JP2009296792A - コイル界磁式同期モーター回生システムおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子コイルの界磁電流供給の回生効率が高め、固定子コイルに接続されたバッテリへの回生電流を減らして、バッテリの寿命を改善する。
【解決手段】回転子コイルに電気的に接続された双方向スイッチと、この双方向スイッチに電気的に接続されたキャパシタとを有するコイル界磁式同期モーターおよび双方向スイッチとキャパシタとに電気的に接続された制御手段を備えたコイル界磁式同期モーター回生システムであって、制御手段は、コイル界磁式同期モーターに対する負荷の加速度の一次微分が負になるときに、固定子コイルから回転子コイルに瞬時に回生される回生電力を双方向スイッチを介してキャパシタに蓄積し、キャパシタに蓄積された回生電力を双方向スイッチを介して回転子コイルに供給するようにしたものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、コイル界磁式同期モーターおよびその回生システムに関する。

コイル界磁式同期モーターとしては、車両エンジン動力も一部を回生して発電するランデル型オルタネータがよく知られており、ほとんど全ての自動車車両に用いられている。最近ではエンジン始動時にはスタータとして動作するモータージェネレーターとしても用いられ初めている。また、電鉄車両用モーター、エレベータなど昇降機のモーター、サーボモーターや各種発電所の大型発電機などにもコイル界磁式同期モーターは広く用いられている。

モーターの効率は９０％近くに達しており定常的な効率向上は限界に近づいている。これに対して、モーター減速時には、大きな回生電力が発生し、これを回生しない場合には、そのエネルギーロスは３０％以上、起動停止の頻繁なサーボモーターの場合には５０％以上にも達する。従って、蓄電装置を用いた電力回生と力行での利用が求められている。

蓄電装置としてバッテリを備えている自動車では、同期モーターを用いた減速時の電力回生技術が進んでいる。自動車のオルタネータやハイブリッド自動車などでは、減速時に固定子コイルからインバータを介してバッテリに回生電力が回収されている。

特許文献１には、固定子コイルからインバータを介して交流を直流に変換して蓄電装置に電力回生し、回転子コイルへの界磁電流の供給は、蓄電装置からＤＣ／ＤＣコンバータで電圧を調整した上で供給するモーター制御装置が開示されている。

また、特許文献２には、コイル界磁式低電圧ジェネレータにおいて、エンジンやモーターから高電圧バッテリに貯蔵された電力の一部を、回転子コイル側から固定子コイル側に伝達し、低電圧バッテリを充電して車両の補記類を駆動されるための低電圧の電力を得る電源供給システムが開示されている。

特開２００５−１４３１５７号公報（１頁、図１） 特開２００５−９４９２２号公報（１頁、図１）

しかしながら、特許文献１に記載された従来のモーター制御装置においては、回転子コイルの界磁電流供給の回生効率は、インバータの効率と蓄電装置の充放電効率とＤＣ／ＤＣコンバータの効率を掛け合わせたものとなり、低い回生効率にならざるを得なかった。

また、特許文献２に記載された電源供給システムでは、回転子が回転しているとき、もしくは回転子が停止している時に、回転子コイルと固定子コイルを変圧器としてみなし、回転子コイル側から固定子コイル側に電力を伝達しているだけで、モーターの回生効率を高めることもできなかった。

さらには、上述の従来の装置においては、瞬時の回生電流をバッテリに流してもバッテリの電流の受け入れ率が低いために電力として蓄電できずに瞬時の回生電力の多くが熱に変換されるという問題や、瞬時の回生電流をバッテリに流すことで、蓄電装置の寿命が短くなるという問題があった。例えば、鉛蓄電池の場合には、電流の受け入れ率が低く、瞬時の回生電流は熱となって鉛蓄電池を過熱させることになり寿命を短くする。特にリチウムイオン電池を用いた場合には高い充電状態で回生電流を受け入れると、正極が高電位になり著しく劣化するという問題があった。劣化を防止するために瞬時電流のみを迂回させて抵抗器で熱として廃棄する方法があるが、高コストになるとともに、回生効率をさらに低くする結果になっていた。

このように、従来のコイル界磁式同期モーター回生システムは、固定子コイルからインバータを介して交流を直流に変換して蓄電装置に電力回生され、回転子コイルへの界磁電流の供給は、蓄電装置からＤＣ／ＤＣコンバータで電圧を調整した上で供給されていた。このため、回転子コイルの界磁電流供給の効率は、インバータの効率と蓄電装置の充放電効率とＤＣ／ＤＣコンバータの効率を掛け合わせたものとなり、低いモーター効率にならざるを得ず、回生効率も低かった。また、瞬時の回生電流を蓄電装置に流すことで、蓄電装置の寿命が短くなるという課題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、回転子コイルの界磁電流供給の回生効率が高めることを目的とする。また、固定子コイルに接続されたバッテリへの回生電流を減らして、バッテリの寿命を改善することを目的とする。

この発明に係るコイル界磁式同期モーターでは、円筒状の固定子コイルと、この固定子コイルに電気的に接続されたインバータと、このインバータに電気的に接続されたバッテリと、固定子コイルの内部の空間に配置された回転子コイルと、この回転子コイルに電気的に接続された双方向スイッチと、この双方向スイッチに電気的に接続されたキャパシタとを有するコイル界磁式同期モーターおよびインバータと双方向スイッチとキャパシタとに電気的に接続された制御手段を備えたコイル界磁式同期モーター回生システムであって、制御手段は、コイル界磁式同期モーターに対する負荷の加速度の一次微分が負になるときに、固定子コイルから回転子コイルに瞬時に回生される回生電力を双方向スイッチを介してキャパシタに蓄積し、キャパシタに蓄積された回生電力を双方向スイッチを介して回転子コイルに供給するようにしたものである。

この発明に係るコイル界磁式同期モーターにおいては、バッテリで充電できなかった瞬時電流を回生して回転子コイルの界磁電流として用いることでモーターの効率が高め、回生効率を高めることができる。すなわち、インバータやバッテリを介することなく、回転子コイルから双方向スイッチを介して瞬時充放電を行うキャパシタに直接電力を回生し、キャパシタから回転子コイルに双方向スイッチを介して直接界磁電流を流すことで、回転子コイルの界磁電流供給の回生効率が高められ、全体の回生効率も高められる。また、瞬時の回生電力の一部を固定子コイルからではなく回転子コイルから回収することで固定子コイルに接続されたバッテリへの瞬時回生電力を減らし、バッテリの寿命を改善することができる。

なおここで瞬時とは、コイル界磁式同期モーターの負荷の加速度の一次微分が負になるときのことであり、時間にすると５秒以下の時間のことである。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１に係わるコイル界磁式同期モーター回生システムの構成図である。図１において、コイル界磁式同期モーター１は、円筒状の固定子コイル２の内部に回転子コイル３が配置されている。固定子コイル２には、力行電力と回生電力とを授受するようにインバータ５が接続されている。さらに、インバータ５にはバッテリ４が接続されている。一方、回転子コイル３には、界磁電力と回生電力とを授受するように双方向スイッチ７が接続されている。さらに、双方向スイッチ７にはキャパシタ６が接続されている。そして、インバータ５、双方向スイッチ７およびキャパシタ６は、電力の授受などを制御する制御手段として、蓄電制御装置１２が接続されている。なお、この蓄電制御装置１２には、モーター制御装置が接続されている。

図２は、永久磁石式同期モーターと従来のコイル界磁式同期モーターとの特徴を比較した特性図である。永久磁石式同期モーターは、従来のコイル界磁式同期モーターに比較して、軽量コンパクトで、低速時に大きなトルクが得られ、モーターの効率も高いという長所があり、ハイブリッド自動車などのモーターとして広く用いられている。軽量コンパクトで、モーターの効率が高いのは、回転子が強力な永久磁石でできているためで、ネオジムやジプロシウムなどのレアアースが用いられている。しかしながら、レアアースの希少性や入手の困難性から将来高騰すると予想され、耐熱性が低い、高速低トルク域においては、磁石によって生じる誘起電圧によって、弱め界磁が必要で、鉄損が大きくなる、モーターを分解する際に、強力な磁石が邪魔になって容易に分解ができない、などの問題点を抱えており、永久磁石を全く使用しないコイル界磁式同期モーターへの期待が寄せられている。しかしながら、コイル界磁式同期モーターでは、回転子コイルへの給電手段が必要になり、回転子コイルで消費される電力によって消費される電力によってモーター効率が低くなる。また、電力回生を一旦、固定子コイルからインバータを介してバッテリに回生した後、ＤＣ／ＤＣコンバータで電圧を調整した上で回転子コイルに電流を流すということになり、電力回生効率も低くなる。

これに対して、本実施の形態では、回転子コイルへの給電手段において、以下に示すように従来よりも大幅な改善が見込める。本実施の形態における、コイル界磁式同期モーター回生システムの動作を、図１を用いて説明する。

コイル界磁式同期モーター１には、モーター加速時には、固定子コイル２に対してバッテリ４からインバータ５を介して交流に変換して力行電力９が供給されると共に、モーター減速時には、固定子コイル２からからインバータ５を介して直流に変換されバッテリ４に回生電力８が回収される。このとき、コイル界磁式同期モーター１に対する負荷の加速度の一次微分が負になるときには、蓄電制御装置１２が、双方向スイッチ７を制御して、
固定子コイル２から回転子コイル３に瞬時に回生される回生電力（図１中の回生２）を双方向スイッチ７を介してキャパシタ６に蓄積する。このように、瞬時の回生電力の一部がキャパシタ６に回収されるため、バッテリ４への回生電流を減らし、バッテリの寿命を改善することができる。

キャパシタ６への電力回生は、回転子コイル３から双方向スイッチ７を介して直接キャパシタ６へ第２の回生電流１０が流れ、電力が回収される。また、トルク発生時には、キャパシタ６から直接双方向スイッチ７を介して回転子コイル３に界磁電流１１が流れる。双方向スイッチの効率は１００％に近くであり、瞬時充放電を行うキャパシタ６の充放電効率として、例えば瞬発型の電気二重層キャパシタを想定すると９０％以上の充放電効率が望めるので、極めて高い回転子コイルの界磁電流供給の効率が望める。従来の場合だと、インバータ効率９０％、バッテリの標準的な充放電効率８０％、瞬時電流の受け入れ率３０％、ＤＣ／ＤＣコンバータの効率９０％を掛け合わせると、０．９×０．８×０．６×０．９＝０．２となり、わずか２０％しか利用できない。これに対して、本実施の形態の場合には、９０％以上の効率が望める。従って、トータルの回生効率も大幅に改善することができる。

固定子コイルから回転子コイルにエネルギーを伝送する最も簡便な方法としては、固定子コイル電流のうちｄ軸方向の電流値を振動させる方法がある。ｄ軸とは固定子が発生する磁束中心とランデル型回転子の磁束中心とが一致する場合の、固定子電流位相と回転子位置の相対位置にある状態を指す。

ここでｄ軸電流が変動すると、固定子から回転子は総合インダクタンスによって結合されているので、回転子に鎖交する磁束量も変動する。この磁界変動によって回転子コイルに誘起電圧が発生し、一種の変圧器としてキャパシタへの充電が可能になる。なお、ｄ軸電流のみを変動させる場合が最も固定子コイルと回転子界磁コイルの結合が高く効率的であるが、インバータ５から固定子コイルに通電する電流にはｄ軸電流以外の成分を含んでも良い。

具体的にｄ軸電流を変動させる方法としては、種々の方法が考えられるが、以下に３つの手段を示す。

［ｄ軸電流変動の第１の方法］
回転子位置情報などを利用した従来良く知られる同期モーターの電流ベクトル制御手法を用いて、本発明においては、インバータ５から固定子コイルへ通電するｄ軸電流値を増減させるよう制御する。具体的には、電流通電位相は回転子に同期した進行磁界であるが、その振幅を変動させる。この場合は固定子コイルに通電する電流成分がすべてｄ軸電流であるので、キャパシタ６を充電する際に生じる固定子コイルの銅損が最小で効率よくｄ軸電流を変動することができる

［ｄ軸電流変動の第２の方法］
回転子コイル３の回転速度とは同期しない交流電流を印加する。このとき、インバータ５から固定子コイル２に対して、回転子コイル３の回転方向とは逆方向の進行磁界となるよう印加する。この場合は、固定子コイル発生磁束は必ず回転子コイルに対して非同期状態となるため、回転子コイルに鎖交する固定子コイル磁束は変動して結果的にｄ軸電流が変動する。この場合は回転子コイルの速度情報や位置情報を利用しないので、特別なセンサや演算装置無しにｄ軸電流を変動させることが可能となる。

［ｄ軸電流変動の第３の方法］
固定子コイル２に直流電流を印加する。インバータ５から固定子コイル２に対して、直流電流を印加する。たとえばＵ相＋１．０、Ｖ相−０．５、Ｗ相−０．５の比となる電流値を常に維持するよう直流電流を印加する。この場合は、回転子コイルが回転している場合は、固定子コイル発生磁束は必ず回転子コイルに対して非同期状態となるため、回転子コイル３に鎖交する固定子コイル磁束は変動して結果的にｄ軸電流が変動する。同時にインバータ５は必ずしもスイッチング動作を行う必要は無いので、インバータ５の制御が簡素化できると同時にスイッチング損失も低減できる。

双方向スイッチ７については、いくつかの回路が考えられるが、Ｈブリッジ整流回路による全波整流が最も簡単で低コストになる。

図３は、双方向スイッチとして用いた、Ｈブリッジ整流回路を模式図である。Ｈブリッジ整流回路は、逆並列接続されたダイオードを含むスイッチング素子１４、１５およびダイオード１６、１７をＨ型に並べた整流回路で構成される。スイッチング素子１４と１５をＯＮ／ＯＦＦさせることによって、第２の回生電力の電圧を調整して全波整流しキャパシタへ充電することができる。また、逆にスイッチング素子１４および１５をＯＮ／ＯＦＦさせることによって、界磁電流を調整して回転子コイルに通電することができる。スイッチング素子のみによる整流でリアクトルやコンデンサを用いていないので、キャパシタへの充電に要する時間は極めて短い。第２の回生電力をキャパシタに充電するか、キャパシタから回転子コイルに界磁電流を供給するかは、モーター制御装置１３と連携した蓄電制御装置１２によって行われ、具体的には、モーターが減速して回生する場合に第２の回生電力をキャパシタに充電するようにＨブリッジ整流回路を制御し、モーターを加速する場合にキャパシタから回転子コイルに界磁電流を供給するようにＨブリッジ整流回路を制御する。Ｈブリッジ整流回路でのエネルギーロスはほとんど無く、１００％近くの効率でキャパシタと回転子コイルとの間でエネルギーのやりとりを行うことが可能である。

図４は、各種電力貯蔵デバイスの特性を比較した特性図である。キャパシタは瞬時に充放電可能な電力貯蔵デバイスである。ここで定義するキャパシタは、電気二重層キャパシタ（電気二重層コンデンサやＥＤＬＣとも呼ばれる）であるが、瞬発力を持っているものであれば、リチウムイオンキャパシタ等であってもよい。アルミ電解コンデンサは、瞬時の充放電が可能であるが、貯蔵できるエネルギー量が極めて小さい。鉛蓄電池などのバッテリでは、瞬時の充放電は困難で、充電を受け入れてもほとんどが熱に変化してしまって回生電力として有効に使うことができない。モーターの加速減速の度に充放電が行われるので、充放電のサイクル寿命に優れた電力貯蔵デバイスが求められる。最も望ましいのは、電気二重層キャパシタである。ただし、市販されている一般的な電気二重層キャパシタは、充放電に要する時間が２０秒と比較的長い。したがって、後述するように、正規化内部抵抗の低い電気二重層キャパシタが望ましい。

図５は、電気二重層キャパシタにおける充放電時間と充放電効率および正規化内部抵抗（ΩＦ値）の関係を示した特性図である。正規化内部抵抗（ΩＦ値）が０．１ΩＦであれば、０．５秒の充電を行った場合の充電効率が９０％、０．５秒の放電を行った場合の放電効率が９０％で、合わせて１秒の充放電効率が８１％になる。

通常市販されている電気二重層キャパシタは、時定数に相当する正規化内部抵抗（オームファラッド値）が２．０ΩＦ程度であるが、これを使用すると、２０秒周期の充放電で充放電効率が８０％程度になる。数秒の充放電サイクルで、充放電効率を９０％以上にするには、０．５ΩＦ以下の正規化内部抵抗を有するキャパシタが望ましい。

図６と図７とは、バッテリとしてトータル１４４Ｖのリチウムイオン電池モジュールを使用し、キャパシタとしてトータル３０〜５０Ｖの電気二重層キャパシタモジュールを使用したコイル界磁式同期モーター回生システムの説明図である。トータル１４４Ｖのリチウムイオン電池モジュールは３６個のリチウムイオン電池の直列接続で構成され、トータル３０〜５０Ｖの電気二重層キャパシタモジュールは、２０個の電気二重層キャパシタの直列接続で構成されている。電気二重層キャパシタとしては、０．３ΩＦのものを用いた。インバータ５と双方向スイッチ７とに矢印で回生電流と界磁電流の向きや、バッテリとして用いたリチウムイオン電池４ａおよびキャパシタとして用いた電気二重層キャパシタ６ａへ電力の入出力を示している。固定子コイルは３相スター結線とした。なお、モーターとしてはランデル型のコイル界磁型同期モーターを用いた。回転子にはスリップリングとブラシが取り付けられている。

図６は、モーターが減速した場合の動作を示している。固定子コイル２から、インバータ５を介してリチウムイオン電池４ａに回生電流が流れると共に、固定子コイル２に流されるｄ軸電流を変化させるための界磁電流によって回転子コイル３に第２の回生電力が伝達され、双方向スイッチ７（Ｈブリッジ整流回路）を通じて電気二重層キャパシタ６ａに供給され充電される。

図７は、モーターが加速した場合の動作を示している。電気二重層キャパシタ６ａから双方向スイッチ７を通じて界磁電流が回転子コイル３に流され、回転トルクを増加させることができる。本実施の形態のコイル界磁式同期モーターシステムは、例えば、自動車用のモーター／ジェネレータシステム、すなわち、アイドルストップで燃費向上を図る自動車のエンジンのスタータとエンジンから電力を回生してバッテリに蓄電するオルタネータを兼ね備え、短時間だけモーターとして大きなトルクを必要とする電動機モーターなどに特に適している。回転子に常時、界磁電流を流す必要がないこと、回転子に大きな界磁電流を必要とするのがエンジン再始動のごく短時間であることから、キャパシタのエネルギー容量が小さくてもよい。

図８は、従来の永久磁石式同期モーター（ＰＭモーター）、従来のコイル界磁式同期モーターおよび本実施の形態のコイル界磁式同期モーター（ＳＭモーター）のモーター効率を比較した説明図である。従来の永久磁石式同期モーター（ＰＭモーター）では、回転子コイルに電力を供給する必要がないので、従来のコイル界磁式同期モーター（ＳＭモーター）よりもバッテリの消費電力が小さくて済み、モーター効率が高くなる。これに対して、本実施の形態では、回転子コイルに流す電流は、バッテリで回収できなかった電力を用いるので、モーター効率を、従来の永久磁石式同期モーター並みに引き上げることができる。また、図２に示したコイル界磁式同期モーターの低速回転で大トルクを出しにくいという欠点も、キャパシタから瞬時に大きな界磁電流を供給することで解消できる。

すなわち、本実施の形態によれば、モーターの減速時、とくにモーターに対する負荷の加速度の一次微分が負になるときに急激に発生する瞬時の回生電力の一部を、回転子コイルを介して、高効率にキャパシタに貯蔵し、モーターの加速時に回転子コイルの界磁電流として利用することができる。すなわち、瞬時にしかも高効率に電力回生と再利用を行うことが可能になる。

従って、固定子コイルからインバータを介してバッテリには急峻な回生電流は流れない。バッテリに急峻な回生電流を流さないことで、バッテリの長寿命化を図ることができる。バッテリとして使用されるバッテリの劣化の主な原因は、急速充電によるものである。バッテリとしてリチウムイオン電池を用いた場合には、満充電状態に近い状態での急速充電が致命的なダメージを与え急速に劣化させてしまう。従って、バッテリとしてリチウムイオン電池を用いた実施例の場合に本発明のバッテリの寿命延長効果が著しく発揮され、およそ１．５倍の長寿命化が得られた。

実施の形態２．
図９および図１０は、この発明を実施するための実施の形態２に係わるコイル界磁式同期モーター回生システムの説明図である。本実施の形態におけるコイル界磁式同期モーター回生システムは、実施の形態１の構成にさらに、インバータ５とキャパシタ６との間に双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１９を接続したものである。図中の矢印は、実施の形態１と同様に、回生電流と界磁電流の向きや電力の入出力を示している。

このように構成されたコイル界磁式同期モーター回生システムにおいては、モーターの減速時には、急峻な回生電力の一部をインバータと双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１９を介して第２の蓄電デバイスに回生電力を貯蔵するように制御する。また、モーターの加速時には、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１９とインバータを介して、固定子コイルに力行電力を供給するように制御する。

図９は、モーターを減速した場合の動作を示している。一方、図１０は、モーターを加速した場合の動作を示している。インバータと双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１９を介している分、双方向スイッチとキャパシタのみの場合に比べて充放電効率は悪くなるが、急峻な充放電に対するキャパシタの充放電効率がバッテリの充放電効率よりも十分に高ければ、トータルのエネルギー回生効率も高くなる。

本実施の形態では、回転子コイルからの第２の電力回生に加えて、固定子コイルからの第１の電力回生をキャパシタに対して実施することができるので、バッテリへの急激な充電を、実施の形態１の場合よりもさらに減らすことができ、バッテリの寿命性能をさらに高める効果が得られる。

また、回転子コイルへの界磁電流の供給だけでなく、固定子コイルへの力行電力の供給もキャパシタから行うことができるので、急激な回転トルクの増加を可能にできる効果が得られる。

さらに、キャパシタの充電状態により、回転子コイルへの界磁電流の供給が不足する場合には、固定子コイルからキャパシタに充電して、モーターの加速に備えることができるようになる。すなわち回転子コイルからの蓄電だけでなく、固定子コイルからの蓄電によって、キャパシタの充電状態を最適に制御することが可能になる。また、キャパシタから回転子コイルへの放電だけでなく、キャパシタから固定子コイルへ放電電力の供給を可能にすることによって、回生の繰り返しによって、キャパシタへの充電が過度になるのを防止し、キャパシタの充電状態を最適に保つことができる。

実施の形態３．
図１１と図１２は、この発明を実施するための実施の形態３に係わるコイル界磁式同期モーター回生システムの説明図である。本実施の形態におけるコイル界磁式同期モーター回生システムの構成は、実施の形態２と同様であるが、制御方法が異なっている。

本実施の形態では、モーターの減速、加速に関係なく、キャパシタの充電が不十分な場合（図１１）には、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介してバッテリからキャパシタに電力を移動させるように制御する。逆に、キャパシタの充電が過度な場合（図１２）には、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介してキャパシタからバッテリに電力を移動させるように制御する。インバータと回路的にはつながっているが、インバータを介することなく双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介してキャパシタとバッテリとの電力移動が可能である。

本実施の形態は、キャパシタの充電状態が過度に放電していたり、過度に充電していたりした場合に、最適な充電状態に速やかに戻すことのできる効果があり、モーターの加速減速が頻繁に行われ、キャパシタの充電状態が、徐々に理想的な充電状態から外れる恐れのある場合に特に有効である。ここで、キャパシタの理想的な充電状態とは、想定される充電も放電も両方可能な状態であり、電気二重層キャパシタについていえば、定格電圧の３／４付近の電圧になる充電状態である。実施の形態１であれば、キャパシタの充電が過度になれば、それ以上充電を受け入れない制御となり、キャパシタの放電すなわちキャパシタからの電力の供給が過度になれば、それ以上放電しない制御となる。もちろんキャパシタに貯蔵可能なエネルギー量が十分に高ければ差し支えない。しかし、本実施の形態のように、モーターの加速減速に関係なく、キャパシタの充電状態を制御できるようにすれば、キャパシタに貯蔵するエネルギー量を必要最低限に絞って、キャパシタを軽量コンパクト化し、低コスト化することが可能になる。

実施の形態４．
図１３は、この発明を実施するための実施の形態４に係わるコイル界磁式同期モーター回生システムの模式図である。本実施の形態では、回転子コイルとして、第１の回転子コイルに加えて、第２の回転子コイル２２が巻かれており、双方向スイッチを介して、第３の蓄電装置２３に第３の電気回路を介して接続されている。

本実施の形態のコイル界磁式同期モーター回生システムは、常にモーターを廻していて、加速減速の頻繁なモーターに適している。常時の界磁電流は、第３の蓄電装置を用いて第２の回転子コイルに供給しておき、急峻な加速の界磁電流については、キャパシタから第１の回転子コイルに流す。第１の回転子コイルと第２の回転子コイルの双方にスリップリングとブラシが必要になるが、第３の蓄電装置から常時、一定の電圧の界磁電流を第２の回転子コイルに流して、モーターの定常的な回転の制御を長時間にわたって安定して行うことができる。第１の回転子コイルの線の太さは、第２の回転子コイルよりも太くすることが望ましく、第１の回転子コイルに損失を少なくして大きな界磁電流を流すことができる。また、第３の蓄電装置は、鉛蓄電池のようなバッテリであってよい。また、バッテリが、第３の蓄電装置を兼ねていても良く、システムを簡素化できる効果が得られる。

なお、上記実施の形態１では、バッテリよりもキャパシタの電圧を低くした場合についての動作を示したが、逆に高くなっていても良く、低速回転で大きな電圧で界磁電流を流すことができるので、大トルクが得られやすくなる、回転子コイルの電線の太さを細くして軽量化が図れるなどの効果が得られる。

また、上記実施の形態では、固定子コイルに３相交流コイルを用いた場合を示したが、６相交流コイルなど相数を増やしても良い、また、コイルの結線は、スター結線であっても、デルタ結線であっても良く、本発明の実施の形態と同様にｄ軸電流を容易に変動させることができる。

この発明の実施の形態１におけるコイル界磁式同期モーター回生システムの構成図である。 この発明の実施の形態１に係る永久磁石式同期モーターと、従来のコイル界磁式同期モーターの特徴を比較した特性図である。 この発明の実施の形態１におけるコイル界磁式同期モーター回生システムのＨブリッジ整流回路を含む第２の電気回路である。 この発明の実施の形態１に係る各種電力貯蔵デバイスの特性図である。 この発明の実施の形態１に係る充放電時間と充放電効率および正規化内部抵抗（ΩＦ値）の関係を示した特性図である。 この発明の実施の形態１におけるモーター減速時のコイル界磁式同期モーター回生システムの説明図である。 この発明の実施の形態１におけるモーター加速時のコイル界磁式同期モーター回生システムの説明図である。 従来の永久磁石式同期モーターと従来および実施の形態１のコイル界磁式同期モーターの効率の比較した特性図である。 この発明の実施の形態２におけるモーター減速時のコイル界磁式同期モーター回生システムの説明図である。 この発明の実施の形態２におけるモーター加速時のコイル界磁式同期モーター回生システムの説明図である。 この発明の実施の形態３におけるバッテリからキャパシタに電力を移動させる時のコイル界磁式同期モーター回生システムの説明図である。 この発明の実施の形態３におけるキャパシタからバッテリに電力を移動させる時のコイル界磁式同期モーター回生システムの説明図である。 この発明の実施の形態４におけるコイル界磁式同期モーター回生システムの模式図である。

符号の説明

１ コイル界磁式同期モーター、２ 固定子コイル、３ 回転子コイル、４ バッテリ、４ａ リチウムイオン電池、５ インバータ、６ キャパシタ、６ａ 電気二重層キャパシタ、７ 双方向スイッチ、８ 第１の回生電力、９ 力行電力、１０ 第２の回生電力、１１ 界磁電流、１２ 蓄電制御装置、１３ モーター制御装置、１４、１５ スイッチング素子、１６、１７ ダイオード、１８ 固定子コイルへの界磁電流、１９ 双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ、２０ キャパシタへの充電、２１ キャパシタからの放電、２２ 第２の回転子コイル、２３ 第３の蓄電装置、２４ 第３の回生電力、２５ 第２の界磁電流。

Claims (8)

1. 円筒状の固定子コイルと、
   この固定子コイルに電気的に接続されたインバータと、
   このインバータに電気的に接続されたバッテリと、
   前記固定子コイルの内部の空間に配置された回転子コイルと、
   この回転子コイルに電気的に接続された双方向スイッチと、
   この双方向スイッチに電気的に接続されたキャパシタと
   を有するコイル界磁式同期モーター
   および前記インバータと前記双方向スイッチと前記キャパシタとに電気的に接続された制御手段を
   備えたコイル界磁式同期モーター回生システムであって、
   前記制御手段は、
   前記コイル界磁式同期モーターに対する負荷の加速度の一次微分が負になるときに、前記固定子コイルから前記回転子コイルに瞬時に回生される回生電力を前記双方向スイッチを介して前記キャパシタに蓄積し、
   前記キャパシタに蓄積された回生電力を前記双方向スイッチを介して前記回転子コイルに供給することを特徴とするコイル界磁式同期モーター回生システム。
2. インバータとキャパシタとの間に双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを更に備え、
   前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記制御手段に電気的に接続されており、
   前記制御手段は、
   前記コイル界磁式同期モーターに対する負荷の加速度の一次微分が負になるときに、固定子コイルから前記インバータに瞬時に回生される回生電力を前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記キャパシタに蓄積し、
   前記キャパシタに蓄積された回生電力を前記ＤＣ／ＤＣコンバータおよび前記インバータを介して前記固定子コイルに電力を供給することを特徴とする請求項１記載のコイル界磁式同期モーター回生システム。
3. インバータおよび双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して、バッテリとキャパシタとの間で電力を伝達することを特徴とする請求項２記載のコイル界磁式同期モーター回生システム。
4. 固定子コイルの内部の空間に配置された第２の回転子コイルと、
   この第２の回転子コイルに電気的に接続された第２の双方向スイッチと、
   この第２の双方向スイッチに電気的に接続された蓄電装置と
   を更に備え、
   前記第２の双方向スイッチと前記蓄電装置とは制御手段に電気的に接続されており、
   前記制御手段は、
   前記コイル界磁式同期モーターに対する負荷の加速度の一次微分が負になるときに、前記固定子コイルから前記第２の回転子コイルに回生される回生電力を前記第２の双方向スイッチを介して前記蓄電装置に蓄積し、
   前記蓄電装置に蓄積された回生電力を前記第２の双方向スイッチを介して前記第２の回転子コイルに供給することを特徴とする請求項１記載のコイル界磁式同期モーター回生システム。
5. 制御手段は、
   変動するｄ軸電流が固定子コイルへ流れたときに回転子コイルに発生する誘導起電力によって前記固定子コイルから前記回転子コイルへ瞬時に回生する回生電力を、双方向スイッチを介してキャパシタに蓄積することを特徴とする請求項１記載のコイル界磁式同期モーター回生システム。
6. 制御手段がインバータを制御することにより、
   回転子コイルが回転している状態において、固定子コイルに流れる電流を直流電流に保持してｄ軸電流を発生させることを特徴とする請求項５記載のコイル界磁式同期モーター回生システム。
7. 双方向スイッチは、全波整流のＨブリッジ整流回路であることを特徴とする請求項１記載のコイル界磁式同期モーター回生システム。
8. 円筒状の固定子コイルと、
   この固定子コイルに電気的に接続されたインバータと、
   このインバータに電気的に接続されたバッテリと、
   前記固定子コイルの内部の空間に配置された回転子コイルと、
   この回転子コイルに電気的に接続された双方向スイッチと、
   この双方向スイッチに電気的に接続されたキャパシタと
   を有するコイル界磁式同期モーター
   および前記キャパシタに電気的に接続された制御手段を
   備えたコイル界磁式同期モーター回生システムの制御方法であって、
   前記制御手段によって、
   前記コイル界磁式同期モーターに対する負荷の加速度の一次微分が負になるときに、前記固定子コイルから前記回転子コイルに瞬時に回生される回生電力を前記双方向スイッチを介して前記キャパシタに蓄積し、
   前記キャパシタに蓄積された回生電力を前記双方向スイッチを介して前記回転子コイルに電力を供給することを特徴とするコイル界磁式同期モーター回生システムの制御方法。

Images