JP2012512628A - 高性能および高効率の電気車両ならびに製造方法 - Google Patents

Abstract

モータが１つのロータシャフトを駆動する複数のステータを備える、ハイブリッド電気車両のモータシステム。２値コントローラが、最大システム効率を実現するためにモータ負荷に応じて対応するステータ巻線を起動する。

Description

本米国特許出願は、参照により全体が本明細書に組み込まれている、２００８年１２月１５日に出願した米国仮出願第６１／１２２５３１号の優先権を主張するものである。

電気車両およびハイブリッド電気車両は、既存車およびコンセプト車共に、ガソリンコストの上昇、より長い通勤時間、交通渋滞、ならびに温室効果ガス（ＧＨＧ）の排出および外国産石油の使用の帰結についての周知度の増加の結果として、近年人気を得ている。

国内産原油掘削の実態とは、我々の即座の要求を満たすに十分な回収原油を処理するための設備や精油所が十分にないことである。いかなる回収原油も、少なくとも８年間は公共消費できる状態にならないであろう。外国産石油の輸入、国内産石油の生産と新しい技術との間の橋渡しをするのに使用されている２つの他の選択肢は、エタノールおよび圧縮天然ガスである。両方の燃料は、外国産石油源にアメリカが依存する問題を解決する。いずれの燃料も、温室効果ガスの排出および完全に再生可能なエネルギー源の問題を解決するものではない。

エタノールは、南アメリカで製造される砂糖エタノールと異なり、トウモロコシやスイッチグラスから米国で製造され、燃料添加物および直接燃料源の両方として利用されている。エタノール燃料は、ガソリンよりもクリーンであるが、エタノールを製造するプロセスは、石炭を燃焼してトウモロコシをエタノールに変えるエタノール生成設備を含めて、温室効果ガス発生源がいっぱいである。

圧縮天然ガス（ＣＮＧ）は、化石燃料源であり、米国で豊富に見つけ出される。これは、よりクリーンな燃焼燃料であるが、依然として温室効果ガスを発生する。ＣＮＧを取り巻くイノベーションは、主として４つのこと、すなわちＣＮＧの回収、この燃料源を貯蔵するのに必要とされるタンクがより大きいのでＣＮＧを受け入れるためのガスステーションの改装、ＣＮＧを受け入れることができるエンジンを製造する輸送生産ラインの設備改善、および温室効果ガスの排気流の洗浄を対象としている。

自動車開発の分野における「聖杯（ｈｏｌｙ ｇｒａｉｌ）」は、際限のない自動車オプション、また同時に燃料効率の著しい改善、ゼロエミッションエンジンへの移行、および自動車が電気の場合の充電なしでの長距離走行を需要者に与えることである。自動車買手は、収納空間、動力や牽引容量がほとんど／全くない状態で小さな自動車を購入することを強いられることは望まない。

また、開発者は、新しいエンジンに動力を供給するために、ソーラーおよびタービンなどの新しい発電源を利用している。明らかに、これらの電源は共に、再生可能であり、回収、精製および生産のための複雑なプロセスを利用していない。この特別な技術のキーイノベーションは、タービン開発での同様な進歩に加えて、ソーラーパネルおよび構成部品の効率およびサイズを改善する。これらのイノベーションは、既にソーラー発電および風力タービン発電で大規模に起こっている。

いったん電力が発生され、バックアップ電力が蓄電されると、次のステップは、自動車ファンに、これらの新しい自動車を運転すること関して興奮する理由を与えることである。この興奮の大部分は、性能の損失なしで異なる地域にわたって電力で迅速に移動できる性能から生じる。

技術は、「理想車両」の概念を通常の需要者のために現実にするのに十分進歩している。理想車両は、風、波または太陽などの際限のない再生可能な源泉によって動力を供給される。風および波の場合には、これらの源泉のそれぞれは、車両の電池を充電するのに使用される電気を発生するのに利用され得る。理想車両は、そのタイプは何であれ上記のように自動車買手が購入を望む車両である。需要者がＳｕｂｕｒｂａｎやＨｕｍｍｅｒなどの大型のＳＵＶを購入することを望む場合には、自動車は、電気で、強力で、かつ充電と充電の間に長い走行範囲を有するべきである。また、これらの自動車は、動力および電気の一方向需要者であることと異なり、必要ならば、家庭や他の設備で動力を供給することができるゼロエミッション車両であるべきである。

研究員が新しい改善されたエンジンを引き続き開発する場合には、集中されるいくつかの分野があり、すなわち性能、効率および使い勝手である。性能は、車両が（これが自動車、オートバイまたはボートであれ）、より多くの動力について運転手による「要求」のもとでいかに応答するかによって評価され得る。運転手が、急速に加速することまたは安定した速度で傾斜面に組みつくことのいずれを望むにせよ、性能は、エンジンを製造かつ／または改善する場合に重要な考慮事項である。効率は、性能に関係があるが、いかにうまくモータがさまざまな電力出力レベルに応答するかによって評価される。最後に、使い勝手は、エンジンおよび関連する装置が製造するのに容易か、取付けに容易か、かつ需要者による保守に容易かどうかに関係する。これらの構成要素の特性のすべてが、新しいエンジン技術を設計し、開発し、かつ製造する場合に考慮され、釣り合いがとられるべきである。

Ｔｅｓｌａ ＭｏｔｏｒｓからのＴｅｓｌａ Ｒｏａｄｓｔｅｒなどの電気車両は、一定の利点を有する。これらは、温室効果ガスを全く発生しないので「ゼロエミッション」車両と考えられる。しかしながら、従来の電気車両と関連する一定の制限がある。最も重要なことには、電気車両の範囲が、その電池容量、および電池の長い再充電時間によって制限される。鉛蓄電池を使用する通常の電気車両は、再充電が要求されるまでに、１００マイル未満の範囲を有する。ニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池およびリチウムイオン電池などの進歩した電池は、より大容量を有するが、それでも長距離走行に使用されることはできない。電気車両の他の欠点は、その電源である。電気車両は温室効果ガスを発生しないが、これらは、発電所で発生されるエネルギーを利用している。これらの発電所の大多数は、温室効果ガスを排出し、発電所で発生される電力のうちの多くが、発電所から需要者までの送電の間に浪費される。

ハイブリッド電気パワートレイン（電動機および内燃機関の組合せ）の使用は、電気車両の範囲制約に取り組んでいるが、燃料消費および温室効果ガスの排出の問題に取り組んでいない。従来のハイブリッド電気車両は、通常、小さなガソリンエンジンおよび電動機を有する。電動機、ガソリンエンジン、または両方の組合せは、車両に動力を供給するのに使用され得る。したがって、電池がエネルギーに関して小さい場合、車両は、ガソリンエンジンを単独で使用してそれでも運転することができる。通常、伝統的なハイブリッド電気車両は、それらの電池を充電するために回生制動を使用する。

国際公開第２００８／０６７６４９号

従来のハイブリッド電気車両にはいくつかの欠点がある。第１に、伝統的なハイブリッド電気車両は、（エンジンおよびトランスミッションを含む）完全な内燃機関システムおよび（発電機、電池、および電動機を含む）電動機システムの両方を有する。したがって、車両の重量が、電気車両、または同様なサイズのガソリンエンジンを有するガソリン車両に比べて大きく増加される。さらに、車両の製造コストが、内燃機関システムおよび電動機システムの両方を有することが必要なために増大される。最後に、ハイブリッド電気システムの従来の回生制動は、ガソリンエンジンによって発生されるエネルギーの重要な部分が浪費され、回収不可能であるために非効率である。

電気車両と従来のハイブリッド電気車両の両方に共通の問題は、電池の重量およびコストである。両方のタイプの車両は、大きくて重たい電池パックを運搬しなければならない。さらに、それぞれの連続した充電および再充電サイクルの場合、電池パックの容量は低下する。通常、電気車両または伝統的なハイブリッド電気車両の電池パックは、１００，０００マイルのような一定期間の使用後に取り替えられなければならない。

したがって、たとえすべてでなくても、上で述べた問題、すなわちより長い範囲、より軽い重量、高効率の発電、ほとんどまたは全くない化石燃料、通常サイズまたはより小さなモータシステム、およびより小さな電池パックのうちの大多数を解決する特徴を有する電気車両を作り出すことが理想である。本出願は、参照により本明細書に組み込まれている、２００８年２月１３日に出願した米国仮出願第６１／０２８３５３号に関係がある。しかしながら、本明細書において開示される、意図される車両は、その中に開示されるハイブリッド電気車両と異なり、電気車両である。

モータ構成部品、少なくとも１つのモータステータモジュール、および少なくとも１つの２値コントローラを含むモータシステムが開示され、２値コントローラは、少なくとも１つのモジュールに結合される。また、いくつかの実施形態では、意図されるモータシステムは、少なくとも１つの主モータコントローラを備え、主モータコントローラは、車両速度構成部品に結合される。また、これらのモータシステムを使用する方法、および意図されるモータシステムを備える電動車両が開示される。

共通のロータ１１０、２つの２値スケールドステータモジュール１２０を有する２ステージシステムを備えるモータシステム１００を示し、ステータモジュールが、２値コントローラ１３０に、次いで主モータコントローラ１４０に結合される図である。 モータシステム２００の他の意図される実施形態を示し、主モータコントローラ２１０が、回転タービン２３０、熱回収装置２４０および発電機２５０と一緒に、モータ構成部品２２０および少なくとも１つの２値コントローラ（図示せず）を調整し／制御している図である。 平均効率がエンジン負荷の減少と共に低下することを示す図である。

本明細書において詳細に開示されるように、これらの問題の解決策は、次の特徴、すなわちより長い範囲、より軽い重量、高効率の発電、最小またはゼロエミッション、より小さな電池パック、通常サイズまたはより小さなサイズのモータシステム、および向上させた電池寿命を有する自己動力型電気車両を含む。

第１に、電気車両用の電動機システムの正しいサイズを選択することが重要である。電動機システムのサイズは、性能特性ばかりでなく少ない電力要求のときの電気変換効率にも影響を及ぼす。高出力電動機は、優れた加速および優れた性能を与えるが、また、低負荷から中負荷のもとでは低効率になる。この効率の妥協は、通常の電動機の特定の効率曲線を基礎としている。たとえば、８０％およびこれを超える効率は、通常３０％を超える負荷率でのみ達成可能である。

走行状態の下で３０％またはこれを超える負荷率を達成するために、モータは、中から低電力出力サイズからならなければならず、これは、不運にも、車両の全性能を制限することになる。この問題に取り組むために、１つより多くの小さなモータを取り付けることができ、１つのモータだけが走行用に使用され、２つ以上のモータは、要求されるときに加速および性能を達成するように使用される。しかしながら、この設計は、コスト、複雑さ、および車両重量の増加を犠牲にして成立する。

具体的には、意図されるモータシステムは、負荷率、性能、コスト、複雑さ、および車両重量の問題に取り組み、少なくとも１つのモータ構成部品、少なくとも１つのモータステータモジュール、少なくとも１つの２値コントローラを含み、２値コントローラは、少なくとも１つのステータモジュールに結合される。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの主モータコントローラがあり、主モータコントローラは、車両速度構成部品に結合される。また、これらのモータシステム、および意図されるモータシステムを備える電動車両を使用する方法も開示される。

意図される実施形態は、本明細書において説明されるように、性能および効率の所望の増加を達成する、任意の適切なモータシステムまたはモータシステムの組合せを含むことができる。意図される実施形態では、意図される実施形態において電気である、少なくとも１つのモータシステムが、車両を運転するのに利用される。また、この新しい設計で非常にうまく作動する多くの適切なより小さな電動機がある。

意図される実施形態では、意図されるモータ構成部品は、ロータを備え、少なくとも１つのモータステータモジュールは、少なくとも２つの負荷支持モジュール構成部品を備える。いくつかの実施形態では、少なくとも２つの負荷支持モジュール構成部品は、異なる負荷値または同じ負荷値を含む。議論されるように、いくつかの実施形態では、少なくとも１つの２値コントローラは、少なくとも１つのプログラマブルチップ部品を備え、チップ部品は、２値コード化システムを備える。

他の実施形態では、意図されるモータ構成部品は、電気エンジンを備え、少なくとも１つのモータ構成部品として利用される１つまたは複数の電気エンジンがあることができる。このタイプの実施形態は、２値スケールドスイッチ（ｂｉｎａｒｙ ｓｃａｌｅｄ ｓｗｉｔｃｈ）リラクタンスモータでない１つまたは複数の電動機が利用される場合に有用である。これらの実施形態では、２値コントローラが、モータシステムのそのまたは各エンジンを制御する。

１つの意図されるモータは、スイッチドリラクタンスタイプの電動機を備え、これは、全体的な設計の一部として実施例の段落で詳述される。このタイプのモータは、その構成の一部として永久磁石を有さず、したがって、これは、受動的に回転するときにいかなるコギングロスも有さない。このタイプの実施形態では、そのときに使用されないモジュールは、システムの残部にいかなる引き摺り（ｄｒａｇ）も起こさない。ＤＣモータは、全くの引き摺りなしで自由に空転しない。コギングは、永久磁石から生じ、したがって、そのことについてはＡＣモータがより有利である。モータは、共通軸に単一のロータを有するが、１つより多くのステータモジュールは、コイル巻線を有する。ステータモジュールのうちのそれぞれのものは、互いに対して独立して電気的に接続されるが、少なくとも１つの２値コントローラと結合され、それにより一緒に制御される。これらのモータに隠された理論および作動は、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｆｌｅａｄｈ．ｃｏ．ｕｋ／ｓｒｍ．ｈｔｍ、およびｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｌｌａｂｏｕｔｃｉｒｃｕｉｔｓ．ｃｏｍ／ｖｏｌ２／ｃｈｐｔ１３／４．ｈｔｍにおいて見られることができ、これは、全体が参照により本明細書に組み込まれている。他の実施形態では、コントローラおよびスケーリングシステムが、発電機モジュールで等しくうまく作動する（２値スケールド発電機（Ｂｉｎａｒｙ ｓｃａｌｅｄ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ））。

意図される実施形態では、少なくとも１つのモータシステムは、−たとえば２×３０ｋｗの−同じサイズの２つのモータまたはステータモジュールに負荷を分割するように設計されることができ、１つは、３０ｋｗおよび６０ｋｗのような２つの予め選択された電力出力レベル、電力範囲、分解能またはそれの組合せでの状態になる。他の実施形態では、少なくとも１つのモータシステムを、２つの異なるサイズを有する２つの異なるサイズのモータまたはステータモジュール−２０ｋｗおよび４０ｋｗ−に分割することができ、その結果、少なくとも３つの予め選択された電力出力レベル、電力範囲、分解能またはそれの組合せ−この場合には２０ｋＷ、４０ｋＷおよび６０ｋＷ−を得るという利益が生じる。これらの分割式モータシステム設計は、２値コード化が予め選択された電力出力レベル、電力範囲、分解能またはそれの組合せを作り出すことになる、２値コード化システムを基礎としている。多ビットまたは２ビットの２値コードまたはコード化は、３ステップ分解能になる。３ビットの２値コード化（１０ｋＷ、２０ｋＷ、４０ｋＷ）は、７ステップ分解能、すなわち１０ｋＷ、２０ｋＷ、３０ｋＷ、４０ｋＷ、５０ｋＷ、６０ｋＷ、７０ｋＷをもたらす。このシステムの制御は、直接２値的であり、すべてのプログラマブルチップが、２値符号化コマンドを出すように設定される。２ビットモータの２値コードは、１、０１、１１であり、３ビットモータの場合は、１、０１、１１、００１、１０１、０１１、１１１である。コントローラは、いくつかの分離した（ｄｉｓｃｒｅｅｔ）ドライバモジュールもまた有することになる。各ステータモジュールを適合させると、これは、何でもみな同じハウジングに配置されるのでコストの莫大な増大にならない。内部に分割されるただ１つの２値制御モジュールが依然としてある。

さらに、少なくとも１つの主モータコントローラがあり、主モータコントローラは、少なくとも１つの車両速度構成部品に結合される。意図される実施形態では、車両速度構成部品は、スロットル構成部品または他の電力構成部品を備える。

図１は、共通のロータ１１０、２つの２値スケールドステータモジュール１２０を有する２ステージシステムを備えるモータシステム１００を示しており、ステータモジュールは、２値コントローラ１３０に、次いで主モータコントローラ１４０に結合される。通常、この実施形態は、それぞれ２０ｋＷの３つの２値ステップを与える２０ｋＷおよび４０ｋＷモジュールを有する小型車から中型車に適切である。２値コントローラモジュールは、どのモジュールがどの負荷に来るかを示す２値制御アルゴリズムを有するものである。表１は、適切なバイナリコードと一緒に３つのモジュールの１０５Ｋｗモータについて負荷分布の意図される例を示している。モジュールの間の負荷分布は、２値コード化（７ステップ）で示される。

表１：適切なバイナリコードと一緒に３つのモジュールの１０５Ｋｗモータについての負荷分布の意図される例を示す。

意図される主モータコントローラは、車両の所与の負荷率に応じてモジュールのうちの少なくとも１つを同時に作動させ、これにより、負荷率がモータの最適効率帯に常に適合されることが確実になる。走行状況下で、ただ１つのステータがフル加速であるのに使用され、すべてのステータモジュールが、同時に動作する。

また、意図される主モータコントローラは、外部電流源および／または電池パワーを利用することなく性能および効率を最大にするために車両の他の構成部品を制御する際に活動する。また、これらのコントローラは、電流発生モジュール、２次電池パワーパックまたは補助電池パワーパックおよび追加のモータを制御し、調整することに役割を担う。

意図される車両は、自動車、ボート、オートバイ、ジェットスキー、トラックまたは他の車両のような、任意の適切な車両を含むことができる。車両は、電動機システム、電池パック、発電機、および改変したギヤボックスをさらに備えることができる。また、いくつかの意図される実施形態は、モータコントローラ、または車両のさまざまな構成部品を調整するコントローラを備えることができる。また、車両は、電気車両に一般に見られる他の構成部品を備えることができる。

発電機または発電機の組合せは、車両に動力を供給するためのこの新しい電気システムのキービルディングブロックのうちの１つであり、このシステムでは、発電機または発電機の組合せは、任意の適切な効率のよい構成部品またはシステムを備えることができる。意図される発電機は、テスラ（Ｔｅｓｌａ）タービンなどのさまざまなタービン、回転装置、回転装置の同調単一ｒｐｍバージョン、国際公開第２００８／０６７６４９号に見られるものなどのペリペティア（Ｐｅｒｉｐｅｔｅｉａ）発電機またはそれの組合せを備えることができる。

改変したギヤボックス、新規な電気システムの第２の主要な構成部品は、ソース発電機から電動機まで直接電力を変換し、調整し、これにより、電気車両の動力および推進力に関する問題のうちの大多数が解決する。１つの重要な考慮事項は、エンジン、オルタネータ、および電気駆動モータがいつでもそれらの最適電力帯の範囲内で作動し、それにより、システム全体が最適効率になることである。これの鍵は、改変したギヤボックスであり、これは、無限可変ギヤボックスであることができ、またはそれを備えることができ、その結果、最小の内部トランスミッション損失を得る。１つの意図されるギヤボックスは、無損失で速度制御力を出力軸にフィードバックする、制御機構付きの遊星ローラ構成を備える。意図される実施形態は、エンジンとオルタネータとの間の１つ、および駆動モータと車輪との間の１つのような−１つより多い改変したギヤボックスを備えることができる。これらの多数のギヤボックスは、所望の最適範囲内ですべての構成部品の効率帯を最大化できるようになっている。

また、意図される電気車両は、世界中に配置されているウィンドファームで見られるもののような、風力タービンシステムと同じ原理を利用することができる。意図される電気車両に配置される電池または電池パックは、回生制動を通して再充電されるバックアップ電源として主として（かつ、最も通常の駆動条件において控えめに）利用される。

さらに、この意図される全体的な設計は、主電源として電池に信頼を置くことに関係がある固有の問題を解決する。電池は、再生可能ではなく、通常の使用の２００から３００マイルよりも長い距離の間充電され続けておらず、環境に優しくない。具体的には、電気ギヤボックスは、通常の３から６レベルではなくて、無限の量のギヤを送り込むように回転機械態様を使用する電気−機械装置であり、これは、車輪に合わせて絶えず変化する電力量になるが、電源は、（回転／タービン構成が使用されている場合）その最も良好な燃料効率ｒｐｍで一定に維持される。これはまた、全く高価な電気モータコントローラも置き換える。意図されるギヤボックスは、現存するギヤボックスから改変されることができ、またはカスタム設計であることができ、かつ／または必要に応じて車両用に製造され得る。

図２は、モータシステム２００の他の意図される実施形態を示し、主モータコントローラ２１０は、回転タービン２３０、熱回収装置２４０および発電機２５０と一緒に、モータ構成部品２２０および少なくとも１つの２値コントローラ（図示せず）を調整し／制御している。発電機２５０およびモータ構成部品２２０は、２０ｋＷおよび１００ｋＷの電力出力レベルで適合される。電池パックが他の実施形態に設けられる場合、電池の電力は、通常、トヨタによるＰｒｉｕｓ（ＴＭ）などの従来のハイブリッドで見られるように、車両用のバックアップとして、かつ主電力としてではなく使用されるだけである。

意図される車両は、回生制動システムをさらに備えている。回生制動システムは、前輪のブレーキに連結し、バックアップ電池／電池パックを充電する働きをする。しかしながら、この新規な電気システムは、システムが機能するために電池電力を必要としないという点で従来の電気システムとは著しく異なることをこの開示から理解すべきである。電池電力が追加の電力を有する車両を設けるのに必要とされる場合には、電池は、支持機能だけに、かつ主電源としてではなく利用される。

上で説明された車両についていくつかの利点がある。第１に、車両は、システムがコントローラ、コンデンサバンク、および大きな電池パックの必要性を排除するので、従来のハイブリッド電気車両に比べてより効率がよい。第２に、従来のハイブリッド電気車両に比べて、車両についての重量、および製造コストは、完全な内燃機関システムを取り付ける必要がなく、内燃機関のトランスミッションのような構成部品がもはや必要ではないので、低減される。電池式電気オンリーの車両に比べて、車両の範囲は、電池容量に制限されない。車両の範囲が電池パック容量によって制限されないので、電池パックのサイズおよび重量は、従来の電気オンリーの車両の電池パックよりも小さくされ得る。

本明細書において開示される電気車両を利用する１つの追加的な利点は、システムが、「一方向需要者」であることと異なり家庭または他の設備にプラグを差し込み、家庭に電力を供給することができることである。換言すれば、従来の電気車両は、家庭にプラグを差し込まれ、従来の電気車両から電力を取り出しながらそれでいて、いくつかのものは、汚れた配電網が巨大な電池バンクを充電することを示す。本明細書において開示される電気車両は、これらが家庭または設備に対して電力を取り出しまたは供給することができるという点で「双方向需要者」と考えられる。オーストラリアなどの世界のいくつかの地域では、車両による家庭のこの電力供給は、家庭に電力を供給する高圧送電線網を用いるよりもより経済的に行われ得る。また、建設作業者は、自分自身のトラックによって建造している事業に電力を供給することもできる。他の実施形態では、これらの新しい電気車両は、伝統的な電源が中断されまたは損傷されている自然災害および気象イベントの間中特に有益である。自宅所有者や企業は車両を発電機として利用できる。

実施例１：２値スケールドスイッチドリラクタンスモータ（ＢＳＳＲＭ）
車両負荷率に応じて、２値コントローラは、この電力出力範囲になるそれぞれのステータモジュールを作動させることによって、電力範囲を予め選択する。この範囲の範囲内で、出力分解能は、スロットル入力に関して車両の速度を制御する主モータコントローラの分解能によって決定される。意図される実施形態では、２値コントローラは、デューティサイクルが５０％より決して小さくないことを確実にするように正しいモータ定格を選択し、したがって、効率を最大化する。意図される２ビットの２値モータは、実際３つの異なるサイズのモータを表す。意図される３ビットの２値モータでは、７つの異なるサイズのモータが、１つのロータを有する１つのハウジングに表される。

意図されるスイッチリラクタンス（ＳＲ）モータは、ロータの誘導場を確立することを利用する任意のＡＣモータと異なり、起動時に電流の急激な増加は全く有さない。電流の急激な増加は、これが作動電流の数倍の大きさ程度の瞬時の電流引き込みを生じるので問題であり得る。

意図されるＳＲモータ設計は、電気車両の将来の使用の増加について沢山の見込みを保持している。設計は、次のように要約され得るいくつかの固有の利点を有し：
任意のモータの構成の複雑さが最も少ない（プレス部品）こと、
製造の安価さと容易さ、
９０％より大きな効率が可能なこと、
突入電流なしでトルク−イナーシャ比が高いこと、
高い信頼性（ブラシ摩耗なし）、
効率損失によるロータの加熱がない、ステータ温度だけが増加すること、
独立の巻線がフォールトレトラント堅牢構造を可能にすること、
高起動トルク、
平坦な効率曲線、
永久磁石の欠如により高作動温度が可能なこと、
効率の低下なしで高速運転が可能なこと、
可逆であること、
発電機として使用できること、である。

ＳＲモータの１つの主な欠点は、運転中に振動および騒音を引き起こす高いトルクリップルである。しかしながら、これは、より多数の極を使用することによって、かつ精巧な高速スイッチングコントローラを用いて克服され得る。今日まで、ＳＲモータは、電気掃除機（Ｖａｃｕｕｍ ｃｌｅａｎｅｒｓ）、手持ち式電動工具、空気圧縮機等のような一定高速度および一定負荷の用途に主に使用されている。

意図される実施形態は、電気車両用の自動車推進システムでの使用に適するＳＲモータを作る働きをする。電気車両の場合、モータに対する基本要求事項は、一定速度の工業用途に見出されるものとは実質的に異なる。一般に、これらは、ａ）全速度領域および全負荷領域にわたって高いモータ効率を維持する必要性、ｂ）直接駆動により急加速を可能にする適切なトルク、ｃ）現在の技術ではこれらの要求事項の両方は同時に満たすのが困難であること、である。いつでも９０％より高くモータ効率を維持するために、モータは、少なくとも４０％の平均デューティサイクルを維持する必要がある。このために、モータは、相対的に小さく保たれなければならない。しかしながら、小さなモータは、良好な加速および適切な最高速度を確実にするのに十分なピークトルクを有していない。

図３は、平均効率がエンジン負荷の減少と共に低下することを示している。「ＢＳＳＲＭ」技術は、性能が最良の経済性を犠牲にして進歩する必要がないことを確実にするように特に開発されている。２値スケールドモータは、少なくとも２つの別個のステータセグメントを持っている単一のロータを有し、ここに、それぞれの連続するセグメントは、先のものの出力定格の２倍を有する。小型から中型の車両の場合、定格が２０ｋＷおよび４０ｋＷの２つのモジュールモータが適切である。

２つのセグメントの２値スケールドモータでは、３つの異なるベースパワーレベル、すなわち２０ｋＷ、４０ｋＷおよび６０ｋＷが与えられる。ステータセグメントは、所与の電力要求に従ってＢｉｎａｒｙ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ Ｍｏｄｕｌｅｓを通して継ぎ目なく切り換えられ、これは、表２に示されている。この方法により、いかなる個々のモータセグメントも任意の所与の時間に最大量の少なくとも５０％の公称負荷を有さないことが確実になる。３つのセグメントの２値スケールドモータは、より初期に表１に示されたように、最も小さなステータセグメントと等価のステップで７つのパワーレベルを可能にする。

表２：負荷分布の意図される例を示す。

このようなモータが装着されている車両は、１０５ｋＷの高トルクモータのため高性能特性を有することになる。２０ｋＷから２５ｋＷの平均消費電力だけを必要とする走行モードでは、モータは、７０％を超える平均負荷率のため効率が９０％を十分に超えるところでなお作動することになる。しかしながら、単段１０５ｋＷモータは、同じ条件下でちょうど２０％を超える負荷率しか有さず、それによって著しく低いエネルギー効率的運転になる。

また、さまざまな改変、適合、およびそれの他の実施形態が、本開示の範囲および主旨の範囲内で行われ得ることを理解されたい。たとえば、意図される車両は、前輪駆動、四輪駆動、車輪の任意の他の組合せによって駆動され、または多数の電気モータによって駆動されることもできる。

このように、高性能および高効率の電気車両の特定の実施形態および用途、ならびに製造方法が、開示されている。しかしながら、既に説明されたものの他にもさらに多くの改変が、本明細書における発明概念から逸脱することなく可能であることが当業者には明らかである。したがって、本発明の主題は、開示の主旨以外は拘束されるべきではない。さらに、開示を解釈する際に、すべての用語は、文脈と一致した最も広い可能な方法で解釈されるべきである。特に、用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、非排他的な方法で要素、構成部品、またはステップを参照するように解釈されるべきであり、参照される要素、構成部品、またはステップは、明白に参照されていない他の要素、構成部品、またはステップと共に存在し、利用され、または組み合わされ得ることを示すものである。

Claims (20)

1. 少なくとも１つのモータ構成部品と、
   少なくとも１つのモータステータモジュールと、
   少なくとも１つの２値コントローラとを備えるモータシステムであって、２値コントローラが少なくとも１つのモジュールに結合されるモータシステム。
2. モータシステムが電動機を備える、請求項１に記載のモータシステム。
3. モータ構成部品がロータを備える、請求項１に記載のモータシステム。
4. 少なくとも１つのモータステータモジュールが、少なくとも２つの負荷支持モジュール構成部品を備える、請求項１に記載のモータシステム。
5. 少なくとも２つの負荷支持モジュール構成部品のうちのそれぞれが、異なる負荷値を含む、請求項４に記載のモータシステム。
6. 少なくとも２つの負荷支持モジュール構成部品のうちのそれぞれが、同じ負荷値を含む、請求項４に記載のモータシステム。
7. 少なくとも１つの２値コントローラが、少なくとも１つのプログラマブルチップ部品を備える、請求項１に記載のモータシステム。
8. 少なくとも１つのプログラマブルチップ部品が、２値コード化システムを備える、請求項７に記載のモータシステム。
9. ２値コード化システムが、多ビットの２値コードを含む、請求項８に記載のモータシステム。
10. ２値コード化システムが、少なくとも１つの予め選択された電力出力レベル、電力範囲またはそれの組合せを発生させる、請求項８に記載のモータシステム。
11. 少なくとも１つの予め選択された電力出力レベルが、３ステップ分解能を含む、請求項１０に記載のモータシステム。
12. 少なくとも１つの予め選択された電力出力レベルが、７ステップ分解能を含む、請求項１０に記載のモータシステム。
13. 少なくとも１つの２値コントローラが、少なくとも１つの分離したドライバモジュールを備える、請求項１に記載のモータシステム。
14. 少なくとも１つの主モータコントローラをさらに備え、主モータコントローラが、車両速度構成部品に結合される、請求項１に記載のモータシステム。
15. 少なくとも１つの電流発生モジュール、少なくとも１つの２次電池パワーパックもしくは補助電池パワーパック、少なくとも１つの追加モータまたはそれの組合せをさらに備える、請求項１に記載のモータシステム。
16. 少なくとも１つの発電機をさらに備える、請求項１に記載のモータシステム。
17. 少なくとも１つの発電機が、テスラタービンなどのタービン、回転装置、回転装置の同調単一ｒｐｍバージョン、ペリペティア発電機またはそれの組合せを備える、請求項１６に記載のモータシステム。
18. 請求項１に記載のモータシステムを備える、電動車両。
19. 車両が、自動車、ボート、オートバイ、ジェットスキーまたはトラックを含む、請求項１８に記載の電動車両。
20. 少なくとも１つのモータ構成部品が、２値スケールドスイッチリラクタンスモータを備える、請求項１に記載のモータシステム。

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