(57)【要約】      （修正有）【課題】新規な巻数切換型電気機械を提供する。【解決手段】極数を３倍にできる相数切換電気機械が提供される。ステータコイル１は、それぞれ４レグコンバータ２に接続される複数のシリーズ３相巻線１Ｕ、１Ｖ、１Ｗからなる。３つの独立相コイル５に個別に接続される３つのHブリッジは、４レグコンバータ４に接続されるシリーズ３相巻線の代わりに採用されることができる。機械は従来の３相モードに加えて単相モードをもつ。単相モードは優れた低速性能をもつ。ロータ極数を３倍とするために、界磁電流の方向を反転することが可能である。【選択図】図１
2017112819.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３相ステータ電流を扱う３相モードおよび単相ステータ電流を扱う単相モードをもつコンバータと、
前記コンバータに接続される少なくとも３つの相コイルをもつステータコイルと、
３相モードにおけるロータ極数と比べて単相モードにおけるロータ極数を３倍とするロータと、
３相モードおよび単相モードのどちらかを選択するコントローラと、
を備えることを特徴とする相数切換電気機械
【請求項２】
ステータコイルは、直列に接続された３つの相コイルからなる少なくとも一つのシリーズ３相巻線を有し、
コンバータは、３つの相コイルの端部に個別に接続された４つのレグからなる少なくとも一つの４レグコンバータを有する請求項１記載の相数切換電気機械
【請求項３】
４レグコンバータは、直列接続された上アームトランジスタおよび下アームトランジスタをそれぞれ有する４つのスイッチレグからなる請求項２記載の相数切換電気機械。
【請求項４】
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および下アームダイオードからそれぞれなる４つのダイオードレグからなる請求項２記載の相数切換電気機械。
【請求項５】
４レグコンバータは、２つのスイッチレグおよび２つのダイオードレグからなる４レグハイブリッドコンバータからなり、
各スイッチレグはそれぞれ、直列接続された上アームトランジスタおよび下アームトランジスタを有し、
各ダイオードレグはそれぞれ、直列接続された上アームダイオードおよび下アームダイオードからそれぞれなる４つのダイオードレグからなる請求項２記載の相数切換電気機械。
【請求項６】
コンバータは、６つの相コイルからなるステータコイルに接続される少なくとも７つのレグをもち、
コントローラは、２つの３相モードからなる６相モード、および、２つの単相モードからなる２相モードのどちらかを選択する請求項２記載の相数切換電気機械。
【請求項７】
ステータコイルは、２つの４レグコンバータに個別に接続される２つのシリーズ３相巻線からなる請求項６記載の相数切換電気機械。
【請求項８】
コンバータは、互いに直列に接続された２つのシリーズ３相巻線に接続された７つのレグをもつ７レグコンバータからなる請求項６記載の相数切換電気機械。
【請求項９】
コンバータは、９個の相コイルからなるステータコイルに接続される少なくとも１０個のレグをもち、
コントローラは、３つの３相モードからなる９相モード、および、３つの単相モードからなる新３相モードのどちらかを選択する請求項２記載の相数切換電気機械。
【請求項１０】
ステータコイルは、３つの４レグコンバータに個別に接続される３つのシリーズ３相巻線からなる請求項９記載の相数切換電気機械。
【請求項１１】
コンバータは、互いに直列に接続された３個のシリーズ３相巻線に接続された１０個のレグをもつ１０レグコンバータからなる請求項９記載の相数切換電気機械。
【請求項１２】
コントローラは、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反転することにより、ロータ極数を３倍とする請求項１記載の相数切換電気機械。
【請求項１３】
ランデルタイプのロータコアは、ランデル型のロータコアは、N極の永久磁石をもつ奇数番目の爪部と、S極の永久磁石をもつ偶数番目の爪部とを有し、
各爪部はそれぞれ、永久磁石により形成された一つのマグネット極と、マグネット極の両側に個別に配置された２つのコア極とをもつ請求項１２記載の相数切換電気機械。
【請求項１４】
界磁コイルは、界磁電流の方向を変更可能な方向可変コイルをもち、
界磁コイルはさらに、界磁電流が一定方向に流れる方向固定コイルをもち、
方向可変コイルおよび方向固定コイルは、ロータコアの異なるスロットに収容される請求項１２記載の相数切換電気機械。
【請求項１５】
ロータは、互いに反対極性をもつ２つの永久磁石の間に配置される２つのコア極をもち、
２つのコア極は、ステータコイルに供給されるステータ電流のｄ軸電流成分により互いに反対の極性をもち、
２つのコア極の極性は、ロータ極数を３倍とするために反転される請求項１記載の相数切換電気機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は相数切換型電気機械に関し、特に相数、極数および巻数を変更可能な相数切換型電気機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１-３はロータ極数が３倍となることが可能な３倍極型同期機を提案している。特許文献１はロータがコア極およびマグネット極をもつ永久磁石型同期機を提案している。２つのマグネット極の間に配置されるコア極は極性を反転することができる。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する。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。コア極の極性反転により、１２個のロータ極は等価的に４個のロータ極になる。
【０００３】
特許文献２は、ロータが２つのコア極の間に一つのマグネット極をもつ界磁コイル型同期発電機を提案している。界磁コイルは一つのマグネット極の根部および２つのコア極を囲んで巻かれている。界磁コイルに供給される界磁電流の方向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個のロータ極は等価的に４個のロータ極になる。
【０００４】
特許文献３は、ロータがソフト永久磁石極およびハード永久磁石極をもつ永久磁石同期発電機を提案している。極性を反転可能な一つのソフトマグネット極は、極性が反転されない２つのハード永久磁石極の間に配置される。
【０００５】
しかし、ロータ極数が３倍にされる時、ステータの電気角１２０度は電気角３６０度となる。製造コストおよび電力損失の観点から、ステータ極数の変更は難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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】
【０００７】
本発明の一つの目的は、相数および極数を変更可能な簡素な相数切換型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、相数、極数および巻数を変更可能な簡素な相数切換型電気機械を提供することである。
【０００８】
本発明によれば、少なくとも３つの相コイルをもつステータコイルは、３つの相コイルに供給される３相ステータ電流を扱う３相モードと、３つの相コイルに供給される単相ステータ電流を扱う単相モードとをもつ。単相モードは、３相モードと比べて３倍の極数をもつ。単相モードで運転されるこの電気機械は、優れた低速性能をもつ。
【０００９】
一つの好適態様によれば、少なくとも一つのシリーズ３相巻線が、シリーズ３相巻線の３つの相コイルの端部に個別に接続される４つのレグからなる一つの４レグコンバータに接続される。これにより、極数および相数が単相モードにおいてそれぞれ３倍となる。この電気機械は、永久磁石同期機または界磁コイル同期機または誘導機を含む。４レグコンバータは、４レグダイオード整流器、４レグインバータおよび４レグハイブリッドコンバータを含む。４レグダイオード整流器は、３相発電モードおよび単相発電モードを実行する。４レグインバータは、３相電動モード、単相電動モード、３相発電モードおよび単相発電モードを実行する。４レグハイブリッドコンバータは、単相電動モード、３相発電モードおよび単相発電モードを実行する。
【００１０】
この相数切換型電気機械は、複数のシリーズ３相巻線をもつことができる。
一例によれば、２つのシリーズ３相巻線が２相モードおよび６相モードで運転される。２相モードは、２つの単相モードと本質的に等しい。６相モードは２つの３相モードと本質的に等しい。２つのシリーズ３相巻線は、互いに直列に接続されることができる。
【００１１】
もう一つの例によれば、３つのシリーズ３相巻線が新３相モードおよび９相モードで運転される。新３相モードは、３つの単相モードと本質的に等しい。９相モードは３つの３相モードと本質的に等しい。３つのシリーズ３相巻線は、互いに直列に接続されることができる。
【００１２】
２相駆動法を採用することにより、３相モードにおける４レグインバータのスイッチングロスを低減することができる。昇圧チョッパがこのインバータに昇圧された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つのレグが停止され、残りの２つのレグがスイッチングされる。昇圧チョッパは、両端が停止中の２つのレグの両端に個別に接続された相コイルに、昇圧チョッパは略正弦波の相電圧の一部を印加する。
【００１３】
２つのスイッチレグおよび２つのダイオードレグからなる４レグハイブリッドコンバータを採用することにより、２つの電源に接続される簡素なスタータジエネレータを実現することができる。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。
【００１４】
ロータ極数を切り替えるために、界磁コイルおよび永久磁石の両方をもつランデル型ロータコアを採用することが可能である。各永久磁石は、ランデル型ロータコアの各爪部の中央部に固定される。各爪部は、永久磁石に隣接する２つのコア部をもつ。コア部の極性は、界磁電流により反転される。これにより、ロータ極数は切り替えられる。
【００１５】
界磁コイル電気機械は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。各コイルは、互いにテイース型ロータコアの異なるスロットに巻かれる。
各コイルの一部に供給される界磁電流の方向はロータ極数切換のために反転される。各コイルの残部に供給される界磁電流の方向は反転されない。これにより、ロータ極数が切り替えられる。
【００１６】
スタータ電流のｄ軸電流成分により、ロータ極数を切り替えることも可能である。ロータコアはマグネット極およびコア部をもつ。ロータ極数を切り替えるために、ｄ軸電流成分はコア極の極性を反転させる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
図１は第１実施例を示す配線図である。図２は図１に示される端子リングを示す断面図である。図３は第２実施例を示す配線図である。図４は界磁コイル機のロータコアを示す側面図である。図５は３相モードにより運転される分布巻き３相ステータコイルの電気角０度合の状態を示す模式図である。図６は３相モードにより運転される分布巻き３相ステータコイルの電気角６０度合の状態を示す模式図である。図７は単相モードにより運転される分布巻き３相ステータコイルの電気角０度合の状態を示す模式図である。図８は単相モードにより運転される分布巻き３相ステータコイルの電気角１８０度合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巻き方式を示す模式展開図である。図１０は図９に示される分布巻き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相モードにより運転される集中巻き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相モードにより運転される集中巻き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は単相モードにより運転される集中巻き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は単相モードにより運転される集中巻き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実施例により採用された集中巻きステータコイルの配線例を示す模式図である。図２０は互いに離れて配置された２つのシリーズ３相巻線をもつ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実施例により採用されたティース式ロータコアを示す模式図である。図２３は第４実施例により採用された界磁電流コントローラを示す配線図である。図２４は３相モードにおけるロータ極の配置を示す模式図である。図２５は単相モードにおけるロータ極の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相モードにより駆動される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相モードにより駆動される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相モードにより駆動される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相モードにより駆動される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相モードにより駆動される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相モードにより駆動される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は単相モードにより駆動される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は単相モードにより駆動される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２つの４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３相モードを示すベクトル図である。図３９は９相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】
【００１８】
相数、極数および巻数を切換可能な相数切換型交流電気機械に関する本発明の好適態様が図面を参照して説明される。
【００１９】
第１実施例
図１に示されるオルタネータは、ステータコイル１、ダイオード整流器２、Hブリッジ４、界磁コイル５、コントローラ６および端子リング７を有している。Hブリッジ４および端子リング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。シリーズ３相巻線であるステータコイル１は、直列接続された３つの相コイル１U、１Vおよび１Wからなる。相コイル１U、１Vおよび１Wは、３相モードにおいて互いに電気角１２０度離れ、単相モードにおいて互いに電気角０度離れている。
【００２０】
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。
【００２１】
バッテリ９に接続されたダイオード整流器２は４つのダイオードレグ２A-２Dからなる。ダイオードレグ２は４レグコンバータを構成する。レグ２Aは直列接続された上アームダイオード２１およ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およ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およ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および下アームダイオード２８からなる。
【００２２】
レグ２Aの交流端子は相コイル１Uの一端に接続されている。レグ２Bの交流端子は相コイル１Uの他端および相コイル１Vの一端に接続されている。レグ２Cの交流端子は相コイル１Vの他端および相コイル１Wの一端に接続されている。レグ２Dの交流端子は相コイル１Wの他端に接続されている。レグ２A-２Dの正の直流端子はバッテリ９の正極に接続されている。レグ２A-２Dの負の直流端子はバッテリ９の負極に接続されている。
【００２３】
Hブリッジ４は２つのレグ４Aおよび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およ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および下アームスイッチ４６からなる。スイッチ４１、４２、４５および４６は逆並列ダイオードを有するNMOSトランジスタからなる。スイッチ４１および４５のドレイン電極はバッテリ９の正極に接続されている。スイッチ４２および４６のソース電極はバッテリ９の負極に接続されている。
【００２４】
コイル５３および５５からなる界磁コイル５は、図２２に示されるテイース型ロータコア１３に巻かれている。端子リング７は４つのダイオード７４-７７をもつ。レグ４Aの交流端子はダイオード７４のアノード電極およびダイオード７７のカソード電極に接続されている。ダイオード７４および７６のカソード電極はコイル５３の一端に接続されている。コイル５３の他端はダイオード７５および７７のアノード電極に接続されている。レグ４Bの交流端子はダイオード７６のアノード電極およびダイオード７５のカソード電極に接続されている。さらに、コイル５４および５５はレグ４Aおよび４Bの間に並列接続されている。
【００２５】
界磁電流コントローラは界磁コイル５に供給される界磁電流を制御する。界磁電流は３相発電モードにおいてスイッチ４５からスイッチ４６へ流れる。界磁電流は単相発電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を通じて流れる一部の界磁電流の流れ方向はたとえモードが変更されても一定である。しかし、コイル５４および５５を通じて流れる残りの界磁電流の流れ方向はモードが変更される時に反対となる。
【００２６】
図２２に示されるテイース型ロータコア１３は３相発電モードにおいて等価的に２つのロータ極をもち、単相発電モードにおいて等価的に６つのロータ極をもつ。言い換えれば、ロータ極１３１および１３２は極性はコイル５４および５５に供給される界磁電流の方向の変更により変更される。３相モードの１ロータピッチは３ステータティースピッチに等しい。同様に、単相モードにおける１ロータピッチは１ステータティースピッチに等しい。言い換えれば、１ステータティースピッチは３相モードにおいて電気角６０度に等しく、単相モードにおいて電気角１８０度に等しい。
【００２７】
図２は端子リング７の側面図である。ロータ軸である回転軸１０はモータハウジング１１に支持されている。ロータコア１３に隣接する端子リング７は回転軸１０に固定されている。４つの接続端子が端子リング７から突出し、ダイオード７４-７７をスリップリング（図示せず）および界磁コイル５に接続している。図２は３つの接続端子７１-７３だけを示す。ダイオード７４-７７は耐熱樹脂でできた端子リング７に埋設されている。
【００２８】
界磁電流は３相モードにおいてスイッチ４５のデユーティ比を制御することにより調整される。さらに、界磁電流は単相モードにおいてスイッチ４１のデユーティ比を制御することにより調整される。相コイル１U、１Vおよび１Wは、それぞれほぼ正弦波形をもつ相電圧Vu、VvおよびVwを個別に発電する。３つの相電圧Vu、VvおよびVwのうちの任意の２つの間の位相差は３相モードにおいてそれぞれ電気角１２０度である。３つの相電圧Vu、VvおよびVwのうちの任意の２つの間の位相差は単相モードにおいてそれぞれ電気角０度である。言い換えれば、３つの相電圧Vu、VvおよびVwは単相モードにおいて互いに同相となる。
【００２９】
３相モードによれば、４つのダイオードレグ２A-２Dは３つの相電圧Vu、VvおよびVwを整流する。単相モードによれば、２つのレグ２Aおよび２Dは３つの相電圧Vu、VvおよびVwの和を整流する。
【００３０】
単相モードは３相モードと比べて３倍の極数および３倍の巻数をもつ。したがって、オルタネータは低速域にて高い発電電圧を発生する。それは、オルタネータがステータコイル１の巻数減少により銅損を低減できることを意味する。
【００３１】
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。この界磁コイル式スタータジエネレータは、ステータコイル１、ハイブリッドコンバータ２H、バッテリスイッチ３、Hブリッジ４、界磁コイル５およびコントローラ６を有している。ハイブリッドコンバータ２Hは４レグコンバータを構成している。界磁電流コントローラを構成するHブリッジ４は、図１に示されるHブリッジ４と同じである。３相モードおよび単相モードのどちらかを選択するコントローラ６はハイブリッドコンバータ２H、バッテリスイッチ３およびHブリッジ４を制御する。シリーズ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つの相コイル１U、１Vおよび１Wからなる。
【００３２】
ランデル型界磁コイル同期機であるスタータジエネレータは、３相発電モード、単相発電モードおよび単相電動モードをもつ。３相発電モードおよび単相発電モードは第１実施例と本質的に同じである。しかし、スタータジエネレータは第１実施例のテイース型ロータコアの代わりにランデル型ロータコアを採用している。
【００３３】
ハイブリッドコンバータ２Hは２つのスイッチレグ２Aおよび２Dと、２つのダイオードレグ２Bおよび２Cとからなる。スイッチレグ２Aは直列接続された上アームスイッチ２１およ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および下アームスイッチ２８からなる。スイッチ２１、２２、２７および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およ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および下アームダイオード２６からなる。
【００３４】
スイッチレグ２Aの交流端子は相コイル１Uの一端に接続されている。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。ダイオードレグ２Bの交流端子は相コイル１Uおよび１Vの接続点に接続されている。相コイル２Cの交流端子は相コイル１Vおよび１Wの接続点に接続されている。
【００３５】
スイッチレグ２Aおよび２Dの正の直流端子は高電圧キャパシタ８の正極に接続されている。ダイオードレグ２Bおよび２Cの正の直流端子は高電圧キャパシタ８の正極に接続されている。キャパシタ８およびバッテリ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る。この逆並列ダイオードのアノード電極はバッテリ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１４Vであり、キャパシタ８の最高電圧は約５０Vである。Hブリッジ４のスイッチレグ４Aおよび４Bの端子は界磁コイル５の両端に個別に接続されている。
【００３６】
図４は回転軸１０に固定された周知のランデル型ロータコア１２をもつランデル型ロータを示す側面図である。界磁コイル５は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は軸１０の回転方向へ等ピッチで配列された４つの爪部６１-６４をもつ。それぞれL字状の爪部６１、６２は、ロータコア１２のボス部の一端からボス部の径方向へ突出した後、ステータコア（図示せず）の内周面に沿って前方へ延在している。それぞれL字状の爪部６３、６４は、ロータコア１２のボス部の他端からボス部の径方向へ突出した後、ステータコア（図示せず）の内周面に沿って後方へ延在している。
【００３７】
ステータコア（図示せず）に面する爪部６１-６４の各外周面はそれぞれ、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に固定されている。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、６６の外表面部は磁化されてN極をもつ。同様に、永久磁石６７が、爪部６３の凹部６０に固定されている。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、６８の外表面部は磁化されてS極をもつ。爪部６１-６４の各外周面部は、凹部６０を挟む２つのコア部６９をもつ。結局、８つのコア部６９および４つの永久磁石６５-６８が等ピッチで回転方向に配設されている。
【００３８】
３相発電モードによれば、界磁電流がレグ４Aから界磁コイル５を通じてレグ４Bへ流れる。界磁電流をレグ４Aからレグ４Bへ流すことにより、爪部６１、６２の４つのコア部６９は磁化されてN極をもち、爪部６３、６４の４つのコア部６９は磁化されてS極をもつ。爪部６１、６２のコア部６９が永久磁石６５、６６と同じ極性をもつので、爪部６１、６２はそれぞれ、N極をもつ等価的に一つのロータ極となる。同様に、爪部６３、６４のコア部６９が永久磁石６７、６８と同じ極性をもつので、爪部６３、６４はそれぞれ、S極をもつ等価的に一つのロータ極となる。結局、ランデル型ロータコアは３相モードにおいて等価的に４つのロータ極をもつ。
【００３９】
単相発電モードおよび単相電動モードによれば、界磁電流はレグ４Bから界磁コイル５を通じてレグ４Aへ流れる。キャパシタ８により供給される界磁電流により、爪部６１、６２の４つのコア部６９は磁化されてS極をもち、爪部６３、６４の４つのコア部６９は磁化されてN極をもつ。永久磁石６５-６８の極性は界磁電流により変更されない。したがって、ランデル型ロータコア１２は単相モードにおいて１２個のロータ極をもつ。結局、ロータ極の数は、界磁電流を反転することにより３倍となる。
【００４０】
ハイブリッドコンバータ２Hの整流はダイオード整流器２の整流と本質的に同じである。相コイル１U、１Vおよび１Wは、３相発電モードにおいて互いに電気角１２０度合離れた逆起電力Vu、VvおよびVwを発生する。したがって、逆起電力Vu、VvおよびVwの和は３相発電モードにおいてゼロとなる。
【００４１】
次に、単相電動モードが説明される。単相電動モードによれば、相コイル１U、１Vおよび１Wは、互いに等しい逆起電力Vu、VvおよびVwを発生する。スイッチレグ２Aおよび２Dは、直列接続された３つの相コイル１U、１Vおよび１Wに単相電流を供給する。したがって、スタータジエネレータは単相同期モータとなる。
【００４２】
しかし、単相同期モータはモータトルクがゼロとなる死点をもつ。一例によれば、エンジン始動が指令される時、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る。これにより、エンジンのクランクシャフトに連結されたスタータジエネレータのランデル型ロータはエンジン始動の初期ステージにおいて回転を開始することができる。
【００４３】
第２実施例の利点が説明される。第１に、昇圧されたバッテリ電圧により、キャパシタ８の充電が可能となる。キャパシタ８の電圧が低い時、界磁コイル５をリアクトルとして使用するこの昇圧充電が実行される。第２に、キャパシタ８の高電圧により、エンジン始動期間において界磁電流を急速に増加することができる。
【００４４】
３相モードおよび単相モードにおいて供給されるスタータ電流が図５-図１４を参照して説明される。シリーズ３相巻線からなるステータコイルは、６つのテイース１０１をもつステータコア１００の６つのスロット１０２に収容されている。
【００４５】
図５-図８は、分布巻きのステータコイルを示す。図３に示されるU相コイル１Uは、直列接続された往き導体Uおよび還り導体-Uからなる。同様に、V相コイル１Vは、直列接続された往き導体Vおよび還り導体-Vからなる。W相コイル１Wは、直列接続された往き導体Wおよび還り導体-Wからなる。導体Uは第１のスロット１０２に収容される。導体-Uは第４のスロット１０２に収容される。導体Vは第２のスロット１０２に収容される。導体-Vは第５のスロット１０２に収容される。導体Wは第３のスロット１０２に収容される。導体-Wは第６のスロット１０２に収容される。
【００４６】
図５および図６は３相モードを示す。３つの相電流のうちの任意の２つの間の各位相差は電気角１２０度である。図５において、隣接する３つの導体-W、Uおよび-Vを通じて別々に流れる３つの相電流は、隣接する３つの導体W、-UおよびVを通じて別々に流れる３つの相電流に対して反対方向となる。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。
【００４７】
図６において、隣接する３つの導体U、-VおよびWを通じて別々に流れる３つの相電流は、隣接する３つの導体-U、Vおよび-Wを通じて別々に流れる３つの相電流に対して反対方向となる。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に示されるステータコア１００の磁界は、図５に示されるステータコア１００の磁界に対して電気角６０度回転する。結局、２つのステータ極をもつ３相磁界が形成される。この３相磁界は従来の分布巻き３相巻線により形成される３相磁界と同じである。
【００４８】
図７および図８は、単相モードを示す。３つの相電流のうちの任意の２つの間の各位相差は電気角０度である。言い換えれば、U相電流、V相電流およびW相電流は同相である。奇数番目のスロットに収容された導体を通じて流れる相電流は、偶数番目のスロットに収容された導体を通じて流れる相電流に対して反対方向へ流れる。
【００４９】
図７は、ロータの電気角が０度である時の３つの相電流を示す。図８は、ロータの電気角が１８０度である時の３つの相電流を示す。図７において、奇数番目の導体U、VおよびWを通じて流れる相電流は還り方向へ流れ、偶数番目の導体-U、-Vおよび-Wを通じて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。
【００５０】
図８において、奇数番目の導体U、VおよびWを通じて流れる相電流は往き方向へ流れ、偶数番目の導体-U、-Vおよび-Wを通じて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、互いに同相の３つの相電流は、６つのステータ極をもつ３相回転磁界を形成する。
【００５１】
図９および図１０は、図５-図８に示される分布巻きシリーズ３相巻線の一つの巻回例を示す。６つのサブコイルC１-C６がステータコアの６つのスロットS１-S６に巻かれている。U相コイル１Uは直列接続されたサブコイルC１およびC４からなる。V相コイル１Vは直列接続されたサブコイルC２およびC５からなる。
W相コイル１Wは直列接続されたサブコイルC３およびC６からなる。U相電流IU、V相電流IVおよびW相電流IWを供給するために、４レグインバータ２Iの４つのスイッチレグ２A、２B、２Cおよび２Dは、相コイル１U、１Vおよび１Wの端部に個別に接続されている。
【００５２】
図１１-図１４は集中巻きのシリーズ３相巻線を示す。U相コイルは、直列接続されたサブコイルUおよびサブコイル-Uからなる。V相コイルは、直列接続されたサブコイルVおよびサブコイル-Vからなる。W相コイルは、直列接続されたサブコイルWおよびサブコイル-Wからなる。サブコイルUはステータコア１００の第１の歯１０１に巻かれ、サブコイル-Uはステータコア１００の第４の歯１０１に巻かれている。サブコイルVはステータコア１００の第２の歯１０１に巻かれ、サブコイル-Vはステータコア１００の第５の歯１０１に巻かれている。サブコイルWはステータコア１００の第３の歯１０１に巻かれ、サブコイル-Wはステータコア１００の第６の歯１０１に巻かれている。
【００５３】
図１１-図１２は３相モードを示す。３つの相電流のうちの任意の２つの間の各位相差は電気角１２０度である。図１１において、サブコイル-W、Uおよび-Vは互いに同じ電流方向をもつ。これにより、ステータコアは実質的に２つのステータ極をもつ。図１２において、サブコイルU、-VおよびWは互いに同じ方向をもつ。これにより、ステータコアは実質的に２つのステータ極をもつ。図１２に示されるステータコア１００の磁界は、図１１に示されるステータコア１００の磁界と比べて電気角６０度シフトしている。ステータコア１００のこの３相磁界は、従来の集中巻き３相モータに形成される３相磁界と同じである。
【００５４】
図１３および図１４は単相モードを示す。３つの相電流のうちの任意の２つの間の各位相差は電気角０度である。言い換えれば、U相電流、V相電流およびW相電流は互いに等しい。図１４に示されるステータコア１００の磁界は図１３に示されるステータコア１００の磁界に対して電気角１８０度シフトしている。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。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。単相電流が３つの相コイルを通じて流れる時、奇数番目のティースが偶数番目のティースに対して反対極性をもつため、ステータコア１００は６極をもつ。
【００５５】
スタータジエネレータの運転制御
スタータジエネレータの運転制御が図１５を参照して説明される。
回復モード
最初に、キャパシタ８の電圧Vcが十分であるか否かが判定される（S１００)。キャパシタ電圧Vcか所定しきい値Vthより低ければ、回復モードが実行される。この回復モードによれば、スイッチ４１および４２がオフされ、スイッチ４５および４６が同期してスイッチングされる（S１０２)。スイッチ４５および４６がオンされる時、界磁電流がバッテリ９から界磁コイル５に供給される。スイッチ４５および４６がオフされる時、回生電流がスイッチ４２および４１の逆並列ダイオードを通じてキャパシタ８に流れ込む。電圧Vcが所定しきい値Vthに達したら、回復モードは終了される。
【００５６】
エンジン始動モード
エンジン始動が指令されたら（S１０４)、エンジン始動モードが実行されるS１０６)。最初に、スタータジエネレータのロータを回転始動させるために、車両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る。さらに、スイッチ４１、４２のオンにより、界磁電流が界磁コイル５にきょうきゅうされる。キャパシタ電圧Vcが高いので、界磁電流は急速に上昇する。
【００５７】
次に、単相電動モードが開始される。ロータ角の回転角に基づくスイッチレグ２Aおよび２Dのスイッチングにより、単相ステータ電流が相コイル１U、１Vおよび１Wに供給される。バッテリスイッチ３はオンされない。極数および巻数の両方が３倍となるため、強力なエンジン始動トルクが発生される。
【００５８】
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たら、キャパシタ回復モードが実行される（S１０８)。キャパシタ回復モードによれば、単相発電モードが実行される。界磁電流がキャパシタ８から界磁コイル５に供給される。相コイル１U、１Vおよび１Wにより発電された単相電圧の和が２つのスイッチ２Aおよび２Dの整流後、キャパシタ８に印加される。界磁電流はスイッチ４１のデユーティ比を制御することにより調整される。キャパシタ電圧Vcが所定しきい値Vthを超える時、スイッチ４１および４２はオフされる。バッテリスイッチ３はオンされない。
【００５９】
相電圧Vu、VvおよびVwの和がエンジンの低回転速度の故に所定しきい値未満である時、昇圧動作を実行してもよい。この昇圧動作によれば、下アームスイッチ２２および２８が同期スイッチングされる。下アームスイッチ２２および２８がオンされる時、磁気エネルギーが相コイル１U、１Vおよび１Wに蓄積される。下アームスイッチ２２および２８のオフ後、昇圧相電圧Vu、VvおよびVwの和がキャパシタ８を充電する。
【００６０】
発電モード
次に、バッテリ９の電圧が所定値より低い時、バッテリ９が３相発電モードにより充電される（S１１０)。最初に、スイッチ４１および４２がオフされ、バッテリスイッチ３がオンされる。界磁電流の方向反転の故に、極数および巻数はそれぞれ、単相電動モードと比べて１/３となる。相コイル１U、１Vおよび１Wは、各位相差が電気角１２０度である３つの相電圧Vu、VvおよびVwを発電する。４レグコンバータ２Hは３つの相電圧を整流する。ダイオード２３および２５から出力される整流電圧は、U相電圧Vuの正半波、W相電圧Vwの負半波およびV相電圧Vvの全波の包絡線波形をもつ。バッテリ９に印加される整流電圧のリップルは、従来の３相ダイオード整流器の整流電圧と比べて増加される。
【００６１】
３相発電モードが低速のためバッテリ９を充電できない時、単相発電モードが実行されることができる。最初に、スイッチ４５および４６がオフされ、スイッチ４２がおんされ、スイッチ４１が界磁電流を調整するためにスイッチングされる。これにより、単相発電モードが実行される。整流された単相電圧はダイオード２３および２５を通じてバッテリ９に印加される。
【００６２】
発電モードにおける永久磁石６５および６８の影響が説明される。たとえ界磁電流が零であっても、永久磁石６５-６８は相電圧Vu、VvおよびVwを誘起する。永久磁石６５-６８により誘起された相電圧Vu、VvおよびVwがバッテリ充電電圧よりも高すぎる時、バッテリスイッチがオフされる。
【００６３】
トルクアシストモード
トルクアシストが指令される時（S１１２)、トルクアシストモードが実行される（S１１４)。最初に、既述の単相電動モードが実行される。ロータの回転角に応じて制御された単相電流がスイッチレグ２Aおよび２Dのスイッチングによりキャパシタ８から相コイル１U、１Vおよび１Wに供給される。
【００６４】
回生制動モード
回生制動が指令される時（S１１６)、回生制動モードが実行される（S１１８）。回生制動モードは、単相発電モードおよび３相発電モードを含む。それらの一つは界磁電流の方向の切換により選択される。単相発電モードはキャパシタ８を充電し、３相発電モードはバッテリ８を充電する。バッテリ９が充電される時、バッテリスイッチ３はオンされる。
【００６５】
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。スタータジエネレータは、ステータコイル１A、７レグコンバータ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および端子リング７を有している。Hブリッジ４および端子リング７は界磁電流コントローラを構成している。スタータジエネレータは、単相モードの代わりに２相モード、３相モードの代わりに６相モードを実行する。実質的に、２相モードは２つの単相モードと均等であり、６相モードは２つの３相モードと均等である。２相モードは６相モードと比べて３倍の極数および巻数をもつ。
【００６６】
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および１Zからなる。ステータコイル１Aはシリーズ６相巻線と呼ばれる。相コイル１Aは、相コイル１U、１Vおよび１Zからなる第１のシリーズ３相巻線と、相コイル１X、１Yおよび１Zからなる第２のシリーズ３相巻線とを有する。
【００６７】
７レグコンバータ２Xは、７つのレグ２A、２B、２C、２D、２E、２Fおよび２Gをもつ。７レグコンバータ２Xは、レグ２A-２Dからなる第１の４レグコンバータと、レグ２D-２Gからなる第２の４レグコンバータに等しい。第１、第２の４レグインバータはそれぞれ、単相発電モード、３相発電モードおよび単相電動モードをもつ。７レグコンバータ２Xは、２相発電モード、６相発電モードおよび２相電動モードをもつ。第１、第２の４レグインバータがそれぞれ単相モードをもつ時、２相モードが実行される。第１、第２の４レグインバータがそれぞれ３相モードをもつ時、６相モードが実行される。
【００６８】
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の交流端子はコイル１Xおよび１Yを接続するための接続点に接続されている。ダイオードレグ２Fの交流端子はコイル１Yおよび１Zを接続するための接続点に接続されている。ダイオードレグ２Gの交流端子は相コイル１Zno独立端に接続されている。U相電流IUがU相コイル１Uを通じて流れ、V相電流IVがV相コイル１Vを通じて流れ、W相電流IWがW相コイル１Wを通じて流れている。同様に、X相電流IXがX相コイル１Xを通じて流れ、Y相電流IYがY相コイル１Yを通じて流れ、Z相電流IZがZ相コイル１Zを通じて流れている。
【００６９】
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。しかし、図１６によれば、３つのコイル５３-５５は直列に接続されている。コイル５３を通じて流れる界磁電流の方向は反転可能である。３つのコイル５３-５５は、図２２に示されるテイース型ロータコア１３に巻かれている。端子リング７は、ダイオード７４、７６および７７をもつ。レグ４Aの交流端子はダイオード７４のアノード電極およびダイオード７７のカソード電極に接続されている。ダイオード７４および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の一端に接続されている。コイル５４の他端は、コイル５３の一端およびダイオード７７のアノード電極に接続されている。レグ４Bの交流端子は、コイル５３の他端およびダイオード７６のアノード電極に接続されている。
【００７０】
この界磁電流コントローラは、直列モードおよび並列モードをもつ。直列モードによれば、スイッチ４１および４２がオフされ、スイッチ４５および４６がオンされる。界磁電流がダイオード７４、コイル５５、５４および５３を通じて順番に流れる。界磁電流の一部はコイル５３およびダイオード７７を通じて流れる。界磁電流の残部はダイオード７６、コイル５５、コイル５４、ダイオード７７を通じて順番に流れる。結局、コイル５５および５４を通じて流れる界磁電流の方向はモードの変更により反転されない。しかし、コイル５３を通じて流れる界磁電流の方向はモードの変更により反転される。並列モードによれば、キャパシタ８が界磁コイル５に高電圧を印加するため、界磁電流は急速に上昇する。さらに、界磁コイル５の等価インピーダンス値は低減される。図１６に示される界磁コイル５および端子リング７は、ロータの極数および界磁コイル５の巻数を切り替える。
【００７１】
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。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つのロータ極をもつ。コイル５４および５５は等しい巻数をもつ。コイル５３および５４の巻き数の比率は、実験結果に基ついて決定される。図２２に示されるテイース型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および図４に示されるランデル型ロータコアを採用することもできる。
【００７２】
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。２相電動モードによれば、３つのスイッチレグ２A、２Dおよび２Gがスイッチングされる。３つの相コイル１U、１Vおよび１Wに誘起される第１の起電力は同相となり、３つの相コイル１X、１Yおよび１Zに誘起される第２の起電力は同相となる。さらに、第１の起電力と第２の起電力の間の位相差は電気角９０度となる。
【００７３】
２相発電モードは、キャパシタ８を充電するために用いられる。２相電動モードはエンジンを始動するために用いられる。３つの相コイル１U、１Vおよび１Wを流れる第１の相電流I１（＝IU＝IV＝IW)は、スイッチレグ２Aおよび２Dにより制御される。同様に、３つの相コイル１X、１Yおよび１Zを流れる第２の相電流I２（＝IX＝IY＝IZ)は、スイッチレグ２Dおよび２Gにより制御される。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および２Gを制御することにより、２つの電流I１およびI２の間の位相差は電気角９０度を保持する。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。
【００７４】
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。６相モードによれば、３つの相電流IU、IVおよびIWのうちの任意の２つの間の位相差は電気角１２０度である。同様に、３つの相電流IX、IYおよびIZのうちの任意の２つの間の位相差は電気角１２０度である。さらに、第１の３相電流の一つの相電流と第２の３相電流の一つの相電流との間の位相差は、図１８に示されるように電気角３０度である。６相発電モードは、発電モードおよび低速回生モードにおいて用いられる。上アームダイオード２３、２５、２９および３１はバッテリスイッチ３を通じてバッテリ９を充電する。
【００７５】
図１９はステータコア１００Aに巻かれたステータコイル１Aの一つの巻回例を示す。ステータコア１００Aは６相モードの電気角３６０度の範囲内に１２個のティース１０２を有する。ステータコア１００Aは２相モードの電気角３６０度の範囲内に４つのティース１０２を有する。したがって、１つの歯ピッチは、２相モードにおいて電気角９０度に相当し、６相モードにおいて電気角３０度に相当する。
【００７６】
U相コイル１Uは、直列接続されたサブコイルUおよび-Uからなる。サブコイルUおよび-Uは互いに反対の磁界を形成する。V相コイル１Vは、直列接続されたサブコイルVおよび-Vからなる。サブコイルVおよび-Vは互いに反対の磁界を形成する。W相コイル１Wは、直列接続されたサブコイルWおよび-Wからなる。サブコイルWおよび-Wは互いに反対の磁界を形成する。からなる。X相コイル１Xは、直列接続されたサブコイルXおよび-Xからなる。サブコイルXおよび-Xは互いに反対の磁界を形成する。Y相コイル１Yは、直列接続されたサブコイルYおよび-Yからなる。サブコイルYおよび-Yは互いに反対の磁界を形成する。Z相コイル１Zは、直列接続されたサブコイルZおよび-Zからなる。サブコイルZおよび-Zは互いに反対の磁界を形成する。
【００７７】
図２０は、ステータコア１００Bに巻かれたステータコイル１Aのもう一つの巻回例を示す。ステータコイル１Aは、相コイル１U、１Vおよび１Wからなる第１の３相コイルと、相コイル１X、１Yおよび１Zからなる第２の３相コイルとからなる。ステータコア１００BAは、それぞれ円弧状の４つのコア部２０１-２０４からなる。コア部２０１-２０４はそれぞれ、ほぼ９０度の領域を占める。第１の３相コイルはコア部２０１および２０２に巻かれ、第２の３相コイルはコア部２０３および２０４に巻かれている。２つの３相コイルはそれぞれ、第１実施例と同じ巻き方法で巻かれている。
【００７８】
図２１は、図２０に示されるステータコア１００Bのティース１０２の配置例を示す。コア部２０１および２０２のティース１０２は、コア部２０３および２０４のティース１０２と比べてハーフスロットピッチ０．５Psだけシフトしている。したがって、コア部２０１および２０２に巻かれた相コイル１U、１Vおよび１Wは、コア部２０３および２０４に巻かれた相コイル１X、１Yおよび１Zと比べてハーフスロットピッチ０．５Psだけシフトしている。ハーフスロットピッチ０．５Psは、図１７に示される２相モードにおいて電気角９０度に相当する。コア部２０１および２０１は互いに１８０度離れており、コア部２０３および２０４も互いに１８０度離れているため、ステータコア１００Bの機械振動は低減される。２つの３相コイルは、コア部２０１-２０４のうちの隣接する２つの間の境界部にてオーバーラップしてもよい。
【００７９】
結局、２相モードが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相モードが互いに所定の位相差をもつ２つの３相モードからなることがわかる。
【００８０】
図２２は、テイース型ロータコア１３に巻かれた界磁コイル５を示す。回転軸１０に固定されたロータコア１３は、積層電気鋼板により製造されている。ロータコア１３は、一定間隔で配列されたテイース１３１-１３６をもつ。界磁コイル５を収容するための６つのスロット１４１-１４６はテイース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および１４６に巻かれている。コイル５４はスロット１４１および１４２に巻かれている。コイル５５はスロット１４３および１４４に巻かれている。
【００８１】
図１によれば、コイル５３を通じて流れる界磁電流はテイース１３３および１３４をN極に磁化し、ティース１３５および１３６をS極に磁化する。コイル５４および５５を通じて流れる界磁電流は電流方向の反転により、ティース１３１および１３２の磁気極性を切り替える。同様に、図１６によれば、コイル５４および５５を通じて流れる界磁電流は、トウース１３１をN極に磁化し、トウース１３２をS極に磁化する。コイル５３を通じて流れる界磁電流は、界磁電流の方向を反転することにより、ティース１３３-１３６の磁気極性を切り替える。
【００８２】
ティース１３１-１３６の磁気極性がコイル５３および５５の一部を通じて流れる界磁電流の反転により変更されることが理解される。その結果、ロータコア１３は６極または２極をもつ。図２３は図２２に示される界磁コイル５に供給される界磁電流を制御するためのもう一つの界磁電流コントローラを示す。
【００８３】
第４実施例
図２４および図２５は極数切換式のロータを示す。ロータは、ロータ軸１０に固定された積層鋼板により製造されている。ロータコア１４は、周方向に等ピッチで配列された磁気突極であるティース１３１-１３６をもつ。永久磁石５２-５５がマグネット極と呼ばれるティース１３１および１３２に埋設されている。永久磁石無しのティース１３３-１３６はコア極と呼ばれる。マグネット極１３１に埋設された永久磁石５５はマグネット極１３１の外面にN極を与える。マグネット極１３２に埋設された永久磁石５２はマグネット極１３２の外面にS極を与える。
【００８４】
磁気障壁である溝部１４５は、２つのコア極１３３および１３５の間に形成されている。磁気障壁である溝部１４６は、２つのコア極１３４および１３６の間に形成されている。磁気障壁１４１はマグネット極１３１およびコア極１３３の間に形成されている。磁気障壁１４２はマグネット極１３１およびコア極１３４の間に形成されている。磁気障壁１４３はマグネット極１３２およびコア極１３５の間に形成されている。磁気障壁１４４はマグネット極１３２およびコア極１３６の間に形成されている。
【００８５】
図２４は３相モードまたは６相モードにおけるロータ極の一つの配列を示す。ステータ電流のｄ軸電流成分はコア極１３３および１３４にN極を与え、マグネット極１３１のN極を補強する。同様に、コア極１３５および１３６はS極となり、マグネット極１３２のS極は補強される。結局、ロータコア１４は実質的に２極となる。いわゆるｄ軸はマグネット極１３１および１３２の中心を通過する。いわゆるｑ軸は溝部１４５および１４６の中心を通過する。
【００８６】
図２５は単相モードまたは２相モードにおけるロータ極のもう一つの配列を示す。単相モードまたは２相モードにおける電気角３６０度は３相モードまたは６相モードにおける電気角１２０度と均等である。単相モードまたは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軸電流成分とからなる。ｄ３軸電流成分により、コア極１３３および１３４はS極となり、コア極１３５および１３６はN極となる。
ｄ３軸は、コア極１３３-１３６の中心およびマグネット極１３１および１３２の中心を通過する。ｑ３軸は、溝部１４５-１４６の中心および磁気障壁１４１-１４６の中心を通過する。これにより、ｄ３軸およびｑ３軸をもつロータコア１４は６極をもつ。
【００８７】
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。昇圧チョッパ８０は、リアクトル８１、下アームスイッチ８２およ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のドレイン電極およ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、上アームスイッチ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９のバッテリ電圧を昇圧し、４レグインバータ２Yに昇圧電圧を印加する。図１に示される４レグコンバータ２Sの８つのダイオードの代わりに、４レグインバータ２Yは、逆並列ダイオードをもつ８つのNMOSトランジスタをもつ。４レグインバータ２Yは３相電動モードおよび単相電動モードの両方を実行することができる。
【００８８】
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相電動モードが図２７-図３２を参照して説明される。U相コイル１Uは逆起電力Vuを発生し、V相コイル１Vは逆起電力Vvを発生し、W相コイル１Wは逆起電力Vwを発生する。電流Iは４レグインバータ２Yにより３つの相コイル１U、１Vおよび１Wに供給される。
【００８９】
図２７は、逆起電力Vuが最高である電気角２４０度の状態を示す。図２８は、逆起電力Vvが最低である電気角３００度の状態を示す。図２９は、逆起電力Vwが最高である電気角０度の状態を示す。図３０は、逆起電力Vuが最低である電気角６０度の状態を示す。図３１は、逆起電力Vvが最高である電気角１２０度の状態を示す。図３２は、逆起電力Vwが最低である電気角１８０度の状態を示す。
【００９０】
スイッチレグ２A-２Dが逆起電力Vu、VvおよびVwと反対方向をもつ３つの相電流を供給する時、３相電動モードはモータトルクを発生する。相コイル１U、１Vおよび１Wからなるシリーズ３相巻線は、従来のデルタ接続３相巻線と均等である。
【００９１】
図３３および図３４は単相電動モードを示す。逆起電力Vu、VvおよびVwは互いに等しい。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および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および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。
【００９２】
２相駆動法
３相電動モードのスイッチングロスを低減可能な２相駆動法が図２６を参照して説明される。２相駆動法は昇圧チョッパ８０および４レグインバータ２Yを用いる。電気角３６０度である２相駆動法の１サイクルは、６つの位相期間からなる。各位相期間は電気角６０度である。
【００９３】
２相駆動法によれば、スイッチレグ２A-２Dのうちの２つだけが所定周波数でスイッチングされる。位相期間が変更される時、他のスイッチレグのスイッチングは停止され、スイッチングされるペアは変更される。昇圧チョッパ８０は、要求された相電圧を２つの停止レグの間の相コイルに印加する。
【００９４】
図２７は、U相逆起電力Vuが最高である第１位相期間を示す。上アームスイッチ２３および下アームスイッチ２２が第１位相期間の間中、オンされる。昇圧チョッパ８０は要求された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２３および２２を通じてU相コイル１Uにi印加される。スイッチレグ２Cおよび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。
【００９５】
図２８は、V相逆起電力Vuが最低である第２位相期間を示す。上アームスイッチ２３および下アームスイッチ２６が第２位相期間の間中、オンされる。昇圧チョッパ８０は要求された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相電圧がスイッチ２３および２６を通じてV相コイル１Vにi印加される。スイッチレグ２Aおよび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。
【００９６】
図２９は、W相逆起電力Vwが最高である第３位相期間を示す。上アームスイッチ２７および下アームスイッチ２６が第３位相期間の間中、オンされる。昇圧チョッパ８０は要求された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２７および２６を通じてW相コイル１Wにi印加される。スイッチレグ２Aおよび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１Wに供給される。
【００９７】
図３０は、U相逆起電力Vuが最低である第４位相期間を示す。上アームスイッチ２１および下アームスイッチ２４が第４位相期間の間中、オンされる。昇圧チョッパ８０は要求された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および２４を通じてU相コイル１Uにi印加される。スイッチレグ２Cおよび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。
【００９８】
図３１は、V相逆起電力Vuが最高である第５位相期間を示す。上アームスイッチ２５および下アームスイッチ２４が第５位相期間の間中、オンされる。昇圧チョッパ８０は要求された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相電圧がスイッチ２５および２４を通じてV相コイル１Vにi印加される。スイッチレグ２Aおよび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。
【００９９】
図３２は、W相逆起電力Vwが最低である第６位相期間を示す。上アームスイッチ２５および下アームスイッチ２８が第６位相期間の間中、オンされる。昇圧チョッパ８０は要求された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および２８を通じてW相コイル１Wにi印加される。スイッチレグ２Aおよび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１Wに供給される。
【０１００】
昇圧チョッパ８０は、各位相期間において４レグインバータ２Yに電気角６０度から電気角１２０度のレンジの正弦波形をもつ昇圧電圧を印加する。この正弦波形は電気角９０度にて最高値となる。４つのスイッチレグの２つが停止されるので、４レグインバータ２Yのスイッチングロスは半分となる。
【０１０１】
変形態様
図３５に示される２つのシリーズ３相巻線を駆動する８レグインバータ２Zは、図１６に示される７レグコンバータ２Xの代わりに使用されることができる。８レグインバータ２Zは２つの４レグインバータ２Z１および２Z２からなる。昇圧チョッパ８０Aは第１のDCリンク電圧を４レグインバータ２Z１に印加し、昇圧チョッパ８０Bは第２のDCリンク電圧を４レグインバータ２Z２に印加する。３つの相コイル１U、１Vおよび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および２D１からなる。３つの相コイル１X、１Yおよび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および２D２からなる。４レグインバータ２Z１および２Z２はそれぞれ、図２６に示される４レグインバータ２Yと同じ動作をもつ。４レグインバータ２Z１および２Z２の２つ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。４レグインバータ２Z１の一つの相電圧と４レグインバータ２Z２の一つの相電圧との間の位相差は、６相モードにおいて電気角３０度である。
【０１０２】
第６実施例
図３６は直列接続された９つの相コイル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、直列接続された３つのシリーズ３相巻線からなる。第１のシリーズ３相巻線は直列接続された相コイルC１-C３からなる。第２のシリーズ３相巻線は直列接続された相コイルC４-C６からなる。第３のシリーズ３相巻線は直列接続された相コイルC７-C９からなる。
【０１０３】
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１の４レグインバータはレグ２A-２Dからなる。第２の４レグインバータはレグ２D-２Gからなる。第３の４レグインバータはレグ２G-２Jからなる。第１の４レグインバータは第１のシリーズ３相巻線に接続され、第２の４レグインバータは第２のシリーズ３相巻線に接続され、第３の４レグインバータは第３のシリーズ３相巻線に接続される。
【０１０４】
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、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、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に流れる。
【０１０５】
図３７は、集中巻きによりステータコア１００Cの９つのティース１０２に個別に巻かれた相コイルC１-C９を示す模式展開図である。３つの４レグインバータが単相モードで駆動される時、モータは新３相モードで駆動される。３つの４レグインバータに供給される３つの単相電流のうちの任意の２つの間の位相差は電気角１２０度である。図３８はこの新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。
【０１０６】
３つの４レグインバータが３相モードで駆動される時、モータは９相モードで駆動される。図３９はこの９相モードにおける９つの相電流I１-I９のベクトルを示す。この９相モードによれば、相電流I３およびI４の間の位相差が電気角３０度であるため、レグ２Dの電流は低減される。同様に、相電流I６およびI７の間の位相差が電気角３０度であるため、レグ２Gの電流は低減される。この実施例によれば、誘導モータは円滑に駆動される。
【０１０７】
第７実施例
一般にHブリッジまたはフルブリッジと呼ばれる３つの単相インバータは上記説明された４レグインバータの代わりに採用されることができる。Hブリッジは第１のスイッチレグおよび第２のスイッチレグからなる。第１のスイッチレグの交流端子は独立の相コイルの一端に接続される。第２のスイッチレグの交流端子は独立の相コイルの他端に接続される。３相電動モードにおいて、第１のHブリッジはU相電流をU相コイルに供給する。同様に、第２のHブリッジはV相電流をV相コイルに供給する。 第３のHブリッジはW相電流をW相コイルに供給する。３つの相電流のうちの任意の２つの間の位相差は電気角１２０度である。単相モードにおいて、３つのHブリッジは共通の相電流を供給する。
【０１０８】
この第７実施例によれば、単相電動モードにおいて極数だけが３倍となるが、巻数は変更されない。３つのHブリッジは２倍のトランジスタを必要とする。しかし、各トランジスタは従来の星形接続３相インバータのトランジスタより小さくなる。
【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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