JP7011358B1 - 誘導子に基づく電磁デバイスのためのパルス制御デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】電源からの操作時間を長くし、電源から電気機械または変成器までの電気回路の負荷を減らすデバイスを提供する。【解決手段】電気モーター及び／又は誘導子を組み合わせたパルス制御デバイスであって、電気モーター、発生器及び変圧器などの電磁デバイス並びに電気機械に、電気モーターと組み合わせた制御ユニット及び／又は誘導子の組み合わせとして使用される。【効果】誘導子に基づく電磁デバイスの効率の向上を創出しつつ、電源から消費される消費電力を低減し、エネルギーを節約する。さらに、電源は自己誘導から追加的に保護され、これによりデバイスの信頼性が向上する。【選択図】なし

Description

（発明の分野）
本発明は、電気工学に関し、特に電気モーターおよび／または誘導子と組み合わせたパルス制御ユニットの設計に関し、また、それは、ＤＣモーター、発生器、変成器などの電磁機器および電気機械において、特に電気モーターおよび／または誘導子と組み合わせた制御ユニットとして使用され得る。

提案された発明の目的は、電源からの操作時間を長くし、電源から電気機械または変成器までの電気回路の負荷を減らすことである。

誘導子に自己誘導の起電力（ＥＭＦ）を形成するデバイスは、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、広く知られている方式である。これは、直流電源ＰＳ、誘導子Ｌ、電気負荷Ｄ、およびキーＫを含む。キーＫを閉鎖すると、電源からの電流が誘導子Ｌに流れ、誘導子Ｌの周囲に電磁界が発生する。負荷としては、例えばＬＥＤを用いることができるが、これは逆極性で接続されているため点灯しない。キーＫを開放すると、図１ＢのようにＰＳからの電流が遮断され、磁界がコイルに巻き戻り、誘導子の両端に電位差が生じる。ＬＥＤが誘導子を閉鎖すると、コイル自体にもＬＥＤにも二次電流が発生し、ＬＥＤが短時間点灯する。このシャント方式は、自己誘導ＥＭＦからキーを保護するために広く使われており、また、ほとんどすべてのパルスＤＣモーター制御ユニットに採用されている。

この方法の欠点は、自己誘導ＥＭＦエネルギーの一部がシャントダイオードの熱として放出され、また一部が周囲の空間に散逸することである。

提案された解決策の技術的結果は、誘導子に基づく電磁デバイスの効率を向上しつつ、電源から消費される消費電力を低減し、エネルギーを節約する。さらに、電源は自己誘導から追加的に保護され、これによりデバイスの信頼性が向上する。

この技術的結果は、ＤＣ電源ＰＳと、１または複数の誘導子Ｌと、片側導電要素Ｄ１と、電気負荷Ｒと、２つのキーＫ１およびＫ２と、バッファーエネルギーストレージＣとを含むデバイスによって達成され、ここで、キーＫ１による誘導子Ｌが電源のマイナスに接続され、バッファーエネルギーストレージが電源のマイナスに接続され、Ｄ１のカソードがバッファーエネルギーストレージＣに接続され、電気負荷ＲがＤ１のカソードおよびバッファーエネルギーストレージのカソードに接続され、電気負荷Ｒが、キーＫ２を介して、電源のプラスおよび１または複数の誘導子Ｌの先頭に接続される。図２～４を参照。

本発明の第１態様では、第１回路と、第２回路と、第３回路と、を含むデバイスであって、第１回路は、電源と、誘導要素と、閉鎖位置にある第１キーと、を含み、第２回路は、電源と、誘導要素と、一方向に電流を流す要素と、バッファーエネルギーストレージと、閉鎖位置にある第１キーと、を含み、第２回路は、誘導要素に二次電流を発生させ、二次電流は、誘導要素の周りに二次磁場を形成し、それによって誘導要素とバッファーエネルギーストレージで二次的に有用な仕事を生産し、一方向に電流を流す要素は、誘導要素に結合され、バッファーエネルギーストレージは、第１キーを介して電源のマイナスに結合され、第２回路はさらに開放位置にある第２キーを含み、第２キーは、誘導要素および電気負荷に結合され、電気負荷は、バッファーエネルギーストレージおよび一方向に電流を流す要素に結合され、第３回路は、電源と、バッファーエネルギーストレージと、電気負荷と、閉鎖位置にある第２キーと、開放位置にある第１キーと、を含む、デバイスが提供される。

デバイスは、誘導要素の内側に導入されたコアをさらに含み得る。

一方向に電流を流す要素は、半導体ダイオードであり得る。

第１キーは、第１回路の閉鎖および開放を介して、パルスを生成し得、パルスの周波数およびパルスの範囲は、誘導要素の特性に基づいて決定される。

電源は、直流（ＤＣ）電源であり得る。

誘導要素は、ブラシ付きＤＣ電気モーターの一部を含み得、電気負荷は、ブラシ付きＤＣ電気モーターの独立した励起巻線を含み得る。

誘導要素および電気負荷は、永久磁石モーターであり得る。

誘導要素は、永久磁石モーターの一部を含み得、電気負荷は、ガルバニックエネルギーストレージであり得る。

誘導要素はチョークされ得、電気負荷は変成器であり得る。

図１Ａおよび図１Ｂ（先行技術）は、回路が開放されたときに発生する高電圧の自己誘導ＥＭＦからキーＫを保護するための既知の回路を示す。

図２Ａ～２Ｃは、提案されたデバイスの操作の異なるモーメントを示す。このデバイスは、図１Ａ～１Ｂのデバイスと比較して、３０～５０％の効率向上を提供する。

図３Ａ～図３Ｃは、独立した励起巻線を有するユニバーサルモーターのための提案されたデバイスの実装を示す。

図４Ａ～図４Ｃは、２つの永久磁石モーターのための提案されたデバイスの実装を示す。

図５Ａ～５Ｃは、永久磁石モーターおよびガルバニックエネルギーストレージのための提案されたデバイスの実装を示す。

図６Ａ～図６Ｃは、チョークおよび変成器のための提案されたデバイスの実装を示す。

本発明の技術的結果は、電気モーター、パルス変成器、および誘導子に基づく他の電磁デバイスのための省エネルギー化にある。

デバイス１は、図２Ａ～２Ｃに示す３つの回路を含む。図２Ａを参照すると、第１回路は、電源（ＰＳ）２と、誘導要素３と、初期には閉鎖している第１キー５と、を有する。第２回路は、第１回路と同じ誘導要素３に接続され、誘導要素３は、一方向に電流を流す要素７に接続され、これは、バッファーエネルギーストレージ４に接続され、これは、次に電源２のマイナスに接続されている。図２Ｂは、第１キー５が開放され、誘導要素３に接続されている第２キー６が開放されているときの第２ステップを示す。第２回路は、第１回路の誘導要素３に二次電流を発生させる役割を果たし、これにより、誘導要素３の周囲に二次磁界が形成され、それにより、第１回路の誘導要素３に二次的に有用な仕事が発生し、また、第２回路のバッファーエネルギーストレージ４にも二次的に有用な仕事が発生する。第３回路は、バッファーエネルギーストレージ４を含み、これは、４における電圧レベルが電源２よりも高いため、エネルギー源として機能し、これにより、次いでバッファーエネルギーストレージ４のエネルギーを使用し、このエネルギーを、負荷Ｒに接続されている第２キー６が閉鎖しているときに、負荷Ｒの電流を介して電源２に戻すことを可能にし、第１キー５が開放されている間、第２キー６が電源ＰＳに接続される。図２Ｃを参照。

電源によって生成されるパルス持続時間とパルス間の間隔を変化させ、パルス持続時間とそれらの間の間隔が、電源からのエネルギーをシステムに通した後の負荷消費の減少を決定する。この場合、１または複数の追加の誘導要素Ｌがあってもよい。

バッファーエネルギーストレージＣは、コンデンサの形態であってもよい。

あるいは、電気負荷Ｒは、電気機械の一部、ＬＥＤ、変成器、電気モーター、およびその他の誘導子ベースの電磁デバイスを含み得る。

初期状態では、第１キーＫ１は閉鎖され（第２キーＫ２は開放されている）、誘導子／誘導子コイルＬには電流が流れている。電流が最大になると同時に、キーＫ１が開放される。誘導子コイルＬでは、Ｄ１、バッファーエネルギーストレージＣ、および電源を介して誘導子がシャントされるため、電位差が生じる。閉鎖ループでは、自己誘導のＥＭＦが発生し、そこからバッファーエネルギーストレージＣが充電される（図２Ｂを参照）。このとき、バッファーエネルギーストレージＣの電圧は、電源の電圧よりも高い。電流がＤ１を通過すると（Ｄ１がＬＥＤの場合）、我々はＬＥＤの短い点滅が見えよう。このように、電源の電圧よりも高い電圧で充電されたバッファーエネルギーストレージＣは、それ自体が電源のエネルギー源となっている。これにより、誘導子に基づく電磁デバイスの効率が向上するとともに、電源から消費されるエネルギーを削減し、エネルギーを節約し得る。

第２キーＫ２が閉鎖されると（図２Ｃを参照）、バッファーエネルギーストレージＣのエネルギーは、負荷Ｒを介して電源に放出される。これにより、我々はメインパルスの生成に費やされた電源のエネルギーコストを部分的に補い、ＲがＬＥＤの場合にはそれが短時間点灯する。このシャントオプションにより、第１キーＫ１を自己誘導ＥＭＦから保護することができ、Ｄ１およびＲに有用な仕事が行われ、ＰＳからメインパルスを生成することに費やされたエネルギーが部分的に補われる。

このデバイスは、図１Ａ～１Ｂに例示されているように、先行技術のデバイスと比較して３０～５０％の効率向上を提供する。

提案されたデバイスの様々な実装を以下に開示する。

図３Ａ～３Ｃは、独立した励磁巻線を有するブラシ付きＤＣ電気モーターのための提案されたデバイスの実装を示す。提案されたデバイスの操作は以下の通りである。電源２が点けられると、コンデンサ４の電圧が電源のレベルに均等化される。ブラシ付きＤＣ電気モーターを起動する前に、キー５および６を開放する。

第１キー５を閉鎖した後、電源２、モーターアーマチュア３、および第１キー５を含む回路に電流が現れる（図３Ａ）。電流が最大値に達すると、第１キー５が開放される（図３Ｂを参照）。第１回路にはもはや電流が流れなくなり、モーターローター３の巻線には電源の電圧を超える電位差（自己誘導のＥＭＦ）が現れる。モーターローター３の巻線（Ｌ１）、ダイオード７（Ｄ１）、コンデンサ４（Ｃ）、および電源２で構成される第２回路に、電流が流れる。コンデンサ４は充電される。コンデンサの電圧が電源の電圧よりも高くなると、第２キー６が閉鎖される（図３Ｃを参照）。コンデンサ４（Ｃ）、励磁巻線８（Ｌ２）、第２キー６（Ｋ２）、および電源２からなる第３回路に電流が流れる。コンデンサ４（Ｃ）は、電源との電圧レベルが等しくなるまで、電源の励磁巻線８（Ｌ２）および第２キー６（Ｋ２）を介して放電される。電圧が等しくなると、第２キー６のＫ２が開放される。このサイクルが完了すると、第１キー５が閉鎖された後、すべてのステップが繰り返される。

図４Ａ～４Ｃは、２つの永久磁石モーターのための提案されたデバイスの実装を示す。提案されたデバイスの操作は以下の通りである。電源２が点けられると、コンデンサ４の電圧が電源のレベルに均等化される。ブラシ付きＤＣ電気モーターを起動する前に、キー５および６を開放する。

第１キー５を閉鎖した後、電源２、モーターアーマチュア３、および第１キー５から構成される回路に電流が現れる（図４Ａ）。電流が最大値に達すると、第１キー５が開放される（図４Ｂ）。第１回路にはもはや電流が流れなくなり、モーターローター３の巻線には電源の電圧を超える電位差（自己誘導のＥＭＦ）が現れる。第１モーターローター３の巻線（Ｌ１）、ダイオード７（Ｄ１）、コンデンサ４（Ｃ）、および電源２で構成される第２回路に、電流が流れる。コンデンサ４は充電される。コンデンサの電圧が電源の電圧よりも高くなると、第２キー６が閉鎖される（図４Ｃ）。コンデンサ４（Ｃ）、第２モーターローター８（Ｌ２）、第２キー６（Ｋ２）、および電源２からなる第３回路に電流が流れる。コンデンサ４（Ｃ）は、電源との電圧レベルが等しくなるまで、電源の第２モーターローター８（Ｌ２）および第２キー６（Ｋ２）を介して放電される。電圧が等しくなると、第２キー６のＫ２が開放される。このサイクルが完了すると、第１キー５が閉鎖された後、すべてが繰り返される。

図５Ａ～図５Ｃは、永久磁石モーターおよびガルバニックエネルギーストレージのための提案されたデバイスの実装を示す。提案されたデバイスの操作は以下の通りである。電源２が点けられると、コンデンサ４の電圧が電源のレベルに均等化される。ブラシ付きＤＣ電気モーターを起動する前に、キー５および６を開放する。

第１キー５を閉鎖した後、電源２、モーターアーマチュア３、および第１キー５から構成される回路に電流が現れる（図５Ａ）。電流が最大値に達すると、第１キー５が開放される（図５Ｂ）。第１回路にはもはや電流が流れなくなり、モーターローター３の巻線には電源の電圧を超える電位差（自己誘導のＥＭＦ）が現れる。モーターローター３の巻線（Ｌ１）、ダイオード７（Ｄ１）、コンデンサ４（Ｃ）、および電源２で構成される第２回路に、電流が流れる。コンデンサ４は充電される。コンデンサの電圧が電源の電圧よりも高くなると、第２キー６が閉鎖される（図５Ｃ）。コンデンサ４（Ｃ）、ガルバニックエネルギーストレージ８（Ｌ２）、第２キー６（Ｋ２）、および電源２からなる第３回路に電流が流れる。コンデンサ４（Ｃ）は、電源との電圧レベルが等しくなるまで、電源のガルバニックエネルギーストレージ８（Ｌ２）および第２キー６（Ｋ２）を介して放電される。電圧が等しくなると、第２キー６のＫ２が開放される。このサイクルが完了すると、第１キー５が閉鎖された後、すべてが繰り返される。

図６Ａ～図６Ｃは、チョークおよび変成器のための提案されたデバイスの実装を示す。提案されたデバイスの操作は以下の通りである。電源２が点けられると、コンデンサ４の電圧が電源のレベルに均等化される。ブラシ付きＤＣ電気モーターを起動する前に、キー５および６を開放する。

第１キー５を閉鎖した後、電源２、チョーク３、および第１キー５からなる回路に電流が現れる（図６Ａ）。電流が最大値に達すると、第１キー５が開放される（図６Ｂ）。第１回路にはもはや電流が流れなくなり、チョーク３の巻線には電源の電圧を超える電位差（自己誘導のＥＭＦ）が現れる。チョーク３の巻線（Ｌ１）、ダイオード７（Ｄ１）、コンデンサ４（Ｃ）、および電源２でからなる第２回路に、電流が流れる。コンデンサ４は充電される。コンデンサの電圧が電源の電圧よりも高くなると、第２キー６が閉鎖される（図６Ｃ）。コンデンサ４（Ｃ）、変成器８（Ｌ２）、第２キー６（Ｋ２）、および電源２からなる第３回路に電流が流れる。コンデンサ４（Ｃ）は、電源との電圧レベルが等しくなるまで、電源の変成器８（Ｌ２）および第２キー６（Ｋ２）を介して放電される。電圧が等しくなると、第２キー６のＫ２が開放される。このサイクルが完了すると、第１キー５が閉鎖された後、すべてが繰り返される。

説明および図示されるように、本発明は、第１回路と、第２回路と、第３回路と、を含み、第１回路は、電源と、誘導要素と、閉鎖位置にある第１キーと、を含み、第２回路は、電源と、誘導要素と、一方向に電流を流す要素と、バッファーエネルギーストレージと、開放位置にある第１キーと、を含み、第２回路は、誘導要素に二次電流を発生させ、二次電流は、誘導要素の周りに二次磁場を形成し、それによって誘導要素とバッファーエネルギーストレージで二次的に有用な仕事を生産し、一方向に電流を流す要素は、誘導要素に結合され、バッファーエネルギーストレージは、第１キーを介して電源のマイナスに結合され、第２回路はさらに開放位置にある第２キーを含み、第２キーは、誘導要素および電気負荷に結合され、電気負荷は、バッファーエネルギーストレージおよび一方向に電流を流す要素に結合され、第３回路は、電源と、バッファーエネルギーストレージと、電気負荷と、閉鎖位置にある第２キーと、開放位置にある第１キーと、を含む。

いくつかの態様では、デバイスは、誘導要素の内側に導入されたコアを含む、または一方向に電流を流す要素は、半導体ダイオードである、または第１キーは、第１回路の閉鎖および開放を介して、パルスを生成し、パルスの周波数およびパルスの範囲は、誘導要素の特性に基づいて決定される、または電源は、直流（ＤＣ）電源である、または誘導要素は、ユニバーサルブラシ付きＤＣ電気モーターの一部を含み、電気負荷は、ユニバーサルブラシ付きＤＣ電気モーターの独立した励起巻線を含む、または誘導要素および電気負荷は、永久磁石モーターである、または誘導要素は、永久磁石モーターの一部を含み、電気負荷は、ガルバニックエネルギーストレージである、または誘導要素は、チョークであり、電気負荷は、変成器である。

本発明の好ましい実施形態の説明は、図示および説明の目的で提示される。網羅的であること、または開示された正確な形態に本発明を限定することは意図されていない。明らかに、多くの修正および変形は、当業者には明らかであろう。本発明の範囲は、以下の請求項およびその等価物によって定義されることが意図される。

さらに、「実施例」または「例示的」という言葉は、本明細書では、一例、例示、または図示として仕えることを意味するために使用される。「例示的」として本明細書に記載されている任意の態様または設計は、必ずしも、他の態様または設計よりも好ましいまたは有利であると解釈されるべきではない。むしろ、「実施例」または「例示的」という言葉の使用は、概念を具体的に示すことを意図している。本願で使用されるように、「または」という用語は、排他的な「または」ではなく、包括的な「または」を意味することが意図されている。すなわち、別段の指定がない限り、または文脈から明らかでない限り、「ＸはＡまたはＢを採用する」というのは、任意の自然な包含的な置換を意味することが意図されている。つまり、ＸがＡを採用し、ＸがＢを採用し、またはＸがＡとＢの両方を採用している場合、「ＸはＡまたはＢを採用する」ということは、前述のいずれの場合でも満たされる。さらに、本願および添付の特許請求の範囲で使用される「ａ」および「ａｎ」という冠詞は、別段の指定がない限り、または文脈から単数形に指示されていることが明らかでない限り、一般に「１または複数」を意味すると解釈されるべきである。

Claims (9)

1. 第１回路と、第２回路と、第３回路と、を含むデバイスであって、
   前記第１回路は、
   電源と、
   誘導要素と、
   閉鎖位置にある第１キーと、を含み、
   前記第２回路は、
   前記電源と、
   前記誘導要素と、
   一方向に電流を流す要素と、
   バッファーエネルギーストレージと、
   開放位置にある前記第１キーと、を含み、
   前記第２回路は、前記誘導要素に二次電流を発生させ、前記二次電流は、前記誘導要素の周りに二次磁場を形成し、それによって前記誘導要素と前記バッファーエネルギーストレージで二次的に有用な仕事を生産し、
   一方向に電流を流す前記要素は、前記誘導要素に結合され、
   前記バッファーエネルギーストレージは、前記第１キーを介して前記電源のマイナスに結合され、
   前記第２回路はさらに開放位置にある第２キーを含み、前記第２キーは、前記誘導要素および電気負荷に結合され、前記電気負荷は、前記バッファーエネルギーストレージおよび一方向に電流を流す前記要素に結合され、
   前記第３回路は、
   前記電源と、
   前記バッファーエネルギーストレージと、
   前記電気負荷と、
   閉鎖位置にある前記第２キーと、
   開放位置にある前記第１キーと、
   を含み、
   前記バッファーエネルギーストレージは、全体を通じてゼロより大きいままであり、それによって前記電源を充電する、デバイス。
2. 前記誘導要素の内側に導入されたコアをさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
3. 一方向に電流を流す前記要素は、半導体ダイオードである、請求項１に記載のデバイス。
4. 前記第１キーは、前記第１回路の閉鎖および開放を介して、パルスを生成し、パルスの周波数およびパルスの範囲は、前記誘導要素の特性に基づいて決定される、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記電源は、直流（ＤＣ）電源である、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記誘導要素は、ブラシ付きＤＣ電気モーターの一部を含み、前記電気負荷は、前記ブラシ付きＤＣ電気モーターの独立した励起巻線を含む、請求項１に記載のデバイス。
7. 前記誘導要素および前記電気負荷は、永久磁石モーターである、請求項１に記載のデバイス。
8. 前記誘導要素は、永久磁石モーターの一部を含み、前記電気負荷は、ガルバニックエネルギーストレージである、請求項１に記載のデバイス。
9. 前記誘導要素は、チョークであり、前記電気負荷は、変成器である、請求項１に記載のデバイス。

Images