JP7158397B2

JP7158397B2 - 自己調整型ハイブリッド誘導／永久磁石ロータを備えたハイブリッド誘導モータ

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Publication number: JP7158397B2
Application number: JP2019544851A
Authority: JP
Inventors: ルイジェイフィンクル
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Priority date: 2017-02-21
Filing date: 2018-02-21
Publication date: 2022-10-21
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Also published as: TWI785008B; KR102630362B1; RU2019129732A3; TW201832453A; WO2018156582A1; JP2020508631A; AR111384A1; US20180166959A1; EP3586433A1; HK1258540A1; CA3053913A1; BR112019017362A2; KR20190115086A; US10998802B2; MX2019009933A; RU2019129732A; CN108462349A; RU2755208C2; AU2018225543A1; EP3586433A4

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１７年２月２１日に出願された米国特許出願第１５／４３８，０２３号の優先権を主張する。同米国特許出願は全体が参照により本明細書に包含される。

本発明は電気モータに関し、特に、誘導ロータに可変的に結合した独立回転式永久磁石ロータを有する誘導モータであって、起動時の非同期誘導動作から起動後の同期動作にモータを再設定して効率的な動作を行う誘導モータに関する。

電気モータの好ましい形態としてブラシレスＡＣ誘導モータがある。誘導モータのロータは、ステータの内側で回転するケージ（すなわち、「ハムスター回し車」に類似したリスかご型ケージ（squirrel cage））を備えている。このケージは、軸方向に延びかつロータの外周上で角度離間した複数のバーを有する。ステータにＡＣ電流が供給されると回転ステータ磁界がロータの内側に生じ、この回転磁界により複数のバーに誘導的に電流が誘起される。バーに電流が誘起されると誘導磁界が生じ、この誘導磁界とステータ磁界との協働によりトルクが生じてロータが回転する。

バーに電流を誘起するには、バーが回転ステータ磁界に同期して動くことがない（回転しない）ことが必要である。これは、電磁誘導には磁場と当該磁場中の導体との相対運動（スリップと呼ばれる）が必要なためである。したがって、トルク発生のためには、ロータが回転ステータ磁界に対してスリップしてバーに電流を誘起する必要がある。このため誘導モータは非同期モータと呼ばれる。

低電力誘導モータの場合は、設計動作速度での効率が高くなく、低負荷時には効率はさらに落ちるという問題がある。これは、低負荷時でもステータで消費される電力量は一定のままであるためである。

誘導モータの効率を改善する方法の１つとして、ロータに永久磁石を付加することが行われてきた。このモータは、最初は通常の誘導モータと同様に起動するが、所定の動作速度に達するとステータ磁界と永久磁石との協働により同期動作を行うようになる。これにより、ステータと永久磁石（ＰＭ）ケージロータとの磁極の向きが変化するために、同期が起きるまで永久磁石は一時的な制動トルクと望ましくない磁気異常とを発生させるという問題がある。さらに、永久磁石が大き過ぎるとステータ磁束に過度の電力が与えられてモータがうまく起動しないため、永久磁石の大きさには制限がある。このように大きさに制限があるために永久磁石の付加によって得られる効果が制約される。

本出願人により申請された２０１４年１月９日出願の米国特許出願第１４／１５１，３３３号は、アウタステータと、複数のバーを含み、モータシャフトに固定されたインナロータと、複数の永久磁石および複数のバーを含み、インナロータとステータとの間に設けられる自由回転型アウタロータとを備える電気モータを開示している。モータが起動すると、回転ステータ磁界が自由回転型アウタロータを加速する。この加速に次いで、自由回転型アウタロータの永久磁石がインナロータを加速し、これに固定されて、効率のよい永久磁石動作が得られる。

この米国特許出願第１４／１５１，３３３出願の設計思想が適しているモータデザインもあるが、モータデザインによってはインナロータ表面に及ぼす表面効果によってインナロータと回転磁界との結合が弱められるものもある。

本発明は、固定式ステータと、独立回転式アウタロータと、モータシャフトに固定されたインナロータとを備えたハイブリッド誘導モータを提供することにより上記およびその他のニーズに対処する。前記アウタロータは小さい慣性モーメントを有するように設計され、その内面上に角度離間した複数の第１バーと永久磁石とを備えている。前記インナロータは角度離間した複数の第２バーと、これらの第２バーに位置整合した複数の内部磁束バリアとを備えている。前記アウタロータは、最初は回転ステータ磁界と前記第１バーとの協働により加速される。前記アウタロータが同期毎分回転数（ＲＰＭ）に向かって加速されるのに伴い、前記永久磁石の回転磁界が前記インナロータの前記第２バーと協働して前記インナロータを加速する。同期速度付近で前記回転ステータ磁界は前記アウタロータを貫通して前記インナロータに達する。これによりこれら２種のロータが結合して、効率のよい永久磁石動作が行われる。

本発明の一態様により、固定式ステータと、独立回転式ハイブリッド永久磁石／リスかご型ケージ（Hybrid Permanent Magnet/Squirrel Cage：ＨＰＭＳＣ）アウタロータと、モータシャフトに固定されたリスかご型ケージ（ＳＣ）インナロータとを備えたハイブリッド誘導モータが提供される。前記ＨＰＭＳＣアウタロータは、角度離間した複数の第１バーを外面近傍に備えると共に、複数の永久磁石を内面上に備えている。前記ＳＣインナロータは、角度離間した複数の第２バーを外面近傍に備えると共に、これらの第２バーと位置整合した複数の磁束バリアをロータラミネート内に備えている。前記磁束バリアは、同期速度において前記ＨＰＭＳＣアウタロータと前記ＳＣインナロータとを貫通するステータ磁束線を形成し、これにより前記ＨＰＭＳＣアウタロータと前記ＳＣインナロータとが磁気結合する。

前記ＨＰＭＳＣアウタロータは、最初は前記回転ステータ磁界と前記第１バーとの協働により加速される。前記ＨＰＭＳＣアウタロータが回転すると、前記永久磁石が前記ＳＣインナロータ内に回転磁界を生成し、この回転磁界が前記第２バーと協働して前記ＳＣインナロータを加速する。前記ＨＰＭＳＣアウタロータが同期ＲＰＭに向かって加速されるのに伴い、前記ステータ磁界が前記ＨＰＭＳＣアウタロータを貫通して前記永久磁石と協働しつつ前記ＳＣインナロータに達し、前記ＨＰＭＳＣアウタロータと前記ＳＣインナロータとを結合する。これにより動作は同期動作に移行する。

本発明の別の態様により、公知のラインスタート型永久磁石（Line Start Permanent Magnet：ＬＳＰＭ）より強力な永久磁石を備えるモータが提供される。公知のＬＳＰＭモータは、前記永久磁石に起因する制動トルクおよび脈動トルクにより制約を受ける。前記ＨＰＭＳＣアウタロータの前記第１バーと前記磁石とは軽量である。また、前記ＨＰＭＳＣアウタロータは起動時に前記モータシャフトおよび負荷から分離される。これらにより公知のＬＳＰＭモータの永久磁石より強力な永久磁石が実現する。この強力な永久磁石により効率が改善される。

さらに本発明の別の態様により、ＨＰＭＳＣアウタロータの複数のアウタバーであって、ＳＣインナロータの複数のインナバーに位置整合したアウタバーを有するモータが提供される。同期速度において、前記回転ステータ磁界の磁力線は整列したバーの間を通って前記ＳＣインナロータ内に入り、前記ＨＰＭＳＣアウタロータと前記ＳＣインナロータとを結合する。

さらに本発明の別の態様により、前記ＨＰＭＳＣアウタロータにおいて、複数の小形リスかご型ケージバーと併存した複数の大形リスかご型ケージバーを備えたモータが提供される。この大型バーにより前記ＨＰＭＳＣアウタロータの構造強度が向上する。

本発明の別の態様により、本発明に係る方法が提供される。この方法は、ステータへの電流の供給と、回転ステータ磁界の発生とを含む。前記回転ステータ磁界は、ＨＰＭＳＣアウタロータのリスかご型ケージと誘導的に協働する。また、前記回転ステータ磁界は前記ＨＰＭＳＣアウタロータを加速する。前記ＨＰＭＳＣアウタロータの永久磁石が回転永久磁石磁界を生成する。前記回転永久磁石磁界は、ＳＣインナロータのリスかご型ケージと誘導的に協働する。前記回転ステータ磁界により前記ＳＣインナロータが加速される。前記ＨＰＭＳＣアウタロータと前記ＳＣインナロータとは同期速度に向かって加速され、同期速度で磁気結合する。

さらに本発明の別の態様により、ハイブリッド永久磁石ヒステリシス（Hybrid Permanent Magnet Hysteresis：ＨＰＭＨ）アウタロータを備えた、本発明に係るハイブリッド誘導モータが提供される。渦電流リング（またはヒステリシス）誘導型起動素子を前記ＨＰＭＳＣアウタロータのリスかご型ケージに置き換えて、初期の起動トルクを与える。前記ＨＰＭＨアウタロータが同期速度に達すると、前記誘導型起動素子はモータ動作に影響を及ぼさなくなる。前記渦電流リングは、起動素子用材料となり得る任意の導電材料からなる。この材料は、通常は硬質クロム鋼またはコバルト鋼であるが、任意の非鉄材料であってもよい。本発明のＨＰＭＨアウタロータリングの好適な材料は銅である。銅は導電性が高いために効率がよい。銀は銅よりも導電性が高くいくらか性能が優っている。アルミニウムは銅よりも導電性が低く性能が劣っている。最新のナノテクノロジや新種の高導電材料を用いることで銅よりも優れた性能が得られる可能性がある。

上記およびその他の本発明の態様、特徴、および効果は、下記の諸図と関連付けられた以下の詳細な説明によってより明らかになる。

図１Ａは、本発明に係る、独立回転式ハイブリッド永久磁石／リスかご型ケージ（Hybrid Permanent Magnet/Squirrel Cage：ＨＰＭＳＣ）アウタロータと、モータシャフトに固定結合されたリスかご型ケージ（ＳＣ）インナロータとを備えた電気モータの端面図を示す。

図１Ｂは、本発明に係る、独立回転式ＨＰＭＳＣアウタロータとモータシャフトに固定結合されたリスかご型ケージ（ＳＣ）インナロータとを備えた電気モータの側面図を示す。

図２は、本発明に係る、独立回転式ＨＰＭＳＣアウタロータとモータシャフトに固定結合されたＳＣインナロータとを備えた電気モータの、図１Ｂの線２－２に沿った断面図を示す。

図３は、本発明に係る、独立回転式ＨＰＭＳＣアウタロータとモータシャフトに固定結合されたＳＣインナロータとを備えた電気モータの、図１Ａの線３－３に沿った断面図を示す。

図４は、本発明に係る、独立回転式ＨＰＭＳＣアウタロータとモータシャフトに固定結合されたＳＣインナロータとを備えた電気モータのハウジングおよび固定式ステータ部の、図１Ｂの線２－２に沿った断面図を示す。

図５は、本発明に係る、独立回転式ＨＰＭＳＣアウタロータとモータシャフトに固定結合されたＳＣインナロータとを備えた電気モータのハウジングおよび固定式ステータ部の、図４の線５－５に沿った断面図を示す。

図６は、本発明に係る、独立回転式ＨＰＭＳＣアウタロータとモータシャフトに固定結合されたＳＣインナロータとを備えた電気モータの独立回転式ＨＰＭＳＣアウタロータの、図１Ｂの線２－２に沿った断面図を示す。

図７は、本発明に係る、独立回転式ＨＰＭＳＣアウタロータとモータシャフトに固定結合されたＳＣインナロータとを備えた電気モータの独立回転式ＨＰＭＳＣアウタロータの、図６の線７－７に沿った断面図を示す。

図８は、本発明に係る、独立回転式ＨＰＭＳＣアウタロータとモータシャフトに固定結合されたＳＣインナロータとを備えた電気モータのＳＣインナロータの、図１Ｂの線２－２に沿った断面図を示す。

図９は、本発明に係る、独立回転式ＨＰＭＳＣアウタロータとモータシャフトに固定結合されたＳＣインナロータとを備えた電気モータのＳＣインナロータの、図８の線９－９に沿った断面図を示す。

図１０は、本発明に係る、ハイブリッド誘導／永久磁石アウタロータを備えたモータの第６実施形態の断面図を示す。

図１０Ａは、本発明に係る、ハイブリッド誘導／永久磁石アウタロータを備えたモータの第６実施形態のステータの断面図を示す。

図１０Ｂは、本発明に係る、ハイブリッド誘導／永久磁石アウタロータを備えたモータの第６実施形態のハイブリッド誘導／永久磁石アウタロータの断面図を示す。

図１０Ｃは、本発明に係る、ハイブリッド誘導／永久磁石アウタロータを備えたモータの第６実施形態のインナ誘導ロータの断面図を示す。

図１１Ａは、本発明に係る、ハイブリッド誘導／永久磁石アウタロータを備えたモータの第６実施形態の起動時の磁力線を示す。

図１１Ｂは、本発明に係る、ハイブリッド誘導／永久磁石アウタロータを備えたモータの第６実施形態の同期速度における磁力線を示す。

図１２Ａは、本発明に係る、ステータを除いた、ハイブリッド誘導／永久磁石アウタロータを備えたモータの第６実施形態における２極形態の同期速度での磁力線を示す。

図１２Ｂは、本発明に係る、ステータを除いた、ハイブリッド誘導／永久磁石アウタロータを備えたモータの第６実施形態における４極形態の同期速度での磁力線を示す。

図１２Ｃは、本発明に係る、ステータを除いた、ハイブリッド誘導／永久磁石アウタロータを備えたモータの第６実施形態における６極形態の同期速度での磁力線を示す。

図１２Ｄは、本発明に係る、ステータを除いた、ハイブリッド誘導／永久磁石アウタロータを備えたモータの第６実施形態における８極形態の同期速度での磁力線を示す。

図１３は、本発明に係る方法を示す。

図１４は、本発明に係る回転のタイムラインを示す。

図１５は、ハイブリッド永久磁石ヒステリシス（ＨＰＭＨ）アウタロータを備えた、本発明の一実施形態の断面図を示す。

図１６Ａは、ＨＰＭＨアウタロータを備えた、本発明の上記実施形態の側断面図を示す。

図１６Ｂは、ＨＰＭＨアウタロータを備えた、本発明の前記実施形態の分解側断面図を示す。

図１７は、本発明に係るＨＰＭＨアウタロータの側断面図を示す。

図１８は、本発明に係る第２ＳＣインナロータの側断面図を示す。

上記諸図の内の一部において同一の参照記号は同一の構成要素を表す。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。この説明は発明を限定するものではなく、専ら本発明の１つ以上の好適な実施形態を説明するために行うものである。本発明の範囲は特許請求の範囲に基づいて決定されるものである。

本明細書において「機械的に結合していない」という語句は、ベアリングを介した第１構造と第２構造との接続であって、それ以外には第１、第２の構造間に一切機械的接続や材料接続が存在しない接続状態を述べる場合に用いる。ただし、これらの構造は磁気的に結合していてもよく、本特許出願においては磁気結合を機械的結合とは見なさない。

本発明に係る、独立回転式ハイブリッド永久磁石／リスかご型ケージ（Hybrid Permanent Magnet/Squirrel Cage：ＨＰＭＳＣ）アウタロータ２０と、モータシャフト１４に固定結合されたリスかご型ケージ（ＳＣ）インナロータ３０とを備えた電気モータ１０の端面図を図１Ａに示し、同側面図を図１Ｂに示す。電気モータ１０の、図１Ｂの線２－２に沿った断面図を図２に示し、図１Ａの線３－３に沿った断面図を図３に示す。電気モータ１０は、ハウジング１２と、ハウジング１２に固定結合されたステータ部１６と、ベアリング２９に支持された（図７参照）独立回転式ＨＰＭＳＣアウタロータ２０と、モータシャフト１４に固定されたＳＣインナロータ３０とを備える。ＨＰＭＳＣアウタロータ２０はベアリングを介してモータシャフト１４に装着され、モータシャフト１４に機械的に結合せず、これと共に回転しない。

電気モータ１０のハウジング１２および固定式ステータ部１６の、図１Ｂの線２－２に沿った断面図を図４に示し、図４の線５－５に沿った断面図を図５に示す。複数の固定式ステータ巻線１８がステータコア１９内に備わっている。ステータ巻線１８は、交流（ＡＣ）信号を入力されると回転ステータ磁界を生成する。ハウジング１２内に複数のベアリング１３が設けられ、これがシャフト１４を支えている。

独立回転式ＨＰＭＳＣアウタロータ２０の、図１Ｂの線２－２に沿った断面図を図６に示し、図６の線７－７に沿った断面図を図７に示す。ＨＰＭＳＣアウタロータ２０は、その内面上に角度離間した複数の永久磁石２２を有すると共に、外面近傍においてコア（ラミネート）２３に埋め込まれた複数の角度離間した第１バー２６ａ、２６ｂを有する。ＨＰＭＳＣアウタロータ２０は、例えば２、４、６、８等の、あらゆる偶数個の永久磁石２２を含み得る（図１２Ａ～１２Ｄ参照）。ロータコア２３は永久磁石２２同士の間に鉄を含まないボイド２４を有する。ボイド２４は、磁束バリアとなる空隙または非鉄材料からなる。永久磁石２２同士の間に鉄系材料が存在すると、磁束は磁石２２内にカールバックし、大半の磁束線が短絡して磁石２２内に戻ってしまう。コア２３は積層コアであることが好ましいが、コア２３を形成する複数の薄板２３ａによって磁束漏れが生じることがある。薄板２３ａの厚さは、ロータコアラミネート２３の力学的状態を保ちつつ磁束漏れが最小になるように最適化することが好ましい。バー２６ａ、２６ｂはそれぞれ均等に角度離間されることが好ましい。好適には永久磁石２２はロータコア２３の内面に接合されたネオジム磁石である。

ＨＰＭＳＣアウタロータ２０は小バー２６ａのみを備えてもよいが、構造強度をもたらす大バー２６ｂも併せて備えることが好ましい。好適には、大バー２６ｂは永久磁石２２同士の間に角度を付けて設けられる（すなわち、放射状に配置される）。また、大バー２６ｂの数は磁石２２の数に等しいことが好ましい。好適にはボイド２４は大バー２６ｂの下方に位置する。バー２６ａ、２６ｂは、例えばアルミニウムなどの軽量材料で作製されることが好ましい。磁石２２も軽量材料で作製されることが好ましく、好適には所定の磁力を持ちつつ軽量化が可能な希土類磁石である。バー２６ａ、２６ｂと永久磁石２２との軽量化によりＨＰＭＳＣアウタロータ２０の慣性モーメントが低下して、ＨＰＭＳＣアウタロータ２０が永久磁石２２によって生じる制動トルクおよび脈動トルクに打ち勝つことができる。これによりＬＳＰＭモータよりも強力な永久磁石２２とより高い効率とが得られる。バー２６ａ、２６ｂの抵抗とロータコア２３の飽和とのバランスを最適化することで、バー２６ａ、２６ｂの形状、数、および寸法が例えばモータの起動などの性能に大きな影響を与えるようにすることができる。

ロータ端キャップ２８がＨＰＭＳＣアウタロータ２０の対向する両端に取り付けられている。端キャップ２８内にはベアリング２９が含まれ、このベアリングによってＨＰＭＳＣアウタロータ２０がモータシャフト１４の周囲を自由に回転できるようになっている。ベアリング２９は低摩擦ベアリング（例えば、ボールベアリングやローラベアリング）であることが好ましいが、単なるブッシング（例えば、ブロンズブッシング、オイライトブッシング、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）ブッシングなど）であってもよい。ＨＰＭＳＣアウタロータ２０がＳＣインナロータ３０やモータシャフト１４と機械的に結合せず、これらと共に回転しない。

電気モータ１０におけるＳＣインナロータ３０の、図１Ｂの線２－２に沿った断面図を図８に示し、図８の線９－９に沿った断面図を図９に示す。ＳＣインナロータ３０はモータシャフト１４に固定され、ＨＰＭＳＣアウタロータ２０と協働してＨＰＭＳＣアウタロータ２０をモータシャフト１４に同期速度で磁気結合させる。複数の第２小バー３２ａと複数の第２大バー３２ｂとが第２ロータコア（ラミネート）３６内に存在する。バー３２ａ、３２ｂは等間隔で角度離間されることが好ましいが、これは必須ではない。大バー３２ｂはＳＣインナロータ３０に構造強度を付与すると共に、磁束線５０の指向性を助長する（図１１Ｂ参照）。

モータ１０の詳細な断面図を図１０に示す。また、モータ１０におけるステータ１６の断面図を図１０Ａに示し、ＨＰＭＳＣアウタロータ２０の断面図を図１０Ｂに示し、ＳＣインナロータ３０の断面図を図１０Ｃに示す。ステータ１６のラミネート１９内には、回転ステータ磁界を生成する複数のステータ巻線１８が含まれている。

ＨＰＭＳＣアウタロータ２０はベアリング２９を通じてモータシャフトに回転式に結合しており（図７参照）、ラミネート２３に埋め込まれた、小リスかご型ケージバー２６ａと大リスかご型ケージバー２６ｂとを有している。永久磁石２４がＨＰＭＳＣアウタロータ２０の内面上に設けられている。この内面はＳＣインナロータ３０に対面している。

ＳＣインナロータ３０は、小バー３２ａと大バー３２ｂとを備えている。磁束バリア３８がラミネート３６中の凹型経路に沿って延びている。磁束バリア３８の外端は小バー３２ａにほぼ位置整合している。小バー３２ａと大バー３２ｂとは共にラミネート３６中にわずかに後退している。

起動時のステータ巻線１８とバー２６ａ、２６ｂとの間の磁力線４２ａ、および起動直後のモータ１０の永久磁石２２とバー３２ａ、３２ｂとの間の磁力線４２ｂを図１１Ａに示す。磁力線４２ａは回転ステータ磁界に対するバー２６ａ、２６ｂのスリップによって生じる。磁力線４２ａは起動すると直ちに現れる。この理由は、ＨＰＭＳＣアウタロータ２０は起動時には静止しており、この静止したＨＰＭＳＣアウタロータ２０と回転ステータ磁界との間にスリップが生じるためである。このスリップにより磁気誘導を通じてバー２６に電流が発生し、この電流によりＨＰＭＳＣアウタロータ２０にトルクがかかってＨＰＭＳＣアウタロータ２０が加速される。

起動のほぼ直後に、ＨＰＭＳＣアウタロータ２０が回転を始めると、ＨＰＭＳＣアウタロータ２０の永久磁石２２とＳＣインナロータ３０のバー３２ａ、３２ｂとの間のスリップが進展し、磁力線４２ｂが形成される。磁力線４２ｂは起動時に直ぐには現れない。これは、この磁力線によってＨＰＭＳＣアウタロータ２０がＳＣインナロータに回転式に結合して、ＨＰＭＳＣアウタロータ２０の加速に対する抵抗が生じるためである。このことはモータ１０の重要な特徴である。公知のＬＳＰＭモータでは、この抵抗は、ＨＰＭＳＣアウタロータ２０が永久磁石による制動トルクおよび脈動トルクに打ち勝つことを妨げて、永久磁石２２の磁力を制限する。このためにモータ１０の効率に限界が生じている。このためモータ１０は自己調整を行うが、ＨＰＭＳＣアウタロータ２０が制動トルクおよび脈動トルクに打ち勝った後に、ＨＰＭＳＣアウタロータ２０をＳＣインナロータ３０とモータシャフト１４とに結合するだけである。

ステータ巻線１８と永久磁石２２との間の磁力線５０であって、同期速度においてモータ１０のＳＣインナロータ３０まで入り込む磁力線５０を図１１Ｂに示す。同期速度においては、回転ステータ磁界と各バー２６ａ、２６ｂ、３２ａ、３２ｂとの間のスリップは生じないため、回転ステータ磁界と各バー２６ａ、２６ｂ、３２ａ、３２ｂとの電気的協働は生じない。この段階で回転ステータ磁界は永久磁石２２と完全に協働し、磁束バリア３８によってＳＣインナロータ内をガイドされる。

ステータ１６を除いた２極形態のモータ１０の磁力線を図１２Ａに示し、ステータ１６を除いた４極形態のモータ１０の磁力線を図１２Ｂに示し、ステータ１６を除いた６極形態のモータ１０の磁力線を図１２Ｃに示し、ステータ１６を除いた８極形態のモータ１０の磁力線を図１２Ｄに示す。

本発明に係る方法を図１３に示す。この方法は次の各ステップを含む。すなわち、ステップ１００でステータに電流を供給し、ステップ１０２で回転ステータ磁界を生成し、ステップ１０４で回転ステータ磁界がＨＰＭＳＣアウタロータのリスかご型ケージと誘導的に協働し、ステップ１０６で回転ステータ磁界がＨＰＭＳＣアウタロータを加速し、ステップ１０８でＨＰＭＳＣアウタロータの永久磁石が回転永久磁石磁界を生成し、ステップ１１０でこの永久磁石磁界が回転ステータ磁界と結合して複合回転磁界が生じ、ステップ１１２でこの複合回転磁界がＳＣインナロータのリスかご型ケージと誘導的に協働し、ステップ１１４で複合回転磁界がＳＣインナロータを加速し、ステップ１１６でＳＣインナロータが同期速度に近づき、ステップ１１８で、同期速度においてＨＰＭＳＣアウタロータとＳＣインナロータとが磁気結合する。この方法の重要な特徴は、ＨＰＭＳＣアウタロータは回転するまでＳＣインナロータと結合しないため、ＬＳＰＭモータにおいて永久磁石の磁力を制限する制動トルクおよび脈動トルクに打ち勝つことができることである。

ＨＰＭＳＣアウタロータとＳＣインナロータとを備えたハイブリッド電気モータについて述べる。ＨＰＭＳＣアウタロータは、第１ロータコアに埋め込まれた複数の第１導電性リスかご型ケージバーと第２ロータコアの内面上の複数の永久磁石とを有している。また、ＨＰＭＳＣアウタロータはステータとＳＣインナロータとの間でかつモータシャフトと同軸上に設けられ、如何なる動作においてもモータシャフトと機械的に結合せず、これと共に回転しない。ＳＣインナロータはモータシャフトに固定されかつモータシャフトと同軸に位置し、第２ロータコアと、第２ロータコアに埋め込まれた複数の第２導電性リスかご型ケージバーと、同期速度において回転ステータ磁界をＳＣインナロータ中でガイドする磁束バリアとを有している。当業者であれば、磁石、バー、および磁束バリアの数が本明細書記載の数と異なるが、本明細書記載の原理に基づく他の実施形態があり得ることがわかるであろう。それらの実施形態は全て本発明の範囲に包含されるものとする。

ステータ磁界と、ＨＰＭＳＣアウタロータ磁界と、ＳＣインナロータ磁界との回転のタイムラインを図１４に示す。

ハイブリッド永久磁石ヒステリシス（ＨＰＭＨ）アウタロータ２０'を備えた、本発明の第２ハイブリッド誘導モータ１０'の断面図を図１５に示す。誘導型起動素子は渦電流（すなわちヒステリシス）リング６０（図１７参照）からなり、このリング６０をＨＰＭＳＣアウタロータ２０のリスかご型ケージ２６ａ、２６ｂ（図６参照）に置き換えて初期の起動トルクを与える。ＳＣインナロータにおいて大リスかご型ケージバー３２ｂは不要であり、ハイブリッド誘導モータ１０'には図示されていない。その他の点については、ハイブリッド誘導モータ１０'はハイブリッド誘導モータ１０と同様である。

ＨＰＭＨアウタロータを備えたハイブリッド誘導モータ１０'の側断面図を図１６Ａに示し、分解側断面図を図１６Ｂに示す。

本発明に係るＨＰＭＨアウタロータの側断面図であって渦電流リング６０を示す側断面図を図１７に示す。ＨＰＭＨアウタロータ２０'が同期速度に達すると、渦電流リング６０はモータ動作に影響を及ぼさなくなる。渦電流リング６０は起動素子用材料となり得る任意の導電材料からなる。この材料は、通常は硬質クロム鋼またはコバルト鋼であるが、任意の非鉄材料であってもよい。本発明のＨＰＭＨアウタロータリングの好適な材料は銅である。銅は導電性が高いために効率がよい。銀は銅よりも導電性が高くいくらか性能が優っている。アルミニウムは銅よりも導電性が低く性能が劣っている。最新のナノテクノロジや新種の高導電材料を用いることで銅よりも優れた性能が得られる可能性がある。

第２ＳＣインナロータ３０'の側断面図を図１８に示す。ＳＣインナロータ３０'は大リスかご型ケージバー３２ｂを有してもよいが必須ではなく、図には示されていない。その他の点については、ＳＣインナロータ３０'はＳＣインナロータ３０と同様である。

本発明は電気モータの分野に産業上の利用可能性を見出している。

発明の範囲

本開示の発明を特定の実施形態およびその応用を用いて説明したが、特許請求の範囲で述べた発明の範囲内で多くの修正や変形を当業者によって実施し得る。

Claims

ハイブリッドリスかご型ケージ式及び永久磁石式のモータであって、
モータハウジングと、
前記モータハウジングに固定されて回転ステータ磁界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接続されて、前記モータハウジングの少なくとも１つの連結用端部から負荷まで延びたモータシャフトと、
前記モータシャフトに回転式に固定されかつ前記モータシャフトと同軸上に設けられる第２ロータと、
前記ステータと前記第２ロータとの間に、かつ前記モータシャフトと同軸上に設けられ、前記モータシャフトに回転可能に機械的結合せず前記モータシャフトと共に回転しない第１ロータと、
を備え、前記第２ロータは、
第２ロータコアと、
前記第２ロータコアに埋め込まれた複数の第２リスかご型ケージバーであって、導電性で、互いに周方向に間隔を空けて設けられた複数の第２リスかご型ケージバーと、
を備え、前記第１ロータは、
第１ロータコアと、
起動時に回転ステータ磁界と協働してトルクを生成するように構成された少なくとも１つの誘導素子と、
前記少なくとも１つの誘導素子から前記第２ロータの方に径方向に離間して配される永久磁石であって、前記少なくとも１つの誘導素子と、周方向におけるある角度で、径方向に重なる永久磁石と、
を備え、前記少なくとも１つの誘導素子は前記永久磁石と前記ステータとの径方向の間に位置し、
前記第１ロータと前記第２ロータは同期動作中磁気的に結合可能である、
モータ。
前記第２ロータコア内に複数の磁束バリアを含み、前記磁束バリアは同期動作の間に前記第２ロータコアを通して前記回転ステータ磁界をガイドし、前記磁束バリアは前記第２ロータコア内のボイドである、請求項１に記載のモータ。
前記第２ロータコア内に複数の磁束バリアを含み、前記磁束バリアは同期動作の間に前記第２ロータコアを通して前記回転ステータ磁界をガイドし、前記磁束バリアは、前記第２リスかご型ケージバーの内端同士を接続する凹型経路である、請求項１に記載のモータ。
前記少なくとも１つの誘導素子は、前記第１ロータコアの前記ステータに向いた面に埋め込まれた複数の周方向に間隔を空けて設けられた導電性の第１リスかご型ケージバーを有する、請求項１に記載のモータ。
前記少なくとも１つの誘導素子は、周方向に間隔を空けて設けられた複数の第１小リスかご型ケージバーを有し、前記複数の第１小リスかご型ケージバーはＮ個の第１グループに分割され、前記第１グループのそれぞれは、連続した複数の前記第１小リスかご型ケージバーを含み、
前記第１のグループは、周方向に間隔を空けて設けられたＮ個の第１大リスかご型ケージバーによって周方向に分離され、前記第１大リスかご型ケージバーは、連続する前記第１グループを分離する、
請求項１に記載のモータ。
前記複数の第２リスかご型ケージバーは、前記第２ロータコアの第２外面内に周方向に間隔を空けて埋め込まれる、請求項５に記載のモータ。
前記少なくとも１つの誘導素子は、前記ステータに面する前記第１ロータに渦電流リングを有する、請求項２に記載のモータ。
前記ステータは、前記第１ロータ及び前記第２ロータの外側に位置し、
前記第２ロータはインナーロータであり、
前記第１ロータは、前記インナーロータと前記ステータの間に位置するアウターロータである、
請求項１に記載のモータ。
前記少なくとも１つの誘導素子は複数の第１リスかご型ケージバーを含み、
同期速度において、
・前記複数の第１リスかご型ケージバーは前記複数の第２リスかご型ケージバーに角度的に位置が合い、
・前記ステータから、前記複数の第１リスかご型ケージバーの間を通り、前記永久磁石を通って、前記複数の第２リスかご型ケージバーの間へと磁力線が通過する、
請求項８に記載のモータ。
前記永久磁石はＮ個の周方向に間隔を空けて設けられた永久磁石を含み、
前記少なくとも１つの誘導素子は、前記第１ロータコアに埋め込まれた導電性の複数の第１小リスかご型ケージバーからなる第１グループをＮ個含み、前記Ｎ個の第１グループはそれぞれ、前記Ｎ個の永久磁石のうちの１つと角度的に位置が合っており、
前記少なくとも１つの誘導素子は更に、前記第１ロータコアの埋め込まれた導電性の第１大リスかご型ケージバーをＮ個含み、前記第１大リスかご型ケージバーはいずれも、前記第１小リスかご型ケージバーのどれよりも大きな断面を有し、前記第１大リスかご型ケージバーは、前記Ｎ個の永久磁石の間の間隙に角度的に位置が合っており、
前記Ｎ個の第１大リスかご型ケージバーはそれぞれ、前記Ｎ個の第１グループを周方向に分離している、
請求項１に記載のモータ。
前記第２リスかご型ケージバーは、複数の第２小リスかご型ケージバーからなるグループをＮ個と、第２大リスかご型ケージバーをＮ個含み、
同期動作の間、前記第２小リスかご型ケージバーは、個々に前記第１小リスかご型ケージバーと位置が合い、前記第２大リスかご型ケージバーは、個々に前記第１大リスかご型ケージバーと位置が合う、
請求項１０に記載のモータ。
前記少なくとも１つの誘導素子は複数の第１リスかご型ケージバーを含み、
同期動作の間、前記複数の第２リスかご型ケージバーの各々は、前記複数の第１リスかご型ケージバーのいずれかと位置が合う、
請求項１に記載のモータ。
前記永久磁石はＮ個の周方向に間隔を空けて設けられた永久磁石を含み、
前記Ｎ個の第１グループのそれぞれは、前記Ｎ個の永久磁石のいずれかに径方向に重なって位置する、
請求項５に記載のモータ。
ハイブリッドリスかご型ケージ式及び永久磁石式のモータであって、
モータハウジングと、
前記モータハウジングに固定されて回転ステータ磁界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接続されて、前記モータハウジングの少なくとも１つの連結用端部から負荷まで延びたモータシャフトと、
前記モータシャフトに回転式に固定されかつ前記モータシャフトと同軸上に設けられる第２ロータと、
前記ステータと前記第２ロータとの間に、かつ前記モータシャフトと同軸上に設けられ、前記モータシャフトに回転可能に機械的結合せず如何なる動作中も前記モータシャフトと共に回転しない第１ロータとを備え、
を備え、前記第２ロータは、
第２ロータコアと、
前記第２ロータコアに埋め込まれた複数の第２リスかご型ケージバーであって、導電性で、互いに周方向に間隔を空けて設けられた複数の第２リスかご型ケージバーと、
を備え、前記第１ロータは、
第１ロータコアと、
前記第１ロータコアに埋め込まれた複数の第１リスかご型ケージバーであって、導電性で、互いに周方向に間隔を空けて設けられた複数の第１リスかご型ケージバーと、
前記第１ロータコア内に位置する複数の永久磁石であって、前記複数の第１リスかご型ケージバーから前記第２ロータの方に径方向に離れて位置し、前記複数の第１リスかご型ケージバーに、周方向におけるある角度で、径方向に重なる複数の永久磁石と、
を備え、
前記複数の第１リスかご型ケージバーは回転ステータ磁場と協働して始動時のトルクを提供するように構成され、同期動作の間、前記複数の第１リスかご型ケージバーは前記複数の第２リスかご型ケージバーに同時に角度的に位置が合うことができ、
前記複数の第１リスかご型ケージバーは前記複数の永久磁石と前記ステータの径方向の間に位置する、
モータ。
請求項１４に記載のモータであって、
前記永久磁石はＮ個の永久磁石からなり、
前記第１リスかご型ケージバーは複数の第１小リスかご型ケージバーを有し、前記複数の第１小リスかご型ケージバーはＮ個の第１グループに分割され、前記第１グループのそれぞれは、連続した前記第１小リスかご型ケージバーを複数含み、
前記第１リスかご型ケージバーの前記第１グループのそれぞれは、前記Ｎ個の永久磁石のいずれかに径方向に重なって位置する、
モータ。
ハイブリッドリスかご型ケージ式及び永久磁石式のモータであって、
モータハウジングと、
前記モータハウジングに固定されて回転ステータ磁界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接続されて、前記モータハウジングの少なくとも１つの連結用端部から負荷まで延びたモータシャフトと、
前記モータシャフトに回転式に固定されかつ前記モータシャフトと同軸上に設けられる第２ロータと、
前記ステータと前記第２ロータとの間に、かつ前記モータシャフトと同軸上に設けられ、前記モータシャフトに回転可能に機械的結合せず前記モータシャフトと共に回転しない第１ロータと、
を備え、前記第２ロータは、
第２ロータコアと、
前記第２ロータコアに埋め込まれた複数の第２リスかご型ケージバーであって、導電性で、互いに周方向に間隔を空けて設けられた複数の第２リスかご型ケージバーと、
を備え、前記第１ロータは、
第１ロータコアと、
前記第１ロータコアに埋め込まれた複数の第１リスかご型ケージバーであって、導電性で互いに周方向に間隔を空けて設けられし、回転ステータ磁場と協働して始動時のトルクを提供するように構成される、第１リスかご型ケージバーと、
前記第１リスかご型ケージバーの下で、前記第２ロータに向いた前記第１ロータコアの面の上に位置する永久磁石と、
を備え、同期動作の間、ステータ磁力線は、前記複数の第１リスかご型ケージバーのうちの連続する前記第１リスかご型ケージバーの間、及び、前記複数の第２リスかご型ケージバーのうちの連続する前記第２リスかご型ケージバーの間を通過する、モータ。
前記ステータ磁力線は、同期動作の間、前記第１リスかご型ケージバーと前記第２リスかご型ケージバーによって、前記永久磁石を通って案内される、請求項１６に記載のモータ。