JP2022508649A - 広ダイナミックレンジ電気モータ - Google Patents

Abstract

効率的な広ダイナミックレンジ電気モータシステムおよびその動作方法は、フレームと、少なくとも第１のダイナミックレンジを共に有する第１の回転子－固定子対および第２のダイナミックレンジを有する第２の回転子－固定子対とを含み、第１および第２の対は、出力シャフトの共通の中心軸の周りに回転するためにフレーム内に設置され、第１の軸の周りに回転するために設置され、第１および第２の対からトルクを伝達するように構成される。クラッチは、第１および第２の対の少なくとも１つを出力シャフトから分離するように構成され、それにより、少なくとも１つの分離対を確立し、少なくとも１つの分離対と出力シャフトとの間のトルク伝達を防ぐ。コントローラは、第１および第２の対に接続され、第１および第２の対への電力送達を制御するように構成される。
【選択図】図３

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０１８年１０月７日に出願された米国仮出願第６２／７４２，３９１号の優先権を主張する。上述の出願の内容全体が、参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、電気モータシステムに関する。より具体的には、本発明は、ブラシレス直流電気モータ、および相互接続変速機のない複数のモータユニットを備えるモータシステムに関する。

電気モータは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する機械である。典型的には、電気モータは、磁場および巻線電流を生成して回転力を発生させることによって動作する。電気モータの電源は、電力網、インバータ、オルタネータ、もしくは他の発電機などの交流（ＡＣ）電源の形態、または例えば、電池、自動車の発電機、もしくは整流器などの直流（ＤＣ）電源からのいずれかである。

大多数の電気モータは、固定子と回転子との間のエアギャップに原動力（すなわち、相対運動）を電磁的に発生させて、有用なトルクまたは直線力を生成する。回転子は、モータの固定子に対して回るように設定され、回転力であるトルクを発生させる。モータの機械出力（Ｐ_ｅｍ）は、方程式＃１および＃２で示されるとおりに表され得る。方程式＃１は、毎分回転数（ｒｐｍ）での回転、およびフィートポンドでのトルクＭを有し、単位は馬力となる。また、方程式＃２は、ＳＩ単位を使用し、ラジアン毎秒で表されるシャフト角速度ω（小文字のギリシャ文字オメガ）での回転、およびニュートンメートルでのトルクＭを有し、単位はワットとなる。

モータの効率は、機械出力Ｐ_ｍを入力電力Ｐ_ｅで割った方程式＃３で示されるとおりに計算され得、エネルギー変換効率η（小文字のギリシャ文字イータ）として表され、通常、百分率で表される。機械出力は出力トルクＭかける出力角速度に等しく、入力電力は入力電流かける入力電圧に等しく、結果として効率の方程式＃４となり、任意の所与のモータの効率の導出を可能とする。

モータのサブセットは、ブラシレス電気モータである。ブラシレスＤＣ電気（ＢＬＤＣ）モータは、電流パルスをモータ巻線に提供するコントローラを有し、したがってモータの速度およびトルクを制御する、ＤＣ電気で動く同期モータである。典型的には、ＢＬＤＣモータは、永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）と同様に構築されるが、スイッチトリラクタンスモータまたは誘導モータと同様の能力を有する。

ＢＬＤＣモータは、（回転子のｒｐｍ、または結果として生じる駆動シャフト回転速度によって測定される）モータの速度が増加するにつれて増加するトルク（出力）を生成する。図２Ａに示すように、破線２５２は、一般的に知られている単一のＢＬＤＣモータについて、シャフト速度に対する出力の結果の直線関係を示す。モータのダイナミックレンジは、本明細書では、モータの最大または最大付近出力範囲と定義される。モータはある条件（例えば、シャフト速度またはトルク）で動作しているが、モータは、出力が所与の状況に有用である場合に動的と見なされる。また、図２Ａに示すように、単一のＢＬＤＣモータはほとんどの場合、出力線２５２および２６２を有する２つの単一のモータによって示されるように、非常に狭いダイナミックレンジを有する。この例では、有用な出力は、最大出力の７５％以上と見なされ、灰色のバー２５４および２６４で表される。

ＢＬＤＣモータのダイナミックレンジを拡大するための２つの一般的な方法が存在する。まず、供給される電圧を劇的に増加させて単一のＢＬＤＣモータのダイナミックレンジを増加させることができる。しかしながら、供給される電圧の増加は、モータ効率を下げ、電源を枯渇させる。電源が無制限（例えば、電源が電力網）の場合、消費電力の増加は大きな要素ではないが、電源が有限（例えば、電池）の場合、消費電力の増加は理想的ではなく、多くの場合、許容されない。

ダイナミックレンジを拡大するための他の一般的な方法は、変速機を含めることである。変速機は、モータ、および動力の制御された適用を提供する他の動力伝達システムの構成要素である。典型的には、変速機という用語は、歯車および歯車列を使用して、回転源（例えば、モータ）から別の装置（例えば、従動シャフト）への速度およびトルク変換を提供するギヤボックスを指す。変速機は単一のモータと共に利用され、モータは特定の回転速度範囲、しばしば高回転速度での効率を有し、装置全体はより遅い速度を必要とする。変速機は、回転速度を低下または減少させ、トルクを増加させることができる。より遅い速度およびより高いトルクが、始動、または高出力要求作業に重要である。したがって、変速機を有する単一のＢＬＤＣモータは、単一のＢＬＤＣモータ単独より広いダイナミックレンジを有する。

しかしながら、変速機は著しい欠点を有する。変速機の歯車間に力が加わるときの機械損失および摩擦損失がつきものである。また、変速機は、モータシステム全体の複雑さを増し、小さい、空間が限定されたシステムでのそれらの使用を制限する。特に、水中または浸漬モータは、空間、重量、および消費電力について厳しい要求を有する。

単一のシャフトを回転させるために複数の電気モータを適用して出力の改善を得ることは、当該技術分野で一般的に知られており、Ｈｅｎｄｅｒによる米国特許第３，７９９，２８４号、およびＳｈａｆｆｅｒによる米国特許出願第２０１２／０２８０５８５号に例示されている。そのような複数のモータシステムは、モータごとに１つの出力シャフトを使用し、次に、単一の回転シャフトに（例えば、歯車で）結合される。しかしながら、複数のモータおよび出力シャフトを有するシステムは、変速機システムと同様の複雑さおよび損失を有する。

ＢＬＤＣモータは、異なる出力対速度比を有する。低速度および高トルクを提供するモータ（例えば、始動モータ）が利用可能であり、高速度対低トルク比を提供するモータが利用可能である。伝統的に、装置は、特定の装置に最適な単一のモータを組み込んでおり、駆動シャフトの回転速度を変化させる変速機を提供する。しかしながら、その解決策は、効率が特定の使用領域でのみ得られる小さいダイナミックレンジを提供する。燃焼機関分野からの例は、自動車の幹線道路での運転である。

したがって、供給電圧の増加に頼らず、モータの出力、空間、および重量の点で最大効率で動作する、単一の高ダイナミックレンジＢＬＤＣモータシステムを有することが望ましい。

本発明の目的は、高ダイナミックレンジ電気モータシステムを提供し、そのようなシステムを、モータの出力、空間、および重量の点で最大効率で動作させることである。いくつかの実施形態では、高ダイナミックレンジ電気モータシステムは、電圧範囲限界内で動作する。

本発明は、フレームと、フレーム内に設置され、第１の軸の周りに回転するように構成されたシャフトとを含む、電気モータシステムを特徴とする。システムは、少なくとも第１のダイナミックレンジを共に有する第１の回転子－固定子対および第２のダイナミックレンジを有する第２の回転子－固定子対をさらに含み、第１および第２の対は、第１の軸の周りに回転するためにフレーム内に設置され、トルクをシャフトに伝達するように構成される。クラッチは、第１および第２の対の少なくとも１つをシャフトから分離するように構成され、少なくとも第１の分離対を確立し、少なくとも１つの分離対とシャフトとの間のトルク伝達を防ぐ。コントローラは、第１および第２の対に接続され、第１および第２の対への電力送達を制御するように構成される。

いくつかの実施形態では、システムは、出力機構をさらに含み、シャフトは、出力機構を駆動する。いくつかの実施形態では、出力機構は、シャフトに直接接続される。一実施形態では、出力機構は、油圧ポンプである。ある実施形態では、システムは、第３のダイナミックレンジを有する第３の回転子－固定子対をさらに含み、第３の対はコントローラに接続され、コントローラは、第３の対への電力送達を制御するようにさらに構成される。一実施形態では、第２のクラッチは、第３の対をシャフトから分離するように構成され、第２の分離対を確立し、第２の分離対からのトルク伝達を防ぐ。

いくつかの実施形態では、クラッチは、第２の対の回転子と固定子との間に位置し、第２の対の固定子を回転子から分離することによって第１の分離対を確立するように構成される。いくつかの実施形態では、システムは、典型的には水密および／または耐圧のハウジングをさらに含み、その中に少なくとも回転子－固定子対が配置される。一実施形態では、システムは、水中での使用に適合される。

本発明はまた、電気モータシステムのダイナミックレンジを拡大するための方法を特徴とし、（ａ）フレームと、フレーム内に設置され、第１の軸の周りに回転するように構成されたシャフトと、フレーム内で回転するために設置され、トルクをシャフトに伝達するように構成された、少なくとも第１および第２の回転子－固定子対と、第１および第２のモータの少なくとも１つをシャフトから分離するように構成されたクラッチと、電力供給装置と、コントローラとを含むモータシステムを選択するステップを含む。第１および第２のモータは、第１および第２のダイナミックレンジをそれぞれ有し、コントローラは、第１および第２の対に接続される。方法は、（ｂ）第１および第２のモータの少なくとも１つを用いて、モータを第１の構成で動作させることと、（ｃ）クラッチを用いて第１および第２の対の少なくとも１つをシャフトから分離して、シャフトと少なくとも１つの分離対との間のトルク伝達を防ぐことによって第１の分離対を確立し、トルクをシャフトに伝達することができる第１の係合対を確立することとをさらに含む。方法は、（ｄ）第１の係合対を用いて、モータシステムを第２の構成で動作させることも含む。

いくつかの実施形態では、方法は、（ｅ）第１および第２のモータを用いて、モータシステムを第３の構成で動作させることをさらに含む。ある実施形態では、方法は、（ｉ）モータを出力機構に接続することも含む。いくつかの実施形態では、出力機構は、シャフトに直接接続される。ある実施形態では、モータは、第３のダイナミックレンジを有する第３の回転子－固定子対をさらに備え、第３の対はコントローラに接続され、コントローラは、第３の対への電力送達を制御するようにさらに構成される。一実施形態では、モータシステムは、第３の対をシャフトから分離するように構成され、第２の分離対を確立し、シャフトと第２の分離対との間のトルク伝達を防ぐ、第２のクラッチをさらに備える。いくつかの実施形態では、クラッチは、第２の対の回転子と固定子との間に位置し、第２の対の固定子を回転子から分離することによって第１の分離対を確立するように構成される。一実施形態では、モータシステムは水密ハウジングをさらに備え、（ｉｉ）モータを水中で動作させるステップをさらに含む。

定義
用語「モータ」および「回転子－固定子対」は、本明細書で使用される場合、適合した回転子および固定子を指す。回転子は、出力シャフトに取り付けられ、固定子によって駆動されると出力シャフトを回すことができる。固定子は、回転子と対をなし、回転子－固定子対を作り出し、回転子を回転させるように構成された磁場を提供し、したがって出力シャフトを回転させる。本発明によるシステムでは、２つ以上の回転子－固定子対が、以下で「中心軸」と定義される、出力シャフトを有する共通の軸の周りに回転するように構成される。

用語「中心軸」は、本明細書では、出力シャフトの回転軸を指す。この軸は、典型的には、出力シャフトの長手方向軸でもあり、好ましくは、所与の実施形態に存在するモータ（すなわち、第１および第２のモータ）の中心軸である。

用語「ダイナミックレンジ」は、本明細書では、設定された条件を超えるモータの動作範囲を指すのに使用される。例えば、図２Ａに示すように、一実施形態によるダイナミックレンジは、モータシステムの最大出力の７５％以上と規定される。別の実施形態では、図２Ｂおよび図２Ｃに示すように、ダイナミックレンジは、モータシステムの効率の６０％以上と規定される。

用語「構成」は、モータ（すなわち、回転子－固定子対）の動作を指すのに使用される場合、本明細書では、モータの電力入力、回転速度、およびトルク出力を含む、モータの動作パラメータのセットを指す。

以下では、本発明の好ましい実施形態が図面を参照してより詳細に説明される。

本発明による、２つのモータを有するモータシステムの概略断面図である。 図１Ａのモータシステムの概略斜視図である。 本発明による、モータを有するモータシステムのさらなる２つの実施形態の概略断面図である。 本発明による、モータを有するモータシステムのさらなる２つの実施形態の概略断面図である。 ２つのトルク制御された従来の単一のモータ（破線）、および本発明の一実施形態による新規のデュアルモータシステムの代表的な出力曲線グラフであり、２つの一般的に知られているＢＬＤＣモータと、単一の駆動シャフトに結合された２つのＢＬＤＣモータおよびクラッチ機構を有する本発明の実施形態との出力対速度関係を示す。 あるトルク範囲にわたる３つの個々のモータ効率（図２Ｂ）を、図３に示す単一のシャフトに結合された３つのモータを有する本発明の実施形態（図２Ｃ）と比較した、代表的な効率のグラフである。 あるトルク範囲にわたる３つの個々のモータ効率（図２Ｂ）を、図３に示す単一のシャフトに結合された３つのモータを有する本発明の実施形態（図２Ｃ）と比較した、代表的な効率のグラフである。 本発明の一実施形態による、３つのモータを有するモータシステムの概略断面図である。 一実施形態による、２つのモータを有するモータシステムの断面図である。 図４に示すシステムの構成要素の断面図である。 図５Ａに示すアンギュラ接触軸受エンドキャップの端面図である。 図４に示すシステムの構成要素の断面図である。 図４に示すシステムの構成要素の断面図である。 図５Ｄに示す玉軸受エンドキャップの斜視図である。 図５Ｃに示す軸方向スペーサの斜視図である。 図４に示すシステムの構成要素の断面図である。 図５Ｇに示すシリンダクランプの斜視図である。 図２Ｂおよび図２Ｃのグラフで示す性能特性を有する図３に示すシステムの動作の、１つの可能な方法のフローチャートである。

概要
本発明は、複数の電気モータを選択することによって達成され得、各モータは、モータ速度および供給されるトルクのダイナミックレンジを有する。選択されたモータは、共通の駆動シャフトに適用される。駆動シャフトおよびモータは、可逆的に接続可能であり、その結果、単一のモータまたはモータのサブセットは、駆動シャフトに同時に力を加えることができる。得られるモータシステムは、シャフト速度に対する出力の広いダイナミックレンジを有する。図２Ａ～２Ｃは、本発明の動的性質を示す。図２Ａに、あるシャフト速度範囲にわたる、当該技術分野で知られている単一のモータと比較して拡張された本発明の出力の実証を示す。図２Ｃは、提供されたトルク範囲にわたる、３つのモータを有する本発明の一実施形態の効率を、図２Ｂの、本発明によって可能なように接続されていない３つの個々のモータと比較して示す。

図２Ａを見ると、実線２７２は、一般的に知られている単一のモータシステムの出力と比較した、本発明による２モータ式実施形態の、ある回転子速度範囲での出力を表す。デュアルモータ実施形態のダイナミックレンジ２７４は、破線２５２および２６２によって表され、各モータが、最大出力の７５％以上と規定され、それぞれ灰色のバー２５４および２６４で表されるダイナミックレンジを有する、先行技術のモータよりも、はるかに広いシャフト速度範囲に広がる。

複数のモータを単一のシャフトに組み合わせることは、本発明の実施形態が、異なるモータの異なる速度およびトルクでの効率を利用することを可能とする。３つの個々のモータの、それらのそれぞれのトルク出力に対してグラフ化された効率を図２Ｂに示す。第１、第２、および第３のモータは、各自のシャフトで各々動作する場合、それぞれ２８２、２８６、および２９０の効率曲線を有する。これらのモータは、本明細書に記載されるように組み合わされ、２つのクラッチ機構１１６および１２６と共に単一の出力シャフト１０２に取り付けられてよく、適切なモータをその最も効率的なトルクおよび速度定格で用いて出力シャフト１０２を駆動することを可能とし、追加の歯車装置または変速機を一切使用せず、前述の歯車装置または変速機に関連する機械的損失のない、単一の効率曲線２９４をもたらす。

図２Ｂおよび図２Ｃに示すモータも、ダイナミックレンジを有すると表すことができる。１つのダイナミックレンジは、少なくとも６０％の効率を有するとして図２Ｂおよび図２Ｃに規定され、示されている。第１、第２、および第３のモータは、それぞれ２８４、２８８、および２９２のダイナミックレンジを有する。一方、本発明に従って組み合わされたモータは、著しく広いダイナミックレンジ２９６を有する。

可逆的な接続は、モータを駆動シャフトから電気機械的にデカップリングする（切り離す）ことによって、または駆動シャフトに組み込まれた機械的なクラッチ機構（例えば、スプラグクラッチ）によって達成され得る。モータおよびクラッチ制御は、電子コントローラによって提供される。次いで、モータシステムは、単一のモータをその最適な速度およびトルクダイナミックレンジで適用し、次いで、異なるモータを異なる最適な速度およびトルクダイナミックレンジで適用することによって、広いダイナミックレンジを達成する。モータシステムは、変速機を含まずに広いダイナミックレンジを達成し、システムの複雑さ、大きさ、および重量を抑える。

少なくとも２つのモータ１１０および１２０を備える、一実施形態のシステム１００が図１Ａに示され、各モータは異なる動的性能を有する。異なる動的性能を有するモータを指す１つの方法は、モータの効率的な速度を参照することである。例えば、Ａｌｌｉｅｄ ＭｏｔｉｏｎのＭＦ０１２７０５６－Ｘ０Ｘモータを備える第１のモータは、約３３３ｒｐｍの無負荷速度および約４９００ｏｚ－ｉｎ（オンス－インチ）のピークトルクを有するが、２００ｒｐｍで約６６．５％の効率であるため、本明細書では低速モータと呼ばれる。第２のモータは、その速度によって定義されるが、第１のモータとの関係でも定義される。したがって、ＭＦ０１２７０９２－Ｘ０Ｙを備える第２のモータは、約１９５０ｒｐｍの無負荷速度および約８４００ｏｚ－ｉｎのピークトルクを有するが、１５６０ｒｐｍで約９０％の効率であるため、本明細書では高速モータと呼ばれる。

図１に示す実施形態では、モータ１１０は、低速回転子１１２および低速固定子１１４を有する。モータ１１０は、本明細書では単にクラッチと呼ばれるクラッチ機構１１６をさらに備える。クラッチという用語は、電磁デカップリング機構、および機械クラッチ（例えば、以下に記載するスプラグクラッチ）を含む、任意のクラッチ機構を指すことを理解すべきである。クラッチ１１６は、モータ１１０が出力シャフト（例えば、駆動シャフト）１０２から切り離されることを可能とし、モータ１２０がシャフト１０２を回転させるのに利用されることを可能とする。

本発明は、複数のモータ（すなわち、回転子－固定子対）が同じシャフト１０２に取り付けられ、少なくとも１つのモータがクラッチ１１６を有する限り、多くの異なるモータおよび駆動シャフト配置で行われてよい。さらなる明示を図１Ｃおよび図１Ｄに示す。シャフト１０２ｃが中空であることを除いて上に記載された構成要素を有する、中空コアモータシステム１００ｃを図１Ｃに示す。シャフト１０２ｃは、依然として中心軸１０４の周りに回転し、回転子１１２は、クラッチ１１６によってシャフト１０２ｃから依然として分離されている。別の中空コア実施形態を図１Ｄに示す。モータシステム１００ｄは、シャフト１０２ｃの内部のフレームＦ、ならびにフレームＦに強固に取り付けられた固定子１１４および１２４を有する。シャフト１０２ｃは、中心軸１０４の周りに回転し、クラッチ１１６および回転子１２２に接続される。回転子１１２は、クラッチ１１６に取り付けられる。これらの代替の実施形態は、本明細書の他の部分で詳細に記載されるのと同じ原理で動作し、本発明の範囲内であると見なされるべきである。

モータ１１０、１２０
本発明は、共通のシャフト１０２上の少なくとも２つのモータを含むシステムを提供する。記載を簡単にするために、本明細書で使用される用語「モータ」は、しばしば出力シャフト１０２によって、原動力（トルク）を別の装置に供給する機械を指し、モータは、回転子および固定子を備える。回転子は、モータの可動部品を表し、出力シャフトに取り付けられ、固定子によって駆動されると前述の出力シャフトを回す。典型的には、回転子は、電流を流し、固定子の磁場と相互作用する導体を有し、それにより回転力を作り出す。次に、固定子は、回転子を取り囲み、典型的には静止している。固定子は、回転子に作用する磁場を生成するための巻線または永久磁石を有する。回転子および固定子は、適切かつ効率的な回転力を生成するように適合される。いくつかの実施形態では、回転子は、回転子、および存在する場合はクラッチを、シャフト上に物理的に位置付けるためのスペーサをさらに備える。

本発明は、少なくとも２つのモータ、具体的には、適合した回転子－固定子対の２つのセットを提供する。簡単にするために、適合した回転子－固定子対は、第１および第２の対と呼ばれる。第１および第２の対は、典型的には、異なる速度－トルクダイナミックレンジを有する。異なる範囲を有することによって、対は互いを補完し、言い換えれば、第１の対は第１のタスクに効率的であるが、第２のタスクには効率的でなく、一方、第２の対は第２のタスクに効率的である。例えば、一実施形態では、第１のモータ１１０は、装置の始動（例えば、第１のタスク）のための低速高トルク用に選択され、第２のモータ１２０は、装置の動作（例えば、第２のタスク）のための高速低トルク用に選択される。第１および第２の対は、好ましくは市販のモータキットである。ほとんどの場合、市販のフレームレスＢＬＤＣモータキットである。

回転子－固定子対は、共通の出力シャフト１０２の周りに、モータの各回転子が中心長手方向軸１０４の周りの出力シャフトの回転を駆動するように構成される。

本発明の実施形態は、適切な数だけ回転子－固定子対を備えてよい。現在の好ましい実施形態は、第１のモータ１１０を作る低速対、および第２のモータ１２０を作る高速対の２対を備える。いくつかの実施形態は、３つ以上の回転子－固定子対を備え、例えば、３つの回転子－固定子対のシステムが例１に記載される。典型的には、２～１０対が好ましい。１１対以上を備える実施形態は本発明の範囲内であるが、より多くの回転子－固定子対の追加による全ダイナミックレンジの拡大は、対の数が増加するにつれて減少し、多数の対での有用性を下げる。

出力シャフト１０２
モータ１１０、１２０の回転子１１２、１２２は、回転子の回転（すなわち、モータ出力）をシャフトに伝達し、生産的な仕事を行うために、出力シャフト１０２に接続される。出力シャフトは、モータ駆動シャフト、または単にシャフトとも呼ばれ、当該技術分野で周知である。いくつかの実施形態は、図１Ａに示すような可変径出力シャフトをさらに備える。

クラッチ１１６
本発明は、クラッチ部品、および出力シャフト１０２から回転子－固定子対へのトルク伝達から、少なくとも１つの回転子－固定子対モータを分離、係合解除、またはその他の方法で除去する方法を提供し、一実施形態について、本明細書ではクラッチ機構１１６またはクラッチ１１６と呼ばれる。出力シャフト１０２は、少なくとも２つのモータに接続され、少なくとも１つのモータは、クラッチ機構１１６を有して構成され、それにより、クラッチ１１６は、対、より具体的には回転子を、出力シャフト１０２から係合解除してよく、その結果、高速の第２のモータ１２０がシャフト１０２を回す場合、クラッチ１１６は、低速の第１のモータ１１０の回転子１１２を回すシャフトの運動を防ぐ。クラッチ１１６は、任意の好適なデカップリング機構であってよい。クラッチ１１６は、機械的、電磁的、または物理的方法で、１つのモータを分離、またはその他の方法で除去してよい。クラッチは、単数形で、または２つ以上のクラッチを有する実施形態、例えば、第１のモータ１１０のクラッチ１１６およびモータ１２０のクラッチ１２６を備える図３に示す実施形態では複数形で、言及され得る。いくつかの実施形態では、システムは複数のクラッチを備え、２つ以上のモータがクラッチを有する。他の実施形態では、複数のモータのすべてがクラッチを有し、例えば、図３に示す実施形態のモータ１３０が、クラッチ１３６（図示せず）をさらに備えてよい。複数のクラッチを有する実施形態では、クラッチは、同じ構成であり、各モータを同じ方法で係合解除してよいか、または異なる構成であり、各モータを異なる方法で係合解除してよい。

現在の好ましい実施形態では、クラッチ１１６は、スプラグクラッチを備える。スプラグクラッチは、非回転非対称の８の字形スプラグローラ（スプラグとも呼ばれる）を有する１方向フリーホイールクラッチである。回転力が正しい方向に加えられると、スプラグローラは、空転またはフリーホイール回転する。しかしながら、トルクが逆方向になると、スプラグローラは傾き、くさび形を生じ、フリーホイール回転を防ぎ、したがって、クラッチを通して回転力を伝達する。

本明細書に記載されるようなクラッチ１１６は、オーバーランニングクラッチと同様に動作し、これは、従動シャフトが駆動シャフトより速く回転する場合、駆動シャフトを従動シャフトから係合解除する変速機内部の装置である。典型的なオーバーランニングクラッチは、２つのモータが同じ機械を駆動する場合に含まれる。重要なことに、これらのシステムでは、各モータは、各自の独立した駆動シャフトを有し、次いで共にかみ合わされて、両モータが単一の従動シャフトに作用する。ここで、本発明のクラッチ１１６は、モータを共通の駆動シャフト（出力シャフト）１０２から切り離し、別のモータが同じシャフトを推進することを可能とする。重要なことに、オーバーランニングクラッチと異なり、本発明は変速機を必要としない。いくつかの実施形態では、クラッチは、軸受、しばしば玉軸受を備える。

コントローラＣ
システムの制御は、本明細書ではコントローラＣと呼ばれる、相互接続された電子制御ボックスによって提供される。モータコントローラは当該技術分野で知られており、全体が参照により本明細書に組み込まれる、モータコントローラに関するＨｏｗａｒｄらによる米国特許第７，０８１，７３０号を参照されたい。コントローラＣは、複数の回転子－固定子対を操作し、それらの状態（例えば、オン／オフ）、極性を制御し、（しばしばＡＣ電気を受け取っている）電力供給装置を扱い、ＡＣ波形から正しいＤＣ位相を対に供給することができなければならない。いくつかの実施形態では、コントローラＣは、少なくともクラッチ１１６および電源ＰＳをさらに制御する。本明細書に記載されるコントローラＣは、複数の個々のコントローラ基板、単一のモータに接続された各基板、２つ以上のモータに接続された単一の基板、またはそれらの組み合わせを含んでよい。

電源ＰＳ
本発明は、電気モータシステムを提供する。そのようなシステムは、電源ＰＳに頼ることになる。典型的な電源は当該技術分野で知られており、電力網、電池または電池パック、（例えば、太陽、風力、波力、および／または熱エネルギーによって駆動される）発電機が挙げられる。いくつかの実施形態は、ＡＣ電気とＤＣ電気との間の変換を行うインバータをさらに含む。他の実施形態では、コントローラＣは、ＡＣ電気とＤＣ電気との間の変換を行うように構成される。いくつかの実施形態では、コントローラは、コントローラ、および電源ＰＳを通る経路の両方として働く。

フレーム
本発明のほとんどの実施形態では、フレームＦが、本発明のモータシステムを拘束および支持するために設けられる。フレームは、実施形態に応じて、任意の好適な材料であってよい。いくつかの実施形態では、フレームＦはシステムを取り囲み、図４に示すように、シャフト１０２を除いてシステム４００を完全に包む。ある実施形態では、フレームは、クランプ、すなわち、長手方向開口を有する円筒形の材料の単一片によって固定子１１４および１２４を拘束し、例えば図４に示すように、締結具４０６が、構造を締め付け、固定するのに使用される。他の実施形態では、フレームは、長手方向開口のない包囲シリンダを備え、固定子上に焼き嵌めされ、すなわち、シリンダは加熱されてフレームＦの内部に固定子が置かれることを可能とし、シリンダが加えられた熱を失うと、固定子は適所に強固に保持される。いくつかの実施形態では、システム１００は、システム１００がフレームＦによって取り囲まれることなく支持するために、フレームＦに伸びる１つ以上の支持体１０６を有する。

例１
次に、３つ以上の回転子－固定子対を有する実施形態を、具体例として説明する。図３に、出力シャフト１０２、第１のモータ１１０、第２のモータ１２０、および第３のモータを有し、追加の変速機または歯車装置を必要とせず、それらに関連する損失のない、広いダイナミックレンジを有するモータシステムを可能とする、変速機のない直接駆動モータシステム３００を示す。上に記載された２回転子－固定子モータ式システムと同様に、各モータは、好ましくは、既製の、市販のモータキットであり、異なるトルクおよび速度動作定格を各々有する。この例では、第１のモータ１１０は、機械の始動に効率的な低速高トルクモータであり、第２のモータ１２０は、始動より低トルクであるが依然として高速を必要としない場合に効率的な、中速および中トルクモータであり、第３のモータ１３０は、高速動作（例えば、巡航速度）で効率的な高速低トルクモータである。

いくつかの実施形態は、フレームＦは、図４に点線で示すハウジング４４０などのハウジングにさらに取り付けられて補われるか、またはハウジングに置き換えられる。ハウジング４４０は、外部環境、ほとんどの場合、本発明のシステム４００に通常なら有害である過酷な環境および／または流体環境から保護する、密閉された内部環境を提供する。典型的には、ハウジング４４０は、腐食、流体侵入（例えば、水密である）、圧力、電気（高電圧スパイクなど）、空気、および塵の少なくとも１つに対する保護を提供する。モータシステムに適したハウジングは、当該技術分野で周知である。典型的には、モータ１１０および１２０、クラッチ１１６、ならびにコントローラＣは、ハウジング内にある。典型的には、さらなるモータを有する実施形態が、ハウジング４４０内に置かれることになる。出力シャフト１０２は、保護ハウジング４４０に広がり、システム４００がハウジング４４０の外部の出力機構４３０に接続することを可能とする。好ましくは、シャフト１０２がハウジングの保護を損なうことなくハウジング４４０を出ることを可能とする機構、例えば、Ｏリングまたは他の周知の機構が、出力シャフト１０２の周りに置かれる。ハウジング４４０は、他の構造および機能部品（例えば、システム４００からのデータおよび出力接続部）のためのさらなる接続部、ポート、またはその他の方法で保護された開口を有してよい。

この例では、第１のモータ１１０および第２のモータ１２０の両方が、クラッチ機構１１６および１２６を備える。クラッチ１１６は、第１のモータ１１０をシャフト１０２から係合解除する一方、システムが第２のモータ１２０を動作させ、場合によっては第２のモータ１２０および第３のモータ１３０の両方を同時に動作させることを可能とする。コントローラＣは、少なくともモータ１１０、１２０、および１３０に標準的な接続１０１を介して接続されて、動作を命令し、電力を提供する。クラッチ１１６および１２６は、コントローラＣにさらに接続されてよい。さらに、クラッチ１２６はクラッチ１１６と共に、システム３００がモータ１１０および１２０を分離して、モータシステム３００を高速低トルクモータ１３０単独で動作させることを可能とする。

例２
本発明のいくつかの態様は具体例に関連して論じられず、図４および図５Ａ～５Ｈに示される。この例では、動的モータシステム４００は、Ａｌｌｉｅｄ ＭｏｔｉｏｎのＭＦ０１２７シリーズのフレームレスモータからの、２つの回転子－固定子対モータを有する。低速高トルクのＦＭ０１２７０９２が第１のモータ１１０であり、高速低トルクのＦＭ０１２７０５６が第２のモータ１２０であり、各モータの仕様を表１に示す。クラッチ１１６は、ＭｃＭａｓｔｅｒ－Ｃａｒｒから市販されているスプラグクラッチ６３９２Ｋ４９であり、シャフト１０２の１方向係合を可能とする。この例のさらなる構成要素は、一次シャフト１０２、軸方向荷重クランプ４０７ａ、軸方向回転子クランプ４０７ｂ、第１のモータ１１０のプレーン側回転子スペーサ４０８ａ、第２のモータ１２０のクラッチ側回転子スペーサ４０８ｂ、中心軸スペーサ４０９、シリンダクランプ４０５、アンギュラ接触軸受４１１および関連するエンドキャップ４１０、ならびに玉軸受４２１および関連するエンドキャップ４２０を含む。

軸方向荷重クランプ４０７ａ（例えば、シャフトカラー）は、軸受および関連する構成要素をシャフト１０２上に保持し、これらの構成要素をシステム４００全体に対して位置付けながら、トルクおよび軸方向荷重下での滑りを防ぐ。回転子ならびに軸方向スペーサ４０８ａおよび４０８ｂは、取り付けられた構成要素（例えば、回転子）が、システム４００内で適切に位置合わせおよび芯出しされることを可能とする。軸方向回転子クランプ４０７ｂは、シャフト１０２への構成要素の適切な締結を確実にする。この例では、シリンダクランプ４０５は、構成要素の適切な締結を確実にし、この構成では、フレームＦを置き換える。この実施形態では、クランプは、シャフト上に機械加工溝を備え、適切な構成要素を外部止め輪で締結する。

アンギュラ接触軸受４１１は、システム４００が、同時に作用する半径方向荷重および軸方向荷重である組み合わせ荷重に対応することを可能とする。アンギュラ接触軸受４１１は、内輪軌道および外輪軌道を、各軌道に対して軸受中心軸の方向に変位させている。アンギュラ接触軸受４１１の軸方向荷重支持能力は、接触角が増加するにつれて増加する。接触角は、それに沿って組み合わせ荷重が一方の軌道からもう一方の軌道に伝わる、半径方向平面内の玉と軌道との接触点を結ぶ線と、軸受中心軸に垂直な線との間の角度と定義される。この例では、軸受中心軸は中心軸１０４である。

ＭａｒｚｏｃｃｈｉのＡＬＰ歯車ポンプ４３０は、シャフト１０２に接続されてシステム４００の負荷として働く。ポンプ４３０は、システム４００の力の出力を測定する動力計（ｄｙｎｏ）、および油圧出力機構として働く。

ＣｏｐｌｅｙのＸｅｎｕｓ Ｐｌｕｓ ＸＰＬ－２３０－４０コントローラＣが、第１のモータ１１０および第２のモータ１２０の両方を制御するために提供される（図３）。このコントローラＣは、コントローラＣを無効にすることなく出力段を切り離すことを可能とする安全トルク遮断（ＳＴＯ）機能をさらに提供し、コントローラＣへの簡易化された電力（すなわち、電気的）供給ＰＳのための標準的な壁コンセントを有する。コントローラＣは、トルク制御モードで動作し、標準的なｒｓ－２３２ポートによってさらなるコントローラ（例えば、自律制御用）と通信してよい。

使用分野
本発明は、モータを利用するほとんどの使用分野で利用され得る。本発明は、出力の少なくとも２つのステップもしくは構成を必要とするか、またはそれから利益を得ることができる使用に特に適合される。より具体的には、本発明は、例えば、小さい電池式の機械などの、利用可能な電力供給装置および空間が限定される場合での使用によく適している。本発明はまた、重量制限を有するシステムに役立つ。本発明は、ポンプ、車両、工作機械、手工具などに組み込まれてよい。本発明は、機械システム（例えば、ドリルビット）、または油圧もしくは空気圧アクチュエータを直接駆動するのに利用されてよい。

使用分野の一例は、典型的な電動手工具への本発明の組み込みであろう。この例では、手工具は、典型的には、通常出力設定および高出力設定という２つの設定を有する。第１の回転子－固定子対１１０は、工具の通常出力設定時に回転力を提供することになる。高出力設定に切り替えられると、工具は、第２の回転子－固定子対１２０の使用に切り替わる。

使用モード
次に、本発明の一実施形態の動作の１つの可能な方法を、図６に示すステップとして詳述する。おおよそのモータシステムが、ステップ６０２でユーザによって選択される。この例では、選択されたモータは、図３に示すモータシステム３００であり、選択されたモータは、２つ以上のモータを有し、ユーザのニーズに適したダイナミックレンジを有する。モータシステム３００の各モータは、所望の速度およびトルク範囲で効率的である。この例示的方法では、選択されたモータシステム３００は、第１のモータ１１０、第２のモータ１２０、および第３のモータ１３０を有し、それぞれ第１、第２、および第３のダイナミックレンジを有し、各ダイナミックレンジは、組み合わされて、図２Ｃに示すようなシステム３００全体のダイナミックレンジ２９６を表す。第２および第３のモータ１２０および１３０は、クラッチ１１６および１２６をさらに備える。システム３００は、電源ＰＳに接続されたコントローラＣ、および出力シャフト１０２をさらに備える。

選択されたモータは、出力機構４３０（例えば、機械爪を動作させる油圧ポンプ）に接続される（ステップ６０４）。モータシステム３００は、第１のモータ１１０を第１のタスクで使用して動作する（ステップ６０６）。第１のタスクは、例えば、油圧ポンプを動作させて、機械爪に目的物を把持させることであってよく、しばしば低速高トルク出力を必要とする。システム３００は、第１のタスク中、第１の速度範囲内で動作して、油圧ポンプに出力を送る。第１のモータをそのダイナミックレンジ内で動作させることは、モータシステム３００の効率的な使用、および電源（例えば、電池）ＰＳの効率的な引き出しをもたらす。

モータシステム１００がその第１のタスクを完了すると、システム１００は、第２のタスク６０８を行ってよく、ほとんどの場合、シャフト１０２がより高速、より低トルクで動作することを必要とする。第２のタスクの例は、目的物を貯蔵するために、機械爪を把持点から収集容器に移動させることである。第２のタスクを成立させるために、コントローラＣは、第２のモータ１２０に、シャフト１０２を第２の速度に推進するように命令し、図６にステップ６１０で示される。クラッチ１１６は、第１のモータ１１０内で自動的に係合して第１のモータ１１０をシャフト１０２から分離し（ステップ６１２に示す）、第２のモータ１２０が回転子１１２を駆動すること防ぎ、ドラッグおよびシステム３００の非効率を防ぐ。第２のタスク中、モータシステムは、第２のモータ１２０のダイナミックレンジ内で動作し得、ほとんどの場合、第２のモータを第２の速度範囲内で動作させ（ステップ６１０）、システム全体のダイナミックレンジを拡張し、単一のモータシステム、または変速機を有するモータシステムと比較して向上した効率を提供する。

システム３００は、第３のタスク６１４を行ってよく、タスクは、第３のモータ１３０のダイナミックレンジを利用する。第２のモータ１２０に切り替わる場合と同様に、コントローラＣはステップ６１６を行い、第３のモータ１３０を第３の速度範囲内で動作させる。第２のモータ１２０内のクラッチ１２６は、第２のモータをシャフト１０２から自動的に係合解除する（ステップ６１８）。第３の速度範囲が第３のモータ１３０のダイナミックレンジ内にある場合、モータシステム３００の全体効率は再び向上する。

モータシステム３００は、追加のタスク６２０を行ってよい。コントローラＣは、ステップ６２２で、所望の動作が、第１、第２、または第３のモータのいずれかのダイナミックレンジ内であるかどうかを決定する。追加のタスクがモータのダイナミックレンジ内である場合、ステップ６２４で示すように、システム３００は、各クラッチを係合または係合解除し、上に記載されたような適切なモータに電力を供給することになる。コントローラが、ステップ６２６で、所望の動作がモータのいずれのダイナミックレンジ内にもないと決定した場合、システム３００は、その速度およびトルク構成での最高効率でモータを動作させ得る。この後、より低効率のタスクが完了し、システム３００は、ステップ６２８のように、次のタスクの要件および係合する最良のモータを再び評価し、他のモータを係合解除することになる。

本発明の特定の特徴がいくつかの図面には示されて他の図面には示されていないが、これは単に便宜上のためであり、各特徴を本発明に係る他の特徴のいずれかまたはすべてと組み合わせることができる。本発明の基本的な新規の特徴がその好ましい実施形態に適用されるものとして示され、説明され、指摘されているが、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、例示されている装置の形態および詳細ならびにそれらの動作における種々の省略、置換および変更が当業者により行われ得ることが理解されるであろう。例えば、同じ結果を達成するために実質的に同じ方法で実質的に同じ機能を行うそれらの要素および／またはステップのすべての組み合わせが本発明の範囲内であることが明示的に意図されている。１つの記載されている実施形態からの要素を別の要素に置換することも完全に意図および想定されている。図面は必ずしも縮尺どおりではなく、それらは本質的に単に概念的なものであることも理解されるであろう。

したがって、本明細書に添付されている特許請求の範囲によって示されているとおりにのみ限定されることが意図されている。他の実施形態を当業者であれば思い付き、それらは以下の特許請求の範囲に含まれる。

Claims (17)

1. 電気モータシステムであって、
   フレームと、
   前記フレーム内に設置され、第１の軸の周りに回転するように構成されたシャフトと、
   少なくとも、第１のダイナミックレンジを共に有する第１の回転子－固定子対、および第２のダイナミックレンジを有する第２の回転子－固定子対であって、前記第１および第２の対は、前記第１の軸の周りに回転するために前記フレーム内に設置され、トルクを前記シャフトに伝達するように構成される、第１の回転子－固定子対および第２の回転子－固定子対と、
   前記第１および第２の対の少なくとも１つを前記シャフトから分離するように構成され、少なくとも第１の分離対を確立し、前記少なくとも１つの分離対と前記シャフトとの間のトルク伝達を防ぐ、クラッチと、
   前記第１および第２の対に接続され、前記第１および第２の対への電力送達を制御するように構成されたコントローラと、
   を備える、システム。
2. 出力機構をさらに備え、前記シャフトは、前記出力機構を駆動する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記出力機構は、前記シャフトに直接接続される、請求項２に記載のシステム。
4. 前記出力機構は、油圧ポンプである、請求項２に記載のシステム。
5. 第３のダイナミックレンジを有する第３の回転子－固定子対をさらに備え、前記第３の対は前記コントローラに接続され、前記コントローラは、前記第３の対への電力送達を制御するようにさらに構成される、請求項１に記載のシステム。
6. 前記第３の対を前記シャフトから分離するように構成され、第２の分離対を確立し、前記第２の分離対からのトルク伝達を防ぐ、第２のクラッチをさらに備える、請求項５に記載のシステム。
7. 前記クラッチは、前記第２の対の回転子と固定子との間に位置し、前記第２の対の固定子を前記回転子から分離することによって前記第１の分離対を確立するように構成される、請求項１に記載のシステム。
8. 少なくとも前記回転子－固定子対がその中に配置されるハウジングをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
9. 前記システムは、水中での使用に適合される、請求項８に記載のシステム。
10. 電気モータシステムのダイナミックレンジを拡大するための方法であって、
    （ａ）フレームと、前記フレーム内に設置され、第１の軸の周りに回転するように構成されたシャフトと、前記フレーム内で回転するために設置され、トルクを前記シャフトに伝達するように構成された、少なくとも第１および第２の回転子－固定子対と、第１および第２のモータの少なくとも１つを前記シャフトから分離するように構成されたクラッチと、電力供給装置と、コントローラとを含むモータシステムを選択することであって、前記第１および第２のモータは、第１および第２のダイナミックレンジをそれぞれ有し、前記コントローラは、前記第１および第２の対に接続されることと、
    （ｂ）前記第１および第２のモータの少なくとも１つを用いて、前記モータシステムを第１の構成で動作させることと、
    （ｃ）前記クラッチを用いて前記第１および第２の対の少なくとも１つを前記シャフトから分離して、前記シャフトと少なくとも第１の分離対との間のトルク伝達を防ぐことによって前記第１の分離対を確立し、トルクを前記シャフトに伝達することができる第１の係合対を確立することと、
    （ｄ）前記第１の係合対を用いて、前記モータシステムを第２の構成で動作させることと、
    を含む、方法。
11. （ｅ）前記第１および第２のモータを用いて、前記モータシステムを第３の構成で動作させるステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. （ｉ）前記モータシステムを出力機構に接続するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
13. 前記出力機構は、前記シャフトに直接接続される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記モータシステムは、第３のダイナミックレンジを有する第３の回転子－固定子対をさらに備え、前記第３の対は前記コントローラに接続され、前記コントローラは、前記第３の対への電力送達を制御するようにさらに構成される、請求項１０に記載の方法。
15. 前記モータシステムは、前記第３の対を前記シャフトから分離するように構成され、第２の分離対を確立し、前記シャフトと前記第２の分離対との間のトルク伝達を防ぐ、第２のクラッチをさらに備える、請求項１４に記載の方法。
16. 前記クラッチは、前記第２の対の回転子と固定子との間に位置し、前記第２の対の固定子を前記回転子から分離することによって前記第１の分離対を確立するように構成される、請求項１０に記載の方法。
17. 前記モータシステムはハウジングをさらに備え、少なくとも前記回転子－固定子対は前記ハウジング内に配置され、（ｉｉ）前記モータを水中で動作させるステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。

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