界を迅速に減衰することが可能になっている。
【００３９】
図２は、本発明による同期機１ｂを示し、この同期機は、スリップリング１０の代わりに、ステータ側第２の一次巻線１３ａおよびスイッチング素子８ａの制御素子９ａに接続されたロータ側第２の二次巻線１４ａを有する第２の回転変圧器１２ａを備える。このようにして、スイッチング素子８ａは、非接触方式で都合よく駆動されることができる。これは、特に、スリップリング１０およびワイパー（図１）の構成が汚れたり摩耗したりしている場合に、このスリップリング１０およびワイパーの間で接触不良によるスイッチング素子８ａの「ばたつき（ｆｌｕｔｔｅｒｉｎｇ）」を効果的に回避する効果がある。こうして、任意の時点でスイッチング素子８ａを安全に駆動することが可能になる。
【００４０】
さらに、励磁巻線３に格納されている誘導エネルギーを熱に変換するために、抵抗１１の代わりに、例えば、抵抗負荷１１の機能を果たすバリスタまたはツェナーダイオードなどの少なくともいくつかの部分において抵抗特性をもつ別の要素を配置してもよい。
【００４１】
図３は、本発明による代替的な同期機１ｃを示し、この同期機では第２の回転変圧器１２ａの代わりに、光カプラ１５が設けられている。スイッチング素子８ａをこうした方法で駆動するために、光カプラを使用してロータとともに回転する電圧源１６を制御コイル９ａに接続してもよい。電圧源１６は、例えば、ロータ回路の電源から電源供給されるコンデンサやアキュムレータでよい。ロータ回路へのエネルギー供給がない場合でも、電気エネルギーを蓄積するこの要素によってスイッチング素子８ａの（少なくとも短期的な）駆動が可能になる。あるいは、スイッチング素子８ａは、光カプラ１５、すなわち、そのフォトトランジスタによって直接形成されてもよい。この目的で、例えば、ソリッドステートリレーを使用することができ、ソリッドステートリレーは、光学的に駆動される。
【００４２】
光カプラ１５の光源と光素子は、ロータが回転するときでも常に互いに対向して位置するように、光カプラ１５は、同期機１ｃの回転軸の領域に配置されているのが好都合である。
【００４３】
図４は、本発明による同期機１ｄのさらなる変形例を示す（ステータ巻線は図示せず）。同期機１ｄは、インバータ１８を介してステータ側第１の一次巻線５ｄに電気エネルギーを供給するステータ側（直流）電圧源１７を備える。この電気エネルギーは、ロータ側第１の二次巻線６ｄと、整流ダイオードおよびフリーホイーリングダイオードの組み合わせ７ｄと、を介して励磁巻線３（ここでは、理想的なインダクタンスと理想的なオーム抵抗からなる代替回路図として示されている）に伝えられる。上記と同様の方法で、ロータの回路構成は、スイッチング素子８ａと、それに並列接続された抵抗１１とを備える。インバータ１８の代わりに、その他の任意のインバータ設計を使用することも当然可能である。
【００４４】
また、同期機１ｄは、ロータ側第２の二次巻線１４ｄ、ダイオード１９、抵抗２０、コンデンサ２１、さらなる抵抗２２、および制御コイル９ａを備える、ロータと共に回転する制御回路を備える。この例では、第１の回転変圧器および第２の回転変圧器は、共通の第１の巻線５ｄを備える。第１および第２の二次巻線６ｄ，１４ｄは、共通のコアに配置されるのが好都合である。
【００４５】
同期機１ｄの機能は以下の通りである。
【００４６】
ステータ側第１の一次巻線５ｄにエネルギーが供給される間、交流電圧がロータ側第２の二次巻線１４ｄにおいて誘起され、その電圧を用いてコンデンサ２１がダイオード１９および抵抗２０を介して充電される。抵抗２０は、充電電流を制限するのに役立つ。したがって電圧は、スイッチング素子８ａを閉じた状態に保持する制御コイル９ａにも存在している。今、同期機１ｄがシャットダウンされ、ステータ側第１の一次巻線５ｄにエネルギーが供給されなくなると、コンデンサ２１は制御コイル９ａおよび抵抗２２を介して放電され、結果的に、スイッチング素子８ａは、ロータ電力供給がオフに切り替えられた後（例えば数ミリ秒）遅れて開放され、それによってロータの磁化は素早く減衰する。
【００４７】
同期機１ｄは、ロータ側第２の二次巻線１４ｄとスイッチング素子８ａの制御素子９ａとの間に配置されたコンデンサ２１であって、共通の一次巻線５ｄの電圧が除去された後、スイッチング素子８ａが遅れて開放されるように制御素子９ａに接続されたコンデンサ２１を備える。
【００４８】
これにより、インバータ１８および組み合わせ７ｄの整流ダイオードによって引き起こされる可能性のある、励磁電圧におけるまたは脈動励磁電圧の電圧ギャップにおける、意図しない短期的な電圧降下のためにスイッチング素子８ａを駆動させることを防ぐことが好都合である。特に、コンデンサ２１と抵抗２２は、上述の電圧ギャップが橋渡し（ｂｒｉｄｇｅｄ）されるように定格を設定してもよい。
【００４９】
図５には、本発明によるさらなる変形例である同期機１ｅが示されており、この変形例は、図４に示された同期機１ｄと非常に類似している。ただし、スイッチング素子８ａおよび制御素子９ａによって形成されるリレーの代わりに、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、実際にはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）が設けられており、そのドレイン−ソースパスは、スイッチング素子８ｅによって形成され、そのゲート電極は、制御素子９ｅによって形成されている。特に、電界効果トランジスタが使用される際に、電界効果トランジスタがオフに切り替えられた後、アバランシェ効果を介して励磁巻線３に格納されている誘導エネルギーを放散するように電界効果トランジスタが構成されている場合には、抵抗１１を省略してもよい。
【００５０】
図６は、本発明によるさらなる変形例である同期機１ｆが示されている。この図では、ロータ側第２の二次コイルが省略されており、ロータ側第１の二次コイル６ｄのみが設けられている。同期機１ｆは、ダイオード２３と、第１の二次コイル６ｄに並列な２つの抵抗２４、２５で形成される分圧器と、からなる直列接続を含む。コンデンサ２６は、分圧器２４、２５に並列に接続されている。
【００５１】
同期機１ｆの機能は以下の通りである。
【００５２】
ステータ側第１の一次巻線５ｆにエネルギーが供給される間、ロータ側第１の二次コイル６ｆにおいても交流電圧が誘起され、その電圧を用いてコンデンサ２６がダイオード２３を介して充電される。したがって、ゲート電極９ｅには、分圧器２４、２５を介して電圧が生じ、これによって、ドレイン−ソースパス８ｅの導電性が維持される。同期機１ｆがシャットダウンされ、ステータ側第１の一次巻線５ｆにエネルギーが供給されなくなると、コンデンサ２６は抵抗２４、２５を介して放電され、結果的に、本発明のこの変形例においても、スイッチング素子８ｅは、ロータ電力供給がオフに切り替えられると遅れてオフに切り替えられ、それによってロータの磁化が減衰する。
【００５３】
図７は、本発明によるさらなる変形例である同期機１ｇを示しており、この図では、第１の二次巻線６ｆだけが存在している。さらに、逆並列ダイオード７ｄが、２つの逆並列ダイオード２７および２８をそれぞれ含むさらに２つの分岐と並列に接続されている。このようにして、分岐２７を共有する２つのフルブリッジ整流器が作られており、これらは、フルブリッジ整流器２７，２８およびフルブリッジ整流器２７，７ｄである。フルブリッジ整流器２７，７ｄは、励磁コイル３と、スイッチング素子８ｅ（ＦＥＴのドレイン−ソースパス）と、これに並列接続された抵抗１１を有する。フルブリッジ整流器２７，２８は、コンデンサ２９と、分圧器と、これに接続された抵抗３０、３１とからなる並列接続を有する。
【００５４】
ステータ側第１の一次巻線５ｆにエネルギーが供給される間、ロータ側第１の二次コイル６ｆにおいても交流電圧が誘起され、その電圧を用いてコンデンサ２９がフルブリッジ整流器２７，２８を介して充電される。したがって、ゲート電極９ｅには、分圧器２４、２５を介して電圧が生じ、これによって、ドレイン−ソースパス８ｅの導電性が維持される。同期機１ｇがシャットダウンされ、ステータ側第１の一次巻線５ｆにエネルギーが供給されなくなると、コンデンサ２９は抵抗３０、３１を介して放電され、結果的に、本発明のこの変形例のスイッチング素子８ｅも、ロータ電力供給がオフに切り替えられると遅れてオフに切り替えられ、それによってロータの磁化が減衰する。
【００５５】
図８は、変形例である同期機１ｈをさらに示しており、この同期機は、図５の同期機１ｅに非常に類似している。比べてみると、ロータ側第１の二次巻線６ｄのタップ（接続ポイント）が、スイッチング素子８ｅの制御素子９ｅと接続されている。このような方法で、別の第２の二次巻線を省略してもよい。
【００５６】
図９は、図６と類似した配置を示しているが、スイッチング素子８ｅを制御するためにコンデンサ２６の代わりにインダクタンス３２を備える。また、図９の構成の機能は、図６に示された構成の機能に非常に類似している。エネルギーは、インダクタンス３２に格納され、ロータ側第１の二次巻線６ｆの電圧が落ちた（ｂｒｅａｋｓ  ｄｏｗｎ）場合、インダクタンス３２は、スイッチング素子８ｅをしばらく開放に維持する。
【００５７】
図１０は、図９に類似した構成であるが、スイッチング素子８ｅとしてＦＥＴの代わりにＩＧＢＴを備えた構成を示している。もちろん、ＩＧＢＴの使用は、図９による構成に限定されるものではなく、他の構成でも使用することができる。例えば、図５〜図８の構成において、ＩＧＢＴをスイッチング素子８ｅとして使用してもよい。
【００５８】
なお、スイッチング素子８ａおよび８ｅは、単に例／典型例として理解されるべきであり、本発明にとって好都合ではあるが、限定的なものとして理解されるべきではないことをこの時点で留意すべきである。関連する技術分野における当業者の技能を有する読者であれば、他のスイッチ／スイッチング素子が、例えばサイリスタの代替として使用されうることを当然理解するであろう。
【００５９】
さらに、ロータ側第１の二次巻線６ａ．．．．６ｆに対するステータ側第１の一次巻線５ａ．．．．５ｆの極性は、図示されたものと異なっていてもよい。（つまり、巻線５ａ．．．．５ｆで示される点と巻線６ａ．．．．６ｆで示される点は互いに斜めに位置する。）
【００６０】
図１１は、図７の構成と類似したそのような構成を示している。比較すると、ロータ側第１の二次巻線６ｆの極性が異なる。
【符号の説明】
【００６１】
１ａ．．．１ｋ  他励同期機、２  ステータ巻線、３  ロータ巻線、４ａ．．．４ｆ  第１の回転変圧器、５ａ．．．５ｆ  ステータ側第１の一次巻線、６ａ．．．６ｆ  ロータ側第１の２次巻線、７ｄ  整流器／フリーホイーリングダイオードの組み合わせ、８ａ、８ｅ  スイッチング素子、９ａ、９ｅ  制御素子、１０  スリップリング、１１  抵抗、１２ａ  第２の回転変圧器、１３ａ  ステータ側第２の一次巻線、１４ａ、１４ｄ  ロータ側第２の２次巻線、１５  光カプラ、１６  （ロータ側）電圧源、１７  （ステータ側）電圧源、１８  インバータ、１９  ダイオード、２０  抵抗、２１  キャパシタ、２２  抵抗、２３  ダイオード、２４、２５  分圧器、２６  コンデンサ、２７  ブリッジ整流器の第１分岐、２８  ブリッジ整流器の第２分岐、２９  コンデンサ、３０、３１  分圧器、３２  インダクタンス。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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