JP2010519886A

JP2010519886A - 入れ子状可変界磁発電電動機械

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Publication number: JP2010519886A
Application number: JP2009549583A
Authority: JP
Inventors: ヒメルマン，リチャード，エー．; シャハマト，モハメド
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Current assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Priority date: 2007-02-15
Filing date: 2008-01-24
Publication date: 2010-06-03
Also published as: US7642684B2; EP3203619A1; WO2008100372A2; WO2008100372A3; EP2158666B1; EP2158666A4; EP2158666A2; CN101657954B; KR20100014886A; US20080197730A1; CN101657954A; IL200481A; IL200481A0; ZA200905814B

Abstract

発電電動機械（１００）が、第１のロータシャフト（１０２）と、第２のロータシャフト（１０４）と、中心要素（１０６）と、を備える。第１のロータシャフト（１０２）は、機械（１００）の中心軸（Ｃ／Ｌ）を中心として回転するとともに、第１のロータシャフト（１０２）の外周を取り巻くように配置された第１の磁気駆動要素（１０８）を有する。第２のロータシャフト（１０４）は第１のロータシャフト（１０２）の周りを回転するとともに、この第２のロータシャフト（１０４）の内周を取り巻くように配置された第２の磁気駆動要素（１１０）を有する。中心要素（１０６）は、第１のロータシャフト（１０２）と第２のロータシャフト（１０４）との間に配置されるとともに、第１のロータシャフトおよび第２のロータシャフトが中心軸（Ｃ／Ｌ）を中心として回転する一方で静止を保つように配置される。また中心要素（１０６）が、第１の磁気駆動要素（１０８）と相互作用する第３の磁気駆動要素（１１２）と、第２の磁気駆動要素（１１０）と相互作用する第４の磁気駆動要素（１１４）と、を含む。

Description

本発明は概して発電電動機械に関し、さらに具体的には複合的な一体式ブラシレスの永久磁石（ＰＭ）モータを含む駆動システムに関する。

永久磁石モータは、磁石と電界との間の電磁相互作用を利用することにより電気エネルギーを機械エネルギーに変換する。逆に、磁石発電機は逆の電磁相互作用を利用して機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。永久磁石モータおよび磁石発電機は総称して発電電動機械と呼ばれる。一般的な永久磁石モータでは、電流が導線の固定巻線を通流して磁気ロータを回転させるように変動する磁界を発生させる。磁気ロータがシャフトに連結されて回転軸動力を発生させる。さらに、低ロータ速度では永久磁石モータから高出力トルクが得られる。これらの理由などから、永久磁石モータは軍用車両や建設機械等の大型の装軌車両によく適している。可変界磁（ＶＦ）永久磁石モータは、所定のロータ／ステータ配列における最大速度出力点、すなわち通常の端点を超えた一定の電力モードで動作することができるため、電気自動車用の推進システムとして特に適している。可変界磁永久磁石モータは、磁石と導線との相対的なアキシアル位を調節してその２つの構成部品の磁束の相互作用を調節する。したがって、可変界磁永久磁石モータは一般的に磁石と導線とを引き離すことができるようにモータハウジングに余分な軸方向長さを必要とする。

永久磁石モータを用いたクロスドライブ式の推進システムは、一方の車両軌道からもう一方の車両軌道に動力を伝達することができるため、電動式の装軌車両用に一般的に選択される。しかしながら、そのようにするためには、クロスドライブシステムでは一般的に複数の電気モータを用いる必要がある。例えば、車両を推進するために一つの永久磁石モータが必要となり、また操舵力を付与するために別のモータが必要となる。従って、複数の永久磁石モータを軸方向もしくは半径方向のどちらかに積層しなければならず、クロスドライブ式の推進システムは概して取り扱いにくい。一方、その他の多岐にわたる応用例はもとより車両推進システムにおいては、貨物などのその他の用途に空き場所を利用することができるように、永久磁石モータの占有場所を減らすことが望ましい。また電気車両の幅を、車道、あるいはフラットベッドトラックもしくは列車などの貨物車両と適合するようにしておくことが望ましい。したがって、より小型の発電電動機械、特により小型の二重式可変界磁永久磁石モータが必要とされる。

本発明は第１のロータシャフトと、第２のロータシャフトと、中心要素と、を備えた発電電動機械に関する。第１のロータシャフトは、この機械の中心軸を中心として回転するとともに、この第１のロータシャフトの外周を取り巻くように配置された第１の磁気駆動要素を有する。第２のロータシャフトは、第１のロータシャフトの周りを回転するとともに、この第２のロータシャフトの内周を取り巻くように配置された第２の磁気駆動要素を有する。中心要素は、第１のロータシャフトと第２のロータシャフトとの間に配置されるとともに、第１のロータシャフトおよび第２のロータシャフトが中心軸を中心として回転する一方で、静止を保つように配置される。またステータが、第１の磁気駆動要素と相互作用する第３の磁気駆動要素と、第２の磁気駆動要素と相互作用する第４の磁気駆動要素と、を含む。

入れ子状の可変界磁永久磁石モータを備えたクロスドライブ推進システムを使用する装軌車両を示す図。本発明の入れ子状可変界磁永久磁石モータを備えた、図１に示す装軌車両用のクロスドライブ推進システムの断面図。図２の入れ子状可変界磁永久磁石モータの断面図。本発明の入れ子状可変界磁発電電動機械の概略図。

図１はクロスドライブ推進システム１２を用いた装軌車両１０を示す。車両１０は、軍用もしくは建設用応用例に変更することが可能な大型の装軌車両を備える。車両１０はクロスドライブ推進システム１２と、左側軌道系統１４Ｌと、右側軌道系統１４Ｒと、ディーゼルモータ１８と、発電機２０と、を含む。クロスドライブ推進システム１２は可変界磁永久磁石モータを含み、それ自体は電力に依存して動作する。ディーゼルエンジン１８はクロスドライブ推進システム１２の動作に必要な電力を発生させるように発電機２０に機械的入力を供給する。次いでクロスドライブ推進システム１２は、左側軌道系統１４Ｌおよび右側軌道系統１４Ｒを駆動して車両１０を推進させる。左側軌道系統１４Ｌは駆動スプロケット２２Ｌと、無限軌道２４Ｌと、主車輪２６Ｌと、を含む。駆動スプロケット２２Ｌは、推進システム１２の出力を受けるように連結される。スプロケット２２Ｌが無限軌道２４Ｌを牽引するように回転して車両１０を主車輪２６Ｌ上で前進させる。推進システム１２は、駆動スプロケット２２Ｒなどの同種のコンポーネントを含む、右側軌道系統１４Ｒとも同様にして相互作用する。

推進システム１２は左側軌道系統１４Ｌおよび右側軌道系統１４Ｒに駆動力を伝達するように永久磁石（ＰＭ）推進モータに依存する。車両１０の通常の高速走行下では、永久磁石モータは左側軌道系統１４Ｌおよび右側軌道系統１４Ｒの双方に定出力を供給する。車両１０を方向転換させるためには、軌道系統１４Ｌもしくは軌道系統１４Ｒのいずれか一方を他方よりも早く回転させる必要がある。これには一般的に、内側軌道に対してはブレーキを掛ける一方で、外側軌道に対しては直線での推進時に要求される出力に比べて５倍に達する出力が伝達される必要がある。例えば直線走行では約４００馬力（ＨＰ）（〜２９８．４ｋＷ）が必要となるが、方向転換操縦時には、外側軌道では約２０００馬力（〜１，４９２ｋＷ）に達する馬力が必要となる一方、内側軌道では１６００馬力（〜１１９３ｋＷ）に相当する馬力が吸収される必要がある。したがって、クロスドライブ推進システム１２は、操舵時にクロスドライブシステムに対して差動速度入力を与えるための追加の永久磁石ステアリングモータを含む。例えば、左折する際には、永久磁石ステアリングモータはクロスドライブ推進システム１２内の遊星歯車装置に差動を与えて、左折時に伝達ギアシステムが左側軌道系統１４Ｌから右側軌道系統１４Ｒへとトルクを伝達できるようにする。推進システム１２は車両１０の電力出力および速度を調整するために可変界磁（ＶＦ）永久磁石モータを利用する。車両１０内における推進システム１２の使用床面積を減らすために、推進システム１２は本発明の複巻の入れ子式可変界磁永久磁石モータを利用する。入れ子式の可変界磁永久磁石モータは、軸方向および半径方向に入れ子状のモータを備えて駆動システム１２の軸長および周囲長を縮小させる。したがって、乗員室２８，３０など、車両１０内に更なる空間が利用可能となり、車両１０の全幅が車道や貨物車両と適合する。

図２は、本発明の複巻電動機３２Ａ，３２Ｂを有する図１のクロスドライブ車両推進システム１２の断面図を示す。各複巻電動機は、一対の入れ子式の可変界磁（ＶＦ）永久磁石（ＰＭ）モータを備える。複巻電動機３２Ａは主電動機３４Ａとステアリングモータ３６Ａとを備える。同様に、複巻電動機３２Ｂは主電動機３４Ｂとステアリングモータ３６Ｂとを備える。クロスドライブ推進システム１２は伝達ギアシステム４５を含み、これは主電動機３４Ａ，３４Ｂ、およびステアリングモータ３６Ａ，３６Ｂがそれぞれ独立して軌道系統１４Ｌもしくは１４Ｒのいずれか一方に出力を伝達できるようにする。モータ３４Ａ，３４Ｂ，３６Ａ，３６Ｂから軌道系統１４Ｌ，１４Ｒへの出力は、各軌道系統に対し、速度加算遊星歯車装置３８Ｌおよび速度加算遊星歯車装置３８Ｒを介して単一の出力となるよう調整される。最終的に、速度加算遊星歯車装置３８Ｌおよび３８Ｒの出力はブレーキ４２Ｌおよび４２Ｒ、および車両１０の駆動スプロケット２２Ｌおよび２２Ｒと連結される最終駆動装置アセンブリ４４Ｌおよび４４Ｒを介して駆動系統１４Ｌおよび１４Ｒへと伝達される。

従って複巻電動機３２Ａ，３２Ｂは、車両１０に二重化された推進力を供給する。したがって、万一複巻電動機３２Ａもしくは３２Ｂのいずれかが故障した場合でも車両１０は動作することができる。車両１０を直線走行させる通常運転時には、主電動機３４Ａおよび３４Ｂは回転して軌道系統１４Ｌおよび１４Ｒの両方に推進力を供給し、ステアリングモータ３６Ａ，３６Ｂは停止する。ステアリング操作が必要な場合、主電動機３４Ａ，３４Ｂは軌道系統１４Ｌおよび１４Ｒを駆動し続けるとともに、ステアリングモータ３６Ａおよび３６Ｂは、軌道系統１４Ｌもしくは１４Ｒのうちの一方に追加の推進力を供給し、かつその他方の推進力を低下させるように動作する。例えば左折する際には、主電動機３４Ａおよび３４Ｂは、車両１０を所望の速度でまっすぐに推進させるために必要な同じ出力で動作し続ける。一方、ステアリングモータ３６Ａおよび３６Ｂは速度加算遊星歯車装置３８Ｌおよび３８Ｒ、および伝達ギアシステム４５と協働して操舵が効率的に行われるように右側軌道系統１４Ｒに追加の出力を供給するとともに左側軌道系統１４Ｌへの出力を低下させる。

従って、各々の可変界磁永久磁石モータの電力出力は、各々の軌道系統に単一の永久磁石モータが推進力とステアリング出力とを供給する場合に必要とされる電力出力ほど高くはならなくて済む。したがって、発電機２０の総電力出力は左側軌道系統１４Ｌおよび右側軌道系統１４Ｒにより効率的に伝達される。主電動機３４Ａ、ステアリングモータ３６Ａ、主電動機３４Ｂ、およびステアリングモータ３６Ｂの速度特性やトルク特性を最適化するため、これらの各々が永久磁石やコイル巻線などの回転磁気駆動要素や固定磁気駆動要素を含む可変界磁永久磁石モータとして構成される。したがって、ステータの磁気駆動要素に対するロータの磁気駆動要素の軸方向の調節を可能にするように、各モータは推進システム１２および車両１０内に空間を必要とする。システム１２、特に全幅の寸法を小さくするため、主電動機３４Ａおよびステアリングモータ３６Ａは複巻電動機３２Ａ内に入れ子状にされ、主電動機３４Ｂおよびステアリングモータ３６Ｂは複巻電動機３２Ｂ内に入れ子状にされる。

図３は、図２の複巻電動機３２Ａ内に入れ子状にされた主電動機３４Ａおよびステアリングモータ３６Ａを示す。複巻電動機３２Ａはハウジング４６内の伝達ギアシステム４５と速度加算遊星歯車装置３８Ｌとの間に入れ子状にされる。遊星歯車装置３８Ｌは単段ギアリダクションシステム４０Ｌと連結しており、このシステムはブレーキ４２Ｌおよび最終駆動装置４４Ｌを介して左側軌道系統１４Ｌの駆動スプロケット２２Ｌに連結される。主電動機３４Ａおよびステアリングモータ３６Ａの各々は、複巻電動機３２Ａ内の中心要素４７を核にして造られた可変界磁永久磁石（ＶＦＰＭ）モータを備える。主電動機３４Ａは、第１のステータ４８と、第１のコイル巻線５０と、第１のロータ５２と、第１の永久磁石５４と、第１のアクチュエータ５６と、を含む。ステアリングモータ３６Ａは、第２のステータ４９と、第２のコイル巻線５８と、第２のロータ６０と、第２の永久磁石６２と、第２のアクチュエータ６４と、を含む。複巻電動機３２Ｂも同様の構成部品を含む。したがって、複巻発電機３２Ａおよび複巻電動機３２Ｂの各々が一対の入れ子状の可変界磁永久磁石モータを備え、その各々が独立して作動するステータとロータとを有する。

複巻電動機３２Ａの動作中、中心要素４７が静止した状態を保つように、中心要素４７は複数の構成要素の中でも特にブラケット６６および６８を介してハウジング４６に連結される。中心要素４７は、中心ボアと、内面と、外面とを有する環状体を備える。中心要素４７は、環状体を第１の部分４７Ａと第２の部分４７Ｂとに分割する湾曲部７０を含む。中心要素４７の第１の部分４７Ａの外面に第１のコイル巻線５０が連結されてステータ４８を形成し、中心要素４７の第２の部分４７Ｂの内面に第２のコイル巻線５８が連結されてステータ４９を形成する。従って、第１のコイル巻線５０は中心ボアと反対の方向に面しており、第２のコイル巻線５８は中心要素４７の中心ボアに向かって面している。

円筒状のシャフトで構成された第２のロータ６０は、中心要素４７の中心ボアに挿入される。永久磁石６２が第２のコイル巻線５８と磁束経路を維持することができるように、永久磁石６２が第２のロータ６０の外面に連結される。永久磁石６２は、第２のコイル巻線５８との磁束経路を調節するために第２のロータ６０に対して軸方向に摺動可能となるようにアクチュエータ６４を介してロータ６０に連結される。ロータ６０は、その第１の端部がブラケット６８のベアリング７２によって支持される。またロータ６０の第１の端部は伝達ギアシステム４５と連結するようにギア７３と連結される。ロータ６０の第２の端部は遊星歯車装置３８Ｌと連結するようにギア７４と連結される。ギア７４はハウジング４６内で第１のロータ５２と連結されたベアリング７６によって支持される。

第１のロータ５２は、円筒体７８と、内側に突出したブラケット８０と、軸フランジ８２と、外側リングギア８４と、内側ギア８６と、を備える。永久磁石５４が第１のコイル巻線５０と磁束経路を維持することができるように、永久磁石５４が円筒体７８の内側に連結される。永久磁石５４は、第１のコイル巻線５０との間の磁束経路を調節するために第１のロータ５２に対して軸方向に摺動可能となるようにアクチュエータ５６を介して円筒体７８に連結される。第１のロータ５２の内側端部が複巻電動機３２Ａ内で支持されてブラケット６８の周りを回転可能となるように内側ギア８６が伝達ギアシステム４５に連結される。ロータ５２の第２の端部は、第２のロータ６０の上に支持されたベアリング７６によりフランジ８２で支持され、第１のロータ５２が中心要素４７の周りを回転可能となる。ロータ５２の第２の端部は外側ギア８４を介して遊星歯車装置３８Ｌに連結される。中心要素４７の第２の端部はフランジ８２のベアリング８８により第１のロータ５２内部に支持される。したがって、第１のロータ５２は中心要素４７の外側を自由に回転可能であり、第２のロータ６０は中心要素４７の内側を自由に回転可能である。

主電動機３４Ａおよびステアリングモータ３６Ａは複巻電動機３２Ａの容積を小さくするように入れ子状である。第１のロータ５２、第２のロータ６０、および中心要素４７は、複巻電動機３２Ａの中心軸の周りに同心円状に配置されており、第１のロータ５２と第２のロータ６０とは中心軸の周りを自由に独立して回転可能である。中心要素４７は、中心軸の周りの第１のロータ５２と第２のロータ６０との間に固定して取り付けられる。先に述べたように、第１のステータ４８は中心要素４７の第１の部分４７Ａに配置された第１のコイル巻線５０を備える。同様に、第２のステータ４９は中心要素４７の第２の部分４７Ｂに配置された第２のコイル巻線５８を備える。第１のステータ４８と第２のステータ４９は、例えば中心要素４７の構成すなわち巻線５０，５８と中心本体４７との間の絶縁体の存在により、互いに電気的に絶縁されている。したがって、中心要素４７は主電動機３４Ａとステアリングモータ３６Ａの双方と共通であり、これによりステータ４８およびステータ４９の各々に対する別々の取り付け部品の必要がなくなり、複巻電動機３２Ａの全径が縮小される。

中心要素４７は、複巻電動機３２Ａの直径すなわち半径方向の広がりをさらに縮小させた湾曲部７０を含む。湾曲部７０が中心要素４７の環状体にジョグすなわちベンドを提供して、第１のコイル巻線５０および第２のコイル巻線５８が中心要素４７内に引き込められるように配置される。したがって、第１のコイル巻線５０は中心要素４７の第１の部分４７Ａと位置合わせされ、第２のコイル巻線５８は中心要素４７の第２の部分４７Ｂと位置合わせされる。第１の永久磁石５４がアクチュエータ５６の周りでコイル巻線５０から後退するすなわちコイル巻線５０から引き離されるとき、第１の永久磁石５４が第２の部分４７Ｂに接近できるように、湾曲部７０は十分な深さで延びる。同様に、第２の永久磁石６２は第１の部分４７Ａに接近しかつこの第１の部分から干渉されずに第２のアクチュエータ６４上を摺動することができる。したがって、主電動機３４Ａはステアリングモータ３６Ａと半径方向に一体化されて複巻電動機３２Ａの幅を縮小させる。特に、複巻電動機３２Ａは、主電動機３４Ａとステアリングモータ３６Ａの両方を分離させたときの合計の幅よりもむしろ、分離させたときの主電動機３４Ａの幅と同じくらいの幅だけでよい。

複巻電動機３２Ａの第１のコイル巻線５０と第２のコイル巻線５８は発電機２０（図１）から電力供給を受けて電磁場を発生させる。各々の電磁場が第１の永久磁石５４および第２の永久磁石６２と相互作用して、それぞれ第１のロータ５２および第２のロータ６０の回転運動を発生させる。第１の永久磁石５４および第２の永久磁石６２は、それぞれコイル巻線５０およびコイル巻線５８との磁束経路を調節するように、それぞれ第１のロータ５２および第２のロータ６０上を軸方向に調節可能である。例えば、電動機の端点においては、永久磁石５４の表面部分がコイル巻線５０の表面部分と完全に揃うように、永久磁石５４がアクチュエータ５６と完全に係合する。従って、磁石５４とコイル巻線５０との間の磁束交換が最大となり、コイル巻線５０に供給される電力が主電動機３４の最大トルク出力に到達するように増加される。一方、ロータ５２の速度出力を端点で利用可能な出力以上に増加させるためには、永久磁石５４をコイル巻線５０から引き離して２つの構成部品の間の磁束交換を低下させる。永久磁石５４のコイル巻線５０からの引き離しは、ロータ５２の最大回転速度出力を増加させるが、ロータ５２の最大トルク出力を減少させる。したがって、第１の主電動機３４Ａは、定トルクモータもしくは定出力モータとして機能しうる。

主電動機３４Ａの出力すなわちロータ５５の回転は、外側ギア８４により遊星歯車装置３８Ｌに伝達される。ギア８４は、ロータ５２の出力を単段ギアリダクションシステム４０Ｌに伝達するように遊星歯車９０を回転させてギアキャリア９１を回転させ、これにより最終駆動アセンブリ４４Ｌ（図２）に出力を伝達するように継手９２に出力する。同様に、ロータ５５の回転が内側ギア８６を介して伝達ギアシステム４５に伝達され、その出力が最終駆動アセンブリ４４Ｒに伝達される。同様に、複巻電動機３２Ｂが可変界磁永久磁石主電動機のロータを駆動して軌道系統１４Ｌ，１４Ｒを重複して駆動する。複巻電動機３２Ａおよび３２Ｂが左側軌道系統１４Ｌおよび右側軌道系統１４Ｒを同時かつ協調的に駆動するように、複巻電動機３２Ａおよび複巻電動機３２Ｂの出力がギアシステム９４およびベベルギア９５で結合される。このように車両１０が一定速度で前進もしくは後退して、車両１０は概ね直線方向に移動する。

車両１０の左旋回操作を行うためには、右側軌道系統１４Ｒを左側軌道系統１４Ｌよりも速く駆動させる必要があり、付加的なエネルギー入力が必要となる。複巻電動機３２Ａはステアリングモータ３６Ａを含み、推進システム１２にステアリング入力を供給するとともに、ギア伝達システム４５、速度加算遊星歯車装置３８Ｌおよび速度加算遊星歯車装置３８Ｒを通して一方の軌道系統から他方の軌道系統に出力を再配分する。

ステアリングモータ３６Ａは太陽歯車７４を介して速度加算遊星歯車装置３８Ｌの遊星歯車９０に連結される。主電動機３４Ａはリングギア８４を介して遊星歯車９０に連結される。第１のロータ５２のリングギア８４と第２のロータ６０の太陽歯車７４は協働して遊星歯車９０およびギアキャリア９１を回転させる。またステアリングモータ３６Ａおよび主電動機３４Ａは伝達ギアアセンブリ４５を介して速度加算遊星歯車装置３８Ｒに連結される。伝達ギアシステム４５がステアリングモータ３６Ａおよび３６Ｂの相対出力を逆にするように作動して、左折では、ステアリングモータ３６Ａおよび３６Ｂが速度加算遊星歯車装置３８Ａの太陽歯車７４に負の回転速度を供給し、速度加算遊星歯車装置３８Ｂの太陽歯車に正の回転速度を供給する。速度加算遊星歯車装置３８Ａのリングギア８４および速度加算遊星歯車装置３８Ｂのリングギアは、主電動機３４Ａおよび主電動機３４Ｂによって一定速度で駆動され続ける。これにより速度加算遊星歯車装置３８Ｌのギアキャリア９１は減速し、速度加算遊星歯車装置３８Ｒのギアキャリアは加速する。したがって、推進システム１２のクロスドライブギア装置を介してトルクが左側軌道系統１４Ｌから右側軌道系統１４Ｒへと伝達される。これは主電動機３４Ａおよび３４Ｂの出力に悪影響を与えることなく行われる。したがって、左側軌道系統１４Ｌから右側軌道系統１４Ｒにトルクを伝達する際の機械的なギアリング・ロスを克服するように十分なトルクを供給するのにステアリングモータ３６Ａおよび３６Ｂだけしか必要とされない。例えば、ギアリングが９８％の効率のクロスドライブの場合、ステアリングモータが推進システム１２に対して合わせて４０馬力（〜２９．８ｋＷ）だけの供給で、左側軌道系統１４Ｌから右側軌道系統１４Ｒに２０００馬力（〜１４９２ｋＷ）を伝達することができる。

従って、本発明の入れ子状の永久磁石駆動装置を用いることにより、推進システム１２は、単独で多量の電力消費量を有する大型の大容量永久磁石モータを利用することなく、要求に応じた電力を左側軌道系統１４Ｌおよび右側軌道系統１４Ｒに供給することができる。したがって、推進システムの大きさを小さく保つように、主電動機３４Ａおよびステアリングモータ３６Ａなどのより小型のモータを用いることができる。さらに、複巻電動機３２Ａの直径や幅をさらに小さくするようにステアリングモータ３６Ａが主電動機３４Ａの内部に入れ子状にされる。この複巻電動機３２Ａのコンパクトさは、特にクロスドライブ推進システムに適している。しかしながら、複巻電動機３２Ａはその他の応用例にも適しており、それに応じて変更することができる。

図４は、図３の複巻電動機３２Ａの簡略化、一般化した実施例を示す、入れ子状の可変界磁発電電動機械１００の概略図を示す。発電電動機械１００は、さまざまな応用例で使用できるように変更可能な本発明の一実施例を備える。発電電動機械１００は、第１のロータシャフト１０２と、第２のロータシャフト１０４と、ステータ本体１０６と、を含む。第１の磁気駆動要素１０８が第１のロータシャフト１０２に取り付けられて第１のロータを形成し、第２の磁気駆動要素１１０が第２のロータシャフト１０４に取り付けられて第２のロータを形成する。ステータ本体１０６は、その内面１１４に取り付けられて第１のステータを形成する第３の磁気駆動要素１１２と、ステータ本体１０６の外面１１８に取り付けられて第２のステータを形成する第４の磁気駆動要素１１６と、を含む。したがって、発電電動機械１００は独立して相互作用する２組のロータおよびステータを含むように構成される。

ステータ本体１０６は環状体を備えるとともに第１の端部１２０で固定されており、第１のロータシャフト１０２および第２のロータシャフト１０４が中心軸ＣＬの周りを回転できるようにしながら本体は静止している。第１のロータシャフト１０２は、ステータ本体１０６の中心ボア１２２を通して延びる円筒シャフトを備え、このシャフトはステータ本体内部で回転する。第２のロータシャフト１０４は、ステータ本体１０６を取り囲む円筒シェルを備え、このシャフトはステータ本体の周りを回転する。第２のロータシャフト１０４は、環状体１２４と、支持ブラケット１２６と、フランジ１２８とを含み、ステータ本体１０６は支持ブラケット１２９を含む。

第２のロータシャフト１０４の第１の端部は、ステータ本体１０６の支持ブラケット１２０により中心軸ＣＬから半径方向にずらされたベアリング１３０によってステータ本体１０６の外面に支持される。第２のロータシャフト１０４の第２の端部は、支持ブラケット１２６により環状体１２４から径方向にずらされたフランジ１２８のベアリング１３２により、ステータ本体１０６の内面に支持される。したがって、第２のロータシャフト１０４は第１のロータシャフト１０２から半径方向にずらされているとともに、中心軸ＣＬを中心としてステータ本体１０６の外側を順方向もしくは逆方向のいずれかに自由に回転できる。また第２のロータシャフト１０４はフランジ１２８のベアリング１３４により第１のロータシャフト１０２の外面に支持される。第１のロータシャフトはフランジ１２８のベアリング１３４および支持ブラケット１２９のベアリング１３６により、ステータ本体１０６内部に支持される。したがって、第１のロータシャフト１０２はステータ本体１０６の内側で中心軸ＣＬを中心として順方向もしくは逆方向のいずれかに自由に回転できる。したがって、第１のロータシャフト１０２と第２のロータシャフト１０４は中心軸ＣＬの周りに同心円状に配置されて直径Ｄを小さくする。同様に、第１のロータシャフト１０２と第２のロータシャフト１０４は軸方向に一体化されて幅Ｗを小さくする。

第１のロータシャフト１０２がステータ本体１０６に挿入されて、第１の磁気駆動要素１０８が第３の磁気駆動要素１１２と揃えられる。第２のロータシャフト１０４がステータ本体１０６を取り巻くように配置されて第２の磁気駆動要素１１０が第４の磁気駆動要素１１６と揃えられる。第１の磁気駆動要素１０８は、第３の磁気駆動要素１１２との相互作用を変化させるように第１のロータシャフト１０２に沿って軸方向にずらすことができる。第１の磁気駆動要素１０８は、第４の磁気駆動要素１１６の内側まで及ぶように第１のロータシャフト１０２に沿って移動し、これにより装置１００における余分な軸方向長さの必要性を回避する。同様に、第２の磁気駆動要素１１０は、第４の磁気駆動要素１１６との相互作用を変化させるように第２のロータシャフト１０４に沿って軸方向にずらすことができる。第２の磁気駆動要素１１０は、第３の磁気駆動要素１１２を取り囲むところまで達するように第２のロータシャフト１０４に沿って移動し、これにより装置１００における余分な軸方向長さの必要性を回避する。磁気駆動要素１０８および１１０は、任意の適切な作動機構を用いて軸方向にずらすことができる。このようにして、装置１００の幅Ｗが縮小される。ステータ本体１０６は湾曲部１３８を含み、これにより第３の磁気駆動要素１１２と第４の磁気駆動要素１１６とが半径方向に揃うように近づけられる。このようにして、装置１００の直径Ｄが縮小される。しかしながら、湾曲部１３８は第１の磁気駆動要素１０８および第２の磁気駆動要素１１０の軸方向の移動を妨げるほど深くはない。

発電電動機械１００は、前述したように裏表逆になった永久磁石モータの内部に従来型の永久磁石モータが入れ子状にされた、２つの入れ子状の永久磁石モータを有する設計になっている。しかしながら発電電動機械１００は、誘導電動機、スイッチトリラクタンスモータ、ＤＣブラシモータなど、その他の電動機として設計されうる。また発電電動機１００は電動機もしくは発電機のどちらか一方として機能するように設計されうる。第１のロータシャフト１０２および第２のロータシャフト１０４は中心軸ＣＬを中心として別々に回転し、特定の応用例での要求に応じて電力を別々に供給してスイッチとインバータとにより別々に制御を行うことができる。さらに、必要に応じて第１のロータシャフト１０２および第２のロータシャフト１０４の様々な位置から動力を取り出すもしくは供給することができる。磁気駆動要素１０８，１１０，１１２，１１６は、中心軸ＣＬを取り囲む永久磁石の配列もしくは中心軸ＣＬを取り囲むコイル巻線のいずれかでもよい。したがって、発電電動機械１００は電動機から発電機に、もしくはその逆に容易に変更することができる。いずれの構成にせよ、発電電動機械１００は、対となる電磁要素もしくは電気機械要素を備えた静止体の周りを回転する、電磁要素もしくは電気機械要素を備えた２つの回転体を入れ子状にするための手段を提供する。したがって、別々に動作可能なステータ要素とロータ要素とをそれぞれ有する、別々に動作可能な２つの発電電動機械が同心円状に入れ子にされる。したがって、機械の全径が縮小される。同様に、特に可変界磁形の発電電動機械と併せて使用する場合には、機械の全幅が縮小される。

本発明を好適な実施形態を参照して説明してきたが、本発明の真意およびその範囲を逸脱することなく、本発明の形態および詳細に対して変更を行うことが可能であることが当業者にとって理解できるであろう。

Claims

中心要素と、第１のロータと、第２のロータと、を備えた入れ子状の永久磁石駆動装置であって、
前記中心要素は、
中心ボアと、第１の電機子部と、第２の電機子部と、を備えた環状体と、
第１のステータを形成するように前記第１の電機子部に連結された第１の外側を向いた磁気駆動要素と、
第２のステータを形成するように前記第２の電機子部に連結された第１の内側を向いた磁気駆動要素と、
を備え、
前記第１のロータは、
前記環状体を同心円状に取り囲む円筒体と、
前記円筒体の内側に連結されて、前記第１の外側を向いた磁気駆動要素と電磁的に相互作用する第２の内側を向いた磁気駆動要素と、
を備え、
前記第２のロータは、
前記中心ボアを通して延びるシャフトと、
前記シャフトの外側に連結されて前記第１の内側を向いた磁気駆動要素と電磁的に相互作用する第２の外側を向いた磁気駆動要素と、
を備えた入れ子状永久磁石駆動装置。
前記環状体は、前記第１の外側を向いた磁気駆動要素を前記第２の電機子部と軸方向に揃え、前記第１の内側を向いた磁気駆動要素を前記第１の電子機部と軸方向に揃える湾曲部を含むことを特徴とする請求項１に記載の入れ子状永久磁石駆動装置。
前記第１の外側を向いた磁気駆動要素および前記第１の内側を向いた磁気駆動要素がコイル巻線を備え、
前記第２の外側を向いた磁気駆動要素および前記第２の内側を向いた磁気駆動要素が永久磁石を備えることを特徴とする請求項１に記載の入れ子状永久磁石駆動装置。
前記第２の外側を向いた磁気駆動要素が、軸方向に移動可能となるように前記シャフトの外側に第１のアクチュエータを介して連結され、
前記第２の内側を向いた磁気駆動要素が、軸方向に移動可能となるように前記円筒体の内側に第２のアクチュエータを介して連結されることを特徴とする請求項１に記載の入れ子状永久磁石駆動装置。
前記円筒体が、
前記円筒体から半径方向内側に突出したブラケットと、
前記円筒体を前記環状体と同軸に支持するように前記ブラケットから前記中心ボア内に軸方向に突出したフランジと、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の入れ子状永久磁石駆動装置。
前記環状体を前記シャフトと同軸に支持するように、前記環状体が半径方向内側に突出した支持部をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の入れ子状永久磁石駆動装置。
前記円筒体が、
第１のベアリングにより前記環状体の外側に支持される第１の端部と、
前記フランジで第２のベアリングにより前記シャフトの外側に支持される第２の端部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の入れ子状永久磁石駆動装置。
前記環状体が、
前記支持部で第３のベアリングにより前記シャフト上に支持される第１の端部と、
第４のベアリングにより前記フランジ上に支持される第２の端部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の入れ子状永久磁石駆動装置。
前記円筒体に取り付けられたリングギアと、
前記シャフトに取り付けられた平歯車と、
前記入れ子状永久磁石駆動装置の出力を調整するように前記リングギアと前記平歯車を連結する遊星歯車と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の入れ子状永久磁石駆動装置。
第１のモータと、第２のモータと、を備えた二重式永久磁石モータであって、
前記第１のモータは、
円筒ステータ本体であって、その外側に取り付けられた第１のステータ巻線を形成する第１のコイルを備えた円筒ステータ本体と、
前記円筒ステータの周りを回転するように配置されるとともに、前記第１のステータ巻線の周りを回転するように配置された第１の永久磁石配列を有する第１のロータと、
を備え、
前記第２のモータは、
前記円筒ステータ本体の内側に取り付けられた第２のステータ巻線を形成する第２のコイルと、
前記円筒ステータ本体内部で回転するように配置されるとともに、前記第２のステータ巻線の内側を回転するように配置された第２の永久磁石配列を有する第２のロータと、
を備えた二重式永久磁石モータ。
前記円筒ステータ本体が湾曲部を含み、これにより前記第１のステータ巻線および前記第２のステータ巻線が前記円筒ステータ内に引き込められるように配置されることを特徴とする請求項１０に記載の二重式永久磁石モータ。
前記第１の永久磁石配列と前記第１のステータ巻線との磁束相互作用を調節するように前記第１の永久磁石配列が前記第１のロータの周りで軸方向に調節可能であり、
前記第２の永久磁石配列と前記第２のステータ巻線との磁束相互作用を調節するように前記第２の永久磁石配列が前記第２のロータの周りで軸方向に調節可能であることを特徴とする請求項１０に記載の二重式永久磁石モータ。
前記円筒ステータ本体の第１の端部がベアリングにより前記第２のロータ上に支持され、前記円筒ステータ本体の第２の端部がベアリングにより前記第１のロータ上に支持されることを特徴とする請求項１０に記載の二重式永久磁石モータ。
前記第１のロータの第１の端部は前記ステータ本体の外側にベアリングによって支持され、前記第１のロータの第２の端部は、前記第２のロータの外側のベアリングと前記ステータ本体の内側のベアリングとの間で支持されることを特徴とする請求項１０に記載の二重式永久磁石モータ。
発電電動機械であって、
前記機械の中心軸を中心として回転するとともに、その外周に配置された第１の磁気駆動要素を備えた第１のロータシャフトと、
前記第１のロータシャフトの周りを回転するとともに、その内周に配置された第２の磁気駆動要素を備えた第２のロータシャフトと、
前記第１のロータシャフトと前記第２のロータシャフトとの間に配置されるとともに、前記第１のロータシャフトおよび前記第２のロータシャフトが前記中心軸を中心として回転する一方で、静止を保つように構成される中心要素と、を備え、
前記中心要素は、前記第１の磁気駆動要素と相互作用する第３の磁気駆動要素と、前記第２の磁気駆動要素と相互作用する第４の磁気駆動要素と、を含む、発電電動機械。
前記中心要素が湾曲部を含み、これにより前記第３の磁気駆動要素および前記第４の磁気駆動要素が前記中心要素内に引き込められるように配置されることを特徴とする請求項１５に記載の発電電動機械。
前記第１の磁気駆動要素と前記第３の磁気駆動要素との磁束相互作用を調節するように前記第１の磁気駆動要素が前記第１のロータシャフトの周りで軸方向に調節可能であり、
前記第２の磁気駆動要素と前記第４の磁気駆動要素との磁束相互作用を調節するように前記第２の磁気駆動要素が前記第２のロータシャフト内において軸方向に調節可能であることを特徴とする請求項１５に記載の発電電動機械。
前記中心要素の第１の端部が前記第２のロータシャフト上のベアリングによって支持され、前記中心要素の第２の端部が前記第１のロータシャフト上のベアリングによって支持されることを特徴とする請求項１５に記載の発電電動機械。
前記第２のロータシャフトの第１の端部がステータ外側のベアリングによって支持され、前記第２のロータシャフトの第２の端部が、前記第１のロータシャフトの外側のベアリングと、前記中心要素の内側のベアリングとの間に支持されることを特徴とする請求項１５に記載の発電電動機械。
前記第１のロータシャフトに取り付けられた平歯車と、
前記第２のロータシャフトに取り付けられたリングギアと、
前記第１のロータシャフトおよび前記第２のロータシャフトの出力を調整するように前記リングギアと前記平歯車を連結する遊星歯車と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載の発電電動機械。