(57)【要約】【課題】容易に停止状態から起動して効率的に運転可能な電動モータを提供する。【解決手段】電動モータ(10)は１次巻線を有するステータ(20)と、ステータ(20)内で回転可能に配置されたロータ(130a,b)を備える。ロータはシャフト(160)、第１磁気ロータ部材(140)、及び第２磁気ロータ部材(150)を備え、各磁気ロータ部材(140,150)は第１極性(43,43’,53,53’)の磁極と第２極性(47,47’,57,57’)の磁極とを有する。第１及び第２ロータ部材(140,150)の少なくとも一方は誘導渦電流を伝動する構造(35)を更に有する。第２磁気ロータ部材(150)は第１磁気ロータ部材(140)に対してシャフト(160)廻りに、低磁束位置から高磁束位置まで回動可能である。モータ(10)はロータ(130a,b)が静止状態にあるときには第２磁気ロータ部材(150)が上記低磁束位置にあり、ロータ(130a,b)が作動速度で回転しているときには第２磁気ロータ部材(150)が高磁束位置にあるように構成される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次巻線を有するステータと、
上記ステータ内で回転可能に配置され、シャフト、第１磁気ロータ部材、及び第２磁気ロータ部材を有したロータとを備えた電動モータであって、各磁気ロータ部材は第１極性の磁極と第２極性の磁極とを有し、上記第１及び第２ロータ部材の少なくとも一方は誘導渦電流を伝動する構造を更に有しており、上記第２磁気ロータ部材は上記第１磁気ロータ部材に対して上記シャフト廻りに、低磁束位置から高磁束位置まで回動可能であって、上記ロータが静止状態にあるときには上記第２磁気ロータ部材が上記低磁束位置にあり、上記ロータが作動速度で回転しているときには上記第２磁気ロータ部材が上記高磁束位置にあることを特徴とする電動モータ。
【請求項２】
上記第１ロータ部材の上記第１極性の磁極は、上記高磁束位置にある上記第２ロータ部材の上記第１極性の磁極に対し、電磁的に４５°未満の角度をなすことを特徴とする請求項１に記載の電動モータ。
【請求項３】
上記第１ロータ部材の上記第１極性の磁極は、上記高磁束位置にある上記第２ロータ部材の上記第１極性の磁極に対し、電磁的に１°未満の角度をなすことを特徴とする請求項２に記載の電動モータ。
【請求項４】
上記第１ロータ部材の上記第１極性の磁極は、上記高磁束位置にある上記第２ロータ部材の上記第２極性の磁極に対し、電磁的に４５°未満の角度をなすことを特徴とする請求項１に記載の電動モータ。
【請求項５】
上記第１ロータ部材の上記第１極性の磁極は、上記高磁束位置にある上記第２ロータ部材の上記第２極性の磁極に対し、電磁的に１°未満の角度をなすことを特徴とする請求項４に記載の電動モータ。
【請求項６】
上記第２磁気ロータ部材は、上記ロータが作動速度に達すると上記高磁束位置となることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電動モータ。
【請求項７】
上記第２磁気ロータ部材は、上記第１磁気ロータ部材に対する位置が上記低磁束位置と上記高磁束位置との間となる位置で拘束可能であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の電動モータ。
【請求項８】
上記第２磁気ロータ部材は、遠心機構により上記第１磁気ロータ部材に対して回動されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の電動モータ。
【請求項９】
上記遠心機構は、上記第１及び第２磁気ロータ部材の一方に対して固定の位置に装着されたラッチと、上記第１及び第２磁気ロータ部材の他方に対して固定の位置に配設された溝とを備え、更に、上記溝の内側縁部につながる内側溝と、上記溝の外側縁部につながる外側溝とを備え、上記内側溝及び外側溝は互いに周方向に位置がずれていて、上記ラッチを受け止めるように配置されており、起動時には上記ラッチが上記第２磁気ロータ部材を上記低磁束位置で固定し、所定速度では上記ロータが速度を変化させるのに従い上記ラッチが上記内側溝と上記外側溝との間を移動すると共に、上記ラッチの周方向への移動が上記第２磁気ロータ部材を回動させ、上記第１磁気ロータ部材に対して上記第２磁気ロータ部材を上記高磁束位置で固定することを特徴とする請求項８に記載の電動モータ。
【請求項１０】
上記第２磁気ロータ部材は、制御モータにより上記第１磁気ロータ部材に対して回動されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の電動モータ。
【請求項１１】
上記第２磁気ロータ部材は、上記ロータが所定の角速度に達したときに上記第１磁気ロータ部材に対して回動されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の電動モータ。
【請求項１２】
上記第１磁気ロータ部材は上記ロータのシャフトに固定され、上記第２磁気ロータ部材が上記シャフトに対して回動することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の電動モータ。
【請求項１３】
上記第２磁気ロータ部材は上記ロータのシャフトに固定され、上記第１磁気ロータ部材が上記シャフトに対して回動することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の電動モータ。
【請求項１４】
上記第１磁気ロータ部材又は上記第２磁気ロータ部材は、上記第１極性の複数の磁極と上記第２極性の複数の磁極とを有することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の電動モータ。
【請求項１５】
上記第１磁気ロータ部材及び上記第２磁気ロータ部材はそれぞれ、上記第１極性の複数の磁極と上記第２極性の複数の磁極とを有することを特徴とする請求項１４に記載の電動モータ。
【請求項１６】
多相交流電源から電力供給されることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれかに記載の電動モータ。
【請求項１７】
単相交流電源から電力供給されることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれかに記載の電動モータ。
【請求項１８】
請求項１乃至１７のいずれかに記載の電動モータを備えた機械装置。
【請求項１９】
１次巻線を有するステータと、上記ステータ内で回転可能に配置され、シャフト、第１磁気ロータ部材、及び第２磁気ロータ部材を有したロータとを作動させる電動モータの作動方法であって、各磁気ロータ部材は第１極性の磁極と第２極性の磁極とを有し、上記第１及び第２ロータ部材の少なくとも一方は誘導渦電流を伝動する構造を有しており、上記第２磁気ロータ部材を、上記第１磁気ロータ部材に対して低磁束位置から高磁束位置まで上記シャフト廻りに回動させ、上記ロータが上記ステータに対して静止状態にあるときには上記第２磁気ロータ部材を上記低磁束位置とし、上記ロータが作動速度で回転しているときには上記第２磁気ロータ部材を上記高磁束位置とすることを特徴とする電動モータの作動方法。
【請求項２０】
上記第２磁気ロータ部材は、上記ロータが上記ステータに対して所定の角速度に達すると上記高磁束位置に回動されることを特徴とする請求項１９に記載の電動モータの作動方法。
【請求項２１】
上記第２磁気ロータ部材は、上記第１磁気ロータ部材に対する位置が上記低磁束位置と上記高磁束位置との間となる位置まで回動されて拘束されることを特徴とする請求項１９又は２０に記載の電動モータの作動方法。
【請求項２２】
上記第２磁気ロータ部材が回動されることにより電動モータの磁界制御を行い、上記モータの要求供給電圧或いは出力を変更するようにしたことを特徴とする請求項１９乃至２１のいずれかに記載の電動モータの作動方法。
【請求項２３】
第１極性の磁極と第２極性の磁極とを有した第２磁気ロータ部材を、上記第１極性の磁極と上記第２極性の磁極とを有した第１磁気ロータ部材に対して回動することにより、電動機を停止させるようにしたことを特徴とする電動機の停止方法。
【請求項２４】
障害の発生に応じて上記電動機を停止させることを特徴とする請求項２３に記載の電動機の停止方法。
【請求項２５】
上記電動機は発電機であることを特徴とする請求項２３又は２４に記載の電動機の停止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電動機に関し、特に電動モータ及び発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、第１界磁永久磁石と、上記第１界磁永久磁石に対して回動可能に設けられた第２界磁永久磁石とからなる界磁永久磁石を有したローターを備える同期モータについて記載している。これらのローター磁石は、一直線に配列されることにより、低回転時に強力な磁界を得て大きなトルクを発生させ、高回転時には配列をずらすことにより弱い磁界を得るようにしている。
【特許文献１】米国特許第５，８２１，７１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
永久磁石を有するロータを備えた同期モータは、誘導モータに比べて起動が比較的難しい。これに対し、巻線形又はかご形ロータを備えた誘導モータは、永久磁石界磁式同期モータに比べて比較的起動が容易であるものの運転時の効率が悪い。複合永久磁石式誘導モータは先行技術として知られており、そのようなモータのロータは、永久磁石とかご形導体又は巻線形導体の両方を備えている。しかしながらそのようなモータの設計は、磁石を用いずに起動時に大きなトルクを得るようにした特性と、強力な磁石により作動速度において大きなトルクを得るようにした特性との間で妥協したものとなる。
【０００４】
発明者らは、第２界磁永久磁石に対して回転可能な第１界磁永久磁石を有するローターの、自己始動型（line-start）複合永久磁石式誘導モータ技術への重要且つ新たな応用を実現した。また、発明者らはそのようなローターの発電機技術への応用も実現した。
本発明の目的は、先行技術の自己始動型複合永久磁石式誘導モータよりも容易に停止状態から起動すると共に、より効率的に同期運転可能な改善された電動モータを提供することにある。本発明のもう１つの目的は、ステータに短絡が生じた場合に、磁界を減少させて機器に対する損傷を防止するような手段を備えた発電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、
１次巻線を有するステータと、
上記ステータ内で回転可能に配設され、シャフト、第１磁気ロータ部材、及び第２磁気ロータ部材を有したロータとを備えた電動モータであって、各磁気ロータ部材は第１極性の磁極と第２極性の磁極とを有し、上記第１及び第２ロータ部材の少なくとも一方は誘導渦電流を伝動する構造を更に有しており、上記第２磁気ロータ部材は上記第１磁気ロータ部材に対して上記シャフト廻りに、低磁束位置から高磁束位置まで回動可能であって、上記ロータが静止状態にあるときには上記第２磁気ロータ部材が上記低磁束位置にあり、上記ロータが作動速度で回転しているときには上記第２磁気ロータ部材が上記高磁束位置にあることを特徴とする電動モータを提供する。
【０００６】
本発明は、このようにして自己始動型永久磁石式誘導同期モータを提供する。本発明による電動モータは、磁気ロータ部材が低磁束位置にあることにより磁界が部分的或いは完全に打ち消されるときには、（同期モータより起動が容易な）誘導モータとして作動し、磁気ロータ部材が高磁束位置にあるときには、（誘導モータより効率的な）永久磁石式同期モータとして作動する。本発明は、第１及び第２磁気ロータ部材による磁界を減少或いは打ち消すことにより、電動機を単純な誘導モータのように起動可能とする機械的方法をこのようにして提供する。
【０００７】
このような装置は、可変周波数電源を必要とすることなく広い範囲の設備において高効率の装置の設置又は高効率の装置への改装を可能とする。本発明は誘導モータ設備の効率を上昇させるために用いられても良い。先行技術の装置に比べて高効率な作動は使用者の目標エネルギ効率を満たす上での助力となりうる。
誘導渦電流を伝動するための構造は、例えばかご形導体、ロータ巻線、鉄製シリンダ、或いはシリンダに装着された導電性シートであっても良く、適合する構造は公知である。第１及び第２磁気ロータ部材が共に、誘導渦電流を伝動するための構造を有していても良い。
【０００８】
第１及び第２磁気ロータ部材とステータとは、ステータとこれら磁気ロータ部材との間のエアギャップを横切る磁束の主要な方向がシャフトの径方向となるように配置されているか、或いは第１及び第２磁気ロータ部材とステータとは、第１及び第２磁気ロータ部材とステータとの間のエアギャップを横切る磁束の主要な方向がシャフトの軸線方向となるように配置される。
【０００９】
径方向磁束配置の場合、第１ロータ部材の第１極性の磁極は、高磁束位置にある第２ロータ部材の第１極性の磁極に対して電磁気的に４５°未満の角度をなすものであっても良く、この角度は、電磁気的に３０°未満、１０°未満、或いは５°未満が好ましく、１°未満であればより好ましい。更にまた、第１ロータ部材の第１極性の磁極は、低磁束位置にある第２ロータ部材の第２極性の磁極に対し電磁気的に４５°未満の角度をなすものであっても良く、この角度は、電磁気的に３０°未満、１０°未満、或いは５°未満が好ましく、１°未満であればより好ましい。
【００１０】
軸線方向磁束配置の場合、第１ロータ部材の第１極性の磁極は、高磁束位置にある第２ロータ部材の第２極性の磁極に対して電磁気的に４５°未満の角度をなすものであっても良く、この角度は、電磁気的に３０°未満、１０°未満、或いは５°未満が好ましく、１°未満であればより好ましい。更にまた、第１ロータ部材の第１極性の磁極は、低磁束位置にある第２ロータ部材の第１極性の磁極に対し電磁気的に４５°未満の角度をなすものであっても良く、この角度は、電磁気的に３０°未満、１０°未満、或いは５°未満が好ましく、１°未満であればより好ましい。
【００１１】
このように、第１及び第２磁気ロータ部材による磁界は、それぞれの配置において、（分離した磁気ロータ部材による磁界が低磁束配置で部分的或いは完全に打ち消されて）低い磁界或いは実質的に磁界のない状態から（分離した磁気ロータ部材による磁界が高磁束配置で統合して作用して）最大となる状態まで変更されるようにしても良い。
電動機は、ロータが作動速度に達すると、第２磁気ロータ部材が高磁束位置となるように構成されても良い。
【００１２】
第２磁気ロータ部材は、第１磁気ロータ部材に対する位置が低磁束位置と高磁束位置との間となる位置で拘束可能としても良い。このように、第２磁気ロータ部材の磁界が第１磁気ロータ部材の磁界を部分的に打ち消すような中間位置で第２磁気ロータ部材を拘束することにより、第１及び第２磁気ロータ部材による磁界を制御するようにしても良い。
第２磁気ロータ部材は、遠心機構により第１磁気ロータ部材に対して回動させたり、所定位置に固定させたりしても良い。この遠心機構は、適合するどのような形式のものでも良い。例えば遠心機構は、第１及び第２磁気ロータ部材の一方に対して固定の位置に装着されたラッチと、第１及び第２磁気ロータ部材の他方に対して固定となる位置に配設された溝とを備え、更に、上記溝の内側縁部につながる内側溝と、上記溝の外側縁部につながる外側溝とを備え、上記内側溝及び外側溝は互いに周方向で位置がずれていて、上記ラッチを受け止めるように配置されており、起動時には上記ラッチが第２磁気ロータ部材を上記低磁束位置で固定し、所定速度では上記ロータが速度を変化させるのに従い上記ラッチが内側溝と外側溝との間を移動すると共に、上記ラッチの周方向への移動が上記第２磁気ロータ部材を回動させ、上記第１磁気ロータ部材に対して上記第２磁気ロータ部材を上記高磁束位置で固定するようにしても良い。
【００１３】
これに代えて、例えば制御モータ（或いは操作用モータ）のような別の適切な手段により、第２磁気ロータ部材を第１磁気ロータ部材に対して回動させるようにしても良い。
第２磁気ロータは、ロータが所定の角速度に達したときに第１磁気ロータ部材に対して回動されるようにしても良い。上記所定角速度は、例えば予め定められた固定速度であっても良いし、検出された状態に応じて選択された速度であっても良い。従って角速度は、例えばその選択が自動的に制御されるような連続可変角速度であっても良い。第２磁気ロータ部材は第１磁気ロータ部材に対し、検出された状態に応じて変化する量だけ回動するようにしても良い。第１及び第２ロータ部材は、検出された状態に応じて連続的にその相対位置を変更するようにしても良い。
【００１４】
第１磁気ロータ部材はロータのシャフトに固定され、第２磁気ロータ部材がシャフトに対して回転するようにしても良い。
また、第２磁気ロータ部材がロータのシャフトに固定され、第１磁気ロータ部材がシャフトに対して回転するようにしても良い。
第１磁気ロータ部材又は第２磁気ロータ部材は、第１極性の複数の磁極と第２極性の複数の磁極とを有するようにしても良く、これらは回転方向において順番に配列される。第１及び第２磁気ロータ部材はそれぞれ、第１極性の複数の磁極と第２極性の複数の磁極とを有するようにしても良い。
【００１５】
径方向磁束配置の場合、第１磁気ロータ部材は第２磁気ロータ部材に対して軸線方向に近接して配置されるようにしても良い。第１磁気ロータ部材は、第２磁気ロータ部材と少なくとも部分的に重なり合うようにしても良いし、これらのロータ部材が軸線方向に分離していても良い。
モータは、３相交流電源のような多相交流電源により電力が供給されるようにしても良い。
【００１６】
モータは、単相交流により電力が供給されるようにしても良い。
また、本発明によって、このような電動モータを備えた機械装置が提供される。
また、本発明により、
１次巻線を有するステータと、上記ステータ内に回転可能に配置され、シャフト、第１磁気ロータ部材、及び第２磁気ロータ部材を有したロータとを作動させる電動モータの作動方法であって、各磁気ロータ部材は第１極性の磁極と第２極性の磁極とを有し、上記第１及び第２ロータ部材の少なくとも一方は誘導渦電流を伝動する構造を有しており、上記第２磁気ロータ部材を、上記第１磁気ロータ部材に対して低磁束位置から高磁束位置まで上記シャフト廻りに回動させ、上記ロータが上記ステータに対して静止状態にあるときには上記第２磁気ロータ部材を上記低磁束位置とし、上記ロータが作動速度で回転しているときには上記第２磁気ロータ部材を上記高磁束位置とすることを特徴とする電動モータの作動方法が提供される。
【００１７】
上記方法は、永久磁石式自己始動型誘導／同期モータが単純な誘導モードで起動し、その後に同期することを可能とし、高効率の運転とエネルギ消費の低減を可能とする。
上記第２磁気ロータ部材は、ロータがステータに対して所定の角速度に達したときに高磁束配置に回動されるようにしても良い。
上記第２磁気ロータ部材は、上記第１磁気ロータ部材に対する位置が、上記低磁束配置と、上記第２磁気ロータ部材の上記第１極性の磁極が上記第１磁気ロータ部材の上記第１極性の磁極と一直線に並ぶ上記高磁束配置との間となる位置まで回動されて拘束されるようにしても良い。
【００１８】
電動モータの上記作動方法において、上記第２磁気ロータ部材が回動されることにより電動モータの磁界制御を行い、上記モータの要求供給電圧を変更するようにしても良い。先行技術の直流モータは可変出力を容易に得ることができるが、ブラシのような部品に著しい機械的摩耗を生じるという欠点がある。先行技術の交流モータにおける可変出力は、高価な電力機器を用いて実施しなければならない。本発明は、交流モータから可変出力を得るための比較的安価な手段を提供する点で有効である。
【００１９】
また本発明により、ステータと、上記ステータ内に回転可能に配設されたロータとを備えた電動機であって、上記ロータが、第１極性の磁極と第２極性の磁極とを有した第１磁気ロータ部材と、第１極性の磁極と第２極性の磁極とを有した第２磁気ロータ部材とを備え、上記第２磁気ロータ部材が、上記第１磁気ロータ部材に対して回動可能である電動機が提供される。
【００２０】
また本発明により、ステータと、上記ステータ内に回転可能に配設されたロータとを設け、上記ロータが、第１極性の磁極と第２極性の磁極とを有した第１磁気ロータ部材と、第１極性の磁極と第２極性の磁極とを有した第２磁気ロータ部材とを備えており、上記第２磁気ロータ部材を上記第１磁気ロータ部材に対して回動させるようにした電動機の作動方法が提供される。
【００２１】
本発明による電動モータについて上述した特徴の多くは、発電機にも適用可能であることは当業者にとって明らかであろう。
永久磁石式発電機における問題点は、例えばステータ巻線に短絡などのような障害が生じたときに磁界を遮断することができないことにある。機械力の供給源を速やかに遮断することができなければ、結果的に危険な状態が発生する可能性がある。本発明の第２の特徴によれば、第１極性の磁極と第２極性の磁極とを有した第２磁気ロータ部材を、上記第１極性の磁極と上記第２極性の磁極とを有した第１磁気ロータ部材に対して回動させることにより、電動機の磁界を遮断する方法が提供される。上記電動機は障害の発生に対応して発電停止されるのが好ましい。上記電動機は発電機であるのが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下の添付図面を参照し、一例として発明の実施形態についてこれより説明する。
図６の電動機１０はステータ２０とロータ３０とを備えている。公知の通り、電動機がモータとして作動する場合、ステータに電力が供給され、この技術分野で公知の方法により回転磁界を生じさせる。ステータの回転磁界はロータを回転させ、有用な仕事量を生み出す。電動機が発電機として作動する場合、ロータは外部の機械力供給源によって回転され、ステータに電力が発生する。
【００２３】
図６の実施形態において、端的に言えば、ロータ３０は通常のかご形導体の構造を利用しているが、永久磁石が埋設或いは表面に装着されている。ロータは２つの部材に分かれており、一方はシャフトに恒久的に固定され、他方は軸方向には固定されているものの、電磁的に±１８０°の限定された角度でシャフト上を回動可能となっている。静止状態では、機構がロータの２つの部材を互いに電磁的に１８０°となる位置に保持し（図１）、これは永久磁石４０及び５０の磁界が打ち消し合おうとすることを意味する。従って、ステータ２０に電力が供給されると、電動機は通常の誘導モータとして作動し、通常の方法によって起動する。同期速度より低い速度では、上記機構がロータの可動部分を開放し、この可動部分は、その永久磁石がステータの回転磁界と相互作用することに起因する正又は負のトルクと、ステータの回転磁界によってかご形導体に誘起される電流に起因する正のトルクを受ける。ロータ可動部分の慣性は比較的小さいので、ステータ磁界はロータ可動部分をロータ固定部分に対し回転方向に移動させる。ロータ３０が高磁束位置に移動したとき（図２）、上記機構はロータ固定部分に対するロータ可動部分の位置を固定する。このとき電動機は永久磁石式同期電動機として作動し、通常の方法によりステータの移動磁界に同期する。上記機構は電動機と一体であっても良いし、（例えば図３及び４に示すように）本体ハウジングの外側にあっても良く、（例えば遠心力により）自動的に作動するようにしても良いし、何らかの外部制御によって作動するようにしても良い。
【００２４】
別の実施形態において、磁石の回動機構は、２つのロータ部材の相対位置を（例えば制御モータを使用して）電磁的に０°から１８０°にわたって、即ち図１に示される位置と図２に示される位置との間で変更することにより、ほぼ励磁なしの状態から最大励磁状態まで変更するような電動機の励磁の制御に使用されるようにしても良い。
これより実施形態について、より詳細に説明する。図６の電動機１０において、ロータ３０は、誘導渦電流を伝動する構造を、本技術分野において公知であるかご形導体３５の形で備えており、このかご形導体３５の内側には、シャフト６０に装着された１対の磁石組立体、即ち磁気ロータ部材４０及び５０が設けられている（図１及び２、但し図の明瞭化のためかご形導体３５は示されていない）。ロータ部材４０及び５０のそれぞれは２つのＮ極４３，４３’，５３，５３’及び２つのＳ極４７，４７’，５７，５７’を備えており、各ロータ部材内の同じ磁極が、シャフト６０を挟んで対向するように配置されている。ロータ部材４０及び５０は実質的に円筒状であって永久磁石材を含んでおり、この永久磁石材は公知の方法によって円筒表面に装着されるようにしても良いし、円筒内に埋設されるようにしても良い。
【００２５】
第１磁気ロータ部材４０はシャフト６０に固定される。第２磁気ロータ部材５０はシャフト６０に対してその軸線方向の位置が固定されるものの、シャフト６０廻りに回動可能となっている。具体的には、第１ロータ部材のＮ極４３及び４３’が第２ロータ部材のＳ極５７及び５７’と一直線に並んだ（従って、図１のようにＳ極４７及び４７’がＮ極５３及び５３’と一直線に並んだ）「非整列」の低磁束位置から、第１ロータ部材のＮ極４３及び４３’が第２ロータ部材のＮ極５３及び５３’と一直線に並んだ（従って、図２のようにＳ極４７及び４７’がＳ極５７及び５７’と一直線に並んだ）「整列」した高磁束位置まで回動可能となっている。
【００２６】
電動機１０がモータとして作動する場合、最初は磁気ロータ部材４０及び５０が図１に示すような非整列位置にある。磁極４３，４３’，５３，５３’，４７，４７’，５７及び５７’は非整列となっているので、磁気ロータ部材４０及び５０によって生じる磁界は実質的に打ち消され、ロータ３０は実質的に磁性を帯びていないような状態で作動する。このときモータ１０は単純な誘導モータであるかのように作動する。特に、固定のロータ磁石を有する単純な同期モータでは必ずしも可能とはならないモータの起動と初期段階の回転上昇が誘導によって容易に行われる。
【００２７】
ロータが所定の角速度に達すると、第２ロータ部材５０がロータ部材４０に対し高磁束位置まで回動する。この配置では、ロータ部材４０及び５０は単一の大きい磁石として効果的に機能する。このときモータ１０は、単純な同期モータであるかのように作動する。特に、その通常の運転作動は、ロータ磁石を有していない単純な誘導モータの運転作動よりもはるかに効率的である。また、モータ１０は、一般的に起動時の磁石のない状態と最高速度での強力な磁石となる状態との間の妥協点として選択された大きさの磁石を有する先行技術の自己起動型複合永久磁石式誘導モータよりもはるかに容易に起動可能である。
【００２８】
低磁束位置では、第１及び第２ロータ部材からステータに至る磁極毎の正味の磁束が比較的低く、高磁束位置では、第１及び第２ロータ部材からステータに至る磁極毎の正味の磁束が比較的高い。磁極毎の正味の磁束は全磁界の総和であり、この総和は電動機の１つの磁極全体に対して適用される。
また、モータ１０は可変出力を供給するように用いられても良い。磁気ロータ部材４０に対して、図１の非整列位置と図２の整列位置との間の位置に磁気ロータ部材５０を回動することにより、ロータとステータとの結合度合いを制御するようにしても良い。
【００２９】
同様に、電動機１０が発電機として作動している場合には、磁気ロータ部材５０を回動させることによって、回転するロータ３０によるステータ２０の起電力を変化させることができる。
発明者らは本発明の一実施形態として試作機を作成した。本発明に関わる試作機の部分は図３乃至５に示されている。
【００３０】
図３にはロータ１３０ａ及び１３０ｂが示されている。ロータ１３０ａ及び１３０ｂは、シャフト１６０と、シャフト１６０の外側に適合するように設けられたスリーブ１７０とを備えている。シャフト１６０には第１磁気ロータ部材１４０が固定されている。スリーブ１７０には第２磁気ロータ部材１５０が装着されている。第２磁気ロータ部材１５０は遠心スイッチ１８０を用いることにより第１磁気ロータ部材に対して回動される。
【００３１】
（注：スイッチ１８０は、試作機への接触を容易にするため磁気ロータ部材１５０の外側に設けられている。これに代わる実施形態では、スリーブ１７０を短縮して磁気ロータ部材１５０内にスイッチ１８０を配置するようにしても良い。）
図４にはスイッチ１８０の部分が詳細に示されている。スイッチ１８０はスリーブ１７０に固定されたフェースプレート３００を備えている。プレート３００の周縁に近いプレート３００の端部近傍にはラッチ１９０及び１９０’がそれぞれ枢支され、ラッチ１９０はスリーブ１７０に対してラッチ１９０’の反対側に枢支されている。ラッチ１９０及び１９０’の末端部には、ピン２２０及び２２０’で固定されたスプリング２００及び２００’によりスリーブ１７０の方に向けて力が作用している。それぞれのラッチ１９０及び１９０’はピン１９５及び１９５’を有している。
【００３２】
フェースプレート３００は、シャフト１６０に固定された溝プレート３０５と係合している（図５）。溝プレート３０５は、環状溝３１０、内側溝３２０及び３２０’、並びに外側溝３３０及び３３０’を有している。内側溝３２０及び３２０’は溝３１０の内側側壁とつながっており、外側溝は溝３１０の外側側壁とつながっている。内側溝３２０は、シャフト１６０に対して内側溝３２０’とは反対側に配置され、外側溝３３０は、シャフト１６０に対して外側溝３３０’とは反対側に配置されている。試作機において、内側溝３２０及び３２０’は外側溝３３０及び３３０’を通る線に対して８３°の角度をなす線上に配置されている。
【００３３】
誘導モータとして使用する場合、ロータ１３０ａ及び１３０ｂが静止状態にあるときには、ピン１９５及び１９５’が溝３２０及び３２０’にそれぞれ係合している。ロータ１３０ａ及び１３０ｂが回転を開始すると、ラッチ１９０及び１９０’は、径方向外方に作用する遠心力を受ける。所定の角速度（試作機では作動速度が約１５００ｒｐｍ、上記所定角速度が約１４００ｒｐｍである）において、ピン１９５及び１９５’は溝３２０及び３２０’から解放される。ロータスリーブ組立体１３０ｂは比較的小さい慣性を有しているので、ロータシャフト組立体１３０ａに対して回動する。ピン１９５及び１９５’は溝３１０内でガイドされる。ロータスリーブ組立体は、図２の並列配置が達成されるまで回動し、図２の並列配置が達成されると、スリーブの回動はフェースプレート３００の端部２１０によって停止される。このときピン１９５及び１９５’は外側溝３３０及び３３０’と係合する。
【００３４】
本発明の別の実施形態（図８）において遠心スイッチ１８０は、ロータ５００が所定の角速度に達したときに第２磁気ロータ部材５０５を回動させる制御モータ５０２に置き換えられている。上述されたような遠心スイッチは、比較的低コストのモータ或いは発電機での使用に特に適しているものと考えられ、そのようなモータ或いは発電機においては、制御モータが全コストに大きな割合を占めることになる。制御モータのコストがさほど問題とならないような高コストの装置においては、もちろん適切な機構であればどのようなものでも使用可能ではあるが、制御モータの使用が好ましい。
【００３５】
図７には本発明の軸方向磁束型の実施形態の概略が示されている。磁気ロータ部材４４０には、かご形導体又は巻線が装着されると共に、ロータ部材４４０の表面にＮ極を有する２つの表面装着磁石４４３及び４４３’と、ロータ部材４４０の表面にＳ極を有する２つの表面装着磁石４４７（２つ目は図７中には見えない）が装着されている。同様に、磁気ロータ部材４５０には、かご形導体又は巻線が装着されると共に、ロータ部材の表面にＮ極を有する２つの表面装着磁石４５３（２つ目は図７中には見えない）と、ロータ部材４５０の表面にＳ極を有する２つの表面装着磁石４５７及び４５７’とが装着されている（代わりに、ロータ部材４４０或いは４５０が、埋設された永久磁石を有するようにしても良い）。ロータ部材４４０の磁極とロータ部材４５０の磁極との間の磁束は、軸４６０と並行になってステータ４２０と相互に作用する。
【００３６】
第１磁気ロータ部材４４０はシャフト４６０に固定されている。第２磁気ロータ部材４５０はシャフト４６０に対しその軸線方向の位置が固定されているが、低磁束位置、即ち第１磁気ロータ部材に対して整列した位置まで、シャフト４６０廻りに回動可能となっている。ステータ４２０はロータ部材４４０及び４５０より大きい穴を有することにより、シャフトと完全に離間している。この実施形態における回動及び係合の方法は、図６の径方向磁束型の実施形態と同一である。別の実施形態では、制御モータのような別の機構が用いられる。
【００３７】
図７には高磁束位置にある軸方向磁束型電動機が示されており、ロータ部材４５０のＮ極とロータ部材４４０のＳ極とが対向している。低磁束位置では、ロータ部材４５０のＮ極がロータ部材４４０のＮ極と対向する（これは図１及び２に示す径方向磁束型電動機とは逆の方法となる）。
別の実施形態（図８）では、制御モータが使用され、完全に配列された位置から全く配列されていない位置までの間のいかなる角度にも磁気ロータ部材が移動される。制御モータ５０２は、ピボット５０３廻りにレバーアーム５０４を移動させる親ネジ（lead screw）機構５０１を回転させる。レバーアーム５０４の端部はスラストベアリング５０９を介して可動スラストスリーブ５０７に取り付けられている。スラストベアリング５０９はレバーアーム５０４に対してスラストスリーブ５０７が回動するのを許容する一方、スラストスリーブ５０７の軸線方向の位置を固定する。スラストスリーブ５０７は円筒形をなし、円筒の内面には、シャフト５０８の外面に設けられたスプライン５１２に適合するスプラインが設けられている。スプラインがシャフト５０８の軸線に平行となっていることによって、スラストスリーブ５０７はシャフト５０８の軸線方向に移動可能である一方、シャフト５０８に対して回動しないようになっている。スラストスリーブ５０７の外面にはねじ山５１３が設けられている。このねじ山は、磁気ロータ部材５０５の内側に形成されたねじ溝に適合することにより、スラストスリーブ５０７の軸線方向への移動が、磁気ロータ部材５０６に対する磁気ロータ部材５０５のシャフト廻りの回動を生じるようになっている。スラストベアリング５１０は磁気ロータ部材５０５の軸線方向の移動を妨げる一方、回動を許容する。スラストベアリング５１１及び５１１’は、通常の方法によりモータフレーム（図示せず）内でシャフト５０８が回転するのを許容する一方、軸線方向への移動を抑制する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】低磁束位置にある磁気ロータ部材を有したロータの図である。
【図２】高磁束位置にある磁気ロータ部材を有したロータの図である。
【図３】ロータを部分的に分解した図である。
【図４】図３のロータに用いられる遠心ラッチ機構の部分を示す図である。
【図５】図４の遠心ラッチ機構の別の部分を形成する溝プレートを示す図である。
【図６】本発明による径方向磁束型モータ及び発電機の概略図である。
【図７】本発明による軸方向磁束型モータ及び発電機の概略図である。
【図８】磁気ロータ部材の回動が制御モータによって制御されるようにした、本発明の別の実施形態の概略図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  電動機
２０，４２０  ステータ
３０，１３０ａ，１３０ｂ，５００  ロータ
３５  かご形導体
４０，１４０，４４０，５０６  第１磁気ロータ部材
５０，１５０，４５０，５０５  第２磁気ロータ部材
６０，１６０，４６０，５０８  シャフト
１８０  遠心スイッチ（遠心機構）
１９０，１９０’  ラッチ
３１０  環状溝（溝）
３２０，３２０’  内側溝
３３０，３３０’  外側溝
５０２  制御モータ
【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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