JP6643980B2 - ハイブリッド車のための改良されたスイッチトリラクタンスモータ及びスイッチトリラクタンス装置 - Google Patents

Description

本出願は、2013年9月16日出願の米国プロビジョナル出願No.61/878,135の優先権及びその利益を主張するものであり、優先権によって該出願日の権利が与えられる。米国プロビジョナル出願No.61/878,135の明細書、図面及び全ての開示は全ての目的において参照によって本明細書に組み入れられる。
本発明は一般にハイブリッド車の分野に関するものである。より詳しくは、本発明は、スイッチトリラクタンスモータを用いた内燃‐電気ハイブリッド車の車両動力エネルギーの増大、貯蔵及び保存のための装置に関するものである。

内燃動力車に後付けで装着でき、車に電気的動力及びパワーを付加する電動発電機デバイスが、Perry等の"Machine for Augmentation, Storage, and Conservation of Vehicle Motive Energy," US 2012/0215389に開示されており、全ての目的において参照によって本明細書に組み入れられる。より前のハイブリッド駆動システムが、Lynch等のU.S. Pat. 4,165,795及びKawakatsuのU.S. Pat. No. 4,335,429に開示されており、全ての目的において参照によって本明細書に組み入れられる。

本発明は、図１、図２に示すように、スイッチトリラクタンスハブモータを備えた改良されたハイブリッド駆動装置に関するものである。スイッチトリラクタンスモータを用いることで、本発明は、使用されない時に磁場をターンオフすることによって、従来技術で用いられているモータにおいて存在する磁場により引き起こされるドラグ（drag）を除去するという利点がある。本発明はまた、磁場がターンオフされる時に、動作中に吸引された磁性道路ダストないし破片が落とされあるいは追い払われることで、よりクリーンでより効率的に動作するという利点を有する。

図１は、本発明の実施形態に従うシステムの図を示す。 図２は、本発明の実施形態に従う装置を図を示す。 図３は、ロータバーを備えた中央ロータを備えたスイッチトリラクタンスモータの図を示す。 図４は、ロータリングを備えたスイッチトリラクタンスモータの図を示す。 図５は、図４の拡大図である。 図６は、ロータが第２の位置へ移動した状態における図４のスイッチトリラクタンスモータを示す図である。 図７は、ロータリングを備えたスイッチトリラクタンスモータの他の形態を示す図である。 図８は、ロータリングを備えたスイッチトリラクタンスモータのさらなる他の形態を示す図である。

スイッチトリラクタンスモータは、リラクタンスモータ（すなわち、リラクタンストルクによって動作する電気モータ）の一種である。一般的なＤＣモータのタイプと異なり、電力は、ロータではなくステータの巻線に与えられる。このことは、電力を可動部に与える必要がないので、機械的設計をシンプルとする。しかしながら、電力をそれぞれの巻線に与えることに用いるための何らかのスイッチングシステムが必要となる。

幾つかの実施形態では、スイッチトリラクタンスモータは、巻線フィールドコイルを有している。しかしながら、ロータは、いかなる付属の磁石やコイルを有しない。ロータは、典型的には、軟磁性材料（例えば、積層鋼）から形成されたソリッド凸極ロータ（突出した磁性極を有する）を含んでいる。電力がステータ巻線に供給されると、ロータの磁性リラクタンスは、当該ロータを最近傍のステータ極と一致させようとする力を生成する。回転を維持するために、電気制御システムは、連続するステータ極の巻線に順にスイッチＯＮとし、ステータの磁場が、ロータ極を先導して、それを前方に引っ張るようにしている。従来のモータのように機械的整流子を用いて巻線電流を切り替えるのではなく、スイッチトリラクタンスモータは、電子位置センサを用いてロータシャフトの角度を決定し、固体電子工学を用いてステータ巻線を切り替え、それはまた、パルスのタイミング及び整形の動的制御の機会を提供する。

スイッチトリラクタンスモータの例を図３に示す。スイッチトリラクタンスモータは、磁気回路における低減されたリラクタンスを利用するように設計される。一般に、複数のロータバー１０２を備えたロータ１００が、ステータリング１１０の内部で回転する。ステータの内側には、複数の強磁性のステータ極１１２が設けてあり、これらは、該ステータ極の周りの磁気コイル１１４によって作動され、一時的にＮ極磁石及びＳ極磁石を生成する。スイッチトリラクタンスモータのロータは、強磁性材料から形成され、ステータ極からステータ極へ低リラクタンスの磁気路を提供する。磁束路は、作動されたＮ極から作動されたＳ極へと、対応するロータバー１０２を通って形成される。

スイッチトリラクタンスモータの動作例は以下の通りである。９０度、２７０度の位置(A1, A2)のステータ極は、強磁性のステータ極の周りの磁気コイルによって作動され、Ｎ極磁石、Ｓ極磁石を形成する。磁束路は、ステータ極(A1, A2)と合致するロータバー(B)を通って、Ｎ極からＳ極へと形成され、低リラクタンス路である。磁束路は環状であり、ステータリングの周縁の周りの一方のステータ極から他方のステータ極へ向かい、対応するロータバーを通って帰ってくる。

制御回路が、ステータ極(A1, A2)への電流を切り、３１５度、１３５度の位置(C1, C2)のステータ極を作動する。プログラマブル制御回路及び機構は当業界においてよく知られており、容易に利用可能である。ステータ極(C1, C2)から僅かにずれているロータバー(D)は、ちょうど今作動されたＮステータ極、Ｓステータ極(C1, C2)によって反時計まわりに引っ張られる。ロータバー(D)がステータ極(C1, C2)と一致する新しい位置に到達すると、制御回路は電流を切り、０度、１８０度のステータ極位置(E1, E2)に電流を供給し、ロータバー(F)が反時計回り方向に引っ張られるようにする。いずれの場合にも、２つの作動されたステータ極間に存在する高リラクタンスは、水平状のロータバー(B)とステータ極(A1, A2)の場合と同様に、ロータバーがステータ極と正確に合致することによって低減される。ステータ極を時計回りの態様で電気的に作動させることによって、ロータバーは反時計周り態様で回転し、それによって、モータ作動を生成する。もちろん、作動の方向（すなわち、回転方向）は逆でもよい。

上記のように、スイッチトリラクタンスモータの大きな利点は、モータが永久磁石（ＤＣブラシレスモータがそうであるのに対して）を必要としないことである。したがって、構築が簡単かつ経済的であり、汚れた、すなわち、強磁性のダスト粒子を含むような環境においても良好に動作する。しかしながら、スイッチトリラクタンスモータは、正確な時間でステータ極を作動させるための制御回路を必要とし、このことによって、スイッチトリラクタンスモータが複雑となると共に、光学的センサや他の適切な手法のような、ロータ位置のフィードバックを必要とする。また、スイッチトリラクタンスモータは、対向するステータ極がon/off作動されるためノイズを生じる傾向にあり、これによって、ステータリング上の周期的な交互のon/off力により、可聴周波数で振動することになる。

これらの欠点に対処するように設計された改良されたスイッチトリラクタンスモータについて以下に説明する。幾つかの実施形態において、改良されたモータは、図４に示すように、ロータにおける修正された磁束路を有している。ロータはロータリング２００であり、ステータリング２１０の内部で回転する。ロータリングは、外側周縁に配置された複数のロータ極２０２を有している。ステータリングは、複数の強磁性のステータ極２１２を有し、これらは該ステータ極の周りの磁気コイル２１４によって作動され、一時的にＮ極、Ｓ極の電磁石を生成する。対向するステータ極は、ペアとして一緒には作動されず、その代わりに、ステータリングの同じ領域にある複数のステータ極を作動させることによってＮ極とＳ極が生成される。図４、図５に示すように、低減されたリラクタンスの磁束路が、１つの作動された極からステータリング上の短距離を通って他のステータ極まで進み、そして、２つの対応するロータ極を通り、ロータリングを通って進む。なお、図２に示すように、ステータリングとロータリングとの間には、ブレーキ装着プレートが配置されている。

改良されたスイッチトリラクタンスモータの動作例は以下の通りである。ステータ極(H)がそれに対応するコイルによって作動されてＮ電磁石を生成し、ステータ極(I)が同様に作動されてＳ電磁石を生成する。ロータ極(F)、(G)が、それらを通って流れる磁気回路によって、それぞれ、ステータ極(H)、(I)と一致する。ロータリング(A)における低減されたリラクタンスの路を矢印(J)で示し、ステータリング(D)内の路を矢印(K)で示す。このステータペアの作動はステータリングの周りで繰り返され、モータの周りに沿って複数の低リラクタンス磁気回路（この形態では１５）が生成されることに留意されたい。ステータ極電磁石のペアは、リングの周りにＮ向きとＳ向きが交互となる。

制御回路は、ステータ極(H, I)（及び、リング周りの他の作動されたステータ極ペア）への電流を切り、ステータ極(N, O)を作動する。これによって、図６に示すように、ロータ極(L, M)がステータ極(N, O)と一致し、L,N,O,Mおよびその間にあるステータリングの部分及びロータリングの部分を通る新しい低リラクタンス路を形成する。新しい低リラクタンス磁気回路が、同様のステータペアの作動によって、モータの周りに沿って生成されることに留意されたい。

このロータの動きは、ステータ極(H, I)が再作動された時に、ロータ極(P, Q)を、次いでステータ極(H, I)と一致するように引っ張られる位置に移動させる。これは、(H, I)の作動が第１位相となり、(N, O)の作動が第２位相となる、２相スイッチトリラクタンスモータを意味する。この形態では、ある時点で１つおきのステータ極が作動される（すなわち、作動されたステータ極ペアの各作動されたステータ極の間に１つの非作動ステータ極が存在する）。モータは、極の間隔や作動タイミングに依存して、３相形態あるいはそれ以上の形態を備えていてもよいことに留意されたい。

図７は、３相スイッチトリラクタンスモータの実施例を示し、ステータ極の３つのペアが順に作動される。ある時点で２つおきのステータ極が作動される（すなわち、作動されたステータ極ペアの各作動されたステータ極の間に２つの非作動ステータ極が存在する）。

中央領域(R)は、ロータリングの機械的支持体であり、限定されないものの、アルミニウム、真ちゅう、カーボンファイバ、あるいは他の適切な材料等の非強磁性体材料を含んでいる。中央領域は、ステータ極に対してロータを正確な位置に位置決めし、ロータアセンブリの中心を通るシャフト周りの回転を提供することを補助する。

ロータ極及びステータ極の数は変更され得る。図４に示す実施形態では、ロータリングの外側周縁上に４５個のロータ極が定置され、ステータリングの内側周縁上に３０個のステータ極が定置されている。これらの数は図７に示すように変更され得るものであり、図７では６０個のロータ極と３６個のステータ極が存在する。図８に示すように、ロータ内の環状の磁束路を用いて機能するように構成されるステータ極及びロータ極の数の多くの組み合わせがある。本明細書に開示されたステータ極及びロータ極の数は、３つの形態を例示するに過ぎないものである。

本発明は、単相可変周波数ＡＣ信号によってモータを駆動する点において、極めてシンプルな駆動システムを可能とする。単相ＡＣ信号で本モータを駆動する能力は、単相ＡＣ、２相ＡＣ、３相ＡＣのいずれかによってステータ極電磁石を駆動するためにステータ極及びロータ極を配置する選択を制限するものではない。

この形態は、交互にステータ極を作動させることによって、正弦波、方形波、あるいは他の適切な波のいずれからなる単相可変周波数ＡＣ信号によって駆動され得る。ステータ極(H,N,I,O)は、モータの電気的３６０度サイクルの完全なセットを構成する。モータの３６０度電気的サイクルは、そこにおいて、完全な電気的サイクルが完結し、電気的動作がそれ自身繰り返される、ロータの回転度である。図４に示すモータ設計では、ロータリングの２４度回転における完全な３６０度電気サイクルが存在する。これは、ロータリングの３６０度回において、３６０度電気的回転の１５サイクルが存在することを意味する。４つのステータ極は、２つの位相の完全なサイクルがロータ極上で作動することを可能とする。モータは、ステータ極(H)、(I)をＮ−Ｓ極性で駆動し、次いで、ステータ極(N)、(O)をＮ−Ｓ極性で駆動することで動作することで動作する。適切なシーケンスでステータ極の２つのセットを交替することで、シーケンスにおける４つのステータ極のみを用いて、ロータリングを時計回り方向または反時計回り方向に回転させる。本改良されたスイッチトリラクタンスモータは、ステータリング上の極の部分集団を許容する。従来のいかなるスイッチトリラクタンスモータもこの能力を有しない。

本設計の他の適用は、スイッチトリラクタンスステッパモータとして機能するものである。図４において、上記のように、ロータ極(F)、(G)がステータ極(H)、(I)と一致し、ロータ極(L)、(M)が、そこからステータ極(N)、(O)と一致するように引っ張られる位置にある。ステータ極(H)、(I)の電流がＤＣの場合には、ロータは一つの決まった位置に保持される。もし、ステータ極(H)、 (I)におけるＤＣ電流が遮断され、ステータ極(N)、(O)にＤＣ電流が供給されると、ロータは反時計方向に４度回転して停止する。ロータ極とステータ極の適切な間隔およびジオメトリ、および、正確なタイミングでの電流の適切な供給によって、本スイッチトリラクタンスモータは、可変速モータのみならず、ステッパモータとして機能する。

図４、図５は、半径方向磁束（radial flux）経路を示すが、本発明は、磁束路がロータ、すなわちロータバーの全直径を通って走ることがないような他の可能性のある形態を含む。例えば、図２は、軸方向磁束（axial flux）形態を備えたスイッチトリラクタンスモータを示す。この実施形態のロータ極は、磁性鋼であり、永久磁石ではない（本明細書の他の箇所に記載したように、ＤＣブラシレス設計に比べて大きな利点を意味する）。

上記のように設計された改良されたスイッチトリラクタンスモータは、限定されないもののホイールハブモータを含む、特に、低rpm（例えば、約2000 rpmあるいは以下）で、高トルクのアプリケーションに適する。モータはホイールに対する直接駆動であるためrpmは低い。高始動トルクが望ましい。

本発明に基づく改良されたスイッチトリラクタンスモータ設計により生成されるノイズは、従来技術設計に比べて小さい。本モータの動作の仕方によって、作動されたステータ極と対応するロータ極との間の吸引磁気力は完全に０にはならないので、ステータに作用する力は常に一定である。このことは、ステータリング内における振動の傾向を低減する。

本明細書に記載された実施形態及び実施例は、本発明の原理及びその実際のアプリケーションを良く表すものとして選択され、記載されたものであり、それによって、当業者が本発明を数々の実施形態において、また、特定の使用に適切であると考えられる数々の修正を伴って、利用することを可能とする。本発明の具体的な実施形態を記載したが、これらは全てを網羅しているものではない。当業者において、幾つもの変形を為し得ることは明白である。

Claims (13)

1. 内燃動力車に後付けで装着できるように構成された車両のホイールハブに装着されたスイッチトリラクタンスモータから構成されるスイッチトリラクタンスモータ装置であって、当該ハブに装着されたスイッチトリラクタンスモータは、
   周縁を備えたステータリングと、
   前記ステータリングの周縁に配置され、磁気コイルによって作動して電磁石となる複数のステータ極と、
   周縁を備えており、前記ステータリングに隣接して配置されたロータリングと、
   前記ロータリングの周縁に隣接して配置され、前記ステータ極に近接する複数のロータ極と、
   前記ステータリングと前記ロータリングとの間に配置されたブレーキ装着プレートと、
   を備え、
   ステータ極のペアが作動された時に、ステータ極のペアと近位のロータ極のペアを通る低リラクタンス磁束路が形成され、
   前記低リラクタンス磁束路は、前記ステータ極のペア間のステータリングの部分および前記ロータ極のペア間のロータリングの部分を通って形成される、
   モータ装置。
2. 前記低リラクタンス磁束路は、前記ロータの中心を通らない、請求項１に記載のモータ装置。
3. 前記低リラクタンス磁束路は、前記ロータの直径を通らない、請求項１に記載のモータ装置。
4. 前記モータは、２相モータである、請求項１に記載のモータ装置。
5. 前記モータは、３相モータである、請求項１に記載のモータ装置。
6. 前記ステータ極のペアの作動は、前記ロータ極のペアを、前記ステータ極と合致させるように引っ張る、請求項１に記載のモータ装置。
7. 前記ステータ極のペアは、前記ロータリングを回転させるように連続して作動される、請求項１に記載のモータ装置。
8. 前記モータは、可変速モータである、請求項１に記載のモータ装置。
9. 前記モータは、ステッパーモータである、請求項１に記載のモータ装置。
10. 前記ロータリングは、当該ロータリングの中心の非強磁性機械的支持体に設けてある、請求項１に記載のモータ装置。
11. １つおきのステータ極が、特定の時間に作動され、前記低リラクタンス磁束路が形成される際に通るロータ極の対応するペアは、２つおきのロータ極である、請求項１に記載のモータ装置。
12. ２つおきのステータ極が、特定の時間に作動され、前記低リラクタンス磁束路が形成される際に通るロータ極の対応するペアは、４つおきのロータ極である、請求項１に記載のモータ装置。
13. 前記モータは、単相可変周波数ＡＣ信号によって駆動される、請求項１に記載のモータ装置。