(57)【要約】【課題】現在入手可能な永久磁石機械と比較して単純な設計を有するが、さらに高定格で製造することができ、これにより所与の回転子寸法についてさらに高速の動作を可能とする永久磁石機械を提供する。【解決手段】永久磁石機械（３０２）を開示する。この永久磁石機械は、固定子（３０８）と回転子（３０４）とを含んでおり、回転子は、回転子コアを含んでおり固定子の外部に同心状に配設されており、回転子コアは複数の永久磁石（３１２）の周りに配設された接続容積（３０６）を含んでおり、接続容積は、当該永久磁石機械の動作時に、永久磁石によって発生される磁束（３３２）を支持することと、永久磁石の機械的支持及び収納を提供することとを同時に行なう。また、永久磁石電気機械用の回転子が開示される。【選択図】図１
2011041460.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と、
回転子コアを含んでおり前記固定子の外部に同心状に配設されている回転子と
を備えた永久磁石機械であって、前記回転子コアは、複数の永久磁石の周りに配設された接続容積を含んでおり、該接続容積は、当該永久磁石機械の動作時に、前記永久磁石により発生される磁束を支持することと、前記永久磁石の機械的支持及び収納を提供することとを同時に行なう、
永久磁石機械。
【請求項２】
前記接続容積は、前記永久磁石により発生される前記磁束の磁束経路を完成する支持鉄を含んでいる、請求項１に記載の永久磁石機械。
【請求項３】
前記永久磁石の各々が複数の軸方向区画を含んでおり、該軸方向区画の各々が側面を有し、該側面の少なくとも一つが半径方向に関してノン・ゼロの角度を成す、請求項１に記載の永久磁石機械。
【請求項４】
前記回転子は、
複数の回転子末端ベルであって、前記永久磁石は当該回転子末端ベルの相対向する回転子末端ベル同士の間に配置されている、複数の回転子末端ベルと、
前記接続容積を前記回転子末端ベルに取り付けるように構成されている少なくとも１個のボルトと
をさらに含んでいる請求項１に記載の永久磁石機械。
【請求項５】
前記接続容積は、前記少なくとも１個のボルトから半径方向内向き及び半径方向外向きに延在しており、前記回転子は、前記接続容積と前記少なくとも１個のボルトとの間に配設された少なくとも一つの電気絶縁部材と、前記少なくとも１個のボルトと前記回転子末端ベルとのそれぞれの間に配設された電気絶縁体とをさらに含んでいる、請求項４に記載の永久磁石機械。
【請求項６】
前記少なくとも１個のボルトに機械的に結合されている少なくとも一つの電気的に孤立した中間支持円板をさらに含んでいる請求項４に記載の永久磁石機械。
【請求項７】
前記回転子末端ベルの少なくとも一つが少なくとも一つの換気口を画定している、請求項４に記載の永久磁石機械。
【請求項８】
前記接続容積に結合された複数のフィンをさらに含んでいる請求項１に記載の永久磁石機械。
【請求項９】
磁束を発生するように構成されている複数の永久磁石と、
磁性支持鉄と
を備えた永久磁石機械用の回転子であって、前記磁性支持鉄は、前記永久磁石機械の動作時に、前記磁束を支持し、また前記永久磁石の半径方向収納のための全ての機械的支持を提供する、
回転子。
【請求項１０】
前記磁性支持鉄は、軸方向に配向された複数の積層体を含んでおり、各々の積層体が、アーメット１００、アーメット３１０、アーメット３４０、ＡＦ１４１０、及びこれらの組み合わせから成る群から選択される高強度磁性鋼材料から製造される、請求項９に記載の回転子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的には、永久磁石（ＰＭ）機械に関し、さらに具体的には、永久磁石機械の回転子に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの新型航空機システムは、現在の航空機システムよりも大きい電気負荷に対応するように設計されている。現在開発中の商用航空機設計の電気系統仕様は、現在の商用旅客機の電力の最大２倍までを要求し得る。この電力要求の増大分は、航空機に動力を供給するエンジンから抽出される機械的動力から導かれなければならない。例えば高所からアイドリング状態で下降するときのように航空機エンジンを相対的に低い電力レベルで動作させているときにエンジンの機械的動力からこの付加的な電力を抽出すると、エンジンを適正に動作させる能力を低下させ得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７２９１９５８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来、電力はガス・タービン・エンジンの高圧（ＨＰ）側エンジン軸（engine spool）から抽出される。ＨＰ側エンジン軸の動作速度は相対的に高速であるため、エンジン軸はエンジンに接続された発電機を駆動する機械的動力の理想的な動力源となる。しかしながら、発電機を駆動するのにＨＰ側エンジン軸のみに頼るのではなく、エンジンの内部の付加的な動力源から動力を引き出すことが望ましい。ＬＰ側エンジン軸が代替的な動力伝達源を提供するが、ＬＰ側エンジン軸は相対的に低速であるため典型的には歯車箱の利用を必要とする。というのは、低速の発電機は、さらに高速で動作する同様の定格の発電機よりも大型である場合が多いからである。
【０００５】
ＰＭ機械（又は発電機）は、ＬＰ側軸から電力を抽出するための可能な手段である。しかしながら、航空応用は、従来のＰＭ機械設計では満たすことが困難な厳密な寸法要件及び重量要件を有する。
【０００６】
現在入手可能なＰＭ機械は、高速であること及び巻線構造を有することから、動作時に大きい固定子コア損及び回転子磁石損を呈する。これらの損を軽減するために効率的な固定子及び回転子を設計する試みはしばしば、設計の複雑さの増大を招き、このためかかる設計を組み入れたＰＭ機械が商業的に興味を引かないものになる。
【０００７】
従って、現在入手可能なＰＭ機械と比較して単純な設計を有するが、さらに高定格で製造することができ、これにより所与の回転子寸法についてさらに高速の動作を可能とするＰＭ機械が極めて望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の各実施形態は、ＰＭ機械の支持鉄（backiron）の単純化された設計に関するものである。
【０００９】
本発明の一観点は、固定子及び回転子を含む永久磁石機械にある。回転子は、回転子コアを含んでおり固定子の外部に同心状に配設されている。回転子コアは、複数の永久磁石の周りに配設された接続容積（contiguous volume）を含んでおり、この接続容積は、永久磁石機械の動作時に永久磁石によって発生される磁束を支持することと、永久磁石の機械的支持及び収納を提供することとを同時に行なう。
【００１０】
本発明のもう一つの観点は、永久磁石機械の回転子にある。回転子は、磁束を発生するように構成されている複数の永久磁石と、磁性支持鉄とを含んでおり、磁性支持鉄は、永久磁石機械の動作時に磁束を支持し、また永久磁石の半径方向の収納のための全ての機械的支持を提供する。
【００１１】
これらの利点及び特徴、並びに他の利点及び特徴は、添付の図面に関して掲げられる本発明の好適実施形態の以下の詳細な説明からさらに容易に認められよう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来技術の内外反転型永久磁石機械の一部の線図である。
【図２】本発明の一実施形態による永久磁石機械の半径方向断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による永久磁石機械の半径方向断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による永久磁石機械の半径方向断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による永久磁石機械の半径方向断面図である。
【図６】本発明の一実施形態による所与の固定された速度で動作する永久磁石機械の支持鉄の内部のピーク応力の変動を支持鉄の厚みの関数として示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下の説明では、本発明の実施形態の特定の観点又は特徴が、群の少なくとも一つの要素及び各要素の組み合わせを含む又は群の少なくとも一つの要素及び各要素の組み合わせから成ると記載されるときには常に、この観点又は特徴が、個別に又はこの群の他の各要素の任意のものと組み合わせての何れかで、群の各要素の任意のものを含み得る又は群の各要素の任意のものから成り得ると理解される。
【００１４】
以下で詳細に議論されるように、本発明の各実施形態は改良型回転子支持鉄の設計に関するものである。本書で提案される設計は単純化された回転子支持鉄を提供し、この支持鉄は少なくとも二つの目的を果たす。第一に、回転子の内部に配設された複数の永久磁石によって発生される磁束に戻り経路を与える。第二に、回転子の回転時に発生される求心力に対する回転子のための構造的な支持を与える。本発明の各実施形態はまた、回転子の換気のための手段の提供も可能である。
【００１５】
図１は、従来の内外反転型（inside-out）ＰＭ機械１０２の一部の線図である。ＰＭ機械１０２は回転子１０４及び固定子１０６を含んでおり、回転子１０４が固定子１０６に対して「外部に」配設されている。回転子１０４はさらに、複数の永久磁石１０８を含んでいる。ここに示す構成では、永久磁石１０８は固定子１０６と回転子支持鉄１１０との間に介設されている。当技術分野では、回転子１０４の内部での永久磁石１０８の配設のための様々な構成が公知である。例えば、図示の構成では、永久磁石１０８は回転子１０４の半径方向１１２に沿って配設されている。さらに、当業者に公知のＰＭ機械の動作原理及び設計原理は、永久磁石が特定の規定に従って配設されるものと指定する。図示のために、永久磁石１１６は、ＰＭ機械の幾何学的中心１２２（図示されていない）に関してＮ極１１８が半径方向に遠位に配設され、Ｓ極１２０が半径方向に近位に配設されるように、配設されている。固定子１０６は複数の固定子スロット１１４を含んでおり、これらの設計及び目的は当業者には公知である。図１はさらに、永久磁石１０８によって発生される磁束１２４の一部を図示している。磁束１２４が永久磁石１０８の任意の２以上の間を流れると回転子支持鉄１１０が磁束１２４を支持することは明らかである。
【００１６】
ＰＭ機械１０２の動作時には、回転子１０４は、例えば図示（図２）の態様で回転速度１２６を表示する。周知の機械的原理によれば、動作時には半径方向内向きの求心力１２８が例えば図示の態様で発生される。求心力１２８の作用の下で永久磁石１０８が回転子支持鉄１１０に対して負荷を加えることは、当業者には明らかであろう。従って、回転子支持鉄１１０は、磁束１２４を支持する作用を果たすことに加えて、ＰＭ機械１０２の動作時に永久磁石１０８からの負荷に対して機械的に安定である必要がある。
【００１７】
従って、極く一般的に述べると、回転子設計の配慮は、他の要因に加えて、上述の電磁的作用要件及び機械的作用要件に対処しなければならず、すなわちそれぞれ、回転子（例えば形式１０４のもの）が磁束（例えば形式１２４のもの）を支持するとの要件、及び回転子がその一部を成すＰＭ機械（例えば形式１０２のもの）の動作時に、回転子は複数の永久磁石（例えば形式１０８のもの）からの負荷に対して機械的に安定であるとの要件に対処しなければならない。
【００１８】
回転子１０４が前述のような電磁的作用及び機械的作用を果たすことを可能にするための典型的な従来技術の設計アプローチについて図２に関して議論する。図２は、例えばＰＭ機械１０２（図１）の少なくとも一つの断面１３２（図１）に沿った半径方向断面図を示す。分かり易くするために、図１は図２に示すよりも細部を省いている。例えば、部分２０２は、断面１３２に沿った回転子１０４（図１）のさらに詳細な半径方向断面図である。参照番号２０４は、永久磁石１１６（図１）の断面１３２に沿った半径方向断面図を示す。参照番号２０６は、回転子支持鉄１１０（図１）の断面１３２に沿った半径方向断面図を示す。参照番号２０８は、「下層」に配置された固定子スロット１３０（図１）の断面１３２に沿った半径方向断面図を示す。図２では、固定子スロット１３０を通過する電磁石コイルが参照番号２１０によって示されている。上述のような図１の部分のさらに詳細な図示に加えて、図２はさらに、断面１３２に沿った半径方向断面図として、回転子支持鉄１１０に機械的に結合されており１又は複数の軸受け円板２１６及び玉軸受け２１８を介して支持フレーム２１４に回転自在に載置されているシャフト２１２を示しており、これらの支持フレーム２１４、軸受け円板２１６及び玉軸受け２１８もやはり半径方向断面図として示されている。
【００１９】
回転子１０４が電磁的作用及び機械的作用を果たすことを可能にする従来技術の設計アプローチは典型的には、各々の構造が何れかの作用を果たすように設計された独立型構造を提供している。これらの独立型構造の製造に用いられる材料は、特定の独立型構造の特定の目的に留意しながら選択される。例えば、図２に示すように、回転子支持鉄１１０（参照番号２０６のように示す）は典型的には強磁性物質で構成され、永久磁石１０８によって発生される磁束１２４を支持することを可能にしている。断面１３２に沿った半径方向断面図として示す回転子１１０の半径方向厚み２２２は典型的には、磁束１２４を支持するために実質的に必要最小限となるように選択される。上述のような機械的作用を果たすためには別個の構造である「保持環」が設けられる。例えば、断面１３２に沿った半径方向断面図として示す高強度材料で構成された保持環２２４が設けられて、ＰＭ機械１０２の動作時に支持鉄１１０が負荷を受けるときに支持鉄１１０を支持する。断面１３２に沿った半径方向断面図として示す支持鉄１１０の半径方向厚み２２２は典型的には、ＰＭ機械１０２の動作時に負荷を受けるときに支持鉄１１０を機械的に支持するために実質的に必要最小限となるように選択される。支持鉄１１０の半径方向厚み２２２及び保持環２２４の半径方向厚み２２６を最小にする理由は当業者には公知であり、特にＰＭ機械を動作させ、また製造する場合の動作経費及び材料経費に関係する。
【００２０】
当業者は、本書で参照される多数の要件が別個の設計及び製造の配慮を要することを認められよう。例えば、ＰＭ機械の動作時に、本発明の回転子支持鉄は磁束を支持し得る必要があり、本発明の回転子シャフト及び保持環は負荷応力及び回転応力を支持し得る必要がある。さらに、ＰＭ機械の設計及び運転の配慮では、シャフト（例えば形式２１２のもの）、支持鉄（例えば形式１１０のもの）、及び保持環（例えば形式２２４のもの）が機械的に緊密に結合されていることを要求するので、これら各部材の運動は互いに同期する。換言すると、ＰＭ機械の設計及び運転の配慮は、シャフト、支持鉄及び保持環がＰＭ機械の動作時に同じ相対的配向を保つことを要求する。このことのために、様々な結合方式を用いてシャフト、支持鉄及び保持環を緊密に機械的に結合する。当業者には認められるように、かかる結合方式はＰＭ機械の製造及び保守の経費を加える。
【００２１】
本書に開示される発明の各実施形態は、回転子支持鉄が果たす必要のある上述のような電磁的作用及び機械的作用のための強化型解決方式を少なくとも提供する。図３は、本発明の一実施形態によるＰＭ機械３０２を半径方向断面図として示す。
【００２２】
ＰＭ機械３０２は回転子３０４を含んでおり、回転子３０４は支持鉄３０６を含んでおり、この「統合型」設計（後述）が、上述のような電磁的作用及び機械的作用の少なくとも両方に対処することを可能にしている。ＰＭ機械３０２は固定子３０８を含んでおり、固定子３０８の周囲には複数の永久磁石３１２が配設されている。分かり易くするために、図３には１個のみの「区画分割型」永久磁石３１２が図示されている。特定の実施形態では、永久磁石３１２の各々が、軸方向３３４に沿って配置された複数の区画を含んでいる。図３に示す永久磁石３１２は「区画分割型」永久磁石であるが、区画分割されていない永久磁石の利用も本発明の実施形態と両立し得る。
【００２３】
「一体型（Integrated）」支持鉄（Ｉ−支持鉄）は、図３に実施形態３０６が示されており、少なくともシャフト（例えば要素２１２によって示される形式のもの）、支持鉄（例えば要素２０６によって示される形式のもの）、及び保持環（例えば形式２２４のもの）という多数の作用を結合し、本発明の観点の一つを構成する。例えば、Ｉ−支持鉄３０６は、永久磁石３１２によって発生される磁束３３２（図示せず）を支持する。Ｉ−支持鉄３０６内にどのように磁束３３２が発生するかは、当業者に公知な事項である。当業者は、本書で参照される多数の（電磁的及び機械的）作用が別個の設計配慮及び製造配慮を要求することを認められよう。従って、これらの配慮点を満たす従来技術のアプローチは、多数の別個の作用を別々に扱う別個の物理的部材を設けることに限定されてきた。発明者等による具現化から得られＩ−支持鉄発明の観点を実質的に可能にした洞察は、シャフト、支持鉄及び保持環の緊密な機械的結合のための要件は、これら部材が単一片の材料から単一片の材料として製造される場合に最も十分に満たされ得るということである。この材料は、得られるＩ−支持鉄が上述の求められる電磁的作用及び機械的作用を果たすために適当な電磁的特性及び機械的特性を有しなければならないことは言うまでもない。
【００２４】
図示の構成では、Ｉ−支持鉄３０６は回転子末端ベル３１６及び玉軸受け３１８を介して支持フレーム３１４に回転自在に載置されており、これら支持フレーム３１４、回転子末端ベル３１６及び玉軸受け３１８は図３でもやはり半径方向断面図として示されている。Ｉ−支持鉄３０６は、１又は複数の締結具３２０を介して回転子末端ベル３１６に機械的に結合され得る。
【００２５】
本発明のさらに特定的な実施形態はまた、ＰＭ機械の動作に関する熱管理の問題に対処する手段を含んでいる。例えば、回転子末端ベル３１６は１又は複数の換気口３２２を含んでいてよく、この換気口３２２を通ってＰＭ電気機械の動作時に発生される熱をガス流が排出することが可能となり得る。極く一般的に述べると、回転子末端ベル３１６の設計は、換気口を末端ベル本体の内部の通路として画定するようなものであってよい。本発明のさらに特定的な実施形態では、１又は複数の換気ブレード又は換気フィン３２４を、例えばＩ−支持鉄３０６又は回転子末端ベル３１６に結合させ又は組み入れてもよい。換気ブレードはＩ−支持鉄３０６と同じ材料を含んでいてもよいし、他の任意の適当な材料を含んでいてもよく、本発明の各実施形態の範囲内に適当に組み入れられ得る。
【００２６】
図３に示す回転子の実施形態が有用であり得る応用の非限定的な例としては、低渦電流発熱のＰＭ機械等がある。低渦電流発熱を有するＰＭ機械の非限定的な例としては、分数スロット・ピッチ巻線を有しないＰＭ機械等がある。
【００２７】
図４は、本発明の一実施形態によるＰＭ機械４０２を半径方向断面図として示す。ＰＭ機械４０２は回転子４０４を含んでおり、回転子４０４は支持鉄４０６を含んでおり、この統合型の設計（後述）が、前述のような少なくとも電磁的作用及び機械的作用に対処することを可能にしている。ＰＭ機械の実施形態４０２は固定子４０８を含んでおり、固定子４０８の周囲には複数の永久磁石４１２が配設されている。分かり易くするために、図４には一つの「区画分割型」永久磁石４１２を示す。特定の実施形態では、永久磁石４１２は複数の区画を含んでおり、これらの区画は当業界で周知の手段によって共に固定され得る。例えば、各区画を適当な接着剤によって接着することができる。
【００２８】
Ｉ−支持鉄は、図４に実施形態４０６が示されており、少なくともシャフト（例えば要素２１２によって示される形式のもの）、支持鉄（例えば要素２０６によって示される形式のもの）、及び保持環（例えば２２４の形式のもの）という多数の作用を結合し、本発明の観点の一つを構成する。例えば、Ｉ−支持鉄４０６は、永久磁石４１２によって発生される磁束４３２（図示せず）を支持する。図示の構成では、Ｉ−支持鉄４０６は、回転子末端ベル４１６及び玉軸受け４１８を介して支持フレーム４１４に回転自在に載置されており、これら支持フレーム４１４、回転子末端ベル４１６及び玉軸受け４１８は図４でもやはり半径方向断面図として示されている。Ｉ−支持鉄４０６は、１又は複数の締結具を介して回転子末端ベル４１６に機械的に結合され得る。締結具の非限定的な例としては締め付けボルト（一例を参照番号４２０によって示す）等があり、これらのボルトは例えばＰＭ機械の全幅４２２にわたって延在し得る。
【００２９】
従って、極く一般的に述べると、本発明の各実施形態は回転子を含んでおり、回転子は、複数の回転子末端ベルと、接続容積を回転子末端ベルに取り付けるように構成された少なくとも１個のボルトとを含んでおり、永久磁石が、相対向する回転子末端ベル同士の間に配置される。かかる回転子の実施形態の非限定的な例が図４に実質的に示されており、同図によれば、永久磁石４１２が相対向する端部（「相対向する回転子末端ベル同士」）４５２及び４５４の間に配置され、また締め付けボルト（例えば形式４２０のもの）がＩ−支持鉄４０６（「接続容積」）を回転子末端ベル４１６に取り付ける。極く一般的に述べると、Ｉ−支持鉄は締め付けボルト４２０から半径方向に（半径方向４４６に沿って）延在する。
【００３０】
極く一般的に述べると、本発明の各実施形態は回転子を含んでおり、回転子は、少なくとも１個のボルトと回転子末端ベルとのそれぞれの間に配設された電気絶縁体を含んでいる。かかる回転子の実施形態の非限定的な例が図４に実質的に示されており、同図によれば、電気絶縁体４２４及び４２６が、締め付けボルト４２０の相対向する端部４５２及び４５４と回転子末端ベル４１６との間、及び締め付けボルト４２０とＩ−支持鉄４０６との間にそれぞれ配設され得る。電気絶縁体の非限定的な例としては、絶縁スリーブ及びセラミック・スペーサ等がある。
【００３１】
さらに、Ｉ−支持鉄４０６は、ＰＭ機械の動作時に発生する渦電流損の問題に対処するために、複数の積層体４２８を含み得る。これらの積層体は当技術分野で周知の手段によって共に固定され得る。例えば、各積層体は適当な接着剤によって接着されてよい。
【００３２】
当業者は、積層体４２８の個別の積層体界面例えば４３６及び４３８の配置が、軸方向４３４に沿って任意の永久磁石例えば永久磁石４１２の個別の区画界面例えば４４０及び４４２の配置と実質的に一致する場合には、ＰＭ機械４０２の動作時に、生ずる剪断力のため区画４４４が積層体４２８に負荷を加え、これにより実質的に回転子４０４の半径方向４４６に沿って積層体４２８の１若しくは複数及び／又は区画４４４の１若しくは複数の変位を招く可能性が存在することを認められよう。当業者は、かかる変位が回転子の不均衡又は故障を招くことを認められよう。かかる発生の可能性を実質的に排除するために、本発明の各実施形態は複数の永久磁石を含んでおり、任意の個別の永久磁石の任意の個別の軸方向区画の側面が半径方向に関してノン・ゼロの角度を成す。かかる実施形態の非限定的な例が図４に実質的に示されており、同図によれば、永久磁石４１２の軸方向区画４５６の側面４４８が、半径方向４４６に関してノン・ゼロの角度４５０を成している。
【００３３】
図４に示す回転子の実施形態が有用であり得る応用の非限定的な例としては、回転子の大幅な磁界ゆらぎを受けるＰＭ機械等があり、このゆらぎは少なくとも回転子の内部の渦電流損の原因となる。回転子において大幅な磁界ゆらぎを受けるＰＭ機械の非限定的な例としては、分数スロット・ピッチ巻線を有するＰＭ機械等がある。
【００３４】
図５は、本発明の一実施形態によるＰＭ機５０２を半径方向断面図として示す。ＰＭ機械５０２は、外半径５４４を有する回転子５０４を含んでおり、回転子５０４は支持鉄５０６を含んでおり、この統合型設計（後述）が、前述のような少なくとも電磁的作用及び機械的作用に対処することを可能にしている。ＰＭ機械の実施形態５０２は固定子５０８を含んでおり、固定子５０８の周囲には複数の永久磁石５１２が配設されている。半径方向厚み５４２を有する一つの「区画分割型」永久磁石５１２が図５に示されている。
【００３５】
Ｉ−支持鉄は、図５に実施形態５０６が示されており、少なくともシャフト（例えば要素２１２によって示される形式のもの）、支持鉄（例えば要素２０６によって示される形式のもの）、及び保持環（例えば形式２２４のもの）という多数の作用を結合し、本発明の観点の一つを構成する。例えば、Ｉ−支持鉄５０６は、永久磁石５１２によって発生される磁束５３２（図示せず）を支持する。Ｉ−支持鉄５０６は、回転子末端ベル５１６及び玉軸受け５１８を介して支持フレーム５１４に回転自在に載置されており、これら支持フレーム５１４、回転子末端ベル５１６及び玉軸受け５１８は図５でもやはり半径方向断面図として示されている。Ｉ−支持鉄５０６は、１又は複数の締結具を介して回転子末端ベル５１６に機械的に結合され得る。締結具の非限定的な例としては締め付けボルト５２０等があり、これらのボルトは例えばＰＭ機械の全幅５２２にわたって延在し得る。電気絶縁体５２４及び５２６が、締め付けボルト５２０と回転子末端ベル５１６の間、及び締め付けボルト５２０とＩ−支持鉄５０６との間にそれぞれ配設され得る。Ｉ−支持鉄５０６は、ＰＭ機械５０２の動作時に発生する渦電流損の問題に対処するために複数の積層体５２８を含み得る。さらに、中間支持円板５３０を設けて、Ｉ−支持鉄５０６の軸方向に配設された積層体５２８に機械的支持を与えることができる。
【００３６】
極く一般的に述べると、本発明の各実施形態は回転子を含んでおり、回転子は、少なくとも１個のボルトに機械的に結合された少なくとも１個の電気的に孤立した中間支持円板を含んでいる。かかる回転子の実施形態の非限定的な例が図５に実質的に示されており、同図によれば、中間支持円板５３０は、当該円板５３０が締め付けボルト５２０に機械的に結合され、また少なくとも電気絶縁体５３６を介して周囲から電気的に絶縁されるように配設されている。例えばＩ−支持鉄の半径方向の寸法を超えて延在する中間支持円板の実施形態が本発明の範囲に含まれる。かかる中間支持円板の実施形態の非限定的な例が図５に実質的に示されており、同図によれば中間支持円板５３０は、半径方向５４０に沿ってＩ−支持鉄５０６の厚み５３８を超えて延在している。
【００３７】
従って、極く一般的に述べると、本発明の各実施形態は永久磁石機械（例えば形式３０２、４０２、５０２のもの）を含んでおり、この永久磁石機械は、固定子（例えば形式３０８、４０８、５０８のもの）と、回転子（例えば形式３０４、４０４、５０４のもの）とを含んでおり、回転子は、回転子コアを含んでおり固定子の外部に同心状に配設されており、回転子コアは複数の永久磁石（例えば形式３１２、４１２、５１２のもの）の周囲に配設された接続容積を含んでおり、この接続容積は、永久磁石機械の動作時に永久磁石によって発生される磁束（例えば形式３３２、４３２、５３２のもの：図示せず）を支持することと、永久磁石に機械的支持及び収納を提供することとを同時に行なう。永久磁石機械の特定の非限定的な実施形態としては、内外反転型の実施形態、例えば実施形態３０２、４０２及び５０２等がある。
【００３８】
本発明の一実施形態では、接続容積は支持鉄（例えば形式３０６、４０６、５０６のもの）を含んでいる。本発明の代替的な実施形態、例えば図５に示す実施形態では、支持鉄５０６（すなわち「接続容積」）は、軸方向５３４（図５）に配向された複数の積層体（例えば形式５２８のもの）を含んでいる。本発明の代替的な実施形態、例えば図３に示す実施形態では、支持鉄３０６（すなわち「接続容積」）は、永久磁石（例えば形式３１２のもの）によって発生される磁束（例えば形式３３２のもの）の磁束経路を完成する。
【００３９】
Ｉ−支持鉄（例えば形式５０６のもの）は、上述のような電磁的作用及び機械的作用を果たすことを可能にするのに要求される特性を有する任意の材料から製造され得る。Ｉ−支持鉄５０６が電磁的作用及び機械的作用を果たすのに要求されるＩ−支持鉄５０６の半径方向５４０に沿った厚み５３８は、当業者に公知の諸元に依存する。かかる諸元としては例えば特に、Ｉ−支持鉄を製造する材料の物性（電磁的特性及び機械的特性）、Ｉ−支持鉄の質量、Ｉ−支持鉄の半径、ＰＭ電気機械（Ｉ−支持鉄がその一部を成すもの）が動作するのに要求される速度、ＰＭ電気機械の動作安全余裕要件等がある。
【００４０】
Ｉ−支持鉄を構成し得る材料の非限定的な例としては、アーメット（Aermet）１００、アーメット３１０、アーメット３４０、及びＡＦ１４１０を含めた高強度磁性鋼又はコバルト合金材料のような高強度強磁性材料等がある。図６は、Ｉ−支持鉄（例えば形式５０６のもの）の降伏強さの変動の例示的な計算データ６０４のグラフ６００であり、データ６０４は、横軸６０８に沿ってプロットされたＩ−支持鉄の半径方向厚み「Ｔｒｉｎｇ」（例えば形式５３８のもの）の関数として縦軸６０６にプロットされている。図６に示すデータは、約３００ミリメートルの外径（例えば形式５４４の外半径の２倍）を有する回転子（例えば形式５０４のもの）について算出されており、永久磁石（例えば形式５１２のもの）の半径方向厚み（例えば形式５４２のもの）は約１４ミリメートルであった。計算の目的のために、回転子に要求される動作定格は少なくとも、過速度容量が１２０％であり、毎分約１２０００回転の公称速度で動作していることとした。当業者には明らかであり得るように、かかる動作の結果としてＩ−支持鉄に作用する求心力に反作用するためにＩ−支持鉄の内部に求心応力が発生する。当業者はまた、Ｉ−支持鉄の求心応力に耐える能力が、Ｉ−支持鉄を構成する材料の降伏強さによって制限されることを認められよう。
【００４１】
図６にはまた、従来のニッケル超合金の代表的な降伏強さ領域６１２と共に、コバルト合金材料（上述）の代表的な降伏強さ領域６１０が示されている。コバルト合金の降伏強さ６１０が従来のニッケル超合金の降伏強さ６１２よりも実質的に大きいことが明らかである。当業者には明らかであり得るように、グラフ６００は、コバルト合金材料から製造されるＩ−支持鉄が、ニッケル超合金から製造される支持鉄に匹敵する動作定格を与え得るが、半径方向厚みは小さくなっていることを実証している。例えば、グラフ６００から明らかなように、コバルト超合金から製造されるＩ−支持鉄は上述の動作定格を与えるためには半径方向厚みが約３．５ミリメートルであることが要求される。この厚みは、従来のニッケル超合金から製造される支持鉄が上述の動作定格を与えるために有しなければならない半径方向厚みが約９ミリメートルであることと比較される。換言すると、他の要素が実質的に同様であれば、コバルト合金の利用によって、所要の半径方向厚みの実質的な縮小（ここの例では約７２％）が得られる可能性が高く、延いては支持鉄の材料経費及び製造経費の大幅な削減が得られる。本発明の実施形態に従ってＩ−支持鉄を製造するためのコバルト合金の利用は、本発明の範囲内に含まれる。
【００４２】
本発明を限定された数の実施形態にのみ関連して詳細に記載したが、本発明はかかる開示された実施形態に限定されないことが容易に理解されよう。寧ろ、本発明は、本書では記載されていないが発明の要旨及び範囲に沿った任意の数の変形、変更、置換又は均等構成を組み入れるように改変することができる。加えて、本発明の様々な実施形態について記載したが、発明の各観点は所載の実施形態の幾つかのみを含んでいてもよいことを理解されたい。従って、本発明は、以上の記載によって制限されるのではなく、特許請求の範囲によってのみ制限されるものとする。
【符号の説明】
【００４３】
１００  線図
１０２  永久磁石（ＰＭ）電気機械
１０４  ＰＭ電気機械１０２の回転子
１０６  ＰＭ電気機械１０２の固定子
１０８  永久磁石
１１０  回転子支持鉄
１１２  回転子１０４の半径方向
１１４  複数の固定子１０６スロット
１１６  永久磁石
１１８  永久磁石１１６のＮ極
１２０  永久磁石１１６のＳ極
１２２  ＰＭ電気機械１０２の幾何学的中心
１２４  電磁束
１２６  回転速度
１２８  求心力
１３０  固定子スロット
１３２  断面
２００  半径方向断面図
２０２  断面１３２に沿った半径方向断面図としての回転子１０４
２０４  断面１３２に沿った半径方向断面図としての永久磁石１１６
２０６  断面１３２に沿った半径方向断面図としての回転子支持鉄１１０
２０８  断面１３２に沿った半径方向断面図としての固定子スロット１３０
２１０  断面１３２に沿った半径方向断面図としての電磁石コイル１３４
２１２  シャフト
２１４  支持フレーム
２１６  １又は複数の軸受け円板
２１８  玉軸受け
２２２  断面１３２に沿った半径方向断面図としての回転子１０４の半径方向厚み
２２４  保持環
２２６  断面１３２に沿った半径方向断面図としての保持環２２４の半径方向厚み
３０２  ＰＭ電気機械
３０４  回転子
３０６  Ｉ−支持鉄
３０８  固定子
３１２  永久磁石
３１４  支持フレーム
３１６  回転子末端ベル
３１８  玉軸受け
３２０  締結具
３２２  換気口
３２４  換気ブレード又は換気フィン
３３２  電磁束
３３４  軸方向
３３６  半径方向３３８に沿った厚み
３３８  半径方向
４０２  ＰＭ電気機械
４０４  回転子
４０６  Ｉ−支持鉄
４０８  固定子
４１２  永久磁石
４１４  支持フレーム
４１６  回転子末端ベル
４１８  玉軸受け
４２０  締め付けボルト
４２２  ＰＭ電気機械の幅
４２４、４２６  電気絶縁体
４２８  積層体
４３２  電磁束
４３４  軸方向
４３６、４３８  支持鉄積層体界面
４４０、４４２  永久磁石区画界面
４４４  永久磁石４１０の区画
４４６  半径方向
４４８  界面４４０に対応する区画４５６の側面
４５０  区画の側面と半径方向４４６（図示されていない）との間の角度
４５２、４５４  相対向する回転子末端ベル同士
４５６  区画
５０２  ＰＭ電気機械
５０４  回転子
５０６  Ｉ−支持鉄
５０８  固定子
５１２  永久磁石
５１４  支持フレーム
５１６  回転子末端ベル
５１８  玉軸受け
５２０  締め付けボルト
５２２  ＰＭ電気機械の幅
５２４、５２６  電気絶縁体
５２８  複数の積層体
５３０  中間支持円板
５３２  電磁束
５３４  軸方向
５３６  電気絶縁体
５３８  回転子５０４の半径方向厚み
５４０  半径方向
５４２  永久磁石５１２の半径方向厚み
５４４  回転子５０４の外半径
６００  グラフ
６０４  例示的データ
６０６  縦軸
６０８  横軸
６１０  コバルト合金材料の代表的な降伏強さ領域
６２０  ニッケル超合金の代表的な降伏強さ領域
【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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