JP2007509596A - 永久磁石ブラシレスモータの磁気伝動装置 - Google Patents

Abstract

永久磁石ブラシレス３相モータであって、このモータは、巻線Ｒ、Ｙ、Ｂと、直列および／または並列のそれぞれの巻線、例えばＲ、の区分をこの巻線Ｒの他の全ての区分に選択的に接続するためのスイッチ手段Ｓ１〜Ｓ１２とを含む。制御手段は、モータがこのモータのスピード／トルク特性を変化させるように駆動する一方、異なる形態で巻線区分１〜５を接続するようにスイッチ手段Ｓ１〜Ｓ１２を作動するように提供される。

Description

本発明は永久磁石ブラシレスモータの磁気伝動（歯車）装置に関する。

可変速度出力を供給することができる永久磁石ブラシレスモータは公知となっている。このモータの特性は線形であって、低速で高トルクを発生させ、低トルクでは高速となる。

特定の用途において、モータの出力が十分であっても、特定のモータの速度およびトルク特性の範囲は、所望の範囲をカバーするのに十分ではない。かかる状況において、２つの選択肢を利用することができる。第１には、全ての範囲に用いることができるより強力なモータを用いること、または第２には、機械式歯車をモータに備えることである。しかしこれらの方法の両方共がこのシステムのコストおよび重量を増加させる。

カナダ国特許出願第２３４１０９５号は、上記の方法の代わりに、速度およびトルクをモータ内で変更することができ、唯一付加的に必要となるものがスイッチング回路であるという技術を使用する方法を開示している。この技術の必要条件は、モータのステータコイルを少なくとも２以上の区分（セグメント）（固定子スロット全体にわたって均一にあるいは不均一に分配される）に分割しなければならないということである。そして、このスイッチング回路は、電源に接続されているコイル区分の数を変えるために用いることができる。かかる装置は、電源に接続されている導体の数を選択的に変えることによって速度を制御するために、誘起された逆起電力の制御を利用する。このことは、モータの速度を変えてトルクを変えることにも効果がある。

カナダ国特許出願第２３４１０９５号の主要実施例において、それぞれのモータ巻線は、電源全体に選択的に接続することができる巻線のタッピングによって供給される複数の直列接続した区分を含む。供給全体に接続されるコイル区分のうちの１つで、このモータは、低トルクだが高速で駆動する。しかしながら、電源全体にわたって直列接続されるコイルのかなりの部分で、このモータは、同じトルクで低い速度で駆動する。このように、モータのトルクではなく速度を、巻線を選択的に直列接続することによって変化させることができる。

代替実施例において、それぞれのモータ巻線は、複数の並列接続された区部を含み、これらの区分は、電源全体にわたって選択的に並列接続することができる。電源全体に接続されるコイル区分のうちの１つで、このモータは、上記したように低トルクだが高速で駆動する。しかしながら、電源全体にわたって並列接続されるコイルのかなりの部分で、このモータは、同一速度で高トルクを生じる。このように、モータの速度ではなくトルクを、巻線を選択的に並列接続することによって変化させることができる。

いずれの構成においても不利な点は、モータを駆動するときにいくつかの形態においてこれらの区分が余分となり、作用している区分の数が減るにつれて利用される銅の横断面積が減少するために銅（Ｉ²Ｒ）の損失が高くなるということである。また、余分な区分の存在は、コイルの正味の抵抗が全ての形態において最適化されるというわけではないことを意味し、それ故、接続されたコイルへの損害を回避するように供給電流または電圧を制御しなければならない。速度およびトルクは電流が作用しているので、電流のいかなる制限もモータの性能に影響を及ぼす。

ほとんどの状況において、モータへの供給電流は制限され（例えば家庭用においては１３アンペアで電流を供給する）、したがって、いくつかのコイルが回路の外にある場合には、達成可能な速度およびトルクは最適化されない。

我々は今回、前記課題を解消する永久磁石ブラシレスモータを発明した。本発明によると、複数の区分に分割される巻線と、スイッチ手段とを含む永久磁石ブラシレスモータであって、前記スイッチ手段は、前記巻線の区分を選択的に接続することにより、当該角区分を巻線の他の全ての区分と直列および／または並列に接続することで、複数の異なる形態のいずれかとすることを特徴とする永久磁石ブラシレスモータを提供している。

次に、このスイッチ手段は、直列、並列、またはこれら両方の組合せのコイル区分（電源に接続されている）の形態を変更することによって、磁気歯車を変更するのに使用することができる。我々はかかる装置を磁気（歯車）伝動装置(ｍａｇｎｅｔｉｃ ｇｅａｒｉｎｇ)と呼び、それは逆起電力の制御を利用して電源に接続された巻線形態を選択的に変化させることによって速度を制御するためである。これは、モータの速度を変化させることでトルクを変化させる。

コイル操作によって速度またはトルクを変化させる公知の方法とは対照的に、本発明はいかなる区分形態が使用されても全ての巻線区分がモータ動作に寄与するという点で区別される。このように、全ての銅が常に利用され、モータの銅損を最低限に保つ。

全ての巻線区分を利用することの効果は、モータの銅損が減少することである。通常、固定子スロットは、巻数を最大にすることによっても、または導線直径（巻数がその設計のために予め定められている場合）を最大にすることによっても、可能な限り多くの銅線が詰め込まれる。このように、銅の横断面積は、そのスロットにとって最大にされ、コイルの抵抗は最低限に保たれる。それゆえに、このモータの銅損は常に最低限に保たれる。

第１の形態において、このスイッチ手段は、全ての巻線区分を並列接続するように好ましくは構成される。この形態における所与の電流Ｉにおいて、モータは比較的低いトルクレベルで高速に到達することが可能である。

第２の形態において、このスイッチ手段は、全ての巻線区分を直列接続するように好ましくは構成される。この形態における同じ電流Ｉにおいて、モータは比較的低速度で高レベルのトルクを発生することのみが可能である。

第３の形態において、このスイッチ手段は、巻線区分のいくつかを並列接続し、これら並列接続された区分に他の区分の少なくとも一つを直列接続するように構成される。この形態での同じ電流において、モータは第１の形態の速度と第２の形態の速度の間の速度に到達することができ、第１の形態と第２の形態の間のトルクを発生することができる。

更にモータの速度特性対モータのトルク特性を変化させるために、巻線に印加される電圧はパルス幅で変調されてもよく、例えば前記スイッチ手段を使用する。 このモータの速度特性対モータのトルク特性を、異なる形態間の巻線区分を素早く切り替えることによって変化させて、この巻線が切り替えられた形態間での中間の特性を得ることができる。

好ましくは、所定の作動パラメータに従ってモータが駆動している間、このスイッチ手段は巻線接続の形態を変化させることが可能である。

好ましくは、このスイッチ手段は、電流、電圧、速度もしくはトルクといったモータの作動パラメータを検出するための手段の出力に従って、またはモータによって駆動される物体の作動パラメータ（例えばベロシティ）を検出するための手段の出力に従って、モータが駆動している間に巻線接続の形態を変化させることができる。複数の巻線を有する多相モータの場合、スイッチ手段は不伝導性位相の巻線またはこの巻線の区分で測定される逆起電力に従って、モータが駆動している間に伝導位相の巻線接続の形態を変化させることができる。 あるいは、このスイッチ手段は、時間もしくは動作サイクルまたはプログラムに従って巻線接続の形態を変化させることが可能である。

あるいは、巻線接続の形態を手動で変化させる手段を備えていてもよい。

好ましくは、巻線の全ての区分は、同一の方向に電流が各区分を好適に流れるように組み立て時に並列に巻回される。

巻線の区分の一つは、別の区分と異なる巻数から成っていてもよい。また、巻線の区分の一つは、別の区分の導体とは異なる横断面積を有する導体から成っていてもよい。

本発明の実施例は、以下に添付の図面を参照にして例示の目的のみに記載される。図１を参照すると、星形結線の３位相Ｒ、Ｙ、Ｂ １８スロット、１２ポール、および１のスロットピッチを含む３相永久磁石ブラシレスＤＣモータが示されている。この固定子外径、内径および長さは、それぞれ１１０ｍｍ、５５ｍｍ、７５ｍｍである。そのエアギャップは０．５ｍｍであって、磁石幅および厚みはそれぞれ１０ｍｍおよび４ｍｍである。それぞれの位相は、例えば、５つの導体を有する巻線か、あるいはモータの関連固定子スロットを介して並列に相互巻回された０．６３ｍｍのエナメル被覆された銅のいわゆる区分１〜５を有する巻線を備えている。モータへの供給電圧は、１８０Ｖ（ＤＣ）である。

一位相Ｒの第１の区分の第１端部は、他の二相Ｙ、Ｂに接続されている。位相Ｒの第１の区分の第１の端部は、スイッチＳ１を介してこの位相Ｒの第２の区分２の第１端部に接続されている。同様に、他の区分３、４、５の第１の端部は、それぞれのスイッチＳ２、Ｓ３、Ｓ４を介して隣接する区分に接続されている。 同様に、位相Ｒの第１の区分の第２の端部は、スイッチＳ９を介してこの位相Ｒの第２の区分２の第２の端部に接続されている。同様に、他の区分３、４、５の第２の端部は、それぞれのスイッチＳ１０、Ｓ１１、Ｓ１２を介して隣接する区分に接続されている。第５の区分５の第２の端部は、電源にも接続されている。 位相Ｒの第１の区分の第２の端部は、スイッチＳ５を介してその位相Ｒの第２の区分２の第１の端部に接続されている。同様に、他の区分２、３、４の第２の端部は、それぞれのスイッチＳ６、Ｓ７、Ｓ８を介して隣接した区分の第１の端部に接続している。

図２、７および８を参照すると、モータが作動し始めるときに、区分１〜５が直列接続されるようにスイッチＳ５からＳ８のみが電圧を供給される。このように、この供給電流は、各区分の極方向に対して同じ方向で直列接続された区分１〜５のそれぞれを流れる（図１に矢印で示される）。このことは常時そうであることが必要である。これら区分の一つ（例えば区分４）が反対方向に方向付けられている場合、区分４によって形成される流れは区分１、２、３および５による流れに対抗する。

モータのトルクは電流に正比例しており、起動トルクがモータに与えられた負荷に打ち勝つのに十分高ければローターは回転し始める。これはコイルの逆起電力の発生によって達成されるが、供給電圧を相殺し始め、その結果、モータによって発生するトルクが減少し始めるときに位相コイルに与えられる電流が減少し始める。

逆起電力は、位相コイルの巻数、永久磁石によって生じる磁束、永久磁石柱の対の数、およびローターの角速度に正比例する。コイルおよび位相間の相互接続および位相数といった他の要素も、発生する逆起電力に影響を及ぼす。

この挙動によって、このモータがそれによって発生するトルクが負荷に等しくなるまで加速し続けるという結果になるであろう。これ以後は、このモータは一定速度で回転し続けるであろう。どんな場合であっても負荷が変わる場合、モータは負荷のバランスをとるためにそのトルク（結果的にその速度も）を自動的に調整する。

モータに与えられる負荷が無いときに、このモータによって達成可能な最高速度となる。理想的には、このことは位相コイルにおいて発生する逆起電力が供給電圧に等しいときに起こる（この場合、電流はトルクを発生するコイルに流れない）。この状況は無負荷速度と呼ばれる。

実際は、この逆起電力は、常に供給電圧（無負荷速度でさえ）よりわずかに低いままである。これは、電源のごく一部が、モータの鉄損ならびにウィンデイジ（気擦）およびベアリングによる摩擦力に打ち勝つ際に使われるという理由である。

モータの性能基準が図２の速度対トルクの範囲内に制限されることが、図８のグラフからわかる。このグラフは、モータが最高速度５８４ｒｐｍおよび最大トルク２８．１Ｎｍを達成することができることを示す。さらなる例として、それは最高速度約４００ｒｐｍまで８Ｎｍのトルクを発生することもでき、あるいは逆にいえば、４００ｒｐｍで作動しているモータは最大トルク約８Ｎｍを発生することができる。

所望のモータ性能が１０アンペア（たとえば６００ｒｐｍで１４Ｎｍ）よりも落ちる場合、電動機パラメータを、付加的な必要電力を満たすために変える必要がある。

図３、７、８を参照すると、モータの性能は、モータの巻線の全てが接続される形態を変えることによって変えることができる。図７に従ってスイッチに電圧を与えることによって、区分１および２を並列接続することができ、次にこの並列の一組は区分３、４および５（これらは互いと直列接続される）に直列に接続される。

モータの性能基準が図３の速度対トルクの範囲内に制限されることが、図８のグラフからわかる。このグラフは、モータが７２５ｒｐｍの無負荷速度および３４．６Ｎｍの停動トルク(ｓｔａｌｌ ｔｏｒｑｕｅ)を発生することを示す。

図４、７、８を参照すると、モータの性能は図７のスイッチに電圧を与えることによって再び変わることができる。その結果、区分１、２および３は並列接続され、次にこの並列の組は区分４および５（これらは互いに直列接続される）に直列接続される。

モータの性能基準が図４の速度対トルクの範囲内に制限されることが、図８のグラフからわかる。このグラフは、モータが９６６ｒｐｍの無負荷速度および４６．１Ｎｍの停動トルク(ｓｔａｌｌ ｔｏｒｑｕｅ)を発生することを示す。

図５、７、８を参照すると、モータの性能は、図７のスイッチに電圧を与えることによって再び変えることができる。その結果、区分１、２、３および４は並列接続され、次にこの並列の組は区分５と直列接続される。

モータの性能基準が図５の速度対トルクの範囲内に制限されることが、図８のグラフからわかる。このグラフは、モータが１４４９ｒｐｍの無負荷速度および６９．０Ｎｍの停動トルクを発生することを示す。

図６、７および８を参照すると、モータの性能は、図７のスイッチに電圧を与えることによって最終的に変えることができる。その結果、区分１、２、３、４および５は並列接続される。

モータの性能基準が図６の速度対トルクの範囲内に制限されることは、図８のグラフから明白である。このグラフは、モータが２８９８ｒｐｍの無負荷速度および１３６．７Ｎｍの停動トルクを発生することを示す。

一見すると、最高の選択肢は、図６の形態（すなわち全て並列の区分）をなすことであると考えることができる。これは、速度とトルクの両方の点で最も大きな範囲を得ることができるためである。しかしながら、全ての形態に供給される電圧が同じ（１８０ボルトＤＣ）であるにもかかわらず、この電流は１の形態から次の形態に変化する。実用的な用途において、電流の制限（例えば家庭用電化製品は１３アンペアに制限される）が常に存在する。図８を参照すると、概念上の１０アンペア制限がそれぞれの形態に適用される場合、図２〜６の形態によって達成可能な最大トルクがそれぞれ２９．７、２３．７、１７．８、１１．９および５．９Ｎｍであることが理解されよう。したがって、さまざまな形態間の変更を行うスイッチを操作することによって、モータを１０アンペア制限の範囲中で保つ一方、性能をグラフの陰影部分に示すように発揮することができる。したがって、モータの伝動システムはスイッチを操作することによって提供することができ、よって、このモータは、いかなる単体の形態（限られた電流供給を伴う）で可能となるよりも高トルク（低速度で）および高速度（低トルクで）を発生すことができることが理解されよう。したがって、モータが最初に電圧を与えられるときに、全ての区分は図２に示すように直列接続することができる。結果として、高い起動トルクが１０アンペア制限の範囲内で好適に達成される。

Ｓ１〜Ｓ１２のスイッチは、リレーまたは半導体デバイスであってもよい。半導体デバイスの場合、複数のデバイスは、単一のパッケージを備えることができる。個々のスイッチ（例えばＳ１、Ｓ５およびＳ９）は、単一の機械式スイッチまたは電子スイッチに形態することができる。この場合、１および９がオンである時、５はオフである。５がオンのときは、１および９はオフである。この方法では、４のスイッチだけが１２のスイッチの代わりに位相ごとに必要となる。

図９を参照すると、図８のグラフに重ねられた家庭用洗濯機に必要とされる速度対トルクカーブ２０のグラフが示されている。現在、必要とされる速度およびトルクは、適当な機械的伝動装置および伝動ベルトを有する高速で動作する誘導モータを用いて、または大きなＤＣダイレクトドライブモータを用いて通常達成される。しかしながら、速度およびトルクの必要とされる範囲を本発明の適度な大きさのダイレクトドライブ・ブラシレスＤＣモータを使用して、現在の制限の中で容易に提供することができることが分かる。

図３および４の形態は、家庭用洗濯機用に必要とされる速度対トルク曲線を提供するのに必要ではなく、よって、スイッチを省略することによって価格を抑えることができる。

しかしながら、単相のマルチ分割型コイルが同じ導線直径または同じ巻数で巻回される必要はないが、全ての位相は同一の態様で巻回されなければならない点に留意する必要がある。例えば、相ごとの区分１は、同じ導線で巻回される必要があり、同じ巻数を有する必要がある。コイル区分２は、異なる巻数を有することができると共に区分１の直径とは異なる導線直径を用いて巻回することができるが、相ごとのコイル区分２は同一でなければならなく、同じことが他の全ての区分にもあてはまる。

先に記載されている実施例は３相を利用しているが、本発明がいかなる相数を有するモータにも適用できることが理解されよう。更に、本発明は、類似した速度トルク特性を有する永久磁石ブラシレス・シンクロナスモータ（同期電動機）にも適用できる。

図２〜６に示される形態は、可能な組合せだけでない。例えば、別の可能な組合せは、コイル区分１および２が並列接続されていると共にコイル区分３および４が並列接続されており、これら並列の２組が互いに、さらには残りの区分５に直列接続されているものである。この形態は、図４に示される装置と同じモータ特性を生じる。

さらに別の形態は、区分１、２および３を並列接続し、区分４および５を並列接続し、次にこれらの並列の組を互いに直列接続することによって得られる。これは、図５に示される形態によって生み出されるものと同様のモータ特性を生み出す。

獲得可能な速度-トルク特性の数は、備えられる（位相ごとに）巻取区分の数に依存し、有限数に限られる。このモータは、これが無負荷速度にできるだけ近づいて作動しているときに、その最も効率的なレベルで作動する。このために、自動的にその速度（速度-トルク特性線上で）を落とすことによって、モータが負荷の増加を補償することができるようにすることは望ましくない。磁気伝動装置を介して負荷の増加の要求に応じたほうがはるかに良好である。その結果、モータがその無負荷速度の近くで作動し続ける一方、新たなトルクレベルが達成される。しかしながら、全ての可能なトルクレベル（モータの所与の範囲の中で）を満たすために、このモータは、無限の数の磁気歯車、そして無限の数の巻取区分およびスイッチを必要とする。

代替実施例において、非常に急速に２つの形態間で交替することで巻線の形態を変えることによって得られるいかなるスピードトルク曲線をも達成することが可能である。その結果、このモータは、これらの形態のどちらの特性においても作動せず、むしろそれらの中間の特性で作動する。２つの形態間の急速なスイッチ切換えは、パルス幅変調（ＰＷＭ）信号をスイッチ（Ｓ１２〜Ｓ１）に供給することによって達成することができ、ＰＷＭの使用率（デューティーサイクル）は所望の中間速度およびトルクを達成するために変えられる。

例えば、並列接続される全ての巻回区分を有する第１の形態を考察する。この歯車はモータが達成できる最高速度を提供し、よって、この歯車は最も高い歯車である。これからの次のギヤーダウンは、残りの並列区分に巻線区分の一つを直列接続することによって達成される。これによって、次の最高速度を提供する。 このＰＷＭが１００%の使用率を有する場合、歯車は最も高いものから次の低速側の歯車に変更され、それを維持する。逆にいえば、０%（すなわち無信号）の使用率が選択される場合、このモータは最も高い歯車を維持する。０％から１００%の間で使用率を選択することは、歯車を生み出し、従って、最高２つの歯車間のモータ速度およびトルクを生み出す（すなわち中間歯車）。

必要に応じて、伝動装置は、最も高い歯車（全て並列の区分）および最も低い歯車（全て直列の区分）の間で直接切替えることができる。次に、このＰＷＭの使用率は、モータ性能の２つの両極端の間のどこにおいても速度/トルク特性を選択するために用いることができる。しかしながら、その分解能ならびに結果として所望の速度を達成することができるその精度は、歯車のスケールの最大範囲が増加するにつれて減少する。これは、ＰＷＭ周波数の増加によってある程度補償することができる。

図１は、本発明の３位相永久磁石ブラシレスモータの１位相の回路図である。 図２は、図１のモータの区分の様々な接続を示している回路図である。 図３は、図１のモータの区分の様々な接続を示している回路図である。 図４は、図１のモータの区分の様々な接続を示している回路図である。 図５は、図１のモータの区分の様々な接続を示している回路図である。 図６は、図１のモータの区分の様々な接続を示している回路図である。 図７は、図２〜６の接続に関して図１のモータのスイッチ状態を示している表である。 図８は、図２〜６の接続のための速度対トルクのグラフである。 図９は、洗濯機用の理想的なモータ特性が図１のモータを使用してどのように達成できるかを示す速度対トルクのグラフである。

Claims (17)

1. 複数の区分に分割される巻線と、スイッチ手段とを含む永久磁石ブラシレスモータであって、前記スイッチ手段は、前記巻線の区分を選択的に接続することにより、当該角区分を巻線の他の全ての区分と直列および／または並列に接続することで、複数の異なる形態のいずれかとすることを特徴とする永久磁石ブラシレスモータ。
2. 前記スイッチ手段は、巻線区分の全てを並列接続するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石ブラシレスモータ。
3. 前記スイッチ手段は、巻線区分の全てを直列接続するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石ブラシレスモータ。
4. 前記スイッチ手段は、前記巻線区分のいくつかを並列接続し、これら並列接続された区分に他の区分の少なくとも一つを直列接続するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石ブラシレスモータ。
5. 巻線に印加される電圧は、例えば前記スイッチ手段を使用して変調されるパルス幅であることを特徴とする上記請求項のいずれかに記載の永久磁石ブラシレスモータ。
6. 巻線に印加される電圧は、前記スイッチ手段に電圧を与えることによって選択的に変調されるパルス幅であることを特徴とする請求項５に記載の永久磁石ブラシレスモータ。
7. 前記永久磁石ブラシレスモータは、繰り返し前記スイッチ手段を作動させる手段を含んでおり、異なる接続形態間で前記巻線区分を変更させ、前記巻線が繰り返し変更される形態間の中間のモータ特性を獲得することを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の永久磁石ブラシレスモータ。
8. 所定の操作パラメータに従って、前記モータが駆動している間に巻線接続の形態を変更するために前記スイッチ手段を動作させる制御手段を含むことを特徴とする上記請求項のいずれかに記載の永久磁石ブラシレスモータ。
9. 前記制御手段は、前記モータの作動パラメータを検出する手段の出力に従って、前記モータが動作している間に前記巻線接続の形態を変更することが可能であることを特徴とする請求項８に記載の永久磁石ブラシレスモータ。
10. 前記制御手段は、前記モータによって駆動される物体の作動パラメータを検出する手段の出力に従って、前記モータが駆動している間に前記巻線接続の形態を変更することができることを特徴とする請求項８に記載の永久磁石ブラシレスモータ。
11. 前記制御手段は、不伝導性位相の巻線またはこの区分で測定される逆起電力に従って、前記モータが駆動している間に伝導位相の巻線接続の形態を変更することが可能であることを特徴とする請求項８に記載の永久磁石ブラシレスモータ。
12. 前記制御手段は、時間もしくは動作サイクルまたはプログラムに従って、前記モータが駆動している間に巻線接続の形態を変更することが可能であることを特徴とする請求項８に記載の永久磁石ブラシレスモータ。
13. 前記制御手段は、前記巻線接続の形態を手動で変更する手段を含むことを特徴とする請求項８に記載の永久磁石ブラシレスモータ。
14. 前記巻線の区分の全てまたは各巻線は、互いに並列に巻回されることを特徴とする上記請求項のいずれかに記載の永久磁石ブラシレスモータ。
15. 前記区分は、電流が同じ方向に各区分を流れるように接続されることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の永久磁石ブラシレスモータ。
16. 前記巻線の区分の１つが別の区分と異なる巻数から成ることを特徴とする上記請求項のいずれかに記載の永久磁石ブラシレスモータ。
17. 前記巻線の区分の一つは、別の区分の導体とは異なる断面積を有する導体を備えることを特徴とする上記請求項のいずれかに記載の永久磁石ブラシレスモータ。

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