(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関用のスタータモータおよび発電機を組合わせたシステムにおいて、
１以上の相巻線を有する切替えリラクタンスマシンと、
前記１以上の相巻線を付勢するためのコンバータ回路とを具備し、
このコンバータ回路は、
第１の電圧で相巻線にエネルギを供給するための第１の電源と、
前記第１の電圧よりも低い第２の電圧で相巻線にエネルギを供給するための第２の電源と、
前記リラクタンスマシンのパラメータを監視する手段と、
第１および第２のスイッチ手段と、
前記第１および第２のスイッチ手段を付勢することにより監視しているパラメータに応答してリラクタンスマシンの出力を制御するように構成された制御手段とを具備し、
前記第１のスイッチ手段は相巻線の電流の導通期間の第１の部分においては、その相巻線に第１の電源を接続し、監視されているパラメータが第１の予め定められた値に到達したときには前記第１のスイッチ手段はオフに切替えられてその相巻線を第１の電源から遮断し、
前記第２のスイッチ手段は監視されているパラメータが第２の予め定められた値に到達したときにはその相巻線に第２の電源を接続するように構成されているシステム。
【請求項２】
第２の電源は正および負の端子を備え、第２のスイッチ手段はサイリスタで構成され、相巻線に対して第２の電源の正の端子から電力を供給するように構成されている請求項１記載のシステム。
【請求項３】
第２のスイッチ手段は、さらに巻線から第２の電源の負の端子へ電力を導く別のスイッチを具備している請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記別のスイッチはサイリスタで構成されている請求項３記載のシステム。
【請求項５】
第２の電源は電気蓄積装置である請求項１乃至４のいずれか１項記載のシステム。
【請求項６】
第１の電源はその電圧を維持するためのキャパシタを備えている請求項１乃至５のいずれか１項記載のシステム。
【請求項７】
第２の電圧を受けるように構成された入力と、第１の電源に接続された出力とを備え、第２の電圧から第１の電圧に変換する動作を行うアップコンバータを具備している請求項１乃至６のいずれか１項記載のシステム。
【請求項８】
前記アップコンバータは両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータであり、その出力において第２の電圧の第１の電圧への昇圧変換が行われ、その入力において第１の電圧の第２の電圧への降圧変換が行われる請求項７記載のシステム。
【請求項９】
第１のスイッチ手段は、１相当り２個のスイッチを有するスイッチ回路を具備している請求項１乃至８のいずれか１項記載のシステム。
【請求項１０】
前記第１および第２の予め定められた値は同じ値である請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
相巻線の電流の導通期間中、少なくとも１つの相巻線に第１の電圧と第２の電圧を順次供給する請求項１乃至１０のいずれか１項記載のシステムの動作方法において、
相巻線の電流の導通期間の第１の部分において第１のスイッチ手段を付勢して相巻線の両端間に第１の電圧を供給し、その導通期間の第１の部分の終わりにおいて第１の電圧の供給を遮断し、
リラクタンスマシンのパラメータを監視し、
監視しているパラメータに応じてリラクタンスマシンの出力を制御し、
監視しているパラメータが予め定められた値に到達したとき、第２のスイッチ手段を付勢して相巻線に第１の電圧の値に比較して低い値の第２の電圧を供給することを特徴とする動作方法。
【請求項１２】
リラクタンスマシンの監視されるパラメータは巻線電流である請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
第２の電圧は監視しているパラメータが予め定められた値に到達したときに巻線に供給されて相巻線の電流の導通期間中において電流を予め定められた範囲内に維持する請求項１１または１２記載の方法。
【請求項１４】
前記第１のスイッチ手段は１相当り２個のスイッチを有するスイッチ回路を具備し、そのスイッチ回路は第１の電源の第１の端子と相巻線の一端との間に接続されている上方スイッチと、第１の電源の第２の端子と相巻線の他端との間に接続されている下方スイッチと、上方スイッチおよび下方スイッチのそれぞれと相巻線との直列回路と並列に接続されている再循環ダイオードとを具備し、
第２のスイッチ手段は第２の電源の１端子と相巻線の一端との間に接続されているスイッチを具備し、
動作方法は、リラクタンスマシンのパラメータが上限値に到達したとき相巻線中の電流を減衰させるために上方および下方スイッチの１つをオフにする請求項１１または１２記載の方法。
【請求項１５】
前記第１のスイッチ手段は１相当り２個のスイッチを有するスイッチ回路を具備し、そのスイッチ回路は、第１の電源の第１の端子と相巻線の一端との間に接続された上方スイッチと、第１の電源の第２の端子と相巻線の他端との間に接続された下方スイッチと、上方および下方スイッチのそれぞれと相巻線との直列回路と並列に接続されている再循環ダイオードとを具備し、
第２のスイッチ手段は第２の電源の１端子と相巻線の一端との間に接続されているスイッチを具備し、
動作方法は、リラクタンスマシンのパラメータが上限値に到達したとき相巻線中の電流を減衰させるために上方および下方スイッチの両者をオフにする請求項１１乃至１３のいずれか１項記載の方法。
【請求項１６】
上方および下方スイッチは、相巻線の電流の導通期間内の電流が減衰する期間において交互にオフにされてフライホイールにより相巻線に電流が流される請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
前記予め定められた値は前記上限値よりも低い請求項１４乃至１６のいずれか１項記載の方法。
【請求項１８】
電流は下方スイッチをオフにすることによって減衰され、それにより第２の電源のエネルギは上方スイッチを通って第１の電源に転送される請求項１４または１６記載の方法。
【請求項１９】
電流は上方スイッチを閉路し、それから上方および下方スイッチの両者を開路することによって減衰され、それにより巻線に蓄えられているエネルギは再循環ダイオードを通って第１の電源に転送される請求項１４または１６記載の方法。
【請求項２０】
相巻線の電流の導通期間中に第１の電源の第１の電圧を維持する請求項１８または１９記載の方法。
【請求項２１】
第２のスイッチ手段は、相巻線の電流の導通期間の開始において相巻線に第２の電圧を供給するように付勢される請求項１４乃至２０のいずれか１項記載の方法。
【請求項２２】
第１の電源の電圧は第２のスイッチ手段を付勢すると共に下方スイッチを反復的に付勢することによって上昇される請求項１４乃至２０のいずれか１項記載の方法。
【請求項２３】
第１の電源の電圧はその相巻線の電流の導通期間ではない期間に第２のスイッチ手段と下方スイッチの反復的な付勢によって上昇される請求項２２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二重電圧（２種類の電圧）を使用する切替えリラクタンスマシン動作に関するものであり、特に、内燃機関用のスタートおよび発電機能を行うための切替えリラクタンスマシン動作に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関を有する乗物では、１つはエンジンのスタート用、他の１つはスタートバッテリを再充電し、乗物上の補助電気負荷に給電する２つの別々の電気マシンを設けるのが普通である。スタータは典型的に乗物に搭載されたバッテリから給電される。１２ボルトのバッテリは乗用車および小型の産業用自動車に使用され、一方６ボルトのシステムはオートバイに使用され、２４ボルトのシステムは大型の産業用自動車に通常使用されている。原理的にどのバッテリを使用しなければならないかの制限はないが、これらは上記のように選択することが経済的であることが認められている。
【０００３】
もしも、乗物、例えば乗用車であれば、補助装置による電気負荷（例えば風防ワイパー、換気ファン、座席調整装置、ヒータ等）は比較的小さく、そのためこれらの負荷に給電し、バッテリを充電状態に維持する発電機も比較的小さく、そのためエンジンは比較的小型の、典型的にスタータモータの大きさの６０％程度のもので再スタートできる。通常、発電機は、電気負荷に給電し、バッテリを充電するために乗物内部を巡って設置されている電気バスに給電する。
【０００４】
電気マシンはモータおよび発電機モードの両方で動作することができるが、１つのマシンによってそれらを行うことができるようにスタートおよび発電任務を組合わせることがコスト的に有効であることは認められていない。これは２つのマシンが動作する速度と負荷が大きく異なるためである。スタータは比較的低いエンジン速度、すなわち６００回転／分でピークパワーを与えなければならず、一方発電機は７００乃至６０００回転／分の広い範囲にわたって動作し、その範囲の大部分で全出力を与えることができなければならない。その結果２つのマシン非常に異なった設計となる傾向にある。
【０００５】
しかしながら、電気負荷は大きくなる傾向にあり、特に大型の乗物ではその傾向が著しく、発電機の大きさは増加し、その結果発電機の重量のために単一のマシンにスタート機能と発電機能を結合する方法を探す必要性が生じている。この二重の役割に対して好ましい電気マシンの１つの形式は切替えリラクタンスマシンである。それは経済的に生産され、頑丈で広い速度範囲にわたって動作できるからである。米国特許第５４８９８１０号および第５４９３１９５号明細書には航空機のエンジン用のスタータ／発電機として使用される切替えリラクタンスマシンが記載されている。
【０００６】
一般に、リラクタンスマシンは電気マシンであり、それにおいてトルクは、磁気回路のリラクタンスが最小になる位置、すなわち、励磁巻線のインダクタンスが最大になる位置に可動部分が移動させる性質によって生成される。１つの形式のリラクタンスマシンでは、相巻線の付勢は制御された周波数で生じる。これは通常同期リラクタンスマシンと呼ばれ、モータまたは発電機として動作される。
【０００７】
第２の形式のリラクタンスマシンではロータの角度位置を検出してロータの位置の関数として相巻線を付勢する回路が設けられる。この第２の形式のリラクタンスマシンは切替えリラクタンスマシンと呼ばれ、同様にモータまたは発電機として動作される。この様な切替えリラクタンスマシンの特性はよく知られており、例えば文献（StephensonおよびBlake “The characteristic,design and application of switched reluctance motors and drives”，ＰＣＩＭ´93，21〜24，1993年 6月）に記載されている。本発明は一般的にリラクタンスマシンに適用可能であり、特にモータおよび発電機の両方の動作の切替えリラクタンスマシンに適用可能である。
【０００８】
図１は典型的な切替えリラクタンスマシン駆動システムの主要な構成要素を示している。入力ＤＣ（直流）電源11は例えばバッテリまたは整流されて瀘波されたＡＣ（交流）電力ラインである。電源11によって供給されるＤＣ電圧は電子制御装置14の制御下で電力コンバータ13によってマシンの相巻線16の両端に与えられる電圧が切替えられる。適当な形式の電流検出器17が使用されて相巻線から制御装置への電流フィードバックが行われる。スイッチングは駆動装置の適切な動作のためにロータの回転に同期させなければならない。通常ロータ位置検出器15が使用されてロータの角度位置に対応する信号を供給する。ロータ位置検出器15の出力はまた速度フィードバック信号を発生するためにも使用される。
【０００９】
ロータ位置検出器15は多くの形態にすることができる。例えば、図１に概略的に示されるようにハードウエアの形態でもよく、或いはＥＰＡ0573198 号公報に記載されているように駆動装置システムの他の監視パラメータから位置を計算するソフトウエアアルゴリズムの形態でもよい。あるシステムではロータ位置検出器15はロータ位置変換器で構成され、それは電力コンバータ13中の装置の異なるスイッチング装置が必要とされる位置までロータが回転される都度状態を変化させる出力信号を生成する。
【００１０】
切替えリラクタンスマシンの相巻線の付勢は特にロータの角度位置の正確な検出に強く依存する。ロータ位置検出器15からの正確な信号の重要性について、モータとして動作するリラクタンスマシンのスイッチングを示している図２および図３を参照にして説明する。
【００１１】
図２は矢印22にしたがってステータ磁極21に接近しつつあるロータ磁極20を示している。図２に示されるように、完全な相巻線16がステータ磁極21に巻かれている。上述のようにステータ磁極21に巻かれた相巻線16の部分が付勢されたとき、
ロータに力が作用してロータ磁極20をステータ磁極21と整列させるように牽引する。
【００１２】
図３はステータ磁極21の周囲の巻線部分23を含む相巻線16の付勢を制御する電力コンバータ13の典型的なスイッチング回路を示す。スイッチ31と32が閉じられたとき、相巻線16はＤＣ電源に結合されて付勢される。多数の他のスイッチング回路の形態が技術的に知られており、これらの幾つかは前述のStephensonおよびBlake の文献に記載されている。
【００１３】
一般的に、相巻線は以下のようにロータの回転を行わせるように付勢される。
【００１４】
ロータの最初の角度位置（ターン・オン角度θONと呼ぶ）で、制御装置14はターン・オンするためのスイッチング信号を両スイッチング装置31および32に供給する。両スイッチング装置31および32がオンにされると、相巻線16はＤＣバスに接続されてマシン中に増加した磁束を設定させる。この磁束は空隙中に磁界を生成してその磁界がロータ磁極20と作用してモータトルクを生成する。マシン中の磁束は起磁力（ｍｍｆ）によってサポートされ、それは電流をスイッチ31および32と相巻線16（図２の相巻線23）を通ってＤＣ電源から流すことによって与えられる。制御装置によっては、電流フィードバックが使用され、位相電流の大きさはスイッチング装置31および32の一方または両方を急速にオンオフのスイッチングをすることによって電流を断続（チョップ）して制御される。図４のａはチョッピング動作モードにおける典型的な電流波形を示し、電流は２つの固定レベル間で断続される。モニタ動作において、ターン・オン角度θONはステータ磁極の中心線とロータ磁極間の中間線とが整列するロータ位置であるように選択されることが多いが、他の角度であってもよい。
【００１５】
多くのシステムでは相巻線は、ロータが回転して“フライホイール角度”θFWと呼ばれる角度に到達するまではＤＣバスに接続されたままである（チョッピングモードが使用される場合には断続的に接続される）。ロータが回転してフライホイール角度θFWに対応する角度（例えば図２に示された位置）に到達するとき、
スイッチの一方、例えばスイッチ31はオフに切替えられる。その結果、相巻線を流れる電流は流れ続けるが、今度はスイッチの一方（この例ではスイッチ32）とダイオード33，34の一方（この例ではダイオード34）だけを流れる。フライホイール期間中、相巻線の両端間の電圧降下は小さく、磁束は実質上一定にとどまる。
【００１６】
回路は、ロータが回転して“ターン・オフ角度”θOFF と呼ばれる角度に到達する（例えばロータ磁極の中心線がステータ磁極の中心線と整列されるとき）まではこのフライホイール状態に維持される。ロータがターン・オフ角度θOFF に到達するとき、両スイッチ31および32はオフに切替えられ、相巻線16中の電流はダイオード33，34を通って流れ始める。ダイオード33，34はその後ＤＣバスから反対方向にＤＣ電圧を供給し、マシン中の磁束（したがって位相電流）を減少させる。
【００１７】
マシンの速度が増加するにしたがって、電流がチョップレベルに上昇するまでの時間が短くなり、駆動装置は“シングルパルス”動作モードで駆動される。このモードではターン・オン、フライホイール、およびターン・オフ角度は例えば速度および負荷トルクの関数として選択される。システムによってはフライホイール角度期間は使用されず、すなわちスイッチ31および32は同時にオンオフされる。図４のｂはフライホイール角度がゼロである場合の典型的なそのようなシングルパルス電流波形を示している。ターン・オン、フライホイール、およびターン・オフ角度の値は必要なとき制御システムによって検索されるために予め定められた適当なフォーマットで記憶されることができ、或いは実時間で計算または推定されることができる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
乗物用の電気システムの１つの開発形態、特に、電気負荷が高い１つの開発形態は、これらの負荷を給電するために高電圧バスを使用するものである。その様な乗物に対する既知の設計は２４から６００ボルトの間の範囲のバス電圧を使用する。これらの高い電圧はより効率の高いシステムを提供する。その理由は所定の電力に対して電流はバス電圧が上昇するにしたがって減少するからである。しかしながら、これはスタートと発電の機能が１つのマシンによって行われる場合には問題を生じる。それは乗物のスタートに使用されるバッテリが２４ボルトよりも高いことはほとんどないからである。高い電圧で動作するように設計されたマシンは、低い電圧のバッテリから通常の方法で動作された場合スタータモータとして必要なパワーを生成しないであろう。この問題の１つの解決方法は、バッテリとマシンとの間にアップコンバータを挿入してバッテリ電圧を少なくとも乗物の高いバス電圧に近い電圧に変換することである。これは電気マシンがスタートと発電の２つの作業のために同じ電圧で動作することを可能にし、したがって２つの異なった電圧で動作するマシンの設計の困難を避けることができるが、アップコンバータを装備するために費用が増加する欠点がある。切替えリラクタンスマシン用のそのような構成が図５に示されており、そこでは図面を簡単にするために単相のマシンが示されている。バッテリ38は既知の形式のアップコンバータ36に高電圧ＤＣバスから給電し、そのバスからマシンの相巻線が通常の方法で励磁される。アップコンバータの効率は得られる電圧比の関数である。例えば２４ボルトから３００ボルトに電圧を上昇させ、１０ｋＷ程度の出力定格を有するアップコンバータは８０％程度の効率である。損失はバッテリから供給され、それ故エンジンのスタートに利用できるエネルギ量が減少する。さらに、アップコンバータの価格は電力定格に比例し、したがってこの費用は非常に顕著なものとなる。それ故、通常の方法では効率が悪く高価である欠点がある。
【００１９】
本発明の目的は、二重電圧から切替えリラクタンスマシンを給電することによって従来技術に関連した問題の少なくとも幾つかを軽減することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴は、特許請求の範囲に記載されており、いくつかの好ましい特徴は従属する請求項に記載されている。
本発明の１特徴によれば、導通期間中に切替えリラクタンスマシンの相巻線を付勢する方法が提供され、その方法は、巻線に第１の電圧でエネルギを供給し、続いて同じ導通期間中に第２の電圧のエネルギを巻線に供給することを特徴とする。
【００２１】
また、本発明によれば、導通期間中にマシンが２つの電圧で動作することを可能にする回路が提供され、適当なときに導通期間中に低い電圧を使用することによってアップコンバータの負担および定格を減少させる機会を提供する。この発明の１実施形態ではアップコンバータの必要をなくすことができる。すなわち、導通期間中の低い電圧の適切な使用によって、アップコンバータは完全に使用しないのではなくても、低い定格の装置とすることができる。これは比較的重い負荷と関連する低い供給電圧で切替えリラクタンスマシンを動作させるコストのかからない問題解決方法を提供する。
本発明は、種々の形態で実施することができる。そのいくつかについて添付図面を参照にして以下の説明する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明は励磁サイクル中切替えリラクタンスマシンの巻線に供給するために２つの異なった電圧を使用する。リラクタンスマシンが自動車中のスタータモータまたは発電機として構成されている状態について検討する。発電機として予め定められた電力出力および高いバス電圧で連続的なデューティに対して典型的に定格が与えられている。スタート機能に対して、マシンはそれを駆動するために高いバス電圧を必要とするが、利用できるバッテリ電圧は典型的に低い。一方従来技術のコンバータ回路は、スタート期間を通してマシンを駆動するために高い電圧を与えるために重い負荷任務のアップコンバータが必要とされていたが、本発明の回路は適当なときにバッテリ電圧だけを使用してモータを駆動する。使用する必要があったとしても小型のコンバータでよい。これは種々の回路によって達成され、その好ましい形態は多相マシンに対して図６に示されている。それぞれの他の相もまたバッテリの両端に、ＶDCを与える給電電圧レール間に接続されている。図１および６に共通の回路素子は同様の参照符号で示されている。
【００２３】
切替えリラクタンスマシンのためのスイッチング回路は図示の実施形態では１相当り２個のスイッチのタイプであるが、その他のスイッチ構造も知られており使用可能である。回路はＤＣリンクを有し、それはこの実施形態ではＤＣリンクキャパシタ44を有し、それからマシンの巻線は上方および下方スイッチ31, 32によって給電される。ここで使用されている用語“上方スイッチ”および“下方スイッチ”は説明の便宜上使用されているものであり、必要な位置を示すものではない。
【００２４】
ＤＣ−ＤＣアップコンバータ40はＤＣリンクを供給するためのアップコンバータとして動作する。サイリスタ42のカソードは巻線16とダイオード34のカソードと上方スイッチとの接続点に接続されている。低電圧バッテリ38はサイリスタ42のアノードとアップコンバータ40の電力入力との間の接続点と、負電圧レールとの間に接続されている。例えば自動車では、低電圧バッテリは補助電気装置用の主エネルギ蓄積装置である。切替えリラクタンスマシン12は内燃機関用のスタータモータである。マシンは高電圧バス（上記のような）に電圧を生成するように設計されているので、エンジンを回転するために必要なトルクを与える高い電圧を発生する必要がある。
【００２５】
動作の１方法は次のとおりである。アップコンバータ40は通常のようにバッテリ38からＤＣリンクにエネルギを供給するように制御される。相巻線16に対する導通期間の開始において（そのスタート点は通常の方法で決定される）、スイッチ31と32は閉じられ、高いＤＣバス電圧が相巻線に供給される。磁束および、したがって電流は制御回路によって何等かの別の作用が行われるまで上昇する。したがって、バッテリは最初に必要とされるエネルギをアップコンバータ40を介して高電圧で供給する。図７はバンバンヒステレシス型電流制御装置が使用される場合に生じる電流波形を示している。当業者は種々の異なった電流制御装置が使用できることを認識するであろう。ヒステレシス型電流制御装置は単に説明が容易なために便宜的に示されたものである。波形図の部分は明瞭にするために誇張して描かれている。電流がコンバータからの高電圧の影響下で点Ａで上限に到達したとき、上方スイッチ31はオフに切替えられ、電流は相巻線16と下方スイッチ32と下方のダイオード34のループを巡ってフライホイールする。その代りに下方のスイッチ32が開かれ、電流は相巻線16と上方スイッチ31と上方のダイオード33のループを巡ってフライホイールする。どちらのスイッチが開かれたかに関係なく、電流は下方境界点Ｂまで比較的ゆっくりと下降する（巻線と装置の両端間の電圧降下の影響下の磁束の減衰として）。
【００２６】
点Ａから点Ｂへの移行において、電流（およびそれ故に磁束）は許容可能な範囲にある。十分な高電圧は、一度範囲が導通期間中に到達された範囲内で電流を制御する必要は絶対的ではないことが認められる。すなわち、スイッチは今や付勢され、必要ならば上方のスイッチが開かれ、下方のスイッチが閉じられることが確実にされる。サイリスタ42はその後点火され、バッテリ電圧だけが直接相巻線16に供給され、コンバータの使用が避けられ、その非効率を避けることができる。このバッテリ電圧の大きさは相巻線と装置の両端間の組合わせた電圧降下に大きく関係する。すなわち、バッテリ電圧が電圧降下よりも大きい場合には、ＤＣリンクから給電されるときよりもゆっくりであるが磁束と電流は上昇し、バッテリ電圧が電圧降下よりも小さい場合には、フライホイールのときよりもゆっくりであるが磁束と電流は低下する。図７は電流が上昇するベースで描かれている。
【００２７】
電流が上昇すると仮定すると動作の選択が行われる点Ｃのヒステレシスの上限に到達する。
【００２８】
第１の方法では、上方スイッチ31は再び閉じられて（導通している）サイリスタ42はオフに切替えられ、下方スイッチ32は開かれて電流がスイッチ31、巻線16およびダイオード33を通って巡ることを可能にする。
【００２９】
第２の方法では、上方スイッチ31は短時間閉じられてサイリスタ42の電流方向を切替え、それから再び開かれて、電流がスイッチ32、巻線16およびダイオード34を通って巡ることを可能にする。これらの方法のいずれによって生成される相電流波形は図７に示され、単一の相の導通期間は、上方および下方スイッチ31, 32のθonにおけるスイッチオンとθoff におけるスイッチオフとの間の角度として定められる。
【００３０】
２つの方法は、２つのスイッチの間のフライホイールデューティとそれらの熱負担をバランスして分担するように交互に使用されることができる。しかしながら、これら両方法により、サイリスタは突然反対方向にバイアスされ、時間に関する高い電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）を受け、スナッブ（snubb ）部品の付加により潜在的に高いグレードを必要とする。さらに、バッテリ電流は不連続であり、所定の電力に対してバッテリ中に比較的高いピーク電流を誘導する。
【００３１】
点Ｃで動作する第３の方法では、単にスイッチ32を開いてそれによって電流をバッテリから巻線を通って流れ続けさせるが、その場合にダイオード33を通ってＤＣリンクキャパシタ44に導く。これはエネルギをＤＣリンクキャパシタ44に転送してアップコンバータ40の作用を複製する。磁束および、したがって電流は、（ＶDC−ＶBatt）に対して減衰する。もしもバッテリ電圧ＶBattがリンク電圧ＶDCに比較して小さいならば、減衰速度はＶDC単独により生成されるものと類似している。この方法の利点は、サイリスタの電流方向の切替え必要なく、したがって電流は連続的にバッテリから引出されることである。しかしながら下方のスイッチのデューティは増加する。それはスイッチ31が常にオフであり、スイッチ32だけが使用されるので２つのスイッチ31と32の負担を等しくすることが不可能であるからである。この方法は点Ｃに続く部分が急激に下降することを除いて、図７に類似している電流波形を生成する。
【００３２】
第４の方法では、前のようにスイッチ31を閉じることによってサイリスタ42の電流方向を切替え、それから両方のスイッチを開いて、それによって巻線に蓄積されていたエネルギがＤＣリンクキャパシタに転送される（相回路当り２個のスイッチが通常のように開かれる場合のような）。しかしながら、この方法はバッテリ電流が不連続となる欠点を再びもたらす。
【００３３】
これらのオブションの２つ以上を組合わせて順次使用することが有効であることが認められた。それはエネルギ転送が任意選択的であるからである。すなわち第３と第４の方法はＤＣリンクキャパシタが充電された状態で残り、アップコンバータの負担をさらに減少させ、他の２つのオブション、すなわち第１と第２の方法が順次使用されると２つのスイッチ間の熱デューティが分担され、それは熱的に有効である。当業者は制御方式を配置するルーチンの作業、例えばキャパシタがあるしきい値電圧に到達するまでエネルギ転送モードを使用し、それからキャパシタが再び下降するまでフライホイールを使用することができることを認識するであろう。
【００３４】
上記のチョップルーチンはロータがスイッチオフ角度θoff に移動する時間まで連続し、トルク生成はその相からは所望されない。上記の第３および第４のいずれかの方法はこの点で相巻線を消勢するために使用されることができる。３つの方法が使用される場合、サイリスタは電流がゼロに到達するとき当然オフとなる。このように動作されるとき、サイリスタは点Ｂから電流の消滅間でオンであり、比較的“遅い”装置である（すなわちコンバータグレード）。いずれかの方法により、導通期間の終りにおけるＤＣリンクへのエネルギ転送はさらにアップコンバータの負担を減少させる。
【００３５】
回路を動作させる第５の方法は、バッテリ電圧がサイリスタ42と、巻線16と下方スイッチ32を横切る組合わせた電圧降下よりも少し大きい状態において有効である。この状態において、磁束はゆっくりと増加し、電流もゆっくりと増加し、或いは巻線の逆起電力の作用下に強制的に引下げられる。これについて図８を参照に説明する。巻線は前のように上方および下方スイッチを閉じることによってθonにおいて高電圧電源に接続される。電流が予め定められたレベルｉp に到達するとき、上方スイッチが開かれ、バッテリ電圧は点火されたサイリスタ42により供給される。図示のように、電流は最初ゆっくりと上昇するが、逆起電力の作用によって明らかに下降するように強制される。θoff において上記のように第３の方法を使用することによってスイッチオフされることが好ましい。θoff において電源が高い電圧から低い電圧に変化されるレベルを変更することによって、
種々の電流波形が得られることは当業者には明らかであろう。しかしながら、これらの全ての波形による利点は、スイッチングアクチビティが大きく減少し、低いスイッチング損失および低い音響雑音が得られることである。前と同様にアップコンバータの定格は減少し、寸法および価格の減少が可能になる。
【００３６】
上記の説明はアップコンバータがプライムおよび維持に要求されるという仮定に基づいて行われた。しかしながら、最初の付勢に必要な電力量が小さい場合、或いはモータの付勢前に少量の遅延が許容される場合にはアップコンバータは除去されることができる。この実施形態が図９に示されており、それにおいては図６と等価の部品には同様の参照符号が付けられている。
【００３７】
最初の付勢は２つの方法によって行われることができる。最初にバッテリ電圧のみが使用されてサイリスタ42の点火およびスイッチオフにより巻線電流を駆動する。バッテリが十分な容量であれば、巻線の励磁は明らかに十分なレベルに到達する。その後、上記の第３および第４の方法を使用して巻線のスイッチングによってＤＣリンクのプライムおよび維持が行われる。これは回路抵抗が十分に低いときに適切に行われ、それは典型的に大きいマシンの場合である。第２に、ＤＣリンク44はサイリスタ42の点火によりプライムされ、反復的にスイッチ32の開閉を行い、したがって、当業者に知られている電圧ブースタ技術のインダクタ部分として巻線16を使用する。ＤＣリンク44が適当な電圧に到達すると動作は５つの方法の任意のものに対して上記したように進められる。
【００３８】
マシンは最初に与えられる高電圧リンクがないけれども、高電圧リンクはマシンの速度が上昇するとき必要とされる。それは低いバッテリ電圧は利用できる短いサイクル時間中に所要のレベルに電流を増加させることができないからである。
【００３９】
したがってアップコンバータなしでＤＣリンクのプライムおよび維持を行うメカニズムを有することが好ましい。
【００４０】
電圧ブーストによるＤＣリンクのプライムおよび維持の少なくとも一方を行うために使用される相巻線は、トルク生成位置にある相巻線である必要はないことに注目すべきである。その理由は最大または最小インダクタンス位置にある位相が使用されるからである。一般に最小インダクタンス領域の使用が好ましい。その理由は、その領域は広いロータ角度にわたって延在し、単位磁束当りより多くの電流を生成し、マシンに望ましくないトルクの擾乱を生じないからである。
【００４１】
さらに、当業者は、２以上またはすべての相がＤＣリンクのプライムおよび維持に同時に使用されてもよいことを認識するであろう。
【００４２】
アップコンバータが保持される場合には上記の本発明により得られる減少されたデューティは、ＤＣリンクからバッテリを再充電するために使用されるダウンコンバータとほぼ同じ定格にアップコンバータの定格を減少されることを可能にする。この場合、アップコンバータをＤＣ−ＤＣコンバータで置換することが可能であり、それは両方向性であり、マシンがスタータとして動作するときにはバッテリからのアップコンバータとして作用し、マシンが発電機として動作する時にはバッテリを再充電するためのダウンコンバータとして作用する。
【００４３】
図１０は本発明のさらに別の実施形態を示し、それにおいて第２のサイリスタ46がＤＣバスの下側のラインに配置され、ＤＣリンクキャパシタ44からバッテリ38に導通され、したがって、バッテリが高電圧電源から隔離されることを可能にしている。実際に、第２のサイリスタは第１のサイリスタと同時に点火される。
【００４４】
第２のサイリスタは通常のスタータモータにより使用されるソレノイド動作スイッチのような機械的スイッチと等しい機能することができる。
【００４５】
図６，９，および１０はバッテリを相巻線に接続するために使用される装置としてのサイリスタを示している。当業者は例えばＭＯＳＦＥＴ、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）等の他の形式のスイッチが使用されることができ、それにより適当なゲートまたは駆動回路が与えられることができることを認識するであろう。サイリスタは相期間の終りに自己切替えを行うから、第４の方法における場合を除いて特に適している。それは比較的低いオン状態電圧降下を有し、高いピーク電流に耐えることができる。サイリスタはまた半導体スイッチでは最も安価な形式のものである。
【００４６】
前述のように、本発明は多数の異なった制御方式に関して同様に有効に使用されることができる。本発明は２つの異なった電圧を切替えリラクタンスマシンの導通期間中の異なった時間に相巻線の両端に接続することを可能にする。このようにして、本発明の回路は内燃機関の組合わされたスタータモータ／発電機の一部として使用されることができる。このようなシステムは図１１に示されている。
【００４７】
内燃機関50は自動車、オートバイ或いはコンプレッサセットのような固定プラントの一部としてで使用されることができる。バッテリ38はエンジンバッテリである。切替えリラクタンスモータ12は回転するように付勢され、エンジン50により回転され、スタータおよび発電機モードで動作される。駆動シャフトとエンジンとの間の機械的な接続は図１１では略図で示されている。
【００４８】
以上、例示的な実施形態はモータ動作に関して説明されたが、励磁シーケンスは同様に発電機動作に適用できることが認識されるであろう。さらに１以上任意の数の相が切替えリラクタンスマシンシステムで使用されることができる。本発明は、従来技術の多くのコンバータ回路が使用できるような図示された単一の相のコンバータ回路当り２個のスイッチを有する回路に限定されない。幾つかの他の既知のスイッチング形態についてＰＣＩＭ '９３の文献に記載されている。同様にバッテリに対する上記の文献はウルトラキャパシタのような他のエネルギ蓄積装置の使用またはエネルギ蓄積装置ではない電力源の使用を妨げない。例えば、
変成器（または他のＡＣ電源）の整流された出力が代りに使用されてもよい。電流の監視は巻線の両端の電圧のような他のマシンパラメータの監視によって置換されてもよい。したがって、上記の実施形態の説明は例示であって技術的範囲を限定するものではない。本発明は特許請求の範囲に記載された技術的範囲によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】切替えリラクタンスマシン駆動システムの主要構成要素の概略図。
【図２】ステータ磁極に接近するロータ磁極の概略図。
【図３】図１の相巻線の付勢を制御する電力コンバータの典型的なスイッチング回路の回路図。
【図４】ａおよびｂはそれぞれチョッピングおよびシングルパルスモードで動作する切替えリラクタンスマシン駆動装置の典型的な電流の波形図。
【図５】低電圧バッテリから図３のＤＣバスに供給されるアップコンバータの概略回路図。
【図６】本発明によるコンバータ回路の概略回路図。
【図７】本発明の１動作方法により生成された相巻線電流の波形図。
【図８】本発明の第２の動作方法により生成された相巻線電流の波形図。
【図９】アップコンバータを除去した別の回路の回路図。
【図１０】バッテリ分離を行う別の回路の回路波形図。
【図１１】内燃機関用のスタータモータ／発電機として使用される本発明の回路の概略図。
【図１】
0004503775.tif 000002
【図２】
0004503775.tif 000003
【図３】
0004503775.tif 000004
【図４】
0004503775.tif 000005
【図５】
0004503775.tif 000006
【図６】
0004503775.tif 000007
【図７】
0004503775.tif 000008
【図８】
0004503775.tif 000009
【図９】
0004503775.tif 000010
【図１０】
0004503775.tif 000011
【図１１】
0004503775.tif 000012