JP4008880B2 - コントローラ及び電源を内蔵した回転電動機 - Google Patents

Description

本発明は回転電動機に関し、より特定的には、電気制御及び駆動要素を内蔵している電動機構造に関する。

電動機を制御する応用に用いられるマイクロコントローラ及びマイクロプロセッサのような電子システムが漸進的に改良され、また改良されたポータブル電源が利用可能になってきたために、内燃機関の実行可能な代替として、車両を電動機によって効率的に駆動する技術の開発への挑戦が余儀なくされてきた。電子的に制御されたパルスによって電動機の巻線を付勢することによって、電動機の特性をより柔軟に管理することが予期される。適切なステータ巻線へのパルス幅、デューティサイクル、及び電池電源のスイッチング印加を制御することによって、交流同期電動機の動作と実質的に区別することができない機能的柔軟性を達成することができる。永久磁石をこれらの巻線と共に使用すると、電流消費を制限する上で有利である。

2001年４月５日付Maslovらの米国特許出願第09/826,422号は、製造が簡易化し易く且つ効率的で柔軟な動作特性を可能にする改良された電動機に言及している。車両駆動環境においては、広い速度範囲にわたって滑らかな動作が得られ、しかも最小の電力消費で高トルク出力能力を維持することが望ましい。このような車両電動機の駆動は、最小の不便さで部品を交換できるようにするために、種々の構造的成分へ有利にアクセスできるようにすべきである。上記出願は、有利な効果を得るために、電磁石磁極片を、半径方向に比較的薄い環状リング形態とし且つ切り離された透磁性の構造として組み込んでいる。この配列を用いると磁束を集中させることができ、電磁コアは従来技術の実施の形態に比して損失、または有害な変成器干渉効果が実質的に存在しなくなる。この出願に開示されている構造を用いることによって、トルク特性及び効率の改良を達成することはできるが、さらなる改良に対する要望が残されている。

2001年４月５日付Maslovらの米国特許出願第09/826,423号は、磁石のグレード、エネルギ密度、及び磁気回路の総合磁気特性のようなロータパラメータ、ロータの部品として使用した時の磁石の耐久性及び総合動作状態を調整することができるサイズ及び寸法、磁石の温度安定性、磁石の消磁、意図した応用のために磁石を製造する際の仕上げ、コーティング、及び事後処理ステップ、磁石の曲面上の磁化の安定性、磁石の半径方向分極の均一性、２つの分離した磁石間の近接空隙、磁石の縁の機械的特色及びジオメトリ、及び裏当て鉄リング区分によって与えられる磁石の戻り磁束経路の最適化を検討している。

可搬性及びサイズが重要なファクタであるような環境においては、複雑な制御機能を犠牲にすることなく広範な動作特性を可能にするような電動機駆動に対する要望が存在している。ブラシレス電動機システムは、複数の電子スイッチをそれぞれ制御し、整流の順序を正確にし、個々のステータ巻線へ電力を適切に印加する能力を有していなければならない。電子要素の複雑さは広範且つ多様であり得るが、このような動作を提供する制御要素を内蔵する電動機構造構成に対する要望が存在している。このような構成は、電動機の所与の構成要素内の電動機磁束発生構造を制限するような犠牲を強いるべきではない。

本発明は上述した要望を満たすものであり、前記Maslovらの出願に開示されている切り離された個々の磁極片対配列の利点を利用するものである。

比較的複雑な電気制御システムの全てではないにしても実質的な部分を、ステータ構造の制約の中に割当てる十分な空間を得るために、薄い環状リング形態のステータを使用する。ステータ磁束発生構造内部のシールドされた空間内に電気制御成分を組み込むと、幾つかの利点が得られる。即ち、組込みが簡易化され、離散した個々の回路要素の数を減少させながら、制御回路とスイッチされるステータ巻線との間の電磁干渉が回避される。例えば、車両駆動のような特定の応用に使用する場合、電動機構造及び電気制御システムの両方を車両の車輪内に組み込むことによって、ユニットの重量を軽減させつつ、音響的及び機械的雑音を減少させることができる。ユーザのパースペクティブからの操作を、例えば普通の自動車の操作をシミュレートするために簡易化することができる。

前述した長所は、本発明の構造的特色内に採り入れられている。即ち、電動機はロータ及びステータを備え、これらは各々環状リング形態に形成され、環状空隙によって互いに離間されている。ステータは、複数の透磁性のコアセグメントを含み、それらの上にコイルが巻かれている。コアセグメントは、互いに直接接触しないように分離されており、半径方向の空隙に沿って配置されている。従って、セグメントは個々の電磁石である。ステータの半径方向内側の周縁は、実質的に磁束が横切らない空間を限定している。コントローラは、この空間内に収容されて付勢電流をステータ巻線へ印加する。この空間内に、電源、及びコントローラに応答して電流パルスを電源から個々にステータ巻線へ導く電子スイッチも配置されている。電源は、ユーザが容易にアクセスできる複数の交換可能な電池からなることができる。電池は、それらをステータから取り外して、または取り外すことなく外部電源から再充電できるものであることができる。電池の再充電は、動作中にステータセグメント巻線から印加される回生電流によって遂行することもできる。ステータ内のロータ位置センサは、少なくとも１つの出力をコントローラへ供給する。

好ましくは、各ステータセグメントは、外側周縁において互いに円周方向に離間し、内側周縁においてヨークまたはリンキング部分によって互いに結合されている１対の磁極片を備えている。これら１対の磁極片は、セグメント巻線に付勢電流が供給された時に空隙に逆の磁気極性に磁化される。各ステータセグメントの巻線は、それぞれのステータ磁極片上に逆方向に巻かれている２つのコイル区分からなり、各区分は付勢された時に逆の磁気極性のステータ磁極を発生させるように直列、または並列の何れかに接続される。代替として、各ステータセグメント巻線は電子スイッチのブリッジ構成内に接続される。巻線内を流れる付勢パルスの電流の方向は、コントローラ信号に従ってブリッジのスイッチを選択的に活動化させることによって確立される。

コントローラは、スイッチも取り付けられている複数の回路基板上に分散されている。代替として、コントローラは、スイッチも集積されている単一チップの特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）からなることができる。電流パルスの幅及びスイッチの選択は、ステータ内に取り付けられた１またはそれ以上のロータ位置センサから受信した信号に応答するコントローラによって制御される。

当業者ならば、以下の添付図面に基づく説明から本発明の付加的な長所が明白になるであろう。以下に、本発明の好ましい実施の形態だけを説明するが、これは単に本発明を実施するための最良の形態を示しているに過ぎない。本発明は、本発明から逸脱することなく、他の、及び異なる実施の形態とすることも、またはその幾つかの細部を種々に変更することも可能である。従って、添付図面及び以下の説明は本発明を限定するものではないことを理解されたい。

本発明の電動機は、自動車、モータサイクル、自転車等の車両車輪を駆動するのに適している。従って、添付図面は車両の車輪内に収容することができる電動機構造を示しており、ステータは静止シャフトに堅固に取り付けられ、車輪を駆動するためのロータによって取り囲まれている。しかしながら、車両は、本発明の電動機を使用できる多くの特定の応用の中の単なる例に過ぎないことを理解されたい。

図１は、電動機構造のカット図であって、図示されている諸要素は図２の分解図に詳細に示されている。電動機１０は、環状永久磁石ロータ２０と、半径方向の空隙によって離間されている環状ステータ構造３０とを含む。ロータ及びステータは、静止シャフト３６内に中心を有する回転軸を中心として同軸状に構成されている。ステータは、強磁性的に切り離されている複数の要素、即ちステータグループからなる。互いに直接接触しないように分離されている透磁性材料製のコアセグメント３２は、各磁極片上に形成されたそれぞれの巻線部分３４を有している。７つのステータグループが示されており、各グループは、空隙に沿って円周方向に割当てられた２つの突出した電磁石磁極片を含んでいる。ロータは、空隙の周囲に円周方向に分布され且つ非磁性環状裏当て板２４に取り付けられている複数の永久磁石２２からなる。裏当て板は、アルミニウム、または他の非透磁性材料で形成することができる。裏当て板は、側壁２６が取り付けられている電動機ハウジングの一部である。

ロータ磁石が発生する磁束分布は、ロータ磁石の後に透磁性要素（図示してない）を取り付けることによって高めることができる。16個のロータ磁石が示されている。ステータの磁極片及びロータの磁石の数は単なる例示に過ぎず、所望の動作パラメータに依存して種々の比を使用できることを理解されたい。例えば、より少ない電磁石をより大きい距離に離間させると、異なるトルク及び／または速度特性を得ることができる。ステータコアセグメントは、シャフト３６に中心が取り付けられている堅固な骨格構造４０に確保される。ステータグループの数と同数の脊柱部材４２が、構造４０の中心からＵ字形板４４まで放射状に外向きに伸びている。Ｕ字形板の側及びステータコアセグメントには、ステータセグメントを骨格構造に取り付けるための結合用孔が設けてある。各Ｕ字形板は、隣接する対のステータセグメントと係合する。

各ステータセグメント及び脊柱部材の隣接対が一緒になって、回路要素を収納する空間を限定している。堅固な脊柱部分４２は、必要な構造的支持を与え、且つ回路基板を受入れるための十分な表面積を有している。回路基板またはハイブリッドモジュールは、どのような普通の手法で各脊柱部分に取り付けても差し支えない。各回路基板は、脊柱部分が取り付けられているステータコアセグメントの巻線へ適切な配線接続を通して付勢電流を印加するのに必要な制御回路及びスイッチを含んでいる。空間及び重量をより大きく節約するために、全ての制御回路及びスイッチを単一の回路基板内に集積できることは理解されよう。電池４６によって表されている電動機電源も、ステータ空間内に内蔵することができる。電池のための適切なレセプタクル（図示してない）を脊柱部分４２に取り付けることができる。どのような種類のものであってもよいレセプタクルは、電池を交換または再充電する目的で容易に取り外すことを可能にする。各空間毎に１つの電池を図示してあるが、電動機に必要な電力を供給するのに十分な容量を有するものであれば、どのような型の市販電池または電池パックを使用することもできる。従って、特定の電池特性及び電動機駆動要求に依存して、他の要素の位置のための１またはそれ以上の空間を使用することも可能である。

図３は、図１及び２の電動機システムの外形を示す斜視図である。ロータハウジング外側リング２４及び側壁２６は車輪ハブを形成するように構成され、スポークを介してタイヤ（図示してない）を直接的に、または間接的に取り付けることができる。ロータ車輪ハウジングは、静止シャフト３６を中心として回転するように軸受３８によって承軸されている。円筒形のロータハウジング構造は、軸方向にロータと同じ長さの環状リング形態のステータを空隙を挟んで取り囲んでいる。

図４は、図１−３に示す電動機構造を駆動するのに使用することができる典型的な制御システムのブロック図である。ステータ巻線３４は、電源５０から電子スイッチセット５２を介して供給される駆動電流によってスイッチ可能に付勢される。電流パルスのタイミングは、位置センサ６２から受信するフィードバック信号に応答するシーケンスコントローラ６０によって制御される。シーケンスコントローラは、マイクロプロセッサまたは等価なマイクロコントローラを含むことができる。位置センサ６２は、単一のユニットとして略示してあるが、ロータ磁石の回転を検出するために、空隙に沿って幾つかのセンサをステータ区分に適切に位置決めすることができる。位置センサは、ホール効果デバイスのような公知の何等かの磁気感知センサ、ジャイアント磁気抵抗（ＭＧＲ）センサ、リードスイッチ、アモルファスセンサを含むパルスワイヤーセンサ、レゾルバ、または光センサからなることができる。

電動機巻線へ付勢電流を印加するために電子スイッチを使用し、制御する技術は当分野においては一般的である。図５は、個々のステータコアセグメント巻線のためのスイッチセット及びドライバの部分回路図である。ステータ巻線３４は、４個のＦＥＴのブリッジ回路内に接続されている。ステータ巻線３４へ駆動電流を適切な方向に導くために使用することができる公知の如何なる電子スイッチング要素（例えば、バイポーラトランジスタ）も使用できることを理解されたい。ＦＥＴ ５３及びＦＥＴ ５５は電源にまたがって直列に接続されており、ＦＥＴ ５４及びＦＥＴ ５６もまた同様である。ステータ巻線３４は、２つの直列ＦＥＴ回路の接続ノードの間に接続されている。ゲートドライバ５８は、シーケンスコントローラ６０から受信する制御信号に応答してＦＥＴのゲート端子へ活動化信号を印加する。ＦＥＴ ５３及び５６は同時に活動化されて、電動機電流を一方向に流す。逆方向に電流を流すために、ＦＥＴ ５４及び５５が同時に活動化される。ゲートドライバ５８は、シーケンスコントローラ６０内に集積することも、または分離したドライバ回路からなることもできる。

図６は、図１に示す電動機構造配列の変形をカットして示す斜視図である。各ステータコアセグメントの巻線３４は、磁極片をリンクしているコアセクション上に形成されている（２つの部分に分割されて磁極片自体の上に巻かれていない）。図６は、対応するステータコア区分にそれぞれ設けられている位置センサ６２をも示している。

以上に、本発明の好ましい実施の形態とその変化の数例だけを説明した。本発明は、他の種々の組合わせ及び環境においても使用でき、上述した本発明の概念の範囲内で変化及び変更が可能であることを理解されたい。例えば、本発明の電動機を車両の駆動以外の広範な応用に使用できることは明白である。車両の駆動においてはロータがステータを取り囲んでいることが好ましいのではあるが、他の応用においてはステータがロータを取り囲んでいる方が有利に使用できることもあり得る。従って、各内側及び外側環状部材はステータまたはロータの何れかであることができ、電磁石のグループまたは永久磁石のグループの何れかからなることができる。

本発明による電動機の部分三次元斜視図である。 図１の電動機の構造的成分の分解図であって種々の要素の位置関係を示している。 図１及び２の電動機の外形を示す斜視図である。 図１−３の電動機に使用するのに適する制御システムのブロック図である。 図４のシステムの巻線スイッチング回路のための部分ブロック図である。 図１に示す電動機構造配列の変形の部分三次元斜視図である。

Claims (15)

1. 回転電動機であって、
   環状リング形態に配置され、内側環状表面に沿って磁気極性が交互する複数の永久磁石を有するロータと、
   上記ロータ内に取り囲まれ、半径方向の空隙によって上記ロータから分離されている環状リング構造のステータと、
   を備え、
   上記ステータは、
   互いに強磁性的に切り離されている複数の強磁性コアセグメントであり、上記各コアセグメントはそれの上に巻かれてステータ巻線を形成しているそれぞれのコイルを有する上記複数の強磁性コアセグメントと、
   上記空隙に面する半径方向外側の周縁と、
   磁束が実質的に横切らない容積を限定している半径方向内側の周縁と、
   を含み、
   上記容積が、
   電源、コントローラ、及び上記コントローラに応答し、電源から上記ステータ巻線へ電流を導く電子スイッチを更に含むことを特徴とする回転電動機。
2. 上記ステータは更に、上記コントローラに接続されている出力を有するロータ位置センサを含むことを特徴とする請求項１に記載の回転電動機。
3. 上記各ステータセグメントは、上記外側周縁において互いに円周方向に離間し且つ上記内側周縁においてヨークまたはリンキング部分によって互いに結合されている１対の磁極片を含み、上記１対の磁極片は、上記セグメント巻線に上記付勢電流が印加された時に上記空隙に逆の磁気極性を有することを特徴とする請求項１に記載の回転電動機。
4. 上記各ステータセグメントの巻線は上記各ステータ磁極片上の巻線部分からなり、上記各磁極片対の巻線部分は逆方向に巻かれ且つ直列に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の回転電動機。
5. 上記各ステータセグメントの巻線は、上記ヨークまたはリンキング部分上に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の回転電動機。
6. 上記電子スイッチはブリッジ形態に接続され、それぞれが対応するステータセグメント巻線に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電動機。
7. 上記電流パルスの幅及び上記スイッチの選択は、上記ロータ位置センサから受信した信号に応答する上記コントローラによって制御されることを特徴とする請求項６に記載の回転電動機。
8. 上記電源は、複数の交換可能な電池からなることを特徴とする請求項１に記載の回転電動機。
9. 上記電池は、上記ステータから取り外した時に外部の源から、及び上記ステータセグメント巻線から印加される回生電流によって再充電できる再充電可能な電池であることを特徴とする請求項８に記載の回転電動機。
10. 上記電池は、外部の源から再充電可能であることを特徴とする請求項８に記載の回転電動機。
11. 上記容積は更に、上記コントローラ及びスイッチが取り付けられている回路基板を収容していることを特徴とする請求項１に記載の回転電動機。
12. 上記コントローラは、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）からなることを特徴とする請求項１１に記載の回転電動機。
13. 上記容積は、実質的に円筒形であることを特徴とする請求項１に記載の回転電動機。
14. 回転電動機であって、
    環状リング形態に配置され、内側環状表面に沿って磁気極性が交互する複数の永久磁石を有するロータと、
    上記ロータ内に取り囲まれ、半径方向の空隙によって上記ロータから分離されている環状リング構造のステータと、
    を備え、
    上記ステータは、複数の強磁性コアセグメントを含み、上記各コアセグメントはそれの上に巻かれてステータ巻線を形成しているそれぞれのコイルを有し、上記ステータは更に、上記空隙に面する半径方向外側の周縁と、磁束が実質的に横切らない容積を限定している半径方向内側の周縁とを含み、
    上記容積が、
    電源、コントローラ、及び上記コントローラに応答し、電源から上記ステータ巻線へ電流を導く電子スイッチを更に含むことを特徴とする回転電動機。
15. 上記容積は、実質的に円筒形であることを特徴とする請求項１４に記載の回転電動機。

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