(57)【要約】      （修正有）【課題】電気同期機において、逆起電力を減少させるために、装置が作動している間にローターの相対的な角度変位を調整するための機構と高いトルク負荷を担持することができる調整機構を備えた二重ローターの電気同期機を提供する。【解決手段】電気同期機１０には、ハウジングと、当該ハウジング内に回転可能に支持されている第一及び第二のシャフト４６，４８とが備えられ、当該第一及び第二のシャフトの各々は、対応するローター６０，６２が固定されており、これらは両方とも永久磁石界磁極を有している。各ローターは、対応する環状のステータ５４，５６によって包囲されており、ステータコイルが両方のステータに巻かれている。第一のシャフトと第二のシャフトとの間に遊星変速機２０が結合されており、当該遊星変速機は、第一及び第二のシャフトが回転中に、第一のシャフトに対する第二のシャフトの配向角を調整するように作動可能である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気同期機であり、
ハウジングと、
当該ハウジング内に回転可能に支持されている第一のシャフトと、
前記ハウジング内に回転可能に支持されている第二のシャフトと、
前記第一及び第二のシャフトに結合され且つ前記第一及び第二のシャフトの回転中に、前記第一のシャフトに対する前記第二のシャフトの配位角を調整する結合機構と、
第一の長さを有し且つ前記第一のシャフトと共に回転できるように固定されている第一のローターと、
前記第一の長さと異なる第二の長さを有し且つ第二のシャフトと共に回転できるように固定されている第二のローターであって、前記第一及び第二のローターが両方とも永久磁石の界磁極を有している第二のローターと、
前記ハウジング内に取り付けられ且つ前記第一のローターを包囲している第一の環状ステータと、
前記ハウジング内に取り付けられ且つ前記第二のローターを包囲している第二の環状ステータであって、前記第一のステータ及び第二のステータは、その上に巻かれたステータコイルを備えている前記第二の環状のステータと、を含む電気同期機。
【請求項２】
請求項１に記載の同期機であり、
前記結合機構が遊星変速機を含んでいる同期機。
【請求項３】
請求項２に記載の同期機であり、
前記遊星変速機が、前記第一のシャフトに結合された第一の太陽歯車と、前記第二のシャフトに結合された第二の太陽歯車と、前記第一の太陽歯車に結合された第一の遊星歯車セットと、前記第二の太陽歯車に結合された第二の遊星歯車セットと、前記第一の遊星歯車セット及び第二の遊星歯車セットを回転可能に担持している遊星枠と、前記ハウジングに固定され且つ前記第一の遊星歯車セットとかみ合い係合している固定リング歯車と、前記ハウジングによって回転可能に支持され且つ第二の遊星歯車セットとかみ合い係合している可動のリング歯車と、を含んでいる同期機。
【請求項４】
請求項１に記載の同期機であり、
前記第一のシャフトが、前記第二のシャフトの一部分に回転可能に取り付けられた中空のスリーブを含んでいる同期機。
【請求項５】
請求項３に記載の同期機であり、
前記第一のシャフトが、前記第二のシャフトの一部分に回転可能に取り付けられた中空のスリーブを含んでいる同期機。
【請求項６】
請求項５に記載の同期機であり、
前記第二のシャフトが、前記第二のローターが取り付けられている第一の部分と、前記第一のシャフト内に延びている第二の部分とを含み、当該第二の部分が前記第二の太陽歯車に固定されている端部を有している同期機。
【請求項７】
請求項１に記載の同期機であり、
前記第一及び第二のステータが、熱伝導部材の両側部において相互に軸線方向に隔置されている同期機。
【請求項８】
請求項７に記載の同期機であり、
冷却剤通路が前記熱伝導部材内に形成されている同期機。
【請求項９】
請求項１に記載の同期機であり、
前記ハウジングが、前記第一のステータと第二のステータとの間に軸線方向に配置されている熱伝導部材を含んでいる同期機。
【請求項１０】
電気同期機であり、
ハウジングと、
当該ハウジング内に回転可能に支持されている第一のシャフトと、
前記ハウジング内に回転可能に支持されている第二のシャフトと、
前記第一のシャフトと共に回転できるように固定されている第一のローターと、
前記第二のシャフトと共に回転できるように固定されている第二のローターであって、前記第一のローターと当該第二のローターとが両方とも永久磁石の界磁極を有している前記第二のローターと、
前記第一のシャフト及び第二のシャフトに結合され且つ当該第一のシャフト及び第二のシャフトの回転中に前記第一のシャフトに対する前記第二のシャフトの配位角を調整するように作動可能である遊星変速機と、を含む同期機。
【請求項１１】
請求項１０に記載の同期機であり、
前記遊星変速機が、前記第一のシャフトに結合された第一の太陽歯車と、前記第二のシャフトに結合された第二の太陽歯車と、前記第一の太陽歯車に結合された第一の遊星歯車セットと、前記第二の太陽歯車に結合された第二の遊星歯車セットと、前記第一の遊星歯車セット及び第二の遊星歯車セットを回転可能に担持している遊星枠と、前記ハウジングに固定され且つ前記第一の遊星歯車セットとかみ合い係合している固定リング歯車と、前記ハウジングによって回転可能に支持され且つ第二の遊星歯車セットとかみ合い係合している可動のリング歯車と、を含んでいる同期機。
【請求項１２】
電気同期機であり、
第一の軸線方向長さを有している第一のローターと、
前記第一の軸線方向長さと異なる第二の軸線方向長さを有している第二のローターと、
当該装置が作動している間に、前記第一のローター及び第二のローターの相対的な角度の変位を調整するための遊星機構と、を含んでいる同期機。
【請求項１３】
請求項１２に記載の同期機であり、
前記ローターの位置を示している検知リングを更に含んでいる同期機。
【請求項１４】
請求項１２に記載の同期機であり、
前記遊星機構が、前記第一及び第二のローターの回転中に前記第一のローターに対する前記第二のローターの配位角を調整するようになされた同期機。
【請求項１５】
請求項１２に記載の同期機であり、
前記遊星機構が、当該同期機が作動している間にローターの不整合を制御して逆起電力の合計を減じるようになされている同期機。
【請求項１６】
電気同期機を制御する方法であり、
各々が異なる長さを有し且つその外周に取り付けられた少なくとも１つの磁石の対を有している２つのローター間の所望の整合角度を決定するステップと、
前記同期機の作動中に、遊星機構を使用して、前記同期機内の２つのローター間の角度の整合を自動的に変えて前記所望の整合角度とするステップと、を含んでいる方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法であり、
前記角度の整合が０度であることによって、基準速度での第一の逆起電力が、１８０度の角度整合による最大速度での第二の逆起電力に等しくなることが可能になる方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は、ブラシレスの永久磁石電動機及び発電機、特に、ハイブリッド車両又は工作機械において使用されるもののような広い速度範囲に亘って作動しなければならないブラシレスの永久磁石電動機及び発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
ブラシレスの永久磁石電動機は、その速度に比例した逆起電力を有している。高速度においては、電動機の逆起電力は、電源が供給し得る量よりも遙かに高くなり得る。この速度以上においては、電動機の磁界を弱めるために、逆起電力を有する位相からずれた位相の付加的な電流出力が付加されなければならない。このことは、“弱め界磁”として知られており、Unique  Mobility，Inc．に付与された米国特許第５，６７７，６０５号に説明されている。この電流は電力損失及び熱を形成するので、電子部品が高い電流容量を有することを必要とする。
【０００３】
この問題を解決するための一つの試みが米国特許第６，９９８，７５７号に記載されている。当該米国特許においては、多重ローター同期機が、ステータコアの外周及び内周に設けられている第一及び第二のローターを含んでいる。第二のローターの内部に設置されている機構が、第一のローターと第二のローターとの相対的な回転を制御している。２つのローターを備えた電磁装置が米国特許第４，７３９，２０１号に記載されている。ローターは、トルクリップルを減少させるために、相対的に角度を付けて配置されるけれども、ローター間の相対的な角度変位を制御又は変化させるための機構は記載されていない。２つのローターを備えた別の電磁装置が米国特許第６，９７５，０５５号に記載されている。この装置においては、界磁石を備えた２つのローターが、ねじが切られたロッドにねじ止めされている。
【０００４】
しかしながら、これらの装置のいずれもが、簡素で、低廉で、装置が作動している間に作動することができ且つ高いトルク負荷を支えることができるローターの相対的な角度変位を調整するための機構を有していないことが明らかである。
【発明の開示】
【０００５】
従って、本発明は、簡素で且つ低廉なローターの相対的な角度変位を調整するための機構を備えた二重ローター電磁装置を提供することを目的としている。
本発明のもう一つ別の目的は、このような装置が作動しつつある間に作動することができる機構を備えている二重ローター電磁装置を提供することである。
【０００６】
本発明の更にもう一つ別の目的は、高いトルク負荷を支えることができるこのような機構を備えた二重ローター電磁装置を提供することである。
これらの及びその他の目的は、電気同期機がハウジングと当該ハウジング内に回転可能に支持されている一対のシャフトとを含んでいる本発明によって達成される。第一のローターが第一のシャフトと共に回転するように固定されており、第二のローターが第二のシャフトと共に回転するように固定されている。これらのローターは両方とも、永久磁石の界磁極を担持している。第一の環状のステータが、ハウジング内に取り付けられ且つ第一のローターを包囲している。第二の環状のステータが、ハウジング内に取り付けられ且つ第二のローターを包囲している。これらのステータは両方ともステータコイルが巻かれている。第一のステータと第二のステータとは空隙によって分離されている。第一のシャフトと第二のシャフトとの間には結合機構が結合されており、当該結合機構は、第一及び第二のシャフトの回転中に、第一のシャフトに対する第二のシャフトの配向角を調整するように作動可能である。
【０００７】
当該結合機構は、第一のシャフトに結合された第一の太陽歯車、第二のシャフトに結合された第二の太陽歯車、第一の太陽歯車に結合された第一の遊星歯車セット、第二の太陽歯車に結合された第二の遊星歯車セット、前記第一及び第二の遊星歯車セットを回転可能に支持している遊星枠、ハウジングに固定され且つ前記第一の遊星歯車セットとかみ合い係合している固定されたリング歯車、ハウジングによって回転可能に支持され且つ前記第二の遊星歯車セットとかみ合い係合している可動のリング歯車、を備えた遊星変速機である。
【好ましい実施形態の説明】
【０００８】
図１を参照すると、多重ローター電磁同期機１０はハウジングを備え、当該ハウジングは、第一の端部ハウジング１２と、中央ハウジング１４と、第二の端部ハウジング１６とを含んでいる。円筒形のハウジングリング１８が、第二の端部ハウジング１６から突出しており且つ遊星歯車機構２０を包囲している。ウォーム歯車２４を備えたアクチュエータ２２がハウジングリング１８に取り付けられている。
【０００９】
図２を参照すると、中央ハウジング１４は、内側スリーブ３０と外側スリーブ３２とを備えている。端部プレート１９がハウジングリング１８を覆っている。複数の水冷通路３４が内側スリーブ３０の外周面に形成されており、これらの通路３４は、外側スリーブ３２によって覆われ且つシールされている。スリーブ３０は、Ｔ字形状の断面を有し且つアルミニウムのような熱伝導性材料によって形成されるのが好ましい。スリーブ３０は、円筒形の縁３３の内面から径方向内方へ突出している環状の中央脚部３１を備えている。端部ハウジング１２は中央穴３６を備えている。端部プレート１９は中央の止まり穴３８を形成している。ベアリング４０が穴３６内に取り付けられており、ベアリング４２が穴３８内に取り付けられており、それによって、２つの部分からなるシャフトアセンブリ４４を回転可能に支持している。
【００１０】
シャフトアセンブリ４４は、第一の中空の外側シャフト４６と第二の中実の内側シャフト４８とを含んでいる。第二のシャフト４８は、より大きな直径部分５０と、第一のシャフト４６を回転可能に受け入れるより小さな直径部分５２とを含んでいる。シャフト４８のより大きな直径部分５０は、ベアリング４０によって回転可能に支持されており、小径部分５２の端部５３はベアリング４２によって回転可能に支持されている。より大きな直径部分５０は、第一のシャフト４６内を通り、第一のシャフト４６の軸線方向端部から外方へ突出している端部５３へと延びている。ベアリングスリーブ４９は、シャフト４８のより大きな直径部分とより小さい直径部分とを結合している肩部に隣接した中空シャフト４６の内側端部を回転可能に支持している。
【００１１】
中空の環状ステータ５４及び５６は、シャフトアセンブリ４４と同心状のハウジングの内側に非回転状態で取り付けられており、鋼によって作られているのが好ましい。一般的な中空環状コイルアセンブリ５８が、ステータ５４及び５６の内側に非回転状態で取り付けられており且つこれらもまたシャフトアセンブリ４４と同心状である。
【００１２】
第一のローター６０は、第一のシャフト４６と共に回転するように当該シャフトと一体化されるか又は固定的に取り付けられている。第二のローター６２は、第二のシャフト４８のより大きな直径部分５０と共に回転するように当該部分と一体化されるか又は固定的に取り付けられ、第一のローター６０から軸線方向に隔置されている。空隙によって、ステータアセンブリ５４及び５６がローター６０及び６２から隔てられている。
【００１３】
環状の磁気検知リング６１が、ローター６０の外側端面の隣でシャフト４６に取り付けられている。環状の磁気検知リング６３は、ローター６２の外側端面の隣でシャフト５０に取り付けられている。磁気検知リング６１及び６３は、一般的な検知リングであり且つこれらが取り付けられているシャフトの位置を示す信号を提供するために使用しても良い。当該モーターは三相巻線を有しているのが好ましい。コントローラ（図示せず）は、シャフトの検知された位置に基づいて巻線に電流を送る。
【００１４】
図２及び５を参照すると、遊星変速機２０はハウジングリング１８によって包囲されている。遊星変速機２０は、第一のシャフト４６の外側端部に形成された第一の太陽歯車７２と、スプライン（図示せず）によって内側シャフト４８の端部５３に一緒に回転できるように取り付けられ且つ固定された第二の太陽歯車７４とを含んでいる。太陽歯車７２及び７４は、同じ外径を有しているのが好ましい。回転可能な遊星枠７５は、複数の遊星枠の支柱７６を含んでいる。第一の遊星歯車セット７８は、第一の太陽歯車７２の歯とかみ合い係合するために支柱７６に回転可能に取り付けられている。第二の遊星歯車セット８２が、太陽歯車７４とかみ合い係合するために支柱７６上に遊星歯車７８に隣接して回転可能に取り付けられている。固定のリング歯車８４は、リングハウジング１８の内面に固定されており且つ第一の遊星歯車７８とかみ合い係合している。可動のリング歯車８６が、固定のリング歯車８４に隣接しているリングハウジング１８内に回転可能に取り付けられている。リング歯車８６は、第二の遊星歯車８２とかみ合い係合している。アクチュエータ２２のウォーム歯車２４は、リング歯車８６の外側面上に形成された歯とかみ合い係合している。
【００１５】
図３に最も良く見られるように、第一のローター６０は、環状のローター部材９０と、その周囲に取り付けられた複数の永久磁石９１〜９６とを含んでいる。磁石９１，９３及び９５は、Ｎ磁極が径方向外方に向いている。磁石９２，９４及び９６は、磁石９１，９３及び９５の各対間に配置されており且つＳ磁極が径方向外方を向いている。その結果、ローター６０の外周に沿って前進するときに、各磁石は、隣接する磁石と反対のすなわち１８０度ずれた磁極の向きを有している。
【００１６】
図４に最も良く見られるように、第二のローター６２は、環状のローター部材１００と、その外周に取り付けられた複数の永久磁石１０１〜１０６とを含んでいる。磁石１０１，１０３及び１０５は、Ｎ磁極が径方向外方を向いている。磁石１０２，１０４及び１０６は、磁石１０１，１０３及び１０５の各対間に配置されており且つＳ磁極が径方向外方を向いている。この結果、第二のローター６２の外周に沿って前進するときに、各磁石は、隣接する磁石と反対のすなわち１８０度ずれた磁極の向きを有している。磁石９１〜９６及び１０１〜１０６は、同じ角度幅を有しているのが好ましい。これらの磁石もまた、同じ軸線方向長さを有していても良い。
【００１７】
図２に最も良く見られるように、ステータ５４及び５６は軸線方向に隔てられており、これらの間の空隙は、スリーブ３０の脚部３１によって塞がれている。図３及び４に最も良く見られるように、スリーブ３０の脚部３１は、径方向内方へ延びており且つ各々がコイル５８のうちの対応する一つを収容している複数の溝孔３７を含んでいる。その結果、脚部３１は、各コイル５８の内側端部以外の全てを包囲して熱をコイル５８から効率良く逃がす。
【００１８】
ローター６０及び６２は、電動機の速度で回転する。図６に示されているように、基準速度以下においては、ローター６０及び６２は、当該ローターの各々の磁石９１〜９６及び１０１〜１０６のＮ極及びＳ極が径方向において同じ整合状態を有するように相対的に配向されている。このことにより、各コイル部分５８内の電圧が最大逆起電力を形成するようにされる。基準電動機速度以上においては、ローター６０及び６２は、リング歯車８６を回転させることによって、意図的に相対的に不整合状態とされる。例えば、図１においてリング歯車８６を反時計方向に回転させることによって、太陽歯車７４、シャフト４８及び第二のローター６２が第一のローター６０に対して時計方向に回転せしめられるであろう。遊星変速機２０においては、電動機１０が作動している間に、ローター６０及び６２の整合が変化せしめられ且つ制御され、遊星変速機２０は、高出力及び高トルクレベルでの作動に耐えるであろう。
【００１９】
ローター６０及び６２のうちの一方並びに当該一方のローターに取り付けられた磁石は、他方のローター及びその磁石よりも軸線方向においてより長いのが好ましい。例えば、図２においては、ローター６２は、５５％乃至４５％の比率でローター６０よりも軸線方向に長い。その結果、図６に示されているように整合されたローター６０及び６２における基準速度においては、逆起電力の総計は最大（１００％）であろう。ローター６０と６２との不整合によって逆起電力の総計が減少する。従って、この同じ速度において、ローターが一杯まで不整合状態とされている場合には、逆起電力の総計は、最大値（５５％〜４５％）の１０％であろう。基準速度の１０倍においては、ローターは一杯まで不整合とされた場合には、逆起電力の総計は、基準速度での最大値の１００％（１０×（５５〜４５））であろう。
【００２０】
別の方法として、各ローター上の磁石が同じ大きさ及び形状を有しており且つ同じ磁気特性を有している場合には、ローターは一杯まで（６個の磁石を担持しているローターにおいて６０度ずつ）不整合とされ得る。この結果、ローター６０のＮ磁極はローター６２のＳ磁極と整合せしめられ、逆起電力は発生されないであろう。このように、ローター１０は、過回転作動中に逆起電力電圧を発生しない構造とすることができ、それによって、コイル５８の電圧の過負荷及び短絡に対して保護することができる。
【００２１】
以上、本発明を特定の実施形態に関連して説明したが、上記の説明を参考にすれば、多くの代替例、変形例及び変更例が当業者に明らかとなるであろうということが理解される。例えば、ローター及び磁石は、種々の大きさ、形状及び材料を有することができ、又は、ローターは、より少ない若しくはより多くの磁石を担持することができる。従って、本発明は、特許請求の範囲の精神及び範囲に含まれるそのような代替例、変形例及び変更例の全てを包含することを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、端部プレートが除去された状態の、本発明を実施化している電磁装置の斜視図である。
【図２】図２は、図１の電磁装置の断面図である。
【図３】図３は、図２の線３−３に沿った断面図である。
【図４】図４は、図２の線４−４に沿った断面図である。
【図５】図５は、図１の電磁装置の端面図である。
【図６】図６は、図１のローターアセンブリの斜視図である。
【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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【外国語明細書】
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