(57)【要約】  電気機械装置は、Ｎ個のポストを含むステータを有する。ロータは、ステータに対して相対的な軸周りの回転運動が可能となるように軸受に取り付けられており、ロータとステータとの間に空隙が存在する。軸受は、予圧された軸方向スラスト軸受又は予圧されたアンギュラ軸受である。予圧の力は、少なくとも部分的にステータとロータとの間の磁気引力によって提供される。ロータは、Ｍ個の極を有する。Ｎ及びＭの値は、Ｎ及びＭの最大公約数が４以上である性質を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ個のポストを有するステータと、
前記ステータに対して相対的な軸周りの回転運動のために軸受に取り付けられているロータであって、前記ロータと前記ステータとの間に空隙があり、前記軸受は予圧された軸方向スラスト軸受又は予圧されたアンギュラ軸受であり、予圧力は、前記ステータと前記ロータとの間の磁気引力によって少なくとも部分的に提供されており、前記ロータはＭ個の極を有する、ロータと、を含み、
Ｎ及びＭは、Ｎ及びＭの最大公約数が４以上である性質を有する、電気機械装置。
【請求項２】
前記ポストが、それぞれのセクション内で前記ポストの周囲の導体に共通の電気励起の相を有するセクションに分配されている、及び／又は、それぞれのセクション内に偶数個のポストが存在する、請求項１に記載の電気機械装置。
【請求項３】
前記ポストが、少なくとも３つのセクションに分配されている、請求項２に記載の電気機械装置。
【請求項４】
ＮとＭの両方が６０以上である、請求項１に記載の電気機械装置。
【請求項５】
前記ステータ上の前記導体が、多相配線構成を更に含む、請求項２に記載の電気機械装置。
【請求項６】
３つ以上のセクションのそれぞれが、複数の配線されたポストを含んでおり、前記３つ以上のセクションのそれぞれの配線されたポストの数が同じである、請求項５に記載の電気機械装置。
【請求項７】
前記３つ以上のセクションが、相当たり２つ以上の均等に配列されたセクションを更に含む、請求項６に記載の電気機械装置。
【請求項８】
前記３つ以上のセクションが、相当たり４つ以上の均等に配列されたセクションを更に含む、請求項７に記載の電気機械装置。
【請求項９】
前記３つ以上のセクションが、相当たり６つ以上の均等に配列されたセクションを更に含む、請求項８に記載の電気機械装置。
【請求項１０】
前記３つ以上のセクションが、前記対応の相のそれぞれに対してちょうど４つの均等に配列されたセクションを更に含む、請求項８に記載の電気機械装置。
【請求項１１】
前記均等に配列されたセクションのそれぞれが４つ以上の配線されたポストを含む、請求項１０に記載の電気機械装置。
【請求項１２】
９６個以上のポスト及び９２個以上の極が存在する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の電気機械装置。
【請求項１３】
前記軸受が、
前記ロータ及び前記ステータを接続している内側スラスト軸受であって、前記内側スラスト軸受は、前記ロータ及び前記ステータの相対回転運動が可能となるように配置されている、内側スラスト軸受と、
前記ロータ及び前記ステータを接続している外側スラスト軸受であって、前記外側スラスト軸受は、前記ステータ及び前記ロータの相対回転運動が可能となるように配置されている、外側スラスト軸受と、を更に含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の電気機械装置。
【請求項１４】
前記外側スラスト軸受が純粋なスラスト軸受である、請求項１３に記載の電気機械装置。
【請求項１５】
前記内側スラスト軸受が、半径方向に配置する軸受である、請求項１４に記載の電気機械装置。
【請求項１６】
前記内側スラスト軸受が、半径方向及び軸方向の両方に配置する、請求項１５に記載の電気機械装置。
【請求項１７】
前記内側スラスト軸受が純粋なスラスト軸受である、請求項１６に記載の電気機械装置。
【請求項１８】
前記外側スラスト軸受が、半径方向に配置する軸受である、請求項１３に記載の電気機械装置。
【請求項１９】
前記外側スラスト軸受が、半径方向及び軸方向の両方に配置する、請求項１８に記載の電気機械装置。
【請求項２０】
前記内側スラスト軸受が、半径方向及び軸方向の両方に配置する、請求項１８に記載の電気機械装置。
【請求項２１】
第１のキャリアの電磁要素がポストを含んでおり、スロットが前記ポストの間に存在し、それぞれのスロットには１つ以上の導電体が入っており、前記第１のキャリアの前記ポストはｍｍ単位のポスト高さを有し、
前記第１のキャリア及び第２のキャリアが共に、前記電気装置の寸法を画定し、
前記磁極がｍｍ単位の極ピッチＳを有し、
前記モータの前記寸法、極ピッチ及びポスト高さが、寸法、極ピッチ及びポスト高さによって画定される空間内のリージョンの範囲に含まれるように選択されており、前記リージョンが、
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の表面と、
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の表面と、
ｃ）前記第１の表面上にある第１の端部ポイントと前記第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と、の第１の和集合であって、
前記第１の不等式の組及び前記第２の不等式の組がそれぞれ、不等式の組Ａ及びＢ、又はＢ及びＣ、又はＣ及びＤであり、前記不等式の組Ａは２５ｍｍの寸法に対するものであり、前記不等式の組Ｂは５０ｍｍの寸法に対するものであり、前記不等式の組Ｃは１００ｍｍの寸法に対するものであり、前記不等式の群Ｄは２００ｍｍの寸法に対するものである、第１の和集合、又は
２）不等式の組Ｄによって画定される表面と、前記表面よりも大きい寸法を有するが、前記表面内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の対応する集合と、の第２の和集合、のいずれかによって画定され、
Ａは、
【表１】
2019511900.tif 000017
【表２】
2019511900.tif 000018
【表３】
2019511900.tif 000019
からなる不等式の組の群から選択され、
Ｂは、
【表４】
2019511900.tif 000020
【表５】
2019511900.tif 000021
【表６】
2019511900.tif 000022
からなる不等式の組の群から選択され、
Ｃは、
【表７】
2019511900.tif 000023
【表８】
2019511900.tif 000024
【表９】
2019511900.tif 000025
からなる不等式の組の群から選択され、
Ｄは、
【表１０】
2019511900.tif 000026
【表１１】
2019511900.tif 000027
【表１２】
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からなる不等式の組の群から選択される、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の電気機械装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
電気機械装置。
【背景技術】
【０００２】
電気機械装置の設計においては、機械装置の意図される用途及び所望の性能特性に応じてスロット数などの構造パラメータを選択することが知られている。しかしながら、構造パラメータの全ての値が実際に使用されているわけではない。電気機械装置の性能には、とりわけロボット工学において、改善の余地がある。
【０００３】
電気機械装置は、典型的には、流束を生成するために軟磁性ステータポスト（歯）に巻き付けられている導電性ワイヤ巻き数を使用する。このタイプのモータ構造の製造プロセスは、時間がかかり、かつ、高価であり得る。更に、下流アクチュエータの重さが上流アクチュエータによって支持及び加速されなければならないロボット工学においてなど、モバイルアクチュエータ用途のために、このようなモータは、典型的には、それらを比較的重いものにするトルク対質量比を有する。
【０００４】
モータを直接的に駆動する一般の永久磁石は、ロータとステータとの間の高い永久磁力のために、組み立てることが困難であり得る。ロータ及びステータを１つにまとめるときに、部品を損傷させること及び作業者を傷付けることを回避するために、こうした高い磁力は、典型的には、組立用に複雑な治具を必要とする。
【０００５】
ロボットアーム関節部などの多くの運動制御装置で使用されている大径、ロープロファイルの軸受は、典型的には、軸受組立体の分離を防止するようにハウジング内に物理的に保持されなければならない。多くのロープロファイルの軸受はまた、より大きいプロファイル、より小さい径の軸受に比べて比較的低い公差であることが多い。更に、軸受は、典型的には、ねじ付き又は他のタイプの部材によって典型的に提供される調整可能な予圧を必要とする。こうした部材は、ロープロファイルの組立体に嵌合することが困難であり、とりわけ薄肉軸受では難題である。
【０００６】
一般の軸方向流束アクチュエータでは、軸受は、ロータの磁気活性セクションの内径に位置する。この設定は一般的な方法であり、なぜならば、軸受をロータの外径に配置することは抗力の増加を誘発し、また軸受径の増加と共に軸受全体のプロファイルが増加してしまうからである。ロータのＯＤ上の軸受はまた、装置の回転速度を制限する傾向もある。
【０００７】
単一の内側軸受を単一のロータ／単一のステータで動作させるには、より硬い構造体を提供するようにロータ構造体及びステータ構造体を厚くして、たわみを低減させるか、又はロータ及びステータのたわみに適合するように、空隙距離を増加させるかのいずれかが必要である。第１の方法は、アクチュエータ加速及びトルク密度を減少させるより重い装置及びより大きいエンベロープをもたらす。後者の方法は、より大きい空隙距離に起因するトルクの減少をもたらす。
【発明の概要】
【０００８】
本発明者は、ロボット工学に特に適している新規な一連の構造パラメータを有する電気機械装置を、電気機械装置の追加の新規な特徴と共に、提案している。
【０００９】
実施形態では、電気機械装置が提供されている。電気機械装置は、Ｎ個のポストを含むステータを有する。ステータに対して相対的な軸周りの回転運動が可能となるように軸受に取り付けられているロータが存在し、ロータとステータとの間には空隙が存在する。軸受は、予圧された軸方向スラスト軸受又は予圧されたアンギュラ軸受である。予圧の力は、少なくとも部分的にステータとロータとの間の磁気引力によって提供される。ロータは、Ｍ個の極を有する。Ｎ及びＭは、Ｎ及びＭの最大公約数が４以上である性質を有する。ポストは、それぞれのセクション内においてポストの周囲の導体に共通の電気励起の相を有するセクションに分配されており、それぞれのセクション内には偶数個のポストが存在する。
【００１０】
様々な実施形態では、以下の又は他の特徴のうちの１つ以上が含まれていてよい。ポストは、少なくとも３つのセクションに分配されてよい。Ｎ及びＭの両方は６０以上であってよい。ステータ上の導体は、多相配線構成を更に含んでもよい。３つ以上のセクションのそれぞれは、３つ以上のセクションのそれぞれで同じであり得る複数の配線されたポストを更に含んでもよい。３つ以上のセクションは、相当たり２つ以上の均等に配列されたセクションを更に含んでもよい。３つ以上のセクションは、相当たり４つ以上の均等に配列されたセクションを更に含んでもよい。３つ以上のセクションは、相当たり６つ以上の均等に配列されたセクションを更に含んでもよい。３つ以上のセクションは、対応の相のそれぞれに対してちょうど４つの均等に配列されたセクションを更に含んでもよい。均等に配列されたセクションのそれぞれは、４つ以上の配線されたポストを更に含んでもよい。９６個のポスト及び９２個の極が存在してよい。軸受は、ロータ及びステータを接続している内側スラスト軸受を更に含んでもよく、内側スラスト軸受は、ロータ及びステータの相対回転運動が可能となるように配置されている。また、ロータ及びステータを接続している外側スラスト軸受が存在してもよく、外側スラスト軸受は、ステータ及びロータの相対回転運動が可能となるように配置されている。外側スラスト軸受は、純粋なスラスト軸受であってよい。内側スラスト軸受は、半径方向に配置する軸受であってよい。内側スラスト軸受は、半径方向及び軸方向の両方に配置するものであってよい。内側スラスト軸受は、純粋なスラスト軸受であってよい。外側スラスト軸受は、半径方向に配置する軸受であってよい。外側スラスト軸受は、半径方向及び軸方向の両方に配置するものであってよい。内側スラスト軸受は、半径方向及び軸方向の両方に配置するものであってよい。
【００１１】
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。
ここからは、例示のみを目的として、以下の図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を参照することなる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】例示的なアクチュエータの等角図である。
【図２】図１の例示的なアクチュエータの分解図である。
【図３】図１の例示的なアクチュエータのロータの等角図である。
【図４】図１の例示的なアクチュエータのステータの等角図である。
【図５】図１の例示的なアクチュエータのセクションの等角図である。
【図６】図１の断面Ａ−Ａに沿った例示的なアクチュエータの本体の図である。
【図７】図６の詳細部Ｃ１を示している外側軸受及び熱干渉嵌合の拡大詳細図である。
【図８】図６の詳細部Ｅ１を示している内側軸受及び安全リングの拡大詳細図である。
【図９】代替熱干渉嵌合を有する例示的なアクチュエータのセクションの等角図である。
【図１０】図９の例示的なアクチュエータの断面図である。
【図１１】図１０の詳細部Ｃ２を示している外側軸受及び熱干渉嵌合の拡大詳細図である。
【図１２】図１０の詳細部Ｅ２を示している内側軸受及び安全リングの拡大詳細図である。
【図１３】一体化された軸受レースを有する例示的なステータプレートのセクションの等角図である。
【図１４】一体化された軸受レースを有する例示的なロータプレートのセクションの等角図である。
【図１５】一体化された軸受レースを有する例示的なアクチュエータのセクションの等角図である。
【図１６】図６の断面Ｂ−Ｂに沿った磁束及び磁力の表示を含むロータ及びステータの断面図である。
【図１７】安全リングを有する例示的なアクチュエータの本体の図である。
【図１８】滑り軸受を有する安全リングの詳細図である。
【図１９】スラスト軸受を有する安全リングの詳細図である。
【図２０】磁石の取り付け及び取り外し時のロータの近接図である。
【図２１】ロータプレートセクションの部分断面である。
【図２２Ａ】流束制限孔を有するロータプレートセクションの部分図である。
【図２２Ｂ】別の配置の流束制限孔を有するロータプレートセクションの部分図である。
【図２３】流束制限孔を有しないロータプレートに対するＦＥＭＭシミュレーション結果である。
【図２４】流束制限孔を有するロータプレートに対するＦＥＭＭシミュレーション結果である。
【図２５】ＩＤ軸受とＯＤ軸受との間に途切れない経路を有するステータプレートセクションの断面である。
【図２６】例示的なアクチュエータの分解図である。
【図２７】上部ハウジング及び下部ハウジングに接続されている例示的なアクチュエータを示している実施形態の断面である。
【図２８】図２７の例示的なアクチュエータの分解等角図である。
【図２９】図２７の例示的なアクチュエータの切り欠き等角図である。
【図３０】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を切り取った断面である。
【図３１】延長磁石を有する軸方向流束集中流束ロータの部分の近接断面図である。
【図３２】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３３】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３４】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３５】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３６】背面鉄部及び流束制限装置を有する線形流束機械装置の簡易斜視図である。
【図３７】背面鉄部を有しないかつ流束制限装置を有する線形流束機械装置の簡易斜視図である。
【図３８】流束制限装置の交互交替パターンを有する線形流束機械装置の簡易斜視図である。
【図３９Ａ】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３９Ｂ】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３９Ｃ】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一定温度のトルクを示す。
【図３９Ｄ】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における重み関数の値を示す。
【図３９Ｅ】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３９Ｆ】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４０】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ジオメトリに関して、ＫＲ”の利益の領域を示す。
【図４１】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ジオメトリに関して、ＫＲ”の利益の領域を示す。
【図４２】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ジオメトリに関して、ＫＲ”の利益の領域を示す。
【図４３】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ジオメトリに関して、ＫＲ”の利益の領域を示す。
【図４４】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ジオメトリに関して、ＫＲ”の利益の領域を示す。
【図４５】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ジオメトリに関して、ＫＲ”の利益の領域を示す。
【図４６】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ジオメトリに関して、ＫＲ”の利益の領域を示す。
【図４７】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ジオメトリに関して、ＫＲ”の利益の領域を示す。
【図４８】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ジオメトリに関して、ＫＲ”の利益の領域を示す。
【図４９】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ジオメトリに関して、ＫＲ”の利益の領域を示す。
【図５０】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ジオメトリに関して、ＫＲ”の利益の領域を示す。
【図５１】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ジオメトリに関して、ＫＲ”の利益の領域を示す。
【図５２】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５３】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５４】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５５】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５６】ロータ上のステータ及びタブ形成部が見えるようにハウジングを切り取った断面図を示す。
【図５７】ロータを固定するために図５６のタブ形成部と併用される、上昇し、弧を描いて隣に移り、下降する、組み立ての動きを示す。
【図５８】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５９】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ようにハウジングを切り取った断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
歯は、ポストと称されてよい。
【００１７】
電気機械装置では、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。電気機械装置は、モータ又はジェネレータとして構成されてよい。
【００１８】
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。
【００１９】
ＰＭは永久磁石を意味する。ＥＭは電磁石を意味する。ＩＤは内径を意味する。ＯＤは外径を意味する。
【００２０】
電磁要素は、永久磁石、ポスト、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。軟磁性材料は、これらに限定されないが、鉄若しくは鋼又はコバルト合金若しくはニッケル合金など、磁力に引かれ易く、かつ、一時的に磁化されることができる材料である。
【００２２】
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。
【００２３】
スラスト軸受は、アンギュラ接触軸受及び４点接触軸受並びに純粋なスラスト軸受を含めて、実質的な軸方向スラストを支持するように配置された任意の軸受を含む。半径方向に配置する軸受は、使用時に、軸受によって接続されている要素の軸の相対変位を防止する軸受である。
【００２４】
軸受は半径方向及びスラスト配置（クロスローラ軸受など）であり得るか、又は軸受は半径方向配置のみ若しくはスラスト配置のみであり得る。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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相機械装置では、Ｎは３、６、９、１２などであり得る。集中巻の場合、スロット数は様々であり得るが、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。
【００３４】
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。
【００３５】
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１】
2019511900.tif 000003
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。
【００３６】
比較的に正確な近似として、ＡSは、歯の高さ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２】
2019511900.tif 000004
【００３７】
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。
【００３８】
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、個々に巻か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。
【００３９】
本装置の実施形態は、好ましくは、軸受レース並びにステータ及びロータポストの少なくとも軸方向表面が同じ設定で機械加工されることができるステータ及び／又はロータに機械加工されている、一体化された軸受レースを使用する。これは、ステータ及びロータポストに対して相対的な軸受レースの軸方向位置と半径方向位置との間の重要な幾何学的関係の製造に非常に高い公差を提供することができる。これらの幾何学的関係の一貫性は、装置の一貫したコギング特性及び他の性能特性のために重要である。
【００４０】
本装置の実施形態は、ステータ及びロータが組み立てられてから永久磁石をロータ内へ個々に設置することができるロータ構成により、合理化された製造を実現することができる。
【００４１】
装置の実施形態は、高いトルク密度、製造の容易さ、最小限の数の構成要素を有する非常に単純な組立体に起因する組み立て及び保守の容易さ、並びに非常に高速な緊急停止を可能にする高いトルク対慣性比の結果としての優れた動作安全性を提供することができる。
【００４２】
図１に示すように、軸方向流束モータ１１０の非限定的な、例示的な実施形態は、上部アーム部材１００及び下部アーム部材２００の中に収容されている。上部及び下部アーム部材１００、２００は、回転軸３００の周囲を回転する。
【００４３】
ロボットアーム組立体内の装置の非限定的な、例示的な実施形態が、図２に示されている。上部アーム部材１００は、支持ハウジング１０１を含む。下部アーム部材２００は、アームハウジング２０１を含む。支持ハウジング１０１及びアームハウジング２０１は、好ましくは、これらに限定されないが、アルミニウム、マグネシウム又は炭素繊維複合材などの軽量材料から作製されている。
【００４４】
図２〜図５に示すように、ステータ１０２は、ボルト及び／若しくは接着剤及び／若しくは熱嵌合で又はアームと一体的に形成されることによってなどの手段で上部アーム１００に取り付けられている。図２では、ステータ１０２は、リング１０１Ａとのプレス嵌めを使用して上部アーム１００に接続されている。外側軸受３０２及び内側軸受３０１は、ステータ１０２及びロータ２０２の相対回転を可能にし、ステータポスト１０５（図４）とロータポスト２０５（図３）との間の空隙を維持するようにステータ１０２及びロータ２０２の精密な相対軸方向配置を提供する。図３に示すように、ロータは、流束制限孔２０６及び永久磁石２０４を有してよい。永久磁石は、スロット２０８に着座している。
【００４５】
空隙のＩＤの内側にある内側軸受３０１及び空隙のＯＤの外側にある外側軸受３０２の配置は、有効寿命をより長く及び／又は軸受をより軽くするためにステータ１０２とロータ２０２との間の引力を２つの軸受３０１、３０２の間で分配する。ＩＤ軸受及びＯＤ軸受の使用はまた、例えば、装置の実施形態の多数の極で可能であるように、ステータ１０２及びロータ２０２に対する機械的応力を減少させて、より薄い断面及びより軽い重量も可能にする。
【００４６】
図３及び図４に示すように、ロータ２０２はロータプレート２０３を含み（図３）、ステータ１０２はステータプレート１０３を含む（図４）。ステータプレート１０３は、図４に示すように、及びロータプレート２０３は、図３に示すように、ダクタイル鋳鉄から作製されることができる。永久磁石２０４は、ネオジム−Ｎ５２Ｈであり得る。多くの他の材料が、様々な構成要素に使用されることができる。これらの材料は、例として与えられている。
【００４７】
ロータ２０２は、下部アーム２００に収容され、ボルト及び／若しくは接着剤及び／若しくは熱嵌合で又はアームと一体的に形成されることによってなどの手段で取り付けられている。図２に示すように、ロータ２０２は、リング２０１Ａとのプレス嵌めを使用して下部アーム２００に接続されている。ロータ２０２内の永久磁石流束によって生じるステータ１０２とロータ２０２との間の軸方向磁気引力は、軸受３０１及び３０２に軸方向予圧を与える。これに限定されないが、ネオジムＮ５２磁石などの高強度磁石を用いた場合、ステータ１０２及びロータ２０２で軸受３０１、３０２が予圧されている状態を維持するのに、及び下部アーム２００が全ての方向において実用的な負荷を支持することができる十分な軸力を提供するのに、この軸力が十分であることは、解析及び実験によって明らかになっている。この負荷は、アームの重量及び加速力と任意の方向のペイロードとの組み合わせであってよい。
【００４８】
軸受着座力及び軸受に対する軸方向予圧を提供するための磁力の使用は、軸方向の軸受遊びを取り除くために、ステータ及びロータの磁気引力によって予圧されることができるスラスト負荷及び／又はアンギュラ接触軸受の使用を可能にする。半径方向配置及び軸方向配置の軸受の組み合わせを使用することにより、半径方向及び軸方向において軸受を磁力で予圧すること、並びに軸受レースが磁力の逆方向に移動することを防ぐための軸受レースの追加の機械的な保持の必要性をなくすことが可能である。この予圧は、軸受遊びを大幅に減少させ、軸受剛性を増加させることができ、その結果、組立体の動きが非常に精密になる。これは、ロボット工学などの精密な用途に対して有利であり得る。また、ロータの半径方向変位が原因で発生する可能性のある一貫性のないコギング効果を低減する利点も有し得る。これは、本装置の実施形態を用いた場合など、装置が大きい数の非常に小さいコギングステップを有するときに、特に重要であり得る。
【００４９】
両方の軸受上での両方のレースの機械的な保持を必要としない軸方向に予圧されたレースの非限定的な例が、図５〜図８に示されている。ステータは、ステータプレート１０３を含む。ステータプレート１０３は、内側軸受溝を画定する内側軸受レース１１１及び外側軸受溝を画定する外側軸受レース１１２を含む。ロータは、ロータプレート２０３を含む。ロータプレート２０３は、内側軸受溝を画定する内側軸受レース２１１及び外側軸受溝を画定する外側軸受レース２１２を含む。ロータプレート２０３は、協働部分２３１と２３２との間のプレス嵌めを使用してロータハウジング２０１に接続されていてよい。同様に、ステータプレート１０３は、協働部分１３１と１３２との間のプレス嵌めを使用してステータハウジング１０１に接続されていてよい。外側軸受要素３２２（この非限定的な例では、クロスローラ軸受）は、ステータ１０２とロータ２０２との間の軸方向磁気引力が軸受３０１の軸方向及び半径方向の遊びを解消するように、２つの外側軸受溝１１２、２１２の間に挟まれている。内側軸受要素３２１（図６）は、２つの内側軸受溝１１１、２１１の間に挟まれている。軸受３０１は、この非限定的な、例示的な実施形態では、軸方向及び半径方向の配置剛性を有するクロスローラ軸受である。結果として、ロータ２０２内の磁石２０４によって提供されるロータ及びステータの軸方向予圧は、軸方向及び半径方向においてステータ１０２及びロータ２０２の精密な相対配置をもたらす。この精密な配置は、ステータとロータとの間の軸方向の磁気引力の逆方向における機械的な又は接着性の軸受レース保持を必要とせずに達成される。
【００５０】
図６を参照すると、軸方向流束モータ１１０は、示されている設計を有してよい。外側軸受３０２及び内側軸受３０１は、ステータ及びロータの相対回転を可能にし、また、ステータポスト１０５と、磁石２０４を保持しかつこの磁石によってもたらされる磁界に流束経路を提供するロータポストと、の間に所望の空隙を維持するように、ステータ及びロータの精密な相対軸方向配置を提供する。ロータは、流束制限孔２０６及び磁石２０４を有してよい。空隙のＩＤの内側にある軸受及び空隙のＯＤの外側にある第２の軸受の使用は、有効寿命をより長く及び／又は軸受をより軽くするためにステータとロータとの間の引力を２つの軸受の間で分配する。ＩＤ軸受及びＯＤ軸受の使用は、例えば、装置の実施形態の多数の極で可能であるように、ステータ及びロータに対する機械的応力を減少させて、より薄い断面及びより軽い重量を可能にする。
【００５１】
図３及び図４に示されている非限定的な、例示的な実施形態では、９６個のステータポスト（９６個のスロットに対応している）及び９２個のロータポストが３相配線と共に存在し、ステータ上のそれぞれの相は、例えば４つ以上存在してもよいが、４つの均等配列セクションに分配されており、それぞれのセクションは８つのポストを有する。この例でのロータポストの数は９２個であり、その結果、ロータポストとステータポストが揃うのは４つの均等に配列された角度位置になる。したがって、言い換えると、ステータとロータとの間のピーク軸方向引力は、４つの位置でもたらされる。
【００５２】
ステータポスト数とロータポスト数の他の多くの組み合わせが使用さてよいことに留意されたい。また、他の相数も使用されてよい。本明細書に記載の例は、有益な性能を提供することが明らかになっているが、様々な構造原理をこれらの例示的な形状に限定するものではない。例えば、これらに限定されないが、磁気的に予圧された軸受又は配線構造など、装置の実施形態の特徴は、もっと少ない又はもっと多い数の極を有するロータ及びステータと共に使用されることができる。
【００５３】
ステータとロータとの間の合計軸方向予圧は、装置の実施形態では、巻線に供給されている電流及びモータによって発生したトルクに関係なく、これに限定されないが、３相構成など、多相配線構成において、１０％以内でなど、比較的一定のままであり続けることが、シミュレーション及び実験によって明らかになっている。これは、電磁気力が反発と吸引において適度に等しく存在するためである。しかし、ステータ及びロータに対する合計軸方向力は適度に一定のままであり続けるが、ステータ又はロータ上の個々のポストに対する軸方向引力は、もっと大きく（１４％以上など）変化することになる。このため、いくつかの実施形態では、永久磁石からのピーク軸方向負荷が２つ以上の角度位置で（例えば、４つの均等に配列された角度位置で）発生するように、複数の相セクションを相当たり３つ以上のセクションに分配することが有益である。これは、ステータをロータから引き離すことになり得る任意の片持ち外部負荷（主に１つの角度位置でステータとロータを互いに離れる方向に引いているスカラアームへの片持ち負荷など）が、アームの角度位置に関係なく、１つ以上のピーク軸方向力領域によって常に対抗されるように、より一貫性のある軸方向予圧を特にＯＤ軸受の周囲にある軸受上に提供するのに有益であり得る。相当たりのセクションの数が増加すると、製造の複雑さが増すので、いくつかの点において、４つのピーク軸方向力位置（相当たり４つのセクションの結果として生じる）は、製造可能性とピーク軸方向力の一貫性とのバランスが良いものであると考えられる。４つのピーク軸方向力位置は、ロータ上のポスト数とステータ上のポスト数との間に４のポスト差が存在するという重要な特性を有する多くの様々な数のステータ及びロータポストで達成することができる。
【００５４】
更に、示されている配線構成の実施形態を使用している装置の実施形態では、ステータ上のポストの数が、３、６、９、１２、１４、１６など、３つのセクションの倍数であり、それぞれのセクションが、ステータ上で２、４、６、８、１０、１２個などの偶数個のポストを有することが有益である。
【００５５】
装置の実施形態の設計において選択するピーク軸方向力位置の数を決定するときに考慮すべき別の点は、結果として生じることになるコギングステップの数である。大きい数のコギングステップは、コギングを低減するのに有益であり（ステップの数が大きいほど、一般にそれぞれのコギングステップの最大トルクと最小トルクとの間の力の変動が小さくなるため）、したがって、９６個のステータポスト及び９４個のロータポストからなる非限定的な、例示的な実施形態では、コギングステップの数は非常に大きい４５１２個であり、その結果、理論上のコギングトルクは非常に小さくなることから、ステータとロータとの間の２ポスト差（相当たり２つのセクションと対応している）は、コギングを低減するのに好ましいように見えるであろう。しかしながら、ステータとロータとの間の２磁石差は、任意の所与の時間において２つのピーク軸方向引力位置しかもたらさず、その結果、スカラアーム構成においてなど、ペイロード持ち上げ時のアクチュエータの出力に対する片持ち負荷の支持があまり安定しなくなる。このため、４のロータ／ステータポスト差は、より小さいコギングステップ数及び理論的により大きいコギング力を有するものではあるけれども、ペイロード持ち上げ時の安定性に関しては、良い選択であると考えられる。９６ステータポスト対９２ロータポスト構成は、結果として、コギング力の変動が約２倍になることが予測され得るたった２２０８個のコギングステップになる。したがって、コギングステップはより少なく、ひいては、振幅がより大きくなるため、４のポスト差は、コギングの低減に関して有益であるようには見えないであろう。しかしながら、より少ないコギングステップには別の利点が存在し得る（例えば、１又は２ポスト差と対立するものとして、図３及び図４に示されているような４ポスト差の４など、ステータとロータとの間のより大きいポスト数差から結果として生じる）。この利点は、製造／組み立て時及び様々な負荷条件下での動作中におけるコギングステップの大きさとステータ及びロータ軸位置合わせの要求精度との間の相互関係に関連している。具体的には、コギングステップ（平均空隙径において周囲方向に測定される）が、ステータ軸に対して相対的なロータ軸の半径方向変位（製作精度の不足に起因する）よりも小さいと、ステータ及びロータは十分に位置合わせされなくて、一貫したコギングステップを達成することができない。これは、結果として回転時に一貫性のないコギング力を生じさせることになる。ステータに対して相対的なロータの半径方向変位はいずれも、同じ半径方向において、位置ずれの影響を径方向に対向しているポストに与えることになり、結果としてコギングの相殺は理想的とは言えない状態になる。非常に大きい数のコギングステップの実施形態（ステータとロータとの間のポスト差が２の場合など）でのロータ／ステータ軸の位置ずれとステータの相対角度位置とのいくつかの組み合わせは、条件によっては、より大きいロータ／ステータポスト差が使用されている場合よりも大きいコギング力の変動をもたらすこともあり得る（それぞれの例示的な事例において同様の半径方向の位置ずれを仮定する）。
【００５６】
コギング力又はペイロード力は、時々、半径方向にあまり硬くない軸受と共にロータをステータに対して半径方向へと更に変位させることから、半径方向の軸受剛性の影響は考慮すべき重要な点であり得る。この半径方向変位がコギングステップサイズ（平均空隙径において半径方向変位の方向に対して９０度で接線方向に測定されたコギングステップサイズ）の有意な割合であると、コギングステップ及びコギング力は一貫性がなくなることになり、コギング力は、条件及び角度位置によっては、ステータ／ロータポスト差がより小さく、かつ、コギングステップの数がより大きい場合よりも、振幅（本明細書において「振幅」は、コギングステップ中の最大トルクと最小トルクとの間の差を指す）が大きくなることがある（その結果、ステータ及びロータの場合は理論的により低いコギングトルクになる）。〜１０”ＯＤアクチュエータ上の非常に大きいコギングステップ数は、ステータに対して相対的なロータの半径方向変位〜０．００１”〜０．００２”が存在すると（製作精度又は運転中のアクチュエータの負荷に起因した半径方向変位の結果）、一貫性のないコギングを生じることになる可能性があると考えられる。これは、ステータ、ロータ及び軸受の大量生産に対して高い公差であると考えられる。製造時にこうした高い公差を達成することは、時間と費用がかかるので、１又は２ポスト差を超えるものが使用される場合は、より一貫したコギングトルク（及び、場合により、更に低いピークコギングトルクも）が達成され得るか判定されている。ロータとステータとの間の４ポスト差は、ロボット工学用途（片持ち負荷を支持する場合など）においてアクチュエータの負荷側に少なくとも２つのピーク軸方向引力位置を常に提供する利点を有する。コギングステップがより大きいものであることから、ステータに対して相対的なロータの許容される半径方向変位は、より大きいものであり得る。これにより、より大きい数のコギングステップが使用されているときよりも低い製作公差及び軸受剛性で一貫性のあるコギングトルクを達成することが可能になると予測される。ステータ上にＮ個のポスト及びロータ上にＭ個の極が存在する場合、Ｎ及びＭのそれぞれの数は、ＮとＭの最大公約数が４以上となる性質をＮ及びＭが有するように選択されてよい。
【００５７】
多くの典型的な３相モータでは、単一スロットにおいて２又は３つの相からのワイヤを有することが普通である。本装置の実施形態は、連続した２つ以上の隣接するスロットが１つの相のみからの導体を収容している配線構成を使用する。この装置では多くの様々な巻線方法が使用されてよいが、図４及び図５に示されているように、巻線構成１０４の利点として、軸方向に揃えられた（それぞれのスロット内で周囲方向に積層された）非オーバーラップのフラットワイヤ（ワイヤをオーバーラップすることは、３相分布巻機械装置において典型的に行われているが、フラットワイヤでは問題となる）を使用する能力が挙げられる。この巻線構成及び方法の組立体の単純さを活用するために、相当たりにできる限り少ないセクションを有することが有益であり得る（相当たり１つのセクション、例えば、９６スロットステータに対して相当たり３２スロット、又は相当たり２つのセクション、例えば、９６スロットステータに対して相当たり１６個のスロット、など）。この巻線構成でのロータポストの数は、好ましくはステータスロット数に相当たりのセクション数を加算又は減算した値に等しく、例えば、相当たり２つの均等に配列されたセクションを有する９６個のステータスロットに対しては９４又は９８個のロータポストである。
【００５８】
図５〜図８は、ステータハウジング１０１に取り付けられている安全リング１２１を有する例示的なアクチュエータを示しており、図９〜図１２は、ステータプレート１０３に取り付けられている安全リング１２１を有する代替の例示的なアクチュエータを示している。
【００５９】
安全リング１２１は、空隙を挟んだＰＭ磁気引力からの軸方向引力よりも大きい力が、ロータに取り付けられているアームの端部に、アクチュエータの回転軸に沿って加えられた場合に、ステータ及びロータが分離することがないように、ステータ１０２上に設置されている。図８のアクチュエータの断面は、安全リング１２１がステータの内径に位置していることを示している。図８の断面図は、安全リングのリップ部（第１の肩部）１２２Ａが、アームハウジングのリップ部（第２の肩部１２２Ｂ）に重なり合っていることを示している。リップ部１２２Ａとアームハウジング２００との間には、ロータとステータの分離時に小さい抵抗の滑合を提供するように、薄い滑り軸受リング１２４が配置されている。第１の肩部１２２Ａは第１の半径方向に突出し、第２の肩部１２２Ｂは第１の半径方向とは反対の第２の半径方向に突出しており、第１の肩部１２２Ａは、第２の肩部１２２Ｂと協働して、所定の距離を超えるロータとステータの分離を防ぐように構成されている。安全リング１２１は、協働部分１２３Ａと１２３Ｂとの間のプレス嵌めを使用してステータハウジング１０１に取り付けられている。
【００６０】
両方の例示的なアクチュエータでは、図８及び図１２に示されているように、第１の肩部１２２Ａを形成している重なり形成部は、ロータハウジングのＩＤより大きいＯＤを有しており、この例では、ステータ及びロータのＩＤの周囲に位置している。安全リング及び第１の肩部１２２Ａは、正常動作中はロータに接触する必要はなく、ロータ２０２及びステータ１０２に対する分離負荷が、永久磁石によって提供されている軸受に対する軸方向予圧を超えると、軸方向でのロータとステータの完全な分離を防ぐように働く。図８に示すように、カウンタ軸受又はブッシング１２４は、ステータ及びロータの組み立て後に、ステータ若しくはロータ又は他の部材に取り付けられている。軸方向の過負荷によって分離する力及び変位が軸受に引き起こされる場合、第１の肩部１２２Ａとブッシング１２４とロータとの間に接触が起こることになるので、第１の肩部１２２Ａ及びブッシング１２４及びロータの材料の組み合わせは、好ましくは、滑合に適している。
【００６１】
単一形ブッシング材料１２４もまた、図１８に示されているように、これら２つの表面の間に使用されることができる。図１９では、薄肉スラスト軸受１２４は、アクチュエータの回転時に磁気予圧を超過しても、損傷なしでの回転を可能にするために使用される。第１の肩部もまた、アクチュエータのＯＤにおいて同様の効果で使用されることができる。転がり要素軸受がカウンタ軸受として使用される場合、かつ、緊急時に意図されていない物体へのロボットアームの力を減少させるためにステータとロータの少量の分離を有することが所望される場合に、軸受の玉がスピンするのを防ぐことを目的として、カウンタ軸受が軽く予圧されている状態を維持するように予圧ばねを使用することが望ましい可能性がある。この目的のために、非限定的な例として、波形座金が使用され得る。
【００６２】
図１１に示すように、ロータハウジング２０１及びロータプレート２０３（図１０）は、協働部分２３１Ｂ及び２３２Ｂを使用してプレス嵌めによって接続されている。ステータハウジング１０１及びステータプレート１０３（図１０）は、協働部分１３１Ｂ及び１３２Ｂを使用してプレス嵌めによって接続されている。
【００６３】
ステータ及び／又はロータ上のポスト間のモノリシック材料は、ハウジング構造体を提供するために使用されることができる。ロータ及び／又はステータは、一方又は両方の部材上の追加のハウジングを不要にする構造剛性を有する。ステータ及びロータを均質なプレートとして一体化することは、重量、並びに製造のコスト及び複雑さを低減し得る。それぞれの均質なプレートの一部として形成されている一体化された軸受レースは、図１３〜図１５に示されているように、ステータポストから、転がり要素と接触している軸受レースまでの構造負荷経路が、磁性金属の単一片から形成されることを可能にし得る。ＩＤ及びＯＤ軸受は、軸方向に薄い構成要素でロータ及びステータ材料の応力を低減するために及び小さい空隙を維持するために使用される。これらに限定されないが、鉄合金又は合金鋼など、連続した軟磁性均質材料は、ステータ又はロータポストと軸受との間、ステータ又ロータポストと隣接ポストとの間、ステータ又ロータポストとＯＤ軸受又は軸受座との間、ステータ又ロータポストとＩＤ軸受又は軸受座との間、及びステータ又ロータポストと、ポストと軸受との間の負荷経路にある構造部材との間のうちの２つ以上に使用されてよい。
【００６４】
例えば、ステータ及び／又はロータの均質材料としては、ダクタイル鋳鉄又は他のタイプの鉄構造を挙げることができる。ステータ及び／又はロータの均質材料としてはまた、鉄、ダクタイル鋳鉄及び合金鋼のうちの１つから挙げることができ、またシリコーンなど、導電性阻害物質も挙げられてよい。
【００６５】
図１３〜図１５を参照すると、ステータプレート１０３は、内径に軸受溝１１１Ｂ及び外径に軸受溝１１２Ｂを有する。ステータは、内側軸受溝１１１Ｂ及び外側軸受溝１１２Ｂの両方を均質なプレートの均質な延伸部として有する均質なプレートとして形成されてよい。図１４を参照すると、ロータプレート２０３もまた、内径に溝２１１Ｂ及び外径に溝２１２Ｂを有する。ロータは、内側軸受溝２１１Ｂ及び外側軸受溝２１２Ｂの両方を均質なプレートの均質な延伸部として有する均質なプレートから形成されてよい。一体化されたステータ軸受を画定する別の方法は、ステータ又はロータポスト及び隣接ポスト及び軸受レースが、導電性軟磁性材料の電気的かつ磁気的に繋がっている同じ単一化部分から全て作製されることである。
【００６６】
図１５に示すように、これらの溝は、鋼球３０４及び鋼製ローラ３０３のためのものである。ロータプレート及びステータプレートの材料は、これに限定されないが、ステータポストとロータポストとの間に小さいかつ一貫性のある空隙を維持するための強度を提供する十分に高い構造強度、及び軸受レースの機能性を提供する十分に高い機械的な硬度に加えて、電磁気の機能性を提供する軟磁性特性も有する高強度金属材料など、多くの材料からなっていてよい。ダクタイル鋳鉄は、特定の用途に対して、及び特に特許請求の範囲と組み合わされたときに、これらの品質及び他の品質を有することが明らかになっている。軸受溝１１１Ｂ、１１２Ｂ、２１１Ｂ、及び２１２Ｂはまた、負荷容量及び有効寿命を増強するために硬化させられてもよい。鋼球及びローラを購入すること並びに溝を機械加工及び硬化させることの複合コストは、レース付きの別個のモジュール式軸受を購入し、それらをアクチュエータに取り付けるコストよりも低くなることが予測される。大量生産においては、この一体化された軸受設計は、構成要素の数が減少することによって公差の累積が減少するため、より低いコスト及びより潜在的に高い精度であることを含めて、既製の軸受を使用するよりも有利であり得る。
【００６７】
例えば、図１５の軸受レース１１１Ｂ、２１１Ｂ、１１２Ｂ、及び２１２Ｂで示されているように、ステータ１０２及び／又はロータ２０２に軸受レースを統合することは、これらに限定されないが、鋼又は鋳鉄などの固体ステータ及び／又はロータの使用によって実用的になる。これらに限定されないが、６０−４５−１５又は１００−７０−０３などのダクタイル鋳鉄は、必要ならば、本装置のより高負荷の構成のために十分な軸受レース硬度を提供するように、窒化又は他の方法によって硬化させることができる。より低負荷の構成又はより低有効寿命の構成では、いくつかの実施形態において硬化していないダクタイル鋳鉄を使用することが可能であると考えられる。高有効寿命では、玉又はローラとレースとの間のヘルツ応力を低減し、それにより、典型的な軸受レース（典型的には硬化した鋼から作製されている）に使用されるものより軟らかい軸受レースを可能にするために、ＩＤ及び／又はＯＤ軸受上で２列以上の軸受けを使用することが可能である。ダクタイル鋳鉄又は他の鋳鉄製品は一般に軸受レースに使用されないが、鉄は鉄道用の車輪及びレールに使用されているので、この一体化された軸受は、ダクタイル鋳鉄又は好ましくは高い磁気飽和密度を有する他の好適な材料から作製されると、ロボット工学用途及び他の運動制御用途のために十分な有効寿命で構成されることができると予測され、したがって、ステータ上の軸受レースはステータポスト（ステータ上）と同じモノリシック材料からなることができ、ロータ軸受レースはロータポスト（ロータ上）と同じモノリシック材料からなることができる。一体化された軸受レースの利点としては、より低いコスト、並びにロータ及び／又はステータ内の軸受レース及び軸受レース座の公差累積の解消に起因する精度向上の可能性が挙げられ得る。一体化された軸受レースの使用はまた、軸受レースが負荷軸受構造の一体部分になり、これにより、別個の構成要素の軸受レースを支持する追加の材料を不要にするので、ステータ及びロータの体積及び質量を減少させることもできる。
【００６８】
ステータ及び／又はロータに対するダクタイル鋳鉄の使用は、装置の実施形態の普通でない要件に独自に適し得る特性の組み合わせを可能にする。いくつかの実施形態において有益であり得るダクタイル鋳鉄の特徴の一部としては、渦電流損の減少をもたらす高炭素含有量に起因する弱い導電性、低コスト製造のための優れた機械加工性、ステータ及び／又はロータのネットシェイプ又はニアネットシェイプ鋳造のための優れた鋳造性、長い有効寿命のための高疲労強度、一体化された軸受が潤滑剤の最小限の追加又は追加なしで動作することを可能にし得る自己潤滑特性、いくつかの用途において潤滑を必要とせずに軸受及びアクチュエータの封着を提供する、乾燥状態の特定の封止材料間の優れた摩耗特性、並びにコギング及び他の高周波作用からの騒音及び振動を低減する良好な減衰品質が挙げられ得る。
【００６９】
上述したように、装置の実施形態は、内径（ＩＤ）の位置又はその近くにある一連の軸受要素と、外径（ＯＤ）の位置又はその近くにある一連の軸受要素と、を含む。ロータとステートの間に軸方向及び半径方向の支持を提供するこの軸受の組み合わせは、特許請求の形状の範囲と組み合わされると、ロータ及びステータが軽量になることを可能にし得る。ＩＤ及びＯＤ軸受はまた、一定の空隙距離も維持する。
【００７０】
ロータのＯＤにある軸受からの抗力に起因して、トルクに悪影響を及ぼすものではあるけれども、軸方向流束機械装置内のロータのＯＤ上に軸受一式を配置することは、ロータとステータとの間のより精密に制御された、ひいてはより小さい空隙距離を可能にし、装置で更なるトルクを生成する利益をもたらすことが明らかになっている。ロータとステータとの間の空隙距離は、機械加工公差、及び永久磁石（ＰＭ）引力に起因する、動作中のロータのたわみによって制限され得る。軸方向機械装置内のロータは、空隙内の磁束が原因でたわむので、ステータとロータとの間の接触を回避するために、空隙はロータの動作時のたわみよりも大きいものにならなければならない。ＩＤ軸受のみを有するアクチュエータとＩＤ及びＯＤ軸受を有するアクチュエータとの間でたわみを比較すると、ＩＤのみのアクチュエータ内のロータ及びステータは、ＩＤ／ＯＤ軸受のアクチュエータ内のロータよりも更に有意にたわんでいる。ＩＤ／ＯＤアクチュエータ内のたわみの減少は、所与の入力電力に対してより大きいトルクが生じることになる、より小さい空隙距離が維持されることを可能にし得る。いくつかの実施形態において、空隙距離の減少によって得られるトルクが、ＯＤ軸受によって誘発される抗力よりも大きくなり得ることは、解析及び実験によって明らかになっている。また、ＯＤ軸受の使用により生じるトルク対重量比の増加は、空隙の維持に必要な構造材料の減少に起因して、追加の軸受及び追加の軸受を支持するために必要な材料の重量よりも有意であり得ることも明らかになっている。
【００７１】
本装置の非限定的な、例示的な実施形態では、ステータの外径は２００ｍｍであり、軸方向の空隙はおよそ０．０１０”である。
【００７２】
装置の非限定的な、例示的な実施形態は、図７〜図９に示されているように、１つのステータと１つのロータとを有する。単一ステータ／単一ロータ設定は、ロータが、ステータを軸方向に絶えず吸引することによってＩＤ及びＯＤ軸受を予圧することを可能にする。図１６に示されているように、永久磁石２０４は、矢印４０１によって表されている磁束を生成する。その一方で、隣接する磁石もまた、極２０５への同じ極性の磁束４０２を生成する。両流束４０１及び４０２は、ロータ極２０５の中を伝わり、空隙４００を通り抜け、ステータポスト１０５の中に入り、ステータ１０２とロータ２０２の両方に磁気引力４０３を生成する。磁力４０３は、多くの用途の使用可能動作条件下において受動及び能動動作中にステータ及びロータを一体に保持することができるほど強力である。ポストは、背面鉄部１０６に接続されている。
【００７３】
図１７〜図１９は、安全リング１２１の動作の例を示している。ロータに働いている外す力４０４が存在し、かつ、この力が磁気吸引力４０３（図１６）を上回っているときに、ロータプレート２０３を含んでいるロータは、ステータプレート１０３を含んでいるステータからの分離を開始することになる。ロータがステータから離れ始めると、安全リングのリップ部は、ロータのアームハウジング２０１に接触し、アーム組立体２００が分離するのを防ぐことになる。正常動作中、軸受リング１２４（図１８）は、リップ部１２２Ａとアームハウジング２０１との間の間隙内で自由にスピンすることになり、抗力及び摩擦を生じさせることはない。コイルが係合又は通電されているときに、コイルは、非常によく似た吸引力及び反発力を生成し、その結果、主として回転平面に沿った接線方向の力が生じることになる。したがって、通電下の全ての軸方向反発力は永久磁石吸引力と比べて非常に小さいので、ステータ及びロータの分離を防ぐために、及び所定の最大負荷条件下で軸受に十分な予圧を維持するために、永久磁石吸引力はいつでも使用可能である。いくつかの実施形態では、軸受１２４は、軸受又はそのいくらかの部分がロータプレート２０３に固定されている又はこれと一体化していることによって肩部を形成してよい。
【００７４】
この設計は、安全リングが接触する前に、ロータ関節部が小さい変位のための限定的な分離作用を提供する余地をもたらす。この分離作用は、例えば、ロボットアームが人との望ましくない接触を起こし、人をアームと不動体との間に押さえつけてしまう場合に有益となるであろう。この場合、アームは非常に短い停止時間を有し得るが、それでもやはりアクチュエータが完全に停止するまでに少量の移動が起こり得る。アーム内の１つ以上のアクチュエータのステータからのロータの部分的な分離は、安全リングが接触状態になる前に、衝突からの負荷を受けているアーム内の１つ以上のアクチュエータに最大の軸方向負荷を提供するように、これらのアクチュエータのロータ及びステータが部分的に分離するような方法で、使用されることができる。本装置の実施形態など、少量の分離及び非常に素早く作動しかつ素早く減速するアクチュエータでは、この部分的な分離は、ロボットアームの衝突力又は押さえつけ力を低減することにより、より高い安全性のレベルを提供すると考えられる。
【００７５】
本装置の１０”ＯＤアクチュエータでは、引力は、〜２０００ポンドの範囲内であることが実証されている。この力は、装置の組み立て及び分解を、小さい装置ならば極めて困難なものに、より大型の装置であれば手が出ないほどに困難かつ危険なものにするほど大きい。
【００７６】
組み立て及び分解の安全上の懸念は、本装置の実施形態で軽減され得、また組み立て治具のコスト及び複雑さが軽減され得る。
【００７７】
図３に示されているロータプレートは、永久磁石から軸方向のすぐ外側に背面鉄部を有しない（装置の半径方向流束実施形態などにおける永久磁石からの半径方向外側に対応する）。結果として、磁石スロット２０８はロータの背面で開いており、そのため、ステータ及びロータが組み立てられた後に、磁石をスロットに組み込むことができる。図２０は、磁石２０４にロータの背面からアクセスできることを示しており、これにより、ロータをステータから取り外すことなく、それらの磁石のそれぞれを個々に取り外す又は取り付けることが可能になっている。
【００７８】
磁石２０４は、以下のようにスロットに取り付けられてよい。同じポストに接している隣接磁石と同じ極性の磁束がロータポストに接するように、磁石をスロットに位置合わせする。全ての第２の磁石は、同じ周囲方向極性位置合わせになる。全ての第１の磁石は、全ての第２の磁石の逆になり、したがって、ポストは交互の極性である。磁石がタブに固定されるまで（平行側面の場合）又は、テーパ状の磁石が使用される場合は、テーパ状の磁石がテーパ状のスロットに着座するまで、磁石をスロットに差し込む。全ての磁石が取り付けられるまで、上記の工程を繰り返す。結合剤（例えば、ワックス、エポキシ樹脂、接着剤）を塗布して、隙間を埋める。この工程は、精密なテーパ状スロット内にある精密なテーパ状磁石の場合など、必ずしも全ての事例で必要になるわけではない。
【００７９】
ロータを取り外し、ステータコイル及び玉軸受けにアクセスするために、ロータは、磁石を個々に取り外すことによって容易に消磁することができる。
【００８０】
図１６に示すように、ロータ内の永久磁石２０４のそれぞれは、そのすぐ隣の永久磁石と同じ極性の流束を生成しており、したがって、どの磁石も、その両側の隣接する磁石を押し返すことになる。これにより、磁石は互いに押し返すことになり得るが、ただし、特定の形状は、これらの反発力により磁石がそれ自身をスロットから押しのけてしまうのを防ぐことが可能であることが明らかになっている。空隙が小さいほど、例えば、力は強くなり、多くの場合、これにより、磁石は自身をスロットの外に押し出すのではなくて、スロットの中に押し込むことになる。テーパ状の磁石の使用もまた、この点において有益であり、なぜならば、ロータの背面に向かってテーパの寸法が大きくなっている、テーパ状の磁石は、一般に、ロータポストに向かって、ひいては空隙に向かって、軸方向にそれ自身を引く傾向が強くなるからである。
【００８１】
図２１に示すように、物理的なストップ部は、磁石が空隙内へ移動するのを止めるために使用される。この実施形態では、ストップ部は、磁石がスロット内に滑り込むときに引力を生成するスロットのそれぞれの側面にあるタブ２１０である。それらの組み合わせ力は、磁石をスロット内に引き込む。反発力は部分的に又は完全に相殺されるので、極及びタブからの組み合わせ力が、磁石に作用している合成力になる。磁石はタブ上に着座し、磁気引力が磁石を極に固定する。正しく構成されているときは、先の開示に記載されているように、マグネット上の正味の力は、磁力を使用して磁石をスロット内に磁気的に保持するように、調整されることができる。この事例では、スロット内での磁石の横方向の移動を阻止する場合以外には、接着性又は機械的メカニズムは必要とされない。
【００８２】
アクチュエータの非限定的な、例示的な実施形態が、図２２Ａに示されており、磁石の対向する極性面の間及び隣接するロータ極の間の漏れ磁束を防ぐために、流束制限孔２０６が、磁石スロット２０８の間に、磁石スロット２０８の外側及び内側半径に沿ってロータ上に配置されている。それらの孔が漏れ磁束を低減するかどうかを検証するために磁気シミュレーションが行われたが、その結果、小さいかつ一貫性のある空隙を達成するために必要な構造強度及び剛性をこれまでどおり維持したまま、ロータ極間の漏れ磁束を実質的に低減可能であることが明らかになっている。
【００８３】
流束制限孔は、代替的には、図２２Ｂに示されているようにＯＤ上で１つおきのポストの間に及びＩＤ上で１つおきのポストの間に位置することができる。図２２Ｂに示すように、内側及び外側流束制限孔は交互交替的にずれて配置されており、その結果、それぞれのポストは内側又は外側流束制限孔の一方のみと隣接している。これにより、ＯＤの周囲にあるＮ個のポストのみとＩＤの周囲にあるＳ個のポストのみとの間の無制限の流束結合、並びにＯＤの周囲にある全ての第１のポスト及びＩＤの周囲にある全ての第２のポストに対する増強された構造的一体性が提供される。これらの孔は、必要な構造強度及び剛性並びに所望の流束経路リラクタンスを提供する限り、貫通孔又は有底孔であってよい。
【００８４】
図２３は、流束制限孔なしの磁気シミュレーションから得られた流束経路を示しており、図２４は、流束制限孔ありの磁気シミュレーションから得られた流束経路を示している。これらの図によれば、流束制限孔は隣接ロータポスト間の漏れ磁束を低減することが示されている。例えば、流束制限孔が使用されているときに、流束密度はロータ極の空隙表面で増加しており、より多くの流束が、ステータを通過するように方向付けられている。結果として、コイルが係合されているときに電磁気力は増加し、ステータ及びロータによって生成されるトルクが増加する。
【００８５】
流束制限孔あり及びなしのロータプレート上のＭａｇＮｅｔシミュレーションもまた、同じ結論を導いた。より多くの流束が、ポストから空隙内へと方向付けられている。
【００８６】
図２５に示されている実施形態では、ステータは、（一般の積層構造ではなくて）単一材料から形成されており、ステータポスト１０５、ステータ背面鉄部１０６、内側軸受レース１１１Ｂ、及び外側軸受レース１１２Ｂを含む。図２５のステータの断面を見ると、ステータ材料経路５００に沿って、ステータポストの先端部と内側軸受レースとの間、同ステータポストの先端部と外側軸受レースとの間に中断は存在しない。
【００８７】
一体化されたハウジングの内部に保持されている、ステータプレートは、材料の固体片から機械加工されている。典型的なステータは、多くの場合、積層された鋼層を使用して作製される。例示的な実施形態では、図２５に示されているように、内側軸受レース１１１Ｂとステータポスト１０５と外側軸受レース１１２Ｂとの間の材料経路は連続しており、例えば、これらに限定されないが、ダクタイル鋳鉄又はＭ１９などの磁性鋼といった均質材料を含む。ステータコアは、鋼の固体片から鋳造又は機械加工されることができる。この構造の利点としては、多くの小さい積層された部分の組立体ではなくて単一部分であることに起因した、より低いコスト及び複雑さ、並びに典型的な積層ステータ構造になら存在し得るような負荷経路の接着剤が存在しないことによる、より高い強度、剛性及びクリープ抵抗が挙げられ得る。これにより、重力を減少させるのに有益な、もっと薄いステータ断面の使用が可能になる。
【００８８】
連続した半径方向経路は、半径方向流束装置において連続した軸方向経路と対応する。図２５の経路５００は、ＩＤ及びＯＤにおいて一体化された軸受レースで終端する。連続した経路はまた、別個の軸受レースが使用されている場合は、軸受レース座で終端してもよい。同経路はまた、ステータと軸受レース座との間にある中間構成要素又は層で終端してもよい。
【００８９】
図２６を参照すると、ボルトを使用してロボットアームの対に接続されている例示的なロータ及びステータの分解図が示されている。第１のアーム７００は、ボルト７１８を使用してロータハウジング７０２に接続されている。ロータハウジング７０２は、ボルト７２０を使用してロータ７０８に接続されている。第１の軸受要素７０６は、ロータ７０８とステータ７１２との間を接続しており、プレス嵌めリング７０４によって接続されている。第２の軸受要素７１０もまた、ボルト７２２を使用してロータ７０８とステータ７１２との間を接続している。ステータ７１２は、ボルト７２４を使用してステータハウジング７１４に接続されている。第２のアーム７１６は、ボルト７２６を使用してステータハウジング７１４に接続されている。
【００９０】
図２７〜図２９を参照すると、ロータ６０６は、ダクタイル鋳鉄などの鉄鋼材料から作製されており、周囲方向で分極されている磁石６０５の等間隔の配列を保持している。ロータ６０６の半径方向ウェブに交互に交替するＮ極及びＳ極を生成するために、磁石６０５の極性は交互に交替されている。ステータ６０９は、ダクタイル鋳鉄などの鉄鋼材料から作製されており、周囲に一連のステータ巻線６１０が巻き付けられている軸方向ポストの等間隔の配列を含む。整流された電力をステータ巻線６１０に印加することは、ステータ６０９のポストとロータ６０６の半径方向ウェブとの間に周囲方向の引力及び反発力が生成され、それにより、トルクを発生させるような、パターン及びシーケンスでステータ６０９のポストを分極する。ステータ巻線６１０は、ステータポッティング化合物６１１によって封入されており、これは、ワイヤの移動を防ぐように働き、またワイヤからステータ６０９への熱の移動を助ける。図２８に示すように、ステータキャップ６１２は、ステータ６０９の上に配置され、ワイヤ６１０を適所に保持してよい。
【００９１】
磁石６０５はまた、ステータ６０９とロータ６０６との間の引力も発生させる。軸受６０３及び６０４は、ハウジング６０１、６０２、６０７及び６０８を介してステータ６０９とロータ６０６との間の引力を打ち消し、これらの間の間隙を正確に制御するように動作する。ステータ６０９とロータ６０６との間の軸方向引力は、ほとんどの用途において、上部ハウジング６０１が下部ハウジング６０２から分離するのを防ぐのに十分であり、これにより、それらの間の追加の保持は不要である。ハウジング６０１、６０２、６０７及び６０８とロータ６０６及びステータ６０９との間の境界面における径の嵌合は、２つの組立体の間で内側の４点接触軸受６０４を介して半径方向の負荷を伝える。組立体に加えられた外部モーメントは、主として外側スラスト軸受６０３を介して伝えられる。
【００９２】
ステータ巻線６１０の中を通る電流の流れは、ステータ６０９の温度を他の構成要素に対して相対的に増加させる傾向がある。隣接するハウジングへの発熱の伝導は、その温度の増加を低減するのに役立つ。示されている例は、ステータ６０９よりも高い熱膨張係数を有する軽合金ハウジングを含む。温度が増加したときのステータ６０９の外径と下部ハウジング６０２の内径との間の境界面における干渉嵌合を維持するために、主要な径の位置は、ステータ６０９の位置決めフックの内径になる。
【００９３】
図２９では、取り外し可能なキャップ６１４及び６１６がアームに装着されており、これらのキャップは、ステータ及びロータが挿入され、最後に磁石が挿入されることを可能にする。
【００９４】
また、機械的及び磁気的な力の組み合わせを使用して磁石をロータスロット内に保持する力を提供することも可能である。テーパ状の磁石は、磁石をロータスロット内に保持しながら有意な割合の磁束が中の空隙を通過する構造体を提供することができる。
【００９５】
空隙に向かって薄くなっていくように接線方向にテーパの付いている磁石は、集中流束ロータ構成において高い性能を提供することができる。図３０〜図３５を参照すると、テーパ状の端部３３１６を有する磁石３３０２及びテーパ状の端部３３１８を有するロータポスト３３０４を含む軸方向流束構成のロータ３３００が示されている。磁石及びロータポストは、インターロッキング配置を形成するように向かい合う方向でテーパが付けられている。永久磁石はステータ３３３０の方向にテーパが付けられており、一方、ロータポスト３３０４はステータから離れる方向にテーパが付けられている。この実施形態では、２つの実質的に鏡映状のロータ３３００は、ステータの対の間に組み立てられることができ、それぞれのロータのテーパ状のポストは背中合わせに接しており、それぞれのロータのテーパ状の磁石は背中合わせに接している。このように磁石３３０２にテーパを付けることは、空隙においてロータポストの幅をより大きくすることを可能にする。また、空隙から離れてより多くの流束をロータポスト３３０４に提供するように、磁石のテーパの幅広端部において磁石の幅をより大きくすることも可能になり、仮に側面が平行になっていたならば、ポスト３３０４は飽和されにくくなるであろう。このように、活性永久磁石３３０２及び軟磁性材料は、空隙においてより多くの流束を提供するように、より効果的に使用される。２つのロータ部は、例えば、接着剤によって一体に固定されることができるが、いくつかの好ましい変形では、ボルトなどの機械的な形成部（図示せず）又は固定リング（図示せず）が使用されてよい。
【００９６】
テーパ状のポスト３３０４及び磁石３３０２のインターロッキング配置は、永久磁石が外れるのを防ぐストップ部として機能し、これにより、磁力で磁石をロータ内に保持する必要性が減少し、ひいては、磁束が端部鉄部３３１４を通って漏れる必要性が減少する。
【００９７】
いくつかの実施形態では、流束経路制限部３３２８の配列を端部鉄部３３１４内に、例えば、それぞれのロータポスト３３０４の基部にある端部鉄部３３１４内で同ロータポストが端部鉄部３３１４と接続する場所にある孔として、形成することができる。これらの流束経路制限部３３２８は、ロータポスト３３０４と端部鉄部３３１４との間の使用可能な流束経路を減少させる。
【００９８】
図３０は、テーパ状スロットロータの軸方向流束構成を示しているが、テーパ状スロットロータは、半径方向流束構成で同等に構築されることができる。テーパ状の磁石は、相対するキャリアに向かって又はこれから離れる方向に狭くなってよい。
【００９９】
このように磁石にテーパを付けることの第２の効果は、永久磁石からの流束の高い割合を空隙に向かって付勢することである。これは、少なくとも２つの点で有益である。第１は、テーパ状の永久磁石が空隙に向かって引かれることであり、同永久磁石は、より低いリラクタンスの流束結合となるように永久磁石とロータスロット壁部との間の空隙を閉じることになり、同永久磁石は、更なる移動を機械的に阻止され、ひいては、テーパ状のロータポストによってしっかりと保持されることになる。第２に、背面において幅の狭いロータポストは、ロータの中央面に沿ったポスト間の距離が大きくなる。これにより、ロータの中央面に沿ったポスト間の空気を通る漏れの量が減少する。テーパ状のポスト及びテーパ状の磁石を有する２つの実質的に鏡映状のロータ半部を背中合わせに組み立てることにより、永久磁石からの流束の大きな割合を、空隙を横切って強制的に連結させることができる。
【０１００】
このように、磁石を磁気的にかつ機械的に保持しながら、非常に高い流束密度を空隙内で達成することができる。テーパ状のロータポストのロータを製造するコスト効率の良い方法は、２つの対称なロータ３３００を背中合わせに使用することである。この構造では、背面鉄部を使用してロータを剛化させることはできないので、軟磁性端部鉄部３３１４が代わりに使用される。端部鉄部３３１４は、好ましくは、端部鉄部を介したロータポスト間に高リラクタンスの流束経路を作り出すようにできる限り薄く、また小さいかつ一貫性のある空隙を維持するための機械的な強度及び剛性を提供するのに必要な厚さの断面を有する。
【０１０１】
端部鉄部接続部を介したポストから隣接ポストまでの流束の損失を補償するために、実施形態は、空隙において軟磁性ステータポスト３３３２よりも長い永久磁石３３０２を使用する。これは図３１に示されており、永久磁石３３０２は、ステータポスト３３３２と同じ又はほとんど同じ長さを有することになるであろうロータポスト３３０４よりも長くなっている。図３２に示すように、巻線構成３３３４は、ステータポスト３３３２の周囲に延在する。軟磁性接続部が隣接ポスト間に存在しないときにロータポスト内の高い流束密度を達成するのに必要となり得る長さを超えて、永久磁石の奥行きを増加させることにより、永久磁石３３０２は、空隙においてロータポスト内の高い流束密度をこれまでどおり維持したまま、端部鉄部３３１４を飽和させるのに十分になる。図３１に示すように、それぞれのロータポスト３３０４のそれぞれの端部に隣接して２つの流束制限装置３３２８が存在する。ロータポスト３３０４は、ロータの軸方向外側端部に、より大きい幅を有する。流束制限装置３３２８は、ロータポストの外側端部に隣接している側がより大きくなり、ロータポストの内側端部の側がより小さくなっている。
【０１０２】
図３、図１４、図２２Ａ、図２２Ｂ、及び図３４〜図３８に開示されている実施形態において例として記載されている流束制限孔は、電力と構造強度との間の許容可能なトレードオフに合うように設計されている。磁石の上方の断面領域は、空隙を維持するための強度を提供し、流束制限装置は、隣接する磁石の間を流束が過度に接続することを防ぐ。流束制限装置は、全てのポストに隣接するのではなくて、１つおきのポストに隣接した孔で配置されることができ、これにより、より強い構造体が実現されることになるが、隣接するポスト間の流束結合に有意な影響は生じない。流束制限装置は、流束経路において断面積の減少が存在する限りは、任意の形状の有底孔又は貫通孔であってよい。好ましい実施形態では、流束制限装置は、ポストの配列と軸受のそれぞれの組との間で、ポストのいずれかの端部に存在することになる。流束制限装置は、好ましくは、それぞれのポストの長さと平行して存在することになる。流束制限装置は、磁束経路にあるものよりも大きい断面領域が構造負荷経路に存在するように、設計されることができる。流束制限装置はまた、本明細書に記載の軸方向及び線形流束機械装置に対して説明されているものと同等の態様で半径方向流束機械装置に使用されてもよい。流束制限装置を有する本明細書に記載の機械装置の実施形態は、磁力を支持するほどに十分に強いが、軽量であるほどに十分に薄い、例えばダクタイル鋳鉄で作製されている固体材料を有してよい。流束制限装置は、ロータ若しくはステータ上で全てのポストに隣接して、又はロータ若しくはステータ上で１つおきのポストに隣接して、配置されてよい。流束制限装置は、一般に、それぞれのポスト、又はそれぞれの１つおきのポストの両端部に配置されることになる。流束制限装置は、全てのポストに隣接してそれぞれのポストの一方の端部に及び１つおきのポストに隣接してそれぞれのポストの他方の端部に配置されてよい。流束制限装置は、それぞれのポストが１つの流束制限装置のみと隣接し、かつ、それぞれの隣接ポストでは、対応する流束制限装置が隣接ポストの反対側の端部と隣接しているように、交互交替パターンで配置されてよい。流束制限装置は、同じ形状を維持しながら様々な寸法を有してよい。断面流束経路は１つおきのポストの間で一貫性があってよいが、断面流束経路は、隣接するポスト間で交互に交替し、その結果、それぞれのポストがそのすぐ隣のポストとは異なる断面流束経路を有するように、選択されてよい。それぞれの１つおきのポストが流束制限装置に隣接しているように、流束制限装置が交互交替パターンで配置されている場合は、流束制限装置に隣接しているそれぞれのポストの断面は、流束制限装置に隣接していないそれぞれのポストの断面よりも小さくてよい。このような実施形態では、１つおきのポストは、流束制限装置に隣接している隣接ポストのそれぞれよりも大きい断面を有することになる。図３１に示すように、ポストのそれぞれの端部に隣接して複数の流束制限装置が存在してよい。
【０１０３】
ロータ用の製造方法としては、鋳造又は成形又は金属粉末工法、付加製造、機械加工などが挙げられ得る。磁石の製造は、成形又は付加又は除去製造によってなされることができる。磁石はまた、スロットへの挿入後に磁化されることもできる。現在及び将来のプロセスでは、粉末状の硬磁性材料をロータスロット内に押し込め、次いで圧縮形成後に磁化することが可能であり得、又はエポキシ樹脂若しくは他のポリマー中のＰＭ磁石材料のスラリーを使用してスロットを充填し、次いで硬化後に磁化させることができる。硬磁性材料の磁化は、非常に高い流束密度を２つ以上のポストに同時に適用することによってなされることができる。
【０１０４】
背面鉄部、側面鉄部、及び端部鉄部は保持要素として機能し、ロータポストとの剛接続を形成する。一実施形態の特徴は、他の実施形態の特徴と組み合わされてよい。
【０１０５】
図３２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、単一配列の永久磁石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３３００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３３に示されているように含めることができる。
【０１０６】
図３３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つの配列が背面鉄部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３３０２の両端部に孔として形成されている。
【０１０７】
図３４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。
【０１０８】
図３５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３４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。
【０１０９】
図３６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の配列を有する。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つ以上の断片から作製されている。ロータ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。リニアモータの多くの構造が、本明細書において企図されている。ロータの側部は、例えば、上部及び下部ロータ部分とは異なる材料からなってよい。図３７は、ロータ３３００上の背面鉄部３３１０がなく、スロットの両側で永久磁石３３０２のそれぞれに隣接して複数の流束制限装置３３０６有す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いる。図３８は、１つおきの永久磁石に隣接している流束制限装置３３０６の交互交替パターンを有するロータ−ステータ−ロータ構成を示している。
【０１１０】
次に、本特許文書で開示される設計要素、例えば内側及び外側軸受構成を構成に利用し得る電気機械装置の実施形態を説明する。
【０１１１】
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。この有界リージョンは、２０１７年２月１６日に公開された同時係属中の国際公開第２０１７０２４４０９号に開示されており、本明細書において繰り返される。
【０１１２】
モデル研究及びＦＥＭＭ解析に基づいて、以下の結論になることが考えられる。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は、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。
【０１１３】
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。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られる。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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し得る。
【０１１６】
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は分布巻を使用してよく、他の実施形態は集中巻を使用してよい。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。
【０１１７】
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層の厚さである。
【０１１８】
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。
【０１１９】
いくつかの実施形態では、空隙を維持する低摩擦面で空隙をコーティングすることによって、剛性要件が軽減されている。リニアモータの実施形態では、低摩擦面は、０．００８”の空隙を維持する空隙内で塗布されている。ＤＬＣ（ダイヤモンド様コーティング）などのコーティングは、ロータとステータの両方に０．００２５”で堆積されることができ、また間隙は維持されることになる。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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３９Ａ〜図３９Ｆ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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。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つを提供し得ると考えられる。異なるロータタイプ（表面永久磁石、埋設永久磁石など）、セラミック、サマリウムコバルト、及び高温ＮｄＦｅＢを含むがこれらに限定されない、異なる磁性材料及び等級、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など、多くの他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高さに対して減少したトルク又は増加した重量のいずれかがもたらされるので、好ましい実施形態に匹敵するほどＫＲの利益が大きくなることはない。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超えて、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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
図３９Ａ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。
【０１２９】
図３９Ｂ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。
【０１３０】
図３９Ｂでは、図３９Ａ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。
【０１３１】
図３９Ｃ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３９Ｄと同じである。短いポストの放熱の利益が予想外の利益を開示された範囲にどのようにもたらしているかが明らかとなるように、図３９Ｃは、以下の重み付け規則を使用して作成された。トルク−１の重み付け、トルク対重量比−３の重み付け、消費電力−２の重み付け。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。
【０１３２】
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３９Ｄ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３９Ｄは、図３９Ｂ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。
【０１３３】
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
Ｋ"m表面２３３０が、図３９Ｅにプロットされている。
【０１３４】
図３９Ｆのスロットピッチ及びポスト高さの関数であるＫ"R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。
【０１３５】
Ｋ"R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。形状Ａのモータセクションはシミュレーションが行われ、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。形状Ｄは、形状Ａと比べて増加したポスト高さ及び増加した極密度を有してよい。トルク密度をプロットすることにより、グラフに表面が作成される。
【０１３６】
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。小さいポスト高さ又は高い極密度のいずれかを有する形状ではこのようなトルク密度の増加は見られず、トルク密度における利益は、これら２つの要因を併せ持つ形状に対してのみ観測されている。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、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考えられる。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、接線方向に方向付けられた永久磁石を有するロータを含む電気機械装置及び表面に取り付けられた永久磁石を有するロータを含む類似の電気機械装置は、いくぶん異なるＫ"R表面を有してよく、それにもかかわらず、上述の原理は依然として当てはまることになり、利益もやはり前述の小さいポスト高さ及び高い極密度の形状のリージョン内で予測されることになり得る。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。
【０１３７】
開示された式及びグラフでは、パラメータＫ"R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、Ｋ"R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Ｋ"R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。
【０１３８】
極密度及びポスト高さの関数であるＫ"R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、Ｋ"Rは実質的に変化することはない（このシリーズ内のモータが飽和を開始するのに十分な大きさに電流がならないとすれば、３Ｄ曲面形状は変化することなる）。したがって、Ｋ"R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。
【０１３９】
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Ｋ"Rを記載する。その特定の径範囲に対して、第１はＫ"Rへの小さい利益が始まる位置に対応し、第２は中程度のＫ"Rの利益に対応し、第３は大きいＫ"Rの利益に対応する。より大きいＫ"R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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
比が４０：６０〜６０：４０のときに、最高の利益が得られることを解析が示していたので、これらのシミュレーションのために、５０：５０比のポスト：スロット幅が選択された。５０：５０比は、典型的な最良条件シナリオを表しており、固定されたポスト高さで比較すると、１０：９０のスロット：ポスト幅比を使用することは、有意な性能の低下をもたらすことになる。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。しかしながら、Ｋｍ及びＫｒの最大値は、５０：５０形状で得られる値の５％以内であり、したがって、５０：５０比は、シミュレーション用のスケーリングパラメータの適当な選択であると見なされた。ポスト：スロット幅の他の比は、開示された利益の部分を与えることになるであろう。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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。
Ｋ"Rのグラフは、指定されたＫ"R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。
Ｋ"R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。
【０１４６】
以下の表において、極ピッチは、変数Ｓによってｍｍの単位で表されている。ポスト高さもまた、ミリメートルの単位で表されている。
【０１４７】
２５ｍｍ寸法の機械装置では、Ｋ"R＞３．３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４９である。
【表１】
2019511900.tif 000005
【０１４８】
２５ｍｍ寸法の機械装置では、Ｋ"R＞３．４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５０である。
【表２】
2019511900.tif 000006
【０１４９】
２５ｍｍ寸法の機械装置では、Ｋ"R＞３．６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５１である。
【表３】
2019511900.tif 000007
【０１５０】
５０ｍｍ寸法の機械装置では、Ｋ"R＞２．２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４６である。
【表４】
2019511900.tif 000008
【０１５１】
５０ｍｍ寸法の機械装置では、Ｋ"R＞２．５  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４７である。
【表５】
2019511900.tif 000009
【０１５２】
５０ｍｍ寸法の機械装置では、Ｋ"R＞２．９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４８である。
【表６】
2019511900.tif 000010
【０１５３】
１００ｍｍ寸法の機械装置では、Ｋ"R＞１．５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４３である。
【表７】
2019511900.tif 000011
【０１５４】
１００ｍｍ寸法の機械装置では、Ｋ"R＞１．７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４４である。
【表８】
2019511900.tif 000012
【０１５５】
１００ｍｍ寸法の機械装置では、Ｋ"R＞１．９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４５である。
【表９】
2019511900.tif 000013
【０１５６】
２００ｍｍ寸法の機械装置では、Ｋ"R＞１．３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４０である。
【表１０】
2019511900.tif 000014
【０１５７】
２００ｍｍ寸法の機械装置では、Ｋ"R＞１．５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４１である。
【表１１】
2019511900.tif 000015
【０１５８】
２００ｍｍ寸法の機械装置では、Ｋ"R＞１．８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４２である。
【表１２】
2019511900.tif 000016
【０１５９】
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。
【０１６０】
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、最大計算寸法を越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。
【０１６１】
電気機械装置の主要構成要素は、電磁要素の配列を有する第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、外部減の場合は、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を含んでおり、ポストの間にスロットが存在し、それぞれのスロットには１つ以上の導電体が入っており、第１のキャリアのポストはｍｍ単位のポスト高さを有する。第１のキャリア及び第２のキャリアは共に、電気機械装置の寸法を画定する。磁極はｍｍ単位の極ピッチを有する。モータの寸法、極ピッチ及びポスト高さは、寸法、極ピッチ及びポスト高さによって画定される空間内のリージョンの範囲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。
【０１６２】
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。
【０１６３】
電気機械装置が特徴付けられている空間は、隣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。
【０１６４】
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。
【０１６５】
この範囲の形状は、所与の電力入力に対して非常に高いトルク対重量比を提供してよい。この効率性は温度に依存しない。開示された範囲内の装置はより少ない電力を使用することになるので、例えば、所与のトルク対重量比において、開示された範囲の内にあるアクチュエータは、所与の冷却方法に対して、開示された範囲の外にある同様のアクチュエータよりも低い温度で動作し得る。
【０１６６】
小さい導体体積は、この場合では、より短い導体に起因したより低い熱抵抗の利益を有する。開示された範囲内では、所与のトルク対重量比を達成するために、より高い電流密度でこれらの導体に電力を供給する必要性は、装置の放熱利益によって補償される分よりも大きい。開示されたＫ"R範囲内では、重量の減少（これは、部分的に、小さい導体体積に起因する）は、必要な余分の電力（これは、より高い電流密度に起因する）を上回ることができ、その結果、ＫＲに関して正味の利益を得ることができる。所与の径の機械装置での提示された範囲の形状は、よりはるかに小さい機械装置に対して知られているが、本装置の原理に従って使用される、大きい径の機械装置での特徴形状に関連した放熱効果を提供する。
【０１６７】
明確にすると、冷却は、ＫＲ利益を達成するために依然として必要であるが、ＫR計算では、十分な冷却が使用されていることが仮定されている。いくつかのモータ及び用途では、放射冷却で十分である。他のものでは、ファン及び冷却フィンが必要である。全出力の他のものでは、水冷が必要である。
【０１６８】
開示された電気機械装置では、ＫRは、低出力時から高出力時まで同じであり（ステータが飽和するまでであり、飽和するとＫRが減少することになる）、そのため、出力に応じて様々な水準の冷却が必要になるが、トルク対重量対消費電力は適度に一定のままであり続ける。開示された範囲の極密度及び導体体積は、所与の冷却方法による所与の放熱速度に対して非常に高いトルク対重量比を提供してよい。開示された範囲の極密度及び導体体積は、ステータの背面に適用された所与の冷却方法及び所与の導体温度に対してより高いトルク対重量比を生成してよい。開示された範囲の極密度及び電気伝導体体積に対する電気伝導体冷却の一次形態は、電気伝導体からステータの背面への熱伝導性熱伝達である。
【０１６９】
熱は、冷却流体との直接接触によって若しくはハウジングなどの別の部材への伝導によって、又は、例えば、放射によって、ステータの背面から取り出すことができる。ステータの他の表面又は導体もまた、様々な手段によって冷却することができる。ステータの背面を冷却することは、多くのモータタイプに対してコスト効率に優れかつ単純な選択肢であることが示されている。サンプル解析（本明細書に示していない）によると、（開示された範囲の外にあるモータと比べて）より優れたステータの背面からの放熱を示す開示された範囲内の形状はまた、ステータの他の表面又は導体が冷却されるときに、開示された範囲の外にあるモータよりも改善された放熱を一般に示すことになることも示されている。したがって、ステータの背面は、有用な冷却面としてだけでなく、ステータの他の表面及び導体への冷却の適用に対するシリーズ内のそれぞれのモータの有効性の指標であると見なされる。ステータの背面は、開示された範囲を識別するために使用されるモータシリーズ解析の主冷却面として選択されている。
【０１７０】
他の冷却方法が、開示された範囲の極密度及び導体体積を有する電気機械装置に適用されてよいが、導体からステータの背面までの熱流経路は、好ましくは常に、どのような他のタイプの冷却（例えば、直接的なコイルの冷却）が使用されるかに関係なく、モータを冷却するために使用されることになる。
【０１７１】
ステータ背面鉄部は、ポストの幅（周囲方向又は接線方向幅）の５０％となる軸方向奥行きを有してよい。ポストはそれぞれ接線方向幅を有してよく、ステータは背面鉄部部分、端部鉄部及び側面鉄部を含んでよく、背面鉄部部分は、ポストの接線方向幅の半分以下の厚さを有しており、又はポストの接線方向幅未満であってよい。より厚い背面鉄部は、最小限の利益で重量を加算する。より薄い背面鉄部は、冷却で役立つが、冷却に対する背面鉄部厚さの影響はあまり大きくない。背面鉄部表面は、熱をステータからハウジングへ物理的に伝導させるために、ハウジングと物理的に接触した状態にあってよく、及び／又はステータの背面は、活発に循環された冷却流体に曝されることができ、及び／又はステータの背面は、環境への又はハウジング若しくは他の構成要素への放射性放熱用に構成されることができ、及び／又はステータの背面は、ステータ及び／又はハウジングの表面の上の空気又は液体の移動による対流又は受動的冷却用に構成されることができる。ステータの背面を通過する気体又は液体は、封じ込められていても、封じ込められていなくてもよい。ステータの背面は、環境から封止されていても、環境に曝されていてもよい。環境は、アクチュエータを取り囲んでいる空気又は水又は他の流体であってよい。環境はまた、いくつかの製造プロセスに必要な真空又は宇宙空間の真空など、真空であってもよい。ステータの背面は、表面積を増加させる冷却フィンと共に構成されていてよい。これらの冷却フィンは、冷却流体に曝されていてよい、及び／又はハウジング若しくは他の固体部材などのヒートシンクと接触していてよい。ステータ上の冷却フィンは、周囲方向のポスト幅の５０％を超える高さを有してよい。
【０１７２】
ステータの背面からの放熱に加えて、他の放熱面としては、導体とポストとの間など、スロットを通して循環されている空気又は液体などの冷却流体に曝され得るポストの表面が挙げられ得る。
【０１７３】
ステータ及び／又は導体を冷却する他の方法としては、ステータの表面の上若しくは下にある及び／又は導体の表面の上若しくは下にある冷却チャネルが挙げられ得る。これら及び他の形態の冷却は、導体からステータの背面への一次熱伝導性冷却を補うものと見なされる。いくつかの事例では、補助的な冷却方法は、一次伝導性冷却効果よりも多くの熱をステータから更に引き離し得るが、能動的な冷却方法は、エネルギ並びに追加のコスト及び複雑さを必要とするので、本明細書には導体からステータの背面までの伝導性冷却経路が、冷却の一次モードとして開示されている。
【０１７４】
固定されたトルクを生成する単一のアクチュエータでは、消費電力は、開示された範囲内で上昇し、開示された範囲の内側で最小のポスト高さ及びスロットピッチに向かって指数関数的により大きくなる。半径方向歯長さ３２ｍｍ並びにロータ及び巻線を有する単一の２００ｍｍ平均空隙径アクチュエータで１００Ｎｍのトルクを生成するために必要な消費電力のシミュレーションから、最低消費電力は開示された範囲の外側で発生すること、及び消費電力は開示された範囲の内側で大幅に増加することを見ることができる。消費電力を最小限に抑えるために、設計者は、より大きいスロットピッチ及びより大きい導体体積の装置に向かって導かれることになるであろう。このタイプの用途では、本装置の形状を使用した任意のアクチュエータは、開示された範囲の外側でより大きいスロットピッチ及び導体体積の値の方にあるものよりも、大きい消費電力を有することになる。
【０１７５】
電気機械装置の極キャリアがスロット及びポストを含んでいる、開示された構造体で、スロットがスロット又は極ピッチｓを有し、ポストが高さｈを有しており、開示された式に従ってｓがｈに関連付けられているときに、電気励起は、少なくとも７０Ａ／ｍｍ２の電流密度でスロット内の導体に適用されてよい。７０Ａ／ｍｍ2を超えている電気励起は一般に、開示された装置の動作に適していると考えられる。開示されたスロット及び導体構造体を有することの冷却効果は、導体内の電流による発熱の一部又は全てを相殺する冷却を提供する。残りの発熱は、開示された冷却構造体又はチャネルのうちの１つ以上を使用して散逸されてよい。開示された範囲の内側にあるモータは、所与の入力電力に対して磁束経路内の平均流束密度の減少を示す。これは、部分的には、より短いポストの減少した流束経路長さ及び背面鉄部を介したポストから隣接ポストまでの減少した距離、並びにポスト間の減少した漏れ磁束に起因する。結果として、開示された範囲内のモータにおいて飽和に達することなくより高い電流密度を流すことができる。所与の電流密度における開示された範囲の外側にあるモータと比べて増強された冷却能力及び減少した流束密度の組み合わせは、所与の冷却速度で所与の温度に対してより大きい持続的なトルク対重量比を達成することができる状態、及び開示された範囲内の所与のトルク対重量比に対してより低い流束密度で動作することに起因して、開示された範囲内のモータの瞬間的なピークトルク対重量比が有意により高くなり得る状態の組み合わせを作り出す。
【０１７６】
開示された形状の性能及び消費電力の利益を達成するために克服しなければならない最重要課題のうちの１つは、ロータとステータとの間に存在する非常に大きな磁力に耐えることができる構造体を提供することである。開示されたロータの実施形態は、ステータポスト上の大きい引力の発生につながる空隙内での非常に高い流束密度を達成することができる。同時に、開示された電気機械装置の実施形態の高いトルク対重量比を達成することは、実施形態では、ポストの周囲方向厚さより小さい（及び、実施形態では、ポストの厚さの約半分である）軸方向厚さを有する背面鉄部の使用を必要とする。更に、開示された軸方向流束モータ構成及び開示された範囲の相対的に短いステータポストは、本質的に薄いステータをもたらす。半径方向流束モータでは、一体化されたポストを有する環状積層体を使用することができる。これは、固有の剛性を有しており、積層体の周囲方向及び半径方向に沿って望ましい流束経路を自然に提供する。その一方、本装置の実施形態の軸方向流束機能は、個々の積層された部品の組み立てを必要とする。結果として、それぞれのアクチュエータに対して最大数百個ものポスト構成要素を製造する必要があり、これにより、製造の複雑さ、時間及びコストが増加する。更に、相対的に薄い背面鉄部は、特に電気的機械装置に共通している高頻度の力の変動及び高温において、多くのポッティング化合物又は接着剤が確実にポストを背面鉄部に固定するための十分な表面積を提供しない。例として、ステータポストをステータ内の受容スロット内へ固定するために使用され得る典型的な航空宇宙用接着剤は、３００ｐｓｉ未満のエポキシ樹脂上の応力に対して８０℃未満の熱変形温度を有し得る。
【０１７７】
実施形態の背面鉄部ディスクは、積層体、粉末状金属、又は固体金属から作製されることができる。積層体の使用は、プレス加工された材料構造の可能性も含めて、一定の利点を有するが、積層体が使用される場合は、それらは、装置の動作の力及び温度に耐えることができる手段で取り付けられなければならない。接着剤などの一般の方法は、力及び／又は温度が高い特定の動作の期間に対して十分でない可能性がある。それにもかかわらず、積層体は、他の期間に対して良い選択であり得、多くの高速度の用途ではうまく機能することが予想される。
【０１７８】
それぞれの粒子に電気絶縁コーティングを有する粉末状金属を実施形態の背面鉄部に使用することは、渦電流が減少する利点を有する。しかしながら、このコーティングは、流束経路内で複数の非常に小さい空隙のように振る舞うので、典型的には磁力を減少させることになる。この材料はまた、典型的には、特に高温において、かなり高いクリープ速度を有する固体の鋼又は鉄ほど強くはない。
【０１７９】
固体の鋼から製造されたステータは、典型的には大きい渦電流損を有する。しかしながら、開示された範囲内のモータの幾何学的特徴は、本装置の実施形態のいくつかの動作の期間において、例えばロボット工学に適した速度で動作するときに、渦電流損が、固体ステータの使用を可能にするほど十分に小さいものになり得る、渦電流及びヒステリシス減少効果を有する。固体材料を使用することは、強度、剛性、熱抵抗性、及び疲労強度に関して有利である。本装置の実施形態は、多くの場合、特定の用途においてギアボックスなしで使用されるために十分なトルクを生成することができるので、結果として生じる動作速度は、固体鋼ステータであっても渦電流損が許容可能なものとなる、十分に低いものであり得る。固体鋳鉄は、いくつかの構成及び動作の期間で実用的であるほどに十分に小さい渦電流損を発生させることが明らかになっている。
【０１８０】
ステータは、積層されたスタック又は焼結された粉末状金属のいずれかから構築されてよい。これらの構造の目的は、固体材料の使用と比べて、流束経路に垂直な電気的に絶縁された軟磁性材料の断面積を減少させる、ひいては渦電流の発生を減少させることである。渦電流は、追加の入力電力を必要とすることによって効率を低下させ、システムによって散逸されなければならない余分な熱を生成し、減衰効果を作り出すことによって出力トルクを減少させる。
【０１８１】
固体導電性材料から製造された一体成形ステータは、開示された極密度及びポスト高さの範囲内の開示された装置の実施形態で使用されてよい。渦電流の発生を回避するために、用途は十分に低い速度、例えば、開示された範囲の形状を有する１７５ｍｍ平均空隙径モータに対して２００ｒｐｍ以下での動作の５０％（６０％、７０％、８０％、９０％）からなる負荷サイクルにすべきである。この相対的に低い速度範囲を相対的に小さいステータ歯の断面形状と開示された範囲内で組み合わせることにより、個々のステータ歯は、いくぶん積層体のように振る舞い、渦電流の生成を減少させる。２００ｒｐｍ未満の速度は一般に、装置の動作に適していると考えられる。１００ｒｐｍ未満、５０ｒｐｍ未満及び２５ｒｐｍ未満の速度もまた、装置の動作に適していると考えられる。
【０１８２】
加えて、渦電流の生成は、開示された範囲内の相対的に小さい歯高によって減少させられる。渦電流損及びヒステリシス損は体積測定であるため、本装置の小さい体積は、所与の流束密度及びスイッチング周波数に対する合計鉄損の減少に寄与する。
【０１８３】
連続的な流束経路は、例えば、ダクタイル鋳鉄、コバルト又はケイ素鋼などの合金鋼、圧縮成形又は焼結された粉末状金属など、等方性材料から作製されたステータによって提供されてよい。金属は、ポストから隣接ポストまでは等方性で、ポストから軸受レースまで又はポストから軸受に接続している部材若しくは組立体までは、背面鉄部から冷却フィンまで及び／又は軸受までの可変の材料合金を含めて、非等方性であってよい。これは、爆発溶接若しくは熱溶解積層付加製造、又は撹拌溶接若しくは異種材料を結合する他の形態によってなされることができる。
【０１８４】
ステータは、ポストから隣接ポストまで及びポストから軸受レース座まで一体又は単一であってよい。ステータは、ポストからポストまで及びこれらのポストの１つから軸受を予圧するために圧縮状態にある部材又は組立体まで単一であってよい。ステータは、ポストからポストまで、及びこれらのポストの１つから、軸受を予圧するために圧縮状態にある部材又は組立体まで、単一であってよく、圧縮負荷の全て又は一部は、ステータとロータとの間の磁気引力の結果である。予圧された軸受の場合、ハウジングアセンブリは、軸受レース座を軸受予圧の方向に、軸受が存在する場合は軸受座の位置を過ぎて、軸受が存在しない場合は０．００２”を超えて、変位させるのに十分な可撓性であってよい。予圧された軸受の場合、ハウジングアセンブリは、軸受レース座を軸受予圧の方向に、軸受が存在する場合は軸受座の位置を過ぎて、軸受が存在しない場合は０．００２”を超えて、変位させるのに十分な可撓性であってよく、ハウジングのこの変形を引き起こすためにステータに働く力は、少なくとも部分的に、ステータからロータへの磁気引力によってもたらされる。
【０１８５】
次に、ロータを支持している内側及び外側軸受を有する電気機械装置の実施形態について説明する。
【０１８６】
図５２〜図５９は、フレームレスモータ／アクチュエータとしてロボットアーム３８００内に挿入されている、開示された極密度及びポスト高さの範囲内にある装置の例示的なステータ３８０２及びロータ３８０１の概略図及び簡易断面図を示している。簡略化のために、導体及び巻線はこれらの図に示されていないことに注意されたい。アーム枢軸支持に使用されている外側軸受３８０４はまた、空隙３８０９を画定することにも使用されている。これにより、別個のアクチュエータハウジングの質量及び複雑さなしで、フレームレスアクチュエータをシステム内で使用することが可能になる。追加の軸受３８０８は、より長い半径方向ポスト長さを有する所望の空隙寸法を維持するように、フレームレスアクチュエータ組立体のＩＤ上でスペーサリング３８０３と組み合わせて使用されてよい。インターロッキング形成部３８１２（図５９）は、図５７の上昇し、弧を描いて隣に移る経路３８１５に従って、ステータタブ３８１２をハウジングタブ３８１６の間に滑り込ませ、それらを所定の位置に固定することにより、下部アームハウジング３８０６及び３８０７へのステータ３８０２の取り付けを可能にする。ロータ上の同様のタブ３８１４は、ロータ３８０１を上部アームハウジング３８０５、３８１０及び内側軸受スペーサリング３８０３に固定する。ステータ及びロータの質量は、追加の固定形成部３８１４、３８１２並びに軸受スペーサリング３８０３及び内側軸受３８０８の重量の分だけ増加する。スペーサ要素３８０３は、アルミニウム又はマグネシウムなどの低密度材料から作製することができる。この例示的な実施形態は、１７５ｍｍの平均空隙径及び２５ｍｍの半径方向ポスト長さを有する。背面鉄部を有する等方性合金鋼又は鉄合金製ステータ３８０２及び等方性合金鋼又は鉄合金製ロータ３８０１は、ＩＤ及びＯＤにおいて軸受で支持されているときに０．００５”の空隙を維持するほどに十分に剛である。
【０１８７】
実施形態では、ロータ３８０１とステータ３８０２との間の磁気引力は、軸受３８０４、３８０８への予圧を提供するために使用されることができ、また軸受がそれぞれに上部及び下部アームハウジング３８０５、３８０６に着座している状態を維持するための締結具の必要性を低減又はなくすために使用されてもよい。この構造は、アームアセンブリ全体が、開示された範囲の外側にあるモータを使用した場合よりも軽くなることができるくらいに、単純さ及び軽量に関して有益であると考えられる。
【０１８８】
ロータ３８０１及びステータ３８０２はどちらも、それらの間の軸方向内向き磁気引力に起因して、空隙３８０９において互いに向かって移動することがないように固定されなければならない。軽量だが硬いロボットアームハウジングを実現することは有益であり、そのため、この例示的な実施形態は、アクチュエータの空隙軸方向端部からアーム及び磁性構成要素を組み立てる方法を提供する。これは、ステータ３８０２及びロータ３８０１のＯＤ上のタブ３８１２、３８１４の配列の使用によって達成され、これにより、ステータ及びロータは、ハウジング３８０５、３８０６内に挿入され、次いで回転されて、ハウジング３８０５、３８０６上の対応するタブ３８１６、３８１３の配列に係合することができる。別の選択肢としてねじ係合もあり得る。
【０１８９】
ロータ３８０１及びステータ３８０２がそれらの対応のアーム内で組み立てられると、ステータを有する上部アーム組立体及びロータを有する下部アーム組立体は１つにまとめられる。次いで、ロータとステータとの間の力は、軸受３８０４、３８０８を予圧し、この寸法の装置では最大およそ４００ＫＧの軸方向力でアーム関節部を一体に維持することになる。
【０１９０】
本装置の１０ＯＤアクチュエータは、ステータ又はロータとの間に最大１５００ポンド又はそれ以上の受動ＰＭ予圧を有することができる。このため、組み立てることは非常に困難であり、危険でさえある。本装置の実施形態は、ステータ及びロータが一体に組み立てられた後に、ＰＭが挿入されることを可能にする。これにより、ＰＭ及びそれらの磁力が組立体に追加される前に、ステータ及びロータ並びに軸受及び接続部の精密かつ低リスクの位置合わせが可能になる。
【０１９１】
磁石を個々に追加及び取り外しする能力は、大きいモータ／アクチュエータが軸受などの保守のために分解可能であるときに非常に役立つことがある。このような手順に必要な唯一の工具は、磁石取り外し工具になると考えられる。ロータを取り外す前に磁石を取り外すことができなかったならば、大きいアクチュエータは、ロータを取り外すために１０，０００ポンド以上の力を必要とし得る。
【０１９２】
軸方向又は円錐モータのＩＤ及びＯＤ上で軸受を使用することにより、適度に一貫した軸方向予圧が軸受上で達成されることができる。これは、以下の複数の潜在的な利点を有する。（ａ）反対の軸方向において軸受レース保持が不要となることがある、（ｂ）軸受レース座が正常稼働時に想定され得るほどに互いに対して相対的に軸方向に移動しても有意に変化しない磁気引力によって予圧が提供されているので、軸受の着座、摩耗、又は熱膨張にもかかわらず、軸受の予圧が適度に一定のままであり続けることがある、（ｃ）これはまた、より低い軸方向製作公差を可能にする追加の利点を有することがある。
【０１９３】
先の説明は本発明の好ましい実施形態に関して行われてきたが、多くの変形及び改変が可能であることは、当業者によって理解されるであろう。これらの変形のいくつかは上で論じてきたものであり、他の変形は当業者にとって明らかであろう。
【０１９４】
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、他の要素が存在する可能性を除外するものではない。請求項の特徴の前にある不定冠詞「ａ／ａｎ」は、１つのみの要素が意図されていることが文脈から明らかでない限り、２つ以上のこの特徴が存在することを除外するものではない。
【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２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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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３９Ａ】
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【図３９Ｂ】
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【図３９Ｃ】
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【図３９Ｄ】
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【図３９Ｅ】
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【図３９Ｆ】
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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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【手続補正書】
【提出日】平成30年12月6日(2018.12.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械装置であって、ステータと、前記ステータに対して相対的な軸周りの回転運動のために軸受に取り付けられているロータであって、前記ロータとステータとの間に空隙があり、前記軸受は予圧されたアンギュラ軸受であり、予圧力は、前記ステータとロータとの間の磁気引力によって少なくとも部分的に提供されている、ロータと、を含む、電気機械装置。
【請求項２】
ステータがＮ個のポストを有し、前記ロータがＭ個の極を有しており、Ｎ及びＭは、Ｎ及びＭの最大公約数が４以上である性質を有する、請求項１に記載の電気機械装置。
【請求項３】
前記ポストが、それぞれのセクション内で前記ポストの周囲の導体に共通の電気励起の相を有するセクションに分配されている、及び／又は、それぞれのセクション内に偶数個のポストが存在する、請求項２に記載の電気機械装置。
【請求項４】
前記ポストが、少なくとも３つのセクションに分配されている、請求項３に記載の電気機械装置。
【請求項５】
ＮとＭの両方が６０以上である、請求項２に記載の電気機械装置。
【請求項６】
前記ステータ上の前記導体が、多相配線構成を更に含む、請求項３に記載の電気機械装置。
【請求項７】
３つ以上のセクションのそれぞれが、複数の配線されたポストを含んでおり、前記３つ以上のセクションのそれぞれの配線されたポストの数が同じである、請求項６に記載の電気機械装置。
【請求項８】
前記３つ以上のセクションが、相当たり２つ以上の均等に配列されたセクションを更に含む、請求項７に記載の電気機械装置。
【請求項９】
前記３つ以上のセクションが、相当たり４つ以上の均等に配列されたセクションを更に含む、請求項８に記載の電気機械装置。
【請求項１０】
前記３つ以上のセクションが、相当たり６つ以上の均等に配列されたセクションを更に含む、請求項９に記載の電気機械装置。
【請求項１１】
前記３つ以上のセクションが、前記対応の相のそれぞれに対してちょうど４つの均等に配列されたセクションを更に含む、請求項９に記載の電気機械装置。
【請求項１２】
前記ロータが、前記アンギュラ軸受から半径方向内方に位置決めされた複数の内側流束制限装置を含む、請求項１に記載の電気機械装置。
【請求項１３】
前記内側流束制限装置が有底孔である、請求項１２に記載の電気機械装置。
【請求項１４】
前記内側流束制限装置が貫通孔である、請求項１２に記載の電気機械装置。
【請求項１５】
前記電気機械装置が半径方向流束モータである、請求項１に記載の電気機械装置。
【請求項１６】
前記ロータとステータとの間の予圧された軸方向スラスト軸受を更に含む、請求項１に記載の電気機械装置。
【請求項１７】
前記ロータが永久磁石を含んでおり、更に前記永久磁石が、前記ステータに向かう方向でテーパ状になっている、請求項１に記載の電気機械装置。
【請求項１８】
前記ロータがポストを含んでおり、更に前記ポストが、前記ステータから離れる方向でテーパ状になっている、請求項１に記載の電気機械装置。
【国際調査報告】
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