(57)【要約】  バックアイアン区画、複数のステータ歯区画、及びフロントアイアンを含むステータ組立体を備える、モータ、発電機、又は回生モータなどの回転電動機械。電動機械はアキシャルエアギャップ型構成を有する。加えて、電気機械は、高転流周波数、高効率、高出力密度、及び低ロータ発熱で運転される多極数を有する。本電動機で採用された低損失材料は、アモルファス金属、ナノ結晶金属、最適化Ｆｅ系合金、及び最適化方向性Ｆｅ系材料又は無方向性Ｆｅ系材料を含む。【選択図】図３
2007519387.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）バックアイアン区画及び複数の歯区画を含み、前記歯区画の各隣接するペア間にあるスロットと、前記スロットを貫通して巻かれたステータ巻線とを有する少なくとも１つのステータ組立体と、
（ｂ）フロントアイアン区画と、
（ｃ）軸の周りを回転するように支持され且つ複数の極を含み、前記少なくとも１つのステータ組立体と電磁相互作用するように構成及び配置されている少なくとも１つのロータ組立体と、
を備える電動機械。
【請求項２】
前記機械がアキシャルエアギャップ型装置である前記請求項１に記載の機械。
【請求項３】
前記機械がラジアルエアギャップ型装置である前記請求項１に記載の機械。
【請求項４】
前記フロントアイアン区画は前記ステータ組立体の一部であることを特徴とする前記請求項１に記載の機械。
【請求項５】
前記バックアイアン区画、前記複数の歯区画、及び前記フロントアイアン区画のうちの少なくとも１つが、アモルファス金属、ナノ結晶金属、及び最適化Ｆｅ系合金からなるグループから選択された少なくとも１つの低鉄損磁性材料から構成されることを特徴とする前記請求項４の機械。
【請求項６】
前記低鉄損磁性材料は、ピーク誘導レベル「Ｂｍａｘ」までの励起周波数「ｆ」で運転したときに、鉄損が「Ｌ」を下回ることを特徴とする前記請求項５に記載の機械（ここでＬは、式：Ｌ＝１２・ｆ・Ｂ１．５＋３０・ｆ２．３・Ｂ２．３で与えられ、鉄損、励起周波数及びピーク誘導レベルの単位はそれぞれＷ／ｋｇ、ｋＨｚ、テスラである）。
【請求項７】
前記フロントアイアン区画及び前記バックアイアン区画のうちの少なくとも１つが、前記歯区画を含む一体型構造体として形成されることを特徴とする前記請求項４の機械。
【請求項８】
前記ロータ組立体は、交互する極性で配置され、前記ロータの周りにほぼ等間隔で円周方向に固定して位置付けられた複数のロータ永久磁石を有するロータを含むことを特徴とする前記請求項１に記載の機械。
【請求項９】
前記磁石はＳｍＣｏ磁石又はＦｅＮｄＢ磁石であることを特徴とする前記請求項８の機械。
【請求項１０】
毎極毎相スロット比が約０．２５〜１の範囲であることを特徴とする前記請求項１に記載の機械。
【請求項１１】
毎極毎相スロット比が０．５０であることを特徴とする前記請求項１０の機械。
【請求項１２】
少なくとも１６の極を有する前記請求項１に記載の機械。
【請求項１３】
約５００Ｈｚ〜３ｋＨｚの範囲の転流周波数で運転するように適合された前記請求項１に記載の機械。
【請求項１４】
２つのステータ組立体及びこれらの間に配置された１つのロータ組立体を含む前記請求項２に記載の機械。
【請求項１５】
電動機械の製造方法であって、
（ａ）バックアイアン区画及び複数の歯区画を含み、前記歯区画の各隣接するペア間にあるスロットと前記スロットを貫通して巻かれたステータ巻線とを有する少なくとも１つのステータ組立体を準備する段階と、
（ｂ）フロントアイアン区画を準備する段階と、
（ｃ）軸の周りを回転するように支持され且つ複数の極を含み、前記少なくとも１つのステータ組立体と電磁相互作用するように構成及び配置されている少なくとも１つのロータ組立体を準備する段階と、
を含む方法。
【請求項１６】
前記バックアイアン区画、前記複数の歯区画、及び前記フロントアイアン区画のうちの少なくとも１つが、アモルファス金属、ナノ結晶金属、及び最適化Ｆｅ系合金からなるグループから選択された少なくとも１つの低鉄損磁性材料から構成されることを特徴とする前記請求項１５の方法。
【請求項１７】
前記フロントアイアン区画及び前記バックアイアン区画のうちの少なくとも１つが、前記歯区画を含む一体型構造体として形成され、前記一体型構造体が、
（ａ）内径、外径及びトロイド高を有する、低鉄損磁性材料の積層のトロイドをらせん巻きする段階と、
（ｂ）前記内径から前記外径までほぼ半径方向に延び、前記トロイド高よりも小さいスロット深さを有する複数のスロットを切り出す段階と、
を含む工程によって形成されることを特徴とする前記請求項１５の方法。
【請求項１８】
前記フロントアイアン区画は、低鉄損磁性材料の前記積層のトロイドをらせん巻きすることにより形成されることを特徴とする前記請求項１５の方法。
【請求項１９】
前記機械をインタフェース及び制御し、前記機械に動作可能に接続されたパワーエレクトロニクス手段を更に備える前記請求項１に記載の電動機。
【発明の詳細な説明】
【関連する米国出願データ】
【０００１】
本出願は、２００３年１０月６日に出願された「Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ａｘｉａｌ  Ａｉｒｇａｐ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｈａｖｉｎｇ  Ａ  Ｆｒｏｎｔｉｒｏｎ（フロントアイアンを有する効率的なアキシャルエアギャップ型電子装置）」と題された同時係属中の米国暫定特許出願第６０／５０９，２２２号、及び２００３年１０月２１日に出願された「Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｕｓｉｎｇ  Ｌｏｗ−Ｌｏｓｓ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（低損失材料を使用する効率的高速電子装置）」と題された米国特許出願第６０／５１３，８９２号に対する優先権を主張し、これらの出願の各々は引用により全体が本明細書に組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、回転電動機械に関し、より詳細には、ロータ組立体と、フロントアイアン区画、バックアイアン区画、及び複数のステータ歯区画を含むステータ組立体とを含むアキシャルエアギャップ型電動回転機械に関する。
【背景技術】
【０００３】
電動機及び発電機産業では、電動回転機械の効率及び出力密度を向上させる方法が常に求められている。本明細書で使用される用語「モータ」とは、電気エネルギーを回転運動に変換し、並びに回転運動を電気エネルギーに変換するあらゆるクラスの電動機械及び発電機械を意味する。このような機械には、モータ、発電機、及び回生モータとして代替的に機能することができる装置が含まれる。用語「回生モータ」とは、本明細書においては電動機又は発電機として動作することができる装置を意味するものとして使用される。永久磁石型、巻線界磁型、誘導型、可変リラクタンス型、スイッチドリラクタンス型、及びブラシ型並びにブラシレス型を含む多様なモータが知られている。これらのモータには、電力送電網、バッテリ、又は他の代替電源によって供給される直流又は交流の電流源から直接給電することができる。或いは、電子駆動回路を用いて合成された、必要な波形を有する電流で供給してもよい。発電機は、どのような機械的発生源から得られる回転エネルギーによっても駆動することができる。発電機の出力は、負荷に直接接続するか、或いはパワーエレクトロニクス回路を用いて調整することもできる。任意選択的に、所与の機械は、異なる運転期間中に機械的エネルギーの発生源又はシンクとして機能する機械的発生源に接続される。従って、該機械は、例えば４象限運転の可能な電力調整回路による接続によって回生モータとして動作できる。
【０００４】
回転機械は、通常、ステータとして知られる静止構成要素と、ロータとして知られる回転構成要素とを含む。ロータ及びステータの隣接面は、ロータ及びステータを鎖交する磁束が横切る小さなエアギャップによって隔てられる。当業者であれば、回転機械が機械的に接続された複数のロータと複数のステータとを含むことは理解するであろう。実質的に全ての回転機械は、従来、ラジアルエアギャップ型又はアキシャルエアギャップ型として分類される。ラジアルエアギャップ型は、ロータ及びステータが半径方向に隔てられ、横切る磁束が主としてロータの回転軸に対して垂直に配向される。ロータ及びステータは、アキシャルエアギャップ型装置では軸方向に隔てられ、磁束は主として回転軸と平行である。
【０００５】
モータ及び発電機は一般に、ある特殊なタイプを除いて、１つ又はそれ以上のタイプの軟質磁性材料を採用している。「軟質磁性材料」とは、磁化及び消磁が容易且つ効率的な材料を意味する。各磁化サイクルの間、磁性材料内で不可避的に損失するエネルギーは、ヒステリシス損又は鉄損と呼ばれる。ヒステリシス損の大きさは、励起振幅及び周波数の両方の関数である。軟質磁性材料は更に、高い透磁率と低い磁性保磁力とを示す。モータ及び発電機はまた、起磁力の発生源を含み、該起磁力は１つ又はそれ以上の永久磁石、又は導電巻線が巻かれた追加の軟質磁性材料のいずれかにより提供することができる。「永久磁石材料」とは、「硬質磁性材料」とも呼ばれ、高い保磁力を有し且つ磁化を強く保持して消磁に抗する磁性材料を意味する。永久磁石材料及び軟質磁性材料は、モータのタイプに応じてロータ又はステータの上に配置することができる。
【０００６】
現在製造されているモータは、軟質磁性材料として様々な等級の電気鋼又はモータ鋼を使用するものが圧倒的多数であるが、これらは、特にＳｉ、Ｐ、Ｃ、及びＡｌを含む１つ又はそれ以上の合金元素とＦｅとの合金である。最も一般的には、Ｓｉが主要な合金元素である。最先端の永久磁石材料で構成されたロータと、コアがアモルファス金属などの先端低損失軟質材料で作られたステータとを有するモータ及び発電機は、従来のラジアルエアギャップ型モータ及び発電機と比べてかなり高い効率及び出力密度を可能にする潜在能力があると一般的には考えられるが、アキシャルエアギャップ型又はラジアルエアギャップ型のこのような機械を構築することにほとんど成功していない。従来のラジアル又はアキシャルエアギャップ型機械にアモルファス材料を組み込むこれまでの試みは、商業的にほとんど不成功であった。初期の設計は、主としてステータ及び／又はロータを典型的には内面又は外面に歯を刻んだアモルファス金属のコイル又は積層円柱で置き換えていた。アモルファス金属は、従来設計のモータの普通鋼と直接置き換えることが困難又は不可能であり、固有の磁気特性及び機械特性を有する。
【０００７】
高速工作機械、航空宇宙用モータ及びアクチュエータ、並びにコンプレッサ装置などの広範囲の異なる領域を含む現行の科学技術における幾つかの用途では、何回となく１５，０００〜２０，０００ｒｐｍを上回り、場合によっては最高１００，０００ｒｐｍまでの高速（すなわち高ｒｐｍ）で運転可能な電動モータを必要とする。高速電気機械は、高周波で運転する電気機械の磁性材料が非効率なモータ設計の原因となる過度の鉄損を生じないように、少ない極数で製造される。これは主として、現在の大多数のモータで使用される軟質材料が珪素鉄合金（Ｓｉ−Ｆｅ）であることに起因する。従来のＳｉ−Ｆｅ基材料において約４００Ｈｚよりも大きな周波数での磁界の変化によって生じる損失により、当該装置をどのような許容可能な手段によっても冷却することのできない温度にまで材料が発熱する場合があることは周知である。
【０００８】
現在までに、低損失材料を利用し、製造が容易な電気装置をコスト効率良く提供することは極めて難しいことが判明している。低損失材料を従来型機械に組み込む従来の試みは、初期の設計が通常、機械の磁気コアで珪素鉄などの従来の合金の代わりにアモルファス金属などの新しい軟質磁性材料を使うことに依存していたことにより、一般に失敗した。結果として得られる電気機械は、時によっては低損失で効率の増大を提供したが、一般的には許容できない出力低下を生じ、アモルファス金属の取扱い及び形成に関するコストが著しく増大した。その結果、商業的成功又は市場への浸透が達成されなかった。
【０００９】
しかしながら、高周波数及び高速での運転が可能な電気機械において生じる別の問題は、ロータの発熱である。ロータがステータに対して回転すると、ロータ磁石は、ステータコア歯と整列する場所及びステータ歯間のギャップの中心位置とを交互に通るので、ロータ磁石は各回転中に周期的なパーミアンス係数の差を生じる。次いで、このパーミアンスの変動の結果、ロータ内の磁束が変化し、ファラデーの法則に従う渦電流を誘起することになる。これらの電流は、ロータ内に著しい発熱を引き起こす程十分高い場合がある。同様に発熱は、不可避的な磁化の損失を生じ装置出力の低下を引き起こす可能性がある。極端な場合、ロータ磁石の寿命を縮め、又は破壊する程発熱が深刻な場合もある。
【００１０】
従って、当該技術分野において、低損失材料に関わる固有の特性の利点を十分に利用し、これにより従来のアキシャルギャップ型機械に付随する欠点を取り除いた高効率のアキシャルエアギャップ型電気装置に対する必要性が依然としてある。理想的には、改良された機械は、機械的及び電気的エネルギー形態間で高い変換効率を提供するであろう。化石燃料を原料とする発電機の効率改善は、これに伴い大気汚染を低減させるであろう。該機械は小型軽量で、トルク、出力及び速度の厳しい要件を満たすであろう。冷却要件は低減されることになる。バッテリ電源で運転されるモータは、所与の充電周期ではより長く運転できることになる。特定の用途では、そのサイズ及び形状並びに特定の機械的特質により、アキシャルエアギャップ型機械がより好ましい。同様の機械特性の改善が、アキシャル及びラジアルエアギャップ型装置の両方に求められる。
【００１１】
【特許文献１】米国仮出願第６０／４４４，２７１号公報
【特許文献２】米国特許出願第１０／７６９，０９４号公報
【特許文献３】米国特許第ＲＥ３２，９２５号公報
【特許文献４】米国特許第４，１４２，５７１号公報
【特許文献５】米国特許第４，８８１，９８９号公報
【特許文献６】米国特許第４，８６５，６５７号公報
【特許文献７】米国特許第４，２６５，６８２号公報
【発明の開示】
【００１２】
本発明は、ロータ組立体と、フロントアイアン区画、バックアイアン区画及び幾つかのステータ歯区画を含むステータ組立体とを備えた電動機械を提供する。本電気装置は、少極数から多極数の範囲のどのような極数を有することができる。好ましくはステータは、アモルファス金属、ナノ結晶金属、及び最適化Ｆｅ系合金からなるグループから選択された少なくとも１つの低鉄損材料から構成される積層を利用するほぼトロイダルの構造体を含む。しかしながら、他の軟質磁性材料もまた、ステータ組立体全体又はその一部を製造するのに使用することができる。ロータ組立体は、軸の周りを回転するように支持され、複数の極を含む。該組立体は、ステータ組立体と電磁相互作用するように構成及び配置される。低鉄損で先端軟質磁性材料の使用は、広範囲の極数及び転流周波数を可能にすると同時に、高運転効率、高出力密度、及び広範囲の利用可能な運転速度を維持することで、設計に有意な柔軟性を与える。
【００１３】
本発明に従って製造及び運転することができる電気機械の実施例には、限定ではないが、電動機、発電機、及び回生モータがある。電気装置の１つ又はそれ以上は、複合装置又はシステムの構成要素とすることができる。このような複合装置の一例は、１つ又はそれ以上のモータを含むコンプレッサであり、１つ又はそれ以上のモータはファンと一体構成とすることができる。
【００１４】
本発明は更に、（ｉ）バックアイアン区画及び複数の歯区画を含み、歯区画の各隣接するペア間にあるスロットと前記スロットを貫通して巻かれたステータ巻線とを有する少なくとも１つのステータ組立体を準備する段階と、（ｉｉ）フロントアイアン区画を準備する段階と、（ｉｉｉ）軸の周りを回転するように支持され且つ複数の極を含み、少なくとも１つのステータ組立体と電磁相互作用するように構成及び配置されている少なくとも１つのロータ組立体を準備する段階とを含む、電動機械を製造する方法を提供する。
【００１５】
電動機械システムは、上述の型式の電動機械、及び該機械をインタフェース及び制御するパワーエレクトロニクス手段を含む。パワーエレクトロニクス手段は、本機械に動作可能に接続される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、本発明の好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明及び添付図面を参照することによって完全に理解され、また、更なる利点も明らかになるであろう。幾つかの図面全体を通じて同じ参照符号は同じ要素を表している。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態を添付図面を参照しながら以下に更に詳細に説明する。
本発明の１つの態様において、ロータ組立体と、フロントアイアン区画、バックアイアン区画、及び複数のステータ歯区画を有するステータ組立体とを含む電気機械が提供される。本明細書で使用される用語「フロントアイアン」とは、軟質磁性材料から構成され、歯区画を有するステータ面に隣接し、バックアイアンの位置に対向しロータに近接して配置される構造体を意味する。以下に更に詳細に説明されるように、低鉄損ステータ材料の使用と組み合わせてフロントアイアンが存在することは、本発明の機械にとって好ましいことである。好ましい実施形態では、本機械は、永久磁石のブラシレス型であり、ステータ及びロータはアキシャルエアギャップ型構成である。
【００１８】
本機械は、１つ又はそれ以上のロータ組立体と１つ又はそれ以上のステータ組立体を備える。従って、電気機械に関して本明細書で使用される用語「ロータ」及び「ステータ」は、１つから３つ又はそれ以上もの数の範囲にわたる幾つかのロータ組立体及びステータ組立体を意味する。アキシャルエアギャップ型機械の構造において、２つの対面するステータ間に１つのロータを有する構成は、それぞれのステータからのロータに対する引力の方向が反対であり実質的に相殺されるので、ロータの軸方向の推力が有利に低減される。
【００１９】
（装置の一般構造）
引用により共に本明細書に組み込まれる、本発明の譲受人に譲渡された米国仮出願第６０／４４４，２７１号（以下「２７１出願」）及び米国特許出願第１０／７６９，０９４号（以下「０９４出願」）は、アキシャルエアギャップ型構成で配置されたロータ組立体及びステータを有する電気装置を提供しているが、フロントアイアンは存在しない。ステータは、バックアイアン区画及び複数のステータ歯区画を含み、好ましくは低損失高周波材料を用いて作られる。図１は、「０９４出願」の１つの態様に基づくステータ組立体１０の平面図を示し、バックアイアン１６から懸吊するステータ歯区画１２を含み、歯区画１２の周囲に巻いたステータ巻線１４を備えた一体型構造体を示す。バックアイアン区画及び歯区画は、図示のように歯区画がバックアイアン区画から一体的に懸吊する一体型構造体として形成するか、又は接着剤などの任意の適切な手段により一体的に固定された別個の構成要素として形成することができる。ステータ１０及び巻線１４は、ステータキャリア（図示せず）内に配置し、適切な有機誘電体を詰め込むことができる。「０９４出願」に基づく電気装置は、ステータ組立体に対してアキシャル型構成で円周方向に離間して配置された複数の永久磁石を有するロータ組立体を更に含む。
【００２０】
回転機械、特にブラシレス永久磁石機械の運転中に生ずる可能性のある重大な問題として、回転の過程で遭遇する磁気環境の定期的変動に起因するロータ組立体の発熱がある。パーミアンス係数（Ｐｃ）の概念は、この影響を定量化するのに使用されることが多い。特に、パーミアンス係数は従来、磁石の動作点での第２象限磁化曲線（Ｂ−Ｈ）に基づいて定義されており、式Ｐｃ＝Ｂｄ／Ｈｄで与えられ、ここでＨｄは反磁界、Ｂｄは磁石から発生する有効磁束密度であり、双方とも動作点で測定される。Ｐｃは、運転中のロータの位置と共に変化し、動作点は、これに従ってＢ−Ｈ曲線に沿って任意の所与の瞬間に現存する磁束Ｂを反映するように移動する。変化する磁束は、ファラデーの法則の結果としてロータ内で連続的に渦電流を誘起する。これらの循環する電流は、１００ｋＷ定格の機械で最大１０ｋＷ又はそれ以上のロータの著しい発熱を生じる可能性があり、この発熱は、場合によっては非可逆的な磁気損失を引き起こし、更にロータ磁石を破壊する程十分に過酷なものである。ロータ磁石が受けるパーミアンス係数の変動を減少させるために提案された１つの方法は、歯先とも呼ばれる突極を導入することであり、この突極は、エアギャップに提示される表面でステータコアの断面積を拡大することで形成される。ほとんど全ての従来のラジアルエアギャップ型機械は、ロータからステータ歯を通って配向される磁束を増加させるために突極を採用する。広くなった極先端は、通常ラジアルギャップ型ステータで用いられている型打ち積層体で提供するのが比較的容易である。しかしながら、突極は、アキシャルエアギャップ型機械のステータに機械加工することが困難であり、その結果、アキシャルエアギャップ型機械に突極を追加することは一般に相当なコストがかかる。
【００２１】
本発明は、フロントアイアンを含む新規のステータ組立体を提供することによりコスト対効果の高い方法でロータ磁石の発熱の問題に対処する。フロントアイアンが存在することにより、ロータ磁石が回転中に受けるパーミアンス係数の変動が低減され、従って、ロータ内に渦電流を生成する磁束偏位（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｆｌｕｘ  ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ）を低下させる。本発明に基づく電気装置のロータの発熱量は、例えば１００ｋＷ定格の機械で１０ｋＷから２ｋＷ又はそれ以下に大幅に減少させることができる。そのため、ロータ磁石の寿命及び従って電気装置の寿命を有意に引き延ばすことができる。フロントアイアンの使用は多極数の電気機械の実施形態において特に好ましいが、低極数の装置に対しても有利である。
【００２２】
図２で示すように、本機械に好適なステータ組立体の１つの形態は、図１に示す型式のステータにフロントアイアンを追加することで構成される。最初に、金属コアは、低損失の高周波ストリップ材料をトロイド状にらせん巻きすることで形成される。このトロイドは、軸方向で見たときに内径及び外径を有するほぼ直円柱のシェルの形状である。内径「ｄ」から外径「Ｄ」まで半径方向に延び、形成状態でのフルトロイドの周りに円周方向に延びる環状の端面領域２２が表面積を定める。金属コアは、トロイドの高さを定める軸方向範囲を有する。巻線処理後、コアは機械加工されて、ほぼ半径方向に向かう外側の幅「ｗ」を有するスロット１６を形成する。スロットの深さ２４は、トロイド高さ全体の途中まで軸方向に延びる。該スロットは、金属コアの端面の総面積を減少させる。スロットを取り去った後に残る環状領域の部分が総面積（ＴＡ）であり、更に、低損失の高周波材料がアモルファス金属である実施形態ではアモルファス金属エリア（ＡＭＡ）とも呼ばれる。スロット２４は、内径ｄから外径Ｄまで全体に延びているので、ステータコアの内径及び外径はトロイドのスロット付き部分において連続ではない。スロット領域の材料を除去すると、複数の歯１４が生成される。歯及びスロットの数は等しい。スロットの深さの下に残る円周方向に連続した材料は、バックアイアン区画１６として機能することができ、歯区画１２において磁束の閉路を提供する。好ましい実施形態では、歯の最も狭い部分は、成形性及び機械的一体性のために０．１インチよりも小さくはない。
【００２３】
スロット２４は、所与の電気装置設計のために事前に選択された巻線方式に基づいて導電性ステータ巻線１４を巻きつける。通常、Ｃｕ導線又はＡｌ導線などの安価で高導電性の導線が好ましいが、他の金属、合金及び超伝導体を含む材料及び形態を使用してもよい。導線は任意の断面を有することができるが、円形及び正方形の導線が最も一般的である。ある高周波用途では、より導線又はリッツ導線が好都合な場合もある。好ましい巻線方式は、１歯（１２）当たりに１コイルを必要とする。各コイルは通常、複巻きの導線を含む。しかしながら、当該技術分野で公知のどのような巻線配置でも適用可能である。巻線は歯の周りの所定位置に形成することができ、或いは１つの組立体として別個に作製して歯の端部を覆ってもよい。
【００２４】
ステータ組立体１０は、ステータ巻線１４と共にステータキャリア（図示せず）内に配置することができる。好ましくはステータ組立体は、ステータ磁性材料に過度の応力を誘起しないものなどの適切な有機誘電体を用いてステータキャリア内に収納される。ステータキャリアは非磁性であることが好ましいが、ステータキャリア材料の導電性に関しては制限がない。ステータキャリア材料の選択に影響を及ぼす可能性のある係数として、要求される機械的強度と熱特性とがある。ステータ組立体を適切に支持可能などのような適切な材料もステータキャリアとして使用することができる。特定の実施形態では、ステータキャリアはアルミニウムから作られる。
【００２５】
ステータ組立体１０は更に、フロントアイアン１８を含む。図２に示す実施形態では、フロントアイアン１８は、低損失軟質磁性材料の巻線トロイドを含む。フロントアイアンは、独立して形成され、後で歯面に取り付けられる。ステータ組立体が別個の構成要素を含むこの実施形態及び他の実施形態は、接着剤、クランプ、溶接、又は当該技術分野で公知の他の方法を用いて構成部品を結合することで形成することができる。例えば、エポキシ樹脂、ワニス、嫌気性接着剤、シアノアクリレート、及び室温硫化型（ＲＴＶ）シリコーン材料から構成される接着剤を含む種々の接着剤が好適とすることができる。接着剤は、低粘度、低収縮、低弾性係数、高剥離強度、高動作温度性能、及び高絶縁耐力であることが好ましい。ステータスロットは、構成要素の組み立て前又は後にステータ巻線を巻きつけることができる。
【００２６】
一部の実施形態では、フロントアイアンは、（ｉ）本装置の電圧又は電流波形の基本周波数の高調波を低減又は実質的に除去すること、（ｉｉ）電気装置の効率を改善すること、及び（ｉｉｉ）トルクコギングを減少させるようリラクタンス補正を行うことを含む、他の有益な方法で機能する。
【００２７】
バックアイアン区画、フロントアイアン区画及び歯区画は、軟質磁性材料から構成される。好ましい実施形態では、これらの区画は、アモルファス金属、ナノ結晶金属、又は最適化Ｆｅ系合金などといった低損失材料で作られる。上記材料は、全ての区画で使用する必要はない。好ましい実施形態では、フロントアイアンは軟質磁性材料の巻線トロイドで構成される。バックアイアン区画及び歯区画が低損失材料から構成される実施形態においてさえ、フロントアイアンは従来の材料で作ることができる。例えばフロントアイアンは、従来の方向性Ｆｅ系材料、無方向性Ｆｅ系材料、又はＳｉ−Ｆｅ合金を採用することができる。低損失材料の使用はフロントアイアン損失を減少させると共に、以下に詳細に説明するようにフロントアイアンの利点の他の恩恵を最大にする。更に別の実施形態では、フロントアイアンは、射出成形材料、又は接着剤、有機樹脂又は他の適切な誘電体で結合される軟質磁性材料の粉体を含む。
【００２８】
図２に示すステータ組立体１０の実施形態では、フロントアイアンの外径及び内径は、ステータコアの外径及び内径にほぼ等しく、ステータ巻線は、フロントアイアンの内径及び外径を超えて半径方向に延びる。フロントアイアン、ロータ組立体、及びステータ組立体の内径及び外径はほぼ同じであることが好ましいが、同一である必要はない。他の実施形態では、フロントアイアン区画は、ステータ組立体のバックアイアン区画及び歯区画と異なるサイズである。特に、フロントアイアンの内径及び外径の一方又は両方は、バックアイアン区画及び歯区画の対応する内径及び外径よりも大きいか又は小さくてもよい。
【００２９】
本発明の実施において有用なステータ構造の他の形態は、上述の「２７１出願」及び「０９４出願」で与えられる。
【００３０】
もしくは、一体型構造体が歯区画及びフロントアイアンを提供する。本方法のこの実施例では、フロントアイアンは通常バックアイアンよりも薄いので、スロット形成においては、材料の比較的より大きな割合が除去される。独立して形成された巻線トロイドバックアイアンは次いで、ステータ組立体の反対側の面に取り付けられる。ステータスロットは、バックアイアンを取り付ける前又は後にステータ巻線を巻きつけることができる。
【００３１】
別の実施形態では、ステータコア、バックアイアン、及びフロントアイアンは全て、低損失材料の単一の巻線トロイドから完全に一体型の組立体として機械加工され、スロットにはステータ巻線が巻かれる。
【００３２】
更に別の実施形態では、フロントアイアン構造体及びバックアイアン構造体の両方は、巻線トロイドから機械加工される。各構造体の表面には、スロット及び歯のサブ区画が形成される。構造体は、歯サブ区画の各々が嵌合当接するように対面関係で組み立てられる。ステータ組立体の各歯区画は、フロントアイアン部分及びバックアイアン部分の両方から懸吊する歯サブ区画を含む。
【００３３】
別の実施形態では、フロントアイアン区画及びバックアイアン区画は円筒型トロイドで形成され、別個形成される歯区画はこれらの間に配置される。
【００３４】
更に他の実施形態では、フロントアイアンの機能は、ステータと対面関係でロータに取り付けられた軟鉄構造体によって達成される。アキシャルエアギャップ型の実施形態では、巻線トロイドはこのフロントアイアンに好適な形態である。
【００３５】
また、環状積層体のスタックとして提供されるフロントアイアンを含むラジアルエアギャップ型機械用のステータ組立体が提供される。外側のステータ及び内側のロータを備えた通常の構成では、環状積層体の外径は、内側に突出するステータ歯が形成する内径に一致する。勿論、インサイドアウト・モータでは、環状積層体はステータの外径を取り囲むことになる。
【００３６】
本発明のフロントアイアンは、ロータ構造体の中で時間的に変化する磁束を軽減するのに使用される、導電性であるが非磁気透過性材料の薄いシールドで区別されるものである。しかしながら、このようなシールドは、フロントアイアンの利点を補足するために本発明の機械の実施形態で使用することができる。
【００３７】
（フロントアイアンの厚み）
フロントアイアン厚みは電気装置の性能を最適化するように選択することが好ましい。過度に薄いフロントアイアン・トロイドは、例えばロータ損失の低減には有効ではない。他方、過度に厚いフロントアイアンは、ロータ及び／又はステータの磁束経路をフロントアイアン自体に向かわせ、これにより電気装置の性能が有意に低下する可能性がある。例えば、ロータ永久磁石の磁束は、ステータ歯の軸方向長さを通り、従って巻きステータコイルを通るようにすることが好ましい。また、ステータコイルを流れる電流が生成する磁束は、主としてエアギャップを通ることが好ましい。
【００３８】
フロントアイアンの最適の厚さは、１ミリメートル（ｍｍ）未満から１ｍｍ、２ｍｍ、５ｍｍ、又はそれ以上の範囲にわたることができる。最適の厚さは、電気装置の寸法及び運転要件、ステータ材料、ステータ巻線、フロントアイアン及びロータの特性、並びにこれらに固有の磁気特性によって変わる。特定の実施形態において、Ｍｅｔｇｌａｓ（登録商標）  ２６０５ＳＡ１製又は類似のＦｅ系アモルファス合金製のフロントアイアンの最適なフロントアイアン厚みは、高スロット数設計で０．５〜１．０ｍｍの範囲である。少スロット数、高周波数の設計は、より厚いフロントアイアンにより恩恵を受けることができる。また最適な厚さは、ロータ永久磁石材料の特性に応じて変わることになる。電磁気解析に好適で且つ当業者が利用可能な様々なコンピュータソフトウェアツールを用いて、電気装置の性能に影響を与える様々なパラメータでフロントアイアン厚を最適化することができる。
【００３９】
フロントアイアン厚みは、装置構造及び装置の性能特性の他の態様と共に最適化される。重要な性能特性の実施例には、転流周波数の選択（高周波数が好ましい）、及び低インダクタンス及び適切な低速度制御の維持が含まれる。導体及び軟質磁性材料の最適なバランス及び歯区画及びバックアイアン区画の寸法決定などの他の構造上の詳細は、フロントアイアンの含有に影響を受ける。
【００４０】
本発明の電気装置の好ましい実施形態において、アモルファス、ナノ結晶、最適化Ｆｅ系合金、方向性Ｆｅ系、無方向性Ｆｅ系材料を組み込むことにより、従来型機械で見受けられる許容できない鉄損の大幅な増加と比べると、比較的僅かな鉄損増加を伴うだけで機械の転流周波数を４００Ｈｚよりも高く増大させることが可能となる。従って、ステータコアに低損失材料を用いることで、出力密度を増加させて効率性を改善することができる、高周波多極数の電気装置を開発することが可能となる。その上、ステータ鉄損が減少することで、従来型の設計機械では限界温度によって多くの場合必須であったトルク及び出力レベルを下げることも必要とせずに、従来の基本速度をはるかに超えてモータを運転することが可能となる。
【００４１】
（アモルファス金属）
また金属ガラスとしても公知のアモルファス金属は、本発明のモータで使用するのに好適な様々な組成で存在する。通常、金属ガラスは、例えば少なくとも約１０６℃／ｓの速度で冷却することにより、溶融物から急激に冷却された必要な組成からなる合金溶融物から形成される。金属ガラスは、長距離原子秩序を示さず、無機酸化物ガラスで観察されるのと同様の拡散ハローのみを示すＸ線回折パターンを有する。好適な磁気特性を有する幾つかの組成が、Ｃｈｅｎ他の米国特許第ＲＥ３２，９２５号に記載されている。アモルファス金属は、通常、横幅２０ｃｍ又はそれ以上の長尺の薄いリボン（例えば最大でも約５０μｍの厚さ）の形態で供給される。不定長の金属ガラスストリップの形成に有用な方法は、Ｎａｒａｓｉｍｈａｎに付与された米国特許第４，１４２，５７１号で開示されている。本発明の用途に好適な例示的なアモルファス金属材料は、Ｍｅｔｇｌａｓ，Ｉｎｃ．（サウスカロライナ州コンウェー）が不定長で最大約２０ｃｍ幅、２０〜２５μｍの厚さのリボンの形態で販売するＭＥＴＧＬＡＳ（登録商標）  ２６０５  ＳＡｌである（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｅｔｇｌａｓ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｐａｇｅ５＿１＿２＿４．ｈｔｍを参照）。また必要な特性を備えた他のアモルファス材料も使用することができる。
【００４２】
アモルファス金属は、磁性手段の製造及び使用に際して考慮すべき幾つかの特性を有する。アモルファス金属（金属ガラスとしても知られる）は、ほとんどの軟質磁性材料とは異なり、特に軟質磁性特性を最適化するのに通常使用される熱処理後には硬質で脆弱である。従って、モータ用の従来の軟質磁性材料を処理するのに通常使用されている機械加工法の多くは、アモルファス金属に対して実施することが困難もしくは不可能である。製造されたままの材料のスタンピング、パンチング又は切断は、一般に許容できない工具磨耗を生じ、熱処理された脆弱材料に対しては事実上不可能である。従来の鉄鋼で行われることの多い従来の穿孔及び溶接もまた通常は避けられる。
【００４３】
加えて、アモルファス金属は、従来のＳｉ−Ｆｅ合金よりも低飽和の磁束密度（又は誘導）を示す。低い磁束密度は、通常、従来の方法に従って設計されたモータの出力密度を低下させる。アモルファス金属はまた、Ｓｉ−Ｆｅ合金よりも熱伝導率が低い。熱伝導率は、熱が材料内を温区域から冷区域までどれだけ容易に伝導できるかを決定付けるので、熱伝導率の値が低いと、磁性材料の鉄損、巻線のオーム損、摩擦、風損、及び他の損失源から生じる廃熱を十分に除去するためにモータを注意深く設計する必要がある。廃熱の除去が不十分であると、モータの温度は許容できないほどに上昇することになる。過剰な温度は、電気絶縁又は他のモータ構成要素の早期故障を引き起こし易い。場合によっては、過熱により感電を生じ、或いは大火災又は他の健康及び安全に対する他の重大な危険を引き起こす可能性がある。アモルファス金属はまた、一部の従来材料よりも高い磁気歪係数を示す。磁気歪係数の低い材料は、磁場の影響による寸法変化が小さいが、これは機械からの可聴ノイズを減少させ、同時に機械の製造又は運転時に誘起される応力の結果として、材料の磁気特性が更に低下し易くなる。
【００４４】
これらの課題があるにも拘わらず、本発明の１つの態様は、先端軟質磁性材料を正常に組み込んだモータを提供し、例えば約４００Ｈｚよりも高い転流周波数などの高周波励磁でのモータ運転を可能にする。モータを製造するための組立法もまた提供される。特にアモルファス金属のような先端材料の構成及び使用の結果、本発明は、高周波（約４００Ｈｚより高い転流周波数として定義される)で運転する多極数モータの提供に成功している。高周波でのアモルファス金属のヒステリシス損は極めて小さく、その結果鉄損も極めて小さくなる。アモルファス金属は、Ｓｉ−Ｆｅ合金と比べて導電率が極めて低く、典型的には通常使用されるＳｉ−Ｆｅ合金（多くの場合２００μｍ又はそれ以上の厚さ）よりもはるかに薄い。これらの特性は共に、渦電流鉄損の低下を促進する。本発明は、これらの好ましい特質の１つ又はそれ以上から恩恵を受け、これによって低鉄損などのアモルファス金属の有利な性質を利用できる構成を用いて、同時に先端材料を使用する従来の試みで直面した課題を回避しながら、高周波で効率的に運転するモータの提供に成功している。
【００４５】
（ナノ結晶金属）
ナノ結晶材料は、平均的な粒子サイズとして約１００ナノメートル以下の多結晶材料である。ナノ結晶金属の属性は、従来の粗粒金属と比較して一般に強度及び硬度が増加し拡散率が高く、延性及び靱性が改善され、低密度、低弾性、高電気抵抗、高比熱、熱膨張係数が高く、熱伝導率が低く、及び軟質磁性特性に優れていることが含まれる。ナノ結晶金属はまた、一般にほとんどのＦｅ系アモルファス金属よりも幾分飽和誘導が高い。
【００４６】
ナノ結晶金属は、幾つかの方法で形成することができる。１つの好ましい方法は、最初に、上述の教示された方法などを用いて必要な組成物を不定長の金属ガラスリボンとして鋳造する段階、及び当リボンを巻線形状などの所望の形態に形成する段階を含む。その後、最初にアモルファス材料が熱処理されて、その中にナノ結晶ミクロ構造が形成される。このミクロ構造は、平均サイズ約１００ｎｍ未満、好ましくは約５０ｎｍ未満、より好ましくは約１０〜２０ｎｍのサイズの高密度粒子が存在することを特徴とする。粒子は、鉄系合金の容積の少なくとも５０％を占めるのが好ましい。これらの好ましい材料は、鉄損が少なく、磁気歪が小さい。また磁気歪特性は、この成分を含む装置の製造及び／又は運転により生じる応力による磁気特性の低下に強い材料にする。所与の合金にナノ結晶構造を生成するのに必要な熱処理は、ガラス質のミクロ構造をその内部にほぼ完全に維持するように設計された熱処理に必要な温度よりも高く又は時間よりも長く実施しなければならない。ナノ結晶金属は鉄系材料であることが好ましい。しかしながら、ナノ結晶金属はまた、コバルト又はニッケルなどの他の強磁性材料系であるか、又はこれらを含むことができる。本装置の磁性要素を製造する際の使用に好適な代表的なナノ結晶合金は、例えば、Ｙｏｓｈｉｚａｗａに付与された米国特許第４，８８１，９８９号、及びＳｕｚｕｋｉ外に付与された米国特許第５，９３５，３４７号に記載された合金である。このような材料は、日立金属、ＶＡＣＵＵＭＳＣＨＭＥＬＺＥ  ＧｍｂＨ  ＆  Ｃｏ．、及びアルプス電気から入手可能である。低損失特性を備えた例示的なナノ結晶金属は日立金属のファインメットＦＴ−３Ｍである。低損失特性を有する別の例示的なナノ結晶金属は、Ｖａｃｕｕｍｓｃｈｍｅｌｚｅ  Ｖｉｔｒｏｐｅｒｍ  ５００  Ｚである。
【００４７】
（最適化Ｆｅ系合金）
本発明の機械はまた、最適化低損失Ｆｅ系結晶合金材料で構成することができる。このような材料は、従来のモータで使用されていた２００μｍ又はそれ以上、及び場合によっては４００μｍ又はそれ以上の厚さの鉄鋼よりもはるかに薄い、約１２５μｍ未満の厚さを有するストリップの形態であることが望ましい。方向性及び無方向性材料を共に使用することができる。本明細書における方向性材料とは、構成成分である結晶粒子の主要結晶軸がランダムな方向を向かず、主として１つ又はそれ以上の好ましい方向に沿って相関付けられた材料である。方向性ストリップ材料は、上述のミクロ構造の結果として、様々な方向の励起に対して異なる反応を示すが、一方、無方向性材料は等方的に反応し、すなわちストリップ平面の任意の方向の励起に対してほぼ同じ反応を示す。本発明のモータでは、方向性材料は、磁束の主要方向にほぼ一致する磁化の容易な方向に配置するのが望ましい。
【００４８】
本明細書で使用される従来のＳｉ−Ｆｅとは、珪素が重量比で約３．５％以下を含有する珪素鉄合金を意味する。重量比で珪素が３．５パーセントという限界は、珪素をより多く含むＳｉ−Ｆｅ合金が金属加工材料として特性が劣るため、当該業界によって課されたものである。約４００Ｈｚより高い周波数の磁場での運転により生じる従来のＳｉ−Ｆｅ合金等級の鉄損は、低損失材料の鉄損よりもかなり高い。例えば、従来のＳｉ−Ｆｅの損失は、場合によっては本発明の機械の周波数及び磁束レベルで運転する機械が生じる周波数及び磁束レベルでの好適なアモルファス金属の１０倍ほどである。従って、高周波数運転時の従来の材料は、多くの実施形態において、従来型機械ではどのような好ましい手段によっても冷却できない程度まで発熱することになる。しかしながら、一部の等級の珪素鉄合金は（本明細書では最適化Ｓｉ−Ｆｅと呼ばれる）、高周波数機械の製造に直接適用することができる。
【００４９】
本発明の実施に有益な最適化Ｆｅ系合金は、重量比で３．５％より多い、好ましくは４％より多い珪素から構成される珪素鉄合金等級を含む。本発明による機械の製造に使用される無方向性Ｆｅ系材料は、本質的にＦｅと、重量比で約４％〜７．５％の範囲の量のＳｉとの合金からなるのが好ましい。これらの好ましい合金は、従来のＳｉ−Ｆｅ合金より多くのＳｉを含む。また、ＳｅｎｄｕｓｔなどのＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金も有用である。
【００５０】
より好ましい無方向性最適化合金は、本質的にＦｅと重量比で約６．５±１％のＳｉとからなる組成を有する。約６．５％のＳｉを含む合金は、飽和磁気歪がゼロに近い値を示すことが最も好ましく、該材料を含む装置の製造又は運転中に受ける応力に起因して、該合金は有害な磁気特性の低下が受けにくくなる。
【００５１】
最適化の目的は、磁気歪の低減及び特に鉄損の低減を含む、磁気特性が改善された合金を得ることである。これらの有用な性質は、好適な製造方法によって作られた珪素含量が増えた一部の合金で得ることができる。場合によっては、これらの最適化Ｓｉ−Ｆｅ合金等級は、アモルファス金属に似た鉄損及び磁気飽和の特徴を示すことがある。しかしながら、約４％を超えるＳｉを含有する合金は、短距離秩序化に起因して脆弱であるので、従来の手段によっては製造が困難である。特に、従来のＳｉ−Ｆｅを製造するのに使用される従来の圧延技法は、一般に最適化Ｓｉ−Ｆｅを製造できない。しかしながら、他の公知の技法が最適化Ｓｉ−Ｆｅの製造に使用される。
【００５２】
例えばＦｅ−６．５Ｓｉ合金の１つの好適な形態が、ＪＦＥ  Ｓｔｅｅｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（東京都、日本）により５０及び１００μｍ厚の磁性ストリップとして供給されている（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｆｅ−ｓｔｅｅｌ．ｃｏ．ｊｐ／ｅｎ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ／ｓｕｐｅｒｃｏｒｅ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ参照）。Ｄａｓ他に付与された米国特許第４，８６５，６５７号、及びＴｓｕｙａ他に付与された米国特許第４，２６５，６８２号で開示された急速凝固法によって製造されたＦｅ−６．５％Ｓｉも使用することができる。急速凝固法はまた、Ｓｅｎｄｕｓｔ及び関連するＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金の製造で公知である。
【００５３】
一般に軟質磁性材料の鉄損は、以下の修正シュタインメッツの式で表すことができる。
Ｌ＝ａ・ｆ・Ｂｂ＋ｃ・ｆｄ・Ｂｅ
ここでＬは損失（Ｗ／ｋｇ）、
ｆは周波数（ＫＨｚ）、
Ｂは磁束密度（ピーク時テスラ）、
及びａ、ｂ、ｃ、ｄ及びｅは全て、軟質磁性材料に一意の損失係数である。
【００５４】
上記の損失係数ａ、ｂ、ｃ、ｄ及びｅの各々は、一般に所与の軟質磁性材料の製造メーカーから取得することができる。本発明のステータ構造体での用途に特に好ましい材料は、「Ｌ」未満の鉄損特性を有することを特徴とする低鉄損磁性材料である。ここでＬは、式
Ｌ＝１２・ｆ・Ｂ１．５＋３０・ｆ２．３・Ｂ２．３
で与えられる。ここで、
Ｌは損失（Ｗ／ｋｇ）、
ｆは励起周波数（ｋＨｚ）、
Ｂは磁束密度（ピーク時テスラ）である。
【００５５】
（ロータ組立体）
図３は、本発明の電気装置の１つの実施形態の部分組立分解図を示すが、図はバックアイアン１６、幾つかのステータ歯区画コア１２、ステータ巻線１４、フロントアイアン１８、及び幾つかのロータ磁石２０を含む。
【００５６】
ロータ組立体及びステータ組立体はほぼ同軸である。１つの態様において、本発明は、ロータ組立体中に配置される複数の磁石２０を備えるロータ組立体を含むアキシャルエアギャップ型ブラシレス永久磁石モータを提供する。ロータ組立体は、ステータ組立体に隣接して位置付けられて１つの軸に同軸で配置される。磁石は、交互する極性を有し、ロータの周りにほぼ等間隔で円周方向に固定的に位置付けられる。サイズ、位置、角度、傾き、形状、及び同様のものなどのロータ磁石の様々なパラメータが、所望の性能を達成するように選択される。
【００５７】
本発明のロータ組立体は、ステータ組立体のフロントアイアン面に近接して回転から磁石を保護するどのような形態を取ることもできる。例えば、ロータ磁石２０は、ロータキャリア内に設定又は取り付けることができる。ロータ組立体は、任意の数のロータ磁石２０を含むことができる。一部の実施形態では、ロータ磁石はロータの厚さを貫通して延びるが、別の実施形態では貫通して延びない。
【００５８】
磁石は、交互にされた磁石間の円周方向の間隙が僅かであるか、或いは存在しないように間隔を置いて配置することができる。磁石間の間隔は、トルクコギングの発生をも最小化する最適値になるように選択されるのが好ましい。最適の間隔は、最初にステータの低損失金属面積をステータのスロット数で除算して、各単一の金属コア歯の面積を得ることにより導出される。次いで、磁石間の最適の間隔は、各磁石の総面積がコア歯の面積の１７５±２０％に等しいようにされる。
【００５９】
ロータ磁石２０は永久磁石として説明してきたが、これは必要条件ではない。他の実施形態では、ロータは、１つ又はそれ以上の電磁石を含み、又はロータは、例えば本発明の電気装置の誘導モータの実施形態など、軟質磁性材料で形成してもよい。
【００６０】
（ロータ材料）
本発明のロータに任意のタイプの永久磁石を使用することができる。サマリウム−コバルト磁石などの希土類遷移金属合金磁石、他のコバルト希土類磁石、又は例えばＮｄＦｅＢ磁石などの希土類遷移金属−半金属磁石が特に好適である。或いは、ロータ磁石構造体は、任意の他の焼結、プラスティック接合、又はセラミックの永久磁石材料を含む。該磁石は、高い最大ＢＨエネルギー積、高保磁力、及び高飽和磁化、並びに線形第２象限正規減磁曲線を有することが好ましい。より好ましくは、高エネルギー積が磁束を増大させ、従ってトルクを増大させると同時に高価な永久磁石材料の容積を最小にすることができるので、方向性焼結希土類遷移金属合金磁石が使用される。
【００６１】
好ましくはロータ構成は、各々がＮ極及びＳ極を定める両端を有する、希土類遷移金属磁石（例えばＳｍＣｏ）又は希土類遷移金属−半金属磁石（例えばＮｄＦｅ、ＮｄＦｅＣｏＢ）などの、円周方向に離間して配置した高エネルギー積の永久磁石を含むディスク型又はアキシャル型のロータ組立体を含む。ロータ及びその磁石２０は、モータ軸周りを回転するために、例えばシャフト又は任意の他の好適な構成において１つ又はそれ以上のステータ組立体及びこれに付属するフロントアイアンに隣接する所定の経路にそって磁石の極が接近できるように支持される。通常、シャフトは、回転機械に公知の任意の好適な型式の軸受により支持される。ロータの磁石エリアは、外径及び内径を有する。好ましい実施形態において、アキシャルエアギャップ型ロータでは、磁石２０の外径及び内径は、ステータ組立体１０の外径及び内径とほぼ同一である。磁石２０の外径がステータ歯区画１２の外径よりも大きい場合、ロータの外側はあまり性能に寄与しない。ロータ２０の外径がステータ歯区画１２の外径よりも小さい場合、電気装置の性能は低下する結果となる。いずれの場合においても、硬質又は軟質磁性材料の一部は機械にコスト及び重量の増大をもたらすが、性能は改善しない。場合によっては、余分な材料が該機械の性能を損なうことさえある。
【００６２】
（ロータ損失）
フロントアイアンを含む本発明の電気機械の好ましい実施形態は、ロータ組立体の渦電流及びヒステリシス損の低減、並びにトルクコギング及びトルクリップルの低減を含む幾つかの有益な特質を提供する。これらの利点は、多くの場合、追加コスト及びフロントアイアン追加の複雑さ、フロントアイアン自体の損失及び機械出力の僅かな減少を補う。
【００６３】
ロータ組立体は、多くの場合、永久磁石自体又はロータキャリアなどの電気伝導材料を含む。上述のように、変化する磁場の任意の導体は、ファラデーの法則により示される誘導電圧を生じさせることになる。導電性材料におけるこの誘導電圧は、一般に渦電流と呼ばれる環流を生成する。渦電流によって材料中に発生する熱は、電流（Ｉ）及び抵抗（Ｒ）の一般式Ｉ２×Ｒによる関数として与えられる。渦電流は、有益なトルクを提供しないので、任意の電気装置における望ましくない損失源である。従って、装置設計者の目標は、渦電流を完全に除去することである。
【００６４】
通常、渦電流消費は、電気的に連続するブロックのサイズに応じて、及び材料の導電率に比例して増大する。従って、渦電流消費は、材料を非導電材料により別個の積層体に分割することで減少する場合が多い。このため、変圧器及び回転機械で使用される従来の軟質磁性材料は、通常、圧延処理により作られた薄い積層体として形成される。しかしながら、永久磁石材料の機械的特性が著しく異なると、ロータ構造にとって非実用的及び極めて高コストではないが、積層方法がはるかに困難なものとなる。
【００６５】
既知の最大の磁束生成永久磁石である希土類型磁石は導電性があり、従って好ましくない大きな渦電流損失を示す傾向がある。これらの損失は理論上は、変化する磁場の二乗と、変化する周波数の二乗と、材料の固有導電率との関数である。実際に、材料の寸法（積層体の厚さ及び長さ）は抵抗に大きく影響を与える。
【００６６】
硬質及び軟質磁石の両方を含む非線形の磁性材料は、変化する磁場の幾らかのヒステリシスを示し、これは、外部条件が変化したときの材料の内部磁気特性の応答遅れである。この遅れは、内部摩擦によって引き起こされたものとして理論的に説明することができる。ヒステリシスは、材料内の発熱に起因する損失の追加要因となる可能性があり、これは材料の内在的磁気特性の関数として変化する。
【００６７】
これらの材料は、小さな、すなわち「小規模」のループのヒステリシスを生じる可能性があるが、これは、ヒステリシスＢ−Ｈ曲線の４象限全てをカバーするものではなく、従って、完全な磁性反転を表すものではない。例えば、軟質磁性材料におけるこれらの小規模ループは、一般にＢ−Ｈ曲線の第１又は第３象限で見られる。本発明の機械のある実施形態のロータ組立体で用いられているような硬質磁石は、本明細書で上述されたように、周期的なパーミアンス変動の結果として、第２象限又は第４象限においてこうした小規模ループに従う。各ループエリアは、電気装置のヒステリシス損失に起因する損失を表す。
【００６８】
（パーミアンス係数の変動）
上述のように、電気機械のロータは、ロータ／ステータの磁気回路が回転と共に変化すると、磁束密度の著しい周期的変動をほぼ常に生じる。この変化は、パーミアンス係数を参照することで最もよく理解される。パーミアンス係数（Ｐｃ）は、磁束を通すロータ、ステータ、及びエアギャップの磁気回路の能力の指標として役立つことができる。ロータが回転すると、パーミアンス係数は、ロータ磁石がステータコア歯に最も近接して整列する位置で最大となり、磁石が歯の中間位置に位置するときに最小となる。ロータ磁石の内側及び外側両方の磁束密度は、均等に変化する。発熱を生じる渦電流を誘起するのは、ロータ磁石内の磁束密度のこの周期的変動である。
【００６９】
渦電流及びヒステリシス損失が生じる周波数は、通常、以下の式で与えられる機械の予想される同期周波数ではない。
同期周波数＝速度×永久磁石（ロータ）の極ペアの数
【００７０】
むしろ、これらの損失は、ロータ磁石が変動するパーミアンス係数条件に出入りするときの周波数で発生し、その周波数はステータ歯数の関数として与えられる。
ロータ損失周波数＝速度×ステータ歯数
【００７１】
このロータ損失周波数は、以下で詳細に説明するように、毎極毎相スロット比が０．５の電気装置の同期周波数よりも３倍大きい
【００７２】
（フロントアイアンのロータ損失への影響）
ステータ組立体へのフロントアイアンの追加は、ロータの全位置でパーミアンス係数を大幅に変化させる。フロントアイアンは、フロントアイアンを追加しなければ常に存在する低−高−低の磁束変動の振幅を低減させる。有利には、フロントアイアンは軟質磁性材料のステータの開いたスロットを部分的に「ブリッジ」する低リラクタンスの磁束経路を提供する。図４のプロットは、ロータ内のＢの変動がフロントアイアン厚みの増加と共に減少すると、ロータ内の望ましくない渦電流及びヒステリシス損失が共に減少することを示す。
【００７３】
（トルクコギング及びトルクリップルの減少）
フロントアイアンを含む一部の機械で見られる追加の利点は、トルクリップル及びトルクコギングの減少である。機械は、ロータの角度位置によって変化しないトルクで運転することが好ましい。しかしながら、上述のように、電気機械は常にロータ角度によるロータ−ステータ磁気回路の透磁率の幾らかの変動を有する。従って、常に一定のトルクの変動も存在する。電気機械の設計者は、トルク変動を排除してほぼ一定トルクで平滑な出力を生成するよう試みることが好ましい。また過度のトルクリップルは、好ましくない音響ノイズを発生する。電動機分野では、トルクコギング及びトルクリップルが識別される場合が多い。トルクコギングとは、機械への電流の入力／出力がない回転位置でのトルクの摂動又は変動を意味するが、他方、トルクリップルは、運転中すなわち動力負荷時のトルク変動を意味する。しかしながら、リップル及びコギングは物理的に関連する現象であり、時として同義と見なされる。トルクリップルは、電気装置の設計及びパワーエレクトロニクスの運転の両方の影響を受ける。トルクコギングは、機械設計パラメータに大部分は依存する。しかしながら、本発明は主として電気装置の設計に関係するので、トルクコギング及びトルクリップルは共に考慮される。
【００７４】
フロントアイアンの追加は、様々な位置に対するパーミアンス係数の変動を減少させ、エアギャップを横切る磁束の絶対値をより一定にする。従って、トルクコギングが減少する。フロントアイアン厚みが無制限に増加すると、トルクコギングはゼロに近づく。
【００７５】
トルクコギングは、パーミアンス係数の変動の影響を受ける。ガウスの法則で予測されるように、エアギャップを横切る正味磁場は、任意の所与の時間でゼロである。しかしながら、ステータに対してパーミアンス係数が他の位置よりも高いロータ位置が存在する。これらの位置では、磁束の絶対値はパーミアンス係数が低い位置よりも大きい。ロータがＰｃの高い位置からＰｃの低い位置に移動すると、トルクが生成されることになる。例えば、ＳＰＰ値が０．５の装置では、各ロータ極ペアについてパーミアンスが高い位置が６つ存在する。トルクコギングは、パーミアンス係数の高い位置から次のパーミアンス係数の高い位置にロータが「ジャンプ」する結果として観察される。
【００７６】
（フロントアイアンの性能及び損失に対する効果）
フロントアイアンの追加は、追加材料の使用及び処理手順の追加による装置コストを増大させるが、通常このコストは電気装置の性能面の多くの利点により相殺される。
【００７７】
任意の機械の出力は、エアギャップでの磁束の相互作用に大きく依存する。適切に選択された厚さを備えたフロントアイアンを使用すると、フロントアイアンの無い条件と比べて予想に反し  、実際にはステータコアの磁束量を増加させる。ステータコアにおける磁束量の増加は、有利には電気装置の出力を増加させる。しかしながら、この増加は僅かであり、図５で示すように一般に０．２５ｍｍ以下の程度のフロントアイアン厚みで生じる。過度に厚いフロントアイアンは、フロントアイアンがステータコア（歯を含む）から隣接するステータコア又は歯に磁束を「短絡する」可能性があるので、ステータコイルに流れる電流により生成される、エアギャップに達するステータの磁束量を減少させる。従って、フロントアイアン厚みの最適化は、装置の出力に対する影響を考慮に入れねばならない。
【００７８】
フロントアイアン自体は磁束の変動を受け、渦損失及びヒステリシス損失を生じる結果となる。これらは、低損失材料を選択してフロントアイアン厚みを適切に最適化することで有意に低減することができる。またフロントアイアンを追加した結果、幾分、ステータコアの磁束密度が大きくなるが、他方、トルク出力はあまり大きくならない。コア構造体で磁束密度が高くなると、図６で示すように不可避的にコアの損失が大きくなる。ほとんどの場合、ステータにおいて追加される損失は、ロータ磁石での損失の減少による相殺よりも大きい。従って、ステータ損失はフロントアイアン厚みを最適化する際に考慮することが好ましく、その結果、機械全体の性能が向上される。
【００７９】
（低損失材料を用いた多極数・高周波設計）
本発明の構造体及び方法は、少極数から多極数までにわたる電気装置に適用可能である。しかしながら、フロントアイアンを含む利点は、特に、ステータに低損失材料を使用することで高周波数で運転する多極数の電気装置の設計を可能にする実施形態において実現される。特定の実施形態において、本発明は、高周波数、すなわち約４００Ｈｚより高い転流周波数で運転する多極数のアキシャルエアギャップ型電気装置を提供する。幾つかの場合では、該装置は、約５００Ｈｚ〜３ｋＨｚ又はそれ以上の範囲の転流周波数で運転できる。通常、設計者は、Ｓｉ−Ｆｅなどの従来のステータコア材料は多極数で必要となる高周波数に比例して運転することはできないので、高速モータでは多極数が回避されていた。特に、Ｓｉ−Ｆｅを用いる公知の装置は、材料内の磁束の変動によって生じる鉄損に起因して、約４００Ｈｚより大幅に高い磁気周波数にスイッチングすることができない。鉄損は、その限度を超えてはどのような許容可能な手段でも装置を冷却することができない温度まで材料を加熱させる。一定の条件下では、Ｓｉ−Ｆｅ材料の発熱が非常に激しく、機械を全く冷却できず、自壊することになる。しかしながら、好適なアモルファス金属、ナノ結晶金属及び最適化Ｆｅ系金属の低損失特性は、従来のＳｉ−Ｆｅ材料で可能なレートよりもはるかに高いスイッチングレートを可能にすることが判った。好ましい実施形態ではＭＥＴＧＬＡＳ（登録商標）  ２６０５ＳＡ１合金などのアモルファス金属合金の選択により、高周波数運転での発熱によるシステムの制約が排除されたが、他方、ロータ設計及びモータの全体構成もまたアモルファス材料の有益な特性をより有効に利用するように改善された。
【００８０】
極めて高い励起周波数を使用する能力により、本発明の機械を広範囲の使用可能な極数で設計することが可能となる。本発明の装置の極数は、機械の許容サイズ（物理学制約）及び予想性能範囲に基づく変数である。極数は、許容励起周波数限界の条件下で、磁束漏洩が望ましくない値にまで増大するか、性能が低下し始めるまで増やすことができる。また、フロントアイアンの使用は、漏洩を最小化するのに役立つ。
【００８１】
また、ステータのスロットはロータの磁石と一致しなければならないので、ロータの極数に基づくステータ構造により与えられる機械的限界が存在する。機械的限界及び電磁的限界が協働して、ステータ内に作ることができるスロット数を制限する。これらの作用はまた、１つには機械のフレームサイズの関数である。銅及び軟質磁性材料の適切なバランスをもたらす所与のステータフレームのスロット数の上限を決定するために、幾つかの境界を設定することができる。このバランスの調整は、アキシャルギャップ型機械の性能を良好にするパラメータとして使用することができる。本発明は、現在の工業機械で一般的な極数の約４〜５倍の極数を好ましくは有するモータを提供する。
【００８２】
一例として、６〜８の極の約８００〜３６００ｒｐｍの速度で動作する業界で一般的なモータでは、転流周波数は約１００〜４００Ｈｚである。転流周波数（ＣＦ）は回転速度と極ペア数を乗算した値であり、ここで極ペアとは、極数を２で除算した値、及び回転速度とは毎秒回転数を単位とする（ＣＦ＝ｒｐｍ／６０×極／２）値である。また業界で利用可能な装置の極数は１６以上であるが、速度は１０００ｒｐｍ未満であり、これは依然として４００Ｈｚ未満の周波数に対応する。もしくは、極数が比較的少なく（例えば約６極未満）、最大速度が３００００ｒｐｍのモータも可能であるが、その転流周波数は依然として約４００Ｈｚ未満である。代表的な実施形態として、本発明は、９６極、１２５０ｒｐｍ、１０００Ｈｚ；５４極、３６００ｒｐｍ、１０８０Ｈｚ；４極、３００００ｒｐｍ、１０００Ｈｚ；及び２極、６００００ｒｐｍ、１０００Ｈｚといった機械を提供する。本発明の高周波機械は、従来の材料及び設計で作製された公知のアキシャルエアギャップ型モータよりも約４〜５倍高い周波数で運転できる。本機械は、同じ速度範囲で運転した場合に業界で一般的なモータよりも一般に高効率であり、その結果、より高速のオプションを提供する。本発明の構成は、高エネルギー効率、高出力密度、組立て易さ、及び高価な軟質及び硬質磁性材料の効率的な使用を組み合わせた方法で、速度、出力及びトルク定格が極めて広範囲なモータの構成に特に魅力的である。
【００８３】
（熱特性及び熱効率）
従来のＳｉ−Ｆｅ合金を用いた電気機械、及びアモルファス金属、ナノ結晶金属、最適化Ｓｉ−Ｆｅ合金、方向性Ｆｅ系金属又は無方向性Ｆｅ系金属を用いる電気機械の両方を含む全ての電気機械において、達成可能な装置の出力効率を制限する特性の１つは、廃熱のエネルギー損失である。この廃熱は、幾つかの発生源に由来するが、主として巻線のオーム損、表皮及び近接効果損、磁石並びに他のロータ構成要素における渦電流によるロータ損、及びステータコアの鉄損に由来する。従来型装置の「連続的出力限界」は、許容できない温度上昇を防止するのに十分な廃熱を放散しながら機械が連続的に運転できる最大速度によって決定される。連続的出力限界は、電流の関数である。
【００８４】
本発明の実施において最適に適用可能な高周波数、多極数の電気装置では、廃熱の発成は少なく、これは、アモルファス、ナノ結晶、及び最適化Ｆｅ系金属合金が、従来のＳｉ−Ｆｅよりも低損失であることに起因する。設計者は、周波数、速度及び出力を増大させて、次に低鉄損対オーム損を正確にバランスを取り且つ「トレード」することで、これらの材料の低損失特性を利用できる。全体として、本発明で最適に適用可能な高周波、多極数の電気装置は、従来型機械と同じ出力では低損失を示し、従って高トルク及び高速度を示し、その結果、従来型機械よりも高い連続的速度限界を達成できる。
【００８５】
本発明の１つの態様の実施において好ましい機械の１つの利点は、装置の効率を最大にしながら同時にコスト効果を維持する能力である。従来通り、装置の効率は、有効出力を入力で除算することによって定義される。本発明で最適に適用可能な高周波数、多極数の電気装置は、多極数と同時に高転流周波数で動作し、その結果、低鉄損及び高出力密度を有するより効率的な装置が得られる。本発明の装置は４００Ｈｚの業界標準の高周波数限度を超え、これまではこれを超える装置は存在するとしても僅かであった。
【００８６】
本発明に適用可能な好ましい高周波数、多極数の電気装置の性能及び効率増加は、単に従来のＳｉ−Ｆｅをアモルファス金属で置き換える内在的特徴ではない。多数の設計が提案されてきたが、これらは性能上の不具合を生じた（過熱及び低出力を含む）。この不具合は、大部分が単に新規材料（例えばアモルファス金属）及び生産方法を従来の材料（重量比で３．５％以下のＳｉを含有するＳｉ−Ｆｅ）向けに設計され、及び従来の材料に好適な方法で適用した結果として発生したと考えられる。過去の性能上の不具合は、アモルファス金属をモータへ加工することにより認められるコストと相まって、当業界が研究への取り組みを放棄することにつながった。
【００８７】
本発明で最適に適用可能な高周波数、多極数の電気装置は、アモルファス材料、ナノ結晶材料、最適化Ｓｉ−Ｆｅ合金材料、方向性Ｆｅ系材料又は無方向性Ｆｅ系材料の特性を利用する回転電気装置の設計を通して、先行技術の性能上の不具合を克服する。また、様々な改善された材料の物理的及び機械的特性と適合性のある製造方法も提供される。これらの設計及び方法は、４００Ｈｚより大きな転流周波数、多極数、高効率、及び高出力密度で動作することを含め、様々の有利な性質の一部又は全部を有する機械を提供する。他の従来型方法は、４つの性質の内のせいぜい１つ又は２つの性質を有するモータを提供できたが、本明細書で提示される実施形態では、４つの性質の内の幾つか及び好ましくは全てを同時に示す高周波数、多極数の電気装置である。本発明の機械は、「０９４出願」で提供されるような機械と比較して、ロータ内の損失を低減することができる別のメカニズム、すなわち、ステータ組立体のフロントアイアンの使用によるメカニズムを提供する。
【００８８】
多数の実施形態において、本発明の高周波数、多極数の本電気機械は、有利には高効率を示す。本改善への大きな寄与は、ヒステリシス損が有意に減少したことに起因する。当該技術分野で公知のように、ヒステリシス損は、全ての軟質磁性材料を磁化する間に磁壁移動を妨げることにより生じる。一般に、従来型の方向性Ｓｉ−Ｆｅ合金及び無方向性モータ鋼及び電気鋼などの従来使用される磁性材料におけるこのような損失は、本発明の機械で採用されるのが望ましい改善された材料よりも大きい。高損失はまた、コアの過熱の原因となる可能性がある。効率向上の結果として、本発明で最適に適用可能な高周波数、多極数の電気装置は、より大きな連続的速度範囲を達成することができる。従来型モータは、高速範囲（低出力）では低トルクを提供し、低速範囲では高トルクを提供する点で制限されている。本発明で最適に適用可能な高周波数、多極数の電気装置は、高速範囲で高トルクを有する電気装置の提供に成功している。
【００８９】
（毎相毎極スロット比）
電気機械の毎相毎極スロット（ＳＰＰ）の値は、ステータスロットの数をステータ巻線の位相数及びＤＣ極数で除算することで求められる（ＳＰＰ＝スロット／相／極）。本明細書では、極とは、時間的に変化しない磁場を意味するが、ここでは変化する磁場と相互作用する、すなわち振幅及び方向が時間及び位置と共に変化するＤＣ磁場をも意味する。好ましい実施形態では、ロータ上に取り付けられた永久磁石は、ＤＣ磁場、従ってここではＤＣ極とも呼ばれる幾つかの時間的に変化しない磁極を提供する。他の実施形態では、ＤＣ電磁石がロータのＤＣ磁場を提供する。ステータ巻線の電磁石は、変化する磁場を提供する。１つのスロットは、本発明の機械のステータの交互する歯の間の間隔を指す。本発明の技法は、任意のＳＰＰ値を有する電気装置に適用可能である。有利には、本発明の機械設計は、最適なＳＰＰ比率の選択においてかなりの柔軟性を与える。
【００９０】
従来型の機械は、優れた巻線分布により許容可能な機能及び騒音レベルを得てより平滑な出力を供給するために、１〜３のＳＰＰ比率を有するように設計される場合が多い。しかしながら、座巻の影響を低減するために、例えば０．５などの低いＳＰＰ値を有する設計が求められてきた。座巻は、スロット間の巻線を接続するステータコイル内の導線の一部である。このような接続は勿論必要であるが、座巻は機械のトルク及び出力には寄与しない。この意味において、座巻は必要な導線の量を増やし、機械のオーム損の原因となると共に、どのような利益ももたらさない点で好ましいものではない。従って、モータ設計者の目標の１つは、座巻を最小にして、騒音及びコギングの処理しやすいモータを提供することである。他方では、本発明のモータの好ましい実施は、以下に詳細に説明するように騒音、コギング及びパワーエレクトロニクスリップルを好ましくは低下させると共に、ＳＰＰ比率を減らすことができる。このような利点は、極及びスロットの数を多くして運転することで得られる。これらのオプションは、転流周波数の必要な増大は高度低損失ステータ材料を使用しない場合には許容できないので、従来型機械では実行可能ではなかった。
【００９１】
一部の用途では、ＳＰＰが小数値のモータを構成することは、このようなモータが１つのステータ歯の周りに配置された予成型コイルを採用できるので好都合である。本発明の機械の別の実施形態では、ＳＰＰ比率は、０．２５、０．３３、０．５などの整数比である。１．０、又は１．０よりも大きなＳＰＰ値でも可能である。ＳＰＰ値は約０．２５〜４．０の範囲が好ましい。しかしながら、本発明の機械のより好ましい実施形態は、１又はそれ未満、及び更に好ましくは０．５又はそれ未満のＳＰＰ比率で設計されるのが有利である。複数のスロットに結線して１つの共通磁場域にすることは可能であり、これによって０．５よりも大きいＳＰＰが提供される。これは、ロータの極数よりステータのスロット数の方が多い結果であり、分散巻線が得られることになる。０．５以下のＳＰＰ値は、分散巻線がないことを示す。業界の慣例では、ステータには分散巻線を含むことになる。通常、分散巻線で設計された先行技術の機械は１極当たりのスロット数が多く、その結果低周波運転となる。従って、０．５又はそれ未満のＳＰＰを有し、低周波で運転する従来型機械では、極数は少なくコギングが高く、コギングの制御が困難となる。他方、本発明の機械において先端磁性材料の使用により転流周波数を引き上げることができるので、ＳＰＰ値を低く維持でき、同時に機械速度を低下させることなくコギングを最小のままにすることができる。しかしながら、本発明の方法は、０．５を下回る（例えば０．２５）ＳＰＰ値を有する電気装置に適用可能であるが、このような構成は、必要な高転流周波数での機械のリアクタンスが増加し、ロータ磁石からの漏洩磁束が幾分増大し、小さく多数のロータ磁石を適応させるのに機械的サポートが必要であることを含めて、実際の検討事項によっては好ましくない場合がある。低ＳＰＰ値は、多くの場合電気装置の他の重要なパラメータにとって不都合である。
【００９２】
他方、ＳＰＰ値の増加は、機械の極ピッチを効率的に増大させる。例えば、複数のステータスロットは共通磁場域に結線することができるが、これは０．５よりも大きい毎相毎極スロット（ＳＰＰ）値に対応する。
【００９３】
本発明の機械は、単相装置として、又はステータの各々に任意の数の相及びこれに比例した数の巻線を備えた多相装置として設計し運転できるが、優れた出力密度と共に硬質及び軟質両方の磁性材料の効率的な利用を可能にするので、業界の慣例に従って３相巻線を有する３相機械が好ましい。０．５のＳＰＰ比率の実施形態は、３相用途に特に好適である。例えば、スロット／極／相比率＝０．５の３相機械では、ロータの極数はステータのスロット数の２／３であり、スロット数は相数の倍数である。該機械は通常、業界の慣例に従って３相Ｙ字接続で結線されるが、デルタ接続も採用することができる。本発明が提供する好ましい実施形態では、フロントアイアンは、ＳＰＰ値が最適に０．５に等しい電気装置に適用可能である。
【００９４】
（配線／巻線設計の柔軟性）
本機械の幾つかの実施形態の別の利点は、様々な配線構成を利用できる柔軟性である。従来のステータ設計は、上述のように巻線を複数のスロットに分散させる必要のある１．０〜３．０のＳＰＰ比を使用することに重点を置いていたので、巻線設計の選択肢を制限していた。分散巻線では２又は３より多い巻線オプションは困難になる。本発明は、ＳＰＰ＝０．５設計を利用する能力を提供し、ここでは通受１つのステータコア（歯を含む）に付き１つだけの個別のコイルである。しかしながら、本発明はＳＰＰ＝０．５の他の配列を除外するものではない。単一コアコイルは変更及び再接続が容易であり、所与の用途で要求される任意の電圧を提供できる。従って、本発明の装置でＳＰＰ比が０．５の値に近い場合、ステータの巻線構成に関しては有意な柔軟性が存在する。例えば、製造者は各ステータを互いに別個に巻くことができ、又は同じステータ内で独立したステータ巻線を形成することもできる。この機能は、ＳＰＰ＝０．５を備えたシステムの利点の１つである。場合によってはＳＰＰ＝０．５を採用する産業用システムは存在していたが、このシステムは普及せず、ニッチな用途でのみ成功を納めていた。本発明は、巻線のこの柔軟性を考慮したＳＰＰ＝０．５を有するシステムを提供することに成功した。
【００９５】
従って、所与のハードウェア構成は、ステータコイル又はその相互接続を単に変更するだけで広範囲にわたる解決策を提供することができる。一般にコイルは、電磁石回路の変更の最も容易な構成要素である。標準設計が少ないことを必要とするメーカー、在庫保守を簡単にできる卸業者、及び所与の機械を変化する使用要件に適合するように修正できる利用者に対して大幅な経済性及び単純化が提供される。
【００９６】
（機械システム及びパワーエレクトロニクス制御）
更に別の態様では、上述の型式のアキシャルエアギャップ型電気機械と該機械をインタフェースし制御するパワーエレクトロニクス手段とを備える電動機械システムが提供される。本システムは、モータ又は発電機或いはその組み合わせとして機能することができる。モータ機械には、直接又はＤＣ電源の転流によってＡＣ電源を供給する必要がある。ブラシ型機械では機械的転流が長く使用されていたが、高出力半導体デバイスの可用性により、最新の多数の永久磁石モータで使用されるブラシレス電気転流手段の設計が可能となった。発電モードでは、機械（機械的転流を除く）は本質的に交流（ＡＣ）を生成する。機械の大部分は同期運転であると考えられているが、これは、ＡＣ入力又は出力が、回転周波数及び極数に比例した周波数を有するという意味である。従って、例えば電気事業で一般に使用されている５０又は６０Ｈｚ網、又は船舶及び航空システムで使用されることが多い４００Ｈｚ網などの電力網に直接接続されていた同期モータは、特定の速度で運転され、変動は極数の変化によってのみ得られる。同期発電では、原動機の回転周波数は、安定した周波数を供給するよう制御する必要がある。場合によっては、原動機は、既知の機械設計の実用限界内の極数を有するモータでは対応できない高すぎる回転周波数か又は低すぎる回転周波数を本質的に生成する。このような場合、回転機械は、機械シャフトに直接連結できないので、その結果、複雑さ及び効率の損失が付加されるにも拘わらず、場合によってはギヤボックスを採用しなければならない。例えば、風力タービンは、極めて低速で回転するので、従来のモータでは極数が極めて多数必要となる。他方、標準的なガスタービンエンジンの回転は、所望の機械的効率で適切な運転を得るため極めて高速で回転するので、発生する周波数は極数が少ない場合でさえ許容できない程高い。モータ用及び発電用途の代替手段は、能動的電力変換である。フロントアイアンを有するステータ組立体を含む本発明の電気機械の実施形態は、特に広範な速度範囲及び／又は異なる出力要件を伴う用途で能動的電力変換が採用されるのが有利である。
【００９７】
本明細書で使用される用語「パワーエレクトロニクス」とは、直流（ＤＣ）又は特定の周波数及び波形の交流（ＡＣ）として供給される電力を、電圧、周波数、及び波形の内の少なくとも１つが異なるＤＣ又はＡＣの入出力として電気出力に変換するよう適合された電子回路を意味するものと理解される。この変換は、パワーエレクトロニクス変換回路で達成される。周波数を維持する通常の変圧器を用いてＡＣ電力の単純な変圧、及びＡＣからＤＣを供給する単純なブリッジ整流以外では、最新の電力変換は通常、非線形半導体装置及びアクティブ制御を可能にする他の関連する構成要素を採用する。
【００９８】
本明細書で詳細に上述したように、本発明に従って構成される機械は、従来の装置よりもはるかに広範囲の回転速度にわたってモータ又は発電機として運転することができる。ほとんどの場合、これまでモータ用途及び発電機用途の両方で必要とされたギヤボックスはなくすことができる。しかしながら、結果として得られる利点はまた、一般に、従来型機械で採用されているよりも広範囲の電気周波数にわたり動作するパワーエレクトロニクスの使用を必要とする。
【００９９】
電動機システムのモータ用途において、該機械は、電力網、電気化学バッテリ、燃料電池、太陽電池、又は他の任意の好適な電気エネルギー源などの電源にインタフェースされる。必要とされる任意のタイプの機械的負荷を機械シャフトに接続することができる。発電モードでは、該機械シャフトは機械的に原動機に接続され、該システムは、任意の形態の電気器具又は電気エネルギー蓄電池を含むことができる電気負荷に接続される。また機械システムは、例えば、車両に対する機械的推進力の供給と、ブレーキを作動させるために車両の運動エネルギーをバッテリ内に蓄えられる電気エネルギーに戻す変換とを交互に行う、車両の駆動輪に接続されたシステムなどの回生モータシステムとして採用することができる。
【０１００】
本発明のアキシャルエアギャップ型機械システムで有用なパワーエレクトロニクス手段は、通常、満足できる電気機械的動作、調節、及び制御を維持しながら、機械的及び電気的負荷の予想される変動に対応するため十分な動的範囲を備えたアクティブ制御装置を含む必要がある。該手段は、各回転中に上述の変動するパーミアンスから発生する位相インピーダンスの全範囲にわたり十分に性能を発揮する必要がある。昇圧、降圧、フライバック・コンバータ及びパルス幅変調を採用するスイッチングレギュレータを含む、電力変換接続形態の任意の方式を使用することができる。電圧及び電流の両方が独立して位相を制御可能であり、及びパワーエレクトロニクスの制御が軸位置直接感知の有無に関係なく動作可能であることが好ましい。加えて、４象限制御が提供され、機械が時計回り又は反時計回りの回転、及びモータモード又は発電モードでの動作が可能であることが好ましい。電流ループ及び速度ループの両方の制御回路が含まれており、これによりトルクモード及び速度モード両方の制御が採用できることが好ましい。安定した運転では、パワーエレクトロニクス手段は、好ましくは目的とする転流周波数の少なくとも約１０倍の制御ループの周波数範囲を有するべきである。従って、本システムでは、最大約２ｋＨｚの転流周波数での回転機械の運転は、少なくとも約２０ｋＨｚの制御ループ周波数範囲を必要とする。モータ運転で用いられるコントローラは、通常、ＩＧＢＴ半導体スイッチング素子を採用する。これらの装置は周波数に応じてスイッチング損失の増大を示すので、通常は最大約１０００Ｈｚの転流周波数で運転するのが好ましい。その結果、モータシステムは、約６００〜１０００Ｈｚの範囲の転流周波数で設計されるのが有利であり、安価なＩＧＢＴの使用を可能にしながら、同時に低損失材料により可能になった高い動作周波数に起因する利点（例えば出力密度の増加）を維持する。発電機用途では、好適な整流器ブリッジは更に高い転流周波数での運転を可能にする。
【０１０１】
以下の実施例は、本発明をより完全に説明するために提供される。本発明の原理及び実施を説明するために記載される特定の技法、条件、材料、比率及び報告データは、例示的なものであり、本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。
【実施例】
【０１０２】
（１５ｋＲＰＭ電気装置の最適化されたフロントアイアン厚み）
最適化されたフロントアイアン厚みの分析は、以下の仕様を有する少極数、高周波数の１５ｋＰＲＭ電気装置で実施される。
【０１０３】
【表１】
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【０１０４】
本機械は１つのロータ及び１つのステータを含み、１５ｋＲＰＭでアクティブに整流する発電機として動作する少極数、高周波数の３相電気装置である。フロントアイアンは、トロイド状に巻かれたＭＥＴＧＬＡＳ  ２６０５ＳＡ１アモルファス金属により構成される。分析は、１．９〜６．４ｍｍの範囲のフロントアイアン厚みを有する同様の１００ｋＷ出力の電気装置で繰り返し行い、このようなフロントアイアンを持たない装置の特性と比較される。ロータは、損失を減少させる非導電性複合材料から作られたキャリア内に収納した高エネルギー積のＦｅＮｄＢ永久磁石で作られる。
【０１０５】
図７に示すように、予想されるＥＭＦ線は、フロントアイアンの追加によって急激に下降する。これは、薄いフロントアイアンの飽和の結果であると考えられる。フロントアイアン厚みが４ｍｍに増加すると、ＥＭＦ線は３００Ｖの適度に高い値の最適値に到達する。
【０１０６】
また図７は、インダクタンス定数（ＫＩ）がフロントアイアン厚みの増加と共に着実に増加することを示す。これは、ステータ位相コイルを共に鎖交するフロントアイアンが提供する磁束経路の結果と考えられる。これとは対照的に、フロントアイアンのない装置の「開口端」構成は、この磁束に対して高リラクタンスをもたらす。インダクタンスは、負荷状態（トルク）にある装置について電磁気分析ソフトウェアによって計算された平均インダクタンスである。該インダクタンス定数は、フロントアイアンにおいて印加電流の関数として変化する。
【０１０７】
フロントアイアンを導入する大きな動機付けは、装置損失全体の低減である。図８は、装置損失及び損失密度をフロントアイアン厚みの関数として示すプロットである。驚くべきことに、装置損失全体は、主として渦電流によるロータ磁石の損失の低減によって、初期値の４０％にまで減少させることができる。次にこれは、機械全体の廃放熱密度（Ｗ／ｃｍ２）を低下させ、これによって機械のサイズを相当に増加させることなく利用可能な出力、トルク、及び速度を増大させる。この低放熱は、フロントアイアン損失の追加及び軸長の増大の影響にも拘わらず、従ってフロントアイアンの導入に伴う表面積の増大にも拘わらず達成されるが、これらの係数は損失の評価に含まれる。ＥＭＦが変化すると、１００ｋＷの定出力で電流も同様に変化し、その結果オーム損が変化する。
【０１０８】
図９は、フロントアイアン追加による不利点と見なされるインダクタンスが増加すると、出力係数がフロントアイアン厚みと共に減少することを示している。しかしながら、効率は、磁石の渦電流損失の削減の結果として劇的に高くなる。図１０は、トルクコギングがフロントアイアン厚みが増加すると共に減少することを示す。しかしながら、フロントアイアン厚みの増加に伴いトルクリップルは増大する。これらは、フロントアイアン厚み及び装置性能を最適化する上で考慮することが好ましい。
【０１０９】
最適のフロントアイアン厚みは、少極数、高周波数の１５ＫＲＰＭ電気装置において４〜５ｍｍの範囲であることが判った。フロントアイアンの追加の結果、ロータ発熱は低下し、発熱は約１６ｋＷの大きさから約２ｋＷに減少する。またフロントアイアンの追加により、効率が高くなる。４ｍｍのフロントアイアン厚みは、現在利用可能な技術で容易に製造される。
【０１１０】
このようにして本発明が詳細に説明されたので、こうした詳細な説明は厳密に遵守する必要がなく、様々な変更及び修正が当業者であれば想起することができる点は理解されるであろう。例えば、本明細書では一般にアキシャルギャップ型電気機械を説明してきたが、ラジアルギャップ型機械又はリニア型機械などの他の型式の電気機械を本明細書で開示された原理に基づいて設計することができる。更に、本発明の電気機械は、誘導機械、同期機械、同期リラクタンス機械、スイッチリラクタンス機械、及びＤＣ電磁石機械などといった永久磁石機械以外の幾つかの型式の電気機械を含むことができる。加えて、ロータ及び／又はステータの他の型式の巻線方式も本発明の範囲内にある。従って、このような修正は、添付の請求項の範囲によって定義されるように本発明の範囲に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】幾つかのステータ歯区画、ステータ巻線、及びバックアイアンを含む、「０９４出願」の１つの態様によるステータ構造体の平面図を示す。
【図２】図１に描かれた型式のステータ構造体を採用し、更にフロントアイアンを含む本発明のステータ構造体を示す、図１に示されたＩＩ−ＩＩで切り取った断面図である。
【図３】ロータ磁石、フロントアイアン、ステータ巻線、ステータコア及びバックアイアンを示すが、ロータキャリアは明確にするために省略されている、本発明によるアキシャルエアギャップ型電気装置の実施形態のステータ構造体及びロータを示す部分組立分解図である。
【図４】本発明によるロード有り（■）とロードなし（◆）での電気装置のロータ損失対フロントアイアン厚みのプロットである。
【図５】本発明による電気装置の性能対フロントアイアン厚みのプロットである。
【図６】本発明によるロード有り（■）とロードなし（◆）での電気装置のピークステータコア磁束密度対フロントアイアン厚みのプロットである。
【図７】本発明による電気装置のバックＥＭＦ（◆）及びインダクタンス定数（■）対フロントアイアン厚みのプロットである。
【図８】本発明による電気装置の出力損失（▲）、ロータ渦電流損失（◆）及び廃損失密度（■）対フロントアイアン厚みのプロットである。
【図９】本発明による電気装置の出力係数（◆）及び効率（▲）対フロントアイアン厚みのプロットである。
【図１０】本発明による電気装置の、トルクコギング（◆）対フロントアイアン厚みのプロット、及びトルクリップル対１０Ａ／ｍｍ２（■）、２０Ａ／ｍｍ２（◆）、３０Ａ／ｍｍ２（■）の電流密度でのフロントアイアン厚みのプロットである。
【符号の説明】
【０１１２】
１２  ステータ歯区画コア
１４  ステータ巻線
１６  バックアイアン
１８  フロントアイアン
２０  ロータ磁石
【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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