JP2000502875A - 電気モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 新規な電気モータは、同軸的に離間し分離している２個のアーマチュア（１、３）と、２個のアーマチュア間に配置されたマグネットを備えたロータ（２）とによって構成されている。一方のアーマチュア（１）はモータハウジング（９）に固定され、他方のアーマチュア（３）は回転自在で、アーマチュア（３）と一体の中心部であるモータ出力シャフト（５）を備えている。ロータ（２）は両方のアーマチュア（１、３）に対しロータとして動作し、各アーマチュアとの相互作用のために両側に磁極対を有している。このようにして本モータは共有のロータ（２）を有する２個の部分モータによって構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】 電気モータ 本発明は電気モータに関する。 通常の電気モータの問題点の１つにドライブシャフトが低回転速度で動作して いる時、電気モータの効率が悪くなることが挙げられる。例えばクレーンを持ち 上げる時などに、低速でも効率よく動作するという特徴があり、中立位置でも強 いトルクを維持しなから容易にかつ効率よく回転方向を変更できるようなモータ は非常に有利である。 ドイツ国特許出願公開第２２３７０９９号と第２９２８７７０号に記載されて いるトルクコンバータはシャフトをドライブモータに接続しコンバータの一部が 発電機、別の部分がモータとして動作することで作り出す自己誘導電圧を利用し ている。この２つの部分間の電圧を制御することで、駆動モータの回転速度に関 係なく出力シャフトの回転速度およびトルクをコントロールすることができる。 しかしこの場合、トルクコンバータの発電機部分に接続された駆動モータに全面 的に依存することになる。コンバータ装置は実際は応用流体力学的解決に代わる ものとして設計されている。 米国特許第４，５３２，４４７号でもトルクコンバータあるいは変速機が開示 されている。このコンバータは外部固定アーマチュア（固定子）、中間ロータ、 中間ロータ内の中央に配置されたロータによって構成されている。中間ロータは ２組の巻線を備えており、外部巻線は外部固定アーマチュアと相互作用し、内部 巻線は内部ロータに影響する。 上記特許によるコンバータは内部ロータを駆動ユニット（例えば、車のエンジ ン）に接続し、中間ロータをギアボックスに接続することでトルク調整機として も動作するようである。ただし回転速度とトルクのコントロールは、動作の間、 対極が相互に正しい位置にあるよう絶えずコントロールし続けるという非常に複 雑な方法で行う。しかも伝達される動力は中間ロータの巻線の大きさによって決 まるため、比較的かさはる装置にしなけれは伝達される動力の大きさか制限され てしまうようである。 英国特許出願公開第ＧＢ−Ａ−２，２７１，０２５号に、本発明の特徴とやや 関連した特徴を有する電気モータが開示されている。この先行技術のモータはモ ータハウジングに固定的に取り付けられた２個の固定子（アーマチュア）と、こ の２個の固定子間に配置された環状ロータによって構成されている。このロータ はアームすなわち「スポーク」でメインシャフトに固定された幾つかの小さい永 久磁石または帯磁可能なユニット（例えば、コイル）によって構成されている。 さらに、この英国特許出願には、各コイルあるいは磁石が各軸を中心に回転可 能で、外部固定子に電圧が供給された時に発生するトルクを吸収するためにシャ フトが回転しないと記載されている。内部固定子および／あるいは回転ユニット への電圧供給によって各回転ユニットに制動がかかりシャフトが回転し始める。 この先行技術では速度をコントロールするために２個のアーマチュアに与える 周波数あるいは電圧を様々に変化させる。 しかしなから、このロータはシャフトに固定的に取付けられており、アーマチ ュア間で回転しシャフトに対して周辺に（放射状に）位置する幾つかの分離した 小さいロータによって構成されている。電圧はスリップリングあるいは同様のも のを経由して小さいロータに供給される。幾つかのコイルまたは磁石は、アーマ チュア間でシャフトに対して放射状に各軸を中心に回転し、シャフトに取り付け られたアームに固定されているという設計のために装置は比較的複雑になり、ま た大きい動力を伝える必要かある場合、モータは比較的大型になってしまう。 ドイツ国特許出願公開第４３４１１２８号で開示されている円筒形モータは回 転自在のロータを有し、そのためモータは出力シャフトの回転速度か２つの部分 モータの回転速度の差として現れる「ダブルモータ」となる。しかしこのモータ は円筒形の実施態様に制限され、しかも回転速度がゼロ近くの範囲での使用を意 図して製造されていないことは明らかである。元来この先行技術は高出力シャフ ト速度のために設計されている。 したがって、回転速度が静止状態まで制御可能で、静止状態でも出力シャフト に最大トルクを付与することかでき、モータ出力シャフトの回転方向を変えるた めにモータを停止させたり再始動させる必要がない電気モータが求められている 。 本発明は上記の要求を満たす電気モータであり、本発明によるモータは添付さ れた請求項１に正確に定義されている。本発明のそれ以外の特定の実施態様はそ の他の請求項に記載されている。 以下に、添付図面を参照しながら幾つかの実施態様の例を詳しく説明すること によって、本発明はさらに明らかになるであろう。 図中、 図１はディスク型ＡＣモータの形態の本発明によるモータの長手方向断面図で あり； 図２は本発明により組み立てられたディスク型ＡＣモータの長手方向断面図で あり； 図３は軸方向に延長されたロータ部を有するディスク型モータであり； 図４は２個の部分モータの回転速度の差の関係を示す線図であり； 図５は本発明によるモータの実施態様をより詳細に示す。 図１はディスク型ＡＣモータの形態の本発明によるモータの第１の実施態様の 軸長手方向の断面を概略的に示す。ここで言う「ディスク型」とは固定的に取付 けられたアーマチュア１、回転する磁極ホイール（すなわちロータ）２、回転可 能なアーマチュア３のいずれもディスク状で並設されており、ロータ２と回転可 能なアーマチュア３の回転中心となる共有の軸４を有することを示す。 前記のようにアーマチュア１はモータハウジング９に固定され据え付けられて おりこのアーマチュアの巻線あるいはコイルは周波数コンバータ１０から接続盤 ８を経由してＡＣ電圧を受ける。同様に、回転可能なアーマチュア３の巻線ある いはコイルは、前記と同じ方法でブラシとスリップリング７を経由して波数コン バータ１０の他とは無関係の独立した部分からＡＣ電圧を受ける。 回転可能なアーマチュア３はその中心にモータ出力シャフトであるシャフト５ を有し、シャフト５はモータハウジング９に取り付けられたボールあるいはロー ラ軸受け６上で回転する。回転可能な磁極ホイール２は、一方の側にある固定ア ーマチュア１、および他方の側にある回転可能アーマチュア３との相互作用のた めに原則として永久磁石を備えている。このように、モータは原則的に「２個の 部分モータ」によって構成されており、ロータ２は、アーマチュア１とロータ２ から構成される部分モータシステムとアーマチュア３とロータ２から構成される もう１個の部分モータシステムの両方でロータとなる。以下、アーマチュア１と ロータ２から構成される部分モータシステムをＭ１、アーマチュア３とロータ２ から構成される部分モータシステムをＭ２と言う。 回転自在のロータの永久磁石は、この技術分野において通常言えることである が、コイルで代用可能である。しかしその場合、磁化電流をロータに提供するの にブラシ／スリップリングを経由しなければならない。ロータ２の永久磁石また はコイルは、ロータの各側で磁極対を形成している。アーマチュア１と３の間に 位置しているロータあるいは磁極ホイール２は同時にこの２つのアーマチュアの ロータとして機能し、モータハウジング９の中央部で内側に向かって突出してい る部分に取り付けられているローラまたはボール軸受上を回転する。しかし、ロ ータあるいは磁極ホイール２は、シャフト５によって支持し、ローラまたはボー ル軸受上で回転させることもできる。 Ｍ１に電圧をかけることによって、回転自在のロータ２を特定の角速度ω１で 回転させ、同時にＭ２にも電圧をかけることによって、回転可能アーマチュア３ に対して、ロータ２を同じ回転速度（ω２＝ω１）で回転させる。しかし逆の回 転方向ではシャフトの回転速度ωｓはゼロに等しくなり、シャフト５のトルクは Ｍ１とＭ２の動力の大きさと回転速度によって決まる。 本発明によるモータでは、周波数コンバータ１０からの周波数を変えてω１あ るいはω２のいずれか一方の速度、または両方の速度を同時に変更し、回転速度 ω１とω２の差に等しい速度ωｓでシャフトを回転させることができる。その時 のシャフト動力はＭ１とＭ２の動力差に等しくなる。 本発明によるモータでは、速度ω１およびω２のの合計が常に一定となるよう に同時に変更することで、シャフトの回転速度ωｓを速度ω１とω２の差に等し い速度に変更でき、またこれと同時にシャフトトルクを該回転速度での負荷トル クに適合できる。 本発明ではまた、速度変更時においてもシャフトの回転速度が常に一定で回転 速度ω１とω２の差によって決定され、シャフトトルクは常に負荷トルクによっ て決定されるように速度ω１とω２速度を変更できる。 前記の配慮の多くは図２に表した実施態様についてもあてはまる。図２は図１ と類似した構成を示し、図２中、図１と同じ参照番号はそれぞれ相応する部分を 示すが、電圧調節器１３から駆動電圧を受けるＤＣモータである。この場合、電 圧はブラシとスリップリング１１を経由してロータ２に供給され、その後さらに ブラシ／整流子１２を経由して２個のアーマチュア１と３の巻線に供給される。 これは図１で示したモータに類似したディスク型モータの実施態様である。 図２のＤＣモータも、ＡＣモータについて記載したと同様に動作するが、周波 数コンバータの出力周波数は変更せず、代わりに電圧調節器１３からの出力電圧 を変更し、それによってそれぞれＭ１とＭ２の回転速度ω１とω２を変更する（ ＡＣモータの場合と極めて類似した名称が使用されている）。 図３は、ＤＣモータとＡＣモータの両方の形式について述べた前記のディスク 型モータのコンセプトの一つの変形を示す。図３に示すモータは前記の実施態様 と出発点では類似しているが、特にロータ２が異なる。この場合のロータは実質 的に３つの部分から構成されており、第１の部分は２個のアーマチュア１と３の 間に、他の２つの部分はそれぞれのアーマチュアの外側にあり、これのロータの ３つの部分は２個のアーマチュアの半径方向外側に位置する円筒形の部分によっ て相互接続されている。このような設計ではロータの３部分はそれぞれアーマチ ュアの巻線と相互作用のための磁極対を備えた磁石をアーマチュアに面する側に 有しているので、モータの直径を大きくしなくとも高い動力を得られる。図３に は詳細な電気的接続を示さないが、ＤＣおよびＡＣのモータ動作のそれぞれにつ いて前記した方法に対応する方法で設計することができる。 図４に回転速度値間の関係を示す。シャフト回転速度は回転速度ｎ１とｎ２の 差に等しい。回転速度ｎ１とｎ２の和をモータの相対回転速度と定義し、ｎ１と ｎ２を同時に制御する際、その和か一定値となるようにする。数学的に回転速度 の関係を以下のように表すことができる。 ｎｓ＝ｎ１−ｎ２ ｎｒ＝ｎ１＋ｎ２＝一定 ｎ１＝（ｎｒ＋ｎｓ）／２ ｎ２＝（ｎｒ−ｎｓ）／２ （式中、 ｎｓ＝シャフト回転速度 ｎｒ＝モータの相対回転 速度ｎ１＝Ｍ１回転速度 ｎ２＝Ｍ２回転速度） トルクはモータ全体で同一であり、したがって Ｔｄｓ＝Ｔｄ１＝Ｔｄ２ となる。 また数学的にモータのシャフト力を以下のように表すことができる。 Ｐｓ＝Ｔｄｓ×ωｓ＝Ｔｄｓ×（ω１−ω２） ＝（Ｔｄ１×ω１−Ｔｄ２×ω２）＝Ｐ１−Ｐ２ （式中、 Ｐｓ＝モータシャフトパワー Ｔｄｓ＝シャフトトルク ωｓ＝シャフト角速度 ω１＝Ｍ１角速度 ω２＝Ｍ２角速度 Ｐ１＝Ｍ１パワー Ｔｄ１＝Ｍ１トルク Ｐ２＝Ｍ２パワー Ｔｄ２＝Ｍ２トルク） 一般にＰｓ＞０（例えば、積荷を持ち上げる時）の時、出力シャフトのトルク 方向によって、速度が最大のモータ部分（例えば、Ｍ１）は常にモータとして動 作し、それ以外の部分（例えは、Ｍ２）は常に発電機として動作する。 純電力消費量は Ｐｎｅｔ＝（Ｐ１／η１−Ｐ２×η２）／ηｍ となる。 （式中、 η１＝Ｍ１電気効率 η２＝Ｍ２電気効率 ηｍ＝モータの機械効率） 一般に動作中の電気モータは、摩擦の他、電気損および機械損過程、即ち伝導 損や鉄損により熱を生じる。磁極ホイール／ロータ２上にファンを取付けてモー タを冷却することができる。このファンは動作中は絶えず回転し、またシャフト が静止している時も回転し、そのファンで冷却空気の流れかモータ内部を通過す るようにする。 本発明のモータは、例えば出力シャフトが静止状態でも全トルク負荷状態でも 、電気損や機械損過程で生じた加熱空気を完全に交換できる。 本発明のモータのもう１つ注目すべき点は、例えばＭ１などの１個の部分モー タは一定の速度で動作させ、もう一方の部分モータ（この場合はＭ２）の速度を 調節するという方法で運転できることである。従って、調節方式を単純にできる 。シャフト回転速度は常にそれぞれの部分モータの回転速度の差に等しくなる。 動力とトルクも２個の部分モータ回転速度の値を調節する場合と同じ方法で調節 す る。 図５に、本発明のモータの実施態様、即ち図２に概略的に示した実施態様がよ り詳細に示されている。 前記同様、参照番号１は固定アーマチュアを指し、そのコイルコアは電気鉄薄 板あるいは鉄粉から成る。参照番号１４はコイル巻線を示す。固定アーマチュア １はモータハウジング９に取り付けられている。回転自在の磁極ホイール２（ロ ータ）は永久磁石を有する。回転アーマチュア３は固定アーマチュア１に対応す る構造であるが中央部で外方に向かって突出しているシャフト５に取り付けられ ている。シャフト５はモータハウジング内でローラまたはボール軸受６で支えら れている。アーマチュアとロータは何れも共有軸４のまわりに構成されている。 参照番号１１は電圧をブラシ／整流子を経由してコイル巻線に供給するためのブ ラシおよびスリップリングを示す。すなわち電圧はロータ２に入り、その後ブラ シ１２と整流子１６を経由して両方のアーマチュアのコイル巻線に到達する。参 照番号１５は整流子からコイル巻線までの導線の接続箱を示す。ロータ２の設計 について注目すべきは、アーマチュアのコイル巻線に電圧を送る仲介機能を果た すのに適するよう外周が延長され、安定した支持・回転を得るために中央部が延 長されていることである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．実質的に円対称形状で同軸的に離間されそれぞれのアーマチュア巻線を有 する２個の分離したアーマチュア（１、３）と、 ２個のアーマチュア（１、３）に対して同軸的に配設され、磁石または電磁石 を備えたロータ（２）であって、ロータ（２）はモータ内において回転自在に支 持され、前記アーマチュアの一方（１）はそれを取り囲むモータハウジング（９ ）に固定されて静止アーマチュア（１）を構成し、出力シャフト（５）かロータ （２）およびアーマチュア（１、３）と同軸的に配置された電気モータにおいて 、 モータは、アーマチュア（１、３）が実質的にディスク形状で、同じ外径を有 し、平行に立設されたディスクモータであり、 ロータ（２）は少なくとも２個のアーマチュア（１、３）の間に配置されてお り、 ロータ（２）は、アーマチュア（１、３）の方を向いた各側面上に配設された 磁極対を有し、 他方のアーマチュア（３）は出力シャフト（５）に固定され、 両方のアーマチュア（１、３）に等しい駆動電圧が供給されロータ（２）のみ が回転する静止状態において出力シャフト（５）がトルク負荷を出力できるよう に適合されていることを特徴とする電気モータ。 ２．アーマチュア（１、３）の一方の上に設けられたアーマチュア巻線が一定 または周波数の変化するＡＣ駆動電圧を供給するための第１手段（１０）に接続 され、他方のアーマチュア（１、３）が周波数の変化するＡＣ駆動電圧を供給す るための第２手段（１０）に接続されており、出力シャフト（５）上のアーマチ ュア（３）がブラシとスリップリング（７）を介して供給手段に接続されている ことを特徴とするＡＣの形態の請求項１に記載の電気モータ。 ３．静止アーマチュア（１）と回転可能アーマチュア（３）の両方のアーマチ ュア巻線が整流子／ブラシ手段（１２）を介してロータ（２）上の導体に接続さ れ、この導体は、リング／ブラシ手段（１１）を介して駆動電圧をアーマチュア （１、３）に供給するための手段（１３）に更に接続され、駆動電圧供給手段（ １３）の少なくとも一つが変化する電圧を供給するための電圧調節器であること を特徴とするＤＣの形態の請求項１に記載の電気モータ。 ４．ロータ（２）が３つの部分を有し、第１の部分か２個のアーマチュア（１ 、３）の間に位置し、残りの二つの部分が２個のアーマチュア（１、３）の軸方 向外側に位置し、２個のアーマチュア（１、３）の半径方向外側に位置する円筒 形状の部分によって３つ部分が相互に接続されていることを特徴とする請求項１ 、２、又は３に記載の電気モータ。 ５．ロータ（２）の回転速度とロータ（２）に対する回転アーマチュア（３） の回転速度が反対の回転方向であり、２個のアーマチュア（１、３）の各々の上 に設けられたアーマチュア巻線のための周波数または電圧を、前記二つの回転速 度が同時に変化し、かつ回転速度の和か一定に維持されるように変化させ、これ により出力シャフト（５）の回転速度を最初に述べた二つの回転速度の間の差と して変化させるようにしたことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載された 形式の電気モータの動作方法。 ６．２個のアーマチュア（１、３）の各々の上に設けられたアーマチュア巻線 のための周波数または電圧を変化させて、ロータ（２）の回転速度とロータ（２ ）に対する他方のアーマチュア（３）の回転速度がそれらの間の差を一定に 保って変化させ、これにより出力シャフトの回転速度を一定に維持するようにし たことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載された形式の電気モータの動作 方法。 ７．アーマチュア（１、３）の内の一方に供給する電圧の大きさと周波数を一 定にし、アーマチュア（１、３）の内の他方に供給する電圧の周波数または大き さを調節し、これにより出力シャフト（５）の回転速度を一定の回転速度と調節 可能な回転速度の間の差として変化させるようにしたことを特徴とする請求項１ 〜４の何れかに記載された形式の電気モータの動作方法。