JP2016535973A - 複合電気油圧モータ - Google Patents

Abstract

本発明は、電気動力生成技術と油圧動力生成技術とを共通又は共有のロータ要素及びステータ要素により単一のコンパクトなモータに組み合わせた又は統合した複合モータである。本発明は、電気自動車及び電気ハイブリッド車においてパワー、トルク、性能、及びエネルギー利用の最適化を可能にし、共通又は共有の構成要素を利用しているため重量を減らすことができ、生産コストを低減することができる。複合モータの電気動力生成要素及び油圧動力生成要素は、好ましくは同軸上かつ同一平面上にあり、軸方向のコンパクト化を可能とし、車両内での効率的な空間の利用を可能としている。典型的な電気自動車駆動サイクルにおいては、車両のトルク要求の発車加速モード及びブレーキエネルギー回生モード中に不釣り合いに大きなエネルギー損失が生じる。複合モータは、これらのモード中に低効率電気トルクを高効率油圧トルクに代替させることにより全体の効率を上げる。これらのピーク効率の代替により発車加速中に充電池エネルギーを節約することができ、充電状態を最大限にして運転航続距離及び走行時間を延ばすことができる。

Description

発明の技術分野

本発明は、単一の装置内で電気及び油圧生成特性を組み合わせたモータに関するものである。

発明の背景

ハイブリッド車両は、車両を推進するために２つの別個の動力源を用いており、典型的には、その燃料消費量を減らすために、内燃機関を補うための電気システム又は油圧システムのいずれかを用いている。電気及び油圧ハイブリッドシステムの両方に対して適切な用途があり、車両のデューティサイクルに応じてそれぞれのシステムに対する価値の提案と最高効率とがある。

油圧式ハイブリッドは、電気式ハイブリッドよりも短い期間ではあるが、ずっと高いパワー性能を有しており、典型的には、制動中により多くの運動エネルギーを再生する。電気式ハイブリッドは、典型的には、より多くのエネルギー貯蔵能力を有しているが、生成できるパワーが少ない。電気式ハイブリッドは、車両の運動エネルギーの25％まで再生するのに対して、油圧式ハイブリッドシステムは、典型的には、車両の運動エネルギーの75％まで再生し、充電池システムよりもエネルギー充填及び放出をより早く、より効率的にすることができる。

しかしながら、ハイブリッド車両における問題は、特に加速中における最適なパワーとトルク、運転航続距離の最大化と制動中におけるエネルギー再生の最大化という多様な要求を満足する代替的推進モードを必要としていることである。この問題を解決すべく、それぞれのシステムの最適な性能特性を得るために、１台の車両において油圧システム及び電気システムの両方を利用するための様々な組み合わせ及び構成を開示した多くの特許が出願されている。この問題の解決方法は、充電池の航続距離を伸ばすものとして電気自動車においても適用できる。

本発明の目的は、推進モード及びエネルギー再生モードの双方において、車両のデューティサイクルにわたって性能及び効率を最適化することができ、重量、スペース、コスト、及び生産における効率性を提供する、電気自動車及び電気ハイブリッド車両の用途において主モータ又は補助モータとして使用するための複合モータを提供することにある。

以下の米国特許及びこれらの特許を引用している又はこれらの特許により参照される多くの特許は、ハイブリット車や電気自動車の用途において電気モータ及び油圧モータの両方を利用する有用性について認識しており、多くの場合、単一のシャフト上で両方のモータを接合又は配置している。しかしながら、いずれの特許も、双方の種類のモータの主要な機能的構成要素を統合、結合、又は連結して構成要素数や重量、サイズ、コストなどを低減する複合モータを生成するものではない。
Lynnによる米国特許第7,841,432号（モータ車用の油圧電気ハイブリッド駆動システム） Millerによる米国特許第7,689,341号（デュアルハイブリッドモータ車の減速中におけるエネルギーの優先的回復） Hugheyによる米国特許第7,201,095号（運動エネルギーを回復する自動車システム） Fukuchiによる米国特許第7,024,964号（電気モータを利用した油圧駆動装置） Bloxhamによる米国特許第6,834,737号（ハイブリッド車及びエネルギー貯蔵システム） Nathanによる米国特許第6,454,033号（エネルギー再生機能付き電子油圧車両） Ferchによる米国特許第6,311,487号（車両用電気機械式油圧駆動システム） Wickmanによる米国特許第5,769,177号（水力発電車両駆動システム） Clarkによる米国特許第5,230,402号（電気油圧式自動車） Gardner, Jr.による米国特許第4,753,078号（電気油圧式車両駆動システム） Cullinによる米国特許第4,663,937号（電気機械油圧式発電システム）

以下の米国特許及びこれらの特許を引用している又はこれらの特許により参照される多くの特許は、ラジアルピストンリングカム油圧モータに関係する特徴と機能を開示しており、これは、複合モータの発明においては好ましい油圧モータサブシステムである。
Lemaireによる米国特許第7,225,721号（油圧モータ） Cunninghamによる米国特許第6,494,127号（ガイドローラ付きラジアルピストンエンジン） Hallundbaekによる米国特許第5,391,059号（ラジアルピストンモータ又はポンプ）

本発明は、２つの別個のモータ技術、すなわち電気と油圧を共通又は共有のロータとステータ要素の利用を介して単一のモータ装置に組み込み、結合し、あるいは統合する複合モータに関するものである。本発明は、電気自動車及び電気ハイブリッド車においてパワー、トルク、性能、及びエネルギー利用の最適化を可能にし、共通又は共有の構成要素を利用しているため重量、サイズ、及び部品数を減らすことができ、生産コストを低減することができる。また、複合モータの電気動力生成要素及び油圧動力生成要素により共通の冷却システムを共有してもよい。複合モータの電気動力生成要素及び油圧動力生成要素は、好ましくは同軸上かつ同一平面上にあり、軸方向のコンパクト化を可能とし、車両内での効率的な空間の利用を可能としている。本発明のある実施形態においては、油圧モータ及び電気モータのそれぞれ油圧ロータ要素及び電気ロータ要素は、独立して回転可能であってもよく、油圧動力生成要素及び電気動力生成要素が同一平面上にない積み重ね構成が好ましい場合がある。

本発明は、種々の実施形態を有し得る。油圧モータサブシステムと電気モータサブシステムとが並列に構成されていてもよいし、直列に構成されていてもよい。並列の構成においては、好ましい実施形態は、大径電気リングモータ又はパンケーキモータ内に油圧モータ要素を同心状に配置する。あるいは、電気リングモータ又はパンケーキモータは、油圧モータ内に同心状に配置してもよい。直接の構成においては、２つの構成がある。１つは、電気モータハウジングが動かずに、そのロータが油圧モータのハウジングに固定され、このハウジングを駆動するものである。あるいは、油圧モータハウジングが動かずに、油圧ロータが電気モータハウジングに固定され、このハウジングを駆動するものであってもよい。いずれの構成も、モータの一方又は双方に通電され、複合シャフト出力を提供することができる。出力シャフトの速度は、２つのモータ速度の和である。また、この直列の構成は、どちらが駆動される装置となるのかによって、駆動される側の装置が発電機又はポンプとなるように一方のモータが他方のモータを駆動することを可能とする。

米国カリフォルニア州のApplimotion社により製造されるタイプのリングモータやパンケーキ型モータ（これらは米国特許第6,552,460号、第6,930,433号、第7,432,623号、及び第7,863,784号に開示されている。）のように（これらに限られるものではない）、ロータ磁石及びステータコアの両方及び巻線をモータの外側又は周囲に向けて配置し、中央開口部とした大径電気モータ、特にブラシレス永久磁石モータの設計は、上述した大径電気リングモータ又はパンケーキモータの中央開口部内にリングカム、ロータ、歯車、及びベーンモータのような円状又はパンケーキ状の油圧モータ（これに限られるものではない）を統合する、組み込む、又は連結することができるので、特に本発明に良く適合するものである。

電気技術と油圧技術を融合させることで、構成要素を共有し、物理的体積及びコストを最小化しつつ、それぞれの速度及びトルクの要求に応じてそれぞれを最適化することが可能となる。コンパクトな装置内で推進及びエネルギー回復のための相補的動力利用可能性及び効率の範囲を提供し、動力を低速で高トルクとして車両へ伝達することができる。そのような構成はこれまで実現されていない。システムコントローラは、エネルギー効率を最大化するために電気サブシステムと油圧サブシステムとの間でトルク共有及びエネルギー利用を調整する。

典型的な電気自動車駆動サイクルにおいては、車両のトルク要求の発車加速モード及びブレーキエネルギー回生モード中に不釣り合いに大きなエネルギー損失が生じる。複合モータは、これらのモード中に低効率電気トルクを高効率油圧トルクに代替させることにより全体の効率を上げる。これらのピーク効率の代替により発車加速中に充電池エネルギーを節約することができ、充電状態を最大限にして運転航続距離及び走行時間を延ばすことができる。

本発明は、発車加速時及びブレーキエネルギー回生時における非効率な電気モータ速度において、高効率の油圧エネルギーを電気エネルギーの代わりにすることにより充電池エネルギーを最大限に利用するように設計されている。エネルギー効率利得は、特定の駆動サイクル又は特定の使用期間において航続距離又は走行時間を増やすことについてエネルギー節約となり、あるいは、充電器サイズ又はそのようなドライブサイクルの容量を低減することを可能とする。

電気モータは、巻線内に生じる熱損失によりゼロから低いモータ速度まではトルクを生成するためにエネルギーを十分に利用していないが、高速では非常に効率が良い。油圧モータは、低速では例外的に効率が良く、低速の電気モータの発車加速効率の３倍を達成する。同様に、そのエネルギー再生効率は、中速からの減速中は非常に高い。低速で低効率電気トルクに代えて高効率油圧トルクを用いることで、複合モータは、充電池に対する需要を低減し、運転航続距離に対してエネルギーを節約する。

このモータは、電気自動車及び電気ハイブリット車の広い範囲にわたって拡張可能であり、頻繁に開始と停止を行うドライブサイクルにおいて最適なエネルギー利用と再生を可能とし、充電池の運転航続距離及び走行時間を最大化し、加えて／あるいは、充電池のサイズを小さくする。これは、電気自動車の利用率に良い影響を与えるであろうし、生産コスト及び駆動コストを削減するであろう。

複合モータの好ましい実施形態は、油圧ラジアルピストンリングカムモータを取り囲み、これと一体化した大径電気リングモータを備える。共通ステータは、この電気リングモータの電磁コアと巻線を油圧モータハブ（放射状ピストン列及びその油圧動力及びポンプ機能を実現する弁及び流体流路の系を含んでいる）に組み合わせる。共通ロータは、油圧モータのリングカムに取り付けられ、あるいはこれと一体になった電気リングモータの永久磁石及び鉄バックリングを有する。ロータアセンブリは、ステータアセンブリ上に軸受により回転可能に位置している。この実施形態は、同軸上で同一平面上にあり、軸方向にコンパクトな大径複合電気油圧モータ装置を生成する。電気モータサブシステム及び油圧モータサブシステムの他の好ましい実施形態は、互いに同軸上及び同一平面上に配置されており、共通ステータアセンブリを有しているが、電気モータロータが固定比又は可変比において油圧モータロータとは異なる回転速度で回転できるように独立して回転する電気ロータ及び油圧ロータを有している。本発明のある実施形態においては、油圧動力生成要素と電気動力生成要素とが同一平面上にない積み重ね構成が好ましい場合がある。

発明の応用

複合電気油圧モータは、電気モータ又は油圧モータが単独で提供するよりも非常に広い航続距離を実現することができる。電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、及びプラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）への応用においては、この複合モータの油圧構成要素は、運動エネルギーを再生することができ、これを電気構成要素よりもずっと効率的に加速又は発車アシストとして再利用することができる。これにより、充電器エネルギーを節約することができ、車両の電気航続距離又は走行時間を延ばすことができるか、あるいはより小さい充電器を用いて同一の航続距離又は走行時間を実現することができる。

ＥＶ及び直列ＨＥＶへの応用においては、複合モータは、充電池の航続距離を伸ばすことを主目的とした主推進モータとなるであろう。並列ＨＥＶへの応用においては、複合モータは、加速中又は発車時に内燃機関（ＩＣＥ）の補完又は置換となり、ＩＣＥに対する負荷を軽減し、燃焼消費を低減するであろう。

複合モータの効率は、電気モータコントローラと、充電池及びその関連管理システムと、アキュムレータ、貯留部、及び弁制御ブロックを含む油圧エネルギー貯蔵システムと、すべての構成要素を協調させ最適化して車両航続距離を最大化しつつプラグイン電気コストを最小化する全体システムコントローラとを含むＥＶシステム又はＰＨＥＶシステム内に複合モータを組み込むことにより最適化され得る。

複合モータの自動車以外の他の用途としては、高いシステム慣性に打ち勝つために初期トルクに対する要求が高い用途や、頻繁に始動と停止を行う用途がある。典型的に電気モータを利用するウィンチ、エレベータ、製材設備、製造工具、及び他の装置などの設備が複合モータのために考えられる候補である。

車両における複合モータの発明の実現は、典型的には、以下の構成要素又はサブシステムを備えている。
複合モータ
電気モータ駆動コントローラ
油圧弁コントローラ
充電池やスーパーキャパシタのような電気エネルギー貯蔵装置
充電池管理システム
アキュムレータのような高圧油圧エネルギー貯蔵装置
低圧油圧流体貯留部
流体弁制御ブロック
システム温度条件を維持するための冷却システム
システムコントローラ、すなわち実行コントローラ

システムコントローラは、構成要素及びサブシステムのすべてを協調させ最適化して車両航続距離を最大化しつつ電気エネルギー消費を最小化する。コントローラは、複合モータの電気動力生成要素と油圧動力生成要素とを、典型的にはフィードバックループにおけるヒステリシスとして見られる滑らかな方法でバランスさせ、電気効率及び油圧効率への貢献を最大化し、エネルギー源の間で安全でシームレスな移行を可能とするために、十分なセンサと制御システム反応性を持っていなければならない。所定の条件の下では、コントローラは、フェイルセーフモードで作動させるために複合モータを隔離又は管理してもよい。

コントローラは、高度な制御アルゴリズム又は単純なＰＩＤ（比例積分微分）制御アプローチを含み得る。ある用途、特に元の統合装置製造業者（「ＯＥＭ」）の車両用途に関しては、コントローラは、車両情報を得るため、あるいは複合モータシステムの状態に関する情報を提供するために、キー車両サブシステムとＣＡＮバス又は他のオンボードシステム及びセンサを介してインタフェイスで連結している。

本発明の好ましい実施形態は、油圧ラジアルピストンリングカムモータを取り囲み、これと一体化した大径電気リングモータを備える。これにより、同軸上で同一平面上にある複合油圧電気モータが生成され、軸方向にコンパクトにし、実効径を大きくすることができる。大きな実効径は、モータのトルク生成特徴部を最大可能半径又はモータの外周のできる限り近くに配置することにより達成され、これは、電気モータ及び油圧モータの双方に効率、トルク、冷却、及び実装の点で利点を与える。複合モータの統合アーキテクチャにより、油圧モータを作動させるために使用される油圧流体がスタータコア及び巻線を冷却するために循環され得るチャネル及び流路のような冷却特徴部を電磁ステータコア内に実現することが可能となる。

大径で背の低い複合モータは、米国特許出願第12/808,664号で、現在では米国特許第8,798,828号となっている「車両のための運動エネルギー再生及び電気駆動」において開示されているような直角ギアボックスにより自動車のドライブライン内に搭載又は設置することができる。これにより、複合モータは、複合モータシャフトを実質的に垂直な向きにして、車両のドライブシャフトとは垂直にしつつ、車両のシャーシ又はフレームに搭載される。直角ギアボックスは、少なくとも１つの直角歯車対を備えており、ディファレンシャルリングピニオンとはすばかさ歯車対を含み得るが、これに限られるものではない。垂直ギアボックスは、垂直複合モータ駆動力を車両の水平ドライブシャフト又は軸に伝達する。背の低い複合モータの主な利点は、その「平坦性」及び「薄さ」によって車両のシャーシ内で低く搭載することができ、車両の地面とのクリアランスや車内空間や収納空間を害することなく、車両の重心を低くすることができる点にある。

本発明は、ハブに搭載されたホイール内の用途にも使用することができ、軸上の車内又は車外の用途にも使用することができる。この場合、複合モータの軸方向のコンパクトさと「平坦性」が利点となり得る。

本発明の例示的な実施形態が図面を参照して示される。同様の機能を有する構成要素には、図面において同一の参照記号が付されている。
図１Ａ及び図１Ｂは、電気リングモータ又はパンケーキモータ内に同心状かつ該電気リング又はパンケーキモータと同一平面上に配置された油圧ラジアルピストンリングカムモータを備えた複合電気油圧モータを模式的に示すそれぞれ断面図及び平面図である。 図１Ａ及び図１Ｂは、電気リングモータ又はパンケーキモータ内に同心状かつ該電気リング又はパンケーキモータと同一平面上に配置された油圧ラジアルピストンリングカムモータを備えた複合電気油圧モータを模式的に示すそれぞれ断面図及び平面図である。 図１Ｃは、図１Ｂに示された複合モータの拡大断面図であり、ピストンの上部に位置するローラがリングカムの回旋状多葉形内面と転がり接触しないように、圧力によりシリンダ内に押し込まれた後退モードにあるピストンを示している。 図２Ａ及び図２Ｂは、米国特許第6,552,460号、第6,930,433号、第7,432,623号、及び第7,863,784号において開示されている種類の電気軸線束リングモータ内に同心状かつ該電気軸線束リングモータと同一平面上に配置された油圧ラジアルピストンリングカムモータを備えた複合電気油圧モータを模式的に示すそれぞれ断面図及び平面図である。 図２Ａ及び図２Ｂは、米国特許第6,552,460号、第6,930,433号、第7,432,623号、及び第7,863,784号において開示されている種類の電気軸線束リングモータ内に同心状かつ該電気軸線束リングモータと同一平面上に配置された油圧ラジアルピストンリングカムモータを備えた複合電気油圧モータを模式的に示すそれぞれ断面図及び平面図である。 図３は、複合モータが直角ギアボックスと一体化され、結合され、組み合わされ、あるいは連結された本発明の実施形態を模式的に示すものである。 図４Ａ及び図４Ｂは、主推進モータとして複合モータが取り付けられた後輪駆動輸送バスに搭載された、図３に示される実施形態のそれぞれ模式的底面図及び模式的側面図である。 図４Ａ及び図４Ｂは、主推進モータとして複合モータが取り付けられた後輪駆動輸送バスに搭載された、図３に示される実施形態のそれぞれ模式的底面図及び模式的側面図である。 図４Ｃ及び図４Ｄは、主推進モータとして複合モータが取り付けられた前輪駆動フォークリフト車に搭載された、図３に示される実施形態のそれぞれ模式的底面図及び模式的側面図である。 図４Ｃ及び図４Ｄは、主推進モータとして複合モータが取り付けられた前輪駆動フォークリフト車に搭載された、図３に示される実施形態のそれぞれ模式的底面図及び模式的側面図である。 図５Ａ及び図５Ｂは、内燃機関に対するハイブリッド補助として複合モータを有する前輪駆動内燃機関トラックのシャーシに搭載された、図３に示される実施形態のそれぞれ模式的底面図及び模式的側面図である。 図５Ａ及び図５Ｂは、内燃機関に対するハイブリッド補助として複合モータを有する前輪駆動内燃機関トラックのシャーシに搭載された、図３に示される実施形態のそれぞれ模式的底面図及び模式的側面図である。 図６、図７、及び図８は、それぞれ、市内電気バスの用途における油圧及び電気エネルギーの双方の複合作用及び新しいモータにより得られた効率を示すグラフ、複合モータの正味エネルギー需要を同様のパワーの電気モータの正味エネルギー需要と比較するグラフ、及び従来の電気モータにより駆動される同様のバスの効率に対して、複合モータにより駆動される市内バスの効率の改善を示す、規格化された駆動サイクルのグラフである。 図６、図７、及び図８は、それぞれ、市内電気バスの用途における油圧及び電気エネルギーの双方の複合作用及び新しいモータにより得られた効率を示すグラフ、複合モータの正味エネルギー需要を同様のパワーの電気モータの正味エネルギー需要と比較するグラフ、及び従来の電気モータにより駆動される同様のバスの効率に対して、複合モータにより駆動される市内バスの効率の改善を示す、規格化された駆動サイクルのグラフである。 図６、図７、及び図８は、それぞれ、市内電気バスの用途における油圧及び電気エネルギーの双方の複合作用及び新しいモータにより得られた効率を示すグラフ、複合モータの正味エネルギー需要を同様のパワーの電気モータの正味エネルギー需要と比較するグラフ、及び従来の電気モータにより駆動される同様のバスの効率に対して、複合モータにより駆動される市内バスの効率の改善を示す、規格化された駆動サイクルのグラフである。 図９Ａ及び図９Ｂは、油圧モータサブシステムに隣接して該油圧モータサブシステムと非同一平面上に積み重ねられた電気モータサブシステムを有し、ステータアセンブリとロータアセンブリとが互いに同軸に配置された本発明の他の実施形態の模式図である。図９Ａにおいては、電気モータサブシステムがリングモータの構成であり、図９Ｂにおいては、電気モータサブシステムはリングモータの構成ではなく、油圧モータサブシステムを取り囲むように構成できるようにはなっていない。 図９Ａ及び図９Ｂは、油圧モータサブシステムに隣接して該油圧モータサブシステムと非同一平面上に積み重ねられた電気モータサブシステムを有し、ステータアセンブリとロータアセンブリとが互いに同軸に配置された本発明の他の実施形態の模式図である。図９Ａにおいては、電気モータサブシステムがリングモータの構成であり、図９Ｂにおいては、電気モータサブシステムはリングモータの構成ではなく、油圧モータサブシステムを取り囲むように構成できるようにはなっていない。 図10Ａは、電気モータサブシステム及び油圧モータサブシステムが互いに同軸上かつ同一平面上に配置され、共通のステータアセンブリを有するが、電気モータロータが固定比又は可変比において油圧モータロータとは異なる回転速度で回転できるように独立して回転するモータを有する、本発明の実施形態を模式的に示すものである。 図10Ｂは、電気モータサブシステム及び油圧モータサブシステムが互いに同軸上かつ同一平面上に配置され、共通のステータアセンブリを有するが、電気モータロータが固定比又は可変比において油圧モータロータとは異なる回転速度で回転できるように独立して回転するモータを有する、本発明の実施形態を模式的に示すものである。この実施形態は、油圧モータサブシステムが電気モータサブシステムから離脱し、これに再係合できるように係合解除機構を含んでいる。 図11Ａは、前輪駆動車に搭載された複合モータを模式的に示すものであり、モータは、図３に示されるような直角ギアボックスを介して前輪軸に駆動力を伝達するように係合している。 図11Ｂは、後輪駆動車に搭載された複合モータを模式的に示すものであり、モータは、図３に示されるような直角ギアボックスを介して後輪軸に駆動力を伝達するように係合している。 図11Ｃは、四輪駆動車に搭載された２つの複合モータを模式的に示すものであり、モータは、図３に示されるような直角ギアボックスを介して前輪軸及び後輪軸に駆動力を伝達するように係合している。

好ましい実施形態の詳細な説明

次に、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。

好ましい実施形態においては、油圧トルク及び電気トルクの双方を最大化し、軸方向の全長を最小化するために、トルク生成特徴部、すなわち油圧リングカムとピストンの界面及び電磁石と永久磁石の界面を複合モータの周縁にできる限り近く配置し、力が加わる半径を最大化している。したがって、実際には、同等の総モータ径に対する最大実効トルク半径を得るために、電気モータの周囲に油圧モータを配置するのではなく、電気リングモータを油圧リングカムモータの周囲に同心状に配置しなければならない。

本発明の第１の例示的実施形態において、図１Ａ及び図１Ｂは、電気リングモータ又はパンケーキモータ内に同心状かつ該電気リング又はパンケーキモータと同一平面上に配置された油圧ラジアルピストンリングカムモータを備えた複合電気油圧モータを模式的に示すそれぞれ断面図及び平面図である。

ステータアセンブリ21は、油圧モータハブアセンブリ23が取り付けられたステータ構造１と、ステータコア42とコイル巻線43とを有するステータアセンブリ３とを備えている。油圧モータハブアセンブリ23は、ローラ９とそれぞれ嵌合するピストン８が内部に配置されたシリンダ７の放射状の配列を含む油圧モータハブ６を備えている。ローラ９がリングカム５の回旋状の多葉形内面に転動可能に係合してシリンダ７内でピストン８を作動させるように外側に押すようにピストン８が加圧される。

また、油圧モータハブアセンブリ23は、その油圧動力及びポンプ機能を実現する弁及び油圧流体流路（図示せず）の系を含んでいる。

ロータアセンブリ22は、リングカム５が取り付けられたロータ構造２を備えている。鉄バックリング15がリングカム５の外面に取り付けられている。電磁的にステータアセンブリ３と係合する永久磁石４の列が鉄バックリング15に取り付けられている。このステータアセンブリ３は、ステータコア42とコイル巻線43とを備えている。リングカム５が適切な鉄金属で形成されている場合には、永久磁石４を直接リングカム５に取り付けることができ、鉄バックリング15は必要ではない。モータシャフト11がロータ構造２に取り付けられている。ロータアセンブリ22は、軸受10によってステータアセンブリ21に回転可能に装着されている。図１Ｂにおいては、内部の構成要素を図示するためにステータ構造１は示されていない。

油圧モータの回転速度は流体流れの制約によって制限される。特定の回転速度を超えると、油圧モータは、トルクを生じなくなり、作動しなくなる。電気モータは、油圧モータよりもずっと高い回転速度を実現することができる。複合モータのある実施形態は、油圧サブシステムの要素を電気サブシステムの要素と組み合わせている又は統合しているので、特定の回転速度又は速度範囲で油圧モータサブシステムを電気モータサブシステムから分離又は離脱させなければ、電気モータサブシステム、そして複合モータの回転速度は、油圧サブシステムの最大回転速度によって制限される。

ラジアルピストンリングカム油圧モータの特徴は、所定の回転速度を超えるとトルク生成から離脱し、所定の回転速度よりも低くなるとトルク生成のために係合できることにある。一実施形態においては、この離脱及び係合の機能は、制御弁を使用することにより、ピストンの上下の領域内の圧力の間に差圧を生じさせることにより達成される。

係合解除機能は、ピストン８の上部に位置するローラ９がリングカム５の回旋状の多葉形内面と加圧転がり接触しないように、ピストン８をシリンダ７内に押し込む。図示しない制御弁を用いてピストン８の列の下方の領域内の圧力を開放しつつ、ピストン８の上方の領域内の圧力を上げて、シリンダ７内にピストン８を後退させることにより、ピストン８がシリンダ７内に押し込まれる。リングカム５の回旋状の多葉形内面がピストン８の抵抗力に接していないときには、電気モータサブシステムの速度で自由に回転することができる。ピストン８の列の下方の領域内の圧力を上げつつ、ピストン８の上方の領域内の圧力を開放して、ピストン８をシリンダ７内で外側に押し出すことにより、リングカム５の回旋状の多葉形内面と加圧転がり接触するためにローラが再び係合する。

図１Ｃは、図１Ｂに示された複合モータの拡大断面図を模式的に示すものであり、ローラ９とリングカム５の回旋状内面との間の空間39を生成するために、ピストン８の上部に位置するローラ９がリングカム５の回旋状内面と転がり接触しないように、圧力によりシリンダ７内に押し込まれた後退モードにあるピストン８を示している。制御弁を用いてピストン８の列の下方の領域38内の圧力を開放しつつ、ピストン８の上方の領域37内の圧力を上げて、シリンダ７内にピストン８を後退させることにより、転がり接触からの離脱がなされる。ピストン８の列の下方の領域38内の圧力を上げつつ、ピストン８の上方の領域37内の圧力を開放することにより、リングカム５の回旋状内面と転がり接触するためにローラ９が再び係合する。

本発明の第２の例示的実施形態において、図２Ａ及び図２Ｂは、米国特許第6,552,460号、第6,930,433号、第7,432,623号、及び第7,863,784号において開示されている種類の電気軸線束リングモータ内に同心状かつ該電気軸線束リングモータと同一平面上に配置された油圧ラジアルピストンリングカムモータを備えた複合電気油圧モータを模式的に示すそれぞれ断面図及び平面図である。

ステータアセンブリ21は、等間隔に間隔を置いて配置されたトロイド形電磁コア13が固定されるステータ構造１と、油圧モータハブアセンブリ23とを有しており、それぞれのコア13は、コイル又は巻線（図示せず）を含んでいる。油圧モータハブアセンブリ23は、ローラ９とそれぞれ嵌合するピストン８が内部に配置されたシリンダ７の放射状配列を含む油圧モータハブ６を備えている。ローラ９がリングカム５の回旋状内面に転動可能に係合してシリンダ７内でピストン８を作動させる。また、油圧モータハブアセンブリ23は、その油圧動力及びポンプ機能を実現する弁及び油圧流体流路（図示せず）の系を含んでいる。

ロータアセンブリ22は、リングカム５が取り付けられたロータ構造２を備えている。ロータフランジ12がロータ構造２に取り付けられているか、ロータ構造２と一体になっている。ロータフランジ12は、非鉄材料からなり、リングカム５の外面に直接取り付けてられていてもよい。等間隔で間隔を置いて配置され、交互に入れ替わる極性14を有する永久磁石の配列であって、トロイド形コア又は巻線13と電磁的に係合する永久磁石の配列がロータフランジ12上に配置されている。モータシャフト11がロータ構造２に取り付けられている。ロータアセンブリ22は、軸受10によりステータアセンブリ21に回転可能に装着されている。図２Ｂにおいては、内部の構成要素を図示するためにステータ構造１は示されていない。

動作時には、ラジアルピストンリングカムモータの従来の構成と同じく、加圧下で作動流体がシリンダ７の空隙に注入されると、ピストン８が径方向外側に押され、ローラ９は、リングカム５の回旋状の多葉形カムに対して径方向と接線方向の合力を作用させ、その結果、ハブアセンブリ23と、それが一体化された又は取り付けられたロータアセンブリ22に回転力を与え、これらがステータアセンブリ21に対して回転する。

図３は、垂直モータシャフト11から駆動力が水平ギアボックスシャフト29に伝達可能となるように、図１Ａ及び図１Ｂに示されたものと同様の複合モータが直角ギアボックスアセンブリ24と一体化され、結合され、組み合わされ、あるいは連結された本発明の実施形態を示している。ギアボックスシャフト29は、自動車やトラック、バス、列車（図示せず）などの車両のドライブシャフト又は駆動軸に連結されていても、あるいはこれと一体化されていてもよい。

ステータアセンブリ21は、ステータ構造１と、油圧モータハブアセンブリ23と、ステータアセンブリ３とを備え、ステータアセンブリ３は、ステータコア42とコイル巻線43とを備えている。油圧モータハブアセンブリ23は、ローラ９とそれぞれ嵌合するピストン８が内部に配置されたシリンダ７の放射状配列を含む油圧モータハブ６を備えている。ローラ９がリングカム５の回旋状多葉形内面に転動可能に係合してシリンダ内でピストンを作動させる。また、油圧モータハブアセンブリ23は、その油圧動力及びポンプ機能を実現する弁及び油圧流体流路（図示せず）の系を含んでいる。

ロータアセンブリ22は、リングカム５が取り付けられたロータ構造２を備えている。鉄バックリング15がリングカム５の外面に取り付けられている。電磁的にステータコア42及び巻線43と係合する永久磁石４の列が鉄バックリング15に取り付けられている。リングカム５が適切な鉄金属で形成されている場合には、永久磁石４を直接リングカム５に取り付けることができ、鉄バックリング15は必要ではない。モータシャフト11がロータ構造２に取り付けられている。ロータアセンブリ22は、軸受10によってステータアセンブリ21に回転可能に装着されている。

直角（90度）ギアボックスハウジング25がステータ構造１と一体化され、結合され、連結され、又は組み合わされる。ギアボックスハウジング25は、かさ歯車27とかさ歯車28とを備える直角歯車対26を含んでいる。かさ歯車27は、軸受10内に軸支される垂直モータシャフト11に取り付けられており、かさ歯車28は、軸受30内に軸支される水平ギアボックスシャフト29に取り付けられている。

図４Ａ及び図４Ｂは、主推進モータとして複合モータが取り付けられた後輪駆動輸送バスに搭載された、図３に示される実施形態のそれぞれ模式的底面図及び模式的側面図である。複合モータ109は、直角ギアボックス108に取り付けられる。バスシャーシには、前輪101と後輪102が取り付けられている。直角ギアボックス108は、複合モータ109と組み合わされる。ギアボックスシャフト110は、駆動力を直角ギアボックス108からユニバーサルジョイント111を介してディファレンシャル105に伝達する。後輪軸107は、その駆動力をディファレンシャル105から後輪102に伝達する。

図５Ａ及び図５Ｂは、内燃機関に対するハイブリッド補助として複合モータを有する前輪駆動内燃機関トラックのシャーシに搭載された、図３に示される実施形態のそれぞれ模式的底面図及び模式的側面図である。トラックのシャーシには、前輪101と後輪102が取り付けられている。内燃機関103は、動力をディファレンシャル105にトランスミッション104とドライブシャフト106を介して伝達する。後輪軸107は、ディファレンシャル105から後輪102に駆動力を伝える。直角ギアボックス108は、複合モータ109に取り付けられている。ギアボックスシャフト110は、直角ギアボックス108を貫通し、ユニバーサルジョイント111を介してドライブシャフト106に接続している。

図６は、市内電気バスの用途における油圧及び電気エネルギーの双方の複合作用及び得られた効率を示すグラフである。遷移領域により示されている一方のエネルギー源から他方のエネルギー源への遷移は、システム効率を最適化するために制御ソフトウェアにより管理される。破線は新しいモータの複合総効率を表しているが、電気モータ効率曲線は油圧モータ効率曲線により補われている。

図７は、市内電気バスの用途における同様のパワーの電気モータの正味エネルギー需要を複合モータの正味エネルギー需要と比較するグラフである。

図８は、規格化された駆動サイクルであるマンハッタンバス駆動サイクルのグラフであり、従来の同様のパワーの電気モータにより駆動される同様の市内バスの効率に対して、複合モータにより駆動される市内バスの効率の改善を示している。

図９Ａに示される発明のさらなる実施形態では、油圧電気モータアセンブリが、同軸上で非同一平面上に互いに隣接して積み重ねられている。積み重ね構成により、リング型永久磁石の構成を有しておらず、図１Ａ及び図１Ｂに示されるような油圧モータを取り囲むように搭載又は構成することができない電気モータを複合モータ内で利用すること及び／又は統合することが可能となる。そのような非リング型電気モータとしては、誘導モータ及びリラクタンスモータが挙げられるが、これらに限られるものではない。

図９Ａは、ラジアルピストンリング−カム油圧モータの上方に積み重ねられた永久磁石リング型電気モータを用いた積み重ねモータの構成を示しており、互いに同軸上に配置されたステータアセンブリ21とロータアセンブリ22とを示している。電磁コア及び巻線３と油圧モータハブアセンブリ23は、非同一平面上で積み重ねられた状態で共通のステータ構造１上に位置している。同様に、リングカム５及び永久磁石４の列は、非同一平面上で積み重ねられた状態で共通のロータ構造２上に位置している。

図９Ｂは、開放領域32とステータコア及び巻線３、永久磁石４、及び鉄バックリング15が占める領域とを含む領域33を示しており、この領域は、リング型永久磁石モータの構成を有しておらず、油圧モータを取り囲むように搭載又は構成することができない電気モータサブシステムを搭載又は配置するために利用することができる。

積み重ねられた非同一平面上の構成により、複合モータのトルクとパワーレンジを最適化及び最大化するように複数の電気モータサブシステム及び油圧モータサブシステムを同軸上で互いに組み合わせたり、統合したりすることができる。

電気モータが高回転速度で効率が良いのに対して、油圧モータは、典型的には低速領域で効率的が良い。ある適用例においては、電気モータサブシステムが油圧モータサブシステムよりも高い回転速度を実現することができることが望ましい場合がある。本発明のさらなる実施形態においては、電気モータサブシステム及び油圧モータサブシステムは、互いに同軸上にかつ同一平面上に配置され、共通又は共有のステータアセンブリを有するが、ギア駆動、ディファレンシャルリングピニオンとはすばかさ歯車対を含む摩擦駆動、単一比、多段変化比又は連続変化比からなる群から選択される動力伝達機構により互いに回転可能に係合する独立回転ロータを有し、電気モータロータが固定比又は可変比で油圧モータロータよりも高い回転速度で回転できるようになっている。

図10Ａは、互いに同軸上かつ同一平面上に配置された油圧モータサブシステム及び電気モータサブシステムの模式的な側断面図であり、これらのサブシステムは、共有又は共通のステータアセンブリ21を有し、電気ロータアセンブリ40が歯車対アセンブリ60によって油圧ロータアセンブリ50と回転可能に係合している。共通のステータアセンブリ21は、油圧モータハブアセンブリ23が取り付けられるステータ構造１とステータコアアセンブリ３とを備えている。ステータコアアセンブリ３は、ステータコア42及びコイル巻線43を備えている。油圧モータハブアセンブリ23は、ローラ９とそれぞれ嵌合するピストン８が内部に配置されたシリンダ７の放射状の配列を含む油圧モータハブ６を備えている。ローラ９がリングカム５の回旋状の多葉形内面に転動可能に係合してシリンダ７内でピストン８を作動させるように外側に押すようにピストン８が加圧される。また、油圧モータハブアセンブリ23は、その油圧動力及びポンプ機能を実現する弁及び油圧流体流路（図示せず）の系を含んでいる。油圧ロータアセンブリ50は、リングカム５及び油圧モータシャフト52が取り付けられる油圧ロータ端板51を備えている。歯車62が油圧モータシャフト52に取り付けられている。電気ロータアセンブリ40は、鉄バックリング15が取り付けられる電気ロータ端板２を備えている。ステータコア42及びコイル巻線43を有するステータアセンブリ３と電磁的に係合する永久磁石４の列が鉄バックリング15に取り付けられている。電気ロータ端板２が適切な鉄金属から製造される場合には、永久磁石４を直接電気ロータ端板２に取り付けることができ、鉄バックリング15は必要ではない。電気モータシャフト41が電気ロータ構造２に取り付けられ、歯車61が電気モータシャフト41に取り付けられている。電気ロータシャフト41は、油圧ロータシャフト52が電気ロータシャフト41内に回転可能に嵌合し、軸受10に支持され得るような管状の断面を有している。輪歯車53が電気ロータアセンブリ40に取り付けられ、車両ドライブトレーン（図示せず）に接続するドライブシャフト55に取り付けられたピニオン歯車54と噛合している。歯車対アセンブリ60は、電気ロータシャフト41に取り付けられた歯車61と、油圧モータシャフト52に取り付けられた歯車62と、歯車軸66に一緒に取り付けられ、歯車軸66上に回転可能に搭載された仲介歯車63及び64とを備えている。歯車軸66は、複合モータハウジング（図示せず）に取り付けられる。

回転駆動力は、電気ロータシャフト41から仲介歯車63と噛合する歯車61を介して伝達される。歯車63は、歯車61よりも大きな径を有しており、このため歯車61よりもゆっくり回転する。仲介歯車63は、歯車62に噛合する歯車64に取り付けられ、これとともに回転する。歯車62は、油圧モータシャフト52に取り付けられている。例えば、歯車63が歯車61の径の２倍であり、歯車62が歯車64の径の２倍であれば、油圧ロータシャフト52は、電気ロータシャフト41の回転速度の四分の一で回転する。

上述した歯車対又は駆動伝達機構内に、あるいは電気モータサブシステムと油圧モータサブシステムとの間に係合解除機構を含めて、油圧モータサブシステムが電気モータサブシステムから離脱し、これに再係合できるようにしてもよい。この係合解除機構としては、摩擦摺動クラッチや同期歯車係合解除機構が挙げられるが、これらに限られるものではない。この係合解除機構は、機械式、電気式、及び油圧式駆動をはじめとする様々な手段により駆動されてもよい。

図10Ｂは、図10Ａに示された実施形態の模式的な側断面図であり、油圧モータシャフト52はスプライン部65を有し、歯車62bは対応するスプライン中心孔を有しており、歯車62bが歯車対アセンブリ60から軸方向に離れる方向に移動可能となっている。歯車62bは、破線62aで示される係合位置からスプライン部65に沿って軸方向に移動した係合離脱位置で示されており、そのような歯車62bの軸方向の移動は、好適な作動機構（図示せず）によって達成される。

また、上述した実施形態において述べたような独立して回転する電気ロータ及び油圧ロータ及び係合解除機構は、先に述べたような積み重ねられた実施形態又は非同一平面上にある実施形態にも適用可能である。複合モータに関して利用可能な好ましいロータの構成を以下に要約する。

統合又は複合電気油圧ロータについては図１Ａを参照せよ。永久磁石が油圧リングカムの外側に取り付けられているので、電気モータサブシステムは、油圧モータサブシステムと同じ回転速度で作動する。

独立電気油圧ロータについては図10Ａ及び図10Ｂを参照せよ。このロータの実施形態は、互いに分離しているが、歯車対60のような動力伝達機構により互いに回転可能に係合する電気ロータ40及び油圧ロータ50を有しており、電気ロータは、固定比又は可変比で油圧ロータよりも速い速度で回転することができるようになっている。

独立及び係合解除電気油圧ロータについて、このロータの実施形態は、これらのロータの一方がトルクを生成しているときに他方が停止できるように、独立電気ロータ及び油圧ロータが互いに完全に係合を解除できる係合解除機構を含んでいる。

図11Ａ、図11Ｂ、及び図11Ｃは、複合モータを組み込んだ車両レイアウトの模式的平面図及び側面図である。いずれの変形例においても、複合モータは、図３Ａに図示されるような、車両の従軸に駆動可能に接続されるシャフト29を有する直角ギアボックスを介して従軸に係合している。図11Ａ、図11Ｂ、及び図11Ｃにおいて、複合モータ109は、直角ギアボックス108を介して後輪軸107又は前輪軸112に駆動可能に係合している。直角ギアボックス108は、直角ギアボックス108が前輪従軸107及び／又は後輪従軸112に直接係合可能となるように差動機構を含んでいるか、組み込んでいる。直角ギアボックス108は、2010年６月16日に提出された米国特許出願第12/808,664号で、現在では米国特許第8,798,828号となっている「車両のための運動エネルギー再生及び電気駆動」において開示されている方法で、複合モータ109の上方又は下方に組み込まれ、連結され、あるいは統合されている。

本発明の好ましい実施形態において本発明の原理について説明し、図示してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく構成及び詳細において修正することが可能であることは明らかであろう。我々は、本発明の精神と範囲内にあるすべての改良及び変形について権利を要求する。上述の説明は本発明の原理の代表例に過ぎない。上記の教示から本発明の多くの改良例及び変形例が考えられる。しかしながら、本発明の好ましい実施形態及び別の実施形態が開示されており、当業者であれば、ある改良例や変形例が本発明の範囲内にあると認識するであろう。

Claims (20)

1. 電気モータサブシステムと、
   油圧モータサブシステムと、
   前記電気モータサブシステム及び前記油圧モータサブシステムと係合するステータアセンブリと、
   を備え、
   前記電気モータサブシステム及び前記油圧モータサブシステムは、単一の複合モータを形成するように構成され、
   前記電気モータサブシステム及び前記油圧モータサブシステムは、前記ステータアセンブリにより係合される、
   複合電気油圧モータ。
2. 前記電気モータサブシステム及び前記油圧モータサブシステムと係合するロータアセンブリをさらに備え、
   前記電気モータサブシステムと前記油圧モータサブシステムとは、前記ロータアセンブリ及び前記ステータアセンブリにより係合される
   請求項１の複合電気油圧モータ。
3. 前記電気モータサブシステムは、前記油圧モータサブシステムに対して同軸上に配置される、請求項１の複合電気油圧モータ。
4. 前記電気モータサブシステムは、前記油圧モータサブシステムに対して同一平面上に配置される、請求項１の複合電気油圧モータ。
5. 前記電気モータサブシステムと前記油圧モータサブシステムとの間でトルク配分及びエネルギー使用率を調整及び管理するシステムコントローラをさらに備える、請求項１の複合電気油圧モータ。
6. 前記油圧モータサブシステムはラジアルピストンリングカムモータを含み、後退可能なピストン列により、前記油圧モータサブシステムと前記電気モータシステムとの係合及び係合解除が所定の回転速度で可能となる、請求項１の複合電気油圧モータ。
7. 前記電気モータサブシステムと前記油圧モータサブシステムとを係合解除できるように連結する少なくとも１つの係合解除機構をさらに備える、請求項１の複合電気油圧モータ。
8. 前記係合解除機構は、前記ラジアルピストンリングカムモータのピストンの後退を含む、請求項７の複合電気油圧モータ。
9. 前記係合解除機構は、少なくとも１つのクラッチ可能な機構を含む、請求項７の複合電気油圧モータ。
10. 前記ロータアセンブリは、電気モータサブシステムロータアセンブリと油圧モータサブシステムロータアセンブリとを備える、請求項２の複合電気油圧モータ。
11. 前記電気モータサブシステムロータアセンブリは、前記油圧モータサブシステムロータアセンブリとは独立して回転する、請求項10の複合電気油圧モータ。
12. 前記電気モータサブシステムロータアセンブリは、前記油圧モータサブシステムロータアセンブリと回転可能に係合する、請求項10の複合電気油圧モータ。
13. 前記ロータアセンブリは、動力伝達機構により回転可能に係合される、請求項12の複合電気油圧モータ。
14. 前記電気モータサブシステムロータアセンブリは、前記油圧モータサブシステムロータアセンブリに対して回転する、請求項10の複合電気油圧モータ。
15. 前記動力伝達機構は、少なくとも１つのギアドライブを含む、請求項13の複合電気油圧モータ。
16. 前記動力伝達機構は、少なくとも１つの摩擦駆動を含む、請求項13の複合電気油圧モータ。
17. 前記電気モータサブシステムは、リングモータを含む、請求項１の複合電気油圧モータ。
18. 前記電気モータサブシステムは、パンケーキモータを含む、請求項１の複合電気油圧モータ。
19. 前記電気モータサブシステムは、ブラシレス永久磁石モータを含む、請求項１の複合電気油圧モータ。
20. 前記油圧モータサブシステムは、ラジアルピストンリングカムモータを含む、請求項１の複合電気油圧モータ。

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