JP2018026995A - 極数切替電気機械 - Google Patents

Abstract

【課題】極数および巻数の両方を切替可能な極数切替電気機械が提供される。
【解決手段】低速領域において極数および巻数が増加され、高速領域において極数および巻数が低減される。これにより、強力な低速性能と低い高速銅損が実現される。さらに、高速領域におけるバックEMFを低減することができる。ステータコイルに接続されるパワーコンバータは、４個以上のレグをもつ。パワーコンバータは極数および巻数の変更のため追加の切替回路を必要としない。
【選択図】図１

Description

本発明は極数および巻数を変更可能な電気機械に関し、特に極数および巻数を変更可能な車両用モータに関する。

一般に、車両モータは低速領域における強力なトルクと広い速度範囲における高効率の運転を要求する。特に、スタータジエネレータは極低回転領域における高トルクと、高速領域における低損失を要求する。一般に、低速トルクは巻数又は極数の増加により増加する。しかし、巻数の増加は銅損の増加および最高回転数の低下を招く。極数の増加は鉄損の増加および最高回転数の低下を招く。したがって、スタータジエネレータはエンジン始動のための極低回転領域における高極数および高巻数と、発電のための高速領域における低巻数および低極数とをもつことが好適である。

このため、公知の巻数切替式モータ又は極数切替モータは本質的にスタータジエネレータに適合している。けれども、従来の巻数切替モータの巻数比又は極数切替モータの極数比は一般に２である。このような低い切替比率は、エンジン始動動作発電動作との間の運転条件が非常に異なるスタータジエネレータにとって追加製造コストおよび追加電力損失と比べて十分ではなかった。

特許文献１は永久磁石極とリラクタンス極とを切り換える倍極同期モータのロータを開示する。しかし、永久磁石は製造コストを増加させる。

特開２０１４ー３９４４６号公報

従来の巻数切替式モータ又は極数切替モータは、追加製造コストおよび追加電力損失と比べて切替効果が不十分であるという問題をもっていた。本発明の一つの目的は、高い低速起電力および低い高速銅損をもつ電気機械を提供することである。本発明のもう一つの目的は高い低速起電力および広い有効速度範囲をもつ電気機械を提供することである。

本発明の極数切替電気機械によれば、ステータコイルは、４個以上のレグからなるパワーコンバータに接続される３個以上の相コイルからなる。各レグは、直列接続された上アーム素子および下アーム素子からなる。この極数切替電気機械は、ステータコイルの極数および巻数の両方を増加させる極数増加モードと、ステータコイルの極数および巻数の両方を増加しない標準モードとをもつ。

極数および巻数が低速領域において増加されるので、高い低速起電力が得られる。極数および巻数が高速領域において低減される。鉄損および銅損を抑制でき、有効速度範囲を拡大することができる。パワーコンバータは極数および巻数切替のための切替回路を兼ねる。

倍極モータと呼ばれる好適な一つの態様によれば、第１の３相巻線に接続される第１の３相コンバータはダブルエンド型の第２の３相巻線を通じて第２の３相コンバータに接続される。２つの３相巻線の一方を流れる３相電流の方向を相対的に逆転することにより、ステータ極数が倍増される。さらに、ステータ極数の倍増を実施しない時、２つの３相巻線がほぼ並列接続されるため、高速銅損の低減が実現する。この極数倍増技術によれば、簡素かつ低損失のパワーコンバータにより、ステータコイルの極数および巻数の両方を切り換えることができる。

３倍極モータと呼ばれる好適なもう一つの態様によれば、４個のレグからなる４レグコンバータが、直列接続された３個の相コイルからなる一つの直列３相巻線に接続される。極数および巻数が３倍増される極数３倍増モードによれば、単相電流が直列３相巻線を通じて流れる。

極数および巻数が３倍増されない標準モードによれば、３相電流が直列３相巻線を通じて流れる。この極数倍増技術によれば、簡素かつ低損失のパワーコンバータにより、ステータコイルの極数および巻数の両方を切り換えることができる。

図１は倍極スタータジエネレータの一例を示す配線図である。 図２は従来のWYEコイルの起電力および抵抗を示すベクトル図である。 図３は倍極発電モードの起電力および抵抗を示すベクトル図である。 図４は標準発電モードの起電力および抵抗を示すベクトル図である。 図５は倍極電動モードにおける相電流を示す模式図である。 図６は倍極ランデルロータコアを示す断面図である。 図７は中央コアを示す断面図である。 図８は倍極ランデルロータコアを示す断面図である。 図９は倍極ランデルロータコアの爪部を示す展開図である。 図１０は分布巻きステータコイルの標準モードの一例を示す展開図である。 図１１は分布巻きステータコイルの倍極モードの一例を示す展開図である。 図１２は標準発電モードにおけるスロット電流分布を示すベクトル図である。 図１３は倍極発電モードにおけるスロット電流分布を示すベクトル図である。 図１４は分布巻きステータコイルの標準モードのもう一つの例を示す展開図である。 図１５は分布巻きステータコイルの倍極モードのもう一つの例を示す展開図である。 図１６は標準発電モードにおけるスロット電流分布を示すベクトル図である。 図１７は倍極発電モードにおけるスロット電流分布を示すベクトル図である。 図１８はダイオード回路を収容する端子リングを示す側面図である。 図１９はもう一つの倍極スタータジエネレータをを示す配線図である。 図２０は倍極モードを示すベクトル図である。 図２１は標準モードを示すベクトル図である。 図２２はもう一つの倍極スタータジエネレータを示す配線図である。 図２３は３倍極タータジエネレータの配線図である。 図２４は３倍極ランデルロータコアの側面図である。 図２５は爪部を示す展開図である。 図２６は分布巻ステータコイルを示す展開図である。 図２７は集中巻ステータコイルを示す展開図である。 図２８は標準モードにおける６個のベクトルを示すベクトル図である。 図２９は３倍極モードにおける６個のベクトルを示すベクトル図である。 図３０はもう一つの３倍極スタータジエネレータを示す配線図である。 図３１は３倍極ロータを示す模式側面図である。 図３２は分布巻ステータコイルを示す展開図である。 図３３は標準モードにおける１２個のスロット電流を示すベクトル図である。 図３３は３倍極モードにおける４個のスロット電流を示すベクトル図である。 図３５は集中巻ステータコイルを示す展開図である。 図３６は標準モードにおける１２個の電流ベクトルを示すベクトル図である。 図３７は３倍極モードにおける１２個の電流ベクトルを示すベクトル図である。 図３８はもう一つの３倍極スタータジエネレータを示す配線図である。 図３９は標準モードにおけるロータコアを示す側面図である。 図４０は３倍極モードにおけるロータコアを示す側面図である。 図４１はもう一つの３倍極スタータジエネレータを示す配線図である。

極数および巻数を切り替え可能な電気機械の実施例が図面を参照して説明される。実施例において、ステータコイルに接続されるパワーコンバータはそれぞれ直流電源から給電される４個以上のレグをもつ。スイッチレグ又はダイオードレグからなるレグはハーフブリッジと呼ばれることができる。スイッチレグは直列接続された上アームスイッチおよび下アームスイッチからなる。ダイオードレグは直列接続された上アームダイオードおよび下アームダイオードからなる。星形接続型３相巻線はWｙｅコイルと呼ばれることができる。デルタ接続型３相巻線はデルタコイルと呼ばれることができる。ダブルエンド型の３相巻線はダブルエンドコイルと呼ばれることができる。直列に接続された３個の相コイルをもつ３相巻線は直列３相巻線又は開放デルタコイルと呼ばれることができる。よく知られているように、３相巻線の３個の相コイルに誘起される３つの相起電力のうちの任意の２つの間の位相差は本質的に電気角１２０度である。

図１は倍極スタータジエネレータを示す配線図を示す。界磁コイル式同期機からなるこのスタータジエネレータは第１の３相巻線１、第２の３相巻線２、３相整流器３、３相インバータ４、Hブリッジ７、ダイオード回路８および界磁コイル９を有している。３相巻線１および３相巻線２からなるステータコイルは、整流器３およびインバータ４からなるパワーコンバータに接続されている。

デルタコイルからなる３相巻線１はU相コイル１U、V相コイル１VおよびW相コイル１Wからなる。３相巻線１に接続される整流器３は、U相ダイオードレグ３U、V相ダイオードレグ３VおよびW相ダイオードレグ３Wからなる。レグ３Uおよび３Vに接続された相コイル１UはU相電圧VU１を発生する。レグ３Vおよび３Wに接続された相コイル１VはV相電圧VV１を発生する。レグ３Wおよび３Uに接続された相コイル１WはW相電圧VW１を発生する。相電圧は起電力又はバックEMFを意味する。

ダブルエンドコイルからなる３相巻線２はU相コイル２U、V相コイル２VおよびW相コイル２Wからなる。３相巻線２は整流器３およびインバータ４に接続されている。インバータ４はU相スイッチレグ４U、V相スイッチレグ４VおよびW相スイッチレグ４Wからなる。U相レグ３Uおよび４Uを接続する相コイル２UはU相電圧VU２を発生する。V相レグ３Vおよび４Vを接続する相コイル２VはV相電圧VV２を発生する。

W相レグ３Wおよび４Wを接続する相コイル２WはW相電圧VW２を発生する。６個の相コイル１U、１V、１W、２U、２Vおよび２Wは互いに等しい巻数をもつ。したがって、各相コイル１U-２Wに誘導される各相電圧は等しい振幅をもつ。整流器３の上アームダイオードおよびインバータ４の上アームスイッチは車両バッテリの正極に接続されている。整流器３の下アームダイオードおよび下アームスイッチこのバッテリの負極に接続されている。

Hブリッジ７およびダイオード回路８からなる界磁電流コントローラは界磁電流を制御する。界磁電流が供給される界磁コイル９は共通のロータコアに巻かれたサブコイル９１および９２からなる。サブコイル９１は電流方向の反転が可能な界磁コイルである。サブコイル９２は電流方向が一定である界磁コイルである。Hブリッジ７は２つのスイッチレグ７１および７２からなる。スイッチレグ７１は直列接続された上アームスイッチおよび下アームスイッチからなる。スイッチレグ７２は直列接続された上アームスイッチおよび下アームスイッチからなる。スイッチレグ７１および７２はバッテリから給電されている。

ダイオード回路８は、電圧降下用のダイオードペア８０と、２つの並列ダイオード８１および８２と、一つの直列ダイオード８３とからなる。ダイオードペア８０は逆並列接続された２個のダイオードからなる。ダイオード回路８はロータとともに回転する。

サブコイル９１の一端はダイオードペア８０およびスリップリング９３を通じてスイッチレグ７１の出力端子に接続されている。スリップリング９３は並列ダイオード８１のアノード電極に接続されている。サブコイル９１の他端はサブコイル９２の一端および並列ダイオード８２のアノード電極に接続されている。サブコイル９２の他端は直列ダイオード８３のカーソード電極および並列ダイオード８１のカソード電極に接続されている。直列ダイオード８３のアノード電極は並列ダイオード８２のカソード電極接続され、さらにスリップリング９４を通じてスイッチレグ７２の出力端子に接続されている。図１によれば、サブコイル９１および９２は直列に接続されている。しかし、定方向型のサブコイル９１と可変方向型のサブコイル９２は並列接続されることも可能である。

この界磁電流コントローラは直列界磁モードおよび並列界磁モードをもつ。直列界磁モードによれば、界磁電流はスイッチレグ７２からスイッチレグ７１へ供給される。直列界磁モードにおいて、サブコイル９１および９２は直列に接続される。並列界磁モードによれば、界磁電流はスイッチレグ７１からスイッチレグ７２へ供給される。並列界磁モードにおいて、サブコイル９１および９２は並列に接続される。並列界磁モードにおける２つのサブコイル９１および９２の印加電圧の差はダイオードペア８０によりキャンセルされる。並列界磁モードにおける界磁コイル９は、直列界磁モードと比べて１/４のインダクタンス値をもつ。したがって、界磁電流は並列界磁モードにおいて急速に立ち上がることができる。直列界磁モードにおいてサブコイル９１に供給される界磁電流の方向は、並列界磁モードにおいてサブコイル９１に供給される界磁電流の方向と反対となる。サブコイル９２に供給される界磁電流の方向は一定である。

後述されるように、サブコイル９１を流れる界磁電流の反転により、並列界磁モードは直列界磁モードと比べて倍増されたロータ極数を発生する。並列界磁モードによれば、ステータ極数も倍増される。並列界磁モードは倍極モードと呼ばれる。他方、直列界磁モードは標準モードと呼ばれる。

倍極モードによれば、相コイル２Uの起電力VU２は相コイル１Uの起電力VU１と同じ方向をもつ。同様に、相コイル２Vの起電力VV２は相コイル１Vの起電力VV１と同じ方向をもつ。相コイル２Wの起電力VW２は相コイル１Wの起電力VW１と同じ方向をもつ。倍極モードは少なくともエンジン始動のために選択され、標準モードは少なくとも発電のために選択される。回生制動又はトルクブーストにおいて倍極モードを選択することは可能である。

倍極モードにおいて、インバータ４は、検出したロータの回転角に応じて３相電流IX、IYおよびIZを３相巻線２を通じて３相巻線１に供給する。相コイル２Uに相電流IXを供給し、相コイル２Vに相電流IYを供給し、相コイル２Wに相電流IZを供給する。３個の相電流IX、IY、IZの和はゼロである。

標準モードにおいて、相コイル２U、２Vおよび２Wの起電力は倍極モードと比べて反転される。その結果、U相電圧VU１およびVU２は互いに反対の方向をもつ。同様に、V相電圧VV１およびVV２は互いに反対の方向をもつ。W相電圧VW１およびVW２は互いに反対の方向をもつ。これにより、U相電圧VU2およびVU１の振幅が最大である第１の位相期間に、U相コイル２UはU相コイル１Uと並列接続される。さらに、直列接続されたV相コイル１VおよびW相コイル１WのペアもU相コイル１Uと並列接続される。その結果、３相巻線１のU相電圧はレグ３Uおよび３Vにより整流される。さらに、レグ４Uおよびレグ３UはU相コイル２UのU相電圧VU２を整流する。

同様に、V相電圧VV2およびVV１の振幅が最大である第２の位相期間に、V相コイル２VはV相コイル１Vと並列接続される。さらに、直列接続されたW相コイル１WおよびU相コイル１UのペアもV相コイル１Vと並列接続される。その結果、３相巻線１のV相電圧はレグ３Vおよび３Wにより整流される。さらに、レグ４Vおよびレグ３VはV相コイル２VのV相電圧VV２を整流する。

W相電圧VW2およびVW１の振幅が最大である第３の位相期間に、W相コイル２WはW相コイル１Wと並列接続される。さらに、直列接続されたU相コイル１UおよびV相コイル１VのペアもW相コイル１Wと並列接続される。その結果、３相巻線１のW相電圧はレグ３Wおよび３Uにより整流される。さらに、レグ４Wおよびレグ３WはW相コイル２WのW相電圧VW２を整流する。結局、３相巻線１および２は標準モードにおいて実質的に並列接続される。

３相巻線１および２からなるステータコイルの起電力および抵抗値が図２-図４を参照して説明される。図２は従来のスタータジエネレータのステータコイルを示す。図３は倍極モードのステータコイルを示す。図４はU相電圧の振幅が最大である位相期間における標準モードのステータコイルを示す。図２-図４において、６個の相コイル１U-２Wはそれぞれ抵抗値ｒと起電力Vpをもつことが仮定される。

図２に示される従来のステータコイルは起電力３．５Vpおよび抵抗値４ｒをもつ。図３に示される倍極モードは図２に示される従来のステータコイルと比べて２倍の極数をもつ。したがって、この倍極モードは起電力５．５Vpおよび抵抗値２．６６ｒをもつ。図４に示される標準モード起電力１Vpおよび抵抗値０．４ｒをもつ。

結局、ステータコイルは、エンジン始動モードにおいて高いバックEMFをもち、発電モードにおいて低い抵抗値をもつ。さらに、高速領域におけるステータコイルのインダクタンス低減により、発電電圧の減少が抑止される。

図５は倍極モードにおける３相電流IX、IYおよびIZの一例を示すベクトル図である。デルタコイルである３相巻線１は、同等の起電力をもつWｙｅコイルと等価である。このWｙｅコイルは起電力VP1、VP2およびVP３をもつ。したがって、このWyeコイルの中性点の電位がゼロと仮定される時、電圧ベクトル（VP1＋VU２）がレグ４Uに印加され、電圧ベクトル（VP２＋VV２）がレグ４Vに印加され、電圧ベクトル（VP３＋VW２）がレグ４Wに印加される。このため、レグ４Uが供給する相電流IXの位相は電圧ベクトルVP1＋VU２の位相に近いことが好ましい。同様に、レグ４Vが供給する相電流IYの位相は電圧ベクトルVP２＋VV２の位相に近いことが好ましい。レグ４Wが供給する相電流IZの位相は電圧ベクトルVP３＋VW２の位相に近いことが好ましい。各相コイル１U-２Wのインピーダンスの電圧降下は図５において無視されている。

図６はロータ極数倍増可能なランデルロータ６を示す模式断面図である。ランデルロータ６はサブコイル９１および９２が巻かれたロータコア６３をもつ。ロータ軸６４に固定されたロータコア６３は左コア６５、中央コア６６および右コア６７からなる。左コア６５および中央コア６６のペアは従来のランデルロータコアと本質的に等しい。同様に、中央コア６６および右コア６７のペアも従来のランデルロータコアと本質的に等しい。界磁電流の方向が一定であるサブコイル９２はコア６５および６６のボス部６５Bおよび６６Bに巻かれている。界磁電流の方向が反転するサブコイル９１はコア６６および６７のボス部６６Bおよび６７Bに巻かれている。

図７は中央コア６６を示す軸方向断面図である。図８は右コア６７を示す軸方向断面図である。左コア６５は、ボス部６５Bから突出するポール部６５Pから後方へ延在する爪部６５Nをもつ。右コア６７は、ボス部６７Bから突出するポール部６７Pから前方へ延在する爪部６７Nをもつ。中央コア６６は、ボス部６６Bから突出するポール部６６Pから後方および前方へ延在する爪部６６Nをもつ。

図９はランデルロータ６の周方向１００へ配列された爪部６５N、６６N、６７Nを示す展開図である。爪部６６Nはそれぞれ、爪部６５Nおよび６７Nの間に配置されている。したがって、爪部６６Nの数は爪部６５Nおよび６７Nの数の総数に等しい。好適には、爪部６５Nおよび６７Nの個数はそれぞれ６であり、爪部６６Nの個数は１２である。爪部６５Nおよび６７Nは本質的に台形の形状をもち、爪部６６Nは本質的に平行四辺形の形状をもつ。その結果、倍極モードにおけるロータ磁束５０１は周方向において正弦波波形に近似した形状となる。同様に、標準モードにおけるロータ磁束５０２は周方向において正弦波波形に近似した形状となる。

長く伸びる爪部６５Nおよび６７Nの先端部の変形を抑制するために、電気絶縁性の補強部材を採用することができる。たとえば、この補強部材はスポーク付きの車輪からなる。爪部６５Nの先端はこのスポーク付き車輪のスポークに別々に固定される。同様に、爪部６７Nの先端はもう一つのスポーク付き車輪のスポークに別々に固定される。

直列界磁モードを採用する標準モードによれば、爪部６５NはN極をもち、爪部６７NはS極をもつ。したがって、ロータ極数は爪部６５Nおよび６７Nを数の和に等しい。たとえば、ロータ極数は１２極となる。他方、並列界磁モードを採用する倍極モードによれば、爪部６５NはN極を保持し、爪部６７NはN極となる。さらに、爪部６６NはS極となる。したがって、ロータ極数は、爪部６５N、６６Nおよび６７Nの総数となる。たとえば、ロータ極数は２４極となる。

図１０および図１１は、３相巻線１および２からなるステータコイルの一つの巻線例を示す模式展開図である。３相巻線１および２は２層重ね巻き方式でステータコア５に巻かれている。ステータコイルは分布巻き又は集中巻きを採用することもできる。図１０は電気角３６０度に相当する範囲内に６個のスロットS１-S６をもつ標準モードを示す。図１１は電気角７２０度に相当する範囲内に６個のスロットS１-S６をもつ倍極モードを示す。相コイル１U、１V、１Wは矢印付きの実線で図示されている。相コイル２U、２V、２Wは矢印付きの破線で図示されている。矢印は相電流の方向を示す。ステータコア５の２つのティースが一つの相コイルの往き導体と還り導体との間に配置されている。往き導体は相電流がスロット内へ流れ込む導体を意味し、還り導体は相電流がスロットから流れ出す導体を意味する。結局、一つの相コイルの往き導体と還り導体との間の電気角は、図１０に示される標準モードにおいて１２０度であり、図１１に示される倍極モードにおいて２４０度である。

図１２は、標準モードにおいて６個のスロットS１-S６を別々に流れる６個のスロット電流W-V、W-U、V-U、V-W、U-W、U-Vを示すベクトル図である。このスロット電流は、一つのスロット内を流れる全ての相電流の合成ベクトルを意味する。スロット電流W-VはスロットS１を流れる。スロット電流W-UはスロットS２を流れる。スロット電流V-UはスロットS３を流れる。スロット電流V-WはスロットS４を流れる。スロット電流U-WはスロットS５を流れる。スロット電流U-VはスロットS６を流れる。

図１３は倍極モードにおいて６個のスロットS１-S６を別々に流れる３つのスロット電流V-W、W-U、U-Vを示すベクトル図である。スロット電流V-WはスロットS１およびS４をそれぞれ流れる。スロット電流W-UはスロットS２およびS５をそれぞれ流れる。スロット電流U-VはスロットS３およびS６をそれぞれ流れる。

図１４および図１５は、ステータコイルのもう一つの巻線例を示す模式展開図である。３相巻線１および２は２層重ね巻き方式でステータコア５に巻かれている。図１４は電気角３６０度の角度範囲内に１２個のスロットS１-S１２をもつ標準モードを示す。図１５は電気角７２０度の角度範囲内に１２個のスロットS１-S１２をもつ倍極モードを示す。相コイル１U、１Vおよび１Wは矢印付きの実線で図示されている。相コイル２U、２Vおよび２Wは矢印付きの破線で図示されている。矢印は相電流の方向を示す。

ステータコア５の３つのティースが一つの相コイルの互いに隣接する往き方向導体と還り導体との間に配置されている。結局、一つの相コイルの往き導体と還り導体との間の電気角は、図１４に示される標準モードにおいて９０度であり、図１５に示される倍極モードにおいて１８０度である。

図１６は、標準モードにおいて１２個のスロットS１-S１２を通じて別々に流れる１２個のスロット電流のベクトルを示す。スロット電流は、１個のスロット内のすべての相電流の合成ベクトルを意味する。スロットS２内のスロット電流U＋Wはスロット電流-Vに等しい。スロットS１２内のスロット電流-V-Wはスロット電流Uに等しい。スロットS１０内のスロット電流U＋Vはスロット電流-Wに等しい。スロットS８内のスロット電流-W-Uはスロット電流Vに等しい。スロットS６内のスロット電流V＋Wはスロット電流-Uに等しい。スロットS４内のスロット電流-U-Vはスロット電流Wに等しい。

図１７は、倍極モードにおいて１２個のスロットS１-S１２を通じて別々に流れる６つのスロット電流U-V, U-W, V-W, V-U, W-UおよびW-Vを示す。スロット電流U-VはそれぞれスロットS１およびS７を流れる。スロット電流U-WはそれぞれスロットS２およびS８を流れる。スロット電流V-WはそれぞれスロットS３およびS９を流れる。スロット電流V-UはそれぞれスロットS４およびS１０を流れる。スロット電流W-UはそれぞれスロットS５およびS１１を流れる。スロット電流W-VはそれぞれスロットS６およびS１２を流れる。

図１８はダイオード回路８を内蔵する端子リング１１を示す側面図である。モータハウジング１２はロータ軸６４を支持している。ロータ軸６４に固定された端子リング１１はロータコア６３に隣接している。端子リング１１の４つのターミナルは界磁コイル９をスリップリング９３および９４に接続する。図１８は端子リング１１の端子１１１、１１２および１１３だけを示す。

図１９はもう一つの倍極スタータジエネレータを示す。このスタータジエネレータは本質的に図１に示されるスタータジエネレータと等しい。しかし、図１９に示される３相巻線１はWｙｅコイルからなる。エンジン始動のための倍極モードによれば、相コイル２Uおよび１Uは同じ方向のバックEMFを誘起する。同様に、相コイル２Vおよび１Vは同じ方向のバックEMFを誘起する。相コイル２Wおよび１Wは同じ方向のバックEMFを誘起する。この倍極モードによれば、U相スイッチレグ４Uは、相コイル２Uおよび１UにU相電流IUを供給する。同様に、V相スイッチレグ４Vは、相コイル２Vおよび１VにV相電流IVを供給する。W相スイッチレグ４Wは、相コイル２Wおよび１WにW相電流IWを供給する。

発電のための標準モードによれば、相コイル２Uおよび１Uは反対方向の相電圧を誘起する。同様に、相コイル２Vおよび１Vは反対方向の相電圧を誘起する。相コイル２Wおよび１Wは反対方向の相電圧を誘起する。３相巻線２の相コイル２U、２V、２Wは３相巻線１の相コイル１U、１V、１Wの巻数の３/２倍又は５/３倍又は７/４倍又は２倍の巻数をもつことが好適である。２つの３相巻線１および２の間の巻線比の調整のために、３相巻線１又は２のスロット導体の一部を省略することも可能である。

図２０は倍極モードにおける各相コイルのバックEMFを示す。３本の破線は相間バックEMF（逆起電力）を示す。図２１は標準モードにおける各相コイルの発電電圧を示す。

図２２はもう一つの倍極スタータジエネレータを示す。このスタータジエネレータは図１９に示される倍極スタータジエネレータと本質的に等しい。しかし、このスタータジエネレータによれば、３相インバータ３が整流器３の代わりに採用される。さらに、３相巻線２は３相巻線１と等しい巻数をもつ。

３相インバータ３はU相スイッチレグ３U、V相スイッチレグ３VおよびW相スイッチレグ３Wからなる。したがって、このトラクションモータは倍極電動モード、倍極発電モードおよび標準発電モードに加えて標準電動モードを実行することができる。倍極モードにおいて、３相インバータ４だけが運転され、３相インバータ３は休止される。

標準モードによれば、U相スイッチレグ４Uの出力電位Va、V相スイッチレグ４Vの出力電位VbおよびW相スイッチレグ４Wの出力電位Vcは、３相巻線１の中性点電位Vn
と等しく制御される。したがって、U相コイル１Uの相電流IU1はU相コイル２Uの相電流IU２と等しく、かつ、それらの方向は反対となる。同様に、V相コイル１Vの相電流IV1はV相コイル２Vの相電流IV２と等しく、かつ、それらの方向は反対となる。W相コイル１Wの相電流IW1はW相コイル２Wの相電流IW２と等しく、かつ、それらの方向は反対となる。結局、互いに等しい巻数をもつ３相巻線１および２は並列に接続される。レグ４U、４V、４Wの上記電位制御は、レグ４U、４V、４Wのスイッチングにより実行される。

図２２に示されるスタータジエネレータは、非同期モータに適用されることができる。さらに、図２２に示される回路はトラクションモータに適用されることができる。

３倍極スタータジエネレータが図２３-図２８を参照して説明される。図２３はこのスタータジエネレータの配線図である。直列３相巻線又は開放デルタコイルと呼ばれるステータコイル１は、直列接続されたU相コイル１U、V相コイル１VおよびW相コイル１Wからなる。ステータコイル１は、４個のレグ３A、３B、３C、３Dからなる４レグコンバータ３Xに接続されている。

U相コイル１Uはスイッチレグ３Aおよびダイオードレグ３Bの間に接続されている。V相コイル１Vはダイオードレグレグ３Cおよびスイッチレグ３Dの間に接続されている。W相コイル１Wはダイオードレグ３Bおよび３Cの間に接続されている。レグ３A-３Dの上アーム素子はキャパシタスイッチ１６を通じてキャパシタ１８に接続され、かつ、バッテリスイッチ１７を通じてバッテリ１９に接続されている。相コイル１UはU相起電力VUを発生する。相コイル１VはV相起電力VVを発生する。相コイル１WはW相起電力VWを発生する。起電力VU、VV、VWは、電動モードにおいてバックEMFと呼ばれ、発電モードにおいて相電圧と呼ばれる。

スタータジエネレータは３倍極発電モード、３倍極電動モードおよび標準発電モードをもつ。３倍極モードと呼ばれる３倍極発電モードおよび３倍極電動モードは標準モードと比べて３倍のロータ極数をもつ。相起電力VU、VV、VWのうちの任意の２つの間の位相差は３倍極モードにおいて電気角ゼロである。言い換えれば、相起電力VU、VV、VWは互いに同相となる。したがって、３倍極発電モードは単相発電モードとなり、３倍極電動モードは単相電動モードとなる。３倍極モードによれば、キャパシタスイッチ１６がオンされ、バッテリスイッチ１７がオフされる。標準モードにおいて、キャパシタスイッチ１６がオフされ、バッテリスイッチ１７がオンされる。

単相電動モードはエンジン始動又はトルクブーストに用いられる。単相発電モードは回生制動に用いられる。単相電動モードによれば、キャパシタ１８から３個の相コイル１U、１V、１Wへ単相電流を供給するために、２つのスイッチレグ３Aおよび３Dがスイッチングされる。単相発電モードによれば、２つのスイッチレグ３Aおよび３Dは、互いに同相の３個の単相電圧VU、VV、VWの和を整流してキャパシタ１８に印加する。

標準発電モードによれば、相コイル１U、１V、１Wは、３個の相電圧VU、VV、VWを別々に発電する。３個の相電圧VU、VV、VWのうちの任意の２つの間の位相差は電気角１２０度である。標準発電モードにおいて３相整流器として働くパワーコンバータ３Xはバッテリスイッチ１７を通じてバッテリ１９を充電する。４個のレグ３A-３Dは、直列３相巻線１が発電する３相電圧を整流する。

２個のスイッチレグ７１および７２からなるHブリッジ７を通じて界磁コイル９に供給される界磁電流の方向反転により、ロータ極数が変更される。３倍極モードにおいて、界磁電流はキャパシタ１８から界磁コイル９に供給される。スイッチレグ７２の上アームスイッチ７２Hはオフされ、下アームスイッチ７２Lは常にオンされる。スイッチレグ７１の上アームスイッチ７１Uおよび下アームスイッチ７１Lの相補スイッチングにより、界磁電流は調整される。標準モードにおいて、界磁電流はバッテリ１９から界磁コイル９に供給される。スイッチレグ７１の上アームスイッチ７１Hはオフされ、下アームスイッチ７１Lは常にオンされる。スイッチレグ７２の上アームスイッチ７２Uおよび下アームスイッチ７２Lの相補スイッチングにより、界磁電流は調整される。

キャパシタ１８の電圧がエンジン始動直前に所定値未満である時、Hブリッジ７および界磁コイル９は昇圧DCDCコンバータとして働く。この昇圧動作によれば、上アームスイッチ７２Uは常にオンされ、下アームスイッチ７２Lは常にオフされている。上アームスイッチ７１Uおよび下アームスイッチ７１Lは所定周波数で相補的にスイッチングされる。下アームスイッチ７１Lがオンされる間、界磁電流は増加される。下アームスイッチ７１Lがオフされる時、昇圧電圧が上アームスイッチ７１Uを通じてキャパシタ１８に印加される。キャパシタ電圧が定格電圧に達したら、この昇圧は停止される。これにより、キャパシタ１８の過放電を回避することができる。

３倍極電動モードが単相電動モードであるために、スタータジエネレータは単相同期モータとなる。したがって、スタータジエネレータはモータトルクがゼロとなる死点問題をもつ。この死点問題は内燃機関を用いることにより解決される。所定量の燃料がエンジン始動直前に内燃機関の所定のシリンダに注入される。この燃料は次のエンジン始動の初期に点火される。エンジンはスタータジエネレータの回転を始動させる。その後、この単相スタータジエネレータはスイッチレグ３Aおよび３Dのスイッチングにより回転を開始する。

高電圧のキャパシタ１８により給電される単相電動モードは強力なエンジン始動トルクを発生する。さらに、スタータジエネレータの極数および巻数は単相電動モードにおいてそれぞれ３倍増されるので、エンジン始動トルクは更に強力となる。さらに、界磁コイル９は単相電動モードにおいてキャパシタ１８から給電される。その結果、界磁電流はエンジン始動初期に急速に立ち上がる。

図２４は、フロントコア６５およびバックコア６７からなるランデルロータコア６Aの側面図である。界磁コイル９は、ロータ軸６４に固定されたフロントコア６５のボス部６５Bおよびバックコア６７のボス部に巻かれている。フロントコア６５は２つの爪部６５Nをもつ。爪部６５Nはボス部６５Bから突出する柱部６５Pから後方へ延在している。バックコア６７は２つの爪部６７Nをもつ。

爪部６７Nはバックコア６７のボス部から突出する柱部６７Pから前方へ延在している。ランデルロータの形状は周知である。凹部６０が４つの爪部６５Nおよび６７Nの周方向中央部にそれぞれ形成されている。永久磁石６８が爪部６５Nの凹部６０に固定されている。永久磁石６８の表面はN極をもつ。永久磁石６９が爪部６７Nの凹部６０に固定されている。永久磁石６９の表面はS極をもつ。

４個の永久磁石６８、６９はマグネット極と呼ばれる。永久磁石６８および６９は爪部６５Nおよび６７Nに埋設されることができる。さらに、２個の爪部６５Nはそれぞれ、凹部６０を挟む２つのコア極６５Cをもつ。コア極６５Cは爪部６５Nの一部である。同様に、２個の爪部６７Nはそれぞれ、凹部６０を挟む２つのコア極６７Cをもつ。コア極６７Cは爪部６７Nの一部である。結局、２個のコア極６５Cおよび６７Cが、隣接する２つのマグネット極６８および６９の間に配置される。

図２５は、周方向６００へ配列された爪部６５Nおよび６７Nを示す展開図である。マグネット極６８および６９の各形状は本質的に台形である。他方、コア極６５Cおよび６７Cの各形状は本質的に平行四辺形である。その結果、３倍極モードにおけるロータ磁束５０１は図３０に示されるように正弦波波形に似ている。同様に、標準モードにおけるロータ磁束５０２は図３０に示されるように正弦波波形に似ている。ロータ磁束５０１および５０２の波形は界磁電流により調整される。

界磁電流がスイッチレグ７１からスイッチレグ７２へ流れる３倍極モードによれば、４個のコア極６５CはそれぞれS極をもち、４個のコア極６７CはそれぞれN極をもつ。永久磁石６８および６９の極性は界磁電流により変更されない。その結果、ランデルロータコア６Aは３倍極モードにおいて１２個のロータ極をもつ。

界磁電流がスイッチレグ７２からスイッチレグ７１へ流れる標準モードによれば、４個のコア極６５CはそれぞれN極をもち、４個のコア極６７CそれぞれS極をもつ。これにより、ロータコア６Aは標準モードにおいて実質的に４個のロータ極をもつ。

図２６は全節２層分布巻形式のステータコイル１を示す展開図である。ステータコイル１は、ティース５０をもつステータコア５のスロットS１-S６に収容されている。U相コイル１UはスロットS１およびS４に収容されている。同様に、V相コイル１VはスロットS２およびS５に収容されている。W相コイル１WはスロットS３およびS６に収容されている。図２７は集中巻き形式のステータコイル１を示す展開図である。相コイル１U、１V、１Wはステータコア５の３つのティース５０に別々に巻かれている。

図２８は標準モードにおける６個のベクトルU、-V、W、-U、V、-Wを示す。図２９は３倍極モードにおける６個のベクトルU、-V、W、-U、V、-Wを示す。６個のベクトルU、-V、W、-U、Vおよび-Wは、図２６に示される６個のスロットS１-S６内の６個のスロット電流を示す。さらに、６個のベクトルU、-V、W、-U、V、-Wは、図２７に示される６個のティース５０から出る６個のティース磁束を示す。

バッテリスイッチ１７は、バッテリ１９が充電される標準発電モードにおいてオンされ、エンジン始動のための３倍極電動モードにおいてオフされる。さらに、バッテリ電圧が所定の最高値に達する時、バッテリスイッチ１７はオフされる。これにより、永久磁石６８および６９が標準モードにおいてバッテリ１９を過充電することが回避される。キャパシタ１８は、たとえば発電制動時に単相発電モードを実行することにより充電される。キャパシタスイッチ１６はオンされ、バッテリスイッチ１７はオフされる。スイッチレグ３Aおよび３Dは単相整流器として動作する。界磁電流の制御により、互いに等しい相電圧VU、VVおよびVWの和はキャパシタ電圧より高くなる。

もう一つの３倍極スタータジエネレータが図３０-図３６を参照して説明される。このスタータジエネレータは、２個の４レグコンバータに別々に接続される２つの直列３相巻線をもつ。したがって、３倍極モードによれば、２つの単相電流が２つの直列３相巻線を通じて別々に流れる。２つの単相電流の間の位相差は電気角９０度である。その結果、スタータジエネレータは、３倍極モードにおいて２相モータ又は２相発電機として働く。さらに、スタータジエネレータは、スイッチレグの数を減らすために７レグコンバータを採用する。

図３０はこのスタータジエネレータの配線図である。直列６相巻線からなるステータコイル１Aは、直列接続された６個の相コイル１U、１V、１W、１X、１Y、１Zをもつ。言い換えれば、直列６相巻線１Aは、直列接続された第１の直列３相巻線および第２の直列３相巻線からなる。第１の直列３相巻線は、直列接続された相コイル１U、１V、１Wからなる。第２の直列３相巻線は、直列接続された相コイル１X、１Y、１Zからなる。ステータコイル１Aは７レグコンバータ３Yに接続されている

７レグコンバータ３Yは７個のレグ３A-３Gからなる。言い換えれば、７レグコンバータ３Yは第１の４レグコンバータおよび第２の４レグコンバータからなる。第１の４レグコンバータは４個のレグ３A、３B、３C、３Dからなる。第２の４レグコンバータは４個のレグ３D、３E、３F、３Gからなる。スイッチレグ３A、３D、３Gはキャパシタ１８に接続されている。ダイオードレグ３B、３C、３E、３Fはバッテリスイッチ１７を通じてバッテリ１９に接続されている。

スタータジエネレータは、図２３に示されるスタータジエネレータのモードと同様に３倍極発電モード、３倍極電動モードおよび標準発電電動モードをもつ。３倍極モードによれば、第１の単相電流IU=IV＝IWが３個の相コイル１U、１V、１Wを通じて流れる。さらに、第２の単相電流IX=IY＝IZが３個の相コイル１X、１Y、１Zを通じて流れる。２つの単相電流の間の位相差は電気角９０度である。結局、スタータジエネレータは２相スタータジエネレータとなる。３倍極モードにおける２つの単相電流はスイッチレグ３A、３D、３Gを通じてキャパシタ１８を充電又は放電する。

標準発電モードによれば、３個の相コイル１U、１V、１Wが第１の３相電圧を発電し、３個の相コイル１X、１Y、１Zが第２の３相電圧を発電する。ダイオードレグ３B、３C、３D、３Eが第１の３相電圧および第２の３相電圧を整流する。歪んだ波形をもつ６相整流電圧がバッテリスイッチ１７を通じてバッテリ１９に印加される。結局、スタータジエネレータは、標準モードにおいて一種の６相発電機となる。

さらに、図３０は界磁コイル９に接続される界磁電流コントローラを示す。界磁コイル９は直列接続された３個のサブコイル９１、９２A、９２Bからなる。界磁電流コントローラは、Hブリッジ７およびダイオード回路８からなる。ダイオード回路８はロータ軸に固定される。Hブリッジ７は２つのスイッチレグ７１および７２からなる。ダイオード回路８は２個の並列ダイオード８１、８２および直列ダイオード８３からなる。

この界磁電流コントローラは、直列界磁モードおよび並列界磁モードをもつ。直列界磁モードによれば、界磁電流は、スイッチレグ７２から直列ダイオード８３および３個のサブコイル９２A、９２B、９１を通じてスイッチレグ７１へ流れる。並列界磁モードによれば、界磁電流はスイッチレグ７１からスイッチレグ７２へ流れる。界磁電流の一半はサブコイル９１および並列ダイオード８２を通じて流れ、他半は並列ダイオード８１、サブコイル９２A、９２Bおよび並列ダイオード８２を通じて流れる。

並列界磁モードによれば、サブコイル９１は、直列接続された２個のサブコイル９２Aおよび９２Bと並列に接続される。サブコイル９１を流れる界磁電流の方向は、モード切替により反転される。他方、サブコイル９２Aおよび９２Bを通じて流れる界磁電流の方向はモード切替により反転されない。

図３１はロータ極数を３倍増可能なロータコア６Bを示す模式側面図である。ロータコア６Bはそれぞれ軟磁性の突極からなる６個のコア極１３１-１３６をもつ。コア極１３１-１３６は６個のスロット１４１-１４６により分離されている。サブコイル９１はスロット１４５および１４６に収容されている。サブコイル９２Aはスロット１４１および１４２に収容されている。サブコイル９２Bはスロット１４３および１４４に収容されている。サブコイル９２Aおよび９２Bを流れる界磁電流の方向は一定である。したがって、コア極１３１は常にN極をもち、コア極１３２は常にS極をもつ。他方、コア極１３３-１３６の磁気極性はサブコイル９１を流れる界磁電流の反転により反転される。結局、ロータコア６Bは直列界磁モードおよび標準モードにおいて実質的に２個のロータ極をもつ。さらに、ロータコア６Bは並列界磁モードおよび３倍極モードにおいて６個のロータ極をもつ。

サブコイル９２Aおよび９２Bを流れる界磁電流の方向を反転し、サブコイル９１を流れる界磁電流の方向を反転しないことも可能である。サブコイル９２Aおよび９２Bは並列接続されることができる。コア極１３１および１３２に固定される永久磁石にサブコイル９２Aおよび９２Bを変更することも可能である。

図３２は短節２層分布巻方式を採用するステータコイル１Aを示す展開図である。６個の相コイル１U、１V、１W、１X、１Y、１Zは、ステータコア５の１２個のスロットS１-S１２に収容されている。図３２に示される各矢印は、６個の相コイル１U、１V、１W、１X、１Y、１Zに別々に供給される６個の相電流IU、IV、IW、IX、IYおよびIZの各方向を示す。相電流IUはスロットから出る戻り電流Uおよびスロットに入る往き電流-Uからなる。相電流IVはスロットから出る戻り電流Vおよびスロットに入る往き電流-Vからなる。相電流IZはスロットから出る戻り電流Zおよびスロットに入る往き電流-Zからなる。相電流IXはスロットから出る戻り電流Xおよびスロットに入る往き電流-Xからなる。相電流IYはスロットから出る戻り電流Yおよびスロットに入る往き電流-Yからなる。相電流Zはスロットから出る戻り電流Zおよびスロットに入る往き電流-Zからなる。

図３３は、標準モードにおいてスロットS１-S１２を通じて別々に流れる１２個のスロット電流I１-I１２を示す。スロット電流は、同じスロット内を流れる２つの相電流のベクトル和を意味する。隣接する２つのスロット電流の間の各位相差は標準モードにおいて電気角３０度である。

図３４は３倍極モードにおいて４個のスロット電流IA、IB、IC、IDを示す。４つのスロット電流IA、IB、IC、IDは、隣接する４つのスロットを通じて別々に流れる。３倍極モードによれば、相電流IU、IV、IWの還り電流U、V、Wは互いに等しく、相電流IU、IV、IWの往き電流-U、-V、-Wは互いに等しい。同様に、相電流IX、IY、IZの還り電流X、Y、Zは互いに等しく、相電流IX、IY、IZの往き電流-X、-Y、-Zは互いに等しい。

図３５は、直列６相巻線からなるステータコイル１Aを示す模式図である。６個の相コイル１U、１V、１W、１X、１Y、１Zはステータコア５の１２個のティース５０に個別に集中巻き形式で巻かれている。図３６は標準モードにおいて流れる１２個の電流ベクトルU、X、-W、-Y、V、Z、-U、-X、W、Y、-V、-Zを示す。図３７は３倍極モードにおける１２個の電流ベクトルを示す。

もう一つの３倍極スタータジエネレータが図３８-図４０を参照して説明される。図３８は永久磁石同期モータからなるスタータジエネレータの配線図である。このスタータジエネレータは、図２３に示されるスタータジエネレータと本質的に等しい。しかし、４レグインバータ３Zが図２８に示される４レグコンバータ３Xの代わりに採用される。

コントローラ２００は、回転角センサ３００により検出された回転角に応じて４レグインバータ３Zを制御する。４個のスイッチレグ３A、３B、３C、３Dからなる４レグインバータ３Zは３倍極発電モード、３倍極電動モードおよび標準発電モードに加えて標準電動モードを実行することができる。この標準電動モードによれば、４レグインバータ３Zは直列３相巻線１に３相電流を供給する。スイッチレグ３Aは相電流IUを供給する。スイッチレグ２Bは相電流IV-IUを供給する。スイッチレグ２Cは相電流IW-IVを供給する。スイッチレグ２Dは相電流-IWを供給する。２つのスイッチレグ２Aおよび２Dは、デルタコイルに接続される従来の３相インバータの一つのスイッチレグと等しい。したがって、標準電動モードによれば、スイッチレグ３Aの出力電圧はスイッチレグ３Dの出力電圧と本質的に等しい。

図３９および図４０は、このスタータジエネレータのロータコア６Cを示す。ロータコア６Cはそれぞれ軟磁性の突極からなる６個のコア極１３１-１３６をもつ。コア極１３１は埋め込まれた永久磁石６８によりN極をもつ。コア極１３２は埋め込まれた永久磁石６９２によりS極をもつ。コア極１３１および１３２はマグネット極と呼ばれる。

図３９は標準モードを示す。標準モードによれば、直列３相巻線１に供給される３相電流がロータコア６Cの回転と同期する３相回転磁界を形成する。この３相電流は、ロータコア６０と同期して回転するｑ軸電流成分Iqとｄ軸電流成分Idとからなる。コア極１３３-１３６はｄ軸電流成分Idが形成するｄ軸磁界４００により磁化される。コア極１３３および１３４はN極となり、コア極１３５および１３６はS極となる。したがって、ロータコア６Cは実質的に２つのロータ極をもつ。機械角６０度に相当する１コア極ピッチは標準モードにおいて電気角６０度に相当する。標準モードにおいて、ｄ軸電流成分Idをゼロとすることも可能である。ｑ軸電流成分Iqはトルクを発生する。

図４０は３倍極モードを示す。３倍極モードによれば、直列３相巻線１のスイッチレグ３Aおよび３Dがスイッチングされ、単相電流が３つの相コイル１U、１V、１Wに流れる。この単相電流は標準モードの３相電流の３倍の周波数をもつ。単相回転磁界を形成するこの単相電流は、ロータコア６Cと同期して回転するｑ３軸電流成分Iq３およびｄ３軸電流成分Id３からなる。コア極１３３-１３６はｄ３軸電流成分Id３により磁化される。コア極１３３および１３４はS極となり、コア極１３５および１３６はN極となる。したがって、ロータコア６Cは３倍極モードにおいて６つのロータ極をもつ。機械角６０度に相当する１コア極ピッチは３倍極モードにおいて電気角１８０度に相当する。コア極１３１および１３２はマグネットトルクを発生し、コア極１３３-１３６はリラクタンストルクを発生する。

単相同期モータであるこのスタータジエネレータは、トルクが３倍極電動モードにおいてゼロとなる死点問題をもつ。この死点問題を回避するために、このスタータジエネレータは３相電流が供給される標準電動モードにより始動される。ロータの回転が開始された後、３倍極電動モードである単相電動モードが実行され、スタータジエネレータは単相同期モータとし運転される。

もう一つの３倍極スタータジエネレータが図４１を参照して説明される。このスタータジエネレータのパワーコンバータ３Tは、２個の直列３相巻線を別々に接続される２個の４レグインバータからなる。この２相スタータジエネレータは、図３０に示される２相スタータジエネレータと本質的に等しい。けれども、図３０に示される４個のダイオードレグ３B、３C、３E、３Fの代わりに、４個のスイッチレグ３B、３C、３E、３Fが採用される。７レグインバータ３Tの７個のスイッチレグ３A-３Gは、直列６相巻線１Aの６個の相コイル１U、１V、１W、１X、１Y、１Zに接続される。これにより、この２相トラクションモータは、３倍極モードである２相モードと、標準モードである６相モードとを実行することができる。このスタータジエネレータは３倍極電動モードにおいて２相電動モードを実行できるので、トルク死点問題をもたない。

この２相電動モードによれば、２個のスイッチレグ３Aおよび３Dは、相コイル１U、１Vおよび１Wからなる第１の直列３相巻線に第１の単相電流IU=IV=IWを供給する。さらに、２個のスイッチレグ３Dおよび３Gは、相コイル１X、１Yおよび１Zからなる第２の直列３相巻線に第２の単相電流IX=IY=IZを供給する。２つの単相電流の間の位相差は電気角９０度である。

標準電動モードである６相電動モードによれば、４個のスイッチレグ３A-３Dからなる第１の４レグインバータが相コイル１U、１V、１Wからなる第１の直列３相巻線に第１の３相電流を供給する。さらに、４個のスイッチレグ３D-３Gからなる第２の４レグインバータが相コイル１X、１Y、１Zからなる第２の直列３相巻線に第２の３相電流を供給する。結局、７レグインバータ３Tは標準電動モードにおいて直列６相巻線１Aに６相電流を供給する。図４１に示されるスタータジエネレータは、非同期モータに適用されることができる。さらに、図４１に示される回路はトラクションモータに適用されることができる。

上記説明された本発明の極数切替技術は、風力発電機および電気洗濯機のように強力な低速起電力と低い高速銅損を必要とする他の可変速モータ用途において採用されることができる。さらに、この極数切替技術はリニアモータに適用されることができる。

Claims (29)

1. ロータ極数を切替可能なロータと、３個以上の相コイルからなるステータコイルと、４個以上のレグからなるパワーコンバータと、少なくともステータ極数を切り替える極数切替部とを備える極数切替電気機械において、
   前記極数切替部は、前記ステータコイルの極数および巻数を増加させる極数増加モードと、前記ステータコイルの極数および巻数を増加しない標準モードとを有することを特徴とする極数切替電気機械。
2. 前記ステータコイルは、極数倍増可能な前記ロータに対面する第１の３相巻線および第２の３相巻線からなり、
   前記パワーコンバータは、前記第１の３相巻線に接続される第１の３相コンバータと、前記第２の３相巻線に接続される第２の３相コンバータとからなり、
   ダブルエンド型の前記第２の３相巻線は、前記２つの３相コンバータを接続し、
   前記コントローラは、極数倍増可能な前記極数増加モードとしての極数倍極モードにおいて前記標準モードと比べて前記２つの３相巻線のどちらかの起電力を相対的に反転させる請求項１記載の極数切替電気機械。
3. 前記第１の３相コンバータは３相整流器からなり、前記第２の３相コンバータは３相インバータからなる請求項２記載の極数切替電気機械。
4. 前記２つの３相巻線は、車両用スタータジエネレータのステータコアに巻かれている請求項３記載の極数切替電気機械。
5. 前記２つの３相コンバータはそれぞれ、３相インバータからなる請求項２記載の極数切替電気機械。
6. 前記２つの３相巻線は、車両用モータのステータコアに巻かれている請求項５記載の極数切替電気機械。
7. 前記第１の３相巻線は、デルタコイルからなる請求項２記載の極数切替電気機械。
8. 前記２つの３相巻線の６個の相コイルは、互いに等しい巻数をもつ請求項７記載の極数切替電気機械。
9. 前記第１の３相巻線は、Wyeコイルからなる請求項２記載の極数切替電気機械。
10. 前記第２の３相巻線の巻数は、前記第１の３相巻線の巻数と比べて１００％から２００％までの範囲内にある請求項９記載の極数切替電気機械。
11. 前記２つの３相巻線は、界磁コイル式同期機械のステータコアに巻かれている請求項２記載の極数切替電気機械。
12. 前記２つの３相巻線は、非同期機械のステータコアに巻かれている請求項２記載の極数切替電気機械。
13. 前記ロータは、左コア部、中央コア部および右コア部からなるランデル型ロータコアと、前記左コア部および前記中央コア部の間に巻かれた第１の界磁コイルと、前記中央コア部および前記右コア部の間に巻かれた第２の界磁コイルとを有し、
    前記中央コアは、前記左コアの爪部と前記右コアの爪部との間に配置される爪部を有する請求項２記載の極数切替電気機械。
14. 前記中央コアの爪部は本質的に平行四辺形の形状をもち、前記左コアおよび前記右コアの爪部は本質的に台形の形状をもつ請求項１３記載の極数切替電気機械。
15. 前記極数切替部は、前記２つの界磁コイルの一方に供給される界磁電流の方向を反転するHブリッジを有する請求項１３記載の極数切替電気機械。
16. 前記極数切替部は、少なくとも２つの並列ダイオードおよび少なくとも一つの直列ダイオードを有するダイオード回路を有する請求項１５記載の極数切替電気機械。
17. 前記Hブリッジの第１のスイッチレグは、直列接続された前記２つの界磁コイルおよび前記直列ダイオードを通じて前記Hブリッジの第２のスイッチレグに接続され、
    前記第１の並列ダイオードは、前記第２つの界磁コイルのペアと並列に接続され、
    前記第２の並列ダイオードは、前記第２の界磁コイルおよび前記直列ダイオードのペアと並列に接続されている請求項１６記載の極数切替電気機械。
18. 前記ダイオード回路は、前記ロータのロータ軸に固定される端子リングに収容される請求項１６記載の極数切替電気機械。
19. 前記ステータコイルは、互いに直列に接続された３つの前記相コイルからなる少なくとも１個の直列３相巻線を含み、
    前記パワーコンバータは、前記直列３相巻線の３個の前記相コイルの各端部に別々に接続される４つのレグからなる４レグコンバータを含み、
    前記ロータ極数は、極数増加モードにおいて前記標準モードと比べて３倍増される請求項１記載の極数切替電気機械。
20. 前記４レグコンバータは、前記極数増加モードにおいて前記直列３相巻線に単相電流を流し、前記標準モードにおいて前記直列３相巻線に３相電流を流す請求項１９記載の極数切替電気機械。
21. 前記４レグコンバータは、前記直列３相巻線の両端に別々に接続される２個のスイッチレグと、前記直列３相巻線の他の２個の接続点に別々に接続される２個のダイオードレグとからなる請求項２０記載の極数切替電気機械。
22. 前記スイッチレグは、高電圧直流電源に接続され、
    前記ダイオードレグは、低電圧直流電源に接続される請求項２１記載の極数切替電気機械。
23. 前記極数切替部は、前記ロータの界磁コイルに流す界磁電流の方向を反転するHブリッジを有し、
    前記Hブリッジの第１のスイッチレグは前記高電圧直流電源に接続され、
    前記Hブリッジの第２のスイッチレグは前記低電圧直流電源に接続される請求億２２記載の極数切替電気機械。
24. 前記ロータは、界磁コイルが巻かれたランデル型ロータコアを有し、
    前記ロータコアの各爪部は、周方向における中央部に配置された１個の永久磁石を含むマグネット極と、前記マグネット極の両側にそれぞれ配置された２個のコア極と有し、
    前記極数切替部は、前記界磁コイルへ供給する界磁電流を反転することにより、前記ロータ極数を切り換える請求項１９記載の極数切替電気機械。
25. 前記ロータは、３の倍数のコア極をもつロータコアを有し、
    前記極数切替部は、前記コア極の一部の極性を反転する第１の界磁コイルと、前記コア極の残部の極性を反転しない第２の界磁コイルとを有する請求項１９記載の極数切替電気機械。
26. 前記ロータは、３の倍数のロータ極をもつロータコアを有し、
    前記ロータ極の一部は永久磁石を有するマグネット極からなり、
    前記ロータ極の残部は、２つの前記マグネット極の間に配置され、前記ステータコイルに流れるｄ軸電流成分により極性を反転されるコア極からなる請求項１９記載の極数切替電気機械。
27. 前記ステータコイルは、直列接続された２つの前記直列３相巻線からなる直列６相巻線からなり、
    前記パワーコンバータは、前記直列６相巻線に接続される７つのレグからなる７レグコンバータからなり、
    前記極数切替部は、６相モードを実行する前記並列モードと比べて前記直列モードにおけるロータ極数を３倍増可能なロータを含む請求項１９記載の極数切替電気機械。
28. 前記極数切替部は、前記ロータの界磁コイルに流す界磁電流の方向を反転するHブリッジを有し、
    前記Hブリッジの第１のスイッチレグは高電圧直流電源に接続され、
    前記Hブリッジの第２のスイッチレグは低電圧直流電源に接続される請求億１記載の極数切替電気機械。
29. 前記Hブリッジおよび前記界磁コイルは、前記低電圧直流電源から前記高電圧直流電源へ昇圧電力を送電するDCDCコンバータとして動作する請求億２８記載の極数切替電気機械。

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