WO2017081900A1 - 巻数切替式電気機械 - Google Patents

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WO2017081900A1
WO2017081900A1 PCT/JP2016/073580 JP2016073580W WO2017081900A1 WO 2017081900 A1 WO2017081900 A1 WO 2017081900A1 JP 2016073580 W JP2016073580 W JP 2016073580W WO 2017081900 A1 WO2017081900 A1 WO 2017081900A1
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series
winding
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rotor
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PCT/JP2016/073580
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Inventor
田中　正一
Original Assignee
田中　正一
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/04—Control effected upon non-electric prime mover and dependent upon electric output value of the generator

Definitions

  • the present invention relates to a winding number switching type electric machine, and more particularly to a winding number switching type electric machine of a vehicle motor such as an alternator and a starter generator.
  • a Landel rotor machine capable of controlling a field current is employed as an alternator and a starter generator driven in a wide speed range.
  • Copper and iron losses are the main power losses for alternators and starter generators. Due to the difficulty of coil cooling, copper loss reduction is much more important than iron loss reduction. For example, the typical loss of a conventional alternator is 45%, with copper loss accounting for half. By reducing the number of turns, the copper loss is reduced.
  • the vehicle motor requires a predetermined number of turns to achieve the required low speed electromotive force (EMF).
  • EMF electromotive force
  • conventional winding number switching motors and pole number switching motors look suitable. Because of the high electromotive force in the low speed region, the pole number switching motor can reduce the number of turns. Therefore, the pole number switching motor can reduce copper loss.
  • Patent Documents 1 and 2 disclose a motor having a double-ended three-phase winding whose ends are separately connected to two three-phase inverters.
  • the motor can choose between a star connection and an open delta connection.
  • the winding number switching type rotating electrical machine of the present invention has a simple winding number switching unit capable of switching between a series mode and a parallel mode.
  • the serial mode has a higher number of turns than the parallel mode.
  • the winding number switching unit performs the winding number switching by controlling the neutral point switch or by changing the number of rotor poles.
  • the turn-switching electric machine of the present invention has a power converter connected to a stator coil having at least one three-phase winding.
  • the power converter has more than three legs connected to at least one three-phase winding as a stator coil
  • a winding number doubling motor According to the first type of winding number switching type electric machine called a winding number doubling motor, three three-phase windings are separately connected to three three-phase power converters. One phase coil of each of the three three-phase windings is connected to each other by a neutral point switch. Each of the three three-phase windings has a star connection or a delta connection. This neutral relay as a neutral switch has a low additional manufacturing cost and a low additional power loss.
  • the pole number doubling motor has a rotor capable of doubling the number of motor poles. Further, the pole number doubling motor has a stator coil including a first three-phase winding and a second three-phase winding. The first three-phase winding connected to the first three-phase power converter has a star connection or a delta connection. The second three-phase winding connected between the first power converter and the second power converter is a double-ended three-phase winding.
  • the pole number doubling motor can double the number of poles and the number of turns.
  • the pole number doubling motor does not require a winding number switching circuit for connecting the power converter to the stator coil. Furthermore, the pole number doubling motor has excellent low speed performance due to the pole number doubling.
  • the pole number triple motor can triple the number of turns and the number of poles.
  • the triple-pole motor has at least one series three-phase winding connected to a four-leg converter.
  • the series three-phase winding is composed of three phase coils connected in series.
  • the 4-leg inverter consists of 4 legs separately connected to the ends of the 3 phase coils.
  • a single-phase current flows through the series three-phase winding.
  • a parallel mode where the number of turns is not increased by a factor of 3
  • a three-phase current flows through the series three-phase winding. It is important that this triple-pole motor does not require a winding number switching circuit for connecting the power converter to the stator coil. Further, this triple-pole motor has excellent low-speed performance by triple-pole increase.
  • the winding number switching type rotating electrical machine of the present invention has a low copper loss in the high speed region, a high electromotive force in the low speed region, and a low additional power loss for switching the winding number. Furthermore, the copper loss reduction suppresses an increase in the resistance value of the stator coil. Furthermore, reducing the copper loss increases the power generation voltage of the generator because of the reduction in the resistance voltage drop of the stator coil.
  • the motor resistance and number of turns are compared.
  • the resistance value in the parallel mode is proportional to the copper loss in the high speed region.
  • the number of turns is proportional to the electromotive force (EMF).
  • EMF electromotive force
  • the resistance ratio Rr is equal to the resistance value in the series mode / the resistance value in the parallel mode.
  • the winding ratio Tr is equal to the number of turns in the serial mode / the number of turns in the parallel mode.
  • Series mode means a star connection and parallel mode means a delta connection.
  • the winding number doubling motor Rr is 6 and Tr is 2.
  • According to the pole doubling motor Rr is about 7 and Tr is 3.
  • the motor with three times the number of poles Rr is about 4 and Tr is 3.
  • the pole number doubling motor and the pole number doubling motor have higher EMF in the low speed region.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing a winding number double alternator.
  • FIG. 2 is a sectional view of the fixed contact.
  • FIG. 3 is a plan view of the fixed contact.
  • FIG. 4 is a vector diagram showing six voltages in the series power generation mode.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing the arrangement of nine phase coils.
  • FIG. 6 is a circuit diagram showing a starter generator with double the number of turns.
  • FIG. 7 is a circuit diagram showing another starter generator with double the number of turns.
  • FIG. 8 is a circuit diagram showing the traction motor with the number of turns increased.
  • FIG. 9 is a circuit diagram showing an example of a field current controller.
  • FIG. 10 is a circuit diagram showing another example of the field current controller.
  • FIG. 11 is a circuit diagram showing the pole number double alternator.
  • FIG. 12 is a circuit diagram showing another pole doubling alternator.
  • FIG. 13 is a circuit diagram showing a starter generator with double the number of poles.
  • FIG. 14 is a circuit diagram showing a series electric mode of the pole doubling traction motor.
  • FIG. 15 is a circuit diagram showing a parallel electric mode of the pole doubling traction motor.
  • FIG. 16 is a schematic development view showing the parallel mode of the first winding example of the pole number doubling motor.
  • FIG. 17 is a schematic development view showing the series mode of the first winding example of the pole number doubling motor.
  • FIG. 18 is a vector diagram showing the slot current in the parallel mode.
  • FIG. 19 is a vector diagram showing slot currents in series mode.
  • FIG. 20 is a schematic development view showing a second winding example of the pole number doubling motor.
  • FIG. 21 is a schematic development view showing a second winding example of the pole number doubling motor.
  • FIG. 22 is a vector diagram of the slot current in the parallel mode.
  • FIG. 23 is a vector diagram of the slot current in the series mode.
  • FIG. 24 is a cross-sectional view showing a Landell rotor capable of multiplying the number of rotor poles.
  • FIG. 25 is an axial sectional view showing the central core.
  • FIG. 26 is an axial sectional view showing the right core.
  • FIG. 27 is a development view showing the claw portion.
  • FIG. 28 is a circuit diagram showing a field current controller.
  • FIG. 29 is a circuit diagram showing a three-fold increased Landel starter generator.
  • FIG. 29 is a circuit diagram showing a three-fold increased Landel starter generator.
  • FIG. 30 is a side view of the Landel rotor core.
  • FIG. 31 is a development view showing the claw portion.
  • FIG. 32 is a development view showing the distributed winding stator coil.
  • FIG. 33 is a development view showing the concentrated winding stator coil.
  • FIG. 34 is a vector diagram showing the parallel mode.
  • FIG. 35 is a vector diagram showing the serial mode.
  • FIG. 36 is a circuit diagram showing another starter generator with three times the number of poles.
  • FIG. 37 is a side view showing a terminal ring incorporating a diode circuit.
  • FIG. 38 is a schematic diagram showing a rotor core capable of increasing the number of rotor poles by three times.
  • FIG. 39 is a development view showing the distributed winding stator coil.
  • FIG. 40 is a vector diagram showing the parallel mode.
  • FIG. 41 is a vector diagram showing the serial mode.
  • FIG. 42 is a schematic diagram showing a concentrated winding stator coil.
  • FIG. 43 is a vector diagram showing the parallel mode.
  • FIG. 44 is a vector diagram showing the serial mode.
  • FIG. 45 is a circuit diagram showing another starter generator with three times the number of poles.
  • FIG. 46 is a schematic view showing a rotor core in a parallel mode.
  • FIG. 47 is a schematic diagram showing a rotor core in series mode.
  • FIG. 48 is a flowchart showing an engine start routine.
  • FIG. 49 is a circuit diagram showing a traction motor having three times the number of poles for switching between the 2-phase mode and the 6-phase mode.
  • This turn number switching motor has a turn ratio of 2 times or more and a resistance reduction ratio of 3 times or more.
  • the power converter connected to the stator coil has more than three legs. Each leg consists of a switch leg or a diode leg.
  • the switch leg includes an upper arm switch and a lower arm switch connected in series.
  • the diode leg includes an upper arm diode and a lower arm diode connected in series.
  • FIG. 1 shows a doubling number alternator.
  • the alternator has three three-phase diode rectifiers 3A, 3B and 3C and a neutral point relay 5.
  • the stator coil is divided into three star-connected three-phase windings 2A, 2B and 2C.
  • the three-phase windings 2A, 2B and 2C can adopt a delta connection.
  • Winding 2A includes U-phase coil 21A, V-phase coil 22A, and W-phase coil 23A.
  • Winding 2B includes a V-phase coil 21B, a W-phase coil 22B, and a U-phase coil 23B.
  • Winding 2C includes a W-phase coil 21C, a U-phase coil 22C, and a V-phase coil 23C.
  • Phase coils 21A-23C each have an equal number of turns.
  • the rectifier 3A includes a U-phase diode leg 31A, a V-phase diode leg 32A, and a W-phase diode leg 33A.
  • the rectifier 3B includes a V-phase diode leg 31B, a W-phase diode leg 32B, and a U-phase diode leg 33B.
  • the rectifier 3C includes a W-phase diode leg 31C, a U-phase diode leg 32C, and a V-phase diode leg 33C.
  • the neutral point relay 5 has fixed contacts 51-53 facing the movable contact 54.
  • Fixed contact 51 is connected to a connection point between W-phase coil 23A and diode leg 33A.
  • the fixed contact 52 is connected to a connection point between the U-phase coil 23B and the diode leg 33B.
  • the fixed contact 53 is connected to a connection point between the V-phase coil 23C and the diode leg 33C.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the contacts 51-54.
  • FIG. 3 is a plan view of the contacts 51-53.
  • the three fixed contacts 51-53 adjacent to each other are arranged like a circle. Thereby, the relay 5 becomes compact and has a low power loss.
  • the fixed contacts 51-53 may be arranged in a line instead of a circle.
  • U-phase coils 21A, 23B and 22C each generate U-phase voltage VU.
  • V-phase coils 22A, 21B, and 23C each generate a V-phase voltage VV.
  • W-phase coils 23A, 22B and 21C each generate W-phase voltage VW.
  • Each phase difference between any two of the three phase voltages VU, VV and VW is an electrical angle of 120 degrees.
  • the alternator has a series power generation mode and a parallel power generation mode.
  • the series power generation mode is executed.
  • FIG. 4 shows vectors of six voltages V1-V6 applied to the rectifiers 3A, 3B and 3C in the series power generation mode.
  • the voltages V1 and V2 are applied to the rectifier 3A.
  • the voltages V3 and V4 are applied to the rectifier 3B.
  • the voltages V5 and V6 are applied to the rectifier 3C. Accordingly, the three rectifiers 3A, 3B, and 3C are six-phase diode rectifiers in the series power generation mode.
  • the parallel power generation mode is executed.
  • the three rectifiers 3A, 3B and 3C rectify the three three-phase voltages separately.
  • the three rectifiers 3A, 3B, and 3C are connected in parallel in the parallel power generation mode. Since each current flowing through each of the rectifiers 3A, 3B, and 3C is 1/3 as compared with the conventional three-phase double-ended rectifier of the alternator, each of the rectifiers 3A, 3B, and 3C is compact.
  • the power generation voltage in the parallel power generation mode is half of the power generation voltage in the series power generation mode.
  • FIG. 5 shows an arrangement of nine phase coils 21A-23C wound around a stator core (not shown).
  • Three U-phase coils 21A, 23B and 22C form a circle.
  • Three V-phase coils 22A, 21B and 23C form a circle.
  • Three W-phase coils 23A, 22B and 21C form a circle.
  • the U-phase coils 21A, 23B and 22C are equivalent to the conventional three-phase U-phase coil.
  • V-phase coils 22A, 21B, and 23C are equivalent to conventional three-phase V-phase coils.
  • W-phase coils 23A, 22B and 21C are equivalent to a conventional three-phase W-phase coil.
  • the neutral point relay 5 has a lifetime problem which means damage to the contacts 51-54 due to sparks. A major spark occurs when the relay 5 is opened. When the mode shifts from the series power generation mode to the parallel power generation mode, the relay 5 is opened. However, the surge voltage between the fixed contacts 51-53 and the movable contact 54 is suppressed by the diode legs 33A, 33B and 33C. Thereby, the life of the relay 5 is extended. Furthermore, it is possible to reduce the field current applied to the field coil of the field coil type alternator immediately before the mode switching. Therefore, the surge voltage is reduced by reducing the field current. The life of the relay 5 is sufficiently extended.
  • FIG. 6 shows a starter generator with double the number of turns.
  • the starter generator is essentially the same as the alternator shown in FIG. However, the starter generator employs three three-phase hybrid power converters 3A-3C.
  • the power converter 3A includes a U-phase switch leg 31A, a V-phase switch leg 32A, and a W-phase diode leg 33A.
  • the power converter 3B includes a V-phase switch leg 31B, a W-phase switch leg 32B, and a U-phase diode leg 33B.
  • the power converter 3C includes a W-phase switch leg 31C, a U-phase switch leg 32C, and a V-phase diode leg 33C.
  • the starter generator has a series motor mode and a parallel motor mode in addition to the series power generation mode and the parallel power generation mode described above.
  • the neutral point relay 5 is closed in the series power generation mode and the series electric motor mode.
  • the neutral point relay 5 is opened in the parallel power generation mode and the parallel electric mode.
  • the series electric mode is used in the engine start period and the low speed torque assist period.
  • the parallel electric mode is used during the high speed torque assist period.
  • a six-phase inverter composed of six switch legs 31A, 32A, 31B, 32B, 31C and 32C applies six phase voltages to the three-phase windings 2A, 2B and 2C.
  • Power converter 3A supplies U-phase current IU and V-phase current IV to three-phase winding 2A.
  • Power converter 3B supplies another V-phase current IV and W-phase current IW to three-phase winding 2B.
  • the power converter 3C supplies another W-phase current IW and another U-phase current IU to the three-phase winding 2B.
  • each of the six phase currents has a sinusoidal waveform.
  • the stator coil generates six back electromotive forces V1-V6 shown in FIG.
  • the three diode legs 33A, 33B and 33C are at rest in the series motor mode.
  • the six-phase inverter consists of three H bridges.
  • the first H bridge composed of the switch legs 31A and 32A applies the first single-phase voltage V1-V2 to the phase coils 21A and 22A connected in series.
  • the second H-bridge composed of the switch legs 31B and 32B applies the second single-phase voltage V3-V4 to the phase coils 21B and 22B connected in series.
  • the third H bridge composed of the switch legs 31C and 32C applies the third single-phase voltage V5-V6 to the phase coils 21C and 22C connected in series.
  • the three diode legs 33A, 33B and 33C are at rest in the parallel motor mode.
  • the surge voltage between the fixed contacts 51-53 and the movable contact 54 is limited by the diode legs 33A, 33B and 33C. Thereby, the life of the relay 5 is extended. Furthermore, it is possible to reduce the field current supplied to the field coil of the field coil alternator immediately before the mode switching. Therefore, the surge voltage is reduced by reducing the field current. The life of the relay 5 is sufficiently extended.
  • FIG. 7 shows another starter generator with double turns.
  • This starter generator is essentially the same as the starter generator shown in FIG.
  • the diode legs 33A, 33B and 33C are omitted in FIG.
  • a neutral point switch 5A is employed instead of the neutral point relay 5.
  • the neutral point switch 5A includes a three-phase diode rectifier 55 and a short-circuit switch 56. Rectifier 55 is connected to W-phase coil 23A, U-phase coil 23B, and V-phase coil 23C.
  • the starter generator has a series generation mode and a series motor mode that are essentially the same as those of the starter generator shown in FIG.
  • the starter generator further has a parallel power generation mode and a parallel motor mode different from the starter generator shown in FIG.
  • the serial mode is executed when the short-circuit switch 56 is turned on, and the parallel mode is executed when the short-circuit switch 56 is turned off.
  • the first H bridge composed of the switch legs 31A and 32A has a first voltage difference between the two phase voltages V1 and V2 generated by the phase coils 21A and 22A. Rectify.
  • the second H bridge composed of the switch legs 31B and 32B rectifies the second voltage difference between the two phase voltages V3 and V4 generated by the phase coils 21B and 22B.
  • the third H bridge composed of the switch legs 31C and 32C rectifies the third voltage difference between the two phase voltages V5 and V6 generated by the phase coils 21C and 22C.
  • the first H bridge including the switch legs 31A and 32A supplies the first current having the same phase as the voltage difference V1-V2 to the phase coils 21A and 22A connected in series.
  • the second H bridge composed of the switch legs 31B and 32B supplies a second current having the same phase as the voltage difference V3-V4 to the phase coils 21B and 22B connected in series.
  • the third H bridge composed of the switch legs 31C and 32C supplies a third current in phase with the voltage difference V5-V6 to the phase coils 21C and 22C connected in series.
  • FIG. 8 shows a traction motor having a number of turns increased.
  • the traction motor is essentially the same as the starter generator shown in FIG. However, the traction motor employs three three-phase inverters 3A, 3B and 3C. In other words, the traction motor employs three switch legs 33A, 33B and 33C instead of the three diode legs 33A, 33B and 33C. Further, a neutral point switch 5B is employed instead of the neutral point relay 5.
  • the neutral point switch 5B includes MOS transistors 57-59 whose source electrodes are connected to each other. The drain electrode of transistor 57 is connected to W-phase coil 23A. The drain electrode of transistor 58 is connected to U-phase coil 23B. The drain electrode of transistor 59 is connected to V-phase coil 23B.
  • Series modes including series generation mode and series motor mode, are operated when transistors 57-59 are turned on.
  • Parallel modes including parallel power generation mode and parallel motor mode, are operated when transistors 57-59 are turned off.
  • the series power generation mode, the series electric motor mode, and the parallel power generation mode are the same as those of the starter generator shown in FIG.
  • the three inverters 3A, 3B and 3C supply three three-phase currents to the three three-phase windings 2A, 2B and 2C. Therefore, each three-phase current is 1/3 of the three-phase current supplied to the conventional three-phase winding.
  • the neutral point relay 5 or the neutral point switch 5A can be employed.
  • FIG. 9 shows a field current controller of a Landel motor employed in the motor shown in FIGS.
  • the field coil includes two subcoils 61 and 62 wound around the Landel rotor core.
  • the field current controller includes an H bridge 7 and a diode circuit 8.
  • the H bridge 7 includes two switch legs 71 and 72.
  • the diode circuit 8 is accommodated in a terminal ring fixed to the rotor shaft. This terminal ring connects the slip rings 9 and 10 to the subcoils 61 and 62.
  • the diode circuit 8 includes three series diodes 81-83 and four parallel diodes 84-87.
  • the subcoils 61 and 62 are connected in series through a series diode 82.
  • the subcoil 61 is connected to the switch leg 71 through the series diode 81 and the slip ring 9.
  • the subcoil 62 is connected to the switch leg 72 through the series diode 83 and the slip ring 10.
  • the parallel diode 84 is connected in parallel with the series diode 81 and the subcoil 61 connected in series.
  • the parallel diode 85 is connected in parallel with the series diode 81, the subcoil 61, the series diode 82, and the subcoil 62 that are connected in series.
  • the parallel diode 86 is connected in parallel to the subcoil 61, the series diode 82, the subcoil 62, and the series diode 83 that are connected in series.
  • the parallel diode 87 is connected in parallel with the sub-coil 62 and the series diode 83 connected in series.
  • the two subcoils 61 and 62 are connected in series. This is called a series field mode.
  • the two subcoils 61 and 62 are connected in parallel. This is called a parallel field mode.
  • the serial field mode is adopted by the parallel mode.
  • the parallel field mode is adopted by the series mode.
  • the H-bridge 7 is turned off. Thereby, the residual magnetic energy of the subcoils 61 and 62 is regenerated to the DC power source. As a result, the field current decreases rapidly. Further, a field current flows from the switch leg 72 to the switch leg 71 when the engine of the starter generator is started. As a result, the field current can rise rapidly.
  • FIG. 10 shows a modification of the field current controller shown in FIG.
  • the three power converters 3A-3C shown in FIG. 6 are connected to a low-voltage battery 90 through a switch 91 and further connected to a high-voltage capacitor 80 through a switch 81.
  • Switch 81 is closed in series mode and switch 91 is closed in parallel mode.
  • the battery 90 applies a battery voltage to the switch leg 71, and the capacitor 80 applies a capacitor voltage to the switch leg 72.
  • the battery 90 supplies field current in the series field mode.
  • Capacitor 80 supplies field current in the parallel field mode.
  • the H bridge 7 and the subcoils 61 and 62 can operate as a DCDC converter. Therefore, the battery 90 can charge the capacitor 80 through the DCDC converter.
  • the DCDC converter can be omitted.
  • the field current controller shown in FIG. 9 and FIG. 10 can also be adopted for the conventional Rundel-type alternator or Rundel-type starter generator.
  • FIG. 11 shows a pole number double alternator that can double the number of rotor poles.
  • the stator coil consists of two three-phase windings 1 and 2.
  • the delta connection type three-phase winding 1 includes a U-phase coil U1, a V-phase coil V1, and a W-phase coil W1.
  • the three-phase winding 1 can have a star connection.
  • the three-phase winding 1 is connected to a first three-phase diode rectifier 3A including a U-phase diode leg 3U, a V-phase diode leg 3V, and a W-phase diode leg 3W.
  • a phase coil U1 connected to the U-phase leg 3U generates a U-phase voltage VU1.
  • the phase coil V1 connected to the V-phase leg 3V generates a U-phase voltage VV1.
  • a phase coil W1 connected to the W-phase leg 3W generates a W-phase voltage VW1.
  • the double-ended three-phase winding 2 includes a U-phase coil U2, a V-phase coil V2, and a W-phase coil W2.
  • the number of turns of the six phase coils U1, V1, W1, U2, V2, and W2 is essentially equal to each other.
  • the three-phase winding 2 is connected between the diode rectifier 3A and the second three-phase diode rectifier 4A.
  • the rectifier 4A includes a U-phase diode leg 4U, a V-phase diode leg 4V, and a W-phase diode leg 4W.
  • U-phase coil U2 connected between U-phase legs 3U and 4U generates U-phase voltage VU2.
  • V-phase coil V2 connected between V-phase legs 3V and 4V generates V-phase voltage VV2.
  • W-phase coil W2 connected between W-phase legs 3W and 4W generates W-phase voltage VW2.
  • the alternator has a series power generation mode and a parallel power generation mode.
  • the number of rotor poles in the series power generation mode is doubled compared to the parallel power generation mode.
  • the U-phase voltages VU1 and VU2 are in the same direction.
  • V-phase voltages VV1 and VV2 are in the same direction.
  • W-phase voltages VW1 and VW2 are in the same direction.
  • Each phase difference between any two of the three phase voltages VU1, VV1, and VW1 is an electrical angle of 120 degrees.
  • each phase difference between any two of the three phase voltages VU2, VV2, and VW2 is an electrical angle of 120 degrees.
  • the three phase voltages VU2, VV2, and VW2 are relatively reversed compared to the three phase voltages VU1, VV1, and VW1.
  • the series generation mode reverses the direction of the three phase voltages VU2, VV2, and VW2.
  • the rectifier 4A rectifies the three-phase generated voltage of the two three-phase windings 1 and 2.
  • the added phase voltage vector VU1 + VU2-VV2 is rectified by the legs 4U and 4V.
  • the added phase voltage vector VV1 + VV2-VW2 is rectified by the legs 4V and 4W.
  • the added phase voltage vector VW1 + VW2-VU2 is rectified by the legs 4W and 4U.
  • the rectifier 3A rectifies the first three-phase voltage generated by the three-phase winding 1. Furthermore, the rectifiers 3A and 4A rectify the second three-phase voltage generated by the three-phase winding 2.
  • the H bridge composed of the legs 3U and 4U rectifies the U-phase voltage VU2.
  • Another H-bridge consisting of legs 3V and 4V rectifies V-phase voltage VV2.
  • Another H-bridge consisting of legs 3W and 4W rectifies W-phase voltage VW2.
  • FIG. 12 shows another pole doubling alternator that can double the number of rotor poles.
  • the alternator is almost the same as the alternator shown in FIG. However, the three-phase winding 1 has a star connection.
  • the rectifier 4A rectifies two three-phase voltages added in series.
  • legs 4U and 4V rectify voltage vector U1 + U2-V1-V2.
  • Legs 4V and 4W rectify voltage vector V1 + V2-W1-W2.
  • Legs 4W and 4U rectify voltage vector W1 + W2-U1-U2.
  • the rectifier 3A rectifies the first three-phase voltage generated by the three-phase winding 1.
  • the rectifier 3A rectifies three voltages VU1-VV1, VV1-VW1, and VW1-VU1.
  • the U-phase H bridge composed of the U-phase legs 3U and 4U rectifies the U-phase voltage VU2 generated by the U-phase coil U2.
  • the V-phase H bridge composed of the V-phase legs 3V and 4V rectifies the V-phase voltage VV2 generated by the V-phase coil V2.
  • the W-phase H bridge composed of the W-phase legs 3W and 4W rectifies the W-phase voltage VW2 generated by the W-phase coil W2.
  • rectifiers 3A and 4A rectify three three-phase voltages VU2, VV2, and VW2.
  • the number of turns of the phase coils U2, V2 and W2 is set to 150% or 200% of the number of turns of the phase coils U1, V1 and W1.
  • FIG. 13 shows a pole number doubling starter generator that can double the number of rotor poles.
  • the starter generator is substantially equal to the alternator shown in FIG.
  • the starter generator employs a three-phase inverter 4 instead of the diode rectifier 4A shown in FIG. Therefore, the starter generator can execute the series electric mode in addition to the series power generation mode and the parallel power generation mode described above.
  • the U-phase coil 4U supplies a U-phase current to the U-phase coils U1 and U2 connected in series.
  • V-phase coil 4V supplies a V-phase current to V-phase coils V1 and V2 connected in series.
  • W-phase coil 4W supplies W-phase current to W-phase coils W1 and W2 connected in series.
  • EMF electromotive force
  • FIG. 14 shows a pole doubling traction motor capable of doubling the number of rotor poles.
  • the traction motor is substantially equal to the starter generator shown in FIG.
  • the traction motor employs a three-phase inverter 3 instead of the diode rectifier 3A shown in FIG. Therefore, the traction motor can execute the parallel electric mode in addition to the series electric mode, the series power generation mode, and the parallel power generation mode.
  • FIG. 14 shows the three-phase current supplied to the two three-phase windings 1 and 2 in the series electric mode.
  • U-phase leg 4U supplies U-phase current IU to U-phase coils U1 and U2 connected in series.
  • V-phase leg 4V supplies V-phase current IV to V-phase coils V1 and V2 connected in series.
  • W-phase leg 4W supplies W-phase current IW to W-phase coils W1 and W2 connected in series. Therefore, the traction motor can generate a strong engine starting torque.
  • FIG. 15 shows the three-phase current supplied to the two three-phase windings 1 and 2 in the parallel electric mode.
  • the back EMFs of the three phase coils U2, V2 and W2 are reversed.
  • Three-phase inverter 3 supplies three phase currents IU1, IV1 and IW1 separately to three phase coils U1, V1 and W1.
  • Two three-phase inverters 3 and 4 separately supply three phase currents IU2, IV2 and IW2 to three phase coils U2, V2 and W2. Therefore, the traction motor can generate a strong torque in the high speed region.
  • FIG. 16 and 17 are schematic development views showing a first winding example of the pole number doubling motor.
  • the two three-phase windings 1 and 2 are wound around the stator core 5 in a short-node two-phase lap winding method.
  • FIG. 16 shows a parallel mode with 12 slots S1-S12 at an electrical angle of 360 degrees.
  • FIG. 17 shows a parallel mode with 12 slots S1-S12 at an electrical angle of 720 degrees.
  • Phase coils U1, V1 and W1 are shown by solid lines with arrows in FIGS.
  • Phase coils U2, V2 and W2 are illustrated in FIG. 16 and FIG. 17 by broken lines with arrows. The arrow indicates the direction of the phase current.
  • the U-phase currents of the U-phase coils U1 and U2 respectively include a forward U-phase current U and a return U-phase current -U.
  • the V-phase currents of the V-phase coils V1 and V2 each include a forward V-phase current V and a return V-phase current -V.
  • the W-phase currents of the W-phase coils W1 and W2 each include a forward W-phase current W and a return-direction W-phase current -W.
  • the forward current means a phase current flowing into the slots S1 to S12.
  • the current in the return direction means the phase current flowing out from the slots S1 to S12.
  • the three teeth of the stator core 5 are arranged between the forward current and return current of the same phase current.
  • the forward currents U, V and W have opposite directions to the return currents -U, -V and -W, respectively.
  • FIG. 18 shows a vector of twelve slot currents that flow separately through twelve slots S1-S12 in parallel mode.
  • the slot current means the total current composed of all currents in one slot.
  • Slot current U + W in slot S2 is equal to slot current ⁇ V.
  • the slot current -V-W in the slot S12 is equal to the slot current U.
  • the slot current U + V in the slot S10 is equal to the slot current -W.
  • the slot current -W-U in the slot S8 is equal to the slot current V.
  • the slot current V + W in the slot S6 is equal to the slot current ⁇ U.
  • the slot current -U-V in the slot S4 is equal to the slot current W.
  • FIG. 19 shows six slot currents U-V, U-W, V-W, V-U, W-U and W-V that flow separately through 12 slots S1-S12 in the series mode.
  • Slot currents U-V flow through slots S1 and S7, respectively.
  • Slot current U-W flows through slots S2 and S8, respectively.
  • Slot current V-W flows through slots S3 and S9, respectively.
  • Slot current V-U flows through slots S4 and S10, respectively.
  • Slot current W-U flows through slots S5 and S11, respectively.
  • Slot current W-V flows through slots S6 and S12, respectively.
  • FIGS. 20 and 21 are schematic development views showing a second winding example of the pole number doubling motor.
  • the two three-phase windings 1 and 2 are wound around the stator core 5 by a short-ply two-layer lap winding method.
  • FIG. 20 shows a parallel mode with six slots S1-S6 within an electrical angle of 360 degrees.
  • FIG. 21 shows a series mode with six slots S1-S6 within an electrical angle of 720 degrees.
  • Phase coils U1, V1 and W1 are shown by solid lines with arrows in FIGS.
  • Phase coils U2, V2 and W2 are illustrated by broken lines with arrows in FIGS. The arrow indicates the direction of the phase current.
  • Each of the U-phase currents of the U-phase coils U1 and U2 includes a U-phase current U in the forward direction and a U-phase current -U in the return direction.
  • the V-phase currents of V-phase coils V1 and V2 each include a forward V-phase current V and a return V-phase current -V.
  • Each of the W-phase currents of W-phase coils W1 and W2 includes a forward-direction W-phase current W and a return-direction W-phase current -W.
  • the forward current means a phase current flowing into the slots S1 to S6 of the stator core 5.
  • the current in the return direction means a phase current flowing out from the slots S1 to S6 of the stator core 5.
  • Two teeth of the stator core 5 are arranged between the current in the forward direction and the current in the return direction of the same phase current.
  • the forward currents U, V, and W have opposite directions to the return currents -U, -V, and -W, respectively.
  • FIG. 22 shows vectors of six slot currents W-V, W-U, V-U, V-W, U-W and U-V flowing separately through the six slots S1-S6 in the parallel mode.
  • Slot current W-V flows through slot S1.
  • Slot current W-U flows through slot S2.
  • Slot current V-U flows through slot S3.
  • the slot current V-W flows through the slot S4.
  • Slot current U-W flows through slot S5.
  • the slot current U-V flows through the slot S6.
  • FIG. 23 shows vectors of three slot currents V-W, W-U, and U-V that separately flow through the six slots S1-S6 in the series mode.
  • Slot current V-W flows through slots S1 and S4, respectively.
  • Slot current W-U flows through slots S2 and S5, respectively.
  • Slot current U-V flows through slots S3 and S6, respectively.
  • FIG. 24 is a cross-sectional view showing a Landel rotor 6 capable of doubling the number of rotor poles.
  • the rotor 6 has a rotor core 63 fixed to the rotor shaft 64.
  • the rotor core 63 includes a left core 65, a center core 66, and a right core 67.
  • the pair of cores 65 and 66 is essentially the same as a conventional Landell rotor core.
  • the pair of cores 66 and 67 is essentially the same as a conventional Landell rotor core.
  • the field coil includes subcoils 61 and 62.
  • the subcoil 61 is wound around the bosses 65B and 66B of the cores 65 and 66.
  • the subcoil 62 is wound around the bosses 66B and 67B of the cores 66 and 67.
  • the left core 65 has a claw portion 65N extending backward from a pole portion 65P protruding from the boss portion 65B.
  • the right core 67 has a claw portion 67N extending forward from a pole portion 67P protruding from the boss portion 67B.
  • the central core 66 has a claw portion 66N extending rearward and forward from a pole portion 66P protruding from the boss portion 66B.
  • FIG. 25 is an axial sectional view showing the central core 66.
  • FIG. 26 is an axial sectional view showing the right core 67.
  • the claw portions 66N are disposed between the adjacent claw portions 65N and 67N, respectively. Therefore, the number of the claw portions 66N is equal to the sum of the numbers of the claw portions 65N and 67N.
  • FIG. 27 is a development view showing the claw portions 65N, 66N and 67N arranged in the circumferential direction 600 of the Landel rotor 6.
  • each shape of the claw portions 65N and 67N is essentially a trapezoid.
  • each shape of the claw portion 66N is essentially a parallelogram.
  • the rotor magnetic flux 501 in the series mode resembles a sinusoidal waveform as shown in FIG.
  • the rotor flux 502 in parallel mode is similar to a sinusoidal waveform as shown in FIG.
  • the left core 65, the center core 66, and the right core 67 are connected to two annular plates 551 and 552 made of an aluminum alloy, respectively.
  • the ring-shaped plate 551 is fixed to each end of the core 65-67 with a screw 553.
  • the annular plate 552 is fixed to each other end of the cores 65-67 by screws 554. Therefore, since the cores 65-67 are reinforced by the ring-shaped plates 551 and 552, the vibrations of the cores 65-67, especially the cores 65 and 67 are reduced.
  • the annular plates 551 and 552 can have windows or wings for air flow.
  • FIG. 28 is a circuit diagram showing a field current controller for supplying a field current to the subcoils 61 and 62.
  • This controller comprises an H bridge 7 and a diode circuit 8.
  • the H bridge 7 includes two switch legs 71 and 72.
  • the diode circuit 8 is accommodated in a terminal ring fixed to the rotor shaft 64. This terminal ring has four terminals for connecting the subcoils 61 and 62 to the slip rings 9 and 10.
  • the diode circuit 8 includes two parallel diodes 81 and 82 and one series diode 83.
  • the two subcoils 61 and 62 are connected in parallel. This is called a parallel field mode.
  • the two subcoils 61 and 62 are connected in series. This is called a series field mode.
  • the field current flowing through the subcoil 62 has a constant direction despite the H-bridge 7 reversing the field current direction. However, when the field current direction of the H bridge 7 is reversed, the direction of the field current flowing through the subcoil 62 is reversed.
  • the serial field mode is adopted by the parallel mode.
  • the claw portion 65N has an N pole and the claw portion 67N has an S pole.
  • the number of rotor poles is equal to the sum of the numbers of the claw portions 65N and 67N.
  • the parallel field mode is adopted by the series mode.
  • the claw portion 67N holds the S pole
  • the claw portion 65N has the S pole.
  • the claw portion 66N has an N pole. Therefore, the number of rotor poles is the sum of the numbers of the claw portions 65N, 66N and 67N.
  • the series mode has a doubled number of rotor poles compared to the parallel mode.
  • the inductance value of the field coil is reduced in the parallel field mode because of the parallel connection of the subcoils 61 and 62. As a result, the starter generator can start the internal combustion engine quickly.
  • FIGS. 24-28 show a field coil synchronous motor capable of doubling the number of rotor poles.
  • the asynchronous motor can employ the above-mentioned pole doubling technique shown in FIGS.
  • Asynchronous motors do not require a special rotor structure for switching the number of rotor poles.
  • the permanent magnet synchronous motor capable of doubling the number of rotor poles can also employ the above-mentioned pole number doubling technology.
  • FIG. 29 is a circuit diagram of this starter generator.
  • a stator coil 1 called a series three-phase winding is composed of a U-phase coil 1U, a V-phase coil 1V and a W-phase coil 1W connected in series.
  • the stator coil 1 is connected to a four-leg converter 2 composed of four legs 2A, 2B, 2C and 2D.
  • U-phase coil 1U is connected between switch legs 2A and 2B.
  • V-phase coil 1V is connected between switch legs 2B and 2C.
  • W-phase coil 1W is connected between switch legs 2C and 2D.
  • the switch legs 2A and 2D are connected to the capacitor 8. It is also possible to employ a lithium ion battery having a high voltage instead of the capacitor 8.
  • the diode legs 2B and 2C are connected to the battery 9 through the battery switch 3.
  • U-phase coil 1U generates U-phase voltage Vu.
  • V phase coil 1V generates V phase voltage Vv.
  • W-phase coil 1W generates W-phase voltage Vw.
  • the phase voltages Vu, Vv and Vw are called so-called back EMF in the electric mode.
  • the starter generator has a series power generation mode, a series motor mode, and a parallel power generation mode.
  • the series mode the number of rotor poles is three times that of the parallel mode.
  • Each phase difference between any two of the three phase voltages Vu, Vv and Vw is zero electrical angle in the series mode.
  • the phase voltages Vu, Vv, and Vw are in phase with each other.
  • the series mode has a single-phase electric mode and a single-phase power generation mode.
  • the single-phase electric mode is used for engine start or torque assist.
  • the single-phase power generation mode is used for regenerative braking or low-speed power generation.
  • the two switch legs 2A and 2D are switched to supply a single-phase current from the capacitor 8 to the three phase coils 1U, 1V and 1W.
  • the two switch legs 2A and 2D rectify the sum of the three single-phase voltages Vu, Vv and Vw in phase with each other in order to charge the capacitor 8.
  • the phase coils 1U, 1V and 1W separately generate three phase voltages Vu, Vv and Vw.
  • the phase difference between any two of the three phase voltages Vu, Vv and Vw is 120 electrical degrees.
  • the parallel power generation mode is used to charge the battery 9 through the battery switch 3 in the high speed region.
  • the two diode legs 2B and 2C operate as an incomplete three-phase rectifier for charging the battery 9.
  • the rectified voltage has a distorted waveform.
  • the number of rotor poles is tripled in the series mode.
  • the switch leg 4A connected to the battery 9 supplies a field current to the field coil 5 in the parallel mode.
  • the switch leg 4B connected to the capacitor 8 supplies a field current to the field coil 5 in the series mode.
  • the H bridge 4 and the field coil 5 function as a step-up DCDC converter.
  • the upper arm switch 45 of the switch leg 4A is turned on, and the lower arm switch 42 of the switch leg 4A is turned off.
  • the upper arm switch 41 and the lower arm switch 46 of the switch leg 4B are complementarily switched at a predetermined frequency. While switch 46 is turned on, the field current is increased. When the switch 46 is turned off, the boosted voltage is applied to the capacitor 8. When the capacitor voltage reaches the rated voltage, the switching of the switch leg 4B is stopped.
  • the single-phase electric mode of the synchronous motor has a drawback that it has a dead point where the motor torque becomes zero.
  • This dead center problem is solved by using an internal combustion engine. A predetermined amount of fuel injected into the cylinder of the internal combustion engine is ignited at the beginning of engine start. Since the engine starts the rotation of the starter generator, the single phase starter generator can rotate.
  • the starter generator Since the capacitor voltage is higher than the battery voltage, the starter generator generates a strong engine starting torque. Furthermore, the number of poles and the number of turns are each increased by a factor of three. Further, the capacitor 8 supplies a field current when the engine is started. As a result, the field current is rapidly increased at the beginning of the engine start.
  • FIG. 30 is a side view of the Landel rotor core 12 including the front core 12A and the back core 12B.
  • the field coil 5 is wound around the bosses of the cores 12A and 12B fixed to the rotor shaft 10.
  • the front core 12A has two claw portions 61 and 62 extending rearward.
  • the back core 12B has two claw portions 63 and 64 extending forward.
  • the claw portions 61-64 have permanent magnets 65-68 fixed to the concave portions 60 of the claw portions 61-64.
  • Permanent magnets 65-68 are called magnet poles.
  • the permanent magnets 65-68 can be embedded in the claw portions 61-64.
  • the magnet poles 65-66 each have an N pole.
  • Magnet poles 67 and 68 each have an S pole.
  • each of the claw portions 61-64 has two core poles 69 separately disposed at two circumferential ends of the claw portions 61-64 as shown in FIG.
  • Each of the core poles 69 is a part of the claw portions 61-64.
  • the two core poles 69 and 69 are disposed between two adjacent ones of the magnet poles 65-68.
  • FIG. 31 is a development view showing the claw portions 62 and 63 arranged in the circumferential direction 600.
  • each of the magnet poles 66 and 67 is essentially a trapezoid.
  • each shape of the core pole 69 is essentially a parallelogram.
  • the rotor magnetic flux 501 in the series mode resembles a sinusoidal waveform as shown in FIG.
  • the rotor flux 502 in the parallel mode resembles a sinusoidal waveform as shown in FIG.
  • the waveform of the rotor magnetic flux 502 can be controlled by the field current.
  • the four core poles 69 of the claw portions 61 and 62 each have an S pole, and the four core poles 69 of the claw portions 63 and 64 each have N With poles.
  • the polarity of the permanent magnets 65-68 is not changed by the field current.
  • the rotor core 12 has 12 rotor poles in the series mode.
  • the four core poles 69 of the claw portions 61 and 62 each have an N pole, and the four core poles 69 of the claw portions 63 and 64 have S With poles.
  • the rotor core 12 has substantially four rotor poles in the parallel mode.
  • FIG. 32 is a development view showing the stator coil 1 of the full-node two-layer distributed winding type.
  • the stator coil 1 is wound around the stator core 100.
  • U-phase coil 1U is accommodated in slots S1 and S4.
  • V-phase coil 1V is accommodated in slots S2 and S5.
  • W-phase coil 1W is accommodated in slots S3 and S6.
  • FIG. 33 is a developed view showing the concentrated winding type stator coil 1. Phase coils 1U, 1V and 1W are wound around three teeth of stator core 100 separately.
  • FIG. 34 shows six vectors U, -V, W, -U, V and -W in parallel mode.
  • FIG. 35 shows six vectors U, -V, W, -U, V and -W in the serial mode.
  • Six vectors U, -V, W, -U, V, and -W represent six slot currents in the six slots S1-S6 shown in FIG. Further, the six vectors U, -V, W, -U, V, and -W represent the six teeth magnetic fluxes output from the six teeth 101 shown in FIG.
  • the battery switch 3 When the battery voltage of the battery 9 reaches a predetermined maximum value, the battery switch 3 is turned off. Therefore, the battery 9 is not overcharged by the magnet poles 65-68 in the ultra high speed region.
  • the rotor core 12 shown in FIG. 30 has 24 poles in the series mode and 8 poles in the parallel mode.
  • the stator core 100 has 24 slots and 24 teeth. By reducing the number of poles, copper loss and iron loss are reduced in parallel mode. The engine start time delay is reduced by a rapid increase in field current.
  • the starter generator has two series three-phase windings that are separately connected to two four-leg converters. Two single-phase currents flow separately through two series three-phase windings in series mode. The phase difference between these two single phase currents is an electrical angle of 90 degrees. As a result, the starter generator acts as a two-phase motor or a two-phase generator in series mode. However, two 4 leg converters require 8 legs.
  • FIG. 36 is a circuit diagram of a field coil starter generator.
  • the starter generator employs a series 6-phase winding 1A connected to a 7-leg converter 2X.
  • a series six-phase winding 1A as a stator coil is composed of six phase coils 1U, 1V, 1W, 1X, 1Y and 1Z.
  • the series 6-phase winding 1A includes a first series 6-phase winding and a second series 3-phase winding connected in series.
  • the first series three-phase winding includes phase coils 1U, 1V and 1W connected in series.
  • the second series three-phase winding includes phase coils 1X, 1Y, and 1Z connected in series.
  • the 7-leg converter 2X is composed of 7 legs 2A-2G.
  • the first four-leg converter consists of four legs 2A, 2B, 2C and 2D.
  • the second four-leg converter consists of four legs 2D, 2E, 2F and 2G.
  • the switch legs 2A, 2D and 2G are connected to the capacitor 8.
  • the diode legs 2B, 2C, 2E and 2F are connected to the battery 9 through the battery switch 3.
  • the starter generator has a series power generation mode, a parallel power generation mode, and a series electric motor mode which are equal to the mode of the starter generator shown in FIG.
  • the phase difference between the first and second phase currents is an electrical angle of 90 degrees.
  • the starter generator becomes a two-phase starter generator. Two-phase current in series mode flows through switch legs 2A, 2D and 2G.
  • the first three-phase voltage is generated by the three phase coils 1U, 1V, and 1W.
  • the second three-phase voltage is generated by the three phase coils 1X, 1Y and 1Z.
  • the diode legs 2B, 2C, 2D and 2E rectify the first three-phase voltage and the second three-phase voltage.
  • the rectified six-phase voltage has a distorted waveform and is applied to the battery 9.
  • the starter generator becomes a kind of 6-phase generator in the parallel power generation mode.
  • FIG. 36 shows a field current controller connected to the field coil 5.
  • the field coil 5 includes three subcoils 53-55 connected in series.
  • the field current controller includes an H bridge 4 and a diode circuit 7.
  • the H bridge 4 including the two switch legs 4A and 4B is the same as the H bridge 4 shown in FIG.
  • the diode circuit 7 includes a series diode 74 and two parallel diodes 76 and 7.
  • This field current controller has a straight iron field mode and a parallel field mode.
  • the field current flows from the switch leg 4A to the switch leg 4B through the series diode 74 and the three subcoils 55-53.
  • the parallel field mode half of the field current flows from the switch leg 4B to the switch leg 4A through the subcoil 53 and the parallel diode 77.
  • the other half of the field current flows from the switch leg 4B to the switch leg 4A through the parallel diode 76, the subcoils 55 and 54, and the parallel diode 77.
  • the subcoil 53 is connected in parallel with the two subcoils 55 and 54 connected in series.
  • the direction of the field current flowing through the subcoil 53 is reversed when the mode is switched.
  • the direction of the field current flowing through the subcoils 55 and 54 is constant even during mode switching.
  • FIG. 37 is a side view showing the terminal ring 11 fixed to the rotor shaft 64 supported by the motor housing 12.
  • the terminal ring 11 is adjacent to the rotor core 13.
  • the four terminals of the terminal ring 11 connect the field coil 5 to a slip ring (not shown).
  • Terminals 711, 721 and 731 are shown in FIG.
  • the terminal ring 11 houses the diode circuit 7.
  • FIG. 38 is a schematic diagram showing the rotor core 13 that can increase the number of rotor poles by three times.
  • the rotor core 13 has six core poles 131-136. Further, the rotor core 13 has six slots 141-146 each disposed between two adjacent ones of the core poles 131-136.
  • the subcoil 53 is accommodated in the slots 145 and 146.
  • the subcoil 54 is accommodated in the slots 141 and 142.
  • the subcoil 55 is accommodated in the slots 143 and 144. Since the field currents of the subcoils 54 and 55 each have a certain direction, the core pole 131 has an N pole and the core pole 132 has an S pole.
  • the magnetic polarity of the core pole 133-136 is reversed by the reversal of the field current.
  • the rotor core 13 has substantially two rotor poles in the series field mode and the parallel mode.
  • the rotor core 13 has six rotor poles in the parallel field mode and the series mode.
  • Subcoils 54 and 55 can be connected in parallel with subcoil 53 together with diodes 74, 76 and 77. Furthermore, since the inductance value of the field coil 5 is reduced in the parallel field mode, the field current rapidly increases in the series mode. It is also possible to change the subcoils 54 and 55 to permanent magnets fixed to the core poles 131 and 132.
  • FIG. 39 is a developed view showing a short coil two-layer distributed winding type stator coil 1A.
  • the six phase coils 1U, 1V, 1W, 1X, 1Y and 1Z are accommodated in 12 slots S1-S12 of the stator core 100.
  • Each arrow shown by FIG. 39 shows each direction of the six phase currents IU, IV, IW, IX, IY and IZ supplied to the six phase coils 1U, 1V, 1W, 1X, 1Y and 1Z. .
  • FIG. 40 shows twelve slot currents I1-I12 flowing separately through twelve slots S1-S12 in the parallel mode.
  • the slot current means a vector sum of two phase currents flowing in one slot. As shown in FIG. 40, each phase difference between two adjacent slot currents is an electrical angle of 30 degrees in the parallel mode. Twelve vectors U--Z shown in FIG. 40 indicate directions of twelve phase currents IU to -IZ.
  • FIG. 41 shows 12 vectors of 12 phase currents IU to -IZ in series mode.
  • the three phase currents IU, IV and IW are in phase in the series mode.
  • the three phase currents IX, IY and IZ are also in phase in the series mode.
  • the four slot currents IA, IB, IC and IZ flow separately through the four adjacent slots as shown in FIG.
  • FIG. 42 is a schematic diagram showing a concentrated winding type stator coil 1A.
  • the stator coil 1 ⁇ / b> A is composed of a concentrated six-phase series winding.
  • Two sets of six phase coils 1U, 1V, 1W, 1X, 1Y and 1Z of the stator coil 1A are individually wound around 12 teeth 102 of the stator core 100A.
  • FIG. 43 shows 12 phase current vectors flowing through 12 adjacent phase coils in parallel mode. Each phase difference between two adjacent phase currents is an electrical angle of 30 degrees as shown in FIG.
  • FIG. 44 shows 12 phase current vectors in series mode. The phase difference between two adjacent phase currents is an electrical angle of 90 degrees.
  • FIG. 45 is a circuit diagram of a starter generator that employs a synchronous motor.
  • the starter generator shown in FIG. 45 is essentially the same as the starter generator shown in FIG. However, a 4-leg inverter 2Y is employed instead of the 4-leg converter 2 shown in FIG. Further, the H bridge 4 and the field coil 5 shown in FIG. 29 are omitted.
  • the controller 200 controls the 4-leg inverter 2Y according to the rotation angle detected by the rotation angle sensor 300.
  • the 4-leg inverter 2Y includes four switch legs 2A, 2B, 2C, and 2D.
  • the starter generator has a parallel electric mode in addition to the series power generation mode, the series electric mode, and the parallel power generation mode.
  • the parallel motor mode is essentially equal to the conventional three-phase motor mode of the delta connection type.
  • the four-leg inverter 2Y supplies a three-phase current to the series three-phase winding 1.
  • the switch leg 2A supplies the phase current Iu.
  • the switch leg 2B supplies the phase current Iv-Iu.
  • the switch leg 2C supplies the phase current Iw-Iv.
  • the switch leg 2D supplies the phase current -Iw. Accordingly, the two switch legs 2A and 2D are substantially equivalent to one switch leg of a conventional three-phase inverter connected to a delta connection type three-phase winding.
  • the rotor core 14 has six core poles 131-136.
  • the core pole 131 has an N pole by an embedded permanent magnet 55.
  • the core pole 132 has an S pole by an embedded permanent magnet 52.
  • the core poles 131 and 132 are called magnet poles.
  • FIG. 46 shows the parallel mode.
  • the three-phase stator current supplied to the series three-phase winding 1 forms a three-phase rotating magnetic field.
  • the core pole 133-136 is magnetized by the d-axis current component of this three-phase stator current.
  • the magnetic polarities of the core poles 133 and 134 are N poles.
  • the magnetic polarities of the core poles 135 and 136 are the S poles.
  • the rotor core 14 has substantially two rotor poles.
  • the mechanical angle between two adjacent core poles corresponds to an electrical angle of 60 degrees.
  • the d-axis current component can be made zero.
  • FIG. 47 shows the serial mode.
  • the single-phase current supplied to the series three-phase winding 1 generates a single-phase rotating magnetic field having a d3 axis and a q3 axis.
  • the d3 axis corresponds to the d axis of the three-phase rotating magnetic field shown in FIG.
  • the q3 axis corresponds to the q axis of the three-phase rotating magnetic field shown in FIG.
  • the core pole 133-136 is magnetized by the d3-axis current component of the single-phase stator current.
  • the magnetic polarities of the core poles 133 and 134 are S poles.
  • the magnetic polarities of the core poles 135 and 136 are N poles.
  • the d3-axis current component does not change the polarity of the permanent magnets 52 and 55. Accordingly, the rotor core 14 has substantially six rotor poles in the series mode. The mechanical angle between two adjacent core poles corresponds to an electrical angle of 180 degrees. Eventually, the starter generator generates permanent magnet torque and reluctance torque.
  • FIG. 48 is a flowchart showing an engine start routine.
  • step S100 it is determined whether or not the rotational position of the rotor core 14 is in the vicinity of the dead point that is the torque zero point of the single-phase synchronous motor. The rotation position is detected by the rotation angle sensor 300. If the rotational position is in the vicinity of the dead point, the parallel electric mode having no dead point is executed in step S102. It is determined in step 104 whether or not motor rotation has started. If the motor rotation is started, or if the rotation position is not near the dead point, the series electric mode is executed in step S106. In step S108, it is determined whether or not the engine speed has exceeded a predetermined value such as 100 rpm.
  • a predetermined value such as 100 rpm.
  • the parallel electric mode employing a three-phase current allows the starter generator to start near the dead center.
  • the series electric mode is executed immediately after the starter generator starts rotating in the parallel electric mode.
  • the single-phase synchronous motor driven by the 4-leg inverter 2Y can start the internal combustion engine.
  • the starter generator having the 4-leg inverter 2Y shown in FIG. 45 can employ the field coil rotor shown in FIG.
  • the field coil 5 wound around the Landell rotor core 12 has a high inductance.
  • the Landell rotor core 12 shown in FIG. 30 has only four magnet poles at the beginning of the engine start-up period due to the delay of the field current. Therefore, the 4-leg inverter 2Y executes the parallel electric mode in the initial stage of the engine start period.
  • the rotation of the Landel rotor core 12 is started slowly. After the Landel rotor core 12 has 12 rotor poles due to the increase of the field current, the series electric mode in which the 4-leg inverter 2Y supplies a single-phase current is executed. As a result, the dead point problem of the 4-leg inverter 2Y is solved by the parallel electric mode executed before the series electric mode.
  • FIG. 49 shows a traction motor that can execute the two-phase electric mode in the series electric mode.
  • the 7-leg inverter 2Z shown in FIG. 49 is substantially equal to the 7-leg converter 2X shown in FIG.
  • the 7-leg inverter 2Z connected to the series 6-phase winding 1A is composed of seven switch legs 2A-2G. In other words, each of the legs 2B, 2C, 2E, and 2F employs a switch leg.
  • the series power generation mode a two-phase voltage is generated.
  • the series electric mode generates two-phase motor torque.
  • the phase difference between the first single-phase current and the second single-phase current is an electrical angle of 90 degrees.
  • leg 2A supplies phase current IU.
  • Leg 2D supplies phase current IZ-IU.
  • Leg 2G supplies phase current -IZ.
  • the parallel power generation mode generates a six-phase voltage.
  • the parallel electric mode generates 6-phase motor torque.
  • the first four-leg inverter composed of the legs 2A-2D supplies the first three-phase current to the first series three-phase winding composed of the phase coils 1U, 1V and 1W.
  • a second four-leg inverter consisting of legs 2D-2G supplies a second three-phase current to a second series three-phase winding consisting of phase coils 1X, 1Y and 1Z.
  • the 7-leg inverter 2Z supplies a 6-phase current to the series 6-phase winding 1A in the parallel electric mode.
  • the above-mentioned technology for increasing the number of poles by three times can be employed for an asynchronous motor or a memory motor. Further, this traction motor with three times the number of poles has a 10-leg converter connected to a series 9-phase winding consisting of 9 phase coils connected in series, instead of a 7-leg converter connected to a series 6-phase winding. Can be adopted.
  • Each proposed motor has a series mode and a parallel mode. By connecting a plurality of phase coils in series, the series mode has twice or more turns as compared to the parallel mode due to an increase in the number of phase coils connected in series.
  • Each motor requires a power converter with only one or zero neutral switch and more than three legs.
  • Each motor has a low copper loss because of the low resistance value in parallel mode.
  • Each motor has excellent low speed performance due to high turns or high turns and high poles in series mode.
  • a power converter requires more than three legs. However, each leg is compact because each leg can handle a lower current than the leg of a conventional three-phase converter because of the high EMF in series mode.

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Abstract

巻数倍増形式、極数倍増形式および極数３倍増形式の巻数切替式電気機械を提供する。　本発明は、３個以上の相コイルからなるステータコイルと、４個以上のレグからなるパワーコンバータをもつ。この機械は、直列接続された相コイルの数を増加するための直列モードと、直列接続された相コイルの数を減少するための並列モードとをもつ。直列モードは並列モードと比べて２倍以上の巻数と、３倍以上の抵抗値とをもつ。モードは中性点スイッチの制御又はロータ極数の制御により変更される。

Description

巻数切替式電気機械
本発明は、巻数切替式電気機械に関し、特にオルタネータやスタータジエネレータのような車両用モータの巻数切替式電気機械に関する。
一般に、界磁電流の制御が可能なランデルロータ機械は、広い速度領域で駆動されるオルタネータおよびスタータジエネレータとして採用される。オルタネータやスタータジエネレータにとって銅損および鉄損は主要な電力損失である。コイル冷却の困難性の故に、銅損低減は鉄損低減と比べてはるかに重要である。たとえば、従来のオルタネータの典型的な損失は４５％であり、銅損はその半分を占める。巻数の低減により、銅損は低減される。しかし、要求される低速起電力（EMF)を実現するために、車両モータは所定の巻数を必要とする。オルタネータやスタータジエネレータの銅損低減のために、従来の巻数切替モータや極数切替モータは好適に見える。低速領域における高い起電力の故に、極数切替モータは巻数を減らすことができる。したがって、極数切替モータは銅損を減らすことができる。
たとえば、特許文献１および２は、両端が２つの３相インバータに別々に接続されるダブルエンド３相巻線をもつモータを開示する。モータは、星形接続と開放デルタ接続とのどちらかを選択することができる。
特許４１２２４５８ 特開２０１４-５４０９４８
しかし、従来の巻数切替技術は、追加電力ロスをもつ複雑な巻数切替回路を必要とする。特に、オルタネータおよびスタータジエネレータ用の巻数切替回路の追加電力ロスは、車両バッテリの低電圧のために増大される。さらに、車両モータが優れた低速起電力（EMF)を要求するので、従来の巻数切替技術は高速領域の銅損低減にとって十分ではなかった。結局、巻数切替式電気機械は、低い追加電力ロス、高速領域の低い銅損および低速領域の高いEMFを必要とすることが理解される。さらに、極数切替技術は非同期モータを除いて巻数切替よりも一般に複雑である。さらに、巻数および極数の両方の切替技術まだ知られていない。
本発明の巻数切替式回転電機は、直列モードおよび並列モードを切り替え可能な簡素な巻数切替部を有する。直列モードは並列モードよりも高巻数となる。巻数切替部は、中性点スイッチの制御により、もしくは、ロータ極数の変更により巻数切替を実行する。本発明の巻数切替式電気機械は、少なくとも一つの３相巻線をもつステータコイルに接続されるパワーコンバータをもつ。パワーコンバータは、ステータコイルとしての少なくも一つの３相巻線に接続される３個より多いレグをもつ
巻数倍増モータと呼ばれる第１形式の巻数切替式電気機械によれば、３個の３相巻線が３個の３相パワーコンバータに別々に接続される。３つの３相巻線の各一つの相コイルは中性点スイッチにより互いに接続される。３つの３相巻線はそれぞれ、星形接続又はデルタ接続をもつ。この中性点スイッチとしての中性点リレーは、低い追加製造コストおよび低い追加電力ロスをもつ。
極数倍増モータと呼ばれる第２形式の巻数切替式電気機械によれば、極数倍増モータは、モータ極数を倍増可能なロータをもつ。さらに、極数倍増モータは、第１の３相巻線および第２の３相巻線からなるステータコイルをもつ。第１の３相パワーコンバータに接続される第１の３相巻線は、星形接続又はデルタ接続をもつ。第１のパワーコンバータと第２のパワーコンバータとの間に接続される第２の３相巻線は、ダブルエンド型３相巻線からなる。極数倍増モータは、極数および巻数を倍増可能である。第１の３相巻線の３相電流および第２の３相巻線の電流のどちらかは、直列モードと比較して並列モードにおいて反対方向に流れる。この極数倍増モータは、パワーコンバータをステータコイルに接続するための巻数切替回路を必要としないことが重要である。さらに、極数倍増モータは、極数倍増により優れた低速性能をもつ。
極数３倍増モータと呼ばれる第３形式の巻数切替式電気機械によれば、極数３倍増モータは、巻数および極数を３倍増することができる。極数３倍増モータは、４レグコンバータに接続される一つの直列３相巻線を少なくとももつ。直列３相巻線は直列に接続された３個の相コイルからなる。４レグインバータは３個の相コイルの端部に別々に接続される４個のレグからなる。巻数が３倍増される直列モードにおいて、単相電流が直列３相巻線を通じて流れる。巻数が３倍増されない並列モードにおいて、３相電流が直列３相巻線を通じて流れる。この極数３倍増モータはパワーコンバータをステータコイルに接続するための巻数切替回路を必要としないことが重要である。さらに、この極数３倍増モータは極数３倍増により優れた低速性能をもつ。
したがって、本発明の巻数切替式回転電機は、高速領域における低い銅損と、低速領域における高い起電力と、巻数切替のための低い追加電力ロスとをもつ。さらに、銅損低減はステータコイルの抵抗値の増加を抑止する。さらに、ステータコイルの抵抗性電圧降下の低減故に、銅損低減は発電機の発電電圧を増加させる。
モータの抵抗値および巻数が比較される。並列モードの抵抗値は高速領域における銅損に比例する。巻数は起電力（EMF)に比例する。これにより、直列モードのEMFは低速性能に関係する。抵抗比Rrは、直列モードの抵抗値/並列モードの抵抗値に等しい。巻比Trは、直列モードの巻数/並列モードの巻数に等しい。周知のスターデルタ変換によれば、Rrは３であり、Trは１．７３である。直列モードは星形接続を意味し、並列モードはデルタ接続を意味する。巻数倍増モータによれば、Rrは６であり、Trは２である。極数倍増モータによれば、Rrは約７であり、Trは３である。極数３倍増モータによれば、Rrは約４であり、Trは３である。さらに、極数の増加により、極数倍増モータおよび極数３倍増モータは低速領域において一層高いEMFをもつ。
図１は巻数倍増オルタネータを示す回路図である。 図２は固定接点の断面図である。 図３は固定接点の平面図である。 図４は直列発電モードの６つの電圧を示すベクトル図である。 図５は９個の相コイルの配置を示す模式図である。 図６は巻数倍増スタータジエネレータを示す回路図である。 図７はもう一つの巻数倍増スタータジエネレータを示す回路図である。 図８は巻数倍増トラクションモータを示す回路図である。 図９は界磁電流コントローラの一例を示す回路図である。 図１０は界磁電流コントローラのもう一つの例を示す回路図である。 図１１は極数倍増オルタネータを示す回路図である。 図１２はもう一つの極数倍増オルタネータを示す回路図である。 図１３は極数倍増スタータジエネレータを示す回路図である。 図１４は極数倍増トラクションモータの直列電動モードを示す回路図である。 図１５は極数倍増トラクションモータの並列電動モードを示す回路図である。 図１６は極数倍増モータの第１の巻線例の並列モードを示す模式展開図である。 図１７は極数倍増モータの第１の巻線例の直列モードを示す模式展開図である。 図１８は並列モードのスロット電流を示すベクトル図である。 図１９は直列モードのスロット電流を示すベクトル図である。 図２０は極数倍増モータの第２の巻線例を示す模式展開図である。 図２１は極数倍増モータの第２の巻線例を示す模式展開図である。 図２２は並列モードのスロット電流のベクトル図である。 図２３は直列モードのスロット電流のベクトル図である。 図２４はロータ極数倍増可能なランデルロータを示す断面図である。 図２５は中央コアを示す軸方向断面図である。 図２６は右コアを示す軸方向断面図である。 図２７は爪部を示す展開図である。 図２８は界磁電流コントローラを示す回路図である。 図２９は極数３倍増ランデルスタータジエネレータを示す回路図である。 図３０はランデルロータコアの側面図である。 図３１は爪部を示す展開図である。 図３２は分布巻きステータコイルを示す展開図である。 図３３は集中巻きステータコイルを示す展開図である。 図３４は並列モードを示すベクトル図である。 図３５は直列モードを示すベクトル図である。 図３６はもう一つの極数３倍増スタータジエネレータを示す回路図である。 図３７はダイオード回路を内蔵する端子リングを示す側面図である。 図３８はロータ極数を３倍増可能なロータコアを示す模式図である。 図３９は分布巻きステータコイルを示す展開図である。 図４０は並列モードを示すベクトル図である。 図４１は直列モードを示すベクトル図である。 図４２は集中巻きステータコイルを示す模式図である。 図４３は並列モードを示すベクトル図である。 図４４は直列モードを示すベクトル図である。 図４５はもう一つの極数３倍増スタータジエネレータを示す回路図である。 図４６は並列モードのロータコアを示す模式図である。 図４７は直列モードのロータコアを示す模式図である。 図４８はエンジン始動ルーチンを示すフローチャートである。 図４９は２相モードと６相モードとを切り換える極数３倍増トラクションモータを示す回路図である。
巻数倍増モータ、極数倍増モータおよび極数３倍増モータを含む巻数切替モータに関連する実施例が図面を参照して説明される。この巻数切替モータは、２倍以上の巻数比および３倍以上の抵抗減少比をもつ。ステータコイルに接続されるパワーコンバータは３個より多いレグをもつ。各レグは、スイッチレグ又はダイオードレグからなる。スイッチレグは、直列接続された上アームスイッチおよび下アームスイッチからなる。ダイオードレグは、直列接続された上アームダイオードおよび下アームダイオードからなる。
図１は、巻数倍増オルタネータを示す。オルタネータは、３個の３相ダイオード整流器３A、３Bおよび３Cと中性点リレー５をもつ。ステータコイルは、３個の星形接続３相巻線２A、２Bおよび２Cに分割される。３相巻線２A、２Bおよび２Cはデルタ接続を採用することができる。巻線２AはU相コイル２１A、V相コイル２２AおよびW相コイル２３Aからなる。巻線２BはV相コイル２１B、W相コイル２２BおよびU相コイル２３Bからなる。巻線２CはW相コイル２１C、U相コイル２２CおよびV相コイル２３Cからなる。相コイル２１A-２３Cはそれぞれ、等しい巻数をもつ。
整流器３Aは、U相ダイオードレグ３１A、V相ダイオードレグ３２AおよびW相ダイオードレグ３３Aからなる。整流器３Bは、V相ダイオードレグ３１B、W相ダイオードレグ３２BおよびU相ダイオードレグ３３Bからなる。整流器３Cは、W相ダイオードレグ３１C、U相ダイオードレグ３２CおよびV相ダイオードレグ３３Cからなる。
中性点リレー５は、可動接点５４に面する固定接点５１-５３をもつ。固定接点５１はW相コイル２３Aとダイオードレグ３３Aとの間の接続点に接続されている。固定接点５２はU相コイル２３Bとダイオードレグ３３Bとの間の接続点に接続されている。固定接点５３はV相コイル２３Cとダイオードレグ３３Cとの間の接続点に接続されている。
図２は接点５１-５４の断面図である。図３は接点５１-５３の平面図である。互いに隣接する３つの固定接点５１-５３は、円のように配置されている。これにより、リレー５はコンパクトとなり、低電力損失をもつ。固定接点５１-５３は、円の代わりに線状に配置されることもできる。
U相コイル２１A、２３Bおよび２２Cはそれぞれ、U相電圧VUを発生する。V相コイル２２A、２１Bおよび２３Cはそれぞれ、V相電圧VVを発生する。W相コイル２３A、２２Bおよび２１Cはそれぞれ、W相電圧VWを発生する。３つの相電圧VU、VVおよびVWのうちの任意の２つの間の各位相差は電気角１２０度である。
オルタネータは、直列発電モードおよび並列発電モードをもつ。リレー５が閉じられる時、直列発電モードが実行される。図４は、直列発電モードにおいて整流器３A、３Bおよび３Cに印加される６つの電圧V１-V６のベクトルを示す。電圧V１およびV２は整流器３Aに印加される。電圧V３およびV４は整流器３Bに印加される。電圧V５およびV６は整流器３Cに印加される。したがって、３つの整流器３A、３Bおよび３Cは、直列発電モードにおいて６相ダイオード整流器となる。
リレー５が開かれる時、並列発電モードが実行される。並列発電モードによれば、３つの整流器３A、３Bおよび３Cは３つの３相電圧を別々に整流する。これにより、３つの整流器３A、３Bおよび３Cは、並列発電モードにおいて並列に接続される。整流器３A、３Bおよび３Cのそれぞれを通じて流れる各電流は、従来のオルタネータの３相ダブルエンド整流器と比べて１/３となるので、整流器３A、３Bおよび３Cのそれぞれは、コンパクトとなる。並列発電モードの発電電圧は、直列発電モードの発電電圧の半分となる。
図５は、不図示のステータコアに巻かれた９個の相コイル２１A-２３Cの配置を示す。３つのU相コイル２１A、２３Bおよび２２Cは円をなす。３つのV相コイル２２A、２１Bおよび２３Cは円をなす。３つのW相コイル２３A、２２Bおよび２１Cは円をなす。結局、U相コイル２１A、２３Bおよび２２Cは従来の３相巻線のU相コイルと均等である。
同様に、V相コイル２２A、２１Bおよび２３Cは従来の３相巻線のV相コイルと均等である。W相コイル２３A、２２Bおよび２１Cは従来の３相巻線のW相コイルと均等である。
中性点リレー５は、火花による接点５１-５４のダメージを意味する寿命問題をもつ。
主要な火花はリレー５が開かれる時に生じる。モードが直列発電モードから並列発電モードに移行する時、リレー５の開放がなされる。しかし、固定接点５１-５３と可動接点５４との間のサージ電圧は、ダイオードレグ３３A、３３Bおよび３３Cにより抑制される。これにより、リレー５の寿命が延長される。さらに、モード切替の直前に界磁コイル式オルタネータの界磁コイルに印加される界磁電流を減らすことが可能である。したがって、界磁電流の削減により、サージ電圧は減少される。リレー５の寿命は十分に延長される。
図６は、巻数倍増スタータジエネレータを示す。スタータジエネレータは、図１に示されるオルタネータと本質的に等しい。しかし、スタータジエネレータは、３個の３相ハイブリッドパワーコンバータ３A-３Cを採用する。パワーコンバータ３Aは、U相スイッチレグ３１A、V相スイッチレグ３２AおよびW相ダイオードレグ３３Aからなる。パワーコンバータ３Bは、V相スイッチレグ３１B、W相スイッチレグ３２BおよびU相ダイオードレグ３３Bからなる。パワーコンバータ３Cは、W相スイッチレグ３１C、U相スイッチレグ３２CおよびV相ダイオードレグ３３Cからなる。
スタータジエネレータは、上記説明された直列発電モードおよび並列発電モードに加えて直列電動モードおよび並列電動モードをもつ。中性点リレー５は、直列発電モードおよび直列電動モードにおいて閉じられる。中性点リレー５は、並列発電モードおよび並列電動モードにおいて開かれる。直列電動モードは、エンジン始動期間および低速トルクアシスト期間に用いられる。並列電動モードは、高速トルクアシスト期間に用いられる。
直列電動モードによれば、６個のスイッチレグ３１A、３２A、３１B、３２B、３１Cおよび３２Cからなる６相インバータが３相巻線２A、２Bおよび２Cに６個の相電圧を印加する。パワーコンバータ３Aは、U相電流IUおよびV相電流IVを３相巻線２Aに供給する。パワーコンバータ３Bは、もう一つのV相電流IVおよびW相電流IWを３相巻線２Bに供給する。パワーコンバータ３Cは、もう一つのW相電流IWおよびもう一つのU相電流IUを３相巻線２Bに供給する。好適には、６つの相電流はそれぞれ正弦波形をもつ。ステータコイルは、図４に示される６個の逆起電力V１-V６を発生する。３個のダイオードレグ３３A、３３Bおよび３３Cは直列電動モードにおいて休止している。
並列電動モードによれば、６相インバータは、３つのHブリッジからなる。スイッチレグ３１Aおよび３２Aからなる第１のHブリッジは、直列接続された相コイル２１Aおよび２２Aに第１の単相電圧V１-V２を印加する。スイッチレグ３１Bおよび３２Bからなる第２のHブリッジは、直列接続された相コイル２１Bおよび２２Bに第２の単相電圧V３-V４を印加する。スイッチレグ３１Cおよび３２Cからなる第３のHブリッジは、直列接続された相コイル２１Cおよび２２Cに第３の単相電圧V５-V６を印加する。３個のダイオードレグ３３A、３３Bおよび３３Cは並列電動モードにおいて休止している。
固定接点５１-５３と可動接点５４の間のサージ電圧は、ダイオードレグ３３A、３３Bおよび３３Cにより制限される。これにより、リレー５の寿命が延長される。さらに、モード切替直前に、界磁コイルオルタネータの界磁コイルに供給される界磁電流を削減するが可能である。したがって、サージ電圧は界磁電流の削減により低減される。リレー５の寿命は十分に延長される。
図７はもう一つの巻数倍増スタータジエネレータを示す。このスタータジエネレータは図６に示されるスタータジエネレータと本質的に同じである。しかし、ダイオードレグ３３Ａ、３３Ｂおよび３３Ｃは図７において省略される。さらに、中性点スイッチ５Ａが中性点リレー５の代わりに採用される。中性点スイッチ５Ａは３相ダイオード整流器５５と短絡スイッチ５６からなる。整流器５５はＷ相コイル２３Ａ、Ｕ相コイル２３ＢおよびＶ相コイル２３Ｃに接続される。 
スタータジエネレータは、図６に示されるスタータジエネレータのそれらと本質的に同じである直列発電モードおよび直列電動モードをもつ。スタータジエネレータはさらに、図６に示されるスタータジエネレータと異なる並列発電モードおよび並列電動モードをもつ。直列モードは短絡スイッチ５６がオンされる時に実行され、並列モードは短絡スイッチ５６がオフされる時に実行される。
図７に示される並列発電モードによれば、スイッチレグ３１Ａおよび３２Ａからなる第１のHブリッジは、相コイル２１Aおよび２２Aにより発電される２つの相電圧V１およびV２の間の第１の電圧差を整流する。スイッチレグ３１Bおよび３２Bからなる第２のHブリッジは、相コイル２１Bおよび２２Bにより発電される２つの相電圧V３およびV４の間の第２の電圧差を整流する。スイッチレグ３１Cおよび３２Cからなる第３のHブリッジは、相コイル２１Cおよび２２Cにより発電される２つの相電圧V５およびV６の間の第３の電圧差を整流する。
並列電動モードによれば、スイッチレグ３１Aおよび３２Aからなる第１のHブリッジは、直列接続された相コイル２１Aおよび２２Aに電圧差V１-V２と同相の第１電流を供給する。スイッチレグ３１Bおよび３２Bからなる第２のHブリッジは、直列接続された相コイル２１Bおよび２２Bに電圧差V３-V４と同相の第２電流を供給する。スイッチレグ３１Cおよび３２Cからなる第３のHブリッジは、直列接続された相コイル２１Cおよび２２Cに電圧差V５-V６と同相の第３電流を供給する。
図８は巻数倍増トラクションモータを示す。トラクションモータは、図６に示されるスタータジエネレータと本質的に等しい。しかし、トラクションモータは、３つの３相インバータ３A、３Bおよび３Cを採用する。言い換えれば、トラクションモータは、３つのダイオードレグ３３A、３３Bおよび３３Cの代わりに、３つのスイッチレグ３３A、３３Bおよび３３Cを採用する。さらに、中性点スイッチ５Bが中性点リレー５の代わりに採用される。中性点スイッチ５Bは、ソース電極が互いに接続されるMOSトランジスタ５７-５９からなる。トランジスタ５７のドレイン電極は、W相コイル２３Aに接続される。トランジスタ５８のドレイン電極は、U相コイル２３Bに接続される。トランジスタ５９のドレイン電極は、V相コイル２３Bに接続される。
直列発電モードおよび直列電動モードを含む直列モードは、トランジスタ５７-５９がオンされる時に運転される。並列発電モードおよび並列電動モードを含む並列モードは、トランジスタ５７-５９がオフされる時に運転される。直列発電モード、直列電動モードおよび並列発電モードは図６に示されるスタータジエネレータのそれらと同じである。並列電動モードによれば、３つのインバータ３A、３Bおよび３Cが３つの３相巻線２A、２Bおよび２Cに３つの３相電流を供給する。したがって、各３相電流は、従来の３相巻線に供給される３相電流の１/３となる。中性点スイッチ５Bの代わりに、中性点リレー５又は中性点スイッチ５Aを採用することも可能である。
図９は、図１-図８に示されるモータに採用されるランデル型モータの界磁電流コントローラを示す。界磁コイルはランデルロータコアに巻かれた２つのサブコイル６１および６２からなる。界磁電流コントローラは、Hブリッジ７とダイオード回路８とからなる。Hブリッジ７は、２つのスイッチレグ７１および７２からなる。ダイオード回路８は、ロータ軸に固定された端子リングに収容されている。この端子リングはスリップリング９および１０をサブコイル６１および６２に接続する。ダイオード回路８は、３個の直列ダイオード８１-８３と、４個の並列ダイオード８４-８７とからなる。
サブコイル６１および６２は直列ダイオード８２を通じて直列接続されている。サブコイル６１は直列ダイオード８１およびスリップリング９を通じてスイッチレグ７１に接続されている。サブコイル６２は直列ダイオード８３およびスリップリング１０を通じてスイッチレグ７２に接続されている。並列ダイオード８４は、直列接続された直列ダイオード８１およびサブコイル６１と並列に接続されている。並列ダイオード８５は、直列接続された直列ダイオード８１、サブコイル６１、直列ダイオード８２およびサブコイル６２と並列に接続されている。並列ダイオード８６は、直列接続されたサブコイル６１、直列ダイオード８２、サブコイル６２および直列ダイオード８３と並列に接続されている。並列ダイオード８７は、直列接続されたサブコイル６２および直列ダイオード８３と並列に接続されている。
界磁電流がスイッチレグ７１からスイッチレグ７２へ流れる時、２つのサブコイル６１および６２は直列に接続される。これは直列界磁モードと呼ばれる。界磁電流がスイッチレグ７２からスイッチレグ７１へ流れる時、２つのサブコイル６１および６２は並列に接続される。これは並列界磁モードと呼ばれる。直列界磁モードは並列モードにより採用される。並列界磁モードは直列モードにより採用される。モード変更のために中性点リレー５の状態が変更される直前に、Hブリッジ７はオフされる。これにより、サブコイル６１および６２の残留磁気エネルギ-は直流電源に回生される。その結果、界磁電流は急速に減少する。さらに、スタータジエネレータのエンジン始動時に、界磁電流がスイッチレグ７２からスイッチレグ７１へ流れる。その結果、界磁電流は急速に立ち上がることができる。
図１０は、図９に示される界磁電流コントローラの変形例を示す。図６に示される３個のパワーコンバータ３A-３Cは、スイッチ９１を通じて低電圧のバッテリ９０に接続され、さらにスイッチ８１を通じて高電圧のキャパシタ８０に接続されている。スイッチ８１は直列モードにおいて閉じられ、スイッチ９１は並列モードにおいて閉じられる。バッテリ９０がスイッチレグ７１にバッテリ電圧を印加し、キャパシタ８０がスイッチレグ７２にキャパシタ電圧を印加する。バッテリ９０は直列界磁モードにおいて界磁電流を供給する。キャパシタ８０は並列界磁モードにおいて界磁電流を供給する。さらに、Hブリッジ７およびサブコイル６１および６２は、DCDCコンバータとして動作可能である。したがって、バッテリ９０はこのDCDCコンバータを通じてキャパシタ８０を充電することができる。その結果、図１０に示されるスタータジエネレータによれば、DCDCコンバータを省略することができる。さらに、従来のランデル型オルタネータ又はランデル型スタータジエネレータも、図９および図１０に示される界磁電流コントローラを採用することができる。
図１１は、ロータ極数を倍増可能な極数倍増オルタネータを示す。ステータコイルは、２つの３相巻線１および２からなる。デルタ接続型の３相巻線１は、U相コイルU１、V相コイルV１およびW相コイルW１からなる。３相巻線１は星形接続をもつことができる。３相巻線１は、U相ダイオードレグ３U、V相ダイオードレグ３VおよびW相ダイオードレグ３Wからなる第１の３相ダイオード整流器３Aに接続される。U相レグ３Uに接続された相コイルU１はU相電圧VU１を発生する。V相レグ３Vに接続された相コイルV１はU相電圧VV１を発生する。W相レグ３Wに接続された相コイルW１はW相電圧VW１を発生する。
ダブルエンド型の３相巻線２は、U相コイルU２、V相コイルV２およびW相コイルW２からなる。６個の相コイルU１、V１、W１、U２、V２およびW２の巻数は本質的に互いに等しい。３相巻線２は、ダイオード整流器３Aおよび第２の３相ダイオード整流器４Aの間に接続されている。整流器４Aは、U相ダイオードレグ４U、V相ダイオードレグ４VおよびW相ダイオードレグ４Wからなる。U相レグ３Uおよび４Uの間に接続されたU相コイルU２は、U相電圧VU２を発生する。V相レグ３Vおよび４Vの間に接続されたV相コイルV２は、V相電圧VV２を発生する。W相レグ３Wおよび４Wの間に接続されたW相コイルW２は、W相電圧VW２を発生する。
オルタネータは、直列発電モードおよび並列発電モードをもつ。直列発電モードのロータ極数は、並列発電モードと比べて倍増される。直列発電モードによれば、U相電圧VU１およびVU２は互いに同方向となる。V相電圧VV１およびVV２は互いに同方向となる。W相電圧VW１およびVW２は互いに同方向となる。３つの相電圧VU１、VV１およびVW１のうちの任意の２つの間の各位相差は電気角１２０度である。同様に、３つの相電圧VU２、VV２およびVW２のうちの任意の２つの間の各位相差は電気角１２０度である。
並列発電モードによれば、３つの相電圧VU２、VV２およびVW２は３つの相電圧VU１、VV１およびVW１と比べて相対的に逆転される。下記の説明に置いて、直列発電モードは３つの相電圧VU２、VV２およびVW２の方向を反転することが仮定される。直列発電モードによれば、整流器４Aは２つの３相巻線１および２の３相発電電圧を整流する。加算された相電圧ベクトルVU１+VU２-VV２がレグ４Uおよび４Vにより整流される。加算された相電圧ベクトルVV１+VV２-VW２がレグ４Vおよび４Wにより整流される。加算された相電圧ベクトルVW１+VW２-VU２がレグ４Wおよび４Uにより整流される。
ロータ極数が倍増されない並列発電モードによれば、３相巻線２の相電圧VU２、VV２およびVW２の各方向は、直列発電モードと比べて反転される。したがって、整流器３Aは、３相巻線１により発電された第１の３相電圧を整流する。さらに、整流器３Aおよび４Aは、３相巻線２により発電された第２の３相電圧を整流する。言い換えれば、レグ３Uおよび４UからなるHブリッジがU相電圧VU２を整流する。レグ３Vおよび４Vからなるもう一つのHブリッジがV相電圧VV２を整流する。レグ３Wおよび４Wからなるもう一つのHブリッジがW相電圧VW２を整流する。これにより、３相巻線１および２は実質的に並列に接続される。
図１２は、ロータ極数を倍増可能なもう一つの極数倍増オルタネータを示す。オルタネータは、図１１に示されるオルタネータとほぼ等しい。けれども、３相巻線１は星形接続をもつ。 
直列発電モードによれば、整流器４Aは直列加算された２つの３相電圧を整流する。言い換えれば、レグ４Uおよび４Vは電圧ベクトルU１+U２-V１-V２を整流する。レグ４Vおよび４Wは電圧ベクトルV１+V２-W１-W２を整流する。レグ４Wおよび４Uは電圧ベクトルW１+W２-U１-U２を整流する。
並列発電モードによれば、整流器３Aは、３相巻線１により発電された第１の３相電圧を整流する。言い換えれば、整流器３Aは３つの電圧VU１-VV１、VV１-VW１およびVW１-VU１を整流する。さらに、U相レグ３Uおよび４UからなるU相のHブリッジは、U相コイルU２により発電されたU相電圧VU２を整流する。同様に、V相レグ３Vおよび４VからなるV相のHブリッジは、V相コイルV２により発電されたV相電圧VV２を整流する。W相レグ３Wおよび４WからなるW相のHブリッジは、W相コイルW２により発電されたW相電圧VW２を整流する。言い換えれば、整流器３Aおよび４Aは３つの３相電圧VU２、VV２およびVW２を整流する。
２つの３相巻線１および２の間の発電電流の差を低減するために、相コイルU２、V２およびW２の巻数は、相コイルU１、V１およびW１の巻数の１５０％又は２００％とされる。その結果、２つの３相巻線１および２は、並列発電モードにおいてほぼ並列に接続される。
図１３は、ロータ極数を倍増可能な極数倍増スタータジエネレータを示す。スタータジエネレータは、図１２に示されるオルタネータと実質的に等しい。けれども、スタータジエネレータは、図１２に示されるダイオード整流器４Aの代わりに３相インバータ４を採用する。したがって、スタータジエネレータは、上記説明された直列発電モードおよび並列発電モードに加えて、直列電動モードを実行することができる。
直列電動モードによれば、U相コイル４Uは、直列接続されたU相コイルU１およびU２にU相電流を供給する。同様に、V相コイル４Vは、直列接続されたV相コイルV１およびV２にV相電流を供給する。W相コイル４Wは、直列接続されたW相コイルW１およびW２にW相電流を供給する。直列接続された２つの相コイルの逆の起電力（EMF)は互いに同じ方向をもつ。
図１４は、ロータ極数を倍増可能な極数倍増トラクションモータを示す。トラクションモータは、図１３に示されるスタータジエネレータと実質的に等しい。トラクションモータは、図１３に示されるダイオード整流器３Aの代わりに３相インバータ３を採用する。したがって、トラクションモータは、上記直列電動モード、直列発電モードおよび並列発電モードに加えて、並列電動モードを実行することができる。
図１４は、直列電動モードにおいて２つの３相巻線１および２に供給される３相電流を示す。U相レグ４Uは、直列接続されたU相コイルU１およびU２にU相電流IUを供給する。V相レグ４Vは、直列接続されたV相コイルV１およびV２にV相電流IVを供給する。W相レグ４Wは、直列接続されたW相コイルW１およびW２にW相電流IWを供給する。したがって、トラクションモータは強力なエンジン始動トルクを発生することができる。
図１５は、並列電動モードにおいて２つの３相巻線１および２に供給される３相電流を示す。３つの相コイルU２、V２およびW２のバックEMFは反転される。３相インバータ３は、３つの相コイルU１、V１およびW１に３つの相電流IU１、IV１およびIW１を別々に供給する。２つの３相インバータ３および４は、３つの相コイルU２、V２およびW２に３つの相電流IU２、IV２およびIW２を別々に供給する。したがって、トラクションモータは、高速領域において強力なトルクを発生することができる。
図１６および図１７は、極数倍増モータの第１の巻線例を示す模式展開図である。２つの３相巻線１および２は、短節２相重ね巻き方式でステータコア５に巻かれている。図１６は、電気角３６０度に１２個のスロットS１-S１２をもつ並列モードを示す。図１７は、電気角７２０度に１２個のスロットS１-S１２をもつ並列モードを示す。相コイルU１、V１およびW１は、図１６および図１７において矢印付きの実線で図示されている。相コイルU２、V２およびW２は、図１６および図１７において矢印付きの破線で図示されている。矢印は相電流の方向を示す。
図１６および図１７において、U相コイルU１およびU２のU相電流はそれぞれ、往き方向のU相電流Uと還り方向のU相電流-Uを含む。同様に、V相コイルV１およびV２のV相電流はそれぞれ、往き方向のV相電流Vと還り方向のV相電流-Vを含む。W相コイルW１およびW２のW相電流はそれぞれ、往き方向のW相電流Wと還り方向のW相電流-Wを含む。往き方向の電流は、スロットS１-S１２に流入する相電流を意味する。還り方向の電流は、スロットS１-S１２から流出する相電流を意味する。ステータコア５の３つのティースは、同じ相電流の往き方向電流と還り方向電流との間に配置されている。往き方向の電流U、VおよびWはそれぞれ、還り方向の電流-U、-Vおよび-Wのそれぞれと反対方向をもつ。
図１８は、並列モードにおいて１２個のスロットS１-S１２を通じて別々に流れる１２個のスロット電流のベクトルを示す。スロット電流は、１個のスロット内のすべての電流からなる全電流を意味する。スロットS２内のスロット電流U＋Wはスロット電流-Vに等しい。スロットS１２内のスロット電流-V-Wはスロット電流Uに等しい。スロットS１０内のスロット電流U＋Vはスロット電流-Wに等しい。スロットS８内のスロット電流-W-Uはスロット電流Vに等しい。スロットS６内のスロット電流V＋Wはスロット電流-Uに等しい。スロットS４内のスロット電流-U-Vはスロット電流Wに等しい。
図１９は、直列モードにおいて１２個のスロットS１-S１２を通じて別々に流れる６つのスロット電流U-V, U-W, V-W, V-U, W-UおよびW-Vを示す。スロット電流U-VはそれぞれスロットS１およびS７を流れる。スロット電流U-WはそれぞれスロットS２およびS８を流れる。スロット電流V-WはそれぞれスロットS３およびS９を流れる。スロット電流V-UはそれぞれスロットS４およびS１０を流れる。スロット電流W-UはそれぞれスロットS５およびS１１を流れる。スロット電流W-VはそれぞれスロットS６およびS１２を流れる。
図２０および図２１は、極数倍増モータの第２の巻線例を示す模式展開図である。２つの３相巻線１および２は、短節２層重ね巻方式でステータコア５に巻かれている。図２０は、電気角３６０度内に６個のスロットS１-S６をもつ並列モードを示す。図２１は、電気角７２０度内に６個のスロットS１-S６をもつ直列モードを示す。相コイルU１、V１およびW１は、図２０および図２１において矢印付きの実線で図示されている。相コイルU２、V２およびW２は、図２０および図２１において矢印付きの破線で図示されている。矢印は相電流の方向を示す。
U相コイルU１およびU２のU相電流はそれぞれ、往き方向のU相電流Uと還り方向のU相電流-Uとを含む。同様に、V相コイルV１およびV２のV相電流はそれぞれ、往き方向のV相電流Vと還り方向のV相電流-Vとを含む。W相コイルW１およびW２のW相電流はそれぞれ、往き方向のW相電流Wと還り方向のW相電流-Wとを含む。往き方向の電流はステータコア５のスロットS１-S６に流入する相電流を意味する。還り方向の電流はステータコア５のスロットS１-S６から流出する相電流を意味する。ステータコア５の２つのティースが、同じ相電流の往き方向の電流と還り方向の電流との間に配置されている。往き方向の電流U、VおよびWはそれぞれ、還り方向の電流-U、-Vおよび-Wのそれぞれと反対の方向をもつ。
図２２は、並列モードにおいて６個のスロットS１-S６を別々に流れる６個のスロット電流W-V、W-U、V-U、V-W、U-WおよびU-Vのベクトルを示す。スロット電流W-VはスロットS１を流れる。スロット電流W-UはスロットS２を流れる。スロット電流V-UはスロットS３を流れる。スロット電流V-WはスロットS４を流れる。スロット電流U-WはスロットS５を流れる。スロット電流U-VはスロットS６を流れる。
図２３は直列モードにおいて６個のスロットS１-S６を別々に流れる３つのスロット電流V-W、W-UおよびU-Vのベクトルを示す。スロット電流V-WはスロットS１およびS４をそれぞれ流れる。スロット電流W-UはスロットS２およびS５をそれぞれ流れる。スロット電流U-VはスロットS３およびS６をそれぞれ流れる。
図２４は、ロータ極数を倍増可能なランデルロータ６を示す断面図である。ロータ６は、ロータ軸６４に固定されたロータコア６３をもつ。ロータコア６３は、左コア６５、中央コア６６および右コア６７からなる。コア６５および６６のペアは従来のランデルロータコアと本質的に同じである。同様に、コア６６および６７のペアも従来のランデルロータコアと本質的に同じである。界磁コイルはサブコイル６１および６２からなる。サブコイル６１はコア６５および６６のボス部６５Bおよび６６Bに巻かれている。サブコイル６２はコア６６および６７のボス部６６Bおよび６７Bに巻かれている。
左コア６５は、ボス部６５Bから突出するポール部６５Pから後方へ延在する爪部６５Nをもつ。右コア６７は、ボス部６７Bから突出するポール部６７Pから前方へ延在する爪部６７Nをもつ。中央コア６６は、ボス部６６Bから突出するポール部６６Pから後方および前方へ延在する爪部６６Nをもつ。図２５は、中央コア６６を示す軸方向断面図である。図２６は、右コア６７を示す軸方向断面図である。爪部６６Nはそれぞれ、隣接する爪部６５Nおよび６７Nの間に配置されている。したがって、爪部６６Nの数は爪部６５Nおよび６７Nの数の和に等しい。
図２７は、ランデルロータ６の周方向６００へ配列された爪部６５N、６６Nおよび６７Nを示す展開図である。図２７に示されるように、爪部６５Nおよび６７Nの各形状は本質的に台形である。他方、爪部６６Nの各形状は本質的に平行四辺形である。その結果、直列モードにおけるロータ磁束５０１は図２７に示されるように正弦波波形に似ている。同様に、並列モードにおけるロータ磁束５０２は図２７に示されるように正弦波波形に似ている。左コア６５、中央コア６６および右コア６７はそれぞれ、アルミ合金でできた２つの輪状板５５１および５５２に接続されている。輪状板５５１は、ねじ５５３でコア６５-６７の各一端に固定されている。輪状板５５２は、ねじ５５４でコア６５-６７の各他端に固定されている。したがって、コア６５-６７が輪状板５５１および５５２により補強されるので、コア６５-６７とりわけコア６５および６７の振動が低減される。輪状板５５１および５５２は空気流のための窓又は翼をもつことができる。
図２８は、サブコイル６１および６２に界磁電流を供給する界磁電流コントローラを示す回路図である。このコントローラは、Hブリッジ７とダイオード回路８とからなる。Hブリッジ７は、２つのスイッチレグ７１および７２からなる。ダイオード回路８は、ロータ軸６４に固定された端子リングに収容されている。この端子リングは、サブコイル６１および６２をスリップリング９および１０に接続するための４つの端子をもつ。ダイオード回路８は、２つの並列ダイオード８１および８２と、一つの直列ダイオード８３からなる。
界磁電流がスイッチレグ７１からスイッチレグ７２へ流れる時、２つのサブコイル６１および６２は並列に接続される。これは並列界磁モードと呼ばれる。界磁電流がスイッチレグ７２からスイッチレグ７１へ流れる時、２つのサブコイル６１および６２は直列に接続される。これは直列界磁モードと呼ばれる。サブコイル６２を流れる界磁電流は、Hブリッジ７が界磁電流方向を反転するにもかかわらず、一定の方向をもつ。けれども、Hブリッジ７の界磁電流方向を反転する時、サブコイル６２を流れる界磁電流の方向は反転する。
直列界磁モードは並列モードにより採用される。これにより、並列モードにおいて、爪部６５NはN極をもち、爪部６７NはS極をもつ。ロータ極数は、爪部６５Nおよび６７Nを数の和に等しい。他方、並列界磁モードは直列モードにより採用される。これにより、爪部６７NはS極を保持し、爪部６５NはS極をもつ。さらに、爪部６６NはN極をもつ。したがって、ロータ極数は、爪部６５N、６６Nおよび６７Nの数の和となる。結局、直列モードは、並列モードと比べて倍増されたロータ極数をもつ。さらに、界磁コイルのインダクタンス値は、サブコイル６１および６２の並列接続の故に並列界磁モードにおいて低減される。その結果、スタータジエネレータは内燃機関を素早く始動することができる。
図２４-図２８は、ロータ極数を倍増可能な界磁コイル同期モータを示す。しかし、非同期モータは図１４-図２３に示される上記極数倍増技術を採用することができる。非同期モータは、ロータ極数切替のための特別のロータ構造を必要としない。同様に、ロータ極数を倍増可能な永久磁石同期モータも、上記極数倍増技術を採用することができる。
極数の３倍増が可能な極数３倍増ランデルスタータジエネレータが図２９-図３５を参照して説明される。図２９はこのスタータジエネレータの回路図である。直列３相巻線と呼ばれるステータコイル１は、直列接続されたU相コイル１U、V相コイル１VおよびW相コイル１Wからなる。ステータコイル１は、４個のレグ２A、２B、２Cおよび２Dからなる４レグコンバータ２に接続されている。
U相コイル１Uは、スイッチレグ２Aおよび２Bの間に接続されている。V相コイル１Vは、スイッチレグ２Bおよび２Cの間に接続されている。W相コイル１Wは、スイッチレグ２Cおよび２Dの間に接続されている。スイッチレグ２Aおよび２Dはキャパシタ８に接続されている。キャパシタ８の代わりに高電圧をもつリチウムイオンバッテリを採用することも可能である。ダイオードレグ２Bおよび２Cはバッテリスイッチ３を通じてバッテリ９に接続されている。U相コイル１UはU相電圧Vuを発電する。V相コイル１VはV相電圧Vvを発電する。W相コイル１WはW相電圧Vwを発電する。相電圧Vu、VvおよびVwは、電動モードではいわゆるバックEMFと呼ばれている。
スタータジエネレータは、直列発電モード、直列電動モードおよび並列発電モードをもつ。直列モードによれば、ロータ極数は並列モードと比べて３倍となる。３個の相電圧Vu、VvおよびVwのうちの任意の２つの間の各位相差は、直列モードにおいて電気角ゼロである。言い換えれば、相電圧Vu、VvおよびVwは互いに同相となる。
これにより、直列モードは単相電動モードおよび単相発電モードをもつ。
単相電動モードはエンジン始動又はトルクアシストに用いられる。単相発電モードは回生制動又は低速発電に用いられる。単相電動モードによれば、単相電流をキャパシタ８から３個の相コイル１U、１Vおよび１Wに供給するために、２つのスイッチレグ２Aおよび２Dがスイチングされる。単相発電モードによれば、２つのスイッチレグ２Aおよび２Dは、キャパシタ８を充電するために、互いに同相の３個の単相電圧Vu、VvおよびVwの和を整流する。 
並列発電モードによれば、相コイル１U、１Vおよび１Wは、３個のの相電圧Vu、VvおよびVwを別々に発電する。３個の相電圧Vu、VvおよびVwのうちの任意の２つの間の位相差は電気角１２０度である。並列発電モードは、高速領域において、バッテリスイッチ３を通じてバッテリ９を充電するために用いられる。２個のダイオードレグ２Bおよび２Cは、バッテリ９を充電するための不完全３相整流器として動作する。整流された電圧は歪んだ波形をもつ。
２個のスイッチレグ４Aおよび４BからなるHブリッジ４を通じて界磁コイル５に供給される界磁電流の方向反転により、ロータ極数は直列モードにおいて３倍増される。バッテリ９に接続されるスイッチレグ４Aは、並列モードにおいて界磁コイル５に界磁電流を供給する。キャパシタ８に接続されるスイッチレグ４Bは、直列モードにおいて界磁コイル５に界磁電流を供給する。
さらに、キャパシタ８の電圧がエンジン始動直前に所定値未満である時、Hブリッジ４および界磁コイル５は、昇圧DCDCコンバータとして働く。この昇圧において、スイッチレグ４Aの上アームスイッチ４５はオンされ、スイッチレグ４Aの下アームスイッチ４２はオフされる。スイッチレグ４Bの上アームスイッチ４１および下アームスイッチ４６は所定周波数で相補的にスイッチングされる。スイッチ４６がオンされる間、界磁電流は増加される。スイッチ４６がオフされる時、昇圧電圧はキャパシタ８に印加される。キャパシタ電圧が定格電圧に達したら、スイッチレグ４Bのスイッチングは停止される。
同期モータの単相電動モードは、モータトルクがゼロとなる死点をもつという欠点を有する。この死点問題は、内燃機関を用いることにより解決される。内燃機関のシリンダに注入された所定量の燃料は、エンジン始動初期に点火される。エンジンがスタータジエネレータの回転を始動するので、単相スタータジエネレータは回転することができる。
キャパシタ電圧がバッテリ電圧より高いので、スタータジエネレータは強力なエンジン始動トルクを発生する。さらに、極数および巻数がそれぞれ３倍増される。さらに、キャパシタ８はエンジン始動時に界磁電流を供給する。これにより、界磁電流は、エンジン始動初期に急速に増加される。
図３０は、フロントコア１２Aおよびバックコア１２Bからなるランデルロータコア１２の側面図である。界磁コイル５は、ロータ軸１０に固定されたコア１２Aおよび１２Bのボス部に巻かれている。フロントコア１２Aは、後方へ延在する２つの爪部６１および６２をもつ。バックコア１２Bは、前方へ延在する２つの爪部６３および６４をもつ。爪部６１-６４は、爪部６１-６４の凹部６０に固定された永久磁石６５-６８をもつ。永久磁石６５-６８はマグネット極と呼ばれる。永久磁石６５-６８は爪部６１-６４に埋設されることができる。マグネット極６５-６６はそれぞれN極をもつ。マグネット極６７および６８はそれぞれS極をもつ。さらに、爪部６１-６４はそれぞれ、図３０に示されるように爪部６１-６４の２つの周方向端部に別々に配置された２つのコア極６９をもつ。コア極６９はそれぞれ、爪部６１-６４の一部である。結局、２個のコア極６９および６９は、マグネット極６５-６８のうちの隣接する２つの間に配置される。
図３１は、周方向６００へ配列された爪部６２および６３を示す展開図である。図３１に示されるように、マグネット極６６および６７の各形状は本質的に台形である。他方、コア極６９の各形状は本質的に平行四辺形である。その結果、直列モードにおけるロータ磁束５０１は図３１に示されるように正弦波波形に似ている。同様に、並列モードにおけるロータ磁束５０２は図３１に示されるように正弦波波形に似ている。この並列モードにおいて、ロータ磁束５０２の波形は界磁電流により制御可能である。
界磁電流がレグ４Bからレグ４Aに流れる直列モードによれば、爪部６１および６２の４個のコア極６９はそれぞれS極をもち、爪部６３および６４の４つのコア極６９はそれぞれN極をもつ。永久磁石６５-６８の極性は界磁電流により変更されない。これにより、ロータコア１２は直列モードにおいて１２個のロータ極をもつ。
界磁電流がレグ４Aからレグ４Bに流れる並列モードによれば、爪部６１および６２の４個のコア極６９はそれぞれN極をもち、爪部６３および６４の４つのコア極６９はそれぞれS極をもつ。これにより、ロータコア１２は並列モードにおいて実質的に４個のロータ極をもつ。
図３２は、全節２層分布巻形式のステータコイル１を示す展開図である。ステータコイル１は、ステータコア１００に巻かれている。図３２に示されるように、U相コイル１Uは、スロットS１およびS４に収容されている。
同様に、V相コイル１Vは、スロットS２およびS５に収容されている。
W相コイル１Wは、スロットS３およびS６に収容されている。
図３３は、集中巻き形式のステータコイル１を示す展開図である。相コイル１U、１Vおよび１Wはステータコア１００の３つのティースに別々に巻かれている。
図３４は、並列モードにおける６個のベクトルU、-V、W、-U、Vおよび-Wを示す。図３５は、直列モードにおける６個のベクトルU、-V、W、-U、Vおよび-Wを示す。６個のベクトルU、-V、W、-U、Vおよび-Wは、図３２に示される６個のスロットS１-S６内の６個のスロット電流を示す。さらに、６個のベクトルU、-V、W、-U、Vおよび-Wは、図３３に示される６個のティース１０１から出る６個のティース磁束を示す。
バッテリ９のバッテリ電圧が所定の最高値に達する時、バッテリスイッチ３はオフされる。したがって、バッテリ９は、超高速領域におけるマグネット極６５-６８により過充電されない。たとえば、図３０に示されるロータコア１２は、直列モードにおいて２４極をもち、並列モードにおいて８極をもつ。ステータコア１００は、２４個のスロットおよび２４個のティースをもつ。極数を低減することにより、銅損および鉄損は並列モードにおいて低減される。エンジン始動の時間遅れは、界磁電流の急速な増加により短縮される。
極数を３倍増可能なもう一つのランデル型スタータジエネレータが図３６-図４４を参照して説明される。スタータジエネレータは、２個の４レグコンバータに別々に接続される２つの直列３相巻線をもつ。２つの単相電流が、直列モードにおいて２つの直列３相巻線を通じて別々に流れる。これら２つの単相電流の間の位相差は電気角９０度である。その結果、スタータジエネレータは、直列モードにおいて２相モータ又は２相発電機として働く。しかし、２つの４レグコンバータは８個のレグを必要とする。
図３６は、界磁コイル式スタータジエネレータの回路図である。スタータジエネレータは、７レグコンバータ２Xに接続される直列６相巻線１Aを採用する。ステータコイルとしての直列６相巻線１Aは、６個の相コイル１U、１V、１W、１X、１Yおよび１Zからなる。言い換えれば、直列６相巻線１Aは、直列接続された第１の直列６相巻線および第２の直列３相巻線からなる。第１の直列３相巻線は、直列接続された相コイル１U、１Vおよび１Wからなる。第２の直列３相巻線は、直列接続された相コイル１X、１Yおよび１Zからなる。
７レグコンバータ２Xは、７個のレグ２A-２Gからなる。第１の４レグコンバータは、４個のレグ２A、２B、２Cおよび２Dからなる。第２の４レグコンバータは、４個のレグ２D、２E、２Fおよび２Gからなる。スイッチレグ２A、２Dおよび２Gはキャパシタ８に接続されている。ダイオードレグ２B、２C、２Eおよび２Fはバッテリスイッチ３を通じてバッテリ９に接続されている。
スタータジエネレータは、図２９に示されるスタータジエネレータのモードと等しい直列発電モード、並列発電モードおよび直列電動モードをもつ。直列モードによれば、第１の単相電流IU=IV＝IWが３個の相コイル１U、１Vおよび１Wを通じて流れる。第２の単相電流IX=IY＝IZが３個の相コイル１X、１Yおよび１Zを通じて流れる。第１および第２の相電流の間の位相差は電気角９０度である。結局、スタータジエネレータは、２相スタータジエネレータとなる。直列モードの２相電流は、スイッチレグ２A、２Dおよび２Gを通じて流れる。
並列発電モードによれば、第１の３相電圧が３個の相コイル１U、１Vおよび１Wにより発電される。さらに、第２の３相電圧が、３個の相コイル１X、１Yおよび１Zにより発電される。ダイオードレグ２B、２C、２Dおよび２Eは、第１の３相電圧および第２の３相電圧を整流する。言い換えれば、整流された６相電圧は歪んだ波形をもち、バッテリ９に印加される。結局、スタータジエネレータは、並列発電モードにおいて、６相発電機の一種となる。
図３６は、界磁コイル５に接続された界磁電流コントローラを示す。界磁コイル５は、直列接続された３個のサブコイル５３-５５からなる。界磁電流コントローラは、Hブリッジ４およびダイオード回路７からなる。２つのスイッチレグ４Aおよび４BからなるHブリッジ４は、図２９に示されるHブリッジ４と同じである。ダイオード回路７は、直列ダイオード７４、２個の並列ダイオード７６および７からなる。
この界磁電流コントローラは、直鉄界磁モードと並列界磁モードとをもつ。直列界磁モードによれば、界磁電流は直列ダイオード７４および３個のサブコイル５５-５３を通じてスイッチレグ４Aからスイッチレグ４Bへ流れる。並列界磁モードによれば、界磁電流の一半はサブコイル５３および並列ダイオード７７を通じて、スイッチレグ４Bからスイッチレグ４Aへ流れる。界磁電流の他半は並列ダイオード７６、サブコイル５５および５４、および並列ダイオード７７を通じて、スイッチレグ４Bからスイッチレグ４Aへ流れる。
並列界磁モードによれば、サブコイル５３は、直列接続された２個のサブコイル５５および５４と並列に接続されている。サブコイル５３を流れる界磁電流の方向は、モード切替時に反転される。他方、サブコイル５５および５４を通じて流れる界磁電流の方向は、モード切替時でさえ一定である。
図３７は、モータハウジング１２により支持されるロータ軸６４に固定された端子リング１１を示す側面図である。端子リング１１はロータコア１３に隣接している。端子リング１１の４つのターミナルは界磁コイル５を不図示のスリップリングに接続する。端子７１１、７２１および７３１が図３７において示されている。端子リング１１はダイオード回路７を収容している。
図３８は、ロータ極数を３倍増可能なロータコア１３を示す模式図である。ロータコア１３は、６個のコア極１３１-１３６をもつ。さらに、ロータコア１３は、それぞれがコア極１３１-１３６のうちの隣接する２つの間に配置される６個のスロット１４１-１４６をもつ。サブコイル５３は、スロット１４５および１４６に収容されている。サブコイル５４は、スロット１４１および１４２に収容されている。サブコイル５５は、スロット１４３および１４４に収容されている。サブコイル５４および５５の界磁電流はそれぞれ一定方向をもつため、コア極１３１はN極をもち、コア極１３２はS極をもつ。他方、コア極１３３-１３６の磁気極性は、界磁電流の反転により反転される。これにより、ロータコア１３は、直列界磁モードおよび並列モードにおいて実質的に２個のロータ極をもつ。ロータコア１３は、並列界磁モードおよび直列モードにおいて６個のロータ極をもつ。
サブコイル５３の代わりにサブコイル５４および５５を流れる界磁電流の方向を反転し、サブコイル５３を流れる界磁電流の方向を維持することも可能である。サブコイル５４および５５は、ダイオード７４、７６および７７と一緒のサブコイル５３と並列に接続されることができる。さらに、界磁コイル５のインダクタンス値が並列界磁モードにおいて低減されるため、界磁電流は、直列モードにおいて急速に上昇する。コア極１３１および１３２に固定された永久磁石にサブコイル５４および５５を変更することも可能である。
図３９は、短節２層分布巻方式のステータコイル１Aを示す展開図である。６個の相コイル１U、１V、１W、１X、１Yおよび１Zは、ステータコア１００の１２個のスロットS１-S１２に収容されている。図３９に示される各矢印は、６個の相コイル１U、１V、１W、１X、１Yおよび１Zに供給される６個の相電流IU、IV、IW、IX、IYおよびIZの各方向を示す。
図４０は、並列モードにおいて、１２個のスロットS１-S１２を通じて別々に流れる１２個のスロット電流I１-I１２を示す。スロット電流は、一つのスロット内を流れる２つの相電流のベクトル和を意味する。図４０に示されるように、隣接する２つのスロット電流の間の各位相差は、並列モードにおいて電気角３０度である。図４０に示される１２個のベクトルU--Zは、１２個の相電流IU乃至-IZの各方向を示す。
図４１は、直列モードにおいて１２個の相電流IU乃至-IZの１２個のベクトルを示す。３個の相電流IU、IVおよびIWは直列モードにおいて同相となる。３個の相電流IX、IYおよびIZも直列モードにおいて同相となる。４つのスロット電流IA、IB、ICおよびIZは、図３９に示されるように、隣接する４つのスロットを通じて別々に流れる。
図４２は、集中巻き形式のステータコイル１Aを示す模式図である。ステータコイル１Aは、集中巻き形式の直列６相巻線からなる。ステータコイル１Aの６個の相コイル１U、１V、１W、１X、１Yおよび１Zの２つのセットが、ステータコア１００Aの１２個のティース１０２に個別に巻かれている。図４３は、並列モードにおける隣接１２個の相コイルを通じて流れる１２個の相電流のベクトルを示す。隣接する２つの相電流の間の各位相差は図４３に示されるように電気角３０度である。図４４は、直列モードにおける１２個の相電流のベクトルを示す。隣接する２つの相電流の間の位相差は電気角９０度である。
極数を３倍増可能なもう一つの極数３倍増スタータジエネレータが図４５-図４８を参照して説明される。図４５は、同期モータを採用するスタータジエネレータの回路図である。図４５に示されるスタータジエネレータは、図２９に示されるスタータジエネレータと本質的に等しい。しかし、図２９に示される４レグコンバータ２の代わりに、４レグインバータ２Yが採用される。さらに、図２９に示されるHブリッジ４および界磁コイル５は省略される。
コントローラ２００は、回転角センサ３００により検出された回転角に応じて４レグインバータ２Yを制御する。４レグインバータ２Yは、４個のスイッチレグ２A、２B、２Cおよび２Dからなる。これにより、スタータジエネレータは、直列発電モード、直列電動モードおよび並列発電モードに加えて、並列電動モードをもつ。並列電動モードは、デルタ接続形式の従来の３相電動モードと本質的に等しい。この並列電動モードによれば、４レグインバータ２Yは、直列３相巻線１に３相電流を供給する。スイッチレグ２Aは相電流Iuを供給する。スイッチレグ２Bは相電流Iv-Iuを供給する。スイッチレグ２Cは相電流Iw-Ivを供給する。スイッチレグ２Dは相電流-Iwを供給する。したがって、２つのスイッチレグ２Aおよび２Dは、デルタ接続形式の３相巻線に接続される従来の３相インバータの一つのスイッチレグとほぼ均等である。
図４６および図４７は、極数３倍増スタータジエネレータのロータコア１４を示す。ロータコア１４は６個のコア極１３１-１３６をもつ。コア極１３１は埋め込まれた永久磁石５５によりN極をもつ。コア極１３２は埋め込まれた永久磁石５２によりS極をもつ。コア極１３１および１３２はマグネット極と呼ばれる。
図４６は並列モードを示す。直列３相巻線１に供給される３相ステータ電流は３相回転磁界を形成する。コア極１３３-１３６は、この３相ステータ電流のｄ軸電流成分により磁化される。コア極１３３および１３４の各磁気極性はそれぞれN極となる。コア極１３５および１３６の各磁気極性はそれぞれS極となる。したがって、ロータコア１４は実質的に２つのロータ極をもつ。隣接する２つのコア極の間の機械角は電気角６０度に相当する。並列モードにおいて、ｄ軸電流成分をゼロとすることができる。
図４７は、直列モードを示す。直列３相巻線１に供給される単相電流はｄ３軸およびｑ３軸をもつ単相回転磁界を発生する。ｄ３軸は、図４６に示される３相回転磁界のｄ軸に相当する。同様に、ｑ３軸は、図４６に示される３相回転磁界のｑ軸に相当する。これにより、コア極１３３-１３６は、単相ステータ電流のｄ３軸電流成分により磁化される。コア極１３３および１３４の各磁気極性はS極となる。コア極１３５および１３６の各磁気極性はN極となる。ｄ３軸電流成分は、永久磁石５２および５５の極性を変更しない。したがって、ロータコア１４は直列モードにおいて実質的に６個のロータ極をもつ。隣接する２個のコア極の間の機械角は電気角１８０度に相当する。結局、スタータジエネレータは、永久磁石トルクおよびリラクタンストルクを発生する。
図４８は、エンジン始動ルーチンを示すフローチャートである。ステップS１００にて、ロータコア１４の回転位置が単相同期モータのトルクゼロ点である死点近傍にあるか否かが判定される。回転位置は回転角センサ３００により検出される。もし回転位置が死点近傍であれば、ステップS１０２にて、死点をもたない並列電動モードが実行される。モータ回転が開始されたか否かがステップ１０４にて判定される。もしモータ回転が開始されたなら、もしくは、回転位置が死点近傍で無ければ、直列電動モードがステップS１０６にて実行される。ステップS１０８にて、エンジン回転速度が１００ｒｐｍのような所定値を超えたか否かが判定される。３相電流を採用する並列電動モードにより、スタータジエネレータは死点近傍で始動することができる。スタータジエネレータが並列電動モードにより回転開始した直後に、直列電動モードが実行される。その結果、４レグインバータ２Yにより駆動される単相同期モータは内燃機関を始動することができる。
図４５に示される４レグインバータ２Yをもつスタータジエネレータは、図３０に示される界磁コイルロータを採用することができる。ランデル型ロータコア１２に巻かれた界磁コイル５は高いインダクタンスをもつ。これにより、図３０に示されるランデル型ロータコア１２は、界磁電流の遅延故に、エンジン始動期間の初期において４個のマグネット極だけをもつ。したがって、４レグインバータ２Yはエンジン始動期間の初期において並列電動モードを実行する。ランデル型ロータコア１２の回転はゆっくりと開始される。界磁電流の増加によりランデル型ロータコア１２が１２個のロータ極をもった後、４レグインバータ２Yが単相電流を供給する直列電動モードが実行される。その結果、４レグインバータ２Yの死点問題は、直列電動モードの前に実行される並列電動モードにより解決される。
４レグインバータ２Yの死点問題は、２個の４レグインバータに別々に接続された２個の直列３相巻線により解決される。図４９は、直列電動モードにおいて２相電動モードを実行可能なトラクションモータを示す。図４９に示される７レグインバータ２Zは、図３６に示される７レグコンバータ２Xと実質的に等しい。直列６相巻線１Aに接続される７レグインバータ２Zは７個のスイッチレグ２A-２Gからなる。言い換えれば、レグ２B、２C、２Eおよび２Fはそれぞれスイッチレグを採用する。
直列発電モードは２相電圧を発電する。直列電動モードは２相モータトルクを発生する。直列電動モードによれば、２個のレグ２Aおよび２Dは、直列接続された相コイル１U、１Vおよび１Wからなる第１の直列３相巻線に第１の単相電流IU=IV=IWを供給する。さらに、２個のレグ２Dおよび２Gは、直列接続された相コイル１X、１Yおよび１Zからなる第２の直列３相巻線に第２の単相電流IX=IY=IZを供給する。第１の単相電流と第２の単相電流との間の位相差は、電気角９０度である。結局、レグ２Aは相電流IUを供給する。レグ２Dは相電流IZ-IUを供給する。レグ２Gは相電流-IZを供給する。
並列発電モードは、６相電圧を発電する。並列電動モードは、６相モータトルクを発生する。並列電動モードによれば、レグ２A-２Dからなる第１の４レグインバータが相コイル１U、１Vおよび１Wからなる第１の直列３相巻線に第１の３相電流を供給する。レグ２D-２Gからなる第２の４レグインバータが相コイル１X、１Yおよび１Zからなる第２の直列３相巻線に第２の３相電流を供給する。
結局、７レグインバータ２Zは、並列電動モードにおいて直列６相巻線１Aに６相電流を供給する。上記極数３倍増技術は、非同期モータ又はメモリモータに採用されることができる。さらに、この極数３倍増トラクションモータは、直列６相巻線に接続される７レグコンバータの代わりに、直列接続された９個の相コイルからなる直列９相巻線に接続される１０レグコンバータを採用することができる。
提案された各モータは直列モードおよび並列モードをもつ。複数の相コイルを直列接続することにより、直列モードは、直列に接続された相コイル数の増加により、並列モードと比べて２倍以上の巻数をもつ。各モータは、唯一又はゼロの中性点スイッチと、３個より多いレグをもつパワーコンバータを必要とする。各モータは、並列モードの低抵抗値の故に低い銅損をもつ。各モータは、直列モードにおける高巻数又は高巻数かつ高極数の故に優れた低速性能をもつ。したがって、各モータは、車両用途、風力発電機および電気洗濯機のような多くの可変速用途に好適である。パワーコンバータは３個より多いレグを必要とする。しかし、直列モードにおける高EMFの故に各レグが従来の３相コンバータのレグよりも低電流を扱うことができるため、各レグはコンパクトとなる。

Claims (21)

  1. 　３個以上の相コイルからなるステータコイルと、４個以上のレグからなるパワーコンバータと、前記相コイルの直列接続数を増加する直列モードおよび前記相コイルの直列接続数を減少する並列モードを有する巻数切替部とを備える巻数切替式回転電機において、
    　前記巻数切替部は、ロータのロータ極数の変更および３個の前記相コイルを接続する中性点スイッチの駆動のいずれかにより、直列モードにおいて並列モードと比較して２倍以上の巻数と３倍以上の抵抗値を前記ステータコイルに与えることを特徴とする巻数切替式電機。
  2. 　前記ステータコイルは、前記パワーコンバータの第１の３相コンバータに接続される第１の３相巻線、前記パワーコンバータの第２の３相コンバータに接続される第２の３相巻線、および、前記パワーコンバータの第３の３相コンバータに接続される第３の３相巻線からなり、
    　前記３個の３相巻線はそれぞれ、U相コイル、V相コイルおよびW相コイルからなり、
    　前記巻数切替部は、前記第１の３相巻線のU相コイルと、前記第２の３相巻線のV相コイルと、前記第３の３相巻線のW相コイルとを接続する中性点スイッチからなる請求項１記載の巻数切替式電機。
  3. 　同相の３個の前記相コイルは、ステータコア上にほぼ円形のリングを形成する請求項２記載の巻数切替式電機。
  4. 　前記中性点スイッチは、共通の可動接点に面する３個の固定接点をもつ中性点リレーからなる請求項２記載の巻数切替式電機。
  5. 　前記第１、第２および第３の３相コンバータはそれぞれ、前記中性点スイッチに接続される１個のダイオードレグと、前記中性点スイッチに接続されない２個のスイッチレグとからなる請求項２記載の巻数切替式電機。
  6. 　前記ステータコイルは、前記パワーコンバータの第１の３相コンバータに接続される第１の３相巻線と、前記パワーコンバータの第２の３相コンバータと前記第１の３相コンバータとの間に接続されるダブルエンド型の第２の３相巻線との両方からなり、
    　前記巻数切替部は、前記並列モードと比べて前記直列モードにおけるロータ極数を倍増可能なロータを有し、
    　前記第１、第２の３相巻線のどちらかは、並列モードにおいて直列モードと比べて反対方向の起電力を発生する請求項１記載の巻数切替式電機。
  7. 　前記第１の３相コンバータは３個のダイオードレグからなり、前記第２の３相コンバータは３個のスイッチレグからなる請求項６記載の巻数切替式電機。
  8. 　前記ロータは、左コア部、中央コア部および右コア部からなるランデル型ロータコアと、前記左コア部および前記中央コア部の間に巻かれた第１の界磁コイルと、前記中央コア部および前記右コア部の間に巻かれた第２の界磁コイルとを有し、
    　前記中央コアは、前記左コアの爪部と前記右コアの爪部との間に配置される爪部を有し、
    　前記巻数切替部は、前記第１の界磁コイルへ供給する界磁電流の方向を反転し、前記第２の界磁コイルへ供給する界磁電流の方向を反転しないことにより、前記ロータ極数を２倍とする界磁電流コントローラを有する請求項６記載の巻数切替式電機。
  9. 　前記界磁電流コントローラは、直列接続された前記２つの界磁コイルに双方向性の界磁電流を供給するHブリッジと、前記直列接続された２つの界磁コイルと並列接続された第１の並列ダイオードと、前記第２の界磁コイルと直列接続された直列ダイオードと、前記直列接続された第２の界磁コイルおよび前記直列ダイオードと並列接続された第２の並列ダイオードとを有する請求項８記載の巻数切替式電機。
  10. 　前記直列ダイオードおよび前記２つの並列ダイオードは、前記ロータのロータ軸に固定される請求項９記載の巻数切替式電機。
  11. 　前記ステータコイルは、互いに直列に接続された３つの前記相コイルからなる少なくとも１個の直列３相巻線を含み、
    　前記パワーコンバータは、前記直列３相巻線の３個の前記相コイルの各端部に別々に接続される４つのレグからなる４レグコンバータを含み、
    　前記巻数切替部は、単相モードを実行する前記直列モードにおけるロータ極数を、３相モードを実行する前記並列モードにおけるロータ極数の３倍とするロータを含む請求項１記載の巻数切替式電機。
  12. 　前記４レグコンバータは、前記直列モードにおいて前記直列３相巻線の両端に接続される２つの前記レグに単相電流を流し、前記並列モードにおいて前記直列３相巻線に３相電流を流す請求項１１記載の巻数切替式電機。
  13. 　前記４レグコンバータは、スタータジエネレータに装備される前記直列３相巻線の両端に別々に接続される２個のスイッチレグと、前記直列３相巻線の他の２個の接続点に別々に接続される２個のダイオードレグとからなる請求項１２記載の巻数切替式電機。
  14. 　前記スイッチレグは、高電圧直流電源に接続され、
    　前記ダイオードレグは、低電圧直流電源に接続される請求項１３記載の巻数切替式電機。
  15. 　前記巻数切替部は、前記ロータの界磁コイルに流す界磁電流を方向を反転するHブリッジを有し、
    　前記Hブリッジの第１のスイッチレグは前記高電圧直流電源に接続され、
    　前記Hブリッジの第２のスイッチレグは前記低電圧直流電源に接続される請求億１４記載の巻数切替式電機。
  16. 　前記ロータは、界磁コイルが巻かれたランデル型ロータコアを有し、
    　前記ロータコアの各爪部は、周方向における中央部に配置された１個の永久磁石を含むマグネット極と、前記マグネット極の両側にそれぞれ配置された２個のコア極と有し、
    　前記巻数切替部は、前記界磁コイルへ供給する界磁電流を反転することにより、前記ロータ極数を切り換える請求項１１記載の巻数切替式電機。
  17. 　前記ロータは、３の倍数のコア極をもつロータコアを有し、
    　前記巻数切替部は、前記コア極の一部の極性を反転する第１の界磁コイルと、前記コア極の残部の極性を反転しない第２の界磁コイルとを有する請求項１１記載の巻数切替式電機。
  18. 　前記ロータは、３の倍数のロータ極をもつロータコアを有し、
    　前記ロータ極の一部は永久磁石を有するマグネット極からなり、
    　前記ロータ極の残部は、２つの前記マグネット極の間に配置され、前記ステータコイルに流れるｄ軸電流成分により極性を反転されるコア極からなる請求項１１記載の巻数切替式電機。
  19. 　前記ステータコイルは、直列接続された２つの前記直列３相巻線からなる直列６相巻線からなり、
    　前記パワーコンバータは、前記直列６相巻線に接続される７つのレグからなる７レグコンバータからなり、
    　前記巻数切替部は、６相モードを実行する前記並列モードと比べて前記直列モードにおけるロータ極数を３倍増可能なロータを含む請求項１１記載の巻数切替式電機。
  20. 　前記巻数切替部は、２個のサブコイルからなる界磁コイルに流す界磁電流を方向を反転するHブリッジと、前記界磁電流の反転により前記界磁コイルのインダクタンス値を変更するダイオード回路とを有する請求億１記載の巻数切替式電機。
  21. 　前記巻数切替部は、前記ロータの界磁コイルに流す界磁電流を方向を反転するHブリッジを有し、
    　前記Hブリッジの第１のスイッチレグは高電圧直流電源に接続され、
    　前記Hブリッジの第２のスイッチレグは低電圧直流電源に接続される請求億１記載の巻数切替式電機。
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