JP7846882B2 - 回転電気機械 - Google Patents

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。

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、３つの相により構成され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要素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から複数のコイル要素を選択的に直列接続する構成としている。

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要素により構成し、各相を構成する複数のコイル要素を、直列または並列に接続切り替えする事のできるスイッチ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。

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相のコイルを構成するコイル要素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。

特許第３５９６７１１号公報 特表２０１０－５３７６２１号公報 特開２０１４－１２１１０２号公報 特開２０１９－５４６２８号公報 特開２０１１－２２９２２１号公報

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。

また、特許文献３、４に開示されているコアレスモータは容量が小さなものである。このため、使用段階においてモータの特性を切り替えるという概念が生じ得なかった。また、コアレスモータを大容量化した場合、ステータコイルがロータを回転させる際の反トルクを受けて変形する虞があり、大容量化には向かないというのが当業者における常識とされてきた。よって、特許文献５に開示されているようなコアドモータの技術をそのまま適用する事はできないという技術常識があった。

そこで本発明では、上記課題を解決すると共に従来の技術常識を打開し、コアレスモータの大容量化にも適用出来て、かつ、高回転時においても所定のトルクを維持しつつ、特性切替時の応答性を高める事のできる回転電気機械を提供することを目的とする。

以下の説明において、コイル要素とはコイル体を形成するコイル単位（パーツ）であり、各コイル要素は同形、同質である。
上記目的を達成するための本発明に係る回転電気機械は、永久磁石とステータとステータコイルを備え、前記ステータコイルが複数相から成り、各相について、短コイル要素を２本と、前記短コイル要素の２倍の長さの長コイル要素２本とを併用することで前記短コイル要素６本分のコイル要素を用いて構成し、前記短コイル要素６本を使用するよりもコイル要素間接点数を減らし、使用する全コイル要素を直列に繋げた第１のパターンと、前記短コイル要素２本を直列に繋げて１本の長コイル相当のコイル要素にしたものと前記長コイル要素２本とを並列に繋げた第２のパターンと、前記短コイル要素と前記長コイル要素を直列に繋げたコイル要素２組を並列に繋げ、若しくは２本の前記長コイル要素を並列に繋げたものと２本の前記短コイル要素を並列に繋げたものとを直列に繋げた第３のパターンとを、接続切替できるようにしたことを特徴とする。尚、回転数とトルクの関係における最高回転数を前記の第２のパターンとし、起動時の回転数を前記の第１のパターンとし、中間の回転数は前記第３のパターンで得るようにすることが好ましい。また、回転数ゼロから第１のパターンに切り替わるまでの回転数の間隔と、第１から第３のパターンに切り替わるまでの回転数の間隔と、第３から第２のパターンに切り替わるまでの回転数の間隔とが、実質的に同じ幅となるように切り替えるようにすることが使い勝手良く、運転者も操作し易く使い心地が良い。尚、長コイル要素は最初から長コイル使用で調整された１本のコイル要素でも良いし、短コイル要素同士を直列に配置してその接合間にスイッチを介在させないよう直接（つまり接点レス）繋げたものでも良い。

また、上記目的を達成するための本発明に係る回転電気機械は、永久磁石とステータとステータコイルを備え、そのステータコイルが複数相から成り、各相について、長コイル要素は短コイル要素の倍の長さでなくとも、短コイル要素の長さのＮ倍の長さの長コイル要素がＮ本と短コイル要素Ｎ本（Ｎは整数）で構成しても良い。

本発明を適用するに好適な回転電気機械はコアレスモータであるが、それはコアドモータのような鉄心を有さないことからインダクタンスが小さくなるからである。その意味ではコアドモータであっても鉄心歯の無いスロットレスタイプのモータも好適である。

また、上記した本発明の回転電気機械は短コイル要素を２本用意しているが複数本を長コイル要素相当長さに直列に繋がっていても良い。また、長コイル要素も２本には限定されず複数本用意して良い。

要するに、短コイル要素と長コイル要素（２つの短コイル間を接点無しに直接つなげたものも含む概念）の併用により、全てを短コイル要素（=通常従来から用いられているコイル要素）で構成した場合に比べてコイル要素間の接点数（スイッチの数）を減らすことができる。

本来であればコイル要素総数に見合った切替パターンが用意できるのだが、本発明においては敢えて可能パターンのいくつかを不使用の状態にしている（コイルの接点数が減るから不使用パターンができる）。接点数が減れば不良発生リスク、故障リスクは減り、コスト低減にもつながる。Ｔ（トルク）－Ｎ（回転数）特性の観点から、回転数はほぼ近い幅（間隔：差分）で切り替わることが運転者にとって快適であり使い勝手が良い。そのような切り替わり回転数の間隔の平均化を狙えば細かいコイルパターンを間引きして良いと本発明者は考えた。また、総コイル要素数（前述のコイル全長）に対応する最高回転数は通常は使わぬようにし（不使用とし）、本発明のコイル組み合わせで可能な範囲の上限を通常使用における最高回転数とすれば良い。

また、上記のような特徴を有する回転電気機械において前記ステータコイルは、円筒状を成す構造とするのが良い。このような構成とすることで、モータの内部空間に空隙を設ける事が可能となる。よって、モータの内部空間を有効活用する事も可能となる。さらに、耐変形性を有する事により、モータ容量を大きくした場合であっても、ロータが回転する際の反トルクによるステータコイルの変形を防ぐことができる。

また、上記のような特徴を有する回転電気機械において前記ステータコイルは、Ｕ、Ｖ、Ｗの３相から成ると良い。このような特徴を有する事によれば、コイルや回路数の煩雑化を避け、量産時における製造コストの低減を図る事が可能となる。

また、上記のような特徴を有する回転電気機械では、前記コイルは、リッツ線を用いて構成すると良い。このような特徴を有する事により、ステータコイルの形状維持のための強度を得る事ができると共に、ステータコイルに鉄板や銅板を使用する必要が無くなるため、自己インダクタンスの低減を図ることができる。

上記のような特徴を有する回転電気機械によれば、従来の技術常識に無い大容量化にも対応し、高回転時においても所定のトルクを維持しつつ、特性切替時の応答性を高める事が可能となる。さらに加えて、コイル要素間接点の数を減らせるから不良リスクや故障リスクが減り、コスト低減にも寄与する。

本発明の実施例に係る回転電気機械におけるステータコイルの回路構成のパターンとＴ－Ｎ特性の関係を説明する図である。 図１の実施例をアレンジした回転電気機械におけるステータコイルの回路構成のパターンとＴ－Ｎ特性の関係を説明する図である。 図１の実施例のコイル及びスイッチの接続回路図の１例である。 図１の実施例のコイル及びスイッチの接続回路図の図３とは別の例である。 図３の案の回路図をＵ、Ｖ、Ｗの３相分併記した図である。 本発明の回転電気機械の構造例を説明する側断面図である。 本発明の各実施例に適用できるコイル切替装置を含めた回転電気機械の動作用システム図である。 本発明の各実施例に適用できる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。 本発明の他の実施例に係るステータコイルの接続パターン例を説明する図である。 本発明の更に他の実施例に係るステータコイルの接続パターン例を説明する図である。 本発明の他の実施形態に係るコイル要素パターンを示す図である。

以下、本発明の回転電気機械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。なお、以下に示す実施の形態としては、回転電気機械としてモータを例に挙げて説明する。

［基本構成］
まず、図６を参照して、本実施形態に係るモータ装置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装置１０は、ハウジング１２と、回転軸１４、ステータコイル１８、及びロータ１６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、及びロータ１６を収容している。回転軸１４は、ハウジング１２を貫通するように配置され、ハウジング１２との交点に備えられた軸受１２ａにより、回転自在に支持されている。

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要素群により、円筒状を成すように構成されている。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要素から成っている。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（図６に示す例ではハウジング１２）に支持されるように構成されている。

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、一方の端面が回転軸１４と接続されている。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（円筒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装置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。

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とが離れている事より、モータ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。

さらに、本明細書の各実施例では、ステータコイル１８を構成する際、巻き線に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、複数の導電細線が束ねられて構成されており、各導電細線の外周は、エナメル層で覆われている。さらに、その導電細線（束としての導電線）の外周には、ガラス繊維のような繊維状物による外皮層が設けられている。

このような構成により、形状維持のために鉄板や銅板を用いる事による渦電流の発生（渦電流損）を抑制し、自己インダクタンスの低減を図る事に寄与することができる。

［第１実施形態］
先ず図１から図５を参照して、第１実施形態に係るモータ装置１０の詳細な構成について説明する。なお、本実施形態に係るモータ装置１０もその基本構成は、図６に示す構成である。

本実施形態に係るステータコイル１８は、短コイル要素と長コイル要素を併用していることが特徴である。本実施形態においては、長コイル要素は短コイル要素を２倍にした長さとしている。ここで、“短コイル要素”、“長コイル要素”という文言は、以下の説明についての便宜上用いた表現であるが、要するに通常用いるコイルを本願では短コイル要素と呼び、その２倍の長さのコイル要素を本実施形態では長コイル要素と呼んでいる。本実施形態では、この短コイル要素を２本と長コイル要素を２本の、合計４本のコイル要素を用いている。

例えば長コイル要素Ａ、Ｂが夫々２０ターン、短コイル要素Ｃ、Ｄが夫々１０ターンのもので構成（Ａ、ＢがＣ、Ｄの２倍の長さ（ターン））されているとする。そうすると２つの長コイル要素と２つの短コイル要素から全部で短コイル要素６つ分の能力が潜在するコイル体になる。しかしながらコイル要素材料数は合計４本で接点数が少なくなっているので、図１に示すようにパターンはＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄが全部直列で逆起電圧は６Ｖ、抵抗値は６Ω（１コイル要素につき１Ｖ、１Ωと仮定）になるものと、ＡとＣの直列（つまり短コイル要素換算で、短コイル要素３本分）とＢとＤの直列（つまり短コイル要素換算で、短コイル要素３本分）を並列にして３Ｖ、１．５Ωになるものと、Ａ（つまり短コイル要素換算で、短コイル要素２本分）とＢ（つまり短コイル要素換算で、短コイル要素２本分）とＣ＋Ｄを直列に繋げたコイル要素を並列にして２Ｖ、０．６７Ωになるものの計３パターンが用意できることになる。仮に長コイル要素ＡやＢが短コイル要素であったなら６コイル要素全部並列のようなパターンも作れるが、本発明においては長コイル要素と短コイル要素を併用しているから６コイル要素全部並列のようなパターンは作れない。

図１のＴ－Ｎ特性図は、これらの３パターンの特性を記入している。各パターン毎にモータが構成されるため、本発明では３つのパターンのモータが１つのモータ装置に内在することになり、コイル要素の接続切り替えによって３つのモータに変貌していくことになる。図１の縦軸は回転数でありスピードに相当し、横軸はトルクとなる。縦軸、横軸、夫々の目盛りは等間隔であるが、イメージ図の為、具体的数字は省略した（例えば縦軸の一番上の目盛りを２０００ｒｐｍに設定しても良いし１００００ｒｐｍに設定しても良く、スピードに置き換えても良い。横軸もしかりである）。

第１のパターンとして長短のコイル要素２つずつを全て直列に繋げた場合、第１のパターンにより構成されるモータの最高回転数は６Ｖ／６Ｖ＝１となり、縦軸の目盛り１からトルク目盛り１の線のようになる。次に、第２のパターンとして長コイル要素１本＋短コイル要素１本を直列に繋げたコイル要素を２つ並列に繋げた場合、逆起電圧は３Ｖとなる。このため、第２のパターンにより構成されるモータの最高回転数は６Ｖ／３Ｖ＝２となって図１の縦軸の目盛り２とトルク２を結ぶ線のようになる。そして第３のパターンとして短コイル要素Ｃ＋Ｄを直列に繋げたコイル要素と長コイル要素Ａ、Ｂとを並列に繋げた場合、逆起電圧は２Ｖとなる。このため、第３のパターンにより構成されるモータの最高回転数は６Ｖ／２Ｖ＝３となり、図１の目盛り３とトルクの目盛り３を結ぶ線のようになる。このように３パターンを作ると、第１のパターンのモータと第２のパターンのモータとの最高回転数の間隔は、第２のパターンのモータと第３のパターンのモータとの最高回転数の間隔と実質的に等しくなる。

なお、このようなパターン切り替えによりモータ装置１０を構成すると、本来の６コイル要素（短コイル要素６つ）により想定される６パラ相当、つまり縦軸の最上位の目盛り位置の最高回転数を持つモータが存在し無いことになるが、６パラ相当のモータの最高回転数と第３のパターンのモータの最高回転数との間隔（差分）が第１～第２や第２～第３のパターンのモータの最高回転数の間隔に比べて格段に大きいので操作者にも装置にも切替ショックが大きくなる。このため、本実施形態では、６パラ相当のモータへの切り替えを無くすことで、ギア機能の切り替えによる操作者や装置へのショックを解消しスムーズな装置運転ができるようになる。

そして図１の特性図の縦軸に示すように、採用するモータの最高回転数間の間隔（全部直列時のモータの最大回転数の場合は回転数ゼロからの間隔を含む）が実質的に近似（使用コイル要素数を全部直列に繋いだ時の最大回転数の（１±０．５）倍の間隔（差分）の範囲）するように前記モータを選定し、この条件に満たないパターンのモータを不使用にして良い。例えば０．５倍未満であれば、切替が細か過ぎて切換制御が複雑化するが、実用上、そこまで複雑化する必要は無い。こうして最大回転数に応じた切替間隔が実質的に等しくなれば運転者の感覚的負担が軽減される。また、切替間隔の均一化は装置に対しても負担軽減になる。

図２には第１実施形態の代案を説明している。第１実施形態では長コイル要素が最初から短コイル要素の２倍長さで巻かれたものとしているが、図２の例では長コイル要素という素材を使わずに全て通常コイル（=本願において短コイル要素と呼んできたもの）で構成し、その通常コイル要素（短コイル要素）２本を接点無しで直列に繋げたものを第１実施形態の長コイル要素相当として用いている。そして短コイル要素の６パラ相当（６つの短コイル要素を全部並列に繋げる）は使わず、４Ｖパターン（４つの短コイル要素を直列に繋げたものと、不使用となるコイル要素から成る）も使わないので第１実施形態と結果的に同様の構成になり同様の効果を得ることができる（以下、図１、図２共通の例として説明する）。

この実施形態のスイッチとコイル要素の回路図は各相について図３の例と図４の例が挙げられる。図３の例では各相につきスイッチが１３個必要になるが、スイッチ数は少なくて済み、各切り替えにより生じるモータの最大回転数の差分（間隔）は近似することとなる。図４の例では各相につきスイッチが１１個必要になるが、図３の例よりも更にスイッチの数を減らすことができる。同じ長さのコイル要素６本（６コイル要素）であればスイッチ数は１５個必要になる。一方、同じ長さのコイル要素４本（４コイル要素）であればスイッチ数は９個必要になるが、本例は本来の６コイル要素よりも必要スイッチ数を少なくできる。

図５は図４の案をＵ、Ｖ、Ｗの３相分併記したものである。尚、空白の四角はスイッチを示している。
ところで以上の説明では短コイル要素と長コイル要素を夫々２本用いているが本発明はこれに限定されず、要するに接点数を減らすべく通常コイル要素（＝短コイル要素）と通常コイル要素の２倍の長さのコイル要素（＝長コイル要素）とを併用することを特徴としている。従って長・短各コイル要素数には限定されないが、併用に当たっては循環電流が発生しないような接続工夫をすべきである。

［効果］
このような構成のモータ装置１０によれば、高回転域においても所定のトルクを得る事ができる。また、コアレスモータやスロットレスモータに適用すればコイルに鉄心を備えないから自己インダクタンスを小さく抑える事ができ、回路部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。そして何より接点数が少ないので不良や故障の要因を減らしつつコスト低減に寄与するという効果が得られる。

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。しかしながら、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、モータ装置自体は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（コイル切替装置によるコイル要素接続の切り替え）を可能にし、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。

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。

このように、モータに対してコイル要素接続の切換え機能を付与することにより、１台のモータ装置で様々な走行シーンに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り、モータ装置に対する過負荷が低減され、モータ装置の温度の急上昇を抑制することができる。

以上に述べた通り、本発明に係るモータ装置１０では、各相のコイル要素の位置及び数を選択することによって直列のＬｏ状態と、複数の並列（例えばセカンド、サード）や直列・並列の混用と言ったコイル要素の接続パターンの切り替えによって、３段以上の特性切り替えを可能にできる。すなわち、各相のコイル要素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相当の機能（コイル要素接続の切替）が可能となる。なお、このような構成は、本発明に係るコアレスモータのみならず、コアドモータにも適用することができる。

本発明に係るモータ装置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）をエンコーダやレゾルバにて検出し、検出した車速値に基づいて本件のコイル要素の接続切替の適用をする。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しても良く、従前（既知）の様々な方式を用いることができる。尚、コイル要素の接続切替のタイミングはこのように種々の速度検知による切替タイミング設定を施したコイル要素接続パターン切替装置８０（図７参照）によって行われる。

図７のシステム図ではコントローラ３１、ドライバ４０、コイル要素接続パターン切替装置８０とモータ装置１０の接続関係を示している。先ずコントローラ３１は、スロットル情報と速度情報から、モータ装置１０から出力するトルクを決定する。スロットル情報はスロットル開度であり、例えば、スロットルを閉じている場合は０％、フルスロットルの場合は１００％になる。尚、コントローラ３１では自動か手動でギア値が選択される。選択されたギア値とトルク値からモータ電流を計算する。尚、モータ電流計算にはギア毎のトルク定数情報が与えられている。

ドライバ４０は、モータ電流値がコントローラ３１からの指令値となるようにモータ装置１０を制御すると共に、速度情報としてモータ装置１０の回転数（速度）Ｎをコントローラ３１に与える。ギア選択に関しては、回転数が低い場合はローギア、高い場合はギアを上げることになる。トルクは、コントローラ３１に予め記憶されているトルクマップに従い決定される。このトルクマップは、例えば複数のスロットル状態、および、複数の速度（回転数）それぞれに対するトルク値で構成されており、実際のスロットル状態と速度と、このトルクマップから補間計算により実際に出力すべきトルクが計算される。例えば、スロットルが閉じている（０％）場合、２０％開いている場合、４０％開いている場合、６０％開いている場合、８０％開いている場合、フルスロットル（１００％）の場合、の全６種類のスロットル情報と速度に対する出力すべきトルクがトルクマップとしてコントローラ３１に記憶されている。そしてコントローラ３１は、速度（回転数）Ｎとスロット情報と、このトルクマップからトルク値を算出する。スロットル値が前述の６種類（０％、２０％、４０％、６０％、８０％、１００％）以外の場合には、補間計算によりトルク値を算出する。

以上により、ギアの切り替えは今まで説明した通りコイル要素接続パターン切替装置８０にてコイル要素接続パターンの切り替えを行うことにより実行される。こうしてギアはモータ装置１０の回転数に応じて切り替わる。

コントローラ３１は出力すべき所定のトルクを出すために必要な電流値をギア毎に計算しドライバ４０に指示する。ドライバ４０に対する電流指令はギア切替指示と同時に実行され、従ってギアを切替え時の出力トルク変動は非常に小さく、円滑な切替が実現される 。すなわち、切替前後でトルクが変わらないような電流指令を、切替と同時に行うから、円滑な切替となる。例えば、１速ではトルク定数が０．４Ｎｍ／Ａ、２速ではトルク定数が０．２Ｎｍ／Ａであるシステムを想定すると、ギアが１速で出力すべきトルクが１Ｎｍであった場合、コントローラ３１は２．５Ａの電流指令をドライバ４０に指示する。回転速度が上昇してきて、２速に切り替えることになった場合は、コントローラ３１は切替指令と同時にドライバ４０に与える電流指令を２．５Ａから５Ａへ変更する。これにより、切替前後でモータ装置１０から出力されるトルクは１Ｎｍに保たれ、円滑な切替が実現されることになる。

ところで、以上の実施形態に示した回路はモータ装置１０に内蔵させることができる。回路をモータ装置１０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、コアレスモータは、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１６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、モータ装置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。

また、上記実施形態では主に、モータ装置１０の回転数に基づいてコイル要素接続パターン切替装置８０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装置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要素接続パターン切替装置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。

モータ装置１０を回転させるべく複数相（上記説明では３相）必要だが、夫々の相について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、３段以上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７のシステムと図８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をシフトレジスタに送ることになる。

本発明の実施態様に用いている仕組回路について図８により説明する。図８は回路構成の全景となり、ブロックを構成する回路図の例を示す。なお、図８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。

上記実施形態では、コイル要素の数や回路部の数を限定的なものとしているが、コイルや回路の数を増減させ、コイルを直列接続と並列接続させる際の組み合わせを増やすようにしても良い。また、コイル要素の接続形態の組み合わせを増やすだけでなく、用途に応じた適正回転数やトルクを選定し、コイルの接続形態の組み合わせを限定的に定めるようにしても良い。例えば、電動工具などの初期動作のトルクよりも回転数を稼ぎたい用途への適用する場合には、高回転域の特性運転を行う事ができるコイルの組み合わせを選択切り替えできるようにすれば良い。

また、上記実施形態では、コイル要素の接続形態の切り替えを理解しやすくするために、回路部（スイッチ）を機械的に示しているが、スイッチは、半導体チップにより、同様な機能を持たせるようにしても良い。

また、上記実施形態では、いずれもステータコイル１８の形態については、円筒状とする旨記載した。しかしながら、本発明に係るモータ装置１０は、ステータコイルを円盤状に配置した形態についても含むものとすることができるし、コアレスモータに限定せず、スロットレスモータを含むブラシレスモータに展開できる。スロットレスモータはコアドモータではあるが鉄心歯が無いのでその分鉄損が無く、インダクタンスが小さくなる点はコアレスモータに準じている。

図９に長コイル要素と短コイル要素を組み合わせて短コイル要素換算で１０コイル要素分のコイル要素接続パターン例を説明する。パターン（Ａ）、（Ｅ）、（Ｊ）、（Ｎ）はいずれも１本の長コイル要素と８本の短コイル要素で成り、パターン（Ｂ）、（Ｆ）、（Ｇ）、（Ｋ）、（Ｏ）はいずれも２本の長コイル要素と６本の短コイル要素で成り、パターン（Ｃ）、（Ｈ）、（Ｌ）、（Ｐ）はいずれも長コイル要素３本と短コイル要素４本から構成され、パターン（Ｄ）、（Ｉ）（Ｍ）、（Ｑ）はいずれも長コイル要素４本と短コイル要素１本で構成され、夫々、図示のように長コイル要素と短コイル要素が接続されている。尚、各パターンの図中にスイッチは省略している。

本発明のコイル要素接続パターンは、この図に示すパターンに限定されるものではないが、短コイル要素と長コイル要素（短コイル要素２本を接点無しに直接に接合して１本のコイル要素として構成されている場合を含む）との併用が必須で有り、この長コイル要素を分解して使う事はない。これにより、接点が少なく、スイッチを減らしているが切換制御としてはトータルの短コイル要素換算数分（つまり図９の例では１０コイル要素分）のギア切替幅を得ることができる。

以上の例では長コイル要素の長さを短コイル要素の長さの２倍に設定しているが、本発明は接点を減らすべく長さの異なるコイル要素を併用することが特徴であり、長コイル要素の長さを短コイル要素の長さの２倍にすることには限らない。ただし任意の数を使用すると循環電流の懸念がある。そこで短コイル長要素の長さ：長コイル要素の長さ＝１：Ｎとし、長コイル要素Ｎ本、短コイル要素Ｎ本を用いる例も本発明の範囲である。例えば図１０は短コイル要素３本で長コイル要素１本の長さに相当する。この場合、短コイル要素３本、長コイル要素３本の組み合わせで図１０のようなパターンの切り替えができる。

図１１は、１２コイル要素の例であり、ａ～ｌはコイル要素を、ｓｗ１～ｓｗ２７はスイッチを示している。コイル要素ａ、ｂとコイル要素ｇ、ｈはコイル要素間に接点（スイッチ）が無く、半田等で直接接続されるか最初から短コイル要素の長さの倍で形成されている。

各スイッチは箱しか描いていないが夫々開閉機能を有する。中央線上の９つのスイッチｓｗ１～ｓｗ９が全てＯＮ（開）とし、残りのスイッチを全てＯＦＦ（閉）にすれば逆起電圧は１２Ｖになる（１コイル要素につき１Ｖと仮定）。こうしてｓｗ１～ｓｗ２７の開閉を選択しコイル要素の接続の仕方を多数に切り替えることができるが、この場合でも１２コイル全てを並列にした１２パラの使い方は不使用にし、巻き数の多いコイル要素（長コイル要素相当）を用いることで接点数を減らすことができる。

尚、Ｔ－Ｎ特性の縦軸（回転数相当）の想定最大値を１２パラの１２とすれば、縦軸の中心は６となるが、この状態は高速下の風の影響による負荷が増えて６には届かないと考えられる。そこでコイル要素数は１２個分でも実際に切り替える最大回転数は６未満で良いことになり、最大回転数間の間隔が均等化する最大回転数１（１２Ｖの接続パターン）、最大回転数２（ｓｗ１～ｓｗ４、ｓｗ６～ｓｗ９、ｓｗ１４、ｓｗ２３の計１０スイッチをＯＮ、他をＯＦＦにする。６コイル要素直列が２系列になる）、最大回転数３（ｓｗ１、ｓｗ２、ｓｗ４、ｓｗ５、ｓｗ７～ｓｗ９、ｓｗ１２、ｓｗ１５、ｓｗ２１、ｓｗ２４をＯＮ、他をＯＦＦにし、４コイル要素直列を３系列作る）、最大回転数４（ｓｗ１、ｓｗ３、ｓｗ４、ｓｗ６、ｓｗ８、ｓｗ９、ｓｗ１１、ｓｗ１４、ｓｗ１６、ｓｗ２０、ｓｗ２３、ｓｗ２５をＯＮ、他をＯＦＦにする（３コイル要素直列を４系列）だけを選択使用することにしてスイッチを減らすことも有効である。

１０………モータ装置、１２………ハウジング、１２ａ………軸受、１４……… 回転軸、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、１８………ステータコイル、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、Ａ，Ｂ………長コイル要素、Ｃ，Ｄ………短コイル要素。

Claims (4)

1. 永久磁石とロータ、及びステータコイルを備え、
   前記ステータコイルが複数相から成り、各相について、短コイル要素を２本と、前記短コイル要素の２倍の長さの長コイル要素２本とを併用することで前記短コイル要素６本分の コイル要素を用いて構成し、
   各コイル要素間に接点を配置する構成とし
   使用する全コイル要素を直列に繋げた第１のパターンと、
   前記短コイル要素２本を直列に繋げて１本の長コイル相当のコイル要素にしたものと前記長コイル要素２本とを並列に繋げた第２のパターンと、
   前記短コイル要素と前記長コイル要素を直列に繋げたコイル要素２組を並列に繋げ、若しくは２本の前記長コイル要素を並列に繋げたものと２本の前記短コイル要素を並列に繋げたものとを直列に繋げた第３のパターンとを、接続切替できるようにしたことを特徴とする回転電気機械。
2. 永久磁石とロータ、及びステータコイルを備え、
   前記ステータコイルが複数相から成り、各相について、Ｎ本（Ｎは２以上の整数）の短コイル要素と、前記短コイル要素のＮ倍の長さの長コイル要素Ｎ本とを併用すると共に、各コイル要素間に接点を配置する構成とし、
   全コイル要素を直列に繋げた第１のパターンと、
   前記短コイル要素Ｎ本を直列に繋げて１つのコイル要素としたものを１本と前記長コイル要素Ｎ本とを全て並列に繋げた第２のパターンと、
   前記短コイル要素と前記長コイル要素を直列に繋げたものをＮ本並列に繋げ、若しくはＮ本の前記長コイル要素を並列に繋げたコイル要素とＮ本の前記短コイル要素を並列に繋げたコイル要素とを直列に繋げた第３のパターンとを、接続切替できるようにしたことを特徴とする回転電気機械。
3. 永久磁石とロータ、及びステータコイルを備えた回転電気機械であって、
   前記ステータコイルが複数相から成り、各相について、短コイル要素Ｎ本（Ｎは２以上の整数）と、前記短コイル要素のＮ倍の長さの長コイル要素Ｎ本とを併用すると共に、各コイル要素間に接点を配置する構成とし、
   構成するコイル要素の接続を切り替えることによって夫々の切替パターンごとに前記ロータのＴ－Ｎ特性を異ならせ、任意の２つの前記切替パターンの各最大回転数の間隔(全コイル要素直列時の最大回転数の場合は回転数ゼロからの間隔を含む)が、実質的に等しくなるように前記切替パターンを選択することを特徴とする回転電気機械。
4. 前記長コイル要素は、前記短コイル要素２本を接点無しで直列接続したもので構成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電気機械。