JP2023055856A - Power saving method of power soure of rotary electric machine for electric moving body and rotary electric machine for electric moving body - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電動移動体用回転電気機械の電源の節電方法並びに使用電流低減機能付きの電動移動体用回転電気機械に係り、特に自転車を含む電動車に適用するのに好適な回転電気機械の電源の節電方法並びに使用電流低減機能付きの回転電気機械に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a power saving method for a power source of a rotary electric machine for an electric vehicle and to a rotary electric machine for an electric vehicle with a function of reducing current used, and in particular to a power source for a rotary electric machine suitable for application to electric vehicles including bicycles. and a rotary electric machine with a function of reducing the current used.
従来から回転電気機械に関する省エネルギー効果を狙った技術として、インバータの利用など様々な制御手法、所謂省エネルギー技術が提案されてきた。電動車のようにバッテリーを搭載したものは特に、動力であるモータを駆動させたときの駆動走行距離を長くすること(航続距離を長くすること)が期待される。しかも移動体に搭載されたバッテリーは建物の電源とは異なり電力を移動体内で賄わねばならず有限である。従ってバッテリーの長寿命化は重要であり、そこでバッテリー自体の開発やモータの制御手法の工夫がなされてきた。 Various control methods such as the use of inverters, so-called energy-saving techniques, have been proposed as techniques aimed at achieving energy-saving effects for rotating electric machines. Vehicles equipped with batteries, such as electric vehicles, are particularly expected to have a longer drive travel distance (longer cruising distance) when a motor, which is a power source, is driven. Moreover, unlike the power source of a building, the battery installed in a mobile object has a finite amount of power that must be supplied within the mobile object. Therefore, it is important to extend the life of the battery, and therefore the development of the battery itself and the control method of the motor have been devised.
しかし、これらの提案はモータ自体の基本構造や基本性能を変える視点に欠けていた。 However, these proposals lacked the perspective of changing the basic structure and basic performance of the motor itself.
バッテリーを搭載した電動車両の省電力化の為に冷媒循環の工夫(特許文献1)、モータに付随する設備(インバータ、発電機等)の制御によるもの(特許文献2)、バッテリーを昇温すること(特許文献3)、モータの推定温度次第でバッテリーからモータ制御装置への通電を停止するもの(特許文献4)等が提案されている。 Ingenuity of refrigerant circulation for power saving of electric vehicles equipped with batteries (Patent Document 1), control of equipment associated with the motor (inverter, generator, etc.) (Patent Document 2), temperature rise of the battery Japanese Patent Laid-Open No. 2002-300001 and a device for stopping power supply from a battery to a motor control device depending on the estimated temperature of the motor (Patent Document 4) have been proposed.
いずれも省電力化に貢献するが、バッテリーを長持ちさせ、航続距離を少しでも延ばすことは電動車両普及の必須課題であり、本発明者は他に省電力化や航続距離延長の手法が無いものか検討してきた。 Both contribute to power saving, but extending the battery life and extending the cruising range as much as possible is an essential issue for the spread of electric vehicles. I have been considering whether
そこで本発明は、電源の省エネルギー効果を、モータ側の工夫により達成することを目的とする。更には電動移動体のバッテリーの走行距離(航続距離)を延ばすことを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to achieve an energy-saving effect of a power supply by devising a motor. Another object of the present invention is to extend the travel distance (cruising distance) of the battery of the electric vehicle.
上記目的を達成する為に、本発明による電動移動体用回転電気機械の電源の節電方法は次の夫々を特徴とする。
(1)電源と、ドライバと、前記電源から前記ドライバ間の第1の配線経路と、回転電気機械と、前記回転電気機械と前記ドライバ間の第2の配線経路とを備えた電動移動体用回転電気機械の電源の節電方法において、前記回転電気機械として複数相の各相ごとに3つ以上のコイル(同仕様)を備えて前記第2の配線経路の途中には各相の前記コイル間の接続を少なくとも(a)全てを直列、(b)全てを並列、(c)並列の組み合わせを直列に繋げた直並列接続(Seriese-parallel connection)のパターンに選択切り替えるようにして前記電源の使用電流を変えることのできる回転電気機械に置き換え、スタート時のコイル接続を前記(a)にして最大トルク状態となり、最高速度状態ではコイル接続が前記(b)になって最小トルク状態となり、その中間速度段階では前記(c)の直並列接続とし、上り坂にてスピード低下に伴って自動的に前記(a)となり、下り坂では制動しつつ前記(c)にて段階的に回転数が変わるようなコイル接続を選択すること。
In order to achieve the above object, a power saving method for a power source of a rotary electric machine for an electric vehicle according to the present invention is characterized by the following features.
(1) For an electric vehicle comprising a power supply, a driver, a first wiring path between the power supply and the driver, a rotating electrical machine, and a second wiring path between the rotating electrical machine and the driver In a power saving method for a power supply of a rotating electrical machine, three or more coils (same specifications) are provided for each phase of a plurality of phases as the rotating electrical machine, and coils of the respective phases are provided in the middle of the second wiring path. Using the power supply by selectively switching the connection of at least to a series-parallel connection pattern in which (a) all are in series, (b) all are in parallel, and (c) a combination of parallel is connected in series Replaced with a rotating electric machine capable of changing the current, the coil connection at the start is set to the above-mentioned (a) for the maximum torque state, and in the maximum speed state the coil connection is set to the above-mentioned (b) for the minimum torque state, and intermediate between them. In the speed stage, the above (c) series-parallel connection is used, and as the speed decreases on an uphill, the above (a) is automatically established. Select a coil connection such as
(2)電源と、ドライバと、前記電源から前記ドライバ間の第1の配線経路と、回転電気機械と、前記回転電気機械と前記ドライバ間の第2の配線経路とを備えた電動移動体用回転電気機械の電源の節電方法において、前記回転電気機械には複数相の各相ごとに3つ以上のコイルを備えてコイル間接続の切り替えを行うことにより実質的に複数の効率の異なるモータがコイルを共用する形で内蔵されており、そのコイル間接続の切り替えパターンが少なくとも(a)全てを直列、(b)全てを並列、(c)並列の組み合わせを直列に繋げた直並列接続から選ぶことにより、スタート時のコイル接続を前記(a)にして最大トルク状態となり、最高速度状態ではコイル接続が前記(b)になって最小トルク状態となり、その中間速度段階では前記(c)の直並列接続とし、上り坂にてスピード低下に伴って自動的に前記(a)となり、下り坂では制動しつつ前記(c)にて段階的に回転数が変わるようなコイル接続を選択するようにして、任意の回転数におけるモータ効率の高いモータを負荷に応じて自動的に選択し、電源の使用電流を減らすこと。 (2) For an electric vehicle comprising a power supply, a driver, a first wiring path between the power supply and the driver, a rotating electrical machine, and a second wiring path between the rotating electrical machine and the driver In a power saving method for a power supply of a rotary electric machine, the rotary electric machine is provided with three or more coils for each phase of a plurality of phases, and by switching the connection between the coils, a plurality of motors having substantially different efficiencies are generated. It is built in a form that shares the coils, and the switching pattern of the connection between the coils is selected from at least (a) all in series, (b) all in parallel, and (c) series-parallel connection in which parallel combinations are connected in series. As a result, the coil connection at the start is set to the above-mentioned (a), resulting in a maximum torque state, and in the maximum speed state, the coil connection is set to the above-described (b), resulting in a minimum torque state. Parallel connection is used, and the coil connection is selected such that (a) is automatically achieved as the speed decreases on an uphill slope, and the number of rotations changes stepwise (c) while braking is applied on a downhill slope. automatically select a motor with high motor efficiency at an arbitrary number of revolutions according to the load to reduce the current used by the power supply.
(3)上記の(1)又は(2)において、前記電源はバッテリーであり、前記選択により、トルク定数の小さい段階とトルク定数の大きい段階との切り替えを行うことにより、電動移動体に適用して航続距離を延ばすこと。 (3) In (1) or (2) above, the power supply is a battery, and the selection is applied to an electric vehicle by switching between a stage with a small torque constant and a stage with a large torque constant. to extend the cruising range.
(4)前記回転電気機械は非回転の円筒状のステータコイル体をモータハウジング内に内蔵し、前記ステータコイル体と離間して該ステータコイル体の対向面に位置する永久磁石を備えたロータを有する無鉄心(コアレス)モータであり、該円筒状ステータコイル体は各相ごとに3つ以上のコイルで形成されたものを複数相組み合わせてなり、前記各コイルは絶縁処理された導線を巻いた同一仕様のものであり、こうして出来た円筒状コイル体は一端がモータ内で固定されて他端が自由端になり、その自由端に補強リングを嵌め込むと共に、前記円筒状ステータコイル体の周面に補強層を貼りつけたものであること。 (4) The rotary electric machine includes a non-rotating cylindrical stator coil body inside a motor housing, and a rotor provided with permanent magnets spaced apart from the stator coil body and positioned on the opposite surface of the stator coil body. The cylindrical stator coil body is formed by combining a plurality of phases of three or more coils for each phase, and each coil is wound with an insulated conductor wire One end of the cylindrical coil body thus produced is fixed inside the motor and the other end is a free end. A reinforcing layer shall be pasted on the surface.
(5)上記の(1)~(4)のいずれかにおいて、コイル間接続の切り替えパターンとして更に(d)前記(b)又は(c)の並列の組み合わせに更に一つのコイル又は2以上の直列接続コイルを直列に繋げたパターンが加わること。 (5) In any one of the above (1) to (4), as a switching pattern for the connection between the coils, (d) the parallel combination of (b) or (c) further includes one coil or two or more series The addition of a pattern in which connection coils are connected in series.
(6)上記(5)において、前記(d)にて直列に繋がれた一つのコイルについて並列に一つのコイルを付設すること(以下、本願において「補コイル」と言う。補コイルは前記(b)や(c)の並列接続とは別に、前記(d)にて直列に継ぎ足された特定の一コイルについて一つのコイルを並列に繋げたコイルを示す)。 (6) In (5) above, one coil is attached in parallel to one coil connected in series in (d) (hereinafter referred to as "complementary coil" in the present application. The supplementary coil is the above ( In addition to the parallel connection of b) and (c), a coil is shown in which one coil is connected in parallel with respect to the specific one coil added in series in the above (d)).
(7)前記(b)の全並列と前記(c)の間又は前記(c)を電動移動体速度のリミッタに設定すること。 (7) Setting between (b) full parallel and (c) or setting (c) as a limiter for the speed of the motor-driven movable body.
(8)各相のコイル数は6つとし、各コイル間に設けられるスイッチを間引きしてスイッチを介さないコイル直列部を形成することにより、前記(b)の全部並列のパターンを不使用にし、(a)の全部直列のパターンと、前記(c)として3直2並列(3S2P)及び2直3並列(2S3P)の計3パターンに切り替えるようにすること。 (8) The number of coils in each phase is six, and the switches provided between the coils are thinned out to form a coil series section without switches, thereby disabling the all-parallel pattern of (b). , (a) all in series, and (c) 3-series 2-parallel (3S2P) and 2-series 3-parallel (2S3P).
(9)各相のコイル数は12個とし、各コイル間に設けられるスイッチを間引きしてスイッチを介さないコイル直列部を形成することにより、前記(b)の全部並列のパターンを不使用にし、(a)の全部直列のパターンと、前記(c)として2P6S、3P4S、4P3Sの3つの計4パターンに切り替えるようにすること。 (9) The number of coils in each phase is 12, and the switches provided between the coils are thinned out to form a coil series part without switches, thereby disabling the all-parallel pattern of (b). , (a) all in series, and (c) 3 patterns of 2P6S, 3P4S, and 4P3S.
また、本発明の電動移動体用回転電気機械は次のいずれかを特徴にする。
(10)電源と、ドライバと、前記電源から前記ドライバ間の第1の配線経路とを備えた装置に組み込まれて、前記ドライバに第2の配線経路によって接続される電動移動体用回転電気機械において、前記回転電気機械には複数相の各相ごとに3つ以上のコイルを備えてコイル間接続の切り替えを行うことにより実質的に複数の効率の異なるモータがコイルを共用する形で内蔵されており、そのコイル間接続の切り替えパターンが少なくとも(a)全てを直列、(b)全てを並列、(c)並列の組み合わせを直列に繋げた直並列接続から選ぶことにより、スタート時のコイル接続を前記(a)にして最大トルク状態となり、最高速度状態ではコイル接続が前記(b)になって最小トルク状態となり、その中間速度段階では前記(c)の直並列接続とし、上り坂にてスピード低下に伴って自動的に前記(a)となり、下り坂では制動しつつ前記(c)にて段階的に回転数が変わるようなコイル接続を選択するようにして、任意の回転数におけるモータ効率の高いモータを負荷に応じて自動的に選択する使用電流低減機能付きであること。
Further, the rotary electric machine for an electric vehicle according to the present invention is characterized by any one of the following.
(10) A rotary electric machine for an electric vehicle that is incorporated in a device that includes a power supply, a driver, and a first wiring path between the power supply and the driver, and that is connected to the driver by a second wiring path. In the above, the rotating electric machine is provided with three or more coils for each phase of a plurality of phases, and by switching the connection between the coils, a plurality of motors with different efficiencies are built in such that the coils are shared. , and the switching pattern of the connection between the coils is selected from at least (a) all in series, (b) all in parallel, and (c) series-parallel connection in which a combination of parallel is connected in series, so that the coil connection at the time of start is set to the above (a), the maximum torque state is obtained, in the maximum speed state, the coil connection is set to the above (b), and the minimum torque state is obtained, and in the intermediate speed stage, the series-parallel connection is set to the above (c). As the speed decreases, the motor is automatically connected to the above (a), and on a downhill, braking is applied and the rotation speed is changed stepwise to the above (c). Equipped with a working current reduction function that automatically selects a motor with high efficiency according to the load.
(11)前記電源がバッテリーであり、トルク定数の小さい段階とトルク定数の大きい段階との切り替えにより、その切り替えに応じて前記電源の使用電流を下げる機能を備え、電動移動体の節電を行って航続距離を延ばすことができること。 (11) The power source is a battery, and has a function of reducing the current used by the power source according to the switching between a stage with a small torque constant and a stage with a large torque constant, thereby saving power of the electric vehicle. be able to extend the cruising range.
(12)前記回転電気機械は非回転の円筒状のステータコイル体をモータハウジング内に内蔵し、前記ステータコイル体と離間して該ステータコイル体の対向面に位置する永久磁石を備えたロータを有する無鉄心(コアレス)モータであり、該円筒状ステータコイル体は各相ごとに3つ以上のコイルで形成されたものを複数相組み合わせてなり、前記各コイルは絶縁処理された導線を巻いた同一仕様のものであり、こうして出来た円筒状コイル体は一端がモータ内で固定されて他端が自由端になり、その自由端に補強リングを嵌め込むと共に、前記円筒状ステータコイル体の周面に補強層を貼りつけたものであること。 (12) The rotary electric machine includes a non-rotating cylindrical stator coil body inside a motor housing, and a rotor provided with permanent magnets positioned on the opposite surface of the stator coil body and spaced apart from the stator coil body. The cylindrical stator coil body is formed by combining a plurality of phases of three or more coils for each phase, and each coil is wound with an insulated conductor wire One end of the cylindrical coil body thus produced is fixed inside the motor and the other end is a free end. A reinforcing layer shall be pasted on the surface.
(13)コイル間接続の切り替えパターンとして更に(d)前記(b)又は(c)の並列の組み合わせに更に一つのコイル又は2以上の直列接続コイルを直列に繋げたパターンが加わること。 (13) Further, as a switching pattern of inter-coil connection, (d) a pattern in which one coil or two or more series-connected coils are connected in series is added to the parallel combination of (b) or (c).
(14)前記(d)にて直列に繋がれた一つのコイルについて並列に一つのコイルを付設すること。 (14) Attaching one coil in parallel to one coil connected in series in (d) above.
(15)前記(b)の全並列と前記(c)の間又は前記(c)を電動移動体速度のリミッタにすること。 (15) A limiter for the speed of the motor-driven movable body between (b) and (c) or (c).
(16)各相のコイル数は6つとし、各コイル間に設けられるスイッチを間引きしてスイッチを介さないコイル直列部を形成することにより、前記(b)の全部並列のパターンを不使用にし、(a)の全部直列のパターンと、前記(c)として3直2並列(3S2P)及び2直3並列(2S3P)の計3パターンに切り替えるようにすること。 (16) The number of coils in each phase is six, and the switches provided between the coils are thinned out to form a series coil section without switches, thereby disabling the all-parallel pattern of (b). , (a) all in series, and (c) 3-series 2-parallel (3S2P) and 2-series 3-parallel (2S3P).
(17)各相のコイル数は12個とし、各コイル間に設けられるスイッチを間引きしてスイッチを介さないコイル直列部を形成することにより、前記(b)の全部並列のパターンを不使用にし、(a)の全部直列のパターンと、前記(c)として2P6S、3P4S、4P3Sの3つの計4パターンに切り替えるようにすること。 (17) The number of coils in each phase is 12, and the switches provided between the coils are thinned out to form a series coil section without switches, thereby disabling the all-parallel pattern of (b). , (a) all in series, and (c) 3 patterns of 2P6S, 3P4S, and 4P3S.
更に本発明は以下の態様も有効である。
(18)一部のコイルを不使用にしたり、一部のコイルの太さを変えたり、一部コイルに並列に追加のコイルを付設することも本発明の範囲である。但し本願明細書において特に断らない限り、各コイルは実質的に同仕様とする。
Furthermore, the present invention is also effective in the following aspects.
(18) It is within the scope of the present invention to disuse some coils, change the thickness of some coils, and attach additional coils in parallel to some of the coils. However, unless otherwise specified in this specification, each coil has substantially the same specifications.
(19)第1の配線経路や第2の配線経路上は配線以外の素子、機器、装置が介在する場合を含んでいる(以下、同じ)。 (19) The first wiring path and the second wiring path may include elements, devices, and devices other than wiring (hereinafter the same).
(20)モータ内にモータトルク定数の選択切替装置を備え、所望の高速回転用にはトルク定数の小さい方を選択切替し、前記所望の高速回転不要の際にはトルク定数の大きい方に選択切替して、当該高速回転不要区間ではモータ電流を抑制すること。 (20) A motor torque constant selection switching device is provided in the motor to select and switch the one with the smaller torque constant for the desired high-speed rotation, and select the one with the larger torque constant when the desired high-speed rotation is not required. To suppress the motor current in the high-speed rotation unnecessary section by switching.
(21)コイル接続の選択装置は切替のタイミングを自動的に判断して実行する装置である。 (21) The coil connection selection device is a device that automatically judges and executes the switching timing.
(22)任意のトルク定数におけるバッテリーの使用電流が異なる実質的に3種以上のモータ機能が一つのモータ内にコイル切替によって作られる回転電気機械であって、前記各モータ機能の切替機構は、各モータ機能における前記使用電流が最大電流の範囲内で決まるトルクに対応する回転数に切り替えるものであること。 (22) A rotary electric machine in which substantially three or more motor functions with different battery usage currents at an arbitrary torque constant are created by coil switching in one motor, wherein the switching mechanism for each motor function comprises: The current used in each motor function is switched to a rotation speed corresponding to the torque determined within the range of the maximum current.
(23)任意のトルク定数におけるバッテリーの使用電流が異なる3種以上のモータが互いのコイルを兼用して選択利用することにより実質的に3種類以上のモータ機能を備えた一つの回転電気機械であって、前記コイルを選択する機構は、前記各モータにおける前記使用電流に対応する回転数に切り替えるものであること。 (23) One rotary electric machine substantially equipped with three or more motor functions by selectively using three or more motors with different battery currents at arbitrary torque constants by using each other's coils. and the mechanism for selecting the coil is to switch the rotation speed corresponding to the working current in each of the motors.
(24)ハウジングと、円筒状を成し非回転のステータコイル体と、前記ステータコイル体と離間して前記ステータコイル体の対向面に位置する永久磁石を備えたロータとを備えるコアレス回転電気機械であって、前記ステータコイル体は複数の相からなり、各相が複数のコイルから構成され、各相を構成するコイルの接続形式が直列形式と並列形式並びに並列形式間の複数形式への選択を可能とするコイル接続形式選択回路部を備え、コイルの組み合わせ次第で複数のモータが形成される1個の回転電気機械となり、前記回路部は各相を構成するコイルの数に応じて組となるコイルの数を変化させて行うように一つ又は複数の半導体素子を用い、予め定めた回転数に対して低回転側では直列形式で接続するコイルを増やし、高回転側では並列形式で接続するコイルを増やすようにコイル接続形式を選択し、前記各モータにおける前記使用電流がより少なくなるトルク定数に対応する回転数に切り替えるものであること。 (24) A coreless rotary electric machine comprising a housing, a cylindrical non-rotating stator coil body, and a rotor provided with permanent magnets spaced apart from the stator coil body and positioned on the opposite surface of the stator coil body. wherein the stator coil body is composed of a plurality of phases, each phase is composed of a plurality of coils, and the connection form of the coils constituting each phase is selected from a series form, a parallel form, and a plurality of forms between the parallel forms. and a rotating electrical machine in which a plurality of motors are formed depending on the combination of coils. Using one or more semiconductor elements to change the number of coils, increase the number of coils connected in series on the low rotation side with respect to the predetermined rotation speed, and connect in parallel on the high rotation side The coil connection type is selected so as to increase the number of coils to be connected, and the number of revolutions corresponding to the torque constant at which the working current in each motor is reduced.
(25)一つの回転電気機械の中にT-I特性が異なることによりモータ効率特性が異なる実質的に3種類以上のモータM1、M2、・・・Mn(nは整数、nが大きいほどT-I特性が大きい。以下同じ)が内蔵され、かつ、該複数のモータは使用するコイルを選択的に共用することにより一つの回転電気機械の内部でいずれか前記モータの一つを選択使用し、前記T-I特性はトルク(T)に対してモータ使用電流値(I)が実質的に正比例の関係にあり、前記各T-I特性に対応する各T-N特性は回転数(N)とトルク(T)の関係が実質的に反比例の関係に有り、該T-N特性の電流値がドライバ由来の最大電流値におけるトルクが該T-N特性の違いからT1、T2、・・・Tn(T1、T2、・・・nはM1、M2、・・・Mnに対応)となり、該T1、T2、・・・Tnよりも低いトルクに対応する回転数で回転し、各モータの同一トルク値においてはnの大きなモータを選択使用することにより、同じ回転数であれば前記モータ効率の高い方のモータを選択することを特徴とするモータの運転方法。尚、この場合、T2はT1の1/2、T3はT1の1/4、・・・TnはT1の(1/2)の(n-1)乗となるように設定されることが望ましい 。 (25) Substantially three or more types of motors M1, M2, . -I characteristic is large (the same shall apply hereinafter) is built in, and the plurality of motors selectively share the coils to be used, so that one of the motors can be selected and used within one rotating electric machine. , the TI characteristic has a relationship in which the motor current value (I) is substantially directly proportional to the torque (T), and each TN characteristic corresponding to each TI characteristic is the number of revolutions (N ) and torque (T) are substantially inversely proportional, and the torque at the maximum current value derived from the driver is T1, T2, . . .・Tn (T1, T2, . . . n corresponds to M1, M2, . . . Mn). A method of operating a motor, wherein a motor having a higher motor efficiency is selected for the same rotational speed by selectively using a motor having a large n at the same torque value. In this case, it is desirable to set T2 to 1/2 of T1, T3 to 1/4 of T1, . .
(26)最高回転数の異なる3種以上のモータが使用する複数コイルを共有しており、それらの使用コイル間の接続を切り替えることによって回転速度仕様の異なる実質的に3種以上のモータに切り替わる回転電気機械の操作方法であって、同じ回転数であれば(又は、同じトルクであれば)回転数仕様の低い方に自動的に切り替えること。 (26) A plurality of coils used by three or more types of motors with different maximum rotation speeds are shared, and by switching the connection between the coils used, there are substantially three or more types of motors with different rotation speed specifications. A method of operating a rotating electrical machine to automatically switch to a lower speed specification if the speed is the same (or if the torque is the same).
(27)上記各回転電気機械におけるコイル接続の自動切替のタイミングは、回転速度、トルク(モータ電流)、モータ電圧の一つ又は組み合わせに基づくものからから選ばれること。 (27) The timing of automatic switching of coil connections in each rotating electrical machine is selected from those based on one or a combination of rotation speed, torque (motor current), and motor voltage.
(28)上記各回転電気機械のコイル構成接続パターンとして、複数コイルの並列配置に1以上のコイルが直列に連なっているものがあること。尚、本願において、モータのコイル部全体を指す場合はステータコイルと呼び、そのステータコイルを構成するコイル単体については単にコイルと呼ぶ。 (28) As the coil configuration connection pattern of each of the rotating electrical machines, there is one in which one or more coils are connected in series in a parallel arrangement of a plurality of coils. In the present application, the entire coil portion of the motor is referred to as a stator coil, and a single coil constituting the stator coil is simply referred to as a coil.
ところで直列・並列の混用パターンは、モータの一般常識からすれば連続電流は一番弱いコイルで決まる為に全体の定格電流が下がることや直列コイル部分の過度の発熱を防ぎたいであろうから、コイル接続の切り替えの話以前に、モータ内複数コイル接続として直列・並列の混用パターンは当業者には想定できないであろう。そして本願発明者は積極的に直列・並列の混用パターンを採用することを考えた。このパターンを用いることにより、各相のコイル数を奇数にできるし、切替のバリエーションが格段に増えるから電動車など移動体へ適用すれば細かな制御(段数切り替え)、スムーズな切替が可能になる。 By the way, in the mixed pattern of series and parallel, from the common sense of motors, the continuous current is determined by the weakest coil. Before talking about connection switching, those skilled in the art would not be able to imagine a mixed pattern of serial and parallel connections for connecting multiple coils in a motor. Then, the inventor of the present application has considered positively adopting a series/parallel mixed pattern. By using this pattern, the number of coils in each phase can be set to an odd number, and the variations in switching can be greatly increased, so if applied to moving objects such as electric vehicles, finer control (switching the number of stages) and smooth switching become possible. .
奇数コイルは同数の並列コイルの組み合わせができず、コイル数の異なる並列コイルの組み合わせか並列コイルに1以上の直列コイルの接続になるが、本発明者は流す電流はドライバで決まるのだから、1番弱いコイルに合わせた電流を流せば良いと割り切り、それよりもコイル切替パターンを増やして細かく切り替えられることを重視した。 Odd-numbered coils cannot be combined with the same number of parallel coils, and must be combined with parallel coils with different numbers of coils or connected with one or more series coils connected to a parallel coil. It was reasonable to think that it would be fine to apply a current that matches the weakest coil, and instead, we focused on increasing the number of coil switching patterns and enabling finer switching.
尚、前述で1番弱いコイルとされるコイルに過度の発熱が懸念されたとしても、例えば(1)線材を高密度に巻回して作られたコイルを所定数組み合わせて円筒コイルを形成する(つまり、コアレスモータ、スロットレスモータのように、鉄心歯を持たないタイプ)ことにより、一部の線材コイルが過度に発熱しても隣接する線材コイルに熱が拡散されるので過度の発熱は抑えられるし、他の冷却手段でも発熱は抑制でき、また、(2)この弱い部位とされるコイルに並列にダミー的なコイル(本願において補コイルと呼ぶ)を追加(例えば図43、図44参照)することにより、抵抗を分散して発熱を抑えることができる。つまり、発熱部位のアンバランスの解消はできるから、それよりも切替ポイントを増やそうとしたのであり、この奇数コイル採用や直列・並列の混用パターンの採用は従来の発想には存在しない。 Even if excessive heat generation is a concern for the coil, which is the weakest coil described above, for example, (1) a cylindrical coil is formed by combining a predetermined number of coils made by winding wire rods at high density ( In other words, by using coreless motors and slotless motors that do not have iron core teeth, even if some wire coils generate excessive heat, the heat is spread to the adjacent wire coils, thereby suppressing excessive heat generation. (2) Add a dummy coil (referred to as an auxiliary coil in the present application) in parallel to the weak portion of the coil (see, for example, FIGS. 43 and 44). ), the resistance can be dispersed and heat generation can be suppressed. In other words, since it is possible to eliminate the imbalance of the heat-generating parts, the number of switching points was increased, and the adoption of the odd number of coils and the adoption of the series/parallel mixed pattern does not exist in the conventional concept.
上記のような特徴を有する電動移動体用回転電気機械の電源の節電方法によれば、電源の省エネ効果を、モータ側の工夫により達成することができる。また、上記のような特徴を持つ電動移動体用回転電気機械によれば、電動移動体のバッテリーの走行距離(航続距離)を延ばすことができる。 According to the power saving method for the power source of the rotary electric machine for motor-driven movable body having the features described above, the power saving effect can be achieved by devising the motor side. In addition, according to the rotary electric machine for an electric vehicle having the characteristics described above, it is possible to extend the running distance (cruising distance) of the battery of the electric vehicle.
以下、本発明の回転電気機械の電源の節電方法並びに使用電流低減機能付きの回転電気機械に係る実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明において例えば、総コイル数が4の場合、4P(4パラ)は4つのコイルが並列、2P(2パラ)とはコイルが2つずつ並列(2P+2P)とも書く)、4S(シリーズ)は4つのコイルが直列に繋がっていることを意味する。なお、Sの前に提示された数字は、直列配置されるコイルの数を示す。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments relating to a power saving method for a power source of a rotating electrical machine and a rotating electrical machine with a function of reducing current consumption according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In the following explanation, for example, when the total number of coils is 4, 4P (4 parallel) means 4 coils in parallel, 2P (2 parallel) means 2 coils in parallel (2P+2P)), 4S (series) means that four coils are connected in series. It should be noted that the number presented before S indicates the number of coils arranged in series.
[原理説明]
本発明者は、直列、並列、複数パターンの並列や直列・並列の混用パターンへの切替(選択)によって、切替のバリエーションを格段に増やしてスムーズな切替を実現すると共に、節電効果が有り、電源の消費電力を減らし、回転電気機械を駆動させたときの航続距離を長くすることができることを見出した。その効果発現の理由は次の2つが有ると本発明者は考えている。
[Explanation of principle]
By switching (selecting) between series, parallel, multiple patterns in parallel, and series/parallel mixed patterns, the present inventors realized smooth switching by significantly increasing the variation of switching, as well as having a power saving effect and a power supply. It has been found that the power consumption can be reduced and the cruising distance can be increased when the rotary electric machine is driven. The present inventor believes that there are the following two reasons for the manifestation of this effect.
[想定理由1]
バッテリー等の電源からシステムに供給される全消費電力は、モータ軸から出力として消費される電力以外にも、メカニカル損失などのモータ内で消費される電力、切替回路内で消費される電力、モータドライバから切替回路までの電線によって消費される電力、ドライバにて消費される電力、及び電源からドライバまでの電線によって消費される電力に概ね分けられる。
[Assumed reason 1]
The total power consumption supplied to the system from a battery or other power source includes the power consumed as output from the motor shaft, the power consumed within the motor such as mechanical loss, the power consumed within the switching circuit, and the power consumed by the motor. Power consumed by wires from the driver to the switching circuit, power consumed by the driver, and power consumed by wires from the power supply to the driver.
具体例として、トルク定数ktが直列接続状態において2Nm/A、並列接続状態において0.5Nm/Aのモータを考える。この時、出力100Nmを得るためには直列接続状態では50Aのモータ電流を必要とし、並列接続状態では200Aのモータ電流を必要とする。ドライバから切替回路までの電線として例えば導体部が煙草の太さと同じ直径8mm(断面積50mm2)の線材を3mの長さ使用すると、ケーブルの抵抗値は約1mΩと見積もられる。また、ドライバとケーブルおよびケーブルと切替回路との接続部の接触抵抗を同じく1mΩと見積もると、直列接続時のケーブル損失は3相合計で約15W(=3相×2mΩ×50A2)と見積もれる。一方、並列接続時のケーブル損失は同約240W(=3相×2mΩ×200A2)であり、直列時に比べ約225W損失が多くなる。 As a specific example, consider a motor with a torque constant kt of 2 Nm/A in the series connection state and 0.5 Nm/A in the parallel connection state. At this time, in order to obtain an output of 100 Nm, a motor current of 50 A is required in the series connection state, and a motor current of 200 A is required in the parallel connection state. If, for example, a 3-m-long wire having a diameter of 8 mm (cross-sectional area of 50 mm 2 ), which is the same as the thickness of a cigarette, is used as an electric wire from the driver to the switching circuit, the resistance value of the cable is estimated to be about 1 mΩ. Also, if the contact resistance of the connection between the driver and the cable and between the cable and the switching circuit is also estimated to be 1 mΩ, the total cable loss for the three phases in series connection is estimated to be about 15 W (=3 phases×2 mΩ×50 A 2 ). . On the other hand, the cable loss in parallel connection is about 240 W (=3 phases×2 mΩ×200 A 2 ), which is about 225 W more than in series connection.
切替回路内のスイッチ素子としてON状態におけるドレイン-ソース間抵抗が例えば0.5mΩのFETを使用する場合、直列接続時の切替回路における損失は約23W(=3相×6×0.5mΩ×50A2)と見積もる事が出来る。従って、切替回路の損失を差し引いても、約200Wの損失低減が期待できる。
更にドライバ回路内のFETにおいて消費される電力も、モータ電流が減少することに伴う低減が期待できる。尚、ドライバ回路内のFETのスイッチングはリレー式切替回路のスイッチングに比べて遥かに多い。この為、ドライバの損失は大きなものとなる。
If an FET with a drain-source resistance in the ON state of 0.5 mΩ is used as a switching element in the switching circuit, the loss in the switching circuit when connected in series is about 23 W (= 3 phases x 6 x 0.5 mΩ x 50 A 2 ) can be estimated. Therefore, even if the loss of the switching circuit is subtracted, a loss reduction of about 200 W can be expected.
Furthermore, the power consumed by the FETs in the driver circuit can be expected to be reduced as the motor current is reduced. It should be noted that the switching of the FETs in the driver circuit is much more frequent than the switching of the relay type switching circuit. Therefore, the loss of the driver becomes large.
以上の通り、切替回路によりモータトルク定数が小さくなる設定に切り替えることで高速回転を実現する一方、大きなトルクが必要となる状況下においては、切替回路によりモータトルク定数が大きくなる設定に切り替えることにより、モータ電流を抑えることができるとともに、システム全体の消費電力を低減させる効果が期待できる。 As described above, high-speed rotation is achieved by switching to a setting in which the motor torque constant is reduced by the switching circuit. On the other hand, in situations where a large amount of torque is required, the switching circuit is used to switch to a setting in which the motor torque constant is increased. , the motor current can be suppressed, and the effect of reducing the power consumption of the entire system can be expected.
以上により本発明の採用は、モータとドライバのケーブル長が長いときや(電動バイクなど)最大電流が大きい場合、モータ容量が大きい場合、瞬時最大トルクを発生する時間が短いシステム(車椅子等)へ適用すると効果が顕著に発揮される。 Based on the above, the adoption of the present invention is suitable for systems (such as wheelchairs) where the cable length between the motor and driver is long, the maximum current is large (such as an electric motorcycle), or the motor capacity is large, and the time to generate the maximum instantaneous torque is short. When applied, the effect is exhibited remarkably.
[想定理由2]
同じ回転数、或いは同じトルクなら、モータに流れる電流効率が少ない方のモータを自動的に選択することによって、その電流の差に相当する省エネルギー効果が発現されるとも考えられる。簡潔に言えば電流効率の異なる複数のモータを使用状況に応じて使用モータを切り替えて、いわば各モータの良いところ取りをするものである。
[Assumed reason 2]
If the number of revolutions or torque is the same, it is conceivable that by automatically selecting the motor with the lower efficiency of the current flowing through the motor, an energy saving effect corresponding to the difference in current can be realized. To put it simply, a plurality of motors with different current efficiencies are switched according to usage conditions, so to speak, to take advantage of each motor.
モータは、一般的には低速用と高速用がある。モータが回転することにより発生する誘起電圧により、低速モータは高トルクを実現するが充分な高回転数トルクは出せず、高速モータは高い回転数を実現するが大電流が流れるため、これを制限する電流制限が起こり、必要な高トルクが出せない。モータの回転数が上昇し続ければ誘起電圧が電池の電圧を超えてしまうか電流が流せなくなってしまう。 Motors are generally classified into low-speed and high-speed types. Due to the induced voltage generated by the rotation of the motor, the low-speed motor achieves high torque, but does not generate sufficient high-rotation torque, and the high-speed motor achieves high rotation, but large current flows. current limit occurs, and the required high torque cannot be produced. If the rotation speed of the motor continues to rise, the induced voltage will exceed the voltage of the battery, or the current will not flow.
そこで従来から出力範囲を広げることが提案されてきた。特に、電動車両用のシステムには広出力範囲で高効率、小型、軽量化が課題となる。トルクと回転数の積になる出力はトルクと回転数がトレードオフの関係になるので高速域から低速域まで高い出力を確保することは難題である。そこで本発明者は電流効率の異なる(=最高回転数仕様の異なる)複数のモータを使いこなして(良いところ取りして)みた。 Therefore, conventionally, it has been proposed to widen the output range. In particular, systems for electric vehicles face the challenges of achieving high efficiency over a wide output range, as well as miniaturization and weight reduction. Since the output, which is the product of torque and rotation speed, has a trade-off relationship between torque and rotation speed, it is difficult to secure high output from high speed to low speed. Therefore, the present inventor tried to make full use of a plurality of motors with different current efficiencies (= different maximum rotation speed specifications) (taking advantage of them).
最高回転数の異なる3種類のモータを例に図5及び図6を用いて説明する。図5は、4つのコイルを使ってコイル切替によりモータ効率の異なる実質的に3種類のモータを一つのモータとして提供することを前程に3種類のモータの特性図を示した図である。 Three types of motors with different maximum rotation speeds will be described with reference to FIGS. 5 and 6 as an example. FIG. 5 is a diagram showing the characteristics of the three types of motors described above, in which four coils are used and substantially three types of motors with different motor efficiencies are provided as one motor by switching the coils.
この図において電流リミットは8A、モータは4コイルを使用し、4コイルとも直列の場合(4S-1P)と、4コイルとも並列の場合(1S-4P)と、2コイルずつ並列が2組の場合(2S-2P)の3パターンのモータができている。グラフの横軸はトルク(T)、左縦軸は回転数(N)、右縦軸は使用電流(I)を取ると、各パターンのモータのT-I特性とT-N特性が上図のようになる。夫々の特性切り替えを回転数、トルク、効率に基づいて行うが、効率についての切り替えを図6に図説する。低回転(1000rpm、(a))、中回転(2500rpm(b))、高回転(5000rpm、(c))の夫々の場合についてどのパターンのモータが適切かを考察する。 In this figure, the current limit is 8A, the motor uses 4 coils, and there are 2 sets of 2 coils in parallel, 4 coils in series (4S-1P) and 4 coils in parallel (1S-4P). There are three patterns of motors for the case (2S-2P). If the horizontal axis of the graph is torque (T), the left vertical axis is the number of rotations (N), and the right vertical axis is the operating current (I), the TI and TN characteristics of the motor for each pattern are shown above. become that way. Each characteristic switching is performed based on rotation speed, torque, and efficiency, and switching for efficiency is illustrated in FIG. Consider which pattern of motor is appropriate for low rotation (1000 rpm, (a)), medium rotation (2500 rpm, (b)), and high rotation (5000 rpm, (c)).
低回転の場合、トルクが2N・m以下の場合は1S-4P(4コイル並列)、2S-2P(2コイルずつ並列)、4S-1P(4コイル直列)の3パターン共対応が可能になる。この場合4S-1Pが効率も高く、モータの電流値も小さいので4S-1Pを選択する。トルクが2N・m~4N・mの場合、2S-2Pと4S-1Pの2通りが使えるが4S-1Pの方が効率が高く、モータの電流値が小さいので4S-1Pを選択する。トルクが4~8N・mでは4S-1Pしか対応できない。従って低回転では最もモータ効率の高い4S-1P(4コイル直列)のパターンを選択する。 In the case of low rotation, if the torque is 2N・m or less, 3 patterns of 1S-4P (4 coils in parallel), 2S-2P (2 coils in parallel), and 4S-1P (4 coils in series) can be supported. . In this case, 4S-1P is selected because the efficiency is high and the current value of the motor is small. When the torque is 2 N·m to 4 N·m, two types of 2S-2P and 4S-1P can be used, but 4S-1P is selected because 4S-1P has higher efficiency and the current value of the motor is smaller. Only 4S-1P can be supported when the torque is 4 to 8 N・m. Therefore, the 4S-1P (4 coils in series) pattern with the highest motor efficiency is selected at low rotation.
中回転の場合、トルクが2N・m以下では2S-2Pと1S-4Pの2通りが使えるが、2S-2Pの方が効率は高く、モータの電流値も小さいから2S-2Pを選択する。トルクが2N・m~4N・mでは2S-2Pしか対応できない。従って中回転では2S-2Pを選択する。 In the case of medium rotation, two types of 2S-2P and 1S-4P can be used when the torque is 2 N·m or less, but 2S-2P is selected because 2S-2P has higher efficiency and the current value of the motor is smaller. Only 2S-2P can be supported when the torque is 2 N・m to 4 N・m. Therefore, 2S-2P is selected for medium rotation.
高回転の場合、トルクが2N・m以下で1S-4Pのモータしか対応できない。従って、夫々の回転数に適したトルク領域で使えるモータパターンの選択は、モータ効率の高い方を選んでいくことになり、それによってモータの使用電流が小さい方を選択できているので電流節約につながる。 For high rotation, only 1S-4P motors with a torque of 2Nm or less can be used. Therefore, the selection of the motor pattern that can be used in the torque range suitable for each rotation speed is to select the one with the higher motor efficiency, and as a result, the one with the smaller current used by the motor can be selected, which saves current. Connect.
図7は効率の異なる3種のモータの効率測定結果を並べて示している。同じトルクなら回転数仕様(能力)が低いモータの方がエネルギー消費は少なくなり、効率が良い。尚、回転数の高低によらず、同じ回転数で使うなら回転数仕様の低い方がエネルギー消費は少なくなり、効率が良くなる。高速用モータを低速域で使うなら低速モータに切り替えた方が省エネルギー効果の有ることになり、モータ駆動時の走行距離、走行時間を長くすることができると推定される。 FIG. 7 shows side by side the efficiency measurement results of three types of motors with different efficiencies. If the torque is the same, the motor with the lower rotation speed specification (capacity) consumes less energy and is more efficient. It should be noted that regardless of whether the number of rotations is high or low, if the same number of rotations is used, the lower the number of rotations, the less energy consumption and the better the efficiency. If the high-speed motor is used in the low-speed range, switching to the low-speed motor will have an energy-saving effect, and it is presumed that the running distance and running time can be lengthened when the motor is driven.
但し、単純にモータを並べてはモータが占める容積が大きくなるから、各モータが使用するコイルを共用してコイル切替によって結果的に複数モータを切り替えることにしたのである。 However, simply arranging the motors increases the volume occupied by the motors, so the coils used by the motors are shared and the coils are switched to switch between the plurality of motors.
[本発明に用いるに好適なモータとコイルの構成]
まず、図2から図4を参照して、本実施形態に係るモータ10の基本構成について説明する。本実施形態に係るモータ10は、ハウジング12と、回転軸14、ステータコイル体18、及びロータ16を基本として構成される、いわゆるコアレスモータである。ハウジング12は、外殻を構成する要素であり、内部空間に回転軸14やステータコイル体18、及びロータ16を収容している。回転軸14は、ハウジング12を貫通するように配置され、ハウジング12との交点に備えられた軸受12aにより、回転自在に支持されている。
[Configuration of motor and coil suitable for use in the present invention]
First, the basic configuration of the
ステータコイル体18は、図3及び図4に模式的に示すように複数の相(本実施形態ではU相、V相、W相の3相)に分けられたコイル群(各コイルが1乃至複数繋がって1コイルを形成し、それが各相同数用意されている)により、円筒状を成すように構成されている。ステータコイル体18を構成するU相、V相、W相は、それぞれ極を構成する複数のコイルから成っている。図3に示す形態では、各相を1/2(つまり2等分)に分けて、第1コイルU1、第2コイルU2、第1コイルV1、第2コイルV2、第1コイルW1、第2コイルW2から成るように構成している。より具体的な一例として、内側円筒状コイル体を構成する相がU相であり、半径方向において内側円筒状コイル体よりも外側に位置する相がV相、更にV相の外側に位置する相をW相とし、各相に第1コイル(U1、V1、W1)と第2コイル(U2、V2、W2)を定めている。なお、内側からU相、V相、W相とするのは一例であり、異なる順序、重なり方でも良い。また、図3では 各相は順次電気角でほぼ1/3ずつ円周方向にずれて配置されている。このような構成のステータコイル体18は、一方の端面が固定部材であるステータ(図2に示す例ではハウジング12)に支持されるように構成されている。
3 and 4, the
ここで、説明簡単化の為に「ほぼ1/3ずつ円周方向にずれて」と述べたが、厳密にはU相とV相、W相は電気角で120°ずれる。機械角(実際の角度)では2極の場合U相に対しV相は120°、W相は240°ずれる。4極の場合U相に対しV相は60°又は240°、W相は120°又は300°ずれる。6極の場合U相に対しV相は40°、160°、280°、W相は80°、200°、320°ずれ、8極の場合U相に対しV相は30°、120°、210°、300°、W相は60°、150°、240°、330°ずれる。こうして10極、12極と法則に従ってずれることになる。U相、V相、W相は電気角でそれぞれ120°づつずれるが、機械角で表現すると極数によりずれる角度が変わるので図4は模式的に表現している。 Here, for the sake of simplification of explanation, the phrase "shifted in the circumferential direction by approximately 1/3" is used, but strictly speaking, the U phase, the V phase, and the W phase are shifted by an electrical angle of 120°. In the mechanical angle (actual angle), the V phase is shifted by 120° and the W phase by 240° with respect to the U phase in the case of two poles. In the case of four poles, the V phase is shifted by 60° or 240° and the W phase by 120° or 300° with respect to the U phase. In the case of 6 poles, the V phase is 40°, 160°, 280° with respect to the U phase, and the W phase is 80°, 200°, 320°. 210°, 300°, W phase shifts 60°, 150°, 240°, 330°. In this way, 10 poles and 12 poles are shifted according to the law. The U-phase, V-phase, and W-phase are shifted by an electrical angle of 120° each, but since the shift angle changes depending on the number of poles when expressed in mechanical angle, FIG. 4 is a schematic representation.
また、ロータ16は、円筒状を成すアウターヨーク16cとインナーヨーク16b、及び永久磁石16aを有し、一方の端面が回転軸14と接続されている。アウターヨーク16cは、上述したステータコイル体18の外周側(円筒中心を基点とした半径方向外周側)に位置する要素であり、インナーヨーク16bは、ステータコイル体18の内周側に位置する要素である。また、本実施形態に係るモータ10では永久磁石16aを、アウターヨーク16cの内側であって、ステータコイル体18の対向面に備えるように構成している。このような構成のコアレスモータは、ステータコイル体18が鉄心を備えないため、自己インダクタンスを小さく抑えることができる。鉄心が無い為にインダクタンスが小さくできる点ではスロットレスモータにも本発明を適用するのが有効である。
The rotor 16 has a cylindrical
更に、このような構成のモータ10では、ステータコイル体18を構成する際、巻き線にリッツ線を用いると共に絶縁層によるコーティングで形状形成する構成としている。なおリッツ線は、複数の導電線が束ねられて構成されており、各導電線の外周は、電気絶縁性層(エナメル等)で覆われている。更に、束となった導電線18aの外周には、ガラス繊維のような繊維状物による外皮層を設けても良く、このような構成によって、しっかりとした形状維持ができる。
Furthermore, in the
図4に例示の巻き方は、理解の為に模式化したものであり、これには拘らない。本発明者による特許第6989204号や特許第6948748号に開示の巻き方につき、コイルを1乃至複数本のリッツ線の束で置き換えるのも有効である。そうすれば、コイルの並列部分や直列部分の混在などで部分的にコイル内の過度な発熱分布が起きても密接するコイル線材によって熱は拡散され、過度な部分的発熱は抑制される。 The winding method illustrated in FIG. 4 is schematic for understanding, and is not limited to this. It is also effective to replace the coil with one or more litz wire bundles for the winding methods disclosed in our patents 6,989,204 and 6,948,748. By doing so, even if excessive heat generation occurs partially in the coil due to the mixture of parallel and serial portions of the coil, the heat is diffused by the coil wire that is in close contact with the coil, and excessive partial heat generation is suppressed.
[本発明適用の全体システムの概念]
図1に本発明の全体システムの概念を説明する。本発明は電源の省エネルギー(省電力)化を図るものであるから回転電気機械(モータ10)は移動体の電源(バッテリー50)に接続される。バッテリー50とモータ10との間にはモータドライバ(以下、単にドライバと称することがある)40が介在する。ドライバ40は電流を流してモータ10を駆動、制御する装置のことであり、ブラシレスモータの駆動(回転数、速度制御、電圧制御などを含む)には必須の装置である。最大電流がドライバ40ごとに定められており、モータ保護の観点からは安全の為に絶対最大定格が定められていて、それ以下の電流値でドライバを使用することになる。ドライバ40とバッテリー50の間はケーブル60が、そしてドライバ40とモータ10の間はケーブル70が介在し、これが銅損の要因になっている。尚、符号80はコイル自動切替装置であり、モータ10のコイルの接続切替のスイッチ機能群に加えて切替のタイミングを設定する装置になっている。尚、ドライバ40は、モータ(コイル)に流す電流を設定できるから、例えば直列・並列の混用によって弱くなるコイルが有っても当該弱いコイルを基準にドライバの電流設定をすれば良い。
[Concept of the whole system to which the present invention is applied]
FIG. 1 illustrates the concept of the overall system of the present invention. Since the present invention aims at energy saving (power saving) of the power source, the rotary electric machine (motor 10) is connected to the power source (battery 50) of the moving body. A motor driver (hereinafter sometimes simply referred to as a driver) 40 is interposed between the
[電動移動体への適用]
本発明者は図1のシステムを組み込んだ電動移動体として、例えば電動二輪車、車椅子、電気自動車、AGV(自動搬送手段)を想定しているが、AGVやドローンのように人用乗物には限定されないし、ドローンや船舶のように陸上車両には限定されない。電動移動体の運転切替については、以下に図8~図11を用いながら例示する。モータ10はコアレスモータに限らず、有鉄心モータを使用し、回転刃を備えた電動芝刈り機等における回転速度と負荷の変化にも共通視することができる。ただし、別項で説明するように、鉄心歯を使わないコアレスモータやスロットレスモータは、インダクタンスを小さくできる点で好適である。尚、以下の例で用いる回路図については項を改めて後述する。
[Application to electric vehicles]
The present inventor assumes that electric vehicles incorporating the system of FIG. not limited to land vehicles such as drones and ships. Operation switching of the electric movable body will be exemplified below with reference to FIGS. 8 to 11. FIG. The
図8及び図9から読み取れるように、スタート時(=車両発進時)は、低回転であると共に車両を動かすための初期トルクが必要であるため、L(ロー)、すなわちコイルの接続形式を直列(1パラ。コイルが4つなら4つ全てのコイルが直列。つまり4S)としている。発進後、一例として、モータ10の回転数が700rpm(30km/h相当)になると、Lから2パラ(コイル総数が4つなら2P+2P)に自動的に切り替わる。なお、本例では、モータ10の回転数により自動的に接続切り替えが行われるように設定されている。このため、更に車両速度を向上させて、例えばモータ10の回転数が1400rpm(60km/h相当)になった場合には4パラに切り替わる。
As can be seen from FIGS. 8 and 9, at the start (=when the vehicle starts), the rotation is low and initial torque is required to move the vehicle. (1 para. If there are four coils, all four coils are in series. In other words, 4S). After starting the vehicle, for example, when the number of rotations of the
更に車両速度を上げて、4パラ(コイルが4つとも並列)のまま車両速度100km/h(例えばモータ10の回転数が2000rpm)で進んだ場合、若干の登り坂(傾斜 角度α)に入ると、モータ10に対する負荷が向上するため回転数が自動的に低下してスピードが落ちる。例えば回転数が1167rpm(50km/h相当:1400rpmの5/6)程度に低下すると、2パラに自動的に切り替わる。
When the vehicle speed is further increased and the vehicle speed is 100 km/h (for example, the rotation speed of the
次に若干の登り坂から急坂(傾斜角度β)に入ると、モータ10への負荷は更に向上して回転数が低下し、スピードが落ちる。例えば回転数が467rpm(20km/h相当:700rpmの2/3)程度に低下する と、直列(1パラ、つまり4S:L)に自動的に切り替わる。なお、坂道を進行する際における50km/h(1167rpm)、20km/h(467rpm)等の設定はヒステリシスのブレ幅対応になる(図9参照)。
Next, when the vehicle enters a steep slope (inclination angle β) from a slightly uphill slope, the load on the
坂道の走行において徐々に加速し、平坦路付近で30km/h(700rpm)程度になると、モータ10の接続形式は2パラ(2P+2P)に自動的に切り替わる。また、平坦路において更に加速して60km/h(1400rpm)に至ると4パラ(4P)になり、100km/h(2000rpm)程度まで加速することができる。ここまではモータの回転速度の向上に伴い、コイル接続パターン切替装置80による自動制御が成される。
When the vehicle gradually accelerates while traveling on a slope and reaches about 30 km/h (700 rpm) near a flat road, the connection type of the
これに対し、下り坂(例えば、傾斜角度γの急坂)に入ると、乗車者からの指令信号によりコイル自動切替装置80の切り替えを行い、モータ10の回転抵抗による制動(=回生制動:いわゆるエンジンブレーキ)をかけるように制御する。このように自動制御とマニュアル制御を組み合わせても良い。例えば急坂では、4Pの状態で徐々に速度を低下させ、60km/h(1400rpm)程度まで落とす。その後、下り坂が穏やか(例えば、傾斜角度θ)になったら、2P+2Pに切り替え、更に速度を低下させる。このように段階的に速度(回転数)を落とす事により、モータ10に急激な負荷がかかることを防ぐことができる。
On the other hand, when entering a downward slope (for example, a steep slope with an inclination angle γ), the automatic
穏やかな下り坂において車両速度が30km/h(700rpm)程度まで落ちたら、モータ10の接続形式を1パラ(直列。つまり4S)に切り替え、平坦路に至る。なお、下り坂では、上記のように回生制動を効かせることにより、電源の充電を行うことができる。
When the vehicle speed drops to about 30 km/h (700 rpm) on a gentle downhill, the connection type of the
以上の流れを高速(Top:T)、中速(Second:S)、低速(Low:L)の切替として図10及び図11に示し、以下に説明する。まず、平地で発進し速度が0-20km/hの範囲ではLで走行し、20km/hになるとS、60km/hではTに切り替わり、Tでは100km /hまで至ることとなる。図10に示す区間Aではアクセル開度はフル(全開)にしており、モータ10の回転数を検出して自動でコイル接続パターン切替装置80によるコイル接続が切り替わる。
The above flow is shown in FIGS. 10 and 11 as switching between high speed (Top: T), medium speed (Second: S), and low speed (Low: L), and will be described below. First, when the vehicle starts on flat ground and the speed is in the range of 0-20 km/h, it runs in L, and when it reaches 20 km/h, it switches to S, and when it reaches 60 km/h, it switches to T, and T reaches 100 km/h. In the section A shown in FIG. 10, the accelerator is fully opened (fully opened), and the coil connection is automatically switched by the coil connection
この区間では、車両の加速に伴いモータ10の回転数が向上するのに対し、運転者が入力するアクセル信号(手動アクセル信号)は、回転数をMAXに上げるための信号が出力される。このため、手動アクセル信号がモータ10の回転数よりも大きくなる。
In this section, the rotation speed of the
次に、上り坂に入ると速度は60km/h程度に落ち、コイル接続パターン切替装置80はSに切り替わり、その後により急坂に入ってもSの状態を維持する。この区間(図10における区間B´)は、モータの回転数(速度)によりコイル接続パターン切替装置80を制御するのではなく、アクセル開度による制御(電流コントロール)が行われる。そして坂を上りきって平地に入ると(区間B´を抜けると)回転数制御(速度制御)に切り替わり、本発明によるコイル接続パターン切替装置80は車両を加速させるためにLへと切り替わり、速度(回転数)の上昇と共にSへ切り替わり、その後にTへと切り替わる。ここで、Tでのトップスピードは100km/h程度に至ることとなる。
Next, when the vehicle enters an uphill slope, the speed drops to about 60 km/h, and the coil connection
図10に示す区間Bでは、アクセル開度によるコイル接続パターン切替装置80(図1参照)の切り替え制御が優先される。このため、モータ10の回転数(速度)がアクセル開度に基づく支持より低い場合には、アクセル開度に基づく電流指示によりコイル接続パターン切替装置80の切り替えが成されることとなる。つまり、区間B´では、車両速度の低下に伴いモータ10の回転数は落ちるが、車両速度を60km/hに保つために電流値によって自動的にコイル接続パターン切替装置80機能が切り替わる。
In section B shown in FIG. 10, priority is given to switching control of the coil connection pattern switching device 80 (see FIG. 1) based on the degree of opening of the accelerator. Therefore, when the rotational speed (speed) of the
上記のように、区間Bでは、アクセル開度に対するモータ10の回転数(速度)が低い状態が続くこととなる。よって、区間Bも、手動アクセル信号がモータ10の回転数よりも大きくなる。
As described above, in section B, the state in which the number of rotations (speed) of the
次に、平坦路から下り坂に入ると、急な下り坂であっても最初はTの状態で下り始め、緩い坂になった後にSに切り替わり、その後平地に至ってLへと切り替えが成される。この区間Cは、重力加速に伴い、モータ10の回転数(速度)がアクセル開度(電流指令)より大きくなる。このため、運転者のアクセル開度の調整(アクセル指示)に従ってコイル切替装置による切り替えを行うことになる。以上のアクセル開度の切り替えは、本発明のコイルパターンの切り替えが担っている。
Next, when going downhill from a flat road, even if it is a steep downhill, it starts to go down in the T state at first, changes to S after the slope becomes gentle, and then changes to L when it reaches the level ground. be. In this section C, the rotational speed (speed) of the
次に、運転切替パターンとして他の態様を図11に例示する。図11に示す例では、平地から傾斜角小の登り坂の範囲ではトップギアが選択される。その後、登り坂の傾斜が中角度になった場合にはセカンドギアに切り替わり、傾斜が角度大となるとローギアに切り替わる。そして、傾斜角が上り切りの緩やかな状態になると再びセカンドギアに切り替わり、台地に上って平地になるとトップギアに切り替わるという態様が採られる。このようにコイル接続パターン切替装置80は従来の自動車のギア切り替え機能を備えている。つまり、このギアの切り替え8段数切り替え)は、コイルパターンの接続切り替えが担っていることになる。
Next, FIG. 11 illustrates another aspect of the operation switching pattern. In the example shown in FIG. 11, the top gear is selected in the range from level ground to uphill with a small inclination angle. After that, when the inclination of the uphill becomes a medium angle, the gear is switched to the second gear, and when the inclination becomes large, the gear is switched to the low gear. Then, when the angle of inclination becomes a gradual uphill state, the vehicle is switched to second gear again, and when the terrain becomes level after climbing a plateau, the vehicle is switched to top gear. In this manner, the coil connection
一般的に、モータを高トルクにすることとモータの最大回転数を上げることとは、トレードオフの関係にあり、モータを高トルクにしようとすると最大回転数が低くなり、モータの最大回転数を上げようとすると最大トルクが低くなる。そこで従来は電源の高電圧化による高回転化と電源の大電流化による高トルク化が図られて来たが、こうした制御方式では安全面での課題や技術的限界がある。そこで本発明者等は、特性が異なるモータを電気的に自動的に切り替えることを考え、この従来の課題を解決した。このような手段を講じる事により、モータ自体は1つとした上で、例えばLowギア、2´ndギア、Topギアのように複数段の回路切替(コイル切替装置によるコイル接続の切り替え)を可能にすることで、特性が異なる複数のモータを自動で切り替えることと同様な効果を得ることが可能となる。 In general, there is a trade-off between increasing the torque of the motor and increasing the maximum rotation speed of the motor. If you try to increase , the maximum torque will decrease. In the past, attempts were made to increase the rotation speed by increasing the voltage of the power source and to increase the torque by increasing the current of the power source, but these control methods have safety issues and technical limitations. Therefore, the inventors of the present invention considered automatic switching between motors having different characteristics electrically, and solved this conventional problem. By adopting such a means, it is possible to switch multiple stages of circuits (switching of coil connection by a coil switching device) such as Low gear, 2'nd gear, Top gear, etc. with only one motor itself. By doing so, it is possible to obtain the same effect as automatically switching between a plurality of motors having different characteristics.
ここで、Lowギアは高トルク、低回転数であり、少ない電流で高トルクを発生できる。Lowギアにおいて回転数を向上させるためには、高電圧が必要となるが、Lowギア段階では低回転数での運用となるため高電圧が必要となることはない。また、2´ndギアでは中トルク、中回転数となり、Topギアでは低トルク、高回転数(低い電圧で高速回転が可能)となる。Topギアにおいて高トルクを得るためには大電流が必要となるが、Topギア段階では低トルクでの運用となるため大電流が必要となることはない。 Here, the Low gear has high torque and low rotational speed, and can generate high torque with a small current. A high voltage is required to increase the rotation speed in the low gear stage, but since the operation is performed at a low rotation speed in the low gear stage, a high voltage is not required. In addition, the 2'nd gear provides medium torque and medium rotation speed, and the top gear provides low torque and high rotation speed (high speed rotation is possible with low voltage). A large current is required to obtain a high torque in the top gear, but a large current is not required in the top gear stage because the operation is performed with a low torque.
このように、モータに対してコイル接続の切換え機能を付与することにより、1台のモータで様々な走行シーンに対応できるようになる。従ってドライバの高電圧出力化、及び大電流出力化も不要となり、モータに対する過負荷が低減され、モータの温度の急上昇を抑制することができる。よって省電力化に貢献する。 In this way, by providing the motor with the function of switching coil connections, a single motor can be used in various driving situations. Therefore, it is not necessary to increase the voltage output and the current output of the driver, and the overload on the motor can be reduced, thereby suppressing a sudden rise in the temperature of the motor. Therefore, it contributes to power saving.
以上に述べた通り、本発明に係るモータ10では、各相のコイルの位置及び数を選択することによって直列のLow状態と、複数の並列や直列・並列の混用と言ったコイルパターンの接続切り替えによって、例えばセカンド、サード等3段以上の特性切り替えを可能にできる。このため、自転車、バイク、所謂シニアカー、車椅子、自動車などの電動車両に適用した場合には、機械式のギアを介装させる事無く複数段のギア切り替え(コイル接続切替)が可能となる。
As described above, in the
本発明に係るモータ10を電動車の推進用の動力に適用する場合、適用対象とする電動車の車両速度(車速)をエンコーダやレゾルバにて検出し、検出した車速値に基づいて本件コイル切替の適用をする。車速の検出に関しては、図示しないセンサ等を用いて行うようにしても良く、従前(既知)の様々な方式を用いることができる。尚、コイル切替のタイミングはこのように種々の速度検知による切替タイミング設定を施したコイル自動切替装置80によって行われるが、この自動切替のタイミングについては別項にて追記する。
When applying the
[複数コイルの接続例]
図12に5コイル(各相のコイルが5つの場合。以下同じ)のコイル接続のバリエーションを示す。尚、切替回路を省略して描いている。また、説明を分かり易くするため、1コイルを1Ωとしている。図に示すように5コイルが用意されていれば、使用コイル数の選択により1Ω、2Ω、3Ω、4Ω、5Ωが選択できるが、更にコイルの直並列組み合わせの切り替えで0.2Ω(全部のコイルが並列)、0.83Ω(3コイルの並列群と2コイルの並列群が直列に繋がっている場合)、1.25Ω(4コイルの並列群に一つのコイルが直列に繋がっている場合)、2Ω(2コイルの並列群が2つ直列に繋がり更に一つのコイルが直列に繋がっている場合)、2.33Ω(3コイルの並列群と2コイルの直列群が直列に繋がっている場合)、3.5Ω(2コイル並列に3コイルの直列コイルが直列に繋がっている場合)も選べる。コイル数を増やせば更に細かいパターンを選択する事も可能となる。尚、全部直列であれば5Ωになる。
[Connection example of multiple coils]
FIG. 12 shows a variation of coil connection for 5 coils (when there are 5 coils for each phase; the same applies hereinafter). Note that the switching circuit is omitted in the drawing. In order to make the explanation easier to understand, one coil is assumed to be 1Ω. If 5 coils are prepared as shown in the figure, 1Ω, 2Ω, 3Ω, 4Ω, and 5Ω can be selected by selecting the number of coils to be used. is parallel), 0.83 Ω (when a parallel group of 3 coils and a parallel group of 2 coils are connected in series), 1.25 Ω (when one coil is connected in series to a parallel group of 4 coils), 2 Ω (when two parallel groups of 2 coils are connected in series and one coil is connected in series), 2.33 Ω (when a parallel group of 3 coils and a series group of 2 coils are connected in series), 3.5Ω (when 3 coils are connected in series to 2 coils in parallel) can also be selected. If the number of coils is increased, even finer patterns can be selected. If all are in series, the output becomes 5Ω.
次にこの5コイル使用のケースでコイル接続切替の方法につき図13のイメージ図にて説明する。図のLu、Lv、Lwはコイルで脇の数字はコイル番号を示す。スイッチにつき、Svx、Svx2、Svx3、Svx4(xはU、V、Wを意味。以下同じ)はVスイッチを、Stx1、Stx2、Stx3、Stx4はThroughスイッチを、Scx1、Scx2、Scx3、Scx4はcomスイッチを夫々示している。各相のコイル数が増える場合、この回路図の縦方向に各コイルと各スイッチが同じパターンで増えていく。 Next, in the case of using five coils, a method of switching coil connections will be described with reference to the image diagram of FIG. Lu, Lv, and Lw in the figure indicate coils, and the numbers on the sides indicate the coil numbers. For each switch, Svx, Svx2, Svx3, and Svx4 (x means U, V, and W; hereinafter the same) are V switches, Stx1, Stx2, Stx3, and Stx4 are Through switches, and Scx1, Scx2, Scx3, and Scx4 are com Each switch is shown. When the number of coils for each phase increases, each coil and each switch increase in the same pattern in the vertical direction of this circuit diagram.
1相あたり5コイルの場合、有効なコイルの組み合わせは全部で18種類できる。必要となるスイッチの数は(=9×((コイル数/相)-1)=36個)なので、スイッチON/OFFの組み合わせを変えるだけでより滑らかな切替が期待できる。表1と表2はコイル切替のバリエーション、5コイル/相モータの場合の接続パターンを示し、表1には、(1)使用コイル数順に並べた場合を、表2には(2)トルク定数・定格トルクの順に並べ替えた場合を示す。
使用コイル数順に並べた場合
トルク定数・定格トルクの順に並べた場合
In the case of 5 coils per phase, there are 18 effective coil combinations in total. Since the number of switches required is (=9×((number of coils/phase)−1)=36), smoother switching can be expected simply by changing the ON/OFF combination of the switches. Tables 1 and 2 show variations of coil switching and connection patterns for a 5-coil/phase motor.・Shown in the case of sorting in order of rated torque.
When arranged in order of the number of coils used
When arranged in the order of torque constant and rated torque
コイルの接続パターンの考え方であるが、先ず、(a)発電電圧が異なる為、循環電流が発生するものは除外する。すなわち誘起電圧が異なるコイル組を並列接続した場合などに循環電流が発生する接続パターンであり、そのようなパターンは除外する。次に(b)トルク定数及び端子間抵抗・インダクタンスが同じになる接続の場合、例えば2つずつ直列にしたものを2組作り、その2組を並列にしたものと、2コイルずつを並列にしたものを2組作ってその2組を直列にする場合が考えられるが、後者の接続方法を採用している。前者の接続はコイル特性のばらつきに起因する循環電流を小さくすることが期待できるがその実現のためにはスイッチの数を増やさねばならないので本例では後者を採用している。 Regarding the idea of the connection pattern of the coil, first, (a) since the generated voltage is different, the one that generates a circulating current is excluded. That is, it is a connection pattern in which a circulating current is generated when coil sets with different induced voltages are connected in parallel, and such a pattern is excluded. Next, (b) in the case of a connection in which the torque constant and the resistance/inductance between terminals are the same, for example, two sets of two in series are made, and the two sets are connected in parallel, and two coils are connected in parallel. Although it is conceivable to form two sets of such a pair and connect the two sets in series, the latter connection method is adopted. The former connection can be expected to reduce the circulating current caused by variations in the coil characteristics, but the number of switches must be increased to achieve this, so the latter connection is adopted in this example.
循環電流が流れない有効なコイル接続パターンは全部で18パターン存在するが、トルク定数は5種類のみになった。まず(1)定格トルクが一番大きい接続を選びNo.1→No.2→No.4→No.6→No.7と切り替えると、「切替の滑らかさ」と「損失(銅損)最小」の両立が期待できる。次に(2)切替時の端子間R,Lの差が小さくなるようにNo.1→No.8→No.13→No.16→No.18のように切り替えると、切替時のモータ電流の変動が小さくなるため、切替時の更なるショック低減が期待できる(この場合、高速回転時の損失増は犠牲になる)。すなわち、5コイル接続パターンについては、「銅損最小」だけではなく「切替時の滑らかさ」を考慮した提案となる。例えば、トルク定数4ktから3ktへ切り替える場合、(3S+2P)→(1S+2P+2P)と直接切り替えると端子間抵抗が3.5Ω→2.0Ωへ約半分となるため、モータ電流が約2倍の段差が発生するが、(3S+2P)→(3S)→(2S+2P)→(2S+3P)→(1S+2P+2P)と、中間に3つのパターンの接続を追加すると、端子間抵抗は3.5Ω→3.0Ω→2.5Ω→2.33Ω→2.0Ωと徐々に小さくなる為、モータ電流値の段差が小さくなり、切替に伴うショックを和らげる事が出来る。切替回数が3回増えるが、例えば0.1秒毎に次のステップへ切り替えるようにすると、切替に要する時間は0.3秒増えるだけになる。そして(3)No.1→(No.8→)No.2 →(No.13→No.9→No.3→)No.4→(No.16→No.14→No.10→No.5→No.11→)No.6→(No.18→No.17→No.15→No.12→)No.7と切り替えると、切替時のショックは最小となり、切替後の銅損も最小とすることが出来る。 Although there are 18 effective coil connection patterns in which circulating current does not flow, there are only 5 types of torque constants. First, (1) select the connection with the largest rated torque. 1→No. 2→No. 4→No. 6→No. 7, it can be expected to achieve both "smoothness of switching" and "minimum loss (copper loss)". Next, (2) no. 1→No. 8→No. 13→No. 16→No. Switching like 18 reduces the fluctuation of the motor current at the time of switching, so that a further shock reduction at the time of switching can be expected (in this case, an increase in loss during high-speed rotation is sacrificed). In other words, the 5-coil connection pattern is a proposal that considers not only "minimum copper loss" but also "smoothness at the time of switching". For example, when switching from a torque constant of 4kt to 3kt, if you switch directly from (3S+2P) to (1S+2P+2P), the resistance between the terminals will be halved from 3.5Ω to 2.0Ω, resulting in a step that doubles the motor current. However, if three patterns of connections are added in between (3S+2P)→(3S)→(2S+2P)→(2S+3P)→(1S+2P+2P), the resistance between terminals will be 3.5Ω→3.0Ω→2.5Ω → 2.33 Ω → 2.0 Ω, so that the step of the motor current value becomes smaller and the shock caused by switching can be alleviated. Although the number of switching times increases by 3, if the step is switched to the next step every 0.1 seconds, the time required for switching increases by only 0.3 seconds. and (3) No. 1→(No. 8→) No. 2 → (No. 13 → No. 9 → No. 3 →) No. 4→(No. 16→No. 14→No. 10→No. 5→No. 11→) No. 6→(No. 18→No. 17→No. 15→No. 12→) No. 7, the shock at the time of switching is minimized, and the copper loss after switching can also be minimized.
以上のように、直列と並列の単純切替パターンだけでなく、直列と並列の混用を用いることにより切り替えショックのすくないきめ細やかな切替が可能となる。なお、使用コイル数は5コイル全てを有効に使うことを推奨する。また、同数コイルで同電圧の場合に抵抗値が異なるパターン想定できれば、抵抗値が低いパターンを採用すべきである。更に同数コイルでも切替パターンを減らして切替制御を簡単にすることもできる(例えば5コイル全てを用いる場合に、5S(全部直列)、3P+2P(3コイル並列と2コイル並列を直列に繋げる9を間引いても良い。また、全部並列(5P)は後述(図42)のように回転数が次位以下と比べて大幅(倍違う)ので、これも使わない方が結果的にスムーズになる。尚、5コイルの変形例として図43のように直列部分の一つのコイル部分に特化して並列に一つのコイル(補コイル)を接続するならば当該部分の抵抗がその追加コイルとシェアできて発熱抑制ができる。図43の態様については後程詳述する。 As described above, not only a simple switching pattern between series and parallel, but also a mixed use of series and parallel enables fine switching with little switching shock. As for the number of coils to be used, it is recommended to use all 5 coils effectively. Also, if a pattern with different resistance values can be assumed for the same number of coils and the same voltage, the pattern with the lower resistance value should be adopted. Furthermore, even with the same number of coils, switching patterns can be reduced to simplify switching control. Also, as will be described later (Fig. 42), the number of revolutions of all parallel (5P) is significantly (double) compared to that of the next and below, so the result will be smoother if this is also not used. As a modification of 5 coils, as shown in FIG. 43, if one coil (complementary coil) is connected in parallel by specializing one coil part of the series part, the resistance of that part can be shared with the additional coil and heat is generated. The embodiment of Figure 43 will be described later in detail.
図14は、図12に準じて4コイル(各コイルが4つの場合。以下同じ)の接続バリエーション、図15は3コイル(各相のコイルが3つの場合。以下同じ)の接続バリエーションである。図14中の破線矢印は抵抗値の変化に伴う切替の流れを示す。図14も図15も図12同様に直列・並列の混用パターンが選定できるし、図12や図15のようにコイル数を奇数にしても使えることになる。 FIG. 14 shows a connection variation of 4 coils (when each coil is 4; the same applies hereinafter) according to FIG. 12, and FIG. 15 shows a connection variation of 3 coils (when there are 3 coils for each phase; Broken line arrows in FIG. 14 indicate the flow of switching accompanying changes in the resistance value. In FIGS. 14 and 15, a series/parallel mixed pattern can be selected as in FIG. 12, and an odd number of coils can be used as in FIGS. 12 and 15. FIG.
同じく6コイル(各相のコイルが6つの場合。以下、同じ)の場合を図16に示す。6コイルの場合、望ましい回路選択のパターンは使用コイル数が同じ場合、抵抗値が最小になる結線方式が採用される。そして同じ所望の逆起電圧なら抵抗の低い方が省エネルギー(バッテリーの長寿命化)効果がある。従って上記の例示パターンであれば、1コイルにより発生する逆起電圧を1Vとすれば、1V対応なら(1)、2V対応なら(5)、3V対応なら(8)、4V対応なら(9)、5V対応なら(10)、6V対応なら(12)を選択することが推奨される。 Similarly, FIG. 16 shows the case of 6 coils (there are 6 coils for each phase; hereinafter the same). In the case of 6 coils, a desirable circuit selection pattern is to adopt a wiring system that minimizes the resistance when the number of coils used is the same. For the same desired back electromotive voltage, a lower resistance has the effect of saving energy (prolonging battery life). Therefore, in the above example pattern, if the back electromotive voltage generated by one coil is 1 V, then (1) for 1 V, (5) for 2 V, (8) for 3 V, and (9) for 4 V. , (10) for 5V and (12) for 6V are recommended.
同じく図17、図18に8コイル(各相のコイルが8つの場合。以下同じ)のパターンを挙げておく。なお、各相のコイル総数は、切替段数(直列(=1パラ)、複数パターンの並列)に応じて分割することになるが、分割に際しては均等に分けることによってコイル間での循環電流の発生を防止することが望ましい。例えばコイル総数が24コイルであれば直列(1パラ)なら24コイルが直列、2パラなら2Pを12セットつなげることとなる。同様に、3パラの場合には3Pを8セット、4パラの場合には4Pを6セット、6パラの場合には6Pを4セットつなげることで、均等に分けることができる。更に分割数を増やし、8Pを3セット、12Pを2セットつなげ、24パラの場合には1コイルずつ分けて24コイル全てを並列にすることとなる。このようにコイルを均等分割することで、各相において並列を成すコイル数に差が生じないため、循環電流の発生を抑止する。このため、循環電流の発生に基づく発熱を抑制することができ、エネルギー(電力)効率の無駄(ロス)の増大を避けることができる。 17 and 18 show patterns of 8 coils (when there are 8 coils for each phase; the same shall apply hereinafter). The total number of coils for each phase is divided according to the number of switching stages (series (= 1 parallel), multiple patterns in parallel). It is desirable to prevent For example, if the total number of coils is 24 coils, 24 coils are connected in series for series (1 parallel), and 12 sets of 2P are connected for 2 parallels. Similarly, in the case of 3-para, 8 sets of 3P are connected, in the case of 4-para, 6 sets of 4-P are connected, and in the case of 6-para, 4 sets of 6-P are connected, so that they can be divided equally. Furthermore, the number of divisions is increased, three sets of 8P and two sets of 12P are connected, and in the case of 24 parallel, each coil is divided and all 24 coils are arranged in parallel. By equally dividing the coils in this way, there is no difference in the number of parallel coils in each phase, so that the generation of circulating current is suppressed. Therefore, it is possible to suppress heat generation due to the generation of circulating current, and to avoid an increase in waste (loss) in energy (power) efficiency.
[省電力以外の本発明の効果]
本発明により高回転速度及び高出力トルクの両立が図れる。
無負荷時の最大回転数Nは、モータのトルク定数をkt、電源電圧をVbとすると、
と表される.すなわち、回転速度を上げるためには、電源電圧を上げるか、または、モータのトルク定数ktを小さくする必要がある。
[Effects of the present invention other than power saving]
According to the present invention, both high rotation speed and high output torque can be achieved.
The maximum number of revolutions N under no load is given by the following, where kt is the torque constant of the motor and Vb is the power supply voltage:
is represented as That is, in order to increase the rotation speed, it is necessary to increase the power supply voltage or decrease the torque constant kt of the motor.
一方、モータ軸出力トルクTは、モータ電流をImとすると、
の関係がある。すなわち、出力トルクを上げるには、モータ電流を上げるか、または、トルク定数を大きくする必要がある。
On the other hand, the motor shaft output torque T is expressed as follows, where Im is the motor current:
There is a relationship That is, in order to increase the output torque, it is necessary to increase the motor current or increase the torque constant.
一般的に、電源電圧Vbはバッテリー電圧や昇圧回路により最大電圧が制限され、また、モータ電流Imはモータドライバ回路により最大電流値が制限される。回転速度が電源電圧で制限され、また、最大トルクがモータドライバ回路の最大電流値にて制限されている状況下において、更に最大回転数を上げる、或いは、最大出力トルクを上げる必要がある場合、本発明の構成を用いる事で電源電圧及びモータドライバ回路を変更する事無く、高回転速度化および高出力トルク化が実現される。 Generally, the maximum voltage of the power supply voltage Vb is limited by the battery voltage or the booster circuit, and the maximum current value of the motor current Im is limited by the motor driver circuit. In the situation where the rotation speed is limited by the power supply voltage and the maximum torque is limited by the maximum current value of the motor driver circuit, if it is necessary to further increase the maximum rotation speed or increase the maximum output torque, By using the configuration of the present invention, high rotation speed and high output torque can be realized without changing the power supply voltage and the motor driver circuit.
すなわち、高速回転が必要な場合には、切替回路によりコイルを並列接続状態とすることにより、モータのトルク定数ktが小さくなり、最大回転数を上げることが可能である。また、高トルクが必要な場合には、切替回路によりコイルを直列接続状態とすることにより、モータトルク定数ktが大きくなり、同一モータ電流Im下においても出力トルクTを大きくすることが可能となる。 That is, when high-speed rotation is required, the torque constant kt of the motor can be reduced by connecting the coils in parallel with the switching circuit, and the maximum rotation speed can be increased. Further, when high torque is required, the motor torque constant kt is increased by connecting the coils in series with the switching circuit, making it possible to increase the output torque T even under the same motor current Im. .
[回路構成]
本発明の実施態様に用いている回路について図19~図24により説明する。図19は回路構成の全景となる。ギア切替操作手段30はコントローラ31に接続され、ギア切替操作手段30からの指令信号がコントローラ31に入力されると、コントローラ31からシフトレジスタ32に対しては、指令信号Sin(シリアルイン)としての入力となる。
[Circuit configuration]
Circuits used in embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 19 to 24. FIG. FIG. 19 shows a full view of the circuit configuration. The gear switching operation means 30 is connected to a
先ず図19と図20で概略を説明する。指令信号Sinが入力されると、シフトレジスタ32からは、端子Q0、Q1、Q2からそれぞれ指令信号が出力されることとなる。この際、シフトレジスタ32では、クロック信号clkの作用により、各端子(Q0、Q1、Q2)からの出力がズレを生じるように調整される。具体的には、SinがL(Lo、以下同じ)でclkが立ち上がるときはQ0がLになり、SinがH(Hi、以下同じ)でclkが立ち上がるときはQ0はHになる。一方、他の場合、すなわちSinに変化が無い場合には、clkの立ち上がりに関わらず、信号の状態がLまたはHのまま維持される。Q1についてはQ0の信号に基づく変化が成される。具体的には、Q0がLでclkが立ち上がる時はLになり、Q0がHでclkが立ち上がるときはQ1がHになる。そして、Q0の信号に変化が無い場合には、前の状態、すなわちLまたはHの状態が維持される。Q2についてはQ1の信号に基づく変化が成される。具体的には、Q1がLでclkが立ち上がる時はLになり、Q1がHでclkが立ち上がる時はQ2がHになる。Q1の信号に変化が無い場合には、Q1と同様に、前の状態、すなわちLまたはHの状態が維持されることとなる。
First, an outline will be described with reference to FIGS. 19 and 20. FIG. When the command signal Sin is input, the
Q0とQ2からの出力は、NOR素子33に入力され、EN(XNOR:エクスクリーシブノア)として指令信号が出力される。NOR素子33では、Q0とQ2の信号が一致した場合に指令信号の出力が許可され、両者の信号が一致しない場合には指令信号の出力が許可されない。具体的には、Q0から出力される指令信号がLで、Q2からの出力もLである場合には、ゲートがHとなり、指令信号の出力が許可される。同様に、Q0からの出力がHで、Q2からの出力もHdeある場合にも、ゲートがHとなり、指令信号の出力が許可される。一方、Q0から出力される指令信号がLでQ2からの出力がHである場合や、Q0からの出力がHでQ2からの出力がLである場合には、ゲートがLとなり、指令信号の出力は許可されない。
Outputs from Q0 and Q2 are input to the NOR
シフトレジスタ32におけるQ1から出力される指令信号は、NOT素子34を介してAND素子35に入力されると共に、直接AND素子36にも入力される。NOT素子34からの出力信号は、入力された信号と逆になるため(Q1から出力された指令信号がLであった場合、NOT素子34からの出力はH、Q1からの指令信号がHであった場合、NOT素子34からの出力はL)、AND素子35とAND素子36には、Q1からの指令信号としてそれぞれ反対の指令信号が入力されることとなる。
The command signal output from Q1 in the
AND素子35、AND素子36は、それぞれQ1からの指令信号と、NOR素子33からの出力信号が同時にHとなった場合のみ、指令信号としてHを出力することとなる。上述したように、AND素子35とAND素子36には、Q1からの指令信号としてそれぞれ反対の信号(L又はH)が入力されるため、両者が同時にHの指令信号を出力することは無い。また、シフトレジスタ32におけるQ0とQ1、及びQ2からの指令信号の切り替えタイミングにもズレが生じていることより、NOR素子33からの出力信号の切り替えタイミングとQ1からの指令信号の切り替えタイミングが一致することも無い。このため、AND素子35とAND素子36との指令信号の切り替えタイミングも一致する虞がない。
The AND
AND素子35とAND素子36からの出力はそれぞれ、各相の回路を構成するブロック37,38,39に入力される。なお、ブロック37は、U相のブロック、ブロック38は、V相のブロック、ブロック39は、W相のブロックをそれぞれ示す。また、ブロック37,38,39において、AND素子35から出力される指令信号が入力されるG1sは、ゲートシリアル(直列側)への切り替え信号の入力端子であり、AND素子36から出力される指令信号が入力されるG1pは、ゲートパラレル(並列側)への切り替え信号の入力端子である。上述したように、AND素子35とAND素子36からの指令信号は一致することが無く、L、Hの切り替えタイミングにもズレが生じることとなる。このため、図20に示すように、G1sとG1pが同時にON(Hi)となるタイミングが無く、ショートが生じることが無い。なお、G1s、G1pにおける数字「1」は、それぞれ回路部の番号を示すものであり、表15(別項で後述)を例にすれば回路部におけるKx11における端子の場合、それぞれG11s、G11pと示すことができる。
Outputs from the AND
図21に、ブロックを構成する回路図の例を示す。なお、図21に示す例は、U相を構成するブロックにおける回路図の例であるが、V相、W相を構成するブロックについても同様な構成となる。例えばLu1hについては、V相の場合Lv1h、W相の場合Lw1h、Lu2hについては、Lv2h、Lw2hとなる。また、Lu1lはLv1lとLw1l、VuはVv、Vwにそれぞれなる。図21に示す例では、回路部に相当するスイッチング素子とFET(電界効果トランジスタ)素子40を示しているが、本発明を実施するにあたってスイッチング素子を用いる場合には、FET素子を採用することに限定するものでは無い。
FIG. 21 shows an example of a circuit diagram forming a block. The example shown in FIG. 21 is an example of a circuit diagram of a block that configures the U phase, but the blocks that configure the V phase and W phase also have the same configuration. For example, Lu1h is Lv1h for the V phase, Lw1h for the W phase, and Lv2h and Lw2h for Lu2h. Also, Lu1l becomes Lv1l and Lw1l, and Vu becomes Vv and Vw, respectively. In the example shown in FIG. 21, a switching element and an FET (field effect transistor)
図22は図19のデッドタイム生成し指令信号を出力する制御部の詳細を示し、図19の符号32~36を含む枠内の詳細である。そして図23はFETスイッチング回路を示し、図19の符号37のU相ブロックの回路の詳細だが、符号38のV相ブロックや、符号39のW相ブロックも同様である。
FIG. 22 shows the details of the control section for generating the dead time and outputting the command signal shown in FIG. FIG. 23 shows an FET switching circuit, and the details of the circuit of the
図24は本件実施態様の自動切替装置付きコアレスモータを電動バイクに適用したコイル切替(つまりモータ切替の)操作の為の関連回路全景例になる。符号100は切替操作部の速度制御(Speed Control)のパート、符号110は緊急停止(Emergency Stop)スイッチ、符号120はコイル切替を自動にするか手動にするかのモード選択スイッチ(Auto/Manual)、符号130は符号120にて手動選択したときの切り替えスイッチ(4P(4パラ)、2P+2P(2パラ)、4S(1パラ)の選択)、符号140はコイル切替装置の電子回路になる。これらの各ブロックは図示のようにJ1(DB25_Male)を介してモータコントローラ(モータドライバ)に接続されることになる。
FIG. 24 shows an example of a panoramic view of a related circuit for coil switching (that is, motor switching) operation in which the coreless motor with an automatic switching device of this embodiment is applied to an electric motorcycle.
[検証データ]
以下に本発明によるコイル切替装置を組み込んだ全体システムとしての省電力効果をデータとして示す。以下において測定環境は次の通りである。
使用モータはコアレスモータ(株)製のCPH110(コアレスモータ社製コアレスモータのコイルにリッツ線を適用。定格仕様は表3の通り)、ドライバはユニパルス株式会社製RoboteQ HIOKI PW3336、トルク、回転計はユニパルス株式会社製のTM-301、UTM2-20Nmにて測定、PS(主電源)はTHAOXIN製のKNX6060D、駆動電圧は48V(使用電圧CPHC110:DC48V、BXR-06-10-005:DC24V)、モータの回転方向は軸を手前に見て時計回り。回路情報は図25の通りである。
[Verification data]
The power saving effect of the entire system incorporating the coil switching device according to the present invention is shown below as data. The measurement environment is as follows.
The motor used is CPH110 manufactured by Coreless Motor Co., Ltd. (a litz wire is applied to the coil of the coreless motor manufactured by Coreless Motor Co., the rated specifications are shown in Table 3), the driver is RoboteQ HIOKI PW3336 manufactured by Unipulse Co., Ltd. Measured with TM-301, UTM2-20Nm manufactured by Unipulse Corporation, PS (main power supply) is KNX6060D manufactured by THAOXIN, drive voltage is 48V (working voltage CPHC110: DC48V, BXR-06-10-005: DC24V), motor The direction of rotation is clockwise when the shaft is viewed from the front. Circuit information is as shown in FIG.
尚、表4~13について(B)としたものは原則同条件(wireは2720mm)、但し、表11、表13の(A)の条件は他表の(B)に準ずるが使用したモータは1kW仕様単体、ドライバーモータ内のケーブル(wireは1200mm)、回路はメカ接点タイプのリレー、電源はバッテリー2個使用の48Vであり、モータコイルはリッツ線を適用している。下記表に見られるようにいずれも省電力効果が得られている。
15rpm 電流(B)
25rpm 電流(B)
50rpm 電流(B)
100rpm 電流(B)
200rpm 電流(B)
550rpm 電流(B)
940rpm 電流(B)
2000rpm電流(A)
2500rpm電流(B)
3000rpm 電流(A)
Regarding Tables 4 to 13, (B) is basically the same condition (wire is 2720 mm), but the conditions of (A) in Tables 11 and 13 conform to (B) in other tables, but the motor used is 1kW specification unit, cable (wire: 1200mm) in driver motor, circuit is mechanical contact type relay, power supply is 48V using 2 batteries, and Litz wire is applied to motor coil. As can be seen in the table below, all of them have power saving effects.
15rpm current (B)
25rpm current (B)
50rpm current (B)
100rpm current (B)
200rpm current (B)
550rpm current (B)
940rpm current (B)
2000rpm current (A)
2500rpm current (B)
3000rpm current (A)
表14に纏めとして50rpmでドライバ~コイル選択装置間のワイヤ距離を変えたりチョークコイルの影響を確認したデータを示す。表中の「低減度」:バッテリー電流の低減度(%)である。
Table 14 summarizes the data obtained by changing the wire distance between the driver and the coil selector at 50 rpm and confirming the influence of the choke coil. "Reduction degree" in the table: reduction degree (%) of battery current.
図26に4パラ(4コイルの並列)と1パラ(4コイルの直列)のケーブル長さによるバッテリー消費電流の測定結果を示す。4パラから1パラに切り替えることによりモータ電流が1/4に減少し、ケーブルによる損失も減少する。配線ケーブルが長くなり、細くなる程、コイル切替装置によるバッテリー電流低減効果が発揮されることになる。実際に電動車にモータとバッテリーを結ぶようにケーブルを這わせると1m以上の距離が必須となるから、省電力効果は絶大である。 FIG. 26 shows the measurement results of the battery current consumption with respect to the cable lengths of 4 parallels (4 coils in parallel) and 1 parallel (4 coils in series). By switching from 4-parallel to 1-parallel, the motor current is reduced to 1/4 and the loss due to the cable is also reduced. As the wiring cable becomes longer and thinner, the effect of reducing the battery current by the coil switching device is exhibited. If a cable is actually laid on an electric vehicle to connect the motor and the battery, a distance of 1 m or more is essential, so the power saving effect is enormous.
[ステータコイルの構成例1]
図2のようなモータ10では、図27に示すように、ステータコイル体18を構成する各相を2つのコイル(第1コイルU1、第2コイルU2、第1コイルV1、第2コイルV2、第1コイルW1、第2コイルW2)により構成している。本実施形態に係るステータコイル体18は、3相のコイルで構成されている。尚、これは例示であり、コイルの形態が極数を決めるものではない。例えば12極の場合、U1、U2、V1、V2、W1、W2の各相の夫々が全て6コイル直列のコイル体であったり、8極の場合、U1、U2、V1、V2、W1、W2の各相の夫々が全て4コイル直列のコイル体であったりしても良い。このようにステータコイル体18の形態から極数を決定することはできず、極数が偶数であれば何極でも構わない。各相を構成するコイル(第1コイル U1と第2コイルU2、第1コイルV1と第2コイルV2、第1コイルW1と第2コイルW2)の間には、切り替えスイッチを構成する回路部20(20U、20V、20W)が備えられている。
[Configuration Example 1 of Stator Coil]
In the
回路部20は、入力側1ポート、出力側2ポートの切り替えスイッチが2つ(第1スイッチA、第2スイッチB)、並列に配置されて成る。第1スイッチAの入力側ポートには、第1コイルU1、V1、W1が夫々接続され、第2スイッチBの入力側ポートには、第1バイパス線が接続されている。第1スイッチAの出力側ポートには、aポート側に第2コイルU2、V2、W2が接続され、bポート側に第2バイパス線が接続されている。また、第2スイッチBの出力側ポートには、aポート側が開放(未接続)となっており、bポート側には、第2コイルU2、V2、W2からの分岐線が接続されている。
The
このような回路構成とすることで、回路部20を構成するスイッチの切り替えにより、第1コイルU1、V1、W1と第2コイルU2、V2、W2とを直列接続、または並列接続に切り替える事が可能となる。具体的には、第1スイッチAと第2スイッチBを共にaポートに接続した場合、第1コイルU1、V1、W1と第2コイルU2、V2、W2が直列接続となる(図27の20U、20V、20Wの実線参照)。一方、第1スイッチAと第2スイッチBを共にbポートに接続した場合、第1コイルU1、V1、W1と第2コイルU2、V2、W2は、並列接続となる(図27の20U、20V、20Wの破線参照)。すなわち、第1スイッチAと第2スイッチBの切り替えタイミングは一致するように構成されている。
With such a circuit configuration, the first coils U1, V1, W1 and the second coils U2, V2, W2 can be connected in series or in parallel by switching the switches constituting the
このような切り替え制御において、第1コイルU1、V1、W1と第2コイルU2、V2、W2を直列接続するシステム(第1システムと称す)では、トルク特製が良好となる。一方、第1コイルU1、V1、W1と第2コイルU2、V2、W2とを並列接続するシステム(第2システムと称す)では、回転特性が良好となる。モータのトルク定数を使って説明すると、直列に接続することにより、モータのトルク定数が大きくなり、電流当たりのトルクが大きくなる(トルク特性が良好になる)。一方、並列に接続することにより、モータのトルク定数が小さくなり、高速で回転させることが可能になる(回転特性が良好になる)。本実施例において、端子切替の目的はトルク定数を変更する為で、その結果、回転特性とトルク特性が変化し、各場面で最適なモータを提供できることになる。 In such switching control, a system (referred to as a first system) in which the first coils U1, V1, W1 and the second coils U2, V2, W2 are connected in series provides good torque characteristics. On the other hand, a system in which the first coils U1, V1, W1 and the second coils U2, V2, W2 are connected in parallel (referred to as a second system) has good rotation characteristics. To explain using the torque constant of the motor, the series connection increases the torque constant of the motor and increases torque per current (improves torque characteristics). On the other hand, by connecting the motors in parallel, the torque constant of the motor becomes small and it becomes possible to rotate at high speed (the rotation characteristics are improved). In this embodiment, the purpose of the terminal switching is to change the torque constant. As a result, the rotation characteristics and torque characteristics change, and it is possible to provide an optimum motor for each situation.
図28に、第1システムと第2システムのトルクと回転数の関係特性(T-N特性)と、トルクと電流の関係特性(T-I特性)をそれぞれ示す。第2システムと第1システムを比較すると、第2システムでは常用回転域が高いため、トルクの向上に伴う使用電力の立ち上がり勾配が急なことを読み取ることができる。一方、第1システムでは、低回転域で高いトルクを発生させることができるものの、最高回転数が第2システムの半分程度にとどまってしまっていることを読み取ることができる。 FIG. 28 shows the torque-rotational speed relationship characteristics (TN characteristics) and the torque-current relationship characteristics (TI characteristics) of the first system and the second system, respectively. Comparing the second system and the first system, it can be seen that the second system has a high normal speed range, so that the rising gradient of the power consumption accompanying the improvement of the torque is steep. On the other hand, it can be seen that although the first system can generate high torque in the low rotation range, the maximum rotation speed is only about half that of the second system.
各システムの特性を踏まえ、低回転域では第1システムを用い、高回転域では第2システムを用いることで、2つのモータの夫々良いところを有効に活用することができると考えられる。図29に、第1システムと第2システムとを最大トルクの1/2となる回転域で切り替えた際に得られるモータの特性(T-N特性とT-I特性)を示す。システムの切り替えを行う本実施形態に係るモータ10では、低回転域において消費電力(電流)を抑制しつつ、高いトルクを発生させることができる。また、低トルクでの稼働で問題無い部分においては、第1システムでは得ることのできない高い回転数を実現することが可能となる。
Based on the characteristics of each system, by using the first system in the low speed range and the second system in the high speed range, it is possible to effectively utilize the advantages of each of the two motors. FIG. 29 shows the motor characteristics (TN characteristics and TI characteristics) obtained when switching between the first system and the second system in the rotation range where the maximum torque is 1/2. The
このような構成を実現する場合、回路部20を構成するスイッチ(第1スイッチA、第2スイッチB)の切り替えは、U相、V相、W相の3相で同時に成される必要がある。このため、実施形態に係るモータ10には、回路部20に対して切り替え信号を出力する制御部22が備えられている。なお、制御部22は、予め定められた所定の回転数を基準とし、それよりも低回転側では、各相において直列接続するコイルを増やすようにし、一方、高回転側では並列接続するコイルを増やすように切り替えを行う構成とすると良い。消費電力と発生トルクのバランスをとることが出来ると共に、使用可能な回転域の幅を広げることができるからである。
In order to realize such a configuration, switching of the switches (the first switch A and the second switch B) constituting the
このような構成のモータ10を車両の動力に適用して電動車を構成する場合、第1システム(直列)と第2システム(並列)の出力特性は図30に示すような傾向を示すこととなる。このため、発生トルクと必要回転域、及び消費電力の観点から、3つのゾーンに分けてシステムの切り替えを行いながら運転することができる。
When an electric vehicle is constructed by applying the
すなわち、第1ゾーンは、発進時や登坂領域など、出力トルクが必要な場合(概ね最大トルクの1/2以上)に適用すると良い(第1システム:低回転時)。また、第2ゾーンは、比較的回転数が低く、出力トルクが不要(概ね最大トルクの1/2未満)で、消費電力を抑えたい場合(例えば通常走行時)に適用すると良い(第1システム:高回転時)。更に、第3ゾーンは、高速走行時など、高い回転数が必要で出力トルクが不要な場合(概ね最大トルクの1/2未満)に適用すると良い(第2システム:高回転時)。 That is, the first zone should be applied when output torque is required (roughly 1/2 or more of the maximum torque), such as when starting or climbing a hill (first system: at low speed). In addition, the second zone should be applied when the number of revolutions is relatively low, output torque is unnecessary (roughly less than 1/2 of the maximum torque), and power consumption should be suppressed (for example, during normal driving) (first system : at high speed). Furthermore, the third zone should be applied when a high rotation speed is required and output torque is not required (generally less than 1/2 of the maximum torque), such as during high-speed running (second system: high rotation).
コアレスモータは鉄心が無い。従って、インダクタンスが小さくなる。しかしインダクタンスが大きいと電流の変化は起きにくくなる。そのため、無理に電流の変化を発生させると高電圧が発生する。大きな電流が流れている時に、急に電流を切ると(例えばパラからシリーズ(直列)に切り替えればその瞬間に電流は切られてしまう)、高電圧が発生してしまう。そうなると回路に過電圧がかかって回路の素子が壊れる可能性が大きい。回路素子は過電圧に弱いからである。 A coreless motor has no iron core. Therefore, the inductance becomes small. However, if the inductance is large, the change in current is difficult to occur. Therefore, if the current is forced to change, a high voltage is generated. When a large current is flowing, if the current is suddenly cut off (for example, if you switch from parallel to series, the current will be cut off at that moment), high voltage will be generated. If this happens, the circuit may be overvoltaged and the circuit elements may be damaged. This is because circuit elements are vulnerable to overvoltage.
鉄心歯にコイルの巻かれたコアドモータは、インダクタンスが大きいので、対策として、回路切替時の大電圧を発生させないようにする為の付帯設備や電流を作業手順上で一旦切って入れ替える作業追加などを工夫せざるを得なくなる。よって、鉄心歯にコイルの巻かれたコアドモータの巻線切替利用では、巻線切替時の急な電流変化による過電圧発生による事故を回避するための各種予防策の素子類を複数個用いざるを得ず回路構成が複雑になってしまう。 Cored motors, in which coils are wound around the teeth of the iron core, have a large inductance, so as countermeasures, additional equipment should be added to prevent the generation of large voltage when switching the circuit, and work should be done to temporarily turn off and replace the current in the work procedure. I have no choice but to devise it. Therefore, when using the winding switching of a cored motor with coils wound around the core teeth, it is inevitable to use multiple preventive elements to avoid accidents due to overvoltage caused by sudden current changes at the time of winding switching. Therefore, the circuit configuration becomes complicated.
これに対して本実施形態に係る構成のモータ10(コアレスモータ)では、過電圧がコアドモータ(鉄心モータ)のわずか数分の1(例えば1/20 以下)しか発生しない。このため、余計な付帯設備や事故回避作業が不要となり、直列、並列の切替が瞬時に行えることとなる。これは、本願発明者等によって初めて着想され、実証できた技術である。但し、本実施態様の効果はコアレスモータ特有の効果を示したのであり、省電力効果の観点ではコアドモータにも同様の効果があるので本発明はコアレスモータには限定されない。尚、コアドモータの中でもスロットレスタイプは鉄心歯がない点において通常のコアドモータに比べればインダクタンスが小さいからコアレスモータに準じた好適例になる。 On the other hand, in the motor 10 (coreless motor) configured according to the present embodiment, the overvoltage is only a fraction of that of the cored motor (eg, 1/20 or less). This eliminates the need for extra incidental equipment and work for avoiding accidents, and instantaneous switching between series and parallel can be performed. This is a technique that was first conceived and demonstrated by the inventors of the present application. However, the effect of this embodiment shows the effect peculiar to the coreless motor, and the present invention is not limited to the coreless motor because the cored motor also has the same effect from the viewpoint of the power saving effect. Among the cored motors, the slotless type has a smaller inductance than a normal cored motor in that it has no iron core teeth, so it is a suitable example corresponding to the coreless motor.
一般的にモータを乗物に適用する際、インダクタンスが大きいコアドモータの場合、負荷がかかっている状態でモータに対する供給電流をカットすると、ロータの回転を止めようとする抵抗を作用するため、スピードが落ちてショックが生じる。これに対し、本実施態様に係るコアレスモータ10を採用した場合には、インダクタンスに起因したショックが生じ難いということが言える。
In general, when a motor is applied to a vehicle, in the case of a cored motor with a large inductance, if the supply current to the motor is cut while a load is applied, the resistance that tries to stop the rotation of the rotor will act, causing the speed to drop. shock. In contrast, when the
[ステータコイルの構成例2]
次に、図31を参照して、第2実施形態に係るモータ10の構成について説明する。本実施形態に係るモータ10は、ステータコイル体18の構成を、第1実施形態に係るモータ10と異ならせている。
[Configuration Example 2 of Stator Coil]
Next, the configuration of the
本実施形態に係るステータコイル体18は、1つの相に4つのコイル(合計12個)を用いた3相12極とされている。このような構成のステータコイル体18では、各相を構成するコイル(第1コイルU1、第2コイルU2、第3コイルU3、第4コイルU4、第1コイルV1、第2コイルV2、第3コイルV3、第4コイルV4、第1コイルW1、第2コイルW2、第3コイルW3、第4コイルW4)の間にそれぞれ、回路部20(20U1、20U2、20U3、20V1、20V2、20V3、20W1、20W2、20W3)が設けられている。
The
回路部20の構成として、回路部20U1、20U3、20V1、20V3、20W1、20W3については、第1実施形態に係る回路部20U、20V、20Wと同様である。一方、回路部20U2、20V2、20W2については、第2スイッチBについて、入力ポートの数と出力ポートの数が第1スイッチAと逆となるように構成されている。
As the configuration of the
このような構成のモータ10では、U相、V相、W相のそれぞれにおいて、回路部20U1~20W3について、それぞれ第1スイッチAと第2スイッチBをaポートに設定することで、第1コイルU1~第4コイルU4、第1コイルV1~第4コイルV4、第1コイルW1~第4コイルW4がそれぞれ直列接続されることとなる(この状態を1パラと称す:図31参照。各回路部が実線の方を選択)。
In the
また、1パラの状態から回路部20U2、20V2、20W2の第1スイッチAと第2スイッチBをbポートに設定した場合、例えばU相では、第1コイルU1と第2コイルU2が直列、第3コイルU3と第4コイルU4が直列にそれぞれ接続され、第1コイルU1と第2コイルU2の組と、第3コイルU3と第4コイルU4の組がそれぞれ並列に接続されることとなる。なお、V相、W相においても各コイルが同様に接続される(この状態を2パラと称す:図31参照。20U2、20V2及び20W2は破線選択、他の選択回路は実線を選択)。 When the first switch A and the second switch B of the circuit units 20U2, 20V2, and 20W2 are set to the b port from the 1-para state, for example, in the U phase, the first coil U1 and the second coil U2 are connected in series. A third coil U3 and a fourth coil U4 are connected in series, and a set of the first coil U1 and the second coil U2 and a set of the third coil U3 and the fourth coil U4 are connected in parallel. Each coil is similarly connected in the V-phase and W-phase (this state is called 2-para: see FIG. 31. 20U2, 20V2 and 20W2 select the dashed lines, and the other selection circuits select the solid lines).
更に、U相、V相、W相のそれぞれにおいて、回路部20U1~20W3について、それぞれ第1スイッチAと第2スイッチBをbポートに設定した場合には、第1コイルU1~第4コイルU4、第1コイルV1~第4コイルV4、第1コイルW1~第4コイルW4がそれぞれ並列接続されることとなる(この状態を4パラと称す:図31参照。各選択回路部が全て破線側を選択)。 Further, in each of the U-phase, V-phase, and W-phase, when the first switch A and the second switch B are set to the b port for the circuit units 20U1 to 20W3, the first coil U1 to the fourth coil U4 , the first coil V1 to the fourth coil V4, and the first coil W1 to the fourth coil W4 are connected in parallel (this state is called 4-parallel: see FIG. 31). choose).
上記のような構成のモータ10では、直列接続されるコイルが多いシステムほどトルク特性が高く(上記1パラ)、並列接続されるコイルが多いシステムほど回転特性が高い(上記4パラ)。このような特性を活かし、1パラから4パラまでのシステム切り替えを行ってモータ10を運転する場合のトルクと回転数の関係特性(T-N特性)と、トルクと電流の関係特性(T-I)について、図32に示す。
In the
図32によれば、1パラ、2パラ、4パラと、回転数の上昇に伴うシステム切り替えを実施することで、消費電力を所定値以下に押えつつ、高トルクの運転を実現することができる。また、2パラ、4パラと切り替え運転することで、1パラでは得る事のできない高回転域での運転を実現する事ができる。例えばこのような構成のモータ10を電動車の推進用の動力に適用した場合、4パラ、2パラ、1パラ(つまり全コイル直列)は、それぞれトップギア、セカンドギア、ローギアに相当する変速機構としての機能を果たすこととなる。このような構成のモータ10であっても、第1実施形態に係るモータ10と同様に、高回転域においても所定のトルクを得る事ができる。
According to FIG. 32, by switching the system according to the increase in the number of revolutions from 1st, 2nd, and 4th, it is possible to realize high-torque operation while keeping the power consumption below a predetermined value. . In addition, by switching between 2-parallel and 4-parallel, it is possible to achieve operation in a high rotation range that cannot be obtained with a 1-parallel. For example, when the
また、本例においてもコアレスモータへの適用により、自己インダクタンスを小さく抑える事ができ、回路部20による接続切り替えによるスイッチングから特性切り替えに至るまでの応答性を高めることができる。更に、コイルと回路部の数を増やすことにより、特性の切り替えの自由度を向上させることができる。
Also in this example, application to a coreless motor makes it possible to keep the self-inductance small, and to improve the responsiveness from switching by connection switching by the
[ステータコイルの他の構成例]
本発明は単一のコイル単位に回路部を備える構成に限定されず、回路部間に配置するコイルの数は、1つに限るものでは無い。例えば、回路部間に配置するコイルの数に変化を持たせると共に回路部の配置を工夫することで、コイルを並列接続する際に、直列接続されるコイルの数を等分化することが可能となり、直列接続するコイルと並列接続するコイルの組み合わせによる特性変化の幅を広げることができる。
[Another configuration example of the stator coil]
The present invention is not limited to a configuration in which a circuit unit is provided for each single coil, and the number of coils arranged between circuit units is not limited to one. For example, by varying the number of coils arranged between the circuit sections and devising the layout of the circuit sections, it is possible to divide the number of coils connected in series when connecting the coils in parallel. , the width of the characteristic change can be widened by the combination of the coils connected in series and the coils connected in parallel.
例えば図33に示すような構成のステータコイル体18を備えるモータ10では、各相(U相、V相、W相)に12個のコイル(第1コイル~第12コイル:U1-W12)を配置し、5つの回路部(20U1-20W5)を設ける構成としている。1例として、U相における回路部20U1-20U5)は、コイルU3とコイルU4の間、コイルU4とコイルU5の間、コイルU6とコイルU7の間、コイルU8とコイルU9の間、及びコイルU9とコイルU10の間にそれぞれ設けている。なお、V相とW相においても、回路部(20V1-20W5)の配置は同様とする。
For example, in a
回路部(20U1-20W5)には、それぞれポートa1、b1、a2、b2、c1、c2が備えられている。このようなポートを有する回路部(20U1-20W5)では、ポートa1、b1がポートc1との間で切り替え可能とされ、ポートa2、b2がポートc2との間で切り替え可能とされており、両者は同時に切り替えが成されるように構成されている。 The circuit units (20U1-20W5) are provided with ports a1, b1, a2, b2, c1 and c2, respectively. In the circuit units (20U1-20W5) having such ports, ports a1 and b1 are switchable with port c1, and ports a2 and b2 are switchable with port c2. are configured to switch at the same time.
次に、本形態におけるステータコイル体18の接続形態の切り替えと回路部(20U1-20W5)の切り替えの関係について説明する。なお、各相において対応する回路部(20U1-20W5)はそれぞれ同時に切り替えが成されるため、以下の説明においては、回路部20U1、20V1、20W1を回路部20X1、回路部20U2、20V2、20W2を回路部20X2、回路部20U3、20V3、20W3を回路部20X3、回路部20U4、20V4、20W4を 回路部20X4、回路部20U5、20V5、20W5を回路部20X5と称して説明する。
Next, the relationship between the switching of the connection form of the
本実施形態のモータでは、1パラ(直列接続)の場合には、全ての回路部20X1-20X5において、aポートとcポートが接続されるようにスイッチングが設定される。また、2パラとする場合には、回路部20X3のみがb21ポートとcポートが接続されるようにスイッチング設定される。また、3パラとする場合には、回路部20X2と回路部20X4がbポートとcポートが接続されるようにスイッチング設定される。更に、4パラとする場合には、回路部20X1と回路部20X3、及び回路部20X5がbポートとcポートが接続されるようにスイッチング設定される。 In the motor of this embodiment, in the case of 1-para (series connection), switching is set so that the a port and the c port are connected in all the circuit units 20X1 to 20X5. Also, in the case of 2-parallel, only the circuit section 20X3 is switched so that the b21 port and the c port are connected. Further, in the case of 3-parameter, switching setting is performed so that the b port and the c port of the circuit section 20X2 and the circuit section 20X4 are connected. Furthermore, in the case of 4-parameter, switching setting is made so that the b port and the c port of the circuit section 20X1, the circuit section 20X3, and the circuit section 20X5 are connected.
各相を構成するコイルを円筒状に配置すると、図34のような形態となる。図34に示す例では、コイルU1とコイルU12の境界部を電力の入出力端として、右周りにコイルU1-U12を円筒(円環)状となるように配置している。このような配置形態のコイルにおいて、上記2パラを実行した場合、回路部20U3でコイルが分割(2等分)され、コイルU1-U6、コイルU7-U12がそれぞれ直列接続されることとなる。また、上記3パラを実行した場合、回路部20U2、20U4でコイルが分割(3等分)され、コイルU1-U4、コイルU5-U8、コイルU9-U12がそれぞれ直列接続されることとなる。更に、上記4パラを実行した場合、回路部20U1、20U3、20U5でコイルが分割(4等分)され、コイルU1-U3、U4-U6、U7-U9、U10-U12がそれぞれ直列接続されることとなる。なお、図34においてはU相のコイル配置を示しているが、V相やW相においても同様である。 If the coils constituting each phase are arranged in a cylindrical shape, the form shown in FIG. 34 is obtained. In the example shown in FIG. 34, the boundary between the coil U1 and the coil U12 is used as the power input/output terminal, and the coils U1 to U12 are arranged in a cylindrical (annular) shape clockwise. In the case of the coils arranged in this way, when the above two paras are executed, the coil is divided (halved) in the circuit unit 20U3, and the coils U1 to U6 and the coils U7 to U12 are connected in series. Further, when the above three paras are executed, the coils are divided (divided into three equal parts) by the circuit units 20U2 and 20U4, and the coils U1-U4, the coils U5-U8, and the coils U9-U12 are connected in series. Furthermore, when the above four paras are executed, the coils are divided (divided into four equal parts) by the circuit units 20U1, 20U3, and 20U5, and the coils U1-U3, U4-U6, U7-U9, and U10-U12 are connected in series. It will happen. Although FIG. 34 shows the U-phase coil arrangement, the same applies to the V-phase and W-phase.
また、図35は、本発明を用いた6段切替の回路例を示している。この例では、U、V、Wの3相を用い、各相に12コイルを使用しており、コイルの接続方式を1パラ(つまり全部直列)、2パラ、3パラ、4パラ、6パラ、12パラ(2以上は並列)とする6段切替ができるようにしている。図35に示す例では、説明簡単化の為に図のようなリレーの組み合わせで説明しているが、前述のようにFET等のスイッチング素子(半導体素子)を1つまたは複数用いて回路装置を纏めるようにしても良い。半導体素子を用いて回路装置を纏めるようにすることで、モータ10自体の小型軽量化や、内部配線の簡略化を図る事が可能となるからである。図中のa1、a2、b1、b2、c1、c2はポート(接点)、Lu1~Lu12、Lv1~Lv12、Lw1~Lw12はコイル、Ku1~Ku11、Kv1~Kv11、Kw1~Kw11は回路部(リレー)を示す。
Also, FIG. 35 shows an example of a 6-stage switching circuit using the present invention. In this example, three phases of U, V, and W are used, and 12 coils are used for each phase. , 12 parallels (2 or more are parallel). In the example shown in FIG. 35, the combination of relays as shown in the figure is used for the sake of simplification of explanation. You can put it together. This is because it is possible to reduce the size and weight of the
回路部におけるポートc1とポートc2は同時に切り替わり、ポートc1がポートa1と繋がれば同時にポートc2はポートa2と繋がることとなる。このような接続形態では、当該回路部の両側に配置されたコイルが直列に接続されることとなる。なお、回路部においてポートa2は使わない端子(未接続)となっている。一方、ポートc1がポートb1と繋がれば同時にポートc2はポートb2に繋がることとなる。このような接続形態では、当該回路部の両側に配置されたコイルは並列に繋がることとなる。このような回路部が11個あれば、どの位置の回路部の選択先をaにするかbにするかにより、表15に示すように1パラ(1パラは直列)、2パラ、3パラ、4パラ、6パラ、12パラの選択ができる。なお、表中のKx1~Kx11のxは、u、v、wを示している(例えばU相のKx1はKu1になる。
The ports c1 and c2 in the circuit section are switched at the same time, and when the port c1 is connected to the port a1, the port c2 is connected to the port a2 at the same time. In such a connection form, the coils arranged on both sides of the circuit section are connected in series. In the circuit section, the port a2 is an unused terminal (unconnected). On the other hand, when port c1 is connected to port b1, port c2 is simultaneously connected to port b2. In such a connection form, the coils arranged on both sides of the circuit section are connected in parallel. If there are 11 such circuit units, depending on which position of the circuit unit a or b is selected, 1-parameter (1-parameter is in series), 2-parameter and 3-parameter are shown in Table 15. , 4 para, 6 para, and 12 para can be selected. Note that x in Kx1 to Kx11 in the table indicates u, v, and w (for example, Kx1 of the U phase becomes Ku1.
[自動切替のタイミング]
モータを回転させるべく複数相必要だが、夫々の相の切り替え方は同じになる。なお、切替操作はオートではあるがマニュアルを併用しても良く、直列以外に複数段階の切り替えが可能であることが本実施例の本質になる。切替の操作は、例えば図19のギア切替操作手段30により段数を選定し、その選定指示をコントローラ31に送り、コントローラ31にて操作信号Sinをシフトレジスタ32に送ることになる。尚、図19は全体としてコイル自動切替装置80を構成している。コイル自動切替装置80の中にギア切替操作手段30が入っている。切替のタイミングの例を図36にて説明する。
[Timing of automatic switching]
A plurality of phases are required to rotate the motor, but the method of switching each phase is the same. Although the switching operation is automatic, manual operation may be used in combination, and the essence of this embodiment is that it is possible to switch in a plurality of stages other than series. For the switching operation, for example, the gear switching operation means 30 shown in FIG. Incidentally, FIG. 19 constitutes an automatic
図36はコイル自動切替装置80の切替タイミングとしてモータ電圧を使う方法を例示しており、基本的にはT-N/T-I特性上においてこの図に示される領域となるように切り替えるものである。この例では3相の各相が4コイルであり、簡略化して図14の4パラ(4P)、2パラ(2P+2P)、1パラ(4S)で展開しているが、勿論、他の並列+直列の混用でも良い。モータ電圧は最大印可電圧を100%とした場合の割合で示している。切り替え条件の例は表16に示す。表16の条件に従って接続を切り替えれば図36の各領域に入ることになる。図19のギア切替操作手段30にそのような機能を持たせても良いし、または、ギア切替操作手段30はマニュアルでギアを切り替える為の手段にしてモータ電圧と電流を監視して表16の条件に従ってオートで切り替える機能をコントローラ31に持たせても良いよい。
FIG. 36 exemplifies a method of using the motor voltage as the switching timing of the automatic
このようにモータ電圧とモータ電流を夫々モータに接続されている測定装置(図示省略)にて測定してそのデータにより、自動的に切り替わるようにコイル自動切替装置80内の半導体素子に記憶しておく。
In this way, the motor voltage and the motor current are measured by measuring devices (not shown) connected to the motor, respectively, and the data is stored in the semiconductor element in the automatic
ここで、ドライバ最大電流への配慮の重要性を述べておく。移動体の電源は建物の固定電源とは異なり電流はいくらでも流せるわけではない。電源(バッテリー)には内部抵抗が有し、モータドライバに多量の電流が流れると損失が多くなってしまうのみならず、限定された電流以上に一瞬でも電流が流れれば破損を招く。そこでドライバの最大電流(より望ましくは絶対最大定格)を考慮することが重要になる。 Here, the importance of considering the maximum driver current will be described. Unlike the fixed power supply of a building, the power supply of a mobile object cannot flow an unlimited amount of current. The power source (battery) has internal resistance, and if a large amount of current flows through the motor driver, the loss will increase. Therefore, it is important to consider the maximum current of the driver (more preferably the absolute maximum rating).
モータのT-I特性、T-N特性の観点で説明するならば最大回転数が異なる3種類のモータ(本発明においては一つの回転電気機械の中にコイルを共用する3つのモータ(最大回転数が6000rpmのAモータ、同じく3000rpmのBモータ、同じく1500rpmのCモータ)のT-N・T-I特性図は図37のように描ける。
In terms of TI characteristics and TN characteristics of motors, three types of motors with different maximum rotation speeds (in the present invention, three motors sharing a coil in one rotating electric machine (
各モータは最大電流と各モータのT-I特性の交点より小さいトルクで使用可能となり、6000rpm用モータはトルクがA以下、3000rpm用モータはトルクがB以下、1500rpm用モータはトルクならC以下が該当する。更に回転数も考慮すると、6000rpm用モータはA以下のトルクで3000~6000rpmの時に採用し、3000rpm用モータはB以下のトルクで1500~3000rpmの時に採用し、1500rpm用モータはC以下のトルクで1500rpm以下の時に採用することになる。トルクがA以下で回転数が1500rpm以下の時は全てのモータが採用可能だが、低速回転用モータの方が効率が高いので、本発明では1500rpmのモータに切り替える(採用する)ことになる。 Each motor can be used with a torque smaller than the intersection point of the maximum current and the TI characteristics of each motor. A 6000rpm motor has a torque of A or less, a 3000rpm motor has a torque of B or less, and a 1500rpm motor has a torque of C or less. Applicable. Considering the number of revolutions, the 6000 rpm motor should be used at 3000-6000 rpm with a torque of A or less, the 3000 rpm motor should be used at 1500-3000 rpm with a torque of B or less, and the 1500 rpm motor should be used with a torque of C or less. It will be adopted at 1500 rpm or less. When the torque is A or less and the rotation speed is 1500 rpm or less, all motors can be used, but since the efficiency of the motor for low speed rotation is higher, the present invention switches to (adopts) the motor of 1500 rpm.
[3相以外:2相の例と5相の例]
以上の実施形態では、ステータコイル体18をU、V、Wの3相で構成するように示し、その旨説明してきた。しかしながら、本発明に係るモータ10は、直列と並列による複数段の回路切替を可能とする点を特徴とする。よって、ステータコイル体18は、複数の相により構成されていれば、3相に限定されるものではない。
[Other than 3-phase: 2-phase example and 5-phase example]
In the above embodiment, the
ステータコイル体18を2相で構成する場合の例を図38から図40に示す。図38の回路図中、回路部20が実線側に倒れれば、ステータコイル体18を構成する各コイルは直列に接続され、破線側に倒れれば各コイルが並列に接続される。図39、図40は、ステータコイル体18の構成を模式的に示した説明図である。両図では、2相を示すべくコイルを実線と破線の2種類で描いている。また、図中上側にSとNで示す永久磁石16aに対して近接している山型の部分が極を構成するコイルを表している。なお、図39は、各コイルが直列に接続されている状態を示しており、図40は、各コイルが並列に接続されている状態を示している。
FIGS. 38 to 40 show examples in which the
次に、ステータコイル体18を5相で構成する場合の例を図41に示す。図41の回路図中、回路部20が実線側に倒れれば各コイルは直列に接続され、破線側に倒れれば各コイルが並列に接続される。
Next, FIG. 41 shows an example in which the
[様々な切替バリエーション、応用例、変形例]
上記実施形態では、コイルの数や回路部の数を限定的なものとしているが、コイルや回路の数を増減させ、コイルを直列接続と並列接続させる際の組み合わせを増やすようにしても良い。また、コイルの接続形態の組み合わせを増やすだけでなく、用途に応じた適正回転数やトルクを選定し、コイルの接続形態の組み合わせを限定的に定めるようにしても良い。例えば、電動工具などの初期動作のトルクよりも回転数を稼ぎたい用途への適用する場合には、4パラと3パラなど、高回転域の特性運転を行う事ができるコイルの組み合わせを選択切り替えできるようにすれば良い。
[Various switching variations, application examples, modification examples]
In the above embodiment, the number of coils and the number of circuit units are limited, but the number of coils and circuits may be increased or decreased to increase the number of combinations when connecting coils in series and in parallel. In addition to increasing the number of combinations of coil connection forms, the combination of coil connection forms may be limited by selecting an appropriate rotational speed and torque according to the application. For example, if you want to increase the number of revolutions more than the torque of the initial operation of electric tools, etc., select and switch the combination of coils that can perform characteristic operation in the high rotation range, such as 4-parallel and 3-parallel. It should be possible.
また、上記実施形態では、コイルの接続形態の切り替えを理解しやすくするために、回路部20を機械的に示しているが、回路部20は、半導体チップにより、同様な機能を持たせるようにしても良い。
In the above embodiment, the
本発明は回転電気機械を用いた節電装置であり、バッテリーの長寿命化を図るものである。それ故、単にコイル接続切替の提案ではなく、切替によってもたらされる省電力効果つまり長寿命化を提案している。高速モータを低速域で使うなら低速モータに切り替えて使った方が省エネルギーになる。モータの切り替えを一つの回転電気機械の中でクローズできれば(仕様の異なるモータを一体構成に納められれば)回転電気機械としての装置は大容量化しないし、電動車等の応用製品に適用しても一つの回転電気機械の形状として取り扱える。 The present invention is a power saving device using a rotating electric machine, and is intended to extend the life of a battery. Therefore, instead of simply proposing coil connection switching, the power saving effect brought about by switching, that is, prolonging the life of the coil, is proposed. If a high-speed motor is used in the low-speed range, switching to a low-speed motor will save energy. If motor switching can be closed in one rotating electric machine (if motors with different specifications can be housed in an integrated configuration), the device as a rotating electric machine will not increase in capacity, and it can be applied to applied products such as electric vehicles. It can be treated as the shape of one rotating electrical machine.
以上に説明したように本発明を電動乗物に適用する際はコイル切替装置によってギアチェンジがなされることになるが、これは電動乗物のスロットルコントロールによって電圧制御するものである。ところでコイル配列を切り替えると誘起電圧定数が変化する。そこで、同じモータに一定電圧をかけると、例えば1パラ(4コイル直列)の回転数Aに対し2パラ(2コイル並列が2組)は回転数が2Aになり、4パラ(4コイル並列)は更に回転数が4Aになり、回転数が一気に急変してしまう。そこで例えば1パラから2パラにする際、2パラから4パラにする際には制御電圧を半分にする等して変速時のショックを弱めることが推奨される。 As described above, when the present invention is applied to an electric vehicle, a gear change is performed by a coil switching device, which is voltage-controlled by the throttle control of the electric vehicle. By the way, switching the coil arrangement changes the induced voltage constant. Therefore, if a constant voltage is applied to the same motor, for example, the number of rotations of 2 parallels (2 sets of 2 coils in parallel) will be 2A for the rotation speed A of 1 parallel (4 coils in series), and the rotation speed of 2 parallels (2 sets of 2 coils in parallel) will be 2 A. In addition, the number of rotations becomes 4A, and the number of rotations suddenly changes at once. Therefore, when changing from 1-para to 2-para, for example, when changing from 2-para to 4-para, it is recommended to reduce the shock during shifting by halving the control voltage.
尚、以上で述べたコイル切替の原理を用いると図42に示すように最大速度を任意に設定できる。例えば6000rpm仕様のモータと3000rpm仕様のモータの間を最高速度に設定してスピードコントロールしても良い。この図の6000rpmは例えば5コイル使用なら5コイルとも並列(5P)の場合であり、3000rpmは3P+2Pの場合であり、2000rpmは2P+2P+1Sの場合(つまり直列・並列混用の場合)であり、1000rpmは全て直列(5S)の場合になる。すなわち、安全上対応速度の上限を設定するため、N(回転数)の可能最大値(上図の6000(=例えば120km/h)と次位の3000(=60km/h)の間(例えば100km/h)を運用条件の最大値に設定する。尚、緊急時にはこの設定を外すことができる。設定切替速度がほぼ均等(20km/h、40km/h、60km/hの間は、20km/h間隔)になる。一番少ない逆起電圧となるコイル接続パターン(全コイルが並列。例えばコイル全数が4つなら4コイルが並列)と二番目に少ない逆起電圧となるコイル接続パターン(並列コイルが2以上か一部が直列。例えばコイル全数が4つなら2コイルずつ、2パラ)の間にMAX設定をすることになる。尚、トルク制限については、トルクは電流に比例するから考えなくて良い。 By using the principle of coil switching described above, the maximum speed can be arbitrarily set as shown in FIG. For example, the speed may be controlled by setting the maximum speed between the 6000 rpm specification motor and the 3000 rpm specification motor. 6000 rpm in this figure is for example, if 5 coils are used, all 5 coils are parallel (5P), 3000 rpm is for 3P + 2P, 2000 rpm is for 2P + 2P + 1S (that is, in the case of series and parallel mixed use), and 1000 rpm is all This is the case of series (5S). That is, in order to set the upper limit of the speed for safety, the maximum possible value of N (rotational speed) (6000 (= 120 km/h) in the upper figure and the next 3000 (= 60 km/h) (eg 100 km/h) /h) is set to the maximum value of the operating conditions.In addition, this setting can be removed in an emergency.The setting switching speed is almost uniform (20km/h between 20km/h, 40km/h, and 60km/h). The coil connection pattern with the smallest back electromotive force (all coils are parallel. For example, if the total number of coils is four, four coils are parallel) and the coil connection pattern with the second lowest back electromotive force (parallel coil is 2 or more or some are in series.For example, if the total number of coils is 4, the MAX setting will be between 2 coils and 2 parallels.In addition, torque limit is proportional to current, so do not think about it. good
例えば5コイル全てを用いる場合に、5S(全部直列)、3P+2P(3コイル並列と2コイル並列を直列に繋げる9を間引いても良い。また、全部並列(5P)は前述(図42)のように回転数が次位以下と比べて大幅(倍違う)ので、これも使わない方が結果的にスムーズになる。尚、5コイルの変形例として図43のように直列部分の一つのコイル部分に特化して並列に一つのコイル(補コイル)を接続するならば当該部分の抵抗がその追加コイルとシェアできて発熱抑制ができる。図43の態様については後程詳述する。 For example, when all 5 coils are used, 5S (all in series), 3P+2P (3 coils in parallel and 2 coils in parallel) may be thinned out. In addition, the number of revolutions is significantly (double) compared to the next and below, so it will be smoother if you do not use it.In addition, as a modification of 5 coils, one coil part of the series part as shown in Fig. 43 If one coil (complementary coil) is connected in parallel by specializing in , the resistance of the relevant part can be shared with the additional coil, and heat generation can be suppressed.
図43(b)は5コイルを2P+2P+1Sで構成した1S部分のみに並列に一つのコイルを追加したもので、スイッチ回路的には図43(a)のようにスイッチは奇数対応になる(追加コイルは被追加コイルと一体だから追加コイル分にスイッチを追加しない)。尚、このように追加コイルの追加に変えて図43(c)のように1S部分のコイルの太さを他のコイルの2倍にしても良い。 In FIG. 43(b), one coil is added in parallel only to the 1S part composed of 5 coils of 2P+2P+1S. is integrated with the added coil, so no switch is added for the additional coil). Instead of adding additional coils in this manner, the thickness of the coil in the 1S portion may be doubled that of the other coils, as shown in FIG. 43(c).
図44は、図43の応用例であり、5コイル要素の内の一つのコイル要素につき、並列にコイル要素を追加しており、使用するコイル要素は6つだが、その内の2つが実質的に1コイル要素として機能する。この追加コイル要素は、一つのコイル要素に一つのコイル要素を並列に追加して(見かけは分岐して)双子の部分を形成しているので、本願ではこの追加コイルを補コイルということにする。 FIG. 44 is an application example of FIG. 43, in which a coil element is added in parallel for one of the five coil elements, and six coil elements are used, two of which are substantially function as one coil element. Since this additional coil element forms a twin part by adding one coil element to one coil element in parallel (apparently branching), this additional coil is called a complementary coil in this application. .
図44の(A)は5コイル要素直列の内の一つに補コイルが付いていて逆起電圧が5Vには変わらないが抵抗値は4.5Ωとなり補コイルが無い場合よりも低くなる。以下(B)~(E)についても補コイルを付けることによって抵抗値が低くなる。(B)は5コイル要素全部が並列(5P)でこれに補コイルが付くから見かけ6コイル要素が並列であり、逆起電圧は1V、抵抗値は0.167Ω(=1÷6)となる。(C)は3P+2P+補コイルで2V、0.66Ω(=0.33Ω+0.33 Ω)となり、(D)は2P+2P+1S+補コイルで3V,1.5Ω(=0.5Ω+0. 5Ω+0.5Ω)となり、(E)は2P+3S+補コイルで4V、3Ω(=0.5Ω+1 Ω+1Ω+0.5Ω)となる。パターン(E)は、T-N特性に鑑み、Nの間隔が狭まるので使わなくても良い(つまり、コイル切替機能装置(ギア切替手段を含む制御機構)においては可能な接続パターンの内から、希望する使用パターンを予め選択範囲に設定することが可能であり、そうすれば切替幅がほぼ均一化する)。尚、当該コイルに補コイルを併設することに変えて、図43(C)の如く当該コイルの断面積を倍にしても良く、同じ効果が得られる。 In FIG. 44A, a complementary coil is attached to one of the five coil elements connected in series, and the back electromotive voltage does not change to 5 V, but the resistance value becomes 4.5Ω, which is lower than when there is no complementary coil. In the following (B) to (E) as well, the resistance value is lowered by attaching an auxiliary coil. In (B), all 5 coil elements are parallel (5P), and a complementary coil is attached to it, so it seems that 6 coil elements are parallel, the back electromotive force is 1 V, and the resistance value is 0.167 Ω (= 1 ÷ 6). . (C) is 2V, 0.66Ω (=0.33Ω+0.33Ω) with 3P+2P+complementary coil, (D) is 3V, 1.5Ω (=0.5Ω+0.5Ω+0.5Ω) with 2P+2P+1S+complementary coil, and ( E) is 2P+3S+complementary coil and becomes 4V and 3Ω (=0.5Ω+1Ω+1Ω+0.5Ω). Pattern (E) does not need to be used because the interval of N is narrowed in view of the TN characteristics (that is, in the coil switching function device (control mechanism including gear switching means), from among the possible connection patterns, It is possible to set the desired usage pattern in the selection range in advance, so that the switching width becomes substantially uniform). Incidentally, instead of providing the auxiliary coil side by side with the coil, the cross-sectional area of the coil may be doubled as shown in FIG. 43(C), and the same effect can be obtained.
図45は図44の実施形態(つまり補コイル付きの5コイル要素接続例)を用いた運転切替例を説明している。コイル要素の接続パターンが切り替わるごとに別のモータの顔に変貌し、夫々のパターンのモータが一つのモータ装置を成している。そこで、各パターンごとにモータの最高回転数が存在することになる。図45のグラフは1枚のT(トルク)-N(回転数)特性図に各パターンのモータのT-N特性の線を描き込んでいる。この時に図44のコイル要素接続パターンを対応させると次のようになる。 FIG. 45 illustrates an example of operation switching using the embodiment of FIG. 44 (that is, an example of connecting five coil elements with auxiliary coils). Each time the connection pattern of the coil elements is switched, the face of the motor changes, and the motor of each pattern constitutes one motor device. Therefore, there is a maximum number of rotations of the motor for each pattern. In the graph of FIG. 45, the TN characteristic line of the motor of each pattern is drawn in one sheet of T (torque)-N (rotational speed) characteristic diagram. At this time, the coil element connection pattern of FIG. 44 corresponds to the following.
図44の(A)は5コイル要素が全部直列だから5V÷5V=1になり、これはグラフ縦軸の回転数の目盛り1に相当する。これはパターン(A)のモータの最大回転数である。パターン(A)は5コイル要素の全てを直列に要したので、これはモータ装置に内在するモータの中で最も小さな最大回転数のモータということになる。尚、本願において以下の説明では目盛り1を20km/hに見立てる。(B)は5コイル要素全部が並列になるので1Vだから5V÷1V=5になり、縦軸の目盛り5(つまり100km/h)に相当する。これはパターン(B)のモータの最大回転数である。そして5コイル全てのコイルを並列に費やしたのでモータ装置に内在するモータの中で最も大きな最大回転数のモータということになる。(C)は2Vだから5÷2=2.5になり、縦軸の2.5目盛り位置に相当する(50km/h。パターン(C)のモータの最大回転数)。(D)は3Vなので5÷3=1.7になり、縦軸1.7目盛りに相当する(34km/h。パターン(D)の最大回転数。そして(E)になると4Vだから5÷4=1.25になる(25km/h。パターン(E)のモータの最大回転数)。
そうなるとパターン(A)のモータの最大回転数1と回転数0の幅は1になり、(A)と(D)の最大回転数の幅は1.7-1=0.7となり、(D)と(C)の最大回転数の幅は0.8となり、(C)と(B)の幅は2.5になる。つまり(C)と(B)の間隔が格段に大きくなる。これは運転操作する者にとってもモータ装置においてもショックをもたらす。そもそも最高速度を平常時に期待しないのであれば最高速度を出す前にリミッタを設けて良い。そこで本発明者は、この格段に大きな幅となる回転数の手前(例えば目盛り3.5。これは70km/hに相当することになる)にリミッタを設定することを提案する。そうなるとパターン(C)の最大回転数とリミッタ位置の回転数との目盛り幅は1.0になり、0から(A)、(A)~(D)、(D)~(C)、(C)~リミッタがほぼ1.0になるから運転者にも装置にもギア切り替えショックが少なくなる。この最大回転数同士の幅はほぼ等しければ良く、使用コイル要素数を全部直列に繋いだ時の最大回転数の(1±0.5)倍の幅の範囲にするようにコイル要素切替パターンのモータを選定すれば良い。
In FIG. 44A, all five coil elements are connected in series, so 5V/5V=1, which corresponds to 1 on the scale of the number of revolutions on the vertical axis of the graph. This is the maximum number of rotations of the motor for pattern (A). Since pattern (A) required all five coil elements in series, this is the motor with the lowest maximum number of revolutions among the motors inherent in the motor device. In the following description,
Then, the width between the maximum number of
一方、使用コイル要素数を全部直列に繋いだ時の最大回転数の(1±0.5)倍の幅の範囲にするようにコイル要素切替パターンのモータを選定すれば十分なので、この条件に満たないモータパターン(例えばパターン(E)は最大回転数相当の目盛りが1.25になるので(A)と(E)との幅は0.25になり、(E)と(D)との間隔も0.45となって、1±0.5の範囲外になる)を不使用にして良い。そこまで細かい切替は省略できるから切替制御が簡便になるし、最大回転数に応じた切替間隔がほぼ均等になるので運転者の感覚的負担は軽減される。ところでこの図45のグラフの横軸の目盛りは6まであり、図のような特性線で結ばれているが、これはT-N特性の傾斜を緩くするという補コイルの効果になる。 On the other hand, it is sufficient to select a motor with a coil element switching pattern so that the range is (1±0.5) times the maximum number of rotations when all the coil elements used are connected in series, so this condition is satisfied. In the motor pattern that does not satisfy the pattern (for example, pattern (E), the scale corresponding to the maximum number of rotations is 1.25, so the width between (A) and (E) is 0.25, and the width between (E) and (D) is 0.25. The interval is also 0.45, which is outside the range of 1±0.5) may be unused. Since such fine switching can be omitted, the switching control becomes simpler, and since the switching interval corresponding to the maximum rotation speed becomes almost equal, the sensory burden on the driver is reduced. By the way, the scale of the horizontal axis of the graph in FIG. 45 is up to 6, and they are connected by a characteristic line as shown in the figure.
尚、図42でもMAX表示を述べているが、図42の例も最大回転数同士の幅を近づけると言う観点が共通している。更に本発明に用いるコイル接続切替のバリエーションを図46~図49にて説明する。
図46は各相につきコイルを6つ使用している。図の左側は6コイルの各コイル間全てにスイッチを入れたものを示し、右側はスイッチを間引きした例を示している。各相ごとに6コイルで6Pまでの全接続方法を選ぶとコイル間スイッチが15個必要になるが、本例のように6Pを使用せずに6S、2P3S、3P2Sの3段切替にするとスイッチが9つで足り、激減する。全直列にした場合の両端のスイッチ(コイル(1)~(2)間のcとコイル(5)~(6)間のe)が不要になり、これに伴って両端のコイル間に繋がるスイッチa,b,d,fも減らせるからである。
Note that FIG. 42 also describes the MAX display, but the example of FIG. 42 also has in common the point of view that the widths of the maximum rotational speeds are made closer to each other. Further, variations of coil connection switching used in the present invention will be described with reference to FIGS. 46 to 49. FIG.
FIG. 46 uses six coils for each phase. The left side of the drawing shows an example in which switches are turned on between all six coils, and the right side shows an example in which switches are thinned out. If you choose a total connection method up to 6P with 6 coils for each phase, you will need 15 inter-coil switches. is enough for 9, and it decreases sharply. Switches at both ends (c between coils (1) and (2) and e between coils (5) and (6)) become unnecessary when all are connected in series, and the switches connected between the coils at both ends This is because a, b, d, and f can also be reduced.
しかも6直~2P3Sと、2P3S~3P2Sの各最高回転数差(=スピードの差)が均一になる。この効果は12コイルの場合も得られるが、12コイル以下のコイル数においては6コイルと12コイルの場合に、このような均一化が使える。 In addition, the difference in maximum rotation speed (=difference in speed) between 6-speed to 2P3S and 2P3S to 3P2S becomes uniform. This effect can be obtained with 12 coils, but for 6 and 12 coils, such equalization can be used for coil numbers less than 12 coils.
図47は図46の例に準じて、各相ごとに12コイルを用いた4段切替を行うに際し、コイル間スイッチを間引きして全直(12S)、2P6S、3P4S、4P3Sの延べ4段切替とする例であり、全部並列の場合は使わない。図の上側は12コイルの各コイル間全てにスイッチを入れたもの(比較例)を示し、下側はスイッチを間引きした例(本実施例)を示している。 FIG. 47 shows a total of 4-stage switching of full straight (12S), 2P6S, 3P4S, and 4P3S by thinning out the inter-coil switches when performing 4-stage switching using 12 coils for each phase according to the example of FIG. This is an example of , and it is not used when all are parallel. The upper side of the drawing shows an example in which switches are turned on between all coils of 12 coils (comparative example), and the lower side shows an example in which switches are thinned out (this embodiment).
全直列(12S)の場合はスイッチF,G,H,I,Jを閉じて他のスイッチを開とし、2P6Sの場合はC,F,G,M,I,Jを閉じて他のスイッチを開とし、3P4Sの場合はB,D,F,H,J,L,Nを閉じて他のスイッチを開とし、4P3Sの場合はA,C,E,G,I,K,M,Oを閉じて他のスイッチを開とする。こうして各相ごとに12コイルの切り替えに本来使用するスイッチ数36個この内、図中の小文字アルファベットの数19個が不要になり、15個のスイッチで足りてしまう。 For all series (12S), close switches F, G, H, I, and J to open other switches, and for 2P6S, close C, F, G, M, I, and J to open other switches. For 3P4S, close B, D, F, H, J, L, N and open other switches; for 4P3S, A, C, E, G, I, K, M, O Close to open another switch. In this way, among the 36 switches originally used for switching 12 coils for each phase, 19 of the lower-case letters shown in the figure become unnecessary, and 15 switches are sufficient.
最高回転数(N)(各コイル切替ごとに別のモータができるという視点に立った場合の各モータごとの最高回転数のこと。これは当該各モータのコイル(総数が例えば12コイル)の区切り方(並列の作り方)を変えることによって12に区切れば12Sとなって12÷12でN=1になり、3つずつに区切れば4P3Sとなって12÷3(直列になっているコイルの繋がりの数が3)でN=4になり、4つずつに区切れば3P4Sとなって12÷4でN=3になり、6つずつに区切れば2P6Sになって12÷6でN=2になり、以上の結果でNは0~1,1~2,2~3,3~4の範囲のように均等になる(図48参照)。尚、最高回転数(12コイルにおいて2コイルずつで6つのパラを作ったら6P2SとしてN=6となり均等範囲から多少ずれてベストモードからはずれるが本発明はこれを排除しない(この場合は5段切替が可能になる。また、12コイル直列間のスイッチ数は11個ではなくて7つで足りる)。尚、12Pは最高回転数間隔の違いが大き過ぎるので操作ショックに鑑み、本例では不使用にする。 Maximum number of revolutions (N) (The maximum number of revolutions for each motor from the viewpoint that a different motor can be created for each coil switching. This is the division of the coils of each motor (the total number of coils is, for example, 12) If it is divided into 12 by changing the direction (how to make parallel connection), it becomes 12S and 12÷12, N=1. If the number of connections is 3), N = 4, if it is divided into 4 pieces it will be 3P4S and 12÷4 will be N = 3, if it is divided into 6 pieces it will be 2P6S and 12÷6 N = 2, and as a result of the above, N becomes even in the range of 0 to 1, 1 to 2, 2 to 3, 3 to 4 (see Fig. 48).The maximum rotation speed (in 12 coils If 6 parallels are made with 2 coils each, N=6 as 6P2S, which deviates slightly from the uniform range and deviates from the best mode. The number of switches between series is not 11 but 7.) 12P is not used in this example because the difference in the interval between the maximum rotational speeds is too large, in view of the operational shock.
図46、図47のパターンを採用するとスイッチ数が大幅に減るが、そのスイッチ数を減らした分、電圧降下が抑制され、モータの効率が上昇する。そして同じトルクを出す為なら電流値が少なくて済むからバッテリー消費は抑えられることになる。 If the patterns of FIGS. 46 and 47 are adopted, the number of switches is greatly reduced, but the reduced number of switches suppresses the voltage drop and increases the efficiency of the motor. In order to output the same torque, the current value will be less, so the battery consumption will be suppressed.
図49に円筒状に成形されたステータコイル体を用いたコアレスモータのコイル体の補強について説明しておく。
本願の実施例のコアレスモータは外周を取り囲むモータケース(ハウジング12)の中央部に回転軸14を備え、一部をケースフランジ12bから外部に突出させて出力軸としている。回転軸14 はハウジング12の内部でケースフランジ12bに形成した円筒スリーブ83に挿通され、軸受12aにより軸支されている。
Reinforcement of the coil body of the coreless motor using the cylindrical stator coil body will be described with reference to FIG.
The coreless motor of the embodiment of the present application has a
回転軸14の内奥部は円筒スリーブ83から突出されており、突出外面にハブ84を取付け、ハブ84を介して円筒スリーブ83の外周位置に同心円状にロータ16を取付けている。ロータ16は円筒形状とされているが、その壁面部を二重構造にして外周面側のアウターヨーク16cと内周面側のインナーヨーク16bとしている。このアウターヨーク16cとインナーヨーク16bはハブ84の端面側で折り返されて、他方端側(ケースフランジ12b側の端部)には円環隙間82が開口している。円環隙間82には、特にアウターヨーク16cの内周面に永久磁石16aが配置固定されている。この永久磁石16aとインナーヨーク16bとの間の円環隙間82に円筒状のステータコイル体18が配置されている。
A
円筒状のステータコイル体18は、複数の絶縁処理された導線を編んで円筒状に形成している。このコイル体は図4で説明したように本願で用いる複数のコイル単体を各相ごとに複数をスイッチ機構を介在しながら繋げて成り立っている。ステータコイル体18の一端側(導体配線側)は半径方向に配置されるドーナツ盤状のステータディスク85によって施蓋状態となって覆い、ボルトなどを介して前述したケースフランジ12bに取り付けられる。ステータスディスク85にはコイル配線基板などが形成されている。86は配線コネクタであり、配線基板近くに設けられる。また、ステータスディスク85の外周位置には固定リング87が設けられている。
The cylindrical
このように構成されたステータコイル体18は、自由端側を円環隙間82に挿入され、こうして片持ち支持されるステータコイル体18の自由端に補強リング81を取り付けている。これにより補強リング81は固定されているステータコイル体18とともに定位置にあって、その周りをアウターヨーク16cとインナーヨーク16b、およびマグネット16aが一体で回転する。
The
補強リング81は例えばL字状の断面を有し、ステータコイル体18の自由端の先端肉厚を受ける部分と、ステータコイル体18の外周面を保護する部分とからなっている。したがって、補強リング81はステータコイル体18の肉厚より若干厚肉の矩形断面を有するリング素材の内周面側に上記したL字状の段差が生じるように削り出して形成される。補強リング81は非磁性材料とされる金属材料もしくは樹脂材料によって形成される。
The
このように構成されたコアレスモータでは、アウターヨーク16cとインナーヨーク16bとの間に断面ドーナツ状の磁界が形成されている下で、ステータコイル体18に所定の電流を供給することでロータ16が回転し、ハブ84を通じて回転軸14が回転する。この回転軸14の回転と同時に回転するロータ16によりステータコイル体18には反トルクが発生する。ステータコイル体18の一方の端部はステータディスク85等により堅固に固定されているが、ロータ16の円環隙間82に挿通されている自由端が反トルク作用により円形が歪むことが予想される。しかし、この実施例では補強リング81により拘束され、円形が乱れることはない。補強リング81はL字形状とすることで簡単に装着でき、また接着樹脂を用いることで凹凸があっても容易にできる。さらに補強リング81を金属または樹脂により形成することで簡単かつ容易に歪みを防止できる形態にすることが可能である。
In the coreless motor configured in this manner, the rotor 16 is rotated by supplying a predetermined current to the
更に本例では円筒状のステータコイル体18の内側及び/又は外側に図示のように補強シート18aを貼っている。この補強シート18aは繊維状物の成形体の強度を守る目的を持っているので絶縁性の高強度樹脂例えば炭素繊維強化プラスチック(CFRP)などの繊維強化樹脂のフィルムシートをコイル本体に積層貼着している。尚、このフィルム層はコイル本体よりも薄肉が良い。こうすることによって万一回転でヨークや磁石に接触してもコイル本体が傷つくことはなくなる。
Further, in this example, reinforcing
以上述べたように、本発明によれば、移動体のギア切り替えをコイルパターンの切り替えで簡単に、しかも円滑に行えると同時にバッテリーの省電力効果が図れるが、最後に、更に円滑な切替の方法を図50にて説明する。 As described above, according to the present invention, it is possible to easily and smoothly switch the gears of the moving body by switching the coil patterns, and at the same time, it is possible to save the power consumption of the battery. will be described with reference to FIG.
図50のシステム図ではコントローラ31、ドライバ40、コイル接続パターン切替装置80とモータ10の接続関係を示している。先ずコントローラ31は、スロットル情報と速度情報から、モータ10から出力するトルクを決定する。スロットル情報はスロットル開度であり、例えば、スロットルを閉じている場合は0%、フルスロットルの場合は100%になる。尚、コントローラ31では自動か手動でギア値が選択される。選択されたギア値とトルク値からモータ電流を計算する。尚、モータ電流計算にはギア毎のトルク定数情報が与えられている。
The system diagram of FIG. 50 shows the connection relationship between the
ドライバ40は、モータ電流値がコントローラ31からの指令値となるようにモータを制御すると共に、速度情報としてモータの回転速度Nをコントローラ31に与える。ギア選択に関しては、回転数が低い場合はローギア、高い場合はギアを上げることになる。トルクは、コントローラ31に予め記憶されているトルクマップに従い決定される。このトルクマップは、例えば複数のスロットル状態、および、複数の速度それぞれに対するトルク値で構成されており、実際のスロットル状態と速度と、このトルクマップから補間計算により実際に出力すべきトルクが計算される。例えば、スロットルが閉じている(0%)場合、20%開いている場合、40%開いている場合、60%開いている場合、80%開いている場合、フルスロットル(100%)の場合、の全6種類のスロットル情報と速度に対する出力すべきトルクがトルクマップとしてコントローラ31に記憶されている。そしてコントローラ31は、速度Nとスロット情報と、このトルクマップからトルク値を算出する。スロットル値が前述の6種類(0%、20%、40%、60%、80%、100%)以外の場合には、補間計算によりトルク値を算出する。
The
以上により、ギアの切り替えは今まで説明した通りコイル接続パターン切替装置80にてコイル接続パターンの切り替えを行うことにより実行される。こうしてギアは回転数に応じて切り替わる。
As described above, gear switching is performed by switching the coil connection pattern with the coil connection
コントローラ31は出力すべき所定のトルクを出すために必要な電流値をギア毎に計算しドライバ40に指示する。ドライバ40に対する電流指令はギア切替指示と同時に実行され、従ってギアを切替え時の出力トルク変動は非常に小さく、円滑な切替が実現される。すなわち、切替前後でトルクが変わらないような電流指令を、切替と同時に行うから、円滑な切替となる。例えば、1速ではトルク定数が0.4Nm/A、2速ではトルク定数が0.2Nm/Aであるシステムを想定すると、ギアが1速で出力すべきトルクが1Nmであった場合、コントローラ31は2.5Aの電流指令をドライバ40に指示する。回転速度が上昇してきて、2速に切り替えることになった場合は、コントローラ31は切替指令と同時にドライバ40に与える電流指令を2.5Aから5Aへ変更する。これにより、切替前後でモータ10から出力されるトルクは1Nmに保たれ、円滑な切替が実現されることになる。
The
10………モータ、12………ハウジング、12a………軸受、12b………ケースフランジ、14………回転軸、16………ロータ、16a………永久磁石、16b………インナーヨーク、16c………アウターヨーク、18………ステータコイル、18a………補強シート、20(20U、20V、20W)………回路部、22………制御部、30………ギア切替操作手段、31………コントローラ、32………シフトレジスタ、33………NOR素子、34………NOT素子、35………AND素子、36………AND素子、37………U相ブロック、38………V相ブロック、39………W相ブロック、U1………第1コイル、U2………第2コイル、U3………第3コイル、U4………第4コイル、V1………第1コイル、V2………第2コイル、V3………第3コイル、V4………第4コイル、W1………第1コイル、W2………第2コイル、W3………第3コイル、W4………第4コイル、40………ドライバ、50………バッテリー、60,70………ケーブル、80………コイル接続パターン切替装置、81………補強リング、82………円環隙間、83………円筒スリーブ、84………ハブ、85………ステータディスク、86………配線コネクタ、87………固定リング。
10
Claims (20)
前記回転電気機械として複数相の各相ごとに仕様が共通する3つ以上のコイルを備えて前記第2の配線経路の途中には各相の前記コイル間の接続を少なくとも(a)全てを直列、(b)全てを並列、(c)並列の組み合わせを直列に繋げた直並列接続(Seriese-parallel connection)のパターンに選択切り替えて前記電源の使用電流を変えることのできる回転電気機械に置き換え、
スタート時のコイル接続を前記(a)にして最大トルク状態となり、最高速度状態ではコイル接続が前記(b)になって最小トルク状態となり、その中間速度段階では前記(c)の直並列接続とし、上り坂にてスピード低下に伴って自動的に前記(a)となり、下り坂では制動しつつ前記(c)にて段階的に回転数が変わるようなコイル接続を選択することを特徴とする電動移動体用回転電気機械の電源の節電方法。 A rotary electric machine for an electric vehicle, comprising a power supply, a driver, a first wiring path between the power supply and the driver, a rotary electric machine, and a second wiring path between the rotary electric machine and the driver. In the power saving method of
Three or more coils having common specifications are provided for each phase of a plurality of phases as the rotating electrical machine, and at least (a) all of the coils are connected in series in the middle of the second wiring path. , (b) all in parallel, and (c) a series-parallel connection pattern in which parallel combinations are connected in series to selectively switch to a rotating electric machine that can change the current used by the power supply,
At the start, the coil connection is set to (a) for maximum torque, in the maximum speed state, the coil connection is set to (b) for minimum torque, and at the intermediate speed stage, the series-parallel connection is set to (c). , the coil connection is automatically selected as described in (a) as the speed decreases on an uphill slope, and the coil connection is selected such that the number of revolutions changes stepwise in the above (c) while braking is performed on a downhill slope. A power saving method for a power supply of a rotary electric machine for an electric vehicle.
前記回転電気機械は非回転の円筒状のステータコイル体をモータハウジング内に内蔵し、前記ステータコイル体と離間して該ステータコイル体の対向面に位置する永久磁石を備えたロータを有する無鉄心(コアレス)モータであり、該円筒状のステータコイル体は各相ごとに3つ以上のコイルで形成されたものを複数相組み合わせてなり、前記各コイルは絶縁処理された導線を巻いた同一仕様のものであり、こうして出来た円筒状のステータコイル体は一端がモータ内で固定されて他端が自由端になり、その自由端に補強リングを嵌め込むと共に、前記円筒状のステータコイル体の周面に補強層を貼りつけたものであることを特徴とする請求項1の電動移動体用回転電気機械の電源の節電方法。 The power source is a battery, and by switching between a stage with a small torque constant and a stage with a large torque constant by the selective switching, it is applied to an electric vehicle to extend the cruising distance,
The rotary electric machine includes a non-rotating cylindrical stator coil body inside a motor housing, and has a rotor with permanent magnets spaced apart from the stator coil body and positioned on the facing surface of the stator coil body. It is a (coreless) motor, and the cylindrical stator coil body is formed by combining three or more coils for each phase, and each coil has the same specification wound with an insulated conductor wire. One end of the cylindrical stator coil body thus produced is fixed in the motor and the other end is a free end. 2. A power saving method for a power source of a rotary electric machine for an electric vehicle according to claim 1, wherein a reinforcing layer is attached to the peripheral surface.
スタート時のコイル接続を前記(a)にして最大トルク状態となり、最高速度状態ではコイル接続が前記(b)になって最小トルク状態となり、その中間速度段階では前記(c)の直並列接続とし、上り坂にてスピード低下に伴って自動的に前記(a)となり、下り坂では制動しつつ前記(c)にて段階的に回転数が変わるようなコイル接続を選択するようにして、任意の回転数におけるモータ効率の高いモータを負荷に応じて自動的に選択し、電源の使用電流を減らすことを特徴とする電動移動体用回転電気機械の電源の節電方法。 A rotary electric machine for an electric vehicle, comprising a power supply, a driver, a first wiring path between the power supply and the driver, a rotary electric machine, and a second wiring path between the rotary electric machine and the driver. In the power saving method of the power supply, the rotating electric machine is provided with three or more coils for each phase of a plurality of phases, and by switching the connection between the coils, a plurality of motors with different efficiencies substantially share the coils. The switching pattern of the connection between the coils is at least a combination of (a) all in series, (b) all in parallel, and (c) parallel connection in series. ) by choosing from
At the start, the coil connection is set to (a) for maximum torque, in the maximum speed state, the coil connection is set to (b) for minimum torque, and at the intermediate speed stage, the series-parallel connection is set to (c). , the coil connection is automatically selected as described in (a) as the speed decreases on an uphill slope, and the rotation speed changes stepwise in the above (c) while braking on a downhill slope. A power saving method for a power supply of a rotary electric machine for an electric vehicle, characterized by automatically selecting a motor with high motor efficiency at a rotational speed of 100 rpm according to a load to reduce the current used by the power supply.
前記回転電気機械は非回転の円筒状のステータコイル体をモータハウジング内に内蔵し、前記ステータコイル体と離間して該ステータコイル体の対向面に位置する永久磁石を備えたロータを有する無鉄心(コアレス)モータであり、該円筒状のステータコイル体は各相ごとに3つ以上のコイルで形成されたものを複数相組み合わせてなり、前記各コイルは絶縁処理された導線を巻いた同一仕様のものであり、こうして出来た円筒状コイル体は一端がモータ内で固定されて他端が自由端になり、その自由端に補強リングを嵌め込むと共に、前記円筒状のステータコイル体の周面に補強層を貼りつけたものであることを特徴とする請求項8に記載の電動移動体用回転電気機械の電源の節電方法。 The power supply is a battery, and by switching between a stage with a small torque constant and a stage with a large torque constant by the selection, it is applied to an electric vehicle to extend the cruising distance,
The rotary electric machine includes a non-rotating cylindrical stator coil body inside a motor housing, and has a rotor with permanent magnets spaced apart from the stator coil body and positioned on the facing surface of the stator coil body. It is a (coreless) motor, and the cylindrical stator coil body is formed by combining three or more coils for each phase, and each coil has the same specification wound with an insulated conductor wire. One end of the cylindrical coil body thus produced is fixed in the motor and the other end is a free end. 9. A power saving method for a power source of a rotary electric machine for an electric vehicle according to claim 8, wherein a reinforcing layer is adhered to the outer surface of the rotating electric machine.
スタート時のコイル接続を前記(a)にして最大トルク状態となり、最高速度状態ではコイル接続が前記(b)になって最小トルク状態となり、その中間速度段階では前記(c)の直並列接続とし、上り坂にてスピード低下に伴って自動的に前記(a)となり、下り坂では制動しつつ前記(c)にて段階的に回転数が変わるようなコイル接続を選択するようにして、
任意の回転数におけるモータ効率の高いモータを負荷に応じて自動的に選択する使用電流低減機能付きであることを特徴とする電動移動体用回転電気機械。 A rotary electric machine for an electric vehicle that is incorporated in a device that includes a power supply, a driver, and a first wiring path between the power supply and the driver, and is connected to the driver by a second wiring path, A rotary electric machine is equipped with three or more coils for each phase of a plurality of phases, and by switching the connection between the coils, a plurality of motors with different efficiencies are built in such that the coils are shared. By selecting a connection switching pattern from at least (a) all in series, (b) all in parallel, and (c) a series-parallel connection in which a combination of parallel is connected in series,
At the start, the coil connection is set to (a) for maximum torque, in the maximum speed state, the coil connection is set to (b) for minimum torque, and at the intermediate speed stage, the series-parallel connection is set to (c). , the coil connection is selected so as to automatically change to the above (a) as the speed decreases on an uphill, and to change the rotation speed stepwise to the above (c) while braking on a downhill,
A rotary electric machine for an electric vehicle, characterized by having a function of reducing the current used for automatically selecting a motor with high motor efficiency at an arbitrary number of revolutions according to the load.
前記回転電気機械は非回転の円筒状のステータコイル体をモータハウジング内に内蔵し、前記ステータコイル体と離間して該ステータコイル体の対向面に位置する永久磁石を備えたロータを有する無鉄心(コアレス)モータであり、該円筒状のステータコイル体は各相ごとに3つ以上のコイルで形成されたものを複数相組み合わせてなり、前記各コイルは絶縁処理された導線を巻いた同一仕様のものであり、こうして出来た円筒状コイル体は一端がモータ内で固定されて他端が自由端になり、その自由端に補強リングを嵌め込むと共に、前記円筒状のステータコイル体の周面に補強層を貼りつけたものであることを特徴とする請求項15に記載の電動移動体用回転電気機械。 The power supply is a battery, and by switching between a stage with a small torque constant and a stage with a large torque constant by the selection, it is applied to an electric vehicle to extend the cruising distance,
The rotary electric machine includes a non-rotating cylindrical stator coil body inside a motor housing, and has a rotor with permanent magnets spaced apart from the stator coil body and positioned on the facing surface of the stator coil body. It is a (coreless) motor, and the cylindrical stator coil body is formed by combining three or more coils for each phase, and each coil has the same specification wound with an insulated conductor wire. One end of the cylindrical coil body thus produced is fixed in the motor and the other end is a free end. 16. The rotary electric machine for an electric moving body according to claim 15, wherein a reinforcing layer is attached to the base.
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