(57)【要約】      （修正有）【課題】互いに独立して作動できる多くのサブモーターを備えたモーター及び発電機、特にインホイールモーター及びインホイール発電機の提供。【解決手段】モーター４０の磁界が生じるように配置される２つのコイルセット６０を備えるステーターと、２つの制御装置とを備え、第一制御装置は第一コイルセットの複数のコイルサブセット６１，６２，６３に接続し、第二制御装置は第二コイルセットの複数のコイルサブセット６１，６２，６３に接続し、制御装置は、それぞれ、複数のコイルサブセット６１，６２，６３のそれぞれにおける電流を制御するように構成され、コイルセット６０のそれぞれにおいて、各コイルサブセット６１，６２，６３に、他の１又は複数のコイルサブセット６１，６２，６３と実質的に異なる磁気位相を発生させ、第一制御装置及び第二制御装置は、ステーターに隣接して搭載されるモーター４０。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モーターに磁界が発生するように配置される2つのコイルセットを備えるステーターと、
2つの制御装置と、を備え、
各コイルセットは、複数のコイルサブセットを備え、
第一制御装置は、第一コイルセットの前記複数のコイルサブセットに接続し、
第二制御装置は、第二コイルセットの前記複数のコイルサブセットに接続し、
前記制御装置は、それぞれ、前記複数のコイルサブセットのそれぞれにおける電流を制御するように構成され、前記コイルセットのそれぞれにおいて、各コイルサブセットに、他の1又は複数のコイルサブセットと実質的に異なる磁気位相の磁界を発生させ、
前記第一制御装置及び前記第二制御装置は、前記ステーターに隣接して搭載される、電気モーター。
【請求項２】
前記コイルセットは、それぞれ、3つのコイルサブセットを備える、請求項１に記載の電気モーター。
【請求項３】
前記第一制御装置及び前記第二制御装置は、前記コイルサブセットの各々を互いに異なる電圧位相で駆動するように構成される、請求項１又は２に記載の電気モーター。
【請求項４】
前記第一制御装置及び前記第二制御装置は、パルス幅変調を用いて各コイルサブセットに対する電圧を制御するように構成される、請求項３に記載の電気モーター。
【請求項５】
前記第一制御装置及び前記第二制御装置は、各コイルサブセットに与える電圧を制御する三相ブリッジとして配置される6つのスイッチを備える、請求項３又は４に記載の電気モーター。
【請求項６】
前記第一制御装置及び前記第二制御装置は、第一回路基板に搭載された複数のスイッチと、第二回路基板に搭載されたコントローラとを備え、前記コントローラは、前記第一回路基板上の前記複数のスイッチの動作を制御して電圧を前記コイルサブセットへ与えるように構成される、請求項１から５のいずれかに記載の電気モーター。
【請求項７】
前記電気モーターのローターの位置を検出して位置シグナルを生じるように構成されたセンサーを更に備え、
前記第一制御装置及び前記第二制御装置は、前記位置シグナルを用いて各コイルサブセットに対する電圧を制御するように構成される、請求項１から６のいずれかに記載の電気モーター。
【請求項８】
前記ローターは、複数の磁石を備え、
前記センサーは、前記磁石の位置を検出することによって前記ローターの位置を決定するように構成される、請求項７に記載の電気モーター。
【請求項９】
前記制御装置は、それぞれ、前記電気モーターのローターの位置を検出して位置シグナルを生じるように構成されたセンサーを備え、
前記制御装置は、それぞれ、各々の前記位置シグナルを用いて各コイルサブセットに対する電圧を制御するように構成される、請求項１から６のいずれかに記載の電気モーター。
【請求項１０】
前記制御装置は、それぞれ、前記電気モーターのローターの位置を検出して位置シグナル及び回転方向の回転シグナルを生じるように構成された複数のセンサーを備え、
前記制御装置は、それぞれ、各々の前記位置及び方向シグナルを用いて各コイルサブセットに対する電圧を制御するように構成される、請求項１から６のいずれかに記載の電気モーター。
【請求項１１】
前記第一制御装置及び前記第二制御装置は、トルク要求の要請を受信するように構成され且つ前記トルク要求の要請に基づいて前記コイルサブセットの電流を制御するように構成される、請求項１から１０のいずれかに記載の電気モーター。
【請求項１２】
前記コイルサブセットは、それぞれ、複数の隣接するコイルを備える、請求項１から１１のいずれかに記載の電気モーター。
【請求項１３】
前記第一制御装置及び前記第二制御装置は、前記ステーターに搭載される、請求項１から１２のいずれかに記載の電気モーター。
【請求項１４】
前記ステーターは、前記第一制御装置に設けられたヒートシンクをさらに備え、前記第二制御装置は、前記ヒートシンク上に搭載されている、請求項１３に記載の電気モーター。
【請求項１５】
前記第一制御装置及び前記第二制御装置は、前記電気モーター内において各コイルサブセットに隣接して設置される、請求項１３又は１４に記載の電気モーター。
【請求項１６】
前記第一制御装置及び前記第二制御装置は、通信インターフェースを介して互いに接続され、前記第一制御装置及び前記第二制御装置の通信が可能になる、請求項１から１５のいずれかに記載の電気モーター。
【請求項１７】
前記複数のコイルセットは、前記ステーターの軸の周りに互いに異なる角度で前記軸の円周周辺に載置され、
前記制御装置は、それぞれ、前記コイルセットのそれぞれと実質的に同じ角度で前記ステーターに載置されている、請求項１５に記載の電気モーター。
【請求項１８】
前記制御装置は、パルス幅変調電圧制御を用いて、各コイルサブセットに磁界が生じるように構成される、請求項１から１７のいずれかに記載の電気モーター。
【請求項１９】
前記制御装置は、前記第一コイルセットの各コイルサブセットに生じる磁界の磁気位相角が前記第二コイルセットの各コイルサブセットに生じる磁界の磁気位相角と実質的に同じであるように構成される、請求項１８に記載の電気モーター。
【請求項２０】
前記制御装置は、前記第一コイルセットに磁界を発生させるために用いるパルス幅変調電圧シグナルが前記第二コイルセットに磁界を発生させるために用いるパルス幅変調電圧制御シグナルに対してオフセットされるように構成される、請求項１９に記載の電気モーター。
【請求項２１】
発電機に誘導電流が発生するように配置される2つのコイルセットを備えるステーターと、
2つの制御装置と、を備え、
各コイルセットは、複数のコイルサブセットを備え、
第一制御装置は、第一コイルセットの前記複数のコイルサブセットに接続し、
第二制御装置は、第二コイルセットの前記複数のコイルサブセットに接続し、
前記制御装置は、それぞれ、誘導電流から変動電圧が生じるように構成され、
各コイルセットにおいて、第一コイルサブセットから生じる電圧の電圧位相は、他の1又は複数のコイルサブセットの誘導電流から生じる電圧と実質的に異なる電圧位相であるように構成され、
前記第一制御装置及び前記第二制御装置は、前記ステーターに隣接して搭載される、発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気モーター及び発電機、特にインホイール電気モーター及びインホイール発電機に関する。
【０００２】
電気モーターシステムは、一般的には、電気モーター及び電気モーターのパワーを制御するように構成された制御ユニットを備える。公知の電気モーターのタイプの例としては、誘導モーター、同期ブラシレス永久磁石モーター、スイッチドリラクタンスモーター及びリニアーモーターが挙げられる。商業分野では、三相電気モーターが利用可能な電気モーターとしては最も一般的な種類である。
【０００３】
三相電気モーターは、一般的に3つのコイルセットを備え、各コイルセットは交流電圧における三相のうちの1つに対応する磁界を発生するように構成される。
【０００４】
電気モーターの中で形成される磁極の数を増加させるために、各コイルセットは、一般的には電気モーターの円周周りに分配される多くのコイルサブセットを有し、回転磁界が生じるように駆動する。
【０００５】
例示として、図1には、3つのコイルセット14、16、18を備える一般的な三相電気モーター10が示されている。各コイルセットは、直列に連結された4つのコイルサブセットからなる。従って、所定のコイルセットに関して、各コイルサブセットによって発生する磁界には、共通の位相がある。
【０００６】
三相電気モーターの3つのコイルセットは、一般的には、デルタ又はY構成のいずれかとして構成され、デルタ構成は図2に図示され、Y構成は図3に図示される。
【０００７】
DC電源装置を備える三相電気モーターに関する制御ユニットは、一般的には、電気モーターを駆動するために三相電圧を供給する三相ブリッジインバーターを備える。各電圧位相のそれぞれが電気モーターの各コイルセットに印加される。
【０００８】
三相ブリッジインバーターには、多くのスイッチング素子、例えばパワー電子スイッチ(例：絶縁ゲートバイポーラトランジスター(IGBT)スイッチ)が備わる。
【０００９】
しかしながら、パワー電子スイッチは、一般的には、スイッチング損失及び伝導損を示す。
【００１０】
スイッチング損失及び伝導損を含むため、全損失は電力の二乗に大体比例する。例えば、電力を2倍にすると熱損失が4倍に増加するため、モーター及びインバーターには厳しい温度管理の問題が課せられている。安全な作動レベルを超える装置の温度を上昇させることなくこの熱を排出させることがどれのくらいのパワーで装置を操作できるかの制限要因となる。実際、例えば500Aの固有の電流処理能力がある既存のより大きな電源デバイスは、熱制約のため200Aに制限される。
【００１１】
所定の電力定格を有する従来型の三相モーターに関しては、より大きな電力定格を望む場合、より大きな直径のモーターを提供することによって達成できる。モーターの直径が大きくなると、与えられた角速度に対して、ローターの周速度が大きくなる。所定の供給電圧に関しては、巻数が少ないモーターが要求される。これは、誘導電圧がローターの周速度とコイルの巻数との関数のためである。誘導電圧は、常に供給電圧と同じかそれ未満でなければならない。
【００１２】
しかしながら、モーターのインダクタンスは巻数の二乗に比例するため、コイルの巻数を少なくするとモーターのインダクタンスが低下する。
【００１３】
所定のサイズ及び構造の電気モーターに関して、インダクタンスはアンペア/巻数によって規定される。インダクタンスは、十分に冷却可能な導体における最大電流と、電気モーターの内側に装着可能な最大巻数との組合せによって制限される。
【００１４】
電気モーター用のほぼすべての電子制御ユニット(例えば三相ブリッジインバーター)は、モーターのトルクを制御するために、ある種の形態のパルス幅変調(PWM)電圧を使用する。PWM制御は、モーターインダクタンスを用いることで作動し、印加パルス電圧を平均化して必要電流をモーターコイルに流し込む。PWM制御を用いることによって、印加電圧はモーター巻線にわたって切替えられる。この通電期間の間、そのインダクタンス及び印加電圧によって決定される速度でモーター巻線の電流が増大する。PWM制御は、厳密な電流制御がなされるように電流が非常に大きく変化する前にスイッチを切ることが要求される。
【００１５】
本発明の態様に従って、添付の特許請求の範囲による電気モーター及び発電機が提供される。
【００１６】
モーターに磁界が発生するように配置された複数のコイルセットと、複数の制御装置とを備え、各コイルセットは、複数のコイルサブセットを備え、前記制御装置は、それぞれ、前記コイルセットの複数のコイルサブセットのそれぞれに接続し、前記制御装置は、それぞれ、複数のコイルサブセットのそれぞれにおける電流を制御するように構成され、前記コイルセットにおいて、各コイルサブセットに、他の1又は複数のコイルサブセットと実質的に異なる磁気位相の磁界を発生させる、電気モーターである。
【００１７】
本発明によれば、電気モーターは、互いに独立して作動できる多くのサブモーターをそれぞれの制御装置を介して具備することができる。従って、1つのコイルセットにおけるコイルサブセットの電流の流れは、他のコイルセットにおけるコイルサブセットの電流の流れから独立している(即ち、それぞれのコイルサブセットは、互いに直列で接続していない)。従って、各コイルサブセットのコイルは、各コイルサブセットの全てが直列接続の同程度のモーターよりも巻数を多くすることができる。各コイルにおける巻数の増加は、モーターの総合的なインダクタンスを上昇させる。これは、より小さい電流を各コイルサブセットのコイルに用いることができることを意味し、それが熱損失の問題をより小さくさせるため、より小さいスイッチング素子の使用を可能にする。より小さいスイッチング素子の使用は、より速いスイッチング速度及びより小さいスイッチング損失を可能にする。
【００１８】
更に、コイルサブセットのコイルは、多相電気モーターを形成する(即ち、論理サブモーターを形成する)ように配置されるため、コイルサブセットのコイルは、特定の電気モーターの要求に最も適合するようにデルタ又はY構成の何れかで構成することができる。
【００１９】
各制御装置(駆動ユニットとしても知られているもの)は、複数のスイッチを備えるインバーターを具備し、複数のコイルサブセットのそれぞれにパルス幅変調(PWM)電圧を印加する。この電圧は、コイルサブセットのコイル内電流を制御するのに用いられる。モーターコイルにおける電流のPWM制御は、コイルに巻くことができる巻数の増加に応じて強化することができる。より小さいスイッチング素子を使用することができるため、費用、重量及び熱損失を著しく抑えることができる。
【００２０】
より小さい構成部品(例えばスイッチング素子)を制御装置内に用いることができるため、それらをモーターのケーシング内に収納することができる。例えば、制御装置は、各コイルセットのコイルサブセットに隣接させてモーター内に設置することができ、これによってコイル巻線の終端処理を単純化する。モーターのケーシングは、ローター/ケーシング及び制御装置の配向に依存しながら、制御装置に一つずつアクセスできるように寸法取りされた1又は複数の開口部を備えることができる。
【００２１】
共通制御装置を設けて複数の制御装置の動作を同調させることによって、電気モーターにおける独立したサブモーターの集中制御が可能となる。従って、共通制御装置は、微小なパワー動作を可能にするために1又は複数の制御装置を選択的に無効にするか、他のサブモーターの故障を補償するために1つのサブモーターのパワーを調節するように操作することができる。
【００２２】
並列サブモーターを備える電気モーターは、コイルセット当たりの電流が、直列に接続させたコイルセットを備える電気モーターと比較して小さい。
【００２３】
更に、各サブモーター用制御装置を電気モーターアセンブリ内に設置すると、関連するキャパシタンスも電気モーターアセンブリ内に設置され、電気モーターに対するキャパシタンス要件が低減される。
【００２４】
本発明は、一例として、添付の図面を参照してここに記載する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図1は、概略的に、三相モーターの配置の例を示す。
【図２】図2は、三相モーターのデルタコイル配線の配置を図示する。
【図３】図3は、三相モーターのY字コイル配線の配置を図示する。
【図４】図4は、本発明を具体的に表現しているモーターの分解図を図示する。
【図５】図5は、他の角度からの図3のモーターの分解図である。
【図６】図6は、本発明の一実施形態による電気モーターのコイルセットの配置例を概略的に示す。
【図７】図7は、本発明の一実施形態による、Y構成として構成される電気モーターのコイルサブセットを概略的に図示する。
【図８】図8は、本発明の一実施形態による、デルタ構成として構成される電気モーターのコイルサブセットを概略的に図示する。
【図９】図9は、本発明の一実施形態によるコイルサブセットの1つのコイルの配置例を概略的に示す。
【図１０】図10は、磁石に関する実施形態のコイルを概略的に示す。
【図１１】図11は、本発明の実施形態による制御装置の例を概略的に示す。
【図１２】図12は、スイッチング配置の回路図である。
【００２６】
記載されている本発明の実施形態は、車輪に用いられる電気モーターである。モーターは、車両へ取付けられるステーターの一部である一組のコイルが、一組の磁石を備え且つ車輪を付けるローターによって放射状に囲まれるタイプのものである。誤解を避けるため、本発明の様々な態様は、同じ配置を有する発電機について同様に応用可能である。加えて、本発明の態様のいくつかは、放射状に囲むコイルの中央に載置されるローターを備える配置に応用できる。
【００２７】
具体的なアセンブリの物理的配置は、図4及び5から最も理解される。アセンブリは、電子部品及びベアリングを組込むモーターとして記載でき、又は独立した車輪を収容するように組込まれたハブモーター又はハブ駆動として記述することもできる。
【００２８】
最初に図4を 参照すると、アセンブリは、アセンブリの筐体の最初の部品を形成しているリア部分230と、複数のコイル、これらのコイルを駆動するための電子部品、及びヒートシンクを含むヒートシンク及び駆動装置231と、を含むステーター252を備える。コイル駆動装置231は、リア部分230に固定されてステーター252を形成する。ステーター252は、次に、車両に固定可能であり、使用中には回転しない。コイル自体は、駆動装置231及びリア部分230と共にステーター252を形成する歯様の層板構造上に形成される。
【００２９】
図示はしていないが、ステーターには、電圧ライン降下を低下させるために電気モーターと電圧源の間にキャパシタンスを提供する複数のコンデンサー回路基板も取り付けられる。
【００３０】
ローター240は、実質的にステーター252を囲むカバーを形成するフロント部分220及び円筒部分221を備える。ローターは、円筒部分221の内側に沿って配置される複数の磁石242を備える。従って、磁石をアセンブリ231上のコイルに非常に接近させて、アセンブリ231のコイルによって発生する磁場がローター240の円筒部分221の内側に沿って配置される磁石242に対して力を発生させるようにすることで、ローター240の回転を引き起こす。
【００３１】
ローター240は、ベアリングブロック223を介してステーター252に取り付けられる。ベアリングブロック223は、このモーターアセンブリが装着される車両において使用される基準ベアリングブロックとすることができる。ベアリングブロックは、2つの部品、ステーターに固定される第一部品と、ローターに固定される第二部品とを備える。ベアリングブロックは、ステーター252の壁230の中央部分233に固定され、ローター240の筐体壁220の中央部分225に固定される。従って、ローター240は、ローター240の中央部分225でベアリングブロック223を介して、使用される車両に回転可能に固定する。これは、以下の著しい有利な点を有する：ホイールリム及びタイヤは、通常の車輪ボルトを使用してローター240の中央部分225に固定することでホイールリムをローターの中央部分に固定することができ、その結果、ベアリングブロック223の回動可能面上へ確実に固定できる。車輪ボルトは、ローターの中央部分225を通ってベアリングブロック自体を通過して装着させてもよい。この配置の第一の効果は、車輪、ベアリングブロック及び任意の他の構成部品(例えば制動装置)を取り除くことによって容易に既存の車両へアセンブリ全体を装着できるという点である。既存のベアリングブロックをアセンブリ内に装着し、得られた構成全体のステーター側を車両に装着し、モーターアセンブリ全体を囲むように通常のリム及び車輪をローターに装着することができる。従って、既存の車両への改造が非常に簡単になる。
【００３２】
第二の効果は、ローター240の外側、特に内部の円周上に磁石を備える環状壁221に車両を支える力が加わらないことである。これは、車両を担持するための力が(ステーター壁の中央部分を経て)ベアリングブロックの一方に固定するサスペンションから(ローター壁の中央部分を経て)ベアリングブロックの他方に固定する、ローターを囲んでいる車輪の中央部分に直接伝達されるためである。これは、ローターの環状壁221は、壁の変形により磁石の不整列を引き起こす如何なる力も受けないことを意味する。環状ローター壁の整列配置を維持するために複雑なベアリング構成を必要としない。
【００３３】
ローターは、後述する位置検出のための焦点リング及び磁石227も備える。
【００３４】
図5は、リアステーター壁230とコイル及び電子部品アセンブリ231を含むステーター252を反対側から示す、図4と同じアセンブリの分解図を示す。ローター240は、外側ローター壁220と、磁石242が円周方向に配置される環状壁221とを具備している。前述したように、ステーター252は、ローター及びステーター壁の中央部分のベアリングブロック223を介してローター240に連結される。
【００３５】
加えて、後述する制御電子部品を備える制御装置80(モーター駆動回路としても知られているもの)が図4に示される。加えて、図4及び5において、V型シール350は、ローターの環状壁221とステーター筐体230の外縁との間に設けられている。更に図5において、整流焦点リングと複数の磁石を備える磁気リング227は、ステーターに対するローターの位置を示す目的で、ステーター252の制御装置80に配置される一連のセンサーに対して設けられる。
【００３６】
図6は、本発明の実施形態による、電気モーター40の例を概略的に示す。この例では、モーターは、通常は円形である。しかしながら、本発明の実施形態は他の形態を採用できることはいうまでもない。例えば、線形に移動するコイルの線形配置が想定される。
【００３７】
この例におけるモーター40は、8つのコイルセット60を具備し、各コイルセット60は各制御装置64に接続する3つのコイルサブセット61、62、63を備え、各制御装置64及び各コイルサブセットは、他のサブモーターと独立して制御できる三相論理的又はサブ電気モーターを形成する。制御装置64が三相電圧源を用いて各サブモーターを駆動させることによって、各コイルサブセットは回転磁界を発生させることができる。本実施形態では、各コイルセット60は3つのコイルサブセット61、62、63を備えると記述されているが、本発明はこれに限定されず、各コイルセット60は2又は3以上のコイルサブセットを備えることができると理解されるだろう。同時に、本実施形態では8つのコイルセット60(即ち8つのサブモーター)を備える電気モーターが記述されているが、モーターは関連する制御装置と共に2又は3以上のコイルセット(即ち2又は3以上のサブモーター)を備えることができる。
【００３８】
モーター40は、モーターにおける様々なコイルの位置を決めることによって規定される円の中心に配置されるローター(図6に示されない)を備えることができる。これによりローターは、コイルによって生じる回転磁界の中で回転できる。しかし、好ましくは図4及び5において予め開示されるように、ローターはコイルの周りに配置される。一般的には、ローターは回転するように配置される1又は複数の永久磁石を、それらの磁極がモーター40のコイル末端を素早く横切るように備えることができる。コイルサブセット61、62、63のコイル電流を適切に切り替えることによって、ローターにおける永久磁石に対する磁極の同期引力及び斥力がモーター40に回転する動きを与えることができる。図6は非常に模式的であることはいうまでもないが、実際には、コイルサブセットは、ステーターの外周に配置され、ローター磁石がコイルを囲んでいる。
【００３９】
各制御装置は、6つのスイッチを含む三相ブリッジインバーター(当業者にとって周知)を備える。三相ブリッジインバーターは、コイルセット60の3つのサブセットコイルに接続して三相電気モーター構成を形成する。従って、上記のように、モーターは、8つの三相サブモーターを備え、各三相サブモーターは、コイルセット60の3つのサブセットコイルに接続する制御装置64を備える。
【００４０】
各三相ブリッジインバーターは、各コイルサブセット61、62、63にわたってPMW電圧制御を行うように配置されて、必要トルクを各サブモーターに提供する。
【００４１】
所定のコイルセットに関して、制御装置64の三相ブリッジスイッチは、コイルサブセット61、62、63の各々にわたって単一の電圧位相を印加するように配置される。
【００４２】
現在の実施形態において、コイルサブセットの各々のコイル長は、直列接続の多数のコイルサブセットを備える3つのコイルセットを具備する同程度の電気モーター(例えば図1に示されるもの)におけるコイルセットの長さの約1/8である。
【００４３】
図7は、図6に示される電気モーターを図示し、各制御装置ブリッジインバーターは、各コイルサブセットに接続してY構成を形成する。
【００４４】
図8は、図6に示される電気モーターを図示し、各制御装置ブリッジインバーターは、各コイルサブセットに接続してデルタ構成を形成する。
【００４５】
電気モーターにおける各サブモーターのコイルサブセットは直列に接続されないため、種々のコイルセット間を直列で相互接続する目的でモーターの円周周りに接続ワイヤーを走り渡らせる必要がない。従って、モーター製造においてワイヤーをそれほど必要としない。これは、製造原価とモーター構造の複雑さを低下させる。ワイヤーが減ると、導電損失も減少する。
【００４６】
個別のパワー制御を各コイルセットのコイルに提供することによって、そして各コイルセットのコイルが直列接続のモーターを使用することで達成できる巻数よりもコイル当たりの巻数が多いものを用いることによって、モーターの総インダクタンスを大きく増加させることができる。これにより非常に小さい電流を各コイルサブセットに流すことができるため、より低い電力定格のスイッチング素子を電流制御に使用することができる。従って、より安価で、より軽く、そして比較的大きくないスイッチング素子をモーターの作動に用いることができる。
【００４７】
より小さい電流の使用も、熱損失問題を小さくさせる。より小さいスイッチング素子をより高い周波数で作動できるという事実は、より精密且つより鋭敏なモーター制御を可能にする。実際、単一のPWM期間内で調節可能な非常に鋭敏な様式にてトルク調節を行うことができる。本発明の一実施形態による一般的なPWM期間は、約50(sである。
【００４８】
より小さいスイッチング素子を使用することの他の利点は、制御するコイルのそばにそれらを設置できることである。一般的には、比較的大きいスイッチング素子を直列接続のコイルサブセットの動作を制御するために使用すると、制御装置は非常に大きくなり、他のモーター構成部品(例えばステーター、ローター等)を備えることができず、その代わり別々に設けることになる。逆に、小さいスイッチング素子を使用できるため、本発明の実施形態に従って、スイッチング素子及びそれらのスイッチング素子が組み込まれる制御装置は、例えば他のモーター構成部品と同じ筐体/ケーシングに設置できる。
【００４９】
各コイルサブセットは、1又は複数のコイルを備えることができる。この例では、図8に概略的に示されているように、各コイルサブセットは3つのコイルを備える。図8において、これらの3つのコイルは、74A、74B及び74Cと表記されている。3つのコイル74A、74B及び74Cは、電流の流れが所定の方向(しかし、位相は共通)でその隣接するコイル(又は複数のコイル)と逆並行の磁界を生じるように、各コイルは互い違いに巻かれる。上述の通り、モーター40のローターの永久磁石がコイル74A、74B及び74Cの末端を素早く横切るため、コイルの電流を適切に切り替えて、ローターへ勢いを与える所望の力をつくることができる。
【００５０】
各サブセット内のコイル74A、74B及び74Cが反対方向に巻かれ逆並行の磁界を与える理由は、ステーターのコイル44、46及び48を囲んでいるローター上の磁石242の配置を示す図10から理解できる。説明を簡単にするため、配置は磁石及びコイルの線形配置として示されているが、すでに記載されているように、記載されている本発明の実施形態において、コイルはステーターの円周周りに配置され、磁石は、ローターの周囲の内側に配置されることが理解されよう。
【００５１】
磁石242は、磁気極性が交互になるように配置され、コイルサブセット44、46及び48と対面する。従って、3つのコイル74A、74B及び74Cの各サブセットは、交互の磁極面に対して交互の磁界を示す。従って、サブセットの左側のコイルが磁石のうちの1つのN極に対して反発する力を有するときは、隣接する中央のコイルは磁石のS極に対して反発する力を有する(以降も同様である)。
【００５２】
図10にて模式的に示すように、磁石とコイルの比は、磁石8個：コイル9個である。この配置の利点は、磁石及びコイルが決して完全には整列配置しないことである。かかる完全な整列配置が発生する場合、モーターはコイルと磁石の間に力を加えることができず、どの向きに回転すべきか明確な方向が得られない位置で静止する。異なる数のコイル及び磁石をモーター周辺に配置することによって、どの位置でローター及びモーターが静止しても常に特定方向の合力が存在するようになる。本実施形態は、9つのコイルに対して8つの磁石の比率が記述されているが、他の比率(例えば6つのコイルに対して9つの磁石)を用いても良い。
【００５３】
個別のパワー制御を各コイルセット(即ち各サブモーター)に提供し、関連する制御装置を操作して小さい電力定格でモーターを動かすことができる。これは、例えば、選択されたコイルセットをパワーダウン(即ち、選択されたサブモーターのパワーダウン)させることによって実行可能となる。
【００５４】
選択したコイルセットをパワーダウンさせた場合、性能は低下するがモーターはまだ作動可能だろう。このようにして、モーターのパワー出力は、所定の応用の要件に従って調節することができる。一例として、モーターを車両(例えば車)で使用する場合、車の性能を調節するためにコイルセットのいくつかをパワーダウンさせることができる。同様に、サブモーターの1つに故障が発生し、結果としてサブモーターがパワーダウンした場合、電気モーターは残りのサブモーターを操作し続けるだろう。これよって車両は動作し続けることができる。
【００５５】
実際、1又は複数のコイルセットのパワーをダウンさせることにより、コイルセットの1つが故障した場合、モーター40における他のコイルセットをパワーダウンさせることができる。その結果、適切で多面的な操作を行うために、モーターの円周周りでバランスのよい磁場プロフィールを保持する方法によってモーター40の動作を継続させるという更なる利益がある。
【００５６】
図11は、本発明の実施形態に従う制御装置80の例を示す。
【００５７】
制御装置80は、第一回路基板83及び第二回路基板82を備える。好ましくは、図11にて図示するように、第二基板82は、第一回路基板83を覆うように配置される。
【００５８】
第一回路基板83は、各コイルサブセットにわたって交流電圧を印加するように配置される複数のスイッチを備える。スイッチとしては、半導体装置(例えばMOSFET又はIGBT)を挙げることができる。本実施形態において、スイッチは、IGBTスイッチを備える。
【００５９】
上述の通り、複数のスイッチは、n-相ブリッジ回路を形成するように構成される。従って、当業者にとって周知であるように、スイッチの数は各サブモーターに印加される電圧位相の数による。本実施形態において、制御装置及びコイルサブセットは三相モーターを形成するように構成され、各制御装置の第一回路基板83は6つのスイッチを備える。現在の設計は、三相構成の各サブモーターを示すが、サブモーターは2又は3以上の位相を有する構成とすることは可能である。
【００６０】
コイルサブセットのワイヤー(例えば銅線)は、必要に応じてスイッチング素子に直接接続できる。
【００６１】
放熱を促進するために、第一回路基板83は好ましくは熱伝導係数が比較的高い材質(例えば金属)から製造され、スイッチからの熱の排出を促進する。熱伝導性が高い材質は一般的には高い電気伝導度も有するため、電気伝導度が比較的高い材質には絶縁被膜を第一回路基板83の部分に塗布してショートが発生するリスクを最小化することが好ましい。
【００６２】
第二回路基板82は、第一回路基板83に載置するスイッチの動作を制御するための多くの電子部品を備える。第二回路基板82に載置する電子部品の例としては、PWM電圧を制御するためのスイッチ操作を制御する制御論理と、制御装置80と制御装置80の外部の装置 (例えば他の制御装置80又は主制御装置)との通信を可能にするインターフェース構成部品(例えばCANインターフェースチップ)が挙げられる。一般的には、第二制御基板82がインターフェースを通じて通信してトルク要求に関する要請を受け取ったりステータス情報を伝達したりする。
【００６３】
上記したように、第二回路基板82は第一回路基板83の上に載置されるように配置され、第一回路基板83及び第二回路基板はモーター40内(例えば、それらが制御するコイルサブセットの隣)の冷却板に直接搭載するための手段を備える。図の例では、これらの手段は、ネジ等が通過できる開口部84を備える。この例では、第一回路基板83及び第二回路基板82は、実質的に楔形である。この形状が複数の制御装置80をモーター内で互いに隣接して設置することを可能にするため、ファンのような配置を形成する。制御論理をスイッチから分離することによって、制御論理をスイッチから熱的に隔離すると共に、スイッチによって発生する任意の電気的ノイズの衝撃を最小化する効果もある。
【００６４】
また、ローター240の位置決めに使用可能なセンサー(例えば、ローター240に載置される集束リング及び磁石227の相対的位置に従って電気信号が発生するように構成されたホールセンサー)が、回路基板の各々に載置される。ローターが回転している方向を決定するために、回路基板は、好ましくは、各々のセンサーからのシグナルの変化を分析してローター240の相対的位置及びローターの回転方向を決定できるように、所定の角度でオフセットした2つのセンサーを備える。各制御装置(従って、各サブモーター)が各々独立しての作動を可能にするために、各回路基板は独自の位置センサーを備えている。しかしながら、単一セットの位置センサーを用いることは可能である。
【００６５】
図12は、第一回路基板における6つのスイッチを図示する。上記スイッチは、Y構成に配設されるコイルセットのコイルサブセットに接続する三相ブリッジ構成として配置されている。6つの半導体スイッチは、電圧源(例えば300ボルト)及びグラウンドに接続している。各コイルサブセット対は、ブリッジ回路の2本の脚部間に接続される。単純化すると、モーターを作動させて一方向に電圧を供給するために、スイッチは一対(ブリッジの上半分のうちの1つとブリッジの下半分の異なる脚からの1つ)で操作される。各スイッチは、出力電流を1/3の時間流す。
【００６６】
モーターの回転方向を変えるために、コイルにおける電流の流れのタイミング及び極性を変え、その結果として反対方向の力を発生させる。上述の通り、パルス幅を変調する技術を用いて半導体スイッチのゲートへの印加シグナルをパルス幅変調して、コイルに印加される電圧を制御する。PWM電圧は、受け取ったトルク要求に関する要請に基づいて決定される。PWM電圧がコイル電流を、従って発生トルクを決定する。
【００６７】
インホイール電気モーターの各サブモーターは他のサブモーターと独立して作動 (即ち、サブモーターは直列には接続されない)し、各サブモーター間のトルクバランスを向上させるために、共通制御装置は各サブモーターの動作を監視及び調整して各サブモーターの動作のバランスをとる目的でインホイール電気モーター中への設置が可能である。
【００６８】
あるいは、各サブモーターのバランス及び同期は、1又は複数のサブモーター制御装置80によって実行でき、インホイール電気モーター制御装置80は、コミュニケーションバスを介して各々の間を通信する。
【００６９】
インホイール電気モーター40が備わる車輪を複数個組込まれた車両において、各モーターは、その動きを管理するために必要な全ての知能を組込まれている。各モーターは、車両におけるその位置を認識し、それに応じてその動きを制御する。好ましくは、各モーターには、他のモーターに関する情報(例えば、速度、トルク及び状況)が提供され、各モーターは、車両上での自身の位置と、他のモーターの状態及び状況に基づいて、所定の要求トルクに対して印加すべき最適なトルクレベルを決定することができる。しかしながら、かかるその他の情報がなくとも、モーターは要求トルクに応答し続けることができる。
【００７０】
他の制御シグナル(例えば、パワーアップ/パワーダウン制御シグナル)は、各インホイール電気モーターが搭載された車両の総合的な動作を制御するように構成された主制御装置へ送信又は主制御装置から受信することもできる。制御シグナルは、共通制御装置を介して直接又は間接的にインホイール電気モーターの各制御装置80に伝えられる。上述の通り、制御シグナルは、コミュニケーションバス(例えばCANバス)を介して、一般的に伝達される。しかしながら、当業者によって理解されるように、シグナルは任意の適切な手段によって伝達できる。制御シグナルには、モーターを駆動させる目的で、制御装置80によってそれに関連するコイルサブセットのコイルに印加される電圧パルスを調節/規定するシグナルを含ませることもでき、これによりインホイール電気モーターに対するトルク要求を調節することができる。
【００７１】
制御装置80は、モーター内(例えばその制御装置80と関連したコイルサブセット内)で温度を監視するための手段を任意に備えることもできる。制御装置は、例えば、コイルサブセットに対するパワーを低下させてオーバーヒートを回避するために、温度の測定結果に自動的に応答するように構成することができる。あるいは、温度の測定結果を各制御装置80から共通制御装置又は主制御装置に流すことができるため、共通制御装置又は主制御装置はモーターにおける全体の温度を監視することができ、それに応じて制御装置80の動作を調節することができる。
【００７２】
上記のように、種々のコイルサブセットを駆動させるために生じる各電気シグナルは、所定のコイルセットの中で、互いに異なる位相角を有する。種々の回路基板によって生じる各電気シグナルは、他の回路基板によって生じる対応する電気シグナルと実質的に同じ位相角を有する。例えば、三相モーターに関しては、各サブモーターは、3つのコイルサブセットを備えるコイルセットを具備し、各サブモーターは、各サブモーターと実質的に同じ第一位相角の電気シグナルが生じるだろう。同様に、三相モーターの各サブモーターは、第二及び第三位相角の電気シグナルも生じ、第二及び第三位相角は、サブモーター間で実質的に同じである。
【００７３】
種々の電気シグナルにおける各々の位相角及び電圧エンベロープは、PWM電圧を制御する各回路基板によって生じ、電気シグナルの電圧エンベロープ及び位相角は、変調する電圧パルスによって決定される。
【００７４】
しかしながら、DCリンクキャパシタンス及び電磁ノイズを最小化するために、実質的に同じ位相角の電圧エンベロープを持つ電気シグナルに関して、各サブモーターによって生じるPWM電圧シグナルは互いにオフセットされる。即ち、種々のサブモーターによって生じる種々のシグナルの電圧エンベロープが実質的に同じ場合であっても、これらの電圧シグナルを生じさせるために用いるPWMシグナルは互いにオフセットされる。
【００７５】
種々のサブモーター間でオフセットされたPWMを達成するために、種々のサブモーターのそれぞれにおけるPWMカウンターは同期され、オフセットされた同期シグナルが異なる回路基板のカウンターに対して生じる。オフセットされた同期シグナルは、回路基板ごと(即ちサブモーターごと)に異なる。これは、各回路基板により提供される対応する電気位相シグナルごとにPWM電圧をシフトさせる位相効果を有する。従って、回路基板によって生じる種々の電圧シグナルの電圧エンベロープが実質的に同じ位相角であっても、これらの電圧シグナルを生じさせるために用いるPWMシグナルは実質的に同じ位相角ではないため、それによってDCリンクキャパシタンス及び電磁ノイズを最小化するのを助ける。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年8月23日(2013.8.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モーターに磁界が発生するように配置される2つのコイルセットを備えるステーターと、
2つの制御装置と、を備え、
各コイルセットは、複数のコイルサブセットを備え、
第一制御装置は、第一コイルセットの前記複数のコイルサブセットに接続し、
第二制御装置は、第二コイルセットの前記複数のコイルサブセットに接続し、
前記制御装置は、それぞれ、前記複数のコイルサブセットのそれぞれにおける電流を制御するように構成され、前記コイルセットのそれぞれにおいて、各コイルサブセットに、他の1又は複数のコイルサブセットと実質的に異なる磁気位相の磁界を発生させ、
前記第一制御装置及び前記第二制御装置は、前記ステーターに隣接して搭載される、電気モーター。
【請求項２】
前記コイルセットは、それぞれ、3つのコイルサブセットを備える、請求項１に記載の電気モーター。
【請求項３】
前記第一制御装置及び前記第二制御装置は、前記コイルサブセットの各々を互いに異なる電圧位相で駆動するように構成される、請求項１又は２に記載の電気モーター。
【請求項４】
前記第一制御装置及び前記第二制御装置は、パルス幅変調を用いて各コイルサブセットに対する電圧を制御するように構成される、請求項３に記載の電気モーター。気モーター。
【請求項５】
前記電気モーターのローターの位置を検出して位置シグナルを生じるように構成されたセンサーを更に備え、
前記第一制御装置及び前記第二制御装置は、前記位置シグナルを用いて各コイルサブセットに対する電圧を制御するように構成される、請求項１から４のいずれかに記載の電気モーター。
【請求項６】
前記制御装置は、それぞれ、前記電気モーターのローターの位置を検出して位置シグナルを生じるように構成されたセンサーを備え、
前記制御装置は、それぞれ、各々の前記位置シグナルを用いて各コイルサブセットに対する電圧を制御するように構成される、請求項１から４のいずれかに記載の電気モーター。
【請求項７】
前記コイルサブセットは、それぞれ、複数の隣接するコイルを備える、請求項１から６のいずれかに記載の電気モーター。
【請求項８】
前記第一制御装置及び前記第二制御装置は、前記ステーターに搭載される、請求項１から７のいずれかに記載の電気モーター。
【請求項９】
前記ステーターは、前記第一制御装置に設けられたヒートシンクをさらに備え、前記第二制御装置は、前記ヒートシンク上に搭載されている、請求項８に記載の電気モーター。
【請求項１０】
前記第一制御装置及び前記第二制御装置は、前記電気モーター内において各コイルサブセットに隣接して設置される、請求項８又は９に記載の電気モーター。
【請求項１１】
前記第一制御装置及び前記第二制御装置は、通信インターフェースを介して互いに接続され、前記第一制御装置及び前記第二制御装置の通信が可能になる、請求項１から１０のいずれかに記載の電気モーター。
【請求項１２】
前記複数のコイルセットは、前記ステーターの軸の周りに互いに異なる角度で前記軸の円周周辺に載置され、
前記制御装置は、それぞれ、前記コイルセットのそれぞれと実質的に同じ角度で前記ステーターに載置されている、請求項１０に記載の電気モーター。
【請求項１３】
前記制御装置は、前記第一コイルセットに磁界を発生させるために用いるパルス幅変調電圧シグナルが前記第二コイルセットに磁界を発生させるために用いるパルス幅変調電圧制御シグナルに対してオフセットされるように構成される、請求項１２に記載の電気モーター。
【請求項１４】
発電機に誘導電流が発生するように配置される2つのコイルセットを備えるステーターと、
2つの制御装置と、を備え、
各コイルセットは、複数のコイルサブセットを備え、
第一制御装置は、第一コイルセットの前記複数のコイルサブセットに接続し、
第二制御装置は、第二コイルセットの前記複数のコイルサブセットに接続し、
前記制御装置は、それぞれ、誘導電流から変動電圧が生じるように構成され、
各コイルセットにおいて、第一コイルサブセットから生じる電圧の電圧位相は、他の1又は複数のコイルサブセットの誘導電流から生じる電圧と実質的に異なる電圧位相であるように構成され、
前記第一制御装置及び前記第二制御装置は、前記ステーターに隣接して搭載される、発電機。
【外国語明細書】
2014003891000001.pdf