(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機装置であって、
固定子構成部品、及び前記固定子構成部品と同軸上に及び前記固定子構成部品内に同軸上に回転取り付けされた回転子構成部品を備え、
前記固定子構成部品及び前記回転子構成部品が、各々、電流から電磁界を発生させるように構成された巻線を備え、
前記電動機装置が、前記固定子構成部品と前記回転子構成部品との間に回転取り付けされ、前記回転子構成部品と前記固定子構成部品との間に少なくとも何らかの磁気遮蔽を提供するように構成された中間遮蔽構成部品をさらに備え、
前記中間遮蔽構成部品が、前記回転子構成部品又は前記固定子構成部品のいずれかの上の前記巻線中の電流を変化させることにより発生された磁界の変化が、磁気的に活性化した区間上に力を発生させ、前記中間遮蔽構成部品を回転させるように構成された少なくともいくつかの磁気的に活性化した区間を備え、
所望の出力回転速度に依存して前記回転子構成部品及び前記固定子構成部品上の前記巻線に供給される電力を独立して制御するための制御回路を備え、
前記中間遮蔽構成部品が、高導電性材料の内面と外面とのうちの少なくとも一方の上に前記中間遮蔽構成部品から延びる複数の突起を備え、
前記突起が、前記内面と外面とのうちの少なくとも一方が起伏のある表面であることによって形成され、前記起伏のある表面が、前記中間遮蔽構成部品の厚さが円周の周りで実質的に一定であるように、実質的に同じ比率で及び同じ方向に起伏する、前記電動機装置。
【請求項２】
前記固定子構成部品及び前記回転子構成部品が、同じ数の巻線を備える、請求項１に記載の電動機。
【請求項３】
前記中間遮蔽構成部品が、高導電性材料の内面と外面とのうちの少なくとも一方の上に複数のインサートを備え、前記複数のインサートが、縦軸に対してオフセット角で延びて、かご形を形成し、同じ表面上の前記複数のインサートが、いずれかの側で結合されて、ループを形成する、請求項１又は請求項２に記載の電動機。
【請求項４】
前記中間遮蔽構成部品が、前記複数のインサートを前記内面と外面との両方上に備える、請求項３に記載の電動機。
【請求項５】
前記内面上の前記複数のインサートが、前記外面上の前記複数のインサートに対して異なる円周位置に配列される、請求項４に記載の電動機。
【請求項６】
前記中間遮蔽構成部品が、前記内面と外面との両方上に前記複数の突起を備える、請求項１に記載の電動機。
【請求項７】
前記内面と前記外面とが、同じ数の前記複数の突起を備え、前記内面上の前記複数の突起が、前記内面上の突起が前記外面上の突起と同じ円周位置に形成されないように、前記外面上の前記複数の突起に比較してオフセットされる、請求項６に記載の電動機。
【請求項８】
前記回転子構成部品が、軸上に取り付けられ、前記中間遮蔽構成部品が、前記軸上に取り付けられる、請求項１から７までのいずれか一項に記載の電動機。
【請求項９】
前記制御回路が、固定子構成部品制御ユニットと、回転子構成部品制御ユニットとを備え、前記回転子構成部品制御ユニットが、前記回転子構成部品上に取り付けられる、請求項１から８までのいずれか一項に記載の電動機。
【請求項１０】
前記固定子制御ユニットが、前記固定子構成部品上の前記巻線に供給される電力を制御して、それによって、前記中間遮蔽構成部品上に回転力を発生させるように構成され、
前記回転子制御ユニットが、前記回転子構成部品上の前記巻線に供給される電力を制御して、それによって、前記中間遮蔽構成部品と前記回転子構成部品との間に回転力を発生させるように構成され、前記回転子構成部品上に及ぼされる前記回転力が、前記固定子構成部品によって発生された前記回転力及び前記回転子構成部品の前記巻線に供給される電力によって前記中間遮蔽構成部品と前記回転子構成部品との間に発生された前記回転力による前記中間遮蔽構成部品の回転速度に依存する、請求項９に記載の電動機。
【請求項１１】
前記固定子制御ユニット及び前記回転子制御ユニットによって発生された前記回転力が、前記中間遮蔽構成部品を介して組み合わされて、前記回転子構成部品上に累積回転力を発生させる、請求項１０に記載の電動機。
【請求項１２】
前記中間遮蔽構成部品と前記回転子構成部品との及び前記中間遮蔽構成部品と前記固定子構成部品との相対的向きを示す回転位置情報を発生させるように構成された回転位置センサをさらに備え、
前記回転子構成部品上に取り付けられた前記回転子制御ユニットが、前記回転子構成部品に供給される電源に結合され、前記回転位置情報及び前記中間遮蔽構成部品に対する前記回転子構成部品の回転の所望の出力周波数に依存して前記電源からの回転子構成部品の電源波形を発生させ、前記回転子構成部品の電源波形を前記回転子構成部品に適用するように構成され、
前記固定子制御ユニットが、前記固定子構成部品に供給される電源に結合され、前記中間遮蔽構成部品及び前記固定子構成部品の前記回転位置情報及び回転の所望の出力速度に依存して前記電源から固定子構成部品の電源波形を発生させ、前記固定子構成部品の電源波形を前記固定子構成部品に適用するように構成される、請求項９から１１までのいずれか一項に記載の電動機。
【請求項１３】
電動機装置を動作させる方法であって、前記電動機装置が、固定子構成部品、及び前記固定子構成部品と同軸上に及び前記固定子構成部品内に同軸上に回転取り付けされた回転子構成部品を備え、前記固定子構成部品及び前記回転子構成部品が、各々、電磁界を発生させるための巻線を備え、前記電動機装置が、前記固定子構成部品と前記回転子構成部品との間に回転取り付けされ、前記回転子構成部品と前記固定子構成部品との間に少なくとも何らかの磁気遮蔽を提供するように構成された中間遮蔽構成部品をさらに備え、前記中間遮蔽構成部品が、前記回転子構成部品又は前記固定子構成部品のいずれかの上の前記巻線中の電流を変化させることにより発生された磁界の変化が、磁気的に活性化した区間上に力を発生させ、前記中間遮蔽構成部品を回転させるように構成された少なくともいくつかの磁気的に活性化した区間を備え、前記中間遮蔽構成部品が、高導電性材料の内面と外面とのうちの少なくとも一方の上に前記中間遮蔽構成部品から延びる複数の突起を備え、前記突起が、前記内面と外面とのうちの少なくとも一方が起伏のある表面であることによって形成され、前記起伏のある表面が、前記中間遮蔽構成部品の厚さが円周の周りで実質的に一定であるように、実質的に同じ比率で及び同じ方向に起伏し、前記方法が、
前記回転子若しくは前記固定子のいずれか又は前記回転子及び前記固定子に電力を提供することによって前記電動機の出力回転速度を制御するステップであって、制御回路が所望の出力回転速度に依存して前記回転子構成部品及び前記固定子構成部品上の前記巻線に供給される電力を独立して制御する前記ステップを含む、前記電動機装置を動作させる方法。
【請求項１４】
電動機装置であって、
固定子構成部品、及び前記固定子構成部品と同軸上に及び前記固定子構成部品内に同軸上に回転取り付けされた回転子構成部品であって、
前記固定子構成部品及び前記回転子構成部品が、各々、電磁界を発生させるための巻線手段を備え、
前記電動機装置が、前記回転子構成部品と前記固定子構成部品との間に少なくとも何らかの磁気遮蔽を提供するための中間遮蔽手段をさらに備え、前記中間遮蔽手段が、前記固定子構成部品と前記回転子構成部品との間に回転取り付けされ、
前記中間遮蔽手段が、前記中間遮蔽構成部品が回転させられるように力を発生させることにより前記回転子構成部品又は前記固定子構成部品のいずれかの上の前記巻線中の電流を変化させることにより発生された磁界の変化に応答するための少なくとも何らかの磁気的に活性化した手段を備え、
所望の出力回転速度に依存して前記回転子構成部品及び前記固定子構成部品上の前記巻線手段に供給される電力を独立して制御するための制御手段を備え、
前記中間遮蔽構成部品が、高導電性材料の内面と外面とのうちの少なくとも一方の上に前記中間遮蔽構成部品から延びる複数の突起を備え、
前記突起が、前記内面と外面とのうちの少なくとも一方が起伏のある表面であることによって形成され、前記起伏のある表面が、前記中間遮蔽構成部品の厚さが円周の周りで実質的に一定であるように、実質的に同じ比率で及び同じ方向に起伏する、前記電動機装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術分野は電動機に関し、詳細には、回転子構成部品と固定子構成部品との両方が巻線配列を有する電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機を構成するにはいくつかの異なるやり方があり、その各々はそれ自体の関連する利点と欠点とを有する。これらの構成の多くは、非常に効率的な動作を提供する。しかし、この高い効率は、一般に電動機の特定の最適動作周波数に制限され、電動機がこの動作周波数から離れるとき、効率は著しく低下することがある。この問題に対処するために、従来技術の電動機は、それら自体の最適回転周波数近くで動作させながら、軸を異なる速度で駆動できるように、歯車システムと連動して動作されていた。歯車を設けることにより、システムの費用が増加し、それら自体、効率が低減することがある。
【０００３】
１つの周知の種類の電動機は、図１に概略的に示す、両方とも巻線配列を有する回転子構成部品と固定子構成部品とを有する交直両用電動機である。そのような交直両用電動機は、ＤＣ又はＡＣ電力のいずれかにより動作させることができ、一般に小型で高出力の電動機を提供する。ある程度まで、交直両用電動機は、誘導電動機と永久磁石電動機との両方の利点を組み合わせるものとみなすことができる。しかし、必要な波形を回転子巻線配列に結合することに伴う難しさは、顕著な欠点を有する。この問題は米国特許第８４５０９５４号において対処されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第８４５０９５４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そのような交直両用電動機は、小型で、高出力の電動機を提供することができるが、そのような電動機の効率は、依然として、最適動作周波数から離れて著しく低減し、したがって、そのような電動機は、一般に、何らかの歯車機構と連動して動作される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の態様は、電動機装置であって、
固定子構成部品と、前記固定子構成部品と同軸上に及び前記固定子構成部品内に同軸上に回転可能に取り付けられた回転子構成部品を備え、
前記固定子構成部品及び前記回転子構成部品が、各々、電磁界を発生するための巻線を備え、
前記電動機装置が、前記固定子構成部品と前記回転子構成部品との間に回転取り付けされ、前記回転子構成部品と前記固定子構成部品との間に少なくとも何らかの磁気遮蔽を提供するように構成された中間遮蔽構成部品をさらに備え、
前記中間遮蔽構成部品が、前記回転子構成部品又は前記固定子構成部品のいずれかの上の前記巻線中の電流を変化させることにより発生された磁界の変化が、磁気的に活性化した区間上に力を発生させ、前記中間遮蔽構成部品を回転させるように構成された少なくともいくつかの磁気的に活性化した区間を備え、
所望の出力回転速度に依存して前記回転子構成部品及び前記固定子構成部品上の前記巻線に供給される電力を独立して制御するための制御回路を備える、前記電動機装置を提供する。
【０００７】
本発明は、回転子と固定子との両方が独立して給電される巻線を有する電動機が、周知であり、高トルクをもたらす小型電動機を提供することを認識する。しかし、本発明は、そのような電動機を異なる回転速度で効率的に動作させることに伴う問題があることも認識する。本発明は、前に相互作用して回転子を駆動する力を提供した回転子と固定子とから発生された磁界が中間遮蔽層を介して互いに減結合されるように、回転可能な中間遮蔽構成部品を回転子と固定子との両方が巻線を駆動しているそのような電動機の回転子と固定子との間に配置することによってこの問題に対応する。これにより、回転子と固定子とは実質的に独立した電動機として働くことが可能になり、回転子の速度はこれらの２つの「電動機」の電力と方向とに依存する。したがって、特定の回転速度を提供し、他の速度ははるかに低い効率を有する単一の最適な電力負荷を有するのではなく、電動機は、複数の異なる速度で相対的に効率的に動作することができる。これらの速度は、回転子がその最適効率で、又はその最適効率近くで単独で給電されるとき発生された速度と、固定子だけがその最適効率で、又はその最適効率近くで給電されるときの速度と、回転子と固定子とが共に給電されて、それらの高い効率レベルで同じ方向に回転を発生させるか、又は反対方向に回転を発生させないかのどちらかをするときの速度とを含み、したがって、結果として生じる回転子の回転速度が、回転子構成部品と固定子構成部品との各々によって発生された回転速度の和となる。
【０００８】
このようにして電動機を修正し、電動機が効率的に動作する速度の範囲を拡大することにより、歯車システムの必要性が低減され、又は場合により排除され、それにより費用が減少し、システムの効率が改善される。実際、可変歯車セットが避けられる場合、対応する伝導装置の必要性も避けられる。例えば、第２の電動機に接続された遊星歯車セットによって歯車の変動性が提供される複雑な技法は、したがって、避けられ、そのような第２の電動機は必要とされない。
【０００９】
いくつかの実施例において、前記固定子構成部品と前記回転子構成部品とは、異なる数の巻線を備えることができるが、他の実施例では、それらは同じ数の巻線を備える。固定子が回転子よりも大きいとき、固定子はより多くの巻線を収容することができ、したがって、いくつかの実施例において、固定子上により多くの巻線を配列することは効率的であり得る。しかし、他の実施例では、回転子と固定子とが同じ数の巻線を有する場合、これにより、設計がより対称的になり、したがって、場合により、設計し製造するのがより容易になるので、有利であり得る。
【００１０】
いくつかの実施例において、前記中間遮蔽構成部品は、高導電性材料の内面と外面とのうちの少なくとも一方の上に複数のインサートを備え、前記複数のインサートが、前記縦軸に対してオフセット角で延びて、かご形を形成し、同じ表面上の前記複数のインサートが、いずれかの側で結合されて、ループを形成する。
【００１１】
いくつかの実施例において、遮蔽構成部品は、電流が高導電性材料のループ内に誘導されるように高導電性材料のかご形を備え、それによって、それら自体磁界を発生させる。このようにして、誘導電動機が製作される。
【００１２】
いくつかの実施例において、複数のインサートは、内面と外面との両方の上に配列される。
【００１３】
インサートは中間遮蔽構成部品の表面のうちの一方だけの上にあり得るが、多くの実施例において、インサートは両方の表面上にあり、中間遮蔽構成部品及び固定子の外面と中間層及び回転子の内面との間に誘導電動機が製作される。
【００１４】
いくつかの実施例において、前記内面上の前記複数のインサートは、前記外面上の前記複数のインサートに対して異なる円周位置に配列される。
【００１５】
インサートが内面と外面との上の異なる円周位置に配列される場合有利であり得る。これにより、中間遮蔽構成部品を、より薄く作製することが可能になり、それによって、結果としてより小型の電動機となり得る。
【００１６】
回転子及び固定子上の巻線の配列は、インサートの配列との相互作用に適切となるように設計される。したがって、いくつかの実施例において、回転子及び固定子上に同じ数の巻線並びに内面及び外面上に同じ数のインサートがあり得る。そのような場合、これらのインサートは、外面上のインサートが、例えば、内面上のインサートの間の間隙内にはまるように、優先的に異なる円周位置に配列される。
【００１７】
他の実施例において、前記中間遮蔽構成部品は、前記内面及び外面の両方の上に前記複数の突起を備える。
【００１８】
中間遮蔽は、誘導電動機を有するのではなく、突起を有し、何らかの磁気的に活性化した材料で形成することができ、電動機リアクタはスイッチド・リラクタンス・モータである。
【００１９】
場合により、前記内面及び前記外面は、同じ数の前記複数の突起を備え、前記内面上の前記複数の突起が、前記外面上の前記複数の突起に比較してオフセットされ、したがって、前記内面上の突起が、前記外面上の突起と同じ円周位置に形成されない。
【００２０】
突起を互いにオフセットさせることにより、それを製造するのに必要な材料を効率的に使用する、より薄く、しかも堅牢な中間遮蔽面が可能になる。
【００２１】
いくつかの実施例において、前記突起は、前記内面と外面とが起伏のある表面であることによって形成され、前記起伏のある表面が、前記中間遮蔽構成部品の厚さが円周の周りで実質的に一定であるように、実質的に同じ比率で同じ方向に起伏する。
【００２２】
外面上のへこみが内面上の突起になることが可能になり、それによって、中間遮蔽構成部品を形成するのに必要な材料の量が低減し、その厚さも低減し、より小型の電動機が可能になる。
【００２３】
内面及び外面上に同じ数の突起を有することにより、外面上のへこみが内面上の突起になることが可能になり、それによって、中間遮蔽構成部品を形成するのに必要な材料の量が低減し、その厚さも低減し、より小型の電動機が可能になる。例えば、回転子及び固定子上の巻線の数が同じである場合、中間遮蔽は、内面及び外面上に同じ数の突起を有するように構成することができる。
【００２４】
いくつかの実施例において、前記回転子構成部品及び前記中間遮蔽構成部品は同じ軸上に取り付けられる。
【００２５】
中間遮蔽構成部品は、回転子自体の上の軸受上に取り付けることができるが、それを回転子と同じ軸上に取り付けることは有利であり得る。軸は、一般に高度の精度まで機械加工され、回転子及び中間遮蔽を同じ構成部品上に取り付けることにより、誤り耐性の可能性が低減し、電動機の設計及び製造がより簡単に、及びより正確になる。
【００２６】
いくつかの実施例において、前記制御回路は、固定子構成部品制御ユニットと、回転子構成部品制御ユニットとを備え、前記回転子構成部品制御ユニットが、前記回転子構成部品上に取り付けられる。
【００２７】
電動機が中間遮蔽構成部品を用いて効率的に機能するために、回転子は固定子に対して別個に制御される必要がある。したがって、本発明の実施例において、回転子構成部品は、回転子構成部品上に取り付けられた制御ユニットを有し、それによって、回転子構成部品上の巻線を固定子構成部品上の巻線とは別個に制御することが可能になる。これにより、固定子及び回転子を互いに独立して制御することができ、各々がその最も効率的な電力負荷で又は電力負荷近くで、及び２つの回転方向のいずれかで動作することが可能になるので、電動機が効率的に制御されることが可能になる。このようにして、いくつかの異なる出力速度を、歯車機構を必要とせずに高い効率で電動機から発生させることができる。さらに、回転子制御ユニットを回転子上に取り付けることにより、回転子自体に制御信号を伝送することを必要とせずにそれを独立して制御することができ、外部から供給された回転子供給電圧だけを回転子構成部品に結合する必要があるので、整流子又は数多くのスリップ・リングの必要性が低減する。これは、整流子に関連した雑音及び非効率並びに数多くのスリップ・リングに関連した製造の複雑性が各々避けられ、又は少なくとも低減されることを意味する。
【００２８】
いくつかの実施例において、前記固定子制御ユニットは、前記固定子構成部品上の前記巻線に供給される電力を制御して、それによって、前記中間遮蔽構成部品上に回転力を発生させるように構成され、
前記回転子制御ユニットが、前記回転子構成部品上の前記巻線に供給される電力を制御して、それによって、前記中間遮蔽構成部品と前記回転子構成部品との間に回転力を発生させるように構成され、前記回転子構成部品上に及ぼされる前記回転力が、前記回転子構成部品の前記巻線に供給される電力によって、前記固定子構成部品によって発生された前記回転力及び前記中間遮蔽構成部品と前記回転子構成部品との間に発生された前記回転力により、前記中間遮蔽構成部品の回転速度に依存する。
【００２９】
上述のように、固定子及び回転子上の巻線に供給される電力の独立制御は、電動機の広範囲の制御可能性を提供する。具体的には、中間遮蔽構成部品に提供される回転力は、それぞれの回転子及び／又は固定子上の巻線にそれらの最も効率的な電力負荷を、又はそれらの最も効率的な電力負荷近くを与えながら、いくつかの異なるやり方で変動させることができる。
【００３０】
いくつかの実施例において、前記固定子制御ユニット及び前記回転子制御ユニットによって発生された前記回転力は、前記中間遮蔽構成部品を介して組み合わされて、前記回転子構成部品上に累積回転力を発生させる。
【００３１】
前述のように、回転子上の累積回転力は、回転子構成部品の巻線及び中間遮蔽構成部品から発生された力と、中間遮蔽構成部品を介して回転子に伝導される固定子巻線によって発生された力とによって提供され、累積回転力が、遮蔽構成部品を介して発生され、回転子構成部品に伝導される。したがって、固定子及び回転子の巻線を独立して制御することにより、回転子構成部品に及ぼされる累積力を広範囲の値にわたって制御することができる。
【００３２】
いくつかの実施例において、電動機は、前記中間遮蔽構成部品と前記回転子構成部品との、及び前記中間遮蔽構成部品と前記固定子構成部品との相対的向きを示す回転位置情報を発生するように構成された回転位置センサをさらに備え、
前記回転子構成部品上に取り付けられた前記回転子制御ユニットが、前記回転子構成部品に供給される電源に結合され、前記回転位置情報及び前記中間遮蔽構成部品に対する前記回転子構成部品の回転の所望の出力周波数に依存して前記電源から回転子構成部品の電源波形を発生し、前記回転子構成部品の電源波形を前記回転子構成部品に適用するように構成され、
前記固定子制御ユニットが、前記固定子構成部品に供給される電源に結合され、前記中間遮蔽構成部品及び前記固定子構成部品の前記回転位置情報及び回転の所望の出力速度に依存して前記電源から固定子構成部品の電源波形を発生させ、前記固定子構成部品の電源波形を前記固定子構成部品に適用するように構成される。
【００３３】
特にスイッチド・リラクタンス・モータの回転子及び固定子の効果的な独立制御を提供するために、中間遮蔽構成部品と回転子構成部品との、及び中間遮蔽構成部品と固定子構成部品との相対的な向きを示す回転位置情報を発生させるように構成された回転位置センサは、巻線が適切なやり方で給電されて、それらを適切な電流で駆動し、それによって中間遮蔽構成部品上に必要な力を生じさせるように、必要とされる。中間遮蔽構成部品が、高導電性インサートのかご形で形成される場合、回転位置センサは、そのような誘導電動機が自己整合となる傾向があるので、あまり重要でない。しかし、いくつかの実施例において、固定子及び回転子が相互作用して、それらが正しいやり方でそうすることを確実にする場合、回転位置センサは必要であり得る。
【００３４】
本発明の第２の態様は、電動機装置を動作させる方法を提供し、前記電動機装置が、固定子構成部品と、前記固定子構成部品と同軸上に及び前記固定子構成部品内に同軸上に回転取り付けされた回転子構成部品とを備え、前記固定子構成部品及び前記回転子構成部品が、各々、電磁界を発生させるための巻線を備え、前記電動機装置が、前記固定子構成部品と前記回転子構成部品との間に回転取り付けされ、前記回転子構成部品と前記固定子構成部品との間に少なくとも何らかの磁気遮蔽を提供するように構成された中間遮蔽構成部品をさらに備え、前記中間遮蔽構成部品が、前記回転子構成部品又は前記固定子構成部品のいずれかの上の前記巻線中の電流を変化させることにより発生された磁界の変化が、前記磁気的に活性化した区間上に力を発生させ、前記中間遮蔽構成部品を回転させるように構成された少なくともいくつかの磁気的に活性化した区間を備え、前記方法が、
前記回転子若しくは前記固定子のいずれか又は前記回転子及び前記固定子に電力を提供することによって前記電動機の出力回転速度を制御するステップであって、制御回路が所望の出力回転速度に依存して前記回転子構成部品及び前記固定子構成部品上の前記巻線に供給される電力を独立して制御する前記ステップを含む。
【００３５】
本発明の第３の態様は、電動機装置であって、
固定子構成部品、及び前記固定子構成部品と同軸上に及び前記固定子構成部品内に同軸上に回転取り付けされた回転子構成部品であって、
前記固定子構成部品及び前記回転子構成部品が、各々、電磁界を発生させるための巻線手段を備え、
前記電動機装置が、前記回転子構成部品と前記固定子構成部品との間に少なくとも何らかの磁気遮蔽を提供するための中間遮蔽手段をさらに備え、前記中間遮蔽手段が、前記固定子構成部品と前記回転子構成部品との間に回転取り付けされ、
前記中間遮蔽手段が、前記中間遮蔽構成部品が回転させられるように力を発生させることによって前記回転子構成部品又は前記固定子構成部品のいずれかの上の前記巻線中の電流を変化させることにより発生された磁界の変化に応答するための少なくとも何らかの磁気的に活性化した手段を備え、
所望の出力回転速度に依存して前記回転子構成部品及び前記固定子構成部品上の前記巻線手段に供給される電力を独立して制御するための制御手段を備える、前記電動機装置を提供する。
【００３６】
本発明の上記及び他の目的、特徴、及び利点は、添付の図面に関連して読まれる例示的な実施例の以下の詳細な説明から明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１ａ】本発明の実施例による電動機１０の断面を示す図である。
【図１ｂ】高電力負荷効率まで給電される回転子及び／又は固定子を用いて電動機によって生じ得るいくつかの回転速度を示す図である。
【図２】本発明の実施例による電動機の断面を示す図である。
【図３】本発明の実施例による電動機の断面を示す図である。
【図４】誘導電動機の中間遮蔽構成部品の実例を示す図である。
【図５】スイッチド・リラクタンス・モータの中間遮蔽構成部品の実例を示す図である。
【図６】本発明の実施例による電動機と制御回路とを示す図である。
【図７】本発明の実施例による回転子と軸との一部分を示す図である。
【図８】本発明の実施例による方法におけるステップを例示する流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図１ａは、本発明の実施例による電動機１０の断面を示す。電動機１０は、回転軸３０上に軸受２２を介して取り付けられた固定子２０を備える。軸受４２を介して軸３０に取り付けられた中間遮蔽要素４０もある。次に、固定できるように軸３０に取り付けられ、軸３０とともに回転する回転構成部品５０がある。
【００３９】
固定子２０は、その内周の周りの突起上に縦巻線要素２４を有し、これらの巻線は、給電されたとき、磁界を発生させる。
【００４０】
回転子５０自体は、回転子から延びる突起上に、回転子の外周に沿って様々な位置に取り付けられた巻線５４を有し、巻線が給電されるとき、巻線も磁界を発生させる。回転子５０上の巻線５４の給電は、制御回路５６によって制御され、固定子巻線２４の給電は、制御回路２６によって制御される。
【００４１】
固定子と回転子との間に、中間遮蔽要素４０がある。この遮蔽要素は、固定子によって発生された磁界を回転子によって発生された磁界から減結合する働きをする。中間遮蔽要素４０は、それ自体、軸３０上の軸受４２上に取り付けられる。固定子と同じ軸上に回転子を取り付けることにより、また実際に回転子が取り付けられるとき、軸が一般に高度に機械加工された物品であるので、デバイスの許容誤差は制御するのがより容易である。
【００４２】
中間遮蔽要素４０は、中間遮蔽要素４０を回転させる力を提供する回転子と固定子との両方によって発生された磁界と相互作用する磁気的に活性化した領域４４を有する。多くの場合、遮蔽要素４０は、その内面及びその外面の両方の上に磁気的に活性化した領域を有する。
【００４３】
この点において、磁気的に活性化した領域は、中間遮蔽要素がケイ素鉄などの磁性材料で形成される突起からなることができ、又は回転力が中間遮蔽要素４０に及ぼされるように磁界の変化に応答して電流が誘導されるかご形が傾斜した配列で配列される高導電性ループからなることができる。
【００４４】
中間遮蔽要素４０を固定子２０要素と回転子３０要素との間に配置することにより、回転子３０及び固定子２０は、互いに磁気的に減結合され、これにより、固定子２０要素及び回転子３０要素は、独立して制御され、２つの独立した電動機のように働くことが可能になる。したがって、回転子巻線への電力供給を回転子巻線への電力制御とは別個に制御することにより、電動機ユニットの制御が顕著に増すことが可能になる。特に、前述のように、そのような電動機配列の多くが非常に高い効率で動作するが、特定の電力負荷でのみ動作する。すなわち、一般にコイルに十分な電力が提供されて、上にコイルが取り付けられている突起内に飽和磁界がもたらされる。固定子２０及び回転子３０の個別の制御を可能にすることは、それらが両方とも互いに独立して、それらの最も効率的な負荷で又は負荷近くで給電され得ることを意味する。すなわち、電動機が高効率で動作している場合に発生され得るいくつかの回転周波数がある。
【００４５】
図１ｂは、それぞれの巻線をそれらの最も効率的な電力負荷まで給電しながら、そのような電動機がどのように異なる回転速度を発生させることができるのかを概略的に示す。この実例において、固定子２０は、その最も効率的な電力負荷まで給電されたとき１０ユニットの仮定的回転速度を発生させ、回転子は６ユニットを発生させる。したがって、それらを単独で給電するか、又は共に給電するか、又は共に給電するが互いに反対方向に給電するかのいずれかにより、いくつかの異なる速度を得ることができる。したがって、固定子単独で時計回り又は反時計回りのいずれかで１０ユニットが得られる。回転子単独では６ユニットが得られるが、固定子プラス回転子では１６ユニットが得られ、固定子マイナス回転子では４ユニットが得られる。したがって、高効率における電動機によって出力される潜在的回転周波数が増大され、電動機が場合により伝導システムなしで動作することが可能になる。
【００４６】
図２は、本発明の実施例による電動機１０を断面で示す。この実施例において、固定子２０上に３つのコイルがあり、それに対応して回転子３０上に３つのコイルがある。中間遮蔽構成部品として働き、磁性突起又は図示はしていないがその上の高導電性ループなどの、何らかの磁気的に活性化した構成部品を有する、中間回転コア４０がある。固定子２０及び回転子３０上の巻線は、それぞれ異なる処理コア２６及び５６によって独立して制御される。
【００４７】
図３は、電動機がスイッチド・リラクタンス・モータであり、固定子２０及び回転子３０が同じ数のコイルを有し、中間遮蔽構成部品４０が突起を有する磁性材料で形成されるときの本発明の実施例による電動機１０の実例を示す。この場合、突起が、一方の側のへこみが他方の側の突起を形成するように配列される場合、これにより、遮蔽要素がこのようにして突起が配列されなかった場合よりも少ない材料で作製されることが可能になる。これにより、より安価で、より小型の電動機を組み立てることが可能になる。
【００４８】
そのような配列が効率的に機能するために、回転子及び固定子上のコイルの数が等しい場合有利である。他の実施例において、異なる数の突起が中間遮蔽構成部品４０の内面及び外面上にあり得、固定子及び回転子上のコイルの数も異なることがあり得ることは明確であるはずである。この点において、固定子が当然ながらより大きな円周を有し、したがって、回転子よりも多いコイルを収容できるので、異なる数のコイルを固定子及び回転子上に有することは有利であり得る。
【００４９】
図４は、本発明の実施例による中間遮蔽要素４４を示す。この実施例において、かご形配列で遮蔽要素の縦軸に対してある角度で配列された高導電性インサート４７がある。インサートを互いに接続し、ループが形成されることを可能にする導電性要素４８が両端にある。
【００５０】
この実施例において、遮蔽要素の内面及び外面の両方の上に高導電性インサートがあり、高導電性インサートは、この特定の実例において、それらが同じ円周位置に配列された場合よりも薄い遮蔽要素上に挿入することができるように、互いにオフセットされて配列される。
【００５１】
これは概略的に図４に断面で示し、その場合、例示の便宜上、湾曲した遮蔽要素をまっすぐな要素として示す。外面上のインサート４７は、内面上にあるインサート４７に対してオフセットされて配列される。これらのインサートが、電流が流れることができるループを形成するために、それぞれこのリング型遮蔽要素の内周及び外周に沿って延びる２つの接続領域がある。接続領域４８の一方は内面上にあるインサート４７を互いに接続し、他方は外面上にあるインサートを互いに接続する。
【００５２】
図５は、スイッチド・リラクタンス・モータに使用される代替遮蔽要素４０を示す。この遮蔽要素４０は、ケイ素鋼などの磁性材料で形成され、内面及び外面の両方の上に突起を含む。変動する電界内にあるとき、突起中に誘導された磁界は遮蔽要素上に力を発生させ、遮蔽要素を回転させる。この力は、固定子又は回転子のうちの１つ又は複数の上の巻線によって発生された磁界の変化に応答して生じる。
【００５３】
この実施例において、一方の側の突起は他方の側にへこみを形成し、遮蔽４０がより少ない量の材料から、小型の電動機を可能にする小型の形で作製されることが可能になる。
【００５４】
一方の側のへこみが他方の側の突起を生じることが明確に分かるように、遮蔽４０を図５に断面で示す。
【００５５】
図６は、回転子３０と、遮蔽４０と、固定子とを有する電動機１０を示し、固定子コイル２４は示すが固定子は示していない。電源電圧２７は、固定子制御回路２６を介して電力を固定子コイルに供給する。固定子コイル制御回路２６は、回転子供給電圧源１２５からの入力も受け取り、したがって、回転子に現在供給されている電圧について、遮蔽４０と回転子３０との相対位置を示す位置情報からも認識する。
【００５６】
電動機５０は、スリップ・リング１４０を介して回転子供給電圧源１２５から電力を受け取る回転子制御ユニット５６を有する。回転子制御ユニット５６は回転子に対する遮蔽４０の位置に関する情報も受け取り、これに応じて、回転子コイルへの給電を制御する。このようにして、回転子コイル５４及び固定子コイル２４の給電は、回転子５０と遮蔽４０との相対位置により制御することができ、それにより、軸３０の所望の出力回転を達成することが可能になる。
【００５７】
図７は回転子５０をより詳細に示す。回転軸３０を介して電力及び制御信号を回転子５０に提供するためにいくつかのスリップ・リング２２５及び２３０がある。電圧を電源から受け取る回路２２０を介して回転子コイル（図示せず）に送られる電圧を制御するためにプロセッサ・コアの形で制御回路３６もある。この場合、回路２２０は、中間遮蔽構成部品（図示せず）に対する回転子５０の相対位置に関してそれが受け取る情報に反応するプロセッサ・コア５０からの信号に応答してそれぞれのコイルへの電力のスイッチを入れたり切ったりするスイッチング回路の形をしている。
【００５８】
図８は、本発明の実施例による方法におけるステップを例示する流れ図を示す。初めに、所望の回転速度が選択され、所望の回転速度が時計回りの方向にあるのか又は反時計回りの方向にあるのかが決定される。必要な回転の方向により、巻線に供給される電力の極性が決定される。
【００５９】
次いで、必要な回転速度が高速であるのかどうかが決定される。高速である場合、固定子巻線及び回転子巻線が、両方とも、必要な回転の方向を発生させる方向に電流が流れて給電される。回転速度がより低速である場合、固定子巻線及び回転子巻線のうちの一方がそれらだけで給電され得る。この点において、構成により、固定子上の巻線又は回転子上の巻線のいずれかを給電することにより、異なる速度（例えば図１ｂ参照）を発生させることができる。必要とする実際の速度が単独で給電された回転子又は固定子のいずれかによって発生された速度よりも遅い場合、一方を１つの方向に給電し、他方を反対方向に給電することが適切であり得、したがって、それらが遮蔽要素上に互いに反対の回転力を発生させ、その結果得られる軸の回転が２つの力の差となる。
【００６０】
初めに反時計まわりの方向が選択された場合、同じステップが実施されたはずであるが、ただし、電流がコイル中を反対方向に流れて、力を反対方向に発生させたはずである。
【００６１】
例示的な実施例を添付の図面を参照して本明細書に詳細に説明してきたが、特許請求の範囲がそれらの正確な実施例に限定されないこと、及び添付の特許請求の範囲及び精神から逸脱することなく、それらにおいて様々な変更及び変形が当業者によって実施され得ることを理解されたい。例えば、以下の従属項の特徴と、独立項の特徴との様々な組合せを行うことができるはずである。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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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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