(57)【要約】【課題】低速回転域で所定のトルクを確保し高速回転域で逆起電力の発生を低減すると共に、低速回転域および高速回転域で電流の流れるタイミングを適正に設定できるようなシンプルな構成の電動車両用駆動モータを提供する。【解決手段】電動車両用駆動モータは、２ｎ個の磁極を有するマグネットを備えるロータ、ロータの各磁極に対向し周面に６ｍ個の突起部が有するステータコア２４、回転検出部、電流制御部、駆動回路を含む。ステータコア２４は周方向に等間隔で形成される３ｍ個の第１突起部群と３ｍ個の第２突起部群とを含み、第１突起部群を構成する第１突起部３６と第２突起部群を構成する第２突起部３８とが交互に配置される。第１突起部３６には第１コイルが巻回され、第２突起部３８には第２コイルが巻回される。第２突起部群と第１突起部群とは、第２突起部３８が当該第２突起部３８を挟む２つの第１突起部３６のうち一方に偏って配置される。【選択図】図２
2013090406.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２ｎ個（ｎは自然数）の磁極を円周方向に配列するマグネットを備える回転自在なロータと、
前記ロータの各磁極に対向して配置されると共に、周面に６ｍ個（ｍは自然数）の突起部が配列されるステータコアであって、前記突起部として周方向に等間隔で形成される３ｍ個の第１突起部群と、前記突起部として周方向に等間隔で形成される３ｍ個の第２突起部群とを含み、前記第１突起部群を構成する第１突起部と前記第２突起部群を構成する第２突起部とが交互に配置されてなるステータコアと、
前記第１突起部にそれぞれ巻回される第１コイルと、
前記第２突起部にそれぞれ巻回される第２コイルと、
前記ロータの回転状態を検出する回転検出手段と、
前記回転検出手段の検出した結果にしたがって、前記第１コイルと前記第２コイルに流れる電流量を制御する電流制御手段と、
を含み、
前記第２突起部群と前記第１突起部群とは、前記第２突起部が当該第２突起部を挟む２つの前記第１突起部のうち一方に偏って配置されるように形成されていることを特徴とする電動車両用駆動モータ。
【請求項２】
隣接する２つの第１突起部が形成する扇角を前記第２突起部によって２分割して形成される第１扇角と第２扇角の機械角の差は、前記ロータの角度変化に対する前記各コイルと鎖交する磁束の変化の大きさを磁束変化率とする場合、予め定められた要求最大回転数に対応して前記第１コイルと第２コイルとによる前記磁束変化率の位相と前記第１コイルのみよる前記磁束変化率の位相の電気角の差がπ／１８〜π／３の範囲内になるように定められていることを特徴とする請求項１記載の電動車両用駆動モータ。
【請求項３】
前記電流制御手段は、前記ロータの回転数が所定値以下の場合は、前記第１コイル及び第２コイルに電流を供給し、前記ロータの回転数が前記所定値を超えた場合は、前記第２コイルに対する電流の供給を遮断し前記第１コイルに電流を供給することを特徴とする請求項１または請求項２記載の電動車両用駆動モータ。
【請求項４】
前記電流制御手段は、前記ロータの低速時許容最大回転数から切換余裕値を引いた実用最大切換回転数を前記所定値として定めることを特徴とする請求項３記載の電動車両用駆動モータ。
【請求項５】
前記第１コイルと前記第２コイルの巻回数が異なることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電動車両用駆動モータ。
【請求項６】
前記第１コイルと前記第２コイルの巻回数比は、前記ロータの回転数が前記所定値を超えた場合に前記第１コイルに供給される最大電流が、前記ロータの回転数が所定値以下の場合に前記第１コイル及び第２コイルに供給される最大電流を超えないように定められることを特徴とする請求項５記載の電動車両用駆動モータ。
【請求項７】
前記回転検出手段は、隣接する２つの前記第１突起部とそれに挟まれる前記第２突起部によって形成される２つの扇角のうち、広い方の扇角を形成する前記第１突起部と前記第２突起部との間の位置で前記ロータに近接させて配置されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電動車両用駆動モータ。
【請求項８】
前記第１コイルの線径は前記第２コイルの線径より大きいことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電動車両用駆動モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動車両用駆動モータ、特に広範囲の回転数域に適用可能な電動車両用駆動モータの技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エコロジーの観点から車両の駆動源として電動モータが多く利用されるようになってきている。車両の場合、停止状態から発進してスムーズに加速して高速走行を実現することが望まれる。一方、電動モータの場合、発進時に必要な低速トルクを確保しようとして、例えばモータコイルの巻回数を多くするとモータの単位回転数当たりに発生する逆起電力の大きさの比率（逆起電力定数）が大きくなる。逆起電力定数が大きくなると回転数の上限が低下して高速回転ができなくなる。つまりモータコイルの巻回数を多くすると運転可能な上限回転速度が低く制限される。逆に、高速回転での逆起電力の発生を抑制するために、モータコイルの巻回数を少なくして高速領域での回転駆動性能を重視すると、低速トルクの確保が困難になり発進時等の低速領域特性が損なわれる。そのため、他の分野、例えばエレベーターや工作機械の分野では、低速用巻線と高速用巻線を備え、巻線を切り替えることにより低速と高速で利用できる電動機駆動装置が提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３３０６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１のように巻き線切り替えによる制御の場合でも、モータの駆動電流はコイルのインダクタンスにより通電のタイミングが遅れるので、高速回転域では電流の流れるタイミング（位相）が相対的に遅れ気味になり、発生するトルクが低下してしまうという不都合が生じやすい。また、このトルクの低下を改善するために、高速回転域で電流の通電のタイミングの遅れを補うように進角して通電するように設定すると、低速回転域で効率ロスが生じて好ましくない。
【０００５】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、低速回転域で所定のトルクを確保し高速回転域で逆起電力の発生を低減すると共に、シンプルな構成で低速回転域および高速回転域で電流の通電のタイミングを適正に切替えることができるような電動車両用駆動モータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の電動車両用駆動モータは、２ｎ個（ｎは自然数）の磁極を円周方向に配列するマグネットを備える回転自在なロータと、ロータの各磁極に対向して配置されると共に、周面に６ｍ個（ｍは自然数）の突起部が配列されるステータコアであって、突起部として周方向に等間隔で形成される３ｍ個の第１突起部群と、突起部として周方向に等間隔で形成される３ｍ個の第２突起部群とを含み、第１突起部群を構成する第１突起部と第２突起部群を構成する第２突起部とが交互に配置されてなるステータコアと、第１突起部にそれぞれ巻回される第１コイルと、第２突起部にそれぞれ巻回される第２コイルと、ロータの回転状態を検出する回転検出手段と、回転検出手段の検出した結果にしたがって、第１コイルと第２コイルに流れる電流量を制御する電流制御手段と、を含む。第２突起部群と第１突起部群とは、第２突起部が当該第２突起部を挟む２つの第１突起部のうち一方に偏って配置されるように形成されている。
【０００７】
この態様によると、第１突起部群に巻回される第１コイルに流れる電流と第２突起部群に巻回される第２コイルに流れる電流を別々に制御して回転駆動を制御できる。例えば、第１コイルと第２コイルの両方に電流を流せば、両方のコイルの巻回数に対応する駆動トルクを得ることができる。つまり、低速回転域で高トルクを発生するモードとなる。また、第１コイルと第２コイルのいずれか一方に電流を流せば、高トルクを発生するモードに比べて実質的に巻回数の少ないコイルに電流を流したときと同等になる。その結果、回転数が増加してもそれに伴う逆起電力の発生が低減され、高速回転域で逆起電力の影響が小さい駆動が可能になる。さらに、第２突起部群と第１突起部群とは、第２突起部がこの第２突起部を挟む２つの第１突起部のうち一方に偏って配置されるので、片方のコイルに電流を流さないようにするだけで、電流の通電のタイミングの切替えが可能なる。つまり、高速回転域において設定したい電流の通電のタイミングに応じて第２突起部群の偏り量を設定することだけで、通電タイミングのズレを矯正して高速回転域におけるトルクの低下を抑えることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、低速回転域で所定のトルクを確保し高速回転域で逆起電力の発生を低減すると共に、シンプルな構成で低速回転域および高速回転域で電流の通電のタイミングを適正に切替えることができる電動車両用駆動モータが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態の電動車両用駆動モータのシステム構成を説明するブロック図である。
【図２】本実施形態のステータコアの第１突起部群と第２突起部群の配置例を説明する説明図である。
【図３】図２のステータコアに第１コイルと第２コイルを巻回すると共に、ステータコアの周囲にロータを配置した例を説明する説明図である。
【図４】図４（ａ）は、低速回転域のために第１コイルと第２コイルを用いた結線状態を説明する説明図であり、図４（ｂ）は、高速回転域のために第１コイルのみを用いた結線状態を説明する説明図である。
【図５】第１コイルと第２コイルの通電状態を切り替えるための電流制御部を含む回路構成を説明する回路図である。
【図６】本実施形態における低速回転時の磁束変化率とそのときに生じるトルクの関係を説明する説明図である。
【図７】図７（ａ）は低速回転時における磁束変化率と電流のズレを説明する説明図である。図７（ｂ）は高速回転時における磁束変化率と電流のズレを説明する説明図である。
【図８】電流の時定数を電気角に変換した値と平均トルクの関係を説明する説明図である。
【図９】本実施形態の磁極数と突起部数と電気角および機械角の関係を説明する表である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を好適な実施形態を図面に基づいて説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。
【００１１】
なお、以下の説明において特に指定のない角度はモータの１回転を３６０°とする機械角として記述する。また、以下の説明において電気角はマグネットの磁極の一対のＮ極とＳ極（１極対）がなす角度（扇角）を２π（ｒａｄ）として表現した角度をいう。したがって、２ｎ個の磁極を有する場合は、機械角で３６０°は、電気角で２π・ｎ（ｒａｄ）と表現することがある。例えばマグネットの磁極の数２ｎ＝８（ｎ＝４つまり４極対）である場合に、ロータの１回転は機械角で３６０°、電気角で２π・４＝８π（ｒａｄ）回転したと表現する。また、以下の説明において特に指定のない場合の“電流”の語は第１コイルまたは第２コイルに流れる駆動電流を指すものとして記述する。
【００１２】
図１は、本実施形態の電動車両用駆動モータ１０のシステム構成を説明するブロック図である。なお、本実施形態においては、電動車両用駆動モータ１０は、モータ本体１２、駆動回路１４、回転検出センサ１６、位置検出部１８、速度検出部２０、電流制御部２２等を含むシステム全体をさすものとして説明する。また、モータ本体を含むハウジングの中に上述した各構成を含み、それ全体を電動車両用駆動モータ１０と称してもよい。
【００１３】
モータ本体１２の詳細は後述するが、３相ブラシレス型のモータで、例えばアウターロータタイプの場合、複数の磁極を円周方向に配列するリング状のマグネットを内周面に備える回転自在なリング状のロータを有する。そして、このロータの内周にマグネットの磁極に対向して配置される複数の突起部（突極）にコイルが巻回されたステータコアが配置される。駆動回路１４により公知の３相ブラシレスモータの駆動シーケンスにより駆動電流が各突起部に巻回されたコイルに順次切替えて通電されると、コイルはステータコアの突起部に回転磁界を発生する。そして、ロータのマグネットの駆動用磁極と回転磁界との相互作用により回転駆動力、すなわちトルクが生じる。そして、ロータが駆動電流と電源電圧に応じたトルクと回転数（回転速度）で回転可能となる。モータ本体１２の回転状態は、スタータコアに形成された突起部の間に配置されたホールＩＣ等で構成される回転検出センサ１６により検出され、回転検出センサ１６がその検出結果に基づきロータの状態、すなわち予め定められた基準位置に対するロータの回転位置を検出する。また、速度検出部２０は位置検出部１８が検出した回転位置の変化に基づき、ロータの回転速度を検出する。なお、後述するが、電流制御部２２はロータの回転速度に基づき回転駆動のためにどの突起部群（突極群）に巻回されたコイルに電流を流すか決定するコイル切替手段または電流切替手段としての機能を有する。
【００１４】
図２は、本実施形態のモータ本体１２に含まれるステータコア２４の形状を説明する説明図である。また、図３は、本実施形態のモータ本体１２に含まれるステータコア２４の突起部２６にコイル２８が巻回され、その外周側に円環状のマグネット３０を有するロータ３２が配置されている状態を示している。なお、本実施形態においては、ステータコア２４の外周側にロータ３２が配置されるアウターロータタイプのモータ構造をモータ本体１２の構成例として説明する。
【００１５】
ロータ３２は、円環状のハウジング３４とマグネット３０で構成され、ハウジング３４の一部にはロータ３２の回転力を外部に出力する動力伝達部材（図示省略）が固定されている。例えば、ハウジング３４に出力軸の一部が固定されていてもよいし、出力軸に備えられた従動ギアと噛合する駆動ギアが固定されていてもよい。円環状のマグネット３０は、２ｎ個（ｎは自然数）の磁極を円周方向に配列している。図３の場合、Ｓ極とＮ極が交互に配置され、合計で８個の磁極（４極対）が配列されている例を示している。
【００１６】
本実施形態のステータコア２４は、図３に示すように、ロータ３２のマグネット３０の各磁極に対向するように内周側に配置される。また、図２に示されるようにステータコア２４の周面には６ｍ個（ｍは自然数）の突起部が配列されている。この突起部がそれぞれ突極になる。図２、図３で示すように、本実施形態の場合、８個（ｎ＝４）の磁極に対して１２個（ｍ＝２）の突起部が形成される例を示している。図２に詳細に示すように、本実施形態のステータコア２４は、突起部として周方向に等間隔で形成される３ｍ個の第１突起部群と、突起部として周方向に等間隔で形成される３ｍ個の第２突起部群とを含んでいる。第１突起部群を構成する第１突起部３６と第２突起部群を構成する第２突起部３８とが交互に配置されている。そして、第２突起部群と第１突起部群は、ある第２突起部３８がこの第２突起部３８を挟む２つの第１突起部３６のうち一方に偏って配置されている。
【００１７】
また、第１突起部３６には、コイル２８として低速回転時および高速回転時に使用する第１コイル４０が巻回されている、また、第２突起部３８には、コイル２８として低速回転時のみに使用する第２コイル４２が巻回されている。本実施形態の場合、３相モータであるため、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相が存在し、第１コイル４０のＵ相としてＵ１−１、Ｕ１−２が存在する。また、第１コイル４０のＶ相としてＶ１−１、Ｖ１−２が存在し、第１コイル４０のＷ相としてＷ１−１、Ｗ１−２が存在する。同様に、第２コイル４２のＵ相としてＵ２−１、Ｕ２−２が存在する。また、第２コイル４２のＶ相としてＶ２−１、Ｖ２−２が存在し、第２コイル４２のＷ相としてＷ２−１、Ｗ２−２が存在する。
【００１８】
前述したように、第１突起部群の各第１突起部３６は機械角で例えば６０°の等間隔で配置されている。同様に、第２突起部群の各第２突起部３８は機械角で例えば６０°の等間隔で配置されている。そして、図２に示すように、ある第２突起部３８ａがこの第２突起部３８ａを挟む２つの第１突起部３６ａ、３６ｂのうち一方に偏って配置されている。図２の場合、第２突起部３８ａが、第１突起部３６ｂより第１突起部３６ａに偏って配置されている。したがって、第１突起部３６ａと第２突起部３８ａで第１扇角θ１を形成し、第２突起部３８ａと第１突起部３６ｂで第２扇角θ２を形成している。つまり、第１コイル４０および第２コイル４２は、この第１扇角θ１、第２扇角θ２の関係で配置されることになる。なお、第２突起部群は第１突起部群に対してロータ３２を正規の回転方向、例えば時計回り方向と逆の方向に回すようなズレ方で配置しているといえる。
【００１９】
図４（ａ）は、低速回転域のために第１コイル４０と第２コイル４２に通電するための結線状態を説明する説明図である。図４（ａ）の場合、Ｕ相第１コイルＵ１とＵ相第２コイルＵ２が直列で接続され、Ｖ相第１コイルＶ１とＶ相第２コイルＶ２が直列で接続され、Ｗ相第１コイルＷ１とＷ相第２コイルＷ２が直列で接続され、Ｙ結線を構成している。一方、図４（ｂ）は、高速回転域のために第１コイルのみに通電するための結線状態を説明する説明図である。図４（ｂ）の場合、Ｕ相第２コイルＵ２とＶ相第２コイルＶ２とＷ相第２コイルＷ２を回路上離脱させて、Ｕ相第１コイルＵ１とＶ相第１コイルＶ１とＷ相第１コイルＷ１とで、Ｙ結線を構成している。
【００２０】
図５は、第１コイル４０と第２コイル４２の通電状態を切り替えるための電流制御部２２を含む回路構成を説明する図である。図５に示す電流制御部２２は、２種類のスイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２を含む。電動車両用駆動モータ１０を高速モードで使用する場合は、スイッチＳＷ１を導通状態、スイッチＳＷ２を非導通状態にする。また、電動車両用駆動モータ１０を低速モードで使用する場合は、スイッチＳＷ１を非導通状態、スイッチＳＷ２を導通状態にする。なお、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２は、導通状態と非導通状態を制御可能なデバイスであれば特別な制限はない。一例としては、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２は機械的接点を有するリレーを用いて構成することができる。また別の例としては、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２は半導体素子を用いて構成することができる。
【００２１】
駆動回路４４は、トランジスタＴｒ１からＴｒ６が３対のトーテムポール型出力回路を構成している。当該トーテムポール型出力回路の各出力端子は第１コイル４０と第２コイル４２が接続されてコイルに駆動電流を出力する。トランジスタＴｒ１からＴｒ６は、そのそれぞれのゲートに駆動タイミング生成回路からゲート駆動信号が入力されて導通状態が制御される。トランジスタＴｒ１からＴｒ６は、公知の原理によるＰＷＭ駆動をなす。
【００２２】
電動車両用駆動モータ１０を高速モードで使用する場合は、スイッチＳＷ１を導通状態にして、スイッチＳＷ２を非導通状態にする。この状態で公知の３相ブラシレスモータの駆動シーケンスにより、駆動回路４４のトランジスタＴｒ１からＴｒ６を順次切替えて導通状態にする。トランジスタＴｒ１からＴｒ６の導通状態とはＰＷＭ駆動のデューティ比が０％以外でそれより大きい状態である。例えば、あるタイミングでＵ相第１コイルＵ１からＶ相第１コイルＶ１に電流が抜けるようにトランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ４が導通状態になり、Ｕ相第１コイルＵ１が巻かれた突起部とＶ相第１コイルＶ１が巻かれた突起部とに磁界を発生させる。次に、Ｕ相第１コイルＵ１からＷ相第１コイルＷ１に電流が抜けるようにトランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ６が導通状態になり、Ｕ相第１コイルＵ１が巻かれた突起部とＷ相第１コイルＷ１が巻かれた突起部とに磁界を発生させる。同様なスイッチングを行うことで、ステータコア２４上で回転磁界が発生して、ステータコア２４の外周側に配置されたマグネット３０を含むロータ３２が回転する。
【００２３】
同様に、電動車両用駆動モータ１０を低速モードで使用する場合は、スイッチＳＷ１を非導通状態にして、スイッチＳＷ２を導通状態にする。この状態で公知の３相ブラシレスモータの駆動シーケンスにより、駆動回路４４のトランジスタＴｒ１からＴｒ６を順次切替えて導通状態を制御する。上述の動作により、第１コイル４０と第２コイル４２にはトランジスタＴｒ１からＴｒ６によって駆動電流として交番電流が流される。
【００２４】
ここで、ロータの角度変化に対するコイルと鎖交する磁束の変化の大きさを磁束変化率というとすると、各コイルが発生させるトルクは、磁束変化率とコイルに流れる駆動電流との積に比例する。つまり、磁束変化率が相対的に小さいタイミングで駆動電流を流した場合に発生するトルクの大きさと比較して、磁束変化率が相対的に大きいタイミングで駆動電流を流した場合に発生するトルクは大きいという関係にある。なお、本実施形態では突起部の中心が磁極の中心に一致しているロータ位置では、磁束変化率がゼロとなり、突起部の中心が磁極のＮ極とＳ極の境目に一致しているロータ位置では、磁束変化率が最大となる。また本実施形態では磁束変化率がロータの回転位置の電気角を変数とする正弦関数となるように磁極を構成している。
【００２５】
また、コイルに誘起される逆起電力は、時間変化に対するコイルと鎖交する磁束の変化の大きさに比例する。したがって、磁束変化率と逆起電力とは、コイルと鎖交する磁束の変化の大きさに比例する点で共通し、回転速度と駆動電流を一定とする場合には、ロータの角度に対する磁束変化率と逆起電力の波形は相似する。このため磁束変化率は、コイルに誘起される逆起電力を観察することで、間接的に相似波形として確認することができる。
【００２６】
電動車両用駆動モータ１０を低速モードで使用する場合は、第１コイル４０と第２コイル４２とが同時に磁界発生に寄与するので、高速モードで使用する場合に第１コイル４０のみで磁界を発生させる場合に比べて大きなトルクを発生させることができる。ここで、逆起電力の大きさはモータ本体１２の回転速度に比例する。したがって、この場合、モータ本体１２は低速回転しているので発生する逆起電力は低く、モータ本体１２の回転数の上昇を妨げることはない。一方、電動車両用駆動モータ１０を高速モードで使用する場合は、第１コイル４０のみで磁界を発生させるので、低速モードで第１コイル４０と第２コイル４２とが同時に磁界を発生した場合に比べて、実質的に稼働するコイルの巻回数が減る。その結果、発生する逆起電力は低くなり、モータ本体１２の回転数の上昇を妨げない。
【００２７】
上述のように本実施形態の場合、第１コイル４０と第２コイル４２を用いることにより低速回転時に有効な巻き線状態と、第１コイル４０のみを用いることにより高速回転時に有効な巻き線状態とを切り替えている。図６は、第１コイル４０の磁束変化率と第２コイル４２の磁束変化率、およびその合成による磁束変化率とそのとき発生しているトルクの関係、さらに第１コイル４０と第２コイル４２が駆動しているときに流れる電流の関係例を示した説明図である。横軸は４対極のマグネット３０でロータ３２を構成する場合に、ロータ３２の回転位置（角度）を電気角で４π（ｒａｄ）すなわちロータが半周回転する分を示している。なお、残りの半周回転する分は同様の変化の繰り返しとなるので、記載を省略している。
【００２８】
曲線Ａが第１コイル４０による１相分の磁束変化率であり、曲線Ｂが第２コイル４２による１相分の磁束変化率である。そして、曲線Ｃが本実施形態で低速モードと称している第１コイル４０と第２コイル４２を両方用いたときに発生する第１コイル４０による１相分の磁束変化率と第２コイル４２による１相分の磁束変化率が合成された状態の合成磁束変化率である。また、波形Ｄが低速モードのときに流れている電流である。さらに、曲線Ｅは各相のコイルで発生するトルクを３相分合成した合成トルクである。なお、本実施形態で高速モードと称している場合の磁束変化率は、第１コイル４０のみの逆起電力を考慮すればよいので、第１コイル４０に誘起される逆起電力と対応する曲線Ａで示される。
【００２９】
ところで、三相モータの各相のコイルに交番電流が流れるときには、電流は瞬間的に流れだすのではなく、そのコイルのインダクタンスにより立ち上がりに遅れ時間がある。つまり、コイルの交番電流に遅れ方向のズレが生じる。この遅れ時間はロータの回転数に係わらずほぼ一定である。ロータの回転数が低い時は、交番電流の交番周期が長いから立ち上がりの遅れ時間も相対的に無視出来る程度である。一方、回転数が上昇して、交番電流の周波数が高くなり交番周期が短くなると、電流の立ち上がりの遅れ時間も相対的に大きくなり、無視できなくなる。つまり、回転数の上昇にしたがい電流の流れるタイミングの遅れの影響が顕著になる。図７（ａ）、図７（ｂ）は、ロータの回転数が低速モードのときと高速モードのときとで、高速モードの方が電流の流れるタイミングが、発生している逆起電力に対して遅れることを説明する説明図である。
【００３０】
図７（ａ）、図７（ｂ）は、ロータ３２の回転角に対する発生トルクの波形をシミュレーションで求めたものである。図７（ａ）は、コイルの電流に遅れ方向のズレが相対的に少ない場合であり、図７（ｂ）は、コイルの電流に遅れ方向のズレが相対的に大きい場合である。上述したように、トルクは磁束変化率と電流の積に比例するから、相対的に磁束変化率が大きいタイミングで電流を流すことで大きなトルクが生じる。逆に、相対的に磁束変化率が小さいタイミングで電流を流した場合は発生するトルクは小さくなる。さらに、磁束変化率がマイナスであるタイミングで電流を流すと負方向すなわち逆方向のトルクを生じる。コイルの電流に遅れ方向のズレが少ない場合は、電流は相対的に磁束変化率が大きいタイミングで流れるので、発生トルクの平均値も大きい（図７（ａ））。一方、コイルの電流に大きな遅れ方向のズレがある場合は、電流は相対的に磁束変化率が小さいタイミングでも流れるので、発生トルクの平均値が小さくなる（図７（ｂ））。また、コイルの電流にさらに大きな遅れ方向のズレがある場合は、電流は磁束変化率がマイナスであるタイミングでも流れるので、負方向トルクを生じることで発生トルクの平均値がさらに小さくなる。なお、逆にコイルの電流のタイミングに進み方向のズレがある場合も発生トルクの平均値が小さくなる点は同様である。前述したようにコイルの電流の遅れ時間は、図７（ｂ）のラインａで示す電流の通電開始タイミングから、電流ピークの６３％に相当するラインｂのタイミングまでの時定数τで表すことができる。また、時定数τは回転数に関わらず一定であるが、交番周期を２πとする電気角に変換した値は回転数に比例して大きくなる。したがって回転数が上昇し、交番周期が短くなるにつれて時定数τを電気角に変換した値は大きくなり、電流の遅れ影響が大きくなる。
【００３１】
図８は、コイルのインダクタンスによる電流の時定数τと発生トルクの平均の大きさをシミュレーションで求めたものである。横軸は時定数τを電気角に変換した値である。縦軸は各相のコイルで発生するトルクを３相分を合成した合成トルクの１回転中の平均の大きさ（以下、「平均トルク」という。）である。例えば、図８において、電流の時定数τを電気角に変換した値がπ／６のとき平均トルクは、電流の遅れがない電気角が０（ｒａｄ）のときの平均トルクに対して７９．３％である。つまり、電流の遅れがない場合に対し、２０．７％平均トルクが低下している。つまり、図６において、高速モードへの切り替えのために第２コイル４２への電流を遮断したとき、図６で第１コイル４０のみの磁束変化率（曲線Ａ）の位相変化量と、コイルの電流の遅れが揃うようにすれば平均トルクの低下が改善される。この場合、第１突起部３６に対して第２突起部３８を周方向に回転させる、つまり進角させることで磁束変化率の位相を変化させることができる。また、前述したように、回転数（回転速度）が大きくなると、電流の遅れ方向の時定数τを電気角に変換した値が大きくなり、平均トルクは低下する。つまり、電動車両用駆動モータ１０で必要とされる回転数（回転速度）に対応して第１突起部３６と第２突起部３８の配置関係を設定すれば高速モードへの切り替え時に平均トルクが向上するような調整ができる。
【００３２】
発明者らの実験で平均トルクの低下が５％を超える場合には実用上改善する必要があることを見いだした。また、シミュレーションの結果、図８に示すように、電流の時定数τを電気角に変換した値がπ／１８以下の範囲では平均トルクの低下が５％以内になることを見いだした。したがって、高速回転時の第１コイル４０による時定数τを電気角に変換した値がπ／１８になるまでは、第１コイル４０と第２コイル４２を用いた低速モードでトルク重視の駆動を行うことが好ましいことを確認した。また、高速回転時の電流の時定数τを電気角に変換した値がπ／１８以上になる場合に、低速モードから高速モードに切り替えられるように、第１コイル４０と第２コイル４２の配置関係、すなわち第１突起部３６と第２突起部３８の配置関係を設定すればよいということに想到した。
【００３３】
低速モードで電流の時定数τがほぼ無視できる場合には、図６の磁束変化率を示す曲線Ｃと電流を示す曲線Ｄとは、それぞれピークのタイミングがほぼ一致している。したがって、高速回転になり電流の時定数τを電気角に変換した値がπ／１８になったときに、この値に合わせて磁束変化率の位相を図６の第１コイル４０による磁束変化率を示す曲線Ａのようにπ／１８ずらすことで、平均トルクの低下を５％以下に抑えることができる。つまり、第１コイル４０による磁束変化率を示す曲線Ａは、第１コイル４０と第２コイル４２による磁束変化率を示す曲線Ｃを基準にπ／１８遅れるように第１突起部３６と第２突起部３８の配置関係を設定すればよい。曲線Ｃは、曲線Ａと曲線Ｂの合成なので、第２コイル４２による磁束変化率を示す曲線Ｂは、第１コイル４０による磁束変化率を示す曲線Ａを基準にπ／９進めれば、上述のような設定ができる。
【００３４】
したがって、図２における第１突起部３６ａと第２突起部３８ａで示される第１扇角θ１と、第２突起部３８ａと第１突起部３６ｂで示される第２扇角θ２の電気角の差がπ／９になるように第１突起部群と第２突起部群を配置すれば、高速モードに切り替えたときの磁束変化率の位相が電流の時定数τを電気角に変換した値に一致するような調整ができる。この場合、第１扇角θ１と第２扇角θ２の電気角の差を大きくすればするほど高速回転に適した第１突起部群と第２突起部群の配置ができることになる。ただし、本実施形態の電動車両用駆動モータ１０は、三相コイルなので電気角の差がπ／３以上となってしまうと逆回転にトルクをかけることになる。したがって、第１扇角θ１と第２扇角θ２は電気角の差でπ／３までとしている。なお、第１扇角θ１および第２扇角θ２は回転体（ロータ）の回転中心と突起部先端から発生する磁気の中心を結ぶ線同士がなす角度である。
【００３５】
図９は、第１扇角θ１と第２扇角θ２の電気角の差でπ／９とする場合と２π／３とする場合で、ロータ３２の磁極数とステータコア２４の突起部数（スロット数、ティース数、突極数と表現する場合もある）の組合せに対応する第１扇角θ１と第２扇角θ２を機械角で例示している。なお、モータを構成する場合、磁極数と突起部数は、様々な組合せがある。磁極数は偶数（２ｎ：ｎは自然数）であればよい。磁極が少ないと、コイルの巻回数に制限を受けることがあり、それを考慮して本実施形態の場合は磁極数の最低数を４個として、「ｎ」は２の倍数としている。突起部数は、３相のそれぞれの相に２個の突起部を備えることを単位として６の倍数（６ｍ：ｍは自然数）としている。また、本実施形態の場合、突起部は、第１突起部群と第２突起部群があるため、突起部数全体としては３の倍数を示す６ｍで示し、第１突起部群の突起部数を３ｍ、第２突起部群の突起部数を３ｍと表し、「ｍ」は１から始まる自然数としている。例えば、磁極数が４個の場合、突起部数は６個である。このとき第１突起部３６は３個、第２突起部３８は３個である。
【００３６】
前述したように低速回転時と高速回転時の磁束変化率の位相の差が電気角でπ／１８となる場合、第１突起部３６ａと第２突起部３８ａで示される第１扇角θ１と、第２突起部３８ａと第１突起部３６ｂで示される第２扇角θ２の電気角の差がπ／９になる。
【００３７】
磁極数を２ｎとすると、電気角＝機械角×π／１８０×ｎの関係がある。したがって第１扇角θ１と第２扇角θ２の電気角の差をθｄ、機械角の差をθｋとすると、両者には式１の関係を有する。
【００３８】
θｋ＝θｄ×１８０／π／ｎ    ・・・（式１）
θ１、θ２の機械角をそれぞれθ１ｋ、θ２ｋとすると以下のように表わされる。
【００３９】
θｋ＝θ２ｋ−θ１ｋ    ・・・（式２）
また突起部の平均角度間隔θａは、突起部数を６ｍとして以下のように表わされる。
【００４０】
θａ＝３６０／（６ｍ）＝６０／ｍ    ・・・（式３）
またθａはθ１ｋとθ２ｋの平均でもあるから以下のように表わされる。
【００４１】
θａ＝（θ１ｋ＋θ２ｋ）／２    ・・・（式４）
式２、式４からθ１ｋとθ２ｋは以下のように表わされる。
【００４２】
θ２ｋ＝θａ＋θｋ／２
θ１ｋ＝θａ−θｋ／２
これらに式１、式３を代入するとθ１ｋとθ２ｋは以下のように表わされる。
【００４３】
θ２ｋ＝６０／ｍ＋θｄ×９０／（πｎ）    ・・・（式５）
θ１ｋ＝６０／ｍ−θｄ×９０／（πｎ）    ・・・（式６）
例えば、低速回転時と高速回転時の磁束変化率の位相の差を電気角でπ／１８とする場合は、第１扇角θ１と第２扇角θ２の電気角の差をθｄ＝π／９とすればよい。磁極数が４極（ｎ＝２）、突起部数（スロット）が６個（ｍ＝１）であれば、θ１ｋとθ２ｋは式５，６から以下のように求められる。
【００４４】
θ２ｋ＝６０／１＋π／９×９０／（２π）＝６０＋５＝６５°
θ１ｋ＝６０／１−π／９×９０／（２π）＝６０−５＝５５°
したがって、第１扇角θ１ｋ＝５５°、第２扇角θ２ｋ＝６５°になる。
【００４５】
また、同様に第１扇角θ１と第２扇角θ２の電気角の差をθｄ＝π／９として、磁極数が８極（ｎ＝４）、突起部数（スロット）が１２個（ｍ＝２）であれば、θ１ｋとθ２ｋは以下のように求められる。
【００４６】
θ２ｋ＝６０／２＋π／９×９０／（４π）＝３０＋２．５＝３２．５°
θ１ｋ＝６０／２−π／９×９０／（４π）＝３０−２．５＝２７．５°
したがって、第１扇角θ１ｋ＝２７．５°、第２扇角θ２ｋ＝３２．５°になる。その他の磁極数と突起部数の組合せの場合も同様の算出ですることができる。
【００４７】
また、低速回転時と高速回転時の磁束変化率の位相の差を電気角でπ／３とする場合は、第１扇角θ１と第２扇角θ２の電気角の差をθｄ＝２π／３とすればよい。磁極数が４極（ｎ＝２）、突起部数（スロット）が６個（ｍ＝１）であれば、θ１ｋとθ２ｋは式５，６から以下のように求められる。
【００４８】
θ２ｋ＝６０／１＋２π／３×９０／（２π）＝６０＋３０＝９０°
θ１ｋ＝６０／１−２π／３×９０／（２π）＝６０−３０＝３０°
したがって、第１扇角θ１ｋ＝３０°、第２扇角θ２ｋ＝９０°になる。
【００４９】
また、同様に第１扇角θ１と第２扇角θ２の電気角の差をθｄ＝２π／３として、磁極数が８極（ｎ＝４）、突起部数（スロット）が１２個（ｍ＝２）であれば、θ１ｋとθ２ｋは以下のように求められる。
【００５０】
θ２ｋ＝６０／２＋２π／３×９０／（４π）＝３０＋１５＝４５°
θ１ｋ＝６０／２−２π／３×９０／（４π）＝３０−１５＝１５°
したがって、第１扇角θ１ｋ＝１５°、第２扇角θ２ｋ＝４５°になる。その他の磁極数と突起部数の組合せの場合も同様の算出ですることができる。
【００５１】
このように、隣接する２つの第１突起部３６が形成する扇角を第２突起部３８によって２分割して形成される第１扇角θ１と第２扇角θ２の機械角の差を予め電動車両用駆動モータ１０の仕様として定められた要求最大回転数に対応して決定する。つまり、第１コイル４０と第２コイル４２とによる磁束変化率の位相と第１コイル４０のみによる磁束変化率位相の電気角の差がπ／１８〜π／３の範囲内になるように定める。具体的には、第１扇角θ１と第２扇角θ２の機械角の差を図９に例示するような角度に設定することにより、磁極数と突起部数との組合せが変化する場合でもＹ結線から第２コイル４２を離脱させるだけのシンプルな制御で低速モードから高速モードへの切り替えが可能になる。そして、第１コイル４０と第２コイル４２で発生する回転磁界によりロータ３２を高トルクで回転駆動できる低速モードが実現できる。また、第２コイル４２への電流供給を遮断して第１コイル４０のみで回転磁界を発生させて、高速回転時における大きな逆起電力の発生を抑制して、高速回転を可能にする高速モードが実現できる。また、高速モードにおいては、第２コイル４２への電流供給を遮断する制御のみでも、第１コイル４０による磁束変化率の位相が電流の時定数τを電気角に変換した値に対応するように調整がされるから、平均トルクの減少も軽減できる。その結果、低速回転駆動から高速回転駆動に切り替えた際の平均トルクの変動を抑制した電動車両用駆動モータ１０の駆動が実現できる。なお、電流の位相調整等と組合わせて制御を行うことも可能である。
【００５２】
ところで、第１コイル４０と第２コイル４２は同一のものを用いてもよい。しかし、低速モードから高速モードに切り替えるときに、コイルに誘起される逆起電力が小さくなりコイル抵抗も小さくなるから、コイルの電流値が増大する。この場合、第１コイル４０と第２コイル４２を用いた低速モードから第１コイル４０のみを用いる高速モードに切り替える際に電流値が増大して回路の許容電流を超えて回路を損傷することがある。この課題に対応して、第１コイル４０と第２コイル４２の巻回数比は、ロータの回転数が所定値を超えた場合に第１コイル４０に供給される最大電流が、ロータの回転数が所定値以下の場合に第１コイル４０及び第２コイル４２に供給される最大電流を超えないように定めてもよい。第１コイル４０と第２コイル４２を用いた低速モードの場合の最大電流は起動電流であることが一般的であり、この場合は第１コイル４０のみを用いる高速モードの最大電流が低速モードにおける起動電流を超えないように構成できる。
【００５３】
第１コイル４０の巻回数を大きくすることにより、第１コイル４０のみを用いる高速モードにおいて逆起電力が増大するから電流は低下する。また、第１コイル４０の抵抗値を大きくすることにより、第１コイル４０のみを用いる高速モードにおいて抵抗値が増大するから電流は低下する。したがって、低速モードから高速モードに切り替える際の第１コイル４０に供給される最大電流が低速モード時に第１コイル４０及び第２コイル４２に供給される最大電流を超えない条件は、第１コイル４０、第２コイル４２の巻回数と抵抗値および低速モードから高速モードに切り替える切換回転数とをパラメータにして実験により定めることができる。なお、本実施の形態においては、第１コイル４０の巻回数は第２コイル４２の巻回数の１５０％〜１８０％とし、第１コイル４０の抵抗値は第２コイル４２の抵抗値の１５０％〜１８０％とし、切換回転数は低速モードにおける最大回転数の７５％〜８５％に設定している。この構成によりコイル特性の個体差や信号処理時間等に影響されることなくスムーズに低速モードから高速モードに切り替えられることを確認した。また、この構成により低速モードから高速モードへの切り替え時の回路の過大電流を防止しつつ、低速回転時では十分なトルクを確保し、高速回転時には十分な回転速度を確保することができる。
【００５４】
上述のように第１コイル４０は低速モードおよび高速モードの両方で使用する。一方、第２コイル４２は高速モードでは使用しない。つまり、コイルの発熱量を低減したい場合、第１コイル４０で対策すれば効率的である。そのため、本実施形態では、第１コイル４０の線径は第２コイル４２の線径より太くしている。コイルの線径をこのように設定することにより、常時電流を供給する第１コイル４０の抵抗が少なくなり発熱量の低減が可能になり、電動車両用駆動モータ１０の熱対策を容易にできる。
【００５５】
本実施形態では、ロータ３２の回転数を検出するために回転検出手段として回転検出センサ１６を隣接する２つの第１突起部３６とそれに挟まれる第２突起部３８によって形成される２つの扇角のうち、広い方の扇角を形成する第１突起部３６と第２突起部３８との間の位置でロータ３２に近接させて配置している。つまり、図２における第２扇角θ２のうちいずれかの位置に配置している。この場合、回転検出センサ１６を各突起部から遠ざけることが可能になり、突起部の先端から出る磁束によるノイズの影響を最小限に抑えられて、信頼性のある出力信号を回転検出センサ１６から出力できる。なお、ロータ３２の回転検出は、例えば、エンコーダを用いて検出したり、逆起電力の発生状態に基づいて算出することもできる。
【００５６】
上述した実施形態では、ロータの回転数が所定値を超えた場合は、第２コイル４２に対する電流の供給を遮断し第１コイル４０に電流を供給する例について説明したが、これに限られない。例えば、ロータの回転数が所定値を超えた場合は、第１コイル４０に電流を供給するとともに第２コイル４２に第１コイル４０と並列に電流を供給するように構成してもよい。
【００５７】
上述した実施形態では、速度検出部２０は位置検出部１８が検出した回転位置の変化に基づき、ロータの回転速度を検出する場合について説明したが、これに限られない。例えば、速度検出部２０は回転検出センサ１６の検出結果に基づき、ロータの回転速度を検出するように構成してもよい。
【００５８】
上述した実施形態では、図３に示すように、アウターロータタイプのモータ構造において、第１突起部群と第２突起部群が、第２突起部が当該第２突起部を挟む２つの第１突起部のうち一方に偏って配置されるように形成されている例を説明した。このような第１突起部群と第２突起部群の構成は、インナーロータタイプのモータ構造にも適用可能であり、同様な効果を得ることができる。また、上述した実施形態は例示であり、本発明の原理、応用を示しているにすぎないことはいうまでもない。実施形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能であり、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【符号の説明】
【００５９】
θ１  第１扇角、  θ２  第２扇角、  １０  電動車両用駆動モータ、  ２４  ステータコア、  ２８  コイル、  ３０  マグネット、  ３２  ロータ、  ３６  第１突起部、  ３８  第２突起部、  ４０  第１コイル、  ４２  第２コイル。
【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】
2013090406.tif 000009
【図８】
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【図９】
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