JP2009545292A - 軸方向に変形可能なローターアセンブリを有する電気モーター - Google Patents

Abstract

永久磁石電気モーターＡにおけるローター（２８）を、作動力下でステーター（１４）に対して軸方向に動かすことを可能にするための、そのような動きにおいて摩擦滑りを経験することがない機械的構造（１６）。ローター（２８）がステーター（１４）から遠ざかるにつれて、モーター磁場が弱まり、モーターＡが高い速度において効率的に作動することを可能とし、定電力下で速度範囲を広げる。

Description

関連出願との相互参照
この出願は２００６年７月２４日に出願され、参照することによりここに援用される米国特許番号６０／８２０、２１１の優先権を主張する。

技術分野
本開示は、概して永久磁石電気モーターに関し、特には、幅広い範囲の速度およびトルク用途に適応するために、ローターアセンブリと、ステーターアセンブリとの間のモーター空隙を選択的に変更するための、軸方向に調整可能なローターを有する、改良された永久磁石電気モーターに関する。

永久磁石モーターに関しては、低速で高いトルクを有する永久磁石モーターと、広い速度範囲を有する永久磁石モーターとの間に得失評価が存在する。もし永久磁石モーターが多量のローエンドトルクを生じるように構築されると、トップエンド速度は低減される。もし高いトップ速度が必要とされるなら、永久磁石モーターはローエンドトルクを犠牲にして構築される。

電気自動車における使用のためには、トランスミッションアセンブリ（それはコストおよび複雑さを増加させる）の必要性を避けるために、永久磁石モーターの速度範囲を広くし、かつ、許容される速度で自動車を加速させるために十分なトルクを提供するための、低速での高いトルクと、モーターの高いトップ速度の両方を有することが望ましい。現在、これらの問題に対応するためのいくつかの方法がある。これらの現在の方法は、ステーターコアの流速密度を低減させる。これらの方法は、一般的に：（１）ステーターにおける流速密度を変更するためにローターおよびステーターの間の空隙を変える操作、および、（２）ステーター上の永久磁石の磁場と反対の磁場を生じさせる電流をステーターへ導入する操作を伴う。

上記空隙を変えることは、ローターがステーターに対して軸方向に動くにつれて、機械的構成部品間の摩擦滑りを伴う、極めて複雑な機械的アセンブリを必要とする場合が多い。しかしながら、トルク荷重下では、摩擦滑りは問題となり得る。例えば、摩擦滑りはスティックスライド現象と関連することが多く、所望の空隙を制御することに大きな課題を課す。

機械的構成部品間の摩擦滑りによって制限されず、それ故に、広い範囲のトルクおよびモーターの速度設定に適応するための調整をトルク荷重状態下で容易にできる、ローターアセンブリを軸方向に調整するためのメカニズムの提供は有益である。

概して、本開示は、そのような動きにおいて摩擦滑りを経験することがない、永久磁石電気モーターのローターを、作動力下でステーターに対して軸方向に動かすことを可能にするシンプルかつ効果的な機械的構造を提供する。ローターがステーターから遠ざかるにつれて、モーター磁場が弱まり、モーターが高い速度において効率的に作動することを可能とし、定電力下で速度範囲を広げる。

この開示の上述した特徴および利点、並びに、その現在好ましい態様は、図面を伴う以下の記述を読むことによってより明らかになる。

本明細書の一部を構成する添付の図において、図１は、本開示に従って構成され、本開示を具体化する、ステーターアセンブリおよびローターアセンブリを説明する、永久磁石電気モーターの切り取られた斜視図である。 図２は、図１の上記モーターの端部平面図である。 図２Ａは、図２の２Ａ−２Ａ線に沿った断面図である。 図３は、上記ステーターアセンブリおよびローターアセンブリの構成部品を説明する、図１の電気モーターの切り取られた分解斜視図である。 図４は、図３のローターアセンブリの、切り取られた斜視図である。 図５は、図４のローターアセンブリの軸方向に変形可能なカプラーの、切り取られた斜視図である。 図６は、図４のローターアセンブリのディスク止めフランジの切り取られた斜視図である。 図７は、図１のローターアセンブリのローターシャフト３２の、切り取られた斜視図である。 図８は、図１のモーターのステーターアセンブリの、切り取られた斜視図である。 図９は、図８のステーターアセンブリの前面ハウジングの斜視図である。 １０図は、図１のモーターのベアリングサポートの斜視図である。 １１図は、本開示に従って構成され、本開示を具体化する、交互軸方向に変形可能なカプラーの、切り取られた斜視図である。 １２図は、図１１の変形可能なカプラーの、切り取られた分解斜視図である。 １３図は、ローターへ据え付けられた上記交互変形可能なカプラーの切り取られた斜視図である。 対応する参照番号は、図面の数々の図を通して、対応する部分を示す。当然のことながら図面は、本開示のコンセプトを説明するためのものであり、正確な縮尺ではない。

下記の詳細な記述は、一例として本開示を説明するものであり、本開示を制限するものではない。上記記述は、当業者に本開示を作り使用することを可能とし、現在本開示を実施するために最良の形態であると信じられているものを含め、本開示の数々の実施態様、適応、変化、代替案、および使用について記述する。

図を参照すると、概してＡとして示され、可動空隙１０を有する電気モーターが示されている（図１、２および２Ａ）。上記電気モーターＡは、概して１４として示されるステーターアセンブリへ稼働可能に接続されたハウジング（図示せず）を有する。また、電気モーターは、概して１６として示される、ベアリングカップ１８によって上記ハウジング内に支持されるローターアセンブリを有する。上記ローターアセンブリ１６は、上記ステーターアセンブリ１４およびローターアセンブリ１６の間に配置された可動空隙１０とともに上記ハウジング内に支持される。図３に示すように、上記ローターアセンブリ１６は、２つのシャフト支持ベアリング２０Ａおよび２０Ｂ、スペーサー２２、軸方向に変形可能なカプラー２４、ディスク止めフランジ２６、磁石３０付ローター２８、および、シャフト３２を有する。一態様において上記磁石３０は、その北を向く面で上記ローター２８へ付着し、交互配列において、南を向く面が外側へ配列されている。

次に図４を見て、図３を参照すると、上記ローター２８は、ボルトなどの締め具（図示せず）を介して上記カプラー２４へ固定される。上記軸方向に変形可能なカプラー２４は、上記ローター２８をシャフト３２へ連結するために、上記シャフト３２のスプラインまたはキー溝を通して上記シャフト３２へ固定される。上記カプラー２４は、ベアリング２０Ａ、Ｂの設置を通して、上記スペーサー２２および止めフランジ２６の間に、上記シャフト３２上にしっかりとクランプ締めされる。図示されるように、上記ローター２８は、上記ローター２８および上記シャフト３２の間のすき間３６とともに上記軸方向に変形可能なカプラー２４によって上記シャフト３２へ連結する。

図５を参照すると、上記軸方向に変形可能なカプラー２４は、上記シャフト３２と同軸な軸方向スプリング構成部品３８を有する（図４）。一態様においては、上記軸方向スプリング構成部品３８は、上記カプラー２４内に加工または形成された、ギャップ４２によって互いに隔離されたスプリング部材４０を有する。上記カプラー２４は、異なる製造プロセスおよびコストターゲットに適合するように、多数の部品から作られていてもよい。全ての構成および製造手段は、この開示の範囲に含まれると解する。

上記カプラー２４は、強いねじり剛性を有するが、後述するように、上記ローター２８へ与えられた軸方向の力に応じて、ローター２８がシャフト３２に対して軸方向に沿って動く、および、上記ステーターアセンブリ１４と相対的に軸方向に動くことを可能とする。上記動きは、上記カプラー２４の軸方向の変形を通して達成される。上記カプラー２４の機械的構造は、上記カプラー２４が上記ローター２８とともに軸方向に動くにつれて、強いねじり剛性および適正な軸方向スプリング速度を確保する。上記ローター２８は、上記ローター２８およびシャフト３２の間のすき間３６とともに、上記軸方向に変形可能なカプラー２４によって上記シャフト３２へ連結されているため、上記ローター２８は、上記ローター２８およびシャフト３２の間の摩擦接触なしに、上記ステーターアセンブリ１４と相対的に軸方向に動く。加えて、上記カプラー２４の軸方向の変形は、上記ローター２８およびステーターアセンブリ１４の間の空隙１０を変更する。

次に図６を見ると、上記止めフランジ２６は、シリンダー状リング４４と、上記リング４４の外側上のリブ４６とを有する。上記モーターアセンブリにおいては、組み立てられると、上記ローター２８が上記ステーターアセンブリ１４へ向かって動きすぎないように上記リブ４６が止め、上記ローター２８が上記ステーターアセンブリ１４と「タッチダウン」することから守るように、上記リブ４６は配置されている。このように、上記リブ４６は、上記ローター２８が上記ステーターアセンブリ１４と相対的に軸方向に動くにつれて上記ローター２８が上記ステーターアセンブリ１４と接触することを防止する。上記空隙１０の制御性を向上させるため、および、上記空隙１０の変更または移動中に起こり得る振動を防止または低減させるために、制振材４７（図５）がギャップ４２内に充填または挟まれてもよい。

図７に示されるシャフト３２は、ベアリング２０Ａおよび２０Ｂのための２つの座部４８、スプラインまたはキー溝を有するシリンダー状面５０、止めリブ５２、および、シリンダー状外側連結面５４からなることが好ましい。キー溝５５は、上記カプラー２４をシャフト３２へ連結するために、連結面５０上に切られている。上記モーターアセンブリにおいて上記ローター２８は、上記ディスク止めフランジ２６のリブ４６およびシャフト３２の止めリブ５２（図１）の間の変形カプラー２４によって上記シャフト３２へ連結されている。上記止めリブ５２は、上記ローター２８がハウジングカバー５６（図１）へ向かって動きすぎることを防止し、上記ハウジングカバー５６と「タッチダウン」することから上記ローター２８を守るために配置される。このように、上記止めリブ５２は、上記ローター２８が上記ステーターアセンブリ１４と相対的に軸方向へ動くにつれて上記ローター２８が上記ハウジングカバー５６と接触することを防止する。

図８を参照すると、上記ステーターアセンブリ１４は、モーターハウジング５８と、巻き線（図示せず）を有するステーターコアとを有する。上記ハウジング５８は、上記ハウジング５８２の側壁に開いた穴６０を有する。上記開口穴６０は、第一ベアリングカップ１８を受け入れるように設けられている。上記ハウジングカバー５６は、図９に示されるように、実質的に環状板６２からなる。穴６４は、第二ベアリングカップ１８を受け入れるために、上記板の中心を横断する。上記ハウジングカバー５６は、上記モーターＡを取り囲むようにモーターハウジング５８へボルト締めされる。上記ベアリングカップ１８（図１０）は、モーターハウジング５８またはハウジングカバー５６へ取り付けるための取り付け耳６６と、ベアリング２０Ａおよび２０Ｂを保持するための内側シリンダー状面７０を有する環状リング６８とからなる。上記シリンダー状面７０は、それが保持するベアリング２０を配置するための肩７２を、その端部の一つに有する。

図１１は、本開示に従って構成され、本開示を具体化する、カプラー７４の他の態様を説明する。カプラー７４も、前述したように、所望のねじりおよび軸方向の特性を有する。カプラー７４は、ハブ７６と、スプリングチューブ７８とを有する。一態様においては、上記スプリングチューブ７８は波状構成を有する。図１２に示されるように、上記ハブ７６は、ハブ部８０と、取り付けフランジ８２とを有する。上記ハブ部８０はさらに、上記シャフト３２へ連結するための内部スプライン８４を有する。上記スプリングチューブ７８は、ボディー８６と、取り付けるための環状板８８とを有する。上記スプリングチューブ７８は、一端においてボルトなどの締め具（図示せず）によって上記ハブ７６へ固定され、他端において上記ローター２８へ固定される（図１３）。上記スプリングチューブ７８は、強いねじり剛性を有するが、軸方向において柔軟性がある。上記スプリングチューブ７８は変形し、磁場を弱めるための空隙調整によって、必要に応じてローター２８へ力が付与されると軸方向の移動を提供する。

稼働中、モーターＡは、上記モーターのトルクおよび速度を制御し、モーターの制限内に電流を維持するために、上記ステーターアセンブリの巻き線を通る電流の周波数およびパルス幅を調整する、公知の電子制御装置（図示せず）によって制御される。本開示の上記カプラー２４およびローター２８は、上記電気モーターＡの稼働状態に応じて、上記ステーターアセンブリ１４における流速密度を変更するために、上記ローター２８およびステーターアセンブリ１４の間の空隙１０を変更する。上記空隙１０は、上記ローター２８上に軸方向の力を与えることによって変更される。上記軸方向の力は、上記ステーターアセンブリ１４に対する、上記ローター２８の軸方向の移動をもたらす。上記ローター２８は上記カプラー２４へ固定されているため、上記軸方向の力に応じて上記カプラー２４は軸方向に変形し、それにより上記空隙１０を変更する。

上記カプラー２４は、上記カプラー２４が上記ローター２８とともに軸方向に動くにつれて、強いねじり剛性および適正な軸方向スプリング速度を確保する。上記ローター２８は、上記ローター２８およびシャフト３２の間のすき間３６とともに、上記軸方向に変形可能なカプラー２４によって上記シャフト３２へ連結されているため、上記ローター２８は、上記ローター２８およびシャフト３２の間の摩擦接触なしに、上記ステーターアセンブリ１４と相対的に軸方向に動く。ローター２８がステーターアセンブリ１４から遠ざかるにつれて、モーター磁場が弱まり、モーターＡが高い速度において効率的に作動することを可能とし、定電力下で速度範囲を広げる。付与された力がかからなくなると、上記軸方向に変形可能なカプラー２４は、上記ステーターアセンブリ１４から遠ざけるように上記ローター２８を軸方向へ動かす。一態様において上記空隙１０は、モーター回転速度に応じて変更される。他の態様において上記空隙１０は、モータートルク荷重に応じて変更される。

上記ローター２８へ軸方向の力を与えるための様々な方法が存在する。例えば、上記ハウジングカバー５２上に配置されたソレノイド９０（図９）が、磁場を生じさせることによって軸方向の力を与えることができる。電圧を加えると、上記ソレノイド９０のコイルおよびコア（図示せず）は、上記ハウジングカバー５６へ向かって、および、上記ステーターアセンブリ１４から離れて、上記ローター２８のバックプレートを引きつける磁場を発生させ、上記ローター２８およびステーターアセンブリ１４の間の空隙１０を増加させる。この空隙１０の増加は、次に、上記ステーターアセンブリ１４における磁束を減少させ、それにより上記電気モーターＡの磁場を弱める。

本開示の範囲を逸脱することなく上記の構成を様々に変更することができ、上記説明および添付の図面に含まれる全ての事項は、説明であり、制限するものではないと解釈されることを意図する。

Claims (23)

1. ベアリングによって、ハウジング内のローターシャフト上に、ステーターアセンブリと稼動可能な関係に支持されたローターアセンブリを有する改良された電気モーターであって、前記改良は：
   前記ローターシャフトへローターサブアセンブリのローターを連結するための、ハウジング内に配置された、軸方向に変形可能なカプラーを有し、前記軸方向に変形可能なカプラーは、与えられた力に応じて、前記ローターが前記ステーターアセンブリと相対的に軸方向へ動くことを可能とするように構成されていることを特徴とする、改良された電気モーター。
2. 前記ローターがステーターサブアセンブリと相対的に、前記ローターおよび前記ローターシャフトの間の接触なしに軸方向に動くように、前記ローターおよび前記ローターシャフトの間のすき間とともに、前記ローターが前記軸方向に変形可能なカプラーによって、前記ローターシャフトへ連結されていることを特徴とする、請求項１記載の改良された電気モーター。
3. 前記軸方向に変形可能なカプラーが、少なくとも１つのスプラインによって、前記ローターシャフトへ固定されていることを特徴とする、請求項１記載の改良された電気モーター。
4. 前記ローターアセンブリはさらに、一対のシャフト支持ベアリングと、スペーサーと、前記ローターシャフトの回りに配列されたディスク止めフランジとを有し、
   前記軸方向に変形可能なカプラーは、前記シャフト支持ベアリングのセッティングによって、前記スペーサーおよび前記ディスク止めフランジの間に、前記ローターシャフトへ固定されていることを特徴とする、請求項１記載の改良された電気モーター。
5. 前記ディスク止めフランジが、前記ローターが前記ステーターアセンブリと接触することを防止するように構成されたリブを有することを特徴とする、請求項４記載の改良された電気モーター。
6. 前記ローターシャフトは、前記ディスク止めフランジのリブおよび前記ローターシャフトの他のリブの間の変形可能なカプラーによって、前記ローターが前記ローターシャフトへ連結されるように、もう一つのリブを有することを特徴とする、請求項５記載の改良された電気モーター。
7. 前記ローターシャフトの前記リブが、前記ローターが前記ハウジングと接触することを防止するように構成されていることを特徴とする、請求項６記載の改良された電気モーター。
8. 前記軸方向に変形可能なカプラーが、ねじり剛性を有することを特徴とする、請求項１記載の改良された電気モーター。
9. 前記軸方向に変形可能なカプラーが、前記ローターシャフトと同軸の、軸方向スプリング構成部品を有することを特徴とする、請求項１記載の改良された電気モーター。
10. 前記軸方向スプリング構成部品が、ギャップによって互いに隔離されたスプリング部材を有することを特徴とする、請求項９記載の改良された電気モーター。
11. 前記軸方向スプリング構成部材が、前記ギャップ内に配置され、前記スプリング部材と接触している制振材を有することを特徴とする、請求項１０記載の改良された電気モーター。
12. 前記軸方向に変形可能なカプラーが、ハブと、前記ローターを支持するスプリングチューブとを有し、
    前記ハブは、前記ローターシャフトへ稼動可能に連結するために構成されており、前記スプリングチューブは、軸方向の変形のために構成されていることを特徴とする、請求項１記載の改良された電気モーター。
13. 前記ハウジング上に配置された少なくとも一つのソレノイドをさらに有し、
    前記ローターを前記ステーターアセンブリから軸方向に移動させるための磁場を発生させるように、前記ソレノイドが稼働可能に構成されていることを特徴とする、請求項１記載の改良された電気モーター。
14. ハウジングと；
    前記ハウジングへ固定されたステーターアセンブリと；
    シャフト支持ベアリングによって、ハウジング内に配置されたローターシャフト上に、前記ステーターアセンブリと稼動可能な関係に支持されたローターアセンブリとを有する電気モーターであって、
    前記ローターアセンブリは、前記ローターシャフトの回転軸の周りを、前記ハウジングと相対的に回転可能であり、
    前記ローターアセンブリは、ローターと、軸方向に変形可能なカプラーと、スペーサーと、ディスク止めフランジとを有し、
    前記軸方向に変形可能なカプラーは、前記スペーサーおよび前記ディスク止めフランジの間に、前記シャフト支持ベアリングのセッティングによって前記ローターシャフトへ固定されており、
    前記軸方向に変形可能なカプラーは、前記ローターを前記ローターシャフトへ連結するように構成されており、また、与えられた軸方向の力に応じて、前記ローターが前記ステーターアセンブリと相対的に軸方向へ動くことを可能とすることにより、前記ステーターアセンブリおよび前記ローターアセンブリの間の空隙を変更するように構成されていることを特徴とする、電気モーター。
15. 前記軸方向に変形可能なカプラーが、前記ローターシャフトと同軸の、軸方向スプリング構成部品を有することを特徴とする、請求項１４記載の電気モーター。
16. 前記軸方向に変形可能なカプラーが、ハブと、前記ローターを支持するスプリングチューブとを有し、
    前記ハブは、前記ローターシャフトへ稼動可能に連結するために構成されており、前記スプリングチューブは、軸方向の変形のために構成されていることを特徴とする、請求項１４記載の電気モーター。
17. 前記ディスク止めフランジが、前記ローターが前記ステーターアセンブリと接触することを防止するように構成されたリブを有することを特徴とする、請求項１４記載の電気モーター。
18. 前記ローターシャフトは、前記ディスク止めフランジのリブおよび前記ローターシャフトの他のリブの間の変形可能なカプラーによって、前記ローターが前記ローターシャフトへ連結されるように、もう一つのリブを有し、
    前記ローターシャフトの前記リブが、前記ローターが前記ハウジングと接触することを防止するように構成されていることを特徴とする、請求項１７記載の電気モーター。
19. 電気モーターのステーターアセンブリおよびローターアセンブリの間の空隙を変更する方法であって、
    ローターを前記ステーターアセンブリと相対的に支持する前記ローターアセンブリへ軸方向の力を与え、前記ステーターアセンブリに対して前記ローターを軸方向へ移動させることと；
    前記軸方向の力に応じて、前記ローターおよび前記ステーターアセンブリの間の軸方向の移動を変更させるために、前記ローターアセンブリのカプラーを可逆的に変形し、前記空隙を変更することとを含む方法。
20. 前記ローターおよび前記カプラーをともに連結することをさらに含む請求項１９記載の方法。
21. ステーターと稼動可能な関係に、ローターシャフト上に取り付けられたローターを有する電気モーターを稼動する方法であって、
    前記モーターの稼動状態に応じて、前記ローターおよび前記ステーターの間の空隙を変更することを含み、
    前記空隙は、前記ローターを前記ローターシャフト３２へ固定するカプラーを変形することにより変更される、方法。
22. 前記空隙が、モーター回転速度に応じて変更されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
23. 前記空隙が、モータートルク荷重に応じて変更されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。

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