図1は、本発明の実施形態に係る回生型ス イッチドリラクタンスモータ駆動システムを 適用した電気自動車の構成を示す。図1にお� �て、電気自動車は、直流定電流電源装置1、� ��電流フリップフロップ回路2、回生型スイッ チドリラクタンスモータとしての定電流フリ ップフロップ型リラクタンスモータ3、ディ� �ァレンシャルギヤ4、機械ブレーキ5を有する 。本発明の実施形態に係る回生型スイッチド リラクタンスモータ駆動システムは、これら のうち、直流定電流電源装置1、定電流フリ� �プフロップ回路2、定電流フリップフロップ� ��リラクタンスモータ3を中心にして構成され る。なお、図1では、多相定電流モータ1は1つ のみ設置されているが、各タイヤに配置して 、ディファレンシャルギヤ4を省略した構成� �あってもよい。機械ブレーキ5は、本発明の� ��施形態に係る回生型スイッチドリラクタン� ��モータ駆動システムでは、後述するように� ��常の運転では不要であるが、停止後のタイ� ��のロック、緊急時のブレーキのとしての役� ��を有している。

 直流定電流電源装置1は、負荷である定電 流フリップフロップ型リラクタンスモータ3� �の起動力の正負、大小に関係なく、一定方� �に一定の大きさの直流定電流を出力するよ� �に動作する。なお、直流定電流の大きさは� �定値であるが、この一定値は任意に設定可� �である。また、直流定電流電源装置1は、負� ��である定電流フリップフロップ型リラクタ� ��スモータ3の制動時、すなわち、負荷起電力 が負の場合には、負荷側からの回生電力を回 収するように動作する。

 定電流フリップフロップ回路2は、前段の 直流定電流電源装置1からの直流定電流を入� �として、後述する定電流フリップフロップ� �リラクタンスモータ3の2本のコイルに、交互 に矩形波電流を流す機能を有する。すなわち 、定電流フリップフロップ回路2は、2相の矩� ��電流を流すことができる。

 定電流フリップフロップ型リラクタンス� ��ータ3は、前段の定電流フリップフロップ回 路2からの2相の矩形波電流を受けると、隣接� ��る2つの固定子磁極が回転子の回転に同期し て交互に磁化される。そして、これら隣接す る2つの固定子磁極によって吸引力が生じ、� �転子に回転力が生じる。

 従来のスイッチドリラクタンスモータを� ��いたモータ駆動システムは、3相PWMインバー タが、直流定電圧電源を入力とし、擬似正弦 波あるいは電気角120°幅の矩形波電流等を生� ��してスイッチドリラクタンスモータに供給� ��ている。このような従来のスイッチドリラ� ��タンスモータを用いたモータ駆動システム� ��、直流定電圧電源、励磁コイルの大きなリ� ��クタンス及び励磁極数と、供給電力との関� ��等、種々の関係によって励磁時極にトルク� ��生じることが必要なタイミングで、設計上� ��最高電流を励磁コイルに供給することがで� ��ない。また、従来のスイッチドリラクタン� ��モータを用いたモータ駆動システムは、励� ��コイルを流れる電流を0にすべきタイミング で0にすることができずに、無用の反抗トル� �が生じてしまう。更には、従来のスイッチ� �リラクタンスモータを用いたモータ駆動シ� �テムは、回生起電力が生じた場合に、回生� �力を取り出す方法が見出されておらず、回� �制動を行うことができなかった。

 これに対し、本発明の実施形態に係る回� ��型スイッチドリラクタンスモータ駆動シス� ��ムは、半導体スイッチにより構成した定電� ��フリップフロップ回路3が、直流定電流電源 装置1の出力電流を、定電流フリップフロッ� �型リラクタンスモータ3内の回転子の回転に� ��期して2相に構成した励磁コイルに交互に振 り分けて、回転子にトルクを発生させる。こ のような構成により、トルクが発生するタイ ミングでは、設計上の最高値の電流が事実上 瞬時に励磁コイルに供給され、トルク発生の 役目を終了したタイミングでは、励磁コイル を流れる電流を瞬時に0にして無用な反抗ト� �クが発生しない。また、直流定電流電源装� �1の出力電流の方向を変えることなく、励磁� ��イルへの振り分けのタイミングを位相差180� �だけシフトして負荷起電力を負にすること� �、自然な形で電力回生が行われる。その結� �、回生制動が停止時まで可能であり、エネ� �ギーの回収効率が高く、通常の運転時には� �械ブレーキ5の動作を必要としない。

 図2は、本発明の実施形態に係る回生型ス イッチドリラクタンスモータ駆動システムの 基本構成のブロック図である。図2に示す回� �型スイッチドリラクタンスモータ駆動シス� �ムは、直流定電流電源装置1、定電流フリッ� ��フロップ回路2、定電流フリップフロップ型 リラクタンスモータ3を有する。以下、本発� �の実施形態に係る回生型スイッチドリラク� �ンスモータ駆動システムの構成について詳� �に説明する。

 図3は、図2における定電流フリップフロ� �プ型リラクタンスモータ3の軸垂直方向断面� ��である。この定電流フリップフロップ型リ� ��クタンスモータ3は、2相4極構成である。回� ��子10は、回転子鉄心11と、2個の凸状の極(回� ��子凸極)12-1及び12-2とにより構成される。回� ��子鉄心11は、鉄製の円筒構造体であり、中� �の回転軸13を軸として回転可能に保持されて いる。2個の回転子凸極12-1及び12-2は、回転子 鉄心11の外周に、180°の間隔を空けて配置さ� �ている。

 上述した回転子10の外周には、環状の固� �子14が配置される。この固定子14は、ヨーク1 5及び4個の固定子磁極16-1、16-2、16-3及び16-4に より構成される。ヨーク15は環状であり、4個 の固定子磁極16-1、16-2、16-3及び16-4、このヨ� �ク15の内周側に、回転子凸極12-1及び12-2と空� ��を介して、等間隔(ここでは90°の間隔)で配� ��されている。

 励磁コイル17-1は、固定子磁極16-1に巻回� �れている。同様に、励磁コイル17-2は固定子� ��極16-2に、励磁コイル17-3は固定子磁極16-3に� ��励磁コイル17-4は固定子磁極16-4に、それぞ� �巻回されている。これらのうち、励磁コイ� �17-1と励磁コイル17-3は、磁束が固定子磁極16- 1から16-3に向かう方向となるように巻回され� ��直列に接続されている。以下、直列に接続� ��れた励磁コイル17-1及び17-3をA相コイル17aと� ��する。同様に、励磁コイル17-2と励磁コイル 17-4は、磁束が固定子磁極16-2から16-4に向かう 方向となるように巻回されて直列に接続され ている。以下、直列に接続された励磁コイル 17-2及び17-4をB相コイル17bと称する。なお、定 電流フリップフロップ型リラクタンスモータ 3は、図3の紙面垂直方向に適当な厚みで構成� ��れる。

 図4は、図2における定電流フリップフロ� �プ回路2の構成を示す図である。定電流フリ� ��プフロップ回路2は、入力端子19-1及び出力� �子19-2が直流定電流電源装置1に接続されてい る。入力端子19-1と出力端子19-2との間には、� ��流路24-1及び24-2が構成されている。電流路24 -1には、入力端子19-1側から順に、IGBT、サイ� �スタ、電力用トランジスタ等の半導体スイ� �チ20-1と、入力端子側をアノード、出力端子1 9-2側をカソードとするダイオード22-1と、入� �端子側をアノード、出力端子19-2側をカソー� ��とするダイオード22-3と、定電流フリップフ ロップ型リラクタンスモータ3内のA相コイル1 7aとが接続されている。

 同様に、電流路24-2には、入力端子19-1側� �ら順に、IGBT、サイリスタ、電力用トランジ� ��タ等の半導体スイッチ20-2と、入力端子19-1� �をアノード、出力端子19-2側をカソードとす� ��ダイオード22-2と、入力端子19-1側をアノー� �、出力端子19-2側をカソードとするダイオー� ��22-4と、定電流フリップフロップ型リラクタ ンスモータ3内のB相コイル17bとが接続されて� ��る。また、ダイオード22-1のカソードとダイ オード22-3のアノードとの間と、ダイオード22 -2のカソードとダイオード22-4のアノードとの 間は、転流コンデンサ21によって接続されて� ��る。

 半導体スイッチ20-1及び20-2は、一方がオ� �の場合には他方がオフになる所謂フリップ� �ロップ動作を行う。半導体スイッチ20-1がオ� ��、半導体スイッチ20-2がオフの場合には、直 流定電流電源装置1からの直流定電流は、電� �路24-1を流れてA相コイル17aに振り分けられる 。一方、半導体スイッチ20-2がオン、半導体� �イッチ20-1がオフの場合には、直流定電流電� ��装置1からの出力電流は、電流路24-2を流れ� �B相コイル17bに振り分けられる。すなわち、� ��導体スイッチ20-1及び20-2が交互にオン、オ� �となることにより、A相コイル17a及びB相コイ ル17bには、直流定電流電源装置1からの直流� �電流値Iをピーク値とする矩形波電流が流れ� ��ことになる。

 転流コンデンサ21は、半導体スイッチ20-1� ��び20-2を切り替えて、A相コイル17aに電流が� �れている状態からB相コイル17bに電流が流れ� ��いる状態に切り替わる際、あるいは、B相コ イル17bに電流が流れている状態からA相コイ� �17aに電流が流れている状態に切り替わる際� �、過電圧が発生することを防止するためで� �る。ダイオード22-1、22-2、22-3及び22-4は、転� ��コンデンサ21の充電動作を補助するための� �のである。

 励磁コイル17-1等の磁気エネルギー1/2LI ² (L:励磁コイル17-1等のリアクタンス、I:励磁コ イル17-1等の電流)は、一旦、転流コンデンサ2 1の静電エネルギー1/2CV ² (C:転流コンデンサ21の静電容量、V:転流コン� �ンサ21の充電電圧)として蓄えられる。ここ� �、転流コンデンサ21の静電容量を小さくする と、過電圧は大きくなる一方で転流時間は短 くなる。一方、転流コンデンサ21の静電容量� ��大きくすると、過電圧は小さくなる一方で� ��流時間は長くなる。このような関係から、� ��流コンデンサ21の静電容量は、過電圧と転� �時間とが適切な値となるように定められる� �

 フリップフロップ制御回路60は、上述し� �半導体スイッチ20-1及び20-2のオン、オフ切り 替えを制御するものである。このフリップフ ロップ制御回路60は、定電流フリップフロッ� ��型リラクタンスモータ3内の回転子11の角度� ��置を示す角度位置情報を入力し、その角度� ��置に基づいて、半導体スイッチ20-1及び20-2� �対し、これら半導体スイッチ20-1及び20-2をオ ン、オフさせるための動作信号を出力する。 また、フリップフロップ制御回路60は、制動� ��令を入力すると、動作信号の出力タイミン� ��を、駆動時の出力タイミングから回転子11� �電気角180°に対応する角度を回転する時間だ けずらす。

 上述したように、A相コイル17aとB相コイ� �17bとに交互に矩形波電流が流れることによ� �て、定電流フリップフロップ型リラクタン� �モータ3にはトルクが発生する。図5は、定電 流フリップフロップ型リラクタンスモータ3� �駆動時のトルクの発生原理を説明するため� �状態遷移を示す図である。図5では、図3に示 す定電流フリップフロップ型リラクタンスモ ータ3のうち、回転子11内の回転子凸極12-1、� �定子14内の固定子磁極16-1及び16-2、A相コイル 17aを構成する励磁コイル17-1、B相コイル17bを� ��成する励磁コイル17-2を直線状に置き換えて 示している。

 図5(a)は、半導体スイッチ20-1がオン、半� �体スイッチ20-2がオフであって、A相コイル17a を構成する励磁コイル17-1に矩形波電流が流� �て(斜線部)、当該励磁コイル17-1が励磁され� �ことにより、固定子磁極16-1が磁化され、回� ��子凸極12-1が固定子磁極16-1に吸引されて当� �固定子磁極16-1の方向に移動して、回転子凸� ��12-1と固定子磁極16-1とが正対した状態を示� �ている。

 図5(a)の状態となったタイミングで、フリ ップフロップ制御回路60は、半導体スイッチ2 0-1をオフ、半導体スイッチ20-2をオンに切り� �える。これにより、A相コイル17aを構成する� ��磁コイル17-1に矩形波電流が流れていた状態 から、図5(b)に示すように、B相コイル17bを構� ��する励磁コイル17-2に矩形波電流が流れる状 態(斜線部)に遷移する(回転子凸極12-1の右先� �部がP1の位置)。

 これにより、励磁コイル17-2が励磁されて 、固定子磁極16-2が磁化され、回転子凸極12-1� ��固定子磁極16-2に吸引され、回転子凸極12-1� �回転力が生じて固定子磁極16-2の方向に移動� ��る。図5(c)に示す状態(回転子凸極12-1の右先� ��部がP2の位置)及び図5(d)に示す状態(回転子� �極12-1の右先端部がP3の位置)では、回転子凸� ��12-1に回転力が生じている途上にある。

 そして、図5(e)に示すように、回転子凸極 12-1と固定子磁極16-2とが正対した状態になる� ��、すなわち、回転子凸極12-1が図5(b)に示す� �態から電気角180°に対応する角度(機械角90°) だけ回転すると(回転子凸極12-1の右先端部がP 4の位置)、フリップフロップ制御回路60は、� �導体スイッチ20-1をオン、半導体スイッチ20-2 をオフに切り替える。その後は、図5(b)乃至� �5(e)において、固定子磁極16-1を固定子磁極16- 2に置き換え、励磁コイル17-1を励磁コイル17-2 に置き換えた場合の図5(b)乃至図5(e)の状態遷� ��となり、回転子凸極16-1には継続して回転力 が生じる。

 図6は、図5(b)の状態から図5(e)の状態まで� ��間に励磁されるB相コイル17bを構成する励磁 コイル17-2の起電力の時間遷移(図6(a))、及び� �定電流フリップフロップ型リラクタンスモ� �タ3のトルクの時間遷移(図6(b))を示す図であ� ��。図6における横軸上のtP1、tP2、tP3、tP4は、 図5(b)乃至図5(e)における回転子凸極12-1の右先 端部が位置P1、P2、P3、P4に到達する時刻を示� ��。

 図5(b)の状態から図5(c)の状態までの期間(� ��刻tP1~時刻tP2までの期間)では、励磁コイル17 -2には直流定電流Iが流れているが、回転子凸 極12-1が励磁コイル17-2を巻回した固定子磁極1 6-2に対向していないため、励磁コイル17-2は� �心コイルと同じ状態であり、固定子磁極16-2� ��は、事実上磁束は発生しない。また、励磁� ��イル17-2には、直流抵抗Rと直流定電流Iの積R Iに等しい電圧降下(抵抗ドロップ)が生じる。

 一方、図5(c)の状態から図5(e)の状態まで� �期間(時刻tP2~時刻tP4までの期間)では、回転� �凸極12-1と励磁コイル17-2を巻回した固定子磁 極16-2とが重なっており、固定子磁極16-2には� ��重なり部分の面積に略比例した磁束が生じ� ��。この固定子磁極16-2に生じる磁束は、回転 子凸極12-1の右先端部がP1の位置にある時刻tP1 で最も小さくなり、P2、P3、P4の位置に遷移す る過程で徐々に増加する。固定子磁極16-2に� �回された励磁コイル17-2を有するB相コイル17b には、ファラデーの法則により、起電力E1=N� �dφ/dtが生じる。ここで、Nは励磁コイル17-2の 巻回数、φは固定子磁極16-2に生じる磁束数、 tは時間である。

 図5における回転子凸極12-1の横方向の速� �を一定とすると、回転子凸極12-1と固定子磁� ��16-2との重なり部分の面積は、時間に比例し て増大するため、B相コイル17bに生じる起電� �E1は一定となる。そして、この起電力E1の極� ��は、直流定電流Iの方向とは逆方向となる。

 B相コイル17bを構成する励磁コイル17-2に� �の起電力E1が生じている間、半導体スイッチ 20-2がオンになって、直流定電流Iが励磁コイ� ��17-2に流れるようにすることで、直流定電流 電源装置1には、図6(a)に示す負荷起電力E1が� �わる。直流定電流電源装置1が、図6(a)に示す 負荷起電力E1に直流定電流Iを乗じた電力を、 負荷である定電流フリップフロップ型リラク タンスモータ3内の励磁コイル17-2に供給する� ��とにより、抵抗ドロップRIを除いたI×E1の電 気エネルギーが定電流フリップフロップ型リ ラクタンスモータ3の回転エネルギーとなる� �

 また、図5(c)の状態から図5(e)の状態まで� �期間では、図6(b)に示すように、定電流フリ� ��プフロップ型リラクタンスモータ3にトルク が生じる。このトルクτ1は、負荷起電力E1に� ��例した一定値となる。

 一方、A相コイル17aを構成する励磁コイル 17-1の起電力波形、及び、励磁コイル17-1への� ��力供給により生じるトルク波形は、図6(a)の 起電力波形及び図6(b)のトルク波形を、回転� �11が電気角180°に対応する角度(機械角90°)を� ��転する時間だけずらしたものとなる。

 なお、以上の説明は、回転子凸極12-1と、 励磁コイル17-1を巻回した固定子磁極16-1、及� ��、励磁コイル17-2を巻回した固定子磁極16-2� �について説明したが、対向側である、回転� �凸極12-2と、励磁コイル17-3を巻回した固定子 磁極16-3、及び、励磁コイル17-4を巻回した固� ��子磁極16-4とについても同様である。

 図7は、定電流フリップフロップ型リラク タンスモータ3の回生制動時のトルクの発生� �理を説明するための状態遷移を示す図であ� �。図7の状態遷移は、図5の状態遷移と比較す ると、励磁コイル17-1及び17-2に直流定電流が� ��れるタイミングが、回転子11が電気角180°に 対応する角度(機械角90°)を回転する時間だけ ずれたものとなる。

 図7(a)は、半導体スイッチ20-1がオフ、半� �体スイッチ20-2がオンであって、B相コイル17b を構成する励磁コイル17-2に矩形波電流が流� �て(斜線部)、当該励磁コイル17-2が励磁され� �ことにより、固定子磁極16-2が磁化される一� ��、回転中(図7では右に移動中)の回転子凸極1 2-1と固定子磁極16-1とが正対した状態を示し� �いる。

 図7(a)の状態となったタイミングで、フリ ップフロップ制御回路60は、半導体スイッチ2 0-1をオン、半導体スイッチ20-2をオフに切り� �える。これにより、B相コイル17bを構成する� ��磁コイル17-2に矩形波電流が流れていた状態 から、図7(b)に示すように、A相コイル17aを構� ��する励磁コイル17-1に矩形波電流が流れる状 態(斜線部)に遷移する(回転子凸極12-1の右先� �部がP1の位置)。

 これにより、励磁コイル17-1が励磁されて 、固定子磁極16-1が磁化され、回転子凸極12-1� ��は固定子磁極16-2に吸引される力が加わる。 この力が回転方向とは逆の力である制動力と なる。図7(c)に示す状態(回転子凸極12-1の右先 端部がP2の位置)及び図7(d)に示す状態(回転子� ��極12-1の右先端部がP3の位置)では、回転子凸 極12-1に制動力が生じている途上にある。

 そして、図7(e)に示すように、回転子凸極 12-1と固定子磁極16-2とが正対した状態になる� ��、すなわち、回転子凸極12-1が図7(b)に示す� �態から電気角180°に対応する角度(機械角90°) だけ回転すると(回転子凸極12-1の右先端部がP 4の位置)、フリップフロップ制御回路60は、� �導体スイッチ20-1をオフ、半導体スイッチ20-2 をオンに切り替える。その後は、図7(b)乃至� �7(e)において、固定子磁極16-1を固定子磁極16- 2に置き換え、励磁コイル17-1を励磁コイル17-2 に置き換えた場合の図7(b)乃至図7(e)の状態遷� ��となり、回転子凸極16-1には継続して制動力 が生じる。

 図8は、図7(b)の状態から図7(e)の状態まで� ��間に励磁されるA相コイル17aを構成する励磁 コイル17-1の起電力の時間遷移(図7(a))、及び� �定電流フリップフロップ型リラクタンスモ� �タ3のトルクの時間遷移(図7(b))を示す図であ� ��。図8における横軸上のtP1、tP2、tP3、tP4は、 図7(b)乃至図7(e)における回転子凸極12-1の右先 端部が位置P1、P2、P3、P4に到達する時刻を示� ��。

 A相コイル17aを構成する励磁コイル17-1を� �回した固定子磁極16-1には、回転子凸極12-1と 当該固定子磁極16-1との重なり部分の面積に� �比例した磁束が生じる。従って、固定子磁� �16-1に生じる磁束は、回転子凸極12-1の右先端 部がP1の位置にある時刻tP1で最も大きくなり� ��P2、P3、P4の位置に遷移する過程で徐々に減� ��する。固定子磁極16-1に巻回された励磁コイ ル17-1を有するA相コイル17aには、ファラデー� ��法則により、起電力E2=N・dφ/dtが生じる。

 回転子凸極12-1の横方向の速度を一定とす ると、回転子凸極12-1と固定子磁極16-1との重� ��り部分の面積は、時間に比例して減少する� ��め、A相コイル17aに生じる起電力E2は一定と� ��る。そして、この起電力E2の極性は、直流� �電流Iの方向と同一方向となる。

 A相コイル17bを構成する励磁コイル17-1に� �の起電力E2が生じている間、半導体スイッチ 20-1がオンになって、直流定電流Iが励磁コイ� ��17-1に流れるようにすることで、直流定電流 電源装置1には、負荷起電力E2の絶対値から抵 抗ドロップRIを除いたものに直流定電流Iを乗 じた電気エネルギーが回生される。

 また、図7(c)の状態から図7(e)の状態まで� �期間では、図8(b)に示すように、定電流フリ� ��プフロップ型リラクタンスモータ3に制動ト ルクが生じる。このトルクτ2は、負荷起電力 E2に比例した一定値となる。

 一方、B相コイル17bを構成する励磁コイル 17-2の起電力、及び、励磁コイル17-2への電力� ��給により生じる制動トルクは、図8(a)の起電 力及び図8(b)の制動トルクを、回転子11が電気 角180°に対応する角度(機械角90°)を回転する� ��間だけずらしたものとなる。

 なお、以上の説明は、回転子凸極12-1と、 励磁コイル17-1を巻回した固定子磁極16-1、及� ��、励磁コイル17-2を巻回した固定子磁極16-2� �について説明したが、対向側である、回転� �凸極12-2と、励磁コイル17-3を巻回した固定子 磁極16-3、及び、励磁コイル17-4を巻回した固� ��子磁極16-4とについても同様である。

 図9は、直流定電流電源装置1の構成を示� �図である。直流定電流電源装置1は、単に出� ��電流が一定に制御された電源装置とは異な� ��、負荷側の起電力の正負、大小に関係なく� ��定方向の一定電流(直流定電流)を出力する� �うに制御され、且つ、負荷側である定電流� �リップフロップ型リラクタンスモータ3から� ��生される電力を受け入れる機能を有するこ� ��に特徴がある。

 直流定電流電源装置1は、非対称制御のPWM (パルス幅制御)ブリッジ(非対称PWMブリッジ)� �中心に構成されている。この非対称PWMブリ� �ジにおける半導体スイッチ131は、IGBT、サイ� ��スタ、パワートランジスタ等が任意に選択� ��能である。また、非対称PWMブリッジにおけ� ��所謂交流端子にあたる部分には、直流電源1 29が接続され、非対称PWMブリッジの所謂直流� ��子Xには、定電流フリップフロップ回路2の� �力端子19-1が接続され、直流端子Yには、出力 端子19-2(図4参照)が接続される。

 直流定電流電源装置1において、非対称PWM ブリッジを構成する半導体スイッチ131(S1、S2� ��S3、S4)は、所定の搬送周波数信号に応じて� �ンオフ動作し、オン期間が制御可能である� �2つの半導体スイッチ131(S1、S4)の対と、2つの 半導体スイッチ131(S2、S3)の対は、通常のブリ ッジにおけるように対称的に動作するのでは なく、負荷起電力の正あるいは負に対応して それぞれが一体で非対称に動作するようにし てある。具体的には、半導体スイッチ131(S1、 S4)の対が動作すると直流端子X、Yの両端に正� ��平均値の電圧が出力され、その値は、半導� ��スイッチ131(S1、S4)のオン期間の長さで制御� ��れる。また、半導体スイッチ131(S2、S3)の対� ��動作すると、直流端子X、Yの両端に負の平� �値の電圧が出力され、その値は、半導体ス� �ッチ131(S2、S3)のオン期間の長さで制御され� �。

 半導体スイッチ131(S5)は、非対称PWMブリッ ジの出力側に並列に接続され、リアクトル130 、後段の定電流フリップフロップ回路2を通� �た循環回路を構成する、この半導体スイッ� �131(S5)は、半導体スイッチ131(S1、S4)の対のオ� ��期間、及び、半導体スイッチ131(S2、S3)の対� ��オフ期間にオンとなるように動作する。こ� ��により、半導体スイッチ131(S1、S4)の対のオ� ��期間、及び、半導体スイッチ131(S2、S3)の対� ��オフ期間においても、定電流フリップフロ� ��プ回路2に対して直流定電流を断続させるこ となく供給する。

 直流定電流制御装置1内に構成される定電 流電源制御装置135は、上述した半導体スイッ チ131(S1、S2、S3、S4、S5)を制御するためのもの である。この定電流電源制御装置35は、出力� ��流、負荷起電力等の制御情報を受けて、直� ��定電流電源装置1の出力電流が、定電流フリ ップフロップ回路2への出力電流が負荷起電� �の正負及び大小に関わらず、その方向が一� �でその大きさが電流設定指令によって指令� �れた一定の電流(直流定電流)になるように、 半導体スイッチ131(S1乃至S5)を駆動させるため の動作信号を出力する。

 図10は、負荷起電力が正で大小、負で大� �の4条件における半導体スイッチ131(S1乃至S5)� ��動作とその動作時の出力電圧を示す図であ� ��。負荷起電力が正で大の場合には、半導体� ��イッチ131(S1、S4)の対が選択され、オン期間� ��長くなる。このため、直流端子X、Yの両端� �正の大きな平均値の電圧が出力される。ま� �、負荷起電力が正で小の場合には、半導体� �イッチ131(S1、S4)の対が選択され、オン期間� �短くなる。このため、直流端子X、Yの両端に 正の小さな平均値の電圧が出力される。一方 、負荷起電力が負で絶対値が大の場合には、 半導体スイッチ131(S2、S3)の対が選択され、オ ン期間が長くなる。このため、直流端子X、Y� ��両端に負の絶対値の大きな平均値の電圧が� ��力される。また、負荷起電力が負で小の場� ��には、半導体スイッチ131(S1、S4)の対が選択� ��れ、オン期間が短くなる。このため、直流� ��子X、Yの両端に負の絶対値の小さな平均値� �電圧が出力される。

 図11は、定電流フリップフロップ型リラ� �タンスモータ3の起動加速、定速回転、回生� ��動及び停止の一連の動作に対応する直流定� ��流電源装置1の動作について示したものであ る。図11(a)に示すように、定電流フリップフ� ��ップ型リラクタンスモータ3の動作が行われ る場合、図11(b)に示すように、直流定電流電� ��装置1は、定電流フリップフロップ型リラク タンスモータ3の駆動時と制動時には、定速� �転時よりも大きな定電流を定電流フリップ� �ロップ回路2に供給する必要がある。

 直流定電流電源装置1の直流端子Xから見� �負荷起電力は、駆動状態では正、制動状態� �は負であり、その大きさは定電流フリップ� �ロップ型リラクタンスモータ3の回転子の回� ��速度にほぼ比例する。直流定電流電源装置1 は、図11(c)の点線に示すように、正負の負荷� ��電力に負荷回路の抵抗分による電圧降下(抵 抗ドロップ)分を加算した電圧を出力するこ� �で、定電流フリップフロップ回路2に直流定� ��流を供給することができる。これにより、� ��電流フリップフロップ型リラクタンスモー� ��3の制動時には、停止まで回生制動が可能と なり、機械ブレーキを使用する必要がない。

 負荷側の定電流フリップフロップ型リラ� ��タンスモータ3が制動状態では負荷起電力は 負である。この場合、直流定電流電源装置1� �半導体スイッチ131(S2、S3)の対が動作して出� �電圧は負になり、負荷側から回生電流が直� �電源129の正端子から流れ込む。この現象は� �たかもバッテリーの充電と同様の態様とな� �ている。直流電源129は充電機能を有してお� �、回生電力を充電する。一方、直流電源129� �燃料電池等であり充電機能を有しない場合� �は、エネルギー回収のために、直流電源129� �並列にウルトラキャパシタを接続しておく� �要がある。更には、直流電源129がリチウム� �オン電池のように充電機能を有していても� �回生電力が数十秒単位の急峻な変動となる� �には適切に充電を行うことができない場合� �も、直流電源129に並列にウルトラキャパシ� �を接続することが望ましい。

 このように、定電流方式の回生型スイッ� ��ドリラクタンスモータ駆動システムでは、� ��電流フリップフロップ回路2が、半導体スイ ッチ20-1及び20-2の一方がオンの場合には他方� ��オフになる所謂フリップフロップ動作を行� ��ことによって、定電流直流電源装置1からの 直流定電流を、定電流フリップフロップ型リ ラクタンスモータ3内のA相コイル17a及びB相コ イル17bに交互に振り分けることによって、こ れらに矩形波電流を流す。そして、固定子磁 極16-1乃至16-4による吸引力によって回転子11� �生じるトルクが理論上最大となるようにす� �とともに、制動時には、半導体スイッチ20-1� ��び20-2の切り替えタイミングを、駆動時の出 力タイミングから回転子11が電気角180°に対� �する角度を回転する時間だけずらすことに� �り、電力回生を効率よく行うことができる� �

 なお、上述した実施形態では、定電流フ� ��ップフロップ型リラクタンスモータ3は、回 転子11に2個の回転子凸極12-1及び12-2が設けら� ��、固定子14に4個の固定子磁極16-1、16-2、16-3� ��び16-4が設けられた2相4極の構成であったが� ��回転子にn個(nは整数)の回転子凸極が設けら れ、固定子に2n個の固定子磁極とが設けられ� ��2相2n極の構成であってもよい。

 図12は、2相8極の定電流フリップフロップ 型リラクタンスモータの軸垂直方向断面図で ある。図12に示す定電流フリップフロップ型� ��ラクタンスモータ3-1において、回転子10は� �回転子鉄心11と、4個の回転子凸極12-1、12-2、 12-3及び12-4とにより構成される。4個の回転子 凸極12-1乃至12-4は、回転子鉄心11の外周に、� �間隔(ここでは90°の間隔)で配置されている� �

 上述した回転子10の外周に配置された環� �の固定子14は、ヨーク15及び8個の固定子磁極 16-1、16-2、16-3、16-4、16-5、16-6、16-7及び16-8に� ��り構成される。8個の固定子磁極16-1乃至16-8� ��、ヨーク15の内周側に、回転子凸極12-1乃至1 2-4と空隙を介して、等間隔(ここでは45°の間� ��)で配置されている。

 励磁コイル17-1乃至17-8は、励磁コイル17-1� ��固定子磁極16-1に、励磁コイル17-2が固定子� �極16-2に、励磁コイル17-3が固定子磁極16-3に� �励磁コイル17-4が固定子磁極16-4に、励磁コイ ル17-5が固定子磁極16-5に、励磁コイル17-6が固 定子磁極16-6に、励磁コイル17-7が固定子磁極1 6-7に、励磁コイル17-8が固定子磁極16-8に、そ� ��ぞれ巻回されている。これらのうち、励磁� ��イル17-1及び17-3、17-5及び17-7は、磁束が固定 子磁極16-1から16-3に向かう方向となり、且つ� ��磁束が固定子磁極16-5から16-7に向かう方向� �なるように、巻回されて直列に接続されて� �り、A相コイル17aを構成する。同様に、励磁� ��イル17-2、17-4、17-6及び17-8は、磁束が固定子 磁極16-2から16-4に向かう方向となり、且つ、� ��束が固定子磁極16-6から16-8に向かう方向と� �るように、巻回されて直列に接続されてお� �、B相コイル17bを構成する。

 この2相8極の定電流フリップフロップ型� �ラクタンスモータ3-1を用いる場合には、ヨ� �ク15の部分の磁路断面積を小さくして小型軽 量化を図るとともに、トルクの脈動周期を高 域に移行することができる。

 また、複数の定電流フリップフロップ型� ��ラクタンスモータを接続したモータユニッ� ��を用いるようにしてもよい。図13は、モー� �ユニットの外観斜視図、図14は、モータユニ ットを構成する各定電流フリップフロップ型 リラクタンスモータの配置を説明する図であ る。

 図13に示すように、モータユニットは、� �電流フリップフロップ型リラクタンスモー� �3-11、3-12、3-13及び3-14により構成される。こ� ��ら定電流フリップフロップ型リラクタンス� ��ータ3-11、3-12、3-13及び3-14は、それぞれ図3� �示す定電流フリップフロップ型リラクタン� �モータ3と同様の構成である。

 定電流フリップフロップ型リラクタンス� ��ータ3-11、3-12、3-13及び3-14は、回転軸13が共� ��であり、それぞれの回転子11における回転� �凸極12-1及び12-2についての回転軸13の回転方� ��の位置が同一となっている。また、定電流� ��リップフロップ型リラクタンスモータ3-11、 3-12、3-13及び3-14は、それぞれの固定子14にお� ��て定められた基準位置についての回転軸13� �回転方向の間隔が22.5°となるように接続さ� �ている。具体的には、図14(a)に示す定電流フ リップフロップ型リラクタンスモータ3-11に� �ける固定子14の基準位置Aを、回転軸13の回転 方向(ここでは右回り)に22.5°回転させた位置� ��図14(b)に示す定電流フリップフロップ型リ� �クタンスモータ3-12における固定子14の基準� �置Aとなる。また、図14(b)に示す定電流フリ� �プフロップ型リラクタンスモータ3-12におけ� ��固定子14の基準位置Aを、回転軸13の回転方� �に22.5°回転させた位置(図14(a)に示す定電流� �リップフロップ型リラクタンスモータ3-11に� ��ける固定子14の基準位置Aを、回転軸13の回� �方向45°回転させた位置)が図14(c)に示す定電� ��フリップフロップ型リラクタンスモータ3-13 における固定子14の基準位置Aとなり、図14(c)� ��示す定電流フリップフロップ型リラクタン� ��モータ3-13における固定子14の基準位置Aを、 回転軸13の回転方向に22.5°回転させた位置(図 14(a)に示す定電流フリップフロップ型リラク� ��ンスモータ3-11における固定子14の基準位置A を、回転軸13の回転方向67.5°回転させた位置) が図14(d)に示す定電流フリップフロップ型リ� ��クタンスモータ3-14における固定子14の基準� ��置Aとなる。

 図15は、図13及び図14に示すモータユニッ� ��を用いる場合の定電流フリップフロップ回� ��ユニットの構成を示す図である。定電流フ� ��ップフロップ回路ユニットは、入力端子19-1 及び出力端子19-2が直流定電流電源装置1に接� ��されており、入力端子19-1と出力端子19-2と� �間には、定電流フリップフロップ回路2-1、2- 2、2-3及び2-4が直列に接続されている。定電� �フリップフロップ回路2-1、2-2、2-3及び2-4は� �それぞれ図4に示す定電流フリップフロップ� ��路2と同様の構成である。

 定電流フリップフロップ回路2-1の電流路2 4-1には、定電流フリップフロップ型リラクタ ンスモータ3-11内のA相コイル17aが接続されて� ��り、電流路24-2には、定電流フリップフロッ プ型リラクタンスモータ3-11内のB相コイル17b� ��接続されている。また、定電流フリップフ� ��ップ回路2-2の電流路24-1には、定電流フリッ プフロップ型リラクタンスモータ3-12内のA相� ��イル17aが接続されており、電流路24-2には、 定電流フリップフロップ型リラクタンスモー タ3-12内のB相コイル17bが接続されている。同� ��に、定電流フリップフロップ回路2-3の電流� ��24-1には、定電流フリップフロップ型リラク タンスモータ3-13内のA相コイル17aが接続され� ��とともに、電流路24-2には、定電流フリップ フロップ型リラクタンスモータ3-13内のB相コ� ��ル17bが接続されており、定電流フリップフ� ��ップ回路2-4の電流路24-1には、定電流フリッ プフロップ型リラクタンスモータ3-14内のA相� ��イル17aが接続されるとともに、電流路24-2に は、定電流フリップフロップ型リラクタンス モータ3-14内のB相コイル17bが接続されている� ��

 定電流フリップフロップ制御回路61は、� �4(b)に示す定電流フリップフロップ回路60と� �様の制御を、定電流フリップフロップ回路2- 1乃至2-4のそれぞれに行う。すなわち、定電� �フリップフロップ制御回路61は、定電流フリ ップフロップ型リラクタンスモータ3-11内の� �転子11の角度位置を示す角度位置情報を入力 し、その角度位置に基づいて、定電流フリッ プフロップ回路2-1内の半導体スイッチ20-1及� �20-2に対し、これら半導体スイッチ20-1及び20- 2をオン、オフさせるための動作信号を出力� �る。また、定電流フリップフロップ制御回� �61は、定電流フリップフロップ型リラクタン スモータ3-12内の回転子11の角度位置を示す角 度位置情報を入力し、その角度位置に基づい て、定電流フリップフロップ回路2-2内の半導 体スイッチ20-1及び20-2に対し、これら半導体� ��イッチ20-1及び20-2をオン、オフさせるため� �動作信号を出力する。同様に、定電流フリ� �プフロップ制御回路61は、定電流フリップフ ロップ型リラクタンスモータ3-13内の回転子11 の角度位置を示す角度位置情報を入力し、そ の角度位置に基づいて、定電流フリップフロ ップ回路2-3内の半導体スイッチ20-1及び20-2に� ��し、これら半導体スイッチ20-1及び20-2をオ� �、オフさせるための動作信号を出力する。� �に同様に、定電流フリップフロップ制御回� �61は、定電流フリップフロップ型リラクタン スモータ3-14内の回転子11の角度位置を示す角 度位置情報を入力し、その角度位置に基づい て、定電流フリップフロップ回路2-4内の半導 体スイッチ20-1及び20-2に対し、これら半導体� ��イッチ20-1及び20-2をオン、オフさせるため� �動作信号を出力する。また、フリップフロ� �プ制御回路61は、制動指令を入力すると、動 作信号の出力タイミングを、駆動時の出力タ イミングから回転子11が電気角180°に対応す� �角度を回転する時間だけずらす。

 これにより、定電流フリップフロップ型� ��ラクタンスモータ3-11乃至3-14のそれぞれのA� ��コイル17aとB相コイル17bとに交互に矩形波電 流が流れることによって、定電流フリップフ ロップ型リラクタンスモータ3にはトルクが� �生する。トルクの発生原理は、図5乃至図8に おいて説明した原理と同様である。

 モータユニット内の定電流フリップフロ� ��プ型リラクタンスモータ3-11乃至3-14を、回� �軸13を共通とし、それぞれの回転子11におけ� ��回転子凸極12-1及び12-2についての回転軸13の 回転方向の位置を同一とすること、それぞれ の固定子14において定められた基準位置につ� ��ての回転軸13の回転方向の間隔が22.5°とな� �ように配置すること、更に、定電流フリッ� �フロップ回路ユニット内の定電流フリップ� �ロップ回路2-1、2-2、2-3及び2-4がそれぞれ上� �した半導体スイッチ20-1及び20-2の切替動作を 行うことにより、トルクゼロ点がなくなって 、トルクの脈動を低減させるとともに、励磁 コイルの相対的なリアクタンスを低減して、 導通させる電流路を切り替える際の過電圧を 低減させることができる。

 また、直流定電流電源装置1の構成には、 図9以外にも様々なものが考えられる。図16は 、直流定電流電源装置1の他の構成を示す図� �ある。図16に示す直流定電流電源装置1は、� �流電源139、リアクトル140、充放電切換器146� �び定電流チョッパ147を有する。これらのう� �、充放電切換器146は、4つの半導体スイッチ4 1(S11、S12、S13、S14)によって構成される。また 、定電流チョッパ147は、2つの半導体スイッ� �141(S15及びS16)によって構成される。半導体ス イッチ141(S11乃至S14)は、図9における半導体ス イッチ131(S1乃至S4)と同じ働きをし、半導体ス イッチ141(S16)は、図9における半導体スイッチ 131(S5)と同じ働きをする。一方、直流定電流� �御装置1内に構成される定電流電源制御装置1 45は、動作信号により、上述した半導体スイ� ��チ131(S1乃至S6)を制御する。

 充放電切換器146は、定電流電源制御装置1 45からの動作信号を受けて、2つの半導体スイ ッチ141(S1、S4)の対と、2つの半導体スイッチ14 1(S2、S3)の対のいずれかをオンとすることに� �って、直流電源39の極性切換を行う。

 定電流チョッパ147内の半導体スイッチ141( S15)は、定電流電源制御装置145からの動作信� �を受けて、高速でオン、オフ切換を行う。� �ンとなる期間の長さが制御されることによ� �、所定の直流定電流が出力される。

 定電流チョッパ147内の半導体スイッチ141( S16)は、定電流電源制御装置145からの動作信� �を受けて、半導体スイッチ141(S15)のオフ期間 中にオンとなって、リアクトル140、後段の定 電流フリップフロップ回路2を通じた循環回� �を構成する。