JP5796906B2

JP5796906B2 - 誘導式から同期式へ構成変更可能なモータ

Info

Publication number: JP5796906B2
Application number: JP2012536868A
Authority: JP
Inventors: ルイフィンクル; アンドレアフーリア
Original assignee: FINKLE Louie
Current assignee: FINKLE Louie
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2010-10-16
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2030-10-16
Also published as: CA2779229A1; WO2011053473A3; WO2011053473A2; RU2012122011A; RU2543992C2; EP2494684A4; US20110101814A1; CA2779229C; EP2494684B1; BR112012010152A2; EP2494684A2; JP2013509856A; US8288908B2

Description

本発明は、電気モータに関し、具体的には、始動時の非同期誘導モータから効率的な動作のための同期モータへと該モータを再構成する、ロータ内の可動永久磁石および／または磁気シャント部に関する。
〔優先権の表示〕

本願は、２００９年１０月３０日に出願された米国特許出願第１２／６１０，１８４号、および、２０１０年１０月１５日に出願された米国特許出願第１２／９０５，９０６号の優先権を主張するものであり、それらの出願は参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる。

電気モータの好ましい形状は、ブラシレスＡＣ誘導モータである。誘導モータのロータは、固定子の内側に回転ケージ（または「ハムスター用回し車」に類似したリスケージ（squirrel cage））を含む。ケージは、ロータの外周上に、一定の角度で離間した、軸方向に走る格子を備える。固定子に与えられるＡＣ電流は、固定子内に回転固定子磁場を誘導し、回転磁場は、格子内に電流を誘導する。格子内の誘導電流は、次に同一の固定子磁場と連動し、トルクを生成し、それによってモータを回転させる。

電磁誘導には、磁場と磁場内の導体との間の相対運動が必要であり、格子へ電流を誘導するために、格子が、回転固定子磁場と同期して動いて（または回転して）いないことが必要とされる。したがって、ロータは、電流を格子内に誘導し、それによりトルクを生成するために、回転固定子磁場に対して滑動しなければならず、それゆえ誘導モータは非同期モータである。

残念ながら、低出力誘導モータはさほど効率的ではなく、固定子が消費する電力量は低負荷時においても一定であるため、負荷が少ないときでは効率が損なわれる。

誘導モータ効率を改良する方法の一つは、ロータに永久磁石を付加することである。モータは、まず、典型的な誘導モータと同様の方法で始動するが、モータがその動作速度に到達すると、固定子磁場が永久磁石と連動し同期動作に入る。残念ながら、永久磁石が大きすぎると、モータの始動を妨げるため、永久磁石は、大きさが制限される。かかる大きさの制限は、永久磁石の付加により得られる利点を制限する。

本発明は、前述およびその他の要求に応えるもので、回転可能な永久磁石、または磁気シャント部を包含するロータを含む、構成変更可能な電気モータを提供する。磁石および／またはシャント部は、始動時における非同期誘導モータ動作のための弱い磁場を生成する第１の位置と、効率的な同期動作のための強い磁場を生成する第２の位置とを有する。モータは、始動時における誘導モータ動作のためのリスケージを備え、このリスケージは、始動を妨げないような弱い磁場を生成するように配された永久磁石および／またはシャント部を備える。モータが同期回転数に接近または到達すると、永久磁石および／またはシャント部は、回転して高効率同期動作のための強い磁場を生成する。磁石および／またはシャント部の位置は、遠心機構により制御されるか、粘性減衰によって、磁石および／またはシャント部の回転を遅らせてもよい。あるいは、電気的に制御された装置が磁石および／またはシャント部の位置を制御してもよい。

本発明の一側面に従って、非同期モードで始動し、始動後により効率的な同期モードへ移行する、構成変更可能（reconfigurable）なブラシレスＡＣ電気モータを提供する。モータは、ＡＣ電力信号を受信し、かつ回転固定子磁場を発生させる固定子と、回転固定子磁場と連動するロータとを備える。ロータは、モータ始動のための非同期動作モードを提供する回転固定子磁場と誘導的に連動するリスケージ構造を形成する格子と、効率的な同期動作のための少なくとも１つの回転可能な永久磁石と、を備える。永久磁石は、ロータの内側に存在し、ポールピースと磁気的に連動する。永久磁石は、誘導モータが始動できるような弱い磁場をもたらす第１の位置を有し、効率的な同期動作のために回転固定子磁場と連動する強い磁場をもたらす第２の位置へと回転可能である。

本発明の別の側面に従って、複数の回転可能な円筒形磁石、または単一の回転可能な中空円筒形磁石を備える磁気回路を有する、非同期式から同期式へと構成変更可能な電気モータを提供する。磁石は、非同期動作のための弱い磁場を生成する第１の位置と、同期動作のための強い磁場を生成する第２の位置と、を有する。

本発明の別の側面に従って、複数の回転可能な磁気シャント部、または単一の回転可能な中空円筒形磁気シャント部を備える磁気回路を有する、非同期式から同期式へ構成変更可能な電気モータを提供する。磁気シャント部は、弱い磁場を生成するように、磁気回路に干渉する第１の位置と、強い磁場を生成するように、磁気回路に僅かしか干渉しない第２の位置と、を有する。

本発明の別の側面に従って、同期動作へ移行するように十分な回転数に到達するまで、始動のための弱い磁場位置に永久磁石を保持する遠心ラッチ機構を提供する。遠心ラッチ機構の例として、回転可能な永久磁石と係合するピンを把持するばねと、十分な回転数においてばねの力に打ち勝ち磁石を解放する錘と、を備える。

本発明の別の側面に従って、非同期始動のための弱い磁場を保持するように、シリコーン等の粘性減衰材料が提供される。この粘性減衰材料は、回転可能な永久磁石を囲み、永久磁石の回転を抑制する。または、前記粘性減衰材料は、回転可能な磁石に取り付けられて永久磁石の回転を抑制するパドルを入れるチャンバ内に提供される。短時間の後、磁石は回転し、効率的な同期動作のための強い磁場を与える。

本発明の別の側面に従って、磁石および／または磁気シャント部の位置を制御する電気機械装置を提供する。電気機械装置は、電気モータの現在の状態に最適な磁場を与えるように、プロセッサによって制御されてもよい。例えば、モータへの負荷によってモータが同期速度に到達するのが低速であるか、または負荷の増大がモータ回転数を降下させる場合、電気機械装置は、モータが同期動作へ到達または戻るのを助けるように磁場を低減してもよい。かかる電気機械装置は、典型的には、大型および／または高価なモータに適用可能である。

本発明の別の側面に従って、モータおよび／または発電機内の磁場を調整し、広い回転数範囲にわたってより効率的な動作を提供する方法を提供する。

本発明の、前述および他の側面、特性、および利点は、以下の図面と併せて提示される以下のより具体的な記述を通して、より明らかになるであろう。

本発明に従う、構成変更可能な電気モータの側面図である。

構成変更可能な電気モータの端面図である。

図１Ａの線２−２に沿って切断された、本発明に従う、構成変更可能な電気モータの断面図である。

本発明に従う典型的な２極永久磁石を示す。

図２の線３−３に沿って切断された、本発明に従う、構成変更可能な電気モータの断面図であり、放射配列ロータ構成（radially aligned rotor configuration）で、２極永久磁石を一つ用いる本発明の実施形態を示す。

図２の線３−３に沿って切断された、本発明に従う、構成変更可能な電気モータの断面図であり、放射配列ロータ構成で、４極永久磁石を一つ用いる本発明の実施形態を示す。

図２の線３−３に沿って切断された、本発明に従う、構成変更可能な電気モータの断面図であり、放射配列ロータ構成で、４極中空永久磁石を一つ用いる本発明の実施形態を示す。

図２の線３−３に沿って切断された、本発明に従う、構成変更可能な電気モータの断面図であり、放射配列ロータ構成で、４つの永久磁石を用いる本発明の実施形態を示す。

図２の線３−３に沿って切断された、本発明に従う、構成変更可能な電気モータの断面図であり、放射配列ロータ構成で、４対の永久磁石を用いる本発明の実施形態を示す。

図２の線３−３に沿って切断された、本発明に従う、構成変更可能な電気モータの断面図であり、磁束スクイーズロータ構成で、４つの永久磁石を用いる本発明の実施形態を示す。

図２の線３−３に沿って切断された、本発明に従う、構成変更可能な電気モータの断面図であり、放射配列ロータ構成における単一の永久磁石が最小磁場を与えるように回転している、本発明の実施形態を示す。

図２の線３−３に沿って切断された、本発明に従う、構成変更可能な電気モータの断面図であり、放射配列ロータ構成における単一の永久磁石が最大磁場を与えるように回転している、本発明の実施形態を示す。

図２の線３−３に沿って切断された、本発明に従う、構成変更可能な電気モータの断面図であり、放射配列ロータ構成における単一の４極永久磁石が、最小磁場を与えるように回転している、本発明の実施形態を示す。

図２の線３−３に沿って切断された、本発明に従う、構成変更可能な電気モータの断面図であり、放射配列ロータ構成における単一の４極永久磁石が、最大磁場を与えるように回転している、本発明の実施形態を示す。

図２の線３−３に沿って切断された、本発明に従う、構成変更可能な電気モータの断面図であり、放射配列ロータ構成における単一の中空４極永久磁石が、最小磁場を与えるように回転している、本発明の実施形態を示す。

図２の線３−３に沿って切断された、本発明に従う、構成変更可能な電気モータの断面図であり、放射配列ロータ構成における単一の中空４極永久磁石が、最大磁場を与えるように回転している、本発明の実施形態を示す。

図２の線３−３に沿って切断された、本発明に従う、構成変更可能な電気モータの断面図であり、放射配列ロータ構成における４つの永久磁石が、最小磁場を与えるように回転している、本発明の実施形態を示す。

図２の線３−３に沿って切断された、本発明に従う、構成変更可能な電気モータの断面図であり、放射配列ロータ構成における最大磁場を与えるように回転された４つの永久磁石本発明の実施形態を示す。

図２の線３−３に沿って切断された、本発明に従う、構成変更可能な電気モータの断面図であり、放射配列ロータ構成における４対の永久磁石が、最小磁場を与えるように回転している、本発明の実施形態を示す。

図２の線３−３に沿って切断された、本発明に従う、構成変更可能な電気モータの断面図であり、放射配列ロータ構成における４対の永久磁石が、最大磁場を与えるように回転している、本発明の実施形態を示す。

図２の線３−３に沿って切断された、本発明に従う、構成変更可能な電気モータの断面図であり、磁束スクイーズロータにおける４つの永久磁石が、最小磁場を与えるように回転している、本発明の実施形態を示す。

図２の線３−３に沿って切断された、本発明に従う、構成変更可能な電気モータの断面図であり、磁束スクイーズロータにおける４つの永久磁石が、最大磁場を与えるように回転している、本発明の実施形態を示す。

最小磁場位置で単一の永久磁石を把持する遠心ラッチ機構を有する、本発明に従う構成変更可能な電気モータの側断面図である。

最小磁場位置で単一の永久磁石を把持する遠心ラッチ機構を有する、本発明に従う構成変更可能な電気モータの端面図である。

最大磁場位置で単一の永久磁石を解放する遠心ラッチ機構を有する、本発明に従う、構成変更可能な電気モータの側断面図である。

最大磁場位置で単一の永久磁石を解放する遠心ラッチ機構を有する、本発明に従う、構成変更可能な電気モータの端面図である。

最小磁場位置で４つの永久磁石を把持する遠心ラッチ機構を有する、本発明に従う、構成変更可能な電気モータの側断面図である。

最小磁場位置で４つの永久磁石を把持する遠心ラッチ機構を有する、本発明に従う、構成変更可能な電気モータの端面図である。

最大磁場位置で４つの永久磁石を解放する遠心ラッチ機構を有する、本発明に従う、構成変更可能な電気モータの側断面図である。

最大磁場位置で４つの永久磁石を解放する遠心ラッチ機構を有する、本発明に従う、構成変更可能な電気モータの端面図である。

最小磁場位置で４極永久磁石を回転させる遠心ラッチ機構を有する、本発明に従う、構成変更可能な電気モータロータの端面図である。

最大磁場位置で４極永久磁石を回転させる遠心ラッチ機構を有する、本発明に従う、構成変更可能な電気モータロータの端面図である。

弱い磁場を与えるために、端から端までの半分の長さの磁石を位置を合わせないで用いる、本発明に従う構成変更可能ロータの側断面図である。

図２０Ａの線２０Ｂ−２０Ｂに沿って切断された、弱い磁場を与えるために、端から端までの半分の長さの磁石を位置を合わせないで用いる、本発明に従う構成変更可能ロータの断面図を示す。

強い磁場を与えるために、端から端までの半分の長さの磁石を位置を合わせて用いる、本発明に従う構成変更可能ロータの側断面図である。

図２１Ａの線２１Ｂ−２１Ｂに沿って切断された、強い磁場を与えるために、端から端までの半分の長さの磁石を位置を合わせて用いる、本発明に従う構成変更可能ロータの断面図を示す。

ロータを再構成する固定磁石および磁気シャント（magnetic shunting）を有する、本発明に従う磁気シャントロータの側断面図である。

図２２Ａの線２２Ｂ−２２Ｂに沿って切断された、磁気シャントロータの断面図である。

磁場効率を最小にすべく、ロータ内の永久磁石によって作られた磁場がシャントされた、磁気シャントロータを示す。

磁場効率を最大にすべく、ロータ内の永久磁石によって作られた磁場がシャントされていない、磁気シャントロータを示す。

最小効率磁場となっている、磁気シャントロータを示す。

最大効率磁場となっている、磁気シャントロータを示す。

パドル型減衰構造を示す、磁気シャントロータの側断面図である。

図２５Ａの線２５Ｂ−２５Ｂに沿って切断された、パドル型減衰構造を示す磁気シャントロータの断面図である。

大型モータのロータの永久磁石の位置を制御するブラシレスアクチュエータモータを有する、本発明に従う作動機構の、第１の実施形態の側面図を示す。

図２６の線２７−２７に沿って切断された、ブラシレスアクチュエータモータの第１の実施形態の断面図を示す。

作動機構の第１の実施形態によって、弱い磁場を作るように、モータの磁石の位置が合わせられていない状態を示す。

作動機構の第１の実施形態によって、強い磁場を作るように、モータの磁石の位置が合わせられている状態を示す。

大型モータのロータの永久磁石の位置を制御するブラシレスアクチュエータモータを有する、本発明に従う作動機構の、第２の実施形態の側面図を示す。

図２９の線３０−３０に沿って切断された、ブラシレスアクチュエータモータの第２の実施形態の断面図を示す。

作動機構の第２の実施形態によって、弱い磁場を作るように、モータの磁石の位置が合わせられていない状態を示す。

作動機構の第２の実施形態によって、強い磁場を作るように、モータの磁石の位置が合わせられている状態を示す。

複数の図面を通して、対応する参照文字は対応する構成部品を示す。

以下の記述は、本発明を実施するために現在考えられている最良の形態である。本記述は、限定する意味で解釈されるべきではなく、単に、本発明の１つ以上の好ましい実施形態を記述する目的のためにのみ成される。本発明の範囲は、特許請求の範囲への参照とともに決定されるものとする。

本発明に従う、構成変更可能な電気モータ１０の側面図を図１Ａに示し、構成変更可能な電気モータ１０の端面図を図１Ｂに示し、図１Ａの線２−２に沿って切断された構成変更可能な電気モータ１０の断面図を図２に示す。モータ１０は、固定子巻線１４と、回転可能モータ軸１１上で、かつ固定子巻線１４の内側に存在するロータ１２とを含む。モータ１０は、ロータ１２内に少なくとも１つの永久磁石１６（図３〜７参照）を含むＡＣ誘導モータであり、磁石１６は、始動時における初期非同期動作のための弱い磁場と始動後の効率的な同期動作のための強い磁場とを与えるように調整されてもよい。

構成変更可能な電気モータ１０の第１実施形態の、図２の線３−３に沿って切断された断面図を図３に示す。モータ１０の第１の実施形態は、ロータ１２ａ内に、単一の回転可能な２極内部永久磁石（Interior Permanent Magnet; IPM）１６を有する、２極モータ３０ａを備える。２極モータ３０ａはモータ軸１１と同軸上に存在する。磁石１６は、放射配列構成において、その両側に空隙２１を有し、空隙２１は磁石１６のＮ極（Ｎ）およびＳ極（Ｓ）を分割する。誘導動作のためのリスケージ要素の複数の格子３２は、ロータ１２の全長と同様の長さを有し、ロータ１２の外半径の周りに一定の角度で互いに離間している。これらの格子は直線的であってもよく、他の利点として騒音を低減するために捻転されていてもよい。磁石１６およびロッド３２は、空隙２１によって分断されるロータポールピース２０により担持される。ポールピース２０は、好ましくは、例えば、鉄や鋼といった個々に絶縁された磁気伝導性材料の積層で構築される。

本発明に従う、構成変更可能な電気モータ１０の第２実施形態の、図２の線３−３に沿って切断された断面図を図４に示す。モータ１０の第２の実施形態は、放射配列ロータ１２ｂ構成を有し、モータ軸１１と同軸上に存在する単一の回転可能な４極永久磁石１６ａを伴う４極モータ３０ｂを備える。ポールピース２０は、隣接する部分間に空隙２１を有する４等分の部分に分けられる。モータ３０ｂは、それ以外の点においては、モータ３０ａと同様である。

本発明に従う、構成変更可能な電気モータ１０の第３実施形態の、図２の線３−３に沿って切断された断面図を図５に示す。モータ１０の第３の実施形態は、モータ１１と同軸上に存在する単一の中空で回転可能な４極永久磁石１６ｂを有するロータ１２ｃを伴う４極モータ３０ｃを備える。鋼軸２３は、中空磁石１６ｂの中央を通過する。モータ３０ｃは、それ以外の点においては、モータ３０ｂと同様である。

本発明を伴う使用に好適な円筒形２極永久磁石１６の透視図を、図２Ａに示す。磁石１６は、磁石軸１１ａを有する。円筒形磁石は、本発明に従って、回転する磁石に対する好ましい形状ではあるが、本発明の利点を得るように可動であるように他の形状を採用してもよく、非同期動作のための弱い磁場へ、および同期動作のための強い磁場へとロータ磁場を調整するように構成された、どのような形状の可動磁石を有する電気モータも、本発明の範囲内に含まれる。

本発明に従う、構成変更可能な４極電気モータ１０の第４実施形態の、図２の線３−３に沿って切断された断面図を図６に示す。モータ１０の第４の実施形態は、放射配列ロータ１２ｄ構成を有し、磁石軸がモータ軸１１と平行で、互いに角方向に離間した、４つの回転可能２極永久磁石１６を備える４極モータ３０ｄを備える。ポールピースは、４つの外部ポールピース２０ａと、単一の中空中央ポールピース２０ｂとを備える。磁石１６は中央ポールピース２０ｂと外部ポールピース２０ａとの間に径方向に挟入され、空隙２１は、各外部ポールピース２０ａを隣接する外部ポールピース２０ａから分離し、かつ中央ポールピース２０ｂを外部ポールピース２０ａから分離する。誘導動作のためのリスケージ要素の複数の格子３２は、ロータ１２の外半径の周りに互いに角方向に離間し、それぞれロータ１２と同様の長さを有する。格子は直線であってもよく、他の利点として騒音を低減するために捻転されていてもよい。ポールピース２０ａおよび２０ｂは、好ましくは、例えば、鉄や鋼といった個々に絶縁された磁気伝導性材料の積層で構築される。

本発明に従う、構成変更可能な４極電気モータ１０の第５実施形態の、図２の線３−３に沿って切断された断面図を図７に示す。モータ１０の第５の実施形態は、放射配列ロータ構成を有する。モータ軸１１と平行な磁石軸を有し、それぞれ角方向に離間した、４対の回転可能２極永久磁石１６を有するロータ１２ｅを有する４極モータ３０ｅを備える。他の類似の実施形態は、３つ以上の磁石の、４つの群を備える磁石群を含んでもよい。モータ３０ｅは、それ以外の点においては、モータ３０ｄと同様である。

本発明に従う、構成変更可能な４極電気モータ１０の第６実施形態の、図２の線３−３に沿って切断された断面図を図８に示す。モータ１０の第６の実施形態は、磁束スクイーズロータ構成を有し、モータ軸１１と平行な磁石軸を伴う４つの一定の角度で離間した回転可能な２極永久磁石１６を有するロータ１２ｆを伴う４極モータ３０ｆを備える。４つの磁石１６は、４つの一定の角度で離間したポールピース２０ｃの間に一定の角度で存在する。モータ３０ｆは、それ以外の点においては、モータ３０ｄと同様である。

最小（または弱い）磁場２４ａを与えるように回転している、単一の２極永久磁石１６を伴う、モータ３０ａ（図３参照）の図２の線３−３に沿って切断された断面図を図９Ａに示す。弱い磁場２４ａは、初期の非同期動作のための誘導モードでのモータ３０ａの始動を妨げない。

最大（または強い）磁場２４ｂを与えるように回転している、単一の２極永久磁石１６を伴う、モータ３０ａの図２の線３−３に沿って切断された断面図を図９Ｂに示す。強い磁場２４ｂはモータ３０ａの始動を妨げ得るが、モータ３０ａの始動後の同期モードにおいてより効率的な動作を提供する。

最小（または弱い）磁場２４ａを与えるように回転している、単一の４極永久磁石１６ａを伴う、モータ３０ｂ（図４参照）の図２の線３−３に沿って切断された断面図を図１０Ａに示す。弱い磁場２４ａは、初期の非同期動作のための誘導モードでのモータの始動を妨げない。

最大（または強い）磁場を与えるように回転している、単一の４極永久磁石１６ａを伴う、モータ３０ｂの図２の線３−３に沿って切断された断面図を図１０Ｂに示す。強い磁場２４ｂはモータ３０ｂの始動を妨げ得るが、モータ３０ｂの始動後の同期モードにおいてより効率的な動作を提供する。

最小（または弱い）磁場２４ａを与えるように回転している、単一の中空４極永久磁石１６ｂを伴う、モータ３０ｃ（図５参照）の図２の線３−３に沿って切断された断面図を図１１Ａに示す。弱い磁場２４ａは、初期の非同期動作のための誘導モードでのモータの始動を妨げない。

最大（または強い）磁場を与えるように回転している、単一の中空４極永久磁石１６ｂを伴う、モータ３０ｃの図２の線３−３に沿って切断された断面図を図１１Ｂに示す。強い磁場２４ｂはモータ３０ｃの始動を妨げ得るが、モータ３０ｃの始動後の同期モードにおいてより効率的な動作を提供する。

最小（または弱い）磁場２４ａを与えるように回転された４つの２極永久磁石１６を伴う、モータ３０ｄ（図６参照）の図２の線３−３に沿って切断された断面図を図１２Ａに示す。弱い磁場２４ａは、初期の非同期動作のための誘導モードでのモータ３０ｄの始動を妨げない。

最大（または強い）磁場を与えるように回転された４つの２極永久磁石１６を伴う、モータ３０ｄの図２の線３−３に沿って切断された断面図を図１２Ｂに示す。強い磁場２４ｂはモータ３０ｄの始動を妨げ得るが、モータ３０ｄの始動後の同期モードにおいてより効率的な動作を提供する。

最小（または弱い）磁場２４ａを与えるように回転された４対の２極永久磁石１６を伴う、モータ３０ｅ（図７参照）の図２の線３−３に沿って切断された断面図を図１３Ａに示す。弱い磁場２４ａは、初期の非同期動作のための誘導モードでのモータ３０ｅの始動を妨げない。

最大（または強い）磁場を与えるように回転された４対の２極永久磁石１６を伴う、モータ３０ｅの図２の線３−３に沿って切断された断面図を図１３Ｂに示す。強い磁場２４ｂはモータ３０ｅの始動を妨げ得るが、モータ３０ｅの始動後の同期モードにおいてより効率的な動作を提供する。

磁束スクイーズロータ構成で、、最小（または弱い）磁場２４ａを与えるように回転された４つの２極永久磁石１６を伴う、モータ３０ｆ（図８参照）の図２の線３−３に沿って切断された断面図を図１４Ａに示す。弱い磁場２４ａは、初期の非同期動作のための誘導モードでのモータ３０ｆの始動を妨げない。

磁束スクイーズロータ構成で、最大（または強い）磁場を提供するように回転された４つの２極永久磁石１６を伴う、モータ３０ｆの図２の線３−３に沿って切断された断面図を図１４Ｂに示す。強い磁場２４ｂはモータ３０ｆの始動を妨げ得るが、モータ３０ｆの始動後の同期モードにおいてより効率的な動作を提供する。

単一の永久磁石１６を最小磁場位置（図９Ａ参照）で把持する遠心ラッチ機構４０を伴う、モータ３０ａ（図３参照）の側断面図を図１５Ａに示し、単一の永久磁石を最小磁場位置（図９Ａ参照）で把持する遠心ラッチ機構を有する、モータ３０ａの対応する端面図を図１５Ｂに示す。単一の永久磁石１６を最大磁場位置で解放した遠心ラッチ機構４０を伴う、モータ３０ａの第２の側断面図を図１６Ａに示し、単一の永久磁石を最大磁場位置で解放した遠心ラッチ機構を有する、モータ３０ａの対応する端面図を図１６Ｂに示す。遠心ラッチ機構４０は、錘４４、回転板５０、円板ばね４８、摺動板４６、ピン４２、およびピン座５２を含む。錘４４および円板ばね４８は、適当な回転数（ＲＰＭ）で錘４４が外側へ移動し、円板ばね４８を、図１５Ａに示される第１の延在位置から図１６Ａに示される後退位置へと切り替えさせ、それによって、ピン４２を座５２から後退させ磁石１６を解放するように、選択される。

磁石１６は、モータ３０ａが静止している時は弱い磁場位置に磁気的に付勢され、モータ３０ａが静止している時は、遠心ラッチ機構４０もピン座５２の中へピン４２を付勢する。したがって、モータ３０ａが停止するとモータ３０ａは常に弱磁石モードへ戻り、非同期誘導モータとしてモータが始動できる。モータ３０ａが十分な回転数に到達すると、遠心ラッチ機構４０は、ピン４２をピン座５２から引き抜き磁石１６を解放する。十分な回転数において、モータ３０ａ内の磁場は、永久磁石１６に強磁石位置へと９０度回転するように付勢し、それによって、効率的な同期動作を提供する。

好適な遠心ラッチ機構の例は、Ohio BedfordのTORQ Corp.により製造されるSynchrosnap Centrifugal mechanismである。本発明の使用のために、Synchrosnap Centrifugal mechanismは、電気スイッチ機能を提供する代わりにピン４２を作動するように、僅かに修正される。

モータ３０ｆ（図８参照）に適用される弱い磁場と強い磁場２４ｂとを切り替えるための第２の装置例を、図１７Ａ（弱い磁場側面図）、１７Ｂ（弱い磁場端面図）、１８Ａ（強い磁場側面図）、および１８Ｂ（強い磁場端面図）に示す。モータ３０ｆの４つの磁石１６は、各々小歯車６０に取り付けられ、全ての小歯車は大歯車６２と係合し、それにより磁石１６の全ては回転整列した状態を保つ。モータ３０ｆが静止している時、ピン４２は、大歯車６２内のピン座５２と係合し、モータ３０ｆが十分な回転数に到達すると、遠心ラッチ機構４０は、ピン４２をピン座５２から引き抜き磁石１６を解放する。モータ３０ａと同様に、モータ３０ｆの永久磁石１６は、モータ３０ｆが停止されている時は、弱い磁場位置（図１４Ａ参照）に磁気的に付勢され、同期動作のために十分な回転数においては強い磁場位置（図１４Ｂ参照）に磁気的に付勢される。

中空円筒形分割４極永久磁石１６ｃ（図５内の中空４極永久磁石１６ｂに類似する）を最小磁場位置に把持する遠心機構を伴う、本発明に従う、構成変更可能な電気モータロータ１２ｇの端面図を図１９Ａに示し、４極永久磁石を最大磁場位置へ回転させる遠心機構を伴う、ロータ１２ｇの端面図を図１９Ｂに示す。４つの加重された小歯車６０ａは質量が不均衡であり、ロータが回転している時にトルクを作成し、各歯車６０ａを回転させる。歯車６０ａは、中心の大歯車６２と連動し、歯車６２を回転させ、磁石１６ｃは、歯車６２とともに回転する。ロータ１２ｇが停止されると、磁石１６ｃは、ポールピースギャップ２０'の間の磁石ギャップ１６ｃ'とともに存在するようバイアスがかけられ、最小磁場をもたらす。ロータ１２ｇが回転すると、歯車６０ａ内の質量の不均衡によって歯車６０ａは回転し、同様に歯車６２および磁石１６ｃを回転させる。ロータ１２ｇが同期動作速度に到達する時までに、磁石ギャップ１６ｃ'は、効率的な同期動作のための最大磁場を与えるように、ポールピースギャップ２０'と位置が合わされる。

本発明に従う、構成変更可能な電気モータロータ１２ｈの側面図を図２０Ａに示す。電気モータロータ１２ｈは、端から端までの半分の長さを有する円筒形に区分された複数の４極永久磁石１６ｃを有し、これらの複数の円筒形４極永久磁石１６ｃは、磁場を弱くするべく、磁極の位置が合わされていない。また、ロータ１２ｈの、図２０Ａの線２０Ｂ−２０Ｂに沿って切断された断面図を図２０Ｂに示す。本実施形態において、可動式の第１の磁石１６ａ（すなわち、遠心ラッチ機構４０に最も近い磁石）は、第１の磁石１６ｃのＮ−Ｓ極を、固定された第２の磁石１６ｃのＮ−Ｓ極に対して位置を合わせないように回転可能であり、それによって弱い磁場を生成することができる。かかる弱い磁場は、ロータ１２ｈを含むモータが非同期モードで始動することを可能にする。

本発明に従うロータ１２ｈの側面図を図２１Ａに示す。ロータ１２ｈは、端から端までの半分の長さを有する円筒形に区分された複数の４極永久磁石１６ｃを有し、これらの複数の円筒形４極永久磁石１６ｃは、磁場を強くするべく、磁極の位置が合わされている。また、図２１Ａの線２１Ｂ−２１Ｂに沿って切断された断面図を、図２１Ｂに示す。遠心ラッチ機構４０は、十分な回転数が到達され、錘４４がばね４８の力に打ち勝ち、第２の磁石１６ｃと自然に整列する傾向を有する第１の磁石１６ｃを解放することが可能になるまで、第１の磁石を非整列の状態に把持する。

他の実施形態において、第１の磁石１６ｃの動きは、他の電気機械装置によって、または粘性減衰手段によって制御されてもよい。粘性減衰の例は、可動磁石１６ｃをシリコーンの中に入れることである。

固定永久磁石７２を有し、かつロータを再構成するように磁気シャントリング７０を回転させる、本発明に従う磁気シャントロータ１２ｉの側断面図を図２２Ａに示し、磁気シャントロータ１２ｉの、図２２Ａの線２２Ｂ−２２Ｂに沿って切断された断面図を図２２Ｂに示す。回転シャントリング７０は、固定永久磁石７２の外側に存在し、固定磁石７２を回転シャントリング７０の外側に存在する外部ポールピース２０ａから分離し、ポールピース２０ａは渦電流を最小にするために個々に絶縁された積層を備える。

内部ポールピース（あるいは、裏金または磁気指標電機子）２０ｂは、固定永久磁石７２の内側に存在し、磁束のための復路を提供する。裏金２０ｂは、モータ軸２３上に存在し、モータ軸２３は、好ましくは、裏金２０ｂと連動し、固定永久磁石７２および回転シャントリング７０を伴う磁気回路を完成させるために十分な厚みを提供する。裏金２０ｂは、好ましくは、ポールピース２０および２０ａと同様に渦電流を最小化する個々に絶縁された積層を備えるが、裏金２０ｂは、単一部であってもよい。一実施形態において、固定子、外部ポールピース２０ａ、および裏金２０ｂは、各々の形状を打ち抜くことによって、同一の積層部から製造されてもよく、それによりほぼ全ての材料を利用し廃物を最大限減らし、費用を削減できる。空調装置および冷却装置モータといった高容量の用途においては、かかる製造方法は、好ましい。固定磁石７２および裏金２０ｂは、例えば、モータが４極電機子を有する場合には、４つの磁石があるため、ポールピースと見なされる。

最小効率磁場に対してシャントされたロータ１２ｉ内の永久磁石７２によって作らされた磁場とともに、磁気シャントロータを図２３Ａに示し、最大効率磁場に対して非シャントされたロータ内の永久磁石７２によって作らされた磁場とともに図２３Ｂに示す。シャントと非シャントとの間の切り替えは、シャントリング７０を円弧７１に沿って回転させることで行われる。シャント位置において、回転シャントリング７０内のリングギャップ７０ａは、永久磁石７２内の磁石ギャップ７２ａに対応しない位置に配されており、かつ、ポールピース２０ａ内のポールピースギャップ２０ａ'と整合していない。非シャント位置において、回転シャントリング７０内のリングギャップ７０ａは、永久磁石７２内の磁石ギャップ７２ａおよびポールピース２０ａ内のポールピースギャップ２０ａ'に対応する位置に配されている。

最小効率磁場２４を伴う、磁気シャントロータ１２ｉを図２４Ａに示し、最大効率磁場２４ｂを伴う、磁気シャントロータ１２ｉを図２２Ｂに示す。最小磁場は、磁気シャントされたモータを非同期誘導モータとして始動させ、最大磁場は、磁気シャントされたモータを同期モータとして効率的に動作させる。

シャントされた動作と非シャントの動作との間の急な変化を抑制する粘性減衰構造を示す、磁気シャントロータ１２ｉの側断面図を図２５Ａに示し、パドル型減衰構造を示す磁気シャントロータ１２ｉの、図２５Ａの線２５Ｂ−２５Ｂに沿って切断された断面図を図２５Ｂに示す。粘性減衰構造は、回転シャントリング７０に接続され、回転シャントリング７０の回転を抑制する。ロータ１２ｉ内の磁場は好ましくは、ロータ１２ｉが静止している時にシャント位置への回転シャントリング７０の自然なバイアスを提供し、モータが動作している時に非シャント位置への自然なバイアスを与える。

粘性減衰構造の例は、粘性流体７６で充填されたチャンバ内のパドル７４を備える。パドル７４は、複数のパドル、例えば、４つのパドルを備えてもよい。粘性流体７６は、シリコーン油であってもよく、シリコーン油の粘度は、回転シャントリング７０の所望の粘性減衰を提供するために選択されてもよい。パドル７４は、パドルが円弧７８に沿って移動する際に粘性流体がパドル７４を過ぎて流れることを可能にする、ポート７４ａを含んでもよい。パドル７４の数とポート７４ａの数および形状とは、粘性流体の粘度と同様に、回転シャントリング７０の減衰を調整するために調整されてもよい。好ましくは、回転シャントリング７０は、モータが非同期から同期動作へ移行する際に回転シャントリング７０の揺動を回避するように十分に減衰されるであろう。

別の実施形態において、粘性減衰構造は、回転シャントリング７０の周囲に遊隙を設けることによって提供される。遊隙は粘性流体で充填され、減衰の度合いは粘性流体の粘度選択によって制御される。シリコーン油は、好適な粘性流体の一例である。本明細書において、粘性減衰は磁気シャントロータに対して説明されているが、かかる粘性減衰は、シャントリングを使用するか可動永久磁石を使用するかにかかわらず、本明細書に説明される構成変更可能な電気モータ（例えば、図３〜８、１９Ａ、１９Ｂ、および２０Ａ〜２１Ｂにおける）のいかなる実施形態への用途に対しても意図される。各々の例において、磁気回路の可動要素は、例えば、シリコーン等の粘性材料と接触していてもよく、または、図２５Ａおよび２５Ｂに示され説明されるように粘性減衰構造に接続してもよい。接触は、可動要素の外表面全体か、または可動要素の外表面の一部であってもよい。さらに、粘性材料の粘度は、弱い磁場から強い磁場への移行における適正な遅延を提供するために個々の用途に対して選択されてもよい。

概して、粘性減衰は、始動時の弱い磁場から効率的な同期動作のための強い磁場への移行を遅延させる。かかる遅延は、好ましくは、約１秒から５秒であるが、始動負荷により依存してもよく、同期速度付近での強い磁場への移行を遅延させる。仮に、強い磁場（例えば、約２０から３０パーセントのアラインメント）への移行が、モータが同期速度に到達するより前にあまりに早く起こると、始動トルクの低下がもたらされる可能性がある。一方、移行における遅延は、短時間だけ効率を僅かに低下させるだけである。また、粘性減衰によって、ロータが強い磁場へ移行する時の揺動は減らされる、あるいは除去される。

前述の粘性減衰は、一般的な電化製品といった、小型で安価なモータに対して好ましく、低費用である。より大型で高価なモータにおいては、例えば、歯車、および／または、油圧式、空気式、あるいは電気的（ソレノイド）なもの含む電気機械アクチュエータが、ロータ磁場を正確に制御し効率を最適化するために使用されてもよく、そのいくつかの実施形態は、米国特許出願第１２／６１０，２７１号に開示されており、前述の参照により組み込まれる。

より大型のモータは費用が高いため、アクチュエータフィードバックシステムは、非同期式から同期式へ構成変更可能なモータへの実現可能で経済的な追加物であり、何故ならば、かかるアクチュエータフィードバックシステムは、ロータを大型モータに改造するか、または大型モータを新しく購入することに関する費用のうちの数パーセントしか占めないからである。より大型のモータでは、ロータ慣性および／またはモータへの負荷によって始動に著しく時間がかかる。かかる事例においては、電気的に制御された作動機構が、ロータの磁場を制御するために使用されてもよい。例えば、モータへの負荷がロータ拘束トルクを上回り、回転数が同期速度の約５０パーセントを下回って減速する時、作動機構はロータ内の磁気回路要素を非整列にしてロータ磁場を弱めることができ、モータ負荷が減るか、または作動機構が磁気回路要素を再整列させられる非同期速度にモータが到達するまで、モータが誘導トルク下に戻ることを可能にする。

大型モータ３０ｊの永久磁石ロータおよび固定子に添加されたブラシレスアクチュエータモータ８０を有する、作動機構の第１の実施形態の側面図を図２６に示し、図２６の線２７−２７に沿って切断されたブラシレスアクチュエータモータ８０の断面図を図２７に示す。アクチュエータモータ８０は、モータ電力か、または別個の低電圧源かによって動く、制御装置（または、プロセッサ）８６に接続される。回転位置感知のためのセンサ／エンコーダ８８は、制御装置８６に接続されフィードバックおよび制御を提供する。アクチュエータモータ８０は、固定コイル８２と、それらに添加された磁石を有するアクチュエータロータ８４と、を備える。アクチュエータロータ８４は、ロータ１２ｊの回転可能な永久磁石、またはロータ１２の回転可能なシャント部に接続され、ロータ１２ｊを、始動のための弱ロータ磁場へ、および効率的な同期動作のための強ロータ磁場へと調整する。

図２８Ａは、弱い磁場を作るように作動機構の第１の実施形態によって調整されたロータ３０ｊの磁石１６を示し、図２８Ｂは、強い磁場を作るように作動機構の第１の実施形態によって調整されたモータの磁石を示す。アクチュエータロータ８４は、歯車６２に直接取り付けられ、各円筒形磁石１６に取り付けられた歯車６０ａ（図２８Ａおよび２８Ｂ参照）を回転させる。

始動の間、アクチュエータモータ８０は、弱い磁場位置におけるロータ磁石（またはシャント部）を位置付けるために位置感知センサ／エンコーダデータを使用して、ロータ１２ｊと同じ速度で回転し、モータ２０ｊが最大非同期速度に到達すると、アクチュエータモータ８０は、速度を増加または減少し、正常な磁束相互作用が整列を維持し、かつアクチュエータモータがいかなる損失も伴わずにロータ１２ｊとともに自由に回転できる強い磁場位置へと、ロータ１２ｊのロータ磁石（またはシャント部）を回転させる。

大型モータ３０ｋに取り付けられたブラシレスアクチュエータモータ８０ａを有する、本発明に従う作動機構の第２の実施形態を図２９に示し、図２９の線３０−３０に沿って切断されたブラシレスアクチュエータモータ８０の断面図を図３０に示す。円筒形永久磁石１６ｄは、アクチュエータモータ８０ａのロータを形成するコイル８２を超えて延在する、ドッグレッグ部を含む。アクチュエータモータ８０は、したがって、磁石１６ｄの位置を制御することが可能である。

図３１Ａは、弱い磁場を作るように位置感知センサ／エンコーダ８８データおよび制御装置８６を用いるアクチュエータモータ８０によって制御された、モータ３０ｋの磁石１６ｄを示し、図３１Ｂは、強い磁場を作るようにアクチュエータモータ８０によって制御された磁石１６ｄを示す。

本発明は、電気モータ分野において産業上の利用可能性を有する。
〔発明の範囲〕

本明細書に開示された発明は、特定の実施形態およびその用途によって説明されているが、特許請求の範囲に記載される本発明の範囲から逸脱することなく、当業者によって多くの修正および変更が成されてもよい。

Claims

非同期モードと同期モードとの両方で動作する、構成変更可能なブラシレスＡＣ電気モータであって、
ＡＣ電力信号を受信し、かつ回転固定子磁場を発生させる固定子と、
回転モータ軸と、
前記モータ軸とともに回転するロータと、
を備え、前記ロータが、
前記電気モータの始動のための前記非同期動作モードを提供する、前記回転固定子磁場と連動する誘導要素と、
前記ロータに固定されるポールピースであって、前記モータ軸を含む平面に平行的な空隙を少なくとも１つ有するポールピースと、
前記ロータの内側に存在し、前記ポールピースと連動し、前記電気モータが始動できるような弱い磁場をもたらす第１の位置を有し、効率的な同期動作のために前記回転固定子磁場と連動する強い磁場をもたらす第２の位置へと、前記ロータに対して移動可能である、少なくとも１つの可動磁気回路要素と、
を備える、電気モータ。
前記可動磁気回路要素は、少なくとも１つの可動永久磁石を備える、請求項１に記載の電気モータ。
前記少なくとも１つの可動永久磁石は、前記モータ軸に平行な磁石軸を有する単一の永久磁石を備える、請求項２に記載の電気モータ。
前記少なくとも１つの可動永久磁石は、前記モータ軸と同軸上に、回転可能な中空永久磁石を１つ備える、請求項２に記載の電気モータ。
放射配列ロータ構成において、前記少なくとも１つの可動永久磁石は、互いに角方向に離間し軸が平行な４つの回転可能な永久磁石を備える、請求項２に記載の電気モータ。
放射配列ロータ構成において、前記少なくとも１つの可動永久磁石は、それぞれ少なくとも２つの磁石を含む、互いに離間し軸が平行な４つのグループを備える、請求項２に記載の電気モータ。
放射配列ロータ構成において、前記少なくとも１つの永久磁石は、回転可能な永久磁石が２つ平行に配されたペアを相隔てて４つ備える、請求項２に記載の電気モータ。
磁束スクイーズ構成において、前記少なくとも１つの可動永久磁石は、互いに平行に離間した４つの回転可能永久磁石を備える、請求項２に記載の電気モータ。
同期動作への移行のために十分な回転数に達するまで、前記少なくとも１つの磁石を最小磁場位置で保持する遠心ラッチ機構をさらに含む、請求項２に記載の電気モータ。
前記可動磁気回路要素は、前記磁場を前記弱い磁場または前記強い磁場に調整するように移動可能な可動シャント部を備え、
ここで前記可動シャント部は磁化されない材料でできており、固定された永久磁石およびポールピースと磁気的に連動して、前記固定された永久磁石の磁場が前記固定子へ達することを妨げ得るように構成される請求項１に記載の電気モータ。
前記回転可能な磁気回路要素の前記回転は、粘性減衰構造（viscous damping structure）によって減衰される、請求項１に記載の電気モータ。
前記粘性減衰構造は、粘性流体で充填されたチャンバ内のパドルを備える、請求項１１に記載の電気モータ。
前記粘性減衰構造は、前記回転可能な磁気回路要素に直接接触している粘性流体を備える、請求項１１に記載の電気モータ。
非同期モードで始動し、始動後により効率的な同期モードへ移行する、構成変更可能なブラシレスＡＣ電気モータであって、
ＡＣ電力信号を受信し、かつ回転固定子磁場を発生させる固定子と、
前記固定子を通過するモータ軸と、
前記モータ軸上に存在し、かつ前記モータ軸とともに回転するロータと、
を備え、前記ロータが、
前記電気モータの始動のための前記非同期動作モードを提供する、前記回転固定子磁場と連動する誘導要素と、
前記ロータのポールピースであって、磁気を通すが軟磁性の材料でできているポールピースと、
前記ロータの内側に存在し、前記モータ軸と平行な磁石軸を有し、前記ポールピースと磁気的に連動し、前記電気モータの始動を可能にするように弱い磁場をもたらす第１の位置を有し、効率的な同期動作のために前記回転固定子磁場と連動する強い磁場をもたらす第２の位置まで回転可能である、少なくとも１つの回転可能な永久磁石と、
を備え、さらに前記電気モータは、同期動作へ移行するのに十分な回転数に到達するまで、弱い磁場位置から強い磁場位置へと前記少なくとも１つの回転可能な永久磁石が回転することを遅らせる、粘性減衰手段を備える、電気モータ。
非同期モードで始動し、始動後により効率的な同期モードへ移行する、構成変更可能なブラシレスＡＣ電気モータであって、
ＡＣ電力信号を受信し、かつ回転固定子磁場を発生させる固定子と、
前記固定子を通過するモータ軸と、
前記モータ軸上に存在し、かつ前記モータ軸とともに回転するロータと、
を備え、前記ロータが、
前記電気モータの始動のための前記非同期動作モードを提供する、前記回転固定子磁場と誘導的に連動するリスケージ形構造を形成する格子と、
前記ロータのポールピースであって、磁気を通すが軟磁性の材料でできているポールピースと、
前記ロータの内側に存在する少なくとも１つの固定された永久磁石と、
前記ロータの磁場を、誘導始動のための弱い磁場、および効率的な同期動作のための強い磁場へと調整するように、前記モータ軸と平行な軸の周りに回転可能である、少なくとも１つの回転可能なシャント部であって、磁化されない材料でできており、前記固定された永久磁石および前記ポールピースと磁気的に連動して、前記固定された永久磁石の磁場が前記固定子へ達することを妨げ得るように構成される、少なくとも１つの回転可能なシャント部と、
を備え、さらに前記ロータは、同期動作へ移行するように十分な回転数に到達するまで、前記弱い磁場配置から前記強い磁場配置へと前記少なくとも１つの回転可能なシャント部が回転することを遅らせる、粘性減衰手段を備える、電気モータ。
前記シャント部は、回転可能なシャントリングであり、円筒形で前記モータ軸と同軸上にあり、かつ前記モータ軸と同軸上にある軸の周りに回転する、請求項１５に記載の電気モータ。
前記回転可能なシャントリングは回転可能な円筒形状を有すると共に、前部から後部に達する第１のギャップによって分離されるシャント部分を有し、
前記固定された永久磁石も円筒形状を有すると共に、前部から後部に達する第２のギャップによって分離される磁石部分を有する、
請求項１５に記載の電気モータ。
前記回転可能なシャントリングは、前記ロータのポールピースの内側に存在し、前記固定された永久磁石は、前記回転可能なシャントリングの内側に存在する、請求項１７に記載の電気モータ。
前記ポールピースは、前記第２のギャップに対応する位置に設けられるポールピースギャップを有する、請求項１８に記載の電気モータ。
前記回転可能なシャントリング内の前記第１のギャップは、前記固定された永久磁石内の前記第２のギャップおよび前記ポールピースに対応しない位置へと回転させられることにより、前記電気モータの起動を可能にするように前記弱い磁場をもたらし、また、前記回転可能なシャントリング内の前記第１のギャップが前記固定された永久磁石内の前記第２のギャップおよび前記ポールピースに対応する位置に配されるに対応する位置に設けられる状態である第２の位置まで回転させられることにより、前記効率的な同期動作のための前記強い磁場をもたらす、請求項１９に記載の電気モータ。