JP6240664B2 - 自己調整可能な永久磁石型インナーロータを備えたハイブリッド誘導モータ - Google Patents

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本出願は、２０１２年４月２０日出願の米国特許出願第１３／４５２，５１４号および２０１２年１１月２９日出願の米国特許出願第１３／６８９，４００号の優先権を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、電気モータに関するものであり、特に、誘導回転子に可変的に連結され、モータを始動時の非同期誘導動作から始動後の同期動作へと再構成して効率的な動作を実現する独立回転型永久磁石回転子を有する誘導モータに関する。

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。誘導モータの回転子は、固定子の内側で回転するかご（ハムスター用の回し車に類似したかご）を含む。このかごは、回転子の外周に沿って軸方向に延在し、角度を成すように離間された複数の棒を備える。固定子に交流電流が供給されると、固定子の回転磁界が回転子の中に発生し、その回転磁界が電磁誘導によって棒内に電流を誘導する。棒内に誘導された電流は誘導磁界を作り出し、この磁界が固定子の磁界と協調してトルクを生成し、その結果、回転子が回転する。

電磁誘導は磁界とその磁界の中にある導体との間の相対運動（滑りと呼ばれる）を必要とするため、棒内に電流を流すには、棒が固定子の回転磁界に同期して移動（または回転）しないようにする必要がある。このため、棒内に電流を誘導しトルクを生成するには、回転子と固定子の回転磁界との間で滑りが発生する必要があり、このような誘導モータは非同期モータと呼ばれる。

残念ながら、低電力の誘導モータは、設計通りの動作速度ではあまり効率的に動作せず、負荷が減少すると効率はさらに低下する。これは、固定子によって消費される電力の量が、そのような負荷の減少時にも一定に保たれるためである。

誘導モータの効率を改善する方法の１つは、回転子に永久磁石を追加することであった。モータは初め、一般的な誘導モータと同様に始動するが、モータがその動作速度に達すると、固定子の磁界が永久磁石と協調して、同期動作に移行する。残念ながら、永久磁石が大きすぎるとモータが始動できなくなるため、永久磁石のサイズは制限される。このサイズ制限により、永久磁石の追加によって得られるメリットは限られたものになる。

本発明は、誘導回転子と独立回転型永久磁石回転子を備えたハイブリッド誘導モータを提供することによって、上記およびその他の要件に対処する。誘導回転子は、誘導モータの始動時の動作に用いられる、モータ軸に恒久的に連結されたかご形回転子である。永久磁石回転子は、誘導回転子から径方向または軸方向にずらして配置され、クラッチを介して誘導回転子（またはモータ軸）に可変的に連結されており、始動時に誘導回転子とは独立して回転できるようになっている。独立回転型永久磁石回転子は、始動すると速やかに同期ＲＰＭに達する。誘導回転子が同期ＲＰＭに近づくか達すると、誘導回転子と内側の永久磁石回転子との間の連結度が高まって２つの回転子が連結される。連結された回転子は同期ＲＰＭで回転し、モータは効率的な同期動作へと移行する。

一実施形態では、離散位置型スリップクラッチを介して内側の永久磁石回転子を誘導回転子と連結することによって、離散した角度位置において、永久磁石回転子と誘導回転子との間の回転調整を実施できる。

本発明の一態様によれば、外側の誘導回転子と、固定子の回転磁束と協調して自由に回転する内側の自由回転型永久磁石回転子を備えたハイブリッド誘導モータが提供される。モータの電源をオンにすると、内側の永久磁石回転子が固定子の回転磁界に後れないよう即座に加速し、外側の誘導回転子と負荷が適切な速度に達する。外側の誘導回転子が同期ＲＰＭ（固定子の磁界のＲＰＭと内側の永久磁石回転子のＲＰＭ）に近づくと、ロッキングクラッチが係合し、外側の誘導回転子が内側の永久磁石回転子に同期される。ロッキングクラッチは、モータのトルクが設計通りの大きさをわずかでも上回った時点でロックされ、負荷が過剰になるとクラッチのロックが解除されて滑りが始まり、負荷が再び同期速度に近づくまでその状態が続く。クラッチのロックは、動作周波数から外れた特定周波数で解除され、動作周波数の範囲内で係合するように設計されている。

本発明の他の態様によれば、固定子の回転磁界に連結される内側の永久磁石回転子を備えたハイブリッド誘導モータが提供される。内側の永久磁石回転子は、スリップクラッチ（クラッチのトルクはモータ定格の最大トルクに設定されている）の初期摩擦と内側の永久磁石回転子自体の慣性さえ克服すれば良いため、外側の誘導回転子より先に同期ＲＰＭに達する。

本発明のさらに他の態様によれば、制動巻線を含む外側の誘導回転子が提供される。この回転子は、通常の誘導モータの回転子と同様に加速するが、永久磁石への悪影響や一時的な制動トルクは発生しない。また、正の印加トルクがスリップクラッチを介して内側の永久磁石回転子から供給され、その効果は始動時のトルクに貢献する。このような制動巻線は、固定されたラインスタート型永久磁石（ＬＳＰＭ）モータの始動時に固有の変動や脈動を発生させることなく、トルクを供給する。

本発明のさらに他の態様によれば、過剰な負荷が印加された場合に磁気的な過負荷および失速状態を回避する、自己調整可能なハイブリッド誘導モータが提供される。モータが磁気的な過負荷または失速状態に近づくと、永久磁石回転子と誘導回転子との間の係合が解除され、同期ＲＰＭが維持される。その過渡事象が対処されると、誘導回転子と永久磁石回転子は再連結される。

本発明のさらに他の態様によれば、クラッチ機構が磁石を高い強制消磁力にさらすことがないため、安全にフェライト磁石を使用できるハイブリッド誘導モータが提供される。このクラッチを用いることにより、過剰な負荷が正常な範囲に戻るまで、永久磁石回転子を同期速度で回転させることが可能となる。

本発明の上記およびその他の態様、特徴、および利点は、以下の図面を参照してなされる本発明のより詳細な説明から、より明らかとなるであろう。

本発明による、内側の独立回転型永久磁石回転子、モータ軸に連結固定され、永久磁石回転子の外側に設けられた誘導回転子、および誘導回転子の外側に設けられた固定子を有する電気モータ構成の一実施形態を示す図である。 本発明による、モータ軸に連結された誘導回転子、誘導回転子の外側に設けられた独立回転型永久磁石回転子、および永久磁石回転子の外側に設けられた固定子を有する電気モータ構成の一実施形態を示す図である。 本発明による、回転子の内側に設けられた固定子、固定子の外側に設けられた独立回転型永久磁石回転子、および負荷に連結され、永久磁石回転子と固定子の外側に設けられた誘導回転子を有する電気モータ構成の一実施形態を示す図である。 本発明による、回転子の内側に設けられた固定子、負荷に連結され、固定子の外側に設けられた誘導回転子、および誘導回転子の外側に設けられた独立回転型永久磁石回転子を有する電気モータ構成の一実施形態を示す図である。 誘導回転子と永久磁石回転子の相対的なＲＰＭとトルクを示す図である。 本発明による連続型スリップクラッチの側面図である。 本発明による連続型スリップクラッチの端面図である。 本発明による離散型スリップクラッチの側面図である。 本発明による離散型スリップクラッチの端面図である。 本発明による永久磁石回転子と誘導回転子を連結する遠心クラッチの側面図である。 図１０の線１１〜１１に沿った、本発明による永久磁石回転子と誘導回転子を連結する遠心クラッチの断面図である。 本発明による永久磁石回転子と誘導回転子を連結する電磁クラッチの側面図である。 図１２の線１３〜１３に沿った、本発明による永久磁石回転子と誘導回転子を連結する電磁クラッチの断面図である。 本発明によるモータの第１実施形態の側面図である。 本発明によるモータの第１実施形態の断面図である。 本発明によるモータの第１実施形態の第１の回転子のより詳細な側面図である。 本発明によるモータの第１実施形態の第１の誘導回転子の側面図である。 本発明によるモータの第１実施形態の第１の誘導回転子の断面図である。 本発明によるモータの第１実施形態の第１の永久磁石回転子の側面図である。 本発明によるモータの第１実施形態の第１の永久磁石回転子の端面図である。 図１９Ａの線２０〜２０に沿った、本発明によるモータの第１実施形態の第１の永久磁石回転子の断面図である。 本発明によるモータの第１実施形態の第１の固定子の磁力線を示す図である。 本発明によるモータの第２実施形態の側面図である。 本発明によるモータの第２実施形態の断面図である。 本発明によるモータの第２実施形態の第２の回転子の詳細な側面図である。 本発明によるモータの第２実施形態の第２の誘導回転子の側面図である。 本発明によるモータの第２実施形態の第２の誘導回転子の断面図である。 本発明によるモータの第２実施形態の第２の永久磁石回転子の側面図である。 本発明によるモータの第２実施形態の第２の永久磁石回転子の端面図である。 図２７Ａの線２８〜２８に沿った、本発明によるモータの第２実施形態の第２の永久磁石回転子の断面図である。 本発明によるモータの第２実施形態の永久磁石回転子の固定子の磁力線を示す図である。 本発明によるモータの第３実施形態の側面図である。 本発明によるモータの第３実施形態の断面図である。 本発明によるモータの第３実施形態の第３の回転子の詳細な側面図である。 本発明によるモータの第３実施形態の第３の誘導回転子の側面図である。 本発明によるモータの第３実施形態の第３の誘導回転子の断面図である。 本発明によるモータの第３実施形態の第３の永久磁石回転子の側面図である。 本発明によるモータの第３実施形態の第３の永久磁石回転子の端面図である。 本発明によるモータの第３実施形態の永久磁石回転子の固定子の磁力線を示す図である。 本発明によるモータの第４実施形態の側面図である。 本発明によるモータの第４実施形態の第４の回転子の分解図である。 本発明によるモータの第４実施形態の第４の誘導回転子の側面図である。 本発明によるモータの第４実施形態の第４の誘導回転子の断面図である。 本発明によるモータの第４実施形態の第４の永久磁石回転子の側面図である。 図４１の線４２〜４２に沿った、本発明によるモータの第４実施形態の第４の永久磁石回転子の断面図である。 ＲＰＭが低く、遠心クラッチが滑りの状態にある第４の回転子の側面図である。 図４３の線４４〜４４に沿った第４の回転子の断面図である。 ＲＰＭが高く、遠心クラッチが係合した状態にある第４の回転子の側面図である。 図４５の線４６〜４６に沿った第４の回転子の断面図である。 本発明によるモータの第５実施形態の側面図である。 本発明によるモータの第５実施形態の第５の回転子の分解図である。 本発明によるモータの第５実施形態の第５の誘導回転子の側面図である。 本発明によるモータの第５実施形態の第５の誘導回転子の断面図である。 本発明によるモータの第５実施形態の第５の永久磁石回転子の側面図である。 図５１の線５２〜５２に沿った、本発明によるモータの第５実施形態の第５の永久磁石回転子の断面図である。 本発明によるモータの第６実施形態の側面図である。 本発明によるモータの第６実施形態の第６の回転子の分解図である。 本発明によるモータの第６実施形態の第６の誘導回転子の側面図である。 図５５の線５６〜５６に沿った、本発明によるモータの第６実施形態の第６の誘導回転子の断面図である。 本発明によるモータの第６実施形態の積層鉄心の側面図である。 図５７の線５８〜５８に沿った、本発明によるモータの第６実施形態の積層鉄心の断面図である。 本発明によるモータの第６実施形態の第６の永久磁石回転子の側面図である。 本発明によるモータの第６実施形態の第６の永久磁石回転子の端面図である。 本発明によるモータの第６実施形態の第６の永久磁石回転子に巻きつける誘導ストリップの斜視図である。 本発明による誘導ストリップの巻きつけられていない状態を示す図である。 本発明によるモータの第７実施形態の側面図である。 本発明によるモータの第８実施形態の側面図である。 本発明によるモータの第９実施形態の側面図である。 本発明によるモータの第１０実施形態の側面図である。 図６５の線６６〜６６に沿った、本発明によるモータの第１０実施形態の独立回転型永久磁石回転子の棒を含む断面図である。 図６５の線６７〜６７に沿った、本発明によるモータの第１０実施形態の誘導回転子の断面図である。 本発明によるモータの第１１実施形態の側面図である。

全ての図面を通して、同一の構成要素は同一の参照符号で示す。

以下、本発明を実施するための現在考えられる最良の形態について説明する。この説明は限定的な意味で解釈すべきではなく、単に本発明の1つまたは複数の好ましい実施形態についての説明のみを目的としている。本発明の範囲は、特許請求の範囲に従って決定されるべきである。
〔誘導回転子と永久磁石回転子の配置〕

本発明による、内側の独立回転型永久磁石回転子２６、モータ軸３２（またはその他の負荷）に連結され、永久磁石回転子２６の外側に設けられた誘導回転子２０、および誘導回転子２０の外側に設けられた固定子１２を有する第１の電気モータ構成１０'を図１に示す。内側の独立回転型永久磁石回転子２６は、誘導回転子２０に可変的に連結される。可変的な連結により、内側の独立回転型永久磁石回転子２６は、誘導回転子２０とは独立して、モータ１０'の始動時に回転を急速に同期速度まで加速させることができる。負荷に接続されている誘導回転子２０は、内側の永久磁石回転子２６より回転の加速が遅い。可変的な連結は、スリップクラッチ、遠心クラッチ、または以下の段落で説明するような、電気的に制御されるクラッチの形を取ることができる。誘導回転子２０が同期速度に近づくと、誘導回転子２０と永久磁石回転子２６がロックされて同期動作に移行する。これにより、固定子の回転磁界とかごの棒との間に滑りが発生しなくなるため、誘導回転子２０のかごは電流の生成を停止する。その結果、モータ１０'は効率的な永久磁石モータとして動作する。

本発明による、モータ軸３２に連結された誘導回転子２０、誘導回転子の外側に設けられた独立回転型永久磁石回転子２６、および独立回転型永久磁石回転子２６の外側に設けられた固定子１２を有する第２の電気モータ構成１０"を図２に示す。電気モータ構成１０"は電気モータ構成１０'と原則的に同様であり、例外は、永久磁石回転子２６が誘導回転子２０の外側（つまり、誘導回転子２０と固定子１２の間）に設けられていることである。永久磁石回転子２６はリング磁石を備えていることが好ましい。

本発明による、回転子２０および２６の内側に設けられた固定子１２、固定子１２の外側に設けられた独立回転型永久磁石回転子２６、および負荷に連結され、永久磁石回転子２６の外側に設けられた誘導回転子２０を有する第３の電気モータ構成１０'''を図３に示す。電気モータ構成１０'''は電気モータ構成１０'と原則的に同様であり、例外は、固定子１２が回転子２０および２６の両方の内側に設けられていることである。永久磁石回転子２６は、固定子１２と誘導回転子２０の間に設けられたリング磁石であることが好ましい。

本発明による、回転子２０および２６の内側に設けられた固定子１２、負荷に連結され、固定子１２の外側に設けられた誘導回転子２０、および誘導回転子２０の外側に設けられた独立回転型永久磁石回転子２６を有する第４の電気モータ構成１０''''を図４に示す。電気モータ構成１０''''は電気モータ構成１０'と原則的に同様であり、例外は、固定子１２が回転子２０および２６の両方の内側に位置し、永久磁石回転子２６が誘導回転子２０の外側に設けられていることである。永久磁石回転子２６はリング磁石を備えていることが好ましい。

モータ始動時の誘導回転子２０と永久磁石回転子２６の相対的なＲＰＭとトルクを図５に示す。電源４０をオンにすると、永久磁石回転子のトルク４８が急速に上昇し、これにより永久磁石回転子２６がいかなる接続にも影響されることなく誘導回転子２０から解放され、永久磁石回転子のＲＰＭ４２が速やかに同期ＲＰＭに達する。誘導回転子のＲＰＭ４４が同期ＲＰＭに近づき、トルク４８が下降すると、永久磁石回転子２６と誘導回転子２０がロックされて同期ＲＰＭに移行し、モータが永久磁石による非常に効率的な動作へと移行する。

〔誘導回転子と永久磁石回転子を可変的に連結するクラッチの実施形態〕
本発明による連続型スリップクラッチ３４'の側面図を図６に示し、この連続型スリップクラッチ３４'の端面図を図７に示す。連続型スリップクラッチ３４'に含まれる環状板５２は、永久磁石回転子２６によって保持され、バネ５０によって誘導回転子２０の環状摩擦面５４に押し付けられる。連続型スリップクラッチ３４'は、所定のバネ５０に一定の運動摩擦を加える。これにより、始動時に永久磁石回転子のトルク４８（図５を参照）が最大値に達したときは、永久磁石回転子２６を誘導回転子から解放し、また永久磁石回転子のトルク４８が下降したときは、２つの回転子２０および２６をロックして同期ＲＰＭに移行することができる。

本発明による離散型スリップクラッチ３４"の側面図を図８に示し、この離散型スリップクラッチ３４"の端面図を図９に示す。離散型スリップクラッチ３４"は、環状板５６に等間隔で配置された歯５９と、協調動作する溝５８を備え、それらにより離散型スリップクラッチ３４"をロックして永久磁石回転子２６と誘導回転子２０との間で所定の関係を確立し、回転子の磁極を固定子の磁界と一致させる。回転子の磁極数が少ない場合（４つなど）は、このような離散型の調整が好ましい。

本発明による永久磁石回転子２６と誘導回転子２０を連結する遠心クラッチ３４'''の側面図を図１０に示し、図１０の線１１〜１１に沿った、永久磁石回転子２６と誘導回転子２０を連結する遠心クラッチ３４'''の断面図を図１１に示す。誘導回転子２０に取り付けられた羽根６０は、永久磁石回転子２６の一端にある凹状の円筒型の開口部６４の中に達する。羽根６０の間には遠心分銅６２が設けられており、これらは誘導回転子２０と共に回転するよう保持されている。誘導回転子２０の回転速度が同期速度に近づくと、分銅６２は開口部６４の円筒型の内面に押し付けられ、これにより永久磁石回転子２６の回転が誘導回転子２０の回転にロックされる。

本発明による永久磁石回転子２６と誘導回転子２０を連結する電磁クラッチ３４''''の側面図を図１２に示し、図１１の線１３〜１３に沿った、永久磁石回転子２６と誘導回転子２０を連結する電磁クラッチ３４''''の断面図を図１３に示す。電磁クラッチ３４''''は、誘導回転子２０の誘導巻線７６を通じて電流を受け取るコイル（またはソレノイド）７４を備えている。コイル７４は開口部６４の円筒型の内面からクラッチシュー７０を引き離し、バネ７２はシューを開口部６４の円筒型の内面に向かって押し込む。シュー７０に図１１の分銅６２と同様の分銅をさらに備え、誘導回転子のＲＰＭが上昇したときに、開口部６４の円筒型の内面に対する係合を強化することもできる。巻線７６によって生成される電流は、誘導回転子のＲＰＭと同期ＲＰＭの差分に比例するため、始動時には電磁クラッチ３４''''は係合せず、誘導回転子のＲＰＭが同期ＲＰＭに近づくと電磁クラッチ３４''''は係合する。

〔本発明を実施するためのモータ設計〕
本発明による第１のモータ１０ａの側面図を図１４に示し、第１のモータ１０ａの断面図を図１５に示し、第１のモータ１０ａの回転子のより詳細な側面図を図１６に示し、第１のモータ１０ａの誘導回転子２０ａの側面図を図１７に示し、第１のモータ１０ａの誘導回転子２０ａの断面図を図１８に示し、第１のモータ１０ａの永久磁石回転子２６ａの側面図を図１９Ａに示し、第１のモータ１０ａの永久磁石回転子２６ａの端面図を図１９Ｂに示し、第１のモータ１０ａの永久磁石回転子２６ａの断面図を図２０に示し、第１のモータ１０ａの固定子の磁界５０ａを図２１に示す。モータ１０ａは、筐体１１、固定子巻線１４、および固定子バックアイアン１８を備える。誘導回転子２０ａは、奥行きが誘導回転子２０ａのほぼ全体に及ぶ棒２２ａを備える。これらの棒は磁束漏れを防ぎ、固定子の磁界３２を永久磁石回転子２６ａの中まで延在させる。モータ１０ａはクラッチ３４ａを備え、これにはクラッチ３４'、３４"、３４'''、または３４''''を用いることができる。

本発明による第２のモータ１０ｂの側面図を図２２に示し、第２のモータ１０ｂの断面図を図２３に示し、第２のモータ１０ｂの回転子１６ｂのより詳細な側面図を図２４に示し、第２のモータ１０ｂの誘導回転子２０ｂの側面図を図２５に示し、図２５の線２６〜２６に沿った、第２のモータ１０ｂの誘導回転子２０ｂの断面図を図２６に示し、第２のモータ１０ｂの永久磁石回転子２６ｂの側面図を図２７Ａに示し、第２のモータ１０ｂの永久磁石回転子２６ｂの端面図を図２７Ｂに示し、図２７Ａの線２８〜２８に沿った、第２のモータ１０ｂの永久磁石回転子２６ｂの断面図を図２８に示し、第２のモータ１０ｂの固定子の磁界を図２９に示す。モータ１０ｂは、筐体１１、固定子巻線１４、および固定子バックアイアン１６を備える。誘導回転子２０ｂは、４つの磁極を作り出し、奥行きが誘導回転子２０ｂのほぼ全体に及ぶ、４つのエアギャップ２５を備える。これらのエアギャップは磁束漏れを防ぎ、固定子の磁界３２を永久磁石回転子２６ｂの中まで延在させる。モータ１０ａはクラッチ３４ａを備え、これにはクラッチ３４'、３４"、３４'''、または３４''''を用いることができるが、クラッチ３４"を用いることが好ましい。

本発明による第３のモータ１０ｃの側面図を図３０に示し、第３のモータ１０ｃの断面図を図３１に示し、第３のモータ１０ｃの回転子１６ｃのより詳細な側面図を図３２に示し、第３のモータ１０ｃの誘導回転子２０ｃの側面図を図３３に示し、図３３の線３４〜３４に沿った、第３のモータ１０ｃの誘導回転子２０ｃの断面図を図３４に示し、第３のモータ１０ｃの永久磁石回転子２６ｃの側面図を図３５Ａに示し、第３のモータ１０ｃの永久磁石回転子２６ｃの端面図を図３５Ｂに示し、第３のモータ１０ｃの固定子の磁界５０ｃを図３６に示す。モータ１０ｃはクラッチ３４ｃを備え、これにはクラッチ３４'、３４"、３４'''、または３４''''を用いることができるが、クラッチ３４"を用いることが好ましい。

本発明による第４のモータ１０ｄの側面図を図３７に示し、第４のモータ１０ｄの回転子１６ｄの分解側面図を図３８に示し、第４のモータ１０ｄの誘導回転子２０ｄの側面図を図３９に示し、図３８の線４０〜４０に沿った、第４のモータ１０ｄの誘導回転子２０ｄの断面図を図４０に示し、第４のモータ１０ｄの永久磁石回転子２６ｄの側面図を図４１に示し、図４１の線４２〜４２に沿った、第４のモータ１０ｄの永久磁石回転子２６ｄの断面図を図３５Ｂに示す。モータ１０ｄはクラッチ３４ｄを備え、これにはクラッチ３４'、３４"、３４'''、または３４''''を用いることができるが、遠心クラッチ３４'''を用いることが好ましい。

ＲＰＭが低く、遠心クラッチ３４'''が滑りの状態にある第４の回転子１６ｄの側面図を図４３に示し、図４３の線４４〜４４に沿った、第４の回転子３４'''の断面図を図４４に示す。回転速度６６ａが遅く、分銅６２の中に作り出される遠心力６８ａもわずかであるため、永久磁石回転子２６ｄは誘導回転子２０ｄに弱く連結される。

ＲＰＭが高く、遠心クラッチ３４'''がロックされた状態にある第４の回転子１６ｄの側面図を図４５に示し、図４５の線４６〜４６に沿った、第４の回転子３４'''の断面図を図４６に示す。回転速度６６ｂが速く、分銅６２の中に作り出される遠心力６８ｂも大きいため、永久磁石回転子２６ｄは誘導回転子２０ｄに強く連結される。

本発明による第５のモータ１０ｅの側面図を図４７に示し、第５のモータ１０ｅの第５の回転子１６ｅの分解側面図を図４８に示し、第５のモータ１０ｅの第５の誘導回転子２０ｅの側面図を図４９に示し、図４９の線５０〜５０に沿った、第５のモータ１０ｅの第５の誘導回転子２０ｅの断面図を図５０に示し、第５のモータ１０ｅの、棒２２ｅを含む第５の永久磁石回転子２６ｅの側面図を図５１に示し、図５１の線５２〜５２に沿った、第５のモータ１０ｅの永久磁石回転子２６ｅの断面図を図５２に示す。棒２２ｅは、永久磁石回転子２６ｅの初期の角加速と同期ＲＰＭへの近接を補助する。モータ１０ｅはクラッチ３４ｅを備え、これにはクラッチ３４'、３４"、３４'''、または３４''''を用いることができるが、遠心クラッチ３４'''を用いることが好ましい。

本発明による第６のモータ１０ｆの側面図を図５３に示し、第６のモータ１０ｆの第６の回転子１６ｆの分解側面図を図５４に示し、第６のモータ１０ｆの第６の誘導回転子２０ｆの側面図を図５５に示し、図５５の線５６〜５６に沿った、第６のモータ１０ｆの第６の誘導回転子２０ｆの断面図を図５６に示し、積層鉄心３１の側面図を図５７に示し、積層鉄心３１の断面図を図５８に示し、第６のモータ１０ｆの第６の永久磁石回転子２６ｆの側面図を図５９Ａに示し、第６のモータ１０ｆの永久磁石回転子２６ｆの端面図を図５９Ｂに示し、本発明によるモータの第６実施形態の第６の永久磁石回転子に巻きつける誘導ストリップ２３の斜視図を図６０に示し、誘導ストリップ２３の巻きつけられていない状態を図６１に示す。積層鉄心３１はモータ軸３２に固定され、永久磁石２６ｆは積層鉄心３１の周りを回転する。誘導ストリップ２３は、離間された導体ストリップ２３ａを備え、これらは全て、誘導ストリップ２３の各端に設けられた導体リング２３ｂに電気的に接続される。誘導ストリップ２３の一実施形態は、リング磁石に接着された銅ストリップである。銅ストリップの厚さは０．０１５〜０．０２０インチ（０．３８１〜０．５０８ミリメートル）であることが好ましい。これにより、エアギャップを最小限に抑えつつ、良好な渦電流効果が得られるため、永久磁石回転子は速やかに同期ＲＰＭに達する。外側の誘導回転子はそのまま負荷を受けて加速し、クラッチの動作により、最終的な同期ＲＰＭに達する。永久磁石回転子２６ｆは、前述のように誘導回転子に可変的に連結された、単純なリング磁石である。モータ１０ｆはクラッチ３４ｅを備え、これにはクラッチ３４'、３４"、３４'''、または３４''''を用いることができるが、遠心クラッチ３４'''を用いることが好ましい。

本発明によるモータ１０ｇの第７実施形態の側面図を図６２に示す。モータ１０ｇは、固定子１２ｇ、永久磁石回転子２６ｇ、誘導回転子２０ｇ、かご形回転子のエンドリング１７ｇ、およびクラッチ３４ｇを備える。永久磁石回転子２６ｇは、外側が銅で覆われたリング磁石である。

本発明によるモータ１０ｈの第８実施形態の側面図を図６３に示す。モータ１０ｈは、固定子１２ｈ、永久磁石回転子２６ｈ、誘導回転子２０ｈ、かご形回転子のエンドリング１７ｈ、およびクラッチ３４ｈを備える。永久磁石回転子２６ｈは、内側が銅で覆われたリング磁石である。モータ１０ｈは内側に固定子１２ｈを有し、誘導回転子２０ｈと永久磁石回転子２６ｈは固定子１２ｈの外側に設けられている。クラッチ３４ｈは、かご形回転子のエンドリング１７ｈの内側に設けられている。

本発明によるモータ１０ｉの第９実施形態の側面図を図６４に示す。モータ１０ｉは、固定子１２ｉ、永久磁石回転子２６ｉ、誘導回転子２０ｉ、かご形回転子のエンドリング１７ｉ、およびクラッチ３４ｉを備える。永久磁石回転子２６ｉは、内側が銅で覆われたリング磁石である。モータ１０ｈは内側に固定子１２ｉを有し、誘導回転子２０ｉと永久磁石回転子２６ｉは固定子１２ｉの外側に設けられている。クラッチ３４ｉは、かご形回転子のエンドリング１７ｉの外側に設けられている。

本発明によるモータ１０ｊの第１０実施形態の側面図を図６５に示し、図６５の線６６〜６６に沿った、モータ１０ｊの独立回転型永久磁石回転子２６ｊの断面図を図６６に示し、図６５の線６７〜６７に沿った、モータ１０ｊの誘導回転子２０ｊの断面図を図６７に示す。モータ１０ｊは、固定子１２ｊ、モータ軸２９に回転が固定された誘導回転子２０ｊ、ブッシングまたはベアリング８２を通して軸２９と同軸の独立回転型永久磁石回転子２６ｊ、および独立回転型永久磁石回転子２６ｊを軸２９に連結するクラッチ３４ｊを備える。誘導回転子２０ｊと独立回転型永久磁石回転子２６ｊは、径方向にずらして配置されるモータ１０ａ〜１０ｉの場合とは対照的に、軸方向にずらして配置される。

独立回転型永久磁石回転子２６ｊは、同期動作に用いられる永久磁石（リング磁石など）８４と、棒２２ｊを備える。棒２２ｊにより、永久磁石回転子２６ｊは、独立回転型永久磁石回転子２６ｊを固定子の回転磁束に連結する永久磁石８４とは独立して、固定子の回転磁束の方向に始動する。さらに、２極型６０Ｈｚモータでは、固定子の回転磁束の周波数が３，６００ｒｐｍであり、独立回転型永久磁石回転子２６ｊの慣性質量が非常に小さく、自ら始動可能であるにもかかわらず、低速状態による非同期が発生する場合がある。そのような低速状態による非同期が発生した場合でも、独立回転型永久磁石回転子２６ｊの棒２２ｊにより、独立回転型永久磁石回転子２６ｊを加速させることができる。独立回転型永久磁石回転子２６ｊは、永久磁石８４の磁束が固定子の回転磁束に連結されるまで加速し、独立回転型永久磁石回転子２６ｊは同期速度に達する。

代替実施形態では、独立回転型永久磁石回転子２６ｊは、棒２２ｊの代わりに独立回転型永久磁石回転子２６ｊに巻きつける、前述の誘導ストリップ２３を備えていてもよい。誘導ストリップ２３の斜視図を図６０に示し、誘導ストリップ２３の巻きつけられていない状態を図６１に示す。誘導ストリップ２３には銅または非鉄バンドを用いることができ、この場合も、始動時に回転子の棒２２ｊと同じ効果が得られる。回転子の棒２２ｊと誘導ストリップ２３は、どちらも誘導磁界を誘導する。誘導ストリップ２３が作り出す渦電流と回転子の棒が作り出す磁束は、どちらも固定子の回転磁束と協調する。

モータ１０ｊはクラッチ３４ｊを備え、これにはクラッチ３４'、３４"、３４'''、または３４''''を用いることができるが、遠心クラッチ３４'''を用いることが好ましい。遠心クラッチ３４'''は、図４４および４６に示すように動作する。

本発明によるモータ１０ｋの第１１実施形態を図６８に示す。誘導回転子、永久磁石回転子、および固定子はモータ１０ｊの場合と同様であるが、モータ１０ｊの遠心クラッチはスリップクラッチ３４'に置き換えられる。

本発明は、電気モータの分野において産業上の利用可能性がある。

〔本発明の範囲〕
本明細書で開示した発明について、具体的な実施形態と応用例を用いて説明してきたが、当業者は、特許請求の範囲に規定された本発明の範囲から逸脱することなく、本発明にさまざまな修正および変形を加えることが可能である。

Claims (27)

1. 誘導モータとして始動し、同期動作に移行するハイブリッド永久磁石／誘導モータであって、
   モータ軸と、
   固定子の回転磁界を作り出す固定された固定子と、
   回転する回転子であって、
   前記モータ軸と同軸方向に固定され、かつ電流を誘導するためのかごを備える誘導回転子と、
   前記モータ軸と同軸方向に、回転が可変可能な状態で連結され、前記モータ軸とは独立して回転することが可能な永久磁石回転子を備える回転する回転子と、
   を備え、
   前記誘導回転子の回転が前記固定子の磁界の回転と同期していない場合に、前記固定子の磁界が前記かごと協調して前記誘導回転子の中に電流を誘導し、前記固定子の磁界が前記永久磁石回転子と協調して、前記固定子の磁界の回転と同期されるまで前記永久磁石回転子の回転を加速させる、ハイブリッド永久磁石／誘導モータにおいて、
   始動時において、前記永久磁石回転子は、前記モータ軸及び前記誘導回転子とは独立に回転し、
   同期ＲＰＭに近づくと、前記永久磁石回転子と、前記モータ軸及び前記誘導回転子との間の連結が、固定状態に近づく、
   ハイブリッド永久磁石／誘導モータ。
2. 前記始動時において、前記永久磁石回転子と、前記モータ軸及び前記誘導回転子との間の連結は解かれている、請求項１に記載のハイブリッド永久磁石／誘導モータ。
3. 前記モータ軸と前記永久磁石回転子が同期ＲＰＭに達すると、前記永久磁石回転子と前記モータ軸との間の連結が連結固定状態になる、請求項１または２に記載のハイブリッド永久磁石／誘導モータ。
4. 電気的に動作するクラッチにより前記永久磁石回転子と前記誘導回転子が連結される、請求項１から３のいずれかに記載のハイブリッド永久磁石／誘導モータ。
5. 前記永久磁石回転子と前記モータ軸との間の連結に電気機械クラッチを用い、始動時に前記誘導回転子の誘導棒と前記固定子の磁界との間の滑りが大きい場合に、前記永久磁石回転子と前記モータ軸との間の連結を弱める、請求項４に記載のハイブリッド永久磁石／誘導モータ。
6. 前記永久磁石回転子と前記モータ軸との間の連結に遠心クラッチを用いる、請求項１から３のいずれかに記載のハイブリッド永久磁石／誘導モータ。
7. 前記誘導回転子の速度が速くなったときに、前記遠心クラッチが前記永久磁石回転子と前記モータ軸との間の連結を強める、請求項６に記載のハイブリッド永久磁石／誘導モータ。
8. 前記遠心クラッチの分銅が前記誘導回転子とともに回転する、請求項６または７に記載のハイブリッド永久磁石／誘導モータ。
9. 前記遠心クラッチが、
   前記永久磁石回転子に回転が固定された外側の釣鐘部と、
   前記誘導回転子に回転が固定され、前記外側の釣鐘部に放射状自由に接触する複数の分銅を含み、前記誘導回転子が同期回転速度に近づいたときに、前記外側の釣鐘部に対して力を加えることにより、前記誘導回転子の回転を前記永久磁石回転子に連結する内側の分銅部を備える、請求項６から８のいずれかに記載のハイブリッド永久磁石／誘導モータ。
10. 前記永久磁石回転子と前記モータ軸との間の連結にスリップクラッチを用いることで、始動時に前記永久磁石回転子を速やかに加速可能にする、請求項１から３のいずれかに記載のハイブリッド永久磁石／誘導モータ。
11. 前記スリップクラッチに、離散した角度位置における前記永久磁石回転子と前記誘導回転子との間の回転調整を可能にする離散位置型スリップクラッチを用いる、請求項１０に記載のハイブリッド永久磁石／誘導モータ。
12. 前記スリップクラッチに、連続した角度位置範囲における前記永久磁石回転子と前記誘導回転子との間の回転調整を可能にする連続位置型スリップクラッチを用いる、請求項１０または１１に記載のハイブリッド永久磁石／誘導モータ。
13. 前記永久磁石回転子が、始動時に前記固定子の回転磁界と協調して前記永久磁石回転子を加速させる誘導棒を備える、請求項１から１２のいずれかに記載のハイブリッド永久磁石／誘導モータ。
14. 前記永久磁石回転子が、始動時に前記固定子の回転磁界と協調して前記永久磁石回転子を加速させる誘導ストリップを備える、請求項１から１３のいずれかに記載のハイブリッド永久磁石／誘導モータ。
15. 前記誘導ストリップが前記永久磁石回転子に巻きつけられた、請求項１４に記載のハイブリッド永久磁石／誘導モータ。
16. 前記誘導ストリップが離間された導体ストリップを備え、全ての前記導体ストリップが、前記誘導ストリップの各端に設けられた導体リングに電気的に接続された、請求項１５に記載のハイブリッド永久磁石／誘導モータ。
17. 前記永久磁石にリング永久磁石を用い、誘導ストリップが離間された導体ストリップを備え、前記導体ストリップが、前記誘導ストリップの各端に設けられた導体リングに電気的に接続され、前記誘導ストリップが前記リング磁石に巻きつけられ、誘導的に生成されたトルクを供給して前記リング永久磁石回転子を初期加速させる、請求項１５に記載のハイブリッド永久磁石／誘導モータ。
18. 前記誘導ストリップに、厚さ０．０１５〜０．０２０インチ（０．３８１〜０．５０８ミリメートル）の銅ストリップを用いる、請求項１７に記載のハイブリッド永久磁石／誘導モータ。
19. 前記回転子が前記固定子の内側に設けられた、請求項１に記載のハイブリッド永久磁石／誘導モータ。
20. 永久磁石回転子が前記誘導回転子の内側に設けられた、請求項１９に記載のハイブリッド永久磁石／誘導モータ。
21. 永久磁石回転子が前記誘導回転子の外側に設けられた、請求項１９に記載のハイブリッド永久磁石／誘導モータ。
22. 永久磁石回転子が前記誘導回転子から軸方向にずらして配置された、請求項１９に記載のハイブリッド永久磁石／誘導モータ。
23. 前記回転子が前記固定子の外側に設けられた、請求項１から１８のいずれかに記載のハイブリッド永久磁石／誘導モータ。
24. 永久磁石回転子が前記誘導回転子の内側に設けられた、請求項２３に記載のハイブリッド永久磁石／誘導モータ。
25. 誘導モータとして始動し、同期動作に移行するハイブリッド永久磁石／誘導モータであって、
    モータ軸と、
    固定子の回転磁界を作り出す固定された固定子と、
    回転する回転子であって、
    前記モータ軸と同軸方向に固定され、かつ電流を誘導するためのかごを備える誘導回転子と、
    前記モータ軸と同軸方向に、回転が可変可能な状態で連結され、前記誘導回転子が低いＲＰＭで回転しているときに、前記モータ軸とは独立して回転し、前記誘導回転子が同期ＲＰＭに近づいたときに、前記永久磁石回転子と前記モータ軸との間の連結を強めることが可能な永久磁石回転子を備える回転する回転子と、
    を備え、
    前記誘導回転子の回転が前記固定子の磁界の回転と同期していない場合に、前記固定子の磁界が前記かごと協調して前記誘導回転子の中に電流を誘導し、前記固定子の磁界が前記永久磁石回転子と協調して、前記固定子の磁界の回転と同期されるまで前記永久磁石回転子の回転を加速させる、ハイブリッド永久磁石／誘導モータにおいて、
    始動時において、前記永久磁石回転子は、前記モータ軸とは独立に回転し、
    同期ＲＰＭに近づくと、前記永久磁石回転子と、前記モータ軸との間の連結が、固定状態に近づく、
    ハイブリッド永久磁石／誘導モータ。
26. 誘導モータとして始動し、同期動作に移行するハイブリッド永久磁石／誘導モータであって、
    モータ軸と、
    固定子の回転磁界を作り出す固定された固定子と、
    前記モータ軸と同軸の回転する回転子であって、
    前記モータ軸に固定され、かつ電流を誘導するためのかごを備える誘導回転子と、
    前記誘導回転子と同軸方向に、回転が可変可能な状態で遠心クラッチを介して連結され、前記誘導回転子が低いＲＰＭで回転しているときに、前記誘導回転子とは独立して回転し、前記誘導回転子が同期ＲＰＭに近づいたときに、前記永久磁石回転子と前記誘導回転子との間の連結を強めることが可能な永久磁石回転子を備える回転する回転子と、
    を備え、
    前記誘導回転子の回転が前記固定子の磁界の回転と同期していない場合に、前記固定子の磁界が前記かごと協調して前記誘導回転子の中に電流を誘導し、前記固定子の磁界が前記永久磁石回転子と協調して、前記固定子の磁界の回転と同期されるまで前記永久磁石回転子の回転を加速させる、ハイブリッド永久磁石／誘導モータにおいて、
    始動時において、前記永久磁石回転子は、前記誘導回転子とは独立に回転し、
    同期ＲＰＭに近づくと、前記永久磁石回転子と、前記誘導回転子との間の連結が、固定状態に近づく、
    ハイブリッド永久磁石／誘導モータ。
27. 請求項１から１８及び２３から２６のいずれか一項に記載のハイブリッド永久磁石／誘導モータであって、
    前記誘導回転子は、径方向に等間隔に配される複数のギャップを備え、前記複数のギャップはそれぞれ、前記かごの棒のすぐ下から前記誘導回転子の内部に向かう奥行きであって前記誘導回転子の厚みと同様の奥行きを有し、前記ギャップの数は、前記ハイブリッド永久磁石／誘導モータの磁極の数に等しい、ハイブリッド永久磁石／誘導モータ。

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