(57)【要約】【課題】優れた低速性能をもつ可変速交流電気機械が提供される。【解決手段】３相電流が３相モードにおいて供給され、単相電流が単相モードにおいて供給される。単相モードはステータ極数を増加する。直列３相巻線の巻数は４レグインバータの単相モードにより増加される。ロータは永久磁石により磁化されるマグネット極の２倍のコア極をもつ。コア極の極性を反転することにより、ロータ極数は変更される。Hブリッジは界磁電流の反転によりコア極の極数を変更する。Hブリッジは電圧が異なる２つの直流電源に接続される。Hブリッジと界磁コイルは昇圧チョッパを構成する。【選択図】図３
2017112817.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ極数を変更可能なロータ、
直列に接続された３つの相コイルからなる直列３相巻線を少なくとも一つ有するステータコイル、
前記直列３相巻線に接続される４つのレグからなる４レグコンバータを少なくとも一つ有するコンバータ、及び、
前記直列３相巻線に３相電流が流れる３相モードと、前記直列３相巻線に単相電流が流れる単相モードとを切り替えるコントローラをを備えることを特徴とする可変速交流電気機械。
【請求項２】
前記４レグコンバータは、直列接続された上アームスイッチ及び下アームスイッチによりそれぞれ構成される４つのスイッチレグからなる請求項１記載の可変速交流回転電機。
【請求項３】
前記４レグコンバータは、昇圧チョッパを通じて直流電源に接続され、
前記コントローラは、前記直列３相巻線に３相交流電圧を印加するために、最大振幅の逆起電力を発生する前記相コイルの両端に接続される２つの前記スイッチレグのスイッチングを停止し、他の２つの前記スイッチレグをスイッチングする請求項２記載の可変速交流回転電機。
【請求項４】
前記４レグコンバータは、直列接続された上アームダイオード及び下アームダイオードによりそれぞれ構成される４つのダイオードレグからなる請求項１記載の可変速交流回転電機。
【請求項５】
前記４レグコンバータは、直列接続された上アームスイッチ及び下アームスイッチによりそれぞれ構成される２つのスイッチレグと、直列接続された上アームダイオード及び下アームダイオードにより構成される２つのダイオードレグとからなる請求項１記載の可変速交流回転電機。
【請求項６】
前記スイッチレグは高電圧直流電源に接続され、前記ダイオ−ドレグは低電圧電源に接続される請求項５記載の可変速交流回転電機。
【請求項７】
前記ダイオ−ドレグは、前記コンバータから前記低電圧電源への充電を阻止可能なバッテリスイッチを介して前記低電圧電源に接続される請求項６記載の可変速交流回転電機。
【請求項８】
前記コントローラは、２つの前記直列３相巻線に６相電流を供給するための６相モードと、前記２つの直列３相巻線に２相電流を供給するための２相モードとを有する請求項１記載の可変速交流回転電機。
【請求項９】
前記２つの直列３相巻線は直列に接続され、
前記コンバータは、７つのレグからなる７レグインバータにより構成される請求項８記載の可変速交流回転電機。
【請求項１０】
前記コンバータは、前記２つの直列３相巻線に個別に接続される前記２つの４レグインバータからなる請求項８記載の可変速交流回転電機。
【請求項１１】
前記２つの直列３相巻線は、ステータコアの互いに異なる領域に巻かれる請求項８記載の可変速交流回転電機。
【請求項１２】
前記コントローラは、３つの前記直列３相巻線に９相電流を供給するための９相モードと、前記３つの直列３相巻線に３相電流を供給するための新３相モードとを有する請求項１記載の可変速交流回転電機。
【請求項１３】
前記３つの直列３相巻線は直列に接続され、
前記コンバータは、１０個のレグからなる１０レグインバータにより構成される請求項１２記載の可変速交流回転電機。
【請求項１４】
前記コンバータは、前記３つの直列３相巻線に個別に接続された３つの４レグインバータを有する請求項１２記載の可変速交流回転電機。
【請求項１５】
前記コントローラは、前記ロータのロータコアに巻かれた界磁コイルに供給される界磁電流の方向を変更することにより、前記ロータ極数を変更する請求項１記載の可変速交流回転電機。
【請求項１６】
前記ロータコアは、N極の永久磁石が固定された奇数番目の爪部と、S極の永久磁石が固定された偶数番目の爪部とを有するランデル型ロータコアからなり、
前記爪部は、前記永久磁石により形成される一つのマグネット極と、前記マグネット極の両側のコア部によりそれぞれ形成される２つのコア極とを有し、
前記コントローラは、前記界磁電流の方向変更により前記２つのコア極の極性を反転させる請求項１５記載の可変速交流回転電機。
【請求項１７】
前記界磁コイルは、界磁電流の方向を変更可能な方向変更コイルと、界磁電流の方向を変更不能な方向固定コイルとからなり、
前記方向変更コイル及び前記方向固定コイルは、前記ロータコアの異なるスロットに収容される請求項１５記載の可変速交流回転電機。
【請求項１８】
前記界磁コイルは少なくとも２つのコイルからなり、前記コントローラは、前記界磁電流の方向を変更することにより、前記少なくとも２つのコイルの並列接続状態と直列接続状態とのどちらかを選択する請求項１５記載の可変速交流回転電機。
【請求項１９】
前記コントローラは、前記複数のコイルを直列接続するためのトランジスタと、前記複数のコイルを並列接続するための２つのダイオードとを有する請求項１８記載の可変速交流回転電機。
【請求項２０】
前記トランジスタ及び前記２つのダイオードは、前記ロータの回転軸に固定される請求項１９記載の可変速交流回転電機。
【請求項２１】
前記界磁コイルの一端は、前記界磁電流の方向を変更するためのHブリッジの第１レグを通じて低電圧電源に接続され、
前記界磁コイルの他端は、前記Hブリッジの第２レグを通じて高電圧電源に接続される請求項１５記載の可変速交流電気機械。
【請求項２２】
前記コントローラは、前記Hブリッジ及び前記界磁コイルを昇圧チョッパとして動作させることにより、前記低電圧電源から前記高電圧電源への昇圧送電を実行する請求項２１記載の可変速交流回転電機。
【請求項２３】
ロータコアに巻かれた界磁コイルと、前記界磁コイルに供給する界磁電流を制御する界磁電流コントローラとを備える可変速交流電気機械において、
前記界磁電流コントローラは、前記界磁コイルを構成する２つのコイルを直列に接続するためのトランジスタと、前記２つのコイルを並列に接続するための２つのダイオードと、界磁電流の方向を変更するHブリッジとを有し、
前記トランジスタの制御電極は前記Hブリッジの一つのレグの交流端子に接続されることを特徴とする可変速交流回転電機。
【請求項２４】
ロータコアに巻かれた界磁コイルと、前記界磁コイルに供給する界磁電流を制御する界磁電流コントローラとを備える可変速交流電気機械において、
前記界磁電流コントローラは、前記界磁コイルの一端を低電圧電源に接続する第１レグと、前記界磁コイルの他端を高電圧電源に接続する第２レグとからなるHブリッジを有することを特徴とする可変速交流電気機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は可変速交流電気機械に関し、特に極数切り替え可能な可変速交流電気機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
同期モータ及び誘導モータを含む可変速交流電気機械は優れた低速性能及び広い速度範囲の両方を必要とする。たとえば、オルタネータは優秀な低速発電性能と広い速度範囲における高い発電効率を必要とする。ステータコイルの低抵抗値のため、デルタ接続ステータコイルはY形接続ステータコイルと比べて高速発電に適している。巻数増加により、低速領域におけるステータコイルの起電力（EMF)を改善することができる。しかし、ステータコイルの銅損が巻数増加により増加してしまう。車両及び非車両機械における多くの用途において、可変速交流電気機械の低速性能の改善が要求されている。
【０００３】
特許文献１−３はロータ極数を３倍とすることが可能な３倍極型同期機を提案する。この３倍極型同期機はロータ極数の増加によりステータコイルのEMFを増加する。特許文献１は永久磁石同期モータを提案する。ロータはコア極及びマグネット極をもつ。２つのマグネット極の間に配置されるコア極は
磁極反転可能である。マグネット極は永久磁石により磁化されるロータ極を意味し、コア極は励磁電流により磁化されるロータ極を意味する。コア極の極性変更により、１２個のロータ極は４個のロータ極となる。３相インバータにより供給される３相電流は電流切替器を通じてステータコイルの９つの相コイルに分配される。しかし、この電流切替器は製造コスト及び電力損失を増加させる。
【０００４】
特許文献２はロータをもつハイブリッド同期発電機を開示する。このロータは２つのコア極の間に配置される一つのマグネット極をもつ。界磁コイルが一対のコア極及び一つのマグネット極の根元部に巻かれる。界磁コイルに通電される励磁電流を反転することにより、コア極の極性が変更される。これにより、１２個のロータ極は４個のロータ極に等価的に変更される。しかし、ロータコアが励磁コイル収容用のスロットを必要とするため、多数のロータ極をもつロータを実現することは困難である。その結果、ロータ極数の増加により低速発電性能を改善することは困難である。
【０００５】
特許文献３は永久磁石型同期発電機を提案している。この発電機は極性反転可能なソフト永久磁石極をもつ。このソフト永久磁石極は極性変更不能な２つのハード永久磁石極の間に配置される。しかし、２種類の永久磁石は製造コストを増加させる。
【０００６】
３倍極型同期モータの重要な問題はロータ極数が３倍となる時にステータコイルは電気角１２０度を電気角３６０度に変更しなければならないことである。言い換えれば、ロータの極数が変更される時、ステータ極数も変更されねばならない。しかし、ステータコイルの極数変更は製造コスト及び電力損失の増加を招く。誘導モータはスタータ極数の変更によりロータ極数を自動的に変更することができる。しかし、誘導モータは同期モータよりも悪い効率をもつ。
【０００７】
界磁電流によりステータコイルの起電力（EMF)を調整することができる界磁コイル式同期機は広い速度範囲で運転されるオルタネータ及びスタータジエネレータとして好適である。しかし、界磁電流の立ち上がりが遅れるため、界磁コイル式スタータジエネレータはエンジン始動やトルクアシストが遅延されるという問題をもつ。たとえば、ターボチャージャのターボラグはスタータジエネレータのトルクアシストにより短縮される。しかし、界磁電流の遅延により、界磁コイル式スタータジエネレータはターボラグを十分に短縮することができない。
【０００８】
特許文献４は２電源型スタータジエネレータを提案する。低電圧バッテリが昇圧チョッパを通じて高電圧キャパシタに接続される。高電圧キャパシタは界磁コイル式同期機を駆動するための３相インバータに接続される。界磁電流は高電圧キャパシタ及び低電圧バッテリのどちらかから界磁コイルに供給される。しかし、特許文献４はエンジン始動やトルクアシストにおいて高電圧電源を選択することにより界磁電流の遅延が短縮されるという技術思想を開示していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許５６０５１６４
【特許文献２】ＷＯ２００８/１４８６２１
【特許文献３】特開２０１３ー１８３５１５
【特許文献４】特開２０１１−２２３７４８
【発明の概要】
【００１０】
本発明の一つの目的は優れた低速性能と広い速度範囲をもつ可変速交流電気機械を提供することである。本発明のもう一つの目的は界磁電流の急速な立ち上がりが可能な車両用界磁コイル式同期機を提供することである。
【００１１】
本発明の第１の様相によれば、３倍極型交流電気機械のステータコイルは少なくとも１個の直列３相巻線を有する。直列３相巻線は直列接続された３個の相コイルからなる。この電気機械は永久磁石同期機又は界磁コイル同期機又は誘導機により構成される。４個のレグをもつ４レグコンバータが直列３相巻線に接続される。４レグコンバータは４レグインバータ及び４レグ整流器を含む。この電気機械は単相モード及び３相モードをもつ。３相モードによれば、互いに電気角１２０度の位相差をもつ３つの相電流が直列３相巻線の３つの相コイルを別々に流れる。
【００１２】
単相モードによれば、単相電流が直列３相巻線の３つの相コイルを順番に流れる。この電気機械はステータ極数を変更するための特別の回路を必要としない。さらに、低速範囲をカバーする単相モードは優れた低速性能及びスイッチング損失の低減を実現する。さらに、低速性能の改善が可能な単相モードがステータコイルの巻数低減を実現するので、３相モードは中速範囲及び高速範囲における銅損の低減を実現する。
【００１３】
ステータコイルを複数の直列３相巻線で構成することができる。２つ直列３相巻線は２つの４レグインバータにより駆動されることができる。２つの直列３相巻線はステータコアの互いに異なる位置に配置されることができる。２つの直列３相巻線に互いに位相が異なる２つの単相モードを与えることにより、２相モードを実現することができる。２つの直列３相巻線に互いに位相が異なる２つの３相モードを与えることにより、６相モードを実現することができる。２つの直列３相巻線を直列接続することにより、直列６相巻線を構成することができる。直列６相巻線は７レグインバータに接続される。
【００１４】
ステータコイルを３つの直列３相巻線で構成することができる。３つ直列３相巻線は３つの４レグインバータにより駆動されることができる。３つの直列３相巻線はステータコアの互いに異なる位置に配置されることができる。３つの直列３相巻線が互いに異なる位相で単相モードを実行することにより、新３相モードを実現することができる。３つの直列３相巻線が互いに異なる位相で３相モードを実行することにより、９相モードを実現することができる。３つの直列３相巻線を直列接続することにより、直列９相巻線を構成することができる。直列９相巻線は１０レグインバータに接続される。
【００１５】
３相モードにおいて２相駆動法を採用することにより、インバータのスイッチング損失を低減することができる。昇圧チョッパがインバータに昇圧DCリンク電圧を印加する。この２相駆動法によれば、４レグインバータの２つのレグが休止され、４レグインバータの他の２つのレグがスイッチングされる。昇圧チョッパは、休止された２つのレグに接続される一つの相コイルに略正弦波形の相電圧の一部を印加する。
【００１６】
２つのスイッチレグ及び２つのダイオードレグからなる４レグインバータを採用することにより、簡素な二電源型スタータジエネレータを構築することができる。２つのスイッチレグは高電圧電源に接続され、２つのダイオードレグは低電圧電源に接続される。
【００１７】
ロータ極数を変更するために、界磁コイル及び永久磁石をもつランデル型ロータコアを採用することができる。各永久磁石はランデル型ロータコアの各爪部の各中央部に固定される。永久磁石に隣接する２つのコア部の極性は界磁電流により変更される。これにより、ロータ極数が変更される。
【００１８】
ロータ極数を変更するために、複数のコイルからなる界磁コイルを採用することができる。これらのコイルはティース式ロータコアの異なるスロットに巻かれる。複数のコイルの一部を流れる界磁電流の方向はロータ極数を変更するために反転される。複数のコイルの他の一部を流れる界磁電流の方向は反転されない。これにより、ロータ極数が変更される。界磁電流コントローラが界磁電流の方向を反転する。この界磁電流コントローラはHブリッジ及び複数のダイオードを有する。
【００１９】
ロータ極数を変更するために、マグネット極及びコア極をもつロータコアを採用することができる。ロータの極数変更のために、ステータ電流のｄ軸電流成分がコア極の極性を変更する。
【００２０】
本発明の第２の様相によれば、Hブリッジとダイオードとトランジスタとをもつ界磁電流コントローラが、２つのコイルからなる界磁コイルに接続される。界磁電流の方向反転により、直列モードと並列モードとのどちらかが選択可能となる。直列モードによれば、２つのコイルは直列接続される。並列モードによれば、２つのコイルは並列接続される。界磁電流の急速な立ち上がりが要求される時、並列モードが採用される。さらに、界磁電流コントローラは界磁コイル式同期機のロータ極数を変更することもできる。
【００２１】
本発明の第３の様相によれば、Hブリッジが界磁コイルに接続される。Hブリッジの一つのスイッチレグは低電圧電源に接続され、Hブリッジの他の一つのスイッチレグは高電圧電源に接続される。モータ動作において高電圧電源が界磁コイル式スタータジエネレータに界磁電流を供給し、発電動作において低電圧電源が界磁コイル式スタータジエネレータに界磁電流を供給する。これにより、界磁コイルのインピーダンスはモータモードにおいて低減されることもでき、ロータ極数は変更されることができる。さらに、Hブリッジ及び界磁コイルを昇圧チョッパとして利用することにより、低電圧電源から高電圧電源への送電も可能となる。
【００２２】
界磁電流コントローラが界磁コイルのインピーダンス値の変更及び/又はロータ極数の変更のための複数の半導体素子をもつ時、これらの半導体素子は回転軸に固定されることが好ましい。好適には、半導体素子は回転軸に嵌められたターミナルリングに内蔵される。これにより、スリップリングを減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
図１は第１実施例を示す配線図である。図２は図１に示されるダイオードリングを示す側面図である。図３は第２実施例を示す配線図である。図４はダイオードリングを示す側面図である。図５は３相モードで駆動される分布巻３相ステータコイルの電気角０度の状態を示す模式図である。図６は３相モードで駆動される分布巻３相ステータコイルの電気角６０度の状態を示す模式図である。図７は単相モードで駆動される分布巻３相ステータコイルの電気角０度の状態を示す模式図である。図８は単相モードで駆動される分布巻３相ステータコイルの電気角１８０度の状態を示す模式図である。図９は図５-図８に示される分布巻き３相ステータコイルの一つの巻線形式を示す模式展開図である。図１０は図９に示される分布巻３相ステータコイルに接続される４レグインバータを示すブロック図である。図１１は３相モードで駆動される集中巻３相ステータコイルの電気角０度の状態を示す模式図である。図１２は３相モードで駆動される集中巻３相ステータコイルの電気角６０度の状態を示す模式図である。図１３は単相モードで駆動される集中巻３相ステータコイルの電気角０度の状態を示す模式図である。図１４は単相モードで駆動される集中巻３相ステータコイルの電気角１８０度の状態を示す模式図である。図１５は第１実施例のスタータジエネレータの制御例を示すフローチャートである。図１６は第３実施例を示す配線図である。図１７は第３実施例の２相モードを示すベクトル図である。図１８は第３実施例の６相モードを示すベクトル図である。図１９は第３実施例に採用される集中巻ステータコイルの配線例を示す模式図である。図２０は２種類の直列３相巻線が分離配置されたステータコアを示す模式図である。図２１は図２０に示されるステータコアのティースを示す模式展開図である。図２２は第４実施例に採用されるティース式ロータコアを示す模式図である。図２３は第４実施例に採用される界磁電流コントローラを示す配線図である。図２４は３相モードのロータ極配置を示す模式図である。図２５は単相モードのロータ極配置を示す模式図である。図２６は第５実施例の４レグインバータを示す配線図である。図２７は３相モータモードで駆動される４レグインバータの第１の電流状態を示す配線図である。図２８は３相モータモードで駆動される４レグインバータの第２の電流状態を示す配線図である。図２９は３相モータモードで駆動される４レグインバータの第３の電流状態を示す配線図である。図３０は３相モータモードで駆動される４レグインバータの第４の電流状態を示す配線図である。図３１は３相モータモードで駆動される４レグインバータの第５の電流状態を示す配線図である。図３２は３相モータモードで駆動される４レグインバータの第６の電流状態を示す配線図である。図３３は単相モードで駆動される４レグインバータの第１の電流状態を示す配線図である。図３４は単相モードで駆動される４レグインバータの第２の電流状態を示す配線図である。図３５は第６実施例の８レグインバータを示す配線図である。図３６は第７実施例の１０レグインバータを示す配線図である。図３７は図３６に示される９個の相コイルの配置を示す模式展開図である。図３８は新��相モータモードを示すベクトル図である。図３９は９相モータモードを示すベクトル図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
可変速交流電気機械に関する本発明の好適な態様が図面を参照して説明される。
【００２５】
第１実施例
第１実施例のオルタネータは３相モード及び単相モードをもつ界磁コイル式同期発電機により構成されている。ロータコアに巻かれた界磁コイルは３つのコイルからなる。ティース型ロータコアと呼ばれるロータコアは径方向へ突出する多数のティースをもち、各ティースは各ロータ極を構成している。一部のティースの極性変更により、単相モードのロータ極数は３相モードのロータ極数の３倍となる。
【００２６】
図１に示されるこのオルタネータはステータコイル１、整流器２Ｓ、Hブリッジ４、界磁コイル５、コントローラ６及びダイオードリング７をもつ。Hブリッジ４及びダイオードリング７は、コントローラ６により制御される界磁電流コントローラを構成している。直列３相巻線と呼ばれるステータコイル１は、直列接続された３個の相コイル１U、１V及び１Wからなる。相コイル１Ｕ、１Ｖ及び１Ｗは、３相モードにおいて互いに電気角１２０度離れており、単相モードにおいて互いに電気角０度離れている。ステータコイル１が巻かれたステータコアの一例が図５−図１４に示されている。界磁電流が界磁コイル５に供給される時、相コイル１UはU相起電力Vuを発生し、相コイル１VはV相起電力Vvを発生し、相コイル１WはW相起電力Vwを発生する。起電力はEMFと略称される。
【００２７】
バッテリ９に接続される整流器２Ｓは４つのダイオードレグ２Ａ−２Ｄからなり、４レグコンバータと呼ばれる。しかし、４レグコンバータは４つのスイッチレグからなる４レグインバータを含む。レグ２Aは直列接続された上アームダイオード２１及び下アームダイオード２２からなる。レグ２Bは直列接続された上アームダイオード２３及び下アームダイオード２４からなる。レグ２Cは直列接続された上アームダイオード２５及び下アームダイオード２６からなる。レグ２Dは直列接続された上アームダイオード２７及び下アームダイオード２８からなる。
【００２８】
レグ２Aの交流（AC)端子は相コイル１Uの一端に接続され、レグ２BのAC端子は相コイル１Uの他端及び相コイル１Vの一端に接続されている。レグ２CのAC端子は相コイル１Vの他端及び相コイル１Wの一端に接続され、レグ２DのAC端子は相コイル１Wの他端に接続されている。レグ２A−２Dの正の直流（DC)端子はバッテリ９の正極に接続され、レグ２A−２Dの負のDC端子はバッテリ９の負極に接続されている。
【００２９】
界磁電流の量及び方向を制御するためのHブリッジ４はレグ４A及び４Bからなる。レグ４Aは直列接続された上アームスイッチ４５及び下アームスイッチ４２からなる。レグ４Bは直列接続された上アームスイッチ４１及び下アームスイッチ４６からなる。スイッチ４１、４２、４５及び４６はそれぞれ、逆並列ダイオードをもつNMOSトランジスタからなる。スイッチ４１及び４５のドレイン電極はバッテリ９の正極に接続され、スイッチ４２及び４６のソース電極はバッテリ９の負極に接続されている。
【００３０】
３つのコイル５３−５５からなる界磁コイル５は、図２２に示されるロータコア１３に巻かれている。ダイオードリング７は４つのダイオード７４−７７をもつ。レグ４ＡのAC端子はダイオード７４のアノード電極及びダイオード７７のカソード電極に接続されている。ダイオード７４及び７６のカソード電極はコイル５３の一端に接続され、コイル５３の他端はダイオード７５及び７７のアノード電極に接続されている。レグ４BのAC端子は、ダイオード７６のアノード電極及びダイオード７５のカソード電極に接続されている。さらに、コイル５４及び５５がレグ４A及び４Bの間にて並列接続されている。
【００３１】
界磁電流コントローラの基本動作が説明される。界磁電流は３相モードにおいてスイッチ４５からスイッチ４６へ流れる。界磁電流は単相モードにおいてスイッチ４１からスイッチ４２へ流れる。コイル５３を通じて流れている界磁電流の方向はたとえモードが変更されても一定となる。しかし、コイル５４及び５５を通じて流れている界磁電流の方向はモードの変更により反対となる。
【００３２】
図２２に示されるティース式ロータコア１３は、３相モードにおいて実質的に２極をもち、単相モードにおいて実質的に６極をもつ。好適には、３相モードの１ロータ極ピッチはステータコアの３ティースピッチに相当する。同様に、単相モードの１ロータ極ピッチはステータコアの１ティースピッチに相当する。言い換えれば、１ティースピッチは、３相モードの電気角６０度に相当し、単相モードの電気角１８０度に相当する。
【００３３】
図２はダイオードリング７を示す側面図である。回転軸１０はモータハウジング１１に回転自在に支持されている。ロータコア１３に隣接するダイオードリング７は回転軸１０に嵌められている。ダイオードリング７から突出する端子７１−７３はダイオード７４−７７を図略のスリップリング及び界磁コイル５に電気的に接続する。ダイオード７４−７７は耐熱樹脂製のダイオードリング７の内部に埋設されている。
【００３４】
界磁電流は、３相モードにおいてスイッチ４５のデユーティ比制御により調整され、単相モードにおいてスイッチ４１のデユーティ比制御により調整される。相コイル１Ｕ、１Ｖ及び１Ｗはそれぞれ、略正弦波形の相電圧Ｖｕ、Ｖｖ及びＶｗを発生する。３つの相電圧Ｖｕ、Ｖｖ及びＶｗの間の位相角はそれぞれ３相モードにおいて電気角１２０度であり、単相モードにおいて電気角０度である。言い換えれば、３つの相電圧Ｖｕ、Ｖｖ及びＶｗは単相モードにおいて同相となる。３相モードにおいて、レグ２Ａ−２Ｄはいわゆる３相全波整流法で相電圧Ｖｕ、Ｖｖ及びＶｗを整流する。単相モードにおいて、レグ２A及び２Dはいわゆる単相全波整流法で相電圧Ｖｕ、Ｖｖ及びＶｗの和を整流する。
【００３５】
単相モードは３相モードと比べて３倍の極数及び３倍の巻数をもつ。したがって、オルタネータは、たとえステータコイル１の巻数が低減されても、低速領域にて十分な発電電圧を発生することができる。その結果、このオルタネータは低速発電性能を犠牲とすることなく、中速領域及び高速領域における銅損を低減することができる。
【００３６】
図１に示される界磁電流コントローラ及び図２２に示されるティース式ロータコアの代わりに、図３に示される界磁電流コントローラ及び図４に示されるランデル式ロータコアを採用することも可能である。
【００３７】
第２実施例
第２実施例のスタータジエネレータが図３を参照して説明される。このスタータジエネレータはステータコイル１、インバータ２、バッテリスイッチ３、Hブリッジ４、界磁コイル５、コントローラ６及びダイオードリング７をもつ。コントローラ６はインバータ２、バッテリスイッチ３及びHブリッジ４を制御する。Hブリッジ４及びダイオードリング７は界磁電流コントローラを構成する。
【００３８】
このスタータジエネレータは３相モード及び単相モードをもつ界磁コイル式同期機である。第１実施例と同様のロータ極数の変更により、このスタータジエネレータは３相モード及び単相モードのどちらかを選択する。したがって、第２実施例のスタータジエネレータ及び第１実施例のオルタネータは多くの共通要素をもつ。しかし、このスタータジエネレータは第1実施例のティース式ロータコアの代わりにランデル型ロータコアを採用する。さらに、界磁電流コントローラ及びレグ２Ａ及び２Ｄが変更され、バッテリスイッチ３が追加される。
【００３９】
直列３相巻線と呼ばれるステータコイル１は、直列接続された３個の相コイル１U、１V及び１Wからなる。相コイル１UはU相起電力Vuを発生し、相コイル１VはV相起電力Vvを発生し、相コイル１WはW相起電力Vwを発生する。
【００４０】
４レグインバータと呼ばれる３相のインバータ２は２つのスイッチレグ２A及び２B及び２つのダイオードレグ２B及び２Cからなる。スイッチレグ２Aは直列接続された上アームスイッチ２１及び下アームスイッチ２２からなる。スイッチレグ２Dは直列接続された上アームスイッチ２７及び下アームスイッチ２８からなる。スイッチ２１、２２、２７及び２８はそれぞれ逆並列ダイオードをもつNMOSトランジスタからなる。ダイオードレグ２Bは直列接続された上アームダイオード２３及び下アームダイオード２４からなる。ダイオードレグ２Cは直列接続された上アームダイオード２５及び下アームダイオード２６からなる。
【００４１】
スイッチレグ２Aの交流端子は相コイル１Uの一端に接続され、スイッチレグ２Dの交流端子は相コイル１Wの一端に接続されている。ダイオ−ドレグ２Bの交流端子は相コイル１Uの他端に接続され、ダイオードレグ２Cの交流端子は相コイル１Wの他端に接続されている。スイッチレグ２A及び２Dの正の直流端子は高電圧キャパシタ８の正極に接続される。ダイオードレグ２B及び２Cの正の直流端子はバッテリスイッチ３を通じて低電圧バッテリ９の正極に接続される。キャパシタ８及びバッテリ９の負極は接地されている。バッテリスイッチ３は逆並列ダイオードをもつNMOSトランジスタからなり、この逆並列ダイオードのアノードはバッテリ９の正極に接続されている。たとえば、バッテリ９の定格電圧は約１４Vであり、キャパシタ８の最高電圧は約５０Vである。
【００４２】
界磁電流の量及び方向をを制御するためのHブリッジ４は、図１に示されるオルタネータのHブリッジ４と同じである。界磁コイル５は互いに等しい巻数をもつ２つのコイル５１及び５２からなる。同じ巻方向をもつコイル５１及び５２は周知のランデル型ロータコアのボス部に巻かれている。ダイオードリング７はダイオード７６−７７及びＭＯＳトランジスタ７０をもつ。レグ４Ａの交流端子に電気的に接続されるスリップリング４８は、コイル５１の一端、ダイオード７７のカソード電極及びＭＯＳトランジスタ７０のゲート電極に接続されている。コイル５１の他端は、ＭＯＳトランジスタ７０のドレイン電極及びダイオード７６のカソード電極に接続されている。ＭＯＳトランジスタ７０のソース電極はコイル５２の一端及びダイオード７７のアノード電極に接続されている。レグ４Ｂの交流端子に接続されるスリップリング４９はコイル５２の他端及びダイオード７６のアノード電極に接続されている。
【００４３】
第２実施例の界磁電流コントローラは直列モード及び並列モードをもつ。直列モードはコイル５１及び５２を直列接続し、並列モードはコイル５１及び５２を並列接続する。直列モードによれば、スイッチ４１及び４２がオフされ、スイッチ４５及び４６がオンされる。レグ４Ａの交流端子の電位が上昇するため、ＭＯＳトランジスタ７０は自動的にオンされる。その結果、界磁電流はバッテリ９からスイッチ４５、コイル５１、ＭＯＳトランジスタ７０、コイル５２、スイッチ４６を通じて流れる。言い換えれば、コイル５１及び５２は直列接続される。界磁電流はスイッチ４５のデユーティ比を制御することにより制御される。スイッチ４５がオフされる時、コイル５１及び５２のフリーホィーリング電流がスイッチ４２の逆並列ダイオード及びスイッチ４６を通じて循環する。スイッチ４５及び４６がオフされる時、回生電流がスイッチ４１及び４２の逆並列ダイオードを通じてキャパシタ８に流れ、界磁束が速やかに減衰する。
【００４４】
並列モードによれば、スイッチ４５及び４６がオフされ、スイッチ４１及び４２がオンされる。レグ４Ａの交流端子の電位が低下するため、ＭＯＳトランジスタ７０は自動的にオフされる。界磁電流の一半がキャパシタ８からスイッチ４１、コイル５２、ダイオード７７及びスイッチ４２を通じて流れ、界磁電流の他の半分がキャパシタ８からスイッチ４１、ダイオード７６、コイル５１及びスイッチ４２を通じて流れる。スイッチ４１のデユーティ比を制御することにより界磁電流が制御される。スイッチ４１がオフされる時、コイル５１及び５２の不利ホィーリング電流がスイッチ４６の逆並列ダイオード及びスイッチ４２を通じて循環する。スイッチ４１及び４２がオフされる時、回生電流がスイッチ４５及び４６の逆並列ダイオードを通じてバッテリ９を充電する。コイル５１及び５２を流れる界磁電流の方向は、直列モードと並列モードとの切替により反対となる。
【００４５】
図４はランデル型ロータを示す側面図である。このロータは回転軸１０に固定されたランデル型ロータコア１２をもつ。界磁コイル５が軟鉄製のロータコア１２のボス部に巻かれている。ロータコア１２は、周方向へ等ピッチで配置された４つの爪部６１−６４をもつ。L字状の爪部６１及び６２はロータコア１２のボス部の一端から径方向へ突出した後、図略のステータコアの内周面に沿って軸方向前方へ延在している。L字状の爪部６３及び６４はボス部の他端から径方向へ突出した後、軸方向後方へ延在している。
【００４６】
図略のステータコアに対面する爪部６１−６４の外周面部はそれぞれ凹部６０を有している。各凹部６０は爪部６１−６４の外周面部の各中央部に配置されている。永久磁石６５が爪部６１の凹部６０に固定され、永久磁石６６が爪部６２の凹部６０に固定されている。永久磁石６５及び６６の外面は磁化されてN
極をもつ。同様に、永久磁石６７が爪部６３の凹部６０に固定され、永久磁石６８が爪部６４の凹部６０に固定されている。永久磁石６７及び６８の外面は磁化されてS極をもつ。爪部６１−６４の外周面部はそれぞれ、凹部６０を挟む２つのコア部６９をもつ。結局、８個のコア部６９と４個の永久磁石６５−６８が周方向へ等ピッチで配置されている。
【００４７】
直列モードによれば、バッテリ９により供給される界磁電流により、爪部６１及び６２の４つのコア部６９はN極に磁化され、爪部６３及び６４の４つのコア部６９はS極に磁化される。これにより、爪部６１及び６２のコア極６９が永久磁石６５及び６６と同じ極性となるため、爪部６１及び６２はそれぞれ、N極をもつ一つのロータ極となる。同様に、爪部６３及び６４のコア極６９は永久磁石６７及び６８と同じ極性となるため、爪部６３及び６４はそれぞれ、S極をもつ一つのロータ極となる。結局、ランデル型ロータコアは直列モードにおいて等価的に４つのロータ極をもつ。この直列モードは３相モードにおいて採用される。
【００４８】
並列モードによれば、キャパシタ８により供給される界磁電流により、爪部６１及び６２の４つのコア部６９はS極に磁化され、爪部６３及び６４の４つのコア部６９はN極に磁化される。爪部６１及び６２のコア極６９は永久磁石６５及び６６と反対極性となるため、爪部６１及び６２はそれぞれ、２つのS極と一つのN極をもつ。同様に、爪部６３及び６４のコア極６９は永久磁石６７及び６８と反対極性となるため、爪部６３及び６４はそれぞれ、２つのN極と一つのS極をもつ。これにより、ランデル型ロータコアは並列モードにおいて１２個のロータ極をもつ。結局、界磁電流の方向を反転することにより、ロータ極数は３倍となる。この並列モードは単相モードにおいて採用される。
【００４９】
インバータ２は３相モード及び単相モードをもつ。相コイル１U、１V及び１Wは、３相モードにおいて互いに電気角１２０度離れた逆起電力Vu、Vv及びVwを発生する。相コイル１U、１V及び１Wは単相モードにおいて互いに等しい逆起電力Vu、Vv及びVwを発生する。したがって、３相モードによれば、逆起電力Vu、Vｖ及びVwの和はゼロとなる。３相モードは発電モード及び低速制動モードで使用され、単相モードはエンジン始動モード、トルクアシストモード及び高速制動モードで使用される。さらに、単相モードは低速発電モードにおいて採用される。しかし、単相同期モータはトルクがゼロとなるトルク死点をもつ。この実施例によれば、所定のシリンダに噴射された燃料は、エンジン始動が指令された時に点火される。これにより、エンジンのクランクシャフトに連結されるスタータジエネレータのロータがエンジン始動初期に回転される。
【００５０】
単相モード及び３相モードにおけるステータの電流分布が図５−図１４を参照して説明される。ステータコア１００は６個のティース１０１を有する。隣接する２つのティースの間の周方向距離であるティースピッチは互いに等しい。図４に示されるロータコア１２は単相モードにおいて１２極をもつため、ステータコア１００は正確には１２個のティース１０１をもつ。言い換えれば、互いに隣接する３つのティース１０１はランデル型ロータコアの１つの爪部ピッチを占める。
【００５１】
図５及び図６は分布巻き３相ステータコイルにより形成される３相モードのステータ電流分布を示す。図５はロータの電気角が０である時点を示し、図６はロータの電気角が６０度である時点を示す。相コイル１U、１V及び１Wはティース１０１の間に形成された６個のスロット１０２に分布巻きされている。U相コイル１Uは、第１スロットに収容される導体Uと、第４スロットに収容される導体−Uとからなる。V相コイル１Vは、第２スロットに収容される導体Vと、第５スロットに収容される導体−Vとからなる。W相コイル１Wは、第３スロットに収容される導体Wと、第６スロットに収容される導体−Wとからなる。U相電流がU相コイル１Uに流れ、V相電流がV相コイル１Vに流れ、W相電流がW相コイル１Wに流れている。３つの相電流の間の各位相差は３相モードにおいてそれぞれ電気角１２０度である。
【００５２】
図５において、互いに隣接する３つの導体−W、U及び−Wを個別に流れる３つの相電流は同じ方向をもち、互いに隣接する３つの導体W、−U及びVを流れる３つの相電流と反対の方向をもつ。これにより、ステータコア１００は実質的に２つのステータ極をもつ。
【００５３】
図６において、隣接する３つの導体W、−V及びUを流れる３つの相電流は同じ方向をもち、互いに隣接する３つの導体−U、V及び−Wを個別に流れる３つの相電流と反対の方向をもつ。これにより、ステータコア１００は実質的に２つのステータ極をもつ。図６のステータ磁界は図５のステータ磁界から電気角６０度回転している。結局、３つの相電流の間の位相差は電気角１２０度であり、２つのステータ極をもつ３相回転磁界は、従来の３相巻線により形成される３相回転磁界と同じである。
【００５４】
図７及び図８は、分布巻き３相ステータコイルにより形成される単相モードのステータ電流分布を示す。U相電流、V相電流及びW相電流は同じ位相をもつ。したがって、奇数番目のスロットの導体を流れる相電流は、偶数番目のスロットの導体を流れる相電流と反対の方向へ流れる。
【００５５】
図７はロータの電気角が０である時点を示し、図８はロータの電気角が１８０度である時点を示す。図７において、奇数番目の導体U、V及びWを流れる相電流は還り方向へ流れ、偶数番目の導体−U、−V及び−Wを流れる相電流は往き方向へ流れる。したがって、ステータコア１００は６つのステータ極をもつ。図８において、奇数番目の導体U、V及びWを流れる相電流は往き方向へ流れ、偶数番目の導体−U、−V及び−Wを流れる相電流は還り方向へ流れる。したがって、ステータコア１００は６つのステータ極をもつ。結局、互いに電気角０度離れた３つの相電流は、実質的に６つのステータ極をもつ単相回転磁界を形成する。
【００５６】
図９は図５-図８に示される分布巻き３相ステータコイルの巻線例を示す模式展開図である。６つのコイルＣ１-Ｃ６はステータコア１００の６つのスロットＳ１-Ｓ６に巻かれている。U相コイル１Uは、直列接続されたコイルＣ１及びＣ４からなる。V相コイル１Vは、直列接続されたコイルＣ２及びＣ５からなる。W相コイル１Wは、直列接続されたコイルＣ３及びＣ６からなる。図１０はコイルＣ１-Ｃ６を駆動するための４レグコンバータ２を示す。レグ２A−２Dからなるこの４レグインバータ２は、U相電流IU、V相電流IV及びW相電流IWを供給する。
【００５７】
図１１及び図１２は、集中巻き３相ステータコイルにより形成される３相モードの電流分布を示す。図１１はロータの電気角が０である時点を示し、図１２はロータの電気角が６０度である時点を示す。相コイル１U、１V及び１Wが６つのティース１０１に順番に集中巻きされている。U相コイル１Uは、第１スロットに巻かれたコイルUと、第４スロットに巻かれたコイル−Uとからなる。直列接続されたコイルU及びコイル−Uは互いに逆向きの磁界を形成する。V相コイル１Vは、第３スロットに巻かれたコイルVと、第６スロットに巻かれたコイル−Vとからなる。直列接続されたコイルV及びコイル−Vは互いに逆向きの磁界を形成する。W相コイル１Wは、第５スロットに巻かれたコイルWと、第２スロットに巻かれたコイル−Wとからなる。直列接続されたコイルW及びコイル−Wは互いに逆向きの磁界を形成する。U相電流がU相コイル１Uに流れ、V相電流がV相コイル１Vに流れ、W相電流がW相コイル１Wに流れる。３つの相電流IU、１V及び１Wの間の位相角差は３相モードにおいて電気角１２０度である。
【００５８】
図１１及び図１２によれば、ステータコア１００は実質的に２つのステータ極をもつ。図１２のステータ磁界は図１１のステータ磁界に対して電気角６０度シフトしている。互いに電気角１２０度離れた３つの相電流からなる３相電流がステータコイル１に流れる時、３相ステータ磁界は実質的に２極をもつことが理解される。この３相回転磁界は従来の３相ステータコイルにより形成される３相回転磁界と同じである。
【００５９】
図１３及び図１４は、集中巻き３相ステータコイルにより形成される単相モードの電流分布を示す。この単相モードにおいて、U相電流、V相電流及びW相電流は同じ位相をもつ。図１３はロータの電気角が０である時点を示し、図１４はロータの電気角が１８０度である時点を示す。図１３によれば、奇数番目のティース１０１はN極となり、偶数番目のティース１０１はS極となる。ステータコア１００は６つのステータ極をもつ。図１４によれば、奇数番目のティース１０１はS極となり、偶数番目のティース１０１はN極となる。ステータコア１００は６つのステータ極をもつ。単相電流が３つの相コイル１U、１V及び１Wを流れる時、ステータの磁界は６極をもつことが理解される。コントローラ６により遂行される動作モードが図３及び図１５を参照して説明される。
【００６０】
リカバリモード
最初に、キャパシタ８の電圧がエンジン始動に十分か否かか判定される（S100)。キャパシタ電圧Vcが所定値Vthより低ければ、リカバリモードが指令される。このリカバリモードによれば、スイッチ４１及び４２がオフされ、スイッチ４５及び４６が同期してスイッチングされる（S102)。スイッチ４５及び４６がオンされる時に、界磁電流がバッテリ９からコイル５１及びコイル５２に流れる。スイッチ４５及び４６がオフされる時に、回生電流がスイッチ４２及び４１の逆並列ダイオードを通じてキャパシタ８に流れる。キャパシタ８の電圧Vcが所定値に達した時、この昇圧充電モードは終了される。
【００６１】
エンジン始動モード
エンジン始動が指令されたと判定されれば（S104)、エンジン始動モードが実行される（S106)。まず、エンジンの所定のシリンダに噴射された燃料が点火され、スタータジエネレータのロータが回転を開始する。さらに、並列モードが開始され、界磁電流がキャパシタ８からコイル５１及び５２へ流れる。コイル５１及び５２が並列接続され、かつ、キャパシタ８の電圧が高いため、界磁電流は非常に急速に立ち上がる。
【００６２】
次に、単相モードが開始され、スイッチレグ２A及び２Dがロータの回転角に応じてスイチングされる。バッテリスイッチ３はオフされている。これにより、単相電流がキャパシタ８から相コイル１U、１V及び１Wに供給される。極数及び巻数がそれぞれ３倍となるため、この単相モードはステータ電流の増加を抑止しつつエンジン始動トルクを発生する。
【００６３】
キャパシタ回復モード
次に、エンジン始動が完了したと判定されれば、キャパシタ回復モードが実行される（S108)。このキャパシタ回復モードによれば、単相モード及び並列モードが実行される。相コイル１U、１V及び１Wにより発電される単相発電電圧の和が２つのスイッチレグ２A及び２Dにより整流されてキャパシタ８に印加される。並列接続されたコイル５１及び５２に流れる界磁電流はスイッチ４１のデユーティ比制御により調整される。キャパシタ８の電圧Vｃが所定値Vthを超えたら、スイッチ４１及び４２がオフされる。バッテリスイッチ３はオフされている。
【００６４】
相電圧Vu、Vv及びVwの和がエンジンの低回転速度の故にキャパシタ８の所定電圧値よりも低い時、昇圧動作が実施される。この昇圧動作によれば、下アームスイッチ２２及び２８が同期スイッチングされる。下アームスイッチ２２及び２８がオンされる時に、磁気エネルギーが相コイル１U、１V及び１Wに蓄積される。下アームスイッチ２２及び２８のオフにより昇圧された後、相コイル１U、１V及び１Wの相電圧の和はキャパシタ８を充電する。
【００６５】
発電モード
次に、バッテリ９の電圧が所定値未満である時、３相モードの実行によりバッテリ９が充電される（S110)。まず、直列モードが開始され、スイッチ４１及び４２がオフされる。バッテリスイッチ３、スイッチ４５及び４６がオンされる。トランジスタ７０はオンされる。これにより、界磁電流がバッテリ９からコイル５１及び５２に直列に供給される。相コイル１U、１V及び１Wは互いに電気角１２０度離れた３つの相電圧Vu、Vv及びVwを発生する。インバータ２により整流された３相電圧は上アームダイオード２３及び２５を通じてバッテリ９に印加される。この整流された３相電圧はスイッチ４５のデユーティ比の制御により調整される。
【００６６】
３相モードにおいてダイオード２３及び２５から出力される整流電圧は、U相電圧Vuの正の半波成分、W相電圧Vwの負の半波成分及びV相電圧Vvの全波整流成分の包絡線波形となる。３相モードはキャパシタ８を充電しない。なぜなら、直列接続された３つの相コイル１U、１V及び１Wの発電電圧の和がゼロとなるためである。
【００６７】
回転数低下により３相発電モードによるバッテリ９の充電が不能となる時、単相モードが実行される。並列モードが実行される時、スイッチ４５及び４６がオフされ、スイッチ４２がオンされ、スイッチ４１がスイッチングされる。ロータ極数が３相モードの３倍となり、かつ、ステータコイル１の巻数が３相モードの２倍となるため、単相整流電圧がダイオード２３及び２５を通じてバッテリ９に印加される。この単相発電モードがさらに説明される。ステータコイル１が発電する単相電圧の正の半波期間において、相コイル１U及び１Vの発電電圧の和が下アームスイッチ２２の逆並列ダイオードと上アームダイオード２５を通じてバッテリ９に印加される。同様に、この単相電圧の負の半波期間において、相コイル１V及び１Wの発電電圧の和が下アームスイッチ２８の逆並列ダイオードと上アームダイオード２３を通じてバッテリ９に印加される。
【００６８】
発電モードにおける永久磁石６５−６８の影響が説明される。永久磁石６５−６８はたとえ界磁電流がゼロであっても発電電圧を発生する。永久磁石による発電は界磁電流を減らす。バッテリ充電電流の調整はバッテリスイッチ３の制御により実施される。永久磁石による発電の欠点は、高速領域において界磁電流をゼロとしても、バッテリ９に印加される整流電圧がバッテリ電圧よりも高くなり過ぎるかもしれないことである。この問題を解決するために、バッテリ９の電圧が所定値を超える時にバッテリスイッチ３がオフされる。
【００６９】
トルクアシストモード
トルクアシストが指令されたと判定されれば（S112)、トルクアシストモードが実行される（S114)。まず、並列モードが実行され、界磁電流が急速に立ち上がる。次に、スイッチレグ２A及び２Dが単相モードでスイチングされる。これにより、ロータ回転角に応じて制御される単相電流がキャパシタ８から相コイル１Ｕ、１Ｖ及び１Ｗに供給される。スタータジエネレータは単相モータトルクを発生する。トルク指令値に基づいてスイッチ４１及びスイッチレグ２A及び２Dを制御することにより、このモータトルクは調整される。
【００７０】
回生モード
車両の制動が指令されたと判定されれば（S116)、回生モードが実行される（S118)。この回生モードは高速回生モード及び低速回生モードを含む。車両速度が高ければ、高速回生モードが実行される。並列モードの実行により界磁電流が急速に立ち上がる。これにより、単相整流電圧がスイッチ２１及び２７の逆並列ダイオードを通じてキャパシタ８に印加される。キャパシタ８の充電電流はスイッチ４１のスイッチングにより制御される。
【００７１】
バッテリ９の電圧が低ければ、バッテリスイッチ３がこの高速回生モードにおいてオンされる。これにより、ダイオード２３及び２５はバッテリ９を充電する。バッテリ９の電圧が所定値を超えたら、バッテリスイッチ３がオフされる。キャパシタ８の電圧が所定の最高電圧に達したら、並列モードが終了され、高速回生モードが終了される。
【００７２】
永久磁石６５−６８がロータコア１２に固定されているため、たとえスイッチ４１及び４２がオフされてもステータコイル１は発電電圧を発生する。したがって、スイッチレグ２A及び２Dにより整流された単相整流電圧がキャパシタ８の最高電圧を超えるかもしれない。この過剰充電問題を防ぐために、並列モードの代わりに直列モードが採用される。これにより、直列接続された３つの相コイル１U、１V及び１Wの発電電圧の合計はゼロとなり、キャパシタ８の過剰充電は防止される。車両速度が低ければ、バッテリ９を充電するための低速回生モードが実行される。この低速回生モードによれば、ダイオード２３及び２５がバッテリ９を充電する。界磁電流の供給のために、直列モード及び並列モードのどちらかが採用される。
【００７３】
第２実施例の利点が説明される。第１に、バッテリ電圧を昇圧することによりキャパシタ８を充電することができる。界磁コイル５をリアクトルとして用いるこの昇圧充電はキャパシタ８の電圧が低い時に実行される。第２に、並列モードを採用することにより、界磁電流を急速に立ち上げることができる。なぜなら、キャパシタ８の高電圧及び界磁コイル５の低インピーダンス値を使用できるからである。第３に、単相モードが採用されるため、エンジン始動、トルクアシスト及び回生制動が強力となる。
【００７４】
第１の変形態様
第１の変形態様が図３を参照して説明される。トランジスタ７０と２つのダイオード５１及び５２を回転軸に固定されるにより、界磁コイル５の２つのコイル５１及び５２は直列モードと並列モードとをもつことができる。界磁コイルの巻数を切替可能なこのアイデアは、極数を変更しない従来のオルタネータやスタータジエネレータに適用されることができる。これにより、従来のオルタネータやスタータジエネレータの界磁電流を急速に立ち上げることができる。したがって、オルタネータによる回生制動は急速に実行され、スタータジエネレータによるエンジン始動遅れは短縮される。
【００７５】
第２の変形態様
第２の変形態様が図３を参照して説明される。界磁電流の立ち上がり特性を変更するために、Hブリッジ４の一つのレグ４Aは低電圧バッテリ９に接続され、他の一つのレグ４Bは高電圧キャパシタ８に接続される。このアイデアは、一定のロータ極数及び界磁コイルの一定のインピーダンス値をもつ従来のオルタネータやスタータジエネレータにも適用されることができる。これにより、従来のオルタネータやスタータジエネレータの界磁電流を急速に立ち上げることができる。したがって、オルタネータによる回生制動は急速に実行され、スタータジエネレータによるエンジン始動遅れは短縮される。
【００７６】
第３の変形態様
第３の変形態様が図３を参照して説明される。Hブリッジ４及び界磁コイル５を昇圧チョッパとして動作させることにより、低電圧バッテリ９は高電圧キャパシタ８を充電することができる。このアイデアは、一定のロータ極数及び界磁コイルの一定のインピーダンス値をもつ従来のオルタネータやスタータジエネレータにも適用されることができる。
【００７７】
第３実施例
第３実施例のスタータジエネレータが図１６−図２２を参照して説明される。このスタータジエネレータは、ステータコイル１A、インバータ２X、バッテリスイッチ３、Hブリッジ４、界磁コイル５、コントローラ６及びダイオードリング７をもつ。Hブリッジ４及びダイオードリング７は界磁電流コントローラを構成する。第３実施例のスタータジエネレータは、第２実施例の単相モードの代わりに２相モードを実行し、第２実施例の３相モードの代わり６相モードを実行する。２相モードの実行は２つの単相モードの実行と均等であり、６相モードの実行は２つの３相モードの実行と均等である。したがって、２相モードは６相モードの３倍の極数をもつ。
【００７８】
ステータコアに巻かれたステータコイル１Ａは、直列に接続された相コイル１U、１V、１W、１X、１Y及び１Zをもつ。ステータコイル１Aは直列６相巻線と呼ばれる。言い換えれば、ステータコイル１Aは、相コイル１U、１V及び１Wからなる第一の直列３相巻線と、相コイル１X、１Y及び１Zからなる第二の直列３相巻線とからなる。
【００７９】
７レグインバータと呼ばれるインバータ２Xは７つのレグ２A、２B、２C、２D、２E、２F及び２Gをもつ。インバータ２Xは、レグ２A−２Dからなる第一の４レグインバータと、レグ２D−２Gからなる第二の４レグインバータとからなると見なすことができる。第一、第二の４レグインバータはそれぞれ単相モード及び３相モードをもつ。第一、第二の４レグインバータがそれぞれ単相モードで駆動される時、インバータ２Xは２相モードをもつ。第一、第二のの４レグインバータがそれぞれ３相モードで駆動される時、インバータ２Xは６相モードをもつ。
【００８０】
４つのレグ２A−２Dは図３に示されるレグ２A−２Dと等しい。ダイオードレグ２Eの交流端子は相コイル１X及び１Yの接続点に接続され。ダイオードレグ２Fの交流端子は相コイル１Y及び１Zの接続点に接続されている。スイッチレグ２Gの交流端子は相コイル１Zの独立端に接続されている。U相電流IUがU相コイル１Uを流れ、V相電流IVがV相コイル１Vを流れ、W相電流IWがW相コイル１Wを流れる。同様に、X相電流IXがX相コイル１Xを流れ、Y相電流IYがY相コイル１Yを流れ、Z相電流IZがZ相コイル１Zを流れる。
【００８１】
図１６に示される界磁電流コントローラは、図１に示される界磁電流コントローラと本質的に等しい。けれども、図１６によれば、３つのコイル５３−５６は直列に接続され、コイル５３を流れる電流の方向が変更され、コイル５４及び５５を流れる電流は変更されない。３つのコイル５３−５５は、図２２に示されるティース式ロータコア１３に巻かれている。ダイオードリング７は３つのダイオード７４、７６及び７７からなる。レグ４Ａの交流端子はダイオード７４のアノード電極及びダイオード７７のカソード電極に接続されている。ダイオード７４及びダイオード７６のカソード電極はコイル５５の一端に接続されている。コイル５５の他端はコイル５４の一端に接続され、コイル５４の他端はダイオード７７のアノード電極及びコイル５３の一端に接続されている。レグ４Bの交流端子はコイル５３の他端及びダイオード７６のアノード電極に接続されている。
【００８２】
界磁電流コントローラは直列モード及び並列モードをもつ。直列モードによれば、スイッチ４１及び４２がオフされ、スイッチ４５及び４６がオンされる。界磁電流はダイオード７４、コイル５５、５４及び５３を順番に流れる。並列モードによれば、スイッチ４５及び４６がオフされ、スイッチ４１及び４２がオンされる。界磁電流の一部がコイル５３及びダイオード７７を通じて流れ、界磁電流の残りがダイオード７６、コイル５５、コイル５４及びダイオード７７の順に流れる。結局、モード変更により、コイル５５及び５４を流れる界磁電流の方向は不変であり、コイル５３を流れる界磁電流の方向は切り替えられる。並列モードによれば、キャパシタ８が界磁コイル５に高電圧を印加し、かつ、界磁コイル５のインピーダンス値が減少されるために、界磁電流が急速に立ち上がる。
【００８３】
６相モードは直列モードにより実行され、２相モードは並列モードにより実行される。これにより、図２２に示されるロータコア１３は、６相モードにおいて実質的に２極をもち、２相モードにおいて実質的に６極をもつ。コイル５５及び５４の巻数は等しくされる。コイル５３−５５の巻数比は実験結果に基づいて設定される。結局、図１６に示される界磁コイル５及びダイオードリング７はロータ極数及び界磁コイル５の巻数の両方を変更することが理解される。図１６に示される界磁電流コントローラ及び図２２に示されるティース式ロータコアの代わりに、図３に示される界磁電流コントローラ及び図４に示されるランデル型ロータコアを採用することも可能である。
【００８４】
図１７は２相モードにおける６つの相電流のベクトルを示す。この相モードによれば、３つのスイッチレグ２A、２D及び２Gが使用される。ロータの極数が３倍となるため、３つの相コイル１U、１V及び１Wに生じる第一の逆起電力は同相となり、３つの相コイル１X、１Y及び１Zに生じる第二の逆起電力は同相となる。さらに、第一の逆起電力と第二の逆起電力との間の位相差は電気角９０度となる。
【００８５】
この２相モードは、エンジン始動モード、トルクアシストモード及び高速回生モードにおいて使用される。スイッチレグ２A及び２Dを制御することにより、３つの相コイル１U、１V及び１Wに流れる第一の相電流I1（＝IU＝IV＝IW）が制御される。同様に、スイッチレグ２D及び２Gを制御することにより、３つの相コイル１X、１Y及び１Zに流れる第二の相電流I２（＝IX＝IY＝IZ）が制御される。スイッチレグ２Dは電流差（I１−I２)を供給するために制御される。スイッチレグ２A、２D及び２Gを制御することにより、２つの相電流I１及びI２の間の位相差は電気角９０度に維持される。これにより、スタータジエネレータはエンジン始動トルクを発生可能な２相同期モータとなる。なお、図１６に示される７レグインバータ２Xの代わりに、２つの４レグインバータを用いることも可能である。
【００８６】
図１８は６相モードにおける６つの相電流のベクトルを示す。この６相モードによれば、第一の３相電流の３つの相電流IU、IV及びIWの間の位相差は電気角１２０度であり、第二の３相電流の３つの相電流IX、IY及びIZの間の位相差も電気角１２０度である。さらに、第一の３相電流の一つの相電流と第二の３相電流の一つの相電流との間の位相差は電気角３０度である。この６相モードは、発電モード及び低速回生モードにおいて使用される。上アームダイオード２３、２５、２９及び３１が発電電流をバッテリスイッチ３を通じてバッテリ９に供給する。これにより、バッテリ９に供給される発電電流のリップルは６相モードにおいて低減される。
【００８７】
図１９は、６つの相コイル１U−１Zからなるステータコイル１Aの一つの配置例を示す。ステータコア１００Aは６相モードの電気角３６０度の範囲に１２個のティース１０２をもち、２相モードの電気角３６０度の範囲に４個のティース１０２をもつ。したがって、１ティースピッチは２相モードの電気角９０度に相当し、６相モードの電気角３０度に相当する。ステータコイル１Aはステータコア１００Aに巻かれている。
【００８８】
U相コイル１Uは、直列接続されたコイルU及びコイル−Uからなる。コイルU及び−Uは反対向きの磁界を形成する。V相コイル１Vは、直列接続されたコイルV及びコイル−Vからなる。コイルV及び−Vは反対向きの磁界を形成する。W相コイル１Wは、直列接続されたコイルW及びコイル−Wからなる。コイルW及び−Wは反対向きの磁界を形成する。X相コイル１Xは、直列接続されたコイルX及びコイル−Xからなる。コイルX及びコイル−Xは反対向きの磁界を形成する。Y相コイル１Yは、直列接続されたコイルY及びコイル−Yからなる。コイルY及び−Yは反対向きの磁界を形成する。Z相コイル１Zは、直列接続されたコイルZ及びコイル−Zからなる。コイルZ及び−Zは反対向きの磁界を形成する。
【００８９】
図２０は、６つの相コイル１U−１Zからなるステータコイル１Aのもう一つの配置例を示す。ステータコイル１Aはステータコア１００Bに巻かれている。ステータコイル１Aは、相コイル１U、１V及び１Wからなる第一の３相コイルと、相コイル１X、１Y及び１Zからなる第二の３相コイルからなる。第一の３相コイルと第二の３相コイルはステータコアの互いに異なる領域に配置されている。言い換えれば、第一の３相コイルはステータコア１００Bに別々に巻かれている。
【００９０】
ステータコア１００Bは、それぞれ円弧形状をもつ４つのコア部２０１−２０４からなる。コア部２０１−２０４はそれぞれ、略９０度の各領域を占める。相コイル１U、１V及び１Wからなる第一の３相コイルはコア部２０１及び２０２に巻かれる。相コイル１X、１Y及び１Zからなる第二の３相コイルはコア部２０３及び２０４に巻かれる。第一の３相コイル及び第二の３相コイルは、第１実施例と同様に巻かれる。
【００９１】
図２１はステータコア１００Bのティース１０２の配置例を示す。コア部２０１及び２０２のティース１０２は、コア部２０３及び２０４のティース１０２に比べて半スロットピッチ０．５Psだけシフトしている。したがって、コア部２０１及び２０２に巻かれる相コイル１U、１V及び１Wは、コア部２０３及び２０４に巻かれる相コイル１X、１Y及び１Zに対して半スロットピッチだけシフトしている。半スロットピッチ０．５Psは、図１７に示される２相モードにおける電気角９０度に相当する。結局、第一の３相コイルに流す第一の単相電流と、第二の３相コイルに流す第二の単相電流との間の電気角が９０度である時、ステータコイル１Aは２相モードで駆動される。第一の３相コイルが巻かれるコア部２０１及び２０２が互いに１８０度離れ、第二の３相コイルが巻かれるコア部２０３及び２０４が互いに１８０度離れているため、ステータコア１００Bの振動が低減される。隣接する２つのコア部の間の境界部において、２つの３相コイルは重なり合うことができる。
【００９２】
結局、２相モードは互いに所定の位相差をもつ２つの単相モードからなり、６相モードは互いに位相差をもつ２つの３相モードからなることがわかる。２相/６相切替可能なスタータジエネレータは第２実施例のスタータジエネレータと本質的に同じ利点をもつ。
【００９３】
図２２はティース式ロータコア１３に巻かれた界磁コイル５を示す。ロータコア１３は積層電磁鋼板で製造され、回転軸１０に固定されている。ロータコア１３は等間隔で配置された６つのティース１３１−１３６をもつ。界磁コイル５Aを収容するための６つのスロット１４１−１４６がティース１３１−１３６を分離している。界磁コイル５は３つのコイル５３−５５からなる。コイル５３はスロット１４５及び１４６に巻かれ、コイル５４はスロット１４１及び１４２に巻かれ、コイル５５はスロット１４３及び１４４に巻かれている。
【００９４】
第１実施例によれば、コイル５３を流れる界磁電流はティース１３３及び１３４をN極に磁化し、ティース１３５及び１３６をS極に磁化する。コイル５４及び５５を流れる界磁電流は電流方向の変更により、ティース１３１及び１３２の極性を変更する。同様に、第３実施例によれば、コイル５４及び５５を流れる界磁電流はティース１３１をN極に磁化し、ティース１３２をS極に磁化する。コイル５３を流れる界磁電流は電流方向の変更により、ティース１３３−１３６の極性を変更する。
【００９５】
コイル５３−５５の一部を流れる界磁電流を反転することにより、ティース１３１−１３６の一部の極性が変更されることが理解される。その結果、ロータコア１３は２極又は６極をもつ。コイル５４及び５５の位置にコイル５３を配置し、コイル５３の位置にコイル５４及び５５を配置することも可能である。図２３は図２２に示される界磁コイル５３−５５に供給される界磁電流を制御するもう一つの界磁電流コントローラを示す。
【００９６】
第４実施例
図２４及び図２５は永久磁石のみをもつ極数変更ロータを示す。界磁コイル無しのこのロータは回転軸１０に固定された積層鋼板製のティース式ロータコア１４をもつ。ロータコア１４は周方向において等間隔に配置された磁気突極であるティース１３１−１３６をもつ。永久磁石５２及び５５はロータコア１４のティース１３１及び１３２内に埋め込まれている。ティース１３３−１３６はコア極と呼ばれ、ティース１３１及び１３２はマグネット極と呼ばれる。マグネット極１３１の下に埋め込まれた永久磁石５５はマグネット極１３１の外表面にN極を与える。マグネット極１３２の下に埋め込まれた永久磁石５２はマグネット極１３２の外表面にS極を与える。
【００９７】
フラックスバリアである溝部１４５が隣接する２つのコア極１３３及び１３５の間に形成され、フラックスバリアである溝部１４６が隣接する２つのコア極１３４及び１３６の間に形成されている。フラックスバリア１４１がマグネット極１３１とコア極１３３の間に形成され、フラックスバリア１４２がマグネット極１３１とコア極１３４の間に形成されている。フラックスバリア１４３がマグネット極１３２とコア極１３５の間に形成され、フラックスバリア１４４がマグネット極１３２とコア極１３６の間に形成されている。
【００９８】
図２４は３相モード又は６相モードにおけるロータ極の一つの配置を示す。ステータ電流のｄ軸電流成分により、コア極１３３及び１３４はN極となり、マグネット極１３１のN極はさらに強化される。同様に、コア極１３５及び１３６はS極となり、マグネット極１３２のS極はさらに強化される。結局、このロータは実質的に２極となる。ｄ軸は２つのマグネット極１３１及び１３２の中心を通過する。ｑ軸は２つの溝部１４５及び１４６の中心を通過する。結局、一つのｄ軸と一つのｑ軸とをもつこのロータは２極をもつことができる。
【００９９】
図２５は単相モード又は２相モードにおけるロータ極のもう一つの配置を示す。単相モード又は２相モードの電気角３６０度は３相モード又は６相モードの電気角１２０度に相当する。したがって、単相モード又は２相モードのステータ電流は、従来のｄ軸電流成分に相当するｄ３軸電流成分と、従来のｑ軸電流成分に相当するｑ３軸電流成分とにより構成される。ｄ３軸電流成分により、コア極１３３及び１３４はS極となり、コア極１３５及び１３６はN極となる。ｄ３軸はコア極１３３−１３６及びマグネット極１３１-１３２の中心を通過する。ｑ３軸は溝部１４５−１４６の中心及びフラックスバリア１４１−１４４の中心を通過する。結局、３つのｄ３軸と３つのｑ３軸とをもつこのロータは６極をもつことができる。
【０１００】
第５実施例
図２６に示される第５実施例によれば、昇圧チョッパ８０により昇圧されたDCリンク電圧が４レグインバータ２Yに印加される。この実施例はトラクションモータの駆動に好適である。昇圧チョッパ８０は、リアクトル８１、下アームスイッチ８２及び上アームスイッチ８３からなる。バッテリ９の正極はリアクトル８１を通じて下アームスイッチ８２のドレイン電極及び上アームスイッチ８３のソース電極に接続されている。下アームスイッチ８２のソース電極は接地され、上アームダイオード８３のドレイン電極は４レグインバータ２Yの正の直流端子に接続されている。昇圧チョッパ８０はバッテリ電圧を昇圧し、昇圧電圧を４レグインバータ２Yに印加する。４レグインバータ２Yは、図１に示される４レグコンバータ２Sの８つのダイオードを、逆並列ダイオードをもつ８つのMOSトランジスタをもつ。これにより、この４レグインバータ２Yは、３相モード及び単相モードによりモータ動作を行うことができる。
【０１０１】
図２６に示される４レグインバータ２Yにより実行される３相モータモードが図２７−図３２を参照して具体的に説明される。U相コイルUは逆起電力Vuを発生し、V相コイルVは逆起電力Vｖを発生し、W相コイルWは逆起電力Vwを発生する。電流Iが４レグインバータ２Yを流れる。図２７は逆起電力Vuが最も高い電気角２４０度での状態を示し、図２８は逆起電力Vvが最も低い電気角３００度での状態を示す。言い換えれば、逆起電力Vvは電気角３００度にて負方向に最も大きい。図２９は逆起電力Vwが最も高い電気角０度での状態を示し、図３０は逆起電力Vuが最も低い電気角６０度での状態を示す。図３１は逆起電力Vvが最も高い電気角１２０度での状態を示し、図３２は逆起電力Vwが最も低い電気角１８０度での状態を示す。スイッチレグ２A−２Dが逆起電力Vu、Vv及びVwと反対方向へ３相電流を供給する時、３相モードのモータトルクが発生する。
【０１０２】
スイッチレグ２AはU相コイル１UにU相電流を供給し、レグ２DはW相コイル１WにW相電流を供給する。その結果、直列接続された相コイル１U、１V及び１Wからなる直列３相巻線は従来のデルタ接続３相巻線に等しい。
【０１０３】
図２６に示される４レグインバータ２Yはエンジン始動期間の初期に３相モードを実行することによりロータの回転を開始することができる。ロータが回転開始後に単相モータモードが開始される。これにより、たとえ単相同期モータがトルク死点をもつとしても、このモータは単相モータの強力なトルクで回転することができる。
【０１０４】
スイッチレグ２A及び２Dを高電圧キャパシタ８に接続し、スイッチレグ２B及び２Cを低電圧バッテリ９に接続することも可能である。これにより、エンジン始動初期に実行される３相モータモードにおいて、低電圧バッテリ９からレグ２B及び２Cに電流を供給することができる。ロータの回転開始直後に単相モータモードが実行されるため、低電圧バッテリ９の放電期間は非常に短くなる。
【０１０５】
図３３及び図３４は単相モータモードを示す。逆起電力Vu、Vv及びVwは等しくなる。図３３は電気角０度における単相電流Iを示す。単相電流Iはスイッチレグ２Aから３つの相コイル１U、１V及び１Wを通じてスイッチレグ２Dへ流れる。図３４は電気角１８０度における単相電流Iを示す。単相電流Iはスイッチレグ２Dから３つの相コイル１W、１V及び１Uを通じてスイッチレグ２Aへ流れる。これにより、モータトルクが発生する。
【０１０６】
２相駆動法
４レグインバータ２Yにより採用される２相駆動法が図２６−図３２を参照して説明される。４レグインバータ２Yは３相モードが実行される時にこの２相駆動法を採用する。３相モードにおいて、電気角３６０度に相当する１周期は、それぞれ電気角６０度に相当する６つの位相期間からなる。この２相駆動法において、非スイッチレグと呼ばれる２つのレグはスイッチングされない。スイッチレグと呼ばれる他の２つのレグは所定周波数でスイチングされる。位相期間が切り替えられる時、スイッチレグは変更される。昇圧チョッパ８０は２つの非スイッチレグの間の相コイルに要求相電圧を印加する。
【０１０７】
図２７は、U相逆起電力Vuが正方向に最も大きい第１位相期間を示す。上アームスイッチ２３及び下アームスイッチ２２が第１位相期間にオンされている。昇圧チョッパ８０は、４レグインバータ２Yに要求されたU相電圧を印加する。これにより、要求されたU相電圧が２つのスイッチ２３及び２２を通じてU相コイル１Uに印加される。スイッチレグ２C及び２Dをスイッチングすることにより、要求されたV相電流がV相コイル１Vに供給され、要求されたW相電流IwがW相コイル１Wに供給される。
【０１０８】
図２８はV相逆起電力Vuが負方向に最も大きい第２位相期間を示す。上アームスイッチ２３及び下アームスイッチ２６が第２位相期間にオンされている。昇圧チョッパ８０は、要求されるV相電圧を４レグインバータ２Yに印加する。これにより、要求されたV相電圧が２つのスイッチ２３及び２６を通じてV相コイル１Vに印加される。スイッチレグ２A及び２Dをスイッチングすることにより、要求されたU相電流がU相コイル１Uに供給され、要求されたW相電流がW相コイル１Wに供給される。
【０１０９】
図２９は、W相逆起電力Vwが正方向に最も大きい第３位相期間を示す。上アームスイッチ２７及び下アームスイッチ２６が第３位相期間にオンされている。昇圧チョッパ８０は、要求されるW相電圧を４レグインバータ２Yに印加する。これにより、要求されたW相電圧が２つのスイッチ２７及び２６を通じてW相コイル１Wに印加される。スイッチレグ２A及び２Bをスイッチングすることにより、要求されたU相電流がU相コイル１Uに供給され、要求されたV相電流IvがV相コイル１Vに供給される。
【０１１０】
図３０は、U相逆起電力Vuが負方向に最も大きい第４位相期間を示す。上アームスイッチ２１及び下アームスイッチ２４が第４位相期間にオンされている。昇圧チョッパ８０は、要求されるU相電圧を４レグインバータ２Yに印加する。これにより、要求されたU相電圧がスイッチ２１及び２４を通じてU相コイル１Uに印加される。スイッチレグ２C及び２Dをスイッチングすることにより、要求されたV相電流がV相コイル１Vに供給され、要求されたW相電流がW相コイル１Wに供給される。
【０１１１】
図３１は、V相逆起電力Vvが正方向に最も大きい第５位相期間を示す。上アームスイッチ２５及び下アームスイッチ２４が第５位相期間にオンされている。昇圧チョッパ８０は、要求されるV相電圧を４レグインバータ２Yに印加する。これにより、要求されるV相電圧がスイッチ２５及び２４を通じてV相コイル１Vに印加される。スイッチレグ２A及び２Dをスイッチングすることにより、要求されたU相電流がU相コイル１Uに供給され、要求されたW相電流がW相コイル１Wに供給される。
【０１１２】
図３２は、W相逆起電力Vwが負方向に最も大きい第６位相期間を示す。上アームスイッチ２５及び下アームスイッチ２８が第６位相期間にオンされている。昇圧チョッパ８０は、要求されるW相電圧を４レグインバータ２Yに印加する。これにより、要求されたW相電圧がスイッチ２５及び２８を通じてW相コイル１Wに印加される。スイッチレグ２A及び２Bをスイッチングすることにより、要求されたU相電流がU相コイル１Uに供給され、要求されたV相電流がV相コイル１Vに供給される。
【０１１３】
昇圧チョッパ８０は電気角６０度から電気角１２０度までの領域の正弦波電圧波形を各位相期間ごとに４レグインバータ２Yへ印加する。この正弦波電圧は電気角９０度で最大値となる。４レグインバータ２Yのスイッチング損失は半分となる。この２相駆動法は中速領域又は高速領域において好適である。
【０１１４】
第６実施例
２つの直列３相巻線を駆動する８レグインバータが図３５を参照して説明される。トラクションモータの駆動に好適なこの第６実施例によれば、８レグインバータ２Zは２つの４レグインバータ２Z1及び２Z2からなる。昇圧チョッパ８０A及び８０Bを別々にもつ４レグインバータ２Z1及び２Z2はそれぞれ、４レグインバータ２Yと等しい。昇圧チョッパ８０Aは４レグインバータ２Z１に第一のDCリンク電圧を印加し、昇圧チョッパ８０Bは４レグインバータ２Z２に第二のDCリンク電圧を印加する。
【０１１５】
３つの相コイル１U、１V及び１Wに接続される４レグインバータ２Z１は４つのスイッチレグ２A1、２B1、２C１及び２D１からなる。３つの相コイル１X、１Y及び１Zに接続される４レグインバータ２Z２は４つのスイッチレグ２A２、２B２、２C２及び２D２からなる。４レグインバータ２Z１及び２Z２はそれぞれ、図２６に示される４レグインバータ２Yと同じ動作を行う。ただし、４レグインバータ２Z１及び２Z２の出力電圧の間の位相差は２相モードにおいて電気角９０度である。同様に、４レグインバータ２Z１の一つの相電圧は４レグインバータ２Z２の一つの相電圧に対して６相モードにおいて電気角３０度の位相差をもつ。これにより、８レグインバータ２Zは、図１６に示される７レグインバータ２Xと実質的に同じ動作を行うことができる。
【０１１６】
６相モードによれば、２つの４レグインバータ２Z1及び２Z２は図２６で説明された２相駆動法で運転することができる。この駆動法は４相駆動法と呼ばれる。この４相駆動法によれば、全レグの半分がスイッチされないため、８レグインバータ２Zのスイッチング損失を半減することができる。
【０１１７】
第７実施例
大型車両のトラクションモータの駆動に好適な１０レグインバータが図３６を参照して説明される。図３６は、直列接続された９個の相コイルＣ１−Ｃ９からなるステータコイル１Ｂに接続される１０レグインバータ２Ｔを示す。１０レグインバータ２Ｔは１０個のスイッチレグ２Ａ−２Ｊからなる。ステータコイル１Ｂは３つの直列３相巻線からなる。第一の直列３相巻線は、直列接続された相コイルＣ１−C３からなる。第二の直列３相巻線は、直列接続された相コイルＣ４−Ｃ６からなる。第三の直列３相巻線は、直列接続された相コイルＣ７−Ｃ９からなる。これら３つの直列３相巻線は直列接続されている。
【０１１８】
１０レグインバータ２Ｔは３つの４レグインバータからなる。第一の４レグインバータはレグ２Ａ−２Ｄからなる。第二の４レグインバータはレグ２Ｄ−Ｇからなる。第三の４レグインバータはレグ２Ｇ−２Ｊからなる。第一の４レグインバータは第一の直列３相巻線に接続され、第二の４レグインバータは第二の直列３相巻線に接続され、第三の４レグインバータは第三の直列３相巻線に接続されている。相電流Ｉ１が相コイルＣ１に流れ、相電流Ｉ２が相コイルＣ２に流れ、相電流Ｉ３が相コイルＣ３に流れている。相電流Ｉ４が相コイルＣ４に流れ、相電流Ｉ５が相コイルＣ５に流れ、相電流Ｉ６が相コイルＣ６に流れている。相電流Ｉ７が相コイルＣ７に流れ、相電流Ｉ８が相コイルＣ８に流れ、相電流Ｉ９が相コイルＣ９に流れている。
【０１１９】
図３７はステータコア１００Cの９個のティース１０２に個別に集中巻された相コイルＣ１−Ｃ９を示す模式展開図である。第一、第二及び第三の４レグインバータがそれぞれ単相モータモードで駆動される時、このモータは新３相モータモードで駆動される。３つの４レグインバータから供給される３つの単相電流の間の電気角は１２０度である。図３８は新３相モードにおける９つの相電流I１−I９のベクトルを示す。
【０１２０】
３つの４レグインバータがそれぞれ３相モータモードで駆動される時、このモータは９相モータモードで駆動される。図３９は９相モータモードにおける９つの相電流I１−I９のベクトルを示す。この９相モータモードによれば、相電流Ｉ３とＩ４との間の位相差が電気角３０度であるため、レグ２Ｄの電流を低減することができる。同様に、相電流Ｉ６とＩ７との間の位相差が電気角３０度であるため、レグ２Ｇの電流を低減することができる。第７実施例によれば、誘導モータを円滑に駆動することができる。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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