(57)【要約】  固定子は被覆導体層を含む。被覆は、絶縁用であり、隣接する導体層との電気的隔離を行う。被覆導体の多重層は固定子コアを形成し、固定子には固定子コアをサンドイッチ状に挟み込む磁石アセンブリが含まれる。導体層は、磁石アセンブリの面に直交する方向に積み重ねられる。導体層の断面は矩形をしている。【選択図】図１２Ａ
2019517771.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子中心の周囲に放射状パターンで第１の平面に磁石を有する磁石アセンブリと、
前記磁石アセンブリに隣接し、被覆導体の多重層のスタックを有する固定子コアであって、前記導体が矩形の断面を有し、絶縁性被覆が前記導体に化学的に結合されている、前記固定子コアと、を備えた固定子アセンブリ。
【請求項２】
前記矩形の断面が、前記固定子中心に近い位置での小さな面積から、前記固定子中心から離れた位置でのより大きな面積に変わる、請求項１の固定子アセンブリ。 
【請求項３】
前記導体はパターン化されたシート金属からなる、請求項１の固定子アセンブリ。
【請求項４】
前記導体はアルミニウムからなり、前記被覆がサファイアからなる、請求項１の固定子アセンブリ。
【請求項５】
導体は銅からなり、前記被覆はダイヤモンドからなる、請求項１の固定子アセンブリ。
【請求項６】
導体の層は複数のスポークを含み、スポークは前記固定子中心近傍でその層の隣接するスポークに電気的に結合され、固定子外側エッジ近傍でその層の隣接する別のスポークに電気的に結合されている、請求項１の固定子アセンブリ。
【請求項７】
固定子は被覆導体の多重層の複数のスタックを有する、請求項６の固定子アセンブリ。
【請求項８】
前記複数のスタックは、第１のスタックが第２のスタックと入れ子になるように構成され、第１のスタックのスポークが、第２のスタックのスポークと隣接すると共に実質的に同一平面上で交互配置されている、請求項７の固定子アセンブリ。
【請求項９】
前記複数のスタックは、第１の相を有する第１のスタックと、前記第１の相と異なる第２の相を有する第２のスタックとを備える、請求項７の固定子アセンブリ。
【請求項１０】
前記スポークは、第１及び第２の磁石アセンブリの磁極の動きに直交するように配置された複数の並行電流路を含む、請求項６の固定子アセンブリ。
【請求項１１】
前記スポークの複数の並行電流路は、前記固定子中心近傍で電気的に結合するように単一の電流路に合流し、固定子外側エッジ近傍で電気的に結合するように単一の電流路に合流する、請求項１０の固定子アセンブリ。
【請求項１２】
前記導体の多重層は、蛇行形状で互いに折り重なり合う金属コイルからなる、請求項６の固定子アセンブリ。
【請求項１３】
前記導体の少なくとも２つの層が並列に接続されている、請求項１の固定子アセンブリ。
【請求項１４】
前記導体の少なくとも２つの層が直列に接続されている、請求項１の固定子アセンブリ。
【請求項１５】
前記磁石アセンブリは、第１の磁石アセンブリを備え、
前記固定子中心の周囲に放射状パターンで前記第１の平面と平行な第２の平面に磁石を有する第２の磁石アセンブリを更に備え、
前記固定子コアは、前記第１及び第２の磁石アセンブリの間にある、請求項１の固定子アセンブリ。
【請求項１６】
モータハウジングと、回転子と、シャフトと、固定子アセンブリと、を備え、
前記固定子アセンブリは、
固定子中心の周囲に放射状パターンで第１の平面に磁石を有する第１の磁石アセンブリと、
前記固定子中心の周囲に放射状パターンで前記第１の平面と平行な第２の平面に磁石を有する第２の磁石アセンブリと、
前記第１の磁石アセンブリと前記第２の磁石アセンブリの間にあり、被覆導体の多重層のスタックを有する固定子コアであって、前記導体が矩形の断面を有し、絶縁性被覆が前記導体に化学的に結合されている、前記固定子コアと、を備えたモータアセンブリ。
【請求項１７】
導体の層は複数のスポークを含み、スポークは前記固定子中心近傍でその層の隣接するスポークに電気的に結合され、固定子外側エッジ近傍でその層の隣接する別のスポークに電気的に結合されており、
前記導体はアルミニウムからなり、前記被覆はサファイアからなる、請求項１６のモータアセンブリ。
【請求項１８】
前記モータアセンブリはリニアモータからなる、請求項１６のモータアセンブリ。
【請求項１９】
前記固定子アセンブリを前記シャフトに連結するための機械的取付部を更に備え、前記回転子は前記シャフトの周りを自由回転し、前記固定子コアの隣接する層が前記固定子中心近傍で互いに接続する、請求項１６のモータアセンブリ。
【請求項２０】
前記モータアセンブリはインホイールモータのモータからなる、請求項１９のモータアセンブリ。
【請求項２１】
前記固定子アセンブリを前記モータハウジングに連結するための機械的取付部を更に備え、前記回転子は前記シャフトに固定され、前記固定子コアの隣接する層が固定子外側エッジ近傍で互いに接続する、請求項１６のモータアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権
この出願書類では、合衆国法典第３５巻（３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．）§３６５（ｃ）に基づき、２０１７年６月２日に申請された、「被覆導体のスタックを使用した固定子アセンブリ」の表題の付いた、米国特許出願番号１５／６１２，８８６に優先権を主張する。この出願書類では、その出願書類の優先権の利益を主張する。そして、その米国特許出願は、２０１６年６月７日に申請された米国仮出願番号６２／３４６，８９８に基づいた非仮出願である。この出願書類では、その出願書類の優先権の利益を主張する。
【０００２】
説明は、概してモータに関連するが、さらに詳しい説明は固定子に関連する。
【０００３】
著作権表示/許可
この特許文書の公開の一部には著作権保護の対象となる材料が含まれている場合がある。著作権所有者は、誰かによる特許文書の複製または特許の公開に対して、それが特許・商標オフィスの特許ファイルまたは記録に記載されているのであれば、異議を唱えることはできないが、そうでない場合、どんなものであってもすべての著作権の権利を保有する。著作権表示は、以下に述べられるすべてのデータに、かつこれに付随する図面上においても、ならびに以下に述べられるすべてのソフトウェアについても適用される。著作権２０１６，２０１７，Ｓａｐｐｈｉｒｅ Ｍｏｔｏｒｓ、無断複写・転載を禁じる。 
【背景技術】
【０００４】
電気モータは、小型電化製品および電子装置からポンプ用および工場用の大型モータまでの範囲に渡る装置に使用されている。モータは、世界で最も大きな電気消費物の１つであるが、従来、非常に非効率的あるかまたは非常に高価であるかのどちらかである。モータのエネルギー効率とは、どれほど多くの電気エネルギー入力が、モータによる作業出力に変換されるかということである。家庭における小型電化製品のモータの効率は、従来、５０％よりわずかに優れている。ポンプおよび工場用の大型モータの効率は、９０％を超えているが非常に高価である。リニアモータは機器を高速で移動させ、1本の軸に沿って作動させるが、ロータリーモータはシャフトを回転させ、速度をトルクと交換するために多くの場合ギアが取り付けられる。 
【０００５】
従来のモータでは、固定子を作り出すために鋼鉄の周囲に巻かれたマグネットワイヤを使用する。マグネットワイヤは、基本的に、銅、アルミニウムなどの金属の導体の上を薄く絶縁体で覆われたものであり、制御可能な電磁石を生み出す。基本的に、固定子にはさまざまな磁気アレイが含まれる。巻線は、機械的またはデジタルで、磁気アレイの磁界を揃えるように切り替えることができるが、そこで固定子は、磁束の変化の時間を調整することによって電動力を生み出す。 
【０００６】
従来のモータ内では、固定子は、大抵、導体の利用可能な量に関連した最大電流能力を可能にするために、通常薄い、紙、エナメルまたはポリイミド薄膜のようなプラスチックによって絶縁された多重巻線で構成される。巻線間の短絡を防止するために絶縁体を厚くすると、巻線に利用できる固定量で極内の利用可能な導体の量を減少させ、かつ固定子巻線の抵抗を増加させる。モータの効率は、損失が減少するにつれて増加するが、モータの損失は、「電流の２乗×抵抗」に比例して増加する。したがって、巻線抵抗の増加はモータの効率を減少させる。また、従来の磁気ワイヤ用誘電体またはワイヤ被覆は、良好な断熱材であるが、これは被覆厚さの増加が、ワイヤ内の熱の保持力を増加するように働くということである。ワイヤ被覆の熱的性能は、厚さの増加は高電圧を可能にするが過熱を促進するという性能上の不両立を生み出す。薄いワイヤ絶縁体は、従来の設計におけるモータ故障の主要な原因であり、過熱限界が、モータシステムの性能限界を決定する。
【０００７】
図１は、鋼鉄ラミネーションの周囲にコイルが巻かれた従来のモータの断面の略図を示す。モータ１００の例では、リニアまたはロータリーモータの標準配置を代表する磁気回路を有する鋼鉄ラミネーション１２０の周囲に巻かれた４個または６個のコイル１３０（６個のコイルが表示されている）を含むことができる。中心１１０は、モータ１００の回転の中心であり、ロッドまたはシャフトの位置にすることができる。電機子コア内の磁気回路およびラミネーションを完成させてギャップの磁界強度を増すために、永久磁石の背後に地鉄を使用することは、性能を向上させるが、それ自体の重さ、コスト、渦電流およびヒステリシス損失のペナルティが課される。回転子と固定子の両方で磁極の数が比較的少ないということは高トルクリップルの一因となる。大量の鋼鉄は、磁界強度を増すが、渦電流およびヒステリシスの高損失を伴い、その上、モータ１００を重くする。
【０００８】
以下の説明には、発明の実施形態の実施例によって与えられた実例を示す図の検討が含まれる。図面は、例の目的で理解される必要があり、制限を目的としていない。ここでは、１つ以上の「実施形態」に言及することは、発明の少なくとも１つの実施に含まれる特定の特徴、構造および/または特性を説明していることと考える。したがって、「１つの実施形態では」または「別の１つの実施形態では」のような表現は、発明の様々な実施形態および実施を述べているのであり、必ずしもすべて同じ実施形態に言及しているわけではない。しかし、それらが必ずしも相互に排他的であるということでもない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】鋼鉄ラミネーションの周囲にコイルが巻かれた従来のモータの断面の略図である。
【図２】被覆導体の層の固定子コアを使用した固定子アセンブリの実施形態の略図である。
【図３Ａ】被覆丸型ワイヤの実施形態の略図である。
【図３Ｂ】被覆角型ワイヤの実施形態の略図である。
【図３Ｃ】被覆導体の層の実施形態の略図である。
【図４Ａ】導体コイルの実施形態の略図である。
【図４Ｂ】導体コイルの別の実施形態の略図である。
【図５】折れ曲がり部分および曲がり部分を有する導体経路の実施形態の略図である。
【図６Ａ】３つの相を有する導体シートの実施形態の酪図である。
【図６Ｂ】３つの相の導体の固定子アセンブリ内への積み重ねの断面表示の実施形態の略図である。
【図６Ｃ】３つの相の導体の固定子アセンブリ内への積み重ねの透視視点の実施形態の略図である。
【図７】３つの相の固定子のアセンブリの実施形態の略図である。
【図８Ａ】電流ループを減らすために、多重のセグメントに分割された導体の実施形態の略図である。
【図８Ｂ】セグメント化された電流路を有する導体内の渦電流の実施形態の略図である。
【図９Ａ】セグメント化された電流路を有する導体の上方視点の実施形態の略図である。
【図９Ｂ】部分的にセグメント化された電流路を有する導体の上方視点の実施形態の略図である。
【図１０Ａ】外周で結合される層を有する蛇行巻線の実施形態の略図である。
【図１０Ｂ】内周で結合される層を有する蛇行巻線の実施形態の略図である。
【図１１Ａ】コイルアセンブリの平坦相の上のハルバッハ配列配置の実施形態の略図である。
【図１１Ｂ】２軸ハルバッハ配列の実施形態の略図である。
【図１２Ａ】ハルバッハ配列に隣接する蛇行経路内に導体層を有するモータアセンブリの実施形態の略図である。
【図１２Ｂ】導体層とハウジングを有するモータアセンブリの実施形態の略図である。
【図１３Ａ】リニアハルバッハ配列の静磁場有限要素シミュレーションの実施形態の略図である。
【図１３Ｂ】デュアルハルバッハ配列の静磁場有限要素シミュレーションの実施形態の略図である。
【図１４】モータアセンブリの実施形態の略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に述べられる一部のまたはすべての実施形態を表現する可能性のある図の説明、ならびに、ここに表現された発明概念実施形態または実施の可能性の検討を含めて、特定の詳細および実施の説明が次に続く。
【００１１】
ここに述べられているように、固定子アセンブリには被覆導体の層が含まれる。被覆は、絶縁用であり、隣接する導体層との電気的隔離を行う。被覆導体の多重層は固定子コアを形成し、固定子には固定子コアをサンドイッチ状に挟み込む磁石アセンブリが含まれる。導体層は、矩形の断面を有している。
【００１２】
固定子導体としてのワイヤ巻線と対照的に、固定子アセンブリには、可変または一定でない断面の被覆導体が含まれる。一実施形態では、固定子アセンブリには、サファイア被覆アルミニウム層が含まれる。固定子内の被覆導体層によって、抵抗損失の最小化と渦電流損失の最小化の間の最高のトレードオフを組み合わせる、高性能のモータの開発ができるようになる。一実施形態では、被覆にサファイアまたは酸化アルミニウムの微結晶を生み出すための陽極酸化処理が含まれ、これには優れた絶縁性能ならびに優れた熱伝導性が備わっている。すなわち、アルミニウム上のサファイアの電気絶縁性および熱伝導性は、典型的なプラスチック、シリコン、レジンなどの従来のワイヤ絶縁体と比較して改善されている。改善された性能によりモータの焼損または故障の可能性が減少する。一実施形態では、処理によって、導体が渦電流損失を減らすように形成される。一実施形態では、処理によって導体が、曲線因子を改善して導電性を増すように形成される。一実施形態では、パターニングによって曲線因子の改善ならびに渦電流低減の両方の提供が可能である。
【００１３】
モータ内の固定子アセンブリによって、頑丈で公称定格を超える過電力を可能にする高効率のモータおよび電動装置の提供が可能である。例えば、一実施形態では、モータは、一時的な電力サージに対して、一時的に公称定格を超えて運転できる。例えば、被覆導体に適切な熱伝導性および電気絶縁性があれば、約２００パーセント以上の電力の一時的なサージを達成することができる。基本的に定格とは持続的または長期の運転の限界のことである。しかし、熱伝導性および電気絶縁性があれば、一時的なサージは、モータの故障を引き起こさない。したがって、モータは、サイズおよび速度の効率性のために設計することができ、その上、電力のバーストを許容する。このような設計によって、従来の設計と比較して、より小さなモータの使用が可能になる。これには短時間の電力でも従来のモータに損傷を与え得るということを理解した定格に合わせた設計が要求される。
【００１４】
ワイヤは、一定の断面を有する。一実施形態では、被覆導体が、サファイア被覆アルミニウムのような導体金属の化学反応によって作り出され、ここでサファイアは酸化アルミニウムであると理解される。一実施形態では、被覆導体が、ダイヤモンド被覆銅のような導体上に金属のナノ層をもたらす化学蒸着などのプロセスによって作り出される。固定子コアには、高熱輸送被覆材を使用した導体が含まれており、ここで被覆は金属を絶縁する高誘電率を有する。一実施形態では、絶縁被覆に、従来の絶縁体、シリコンまたはダイヤモンドのような被覆が含まれている。一実施形態では、絶縁被覆を備えた導体が、リニアモータまたはロータリーモータ用の磁界を生み出すように形成され、素晴らしい効率、電力密度の増加および信頼性を提供する。先進製造技術の使用によって、鉄をベースにしたコアに巻線を配置した従来のモータより低いモータコストをもたらすことができる。
【００１５】
固定子コアには被覆導体の層または１つ以上のスタックが含まれる。一実施形態では、導体層の形成によって、より窮屈な容積により多くの導体を押し込むことが可能になり、抵抗損失が低減される。このように、固定子は、３次元形状の多重層を含むことができる。被覆導体の多重薄層は、導体の断面積を低減し、これによって、大きな断面積を有する導体と比較して渦電流損失が低減される。絶縁された巻線が使用され、これは渦電流を抑制するということは理解されているが、断面は、従来のモータでは、基本的に検討事項ではない。
【００１６】
鉄ベースのモータコアの周囲のワイヤ巻きには、自動製造工程を使用しても製造コストが発生する。被覆導体の層は、機械設備（例えばダイス刻印機械）、レーザーなどの精密プロセス機械加工または他の製造プロセスを使用して処理できる。このようなプロセスを使用すれば、導体層は、そうでなければ発生するかも知れない高額コストでなく、従来のモータに相当するコストで製造できる。
【００１７】
図２は、被覆導体の層の固定子コアを使用した固定子アセンブリの実施形態の略図である。一実施形態では、アセンブリ２００には、磁石層２２２および２２４の間に固定子コア２１０が含まれる。磁石層２２２および２２４には、磁極を固定子の回転運動に対して直交するように置くパターンで放射状に配置された、複数の永久磁石が含まれる。２個の磁石層２２２および２２４がアセンブリ２００に描かれているが、当然のことながら、別の固定子アセンブリでは、１個の磁石層と２個の導体層が含まれることが可能である。磁石のアレイは、それぞれが、それぞれ単一または複数の磁極ペアを含む１つ以上の磁石を含むことができる。
【００１８】
一実施形態では、磁石層２２２および２２４にハルバッハ配列が含まれる。ハルバッハ配列は、重なり合う磁界で磁石の方向を交互に置き換える。１つのセットは作動中のエアギャプと並行になる（南北方向）磁界を生み出す方向に向けられるが、追加の磁石はエアギャプと直角になる（東西方向）磁界を作る。このように配置すれば、磁界は第１のアレイの一方の側の磁束を追加し、他方の側の磁束を無効にして、求められるところに大きな磁界密度を作り、ソフト磁気リターンパスを必要とせずに、有益とならない場所の磁界を低減させる。ハルバッハ配列は、リニア、円筒形状および軸方向の磁束アレイの多くの変形を提供できる。どのようなハルバッハ配列も、至るところで述べられる層状被覆導体固定子と併用することから利益が得られる。
【００１９】
示されているように、固定子コア２１０には、磁石層の間に交互に積み重ねられた導体２３０の多重層が含まれる。導体２３０は矩形の断面を有し、導体層内に固定子の周囲に放射状に電気路を提供するパターンを有する。一実施形態では、導体２３０は、固定子コア２１０内の導体の密度を増すために、別のグループの導体層と積み重ねられるように形成される。
【００２０】
従来のモータの内部では、固定子は、大抵、利用可能な量に関連した最大電流能力を可能にするために通常薄い、紙、エナメルまたはポリイミド薄膜のようなプラスチックによって絶縁された多重巻線で構成される。絶縁体を厚くすることによって、巻線に利用できる固定量で極内の利用可能な導体の量を減少させると、巻線間の短絡の防止に必要な絶縁体の量が増加する。絶縁体の必要量を増加させると、固定子巻線の抵抗が増加し、「電流の２乗×抵抗」に比例して損失が増加する。それは、また、磁石に使用されるほとんどの誘電体が良好な断熱材なので、ワイヤ内の熱の保持力を増加させ、厚さを増すと高電圧が可能になるが、過熱を促進するという、性能における不両立を生み出す。絶縁体の薄さは、従来の設計のモータ故障の主要な原因であり、過熱限界が、モータシステムの性能限界を決定する。
【００２１】
銅は、アルミニウムに対し、導電性が優れているために、多くの場合、モータ巻線、特に小型モータにおいて望ましい導体である。ワイヤは、従来、一定の断面で押し出され、次に絶縁層で被覆され、コイル状に巻かれて、切り替え可能な磁界を提供する。求められるモータ特性によって、厚さ、巻回数および構造に関する巻線の選択肢が決定される。一般的に、渦電流は、より小さな並行ストランドの数を増加することによって低減できるが、このようなアプローチは、量産効果またはパッキング密度に関してペナルティが課される。同じ長さの銅と同じ導電性を提供するには、断面積で６０％大きいアルミニウムが必要である。
【００２２】
一般的に使用されている多くの誘電体は可燃性であり、過熱状態であり得る高温で火が付き、これらの被覆の断熱特性によって事態はさらに悪化する。薄い材料は、機械的にも電気的にも機能しなくなる可能性がある。モータの故障は、熱を生じさせる損失によって導体間の絶縁体が破壊されるときに発生するが、絶縁材、誘電材料体または被覆が引き合いに出される可能性がある。絶縁体の破壊は、磁界を減少させる短絡を発生させ、電源にさらに大きな電流または高い電圧で、モータを駆動することを試みさせる。短絡によってより多くの電流が流れると、導体はさらに影響を受けた部位を加熱するかまたは機械的故障を引き起こす。このような短絡を経験したモータは、壊れた機器、故障時間および修理コストに関連するコストで、解体して巻き直さなければならない。多くの場合、巻線製造の複雑さによって、量産数量で製造することが実現困難な高コストがもたらされる。
【００２３】
図３Ａは、被覆丸型ワイヤの実施形態の略図である。巻線３０２には、絶縁体３１２で被覆された金属ワイヤ３１０が含まれている。与えられた量の導体の増加によって磁界が増加される可能性がある。巻線３０２に関しては、金属３１０は丸い断面を有し、導体を慎重に巻くことによって導体の個々のストランド間のギャップ３１４を減らすことができる。
【００２４】
図３Ｂは、被覆角型ワイヤの実施形態の略図である。巻線３０４には、絶縁体３２２で被覆された金属ワイヤ３２０が含まれている。巻線３０４に関しては、金属３２０は四角の断面を有し、導体を慎重に巻くことによって導体の個々のストランド間のギャップ３２４を減らすことができる。
【００２５】
巻線３０２および巻線３０４に関しては、導体間にまだギャップがある。また、絶縁体３１２および３２２をどの位薄くできるかについては実際的な制限がある。従来の絶縁体被覆の厚さを低減することは、プラスチックなどの誘電体に関しては、これらが機械的および電気的隔離を提供するので、実際的でない。モータが高速回転し、熱くなるにつれて、磁力は、同じ大きさで相反する力を反対の方向に生み出し、これによってワイヤは互いへの圧力の掛け合いを強いられ、絶縁体はワイヤの機械的隔離を起こす。多くの被覆は、熱くなるにつれて軟らかくなる。したがって、巻線３０２および３０４における絶縁体の厚さを減らすことは、機械的ならびに電気的隔離の問題を引き起こす可能性がある。
【００２６】
図３Ｃは、被覆導体の層の実施形態の略図である。当然のことながら固定子アセンブリ３０６における導体３３０の寸法が必ずしも実際の尺度を表していない場合がある。アセンブリ３０６内の要素の尺度が、相互の関係で、表示されているものと異なる場合がある。その上、またはその代わり、アセンブリ３０６内の要素の尺度は、図３Ａの巻線３０２および図３Ｂの巻線３０４に対して、必ずしも正確にすることを目的としていない。
【００２７】
アセンブリ３０６には導体３３０のスタックが含まれ、これには被覆３４０が含まれる。被覆３４０の内部に導体３３０のスタックを作ると、ワイヤ間にギャップをもたらす巻線と比較してより大きな導体を利用可能な容積に押し込むことができる。一般的に使用されている多くの誘電体は可燃性であり、過熱状態であり得る高温で火が付き、これらの被覆の断熱特性によって事態はさらに悪化する。このような被覆をより薄くすることは、機械的にも電気的にも、故障のリスクを増加させる可能性がある。しかし、被覆３４０は、導体３３０に合う結合材によって作り出された被覆を表す。一実施形態では、被覆３４０は、導体３３０との化学反応を示す。
【００２８】
例えば、導体３３０がアルミニウムであるかまたはアルミニウムを含むと考え、これは化学的に反応して、陽極酸化被膜を作り出すことができる。一実施形態では、被覆３４０は、アルミニウム導体を覆うサファイア（酸化アルミニウム）である。化学反応または結合した被覆は、機械的に非常に強いことに加えて、多くの従来のマグネットワイヤ被覆より、誘電体絶縁特性が優れている。別の例として、ダイヤモンド被覆銅は、アルミニウムを覆うサファイアより熱伝導性に対してさらに良好である。ただし、ダイヤモンドを銅の上に載せる処理には、グラファイトおよび汚染の含有量の管理を必要とする可能性があり、汚染はダイヤモンドを幾分か導電性があるようにする原因になり、これは絶縁体としての性能を低下させるということを理解する。純粋なダイヤモンドは絶縁体として理想的である。より卓越した強度、硬さおよび絶縁定数を持ち、両方の従来の被覆ならびにサファイア被覆アルミニウムに対して明らかな優位性がある。しかし、サファイアおよびダイヤモンドの両被覆は、薄層として適用されると壊れる可能性がある。サファイアは壊れやすくなるところがあり、曲げられると砕けてしまう。ダイヤモンド被覆は、わずか数ミクロンの厚さにするのが望ましいが簡単に壊れる。しかし、当然のことながら、サファイア被覆は、酸素に晒すことで修復できるが、ダイヤモンド被覆はそうならない。電気化学処理または陽極酸化処理によって被覆厚さを管理することができれば、被覆３４０の絶縁厚さを、固定子層または巻線内の必要なまたは計画された電圧に基づいて管理できる。細いワイヤは、生じる渦電流を低減したが、必要な破壊電圧を与えられると、導体エリアに対する被覆厚さの比率が、従来のモータ設計における非常に細いワイヤに関して問題になる。導体３３０のスタックは、より薄い被覆３４０を有するより多くの導体を達成することができる。
【００２９】
一般的に理解されているが、誘導電磁場の強度は直接電流に比例し、電力は、逆起電力（ＥＭＦ）電圧を乗じた電流に比例する。これらの比例関係を与えられると、設計者は、導体３３０の配置を操作するか、被覆３４０の厚さを操作するか、または両方を操作することによって、特定のモータの性能を調整することができる。設計者は、導体３３０の厚さおよび形状、および被覆３４０のタイプおよび厚さを操作できる。
【００３０】
導体３３０は、矩形の断面３３２を有する。巻線３０２および３０４内の金属ワイヤのようなワイヤ形状の導体は、通常、断面または直径が一定で、抵抗は、基本的にモータ内で使用されるスイッチング周波数に対する材料の量に基づく。同じ条件では、少なくともアルミニウムについては、断面の小さい方が、断面の大きい方より抵抗損失が大きい。最低電圧および最小パッキングの要求によって電圧および電流を設定するために、ワイヤのサイズは基本的に、求められた巻線の巻き回数が可能になるように選択される。どこかの部分を大きくすることによってシステム全体の導電性損失を下げることは、利用可能なスペースまたは容積を利用することによって可能である。
【００３１】
一実施形態では、導体３３０の量を増加することによって、容認できる重量ペナルティまたは材料コストで全体抵抗を低減できる。導体層のパターン化（図３Ｃに表示されていない）によるような導体３３０の量の増加によって、機械効率が上がり、固定子がより強固で堅固になる。導体の追加により、層の接続および、モータの一時的なオーバードライブを可能にするためのような、一時的な過熱に対する熱ヒートシンクとして、多くの材料の提供に対する選択肢の増加を可能にすることも可能になる。利用可能な容積を、渦電流損失並びに抵抗損失を最小化するように形成された導体で埋めるのと同じ技術を、アルミニウム、グラフェン、銅などの金属および非金属導体で実施できる。
【００３２】
アセンブリ３０６は、モータアセンブリの部品になる磁石を示していない。前述のように、導体３３０のスタックは、２層の磁石の間に挟む（アセンブリ２００に示されているもののような）ことができるか、または２層の導体３３０は１つの磁石層を挟むことができる。従来のモータには、鋼鉄などの適切な材料の空中の透磁率の増加を活用するシリコン鋼鉄ラミネーションが含まれている。このようなシリコン鋼鉄ラミネーションには、増加した磁界強度を弱める不都合な点がある。１つのトレードオフは、磁界がモータの転流中に前後に切り替わるので、ヒステリシス損失である。磁界が前後に切り替わるにつれて、飽和する可能性があり、発生させることができる最大磁界を制限する。また、従来のラミネーションは重量を増し、追加の導体に使用できる容積を占有する。
【００３３】
一実施形態では、固定子アセンブリ３０６の導体スタックが、永久磁石軸方向磁束モータに使用されている。永久磁石の使用によって鉄鋼ラミネーションの不使用を可能にすることができ、これにより、より多くの導体３３０に置き換えられる容積が解放される。アセンブリ３０６に導体３３０の量を増加することは、磁気抵抗を増加する傾向があり、同量の通電電流に対して追加の磁力を生じさせる。一実施形態では、アセンブリ３０６を考慮して設計されたモータが、追加の極、追加の磁性体、追加の導体、固定子半径の増加またはこれらの組み合わせを使用する。極数、磁性体の量、または半径の増加によって、与えられた容積および重量に対して、大きな電力およびトルクが生まれる可能性がある。当然のことであるが、このような増加は、より少ない材料に関連したスイッチング速度を必要とする場合があり、運転電圧および磁極および材料を増加する場合がある。
【００３４】
モータやその他の電磁機械は、基本的に、熱的に制限された装置であるので、渦電流損失の低減および抵抗損失の低減の組み合わせにより、より優れた効率のモータが生み出される。一実施形態では、被覆３４０が、導体３３０より機械的強度のある材料に相当する。機械的強度とは、モータの運転（高速回転および加熱）によって生み出される力に耐える能力のことである。従来のモータ設計では、絶縁体は、銅またはアルミニウムワイヤより機械的に弱く、これによってモータ内のワイヤの配置を維持するための追加構造の必要性が生まれる。ニュートンの力学の法則によると、ワイヤおよびその絶縁体は、回転子を前進させるかまたはセグメントを動かすためにＥＭＦが一連のパルスとして加えられると、押されたり引かれたりする。このように押したり引いたりすることは、モータの焼損の原因になり得る力を絶縁体に生み出す。一実施形態では、被覆３４０が導体３３０より機械的に強度があり、モータの機械的な性質が逆になり、絶縁体が固定子の構造を提供することができる。このように、一実施形態では、追加の構造を要求する代わりに、固定子アセンブリ３０６が、フレームレスモータまたは機械的システム自体の構造になることができる。一実施形態では、導体３３０の交互の層には、交互のエッジの重なりがあり、そこでは、絶縁する陽極酸化処理されたサファイア被覆が破損した場合には、別のエッジの代わりに、エッジに接する平面がある。このような交代は、モータの自己回復を可能にする。なぜなら酸素に晒されたとき、陽極酸化処理されたサファイア被覆はひとりでに自然に回復するからである。材料の重なりは、金属の層が互いにこすり合うときの振動に関する問題を低減できる。
【００３５】
モータ電力は、渦電流損失および抵抗損失が固定子の故障の原因になる場合、熱的に制限される。このような損失は、たわみ、過熱または注油の欠乏よって、過剰な加熱またはこれらの組み合わせが原因で、機械的故障をもたらす可能性もある。８０パーセントから９０パーセントの１０パーセントであっても、効率の増加は全電力消費の観点から重要に見えないかも知れないが、このような効率の改善は、廃熱および必要な冷却を５０パーセント、全電力の２０パーセントから１０パーセントに低減することが可能である。したがって、小さな量の効率改善であっても、自分の電力、サイズおよび部品コストが含まれる冷却要求をなくすことができる。
【００３６】
図４Ａ−図４Ｂは導体コイルの実施形態の略図である。図４Ａのコイル４０２および図４Ｂのコイル４０４は、導体層の電気路のパターニングを眺める見方を示す。一実施形態では、コイル４０２は、図３Ｃのアセンブリ３０６の導体３３０に基づく導体層の１つの例を提供する。一実施形態では、コイル４０４は、図３Ｃのアセンブリ３０６の導体３３０に基づく導体層の１つの例である。コイル４０２は、４つのセグメントを有する導体層の例を示しており、コイル４０４は、６つのセグメントを有する導体層の例を示す。導体層の各セグメントは、導体層の中心から導体層の外側に進み中央に戻る電気路の一部と見なすことができ、これには内側エッジから外側エッジへの変更を行うためのスポークおよび外側エッジから内側エッジへの変更を行うスポークが含まれる。あるいは、その部分は、導体層の外側から導体層の内側に進み、外側に戻る電気路の一部と見なすことができる。
【００３７】
コイル４０２を見ると、コイルには、導体層の平面内に、中心４１０の周囲に放射状に巻かれる電気路が含まれる。コイル４０２には、内部接続部４３２と外部接続部４３４の間に延びるスポーク４２０が含まれる。内部接続部４３２は、中心４１０に近い導体層内にある。外部接続部４３４は、導体層の外側エッジの近くにある。示されているように、コイル４０２には、隣接するスポーク４２０間に、交互に現れる外側および内側の接続部が含まれる。交互に現れる接続部は、導体層のコイル状の電気路を提供する。このような経路は、１つの平面内に制約されて巻かれるのと対照的に３つのすべての次元で巻かれる従来の巻線の３次元経路と比べて、見方によれば「２次元」経路と見なすことができる。
【００３８】
コイル４０２と同様に、コイル４０４を見ると、コイルには、導体層の平面内に、中心４１０の周囲に放射状に巻かれる電気路が含まれる。コイル４０４には、内部接続部４３２と外部接続部４５４の間に延びるスポーク４４０が含まれる。内部接続部４５２は、中心４１０に近い導体層内にある。外部接続部４５４は、導体層の外側エッジの近くにある。示されているように、コイル４０４には、隣接するスポーク４４０間に、交互に現れる外側および内側の接続部が含まれる。交互に現れる接続部は、導体層のコイル状の電気路を提供する。このような経路は、１つの平面内に制約されて巻かれるのと対照的に３つのすべての次元で巻かれる従来の巻線の３次元経路と比べて、見方によれば「２次元」経路と見なすことができる。
【００３９】
スポークおよび接続部の物理的寸法は、どれだけ多くの導体層の部分またはセグメントがあるかによって異なる可能性がある。当然のことながら、導体層は、４個または６個の部分に限定されることはなく、奇数の部分を含め、いかなる数の部分も含むことができる。部分の形状、サイズおよび数は、モータの実現によって決まる可能性がある。また、スポークおよび接続部の類似の形状がコイル４０２および４０４の両方に示されているが、他の形状を使用することもできる。接続部だけでなく、スポークも厚くしたり薄くしたりすることができる。一実施形態では、スポーク４２０およびスポーク４４０は、スポークが中心４１０から固定子エッジまではるかに延びるのでもっと広い。スポークの幅の変更により、固定子アセンブリ内に詰め込める導体の量の増加が可能になる。一実施形態では、スポーク４２０またはスポーク４４０またはその両方が内部接続部から外部接続部まで一貫した幅を有している。さまざまなスポークの幅は、導体層の断面の変更と見られる可能性がある。
【００４０】
一般的に、導体層に関しては、部分の数またはスポークのサイズおよび形状にかかわらず、導体層は固定子アセンブリを目的として積み重ねられる。従来行われていたように鋼鉄コアの周囲に巻かれる代わりに、コイル４０２および４０４は、中心４１０の周囲に放射状に巻かれ、固定子アセンブリ内の導体層間により多くの電気路を提供するために隣接する層に、直列または並列に接続される。
【００４１】
例として、アルミニウム導体の層から作り出されたコイル４０４に関する検討を行う。検討はさまざまな導体の層およびさまざまな被覆に適用することが可能であると理解される。一実施形態では、コイル４０４はアルミニウムの多重層の１つである。一実施形態では、コイル４０４は１つのアルミニウムシートの処理によって作り出される。このようなプロセスによって、アルミニウムは、コイルに放射状に隣接する矩形のコンポーネントとして作り出されることが可能である。一実施形態では、コイル４０４は、１回以上の導体のスタンピングまたは切断によって作り出される。処理された導体は、絶縁被覆の付いた導電性経路を作り出すように処理される。一実施形態では、複数の層が接合されて誘導子が作成され、そして被覆を作成するように処理される。一実施形態では、複数の層が作成され、被覆を作成するように処理され、そして層状に接合される。誘導子またはコイルは、固定子に形成され、容積内の導体の量を改善でき、その上、必要な絶縁体量および渦電流およびバルク抵抗による損失を低減する。
【００４２】
特定の特性を最適化するために、結合、切断およびスタンピングの順序の変更は、電磁機械用の磁界のリニア、ロータリーまたは固定結合への適用に応じて行うことができる。導体を直列および並列の変化する構成にすること、および寸法、層の数または電流路の複雑さを変更することによって、機械を求められる性能、効率、電圧および最大通電能力に調整することが可能になる。一実施形態では、スポーク４４０および内側接続部４５２および外側接続部４５４は、レーザー、プラズマなどのプロセス、またはそれらの組み合わせによって形成できる。一実施形態では、スポーク４４０は、半径線または中心４１０を中心にした円の半径に沿って延びる線を切断することによってさらに処理され、内部接続部４５２と外部接続部４５４の間で延びることができる。このような切断も、レーザー、水ジェット、スタンピングなどのプロセスまたはその組み合わせによって達成できる。以下に検討される他の図面は、これらの半径線をより明確に示し、スポークの電流路内にセグメントを作成する。
【００４３】
スポークを複数の並行セグメントに分割することは、一方向へ電流路を制限しながら、絶縁層および材料の除去によって失われる容積の大きさにおいて電流路を低減するだけである。導体コイルの少なくとも一部に対する複数の並行電流路により、性能は、渦電流およびバルク抵抗の損失を低減させながら、最も大きな通電能力を提供する構成を選択することによって調整できる。一実施形態では、並行路を有する導体層の部分は、導体層が磁石層の磁石のそばを通る部分の近辺に限定される。一実施形態では、コイル４０４で示されているものに従って、設計では、内周で、外周で、または交互のジョイントを使用して結合することによって、所望の厚さの層を接続できる。層が重なるときに切れ目とエッジの位置を交互に変えることによって、導体層またはプレートが固定されておらず、動きにより摩耗が生じる場合、局部的な摩擦障害および過熱を防止できる。
【００４４】
一実施形態では、コイル４０４は、従来の固定子上の絶縁体を陽極酸化処理したアルミニウム（サファイアとも知られている酸化アルミニウムの一形態）と交換し、多くの利点をもたらす。陽極酸化処理技術によって、アルミニウム導体の層の表面を酸化アルミニウムまたはサファイアに変換することができる。これは、硬く、強度があり、化学攻撃に耐性を示し、非常に電気的絶縁性があり、なおかつ良好な熱伝導特性を有する。というわけで、コイル４０４は、従来の巻線のモータと比較して改善された、効率、耐久性、強度および能力に関する特性を有する固定子の作成に使用できる。
【００４５】
陽極酸化処理によってサファイアが作り出されるが、これは、穴、指、ギャップ、クラックおよび様々な厚さを有する微細な海綿状の材料として、従来のワイヤ絶縁体より優れた誘電性または絶縁特性を有する。また、サファイアは、ポリイミド、プラスチック、エナメル、紙のような一般的なワイヤ被覆と比べて、非常に硬く頑丈であり、約１００倍優れた熱伝導性を有する。サファイアの誘電率は、１ｍｍ当たり１０ｋＶ以上、すなわち＞１０ｋＶ／ｍｍである。サファイアの体積抵抗率は、１０ｅｘｐ１４Ω・ｃｍより大きい。したがって、サファイアの体積抵抗率はシリコンとほぼ同じであるが、０．３Ｗ/ｍＫの熱伝導性を有するシリコンゴム絶縁材に対して３０Ｗ/ｍＫの熱伝導性を有する。１００倍優れた熱伝導性は、熱伝達を改善するが、これはモータの過熱のリスクを低減する。
【００４６】
現代の製造技術を使用すれば、サファイア被覆アルミニウムは比較的安価で、酸素があれば自然に酸化するかまたは癒えて、自己修復メカニズムを作成する。一実施形態では、アルミニウムを陽極酸化処理して、導電性アルミニウムの表面を酸化アルミニウムまたはサファイアに変換することができる。サファイ被覆は、硬く、強度があり、化学攻撃に耐性を示し、非常に電気的絶縁性があり、良好な熱伝導特性を提供する。サファイア被覆アルミニウムのスタックから構成されるコイルまたは固定子は、従来のモータと比較して、より高度の効率、耐久性、強度およびオーバードライビング能力を提供できる。
【００４７】
当然のことながら、導体がサファイア被覆を生産するために陽極酸化処理された後に曲げられるとクラッキングが生じる。したがって、サファイア被覆巻線の従来の巻線での使用は可能ではなかったであろう。しかし、平面導体層の積み重ねによってサファイア被覆のクラッキングを最小化することができ、このようなクラッキングの影響を低減できる。例えば、このようなクラッキングは、層の接続を目的とする場所に限られている可能性があり、接続部分の短絡は、固定子の性能に意味のある影響はほとんどない。薄い酸化アルミニウム被覆はアルミニウムそのものより高い溶融温度を持ち、サファイア被覆アルミニウム導体を使用するモータを焼損させ難くする。誘電体、絶縁体またはプラスチックが過熱し、短絡を生じさせて故障する従来の故障は低減されるか排除さえもされ、ここで述べられていることに基づくモータを従来のモータより強固にする。
【００４８】
図５は、折れ曲がり部分および曲がり部分を有する導体経路の実施形態の略図である。アセンブリ５００は、コイル４０２または４０４の実施形態に基づく、積み重ねられた被覆導体のセグメントの例を提供する。アセンブリ５００に示されるセグメントにはスポーク５１０が含まれる。スポーク５１０は、導体の異なる層５１２のスポークのスタックを示す。各スポーク５１０は、電流用の電気路５３０を提供する。被覆層５１２により、種々の電気路５３０は層毎に分離することができる。層は、並列または直列またはその組み合わせでさまざまに接続され、電流容量または異なる電圧の異なる組み合わせを提供できる。
【００４９】
開口部５４０は２本のスポーク５１０間の開口部を示す。一実施形態では、アセンブリ５００には開口部５４０が含まれ、これは他の１つ以上の導体層と入れ子になるスペースを提供する。一実施形態では、アセンブリ５００に、曲がり部分５２２および５２４が含まれ、導体層の多重スタックが入れ子になるのを可能にする。一実施形態では、アセンブリ５００が、曲がり部分の無い導体層の少なくとも１つのスタックと入れ子になっている。一実施形態では、アセンブリ５００が、曲がり部分もある導体層の少なくとも１つのスタックと入れ子になっている。一実施形態では、層のスタックが入れ子になっており、曲がり部分が１つのスタックの電気路の長さを別のスタックと比較して変えている。電子装置は、さまざまなスタックの電気路の長さの変化に対応するようにさまざまな経路の駆動のデューティサイクルを制御できる。
【００５０】
一実施形態では、アセンブリ５００は、電気路５３０の折れ曲がり部分を念頭に置いて作成され、電磁石の原動力を働かせる磁界を提供する放射状の電流路、それから戻り経路を提供する。折れ曲がり部分とは、アセンブリ５００に基づくさまざまな要素が結合されて完全な放射状経路（例えば３６０度の折曲げられた経路）を形成することに起因する蛇行形状のことである。折れ曲がり部分によって提供された形状は、完全な円形路を有する２つのコイルに対する全経路長を低減する。
【００５１】
図６Ａは、３つの相を有する被覆導体シートの実施形態の略図である。略図６０２は、物理的に混ぜ合わされて低電圧および高渦電流を生み出すように設計された３相を示す。一実施形態では、平坦導体６２０は、平坦コイルとも呼ぶことができるが、相１に指定される。相の指定は任意であり、システムは、さまざまな入れ子になっているコイルに対するさまざまな相に配慮して設計できる。
【００５２】
略図６０２は、上向き導体６３０または上向きコイルを示し、これは相２に指定される。略図６０２は、下向き導体６４０または下向きコイルを示し、これは相３に指定される。繰り返すが、相の名前付けは任意であり、説明の目的でのみ表示される。また、導体６３０の「上向き」コイルとしての指定および導体６４０の「下向き」コイルとしての指定は、略図６０２の特有な位置づけに基づいた任意の指定である。一実施形態では、略図６０２に基づいた３相固定子を有するモータは、地面と平行に、または地面に垂直に、または地面に対してどんな任意の角度で、導体６２０、６３０および６４０の面を用いて取り付けて使用できる。
【００５３】
略図６０２には、導体６２０、６３０、および６４０のそれぞれに十字線が含まれているが、これらは入れ子のための、お互い同士の相対位置を示す。例えば、平坦な導体６２０を「中央」の導体とすると、十字線は導体の中心点に合わせられる。上向き導体６３０については、導体は十字線の中心点からわずかに上にずれて表示され、下向き導体６４０については、導体はわずかに下にずれて表示される。どのようにして、十字線が上向き導体６３０上のスポークの１つのエッジに合い、下向き導体６４０のスポークの補完エッジとそろい、それなのに十字線は平坦な導体６２０の２個のスポーク間の中央を切るのかが十字線と比較して見られる。上向きおよび下向き導体内に曲がり部分があって、どのようにして導体が入れ子になれるのかが理解される。３つの異なる相のスタックの交互に代わるスポークで構成される比較的平坦な固定子コアの平面がある。平坦な固定子コアは、お互いに交互に配置されたほぼ同一平面のスタックで構成され、さまざまなスタックのスポークを隣接するように置く。当然のことながら、平面導体６２０の経路長は、実際に導体６３０および６４０の曲がったあるいは起伏のある２つのコイルより短い。従来、このような不均等な経路長は不均等な力を生み出そうとしていた。一実施形態では、ソリッドステートコントローラ（例えばデジタルマイクロコントローラーまたはマイクロプロセッサ）が略図６０２の固定子アセンブリを駆動して、不均等な経路長をデジタルで補正する。デジタルの補正は、複雑な制御ソフトウェアと引き換えに、機械システムのコストの低減を可能にする。
【００５４】
したがって、示されているように、一実施形態では、固定子アセンブリには、それぞれが多重層を有する複数のスタックが含まれる。各スタックには、被覆導体コイルの多重層が含まれ、これらは、ここで述べられているどの実施形態に基づいても電気的に接続できる。一実施形態では、単一導体スタックの一部または全体が、ＥＭＦを駆動するのに必要な電圧を下げるために並列に接続されている。一実施形態では、単一導体スタックの一部またはすべての層が必要な電圧を上げるために直列に接続されている。一実施形態では、スタックには、コイルが互いに折り曲げられている蛇行形状内に２個以上のコイルが含まれ、固定子の構造を形成する。当然のことながら、お互いの内側で層を入れ子にすることで、容積当たりの導体の全体量を増加することができる。層を入れ子にすることで、さらに、隣接した層の摩耗および短絡の可能性を最小化できる。
【００５５】
図６Ｂは、３つの相の導体の固定子アセンブリ内への積み重ねの断面表示の実施形態の略図である。略図６０４は、図６Ａの略図６０２の固定子アセンブリの断面を示し、異なる導体のスタックがその中心点に対してそろえられている。
【００５６】
略図６０４を見ると、上方導体６３０および導体６４０の屈曲を明確に表示し、導体６２０のスタックは平坦である。このような導体層のスタックの交互配置は、固定子コア内のギャップをほとんど完全に埋めることができ、これは磁石アレイの隣に与えられた配置するための容積内に最大量の導体を提供する。与えられた容積内に導体の量を増加することで、抵抗損失を低減できる。一実施形態では、各相には、同じ形状の一体のコイルに対してプレートの厚さの２乗で渦電流損失を下げるアルミニウムなどの導体材料の薄いシートの層のスタックが含まれる。薄いシートは渦電流損失を低減できるが、電流を流すのに必要な電圧を上げる。
【００５７】
図６Ｃは、３つの相の導体の固定子アセンブリ内への積み重ねの透視視点の実施形態の略図である。略図６０６は導体のスタックの交互の配置の別の見方を示す。一実施形態では、相１、相２および相３と示されているが、積み重ねられたアセンブリには、導体がどのように接続されているかによって、単相２相または３相が含まれる可能性がある。一実施形態では、各スタック内に多重層の導体があるので、略図６０６の固定子アセンブリは３相以上を収容できる。相数の増加は、最大トルク間の角回転を低減し、狭い導体層の要求することによって通電能力を低減する。
【００５８】
図７は、３つの相の固定子コアのアセンブリの実施形態の略図である。アセンブリ７００は、図６Ａの略図６０２、図６Ｂの略図６０４、および図６Ｃの略図６０６に基づいた固定子アセンブリの例である。アセンブリ７００は３相システムの例を提供できる。アセンブリ７００には、入れ子の導体７２２、７２４、および７２６が含まれる。図面内の参照番号には、同一導体コイルの最も近いスポークを指す矢印が含まれ、これらは交互配置された導体コイルのスポークに分かれて向かう。したがって、例えば、アセンブリ７００には、左から右に移動して、導体７２４のスポーク、隣接する導体７２２のスポーク、隣接する導体７２６のスポーク、隣接する導体７２４のスポーク、およびこのパターンの繰り返しが含まれる。
【００５９】
アセンブリ７００には、導体７２２、７２４、および７２６によって提供された放射状の電流路が含まれる。放射状の電流路は、中心７１０に対して放射状に電流が流れるのを可能にし、軸とのインターフェースを提供する。内側エッジ７３２は中心７１０に近接しており、外側エッジ７３４は、中心７１０から最も離れた導体の位置にある。各スポークが、内側エッジ７３２から外側エッジ７３４に進むにつれて断面積が変化することが見られ、これによって固定子内に含めることが可能な導体材の量が増加される。
【００６０】
一実施形態では、アセンブリ７００には、軸方向磁束磁石アレイ間の小ギャップを許容する平坦な放射断面が含まれる。平坦な放射断面には、内側エッジ７３２と外側エッジ７３４の間の被覆導体のスポークの表面が含まれる。平坦な放射状部分は、冷却用の比較的大きな表面積を提供する。アセンブリ７００の設計は、まだ電流用経路を維持している間に、磁界の外の材料の量の低減も行う。
【００６１】
図８Ａは、電流ループを減らすために、多重のセグメントに分割された導体の実施形態の略図である。前述のように、薄被覆導体シートの使用によって厚い導体と比べて渦電流損失を低減できる。ワイヤ形状の導体は、通常断面または直径が決まっており、抵抗は、モータで基本的に使用されるスイッチング周波数に対する材料の量に基づいている。同じ導体であれば、断面の小さい方が、大きい方より抵抗損失が大きい。しかし、断面の大きい方が、効率の劣るパッキングおよび少ない巻線をもたらすことがある。従来、モータ設計については、電圧および電流を最小の容積およびパッキング要求により設定して、ワイヤは求められる巻き回数が可能になるように選択される。
【００６２】
導体スタック８１０に基づく固定子は、従来のワイヤのように一貫した断面と対照的に、導体のどこか一部を大きくして利用可能なスペースまたは容積を利用することによって全体の導体損失を下げることができる。一実施形態では、導体スタック８１０には酸化アルミニウムで陽極酸化処理されたアルミニウムの多重層が含まれている。その導体を形成することによって、電流路８１２は、僅かな重量のペナルティまたは材料コストが伴うアルミニウムの追加によって全体の抵抗をするための大きな断面の部分を含めることができる。導体材料の増加によって、モータの機械効率が上がり、固定子がより強固で堅固になる。導体量の増加によって、層の接続および、一次的な過熱に対する熱ヒートシンンクとしてより多くの材料の提供の選択肢が多くなる。
【００６３】
磁石アレイで回転子を回転させるのに必要なＥＭＦを生み出すために、システムは導体によって電流を供給し、別の導体または磁石の移動による磁界にとしてＥＭＦを変化させる。しかし、当然のことながら、関連のある磁界の移動によって、レンツの法則で述べられているように、この動きを妨害する磁界が生まれる。導体スタック８１０は、近くの導体８１０を移動させる動きの方向に直交するように向けられた磁界を有する磁石による誘起渦電流８１４を示す。矢印の付いた符号「Ｂ」は、磁石アセンブリによる磁束の方向を示す。電流路８１２を含む固定子の上を移動する磁界Ｂを有する磁石アセンブリは、動きを妨害する電流ループとして渦電流８１４を誘起する。
【００６４】
導体８１０内で生み出された渦電流８１４は循環し、打ち消す必要がある磁界を作り、これによって損失源が生み出される。これらの損失は、経路を小さくし、電流ループを互いに打ち消し合わせるように導体を並行に置くことによって低減することができる。しかし、従来のシステムでは、追加の絶縁体が利用可能な導体を低減するので、並行導体の使用は、追加の機械的複雑さ、追加の絶縁体および抵抗損失の増加によるペナルティをもたらす。示されているように、導体スタック８１０は導体を比較的薄い層にセグメント化する。層に分離することにより、同じ体積の固体導体と比べてより多くの電流路８１２を生み出せる。導体層は、並行経路を提供し、導体の被覆は絶縁体を提供し、しかも大幅な絶縁体量を増加するわけではない。
【００６５】
一実施形態では、導体スタック８１０に、アルミニウムまたは銅などの金属導体が含まれる。一実施形態では、導体スタック８１０には、グラフェンなどの非金属導体が含まれる。金属でも非金属でも、導体スタック８１０は、利用できる容積を渦電流損失ならびに抵抗損失を最小化できる導体で埋めることを改善できる。
【００６６】
図８Ｂは、セグメント化された電流路を有する導体内の渦電流の実施形態の略図である。導体８２０は、断面８２２を有する導体を示し、この中に渦電流８２４が誘起される。導体８３０は、同じ導体８２０が4つのセグメントに分割されたものを示し、その断面８３２は小さい。渦電流８３４は渦電流８２４より小さく、これによって渦電流損失が低減される。当然のことながら、渦電流損失は、断面積の低減分の２乗に比例して下がる。したがって、幅または断面積を半分に切断すると、渦電流損失は４分の１に削減され、３分の１に切断すると９分の１に削減され、後は同様である。
【００６７】
渦電流損失を低減するには磁束に晒される表面積を低減するという原理を適用すると、導体スタック８４０は、図８Ａの導体スタック８１０に類似した導体スタックを示すが、セグメント化された電流路８４２を有する。電流路８４２は導体スタック８１０の電流路８１２より狭い。一実施形態では、電流路８４２は、所望の方向の電流の流れ対しては低抵抗を示し、不所望な方向の電流には高い電気抵抗を示すコイル層を作成するために、レーザー切断、水ジェット、金属スタンピング、誘導溶接またはこれらの組み合わせを使用して形成される。したがって、電流路８４２は、通電能力を最大化でき、その上、同時に、磁界の相対的な動きによって生じる渦電流８４４の渦電流損失を下げる。
【００６８】
一実施形態では、導体８４０には、アルミニウムなどの導体の多重層が含まれ、これらは、スタンピングまたは切断またはその組み合わせおよびスタックへの結合により処理され、固定子用の誘導子として、絶縁された導電性のある経路のスタックを作成するように処理される。絶縁他を形成するための、スタンピング、切断、結合および処理の順序は変更できる。結合、切断およびスタンピングの順序の変更によって、電流路８４２の特定を最適化でき、これは電磁機械用の磁界のリニア、ロータリーまたは固定結合への適用への適合性を改善できる。被覆導体は、容積内の導体量を最適化し、その上、必要な絶縁体量を最小化する。導体スタック８４０には、直列および並列のさまざまな構成が含まれ、これらにはさまざまな寸法、層数、さまざまな電流路の形状または複雑さまたはその組み合わせが含まれる。当然のことながら、変化によって、性能、効率、電圧または最大通電能力のような能力の求められる組み合わせに機械を調整することが可能になる。
【００６９】
一実施形態では、導体スタック８４０に、同じ導体平面に多重電流路８４２が含まれるが、これらは互いに電気的に接続されていない。一実施形態では、導体スタック８４０に、磁石アレイが通り過ぎる導体の経路に沿ってのみ分離され、外周、内周または両方（例えば図９Ａと図９Ｂの比較）で接続され得る多重電流路８４２が含まれる。電流路８４２を分離するために、多くの薄いプレートに長い切れ目を入れると、渦電流８４４が減少する。導体スタック８４０は、運動方向に直交して電気的に接続され、運動方向には電気的に絶縁されている並行電流路８４２を有する多重薄導体を含むことができる。
【００７０】
一実施形態では、導体スタック８４０のさまざまな層が内周で接続される。一実施形態では、導体スタック８４０のさまざまな層が外周で接続される。一実施形態では、導体スタック８４０のさまざまな層が内周と外周で交互のジョイントで接続される。一実施形態では、導体スタック８４０の交互の層には、層が重なるときに、さまざまな位置の切れ目およびエッジがある。このような変更は、プレートが固定されておらず動きによる摩耗を引き起こす場合、局所的な摩擦障害および過熱を防止できる。例えば、単一の導体層内に、３個の分離した電流路８４２を考える。次の導体層に２個の分離した経路があった場合には、その層の１つの切れ目は示された層の２個の切れ目と重ならない。これは層の電気的分離を増加する可能性がある。他の変化は、述べられていることに基づいて理解される。
【００７１】
図９Ａは、セグメント化された電流路を有する導体の上方視点の実施形態の略図である。導体層９１０は、電流ループ間に一部または完全が分離している平坦固定子層を示す。導体層９１０には、セグメント化されたスポーク９１２が含まれるが、導体層の周囲全体の電気路を完成させる導体による放射状の電流路で、導体によって電流が求められる方向に沿って流れるのが可能になる。一実施形態では、セグメント化が内側エッジ９２２および外側エッジ９２４で起こる。一実施形態では、内側エッジ９２２およびスポークがセグメント化され外側エッジ９２４はセグメント化されていない。一実施形態では、内側エッジ９２４およびスポークがセグメント化され外側エッジ９２２はセグメント化されていない。示されているように、導体層９１０には、磁石アセンブリの磁極の動きに直交するように並べられた複数の並行電流路を有するスポークが含まれる。前述のことに基づいて、図８Ｂに関して、導体層９１０は、スタック内で、同じかまたは異なるパターニングを有する他の層と積み重ねることができる。一実施形態では、交互に配置された層はセグメント化されたスポークを持ち、１つまたはそれ以上の層はセグメント化されたスポークを持たないかほとんど持たない。３つ以上のセグメントが可能である。
【００７２】
図９Ｂは、部分的にセグメント化された電流路を有する導体の上方視点の実施形態の略図である。導体層９３０は、部分的にセグメント化された導体部分を有する平坦固定子層である。さらに具体的に言うと、導体９３０にはセグメント化されたスポーク９３２が含まれ、内側エッジ９４２および外側エッジ９４４はセグメント化されていない。したがって、導体９３０には、導体層の放射状の電経路内に、セグメント化された電流路部分９３２および隙間のない電流路部分９３４が含まれる。スポークのセグメント化によって、渦電流が磁石の動き９５２に基づいてスポーク内に誘起されるという事実に起因する渦電流ループ間の分離がもたらされる。磁石範囲９５４は、磁石アセンブリの磁石要素導体層９３０を通り過ぎる大体の範囲を示す。一実施形態では、セグメント化された部分９３２は、磁石範囲９５４の幅と大体同じ長さだけ放射状に延びる。放射状の切断または分離によって渦電流は、分割数の２乗で減少する。一実施形態では、内側エッジ９４２で示される経路の中心および外側エッジ９４４で示される末端経路は主要磁界の外にあり、したがって渦電流から受ける影響は少ない。主要磁界の外側にある経路の部分は一体のままであり、循環電流が要求される渦電流損失より少ない場合、導体層９３０は完全にセグメント化された導体層と比べて機械的剛性を改善することができる。
【００７３】
図１０Ａは、外周で結合される層を有する蛇行巻線の実施形態の略図である。導体１０１０は、ここに述べられている実施形態に基づいて、導体スタックに収容される被覆導体の層の一例を提供する。導体１０１０は、６つのセグメントを有する蛇行巻線で、これは、６個の従来のコイルと比べて導体経路を低減し、その上、追加の導体が重なリ合うのを可能にする機械的経路を与える。導体の重なりまたは交互配置は、体積密度の増加を提供でき、その上、１相または２相またはそれ以上の相を可能にする。一実施形態では、導体１０１０が、外周上の接続部１０１２でスタック内の他の相につながる。一実施形態では、接続部１０１２は、多重導体コイルが同一平面の導体材料から形成されるのを可能にし、それから折り曲げられたり互いに折り重ねられたりする。したがって、多重層は接続部１０１２で結合でき、それから導体スタックを形成するために折り重ねられたり折り曲げられたりする。接続部１０１２がどのように導体１０１０の電流路に接続されるのか、およびそれがどのように他の層に接続されるのかによって、接続部１０１２は隣接する層に並列接続を提供できるかまたは隣接する層に直列接続を提供できる。一実施形態では、外周接続部１０１２が、内周が自由に動くのを可能にして、固定子が導体１０１０の中心を通るシャフトと相対的に回転するのを可能にする（表示されない）。
【００７４】
図１０Ｂは、内周で結合される層を有する蛇行巻線の実施形態の略図である。導体１０２０は、ここに述べられている実施形態に基づいて、導体スタックに収容される被覆導体の層の一例を提供する。導体１０２０は、６つのセグメントを有する蛇行巻線で、これは、６個の従来のコイルと比べて導体経路を低減し、その上、追加の導体が重なリ合うのを可能にする機械的経路を与える。導体の重なりまたは交互配置は、体積密度の増加を提供でき、その上、１相または２相またはそれ以上の相を可能にする。一実施形態では、導体１０２０が、外周上の接続部１０２２でスタック内で他の相につながる。一実施形態では、接続部１０２２は、多重導体コイルが同一平面の導体材料から形成されるのを可能にし、それから互いに折り重ねられたり折り曲げられたりする。したがって、多重層は接続部１０２２で結合でき、それから導体スタックを形成するために折り重ねられたり折り曲げられたりする。接続部１０２２がどのように導体１０２０の電流路に接続されるのか、およびそれがどのように他の層に接続されるのかによって、接続部１０２２は隣接する層に並列接続を提供できるかまたは隣接する層に直列接続を提供できる。
【００７５】
一実施形態では、内周接続部１０２２が、外周が自由に動くのを可能にして、固定子が中心にあるシャフト（表示されない）に接続されるのを可能にし、外周の外でアセンブリ全体がハウジング（表示されない）と相対的に浮遊するのを可能にする。シャフトの固定されたインホイールモータなどの装置については、導体１０２０は、外周が自立するのを可能にする。
【００７６】
図１１Ａは、コイルアセンブリの平坦相の上のハルバッハ配列配置の実施形態の略図である。アセンブリ１１１０は、交互配置のコイルアセンブリまたは導体アセンブリの上のハルバッハ配列を示す。アセンブリ１１１０には、導体コイル１１１２が含まれ、これにはここに述べられている実施形態に基づいた被覆導体層のスタックが含まれ得る。アセンブリ１１１０には、ハルバッハ配列の磁石アレイ１１１４が含まれる。具体的に見ることはできないが、２軸ハルバッハ配列にも導体コア１１１２の反対側の磁石アレイが含まれている。一実施形態では、アセンブリ１１１０には、導体コア１１１２に隣接する磁石アレイ１１１４が含まれる。一実施形態では、アセンブリ１１１０には、導体コア１１１２に隣接する２つの磁石アレイ１１２４が含まれており、２つの磁石アレイの間に導体コア１１１２がある。
【００７７】
導体コア１１１２は中心１１１６の周囲に導体を有する。磁石アレイ１１１４も中心１１１６の周囲の円形パターンの中にある。中心１１１６にはシャフトまたは回転子を入れることができる。一実施形態では、導体コア１１１２は電気モータ用の固定子コアになる。一実施形態では、磁石アレイ１１１４が導体コア１１１２から少しのエアギャップで離れている。磁石アレイ１１１４は、エアギャップで離れていても導体コア１１１２と隣接していると見なせる。例えば、磁石アレイ１１１４を、導体コア１１１２を覆うハウジング内に取り付けることによって、示されている配置で固定できる。一実施形態では、磁石アレイ１１１４には、矩形ではない磁石が含まれるが、アセンブリ１１１０の円周にあるスペースを埋めるように形成されている。
【００７８】
図１１Ｂは、２軸ハルバッハ配列の実施形態の略図である。アセンブリ１１２０は、交互配置のコイルアセンブリまたは導体アセンブリの上のハルバッハ配列を示す。アセンブリ１１２０には、導体コイル１１２２が含まれ、これには、ここで述べられている実施形態に基づいた複数のスポーク１１２８を有する被覆導体層のスタックが含まれ得る。アセンブリ１１２０には、ハルバッハ配列の磁石アレイ１１２４が含まれる。具体的に見ることはできないが、２軸ハルバッハ配列にも導体コア１１２２の反対側の磁石アレイが含まれている。一実施形態では、アセンブリ１１２０には。導体コア１１２２に隣接する磁石アレイ１１２４が含まれる。一実施形態では、アセンブリ１１２０には、導体コア１１２２に隣接する２つの磁石アレイ１１２４が含まれており、２つの磁石アレイの間に導体コア１１２２がある。
【００７９】
導体コア１１２２は中心１１２６の周囲に導体を有する。磁石アレイ１１２４も中心１１２６の周囲の円形パターンの中にある。中心１１２６にはシャフトまたは回転子を入れることができる。一実施形態では、導体コア１１２２は電気モータ用の固定子コアになる。一実施形態では、磁石アレイ１１２４が導体コア１１２２から少しのエアギャップで離れている。磁石アレイ１１２４は、エアギャップで離れていても導体コア１１２２と隣接していると見なせる。例えば、磁石アレイ１１２４を、導体コア１１２２を覆うハウジング内に取り付けることによって、示されている配置で固定できる。一実施形態では、磁石アレイ１１２４には矩形の磁石が含まれ、これによってアセンブリ１１２０の円になって囲む磁石間に小さなギャップが残されている。アセンブリ１１２０は、アセンブリ１１１０と比べてより多くの磁石を示しており、より多くの磁極を提供している。当然のことながらアセンブリ１１１０はより多くの磁石を含むことができ、アセンブリ１１２０はより少ない磁石を含むことができる。したがって、磁石の形は、必ずしもアレイ内の磁石の数に関係するわけではない。より多くの磁極は、より少ない磁極と比べて、モータまたは発電機のように運転で高周波数を生み出したり必要にしたりする。
【００８０】
図１１Ａおよび図１１Ｂの両方に関して、アセンブリ１１１０および１１２０の構造は冷却を提供する。固定子アセンブリのスパイラルモーションで、空気または液体は、求心力によって中心から外側に向かう。回転面の速度が速まると、空気または液体はタンジェンシャルモーションを生み出し、熱を外側に放射状に移動させる。サファイアなどの被覆の熱伝達能力を使用して、被覆は導体から熱を奪い、冷却スパイラルモーションはアセンブリから熱を取り去る。導体層と磁石アセンブリの間のエアギャップを使用して、空気または他の液体が導体と磁石の間を通ることができる。したがって、モータの運転に使用される構造および動きは必要な冷却を提供できる。１相以上の相の誘導子をほとんど一体の固定子にすることによって中心の回転軸周りから入る冷却液または気体の中心に向かう流れで熱を分散することができる構造が提供される。熱が被覆を有する導体の表面に移動するとき、液体または気体は、回転子の表面からの熱を運び、固定子から熱を除去するために、渦を巻いて外に出て行く。デジタル制御を使用する現代のモータコントローラーの使用によって、速度、トルクおよび電力の要求をデジタルで変更するための電流・電圧特性の改良が可能になる。ある多相の実施形態では、異なる相が異なる物理的構造および電気路長を有している時でさえ、デジタル制御がデジタルで各相が電気的および物理的に同一に見えるようにすることができる。
【００８１】
図１２Ａは、ハルバッハ配列に隣接する蛇行経路内に導体層を有するモータアセンブリの実施形態の略図である。アセンブリ１２００は、ここで述べられている実施形態に基づく被覆導体層を有するモータアセンブリの例を提供する。アセンブリ１２００には、スポーク１２１２を有する６個のセグメントが含まれ、磁石アレイ１２１６によって比較的複数の磁極が提供されている。磁石アレイ１２１６は、磁石間にギャップのあるアレイの例である。導体コア１２１０には、シャフトまたは軸のための中心１２１４がある被覆導体のスタックが含まれる。電流用の複雑なまたはスパライルの蛇行経路は、磁極数の増加のように、アセンブリ１２００に必要な電圧を上げる可能性がある。相間の接続は、層上に接続部を溶接するかまたは機械的な結合によって、外部で回路基板を使用して行うことができる。導体のスタックは、導体プレートと見なすことができ、これらは抵抗損失を採用化する高密度導電経路を提供するように積み重ねられている。導体コア１２１０の表面は、より熱い中心付近から熱を取り去るための熱交換器としての役割を果たすことができる。
【００８２】
一実施形態では、アセンブリ１２００はモータの一部です。結合の第１の動きをするロボット装置を考えてみる。完全停止から塊の持ち上げまでの動きに必要なトルクを生みだすために、アームおよび塊の動きを速めるのに必要な電力は大きいが一旦動くと一定の速度で継続する電力は、ベアリング損失を克服するための初期電力のわずかなほんの一部である。初期または定期的な起動および停止の動きの電力は平均電力よりはるかに大きく、平均電力必要量の数倍が必要になる。しかし、当然のことながら、大きな電力は、数秒のような比較的短時間にのみ必要である。
【００８３】
ある具現化では、アセンブリ１２００の構造は、電流または電圧または両方が、持続した場合には、故障を引き起こすのに十分なほど高い状況で、モータのオーバードライビングを可能にする。しかし、電流または電圧またはその両方をほんの短時間活性化し、それから冷却に数秒間与えることによってシステムは高電力期間を維持することができ、その上小型、軽量の一体型モータの運転を可能にする。アセンブリ１２００の構造は、層間の熱伝導性を増加させ、これによって冷却が改善される。また、ある具現化では、モータを、一次的な電力サージで、過熱の可能性が少ない状態で駆動できる。過熱の可能性の減少によって従来使用されたであろうものより小型のモータの使用が可能になる。なぜならこのようなモータは一時的に過剰電流で駆動できるからである。オーバードライビングは定常状態使用時の２倍以上になる可能性がある。より小型のモータを使用すると、コストは減少し、モータ重量は低減し、アセンブリ１２００に基づく電気モータの用途を広げる。通常、モータのサイズは、たとえ１０％以下の使用率であっても最高の負荷の要求に合わせて決められる。このようなモータのサイジングにより、過剰な重量、コストおよび複雑さが加わる。一次的にモータをオーバードライブさせてピークの要求を満たす能力のために、モータを平均的な要求負荷に合わせてサイジングすることにより、設計では、より小型で、軽く、よりコスト効果のあるモータを、性能を犠牲にせずに使用できる。
【００８４】
例えば、ロボットによる付属器器官またはジョイントを最初に動かすために必要なパワーに似た、離陸または演習中の操作中のエレクトリック航空機の垂直離着陸に必要なパワーはクルージングの要求を超えるかも知れない。モータアセンブリ１２００に基づいた、積み重ねられたコイルの固定子を使用したモータは、高熱出力および起こり得る短時間の効率低下に耐えられる。一旦、求められるレベルまたは定常状態の運転に達すると、モータコントローラーはパワー出力を下げ、モータの求められる最適効率範囲内で運転することができる。同様に、電気自動車を停止状態から加速するためには、電気自動車は公称パワーの５倍が必要であり、例えば、１０キロワットのホイール当たり公称レートで４ホイールで、数秒間に２００キロワットのパワーを生み出せる（２６８馬力）。同じモータは、時速５５マイルで運転中に高効率の運転を提供でき、より軽くてより小型で、したがってホイール当たり公称５０キロワットモータより少ないばね下質量をもたらす。
【００８５】
図１２Ｂは、導体層とハウジングを有するモータアセンブリの実施形態の略図である。システム１２２０は、図１２Ａのアセンブリ１２００のある実施形態に基づいたモータアセンブリの一例である。システム１２２０は、シャフトまたは軸を置ける中心１２２４が中心になるスポーク１２２２を有する導体コア１２３２を示している。システム１２２０には、導体コア１２３２に隣接する磁石アレイ１２３４が含まれている。システム１２２０は、ハウジング１２３６も示しており、これは金属またはセラミックなどの耐熱性ハウジングである。ある具現化では、ハウジンング１２３６は、磁石アレイ１２３４の磁石を所定の場所に収容する。ハウジング１２３６は表示されているものより大きくすることができる。例えば、すべての導体コア１２３２を覆うことができる。
【００８６】
ある具現化では、システム１２２０には、接続装置１２４２および１２４４が含まれ、異なる層または異なる導体スタックまたは両方を接続する。ある具現化では、多相が使用されているが、接続装置１２４２および１２４４は、さまざまな相に接続点を提供できる。ある具現化では、接続装置１２４２または１２４４または両方を、アセンブリの内側の、中心１２２４に近い方に設けることもできる。具体的に表示されていないが、システム１２２０は、シャフト用の１つ以上のベアリングを含むことができる。ある具現化では、接続装置は中心１２２４にあり、システム１２２０は導体コアの外側の周囲に１つ以上のベアリングを含むことができる。
【００８７】
図１３Ａは、リニアハルバッハ配列の静磁場有限要素シミュレーションの実施形態の略図である。略図１３１０は、リニアハルバッハ配列の静磁場有限要素シミュレーションを示している。磁石アレイ１３２０のハルバッハ配列は、一方の側の磁界を強化させることによって損失を低減し、地鉄の必要性を低減し、そして鉄鋼ラミネーションを使用せずにリニア、ラジアル、および軸モータの設計を可能にする。地鉄の不使用によって、コギングおよび渦電流が減少する。ここに述べられているように、ハルバッハ配列は積み重ねられた被覆導体と併用できる。略図１３１０は、磁石アレイ１３２０の一方の側の強い磁界１３１２および磁石アレイの他方の側の弱い磁界１３１４を示している。暗い陰影はより強烈な磁界を示す。固定子は強い磁界１３１２の側に置かれる。
【００８８】
従来のモータには、大抵、鋼鉄などの適切な材料の空中の透磁率の増加を活用するシリコン鋼鉄ラミネーションが含まれている。しかし、このようなラミネーションには、増加した磁界強度を弱める不都合な点がある。これらには、モータの転流中に磁界があちらこちらに切り替わるのでヒステリシス損失が発生し、これらは飽和し、作成できる最大磁界を制限し、重量を増し、追加の導体に使用できる容積を占有する。例えであるが、永久磁石軸方向磁束モータのような電動機械の中には、鋼鉄ラミネーション、ここに述べられているような被覆導体のスタックをベースにした固定子を使用せずに、解放された容積をより多くの導体に置き換えているものがある。導体を増加するとリラクタンスが増加するが、増加によって与えられた電流の流れによって追加の磁力が生まれる。スペースが利用できる場合は、軸方向磁束モータの先進設計は、追加の極、追加の磁性材料、追加の導体などで最適化でき、与えられた体積および重量に対してより大きなパワーおよびトルクを生み出す。同じモータは、より大きな切り替え速度、電圧、および磁極および磁性材料が必要になることもある。磁界を少ない損失および過熱で作成できれば、システムに利益がある。このようなトレードオフによって、モータに９０％を十分超える効率がもたらされる。ここで述べられていることに基づいた固定子は、生産にコスト効果があることに加えて効率の良いモータを提供できる。
【００８９】
図１３Ｂは、デュアルハルバッハ配列の静磁場有限要素シミュレーションの実施形態の略図である。略図１３３０は、向かい合う２つのリニアハルバッハ配列の静磁場有限要素シミュレーションを示している。磁石アレイ１３４２と磁石アレイ１３４４は、両アレイの間の磁界を強めることによって損失を減少させる。ここに述べられているように、ハルバッハ配列および被覆導体を使用したモータは、地鉄に対する必要性を低減でき、鋼鉄ラミネーションを使用せずに、リニア、ラジアル、および軸方向モータの設計ができるようにする。略図１３３０は、磁石アレイ１３４２と磁石１３４４が向き合う側の強い磁界１３３２を示している。磁石アレイ１３４２と磁石１３４４が向き合わない側に弱い磁界１３３４がある。暗い陰影はより強烈な磁界を示す。固定子は強い磁界１３３２の中にある磁石アレイの間に置かれる。デュアル磁石アレイを使用した一実施形態では、デュアル磁石アレイは１つ以上のハウジング要素と一緒に置くことができ、磁石アレイと固定子アセンブリの平坦部分の間のエアギャップでスペースが置かれている。
【００９０】
図１４は、モータアセンブリの実施形態の略図である。アセンブリ１４００は、中に軸またはシャフトが示されているアセンブリを示している。さらに具体的には、アセンブリ１４００には導体１４１０が含まれており、これは、ここに述べられている実施形態に基づく被覆導体である。アセンブリ１４００には、ハウジング１４３０によって所定の場所に保持されているハルバッハ配列１４２０が含まれている。軸１４４０は、コアアセンブリの中心で、インターフェースで接続するシャフトまた軸を示す。当然のことながら、アセンブリ１４００の実際的な実施は基本的に完全に封入されており、ベアリングが動いている要素と静止している要素の間にある。一部のモータ設計では、シャフトが固定子アセンブリに固定されている。他のモータ設計では、シャフトが静止している固定子アセンブリと相対的に回転する。アセンブリ１４００は、どちらのタイプのモータ設計もサポートできる。
【００９１】
例えば、アセンブリ１４００は、固定子アセンブリを軸１４４０に結合する機械的取付部を含むことができるかまたはそうするように改造できる。そのような設計では、回転子はシャフトの回りを自由に回転する。そのような設計は、ホイールモータの用途に有用である可能性がある。別の例では、アセンブリ１４００は、固定子アセンブリをモータハウジングに結合する機械的取付部を含むことができるかまたはそうするように改造できる。そのような設計では、回転子は軸１４４０に固定できる。
【００９２】
一つの側面では、固定子アセンブリには次のものが含まれる：第１の平面に固定子中心点の周囲に放射状パターンで磁石を有する磁石アセンブリと、磁石アセンブリに隣接する固定子コアであって、被覆導体の多重層のスタックを有する固定子コアであり、導体が矩形の断面を有し、絶縁性の被覆が導体に化学結合されている。
【００９３】
一実施形態では、矩形の断面が、固定子の中心点に近い位置でのより小さな面積から、固定子中心点からより離れる位置でのより大きな面積に変わる。一実施形態では、導体はパターン化されたシート金属からなる。一実施形態では、導体はアルミニウムからなり、被覆はサファイアからなる。一実施形態では、導体は銅からなり、被覆はダイヤモンドからなる。一実施形態では、導体層は複数のスポークを含み、スポークは固定子中心点近傍でその層の隣接するスポークに電気的に結合され、固定子外側エッジ近傍でその層の隣接する別のスポークに電気的に結合される。一実施形態では、固定子が、被覆導体の多重層の複数のスタックを有している。一実施形態では、その複数のスタックは、第１のスタックが第２のスタックと入れ子になるように構成され、第１のスタックのスポークは、第２のスタックのスポークと隣接し、実質的に同一平面となるように、第２のスタックのスポークと交互配置される。一実施形態では、スタックの大部分は、第１の相を有する第１のスタックと第１の相と異なる第２の相を有する第２のスタックから成る。一実施形態では、スポークには、第１及び第２の磁石アセンブリの磁極動きに直交するように並べられた複数の並行電流路が含まれる。一実施形態では、そのスポークの複数の並行電流路が合体して単一の電流路になり、固定子中心点近傍で電気的に結合し、また、合体して単一の電流路になり、固定子外側エッジ近傍で電気的に結合する。一実施形態では、導体の多重層は、蛇行形状の金属のコイルから成り、そのコイルは互いに折れ重なり合っている。一実施形態では、少なくとも２個の導体層が並列に接続されている。一実施形態では、少なくとも２個の導体層が直列に接続されている。一実施形態では、磁石アセンブリは、第１の磁石アセンブリからなり、固定子中心点の周りに放射状のパターンで第１の平面と平行な第２の平面内の磁石を有する第２のアセンブリを更に備え、固定子コアは第１及び第２の磁石アセンブリの間にある。
【００９４】
一つの側面では、固定子アセンブリは次のものを含む：モータハウジング；回転子；シャフト：固定子中心点の周囲に放射状パターンで第１の平面に磁石を有する第１の磁石アセンブリ；固定子中心点の周囲に放射状パターンで第１の平面と平行な第２の平面に磁石を有する第２の磁石アセンブリ；第１及び第２の磁石アセンブリの間の固定子コアであって、被覆導体の多重層のスタックを有する固定子コアであり、導体が矩形の断面を有し、絶縁性被覆が導体に化学結合されている。
【００９５】
一実施形態では、導体層は複数のスポークを含み、スポークは固定子中心点近傍でその層の隣接するスポークに電気的に結合され、固定子外側エッジ近傍でその層の隣接する別のスポークに電気的に結合される。導体はアルミニウムからなり、被覆はサファイアから成る。一実施形態では、モータアセンブリはリニアモータから成る。一実施形態では、固定子アセンブリをシャフトに結合するための機械的取付部を更に備え、回転子はシャフトの周囲を自由回転し、固定子コアの隣接する層は固定子中心近傍で互いに接続する。一実施形態では、そのモータアセンブリはインホイールモータのモータから成る。一実施形態では、固定子アセンブリをモータアセンブリに結合するための機械的取付部を更に備え、回転子はシャフトに固定され、固定子コアの隣接する層は固定子外側エッジ近傍で互いに接続する。一実施形態では、矩形の断面が、固定子中心点により近い位置でのより小さな面積から、固定子中心点からより離れた位置でのより大きな面積に変わる。一実施形態では、導体はパターン化されたシート金属から成る。一実施形態では、導体はアルミニウムから成り、被覆はサファイアから成る。一実施形態では、導体は銅から成り、被覆はダイヤモンドから成る。一実施形態では、導体層は複数のスポークを含み、スポークは固定子中心点近傍でその層の隣接するスポークに電気的に結合され、固定子外側エッジ近傍でその層の隣接する別のスポークに電気的に結合される。一実施形態では、固定子が、被覆導体の多重層の複数のスタックを有している。一実施形態では、その複数のスタックは、第１のスタックが第２のスタックと入れ子になるように構成され、第１のスタックのスポークは、第２のスタックのスポークと隣接し、実質的に同一平面となるように、第２のスタックのスポークと交互配置される。一実施形態では、複数のスタックは、第１の相を有する第１のスタックと第１の相と異なる第２の相を有する第２のスタックから成る。一実施形態では、スポークには、第１及び第２の磁石アセンブリの磁極動きに直交するように並べられた複数の並行電流路が含まれる。一実施形態では、そのスポークの複数の並行電流路が合体して単一の電流路になり、固定子中心点付近で電気的に結合し、合体して単一の電流路になり、固定子外側エッジ付近で電気的に結合する。一実施形態では、導体の多重層は、蛇行形状の金属のコイルから成り、そのコイルは互いに折れ重なり合っている。一実施形態では、少なくとも２個の導体層が並列に接続されている。一実施形態では、少なくとも２個の導体層が直列に接続されている。一実施形態では、磁石アセンブリは、第１の磁石アセンブリからなり、固定子中心点の周りに放射状のパターンで第１の平面と平行な第２の平面内の磁石を有する第２のアセンブリを更に備え、固定子コアは第１及び第２の磁石アセンブリの間にある。
【００９６】
ここに述べられているもの以外に、さまざま改造が、公開された発明の実施形態および実施に、そのスコープから逸脱することなく行える。したがって、ここに述べられた説明および例は、説明と解釈すべきであり、限定的意味に解釈すべきではない。発明の範囲は、以下に続く請求範囲を参照することよってのみ判断すべきである。
【図１】
2019517771.tif 000003
【図２】
2019517771.tif 000004
【図３Ａ】
2019517771.tif 000005
【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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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１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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