▶ トゥラ イーテクノロジー，インコーポレイテッドの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-05-06
(54)【発明の名称】パルス化電気機械制御のためのブースト変換器
(51)【国際特許分類】
H02M 7/48 20070101AFI20220425BHJP
H02P 27/06 20060101ALI20220425BHJP
H02M 3/07 20060101ALI20220425BHJP
【ＦＩ】
H02M7/48 F
H02P27/06
H02M3/07
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021553027
(86)(22)【出願日】2020-03-12
(85)【翻訳文提出日】2021-10-27
(86)【国際出願番号】 US2020022262
(87)【国際公開番号】W WO2020190614
(87)【国際公開日】2020-09-24
(31)【優先権主張番号】62/819,097
(32)【優先日】2019-03-15
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】520347203
【氏名又は名称】トゥラ イーテクノロジー，インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110001302
【氏名又は名称】特許業務法人北青山インターナショナル
(72)【発明者】
【氏名】マツダ，ババック
(72)【発明者】
【氏名】トリパシー，アディア エス．
(72)【発明者】
【氏名】カーヴェル，ポール
【テーマコード（参考）】
5H505
5H730
5H770
【Ｆターム（参考）】
5H505BB02
5H505CC04
5H505DD03
5H505DD05
5H505DD06
5H505DD08
5H505DD11
5H505EE49
5H505GG01
5H505HA05
5H505HA06
5H505HA09
5H505HB01
5H505JJ04
5H505JJ09
5H505JJ17
5H505LL01
5H505LL38
5H505LL41
5H730AS13
5H730BB01
5H730BB98
5H770AA01
5H770BA01
5H770CA01
5H770DA03
5H770DA10
5H770DA41
5H770HA07Z
5H770JA17W
(57)【要約】
ブースト回路が、電気機械のパルス化制御動作に使用されるパルス化電力の立ち上がり時間及び立ち下がり時間を短縮するように配列される。パルスの終了時に電気機械に存在する磁気エネルギーが、ブースト回路によって抽出されて、パルスの立ち下がり時間を短縮する。エネルギーは、ブースト回路によって貯蔵され、次に、後続のパルスの開始時に印加されて、立ち上がり時間を短縮する。このようなブースト回路を使用しない場合と比較して立ち上がり時間及び立ち下がり時間を短縮することによって、機械効率を向上させる。
【選択図】図４
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
装置であって、電源と、
巻線部を有するとともに、前記巻線部に磁気エネルギーが貯蔵されている電気機械と、
前記電気機械をパルス化モードで選択的に動作させるように構成された電気機械コントローラと、
前記電源と前記電気機械との間に結合された電力変換器であって、前記機械コントローラに応答して、パルス化電力を前記電気機械の前記巻線部に送達するように、又は、前記電気機械の前記巻線部からパルス化電力を受け取るように配列された前記電力変換器と、
を備える装置において、
前記電力変換器が、パルスの終了時に、前記電気機械に存在する前記磁気エネルギーの少なくとも一部を抽出して、前記パルスの立ち下がり時間を短縮し、前記エネルギーの少なくとも一部を貯蔵し、後続のパルスの開始時に、前記エネルギーの少なくとも一部を印加し、これにより、前記パルス化電力の立ち上がり時間及び立ち下がり時間を、ブースト回路がない場合の前記パルス化電力の前記立ち上がり時間及び立ち下がり時間と比較して、短縮するように配列された前記ブースト回路を含むことを特徴とする装置。
【請求項2】
請求項１に記載の装置において、パルス化動作のパルスの間に、前記電気機械が実質的にその最大効率動作点で動作することを特徴とする装置。
【請求項3】
請求項１又は２に記載の装置において、前記電源がＤＣ電源であることを特徴とする装置。
【請求項4】
請求項１乃至３の何れか１項に記載の装置において、前記ＤＣ電源によって発生したＤＣ電力をＡＣ電力に変換する電力インバータとして前記電力変換器を動作させて、前記電気機械を駆動することを特徴とする装置。
【請求項5】
請求項１乃至３の何れか１項に記載の装置において、前記電気機械によって発生したＡＣ電力を前記ＤＣ電源に貯蔵されるＤＣ電力に変換する電力整流器として、前記電力変換器を動作させることを特徴とする装置。
【請求項6】
請求項３乃至５の何れか１項に記載の装置において、前記ブースト回路が、前記ＤＣ電源の端子と、前記電気機械を行き来する電力を制御するスイッチングネットワークと、の間で電気的に接続されたスイッチを含むことを特徴とする装置。
【請求項7】
請求項６に記載の装置において、前記ブースト回路が、前記スイッチによって前記スイッチングネットワークと電気的に選択的に接続されたキャパシタを含むことを特徴とする装置。
【請求項8】
請求項１乃至７の何れか１項に記載の装置において、前記ブースト回路が、ステータの前記巻線部に貯蔵された磁気エネルギーを使用して、前記電気機械を駆動するために利用可能な電位を一時的にブーストすることを特徴とする装置。
【請求項9】
請求項１乃至８の何れか１項に記載の装置において、前記ブースト回路が、前記電気機械のオフ期間中に、一連の１つ又は複数のブーストステップにおいて、前記電気機械を駆動するために前記利用可能な電位をブーストすることを特徴とする装置。
【請求項10】
請求項３乃至９の何れか１項に記載の装置において、前記ブースト回路が、前記電源と、前記電気機械を行き来する電力を制御するスイッチングネットワークと、の間にダイオードを含むことを特徴とする装置。
【請求項11】
電気機械を動作させる方法において、前記電気機械をパルス化して動作させることで、前記電気機械に印加された電力、又は前記電気機械から取り出された電力が、電力が減少した期間によって分離された一連のパルスで構成されるようにするとともに、所望の大きさのトルクを送達するように、前記一連のパルスのデューティサイクルを決定するステップと、
パルスの終了時に、前記電気機械に存在する磁気エネルギーの少なくとも一部を抽出して、前記パルスの立ち下がり時間を短縮するステップと、
前記エネルギーの少なくとも一部を貯蔵するステップと、
後続のパルスの開始時に、前記エネルギーの少なくとも一部を印加し、これにより、前記パルス化電力の立ち上がり時間及び立ち下がり時間を短縮するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項12】
請求項１１に記載の方法において、前記一連のパルスのパルスの間に、前記電気機械に印加された前記電力、又は前記電気機械から取り出された前記電力が、前記電気機械にとって実質的に最も効率的な動作点で前記電気機械を動作させることを特徴とする方法。
【請求項13】
請求項１１又は１２に記載の方法において、前記一連のパルスがブースト回路を含む電力変換器によって発生し、前記ブースト回路が、前記一連のパルスのパルスの立ち上がり時間及び立ち下がり時間を、前記ブースト回路がない場合の前記パルスの前記立ち上がり時間及び立ち下がり時間と比較して、短縮するように配列されていることを特徴とする方法。
【請求項14】
請求項１３に記載の方法において、ＤＣ電源によって発生したＤＣ電力を、前記電気機械を駆動するためにＡＣ電力に変換する電力インバータとして、前記電力変換器を動作させることを特徴とする方法。
【請求項15】
請求項１３に記載の方法において、前記電気機械によって発生したＡＣ電力を、ＤＣ電源に貯蔵されるＤＣ電力に変換する電力整流器として、前記電力変換器を動作させることを特徴とする方法。
【請求項16】
請求項１１乃至１５の何れか１項に記載の方法において、電気モータ又は発電機として前記電気機械を動作させることを特徴とする方法。
【請求項17】
請求項１１乃至１６の何れか１項に記載の方法において、電気モータとして前記電気機械を動作させ、ブースト回路を含む電力変換器によって前記一連のパルスを発生させ、前記ブースト回路が、前記一連のパルスの少なくとも１つのパルスの開始時に、前記電気モータを駆動するために利用可能な電位を増加させることを特徴とする方法。
【請求項18】
請求項１７に記載の方法において、前記ブースト回路が、前記一連のパルスの前記少なくとも１つのパルスに先行するパルスの終了時に、前記電気モータを駆動するために前記利用可能な電位を増加させることを特徴とする方法。
【請求項19】
請求項１７又は１８に記載の方法において、前記ブースト回路が、前記一連のパルスの前記少なくとも１つのパルスに先行するオフ期間中に、前記電気モータを駆動するために前記利用可能な電位を増加させることを特徴とする方法。
【請求項20】
請求項１９に記載の方法において、前記ブースト回路が、一連の１つ又は複数のステップにおいて、前記電気モータを駆動するために前記利用可能な電位を増加させることを特徴とする方法。
【請求項21】
電気機械を動作させる方法において、前記電気機械をパルス化して動作させることで、前記電気機械に印加された電力、又は前記電気機械から取り出された電力が、電力が減少した期間によって分離された一連のパルスで構成されるようにするとともに、所望の大きさのトルクを送達するように、前記一連のパルスのデューティサイクルを決定するステップと、
前記一連のパルスの移行時間をそれぞれ短縮するように、正電圧バスと負電圧バスとの間の電位差を増加させるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項22】
請求項２１に記載の方法において、前記一連のパルスの間の前記期間中に、一連の１つ又は複数のステップにおいて、電気モータを駆動するために前記電位を増加させることを特徴とする方法。
【請求項23】
請求項２１又は２２に記載の方法において、前記電位差が、前記電気機械にエネルギーを貯蔵、又は送達するために使用される電源の前記電位差を超過することを特徴とする方法。
【請求項24】
請求項２１乃至２３の何れか１項に記載の方法において、電力が無視できる程度である期間中に、前記電気機械に印加された前記電力、又は前記電気機械から取り出された前記電力が、前記一連のパルスの間に、前記電気機械に供給された前記電力、又は前記電気機械から取り出された前記電力の１０％未満、５％未満、１％未満、０．５％未満、及び０．１％未満からなる群から選択されることを特徴とする方法。
【請求項25】
システムにおいて、電気モータと、
トルク変調モジュールであって、
（ａ）トルク要求を受け取るように、
（ｂ）前記受け取ったトルク要求が前記モータのピーク効率トルク未満であるかどうかを確認するように、且つ、
（ｃ）前記トルク要求が前記モータの前記ピーク効率未満である場合に、変調された波形を生成するように
配列されたトルク変調モジュールと、
前記変調された波形を受け取るように配列された電力変換器であって、前記変調された波形に応答して、一連のエネルギーパルスであって、その平均が前記受け取ったトルク要求と実質的に等しい、前記電気モータのピーク効率でのトルク及び低トルクをそれぞれ生成するために前記電気モータを駆動する前記一連のエネルギーパルスを生成するように配列された前記電力変換器と、
前記電力変換器に結合されたブースト回路であって、前記一連のエネルギーパルスの移行時間を、前記ブースト回路がない場合の移行時間と比較して、短縮させる前記ブースト回路と、
を備えることを特徴とするシステム。
【請求項26】
請求項２５に記載のシステムにおいて、前記低トルクがゼロであることを特徴とするシステム。
【請求項27】
請求項２５又は２６に記載のシステムにおいて、前記低トルクはゼロよりも大きいが、前記モータの前記ピーク効率での前記トルク未満であることを特徴とするシステム。
【請求項28】
請求項２５乃至２７の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記電力変換器が、第１の電位に維持された第１の電力レールと、第２の電位に維持された第２の電力レールとの間に結合されたスイッチングネットワークを含み、前記ブースト回路が、前記第１の電力レールと前記第２の電力との間の電位差を、前記ブースト回路がない場合の前記第１の電位と前記第２の電位との間の前記電位差よりも大きくなるように、ブーストするように配列されていることを特徴とするシステム。
【請求項29】
請求項２８に記載のシステムにおいて、前記スイッチングネットワークが、前記電気モータをそれぞれ駆動するために使用されるエネルギーの３つの相のそれぞれにスイッチの対を含み、前記スイッチの対のそれぞれが、前記第１の電力レールと前記第２の電力レールとの間に、それぞれ直列に結合されていることを特徴とするシステム。
【請求項30】
請求項２８に記載のシステムにおいて、前記ブースト回路を前記電力変換器の少なくとも前記第１の電力レールに選択的に結合するためのスイッチをさらに備えることを特徴とするシステム。
【請求項31】
請求項２５乃至３０の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記ブースト回路が、以下のうちの１つ、すなわち、（ａ）チャージポンプ、
（ｂ）電圧源、
（ｃ）キャパシタ、
（ｄ）バッテリ、又は
（ｅ）（ａ）から（ｄ）の任意の組み合わせ
を含むことを特徴とするシステム。
【請求項32】
請求項２５乃至３１の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記変調された波形が、（ａ）パルス幅変調（ＰＷＭ）、
（ｂ）直接トルク制御（ＤＴＣ）、
（ｃ）ヒステリシス、又は
（ｄ）デッドビート制御
のうちの１つを使用して、前記トルク変調モジュールによって変調されることを特徴とするシステム。
【請求項33】
請求項２５乃至３２の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記電気モータのロータの角度位置を表す信号から、前記電気モータの推定速度を生成するように配列された速度推定モジュールをさらに備えることを特徴とするシステム。
【請求項34】
請求項２５乃至３３の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記電気モータのロータの角度位置を表す信号から、前記電気モータの推定トルクを生成するように配列されたトルク推定モジュールをさらに備えることを特徴とするシステム。
【請求項35】
請求項２５乃至３４の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記トルク変調モジュールが、前記電気モータのロータの感知された角度位置から得られる信号に応答して、前記変調された波形を調節するようにさらに構成されていることを特徴とするシステム。
【請求項36】
請求項２５乃至３５の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記受け取ったトルク要求が前記モータの前記ピーク効率トルクよりも大きい場合に、前記トルク変調モジュールが、前記電力変換器と連携して、前記電気モータを連続モードで動作させるようにさらに構成されていることを特徴とするシステム。
【請求項37】
請求項２５乃至３６の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記電気モータが、連続モード又はパルス化モードのいずれかで動作することが可能な発電機として動作することができる電気機械であることを特徴とするシステム。
【請求項38】
請求項２５乃至３７の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記電力変換器が、第１の電力レールと第２の電力レールとの間に結合された複数のスイッチを含むスイッチングネットワークを含み、前記ブースト回路が、前記第１の電力レールと前記第２の電力レールとの間の前記スイッチングネットワークの前記複数のスイッチと並列に結合されたキャパシタを含むことを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１９年３月１５日に出願された米国仮特許出願第６２／８１９，０９７号明細書の優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、２０１９年３月１５日に出願された米国仮特許出願第６２／８１９，０９７号明細書の優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【0002】
本出願は、概して、よりエネルギー効率の良いやり方で所望の出力を選択的に送達するための電気機械のパルス化制御に関し、より詳細には、電気機械をパルス化するための立ち上がり時間及び立ち下がり時間が改善された、ブースト変換器回路に関する。
【背景技術】
【0003】
「機械」という用語は、本明細書で使用する場合、電気モータ及び発電機の両方を意味するように広義に解釈されることが意図される。電気モータ及び発電機は、構造的に非常によく似ている。両方とも、複数のポールを有するステータと、ロータと、を含んでいる。機械がモータとして動作している際には、機械は電気エネルギーを機械エネルギーに変換する。発電機として動作している際には、機械は機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【0004】
電気機械は、直流電流（ＤＣ）又は交流電流（ＡＣ）のいずれかを使用して動作することができる。
【0005】
代表的なＤＣ機械には、ブラシレス型、電気励磁型、永久磁石型、直巻型、分巻型、ブラシ付き型、複巻型、及びその他のものが含まれる。
【0006】
ＡＣ機械の場合、２つの種類、すなわち非同期機及び同期機が一般的である。非同期電気機械の一例が、三相誘導モータである。
【0007】
最新の電気機械は、比較的高いエネルギー変換効率を有する。しかしながら、ほとんどの電気機械のエネルギー変換効率は、それらの動作負荷に基づいて著しく変わる可能性がある。多くの用途では、機械は、多種多様な異なる動作負荷条件の下で動作することが要求される。その結果、機械は通常、ある特定の時に最高レベルの効率で、又は最高レベルに近い効率で動作するが、一方、それ以外の時には、機械はそれよりも低いレベルの効率で動作する。
【0008】
バッテリにより動力が供給される電気自動車は、広範囲の効率レベルで動作する電気機械の好例を提供する。典型的な運転サイクルの間、電気自動車は、加速したり、一定速度で走行したり、減速したり、ブレーキをかけたり、角を曲がったり等々を行う。ある特定のロータ速度及び／又はトルク範囲内では、電気機械は、最も効率的な動作点、すなわち、その「スイートスポット」で、又はその付近で動作する。これらの範囲外では、電気機械の動作は効率が下がる。運転条件が変化すると、ロータ速度及び／又はトルク変化とともに、機械は、高いレベルの動作効率と低いレベルの動作効率との間で移行する。効率の良い動作領域で動作する運転サイクルの割合が大きくなるように電気機械を作ることができれば、所与のバッテリ充電レベルの車両の範囲が拡大されることであろう。バッテリにより動力が供給される電気自動車の範囲が限られていることが、それらを使用するにあたっての主要な商業上の妨げとなっているので、車両の動作範囲を拡張することは、大いに有利である。
【0009】
したがって、より高いレベルの効率で、モータ及び発電機などの電気機械を動作させる必要が存在する。
【発明の概要】
【0010】
本出願は、モータ及び発電機などの電気機械の、動作効率を向上させるためのパルス化制御に向けたものである。非排他的な一実施形態では、このようなパルス化制御された機械は、電源と、巻線部を有するステータと、モータのトポロジによって設計が決まるロータと、この機械をパルス化モードで選択的に動作させるように構成された機械コントローラと、電源と電気機械との間に結合された電力変換器と、を含む。電力変換器は、機械コントローラに応答して、パルス化入力電力を機械のステータの巻線部に供給するように配列されている。加えて、電力変換器は、ブースト回路を含んでもよい。ブースト回路は、パルス化電力の立ち上がり時間及び立ち下がり時間を、ブースト回路がない場合のパルス化電力の立ち上がり時間及び立ち下がり時間と比較して、短縮するように配列されている。ブースト回路は、パルスの終了時に、パルスの立ち下がり時間を短縮するために、電気機械に存在する磁気エネルギーの少なくとも一部を抽出し、エネルギーの少なくとも一部を貯蔵し、後続のパルスの開始時に、立ち上がり時間を短縮するために、エネルギーの少なくとも一部を印加する。パルス化電力の立ち上がり時間及び立ち下がり時間を短縮することによって、電気機械及び電気系統全体の効率が向上する。
【0011】
本発明及びその利点は、以下の説明を添付の図面と併せて参照することによって最も良く理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【0013】
図面において、同様の参照符号は、同様の構造要素を指定するために使用される場合がある。図面内の描写は、図式的なものであり、縮尺通りではないこともまた認識されたい。
【発明を実施するための形態】
【0014】
本出願は、概して、パルス化しなければ連続的に動作する多種多様な電気機械（例えば、電気モータ及び発電機）のパルス化制御に関する。パルス化制御によって、機械は、インテリジェントに、且つ、断続的にオンとオフとにパルス化され、（１）動作要求を満たすだけでなく、同時に（２）全体的な効率もまた向上させる。より具体的には、選択された動作条件下において、電気機械は、従来の連続的な機械動作によって達成されるよりも効率的に所望の平均出力を送達するために、より効率的なエネルギー変換動作レベルで断続的にパルス駆動される。パルス化動作により、電気機械トルクが意図的に変調されるようになる。ただし、変調は、意図される用途にとって許容できない騒音又は振動を発生しないように管理される。
【0015】
簡潔にするために、本明細書に提供されるような多種多様な電気機械のパルス化制御は、車両内の三相誘導電気モータの文脈で説明されている。しかしながら、この説明は、いかなる点に関しても限定するものとして解釈されないものとする。それどころか、本明細書に記載のパルス化制御は、多くのタイプの電気機械、すなわち、電気モータ及び発電機のいずれにも使用することができる。例えば、本明細書に記載の機械のパルス化制御は、ＡＣ（例えば、誘導機、同期機、任意の数のポール、等々）か、又はＤＣ（例えば、ブラシレス型、電気励磁型、永久磁石型、直巻型、分巻型、ブラシ付き型、複巻型、等々）かに関係なく、任意のタイプの機械とともに使用してもよい。加えて、このような電気機械のパルス化制御は、電気自動車だけに限定されるのではなく、任意の用途で使用してもよい。特に、パルス化制御は、暖房システム、冷房システム、及び換気システム用の電気モータなど、車両用途よりも加速及び減速の割合を低くする必要があるシステムにおいて使用してもよい。
【0016】
パルス化エンジン制御は、２０１９年３月１４日に出願された米国特許出願公開第１６／３５３，１５９号明細書、並びに２０１８年３月１９日に出願された米国仮特許出願第６２／６４４，９１２号明細書、２０１８年４月１７日に出願された米国仮特許出願第６２／６５８，７３９号明細書、及び２０１９年２月２６日に出願された米国仮特許出願第６２／８１０，８６１号明細書に記載されている。前述の出願はそれぞれ、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【0017】
三相誘導機
誘導機は、２つの主要部品、静止ステータ及び回転ロータを含む。三相機械では、ステータは、三相ＡＣ入力によって励磁される３コイル巻線部を含んでもよい。三相ＡＣ入力が三相巻線部を通過すると、回転磁場（ＲＭＦ：ｒｏｔａｔｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）が生成される。ＲＭＦの回転速度は、電気機械の同期速度（Ｎｓ）として知られている。ロータは、通常は、「リスかご」型又は「巻線」型ロータであり、いずれも端部で電気的に短絡された複数の導電性素子を有する。ファラデーの法則に従って、ＲＭＦは、ロータの導電性素子内に電流を誘導する。誘導された電流は誘導磁場を確立し、これは、ステータコイルに発生した磁場と相互に作用する。ロータ磁場及びステータ磁場の相互作用は、ロータの回転を引き起こす電磁力（ＥＭＦ：ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｏｒｃｅ）を生成する。このタイプのモータは、電磁誘導によって電流がロータの導電性素子上に誘導されるので、直接的な導電性経路に対立するものとして、誘導モータと呼ばれる。
誘導機は、２つの主要部品、静止ステータ及び回転ロータを含む。三相機械では、ステータは、三相ＡＣ入力によって励磁される３コイル巻線部を含んでもよい。三相ＡＣ入力が三相巻線部を通過すると、回転磁場（ＲＭＦ：ｒｏｔａｔｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）が生成される。ＲＭＦの回転速度は、電気機械の同期速度（Ｎｓ）として知られている。ロータは、通常は、「リスかご」型又は「巻線」型ロータであり、いずれも端部で電気的に短絡された複数の導電性素子を有する。ファラデーの法則に従って、ＲＭＦは、ロータの導電性素子内に電流を誘導する。誘導された電流は誘導磁場を確立し、これは、ステータコイルに発生した磁場と相互に作用する。ロータ磁場及びステータ磁場の相互作用は、ロータの回転を引き起こす電磁力（ＥＭＦ：ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｏｒｃｅ）を生成する。このタイプのモータは、電磁誘導によって電流がロータの導電性素子上に誘導されるので、直接的な導電性経路に対立するものとして、誘導モータと呼ばれる。
【0018】
三相誘導モータは、多くの利点を提供する。第１に、それらは元来、自動始動型である。第２に、ロータの回転速度は、制御が容易である。ロータの回転速度（Ｎｒ）は、常に同期速度（Ｎｓ）よりも僅かに遅い。この差は、スリップとして知られており、パーセンテージに換算して表現してもよい。
スリップ％＝（Ｎｓ－Ｎｒ）／Ｎｓ 式（１）
スリップ％＝（Ｎｓ－Ｎｒ）／Ｎｓ 式（１）
【0019】
ステータ巻線部に通電する三相ＡＣ電力の周波数は、ＲＭＦ回転速度を制御し、したがって、同期周波数を制御する。次に、ロータの回転速度は、上記で定義された式（１）に基づいて制御することができる。
【0020】
三相巻線部に供給される周波数は、同期速度（Ｎｓ）を制御し、一方、印加されるＡＣの振幅は、電気機械の出力トルクを制御する。振幅が大きくなるか、又は小さくなると、機械の出力は、それぞれ大きくなるか、又は小さくなる。
【0021】
車両モータ効率マップ
図１を参照すると、異なる負荷及び速度条件下での例示的な車両モータ効率マップ１０が図示されている。マップ１０は、縦軸に沿ったトルク（Ｎ＊ｍ）を、横軸に沿ったモータ速度（ＲＰＭ）の関数としてプロットしたものである。最大定常状態出力電力は、曲線１２で示されている。
図１を参照すると、異なる負荷及び速度条件下での例示的な車両モータ効率マップ１０が図示されている。マップ１０は、縦軸に沿ったトルク（Ｎ＊ｍ）を、横軸に沿ったモータ速度（ＲＰＭ）の関数としてプロットしたものである。最大定常状態出力電力は、曲線１２で示されている。
【0022】
ピークトルク／速度曲線１２の下の区域は、動作効率のパーセント表示がそれぞれに付された複数の領域にマッピングされている。示されている特定のモータの場合、以下の特性が明らかである。
●その動作範囲の最も効率的な領域、すなわち「スイートスポット」領域は、符号１４が付された動作領域であり、それは、トルク出力が約４０～７０Ｎ＊ｍの範囲にある場合、概して、４，５００～６，０００ＲＰＭの範囲にある。領域１４では、エネルギー変換効率は９６％のオーダーであり、この領域は、モータがその最も効率的な動作範囲で動作している「スイートスポット」になっている。
●モータ速度が上昇しておよそ６，０００＋ＲＰＭを超えると、効率は、出力トルクに関係なく低下する傾向にある。
●出力トルクが７０Ｎ＊ｍを超えて上がるか、又は４０Ｎ＊ｍ未満に下がると、効率のパーセンテージは、ピークから減少する傾向にあり、状況によっては、かなり大幅に減少する。例えば、モータがおよそ２，０００ＲＰＭ、且つ、出力トルク１００Ｎ＊ｍで動作している場合、効率はおよそ８６％である。トルク出力が約３０Ｎ＊ｍ未満に下がると、モータ速度に関係なく、効率は低下して、無負荷時でゼロに近づく。
●どの特定のモータ速度においても、対応する最も効率的な出力トルクがあり、これは最大効率曲線１６によって図式的に示されている。
●その動作範囲の最も効率的な領域、すなわち「スイートスポット」領域は、符号１４が付された動作領域であり、それは、トルク出力が約４０～７０Ｎ＊ｍの範囲にある場合、概して、４，５００～６，０００ＲＰＭの範囲にある。領域１４では、エネルギー変換効率は９６％のオーダーであり、この領域は、モータがその最も効率的な動作範囲で動作している「スイートスポット」になっている。
●モータ速度が上昇しておよそ６，０００＋ＲＰＭを超えると、効率は、出力トルクに関係なく低下する傾向にある。
●出力トルクが７０Ｎ＊ｍを超えて上がるか、又は４０Ｎ＊ｍ未満に下がると、効率のパーセンテージは、ピークから減少する傾向にあり、状況によっては、かなり大幅に減少する。例えば、モータがおよそ２，０００ＲＰＭ、且つ、出力トルク１００Ｎ＊ｍで動作している場合、効率はおよそ８６％である。トルク出力が約３０Ｎ＊ｍ未満に下がると、モータ速度に関係なく、効率は低下して、無負荷時でゼロに近づく。
●どの特定のモータ速度においても、対応する最も効率的な出力トルクがあり、これは最大効率曲線１６によって図式的に示されている。
【0023】
図示されているようなマップ１０は、２０１０年式トヨタ・プリウスで使用されている電気モータから得られたものである。マップ１０は、内部永久磁石型同期モータのものである。このマップ１０は、単に例示的なものであり、いかなる点に関しても限定するものとして解釈されないものとすることを理解されたい。同様のマップは、車両で、又は他の何らかの用途で使用されているかどうかに関係なく、ほぼすべての電気モータ、例えば、３相誘導モータに対して生成することができる。
【0024】
マップ１０から分かるように、モータは、概して、スイートスポット１４の速度及びトルク範囲内で動作しているときに、最も効率的である。モータが、そのスイートスポット１４で、又はその付近で動作する時間の割合が大きくなるように動作条件を制御することができれば、モータの全体的なエネルギー変換効率を大幅に向上させることができる。
【0025】
しかしながら、実際的見地から言えば、運転状況の多くは、モータがスイートスポット１４の速度及びトルク範囲の外で動作することが求められる。電気自動車では、トランスミッションがないため、電気モータの回転速度と車輪の回転速度の比率が固定されているのが一般的である。この場合、モータ速度は、車両が停止しているときのゼロから、高速道路の速度で走行するときの比較的高いＲＰＭの間で変わる場合がある。トルク要件もまた、車両が加速又は減速しているのか、上り坂を走行しているのか、下り坂を走行しているのか、水平面を移動しているのか、ブレーキをかけているのか、等々といった要因に基づいて、大きく変わる場合がある。
【0026】
図１に見られるように、任意の特定のモータ速度において、最大効率曲線１６によって図式的に示されている、対応する最も効率的な出力トルクが存在することになる。概念の観点から言えば、所望のモータトルクが現在のモータ速度の最も効率的な出力トルクを下回っている場合、モータをパルス化することによって、モータの全体的な効率を向上させ、これにより、一部の時間はスイートスポットで、又はその付近でモータを動作させ、残りの時間は低トルク又はゼロトルクの出力レベルでモータを動作させることができる。このように生成された平均トルクは、スイートスポット動作のデューティサイクルを制御することによって制御される。
【0027】
図２を参照すると、縦軸の電気モータへの合計印加電流対横軸の時間をプロットしたグラフ２０が図示されている。印加電流は、三相モータの三相のすべての電流の和とすることができる。例示目的で、それぞれのアンペアの印加電流が１Ｎ＊ｍの出力トルクを発生すると仮定する。この特定の例では、所望のモータ出力トルクは１０Ｎ＊ｍであり、これは、破線２２によって表されているように、１０アンペアの電流を必要とする。この例では、モータの最も効率的なトルク出力は、５０アンペアの印加電流に対応する５０Ｎ＊ｍである。
【0028】
従来の動作中であれば、所望のトルクが１０Ｎ＊ｍのままである限り、モータはこの値を連続的に生成する。パルス化制御動作を用いると、モータはパルス化されて、パルス２４によって表されるように、２０％の時間の間に５０Ｎ＊ｍのトルクを送達する。残りの８０％の時間は、モータはオフである。したがって、モータの正味出力は、動作上の要求である１０Ｎ＊ｍを満たす。モータは、１０Ｎ＊ｍを送達する場合よりも５０Ｎ＊ｍを送達する場合の方が効率的に動作するので、２０％のデューティサイクルを使用してモータをパルス化することによって、平均トルク要求を満たし続けながら、モータの全体的な効率を向上させることができる。
【0029】
上記の例では、デューティサイクルは、必ずしも２０％に限定されない。所望のモータ出力が５０Ｎ＊ｍを超過しない限り、所望のモータ出力は、デューティサイクルを変化させることによって満たすことができる。例えば、所望のモータ出力が２０Ｎ＊ｍに変化すれば、５０Ｎ＊ｍで動作するモータのデューティサイクルを４０％に増やすことができ、所望のモータ出力が４０Ｎ＊ｍに変化すれば、デューティサイクルを８０％に増やすことができ、所望のモータ出力が５Ｎ＊ｍに変化すれば、デューティサイクルを１０％に減らすこと、等々ができる。概して、パルス化モータ制御は、場合によっては、所望のモータトルクが図１の最大効率曲線１６未満に低下する時にはいつでも有利に使用することができる。
【0030】
他方、所望のモータトルクが最大効率曲線１６以上であるときには、モータは、所望のトルクを送達するために、従来の（連続的な、又はパルス化されない）やり方で動作させてもよい。パルス化動作に効率向上の機会があるのは、モータが最大動作効率点に対応する平均トルクを下回る平均トルクを送達する必要がある場合だけである。
【0031】
図２に提供されている電流値及びトルク値、並びに時間スケールは、単に例示的なものであり、いかなるやり方でも限定することを意図するものではないことに留意されたい。実際のモータパルス化の実施形態では、使用されるパルス持続時間は、任意の特定のシステムの設計上のニーズに基づいて大きく変わる場合がある。しかしながら、概して、各オン／オフサイクルの周期のスケールは、下記でより詳細に論じるように、例えば、０．２～２０ミリ秒（５０～５０００Ｈｚ）のような、１０μ秒～０．１０秒のオーダー（すなわち、１０～１００，０００Ｈｚの範囲の周波数におけるパルス化）であることが予想される。さらに、多種多様な異なるモータがあり、各モータはその独自の効率特性を有する。さらに、異なるモータ速度では、所与のモータは異なる効率曲線を有することになる。曲線の性質は、特定のモータに応じて変わる場合がある。電流パルスは、図２に描かれているような、水平の頂部である必要がないこともまた認識されたい。同様に、電流は、オフ期間中にゼロに達する必要はなく、ゼロ以外の何らかの値であってもよい。電流波形の重要な特性は、ある割合の時間、現在のモータ速度の最も効率の良い領域で、又はその付近で、モータが動作していることである。
【0032】
トルク上昇率の向上による効率の向上
現在のモータ変換器の大多数は、通常、連続的な、パルス化されていない動作用に設計されている。このようなモータは、概して、非通電状態から通電状態に移行することは比較的希である。その結果、このような移行を管理する際に設計上の努力がなされることはほとんどない。移行を管理する際に何らかの設計上の努力がなされる場合には、通常、急速な移行ではなくむしろ、円滑な移行を実現することに向けられている。したがって、通電状態から通電状態への移行は、ほとんどのモータにとって、速度に制限がある（すなわち、比較的急速ではない）場合が多い。
現在のモータ変換器の大多数は、通常、連続的な、パルス化されていない動作用に設計されている。このようなモータは、概して、非通電状態から通電状態に移行することは比較的希である。その結果、このような移行を管理する際に設計上の努力がなされることはほとんどない。移行を管理する際に何らかの設計上の努力がなされる場合には、通常、急速な移行ではなくむしろ、円滑な移行を実現することに向けられている。したがって、通電状態から通電状態への移行は、ほとんどのモータにとって、速度に制限がある（すなわち、比較的急速ではない）場合が多い。
【0033】
本出願人は、パルス化動作を用いた場合のように、非通電のモータ状態からピーク効率状態に定期的に移行するモータシステムの場合、移行が可能な限り速く生じると、さらなる効率の向上さえもが実現できることを見出した。例えば、ゼロトルクからピーク効率トルクに急速に移行すると、モータが移行に費やす時間である、効率がピーク未満である時間が短くなるため、全体的な平均モータ効率が向上する。この関係が図３Ａ及び図３Ｂに描かれている。
【0034】
図３Ａを参照すると、固定速度（例えば、６０００ｒｐｍ）で動作する例示的なモータの、トルク対効率のマップが図示されている。この例示的なマップでは、０．０Ｎｍから２５０Ｎｍまでのトルク出力の範囲が横軸に沿ってプロットされ、一方、０．０パーセントから１００パーセントまでのモータの効率が縦軸に沿ってプロットされている。曲線２６は、ゼロからピーク効率トルクへのモータの移行を描いている。この移行の間、網掛けした領域２７によって描かれているように、ピーク効率トルクは、ピーク効率トルク２８で効率がはるかに低くなっている。
【0035】
図３Ｂを参照すると、ゼロからピーク効率トルクへの移行中に固定速度で動作する例示的なモータの、トルク対損失される仕事量を図示するマップが提示されている。このマップでは、仕事損失（Ｗ）が縦軸に沿ってプロットされ、一方、モータのトルク出力が横軸に沿ってプロットされている。曲線２９によって示されているように、モータの仕事損失は、ゼロからピーク効率トルクへの移行の間、トルク出力が増加するにつれて増加している。したがって、ゼロからピーク効率トルクへの移行時間が速いほど、実行される仕事量が少なくなり、モータによって消費されるエネルギーが少なくなっている。
【0036】
横軸に沿ったトルクの代わりに時間を代入し、次に曲線２９の下の区域を積分することによって、所与の移行時間にモータによって消費されるエネルギーを計算することができる。例えば、本出願人は、例示的なモータの場合、０．５秒の移行時間で使用されたエネルギーが７２３４．５ジュールであったが、一方、０．０５秒の移行時間で使用されたエネルギーは７２３．４ジュールだけであったことを見出した。この比較は、ゼロからピーク効率トルクへの移行時間が速いほど、損失で消費されるエネルギーが少なくなることを示している。この例の場合、負荷の加速は生じないと仮定しているため、負荷の慣性にエネルギーが加えられていないとことに留意されたい。
【0037】
モータが異なれば、ゼロからピーク効率トルクへのモータの移行、ピーク効率トルク、ピーク効率トルク及び仕事損失は、すべて異なってくる。したがって、図３Ａ及び図３Ｂのマップは、単に例示的なものとして見るべきであり、いかなる点に関しても限定するものとして解釈されないものとする。
【0038】
電力変換器
電力インベンタは、バッテリ又はキャパシタによって発生した電力などのＤＣ電力供給を、モータステータ巻線部に印加される三相ＡＣ入力電力に変換するために電気モータとともに使用される既知のデバイスである。これに応答して、ステータ巻線部は、上述したようなＲＭＦを生成する。
電力インベンタは、バッテリ又はキャパシタによって発生した電力などのＤＣ電力供給を、モータステータ巻線部に印加される三相ＡＣ入力電力に変換するために電気モータとともに使用される既知のデバイスである。これに応答して、ステータ巻線部は、上述したようなＲＭＦを生成する。
【0039】
図４を参照すると、電気機械のパルス化動作のための電力コントローラ３０の図が示されている。電力コントローラ３０は、電力変換器３２と、ＤＣ電源３４と、電気機械３６と、パルスコントローラ３８と、を含む。電力変換器３２は、システムを通るエネルギーの流れの方向に応じて電力インバータ又は電力整流器として動作してもよい。電気機械がモータとして動作する場合、電力変換器３２は、ＤＣ電源３４から三相ＡＣ電力を生成して、誘導機３６を駆動する役割を担う。相Ａ３７ａ、相Ｂ３７ｂ、及び相Ｃ３７ｃとして表示されている三相入力電力は、上述したようにＲＭＦを生成するために、電気機械３６のステータの巻線部に印加される。様々な相３７ａ、３７ｂ、及び３７ｃを描いている線は、矢印で描かれており、矢印の両端は、機械がモータとして使用される場合には電流が電力変換器３２から電気機械３６に流れ、機械が発電機として使用される場合には電流が電気機械３６から電力変換器３２に流れることが可能であることを表示している。電気機械が発電機として動作する場合、電力変換器３２は、電力整流器として動作し、電気機械３６から来るＡＣ電力は、ＤＣ電源に貯蔵されるＤＣ電力に変換される。
【0040】
パルスコントローラ３８は、三相入力電力を選択的にパルス化する役割を担う。従来の（すなわち、連続的な）動作の間、三相入力電力は、連続的であり、すなわちパルス化されていない。これに対して、パルス化動作の間、三相入力電力はパルス化される。パルス化動作は、非排他的な実施形態では、限定ではないが、図５Ｂ、図５Ｃ、及び図８乃至図１４に関して説明したアプローチなど、本明細書に記載のアプローチのうちのいずれか使用して実装してもよい。
【0041】
図５Ａ乃至図５Ｃを参照すると、誘導モータ３６に供給される連続的な三相入力電力と、パルス化された三相入力電力との差異を図示するためのプロットが示されている。各プロットでは、電流が縦軸上にプロットされ、時間が横軸に沿ってプロットされている。
【0042】
図５Ａは、誘導械３６に送達される従来の正弦波三相入力電流４２ａ、４２ｂ、及び４２ｃを図示する。曲線４２ｂによって表される相Ｂは、４２ａによって表される相Ａよりも１２０度だけ遅れている。曲線４２ｃによって表される相Ｃは、相Ｂよりも１２０度だけ遅れている。正弦波周期はτである。三相入力電力４２ａ、４２ｂ、及び４２ｃは連続的であり（パルス化されておらず）、およそ５０アンペアの指定最大振幅を有する。５０アンペアは単なる代表的な最大電流にすぎず、最大電流は任意の値を有してもよいことを認識されたい。
【0043】
図５Ｂ及び図５Ｃは、それぞれが５０％のデューティサイクル及びおよそ１００アンペアのピーク振幅を有する、異なるパルス化三相電流波形の２つの例、４４ａ、４４ｂ、及び４４ｃ、並びに４６ａ、４６ｂ、及び４６ｃを図示する。図５Ａのように、ベースとなる正弦波の周期はτであるが、ここでは、正弦波がオンとオフに変調される。図５Ｂ及び図５Ｃの送達電流は、図５Ａの連続的に印加される三相入力電流と同じ平均トルクを送達する（トルクが電流に比例すると仮定するが、これはよくあることである）。パルス化電流４４ａ～ｃと４６ａ～ｃとの差異は、それぞれの電流パルスの持続時間、及び交互に配置された「オフ」期間である。図５Ｂでは、電流パルス４４ａ～ｃは、長さの等しい「オフ」期間が交互に配置されている。各オン及びオフ期間の長さは２τである。図５Ｃでは、電流パルス４６ａ～ｃ及び交互に配置された「オフ」期間は、ここでもやはり、等しい持続時間を有する。この場合、持続時間はτ／２である。いずれの例においても、デューティサイクルは５０％である。しかしながら、「オン」及び「オフ」時間の持続時間が異なっており、すなわち、パルス変調の周波数が異なる。パルス変調の周波数は、使用される電気機械のタイプ、騒音及び振動の考慮事項、現在の動作ロータ速度、並びに他の要因に基づいて変化し得る。
【0044】
図５Ｂ及び図５Ｃは、モータが定常状態の所望の出力レベルで動作している間に、「オン」のモータ駆動パルスが等間隔に配置されている適用例を図示する。このようなアプローチは多くの状況でうまく機能するが、必要条件ではない。デューティサイクルは５０％である必要はなく、所望の平均出力トルクに合致するように調節することができる。図５Ｂ及び図５Ｃでは、オン／オフパルスの相は、印加されるＡＣ電力と同期される。しかしながら、いくつかの実施形態では、オン／オフパルスの相は、印加されるＡＣ電力の相と同期されなくてもよい。したがって、モータ駆動パルスの相対的なサイズ及び／又はタイミングは、平均化されて所望の平均トルクを送達する限り、変化させることができる。
【0045】
モータの物理的性質及び制約
いかなるモータでも、物理的性質により、ゼロからピーク効率トルクへの移行の速さは、最終的に制限される。概して、移行速度は、モータに電界が構築される速さの物理的性質に基づいており、これは、ひいては、印加電圧、電気モータの逆起電力（「ＢＥＭＦ：ｂａｃｋ ｅｍｆ」）、及びモータ巻線部のインダクタンスによって制限される。
いかなるモータでも、物理的性質により、ゼロからピーク効率トルクへの移行の速さは、最終的に制限される。概して、移行速度は、モータに電界が構築される速さの物理的性質に基づいており、これは、ひいては、印加電圧、電気モータの逆起電力（「ＢＥＭＦ：ｂａｃｋ ｅｍｆ」）、及びモータ巻線部のインダクタンスによって制限される。
【0046】
時間ゼロで電力変換器３２の設定点が増分され、フィードバックがゼロであると仮定すると、各相の出力段への制御は飽和してしまう。その結果、各モータ相の低出力デバイス又は高出力デバイスのいずれかがハードオン状態になる。これにより、以下を含む６つの組み合わせが可能になる。すなわち、
１．相Ａ及び相Ｂが正であり、相Ｃが負である。
２．相Ａが正であり、相Ｂ及び相Ｃが負である。
３．相Ｂ及び相Ｃが正であり、相Ａが負である。
４．相Ｂが正であり、相Ａ及び相Ｃが負である。
５．相Ｃ及び相Ａが正であり、相Ｂが負である。
６．相Ｃが正であり、相Ａ及び相Ｂが負である。
１．相Ａ及び相Ｂが正であり、相Ｃが負である。
２．相Ａが正であり、相Ｂ及び相Ｃが負である。
３．相Ｂ及び相Ｃが正であり、相Ａが負である。
４．相Ｂが正であり、相Ａ及び相Ｃが負である。
５．相Ｃ及び相Ａが正であり、相Ｂが負である。
６．相Ｃが正であり、相Ａ及び相Ｂが負である。
【0047】
これらの６つの可能な組み合わせのそれぞれで、時間ゼロでのモータ３６内の電流の流れは、（ａ）１つの相では全電流となり、（ｂ）一方、他の２つの相は電流を分割している。これらの電流の比率は、以下でさらに説明するように、時間ゼロでのロータの位置によって決まってくる。
【0048】
図６Ａを参照すると、３つの相Ａ、Ｂ及びＣを通って流れる電流をモデル化している、代表的な回路が示されている。
【0049】
各相Ａ、Ｂ及びＣは、その自己インダクタンス（「ＬＳ」）、その相互インダクタンス（「ＬＭ」）、その抵抗（「Ｒ」）、及びそのＢＥＭＦによって表されている。
【0050】
示されている場合では、Ｉｃ＝Ｉａ＋Ｉｂである。相互インダクタンスに流れる電流の和はゼロであるため、相互インダクタンスは電流の流れに影響を与えない。その結果、モータのＢＥＭＦがゼロであると仮定すると、図６Ｂに図示されているように、等価回路は縮小される。この回路は、電流を所与の値に構築するのに時間がかかる。
【0051】
ＢＥＭＦがゼロでなければ、各相への印加電圧は異なってくる。相インピーダンス及び相電流は平衡が保たれているので、この場合の巻線部の中性点＝Ｖｂｕｓ＊２／３である。巻線部Ｂが負のレールに接続されている場合なら、中性点電圧＝Ｖｂｕｓ／３となる。これは、相Ａ、Ｂ及びＣの電流Ｉａ、Ｉｂ及びＩｃを次のように定義する。
【0052】
上記の値はすべて瞬間的なものであるため、時間ゼロにおける値は、各相のＢＥＭＦの瞬時値によって決まり、これは、ひいては、１つの電気サイクル又は極対ピッチ内のロータの位置によって決まる。時間が推移するにつれて、１つの相当たりの瞬時ＢＥＭＦ電圧、モータインダクタンスに印加される電圧、及びモータ相電流の上昇率も同様に推移することもまた留意しなければならない。
【0053】
意図しているのは、電流がその所望の値に到達して、相が要求トルクを供給することである。電流は通常、フィールド指向制御、すなわち「ＦＯＣ（Ｆｉｅｌｄ Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ）」を使用して制御されるため、相電流は、回転座標値「ｉｑ」（直交電流）及び「ｉｄ」（直流電流）に置き換えられる。なお、ｉｄとｉｑのベクトル和は相電流のピーク値に等しく、ＡｒｃＴａｎ ｉｄ／ｉｑが角度である。角度の余弦は力率である。したがって、直接直交ゼロ変換（Ｄｉｒｅｃｔ Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｚｅｒｏ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を使用してｉｄ及びｉｑの値を導出すると、次式が得られる。
【0054】
上記の式を詳しく調べると、ＢＥＭＦ波形Ｖｐｋは、ｉｑ（直交電流）にのみ影響を与え、どちらもバス電圧Ｖｂｕｓ、及びロータの角度位置θによって影響を受ける。角度もモータＢＥＭＦも、モータを変えずに変えることはできないため、相電流の上昇率に、ゆえにモータトルクに影響を与えるように制御することが可能な唯一のパラメータは、印加されるバス電圧Ｖｂｕｓである。本発明の一態様は、したがって、バス電圧が、パルス化の間にゼロからピーク効率トルクへの移行時間の期間中、通常の動作バス電圧よりも高い値に一時的に昇圧又は「ブースト」されることで、こうした移行時間を短縮することを提案する。
【0055】
変換器がオフになると、電気モータ巻線部に貯蔵されたエネルギーは、バス電圧供給部に戻されることに留意されたい。供給部がこのエネルギーを吸収することができない場合には、バス静電容量がこのエネルギーを吸収するので、バス電圧が上昇する。バス供給部全体にわたる静電容量の量に起因して、この通常のプロセスでは、バス電圧は通常ごく僅かなパーセンテージしか上昇せず、概して、バス電圧をブーストしていると見なすほどには十分ではない。しかしながら、このエネルギーを独立して取り込む場合、例えば、キャパシタ又はバッテリなどの貯蔵デバイスに取り込み、貯蔵するのであれば、ブースト電圧の形でエネルギーをモータに戻して再利用することが可能であろう。
【0056】
或いは、「オフ」期間中であれば、チャージポンプ又は別個の電圧源を使用して、別個のブースト電圧源によってバス電圧を増大させることが可能であろう。このブースト供給部は、メインバス静電容量を充電するように設計されるのではなく、ゼロから要求トルクへのオン移行時間にわたってモータに放電することが可能な別個の静電容量を充電するように設計されるものとする。
【0057】
従来の電力変換器回路
このようにモータの固有インダクタンスは、オン及びオフのモータ状態の間の電圧／電力ステップを一時的に遅延させる／遅くすることができる。連続的な（パルス化されない）動作の間は、これらの一時的な効果は、モータ動作全体に比較的最小限の影響しか与えない傾向にある。しかしながら、本明細書で企図されるような急速なパルス化を使用する場合、一時的な効果が及ぼす正味の影響が大きくなる可能性があるため、立ち上がり端及び立ち下がり端のパルス移行時間を短縮する誘因がある。
このようにモータの固有インダクタンスは、オン及びオフのモータ状態の間の電圧／電力ステップを一時的に遅延させる／遅くすることができる。連続的な（パルス化されない）動作の間は、これらの一時的な効果は、モータ動作全体に比較的最小限の影響しか与えない傾向にある。しかしながら、本明細書で企図されるような急速なパルス化を使用する場合、一時的な効果が及ぼす正味の影響が大きくなる可能性があるため、立ち上がり端及び立ち下がり端のパルス移行時間を短縮する誘因がある。
【0058】
図７Ａを参照すると、代表的な先行技術の電力変換器３２の回路図が図示されている。電力変換器回路３２は、Ｓ１からＳ６として表示されている３対のスイッチを含む。スイッチの各対Ｓ１～Ｓ２、Ｓ３～Ｓ４、及びＳ５～Ｓ６は、２つの電圧バス（＋ＶＢＵＳ）と（－ＶＢＵＳ）との間で直列に接続されている。２つの電圧バス（＋ＶＢＵＳ）と（－ＶＢＵＳ）との間の電位は、電気機械３６を動作させるために利用可能な電位である。それぞれのスイッチ、Ｓ１～Ｓ６は、スイッチに並列に電気的に接続されたバイパスダイオード（Ｄ１～Ｄ６）を有してもよい。これらのダイオードは、スイッチ動作中に生成される可能性がある、スイッチを損傷する電圧スパイクを防ぐのに役立つ。
【0059】
ダイオードは、スイッチが遮断する可能性がある電流を再利用するための経路もまた提供する。電気機械３６が発電機として使用されるときに、これは特に重要である。スイッチＳ１～Ｓ６はそれぞれ、ダイオードが組み込まれたＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）スイッチとすることができる。或いは、限定ではないが、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のような他のタイプのトランジスタを使用してもよい。
【0060】
電気機械３６のステータコイル巻線部への接続は、各スイッチの対の間で行われる。相Ａの場合、接続は、スイッチの対Ｓ１～Ｓ２の間であり、３７ａとして指定されている。相Ｂの場合、接続は、スイッチの対Ｓ３～Ｓ４の間であり、３７ｂとして指定されている。相Ｃの場合、接続は、スイッチの対Ｓ５～Ｓ６の間であり、３７ｃとして指定されている。
【0061】
電気機械３６内では、相ステータ巻線部はそれぞれ、インダクタ３１、抵抗器３３、及び相互インダクタンス３５としてモデル化してもよい。これらの要素は、図７Ａでは、相Ｃについてのみ参照符号が付されているが、類似した要素は、相Ａ及び相Ｂの巻線部にも存在している。
【0062】
スイッチＳ１～Ｓ６は、総称して、電気機械３６を行き来する電力を制御するスイッチングネットワークと呼んでもよい。
【0063】
電気機械３６をモータとして動作させる場合、スイッチＳ１～Ｓ６は、従来のやり方で動作して、ステータ巻線部のそれぞれに電流を印加する。例えば、スイッチは、電気機械３６にＡＣ電力を供給する６ステップインバータとして動作させてもよい。
【0064】
図７Ｂは、電力変換器３２から６ステップの出力を得るためのスイッチングシーケンスを示す。各スイッチは、サイクル周期の１／２の間、時間をずらせて開いている。巻線部ごとに、電流は、一番上の行にある１つのスイッチと、一番下の行にある１つ又は２つのスイッチと、に流れることができる。スイッチの対Ｓ１～Ｓ２、Ｓ３～Ｓ４、及びＳ５～Ｓ６は、決して同時にオンにならず、これにより、ＤＣ電源３４が短絡されることになる。
【0065】
図７Ｃは、点Ａと点Ｂとの間の電圧を電圧Ｖａｂとして示す。
【0066】
【0067】
図７Ｆは、結果として得られた相Ａの相電圧を示す。結果として得られた６ステップの波形は、周波数がωである正弦波に近似しており、一般に変調信号と呼ばれる。相Ｂ及び相Ｃの相電圧は、相Ａの電圧に対して、それぞれ１２０°及び２４０°だけ相がずれている。
【0068】
電気機械３６は、モータとしてだけでなく、発電機としても動作する場合があることを認識されたい。発電機として動作する場合、エネルギーは電気機械３６からＤＣ電源３４に流れる。電力変換器３２は、インバータではなく三相整流器として作用する。
【0069】
典型的な先行技術のシステムでは、スイッチングネットワークを使用して、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御により電気モータに流れる電力を制御する。ＰＷＭ制御は、スイッチングネットワークがスイッチＳ１～Ｓ６のアクティブな構成にあり、電力が電気モータに流れることが可能な時間を短縮する。すなわち、スイッチＳ１～Ｓ６が、非アクティブな構成にある時間、つまりＳ１、Ｓ３、及びＳ５、又はＳ２、Ｓ４及びＳ６のいずれかがすべてオフになっている時間の割合は、所望の電気モータトルク出力が減少するにつれて増加する。
【0070】
ブースト回路を有する電力変換器
図８は、本発明の非排他的な一実施形態によるブースト回路を含む電力変換器回路１３２を示す。図７Ａに示されている先行技術の電力変換器回路３２と比較すると、電力変換器回路１３２は、追加のスイッチＳＡ及びＳＢもまた含み、それらはそれぞれ、パルスコントローラ３８によって制御される。それらは、（図８に示されているような）共通の信号ライン４１によって制御されてもよいし、又は、（図８には示されていない）独立した制御ラインを有していてもよい。スイッチＳＡがオンになると、正の電源電圧（＋ＶＤＣ）が、（＋ＶＢＵＳ）に結合される。スイッチＳＢがオンになると、負の電源電圧（－ＶＤＣ）が、（－ＶＢＵＳ）に結合される。
図８は、本発明の非排他的な一実施形態によるブースト回路を含む電力変換器回路１３２を示す。図７Ａに示されている先行技術の電力変換器回路３２と比較すると、電力変換器回路１３２は、追加のスイッチＳＡ及びＳＢもまた含み、それらはそれぞれ、パルスコントローラ３８によって制御される。それらは、（図８に示されているような）共通の信号ライン４１によって制御されてもよいし、又は、（図８には示されていない）独立した制御ラインを有していてもよい。スイッチＳＡがオンになると、正の電源電圧（＋ＶＤＣ）が、（＋ＶＢＵＳ）に結合される。スイッチＳＢがオンになると、負の電源電圧（－ＶＤＣ）が、（－ＶＢＵＳ）に結合される。
【0071】
動作中、パルスコントローラ３８は、信号ライン４１にパルス波形を適用することによって、スイッチＳＡ又はスイッチＳＢを、選択的にオン及びオフにするように動作し、これにより、パルスコントローラ３８をスイッチＳＡ及びスイッチＳＢに電気的に接続する。スイッチＳＡ及びスイッチＳＢがオンになると、電流を電気機械３６に送達することができる。逆に、ＳＡ及び／又はＳＢがオフになると、電気機械３６に電流が送達されないか、又は、過渡電流だけが送達される。
【0072】
電力変換器回路１３２は、キャパシタＣ１もまた含み、このキャパシタは、一方の導電プレートが（＋ＶＢＵＳ）に結合され、もう一方の導電プレートが（－ＶＢＵＳ）に結合されている。スイッチＳＡ及びスイッチＳＢ、並びにキャパシタＣ１は、総称してブースト回路と呼ばれることがあるが、それは、それらの目的が、以下で説明するように「オン」パルスの開始時に、＋ＶＢＵＳバス及び－ＶＢＵＳバス上の初期電圧を上昇させることであるからである。様々な実施形態では、ブースト回路は、スイッチングネットワークに組み込まれてもよいし、又はスイッチングネットワークとは別個の要素を含んでもよい。
【0073】
前述したように、パルス化モータ制御の目的は、「オン」期間中に、電気機械３６を現在の機械速度の実質的に最も効率的なレベルで動作させ、「オフ」期間中に、電力を遮断する（ゼロ又は無視できる程度の電力を供給する）ことである。例えば、オフ期間中に供給される電力は、「オン」期間中に供給される電力の１０％、５％、１％、０．５％、又は０．１％未満とすることができる。「オン」期間中に動作している間の動作点は、効率が、現在のモータ速度におけるモータの最大動作効率点の５％、２％、又は１％以内であってもよい。「オフ」期間と「オン」期間との間の低効率動作領域を通る移行は、効率を最大化するために、可能な限り速くする必要がある。したがって、機械電力の「オン」状態と「オフ」状態との間の電力移行は、理想的には、垂直に真っ直ぐ上に移行する前縁部と、垂直に真っ直ぐ下に移行する後縁部と、を有する。このような「完全な」パルス６０が、図９Ａに図式的に示されており、この図は５０％のデューティサイクルを有するパルス化制御の、理想的なモータ駆動電流対時間を示している。この図では、電流パルスは、すべての相の電流の和を表している。電流パルスは、水平な頂部として示されているが、必ずしもそうであるとは限らない。
【0074】
実際の状況（ｒｅａｌ ｗｏｒｌｄ）では、多くの実用上の制限により、このような完全なパルスの生成は、実現困難になっている。例えば、電気機械３６及び電力変換器３２の回路類の両方の誘導性側面により、電流の立ち上がり時間及び立ち下がり時間が遅くなる。特定の機械の実際の応答は、電気機械３６の電気特性、電気機械の回転速度、及び利用可能なバス電圧に応じて変わってくる。概して、パルスの実際の立ち上がり及び立ち下がりは、もっと漸進的に生じる。つまり、移行は経時的に生じる。実際の状況での立ち上がり及び立ち下がりの性質が、図９Ｂに図式的に示されている。同図に見られるように、電流がゼロから所望の「オン」電力レベルまで実際に立ち上がるために必要とされるランプアップ期間（立ち上がり時間）６２、及び電流が「オン」電力レベルからゼロまで実際に立ち下がるために必要とされるランプダウン期間（立ち下がり時間）６４が存在する。
【0075】
電力のランプアップ期間及びランプダウン期間中、電気機械３６は電力を消費又は生成し続ける。しかしながら、これらの移行期間中、機械の動作効率は低下する。概して、機械効率は、動作電流がその最大効率条件（図１の曲線１６）からゼロに向かって低下するにつれて低下し、電流レベルがゼロに近づくにつれてエネルギー変換効率が顕著に悪化していく。それゆえ、電流のランプアップ期間及びランプダウン期間によって表されるパルスひずみは、パルス化動作の結果として得られる効率の向上を損ねる。概して、パルス長に対する立ち上がり時間／立ち下がり時間の比が小さいほど、一時的なスイッチング効果がパルス化の間の機械のエネルギー変換効率に及ぼす影響は小さい。
【0076】
図９Ｂに示されている一時的な効果は、性質の点において例示的なものであり、任意の特定の電気機械の動作に関連する実際の立ち上がり時間／立ち下がり時間を必ずしも反映していないことを認識されたい。パルス長に対する立ち上がり時間の比の相対的スケールは、使用される機械の特性（これは、主として、立ち上がり時間及び立ち下がり時間を規定する）、パルス化の周波数（これは、主として、使用される制御方式によって規定される）、及びパルス幅（これは、制御方式及び機械の負荷によって規定される）に基づいて広範に変化し得る。電気機械に動力供給するために利用可能な電圧、及び機械回転速度もまた、パルスの立ち上がり時間及び立ち下がり時間に影響を及ぼす。パルス化が機械応答と比較して低速である場合には、立ち上がり時間／立ち下がり時間はパルス幅のごく一部分になる場合があり、一時的なスイッチング効果が機械性能に及ぼす影響は最小限になる場合がある。逆に、パルス化が非常に急速である場合、及び／又は機械の応答が低い場合には、立ち上がり時間／立ち下がり時間は、パルス幅のかなりの部分になる場合があり、状況によってはパルス幅を上回る可能性すらある。注意深く管理しなければ、スイッチングに関連する一時的な効率の損失は、パルス化動作によって達成可能な理論上の向上が大幅に減少するか、又は無くなってしまう可能性すらある。それゆえ、任意の特定の用途に適したパルス化周波数及び制御方式を決定する際には、パルス化動作に関連付する一時的なスイッチング効果を考慮することが重要である。
【0077】
図８の電力変換器回路１３２に含まれるキャパシタＣ１は、電流の立ち上がり時間及び立ち下がり時間を改善するために設けられている。キャパシタＣ１は、ランプダウン期間中に電気機械３６からのエネルギーを貯蔵し、ランプアップ期間中に電気機械３６にエネルギーを供給してもよい。この結果、ターンオン・ターンオフの移行は、キャパシタＣ１なしで生じる場合よりも速くなる。
【0078】
電力変換器１３２の動作をさらに良く理解するために、電力変換器１３２は、最初は「オン」状態にあり、電気機械３６は、モータとして動作していると仮定する。これは、スイッチＳＡ及びＳＢがオンになり、これにより、電流は、ＤＣ電源３４の正端子から電力変換器１３２を通って電気機械３６に流れ、ＤＣ電源３４の負端子に戻ることが可能になることを示唆している。スイッチＳ１乃至Ｓ６は、図７Ｂに示されている構成で振動して、電気機械３６にＡＣ電力を印加する。
【0079】
モータ動作を終了するには、スイッチＳＡ及びＳＢをオフにし、＋ＶＢＵＳバス及び－ＶＢＵＳバスが、ＤＣ電源３４のそれぞれの端子とは異なる電位を有することができるようにしてもよい。回路はこのとき開いているので、電流は回路を流れることを停止しているはずである。しかしながら、電気機械３６で電流により生成された磁場に関連するかなりのエネルギーが存在する場合がある。このエネルギーの少なくとも一部は、電気機械３６から抽出される場合があり、キャパシタＣ１に取り込まれ、そこで貯蔵される。これにより、正電圧バスと負電圧バスとの間の電位差が大きくなる。例えば、ライン＋ＶＢＵＳ上の電位は、ＤＣ電源の正端子＋ＶＤＣの電位を超えて増加する場合があり、ライン－ＶＢＵＳ上の電位は、ＤＣ電源の負端子－ＶＤＣの電位未満に減少する場合がある。スイッチＳ１～Ｓ６がすべてバイパスダイオードを有していることで、スイッチの位置とは関係なく、単向電流が電気機械３６から＋ＶＢＵＳラインに、また、－ＶＢＵＳラインから電気機械３６に流れることが可能になっていることに留意されたい。スイッチＳＡ及びスイッチＳＢがオフになると同時に、又はほぼ同時に、スイッチＳＡ及びスイッチＳＢが開いたときにオンになっていた可能性があるスイッチＳ１～Ｓ６のうちのいずれかがオフになることで、＋ＶＢＵＳラインと－ＶＢＵＳラインとの間のこれらのどのスイッチを介しても、電気機械３６には電流が流れないようにしている。
【0080】
モータ動作を再び所望する場合には、図７Ｂに示されているパターンのうちの１つでスイッチＳ１～Ｓ６をオンにしてもよい。スイッチングパターンは、印加電流の相が正しい相に合致して再び電気機械３６に電力を供給するように、ロータの回転角度に対応していなければならない。スイッチＳＡ及びスイッチＳＢは、それぞれ＋ＶＢＵＳの電圧が＋ＶＤＣまで低下し、－ＶＢＵＳが－ＶＤＣまで上昇すると閉じる。この回路構成及び制御方法は、「オン」相の開始時に電気機械３６に印加される初期電圧が高くなるようになっており、これにより、パルスの立ち上がり時間が有利に短縮される。
【0081】
図１０は、図８に示されている回路の例示的な＋ＶＢＵＳ波形及び－ＶＢＵＳ波形対時間を図示する。パルス発生器３８は、デジタル「０」及び「１」のストリングからなるデジタル波形４３を生成する。１は、「オン」になっている電気機械３６に対応し、０は、「オフ」になっている電気機械に対応し得る。図１０では、電気機械３６は、４０％のデューティサイクルでパルス化されている。しかしながら、これは単なる例示であり、任意のデューティサイクルを使用してもよい。＋ＶＢＵＳのレールの電圧４５は、ランプダウン期間中に＋ＶＢＯＯＳＴまで上昇し、－ＶＢＵＳのレールの電圧４７は、ランプダウン期間中に－ＶＢＯＯＳＴまで降下する。＋ＶＢＵＳバス及び－ＶＢＵＳバスの電圧変化の大きさは、等しくてもよいし、異なっていてもよい。＋ＶＢＵＳの電圧４５及び－ＶＢＵＳの電圧４７は、モータのランプダウンからのエネルギーがキャパシタＣ１に貯蔵されるので、モータのオフ時間中、比較的一定のままである。パルス発生器の波形４３がデジタル「１」に戻ると、キャパシタＣ１に貯蔵されたエネルギーは、スイッチアレイＳ１～Ｓ６を通して電気機械３６に供給される。これにより、キャパシタＣ１内の電荷が散逸され、キャパシタＣ１に貯蔵されたエネルギーがモータを駆動するために使用されると、＋ＶＢＵＳのレールの電圧４５は＋ＶＤＣに戻され、－ＶＢＵＳのレールの電圧４７は－ＶＤＣに戻される。「オン」期間中のモータ動作は、スイッチＳＡ及びスイッチＳＢをオンにすることにより保持されることで、ＤＣ電源３４からのエネルギーを使用してモータを駆動することができるようにしている。事実上、ブースト回路は、正電圧バスと負電圧バスとの間の利用可能な電位を増加させて、一連のパルスの少なくとも１つのパルスの開始時に電気機械を駆動する。正電圧バス及び負電圧バスは、相対的な用語であり、これらのバスの接地電位に対するそれぞれの電位は、正又は負のいずれかであり得ることを認識されたい。ブースト回路を使用して、一連のパルスのすべてのパルスに対して、電気機械を駆動するために利用可能な電位を増加させてもよい。
【0082】
ブースト回路を有する例示的な電力変換器は、ＤＣ電源の正端子及び負端子の両方に隣接するスイッチを有するものとして図８に示されているが、これは必要条件ではない。いくつかの実施形態では、単一のスイッチだけを必要とする場合がある。
【0083】
スイッチＳＡ及びスイッチＳＢは、このようにキャパシタＣ１と連携して使用されて、電力立ち上がり時間及び立ち下がり時間を、場合によっては、２分の１、５分の１、１０分の１又はそれ以下に短縮することができる。キャパシタＣ１の両端の電圧は、ランプダウンの間にモータから回収されたエネルギーを貯蔵することにより、電源の電圧よりも高くすることができる。電圧の大きさは、抽出、及び取り込み可能な磁気エネルギーの量とともに増加する。これにより、場合によっては有害な、パルス化動作に関連する一時的なスイッチング効果を大幅に低減することができる。
【0084】
改善された立ち上がり時間及び立ち下がり時間の例が、図９Ｃに概略的に示されている。図で明らかなように、パルス立ち上がり端のランプアップ立ち上がり時間６６は、図９Ｂに示されている対応するランプアップ時間６２と比較して速く／短くなっている。同様に、パルス立ち下がり端のランプダウン時間６８は、図９Ｂに示されている対応するランプダウン時間６４と比較して速く／短くなっている。したがって、パルス化制御を念頭に置いて設計されている電気機械、又は電力パルスに対する機械の過渡的な応答を改善するように修正された電気機械は、既存の機械よりもパルス化動作からさらに大きく恩恵を受ける可能性があることを認識されたい。
【0085】
パルスコントローラ３８によって実装される様々な機械に対する適切なパルス化周波数は、機械の構造、動作環境、及び動作範囲に基づいて大きく異なる場合があることを認識されたい。ある電気機械には、１０～５０ｋＨｚのオーダーのスイッチング周波数が適切な場合があるのに対し、他の機械には、それよりもはるかに低い、例えば、１０～５００Ｈｚなどの範囲のスイッチング周波数の方が適切な場合がある。任意の特定の機械の最適なパルス化周波数は、機械のタイプ、機械の負荷、及び／又は機械の用途など多種多様な状況によって決まることになる。
【0086】
電気機械への電力又は電気機械からの電力の、立ち上がり時間及び立ち下がり時間を短縮するために使用されるブースト回路の詳細は、電気機械のタイプ、及びその動作レジームに応じて変わり得ることを認識されたい。例えば、場合によっては、スイッチＳＡ又はスイッチＳＢのうちの１つは、電力変換器回路１３２から削除することができる。他のタイプの電力変換器回路及び制御戦略を使用してもよい。例えば、状況によっては、ダイオード、２つのインダクタ、及び２つのキャパシタが電源とスイッチングネットワークとの間に位置するＺソースインバータを使用してもよい。
【0087】
キャパシタＣ１の電圧ブーストのレベル及びサイズは、電気機械並びにその誘導特性及び抵抗特性に合わせて適切に選択することで、機械のオンとオフのパルス化に関連する過渡的な立ち上がり時間／立ち下がり時間を短縮することができる。好ましくは、それぞれの静電容量及びブースト電圧レベルもまた、過渡現象それ自体に関連する非効率性、及びキャパシタＣ１の使用により生じる可能性のある任意のオバーシュートの効果を含む、パルス化の間の全体的な機械効率を最大化するように選択される。キャパシタＣ１は過渡応答を改善するために使用されるので、モータに電力が供給されていない期間、例えば、電気機械のオフ期間中などに、日和見的に再充電される場合がある。この動作の態様は、図１１に関する以下の記述において、より詳細に説明する。
【0088】
モータ速度及び負荷によっては、急峻な立ち上がり時間及び立ち下がり時間の＋ＶＢＵＳ電圧及び－ＶＢＵＳ電圧を十分にブーストするには、モータの磁場に貯蔵されたエネルギーが不十分な場合がある。このような場合、パルス間のオフ期間中に、電気機械の両端の電位差をブーストすることが望ましい場合がある。２つのブーストサイクル７３ａ及び７３ｂを示す例示的な電圧波形が、図１１に示されている。電気機械の動作条件に応じて、使用するブーストサイクルは、２つよりも多くても少なくてもよいことを認識されたい。適切なスイッチングネットワーク及び制御戦略は、このタイプの制御を実装することが必要である。
【0089】
図１２を参照すると、本発明の別の実施形態によるブースト回路２０２を含む別の電力変換器２００が図示されている。電力変換器２００は、相ＡのためのスイッチＳ１及びスイッチＳ２と、相ＢのためのスイッチＳ３及びスイッチＳ４と、相ＣのためのスイッチＳ５及びスイッチＳ６と、を含む。スイッチの各対Ｓ１～Ｓ２、Ｓ３～Ｓ４、及びＳ５～Ｓ６は、２つの電圧バス（＋ＶＢＵＳ）と（－ＶＢＵＳ）との間で直列に接続されている。２つの電圧バス（＋ＶＢＵＳ）と（－ＶＢＵＳ）との間の電位は、電気機械３６を動作させるために利用可能な電位である。スイッチＳ１～Ｓ６は、総称して、機械３６を行き来する電力を制御するスイッチングネットワークと呼ばれる。モータとして動作する場合、ＤＣ電源からの電力は、スイッチＳ１～Ｓ６のスイッチングネットワークを介して供給される。次に、スイッチングネットワークは、前述したような機械３６のステータ巻線部の３つの相に位相エネルギーを供給する。同様に、発電機として動作する場合、エネルギーの流れは、機械３６から、バッテリなどの貯蔵デバイスまでである。
【0090】
ブースト回路２０２は、ブースト電源２０４と、スイッチ２０６と、キャパシタＣ１と、バッテリと、パルスコントローラ３８によって生成された制御信号２０８と、を含む。パルスコントローラ３８については前述したので、簡潔にするために、本明細書では詳細な説明は繰り返さない。
【0091】
様々な実施形態では、ブースト電源２０４は、ブースト電圧を生成することが可能な、専用の回路（例えば、チャージポンプ又は別個の電圧源）、及び／又は、別のキャパシタ及び／又はバッテリなどの貯蔵デバイスとすることができる。後述の実施形態では、貯蔵デバイスによって貯蔵されたエネルギーの少なくとも一部は、モータ３８それ自体から引き出してもよい。例えば、機械３６が発電機として動作している場合、又は機械３６がモータとして作用しており、パルス化の間などに、オン状態からオフ状態に移行する場合、発生したエネルギーは、ある特定の成分に転換し、それをブースト回路２０２に、例えば、キャパシタＣ１及び／又はバッテリに保存することができる。次に、保存されたエネルギーを使用して、以下で説明するような正の移行中に、正のレール（＋ＶＢＵＳ）を「ブーストする」ことができる。
【0092】
スイッチ２０６は、ブースト電源２０４の正（＋）電極と負（－）電極との間を切り替えることが可能な任意のタイプのスイッチとすることができる。このスイッチは、半導体デバイスを使用して構築されることが見込まれる。特定の一実施形態だが、非排他的な一実施形態では、スイッチ２０６は、シングルプルダブルスロー（ｓｉｎｇｌｅ ｐｕｌｌ ｄｏｕｂｌｅ ｔｈｒｏｗ）スイッチである。
【0093】
当技術分野においてよく知られているように、連続的なモータ動作中に、相ＡのためのスイッチＳ１及びスイッチＳ２、相ＢのためのスイッチＳ３及びスイッチＳ４、及び相ＣのためのスイッチＳ５及びスイッチＳ６を介して、機械３６のステータ巻線部に位相電力が供給される。最終的には、前述したようにモータのトルクが連続的に出力される結果となる。
【0094】
パルス化動作中に、パルスコントローラ３８は、制御信号２０８を介してスイッチ２０６を制御して、ブースト回路２０２を制御する。正のパルス移行では、スイッチ２０６はアクティブ化されて、正のレール（＋ＶＢＵＳ）をブースト電源２０４の正（＋）端子に接続する。その結果、キャパシタＣ１及びバッテリと連携して動作するブースト電源２０４は、正のレール（＋ＶＢＵＳ）の電圧をブーストするように作用する。正のレールの電圧を上昇又はブーストさせることで、移行時間が短縮される。ブースト回路に貯蔵されたエネルギーが減少したか、又はピークトルクレベルが実現されたら、制御信号２０８は、正のレール（＋ＶＢＵＳ）をブースト電源２０４の負（－）端子に接続するようにスイッチに指示を出す。その結果、ブースト電圧は、正のレール（＋ＶＢＵＳ）から事実上除去される。
【0095】
ブースト回路２０２の効果もまた、図９Ａ～図９Ｃに図示されている。特に、図９Ａは、移行時間のない理想的なパルスを示し、図９Ｂは、移行時間が参照数字６２で示された「実際の状況」のパルスを示す。前述したように、電気機械３６及び電力変換器２００の回路類の両方の誘導性側面により、電流の立ち上がり時間及び立ち下がり時間が遅くなる。図９Ｃは、ブースト回路２０２によって支援された移行を示す。比較によって容易に理解することができるように、図９Ｃに示されているような「ブーストされた」移行時間６６は、図９Ｂに示されているような移行時間６２よりも大幅に短く（すなわち、速く）なっている。
【0096】
図１２の実施形態では、キャパシタＣ１は、正のレール（＋ＶＢＵＳ）と負のレール（－ＶＢＵＳ）との間で、スイッチの対Ｓ１～Ｓ２、Ｓ３～Ｓ４及びＳ５～Ｓ６のそれぞれと並列に配列されている。非排他的な一実施形態では、Ｃ１のサイズは、インバータとして作用しているときの電力変換器２００のリプル電流から導き出される。この配列により、ブースト回路２０２がパルスの立ち上がり時間及び立ち下がり時間を短縮する能力が向上する。
【0097】
【0098】
最初のステップ７２において、現在のモータ出力及び現在のモータ速度を確認する。
【0099】
決定ステップ７４において、現在のモータ出力及び現在のモータ速度に基づいて、モータを連続モードで動作させるべきか、又はパルス化モードで動作させるべきか、の決定がなされる。言いかえれば、所望のモータトルクが、現在のモータ速度にとって最も効率的な出力トルク（すなわち、図１に図示されているモータのマップの最大効率曲線１６）を上回っているか、又は下回っているか、の決定がなされる。上回っている場合には、モータを連続モードで動作させる。下回っている場合には、モータをパルス化モードで動作させることが有利な場合がある。
【0100】
ステップ７６において、現在のモータトルクが現在のモータ速度にとって最も効率的な出力トルクを上回っているのであれば、モータを連続モード７６で動作させる。
【0101】
ステップ７８において、現在のモータ速度で実質的に最大効率動作を提供する「オン」パルスの電力出力又は大きさを決定する。
【0102】
ステップ８０において、平均出力電力又はトルクが所望の出力に合致するように、パルス化モードで動作するための所望のパルスデューティサイクルを決定する。
【0103】
ステップ８２において、決定されたパルスデューティサイクル及びパルス化電力の出力を使用して、モータをパルス化モードで動作させる。ブースト電力変換器回路１３２、又は電気機械からの磁気エネルギーを貯蔵し、放出することが可能な他の何らかの電力変換器回路を有する電力コントローラ３０を使用することで、パルスの立ち上がり時間及び立ち下がり時間を、多くの場合には大幅に短縮し、モータ効率がさらに向上する。
【0104】
モータが動作中の間、上記のステップ７２～８２が連続的に実行される。どの特定のモータ速度においても、対応する最も効率的な出力トルクがあり、これは図１に最大効率曲線１６によって図式的に示されている。瞬間的なモータ出力要請及び／又は現在のモータ速度は変化するので、必要に応じて連続モード又はパルス化モードのいずれかでモータを動作させるように、決定がなされる。概念的観点から言えば、所望のモータトルクが現在のモータ速度にとって最も効率的な出力トルクを下回っている場合、モータをパルス化することによって、モータの全体的な効率を向上させることができる。その結果、電気モータを動力とする車両の場合、車両の全体的な効率が向上する。つまり、バッテリの再充電から再充電までの車両の走行距離が長くなる。
【0105】
図１４は、本発明の別の非排他的な実施形態による、機械３６に供給されるエネルギーを変調するためのシステム３００を示す図である。システム３００は、機械３６と、電力変換器３２と、トルク制御決定モジュール３０２と、機械３６のロータの角度位置を表すフィードバック信号３０６を生成するためのフィードバックセンサ３０４と、トルク及び速度推定部３０８と、を含む。
【0106】
システム３００の動作中、トルク変調決定モジュール３０２は、トルク要求を受け取る。これに応答して、トルク変調決定モジュール３０２は、要請されたトルクが、モータとして動作しているときの機械３６のピーク効率トルク未満であるかどうかの決定を行う。
【0107】
そうでない場合、すなわちトルク要求がピーク効率トルクよりも大きい場合、機械３６をモータとして連続モードで動作させる。その場合には、電力変換器３２に供給されるトルク要求波形３１０は、モータとして動作している機械３６の連続的な動作を表す。
【0108】
他方で、トルク要求が機械３６のピーク効率トルク未満である場合には、機械３６をモータとしてパルス化モードで動作させる。その場合には、トルク変調決定モジュール３０２は、電力変換器３２のために変調された波形３１０を発生させて、モータとして動作している機械３６に、モータのピーク効率トルクと、低トルクとの間で切り替え、又はパルス化させ、その平均値は、要求トルクと実質的に等しくなっている。様々な実施形態では、低トルクはゼロとすることができるが、必ずしもゼロであるとは限らない。低トルクとピーク効率トルクの平均値が要求トルクと実質的に等しいという前提で、低トルクはゼロを上回る他の何らかのトルク値とすることができる。
【0109】
電力変換器３２は、相Ａのためのスイッチの対Ｓ１～Ｓ２と、相Ｂのためのスイッチの対Ｓ３～Ｓ４と、相Ｃのためのスイッチの対Ｓ５～Ｓ６と、を含むスイッチングネットワークを含むが、これらはすべて、分かり易くするために図には示されていない。前述したように、スイッチＳ１～Ｓ６は、電力変換器３２によって制御され、機械３６を、（１）トルク要求がピーク効率トルクよりも大きい場合には連続的なトルク出力を生成するモータとして連続的に、又は（２）トルク要求がピーク効率トルク未満である場合にはパルスモードで、のいずれかで動作させる。電力変換器３２は、パルス幅変調（ＰＷＭ：Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）、直接トルク制御（ＤＴＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｔｏｒｑｕｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ）、ヒステリシス、又は電流変調の一形式である「デッドビート（ｄｅａｄ ｂｅａｔ）」制御など多数の異なるプロトコルのいずれかを使用して、機械３６に供給されるエネルギーを制御することができる。
【0110】
代替的な実施形態では、図８の１３２、又は図１２の２００のようなブースト電力変換器を使用してもよい。電力変換器３２のブーストバージョンでは、パルス化動作の間のパルスの立ち上がり時間及び／又は立ち下がり時間が速くなることにより、機械３６のモータ動作の効率及び性能が向上する。
【0111】
フィードバックセンサ３０４は、機械３６のロータの角度位置を表すフィードバック信号３０６を生成する。フィードバック信号は、電力変換器３２と、トルク及び速度推定部３０８と、にそれぞれ供給される。既知のロータの角度位置では、トルク及び速度推定部３０８は、モータのトルク及び速度の正確な推定を、トルク変調決定モジュール３０２に提供することができる。これに応答して、波形３１０は、必要があれば、電力変換器３２内のスイッチングネットワークのタイミング（すなわち、スイッチＳ１～Ｓ６をオン／オフにするタイミング）を厳密に制御できるように調節して、エネルギーの相Ａ、相Ｂ及び相Ｃのそれぞれのタイミングを、ロータの現在の位置と一致させるようにすることができる。その結果、モータとしての機械３６の動作は、円滑であり、しかも効率的である。フィードバックセンサ３０４を使用することは必須ではなく、機械３６のロータの角度位置を測定又は推定するための他の技法を使用することができることに留意されたい。例えば、センサのない多数のアプローチのいずれかを使用してもまたよい。
【0112】
他のモータ及び発電機のタイプ
電気モータにも、発電機にも、ＤＣとＡＣの両方のモータ／発電機を含む多種多様な機械があり、それらは既知であり、市販されている。様々な電気モータ及び発電機のタイプによって、その構造、制御、並びにエネルギー変換効率は大きく異なるが、ほとんどの電気モータ及び発電機は、ある範囲の動作条件で動作するように設計されており、それらのエネルギー変換効率は、その動作範囲で大きく異なってくる場合が多い。概して、本明細書に記載の制御原理は、動作範囲が、図１に示されている最大効率曲線１６に相当するよりも下の領域を含むことを前提として、効率を向上させるために、いかなるタイプの機械にも適用することができる。
電気モータにも、発電機にも、ＤＣとＡＣの両方のモータ／発電機を含む多種多様な機械があり、それらは既知であり、市販されている。様々な電気モータ及び発電機のタイプによって、その構造、制御、並びにエネルギー変換効率は大きく異なるが、ほとんどの電気モータ及び発電機は、ある範囲の動作条件で動作するように設計されており、それらのエネルギー変換効率は、その動作範囲で大きく異なってくる場合が多い。概して、本明細書に記載の制御原理は、動作範囲が、図１に示されている最大効率曲線１６に相当するよりも下の領域を含むことを前提として、効率を向上させるために、いかなるタイプの機械にも適用することができる。
【0113】
現在、先行技術のモータの中には、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御を使用して動作するものがある。しかしながら、このようなモータは、最も効率的なエネルギー変換レベルとはどういうものであるのかを考慮せずに駆動される。そのため、上述したアプローチを使用して、このようなモータのエネルギー変換効率も同様に向上させることもまた可能である。
【0114】
ブラシレス型ＤＣモータ、誘導モータ、同期ＡＣモータ、スイッチトリラクタンスモータ、等々を含む多くのタイプのモータは、従来、連続的な、ただし場合によっては変化する駆動電流によって駆動されて、所望のトルク出力を送達する。駆動電流は、（モータへの電圧入力としての役割を果たす）インバータ及び／又は変換器の出力電圧を制御することによって制御される場合が多い。概して、ロータ磁場とステータ磁場との間の相対的な位相を変更することによって、モータは発電機として動作させることができる。ゆえに、モータに関して説明した回路及び制御方法は、発電機として電気機械を使用する場合にも同じように適用可能である。説明したパルス化制御は、それぞれの最大エネルギー変換効率点を下回る領域でこのようなモータ及び発電機を動作させる場合には、特に有益である。
【0115】
したがって、本明細書の諸実施形態は、限定的なものではなく、例示的なものであると見なされるべきであり、本発明は、本明細書に与えられている詳細に限定されるのではなく、添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内で修正してもよい。
【図1】
【図2】
【図3A-3B】
【図4】
【図5A-5C】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B-7F】
【図8】
【図9A-9C】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【国際調査報告】