(57)【要約】      （修正有）【課題】電動原動機及び電動原動機を始動する方法を提供する。【解決手段】原動機１０は、電動機と、空気圧モータと、空気圧モータを電動機１８の回転子に動作可能に結合する機械的結合部とを含む。空気圧モータ２２は、電動機に電力を印加する前に電動機の回転子を駆動することにより、電動機の始動を開始する。回転子が十分な回転速度に達した後、回転子を駆動するために、電動機に電気が印加される。空気圧モータの使用により、最初に電動機に電気が印加されるときに回転子を回転状態にすることができ、それにより、突入電流は防止されるか又は大幅に減少される。【選択図】図１
2010104189.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機を起動する方法において、
空気圧モータを起動するステップと；
前記空気圧モータによって前記電動機の回転子を機械的に駆動するステップと；
前記回転子を電気的に駆動するステップとから成る方法。
【請求項２】
前記空気圧モータの回転出力端を前記回転子に動作可能に結合するステップを更に含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記空気圧モータの前記回転出力端を前記回転子から動作可能に切り離すステップを更に含む請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記回転子を電気的に駆動するステップの開始前に、前記空気圧モータの前記回転出力端を前記回転子から動作可能に切り離すステップが実行される請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記回転子を電気的に駆動するステップは、前記回転子を機械的に駆動するステップの開始後に開始される請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記回転子を電気的に駆動するステップは、前記回転子が定常状態動作速度の約６５％から７０％の速度に達した時点で開始される請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記空気圧モータの動作を停止するステップを更に含む請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記空気圧モータの動作を停止するステップは、前記回転子を電気的に駆動するステップの開始時に実行される請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記空気圧モータの動作を停止するステップは、前記回転子を電気的に駆動するステップに先立って実行される請求項７記載の方法。
【請求項１０】
前記空気圧モータの動作を停止するステップは、前記回転子を電気的に駆動するステップの開始後に実行される請求項７記載の方法。
【請求項１１】
負荷に原動力を供給する原動機システムにおいて、
前記負荷に動作可能に結合されるように構成された回転子を有する電動機と；
第１の回転出力を生成する第１の空気圧モータと；
前記第１の回転出力を前記回転子に動作可能に伝達する歯車列とを具備する原動機システム。
【請求項１２】
前記第１の回転出力が前記回転子に伝達される第１の状態と、前記第１の回転出力が前記回転子に伝達されない第２の状態とを有するクラッチを更に具備する請求項１１記載の原動機システム。
【請求項１３】
前記クラッチは、前記回転子が前記第１の空気圧モータを駆動するのを阻止するように構成される請求項１２記載の原動機システム。
【請求項１４】
前記回転子に動作可能に結合され、第１の状態において前記回転子の回転出力を前記負荷に伝達し且つ第２の状態において前記回転子の前記回転出力の前記負荷への伝達を阻止するように構成されるクラッチを更に具備する請求項１１記載の原動機システム。
【請求項１５】
前記歯車列は、互いに動作可能に結合された前記第１の空気圧モータの一体形歯車列及び前記電動機の補助歯車列を含む請求項１１記載の原動機システム。
【請求項１６】
前記第１の空気圧モータを通過する圧縮空気の流れを制御する弁を制御するように構成されたコントローラを更に具備する請求項１１記載の原動機システム。
【請求項１７】
前記空気圧モータの起動を制御するように構成されたコントローラを更に具備する請求項１１記載の原動機システム。
【請求項１８】
前記第１の回転出力が前記回転子に伝達される第１の状態と、前記第１の回転出力が前記回転子に伝達されない第２の状態とを有するクラッチを更に具備し、前記コントローラは、前記第１の状態と前記第２の状態との間で前記クラッチを切り替えるように構成される請求項１７記載の原動機システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に原動機に関し、特に、電動原動機の始動を補助する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日の産業界において、原動機は、他の機械又は機械系統を動作させるための原動力を供給するために使用される。通常の原動機は、往復燃焼機関（ガス及びディーゼル）、燃焼ガスタービン機関又は電動機を含む。往復燃焼機関及び燃焼ガスタービン機関は、化石燃料を使用し、有害な排気放出物質及び他の多くの燃焼副産物を生成する。放出物質及び汚染物質に対する政府の規制が厳格になり、揮発性化石燃料の価格が上昇し続けている現在、化石燃料を利用する原動機の使用は少なくなり、注目度は低下してきている。往復機関及びガスタービンには、汚染、排気放出物質及び燃料価格の他にも騒音公害という欠点があり、そのため、地域社会又は（更に論理的にいえば）施設が必要になるであろうと思われる場所の付近でそれらの機関を採用することはいっそう困難になっている。更に、電動原動機と比較して、化石燃料を利用する原動機は耐用年数がはるかに短く、無数の可動部品を有するので、保守費用が高い。原動機として電動機を使用することにより、化石燃料の燃焼を動力とする原動機に関連する問題の多くを排除できる。
【０００３】
電動機は、２０，０００馬力を超える機械動力を供給できる。しかし、高出力電動機の使用に関連する問題の１つは初期始動エネルギーであり、電流抽出の結果、電動機が使用する突入電流は、固定負荷電流（ＦＬＣ）において電動機により必要とされる定常状態エネルギーの６〜８倍を上回る場合がある。この大きな始動エネルギー消費の原因の１つは、始動中、電動機の電機子が完全停止状態から加速するにつれて、電動機が大きな突入電流を受けることである。「回転子拘束トルク」（ＬＲＴ）としても知られる完全停止状態又は静止状態において、電動機は短絡に非常に近い状態で動作するので、始動時に大きな突入電流を必要とするか又は受ける。電動機が回転速度を増すにつれて、電動機の電力需要及び電流抽出は急速且つ急激に減少する。
【０００４】
これらの大馬力電動機の始動時のピークエネルギー消費に加えて、装置自体並びに被動装置も大型になり、非常に大きな回転慣性を有する傾向にある。この大きな慣性は、電動機の電機子の加速を妨げるように作用し、電動機がはるかに低いＦＬＣで動作できる定常状態動作速度に達するのを抑止する。従って、電機子が休止状態から電動機がＦＬＣで動作する定常状態動作速度まで加速するために更に長い時間を必要とし、そのため、電動機は、長時間にわたり更に大きな突入電流にさらされることになる。
【０００５】
高電流の流れによるそれらの高レベルのエネルギー消費は、問題を引き起こす可能性がある。過剰な電流は、電動機に動力を供給する電気供給システムの過熱を招き、その結果、回路遮断器が切れてしまう。電動機に大きな電流が流れると、電動機の内部に熱が蓄積し、その結果、電動機の寿命は短くなる。この過剰な熱を処理し且つ電動機の損傷を防止するために、高価な可変周波数駆動装置（ＶＦＤ）、並びにソフトスタート機器及びコンデンサが使用される場合が多い。また、「デマンドスパイク」（電力に対する幾何級数的に高くなる電力需要）は、更に高いピークエネルギー消費を発生させ、全ての顧客に対してエネルギー費用を増大させる／過剰にする。
【０００６】
燃焼動力に対抗するために、電力会社は、機器の始動のために十分に余裕のある電力容量を提供しなければならない。容量が不十分であると、機器の始動時のピークエネルギー消費によって電力不足が起こるため、電力会社の他の顧客が配電網から排除されてしまう危険がある。電力不足は、市場において競合するエネルギー供給源としての電力会社の信頼性を低下させる。事実、「ピーカー」又は「ピークシェーバー」という用語は、配電網に対する電力需要が利用可能な供給レベルを超える期間中に信頼に足る電力を供給するように容量を増加するために電力会社が多くの場合に投資しなければならない余分の容量又は発電能力を表す。原動機として電動機を選択するユーザは、多くの場合、電動機を設置して使用する前に、電力会社が配電網のインフラの改良を完了できるまで待たなければならない。この待機時間があるため、施設又は新たな機器を設置するまでに長い時間を要し、その結果、生産効率が低下する場合もある。更に、現場レベルでは、多くの場合、顧客は施設の電気供給部品を大型化しなければならず、電気供給網をグレードアップするために電力会社に代金を支払わなければならないため、費用は更に増大する。
【０００７】
更に、定常状態動作中であっても、ピーク需要はユーザの電気代に大きく影響する。特に需要が大きくなる期間中にピーク電力を必要とする企業は、電力に対して２倍の割増金（ピーク需要使用料及びピーク需要期間料金の調整）を支払う場合もある。このピーク始動時消費は、電動機の総動作寿命又は公共料金支払い請求周期のうち短い期間にのみ発生するが、多くの場合、割増料金は、電動機により消費される全ての電力に適用される。
【０００８】
通常、１分間の始動時消費料金が、全請求期間に適用される料金を確定する。全請求期間は、始動後に１００％利用率で動作した場合７２０時間になることもある。多くの場合、このペナルティが原因となり、大型電動機は継続的に（無負荷状態で）又は需要のない状態で動作され（ピーク料金に基づく始動時消費を回避するために）、その結果、更に大きな非効率を招くことがある。全体として、これらのピーク需要率は、競合する燃焼式原動機と比較して、電動機の使用効率を低下させ、電動原動機の使用を控えさせる原因となっている。
【０００９】
事業者は、それらのコストを最小限に抑える方法を捜し求めている。同様に、電力会社は、サービス顧客への配電及び資本支出の管理を改善しようとしている。
【００１０】
更に、第二次工業化国において、電力会社が十分な配電網を有していない場合、それらのピーク電力需要により新たな工業施設における電動機の使用が抑制される可能性がある。また、電動機に始動時電力を供給する配電網が十分な利用可能アンペア数容量を有していない場合、突入電流はユーティリティラインに電圧降下を引き起こし、ライン障害を発生させる。そのようなライン障害の結果、他の顧客に対して、照明のちらつきなどの問題又は顧客が電力会社に対して苛立ちを覚え、不便を感じるような更に重大な他の問題が起こる。
【００１１】
しかし、電動機をより効率的に使用すれば、等しい出力を有する燃焼動力式原動機と比較して、電動機の使用には多くの重大な利点がある。これは、大型（高ＨＰ）原動機について特に当てはまる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従って、電動機の始動と関連する上記の問題のうち１つ以上を排除し、且つ原動機として大型電動機を使用する場合の総効率を向上する電気原動機のための装置が当該技術において必要とされている。本発明は、そのような装置を提供する。本発明の上記の利点及び他の利点並びに発明性を有する付加的な特徴は、本明細書中に提示される本発明の説明から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、先に説明された問題及び当該技術に存在する他の問題のうち１つ以上を克服する新規な改良された原動機システム及び方法を提供する。特に、本発明は、電動機始動時の突入電流を減少した新規な電動原動機を提供する。本発明は、起動時に短絡のように作用する電動機の影響を低減するために電動機の始動を補助する空気圧始動補助システムを提供する。空気圧始動補助システムは、電気ではなく圧縮ガスによって動作する。これにより、通常は電気を使用する電動機の始動に関連する大きな突入電流及びエネルギー消費は減少される。
【００１４】
本発明の一実施形態は、電動機と電動機の始動を補助する空気圧モータとを含む原動機を提供する。機械的駆動系は、空気圧モータを電動機に結合する。特に、機械的駆動系は、空気圧モータを電動機の電機子に結合する。
【００１５】
結合部は歯車、ベルト、チェーン／スプロケット又はＣＶＴを含んでもよい。駆動系の内部の空気圧モータと電動機の電機子との間に挿入されたクラッチは、空気圧モータの回転構成要素を電機子から選択的に分離させ、それらの構成要素の回転を停止してもよい。更に、クラッチは、空気圧モータの構成要素の不必要な磨耗を防止するために、電機子に空気圧モータの構成要素を加速又は駆動させることなく、電機子が空気圧モータの回転構成要素をオーバランできるように構成されてもよい。
【００１６】
必要に応じた同期タイミング／ＲＰＭ設定値が可能になるように、空気圧モータの起動及び動作停止を制御するためにコントローラが設けられてもよい。更に、コントローラは、空気圧モータと電機子との間のトルク伝達を開始又は阻止するために、クラッチを係合又は解除するように構成されてもよい。
【００１７】
１つの形態において、電動機を始動する新規な改良された方法は、最初に、電気を使用せずに電動機の電機子を回転させることにより、電動機の始動を補助する。この方法は、電動原動機の始動中に発生する初期ピーク電気エネルギー消費及び突入電流を減少する。特に、方法は、空気圧モータを起動することと、空気圧モータによって電動機の電機子を機械的に駆動することとを含む。機械的手段を介して電機子が回転するようになった後、電機子は、少なくともある程度まで電気的に駆動される。好適な方法において、方法は、空気圧モータを起動することと、その後クラッチの係合などにより空気圧モータを電機子に動作可能に結合することとを含む。別の方法において、当初、電気的に電機子が駆動されていない時点で、電機子は最初は機械的に駆動される。更なる方法において、空気圧モータの不必要な摩耗及び裂傷を防止するために、電動機が電気的に駆動された後、クラッチによって又は空気圧モータを通過する空気流れを阻止することにより、空気圧モータの動作は停止される。
【００１８】
本発明の他の面、目的及び利点は、添付の図面と関連して以下の詳細な説明を読むことにより更に明らかになるであろう。
【００１９】
本明細書に含まれ且つ本明細書の一部を形成する添付の図面は、本発明のいくつかの面を例示し、明細書の説明と共に、本発明の原理を説明するのに有用である。
【００２０】
ある特定の好適な実施形態に関連して本発明を説明するが、それらの実施形態に限定する意図は全くない。本発明は、添付の特許請求の範囲により定義される本発明の趣旨の範囲内に含まれる全ての代替構成、変形及び均等物を含むことが意図されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１を参照すると、原動機システム１０の一実施形態が簡略化された形で示される。原動機システム１０は、負荷１２に動作可能に結合され、負荷１２を駆動する。負荷１２は、圧縮機、ポンプ、コンベヤ、工作機械、研削機などの任意の制限負荷であってよい。ここに挙げた負荷の例は、全ての負荷を含むものでもなく又はそれらの負荷に限定されるものでもなく、単なる例示として示したにすぎない。原動機システム１０は電動原動機であり、負荷１２を駆動するための原動力を供給する電動機１８を含む。原動機システム１０が原動力の主供給源として電動機１８を含むので、原動機システム１０は、電気を利用するシステムのエコロジー及び保守に関連する利点の全てを提供する。しかし、原動機システム１０の本実施形態は、先に説明された電動原動機の使用に関連する問題の多くを排除するという点で有益である。以下に更に詳細に説明されるように、原動機システム１０は、電動機１８の始動中の突入電流及びピークエネルギー消費と関連する問題を排除するか又は大幅に軽減する。
【００２２】
電動機１８の初期起動及び始動中の問題を排除又は大幅に軽減するために、空気圧始動補助システム１６は電動機１８の始動を補助する。そのため、空気圧始動補助システム１６は、電動機１８に動作可能に結合する。空気圧始動補助システム１６は、電動機１８に電気を印加する必要なく又は電動機１８に電気を通す必要なく、電動機１８の電機子２０の形態をとる電動機の回転子の回転を開始する。以下に更に詳細に説明されるように、一実施形態において、電機子２０が回転している状態になった後、通常は電機子２０が所定の回転速度（電気印加速度）に達した後に、電動機１８を駆動するための電気は初めて印加される。電動機を静止状態から電気的に始動する場合と比較して、この構成は、始動中の不都合なピーク電力消費及び突入電流を大幅に減少する。
【００２３】
空気圧始動補助システム１６は、電動機１８に動作可能に結合された空気圧モータ２２を含む。通常は空気である流入圧縮ガス（矢印２４として示される）は、空気圧モータ２２を通過し、空気圧モータ２２に動力を供給する。以下の説明を簡単にするために、圧縮ガス２４は、通常は空気２４として表される。しかし、他の実施形態において、本発明の原理に従って天然ガス、メタン、窒素などの他の圧縮ガスが使用されてもよいことは当業者には明らかなことであろう。一実施形態において、回転出力を生成するために、流入圧縮空気２４は、空気圧モータ２２の内部で内部モータ歯車列２８に結合されたタービンロータ２６を回転駆動する。タービンロータ２６の回転出力は、電機子２０に動作可能に伝達され、それにより、電機子２０を機械的に駆動する。電機子２０が電気印加速度に達した後、電機子２０を電気的に駆動するための電気を印加できる。電気印加速度は、電動機１８が短絡のように見える時間を完全に排除しないまでも大幅に短縮し、それにより、電機子２０に電気が供給された場合のピーク突入電流及びエネルギー消費を減少するのに十分な高速である。電気印加速度は、電機子２０の最終的な定常状態動作速度であってもよいが、必ずしもそうでなくてもよい。利点の大半を達成するために電気が印加される通常の速度は、定常状態動作速度の約６５％〜７０％である。
【００２４】
図示される実施形態において、空気圧モータ２２は独自の一体形空気圧モータ歯車列２８を含み、電動機１８は補助電動機歯車列３０を含む。それらの歯車列２８及び３０は、タービンロータ２６の回転運動を電機子２０に動作可能に伝達するためにタービンロータ２６と電機子２０との間に挿入される歯車列システムを形成する。更に、一体形空気圧モータ歯車列２８は、空気圧モータ２２の筐体の内部に配置される。空気圧モータ歯車列２８及び電動機歯車列３０は、空気圧モータ２２が電機子２０を電気印加速度まで駆動でき且つ電機子２０の質量慣性モーメントを克服するための適切なレベルのトルクを生成できるように構成される。図示される実施形態は、空気圧モータ２２及び電動機１８に対して別個の歯車列を含むが、本発明の実施に際して、タービンロータ２６と電機子２０との間で、タービンロータ２６と電機子２０とを機械的に結合する一段歯車列及び／又は組み合わせ歯車列などの他の歯車列構成が採用されてもよいであろうということは、本明細書の開示から当業者には明らかであろう。
【００２５】
図示されるように、空気圧モータ歯車列２８は小歯車３４を含む。小歯車３４は電動機歯車列３０の被動歯車３６に結合し、被動歯車３６を駆動する。被動歯車３６を適切に駆動するように所定の用途の要求に応じてトルク又は出力速度を増減するために、タービンロータ２６に対する小歯車３４の回転出力比を変更するように空気圧モータ歯車列２８を構成できる。
【００２６】
被動歯車３６の回転が電機子２０を駆動するように、被動歯車３６は電機子２０の入力軸３８に結合する。被動歯車３６は、入力軸３８に直接装着される簡略化された形態で図示されているが、被動歯車３６は電動機歯車列３０中の他の歯車を駆動可能であってもよく、電機子２０又は入力軸３８に直接装着されなくてもよい。他のそのような電動機歯車列構成は、用途に応じて、例えば減速又はトルク増大などに応じて当業者には明らかであろう。
【００２７】
更に、歯車列２８、３０は、１つの構成要素から別の構成要素へ、すなわちタービンロータ２６から電機子２０へトルク及び回転を伝達するために歯車と歯車とが境を接する構造を使用するものとして説明されたが、ベルト及びプーリシステムなどの他の構造が使用されてもよいと考えられる。従って、「歯車列」という用語は、例えばベルトシステム及びプーリシステム、油圧結合系統などで例示されるがこれに限定されない他のトルク伝達システムを含む十分に広い意味を持つ。
【００２８】
更に、被動歯車３６及び電動機歯車列３０は、電動機１８の出力軸６０とは反対の側に配置される。出力軸６０は、負荷１２に結合されるように構成される。通常、出力軸６０は、負荷１２の入力軸６２に結合する。出力軸６０は、電動機１８の回転出力を負荷１２に動作可能に伝達する。空気圧始動補助システム１６は、電動機１８の出力軸６０とは反対の側に配置される必要はなく、用途に応じて、電動機１８の出力軸６０と同一の側に配置できる。例えば、電動機がそのような始動補助システム１６と共に後付けされる場合、出力軸６０は、始動補助システム１６を電機子２０に動作可能に結合するために利用可能な唯一の場所であると思われるので、始動補助システム１６を出力軸６０に直接結合することが有益であろう。
【００２９】
電動機１８が始動されて電気的に駆動された後、空気圧モータ２２の回転構成要素と電機子２０との係合を解除することが有益である。空気圧モータ２２を電機子２０から解放するのを補助するために、図示された空気圧モータ歯車列２８の実施形態はクラッチ４２を含む。係合状態にある場合、タービンロータ２６の回転が小歯車３４の回転に伝達するように、クラッチ４２は、タービンロータ２６を小歯車３４に機械的に結合する。
【００３０】
係合が解除された状態にある場合、クラッチ４２はタービンロータ２６を小歯車３４から機械的に分離する。この状態において、空気圧モータ２２が起動されると、タービンロータ２６の回転は小歯車３４に伝達されない。
【００３１】
更に、一実施形態において、電動機１８への電気の印加後又は空気圧モータ２２の動作停止後のように、被動歯車３６が小歯車３４より速く回転し始めた場合、クラッチ４２が小歯車３４から空気圧モータ２２のその他の回転構成要素へトルクを伝達しないように、クラッチ４２はオーバランニングクラッチ又は一方向クラッチであってもよい。このオーバランニング機能は、電動機１８による空気圧モータ２２の駆動を防止する。電動機１８の定常状態動作中に空気圧モータ２２の動作が停止された場合、クラッチ４２は、空気圧モータ２２の構成要素の駆動を更に防止する。これにより、空気圧モータ２２の構成要素の不必要な摩耗及び電動機１８の不必要な負荷増大が防止されるので、動作寿命及び保守の間隔が延長される。クラッチ４２は、例えば慣性クラッチ、スプラグクラッチ、フリーホイーリングクラッチ又は摩擦クラッチなどを含んでもよい。
【００３２】
クラッチ４２は空気圧モータ歯車列２８の一部として示されるが、クラッチ４２は、電動機歯車列３０の一部として形成されてもよい。
【００３３】
ガスライン４６は、ガス供給源４８から空気圧モータ２２に圧縮ガス２４を連通するように機能する。ガス供給源４８は、圧縮空気貯蔵タンク（図示せず）又は供給源として圧縮天然ガスを利用する配管（天然ガス供給源を使用する場合には、全ての地方条例及び連邦法規を遵守しなければならない）及びガス供給源４８を補充するために標準主動力により駆動される圧縮機（図示せず）を含んでもよいが、それらに限定されない。電動機１８により駆動されている負荷又はシステムがガス圧縮機ステーションである場合、別個の専用空気供給源の設置を必要とせず、圧縮機ステーションパイプラインからの圧縮ガスが空気圧モータを駆動するために使用されてもよい。
【００３４】
ガス供給源４８からの圧縮ガス２４は、入口４９を経て空気圧モータ２２に入る。通常、入口４９は、ガス供給弁５０を含むか又はガス供給弁５０に結合される。ガス供給弁５０は、空気圧モータ２２に流入し且つ空気圧モータ２２を通過する圧縮ガスの流量を制御する。
【００３５】
ガス供給弁５０が開放している場合、圧縮ガスは、入口４９を経て空気圧モータ２２に流入する。流入した圧縮ガス２４はタービンロータ２６を通過し、排気口５４から排出される。流れる圧縮ガス２４は、運動エネルギーをタービンロータ２６に伝達する。この機械的運動エネルギーは、最終的には電機子２０を駆動するために使用される。
【００３６】
駆動媒体が圧縮空気であることは、本実施形態の利点である。放出物質規制に従うために要求される戻りライン余剰ガス燃焼煙突又は他の任意の方法を必要とせずに、排気を大気中へ直接排出できる。しかし、別の実施形態は、必要に応じて、又は全ての安全規制及び放出物質規制に従わなければならない圧縮天然ガスを供給する場合に、電動機の付近から外れるように排気の方向を規定するための排気ホースを含んでもよい。
【００３７】
更に、この構成は動作媒体を無限に供給でき、害を及ぼす可能性のある別個の動作媒体を搬送又は貯蔵する必要がない。空気圧モータの更なる利点は、電動機又は清浄な周囲環境の付近における有毒流体又は汚染流体の漏れの危険が排除されることである。
【００３８】
図示される実施形態において、原動機システム１０はコントローラ５８を含む。コントローラ５８は、空気圧モータ２２及び電動機１８に接続する。コントローラ５８は、空気圧モータ２２の起動及び動作停止を制御する。従って、空気圧モータ２２を起動するためにガス供給弁５０を開放するように制御し且つ空気圧モータ２２の動作を停止するためにガス供給弁５０を閉鎖するように制御するために、コントローラ５８はガス供給弁５０に結合される。タービンロータ２６の速度を変化するためにガス２４の流量を変更するように、ガス供給弁５０は可変に位置決めされてもよい。コントローラ５８は、ガス供給弁５０の位置決めを制御／変更するように構成されてもよい。
空気圧モータ２２の起動及び動作停止に伴って、コントローラ５８又は第２のコントローラは、クラッチ４２の係合及び解除を制御できる。
図示される実施形態において、コントローラ５８は電動機１８に更に結合される。先に説明した大きな突入電流を減少又は排除するために、電機子２０が電気印加速度に達した後に電動機１８への電気の供給を開始するように、コントローラ５８を構成できる。電動機１８に電気が供給された後、コントローラ５８は、ガス供給弁５０を閉鎖することにより空気圧モータ２２の動作を停止できる。あるいは、ガス供給弁５０は、電動機１８への電気の供給とほぼ同時に閉鎖可能である。コントローラ５８は電子コントローラ又は機械的コントローラであってもよい。電機子２０の回転慣性が大きいため、電気の供給前に空気圧モータ２２を停止することも可能である。コントローラはメモリ、電子回路及び／又はガス供給弁を制御し且つ電動機１８への電気の供給を開始するプロセッサを含んでもよい。
【００３９】
図示されるように、クラッチ６６は、出力軸６０を入力軸６２に動作可能に結合する。クラッチ４２と同様に、クラッチ６６は、トルクを伝達するための係合状態又はトルクを伝達しないような解除状態にあることが可能である。特に、係合状態にある場合、出力軸６０の回転は負荷の入力軸６２に伝達され、解除状態にある場合、出力軸６０の回転は負荷の入力軸６２に伝達されない。係合状態から解除状態に切り替え可能であることにより、始動が補助される。電動機１８の初期始動中に空気圧モータ２２が克服しなければならない負荷に動作負荷１２が追加されるのを阻止するために、クラッチ６６を解除できる。電動機１８が十分な回転速度（負荷印加速度）に達したならば、回転する出力軸６０が入力軸６２を駆動することにより負荷１２を駆動するように、クラッチを解除できる。また、クラッチ６６は、オーバランニングを阻止するか又は可能にし且つ電機子２０の逆駆動を阻止するように構成できる。更に、コントローラ５８は、クラッチ６６の係合及び解除を制御するように構成できる。
【００４０】
図２は、本発明の教示に係る空気圧モータ２２の一実施形態を示した分解図である。図示される実施形態は、主駆動構体７２、歯車構体７４及びクラッチ構体７６を含む。先に説明した歯車列２８の実施形態は、タービンロータ２６の回転を空気圧モータ２２の回転出力端に伝達するために、これらの構成要素の一部又は全部を含んでもよい。尚、これは空気圧モータの一実施形態であり、本発明を実施するに際して、これに代わる構成の空気圧モータ又は変形された空気圧モータが使用されてもよいことは当業者には容易に明らかであろう。例えば、電動機歯車列３０が前述のようなクラッチを含む場合、空気圧モータ２２の代替実施形態は一体形クラッチ構体を含まなくてもよい。
【００４１】
主駆動構体７２は、タービンロータ２６及びタービンノズル７８を含む。流入する圧縮ガスの運動エネルギーを回転機械エネルギーに変換するために、タービンノズル７８を通して圧縮空気が流れる。タービンロータ２６は、タービン筐体８０の内部に回転自在に装着される。圧縮空気は空気入口４９を経て流入し、タービンノズル７８及びタービンロータ２６を通過し、その後、排気出口を通って排出される。タービンロータ２６の回転の結果、タービン軸８２が回転されるように、タービン軸８２はタービンロータ２６に動作可能に結合される。タービン軸８２は、駆動構体７２を歯車構体７４に結合する装着端部８４を含む。
【００４２】
歯車構体７４は、支持軸８８により回転自在に支持される複数の遊星歯車８６（１つの遊星歯車のみが図示される）を含む。遊星歯車８６はタービン軸８２と係合し、タービン軸８２により駆動される。遊星歯車８６は輪歯車９０と更に係合する。動作中、通常、輪歯車９０は静止したままであるが、遊星歯車８６及びタービン軸８２は回転する。支持軸８８は、歯車構体７４をクラッチ構体７６に結合する。
【００４３】
クラッチ構体７６は、支持軸８８に装着されたスプラグレース９４を含む。スプラグクラッチ構体９６は、スプラグ軸９８の内側でスプラグレース９４の外面に乗っている。スプラグクラッチ構体９６、スプラグレース９４及びスプラグ軸９８の相互作用により、支持軸構体８８にトルクを伝達することなく、スプラグ軸９８は支持軸構体８８をオーバーできる。スプラグ軸９８は、小歯車（図１の小歯車３４など）と係合できるスプライン端部９９を含む。あるいは、スプラグ軸９８自体が、図１の歯車３６のような被動歯車と係合する駆動歯車として構成されてもよい。
【００４４】
先の実施形態はタービンモータ構成である。しかし、本発明の実施形態を実施する際に、例えばベーン空気圧モータ、ローブ空気圧モータ、スクリュー空気圧モータ又はギヤ空気圧モータなどの他の空気圧モータが採用されてもよいことは、本明細書の開示から当業者には認識されるであろう。
【００４５】
以上説明された実施形態は単一の空気圧モータのみを含むが、原動機システムの一実施形態は、電動機の回転子に動作可能に結合された複数の空気圧モータを含む。そのような構成において、各空気圧モータは、回転子をほぼ同時に機械的に駆動するように制御される。あるいは、各空気圧モータは個別に駆動され、それにより、バックアップ余裕度を提供してもよい。その場合、個別の空気圧モータは別個のガス供給系統か又は全ての空気圧モータに対応する単一の供給系統により駆動されてもよい。
【００４６】
更に、複数の空気圧モータが使用される場合、各空気圧モータは独自の一体形歯車列を含むことができる。また、複数の空気圧モータの使用により、原動機システムの初期始動中に駆動される負荷（すなわち回転子の重量、大きさ、慣性など）を増加できる。
【００４７】
動作中、始動時のピーク突入電流及びエネルギー消費を減少するように電動機１８の始動を開始するために、原動機システム１０は空気圧始動補助システム１６を使用する。空気圧始動補助システム１６は、休止時の電機子２０の慣性の克服を更に補助する。次に、図１及び図３を特に参照して、本発明に係る電動原動機を始動する方法を説明する。
【００４８】
ステップ１００において、通常、空気圧モータ２２は、当初は停止している原動機システム１０の構成要素によって起動される。空気圧モータ２２を起動するために、空気圧モータ２２の入口４９に近接するガス供給弁５０が開放される。ガス供給弁５０は、コントローラ５８を使用して又は手動操作により開放される。
【００４９】
供給弁５０が開放されると、圧縮ガス２４はガス供給源４８から空気圧モータ２２を通過して流れ、タービンロータ２６を回転駆動する。回転するタービンロータ２６は、空気圧モータ歯車列２８を駆動する。
【００５０】
通常、起動ステップ１００において、クラッチ４２は解除状態にあり、そのため、起動ステップ１００の初期の時点では、電機子２０は静止したままである。いくつかの実施形態において、ステップ１０２において、空気圧モータ２２の単なる起動（ステップ１００）により、クラッチ４２は係合する。別の実施形態において、クラッチ４２を係合するステップ１０２に先立って、タービンロータ２６が所定のクラッチ係合速度に達していることが要求される。ステップ１０２でクラッチ４２が係合した後、ステップ１０４において、空気圧モータ２２は電機子２０を機械的に駆動し、加速する。
【００５１】
そのようなクラッチを含まない代替実施形態又は空気圧モータ２２の起動ステップ１００の時点で既にクラッチが係合している実施形態の場合、クラッチ４２を係合するステップ１０２が不要であることは、本明細書の開示から当業者には明らかであろう。そのような構成において、起動ステップ１００が実行されるのとほぼ同時に、電機子２０を機械的に駆動するステップ１０４が実行される。タービンロータ２６を通過する十分なガス流れが発生するまで、わずかな遅延が起こってもよい。
【００５２】
クラッチ４２が係合し且つ空気圧モータ２２が電機子２０を機械的に駆動している状態で、電機子２０は加速する。電機子２０が所定の電気印加速度に達したならば、ステップ１０６において、電機子２０を電気的に駆動するために、電動機１８に電気が供給される。先に示した通り、電動機への電気の供給を制御するように、コントローラ５８を構成できる。ステップ１０６において電動機１８を電気的に駆動するために電気が導入された時点で電機子２０は回転しているので、電機子が静止している状態で電動機１８が起動された場合のように、電動機１８が大きな突入電流の影響を受けることはない。電機子２０を電気的に駆動するステップ１０６は、電機子２０が定常状態動作速度に達する前、達した後又はそれと同時に開始可能である。それらの所定の条件のうち任意の条件で電気を供給するために、コントローラはユーザにより選択的に構成されてもよく、あるいは事前に適切に構成されてもよい。
【００５３】
電機子２０を駆動する電気が供給された時点で、ステップ１０８において、空気圧モータ２２により電機子２０を機械的に駆動する動作を終了できる。ステップ１０８において電機子２０を機械的に駆動する動作を終了するために、クラッチ４２を解除できる。これにより、タービンロータ２６から電機子２０へのトルクの伝達は阻止される。これに加えて及び／又はその代わりに、ステップ１１０において、空気圧モータ２２の動作を停止するために、ガス供給弁５０を閉鎖できる。空気圧モータ２２の動作を停止するステップ１１０により、不必要な摩耗及び動作寿命の短縮が防止される。尚、クラッチ４２は、空気圧モータ２２の動作を停止するステップ１１０の前又は後、あるいはそれと同時に解除されてもよい（すなわち駆動終了ステップ１０８）。更に、電機子２０の機械的駆動を終了するステップ１０８は、電機子２０が定常状態速度に達する前又は達した後に実行可能であり、空気圧モータ動作停止速度に達した後に実行可能である。一実施形態において、モータ動作停止速度は、電気印加速度とほぼ等しい。
【００５４】
更なる方法において、電機子２０の機械的駆動を終了するステップ１０８及び空気圧モータの動作を停止するステップ１１０は、電機子２０を電気的に駆動するステップ１０６の前又はそれと同時に実行されてもよい。電機子２０の大きな回転慣性は、電機子２０の回転速度をほぼ維持するので、回転する電機子２０が始動補助システム１６及び電気のいずれによっても駆動されない期間は、電機子２０を電気的に駆動するために電気を印加するステップ１０６に先立って、回転子の速度を十分に減速しない。この場合にも、コントローラ５８は、空気圧モータ２２の機械的駆動を終了するステップ１０８又は動作を停止するステップ１１０を実行すべき場合にそれらを実行するように構成又はプログラムされる。
【００５５】
任意の時点で、ステップ１１４において、電機子２０は負荷１２を駆動する。通常の方法を実行する場合、クラッチ解除状態でクラッチ６６が電機子２０の出力軸６０と負荷１２の入力軸６２との間にあるときに電動機の始動は起こる。従って、通常の方法は、負荷１２を駆動する（ステップ１１４）ために、クラッチ６６を係合するステップ１１６を含む。負荷１２を駆動するステップ１１４及びクラッチ６６を係合するステップ１１６は、電機子２０が所定の負荷駆動速度に達した場合に実行される。それらのステップは、電気的に駆動するステップ１０６の開始後又は開始と同時に実行されてもよく、空気圧モータ２２の動作を停止するステップ１１０の前又は後に実行されてもよい。通常、所定の負荷駆動速度は、電動機１８への負荷１２の適用によって、電動機１８が過負荷状態になり、電動機１８が失速するような事態を招かない速度であれば十分である。
【００５６】
本明細書中で引用された公開公報、特許出願及び特許を含む全ての参考文献は、各参考文献が参考として本明細書中に取り入れられることを個別に及び特定して指示され且つその全体の内容が記載された場合と同程度に本明細書中に参考として取り入れられる。
【００５７】
本発明の説明において（特に、特許請求の範囲において）、用語「１つの」、「その」及びそれらに類似する用語が使用される場合、本明細書中において特に指示のない限り又は文脈上明らかに矛盾しない限り、それらの用語は単数及び複数の双方を含むと解釈されるべきである。用語「具備する」、「有する」、「含む」及び「包含する」は、特に指示のない限り、拡張可能な用語である（すなわち「含むが、それらに限定されない」ことを意味する）と解釈されるべきである。本明細書中における数値の範囲の引用は、特に指示のない限り、その範囲内に含まれるそれぞれ別個の数値を個別に挙げることを省略した方法として使用されているにすぎず、個々の値は、本明細書中で個別に引用されているかのごとく、明細書中に取り入れられる。本明細書中において説明される全ての方法は、特に指示のない限り又は文脈上明らかに矛盾しない限り、任意の適切な順序で実行される。本明細書中に挙げられる任意及び全ての例又は例示の用語（例えば「〜などの」）の使用は、単に本発明を更にわかりやすくすることを意図されているにすぎず、特に請求のない限り、本発明の範囲に制限を加えるものではない。本明細書中の用語は、請求されない要素が本発明の実施に不可欠であると指示していると解釈されるべきではない。
【００５８】
発明者が知る本発明を実施する最良の態様を含めて、本発明の好適な実施形態を説明した。以上の説明を読むことにより、それらの好適な実施形態の変形は当業者には明らかになるであろう。発明者は、当業者がそのような変形を適切であるとして採用することを期待し、発明者は、本明細書中に特定して説明された形態以外の形態で本発明が実施されることを意図する。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲において挙げられている主題の適用可能な法律により許可されるような全ての変形及び均等物を含む。更に、以上説明された要素の可能な全ての変形におけるそれらの任意の組み合わせは、特に指示のない限り又は文脈上明らかに矛盾しない限り、本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】負荷に結合される本発明の教示に従った電動原動機システムの一実施例を示した簡略図である。
【図２】図１の原動機システムにおいて使用される空気圧モータの一実施例を示した分解図である。
【図３】本発明に係る電動原動機システムを起動する方法のステップを示したフローチャートである。
【符号の説明】
【００６０】
１０…電動原動機システム、１２…負荷、１６…空気圧始動補助システム、１８…電動機、２０…電機子、２２…空気圧モータ、２６…タービンロータ、２８…一体形空気圧モータ歯車列、３０…電動機歯車列、３８…入力軸、４２…クラッチ、４８…ガス供給源、５０…ガス供給弁、５８…コントローラ、６０…出力軸、６２…入力軸、６６…クラッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
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