JP2013502199A - マルチロータを備える一定空隙型パルスモータクラスタ - Google Patents

Abstract

電力巻線が巻き付けられた少なくとも２つの突出極部を各々が有する複数のステータ部から成り、各々のステータ部が１つのロータを含む電気モータクラスタを提供する。各々のモータは、共通のハウジング内に取り付けられて互いに角度を成して配置され、各モータ部が共通出力軸の回転に寄与するように互いに噛み合わされる。各モータは、少なくとも１つのステータ部と少なくとも１つのロータ部を備え、各ロータ部が固有のステータ部に関連付けられている。各ロータ部の横軸は、特定のモータの出力軸の軸に対して斜角を成して配置される。

Description

本発明は、電力を回転機械力に変換する電力変換装置の分野に関する。本発明はさらに、２つ以上のモータ部を有する複数モータに関する。２つ以上のモータ部は、並列動作し、モータ部のそれぞれは、２つ以上の突出極を有するステータと、いかなる種類のコイルまたは巻線も持たないロータ構造とから成り、ロータは、モータ出力軸に対して傾斜して取り付けられて、ロータ本体とそれに関係するステータ部の突出極との間の空隙が確実に一定になるように配置される。

本発明はさらに、関連電機子を有する複数モータ部に関する。電機子は、互いに位相がずれて機械的に位置決めされるが、それぞれのモータの出力ピニオンが、離れているが共通の出力軸に取り付けられたより大きな直径の共通の出力ギアに作用できるように取り付けられて、個々のモータの出力が機械的に合成されて、トルクの増幅が得られるようになる。

全ての先行技術のモータで用いられる基本概念は、通電導体（複数可）とある種の磁界との相互作用である。これは、モータの種類に関係なく言えることである。前記基本概念は、ＤＣモータ、単相交流モータ、回転磁界を利用する多相誘導スリップモータ、場合によって、外部励起される電磁石コアまたは永久磁石コアを有する多相同期モータに見られる。

この規則の唯一の例外は、印加された電流パルスに応答して、電機子の磁性材料に対する磁気「ラチェット」作用を利用するステッピングモータの設計に見られる。しかし、これらの装置には、ロータとステータとの間に一定寸法の一定の連続空隙がない。

米国特許第４，７８０，６３２号明細書 国際公開第０９／４６２４６号

先行技術では、ステータ／ロータの組み合わせが前記電機子の楕円形状に関係なく一定寸法の連続空隙を利用すると同時に、出力軸でトルクを生成する手段として個々の電機子内または電機子上にどんな通電導体、コイル、巻線、またはバーも使用しないように、個々の斜め配置された積層電機子が各々のステータ部に充てられた複数分割多相ステータが得られないことがわかる。

また、先行技術は、これらモータが減速ギア装置によってトルクの増幅を提供すると同時に機械的負荷を分担するように「並列で」協働するように設計されているとも言えない。

本開示内で記載されている特有のロータ設計を利用した先行技術の例がある。前記ロータは、「Ａｌｔｅｒｎａｔｏｒ Ｈａｖｉｎｇ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ」の電力変換装置（発明者Ｊａｍｅｓ Ｆ．Ｍｕｒｒａｙ ＩＩＩ、１９８７年１０月２１日に出願された特許出願第０７／１１２，０２５号明細書、その後１９８８年１０月２５日に認可された特許番号第４，７８０，６３２号明細書）に導入されている。

本発明と「Ａｌｔｅｒｎａｔｏｒ Ｈａｖｉｎｇ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ」とでは、以下に示すような明らかな違いがある。
１）先の発明の発電機は、この節で説明した「モータの基本概念」と併せて使用される場合のみモータとして動作することができる、すなわち、磁束と通電導体とが必要である。
２）先の発明の発電機は、動作するための突出極部が必要でない。
３）先の発明の発電機は、磁束源として電磁界巻線または永久磁石を使用している。
４）先の発明の発電機は、機能するために２つ以上のステータ電機子部が必要でない。
５）先の発明の発電機は、機能するために軸位置指示器またはいかなるの種類の整流子も必要でない。
６）先の発明の発電機は、電気を発生させるのに感応型電子制御式パルス電源が必要でない。

先の発明と本発明との任意の他の類似点は、任意の全ての回転電力変換装置が有する必要条件、例えば、軸受、軸、エンドベル、積層、機械ハウジングなどである。

一定空隙を有する単一ロータの図である。 図１に示されたモータ部の並列出力クラスタの断面図である。 図２のモータのモータコイルの通電方式を示す図である。 機械的に並列接続された８個のモータ部のコイル相互接続の概略図である。 タイミング調整のためのブラシと整流子とを有するモータクラスタの図である。 タイミング調整のための光学式エンコーダを有するモータクラスタの図である。

一実施形態では、電気モータクラスタは、各々が電力巻線の巻き付けられた少なくとも２つの突出極部を有し、各々が１つの電機子ロータを有する複数のステータ部から成る。個々のロータは、共通のフレームに取り付けられて互いに角度を成して配置され、各モータ部が共通の出力軸の回転に寄与するように噛み合わされる。

この配置により、モータの出力電力を合成し、最終の機械出力からフラッタを除去することができるだけでなく、同時に必要な減速ギアによって出力トルクを大幅に増加させることができる。本開示内で提案されている実施形態は、電気自動車推進の分野の用途で、特に、原動機が自動車のホイール内に位置する場合に申し分なく役に立つ。しかし、他の用途も容易に想定できる。

各モータ部は、２００９年６月４日に出願された国際出願ＰＣＴ／ＵＳ０９／４６２４６号、タイトル「ＰＵＬＳＥＤ ＭＵＬＴＩ−ＲＯＴＯＲ ＣＯＮＳＴＡＮＴ ＡＩＲ ＧＡＰ ＲＥＬＵＣＴＡＮＣＥ ＭＯＴＯＲ」に記載されているように、ステータと電機子要素とから成る。前記モータは、以下の特徴から成る。

積層スタックまたは成形フェライト磁心から成るステータで、機械角１８０°離間した少なくとも１組の突出磁極を備える構造で、前記ステータ構造体とモータの電機子との間に空隙ができるように配置されたステータ。各突出極部は、かなりの強度の磁界を生成する働きの電力巻線が巻き付けられ、磁界を空隙を通ってモータの電機子本体に向ける。

同様に積層スタックまたは成形フェライト形状から成る電機子で、それぞれの空隙を越えて、出力軸に対して楕円形状を維持しながら各組の円筒状輪郭の界磁極を有するように設計された電機子。前記電機子部は、いかなる種類の電気巻線も有さず、スリップリング、または界磁コイルもしくは永久磁石も必要でない。しかし、電機子セグメントは、その偏心を相殺して回転時の角度バランスを維持するために、軸に取り付けられるカウンタウェイトが必要である場合がある。

突出極部に巻き付けられた電力巻線は、ＤＣ電源によって発生され電子制御装置または機械的整流子などによって供給される電流パルスによって励起される。前記パルスは、軸位置センサまたは整流子構造によって決定されるように、特定のロータ部に利用可能な最も長い磁路に最も近い突出極に自動的に印加される。

任意のステータ極の組と電機子部とをつなぐ磁束線が形成されると、磁束線が所与のモータ内で磁気回路を完成させるのに利用できる最短の経路を確立しようとするので、すぐにモータの出力軸の機械角９０°の回転が生じる。

この動作は、大きな減速ギアを介して主出力軸に伝達され、このことにより、利用可能なトルクが増加する。本明細書内で開示されている実施形態では、複数のモータ部は、それぞれが共通の機械出力に寄与できるように位置決めされる。しかし、いくつかのモータ部が同時に励起されるので、倍数で出力電力を増加させることができる。

検出動作の時に、軸位置センサが出力軸の位置変化を電子制御装置に伝達し、その後、電流フローはそれぞれのアクティブなステータ部で終了され、即座に、次に駆動される予定のステータ部巻線で開始される。一定間隔の機械角で生じるこのスイッチング動作によって、一定の回転動作が確保される。

図１から図５は、本明細書内で開示されている本発明を構成するモータクラスタの好適な実施形態を示す。図１を参照すると、各モータ部は、ステータスタック７と、エンドベル１３内に位置する２組の軸受５によって担持される出力軸４に取り付けられる電機子アセンブリ２とを含む金属製ハウジング１から成る。

各モータ部内のロータアセンブリ２は、渦電流を抑制するように設計され、モータ出力軸４に対して４５°の角度で傾斜して直円柱の断面を形成するように機械加工されたシリコン鋼積層のスタック３、または適切な形状の成形フェライトまたは任意の他の高透磁率の磁性材料から成る。正面から見ると、ロータ構造体は円形に見える。しかし、この側面図は、４５°傾斜した楕円形である。この角度は、最適な角度ではなく、当然、本発明の精神の範囲から逸脱せずに他の角度を使用することも可能である。

さらに、各モータ軸４は、図示されるように、カウンタウェイト６を担持する場合もある。カウンタウェイト６は、偏心した電機子２設計の質量分布によって引き起こされる機械的振動を抑えることによって円滑な回転運動を確保する働きをする。各モータ軸は、図２および図５に示されるように、主出力ギアと噛み合うように設計された高速出力ピニオン１２を担持する。

各ステータアセンブリは、個々のステータ積層スタック７または磁性フェライトシリンダを含み、その積層スタック７から電力コイル９が巻き付けられた２つ以上の突出極部８が延在する。各突出極部の面１０は、一定寸法の連続空隙１１を確保するために中央の左右両側に伸ばされる。前記極面は、ロータの角度配置に関係なく、ロータ縁部の輪郭に常に平行に向けられる。当業者は、本発明の精神の範囲から逸脱せずに、各電機子に関連付けられる３つ以上の極突起部を設置することも可能であることは理解するであろう。

図２を参照すると、並列モータクラスタの概念がより詳細に明らかになるであろう。図示されている実施形態は、時計回りに９時位置からＭ１〜Ｍ２と番号付けされた８個の個々のモータ要素を利用する。モータ要素は、円形フレーム２１に４５°の間隔を成して取り付けられる。各モータ要素は、積層された４個の電極ステータスタック２２と、空隙２８と、楕円形ロータ２７と、個々のモータ出力軸２４と、出力ピニオン２３とから成る。さらに、各出力ピニオンは、主出力軸２６を駆動する中心の出力ギアまたは「ブルギア」２５と噛み合うことに留意されたい。

この配置により、４個のモータは、４５°の間隔で電力のオーバーラップおよびトルク分担が生じて、いつでも励起されるようになる。この特徴により、全トルクが出力軸に円滑に伝達されるようになり、それぞれの関与するモータが互いに位相のずれた出力トルクを生じるので、より連続的に電力を供給することができる。操作時のモータの全体の動作は、図３に示されているコイル励起真理値表を参照することで理解できるが、電力コイルの相互作用の概略は図４に示されている。図３では、それぞれのグラフの水平部分は励起されたコイルを示し、グラフの傾斜部分は励起コイルの磁気リセットを示している。図２に関して上記本文で説明したように、８個のモータのコイル組が示されている。

図４を参照すると、スイッチＳ１Ａ〜Ｓ８ＡとスイッチＳ１Ｂ〜Ｓ８Ｂとが各モータ部の電力巻線のコイル組を制御するのに使用されることがわかる。コイル組は、図２に示されている各モータに対してＡ、Ａ´およびＢ、Ｂ´と表示されている。これらのスイッチは、概略的に正確であるが、電子モータ制御装置内に位置するソリッドステートスイッチング装置、またはより従来式の整流素子に位置する実際の接触バーのいずれかを示す場合がある。

図５Ａおよび図５Ｂは、本発明の２つの変形形態を示している。図５Ａは、従来の電気機械整流素子５６、５７を使用した並列モータクラスタの概念を実証した形態であるが、図５Ｂは、軸取り付けエンコーダ５９とマイクロプロセッサと電子モータ制御装置とを使用したより最新の手法を実証した形態である。いずれのシステムもＤＣ電源および過剰な「誘導エネルギー」が向けられる蓄電器（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｍｐ）が必要であることに留意されたい。この「蓄電器」が前記誘導エネルギーを消費する負荷抵抗を備えてもよいし、または蓄積電位が他の価値のある所要電力を供給するのに利用されてもよい。

図５Ａおよび図５Ｂを参照すると、それぞれの構造は、モータクラスタハウジング５１と、個々のモータ出力軸５３に取り付けられた複数の高速モータピニオン５２と、主出力軸５５に取り付けられた中心のブルギア５４とを含むことがわかる。しかし、図５Ａは、標準的な炭素ブラシ接触器５７を有する機械的整流素子５６を利用するが、図５Ｂに示されている装置は、軸エンコーダ５９とエンコーダピックアップ装置６０とを使用する。

図５Ｂを見ると、エンコーダアセンブリから取得された電子信号はマイクロプロセッサおよび電子モータ制御装置に送信され、電力パルスは別個にモータ制御装置によって励起された出力導体を介して個々のモータ巻線に独立して向けられる。あるいは、図５Ａに示された構造では、これらの機能が電気機械的に行われるので、現在のソリッドステートスイッチング装置によって管理され得る場合より大きい電力の制御が必要である状況では有利である場合がある。しかし、最終的には、いずれのシステムも図３に示されている結果が得られ、いずれのシステムも最終的には誘導エネルギーを崩れた磁界から回路網５８で示された蓄電器に向ける。

本願で説明され、関連する図１から図５に示されている実施形態は単なる例示を目的としたものであって、当業者は本発明の精神の範囲内で上述の実施形態に対して修正や変更を加えてもよいことは理解するであろう。

Claims (6)

1. 複数の一定空隙のリラクタンスモータ部であって、各々がロータとステータとを有し、各々が１つの出力軸を駆動するモータ部と、
   出力軸位置変換器と、
   モータ制御装置と
   を備えるモータクラスタであって、
   前記モータが、前記モータ部の第１のロータとステータとの角度関係が前記モータの第２のロータとステータとの角度関係と異なるように前記１つの出力軸に物理的に接続され、前記モータ制御装置が、減速ギアアセンブリを介して前記ロータと前記１つの出力軸とを回転させるために前記ステータに電力を印加する、モータクラスタ。
2. 前記出力軸がブルギアを備え、前記複数のモータの各々がピニオンギアと共に前記ブルギアに接続される、請求項１に記載のモータクラスタ。
3. 前記ステータへの電力の印加が、１つのモータから次のモータへとスタガーされる、請求項１に記載のモータクラスタ。
4. 各モータが、
   ステータ極とステータ巻線とを有するステータと、
   磁路要素を有するロータであって、前記磁路要素がロータ軸の長手方向軸に対して傾斜して前記ロータ軸に取り付けられ、前記ロータ軸が回転される時に前記ステータ極との一定空隙をもたらす形状を有するロータと
   を備える、請求項１に記載のモータクラスタ。
5. 前記磁路要素が、鉄積層スタックまたは固体フェライト楕円板を備える、請求項４に記載のモータクラスタ。
6. 前記ステータ極が、間に前記ロータとロータ軸とを有する電極組で位置決めされて、ステータ巻線に電流が供給されるとステータ内で別個の磁界回路を形成し、その結果、前記電極組の各々の前記電極に１つの磁極性を有する磁界が確立され、前記電極組の前記各電極が反対の磁極性を有する、請求項４に記載のモータクラスタ。

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