(57)【要約】  固定された径方向空隙を持つブラシレス永久磁石電気装置が、有効な磁極強度を減少させることにより、通常の最大スピードよりもはるかに速い速度で運転される。永久磁石は、軸方向に移動自在な円筒状シェルの内表面上に支持される。複数の磁極はワイヤコイルにより形成され、静止状態の円筒状部材に支持される。永久磁石は、前記軸方向に移動自在な円筒状部材上の永久磁石に対して協働することで、前記軸方向に移動自在な円筒状シェルの回転を引き起こし、または、同円筒状シェルの回転に対して反応する。前記軸方向に移動自在な円筒状シェル及び前記円筒状部材は同軸である。前記円筒状シェルは、前記円筒状部材に対して軸方向に移動可能である。
2007513593.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央軸、内側円筒状表面、及び、外側円筒状表面を備えた第１の円筒状部材と、各々その周囲に巻かれたワイヤコイルにより形成され前記第１の円筒状部材の前記外側円筒状表面から外側に延在する複数の磁極と、
中央軸、内側円筒状表面、及び、外側円筒状表面を備えた第２の円筒状部材と、前記第２の円筒状部材の内側円筒状表面に対して組み付けられた複数の永久磁石とを備え、前記第２の円筒状部材は前記第１の円筒状部材を取り囲んでいることにより前記複数の磁極及び複数の永久磁石が互いに径方向に沿って近接位置かつ間隔を隔てて配置され、前記第２の円筒状部材の中央軸と前記第１の円筒状部材の中央軸とが一致して共通中央軸を規定し、
さらに、該共通軸に同軸の回転軸と、
前記第２の円筒状部材を前記第１の円筒状部材に対して前記共通中央軸に沿って移動させる手段と、
を備えたブラシレス永久磁石電気機械。
【請求項２】
前記第１及び第２の円筒状部材を収容するハウジングをさらに備え、前記回転軸は、前記ハウジングに対して回転自在に組み付けられ、前記第１の円筒状部材は、前記ハウジング内部の定位置に保持され、前記第２の円筒状部材は、前記ハウジングの内部で前記共通中央軸周りに回転自在であるとともに該ハウジングの内部で軸方向に移動可能である、請求項１に記載のブラシレス永久磁石電気機械。
【請求項３】
前記第２の円筒状部材は、前記回転軸に対して定速度リニア軸受により組み付けられている、請求項２に記載のブラシレス永久磁石電気機械。
【請求項４】
前記第２の円筒状部材を前記第１の円筒状部材に対して移動させる手段は、軸方向には固定され逆回転可能に回転されるネジ部材と、軸方向に移動可能であって回転が阻止されているネジ部材とを含む、互いに協働するネジ部材を備える、
請求項１に記載のブラシレス永久磁石電気機械。
【請求項５】
前記軸方向に固定され逆回転可能に回転されるネジ部材を回転させるモータをさらに備えた請求項４に記載のブラシレス永久磁石電気機械。
【請求項６】
前記第２の円筒状部材を前記第１の円筒状部材に対して移動させる手段は、アクチュエータに組み付けられたプッシュロッドにより構成された、請求項１に記載のブラシレス永久磁石電気機械。
【請求項７】
前記プッシュロッドはスラスト軸受を介して前記回転軸に対して組み付けられている、請求項６に記載のブラシレス永久磁石電気機械。
【請求項８】
前記アクチュエータはリニアアクチュエータにより構成された、請求項６に記載のブラシレス永久磁石電気機械。
【請求項９】
前記第１の円筒状部材は固定子により構成され、前記永久磁石電気機械はモータにより構成された、請求項１に記載のブラシレス永久磁石電気機械。
【請求項１０】
前記永久磁石電気機械は発電機及びオルタネータのうちの一つにより構成された、請求項１に記載のブラシレス永久磁石電気機械。
【請求項１１】
請求項１に記載のブラシレス永久磁石電気機械と、該ブラシレス永久磁石電気機械が駆動する車両との結合体。
【請求項１２】
前記車両は、複数の車輪と、これら車輪の少なくとも一つに対して組み付けられた請求項１に記載のブラシレス永久磁石電気機械とを有する、請求項１１に記載の結合体。
【請求項１３】
前記複数の車輪の各々に対して別個に組み付けられたブラシレス永久磁石電気機械により構成された、請求項１２に記載の結合体。
【請求項１４】
請求項１に記載のブラシレス永久磁石電気機械と、発電システムとの結合体であって、前記ブラシレス永久磁石電気機械は、発電機及びオルタネータのうちの一つにより構成された、
結合体。
【請求項１５】
前記発電システムは風力発電システムにより構成された、請求項１４に記載の結合体。
【請求項１６】
請求項１に記載のブラシレス永久磁石電気機械と船舶との結合体であって、前記ブラシレス永久磁石電気機械の前記回転軸は前記船舶の推進手段に組み付けられている、結合体。
【請求項１７】
前記船舶の前記推進手段はプロペラにより構成された、請求項１６に記載の結合体。
【請求項１８】
前記船舶は潜水可能な船舶により構成された、請求項１７に記載の結合体。
【請求項１９】
複数の車輪と、これら複数の車輪の少なくとも一つが組み付けられたハブモータとを備え、該ハブモータは、
中央軸、内側円筒状表面、及び、外側円筒状表面を備えた固定子と、各々その周囲に巻かれたワイヤコイルにより形成され前記固定子の前記外側円筒状表面から外側に延在する複数の磁極と、
中央軸、内側円筒状表面、及び、外側円筒状表面を備えた回転子と、該回転子の内側円筒状表面に対して組み付けられた複数の永久磁石とを備え、前記回転子は前記固定子を取り囲んでいることにより、前記複数の磁極及び複数の永久磁石が互いに径方向に沿って近接位置かつ間隔を隔てて配置され、前記回転子の中央軸と前記固定子の中央軸とが一致して共通中央軸を規定し、
さらに、該共通軸に同軸の回転軸と、
前記回転子を前記固定子に対して前記共通中央軸に沿って移動させる手段と、
を備えた自動車。
【請求項２０】
複数のハブモータを備え、二つ以上の複数車輪が前記複数のハブモータに対して各々個別に組み付けられている、請求項１９に記載の自動車。
【請求項２１】
前記固定子及び回転子を収容するハウジングをさらに備え、前記回転軸は、前記ハウジングに対して回転自在に組み付けられ、前記固定子は、前記ハウジング内部の定位置に保持され、前記回転子は、前記ハウジングの内部で前記共通中央軸周りに回転自在であるとともに該ハウジングの内部で軸方向に移動可能である、請求項１９に記載の自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に自動車の電気駆動システムに関する。詳細には、本発明は、自動車内でハブモータとして使用されるよう構成されたブラシレス永久磁石車輪モータの設計に関し、また、風力タービン発電システムや船舶用モータに使用可能なブラシレス永久磁石オルタネータの設計に関する。さらに詳細には、本発明は回転子／固定子または回転子／アーマチャの軸方向の整列位置を変動可能とするブラシレス永久磁石モータ及びオルタネータの設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題に対応するため、化石燃料の消費が少ない自動車を開発することが自動車業界の目標となっている。電気自動車は化石燃料を全く使用しないが、電気モータを自動車の駆動系に組み込むための設計に関して数々の不利な点を有する。この問題は完全に電化された電気自動車と、化石燃料エンジンと電気モータとを用いるハイブリッド車両の両方において生ずる。
【０００３】
従来の燃焼エンジンにより駆動される車両の設計と同様に、電気自動車と、特にハイブリッド車両とにおいては、力学的エネルギを電気モータから車両の車輪に対して分配するため、一般的に少なくとも一つ（二つの場合もある）の車軸を有する。モータ回転を車輪に対して伝達させる操作や、車両が角を曲がることができるように側方向に対向する車輪の相対的な回転速度を異ならせる操作、さらに、トラクションを失う車輪から回転力を移動させる操作を、滑らかかつ正確なパフォーマンスで確実に行なうため、減速及び差動ギアなどのパワートランスミッション装置と、ドライブシャフト等パワートランスミッション装置と車輪とを接続する付帯装置とを設ける必要がある。
【０００４】
パワートランスミッション装置及び付帯装置の搭載は、重量が増すだけではなく、パワートランスミッションの効率に影響を及ぼす。すなわち、車両のエネルギ消費を増大させ、航続距離を低下させる。完全に電化された電気自動車ではバッテリ容量に限界があるために本質的に航続距離が限られ、短い航続距離の問題が、電気自動車が一般に容易に受け入れられることを阻んでいる主な要素の一つとなっていることがよく知られている。
【０００５】
ダイレクトドライブタイプのモータ車輪では、減速及び差動ギアシステム及びドライブシャフト等の付帯装置が不要となる。したがって車両の重量が軽減すると共に効率も向上する。ダイレクトドライブタイプモータ車輪は二つに分類される。機械的にモータにインターロックされる車輪と、車輪にモータが組み込まれているものである。
【０００６】
ダイレクトドライブタイプモータ車輪は、各モータの操作を協働させるための電子制御システムが必要となる。しかしながら、制御は一般的に電子モータの特性の制限を受けるため、一般的に各モータに供給される電気エネルギを単に変動させる必要がある。
【０００７】
従来の永久磁石モータでは、基底速度と呼ばれるｒｐｍ限界まで出力トルクを高めることができる。基底速度ｒｐｍは、回転速度が上昇する際に「逆起電力」電気ポテンシャルを作り上げる永久磁石モータの現象により支配される。逆起電力はギャップ磁束密度、巻数、及び回転速度により支配される。永久磁石モータの回転速度が上昇する際に、供給電圧と等しくなるまで逆起電力が作り上げられる。逆起電力が供給電力と等しくなると、永久磁石モータはそれ以上速く運転しない。この逆起電力ｒｐｍの制限特性は、直巻電気モータで一般的な過速度によるダメージから永久磁石モータを保護する。また、永久磁石モータを保護する逆起電力基底速度特性は同時にダイナミックｒｐｍレンジを制限する傾向がある。
【０００８】
停止状態または低速度から加速するため、多くの電気自動車は、高トルクに設定された固定減速駆動比を持つ。そのような設定は、慣性に対抗するために必要な高トルクを生み出すものの、遅い基底速度と限られた最高速度という結果を生んでしまう。低速度定トルク運転に加え、多くの自動車にとって、低いトルク条件で加速できる高い範囲での定出力を持つことが望ましい。
【０００９】
ブラシレス永久磁石電気機械または他のモータタイプを基底速度を超えて運転するための手段がある。これら手段は電気的手段または機械的手段として広く分類される。
【００１０】
速度を電気的に向上させる手段または磁束を変動させる手段としては、追加的な相コイルの高電流スイッチングまたは相コイルの接続経路の切り替えが含まれる。このようなコネクタのコスト及び接触消耗は、耐久性の高いブラシレスモータの利点を無効にしてしまう。固定子磁束を減少させて速度を上げるために補助的な弱め磁束コイルも用いられている。この場合には、一般的に接触子が必要であるとともに固定子内の熱効果を増大させてしまう。また、駆動電流または電圧の波形整形とパルス角を変動させることにより、高速度運転を達成することができる他の手段もある。
【００１１】
他の既知の手段として、高モータ速度を達成するために供給電圧を上げるＤＣ／ＤＣ増幅器回路の使用が挙げられる。この方法ではシステムコストが増大すると共に信頼性と効率性が低下する。このようなモータの基底速度を向上させるための電気的な手法がカンビエらによる米国特許第５６７７６０５号、デングらによる米国特許第５７３９６６４号、およびピーターソンらによる米国特許第４５４６２９３号に例示されている。
【００１２】
モータの基底速度を向上させる機械的な手法として、先細り形状または円錐状の回転子と固定子との間の径方向の空隙を変動させる手法がある。リンカンによる米国特許第８２９９７５号及び１１９４６４５号では、空隙と速度とを調整するために円錐回転子及び軸がウォームギアにより軸方向に移動される技術が開示されている。ボインによる米国特許第３６４８０９０号およびホールデンらによる第４９２０２９５号では、オルタネータ中で空隙とオルタネータ出力とを調整するために軸方向に調整された円錐回転子がそれぞれ開示されている。ミラーによる米国特許第５６２７４１９号では、モータにエネルギが与えられていない場合に空隙を増加させるためと、フライホイールエネルギ貯蔵システムの磁気ひきずり力を減少させるために、軸方向に移動される円錐回転子が開示されている。これら全ての特許では、回転子と固定子は結合したままであり、磁気空隙の変化は僅かな軸方向移動によって達成される。
【００１３】
マッケンタイヤによる米国特許第３２５０９７６号には、速度を変化させるために二重回転子の短絡部分と非短絡部分との間で軸方向に移動するＡＣ誘導モータのモータ固定子コイルが開示されている。マッキンタイヤの技術では、固定子を移動させるため複雑な複数の親ネジまたはボールスクリュと二倍長い回転子とが必要である。
【００１４】
マスザワらによる米国特許第５８２１７１０号には、二つの部位に分割された磁石回転子が開示されている。通常の低速運転時には、回転子の両分割部位のＮ極とＳ極は整列している。モータ速度が上昇するにつれ、遠心力作用おもりが一つの回転子部位を回転させることにより、速度が速くなるほど磁極の位置ずれが大きくなる。磁極の位置ずれは磁束と逆起電力とを減少させ、モータを通常の基底速度よりも速く回転させることが可能となる。このシステムは自蔵式であるが、分割された回転子と、一つの回転子部位をずれた位置に動かすための遠心力作用おもり装置とが必要となる。同じ磁極の強い反発力は回転子の分割部位を離す方向へ押すスラスト力を生み出す。磁極が位置ずれを起こすと、異なる磁極の吸引力が遠心位置力に追加され、整列位置に戻すために用いられるバネの力に勝る。これらの要素は、複雑な設計に追加され、耐久性とコストに影響を及ぼす。
【００１５】
ラオによる米国特許第６１９４８０２号には、固定された軸方向の空隙を用いるパンケーキタイプのモータが開示されている。このタイプのモータでは、軸方向の空隙は、径方向の空隙を持つ内部円筒回転子モータのデザインにおける径方向の空隙と同じく機能する。回転子中の各磁石部位はスプリングが搭載された径方向トラック上に取り付けられる。回転子のｒｐｍが増加すると、遠心力により磁石部位が径方向外側に広がり、固定子のコイルと整列した有効な磁石の領域が減少し、逆起電力が減少する。これによりモータは基底速度よりも速く回転する。ラオによる技術は、上述の遠心力による駆動方法におけるマスザワら及びホールデンらの技術と同様である。ラオの設計は、径方向トラックを設けるための大規模な機械加工が必要であり、コスト増大、複雑化を招く。さらに、この磁石回転子を適切な均衡位置に保つのは、いくつかの要素が絡むために複雑である。回転子が磁石について装置内で均衡位置しても、速度が上昇すると各磁石の位置は各磁石質量の差、ばね定数／比、及び磁石のトラックに沿った滑り摩擦による影響を受ける。各磁石位置の合力における小さな変動が、高速度の回転子では均衡に対して致命的な影響を及ぼす場合がある。これらの要素は必然的にモータの逆起電力を減らす能力と基底速度以上での運転能力に悪影響を与える。
【００１６】
ローレンス・Ｐ・ゼップ及びジェリー・Ｗ・メドリンによる米国特許第６４９２４５３号及び第６５５５９４１号には、速度能力を向上させるために軸方向に回転子／固定子の整列位置が変動するブラシレス永久磁石モータ（またはオルタネータ）が開示されている。これらの特許では、ブラシレス永久磁石電気機械は複数の永久磁石をその周面に備えた回転子を有し、該回転子は固定子に対して同軸に位置決めされている。回転子は回転軸に対して組み付けられ、アッセンブリは回転子を固定子に対して前記回転軸に沿って移動させる手段を備える。
【００１７】
本発明は、軸方向に回転子／固定子または回転子／アーマチュアの整列位置を変動させることができるブラシレス永久磁石モータ及びオルタネータ設計の独自の構成と、独自の応用とを提供する。
【発明の開示】
【００１８】
以下の説明により明らかになる本発明の種々の特徴、特性、及び実施形態によれば、本発明は、
中央軸、内側円筒状表面、及び、外側円筒状表面を備えた第１の円筒状部材と、各々その周囲に巻かれたワイヤコイルにより形成され前記第１の円筒状部材の前記外側円筒状表面から外側に延在する複数の磁極と、
中央軸、内側円筒状表面、及び、外側円筒状表面を備えた第２の円筒状部材と、前記第２の円筒状部材の内側円筒状表面に対して組み付けられた複数の永久磁石とを備え、前記第２の円筒状部材は前記第１の円筒状部材を取り囲んでいることにより前記複数の磁極及び複数の永久磁石が互いに径方向に沿って近接位置かつ間隔を隔てて配置され、前記第２の円筒状部材の中央軸と前記第１の円筒状部材の中央軸とが一致して共通中央軸を規定し、
さらに、該共通軸に同軸の回転軸と、
前記第２の円筒状部材を前記第１の円筒状部材に対して前記共通中央軸に沿って移動させる手段と、
を備えたブラシレス永久磁石電気機械を提供する。
【００１９】
本発明によれば、前記ブラシレス永久磁石電気機械は自動車、風力発電機／オルタネータを含む発電システム、および船舶と組み合わせて使用される。
【００２０】
本発明は、さらに、
複数の車輪と、これら複数の車輪の少なくとも一つが組み付けられたハブモータとを備え、該ハブモータは、
中央軸、内側円筒状表面、及び、外側円筒状表面を備えた固定子と、各々その周囲に巻かれたワイヤコイルにより形成され前記固定子の前記外側円筒状表面から外側に延在する複数の磁極と、
中央軸、内側円筒状表面、及び、外側円筒状表面を備えた回転子と、該回転子の内側円筒状表面に対して組み付けられた複数の永久磁石とを備え、前記回転子は前記固定子を取り囲んでいることにより前記複数の磁極及び複数の永久磁石が互いに径方向に沿って近接位置かつ間隔を隔てて配置され、前記回転子の中央軸と前記固定子の中央軸とが一致して共通中央軸を規定し、
さらに、該共通軸に同軸の回転軸と、
前記回転子を前記固定子に対して前記共通中央軸に沿って移動させる手段と、
を備えた自動車を提供する。
【００２１】
本発明は、自動車内でハブモータとして使用されるよう構成されたブラシレス永久磁石車輪モータの設計に関し、また、風力タービン発電システムや船舶用モータに使用可能なブラシレス永久磁石オルタネータの設計に関するものである。さらに詳細には、本発明は回転子／固定子または回転子／アーマチャの軸方向の整列位置を変動可能とするブラシレス永久磁石モータ及びオルタネータの設計に関する。
【００２２】
本発明は、車輪付き車両の一つ以上の車輪に対して、各車輪に対して個別にブラシレス永久磁石電気機械を提供する。本発明に係る各車輪モータは、装着したタイヤを回転させるために支持するハブ、ホイールリムまたは他の構造に対して、個別に組み付けられたモータシャフトを備える。
【００２３】
モータシャフトは、固定子内での回転移動のために、固定子内でハウジング構造により支持される。さらに、モータシャフトと固定子とが相対的に軸移動しないように、モータシャフトは固定子に組み付けられる。固定子は固定子リングを備え、固定子リングは、その外側面に沿って複数の固定子歯を備えまたは支持している。固定子歯は凸状の外表面を有し、前記固定子リングの外面に沿って均等に間隔を開けて配置されている。各固定子歯の周囲にはワイヤコイルが巻かれ、ワイヤコイルに対して選択的にエネルギが供給されることによりモータシャフトを回転させる磁力が生み出される。
【００２４】
モータシャフトは固定子に対する回転移動のため、回転子シェルを支持する。回転子シェルは、固定子歯の凸状外表面と対向する内表面に沿って配設された複数の永久磁石を有する。これにより、固定子歯の周囲に巻かれたワイヤコイルに対して、回転子シェルの内表面上の永久磁石を吸引及び／または反発する磁力を発生させるためのエネルギが選択的に供給されると、回転子シェルが固定子リング周りに回転する。
【００２５】
回転子シェルは、モータシャフトに対して定速度軸受により組み付けられている。定速度軸受により、回転子シェルがモータシャフトに対して軸方向に移動可能となるとともに、固定子が回転動作をモータシャフトに伝えることが可能となる。
【００２６】
モータシャフトが固定子に対して軸方向には固定されているとともに回転可能であって、また、回転子に対して回転自在に固定されつつ軸方向に移動可能な状態で、定速度軸受により、回転子に対して固定位置または静止状態に保持された固定子リングに対し、回転子シェルを軸方向に変位させることができるようになる。回転子シェルが固定子リングに対して大きく位置がずれると、固定子フィールドコイル中の磁束が減少し、回転速度を制限する逆起電力を減少させる。回転子シェルの位置ずれにより、利用できるトルクが速度と逆比例する定出力モードでモータが運転する。回転子シェルは油圧、電気機械的、手動、またはレバーや他の手段に連結された他のアクチュエータ手段により軸方向に移動させることができる。
【００２７】
図１は本発明の一般的な空隙モータにおける速度とトルクの関係を示したグラフである。図１において、最小トルクからモータの最大トルクに増加するモータトルクが、モータ速度に対してプロットされている。最小トルクは逆起電力が論理的にゼロにまで減少したときにモータを駆動するのに必要なトルクである。上述した、逆起電力が与えられた電圧と等しいときの速度であるモータの基底速度を、図１のグラフの横軸に示す。モータの基底速度より遅い領域に、定トルクモードが示されている。基底速度より速い領域であってモータ最大速度にかけて、定出力モードが示されている。後者のモードでは、トルクが低くなると電流が上昇し、その結果速度が上昇する。定出力モードは本発明で扱われるモータ速度である。
【００２８】
図２に本発明の一実施形態に係る永久磁石電気モータの横断面図を示す。図では、回転子は固定子に対して完全に結合している。永久磁石モータは、符号２で示した構造の一端に組み付けられたモータシャフト１を備える。符号２の構造としては、装着したタイヤを回転させるために支持するハブ、ホイールリムまたは他の構造である。モータシャフト１はハウジング３の中でラジアル玉軸受５を備えたベアリングアッセンブリ４により支持されている。他の従来のベアリングアッセンブリを用いてもよい。モータシャフト１は、モータシャフト１がハウジング３の内部で回転可能であるが軸方向の移動が制限されるような方法により支持される。
【００２９】
図２のモータシャフト１は、段付部６を有する。段付部６は、玉軸受３０がモータシャフト１と回転子台カラー８との間に配置されるように構成されている。以下に詳細を示す。
【００３０】
固定子１０はハウジング３内部の円筒状支持部１１の上に支持されている。円筒状支持部１１は、ハウジング３の外壁１２に対して一つ以上の環状連結部１３により組み付けられている。環状連結部１３は固定子１０を支持していることにより、固定子１０とハウジング３の外壁１２との間に環状スペースが存在している。このスペースの中に回転子１５が移動可能に位置することができる。
【００３１】
固定子１０は固定子リング１６を備える。固定子リング１６は複数の固定子歯１７を固定子リング１６の外周面に沿って有しまたは支持している。固定子歯１７は凸状外表面１８（図４参照）を持ち、固定子リングの外表面に沿って均一な間隔で並んでいる。さらに、固定子歯１７の周囲にワイヤコイル１９が巻かれ、選択的にエネルギが供給されることによりモータシャフト１を回転させる磁力が生み出される。
【００３２】
回転子１５は、環状外側シェル２１を備えている。環状外側シェル２１は複数の永久磁石２２を有し、永久磁石２２は、固定子歯１７と対向すべく環状外側シェル２１の内表面に取り付けられている。永久磁石２２は環状外側シェル２１の内表面に対して適当な接着剤、セメント、膠、エポキシなどにより取り付けることができる。永久磁石２２の表面２３（図４参照）は固定子歯１７の凸状外表面１８を向き、固定子歯１７の凸状外表面１８に対して相補的な凹形状に形成されている。回転子１５の環状外側シェル２１は回転子台２４に対して組み付けられ、固定子歯１７の外表面１８と永久磁石２２の内表面２３との間に最小隙間が形成されるように配置されている。
【００３３】
回転子台２４は、回転子台カラー８と、回転子１５の環状外側シェル２１を支持する径方向伸張部２５とを有する。径方向伸張部２５は連続円板型構造または複数の径方向延在スポークにより構成することができる。図２〜図６に示した本発明の実施形態においては、回転子台２４の径方向伸張部２５は連続円板型構造であり、回転子１５の環状外側シェル２１は回転子台２４の径方向伸張部２５の外側の部位上に一体的に形成されている。図２〜図６では、回転子台２４の径方向伸張部２５は固定子歯１７の周囲に巻かれたワイヤコイル１９に対して必要なクリアランスが与えられるように構成されているということがわかる。
【００３４】
回転子１５を支持する回転子台２４は、複数の玉軸受３０によってモータシャフト１に組み付けられている。玉軸受３０は、回転子台カラー８の内表面上に設けられた複数の軸方向溝３１中に収容されている。溝３１の両端は、玉軸受３０が溝３１から出てこないように保持リング（不図示）または他の構成要素により閉塞されている。玉軸受３０は、モータシャフト１の外表面に形成された複数の軸方向溝３２の中で軸方向に移動可能である。玉軸受３０によってモータシャフト１と回転子台カラー８とが組み付けられることで、モータシャフト１と回転子１５との間に定速度リニア軸受が提供される。組み付け時にモータシャフト１の段付部６が回転子台カラー８中に位置決めされるようにモータシャフト１を配置することで、玉軸受３０を対向する溝３１と溝３２との間に挿入することができる。
【００３５】
定速度リニア軸受により、回転子台カラー８がモータシャフト１に沿って軸方向に移動すると、回転子１５が固定子１０に対して軸方向に移動することが可能となる。回転子台カラー８のモータシャフト１に沿った移動は、アクチュエータ機構の手段により達成することができる。
【００３６】
図２に示したアクチュエータ機構は、ハウジング３のハウジング環状中央部３７上のベアリング３６によって回転可能に支持された中空円筒親ネジ３５を有する。可逆モータ３８の軸上に設けられたギア要素３９を回転させる可逆モータ３８により、中空円筒親ネジ３５が回転駆動される。ギア要素３９（例えばウォームホイール）は、中空円筒親ネジ３５の一端に組み合わされた円筒ギア要素４０（例えばウォームギア）に対して協働的に噛み合って該円筒ギア要素４０を回転させる。スラスト軸受４１が中空円筒親ネジ３５の前記一端に隣接して設けられ、ベアリング３６と協働して中空円筒親ネジ３５をハウジング環状中央部３７に対する回転を促進する。
【００３７】
中空円筒親ネジ３５の内表面は、中空円筒親ネジ３５がハウジング環状中央部３７の周囲を回転することができるように、ニードルベアリング等のベアリングと協働するように構成されている。中空円筒親ネジ３５の外表面は、破線で示した外ネジ４４を有する。中空円筒親ネジ３５の外表面に形成された外ネジ４４は、中空円筒親ネジ３５と螺合した円筒シフトスリーブ４６の内表面上に形成された内ネジ４５（破線で示した）と協働する。円筒シフトスリーブ４６は、回転子台２４の一部に対してスラストベアリング４８により組み付けられた前端４７を有する。また、円筒シフトスリーブ４６は少なくとも一つの回転防止ピン４９を有し、回転防止ピン４９はブラケット５１に設けられたスリット５０に受け入れられる。ブラケット５１はハウジング１の非回転部位、例えば円筒状支持部１１に固定されている。
【００３８】
運転に際して、可逆モータ３８が中空円筒親ネジ３５を回転させるために駆動される。中空円筒親ネジ３５の外面上に形成された外ネジ４４と、円筒シフトスリーブ４６の内面に形成された内ネジ４５と（さらに回転防止ピン４９と）が協働し、円筒シフトスリーブ４６を中空円筒親ネジ３５の軸方向に沿って移動させる。可逆モータ３８が一方向に回転すると、円筒シフトスリーブ４６が中空円筒親ネジ３５に沿って軸方向の一方側に移動し、可逆モータ３８が逆方向に回転すると、円筒シフトスリーブ４６が中空円筒親ネジ３５に沿って軸方向逆側に移動する。
【００３９】
円筒シフトスリーブ４６が中空円筒親ネジ３５の軸方向に沿って前進方向に移動すると、円筒シフトスリーブ４６が回転子台２４を押し、これにより回転子台カラー８がモータシャフト１の軸方向に沿って同じ方向に移動する。同時に、回転子１５が固定子１０の軸方向に沿って対応する方向に移動する。円筒シフトスリーブ４６が中空円筒親ネジ３５に沿って軸方向逆側に移動すると、固定子１０と回転子１５との間の磁力による吸引力により、回転子台カラー８がモータシャフト１に沿って軸方向逆側に移動する。
【００４０】
図２では、回転子１５は固定子１０に対して完全に結合している。この構成では、モータは最大トルクを生むが、基底速度は制限される。
【００４１】
図３は、本発明の一実施形態に係る永久磁石電気モータの横断面図であり、回転子が約５０％固定子から離脱した状態である。図２と図３とを比較すると、回転子１５が固定子１０に対して移動する際に、回転子台カラー８がモータシャフト１に対して軸方向に移動し、この際に、円筒シフトスリーブ４６が中空円筒親ネジ３５に対して軸方向にどのように移動するのかがわかる。図３に示した構成では、モータは図２に示した状態よりも低いトルクとなるが、高い基底速度を有することになる。
【００４２】
図４は、図２のＩＶ−ＩＶ線に沿った固定子、回転子、及び定速度軸受の端部横断面図である。図４では、モータシャフト１の外表面に形成された溝３１と、回転子台カラー８の内表面に形成された溝３２との間に、玉軸受３０が収容されている様子が示されている。溝／軸受はモータシャフト１の周囲に均等な間隔で配置され、図示の状態よりも少ない、または多い溝／軸受の組を有していてもよい。
【００４３】
環状ギャップまたはスペース５２が回転子台カラー８とモータシャフト１のハウジング環状中央部３７との間に示されている。上記したように、複数のニードルベアリング３６が中空円筒親ネジ３５とハウジング環状中央部３７との間に設けられている。別の小さい環状ギャップまたはスペース５３が、円筒シフトスリーブ４６の前端４７と図２の台カラーとの間に示されている。
【００４４】
図４には円筒シフトスリーブ４６が、円形パターンに配置された複数の軸受要素５５を有するスラストベアリング４８と接するように示されている。回転子台２４の径方向伸張部２５が径方向外側に伸びて固定子リング１６を支持している。固定子リング１６は、既知の手段により積み重なって互いに固定された複数の薄板により形成することができる。凸状外表面１８を有する固定子歯１７は、固定子リング１６中に固定され、ワイヤコイル１９により取り囲まれている。永久磁石２２は、回転子シェル２１によって支持され、固定子歯１７の凸状外表面１８を向く凸状内表面２３を有する。
【００４５】
図５は、図２のＶ−Ｖ線に沿った固定子、回転子、及び定速度リニア軸受の端部横断面図である。図５には、ギア要素３９を持つ軸５６を備えた可逆モータ３８が示されている。ギア要素３９は軸に形成されたギア歯または軸に組み付けられた別体のギア要素を備えることができる。可逆モータ３８のギア要素３９は、中空円筒親ネジ３５の一端に組み付けられたウォームギア等の円筒ギア要素４０と協働するように位置決めされ構成されている。モータの運転については上述した。
【００４６】
図６は本発明の他の実施形態であって、回転子が固定子に対して完全に結合した状態である。図６に示した本発明の実施形態では、回転子を固定子に対して移動させるための異なる手段を有する。図６では、モータシャフト１の一端は中空であり、内部にプッシュロッド６０が受け入れられる。プッシュロッド６０はスラストベアリング６２を介して油圧または空圧アクチュエータ６１に組み付けられている。スラストベアリング６２によりプッシュロッド６０がモータシャフト１とともに回転可能となり、アクチュエータ６１を回転させずに軸方向に移動させることが可能となる。モータシャフト１の中空部には、その少なくとも一側部中にスリット６３を有する。スリット６３を通じてクロスピン６４が挿入され、台カラー８の一部または台カラー８に取り付けられているシフトカラーに対して組み付け可能となる。図６では、回転子１５は固定子１０に対して完全に結合している。
【００４７】
図７は、図６に示した永久磁石電気モータの横断面図であり、回転子が約５０％固定子から離脱した状態である。
【００４８】
図６及び図７に示された本発明の実施形態において用いられているアクチュエータは、軸により駆動されるネジ溝が形成されたネジ、ピニオン・ギアアセンブリ、ケーブルシステム、滑りアクチュエータ等を含む、いかなるタイプのリニアアクチュエータでもよい。
【００４９】
固定子に対する回転子の位置を正確に制御するため、リニア位置エンコーダを用いてもよい。リニア位置エンコーダは、本発明のモータに対して、回転子の軸方向位置、または、いかなるモータ構成の軸方向位置を検出可能な、いかなる適当な位置に対して組み込んでもよい。
【００５０】
回転する外側回転子シェルと回転しない内側固定子とを有する本発明の永久磁石の独特な構成により、モータ全体のサイズに対してトルク量を最大とすることができることがわかる。さらに、固定子に対して回転子を軸方向に動かす機構を提供することにより、本発明のモータは上記のホイールハブモータに適用する場合に特に利便性が高い。さらに、風車、風力タービン発電機等の風力により駆動する発電機、船上艇及び潜水艇を含む船舶に対しても利便性が高い。上記のように適用することで、モータ／発電機トルクを変化させることができることにより、慣性を克服することができ、その後、トルクを高速運転速度に向けて調整することができる。風車及び風力により駆動される発電機に対しては、起動時にトルクを減少させる能力は、低風速下で起動する能力に影響を与える。また、起動後にトルクを増大させる能力により、発電能力を増大させることができる。風車及び風力により駆動される発電機に対しては、各図に記載されたモータの構成は、車両の車輪ではなく、モータシャフトに組み付けられたプロペラが同様のものである。そして、プロペラが回転子を回転させることより、既知の手段により発電が行なわれる。船舶に対しては、各図に記載されたモータの構成は、車両の車輪ではなく、モータシャフトに組み付けられたプロペラが同様のものである。
【００５１】
以上、特定の手段、材料及び実施形態を参照して本発明を説明したが、上記に基づいて、本技術分野における当業者は、容易に本発明の主要な特徴を確認することができ、種々の使用と特徴に対応すべく、上記本発明の意図及び範囲を逸脱することなく、種々の変更と変形を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一般的な空隙モータにおける速度とトルクの関係を示したグラフである。
【図２】本発明の一実施形態として示した永久磁石電気モータの横断面図であり、回転子が固定子に対して完全に結合した状態である。
【図３】図２に示した永久磁石電気モータの横断面図であり、回転子が約５０％固定子から離脱した状態である。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶ線に沿った固定子、回転子、及び定速度軸受の端部横断面図である。
【図５】図２のＶ−Ｖ線に沿った固定子、回転子、及び定速度軸受の端部横断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態であって、回転子が固定子に対して完全に結合した状態である。
【図７】図６に示した永久磁石モータの横断面図であり、回転子が約５０％固定子から離脱した状態である。
【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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【国際調査報告】
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