(57)【要約】  電気モータは、ロータに揺動トラクション接合部によって機械的に連結されたステータを含み、それによってロータのステータに関する揺動中に、ロータの傾斜軸が出力シャフトの回転軸の周囲で前進する。ロータとステータの表面は動的ギャップの境界を画定し、そこにモータの電気的作動によって磁場が生成されて、ロータとステータとの間に力が生成される。トラクション接合部と前記ギャップは、出力シャフトの回転軸を含む平面において、トラクション接合部がギャップと接するステータ表面に関して斜めになるように配置される。ロータは出力シャフトにジンバル等の傾斜可能接続手段によって接続される。【選択図】図４
2021525505.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を画定する出力シャフトと、
前記出力シャフトに回転可能に連結された揺動ロータと、
前記ロータに揺動トラクション接合部によって機械的に連結されたステータであって、それによって前記ロータの前記ステータに関する揺動中に前記ロータの傾斜軸が前記出力シャフトの前記回転軸の周囲で前進するようなステータと、
を含む電気モータにおいて、
前記ロータと前記ステータの表面は半径方向の動的ギャップの境界を画定し、そこに前記モータの電気的作動により磁場が生成されて、前記ロータと前記ステータとの間に力を生じさせ、
前記トラクション接合部と前記ギャップは、前記出力シャフトの前記回転軸を含む平面内で、前記トラクション接合部が前記ギャップと接する前記ステータ表面に関して斜めになるように配置される
電気モータ。
【請求項２】
前記トラクション接合部は、ステータ歯群と軸方向に噛み合うロータ歯群を含む、請求項１に記載の電気モータ。
【請求項３】
前記ロータ歯群は前記ステータ歯群より多くの歯を含む、請求項２に記載の電気モータ。
【請求項４】
前記ロータ歯群と前記ステータ歯群の歯の総数間には１本の差があり、それによって揺動トラクション接合部が１回揺動すると、前記ロータの前記ステータに関する回転位置は、歯１本分の円周方向のピッチだけ変化する、請求項２に記載の電気モータ。
【請求項５】
前記揺動ロータは第一の揺動ロータであり、前記ステータは第一のステータであり、前記揺動トラクション接合部は第一の揺動トラクション接合部であり、前記モータは、
前記出力シャフトに回転可能に連結された第二の揺動ロータと、
前記第二の揺動ロータに、第二の揺動トラクション接合部によって機械的に連結された第二のステータであって、前記第二の揺動ロータの前記第二のステータに関する揺動中に前記第二の揺動ロータの傾斜軸が前進して、前記出力シャフトの前記回転軸に関して円錐面を画定する第二のステータ
を含み、
前記第二の揺動ロータと前記第二のステータの表面は半径方向のギャップの境界を画定し、そこに前記モータの電気的作動により磁場が生成されて、前記第二の揺動ロータと前記第二のステータとの間に力を生じさせる、
請求項１に記載の電気モータ。
【請求項６】
前記第一の揺動ロータと前記第二の揺動ロータは前記出力シャフトに、モータの動作中、前記第一及び第二の揺動ロータ軸が前記出力シャフトの前記回転軸に関して反対方向に傾斜するように連結される、請求項５に記載の電気モータ。
【請求項７】
前記第一の揺動トラクション接合部の前進する係合点は、前記第二の揺動トラクション接合部の前進する係合点と前記第一のステータに関して回転整列する、請求項５に記載の電気モータ。
【請求項８】
前記第一の揺動ロータ及び前記第二の揺動ロータは、前記第一及び第二の揺動トラクション接合部間に軸方向に配置される、請求項５に記載の電気モータ。
【請求項９】
前記第一の揺動トラクション接合部及び前記第二の揺動トラクション接合部は、前記第一の揺動ロータと前記第二の揺動ロータとの間に配置される、請求項５に記載の電気モータ。
【請求項１０】
前記ロータは、前記出力シャフトにジンバルにより回転可能に連結される、請求項１に記載の電気モータ。
【請求項１１】
前記ステータ表面は円筒形である、請求項１に記載の電気モータ。
【請求項１２】
ロータ表面は円錐台形である、請求項９に記載の電気モータ。
【請求項１３】
前記トラクション接合部は、揺動中、前記ステータのテーパ状の停止面に当たって転動するように配置された前記ロータのテーパ状のエッジ面をさらに含む、請求項１に記載の電気モータ。
【請求項１４】
前記トラクション接合部は、半径方向に前記半径方向の動的エアギャップの駆動側にある、請求項１に記載の電気モータ。
【請求項１５】
前記トラクション接合部は、前記ステータの静止トラクション面と係合する前記ロータのトラクション面を含み、前記ステータの前記トラクション面は、ステータピッチ円錐角が４〜４０度であるステータピッチ円錐を画定する、請求項１に記載の電気モータ。
【請求項１６】
前記ロータは前記ステータの中に配置される、請求項１に記載の電気モータ。
【請求項１７】
前記ロータは、前記半径方向の動的エアギャップに接する遠位端面を有する、半径方向に延びる円周方向に離間された歯を含む、請求項１に記載の電気モータ。
【請求項１８】
前記ステータは、ステータ巻線に関連付けられる、円周方向に離間された磁極を含む、請求項１７に記載の電気モータ。
【請求項１９】
前記離間された歯の各々は、軸方向に離間された複数の歯突出部を含み、各ステータ磁極は、軸方向に離間された複数の磁極突出部を含む、請求項１８に記載の電気モータ。
【請求項２０】
前記歯突出部及び磁極突出部は、最小動的エアギャップ地点で軸方向に整列される、請求項１９に記載の電気モータ。
【請求項２１】
回転軸を画定する出力シャフトと、
前記出力シャフトに傾斜可能接続手段において連結される揺動ロータと、
前記ロータに隣接して配置されて動的エアギャップを画定するステータであって、前記ステータは複数の巻線を有し、各々が磁場を発生させるように構成され、前記ロータのそれぞれの側を前記ステータに向かって引き、前記ロータが、複数の巻線の逐次的アクティベーションに応答して前記ステータに関して揺動するようにして、前記傾斜可能接続手段を累進的に傾斜させるステータと、
を含む電気モータにおいて、
前記動的エアギャップは、前記ロータの外周面によって境界が定められ、それによって前記ロータ及びステータ間の磁気連結が主として半径方向になり、
前記ステータは前記揺動ロータに揺動トラクション接合部によって機械的に連結され、前記ロータの前記ステータに関する揺動中に、前記ロータのそれぞれの傾斜軸が前記出力シャフトの回転軸の周囲で前進し、前記トラクション接合部は、ステータ歯群と軸方向に噛み合うように構成されたロータ歯群を含む
電気モータ。
【請求項２２】
前記モータは、モータの動作中、潤滑剤の流れが前記揺動トラクション接合部へと案内されるようにするポンプを含む能動的注油システムを含む、請求項２１に記載の電気モータ。
【請求項２３】
前記出力シャフトは、流動可能潤滑剤を前記トラクション接合部へと案内するように配置された注油ポートを画定する、請求項２１に記載の電気モータ。
【請求項２４】
前記注油ポートは、その上に前記ロータが取り付けられるジンバルにより画定される注油チャネルと流体連通する、請求項２３に記載の電気モータ。
【請求項２５】
電気モータの動作方法において、
揺動ロータに隣接して配置され、前記ロータの外周面により境界が定められる動的エアギャップを画定するステータの第一のコイルを作動させて、前記ロータ及びステータ間の磁気連結が主として半径方向になるようにすることであって、前記揺動ロータは前記モータの出力シャフトに傾斜可能接続手段において連結されるようなことと、
前記ステータの第二のコイルであって、前記第一のコイルから円周方向に離間される第二のコイルを作動させることと、
前記ステータの第三のコイルであって、前記第一及び第二のコイルの両方から円周方向に離間された第三のコイルを作動させることであって、前記第二のコイルは前記第一及び第三のコイル間に配置されるようなことと、
を含み、
前記第一のコイル、前記第二のコイル、及び第三のコイルを逐次的に作動させることによって、前記ロータは前記出力シャフト軸の周囲で揺動し、それによって前記出力シャフトを回転させ、
前記ステータは、前記揺動ロータに揺動トラクション接合部によって機械的に連結され、前記ロータの前記ステータに関する揺動中、前記ロータのそれぞれの傾斜軸が前記出力シャフトの回転軸の周囲で前進し、前記トラクション接合部は、ステータ歯群と軸方向に噛み合うロータ歯群を含む、
方法。
【請求項２６】
前記ロータは第一のロータであり、前記ステータは第一のステータであり、前記動的エアギャップは第一の動的エアギャップであり、前記傾斜可能接続手段は第一の傾斜可能接続手段であり、前記モータは、出力シャフトに回転可能に連結された第二のロータと、前記第二のロータに第二の傾斜可能接続手段によって機械的に連結された第二のステータをさらに含み、前記第二のステータのコイルを逐次的に作動させて、前記第二のロータを前記出力シャフト軸の周囲で揺動させることを含み、前記第一及び第二のロータは累積トルクを伝達する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記第一及び第二のロータは前記出力シャフトに、前記モータの動作中、前記第一及び第二のロータ軸が前記出力シャフトの前記回転軸に関して反対方向に傾くように連結される、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記第一のステータの前記第一のコイル、第二のコイル、及び前記第三のコイル並びに前記第二のステータの、前記逐次的にアクティベートされるコイルは、共同で同時にアクティベートされるコイルペアを形成し、各ペアは、前記第一のステータのコイルと、前記第一のステータの前記コイルと円周方向に整列された前記第二のステータのコイルの両方を特徴とする、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記ステータの前記第一のコイルをアクティベートすることは、前記ステータの複数の円周方向に隣接する巻線を、前記第二のコイル又は前記第三のコイルを含まない巻線群として同時にアクティベートすることを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項３０】
前記ステータは前記ロータに揺動トラクション接合部によって機械的に連結され、モータの動作中に流動可能な潤滑剤を前記揺動トラクション接合部へと案内することをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項３１】
前記流動可能な潤滑剤を案内することは、前記潤滑剤が前記出力シャフトの注油ポートを通じて流れるようにすることを含む、請求項３０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術分野
本発明は、電気モータと、そのようなモータの動作に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景
電気モータを特徴付け得る方法の１つは、そのトルク密度（すなわち、単位モータ体積で実現可能なトルク）によるものである。特に高いトルク密度が必要な多くの用途に関しては、油圧モータがより実用的であることが分かっており、これは、電気モータで高いトルク密度を実現することが困難であるからである。従来のモータは、電磁素子を備えるステータと、中心回転軸の周囲でステータに関して回転するロータを有する。ステータ及び／又はロータは電気的に作動されて接線方向の磁力を生成し、それがトルクを発生させる。接線方向の力に加えて、電気モータはステータとロータとの間に磁力の結果である法線力（半径方向圧力と呼ばれることもある）も生成し、これはその大きさにおいて接線方向の力より大きい。典型的なモータにおいて、半径方向圧力はロータ全体にわたって慎重にバランスがとられて、ステータとロータとの衝突が防止される。偏心動作で動くロータを使用することによって法線力の利用を試みている例もある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
少なくとも部分的に半径方向圧力を利用して、容認可能な程度にスムーズな動力伝達のトルクを発生させる新規なモータの設計が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
概要
本発明の１つの態様は、回転軸を画定する出力シャフトと、出力シャフトに回転可能に連結されたロータと、揺動トラクション接合部によってロータに機械的に連結されたステータと、を有し、ステータに関するロータの揺動中にロータの傾斜軸が出力シャフトの回転軸の周囲で前進する電気モータを特徴とする。ロータとステータの表面は動的ギャップの境界を画定し、そこにモータの電気的作動により磁場が生成されて、ロータとステータとの間に力を生じさせる。トラクション接合部とギャップは、出力シャフトの回転軸を含む平面内で、トラクション接合部がギャップと接するステータ表面に関して斜めになるように配置される。
【０００５】
幾つかの実施形態において、ロータは第一のロータであり、ステータは第一のステータであり、揺動トラクション接合部は第一の揺動トラクション接合部である。モータはまた、出力シャフトに回転可能に連結された第二のロータと、第二の揺動トラクション接合部によって第二のロータに機械的に連結された第二のステータと、を含み、第二のステータに関する第二のロータの揺動中に第二のロータの傾斜軸が前進して、出力シャフトの回転軸に関して円錐面を画定する。第二のロータと第二のステータの表面はギャップの境界を画定し、そこにモータの電気的作動によって磁場が生成されて、第二のロータと第二のステータとの間に力を生じさせる。
【０００６】
幾つかの例において、第一及び第二のロータは出力シャフトに、モータの動作中、第一及び第二のロータ軸が出力シャフトの回転軸に関して反対方向に傾斜するように連結される。
【０００７】
幾つかのケースにおいて、前進する第一の揺動トラクション接合部係合点は、前進する第二の揺動トラクション接合部係合点と第一のステータに関して回転整列する。
【０００８】
第一及び第二のロータは、第一及び第二の揺動トラクション接合部間に軸方向に配置されてよく、又は第一及び第二の揺動トラクション接合部は第一及び第二のロータ間に配置されてよい。
【０００９】
幾つかのモータにおいて、ロータは、相互に対して、及び出力シャフトの回転軸に対して垂直な２つの独立した傾斜軸を画定するジンバルによって出力シャフトに回転可能に連結される。
【００１０】
幾つかの例において、ステータ表面は円筒形である。このようなケースにおいて、ロータ表面は円錐台形であってよい。
【００１１】
多くの実施形態において、動的エアギャップは半径方向のエアギャップである。「半径方向の」エアギャップとは、ステータとロータとの間の、アクティブ磁束経路に沿ったエアギャップであって、ギャップを横切る最小抵抗の経路がロータの回転軸に関して軸方向又は接線方向より半径方向に向かうエアギャップを意味する。エアギャップは、それがロータの周囲の地点ごとに、及び時間と共に、ロータの揺動によってその寸法を変化させるという点で動的である。
【００１２】
幾つかの構成において、ステータは、それに関連する巻線を有するステータ磁極を有し、半径方向のエアギャップは半径方向にステータ磁極の内部にある。好ましくは、揺動中の何れの時点においても、トラクション接合部の最大トラクション係合点と最小動的エアギャップ地点が回転軸の反対側に配置される。
【００１３】
幾つかの他の構成において、ステータは、それに関連する巻線を有するステータ磁極を有し、半径方向のエアギャップは半径方向にステータ磁極の反駆動側にある。好ましくは、揺動中の何れの時点においても、トラクション接合部の最大トラクション係合点は、出力シャフトの、瞬間的な最小動的エアギャップ地点と同じ側に配置される。
【００１４】
幾つかの実施形態において、トラクション接合部は、ステータの歯群と噛み合うロータの歯群を特徴とする。幾つかのケースにおいて、ロータの歯群はステータの歯群より多くの歯を含む。好ましくは、ロータの歯群とステータの歯群の歯の総数間には１本の差があり、揺動トラクション接合部が１回揺動すると、ステータに関するロータの回転位置は、歯１本分の円周方向のピッチだけ変化する。
【００１５】
幾つかのケースにおいて、トラクション接合部はまた、揺動中、ステータのテーパ状の停止面に当たって転動するように配置された、ロータのテーパ状エッジ面を特徴とする。
【００１６】
幾つかの構成において、ステータは、出力シャフトを受ける軸受けを支持するステータエンドキャップを含み、ステータエンドキャップはステータの歯を特徴とする。
【００１７】
幾つかの例において、トラクション接合部は、法線荷重を受けると反作用面と転動係合する弾性摩擦面を特徴とする。
【００１８】
幾つかの構成において、トラクション接合部は、半径方向に動的エアギャップの反駆動側にある。他の構成において、トラクション接合部は、半径方向に動的エアギャップの内部にある。
【００１９】
幾つかの実施形態において、ステータは、ロータの周囲で円周方向に離間された、独立してアクティベート可能な複数の巻線を有する。巻線は、前進する揺動トラクション接合部係合点の前に連続的にアクティベートして、ロータの回転を起こさせる。モータはまた、ステータの巻線をアクティベートするように動作可能なスイッチ群を有する巻線コントローラも含んでいてよい。
【００２０】
幾つかの構成において、ステータの複数の隣接する巻線は、巻線群として同時にアクティベート可能であり、ステータは、ステータの周囲に離間された複数のそのような巻線群を含む。
【００２１】
幾つかの実施形態において、ステータは、ステータ巻線に関連付けられる、円周方向に離間された磁極を有する。磁極は、積層体の軸方向の積重ねにより形成されてよい。好ましくは、積層体は、すべてのステータ巻線を開いた後少なくとも１分間にわたり、ロータにおいて少なくとも１００ガウスの残留磁極を有するように形成される。このような残留磁極は、例えば、ステータの無励磁化の後にロータ位置を保持するのを助けることができる。
【００２２】
幾つかのケースにおいて、揺動トラクション接合部は、ロータをステータに関してステータ磁極のピッチとほぼ等しい距離だけ回転前進させるように構成される。
【００２３】
幾つかの実施形態において、トラクション接合部は、ステータの静止トラクション面と係合するロータのトラクション面を特徴とし、ステータのトラクション面はステータピッチ円錐を画定し、ステータピッチ円錐角は４〜４０度である。幾つかのケースにおいて、ロータのトラクション面はロータピッチ円錐を画定し、ロータピッチ円錐角とステータピッチ円錐角との差は１０度未満、好ましくは７．５度未満、より好ましくは５度未満である。
【００２４】
幾つかの構成において、ロータは、ステータ内、例えばステータ磁極間に配置される。幾つか他のケースにおいて、ロータはステータの磁極の周囲に延びる。
【００２５】
幾つかの例において、ロータは半径方向に延び、円周方向に離間される歯を有し、その遠位端面は動的エアギャップと接する。遠位端面は、ステータの磁極に向かって半径方向に外側を向くか、又はステータの磁極に向かって半径方向に内側を向いてもよい。
【００２６】
幾つかのケースにおいて、ステータは、ステータの巻線に関連付けられる、円周方向に離間された磁極を有する。幾つかの例において、離間された歯の各々は、軸方向に離間された複数の歯突出部を特徴とし、各ステータ磁極は、軸方向に離間された複数の磁極突出部を特徴とする。好ましくは、歯突出部と磁極突出部は、最小動的エアギャップ地点において軸方向に整列される。
【００２７】
ロータは、幾つかの実施形態において、エアギャップに隣接する強磁性材料の複数の積層体を有する。
【００２８】
幾つかのケースにおいて、揺動トラクション接合部に注油が行われる。例えば、モータは、注油システムにより揺動トラクション接合部の中へと案内される流動可能な潤滑剤を含んでいてよい。モータは、幾つかの構成において、潤滑剤の流れがモータの動作中に揺動トラクション接合部へと案内されるようにするポンプを備える能動的注油システムを含む。幾つかの構成において、出力シャフトは流動可能な潤滑剤をトラクション接合部に案内するように配置される注油ポートを画定する。注油ポートは、例えばその上にロータが取り付けられるジンバルによって画定される注油チャネルと流体連通していてよい。
【００２９】
幾つかのモータ構成は、トラクション接合部に注油するために潤滑剤をレールから噴霧するように配置された少なくとも１つのノズルを備える注油レールを有する。
【００３０】
本発明の他の態様は、回転軸を画定する出力シャフトと、出力シャフトに傾斜可能接続手段において連結されたロータと、ロータに隣接して配置され、動的エアギャップを画定するステータと、を含む電気モータを特徴とする。ステータは複数の巻線を有し、その各々が、磁場を生成して、ロータのそれぞれの側をステータに向かって引き、複数の巻線の逐次的アクティベーションに応答してロータをステータに関して揺動させて、傾斜可能な接続手段を累進的に傾斜させるように構成される。傾斜可能接続手段は、ロータから出力シャフトへとトルクを伝達するように配置されたジンバルを特徴とする。
【００３１】
幾つかの実施形態において、ロータは第一のロータであり、ステータは第一のステータであり、動的エアギャップは第一の動的エアギャップであり、傾斜可能接続手段は第一の傾斜可能接続手段である。モータはまた、出力シャフトに回転可能に連結された第二のロータと、第二のロータから出力シャフトへとトルクを伝達するように構成された第二のジンバルを特徴とする第二の傾斜可能接続手段によって第二のロータに機械的に連結された第二のステータも含む。第二のロータと第二のステータの表面は第二の動的エアギャップの境界を策定し、その間に、モータの電気的作動によって磁場が生成され、第二のロータ及び第二のステータ間に力を発生させる。
【００３２】
幾つかのケースにおいて、第一及び第二のロータは出力シャフトに、モータの動作中、第一及び第二のロータ軸が出力シャフトの回転軸に関して反対方向に傾くように連結される。
【００３３】
幾つかの配置において、前進する第一の動的エアギャップ最小位置は、第一のステータに関して、前進する第二の動的エアギャップ最小位置と回転整列される。
【００３４】
幾つかの例において、第一のステータは第一のロータに、第一の揺動トラクション接合部によって機械的に連結され、第二のステータは第二のロータに、第二の揺動トラクション接合部によって機械的に連結され、ステータに関するロータの揺動中、各ロータのそれぞれの傾斜軸は出力シャフトの回転軸に関して前進する。第一及び第二のロータは、第一及び第二の揺動トラクション接合部間に軸方向に配置されてよく、又は例えば第一及び第二の揺動トラクション接合部は、第一及び第二のロータ間に配置される。
【００３５】
幾つかのケースにおいて、ステータ表面は円筒形である。ロータ表面は円錐台形であってよい。
【００３６】
幾つかのモータにおいて、動的エアギャップは半径方向のエアギャップである。幾つかのケースにおいて、ステータは、ステータ巻線に関連付けられるステータ磁極を特徴とし、半径方向のエアギャップは、半径方向にステータ磁極の内部にある。ステータはロータに、揺動中の何れの地点においても、トラクション接合部の最大トラクション係合点と最小動的エアギャップ地点が回転軸の反対側に配置されるように構成された揺動トラクション接合部によって機械的に連結されてよい。幾つかの他のケースにおいて、ステータは、ステータ巻線に関連付けられるステータ磁極を特徴とし、半径方向のエアギャップは、半径方向にステータ磁極の反駆動側にある。ステータはロータに、揺動中の何れの地点においても、トラクション接合部の最大トラクション係合点が出力シャフトの、瞬間的な最小動的エアギャップ地点と同じ側に配置されるように構成された揺動トラクション接合部によって機械的に連結されてよい。
【００３７】
幾つかの実施形態において、ステータはロータに、ステータの歯群と噛み合うロータの歯群を特徴とする揺動トラクション接合部によって機械的に連結される。幾つかのケースにおいて、ロータの歯群はステータの歯群より多くの歯を含む。好ましくは、ロータの歯群の歯とステータの歯群の歯の総数には１本の差があり、揺動トラクション接合部の１回の揺動で、ステータに関するロータの回転位置が歯１本分の円周方向のピッチだけ変化する。
【００３８】
幾つかの構成において、トラクション接合部はまた、揺動中にステータのテーパ状の停止面に当たって転動するように配置されたロータのテーパ状のエッジ面も特徴とする。
【００３９】
ステータの幾つかの例は、出力シャフトを支える軸受けを支持するステータエンドキャップを含み、ステータエンドキャップはステータの歯を特徴とする。
【００４０】
トラクション接合部は例えば、半径方向に動的エアギャップの反駆動側又は、半径方向に動的エアギャップの駆動側にあってよい。
【００４１】
幾つかの配置において、ステータはロータに、法線荷重を受けて反作用面と転動係合する弾性摩擦面を特徴とする揺動トラクション接合部によって機械的に連結される。
【００４２】
幾つかの実施形態において、ステータの複数の隣接する巻線は、巻線群として同時にアクティベート可能であり、ステータは、ステータの周囲に離間された複数のこのような多数巻線群を含む。
【００４３】
幾つかの例において、ステータはそれぞれのステータ巻線に関連付けられる、円周方向に離間された磁極を有する。磁極は、積層体の軸方向の積重ねによって形成されてよい。
【００４４】
幾つかの実施形態において、ステータはロータに、ステータの静止トラクション面と係合するロータのトラクション面を特徴とする揺動トラクション接合部によって機械的に連結され、ステータのトラクション面はステータピッチ円錐を画定し、ステータピッチ円錐角は４〜４０度である。好ましくは、ロータのトラクション面はロータピッチ円錐を画定し、ロータピッチ円錐角とステータピッチ円錐角との差は１０度未満、より好ましくは７．５度未満、さらにより好ましくは５度未満である。
【００４５】
幾つかのケースにおいて、ロータは、半径方向に延び、円周方向に離間された歯を特徴とし、その遠位端面は動的エアギャップと接する。遠位端面は例えば、ステータの磁極に向かって半径方向に外側を向くか、又はステータの磁極に向かって半径方向に内側を向いてよい。ステータがステータ巻線に関連付けられる円周方向に離間された磁極を特徴とする幾つかの構成において、離間された歯の各々は、軸方向に離間された複数の歯突出部を有し、各ステータ磁極は、軸方向に離間された複数の磁極突出部を有する。好ましくは、歯突出部と磁極突出部は、最小動的エアギャップ地点において軸方向に整列する。
【００４６】
幾つかの例において、ロータは、エアギャップに隣接する強磁性材料の複数の積層体を特徴とする。
【００４７】
幾つかの実施形態において、ステータは揺動トラクション接合部によって機械的に連結され、揺動トラクション接合部は、モータの動作中、潤滑剤の流れが揺動トラクション接合部へと案内されるようにするポンプを含む能動的注油システムによって注油される。幾つかの例において、出力シャフトは、流動可能な潤滑剤をトラクション接合部に案内するように配置された注油ポートを画定する。注油ポートは、例えばジンバルにより画定される注油チャネルと流体連通してよい。幾つかの構成において、モータは、トラクション接合部に注油するためにレールから潤滑剤を噴霧するように配置された少なくとも１つのノズルを有する注油レールを含む。
【００４８】
本発明の他の態様は、回転軸を画定する出力シャフトと、傾斜可能接続手段において出力シャフトに連結されるロータと、ロータに隣接して配置されて、動的エアギャップを画定するステータと、を含む電気モータを特徴とする。ステータは複数の巻線を有し、各々は、磁場を発生させて、ロータのそれぞれの側をステータに向かって引き、複数の巻線の逐次的なアクティベーションに応答してロータをステータに関して揺動させ、傾斜可能接続手段を累進的に傾斜させるように構成される。動的エアギャップは、ロータの外周面により境界が定められ、ロータとステータとの間の磁気連結は主として半径方向になされる。
【００４９】
幾つかの例において、ロータの外周面はテーパ状である。
【００５０】
幾つかの実施形態において、ロータは第一のロータであり、ステータは第一のステータであり、動的エアギャップは第一の動的エアギャップであり、傾斜可能接続手段は第一の傾斜可能接続手段であり、モータはまた、出力シャフトに回転可能に連結された第二のロータと、第二のロータに第二の傾斜可能接続手段によって機械的に連結された第二のステータも特徴とする。第二のロータと第二のステータの表面は第二の動的エアギャップの境界を画定し、その中にモータの電気的作動によって磁場が生成され、第二のロータと第二のステータとの間に力を生じさせる。
【００５１】
幾つかの構成において、第一及び第二のロータは出力シャフトに、モータの動作中、第一及び第二のロータ軸が出力シャフトの回転軸に関して反対側に傾くように連結される。
【００５２】
好ましくは、前進する第一の動的エアギャップ最小位置は、第一のステータに関して、前進する第二の動的エアギャップ最小位置と回転整列する。
【００５３】
幾つかの実施形態において、第一のステータは第一のロータに、第一の揺動トラクション接合部によって機械的に連結され、第二のステータは第二のロータに、第二の揺動トラクション接合部によって機械的に連結され、ロータのステータに関する揺動中に、各ロータのそれぞれの傾斜軸は出力シャフトの回転軸の周囲で前進する。例えば、第一及び第二のロータは、第一及び第二の揺動トラクション接合部間に軸方向に配置されてよく、又は第一及び第二の揺動トラクション接合部は、第一及び第二のロータ間に配置されてよい。
【００５４】
ステータがステータ巻線に関連付けられるステータ磁極を含む幾つかの例において、半径方向のエアギャップは半径方向にステータ磁極の内部にある。ステータがロータに揺動トラクション接合部によって機械的に連結されるケースでは、好ましくは、揺動中の何れの時点においても、トラクション接合部の最大トラクション係合点と最小動的エアギャップ地点は回転軸の反対側に配置される。
【００５５】
ステータがステータ巻線に関連付けられるステータ磁極を含む他の幾つかの例において、半径方向のエアギャップは半径方向にステータ磁極の反駆動側にある。ステータがロータに揺動トラクション接合部によって機械的に連結されるケースでは、好ましくは、揺動中の何れの時点においても、トラクション接合部の最大トラクション係合点は、出力シャフトの、瞬間的な最小動的エアギャップ地点と同じ側に配置される。
【００５６】
幾つかの実施形態において、ステータはロータに、ステータの歯群と噛み合うロータの歯群を特徴とする揺動トラクション接合部によって機械的に連結される。幾つかのケースでは、ロータの歯群はステータの歯群より多くの歯を含む。好ましくは、ロータの歯群とステータの歯群の歯の総数には１本の差があり、揺動トラクション接合部が１回揺動すると、ステータに関するロータの回転位置が歯１本分の円周方向のピッチだけ変化する。
【００５７】
幾つかの例において、トラクション接合部はまた、揺動中、ステータのテーパ状の停止面に当たって転動するように配置されたロータのテーパ状のエッジ面も特徴とする。幾つかのケースにおいて、ステータは出力シャフトを支える軸受けを支持するステータエンドキャップを有し、ステータエンドキャップはステータの歯を特徴とする。トラクション接合部は例えば、半径方向に動的エアギャップの反駆動側にあるか、半径方向に動的エアギャップの駆動側にあってよい。
【００５８】
幾つかの構成において、ステータはロータに、法線荷重を受けて反作用面と転動係合する弾性摩擦面を含む揺動トラクション接合部によって機械的に連結される。
【００５９】
幾つかのモータにおいて、ステータの複数の隣接する巻線は、巻線群として同時にアクティベート可能であり、ステータは、ステータの周囲に離間された複数のこのような巻線群を特徴とする。
【００６０】
ステータがロータに、ステータの静止トラクション面と係合するロータのトラクション面を特徴とする揺動トラクション接合部によって機械的に連結される幾つかの実施形態において、ステータのトラクション面はステータピッチ円錐を画定し、ステータピッチ円錐角は４〜４０度である。好ましくは、ロータのトラクション面はロータピッチ円錐を画定し、ロータピッチ円錐角とステータピッチ円錐角との差は１０度未満、より好ましくは７．５度未満、さらにより好ましくは５度未満である。
【００６１】
幾つかの配置において、ロータはステータ内に配置される。
【００６２】
幾つかの構成において、ロータは、半径方向に延びる、円周方向に離間された歯を特徴とし、その遠位端面は動的エアギャップと接する。遠位端面は例えば、ステータの磁極に向かって半径方向に外側に、又はステータの磁極に向かって半径方向に内側に向いてよい。ステータがステータ巻線に関連付けられる円周方向に離間された磁極を特徴とする幾つかのケースにおいて、離間された歯の各々は軸方向に離間された複数の歯突出部を有し、各ステータ磁極は、軸方向に離間された複数の磁極突出部を有する。好ましくは、歯突出部と磁極突出部は、最小動的エアギャップ地点と軸方向に整列する。
【００６３】
幾つかのケースにおいて、ロータは、エアギャップに隣接する強磁性材料の複数の積層体を有する。
【００６４】
ステータがロータに揺動トラクション接合部によって機械的に連結される幾つかの構成において、揺動トラクション接合部は、モータの動作中に潤滑剤の流れが揺動トラクション接合部へと案内されるようにするポンプを含む能動的注油システムによって注油される。幾つかの例において、出力シャフトは、流動可能潤滑剤をトラクション接合部へと案内するように配置された注油ポートを画定する。モータは、トラクション接合部に注油するために、レールから潤滑剤を噴霧するように配置された少なくとも１つのノズルを有する注油レールを含んでいてよい。
【００６５】
幾つかの例において、ロータは、相互に、及び出力シャフトの回転軸に垂直な２つの独立した傾斜軸を画定するジンバルによって出力シャフトに回転連結される。
【００６６】
本発明のまた別の態様は、電気モータの操作方法を特徴とする。方法は、ロータに隣接して配置され、ロータの外周面により動的エアギャップを画定するステータの第一のコイルを作動させて、ロータとステータとの間の磁気連結が主として半径方向になるようにすることを含み、ロータはモータの出力シャフトに傾斜可能接続手段において連結される。方法はまた、ステータの第二のコイルであって、第一のコイルから円周方向に離間される第二のコイルを作動させることと、その後、ステータの第三のコイルであって、第一及び第二のコイルの両方から円周方向に離間された第三のコイルを作動させること、も含み、第二のコイルは第一及び第三のコイル間に配置される。第一、第二、及び第三のコイルを逐次的に作動させることによって、ロータは出力シャフト軸の周囲で揺動し、それによって出力シャフトを回転させる。
【００６７】
幾つかの例において、ロータは第一のロータであり、ステータは第一のステータであり、動的エアギャップは第一の動的エアギャップであり、傾斜可能接続手段は第一の傾斜可能接続手段であり、モータはまた、出力シャフトに回転可能に連結された第二のロータと、第二のロータに第二の傾斜可能接続手段によって機械的に連結された第二のステータも特徴とする。方法は、第二のステータのコイルを逐次的に作動させて、第二のロータを出力シャフト軸の周囲で揺動させることを含み、第一及び第二のロータは累積トルクを伝達する。
【００６８】
幾つかのケースにおいて、第一及び第二のロータは出力シャフトに、モータの動作中、第一及び第二のロータ軸が出力シャフトの回転軸に関して反対方向に傾くように連結される。
【００６９】
幾つかの例において、第二のロータと第二のステータは共同で第二の動的エアギャップを画定し、モータの動作中、前進する第一のダイナミックエアギャップ最小位置は、第一のステータに関して、前進する第二の動的エアギャップ最小位置と回転整列する。
【００７０】
幾つかのケースにおいて、第一のステータは第一のロータに第一の揺動トラクション接合部によって機械的に連結され、第二のステータは第二のロータに第二の揺動トラクション接合部によって機械的に連結され、ロータのステータに関する揺動中に、各ロータのそれぞれの傾斜軸は出力シャフトの回転軸の周囲で前進する。
【００７１】
幾つかの例において、第二のステータの、逐次的にアクティベートされるコイルの各々は、第一のステータのそれぞれのコイルと共にアクティベートされる。
【００７２】
幾つかのケースにおいて、第一のステータの第一、第二、及び第三のコイル並びに第二のステータの、逐次的にアクティベートされるコイルは、共同で同時にアクティベートされるコイルペアを形成し、各ペアは、第一のステータのコイルと、第一のステータのコイルと円周方向に整列された第二のステータのコイルの両方を特徴とする。
【００７３】
幾つかのケースにおいて、ステータの第一のコイルをアクティベートすることは、ステータの複数の円周方向に隣接する巻線を、第二のコイル又は第三のコイルを含まない巻線群として同時にアクティベートすることを含む。
【００７４】
ステータがロータに揺動トラクション接合部によって機械的に連結される幾つかの例において、方法はまた、モータの動作中に流動可能な潤滑剤を揺動トラクション接合部へと案内することも含む。流動可能な潤滑剤を案内することは、潤滑剤が出力シャフトの注油ポートを通じて流れるようにすること及び／又は潤滑剤をモータ内の注油レールのノズルから噴霧することを含んでいてよい。
【００７５】
本明細書で使用されるかぎり、「電気モータ」という用語は、電気モータ及び発電機を指す。
【００７６】
本発明の他の態様によれば、電気モータは、機械的動作インタフェースに沿って配置され、磁気的動作インタフェースに沿って位置する第一の磁気コンポーネントに動作的に接続された第一のトラクションコンポーネントを有する軌道アセンブリを含む。モータはまた、回転軸の周囲に軸受けを介して接続され、軌道アセンブリを中心回転軸に沿って配置された出力シャフトに動作的に接続し、その結果、回転自由度を得る複数のジンバルリングを備えるジンバルアセンブリを有する。モータはまた、同じく機械的動作インタフェースに沿って配置され、同じく磁気的動作インタフェースに沿って配置された第二の磁気コンポーネントに動作的に接続された第二のトラクションコンポーネントを備える静止アセンブリを有する。機械的動作及び磁気的動作インタフェースは、異なる表面間にある。
【００７７】
少なくとも１つの磁気コンポーネントは複数の磁極を特徴とする。関係する回路は、磁極を所定のシーケンスで電磁的にアクティベートするように構成される。電磁的アクティベーションの結果として、第一及び第二の磁気コンポーネント間に偏心磁力が生じ、それによって軌道アセンブリを、ジンバルアセンブリにより画定される仮想旋回点の周囲で静止アセンブリに関して偏心的に並進させる。第一及び第二の磁気コンポーネント間の圧縮（引力）は、第一のトラクションコンポーネントと第二のトラクションコンポーネントの機械的連通を介して接線方向の推力に変換されて、ジンバルアセンブリを介して出力シャフトに伝えられる。
【００７８】
幾つかのケースにおいて、軌道アセンブリのトラクションコンポーネントは、その磁気コンポーネントに直接連結される。例えば、トラクションコンポーネントは、ロータ積層体群に直接取り付けられた歯車を特徴としてよい。又は、それは支持板を介して磁気コンポーネントに間接的に連結されてもよい。支持板は、軌道磁気コンポーネント、その関連するトラクションコンポーネント、及びジンバルアセンブリの間に、低質量の、構造的に剛直な、幾何学的に一貫した整列を提供するかもしれない。このような支持板は、従来の技術により、合金鋼、カーボンファイバ複合材料、又はアルミニウム合金等の構造的に適当な材料から製造されてよい。幾つかの用途において、トラクションコンポーネントを支持板の中に単独のコンポーネントとして組み込むことが構造的に有利であるかもしれない。支持板はまた、ジンバルアセンブリに直接連結されて、構造的整列を保持しながらトルクを伝えてもよい。支持板は、ジンバルリングに動作的に連結されてよい別のコンポーネントを含んでいてよいが、幾つかの用途において、ジンバルリングを支持板に直接組み込み、単独のコンポーネントとすることが有利であるかもしれない。
【００７９】
軌道アセンブリのコンポーネントは、固定、溶接、接着剤結合、及び機械的締まり結合等の、所望の構造的剛直性及び耐久性を実現するための従来の技術を使って組み立てられてよい。支持板は、同様の技術を使ってジンバルアセンブリに連結されてよく、又は、ジンバルリングの役割を果たす支持板のケースでは、支持板は、回転軸受け接合面を介して第二のジンバルリングに動作的に連結されてよい。
【００８０】
トラクションコンポーネントは、ゴム又はウレタン等の高摩擦柔軟材料、歯車又はトラクションレール等の剛直摩擦接合部であってよく、又は駆動レールに連結された歯車若しくは駆動レールに連結されたゴム製Ｏリング等、複数の構造からの要素を組み合わせてよい。駆動レールは、ステータに関する軌道ロータの移動限界を画定して、一貫した動作を提供してよい。歯車式トラクションコンポーネントは、内巻きの、若しくは円に似た歯のプロファイルを有していても、直線カット若しくはヘリカルカットされていても、凹状、凸状、ベベルカットされていても、又はその何れかの組合せであってもよい。ステータ及びロータは各々、トラクションコンポーネントに連結されてもよく、それによってモータの動作により転動する円錐形の接合面に沿った係合がなされてもよい。
【００８１】
モータは、出力シャフトとステータハウジングを結合する１つ又は複数の軸受けを含んでいてよい。このような軸受けは、滑り軸受け、流体軸受け、又は転がり軸受けであってよく、これらはラジアル荷重、アキシャル荷重、又はその組合せを支持してよい。シャフト軸受けはまた、ラジアル及びアキシャル荷重の組合せを支持する複数のラジアル及びスラスト軸受けであってもよい。テーパ状転がり軸受け又はアンギュラ軸受けは、予想されるシャフト荷重から、自動車応用にとって好ましい。軸受けは、永久的に注油されても、能動的注油を必要としてもよい。
【００８２】
磁気コンポーネントの１つ又は両方は、鉄、鉄合金、酸化鉄、アルニコ若しくは磁性材料等の中実の強磁性材料、積層電気用鋼、鉄コバルト鋼、又はアモルファス合金等の積層強磁性材料、又は圧粉メタルコア若しくは焼結磁気複合材等の中実の複合材料を含んでいてよく、又は、このような材料の組合せを特徴としてもよい。ステータコアの強磁性材料は、低い残留保持力を有し、磁気的に柔らかいと考えられてよく、例えば電気コア鉄、焼結磁気複合材、又は軟質磁気材料等、又は高い残留保持力を有し、アルニコ若しくは硬質磁気材料等、磁気的に硬いと考えられてよい。柔らかいコア材料により、比較的低いヒステリシス損失でのステータ磁極の効率的で素早い逐次的励磁が可能となるかもしれず、他方で、硬いコア材料により、磁極の励磁が行われなない場合にロータの固定された位置的安定性が実現されるかもしれない。これらの材料は、従来の方法、例えば機械加工、ダイスタンプ法、レーザカット、又は圧縮成形を使ってパターン化されてよく、溶接、クリンピング、固定、又は接着剤結合等の従来の方法を使って必要に応じて組み立てられてよい。
【００８３】
ロータコアは、励起されたステータとの磁気連通を容易にするかもしれない補足的な磁気外面を提供するように配置された強磁性材料であってよい。ロータは、実質的に均一であってよく、又は、ロータの最大半径とステータの最小半径に関する干渉を可能にする磁気連通を実現するためのスロットを有していてもよい。代替的に、外面は実質的に均一であってよい。表面はまた、動作中にロータコアの高さを通じて一定の最小エアギャップが得られるように、テーパ状に研削されてもよい。
【００８４】
ジンバルアセンブリは好ましくは、ロータコアと出力シャフトとの間に、低摩擦のトルク伝達機構を提供する。ジンバルアセンブリは、単列転がり軸受、複列単式転がり軸受、又は流体若しくは中実潤滑ジャーナル軸受けの形態のジンバル軸受けを有していてよい。単式針軸受け等の複列転がり軸受は、動作中の軸受け面の摩耗を均一にするために使用されてよい。
【００８５】
ステータは、ステータハウジングに固定されて動作中にステータコアが静止したままに保持されるようにするステータコア、ステータコアと磁束経路を形成して、磁極の励磁によってステータコア内の磁場の強度が増大されるようにする複数のステータ歯、及び直接的な機械的接続により、又はステータハウジングを通じて間接的にステータコアに連結されるハウジングトラクションプレートを含んでいてよい。ステータ歯は、ステータヨーク、又はバック鉄心から突出してよく、それによってステータスロットができる。ハウジングトラクションプレートはまた、軌道ロータとステータとの間の機械的整列を支持するためにも使用されてよい。ステータコアは、１つの連続的な材料又は一連の個別のコンポーネントを含んでいてよい。連続する材料のほうがより高い寸法一貫性を提供するかもしれないが、ステータハウジングにより機械的に整列された状態で保持される一連の個別のステータ磁極によれば、効率的な製造と組立が可能となるかもしれない。
【００８６】
ステータは、駆動側にあっても反駆動側にあっても、又は駆動側と反駆動側の両方にあってもよい。複数のステータ−ロータ磁極セットが相互に関して同心円状に配置されてもよく、それによって、動作中、複数の同心円状、すなわち入れ子状のロータ磁極の電磁励起から生じる力が１つのジンバルアセンブリに伝えられる。
【００８７】
ステータ磁極によって、電気的に隔離されている間に、電力用電子部品とステータコアとの間の電磁通信が可能となる。ステータ磁極は、絶縁された、若しくはエナメル被覆磁石ワイヤ等の導電ワイヤコイル、又は絶縁された銅棒等の複数の溶接された導電棒を含んでいてよい。ステータハウジングは、動作中、ステータコアに構造的支持を提供する。ステータハウジングは、ステータコアの直接的な機械的延長部であっても、別のコンポーネントであってもよい。
【００８８】
モータは、従来の電力用電気スイッチを使って制御される電力用電気アセンブリによって電源供給されてよく、これは、並列誘導負荷リアクタを使用することによって、デュアルロータ構成の中の２つのロータ間の相対速度のバランスをとるために並列ドライブの中に配線されてよい。
【００８９】
モータの磁気エアギャップは、ロータコアの円周に沿って一貫していない。後述のモータにおいて、コア材料はステータコアに関するロータコアの複雑な３次元軌道運動による「壁」から生じる壊滅的なダメージを防止するために、非ゼロのエアギャップを保持しなければならない。モータの動作中のエアギャップの変化と相互作用点は、ステータとロータとの間の距離の平面にわたり変化するかもしれない。しかしながら、好ましい最小エアギャップは、例えば０．０５〜２．０ミリメートル、より好ましくは０．５〜１．５ミリメートル、さらにより好ましくは０．７５〜１ミリメートルであってよい。理解すべき点として、エアギャップは、空気以外の流体で満たされてもよい。
【００９０】
モータの機械的接触面は、ギアオイル等の従来の液体潤滑剤、グリース等の半固体潤滑剤、グラファイト若しくはＭｏＳ２等の乾燥潤滑剤、又はナイロン若しくは含油金属等の自己潤滑面を使って受動的に注油されてもよい。
【００９１】
能動的注油によれば、電気コイル及び機械的接触面から熱を吸収する媒質を提供することによって、より高い電力密度が実現されるかもしれない。能動的注油システムは、流体潤滑剤をモータ中で循環させることによって、表面の間欠的又は連続的注油を提供するために使用されてよい。例えば、流体ポンプは、流体潤滑剤を流体ポンプから流体ラインを介してモータへと機械的に送り出してよく、そこで潤滑剤は指向性ノズルを介して放出され、モータ内の特定の場所への能動的注油及び／又は流体冷却を提供してよい。すると、流体は重力によってモータのベースのオイルパンの中に回収されて、戻り流体ラインを介してポンプに還流し、再循環され得る。このようにして、モータロータアセンブリは、注油されて、水に浸漬されていない環境中で動作してよい。それに加えて、潤滑剤の一部は、熱交換器を通過して、潤滑剤に熱を与えるか、又はそこから熱を除去して、各用途の具体的なニーズに合うように潤滑剤の温度及び／又は粘度を調整してよい。
【００９２】
潤滑剤は、機械的接触面に注油するために使用される何れの従来の流体であってもよい。動作条件において、潤滑剤は１〜５００センチポアズの範囲内の低粘性流体、例えばモータオイル、５００〜２，０００センチポアズの範囲の中粘性流体、例えばギアオイル、又は２，０００センチポアズを超える範囲の高粘性半流体、例えばグリースであってよい。潤滑剤はまた、水性流体であってもよく、これは硫酸官能基化グラフェン等、潤滑性材料を含んでいても、含まなくてもよい。
【００９３】
モータは、モータアセンブリ内で放出された潤滑剤を重力により回収し、それを戻り流体ラインに向かって案内する回収パンを含んでいてよい。
【００９４】
注油システムは流体ポンプを有していてよく、これは潤滑剤に圧力勾配を提供し、その結果、流体システム内で循環させる。このようなポンプは、ロータリポンプ等の定容積型ポンプでも、ギア又はピストンポンプ等の可変容量型ポンプでもよい。ポンプは、機械的又は電気的動力源に動作的に接続されてよく、モータの動作中、連続的又は間欠的に動作してよい。ウェットサンプ能動的注油システムは、１つの流体ポンプを有していてよく、これは回収パンに動作的に接続されて、オイルを流体ラインを通じて注油対象システム内で循環させる。このケースでは、オイル供給の大部分が回収パンの中にある。代替的に、複数の流体ポンプがドライサンプ能動的注油構成で動作してよく、この場合、回収パンからの流体は継続的に、好ましくは断面積に関して高い高さを有する保持タンク内に送出され、第二のポンプは流体を別の制御された流速でモータに戻るように送出して、潤滑剤の循環を完結させてよい。
【００９５】
注油システムは、潤滑剤をモータアセンブリの中の特定の場所、例えばトラクションプレート、ジンバル軸受け、及びステータ磁極に案内する１つ又は複数の指向性ノズルを有していてよい。
【００９６】
出力シャフトは、遊星歯車等の追加のギアトレインに入力を提供してもよい。
【００９７】
本明細書で開示される本発明の各種の例は、特に高いトルク密度を提供でき、車両の推進のためのほか、定置式システムにおいても、基本的にスムーズな出力シャフトのパワーを提供するために使用できる。設計コンセプトは、シャフトのパワーを発生させるために法線力、軸方向の力、及び接線方向の力をより有効に利用でき、１つを利用するために他を犠牲にするといった従来のトレードオフの一部がなされない。
【００９８】
本発明の１つ又は複数の実施形態の詳細が添付の図面と以下の説明の中に示されている。本発明の他の特徴、目的、及び利点は、説明と図面から、また特許請求の範囲から明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
図面の説明
【図１】電気モータの第一の例の斜視図である。
【図２】図１のモータの側面図である。
【図３】図１のモータの、非回転コンポーネントが切断されている部分断面斜視図である。
【図４】ロータが第一の方向に傾斜している、図３の断面の側面図である。
【図５】第二の反対の方向に傾斜しているロータを示す。
【図６】揺動ロータモータの動作の概略図である。
【図７】図１のモータの断面図である。
【図８】パワースイッチングを含むモータコントローラの概略図である。
【図９】ステータエンドキャップが取り外された、図１のモータの斜視図である。
【図１０】ロータの斜視図である。
【図１１Ａ】完全な１揺動サイクル中のロータの回転前進を連続的に示す。
【図１１Ｂ】完全な１揺動サイクル中のロータの回転前進を連続的に示す。
【図１１Ｃ】完全な１揺動サイクル中のロータの回転前進を連続的に示す。
【図１２】他のモータの、ジンバルアセンブリを通る断面図である。
【図１３】部分的に図１２の線１２Ａ−１２Ａに沿った、及び部分的に１２Ｂ−１２Ｂに沿った断面図であり、注油及び冷却システムを示す。
【図１４】図１３の領域１４の拡大図である。
【図１５】注油レールを備える図１のモータの部分断面斜視図である。
【図１６】名目ステータ角度が３０度の、他の電気モータの第三の例を示す。
【図１７】名目ステータ角度が２０度の、他の電気モータの第四の例を示す。
【図１８】反駆動側トラクション接合部を有する電気モータを示す。
【図１９】反駆動側トラクション接合部を有する電気モータを示す。
【図２０】駆動側トラクション接合部を有する電気モータを示す。
【図２１】駆動側トラクション接合部を有する電気モータを示す。
【図２２】アウタロータ式歯車積層モータを示す。
【図２３】アウタロータ式歯車積層モータを示す。
【図２４】インナロータ式歯車積層モータを示す。
【図２５】ハウジングの端板が取り外された、図２４のモータの上面図である。
【図２６】アウタロータ式セグメントギア積層モータを示す。
【図２７】３次元の相対的ロータ／ステータエアギャップ面運動を示す。
【発明を実施するための形態】
【０１００】
各種の図面中の同様の参照記号は同様の要素を示す。
【０１０１】
詳細な説明
まず図１及び２を参照すると、電気モータ１０は、モータハウジング１４に関して回転可能な出力シャフト１２を有し、これは本説明文の中では、モータコンポーネントの回転及びその他の運動に関する基準と考えられる。使用中、出力シャフト１２は、適当な電力及び信号によって電気的に作動されるとモータ１２が回転力をそこに付加する他の物体に連結されるであろう。図２においてわかるように、出力シャフト１２はモータの中を通って延び、両端で露出しており、これは、回転力をモータの両端で伝達できることを意味する。ハウジング１４は、出力シャフト１２の回転軸１６の周囲で回転対称であるように示されているが、何れの外形であってもよく、一般に、ハウジングを他の構造に固定して、モータの動作中にハウジングの回転を防止するための手段を含む。
【０１０２】
次に図３を参照すると、モータ１０は２つのロータ１８ａ及び１８ｂを含み、各々がステータに関連付けられる。ロータ１８ａは、ステータ２０ａの中に配置され、ロータ１８ｂはステータ２０ｂの中に配置される。以下により詳しく説明するように、ステータ２０ａ内の電気活動は、適正に制御されて、ロータ１８ａの運動を駆動し、ステータ２０ｂ内の同様の電気活動はロータ１８ｂの運動を駆動する。ロータ１８ａ及び１８ｂはどちらも出力シャフト１２に回転可能に連結され、その結果として得られるロータの運動の回転成分はすべて出力シャフト１２に伝達され、それによって出力シャフトを回転させる。説明しやすくするために、モータの各端で出力シャフトを支持する軸受けは省略されている。
【０１０３】
しかしながら、従来の回転型電気モータとは異なり、ロータ１８ａ及び１８ｂの運動は純粋に回転ではない。後述のように、各ロータはステータに関して揺動し、この運動は、ロータがステータの表面に当たって転動し、他方でロータの傾斜軸が出力シャフトの周囲で前進して、概して円錐表面を掃引するウォブリングと説明することができる。各ロータとそれに関連付けられるステータとの間の有効エアギャップは一般に、それが従来のラジアルギャップモータのように、ロータの外周面とこれに隣接するステータの内周との間にあるという点で半径方向である。しかしながら、ロータの揺動により、このモータのエアギャップは動的であり、すなわち、これは揺動サイクル中にロータの周囲の何れかの特定の地点において変化し、これについては後述する。
【０１０４】
図３においてわかるように、ロータ１８ａはその上面に歯群を担持しており、それが、関連付けられるステータ２０ａの静止エンドキャップ２４のロータ歯群２２と係合する。ロータ１８ｂは、同様の歯群（この図では見えない）を有し、それがステータ２０ｂのエンドキャップの歯と係合する。この例において、噛み合っている歯群は揺動トラクション接合部を形成し、そこにおいて揺動ロータがステータ上で揺動し、係合点は、ロータの傾斜軸の前進と同期してロータの周囲で前進する。これをトラクション接合部と呼ぶが、これは、それがステータに関するロータの回転スリップを防止する役割を果たすからである。ステータの揺動運動によって、トラクション接合部の歯の大部分が何れの時点においても負荷を支え、トラクションの負荷は一度に複数の歯に分散される。図の例の幾つかにおいて、何れの時点でも一度に歯の少なくとも３分の１がトルクを伝えている。円状の歯の場合、何れの時点においても歯の半分に負荷がかかっているかもしれない。トラクション接合部に沿って歯を含む実施では、歯は主として軸方向に噛み合う。すなわち、インタフェースは軸方向の負荷又は磁気エアギャップに垂直な負荷を伝達する。本開示全体を通じて、トラクション接合部に沿って噛み合っている歯の例は、軸方向に噛み合っていると考えることができる。トラクション接合部の他の例は、噛み合う歯を特徴としない。幾つかの実施において、このようなトラクション接合部に沿った接触は、主として軸方向である。１つの代替案では、トラクション接合部は、剛直金属面間にある（鉄道の車輪とレールとの間で生じるような）金属−金属摩擦によってトラクションが可能となる。このレールは、相対圧力を上昇させるように斜めであってよく、中実の高摩擦材料、例えば弾性ゴム又はその他のエラストマで被覆されるか、幾つかの自動車用連続可変トランスミッションで使用されているような摩擦流体を利用してもよい。レールは、ロータによってのみ機械的負荷を受けても、又は第二の機械的前負荷を含んでいてもよい。第二の機械的前負荷の場合、ステータとロータとの間のデルタ角は好ましくは１０度より大きく、そうでなければ、前負荷のタイミングはステータのコイルとは独立して制御し、駆動しなければならない。
【０１０５】
次に、図４及び５を参照すると、各ステータ２０ａ及び２０ｂは、強磁性ステータコア２８に関連付けられる個別に励起可能な巻線又はコイル群２６を特徴とする。コア２８は、例えば複数のステータ突出部を有していてよく、これはステータヨーク又はバック鉄心から突出してよく、それによってステータのスロット及び磁極ができる。ステータコアは、１つの連続する材料によっても、又はモータへと組み立てられる個別のコンポーネントの組合せによってもよい。連続的材料はより高い寸法一貫性を提供するかもしれず、他方で、ステータハウジングにより機械的整合状態に保持される個別のステータ磁極群によって、効率的な製造及び組立が可能となるかもしれない。ステータ突出部の終端は、拡散していても、まっすぐであっても、又はステータの突出部及びバック鉄心又はヨークに関して下にあってもよい。この例では、ステータ突出部はまっすぐであり、ヨークからエアギャップにおけるその遠位端へと一定の断面積を有する。
【０１０６】
この例におけるロータの外周面は円錐形に研削され、他方で、ロータの内面は概して円筒面を画定する。図４において、上側ロータ１８ａは、出力シャフト１２に関して左に傾斜しているように示されており、他方で、下側ロータ１８ｂは反対方向に傾いている。この位置で、ロータとステータ面との間のエアギャップ２８は、図の中の各ロータの左側においてギャップの軸方向に長さに沿って概して一定の半径方向の幅を有し、他方で、各ロータの右側では、エアギャップはその長さに沿って変化し、ロータ間の空間に向かって減少する。ロータ１８ａの傾斜軸３０は、出力シャフト１２の静止した回転軸３２に関して４．３４度の角度をなす。ロータ１８ａが揺動して、ステータ２０ａの異なるコイル２６に向かって累進的に傾くと、その傾斜軸３０は、出力シャフト軸に沿った出力シャフトとロータ１８ａとの間のジンバル接続手段３４の高さのＡに頂点を有する円錐面を掃引する。図の傾斜位置では、ロータとステータとの間のエアギャップ磁気抵抗は、左側のコイル２６において最小であり、右側のコイルで最大となる。左のギャップを横切って示される曲がった矢印は単純に、ステータの周囲でその位置のわずかに前にあるコイルが励起されて、ギャップを横切る磁束を発生させ、ステータの反対側のコイルは励起されないことを示しているにすぎない。後でさらに説明するように、これによってステータとロータとの間に圧縮波、すなわち前進する半径方向の圧縮力が作られ、ロータの揺動を起こさせる。図５に示される傾斜位置では、図４に示される位置から揺動サイクルの半分の位置にあり、ロータとステータとの間のエアギャップ磁気抵抗は右側のコイル２６で最小であり、左側のコイルで最大である。ロータの傾斜は、各ステータのエンドキャップのテーパ状停止面３６と隣接するロータのテーパ状エッジ面３８との間の転動接触により限定される。
【０１０７】
前進する圧縮波とロータ揺動との間の関係は、図６に示される単純モデルに関して説明することができる。平坦ディスク４０は、その一端が点Ｂで平面上に乗る剛直軸４２に取り付けられる。ディスクと軸は、軸の端とディスクの縁により点Ｂ及びＣにおいて平面上に支持される。ディスクは、Ｄのような、接触点Ｃ付近でディスク縁を押し下げることによって、平面上で転動させることができる。同じ効果は、ディスクの縁と平面との間の引力によって、Ｄにおいてディスクの縁を引き下げることによっても生じさせることができる。ディスクが転動を始めると、転動は、ディスクを平面に向かって、常に瞬間的な接触点Ｃの少し先の地点において連続的に引き、接触点Ｂの軸４２は静止したままにすることによって、無限に続けることができる。結果として得られる転動又は揺動は、例えば、子供のおもちゃのコマが、直立した回転を停止した後に受ける運動となるであろう。ディスクの縁は平面上で転動し、摺動しない。同様に、ステータの各コイルの励起によって、ロータを引っ張る局所的引力が発生する。最小半径方向エアギャップ地点の先頭側で（好ましくは、１５〜６０度先）コイルを連続的に励起することによって、ロータは傾いているコマのように揺動させることができ、ステータのエンドキャップの停止面に当たって転動する。しかしながら、図６の単純モデルの動作と図４及び５のモータの動作との間の重要な違いは、単純モデルにおいて、圧縮又は引力は、ディスクの縁と平面との間の、転動面そのものにより境界が定められるギャップを横切って発生する。ディスクが点Ｂの周囲で転動すると、ディスクの転動する縁と平面との間の距離は、ディスクの縁と平面との間の引き付け合いが作動する距離だけ変化する。このモデルでは、これらは同じである。
【０１０８】
他方で、図４及び５のモータにおいて、ロータの転動面が揺動中に移動する距離は、基本的に軸方向であり、表面３６及び３８間の最大空間であり、これは有効エアギャップ幅が最小であるとき、例えば図５の右側で発生し、引き付け合う圧縮力が作動するギャップ（磁気エアギャップ）は基本的に半径方向である。これによって、揺動は、有効磁気エアギャップより転動インタフェースにおいてはるかに大きな変位の変化を生じさせる。この特定の例では、それによって、ロータも傾斜させることができ、転動接触点は常にロータの、圧縮波の反対側とすることができる。モータを、転動接触点と圧縮波が出力シャフト軸の概して反対側となるようにモータを構成することによって、相対的トラクション接合部ピッチ速度がより低速となるため、より小さいパッケージングとより高い切替周波数を実現できる。反対に、モータを転動接触点と圧縮波が出力シャフト軸の概して同じ側で前進するように構成することにより（図２０及び２１のモータの例の場合）、ジンバルを通じたねじり力成分を利用しなくてもよいという点で、有利な短い機械的負荷の経路が提供される。
【０１０９】
再び図４及び５を参照すると、ロータのうちの一方の質量加速度により生じる軸方向及び半径方向の慣性力は、２つのロータの反対方向への揺動による他方のロータのそれらとバランスがとられる。揺動は事実上、ロータ間でモータを２等分する横平面に関して相互に対称である。２つのロータの前進する磁気係合点は、現実的に相互に１０度以内である。概してバランスがとれているものの、常に一方のロータにおいては、他方と比べてわずかな遅れがあり、電力用電子部品は常に、わずかに遅く移動するほうを加速させるようにする。ジンバル内の累積公差等により、最大３度の滑動が生じるかもしれない。
【０１１０】
それぞれロータ１８ａ及び１８ｂを出力シャフト１２に接続するジンバル３４ａ及び３４ｂは、典型的に２つのリングを有する交差軸ジンバルアセンブリであり、それによって揺動時に３６０度の自由な傾斜を可能にしながら、出力シャフト軸３２の周囲でトルクを伝達する。必要な自由度を提供するために、出力シャフトはジンバルの内側リングに内側横ピン（これらの図では見えない）によって固定され、ジンバルの内側リングは、内側ピンと９０度の角度で横ピンによりロータに固定される。固定されたコンポーネントは、注油される軸受け面上でピンの周囲で自由に回転する。
【０１１１】
次に図７を参照すると、この例では、ステータエンドキャップのテーパ状の停止面３６が、出力シャフト軸に対する垂線に関して２５．００度のステータ円錐角βを画定し、ロータのテーパ状のエッジ面３８はロータの傾斜軸に対する垂線に関して２２．８３度のロータ円錐角度γを画定する。動作中のロータの傾斜はしたがって、＋／−２．１７度であり、これは揺動中のロータとステータとの間の歯の係合のインデキシングを可能にするのにちょうど十分である。ロータとステータとの間のトラクション接合部の一部である歯の係合は、ロータ歯群４４がステータ歯群４６と噛み合うことを特徴とする。ステータに関するロータ（及びそれゆえ、出力シャフト）の回転前進を生じさせるために、ロータの周囲の歯の数は、ステータの周囲の歯の数とは異なり、それによって、ロータがその揺動中にステータの周囲で転動すると、ロータの回転インデキシングは、歯のピッチに歯の数の差を乗じたものと等しくなる。この例では、ステータエンドキャップは各々５９の歯を有し、ロータは各々６０の歯を有しており、すなわち、係合するステータエンドキャップより１本多い。換言すれば、ステータ磁極を逐次的に励磁し、圧縮波を発生させてモータの周囲での丸１回転を完了させると、ロータの１つの完全な揺動サイクルが起こり、出力シャフトを歯１本分と等しい回転量だけ、すなわちこの例では６度だけ前進させる。
【０１１２】
モータコントローラ電力用電子部品は、リラクタンスモータのようにステータコイルを連続して励磁するように構成できる。図８は、適当なモータコントローラの簡略図を示しており、プロセッサ４８はスイッチ５０を制御して、ステータ磁極２６ａ、２６ｂ、及び２６ｃを逐次的に励起する。図９も参照すると、このような逐次的アクティベーションによって揺動を起こさせ、傾斜軸がモータを見下ろしたときにロータ軸の周囲で時計回り方向に前進することになる。シーケンスを逆転させると、反対方向への前進が起こり、すなわち、モータは何れの方向にも全負荷で駆動できることを意味する。図８には３つのスイッチだけが示されているが、モータコントローラは各ステータ磁極について１つのスイッチ、すなわち、図９のステータ配置に示される２４のコイルを励起するための２４のスイッチを有することになると理解されたい。再び図５を参照すると、２つのロータの揺動は対称であるため、２つのステータの回転整列される磁極ペアを一緒に励起させることができる。換言すれば、上側ステータの一番左に示される磁極２６は、下側ステータの一番左に示される磁極２６と同時に、同じ持続時間にわたって励起されることになる。２つのステータの回転整列された磁極ペアはしたがって、同じスイッチを介して並行して励起できる。例えば、図９に示されるツインステータモータのためのモータコントローラは、合計２４のスイッチを必要とすることになる。代替的に、隣接する磁極ペアは、共通のスイッチを介して直列に配線されてもよいが、このような場合、２つの移動するロータのうち瞬間的に速い方は、わずかにより大きい逆ＥＭＦを発生させ、より低速の磁極と比較して、瞬間的により多くの相対電力を引き出すことになり、それによってさらに加速度がつき、相対速度が分離される。それに対して、別のロータの隣接する磁極の並列配線は、並列揺動負荷により、ネガティブフィードバック機構を提供する可能性がある。その意味で、これはセルフバランシングと考えることができ、振動の可能性の低い、よりスムーズな出力トルクを生成することができる。
【０１１３】
モータステータ磁極の何れにも電流が流れないと、理論上、ロータを所定の位置保持するための内部のモータ力がない。ステータ積層体又はコアは、適切な程度の残留磁気を有する強磁性材料から形成でき、それによってロータは最後に励起された磁極に最も引き付けられた状態に保持される。
【０１１４】
次に、図１０を参照すると、ロータのテーパ状のエッジ面３８は円錐台形表面を画定し、それがロータの揺動中にステータのエンドキャップの、それと対になるテーパ状表面の周囲で転動する。この例において、接触面は、歯の反駆動側にあるが、他の例では、駆動側に位置付けることもでき、又は幾つかのケースでは、歯自体を、対になる歯のプロファイル自体がロータの傾きを限定するような「ゼロギャップ」転動用として設計することもできる。噛み合う歯は、ロータから出力シャフトへと伝達されるトルクに反応する役割を果たし、何れの適当なプロファイルとすることもできる。
【０１１５】
再び図７を参照すると、前述のように、出力シャフト軸３２上の、ロータがその上で旋回するジンバルの傾斜中心に対応する高さに頂点を有するロータの円錐角γを画定するのは、テーパ状のエッジ面３８である。この頂点Ｅをロータの焦点と呼ぶ。モータ１０は、ロータ軸３２とエアギャップ２９の名目上の半径方向位置との間の、約７５ｍｍの半径方向距離としての動作半径Ｒｗを有し、これは基本的にステータ磁極の内径の半分である。図のモータの名目上の全体的な直径は２５ｃｍである。鏡面３１はモータを２つのロータ間の中央で二分し、各焦点Ｅから約１９ｍｍの距離だけ均等に離間される。２つのロータ／ジンバルアセンブリは基本的に、鏡面に関して相互に対称である。ロータ焦点Ｅは、ロータジンバルアセンブリの中心軸上にロータの揺動運動の中心を確立することによって特定できる。幾何学的に、焦点はステータ及びロータ円錐の両方の頂点にある。これらの円錐の角度を使って、歯の大きさ、磁極が移動する角距離、磁極が移動する半径方向距離、揺動運動、及び動作角度を含むモータの幾何学の物理的特徴の多くが導き出される。これらの幾何学的関係のほか、ギア比は、モータの全体的な幾何学を決定する上で重要である。
【０１１６】
各ロータの揺動により生じる、この図では図の左側のエアギャップを図の右側のエアギャップと比較することによってわかる、エアギャップの動的性質。前述のように、エアギャップはモータの動作中、ロータが中心軸の周囲でステータに関して揺動すると動的に変化する。動作中、最小の、すなわちロータがその閉位置にある時のエアギャップは、ステータとロータとの間の最大磁気整列が起こる地点である。この最小地点でのエアギャップは、名目上、横０．２５ｍｍであってよいが、交差平面にわたり変化してもよい。この最小エアギャップ位置において、ロータの、その円周位置の歯はステータのそれらと係合せず、その代わりに移行している。その瞬間に、その円周位置から１８０度離れた歯が係合し、エアギャップは最大位置にある。この最大の、すなわちロータがその開位置にある時のエアギャップは、ステータとロータの磁気整列が最小となる地点である。再び、この最大エアギャップ地点で、歯はトラクション接合部と係合する。この最大地点でのエアギャップは中心から中心が６．８６ｍｍであってよく、そのうちの１．０ｍｍはロータとステータ間の半径方向の分離、６．６０ｍｍは縦方向のミスアラインメントである。ロータの積層体がエアギャップに面する歯を有する後述の実施形態の場合、これらのロータ積層体の歯は好ましくは最小エアギャップ位置にあるステータ磁極と整列し、最大エアギャップ位置では磁極とのミスアラインメントが最大となる。
【０１１７】
図１１Ａ〜Ｃは、完全な１揺動サイクルから得られるロータ／シャフト回転を連続的に示す。図１１Ａから始まり、インデックスマーク６０はロータ面上で、ステータエンドキャップの切断縁と整列した状態で示されている。ステータコイルは、圧縮波がステータの周囲で１８０度前進し、ロータ軸が同様な１８０度の揺動又は１揺動サイクルの半分を通じて傾斜するようなシーケンスでアクティベートされ、その後、図１１Ｂのインデックスマークは、ロータが基本的に歯のピッチの半分に等しい分、すなわちこのケースでは約３度回転したことを示している。ステータコイルの全部がアクティベートされて、丸３６０度の圧縮波が作られ、ロータの完全な揺動が完了した後（図１１Ｃ）、ロータと出力シャフトは全体で歯１本のピッチ、すなわち約６度の回転をなしている。１回の完全な揺動によって、ロータは例えば、図４に示される位置から図５に示される位置へと移動し、図４に示される位置に戻ることになる。
【０１１８】
電気モータは、動作中にかなりの熱を発生する可能性があり、冷却する必要がある。さらに、動作する機械的コンポーネント及び接触面にとって、特に高周波数での動作中には、能動的注油が有利となり得る。幾つかの用途に関して、例えば水とオイル等、別々の流体を冷却剤と注油にそれぞれ使用できる。また別の場合、オイル等の流体を冷却剤と注油の両方に使用できる。以下の説明の中で、流体は冷却剤、注油、又は必要に応じて両方を指す。
【０１１９】
次に、図１２を参照すると、モータ１４ａは出力シャフトに沿って離間された２つのロータを有し、その各々がジンバルで取り付けられている。図１２の断面図は、ジンバルアセンブリの一方を通っており、シャフト１２ａに取り付けられたジンバルスピンドル１０６を示す。スピンドル１０６は内側アクスルを画定し、そこに内側ジンバルリング１１０が取り付けられて、内側ジンバルリング１１０の中に固定された２つの内側ジンバル軸受け１１２ａ間で旋回する。内側ジンバルリング１１０自体は、内側アクスルに対して垂直な外側アクスルを画定し、そこに外側ジンバルリング１１３が取り付けられて、外側ジンバルリング１１３の中に固定された２つの外側ジンバル軸受け１１２ｂの中で旋回する。ジンバル軸受け１１２ａ、１１２ｂは、スピンドルリングの穴の中にロックリングによって固定され、例えば青銅やバビットメタル若しくはその他の滑り摩耗面、又はローラ要素を有することができる。
【０１２０】
図１３も参照すると、モータ１０ａは、モータ出力シャフト１２ａ内の穴１０２を通ってモータの中に送出される流体によって冷却及び注油される。この図では、左側のロータを通る断面は、図１２の線１２Ａ−１２Ａに沿って切断されており、右側のロータの断面は、左のロータのそれに関して９０度である図１２の線１２Ｂ−１２Ｂに沿って切断されて、内側及び外側ジンバル軸受け１１２ａ、１１２ｂの両方を示している。ジンバルアセンブリ内の軸受けの比較的高周波数の動作から、ジンバル軸受けの能動的注油は、出力シャフトにクロス穴を形成して、流体をクロス穴通路１０４を介してこれらの軸受けに供給することによって実現できる。ここで、ジンバルアセンブリの内側リング１１０には、ジンバルスピンドル１０６を通るオリフィス１０８によって直接流体を供給でき、他方で、ジンバルアセンブリの外側リング１１３には、内側ジンバルリングの外側のジンバル軸受けを通るオリフィス１１４から流体を供給できる。オリフィスは、高速での損失の原因となる流体の溜まりを防止するように定量型であってよい。ジンバル軸受けを通るアパーチャ１１６によって、ジンバルから出てステータ巻線に向かう半径方向の流れが可能となる。図１４に示されるように、定量型オリフィスプラグ１１８が内側ジンバルリングの半径方向の流路１０８の駆動側の端で旋回して、流れの一部を交差経路１２０に沿って軸方向に案内して、歯車接合面１２２及びシャフト軸受け１２４に供給してよい。同様のプラグ（図示せず）を外側ジンバルリングのチャネル１１４（図１３）の出力端に提供してもよい。代替的に、又はそれに加えて、溝１２４によって流体を歯車接合面及び軸受けに出力シャフトから直接供給できる。シャフト軸受け１２５は、その反駆動側でシールされてよく、又は流れが軸受けを通り、サンプに戻れるようになっていてもよい。
【０１２１】
再び図１３を参照すると、出力シャフト１２ａを通って流される潤滑剤／冷却材流体はすべて、最終的に貯蔵部１２６へと排出され、これはモータの下面へと開き、構造的にステータハウジングの一部とすることができる。ポンプ１２８は流体１３０を貯蔵部から吸引して、流体の連続流を加圧された状態で出力シャフトの穴１０２へと送達する。
【０１２２】
次に、図１５を参照すると、モータ１０ｂは２つの圧縮注油／冷却レール１３２を有し、これはステータ端板に取り付けられており、歯車接合面へと向けられて、トラクション制御面を注油及び／又は冷却するために流体のミスト又は流れを連続的に供給する一連のノズル１３４を画定する。レールは、ポンプ（図示せず）によって供給され、流体は再循環される。ロータとステータとの間で転動する歯車接合面は、速度、トルク、及びパッケージングの制約の違いに合わせて調整できる。図１６のモータ１０ｂは例えば、図４のモータ１０と同様であるが、ステータ及びロータ円錐角がそれぞれ３０及び２８度と、より高い。ステータ及びロータはまた、この例では歯の数がより少なく、それぞれ５９及び６０本であり、その結果、ある出力速度に対して電気的サイクリング周波数が低くなる。円錐角がより高いことにより、また、ある出力速度におけるジンバル軸受け上の動的荷重も減少する。それに対して、図１７のモータ１０ｃのステータ及びロータ円錐角はそれぞれ２０及び１８度と、図４のモータ１０より低い。この構成は、低ＲＰＭの用途に特に好適である。それによって得られるステータアセンブリの全体の長さもまた、その結果として減少する。ロータの切替周波数及び動作中の傾斜エンベロープは、歯の数と円錐角に依存する。
【０１２３】
転動するトラクション接合部と磁気インタフェースの相対位置は、様々であってよい。上述の図において、トラクション接合部は磁気インタフェースの、回転方向には駆動側、基本的に軸方向には反駆動側にある。図１８及び１９は、トラクション接合部１３６が半径方向に磁気インタフェース１３８の反駆動側にあり、軸方向にステータ磁極の反駆動側に位置付けられているモータ１０ｄを示す。トラクション接合部の前進する係合点もまた、前進する最小エアギャップ位置と整列し、それによって負荷経路（ロータ上のトルク入力とトルク出力との間）は有利な点として、短く、ロータを横切らない。これによって、ロータをより薄い壁厚とより軽量な材料で設計することが可能となり、ロータは重負荷を受けている間の変形により耐えられるようになるかもしれない。さらに、この設計によって歯車接触面積がより大きくなるかもしれず、その結果、ある電気的活性化周波数について、歯車ピッチ速度がより高くなるのと引き換えに歯車の圧力が低くなる。
【０１２４】
図２０及び２１は、ステータハウジングにその縁において固定されたトラクションプレート１４０のそれぞれの側で、モータの軸方向に駆動側にあるステータトラクション面を有するモータ１０ｅを示す。この設計により、ステータ端板の構造と加工が容易になる。トラクションプレートは、焼結鋼から、又は鍛造物として形成されてよい。両方のロータのトラクション接合部の前進する係合点は回転整列されるため、一方のロータによりトラクションプレートに加えられる負荷の軸方向の成分はすべて、他方のロータからの同様の負荷とバランスがとられる。この設計は、負荷経路が短く、ピッチ速度が低い、高トルク動作に特に好適である可能性があり、２つの別々のステータトラクションプレートを取り付けることから生じる機械的冗長性が低減するかもしれない。
【０１２５】
次に、図２２及び２３を参照すると、モータ１０ｆはアウタロータモータと歯車積層モータを兼ねている。アウタロータモータとは、各ステータ・ロータペア間の半径方向エアギャップがステータ磁極の半径方向の外側の面にあることを意味する。各ロータ２００はカップ型で、対応するステータ２０２の周囲に延び、それは対応するクラムシェルハウジングカップ２０６の環状ボス２０４に押し嵌められる。各ハウジングボス２０４はステータ歯４６を担持し、これはロータ歯４４と噛み合う。各ロータのスカートは一連の歯２０４を担持し、これは半径方向に内側にステータの磁極２０８に向かって延び、有効エアギャップ２９を画定する。ロータの有効ギャップ面をこのように構成することにより、幾つかの利点を提供できる。それは磁気回路の最大インダクタンスを低下させるかもしれない（活性ステータ磁極が隣接するロータ歯と整列しているとき）が、最小インダクタンスも低下させる（ステータ磁極２０８が隣接するロータ歯２０４間に位置するとき）。このモータから得られる利用可能な仕事は、最大及び最小インダクタンスの差によって異なるため、ロータ歯間の強磁性材料を取り除いても、インダクタンスの変化から得られる仕事をそれほど低減させないかもしれない。さらに、これは、ギャップ２９における磁束経路に利用可能な表面積を有意に増大させるほか、軽量化することもできる。
【０１２６】
図２４のモータ１０ｇもまた、歯車積層ロータ２２０ａ及び２２０ｂを有しているが、図７のモータ１０のそれと同様のインナロータ構成によるものである。このケースでは、ロータ歯２０４は半径方向に外側に面して、ステータの内面とエアギャップ２９を画定する。図２５に示されるように、ロータ積層歯２０４の数はロータ歯４４の数と同じであり、これはステータ磁極２２２の数より１つ多い。この例において、６０のステータ磁極と６１の積層歯があり、それによって２、３、４、５、又はさらには６の磁極に均等に分けることができる。
【０１２７】
上述のモータの何れにおいても、隣接するステータ磁極群はモータの動作中、一緒に、同じ磁気の向きで作動させることができる。例えば、図２５に示されるモータ１０ｇにおいて、磁極２２０ａ、２２０ｂ、及び２２０ｃの各々の周囲の巻線は、すべての巻線が同じ方向である１つの巻線群２２４を形成でき、磁極２２２ｄ、２２２ｅ、及び２２２ｆの各々の周囲の巻線は、共同で第二の巻線群２２６を形成できる。動作中、巻線群２２４のすべてを１つの電気スイッチに並列に配線でき、巻線群２２６のすべてを他の電気スイッチに並列に配線でき、それによって磁極群２２４が共同で動作し、磁極群２２６が共同で動作する。隣接する複数の磁極を同時に作動させることによって、最小インダクタンスを低下させ、利用可能な仕事を増大させることもできる。ある磁極群の各磁極をそれ自体のコイルで包囲する代わりに、１本のコイルをある群の磁極の全部の周囲に巻き回すことができる。もちろん、複数のステータ磁極を動作ユニットとしてともに結合する際、ステータ磁極の総数は、各群の磁極の数の整数倍とすべきである。
【０１２８】
モータの動作サイクル中のインダクタンスの最大の変化はまた、その他の構造変更によって、軸方向へのギャップ構造の有効な相対運動をさらに利用することによっても実現できる。図２６のモータ１０ｈは、図２２のモータ１０ｆと同様であるが、各ステータ磁極２２８が細分されて３つの磁極突出部２３０を形成し、これらは軸方向に離間され、共通の背部２３２によって接続されている点が異なる。同様に、各ロータ歯２３４は細分されて軸方向に離間された３つの歯突出部２３６を形成する。最小ギャップ位置（図の左側）において、磁極突出部は歯突出部と軸方向に整列される。最大ギャップ位置（図の右側）では、歯突出部は概して、磁極突出部との最大ミスアラインメントであり、これはインダクタンスを大きく低下させる。この例は３つの歯突出部及び３つの磁極突出部を有し、歯突出部間及び磁極突出部間の軸方向の空間は、中央の歯突出部及び中央の磁極突出部と基本的に同じ軸方向の寸法を有しているが、各ロータ歯及び各磁極突出部の２若しくは４、又はそれより多い突出部を有するその他の例も想定される。好ましくは、各磁極の突出部の数は、各積層歯の突出部の数と等しい。
【０１２９】
図２６の分割磁極／歯構成は、揺動ロータ式モータでは、磁気ギャップと接するロータ構造が磁気キャップと接するステータ構造に関して移動する距離は、揺動によって生じる半径方向の変位のみより大きいことを利用するのに役立つ。図２７を参照すると、点「Ｆ」はロータの最小ギャップ位置におけるロータ歯２０４の基準点を表し、点「Ｇ」はロータの次の最大ギャップ位置における（すなわち、１／２揺動サイクル後の）ロータ歯の同じ点を表す。線分ＦＧの長さは、半サイクル中に移動した距離の総計を表し、軸方向の変位２４０、半径方向の変位２４２、及び接線方向の変位２４４のコンピレーションである。ロータ歯及び磁極の軸方向の細分は、揺動中のロータ歯の軸方向の変位２４０を利用するのを助ける。
【０１３０】
上述のモータの何れも、動的エネルギーから電気エネルギーを発生させるように制御できる（例えばモータを回生制動させるため）。これは、圧縮波のタイミングを交互にして、ステータの電流が最小エアギャップの地点で（又は、最小エアギャップの地点からわずかに遅れて）パルスを打ち、拡張中に順方向ＥＭＦを発生させるようにすることによって実現されてよい。このようにして、電流を発生させ、関連するバッテリに貯蔵されるように案内することができ、その間に減速トルクがロータに印加されて、モータが低速化されるが、モータは出力シャフトに印加されるトルクによって機械的に逆駆動不可である。
【０１３１】
強磁性化合物を産生するかもしれない磁性流体等の強磁性潤滑剤、コバルトめっき等の強磁性表面コーティング、又はホウ化処理等の表面処理は、転動摩擦を減少させ、表面硬度を高めるために使用されてよい。硬質強磁性コーティングはまた、低表面粗さ、機械的研磨、及びより低い比較的摩擦の大きい動作もサポートしてよい。これらの材料は、従来の方法を使ってシステムを被覆し、又はそれに添加されてよい。
【０１３２】
モータ設計のその他の技術的詳細は、２０１７年８月８日に出願された、“High Torque Density Electric Motor and/or Generator”と題する係属中の特許出願第１５／５４９，６５９号に記載されており、その内容を、参照することにより、全文が記載されているかのように本願に援用する。
【０１３３】
幾つかの例を例示の目的で説明されているが、上記の説明は、付属の特許請求の範囲により定義される本発明の範囲を限定しようとするものではない。現在及び将来、以下の特許請求の範囲内の他の例や改良がある。
【図１】
2021525505.tif 000003
【図２】
2021525505.tif 000004
【図３】
2021525505.tif 000005
【図４】
2021525505.tif 000006
【図５】
2021525505.tif 000007
【図６】
2021525505.tif 000008
【図７】
2021525505.tif 000009
【図８】
2021525505.tif 000010
【図９】
2021525505.tif 000011
【図１０】
2021525505.tif 000012
【図１１Ａ】
2021525505.tif 000013
【図１１Ｂ】
2021525505.tif 000014
【図１１Ｃ】
2021525505.tif 000015
【図１２】
2021525505.tif 000016
【図１３】
2021525505.tif 000017
【図１４】
2021525505.tif 000018
【図１５】
2021525505.tif 000019
【図１６】
2021525505.tif 000020
【図１７】
2021525505.tif 000021
【図１８】
2021525505.tif 000022
【図１９】
2021525505.tif 000023
【図２０】
2021525505.tif 000024
【図２１】
2021525505.tif 000025
【図２２】
2021525505.tif 000026
【図２３】
2021525505.tif 000027
【図２４】
2021525505.tif 000028
【図２５】
2021525505.tif 000029
【図２６】
2021525505.tif 000030
【図２７】
2021525505.tif 000031
【国際調査報告】
2021525505.tif 000032