JP2017502641A - 自動調心永久磁石籠型ロータを備えるハイブリッド電気モータ - Google Patents

Abstract

電気モータ１０は、固定ステータ１６、独立回転アウターロータ２０、モータシャフト１４に固定されたSCインナーロータ３０を備える。ある実施形態では、アウターロータ２０は、離隔して配された第１のバー２６と永久磁石２２を備え、インナーロータ３０は、離隔して配された第２のバー３６を備える。別の実施形態では、アウターロータ２０は、角度方向に離隔して配された第１のバー２６を備えるが、永久磁石２２は備えず、インナーロータ３０が永久磁石２２'を備え、角度方向に離隔して配された第２のバー３２'を備えることもある。アウターロータ２０は始めに、回転ステータ磁場と第１のバー２６の協働によって加速される。アウターロータ２０が同期回転速度に向けて加速すると、インナーロータ３０が加速され、効率的な同期動作に遷移する。こうして、アウターロータ２０は、始動時にはインナーロータ３０を回転ステータ磁場から分離し、同期速度ではインナーロータ３０を回転ステータ磁場に結合するクラッチとして動作する。【選択図】図２

Description

本発明は電気モータに関し、具体的には、独立回転永久磁石ロータを有する誘導モータに関する。この永久磁石ロータは誘導ロータに可変連結され、それによって始動時の非同期誘導動作から始動後の同期動作にモータを再構成することができ、効率的な動作を可能にする。

優先権の主張

本出願は、2014年1月9日に出願された米国特許出願第14/151,333号及び2014年3月28日に出願された米国特許出願第14/229,673の優先権を主張するものであり、これらの出願を参照することにより、その全体が本願に組み込まれる。

電気モータの好ましい形態は、ブラシレス交流誘導モータである。誘導モータのロータは、ステータの内側で回転する籠（又は「回し車（hamster wheel）」に似た回転籠）を備える。この籠は、ロータの外周に、角度方向に離隔して配され軸方向に延在するバーを備える。ステータに流れる交流電流は、ロータの内側に回転ステータ磁場を誘起し、回転磁場がバーに電流を誘起する。バーの誘導電流は更に誘導磁場を生じさせ、この誘導磁場がステータ磁場と協働してトルクを発生させ、ロータを回転させることになる。

電流をバーに誘起させるためには、回転ステータ磁場に同期してバーが動かないように（又は回転しないように）しなくてはならない。これは、電磁誘導には磁場と磁場内の誘導体との間の（滑りと呼ばれる）相対運動が必要とされるからである。このため、ロータは回転ステータ磁場に対して滑ることになり、バーに電流が誘起され、トルクが発生する。したがって、誘導モータは非同期モータとも呼ばれる。

不都合なことに、低出力誘導モータは設計動作速度でも効率が高くなく、負荷を減らすほど効率は更に低くなる。これは、負荷を減らしてもステータの消費電力量が一定のままであるためである。

こうした誘導モータの効率を改善する一つのアプローチは、ロータに永久磁石を追加することであった。これにより、モータは最初、典型的な誘導モータと同様に始動するが、モータが動作速度に達すると、ステータ磁場が永久磁石と協働して同期動作に遷移することができる。しかし不都合なことに、永久磁石にはサイズに制限がある。永久磁石が大き過ぎるとモータの始動が妨げられるからである。こうしたサイズ制限のため、永久磁石の追加によって得られる利点も制限されることになる。

本出願が包含する2014年1月9日出願の米国特許出願第14/151,333号は、電気モータであって、アウターステータと、モータシャフトに固定されたバーを備えるインナーロータと、永久磁石及びバーを備え、インナーロータとステータの間に配置される自由回転アウターロータを有する電気モータを開示している。始動時、回転ステータ磁場が自由回転アウターロータを加速し、この加速によって、自由回転アウターロータの永久磁石も加速してインナーロータにロックして効率的な永久磁石の動作を実現することができる。

出願第14/151,333号の設計は一部のモータの設計には適するものであるが、設計によっては、インナーロータの表面における表面効果により、インナーロータと回転永久磁場の結合が弱められたり妨げられたりする。

本発明は、前述した要求やそれ以外の要求に対して、ハイブリッド誘導モータを提供することで対応する。このモータは、固定ステータ、独立回転アウターロータ、モータシャフトに固定されたインナーロータを備える。ある実施形態では、アウターロータは、離隔して配された第１のバーと永久磁石を備え、インナーロータは、離隔して配された第２のバーを備える。別の実施形態では、アウターロータは、角度方向に離隔して配された第１のバーを備えるが、永久磁石は備えず、インナーロータが永久磁石を備え、角度方向に離隔して配された第２のバーを備えることもある。アウターロータは始めに、回転ステータ磁場と第１のバーの協働によって加速される。アウターロータが同期回転速度に向けて加速すると、インナーロータが加速され、効率的な同期動作に遷移する。こうして、アウターロータは、始動時にはインナーロータを回転ステータ磁場から分離し、同期速度ではインナーロータを回転ステータ磁場に結合するクラッチとして動作する。

本発明のある実施形態に従って提供されるハイブリッド誘導モータは、固定ステータ、独立回転ハイブリッド永久磁石籠型（Hybrid Permanent Magnet/Squirrel Cage, HPMSC）アウターロータ、モータシャフトに固定された籠型（Squirrel Cage, SC）インナーロータを備える。HPMSCロータは、角度方向に離隔して配されたＮ個の永久磁石と、連続する永久磁石の間を角度方向に離隔して配された複数の第１のバーをＮ組備える。SCロータは、角度方向に離隔して配された第２のバーＮ組と、SCロータの外周で連続する第２のバーの群の間に溝を備える。HPMSCアウターロータは始めに、ステータと第１のバーの協働によって加速される。永久磁石は、SCロータに回転ステータ磁場を生成し、この磁場が第２のバーを協働してSCロータを加速する。HPMSCアウターロータが同期回転速度に向けて加速すると、ステータ磁場はHPMSCロータ内部に到達し、永久磁石と協働して同期動作に遷移する。永久磁石とSCロータの溝との協働によって、突極が形成され、２つのロータを同期回転速度にロックする。

本発明の別の態様に従って提供されるインナー籠型（SC）ロータは、ロータ外周に、角度方向に離隔して配された軸方向に延在する溝を備える。独立回転ハイブリッド永久磁石籠型（HPMSC）アウターロータでは、溝の間隔は永久磁石の間隔と一致している。同期速度では、溝と永久磁石は協働して突極を形成し、この突極がSCインナーロータの回転をHPMSCアウターロータに結合する。これにより、SCインナーロータとHPMSCアウターロータの機械的連結が不要となる。

本発明のまた別の態様に従って提供されるモータは、改良された誘導始動シーケンスと効率的な同期動作を有する。HPMSCアウターロータの第１のバーの設計により、十分大きなトルクが生み出され、永久磁石が生じさせるSCインナーロータの抵抗を克服することができる。その結果、HPMSCアウターロータは早く同期回転速度に到達することができる。HPMSCアウターロータはSCインナーロータよりも速く加速するほど、永久磁石とSCインナーロータの第２のバーとの協働がSCインナーロータに生み出すトルクは大きくなり、SCインナーロータを加速する。第１のロータが同期回転速度に近づくと、ステータの磁束はSCインナーロータの第２のバーを貫いて更なるトルクを加え、それが更にSCインナーロータを同期回転速度まで加速する。

本発明のまた更に別の態様に従って提供されるモータは、HPMSCアウターロータ及びSCインナーロータを備え、これらは、HPMSCアウターロータの永久磁石とSCインナーロータの表面で軸方向に延在する溝との協働によって結合される。溝の深さは、モータの用途に応じて、SCインナーロータとHPMSCアウターロータのロックを最適化するように変更することができる。

本発明の別の実施形態に従って提供されるハイブリッド誘導モータは、固定ステータ、独立回転籠型（SC）アウターロータ、モータシャフトに固定された永久磁石（PM）インナーロータを備える。SCアウターロータは、角度方向に離隔して配された第１のバーを備える。PMインナーロータは、永久磁石の間に離隔して配された第２のバーの組を備えてもよい。SCアウターロータは始めに、回転ステータ磁場と第１のバーの協働によって加速される。SCアウターロータが同期回転速度に向けて加速すると、ステータ磁場はSCアウターロータを貫いて到達し、永久磁石と協働してPMインナーロータを加速し、同期動作に遷移する。こうして、SCアウターロータは、始動時にはPMインナーロータを回転ステータ磁場から分離し、同期速度ではPMインナーロータを回転ステータ磁場に結合するクラッチとして動作する。SCアウターロータが加速すると、PMインナーロータにおける永久磁石の磁束はSCアウターロータの第１のバーと協働してトルクを生み出し、同時にPMインナーロータも加速する。SCアウターロータの回転速度が上がってステータ磁束の回転速度に近づくと、ステータ磁束はSCアウターロータを貫いてPMインナーロータに磁束を分け与え、PMインナーロータに更なるトルクを加える。これにより、PMインナーロータが同期動作になるまで加速される。

本発明における上記及び他の態様、特徴、利点は、次の添付図面と共に示される以下の詳細な説明によって十分に明らかにされる。
本発明に従う、独立回転ハイブリッド永久磁石籠型（HPMSC）アウターロータ及びモータシャフトに連結固定された籠型（SC）インナーロータを備える電気モータの端面図を示す。 本発明に従う、独立回転HPMSCアウターロータ及びモータシャフトに連結固定された籠型（SC）インナーロータを備える電気モータの側面図を示す。 本発明に従う、独立回転HPMSCアウターロータ及びモータシャフトに連結固定されたSCインナーロータを備える電気モータの、図１Ｂ線２−２による断面図を示す。 本発明に従う、独立回転HPMSCアウターロータ及びモータシャフトに連結固定されたSCインナーロータを備える電気モータの、図１Ａ線３−３による断面図を示す。 本発明に従う、独立回転HPMSCアウターロータ及びモータシャフトに連結固定されたSCインナーロータを備える電気モータのハウジング及び固定されたステータ部の、図１Ｂ線２−２による断面図を示す。 本発明に従う、独立回転HPMSCアウターロータ及びモータシャフトに連結固定されたSCインナーロータを備える電気モータのハウジング及び固定されたステータ部の、図４線５−５による断面図を示す。 本発明に従う、独立回転HPMSCアウターロータ及びモータシャフトに連結固定されたSCインナーロータを備える電気モータの独立回転HPMSCアウターロータの、図１Ｂ線２−２による断面図を示す。 本発明に従う、独立回転HPMSCアウターロータ及びモータシャフトに連結固定されたSCインナーロータを備える電気モータの独立回転HPMSCアウターロータの、図６線７−７による断面図を示す。 本発明に従う、独立回転HPMSCアウターロータ及びモータシャフトに連結固定されたSCインナーロータを備える電気モータのSCインナーロータの、図１Ｂ線２−２による断面図を示す。 本発明に従う、独立回転HPMSCアウターロータ及びモータシャフトに連結固定されたSCインナーロータを備える電気モータのSCインナーロータの、図８線９−９による断面図を示す。 本発明に従う、独立回転HPMSCアウターロータ及びモータシャフトに連結固定されたSCインナーロータを備える電気モータであって、始動時の磁束線を示しているものの、図１Ｂ線２−２による断面図を示す。 本発明に従う、独立回転HPMSCアウターロータ及びモータシャフトに連結固定されたSCインナーロータを備える電気モータであって、同期速度での磁束線を示しているものの、図１Ｂ線２−２による断面図を示す。 本発明に従う、独立回転HPMSCアウターロータ及びモータシャフトに連結固定されたSCインナーロータの第２実施形態を備える電気モータの、図１Ｂ線２−２による断面図を示す。 本発明に従う、独立回転HPMSCアウターロータ及びモータシャフトに連結固定されたSCインナーロータの第２実施形態を備える電気モータの、図１Ａ線３−３による断面図を示す。 本発明に従う、独立回転HPMSCアウターロータ及びモータシャフトに連結固定されたSCインナーロータの第３実施形態を備える電気モータの、図１Ｂ線２−２による断面図を示す。 本発明に従う、独立回転HPMSCアウターロータ及びモータシャフトに連結固定されたSCインナーロータの第２実施形態を備える電気モータの、図１Ａ線３−３による断面図を示す。 本発明に従う、独立回転HPMSCアウターロータの第２実施形態の、図１Ｂ線２−２による断面図を示す。 本発明に従う、独立回転HPMSCアウターロータの第２実施形態の、図１６線１７−１７による断面図を示す。 本発明に従う、独立回転HPMSCアウターロータの第３実施形態の、図１Ｂ線２−２による断面図を示す。 本発明に従う、独立回転HPMSCアウターロータの第３実施形態の、図１８線１９−１９による断面図を示す。 本発明に従う、独立回転HPMSCアウターロータ及びモータシャフトに連結固定されたSCインナーロータを備える電気モータの第２実施形態であって、始動時の磁束線を示しているものの、図１Ｂ線２−２による断面図を示す。 本発明に従う、独立回転HPMSCアウターロータ及びモータシャフトに連結固定されたSCインナーロータを備える電気モータの第２実施形態であって、同期速度での磁束線を示しているものの、図１Ｂ線２−２による断面図を示す。 本発明に従う、独立回転HPMSCアウターロータ及びモータシャフトに連結固定されたSCインナーロータを備える電気モータの第３実施形態であって、始動時の図１Ｂ線２−２による断面図を示す。 本発明に従う、独立回転HPMSCアウターロータ及びモータシャフトに連結固定されたSCインナーロータを備える電気モータの第３実施形態であって、同期速度での図１Ｂ線２−２による断面図を示す。 本発明に従う、独立回転SCアウターロータ及びモータシャフトに連結固定されたHPMSCインナーロータを備える電気モータの第２実施形態の、図１Ｂ線２−２による断面図を示す。 本発明に従う、独立回転SCアウターロータ及びモータシャフトに連結固定されたHPMSCインナーロータを備える電気モータの第２実施形態の、図１Ａ線３−３による断面図を示す。 本発明に従う、独立回転SCアウターロータ及びモータシャフトに連結固定されたHPMSCインナーロータを備える電気モータの第２実施形態のハウジング及び固定されたステータ部の、図１Ｂ線２−２による断面図を示す。 本発明に従う、独立回転SCアウターロータ及びモータシャフトに連結固定されたHPMSCインナーロータを備える電気モータの第２実施形態のハウジング及び固定されたステータ部の、図２６線２７−２７による断面図を示す。 本発明に従う、独立回転SCアウターロータ及びモータシャフトに連結固定されたHPMSCインナーロータを備える電気モータの第２実施形態の独立回転SCアウターロータの、図１Ｂ線２−２による断面図を示す。 本発明に従う、独立回転SCアウターロータ及びモータシャフトに連結固定されたHPMSCインナーロータを備える電気モータの第29実施形態の独立回転SCアウターロータの、図２８線２９−２９による断面図を示す。 本発明に従う、独立回転SCアウターロータ及びモータシャフトに連結固定されたHPMSCインナーロータを備える電気モータの第２実施形態のHPMSCインナーロータの、図１Ｂ線２−２による断面図を示す。 本発明に従う、独立回転SCアウターロータ及びモータシャフトに連結固定されたHPMSCインナーロータを備える電気モータの第２実施形態のHPMSCインナーロータの、図３０線３１−３１による断面図を示す。 本発明に従う、電気モータの第２実施形態であって、始動時の磁束線を示しているものの、図１Ｂ線２−２による断面図を示す。 本発明に従う、電気モータの第２実施形態であって、同期速度での磁束線を示しているものの、図１Ｂ線２−２による断面図を示す。 本発明に従う、インナーロータ内にバーが無い電気モータの第２実施形態であって、始動時の図１Ｂ線２−２による断面図を示す。 本発明に従う、インナーロータ内にバーが無い電気モータの第２実施形態であって、同期速度での図１Ｂ線２−２による断面図を示す。 本発明に従う、PMインナーロータの第１実施形態を示す。 本発明に従う、PMインナーロータの第２実施形態を示す。 本発明に従う、PMインナーロータの第３実施形態を示す。 本発明に従う、PMインナーロータの第４実施形態を示す。 本発明に従う、PMインナーロータの第５実施形態を示す。 参照文字は複数の図面に亘って対応する要素を指し示している。

本発明を実施するために現在考慮されている最適な形態について、以下で説明する。ただし、こうした説明は限定的な意味で捉えられるべきではなく、本発明の１つ又は複数の好適な実施形態を説明する目的でのみ用いられる。したがって、本発明の範囲は特許請求の範囲を参照して決定されなくてはならない。

図１Ａには、本発明に従う電気モータ１０であって、独立回転ハイブリッド永久磁石籠型（Hybrid Permanent Magnet/squirrel Cage, HPMSC）アウターロータ２０及びモータシャフト１４に連結固定された籠型（Squirrel Cage, SC）インナーロータ３０を備える電気モータ１０の端面図が示されている。電気モータ１０の側面図は図１Ｂに示されている。図２には、電気モータ１０の図１Ｂ線２−２による断面図が示され、図３には、電気モータ１０の図１Ａ線３−３による断面図が示されている。電気モータ１０は、ハウジング１２とハウジング１２に連結固定されたステータ部１６、ベアリング２９（図７を参照）で支持される独立回転HPMSCアウターロータ２０、モータシャフト１４に固定されたSCインナーロータ３０を備える。

図２には、電気モータ１０のハウジング１２及び固定されたステータ部１６の、図１Ｂ線−２−２による断面図が示され、図５には、ハウジング１２及び固定されたステータ部１６の、図４線５−５による断面図が示されている。固定されたステータ巻線１８はステータコア１９に内在する。ステータ巻線１８は交流電流（AC）信号が供給されると、回転ステータ磁場を生成する。ハウジング１２はシャフト１４を支えるベアリング１３を備える。

図２には、独立回転HPMSCアウターロータ２０の図１Ｂ線−２−２による断面図が示され、図７には、独立回転HPMSCアウターロータ２０の図６線７−７による断面図が示されている。HPMSCアウターロータ２０は、角度方向に離隔して配された永久磁石２２と、第１のロータコア２３に内在する、角度方向に離隔して配された第１のバー２６を備える。HPMSCアウターロータ２０は永久磁石２２を幾つでも備えることができ、永久磁石２２の個数が、例えば２、４、６、８等でもよい。ロータコア２３には、各永久磁石２２の両端部に非鉄間隙２４があり、連続する磁石２２と間隙２４の間の角度幅が角度セグメントＳである。間隙２４は、磁束の漏洩を最小化する空隙又は非鉄材料である。磁石２２の両端部に鉄材料がある場合、磁束は磁石２２に引き戻され、磁束線の大部分が磁石２２に戻って短くなる。コア２３は積層コア３８であることが望ましいが、互いに積層部を保持するコア２３の薄部２３ａは磁束漏洩領域と見做される。領域２３ａの厚さは、漏洩を最小にしつつもロータコア２３の機械的完全性を保持するように最適化されることが望ましい。バー２６は必須ではないが、磁石２２の間が角度方向に等間隔で離隔して配されることが望ましい。

ロータエンドキャップ２８はHPMSCアウターロータ２０の両端部に取り付けられ、HPMSCアウターロータ２０がモータシャフト１４の周りを自由に回転できるようにするベアリング２９を備える。ベアリング２９は低摩擦ベアリング（例えば、ボールベアリング）が望ましいが、単なるブッシュ（例えば、青銅ブッシュやオイライトブッシュ）でもよい。

図８には、電気モータ１０のSCインナーロータ３０の、図１Ｂ線−２−２による断面図が示され、図９には、電気モータ１０のSCインナーロータ３０の、、図８線９−９による断面図が示されている。SCインナーロータ３０はモータシャフト１４に固定され、HPMSCアウターロータ２０をモータシャフト１４に連結する。第２のロータコア３６には第２のバー３６が内在する。バーは必須ではないが、角度方向に等間隔で離隔して配されるのが望ましい。しかも、左右対称であれば（即ち、両端部で対称な組になっていれば）より望ましい。バー２６の抵抗とロータコア２３の飽和との間の均衡は最適化することができ、バー２６の形状や本数、寸法が、例えばモータ始動時の性能に大きな影響を及ぼすことになる。

ロータコア３６の円筒外面３６ａには、角度方向に離隔して配され軸方向に延在する溝３４が形成される。溝３４の個数及び間隔は、HPMSCアウターロータ２０の磁石２２の個数及び間隔と一致する。溝３４の大きさ、特に深さは、突極５０（図１１参照）に作用することによってHPMSCアウターロータ２０とSCインナーロータ３０の結合を実質的に決定する。次いで突極５０は、モータ１０が同期速度で動作するとき、HPMSCアウターロータ２０とSCインナーロータ３０の間の結合を決定する。

図１０には、始動時における電気モータ１０の図１Ｂ線２−２による断面図が示されている。ステータ１６に交流電力が供給されると、回転ステータ磁場が誘導的にHPMSCアウターロータ２０の第１のバー２６と協働して第１のバー２６に電流を生成し、磁束線４０が生じる。しかし始動時では、回転ステータ磁場と静止しているロータバーとの相互作用により、表面効果を起こすロータ周波数が生じる。そして、回転ステータ磁場はHPMSCアウターロータ２０の深部まで入り込まないため、HPMSCアウターロータ２０の表面より下にある第１のロータバー２６の部分にまで到達しない。したがって、回転ステータ磁場はHPMSCアウターロータ２０を加速させる。SCインナーロータ３０の第２のバー３２は、HPMSCアウターロータ２０の磁石２２と協働してSCインナーロータ３０を加速させる。

はじめにHPMSCアウターロータ２０が加速するため、SCインナーロータ３０の溝３４は磁石２２と揃っていない。これにより、磁石２２（及びそれによる磁場）は突極５０を飛ばしていくが、SCインナーロータ３０が同期回転速度（毎分回転数）近くに達するまで、SCインナーロータ３０の第２のバー３２と誘導的に協働する。ここで、突極５０の磁石２２への引力は、SCインナーロータ３０をHPMSCアウターロータ２０と同じ回転速度に維持するのに十分な大きさを持つ。突極５０の設計は結合トルクを決定する。結合トルクは、モータの定格トルクよりも若干大きくなるように設計され、通常動作ではSCインナーロータ３０をHPMSCアウターロータ２０と同じ回転速度に維持するようにする。こうした設計は、モータ１０が過負荷で完全に失速するのを防止するため、利点も多い。その理由は、モータシャフト１４の負荷とそれによるSCインナーロータ３０の負荷がモータの設計トルクを超えると、SCインナーロータ３０は、HPMSCアウターロータ２０を同期回転速度にしたままHPMSCアウターロータ２０から離脱することができるからである。

HPMSCアウターロータ２０の毎分回転数が上がると、ロータの周波数は下がり、それによって回転ステータ磁場はHPMSCアウターロータ２０とSCインナーロータ３０により深く入り込める。その結果、ロータ表面のバー部分で二重籠式ロータ効果（duel cage rotor effect）を生じさせる。バー部分が長いほどロータに深く浸透し、始動抵抗を大きくして電流スパイクを減らすことができる。

図１１には、同期速度時における電気モータ１０の図１Ｂ線２−２による断面図が示されている。HPMSCアウターロータ２０とSCインナーロータ３０が同期速度に到達すると、モータ周波数は下がり、HPMSCアウターロータ２０と回転ステータ磁場との協働は誘導動作から永久磁石動作への遷移する。そして、磁束４０・４２が減少して、磁石２２を通過してSCインナーロータ３０に入り込む磁束５２が増加することで、HPMSCアウターロータ２０は同期動作に遷移する。HPMSCアウターロータ２０は、同期速度に向かうまでSCインナーロータ３０に対して引力を作用し続け、効率的な永久磁石同期動作のために、突極５０がSCインナーロータ３０とHPMSCアウターロータ２０を結合する。

図１２には、独立回転HPMSCアウターロータ２０ａ及びモータシャフトに連結固定されたSCインナーロータ３０ａの第２実施形態を備える電気モータ１０ａの、図１Ｂ線２−２による断面図が示され、図１３には、電気モータ１０ａの図１Ａ線３−３による断面図が示されている。SCインナーロータ３０ａにはSCインナーロータ３０のような溝３４が無い。

図１４には、独立回転HPMSCアウターロータ２０ｂ及びモータシャフトに連結固定されたSCインナーロータ３０ｂの第３実施形態を備える電気モータ１０ｂの、図１Ｂ線２−２による断面図が示され、図１５には、電気モータ１０ｂの図１Ａ線３−３による断面図が示されている。SCインナーロータ３０ｂにもSCインナーロータ３０のような溝３４は無い。

図１６には、独立回転HPMSCアウターロータ２０ａの第２実施形態の、図１Ｂ線２−２による断面図が示され、図１７には、ロータ２０ａの図１６線１７−１７による断面図が示されている。HPMSCアウターロータ２０ａは、連続する磁石２２の間に４本のバー２６を備える。

図１８には、独立回転HPMSCアウターロータ２０ｂの第３実施形態の、図１Ｂ線２−２による断面図が示され、図１９には、HPMSCアウターロータ２０ｂの図１８線１９−１９による断面図が示されている。HPMSCアウターロータ２０ｂは、連続する磁石２２の間に５本のバー２６を備える。

図２０には、電気モータ１０ａの第２実施形態であって、始動時の磁束線４０ａ・４２ａを示しているものの、図１Ｂ線２−２による断面図が示され、図２１には、同期速度での磁束線５２ａを示す電気モータ１０ａの図１Ｂ線２−２による断面図が示されている。磁束線は、図１０・１１に描かれた遷移と同じ様に遷移する。

図２２には、始動時の磁束線４０ｂ・４２ｂを示す電気モータ１０ｂの、図１Ｂ線２−２による断面図が示され、図２３には、同期速度での磁束線を示す電気モータ１０ｂの図１Ｂ線２−２による断面図が示されている。磁束線は、図１０・１１に描かれた遷移と同じ様に遷移する。

このように、本発明の第１実施形態は、
モータハウジングと；
モータハウジングに固定され、回転ステータ磁場を生成するステータと；
モータハウジングに回転可能に連結され、負荷に取り付けられるようにモータハウジングの少なくとも１つの端部から延在するモータシャフトと；
モータシャフトと同軸のハイブリッド永久磁石籠型ロータであって、第１のロータコアと、角度方向に離隔して配されロータコアに組み込まれたＮ個の永久磁石と、ロータコアで各永久磁石の両端部に位置する非鉄間隙と、ロータコアに組み込まれた第１のバーを有し、モータシャフトと独立に回転可能な、前記ハイブリッド永久磁石籠型ロータと；
モータシャフトと同軸の籠型ロータであって、第２のロータコアと、第２のロータコアに組み込まれた第２のバーと、角度方向に等間隔で離隔して配され、第２のロータコアの表面に軸方向で設けられ、ハイブリッド永久磁石籠型ロータに向いているＮ個の溝を有し、モータシャフトと回転可能に固定された、前記籠型ロータを
備える、クラッチレス・ハイブリッド永久磁石籠型モータを開示する。

第１実施形態は更に、
籠型ロータがハイブリッド永久磁石籠型ロータに内在するインナー籠型ロータであり；
籠型ロータはハイブリッド永久磁石籠型ロータと軸方向に揃えられ；
始動時には、ハイブリッド永久磁石籠型ロータの第１のバーが回転ステータ磁場と誘導的に協働してハイブリッド永久磁石籠型ロータにトルクを与え、籠型ロータの第２のバーがハイブリッド永久磁石籠型ロータの永久磁石をシャント（shunt）し、ハイブリッド永久磁石籠型ロータの初期加速を容易にし；
ハイブリッド永久磁石籠型ロータが加速すると、永久磁石が回転磁場を生成し、その磁場が籠型ロータの第２のバーと誘導的に協働して籠型ロータを加速し；
ハイブリッド永久磁石籠型ロータと籠型ロータの両方が同期動作に到達すると、
籠型ロータの表面の溝が永久磁石及びハイブリッド永久磁石籠型ロータの永久磁石の両端部にある非鉄間隙と協働して、籠型ロータの回転とハイブリッド永久磁石籠型ロータを磁気的に結合する突極を生成し；
永久磁石との同期動作で、回転ステータ磁場が永久磁石と結合して、永久磁石を貫いて籠型インナーロータに入り、
加えて、永久磁石の数は偶数であって；
ハイブリッド永久磁石籠型ロータはベアリングを保持するエンドキャップを備え、ベアリングはモータシャフトに支えられ；
結合された永久磁石とハイブリッド永久磁石籠型ロータの永久磁石の両端部は、角セグメントＳによって角度方向に離隔して配され、ハイブリッド永久磁石籠型ロータの第１のバーは角セグメントＳの中で角度方向に等間隔で離隔して配され；
ハイブリッド永久磁石籠型ロータの第１のバーは共有半径にある、又は、
ハイブリッド永久磁石籠型アウターロータは籠型ロータとステータの間にある、ものでもよい。

第１実施形態は更に、クラッチレス・ハイブリッド永久磁石籠型モータの動作方法であって、
交流信号を停止中のロータに供給することと；
二重式ロータ（two part rotor）と協働する回転ステータ磁場を生成することを含み、二重式ロータは：
モータシャフトと同軸のハイブリッド永久磁石籠型アウターロータであって、第１のロータコアと、角度方向に離隔して配されロータコアに組み込まれたＮ個の永久磁石と、ロータコアで各永久磁石の両端部に位置する非鉄間隙と、ロータコアに組み込まれた第１のバーを有し、モータシャフトと独立に回転可能な、前記ハイブリッド永久磁石籠型ロータと；
モータシャフトと同軸の籠型インナーロータであって、第２のロータコアと、第２のロータコアに組み込まれた第２のバーと、角度方向に等間隔で離隔して配され、第２のロータコアの表面に軸方向で設けられ、ハイブリッド永久磁石籠型ロータに向いているＮ個の溝を有し、モータシャフトと回転可能に固定された、前記籠型インナーロータを備え、
前記回転ステータ磁場は、ハイブリッド永久磁石籠型ロータの第１のバーと誘導的に協働してハイブリッド永久磁石籠型ロータにトルクを与え；
籠型ロータに内在する第２のバーによって永久磁石の磁場をシャント（shunt）し、永久磁石によってハイブリッド永久磁石籠型ロータの加速が妨げられる影響を減らし；
ハイブリッド永久磁石籠型ロータを同期回転速度まで加速し；
永久磁場を回転する永久磁石を生成し、
前記回転永久磁場は、籠型ロータの第２のバーと誘導的に協働して籠型ロータにトルクを与え；
ハイブリッド永久磁石籠型ロータと籠型ロータが同期回転速度に到達すると、籠型ロータの表面の溝が永久磁石及びハイブリッド永久磁石籠型ロータの永久磁石の両端部にある非鉄間隙と協働して、籠型ロータの回転とハイブリッド永久磁石籠型ロータを磁気的に結合する突極を生成し；
永久磁石との同期動作で、回転ステータ磁場が永久磁石と結合して、永久磁石を貫いて籠型インナーロータに入る、
前記方法としても記載することができる。

図２４には、独立回転SCアウターロータ２０'及びモータシャフトに連結固定されたPMインナーロータ３０'を備える電気モータ１０'の第２実施形態の、図１Ｂ線２−２による断面図が示され、図２５には、電気モータ１０'の第２実施形態の、図１Ａ線３−３による断面図が示されている。図２６には、電気モータ１０'の第２実施形態におけるハウジング１２及び固定されたステータ１６の図１Ｂ線２−２による断面図が示され、図２７には、電気モータ１０'の第２実施形態におけるハウジング１２及び固定されたステータ１６の図２６線２７−２７による断面図が示されている。図２８には、電気モータ１０'の第２実施形態における独立回転SCアウターロータ２０'の図１Ｂ線２−２による断面図が示され、図２９には、独立回転SCアウターロータ２０'の図２８線２９−２９による断面図が示されている。図３０には、SCインナーロータ３０'の図１Ｂ線２−２による断面図が示され、図３１には、SCインナーロータ３０'の図３０線３１−３１による断面図が示されている。

SCアウターロータ２０'は、第１のバー２６'と、バー２６'とSCアウターロータ２０'の表面２１との間にある小間隙２７を備える。第１のバー２６'は、始めに回転ステータ磁場と協働してSCアウターロータを誘導的に加速し、次いで永久磁石と協働する。間隙２１は空隙又は非鉄材料でもよい。間隙２１が存在しない場合、鉄ブリッジによって、磁極の役割を果たすバー２６'の間に磁束漏洩が生じ、誘導効果を消してしまうかもしれない。これは、ロータ周波数が最大である始動時に極性が切り替わって、SCアウターロータの加速を弱めてしまうからである。しかし、鉄ブリッジの中には許容範囲のものもあり、複数の鉄ブリッジを実験している本発明に従うモータも、本発明の範囲内に入れるように意図されている。

PMインナーロータ３０'は永久磁石２２'を備え、第２のバー３２'を備えることもできる。SCアウターロータの加速によってインナーロータとアウターロータの間のロータ周波数が生じるため、第１のバー２６'と永久磁石２２'の間の誘導的協働によって、インナーロータ３０'が同期回転速度まで加速される。

図３２には、電気モータ１０'の第２実施形態であって、始動時の磁束線を示しているものの、図１Ｂ線２−２による断面図が示され、図３３には、電気モータ１０'の第２実施形態であって、同期速度での磁束線を示すものの、図１Ｂ線２−２による断面図が示されている。周波数（例えば、ステータ磁場の毎分回転数とロータの毎分回転数との差）が最大である始動時には、磁束線４０'は表面近くに留まる傾向を示し、表皮効果又は表面効果と呼ばれる。電気モータ１０'は始動する際、この表皮効果を利用できる。表皮効果がPMインナーロータの永久磁石とSCアウターロータとの協働を弱めるため、SCアウターロータの第１のバーは、PMインナーロータの磁束からの永久磁束によって実質的に影響を受けずに、回転ステータ磁束と協働できるからである。

同期状態に近づくとロータ周波数は下がり、同期動作時はロータ周波数はゼロになる。磁束線５２'は剪断されずにロータ鉄材を深く貫通し、深部バー効果（deep bar effect）を呈する。SCアウターロータの毎分回転数が上がると、SCアウターロータ２０'とPMインナーロータ３０'の間での周波数も上がるため、表皮効果が、SCアウターロータ２０'の第１のバー２６'をPMインナーロータ３０'の永久磁石２２'と結合する役割も担うようになる。その結果、PMインナーロータ３０'を加速するトルクが生み出される。

図３４には、インナーロータにバーが無い電気モータ１０"の第２実施形態であって、始動時の磁束線を示しているものの、図１Ｂ線２−２による断面図が示され、図３５には、電気モータ１０"の第２実施形態であって、同期速度での磁束線を示すものの、図１Ｂ線２−２による断面図が示されている。磁束線４０"・５２"は磁束線４０'・５２'に対応するが、第１のバー２６'と第２のバー３２'が存在しないため第１のバー２６'と第２のバー３２'の間の磁束線が無い点が異なる。電気モータ１０"には、電気モータ１０'と比べてより簡素で廉価な設計を提供できるという利点がある。

図３６Ａ、図３６Ｂ、図３６Ｃにはそれぞれ、PMインナーロータの第１実施形態３０'ａ、PMインナーロータの第２実施形態３０'ｂ、PMインナーロータの第３実施形態３０'ｃが示されている。PMインナーロータ３０'ａは２個の永久磁石２２'を備え、PMインナーロータ３０'ｂは４個の永久磁石２２'を備え、PMインナーロータ３０'ｃは６個の永久磁石２２'を備える。永久磁石２２'の間にある第２のバー３２'はあっても無くてもよい。

図３７Ａ及び図３７Ｂにはそれぞれ、PMインナーロータの第４実施形態３０'ｄ、PMインナーロータの第５実施形態３０'ｅが示されている。PMインナーロータ３０'ｄは互いに接触している２個の永久磁石２２"を備え、PMインナーロータ３０'ｅでは互いに接触している４個の永久磁石２２'を備える。永久磁石２２"は廉価なフェライト磁石でもよい。

以上の通り、ハイブリッド電気モータの複数の実施形態が説明されてきた。こうしたハイブリッド電気モータは、モータシャフトと同軸でモータシャフトに回転可能に固定されたインナーロータであって、第２のロータコアと、第２のロータコアに組み込まれた第２の導電性籠型バー、及び第２のロータコアに組み込まれたＮ個の永久磁石の少なくとも一方を備える、前記インナーロータと；モータシャフトと同軸でステータとインナーロータの間に配置され、モータシャフトとは独立に回転可能なアウターロータであって、第１のロータコアと、ロータコアに組み込まれた第１の導電性籠型バーを備える、前記アウターロータを備え、インナーロータ及びアウターロータのうち少なくとも一方には永久磁石がある。当業者であれば、磁石やバー、溝の個数が異なるが、本願に開示された原理に依存するような、本願に記載した以外の実施形態も認められよう。こうした実施形態も本発明の範囲内であることが意図されている。

本発明は、電気モータの分野での産業適用性を追求している。

発明の範囲

本願において開示された発明は、特定の実施形態での手段とそこでの適用事例を用いて説明されてきたが、当業者であれば、本願の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を逸脱することなく様々な変更・変形を行うことができる。

Claims (11)

1. ハイブリッド永久磁石籠型モータであって、
   モータハウジングと；
   前記モータハウジングに固定され、回転ステータ磁場を生成するステータと；
   前記モータハウジングに回転可能に連結され、負荷に取り付けられるように前記モータハウジングの少なくとも１つの端部から延在するモータシャフトと；
   永久磁石と；
   前記モータシャフトと同軸で、前記モータシャフトに回転可能に固定されたインナーロータであって、第２のロータコアと、
   前記第２のロータコアに組み込まれた第２の導電性籠型バー、及び
   前記第２のロータコアに組み込まれたＮ個の永久磁石
   の少なくとも一方を備える、前記インナーロータと；
   前記モータシャフトと同軸で前記ステータと前記インナーロータの間に配置され、前記モータシャフトとは独立に回転可能なアウターロータであって、第１のロータコアと、前記ロータコアに組み込まれた第１の導電性籠型バーを備える、前記アウターロータと；
   を備え、前記永久磁石は、前記インナーロータ及び前記アウターロータのうち少なくとも一方に存在する、モータ。
2. 前記永久磁石は前記第２のロータコアに組み込まれる、請求項１に記載のモータ。
3. 前記第２の導電性籠型バーは前記第２のロータコアに組み込まれない、請求項２に記載のモータ。
4. 前記第２のロータコアに組み込まれた永久磁石は直接接触している、請求項３に記載のモータ。
5. 前記第２のロータコアに組み込まれた永久磁石はフェライト磁石である、請求項４に記載のモータ。
6. 前記第２の導電性籠型バーは前記第２のロータコアに組み込まれ、前記永久磁石の間で、角度方向に間隙を設けて配置される、請求項２に記載のモータ。
7. 前記第１の導電性籠型バーと前記アウターロータの表面との間に小間隙が設けられる、請求項２に記載のモータ。
8. 前記小間隙は非鉄間隙である、請求項２に記載のモータ。
9. ハイブリッド永久磁石籠型モータであって、
   モータハウジングと；
   前記モータハウジングに固定され、回転ステータ磁場を生成するステータと；
   前記モータハウジングに回転可能に連結され、負荷に取り付けられるように前記モータハウジングの少なくとも１つの端部から延在するモータシャフトと；
   前記モータシャフトと同軸で、前記モータシャフトに回転可能に固定されたインナーロータであって、第２のロータコアと、前記第２のロータコアに組み込まれたＮ個の永久磁石を備える、前記インナーロータと；
   前記モータシャフトと同軸で前記ステータと前記インナーロータの間に配置され、前記モータシャフト、前記インナーロータ及び前記ステータとは独立に回転可能なアウターロータであって、第１のロータコアと、前記ロータコアに組み込まれた第１の導電性籠型バーを備える、前記アウターロータと；
   を備える、モータ。
10. 前記第１の導電性籠型バーと前記アウターロータの表面との間に小間隙が設けられる、請求項９に記載のモータ。
11. ハイブリッド永久磁石籠型モータであって、
    モータハウジングと；
    前記モータハウジングに固定され、回転ステータ磁場を生成するステータと；
    前記モータハウジングに回転可能に連結され、負荷に取り付けられるように前記モータハウジングの少なくとも１つの端部から延在するモータシャフトと；
    前記モータシャフトと同軸で、前記モータシャフトに回転可能に固定されたインナーロータであって、第２のロータコアと、前記第２のロータコアに組み込まれた第２の導電性籠型バーを備える、前記インナーロータと；
    前記モータシャフトと同軸で前記ステータと前記インナーロータの間に配置され、前記モータシャフト、前記インナーロータ及び前記ステータとは独立に回転可能なアウターロータであって、前記第２のロータコアに組み込まれたＮ個の永久磁石と、前記ロータに組み込まれた第１の導電性籠型バーを備え、前記第１の導電性籠型バーは、前記永久磁石の間を角度方向に離隔して配されている、前記アウターロータと；
    を備える、モータ。