(57)【要約】ロータ部材とステータ部材が、それぞれ、環状リングとして、回転軸回りに互いに同軸に構成された回転式直流電動モーターである。ロータ部材又はステータ部材の何れか一方は、電磁石の極の対の複数の群から形成され、各群は環状リングの角度範囲に沿って実質的に等距離に分散配置され、各群は他の群から磁気的に絶縁され分離された磁性材料を備えている。他方の部材は、両部材の間に形成された半径方向エアギャップの角度範囲に沿って、磁石の極性が交互になるように実質的に等距離に分散配置されている複数の永久磁石の極を備えており、永久磁石の極は、非連続の磁気帰路を有し、これにより当該部材を磁気的に絶縁された永久磁石の極の群に分割している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転式電動モーターにおいて、
電磁石の極の複数の群からなる環状リングの形態に構成されたステータであって、前記群は、前記環状リングの角度範囲に沿って実質的に等距離に分散配置され、各群は、他の群から磁気的に絶縁され分離された磁性材料を備えて構成されたステータと、
回転軸と同軸且つ前記環状ステータと同軸で、前記環状ステータとの間に半径方向のエアギャップを形成しており、永久磁石の極の群を複数備えている環状ロータであって、ロータ群は前記エアギャップの角度範囲に沿って実質的に等距離に分散配置され、各群の永久磁石の極は、隣接する永久磁石の極の群の磁気帰路から絶縁された共通の磁気帰路を有するように構成されている環状ロータと、を備えており、
前記ステータ電磁石の極の各群は、前記ステータとロータの間の電動相互作用を駆動するために切替可能に励磁される巻線を備えていることを特徴とする回転式電動モーター。
【請求項２】
前記ロータの永久磁石の極の各群は、磁極が交互になる偶数個の磁石を備えていることを特徴とする請求項１に記載の回転式電動モーター。
【請求項３】
前記ロータは、偶数個の永久磁石群を備え、前記ステータは奇数個の電磁石群を備えていることを特徴とする請求項２に記載の回転式電動モーター。
【請求項４】
前記ロータ群の全てには同数の極が含まれ、前記ステータ群の全てには同数の極が含まれていることを特徴とする請求項３に記載の回転式電動モーター。
【請求項５】
前記各ロータ群の極の個数は、前記各ステータ群の極の個数と同じであることを特徴とする請求項４に記載の回転式電動モーター。
【請求項６】
前記各ロータ群及び各ステータ群の極の個数は２個であることを特徴とする請求項５に記載の回転式電動モーター。
【請求項７】
前記各ロータ群及び各ステータ群の極の個数は２の倍数であることを特徴とする請求項５に記載の回転式電動モーター。
【請求項８】
前記各ロータ群及び各ステータ群の極の個数は２の奇数倍であることを特徴とする請求項５に記載の回転式電動モーター。
【請求項９】
更にロータ位置センサを備えており、前記巻線の励磁を切り替えるための信号は前記センサに応えて生成されることを特徴とする請求項１に記載の回転式電動モーター。
【請求項１０】
前記位置センサはリゾルバを備え、
前記モーターは、前記信号を生成するためのエンコーダを更に備えていることを特徴とする請求項９に記載の回転式電動モーター。
【請求項１１】
前記ロータ群のロータの極は、全ての群について、実質的に一様なギャップにより分離された極面を有しており、前記ギャップは、隣接する群の極面と曲面の間のギャップに実質的に等しいことを特徴とする請求項２に記載の回転式電動モーター。
【請求項１２】
前記各ステータ群の極と極の間の前記角度距離は、前記ステータの周囲に亘って実質的に一様であるが、隣接する群のステータ極とステータ極の間の角度距離とは異なることを特徴とする請求項１に記載の回転式電動モーター。
【請求項１３】
前記各ステータ群の極と極の間の角度距離は、前記ロータの隣接する永久磁石の極と極の間の角度距離とは別々のものであることを特徴とする請求項１２に記載の回転式電動モーター。
【請求項１４】
前記各ステータ群の極と極の間の角度距離は、前記ロータの隣接する永久磁石の極と極の間の角度距離とは異なることを特徴とする請求項１３に記載の回転式電動モーター。
【請求項１５】
前記ステータの極は、前記エアギャップに沿って実質的に等しい角度距離に伸張する極面を有し、前記ロータ永久磁石の極は、前記エアギャップに沿って実質的に等しい角度距離に伸張する極面を有し、前記ステータの極面の角度範囲は前記ロータの極面の角度範囲とは異なることを特徴とする請求項１に記載の回転式電動モーター。
【請求項１６】
前記ステータの極面と極面はギャップにより互いに分離されており、各群内の隣接するステータの極面と極面の間のギャップは実質的に等しいが、隣接するステータ群の間のギャップとは異なることを特徴とする請求項１５に記載の回転式電動モーター。
【請求項１７】
前記ロータの極面と極面は、前記ロータの全角度範囲に亘って実質的に一様なギャップにより分離されており、隣接するロータの極面と極面の間のギャップは、１つのステータ群内の隣接するステータの極面と極面の間のギャップとは異なることを特徴とする請求項１６に記載の回転式電動モーター。
【請求項１８】
前記ロータは前記ステータを取り巻いていることを特徴とする請求項１に記載の回転式電動モーター。
【請求項１９】
前記各ステータ群は、前記ステータ環状リング構造内に個別に固定され、これにより個々のステータ群を独立して取り外し及び取替え易くなっていることを特徴とする請求項１に記載の回転式電動モーター。
【請求項２０】
前記モーターは、更に、
プレート部材と、
回転軸に配置されたシャフト部材と、を備えており、
前記各ステータ群は、前記プレート部材に前記回転軸から半径方向に或る距離だけ離して固定されており、
前記プレート部材は前記シャフト部材に取り付けられていることを特徴とする請求項１９に記載の回転式電動モーター。
【請求項２１】
前記半径方向の離間距離は、前記ステータ環状リングの内側境界直径と外側境界直径の間の半径方向の距離よりも大きいことを特徴とする請求項２０に記載の回転式電動モーター。
【請求項２２】
前記ロータは、非磁性材料の環状リングを更に備えており、前記ロータ群は、前記非磁性材料のリングの内側表面に固定されていることを特徴とする請求項１９に記載の回転式電動モーター。
【請求項２３】
前記モーターは、ロータハウジングを更に備えており、前記ロータの環状ロータは、前記ハウジング内に前記回転軸から半径方向に或る距離だけ間隔を空けて固定されており、前記ロータハウジングは、前記シャフト回りに回転できるようにベアリングを介して支持されていることを特徴とする請求項２２に記載の回転式電動モーター。
【請求項２４】
前記環状ステータは、前記回転軸から第１半径方向距離だけ離れた内側境界と、前記回転軸から第２半径方向距離だけ離れた外側境界とを備えており、前記内側境界と外側境界の間の半径方向距離は、前記第１半径方向距離よりも小さいことを特徴とする請求項２０に記載の回転式電動モーター。
【請求項２５】
ステータとロータを有する回転式電動モーターにおいて、
回転軸を中心に同軸に配置され、軸方向のエアギャップにより互いに分離された第１環状リング部材と第２環状リング部材とを備えており、
前記第１部材は、電磁石の極の複数の群を備えており、前記群は、その環状リングに沿って実質的に等距離に分散配置され、前記各群は、他の群から磁気的及び電気的に絶縁され分離されており、
前記第２部材は、各群内で磁石の極性が交互になるように実質的に等距離に分散配置された永久磁石の極の群を複数備えており、前記永久磁石の極の各群は、隣接する永久磁石群の磁気帰路から絶縁され分離されている共通の磁気帰路を有しており、
前記電磁石の極の各群は、順次、非順次又はランダム励起スキームに従って、前記第１部材と第２部材の間の電動相互作用を駆動するために切替可能に励磁される巻線を備えていることを特徴とする回転式電動モーター。
【請求項２６】
前記ロータは、前記ステータを取囲んでいることを特徴とする請求項２５に記載の回転式電動モーター。
【請求項２７】
前記ステータは、前記第１環状リング部材を備え、前記ロータは、前記第２環状リング部材を備えていることを特徴とする請求項２６に記載の回転式電動モーター。
【請求項２８】
前記環状ステータは、前記回転軸から第１半径方向距離だけ離れた内側境界と、前記回転軸から第２半径方向距離だけ離れた外側境界とを備えており、前記内側境界と外側境界の間の半径方向距離は、前記第１半径方向距離よりも小さいことを特徴とする請求項２７に記載の回転式電動モーター。
【請求項２９】
前記ステータは前記第２環状リング部材を備えており、前記ロータは前記第１環状リング部材を備えていることを特徴とする請求項２６に記載の回転式電動モーター。
【請求項３０】
前記電磁石の極の群は、隣接する永久磁石の群と群の間の間隔とは異なる角度距離だけ互い離間していることを特徴とする請求項２５に記載の回転式電動モーター。
【請求項３１】
前記永久磁石群の個数は偶数であり、前記電磁石群の個数は奇数であることを特徴とする請求項２５に記載の回転式電動モーター。
【請求項３２】
全ての群は同じ数の磁極を含んでいることを特徴とする請求項３１に記載の回転式電動モーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転式電動モーターに、より厳密には、回転軸回りに同軸に配置され、軸方向のエアギャップにより互いに分離された第１及び第２の環状リング部材であって、両部材共に、磁気的に絶縁された構造体の群を備えており、一方の部材の群には永久磁石が取り付けられ、他方の部材の群は巻線型電磁極を備えている環状リング部材を有するモーターに関する。
【背景技術】
【０００２】
直流モーターは、用途の範囲が広く汎用性に優れている。ＤＣモーターを具備した装置にはバッテリの電力を利用できるということが、可搬性の面で都合がよく、ＡＣモーター駆動の場合には容易には得られない利点である。多種多様な機能的用途に備えた、マイクロコントローラ及びマイクロプロセッサをベースとしたシステムのような電子制御機器が、一般的になってきた。バッテリの開発が進み、電子制御機器の汎用性が広がるにつれ、車両用に、燃焼機関に対する実現可能な代替物として、効率の良い直流モーター駆動装置を提供するという課題がより現実的になってきている。Shkondinに対する米国特許第５，１６４，６２３号は、車輌を直接駆動するためのモーターを車輌の車輪に搭載した実施形態を提案した１つの例である。上記特許では、このような装置は、電気自動車、自転車、車椅子などに適用できると提案している。
【０００３】
直流モーターの巻線に電子的に制御した状態で電流を流すと、モーター特性をより柔軟に管理することができるようになる。このような巻線と組み合わせて永久磁石を使用すると、電流消費を制限する上で有利である。Heidelberg他に対する米国特許第４，７５４，２０７号では、複数の永久磁石を極性が交互するように連続的に配置した連続リングで構成されたロータを有する直流モーターが記載されている。複数の電子的に切替可能な電磁極を備えたステータは、半径方向のエアギャップによりロータ磁石から周方向に分離されている。幾つかの隣接するステータ電磁石が位相群を形成している。各群内の隣接する電磁極の内側ベース部分は、互いに面接触して連続する磁束経路を形成している。隣接する電磁石群と群の間の移行点で電磁回路は切断されている。センサは、ロータ要素とステータ要素の間の相対回転位置を検出し、個々の電磁石巻線の電子的切替を制御する。同一の群に属する電磁石は、群毎に１つの共通電子切替手段で同時に切り替えられる。隣接する群の電磁石の巻線は、異なる位相のものであり、異なる時期に切り替えられる。
【０００４】
ステータ巻線の切替式励磁を行う際に重要なことは、回転異常などの望ましくない結果を回避することである。例えば、全てのモーター位相巻線を同時に切り替えると、脈動出力トルクが発生しかねない。この影響を緩和しようとすれば、成果は一定しないが、全ての位相を異なる時期に適宜切り替えることにより、又はステータ周辺回りに対称的に分布されロータの永久磁極とある一定の位置関係を持っている或る巻線の組合わせを同時に切り替えることにより、実現できる。しかしながら、隣接する巻線を異なる時期に切り替ると、巻線が連続する磁気回路経路にリンクされている場合には、１つの極の巻線の励磁を変えることによる磁束の変化が隣接する極の磁束に影響を及ぼすため、有害な影響が生じる。
【０００５】
Heidelberg他は、複数のステータ極を別個の磁気回路経路の群に分類することにより、この問題をある程度緩和している。隣接する群の間で磁気回路経路が不連続であると、磁束の絶縁に影響し、群と群の間の磁束干渉のようなトランスフォーマが低減される。しかしながら、１つの群の全ての極が巻かれており同時に切り替られる場合は、トルク・リプル効果が依然として存在する。Heidelberg他は、１つの群の中の幾つかの極は巻かず、及び／又は１つの群の中の全ての極の極構造を一様な構成でないというように変更を加えて、隣接する極の間のトルク・リプルと磁束干渉の影響を防いでいる。このような変更は、トルク特性と出力容量を犠牲にしてしまう。巻かれる極が少ないと、磁束生成能力が低下する。巻かれていない極はトルクに寄与せず、ロータ永久磁石と有害な相互作用を起こしかねない。Heidelberg他での一様でない極構成変更は、一様でない極巻線と連結されている。このような構成は製造工程を複雑化し、モーター効率を低下させることになる。
【０００６】
上記同時係属関連米国特許出願（代理人整理番号５７３５７−０１５）は、簡単に製造することができ、効率的で柔軟性のある動作特性を可能とする改良されたモーターの必要性を指摘し述べている。特定の車輌駆動環境においては、最小の電力消費で高いトルク出力容量を維持しつつ、広い速度範囲に亘って円滑な動作を得ることが強く望まれる。このような車輌のモーター駆動は、部品交換の場合に不都合を最小限に抑えて、各種構造要素へのアクセスを容易にすることができ好都合である。上記同時係属関連米国特許出願は、好都合な効果を提供するために薄い環状リングに構成された絶縁型磁気構造体として、電磁石極を組み込んでいる。このような構成にすれば、磁束を集中させ、先行技術による実施形態と比較して、電磁石の磁心における損失又は有害なトランスフォーマ干渉効果を実質的に無くすことができる。上記同時係属出願の構造を使えばトルク特性と効率を改善することができるが、更なる改良が課題として残っている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記必要性を満たし更なる利点を提供する。回転式電動モーターは、ロータ及びステータ部材を備え、各部材は、環状リングとして回転軸回りに互いに同軸に構成されている。ロータ部材又はステータ部材の何れか一方は、電磁石の極の対の群で形成され、各群は、環状リングの角度範囲に沿って実質的に等距離に分散配置され、各群は、他群から磁気的に絶縁され分離された磁気材料を備えている。他方の部材は、部材の間に形成された半径方向のエアギャップの角度範囲に沿って磁性の極性が交互するように実質的に等距離に分散配置された永久磁石の極の複数の群を備えている。永久磁石の極の群は、それぞれ、隣接する永久磁石の極の群から分離され磁気的に絶縁された共通の磁気帰路を備えている。電磁石の極の対からなる各群の極には巻線が巻かれ、各巻線は、ステータとロータの間の動電相互作用を駆動するために、一緒に切替可能に励磁される。従って、各電磁石群に対して、極の対毎に２つ、偶数個の極が設けられる。各極の対の極は、反対方向に巻かれ互いに反対のＮ極／Ｓ極を構成する。
【０００８】
上記関連出願に記載のように、電磁石群の絶縁により、磁束がそれぞれに各群の磁心に集中することができるようになるので、磁束損失又は他の電磁石部材との有害なトランスフォーマ干渉の影響は実質的に無くなる。単一の極の対を絶縁された電磁石群として構成することにより、作動的利点が得られる。個々の極の対の磁気経路を他の極群から絶縁することにより、極の対の巻線の励磁が切り替えられたときに隣接する群に生じる磁束トランスフォーマーの影響が排除される。群内に別の極を存在させないことによって、群内でのそのような影響は全て無くなり排除される。
【０００９】
極の対の群毎に切替式巻線励磁の時期を適宜設定することにより、モーター全体として円滑な電動力を作り出すことができる。特定の極の対の群の時期を定めた切替に関する正確な最適位相と順序は、電磁極、永久磁石の極、各種極の間の間隔の具体的構造形状、及びその他の構造的相互関係によって決まる。特定のモーター構成に対する最適時期設定切替順序を求める際、ロータとステータの間の相対位置関係により切替スキームの設定を行なうことができる。切替は、位置センサにより作り出された信号に応答して機械的な整流子又は電子的活動により行なわれる。様々な適したセンサが当該技術では周知であり、一例として、リードスイッチセンサ、容量センサ、ホール効果センサ、光学センサ、パルスワイヤセンサなどが挙げられる。マイクロプロセッサ制御式電子切替では、軽量構造で速度調整を精密に行なうことができる。当該技術では様々な位置感知手段が周知であり、そのような信号を生成するのにその何れを採用してもよいが、リゾルバを使用するのが望ましいと分かっている。そうすると、このリゾルバの出力をエンコーダが使用して、マイクロコントローラ又はマイクロプロセッサをベースとした制御回路に適用するための信号をエンコードすることができる。
【００１０】
本発明の実施形態は、更に別の利点も提供する。推進システムは、主要な構造上の構成要素として、電磁石サブシステム、永久磁石クラスタ、及び永久磁石クラスタを封入する裏鉄リング部を備えている。永久磁石とリング部分は、モーターのロータ部分を形成し、永久磁石は裏鉄リング部の内側に配置されている。
【００１１】
ロータについて興味あるパラメータとしては、磁石の等級、磁石等級のエネルギー密度と全体的磁気特性、磁石をロータの一部としたときその磁石の持続性と全体的な作動条件を調整することのできる磁石のサイズと寸法、磁石の温度安定性、磁石を意図する用途に向け製造する際に行われる仕上げ、コーティング及び後処理、磁石の曲面全体の磁化の安定性、磁石の半径方向極性化の均一性、２つの別々の磁石の間の隣接ギャップ、磁石の縁部の機械的形状、裏鉄リング部により提供される磁石の戻り磁束経路、がある。裏鉄リング部は、軟鉄磁性媒体が支配的である。裏鉄リング部は、鋳造、粉末冶金成形、焼結又は粉末材料、並びに強磁性軟磁性体積層珪素鋼から、各種技法で製造することができる。最適な作動には、裏鉄が、高い透磁率と、約２．５Ｔの飽和磁束密度レベルを有しているのが望ましい。
【００１２】
上記同時係属出願（代理人整理番号第５７３５７−０１５）のように、永久磁石が連続する裏鉄リングに固定された構成において、何れの電磁石位相も励磁していなければ、平衡状態が存在する。連続鉄リングでは、２つの磁石の間に隣接ギャップがある領域の後の領域に、完全な磁束飽和が発生する。リングを注意深く調べると、磁束飽和パターンがリングの塊の中で繰り返されている。飽和磁束密度は２．０から２．３Ｔの範囲内にある。鉄リングの寸法と材料等級は、飽和強度を下げるために変更してもよい。電磁石励磁がない状態では、裏鉄リング内の磁束分布パターンは安定（変調なし）しているが、サブアッセンブリ内に配置された各磁石のエネルギー密度値には無視できる程度の変動があるので、ごく僅かな変動は存在する。しかしながら、モーターの所与の位相の励磁サイクル中には、電磁石の極と、対応する相手の永久磁石との間に、磁位差が生じる傾向にある。この磁位差は、磁石の対応する区間の帰路の磁束パターンを変化させる傾向にある。この影響は局所化しているので、裏鉄経路の対応する区間だけで、磁束飽和強度が僅かに下がる現象が起きる。励磁電流は特定のＰＷＭスキームの下で変調されるので、飽和強度が低下すると、励磁と同じ変調パターンが生じる。しかしながら、この変動は、周波数依存性であり、幾つかの重要な要因、即ち１）各位相の切替周波数、２）ＰＷＭスキームの基本周波数、及び３）位相当たりの変化する電気デューテイサイクル、に比例する。上記影響は、全て、鉄経路内の強い渦電流の発生と伝播及び変調に、従って鉄リングの塊の中の表皮効果に寄与する。これら渦電流は、裏鉄の経路の周りを伝播する傾向があり、従ってその他の区間の平衡を狂わせ、従って他の位相の励磁電流に望ましくない遅延を発生させることになる。最も支配的な影響は、鉄経路の塊に発生する渦電流損失である。この渦電流損失の大きさは、固有の電気抵抗を高めることにより（又は、材料の導電率を下げることにより）、又は裏鉄経路の等級及び形状又は配置を変更することにより、又は渦電流の流れに対する障害を誘発することにより、緩和させることができる。損失が支配的な場合は、渦電流を下げる１つの方法として、積層鋼構造を使用することがある。しかしながら、鉄リングが全ての磁石に共用されている場合は、これだけで問題を全て解決することはできない。
【００１３】
本発明の解は、各裏鉄を（磁石クラスタのピッチに比例して）幾つかの区間に分割し、２つの隣接する磁石クラスタの裏鉄区間の間に物理的エアギャップができるようにすることである。これにより、異なるクラスタの２つの隣接する磁石の間の（結果的には裏鉄リング全体の）有効磁束リンクが減じるが、その伝播経路に沿う渦電流の影響が絶縁される。裏鉄の上記ギャップの向きは、設計の望ましい動作を実現するように構成されている。
【００１４】
永久磁石群を絶縁することで、ステータ及びロータ構成要素の両方の磁束の場は、こうして最適電動相互作用のためのエアギャップに集中され、焦点が合わされる。このような相互作用は、電磁石群と永久磁石群それぞれの極の個数が同じであるときに特に有効である。群の最大数は、各群に２つの極を採用することにより実現することができる。エアギャップに沿う全ての群に関する電磁石部材と永久磁石部材の単一の絶縁された極の対の間の相互作用は、効率的に作動する高いトルク容量に寄与する。このような効率を、軽量の電子切替式巻線励磁と結びつけると、バッテリ寿命を大幅に延ばすことができる。
【００１５】
本発明は、各種モーター駆動用途に有用な応用性を有しているが、ロータがステータを取り巻く構造になっており、車輪へ直接取り付けるためにロータがハウジングに固定されているのは、車輌の駆動装置に非常に適している。環状のロータは、回転軸から実質的に半径方向に或る距離にある。ロータハウジングは、回転軸にある固定シャフト回りに回転するようベアリングを介して支持されている。ロータが、永久磁石を備えている実施形態では、数多くの永久磁石の群は、アルミニウムのような非磁性材料のリンクに取り付けられた環状リングに沿って実質的に等距離に分散配置されている。プログラムされたマイクロプロセッサは極めて高速の切替信号を生成する能力があるので、変速ギヤをシフトする必要無しに広範な車輌速度とトルクを利用することができる。分離された電磁石の群は、半径方向に或る距離だけ回転軸から離れた比較的薄い環状のステータリングを形成するが、この半径方向の距離はステータリングの内径境界と外径境界の間の半径方向寸法よりも実質的に大きいことが望ましい。分離された電磁石の群は、固定シャフトに取り付けられたプレート部材に取り外し可能に固定されている。本発明の構成は、電磁石の極が、薄い環状リングに形成された絶縁されている磁性構造体を形成しており、他にも好都合な効果を提供することが分かっている。この配置により、磁束は、実質的に損失や有害なトランスフォーマ干渉の影響が無い状態で、永久磁石ロータとの最適な相互作用のために、半径方向エアギャップに集中させることができる。その結果、バッテリ寿命を飛躍的に延ばす高い効率性と共に、極めて高いトルクが得られる。
【００１６】
本発明のステータ構造は、個々のステータ群へのアクセス及びその取替えがやり易くなるという更なる利点を提供する。従って、特定のステータ巻線群が、例えば極構造又は巻線の故障などで破損されるようなことになっても、ステータユニット全体を取り外したり取り替えたりすることなく、個々のステータ群を交換することができる。関連した利点として、多数の単一の極の対のステータ群とロータ群を使用することにより、特定の電磁石の極の群が励磁できなくなっても、モーターを満足のいくやり方で継続的に作動させることのできることが分かっている。
【００１７】
本発明の別の利点としては、かなりな程度まで、ステータ及びロータ極面の寸法と極間の間隔が、互いに相対的に独立していることである。特定の構造構成に合わせて最適化されるように、時期設定型切替式励磁スキームをプログラムすることができる。上記好適な車輌駆動の実施形態では、奇数のステータ群を使用する。ステータ極は、エアギャップに、角度範囲が実質的に均一である極面を有している。永久磁石ロータ極面は、エアギャップで、実質的に等しい角度寸法範囲を有しているが、これはステータ極面寸法とは異なっている。各ステータ群内の極面の中心と中心の間の角度距離は、ステータの周辺部全体に亘って実質的に一様であるが、隣接する群のステータ極面の中心間の角度距離とは異なっている。各ステータ群の極面の中心と中心の間の角度距離は、ロータの隣接する永久磁石の極の中心と中心の間の角度距離とも異なっている。各群内の隣接するステータ極面間のギャップは、全ての群で実質的に等しく、隣接するステータ群と群の間のギャップとは異なっている。ロータの極面は、ギャップにより、群内及び群間の両方について実質的に一様に分離されており、隣接するロータ極面間のギャップは、１つのステータ群内の隣接するステータの極面間のギャップとは異なっているのが望ましい。
【００１８】
本発明の更なる利点は、以下の詳細な説明から当業者には容易に明らかとなるはずであるが、本発明の好適な実施形態は、本発明を実行する上で考えられる最良の形態を単に例示するために図示説明したものである。理解頂けるように、本発明はこの他の異なる実施形態を取ることができ、その幾つかの詳細については、各種明白な点で、全て本発明から逸脱することなく、変更が可能である。従って、図面並びに説明内容は、制限を加えるものではなく本質的に例示であると捉えられたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
添付の図面に本発明の例を示すが、これは本発明に限定を加えるものではなく、また各図を通して、類似の参照番号は同様の要素を指している。
【００２０】
図１は、本発明のモーターの好適な実施形態のステータとロータ配置の平面図である。ロータ部材１０は、１６個の永久磁石１２が実質的に均等に分散配置されている環状リング構造体である。永久磁石は、８つのＮ／Ｓ極の対の群に分割され、各群の永久磁石は、隣接する永久磁石１２の極の間の磁気帰路として機能する透磁性材料１４で連結されている。永久磁石群は、ぞれぞれ、隣接する群から絶縁された磁気回路を形成している。アルミニウムのような非透磁性材料製の円筒形の背板１６が、永久磁石群を連結して環状リングを形成している。永久磁石は、環状リングの内周に沿って磁気極性を交互に変えるロータの極である。ロータはステータ部材２０を取り巻き、ロータ部材とステータ部材は、半径方向のエアギャップで分離されている。ステータ２０は、エアギャップに沿って均等に分散配置された一様な構造を有する７つの要素即ち極の群２２を備えている。各ステータ群は、エアギャップに２つの極面２６を有する概ねＵ字型の磁気構造体２４を備えている。各ステータ群構造は、隣接する群から、分離され、磁気的に絶縁されている。極の脚部には巻線２８が巻かれている。各ステータ群の巻線は、一体に接続され、ＤＣ電源に接続されると同時に励起されるようになっている。巻線は、各極の対の極に互いに反対のＮ／Ｓ極性を提供するように構成されており、これにより電磁石を形成している。励磁の極性を反転すると、極の対の磁極が反転する。半径方向エアギャップに沿ってステータ巻線の励磁を適宜時期的に切り替えると、エアギャップを横切るステータとロータの間の磁力の相互作用により電動力が作り出される。
【００２１】
ロータの永久磁石の極は、全て、エアギャップに沿う角度範囲が一様であり、互いに一様な範囲の角度ギャップ分だけ分離されている。従って、隣接する永久磁石群の極と極の間のギャップは、群内の永久磁石の極と極の間のギャップと同じ寸法である。これらの一様関係を条件として、ロータの極面とそれらの間のギャップの実際の寸法は、可変であり、用途の環境に応じて最適化することができる。なお、ロータの極と群の数は、偶数であればいくつでもよく、図１の配置は単に例示を目的として示しているに過ぎない。ステータの極面は、全て、角度範囲が一様であるが、ロータの角度極面とは異なる寸法であるのが望ましい。
【００２２】
ステータ要素２４は、非透磁性支持部材に、下に詳しく説明するやり方で固定され、それによりステータ要素は環状リング形状を形成している。各ステータ群内の極は、全ステータ群に関し一様の半径方向ギャップで分離されている。上記ギャップの範囲は、隣接するステータ群の極と極の間の間隔とは異なる。ステータの極のギャップと群の間隔は、それぞれ、ロータの角度方向の極のギャップとは異なる。ステータ環状構造の半径方向範囲、即ち内径と外径の間の距離は、回転中心軸とステータの内径の間の距離よりも実質的に小さい。ステータの半径方向の寸法が比較的狭いことにより、各ステータ要素構造体内の磁束は好都合に集中しエアギャップに焦点が合わせられる。この構成により、そして隣接するステータの極群による漂遊トランスフォーマ磁束効果がないことにより、高トルク出力が効率よく得られる。
【００２３】
ステータの極とロータの極の間の寸法関係が比較的独立していることから、極の個数と寸法の設定に関しては柔軟性がある。最適の性能を得るためには、ステータの極群が奇数個であるのが好ましいが、この個数は例示用に示した７個に限定されるわけではない。同じく、各ステータの極群は、共通の絶縁された透磁性の構造体を共有する複数の極の対を備え、群毎に偶数個の極を有しているのが望ましい。広い速度範囲に亘って細かい制御を行うのが望ましい作動環境では、多数のステータとロータの極を設けることができる。このような実施形態は、使用される制御システムの制御容量と調和させることができ、別々のステータ群の個数も然るべく設定される。モーターは各種特定の用途を支援することができるが、本発明は、モーター構造が車輪内に収容された車輌の駆動用として特に好都合な使用効果を狙ったものである。このような環境において、同軸のロータ部材とステータ部材は、ホイールリムの、回転軸から実質的に或る半径方向の距離に配置される。大きなリム直径は、多数の個別のロータとステータの極を収容するのに十分な空間を提供し、従って制御の柔軟性を得やすい。
【００２４】
図２は、図１のモーター実施形態のロータ及びステータアッセンブリの斜視図である。永久磁石群を支持する円筒形の背板１６を含む環状ロータは、アルミニウム又は他の非透磁性材料で形成されるリングハウジング部材３０で取り囲まれている。この円筒形ロータ構造内で、ステータ群は２枚のプレート３２でしっかりと固定されているが、図ではその内の一枚だけを示している。各プレート３２は、外径と、内径を形成する中央部の円形切り欠き部を有する、剛性のある円形構造体である。内径は、静止シャフト３４に嵌合し、シャフト部材に取り付けられる大きさになっている。プレートには、その周囲に沿って、ステータ要素の対応する貫通孔と嵌まり合うように適当に間隔を空けた孔が設けられている。各プレート３２は、シャフト３４に固定され、ステータ要素の極構造２４の各軸方向側に嵌合孔を介して固定され且つそれを挟む様に、互いに間隔を空けて配置されている。プレートは、個々のステータ要素が破損したり修理が必要となった時には、装置全体を交換することなく個々のステータ要素へ容易にアクセスし取り替えることができるように、選択的に取り外すことができる。各ステータ要素は、相互交換可能とすることができるので、ステータの整備は、プレートの間の適切な嵌めこみ位置にスペアのステータ要素を挿入して巻線の両端を接続するだけの比較的単純な作業で済む。
【００２５】
図３は、本発明の上記実施形態のモーター構造を示すより詳細な断面図であり、特に自動車、自動二輪車、自転車などを駆動する際に使うのに適している。固定シャフト３４、プレート３２、ステータ構造２４及び巻線２８は、ハウジング４０内に納められており、これに環状ロータ背板１４と永久磁石１２が取り付けられている。ハウジング４０は、ブッシング３６とベアリング３８を介して、プレート３２の各側でシャフトに対して支持されている。従って、ハウジング４０は、ロータで駆動されシャフト３４の回りに回転する車輪の側部を形成している。リングハウジング部材３０は、ハウジング４０とロータにしっかりと取り付けられ、車輌のタイヤを装着するリムとして機能する。図４は、図３のモーター構造の分解図であり、図５は、組み立てられたホイールハブ部分の３次元斜視外面図である。コネクタ部４２は、自転車のような環境でモーターを使用するのを説明するために提示したものであり、各コネクタ部４２は、自転車フォークの対応する部分に取り付けられる。図面には、各要素を組み立てるための各種標準ワッシャ、ナット及びボルト要素の使用も例示している。なお、各要素の組み立てには、どの様なものであれ当該技術で周知の適切な手段を使うことができる。
【００２６】
図６は、図１の実施形態の本発明のモーターを駆動するための制御システムを示すブロック図である。個々のステータ電磁石巻線２０に流す励磁電流は、バッテリ電源５０から供給される。ステータ巻線の切替式励磁は、周知の機械式整流子装置を使って行うこともできるが、電子式切替回路が一般に普及しており優れた制御の利点を提供する。従って、切替回路５２を介してステータ巻線２０をバッテリ５０に接続するのが好ましい。切替回路５２は、制御装置５４の制御下で、モーター巻線に対して個別にバッテリの電流を供給し、極性を切り替えることができるものであれば、どの様な周知の制御式双方向電子回路でもよい。制御装置５４は、ステータとロータの相対運動に応えて生成されるフィードバック信号に従って、切替回路５２に適切に時期指定された制御信号を流すようにプログラムすることのできるマイクロコントローラ、マイクロプロセッサなどを備えていることが望ましい。制御装置が使用するモーターフィードバック信号を生成することのできる各種位置センサが、当該技術では既知である。ロータ１０と一緒に回転するようにリゾルバ５６が連結されており、ロータの角度位置を示す信号を生成する。これらの信号は、エンコーダ５８が、制御装置の使用に備えて適切にエンコードする。制御装置は、ステータ要素の具体的な寸法形状に基づき、受信したエンコーダ信号に整合するように最適に時期指定された信号を出力するようにプログラムすることができる。従って、プログラミングに当っては、ステータとロータの極の個数、ステータ群の個数、ステータとロータの極の寸法、及びモーター構造内の各種ギャップの寸法を考慮することになる。最適にプログラムされた制御式電子切替モードで上記構造を作動させることにより得られる優れたモータートルク及び速度特性は、１つ又は複数の個別のステータ要素群が機能しなくなった場合でも満足できる作動を可能にする。従って、そのような環境でも、車輌は、ステータ要素部品の取り替えに都合のよい時期まで継続して使用することができる。
【００２７】
図７は、本発明のモーターの別の実施形態のステータとロータ配置の平面図である。４つのステータ群２２は、それぞれ絶縁された透磁性材料２４で別々に形成され、電流を流すと極性が交互になる磁極を形成する巻線を有する４つの突極２６を形成している。ロータは、永久磁石の群を４つ備えている。各群には、透磁性材料１４に、連続的に磁極が交互になるように取り付けられた４つの永久磁石１２が含まれている。各ロータ群の磁気経路は、隣接するロータ群から絶縁されている。この実施形態では、ロータとステータは、共に、４つの極の群、合計１６極で構成されている。この様に、この配置は、奇数個のステータ群と偶数個のロータ群で構成されている図１の実施形態とは対照的である。更に、図７では、隣接するステータ群の極と極の間の間隔は、図１の場合よりも、１つのステータ群内の隣接する極と極の間の間隔により近い寸法である。上記差異は可変であり、モーターを使用する特定の環境に期待される要件と矛盾しないように調整される。図７のモーターは、図２から図５に示すやり方で車輪内に構造的に組み込むことができる。
【００２８】
図８は、ロータが、半径方向のエアギャップを介して非連続磁気経路を有する永久磁石のステータを取り巻いて絶縁された極の群を形成する、別々になった極の対の電磁石群を備えた実施例の概略平面図である。この実施形態は、その他の点では、構造的及び機能的に図１のものと同一であり、図２から図５に示すやり方で車輪環境に構造的に具体化することができる。
【００２９】
本開示では、本発明の好適な実施形態のみを示し説明しており、その汎用性の例は数例しか示していない。本発明は、様々な他の組合わせ及び環境で使用することができ、ここに記載した発明的概念の範囲内で変更と修正を加えることができるものと理解頂きたい。例えば、理解頂けるように、本発明のモーターは、車輌駆動の他にも広範な用途に利用できる。車輌駆動の実施形態では、ロータがステータを取囲むのが好ましいが、ステータがステータを取囲むようにした別の応用例が都合の良い場合もある。従って、内側及び外側の環状部材は、それぞれステータ又はロータの何れでもよいし、電磁石群又は永久磁石群の何れでもよく、これは本発明の意図の範囲内に含まれる。更に、巻線付の突極を示しているが、巻線は、代わりに突極ではないスロット式構造として設けてもよい。なお、上記配設例では、何れも、個々の巻線と切替制御装置の間の実際の接続について示していないが、そのような設備は十分に当業者の知識の範囲内にあると理解頂きたい。
【００３０】
具体的な電磁石の励磁順序は、各種考慮すべき事項によって変化する旨理解頂きたい。電磁石の励磁は、エアギャップ周辺に沿って順番に又は別の順序で切り替えられる。電磁石群は全て同時に励磁してもよいが、個別にプログラムした時期に切り替えてもよい。反対に、個々の電磁石は、所定の順序で起きる間隔で、ランダムに起きる間隔で、又は順番に関係なく起きる間隔で、励磁及び励磁解除してもよい。
【００３１】
本発明について、ここでは、直流電流モーターの観点から例示してきたが、当業者には理解頂けるように、記載の原理は、同期型交流モーター、並びに各種パルス波形で励磁可能な巻線要素を有するモーターにも適用することができる。従って、モーターを駆動するための電力供給源は、バッテリに限定されず、例えば交流電源も含まれる。このような交流電源は、直流又はパルス波形に変換することもできるし、このような変換をせずに交流同期モーターとしてモーターを駆動するのに使うこともできる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明のモーターの好適な実施形態のステータとロータ配置の平面図である。
【図２】図１の実施形態のステータとロータの極構造の３次元斜視図である。
【図３】車輪の駆動に用いるのに特に適した、本発明のモーター構造を示す部分詳細断面図である。
【図４】図３で部分的に断面で示したモーター構造の分解図である。
【図５】本発明によるモーターを取り囲む、組み立てられたホイールハブハウジングの斜視外面図である。
【図６】本発明のモーターを駆動するための制御システムを説明するブロック図である。
【図７】本発明のモーターの別の実施形態の、ステータとロータ配置の平面図である。
【図８】ロータが、半径方向のエアギャップを介して永久磁石ステータを取囲んでいる極の対の別個の電磁石群を備えている、本発明の代わりの実施形態を示す概略平面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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