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JP7296142B2 - motor - Google Patents
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Description

本発明は、回転電気機械に係り、特に、効率的な運転を実行する場合に好適な回転電気機械に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a rotating electric machine, and more particularly to a rotating electric machine suitable for efficient operation.

回転電気機械としてのモータの特性を変化させる技術としては、特許文献1や特許文献2に開示されているように、内部巻き線の接続形態を切り替えるという事が提案されている。例えば特許文献1は、工作機用のモータに関する技術であり、交流回路を構成する3つの相から成るコイルをステータとし、各相を構成するコイルを巻回数の異なる複数のコイルにより構成している。そして、高速回転時には、コイル全体の巻回数が少なくなるように、低速回転時には、コイル全体の巻回数が多くなるように、1から複数のコイルを選択的に直列接続する構成としている。 As a technique for changing the characteristics of a motor as a rotating electrical machine, switching the connection form of internal windings has been proposed, as disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2. For example, Patent Document 1 is a technique related to a motor for a machine tool, in which a coil composed of three phases constituting an AC circuit is used as a stator, and the coils constituting each phase are composed of a plurality of coils with different numbers of turns. . One or a plurality of coils are selectively connected in series so that the number of turns of the entire coil is reduced during high-speed rotation and the number of turns of the entire coil is increased during low-speed rotation.

また、特許文献2には、主に電動工具または自動車用のスタータジェネレータ用のモータに関する技術が開示されている。特許文献2に開示されているモータも、特許文献1に開示されているモータと同様に3つの相により構成されるコイルをステータとしている。そして、各相を複数のコイルにより構成し、各相を構成する複数のコイルを、直列または並列に接続切り替えする事のできる切替回路(スイッチング装置)を備える構成としている。このような構成とする事で、直列接続では、コイルにより励磁される磁界が強くなりトルクの向上を図る事ができ並列接続では、磁界が弱くなることで、高速回転を実現させることができる。 Further, Patent Document 2 mainly discloses a technique related to a motor for a starter generator for an electric power tool or an automobile. Similarly to the motor disclosed in Patent Document 1, the motor disclosed in Patent Document 2 also uses a coil composed of three phases as a stator. Each phase is composed of a plurality of coils, and a switching circuit (switching device) capable of switching the connection of the plurality of coils constituting each phase in series or in parallel is provided. By adopting such a configuration, in series connection, the magnetic field excited by the coil is strong and torque can be improved, while in parallel connection, the magnetic field is weak and high speed rotation can be realized.

また、特許文献3、4には、複数の相を有するコアレスモータにおいて、各相の接続方式を直列、または並列と定めることで、モータの特性を異ならせることができる旨の記載がある。さらに、特許文献5には、固定コイルを有するモータにおいて、3相のコイルの接続方式を直列と、並列に切り替える際、回路を用いる旨の記載がある。 Further, Patent Documents 3 and 4 describe that, in a coreless motor having a plurality of phases, the characteristics of the motor can be made different by defining the connection method of each phase as series or parallel. Furthermore, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-300000 describes that a circuit is used to switch the connection method of three-phase coils between series and parallel in a motor having fixed coils.

特許第3596711号公報Japanese Patent No. 3596711 特表2010-537621号公報Japanese Patent Publication No. 2010-537621 特開2014-121102号公報Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2014-121102 特開2019-54628号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2019-54628 特開2011-229221号公報JP 2011-229221 A

特許文献1、2に開示されている技術によれば、確かにモータの特性を変化させ、複数のモータの作用を1つのモータにより実現する事が可能となると考えられる。しかしながら、特許文献1に開示されている技術では、実質的にコイルの巻き数が変化するため、高回転域においては極端にトルクが低下する虞がある。また、特許文献2に開示されている技術は、鉄心の影響により自己インダクタンスが大きく、スイッチングから特性変化までの間にタイムラグが生じることが懸念される。 According to the techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2, it is certainly possible to change the characteristics of the motor and achieve the actions of a plurality of motors with a single motor. However, with the technique disclosed in Patent Document 1, the number of turns of the coil is substantially changed, so there is a possibility that the torque will be extremely reduced in the high speed range. Further, the technique disclosed in Patent Document 2 has a large self-inductance due to the influence of the iron core, and there is concern that a time lag may occur between switching and characteristic change.

また、特許文献3、4に開示されているコアレスモータのように、コイルの接続方式を切り替えるための回路を付帯させる場合、一般的にはケーシングの外部などに回路を配置するスペースを設ける必要が生じる。このため、コイルを小さなものとして容量の小さなモータを作成したとしても、モータ全体としては小型化を図る事が困難となる場合がある。 In addition, as in the coreless motors disclosed in Patent Documents 3 and 4, when a circuit for switching the connection method of the coil is added, it is generally necessary to provide a space for arranging the circuit outside the casing. occur. For this reason, even if a motor with a small capacity is manufactured by using small coils, it may be difficult to reduce the size of the motor as a whole.

そこで本発明では、上記課題を解決し、コイルの接続方式の切り替えを図るための回路の配置スペースを削減し、機械全体としての小型化を図りやすくする事のできるモータを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to solve the above problems and to provide a motor that can reduce the space required for arranging a circuit for switching the coil connection method, thereby facilitating miniaturization of the machine as a whole. do.

上記目的を達成するための本発明に係るモータは、ハウジングと、線材により円筒状を成すように構成され、片持ち支持されている非回転のステータコイルと、前記ステータコイルと離間して前記ステータコイルの対向面に位置する永久磁石を備えたロータと、を有するコアレスモータであって、前記ステータコイルは複数の相から成り、各相が複数のコイルから構成され、各相を構成するコイルの接続形式を直列形式と複数の並列形式に切り替え可能な回路部を備え、前記回路部は、前記ハウジング内に収め、かつ前記回路部は、円盤状基板により構成して前記ステータコイルの端部に近接させると共に、前記ステータコイルの端部に平行に配置し、前記回路部は半導体素子から成り、前記ステータコイルは、当該ステータコイルの内側、または外側のうちの少なくとも一方の側面に耐変形層を設けて成る耐変形コイル体、または自由端に金属により円環状に形成された補強リングを配置して成る耐変形コイル体であることを特徴とするモータ。 A motor according to the present invention for achieving the above object comprises a housing, a non-rotating stator coil which is configured to form a cylindrical shape with a wire rod and is cantilever supported, and a stator coil spaced apart from the stator coil. and a rotor with permanent magnets located on opposing surfaces of the coils, wherein the stator coils are composed of a plurality of phases, each phase composed of a plurality of coils, and the coils constituting each phase. A circuit section is provided in which the connection form can be switched between a serial form and a plurality of parallel forms, the circuit section is housed in the housing, and the circuit section is composed of a disk-shaped substrate and connected to the end portion of the stator coil. The circuit portion is made of a semiconductor element, and the stator coil has a deformation-resistant layer on at least one of the inner side and the outer side of the stator coil. 1. A motor characterized by a deformation-resistant coil body provided with a deformation-resistant coil body, or a deformation-resistant coil body having an annular reinforcement ring formed of metal at a free end thereof.

また、上記のような特徴を有するモータでは、前記コイル切替基板が円盤状とすることで、ステータコイルの形態に合わせて形成される円筒状のハウジング内に、コイル切替基板を効率良く収める事が可能となる。 Further, in the motor having the characteristics described above, the coil switching board is made disc-shaped , so that the coil switching board can be efficiently accommodated in the cylindrical housing formed in accordance with the shape of the stator coil. It becomes possible.

さらに、上記のような特徴を有するモータでは、前記コイル切替基板を前記ステータコイルの端部に配置するようにしている。このような特徴を有する事によれば、コイル切替基板をステータコイルの補強リングとして利用する事も可能となる。 Furthermore, in the motor having the characteristics described above, the coil switching board is arranged at the end of the stator coil. With such characteristics, the coil switching board can be used as a reinforcing ring for the stator coil.

また、上記のような特徴を有するモータにおいて前記回路部を1つまたは複数の半導体素子により構成することによれば、回転電気機械自体を小型、軽量化する事が可能となると共に、内部配線の簡略化等を図る事も可能となる。 Further, in the motor having the characteristics described above , if the circuit section is composed of one or a plurality of semiconductor elements, the rotary electric machine itself can be made smaller and lighter, and the internal wiring can be reduced. It is also possible to achieve simplification or the like.

また、上記のような特徴を有するモータは、前記ロータに同期して回転する回転軸を備え、前記回転軸には、前記ハウジング内に位置する部位に羽根が備えられているようにすることができる。このような特徴を有する事によれば、ハウジング内に空気を循環させ、冷却作用を奏する事が可能となる。 In addition, the motor having the characteristics described above may include a rotating shaft that rotates in synchronization with the rotor, and the rotating shaft may be provided with blades at a portion located within the housing. can. With such features, it is possible to circulate air in the housing and achieve a cooling effect.

また、上記目的を達成するための本発明に係るモータは、ハウジングと、円環状を成す非回転のステータコイルと、前記ステータコイルと離間して前記ステータコイルの対向面に位置する永久磁石を備えたロータと、を有するコアレスモータであって、前記ステータコイルは複数の相から成り、各相が複数のコイルから構成され、各相を構成するコイルの接続形式を直列形式と複数の並列形式に切り替え可能な回路部を備え、前記回路部は、前記ハウジング内に収め、かつ前記回路部は、円盤状基板により構成して前記ステータコイルの端部に近接させると共に、前記ステータコイルの端部に平行に配置し、前記回路部は半導体素子から成り、前記半導体素子は、コイル切替の前後のどちらもOFFとなる期間が設定されており、前記ステータコイルは、当該ステータコイルの内側、または外側のうちの少なくとも一方の側面に耐変形層を設けて成る耐変形コイル体、または自由端に金属により円環状に形成された補強リングを配置して成る耐変形コイル体であることを特徴とする。コイルの接続形式を切り替える際にショートが生じることを効果的に防ぐことが可能となるからである。
また、上記のような特徴を有するモータにおいて前記ステータコイルは、耐変形層を備えるようにすると良い。
A motor according to the present invention for achieving the above object includes a housing, a non-rotating stator coil having an annular shape, and a permanent magnet spaced apart from the stator coil and positioned on the opposite surface of the stator coil. and a rotor, wherein the stator coil is composed of a plurality of phases, each phase is composed of a plurality of coils, and the connection form of the coils constituting each phase is divided into a series form and a plurality of parallel forms. A switchable circuit portion is provided in the housing, and the circuit portion is constructed of a disc-shaped substrate to be proximate to the end of the stator coil and to the end of the stator coil. The circuits are arranged in parallel , the circuit section is composed of a semiconductor element , the semiconductor element has a set OFF period both before and after coil switching, and the stator coil is arranged inside or outside the stator coil. A deformation resistant coil body having a deformation resistant layer provided on at least one side surface thereof, or a deformation resistant coil body having an annular reinforcing ring made of metal disposed at a free end. This is because it is possible to effectively prevent the occurrence of a short circuit when switching the connection format of the coil.
Further, in the motor having the characteristics as described above, the stator coil is preferably provided with a deformation-resistant layer.

また、上記のような特徴を有するモータを水没させて使用し、前記ステータコイルや前記ロータが収められる前記ハウジングは、推進方向が定められ、前記回転軸の延設部を前記推進方向と反対側から、前記ハウジングの外部に突出させている構造とすることができる。 Further, the motor having the characteristics described above is used by being submerged in water, and the housing in which the stator coil and the rotor are housed is determined in the direction of propulsion, and the extending portion of the rotating shaft is arranged in the opposite direction to the direction of propulsion. The structure can be such that the housing protrudes from the side to the outside of the housing .

また、本発明は、回転数だけにたよらず、モータの出力トルク(実質的にモータの相電流に比例。以下、単にトルクと言う)或いはモータ相電流(以下、単に電流という)も見て切り替えることが望ましい。切替を回転数だけに頼ると電流を消費する割には期待するトルクが得られないからである。 In addition, the present invention does not depend only on the number of rotations, but also switches based on the output torque of the motor (substantially proportional to the phase current of the motor, hereinafter simply referred to as torque) or the motor phase current (hereinafter simply referred to as current). is desirable. This is because, if switching is based solely on the number of revolutions, the expected torque cannot be obtained for the amount of current consumed.

上記のような特徴を有するモータによれば、コイルの接続方式の切り替えを図るための回路の配置スペースを削減し、機械全体としての小型化を図ることができる。 According to the motor having the characteristics described above, the space for arranging the circuit for switching the coil connection method can be reduced, and the size of the machine as a whole can be reduced.

本発明に係るモータの概略構成を示す側断面図である。1 is a side sectional view showing a schematic configuration of a motor according to the present invention; FIG. ステータコイルの断面構成を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional structure of a stator coil. 実施形態に係るステータコイルを構成するリッツ線の断面構成を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional structure of the litz wire which comprises the stator coil which concerns on embodiment. コイル切替基板をリング状に形成した例を示す図である。It is a figure which shows the example which formed the coil switching board|substrate in the shape of a ring. 第1実施形態に係るモータにおけるステータコイルの回路構成を示す図であり、各相を構成するコイルを直列接続する場合の例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a circuit configuration of a stator coil in the motor according to the first embodiment, and is a diagram showing an example of a case where coils forming respective phases are connected in series. 第1実施形態に係るモータにおけるステータコイルの回路構成を示す図であり、各相を構成するコイルを並列接続する場合の例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a circuit configuration of a stator coil in the motor according to the first embodiment, and is a diagram showing an example in which coils forming each phase are connected in parallel. ステータコイルを構成するコイルの接続方式を切り替えた場合におけるトルクと回転数、トルクと電流のそれぞれについての関係特性を示すグラフである。7 is a graph showing relational characteristics between torque and rotation speed, and between torque and current when the connection method of the coils forming the stator coil is switched. ステータコイルを構成するコイルの接続方式を切り替えてモータを運転する場合の特性変化を示すグラフである。5 is a graph showing changes in characteristics when the motor is operated by switching the connection method of the coils forming the stator coil. ステータコイルを構成するコイルの接続方式を切り替えてモータを運転する場合の出力特性の変化と、状況に応じた切り替えを行うためのゾーンを示すグラフである。5 is a graph showing changes in output characteristics when the motor is operated by switching the connection method of the coils forming the stator coil, and zones for switching according to the situation. 第2実施形態に係るモータにおけるステータコイルの回路構成を示す図であり、各相を構成する4つのコイルを全て直接接続する場合の例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the circuit configuration of a stator coil in a motor according to a second embodiment, and is a diagram showing an example in which all four coils forming each phase are directly connected. 第2実施形態に係るモータにおけるステータコイルの回路構成を示す図であり、各相を構成する4つのコイルのうちの2つずつを直列接続し、直列接続した組を成すコイルを並列接続する場合の例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the circuit configuration of a stator coil in a motor according to a second embodiment, in which two of the four coils forming each phase are connected in series, and the series-connected sets of coils are connected in parallel; It is a figure which shows the example of. 第2実施形態に係るモータにおけるステータコイルの回路構成を示す図であり、各相を構成する4つのコイルを全て並列接続する場合の例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a circuit configuration of a stator coil in a motor according to a second embodiment, and is a diagram showing an example in which all four coils forming each phase are connected in parallel. 第2実施形態に係るモータにおいて、ステータコイルを構成するコイルの接続方式を切り替えてモータを運転する場合の特性変化を示すグラフである。9 is a graph showing changes in characteristics when the motor according to the second embodiment is operated by switching the connection method of the coils forming the stator coils. 3段切替のモータを車両に適用した場合における運転切替の具体例を示す図である(回転数の変化と接続切り替えの関係)。FIG. 4 is a diagram showing a specific example of operation switching when a three-stage switching motor is applied to a vehicle (relationship between change in rotation speed and connection switching). 3段切替のモータを車両に適用した場合における運転切替の具体例を示す図である(速度の変化と接続切り替えの関係)。FIG. 4 is a diagram showing a specific example of operation switching when a three-stage switching motor is applied to a vehicle (relationship between speed change and connection switching). 3段切替のモータを車両に適用した場合における運転切替の具体例を示す図である(路面傾斜状況の変化と接続切り替えの関係)。FIG. 4 is a diagram showing a specific example of operation switching when a three-step switching motor is applied to a vehicle (relationship between change in road surface inclination and connection switching). 1相に12個のコイル、5個の回路部を備えた応用形態を示す図である。It is a figure which shows the application form provided with 12 coils and 5 circuit parts in 1 phase. 12コイルを用いた場合におけるコイルの配置形態の例を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing an example of the arrangement of coils when 12 coils are used; 6段切替のモータにおける回路例を示す図であり、図中破線Aで囲んだ部分に関しては、同図中に部分拡大図を示す。It is a diagram showing an example of a circuit in a six-stage switching motor, and a partially enlarged view of a portion surrounded by a dashed line A is shown in the figure. 図19における回路部の切り替えと、接続状態の変化を示す表である。20 is a table showing switching of circuit units and changes in connection state in FIG. 19; ステータコイルを2相により構成する場合の回路例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a circuit example in which a stator coil is composed of two phases; 2相のステータコイルにおいて各相のコイルを直列接続した場合の例を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of a two-phase stator coil in which coils of respective phases are connected in series; 2相のステータコイルにおいて各相のコイルを並列接続した場合の例を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of a two-phase stator coil in which respective phase coils are connected in parallel; ステータコイルを5相により構成する場合の回路例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a circuit example in which a stator coil is composed of five phases; 5相のステータコイルにおいて各相のコイルを直列接続した場合の例を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of a case where coils of each phase are connected in series in a five-phase stator coil; 5相のステータコイルにおいて各相のコイルを並列接続した場合の例を示す模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing an example in which coils of each phase are connected in parallel in five-phase stator coils. 回路部をスイッチング素子により構成した場合におけるクロックと、各種指令信号におけるLo、Hiの関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between a clock and Lo and Hi in various command signals when the circuit unit is configured by switching elements; スイッチング素子を用いた回路部に指令信号を出力する制御部の構成例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of a control unit that outputs a command signal to a circuit unit using switching elements; 各相を構成するブロックの回路の例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of a circuit of blocks that configure each phase; 本発明に係るコアレス回転電気機械を水中で用いる回転電気機械に適用した場合の例を示す図である。1 is a diagram showing an example of a case in which a coreless rotating electrical machine according to the present invention is applied to a rotating electrical machine for underwater use; FIG. 本発明に係るコアレス回転電気機械を水中で用いる自立推進型の回転電気機械に適用した場合の例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of a case where the coreless rotating electrical machine according to the present invention is applied to a self-propelled rotating electrical machine that uses underwater; コイル切替基板を円盤型とする場合の例を示す図である。It is a figure which shows the example in the case of making a coil switching board|substrate into a disc shape. 水中で用いる回転電気機械において、冷却水を気化させた水蒸気を排出するタイプの回転電気機械に関する例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an example of a type of rotary electric machine that discharges water vapor obtained by evaporating cooling water in the rotary electric machine used underwater.

以下、本発明のモータに係る実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of a motor according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

[基本構成]
まず、図1から図3を参照して、本実施形態に係るモータ10の基本構成について説明する。本実施形態に係るモータ10は、ハウジング12と、回転軸14、ステータコイル18、ロータ16、及びコイル切替基板24を基本として構成される、いわゆるコアレスモータである。ハウジング12は、外殻を構成する要素であり内部空間に回転軸14やステータコイル18、ロータ16、及びコイル切替基板24を収容している。回転軸14は、ハウジング12の内部に設けられたステータ13を基点として、ハウジング12の外部に突出部を有するように配置され、ステータ13とハウジング12との交点にそれぞれ備えられた軸受13a,12aにより、回転自在に支持されている。
[Basic configuration]
First, the basic configuration of a motor 10 according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3. FIG. The motor 10 according to the present embodiment is a so-called coreless motor that is basically composed of a housing 12, a rotating shaft 14, a stator coil 18, a rotor 16, and a coil switching board 24. As shown in FIG. The housing 12 is an element forming an outer shell, and accommodates the rotating shaft 14, the stator coil 18, the rotor 16, and the coil switching board 24 in an internal space. Rotating shaft 14 is arranged with stator 13 provided inside housing 12 as a base point, and has projections outside housing 12. Bearings 13a and 12a are provided at intersections of stator 13 and housing 12, respectively. is rotatably supported by

また、本実施形態に係るモータ10は、陸上用の汎用モータに関する例であり、回転軸14に羽根14aを備える構成としている。羽根14aは、いわゆる冷却ファンとしての役割を果たす要素であり、回転軸14が回転する事により、ハウジング12内の気体を循環させる役割14aを担う。このような作用により、コイルからの発熱を抑え、コイル切替基板24の機能を担保する事が可能となる。図1に示す例では羽根14a詳細を後述するステータコイル18と、ハウジング12における回転軸14が突出している側の端部との間に備える構成としているが、円環状に構成されたステータコイル18の内周側領域(インナーヨーク16bの内周側領域)に配置する構成としても良い。なお、本実施例では、羽根14aの回転作用により生じる気圧差により、ハウジング12に設けられた貫通孔(不図示)からの空気の入出を期待する構成としているが、ハウジング12の側面に貫通孔を設け、ロータ16の回転により気圧の変化を生じさせるようにしても良い。よって、羽根14aは、本発明の回転電気機械に適用する冷却手段の1形態であり、冷却手段をこれに限定するものではない。 Further, the motor 10 according to the present embodiment is an example related to a general-purpose motor for land use, and has a configuration in which the rotary shaft 14 is provided with the blades 14a. The blades 14a are elements that play a role as a so-called cooling fan, and play a role 14a in circulating the gas inside the housing 12 by rotating the rotating shaft 14. As shown in FIG. With such an action, heat generation from the coil can be suppressed, and the function of the coil switching board 24 can be ensured. In the example shown in FIG. 1, the blades 14a are provided between the stator coil 18, which will be described later in detail, and the end of the housing 12 from which the rotating shaft 14 protrudes. (the inner peripheral region of the inner yoke 16b). In this embodiment, air is expected to flow in and out through through holes (not shown) provided in the housing 12 due to the air pressure difference caused by the rotational action of the blades 14a. may be provided so that the rotation of the rotor 16 causes a change in atmospheric pressure. Therefore, the blade 14a is one form of cooling means applied to the rotating electric machine of the present invention, and the cooling means is not limited to this.

ステータコイル18は、複数の相(本実施形態ではU相、V相、W相の3相)に分けられたコイル群により、円環状を成すように構成されている(図2参照)。ステータコイル18を構成するU相、V相、W相は、それぞれ極を構成する複数のコイルから成っている。図2に示す形態では、各相を1/2(つまり2等分)に分けて、第1コイルU、第2コイルU、第1コイルV、第2コイルV、第1コイルW、第2コイルWから成るように構成している。より具体的な一例として、内側円環状コイル体を構成する相がU相であり、半径方向において内側円環状コイル体よりも外側に位置する相がV相、さらにV相の外側に位置する相をW相とし、各相に第1コイル(U、V、W)と第2コイル(U、V、W)を定めている。なお、内側からU相、V相、W相とするのは一例であり、異なる順序、重なり方でも良い。また、図2では各相は順次電気角でほぼ1/3ずつ円周方向にずれて配置されている。このような構成のステータコイル18は、一方の端面が固定部材であるステータ13に支持されるように構成されている。 The stator coil 18 is configured in an annular shape by a group of coils divided into a plurality of phases (three phases of U phase, V phase and W phase in this embodiment) (see FIG. 2). The U-phase, V-phase, and W-phase constituting the stator coil 18 are each composed of a plurality of coils constituting poles. In the form shown in FIG. 2, each phase is divided into 1/2 (that is, divided into two equal parts), and the first coil U 1 , the second coil U 2 , the first coil V 1 , the second coil V 2 , the first coil W 1 and a second coil W 2 . As a more specific example, the phase that constitutes the inner annular coil body is the U phase, the phase that is located radially outside the inner annular coil body is the V phase, and the phase that is located outside the V phase. is a W phase, and each phase has a first coil (U 1 , V 1 , W 1 ) and a second coil (U 2 , V 2 , W 2 ). It should be noted that the U-phase, V-phase, and W-phase from the inside is just an example, and different orders and overlapping methods may be used. Also, in FIG. 2, each phase is sequentially shifted by approximately 1/3 of the electrical angle in the circumferential direction. The stator coil 18 having such a configuration is configured such that one end surface thereof is supported by the stator 13, which is a fixed member.

ここで、説明簡単化の為に「ほぼ1/3ずつ円周方向にずれて」と述べたが、厳密にはU相とV相、W相は電気角で120°ずれる。機械角(実際の角度)では2極の場合U相に対しV相は120°、W相は240°ずれる。4極の場合U相に対しV相は60°又は240°、W相は120°又は300°ずれる。6極の場合U相に対しV相は40°、160°、280°、W相は80°、200°、320°ずれ、8極の場合U相に対しV相は30°、120°、210°、300°、W相は60°、150°、240°、330°ずれる。こうして10極、12極と法則に従ってずれることになる。U相、V相、W相は電気角でそれぞれ120°ずつズレるが、機械角で表現すると極数によりズレる角度が変わるので図2は模式的に表現している。 Here, for the sake of simplification of explanation, the phrase "shifted in the circumferential direction by approximately 1/3" is used, but strictly speaking, the U-phase, the V-phase, and the W-phase shift by 120° in electrical angle. In the mechanical angle (actual angle), the V phase is shifted by 120° and the W phase by 240° with respect to the U phase in the case of two poles. In the case of four poles, the V phase is shifted by 60° or 240° and the W phase by 120° or 300° with respect to the U phase. In the case of 6 poles, the V phase is 40°, 160°, 280° with respect to the U phase, and the W phase is 80°, 200°, 320° with respect to the U phase. 210°, 300°, W phase shifts 60°, 150°, 240°, 330°. In this way, 10 poles and 12 poles are shifted according to the law. The U-phase, V-phase, and W-phase each deviate by 120° in electrical angle, but since the deviation angle changes depending on the number of poles when expressed in mechanical angle, FIG.

また、ロータ16は、円筒状を成すアウターヨーク16cとインナーヨーク16b、及び永久磁石16aを有している。アウターヨーク16cは、上述したステータコイル18の外周側(円環中心を基点とした半径方向外周側)に位置する要素であり、インナーヨーク16bは、ステータコイル18の内周側に位置する要素である。また、本実施形態に係るモータ10では永久磁石16aを、アウターヨーク16cの内側であって、ステータコイル18の対向面に備えるように構成している。 Further, the rotor 16 has a cylindrical outer yoke 16c, an inner yoke 16b, and a permanent magnet 16a. The outer yoke 16c is an element located on the outer peripheral side of the stator coil 18 described above (on the outer peripheral side in the radial direction with respect to the center of the ring), and the inner yoke 16b is an element located on the inner peripheral side of the stator coil 18. be. Further, in the motor 10 according to the present embodiment, the permanent magnet 16a is provided inside the outer yoke 16c and on the surface facing the stator coil 18. As shown in FIG.

また、図1に示す例の場合、インナーヨーク16bと回転軸14との間に支持部材17を配置し、ロータ16の回転と回転軸14の回転が同期するように構成されている。また、図1に示す例では、支持部材17をロータ16の基端側(詳細を後述するコイル切替基板24を配置する側)と、先端側にそれぞれ設ける構成としている。このような構成とする事により、ロータ16が回転する際のブレを抑えることができる。 In the example shown in FIG. 1, a supporting member 17 is arranged between the inner yoke 16b and the rotating shaft 14 so that the rotation of the rotor 16 and the rotating shaft 14 are synchronized. In the example shown in FIG. 1, the supporting member 17 is provided on the base end side of the rotor 16 (the side on which the coil switching board 24 described later in detail is arranged) and the tip end side. With such a configuration, it is possible to suppress shaking when the rotor 16 rotates.

このような構成のコアレスモータは、動力発生源と回転軸14とが離れている事により、モータ10の大きさに比して大きな出力、及びトルクを得る事が可能となる。また、ステータコイル18が鉄心を備えないため、自己インダクタンスを小さく抑える事ができる。 A coreless motor having such a configuration can obtain a large output and torque compared to the size of the motor 10 because the power generation source and the rotating shaft 14 are separated from each other. Moreover, since the stator coil 18 does not have an iron core, the self-inductance can be kept small.

さらに、このような構成のモータ10では、ステータコイル18を構成する際、巻き線に図3に示すようなリッツ線を用いると共に絶縁層によるコーティングで形状形成する構成としている。なおリッツ線は、複数の導電線18aが束ねられて構成された、いわゆる撚線であり、各導電線18aの外周は、エナメル層18bで覆われている。さらに、以下の各実施形態では、撚線を構成する導電線18a(束としての導電線18a)の外周には、ガラス繊維のような繊維状物による外皮層18cが設けられている。 Further, in the motor 10 having such a configuration, when the stator coil 18 is formed, a litz wire as shown in FIG. 3 is used for the winding and the shape is formed by coating with an insulating layer. The litz wire is a so-called stranded wire formed by bundling a plurality of conductive wires 18a, and the outer circumference of each conductive wire 18a is covered with an enamel layer 18b. Furthermore, in each of the embodiments described below, an outer skin layer 18c made of a fibrous material such as glass fiber is provided on the outer periphery of the conductive wire 18a (the conductive wire 18a as a bundle) that constitutes the twisted wire.

コイル切替基板24は、ステータコイル18を構成するコイルの接続形式を切り替えるための回路部20を配置するための要素であり、その外観形状をリング状としている(図4参照)。ここで、図5、図6等において回路部20は、形式上機械的に示しているが、コイル切替基板24に配置する上では図4に示すように、1つまたは複数の半導体素子24aにより構成すると良い。また、図4では配線や素子を模式的に示しているため、その形状や配置形態、数などに関しては、実際のものと異なる。例えば、ステータコイル18からの線として図4では、代表して3本の線を描いているが、実際にはコイルの端子の数と同数の線が接続されることとなる。なお、図4に示すように、コイル切替基板24にドライバを付帯させ、このドライバを経由して接続することで、配線数を少なくするようにしても良い。また、基板上の配線についても同様に、実際の基板上には複数の配線が設けられることとなる。さらに、コイル切替基板24上には、ステータコイル18を制御するためのドライバや、コイルの接続形式を切り替えるための信号を出力するための切替指令装置(制御部22)を付帯させるようにしても良い。図4でドライバや切替指令装置をコイル切替基板24と別体として、配線により接続するように示しているように、ドライバや切替指令装置は、ハウジング12の外部等に備えるようにしても良い。ここで、ドライバとコイル切替基板24を接続する配線は、模式的に1本で示しているが、実際は上記と同様に、複数の配線が設けられるものとする。また、切替指令装置からコイル切替基板24への信号線は、複数本でも良い。 The coil switching board 24 is an element for arranging the circuit section 20 for switching the connection type of the coils forming the stator coil 18, and has a ring-shaped outer appearance (see FIG. 4). Here, in FIGS. 5 and 6, etc., the circuit section 20 is shown mechanically for the sake of form, but when arranged on the coil switching board 24, as shown in FIG. Good to configure. Further, since FIG. 4 schematically shows wirings and elements, their shape, layout, number, etc. are different from the actual ones. For example, in FIG. 4, three lines are representatively drawn as lines from the stator coil 18, but actually the same number of lines as the number of terminals of the coil are connected. As shown in FIG. 4, the number of wires may be reduced by attaching a driver to the coil switching board 24 and connecting via the driver. Similarly, with respect to the wiring on the substrate, a plurality of wirings are provided on the actual substrate. Further, the coil switching board 24 may be provided with a driver for controlling the stator coil 18 and a switching command device (control unit 22) for outputting a signal for switching the connection type of the coil. good. As shown in FIG. 4 in which the driver and the switching command device are separated from the coil switching board 24 and connected by wiring, the driver and the switching command device may be provided outside the housing 12 or the like. Here, the wiring for connecting the driver and the coil switching board 24 is schematically shown as one, but in practice, it is assumed that a plurality of wirings are provided in the same manner as described above. Moreover, the number of signal lines from the switching command device to the coil switching board 24 may be plural.

コイル切替基板24は、リング状を成す板面がステータコイル18の円環状断面と平行となるように、かつ同軸上に、ハウジング12の内部に配置される。図1に示す例ではコイル切替基板24は、ステータ13の後端に配置される構成としている。このような構成とすることで、回路部20を配置するための基板をハウジング12の外部に配置する必要が無くなる。このため、モータ10の外観を小型化する事が可能となる。また、円環状に配したステータコイル18と、コイル切替基板24との距離を近づけることができるため、両者間における配線が容易となる。本発明は、このような基本構成を有するコアレス回転電気機械に適用される。コアレス回転電気機械にてコイル切替を行えば、スパイク電圧が発生せず、それ故、切替素子類を傷めることがない。この点については、本願発明者らが初めて想到したものであり、他に類を見ない着想である。 The coil switching board 24 is arranged inside the housing 12 so that the ring-shaped plate surface is parallel to and coaxial with the annular cross section of the stator coil 18 . In the example shown in FIG. 1, the coil switching board 24 is arranged at the rear end of the stator 13 . With such a configuration, it is not necessary to dispose a substrate for disposing the circuit section 20 outside the housing 12 . Therefore, the appearance of the motor 10 can be made smaller. Moreover, since the distance between the stator coil 18 arranged in an annular shape and the coil switching board 24 can be reduced, the wiring between the two can be facilitated. The present invention is applied to a coreless rotary electric machine having such a basic configuration. Coil switching in a coreless rotating electrical machine does not generate spike voltages and therefore does not damage the switching elements. This point was first conceived by the inventors of the present application, and is a unique idea.

[第1実施形態]
このような基本構成を有するモータ10では、図5、図6に示すように、ステータコイル18を構成する各相を2つのコイル(第1コイルU、第2コイルU、第1コイルV、第2コイルV、第1コイルW、第2コイルW)により構成している。本実施形態に係る入出力コイル18は、3相のコイルで構成されている。尚、これは例示であり、コイルの形態が極数を決めるものではない。例えば12極の場合、U、U、V、V、W、Wの各相の夫々が全て6コイル直列のコイル体であったり、8極の場合、U、U、V、V、W、Wの各相の夫々が全て4コイル直列のコイル体であったりしても良い。このように入出力コイル18の形態から極数を決定することはできず、極数が偶数であれば何極でも構わない。各相を構成するコイル(第1コイルUと第2コイルU、第1コイルVと第2コイルV、第1コイルWと第2コイルW)の間には、切り替えスイッチを構成する回路部20(20U、20V、20W)が備えられている。
[First embodiment]
In the motor 10 having such a basic configuration, as shown in FIGS. 5 and 6, two coils (a first coil U 1 , a second coil U 2 and a first coil V) constitute the stator coil 18 for each phase. 1 , a second coil V 2 , a first coil W 1 , and a second coil W 2 ). The input/output coil 18 according to this embodiment is composed of a three-phase coil. Note that this is an example, and the form of the coil does not determine the number of poles. For example, in the case of 12 poles, each phase of U 1 , U 2 , V 1 , V 2 , W 1 , and W 2 is a coil body with 6 coils in series, or in the case of 8 poles, U 1 , U 2 , V 1 , V 2 , W 1 , and W 2 may all be coil bodies with four coils in series. As described above, the number of poles cannot be determined from the form of the input/output coil 18, and any number of poles may be used as long as the number of poles is even. Between the coils (the first coil U1 and the second coil U2 , the first coil V1 and the second coil V2 , the first coil W1 and the second coil W2 ) that make up each phase, a changeover switch A circuit unit 20 (20U, 20V, 20W) is provided.

回路部20は、入力側1ポート、出力側2ポートの切り替えスイッチが2つ(第1スイッチA、第2スイッチB)、並列に配置されて成る。第1スイッチAの入力側ポートには、第1コイルU、V、Wがそれぞれ接続され、第2スイッチBの入力側ポートには、第1バイパス線が接続されている。第1スイッチAの出力側ポートには、aポート側に第2コイルU、V、Wが接続され、bポート側に第2バイパス線が接続されている。また、第2スイッチBの出力側ポートには、aポート側が開放(未接続)となっており、bポート側には、第2コイルU、V、Wからの分岐線が接続されている。 The circuit section 20 is composed of two changeover switches (first switch A and second switch B) with one port on the input side and two ports on the output side arranged in parallel. The input port of the first switch A is connected to the first coils U 1 , V 1 and W 1 respectively, and the input port of the second switch B is connected to the first bypass line. The second coils U 2 , V 2 and W 2 are connected to the output side port of the first switch A on the a port side, and the second bypass line is connected to the b port side. Further, the a port side is open (unconnected) to the output side port of the second switch B, and the b port side is connected to branch lines from the second coils U 2 , V 2 and W 2 . ing.

このような回路構成とする事で、回路部20を構成するスイッチの切り替えにより、第1コイルU、V、Wと第2コイルU、V、Wとを直列接続、または並列接続に切り替える事が可能となる。具体的には、第1スイッチAと第2スイッチBを共にaポートに接続した場合、第1コイルU、V、Wと第2コイルU、V、Wが直列接続となる(図5参照)。一方、第1スイッチAと第2スイッチBを共にbポートに接続した場合、第1コイルU、V、Wと第2コイルU、V、Wは、並列接続となる(図6参照)。すなわち、第1スイッチAと第2スイッチBの切り替えタイミングは一致するように構成されている。 With such a circuit configuration, the first coils U 1 , V 1 , W 1 and the second coils U 2 , V 2 , W 2 are connected in series by switching the switches constituting the circuit unit 20, or It is possible to switch to parallel connection. Specifically, when both the first switch A and the second switch B are connected to the a port, the first coils U 1 , V 1 , W 1 and the second coils U 2 , V 2 , W 2 are connected in series. becomes (see FIG. 5). On the other hand, when both the first switch A and the second switch B are connected to the b port, the first coils U 1 , V 1 , W 1 and the second coils U 2 , V 2 , W 2 are connected in parallel ( See Figure 6). That is, the switching timings of the first switch A and the second switch B are configured to match.

このような切り替え制御において、第1コイルU、V、Wと第2コイルU、V、Wを直列接続するシステム(第1システムと称す)では、トルク特製が良好となる。一方、第1コイルU、V、Wと第2コイルU、V、Wとを並列接続するシステム(第2システムと称す)では、回転特性が良好となる。モータのトルク定数を使って説明すると、直列に接続することにより、モータのトルク定数が大きくなり、電流当たりのトルクが大きくなる(トルク特性が良好になる)。一方、並列に接続することにより、モータのトルク定数が小さくなり、高速で回転させることが可能になる(回転特性が良好になる)。本実施例において、端子切替の目的はトルク定数を変更する為で、その結果、回転特性とトルク特性が変化し、各場面で最適なモータを提供できることになる。 In such switching control, a system in which the first coils U 1 , V 1 , W 1 and the second coils U 2 , V 2 , W 2 are connected in series (referred to as the first system) provides good torque characteristics. . On the other hand, a system in which the first coils U 1 , V 1 , W 1 and the second coils U 2 , V 2 , W 2 are connected in parallel (referred to as a second system) has good rotation characteristics. To explain using the torque constant of the motor, the series connection increases the torque constant of the motor and increases torque per current (improves torque characteristics). On the other hand, by connecting the motors in parallel, the torque constant of the motor becomes small and it becomes possible to rotate at high speed (the rotation characteristics are improved). In this embodiment, the purpose of the terminal switching is to change the torque constant. As a result, the rotation characteristics and torque characteristics change, and it is possible to provide an optimum motor for each situation.

図7に、第1システムと第2システムのトルクと回転数の関係特性(T-N特性)と、トルクと電流の関係特性(T-I特性)をそれぞれ示す。第2システムと第1システムを比較すると、第2システムでは常用回転域が高いため、トルクの向上に伴う使用電力の立ち上がり勾配が急な事を読み取ることができる。一方、第1システムでは、低回転域で高いトルクを発生させる事ができるものの、最高回転数が第2システムの半分程度にとどまってしまっている事を読み取ることができる。 FIG. 7 shows the relationship characteristics between the torque and the number of revolutions (TN characteristics) and the relationship characteristics between the torque and current (TI characteristics) of the first system and the second system, respectively. Comparing the second system and the first system, it can be seen that the second system has a high normal rotation range, so that the rising gradient of the power consumption accompanying the improvement of the torque is steep. On the other hand, it can be seen that although the first system can generate high torque in the low rotation range, the maximum rotation speed is only about half that of the second system.

各システムの特性を踏まえ、低回転域では第1システムを用い、高回転域では第2システムを用いる事で、2つのモータの夫々良いところを有効に活用する事ができる。図8に、第1システムと第2システムとを最大トルクの1/2となる回転域で切り替えた際に得られるモータの特性(T-N特性とT-I特性)を示す。システムの切り替えを行う本実施形態に係るモータ10では、低回転域において消費電力(電流)を抑制しつつ、高いトルクを発生させる事ができる。また、低トルクでの稼働で問題無い部分においては、第1システムでは得る事のできない高い回転数を実現する事が可能となる。 By using the first system in the low speed range and the second system in the high speed range based on the characteristics of each system, it is possible to effectively utilize the advantages of each of the two motors. FIG. 8 shows the motor characteristics (TN characteristics and TI characteristics) obtained when switching between the first system and the second system in the rotation range where the maximum torque is 1/2. The motor 10 according to this embodiment, which performs system switching, can generate high torque while suppressing power consumption (current) in the low rotation range. Also, in areas where there is no problem with low torque operation, it is possible to achieve a high rotational speed that cannot be obtained with the first system.

このような構成を実現する場合、回路部20を構成するスイッチ(第1スイッチA、第2スイッチB)の切り替えは、U相、V相、W相の3相で同時に成される必要がある。このため、実施形態に係るモータ10には、回路部20に対して切り替え信号を出力する制御部22が備えられている。なお、制御部22は、予め定められた回転数の閾値を基準とし、当該閾値よりも低回転側では、各相において直列接続するコイルを増やすようにし、高回転側では並列接続するコイルを増やすように切り替えを行う構成とすると良い。消費電力と発生トルクのバランスをとる事が出来ると共に、使用可能な回転域の幅を広げることができるからである。 In order to realize such a configuration, switching of the switches (the first switch A and the second switch B) constituting the circuit section 20 must be performed simultaneously in the three phases of the U phase, the V phase, and the W phase. . For this reason, the motor 10 according to the embodiment is provided with a control section 22 that outputs a switching signal to the circuit section 20 . Note that the control unit 22 uses a predetermined rotational speed threshold as a reference, and increases the number of coils connected in series in each phase on the lower rotational speed side than the threshold, and increases the number of coils connected in parallel on the higher rotational speed side. It is preferable to adopt a configuration in which switching is performed as follows. This is because power consumption and generated torque can be balanced, and the width of the usable rotation range can be widened.

このような構成のモータ10を車両の動力に適用して電動車を構成する場合、第1システム(直列)と第2システム(並列)の出力特性は図9に示すような傾向を示すこととなる。このため、発生トルクと必要回転域、及び消費電力の観点から、3つのゾーンに分けてシステムの切り替えを行いながら運転する事ができる。 When an electric vehicle is constructed by applying the motor 10 having such a configuration to the motive power of a vehicle, the output characteristics of the first system (series) and the second system (parallel) show a tendency as shown in FIG. Become. For this reason, it is possible to divide the system into three zones from the viewpoint of generated torque, required rotation range, and power consumption while switching the system.

すなわち、第1ゾーンは、発進時や登坂領域など、出力トルクが必要な場合(概ね最大トルクの1/2以上)に適用すると良い(第1システム:低回転時)。また、第2ゾーンは、比較的回転数が低く、出力トルクが不要(概ね最大トルクの1/2未満)で、消費電力を抑えたい場合(例えば通常走行時)に適用すると良い(第1システム:高回転時)。さらに、第3ゾーンは、高速走行時など、高い回転数が必要で出力トルクが不要な場合(概ね最大トルクの1/2未満)に適用すると良い(第2システム:高回転時)。 That is, the first zone should be applied when output torque is required (roughly 1/2 or more of the maximum torque), such as when starting or climbing a hill (first system: at low speed). In addition, the second zone should be applied when the number of revolutions is relatively low, output torque is unnecessary (roughly less than 1/2 of the maximum torque), and power consumption should be suppressed (for example, during normal driving) (first system : at high speed). Furthermore, the third zone is preferably applied when a high rotation speed is required and output torque is not required (approximately less than 1/2 of the maximum torque), such as during high speed running (second system: high rotation).

[効果]
上記のような特徴を有するモータ10によれば、消費電力の向上に伴い、高回転域においても所定のトルク(第1コイルU、V、Wと第2コイルU、V、Wを直列接続したシステム(第1システム)の高回転域と比べて高い回転数であっても高いトルクを得る事ができるという意味)を得る事ができる。
[effect]
According to the motor 10 having the characteristics described above, as the power consumption is improved, a predetermined torque (the first coils U 1 , V 1 , W 1 and the second coils U 2 , V 2 , It means that high torque can be obtained even at a high rotation speed compared to the high rotation range of the system (first system) in which W2 is connected in series.

また、コイルに鉄心を備えない構成としているため、自己インダクタンスを小さく抑える事ができ、回路部20による接続切り替えによるスイッチングから特性切り替えに至るまでの応答性を高める事ができると共に、ロータ16を回転させる際の反トルクによるステータコイル18の変形を防ぐことができる。なお、ステータコイル18に耐変形性を持たせるにあたっては、図示しない耐変形層を設ける事の他、個別の補強手段を備えるなど、種々の手法を講じる事により、耐変形コイル体を構成すれば良い。 In addition, since the coil does not have an iron core, the self-inductance can be kept small, and the responsiveness from switching by connection switching by the circuit unit 20 to characteristic switching can be improved, and the rotor 16 can be rotated. It is possible to prevent deformation of the stator coil 18 due to anti-torque when rotating. In order to make the stator coil 18 resistant to deformation, a deformation-resistant coil body can be formed by providing a deformation-resistant layer (not shown) or providing individual reinforcing means. good.

ステータコイル18に付加する耐変形層としては、円環状に構成したステータコイル18の少なくとも一方の側面(内側または外側)に、フィルムシートを貼付する事によれば良い。フィルムシートとしては、繊維強化プラスチック(FRP)や、カーボン繊維強化プラスチック(CFRP)などにより構成されたものである事が望ましい。このような構成とする事で、モータ10を大容量化した場合であっても、ロータ16の反トルクによりステータコイル18が変形する事を防ぐことが可能となる。 As the deformation-resistant layer added to the stator coil 18, a film sheet may be attached to at least one side surface (inner side or outer side) of the stator coil 18 formed in an annular shape. The film sheet is preferably made of fiber reinforced plastic (FRP), carbon fiber reinforced plastic (CFRP), or the like. With such a configuration, even if the capacity of the motor 10 is increased, it is possible to prevent the stator coil 18 from being deformed by the counter torque of the rotor 16 .

また、ステータコイル18に補強手段を備える場合には、円環状に形成したステータコイル18の自由端に金属などにより構成された円環状の補強リング(不図示)を配置するといったもので良い。さらに、補強リングに替えて、あるいは補強リングと共に、ステータコイル18の基端側端部、あるいは先端側端部に、上述したコイル切替基板24を配置する構成としても良い。補強リングと同様に、ステータコイル18の補強を行うことが可能となるからである。 When the stator coil 18 is provided with reinforcing means, a ring-shaped reinforcing ring (not shown) made of metal or the like may be arranged at the free end of the ring-shaped stator coil 18 . Furthermore, instead of the reinforcing ring, or together with the reinforcing ring, the above-described coil switching board 24 may be arranged at the proximal end portion or the distal end portion of the stator coil 18 . This is because the stator coil 18 can be reinforced in the same manner as the reinforcing ring.

コアレスモータは鉄心が無い。従って、インダクタンスが小さくなる。インダクタンスが大きいと電流の変化は起きにくくなる。そのため、無理に電流の変化を発生させると高電圧が発生する。大きな電流が流れている時に、急に電流を切ると(例えばパラからシリーズ(直列)に切り替えればその瞬間に電流は切られてしまう)、高電圧が発生してしまう。そうなると回路に過電圧がかかって回路の素子が壊れる可能性が大きい。回路素子は過電圧に弱いからである。 A coreless motor has no iron core. Therefore, the inductance becomes small. If the inductance is large, it becomes difficult for the current to change. Therefore, if the current is forced to change, a high voltage is generated. When a large current is flowing, if the current is suddenly cut off (for example, if you switch from parallel to series, the current will be cut off at that moment), high voltage will be generated. If this happens, the circuit may be overvoltaged and the circuit elements may be damaged. This is because circuit elements are vulnerable to overvoltage.

このため、コアドモータなどのインダクタンスが大きいモータでは、対策として、回路切替時の大電圧を発生させないようにする為の付帯設備や電流を作業手順上で一旦切って入れ替えるなどの作業追加などを工夫せざるを得なくなる。よって、コアドモータの巻線切替利用では、巻線切替時の急な電流変化による過電圧発生による事故を回避するための各種予防策の素子類を複数個用いざるを得ず結線が複雑になってしまう。 For this reason, for motors with large inductance such as cored motors, as a countermeasure, it is necessary to devise additional work such as temporarily turning off the current and replacing it in the work procedure to prevent a large voltage from being generated when switching the circuit. I have no choice. Therefore, when using a cored motor to switch windings, it is necessary to use multiple preventive elements to avoid accidents caused by overvoltages caused by sudden changes in current when switching windings, and the wiring becomes complicated. .

これに対して本実施形態に係る構成のモータ10(コアレスモータ)では、過電圧がコアドモータ(鉄心モータ)のわずか数分の1(例えば1/20以下)しか発生しない。このため、余計な付帯設備や事故回避作業が不要となり、コイル切替基板24に備える回路部20のみで、直列、並列の切替が瞬時に行えることとなる。これは、本願発明者等によって初めて着想され、実証できた技術である。 On the other hand, in the motor 10 (coreless motor) configured according to the present embodiment, the overvoltage is only a fraction (eg, 1/20 or less) of that of the cored motor (iron core motor). As a result, extra equipment and work for avoiding accidents are not necessary, and switching between series and parallel can be instantaneously performed only by the circuit section 20 provided on the coil switching board 24 . This is a technique that was first conceived and demonstrated by the inventors of the present application.

また、一般的にモータを乗物に適用する際、コアドモータのようにインダクタンスが大きいモータの場合、負荷がかかっている状態でモータに対する供給電流をカットすると、ロータの回転を止めようとする抵抗作用するため、スピードが落ちてショックが生じる。これに対し、本発明に係るモータ10を採用した場合には、インダクタンスに起因したショックが生じ難いと言うことができる。 In general, when a motor is applied to a vehicle, in the case of a motor with a large inductance such as a cored motor, if the supply current to the motor is cut while a load is applied, resistance acts to stop the rotation of the rotor. As a result, the speed drops and a shock occurs. In contrast, when the motor 10 according to the present invention is employed, it can be said that the shock due to the inductance is less likely to occur.

[第2実施形態]
次に、図10から図12を参照して、第2実施形態に係るモータ10の構成について説明する。本実施形態に係るモータ10は、ステータコイル18の構成を、第1実施形態に係るモータ10と異ならせている。なお、モータ10の構成について、その作用を同様とする箇所については、図1を援用して説明するものとする。
[Second embodiment]
Next, the configuration of the motor 10 according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 10 to 12. FIG. The motor 10 according to the present embodiment differs in the configuration of the stator coil 18 from that of the motor 10 according to the first embodiment. It should be noted that the configuration of the motor 10 will be described with reference to FIG. 1 for portions having the same function.

本実施形態に係るステータコイル18は、1つの相に4つのコイル(合計12個)を用いた3相12極とされている。このような構成のステータコイル18では、各相を構成するコイル(第1コイルU、第2コイルU---、第3コイルU、第4コイルU、第1コイルV、第2コイルV、第3コイルV、第4コイルV、第1コイルW、第2コイルW、第3コイルW、第4コイルW)の間にそれぞれ、回路部20(20U、20U、20U、20V、20V、20V、20W、20W、20W)が設けられている。 The stator coil 18 according to the present embodiment has 3 phases and 12 poles using 4 coils (12 coils in total) for each phase. In the stator coil 18 having such a configuration, the coils constituting each phase (first coil U 1 , second coil U 2 , third coil U 3 , fourth coil U 4 , first coil V 1 , (second coil V 2 , third coil V 3 , fourth coil V 4 , first coil W 1 , second coil W 2 , third coil W 3 , fourth coil W 4 ). (20U 1 , 20U 2 , 20U 3 , 20V 1 , 20V 2 , 20V 3 , 20W 1 , 20W 2 , 20W 3 ) are provided.

回路部20の構成として、回路部20U、20U、20V、20V、20W、20Wについては、第1実施形態に係る回路部20U、20V、20Wと同様である。一方、回路部20U、20V、20Wについては、第2スイッチBについて、入力ポートの数と出力ポートの数が第1スイッチAと逆となるように構成されている。 As the configuration of the circuit unit 20, the circuit units 20U1 , 20U3 , 20V1 , 20V3 , 20W1 , and 20W3 are the same as the circuit units 20U, 20V, and 20W according to the first embodiment. On the other hand, in the circuit units 20U 2 , 20V 2 , and 20W 2 , the number of input ports and the number of output ports of the second switch B are opposite to those of the first switch A.

このような構成のモータ10では、U相、V相、W相のそれぞれにおいて、回路部20U~20Wについて、それぞれ第1スイッチAと第2スイッチBをaポートに設定することで、第1コイルU~第4コイルU、第1コイルV~第4コイルV、第1コイルW~第4コイルWがそれぞれ直列接続されることとなる(この状態を1パラと称す:図10参照)。 In the motor 10 having such a configuration, in each of the U-phase, V-phase, and W-phase, the first switch A and the second switch B are set to the a port for each of the circuit units 20U 1 to 20W 3 . 1st coil U 1 to 4th coil U 4 , 1st coil V 1 to 4th coil V 4 , and 1st coil W 1 to 4th coil W 4 are connected in series (this state is called 1 parallel). (refer to FIG. 10).

また、1パラの状態から回路部20U2、20V2、20W2の第1スイッチAと第2スイッチBをbポートに設定した場合、例えばU相では、第1コイルUと第2コイルUが直列、第3コイルUと第3コイルUが直列にそれぞれ接続され、第1コイルUと第2コイルUの組と、第3コイルUと第4コイルUの組がそれぞれ並列に接続されることとなる。なお、V相、W相においても各コイルが同様に接続される(この状態を2パラと称す:図11参照)。 When the first switch A and the second switch B of the circuit units 20U2, 20V2, and 20W2 are set to the b port from the 1-para state, for example, in the U phase, the first coil U1 and the second coil U2 are connected in series. , the third coil U3 and the third coil U4 are connected in series, the set of the first coil U1 and the second coil U2, and the set of the third coil U3 and the fourth coil U4 are connected in parallel. will be connected to Each coil is similarly connected in the V-phase and W-phase (this state is called 2-parallel: see FIG. 11).

さらに、U相、V相、W相のそれぞれにおいて、回路部20U~20Wについて、それぞれ第1スイッチAと第2スイッチBをbポートに設定した場合には、第1コイルU~第4コイルU、第1コイルV~第4コイルV、第1コイルW~第4コイルWがそれぞれ並列接続されることとなる(この状態を4パラと称す:図12参照)。 Further, in each of the U-phase, V-phase, and W-phase, for the circuit units 20U 1 to 20W 3 , when the first switch A and the second switch B are set to port b, the first coil U 1 to the first coil U 1 to The four coils U 4 , the first to fourth coils V 1 to V 4 , and the first to fourth coils W 1 to W 4 are connected in parallel (this state is called 4-parallel: see FIG. 12). .

上記のような構成のモータ10では、直列接続されるコイルが多いシステムほどトルク特製が高く(上記1パラ)、並列接続されるコイルが多いシステムほど回転特製が高い(上記4パラ)。このような特性を活かし、1パラから4パラまでのシステム切り替えを行ってモータ10を運転する場合のトルクと回転数の関係特性(T-N特性)と、トルクと電流の関係特性(T-I)特性について、図13に示す。 In the motor 10 configured as described above, a system with more coils connected in series has a higher torque characteristic (paragraph 1 above), and a system with more coils connected in parallel has a higher rotation characteristic (paragraph 4 above). Taking advantage of these characteristics, when the motor 10 is operated by switching the system from 1-parameter to 4-parameter, the torque and rotation speed relationship characteristics (TN characteristics) and the torque and current relationship characteristics (T- I) Characteristics are shown in FIG.

図13によれば、1パラ、2パラ、4パラと、回転数の上昇に伴うシステム切り替えを実施することで、消費電力を所定値以下に押えつつ、高トルクの運転を実現することができる。また、2パラ、4パラと切り替え運転することで、1パラでは得る事のできない高回転域での運転実現する事ができる。例えばこのような構成のモータ10を電動車の推進用の動力に適用した場合、4パラ、2パラ、1パラは、それぞれトップギア、セカンドギア、ローギアに相当する変速機構としての機能を果たすこととなる。 According to FIG. 13, the system can be switched between 1st, 2nd, and 4th rotations as the number of revolutions increases, thereby realizing high-torque operation while keeping the power consumption below a predetermined value. . In addition, by switching between 2-parallel and 4-parallel, it is possible to achieve operation in a high rotation range that cannot be obtained with a 1-parallel. For example, when the motor 10 having such a configuration is applied to the power for propulsion of an electric vehicle, the 4th, 2nd, and 1st gears function as transmission mechanisms corresponding to top gear, second gear, and low gear, respectively. becomes.

[効果]
このような構成のモータ10であっても、第1実施形態に係るモータ10と同様に、高回転域においても所定のトルクを得る事ができる。
さらに、コイルと回路部の数を増やす事により、特性の切り替えの自由度を向上させることができる。
[effect]
Even with the motor 10 having such a configuration, it is possible to obtain a predetermined torque even in a high speed range, like the motor 10 according to the first embodiment.
Furthermore, by increasing the number of coils and circuit units, the degree of freedom in switching characteristics can be improved.

[運転切替]
本実施形態に係るモータ10を電動車に適用した場合における運転切替の具体例について、図14から図16を参照して説明する。なお、本実施例は、車椅子、バイク、電動自転車、所謂シニアカー、自動車、AGV(自動搬送手段)などの電動車両全般における運転切替の実施例に該当すると共に、回転刃を備えた電動芝刈り機等における回転速度と負荷の変化にも共通視することができる。
[Operation switching]
A specific example of operation switching when the motor 10 according to the present embodiment is applied to an electric vehicle will be described with reference to FIGS. 14 to 16. FIG. It should be noted that this embodiment corresponds to an embodiment of operation switching in electric vehicles in general, such as wheelchairs, motorcycles, electric bicycles, so-called senior cars, automobiles, and AGVs (automatic guided vehicles). It can also be viewed in common with the changes in rotational speed and load in, etc.

図14から読み取れるように、スタート時(=車両発進時)は、低回転であると共に車両を動かすための初期トルクが必要であるため、L(ロー)、すなわちコイルの接続形式を直列(1パラ)としている。発進後、一例として、モータ10の回転数が700rpm(30km/h相当)になると、Lから2パラに切り替わる。なお、本例では、モータ10の回転数により接続切り替えが行われるように設定されている。このため、更に車両速度を向上させて、例えばモータ10の回転数が1400rpm(60km/h相当)になった場合には4パラに切り替わる。 As can be seen from FIG. 14, at the start (=when the vehicle starts), the rotation is low and initial torque is required to move the vehicle. ). After starting the vehicle, for example, when the rotation speed of the motor 10 reaches 700 rpm (equivalent to 30 km/h), the mode is switched from L to 2 parallel. In this example, the connection is switched according to the number of revolutions of the motor 10 . For this reason, when the vehicle speed is further increased and the rotation speed of the motor 10 reaches 1400 rpm (equivalent to 60 km/h), for example, it switches to 4 para.

さらに車両速度を上げて、4パラのまま車両速度100km/h(例えばモータ10の回転数が2000rpm)で進んだ場合、若干の登り坂(傾斜角度α)に入ると、モータ10に対する負荷が向上するため回転数が低下してスピードが落ちる。例えば回転数が1167rpm(50km/h相当:1400rpmの5/6)程度に低下すると、2パラに切り替わる。 If the vehicle speed is further increased and the vehicle speed is 100 km/h (for example, the number of revolutions of the motor 10 is 2000 rpm) while maintaining 4 paras, the load on the motor 10 increases when the vehicle enters a slight uphill slope (inclination angle α). As a result, the number of revolutions decreases and the speed decreases. For example, when the rotation speed drops to about 1167 rpm (equivalent to 50 km/h: 5/6 of 1400 rpm), it switches to 2 parallel.

さらに、若干の登り坂から急坂(傾斜角度β)に入ると、モータ10への負荷はさらに向上して回転数が低下し、スピードが落ちる。例えば回転数が467rpm(20km/h相当:700rpmの2/3)程度に低下すると、直列(1パラ:L)に切り替わる。なお、坂道を進行する際における50km/h(1167rpm)、20km/h(467rpm)等の設定はヒステリシスのブレ幅対応になる。 Furthermore, when the vehicle enters a steep slope (inclination angle β) from a slightly uphill slope, the load on the motor 10 further increases, the number of revolutions decreases, and the speed drops. For example, when the rotation speed drops to about 467 rpm (equivalent to 20 km/h: 2/3 of 700 rpm), it switches to series (1 parallel: L). It should be noted that the setting of 50 km/h (1167 rpm), 20 km/h (467 rpm), etc. when traveling on a slope corresponds to the blur width of hysteresis.

坂道の走行において徐々に加速し、平坦路付近で30km/h(700rpm)程度になると、モータ10の接続形式は2パラに切り替わる。また、平坦路においてさらに加速して60km/h(1400rpm)に至ると4パラになり、100km/h(2000rpm)程度まで加速することができる。ここまではモータの回転速度の向上に伴い、コイルの接続形式が切り替わる制御が成される。 When running on a slope, the vehicle gradually accelerates, and when it reaches about 30 km/h (700 rpm) near a flat road, the connection type of the motor 10 is switched to 2-parallel. In addition, when the vehicle is further accelerated to 60 km/h (1400 rpm) on a flat road, it becomes 4 para, and can be accelerated to about 100 km/h (2000 rpm). Up to this point, as the rotation speed of the motor increases, control is performed to switch the connection type of the coil .

これに対し、下り坂(例えば、傾斜角度γの急坂)に入ると、乗車者からの指令信号によりコイルの接続形式を切り替えるための回路の切り替えを行い、モータ10の回転抵抗による制動(=回生制動:いわゆるエンジンブレーキ)をかけるように制御する。例えば急坂では、4パラの状態で徐々に速度を低下させ、60km/h(1400rpm)程度まで落とす。その後、下り坂が穏やか(例えば、傾斜角度θ)になったら、2パラに切り替え、さらに速度を低下させる。このように段階的に速度(回転数)を落とす事により、モータ10に急激な負荷がかかることを防ぐことができる。 On the other hand, when entering a downward slope (for example, a steep slope with an inclination angle γ), the circuit for switching the connection type of the coil is switched according to a command signal from the passenger, and braking (=regeneration) is performed by the rotational resistance of the motor 10. Braking: Control to apply so-called engine braking. For example, on a steep slope, the speed is gradually reduced to about 60 km/h (1400 rpm) in the 4-para state. After that, when the downhill becomes gentle (for example, the inclination angle θ), the speed is reduced further by switching to 2-parallel. By gradually reducing the speed (rotational speed) in this way, it is possible to prevent a sudden load from being applied to the motor 10 .

穏やかな下り坂において車両速度が30km/h(700rpm)程度まで落ちたら、モータ10の接続形式を1パラ(直列)に切り替え、平坦路に至る。なお、下り坂では、上記のように回生制動を効かせる事により、電源の充電を行うことができる。 When the vehicle speed drops to about 30 km/h (700 rpm) on a gentle downhill, the connection type of the motor 10 is switched to 1-parallel (series), and the road is flat. It should be noted that on a downhill, the power supply can be charged by applying regenerative braking as described above.

以上の流れを高速(Top:T)、中速(Second:S)、低速(Low:L)の切替として図15及び図16に示し、以下に説明する。 The above flow is shown in FIGS. 15 and 16 as switching between high speed (Top: T), medium speed (Second: S), and low speed (Low: L), and will be described below.

まず、平地で発進し速度が0-20km/hの範囲ではLで走行し、20km/hになるとS、60km/hではTに切り替わり、Tでは100km/hまで至ることとなる。図15に示す区間Aではアクセル開度はフル(全開)にしており、モータ10の回転数を検出して自動でコイルの接続形式を切り替えるための回路が切り替わる。この区間では、車両の加速に伴いモータ10の回転数が向上するのに対し、運転者が入力するアクセル信号(手動アクセル信号)は、回転数をMAXに上げるための信号が出力される。このため、手動アクセル信号がモータ10の回転数よりも大きくなる。 First, when the vehicle starts on flat ground and the speed is in the range of 0-20 km/h, it runs in L, and when it reaches 20 km/h, it switches to S, and when it reaches 60 km/h, it switches to T, and in T it reaches 100 km/h. In section A shown in FIG. 15, the accelerator is fully opened (fully opened), and the circuit for detecting the rotational speed of the motor 10 and automatically switching the coil connection type is switched. In this section, the rotation speed of the motor 10 increases as the vehicle accelerates, while the accelerator signal (manual accelerator signal) input by the driver is output as a signal for increasing the rotation speed to MAX. Therefore, the manual accelerator signal becomes higher than the rotation speed of the motor 10 .

次に、上り坂に入ると速度は60km/h程度に落ちコイルの接続形式を切り替えるための回路はSに切り替わり、その後により急坂に入ってもSの状態を維持する。この区間(図15における区間B´)は、モータの回転数(速度)によりコイルの接続形式を切り替えるための回路を制御するのではなく、アクセル開度による制御(電流コントロール)が行われる。そして坂を上りきって平地に入ると(区間B´を抜けると)回転数制御(速度制御)に切り替わり、コイルの接続形式を切り替えるための回路は、車両を加速させるためにLへと切り替わり、速度(回転数)の上昇と共にS、へ切り替わり、その後にTへと切り替わる。ここで、Tでのトップスピードは100km/h程度に至ることとなる。図15に示す区間Bでは、アクセル開度によるコイルの接続形式を切り替えるための回路の切り替え制御が優先される。このため、モータ10の回転数(速度)がアクセル開度に基づく支持より低い場合には、アクセル開度に基づく電流指示によりコイルの接続形式を切り替えるための回路の切り替えが成されることとなる。つまり、区間B´では、車両速度の低下に伴いモータ10の回転数は落ちるが、車両速度を60km/hに保つために電流値によって自動的にコイルの接続形式を切り替えるための回路が切り替わる。上記のように、区間Bでは、アクセル開度に対するモータ10の回転数(速度)が低い状態が続くこととなる。よって、区間Bも、手動アクセル信号がモータ10の回転数よりも大きくなる。 Next, when entering an uphill, the speed drops to about 60 km/h , and the circuit for switching the connection type of the coil switches to S, and then maintains the S state even when entering a steeper slope. In this section (section B' in FIG. 15), control (current control) is performed based on the degree of opening of the accelerator, instead of controlling the circuit for switching the connection type of the coil according to the number of revolutions (speed) of the motor. Then, when it goes up the slope and enters the flat ground (when it passes through section B'), it switches to rotation speed control (speed control), and the circuit for switching the coil connection type switches to L to accelerate the vehicle. As the speed (rotational speed) rises, it switches to S, and then switches to T. Here, the top speed at T reaches about 100 km/h. In section B shown in FIG. 15, priority is given to circuit switching control for switching the connection type of the coil according to the degree of opening of the accelerator. Therefore, when the rotational speed (speed) of the motor 10 is lower than the support based on the accelerator opening, the circuit for switching the coil connection type is switched by the current instruction based on the accelerator opening. . That is, in section B', the number of rotations of the motor 10 decreases as the vehicle speed decreases, but the circuit for automatically switching the coil connection type is switched according to the current value in order to maintain the vehicle speed at 60 km/h. As described above, in section B, the state in which the number of rotations (speed) of the motor 10 relative to the degree of opening of the accelerator is low continues. Therefore, the manual accelerator signal is also greater than the rotation speed of the motor 10 in the section B as well.

次に、平坦路から下り坂に入ると、急な下り坂であっても最初はTの状態で下り始め、緩い坂になった後にSに切り替わり、その後平地に至ってLへと切り替えが成される。この区間Cは、重力加速に伴い、モータ10の回転数(速度)がアクセル開度(電流指令)より大きくなる。このため、運転者のアクセル開度の調整(アクセル指示)に従ってコイルの接続形式を切り替えるための回路の切り替えを行うことになる。 Next, when going downhill from a flat road, even if it is a steep downhill, it starts to go down in the T state at first, changes to S after the slope becomes gentle, and then changes to L when it reaches the level ground. be. In this section C, the number of revolutions (speed) of the motor 10 becomes greater than the accelerator opening (current command) due to gravitational acceleration. Therefore, the circuit for switching the connection type of the coil is switched according to the driver's adjustment of the accelerator opening (accelerator instruction).

次に、運転切替パターンとして他の態様を図16に例示する。図16に示す例では、平地から傾斜角小の登り坂の範囲ではトップギアが選択される。その後、登り坂の傾斜が中角度になった場合にはセカンドギアに切り替わり、傾斜が角度大となるとローギアに切り替わる。そして、傾斜角が上り切りの緩やかな状態になると再びセカンドギアに切り替わり、台地に上って平地になるとトップギアに切り替わるという態様が採られる。 Next, FIG. 16 illustrates another aspect of the operation switching pattern. In the example shown in FIG. 16, the top gear is selected in the range from level ground to uphill with a small inclination angle. After that, when the inclination of the uphill becomes a medium angle, the gear is switched to the second gear, and when the inclination becomes large, the gear is switched to the low gear. Then, when the inclination angle becomes a gentle uphill state, the vehicle is switched to the second gear again, and when the terrain becomes flat after climbing a plateau, the vehicle is switched to the top gear.

一般的に、モータを高トルクにする事とモータの最大回転数を上げることとは、トレードオフの関係にあり、モータを高トルクにしようとすると最大回転数が低くなり、モータの最大回転数を上げようとすると最大トルクが低くなる。そこで従来は電源の高電圧化による高回転化と電源の大電流化による高トルク化が図られて来たが、こうした制御方式では安全面での課題や技術的限界がある。そこで本発明者等は、特性が異なるモータを電気的に自動的に切り替えることを考え、この従来の課題を解決した。このような手段を講じる事により、モータ自体は1つとした上で、例えばLowギア、2´ndギア、Topギアのように複数段の回路切替を可能にすることで、特性が異なる複数のモータを自動で切り替えることと同様な効果を得ることが可能となる。 In general, there is a trade-off between increasing the torque of the motor and increasing the maximum rotation speed of the motor. If you try to increase , the maximum torque will decrease. In the past, attempts were made to increase the rotation speed by increasing the voltage of the power source and to increase the torque by increasing the current of the power source, but these control methods have safety issues and technical limitations. Therefore, the inventors of the present invention considered automatic switching between motors having different characteristics electrically, and solved this conventional problem. By taking such measures, the motor itself is one, and by enabling multistage circuit switching such as Low gear, 2'nd gear, and Top gear, a plurality of motors with different characteristics It is possible to obtain the same effect as switching automatically.

ここで、Lowギアは高トルク、低回転数であり、少ない電流で高トルクを発生できる。Lowギアにおいて回転数を向上させるためには、高電圧が必要となるが、Lowギア段階では低回転数での運用となるため高電圧が必要となることはない。また、2´ndギアでは中トルク、中回転数となり、Topギアでは低トルク、高回転数(低い電圧で高速回転が可能)となる。Topギアにおいて高トルクを得るためには大電流が必要となるが、Topギア段階では低トルクでの運用となるため大電流が必要となることはない。 Here, the Low gear has high torque and low rotational speed, and can generate high torque with a small current. A high voltage is required to increase the rotation speed in the low gear stage, but since the operation is performed at a low rotation speed in the low gear stage, a high voltage is not required. In addition, the 2'nd gear provides medium torque and medium rotation speed, and the top gear provides low torque and high rotation speed (high speed rotation is possible with low voltage). A large current is required to obtain a high torque in the top gear, but a large current is not required in the top gear stage because the operation is performed with a low torque.

このように、モータに対してコイルの接続形式を切り替えるための回路による切換え機能を付与することにより、1台のモータで高トルクと高速回転のどちらにも対応できるようになる。従ってドライバの高電圧出力化、及び大電流出力化も不要となる。よって、モータに対する過負荷が低減され、モータの温度の急上昇を抑制することができる。 In this way, by providing the motor with a switching function by means of a circuit for switching the coil connection type , a single motor can handle both high torque and high speed rotation. Therefore, it is not necessary to increase the voltage output and increase the current output of the driver. Therefore, the overload on the motor is reduced, and a sudden rise in the temperature of the motor can be suppressed.

以上に述べた通り、本発明に係るモータ10では、直列のLo状態と、複数の並列(例えばセカンド、サード)といった接続切り替えによって、3段以上の特性切り替えを可能にできる。すなわち、各相のコイルの位置及び数を選択することによって、接続形式を直列形式、及び複数パターンの並列形式に切り替え可能とすることができる。このため、自転車、バイク、所謂シニアカー、車椅子、自動車などの電動車両に適用した場合には、機械式のギアを介装させる事無く複数段のギア切り替え(コイルの接続形式を切り替えるための回路による切り替え)が可能となる。 As described above, in the motor 10 according to the present invention, it is possible to switch characteristics in three or more steps by switching connection between a series Lo state and a plurality of parallel (for example, second and third) connections. That is, by selecting the position and number of coils for each phase, the connection form can be switched between a serial form and a parallel form of a plurality of patterns. For this reason, when applied to electric vehicles such as bicycles, motorcycles, so-called senior cars, wheelchairs, and automobiles, it is possible to switch gears in multiple stages without interposing mechanical gears ( using a circuit for switching the connection type of the coil). switching) is possible.

なお、各相のコイル総数は、切替段数(直列(=1パラ)、複数パターンの並列)に応じて分割することになるが、分割に際しては均等に分けることによってコイル間での循環電流の発生を防止することが望ましい。例えばコイル総数が24コイルであれば直列(1パラ)なら24コイル、2パラなら12コイルずつ分けることとなる。同様に、3パラの場合には8コイルずつ、4パラの場合には6コイルずつ、6パラの場合には4コイルずつとすることで、均等に分けることができる。さらに分割数を増やし、8パラとする場合には3コイルずつ、12パラとする場合には2コイルずつとなり、24パラの場合には1コイルずつ分けることとなる。このようにコイルを均等分割することで、各相において並列を成すコイル数に差が生じないため、循環電流が発生しない。このため、循環電流の発生に基づく発熱を抑制することができ、エネルギー(電力)効率の無駄(ロス)の増大を避けることができる。 The total number of coils for each phase is divided according to the number of switching stages (series (= 1 parallel), multiple patterns in parallel). It is desirable to prevent For example, if the total number of coils is 24, then 24 coils are divided for series (1 parallel) and 12 coils for 2 parallel. Similarly, 8 coils for 3 para, 6 coils for 4 para, and 4 coils for 6 para can be equally divided. Further, the number of divisions is increased so that 3 coils are used for 8 parallels, 2 coils are used for 12 parallels, and 1 coil is used for 24 parallels. By equally dividing the coils in this manner, there is no difference in the number of parallel coils in each phase, so that no circulating current is generated. Therefore, it is possible to suppress heat generation due to the generation of circulating current, and to avoid an increase in waste (loss) in energy (power) efficiency.

ところで、以上の実施形態に示した回路はモータ10に内蔵させることができる。回路をモータ内に収める場合には特に、コアレスモータ特有の内部空間を有効に活用することができる。さらに、本発明に係るモータ10は、必ずしも回転軸14を設けなくとも、回転電気機械としての機能を保つことができる。これは、回転軸14とロータ16がコアにより接続されていないために可能とされる構成であり、例えば、ロータに直接、入出力機器の回転軸を接続することで実現することができる。このような構成とした場合には、モータ10の内部が中空構造となることより、内部空間をより有効に活用することが可能となる。 By the way, the circuits shown in the above embodiments can be incorporated in the motor 10. FIG. Especially when the circuit is housed in the motor, the internal space unique to the coreless motor can be effectively utilized. Furthermore, the motor 10 according to the present invention can maintain its function as a rotary electric machine without necessarily providing the rotating shaft 14 . This configuration is possible because the rotating shaft 14 and the rotor 16 are not connected by a core, and can be realized, for example, by directly connecting the rotating shaft of the input/output device to the rotor. With such a configuration, the inside of the motor 10 has a hollow structure, so that the internal space can be used more effectively.

また、上記実施形態では主に、モータ10の回転数に基づいてコイルの接続形式を切り替えるための回路による切り替えを行う旨説明している。しかしながら、本発明に係るモータ10を電動車の推進用の動力に適用する場合、適用対象とする電動車の車両速度(車速)を検出し、検出した車速値に基づいてコイルの接続形式を切り替えるための回路による切り替えを行うようにすることもできる。なお、車速の検出に関しては、図示しないセンサ等を用いて行うようにすれば良く、従前(既知)の様々な方式を用いることができる。 Further, in the above-described embodiment, it has been described that switching is performed mainly by a circuit for switching the connection type of the coil based on the number of revolutions of the motor 10 . However, when the motor 10 according to the present invention is applied to the power for propulsion of an electric vehicle, the vehicle speed (vehicle speed) of the electric vehicle to be applied is detected, and the coil connection type is switched based on the detected vehicle speed value. It is also possible to perform switching by a circuit for the purpose . The vehicle speed may be detected using a sensor (not shown) or the like, and various conventional (known) methods can be used.

[応用形態]
上記実施形態ではいずれも、単一のコイル単位に回路部を備える構成としていた。しかしながら、回路部間に配置するコイルの数は、1つに限るものでは無い。例えば、回路部間に配置するコイルの数に変化を持たせると共に回路部の配置を工夫することで、コイルを並列接続する際に、直列接続されるコイルの数を等分化することが可能となり、直列接続するコイルと並列接続するコイルの組み合わせによる特性変化の幅を広げることができる。
[Application form]
In each of the above-described embodiments, a circuit unit is provided for each single coil. However, the number of coils arranged between circuit sections is not limited to one. For example, by varying the number of coils arranged between circuit sections and devising the layout of the circuit sections, it is possible to divide the number of coils connected in series when connecting coils in parallel. , the width of the characteristic change can be widened by the combination of the coils connected in series and the coils connected in parallel.

例えば図17に示すような構成のステータコイル18を備えるモータ10では、各相(U相、V相、W相)に12個のコイル(第1コイル~第12コイル:U-W12)を配置し、5つの回路部(20U-20W)を設ける構成としている。1例として、U相における回路部20U-20U)は、コイルUとコイルUの間、コイルUとコイルUの間、コイルUとコイルUの間、コイルUとコイルUの間、及びコイルUとコイルU10の間にそれぞれ設けている。なお、V相とW相においても、回路部(20V-20W)の配置は同様とする。 For example, in a motor 10 having a stator coil 18 configured as shown in FIG. 17, each phase (U phase, V phase, W phase) has 12 coils (first to twelfth coils: U 1 -W 12 ). are arranged, and five circuit units (20U 1 -20W 5 ) are provided. As an example, the circuit portions 20U 1 -20U 5 ) in the U phase are between coils U 3 and U 4 , between coils U 4 and U 5 , between coils U 6 and U 7 , between coils U 6 and U 7 , and between coils U 8 . and coil U9 , and between coil U9 and coil U10 . Note that the layout of the circuit portions (20V 1 -20W 5 ) is the same for the V phase and the W phase.

回路部(20U-20W)には、それぞれポートa1、b1、a2、b2、c1、c2が備えられている。このようなポートを有する回路部(20U-20W)では、ポートa1、b1がポートc1との間で切り替え可能とされ、ポートa2、b2がポートc2との間で切り替え可能とされており、両者は同時に切り替えが成されるように構成されている。 The circuit units (20U 1 -20W 5 ) are provided with ports a1, b1, a2, b2, c1 and c2, respectively. In the circuit unit (20U 1 -20W 5 ) having such ports, ports a1 and b1 are switchable with port c1, and ports a2 and b2 are switchable with port c2. , and both are configured to be switched at the same time.

次に、本形態におけるステータコイル18の接続形態の切り替えと回路部(20U-20W)の切り替えの関係について説明する。なお、各相において対応する回路部(20U-20W)はそれぞれ同時に切り替えが成されるため、以下の説明においては、回路部20U、20V、20Wを回路部20X、回路部20U、20V、20Wを回路部20X、回路部20U、20V、20Wを回路部20X、回路部20U、20V、20Wを回路部20X、回路部20U、20V、20Wを回路部20Xと称して説明する。 Next, the relationship between the switching of the connection form of the stator coil 18 and the switching of the circuit units (20U 1 -20W 5 ) in this embodiment will be described. Since the circuit units (20U 1 to 20W 5 ) corresponding to each phase are switched at the same time, the circuit units 20U 1 , 20V 1 and 20W 1 are referred to as the circuit unit 20X 1 and the circuit units 20X 1 and 20W 1 in the following description. 20U 2 , 20V 2 , and 20W 2 are the circuit portion 20X 2 , the circuit portions 20U 3 , 20V 3 , and 20W 3 are the circuit portion 20X 3 , the circuit portions 20U 4 , 20V 4 , and 20W 4 are the circuit portion 20X 4 , and the circuit portion 20U 5 , 20V 5 and 20W 5 will be referred to as a circuit section 20X 5 for explanation.

本実施形態のモータでは、1パラ(直列接続)の場合には、全ての回路部20X-20Xにおいて、aポートとcポートが接続されるようにスイッチングが設定される。また、2パラとする場合には、回路部20Xのみがbポートとcポートが接続されるようにスイッチング設定される。また、3パラとする場合には、回路部20Xと回路部20Xがbポートとcポートが接続されるようにスイッチング設定される。さらに、4パラとする場合には、回路部20Xと回路部20X、及び回路部20Xがbポートとcポートが接続されるようにスイッチング設定される。 In the motor of this embodiment, in the case of 1-para (series connection), switching is set so that the a port and the c port are connected in all the circuit units 20X 1 to 20X 5 . In the case of 2-parallel, only the circuit section 20X3 is switched so that the b port and the c port are connected. Also, in the case of 3-parameter, switching setting is made so that the b port and the c port of the circuit section 20X2 and the circuit section 20X4 are connected. Furthermore, in the case of 4-parameter, switching setting is made so that the b port and the c port of the circuit portions 20X 1 and 20X 3 and the circuit portion 20X 5 are connected.

各相を構成するコイルを円環状に配置すると、図18のような形態となる。図18に示す例では、コイルUとコイルU12の境界部を電力の入出力端として、右周りにコイルU-U12を円環(円筒)状となるように配置している。このような配置形態のコイルにおいて、上記2パラを実行した場合、回路部20Uでコイルが分割(2等分)され、コイルU-U、コイルU-U12がそれぞれ直列接続されることとなる。また、上記3パラを実行した場合、回路部20U、20Uでコイルが分割(3等分)され、コイルU-U、コイルU-U、コイルU-U12がそれぞれ直列接続されることとなる。さらに、上記4パラを実行した場合、回路部20U、20U、20Uでコイルが分割(4等分)され、コイルU-U、U-U、U-U、U10-U12がそれぞれ直列接続されることとなる。
なお、図18においてはU相のコイル配置を示しているが、V相やW相においても同様である。
If the coils constituting each phase are arranged in an annular shape, the form shown in FIG. 18 is obtained. In the example shown in FIG. 18, the boundary between the coil U 1 and the coil U 12 is used as the power input/output terminal, and the coils U 1 to U 12 are arranged in an annular (cylindrical) shape around the right. In the coils arranged in this manner, when the above two paragraphs are executed, the coil is divided (halved) in the circuit unit 20U3 , and the coils U 1 to U 6 and the coils U 7 to U 12 are connected in series. The Rukoto. Further, when the above three paras are executed, the coils are divided (divided into three equal parts) by the circuit units 20U 2 and 20U 4 , and the coils U 1 to U 4 , the coils U 5 to U 8 , and the coils U 9 to U 12 are respectively They are connected in series. Furthermore, when the above four paragraphs are executed, the coils are divided (divided into four equal parts) by the circuit units 20U 1 , 20U 3 and 20U 5 , and the coils U 1 -U 3 , U 4 -U 6 , U 7 -U 9 , U 10 -U 12 are connected in series.
Although FIG. 18 shows the U-phase coil arrangement, the same applies to the V-phase and W-phase.

また、図19は、本発明を用いた6段切替の回路例を示している。この例では、U、V、Wの3相を用い、各相に12コイルを使用しており、コイルの接続方式を1パラ(つまり直列)、2パラ、3パラ、4パラ、6パラ、12パラ(2以上は並列)とする6段切替ができるようにしている。図19に示す例では、説明簡単化の為に図のようなリレーの組み合わせで説明しているが、後述するようにFET等のスイッチング素子(半導体素子)を1つまたは複数用いて回路装置を纏めるようにしても良い。半導体素子を用いて回路装置を纏めるようにすることで、モータ10自体の小型軽量化や、内部配線の簡略化を図る事が可能となるからである。図中のa1、a2、b1、b2、c1、c2はポート(接点)、Lu1~Lu12、Lv1~Lv12、Lw1~Lw12はコイル、Ku1~Ku11、Kv1~Kv11、Kw1~Kw11は回路部(リレー)を示す。 Also, FIG. 19 shows an example of a 6-stage switching circuit using the present invention. In this example, three phases of U, V, and W are used, and 12 coils are used for each phase. Six-stage switching of 12 parallels (2 or more parallel) is possible. In the example shown in FIG. 19, the combination of relays as shown in the figure is used for the sake of simplicity of explanation. You can put it together. This is because it is possible to reduce the size and weight of the motor 10 itself and to simplify the internal wiring by integrating the circuit device using semiconductor elements. In the figure, a1, a2, b1, b2, c1, and c2 are ports (contacts), Lu1 to Lu12, Lv1 to Lv12, Lw1 to Lw12 are coils, Ku1 to Ku11, Kv1 to Kv11, Kw1 to Kw11 are circuit parts (relays ).

回路部におけるポートc1とポートc2は同時に切り替わり、ポートc1がポートa1と繋がれば同時にポートc2はポートa2と繋がることとなる。このような接続形態では、当該回路部の両側に配置されたコイルが直列に接続されることとなる。なお、回路部においてポートa2は使わない端子(未接続)となっている。一方、ポートc1がポートb1と繋がれば同時にポートc2はポートb2に繋がることとなる。このような接続形態では、当該回路部の両側に配置されたコイルは並列に繋がることとなる。このような回路部が11個あれば、どの位置の回路部の選択先をaにするかbにするかにより、図20に示す表のように1パラ(1パラは直列)、2パラ、3パラ、4パラ、6パラ、12パラの選択ができる。なお、表中のKx1~Kx11のxは、u、v、wを示している(例えばU相のKx1はKu1になる)。 The ports c1 and c2 in the circuit section are switched at the same time, and when the port c1 is connected to the port a1, the port c2 is connected to the port a2 at the same time. In such a connection form, the coils arranged on both sides of the circuit section are connected in series. In the circuit section, the port a2 is an unused terminal (unconnected). On the other hand, when port c1 is connected to port b1, port c2 is simultaneously connected to port b2. In such a connection form, the coils arranged on both sides of the circuit section are connected in parallel. If there are 11 such circuit units, depending on which position of the circuit unit a or b is selected, 1 parallel (1 parallel is serial), 2 parallel, 2 parallel, as shown in the table shown in FIG. 3 para, 4 para, 6 para, 12 para can be selected. Note that x in Kx1 to Kx11 in the table indicates u, v, and w (for example, Kx1 of the U phase becomes Ku1).

モータを回転させるべく複数相(上記説明では3相)必要だが、夫々の相は表に示す切り替え方は同じになる。なお、切替操作はオートでもマニュアルでも良く、直列以外に複数段階の切り替えが可能であることが本実施例の本質になる。切替の操作は、例えば図28(説明は後述)のギア切替操作手段30により段数を選定し、その選定指示をコントローラ31に送り、コントローラ31にて操作信号Sinをシフトレジスタ32に送ることになる。 A plurality of phases (three phases in the above explanation) are required to rotate the motor, but the switching method shown in the table is the same for each phase. Note that the switching operation may be automatic or manual, and the essence of this embodiment is that it is possible to switch in a plurality of stages other than series. For the switching operation, for example, the number of stages is selected by the gear switching operation means 30 shown in FIG. .

[3相以外:2相の例と5相の例]
以上の実施形態では、ステータコイル18をU、V、Wの3相で構成するように示し、その旨説明してきた。しかしながら、本発明に係るモータ10は、直列と並列による複数段の回路切替を可能とする点を特徴とする。よって、ステータコイル18は、複数の相により構成されていれば、3相に限定されるものではない。
[Other than 3-phase: 2-phase example and 5-phase example]
In the above embodiment, the stator coil 18 has been shown and explained as being composed of three phases of U, V and W. However, the motor 10 according to the present invention is characterized in that it is possible to switch circuits in multiple stages between series and parallel. Therefore, the stator coil 18 is not limited to three phases as long as it is composed of a plurality of phases.

ステータコイル18を2相で構成する場合の例を図21から図23に示す。図21の回路図中、回路部20が実線側に倒れれば、ステータコイル18を構成する各コイルは直列に接続され、破線側に倒れれば各コイルが並列に接続される。図22、図23は、ステータコイル18の構成を模式的に示した説明図である。両図では、2相を示すべくコイルを実線と破線の2種類で描いている。また、図中上側にSとNで示す永久磁石16aに対して近接している山型の部分が極を構成するコイルを表している。なお、図22は、各コイルが直列に接続されている状態を示しており、図23は、各コイルが並列に接続されている状態を示している。 FIGS. 21 to 23 show examples in which the stator coil 18 is composed of two phases. In the circuit diagram of FIG. 21, when the circuit section 20 is tilted toward the solid line side, the coils forming the stator coil 18 are connected in series, and when tilted toward the broken line side, the coils are connected in parallel. 22 and 23 are explanatory diagrams schematically showing the configuration of the stator coil 18. FIG. In both figures, two types of coils, a solid line and a broken line, are drawn to indicate two phases. In addition, mountain-shaped portions near the permanent magnet 16a indicated by S and N on the upper side of the drawing represent coils forming poles. 22 shows a state in which each coil is connected in series, and FIG. 23 shows a state in which each coil is connected in parallel.

次に、ステータコイル18を5相で構成する場合の例を図24から図26に示す。図24の回路図中、回路部20が実線側に倒れれば各コイルは直列に接続され、破線側に倒れれば各コイルが並列に接続される。図25、図26は、ステータコイル18の構成を模式的に示した説明図である。両図では、5相を示すべくコイルを5種類の線種で表現している。また、図中上側にSとNで示す永久磁石16aに対して近接している山型の部分が極を構成するコイルを表している。なお、図25は、各コイルが直列に接続されている状態を示しており、図26は、各コイルが並列に接続されている状態を示している。 Next, FIGS. 24 to 26 show examples in which the stator coil 18 is composed of five phases. In the circuit diagram of FIG. 24, the coils are connected in series when the circuit section 20 is tilted toward the solid line side, and the coils are connected in parallel when the circuit portion 20 is tilted toward the broken line side. 25 and 26 are explanatory diagrams schematically showing the configuration of the stator coil 18. FIG. In both figures, coils are represented by five types of lines to indicate five phases. In addition, mountain-shaped portions near the permanent magnet 16a indicated by S and N on the upper side of the drawing represent coils forming poles. 25 shows a state in which each coil is connected in series, and FIG. 26 shows a state in which each coil is connected in parallel.

[切替回路(回路部20)におけるショート防止]
直列と並列の切替は機械的な選択動作によるものであるならショートは起きない。しかしながら、機械的選択機構によらずスイッチング素子などを利用した場合には、そのタイミング次第で瞬時のショートが起きる可能性があるため、対策を講じる必要がある。その対策の1つとして、クロックを用いる方法がある。具体的には、直列のゲートと並列のゲートが同時にON(Hi)にならないようにすれば良い。
[Short prevention in switching circuit (circuit unit 20)]
If switching between series and parallel is by a mechanical selection action, no short circuit will occur. However, if a switching element or the like is used without relying on a mechanical selection mechanism, there is a possibility that an instantaneous short-circuit may occur depending on the timing, so countermeasures must be taken. As one of countermeasures, there is a method using a clock. Specifically, the serial gate and the parallel gate should be prevented from being ON (Hi) at the same time.

具体的な対策を講じる場合におけるクロックと指令信号との関係、並びに回路部に対する制御部の構成例を図27、図28に示す。ギア切替操作手段30からの指令信号がコントローラ31に入力されると、コントローラ31からシフトレジスタ32に対しては、指令信号Sin(シリアルイン)としての入力となる。直列形式及び1又は複数の並列形式の各コイル切り替えについては、リレー回路であればショートの発生は生じにくいが、半導体スイッチング素子を用いた場合、切り替えの前後でどちらもONにならない期間(どちらもOFFになる期間)を設けることが望ましい。 FIG. 27 and FIG. 28 show the relationship between the clock and the command signal, and the configuration example of the control section for the circuit section when specific countermeasures are taken. When a command signal from the gear switching operation means 30 is input to the controller 31, it is input as a command signal Sin (serial in) from the controller 31 to the shift register 32. FIG. Regarding the switching of each coil in the series type and one or more parallel types, if it is a relay circuit, it is difficult for a short circuit to occur. It is desirable to provide an OFF period).

指令信号Sinが入力されると、シフトレジスタ32からは、端子Q0、Q1、Q2からそれぞれ指令信号が出力されることとなる。この際、シフトレジスタ32では、クロック信号clkの作用により、各端子(Q0、Q1、Q2)からの出力が図27に示すようなズレを生じるように調整される。具体的には、SinがL(Lo、以下同じ)でclkが立ち上がるときはQ0はLになり、SinがH(Hi、以下同じ)でclkが立ち上がるときはQ0はHになる。一方、他の場合、すなわちSinに変化が無い場合には、clkの立ち上がりに関わらず、信号の状態がLまたはHのまま維持される。Q1についてはQ0の信号に基づく変化が成される。具体的には、Q0がLでclkが立ち上がる時はLになり、Q0がHでclkが立ち上がるときはQ1がHになる。そして、Q0の信号に変化が無い場合には、前の状態、すなわちLまたはHの状態が維持される。Q2についてはQ1の信号に基づく変化が成される。具体的には、Q1がLでclkが立ち上がる時はLになり、Q1がHでclkが立ち上がる時はQ2がHになる。Q1の信号に変化が無い場合には、Q1と同様に、前の状態、すなわちLまたはHの状態が維持されることとなる。 When the command signal Sin is input, the shift register 32 outputs command signals from terminals Q0, Q1, and Q2, respectively. At this time, in the shift register 32, the output from each terminal (Q0, Q1, Q2) is adjusted by the action of the clock signal clk so as to produce a shift as shown in FIG. Specifically, Q0 becomes L when Sin is L (Lo, hereinafter the same) and clk rises, and Q0 becomes H when Sin is H (Hi, hereinafter the same) and clk rises. On the other hand, in other cases, that is, when Sin does not change, the signal state remains L or H regardless of the rise of clk. Q1 is changed based on the signal of Q0. Specifically, when Q0 is L and clk rises, it becomes L, and when Q0 is H and clk rises, Q1 becomes H. Then, if there is no change in the signal of Q0, the previous state, that is, the L or H state is maintained. Q2 is changed based on the signal of Q1. Specifically, when Q1 is L and clk rises, it becomes L, and when Q1 is H and clk rises, Q2 becomes H. When there is no change in the signal of Q1, the previous state, ie, the L or H state, is maintained, as is the case with Q1.

Q0とQ2からの出力は、NOR素子33に入力され、EN(XNOR:エクスクリーシブノア)として指令信号が出力される。NOR素子33では、Q0とQ2の信号が一致した場合に指令信号の出力が許可され、両者の信号が一致しない場合には指令信号の出力が許可されない。具体的には、Q0から出力される指令信号がLで、Q2からの出力もLである場合には、ゲートがHとなり、指令信号の出力が許可される。同様に、Q0からの出力がHで、Q2からの出力もHdeある場合にも、ゲートがHとなり、指令信号の出力が許可される。一方、Q0から出力される指令信号がLでQ2からの出力がHである場合や、Q0からの出力がHでQ2からの出力がLである場合には、ゲートがLとなり、指令信号の出力は許可されない。 Outputs from Q0 and Q2 are input to the NOR element 33, and a command signal is output as EN (XNOR: exclusive NOR). In the NOR element 33, the output of the command signal is permitted when the signals of Q0 and Q2 match, and the output of the command signal is not permitted when the two signals do not match. Specifically, when the command signal output from Q0 is L and the output from Q2 is also L, the gate becomes H and the output of the command signal is permitted. Similarly, when the output from Q0 is H and the output from Q2 is also Hde, the gate becomes H and the output of the command signal is permitted. On the other hand, when the command signal output from Q0 is L and the output from Q2 is H, or when the output from Q0 is H and the output from Q2 is L, the gate becomes L and the command signal is output. No output allowed.

シフトレジスタ32におけるQ1から出力される指令信号は、NOT素子34を介してAND素子35に入力されると共に、直接AND素子36にも入力される。NOT素子34からの出力信号は、入力された信号と逆になるため(Q1から出力された指令信号がLであった場合、NOT素子34からの出力はH、Q1からの指令信号がHであった場合、NOT素子34からの出力はL)、AND素子35とAND素子36には、Q1からの指令信号としてそれぞれ反対の指令信号が入力されることとなる。 The command signal output from Q1 in the shift register 32 is input to the AND element 35 via the NOT element 34 and directly to the AND element 36 as well. Since the output signal from the NOT element 34 is the opposite of the input signal (when the command signal output from Q1 is L, the output from the NOT element 34 is H, and the command signal from Q1 is H). If there is, the output from the NOT element 34 is L), and the opposite command signals are input to the AND elements 35 and 36 as the command signals from Q1.

AND素子35、AND素子36は、それぞれQ1からの指令信号と、NOR素子33からの出力信号が同時にHとなった場合のみ、指令信号としてHを出力することとなる。上述したように、AND素子35とAND素子36には、Q1からの指令信号としてそれぞれ反対の信号(L又はH)が入力されるため、両者が同時にHの指令信号を出力することは無い。また、シフトレジスタ32におけるQ0とQ1、及びQ2からの指令信号の切り替えタイミングにもズレが生じていることより、NOR素子33からの出力信号の切り替えタイミングとQ1からの指令信号の切り替えタイミングが一致することも無い。このため、AND素子35とAND素子36との指令信号の切り替えタイミングも一致する虞がない。 The AND elements 35 and 36 output H as the command signal only when the command signal from Q1 and the output signal from the NOR element 33 become H at the same time. As described above, opposite signals (L or H) are input to the AND element 35 and the AND element 36 as command signals from Q1, so that both do not output H command signals at the same time. Also, since there is a difference in the switching timing of the command signals from Q0 and Q1 and Q2 in the shift register 32, the switching timing of the output signal from the NOR element 33 and the switching timing of the command signal from Q1 coincide. There is nothing to do. Therefore, there is no possibility that the switching timings of the command signals of the AND element 35 and the AND element 36 will match.

AND素子35とAND素子36からの出力はそれぞれ、各相の回路を構成するブロック37,38,39に入力される。なお、ブロック37は、U相のブロック、ブロック38は、V相のブロック、ブロック39は、W相のブロックをそれぞれ示す。また、ブロック37,38,39において、AND素子35から出力される指令信号が入力されるG1sは、ゲートシリアル(直列側)への切り替え信号の入力端子であり、AND素子36から出力される指令信号が入力されるG1pは、ゲートパラレル(並列側)への切り替え信号の入力端子である。上述したように、AND素子35とAND素子36からの指令信号は一致することが無く、L、Hの切り替えタイミングにもズレが生じることとなる。このため、図27に示すように、G1sとG1pが同時にON(Hi)となるタイミングが無く、ショートが生じる事が無い。なお、G1s、G1pにおける数字「1」は、それぞれ回路部の番号を示すものであり、図20における回路部におけるKx11における端子の場合、それぞれG11s、G11pと示すことができる。 Outputs from the AND element 35 and the AND element 36 are input to blocks 37, 38, and 39, respectively, which constitute circuits of respective phases. A block 37 indicates a U-phase block, a block 38 indicates a V-phase block, and a block 39 indicates a W-phase block. In blocks 37, 38, and 39, G1s to which the command signal output from the AND element 35 is input is the input terminal of the switching signal to the gate serial (serial side). G1p to which a signal is input is an input terminal of a switching signal to gate parallel (parallel side). As described above, the command signals from the AND element 35 and the AND element 36 do not match, and the switching timing of L and H also deviates. Therefore, as shown in FIG. 27, there is no timing when G1s and G1p are turned ON (Hi) at the same time, and no short circuit occurs. The number "1" in G1s and G1p indicates the number of each circuit section, and the terminals at Kx11 in the circuit section in FIG. 20 can be indicated as G11s and G11p, respectively.

図29に、ブロックを構成する回路図の例を示す。なお、図29に示す例は、U相を構成するブロックにおける回路図の例であるが、V相、W相を構成するブロックについても同様な構成となる。例えばLu1hについては、V相の場合Lv1h、W相の場合Lw1h、Lu2hについては、Lv2h、Lw2hとなる。また、Lu1lはLv1lとLw1l、VuはVv、Vwにそれぞれなる。図29に示す例では、回路部に相当するスイッチング素子とFET(電界効果トランジスタ)素子40を示しているが、本発明を実施するにあたってスイッチング素子を用いる場合には、FET素子を採用する事に限定することは無い。 FIG. 29 shows an example of a circuit diagram forming a block. The example shown in FIG. 29 is an example of a circuit diagram of a block that configures the U phase, but the blocks that configure the V phase and W phase also have the same configuration. For example, Lu1h is Lv1h for the V phase, Lw1h for the W phase, and Lv2h and Lw2h for Lu2h. Also, Lu1l becomes Lv1l and Lw1l, and Vu becomes Vv and Vw, respectively. In the example shown in FIG. 29, switching elements and FET (Field Effect Transistor) elements 40 corresponding to the circuit section are shown. There is no limit.

上記のような回路部を有する回転電気機械は、図30や図31に示すような水中で用いるモータ50にも適用することができる。水中で用いるモータ50に適用する場合、上述したロータ16やステータコイル18は、推進方向が定められたハウジング52に収められることとなる。ハウジング52の進行方向は、図30に示すように、先端にやや丸みを帯びた円錐形、いわゆるノーズコーンを有する側を推進方向前方と定めるようにしている。また、推進方向後方側には、回転軸14を突出させる構成としている。 A rotary electric machine having a circuit portion as described above can also be applied to a motor 50 used underwater as shown in FIGS. When applied to the motor 50 for underwater use, the rotor 16 and the stator coil 18 described above are housed in a housing 52 having a defined propelling direction. As shown in FIG. 30, the forward direction of the housing 52 is defined as the forward direction of the housing 52, which has a so-called nosecone with a slightly rounded tip. Moreover, it is set as the structure which makes the rotating shaft 14 protrude in the propulsion direction rear side.

このような構成の水中で用いるモータ50では、ハウジング52の内部に冷却水を導入する構成とすると良い。ハウジング52内に導入された冷却水は、回転軸14に備えられた羽根14aの回転によりハウジング52内を循環することとなる。これにより、冷却水による冷却作用を高めることができる。符号54は、ケーブル等を通す孔である。 In the motor 50 having such a configuration, which is used underwater, it is preferable to adopt a configuration in which cooling water is introduced into the housing 52 . The cooling water introduced into the housing 52 circulates within the housing 52 due to the rotation of the blades 14 a provided on the rotating shaft 14 . Thereby, the cooling effect of the cooling water can be enhanced. Reference numeral 54 is a hole through which a cable or the like is passed.

また、モータ50への適用例としては、図31に示すような、自律推進型のものであっても良い。なお、自律推進型のモータ50であっても、ハウジング52の内部にロータ16やステータコイル18、及びコイル切替基板24を配置するという構成に変わりは無い。ここで、図30や図31に示す例のように、回転軸14が推進方向前方に突出していない場合、コイル切替基板24には、回転軸14を挿通させるための開孔を設ける必要が無い。よって、コイル切替基板24は図32に示すような円盤型とすることができる。なお、ここで言う円盤型には、図32に示すように、必要に応じて板面の一部に切欠き26を設けたものも含むこととする。配線等を挿通させるために基板の一部に設ける切欠きや貫通孔は、基板全体の板面形状を定めた後に設けられるものだからである。また、図31に示す例では、ハウジング52の内部に冷却用の羽根14aを設けていないが、設けるようにしても良いことは言うまでも無い。 Also, as an example of application to the motor 50, an autonomous propulsion type as shown in FIG. 31 may be used. Note that even with the motor 50 of the autonomous propulsion type, there is no change in the configuration in which the rotor 16 , the stator coil 18 and the coil switching board 24 are arranged inside the housing 52 . Here, as in the examples shown in FIGS. 30 and 31, when the rotating shaft 14 does not protrude forward in the propelling direction, the coil switching board 24 does not need to be provided with an opening through which the rotating shaft 14 is inserted. . Therefore, the coil switching board 24 can be made into a disc shape as shown in FIG. As shown in FIG. 32, the disk type mentioned here also includes the one in which a notch 26 is provided on a part of the plate surface as necessary. This is because the cutouts and through-holes provided in a part of the substrate for inserting wiring or the like are provided after determining the plate surface shape of the entire substrate. Further, in the example shown in FIG. 31, the cooling blades 14a are not provided inside the housing 52, but needless to say, they may be provided.

図31に示すモータ50はハウジング52の外部に、推進力を発生させるためのスクリュー56を備え、ハウジング52の下部には、スケッグ52aを設ける構成としている。ここで、スケッグ52aは、推進時における舵の役割を果たすこととなる。 The motor 50 shown in FIG. 31 has a screw 56 for generating propulsive force outside the housing 52, and a skeg 52a is provided at the bottom of the housing 52. As shown in FIG. Here, the skeg 52a serves as a rudder during propulsion.

さらに、回転電気機械をモータ50に適用する場合、図33に示すような構成とすることもできる。図33に示すモータ50は、風洞状に形成したハウジング52とハウジング53を二重に配置し、ハウジング53の絞り部にスクリュー56を配置すると共に、推進用の水を取込む取水口53aを設ける構成としている。 Furthermore, when applying a rotary electric machine to the motor 50, it can be configured as shown in FIG. The motor 50 shown in FIG. 33 has a wind tunnel-shaped housing 52 and a housing 53 which are arranged in a double structure. It is configured.

水中で用いるモータ50をこのような構成とした場合、ハウジング52の絞り部を排出口55とし、ステータコイル18の熱により冷却水が気化することで発生する水蒸気を排出することとなる。排出口55から排出された水蒸気は、スクリュー56により取水口53aから取り込まれる流水の流れを加速させることとなる。これにより、推進力の向上や、スクリュー56を回転させるためのトルクの低減を図ることが可能となる。 When the motor 50 used in water is configured as described above, the constricted portion of the housing 52 is used as the discharge port 55 to discharge water vapor generated by the heat of the stator coil 18 evaporating the cooling water. The steam discharged from the discharge port 55 accelerates the flow of running water taken in from the water intake port 53a by the screw 56 . This makes it possible to improve the driving force and reduce the torque for rotating the screw 56 .

10………モータ、12………ハウジング、12a………軸受、13………ステータ、13a………軸受、14………回転軸、14a………羽根、16………ロータ、16a………永久磁石、16b………インナーヨーク、16c………アウターヨーク、17………支持部材、18………ステータコイル、18a………導電線、18b………エナメル層、18c………外皮層、20(20U、20V、20W)………回路部、22………制御部、24………コイル切替基板、24a………半導体素子、26………切欠き、30………ギア切替操作手段、31………コントローラ、32………シフトレジスタ、33………NOR素子、34………NOT素子、35………AND素子、36………AND素子、37………U相ブロック、38………V相ブロック、39………W相ブロック、50………モータ、52………ハウジング、52a………スケッグ(Skeg)垂直尾翼、53………ハウジング、55………排出口、56………スクリュー、U1………第1コイル、U2………第2コイル、U3………第3コイル、U4………第4コイル、V1………第1コイル、V2………第2コイル、V3………第3コイル、V4………第4コイル、W1………第1コイル、W2………第2コイル、W3………第3コイル、W4………第4コイル。 Reference Signs List 10 Motor 12 Housing 12a Bearing 13 Stator 13a Bearing 14 Rotary shaft 14a Blade 16 Rotor 16a ……Permanent magnet 16b……Inner yoke 16c……Outer yoke 17……Supporting member 18……Stator coil 18a……Conductive wire 18b……Enamel layer 18c…… . ……Gear switching operation means 31 ……Controller 32 ……Shift register 33 ……NOR element 34 ……NOT element 35 ……AND element 36 ……AND element 37 . …… U-phase block 38 …… V-phase block 39 …… W-phase block 50 …… Motor 52 …… Housing 52a …… Skeg vertical stabilizer 53 …… Housing , 55 ..... discharge port, 56 ..... screw, U1 ..... first coil, U2 ..... second coil, U3 ..... third coil, U4 ..... fourth coil, V1 ..... 1st coil, V2......2nd coil, V3......3rd coil, V4......4th coil, W1......1st coil, W2......2nd coil, W3......3rd Coil, W4 …… 4th coil.

Claims (4)

ハウジングと、線材により円筒状を成すように構成され、片持ち支持されている非回転のステータコイルと、前記ステータコイルと離間して前記ステータコイルの対向面に位置する永久磁石を備えたロータと、を有するコアレスモータであって、
前記ステータコイルは複数の相から成り、各相が複数のコイルから構成され、
各相を構成するコイルの接続形式を直列形式と複数の並列形式に切り替え可能な回路部を備え、
前記回路部は、前記ハウジング内に収め、かつ前記回路部は、円盤状基板により構成して前記ステータコイルの端部に近接させると共に、前記ステータコイルの端部に平行に配置し、前記回路部は半導体素子から成り
前記ステータコイルは、当該ステータコイルの内側、または外側のうちの少なくとも一方の側面に耐変形層を設けて成る耐変形コイル体、または自由端に金属により円環状に形成された補強リングを配置して成る耐変形コイル体であることを特徴とするモータ。
A housing, a non-rotating stator coil configured to form a cylindrical shape with a wire rod and supported in a cantilever manner, and a rotor provided with permanent magnets spaced apart from the stator coil and positioned on the opposite surface of the stator coil. , a coreless motor having
The stator coil consists of a plurality of phases, each phase consists of a plurality of coils,
Equipped with a circuit section that can switch the connection format of the coils that make up each phase between a series format and multiple parallel formats,
The circuit portion is housed in the housing, and the circuit portion is composed of a disc-shaped substrate and is arranged close to the end portion of the stator coil and parallel to the end portion of the stator coil. consists of semiconductor elements ,
The stator coil has a deformation-resistant coil body with a deformation-resistant layer provided on at least one of the inner side and the outer side of the stator coil, or a circular reinforcing ring made of metal at the free end. A motor, characterized in that it is a deformation-resistant coil body made of steel.
ハウジングと、線材により円筒状を成すように構成され、片持ち支持されている非回転のステータコイルと、前記ステータコイルと離間して前記ステータコイルの対向面に位置する永久磁石を備えたロータと、を有するコアレスモータであって、
前記ステータコイルは複数の相から成り、各相が複数のコイルから構成され、
各相を構成するコイルの接続形式を直列形式と複数の並列形式に切り替え可能な回路部を備え、
前記回路部は、前記ハウジング内に収め、かつ前記回路部は、円盤状基板により構成して前記ステータコイルの端部に近接させると共に、前記ステータコイルの端部に平行に配置し、前記回路部は半導体素子から成り、前記半導体素子は、コイル切替の前後のどちらもOFFとなる期間が設定されており、
前記ステータコイルは、当該ステータコイルの内側、または外側のうちの少なくとも一方の側面に耐変形層を設けて成る耐変形コイル体、または自由端に金属により円環状に形成された補強リングを配置して成る耐変形コイル体であることを特徴とするモータ。
A housing, a non-rotating stator coil configured to form a cylindrical shape with a wire rod and supported in a cantilever manner, and a rotor provided with permanent magnets spaced apart from the stator coil and positioned on the opposite surface of the stator coil. , a coreless motor having
The stator coil consists of a plurality of phases, each phase consists of a plurality of coils,
Equipped with a circuit section that can switch the connection format of the coils that make up each phase between a series format and multiple parallel formats,
The circuit portion is housed in the housing, and the circuit portion is composed of a disc-shaped substrate and is arranged close to the end portion of the stator coil and parallel to the end portion of the stator coil. is composed of a semiconductor element , and the semiconductor element has a period set to be OFF both before and after coil switching,
The stator coil has a deformation-resistant coil body with a deformation-resistant layer provided on at least one of the inner side and the outer side of the stator coil, or a circular reinforcing ring made of metal at the free end. A motor, characterized in that it is a deformation-resistant coil body made of steel.
請求項1または2に記載のモータであって、
前記ロータに同期して回転する回転軸を備え、
前記回転軸には、前記ハウジング内に位置する部位に羽根が備えられていることを特徴とするモータ。
3. The motor according to claim 1 or 2,
A rotating shaft that rotates in synchronization with the rotor,
A motor according to claim 1, wherein the rotary shaft is provided with blades at a portion located within the housing.
請求項1または2に記載のモータを水没させて使用し、
前記ステータコイルや前記ロータが収められる前記ハウジングは、推進方向が定められ、前記回転軸の延設部を前記推進方向と反対側から、前記ハウジングの外部に突出させていることを特徴とするモータ。
Using the motor according to claim 1 or 2 submerged in water,
The housing in which the stator coil and the rotor are housed is characterized in that the direction of propulsion is determined, and the extension part of the rotating shaft protrudes outside the housing from the side opposite to the direction of propulsion. motor.
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