本発明は、エネルギー変換システムに係り、特に直流電力と交流電力との変換、交流電力と機械力との変換に好適なエネルギー変換システムに関する。

近年、エネルギーを変換するシステムには、発電機の発電出力を整流するために半導体素子から構成される回路、あるいは、電動機を駆動するために半導体素子で構成された回路が多く用いられている。

発電機或いは電動機は、固定子と回転子とが相対的に回転するよう構成されるのであり、その固定子に、例えば、第1の巻線、第2の巻線、第3の巻線を設けて、その各々から出力電力を得て、あるいは、その各々に電力を供給することで、発電或いは回転動力を得ている。例えば、電動機の場合に、半導体素子を構成回路として、直流電源に接続された複数のコンデンサの各々にフルブリッジ回路からなる直交変換回路を並列に接続し、当該直交変換回路の交流出力端子と、回転電機において相互に絶縁された複数の交流入力端子との間を各々接続して構成する技術が知られている。

この技術では、複数のうちの所定のコンデンサの直流電力を直交変換回路で非常に短い時間間隔で導通/遮断することで擬似的な波形を作り出して例えば電動機のU相巻線に供給し、一方、他の2つのコンデンサの直流電力を各々非常に短い時間間隔で導通/遮断することで擬似的な波形を作り出して例えばV相、W相の巻線に供給する。

このような技術は、例えば、特開昭61−142995号公報に記載されている。

特開昭61−142995号公報

上記の従来技術では、直流電圧を非常に短い時間間隔で導通/遮断するので、導通/遮断による損失が大きい。各々の直交変換回路を構成するスイッチング素子の電力損失低減や交流電圧波形形状の改善についは考慮されていない。

そこで本発明の1つの課題は、直流電力と交流電力との変換、交流電力と機械力との変換を有するエネルギー変換システムにおいて、直交変換回路のスイッチング素子の電力損失を低減することにある。

また、他の課題は、直流電力と交流電力との変換、交流電力と機械力との変換を有するエネルギー変換システムにおいて、交流電圧波形形状を改善することにある。

上記のうちの少なくとも1つの課題を解決するために、本発明にかかるエネルギー変換システムは、4つの半導体素子を有するフルブリッジ回路で形成されて直流と交流との間を変換する複数の変換回路と、相互に絶縁された複数の電機子コイルを有する回転機またはリニア型機と、一方側電位端子と、他方側電位端子を備え、複数の変換回路は前記一方側電位端子と前記他方側電位端子の間に直列に接続され、各々の変換回路は前記直列に接続された回路の一部をなす回路端子を有し、各々の変換回路の回路端子は対応する電機子コイルに直接または変圧器を介して接続され、一方側電位端子と他方側電位端子との電圧が一定となるように電機子コイルの出力電圧を調整するか、あるいは、一方側電位端子と他方側電位端子とに印加された一定電圧を、各々の変換回路の回路端子の出力電圧の大きさの和が一定電圧と等しくなるように分割して電機子コイルに出力するよう変換回路を動作させるように構成した。

また、直流電圧が印加されると共に、4つのスイッチング素子を有するフルブリッジ回路で形成されて直流を交流に変換する複数の直交変換回路と、相互に絶縁された複数の交流入出力端を有する回転電機またはリニアモータを備え、複数の前記直交変換回路の直流入出力端は各々直列に接続され、交流入出力端は前記回転電機またはリニアモータの相互に絶縁された複数の交流入出力端に各々直接または変圧器を介して接続され、前記直交変換回路における前記スイッチング素子のONとOFFの切替に際して、4つの前記スイッチング素子のうち、3つ以上がONとなる様なフェーズが形成されるように構成した。

または、本発明にかかるエネルギー変換システムは、2×N相(但しNは2以上)のフルブリッジ回路で形成された直交変換回路と、2×N相の交流を出力する2×N個の電機子コイルを有し、各電機子コイルの端部が当該電機子コイルの相と前後する相の電機子コイルの端部と接続される結果、2×N個の接続端を有する回転電機またはリニアモータを備え、前記直交変換回路の2×N個の交流入出力端が相の前後関係を同じくして前記回転電機の2×N個の接続端に各々直接または変圧器を介して接続されるように構成した。

あるいは、本発明にかかるエネルギー変換システムは、2つのスイッチング素子を直列に接続し、当該接続端を交流入出力端とする単位回路を(M+1)個並列に接続して形成される直交変換回路と、M個の電機子コイルを有し、隣接する電機子コイルの端部を接続する結果(M+1)個の接続端を有するリニアモータを備え、前記直交変換回路の(M+1)個の交流入出力端が相の前後関係を同じくして前記リニアモータの(M+1)個の接続端に各々直接または変圧器を介して接続されるように構成した。

本発明にかかるエネルギー変換システムは、前記回転電機またはリニアモータが一定速度で運動している際に、所定の複数の電機子コイルに発生する誘導起電力の絶対値の和が一定であるように構成した。

本発明によれば、直流電力と交流電力との変換、交流電力と機械力との変換を有するエネルギー変換システムにおいて、直交変換回路のスイッチング素子の電力損失を低減することができる。

あるいは、直流電力と交流電力との変換、交流電力と機械力との変換を有するエネルギー変換システムにおいて、交流電圧波形形状を改善することができる。

実施例1に係る主回路構成図。

実施例1に係る動作フェーズ毎の各スイッチング素子の動作を示す表。

実施例1に係る動作フェーズ毎の電位関係式を示す表。

実施例1に係る回転電機の動作を示す構造図。

実施例1に係る回転電機の界磁における磁束密度-電気角図。

実施例1に係る回転電機における誘導起電力-電気角図。

実施例1に係る他の回転電機の動作を示す構造図。

実施例1に係る他の回転電機の界磁における磁束密度-電気角線図。

実施例1に係る他の回転電機における誘導起電力-電気角線図。

実施例1に係るスイッチング素子動作−時間線図。

実施例1に係る誘導起電力−時間線図。

実施例1に係る誘導起電力絶対値−時間線図。

実施例1に係る他の回転電機の構造図。

実施例1に係るリニアモータの構造図。

実施例2に係る主回路構成図。

実施例2に係る初期動作時の各スイッチング素子の動作を示す表。

実施例2に係る初期動作時の回転電機の動作を示す構造図。

実施例3に係る主回路構成図。

実施例3に係る動作フェーズ毎の各スイッチング素子の動作を示す表。

実施例3に係る動作フェーズ毎の電位関係式を示す表。

実施例3に係る回転電機の動作を示す構造図。

実施例3に係る回転電機の界磁における磁束密度-電気角図。

実施例3に係る回転電機における誘導起電力-電気角図。

実施例3に係るスイッチング素子動作−時間線図。

実施例3に係る誘導起電力−時間線図。

実施例3に係る誘導起電力絶対値−時間線図。

実施例4に係る主回路構成図。

実施例5に係る主回路構成図。

実施例5に係る動作フェーズ毎の各スイッチング素子の動作を示す表。

実施例5に係るスイッチング素子動作−時間線図。

実施例5に係る回転電機の構造図。

実施例5に係る誘導起電力−時間線図。

実施例5に係る誘導起電力絶対値−時間線図。

実施例6に係る主回路構成図。

実施例6に係る動作フェーズ毎の各スイッチング素子の動作を示す表。

実施例1に係る回転電機の界磁における磁束密度-電気角図。

実施例1に係る回転電機における誘導起電力-電気角図。

実施例1に係る他の回転電機の構造図。

実施例1に係る他の回転電機の回転子の一部を構成するかご形導体の構造図。

以下、実施例を図面を用いて説明する。なお、本発明の本質を明らかにするため、以下の実施例では回路における各スイッチング素子、ダイオードにおける電圧低下や配線の抵抗、インダクタンス、寄生容量、回転電機や変圧器の励磁インダクタンス等が無視できる理想的な状態であるものとして説明する。

実施例1について図1ないし図14、図36ないし図37を用いて説明する。図1は本実施例のエネルギー変換システムの主回路構成図、図2はそのエネルギー変換システムの動作フェーズ毎の各スイッチング素子SW11,SW12,SW13,SW14,SW21,SW22,SW23,SW24,SW31,SW32,SW33,SW34の動作を示す表、図3は動作フェーズ毎の電位関係式を示す表、図4は本実施例における回転電機の動作を示す構造図、図5は図4の回転電機の界磁における磁束密度-電気角図、図6は図4の回転電機における誘導起電力-電気角図、図7は本実施例の他の回転電機の動作を示す構造図、図8は図7の回転電機の界磁における磁束密度-電気角線図、図9は図7の回転電機における誘導起電力-電気角線図、図10はスイッチング素子の動作−時間線図、図11は回転電機の各電機子コイルの誘導起電力−時間線図、図12は各電機子コイルの誘導起電力絶対値−時間線図、図13は本実施例の他の回転電機の構造図、図14は本実施例のリニアモータの構造図、図36は本実施例の他の回転電機の界磁における磁束密度-電気角図。図37は本実施例の他の回転電機における誘導起電力-電気角図である。

本実施例のエネルギー変換システムは、図1において、4つのスイッチング素子を有するフルブリッジ回路で形成されて直流を交流に変換する複数の直交変換回路11、21、31を直列に接続して構成される直交変換回路100からなる。

直交変換回路11は、フルブリッジ回路として形成され、接続点aと接続点dの間にスイッチング素子SW11とSW12を直列に接続する。さらに、スイッチング素子SW11とSW12と並列に、接続点aと接続点dの間にスイッチング素子SW13,SW14を直列に接続する。スイッチング素子SW11,SW12,SW13,SW14に並列にフリーホイールダイオードDI11,DI12,DI13,DI14を接続する。スイッチング素子SW11とSW12の接続点は入出力端bを構成し、スイッチング素子SW13とSW14の接続点は入出力端cを構成する。

直交変換回路21と直交変換回路31は、各々、スイッチング素子SW21,SW22,SW23,SW24,スイッチング素子SW31,SW32,SW33,SW34で構成され、直交変換回路11と同様な構成である。また、直交変換回路21と直交変換回路31では、各々、スイッチング素子SW21,SW22,SW23,SW24,スイッチング素子SW31,SW32,SW33,SW34に、並列に、フリーホイールダイオードDI21,DI22,DI23,DI24、フリーホイールダイオードDI31,DI32,DI33,DI34が接続される。なお、スイッチング素子は、例えば、IGBT等の周知の素子を使うことができる。

直交変換回路11の一方端は接続点aを介して可変直流電源50に接続され、直交変換回路11の他方端と直交変換回路21の一方端は接続点dを介して接続され、直交変換回路21の他方端と直交変換回路31の一方端は接続点gを介して接続され、直交変換回路31の他方端は接続点mを介して可変直流電源50に接続される。このように、可変直流電源50と直交変換回路100とは接続点a及び接続点mにおいて接続されている。

相互に絶縁された複数の電機子コイルCoil1、Coil2、Coil3を有する回転電機70を備えている。電機子コイルCoil1は端部p11、p12を有し、電機子コイルCoil2は端部p21、p22を有し、電機子コイルCoil3は端部p31、p32を有し、これらの端部は、各々、直交変換回路11の入出力端b、cは電機子コイルCoil1の端部p11、p12に、直交変換回路21の入出力端e、fは電機子コイルCoil2の端部p21、p22に、直交変換回路31の入出力端h、kは電機子コイルCoil3の端部p31、p32にそれぞれ接続されている。

そして、スイッチング素子SW11,SW12,SW13,SW14,SW21,SW22,SW23,SW24,SW31,SW32,SW33,SW34は制御手段2からON/OFFパルスの供給を受け、すなわち、制御手段2からON信号を受けると導通状態に、OFF信号では遮断状態となり、スイッチング素子SW11,SW12,SW13,SW14,SW21,SW22,SW23,SW24,SW31,SW32,SW33,SW34の各々のON/OFF動作を制御手段2によって制御する構成としている。

次に本実施例のエネルギー変換システムの動作を説明する。一連のスイッチング動作における主要動作フェーズは図2のPh1〜12に示したものである。スイッチング素子SW11,SW12,SW13,SW14,SW21,SW22,SW23,SW24,SW31,SW32,SW33,SW34の各々のON/OFF動作に伴って界磁71が回転する。すなわち、動作フェーズPh1とPh2で60度回転し、次に、動作フェーズPh3とPh4で60度回転し、動作フェーズPh12からPh1に移るときに360度回転(1回転)する。

また、これら主要動作フェーズにおいて、図1に図示した各接続点間の電圧間の関係式は図3に示したものとなる。図中、例えばVbcについては接続点bと接続点cとの間の電圧を意味し、接続点bの電位が接続点cの電位よりも高い場合を正、逆の場合を負としている。Eは、接続点aと接続点mの間に印加される直流電圧50の出力電圧である。

例えば、先ず、動作フェーズPh1,Ph3,Ph5,Ph7,Ph9,Ph11について説明すると、これら動作フェーズにおいては、直交変換回路11の交流入出力両端電圧Vbcと、直交変換回路21の交流入出力両端電圧Vefと、直交変換回路31の交流入出力両端電圧Vhkの値について、各々、電機子コイルCoil1、Coil2、Coil3に出力電圧が供給されるところ、Vbc+Vef+Vhk=可変直流電源50の出力電圧Eの関係式が成り立つ。一方で、各々の電圧の値は直交変換回路100単独では定まらない。これらの電圧の値は接続された回転電機70が発生する誘導起電力V1、V2、V3との関係において決定される。ここで、電機子コイルCoil1、Coil2、Coil3は互いに電気角で120度づれて構成されているので、必然的、120度づれた同じ波形の電圧となる。

一方、動作フェーズPh2,Ph4,Ph6,Ph8,Ph10,Ph12については、直交変換回路11、21、31の何れかの直交変換回路を構成する4つのスイッチング素子が全てON動作している一方で、他の直交変換回路については負荷に電流通路を形成する2つのスイッチング素子がON動作していることから、Vbc、Vef、Vhkについては、何れかが0、残りの2つの電圧の絶対値の和がEとなる。

次に、本実施例において使用される回転電機70の詳細を図4ないし図6を用いて説明する。図4において下線で示してある動作フェーズは図2及び図3に示した動作フェーズと一致する。但し各動作フェーズの最後に付したA、Bについては、Aが動作フェーズの初期付近、Bが動作フェーズの終了付近の状態を示している。図4に示した回転電機は相数N=3の分布巻き電機子コイルCoil1、Coil2、Coil3で構成された電機子72を有しており、界磁71は永久磁石で構成されており、その界磁71の発生する磁束密度分布は図5に示したものである。

図5には界磁71の発生する磁束密度分布として3つの例(ア)、(イ)、(ウ)を示している。例えば、界磁71について円周方向端部で発生する磁束密度が端部ぎりぎりまで同じとなるように磁性体を構成すると例(ア)のようになり、界磁71について円周方向端部でなだらかに磁束密度が小さくなるように磁性体を構成すると例(イ)のようになり、界磁71について円周方向端部では磁束密度が小さくなるように磁性体を構成すると例(ハ)のようになる。これらは、界磁71の磁性体の構成を工夫することで(ア)乃至、(ウ)が選択して構成できる。

何れの場合においても界磁の片極の磁束が電気角で180°×(1−1/N)=90°以内の範囲に発生させている。図6には図5の磁束密度分布を有する界磁71が一定回転速度で回転した時に1つの電機子コイルの両端に発生する誘導起電力の波形形状を横軸を電気角で示している。

上記で説明した構造を有する回転電機の他に、本実施例に好適に適用される他の回転電機の詳細を図7ないし図9を用いて説明する。図7において下線で示してある動作フェーズは図2及び図3に示した動作フェーズと一致する。図7に示した回転電機は相数N=3の集中巻き電機子コイルCoil1、Coil2、Coil3で構成された電機子72を有しており、その界磁71の発生する磁束密度分布は図8に示したものである。図8には界磁71の発生する磁束密度分布として3つの例(ア)、(イ)、(ウ)を示している。何れの場合においても界磁の片極の磁束が電気角で180°/N=60°以上の範囲で一定の磁束密度を発生させている。図9には図8の磁束密度分布を有する界磁71が一定回転速度で回転した時に1つの電機子コイルの両端に発生する誘導起電力の波形形状を横軸を電気角で示している。この波形形状は前記図6で示した波形形状と同一のものとなっている。

次に、本実施例における各スイッチング素子の動作タイミングと各種電圧波形の関係を図10ないし図12を用いて説明する。図10は本実施例における各スイッチング素子の動作タイミングを横軸時間のタイムチャートで示したものである。本図には、図2で定義した主要動作フェーズも表記してある。図中、Tは各々の直交変換回路の交流出力の1周期であり、同一の値である。ΔTはPh1開始からPh3開始までの時間間隔であり、双方の直交変換回路で相似の動作をさせる場合にはΔT=T/Nとなる。そして本図に示したタイムチャートで各スイッチング素子を動作させた場合の各電圧波形を示したのが図11及び図12である。(ア)、(イ)、(ウ)の何れの例においても可変直流電源50の出力電圧EがE=|V1|+|V2|+|V3|=一定で制御されている。言い方を変えると、本実施例のエネルギー変換システムは一定電圧の直流電圧を周期的なスイッチング動作のみにより一定速度の回転機械力に変換することが可能となっている。そして本システムにおいては回転電機に接続された負荷の抵抗トルクに比例した電流が流れることで自動的に回転速度を一定に保つため、特殊なスイッチング動作による調整が不要となっている。

なお、各々の電機子コイルに発生する誘導起電力の絶対値の和が一定となるのは例示した(ア)、(イ)、(ウ)の場合に限らず、分布巻き電機子コイルを備えた回転電機においては、界磁の片極の磁束が電気角で180°×(1−1/N)=90°以内の範囲に発生させてあればどの様な磁束密度分布であっても良く、また、集中巻き電機子コイルを備えた回転電機においては、界磁の片極の磁束が電気角で180°/N=60°以上の範囲で一定の磁束密度を発生させてあればどの様な磁束密度分布であっても良い。

ところで(イ)と(ウ)の例では電機子コイルに発生する誘導起電力が0となる時刻において当該誘導起電力の時間微分値が0となっている。言い方を変えると誘導起電力が0または0に近い値となっている時間が(ア)の例と比べて長くなっている。このため、先に説明した動作フェーズでスイッチOFFが生じるタイミング、即ちPh2からPh3、Ph4からPh5、Ph6からPh7、Ph8からPh9、Ph10からPh11、Ph12からPh1のタイミングを当該スイッチと接続された電機子コイルに生じる誘導起電力が0または0に近い値となっている時間に合わせることが容易であり、ソフトスイッチングの一種である零電圧スイッチングを容易に実現できる。もちろん(ア)の例の場合であっても精度よくタイミングを制御することにより零電圧スイッチングを実現可能である。

なお、本実施例に対して、図13に示した界磁の極数が4極の回転電機や、図14に示したリニアモータを適用しても良い。

また、図38及び図39に示す様にかご形導体75を界磁71に取り付けた回転電機を適用した場合には、電機子コイルを流れる負荷電流が発生させる交流磁界を打ち消す様にかご形導体に誘導電流が流れることから、当該負荷電流に起因する誘導起電力の変動を抑制することができる。

ここで、図36に示すように回転電機の界磁における磁束密度-電気角図を得られるようにしても良い。また、図37に示すように回転電機における誘導起電力-電気角図を得られるようにしても良い。

また、エネルギー変換システムとして、回転電機70は、誘導電動機として構成しても良いし、また、純粋な発電機としても良い。

実施例2について図15ないし図17を用いて説明する。図において符号の番号が同じものは実施例1と基本的に同等なものである。以下の実施例では、それまでに説明した実施例と異なる部分を中心に説明するのであって、説明が省略された部分はそれまでに説明された実施例と技術的に異なっていない限りにおいて同じものである。

図15は本実施例のエネルギー変換システムの主回路構成図、図16はそのエネルギー変換システムの初期動作時における動作フェーズ毎の各スイッチング素子SW11,SW12,SW13,SW14,SW21,SW22,SW23,SW24,SW31,SW32,SW33,SW34の動作を示す表、図17は本実施例における回転電機の初期動作を示す構造図である。

本実施例では、図1に示した実施例1における可変直流電源50が、一定電圧出力直流電源51に置き換わったものである。回転電機が停止状態から定格回転速度に達するまでの初期動作時においては、回転電機が発生する誘導起電力の絶対値の和が直流電源51が出力する一定電圧E0よりも小さいことから、図2に示したスイッチング動作をすると過大な電流が流れ続けるため装置を破損することが生じる。初期動作時において図16に示したスイッチング動作を実施し、すなわち図16の黒枠で囲った部分で示されるように、動作フェーズ2´では動作フェーズ2の代わりにスイッチング素子SW21,SW22,SW23,SW24を全てOFFとし、動作フェーズ4´では動作フェーズ4の代わりにスイッチング素子SW31,SW32,SW33,SW34を全てOFFとし、動作フェーズ6´では動作フェーズ6の代わりにスイッチング素子SW11,SW12,SW13,SW14を全てOFFとし、これにより、図17のPhase2´に示されるように、電機子コイルCoil1、Coil2、Coil3の全てに電流の供給が遮断され、断続的に電流を流す様に動作制御をして定格回転速度まで加速する様にすれば、過大電流が連続して流れることによる装置の破損を防止することができる。定格回転速度に達した後に図2に示したスイッチング動作による運転を実施すれば良い。

実施例3について図18ないし図26を用いて説明する。図18は本実施例のエネルギー変換システムの主回路構成図、図19はそのエネルギー変換システムの動作フェーズ毎の各スイッチング素子SW11,SW12,SW13,SW14,SW21,SW22,SW23,SW24の動作を示す表、図20は動作フェーズ毎の電位関係式を示す表、図21は本実施例における回転電機の動作を示す構造図、図22は図21の回転電機の界磁における磁束密度-電気角図、図23は図21の回転電機における誘導起電力-電気角図、図24はスイッチング素子の動作−時間線図、図25は回転電機の各電機子コイルの誘導起電力−時間線図、図26は各電機子コイルの誘導起電力絶対値−時間線図である。

実施例1が三相交流を使用していたのに対し、本実施例は、二相交流を使用したエネルギー変換システムとなっている。本実施例においても実施例1のエネルギー変換システムと同じく、一定電圧の直流電圧を周期的なスイッチング動作のみにより一定速度の回転機械力に変換することが可能となっている。また、回転電機に接続された負荷の抵抗トルクに比例した電流が流れることで自動的に回転速度を一定に保つため、特殊なスイッチング動作による調整が不要となっている。

実施例4について図27を用いて説明する。図27に示した本実施例のエネルギー変換システムは実施例3のエネルギー変換システムと比較して、回転電機70が純粋な発電機である点、スイッチング素子が全てダイオードに置き換わっている点、制御手段2が省略されている点、直流電源50が負荷60に置き換わっている点が異なっている。回転電機70を純粋な発電機とすることでシステムが簡略化できるとともに、一定速度の回転機械力を一定電圧の直流電圧に変換することができる。

実施例5について図28ないし図33を用いて説明する。図28は本実施例のエネルギー変換システムの主回路構成図、図29はそのエネルギー変換システムの動作フェーズ毎の各スイッチング素子SW11,SW12,SW21,SW22,SW31,SW32,SW41,SW42,SW51,SW52,SW61,SW62の動作を示す表、図30はスイッチング素子の動作−時間線図、図31は本実施例の回転電機の構造図、図32は回転電機の各電機子コイルの誘導起電力−時間線図、図33は各電機子コイルの誘導起電力絶対値−時間線図である。

図28において、本実施例のエネルギー変換システムでは、六相のブリッジ回路で形成された直交変換回路100は、可変直流電源50の正側接続点aと負側接続点mの間に、6つのブリッジ回路、スイッチング素子SW11,SW12からなるブリッジ回路、スイッチング素子SW21,SW22からなるブリッジ回路、スイッチング素子SW31,SW32からなるブリッジ回路、スイッチング素子SW41,SW42からなるブリッジ回路、スイッチング素子SW51,SW52からなるブリッジ回路、スイッチング素子SW61,SW62からなるブリッジ回路を、各々、並列に接続している。

回転電機70の六相の誘導起電力を発生する6個の電機子コイルCoil1、Coil2、Coil3、Coil4、Coil5、Coil6を有し、端部p11とp12が電機子コイルCoil1に接続され、端部p21とp22が電機子コイルCoil2に接続され、端部p31とp32が電機子コイルCoil3に接続され、端部p41とp42が電機子コイルCoil4に接続され、端部p51とp52が電機子コイルCoil5に接続され、端部p61とp62が電機子コイルCoil6に接続されている。

スイッチング素子SW11とSW12の間の入出力端p1は、端部p62とp11の間に接続され、スイッチング素子SW21とSW22の間の入出力端p2は、端部p12とp21の間に接続され、スイッチング素子SW31とSW32の間の入出力端p3は、端部p22とp31の間に接続され、スイッチング素子SW41とSW42の間の入出力端p4は、端部p32とp41の間に接続され、スイッチング素子SW51とSW52の間の入出力端p5は、端部p42とp51の間に接続され、スイッチング素子SW61とSW62の間の入出力端p6は、端部p52とp61の間に接続される。このように、端部p1、p2、p3、p4、p5、p6が相の前後関係を同じくして前記回転電機の6個の接続端に各々直接接続されている。

そして図29に示したスイッチング動作が、図30に示した動作タイミングで実施される。スイッチング素子SW11とSW42がオンであって他のスイッチング素子がオフのときは、可変直流電源50の電力は、可変直流電源50の正側からスイッチング素子SW11を介して入出力端子p1通って端部p61とp62の間に供給され、電機子コイルを通って、端部p41とp32の間から端部p4を通りスイッチング素子SW42を介して可変直流電源50に戻る経路を形成する。図29に示した他のスイッチング動作も同様に、可変直流電源50の電力は、可変直流電源50の正側から該当するスイッチング素子を介して所定の端部間に供給され、電機子コイルを通って、所定の端部間から所定の端部を通り該当するスイッチング素子を介して可変直流電源50に戻る経路を形成するのである。

回転電機70の詳細構造及び各動作フェーズにおける状態は図31に示したものであり、その界磁71の発生する磁束密度分布は図5に示したものと同一である。界磁71が一定回転速度で回転した時に1つの電機子コイルの両端に発生する誘導起電力の波形形状は図6に示したものと同一である。

本実施例のエネルギー変換システムにおいても実施例1と同じく、一定電圧の直流電圧を周期的なスイッチング動作のみにより一定速度の回転機械力に変換することが可能となっている。そして回転電機に接続された負荷の抵抗トルクに比例した電流が流れることで自動的に回転速度を一定に保つため、特殊なスイッチング動作による調整が不要となっている。

実施例6について図34ないし図35を用いて説明する。図34は本実施例のエネルギー変換システムの主回路構成図、図35はそのエネルギー変換システムの動作フェーズ毎の各スイッチング素子の動作を示す表である。

本実施例のエネルギー変換システムは、リニアモータを使用したものであり、やはり一定電圧の直流電圧を周期的なスイッチング動作のみにより一定速度の直線機械力に変換することが可能となっている。そしてリニアモータに接続された負荷の抵抗力に比例した電流が流れることで自動的に速度を一定に保つため、特殊なスイッチング動作による調整が不要となっている。

以上の説明では、本発明の本質を明らかにするために回路における各スイッチング素子、ダイオードにおける電圧低下や配線の抵抗、インダクタンス、寄生容量、変圧器の励磁インダクタンス等が無い理想的な状態につき説明してきたが、実際の回路においてはいずれも大なり小なり存在する。これらの抵抗成分、静電容量成分、インダクタンス成分を補償する付加回路については従来から様々な方式が知られており、本発明の構成にこれら付加回路を付加することや、同一回路トポロジーの範囲で主要回路を改変することは同業者にとって容易である。

2…スイッチング素子制御手段、11,21,31…直交変換回路、SW11,SW12,SW13,SW14…主スイッチング素子、SW21,SW22,SW23,SW24…主スイッチング素子、SW31,SW32,SW33,SW34…主スイッチング素子、SW41,SW42,SW51,SW52、SW61,SW62,SW71,SW72、SW81,SW82,SW91,SW92、SW101,SW102,SW111,SW112、SWM1,SWM2…主スイッチング素子、D11,D12,D13,D14…ダイオード、D21,D22,D23,D24…ダイオード、12,22…変圧器、Coil1、Coil2、Coil3、Coil4、Coil5、Coil6、Coil7、Coil8、Coil9、Coil10…電機子コイル、70…回転電機またはリニアモータ、71…界磁、V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8、V9…誘導起電力、100…電力変換装置。