WO2022003996A1

WO2022003996A1 - 回転電気機械及び電動車

Info

Publication number: WO2022003996A1
Application number: PCT/JP2020/041258
Authority: WO
Inventors: 学白木; 隆古畑; 幸夫津田
Original assignee: コアレスモータ株式会社
Priority date: 2020-07-01
Filing date: 2020-11-04
Publication date: 2022-01-06
Also published as: JPWO2022003996A1; WO2022003866A1

Abstract

【課題】高回転時においても所定のトルクを維持しつつ、特性切替時の応答性を高める事のできる回転電気機械を提供する。【解決手段】ハウジング１２と、ハウジング１２に回転自在に支持された回転軸１４と、円筒状を成し、一方の端面がステータに支持されている作動コイル１８と、円筒状を成し、一方の端面が回転軸１４に支持され、作動コイル１８との対向面に永久磁石１６ａを備えたロータ１６と、を有するコアレス回転電気機械であって、作動コイル１８は、Ｕ、Ｖ、Ｗの３相から成り、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を直列形式と並列形式のいずれかへの切り替えを可能とする回路部２０（２０Ｕ、２０Ｖ、２０Ｗ）を備えたことを特徴とする。

Description

回転電気機械及び電動車

　本発明は、回転電気機械に係り、特に、効率的な運転を実行する場合に好適な回転電気機械、及びこれを用いた電動車に関する。

　回転電気機械としてのモータの特性を変化させる技術としては、特許文献１や特許文献２に開示されているように、内部巻き線の接続形態を切り替えるという事が提案されている。例えば特許文献１は、工作機用のモータに関する技術であり、３つの相により構成されるコイルをステータとし、各相を構成するコイルを巻回数の異なる複数のコイルにより構成している。そして、高速回転時には、コイル全体の巻回数が少なくなるように、低速回転時には、コイル全体の巻回数が多くなるように、１から複数のコイルを選択的に直列接続する構成としている。

　また、特許文献２には、主に電動工具または自動車用のスタータジェネレータ用のモータに関する技術が開示されている。特許文献２に開示されているモータも、特許文献１に開示されているモータと同様に３つの相により構成されるコイルをステータとしている。そして、各相を複数のコイルにより構成し、各相を構成する複数のコイルを、直列または並列に接続切り替えする事のできるスイッチ装置を備える構成としている。このような構成とする事で、直列接続では、コイルにより励磁される磁界が強くなりトルクの向上を図る事ができ並列接続では、磁界が弱くなることで、高速回転を実現させることができる。

　また、特許文献３、４には、複数の相を有するコアレスモータにおいて、各相の接続方式を直列、または並列と定めることで、モータの特性を異ならせることができる旨の記載がある。さらに、特許文献５には、固定コイルを有するモータにおいて、３相のコイルの接続方式を直列と、並列に切り替える際、回路を用いる旨の記載がある。

特許第３５９６７１１号公報特表２０１０－５３７６２１号公報特開２０１４－１２１１０２号公報特開２０１９－５４６２８号公報特開２０１１－２２９２２１号公報

　特許文献１、２に開示されている技術によれば、確かにモータの特性を変化させ、複数のモータの作用を１つのモータにより実現する事が可能となると考えられる。

　しかしながら、特許文献１に開示されている技術では、実質的にコイルの巻き数が変化するため、高回転域においては極端にトルクが低下する虞がある。また、特許文献２に開示されている技術は、鉄心の影響により自己インダクタンスが大きく、スイッチングから特性変化までの間にタイムラグが生じることが懸念される。

　また、特許文献３、４に開示されているコアレスモータは容量が小さなものである。このため、使用段階においてモータの特性を切り替えるという概念が生じ得なかった。また、コアレスモータを大容量化した場合、作動コイルがロータを回転させる際の反トルクを受けて変形する虞があり、大容量化には向かないというのが当業者における常識とされてきた。よって、特許文献５に開示されているようなコアドモータの技術をそのまま適用する事はできないという技術常識があった。

　そこで本発明では、上記課題を解決すると共に従来の技術常識を打開し、コアレスモータの大容量化を図りつつ、高回転時においても所定のトルクを維持しつつ、特性切替時の応答性を高める事のできる回転電気機械、及びこれを用いた電動車を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するための本発明に係る回転電気機械は、ハウジングと、円筒状を成し、非回転の作動コイルと、前記作動コイルと離間して前記作動コイルの対向面に位置する磁石を備えたロータと、を有するコアレス回転電気機械であって、前記作動コイルは複数の相から成り、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を直列形式と並列形式のいずれかへの切り替えを可能とする回路部を備えたことを特徴とする。

　また、上記のような特徴を有する回転電気機械において前記並列形式への切り替えは、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た複数段階の切り替えを可能とすることを特徴とする。このような特徴を有する事により、所望する回転電気機械の特性に合わせて並列接続するコイルの数を変化させることが可能となる。

　また、上記のような特徴を有する回転電気機械において前記回路部は、極を構成するコイル間にそれぞれ設けられ、各相の対応する極単位で前記回路部の切り替えを成す構成とすると良い。このような特徴を有する事によれば、コイルの数、回路部の数に応じて、切り替え可能なシステム（特性）の数を増やす事ができる。

　また、上記のような特徴を有する回転電気機械では、前記回路部を１つまたは複数の半導体素子により構成することもできる。このような構成とする事によれば、回転電気機械自体を小型、軽量化する事が可能となると共に、内部配線の簡略化等を図る事も可能となる。

　また、上記のような特徴を有する回転電気機械では、予め定めた回転数の閾値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前記回路部の切り替えを行う制御部を備えるようにすると良い。このような特徴を有する事によれば、消費電力と発生トルクのバランスをとる事が出来ると共に、使用可能な回転域の幅を広げることができる。

　また、上記のような特徴を有する回転電気機械において前記作動コイルは、円筒状を成し、耐変形層を有する構成とすると良い。このような構成とすることで、モータの内部空間に空隙を設ける事が可能となる。よって、モータの内部空間を有効活用する事も可能となる。さらに、耐変形性を有する事により、モータ容量を大きくした場合であっても、ロータが回転する際の反トルクによる作動コイルの変形を防ぐことができる。

　また、上記のような特徴を有する回転電気機械において前記作動コイルは、Ｕ、Ｖ、Ｗの３相から成ると良い。このような特徴を有する事によれば、コイルや回路数の煩雑化を避け、量産時における製造コストの低減を図る事が可能となる。

　また、上記のような特徴を有する回転電気機械では、前記コイルは、リッツ線を用いて構成すると良い。このような特徴を有する事により、作動コイルの形状維持のための強度を得る事ができると共に、作動コイルに鉄板や銅板を使用する必要が無くなるため、自己インダクタンスの低減を図ることができる。

　さらに、上記目的を達成するための電動車は、上記特徴を有する回転電気機械を推進用の動力に適用したことを特徴とする。

　上記のような特徴を有する回転電気機械によれば、従来の技術常識に無い大容量化にも対応し、高回転時においても所定のトルクを維持しつつ、特性切替時の応答性を高める事が可能となる。

第１実施形態に係るモータにおける作動コイルの回路構成を示す図であり、各相を構成するコイルを直列接続する場合の例を示す図である。第１実施形態に係るモータにおける作動コイルの回路構成を示す図であり、各相を構成するコイルを並列接続する場合の例を示す図である。本発明に係るモータの概略構成を示す側断面図である。作動コイルの断面構成を示す図である。実施形態に係る作動コイルを構成するリッツ線の断面構成を示す図である。作動コイルを構成するコイルの接続方式を切り替えた場合におけるトルクと回転数、トルクと電流のそれぞれについての関係特性を示すグラフである。作動コイルを構成するコイルの接続方式を切り替えてモータを運転する場合の特性変化を示すグラフである。作動コイルを構成するコイルの接続方式を切り替えてモータを運転する場合の出力特性の変化と、状況に応じた切り替えを行うためのゾーンを示すグラフである。第２実施形態に係るモータにおける作動コイルの回路構成を示す図であり、各相を構成する４つのコイルを全て直接接続する場合の例を示す図である。第２実施形態に係るモータにおける作動コイルの回路構成を示す図であり、各相を構成する４つのコイルのうちの２つずつを直列接続し、直列接続した組を成すコイルを並列接続する場合の例を示す図である。第２実施形態に係るモータにおける作動コイルの回路構成を示す図であり、各相を構成する４つのコイルを全て並列接続する場合の例を示す図である。第２実施形態に係るモータにおいて、作動コイルを構成するコイルの接続方式を切り替えてモータを運転する場合の特性変化を示すグラフである。３段切替のモータを車両に適用した場合における運転切替の具体例を示す図である（回転数の変化と接続切り替えの関係）。３段切替のモータを車両に適用した場合における運転切替の具体例を示す図である（速度の変化と接続切り替えの関係）。３段切替のモータを車両に適用した場合における運転切替の具体例を示す図である（路面傾斜状況の変化と接続切り替えの関係）。１相に１２個のコイル、５個の回路部を備えた応用形態を示す図である。１２コイルを用いた場合におけるコイルの配置形態の例を示す断面図である。６段切替のモータにおける回路例を示す図であり、図中破線Ａで囲んだ部分に関しては、同図中に部分拡大図を示す。図１８における回路部の切り替えと、接続状態の変化を示す表である。作動コイルを２相により構成する場合の回路例を示す図である。２相の作動コイルにおいて各相のコイルを直列接続した場合の例を示す模式図である。２相の作動コイルにおいて各相のコイルを並列接続した場合の例を示す模式図である。作動コイルを５相により構成する場合の回路例を示す図である。５相の作動コイルにおいて各相のコイルを直列接続した場合の例を示す模式図である。５相の作動コイルにおいて各相のコイルを並列接続した場合の例を示す模式図である。回路部をスイッチング素子により構成した場合におけるクロックと、各種指令信号におけるＬｏ、Ｈｉの関係を示す図である。スイッチング素子を用いた回路部に指令信号を出力する制御部の構成例を示す図である。各相を構成するブロックの回路の例を示す図である。作動コイルを構成する相を成すコイルの数を奇数（３つ）とした場合において、各コイルを直列に接続する接続形式の回路構成の例を示す図である。作動コイルを構成する相を成すコイルの数を奇数（３つ）とした場合において、各コイルを並列に接続する接続形式の回路構成の例を示す図である。

　以下、本発明の回転電気機械、及び電動車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。なお、以下に示す実施の形態としては、回転電気機械としてモータを例に挙げて説明する。

［基本構成］
　まず、図３から図５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、作動コイル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や作動コイル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。

　作動コイル１８は、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により、円筒状を成すように構成されている（図４参照）。作動コイル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４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Ｕ_１、第２コイルＵ_２、第１コイルＶ_１、第２コイルＶ_２、第１コイルＷ_１、第２コイルＷ_２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、さらにＶ相の外側に位置する相をＷ相とし、各相に第１コイル（Ｕ_１、Ｖ_１、Ｗ_１）と第２コイル（Ｕ_２、Ｖ_２、Ｗ_２）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４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。このような構成の作動コイル１８は、一方の端面が固定部材であるステータ（図３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。

　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°ずつズレるが、機械角で表現すると極数によりズレる角度が変わるので図４は模式的に表現している。

　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、上述した作動コイル１８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、作動コイル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、作動コイル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、動力発生源と回転軸１４とが離れている事より、モータの大きさに比して大きな出力、及びトルクを得る事が可能となる。また、作動コイル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事ができる。

　さらに、このような構成のモータ１０では、作動コイル１８を構成する際、巻き線に図５に示すような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１８ａが束ねられて構成された、いわゆる撚線であり、各導電線１８ａの外周は、エナメル層１８ｂで覆われている。さらに、撚線を構成する導電線１８ａ（束としての導電線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１８ｃが設けられている。

　このような構成によっても、形状維持のために鉄板や銅板を用いる事による渦電流の発生（渦電流損）を抑制し、自己インダクタンスの低減を図る事に寄与することができる。

［第１実施形態］
　このような基本構成を有するモータ１０では、図１、図２に示すように、作動コイル１８を構成する各相を２つのコイル（第１コイルＵ_１、第２コイルＵ_２、第１コイルＶ_１、第２コイルＶ_２、第１コイルＷ_１、第２コイルＷ_２）により構成している。本実施形態に係る入出力コイル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、Ｕ_１、Ｕ_２、Ｖ_１、Ｖ_２、Ｗ_１、Ｗ_２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、Ｕ_１、Ｕ_２、Ｖ_１、Ｖ_２、Ｗ_１、Ｗ_２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。このように入出力コイル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Ｕ_１と第２コイルＵ_２、第１コイルＶ_１と第２コイルＶ_２、第１コイルＷ_１と第２コイルＷ_２）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。

　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Ｕ_１、Ｖ_１、Ｗ_１がそれぞれ接続され、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Ｕ_２、Ｖ_２、Ｗ_２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Ｕ_２、Ｖ_２、Ｗ_２からの分岐線が接続されている。

　このような回路構成とする事で、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Ｕ_１、Ｖ_１、Ｗ_１と第２コイルＵ_２、Ｖ_２、Ｗ_２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Ｕ_１、Ｖ_１、Ｗ_１と第２コイルＵ_２、Ｖ_２、Ｗ_２が直列接続となる（図１参照）。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Ｕ_１、Ｖ_１、Ｗ_１と第２コイルＵ_２、Ｖ_２、Ｗ_２は、並列接続となる（図２参照）。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。

　このような切り替え制御において、第１コイルＵ_１、Ｖ_１、Ｗ_１と第２コイルＵ_２、Ｖ_２、Ｗ_２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Ｕ_１、Ｖ_１、Ｗ_１と第２コイルＵ_２、Ｖ_２、Ｗ_２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。

　図６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事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事ができるものの、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事を読み取ることができる。

　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システムを用いる事で、２つのモータの夫々良いところを有効に活用する事ができると考えられる。図７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事ができる。また、低トルクでの稼働で問題無い部分においては、第１システムでは得る事のできない高い回転数を実現する事が可能となる。

　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、予め定められた回転数の閾値を基準とし、当該閾値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、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事が出来ると共に、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。

　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８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事ができる。

　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）。さらに、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）。

［効果］
　上記のような特徴を有するモータ１０によれば、消費電力の向上に伴い、高回転域においても所定のトルク（第１コイルＵ_１、Ｖ_１、Ｗ_１と第２コイルＵ_２、Ｖ_２、Ｗ_２を直列接続したシステム（第１システム）の高回転域と比べて高い回転数であっても高いトルクを得る事ができるという意味）を得る事ができる。

　また、コイルに鉄心を備えず、かつリッツ線による形状維持の強度確保を図っている事により、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事ができると共に、ロータ１６を回転させる際の反トルクによる作動コイル１８の変形を防ぐことができる。なお、作動コイル１８に耐変形性を持たせるにあたっては、図示しない耐変形層を設ける事の他、個別の補強手段を備えるなど、種々の手法を講じる事により、耐変形コイル体を構成すれば良い。

　作動コイル１８に付加する耐変形層としては、円筒状に構成した作動コイル１８の少なくとも一方の側面（内側または外側）に、フィルムシートを貼付する事によれば良い。フィルムシートとしては、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）などであれば良く、特に、カーボン繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）などにより構成されたシートである事が望ましい。このような構成とする事で、モータ１０を大容量化した場合であっても、ロータ１６の反トルクにより作動コイル１８が変形する事を防ぐことが可能となる。

　また、作動コイル１８に補強手段を備える場合には、円筒状に形成した作動コイル１８の自由端に金属などにより構成された円環状の補強リング（不図示）を配置するといったもので良い。

　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。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。

　このため、コアドモータなどのインダクタンスが大きいモータでは、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などの作業追加などを工夫せざるを得なくなる。よって、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結線が複雑になってしまう。

　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。

　一般的にモータを乗物に適用する際、コアドモータのようにインダクタンスが大きいモータの場合、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、本発明に係るモータ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事をいう事ができる。

［第２実施形態］
　次に、図９から図１１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、作動コイル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。なお、モータ１０の構成について、その作用を同様とする箇所については、図３を援用して説明するものとする。

　本実施形態に係る作動コイル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。
　このような構成の作動コイル１８では、各相を構成するコイル（第１コイルＵ_１、第２コイルＵ_２、第３コイルＵ_３、第４コイルＵ_４、第１コイルＶ_１、第２コイルＶ_２、第３コイルＶ_３、第４コイルＶ_４、第１コイルＷ_１、第２コイルＷ_２、第３コイルＷ_３、第４コイルＷ_４）の間にそれぞれ、回路部２０（２０Ｕ_１、２０Ｕ_２、２０Ｕ_３、２０Ｖ_１、２０Ｖ_２、２０Ｖ_３、２０Ｗ_１、２０Ｗ_２、２０Ｗ_３）が設けられている。

　回路部２０の構成として、回路部２０Ｕ_１、２０Ｕ_３、２０Ｖ_１、２０Ｖ_３、２０Ｗ_１、２０Ｗ_３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２０Ｕ_２、２０Ｖ_２、２０Ｗ_２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。

　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２０Ｕ_１～２０Ｗ_３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Ｕ_１～第４コイルＵ_４、第１コイルＶ_１～第４コイルＶ_４、第１コイルＷ_１～第４コイルＷ_４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９参照）。

　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Ｕ_１と第２コイルＵ_２が直列、第３コイルＵ_３と第４コイルＵ_４が直列にそれぞれ接続され、第１コイルＵ_１と第２コイルＵ_２の組と、第３コイルＵ_３と第４コイルＵ_４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１０参照）。

　さらに、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれにおいて、回路部２０Ｕ_１～２０Ｗ_３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Ｕ_１～第４コイルＵ_４、第１コイルＶ_１～第４コイルＶ_４、第１コイルＷ_１～第４コイルＷ_４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１１参照）。

　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製が高く（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製が高い（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１２に示す。

　図１２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。

［効果］
　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。
　また、コイルに鉄心を備えず、かつリッツ線による形状維持の強度確保を図っている事により、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事ができる。
　さらに、コイルと回路部の数を増やす事により、特性の切り替えの自由度を向上させることができる。

［運転切替］
　本実施形態に係るモータ１０を電動車に適用した場合における運転切替の具体例について、図１３から図１５を参照して説明する。なお、本実施例は、車椅子、バイク、電動自転車、所謂シニアカー、自動車、ＡＧＶ（自動搬送手段）などの電動車両全般における運転切替の実施例に該当すると共に、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。

　図１３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）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パラに切り替わる。なお、本例では、モータ１０の回転数により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。

　さらに車両速度を上げて、４パラのまま車両速度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パラに切り替わる。

　さらに、若干の登り坂から急坂（傾斜角度β）に入ると、モータ１０への負荷はさら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：Ｌ）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。

　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パラに切り替わる。また、平坦路においてさらに加速して６０ｋｍ／ｈ（１４００ｒｐｍ）に至ると４パラになり、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、電子ギアが切り替わる制御が成される。

　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電子ギアの切り替えを行い、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。例えば急坂では、４パラ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、２パラに切り替え、さら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。

　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）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事により、電源の充電を行うことができる。

　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１４及び図１５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１４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電子ギアが切り替わる。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。

　次に、上り坂に入ると速度は６０ｋｍ／ｈ程度に落ち電子ギアは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１４における区間Ｂ´）は、モータの回転数（速度）により電子ギア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、電子ギアは、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。図１４に示す区間Ｂでは、アクセル開度による電子ギア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電子ギア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電子ギア機能が切り替わる。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。

　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）に従って電子ギアの切り替えを行うことになる。

　次に、運転切替パターンとして他の態様を図１５に例示する。図１５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。

　一般的に、モータを高トルクにする事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（電子ギアの切り替え）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。

　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。

　このように、モータに対して電子ギアの切換え機能を付与することにり、１台のモータで高トルクと高速回転のどちらにも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る。よって、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。

　以上に述べた通り、本発明に係るモータ１０では、直列のＬｏ状態と、複数の並列（例えばセカンド、サード）といった接続切り替えによって、３段以上の特性切り替えを可能にできる。すなわち、各相のコイルの位置及び数を選択することによって、接続形式を直列形式、及び複数パターンの並列形式に切り替え可能とすることができる。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（電子ギア）が可能となる。なお、このような構成は、本発明に係るコアレスモータのみならず、コアドモータにも適用することができる。

　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、２パラなら１２コイルずつ分けることとなる。同様に、３パラの場合には８コイルずつ、４パラの場合には６コイルずつ、６パラの場合には４コイルずつとすることで、均等に分けることができる。さらに分割数を増やし、８パラとする場合には３コイルずつ、１２パラとする場合には２コイルずつとなり、２４パラの場合には１コイルずつ分けることとなる。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、循環電流が発生しない。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。

　ところで、以上の実施形態に示した回路はモータ１０に内蔵させることができる。回路をモータ内に収める場合には特に、コアレスモータ特有の内部空間を有効に活用することができる。さらに、本発明に係るモータ１０は、必ずしも回転軸１４を設けなくとも、回転電気機械としての機能を保つことができる。これは、回転軸１４とロータ１６がコアにより接続されていないために可能とされる構成であり、例えば、ロータに直接、入出力機器の回転軸を接続することで実現することができる。このような構成とした場合には、モータ１０の内部が中空構造となることより、内部空間をより有効に活用することが可能となる。

　また、上記実施形態では主に、モータ１０の回転数に基づいて電子ギアの切り替えを行う旨説明している。しかしながら、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）を検出し、検出した車速値に基づいて電子ギアの切り替えを行うようにすることもできる。なお、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すれば良く、従前（既知）の様々な方式を用いることができる。

［応用形態］
　上記実施形態ではいずれも、単一のコイル単位に回路部を備える構成としていた。しかしながら、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。

　例えば図１６に示すような構成の作動コイル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：Ｕ_１－Ｗ_１２）を配置し、５つの回路部（２０Ｕ_１－２０Ｗ_５）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２０Ｕ_１－２０Ｕ_５）は、コイルＵ_３とコイルＵ_４の間、コイルＵ_４とコイルＵ_５の間、コイルＵ_６とコイルＵ_７の間、コイルＵ_８とコイルＵ_９の間、及びコイルＵ_９とコイルＵ_１０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（２０Ｖ_１－２０Ｗ_５）の配置は同様とする。

　回路部（２０Ｕ_１－２０Ｗ_５）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（２０Ｕ_１－２０Ｗ_５）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。

　次に、本形態における作動コイル１８の接続形態の切り替えと回路部（２０Ｕ_１－２０Ｗ_５）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（２０Ｕ_１－２０Ｗ_５）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２０Ｕ_１、２０Ｖ_１、２０Ｗ_１を回路部２０Ｘ_１、回路部２０Ｕ_２、２０Ｖ_２、２０Ｗ_２を回路部２０Ｘ_２、回路部２０Ｕ_３、２０Ｖ_３、２０Ｗ_３を回路部２０Ｘ_３、回路部２０Ｕ_４、２０Ｖ_４、２０Ｗ_４を回路部２０Ｘ_４、回路部２０Ｕ_５、２０Ｖ_５、２０Ｗ_５を回路部２０Ｘ_５と称して説明する。

　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２０Ｘ_１－２０Ｘ_５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２０Ｘ_３のみが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。また、３パラとする場合には、回路部２０Ｘ_２と回路部２０Ｘ_４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。さらに、４パラとする場合には、回路部２０Ｘ_１と回路部２０Ｘ_３、及び回路部２０Ｘ_５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。

　各相を構成するコイルを円筒状に配置すると、図１７のような形態となる。図１７に示す例では、コイルＵ_１とコイルＵ_１２の境界部を電力の入出力端として、右周りにコイルＵ_１－Ｕ_１２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２０Ｕ_３でコイルが分割（２等分）され、コイルＵ_１－Ｕ_６、コイルＵ_７－Ｕ_１２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２０Ｕ_２、２０Ｕ_４でコイルが分割（３等分）され、コイルＵ_１－Ｕ_４、コイルＵ_５－Ｕ_８、コイルＵ_９－Ｕ_１２がそれぞれ直列接続されることとなる。さらに、上記４パラを実行した場合、回路部２０Ｕ_１、２０Ｕ_３、２０Ｕ_５でコイルが分割（４等分）され、コイルＵ_１－Ｕ_３、Ｕ_４－Ｕ_６、Ｕ_７－Ｕ_９、Ｕ_１０－Ｕ_１２がそれぞれ直列接続されることとなる。
　なお、図１７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。

　また、図１８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１８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、後述するように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。

　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、図１９に示す表のように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）。

　モータを回転させるべく複数相（上記説明では３相）必要だが、夫々の相は表に示す切り替え方は同じになる。なお、切替操作はオートでもマニュアルでも良く、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２７（説明は後述）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。

［３相以外：２相の例と５相の例］
　以上の実施形態では、作動コイル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、作動コイル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。

　作動コイル１８を２相で構成する場合の例を図２０から図２２に示す。図２０の回路図中、回路部２０が実線側に倒れれば、作動コイル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２１、図２２は、作動コイル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２１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２２は、各コイルが並列に接続されている状態を示している。

　次に、作動コイル１８を５相で構成する場合の例を図２３から図２５に示す。図２３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。図２４、図２５は、作動コイル１８の構成を模式的に示した説明図である。両図では、５相を示すべくコイルを５種類の線種で表現している。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２４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２５は、各コイルが並列に接続されている状態を示している。

［切替回路（回路部２０）におけるショート防止］
　直列と並列の切替は機械的な選択動作によるものであるならショートは起きない。しかしながら、機械的選択機構によらずスイッチング素子などを利用した場合には、そのタイミング次第で瞬時のショートが起きる可能性があるため、対策を講じる必要がある。その対策の１つとして、クロックを用いる方法がある。具体的には、直列のゲートと並列のゲートが同時にＯＮ（Ｈｉ）にならないようにすれば良い。

　具体的な対策を講じる場合におけるクロックと指令信号との関係、並びに回路部に対する制御部の構成例を図２６、図２７に示す。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。

　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）からの出力が図２６に示すような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は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。

　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。

　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。

　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。

　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２６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、ショートが生じる事が無い。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、図１９における回路部における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。

　図２８に、ブロックを構成する回路図の例を示す。なお、図２８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２８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素子を採用する事に限定することは無い。

　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。

　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。

　また、上記実施形態では、いずれも作動コイル１８の形態については、円筒状とする旨記載した。しかしながら、本発明に係るモータは、作動コイルを円盤状に配置した形態についても含むものとすることができる。

　また、上記実施形態では、並列接続を行う際のコイル数を均等化すると共に、複数段の切り替え接続を可能とする旨説明した。このため、いずれの実施形態においても各相を構成するコイルを偶数で示した上で説明をしているが、各相を構成するコイル数を奇数とした場合であっても、本発明の一部とみなすことができる。

　例えば図２９、図３０に示すように、作動コイル１８を構成する各相のコイル数を３つとした場合には、３つのコイルを直列に接続する接続形式（上記実施形態における１パラ：図２９参照）と、３つのコイルをそれぞれ並列に接続する接続形式（上記実施形態における３パラ：図３０参照）との切り替えが可能となる。

１０………モータ、１２………ハウジング、１２ａ………軸受、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………作動コイル、１８ａ………導電線、１８ｂ………エナメル層、１８ｃ………外皮層、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、Ｕ_１………第１コイル、Ｕ_２………第２コイル、Ｕ_３………第３コイル、Ｕ_４………第４コイル、Ｖ_１………第１コイル、Ｖ_２………第２コイル、Ｖ_３………第３コイル、Ｖ_４………第４コイル、Ｗ_１………第１コイル、Ｗ_２………第２コイル、Ｗ_３………第３コイル、Ｗ_４………第４コイル。

Claims

　ハウジングと、円筒状を成し、非回転の作動コイルと、前記作動コイルと離間して前記作動コイルの対向面に位置する磁石を備えたロータと、を有するコアレス回転電気機械であって、
　前記作動コイルは複数の相から成り、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を直列形式と並列形式のいずれかへの切り替えを可能とする回路部を備えたことを特徴とする回転電気機械。
　請求項１に記載の回転電気機械であって、
　前記並列形式への切り替えは、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た複数段階の切り替えを可能とすることを特徴とする回転電気機械。
　請求項２に記載の回転電気機械であって、
　前記回路部は、極を構成するコイル間にそれぞれ設けられ、
　各相の対応する極単位で前記回路部の切り替えを成す構成としたことを特徴とする回転電気機械。
　請求項３に記載の回転電気機械であって、
　前記回路部を１つまたは複数の半導体素子により構成したことを特徴とする回転電気機械。
　請求項２乃至４のいずれか１項に記載の回転電気機械であって、
　予め定めた回転数の閾値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前記回路部の切り替えを行う制御部を備えたことを特徴とする回転電気機械。
　請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回転電気機械であって、
　前記作動コイルは、円筒状を成し、耐変形性を有することを特徴とする回転電気機械。
　請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回転電気機械であって、
　前記作動コイルは、Ｕ、Ｖ、Ｗの３相から成ることを特徴とする回転電気機械。
　請求項１乃至７のいずれか１項に記載の回転電気機械であって、
　前記作動コイルは、リッツ線を用いて構成されていることを特徴とする回転電気機械。
　請求項１乃至８のいずれか１項に記載の回転電気機械を推進用の動力に適用したことを特徴とする電動車。