(57)【要約】  半径方向エアギャップ横方向磁束型電動回転機械は、ステータ及びロータ組立体を備える。ロータ組立体は、少なくとも２つの軸方向に離間された平坦なロータ層を含み、該ロータ層は、ロータの円周周りに等角度で置かれた交互の極性の同数の磁極を有する。任意選択的に、透磁性部材が隣接するロータ磁石を連結する。ステータ組立体は、第１及び第２の磁極面内で終端する複数の非結晶質金属ステータコアを含む。コアは、これらの磁極面を軸方向に整列させて、ステータ組立体の円周周りに等角度で置かれる。それぞれの第１及び第２の磁極面は、半径方向に隣接した対応するロータ層内にある。ステータ巻線は、ステータコアを取り巻く。この装置は、高い転流周波数にて動作することができ、高い磁極数を有し、高い効率、トルク、及び出力密度を提供すると共に、設計の柔軟性、製造の容易さ、及び磁性材料の効率的な使用を可能にする。【選択図】図１
2007500500.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）少なくとも１つのステータ組立体と、
複数のステータ巻線と、
回転軸の周りで回転するよう支持された少なくとも１つのロータ組立体と、
を備え、
前記ロータ組立体及びステータ組立体が前記回転軸と同軸であり、
（ｂ）前記少なくとも１つのロータ組立体が少なくとも１つのロータ磁石構造体を含み、該磁石構造体がＮ及びＳ極性を有する磁極を形成し、該磁極が実質的に平坦で前記回転軸に対して垂直であり且つ軸方向に離間された少なくとも２つのロータ層内に置かれ、該層の各々が同数の磁極を有し、前記層の各々の磁極が前記ロータ組立体の円周周りに等角度でその円柱状外周面上に置かれ、
（ｃ）前記少なくとも１つのステータ組立体が複数のステータコアを含み、該ステータコアの各々が第１及び第２のステータ磁極面内で終端し、（ｉ）前記ステータコアの各々の前記第１及び第２のステータ磁極面が前記ステータ組立体の円柱状内周面上に軸方向に整列して置かれ、（ｉｉ）前記第１のステータ磁極面が前記ロータ層の内の１つに半径方向に隣接する第１のステータ層内にあり、（ｉｉｉ）前記第２のステータ磁極面が前記ロータ層の内の別のものに隣接する第２のステータ層内にあるように、前記ステータコアが前記ステータ組立体の円周周りに等角度で置かれ、
（ｄ）前記ステータ巻線が前記ステータコアを取り巻いている、
ことを特徴とする電動回転機械。
【請求項２】
前記ロータ磁石構造体が複数の個別のロータ磁石を含み、該磁石の各々がその相反する両端部にＮ極とＳ極とを形成する極性を有し、
（ｉ）前記磁石の各々の端部の一方が、前記ロータ組立体の円柱状外周面上に置かれ、
（ｉｉ）前記外周面上にある前記端部が、円周方向で交互にＮ極及びＳ極を有するように、
各層内の前記磁石が前記ロータ組立体の円周周りに等角度で配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電動回転機械。
【請求項３】
前記磁石の各々が、前記磁石の内の隣接する磁石の端部の他方に近接して置かれた透磁性連結部材によって前記隣接する磁石に対し磁気的に連結されることを特徴とする請求項２に記載の電動回転機械。
【請求項４】
前記連結部材が、透磁性材料のシートの積層スタックを含むことを特徴とする請求項３に記載の電動回転機械。
【請求項５】
前記透磁性材料が、非結晶質、ナノ結晶質、及び磁束強化Ｆｅ基磁性材料からなる群から選ばれたことを特徴とする請求項４に記載の電動回転機械。
【請求項６】
前記連結部材が、円周方向に隣接する磁石を連結することを特徴とする請求項３に記載の電動回転機械。
【請求項７】
前記連結部材が、軸方向に隣接する磁石を連結することを特徴とする請求項３に記載の電動回転機械。
【請求項８】
前記磁石が、希土類−遷移金属合金から構成されることを特徴とする請求項１に記載の電動回転機械。
【請求項９】
前記磁石が、ＳｍＣｏ又はＦｅＮｄＢ磁石であることを特徴とする請求項８に記載の電動回転機械。
【請求項１０】
前記ロータ層内の相反する極性の磁極が、軸方向に整列していることを特徴とする請求項１に記載の電動回転機械。
【請求項１１】
前記ロータ層内の相反する極性の磁極が、前記円周方向に隣接するステータコア間の距離の最大１／２までにわたる量だけ傾けられることを特徴とする請求項１に記載の電動回転機械。
【請求項１２】
前記磁極を提供する複数の前記磁石構造体を備えることを特徴とする請求項１に記載の電動回転機械。
【請求項１３】
前記ステータコアが、非結晶質、ナノ結晶質、及び磁束強化Ｆｅ基磁性材料からなる群から選ばれた材料から構成された積層を含むことを特徴とする請求項１に記載の電動回転機械。
【請求項１４】
約０．２５から４．０までの範囲の毎相毎極スロット比率を有することを特徴とする請求項１に記載の電動回転機械。
【請求項１５】
約０．２５から１までの範囲の毎相毎極スロット比率を有することを特徴とする請求項１４に記載の電動回転機械。
【請求項１６】
０．５０の毎相毎極スロット比率を有することを特徴とする請求項１５に記載の電動回転機械。
【請求項１７】
少なくとも１６個の磁極を有することを特徴とする請求項１に記載の電動回転機械。
【請求項１８】
約５００Ｈｚから２ｋＨｚまでの範囲の転流周波数で運転するように適合されていることを特徴とする請求項１に記載の電動回転機械。
【請求項１９】
少なくとも３２個の磁極を有することを特徴とする請求項１８に記載の電動回転機械。
【請求項２０】
前記ロータ組立体が、前記ステータ組立体の半径方向内側にあることを特徴とする請求項１に記載の電動回転機械。
【請求項２１】
前記ステータ組立体が、前記ロータ組立体の半径方向内側にあることを特徴とする請求項１に記載の電動回転機械。
【請求項２２】
前記機械をインターフェース及び制御し、且つ該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ことを特徴とする請求項１に記載の電動回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本出願は、２００３年６月１２日に申請された、名称が「Ｒａｄｉａｌ  Ａｉｒｇａｐ  Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｆｌｕｘ  Ｍｏｔｏｒ  Ｕｓｉｎｇ  Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ，  Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｇｒａｉｎ−  Ｏｒｉｅｎｔｅｄ  Ｆｅ−Ｂａｓｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｏｒ  Ｎｏｎ−Ｇｒａｉｎ−Ｏｒｉｅｎｔｅｄ  Ｆｅ−Ｂａｓｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」である同時継続の米国仮出願シリアル番号６０／４７８，０７４の優先権を主張する。該出願は引用により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、全体的には電動回転機械に関し、より具体的には、最新の磁性材料を使用したことにより性能特性が改善された高効率の電動機、発電機、又は回生モータに関する。
【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、電動機、発電機、及び回生モータとも呼ぶ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、或いは電子回路を用いて調整することもできる。任意選択的ではあるが、異なる動作期間中に機械的エネルギーの発生源或いはシンクとして機能する機械的発生源に接続された所与の機械は、例えば、４象現作動可能な出力調整回路による接続によって回生モータとして機能することができる。
【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、ロータとステータとを連結する磁束が横断する小さなエアギャップによって隔てられる。回転機械が、１つ又はそれ以上の結合されたロータと１つ又はそれ以上のステータとを含むことは当業者には理解されるであろう。従って、回転機械に関連して本明細書で使用される用語「１つのロータ」及び「１つのステータ」とは、１から３又はそれ以上の範囲の数の幾つかのロータ及びステータを意味する。実質的に全ての回転機械は、従来的には半径方向エアギャップ型又は軸方向エアギャップ型として分類できる。半径方向エアギャップ型は、ロータとステータとが半径方向に隔てられ、横断する磁束が主にロータ回転軸に対し垂直に配向されている回転機械である。軸方向エアギャップ型装置では、ロータとステータとは軸方向に隔てられ、磁束の横断は主に回転軸に対して平行である。軸方向エアギャップ型装置はある種の用途においては有利であるが、より一般的には半径方向エアギャップ型が使用され、より広範に研究されている。
【０００５】
ある特殊な型式のものを除けば、電動機及び発電機は一般に、１つ又はそれ以上のタイプの軟質磁性材料を使用している。「軟質磁性材料」とは、容易且つ効率的に磁化及び消磁される磁性材料を意味する。各磁化サイクル中に磁性材料内で不可避的に損失され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、励磁振幅と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。電動機及び発電機はまた、起磁力の発生源を含み、１つ又はそれ以上の永久磁石、或い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。「硬質磁性材料」とも称される「永久磁石材料」とは、高い保磁力を有し、且つその磁化を強く保持して消磁に抗する磁性材料を意味する。モータの型式に応じて、永久磁石材料及び軟質磁性材料をロータ上もしくはステータ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の圧倒的多数は、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しており、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の合金である。最新の永久磁石材料で構成されたロータと、コアが非結晶質金属などの最新の低損失軟質材料で作られたステータとを有する電動機及び発電機は、従来の半径方向エアギャップ型電動機及び発電機と比べて実質的に高い効率及び出力密度を可能にする潜在能力を有すると一般には考えられるが、軸方向又は半径方向エアギャップ型のこのような機械を構築することにおいてほとんど成功していない。従来の半径方向エアギャップ型機械に非結晶質材料を組み込むこれまでの試みは、商業的に大部分が不成功であった。主として、ステータ及び／又はロータを非結晶質金属のコイル又は円形積層で置き換える初期の設計は、典型的には内表面又は外表面内に歯を切り込んでいる。非結晶質金属は、従来設計のモータにおける通常の鋼と直接置き換えることが困難又は不可能である固有の磁気特性及び機械特性を有する。
【０００７】
例えば米国特許第４，２８６，１８８号は、非結晶質金属テープのストリップを単にコイル状に巻いて構成されたロータが中央に配置された半径方向エアギャップ型電動機を開示している。この設計のステータは、従来型のステータであって、適切なステータ巻線を受け入れるステータ巻線スロットを備えた従来型の積層構造のスタックを含む。
【０００８】
米国特許第４，３９２，０７３号は、中央に配置されたロータを有する半径方向エアギャップ型電動回転機械で使用するためのステータを開示しており、更に、関連の米国特許第４，４０３，４０１号は、かかるステータの製造方法を開示している。このステータは、非結晶質金属テープのストリップをスロット加工し、該スロット加工された非結晶質金属テープを螺旋状に巻いてスロット付きトロイドを形成し、次いでこれを適切なステータ巻線で巻くことによって構成される。
【０００９】
米国特許第４，２１１，９４４号は、スロット付き又はスロット無しの螺旋巻き又はエッジ巻きの非結晶質金属リボンで作られた積層ステータ又はロータコアを有する半径方向エアギャップ型電気機械を開示している。誘電材料が、統合キャパシタのプレートとしても機能するように非結晶質金属リボン間に配置されている。
【００１０】
米国特許第４，２５５，６８４号は、非結晶質金属テープ及び非結晶質片もしくは同様の従来材料であるストリップ材料及び成形可能な磁性複合材料を使用して作られるモータで使用するためのステータ構造体を開示している。これら及び他の先行技術の設計では、非結晶質金属を使用して半径方向エアギャップ型モータを製造するにはコストがかかり、且つ困難である。様々な理由から、これらの努力が競争力のある設計を提供することはなく、恐らくはこれらの設計では従来のＳｉ−Ｆｅモータに対抗できないとの理由から断念された。しかしながら、改良された半径方向エアギャップ型モータのもつ潜在的な利点及び価値が低下したわけではない。
【００１１】
高周波数で動作する電気機械はモータの非効率性の一因となる有意な鉄損を生じるので、高速（すなわち高ｒｐｍ）の電気機械は、これまで少ない磁極数で製造されている。主としてこれは、現在の大多数のモータにおいて使用されている材料がシリコン−鉄（Ｓｉ−Ｆｅ）合金であることに起因している。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加熱する場合があることはよく知られている。高速工作機械、航空宇宙用モータ並びにアクチュエータ、及び圧縮機駆動装置のような広範な領域を含む、現在の科学技術における幾つかの用途は、１５，０００乃至２０，０００ｒｐｍを上回り、場合によっては最高１００，０００ｒｐｍまでの高速で動作可能な電動機を必要とする。
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。低損失材料に伴う特定の特性を十分に利用し、従って従来のモータに関連する欠点を排除した高効率の半径方向エアギャップ型電気装置の必要性が依然としてある。理想的には、改良されたモータにより機械的エネルギー形態と電気的エネルギー形態との間のより高い変換効率が可能となり、多くの場合同時に空気汚染が低減されることになる。このモータは、小形且つ軽量で、トルク、出力、及び速度に対するより厳しい要件を満たす。冷却の必要性が低減され、バッテリ電源で動作するモータはより長時間動作することになる。
【００１２】
【特許文献１】米国特許第４，２８６，１８８号公報
【特許文献２】米国特許第４，３９２，０７３号公報
【特許文献３】米国特許第４，４０３，４０１号公報
【特許文献４】米国特許第４，２１１，９４４号公報
【特許文献５】米国特許第４，２５５，６８４号公報
【特許文献６】米国特許ＲＥ３２，９２５号公報
【特許文献７】米国特許第４，１４１，５７１号公報
【特許文献８】米国特許第４，８８１，９８９号公報
【特許文献９】米国特許第４，８６５，６５７号公報
【特許文献１０】米国特許第４，２６５，６８２号公報
【発明の開示】
【００１３】
ロータ及びステータ組立体を有し、該ステータ組立体が高周波動作可能な低損失材料で作られた磁性コアを含む半径方向エアギャップ型電気機械が提供される。ステータの軟質磁性コアは、好ましくは非結晶質、ナノ結晶質、方向性Ｆｅ基材料、又は非方向性Ｆｅ基材料で作られ、各端部上にステータ巻線が巻回された馬蹄形設計を有する。ステータコアは、１つ又はそれ以上のロータに連結される。本発明の電気装置に非結晶質、ナノ結晶質、又は磁束強化Ｆｅ基磁性材料を含むことにより、対応する鉄損を増大させることなく機械の周波数を高めることができ、従って、高い出力密度を提供することのできる高効率の電気装置が得られる。この装置は、半径方向エアギャップ横方向磁束型設計を有する。言い換えると、磁束は、ロータとステータとの間のエアギャップを主に半径方向、すなわち機械の回転軸と垂直な方向に横断する。更にこの装置は横方向磁束型機械であり、これは、磁束が主に横断する方向、すなわち回転軸と平行な方向に沿ってステータを通って閉じていることを意味する。
【００１４】
１つの実施形態においては、本発明による電動回転機械は、少なくとも１つのステータ組立体と、複数のステータ巻線と、回転軸の周りで回転するよう支持された少なくとも１つのロータ組立体とを備え、ロータ組立体及びステータ組立体は回転軸と同軸的である。ロータ組立体は、Ｎ及びＳ極性を有する磁極を提供する少なくとも１つのロータ磁石構造体を含む。磁極は、実質的に平坦で回転軸に対して垂直であり且つ軸方向に離間された少なくとも２つのロータ層内に置かれる。層の各々は同数の磁極を有する。各層内の磁極は、ロータ組立体の円周周りに等角度でその円柱状外周面上に置かれる。
【００１５】
ステータ組立体は、複数のステータコアを含み、ステータコアの各々は第１及び第２のステータ磁極面内で終端する。ステータコアは、（ｉ）ステータコアの各々の第１及び第２のステータ磁極面がステータ組立体の円柱状内周面上に軸方向に整列して置かれ、（ｉｉ）第１のステータ磁極面がロータ層の内の１つに半径方向に隣接する第１のステータ層内にあり、（ｉｉｉ）第２のステータ磁極面が、ロータ層の内の別のものに隣接する第２のステータ層内にあるように、ステータ組立体の円周周りに等角度で置かれる。
【００１６】
幾つかの実施形態においては、ロータ磁石構造体は、１つ又はそれ以上の磁極ペアを有する１つ又はそれ以上の永久磁性材料片を含む。別の実施形態におけるロータ磁石構造体は複数の個別のロータ磁石を含む。このような実施形態においては、個別の磁石の各々の磁極の内の１つは、透磁性連結部材によって磁石の内の隣接する磁石の磁極に任意選択的に磁気的に連結される。
【００１７】
本発明による様々な実施形態は、高周波数及び低磁気鉄損並びに高出力密度で同時に動作することができる、高磁極数などの性能特性が改善された高効率の電気装置を提供する。
【００１８】
本発明の幾つかの実施形態は、（磁気コア内のスロット数÷ステータ巻線の相数÷装置内の磁極数）の値が０．５である最適値を有する半径方向エアギャップ横方向磁束型構成を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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。
【００２０】
添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態を更に詳細に説明する。本発明は、低損失材料で作られたステータコアを有する半径方向エアギャップ横方向磁束型電気装置を提供する。好ましくは、ステータコアは、本質的に非結晶質又はナノ結晶質金属、又は方向性もしくは非方向性のＦｅ基金属合金材料からなる薄いストリップ又はリボンの形態の材料を使用して作られる。非結晶質又はナノ結晶質材料よりも高い飽和誘導を有する場合の多い方向性Ｆｅ基材料及び非方向性Ｆｅ基材料は、本明細書では総称して「磁束強化Ｆｅ基磁性材料」と呼ぶ。
【００２１】
非結晶質金属
金属ガラスとしても知られる非結晶質金属は、本発明のモータで使用するのに好適な多くの様々な組成で存在する。金属ガラスは通常、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。これらは、長距離原子秩序を示さず、また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。適切な磁気特性を有する幾つかの組成物が、Ｃｈｅｎ他の米国特許ＲＥ３２，９２５号に記載されている。非結晶質金属は、典型的には幅２０ｃｍ又はそれ以上の長尺の薄いリボン（例えば、最大約５０μｍ厚）の形態で供給される。無限長の金属ガラスストリップを形成するのに有用な方法が、Ｎａｒａｓｉｍｈａｎに付与された米国特許第４，１４１，５７１号に開示されている。本発明での使用に適した例示的な非結晶質金属材料は、無限長で最大約２０ｃｍ幅及び２０乃至２５μｍ厚のリボンの形態で、サウスカロライナ州コンウエイのＭｅｔｇｌａｓ，Ｉｎｃ．，から販売されているＭＥＴＧＬＡＳ（登録商標）２６０５ＳＡＩである（ｈｔｔｐ／／ｗｗｗ．ｍｅｔｇｌａｓ．ｃｏｍ／  ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｐａｇｅ５？１？２？４．ｈｔｍを参照）。
【００２２】
非結晶質金属は、磁性手段の製造及び使用に際して考慮する必要がある幾つかの特性を有する。ほとんどの軟質磁性材料とは異なり、金属ガラスは、特にこれら軟磁気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、非結晶質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。金属ガラスのスタンピング、パンチング、又は切断は、一般に許容できない工具の磨耗を生じ、また熱処理された脆弱な材料に対しては事実上不可能である。
また、従来の鋼に関し処理する場合が多い従来の穴開け及び溶接も通常は不可能になる。
【００２３】
更に非結晶質金属は、Ｓｉ−Ｆｅ合金よりも低い飽和磁束密度（すなわち誘導）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。また、非結晶質金属は、Ｓｉ−Ｆｅ合金よりも低い熱伝導率を有する。熱伝導率は、熱が材料内を温区域から冷区域までどれほど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ことにより、磁性材料における鉄損、巻線における抵抗損、摩擦、風損、及び他の損失源から生じる廃熱の十分な除去を確実にするためにモータを注意深く設計することが必要とされる。廃熱の除去が不十分であれば、モータの温度が許容できないほど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、或いは突発的火災又は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。また、非結晶質金属は、ある種の従来材料よりも高い磁気歪み係数を示す。低い磁気歪み係数を有する材料は、磁場の影響下において寸法変化が小さいが、このことは機械からの可聴ノイズを減少させると同時に、機械の製造又は動作中に誘起される応力の結果として材料の磁気特性の低下が更に生じ易くなる。
【００２４】
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、非結晶質金属を上手く組み込んだモータを提供し、高周波数励磁、例えば約４００Ｈｚよりも大きな転流周波数を有するモータ作動を可能にする。モータを製作するための組立方法も提供される。特に非結晶質金属のような最新材料の構成及び使用の結果、本発明は、高周波数（約４００Ｈｚよりも高い転流周波数として定義される）で動作する高磁極数のモータの提供に成功した。非結晶質金属は、高周波数で極めて低いヒステリシス損を示し、これにより鉄損が大幅に低くなる。非結晶質金属は、Ｓｉ−Ｆｅ合金と比べて極めて低い導電率を有し、典型的には通常使用されているＳｉ−Ｆｅ合金（多くの場合２００μｍ又はそれ以上の厚さである）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させる。本発明は、これらの好ましい特質の内の１つ又はそれ以上の恩恵を受け、これによって鉄損が低いことなどの非結晶質金属の有利な性質を活用することができる構成を利用しながら最新の材料を用いるこれまでの試みにおいて直面した課題を回避し、高周波数で効率的に動作するモータの提供に成功している。
【００２５】
ナノ結晶質金属
ナノ結晶質材料は、約１００ｎｍ又はこれよりも小さい平均粒径を有する多結晶質材料である。一般に従来の粗粒子金属と比べて、ナノ結晶質金属の性質には、強度及び硬度の向上、拡散率が高いこと、延性及び靭性の改善、低密度、低弾性、電気抵抗が高いこと、高比熱、熱膨張係数が高いこと、熱伝導率が低いこと、及び軟磁気特性に優れていることが含まれる。またナノ結晶質金属は、一般にほとんどのＦｅ基非結晶質金属よりも幾分飽和誘導が高い。
【００２６】
ナノ結晶質金属は、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、本明細書で上記で教示された方法を用いて必要組成物を無限長の金属ガラスリボンとして鋳造すること、及び該リボンを巻線形状などの所望の形状に形成することを含む。その後、最初に非結晶質である材料が熱処理されて、その内部にナノ結晶質のミクロ構造を形成する。このミクロ構造は、約１００ｎｍよりも小さく、好ましくは約５０ｎｍよりも小さく、より好ましくは約１０乃至２０ｎｍの平均サイズを有する高い粒子密度が存在することを特徴とする。粒子は、Ｆｅ基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、鉄損が低く、磁気歪み係数が小さい。また後者の特性は、この材料が構成要素を含む装置の製造及び／又は動作により生じる応力による磁気特性の低下に対し強い。所与の合金中にナノ結晶質構造を生成するのに必要な熱処理は、ほぼ完全にガラス質のミクロ構造をその内部に保持するよう設計された熱処理に必要とされるよりも高い温度又はより長時間にわたり実施しなければならない。本発明の装置の磁性要素を作製する際の使用に好適な代表的なナノ結晶質合金は、例えば、Ｙｏｓｈｉｚａｗａに付与された米国特許第４，８８１，９８９号及びＳｕｚｕｋｉ他に付与された米国特許に記載された合金である。かかる材料は、日立金属及びアルプス電気から入手可能である。
【００２７】
方向性及び非方向性金属
本発明の機械は、低損失のＦｅ基結晶質合金材料で構成することもできる。このような材料は、約１２５μｍよりも薄いストリップの形態を有するのが好ましく、２００μｍ又はそれ以上、場合によっては４００μｍ又はそれ以上の厚さの従来のモータに使用されている鋼よりもはるかに小さい。方向性材料と非方向性材料の両方を使用することもできる。本明細書における方向性材料とは、その構成結晶質粒子の主要結晶軸がランダムな方向ではなく、主に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。前述のミクロ構造の結果として、方向性ストリップ材料は、異なる方向に沿った励磁に対して異なる応答をし、一方、非方向性材料は等方的に応答し、すなわちストリップの平面内のある方向に沿った励磁に対して実質的に同じ応答をする。方向性材料は、本発明のモータ内でその磁化の容易な方向が磁束の主方向にほぼ一致して配置されるのが好ましい。
【００２８】
本発明による機械の製作に際して使用される非方向性Ｆｅ基材料は、本質的に約４乃至７ｗｔ％の範囲の量のＳｉを有するＦｅ合金からなるのが好ましい。好ましい非方向性合金は、約６．５ｗｔ％のＳｉを含む本質的にＦｅからなる組成を有し、ほぼゼロの飽和磁気歪み値を示し、該材料を含む装置の製作又は動作中に受ける応力に起因する有害な磁気特性の低下を生じにくくする。Ｆｅ−６．５Ｓｉ合金の１つの形態が、日本国東京都所在のＪＦＥ  Ｓｔｅｅｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ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．ｊｅｆ−ｓｔｅｅｌ．ｃｏ．ｊｐ／ｅｎ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ／ｓｕｐｅｒｃｏｒｅ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌも参照）。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号により開示されているような高速凝固法によって製造されるＦｅ−６．５％Ｓｉも使用できる。
【００２９】
モータの全般構造
図１及び２は、本発明の実施における半径方向エアギャップ横方向磁束型モータの全般的構造を示す。図１を参照すると、中央に配置されたロータ組立体１５０と、同軸のステータ組立体１００とが分かる。ステータ組立体１００は、キャリア１０４上に装着（又は固定）され、テータコイル又は巻線１０６で巻かれた複数のステータコア１０２を含む。キャリア１０４はステータハウジングとすることができ、或いはモータハウジング（図示せず）の内側にある別個の部分であってもよい。ロータ組立体１５０は、回転軸Ｘの周りを回転するように配置された任意の適切なタイプの軸受（図示せず）によって支持される。ロータ組立体１５０は、ロータキャリア１５４上に装着（又は固定）された個別のロータ磁石１５２を有するロータ磁石構造体を含む。図２は、図１の線Ａ−Ａに沿って見た断面図であり、ロータ磁石１５２に対するステータコア１０２の向きを更に詳細に示している。明確にするために、図２にはステータキャリア１０４及びロータキャリア１５４は示されていない。
【００３０】
磁石は、回転軸に対して実質的に垂直なほぼ平坦なロータ層に軸方向に離間して配置されている。各層には同数の磁石１５２があり、ロータ組立体１５０の円周を中心に等角度で配置されている。各磁石１５２は、その両端部にＮ極及びＳ極を形成する極性を有し、各磁石の一方端部がロータ組立体１５０の円柱状外周上に位置付けられる。各層の磁石の外周端部は、円周方向に交互するＮ極及びＳ極を有する。図１及び２の実施形態においては、２つの層の磁石は、軸方向に整列して位置付けられ、その結果、軸方向に対応し且つ隣接する外周端部が相反する極性を有するようになる。或いは、ロータ組立体１５０が複数のサブ組立体を含み、これらの各サブ組立体がロータ磁石の幾つかを含むことができることは理解されるであろう。例えば、ロータキャリア１５４は、各々が１つの層の磁石を形成する２つのセクションで構成することもできる。更に、各セクションに層全体の一部分のみを形成させてもよい。
【００３１】
図１に示すように、交互の極性を有する複数の永久磁石は、ロータ組立体１５０の円周周りに置かれる。別の実施形態においては、磁石の配置及び極性は、特定の電気装置設計の要求通りに変えることができる。更に図２は、図１及び２に示すロータ磁石構造体内に任意選択的に含まれる透磁性の連結部材１５６を示している。各連結部材１５６は、磁石の内の１つを磁石の隣接する１つに連結し、連結された磁石の一端に近接して置かれ、連結された端部は交互の極性を有する。図４は、図２と同様の側面図であり、ステータキャリア１０４内に固定されたステータコア１０２と、ロータキャリア１５４内に固定されたロータ磁石１５２及び連結部材１５６とを示している。図１乃至４の実施形態は連結部材１５６を示しているが、他の実施形態では連結部材１５６は存在しない。
【００３２】
連結部材１５６は、図１及び２においては、積層された平坦ストリップの矩形状ブロックとして示されており、好ましくは非結晶質、ナノ結晶質、及び磁束増強Ｆｅ基磁性材料からなる群から選ばれた透磁性材料から構成される。連結部材１５６は、ロータ組立体１５０の２つの異なる層によるロータ磁石１５２を接続する。この部材１５６は、磁束を１つのロータ磁石１５２から軸方向に隣接するロータ磁石１５２まで導くよう機能し、これによって磁石の高透磁率の磁束通路を形成する。その結果として磁束が増大され、より小さな容積の磁石を使用することにより、モータの性能を低下させることなくモータの容積を低減することができる。永久磁石、特にＳｍＣｏ及びＦｅＮｄＢのような希土類基磁石は、モータの最も高価な構成要素の１つであり、必要な永久磁石材料の量を最少にしようとする大きな誘因を与えている。図４は、ロータキャリア１５４に固定され軸方向に隣接する磁石を連結した連結部材１５６の１つの可能な配置を示す。図１及び２に示す積層形態に加え、代替的に連結部材１５６は、中実の鋼を含む任意の透磁性材料から構成することができる。１つの好ましい実施形態では、連結部材は、シャフト１５８と実質的に平行に置かれた矩形状ブロックを含み、図４には連結部材１５６の積層のシート面が示されている。図９及び１０には、連結部材１５６の交互的な配向が示されており、各連結部材１５６は、図９の平面内にある２つのロータ磁石１５２を連結する。積層の各シートもまた図９の平面内にある。図１０では、積層のシートは回転軸線に対して垂直に延びるように示されている。連結部材１５６は矩形状ブロックとして図示されているが、これらはどのような形状であってもよい。例えば、図１のステータ組立体に使用されている馬蹄形コアの場合と同様に、他の角柱形状を使用することもできる。更に連結部材１５６は、ロータ磁石１５２の１つ又はそれ以上のペアを連結することができる。図２及び９は、連結部材が単一のペアの磁石だけを接続している構成を示している。様々な実施形態においては、連結部材１５６は、単一のロータ組立体１５０内の多数の磁石又は全ての磁石を同時に跨ぐことができ、或いは任意の数のロータ組立体１５０内の全ての磁石を連結することさえ可能である。しかしながら、連結部材１５６は任意選択的な要素であって、異なる実施形態では１つ又はそれ以上の連結部材１５６が存在しない場合もある。
【００３３】
連結部材１５６は、これが使用される場合には、機械効率を改善するために低いヒステリシス損を有するのが好ましい。機械動作中にロータが回転すると、磁気回路の部分の磁気抵抗の変化により、永久磁石、従って連結部材内で時間的に変動する磁束が生じる。このような変動は、連結部材にヒステリシス損を生じさせて効率を低下させ、発生した廃熱の放散が必要となる。従って、低損失の連結部材を使用することが好ましい。
【００３４】
各ステータコア１０２は、基部２００と、これからほぼ平行な方向に延びてステータコア端部２０２にて終端する２つの脚部２０１とを含む馬蹄形状を有する。ステータコア１０２の基部２００は、キャリア１０４内に装着され、ステータコイル１０６は、ステータコア脚部２０１の周りに巻かれる。ステータコイル１０６は、中央に配置されたロータ磁石１５２を反撥又は引き付ける磁界をステータコア１０２内に発生させるよう電気的に配線される。磁束線は、ステータコア１０２の磁極面を形成する端部２０２から出る。図２において最も良く見られるように、ステータコアの２つの磁極面２０２は、実質的に同一平面上で軸方向に整列している。ステータコアは、これらのそれぞれの面がステータ組立体の円柱状内周面上に置かれた状態でステータ組立体の円周周りに等角度で配置される。
【００３５】
ステータコア１０２は、好ましくは非結晶質金属、ナノ結晶質金属、及び磁束強化Ｆｅ基金属からなる群から選ばれた材料で構成されたシート又はリボンを含む。より好ましくは、該材料は、本質的に約４乃至７ｗｔ％の範囲の量のＳｉを有するＦｅからなる非方向性合金から構成される。最も好ましい合金には、非結晶質及びナノ結晶質合金、及び非方向性Ｆｅ−６．５ｗｔ％Ｓｉが含まれる。ステータコア１０２内のシートは、例えば低粘性のエポキシ樹脂を含浸させることにより互いに接合されるのが好ましい。
【００３６】
図１及び２の実施形態においては、ロータ組立体１５０の円柱状外周面は、ステータ組立体１００の円柱状内周面の半径方向内側にある。これらそれぞれの周面は、半径方向エアギャップにわたって対面した関係にある。
【００３７】
ステータコアは、金属、プラスチック、又は好適な機械的特性及び電気的特性を有する他の材料で作ることのできる１つ又はそれ以上の適切なハウジング内に固定される。ステータコアは、一液型又は二液型エポキシのような構造用接着剤によって、このハウジング内の所定位置に保持される。図３及び４は、ロータキャリア１５４がモータの中心軸線まで延びている別の実施形態を示している。図４は、図３に類似した断面図であり、ロータキャリア１５４内に固定されたロータ磁石１５２を示している。この実施におけるロータ組立体１５０は更に、磁石１５２を含むロータキャリア１５４が固定されるシャフト１５８を備える。ステータキャリア１０２はモータに対して静止し、ロータ組立体１５０は軸受１６０上で回転する。
【００３８】
図５及び６は、それぞれ上面図と側面図であり、ステータコア１０２の構造について更に詳細に示している（明確にするために、ステータキャリア１０４は図示されていない）。図６において最も良く分かるように、ステータコア１０２は、長さｌ、幅ｗ、厚さｔ、及び曲げ角度θ１及びθ２の寸法を備えた馬蹄形状を有する。特定の実施形態において、ステータコア１０２は、ｌ＝３５ｍｍ、ｗ＝２０ｍｍ、ｔ＝１１ｍｍ、θ１及びθ２＝９０°の寸法の馬蹄形状を有する。ステータコア１０２の寸法は、ステータの設計に応じて変わることになり、電気装置の性能を最適化するように選定される。馬蹄形状は、既存の技法を用いて容易に製造されるので、幾つかの実施において使用されるステータコアの設計を例証するよう選ばれている。当業者にとって容易に明らかなステータコア１０２の変形又は形状、或いはステータコア１０２を構成するシート又はリボンの配向もまた、本発明の範囲内にあると見なされる。例えば、ステータコア１０２は、θ１＝θ２＝９０°を成す一様な曲げ半径を有するように図示されているが、角度θ１及びθ２は、９０°よりも大きくてもよく、又は小さくてもよく、或いはステータコア１０２は、１つの長い屈曲部のように連続的、すなわち１つのほぼ円形の弧を形成するようにしてもよい。ステータコア１０２の数及びステータキャリア１０４内の円周方向の離間距離Ｚ（図５参照）は、電気装置の設計に応じて変わる。
【００３９】
ステータコア１０２の別の形態が図１６に示しており、ここでは基部２００が実質的に平行な脚部２０１に対して拡大されている。このようなコア構成は、ステータ巻線を拡大された部分内に配置して端部２０２から半径方向に移動させ、これによってロータ磁石からの磁束を変化させることにより巻線内に誘起される漂遊磁界渦電流損を低減することが可能となる。
【００４０】
好ましい実施形態では、ステータコア１０２は、正弦波機械動作に適用されるファラデーの法則に基づいたモータ設計原理に従った大きさにされ、これは全ての電動回転機械に当てはまる。これら及び関連する原理、並びに必要とされる機械特性に基づいて、全ステータ容積（すなわち総容積）は最小に保持されるのが好ましい。ステータコア１０２を含むステータ要素によって費やされるモータの容積及び巻線によって占められる容積の全てを最小化する設計が好ましいであろう。最小のステータ容積（Ｖｍｉｎ）が好ましく、ここで、Ｖｍｉｎ＝ｔ×ｗ×（端部面２０２から対向する端部面２０２までの平均長さ）である。ステータ容積の低減は、廃熱を生じることになる鉄損の減少に寄与し、また、材料コスト及び全モータ容積の減少にも寄与する。コイル１０６を通過する磁束線を最適な数にするために、断面（ｔ×ｗ）が磁束密度と共に最適化される。面積（ｔ×ｗ）が増大すると、コイル１０６が使用できる面積が減少する。全機械出力（Ｐｔｏｔ）は、コイル１０６の巻数（ｎ）×面積（ｔ×ｗ）×コイル１０６領域内の磁束密度（Ｂ）×周波数（ｆ）×ステータセグメント数（Ｎ）にほぼ比例し、すなわち、Ｐｔｏｔ〜ｎ×ｔ×ｗ×Ｂ×ｆ×Ｎである。
【００４１】
ステータコア１０２を構成する非結晶質、ナノ結晶質、又は磁束強化Ｆｅ基金属のシート状又はリボン状の積層の向きは、回転するロータ磁石によって発生した正弦的に変化する磁束の向きを考慮して選択されるのが好ましい。半径方向エアギャップ型機械の場合には、磁束の正弦変化は、主にロータの回転軸に対して垂直な一連の平面内（すなわち図１及び３の平面内）にある。しかしながら、軸方向エアギャップ型機械では、磁束の正弦変化は回転軸と同軸の一連の円筒体内にある。ステータコアの積層は、半径方向エアギャップ型又は軸方向エアギャップ型機械それぞれの正弦変化する磁束を含む平面又は円筒体に対し実質的に平行であるのが好ましい。図４及び６は、半径方向エアギャップ型機械のステータコア１０２を構成する材料のシート又はリボンの積層方向を示している。ステータコア端部２０２に近接した積層のシートの平面は、ロータ磁石の回転軸（シャフト１５８に沿った）に対して実質的に垂直であるように図示されている。ステータコア内の積層平面に対して垂直なベクトル成分を有するロータ磁石からのどのような磁束も、その平面内を流れる渦電流を誘起し、望ましくない渦電流損の一因となる。従って、ステータコアは、ロータ磁石からの実質的に全ての磁束が積層平面内の方向に存在し、且つその平面の外側に存在しないように配置されるのが好ましい。
【００４２】
ステータコイル１０６は、好ましくは銅又はアルミニウムワイヤなどの高導電性ワイヤを含み、このワイヤは、ステータコア脚部２０１の周りに巻かれる（図２参照）。しかしながら、ワイヤの材料は銅に限定されず、どのような導電性材料であってもよい。ワイヤは、円形、正方形、又は長方形などの任意の望ましい断面を有することができる。巻回を容易にし、また高周波性能を改善するために、より線を使用することができる。各ステータコア１０２に対し任意の数のステータコイル１０６を使用することができる。ステータコイル１０６は、ミシンのボビンと酷似してコイルが巻かれるボビン巻線の方法により巻くことができる。任意選択的に巻型上で巻かれたコイルは、次いで、ステータコア脚部２０１上で組み立てられて、ステータの「歯」を形成する。図１及び２の実施形態においては、ボビンに巻回されたコイルがステータコア脚部２０１上に組み立てられる。更に他の実施形態においては、ステータコイル１０６はまた、ステータコア１０２の基部２００上、又は基部２００と脚部２０１の両方に配置することもできる。ボビン巻線の代替として、ニードル巻線法によってステータコイル１０６を巻いてもよく、この場合ワイヤは、ステータ歯の既存の組立体上、すなわちステータコア端部２０２により直接巻かれる。ニードル巻線は、従来の半径方向エアギャップ型機械の構造で一般に採用されており、どのような歯組立体上でも行うことができる。
【００４３】
他の実施においては、１つ又はそれ以上の電気コイルが複数の歯又はステータコア端部２０２にわたり、他のコイルと重なっているという点で、ステータコイル１０６の巻線は分散されている。図７及び８は、分散されたコイルを使用した実施形態を示しており、ここでは、２つのステータコア１０２がステータコイル１０６で巻回されている。別の分散巻線方式においては、ステータコイル１０６が２つよりも多いステータコアを巻いている。
【００４４】
ロータキャリア１５４内のロータ磁石１５２の大きさ及び間隔は、機械性能を最適化しながら廃物を最少にするように選ばれるのが好ましい。幾つかの実施形態においては、ロータ磁石１５２は、交番する磁石間に円周方向の間隙が殆ど又は全く無いように配置される。更に他の実施形態においては、図１及び２に示す磁石１５２のような個別のロータ磁石は使用されない。その代わりに、好ましくは円弧状に形付けられた１つ又はそれ以上の永久磁性材料片が、ロータ組立体１５０の円周周りに配置される。各磁性材料片は、１つのＮ−Ｓ磁極ペアを形成することができ、磁束線は単一の中実磁石の周りで半円形通路を一方の面から他方の面まで進む。或いは、各磁性材料片は、例えば結合された磁石上にプリントされた磁極などの複数の磁極ペアを形成することができる。これらの磁石構成では連結部材１５６は通常使用されない。
【００４５】
図１７に示すように、１つ又はそれ以上のロータ組立体１５０内の磁石１５２は、任意選択的に円周方向にずらして配置することができる。換言すると、図１７に示すように、１つの層内の磁石端部１５３ａを隣接する層内の対応する磁石端部１５３ｂからスキュー角ψだけ回転させることができる。多くの場合、トルクコギングを低減するためにゼロでないψ値が選ばれる。当技術分野で知られているように、コギングとは、入力電流が大幅に減少した後、シャフトがゼロ又は極めて小さいｒｐｍであるときの機械の回転位置でのトルク変動である。トルクコギングは、望ましくない性能及び音響問題を引き起こす可能性がある。ガウスの法則に従って、所与のロータ位置において半径方向エアギャップを横断する幾つかのＮ極に向かう磁束線に加え、そのギャップを横断する同数のＳ極に向かう磁束線が存在する。ゼロコギングの機械とは、エアギャップを横断する磁束の正味値の大きさが一定であるものであり、この場合、Ｓ極から出る磁束線は負とされ、Ｎ極から出る磁束線が正とされる。このような機械においては、ロータが回転する時に半径方向エアギャップを横断する磁束の絶対値にはどのような変化も存在しない。実際にはトルクコギングは、ロータ磁石１５２の硬質及び軟質磁性材料の材料特性を考慮しながら、ロータ磁石１５２の大きさ、形状、位置、量を最適化することで磁束の絶対値の角度変動を低減することによって最少化される。また、ロータ組立体１５０の所与の層内におけるロータ磁石１５２間の円周方向の間隔、隣り合う層間の間隔、及び個別のロータ組立体１５０間の間隔が１つの最適値に維持されることが好ましい。１つの実施形態においては、ロータ磁石１５２間の最適な円周方向間隔は、各ロータ磁石１５２の総面積がステータコア端部２０２の面積の１７５％±２０％に等しいことが分かっている。
【００４６】
ステータコアの脚部間の間隔は、幾つかの要因に影響を及ぼす。間隔が大きいと、磁極間の望ましくない磁束漏れを低減するが、モータの軸方向の長さが長くなるのでコストが増大する。従って、より多くの軟質磁性材料が必要となり、コア材料の容積の増大に比例して鉄損が増大する。脚部間隔の最適な選択のためには、これらの考慮事項と共に、エアギャップ、磁極表面積、及びステータコア表面積の影響も考慮する必要がある。
【００４７】
また、ロータ組立体１５０を円周方向にずらすことにより、小さな損失特性が得られる。位置の変化によるロータ磁石１５２の磁束変動は更に、渦電流及びヒステリシスの両方に起因して磁石自体に望ましくない損失を生じさせる可能性がある。これらは、各磁石が受けるのと同様に、磁気回路全体の透磁性の変化によって生じる。磁気回路の透磁性の変化は、磁石によって発生される磁束に変化をもたらす。磁束におけるこの変化は、周波数依存性の渦電流損とヒステリシス損とを磁石に発生させる。これらの損失は、転流周波数（ＣＦ）においては生じない（転流周波数は回転速度にロータ磁極ペアの数を乗算したもの、ここでロータ磁極ペアはロータ磁極数を２で除算したものであり、回転速度は毎秒当たりの回転数を単位としている（ＣＦ＝ｒｐｍ／６０×磁極数／２））。これらの損失は、毎秒当たりの回転数にステータ歯数を乗算したものに等しい周波数において生じ、ここでステータ歯数は、直流磁石が１回転中に遭遇する歯を意味する。従って、以下において更に詳細に述べる値０．５の毎相毎極のステータスロット（ＳＰＰ)数を有する機械の特定の実施形態では、ステータ歯数はロータ磁極ペアの数×３に等しい。
【００４８】
ロータ磁石１５２は、どのようなタイプの永久磁石であってもよい。サマリウム−コバルト磁石のような希土類−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−メタロイド磁石が好適である。ロータ磁石構造体はまた、何らかの他の焼結された永久磁石材料、プラスチック結合された永久磁石材料、又はセラミック永久磁石材料を含むことができる。磁石は、高いエネルギー積、保磁力、及び飽和磁化を有すると共に、直線的な第２象限正規磁化曲線を有するのが好ましい。より好ましくは、方向性があり且つ焼結された希土類−遷移金属合金磁石が使用されるが、これは、これらの高い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少にすることができることに起因する。別の実施形態においては、ロータ磁石１５２は電磁石として構成される。
【００４９】
ロータ磁石１５２を含むロータ組立体１５０は、磁石の磁極がステータ装置に隣接する所定の通路に沿ってアクセスできるように、ロータキャリア１５４によってシャフト１５８又は他の任意の装置の軸線を中心として軸受１６０上に回転可能に支持される（図４参照）。図１は、矩形状のロータ磁石１５２を示しており、この場合外側長さａ１と内側長さａ２はほぼ等しい。ロータ磁石１５２は、製造コストが一般に安価であるように好ましくは矩形状である。図１７に示すような台形状、すなわち楔形状の磁石も使用できる。エアギャップに面して円弧形状を有するロータ磁石は最適な設計である。図１においては、曲線形状を有するロータ磁石１５２は、外側円弧長さａ１と内側円弧長さａ２によって定められることになる。しかしながら、円弧形状のロータ磁石１５２は、製造コストが高くなる。更に、高い磁極数を有する本発明の高周波型の実施形態では通常、多数の小さな矩形状ロータ磁石が使用される。各外側円弧長さａ１は、かなり小さな角度に対する弦を形成し、この弦は円弧に極めて近似している。或いは、ロータ磁石１５２は、どのような多角形状であってもよい。更に、例えばスイッチドリラクタンス設計の別の実施形態においては、モータは、鋼などの中実又は積層された磁性材料で作ることもできる。
【００５０】
１つの特定の実施形態においては、ロータ磁石１５２の外側長さａ１及びステータコイル１０６と組み合わされたステータコア１０２の幅ｗは、実質的に同一である。ａ１がｗよりもはるかに大きい場合には、磁束線は、エアギャップを横切らず、他の方向へ「漏出する」。磁石は高価であるが、どのような利益も得られないので、これは損失である。ａ１をｗよりも十分に小さくすることにより、他の場合で得られるよりも低い磁束密度がステータ内に生じ、これにより全機械出力密度が低下する。
【００５１】
更に別の実施形態においては、ロータ磁石１５２は、取り付けられた磁極を有する結合磁石などの１つ又はそれ以上の連続固体物を含むことができる。このような実施形態においては、ロータ磁石片の数は、有効に作用する磁極数と異なっていてもよい。設計者が磁極数を操作してモータの動作及び性能を決定することは認められる。
【００５２】
ステータコア１０２又はロータ磁石１５２を適切に支持することのできるどのような適切な材料も、ステータキャリア１０４及びロータキャリア１５４用に使用することができる。好ましくは非磁性材料が使用される。しかしながら、ステータキャリア１０４及びロータキャリア１５４は、導電性材料を含むことができ、キャリア材料の導電性にはどのような制約もない。キャリア１０４、１５４は、ロータ組立体１５０の回転を可能にしながらロータ組立体１５０とステータ組立体１００とを相対的位置で支持するための十分な強度を有する、何らかの高い熱伝導性の装置とすることができる。機械的強度の要件などの他の因子もキャリア材料の選択に影響を与える。１つの特定の実施形態においては、ステータキャリア１０４又はロータキャリア１５４はアルミニウムで形成される。別の特定の実施形態においては、キャリア材料１０４、１５４は、完全な有機材料とすることができ、例えば二液型のエポキシ樹脂／硬化剤系のような有機誘電体である。例えばステータコア１０２及びロータ磁石１５２である電気装置の能動構成要素は、接着、クランプ、溶接、機械的固定、又は他の適切な取付け手段によりステータキャリア１０４及びロータキャリア１５４内にそれぞれ固定することができる。ロータキャリア１５４は、機械の軸方向シャフトの周りの回転を容易にするために、好ましくは適切な軸受面上に装着される。モータ産業において従来使用されている様々な軸受、ブッシュ、及び関連の物品が好適である。
【００５３】
複数のステータコア１０２を１つの共通磁気セクションに結線することができる。これは、０．５よりも大きい毎相毎極スロット（ＳＰＰ）値に相当し、この場合、ＳＰＰ比率は、ステータコア１０２の数をステータ巻線の相数及び直流磁極の数で除算することによって求められる（ＳＰＰ＝スロット数／相数／磁極数）。本発明のモータ設計によれば、スロットとは、回転軸線と直交する平面内で交互するステータコア１０２間の間隔を意味する。ＳＰＰ値の計算において磁極とは、変化する磁界と相互作用する直流磁界を意味する。従って、好ましい実施形態においては、ロータキャリア１５４上に装着された（又は固定された）永久磁石は直流磁界を供給し、従って或る数の直流磁極を提供する。本発明による同期モータの他の実施形態においては、直流電磁石は直流磁界を提供する。ステータ巻線の電磁石は、変化する磁界すなわち時間並びに位置に応じて変動する磁界を提供する。本発明の半径方向エアギャップ型装置は、多様なバレル型又は放射型の構成をとることができる。例えば、静止ステータ組立体１００は、中央に配置し、ロータ組立体１５０から離間させ、半径方向内側で同軸的に配置することができる。従って、ロータ磁石１５２を備えた回転部分は、電気装置の外側部分であり、ステータ組立体１００は内側の非回転部分とすることができる。図１１及び１２は、点線で囲まれたロータ組立体１５０がモータの外側部分である本発明の１つの実施形態を示している。例えば適切な軸受（図示せず）上で回転できるのは、この外側のロータ組立体１５０である。他の実施形態と同様の任意のロータキャリア１５４は、図１１及び１２の設計において使用するのに好適である。ステータコイル１０６及びステータコア１０２を含む静止ステータ組立体１００は、このモータの内側の非回転部分上にある。
【００５４】
更に、複数の交互的なロータ組立体１５０又は複数のステータ組立体１００が存在してもよい。図１３及び１４は、２つのロータ組立体１５０と２つのステータ組立体１００とを有する、かかる実施形態を示している。軸方向に配置されたステータコア１０２は、単一の一体的ステータキャリア１０４上に装着されるものとして示されている。同様に、軸方向に配置されたロータ磁石１５２は、単一の連続的ロータキャリア１５４内に固定されている。或いは、１つのシャフト上に接合された複数の個別のロータキャリア及び／又は個別のステータキャリアを更に使用してもよい。図１３及び１４の実施形態においては様々な巻線方式を使用することができ、これには、任意選択的に異なるステータ組立体内に含まれる複数のステータコア１０２が１つの共通ステータコイル１０６を共用する方式が含まれる。
【００５５】
本発明の更に別の態様においては、適切に設計されたパワーエレクトロニクスに動作的に接続された半径方向エアギャップ横方向磁束型回転機械が提供される。例えば、パワーエレクトロニクス（ＰＥ）は、ＰＥリップルを最少化するように設計されるのが好ましく、リップルとは、モータ動作中における望ましくないトルク変動であり、性能に悪影響を及ぼすおそれがある。低インダクタンスを有するこのようなモータを用いた高周波での転流と低速度制御の維持が共に最適化されることが好ましい。
【００５６】
本明細書において使用される「パワーエレクトロニクス」という用語は、特定の周波数及び波形の直流（ＤＣ）又は交流（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つが異なる直流又は交流の入出力として電力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によって達成される。周波数を保持する通常の変圧器を使用した交流電力の単純な変圧、及び直流を提供するための交流の単純なブリッジ整流以外では、最新の電力変換は、非線形半導体装置及びこれと関係付けられた能動制御を行う他の構成要素を使用する。
【００５７】
電動回転機械には、直接又は直流電力を転流することによって交流電力を給電する必要がある。ブラシ型機械による機械的転流が長い間使用されてきたが、大電力半導体装置が使用可能になったことにより、ブラシレス電子転流手段の設計が可能になり、多くの最新式永久磁石型モータで使用されている。発電モードでは、機械は（機械的に転流されない場合には）本質的に交流を発生する。大部分の機械は、同期的に動作すると言われており、このことは、交流入力又は出力電力が回転周波数及び磁極数と相応する周波数を有することを意味している。従って、例えば電力事業で一般に使用されている５０又は６０Ｈｚ、或いは船舶又は航空宇宙システムにおいて多くの場合使用されている４００Ｈｚの電力網に直接接続された同期モータは、特定の速度で動作し、変動は磁極数を変えること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に制御されなくてはならない。幾つかの場合には、原動機は、公知の機械設計では実用限度内の磁極数を有するモータが対応するには高過ぎるか又は低すぎる回転周波数を本質的に発生する。このような場合には回転機械は機械的シャフトに直接接続できないので、付随して加わる複雑さ及び効率の損失があるにも拘わらず、多くの場合ギヤボックスを使用する必要がある。例えば、風力タービンは極めて低速で回転するので、従来のモータにおいては極めて大きな磁極数が必要とされることになる。他方、典型的なガスタービンエンジンでは、所望の機械的効率を有して適正な動作を得るために極めて高速で回転するので、発生する周波数は、磁極数が少ない場合でさえも許容できない程高い。電動機用途と発電機用途の両方に対する代替方法は能動的電力変換である。
【００５８】
本明細書で上に詳述したように、本発明に従って作られる機械は、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電動機又は発電機として動作できる。多くの場合において、電動機用途と発電機用途の両方においてこれまで必要とされてきたギヤボックスは省くことができる。しかしながら、結果として得られる利点はまた、従来の機械で使用されているよりも広い電子周波数範囲にわたって動作可能なパワーエレクトロニクスの使用を必要とする。
【００５９】
本発明の別の態様においては、該電動回転機械をインターフェースし制御するパワーエレクトロニクス手段に動作的に接続された、上述のタイプのいずれかの電動回転機械を含む電動回転機械システムが提供される。電動機用途では、この機械は、電力網、電気化学電池、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ーフェースされる。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、機械シャフトは、任意の機械的回転エネルギー源とすることができる原動機に機械的に接続され、システムは、電気器具又は電気エネルギー貯蔵装置の任意の形態を含むことができる電気的負荷に接続される。機械システムはまた、例えば車両の駆動輪に接続されるシステムなどの回生モータとして使用することもでき、車両に対して機械的推進力を供給すること、及び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よう変換することを交互に行う。
【００６０】
電動回転機械システムの１つの例示的な実施形態は、少なくとも１つのステータ組立体と、複数のステータ巻線と、回転軸の周りで回転するよう支持された少なくとも１つのロータ組立体とを有する電動機械を含み、該ロータ組立体及びステータ組立体は回転軸と同軸である。ロータ組立体は、同数の個別のロータ磁石を有する少なくとも２つのロータ層を含み、該磁石の各々はその相反する両端部にＮ極とＳ極とを形成する極性を有し、該ロータ層は実質的に平坦で、回転軸に対して垂直であり、軸方向に離間しており、（ｉ）磁石の各々の端部の一方がロータ組立体の円柱状外周面上にあり、（ｉｉ）外周面上の端部が円周方向に交互にＮ極とＳ極とを有し、（ｉｉｉ）磁石の各々が隣接する磁石の端部の他方に近接して位置する透磁性連結部材により磁石の隣接するものに磁気的に連結される。ステータ組立体は、複数のステータコアを含み、該ステータコアの各々は第１及び第２のステータ磁極面内で終端し、該ステータコアがステータ組立体の円周周りに等角度で配置され、（ｉ）ステータコアの各々の第１及び第２のステータ磁極面がステータ組立体の円柱状内周面上に軸方向に整列して置かれ、（ｉｉ）第１のステータ磁極面がロータ層の内の１つに半径方向に隣接する第１のステータ層内にあり、（ｉｉｉ）第２のステータ磁極面がロータ層の内の別のものに隣接する第２のステータ層内にあるように、各層内の磁石がロータ組立体の円周周りに等角度で配置される。ステータ巻線はステータコアを取り巻く。
【００６１】
電動回転機械システムは更に、パワーエレクトロニクス手段を含む。本システムにおいて有用なパワーエレクトロニクス手段は通常、満足できる電気化学的動作、調整、及び制御を維持しながら、機械的及び電気的負荷における予想される変動に対応するのに十分なダイナミックレンジを備えた能動制御装置を含む必要がある。ブースト、バック、及びフライバックコンバータを使用したスイッチングレギュレータとパルス幅変調器とを含む任意の形態の電力変換トポロジーを使用することができる。電圧と電流の両方を独立して位相制御できることが好ましく、またパワーエレクトロニクスの制御装置は、直接的なシャフト位置感知を備えて動作してもよく、又は備えずに動作してもよい。更に、４象限制御装置を設けて、この機械を時計方向もしくは反時計方向に回転させ、電動モード又は発電モードで作動できるようにするのが好ましい。好ましくは電流ループ制御回路と速度ループ制御回路の両方が含まれ、これによってトルクモード制御と速度モード制御の両方が使用可能である。安定した動作させるためには、パワーエレクトロニクス手段は、好ましくは意図された転流周波数よりも少なくとも約１０倍大きい制御ループ周波数範囲を有する必要がある。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動作には少なくとも約２０ｋＨｚの制御ループ周波数範囲が必要である。
【００６２】
本発明により、最新の材料を取り込んだ半径方向エアギャップ型電気機械が可能となる。半径方向エアギャップ型モータを必要とする幾つかの用途があり、これらには、限定ではないが、一体化されたスタータ／オルタネータを有する幾つかのガソリンエンジン及びディーゼルエンジンが含まれる。これらの用途においては、組立体の製造には、ロータとは別個の構成要素としてステータが組立て可能であることが要求される。これは、軸方向エアギャップ型モータを用いると極めて困難であるが、半径方向エアギャップ型モータを用いる場合には比較的はるかに容易である。これらの用途では、非結晶質、ナノ結晶質、又は磁束強化Ｆｅ基金属の高周波設計特性からの恩恵を得ることができる。これらの材料は容易に入手できるので、本発明は既存の材料供給系統を全く変える必要がない。非結晶質、ナノ結晶質、又は磁束強化Ｆｅ基金属、永久磁石、或いは銅ワイヤに対するどのような改良も、本発明に対し容易に適用されることになる。好ましい実施形態の矩形状ロータ磁石１５２の製造は簡単であり、またステータコイル１０６は、製造が容易なボビン巻線型であってもよい。
【００６３】
本発明はまた、小さなプリント回路板タイプの構成要素上に全体が取り付けられるほど容易に小形化することもできる。
【００６４】
従来の半径方向エアギャップ型モータと比較した場合、本発明の横方向磁束エアギャップ型モータのある実施形態には幾つかの利点がある。非結晶質金属、ナノ結晶質金属リボン、又は方向性もしくは非方向性Ｆｅ基材料は、長年にわたり当業界で探求されてきた設計をコスト効果のある方法で半径方向エアギャップ型構成に組み込むことができる。
【００６５】
本発明のモータを製作する際に幾つかの形状の永久磁石を使用することができるが、磁石圧縮成形法が円弧及び湾曲面の直接形成には容易には適さないので、ほとんどの実施形態においては、製造コストが安価であることに起因して矩形のロータ永久磁石が好ましい。かかる特徴部は、永久磁石の材料（例えば、ＮｄＦｅＢ、ＳｍＣｏ、又は他の希土類基磁性粉末）を矩形状に圧縮成形した後、コスト的に高い研削作業を用いて付加される場合が多く、結果として材料廃物が生じる。前述のように、高い磁極数を有する本発明の実施形態は、矩形状磁石を使用した極めて最適化されたロータ磁石設計に適している。高磁極数モータは高周波数半径方向エアギャップ型モータを提供する。
【００６６】
ステータコアもまた、極めてわずかな機械加工しか必要としない方法で製造することができる。例えば、図１５に示すようにリボンを螺旋状に巻回してレーストラック状にすることができる。次いで、この形状を線２５０に沿って切断し、２つの同一の馬蹄形状１０２を形成することができる。従って、金属の層は、従来の積層スタンピング法において必要とされた１層毎の切断ではなく、単一の一括段階で切断することができる。有利には、ステータコアは、こうした巻回法によって実質的に軟質磁性材料の廃物無しに製造することができる。図１６に示す形態のような他の適切なステータコア形状も同様の方法で作製することができ、これにより拡大された基部２００を有するステータコアが提供される。連結部材１５６も同様の方法で製造することができる。ステータコアの使用で指定された同じ材料が、連結部材の製造にも好ましい。現在、これらの製造方法の多くは、電動機以外の装置で指定された構成要素の製造に大いに実施されている。
【００６７】
本発明の横方向磁束半径方向エアギャップ型モータには、軸方向エアギャップ型モータよりも優れたコスト節約の利点がある。例えば、軸受システムに作用する軸方向の力は、本発明の横方向磁束半径方向エアギャップ型モータよりも軸方向エアギャップ型機械における方がはるかに大きく、その結果、本発明の装置では低コストの軸受システムを使用することができる。
【００６８】
本発明はまた、軸方向におけるロータ磁石の二重層に起因する一次コギングを低減させる自然且つ直截的な方法を提供する。一次トルクコギングの特徴は、当該機械の転流周波数の６倍の固有基本周波数を有することである。一次コギングを低減させる方法は、ＮＳロータ磁石の軸方向ペアを軸線に平行な線上に軸方向で整列していないように、すなわち図１７に示すようにこれらが互いに角度ψだけ互いに傾くように作るものである。ψは、磁石が円周方向に隣り合うステータコア間の距離の最大約半分までの量だけ傾くように選ばれるのが好ましい。この変更には、各ステータコア上のコイルの全てが電気的に直列に配線接続されることが必要となる。ロータ磁石の位置をステータコアの円周方向距離の１／２だけ傾けることにより、発生する電磁力（ＥＭＦ）を約３．５％だけ低下させる。これに応じて出力が低下する。しかしながら、付随して得ることができるコギングの顕著な低下を考慮すれば、かかる低下は許容可能なものである。
【００６９】
多相横方向磁束半径方向エアギャップ型モータ
本発明の横方向磁束半径方向エアギャップ型モータは、多相装置としての製造及び動作に極めて好適である。例えば、ロータ組立体１５０は、図１に破線で示すように幾つかのセクションに細分することができる。各セクションは、軸方向に２つのＮＳロータ磁石ペアがあり、円周方向に２つのＮＳペアがあるように配列された４つのロータ磁石１５２を含む。
【００７０】
このロータ組立体セクション適合と対向するステータ組立体部分は、３つのステータコア１０２を含み、各々が３相モータの１つの相を表している。ステータコア端部２０２を取り巻くコイル１０６が通電されると、各ステータコア１０２の相反するステータコア端部２０２は、相反する磁気極性を有してＮ−Ｓ磁極ペアを形成することになる。
【００７１】
本発明のモータは、単相装置として、又は任意の相数を有する多相装置として設計且つ動作することができるが、業界慣例に従って３相モータが好ましい。スロット／磁極／相比＝０．５の３相モータの場合、ロータ磁極の数は、ステータスロットの数の２／３であり、スロットの数は相数の倍数である。この機械は、業界慣例に従って通常３相Ｙ接続方式で結線されるが、デルタ接続方式を採用することもできる。
【００７２】
例えば、図１に示す本発明の機械の実施形態は、３相電源を用いてコイルに通電することにより３相モータとして動作することができる。この機械は、図１の破線で囲まれた部分を回転軸に直交する平面上で更に細分割して、図２の破線で表わすように各ステータコア１０２を二分すると最も容易に分析できる。これはまた、軸方向のＮ−Ｓロータ磁石ペアを分離する。この小部分は、２つの点で従来の半径方向エアギャップ型モータと異なっている。まず第１に、３つのステータ相は、従来の半径方向エアギャップ型モータの場合のようには共通バックアイアン片により物理的に接続されておらず、共通のバックアイアン片が磁気結合を形成している。第２に、２つのロータ磁石は共通のロータ片によって接続されておらず、これもまた磁気結合を形成する。
【００７３】
横方向磁束半径方向エアギャップ型モータは、任意選択的に小部分で構成されて、その後組み立てられるが、これは極めて大きな機械（例えば、直径が２ｍよりも大きい）を製作するのに望ましい方法である。コイルは、製造コストを低減することのできる低コストのボビン巻線法を用いて容易に作ることができる。事前磁化されたロータ磁石を使用する場合であっても、組立中に受ける磁力は、細分化された組立体によって安全に受け入れることができる。
【００７４】
低損失材料を使用した高磁極数、高周波数設計
１つの特定の実施形態において、本発明はまた、高い周波数、例えば約４００Ｈｚよりも大きな転流周波数で動作する高磁極数の半径方向エアギャップ型電気装置を提供する。幾つかの場合において、この装置は、約５００Ｈｚから２ｋＨｚ又はそれ以上の範囲の転流周波数で動作することができる。Ｓｉ−Ｆｅのような従来のステータコア材料は、高磁極数によって必要とされる磁極数に比例した高い周波数では動作できないので、設計者は通常、高速モータでは高磁極数を避けている。特にＳｉ−Ｆｅを使用した公知の装置は、材料内で磁束が変化することによって生じる鉄損に起因して、４００Ｈｚよりもかなり高い磁気周波数でスイッチングすることができない。該限界を超えると、鉄損により、どのような許容可能な手段によってもその装置を冷却することのできない温度にまで材料が加熱する。一定の条件下では、Ｓｉ−Ｆｅ材料の加熱があまりに厳しく、その機械がどのようなものであれ冷却することができずに自己破壊に至る場合がある。しかしながら、非結晶質、ナノ結晶質、及び非方向性金属の低損失特性は、Ｓｉ−Ｆｅ材料よりもはるかに高速のスイッチング速度を可能にすることが明確になった。好ましい実施形態においては、ＭＥＴＧＬＡＳ（登録商標）合金の選択により、高周波数作動時の加熱に起因するシステムの限界は排除されたが、ロータ設計及びモータの全体的構成もまた、非結晶質材料の特性をより良く利用するよう改善された。
【００７５】
はるかに高い励磁周波数を使用する能力により、本機械を十分に広い範囲の可能な磁極数を有するように設計することが可能になる。本装置の磁極数は、この機械の許容サイズ（物理的制約）及び予想される性能範囲に基づいて可変である。許容励磁周波数限界に従って、磁極数は、磁束漏れが望ましくない値に増大するまで、すなわち性能が低下し始めるまで増加させることができる。また、ステータスロットはロータ磁石と一致する必要があるので、ロータ磁極の数には、ステータの構造によって生じる機械的限界も存在する。更に、ステータ内に作ることのできるスロット数に関しても機械的及び電磁的限界があり、このスロット数は当該機械のフレームサイズの関数である。銅と軟質磁性材料とを適正なバランスで含む所与のステータフレームに対しスロットの上限を求めるために幾つかの境界値を設定することができ、これらの境界値は、良好な性能を有する半径方向エアギャップ型機械を製作する際のパラメータとして使用することができる。本発明は、ほとんどの機械における業界値よりも４乃至５倍大きな磁極数を有するモータを提供する。
【００７６】
一例として、６つ乃至８つの磁極を有する典型的な産業用モータでは、約８００乃至３６００ｒｐｍの速度で回転するモータの転流周波数は、約１００乃至４００Ｈｚである。転流周波数（ＣＦ）は、回転速度×磁極ペア数であり、この場合の磁極ペアは磁極数÷２であり、回転速度は毎秒の回転数をその単位としている（ＣＦ＝ｒｐｍ／６０×磁極数／２）。また当該業界で利用可能であるのは、磁極数は１６よりも大きいが速度は１０００ｒｐｍより小さい装置であるが、それでも４００Ｈｚより低い周波数に相当することになる。或いは、モータはまた、比較的低い磁極数（例えば６より少ない磁極数）と最高３００００ｒｐｍまでの速度が利用可能であるが、それでもなお約４００Ｈｚよりも低い転流周波数を有する。代表的な実施形態において、本発明は、磁極数９６、１２５０ｒｐｍ、１０００Ｈｚ；磁極数５４、１２５０ｒｐｍ、１０００Ｈｚ；磁極数４、３００００ｒｐｍ、１０００Ｈｚ；及び磁極数２、６００００ｒｐｍ、１０００Ｈｚといった機械を提供する。本発明の高周波モータは、従来の材料及び設計を用いて作られた公知の半径方向エアギャップ型モータよりも約４乃至５倍高い周波数で動作することができる。本発明のモータは、同じ速度範囲内で動作する時には当業界における典型的な半径方向エアギャップ型モータよりも効率が高く、その結果としてより大きな速度の選択肢を提供する。本構成は、極めて大きなモータの製作に特に魅力的である。高い磁極数（例えば少なくとも磁極数３２）と高い転流周波数（例えば５００乃至２０００Ｈｚの周波数）の組合せを使用して、高エネルギー効率、高出力密度、組立ての容易さ、及び高価な軟質及び硬質磁性材料の効率な使用を組み合わせた方法で本発明に従って極めて大きな機械を製作することができる。
【００７７】
理想的には、ロータ磁石１５２及びステータコア端部２０２の両方は、エアギャップに面した円弧面を有するはずである。しかしながら、本機械において可能な高磁極数により、エアギャップに面する磁石１５２及びステータコア端部の表面が平坦であることが可能となる。高磁極数の装置においては、対向する表面は、わずかな小角度に対するものであるので、平坦な表面は円筒面の円弧状セグメントである面に十分に近い近似面である。ステータ内で非結晶質、ナノ結晶質、又は磁束強化Ｆｅ基磁性材料を使用することで高磁極数と高周波数の組合せが可能となる結果として、より安価な矩形状ロータ磁石１５２を使用することができる。更に同じ理由により、ステータコアも平坦面を有するように作ることができ、これにより更なるコスト節減につながる。これらの形状のステータコア及びロータ磁石は、性能低下を受けることなく、使用可能な空間を極めて効率的に利用する。
【００７８】
毎相毎極スロット（ＳＰＰ）比率
本機械の設計は、最適なＳＰＰ比率の選択においてかなりの柔軟性をもたらす。好ましい実施形態においては、本発明はＳＰＰ比率が最適な０．５に等しいモータを提供する。
【００７９】
従来的に設計された機械は、許容可能な機能及びノイズレベルを得て、より良好な巻線分布に起因するより滑らかな出力を供給するように１乃至３のＳＰＰ比率を提供する場合が多い。しかしながら、例えば０．５などの低いＳＰＰ値を有する設計では、末端巻線の影響を低減することが求められてきた。末端巻線とは、スロット間で巻線を接続しているステータ内のワイヤ部分である。このような接続は勿論必要であるが、末端巻線は機械のトルク及びパワー出力には寄与しない。この意味では、末端巻線は、必要とされるワイヤ量を増大させ、機械にどのような利益も提供せずに抵抗損を生じさせる点で望ましくない。従って、モータ設計者の１つの目標は、末端巻線を最小限にして、制御可能なノイズ及びコギングを有するモータを形成することである。他方、本発明のモータの好ましい実施により、ＳＰＰ比率が低減されると共に望ましくは低ノイズ及びコギングが可能になる。このような利点は、高い磁極数及びスロット数で動作させることにより得られる。これらの選択肢は、必要とされる転流周波数の増大は最新の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、これまでの機械においては実行可能ではなかった。
【００８０】
本機械の好ましい実施形態は、１又はこれより小さく、より好ましくは０．５又はこれより小さいＳＰＰ比率を有するように設計されるのが有利である。複数のスロットを結線して１つの共通磁気セクションにし、これによって０．５よりも大きいＳＰＰ値を提供することができる。これは、ロータ磁極数よりも多くのステータスロットが存在しており、従って巻線が分散されている結果である。０．５に等しいか又はこれよりも小さいＳＰＰ値は、分散された巻線が存在しないことを表している。当業界の慣例では、ステータ内に分散された巻線が含まれる。しかしながら、分散された巻線は、ＳＰＰ値を上昇させ、所与の速度に対する周波数を減少させることになる。その結果、０．５のＳＰＰ値を有し、低周波数で動作する従来の機械においては、磁極数も小さいものとなる。ＳＰＰ＝０．５と組み合わされた少ない低磁極数は、制御困難な高いコギングを生じる。
【００８１】
幾つかの用途では、小数値のＳＰＰを有するモータは単一のステータ歯の周りに予形成されたコイルを使用することができるので、かかるモータを構成するのが有利である。本機械の異なる実施形態においては、ＳＰＰ比率は、０．２５、０．３３、０．５、０．７５、又は１．０のような整数比である。ＳＰＰ比率はまた、１より大きくてもよい。３相での使用に特に好適な好ましい実施形態においてはＳＰＰ比率は０．５である。
【００８２】
結線／巻線設計における柔軟性
本ステータ構造の或る実施形態の更なる利点は、代替的な結線条件を同一の構造で使用できる点である。従来のステータ設計は、上述のように複数のステータコア１０２にわたって巻線を分散させる必要のある、１．０乃至３．０のＳＰＰ比率の使用に関して焦点を置いているので、巻線設計の選択に限界がある。分散された巻線に関して２つ又は３つよりも多くの巻線選択肢を有することは困難になる。本発明の構成は、ＳＰＰ＝０．５の設計を利用する機能を提供しており、ここでは典型的にはステータ歯毎にただ１つの個別のコイルが存在する。しかしながら本発明は、ＳＰＰ＝０．５を備えた他の構成を除外するものではない。単一歯コイルを備えた実施形態では、所与の用途によって要求される任意の電圧を提供するように容易に変更し再接続することができる。従って、本発明によるモータハードウエアの単一のセットは、コイルを変えることにより簡単に広範囲の解決策を提供することができる。一般にコイルは、変更するのが最も容易な電磁回路内の構成要素である。
【００８３】
従って、本発明の装置におけるように、０．５に近いＳＰＰ比率が与えられている場合には、ステータ巻線の構成に関してかなり柔軟性がある。例えば、製造業者は、各ステータを他のステータとは別個に巻回し、或いは同一ステータ内に別個のステータ巻線を設けることができる。この機能は、０．５に等しいＳＰＰ比率を有するシステムが備える利点の内の１つである。ＳＰＰ＝０．５を採用した或る特定の用途の工業用システムが場合によっては存在したこともあったが、これらは普及せずに、一般的用途では限定された範囲での成功しか収めていない。本発明は、巻線におけるこの柔軟性を可能にする０．５に等しいＳＰＰ比率を有するシステムを提供することに成功した。
【００８４】
熱特性
Ｓｉ−Ｆｅ合金を使用したものと、非結晶質、ナノ結晶質、或いは方向性もしくは非方向性Ｆｅ基金属を使用したものとの両方を含む全ての電気装置における装置出力及び速度を制限する特徴の１つは廃熱である。この廃熱は、幾つかの発生源から生じ、主として抵抗損、表皮効果及び近接効果による損失、磁石及び他のロータ構成要素内の渦電流に起因したロータ損、及びステータコアに起因した鉄損がある。発生する廃熱量が大きいことにより、従来の機械は、廃熱を排出する能力の限界に直ちに達する。従来の機械の「連続出力限界」は、多くの場合、発生する廃熱の全てを依然として放散しながら連続的にその機械が動作することができる最大速度によって決定付けられる。連続出力限界は、電流の関数である。出力限界は更に、許容温度上昇によって影響され、これは、モータ内の絶縁体及び他の構成要素の温度定格と一致するように選ばれる必要がある。空気中で動作するよう設計されたモータにおいては、一つには、開放型フレームと閉鎖型フレームのいずれを選ぶかによって冷却流の範囲が決定付けられる。用途によっては液冷が可能であり、これにより熱除去能力が向上し、高定格及び高出力密度が可能となるが、代償として装置が複雑になる。本発明の機械の様々な実施形態は、これらの変形形態のいずれか又は全てを採用することができる。
【００８５】
しかしながら本発明の装置においては、非結晶質、ナノ結晶質、又は方向性もしくは非方向性Ｆｅ基材料の損失はＳｉ−Ｆｅよりも小さいので、発生する廃熱はより少なく、設計者はこれらの低損失特性を利用して、周波数、速度、及び出力を増大させ、低鉄損と抵抗損とを正確に平衡取り及び「トレード」することができる。また、本装置の実施形態において使用される改良された軟質材料の多くは、励磁電流が低いので、抵抗損は更に低下する。総体的に言えば、従来の機械と同じ出力を得る場合、本発明のモータは損失が小さく、故にトルク及び速度が大きい。従って本発明の装置は、一般に、従来の装置よりも高い連続速度限界を達成することができる。
【００８６】
効率改善
多くの場合、本発明の実施形態は要求された性能を達成し、その上効率的でコスト効果の良い装置を提供する。効率は、装置の出力を入力で除算したものとして定義される。高磁極数を備え高い転流周波数で同時に動作する本発明の装置の能力により、低鉄損と高出力密度の両方を持つより効率的な装置が得られる。高周波数設計については、周波数限界４００Ｈｚが業界標準であり、これを越えるものはどのような用途でもこれまでは実用的ではなかった。
【００８７】
本発明の装置の性能及び改善された効率は、Ｓｉ−Ｆｅを非結晶質金属で置き換えたことによる単なる内在的特徴ではない。幾つかの企業は、これらの材料を使用して実用可能な半径方向エアギャップ型モータの設計を成功させようと試行錯誤してきた。本発明は、非結晶質、ナノ結晶質、又は方向性もしくは非方向性Ｆｅ基材料の特性を利用して半径方向エアギャップ型モータを提供する、新規のステータ設計を提供する。
【００８８】
本発明はまた、ヒステリシス損を含む効率損が有意に低減された装置を提供する。ヒステリシス損は、方向性Ｓｉ−Ｆｅ合金において磁化中に妨げられた磁壁運動により発生し、これはコアの過熱を引き起こす原因となる可能性がある。効率が改善された結果として、本発明のモータは、より大きな連続速度範囲を達成することができる。速度範囲の問題は、トルク−速度として記述される。従来のモータは、高速度の範囲（低出力）で低トルクを出力するか、又は低速度範囲では高トルクを出力するかのいずれかであるという点で制限されている。本発明は、高速度範囲に対して高いトルクを有するモータを成功裏に提供する。
【００８９】
本発明を詳細に説明してきたが、このような細部に厳密に順守する必要はなく、当業者であれば追加の変更及び修正、並びに追加の構成及び手段を想起することができ、これら全ては、従属請求項によって定義された本発明の範囲内に含まれることは理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】モータの回転軸Ｘを中心として中央に配置されたロータ組立体の一部分と、離間して同軸的に配置されたステータ組立体の一部分とを示す、本発明の１つの実施形態による半径方向エアギャップ型モータの部分軸方向断面図である。
【図２】モータ軸線に沿ったステータコア及び個別のロータ磁石の向きを示す、図１の線Ａ−Ａに沿って見た横断面図である。
【図３】モータの回転軸Ｘにまで延びるロータ組立体の一部分と、離間して同軸的に配置されたステータ組立体の一部分とを示す、本発明の１つの実施形態による半径方向エアギャップ型モータの部分軸方向断面図である。
【図４】ステータキャリア及びロータキャリア内にそれぞれ取り付けられたステータコア及びロータ磁石を示す、図３の回転軸に沿って見た横断面図である。
【図５】図１及び３と同様の図に沿ったステータコアと連結部材との積層方向を示す部分断面図である。
【図６】図２及び４と同様の図に沿ったステータコア及び連結部材の積層方向を示す横断面図である。
【図７】複数のステータコアが１つの共通ステータコイルを共用する分散巻線方式を用いた本発明の１つの実施形態による半径方向エアギャップ型モータの部分軸方向断面図である。
【図８】モータ軸線に沿ったステータコア及び個別的ロータ磁石の向きを示す、図７の線Ａ−Ａに沿って見た横断面図である。
【図９】分散巻線方式（複数のステータコアが１つの共通ステータコイルを共用する）を有し、連結部材がロータ組立体の平面内でロータ磁石のペアを連結する本発明の別の実施形態による半径方向エアギャップ型モータの部分的な断面図である。
【図１０】モータの軸に沿ったステータコア及び連結部材の積層方向を示す、図９の線Ａ−Ａに沿って見た横断面図である。
【図１１】ステータ組立体の半径方向外側にロータ組立体を有する本発明の１つの実施形態による半径方向エアギャップ型モータの部分断面図である。
【図１２】モータの軸に沿ったステータコア及びロータ磁石の向きを示す、図１１の線Ａ−Ａに沿って見た横断面図である。
【図１３】複数のロータ組立体とステータ組立体とを含む本発明の別の実施形態による半径方向エアギャップ型モータの部分軸方向断面図である。
【図１４】モータの軸に沿ったステータコア及びロータ磁石の向きを示す、図１３の線Ａ−Ａに沿って見た横断面図である。
【図１５】本発明の装置のステータに使用するため２つの馬蹄形コアを形成するために切断されるよう指定された最新磁性材料からなる巻線状コイルの平面図である。
【図１６】本発明の装置のステータに使用するため拡大された基部を有する２つのコアを形成するために切断されるよう指定された最新磁性材料からなる巻線状コイルの平面図である。
【図１７】円周方向に変位した２層の磁石を示す、ロータ組立体断面の部分切欠き平面図である。
【符号の説明】
【００９１】
１００  ステータ組立体
１０２  ステータコア
１０４  ステータキャリア
１０６  ステータコイル
１５０  ロータ組立体
１５２  ロータ磁石
１５４  ロータキャリア
１５６  連結部材
【図１】
2007500500.tif 000003
【図２】
2007500500.tif 000004
【図３】
2007500500.tif 000005
【図４】
2007500500.tif 000006
【図５】
2007500500.tif 000007
【図６】
2007500500.tif 000008
【図７】
2007500500.tif 000009
【図８】
2007500500.tif 000010
【図９】
2007500500.tif 000011
【図１０】
2007500500.tif 000012
【図１１】
2007500500.tif 000013
【図１２】
2007500500.tif 000014
【図１３】
2007500500.tif 000015
【図１４】
2007500500.tif 000016
【図１５】
2007500500.tif 000017
【図１６】
2007500500.tif 000018
【図１７】
2007500500.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成18年2月14日(2006.2.14)
【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】
（ａ）少なくとも１つのステータ組立体と、
複数のステータ巻線と、
回転軸の周りで回転するよう支持された少なくとも１つのロータ組立体と、
を備え、
前記ロータ組立体及びステータ組立体が前記回転軸と同軸である電動回転機械であって、
（ｂ）前記少なくとも１つのロータ組立体が少なくとも１つのロータ磁石構造体を含み、該磁石構造体がＮ及びＳ極性を有する磁極を形成し、該磁極が実質的に平坦で前記回転軸に対して垂直であり且つ軸方向に離間された少なくとも２つのロータ層内に置かれ、該層の各々が同数の磁極を有し、前記層の各々の磁極が前記ロータ組立体の円周周りに等角度でその円柱状外周面上に置かれ、
（ｃ）前記少なくとも１つのステータ組立体が複数のステータコアを含み、該ステータコアの各々が第１及び第２のステータ磁極面内で終端し且つ非結晶質、ナノ結晶質、及び磁束強化Ｆｅ基金属からなる群から選ばれた材料からなる積層層から構成され、（ｉ）前記ステータコアの各々の前記第１及び第２のステータ磁極面が前記ステータ組立体の円柱状内周面上に軸方向に整列して置かれ、（ｉｉ）前記第１のステータ磁極面が前記ロータ層の内の１つに半径方向に隣接する第１のステータ層内にあり、（ｉｉｉ）前記第２のステータ磁極面が前記ロータ層の内の別のものに隣接する第２のステータ層内にあるように、前記ステータコアが前記ステータ組立体の円周周りに等角度で置かれ、
（ｄ）前記ステータ巻線が前記ステータコアを取り巻き、前記電動回転機械が約０．２５から４．０までの範囲の毎相毎極スロット比率を有する、
ことを特徴とする電動回転機械。
【請求項２】
前記ロータ磁石構造体が複数の個別のロータ磁石を含み、該磁石の各々がその相反する両端部にＮ極とＳ極とを形成する極性を有し、
（ｉ）前記磁石の各々の端部の一方が、前記ロータ組立体の円柱状外周面上に置かれ、
（ｉｉ）前記外周面上にある前記端部が、円周方向で交互にＮ極及びＳ極を有するように、
各層内の前記磁石が前記ロータ組立体の円周周りに等角度で配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電動回転機械。
【請求項３】
前記磁石の各々が、前記磁石の内の隣接する磁石の端部の他方に近接して置かれた透磁性連結部材によって前記隣接する磁石に対し磁気的に連結されることを特徴とする請求項２に記載の電動回転機械。
【請求項４】
前記連結部材が、透磁性材料のシートの積層スタックを含むことを特徴とする請求項３に記載の電動回転機械。
【請求項５】
前記透磁性材料が、非結晶質、ナノ結晶質、及び磁束強化Ｆｅ基磁性材料からなる群から選ばれたことを特徴とする請求項４に記載の電動回転機械。
【請求項６】
前記連結部材が、円周方向に隣接する磁石を連結することを特徴とする請求項３に記載の電動回転機械。
【請求項７】
前記連結部材が、軸方向に隣接する磁石を連結することを特徴とする請求項３に記載の電動回転機械。
【請求項８】
前記磁石が、希土類−遷移金属合金から構成されることを特徴とする請求項２に記載の電動回転機械。
【請求項９】
前記磁石が、ＳｍＣｏ又はＦｅＮｄＢ磁石であることを特徴とする請求項８に記載の電動回転機械。
【請求項１０】
前記ロータ層内の相反する極性の磁極が、軸方向に整列していることを特徴とする請求項１に記載の電動回転機械。
【請求項１１】
前記ロータ層内の相反する極性の磁極が、前記円周方向に隣接するステータコア間の距離の最大１／２までにわたる量だけ傾けられることを特徴とする請求項１に記載の電動回転機械。
【請求項１２】
前記磁極を提供する複数の前記磁石構造体を備えることを特徴とする請求項１に記載の電動回転機械。
【請求項１３】
約０．２５から１までの範囲の毎相毎極スロット比率を有することを特徴とする請求項１に記載の電動回転機械。
【請求項１４】
０．５０の毎相毎極スロット比率を有することを特徴とする請求項１３に記載の電動回転機械。
【請求項１５】
少なくとも１６個の磁極を有することを特徴とする請求項１に記載の電動回転機械。
【請求項１６】
少なくとも３２個の磁極を有することを特徴とする請求項１５に記載の電動回転機械。
【請求項１７】
約５００Ｈｚから２ｋＨｚまでの範囲の転流周波数で運転するように適合されていることを特徴とする請求項１に記載の電動回転機械。
【請求項１８】
前記ロータ組立体が、前記ステータ組立体の半径方向内側にあることを特徴とする請求項１に記載の電動回転機械。
【請求項１９】
前記ステータ組立体が、前記ロータ組立体の半径方向内側にあることを特徴とする請求項１に記載の電動回転機械。
【請求項２０】
前記機械をインターフェース及び制御し、且つ該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ことを特徴とする請求項１に記載の電動回転機械。
【国際調査報告】
2007500500.tif 000020
2007500500.tif 000021