JP2018503352A - スイッチト・リラクタンス・モータおよびその動作方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、固定子と、固定子に対して回転可能な回転子とを備えたスイッチト・リラクタンス・モータに関する。固定子は、円周方向に配置された複数のコイルおよび固定極を備え、固定極がコイルのコアを構成している。回転子は、固定極と相互作用してリラクタンス・トルクを当該回転子に印加する複数の対向極を備える。このモータは、１つまたは複数の相段階を作動させる作動信号を受信する相入力を備える。各固定子コイルは、相段階と関連付けられ、各相段階が少なくとも２つのコイルを含む。各相段階は、当該相段階のコイルを並列、直列、および並直列電気構成のうちのいずれか１つへ選択的に切り替えるスイッチを備えた切り替え構成を含む回路段階を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、固定子および回転子を備え、回転子が固定子に対して回転可能なスイッチト・リラクタンス・モータであって、固定子が、回転子の周りで円周方向に配置された複数のコイルおよび固定極を備え、固定極が、コイルのコアを構成し、回転子が、固定子の固定極と相互作用してリラクタンス・トルクを当該回転子に印加する複数の対向極を備え、当該モータが、その１つまたは複数の相段階の各相段階を作動させる作動信号を受信する１つまたは複数の相入力を備えた、スイッチト・リラクタンス・モータを対象とする。さらに、本発明は、この種のスイッチト・リラクタンス・モータを具備する装置、車両、およびスイッチト・リラクタンス・モータの動作方法を対象とする。

スイッチト・リラクタンス・モータ（ＳＲモータ）は、固定子に対して回転可能に配置された回転子に加わるリラクタンス・トルクにて駆動される電動機の一種である。ＳＲモータは、必要な磁界を発生させるコイルが固定子に備えられている。また、固定子の円周部分に対して回転子側に突出した多くの突出固定極がコイルのコアを構成している。回転子は、固定子側に突出した多くの受動的な突出対向極を備える。このように、固定子の固定極および回転子の対向極は、通常、固定子および回転子の外縁の突出構造として構成可能で、固定極が回転子の方向に延び、回転極が固定子の方向に延出している。当然ながら、固定子は、回転子の周りで周方向に配置されてもよいし、その逆でもよい。

通常、回転軸に垂直な平面において回転子の外縁周りで円周方向に配置された対向極は、固定極が与える磁界を受ける。通常、対向極の数は、固定極の数と異なり、固定子に対する回転子のいずれの位置においても、対向極の少なくとも一部が、固定子の最も近い固定極に対して位置がずれている。

固定子の作動コイルの固定極と対向極とが一致していない場合にトルクが発生する。すなわち、対向極は、作動コイルに対して一時的に角変位する。ポテンシャルエネルギーが最も小さい最も有利なエネルギー状況の確立において、作動コイルの固定極と各対向極とが完全に一致した状況となり、磁気リラクタンスが最小であるとともに、磁力が対向極に作用して固定極側へ引っ張ることによって、所望のトルクを誘導する。

回転子にトルクを誘導し続けるため、１つまたは複数のコイルが作動するたびに、その固定極が回転子の最も近い対向極に対してわずかに角変位するように、コイルが順次作動または群作動してもよい。これは、例えば、多相構成にて実現可能であり、コイルが順次起動して通電される。

ＳＲモータにおいては、回転子にコイル巻線がないため、摩耗しやすいブラシ接点を使用する必要がなく都合が良い。回転子における唯一の誘導熱は、摩擦損および鉄損が原因であり、誘導電動機のような銅損が発生しないため、低冷却で済む。誘導電動機と比較し、ＳＲモータは、回転子に誘導巻線のない単純な設計である。永久磁石電動機と比較した場合は、単純に、ＳＲモータに永久磁石がないことが重要な利点である。特に、希土類磁石の限られた備蓄に関するコストおよび供給面の懸念が、世界的な移動手段の電化シナリオにおいて、永久磁石電動機の適用を阻害する要因となっている。また、永久磁石は、熱および過度な磁界による減磁が問題となっている。

ＳＲモータの設計において知られている複雑性としては、回転子の回転速度への依存があり、所望のトルク量に対して、様々な設計基準および要件が存在している。ＳＲモータの最大トルクは、当然、利用可能な電圧および最大許容相電流にて制限される。比較的低い速度では、最大許容相電流にてトルクが制限されるが、高速では、逆起電力が増大するとともに転流時間が短くなることから、最大相電流は、もはや相の影響を受けない。速度が高くなるに連れて、最大相電流ひいてはトルクが徐々に低下する。電圧および最大相電流の同じ制約を考慮して達成可能な最大トルクを増大させるのが望ましい特性である。

本発明の目的は、可変速度で動作可能であるとともに、様々なトルク伝達状態への切り替えによって、動作条件に応じたモータ挙動の適応が可能なスイッチト・リラクタンス・モータを提供することである。

この目的のため、本明細書においては、固定子および回転子を備え、回転子が固定子に対して回転可能なスイッチト・リラクタンス・モータであり、固定子が、回転子の周りで円周方向に配置された複数のコイルおよび固定極を備え、固定極がコイルのコアを構成し、回転子が、固定子の固定極と相互作用してリラクタンス・トルクを当該回転子に印加する複数の対向極を備え、当該モータが、その１つまたは複数の相段階の各相段階を作動させる作動信号を受信する１つまたは複数の相入力を備え、固定子の複数のコイルの各コイルが、各相段階がコイルのうちの少なくとも２つを含むように、当該モータの前記１つの相段階と関連付けられ、各相段階が、前記相段階と関連付けられたコイルを並列、直列、および並直列電気構成のうちのいずれか１つへ選択的に切り替える複数のスイッチを備えた切り替え構成を含む回路段階を備えた、スイッチト・リラクタンス・モータが提供される。

本発明のスイッチト・リラクタンス・モータにおいて、その各相段階のコイルは、直列、並列、および並直列電気構成のうちのいずれか１つへ切り替え可能である。このように様々な構成へのコイルの切り替えは、回転子の様々な回転速度において、モータの挙動に直接影響が及ぶ。例えば、相段階のすべてのコイルが直列に接続されている場合は、当該相段階の（例えば、作動信号としての）供給直流の全電流が各コイルに伝わる。したがって、これらのコイルに強い磁界が発生して、大きな誘導トルクが生じる。ただし、回転子の回転速度が高いと、固定極と対向極との相対運動（逆起電力）および短い転流時間により、磁界の変動の増大による逆起電力の上昇の結果として、トルクが急速に低下する。回転速度が高くて転流時間が短くなると、電流の上昇に利用できる時間も短くなる。一方、コイルが並列に接続されている場合では、コイル間に電流が分散することになる。このため、コイルを流れる電流が小さくなり、誘導トルクの量も小さくなる。ただし、伝達トルクは、回転速度が高いほど良好に持続できる。これは、小さい逆起電力を低い相インダクタンスと組み合わせることによって、動作時に電流を良好に流せるためである。並直列構成は、直列に接続されたコイルのほか、コイルの並列脚部も含む。この構成は、直列構成と並列構成との間の仲立ちとなる。

回転子の速度に応じて相段階の電気構成の切り替えを可能にすることにより、相電流および電圧の所与の制約に対して、高速で十分なトルク量を依然として持続可能としつつ、低速でより大きなトルクを誘導できる。電気構成の切り替えにより、速度に応じて最適なトルク量が印加される。その結果、従来のコイル固定構成と比較して、高速で所要トルク量を持続可能でありながら、低速では、より小さな相電流で同じトルク量が得られる。このように、モータは、より小さな相電流で同じトルク量を与えられる。あるいは、最大許容相電流が同じままである場合は、従来の状況と比較して、同じ相電流レベルでより大きなトルクを与えることができる。また、回転子の速度および所与の速度で望ましいトルク量に応じて、利用可能な電気構成のうちの２つ以上で得られる場合もある。これにより、動作中に別の自由度が与えられる。このような場合、電気構成は、例えばモータの出す音が最小となるような選択、モータがより効率的となるような選択、またはモータの他の挙動に対して最適となるような選択が可能である。

動作条件（モータの可聴ノイズ、効率、回転子速度等）に応じた様々な電気構成への切り替えは、従来の燃焼機関を備えた車両における様々なギアへの切り替えと同様に用いられる。したがって、以下では、この類似性に従って、「ギア」またはこのようなギアへの切り替えを参照する場合がある。この専門用語が用いられるいかなる場合も、この類似性に係る用語「ギア（ｇｅａｒまたはｇｅａｒｓ）」は、本発明に係る電気構成の切り替えを表す。

当然ながら、直並列構成は、モータの仕様に応じて、異なる具体化がなされていてもよい。例えば、４つのコイルを含む相段階において、並直列構成は、並列構成の２つのコイル対から成り、各対のコイルが直列接続でもよい。ただし、６つのコイルから成る相段階においては、３つのコイルから成る２つのグループが並列に接続され、各グループのコイルが直列に接続されてもよい。あるいは、６つのコイルから成る相段階においては、３つのコイル対が並列構成に接続され、各対のコイルが直列に接続されてもよい。例として取り上げた６つのコイルを備えた相段階のそれぞれの実施形態は、トルク−速度図において異なる挙動を示す。ほとんどのコイルが直列である場合は、低速でより大きなトルクが与えられ、ほとんど並列のグループ（または、対）の場合は、高速でより大きなトルクが与えられる。当然ながら、相段階当たりのコイルを増やして、変速装置におけるより多くのギアの生成を可能としたさらに別の構成が生成されてもよい。前記直並列電気構成における（上記例示的な並直列構成と一致した）一実施形態によれば、相段階には、少なくとも３つのコイルを含み、前記相段階の少なくとも２つのコイルが互いに直列構成で電気的に動作し、前記相段階の前記コイルのうちの少なくとも２つが互いに並列構成で電気的に動作する。コイル、固定極、または対向極の数は、一切制限されておらず、特定の用途の要件および必要に応じて選択可能である。当然ながら、並列モードおよび直列モードが利用可能であればよいが、これは、少なくとも２つのコイルを適用することにより得られる。並直列モードの場合は、少なくとも３つのコイルが必要である。当然ながら、任意数のコイルが適用されてもよい。

さらに、本発明の別の実施形態において、スイッチト・リラクタンス・モータは、制御装置をさらに具備し、制御装置が、当該モータの動作条件を示すデータを取得するとともに、当該モータの動作条件に応じて各相段階のスイッチを動作させる構成とされ、当該モータの動作条件を示すデータが、センサ信号を与えるセンサ・ユニット、前記制御装置、および計算に基づいて当該データを与える構成とされた別の制御ユニットを含む群の少なくとも１つにて取得される。

例えば、スイッチト・リラクタンス・モータは、センサ・ユニットおよび制御装置を具備していてもよく、センサ・ユニットは、センサ信号を制御装置に与える構成とされ、センサ信号が回転子の回転速度を示す。制御装置は、センサ信号に応じて、各相段階のスイッチを動作させる構成でもよい。この実施形態は、回転子の速度に応じてギアを自動的に変更する自動変速装置を構成する。または、当然ながら、手動で切り替えができてもよいが、ギアの切り替えタイミングを決定するオペレータ（または、車両のドライバ）が必要となる。ただし、実行可能であるものの、回転速度を示すセンサ信号に基づいて自動的に切り替えることにより、最適な瞬間の切り替えが可能となり、関心パラメータの全体最適化が向上する。

当然ながら、速度の切り替えの実行は求められてない。モータの他の動作パラメータが切り替えに用いられてもよく、（非限定的に）伝達トルク、効率、モータ音（ノイズ）等が挙げられる。また、上記センサ・ユニットは、明らかな要件ではない。多くの実施形態においては、制御装置で既に利用可能な（または、利用可能となる）情報から所望の動作パラメータを計算できるからである。制御装置は、例えば電力使用量に基づいて（例えば、現在の使用構成（並列、直列、並直列）に応じて）回転子速度または伝達トルクを計算できる。これらの実施形態は、いずれも、切り替えの制御に適用されてもよく、特許請求の範囲に係る発明の範囲内となる。

一実施形態によれば、制御装置は、センサ信号が第１閾値よりも小さな速度を示す場合、コイルの直列構成にて相段階を動作させるように、各相段階のコイルを切り替える構成とされている。別の実施形態によれば、制御装置は、センサ信号が第２閾値よりも大きな速度を示す場合、コイルの並列構成にて相段階を動作させるように、各相段階のコイルを切り替える構成とされている。特に、いくつかの実施形態によれば、第１および第２閾値は等しくてもよく、実際のところ、何ら介在しない直列構成から並列構成への直接遷移を提供する。この実施形態では、例えばコイルの並直列構成を欠いており、ギアへの遷移のみとなる可能性がある（低速／高速）。

さらに別の実施形態によれば、第２閾値が第１閾値以上であり、制御装置は、センサ信号が第１および第２閾値間の速度を示し、第２閾値が第１閾値よりも大きい場合、コイルの並直列構成にて相段階を動作させるように、各相段階のコイルを切り替える構成とされている。この実施形態において、第１および第２閾値が等しくない場合、並直列構成は、中間速度用の仲介ギアを提供する。

さらに別の実施形態において、制御装置は、モータの前記動作条件の変化の方向に応じて、前記電気構成のうちの第１の構成から前記電気構成のうちの第２の構成へと切り替わるように、各相段階のコイルを切り替える構成とされ、動作条件の値の減少に際しては、動作条件が第３閾値よりも小さな値を有することをデータが示す場合に切り替えられ、動作条件の値の増加に際しては、動作条件が第４閾値よりも大きな値を有することをデータが示す場合に切り替えられ、第４閾値が第３閾値よりも大きい。

この実施形態において、制御装置は、例えば速度（または、他の評価動作条件）が上昇中でありながら、第４閾値よりも小さい場合、直列構成にて各相段階のコイルを動作させる構成とされている。第４閾値を超えると、相段階のコイルが直並列構成に切り替えられる。ただし、速度の低下に際しては、速度が（第４閾値よりも小さな）第３閾値を下回った場合に、直列構成での相段階の再動作等に戻る切り替えが行われる。これにより、速度がほぼ一定の平均速度またはその前後に保たれている場合は、２つの電気構成間の反復的な切り替えが防止される。切り替えには、速度に代えて、その他の動作条件のいずれが用いられてもよい。

本発明は、２つまたは３つの速度範囲の場合の２つまたは３つのギアに限定されない。各相段階におけるコイル数に応じて、スイッチを備えた適当な切り替え構成を適用することにより、並直列モードの様々な実施態様が得られる。これにより、６つのコイルの相段階について例示的に上記したように、様々な速度範囲の場合の４つ以上のギアが提供されるようになっていてもよい。

一実施形態によれば、スイッチは、機械的スイッチ、電気的スイッチ、電気機械的スイッチトランジスタ型スイッチ等の半導体型スイッチを含む群の少なくとも１つを含む。機械的スイッチは、コスト効率の良い解決手段であるが、制御装置にて自動的に動作可能である。電気的スイッチまたは半導体型スイッチは、非常に高速の切り替えを可能とし、各サイクル内の時間中に相段階のコイルの電気構成を切り替え可能であって、この相が停止状態であり、１つまたは複数の他の相が起動状態である。機械的スイッチは、低コストの利点があるものの、１サイクル内の相段階の停止状態において実行するのに十分な高速での切り替えが一般的に不可能である。代替として、低速スイッチでは、１つまたは複数の連続するサイクルの相段階を停止して、当該相段階の切り替えを実行することが必要となる場合がある。他の相段階も同様に停止して、同時または順次の切り替えを可能にしてもよい。後者（すなわち、順次切り替え）には、電気構成の変更時に、出力トルクを完全には中断しない利点がある。

相段階の数およびコイルの数のほか、コイルの設計（例えば、巻数、コアの仕様等）は、ＳＲモータの設計および用途によって決まる。例えば、電気自動車に使用可能な一実施形態によれば、固定子は、各相段階が４つのコイルを含むように４つの相段階に備わった１６個の前記コイルを備える。これらのコイルは、適正な切り替えによって、直列構成により４つのコイルの直列接続を提供していてもよい。並列構成においては、段階当たり４つのコイルが並列に接続され、並直列モードにおいては、２つのコイル対が並列に接続され、各対のコイルが直列である。

一実施形態においては、上記のスイッチト・リラクタンス・モータを具備した装置が提供される。別の実施形態においては、上記のスイッチト・リラクタンス・モータを具備した車両が提供される。

第２の実施態様によれば、本発明は、スイッチト・リラクタンス・モータを動作させる方法であり、モータが、固定子および回転子を備え、回転子が固定子に対して回転可能であり、固定子が、回転子の周りで円周方向に配置された複数のコイルおよび固定極を備え、固定極が、コイルのコアを構成し、回転子が、固定子の固定極と相互作用してリラクタンス・トルクを当該回転子に印加する複数の対向極を備え、当該モータが、１つまたは複数の相入力および１つまたは複数の相段階を備え、各相入力が各相段階に接続されており、固定子の複数のコイルの各コイルが、各相段階がコイルのうちの少なくとも２つを含むように、当該モータの前記１つの相段階と関連付けられた、方法であって、前記相入力のうちの少なくとも１つを介して、前記各相段階を作動させる作動信号を受信し、作動信号を相段階に印加して、前記相段階の固定極を介して回転子を作動させるステップと、回転子の前記作動中、前記相段階と関連付けられたコイルを並列、直列、および並直列電気構成のうちのいずれか１つへと選択的に切り替えるように、複数のスイッチを備えた各相段階の切り替え構成を動作させるステップと、を含む、方法を提供する。

本発明の一実施形態において、この方法は、センサ・ユニットを用いて、モータの動作条件を示すセンサ信号を取得するとともに、センサ信号を制御装置に提供するステップと、制御装置により、センサ信号に応じて各相段階のスイッチを動作させるステップと、をさらに含む。センサ信号が示す動作条件は、回転子の回転速度、モータの出力要件、モータが発する音または音量、およびモータが送る出力に対してモータに供給される入力の効率を含む群の少なくとも１つを含んでいてもよい。本明細書においては、センサ・ユニットに言及するものの、この要素は、異なる具体化も可能である（例えば、モータまたはパワートレインの様々な構成要素の動作条件から所望のセンサ信号または情報を導出する制御装置等の手段、あるいは、この代替または追加としての専用センサ等）。センサ・ユニットの代替または追加として、制御装置または別の制御ユニットは、上述の計算に基づいて所要データを提供するように構成されていてもよい。

当然ながら、速度の切り替えの実行は求められてない。モータの他の動作パラメータが切り替えに用いられてもよく、（非限定的に）伝達トルク、効率、モータ音（ノイズ）等が挙げられる。また、上記センサ・ユニットは、明示的な要件ではない。多くの実施形態においては、制御装置で既に利用可能な（または、利用可能となる）情報から所望の動作パラメータを計算できるからである。制御装置は、例えば電力使用量に基づいて（例えば、現在の使用構成（並列、直列、並直列）に応じて）回転子速度または伝達トルクを計算することも可能である。これらの実施形態はいずれも、切り替えの制御に適用されるようになっていてもよく、特許請求の範囲に係る発明の範囲内である。

さらに、一実施形態において、制御装置は、センサ信号が第１閾値よりも小さな速度を示す場合、コイルの直列構成にて相段階を動作させるように、各相段階のコイルを切り替え、センサ信号が第２閾値よりも大きな速度を示す場合、コイルの並列構成にて相段階を動作させるように、各相段階のコイルを切り替え、センサ信号が第１および第２閾値間の速度を示す場合、コイルの並直列構成にて相段階を動作させるように、各相段階のコイルを切り替えるように、スイッチを動作させるようにしてもよい。

本発明は、添付の図面を参照して、そのいくつかの特定の実施形態を説明することにより、さらに明らかとなる。詳細な説明は、本発明の考え得る実施態様の例を与えるものであるが、範囲内に含まれる実施形態のみを説明したものと見なされるべきではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲に規定されており、以下の説明は、本発明に対する制約なく、例示と見なされるものとする。

本発明に係るスイッチト・リラクタンス・モータの模式図である。 ある切り替え状態の本発明に係るスイッチト・リラクタンス・モータの１つの相段階のコイルの電気構成の模式図である。 別の切り替え状態の本発明に係るスイッチト・リラクタンス・モータの１つの相段階のコイルの電気構成の模式図である。 本発明に係るスイッチト・リラクタンス・モータの相段階のコイルの別の電気構成の模式図である。 本発明に係るスイッチト・リラクタンス・モータの相段階のコイルの別の電気構成の模式図である。 本発明に係るスイッチト・リラクタンス・モータの様々な相段階の通電図である。 本発明に係るスイッチト・リラクタンス・モータの各相段階の別の考えの通電図である。 本発明のスイッチト・リラクタンス・モータの相段階のさらに別の模式的な通電図である。 本発明に係るスイッチト・リラクタンス・モータの様々な相段階のさらに別の模式的な通電図である。 本発明に係るスイッチト・リラクタンス・モータの模式的なトルク−速度図である。

図面には、模式的に示す実施形態の様々な構成要素、部品、および／または態様を示す多くの参照記号を含んでいる。また、数字をカッコした相段階番号すなわち相段階（１）、（２）、（３）、（４）を参照することによって、様々な相段階に言及している。これらの相段階番号は、参照番号（例えば、モータ１、固定子２、回転子３等）と誤解されないものとする。したがって、この説明においては、相段階を識別するために、相段階番号（１）、（２）、（３）、（４）の表記を使用する一方、モータ、固定子、および回転子の参照番号は、通常の数字としている。

図１は、本発明に係るスイッチト・リラクタンス・モータを模式的に示している。スイッチト・リラクタンス・モータ１は、固定子２および回転子３を備える。回転子３は、例えばモータの固定部に対して、適当な軸受（図示せず）を用いて浮かせることにより、固定子２に対して回転可能である。回転可能な回転子３は、中心部１５および複数の突出した極１６を備える。極１６は、回転子３のコイルのコアを構成しない（または、相互作用しない）点において、電気的に受動的である。固定子２は、円周部４および複数の突出極６−ｎ、８−ｎ、１０−ｎ、１２−ｎを備える（ここで、ｎは、後述する各相段階の特定のコイルを示す）。固定子２の各極は、スイッチト・リラクタンス・モータ１の各コイルのコアを構成している。スイッチト・リラクタンス・モータ１は、異なるグループに分割された複数のコイルを備える。図１に示す実施形態においては、計１６個のコイルが４つのグループに分割されている。これらのグループを相段階として示す。図１の実施形態において、第１相段階（１）は、コイル５−１、５−２、５−３、５−４を含む。相段階（１）において、コイル５−１は、コアを構成する極６−１を囲むように巻回されている。コイル５−２は、そのコアとして極６−２を含む。コイル５−３はそのコアとして極６−３を含み、コイル５−４はそのコアとして極６−４を含む。同様に、相段階（２）のコイルは、コイル７−１、７−２、７−３、７−４を含み、それぞれのコアとして極８−１、８−２、８−３、８−４を囲んでいる。相段階（３）は、コイル９−１、９−２、９−３、９−４を含み、それぞれ極１０−１、１０−２、１０−３、１０−４を囲むように巻回されている。最後に、相段階（４）は、それぞれのコアとして極１２−１、１２−２、１２−３、１２−４を囲むコイル１１−１、１１−２、１１−３、１１−４を含む。

通常、スイッチト・リラクタンス・モータにおいて、固定子２の極数は、回転子３の極数と異なる。図１においては、固定子２が１６個の極を備える（６−ｎ、８−ｎ、１０−ｎ、１２−ｎ（ここで、ｎ＝１、２、３、４））。回転子３では、１２個の突出極１６のみが中心部１５の周りで円周方向に配置されている。この構成においては、第１相段階（１）の極６−１、６−２、６−３、６−４のみが回転子３の一部の極１６と一致している。その他の相段階（２）、（３）、（４）それぞれの極は、回転子３のいずれの突出極１６とも一致していない。

当然ながら、（２）、（３）、（４）のいずれかのコイルに電流を供給して通電する場合、回転極１６には、起動コイルの極それぞれが回転子３の極１６のうちの１つと一致する位置へと回転子を引っ張る力が加わることになる。図１に示す状況において、相段階（１）の極６−ｎは、回転子３の極１６の一部と一致している。このため、相段階（１）のコイル５−ｎを起動しても、回転子３は回転しない。ただし、相段階（２）のコイル７−ｎに電流が通電される場合は、相段階（１）のコイルの代わりに、極８−１、８−２、８−３、８−４が回転子の極１６の一部と一致するまで、回転子３が回転することになる。当然ながら、極８−ｎ（ｎ＝１、２、３、４）は、図１に示す状況において最も近い回転極１６と一致することになる。

次に、相段階（２）のコイル７−ｎに通電されなくなり、代わりに、相段階（３）のコイル９−１、９−２、９−３、９−４に電流が通電される場合、回転子３には、再びトルクが加わって、時計回りの方向に回転し続けることになる。その後、コイル９−ｎに通電されなくなり、相段階（４）のコイル１１−１、１１−２、１１−３、１１−４に通電されて、回転子３が回転し続ける。当然ながら、その後、相段階（１）、（２）、（３）、（４）のコイルを起動するとともに、この起動パターンを繰り返すことによって、スイッチト・リラクタンス・モータ１は動作可能となる。

図１において、スイッチト・リラクタンス・モータ１は、固定子２の内側で回転する回転子３を備えたものとして示している。あるいは、当然ながら、固定子が内側に配置され、回転子が外側に（固定子の周りで円周方向に）回転可能に配置されていてもよい。

本発明によれば、第１相段階（１）のコイル５−１、５−２、５−３、５−４を動作させるため、本発明の第１実施形態に係る電気構成を図２Ａ、図２Ｂに示している。図２Ａにおいては、例えばコイル５−ｎの並列電気構成を得るため、第１切り替え位置のスイッチＳ１〜Ｓ６を含む構成を示している。図２Ａ、図２Ｂに示す構成には、コイル５−１、５−２、５−３、５−４のほか、複数のスイッチＳ１ ２０、Ｓ２ ２２、Ｓ３ ２４、Ｓ４ ２６、Ｓ５ ２８、Ｓ６ ３０を含む。端子３１、３２の接続は、相段階（１）の電源への接続を可能にする。電源は、電流源またはコイル５−ｎに供給される電流を調整可能なその他任意の適当な種類の電源であってもよい。

図２Ａの状況において、スイッチ２０、２２、２４（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）は、閉塞位置にある。スイッチ２６、２８、３０（Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６）はそれぞれ、コイル５−１、５−２、５−３を接続端子３２と接続している。この構成においては、図２Ａに示すように、接続端子３１、３２間のコイル５−１、５−２、５−３、５−４が電気的に並列な構成で配置されている。

図２Ｂの状況においては、スイッチ２０、２２、２４（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）が開放位置にある一方、スイッチ２６、２８、３０（Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６）はそれぞれ、コイル５−１をコイル５−２と、コイル５−２をコイル５−３と、コイル５−３をコイル５−４と接続している。したがって、図２Ｂに示す状況においては、接続端子３１、３２に対して、コイルが直列電気構成となっている。

当然ながら、図２Ａの並列構成において、接続端子３１、３２間に電流が供給されると、この電流はコイル５−１、５−２、５−３、５−４間で分割される。したがって、各コイルは、接続端子３１、３２間に供給された電流の一部のみを受け取る。一方、接続端子３１、３２に対してコイル５−ｎが直列電気構成となっている図２Ｂの状況においては、接続端子３１、３２間に供給された全電流を各コイル５−１、５−２、５−３、５−４が受け取る。各コイルによって発生する磁界は、当該コイルを流れる電流によって決まる。このため、図２Ａの並列状況において、コイル５−１〜５−４それぞれが与える磁界は、（より大きな電流が各コイルを流れる）図２Ｂの直列電気構成よりも小さい。ただし、一方で、図２Ａの並列構成では、コイル５−１、５−２、５−３、５−４それぞれの電圧が図２Ｂの状況よりもはるかに高い。図２Ｂの直列構成においては、コイル５−１〜５−４それぞれの電圧がコイル全体で分割されている。これらの違いの結果、図２Ｂの状況では大きな磁界が得られるため、図２Ｂの直列構成では、コイル５−ｎの通電によって、大きな実質的トルクを図１の回転子３に印加できる。上述のように、印加し得る最大トルクは当然、利用可能な電圧および最大許容相電流によって制限される。比較的低い速度では、最大許容相電流によってトルクが制限されるが、高速では、（回転子速度が高くなって）逆起電力が増大するとともに転流時間が短くなることから、最大相電流はもはや相段階の影響を受け得ない。速度が増すにつれて、最大相電流ひいてはトルクが徐々に低下する。図２Ｂの直列構成の場合は、低速で印加可能なトルクが高くなるものの、高速での逆起電力および短くなる転流時間の影響は、図２Ａの並列構成よりも顕著になる。このため、例えば図９の曲線８０（直列）、８４（並列）から分かるように、高速で印加可能なトルク量は、他の条件が一定ならば、図２Ｂの並列構成よりも図２Ａの直列構成で小さくなる。

第１相段階（１）のコイル５−ｎの別の電気構成を図３に示す。図３の構成において、Ｓ１〜Ｓ６の各スイッチ４０、４２、４４、４６、４８、５０は、コイル５−１、５−２、５−３、５−４が電気的な直列構成となるような切り替え構成である。ただし、スイッチ４０（Ｓ１）を位置「１」に切り替えるとともに、スイッチ４８（Ｓ５）を位置「１」に切り替えることによって、コイル５−１、５−２が互いに直列であると同時に、コイル５−３、５−４も互いに直列の構成が得られる。ただし、これらのコイル対（一方がコイル５−１、５−２、他方がコイル５−３、５−４）は、互いに並列である。このため、スイッチ４０、４８（Ｓ１、Ｓ５）が位置「１」にある一方、その他すべてのスイッチ４２、４４、４６、５０が切り替え位置「０」にある切り替え構成は、直並列構成としての混成構成である。さらに、コイル５−１〜５−４のすべてが互いに並列である全並列構成は、スイッチ４０、４２、４４、４６、４８、５０をすべて位置「１」に切り替えることによって実現される。直列構成は、スイッチ４０、４２、４４、４６、４８、５０をすべて位置「０」に切り替えることによって得られる。結果として、図３に示す構成により、直列モード、並列モード、および直並列モードが可能である。直列モードおよび並列モードに関して上述したことに加え、直並列モードにおける所与の速度で印加可能な最大トルクの挙動は、直列モードおよび並列モードにおける当該所与の速度で印加可能な最大トルクの挙動の間のどこかにある。この結果として、図９の曲線８２で例示するような直並列構成のトルク−速度曲線が得られる。したがって、図３の構成は、低速（直列）、中速（直並列）、および高速（並列）という３つの異なる回転速度に関して有利な電気構成を提供する。さらに別の電気構成を図４に示す。図４の構成において、接続端子６４、６５間のコイル５−１、５−２は、常に互いに直列である。一方、コイル５−３、５−４についても、常に互いに直列である。ただし、スイッチ６０（Ｓ１）およびスイッチ６２（Ｓ２）を選択的に位置「０」または「１」に切り替えることによって、直列モードまたは直並列モードが得られる。

当然ながら、スイッチト・リラクタンス・モータの場合は、各相段階（１）、（２）、（３）、（４）の電気構成が同じであることが好ましいと考えられる。回転子の速度に応じて選択的に、構成が直列モード、並列モード、または直並列モードに切り替えられるようになっていてもよい。図２Ａ、図２Ｂ、図３、図４は、相段階（１）の模式的な電気構成を示しているが、その他の相段階（２）、（３）、（４）の回路についても、相段階（１）と同じになる。電気構成の切り替えに適用されるスイッチしては、任意所望の種類が可能である。ただし、当業者であれば、異なる種類のスイッチにはそれぞれの利点および欠点があり、それによって特定の用途に相応しいか否かが決まることが了解されている。例えば、電気機械的スイッチは比較的安価と考えられるが、多くの状況における切り替えの実行に十分な速度を有する。一方、このような電気機械的スイッチは摩耗しやすく、切り替え自体を高速に行えなくなったら保守が必要である。他方、トランジスタ型スイッチ等の半導体ベースのスイッチは、各相段階（１）、（２）、（３）、（４）の動作中、非常に高速の切り替えが可能であり、コイルの起動を中断する必要もない。ただし、半導体ベースのスイッチは、機械的スイッチよりも高価である。

図５は、相段階（１）、（２）、（３）、（４）それぞれのコイルに通電するための通電図を模式的に示している。図の水平方向は、通電シーケンスの繰り返しパターンを示している。各サイクルにおいて、各相段階（１）、（２）、（３）、（４）のコイルは、（相段階（４）に示すように）一瞬７０だけ通電され、その間の期間７１は通電されない。図５に示すように、相段階が期間７０に通電され、相段階が通電されない期間７１に電流が供給されない場合、供給される相電流は常に、相段階で同じ方向になる。ただし、図５の通電図から分かるように、相段階（１）、（２）、（３）、（４）それぞれの通電は、相段階（１）から順次（２）、（３）、（４）と実行される。図２Ａ、図２Ｂ、図３、図４に示す構成において半導体スイッチを使用することにより、切り替えを十分高速に実行可能となるため、コイルの通電を中断する必要はない。例えば、停止期間７１において、相段階（１）、（２）、（３）、（４）それぞれを異なるモード（直列、並列、直並列）に切り替え可能である。したがって、電気構成の異なるモードへの切り替えは、１サイクル中に実行可能であり、次のサイクルでは、すべての相段階が同じ電気構成で動作する。

または、機械的スイッチまたは電気機械的スイッチ等、高速な切り替えができないスイッチを用いる場合は、異なる電気モードへの切り替えを別の方法で実行可能である。別の様々な切り替え方法をそれぞれ、図６、図７、図８に示す。図６において、電気回路の正しい動作モードへの切り替えを可能にするには、多くのサイクルについて、各相段階（１）、（２）、（３）、（４）のコイルの通電を中断する必要がある。これは、図６の期間７５、７６、７７、７８で示す中断時に実行される。電気回路を所望の構成へと切り替えた後は、異なる相段階（１）、（２）、（３）、（４）の順次通電が継続する。

図７において、相段階（１）、（２）、（３）、（４）それぞれは、新たな所望電気構成への切り替え中、一時的に停止される。したがって、相段階（１）を切り替える停止期間７５の後に（２）を切り替える停止期間７６が続き、その後、（３）の停止期間７７および（４）の停止期間７８が続く。別の選択肢としては、図８に示すように、同時停止期間７５、７７中に相段階（１）、（３）が新たな電気構成へと同時に切り替えられる一方、相段階（２）、（４）はその後、停止期間７６、７８中に新たな電気構成へと切り替えられる。当業者には当然ながら、相段階（１）、（２）、（３）、（４）の切り替え様態は、図５〜図８に示す特定の方法によって制限されず、その他の任意所望の様態で実行可能である。

図９は、本発明に係るスイッチト・リラクタンス・モータにより得られる模式的なトルク−速度図である。図９は、直列モード（Ｓ）で得られるトルク−速度特性８０を示している。図から分かるように、低速では、非常に大きなトルク量（Ｔ）が得られるものの、このトルク量は、速度の上昇とともに急激に低下する。直並列モードの別のトルク−速度特性を８２（Ｓ／Ｐ）で示す。ここで、得られる最大トルク量（Ｔ／２）は、直列モードで得られるトルクよりも小さい（なお、ここでは、Ｔ／２を例示的な値として使用しており、一般の直列モードと比較して、直並列モードの特徴または代表として捉えられないものとする）が、高速では、かなりのトルクがはるかに長く維持され得る。また、並列モードのトルク−速度特性を参照番号８４で示す。この構成において、低速で利用可能な最大トルク量は、直列構成の１／４に過ぎない（Ｔ／４）（なお、ここでも、Ｔ／４を例示的な値として使用しており、一般の直列モードと比較して、並列モードの特徴または代表として捉えられないものとする）。ただし、直列構成および直並列構成と比較して、高速では、トルク量をはるかに長く維持し得る。したがって、適当に選定された速度で様々な電気モード（直列、直並列、並列）間の切り替えが行われる場合、回転子の速度に応じて得られる最大トルク量は、包絡線８８によって示される。実際のところ、各速度で印加されるトルク量は、曲線８８が示すものと異なっていてもよい。例えば、様々な速度でのスイッチト・リラクタンス・モータの効率またはモータが発する音量についても、正しい電気構成の選定の決定要素となる。

以上、いくつかの特定の実施形態に関して本発明を説明した。当然ながら、図面に示すとともに本明細書に説明した実施形態は、例示を目的としているに過ぎず、本発明を何ら制限するものではない。本発明の動作および構成は、上記説明および添付の図面から明らかになると考えられる。当業者であれば、本明細書に記載のいかなる実施形態にも本発明が限定されず、添付の特許請求の範囲内と考えるべき改良が可能であることが明らかとなるであろう。また、運動学的な反転についても本質的に開示されており、本発明の範囲内と考えられる。特許請求の範囲においては、いかなる参照記号も、当該請求項を制限するものとは解釈されない。本明細書または添付の特許請求の範囲で使用する場合の用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「具備する（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、排他的な意味でも網羅的な意味でもなく、包括的な意味で解釈されるものとする。したがって、本明細書における表現「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、任意の請求項に挙げるもの以外の他の要素またはステップの存在を除外しない。さらに、単語「ａ」および「ａｎ」は、「１つだけ」に限定して解釈されず、代わりに、「少なくとも１つ」を意味する場合に用いられ、複数を除外しないものとする。具体的または明示的な記載または請求のない特徴についても、本発明の範囲内でその構造に含まれていてもよい。「〜する手段（ｍｅａｎｓ ｆｏｒ）」等の表現は、「〜する構成とされた構成要素（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ ｆｏｒ）」または「〜する構成とされた部材（ｍｅｍｂｅｒ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｔｏ）」と解釈されるべきであり、開示の構造の均等物を含むと解釈されるものとする。「重要な（ｃｒｉｔｉｃａｌ）」、「好ましくは（ｐｒｅｆｅｒｒｅｄ）、「特に好ましくは（ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｐｒｅｆｅｒｒｅｄ）」等の表現の使用は、本発明の限定を意図したものではない。

本発明は、単相または多相スイッチト・リラクタンス・モータに適用可能であり、いかなる特定数の相段階にも限定されない。一般的には、特許請求の範囲に規定する本発明の主旨および範囲から逸脱することなく、当業者の想到範囲内の追加、削除、および改良が可能である。本発明は、本明細書の具体的な記載とは別の実施が可能であり、添付の特許請求の範囲によってのみ制限される。

Claims (15)

1. 固定子および回転子を備え、前記回転子が前記固定子に対して回転可能なスイッチト・リラクタンス・モータであり、前記固定子が、前記回転子の周りで円周方向に配置された複数のコイルおよび固定極を備え、前記固定極が、前記コイルのコアを構成し、前記回転子が、前記固定子の前記固定極と相互作用してリラクタンス・トルクを当該回転子に印加する複数の対向極を備え、当該モータが、その１つまたは複数の相段階の各相段階を作動させる作動信号を受信して、通電シーケンスの繰り返しパターンに従って前記１つまたは複数の相段階に通電する１つまたは複数の相入力を備え、前記固定子の前記複数のコイルの各コイルが、各相段階が前記コイルのうちの少なくとも２つを含むように、当該モータの前記１つの相段階と関連付けられ、各相段階が、前記相段階と関連付けられた前記コイルを並列、直列、および並直列電気構成のうちのいずれか１つへ選択的に切り替える複数のスイッチを備えた切り替え構成を含む回路段階を具備したスイッチト・リラクタンス・モータであって、
   前記スイッチが、機械的スイッチまたは電気機械的スイッチを含み、当該モータが、その動作条件を示すデータを取得するとともに、当該モータの前記動作条件に応じて各相段階の前記スイッチを動作させる構成とされ、さらに、中断時に、前記通電シーケンスの前記繰り返しパターンの複数のサイクルについて、前記各相段階の通電を停止することにより、各相段階の切り替えを行う構成とされた制御装置をさらに具備した、スイッチト・リラクタンス・モータ。
2. 前記並直列電気構成において、前記相段階が、少なくとも３つのコイルを含み、前記相段階の少なくとも２つのコイルが、互いに直列構成で電気的に動作し、前記相段階の前記コイルのうちの少なくとも２つが、互いに並列構成で電気的に動作する、請求項１に記載のスイッチト・リラクタンス・モータ。
3. 当該モータの前記動作条件を示す前記データが、センサ信号を与えるセンサ・ユニット、前記制御装置、または計算に基づいて当該データを与える構成とされた別の制御ユニットを含む群の少なくとも１つにより取得され、前記動作条件が、前記回転子の回転速度、当該モータの出力要件、当該モータが発する音または音量、および当該モータが送る出力に対して当該モータに供給される入力の効率を含む群の少なくとも１つを含む、請求項１または２に記載のスイッチト・リラクタンス・モータ。
4. 前記制御装置が、
   前記動作条件が第１閾値よりも小さな値を有することを前記データが示す場合、前記コイルの直列構成にて前記相段階を動作させるように、各相段階の前記コイルを切り替え、
   前記動作条件が第２閾値よりも大きな値を有することを前記データが示す場合、前記コイルの並列構成にて前記相段階を動作させるように、各相段階の前記コイルを切り替え、
   の少なくとも一方を行う構成とされた、請求項３に記載のスイッチト・リラクタンス・モータ。
5. 前記第２閾値が、前記第１閾値以上であり、
   前記制御装置が、前記動作条件が前記第１閾値と前記第２閾値との間の値を有することを前記データが示し、前記第２閾値が前記第１閾値よりも大きい場合、前記コイルの並直列構成にて前記相段階を動作させるように、各相段階の前記コイルを切り替える構成とされた、請求項４に記載のスイッチト・リラクタンス・モータ。
6. 前記制御装置が、当該モータの前記動作条件の変化の方向に応じて、前記電気構成のうちの第１の構成から前記電気構成のうちの第２の構成へ切り替わるように、各相段階の前記コイルを切り替える構成とされ、前記動作条件の前記値の減少に際しては、前記動作条件が第３閾値よりも小さな値を有することを前記データが示す場合に切り替えられ、前記動作条件の前記値の増加に際しては、前記動作条件が第４閾値よりも大きな値を有することを前記データが示す場合に切り替えられ、前記第４閾値が前記第３閾値よりも大きい、請求項３に記載のスイッチト・リラクタンス・モータ。
7. 前記制御装置が、同時中断中に、少なくとも２つの相段階の切り替えおよび中断する構成とされた、請求項１〜６のいずれか一項に記載のスイッチト・リラクタンス・モータ。
8. 前記制御装置が、順次中断中に、少なくとも２つの相段階の切り替えおよび中断する構成とされた、請求項１〜７のいずれか一項に記載のスイッチト・リラクタンス・モータ。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のスイッチト・リラクタンス・モータを備えた装置であって、車両である、装置。
10. スイッチト・リラクタンス・モータを動作させる方法であり、前記モータが、固定子および回転子を備え、前記回転子が前記固定子に対して回転可能であり、前記固定子が、前記回転子の周りで円周方向に配置された複数のコイルおよび固定極を備え、前記固定極が、前記コイルのコアを構成し、前記回転子が、前記固定子の前記固定極と相互作用してリラクタンス・トルクを当該回転子に印加する複数の対向極を備え、当該モータが、１つまたは複数の相入力および１つまたは複数の相段階を備え、各相入力が各相段階に接続され、前記固定子の前記複数のコイルの各コイルが、各相段階が前記コイルのうちの少なくとも２つを含むように、当該モータの前記１つの相段階と関連付けられた、方法であって、
    前記相入力のうちの少なくとも１つを介して、前記各相段階を作動させる作動信号を受信し、前記作動信号を前記相段階に印加して、前記相段階の前記固定極を介して前記回転子を作動させることにより、通電シーケンスの繰り返しパターンに従って前記１つまたは複数の相段階に通電するステップと、
    前記回転子の前記作動中、前記相段階と関連付けられた前記コイルを並列、直列、および並直列電気構成のうちのいずれか１つへ選択的に切り替えるように、複数のスイッチを備えた各相段階の切り替え構成を動作させるステップであり、前記スイッチが、機械的スイッチまたは電気機械的スイッチを含む、ステップと、
    制御装置により、前記モータの動作条件を示すデータを取得するステップと、
    前記制御装置により、前記モータの前記動作条件に応じて各相段階の前記スイッチを動作させるステップであり、中断時に、前記通電シーケンスの前記繰り返しパターンの複数のサイクルについて、前記各相段階の通電を停止することにより、各相段階の切り替えが行われる、ステップと、
    を含む、方法。
11. センサ・ユニットを用いて、前記モータの動作条件を示すセンサ信号を取得するとともに、前記センサ信号を制御装置に提供するステップと、
    前記制御装置により、前記センサ信号に応じて各相段階の前記スイッチを動作させるステップと、
    をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記センサ信号が示す前記動作条件が、前記回転子の回転速度、前記モータの出力要件、前記モータが発する音または音量、および前記モータが送る出力に対して前記モータに供給される入力の効率を含む群の少なくとも１つを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記制御装置が、
    前記動作条件が第１閾値よりも小さな値を有することを前記センサ信号が示す場合、前記コイルの直列構成にて前記相段階を動作させるように、各相段階の前記コイルを切り替え、
    前記動作条件が第２閾値よりも大きな値を有することを前記センサ信号が示す場合、前記コイルの並列構成にて前記相段階を動作させるように、各相段階の前記コイルを切り替え、
    前記動作条件が前記第１閾値と前記第２閾値との間の値を有することを前記センサ信号が示す場合、前記コイルの並直列構成にて前記相段階を動作させるように、各相段階の前記コイルを切り替える、
    ように、前記スイッチを動作させる、請求項１１または１２に記載の方法。
14. 前記制御装置による切り替えおよび中断が、同時中断中に、少なくとも２つの相段階に対して行われる、請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記制御装置による切り替えおよび中断が、同時中断中に、少なくとも２つの相段階に対して行われる、請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の方法。