JP7309693B2 - 電気モータ及び巻線方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気モータの電磁特性が新規の巻線配置によって改善され、動作する間、電気モータが発生させる電流の電圧並びにその抵抗及びインダクタンスを低下させる電気モータを提供する。これにより、同じ電源を利用する従来のモータと比較して、任意のパワー・ブースター又は余分な要素なしで、モータのトルク及び速度をより高いレベルに拡大することによってモータの性能を増大させ、それによって、出力密度を増大させることが可能になる。したがって、出力密度を増大させることができることにより、サイズ及び費用の低減がもたらされる。これらの特徴に加えて、前記モータは、標準の従来の製造工程を使用し、産業において実装する用意をする。本発明は、冗長性の機能を有する電気モータも提供し、それによって、結果として生じる出力の低減の場合でも動作し続けることが可能になり、ある段階において構成部品のうちの１つが故障しても、電気モータは、依然として十分な出力を与えて、壊滅レベルを回避する可能性が最も高い。図面における例示的な実施例を参照して本発明を以下にさらに詳細に説明するが、本発明を限定するものではない。

本発明は、電気モータ及び巻線方法に関し、より詳しくは、その性能及び機能を改善する電気モータ及び巻線方法に関する。

今日の電気モータ及び運転システムは、より安く、より高い性能のデバイスを要求する電気自動車、携帯機器、及び玩具などの産業によって実施された改善を最近提示している。このエネルギー及び性能の増大を提供するための取組みは、蓄電及び配電への大きな発展をもたらし、並びにデバイスによるエネルギー利用を改善する。最新の進歩した技術を電子ハードウェア及びソフトウェア、材料、トポロジー及びアーキテクチャにおいて適用する科学の継続的な努力及び進展は、すべての前述の産業における電気使用及び変換の精密な制御を可能にしているが、結果として、これらの解決策は、高価であり、複雑である可能性が最も高い。それでも、結果として生じる努力から、産業の需要による出力の期待は実現されていない。今日の電気モータにおいて満足されていない、部分的故障状態においても安全に動作し続ける、冗長性の特殊機能を必要とする適用例における電気モータの実装例に対する具体的な展望もある。市場と産業との間のこのニーズの不一致は、実際の技術が提供するものに対して改善の余地を残している。

先行技術分野の中には、電気モータ・ダイナモの特定の特性を修正または改善するために、巻線アーキテクチャを変化させる技術に基づく様々な文献が見出される。

第１に、特開平６－２２４８６では、その発明の焦点は、モータを通る励磁電流を増加させることであり、さらに正確には、それが通常に稼動している間に相を通る前記電流を均等化することである。

同様に、しかし、異なるアプローチによって、米国特許出願公開第２０１４／０２１０２９７Ａ１号は、単相のために複数の固定極を利用することに関し、それは、連続した突出極の中にグループ化されており、中央の極は、相によって完全に励磁され、一方、前記グループの外側のコイルは、その近接する相のコイルと重ね合わせられており、いくつかのケースでは、コイル・ワイヤの巻きの観点から低減されており、モータ・トルク・リップルを制御して滑らかにする。

特許ＤＥ１０２１３７４３Ａ１の目的は、とりわけ、巻線に関して、単純で、高速で、したがって、全体的に経済的な製造可能性が実現され得るように、電気モータの固定子を改善し、コンパクトな設計を実現し、とりわけ、小さい軸線方向の長さ、及び、高いモータ電流に対する適切性を実現することである。

また、注目すべきは、特開２０１３－２４７７１４である。その目的は、２つ以上のセットの異なるタイプのコイル、又は、並列の群のコイルを直列に接続するように変化させることによって、モータの回転速度及びトルクの挙動を修正することであり、したがって、１つのタイプのコイルの中の相を動作させ、一連の異なるタイプのコイルを加算又は減算することによって相構成を変化させる。

そして、最後の文献は、ＤＥ１０２００６０６１６９９Ａ１であり、その目的は、同期モータのための固定子巻線配置を提供することであり、そこでは、巻線短絡の場合に起こる制動トルクが、全体的なシステム故障を回避する設定ポイントの分離のために、機械的リレー又は電子的リレーを使用することなく低減され得る。追加的に、モータの挙動は、通常の動作時に影響を受けるべきではない。

上述の先行技術のすべては、電気モータの多くの異なる態様に焦点を合わせており、最後のものは、モータ配置の特定のタイプ（例えば、スター接続）の中の特定のタイプの故障に関する特定の安全特徴に焦点を合わせられているが、それらのすべては、安全の問題に失敗しており、それらのすべては、１つの相当たりに単に１つの入力電流経路及び出力電流経路を有しており、この供給電流経路の中の任意の故障が、相の完全な故障を引き起こすこととなり、デルタ配置モータのケースのように、供給電流経路が相によって共有されている場合に、それらのモータにとって悪化する。

従来の電気モータにおいて直面する主な限界の１つは、動作時に、電気モータが発生させた電流が、供給された電流に逆らう意味において流れることである。これにより、システムが流すことができる電流の量が制限される。可能な最大電流は、モータに供給された電圧と、モータが発生させた電圧との瞬間的な差の表れであり、それによって、モータの最大トルク及び速度が画定する。モータの出力は速度のトルク倍によって決定されるので、これにより、前記モータの出力密度も確立する。出力密度は、サイズと出力との関係である。より多くの出力に対する産業の需要に直面して、モータをより大きく構築することは、前記モータが同じ効率及び出力密度を維持するとき、費用の低減も、よりよいエネルギーの使用も得られない。前述の制限を打開し、同じサイズのモータから、より高いトルク及び速度、したがって、出力密度を得る努力において、従来の取組みは、モータを現状のままにし、電源電圧を増加させるものである。電源からのその電圧増加を行うために、ブースター・コンバーターが使用される。この解決策は、モータの出力密度を増大させることができる。しかし、それは、別の構成部品をシステムに追加しなければならないので、費用の低減が得られず、電源からモータにもたらされる全出力を調整する必要があるので、前記構成部品が複雑で高価となる傾向がある。電源とモータの間のこのブースターが、ある程度のエネルギー損失を生じる電気抵抗及び蓄電を表し、全システム効率に悪影響を与えるので、前記取組みは、エネルギー使用効率においてもうまくいかない。今日のモータが実際に高レベルの効率を有するが、それは全システム効率を引き出した上述の取組みによって覆い隠されるので、この結果は電気モータ界の見解に悪影響を与える。

モータによって発生された電圧は、前記モータの速度及び電流を制限する相巻線における巻数に比例しているので、相の巻数をいくつかのサブ・コイルに等しく分割し、各サブ・コイルにおける電圧が分割の正比例であると言うことができる。上述の新たな巻線方法及び配置を使用して、並列の組の直列の均等に分配された電気接続部又は並列の組だけにおいて、発生された電圧並びに形成相の抵抗及びインダクタンスを低下させることが可能になる。

新たなモータ巻線配置は、個々に、及び／又はモータの電気特性を変更する、異なるスイッチング・シーケンス設定を使用して、異なるサブ・コイルを制御することが可能になるので、電気モータの管理に対してまったく新たな分野を開く。

相の再分割は、より小さく、より迅速であり、ゲート電荷及び損失がより少ない、シリコン・スイッチを使用する可能性を開く。

提案された新たな電気モータは、電池からの電力供給が、供給された電流を変調するモータ・ドライバ以外の構成部品は何もなしで、モータに給電することができるシステムを可能にし、電位差を調整するための任意のデバイスが回避される。

説明のために、ただし、それに限定されないが、以下の図において、本特許の実施例の異なる配置を説明する。

サブ・コイルが重なるやり方で巻かれる、巻線分配の実例を示す図である。他のすべての場合と同様に、磁束がリンク１２０及び１２１として示される。 各突出極がサブ・コイル２００、２１０、２２０、２３０を形成する等しい巻数を有する、４つの突出極１１０、１１１、１１２、１１３を中心としてモータの相がどのように巻かれるかを示す図である。これらのサブ・コイルは、終端１３０、１３１を有する単一のコイルを形成する単線又は接続直列から製作される。付勢されたときのこの実例において、２つの突出極１１０、１１１は、磁束１２０によってリンクされ、突出極１１２、１１３は、磁束１２１によってリンクされる。 それぞれ２つのサブ・コイルの２つの等しい群において図２（先行技術）に示す単一コイル相の分割を示す図である。サブ・コイル２００、２１０によって形成された群によって確立された最初の半相が、終端１３０、１３１を有する磁束１２０によってリンクされる、突出極１１０及び１１１をそれぞれ中心として巻かれる。サブ・コイル２２０、２３０によって形成された群によって確立された残りの半相が、終端１３２及び１３３を有する磁束１２１によって磁気的にリンクされる、突出極１１２及び１１３をそれぞれ中心として巻かれる。 第１の配置１０２は、それぞれ４つのサブ・コイルの２つの等しい群において図２（先行技術）に示す単一コイル相の分割を示す。サブ・コイル２０１、２１１、２２１、２３１の第１の群が、終端１３０、１３１を有する単線又は接続直列から製作される。サブ・コイル２００、２１０、２２０、２３０の第２の群が、終端１３２、１３３を有する単線又は接続直列から製作される。提示された配置において、サブ・コイルは、突出極ごとに各群の１つのサブ・コイルによって形成された対で巻かれる。各群２０１、２００の第１のサブ・コイルが、突出極１１０を中心として巻かれ、突出極１１１を中心として巻かれたサブ・コイル２１１、２１０によって継続され、後に突出極１１２を中心として巻かれたサブ・コイル２２１、２２０が続き、最後に突出極１１３を中心として巻かれたサブ・コイル２３１、２３０が続く。各群のサブ・コイルの対が、重なるやり方又は区分されるやり方のいずれかで巻かれる。他のすべての場合と同様に、磁束がリンク１２０及び１２１として示される。 図４において、第２の配置１０３は、それぞれ２つのサブ・コイルの４つの群を形成する４つの等しい半分において、より深い再分割を示す。サブ・コイル２０１、２１１の第１の群は、終端１３０、１３１を有する、単線又は接続直列から製作される。サブ・コイル２００、２１０の第２の群は、終端１３２、１３３を有する単線又は接続直列から製作される。サブ・コイル２２１、２３１の第３の群は、終端１３４、１３５を有する単線又は接続直列から製作される。サブ・コイル２２０、２３０の第４の群は、終端１３６、１３７を有する単線又は接続直列から製作される。提示された配置において、サブ・コイルは、突出極ごとに群の２つからの１つのサブ・コイルによって形成された対で巻かれる。サブ・コイル２０１、２００は、突出極１１０を中心として巻かれ、突出極１１１を中心として巻かれたサブ・コイル２１１、２１０によって継続される。サブ・コイル２２１、２２０は、突出極１１２を中心として巻かれ、最後に突出極１１３を中心として巻かれたサブ・コイル２３１、２３０が続く。サブ・コイルの対は、重なるやり方又は区分されるやり方のいずれかで巻かれる。他のすべての場合と同様に、磁束がリンク１２０及び１２１として示される。 図４において、第３の配置１０４は、それぞれ２つのサブ・コイルの４つの等しい群において、異なる再分割を示す。サブ・コイル２０１、２００の第１の群は、各１つがその終端、サブ・コイル２０１には１３０及び１３１並びにサブ・コイル２００には１３２、１３３を有する。サブ・コイル２１１、２１０の第２の群は、各１つがその終端、サブ・コイル２１１には１３４及び１３５並びにサブ・コイル２１０には１３６、１３７を有する。サブ・コイル２２１、２２０の第３の群は、各１つがその終端、サブ・コイル２２１には１３８及び１３９並びにサブ・コイル２２０には１４０、１４１を有する。サブ・コイル２３１、２３０の第４の群は、各１つがその終端、サブ・コイル２３１には１４２及び１４３並びにサブ・コイル２３０には１４４、１４５を有する。提示された配置において、群のサブ・コイルの対は、突出極において巻かれる。サブ・コイル２０１、２００は、突出極１１０を中心として巻かれ、サブ・コイル２１１、２１０は、突出極１１１を中心として巻かれる。サブ・コイル２２１、２２０は、突出極１１２を中心として巻かれ、サブ・コイル２３１、２３０は、突出極１１３を中心として巻かれる。サブ・コイルの対は、重なるやり方又は区分されるやり方のいずれかで巻かれる。他のすべての場合と同様に、磁束がリンク１２０及び１２１として示される。 第１の配置１０５が、それぞれ２つのサブ・コイルの４つの等しい群において図２（先行技術）に示す単一コイル相の異なる再分割を示す。サブ・コイル２０１、２１１の第１の群は、終端１３０を有し、他方の端部が共通接続部３００に接続される単線又は接続直列から製作される。サブ・コイル２００、２１０の第２の群は、終端１３２を有し、他方の端部が共通接続部３００に接続される単線又は接続直列から製作される。サブ・コイル２２１、２３１の第３の群は、終端１３１を有し、他方の端部が共通接続部３００に接続される単線又は接続直列から製作される。サブ・コイル２２０、２３０の第４の群は、終端１３３を有し、他方の端部が共通接続部３００に接続される単線又は接続直列から製作される。提示された配置において、サブ・コイルは、突出極ごとに各群の１つのサブ・コイルによって形成された対で巻かれる。サブ・コイル２０１、２００は、突出極１１０を中心として巻かれ、突出極１１１を中心として巻かれたサブ・コイル２１１、２１０によって継続される。サブ・コイル２２１、２２０は、突出極１１２を中心として巻かれ、後に突出極１１３を中心として巻かれたサブ・コイル２３１、２３０が続く。サブ・コイルの対は、重なるやり方又は区分されるやり方のいずれかで巻かれる。他のすべての場合と同様に、磁束がリンク１２０及び１２１として示される。 図５において、第２の配置１０６は、それぞれ４つのサブ・コイルの２つの群において、より深い再分割を示す。サブ・コイル２０１、２１１、２００、２１０の第１の群は、一方の端部が共通接続部３００に接続され、その終端１３０、１３１、１３２、１３３をそれぞれ他方の端部に有する。サブ・コイル２２１、２３１、２２０、２３０の第２の群は、一方の端部が共通接続部３０１に接続され、その終端１３４、１３５、１３６、１３７をそれぞれ他方の端部に有する。提示された配置において、サブ・コイルは、突出極ごとに群の２つからの１つのサブ・コイルによって形成された対で巻かれる。サブ・コイル２０１、２００は、突出極１１０を中心として巻かれ、サブ・コイル２１１、２１０は、突出極１１１を中心として巻かれる。サブ・コイル２２１、２２０は、突出極１１２を中心として巻かれ、サブ・コイル２３１、２３０は、突出極１１３を中心として巻かれる。サブ・コイルの対は、重なるやり方又は区分されるやり方のいずれかで巻かれる。他のすべての場合と同様に、磁束がリンク１２０及び１２１として示される。 図５において、第３の配置１０７は、それぞれ４つのサブ・コイルの４つの群において、さらにより深い再分割を示す。サブ・コイル２０１、２１１、２００、２１０の第１の群は、一方の端部が共通接続部３００に接続され、その終端１３０、１３１、１３２、１３３をそれぞれ他方の端部に有する。サブ・コイル２２１、２３１、２２０、２３０の第２の群は、一方の端部が共通接続部３０１に接続され、その終端１３４、１３５、１３６、１３７をそれぞれ他方の端部に有する。サブ・コイル２４１、２５１、２４０、２５０の第３の群は、一方の端部が共通接続部３０２に接続され、その終端１３８、１３９、１４０、１４１をそれぞれ他方の端部に有する。サブ・コイル２６１、２７１、２６０、２７０の第４の群は、一方の端部が共通接続部３０２に接続され、その終端１４２、１４３、１４４、１４５をそれぞれ他方の端部に有する。提示された配置において、サブ・コイルは、突出極ごとに群の２つからの１つのサブ・コイルによって形成された対で巻かれる。サブ・コイル２０１、２００、２１１、２１０は、突出極１１０を中心として巻かれ、サブ・コイル２２１、２２０、２３１、２３０は、突出極１１１を中心として巻かれる。サブ・コイル２４１、２４０、２５１、２５０は、突出極１１２を中心として巻かれ、サブ・コイル２６１、２６０、２７１、２７０は、突出極１１３を中心として巻かれる。サブ・コイルの対は、重なるやり方又は区分されるやり方のいずれかで巻かれる。他のすべての場合と同様に、磁束がリンク１２０及び１２１として示される。 一方が図４の配置１０２において説明したアーキテクチャを使用して変更され、他方がいずれの変更もない、２つの同一の電気モータ１２ｐ １４ｎの速度及びアンペア数を示す比較図表である。点線は従来のモータを表し、実線は新たなモータを表す。

図３、４及び５に示すように、本特許の実施例に対して異なる取組みが可能である。実施例の実例として図５の第１の配置１０５の説明。特定の電源を所与として、この配置により、先行技術の図２と比較して、決定された速度において電気モータに適用可能な電流を２倍にすることが可能になる。先行技術の図２における相の総巻数及びその長さが４つの等しい群に分割され、それらは抵抗及びインダクタンス並びに端子１３０～１３１及び１３２～１３３からの発生電流が前述の先行技術の半分であるように接続されるのを観察するのは簡単である。さらに、共通接続部３００は、並列コイルを一体として動作させるようにし、したがって、それらが異なる時間に切り換わることが可能になり、相互誘導干渉が低減され、又は回避される。終端又はサブ・コイルの１つにおける故障の場合、インピーダンスは、平衡に保たれ、電気モータから安全な応答が得られる。

実例として、図４の配置１０２において説明したアーキテクチャを使用する電気モータ１２ｐ １４ｎが、構築され、任意の変更なしの同じものの１つに対して試験された。モータは、同じ従来の電気モータ・ドライバによって駆動され、それはその低い、ただし、上述の出力密度の改善を示すのに十分な、抵抗及びインダクタンスにより、新たなモータを効率的に管理することができなかった。全体の評価の間、同じ電源が、すべての場合において、正確に同じ電圧で使用された。

Claims (1)

1. 電気モータであって、
   回転子と、
   複数のモータ電気相として群で配置された複数の突出固定極を有する固定子鉄心を備える固定子であって、前記固定極の群は、等しい数の極を有しており、固定極の各群は、少なくとも１つの固定極を含み、前記電気相は、群へと分割されており、各電気相は、少なくとも１つの電気相群を有しており、各電気相群は、複数の一連の電気コイル（２０１、２１１／２００、２１０／２２１、２３１／２２０、２３０）によって形成されており、各一連のコイルは、少なくとも１つの電気コイルを含み、前記電気相群の中の各一連のコイルは、等しい数の巻きを有しており、各電気相群の中の一連のコイルの合計数は、等しい数の一連のコイルの２つのサブ・グループに分割されており、各サブ・グループは、少なくとも２つの一連のコイルを含み、各コイルは、少なくとも１つの巻きを含み、各電気相群の中の前記一連のコイルは、共通接続部（３００）を生成する一方の端部においてすべて接続されており、群の中の各一連のコイルの他方の端部は、自分自身の終端を有しており、複数の露出された終端（１３０、１３１、１３２、１３３）を与える、固定子と
   を備え、
   第１の一連のコイル（２０１、２１１）の第１のコイル（２０１）は、第１の極（１１０）を中心として巻かれており、
   前記第１の一連のコイル（２０１、２１１）の第２のコイル（２１１）は、第２の極（１１１）を中心として巻かれており、
   第２の一連のコイル（２００、２１０）の第１のコイル（２００）は、前記第１の極（１１０）を中心として巻かれており、
   前記第２の一連のコイル（２００、２１０）の第２のコイル（２１０）は、前記第２の極（１１１）を中心として巻かれており、
   第３の一連のコイル（２２１、２３１）の第１のコイル（２２１）は、第３の極（１１２）を中心として巻かれており、
   前記第３の一連のコイル（２２１、２３１）の第２のコイル（２３１）は、第４の極（１１３）を中心として巻かれており、
   第４の一連のコイル（２２０、２３０）の第１のコイル（２２０）は、前記第３の極（１１２）を中心として巻かれており、
   前記第４の一連のコイル（２２０、２３０）の第２のコイル（２３０）は、前記第４の極（１１３）を中心として巻かれており、
   同じ極を中心として巻かれているコイル同士は、重なるやり方又は区分されるやり方のいずれかで巻かれている、電気モータ。

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