(57)【要約】  端部鉄部の間に部分的に又は完全に延出するポストを有する、電気機械装置用のロータ。それぞれの端部鉄部は、磁性材料の単一片と、そこから延出するポストと、で形成され、他の端部鉄部を含み、ポストはそれらの間に完全に延出している。磁石がポスト間に配置され、極は、流束を集中させるようにポストに向いている。あまりに多くの流束が、端部鉄部を介した流束経路に引き込まれないようにするため、全磁束が、流束経路の少なくとも一部の飽和流束を超えるようにする。これは、端部鉄部の間に部分的にのみ延出する相互嵌合ポストを使用して、流束経路に間隙を提供することにより、端部鉄部内に流束レジスタを提供して、飽和流束を全流束より低減させることにより、又は、高アスペクト比の磁石若しくはポストを使用することで、磁束がポスト又は端部鉄部の飽和流束を超えるようにすることにより、達成され得る。
2019528666.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気モータ用の永久磁石キャリアであって、前記永久磁石キャリアは、
第１の端部鉄部と、
第２の端部鉄部と、
前記第１の端部鉄部及び前記第２の端部鉄部のうちの少なくとも１つから、前記第１の端部鉄部及び前記第２の端部鉄部のうちの他方に向かってそれぞれ延出するポストのアレイであって、前記第１の端部鉄部及び前記端部鉄部から延出する前記ポストは、第１の磁性材料の単一片で形成され、前記第２の端部鉄部及び前記第２の端部鉄部から延出する前記ポストは、前記第１の磁性材料の単一片又は第２の磁性材料の単一片で形成されている、ポストのアレイと、
前記ポストのアレイのうちの前記ポスト間に配置された永久磁石のアレイであって、それぞれの永久磁石は、前記磁石に隣接する前記ポストのアレイのうちの対応の対のポスト間に方向付けられた方向に磁化される、永久磁石のアレイと、
前記第１の端部鉄部を介したそれぞれ対応の対のポスト間の第１の対応の流束経路と、前記第２の端部鉄部を介したそれぞれ対応の対のポスト間の第２の対応の流束経路と、を画定する支持構造体であって、前記第１の対応の流束経路は、第１の対応の飽和流束を有する第１の間隙又は第１の飽和部分を有し、前記第２の対応の流束経路は、第２の対応の飽和流束を有する第２の間隙又は第２の飽和流束部分を有し、前記磁石は、前記第１の対応の飽和流束及び前記第２の対応の飽和流束の和を超える全磁束を前記ポストと共に生成する、支持構造体と、を含む、永久磁石キャリア。
【請求項２】
前記ポストのアレイのうちの連続するポストが、前記第１及び第２の端部鉄部から交互嵌合するように交互に延出し、それぞれ対応の対のポストのうちの前記第１の間隙又は飽和部分は、前記第１の端部鉄部と、前記第２の端部鉄部から延出する前記対のうちのポストとの間の間隙であり、それぞれ対応の対のポストの前記第２の間隙又は飽和部分は、前記第２の端部鉄部と、前記第１の端部鉄部から延出する前記対のうちのポートとの間の間隙である、請求項１に記載の永久磁石キャリア。
【請求項３】
前記第２の端部鉄部に対して前記第１の端部鉄部を支持する支持要素を更に含む、請求項２に記載の永久磁石キャリア。
【請求項４】
前記支持要素が、前記ポストを受容するための溝部を画定する支持リングを含む、請求項３に記載の永久磁石キャリア。
【請求項５】
前記ポストのアレイのうちの連続するポストが、前記第１及び第２の端部鉄部から交互嵌合するように交互に延出し、それぞれのポストは、そこから延出していない前記端部鉄部に、断面において前記ポストよりも小さい結合部分で結合されており、それぞれ対応の対のポストの前記第１の飽和部分及び前記第２の飽和部分は、前記対応の対のポストのうちの前記ポストに結合している前記結合部分である、請求項１に記載の永久磁石キャリア。
【請求項６】
前記ポストが前記第１の端部鉄部及び前記第２の端部鉄部と結合し、前記端部鉄部が孔を画定し、前記孔の周りの前記端部鉄部の部分は前記飽和部分である、請求項１に記載の永久磁石キャリア。
【請求項７】
前記ポストが、前記第１の端部鉄部及び前記第２の端部鉄部に接続し、前記永久磁石は、前記ポスト間を結合する前記端部鉄部の部分が前記飽和部分として機能するように、前記端部鉄部の飽和流束を超える流束を生成するのに十分な長さを、前記ポストに合わせた方向に有する、請求項１に記載の永久磁石キャリア。
【請求項８】
前記ポストが、前記第１の端部鉄部及び前記第２の端部鉄部に結合し、前記永久磁石は、前記ポストが前記飽和部分として機能するように、前記ポストの飽和流束を超える流束を生成するのに十分な長さを、前記ポストに合わせた方向に有する、請求項１に記載の永久磁石キャリア。
【請求項９】
前記磁石が、前記ポストに合わせた前記方向の磁石の長さと前記対応の対のポストの間で方向付けられた前記方向の磁石幅との、４／１、５／１、６／１、７／１、８／１、９／１、１０／１、１１／１、１２／１、１３／１、１４／１、１５／１、又は１６／１より大きい比率を有する、請求項７に記載の永久磁石キャリア。
【請求項１０】
前記ポストが、ポスト長さとポスト幅との、４／１、５／１、６／１、７／１、８／１、９／１、１０／１、１１／１、１２／１、１３／１、１４／１、１５／１、又は１６／１より大きい比率を有する、請求項７に記載の永久磁石キャリア。
【請求項１１】
前記ポストのアレイのうちのそれぞれのポストが、対応の断面を有し、前記第１の端部鉄部が、第１の端部鉄部断面を有し、それぞれのポストが、前記第１の端部鉄部に結合し、前記結合のいずれの部分も、前記対応の断面及び前記第１の端部鉄部断面のうちの最も低いものより実質的に低い断面を有していない、請求項７に記載の永久磁石キャリア。
【請求項１２】
前記第１の端部鉄部断面が、前記ポストのアレイうちの前記ポストのそれぞれ対応の断面以上に大きい、請求項１１に記載の永久磁石キャリア。
【請求項１３】
前記第２の端部鉄部が、第２の端部鉄部断面を有し、前記ポストのアレイうちのそれぞれのポストが、前記第２の端部鉄部に結合し、前記結合のいずれの部分も、前記対応の断面及び前記第２の端部鉄部断面のうちの最も低いものより実質的に低い断面を有していない、請求項１１に記載の永久磁石キャリア。
【請求項１４】
前記第２の端部鉄部断面が、前記ポストのアレイうちの前記ポストのそれぞれ対応の断面以上に大きい、請求項１３に記載の永久磁石キャリア。
【請求項１５】
それぞれの磁石が、連続するポスト間の空間の前記全長を実質的に延長させる、請求項７に記載の永久磁石キャリア。
【請求項１６】
前記第１の端部鉄部及び第２の端部鉄部上に、前記永久磁石を保持するためのタブを更に含む、請求項１に記載の永久磁石キャリア。
【請求項１７】
前記ポストが半径方向に延出し、前記対応の対のポスト間に方向付けられた方向が周囲方向である、請求項１に記載の永久磁石キャリアを含む軸方向流束モータ。
【請求項１８】
前記ポストが軸方向に延出し、前記対応の対のポスト間に方向付けられた方向が周囲方向である、請求項１に記載の永久磁石キャリアを含む半径方向流束モータ。
【請求項１９】
前記ポストが、前記モータの運動方向に実質的に垂直な方向に、かつ前記永久磁石キャリアと電磁石キャリアとの間の空隙に垂直な方向へ延出し、前記対応の対のポスト間に方向付けられた方向が前記モータの前記運動方向である、請求項１に記載の永久磁石キャリアを含むリニアモータ。
【請求項２０】
電気モータ用の永久磁石キャリアであって、前記永久磁石キャリアは、
第１の端部鉄部と、
第２の端部鉄部と、
前記第１及び第２の端部鉄部のうちの一方から、前記第１及び前記第２の端部鉄部の他方に向かってそれぞれ延出するポストのアレイであって、前記ポストのアレイのうちの連続するポストは、前記第１及び第２の端部鉄部から交互嵌合するように交互に延出し、前記第１の端部鉄部及び前記端部鉄部から延出する前記ポストは、第１の磁性材料の単一片で形成され、前記第２の端部鉄部及び前記第２の端部鉄部から延出する前記ポストは、第２の磁性材料の単一片から形成されている、ポストのアレイと、
前記ポストのアレイのうちの前記ポスト間に配置された永久磁石のアレイであって、それぞれの永久磁石は、前記磁石に隣接する前記ポストのアレイのうちの対応の対のポスト間に方向付けられた方向に磁化される、永久磁石のアレイと、
そこから延出していない前記端部鉄部に、結合部分で結合されている、それぞれのポストと、を含む、永久磁石キャリア。
【請求項２１】
電気モータ用の永久磁石キャリアであって、前記永久磁石キャリアは、
第１の端部鉄部と、
第２の端部鉄部と、
前記第１の端部鉄部及び前記第２の端部鉄部のうちの少なくとも１つから、前記第１の端部鉄部及び前記第２の端部鉄部のうちの他方に向かってそれぞれ延出するポストのアレイであって、前記第１の端部鉄部及び前記端部鉄部から延出する前記ポストは、第１の磁性材料の単一片で形成され、前記第２の端部鉄部及び前記第２の端部鉄部から延出する前記ポストは、前記第１の磁性材料の単一片又は第２の磁性材料の単一片で形成されている、ポストのアレイと、
前記ポストのアレイのうちの前記ポスト間に配置された永久磁石のアレイであって、それぞれの永久磁石は、前記磁石に隣接する前記ポストのアレイのうちの対応の対のポスト間に方向付けられた方向に磁化される、永久磁石のアレイと、
前記第１の端部鉄部を介したそれぞれ対応の対のポストの間に第１の対応の流束経路と、前記第２の端部鉄部を介したそれぞれ対応の対のポスト間の第２の対応の流束経路と、を画定する前記支持構造体であって、前記第１の対応の流束経路は、ポスト断面より小さく、かつ第１の端部鉄部断面より小さい断面を有する第１の間隙又は第１の制限部を有し、第２の対応の流束経路は、ポスト断面より小さく、かつ第２の端部鉄部断面より小さい断面を有する第２の間隙又は第２の制限部を有する、前記支持構造体と、を含む、永久磁石キャリア。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
電気機械装置。
【背景技術】
【０００２】
集中流束ロータは、接線方向に極性化された交互極性の磁石を使用するものであり、当業者には、空隙におけるロータポスト内において、同じ磁石を整列したＰＭ構成で使用する場合に可能であるよりも高い流束密度に対応する電位を提供するものとして知られている。
【０００３】
集中流束ロータに関する既知の問題は、ロータポスト間のあらゆる軟磁性結合部を有するトルクにとって概して有害であることであり、これは、この結合部を介して生じる、１つの磁石のＮ面から同じ磁石又は隣接する磁石のＳ面への漏れ磁束によるものである。換言すれば、鋼又は鉄など、磁石のＮ極及びＳ極を結合する軟磁性材料の使用は、整列したＰＭロータによるトルク生成に役立つ一方、集中流束ロータのロータポスト間におけるあらゆる軟磁性材料の結合部は、トルク生成に有害である。この問題を処理するための既知のオプションは、隣接するポスト間に軟磁性材料の結合部を用いず、接着剤を使用してＰＭと軟磁性ロータポストとの組立体を接着し、それによってそれらの間の流束連鎖をなくすことである。これにより、高い割合のＰＭ流束を効率的に使用することができるが、磁石は互いに反発しており、その形状を維持するために接着の強度にも依存しなければならないため、組み立ては非常に困難である。より高い温度及び小さい空隙では、ポリマー接着剤のクリープ率によって、長い耐用年数にわたってロータに必要な形状を維持することが非常に困難になる。
【発明の概要】
【０００４】
本発明者は、永久磁石と、ポストであって、端部鉄部に結合されているポストと、の集中流束配置を用いた電気機械装置を提案している。電気機械装置は、端部鉄部を介した流束経路の飽和流束を超える、空隙における全流束を提供するように配置される。
【０００５】
一実施形態では、電気モータ用の永久磁石キャリアであって、永久磁石キャリアは、第１の端部鉄部と、第２の端部鉄部と、第１の端部鉄部及び第２の端部鉄部のうちの少なくとも１つから、第１の端部鉄部及び第２の端部鉄部のうちの他方に向かってそれぞれ延出するポストのアレイであって、第１の端部鉄部及び端部鉄部から延出するポストは、第１の磁性材料の単一片で形成され、第２の端部鉄部及び第２の端部鉄部から延出するポストは、第１の磁性材料の単一片で又は第２の磁性材料の単一片で形成されている、ポストのアレイと、ポストのアレイのうちのポスト間に配置された永久磁石のアレイであって、それぞれの永久磁石は、磁石に隣接するポストのアレイのうちの対応の対のポスト間に方向付けられた方向に磁化される、永久磁石のアレイと、第１の端部鉄部を介したそれぞれ対応の対のポスト間の第１の対応の流束経路と、第２の端部鉄部を介したそれぞれ対応の対のポスト間の第２の対応の流束経路と、を画定する支持構造体であって、第１の対応の流束流路は、第１の間隙又は第１の飽和部分を有し、第２の対応の流束経路は、第２の間隙又は第２の飽和流束部分を有し、対応の磁石は、対応の対のポストと共に、第１の間隙又は飽和部分の飽和流束と第２の間隙又は第２の飽和部分の飽和流束との和を超える全磁束を生成する、支持構造体と、を有する、永久磁石キャリアが提供される。
【０００６】
様々な実施形態では、以下の特徴のいずれか１つ以上が含まれてよい。ポストのアレイのうちの連続するポストは、第１及び第２の端部鉄部から交互嵌合するように交互に延出してよく、それぞれ対応の対のポストの第１の間隙又は飽和部分は、第１の端部鉄部と、第２の端部鉄部から延出する対のうちのポストとの間の間隙であり、それぞれ対応の対のポストの第２の間隙又は飽和部分は、第２の端部鉄部と、第１の端部鉄部から延出する対のうちのポートとの間の間隙である。第２の端部鉄部に対して第１の端部鉄部を支持する支持要素が存在してもよい。支持要素は、ポストを受容するための溝部を画定する支持リングを含んでもよい。ポストのアレイのうちの連続するポストは、第１及び第２の端部鉄部から交互嵌合するように交互に延出してよく、それぞれのポストは、断面においてポストよりも小さい結合部分によって、そこから延出していない端部鉄部に結合しており、それぞれ対応の対のポストの第１の飽和部分及び第２の飽和部分は、対応の対のポストのうちのポストに結合している結合部分である。ポストは、第１の端部鉄部及び第２の端部鉄部に結合してもよく、端部鉄部は孔を画定し、孔の周囲の端部鉄部の部分が飽和部分となる。ポストは、第１の端部鉄部及び第２の端部鉄部に結合してもよく、永久磁石は、ポスト間を結合する端部鉄部の部分が飽和部分として機能するように、端部鉄部の飽和流束を超える流束を生成するのに十分な長さを、ポストに整列させた方向に有する。ポストは、第１の端部鉄部及び第２の端部鉄部に結合してもよく、永久磁石は、ポストが飽和部分として機能するように、ポストの飽和流束を超える流束を生成するのに十分な長さを、ポストに整列させた方向に有する。磁石は、ポストに整列させた方向の磁石の長さと、対応の対のポスト間で方向付けられた方向の磁石の幅と、の４／１、５／１、６／１、７／１、８／１、９／１、１０／１、１１／１、１２／１、１３／１、１４／１、１５／１、又は１６／１より大きい比率を有する。ポストは、ポストの長さとポストの幅との、４／１、５／１、６／１、７／１、８／１、９／１、１０／１、１１／１、１２／１、１３／１、１４／１、１５／１、又は１６／１より大きい比率を有してよい。ポストのアレイのうちのそれぞれのポストは、対応の断面を有してよく、第１の端部鉄部は、第１の端部鉄部断面を有してよく、それぞれのポストは、第１の端部鉄部に結合してよく、結合のいずれの部分も、対応の断面及び第１の端部鉄部断面のうちの最も低い断面より実質的に低い断面を有しない。第１の端部鉄部断面は、ポストのアレイのうちのポストのそれぞれ対応の断面以上に大きくてよい。第２の端部鉄部は、第２の端部鉄部断面を有してよく、ポストのアレイのうちのそれぞれのポストは、第２の端部鉄部に結合してよく、結合のいずれの部分も、対応の断面及び第２の端部鉄部断面のうちの最も低い断面より実質的に低い断面を有しない。第２の端部鉄部断面は、ポストのアレイのうちのポストのそれぞれ対応の断面以上に大きくてよい。それぞれの磁石は、連続するポスト間の空間の全長を実質的に延長してよい。第１の端部鉄部及び第２の端部鉄部には、永久磁石を保持するためのタブが存在してよい。
【０００７】
また、上記のような永久磁石キャリアを含む軸方向流束モータが提供され、ポストは半径方向に延出し、対応の対のポスト間に方向付けられた方向は周囲方向となる。更に、上記のような永久磁石キャリアを含む半径方向流束モータが提供され、ポストは軸方向に延出し、対応の対のポスト間に方向付けられた方向は周囲方向となる。また、上記のような永久磁石キャリアを含むリニアモータが更に提供され、ポストは、モータの運動方向にほぼ垂直に、かつ永久磁石キャリアと電磁石キャリアとの間の空隙に垂直の方向へ延出し、対応の対のポスト間に方向付けられた方向は、モータの運動方向となる。
【０００８】
また、電気モータ用の永久磁石キャリアであって、永久磁石キャリアは、第１の端部鉄部と、第２の端部鉄部と、第１及び第２の端部鉄部のうちの一方から第１及び第２の端部鉄部のうちの他方に向かってそれぞれ延出するポストのアレイであって、ポストのアレイのうちの連続するポストは、第１及び第２の端部鉄部から交互嵌合するように交互に延出し、第１の端部鉄部及び端部鉄部から延出するポストは、第１の磁性材料の単一片で形成され、第２の端部鉄部及び第２の端部鉄部から延出するポストは、第２の磁性材料の単一片で形成される、ポストのアレイと、ポストのアレイのうちのポスト間に配置された永久磁石のアレイであって、それぞれの永久磁石は、磁石に隣接するポストのアレイのうちの対応の対のポスト間に方向付けられた方向に磁化される、永久磁石のアレイと、そこから延出してない端部鉄部に、結合部分で結合されるそれぞれのポストと、を有する、永久磁石キャリアが提供される。
【０００９】
装置及び方法のこれらの態様及び他の態様は、特許請求の範囲に記載されている。
【００１０】
次に例として、図を参照しながら実施形態を説明するが、図中の同様の参照文字は同様の要素を示している。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】完全な例示的アクチュエータプロトタイプのＣＡＤモデルである。
【図２】図１の例示的なアクチュエータの断面図である。
【図３】図１の例示的なアクチュエータのステータ及びロータの側面図の詳細を示す。
【図４】図１の例示的なアクチュエータのステータ及びロータ全体の概略を示す。
【図５】ポスト上に概略ＣＡＤモデルのコイルを有する、図１の例示的なアクチュエータのステータ及びロータの簡易概略断面図を示す。
【図６】線形電気機械装置のステータの非限定的な、簡易化した例示的な実施形態を示す。
【図７】図６のステータの等角図を示す。
【図８】上部絶縁層が除去されている、図６及び図７のステータの平面図を示す。
【図９】２つの上部相回路が除去されている、図８のステータの平面図を示す。
【図１０】図６〜図９のステータの断面図である。
【図１１】図１０に示された断面の詳細図である。
【図１２】非限定的な、例示的な線形電気機械装置の等角図を示す。
【図１３】図１２の電気機械装置を内部線付きで示す。
【図１４】上部永久磁石キャリアの背面鉄部が除去されている、図１２の電気機械装置を示す。
【図１５】上部永久磁石キャリアのプレート及び上部永久磁石の大半が除去されている、図１４の電気機械装置を示す。
【図１６】全ての永久磁石が除去され、頂部絶縁体プレートも除去されている、図１５の電気機械装置を示す。
【図１７】電気コネクタが除去され、頂部スペーサ層も除去されている、図１６の電気機械装置を示す。
【図１８】頂部相回路導体が除去され、第２の絶縁層も除去されている、図１７の電気機械装置を示す。
【図１９】第２のスペーサ層が除去されており、ポストの大半も除去されている、図１８の電気機械装置を示す。
【図２０】上部空芯センサ、第２の相回路、構造的円筒状スペーサ、及び残りのポストが除去されている、図１９の電気機械装置を示す。
【図２１】第３の相回路及び底部スペーサ層が除去されている、図２０の電気機械装置を示す。
【図２２】軸方向流束の回転ステータ電気機械装置の非限定的な、例示的な実施形態のための導体回路、ポスト、及びポッティング化合物リングを示す。
【図２３】図２２のステータの詳細図を示す。
【図２４】ポッティング化合物リングが除去されている、３つの相と、相当たり１つの導体回路と、を有する軸方向流束の回転ステータ。
【図２５】軟磁性材料ポストが組立時にアルミニウム回路によって位置付けられている、３相回路の等角図である。
【図２６】図２５の分解図である。
【図２７】図２５及び図２６の実施形態の個々の層の近接図である。
【図２８】図２５及び図２６の実施形態の個々の層の近接図である。
【図２９】単一のステータ回路の平面図の詳細である。
【図３０】軸方向流束電気機械装置のセクションを示す。
【図３１】空隙を横切る電磁要素（ここでは、永久磁石）に面した線形電気機械装置内の電磁要素（ここでは、コイル）のアレイを示す。
【図３２】ロードアームを有する、セクション化された軸方向流束電気機械装置を示す。
【図３３】軸方向流束電気機械装置のステータを示す。
【図３４】図３３のステータの詳細である。
【図３５】図３３のステータで使用するための電気導体層の詳細である。
【図３６】図３３のステータで使用するための電気導体層の更なる詳細である。
【図３７】図３３のステータで使用するための電気導体層の更なる詳細である。
【図３８】図３３のステータの電気導体層を示す。
【図３９】図３３のステータの電気導体層を示す。
【図４０】開示された電気機械装置の実施形態と共に、関節部に装備され得るロボットアームの実施形態を示す。
【図４１】開示された電気機械装置の実施形態と共に、関節部に装備され得るロボットアームの実施形態を示す。
【図４２】開示された電気機械装置の実施形態のための磁石構成を示す。
【図４３】線形電気機械装置の連続する層を示す詳細の第１の図である。
【図４４】線形電気機械装置の連続する層を示す詳細の第２の図である。
【図４５】線形電気機械装置の連続する層を示す詳細の第３の図である。
【図４６】線形電気機械装置の連続する層を示す詳細の第４の図である。
【図４７】線形電気機械装置の層を電気励起の多相源に結合するための結合部の詳細を示す。
【図４８】線形電気機械装置の層を電気励起の多相源に結合するための結合部の詳細を示す。
【図４９】線形電気機械装置の実施形態の連続する層を示す第１の図である。
【図５０】線形電気機械装置の実施形態の連続する層を示す第２の図である。
【図５１】線形電気機械装置の実施形態の連続する層を示す第３の図である。
【図５２】線形電気機械装置の実施形態の連続する層を示す第４の図である。
【図５３】ロータ及びステータの両方にコイルを有する電気機械装置の実施形態を示す。
【図５４】ロータ及びステータの両方にコイルを有する電気機械装置の実施形態を示す。
【図５５】磁石のハルバッハアレイを有する電気機械装置の実施形態を示す。
【図５６】２部ステータと、３相と、３：２のステータポスト：永久磁石比と、を有する例示的なアクチュエータ組立体の断面を示す。
【図５７】図５６の実施形態の詳細な断面図を示す。
【図５８】他方のステータに対する一方のステータの回転効果を例証する、３：２比又はステータポスト：永久磁石に対するロータ位置の関数としてプロットされたトルクを示す。
【図５９】図５６の例示的な実施形態の分解図を示す。
【図６０】図５６の例示的な実施形態の部分的分解図の断面を示す。
【図６１】図５６の例示的な実施形態のハウジングのセクション詳細図を示す。
【図６２】図５６の例示的な実施形態の組み立てられたハウジング及びステータの断面を示す。
【図６３】ステータ上に第１の導体層を有する、図５６の例示的な実施形態の組み立てられたハウジング及びステータの断面を示す。
【図６４】図６３の断面の平面図を示す。
【図６５】図５６の例示的な実施形態からの同一相の４つの導体層を示す。
【図６６】図５６の例示的な実施形態の異なる相からの３つの隣接する導体層の配置を示す。
【図６７】導体間の半径方向流体流路が示されている、図５６の例示的な実施形態の組み立てられたハウジング及びステータの断面を示す。
【図６８】図５６の例示的な実施形態の導体間で流体を冷却するための半径方向、軸方向及び周囲方向流体流路の平面図を示す。
【図６９】冷却用流体流路を示した、図６８のステータの断面図を示す。
【図７０】２つのステータ及びロータを有する例示的な実施形態の断面図を示す。
【図７１】導体が１つの断面に示されている、図７０の例示的な実施形態のステータを示す。
【図７２】導体を有する簡易化したステータの断面図を示す。
【図７３】導体がスロットをスキップしない、ステータ上の導体の例示的な構成を示す。
【図７４】いくつかの導体の導体幅が可変である、ステータ上の導体の例示的な構成を示す。
【図７５】図７４の導体の４つの層の分解図を示す。
【図７６】多層厚さの流体流間隙を有する導体の例示的な構成を示す。
【図７７】例示的な組立方法における導体層の構成を示す。
【図７８】半径方向の流体流間隙を有しない導体の例示的な構成を示す。
【図７９】湾曲した可変幅のポストを有するステータの例示的な実施形態を示す。
【図８０】接線方向に方向付けられた永久磁石と半径方向に延出する流束経路部材と、を有するロータの例示的な実施形態を示す。
【図８１】図８０のロータの詳細図を示す。
【図８２】図８０のロータの内部部材と内側部分との間の構造的結合部を示す。
【図８３】図８０のロータの外部部材と外側部分との間の構造的結合部を示す。
【図８４】磁石が除去されている、図８０のロータの詳細図を示す。
【図８５】例示的な組立方法を反映した、図８０のロータの分解図を示す。
【図８６】内側ロータリング及び外側に突出した流束部材が黒色で示されている、図６０のロータの図を示す。
【図８７】２つの軸方向の半体とテーパ付き磁石とを含むロータの例示的な実施形態を示す。
【図８８】図８７のロータの断面図を示す。
【図８９】図８７のロータの分解図を示す。
【図９０】磁石の極性を示した、図８７のロータ内の磁石の平面図を示す。
【図９１】図８７のロータの外部部材と外側部分との間の構造的結合部を示す。
【図９２】外部リングがロータの半体を一緒に保持している、図８７のロータを示す。
【図９３】２つのロータの半体と２つのステータの半体と、を含む、例示的な実施形態の分解図を示す。
【図９４】図９３の実施形態の断面図を示す。
【図９５】図９３に示された実施形態におけるステータを示す。
【図９６】図９３の実施形態のステータ及びベースプレートの分解図を示す。
【図９７】図９３の実施形態の断面図を示す。
【図９８】２つのロータの半体及び１つのステータを有する例示的な実施形態の断面図を示す。
【図９９】図９８の例示的な実施形態の断面図を示す。
【図１００】アクチュエータとして機能し、アームに沿って離間配置されている一連の電気機械装置を有するロボットアームの例示的な構成を示す。
【図１０１】ロボットアーム上の電気機械装置の取付構成を示す。
【図１０２】ロータ構成の実施形態を示す。
【図１０３】積層ポストステータの例示的な構成を示す。
【図１０４】半径方向に整列されたポスト積層体を有するステータの例示的な実施形態の断面図を示す。
【図１０５】機械的引抜停止部としてテーパ付き返し部を有する、背面鉄部を通って延出するポストを有する積層ポスト構造の例示的な実施形態を示す。
【図１０６】図１０５に示された実施形態の断面図である。
【図１０７】積層体と結果的に生じる磁束経路との間の絶縁のパターンを示す、図１０５に示された実施形態の断面図である。
【図１０８】鋭い縁部を陽極酸化する効果を示す概略図である。
【図１０９】丸みのある縁部を有する導体を含むステータ断面の概略図である。
【図１１０】鋭い縁部を有する導体を含むステータ断面の概略図である。
【図１１１Ａ】組立前の積み重ね可能なフラット導体の第１の層の斜視図である。
【図１１１Ｂ】組立前の積み重ね可能なフラット導体の第２の層の斜視図である。
【図１１２】陽極酸化された導体の表面上に誘導体コーティングを有する、コーティングされた導体の例を示す概略図である。
【図１１３】図１１２の導体の角部の近接図である。
【図１１４】導体の対がステータポスト間に積み重ねられている、層状に積み重ねられた導体を示す斜視図である。
【図１１５】鋭い縁部の間隙の完全な被覆を有する、コーティングされた導体の例を示す概略図である。
【図１１６】鋭い縁部の間隙の完全を超える被覆を有する、コーティングされた導体の例を示す概略図である。
【図１１７】更なるポリマー層でコーティングされた、図１１５のコーティングされた導体の例を示す概略図である。
【図１１８】１つ以上のスロット内の１つ以上の導体層間にスペーサを有する、組み立てられたステータ及び導体の断面図を示す。
【図１１９】粉末縁部コーティングが導体に接触し、導体をそれぞれに及び／又はポストの側壁に接着させている、スペーサを除去する前の導体及びスペーサの断面図を示す。
【図１２０】スペーサ構成要素が除去されている、ステータの簡易化した断面を示す。
【図１２１】陽極酸化された導体の作製方法を示す。
【図１２２】陽極酸化された導体の作製方法の更なる詳細を示す。
【図１２３】円錐ロータの実施形態の断面を示す。
【図１２４】図１２３の実施形態の近接断面図を示す。
【図１２５】図１２３の実施形態の近接断面図を示す。
【図１２６】図１２３の実施形態の近接断面図を示す。
【図１２７】図１２３の実施形態の近接断面図を示す。
【図１２８】電力及びエンコーダコネクタを含む、組み立てられたアクチュエータの実施形態の軸方向図である。
【図１２９】２つのステータ間の中心面に沿った内部ロータを示す、図１２８のアクチュエータの断面図である。
【図１３０】層状の導体の部分的断面を示す、図１２８のアクチュエータのステータ及びハウジング組立体の等角断面図である。
【図１３１】アクチュエータ又は図１２８のステータ、内側ハウジング、外側ハウジング、及び層状導体の軸方向図である。
【図１３２】図１２８の実施形態のロータ構成要素の等角図である。
【図１３３】隣接する磁石が逆に、接線方向に極性化された例示的磁石配置を有するロータ及びステータの側面図である。
【図１３４】２つのステータを分離するための分離部材を含むアクチュエータの斜視図である。
【図１３５】冷却フィンを介した磁束経路を示す、図１２８のアクチュエータ用ステータの別の断面図である。
【図１３６】ポスト間の斜面における漏れ流束の断面積を示す、冷却フィンを有するステータの断面図である。
【図１３７】周囲方向の冷却フィンを有するステータの簡易断面図である。
【図１３８】内側軸受に対する前負荷を低減するように構成された分離部材を含むアクチュエータの断面図である。
【図１３９】内側軸受に対する前負荷を増高するように構成された分離部材を含むアクチュエータの断面図である。
【図１４０】封止された冷却通路を有するアクチュエータの断面図である。
【図１４０Ａ】半円形の冷却通路を有する実施形態の斜視図である。
【図１４０Ｂ】ハウジングが内径剛性結合によって結合されている、２つのステータ及びロータを有する実施形態の断面図である。
【図１４０Ｃ】図１４０Ｂに示された実施形態の拡大断面図である。
【図１４１】集中流束ロータの線形実施形態の簡易断面図である。
【図１４２】背面鉄部に磁束線を示した集中流束ロータのモデルである。
【図１４３】背面鉄部に磁束線を示し、構成要素の長さを更に示した、集中流束ロータのモデルである。
【図１４４】テーパ付き磁石及び流束経路制限部を有する軸方向流束集中流束ロータのセグメントの断面である。
【図１４５】マグネットの長さが延長された軸方向流束集中流束ロータの一部の近接断面図である。
【図１４６】ステータを有する半径方向流束集中流束ロータの角度付き簡易断面である。
【図１４７】図１４６に示された半径方向流束集中流束ロータの簡易断面図である。
【図１４８】粉砕機を更に示す、図１４６に示された集中流束ロータの角度付き簡易断面である。
【００１２】
【図１４９】様々な幾何学的形状を有する背面鉄部に磁束線を示した、集中流束ロータのモデルである。
【図１５０】ロータレリーフ及びテーパ付きロータ端部を有する半径方向流束集中流束ロータの実施形態の角度付き簡易断面である。
【図１５１】端部鉄部を有する集中流束ロータの軸方向流束ステータ−ロータ−ステータ構成の実施形態の簡易分解断面図である。
【図１５２】背面鉄部、端部鉄部及び流束経路制限部を有する集中流束ロータの軸方向流束ステータ−ロータ−ステータ構成の実施形態の簡易分解断面図である。
【図１５３】端部鉄部及び流束経路制限部を有する集中流束ロータの軸方向流束ロータ−ステータ−ロータ構成の実施形態の簡易分解断面図である。
【図１５４】端部鉄部、流束経路制限部及び背面鉄部を有する集中流束ロータの軸方向流束ロータ−ステータ−ロータ構成の実施形態の簡易分解断面図である。
【図１５５】背面鉄部及び端部鉄部を有する集中流束ロータの台形ステータ−ロータ−ステータ構成の実施形態の簡易分解断面図である。
【図１５６】背面鉄部を有しない、図１５５に示された実施形態の簡易分解断面図である。
【図１５７】端部鉄部を有する集中流束ロータの台形ロータ−ステータ−ロータ構成の実施形態の簡易分解断面図である。
【図１５８】背面鉄部を有し、端部鉄部を有しない、図１５７に示された実施形態の簡易分解断面図である。
【図１５９】背面鉄部及び端部鉄部を有するロータ−ステータ−ロータ構成線形流束機械装置の実施形態の簡易斜視図である。
【図１６０】背面鉄部を有しない、図１５９に示された実施形態の簡易斜視図である。
【図１６１】背面鉄部を有する線形流束機械装置のステータ−ロータ−ステータ構成の実施形態の簡易斜視図である。
【図１６２】ロータの角度付き断面を示す、端部鉄部を有する線形流束機械装置のステータ−ロータ−ステータ構成の実施形態の簡易斜視図である。
【図１６３】ロータポストが分断されている軸方向モータ集中流束ロータのモデルである。
【図１６４】磁束線を示した、図１６４に示されている軸方向モータ集中流束ロータのモデルである。
【図１６５】流束リンクが半径方向に空隙を横切る、横方向流束機械装置の実施形態の断面である。
【図１６６Ａ】図１６５に示された横方向流束機械装置の実施形態のステータの斜視図である。
【図１６６Ｂ】図１６５に示された横方向流束機械装置の実施形態のロータ上部の斜視図である。
【図１６７】流束リンクが軸方向に空隙を横切る、横方向流束機械装置の実施形態の断面である。
【図１６８】図１６７に示された横方向流束機械装置の実施形態のステータ断面の斜視図である。
【図１６９】図１６８に示された横方向流束機械装置の実施形態のロータ上部の断面である。
【図１７０Ａ】スロットピッチ及びポスト高さの異なるシミュレーションされた一連のモータに対する一定電流密度でのトルクのグラフを示す。
【図１７０Ｂ】スロットピッチ及びポスト高さの異なるシミュレーションされた一連のモータに対する所与の温度での可能な最高ステータ電流密度を示す。
【図１７０Ｃ】一連の電気機械装置に対するスロットピッチ及びポスト高さの関数としての一定温度のトルクを示す。
【図１７０Ｄ】スロットピッチ及びポスト高さの異なるシミュレーションされた一連のモータに対する所与の温度での可能な最高ステータ電流密度での重み関数の値を示す。
【図１７０Ｅ】スロットピッチ及びポスト高さの異なる、固定された電流密度に対してシミュレーションされた一連のモータに対するＫm”を示す。
【図１７０Ｆ】スロットピッチ及びポスト高さの異なる、固定された電流密度に対してシミュレーションされた一連のモータに対するＫR”を示す。
【図１７１】２００ｍｍの寸法を有する機械装置及びＫR”＞１．３の境界線で、ドメイン内の残りの幾何学的形状に関して、ＫR”の利益のリージョンを示す。
【図１７２】２００ｍｍの寸法を有する機械装置及びＫR”＞１．５の境界線で、ドメイン内の残りの幾何学的形状に関して、ＫR”の利益のリージョンを示す。
【図１７３】２００ｍｍの寸法を有する機械装置及びＫR”＞１．８の境界線で、ドメイン内の残りの幾何学的形状に関して、ＫR”の利益のリージョンを示す。
【図１７４】１００ｍｍの寸法を有する機械装置及びＫR”＞１．５の境界線で、ドメイン内の残りの幾何学的形状に関して、ＫR”の利益のリージョンを示す。
【図１７５】１００ｍｍの寸法を有する機械装置及びＫR”＞１．７の境界線で、ドメイン内の残りの幾何学的形状に関して、ＫR”の利益のリージョンを示す。
【図１７６】１００ｍｍの寸法を有する機械装置及びＫR”＞１．９の境界線で、ドメイン内の残りの幾何学的形状に関して、ＫR”の利益のリージョンを示す。
【図１７７】５０ｍｍの寸法を有する機械装置及びＫR”＞２．２の境界線で、ドメイン内の残りの幾何学的形状に関して、ＫR”の利益のリージョンを示す。
【図１７８】５０ｍｍの寸法を有する機械装置及びＫR”＞２．５の境界線で、ドメイン内の残りの幾何学的形状に関して、ＫR”の利益のリージョンを示す。
【図１７９】５０ｍｍの寸法を有する機械装置及びＫR”＞２．９の境界線で、ドメイン内の残りの幾何学的形状に関して、ＫR”の利益のリージョンを示す。
【図１８０】２５ｍｍの寸法を有する機械装置及びＫR”＞３．３の境界線で、ドメイン内の残りの幾何学的形状に関して、ＫR”の利益のリージョンを示す。
【図１８１】２５ｍｍの寸法を有する機械装置及びＫR”＞３．４の境界線で、ドメイン内の残りの幾何学的形状に関して、ＫR”の利益のリージョンを示す。
【図１８２】２５ｍｍの寸法を有する機械装置及びＫR”＞３．６の境界線で、ドメイン内の残りの幾何学的形状に関して、ＫR”の利益のリージョンを示す。
【図１８３】電流が印加されていないロータ速度２００ｒｐｍのスロットピッチの範囲にわたって、モータシリーズの渦電流とヒステリシス損との和を示すグラフである。
【図１８４】印加電流密度６Ａ／ｍｍ２を有する２４スロットの積層Ｍ−１９及び固体Ｍ−１９ステータに対するトルクを示すグラフである。
【図１８５】２４スロットの固体Ｍ−１９ステータの個々の及び合計のステータ損失を示すグラフである。
【図１８６】１０８スロットの固体Ｍ−１９ステータの個々の及び合計のステータ損失を示すグラフである。
【図１８７】印加電流密度１９．７Ａ／ｍｍ２を有する１０８スロットのＤｕｒａｂａｒ、積層Ｍ−１９及び固体Ｍ−１９ステータに対するトルクを示すグラフである。
【図１８８】非常に強いＮｄＦｅＢ  Ｎ５２永久磁石をロータに使用したシミュレーションにおける、様々なモータに関するトルク対重み比較を示すグラフである。
【図１８９】各種モータのトルク比較を示すグラフである。
【図１９０】各種モータのステータ損失比較を示すグラフである。
【図１９１】流路を介したアクチュエータの冷却方法を示す。
【図１９２】アクチュエータ組立体の実施形態の断面図である。
【図１９３Ａ】図１９２のアクチュエータ組立体の近接断面図である。
【図１９３Ｂ】図１９３Ａのアクチュエータ組立体の断面図におけるブッシング又は低摩擦コーティングの更なる近接図である。
【図１９４】図１９２のアクチュエータ組立体のステータ及び固定リングの断面図である。
【図１９５】図１９２のアクチュエータ組立体に関するステータの実施形態の近接図であり、矢印は、導体が延長部の頂部にわたってポストにどのように配置され（be place）得るかを示している。
【図１９６】１つのステータ及び対応するブッシング又は低摩擦コーティングが除去されている、図１９２のアクチュエータ組立体の近接断面図である。
【図１９７】図１９２のアクチュエータ組立体用の永久磁石キャリアの断面図である。
【図１９８】図１９２のアクチュエータ組立体のロータ及びステータの近接断面図である。
【図１９９Ａ】図１９２のアクチュエータ組立体のステータ及びロータポストの軸方向等角図である。
【図１９９Ｂ】図１９９Ａのアクチュエータ組立体のステータ及びロータポストの更なる近接図である。
【図２００】フレームレスモータ／アクチュエータを使用したロボットアームの関節部を示す。
【図２０１】フレームレスモータ／アクチュエータ及びロボットアームの断面図を示す。
【図２０２】フレームレスモータ／アクチュエータのステータ、ロータ及びハウジング組立体の近接断面図を示す。
【図２０３】フレームレスモータ／アクチュエータのロボットアーム組立体の分解図を示す。
【図２０４】ロータ上のステータ及びタブ形成部を表示するためにハウジングの断面図を示す。
【図２０５】ロータを固定するためにタブ形成部で使用される、上、横、下への組立運動を示す。
【図２０６】ロータを固定するために使用されているタブ形成部を表示している近接断面図を示す。
【図２０７】ステータを固定するためにステータ上で使用されているタブ形成部を表示するためのハウジングの断面図を示す。
【図２０８】２つの別個の本体に分離され、交互嵌合された極を使用する例示的集中流束ロータの等角図である。
【図２０９】図２０８の集中流束モータの分解図を示す。
【図２１０】図２０８の実施形態の別個の本体のうちの１つの等角図である。
【図２１１】図２０８の実施形態の別個の本体を支持するためのスペーサ要素の等角図である。
【図２１２】間に磁石が組み付けられている、図２０８の実施形態の別個の本体を示す等角図である。
【図２１３】交互嵌合されたリングを有し、スペーサリングを有しない、ロータの等角図である。
【図２１４】保持タブを有しない、図２１３のロータの異なるバージョンを示す。
【図２１５】磁気感受性支持構造体に取り付けられた低アスペクト比磁石を有する集中流束ロータの一部の空隙方向からの眺めを示す概略図である。
【図２１６】磁気感受性支持構造体に取り付けられた高アスペクト比磁石を有する集中流束ロータの部分の空隙方向からの眺めを示す概略図である。
【図２１７】組み立てられた２部分からなるロータの等角図である。
【図２１８】磁石及び両方のロータ構成要素が分離されている、図２１７のロータの等角分解図である。
【図２１９】外側リングを加熱し、内側リングを冷却して、熱膨張／収縮を生じさせて組み立てを可能にした状態にある、図２１７のロータを真っ直ぐに見た図である。
【図２２０】温度平衡の状態にある、図２１７のロータを真っ直ぐに見た図である。
【図２２１】焼き嵌め組立工程の状態にある、図２１７のロータの一部の等角図である。
【図２２２】内歯形状を示す、図２１７のロータの一部の等角断面図である。
【図２２３】外歯形状を示す、図２１７のロータの一部の等角断面図である。
【図２２４】１つのリングから延出するポスト上にのみタブを有する、２部分からなるロータの一部を示す等角図である。
【図２２５】図２２４の実施形態の分解組立の等角図である。
【図２２６】図２２４の実施形態の完全ロータの等角図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本明細書に記載の実施形態には、特許請求の範囲で言及される内容から逸脱しない軽微な変更がなされてよい。特許請求の範囲では、用語「含む、備える（comprising）」は、その包含的意味で使用されており、他の要素の存在を除外するものではない。請求特徴の前の不定冠詞「ａ」及び「ａｎ」は、複数の特徴の存在を除外するものではない。本明細書に記載されている個々の特徴のそれぞれは、１つ以上の実施形態で使用されてもよく、本明細書に記載されているという理由だけで、特許請求の範囲に定義される全ての実施形態に必須であると解釈されるべきではない。
【００１４】
（定義）
本明細書の全体を通して使用されるいくつかの用語を最初に定義する。
【００１５】
キャリアは、本明細書において電気機械装置の文脈で使用するとき、回転機械装置を参照するときは、ステータ又はロータを含んでよい。
【００１６】
ロータは、本明細書で使用するとき、環状であってよい。ロータはまた、電機子又はリニアモータのリアクションレールを指してもよい。ステータは環状であってよい。ステータはまた、電機子又はリニアモータのリアクションレールを指してもよい。
【００１７】
歯は、ポストと称されてよい。
【００１８】
電気モータでは、ステータ又はロータのいずれか一方は、ポストに巻き付けられているコイルによって定義される整流された電磁石アレイを有してよいが、ステータ又はロータの他方は、永久磁石若しくはコイル又はコイルと永久磁石の両方によって定義される磁極を有してよい。
【００１９】
永久磁石は、システムに流束を追加するために、ロータ及び／又はステータ上で電磁石と組み合わせて使用されてよい。ＰＭは永久磁石を意味する。ＥＭは電磁石を意味する。
【００２０】
電磁要素は、永久磁石、ポスト（歯）、磁気ポストによって画定されるスロット、及び電気伝導体を含んでよく、磁気ポストは、軟磁性ポストであってよい。一方のキャリアがスロット及びポストを有する任意の実施形態では、他方は電磁要素として永久磁石を有してよく、またこのようないずれの実施形態でも、用語「電磁要素」は用語「永久磁石」に置き換えられてよい。いくつかの事例における、例えば集中流束ロータの実施形態における磁極は、磁界が永久磁石によって確立される隣接するポストと組み合わせて永久磁石によって画定されてよい。
【００２１】
別途記載のない限り、「流束」は磁束を指す。
【００２２】
任意の特定の磁性材料では、流束密度は上昇するにつれ、漸近的に飽和に近づくが、飽和未満では線形として近似し得、本質的に完全に飽和する高水準の流束密度でもまた略線形となり、自由空間内と同じ浸透性を有する。飽和流束密度は、これらの線を外挿することにより得られる交点における流束密度として定義される。流束経路の一部の飽和流束は、流束経路のその部分において飽和流束密度に達するのに十分な流束経路を介した流束である。間隙の場合、これはゼロである。
【００２３】
分数スロットモータは、毎極毎相のスロットの分数を有するモータである。スロットの数を磁石の数で除し、更に相の数で除し、その結果が整数でなければ、モータは分数スロットモータである。
【００２４】
キャリアは、フレーム又は軸受によって別のキャリアに対して相対的に運動するように支持されてよく、軸受は、滑り軸受、ローラ軸受、流体軸受又は磁気軸受であってよい。軸方向電気機械装置は、軸方向の空隙を挟んで磁束結合が発生している電気機械装置であり、キャリアは、同軸状に並んで取り付けられたディスクの形態になっている。第１のキャリアは、別のキャリアに対して相対的に移動するように配置されることができ、このために、いずれかのキャリアがフレーム、ハウジング又は他の要素によって支持されているが、他方のキャリアは第１のキャリアに対して相対的に移動する。
【００２５】
半径方向電気機械装置は、磁束が半径方向に方向付けられるように空隙が方向付けられている電気機械装置であり、キャリアは、一方が他方の外側になるように同心円状に取り付けられている。リニアアクチュエータは、運動の方向が曲線状経路ではなくて直線である軸方向流束又は半径方向流束回転モータのセクションと構造において同等である。
【００２６】
台形電気機械装置は、軸方向流束機械装置と半径方向流束機械装置の両方を組み合わせた電気機械装置であり、空隙の平面は、軸方向構成及び半径方向構成の空隙によって形成される平面の間の途中の角度に存在している。
【００２７】
回転機械装置の空隙径は、空隙表面の中心において回転軸に垂直な径として定義される。半径方向流速モータでは、全ての空隙は同じ径で存在する。空隙表面が、軸方向流束モータの場合のようにディスク形状のスライスならば、平均空隙径は内径と外径の平均である。斜面又は曲面などの他の空隙表面では、平均空隙径は、空隙の断面図の平均空隙径として求めることができる。
【００２８】
半径方向流束モータの場合、空隙径は、外側ロータ半径方向流束モータではロータ内径とステータ外径の平均を指し、内側ロータ半径方向流束モータではロータ空隙外径とステータ空隙内径の平均を指す。他のタイプの回転モータには、半径方向流束モータの空隙径の類似物が使用されてよい。軸方向流束機械装置では、空隙径は、ＰＭ内径及びＰＭ外径並びにＥＭ内径及びＥＭ外径の平均として定義される。
【００２９】
電気機械装置の寸法は、本明細書に定義されているように軸方向流束機械装置若しくは半径方向流束機械装置の空隙径を意味するか、又は線形機械装置のキャリアの並進方向の長さを意味する。一方のキャリアが別のキャリアよりも長い線形機械装置の場合、長さは短いほうの長さである。境界不等式を基準にして使用するため、回転機械装置の寸法は径で与えられるが、線形機械装置の場合、この寸法は回転機械装置の周囲に対応する長さである。このため、式中、寸法Ｙの回転モータに対応するリニアモータの寸法Ｘは、Ｘ＝ｐｉ*ＹとしてＹに関連する。一般的な原理として、横方向流束機械装置を含む、開示された範囲を目的とする任意の回転電気機械装置のこの寸法は、回転の軸に対して垂直である平面に投影されたときに、磁気的に活性な空隙によって定義される最大径及び最小径の平均として定義される。
【００３０】
ステータの背面は、磁気的に活性な空隙側にある表面に対してステータの反対側にある表面として定義される。半径方向流束モータでは、これは、外側ロータ構成に対してステータの内側表面に対応するか、又は内側ロータ構成に対してステータの外径表面に対応するかのいずれかになり得る。軸方向流束モータでは、ステータの背面は、ステータの軸方向外側表面である。
【００３１】
Ｋmは、停動トルクをモータの電気抵抗損失の平方根で除したものとして定義される。この特許文献では、本開示でＫＲ又はＫRと称する、Ｋmをモータの活性磁気質量で除したものを使用して、モータ性能を評価することが提案されている。活性磁気質量は、フレームレスモータの製造業者によって一般に報告されるように、磁石、コイル、歯、及び背面鉄部を含むロータ及びステータ質量からなる。ＫRメトリックは、ロボット工学のような、低モータ質量が全消費電力に有益である用途に対するモータ性能を評価するのに有用であり得る。場合により、Ｋm及びＫRの寸法非依存の相似形、即ちＫm”及びＫR”が、本明細書の全体を通して使用される。寸法依存のメトリックと寸法非依存のメトリックとの間の変換は、
【数１】
2019528666.tif 000003
であり、
式中、Ｄは平均空隙径、Ｌは半径方向の歯の長さである。モータの所与の寸法に関して、Ｄ及びＬは、分析中に固定されるように取られ、したがって、ＫR又はＫmは、
【数２】
2019528666.tif 000004
に比例することになる。この結果、ＫRの傾向に関する言明は概して、
【数３】
2019528666.tif 000005
に同様に適用するよう、暗黙的保持されることになる。
【００３２】
スロット密度は、スロットの数を、平均空隙径における機械装置の周長で除したものである。スロットのピッチが変化する場合、装置の平均スロット密度が使用される。スロット密度は、スロットピッチの逆数によって表すこともできる。これは、空隙径（又はその相似形）における空隙に沿った周長１ｍｍ当たりに存在するスロット数の測定値である。回転モータの場合は、これは以下の式を有する。
【数４】
2019528666.tif 000006
式中、ＮSはスロット数、ＤAGは空隙径である。リニアモータの場合、この関数の分母は、並進方向に沿ったキャリアの長さに置き換えられる。
【００３３】
極密度は、極の数を、平均空隙径における機械装置の周長で除したものである。極のピッチが変化する場合、装置の平均極密度が使用される。極密度は、極ピッチの逆数によって表すこともできる。極ピッチは、運動方向に沿って測定される、ある極性のＰＭ極の中心と、同一キャリア上で反対極性を有する次のＰＭ極の中心との間の、平均空隙における平均距離として定義される。回転モータでは、この距離は、平均空隙径ＤＡＧで測定される周囲方向ピッチである。これは、空隙径（又はその相似形）における空隙に沿った周長１ｍｍ当たりに存在する極数の測定値である。回転モータの場合は、これは以下の式を有する。
【数５】
2019528666.tif 000007
式中、Ｎｐは極の数、ＤAGは空隙の直径である。リニアモータの場合、この関数の分母は、並進方向に沿ったキャリアの長さに置き換えられる。
【００３４】
分布巻の場合、スロット数はＮ×極数になり、Ｎは相数の倍数である。したがって、３相機械の場合、Ｎは３、６、９、１２などとすることができる。集中巻きの場合、スロットの数は変化することができるが、相数の倍数でなければならない。このスロット数は極数に依存しないが、スロットと極の特定の組み合わせは、より高いトルク及びより優れた騒音低減特性又はコギング低減特性をもたらすことになる。十分なトルクを得るために、所与の極数に対する最小のスロット数は、５０％未満にすべきではない。
【００３５】
導体体積は、単一ステータの長さ当たりのスロット面積を指すために使用されてよい。スロット面積は、歯に直交しているがキャリアの相対運動の平面に対して平行になっていない平面内でのスロットの断面の面積である。軸方向モータでは、この平面は、スロットを通過する半径に対して垂直になり得る。スロット面積は、ステータ設計に組み込むことができる最大導体体積を効果的に定義しており、一般に、全ての利用可能な空間を導体用に使用するために、できる限り高いフィルファクタを有することが、モータ設計者の目標である。
【００３６】
ステータ内の最大導体体積はスロット面積によって定義されるので、最大導体体積又はスロット面積を有するものとして参照されるステータはいずれも、スロット及びスロットを画定する歯を有しなければならない。このパラメータは、回転モータに対して以下のように定義される。
【数６】
2019528666.tif 000008
ここで、ＡSは、単一スロットの断面積であるか、又は様々なスロット面積を有するステータ設計では、単一スロットの平均面積である。
【００３７】
比較的に正確な近似として、ＡSは、歯高ｈtにスロットの平均幅ｗs-を乗じたものとして算出されてよく、その結果、上の式は以下のようになる。
【数７】
2019528666.tif 000009
【００３８】
これらの定義は、寸法非依存である。これらを使用して、任意のモータを特徴付けることができる。
【００３９】
極ピッチ及び歯高は、特定のステータ又はロータ形状を画定するために使用されてよい。パラメータは寸法非依存であるため、任意の寸法の回転モータのトルク及び質量当たりのトルクが、空隙における半径を含む適切な倍増率によって求められ得るように、本明細書に開示される利益の大きさも同様に寸法非依存であり、面積当たりの力及び質量当たりの力の観点で書かれている。ここで、質量は、任意の磁石及びコイルを含むステータ及びロータの質量を指す。同一の空隙径の任意の２つのモータに関するグラフは、力／面積の場合と同じトルクの輪郭及び力／質量の場合と同じトルク密度の輪郭を有することになる。
【００４０】
冷却通路は、フィンによって画定される通路、又はスロット内の空きスペース、又は構造体を通る若しくはその周りの導管など、気体流又は液体流を含む冷却流体のための流路を画定する、任意の構造体である。
【００４１】
スロット深さ又はポスト高さもまた、導体体積の代わりとして使用されてよい。ポスト高さは、歯高又はスロット深さとも知られており、導体が占めることが可能なスロット内の断面積量の代わりとして使用される。スロットは、曲線状又はテーパ状の輪郭などの様々な形状を有することができるが、スロット高さは、導体によって占有され得るスロットの合計面積を最も良く表現する最近矩形近似に基づく。この寸法は、スロット面積に実質的に加えることなく歯の高さに加える極片などの特徴を含んでいない。横方向流束モータでは、ポスト高さは、導体コイルに直接的に隣接し、コイル巻線の方向に対して垂直であるポストの部分として定義される。
【００４２】
モータシリーズは、同一の構成及び巻線を有するが、極ピッチの範囲又はポスト高さの範囲といった１つ又は２つの相違点を有する、分析によって表現されるモータ形状の集合である。
【００４３】
ロータ極の数は、空隙を横切る交互極性磁束のリージョンの数に等しい。例えば、表面永久磁石ロータにおいて、極数は、交互極性永久磁石の数によって決定される。ただし、極は、ハルバッハアレイ内などの磁石の群によって、電磁石によって、又は電磁石と永久磁石との組み合わせによって生成される場合もある。導体層は、導体を平面図で見たときに、それ自体が交差しない導電路を確立するユニットとして形成された電気導体である。このため、導体層は、層の塑性変形なく、又は最小限の塑性変形でポスト周りに直接配置され得る。それぞれの導体層は、例えば、軸方向流束機械装置内の異なる軸方向位置又は半径方向流束機械装置内の異なる半径方向位置に対応する、スロットの異なる水準におけるスロットの異なる部分を占有する。いくつかの実施形態では、導体層は、ポストに対して個々に螺旋状に巻線されることなく、ユニットとしてポスト上及びスロット内に配置され得る十分な剛性を有する材料から作製されてよい。
【００４４】
直接駆動モータの連続停動トルクは、最大許容電気導体温度である所与の冷却手段の平衡に到達する、ゼロ速度の連続的なトルク出力である。
【００４５】
集中巻は、通電されたときに交互の極性の隣接するポストをもたらす、個々に巻線されているポスト又は任意の巻線構成を含む。全てのポストで両側の隣接するポストの極性が常に逆になるわけではないことは理解される。しかしながら、集中巻構成は、モータが通電されているときに大半の時間で大半のポストが片側又は両側の隣接するポストに対して逆の極性になる。集中巻は、毎極毎相のスロットの比が１未満である分数スロット巻の形態である。
【００４６】
用語「固体ステータ」は、電気機械装置のステータとして機能する均質な磁気感受性支持構造体を指す。
【００４７】
例示的な半径方向流束電気機械装置
図１は、外側ハウジング１０１２と内側ハウジング１０１４と、を備えた完全な例示的アクチュエータ１０１０の原型のＣＡＤモデルを示す。内側ハウジング１０１４は固定（又は基準）部材であり、外側ハウジング１０１２は回転部材である。ハウジングは、限定するものではないが、アルミニウム、鋼、又はプラスチックなどの任意の剛性材料で作製され得る。例示的なアクチュエータ１０１０は、軸受／封止部１０１６と、出力取付孔１０１８と、を含む。図１に示されている原型は、高トルク対重量比を生成している。これは、限定するものではないが、ロボット工学などの用途に重要である。図１に示されている設計は、ＫＲに関する利益を提供すると考えられるスロット密度及びポスト高さの定義内に入るスロット密度及びポスト高さを有し、それゆえ、ロボット工学用途での使用に特に好適である。
【００４８】
図２は、内部ステータ１０２０が内側ハウジング１０１４に取り付けられ、外部ロータ１０２２が外側ハウジング１０１２に取り付けられた、同一の例示的なアクチュエータ１０１０の断面図を示す。ロータ１０２２は、ロータヨーク１０２６に取り付けられた永久磁石１０２４を含む。ステータ１０２０は、ステータヨーク１０３０に取り付けられたステータ歯１０２８を含む。ステータ１０２０は、限定するものではないが、積層電気鋼などの軟磁性材料で作製される。限定するものではないが、低減された渦電流及び／又は低減されたヒステリシスを呈する粉末状にした軟磁性材料などの固体材料をステータ１０２０に使用することができる。渦電流損失を低減させるこの装置の非常に薄い流束経路断面により、固体鋼又は鉄をステータ１０２０に使用して、ある低速度用途において許容可能な性能を得ることができる。図２の断面図は、ステータ１０２０上にコイルのない、簡易化された軸受１０１６を示している。
【００４９】
図３は、ステータ１０２０及びロータ１０２２の側面図の詳細を示している（説明を明確にするため、この図にはコイルが示されていない）。図４は、ロータ１０２２上に永久磁石１０２４を有しているが、ステータ２０１０にコイルを有していない、ステータ１０２０及びロータ１０２２全体の概略を示す。
【００５０】
０．１６〜０．５以上の範囲内のスロット密度では、例えば、スロットが歯とほぼ同程度の幅になることが珍しくないことを考慮すると、歯幅は、２００ｍｍ幅の機械装置に対して２ｍｍ程度であり得る。より広い又はより狭い歯を使用することができる。より薄い歯の利点は、固体材料が、通常のモータ積層体の厚さに歯がより近くなっていることに起因する最小限の渦電流で使用され得ることである。一般のモータ積層体は、０．０１５”〜０．０２５”の範囲内であり得る。この原型は、熱延鋼心を用いて良好に行われている。これは、安価に製造するための利点を有する。固体芯材を使用する他の利点は、鉄などの材料におけるより高い流束密度の可能性を含む。永久磁石１０２４は、軟磁性材料のロータ１０２２に付着させてよい。図３に示されている、ロータ１０２２内のスペーサ１０２５は必要ではないが、磁石１０２４を正しい間隔で組み立てることを保証するために用いてもよい。
【００５１】
図１〜図５は、４相構成に対する、本明細書に開示された原理によるポスト１０２８対ＰＭ１０２４比４：３の非限定的な例を示している。概して、ｎ相の場合、ポスト対極比ｎ：ｎ−１が存在してよく、極の数は永久磁石の数であってよい。３：２比（３相の場合）、又はおそらくは２：１（２相の場合）又は５：４比（５相の場合）又は６：５比（６相の場合）又は７：６比（７相の場合）などを使用することもできる。４：３は、高トルクを生成する比であることが示されており、本明細書では非限定的な例として使用されている。又は、ポスト対極比がｎ：ｎ＋１であるｎ相が存在してもよい。他の多数のポスト対ＰＭ比及び組み合わせが可能であり、この装置の原理に従って使用することができる。
【００５２】
図１〜図５の実施形態は、１７２ポストを有しているが、提案されるスロット密度を有する電気機械装置は、より多数又は少数のポストを有してよい。ポストの最小数は、いくつかのロボット用途に十分なトルク密度を得るために１００ポストであってよい。図５は、ポスト上に概略ＣＡＤモデルコイル１０３２を有する、ステータ１０２０及びロータ１０２２の簡易概略断面図を示している。
【００５３】
開示されるような４相構成の電気機械装置の場合、ポスト４対永久磁石３の比で、ポストの数を８で除することができる。永久磁石は、交互の半径方向極性で配置されてよい。
【００５４】
例示的な軸方向流束電気機械装置
一実施形態は、個々に制御されるステータセクタを含み、トルクを生成することを除く当該ステータセクタ用コントローラの第２の目的は、当該セクタに対するロータの整列を維持すること、かつ接触軸受を一緒に回転及び／又は摺動させる必要性をできる限り排除することになる。それぞれの断面は、個々の多相ＢＬＤＣモータドライバを含んでよい。図３０に示されているマルチセクションアクチュエータ１０８２のように中空状のディスクを有する実施形態を考慮すると、ある程度まで、全てのアークセクタ１０７４が多かれ少なかれリニアアクチュエータ（図３１に図示）のように機能しなければならず、全てのリニアアクチュエータがその線形（この場合は周囲方向）運動又は位置を維持している限り、ステータ及びロータが同軸状に保持されるよう、所与のモーメントにおけるロータのそれぞれ対応するセクションは、周囲方向に位置付けられることになる、と言うことができる。全てのステータセクタ１０７６は、ロータの対応するセクタ７８を接線方向に前後移動させ得る、主に接線力のみに責任を負うことが、図から明らかである。ステータ及びロータが軸受に機械的に連結されていない場合でも、個々のセクタ１０７４を適切に整流させることで軸合わせを維持できるということが現にある。提案される観念は、ある意味では、トルク生成装置と、自己整列型の動的磁気軸受と、の組み合わせであると言える。
【００５５】
電気機械装置の一実施形態は、図３２に示すようにアクチュエータ１０８２の回転部の上に水平に取り付けられた、端部に重量を有する、ロボットアームなどの長いレバーと共に使用されてもよい。アクチュエータが垂直に取り付けられている場合、即ち水平軸を有している場合、ロータ組立体は下向きの力１０８０を経験し、水平軸上で直径方向に反対側の個々のセクタ１０８４及び１０８６には、垂直方向下方へのわずかな変位を経験する。それぞれのステータセクタのエンコーダは、この変位を登録し、モータドライバ及びコントローラは、それらのセクタのステータとロータとの適切な接線方向の整列を維持するために、それらのセクタに電力入力を移行させる。これにより、アームに対する垂直方向下向きの力に対抗するための垂直揚力１０８８が発生し、そのため、ロータは、個々のセクタの能動的制御により、既定の公差内で同軸上に維持される。これは、図３２に例証されている。他の全てのセクションは、通常どおりにトルクを生成している。コントローラにとっては、２つの可能な方向のうちの一方の力（トルク）の単純な増加であり、２つのうちの一方のみであるため、いずれかの既存のモータドライバに対する駆動アルゴリズムへの複雑な付加にはならない。
【００５６】
電気機械装置のための例示的な磁石構成
図４２は、ポスト１１３６が絶縁層１１３４に設置されている、電気導体層１１４０〜１１４３の層状配置のいずれかの側面にある交互極性磁石１０５０の実施形態を示している。この図は、回転又は線形のいずれかであり得る、軸方向流束の実施形態を示している。
【００５７】
図４２の層状アクチュエータは、限定するものではないが、ＰＣＢ製造技術の使用、又は予め製作された構成要素の組み立てなど、本開示内の方法のいずれかによって製造され得る。所与の直線力を生成するのに必要な電流を低減するため、２層以上の電気導体を使用してよい。層１１４０〜１１４３はそれぞれ、次の層との間に別個の絶縁層を有してよく、又は、導体層の間に別個の絶縁層を必要としないように、それぞれの導体層を、組立工程の前又は最中に個別（従来の配線絶縁と同様）に絶縁することもできる。
【００５８】
非限定的な例として、図４２に示すように、単相の装置では、ＥＭポストは整流されない。正又は負の電流を単相に印加すると、ＰＭキャリアの一方向又は他の方向への力及び／又は移動が生じる。このため、出力の近似的な総移動量がポストピッチとなる。この装置の利点は、モータコントローラの複雑さが低減されることであり、ステータに対するＰＭキャリアの移動又は力を生成するために、可変の正及び／又は負の電流を提供するだけでよい。
【００５９】
積層構造の例示的な軸方向流束電気機械装置
図５９及び図６０に示された実施形態では、接線方向に磁化される永久磁石２１２４のアレイは、ＮＳＳＮＮＳＳＮＮＳＳＮＮＳ．．．という配列で接線方向に磁化される。したがって、ロータ２１１０上の全ての第１の半径方向流束経路部材２１２８は、軸方向の両端部でＮ極性であり、全ての第２の流束経路部材２１３０は、軸方向の両端部でＳ極性である。ロータ２１１０は、限定するものではないが、渦電流センサ、光センサ、又はモータコントローラにロータ２１１０の半径方向の位置を提供するための他のセンサなど、エンコーダと共に使用され得る正弦波表面２１１６を含む。多数の他のタイプのエンコーダをこの装置の実施形態で使用することができる。ロータ２１１０の円筒形セクション２１１８は、ロータ２１１０からロボットアームなどの出力への取付面を提供する、かつロータ２１１０に剛性を提供する働きをする。この円筒形部材２１１８は、ロータ２１１０と一体であってもよく、又は限定するものではないが、熱膨張によってディスクに組み付けられる、かつ／ないしは別の方法でロータ２１１０のディスクセクションに取り付けられる、アルミニウム製リングなどの別個の構成要素であってもよい。セパレータディスク２１２０を使用して、ステータポスト２１１４間のスロット内に導体２１２２を密封し、封じ込めてもよい。セパレータディスク２１２０を使用する場合、それらは、Ｔｏｒｌｏｎ（商標）（ポリアミド−イミド）又は渦電流を防止するための他の非金属材料など、非導電性材料のものであってよい。導体２１２２は、ワイヤを含む任意の構造であってもよいが、本明細書に示すように積層構造であってもよい。導体は、銅又はアルミニウムを含む任意の材料であってよい。
【００６０】
図６０は、図５６の装置の断面図を示し、ハウジング２１０２及びステータ２１０６の組立体が分解されており、ロータ２１１０及び磁石２１２４が分解されており、ハウジング２１０４及びステータ２１０８が組み立てられている。気流入口２１３２がハウジング２１０４上に示されており、セパレータディスク２１２０及びロータ２１１０内の直交流開口部２１３４、２１３６が、アクチュエータ２１００の一側面から反対側のステータへの冷却流体流を可能にしている。
【００６１】
図６１は、ハウジング２１０２の断面詳細図である。ハウジング２１０２の内側面は、ステータ２１０６の背面にあるフィン２１３９のアレイ用の受容スロット２１３８のアレイを有する。これらの受容スロット２１３８は、ステータ２１０６の背面をハウジング２１０２に固定する、また、ステータ２１０６の背面からハウジング２１０２に伝導的に熱を伝達する働きをする。ステータ２１０６とハウジング２１０２との間の体積、及び受容スロット２１３８間の体積を流体流チャンバとして使用して、ステータ２１０６の背面及びハウジングの内側面から熱を引き抜くこともできる。気体又は液体は、ポンプ又は圧縮機（図示せず）により、このチャンバを介して循環され得る。開示されたスロット形状の冷却効果は、多くの用途において冷却流体として空気を使用して高性能化を達成することを可能にする。液体の代わりに空気を使用することは、多くの用途においてコスト及び重量の低下並びに漏れに関する懸念の解消など、多くの潜在的な利点を有する。
【００６２】
図６２は、ハウジング２１０２に組み付けられたステータ２１０６を示す。この例示的な実施形態では、ステータ２１０６は、開示された範囲内のスロット密度及び導体体積を有する、軸方向に延出し、半径方向に整列したポスト２１１４のアレイを含む。ステータ２１０６とハウジング２１０２及び２１０４との間のチャンバ内の流体に入口又は出口を提供するための、流体ポートのアレイ２１４０がステータ２１０６上に表示されている。
【００６３】
図６３は、ハウジング２１０２に組み付けられたステータ２１０６を、電気機械装置の実施形態の３：２層状導体構成の相Ａの第１の導体層２１４２と共に示している。導体のこの実施形態の相のそれぞれの層は、ステータ２１０６上の単一の軸方向層を占有し、その同一層上には他の相の他の導体を有しない。層上の導体２１４２は、２つのスロット２１４３、２１４５を順次占有してから、スロット２１４７をスキップし、それにより、層上の第１のスロット２１４３は、一方の半径方向に電流の流れを提供する、ある相からの導体２１４２を有し、その層上の第２のスロット２１４５は、反対の半径方向に電流の流れを提供する、その相からの導体２１４２を有し、その層上の第３のスロット２１４７は、導体を有しない。１つの相における１つの導体層２１４２のこの導体の形状及び配列が、図６４に示されている。
【００６４】
図６５は、同一相の導体２１４２の４つの層を示しており、ステータ２１０６及び他の相からの導体は明確にするために除去されている。軸方向インサート２１４８は、ある相からのある層上のそれぞれの導体２１４２の終わりと、同一相からの異なる層上の別の導体２１４２の始まりと、を結合する。
【００６５】
図６６は、それぞれの相からの１つの導体層２１４２を有する例示的な実施形態２１００の導体配置を示している。１つの導体層２１４２のエンドターンは、スロット内の層間に半径方向（この例では外方向であるが、流体はいずれの方向にも流れ得る）の流体流路２１５０を提供するような方法で、次の導体層２１４４のエンドターンに重なっている。この図６６には、ステータポストは示されていない。図６７では、同一層上の全ての第３のスロット２１４７内の流体流路が、３つの例示的なスロット内の破線矢印で示されている。ステータ２１０６上の全ての第１のポスト２２５０は、いずれかの接線側に相Ａからの導体２１４２を有する。ステータ２１０６上の全ての第２のポスト２２５２は、いずれかの接線側に相Ｂからの導体２１４４を有する。また、ステータ２１０６上の全ての第３のポスト２２５４は、いずれかの接線側に相Ｃからの導体２１４６を有する。
【００６６】
この層状巻線構成は、ポスト間の導体間の空間における半径方向の冷却流体流を可能にするが、エンドターンが、スロット内の通路への半径方向のアクセスからスロットを封鎖している。半径方向の通路２１５０への流れを提供するため、導体２１４２には、図６８に示すように、それぞれのポスト２１１４の端部に軸方向流路２１５２が予め形成されている。この軸方向流路２１５２は、スロット２１４７内の通路２１５０内の半径方向流体流が、ポスト２１１４の端部で周囲方向に、次いで軸方向流路２１５２で軸方向に、次いで異なる層上の半径方向流路２１５０で半径方向外側に（又は冷却剤の流れ方向によっては内側に）流れることを可能にする。
【００６７】
この流路は、図６８に示されており、太い矢印は、ポスト２１１４と半径方向に整列された入口通路２１５４までの気流を示している。太い破線矢印は、入口通路２１５４内の半径方向の流れを示している。細い破線は、ポスト２１１４の端部を横切る接線方向の流れと、その後のポスト２１１４の端部の空間２１５２における軸方向の流れを示している。長い破線は、導体２１４２間の通路２１５０内の半径方向外側への流れを示している。このようにポスト２１１４の端部に軸方向の流路２１５２を作製することにより、冷却流体は、接線方向及び軸方向に流れて入口に結合し、空気を半径方向流路２１５０に放出し得る、複数のルートを有する。
【００６８】
図６９は、同様の矢印を用いて同じ流路を示している。ポスト端部の空間２１５２は、冷却流体が１つの層上に入ること、かつ異なる層上の通路２１５０内で半径方向に流れることを可能にすることに注意することが重要である。
【００６９】
層状導体システムの実施形態としては、より高いスロット充填率を得るための半径方向のテーパ付きスロット内の半径方向のテーパ付き導体、製造を容易にするために導体をスタンピングする能力、組み立てを簡易化して精度を高めるための層状構造、製造の一貫性を高める能力、均一な冷却のための一貫した流体流路を得る能力、及び能動的冷却手段を介してより効果的に冷却するための、導体の体積に対して冷却剤が導体と接触する大きい表面積を作り出す能力が挙げられ得る。
【００７０】
図６３及びその他に示すような層状導体システムの実施形態は、層の大部分に対する同じ厚さの導体と、電流の流れの方向に対して垂直な断面がより大きいエンドターンにおいてより広いセクションを含む可変幅と、に特徴付けられる。エンドターンにおけるより広い断面は、スロット内のより狭い導体よりも低い温度でエンドターンが動作することを可能にする二乗効果によって、エンドターンの抵抗及び発熱を低減させるため、有益である。スロットターンとエンドターンとの間の非常に低い熱流抵抗は、エンドターンの断面積が大きいほど、スロット内で発生した熱に対して非常に効果的なヒートシンクを提供する。端部ターンの表面積が大きいほど（端部ターンがスロット内の導体の最大幅と比較したときと同じ幅又はより小さい幅である場合）、端部ターンが能動的に冷却される場合の冷却流体相互作用のための、及び／又は、電気導体エンドターンの連続する層を介したハウジングへの軸方向の伝導性熱伝達のための表面積が増大する。
【００７１】
任意の層数をこの層状導体システムで使用することができる。任意の相数をこの導体システムで使用することができる。いずれの相数でも、導体は、例えば、隣接する２つのスロットを、これらのスロットにおいて反対方向の電流の流れで満たし、次いで、相の数を「Ｘ」としてＸ−２のスロットをスキップし得る。４相の場合、例えば、層上のそれぞれの導体は、３相の場合に１つのスロットをスキップするのとは異なり、２つのスロットをスキップする。５相の場合、それぞれの導体は、３つのスロットをスキップする、というようになる。
【００７２】
電気機械装置における例示的な流束制御構造
図７９に示された巻線は、湾曲又は可変幅ポスト２２２６など、非直線のポスト形状を可能にする。
【００７３】
ロータとステータとの間の空隙を横切る永久磁石からの流束を増加させるため、永久磁石のＮ側から永久磁石のＳ側への鎖交磁束路を減少させてもよい。軸方向に整列した永久磁石ロータでは、これは、図１０２に示すように、限定するものではないが、鋼などの軟磁性材料からなる固体背面鉄部で行われ得る。この場合、永久磁石２３７０からの流束は、背面鉄部２３７２を介して隣接する永久磁石２３７０に、及び／又は背面鉄部２３７２の反対軸方向面上にある反対側の永久磁石２３７０の反対極性面に連結することになる。
【００７４】
軸方向流束永久磁石（ＡＦＰＭ）機械装置によって生成されるトルクは、とりわけ、ロータとステータとの間で相互作用する流束の密度に影響を受ける。ロータ／ステータインタフェースにおける流束密度を最大にし、それによって生成可能なトルクを最大にするために、ロータは、永久磁石（ＰＭ）の接線方向に方向付けられた極面間に密接する軟磁性材料を使用して、ロータの両端部のステータインタフェースに流束を流すことができる。ＰＭの軸方向寸法は、それらに利用可能な接線方向の利用可能空間よりもはるかに大きくすることができ、軟磁性材料はＰＭよりも高い飽和値を有するため、ステータと相互作用する流束密度が増大する。ＰＭは、ＮＳＳＮＮＳＳＮＮＳなど、同じ極性の極の２つが互いに接線方向に向き合うよう、接線方向に配置される。ＰＭの交互配向とは、それらの間の軟磁性材料の内側延長部及び外側延長部が、それぞれ半径方向に延出する流束経路部材が両方の軸方向端部で同一極性である状態で、ＳＮＳＮなど交互に極性化されることを意味する。ＰＭの軸方向寸法の範囲は、それらの強度に合わせて変更することができ、それにより、相対的に高いトルクを低強度の磁石を用いて発生させ得る。軸方向の寸法は、ＰＭが交互極性の軸方向面を越えて突出しないようにする。
【００７５】
外部荷重による相対的な角度移動及びたわみに対応するために、通常は、空隙と呼ばれるロータの軸方向面とステータの軸方向面との間の軸方向間隙が存在する。ＰＭからの流束は、ＰＭ間の軟磁性半径方向部材における交互の極を生成し、ステータの電磁石の極は、ＥＭに電力が供給されていない場合でも、これらの交互の極に接続するための流束経路を提供する。これは、ロータとステータの間の引力をもたらす。空隙が小さいほど、ロータとステータとの間の引力は高くなるため、ロータの両端部に同一の空隙がある場合、ステータに向かう引力は等しく反対になるが、あらゆる角度位置での空隙のあらゆる変化により、変位を増大させる正味の力が生じることになる。この傾向は、動作中のステータとロータとの間の接触を回避するために、軸受及び適切なロータ剛性を必要とする。
【００７６】
後述の設計は、流束を運ぶために使用される、鋼又は鉄又はコバルト又は他の軟磁性材料若しくは合金などの軟磁性材料が構造剛性も提供する、一体型ロータ構造体を組み込んでいる。限定するものではないが、予め搭載された一対のアンギュラ玉軸受などの軸受は、ロータと静止構造体との間に、たわみを制御し、共振を回避するために必要とされるモーメント剛性を提供する。
【００７７】
一実施形態では、図８０〜図８６に示すようにロータ２２２８は、ＮＳＳＮＮＳＳＮＮＳなど、同じ極性の極の２つが互いに接線方向に向き合うように配置された、接線方向に極性化された永久磁石２２３０を有する。ロータ２２２８の外側リージョン２２３４は、ロータの内側リージョン２２３８の規則的に又は均等に離間した外側に突出している半径方向流束経路部材２２３６の等しい数と交互嵌合され、永久磁石２２３０に流束経路を提供する、内側に突出している規則的に又は均等に離間した半径方向流束経路部材２２３２のアレイを含む。半径方向部材２２３２、２２３６の交互嵌合は、ロータ２２２８を非常に堅くするのに役立つ。交互嵌合は、磁石２２３０を短絡させる鎖交磁束経路を生じさせずに、一体型（又は２部分からなる）フェリチン構造体を提供する問題を克服する。ロータ２２２８は、十分に堅くなければならず、ロータ２２２８の動作中の屈曲は空隙長さの一部となる。
【００７８】
永久磁石２２３０の接線方向の交互配向の結果として、ロータ２２３４の外側リージョンを有する一片である、その内側に突出している半径方向流束経路部材２２３２の全ては、１つの極性となり、ロータの内側リージョン２２３８を有する一片である、外側に突出している半径方向流束経路部材２２３６は、逆極性となる。この例示的な実施形態では、追加の軸受が使用されてもよいが、軸受（図示せず）などでは、ステータハウジング（図示せず）に対してロータ２２２８の内側リージョン２２３８のみが支持される。ロータのＩＤに軸受を用いることが、唯一、製造コスト及びモータ／アクチュエータの重量を低減し得るが、これは、ロータの高い強度及び剛性によってのみ可能になる。一実施形態では、ロータ２２２８の内側及び外側リージョンは、図８２及び図８３に示されている小さいタブ２２４０、２２４２によって一体に結合される。図８２は、内部部材２２３２とロータ２２３８の内側部分と外部部材との間の構造的結合が、軸方向幅が低減されたタブ２２４０を介し得る及び／又は永久磁石（図示せず）を介し得ることを示している。図８３は、軸方向幅が低減されたタブ２２４２を介した、外部部材２２３６の最も外側の端部とロータ２２２８の外側部分２２３４との間の構造的結合を示している。これらのタブは、内側又は外側ロータリング２２３８、２２３４のうちの一方にある磁石のＮ面から、内側又は外側ロータリング２２３８、２２３４のうちのもう一方の磁石のＳ面への流束戻り経路を作る。この流束戻り経路は、ロータ２２２８とステータ（図示せず）との間の空隙における空隙流束密度を低減するが、内側ロータ部材２２３８と外側ロータ部材２２３４との間の結合強度及び剛性は、わずかな割合の永久磁石ＰＭ流束しか損失されないほど小さい断面を有するタブ２２４０、２２４２のアレイによって適切に得られることが、ＦＥＡ及びＦＥＭＭ分析、並びに原型実験によって示されている。
【００７９】
図８４は、磁石保持具２２４４を示すため、磁石２２３０なしでロータ２２２８の例示的な実施形態を示している。これらは、磁石２２３０を軸方向に位置付けるために使用され、スロット２２４８の交互の端部に位置しており、図８５に示すように、組立時に、磁石２２３０の半分がロータ２２２８の一方の側から挿入され、磁石２２３０のもう半分がロータ２２２８の他方の側から挿入されることを必要とする。磁石２２３０の半分の組はそれぞれ、同一の接線方向にそれらの極性を有し、組み立ての安定性を高める。磁石２２３０は、ローカルスロット幅を磁石２２３０の厚さ未満まで低減させるため、保持タブ２２４４に対して同様の半径方向位置のうちの２つの位置など、接着剤を使用して適切な位置に固定され得、開口スロット端部をピーニングすることによって更に固定され得る。ロータ２２２８を貫通する孔２２４５は、ロータ２２２８の両側にあるステータ電磁石（図示せず）の冷却が、ハウジング構造体（図示せず）の一方の側のみを介して空気又は他の流体を流すことによって達成され得るように、空気の流れを可能にし得る。ロータ２２２８を貫通する端ぐり孔２２４６は、製造時のクランプ用である。図８６は、内側及び外側に延出する流束経路部材２２３２、２２３６が、全て一体構造で作製されてもよいこと、ただし、内側及び外側に延出する部材２２３２、２２３６は、この実施形態では、ポスト又は端部鉄部より小さい断面を有するタブ２２４０、２２４２として形成される、部材（ポスト）を他方のリング（端部鉄部）に結合する結合部分を除いて互いに磁気的に隔離されることをより明確に示すため、内側ロータリング２２３８及び外側に突出している流束部材２２３６の軸方向表面を黒色で示している。断面内のタブ２２４０、２２４２は、半径方向に延出する流束経路部材２２３２、２２３６と比べて、ＰＭ流束から飽和され、ゆえに、その流束水準を超える有意な追加の鎖交磁束が不可能になるほど小さくてよい。
【００８０】
他の変異としては、他のインサート、タブ用の非磁気材料、本明細書に示すように半径方向に延出する流束経路部材を有する、結合タブを有しない内部部材及び外部部材が挙げられる。この場合、磁石を有する本体が、内側ロータリングと外側ロータリングとの間の主構造的結合となる。
【００８１】
希土類磁石によって生成される磁力は、例えば、流束経路部材の流束集束効果と組み合わせると、非常に大きな軸力を発生し得る。本明細書に示されている例では、約９”の外径は、ステータに対して１５００ポンドほどの高さの軸方向引力を発生させ得る。好適に強力かつ剛性の構造体を使用して、使用中の損傷及び問題となる振動を防止することができる。交互嵌合する部材を有するロータは、構造的剛性及び流束集束機能の両方を半径方向に延出する同一の部材に提供する。これらの内部及び外部部材の交互嵌合は、部材接面と磁石との間の高い表面積接触をもたらし、有効な流束使用並びに高い強度及び剛性を可能にする。
【００８２】
軸方向流束電気機械装置用の例示的なロータ
ロータは、本明細書に示すように単一片構造で作製することも、２つ以上の片を１つに合わせて作製することもできる。磁石は、流束経路効果及び構造効果のための任意の方向のテーパ形状を含む任意の形状であり得る。任意のタイプの磁石を使用することができる。任意の数の磁石を使用することができる。任意の幅の磁石を使用することができる。ロータの一方又は両方の軸方向面は、ステータと組み合わせて使用することができる。複数のロータを使用することができる。２つ以上のアレイに異なる数の磁石を用いて、複数の円アレイの磁石を使用することができる。このロータは、アクチュエータ若しくはモータ、又は任意の数の相若しくは極を有する磁気機械装置若しくは装置と共に使用することができる。
【００８３】
後述の設計は、鋼又は鉄又はコバルト又は他の軟磁性材料若しくは合金など、流束を運ぶのに使用される軟磁性材料が、この装置によって非常に高くなり得る磁力に抗してロータを位置付けるために、かつアクチュエータに対する出力負荷を支持するために構造剛性も提供する、２部分からなるロータ構造体を組み入れている。限定するものではないが、予め搭載された一対のアンギュラ玉軸受などの軸受は、ロータと静止構造体との間に、たわみを制御し、共振を回避するために必要とされるモーメント剛性を提供する。
【００８４】
図８７〜図９２は、２つのやや鏡像の半体２２６２及び２２６４で構成され、次いでボルト止めされるか、ないしは別の方法で締結又は結合される、ロータ２２６０の実施形態を示している。この実施形態では、テーパ付き磁石２２６６をテーパ付きロータ部材２２６８、２２６９と組み合わせて、磁石２２６６に機械的安定をもたらすことができ、また、流束経路部材２２６８、２２６９の流束密度がより低いロータ２２６０の中心面により近い、より広い接線方向磁石セクションを可能にすることができる。これにより、永久磁石２２６６に利用可能な空間と、軟磁性材料に利用可能な空間と、をより有効に使用できるようになる。図９０は、ロータ２２６０に装着したときと同じ相対位置にある永久磁石２２６６を示している。これは、永久磁石２２６６を、同じ極性の極の２つが互いに接線方向に向き合うように、ＮＳＳＮＮＳＳＮＮＳなど、接線方向に交互の極性で配置する方法を示している。
【００８５】
ロータの両半体２２６２、２２６４は、前述のロータ２２２８の実施形態と同様に、内側に突出している、及び外側に突出している、半径方向流束経路部材２２６８、２２６９を含む。図８７に示す例示的な実施形態２２６０では、例えば、ロータのＩＤ又はＯＤ上に追加の軸受を使用してもよいが、軸受（図示せず）などでは、ロータ２２６０の内側リージョン２２７２のみが支持される。ロータのＩＤに軸受を用いることが、唯一、製造コスト及びモータ／アクチュエータの重量を低減し得るが、これは、多くの用途に追加の軸受を必要としない、高い強度及び剛性のロータによってのみ可能になる。
【００８６】
一実施形態では、ロータ２２６０の内側及び外側リージョンは、図８６中のタブ２２４０及び２２４２と同様の小さいタブによって一体に結合される。
【００８７】
図９１は、外側に突出している半径方向流束部材２２６９とロータ２２７４の外側部分との間の結合タブ２２７０の軸方向範囲を示す、両ロータ半体２２６２、２２６４を接線方向に切り取った断面である。これらのタブ２２７０は、内側に突出している半径方向流束経路部材２２６８上の磁石面から反対極の外側に突出している半径方向流束経路部材２２６９への流束戻り経路を作ることになる。この流束戻り経路は、ロータ２２６０とステータ（図示せず）との間の空隙における流束密度を低減するが、内側ロータ部材２２７２と外側ロータ部材２２７４との間の結合強度及び剛性は、わずかな割合の永久磁石流束しか損失されないほど小さい断面を有するタブ２２７０のアレイによって適切に達成されることが、ＦＥＡ及びＦＥＭＭ分析、並びに原型実験によって示されている。磁石２２６６は、そのテーパ形状によって確実に保持され、接着剤を用いて適切な位置に更に固定され得る。ロータ２２６０を貫通する孔２２７５は、ロータ２２６０の両側面にあるステータ電磁石（図示せず）の冷却が、ハウジング構造体（図示せず）の一方の側のみを介して空気又は他の流体を流すことによって達成され得るように、空気の流れを可能にし得る。ロータ２２６０を貫通する端ぐり孔２２７６は、製造時のクランプ用である。
【００８８】
内側及び外側に延出する流束経路部材２２６８、２２６９は、全て一体型構成体で作製されてもよいが、内側及び外側に延出する部材２２６８、２２６９は、ロータ２２６０の内側部分にある断面が低減されたタブ２２７０及び類似のタブを除いて互いに磁気的に隔離されている。これらのタブは、半径方向に延出する流束経路部材２２６８、２２６９と比べ、ＰＭ流束から飽和され、ゆえに、その流束水準を超える有意な追加の鎖交磁束は不可能になるほど小さい断面になり得る。
【００８９】
他所に記載したように、ボルト、リベット、又は類似のものを使用して、ロータ２２６０の２つの半体２２６２、２２６４を保持することもできるが、追加又は代替の保持方法としては、図９２に示すような１つ又は２つの内部テーパ面２２８０を備えた外部リンク２２７８を使用する。外側リングの内径は、ロータの２つの半体２２６２、２２６４の間の同心性を確保するために使用され得る。この外部リング２２７８は、その外部リングとロータの２つの半体２２６２、２２６４との間の温度差を生成することによって装着され得る。限定するものではないが、アルミニウム合金などのリング２２７８に高膨張材を使用すると、リング２２７８を装着するために必要な温度差が低減される。
【００９０】
様々な実施形態は、１つのロータが１つのステータに隣接していること、ロータが１つのステータのそれぞれの側にあること、ロータが一対の背中合わせのステータのそれぞれの側にあること、又はこれらの構成の組み合わせを含み得る。
【００９１】
固体及び積層ステータ又はロータ構造
いくつかの実施形態では、積層ステータ又はロータが使用されてよい。図１０３では、積層ポストステータ構成が示されている。この例示的な実施形態は、積層されたポスト２３８２のアレイを受容するスロット２３８０のアレイを有する。背面鉄部ディスク２３８４は、本明細書に示すように、積層構造又は焼結型構造又は固体構造であり得る。流束の線は、軸方向流束モータにおいて概して接線方向に進行するため、有効な積層構造体は、接線方向に整列されたポスト及び背面鉄部ごとに積層体を有することが必要になる。この整列を達成する１つの方法は、テープのロールのように、それぞれの積層体層間に接着層を用いて、積層体のストリップを急螺旋状に巻くことである。コイルが硬化された後、材料は、半径方向のポスト及びスロットを形成するため、機械加工プロセスによって除去される。
【００９２】
開示される範囲内の特徴を備えた機械装置の実施形態の相対的に小さいポストの数が多い場合、ステータの構造においてできる限り少ない部分を使用することが望ましい。積層体を用いると、図１０４に示すように、半径方向に整列された積層体の使用によって、積層される部分の数を減らすことができる。この実施形態の構造の欠点は、図１０４の背面鉄部２３８４及び積層ポスト２３８２の接合部に概略的に示されており、背面鉄部２３８４を介してポストからポストに連結する流束２３８６は、積層体層２３９０の間の１つ以上の絶縁層２３８８を通過しなければならない。絶縁層（ポスト２３８２に太線で概略的に示されている）は、渦電流の低減に有用であり、おそらく必要であるが、これらは、流束経路の磁気抵抗を増大させる空隙として機能し、結果的にトルク及び効率性の損失をもたらす。この構造形状の別の欠点は、開示された範囲内の特徴を有する電気機械装置の非常に薄い背面鉄部２３８４に起因する最小の接着層２３９２である。電気機械装置の実施形態のポスト２３８２に対する非常に高い軸方向の負荷を考慮すると、いくつかの用途には、この接着層２３９２に依存することは構造的に不安定であり得る。
【００９３】
ステータポストがそれらのスロットから引き抜かれることを防止すると同時に、流束がいずれかの絶縁層を通過することを強いられないよう、ポストと背面鉄部との間の金属間接触を提供することを助ける構造が提案される。図１０５及び図１０６は、背面鉄部２４００とポスト２４０２との間の鎖交磁束結合部の大部分に適切な引抜強度及び金属間接触を提供する、ステータ２３９８及びハウジング又はカバー部材２４１２の積層ポスト構造の非限定的な、例示的な実施形態を示している。必要な構造的一体性を実現するため、ポスト２４０２は、複数の機能を提供するのに十分に、背面鉄部２４００を通って延出している。延出材料は、テーパ付き返し部２４０４の使用が組み立てを容易にし、機械的引抜停止部を提供することを可能にする。この非限定的な、例示的な実施形態では、返し部２４０４は、組立時にポスト２４０２の弾性変形を可能にするに十分な長さのスリット２４０６に近位である。他の機械的手段を、一方の側からのポストの挿入を可能にし、次いでその側からのポストの引抜に対する抵抗性を提供する、機械的引抜停止部として機能させるために使用してよい。例えば、ポストをステータ内に挿入した後に起動される、そのように構成されたバネ又は他の機械的手段のいずれかによって、表面への加圧下において互いに引抜方向にずれが生じることを防止するように形作られたポスト及び背面鉄部の表面を接触させる、ラチェット状の設計を使用してもよい。
【００９４】
背面鉄部２４００の背面を超えるポスト２４０２の突出セクション２４０８は、カバー部材２４１２内の類似の幅のスロット２４１０に挿入される。一実施形態では、このカバー２４１２は、アルミニウム又は炭素繊維のような複合材などの軽量の材料で作製される。ポスト２４０２の突出セクション２４０８の表面積は、カバースロット２４１０との接着によって、開示された範囲内の特徴を有する電気機械装置の実施形態の高い磁力に抵抗するために組立体に必要とされる剛性を付加するために十分である。表示されている実施形態は、ポストごとに、突出セクション２４０８を有する１つの中央積層体２４０９を含むが、突出セクションを有する複数の積層体をポストごとに使用することもできる。
【００９５】
カバー部材２４１２の内側表面上のスロット２４１０間にある半径方向空間２４１４は、軽量化のため及び冷却流体の流れのために使用され得る。また、図１０６には、より短い積層体２４１８が返し部２４０４を含まない場合でも、突出した中央積層体２４０９、並びにポスト２４０２上の軸方向に短い積層体２４１８を通過する、ポスト２４０２内のスリット２４１６の使用が示されている。これは、組立時に突出した積層体（複数可）上の返し部２４０４が屈曲することを可能にする。
【００９６】
この例示的な実施形態では、それぞれのポスト２４０２は、ステータスロット２４２０に挿入される前に組立部品に接着される。次いで、導体（図示せず）がポスト２４０２の周りに巻かれ又は配置され、次いで導体は、ポッティング化合物を用いてポッティングされる。カバー部材スロット２４１０の安定化効果に加えて、ポッティング化合物は、積層ポスト２４０２の周囲方向の強度及び剛性を提供する働きをすることになる。
【００９７】
粉末金属又は固体材料は、本明細書に示すような同様の保持機構と共に積層ポストに使用され得ることに注意されたい。固体又は粉末金属がポストに使用されている場合、一体型構造のポスト及び背面鉄部を作製するための複雑さが減少し、費用を削減できると共に、機械的に強化されると考えられる。
【００９８】
この例示的な実施形態では、磁束経路の一体性は、図１０７に例示するように、部分２４０８が背面鉄部２４００を通って突出する、より長い積層体２４０９の側面にある軸方向により短い積層体２４１８を使用することによって実現する。低磁気抵抗鎖交磁束２４２４のためにステータ後部鉄部２４００とポスト２４０２との間の適切な金属間接触を得るため、図１０７に示すように、後部鉄部２４００と積層体２４０９との間の接合部２４２６と、後部鉄部２４００と積層体２４１８との間の接合部２４２８と、の全ての絶縁体は除去されている。残りの絶縁体２４３０は、ポスト２４０２の１つに太線で概略的に示されている。図１０４の２３８８における、例示的な実施形態の流束経路からの絶縁体の除去とは異なり、図１０７の２４２６及び２４２８における絶縁体の除去により、積層体２４０９と背面鉄部２４００との間、及び積層体２４１８と背面鉄部２４００との間の両方で、低磁気抵抗鎖交磁束２４２４のための金属間接触が生じる。
【００９９】
図１０７に示す例示的な実施形態では、固体背面鉄部ディスク２４００を使用することは、背面鉄部が流束経路（図示せず）の相対的に小さい部分であることにより、かつ、背面鉄部２４００を、ポスト２４０２内の流束密度と比較して流束密度を低減するほど軸方向に厚くし得ることから、１００％固体のステータ及びポストと比較して渦電流を実質的に低減させると考えられる。渦電流及びヒステリシス損失は、流束密度と共に増加するため、積層ポストの利益に価値があると見なされる一定の用途では、鉄又はコバルト又はニッケル合金などの固体金属で作製された背面鉄部ディスクを使用することは、適切な効率性及び必要な構造一体性をもたらし得る。背面鉄部に使用される固体金属と共に、電気伝導率が低く（かつ熱伝導率が高く）、流束密度が高い合金が使用されてよい。
【０１００】
突出しているポストセクションのカバーのスロットへの接着は、エポキシ若しくは他の接着剤又ははんだ付け又は蝋付け又は超音波溶接などによって行われ得る。高強度のはんだ付けは、冷却に役立つ良好な熱伝達をもたらすという利点を有する。
【０１０１】
例示的な集中流束ロータ構成：
図１４６及び図１４７を参照すると、半径方向流束構成における集中流束ロータの実施形態の角度付き断面図が示されている。ロータポスト３３０４は、磁石３３０２がロータスロット３３０６から半径方向に移動することを防止する、ロータレリーフ部３３２０を含む。ロータポスト３３０４は、側面鉄部３３１２（図１４６には図示していないが、図１４７を参照されたい）によって結合されている。側面鉄部３３１２は、磁束が側面鉄部３３１２を通過することを可能にする鎖交磁束路を作り、永久磁石３３０２と側面鉄部３３１２との間に磁気引力を発生させる。側面鉄部３３１２とロータレリーフ部３３２０との組み合わせは、永久磁石３３０２をロータ３３００内に確実に保持する。この実施形態では、ロータポスト３３０４の部分が、スロット（この場合、半径方向外側）の底部に磁石を保持し、磁石の固定を助けるようにレリーフ加工されている。
【０１０２】
図１４８は、軟磁性材料など、材料の単一のブロックからポスト及び側面鉄部構造体を形成するのに使用され得る粉砕機と組み合わせた、集中流束ロータポスト３３０４及び側面鉄部３３１２の角度付き断面図を示している。通常の端部粉砕機３３７０は、ブロックを広い凹部に切断するのに使用され得、ロータの外周から動作する。小さい径の端部粉砕機３３７２は、永久磁石３３０２が挿入され得る凹部を形成するのに使用されてよい。レリーフ加工されたシャフト端部粉砕機３３７４は、次いで、ロータレリーフ部３３２０を形成するようにロータポスト３３０４を粉砕するのに使用され得る。小さい径の端部粉砕機３３７２及びレリーフ加工されたシャフト端部粉砕機３３７４は、ロータ３３００の内周から動作し得る。側面鉄部３３１２を形成するため、１つ以上の壁部が材料のブロックの軸方向端部に残されてもよい。
【０１０３】
図１４６〜図１４８は、半径方向流束構成を示しており、この設計の軸方向流束構成の変形は、同等の構造体及び方法で作製され得る。
【０１０４】
ここで図１４９を参照すると、図１４６〜図１４８に示されている実施形態のロータの線形表現の概略的ＦＥＭＭ分析におけるスロット形状が示されている。図１４９は、ロータの２つのスロット形状の流束経路を示している。概略図の左側にある４つの永久磁石３３０２は、矩形である。概略図の右側にある４つの永久磁石３３０２は、永久磁石３３０２をスロット内に保持する磁力を増大させるテーパ端部３３１６を有している。これは、スロット内に永久磁石を固定する他の方法に対する必要性を軽減するという利点を有し得る。
【０１０５】
図１５０は、端部鉄部３３１４を有する半径方向流束構成におけるロータ３３００の実施形態の角度付き断面図を示している。この実施形態では、ロータポスト３３０４は、ロータレリーフ部３３２０と、テーパ付きロータポスト端部３３１８と、を含む。テーパ付きロータポスト端部３３１８は、ロータ３３００の重量を低減させる働きをし得る。ロータレリーフ部３３２０は、永久磁石３３０２を保持するのに役立ち得、いくつかの変異では、背面鉄部３３１０を形成するためにスロットを横切って完全に延出し得、余分の剛性を提供する、また、磁力によってスロット内に永久磁石３３０２を保持することを助ける、という効果をもたらす。
【０１０６】
図１５１を参照すると、端部鉄部３３１４を有するステータ−ロータ−ステータ構成が示されている。端部鉄部３３１４及びロータポスト３３０４は、アイソメトリック軟質金属材料の単一片から形成されることができ、単一アレイの永久磁石３３０２がロータポスト３３０４の間に嵌合している。端部鉄部３３１４は、ロータ３３０４の両端部に形成されている。この実施形態では、流束経路制限部３３２８は、図１５２に示されているように含めることができる。
【０１０７】
図１５２は、背面鉄部３３１０、端部鉄部３３１４及び流束経路制限部３３２８を有するステータ−ロータ−ステータ構成の実施形態を示している。この実施形態では、永久磁石３３０２の２つのアレイが背面鉄部３３１０によって分離されている。流束経路制限部３３２８は、端部鉄部３３１４内の漏れ磁束を低減するように、永久磁石３３０４の両端部に孔として形成されている。
【０１０８】
図１５３は、ロータ−ステータ−ロータ構成の実施形態を示している。２つの集中流束ロータ３３００は、中央ステータ３３３０を係合している。ロータ３３００はそれぞれ、端部鉄部３３１４及び流束経路制限部３３２８を含む。多くの用途では、集中流束ロータ３３００に適当な剛性を提供するのに、端部鉄部のみ又は背面鉄部のみで十分である。
【０１０９】
図１５４は、ロータ−ステータ−ロータ構成の実施形態を示している。この実施形態は、図１５３に示したものと本質的に同じであり、薄い（think）背面鉄部３３１０がそれぞれのロータ３３００に追加されている。
【０１１０】
図１５５は、台形ステータ−ロータ−ステータ構成の実施形態を示している。ステータ３３３０は、導体層３３３４なしで示されている。ロータ３３００は背面鉄部３３１０及び端部鉄部３３１４を含み、円柱軸方向に沿った断面で略台形の形状を有している。ロータは、２つのロータの半体からなり、背面鉄部３３１０及び端部鉄部３３１４の両方との組み合わせが、ロータに高い機械的剛性をもたらしている。図１５６は、図１５５に示されているステータ−ロータ−ステータ構成の実施形態の変異を示しており、端部鉄部３３１４のみを有し、背面鉄部３３１０を有していない。
【０１１１】
図１５７は、台形ロータ−ステータ−ロータ構成の実施形態を示している。ステータ３３３０は、導体層３３３４なしで示されている。ロータ３３００は、永久磁石３３０２の内径端部及び外径端部に示されている端部鉄部３３１４を含む。この実施形態では、ロータ３３００の背面は、低密度ハウジング構成要素に連結されている。図１５８は、図１５７に示されている台形ロータ−ステータ−ロータ構成の実施形態を示しており、背面鉄部３３１０を有し、端部鉄部３３１４を有していない。
【０１１２】
図１５９は、線形流束機械装置のロータ−ステータ−ロータ構成の実施形態を示している。ステータ３３３０は、ポスト３３３２のアレイを有し、導体３３３４は図示されていない。ロータは、ステータを取り囲んでおり、材料、例えば、軟磁性等方性材料の１つ以上の断片で作製されている。ロータハウジング３３００の内部構造体上にある永久磁石３３０２用の受容スロットは、ロータポスト３３０４、ロータ背面鉄部３３１０及びロータ端部鉄部３３１４として機能する。リニアモータ用の多数の構造が、本発明者により考案されている。ロータの側部３３３０は、例えば、上部及び下部ロータ部分とは異なる材料で作製されてよい。図１６０は、図１５９に示されている線形流束機械装置のロータ−ステータ−ロータ構成の実施形態を示しており、ロータ３３００上に背面鉄部３３１０を有していない。
【０１１３】
図１６１は、線形流束機械装置のステータ−ロータ−ステータ構成の実施形態を示しており、ロータ３３００は、ロータポスト３３０４及び背面鉄部３３１０によって分離された磁石３３０２の２つのアレイで形成されている。他の集中流束ロータと同様に、永久磁石は線形方向に交互の極性であり、背面鉄部の他方の側にある反対側の磁石と同じ極性であってよく、背面鉄部の他方の側にある反対側の磁石とは反対の極性であってよい。この実施形態におけるトラベラは、等方性軟磁性材料で作製されてよい。図１６２は、線形流束機械装置のステータ−ロータ−ステータ構成の、部分的に組み立てられた実施形態を示しており、ロータ３３００は、端部鉄部３３１４を有し、背面鉄部３３１０を有していない。この配置では、永久磁石停止部を使用して、スロット内の正確な（precis）場所に磁石を位置付ける。ロータの上部及び下部内の永久磁石は、同一極性であっても反対の極性であってもよいが、ロータポストを介した上部磁石から下部磁石への漏れ流束を低減させるため、同一極性であることが好ましい。ロータポスト３３０４及び端部鉄部３３１４は、等方性軟磁性材料の単一片から作製されてよい。
【０１１４】
ロータポストの側面の一部から材料を除去することによって、ロータ質量を低減するという付加利益と共に、永久磁石に対する正の保持力が生じ得る。
【０１１５】
図１６３及び図１６４は、ロータの中心面に向かうロータポスト壁部上に分断された背面鉄部３３１０及びレリーフ部３３２２を有する、等方性ロータポストアレイを示している。この実施形態では、永久磁石は、周囲方向に極性化されており、軸方向に整列された同等物とは反対の極性である。この効果は、永久磁石からの５０％を超える流束線が空隙を横切って連結している場合でも、受動的な状態において永久磁石を有意な力でスロットの底部に保持することである。本明細書に示すように、分断された背面鉄部を有する実施形態に適度に強力かつ剛性な等方性ポスト及びコネクタ部材を提供するため、ロータポスト（図示せず）の少なくとも一端に端部鉄部コネクタがあることが必要となる。永久磁石が長いほど（図１６３のＺ軸方向）、後部鉄部が空隙内の流束に与える影響、及び生成され得るトルク（リニアモータの場合は力）は少なくなる。
いくつかの実施形態のための一般的な原理
【０１１６】
開示された構造体のいずれも、ポストとポスト間のスロットとを含む電磁要素を有する電気機械装置と共に使用されてよく、ポストは、少なくともステータ又はロータのいずれかの上で、極を作り出すように巻線されており、極密度は、本特許文書に明示されている式によって定義される極密度の範囲内にあり、ポスト高さは、本特許文書に明示されている式によって定義されるポスト高さの範囲内にある。これらの式はそれぞれ、有界領域を定義する。有界領域は電気機械装置の寸法に依存しており、寸法は機械装置の半径によって定義される。有界領域は共に、極密度、ポスト高さ及び機械装置の寸法によって定義された空間内に有界表面を画定する。電気機械装置の半径ごとに、有界リージョンは新規かつ非自明であると本発明者らに考えられている。
【０１１７】
モデル研究及びＦＥＭＭ解析に基づいて、本発明者らは、少なくとも特定の極密度を超えていて、かつ、所与の径のモータに対する指定された導体体積又はポスト高さの場合、１）開示の極密度と導体体積又はポスト高さとを有する電気機械装置は、それ以外は同等な、より低い極密度及び／又はより大きい導体体積を有する機械装置と比べると、所与のトルク又は力に対して増加した熱発生（ひいてはより低い効率）を有するが、対応する効果的な放熱を有しており、２）増加した極密度、及びより小さい導体体積又はポスト高さはまた、それ以外は同等な、より低い極密度及び／又はより大きい導体体積を有する機械装置と比べると、質量を減少させる効果を有し、全体のトルク対質量比（トルク密度）が増加すると、考える。
【０１１８】
電気機械装置のうちのいくつかが、ロボットアームなどのアームに沿って離間配置されているとき、１つの電気機械装置が１つ以上の他の電気機械装置を持ち上げる又は加速させることの必要性に比べて効率はさほど重要でないので、増加したトルク対質量比を有する電気機械装置は特に有用である。本発明者は、開示の極密度と導体体積又はポスト高さとを有する電気機械装置の改善された性能は、１）最も熱い導体からポストまでのより短い熱流経路を有するより狭いスロット及び２）ポストの頂部から放熱面までのより短い熱流経路に少なくとも部分的に起因するものと考える。
【０１１９】
例えば、開示されているそれぞれの電気機械装置の実施形態は、ＫRに関して利益をもたらすと考えられている極密度及びポスト高さの定義の範囲内にある極密度及びポスト高さを有するものとして示されている。
【０１２０】
０．５以上の範囲内の極密度では、例えば、スロットが歯と約同程度の幅になることが珍しくないことを考慮すると、歯幅は、２５ｍｍ幅の機械装置に対して１ｍｍ程度であり得る。より狭い歯を使用することができる。より薄い歯の利点は、これらに限定されないが、鋼又は鉄又は磁性金属合金などの固体材料が、通常のモータ積層体の厚さに歯がより近くなっていることに起因する最小限の渦電流で使用され得ることである。この寸法のモータに対する一般のモータ積層体は、０．０１５”〜０．０２５”の範囲内であり得る。提案された極密度及び歯形状（多数の短いポスト）はまた、第１のキャリア（ステータ）内の渦電流を回避するのにも役立つ。例えば、１４４個のスロットを有する電気機械装置では、渦電流損は、２００ｒｐｍ及び７０Ａ／ｍｍ2において巻線内の合計抵抗損のたった７％になることがわかった。固体（非積層）材料の使用は、強度、剛性及び信頼性において利点を提供する。
【０１２１】
開示された機械装置の実施形態は、分数巻を使用してよい。いくつかの実施形態では、分布巻を使用してもよく、別の実施形態は集中巻を使用する。分布巻は、エンドターンの銅の増加及び出力の減少（より大きいモータが必要となる）に起因してより重くなる。分布巻はまた、流束が、分数巻の場合のように次のポストにではなくて、少なくとも３つのポストに伝わる必要があることから、より厚い背面鉄部も必要とする。分布巻は、より長い導体（エンドターンが間を接続する必要のあるより長い距離の結果）であるため、より多くの熱を発生させる。
【０１２２】
提案された極密度を有する電気機械装置の実施形態は、任意の好適な数のポストを有してよい。最小ポスト数は１００ポストであり得る。大きいポスト数では、ポスト当たりの巻線をより少なくすることができる。非限定的な、例示的な実施形態では、それぞれのポストの巻線は、１層分の厚さしかない（ポストから外側へ、周囲方向に測定される）。これにより、導体がステータポストへと伝導的に熱を放散させるために導体からの熱が伝導する空隙及び／又はポッティング化合物の間隙及び／又はワイヤ絶縁層の数が減少する。これは、熱容量に対して（瞬間的な高電流の事象に対して）及び連続的な動作の冷却に対して利益を有する。導体にじかに接した気体又は液体の冷却材によってコイルを直接的に冷却する場合、高い極密度と組み合わされた、ポスト上のワイヤの少数の周囲方向層、及び例えば単一の周囲方向層により、導体の非常に大きい表面積（導体の体積と比べて）が冷却流体に曝されることになる。これは、導体を冷却することに対して有益であり、開示の小さい導体体積を活用する多くの例示的な方法のうちの１つである。ポスト当たり単一の列（又は少数の列）のコイルはまた、製造の複雑さを低減し、より低いコストの製造を可能にする。別の実施形態では、それぞれのポストの巻線は２層分の厚さである。
【０１２３】
１７５ｍｍ以上の平均空隙の電気機械装置では、スロット数は、軸方向流束電気機械装置に対して６０以上、又は１００以上、例えば例示的な１７５ｍｍ径の実施形態において１０８スロットであってよい。加えて、このような電気機械装置では、ポストの平均半径方向長さ対周囲方向幅は、約８：１など、４：１より上であってよいが、１０：１以上になってもよい。例示的な１０８スロットの実施形態では、この比は約８：１である。このような構成では、放熱が改善されている。より小さい縦横比は、わずかなトルクに対して大量の材料となり得るので、この縦横比は、同時に放熱効果を活用しながら、大きいＫＲ及びロボット工学に有用なトルクを達成するのに役立つ。
【０１２４】
極密度及びポストの高さを定義する式
【０１２５】
ＫＲに関して、又は（更に説明されるように）トルク、トルク対重量比、及びＫｍを組み合わせる重み関数に関してのいずれかにおいて有意な利益をもたらす極ピッチ（又は密度）及び導体体積の範囲は、明らかになっている。重み関数に関しての利益の大きさは、冷却量及び他の要因に依存しているが、この式は、示されているように、利益をもたらす電気機械装置の新規な構造を画定する。これらの利益をもたらす極密度及び導体体積の範囲によって決定される有界リージョンを画定する式が与えられる。
【０１２６】
実施形態では、利点は、機械装置の寸法、極密度及びポスト高さによって画定された相空間のリージョン内で動作することによって得られる。図１７０Ａ〜図１７０Ｆに示されている一連のグラフは、ＯＣＴＡＶＥ（商標）（数値計算を解くためのプログラム）で生成された自動化ソルバを使用したＦＥＭＭソフトウェアを使用して作成及び解析された、例示的な一連のリニアモータセクション形状に対するトルク密度（ｚ軸）対スロット密度（ｘ軸）及びポスト高さ（ｙ軸）を示している。この例では、極密度と同じであることから、スロット密度が使用された。
【０１２７】
以下の法則及び仮定は、シリーズ内の全てのモータに対して適用された。それぞれのセクションは、１４４個の電磁石及び１４６個の永久磁石からなっていた。ロータは、ＮｄＦｅＢ  ５２磁石及びＭ−１９ケイ素鋼のセクションを含んでいた。全ての永久磁石は、その磁界方向がロータに対して接線方向に位置付けられ、かつ、その隣接する永久磁石に対して逆向きになるように、ロータに対して接線方向に配置され、方向付けられた。Ｍ−１９ケイ素鋼セクションは、永久磁石の間に配置された。ステータは、Ｍ−１９ケイ素鋼から作成された。電磁石は、３相構成で集中巻コイルを使用した。スロット面積の７５％からなる、７５％フィルファクタのコイルが仮定された。調査された２つの変数は、ポスト高さ及びスロット密度であった。残りの形状変数は、以下の関係に従ってスケーリングされた。全てのシミュレーションにわたって１．２５インチの一定モデル厚さ、ロータ永久磁石幅は永久磁石ピッチの５０％に設定されている、ロータ永久磁石高さは永久磁石幅の２．３倍に設定されている、ステータスロット幅はステータ電磁石ピッチの５０％である（等しい幅のポスト及びスロット）、ステータ背面鉄部高さはステータポスト幅の５０％に設定されている、０．００５インチの空隙軸方向高さ。
【０１２８】
開示された独特な形状を表す有界リージョンは、好ましい実施形態、即ち、最高のトルク対重量比及びＫＲをもたらすことになる実施形態に対してモデル化されている。ロータ内での等級Ｎ５２  ＮｄＦｅＢ磁石、１４６：１４４のロータ極対ステータポスト比、及び背面鉄部を有する流束集中ロータの選択など、特定の設計選択がこの実施形態において行われてきた。本発明者の知る限りでは、この構成は、依然として合理的な水準の製造可能性及び構造安定性を保持したまま、開示された径のアクチュエータの寸法に対して最も実用的なトルク対重量比構成の１つを表している。異なるロータタイプ（表面永久磁石、埋設永久磁石など）、この限りではないが、セラミック、サマリウムコバルト、及び高温ＮｄＦｅＢを含む異なる磁石材料及び等級、異なるロータ極対ステータポスト比、異なるステータ巻線構成、異なるステータ材料など、他の多くの構成が可能である。多くの場合、これらのパラメータに対する異なる設計選択は、好ましい実施形態と同じ極ピッチ及びポストの高さに対してトルクを減少させるか、又は重量を増加させるといういずれかの結果によって、好ましい実施形態と比較して大きなＫＲ利得を有するものではない。しかしながら、大半の設計では、他の全ての設計変数及び幾何学的関係が一定に維持されているときに、開示されたリージョンの外側にある形状を越えて、開示されたリージョンの内側にある極ピッチ及びポスト高さを使用することにより、ＫＲに対する利益が存在する。この原理は、リニアモータ、軸方向流束回転モータ、半径方向流束回転モータ、台形／トロイダル回転モータ、並びに横方向流束リニア及び回転モータに対し、集中巻設計と分布巻設計の両方に対して有効である。
【０１２９】
それらのモータセクション形状のそれぞれに対して、磁気シミュレーション及び熱シミュレーションが実施された。全ての磁気シミュレーションで、プログラムは、質量、水平力、及び消費電力の値を出力した。システム全体の質量及び消費電力をより正確に予測することを目的として、端部巻線の質量及び消費電力を求めるために、コイル断面の幾何学的外挿が使用された。停動トルク及び低速時のトルクを計算するために、抵抗損の平方根は、消費電力の主要な部分であり、スロット形状に基づいた乗数が、端部巻線の抵抗損を表現する。これらの値は、それぞれのシミュレーションの質量力密度（単位質量当たりの力）及び面積正規化力（空隙の単位面積当たりの力）を計算するために使用された。全ての熱シミュレーションで、プログラムは、コイル温度、ロータ温度及びステータ温度の値を出力した。冷却材としての水及び対流係数７００Ｗ／ｍ2Ｋを使用して、ステータ内側表面に固定の冷却速度が適用された。水の温度は１５℃に設定され、６〜２０ｍｍ／ｓの流量を有した。定常状態が仮定された。
【０１３０】
一定電流密度のシミュレーションでは、固定された電流密度が導体に適用され、結果として生じる力、質量、消費電力、及び最大ステータ温度がプログラムによって計算された。
【０１３１】
一定の温度、面積当たりの力、又は力密度のシミュレーションでは、対象のパラメータが目標値に到達するまで、電流密度はそれぞれの形状点において調整され、目標値に到達すると、他のパラメータの値が記録された。一定の温度、面積当たりの力、及び力密度のシミュレーションに対する目標誤差はそれぞれ、１度、０．００２Ｎ／ｍｍ2、及び１Ｎ／ｋｇである。このデータは、面積正規化力に回転モータの空隙の周囲方向面積を乗じ、この力に径を乗じて、結果として生じるトルクを求めることにより、任意の寸法の回転モータに直接適用することができる。モータの曲率半径、及び曲線状構造を直線状構造で近似することに関連した誤差に起因して、いくらかの小さいずれが生じることになるが、発明者らのシミュレーションでは、回転シミュレーションされたトルクが概して、線形モデルによって予測された値の１０％以内になることが示された。
【０１３２】
高いトルク対重量比はいくつかの用途において有益であるが、高いトルク対重量比のアクチュエータの結果としていかに軽量になり得るとしても、ペイロードを持ち上げ、移動させるために、アームはやはり十分なトルクを有しなければならないロボット工学などの用途には、最低限の水準のトルクが必要になり得る。本特許文書に開示された範囲内にある極密度及び導体体積を有する電気機械装置は、許容可能な消費電力水準において高いトルク及びトルク対重量比を提供する。
【０１３３】
図１７０Ａでは、一定電流密度での面積当たりの力２３２０が、スロットピッチ及びポスト高さの関数としてプロットされている。実質上のシリーズ内の全てのモータに適用された同じ電流による結果として、面積当たりの力は開示された範囲２３２２（破線によって概略的に示されている）内で劇的に低下している。破線は、３Ｄ表面上に投影されたそれぞれの寸法（下に式に関連して記載されるように、２５ｍｍ、５０ｍ、１００ｍｍ及び２００ｍｍ）からの中央境界に対応している。中央境界は、式Ａ２、Ｂ２、Ｃ２及びＤ２の組に対応する。このグラフでは、一定電流密度での面積当たりの力２３２０は、所与の３相入力電力に対する最高トルク回転位置を求めるようにＯＣＴＡＶＥ内のスクリプトを使用してＦＥＭＭで解析された一連のモータに対して示されている。これらのモータは、導体体積及びスロット密度以外はあらゆる点で全く同じであり、導体体積及びスロット密度は、図示されているように変化している。
【０１３４】
図１７０Ｂでは、所与の温度で可能な最高電流密度２３２４が、スロットピッチ及びポスト高さの関数としてプロットされている。開示された範囲２３２２内において指数関数的に高い放熱特性は、所与の温度ではるかに高い電流密度を可能にしている。小さい導体体積は、アクチュエータ重量を減少させる傾向があるが、小さい導体体積はまた、アクチュエータトルクを減少させる傾向もある。しかしながら、導体体積及びスロット密度が開示された範囲内にあるときに、導体からステータの背面まで又は冷却を適用することができる任意の他の表面までの熱流抵抗において劇的な減少が存在しており、その結果、アクチュエータを過熱させることなく、非常に高い電流密度を導体に適用することが可能になっている。
【０１３５】
図１７０Ｂでは、図１７０Ａの場合と同じ一連のモータが使用されているが、それぞれのモータに一定電流密度を適用する代わりに、導体の定常温度が〜７０℃になるまで電流密度を変化させた。典型的な水冷効果の適当な表現が、ステータの外側軸方向表面に対流係数７００Ｗ／ｍ2Ｋで適用された。水の温度は１５℃に設定された。環境温度は１５℃に設定された。水冷された表面が冷却に関して極めて優勢であることから、及びロータが自身から熱を発生させていないことから、簡略化のために、空気対流冷却はロータに適用しなかった。定常状態が仮定された。３Ｄグラフ上のそれぞれのポイントでは、コイルの温度が〜７０℃に到達するまで、モータの電流密度をゼロから増加させた。
【０１３６】
図１７０Ｃは、７０℃の一定温度に対立する（apposed）ものとして６Ａ／ｍｍ２の一定電流を有することを除けば、図１７０Ｄと同じである。このように、短いポストの放熱利益が予期しない利益の開示範囲をいかに与えるかを示している図１７０Ｃは、トルク−重み付け１、トルク対重量比−重み付け３、消費電力−重み付け２の重み付け規則を用いて展開された。アームの重量はアクチュエータの重量によって決定されることから、及びアームの重量は典型的にはペイロードの重量よりも有意に大きくなることから、トルク対重量比は、最も高く重み付けされた。トルクは、考慮すべき重要な点であるが、ペイロードがアームの重量よりもかなり小さいものであり得ることを認識して含められるように、１で重み付けされた。消費電力は、考慮すべき重要な点であるが、トルク対重量比へのより高い重み付けによって達成されるような、より小さいアーム重量から利益を得ることが知られており、そのため、消費電力へのより高い重み付けは潜在的に逆効果であると見なされたことから、消費電力は中程度の重み付けが与えられた。
【０１３７】
一定電流密度を一連のモータに適用し、上記の重み付けで結果を合成することにより、図１７０Ｄの表面２３２８は、スロット（又は極）密度及び導体体積の開示された範囲２３２２に向かって及び同範囲にわたって続けて全体的な性能の低下傾向を示している。図１７０Ｄは、図１７０Ｂから一定温度の電流密度が適用されたときの開示された範囲における利益を示している。
【０１３８】
モータ能力に対する業界標準の測定基準は、基本的にはトルク対消費電力比であるＫＭである。ＫＭは、所与の電力に対して十分な冷却を仮定している。ＫＭは、一定水準のトルクを発生させるために必要な電力量のみを考慮する。スロットピッチ及びポスト高さの関数である
【数８】
2019528666.tif 000010
表面２３３０が、図１７０Ｅにプロットされている。
【０１３９】
図１７０Ｆのスロットピッチ及びポスト高さの関数である
【数９】
2019528666.tif 000011
表面２３３２のグラフに見られるように、トルク対重量対消費電力は、開示された範囲２３２２内で最も予想外かつ劇的な利益を示している。大きいＫRは、動かない用途において大きな利益があるとは限らないが、ロボット工学などの用途においては、ＫRは、システム全体の重量を減少させることによって消費電力の利益を達成することができることを示している。
【０１４０】
【数１０】
2019528666.tif 000012
が極密度及びポスト高さと共にどのように変化するかを示しているグラフを作成する方法は、以下のとおりである。小さい導体体積（小さいポスト高さ）及び低い極密度を有する形状Ａのモータセクションを考える。幾何学的形状Ａを有するモータセクションがシミュレートされ、冷却剤としての水と７００Ｗ／ｍ2Ｋの対流係数を用いて、設定された冷却速度がステータの内面に適用される。水の温度は１５℃に設定され、この水は６〜２０ｍｍ／ｓの流量を有する。定常状態が仮定される。次いで、形状Ａの導体内を通過する電流は、導体の最大温度が７０℃に達するまで増加させられる。次いで、この時点での形状Ａのトルク密度が記録され、対応するポスト高さ及び極密度の値に対してグラフにプロットされる。このプロセスは、例えば、ポスト高さ及び極密度を変化させ、上述のように残りのパラメータをスケーリングすることによって得られた、他の形状に対して繰り返される。例えば、形状Ｂは、ポスト高さを増加させることによって形状Ａから得られてよく、他の全てのパラメータは上述のようにスケーリングされる。形状Ｃは、形状Ａと同じポスト高さを有してよいが、形状Ａよりも大きい極密度を有しなければならない。幾何学的形状Ｄは、幾何学的形状Ａと比較して、ポストの高さが増加し、極密度が増加する可能性がある。トルク密度をプロットすると、グラフ内の表面になる。
【０１４１】
極密度が増加しかつポスト高さが減少すると、トルク密度は増加することがわかる。低いポストの高さ又は高い極密度のいずれかを有する幾何学的形状では、トルク密度のこのような増加は起きないことが示されており、トルク密度の利得は、これらの２つの要因を組み合わせた幾何学的形状に対してのみ観測される。更に、このリージョン内では、効率が低下している。グラフは示された仮定に基づいて作成されたが、発明者は、増加する極密度及び減少する導体体積又はポスト高さの開示された冷却効果及び流束損の減少に基づいて、同じ形状は、シミュレーションで使用されたパラメータの他の値において利益を有することになると完全に予測している。ポスト高さ又は極密度に影響しないモータ設計要素の変更は、利益の損失をもたらすとは予測されていない。例えば、接線方向に配向された永久磁石を有するロータを備えた電気機械と、表面実装された永久磁石を有するロータを備えた類似の電気機械は、幾分異なる
【数１１】
2019528666.tif 000013
表面を有していてもよく、それにもかかわらず、上記の原理は依然として適用され、以前に記載された低いポストの高さ及び高い極密度の幾何学的形状の領域内での利得が依然として予測される。現在理解されているように、原理は、軸方向流束及び半径方向流束機械装置など、ポストを有する電気機械装置に対してのみ当てはまる。
【０１４２】
開示された式及びグラフでは、パラメータ
【数１２】
2019528666.tif 000014
は、寸法に依存しないものであり、トルクの代わりに力を使用するように、及び周囲方向長さと軸方向長さの両方から独立するように、従来のＫRから変換されたものである。したがって、任意の寸法のモータの従来のＫRは、
【数１３】
2019528666.tif 000015
値から求めることができる。また、同じ寸法（空隙位置の径及び軸方向長さ）だが異なる形状（即ち、極密度及び／又はポスト高さ）の２つのモータでは、倍率は同じになり、そのため、より高い
【数１４】
2019528666.tif 000016
を有するモータは、より高い従来のＫRを有することになる。
【０１４３】
極密度及びポスト高さの関数である
【数１５】
2019528666.tif 000017
は、従来のＫＲを示しているグラフの表面とよく似ている。しかしながら、トルク密度に対応している、この特定の表面は、解析において異なる温度が拘束として使用されると、大幅に変化し得る。これに対して、
【数１６】
2019528666.tif 000018
は実質的に変化しない（ただし、一連のモータが飽和し始めるのに電流が十分に大きくならない場合、次いで、３Ｄ曲線形状が変化する）。したがって、
【数１７】
2019528666.tif 000019
は、前述の利益をもたらす極密度及びポスト高さの特定の範囲を画定するために使用されるものである。
【０１４４】
開示された利益の範囲は、空隙位置での結果として得られたモータ径に依存する。より小さいモータは、モータの物理的な寸法が、より低いスロット密度の使用を不可能にするため、より制約の厳しいものとなる。２００ｍｍ以上、１００ｍｍ以上、５０ｍｍ以上、及び２５ｍｍ以上に対応して、４つの別個のモータ径範囲を定義した。それぞれの径範囲に対して、３つの水準の
【数１８】
2019528666.tif 000020
を記載する。その特定の径範囲に対して、第１は
【数１９】
2019528666.tif 000021
に対する小さい利益が始まる位置に対応し、第２は中程度の
【数２０】
2019528666.tif 000022
の利益に対応し、第３は大きい
【数２１】
2019528666.tif 000023
の利益に対応する。より大きい
【数２２】
2019528666.tif 000024
値は一般に、そのモータ寸法範囲に対するより小さい全体トルク値に対応する。
【０１４５】
これらの開示されたモータ寸法（２５ｍｍ〜２００ｍｍ径以上）は、小型モータから大型モータまでを表している。シミュレーションで使用された０．００５インチの空隙は、この範囲のモータに対する最小の合理的な空隙寸法であると考えられる。より小さい空隙は、製作公差、軸受精度、構成要素のたわみ、及び熱膨張に起因して、このモータ範囲に対して実用的ではない。
【０１４６】
上の式における係数は、対象のリージョンを画定し、結果として生じる関係がほぼ連続になるように選択された。
【０１４７】
分析では、比率が４０：６０〜６０：４０の間のとき、最大の利得が得られることが示されているため、これらのシミュレーションでは５０：５０のポスト：スロット幅比を選択した。５０：５０の比率は、典型的な最良のシナリオを表す。固定されたポストの高さで、１０：９０のスロットを使用して：ポストの幅比は、比較によって著しく低下した性能を有する。解析は、一定ポスト高さにおいて、実施形態が、５０％スロット幅で最大のトルク及びトルク密度を、及び４０％スロット幅で最大のＫｍ及びＫｒを呈することを示している。ただし、Ｋｍ及びＫｒの最大値は、５０：５０の幾何学的形状で付与された値の５％以内であり、その結果として、５０：５０の比率は、シミュレーションのスケーリングパラメータの合理的な選択と見なされた。ポストの他の比率スロット幅は、開示された利得の一部を付与する。
【０１４８】
様々な実施形態に対し、ＫＲに関して、又はトルク、トルク対重量比、及びＫｍを組み合わせる重み関数に関してのいずれかで有意な利益をもたらす極密度及び導体体積の範囲を示す式及びグラフについて以下に論じる。前述の式の場合と同様に、重み関数に関する利益のリージョンは、冷却量に依存する。
【０１４９】
電気機械装置の寸法は、本明細書に定義されているように軸方向流束機械装置若しくは半径方向流束機械装置の空隙径を意味するか、又は線形機械装置のキャリアの並進方向の長さを意味する。
【０１５０】
第１の有界リージョンは、ドメイン内の残りの形状に対して有意なＫRの利益が見出されるリージョンに対応する。所与の装置寸法に対して、ＫRは、形状の開示された範囲内においてその範囲の外側のどの場所でよりも高い値を有しており、これらの形状の装置を使用する特定の用途での全体的なシステムの効率性に対する潜在的な利益を示している。
【数２３】
2019528666.tif 000025
のグラフは、指定された
【数２４】
2019528666.tif 000026
値において水平面を全体にわたって配置することによって境界を定義するために使用される。
【数２５】
2019528666.tif 000027
の４つの値は、２００ｍｍ以上、１００ｍｍ以上、５０ｍｍ以上、及び２５ｍｍ以上の寸法に対応している４つの異なるアクチュエータ寸法範囲に対して利益の領域を定義するために使用される。
【０１５１】
以下の表では、極ピッチは変数Ｓによってｍｍ単位で表される。ポストの高さもミリメートルで表される。
【０１５２】
２５ｍｍ寸法の機械装置では、
【数２６】
2019528666.tif 000028
の境界線は、表１に示されている値によって定義されており、対応するグラフは図１８０である。
【表１】
2019528666.tif 000029
【０１５３】
２５ｍｍ寸法の機械装置では、
【数２７】
2019528666.tif 000030
の境界線は、表２に示されている値によって定義されており、対応するグラフは図１８１である。
【表２】
2019528666.tif 000031
【０１５４】
２５ｍｍ寸法の機械装置では、
【数２８】
2019528666.tif 000032
の境界線は、表３に示されている値によって定義されており、対応するグラフは図１８２である。
【表３】
2019528666.tif 000033
【０１５５】
５０ｍｍ寸法の機械装置では、
【数２９】
2019528666.tif 000034
の境界線は、表４の値によって定義されており、対応するグラフは図１７７である。
【０１５６】
【表４】
2019528666.tif 000035
【０１５７】
５０ｍｍ寸法の機械装置では、
【数３０】
2019528666.tif 000036
の境界線は、表５の値によって定義されており、対応するグラフは図１７８である。
【表５】
2019528666.tif 000037
【０１５８】
５０ｍｍ寸法の機械装置では、
【数３１】
2019528666.tif 000038
の境界線は、表６の値によって定義されており、対応するグラフは図１７９である。
【表６】
2019528666.tif 000039
【０１５９】
１００ｍｍ寸法の機械装置では、
【数３２】
2019528666.tif 000040
の境界線は、表７の値によって定義されており、対応するグラフは図１７４である。
【表７】
2019528666.tif 000041
【０１６０】
１００ｍｍ寸法の機械装置では、
【数３３】
2019528666.tif 000042
の境界線は、表８の値によって定義されており、対応するグラフは図１７５である。
【表８】
2019528666.tif 000043
【０１６１】
１００ｍｍ寸法の機械装置では、
【数３４】
2019528666.tif 000044
の境界線は、表９の値によって定義されており、対応するグラフは図１７６である。
【表９】
2019528666.tif 000045
【０１６２】
２００ｍｍ寸法の機械装置では、
【数３５】
2019528666.tif 000046
の境界線は、表１０の値によって定義されており、対応するグラフは図１７１である。
【表１０】
2019528666.tif 000047
【０１６３】
２００ｍｍ寸法の機械装置では、
【数３６】
2019528666.tif 000048
の境界線は、表１１の値によって定義されており、対応するグラフは図１７２である。
【表１１】
2019528666.tif 000049
【０１６４】
２００ｍｍ寸法の機械装置では、
【数３７】
2019528666.tif 000050
の境界線は、表１２の値によって定義されており、対応するグラフは図１７３である。
【表１２】
2019528666.tif 000051
【０１６５】
それぞれの機械装置寸法において、それぞれの境界線は、所与のＫ”値に対して定義されており、その結果、それぞれの機械装置寸法に対して、Ｋ”値の組及び対応する境界線の組が存在する。境界線の対が選択され得、この境界線の対では、１つの境界線が２つの連続した装置の寸法、即ち、２５ｍｍ及び５０ｍｍ、５０ｍｍ及び１００ｍｍ、又は１００ｍｍ及び２００ｍｍのそれぞれから選択される。境界線は、寸法、極ピッチ及びポスト高さによって画定された空間又は体積を占める。境界表面は、第１の境界線内の任意のポイント及び第２の境界線内の任意のポイントを接続する全ての線の和集合の外面である２次元の連続した表面として空間内に定義されてよい。境界表面は利益空間を取り囲む。それぞれの境界線の対に対して、境界表面は利益空間を画定する。所与の利益空間内にある寸法、極ピッチ及びポスト高さを有する電気機械装置は、その機械装置寸法の対応する境界線によって定義されている実施形態の範囲に含まれると考えられる。
【０１６６】
最大計算寸法よりも大きい機械装置寸法には、最大計算寸法に対して計算された境界線が使用される。したがって、最大計算寸法を超えている利益空間は、単に、その寸法に対する計算された境界線によって画定されている表面、及びより大きい寸法に対応しているが表面上のポイントに等しい極ピッチ及びポスト高さを有するポイントの体積である。
【０１６７】
電気機械装置の主要構成要素は、電磁要素のアレイを有する第１のキャリア（ロータ、ステータ、又は線形機械装置の部品）と、磁極を画定している電磁要素を有する第２のキャリアと、を含み、第２のキャリアは、例えば軸受によって、第１のキャリアに対して相対的に移動するように配置されており、軸受は磁気軸受であってよい。移動は、第１のキャリア及び第２のキャリアの電磁要素により生成された磁束の相互作用によって（モータ実施形態）又は外部源によって起きてよく、外部源の場合は、移動により、電気機械装置の巻線に起電力が生じる（ジェネレータ実施形態）。空隙は、第１のキャリアと第２のキャリアとの間に設けられる。第１のキャリアの電磁要素は、ポスト間にスロットを有するポストと、各スロット内の１つ以上の導電体とを含み、第１のキャリアのポストは、ｍｍでのポストの高さを有する。第１のキャリア及び第２のキャリアは、電気機械のサイズを一緒に画定する。磁極の極ピッチはｍｍ単位である。モータのサイズ、極ピッチ及びポストの高さは、サイズ、極ピッチ、及びポストの高さによって画定された空間の領域内に含まれるように選択される。リージョンは、１）ａ）電気機械装置の第１の寸法に対する第１の不等式の組によって画定される第１の表面、ｂ）電気機械装置の第２の寸法に対する第２の不等式の組によって画定される第２の表面、及びｃ）第１の表面上にある第１の端部ポイントと第２の表面上にある第２の端部ポイントとを有する線分上に存在する全てのポイントを含むものとして定義されている集合の和集合、又は２）不等式の組によって画定される表面、及びより大きい寸法に対応しているが、表面上のポイントに対応している極ピッチ及びポスト高さを有する、全てのポイントによって画定される。
【０１６８】
第１の不等式の組及び第２の不等式の組はそれぞれ、不等式の組Ａ及びＢ、又はＢ及びＣ、又はＣ及びＤであり、Ａは表１、表２及び表３（それぞれ、不等式の組Ａ１、Ａ２及びＡ３）に記載されている式からなる不等式の組の群から選択され、Ｂは表４、表５及び表６（それぞれ、不等式の組Ｂ１、Ｂ２及びＢ３）に記載されている式からなる不等式の組の群から選択され、Ｃは表７、表８及び表９（それぞれ、不等式の組Ｃ１、Ｃ２及びＣ３）に記載されている式からなる不等式の組の群から選択され、Ｄは表１０、表１１及び表１２（それぞれ、不等式の組Ｄ１、Ｄ２及びＤ３）に記載されている不等式からなる不等式の組の群から選択されている。
【０１６９】
電気機械装置が特徴付けられている空間は、隣り合う寸法に対する不等式の組によって定義された任意の不等式の対、例えば、Ａ１  Ｂ１、Ａ１  Ｂ２、Ａ１  Ｂ３、Ａ２  Ｂ１、Ａ２  Ｂ２、Ａ２  Ｂ３、Ａ３  Ｂ１、Ａ３  Ｂ２、Ａ３  Ｂ３、Ｂ１  Ｃ１、Ｂ１  Ｃ２、Ｂ１  Ｃ３、Ｂ２  Ｃ１、Ｂ２  Ｃ２、Ｂ２  Ｃ３、Ｂ３  Ｃ１、Ｂ３  Ｃ２、Ｂ３  Ｃ３、Ｃ１  Ｄ１、Ｃ１  Ｄ２、Ｃ１  Ｄ３、Ｃ２  Ｄ１、Ｃ２  Ｄ２、Ｃ２  Ｄ３、Ｃ３  Ｄ１、Ｃ３  Ｄ２、Ｃ３  Ｄ３によって形成されてよい。この空間はまた、任意の不等式の組、及びより大きい寸法に対応しているが、不等式の組によって画定されたリージョン内のポスト高さ及び極ピッチを有する、全てのポイントによって形成されてもよい。
【０１７０】
本願に記載されている装置の全ては、これらの式によって画定されたリージョン及び空間の範囲に含まれている寸法、極ピッチ及びポスト高さを有してよい。
【０１７１】
０．００５”の空隙を使用し、かつＮ５２磁石を使用した、図１〜図５に表されている実施形態の幾何学的形状のシミュレーションでは、シミュレーションにより、その寸法の利益範囲内である１．５３ＮＭ／ＫＧ／ＷのＫＲ”がもたらされる。図１２８〜図１２９に示されている実施形態の幾何学的形状のシミュレーションは、同じくその寸法の利益範囲である２．１３Ｎｍ／ｋｇ／ＷのＫＲ”をもたらした。
【０１７２】
増幅型磁気ロータ
電気モータは、磁気的に相互作用する電磁要素からなる２つのキャリアを備え、一方のキャリアを他方に対して駆動する。永久磁石電動モータでは、永久磁石が磁束を生成する。永久磁石は、鉄などの磁性材料からなるポストと共に使用することで、ポストを磁化し、磁束を増幅することができる。ポストは、両方とも北極面をポストに向けた状態で磁化されている、又は両方とも南極面をポストに向けた状態で磁化されている２つの磁石の間に挟まれ得る。永久磁石の流束を増幅するためのポスト及び磁石のこの配置は、本文書では「集中流束」と称される。大量の磁束がキャリア間の空隙を横切り、他のキャリアの電磁要素と相互作用することが望ましい。
【０１７３】
ポストは、それらを支持するための支持構造体を必要とする。構造の強度及び容易性のため、ポスト及び支持構造を単一片の材料として一緒に構築することが望ましい。ポストを連結させる材料の部分は、「端部鉄部」と称される。ただし、端部鉄部は、流束が空隙に入ることなく磁石の一方の極から他方の極へ回ることができるよう、図２１５〜図２１６中の曲線矢印で示されている鎖交磁束経路４１３４を提供する。
【０１７４】
例えば、図１４４のＯＤ及びＩＤ上の全てのロータポスト又は全ての２番目のロータポストの端部に示すような流束レジスタは、隣接するポスト間の鎖交磁束を低減させ、それによって出力トルクを増大させる。流束レジスタは、ポスト又は端部鉄部のいずれかの断面の下方にある空洞又は間隙であり、その場所が、北側ロータポストと南側ロータポストとの間の縮小された流束経路断面積の領域となるようにする。流束経路を完全に分断する間隙で、間隙内の材料が空気、真空などの非磁気である場合、いくつかの磁場線は間隙を横切ることになるが、間隙における流束経路の断面は、ゼロと見なされ得る（即ち、流束経路断面は、流束経路内の軟磁性材料の断面として定義される）。
【０１７５】
ただし、流束レジスタはまた、電磁キャリアの強度及び構造の容易さを低減させる。
【０１７６】
図２１５及び図２１６に示されている例は、そのページと平行に示された２次元の磁石４１３０を囲む磁気感受性材料からなる構造体４１４０内に支持されている永久磁石４１３０を有する、電磁キャリア４１４４、典型的にはロータを示している。磁気感受性材料は、単一片で形成することができるが、ポスト４１２０と称される磁石間の部分と、ポスト間を連結する、端部鉄部４１４２と称される磁石４１３９及びポスト４１２０の上下部分（上下は、実際の空間内ではなく、ページ上の方向を指す）と、で形成されるものとして概念化され得る。磁石は、ページ上の横方向に方向付けられた極４１３２を有し、この方向は、軸方向又は半径方向流束モータでの周囲方向又はリニアモータでの運動方向に対応する。電磁石を有する別の電磁キャリアから電磁キャリアを分離する空隙が存在するが、空隙はページと平行になるため、これらの図には表示されない。図２１５及び図２１６は、電気モータの他方のキャリアを除去した、一部を切り取った図を示すものと考えてよく、図は、他方のキャリアが存在する場合に、キャリア間の空隙を横切るものからの眺めになる。
【０１７７】
図２１５及び図２１６の例示は、軸方向又は半径方向流束モータ、又はそれらの「直線化された」線形等価物を表し得る。軸方向流束モータの場合、図２１５及び図２１６中のページ上の「上」は半径方向を表し、ページ上の横方向は周囲方向を表している。半径方向流束モータの場合、ページ上の「上」は軸方向を表し、ページ上の横方向は周囲方向を表している。
【０１７８】
本開示では、以下の用語が使用される。要素の幅は、回転モータの周囲方向及びリニアモータの走行方向の要素の寸法である。図２１５及び図２１６において、幅は、横方向として表されている。要素の奥行きは、電気モータの電磁キャリア間の空隙に対して垂直な方向にある要素の寸法である。図２１５及び図２１６では、奥行きは、ページに対して垂直な方向によって表されている。要素の長さは、幅及び奥行きに対して垂直な方向の要素の寸法である。図２１５及び図２１６では、長さは、上／下方向によって表されている。
【０１７９】
図２１５に示すように、低アスペクト比を用いる場合、いくつかのタイプの流束レジスタが存在しない限り、高い割合の磁束が、実線矢印４１３４によって示されている流束経路に沿ってＮ極から隣接するＳ極に連結することになる。対照的に、図２１６に示すように、高アスペクト比が使用されている場合、ポストはすでに非常に高い流束密度にあり、そのため、モータの空隙を横切るライニングは、ポストの半径方向端部（軸方向流束の例において）の周りの流束経路４１３４よりも低い磁気抵抗の流束経路となることから、磁石の中心面からの流束は、ポスト端部における連結を制限される。これにより、磁石の半径方向の長さと周囲方向の幅（軸方向流束機械装置の例において）との間のアスペクト比が十分に高い場合、高トルクを得るための流束レジスタの必要性が低減する。
【０１８０】
本装置の実施形態は、永久磁石の最大流束密度と比較したロータポストにおける流束密度の増大と、限定するものではないが、軸方向モータ又は半径方向モータ又はリニアモータなどの電気機械装置内に空隙を維持するために必要な高い構造強度及び剛性と、を提供する。
【０１８１】
磁気深さ１／４”を伴う接線方向の磁石幅（及び鉄ポスト幅１／１６”及び半径方向の磁石長さ１”は、ロータポストの端部に流束レジスタを使用することにより、わずか１０〜１５％のトルクの増加をもたらすことが、シミュレーションによって示されている。流束レジスタは、余分の加工時間を必要とし、また、ロータの強度及び剛性を低減させる。この理由から、高アスペクト比の磁石を使用して、流束レジスタの必要性を低減させる又は排除することが、いくつかの用途において有益であり得る。
【０１８２】
それぞれのポストは、２つの磁石と幅方向に隣接し、両方の磁石の北極又は両方の磁石の南極に対向して、磁石からポストに正味磁束を提供する。ポストは磁性材料で作製されるため、この磁束は、ポストが、飽和として知られる実質的に完全に磁化された状態になる限界まで、ポスト自体の磁化によって増幅される。
【０１８３】
隣接する磁石からそれぞれのポストに入り、（２つの磁石が同一ポストに流束を提供する結果として、ポストの幅より大きい磁石の奥行きにより）ポスト内で増幅される大量の正味磁束が、他方のキャリアの電磁石と相互作用するために奥行き方向に空隙を横断することが好ましい。図２１５及び図２１６に示すように、端部鉄部を介した鎖交磁束は、他のポストを越え、ゆえに空隙に入らないように、磁束の一部を先導する。
【０１８４】
図２１５及び図２１６に示すように、鎖交磁束経路は、経路内の磁場が実質的に飽和未満である場合、流束の非常に大きい部分の向きを変える傾向がある。端部鉄部を介したポストから（fom）ポストへの流束経路の磁気抵抗が低いほど、空隙を横断する高磁気抵抗経路を取る流束の量が少なくなる。これに対処するために、本発明者らは、流束レジスタ、即ち鎖交磁束経路の部分に非常に小さい全断面を有しさせる空洞又は制限部を予め使用している。非常に薄い端部鉄部４１４２を使用することは、流束経路の部分に小断面を有しさせるために使用し得る別のアプローチである。鎖交磁束経路の小断面部分内の材料は、全磁束よりも低い磁束で飽和され、その結果、飽和磁束を超える追加磁束は、鎖交磁束経路をたどる傾向が低下する。
【０１８５】
構成要素のアスペクト比を変更することにより、鎖交磁束経路４１３４にいずれの空洞又は制限部も有しない場合でも、また、厚い端部鉄部４１４２を有する場合でも、全流束は、鎖交磁束経路を介した飽和流束を大幅に超えることができ、その結果、流束の大部分は、鎖交磁束経路を介するのではなく、空隙を横断することを発見した。
【０１８６】
流束レジスタの使用を回避し、厚い端部鉄部を使用することにより、構造が容易化され、より高い強度が得られる。
【０１８７】
図２１６に示すように、流束レジスタがなく、厚い又はポストより厚い端部鉄部を使用する実施形態では、鎖交磁束経路の断面は、ポストの奥行きと幅とを乗じたものに比例する。磁石が奥行きに比例して拡大するものと仮定すると、全磁束はまた、奥行きと共に増大する。全磁束はまた、磁石の長さと共に拡大する。したがって、鎖交磁束経路の全磁束対飽和流束の高比率は、高い磁石長さ対ポスト幅比を有することによって得られ得る。図２１６に示すような設計では、ポストは、永久磁石を収容する孔の間にある、ポスト及び端部鉄部を形成する材料片の部分である。したがって、この設計の磁石の長さは、ポストの長さを超えることはできない。したがって、この長さ対幅比について別の言い方をすると、高いポスト長さ対ポスト幅比は、鎖交磁束経路の飽和流束に対して高い全流束を生成するための磁石の収容を可能にする。いくつかの実施形態では、ポスト幅及び磁石幅が同様であってよい。かかる実施形態では、高い磁石長さ対幅比は、鎖交磁束経路の飽和流束に対して高い全流束を提供することになる。
【０１８８】
図２１５及び図２１６に示されている磁石は、ポスト間の間隙の全長を延長させる。これにより、所与のポスト長分の全磁束が最大化される。ただし、端部鉄部に隣接する磁石の長さ方向の先端は、ポストに入ることなく端部鉄部を介する鎖交磁束を形成する磁場を生み出し得る。したがって、間隙の全長を延長させない短い磁石を使用すると、空隙に入る流束がごくわずかに低減され得る。
上述の図１６２は、高アスペクト比の磁石を備えるリニアモータの例示的実施形態を示している。この実施形態は、ロータの両側に電磁石を有するステータ３３３０内を移動するように構成された移動キャリア３３００（本明細書ではロータとして記載する）を使用している。この実施形態のロータ３３００は、ロータ３３００の両側にあるステータ要素と相互作用するため、磁石３３０２の２つのアレイで形成される。永久磁石は、線形方向に交互の極性であり、ロータの他方の側にある反対側の磁石と同じ極性であってもよく、ロータの他方の側にある反対側の磁石とは反対の極性であってもよい。これらは、ロータポスト３３０４を介して頂部から底部の磁石への鎖交磁束を低減させる直接相対する磁石と同じ極性であることが好ましい。本実施形態では、永久磁石封止部を使用して、磁石をスロット内の正確な場所に位置付ける。
【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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【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１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【図６５】
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【図６６】
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【図６７】
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【図６８】
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【図６９】
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【図７０】
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【図７１】
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【図７２】
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【図７３】
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【図７４】
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【図７５】
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【図７６】
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【図７７】
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【図７８】
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【図７９】
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【図８０】
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【図８１】
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【図８２】
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【図８３】
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【図８４】
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【図８５】
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【図８６】
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【図８７】
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【図８８】
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【図８９】
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【図９０】
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【図９１】
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【図９２】
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【図９３】
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【図９４】
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【図９５】
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【図９６】
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【図９７】
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【図９８】
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【図９９】
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【図１００】
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【図１０１】
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【図１０２】
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【図１０３】
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【図１０４】
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【図１０５】
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【図１０６】
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【図１０７】
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【図１０８】
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【図１０９】
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【図１１０】
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【図１１１Ａ】
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【図１１１Ｂ】
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【図１１２】
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【図１１３】
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【図１１４】
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【図１１５】
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【図１１６】
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【図１１７】
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【図１１８】
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【図１１９】
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【図１２０】
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【図１２１】
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【図１２２】
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【図１２３】
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【図１２４】
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【図１２５】
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【図１２６】
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【図１２７】
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【図１２８】
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【図１２９】
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【図１３０】
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【図１３１】
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【図１３２】
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【図１３３】
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【図１３４】
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【図１３５】
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【図１３６】
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【図１３７】
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【図１３８】
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【図１３９】
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【図１４０】
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【図１４０Ａ】
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【図１４０Ｂ】
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【図１４０Ｃ】
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【図１４１】
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【図１４２】
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【図１４３】
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【図１４４】
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【図１４５】
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【図１４６】
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【図１４７】
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【図１４８】
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【図１４９】
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【図１５０】
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【図１５１】
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【図１５２】
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【図１５３】
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【図１５４】
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【図１５５】
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【図１５６】
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【図１５７】
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【図１５８】
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【図１５９】
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【図１６０】
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【図１６１】
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【図１６２】
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【図１６３】
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【図１６４】
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【図１６５】
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【図１６６Ａ】
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【図１６６Ｂ】
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【図１６７】
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【図１６８】
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【図１６９】
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【図１７０Ａ】
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【図１７０Ｂ】
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【図１７０Ｃ】
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【図１７０Ｄ】
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【図１７０Ｅ】
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【図１７０Ｆ】
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【図１７１】
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【図１７２】
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【図１７３】
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【図１７４】
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【図１７５】
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【図１７６】
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【図１７７】
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【図１７８】
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【図１７９】
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【図１８０】
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【図１８１】
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【図１８２】
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【図１８３】
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【図１８４】
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【図１８５】
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【図１８６】
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【図１８７】
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【図１８８】
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【図１８９】
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【図１９０】
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【図１９１】
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【図１９２】
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【図１９３Ａ】
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【図１９３Ｂ】
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【図１９４】
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【図１９５】
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【図１９６】
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【図１９７】
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【図１９８】
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【図１９９Ａ】
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【図１９９Ｂ】
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【図２００】
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【図２０１】
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【図２０２】
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【図２０３】
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【図２０４】
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【図２０５】
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【図２０６】
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【図２０７】
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【図２０８】
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【図２０９】
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【図２１０】
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【図２１１】
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【図２１２】
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【図２１３】
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【図２１４】
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【図２１５】
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【図２１６】
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【図２１７】
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【図２１８】
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【図２１９】
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【図２２０】
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【図２２１】
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【図２２２】
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【図２２３】
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【図２２４】
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【図２２５】
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【図２２６】
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【国際調査報告】
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