JP2020509727A - 低電圧で電力供給される電気機械および関連するマルチセルパワートレイン - Google Patents

Abstract

低電圧トラクションチェーンのためのマルチセル変換器。本発明は、電気機械および当該電気機械を利用する牽引機械に関する。本発明による電動トラクションチェーンは、電気機械と、電気機械のさまざまな相に関連付けられるＡＣ電力信号を生成するように構成された複数の電力変換器と、複数のＤＣ電源とを備える。本発明による電気機械は、ロータおよびステータを備え、ステータは、絶縁された導電性材料のコイルから作成される少なくとも１つの巻線を含み、各巻線は電気機械の１つの相に関連付けられ、複数の独立して給電されるコイルを含む。電気機械の各ＤＣ電源は別個の電力変換器に関連付けられ、同じ巻線のコイルは、別個の電力変換器によって生成される同じ相に関連付けられた電力信号によって給電される。

Description

本発明は、電気エネルギーを変換する装置、または電気機械の分野内にあり、特に、低電圧で電力供給されるように設計された電気機械に関する。

電気機械は、一般的に産業用機器および電動パワートレインのアイテムに使用されている。例として、電気自動車、ハイブリッド車、機関車、または船舶に言及することができる。熱的トラクションモータに対する電動トラクションモータの主な利点は、その製造の容易さに基づく。実際、それらは設計が複雑な部品を含まず、メンテナンスをほとんど必要とせず、二酸化炭素を放出しない。

図１ａは、ＤＣ電圧供給源を多相電気機械に接続することを可能にする、現行技術水準によるパワートレインの構造を示している。この構造は従来の構造であり、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するため（電気モータ）、または逆に機械エネルギーから電気エネルギーを生成するため（発電機）の両方に使用される。このパワートレインは、３つの主要な要素、すなわち、電圧Ｕ_０の供給源１０１、電力インバータ１０２、および巻線を備える電気機械１０３から成る。

電源１０１は、例えば鉄道牽引の分野の場合のように、例えばバッテリなどのＤＣ電圧源、またはそれをＤＣ電圧に変換するために整流されるＡＣ電圧源である。車載システムでは、エネルギー源は、低電圧（蓄電池あたり数ボルト程度）を単一の方法で供給する、直列に配置された電気化学蓄電池、または、燃料電池によって構成され得る。

電力インバータ１０２、または電圧インバータは、電源によって送達されるＤＣ供給電圧をいくつかの位相シフトされたＡＣ供給信号に変換することを可能にする電子回路である。３相モータの場合、３つの供給信号を送達する。

図１ｂは、現行技術水準において知られているそのような電力インバータを構成する要素をより詳細に示している。インバータ１０２は、スイッチングモード電源の原理で動作する。インバータは、送達される信号１１１、１１２および１１３の各々について、例えば信号１１１のためのトランジスタ１１５および１１６などのブリッジアームとして取り付けられた２つのトランジスタを切り替える制御回路１１４を備える。したがって、送達される信号は方形波電圧を有し、その値は電源の正極の値（通常は高電圧に対応する）または電源の負極の値（通常は接地）のいずれかである。スイッチの高周波スイッチングに起因して、スイッチが電力供給する電気機械を構成するコイルにおいて生成される信号の電流は交流電流である。パルスの周波数および幅により、これらの信号のさまざまなパラメータ（周波数、振幅および位相）、ひいては回転速度およびトルクを制御することが可能になる。

電気機械１０３は、モータとして使用されるかまたは発電機として使用されるかに応じて、回転シャフトを駆動するか、このシャフトによって駆動される、パワートレインの最後の装置である。電気機械は、一般に３つである、いくつかの相を含む、すなわち、均一に位相シフトされたいくつかの電流によって電力供給される（３相モータの場合、３つの相電流はそれぞれ１２０°だけシフトされる）。

図１ｃは、現行技術水準による多相電気機械を示している。多相電気機械は、回転駆動されるシャフトが固定されているロータ１２１と、いくつかの電気コイルまたは巻線１２３、１２４および１２５を含む軟鉄シートまたは強磁性材料のスタックから作成される円筒部品であるステータ１２２とを備えている。各巻線は、絶縁塗料で覆われた、多くの場合銅線である、多数回巻かれた導線によって構成され、ステータのスロットに収容されたコイルを形成する。巻線は、単一のコイル、直列に配置された複数のコイル、または端部が互いに接続されてまったく同一の信号によって電力供給され、したがって機械的および電気的に並列であるコイルから製造することができる。したがって、巻線には単一の端子対（入力と出力）がある。図において、これらはそれぞれ、第１の巻線のための端子１３３および１４３、第２の巻線のための端子１３４および１４４、ならびに第３の巻線のための端子１３５および１４５である。

巻線は、電力インバータによって生成され、電気機械の相の１つに関連付けられた交流電流によって電力供給される。各巻線は独自の磁場を生成する。巻線の供給電流の経時変化は、発生する各磁場レベルの経時変化を引き起こす。したがって、巻線の供給電圧に適用される位相シフトは、生成される全磁場の方向の経時変化をもたらし、ロータを回転駆動する。

図１ｃの例では、電気機械は３相である、すなわち、巻線は３つの位相シフトされた供給電流によって電力供給される。したがって、電気機械は３つの巻線を備えているが、複数の巻線をまったく同一の位相に関連付けるか、または位相数を変更することにより、巻線の数を増やすことができる。

バッテリ、電力インバータ、電気機械アセンブリは長年にわたって知られている。ただし、その応用形態は進化しているとともに、電力レベルおよび効率の面での期待も高まっている。これは、送達される電力が加速および最大速度に関する車両の性能を決定し、効率が、カバーすることができる距離に関する性能を決定し、パワートレインのかさおよび重量が寸法決定要素である、電気自動車の場合に特に当てはまる。パワートレインがこれらの要件をすべて満たすことができることによって、生成される出力の大きさに起因して多くの問題が引き起こされる。

バッテリに関して、バッテリとは、数百ボルトに達することが可能である供給電圧を得るように、低電圧を送達する多数の単一の蓄電池を直列に配置した結果である。バッテリを構成する各要素の端子の電圧は、温度、経年変化などによって変化する可能性があるため、蓄電池を平衡させるという問題が発生する。直列に配置された要素に関して、蓄電池の１つの端子の電圧差は、別の要素の反対の差によって補償することができ、これらの差は、総電圧のみを監視するバッテリ健康状態モニタでは見えなくなる。したがって、要素が破壊される任意のリスクを回避するために、蓄電池のいくつかの技術ファミリ（ＢＭＳ「バッテリ管理システム」）には、各蓄電池によって供給される電圧の複雑な平衡が必要である。これらの管理システムは、送達される電力が非常に重要な場合には適していない。バッテリのもう１つの欠点は、１つの蓄電池が故障することによって、バッテリ、したがってすべてのパワートレインが無用になってしまうことである。

最後に、高電圧バッテリの取り扱いはリスクを呈し、低電圧バッテリには当てはまらない特定の予防措置が必要である（現在の規制では、「低電圧」とは、それを上回ると保護システムを設ける必要がある接触電圧として定義されており、すなわち、６０ボルト直流電流である）。同じ電力の場合、電流のアンペア数を増やすことで、パワートレインのバッテリの供給電圧を下げることができる。このとき、パワーエレクトロニクスおよび電気機械のコイルを製造する際に問題が発生し、電流の強度とともにその複雑さおよびサイズが増大する。したがって、電動パワートレインに電力供給するためにバッテリによって送達される電圧の選択は、一方における大電流を送達する能力と、他方におけるパワートレインのコンパクトさ、その実施の複雑さおよびユーザの保護との間の妥協の結果である。

電力インバータまたは電圧インバータに関して、それが含むトランジスタの寸法決定は、スイッチ電流の電圧およびアンペア数に依存する。したがって、ブリッジとして実装された絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（すなわちＩＧＢＴトランジスタ）は一般に高電圧に関連付けられ、一方、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタの頭字語）などの他のタイプのトランジスタは一般に低電圧に関連付けられる。後者はＩＧＢＴよりもスイッチング時間が短く、スイッチング損失に肯定的な影響があるが、その伝導損失は電圧とともに増加する。これが、ＩＧＢＴトランジスタが電力インバータに最も頻繁に使用される理由である。これらのトランジスタのサイズは、スイッチ電圧とともに増加する。

電気機械に関して、巻線の電流のアンペア数は準正弦波であるが、電圧は方形波であり、最大電圧とゼロ電圧との間で交互に変化する。供給電力値が高い場合、コイルの端子の方形波電圧には、非常に大きな立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジがある。立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジの期間中、電気機械の巻線を構成するターンの間の電圧の分布は、特に寄生容量現象に起因して、均一に行われない。したがって、コイルの端に位置するターンは非常に大きな電圧レベルを吸収し、これによって、絶縁体の絶縁破壊につながる可能性があり、電気機械が無用になる効果がある。

したがって、上記の理由により、特に電動パワートレインの供給電流の電圧を下げることを可能にする恒久的な解決策が必要である。この解決策は、とりわけ、パワートレインの要素の効率、またはそれが送達する電力を損なうことなく、
電源を取り扱う危険性の問題、
電力インバータのかさの問題、および
電気機械の早期劣化の問題
を解決するものとなる。

使用される電流のアンペア数を制限するために、欧州特許第２３６８３１９号明細書は、電気機械を２つの結合された電気部分機械に分割することを提案している。このとき、パワートレインは、電気機械のスター構造として位置決めされた３つの巻線の相に交流信号を送達する電力インバータを供給するために、各々が電源を含む２つのサブパワートレインに分割される。その際、電流の電圧およびアンペアは２で除算される。ただし、この方法は、含まれなければならない巻線の数がサブパワートレインの数に正比例するため、すべての電気機械と互換性があるとは限らず、電流の電圧およびアンペア数を２で除算することによって３相モータを製造するには、電気機械内に正確に６つのコイルが必要である。このように、使用する電圧およびアンペア数の低減は、電気機械の巻線の数に関連しており、低電圧で電力供給される高出力パワートレインの製造は、非常に多数の巻線を含む電気機械に対してのみ実行することができる（５８０Ｖの電気機械には、低電圧で電力供給される３６の巻線を有する電気機械が必要である）。

さらに、そのような装置は干渉を発生し、欧州特許第２３６８３１９号明細書は、位相間に磁気結合器を使用することにより低減することを提案し、これには、パワートレインの体積およびその実装の複雑さを増加させる効果がある。

したがって、本発明の主題は電気機械、および、電気機械に対する基本的な修正を必要とせずに低電圧で電力供給されることが可能である関連するパワートレインである。この結果は、電気機械を構成する巻線を分割し、それらの巻線を独立して電力供給することによって得られる。

この目的のために、本発明は、ロータおよびステータを含むタイプの電気機械を説明し、ステータは、絶縁された導電性材料のコイルから作成される少なくとも１つの巻線を含み、各巻線は電気機械の相に関連付けられる。本発明による電気機械は、各巻線が独立して電力供給される複数のコイルを含むことを特徴とする。

一実施形態によれば、まったく同一の巻線のコイルが、電気機械のまったく同一の相に関連付けられる。

有利には、まったく同一の巻線のコイルは、実質的に同等の巻き数を有する。

有利には、電気機械の巻線はすべて、独立して電力供給されるまったく同一の数のコイルを含む。

本発明の一実施形態によれば、電気機械の巻線を構成するコイルは、単一のＵ字形の導電性要素から構成され、当該導電性要素の端部は、プリント回路基板に機械的および電気的に接続されており、それによって、導電性要素は電力供給される。

本発明はまた、上述の実施形態の１つによる電気機械と、電気機械の異なる相に関連するＡＣ供給信号を生成するように構成された複数の電力インバータと、複数のＤＣ電源とを備える、電動パワートレインを説明する。

本発明による電気機械では、各ＤＣ電源は個別の電力インバータに関連付けられ、まったく同一の巻線のコイルは個別の電力インバータにより生成されるまったく同一の相に関連付けられる供給信号によって電力供給される。

有利には、本発明によるパワートレインでは、電気機械を構成するコイルが、それらが機械的および電気的に接続されているプリント回路基板によって電力供給されるため、電力インバータは上記電気回路上に製造される。

本発明によるパワートレインにおいて、許容値に達する供給電圧の場合、電力インバータは有利には、ＭＯＳＦＥＴまたはＧａＮ ＦＥＴタイプのトランジスタから製造される。

これらの電力インバータは、有利には共通の電位に接続することができる。

本発明の一実施形態によれば、電気機械の巻線を独立したコイルに分割することは、電気機械の電源が低電圧信号、すなわち６０ボルトＤＣ（直流）未満の信号を送達するようにすることである。

有利には、本発明によるパワートレインの電力インバータは、必要な電力の関数として電気機械のコイルの電力供給をオフにすることができ、これは、電力需要にかかわらずパワートレインから最適な効率を得ることを可能にする。

非限定的な例として与えられる以下の説明を読み、添付の図面から、本発明はよりよく理解され、他の特徴および利点がより明らかになるであろう。
図１ａ、図１ｂ、および図１ｃは、既に説明したが、本発明に先行する現行技術水準のパワートレインを示す図である。
図２は、本発明の一実施形態による電気機械を示す図である。
図３ａおよび図３ｂは、本発明の実施形態による電気機械のコイルに電力供給するために必要な種々の要素を示す図である。
図４ａおよび図４ｂは、本発明を実施するために使用されることが可能な電力インバータの複数の異なる実施形態のうちの１つを示す図である。
図５は、本発明によるパワートレインに必要な電力の関数として得ることができる効率の例を与える図である。
図６ａおよび図６ｂは、巻線の部分コイルが、電気回路に接続された単一のＵ字型ターンから製造される、本発明の有利な実施形態を示す図である。

以下の説明では、「電気機械」という用語は、電気エネルギーを機械エネルギー（動力）に変換するだけでなく、その逆（発電機）も行う、いわゆる電気機械を適切に指定するために使用される。本発明は、３つの分岐を含む多相電気機械の形で以下の図に示されているが、これは分岐の数に関係なく同様に適用される。これはまた、まったく同一の相に接続された１つまたは複数の分岐によって構成される単相電気機械のコンテキストにも適用される。電気機械は同様に、同期（可変リラクタンスまたは永久磁石、または同様に混合）または非同期タイプでもあり得る。

図２は、本発明の一実施形態による電気機械を示す。この電気機械は、ロータ１２１と、複数の異なる相に接続された巻線（１２３、１２４、および１２５）を備えるステータ１２２とによって構成されるという点で、現行技術水準による電気機械と類似しているが、巻線が、各々の巻き数がコイルの総巻き数よりも少ない複数のコイル（２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６、２０７、２０８、２０９）に分割されるという点において、現行技術水準から区別される。まったく同一の巻線の各コイルには、独自の端子（２１１および２２１、２１２および２２２、２１３および２２３）があり、それを介して電力供給される。

したがって、本発明は、巻線の各々をより小さなサイズのｋ_Ｂ個のコイル、または部分コイルに分割することを提案する。図２の例では、各巻線は、実質的に同一の巻き数の３つの部分コイルに分割されている。Ｎ_Ｓ回巻いた巻線によって製造されるものと同等の巻き数にするために、各コイルはＮ_Ｓ／ｋ_Ｂ回のターンを含む。まったく同一の巻線に属する部分コイルが、電気機械のまったく同一の相に関連付けられる。したがって、本発明は、各相をｋ_Ｂ個の磁気的に結合された副相に分割することを可能にし（まったく同一の巻線の部分コイルによって生成される磁力線は同じ方向に向けられる）、したがってｋ_Ｂ個の多相電気部分機械を構成する（図２では、電気部分機械はそれぞれ部分コイル［２０１、２０４、２０７］、［２０２、２０５、２０８］、および［２０３、２０６、２０９］によって構成されている）。

図２に示す例では、まったく同一の巻線を構成する部分コイル（例えば、部分コイル２０１、２０２、２０３）が連続的に配置されているが、発明を損なうことなく、部分コイルはまた、連結、混合または重ね合わせされてもよい。

完全な巻線のサイズよりも小さいサイズの部分コイルから各巻線を生成することにより、本発明は、現行技術水準のものと同一のターンあたり供給電圧について、サブコイルの数ｋ_Ｂに比例して電圧を低減して、各部分コイルに電力供給することを可能にする。したがって、この分割は、より低い電圧を有する個別の供給信号によって電力供給できるようにするために、直列ではなく並列にターンのバンクを配置することに相当する。したがって、まったく同一の巻線のコイルは、まったく同一の巻線内で機械的に（電気的にではなく）並列になっている。まったく同一の相の信号によって電力供給されることにより、それらが生成する磁場が蓄積される。したがって、電気機械によって送達される電力は、現行技術水準による電気機械によって送達される電力と同等である。

巻線あたりの部分コイルの数ｋ_Ｂを調整することにより、低電圧で電気機械の巻線に電力供給することができる。

ｋ_Ｂ＝１の場合、電気機械はあらゆる点で現行技術水準による電気機械と同一である。

ｋ_Ｂが増加すると、各部分コイルの供給電圧はそれに応じて減少する。

ｋ_Ｂ＝Ｎ_Ｓの場合、本発明による電気機械は、単一のターンから生成されるＮ_Ｓ個の部分コイルを有する。

図３ａは、本発明の一実施形態による電気機械３０３の巻線を構成する部分コイルに電力供給するために必要な種々の要素を示す。示されているサブパワートレインは、電気機械の巻線の１つではなく、個別の相と関連付けられている、例えば図２の部分コイル２０１、２０４、および２０７のような、これらの巻線のサブアセンブリに専用にされる。電力インバータに電力供給するＤＣ電圧源３０１は、電圧Ｕ_０／ｋ_Ｂを送達する直接または整流電圧源であり、Ｕ_０は現行技術水準によるパワートレイン（図１ａ参照）内の電源によって送達される電圧である。

電力インバータ３０２は、現行技術水準の電力インバータと同様であるが、電気機械によって送達されるまったく同一の電力について、標準的なパワートレインのオンボード電力インバータに関してｋ_Ｂに比例して電圧が低下する信号を変換するという点が異なる。

本発明は、図３ａに示されるような複数のサブパワートレインの並列利用を必要とする。図３ｂは、電気機械の巻線を細分するために使用されるコイルの数ｋ_Ｂが３相電気機械の３である場合の、本発明による完全なパワートレインを示す。本発明は、電気モータの相の数が３と異なる場合、機器のアイテムの数を１より大きいｋ_Ｂのすべての整数値に調整することにより、まったく同一の様式で適用される。

図３ｂでは、多相電気機械の巻線は、まったく同一の相に関連付けられた３つの部分コイルに分割されている。図２ａを参照すると、部分コイル２０１、２０２および２０３は第１の相に関連付けられ、部分コイル２０４、２０５および２０６は第２の相に関連付けられ、部分コイル２０７、２０８および２０９は第３の相に関連付けられている。

巻き数がＮ_Ｓ／ｋ_Ｂである部分コイル２０１、２０４および２０７は、電圧Ｕ_０／ｋ_Ｂを送達する第１の電源３０１によってそれ自体が電力供給される第１の電力インバータ３０２によって電力供給される。

同様に、部分コイル２０２、２０５、および２０８は、電圧Ｕ_０／ｋ_Ｂを送達する第２の電源３１１によって電力供給される第２の電力インバータ３１２によって電力供給される。

最後に、部分コイル２０３、２０６および２０９は、第３の電源３２１によって電力供給される第３の電力インバータ３２２によって電力供給される。

有利には、種々の電圧インバータは、接地などの共通の基準電位３３０に接続される。

したがって、本発明によるパワートレインは、パワートレインを構成する、並列に配置された異なる機器アイテムをもたらし、これには、パワートレインの要素の各々が、現行技術水準態のパワートレインよりも低い電圧レベルで動作することを可能にするという効果がある。

したがって、理論的には、本発明によるパワートレインは、先行技術によるパワートレインと同程度のエネルギーを消費し、同じ電力レベルを提供する。ただし、このように機器アイテムを並列に配置することにはさまざまな利点がある。

電気機械に関する本発明に関連する利点
電気機械に関して、電気機械の磁気構造、すなわち、その形状、そのかさ、コイルの数、コイルあたりの巻き数、プレートの構造などは、既知の電気機械に対して変更されない。既存の電気機械において本発明を実施するために必要な唯一の変更は、各巻線を、端子が個別の電源に接続されている、より小さなサイズの複数の部分コイルに置き換えることからなる。巻線を複数の部分コイルに置き換えることは、一定の量において行われる。したがって、既存の電気機械において本発明を実施することは、巻線の変更に限定される。

現行技術水準による電気機械では、電圧の前部の急峻さが、巻線間の寄生容量の問題を引き起こす。その結果、特に電圧パルスの前部において、コイルのターンにおける電流の分布が不均一になる。本発明による電気機械は、まったく同一の巻線を構成する各コイルについて低い供給電圧を受け取る。このため、電力インバータのトランジスタのスイッチング中に動作する電圧パルスの前部のレベルが低下する。したがって、電圧の低下に比例して、ターンの絶縁体が絶縁破壊するリスクが低下し、これにより電気機械の早期劣化が減少する。銅導体を保護する絶縁体の厚さを減らすために、この電圧の低下を考慮に入れ、したがって、コイルが占める表面積を減らすか、または巻き数を増やすことが可能である。引き起こされる寄生容量電流自体も減少し、これには、引き起こされる電磁干渉が低減する効果があり、電磁適合性の規則を順守するために実装される手段を減らすことができる。

異なる電圧インバータが共通の電位に接続されている場合、発生する寄生容量電流を減らすことはさらに重要である。

電力インバータに関する本発明に関連する利点
電力インバータに関して、本発明は、単一の高電力インバータではなく、より低い電力の複数の中電圧または低電圧インバータを使用することを可能にする。

インバータを構成する各要素が占める体積、特にトランジスタが占める体積は、スイッチ電流および電圧の関数である。相の電圧を下げることにより、使用する構成要素のサイズが小さくなる。

したがって、高電力インバータまたはより低電力の複数のインバータが占める容積は、理論的には同等である。ただし、中電力または低電力の複数のインバータを並列に使用すると、いくつかの利点がある。エネルギー変換機能の分割に関連する利点の１つは、電子機器の実装を可能な限り電気機械の近くに分布させることが可能であるという可能性に基づいている。種々のインバータを小さなサイズのモジュールに分散させ、幾何学的に、非常に正確な形状に構成し、コイルに可能な限り近づけて集積することができる。これにより、インバータと電気機械との間の接続を短くすることができ、これには、電磁干渉および損失が低減するという効果がある。したがって、電気機械および電力インバータはもはや、互いに独立して設計された２つのエンティティではなく、インバータと電気機械との間の相互作用を最適化するために製造された単一のエンティティである。単一の高電力インバータを使用すると、熱管理の問題も生じる。いくつかのより低電圧のインバータを並列に使用すると、発熱が少なくなり、独立したモジュールに分割することで、発生する熱の放散が改善される。

高電圧をスイッチングする電力インバータは、一般にＩＧＢＴトランジスタに基づいて製造され、ＩＧＢＴトランジスタは、同じ電圧定格のＭＯＳＦＥＴトランジスタよりも伝導損失が少ないが、スイッチング損失の点では最適ではない。図４ｂは、ＩＧＢＴトランジスタから製造された電力インバータを示している。これらのインバータの効率を最適化するために、スイッチング周波数を下げることが知られている。これは、電気機械の相に電力供給するために生成される電流の形状の品質に影響を与える。したがって、得られる効率は、動作周波数とスイッチング損失との間の妥協の結果である。

本発明は、スイッチ電圧レベルを低減することを可能にする。スイッチ電圧レベルが十分に低い場合（通常は２００ボルト未満）、トランジスタのファミリを変更し、例えばＭＯＳＦＥＴトランジスタを使用することが可能である。図４ｂは、ＭＯＳＦＥＴトランジスタに基づいて製造された電力インバータを示している。これらのトランジスタは双方向性であり、常にダイオードを使用する必要はない。ＭＯＳＦＥＴトランジスタのスイッチング時間は、同じ電圧定格のＩＧＢＴトランジスタよりも小さいため、スイッチング損失は小さくなる。したがって、これらのトランジスタは非常に高い周波数で使用できるため、送達される電流の品質（形状）が改善される。

したがって、電力インバータを分割することにより、各要素はよりコンパクトになり、スイッチングされる電力に適した技術を使用して高効率を達成することができる。巻線およびインバータの分割をさらに増やすことによって、通常は高電力電子機器ではなく低電力電子機器で使用されるトランジスタを使用することが可能である。それらの中でも、例えば、ＧａＮ ＦＥＴトランジスタ（亜硝酸ガリウム電界効果トランジスタ）などのワイドバンドギャップ半導体トランジスタは非常に良好な効率および非常に短いスイッチング時間を有する。

電源に関する発明に関連する利点
電源に関して、本発明は、単一の高電圧バッテリを使用するのではなく、中またはさらには低電圧のバッテリを並列に使用することを可能にする。本発明は、既存のパワートレインと互換性があり、蓄電池はグループにおいて接続され、直列ではなく並列に使用される必要があるだけである。送達される総電圧が現行技術水準の電圧と同等である場合、電源の並列化により、各バッテリの電圧が６０ボルト未満に低減されるとき、特別な予防措置を必要とせずに機器アイテムを取り扱うことが可能である。

電源のこの並列化の別の利点は、低電圧バッテリの平衡が高電圧バッテリの平衡よりも容易に実行されるという事実にある。さらに、これらのバッテリはバッテリ管理システム（ＢＭＳ）と互換性があり、その状態を監視し、その使用を最適化することが可能になり、これは、これらの監視システムが非常に複雑になる高電圧バッテリには当てはまらない。複数の異なる電力インバータを共通の電位にリンクすることには、ＢＭＳタイプの管理電子機器の実装を容易にする効果もある。

最後に、バッテリを並列で使用するということは、そのうちの１つが故障すると、パワートレインは電力を損失するが動作し続け、他のバッテリがそのそれぞれのコイルに電力を供給するため、電気機械が動作し続けることができる。また、各バッテリに流れる電流を調整することもでき、結果、バッテリの１つの動作が劣化した場合、そのバッテリは公称電流の一部のみを生成し、他のバッテリが、送達される電力のこの減少を補償する。したがって、バッテリによって電力供給される負荷を調整し、したがってその負荷の経年劣化を管理することが可能である。

パワートレインアセンブリに関する本発明に関連する利点
本発明はまた、必要な電力の関数として特定のコイルをオフにすることを可能にすることにより、パワートレイン全体にわたって全体的な効率を改善することを可能にする。

実際、その構造に起因して、現在のパワートレインは常に最大電圧で電気機械に電力供給する。例えば電気自動車の始動時など、電力の必要性が高い場合、パワートレインの効率は非常に良好である。しかし、例えば電気自動車が定常状態で走行している場合など、電力の必要性が減ると、インバータによって生成される電圧パルスの持続時間は非常に短くなるが、常に最大電圧になる。インバータおよび機械のこれらの大きな電圧変動に関連する削減不可能な損失は、低レベルの電力でのパワートレインの効率を低下させる。したがって、低速では、現行技術水準によるパワートレインによって得られる効率は準最適であり、特に大部分の時間、電気自動車は都市サイクルまたは長距離サイクル中に低電力レベルで動作するため、これは不都合である。

本発明は、電力インバータの一部をオフにすることにより、特定のコイルのみを使用することを可能にする。このため、巻線の一部に相当するもののみに電力供給することが可能である。こうすることにより、バッテリは経年劣化から保護され、構成要素のストレスは軽減されるが、特にパワートレインの効率はシステムのすべての動作範囲にわたって最適である。

図５は、本発明によるパワートレインに必要な電力の関数として得ることができる効率の例を与える。

曲線５０１は、単一のコイルが通電されたときのパワートレインの効率を示している。コイルは低電圧で電力供給され、効率曲線は電力とともに非常に急速に増加し、その後、その最大効率に対応するプラトーに達し、落下する前に、パワートレインは必要な電力を供給できなくなる。

曲線５０２は、２つのコイルが通電されたときのこの同じ効率を示している。この曲線の勾配は、曲線５０１の勾配よりも緩やかであり、低下する前により高レベルの電力でその最大効率に達する。

傾向は以下の曲線についても同じであり、曲線５０３および５０４は、それぞれｋ_Ｂ−１個およびｋ_Ｂ個のコイルが通電されたときの電力の関数として得られる効率を表す。

曲線５１０は、電力範囲全体にわたってコイルを慎重に起動／停止することにより得ることができる効率を示している。この効率は、必要な電力に関係なく最適に近いものである。

したがって、本発明はまた、コイルを起動または停止することにより、可能な最高の効率を常に有するように、必要な電力の関数としてパワートレインによって実施される手段を適合させることも可能にする。このオフにすることは、電力インバータ制御ユニットによって、これが切り替えるトランジスタを「高インピーダンス」位置（基礎インバータのトランジスタがすべて開いている）に保持することによって、非常に単純に実行することができ、これには、インバータが電力供給する部分コイルの電力供給がオフになるという効果がある。

最後に、本発明は、電気機械がスター構造の巻線の複数のアレイを備え、各アレイが独立した電力インバータによって供給される、例えば欧州特許第２３６８３１９号明細書に提示されているような現行技術水準のパワートレインについて提案されている改良の大部分と互換性がある。この特許に適用される本発明は、各星形アレイの各巻線、およびそれらに電力供給する各インバータを分割することからなる。

図６ａおよび図６ｂは、例示として提供される本発明によるパワートレインの有利な実施形態を示しており、部分コイルは、電気回路に接続された単一のＵ字型ターンから生成される。この実施形態では、コイルは、例えば平坦な導体などの断面積の大きい導体を使用して有利に製造される。

使用する導電性要素の直径が大きいほど、巻線のターンの巻き方が複雑になる。したがって、電気機械の製造業者は、長方形断面（平坦）の導体の形をとることができるより断面積の大きい導体を１回巻くのではなく、大きい巻き数の、断面積の小さい円形導体を使用することを好む。ただし、このような導体は、はるかに高い実装密度をもたらし、したがって、同一の厚さの銅に対して占有面積がより小さくなり、微細な導体の２つの隣接する円形ターンは必然的にそれらのターンの間に空きスペースを残す。さらに、銅の表面に対する絶縁体の割合ははるかに低くなる。しかし、断面積が小さい（０．５ｍｍ^２など）導体の可鍛性は、それらの導体が、断面積が大きい（５ｍｍ^２など）導体よりも一般的に好ましいことを意味する。これは、断面が、縁が丸みを帯びた長方形の平行六面体の形状である平坦な導体の場合にさらに当てはまる。銅の同等の表面について、このタイプの導体は、幅が厚さよりも大きいため、円形導体よりも電気機械に適しているが、連続したターンの形でのその巻線は特に複雑である。

現在、電気機械の巻線の巻き方は一般に長方形であり、そのような巻線によって誘導される磁場は、大部分が磁気回路にある部分（長辺）から発生し、コイルの頭部（短辺）にはほとんどないことが知られている。巻線および電力インバータを分割することにより、本発明は、想定される巻き数が少ないため、それらが連続したコイルで成形されることを必ずしも必要としないため、断面積の大きい導体の使用に特に役立つ。この目的のために、本発明は、平らな導体であり得るＵ字型導体を使用し、各Ｕ字型ターンを本発明の部分コイルの１つと考えることを提案する。したがって、ターンを形成するＵの両端は、巻線を構成する部分コイルの端子に対応し、電力インバータに接続されるのに適している。

有利には、各ターンの端部は、プリント回路基板または電気回路に機械的および電気的に接続されている。実施形態によれば、Ｕ字型ターンの端部は、プリント回路基板にはんだ付けまたはステープル留めされ、それが構成される伝導性トラックと接触することができる。プリント回路基板のトラックにより、電力インバータとターンとの間で供給信号を搬送することが可能になる。別の実施形態によれば、ターンが接続されるプリント回路基板は、多相信号を生成する電力変換機能を実施するために必要なパワーエレクトロニクスも備える。

図６ａはこの実施形態を示している。この例では、電気機械６００は、６つの巻線６０１〜６０６を含む多相機械である。例えば巻線６０６を考慮する場合、それはインバータのまったく同一の相に関連付けられる３つの部分コイル６１１、６１２、および６１３に分割される。これらの部分コイルは、Ｕの両端でプリント回路基板６２０に機械的および電気的にステープル留めまたははんだ付けされた、相当の厚さのＵ字型導体を１回巻くことによって構成されている。プリント回路基板は、ターンに電力供給する信号を搬送し、有利には、直流電流供給を多相交流に変換するために必要なパワーエレクトロニクスを含むことができる。

図６ｂａは、電気機械のコイルのうちの１つの斜視図である。この例では、巻線６０６が依然として考慮される。したがって、この巻線は、６１１、６１２および６１３の番号が付された３つのＵ字型ターンによって構成されている。これらのターンは、電気機械のケーシングの要素（図示せず）の周りに形成されているか、またはされていないため、プリント回路基板と同様に、それらを所定の位置に保持することが可能になる。これらの各ターンの両端（６３１および６４１、６３２および６４２、６３３および６４３）は、プリント回路基板６２０のトラックに接続されている。ターンとプリント回路基板との間の接合部６５０は、ステープル留め、はんだ付け、接着、またはこれらの要素を機械的および電気的に接続することを可能にする他の手段によって生成することができる。

図６ｂに示すように、ターンは互いから離間されているが、電気機械内に配置されるとき、この間隔は可能な限り小さくすることが有利である。

したがって、図６ａおよび図６ｂに示される電気機械は、現行技術水準による電気機械よりも高い充填密度を有する。さらに、複数の異なるターンを分離する絶縁層は、その端子の電圧が低くなるほど薄くなり、したがって、充填密度も改善する。

要約すると、本発明は、巻線が高電圧信号によって電力供給される多相電気機械を使用するのではなく、巻線をいくつかの部分コイルに分割し、低電圧信号によってこれらの各部分コイルに電力供給することを提案する。結果として生じる電気機械を構成する部分コイルは、並列に配置された低電圧電力インバータに接続することができる。これには、同等の送達電力に対して、多くの利点がある。
・巻線の変更のみを受ける、既存の電気機械との互換性。したがって、巻線を構成する各部分コイルは独立した端子を必要とする。
・１つまたは複数のコイルが故障した場合に電気機械の動作が損なわれないため、スイッチ電圧の低下により、電気機械の耐劣化性およびその信頼性が向上する。
・絶縁体の厚さの減少および／または平坦な導体など、断面積の大きい導体からの部分コイルが生成されることに起因して、巻線の占有率が改善する。
・まったく同一の基準電位に電力インバータを接続することにより、導体と機械の磁気回路との間の容量結合に関連する寄生電流を削減する。
・コイルの低電圧での供給が可能な機器の並列化を受けた、パワートレインを構成する要素のリスクのない取り扱い。
インバータの効率を改善し、必要な表面積を削減することを目的とした、電力インバータの生産に新規のトランジスタ技術の使用。
・電力インバータを細分化し、したがって、電気機械と可能な限り密接に集積することが可能であること、したがって、効率（電気機械を電力インバータに接続するトラックまたは導体の長さが短縮する）、熱管理、占有スペースおよび電磁放射が改善する。
・各バッテリから送達される電力を調整し、バッテリの経年劣化をより適切に考慮して管理できるようにする。
・電力供給されるコイルの数を調整することにより、電力の分割が管理され、これにより、電気機械の速度に関係なく、パワートレインの最適な効率を得、変換チェーンの構成要素を保護することが可能になる。

Claims (11)

1. ロータおよびステータを含むタイプの電気機械であって、前記ステータは、絶縁された導電性材料のコイルから作成される少なくとも１つの巻線を含み、各巻線は前記電気機械の相に関連付けられ、前記電気機械は、各巻線が、独立して電力供給される複数のコイルを含むことを特徴とする、電気機械。
2. まったく同一の巻線の前記コイルが、前記電気機械のまったく同一の相に関連付けられる、請求項１に記載の電気機械。
3. まったく同一の巻線の前記コイルは、実質的に同等の巻き数を有する、請求項１または２に記載の電気機械。
4. 前記巻線は各々、独立して電力供給されるまったく同一の数のコイルを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気機械。
5. 前記コイルは、単一のＵ字形の導電性要素から構成され、前記導電性要素の端部は、前記導電性要素に電力供給するプリント回路基板に機械的および電気的に接続されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気機械。
6. 電動パワートレインであって、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気機械と、前記電気機械の異なる相に関連付けられるＡＣ供給信号を生成するように構成された複数の電力インバータと、複数のＤＣ電源とを備え、各ＤＣ電源は個別の電力インバータに関連付けられており、まったく同一の巻線のコイルは、個別の電力インバータによって生成されるまったく同一の相に関連付けられた電力信号によって電力供給されることを特徴とする、電動パワートレイン。
7. 前記電力インバータは、前記プリント回路基板上に製造される、請求項５に従属するときの請求項６に記載の電動パワートレイン。
8. 前記電力インバータは、ＭＯＳＦＥＴまたはＧａＮ ＦＥＴタイプのトランジスタに基づいて製造される、請求項６または７に記載の電動パワートレイン。
9. 前記電力インバータが共通電位に接続されている、請求項６〜８のいずれか一項に記載の電動パワートレイン。
10. 前記電源は、低電圧信号を送達する、請求項６〜９のいずれか一項に記載の電動パワートレイン。
11. 前記電力インバータは、必要な電力の関数として前記電気機械の前記コイルの電力供給をオフにすることが可能である、請求項６から１０のいずれか一項に記載のパワートレイン。
    

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