(57)【要約】ハイブリッド誘導モータ１０は、固定式ステータ１６と、独立回転式アウタロータ２０と、モータシャフト１４に固定されたインナロータ３０とを備える。アウタロータ２０は、低い慣性モーメントを有するように設計され、その内面上に角度離間した複数の第１バー２６ａ、２６ｂと複数の永久磁石２２とを備えている。インナロータ３０は、角度離間した複数の第２バー３２ａ、３２ｂと、第２バー３２ａ、３２ｂに位置整合した複数の内部磁束バリア３８とを備えている。アウタロータ２０は、最初は回転ステータ磁界と第１バーとの協働により加速される。アウタロータ２０が同期毎分回転数（ＲＰＭ）に向かって加速されるのに伴い、永久磁石の回転磁界とインナロータ３０の第２バーとの協働によりインナロータ３０が加速される。同期速度付近で回転ステータ磁界はアウタロータ２０を貫通してインナロータ３０に達する。これによりこれら２種のロータ２０、３０が結合して、効率のよい永久磁石動作が行われる。【選択図】図２
2020508631.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータハウジングと、
前記モータハウジングに固定されて回転ステータ磁界を生成するステータと、
前記モータハウジングに回転可能に接続されて、前記モータハウジングの少なくとも１つの連結用端部から負荷まで延びたモータシャフトと、
前記モータシャフトに回転式に固定されかつ前記モータシャフトと同軸上に設けられるインナロータと、
前記ステータと前記インナロータとの間でかつ前記モータシャフトと同軸上に設けられ、前記モータシャフトに回転式に機械的結合せず前記モータシャフトと共に回転しないアウタロータと、を備えるモータであって、
前記インナロータは、
第２ロータコアと、
前記第２ロータコアに埋め込まれた複数の第２導電性リスかご型ケージバーと、
前記第２ロータコア内の複数の磁束バリアであって、同期動作の間に前記第２ロータコアを通して前記回転ステータ磁界をガイドする磁束バリアと、を含み、
前記アウタロータは、
第１ロータコアと、
起動時に回転ステータ磁界と協働してトルクを生成するように構成された複数の誘導素子と、
前記第１ロータコアの内面上に設けられる複数の永久磁石と、を含む、
ハイブリッドリスかご型ケージ／永久磁石式モータ。
【請求項２】
前記磁束バリアは前記第２ロータコア内のボイドである、請求項１に記載のモータ。
【請求項３】
前記磁束バリアは、前記第２導電性リスかご型ケージバーの内端同士を接続する凹型経路である、請求項２に記載のモータ。
【請求項４】
前記誘導素子は、前記第１ロータコアの外面に埋め込まれた複数の角度離間したリスかご型ケージバーを含む、請求項３に記載のモータ。
【請求項５】
前記第１導電性リスかご型ケージバーは、複数の第１大リスかご型ケージバーによって角度分離された同数のグループに分割された複数の角度離間した第１小リスかご型ケージバーを含み、前記グループの数と前記第１大リスかご型ケージバーの数とは前記モータの磁極数に等しい、請求項４に記載のモータ。
【請求項６】
前記第２導電性リスかご型ケージバーは、前記第２ロータコアの第２外面内に角度離間して埋め込まれる、請求項５に記載のモータ。
【請求項７】
前記誘導素子は、前記第１ロータコアの外面に埋め込まれた複数の角度離間した第１導電性リスかご型ケージバーを含み、
前記第１導電性リスかご型ケージバーと前記アウタロータの表面との間に複数の微小な空白部が存在している、
請求項２に記載のモータ。
【請求項８】
前記微小な空白部は鉄を含まない空白部である、請求項７に記載のモータ。
【請求項９】
前記微小な空白部はボイドである、請求項７に記載のモータ。
【請求項１０】
前記誘導素子は、前記アウタロータを取り巻く渦電流リングからなる、請求項２に記載のモータ。
【請求項１１】
前記電流リングは銅リングである、請求項１０に記載のモータ。
【請求項１２】
モータハウジングと、
前記モータハウジングに固定されて回転ステータ磁界を生成するステータと、
前記モータハウジングに回転可能に接続されて、前記モータハウジングの少なくとも１つの連結用端部から負荷まで延びたモータシャフトと、
前記モータシャフトに回転式に固定されかつ前記モータシャフトと同軸上に設けられるインナロータと、
前記ステータと前記インナロータとの間でかつ前記モータシャフトと同軸上に設けられ、前記モータシャフトと、前記インナロータと、前記ステータとに機械的に結合していないアウタロータと、を備えるモータであって、
前記インナロータは、
第２ロータコアと、
前記第２ロータコアの第２外面に角度離間して埋め込まれた複数の第２導電性リスかご型ケージバーと、
前記第２ロータコア内の複数の磁束バリアを形成する複数のボイドと、を含み、
前記磁束バリアは、前記第２導電性リスかご型ケージバーの内端同士を接続する凹型経路を含み、同期動作の間に前記第２ロータコアを通して前記回転ステータ磁界をガイドするものであり、
前記アウタロータは、
第１ロータコアと、
前記第１ロータコアに埋め込まれた複数の第１導電性リスかご型ケージバーと、
前記第１ロータコアの内面上の複数の永久磁石と、を含む、
ハイブリッドリスかご型ケージ／永久磁石式モータ。
【請求項１３】
モータハウジングと、
前記モータハウジングに固定されて回転ステータ磁界を生成するステータと、
前記モータハウジングに回転可能に接続されて、前記モータハウジングの少なくとも１つの連結用端部から負荷まで延びたモータシャフトと、
前記モータシャフトに回転式に固定されかつ前記モータシャフトと同軸上に設けられるインナロータと、
前記ステータと前記インナロータとの間でかつ前記モータシャフトと同軸上に設けられ、前記モータシャフトと、前記インナロータと、前記ステータとに機械的に結合していないアウタロータと、を備えるモータであって、
前記インナロータは、
第２ロータコアと、
前記第２ロータコアに埋め込まれ、かつ前記第２ロータコアに埋め込まれた複数の第２大リスかご型ケージバーによって角度分離された同数のグループに分割された複数の角度離間した第２小リスかご型ケージバーであって、前記グループの数と前記第２大リスかご型ケージバーの数とは前記モータの位相数に等しい第２小リスかご型ケージバーと、
前記第２ロータコア内の複数の磁束バリアであって、前記第２小導電性リスかご型ケージバーの内端同士を接続する凹型経路を含み、同期動作の間に前記第２ロータコアを通して前記回転ステータ磁界をガイドする磁束バリアと、を含み、
前記アウタロータは、
第１ロータコアと、
前記第１ロータコアに埋め込まれ、かつ前記第１ロータコアに埋め込まれた複数の第１大リスかご型ケージバーによって角度分離された同数のグループに分割された複数の角度離間した第１小リスかご型ケージバーであって、前記グループの数と前記第１大リスかご型ケージバーの数とは前記モータの位相数に等しい第１小リスかご型ケージバーと、
前記第１ロータコアの内面上の複数の永久磁石と、を含む、
ハイブリッドリスかご型ケージ／永久磁石式モータ。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１７年２月２１日に出願された米国特許出願第１５／４３８，０２３号の優先権を主張する。同米国特許出願は全体が参照により本明細書に包含される。
【技術分野】
【０００２】
本発明は電気モータに関し、特に、誘導ロータに可変的に結合した独立回転式永久磁石ロータを有する誘導モータであって、起動時の非同期誘導動作から起動後の同期動作にモータを再設定して効率的な動作を行う誘導モータに関する。
【背景技術】
【０００３】
電気モータの好ましい形態としてブラシレスＡＣ誘導モータがある。誘導モータのロータは、ステータの内側で回転するケージ（すなわち、「ハムスター回し車」に類似したリスかご型ケージ（squirrel cage））を備えている。このケージは、軸方向に延びかつロータの外周上で角度離間した複数のバーを有する。ステータにＡＣ電流が供給されると回転ステータ磁界がロータの内側に生じ、この回転磁界により複数のバーに誘導的に電流が誘起される。バーに電流が誘起されると誘導磁界が生じ、この誘導磁界とステータ磁界との協働によりトルクが生じてロータが回転する。
【０００４】
バーに電流を誘起するには、バーが回転ステータ磁界に同期して動くことがない（回転しない）ことが必要である。これは、電磁誘導には磁場と当該磁場中の導体との相対運動（スリップと呼ばれる）が必要なためである。したがって、トルク発生のためには、ロータが回転ステータ磁界に対してスリップしてバーに電流を誘起する必要がある。このため誘導モータは非同期モータと呼ばれる。
【０００５】
低電力誘導モータの場合は、設計動作速度での効率が高くなく、低負荷時には効率はさらに落ちるという問題がある。これは、低負荷時でもステータで消費される電力量は一定のままであるためである。
【０００６】
誘導モータの効率を改善する方法の１つとして、ロータに永久磁石を付加することが行われてきた。このモータは、最初は通常の誘導モータと同様に起動するが、所定の動作速度に達するとステータ磁界と永久磁石との協働により同期動作を行うようになる。これにより、ステータと永久磁石（ＰＭ）ケージロータとの磁極の向きが変化するために、同期が起きるまで永久磁石は一時的な制動トルクと望ましくない磁気異常とを発生させるという問題がある。さらに、永久磁石が大き過ぎるとステータ磁束に過度の電力が与えられてモータがうまく起動しないため、永久磁石の大きさには制限がある。このように大きさに制限があるために永久磁石の付加によって得られる効果が制約される。
【０００７】
本出願人により申請された２０１４年１月９日出願の米国特許出願第１４／１５１，３３３号は、アウタステータと、複数のバーを含み、モータシャフトに固定されたインナロータと、複数の永久磁石および複数のバーを含み、インナロータとステータとの間に設けられる自由回転型アウタロータとを備える電気モータを開示している。モータが起動すると、回転ステータ磁界が自由回転型アウタロータを加速する。この加速に次いで、自由回転型アウタロータの永久磁石がインナロータを加速し、これに固定されて、効率のよい永久磁石動作が得られる。
【０００８】
この米国特許出願第１４／１５１，３３３出願の設計思想が適しているモータデザインもあるが、モータデザインによってはインナロータ表面に及ぼす表面効果によってインナロータと回転磁界との結合が弱められるものもある。
【発明の開示】
【０００９】
本発明は、固定式ステータと、独立回転式アウタロータと、モータシャフトに固定されたインナロータとを備えたハイブリッド誘導モータを提供することにより上記およびその他のニーズに対処する。前記アウタロータは小さい慣性モーメントを有するように設計され、その内面上に角度離間した複数の第１バーと永久磁石とを備えている。前記インナロータは角度離間した複数の第２バーと、これらの第２バーに位置整合した複数の内部磁束バリアとを備えている。前記アウタロータは、最初は回転ステータ磁界と前記第１バーとの協働により加速される。前記アウタロータが同期毎分回転数（ＲＰＭ）に向かって加速されるのに伴い、前記永久磁石の回転磁界が前記インナロータの前記第２バーと協働して前記インナロータを加速する。同期速度付近で前記回転ステータ磁界は前記アウタロータを貫通して前記インナロータに達する。これによりこれら２種のロータが結合して、効率のよい永久磁石動作が行われる。
【００１０】
本発明の一態様により、固定式ステータと、独立回転式ハイブリッド永久磁石／リスかご型ケージ（Hybrid Permanent Magnet/Squirrel Cage：ＨＰＭＳＣ）アウタロータと、モータシャフトに固定されたリスかご型ケージ（ＳＣ）インナロータとを備えたハイブリッド誘導モータが提供される。前記ＨＰＭＳＣアウタロータは、角度離間した複数の第１バーを外面近傍に備えると共に、複数の永久磁石を内面上に備えている。前記ＳＣインナロータは、角度離間した複数の第２バーを外面近傍に備えると共に、これらの第２バーと位置整合した複数の磁束バリアをロータラミネート内に備えている。前記磁束バリアは、同期速度において前記ＨＰＭＳＣアウタロータと前記ＳＣインナロータとを貫通するステータ磁束線を形成し、これにより前記ＨＰＭＳＣアウタロータと前記ＳＣインナロータとが磁気結合する。
【００１１】
前記ＨＰＭＳＣアウタロータは、最初は前記回転ステータ磁界と前記第１バーとの協働により加速される。前記ＨＰＭＳＣアウタロータが回転すると、前記永久磁石が前記ＳＣインナロータ内に回転磁界を生成し、この回転磁界が前記第２バーと協働して前記ＳＣインナロータを加速する。前記ＨＰＭＳＣアウタロータが同期ＲＰＭに向かって加速されるのに伴い、前記ステータ磁界が前記ＨＰＭＳＣアウタロータを貫通して前記永久磁石と協働しつつ前記ＳＣインナロータに達し、前記ＨＰＭＳＣアウタロータと前記ＳＣインナロータとを結合する。これにより動作は同期動作に移行する。
【００１２】
本発明の別の態様により、公知のラインスタート型永久磁石（Line Start Permanent Magnet：ＬＳＰＭ）より強力な永久磁石を備えるモータが提供される。公知のＬＳＰＭモータは、前記永久磁石に起因する制動トルクおよび脈動トルクにより制約を受ける。前記ＨＰＭＳＣアウタロータの前記第１バーと前記磁石とは軽量である。また、前記ＨＰＭＳＣアウタロータは起動時に前記モータシャフトおよび負荷から分離される。これらにより公知のＬＳＰＭモータの永久磁石より強力な永久磁石が実現する。この強力な永久磁石により効率が改善される。
【００１３】
さらに本発明の別の態様により、ＨＰＭＳＣアウタロータの複数のアウタバーであって、ＳＣインナロータの複数のインナバーに位置整合したアウタバーを有するモータが提供される。同期速度において、前記回転ステータ磁界の磁力線は整列したバーの間を通って前記ＳＣインナロータ内に入り、前記ＨＰＭＳＣアウタロータと前記ＳＣインナロータとを結合する。
【００１４】
さらに本発明の別の態様により、前記ＨＰＭＳＣアウタロータにおいて、複数の小形リスかご型ケージバーと併存した複数の大形リスかご型ケージバーを備えたモータが提供される。この大型バーにより前記ＨＰＭＳＣアウタロータの構造強度が向上する。
【００１５】
本発明の別の態様により、本発明に係る方法が提供される。この方法は、ステータへの電流の供給と、回転ステータ磁界の発生とを含む。前記回転ステータ磁界は、ＨＰＭＳＣアウタロータのリスかご型ケージと誘導的に協働する。また、前記回転ステータ磁界は前記ＨＰＭＳＣアウタロータを加速する。前記ＨＰＭＳＣアウタロータの永久磁石が回転永久磁石磁界を生成する。前記回転永久磁石磁界は、ＳＣインナロータのリスかご型ケージと誘導的に協働する。前記回転ステータ磁界により前記ＳＣインナロータが加速される。前記ＨＰＭＳＣアウタロータと前記ＳＣインナロータとは同期速度に向かって加速され、同期速度で磁気結合する。
【００１６】
さらに本発明の別の態様により、ハイブリッド永久磁石ヒステリシス（Hybrid Permanent Magnet Hysteresis：ＨＰＭＨ）アウタロータを備えた、本発明に係るハイブリッド誘導モータが提供される。渦電流リング（またはヒステリシス）誘導型起動素子を前記ＨＰＭＳＣアウタロータのリスかご型ケージに置き換えて、初期の起動トルクを与える。前記ＨＰＭＨアウタロータが同期速度に達すると、前記誘導型起動素子はモータ動作に影響を及ぼさなくなる。前記渦電流リングは、起動素子用材料となり得る任意の導電材料からなる。この材料は、通常は硬質クロム鋼またはコバルト鋼であるが、任意の非鉄材料であってもよい。本発明のＨＰＭＨアウタロータリングの好適な材料は銅である。銅は導電性が高いために効率がよい。銀は銅よりも導電性が高くいくらか性能が優っている。アルミニウムは銅よりも導電性が低く性能が劣っている。最新のナノテクノロジや新種の高導電材料を用いることで銅よりも優れた性能が得られる可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
上記およびその他の本発明の態様、特徴、および効果は、下記の諸図と関連付けられた以下の詳細な説明によってより明らかになる。
【００１８】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明に係る、独立回転式ハイブリッド永久磁石／リスかご型ケージ（Hybrid Permanent Magnet/Squirrel Cage：ＨＰＭＳＣ）アウタロータと、モータシャフトに固定結合されたリスかご型ケージ（ＳＣ）インナロータとを備えた電気モータの端面図を示す。
【００１９】
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明に係る、独立回転式ＨＰＭＳＣアウタロータとモータシャフトに固定結合されたリスかご型ケージ（ＳＣ）インナロータとを備えた電気モータの側面図を示す。
【００２０】
【図２】図２は、本発明に係る、独立回転式ＨＰＭＳＣアウタロータとモータシャフトに固定結合されたＳＣインナロータとを備えた電気モータの、図１Ｂの線２−２に沿った断面図を示す。
【００２１】
【図３】図３は、本発明に係る、独立回転式ＨＰＭＳＣアウタロータとモータシャフトに固定結合されたＳＣインナロータとを備えた電気モータの、図１Ａの線３−３に沿った断面図を示す。
【００２２】
【図４】図４は、本発明に係る、独立回転式ＨＰＭＳＣアウタロータとモータシャフトに固定結合されたＳＣインナロータとを備えた電気モータのハウジングおよび固定式ステータ部の、図１Ｂの線２−２に沿った断面図を示す。
【００２３】
【図５】図５は、本発明に係る、独立回転式ＨＰＭＳＣアウタロータとモータシャフトに固定結合されたＳＣインナロータとを備えた電気モータのハウジングおよび固定式ステータ部の、図４の線５−５に沿った断面図を示す。
【００２４】
【図６】図６は、本発明に係る、独立回転式ＨＰＭＳＣアウタロータとモータシャフトに固定結合されたＳＣインナロータとを備えた電気モータの独立回転式ＨＰＭＳＣアウタロータの、図１Ｂの線２−２に沿った断面図を示す。
【００２５】
【図７】図７は、本発明に係る、独立回転式ＨＰＭＳＣアウタロータとモータシャフトに固定結合されたＳＣインナロータとを備えた電気モータの独立回転式ＨＰＭＳＣアウタロータの、図６の線７−７に沿った断面図を示す。
【００２６】
【図８】図８は、本発明に係る、独立回転式ＨＰＭＳＣアウタロータとモータシャフトに固定結合されたＳＣインナロータとを備えた電気モータのＳＣインナロータの、図１Ｂの線２−２に沿った断面図を示す。
【００２７】
【図９】図９は、本発明に係る、独立回転式ＨＰＭＳＣアウタロータとモータシャフトに固定結合されたＳＣインナロータとを備えた電気モータのＳＣインナロータの、図８の線９−９に沿った断面図を示す。
【００２８】
【図１０】図１０は、本発明に係る、ハイブリッド誘導／永久磁石アウタロータを備えたモータの第６実施形態の断面図を示す。
【００２９】
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明に係る、ハイブリッド誘導／永久磁石アウタロータを備えたモータの第６実施形態のステータの断面図を示す。
【００３０】
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本発明に係る、ハイブリッド誘導／永久磁石アウタロータを備えたモータの第６実施形態のハイブリッド誘導／永久磁石アウタロータの断面図を示す。
【００３１】
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、本発明に係る、ハイブリッド誘導／永久磁石アウタロータを備えたモータの第６実施形態のインナ誘導ロータの断面図を示す。
【００３２】
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明に係る、ハイブリッド誘導／永久磁石アウタロータを備えたモータの第６実施形態の起動時の磁力線を示す。
【００３３】
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明に係る、ハイブリッド誘導／永久磁石アウタロータを備えたモータの第６実施形態の同期速度における磁力線を示す。
【００３４】
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明に係る、ステータを除いた、ハイブリッド誘導／永久磁石アウタロータを備えたモータの第６実施形態における２極形態の同期速度での磁力線を示す。
【００３５】
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本発明に係る、ステータを除いた、ハイブリッド誘導／永久磁石アウタロータを備えたモータの第６実施形態における４極形態の同期速度での磁力線を示す。
【００３６】
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、本発明に係る、ステータを除いた、ハイブリッド誘導／永久磁石アウタロータを備えたモータの第６実施形態における６極形態の同期速度での磁力線を示す。
【００３７】
【図１２Ｄ】図１２Ｄは、本発明に係る、ステータを除いた、ハイブリッド誘導／永久磁石アウタロータを備えたモータの第６実施形態における８極形態の同期速度での磁力線を示す。
【００３８】
【図１３】図１３は、本発明に係る方法を示す。
【００３９】
【図１４】図１４は、本発明に係る回転のタイムラインを示す。
【００４０】
【図１５】図１５は、ハイブリッド永久磁石ヒステリシス（ＨＰＭＨ）アウタロータを備えた、本発明の一実施形態の断面図を示す。
【００４１】
【図１６Ａ】図１６Ａは、ＨＰＭＨアウタロータを備えた、本発明の上記実施形態の側断面図を示す。
【００４２】
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、ＨＰＭＨアウタロータを備えた、本発明の前記実施形態の分解側断面図を示す。
【００４３】
【図１７】図１７は、本発明に係るＨＰＭＨアウタロータの側断面図を示す。
【００４４】
【図１８】図１８は、本発明に係る第２ＳＣインナロータの側断面図を示す。
【００４５】
上記諸図の内の一部において同一の参照記号は同一の構成要素を表す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。この説明は発明を限定するものではなく、専ら本発明の１つ以上の好適な実施形態を説明するために行うものである。本発明の範囲は特許請求の範囲に基づいて決定されるものである。
【００４７】
本明細書において「機械的に結合していない」という語句は、ベアリングを介した第１構造と第２構造との接続であって、それ以外には第１、第２の構造間に一切機械的接続や材料接続が存在しない接続状態を述べる場合に用いる。ただし、これらの構造は磁気的に結合していてもよく、本特許出願においては磁気結合を機械的結合とは見なさない。
【００４８】
本発明に係る、独立回転式ハイブリッド永久磁石／リスかご型ケージ（Hybrid Permanent Magnet/Squirrel Cage：ＨＰＭＳＣ）アウタロータ２０と、モータシャフト１４に固定結合されたリスかご型ケージ（ＳＣ）インナロータ３０とを備えた電気モータ１０の端面図を図１Ａに示し、同側面図を図１Ｂに示す。電気モータ１０の、図１Ｂの線２−２に沿った断面図を図２に示し、図１Ａの線３−３に沿った断面図を図３に示す。電気モータ１０は、ハウジング１２と、ハウジング１２に固定結合されたステータ部１６と、ベアリング２９に支持された（図７参照）独立回転式ＨＰＭＳＣアウタロータ２０と、モータシャフト１４に固定されたＳＣインナロータ３０とを備える。ＨＰＭＳＣアウタロータ２０はベアリングを介してモータシャフト１４に装着され、モータシャフト１４に機械的に結合せず、これと共に回転しない。
【００４９】
電気モータ１０のハウジング１２および固定式ステータ部１６の、図１Ｂの線２−２に沿った断面図を図４に示し、図４の線５−５に沿った断面図を図５に示す。複数の固定式ステータ巻線１８がステータコア１９内に備わっている。ステータ巻線１８は、交流（ＡＣ）信号を入力されると回転ステータ磁界を生成する。ハウジング１２内に複数のベアリング１３が設けられ、これがシャフト１４を支えている。
【００５０】
独立回転式ＨＰＭＳＣアウタロータ２０の、図１Ｂの線２−２に沿った断面図を図６に示し、図６の線７−７に沿った断面図を図７に示す。ＨＰＭＳＣアウタロータ２０は、その内面上に角度離間した複数の永久磁石２２を有すると共に、外面近傍においてコア（ラミネート）２３に埋め込まれた複数の角度離間した第１バー２６ａ、２６ｂを有する。ＨＰＭＳＣアウタロータ２０は、例えば２、４、６、８等の、あらゆる偶数個の永久磁石２２を含み得る（図１２Ａ〜１２Ｄ参照）。ロータコア２３は永久磁石２２同士の間に鉄を含まないボイド２４を有する。ボイド２４は、磁束バリアとなる空隙または非鉄材料からなる。永久磁石２２同士の間に鉄系材料が存在すると、磁束は磁石２２内にカールバックし、大半の磁束線が短絡して磁石２２内に戻ってしまう。コア２３は積層コアであることが好ましいが、コア２３を形成する複数の薄板２３ａによって磁束漏れが生じることがある。薄板２３ａの厚さは、ロータコアラミネート２３の力学的状態を保ちつつ磁束漏れが最小になるように最適化することが好ましい。バー２６ａ、２６ｂはそれぞれ均等に角度離間されることが好ましい。好適には永久磁石２２はロータコア２３の内面に接合されたネオジム磁石である。
【００５１】
ＨＰＭＳＣアウタロータ２０は小バー２６ａのみを備えてもよいが、構造強度をもたらす大バー２６ｂも併せて備えることが好ましい。好適には、大バー２６ｂは永久磁石２２同士の間に角度を付けて設けられる（すなわち、放射状に配置される）。また、大バー２６ｂの数は磁石２２の数に等しいことが好ましい。好適にはボイド２４は大バー２６ｂの下方に位置する。バー２６ａ、２６ｂは、例えばアルミニウムなどの軽量材料で作製されることが好ましい。磁石２２も軽量材料で作製されることが好ましく、好適には所定の磁力を持ちつつ軽量化が可能な希土類磁石である。バー２６ａ、２６ｂと永久磁石２２との軽量化によりＨＰＭＳＣアウタロータ２０の慣性モーメントが低下して、ＨＰＭＳＣアウタロータ２０が永久磁石２２によって生じる制動トルクおよび脈動トルクに打ち勝つことができる。これによりＬＳＰＭモータよりも強力な永久磁石２２とより高い効率とが得られる。バー２６ａ、２６ｂの抵抗とロータコア２３の飽和とのバランスを最適化することで、バー２６ａ、２６ｂの形状、数、および寸法が例えばモータの起動などの性能に大きな影響を与えるようにすることができる。
【００５２】
ロータ端キャップ２８がＨＰＭＳＣアウタロータ２０の対向する両端に取り付けられている。端キャップ２８内にはベアリング２９が含まれ、このベアリングによってＨＰＭＳＣアウタロータ２０がモータシャフト１４の周囲を自由に回転できるようになっている。ベアリング２９は低摩擦ベアリング（例えば、ボールベアリングやローラベアリング）であることが好ましいが、単なるブッシング（例えば、ブロンズブッシング、オイライトブッシング、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）ブッシングなど）であってもよい。ＨＰＭＳＣアウタロータ２０がＳＣインナロータ３０やモータシャフト１４と機械的に結合せず、これらと共に回転しない。
【００５３】
電気モータ１０におけるＳＣインナロータ３０の、図１Ｂの線２−２に沿った断面図を図８に示し、図８の線９−９に沿った断面図を図９に示す。ＳＣインナロータ３０はモータシャフト１４に固定され、ＨＰＭＳＣアウタロータ２０と協働してＨＰＭＳＣアウタロータ２０をモータシャフト１４に同期速度で磁気結合させる。複数の第２小バー３２ａと複数の第２大バー３２ｂとが第２ロータコア（ラミネート）３６内に存在する。バー３２ａ、３２ｂは等間隔で角度離間されることが好ましいが、これは必須ではない。大バー３２ｂはＳＣインナロータ３０に構造強度を付与すると共に、磁束線５０の指向性を助長する（図１１Ｂ参照）。
【００５４】
モータ１０の詳細な断面図を図１０に示す。また、モータ１０におけるステータ１６の断面図を図１０Ａに示し、ＨＰＭＳＣアウタロータ２０の断面図を図１０Ｂに示し、ＳＣインナロータ３０の断面図を図１０Ｃに示す。ステータ１６のラミネート１９内には、回転ステータ磁界を生成する複数のステータ巻線１８が含まれている。
【００５５】
ＨＰＭＳＣアウタロータ２０はベアリング２９を通じてモータシャフトに回転式に結合しており（図７参照）、ラミネート２３に埋め込まれた、小リスかご型ケージバー２６ａと大リスかご型ケージバー２６ｂとを有している。永久磁石２４がＨＰＭＳＣアウタロータ２０の内面上に設けられている。この内面はＳＣインナロータ３０に対面している。
【００５６】
ＳＣインナロータ３０は、小バー３２ａと大バー３２ｂとを備えている。磁束バリア３８がラミネート３６中の凹型経路に沿って延びている。磁束バリア３８の外端は小バー３２ａにほぼ位置整合している。小バー３２ａと大バー３２ｂとは共にラミネート３６中にわずかに後退している。
【００５７】
起動時のステータ巻線１８とバー２６ａ、２６ｂとの間の磁力線４２ａ、および起動直後のモータ１０の永久磁石２２とバー３２ａ、３２ｂとの間の磁力線４２ｂを図１１Ａに示す。磁力線４２ａは回転ステータ磁界に対するバー２６ａ、２６ｂのスリップによって生じる。磁力線４２ａは起動すると直ちに現れる。この理由は、ＨＰＭＳＣアウタロータ２０は起動時には静止しており、この静止したＨＰＭＳＣアウタロータ２０と回転ステータ磁界との間にスリップが生じるためである。このスリップにより磁気誘導を通じてバー２６に電流が発生し、この電流によりＨＰＭＳＣアウタロータ２０にトルクがかかってＨＰＭＳＣアウタロータ２０が加速される。
【００５８】
起動のほぼ直後に、ＨＰＭＳＣアウタロータ２０が回転を始めると、ＨＰＭＳＣアウタロータ２０の永久磁石２２とＳＣインナロータ３０のバー３２ａ、３２ｂとの間のスリップが進展し、磁力線４２ｂが形成される。磁力線４２ｂは起動時に直ぐには現れない。これは、この磁力線によってＨＰＭＳＣアウタロータ２０がＳＣインナロータに回転式に結合して、ＨＰＭＳＣアウタロータ２０の加速に対する抵抗が生じるためである。このことはモータ１０の重要な特徴である。公知のＬＳＰＭモータでは、この抵抗は、ＨＰＭＳＣアウタロータ２０が永久磁石による制動トルクおよび脈動トルクに打ち勝つことを妨げて、永久磁石２２の磁力を制限する。このためにモータ１０の効率に限界が生じている。このためモータ１０は自己調整を行うが、ＨＰＭＳＣアウタロータ２０が制動トルクおよび脈動トルクに打ち勝った後に、ＨＰＭＳＣアウタロータ２０をＳＣインナロータ３０とモータシャフト１４とに結合するだけである。
【００５９】
ステータ巻線１８と永久磁石２２との間の磁力線５０であって、同期速度においてモータ１０のＳＣインナロータ３０まで入り込む磁力線５０を図１１Ｂに示す。同期速度においては、回転ステータ磁界と各バー２６ａ、２６ｂ、３２ａ、３２ｂとの間のスリップは生じないため、回転ステータ磁界と各バー２６ａ、２６ｂ、３２ａ、３２ｂとの電気的協働は生じない。この段階で回転ステータ磁界は永久磁石２２と完全に協働し、磁束バリア３８によってＳＣインナロータ内をガイドされる。
【００６０】
ステータ１６を除いた２極形態のモータ１０の磁力線を図１２Ａに示し、ステータ１６を除いた４極形態のモータ１０の磁力線を図１２Ｂに示し、ステータ１６を除いた６極形態のモータ１０の磁力線を図１２Ｃに示し、ステータ１６を除いた８極形態のモータ１０の磁力線を図１２Ｄに示す。
【００６１】
本発明に係る方法を図１３に示す。この方法は次の各ステップを含む。すなわち、ステップ１００でステータに電流を供給し、ステップ１０２で回転ステータ磁界を生成し、ステップ１０４で回転ステータ磁界がＨＰＭＳＣアウタロータのリスかご型ケージと誘導的に協働し、ステップ１０６で回転ステータ磁界がＨＰＭＳＣアウタロータを加速し、ステップ１０８でＨＰＭＳＣアウタロータの永久磁石が回転永久磁石磁界を生成し、ステップ１１０でこの永久磁石磁界が回転ステータ磁界と結合して複合回転磁界が生じ、ステップ１１２でこの複合回転磁界がＳＣインナロータのリスかご型ケージと誘導的に協働し、ステップ１１４で複合回転磁界がＳＣインナロータを加速し、ステップ１１６でＳＣインナロータが同期速度に近づき、ステップ１１８で、同期速度においてＨＰＭＳＣアウタロータとＳＣインナロータとが磁気結合する。この方法の重要な特徴は、ＨＰＭＳＣアウタロータは回転するまでＳＣインナロータと結合しないため、ＬＳＰＭモータにおいて永久磁石の磁力を制限する制動トルクおよび脈動トルクに打ち勝つことができることである。
【００６２】
ＨＰＭＳＣアウタロータとＳＣインナロータとを備えたハイブリッド電気モータについて述べる。ＨＰＭＳＣアウタロータは、第１ロータコアに埋め込まれた複数の第１導電性リスかご型ケージバーと第２ロータコアの内面上の複数の永久磁石とを有している。また、ＨＰＭＳＣアウタロータはステータとＳＣインナロータとの間でかつモータシャフトと同軸上に設けられ、如何なる動作においてもモータシャフトと機械的に結合せず、これと共に回転しない。ＳＣインナロータはモータシャフトに固定されかつモータシャフトと同軸に位置し、第２ロータコアと、第２ロータコアに埋め込まれた複数の第２導電性リスかご型ケージバーと、同期速度において回転ステータ磁界をＳＣインナロータ中でガイドする磁束バリアとを有している。当業者であれば、磁石、バー、および磁束バリアの数が本明細書記載の数と異なるが、本明細書記載の原理に基づく他の実施形態があり得ることがわかるであろう。それらの実施形態は全て本発明の範囲に包含されるものとする。
【００６３】
ステータ磁界と、ＨＰＭＳＣアウタロータ磁界と、ＳＣインナロータ磁界との回転のタイムラインを図１４に示す。
【００６４】
ハイブリッド永久磁石ヒステリシス（ＨＰＭＨ）アウタロータ２０'を備えた、本発明の第２ハイブリッド誘導モータ１０'の断面図を図１５に示す。誘導型起動素子は渦電流（すなわちヒステリシス）リング６０（図１７参照）からなり、このリング６０をＨＰＭＳＣアウタロータ２０のリスかご型ケージ２６ａ、２６ｂ（図６参照）に置き換えて初期の起動トルクを与える。ＳＣインナロータにおいて大リスかご型ケージバー３２ｂは不要であり、ハイブリッド誘導モータ１０'には図示されていない。その他の点については、ハイブリッド誘導モータ１０'はハイブリッド誘導モータ１０と同様である。
【００６５】
ＨＰＭＨアウタロータを備えたハイブリッド誘導モータ１０'の側断面図を図１６Ａに示し、分解側断面図を図１６Ｂに示す。
【００６６】
本発明に係るＨＰＭＨアウタロータの側断面図であって渦電流リング６０を示す側断面図を図１７に示す。ＨＰＭＨアウタロータ２０'が同期速度に達すると、渦電流リング６０はモータ動作に影響を及ぼさなくなる。渦電流リング６０は起動素子用材料となり得る任意の導電材料からなる。この材料は、通常は硬質クロム鋼またはコバルト鋼であるが、任意の非鉄材料であってもよい。本発明のＨＰＭＨアウタロータリングの好適な材料は銅である。銅は導電性が高いために効率がよい。銀は銅よりも導電性が高くいくらか性能が優っている。アルミニウムは銅よりも導電性が低く性能が劣っている。最新のナノテクノロジや新種の高導電材料を用いることで銅よりも優れた性能が得られる可能性がある。
【００６７】
第２ＳＣインナロータ３０'の側断面図を図１８に示す。ＳＣインナロータ３０'は大リスかご型ケージバー３２ｂを有してもよいが必須ではなく、図には示されていない。その他の点については、ＳＣインナロータ３０'はＳＣインナロータ３０と同様である。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は電気モータの分野に産業上の利用可能性を見出している。
【発明の範囲】
【００６９】
本開示の発明を特定の実施形態およびその応用を用いて説明したが、特許請求の範囲で述べた発明の範囲内で多くの修正や変形を当業者によって実施し得る。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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