JP2007135315A - 多相交流車両モータ - Google Patents

Abstract

【課題】同じ全体的な物理的寸法を有する公知の多相交流車両推進モータよりも実質上大きなトルクを発生させることができる多相交流車両推進モータを提供すること。
【解決手段】１つまたは複数のディスク・ロータ・アセンブリと複数対のステータ・サブ・アセンブリを有する多相交流車両モータ。各ディスク・ロータ・アセンブリは、ディスクと、ロータの周縁部の内側のディスク内の１つまたは複数の円形の経路に沿って分散された複数の永久磁石とを有する。各ステータ・サブ・アセンブリは、対応する円形の経路で装着プレートに沿って分散された、対応する数の極部片とコイルを備える。ディスクは支持部材に回転自在に装着されているが、ステータ・サブ・アセンブリは支持部材に固定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の推進のために使用される多相交流モータに関する。より具体的には、本発明は、コンパクトなデザインで改良されたトルクを有する多相交流車両推進モータに関する。

多相交流車両推進モータは公知であり、自転車、オートバイ、自動車、小型トラックなどの多種多様なタイプの車両の推進のために使用されてきた。典型的なモータ設計はロータとステータである。ロータは、車両の車輪に一緒に回転するように取り付けられており、かつ複数の永久磁石を所定の磁気方向に向けてロータの円周の周りに装着している。ステータは、車両フレームに固定して装着され、かつロータの永久磁石に極めて接近して分配された複数の電磁石を備えている。電磁石のコイルが、通常三相交流またはＹ字構成で多相交流駆動回路と結合されている。駆動回路のための電力は、鉛酸蓄電池などの直流電源とその電池からの直流電力を交流電力に変換するための直流交流変換器回路とによって供給される。手動操作可能な制御回路によって交流駆動回路の周波数を変化させることができ、電磁石によって作成される磁場を交番させ、かつ回転させることによって様々な回転速度でロータを駆動することができる。公知の多相交流車両推進モータの例が、その開示が参照によって本明細書に組み込まれる、米国特許第６，１００，６１５号、第６，２７６，４７５号、第６，６１７，７４６号、さらに米国特許出願公開第ＵＳ ２００２／０１３５２２０ Ａ１号に示されている。

いくつかの公知の多相交流車両推進モータは、中空の円筒形のステータとステータ内に配置された環状のロータを使用している。他のモータは、中実の円筒形の内側ステータと外側環状ロータを使用している。両方のデザイン・タイプは、ステータ・コイルによって作成された変動する磁場と強く相互作用させるために、ロータの永久磁石がステータの円周（第１のタイプでの外側円周、または第２のタイプでの内側円周のいずれか）に沿って配置されなければならないという欠点がある。したがって、所与の組の物理的寸法に対して、ロータに装着される永久磁石の数とモータによって作成されるトルクは、ロータの円周面上で使用可能な表面空間の量に制限される。このことは、公知の多相交流車両推進モータの性能を過度に制限する。
米国特許第６，１００，６１５号 米国特許第６，２７６，４７５号 米国特許第６，６１７，７４６号 米国特許出願公開第ＵＳ ２００２／０１３５２２０ Ａ１号

本発明は、公知のモータ・デザインでの上記で述べた制限をなくし、同じ全体的な物理的寸法を有する公知の多相交流車両推進モータよりも実質上大きなトルクを発生させることが可能な多相交流車両推進モータを提供することを目的とする。

最も広い意味では、本発明は、周縁部とその周縁部の内側に配置されている本質的に円形の経路に沿って分散されている複数の永久磁石とを有するロータ・ディスクと、前記ロータ・ディスクと隣接する関係で配置された一対のステータ・サブ・アセンブリとを備える多相交流車両モータである。前記ステータ・サブ・アセンブリのそれぞれが、装着プレートと、本質的に円形の経路に沿って前記装着プレート上に分散された複数の極部片と、前記複数の極部片のうちの対応するものの周囲にそれぞれ配置された複数のコイルとを備える。

複数の永久磁石が、前記ロータ・ディスク内の２つ以上の実質上円形の経路に沿って分散させられ、前記ステータ・サブ・アセンブリのそれぞれの中の前記複数の極部片とコイルが、前記複数の永久磁石に対応するように前記装着プレートに沿って分散されている。

本発明は、一対のステータ・サブ・アセンブリを備える単一のロータ・ディスクとして、および横方向に互いに離隔された複数のロータ・ディスクと複数対のステータ・サブ・アセンブリとして構成されることができる。

車両モータが、車両モータのための支持部材上に好ましくは装着され、少なくとも１つのベアリング要素が、ロータ・ディスクを支持部材上で回転自在に支持するために設けられている。各装着プレートが、前記支持部材上での前記ステータ・サブ・アセンブリのそれぞれの回転を防止するために前記支持部材に固定されている。

本発明は、一対の横方向に離隔された端壁と、前記ロータ・ディスクと前記ステータ・サブ・アセンブリを包囲するために前記端壁の間に延びる包囲壁とを有するモータ包囲部を好ましくはさらに備え、前記ロータ・ディスクが前記包囲部に取り付けられている。前記モータ包囲部の端壁が、前記モータ密封部が前記ロータ・ディスクとともに回転するように複数のベアリング要素によって前記支持部材上で回転自在に支持されている。

本発明は、自動車、自転車、オートバイなどの様々な車両への広範囲の適用例を有する。本発明の教示に従って製造されたディスク・モータ・アセンブリは、所与のサイズのモータ・ハウジング内に装着される磁気構成要素の数が実質上多いため、従来型のモータよりも実質上大きなトルクを所与のサイズのモータに対して発生させることが可能である。また、本発明は、多相交流モータを、同じトルク出力を提供しながら、このタイプの従来型のモータよりもずっと小さなサイズに製造することができる。また、本発明の設計は、従来型の多相交流推進モータよりもかなり単純である。さらに、本発明は、円経路当たりの磁気要素の数を変化させること、円経路の数を変化させること、モータ・ハウジング内に組み込まれるディスク・ロータ・アセンブリとステータ・アセンブリの数を変化させることによって、任意の与えられた用途の推進の必要性に適合するように容易に調整することができる。

本発明の性質と利点をさらに完全に理解するために、添付の図面とともに行われる次の詳細な説明を参照されたい。

ここで図面を参照すると、図１は、本発明の第１の実施形態の断面図である。この図面でみられるように、符号１０で一般に示されているディスク・モータ・アセンブリは、ディスク・ロータ・アセンブリ２０とステータ・アセンブリ３０を備える。ディスク・ロータ・アセンブリ２０は、標準的な低摩擦ベアリング２２を用いて装着シャフト４０に回転自在に装着された中央ディスク部材２１を備える。シャフト４０は、車両のフレームに（図示せず）固定され、ディスク・モータ・アセンブリ１０の装着支持部として働く。シャフト４０は、たとえば自動車のアクスル・スタブを備えてもよい。ディスク部材２１の両面に複数の永久磁石２５ｉが固定されている。ディスク部材２１は、デルリン、ナイロン、アルミニウムまたはその他の比較的剛性の非磁性材料などの、非磁性材料から製造されている。永久磁石２５ｉは、安全な接着剤（たとえばエポキシ樹脂接着剤）での接着接合、熱接合、溶接またはそれと等価なものなどのいくつかの公知の技術のいずれか１つを使用してディスク部材２１の面に固定されている。

ステータ・アセンブリ３０は、２つの実質上同一なサブ・アセンブリ３０Ｌ、３０Ｒを備える。各サブ・アセンブリは、装着プレート３２Ｌ、３２Ｒ、複数の極部片３４Ｌｉ、３４Ｒｉ、およびそれに対応する極部片３４Ｌｉ、３４Ｒｉの外側円周の周囲にそれぞれ配置された複数のコイル３５Ｌｉ、２５Ｒｉを備える。極部片３４Ｌｉ、３４Ｒｉは、好ましくはシリコーン、鋼などの適切な磁気感受性の材料から製造され、強接着、溶接などのいずれかの適切な接合技術を使用してそれらの各装着プレート３２Ｌ、３２Ｒに固定される。装着プレート３２Ｌ、３２Ｒは、ステータ・アセンブリ３０がシャフト上で移動しないようにシャフト４０に固定して取り付けられる。

図２、３で最もよくわかるように、永久磁石２５ｉは、ディスク部材２１の２つの主な対向表面の周囲に円形パターンで配置されている。図１〜５の実施形態では、永久磁石２５ｉの２つの同心円の列が、ディスク部材２１の各主面上に配置されている。ディスク部材２１の１つの面上の各列内の永久磁石２５ｉは、各列の隣接する磁石が、反対の極性の磁気方向を有するように物理的に配置されている。また互いに背中合わせにディスク部材２１の両側に装着された磁石２５ｉは、加算される極性の磁気方向を有する。さらに、ディスク部材２１の同じ面上の異なる列の隣接する磁石２５ｉもまた、反対の極性の磁気方向を有するように配置されている。たとえば、隣接する磁石２５−１２、２５−１、２５−２は、南（Ｓ）−北（Ｎ）−南（Ｓ）磁気方向を有する（図２参照）。ディスク部材２１の両側に装着された磁石２５−１と２５−２５は、加極性のＮ−Ｓ磁気方向を有する（図３参照）。ディスク部材２１の外側の列の磁石２５−１とディスク部材２１の同じ側面上の内側の列の磁石２５−１３は、Ｎ−Ｓ磁気方向を有する。

磁石２５ｉに対するＮまたはＳのいずれかを標示された図２および３に示された磁気方向は、各磁石２５ｉの外側面での磁場の極性を示している。例示のために、図３は、Ｎ方向を有する磁石２５−１とＳ方向を有する磁石２５−２５を示している。磁石２５−１に対して、Ｎは、磁石２５−１の外側面が磁石のＮ極であり、一方磁石２５−１のＳ極が、ディスク部材２１の外側面に対向する内側面にあることを示している。同様に、磁石２５−２５に対して、Ｓは、磁石２５−２５の外側面が磁石のＳ極であり、一方磁石２５−２５のＮ極が、ディスク部材２１の外側面の向かい側にある内側面にあることを示している。すなわち、これら２つの磁石は、磁気的に加算されるように配置されている。

図４、５は、左側ステータ・サブ・アセンブリ３０Ｌに対する極部片３４Ｌｉとコイル３５Ｌｉの物理的配置を示している。右側ステータ・サブ・アセンブリは、同一の物理的配置を有する。この図面でみられるように、極部片３４Ｌｉは、ロータ・ディスク２１上の磁石２５ｉの分散に適合するように２つの同心円で装着プレート３２Ｌの面上に分散されている。好ましい実施形態では、極部片３４Ｌｉの数とコイル３５Ｌｉの数は、ロータ・ディスク２１の対向する側面上の磁石２５ｉの数と等しい。右側ステータ・サブ・アセンブリ３０Ｒの極部片３４Ｒｉの数とコイル３５Ｒｉの数についても同じことが言える。

図４で最もよくみられるように、コイル３５Ｌｉは、電気的接続の目的で３つのグループ、グループＡ，グループＢ、グループＣに分類される。たとえば、外側円のコイル３５Ｌ１、３５Ｌ４、３５Ｌ７、３５Ｌ１０はグループＡコイルであり、コイル３５Ｌ２、３５Ｌ５、３５Ｌ８、３５Ｌ１１はグループＢコイルであり、コイル３５Ｌ３、３５Ｌ６、３５Ｌ９、３５Ｌ１２はグループＣコイルである。内側円では、コイル３５Ｌ１３、３５Ｌ１６、３５Ｌ１９および３５Ｌ２２はグループＡコイルであり、コイル３５Ｌ１４、３５Ｌ１７、３５Ｌ２０、３５Ｌ２３はグループＢコイルであり、コイル３５Ｌ１５、３５Ｌ１８、３５Ｌ２１、３５Ｌ２４はグループＣコイルである。右側ステータ・サブ・アセンブリ３０Ｒのコイル３５Ｒｉも同様に分類される。

図６は、コイル・グループとの三相電機接続部を示している。グループＡのコイル３５Ｌｉ、３５Ｒｉが、入力端子ａとｂの間に接続される。グループＢのコイル３５Ｌｉ、３５Ｒｉが、入力端子ａとｃの間に接続される。グループＣのコイル３５Ｌｉ、３５Ｒｉが、入力端子ｂとｃの間に接続される。図６に示した三相モードで動作されるとき、ロータ・ディスクの角速度が、交流入力駆動電力の周波数を変更することによって変更される。このことは、当業者に公知の従来の回路で行うことができる。

図７は、単一のロータ・ディスク２１を使用しているハブ・ディスク・モータの断面図である。この図面でみられるように、ロータ・ディスク２１が、一対の端部プレート５１、５２と、端部プレート５１、５２と接続された壁密封部５３とを有するハウジング５０に固定されている。ロータ・ディスク２１が、低摩擦ベアリング２２Ｃを用いて支持シャフト４０と回転自在に結合されている。同様に、端部プレート５１、５２が、それぞれ低摩擦ベアリング２２Ｌ、２２Ｒを用いて支持シャフト４０と回転自在に結合されている。ステータ装着プレート３２Ｌ、３２Ｒが、ステータ・サブ・アセンブリの回転を防止するためにシャフト４０に堅固に固定されている。この実施形態では、追加の磁石２５ｉ、極部片３４ｉ、コイル３５ｉが、第３の円経路に設けられている。このことは、上記で説明した２つの円経路の実施形態に追加のトルクを与える。

図８は、３つのディスク・ロータ・アセンブリ２０Ｌ、２０Ｃ、２０Ｒと、３つの対応するステータ・アセンブリ３０Ｌ、３０Ｃ、３０Ｒを有する本発明の代替となる実施形態の断面図である。ディスク・ロータとステータ・アセンブリのそれぞれは、図１〜７を参照にして上記で説明したものと同一である。この実施形態は、モータに実質上追加のトルクを供給する。この実施形態では、端部プレート５１、５２が、低摩擦ベアリング２２Ｌ、２２Ｒを使用して支持シャフト４０上に回転自在に装着され、ロータ・ディスク２１Ｌ、２１Ｃ、２１Ｒが、低摩擦ベアリング２２ＭＬ、２２ＭＣ、２２ＭＲを使用して支持シャフト４０上に回転自在に装着され、ステータ装着プレート３２ｉのすべてが、ステータ・アセンブリ３０ｉの回転を防止するためにシャフト４０に堅固に固定されている。

図９は、空気タイヤ６０を有する自動車の車輪のための駆動モータとして使用するように構成された図７の実施形態の断面図である。この図面でみられるように、ディスク・モータ１０は、タイヤ６０と同軸に配置され、車輪に駆動力を供給する。壁包囲部５３が、車輪のリムの一体部品を形成してもよい。別法として、壁包囲部が、同軸で車輪に取り付けられてもよい。

図１０は、図９と同様の断面図であるが、自転車およびオートバイで使用されるものなどのスポーク付き車輪６１に対する本発明の適用例を示している。この図面にみられるように、車輪６１は、リム６３とディスク・モータ・ハウジング５０と接続された複数の個別のスポーク６２を有する。ディスク・モータ・アセンブリ１０が車輪６１に対して同心状に装着されており、車輪・ハブを形成してもよい。シャフト４０がサイクルのフォークと接続されることができる。

ロータ・ディスクの両側に配置された別個の永久磁石を設ける代わりに、ロータ・ディスクが磁気開口群を備えてもよく、ロータ・ディスクの厚さよりも厚い単一の磁石がそれぞれの開口内に設置され、磁石の各極面が、ロータ・ディスクの対向する両面から延びてもよい。図１１は、この代替となる実施形態である。この図面でみられるように、修正されたロータ・ディスク２１ａは、その中に形成された複数の開口２３ｉを有する。開口２３ｉは、その中に設置される永久磁石と同一の幾何形状を有する。たとえば、図２に示された台形状の磁石２５ｉに対して、開口２３ｉは、それに対応する台形形状を有する。この実施形態では、磁石２５ｉは、各磁石２５ｉが、事前に選択された量だけディスク２１ａの面から外向きにでるように、ロータ・ディスク２１ａの厚さよりも厚い。この構成は、必要とされる個別の磁石の総数を実質上減少させ、磁石の位置合わせ手順を単純化することができる。

ここでわかるように、本発明の教示に従って製造されたディスク・モータ・アセンブリは、所与のサイズのモータ・ハウジング内に装着されることができる磁気構成要素の数が実質上多いため、従来型のモータよりも実質上大きなトルクを所与のサイズのモータに対して発生させることが可能である。また、本発明は、同じトルク出力を提供しながら、このタイプの従来型のモータよりもずっと小さなサイズに多相交流モータを製造することができる。また、本発明の設計は、従来型の多相交流推進モータよりもかなり単純である。さらに、本発明は、円経路当たりの磁気要素の数を変化させること、円経路の数を変化させること、モータ・ハウジング内に組み込まれるディスク・ロータ・アセンブリとステータ・アセンブリの数を変化させることによって、任意の与えられた用途の推進の必要性に適合するように容易に調整することができる。このように、本発明は、自動車、トラック、自転車、オートバイを含むがそれに限定されない様々な車両に対する広い適用例を有する。

本発明が特定の実施形態に対して説明されてきたが、様々な修正形態、代替となる構造およびそれと等価なものが、本発明の精神から逸脱することなく採用されてもよい。たとえば、図示され説明された実施形態は２つおよび３つの同心状の円形の磁気要素経路を使用しているが、１つのみの円経路または３つ以上の円経路を使用する他の構成を採用することができる。また、モータ・ハウジング内に組み込まれるディスク・ロータ・アセンブリとステータ・アセンブリの数は、必要に応じて３個を超えて拡張されてもよい。したがって、上記のことは本発明を限定するように解釈されるべきではなく、頭記の特許請求の範囲で定義される。

本発明の第１の実施形態の断面図である。 図１の実施形態のロータ・ディスクの正面平面図である。 図２の線３−３に沿った断面図である。 図１の実施形態の２つのステータのうちの一方の正面平面図である。 図４の線５−５に沿った拡大断面図である。 ステータ・コイルとの交流電源接続部を示す簡単に書かれた図である。 本発明の代替となる実施形態の断面図である。 本発明の別の代替となる実施形態の断面図である。 自動車の車輪のために構成された図７の実施形態の略断面図である。 スポーク付き車輪とともに使用するために構成された図７の実施形態の略断面図である。 永久磁石のための代替となる装着構成を示す図３と同様の断面図である。

符号の説明

１０ ディスク・モータ・アセンブリ、２０、２０Ｌ、２０Ｃ、２０Ｒ ディスク・ロータ・アセンブリ、２１ 中央ディスク部材、２１Ｌ、２１Ｃ、２１Ｒ、２１ａ ロータ・ディスク、２２、２２ＭＬ、２２ＭＣ、２２ＭＲ 低摩擦ベアリング、２３ｉ 開口
２５ｉ 永久磁石、３０、３０Ｌ、３０Ｃ、３０Ｒ ステータ・アセンブリ、３２Ｌ、３２Ｒ 装着プレート、 ３４Ｌｉ、３４Ｒｉ 極部片、３５Ｌｉ、３５Ｒｉ コイル、４０ 装着シャフト、５０ ハウジング、５１、５２ 端部プレート、５３ 壁密封部、６０ 空気タイヤ、６１ スポーク付き車輪、６２ スポーク、６３ リム

Claims (20)

1. 周縁部と、その周縁部の内側に配置されている本質的に円形の経路に沿って分散された複数の永久磁石を有するロータ・ディスクと、
   前記ロータ・ディスクと隣接する関係で配置された一対のステータ・サブ・アセンブリとを備え、前記ステータ・サブ・アセンブリのそれぞれが、装着プレートと、本質的に円形の経路に沿って前記装着プレート上に分散された複数の極部片と、前記複数の極部片のうちの対応するものの周囲にそれぞれ配置された複数のコイルと
   を備える多相交流車両モータ。
2. 前記本質的に円形の経路に沿って隣接する磁石が、反対の磁極を有して配置されている請求項１に記載の多相交流車両モータ。
3. 前記ロータ・ディスクが表面を有し、前記永久磁石が前記表面に接着されている請求項１に記載の多相交流車両モータ。
4. 前記ディスクが、それに形成した複数の通し開口を有し、前記永久磁石が、前記複数の通し開口のうちの対応するものに装着されている請求項１に記載の多相交流車両モータ。
5. 前記複数の永久磁石が、前記ロータ・ディスク内の少なくとも２つの実質上円形の経路に沿って分散され、前記ステータ・サブ・アセンブリのそれぞれの中の前記複数の極部片とコイルが、前記複数の永久磁石に対応するように前記装着プレートに沿って分散されている請求項１に記載の多相交流車両モータ。
6. 前記少なくとも２つの実質上円形の経路のそれぞれに沿った隣接する磁石が、反対の磁極を有して配置され、隣接する経路内の隣接する磁石が、反対の磁極を有して配置されている請求項５に記載の多相交流車両モータ。
7. 前記ロータ・ディスクが表面を有し、前記永久磁石が前記表面に接着されている請求項５に記載の多相交流車両モータ。
8. 前記ディスクが、それに形成された複数の通し開口を有し、前記永久磁石が、前記複数の通し開口のうちのそれに対応するものに装着されている請求項５に記載の多相交流車両モータ。
9. 前記ロータ・ディスクが、第１と第２の面を有し、前記複数の永久磁石の第１の準複数物が、前記第１の面の本質的に円形の経路に沿って分散され、前記複数の永久磁石の第２の準複数物が、前記第２の面の本質的に円形の経路に沿って分散されている請求項１に記載の多相交流車両モータ。
10. 前記第１の準複数物が前記第２の準複数物内の磁石と位置合わせされ、前記面のそれぞれの上の前記本質的に円形の経路に沿って隣接する磁石が、反対の磁極を有して配置され、前記第１と第２の準複数物内の位置合わせされた磁石が、追加の磁極を有して配置されている請求項９に記載の多相交流車両モータ。
11. 前記永久磁石が前記第１と第２の面に接着されている請求項９に記載の多相交流車両モータ。
12. 前記ディスクが、その中に形成された複数の通し開口を有し、前記永久磁石が、前記複数の通し開口のうちのそれに対応するものに装着されている請求項９に記載の多相交流車両モータ。
13. 複数のロータ・ディスクと横方向に互いに離隔された複数対のステータ・サブ・アセンブリをさらに備える請求項１に記載の多相交流車両モータ。
14. 前記車両モータのための支持部材と、前記支持部材上で前記ロータ・ディスクを回転自在に支持するための少なくとも１つのベアリング要素とをさらに備え、前記各装着プレートが、前記支持部材上での前記ステータ・サブ・アセンブリのそれぞれの回転を防止するために前記支持部材に固定されている請求項１に記載の多相交流車両モータ。
15. 一対の横方向に離隔された端壁と、前記ロータ・ディスクと前記ステータ・サブ・アセンブリを包囲するために前記端壁の間に延びる包囲壁とを有するモータ包囲部をさらに備え、前記ロータ・ディスクが前記包囲部に取り付けられている請求項１に記載の多相交流車両モータ。
16. 前記車両モータのための支持部材と、前記支持部材上で前記ロータ・ディスクと前記端壁を回転自在に支持するための複数のベアリング要素とをさらに備え、前記各装着プレートが、前記支持部材上での前記ステータ・サブ・アセンブリのそれぞれの回転を防止するために前記支持部材に固定されている請求項１５に記載の多相交流車両モータ。
17. 前記モータが車両の車輪に取り付けられている請求項１に記載の多相交流車両モータ。
18. 前記車両が自動車である請求項１７に記載の多相交流車両モータ。
19. 前記車両が自転車である請求項１７に記載の多相交流車両モータ。
20. 前記車両がオートバイである請求項１７に記載の多相交流車両モータ。
    

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