JP2006515149A - 巻線のワイヤゲージ及び巻数が異なる巻線を有する発電電動機械 - Google Patents

Abstract

多相電動機は、複数の強磁性ステータコアセグメントを含み、コアセグメントは回転軸の周りに実質的に均等に間隔を置いて配置され、互いとの直接接触から分離される。各コアセグメントは、相巻線を形成するためにそこにコイルを巻いた少なくとも１ペアの磁極を形成する。各ステータの相巻線は、他の相巻線の各々のトポロジとは異なるトポロジで構成される。各相巻線は、１つ又はそれ以上の他の相巻線とは異なるコイル総数を有する。各相巻線は、１つ又はそれ以上の他の相巻線のコイルゲージとは異なるゲージのコイルを含む。好ましくは、全ての相巻線は実質的に同じ全銅質量を有する。

Description

（関連出願）
本出願は、全て本発明と同一出願人による、２００１年４月５日に出願されたＭａｓｌｏｖ他の同時係属米国特許出願番号０９／８２６，４２３、２００１年４月５日に出願されたＭａｓｌｏｖ他の同時係属米国特許出願番号０９／８２６，４２２、２００２年６月１９日に出願されたＭａｓｌｏｖ他の同時係属米国特許出願番号１０／１７３，６１０、及び２００２年１１月８日に出願されたＭａｓｌｏｖ他の米国特許出願番号１０／２９０，５０５に関連する主題を包含する。これらの出願の開示内容は引用により本明細書に組み込まれる。
本発明は、発電電動機械の構造に関し、より詳細には、それぞれの巻線の巻線コイルの総数及びワイヤゲージが異なる、複数のセグメントを含むステータ構造に関する。

電動機の制御に関するマイクロコントローラ及びマイクロプロセッサベースの応用などの電子システムの漸進的な向上、並びに改良されたポータブル電源の利用可能性は、内燃エンジンに取って代わる切迫した課題として、車両用の効率的な電気電動機の駆動装置を発達させた。電動機巻線の電子制御によるパルス励磁によって、電動機特性のより柔軟性のある管理の可能性が提示される。適切なステータ巻線に対してバッテリ電源のパルス幅、デューティサイクル、及び切替印加を制御することにより、交流同期電動機の運転と実質的に区別がつかない機能的な多様性を実現することができる。

上記で特定されたＭａｓｌｏｖ他による同時係属の関連米国特許出願である、出願番号０９／８２６，４２３は、製造が容易であり、効率的でフレキシブルな運転特性を実現可能な改良された電動機の必要性を認め、これに対処している。車両の駆動環境では、広い速度範囲にわたってスムーズな運転を達成しながら、同時に最小の電力消費量で高いトルク出力特性を維持することが極めて望ましい。この同時係属の関連米国特許出願は、環状リングにセグメントとして半径方向に比較的薄く構成された、絶縁透磁性構造体として電磁石の磁極を組み込み、有利な効果をもたらしている。この構成では、従来技術の実施形態と比較して、電磁石コアにおいて実質的なロス又は有害な変圧器干渉作用がなく、磁束を集中させることができる。

Ｍａｓｌｏｖ他の出願は、電磁石セグメントの絶縁により、他のコアセグメントとの磁束の相互作用による実質的な磁束損失又は有害なトランスフォーマ干渉作用なしに、各磁気コアセグメント内で磁束の個々の集中が可能になることを認識している。自律型電磁石として単極のペアを構成することによって、運転上の利点を得ることができる。個々の磁極ペアの磁路を別の磁極ペアから絶縁することにより、磁極ペアの巻線の励磁が切り替えられたときに、隣接するグループに対して磁束のトランスフォーマ作用を排除することができる。

上記で特定された同時係属米国特許出願番号１０／１７３，６１０は、これらの構造的特徴部を有する多相電動機の制御システムに関するものである。各位相の制御ループがその対応する巻線及び構造と密に一致することにより、個々の位相の回路特性を補償して、より高度の精密な制御を提供する制御方法が記載されている。制御パラメータは、各それぞれのステータ位相特性と特に適合する。各相巻線の連続して切り替えられる励磁は、励磁された相巻線のステータ位相要素に関連するパラメータに従って信号を発生するコントローラにより制御される。

上記で特定された出願に記載されている電動機は運転上の利点を提供するが、これらの電動機並びに従来技術の電動機は、負荷が変動しない場合でも広い運転速度領域の全ての速度において一様な高効率を示さない。固定された電動機トポロジでは、利用可能な起磁力（ＭＭＦ）は、巻線の巻数及び励磁電流に依存する。本明細書で使用される用語「電動機トポロジ」は、ステータコアの寸法及び磁気特性、ステータ巻線のコイルの数、及び線直径（ゲージ）などの物理的な電動機特性を意味する。利用可能な起磁力は、運転領域にわたるトルクと速度との間の可変の、一般に反比例の関係を決定づける。印加された励磁電流は、電動機を定格運転速度まで駆動することができる。電動機が定格運転速度に向けて加速するにつれてトルクは減少し、電動機を駆動するために消費される電流はこれに伴い減少するので、効率は最大レベルまで上昇する。速度がピーク効率のレベルを超えて増大すると、追加の駆動電流が必要とされ、これによりその後の効率が犠牲にされる。従って、効率は速度範囲全体を通じて変動し、最大速度よりはるかに下回る速度でピークに近づく。

図１に示されるように、異なるトポロジを備えた電動機は、異なる速度でピーク効率を得る。この図は、トポロジが異なる電動機における広い速度範囲にわたる運転速度に対する電動機効率のプロットである。この図に示されたトポロジは、ステータ巻線の巻数だけが異なる。各効率曲線は、速度がゼロから特定の速度まで増加するにつれてピーク値に近づき、次いで、ゼロ効率に向けて減少する。巻線の巻数が最も多い電動機を示す曲線Ａは、最も急勾配の傾斜を示し、最も速い速度Ｖ２でピーク効率に近づく。しかしながら、この速度を超えると、曲線は同様に急勾配の負の傾斜を示す。従って、この電動機の運転範囲は限定される。この電動機が許容可能な効率レベル以上で運転する速度範囲のウィンドウ（図１でＸ％で表示された）は比較的狭い。

曲線ＢからＥは、巻線が漸次少なくなる電動機を示す。巻線の巻数が減少するにつれて、最大効率での電動機の運転速度は増大する。曲線Ｂは速度Ｖ３で、曲線Ｃは速度Ｖ４で、曲線Ｄは速度Ｖ５で、曲線Ｅは速度Ｖ６でピーク効率を達成する。各電動機は、異なる電動機運転速度でピーク効率を有し、電動機運転速度の全範囲にわたって許容できる効率を有する電動機はない。

図１は、車両駆動環境のような広い速度範囲にわたって電動機が駆動されることになる電動機用途においては、速度範囲全体にわたり均一で高い運転効率を提供することになる理想的な単一の電動機トポロジはないことを示している。例えば、Ｖ６を超える速度では、曲線ＡとＢは効率ゼロを示す。例えば、Ｖ２までの速度範囲の下端部では、曲線ＣからＥは、曲線Ａ及びＢよりも著しく低い効率を示す。

電動機による車両駆動では、バッテリ寿命、すなわちこれを超えるとオンボードバッテリの再充電又は交換が必要となる時間期間を延長することが望ましいので、運転効率は特に重要である。従って、現在使用されているものよりも広い速度範囲にわってより均一に高効率で運転できる電動機の必要性が存在する。この必要性は、Ｍａｓｌｏｖ他の出願（０３０特許）で対処されている。該出願で取られた方法は、始動時と電動機が運転することが予測できる最大速度との間で、複数の速度範囲の各々に対して各ステータ巻線のアクティブなコイルの数を動的に変更することである。速度範囲は、図１に示されたのと同様の方法で特定され、複数の速度範囲の各々に対して最大効率を達成するために、励磁すべき異なる数の電動機ステータ巻線コイルが各速度範囲に対して指定される。速度が隣接する速度範囲間でしきい値を越えるときに、励磁されるコイルの数が変更される。各巻線は、タップ接続によって分離された複数の個々の直列に接続されたコイルセットを含む。各それぞれタップは、スイッチによって単一の対応する速度範囲間に励磁源に接続される。従って、巻線は、各速度範囲に対して異なる数の励磁コイルを有する。

この構成は高効率を得ることができる速度の範囲を拡大するが、電動機巻線の誘導特性は、電源に対して正確に計時されたタップの接続及び切断を必要とする。従って、正確な機能を確保するためには、多大な電子電源回路及び制御回路を備える必要がある。特定の電動機構成における構造的制約は、タップの数、従って個々のステータ巻線が利用可能なコイルセットを制限する可能性がある。

このように、拡大された速度範囲にわたって高効率の電動機運転を得ることを可能にする代替方法に関する必要性が依然としてある。

本発明は、従来技術の上述の必要性を満たし、上記で特定されたＭａｓｌｏｖ他の出願で開示された、分離された個々のステータコア構造のような構成の利点を付加する。本発明の概念は、単体のコア構造を含むあらゆるステータ構成の電動機又は発電機に対しても有利である。

例えば、ステータが複数の強磁性コアセグメントを含み、該コアセグメントが回転軸の周りに実質的に均等に間隔を置いて配置されて、且つ互いの接触から分離された多相電動機において少なくとも部分的に利点が得られる。各コアセグメントは、相巻線を形成するためにそこにコイルが巻かれた少なくとも１ペアの磁極を形成する。各ステータの相巻線は、他の相巻線の各々のトポロジとは異なるトポロジで構成される。巻線トポロジは、各相巻線におけるコイル巻数の総数とコイルのワイヤゲージによって特徴付けられる。各相巻線は、１つ又はそれ以上の他の相巻線とは異なるコイル総数を有することができる。各相巻線は、１つ又はそれ以上の他の相巻線のコイルゲージとは異なるゲージのコイルを含むことができる。相巻線の巻線トポロジが他の相巻線の巻線トポロジとは異なるが、相巻線の全ては、実質的に同じコイル質量を有するのが特に有利である。すなわち、巻線のコイル巻数がより少なければワイヤ径（ゲージ）はより大きくなる。好ましくは、全ての相巻線は、異なる総巻数と異なるワイヤゲージとを有し、ゲージサイズ及びコイル巻数は互いに逆比例する。

本発明の電動機構造は、始動時から電動機が運転するのが予測できる最大速度までの幾つかの運転速度範囲の各々において最大効率を確保するように、巻線の励磁が調整可能である点で有利である。個々の速度範囲は識別可能であり、各相巻線の励磁の程度は、そこに印加された電圧で明らかにされると、各速度範囲で運転効率を最大にするように導き出すことができる。各運転速度範囲での各相巻線に対する最適な印加電圧の導出は、理論ベースとするか、又は実験を通して経験的に行うことができる。１例として、多数の位相に対応する機械構造では、各速度範囲に対して導き出された電圧は、幾つかの相巻線が印加電圧をもたず、残りの相巻線の各々が異なる電圧を印加されることになるように決定付けることができる。励磁されるべき相巻線の数及び識別性、並びに個々に印加された電圧振幅は、各速度範囲に対して変動する可能性がある。各速度範囲の各相巻線に対して印加されることになる最適電圧が予め定義され、その結果、動作時には、励磁された特定の相巻線及び各相巻線に対して印加された電圧振幅は、電動機の運転速度が隣接する速度範囲に対して増大又は減少すると共に、動的に変化することができる。

本発明を実施することが企図された最適なモードの単なる例証によって、単に本発明の好ましい実施形態だけが図示され説明されている以下の詳細説明から、当業者であれば本発明の別の利点が明らかになるであろう。理解されるように、本発明は、他の異なる実施形態が可能であり、更に、幾つかの詳細は、全て本発明から逸脱することなく種々の点で修正することが可能である。従って、図面及び説明は、事実上例証とみなされ、限定としてみなすべきではない。
本発明は、限定の目的ではなく例証として添付図において示されており、ここで同じ参照符号は同じ要素を示す。

図２は、本発明で使用することができるロータ及びステータ要素の例示的な構成である。本明細書で例証される電動機のより詳細な説明のために、上記で明らかにされた同時係属のＭａｓｌｏｖ他の出願番号０９／８２６，４２２を参照すする。ロータ部材２０は、互いに間隔を置いて配置された永久磁石２１を有する環状リング構造であり、円筒形バックプレート２５に沿って実質的に均等に分布されている。永久磁石は、環状リングの内側周縁に沿って磁気極性が交番するロータ磁極である。ロータは、ステータ部材３０を囲み、ロータ及びステータ部材は、環状の半径方向のエアギャップによって分離されている。ステータ３０は、エアギャップに沿って均一に分布された、均等な構成の複数の電磁石コアセグメントを含む。

ステータは、７つのコアセグメントを含み、各コアセグメントは、エアギャップに面する表面３２を有する２つの磁極を備えたほぼＵ字型の磁気構造体３６に形成されている。コアセグメントは、磁極のペアを連結する部分上に形成された単一巻線を収容するように構成することができるが、磁極のペアの脚部は巻線３８が巻かれる。各ステータの電磁石コア構造体は、隣接するステータコア要素から分離されて磁気的に絶縁されている。コアセグメントの各々は、位相を示すとみなすことができ、相巻線は、３８ａ−３８ｇの表記でエアギャップに沿って連続して識別される。ステータ要素３６は、非透磁性支持構造体に固定され、これにより環状のリング構造を形成する。この構造は、隣接するステータの磁極グループからの浮遊トランスフォーマ磁束作用の放射を排除する。適切なステータ支持構造体は、有効な電動機要素がより明確に見えるように本明細書では示していないが、上述の特許出願で見ることができる。

巻線３８ａ−３８ｇは、ワイヤゲージに対する巻線のトポロジ及び巻線コイル総巻数が互いに異なる。この実施形態では、各相巻線が固有の巻線の総巻数と固有のワイヤゲージを有するのが好ましいが、２つ又はそれ以上の相巻線が、同様のワイヤゲージ又は巻数を含む場合もある。別の実施形態は、より多数の絶縁コアセグメントの磁極ペアを含むことができる。このような実施形態では、幾つかの相巻線が同じ巻線トポロジを有することが好ましい場合がある。

図３は、図２に示された７つの位相電動機の相巻線トポロジを例証する表である。各相巻線は、固有の数のコイル巻数を有し、固有のワイヤゲージから構成されている。相巻線の各々の銅の全質量は同じである。

図４は、図２の電動機の電圧源回路の部分ブロック図である。相巻線３８ａ−３８ｇは、それぞれ直列接続を介して電圧変換器４２ａ−４２ｇと共にＤＣ電源４０に接続される。各電圧変換器の制御端子はコントローラ４４に結合され、該コントローラはまた、電源４０に接続される。コントローラ及び電圧変換器は、Ｍａｓｌｏｖ他の同時係属出願１０／１７３，６１０においてより完全に説明されたような従来型の装置である。マイクロプロセッサ及び関連する記憶手段を含むことができるコントローラ４４は、１つ又はそれ以上のユーザ入力と、運転中に感知された電動機条件に関する複数の入力とを有することができる。本発明の説明を明確にするために、電動機速度入力は、図示の電動機条件のフィードバック入力だけである。速度入力信号は、任意の従来型の電動機速度センサによって生成することができる。コントローラに記憶されるのは、運転範囲にわたって複数の速度範囲の各々に対する、各相巻線に印加されるべき電圧レベルを特定する表である。種々の速度範囲の相巻線３８ａ−３８ｇの各々に対して、最大運転効率を与えることが分かっている電圧値は、下記の表で特定される。各範囲の運転効率もまた該表で示される。

表

動作中、コントローラ４４は、テーブルによりデータにアクセスし、始動時にどの相巻線を励磁すべきか、及び各相巻線に対して印加されるべき電圧レベルを決定する。コントローラは、これらの値の適切な制御電圧を相巻線に接続されたそれぞれの電圧変換器に出力する。電動機が加速すると、電動機速度が繰り返しサンプリングされて、信号入力としてコントローラに供給される。受け取られた速度入力信号に応答して、コントローラは、記憶されている表にアクセスし、感知速度が配置された速度範囲での各相巻線についての電圧データを受け取る。アクセスされたデータに対応する新しい制御信号が、電圧変換器に出力されて、該当する場合、相巻線に印加される電圧を変更する。電動機負荷が変動すると、これに応じて電動機速度を変えることができる。ここで、コントローラは、表によって提供されたこれらの変更に対する出力制御電圧を調整し、これにより運転速度範囲全体にわたって最適な運転効率を維持することになる。

この表は、精密に調整される電圧レベルの印加用に極めて細かく分割された３６０ｒｐｍの運転速度範囲を示す。この情報は、図５のグラフ形式で提供され、各曲線が範囲全体にわたってそれぞれの相巻線に印加された電圧を示している。曲線１は、相巻線３８ａに印加された電圧を示し、曲線２は相巻線３８ｃに印加された電圧を示し、曲線３は相巻線３８ｅに印加された電圧を示し、曲線４は相巻線３８ｇに印加された電圧を示し、曲線５は相巻線３８ｂに印加された電圧を示し、曲線６は相巻線３８ｄに印加された電圧を示し、曲線７は相巻線３８ｆに印加された電圧を示す。

運転速度範囲の異なる部分間では、相巻線の異なる組み合わせが励磁されることになる。７つの相巻線の全てが励磁されることは決してない。図５の表から明らかなように、始動時には４つの相巻線が図に示すように変化する電圧レベルで最大１００ｒｐｍの速度で励磁される。１００から１４０ｒｐｍの間の速度では、３つの相巻線が図示の電圧レベルで励磁され、１４０と１６０ｒｐｍの間では、２つの相巻線が励磁され、１６０と１８０ｒｐｍの間では、３つの相巻線が励磁され、１８０と２２０ｒｐｍの間では２つの相巻線が励磁され、２２０から２３０ｒｐｍの間では３つの相巻線が励磁され、２３０と２９０ｒｐｍの間では２つの相巻線が励磁され、２９０を超える速度では１つだけの巻線が励磁される。これらの範囲の各々に対して、励磁された相巻線の異なる組み合わせが特定され、異なる励磁電圧が供給されることになる。

速度範囲全体にわたる表に従った運転の電動機効率が、図６にグラフで表示されている。この曲線と図１に示された従来的に運転された電動機の効率曲線との比較により、本発明の改良された運転効率が示される。本発明のステータ巻線構成は、電動機の運転範囲にわたって表に示された電圧により励磁されたときに、速度範囲の約３／４にわたり８０％を超える電動機の運転効率をもたらす。

本開示では、本発明の好ましい実施形態並びに多様な中の幾つかの実施例だけを図示され説明されている。本発明は、他の種々の組み合わせ及び環境で使用することができ、更に本明細書で表された本発明の概念の範囲内で変更又は修正できることは理解されるべきである。例えば、理解されるように、電動機トポロジは、異なる磁極数、磁極寸法及び形状、磁極組成などに関して大幅に変更することができる。異なるコイル巻数及び速度範囲の一部を特定のトポロジに適合するよう選択することができる。異なるゲージのワイヤを使用して各ステータコアセグメントを巻線するのではなく、全て同じゲージのワイヤを使用して、各ステータコアセグメントの巻数を変えることができる。異なるトポロジに対して最適な効率曲線に適合するように、コイルセクションの構成を変えることができる。１つ又はそれ以上の速度範囲を増大及び／又は減少するようにしきい値のレベルを調整して、より均一な又は不均一な速度範囲のサブセット分布を設定することができる。

異なる巻線の巻数を有する異なる従来型電動機の広い速度範囲にわたる電動機運転速度に対する電動機効率のプロットである。 本発明で使用することができるロータ及びステータ要素の例示的な構成である。 本発明を具現化する多相電動機の各相のワイヤゲージと巻線の巻数の総数を示す表である。 図２の電動機の電圧源回路の部分ブロック図である。 運転速度範囲にわたる図２の電動機の各相巻線に印加される電圧の例示的なプロットである。 図５に従って印加された電圧の電動機運転速度に対する電動機効率のプロットである。

Claims (13)

1. ステータとロータとを備える発電電動機械であって、
   前記ステータは、各々にコイルの総数が巻かれた複数のコアセグメントを含み、
   前記コアセグメントのうちの第１のコアセグメントのコイルの総数が前記コアセグメントのうちの第２のコアセグメントのコイルの総数とは異なることを特徴とする発電電動機械。
2. 前記第１のコアセグメントのコイルのワイヤゲージは、前記第２のコアセグメントのコイルのワイヤゲージとは異なることを特徴とする請求項１に記載の発電電動機械。
3. 前記ステータが少なくとも３つのコアセグメントを含み、
   前記コアセグメントの各々は、少なくとも１対の磁極で構成され、前記コイルが該磁極に巻かれて相巻線を形成し、
   各相巻線が、他の相巻線の各々とは異なる巻線総数を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の発電電動機械。
4. 前記コアセグメントの各々は、前記他の全てのコアセグメントとの直接接触から分離された強磁性材料を含み、前記コアセグメントは、回転軸の周りにほぼ均等に間隔を置いて配置されていることを特徴とする請求項３に記載の発電電動機械。
5. 前記相巻線の１つは、他の相巻線の少なくとも１つのコイルゲージとは異なるゲージのコイルを含むことを特徴とする請求項３に記載の発電電動機械。
6. 各相巻線は、他の相巻線の各々のコイルゲージとは異なるゲージのコイルを含むことを特徴とする請求項５に記載の発電電動機械。
7. 前記相巻線のゲージサイズは、前記相巻線のコイル巻数の総数に対して反比例の関係にあることを特徴とする請求項６に記載の発電電動機械。
8. 前記ロータは、複数の永久磁石を含むことを特徴とする請求項１に記載の発電電動機械。
9. ステータとロータとを有する発電電動機械であって、
   前記ステータが強磁性材料を含む少なくとも３つのコアセグメントを含み、前記コアセグメントは回転軸の周りにほぼ均等に間隔を置いて配置されて、且つ互いの直接接触から分離され、各コアセグメントは、相巻線を形成するために幾つかのコイルが巻かれた少なくとも１ペアの磁極で構成され、
   前記相巻線のうちの第１の相巻線が前記相巻線のうちの第２の相巻線のワイヤゲージとは異なるワイヤゲージを有することを特徴とする発電電動機械。
10. 各相巻線は、他の相巻線の各々のワイヤゲージとは異なるワイヤゲージを有することを特徴とする請求項９に記載の発電電動機械。
11. 前記第１の相巻線のコイル数は、前記第２の相巻線のコイル数とは異なることを特徴とする請求項９に記載の発電電動機械。
12. ステータとロータとを有する発電電動機械であって、
    前記ステータは、複数の強磁性コアセグメントを有し、前記コアセグメントは、回転軸の周りにほぼ均等に間隔を置いて配置され且つ互いの直接接触から分離され、各コアセグメントは、相巻線を形成するためコイルが巻かれた少なくとも１ペアの磁極で構成され、前記相巻線はコイルの総数と前記コイルのワイヤゲージによって特徴付けられたトポロジを有し、少なくとも２つの相巻線の各々が互いに異なるトポロジを有することを特徴とする発電電動機械。
13. 前記全ての相巻線が実質的に同じ合計銅質量を有することを特徴とする請求項９に記載の発電電動機械。

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