(57)【要約】動電回転電気機械は、積層式ステータコイル巻線を含んでいるステータアッセンブリを備えている。機械は、多位相軸方向エアギャップ型装置であるのが望ましい。積層式コイル構成によって、スロット充填率が改善される。装置の性能能力はこれにより向上する。電気装置のステータアッセンブリは、低損失高周波数材料で製作された磁心を有している。極数が多いため、電気装置は、高整流周波数で、高効率、高出力密度、及び改善された性能特性を実現させた運転が可能になる。装置に組み込まれる低損失材料には、非結晶金属、ナノ結晶金属、最適化されたＳｉ−Ｆｅ合金、粒子指向性Ｆｅ系材料、又は非粒子指向性Ｆｅ系材料が含まれる。
2007527688.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多相軸方向エアギャップ型動電機械において、
（１）裏当鉄部分と複数の歯部分とを備えている少なくとも１つのステータアッセンブリであって、隣接する前記歯部分の対それぞれの間のスロットと、複数の積層式ステータ位相巻線とを有し、各巻線が１つ又はそれ以上の前記歯部分を巻回している、ステータアッセンブリと、
（２）軸周りに回転できるように支持され、複数の極を含んでいる、少なくとも１つのロータアッセンブリであって、前記少なくとも１つのステータアッセンブリと磁気的に相互作用するように配設及び配置されているロータアッセンブリと、を備えている機械。
【請求項２】
前記巻線は、同数の上側コイルと下側コイルで構成され、前記上側コイルそれぞれは、前記下側コイルの１つと直列に接続され、前記スロットそれぞれに、前記積層式位相巻線が２つ配置されている、請求項１に記載の機械。
【請求項３】
前記ステータアッセンブリは、非結晶金属、ナノ結晶金属、及び最適化されたＦｅ系合金から成る群より選択された少なくとも１つの材料から成る貼り合せ層を備えた低鉄損磁性材料を備えている、請求項１に記載の機械。
【請求項４】
前記低鉄損磁性材料は、ピーク誘導レベル“Ｂｍａｘ”に対して励磁周波数“ｆ”で運転したときの鉄損が“Ｌ”よりも小さいことにより特徴付けられ、ここに、Ｌは式Ｌ＝１２・ｆ・Ｂ１．５＋３０・ｆ２．３・Ｂ２．３により与えられ、鉄損、励磁周波数、及びピーク誘導レベルは、それぞれ、キログラム当たりワット、キロヘルツ、テスラで測定される、請求項３に記載の機械。
【請求項５】
前記ロータアッセンブリは、極性が交互するように配置され、実質的に等しい間隔を開けて前記ロータの周りに円周方向に固定して配置された複数のロータ永久磁石を備えている、請求項１に記載の機械。
【請求項６】
前記磁石は、ＳｍＣｏ又はＦｅＮｄＢ磁石である、請求項５に記載の機械。
【請求項７】
位相当たり極当たりの前記スロットの比は約０．２５から１の範囲にある、請求項１に記載の機械。
【請求項８】
前記位相当たり極当たりスロット比は約０．５０である、請求項７に記載の機械。
【請求項９】
少なくとも１６個の極を有している、請求項１に記載の機械。
【請求項１０】
約５００Ｈｚから３ｋＨｚまでの範囲の整流周波数で運転されるようになっている、請求項１に記載の機械。
【請求項１１】
２つのステータアッセンブリと、それらの間に配置された１つのロータアッセンブリと、を備えている、請求項１に記載の機械。
【請求項１２】
前記ステータのスロット内に配置された冷却手段を更に備えている、請求項１に記載の機械。
【請求項１３】
前記機械は、軸方向エアギャップ型機械である、請求項１に記載の機械。
【請求項１４】
動電機械を作るための方法において、
（ａ）裏当鉄部分と複数の歯部分とを備えている少なくとも１つのステータアッセンブリであって、隣接する前記歯部分の対それぞれの間のスロットと、複数の積層式ステータ位相巻線とを有し、各巻線が１つ又はそれ以上の前記歯部分を巻回している、ステータアッセンブリを提供する段階と、
（ｂ）軸周りに回転できるように支持され、複数の極を含んでいる、少なくとも１つのロータアッセンブリであって、前記少なくとも１つのステータアッセンブリと磁気的に相互作用するように配設及び配置されているロータアッセンブリとを提供する段階と、から成る方法。
【請求項１５】
前記スロットそれぞれに、前記積層式位相巻線が２つ配置されており、前記巻線は、同数の上側コイルと下側コイルで構成され、前記上側コイルそれぞれは、前記下側コイルの１つと直列に接続されている、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記ステータアッセンブリは、
非結晶金属、ナノ結晶金属、及び最適化されたＦｅ系合金から成る群より選択された少なくとも１つの材料から成る貼り合せ層を備えた低鉄損磁性材料を備えている、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記ステータアッセンブリは、
（ａ）前記低鉄損磁性材料の貼り合せ層の円環体であって、内径と外径と円環体高さとを有する円環体を螺旋状に巻く段階と、
（ｂ）前記内径から前記外径まで実質的に半径方向に伸張し、前記円環体高さよりも浅いスロット深さを有する複数のスロットを切り込む段階と、から成る加工工程によって単体構造として形成される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記機械にインターフェースして制御するための、前記機械に作動的に接続されている出力電子機器手段を更に備えている、請求項１に記載の機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動電回転機械に関し、より厳密には、ロータアッセンブリと、積層式ステータコイル配置を含んでいるステータアッセンブリとを備えた軸方向エアギャップ型動電回転機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、２００３年１１月３日出願の同時係属中の米国仮特許出願第６０／５１６，７８９号「低損失材料を含んでいる軸方向エアギャップ型電気装置用のステータコイル配設」の恩典を請求し、同仮特許出願の全内容を参考文献としてここに援用する。
【０００３】
電気モーターとジェネレータの産業は、効率と出力密度を高めた動電回転機械を提供する方法を求め続けている。ここで用いる「モーター」という用語は、電気エネルギーを回転運動に変換するか又はその逆を行う、全ての類の電動及び発電機械をいう。このような機械には、モーター、ジェネレータ、及び回生モーターとして代替的に機能する装置も含まれる。ここに用いる「回生モーター」という用語は、電気モーター又はジェネレータの何れとしても運転される装置を指す。モーターの種類としては、永久磁石式、巻線界磁式、誘導式、可変磁気抵抗式、切替式磁気抵抗式、及びブラシ付及びブラシレスなど、各種様々なモーターが知られている。これらのモーターは、電気事業敷設網、バッテリ、又は他の代替供給源から提供される直流又は交流の供給源によって直接励磁される。代わりに、モーターには、電子駆動回路を使って合成された必要な波形を有する電流を供給してもよい。何らかの機械エネルギ供給源から引き出された回転エネルギーによってジェネレータを駆動してもよい。ジェネレータの出力は、直接、負荷に接続してもよいし、出力電子回路を使用して適切な状態に調整してもよい。随意的に、所与の機械は、運転中の異なる期間に、機械的エネルギーのソース又はシンクの何れとしても機能する機械エネルギ供給源に接続される。機械は、このように、例えば、４象限運転が可能な出力調製回路を通して接続することによって、回生モーターとして働くことができる。
【０００４】
回転機械は、普通は、ステータとして知られている固定要素と、ロータとして知られている回転要素を含んでいる。ロータとステータの隣接する面同士は、ロータとステータをつなぐ磁束が横断する小さいエアギャップで分離されている。当業者には理解頂けるように、回転機械は、複数の機械的に接続されたロータと複数のステータを備えている。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の何れかに分類される。半径方向エアギャップ型では、ロータとステータが半径方向に分離されており、横断する磁束は、多くの場合、ロータの回転軸に対して垂直に向いている。軸方向エアギャップ型の装置では、ロータとステータは、軸方向に分離されており、横断磁束は、多くの場合、回転軸に平行である。
【０００５】
或る特別の種類を除き、モーターとジェネレータは、一般的に１つ又は複数の種類の軟磁性材料を採用している。「軟磁性材料」とは、容易且つ効率的に磁化及び消磁することのできる材料である。各磁化サイクル中に必然的に磁性材料中に消散するエネルギーは、ヒステリシスロス又は鉄損と呼ばれている。ヒステリシスロスの大きさは、励磁振幅と周波数の両方の関数である。また、軟磁性材料は、透磁性が高く、保磁力が低い。モーターとジェネレータも、起磁力の供給源を含んでいるが、起磁力は、１つ又は複数の永久磁石、又は通電巻線で取り囲んだ追加的軟磁性材料、の何れかによって提供される。「永久磁石材料」は「硬磁性材料」とも呼ばれ、これは、高い保磁力を有し、磁化状態を強力に維持して、消磁に抵抗する。モーターの種類にもよるが、永久磁石材料及び軟磁性材料は、ロータ又はステータの何れかに配置される。
【０００６】
これまで、現在製造されているモーターの圧倒的多数は、軟磁性材料として、Ｆｅと、特にＳｉ、Ｐ、Ｃ、及びＡｌを含む１つ又は複数の合金元素との合金である各種等級の電気又はモーター鋼を使用している。最も一般的には、Ｓｉが最もよく使われている合金元素である。進歩した永久磁石で作られたロータと、非結晶金属のような進歩した低損失軟性材料で作られた鉄心を有するステータと、を備えたモーターとジェネレータであれば、従来の半径方向エアギャップ型のモーター及びジェネレータと比較して相当高い効率と出力密度を提供する能力があると、一般的には考えられているが、軸方向エアギャップ型であれ半径方向エアギャップ型であれ、そのような機械を作ることは、ほとんど成功していない。非結晶材料を従来型の半径方向又は軸方向エアギャップ型機械に組み込むこれまでの試みは、商業的には殆ど成功していない。早期の設計には、主として、ステータ及び／又はロータを、非結晶金属のコイル又は円形積層体の通常は内面又は外面全体に歯を切ったものに置き換えることが含まれている。非結晶金属は、独特の磁性及び機械的特性を有しているので、従来の設計によるモーターの普通の鋼に直接置き換えるのは困難又は不可能である。
【０００７】
現在の技術における多くの用途は、高速機械工具、航空宇宙モーター及びアクチュエータ、及びコンプレッサドライバの分野など多岐に亘り、そこでは高速（即ち、高ｒｐｍ）で運転可能な電気モーターが必要とされており、多くの場合１５，０００〜２０，０００ｒｐｍ以上、場合によっては１００，０００ｒｐｍという高速である。高速電気機械は、高周波数で運転中の電気機械の磁性材料が、非効率的なモーター設計に資する過度の鉄損を被らないように、殆ど常に、極の個数を少なくして製造されている。これは、主に、現在使用されているモーターの大多数に使用されている軟材料がシリコン−鉄合金（Ｓｉ−Ｆｅ）であることによる。従来のＳｉ−Ｆｅ系材料では、約４００Ｈｚ以上の周波数での磁場変化に起因する損失によって、材料が加熱され、許容されるどんな手段によっても冷却できない温度にまで加熱されることもしばしばあることが、よく知られている。
【０００８】
今までに、低損失材料を利用した製造容易な電気装置を、費用効率よく提供することは非常に困難であることが証明されている。低損失材料を従来の機械に組み入れようとするこれまでの試みは、早期の設計が、通常、機械の磁心としてシリコン−鉄のような従来の合金に代えて非結晶金属のような新しい軟磁性材料を使用することのみに頼っているため、概ね失敗に終わっている。出来上がった電気機械は、損失を低く抑えて効率を高めることがたまにあっても、大体において、電力出力が許容できない程に落ち込み、非結晶金属の取り扱い及び形成に伴って費用が著しく増大するという問題に悩まされている。その結果、商業的な成功又は市場への浸透は実現できていない。
【０００９】
例えば、米国特許第４，５７８，６１０号には、非結晶金属テープの条片を単に巻回することによって作られたステータを有する高効率モーターが開示されているが、これは、非金属条片を巻いて、次いでそこにスロットを形成し、その後、適したステータ巻線をスロット内に配置して構成されている。
【００１０】
米国特許第４，１８７，４４１号には、ステータ巻線を入れるためのスロットを設けた非結晶金属のリボンから作られた、螺旋状に巻かれた積層型磁心を有する高出力密度機械が開示されている。同特許では更に、非結晶金属リボンにスロットを切り込むためにレーザービームを使用することも開示されている。
【００１１】
特にスロット数が非常に多い装置で目立つ問題は、ステータ巻線とステータ鉄心の間に絶縁部を組み入れねばならないため巻線で充填するわけにはいかないスロット空間の量である。絶縁部の厚さは比較的一定で、電気装置の作動電圧で決まる。従って、総スロット面積のうちで、ステータコイル巻線に割くことのできる割合には上限がある。この値は、既知のステータコイル巻線技法を、従来型の構成による極数の多い電気装置の製造に採用した場合、普通は５０％未満である。使用可能なスロット面積に対する制限により、作り出せる起磁力（アンペア回数）を決める電流密度が制限されることになる。その結果、電気装置の出力電力と性能も制限される。
【００１２】
従って、当技術分野では、低損失材料に伴う特定の特徴を最大限に利用し、従来の機械に伴う欠点の多くを排除した効率の高い電気装置が必要とされている。理想的には、改良された機械は、機械的エネルギー形態と電気的エネルギー形態の間の変換効率を高めることができる。化石燃料によって動力供給される生成機械の効率が高まることに付随して、空気汚染も減少することになる。この機械は、小さくて軽く、トルク、出力、速度に関して求められる要件をより満足させるものになる。冷却要件も緩和されることになる。バッテリ電力により作動するモーターは、所与の充電サイクル当たりの運転時間が長くなる。或る特定の用途では、軸方向エアギャップ型機械は、それらの寸法形状及びそれらの特定の機械的属性により、より適したものとなる。軸方向エアギャップ及び半径方向エアギャップの両方の型式の装置において、機械特性における同様の改善が求められている。
【特許文献１】米国仮特許出願第６０／５１６，７８９号
【特許文献２】米国特許第４，５７８，６１０号
【特許文献３】米国特許第４，１８７，４４１号
【特許文献４】米国仮特許出願６０／４４４，２７１号
【特許文献５】米国特許出願第１０／７６９，０９４号
【特許文献６】米国特許第ＲＥ３２，９２５号
【特許文献７】米国特許第４，１４２，５７１号
【特許文献８】米国特許第４，８８１，９８９号
【特許文献９】米国特許第５，９３５，３４７号
【特許文献１０】米国特許第６，２５９，３４７号
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、ロータアッセンブリと、裏当鉄部分と積層式ステータ位相巻線を伴う複数のステータ歯部分とを含んでいるステータアッセンブリと、を備えている動電式電気装置を提供している。隣接する一対の歯部分それぞれの間のスロットには、複数の積層式ステータ位相巻線が入っている。その様な巻線を２個、各スロットに配するのが望ましい。ロータアッセンブリは、軸周りに回転できるように支持され、複数の極を含んでいる。電気装置には、低から高の範囲で任意の個数の極とスロットを設けることができる。ロータアッセンブリは、ステータアッセンブリと磁気的な相互作用が得られるように配設及び配置されている。ステータは、非結晶及びナノ結晶金属と、最適化されたＦｅ系合金から成る群より選択された少なくとも１つの低鉄損材料で構成された貼り合わせ層を採用している略円環体状の構造を備えているのが望ましい。しかしながら、ステータアッセンブリの全部又は一部を構成するのに、他の軟磁性材料も使用することができる。低鉄損の進歩した軟磁性材料を使用すれば、極数と整流周波数の選択の幅が広がると共に、高作動効率、高出力密度、及び広範囲な可能運転速度が維持されるので、設計に相当な柔軟性が生じる。
【００１４】
本発明に従って製造及び運転することのできる電気機械の例には、限定するわけではないが、電気モーター、ジェネレータ、及び回生モーターが含まれる。１つ又は複数の電気装置は、複合装置又はシステム内の構成要素であってもよい。そのような複合装置の一例は、１つ又は複数の電気モーターを備えたコンプレッサで、１つ又は複数の電気モーターは、ファンと一体になっていてもよい。この機械は、軸方向エアギャップ構成を有しているのが望ましいが、半径方向エアギャップ型の装置であってもよい。
【００１５】
本発明は、更に、動電機械を組み立てるための方法において、（i）裏当鉄部分と複数の歯部分とを備えている少なくとも１つのステータアッセンブリであって、隣接する一組の歯部分それぞれの間に設けられたスロットと、複数の積層式ステータ位相巻線を有し、各巻線は１つ又は複数の前記歯部分を巻回しているステータアッセンブリを提供する段階と、(ii）軸周りに回転できるように支持され、複数の極を含んでいる、少なくとも１つのロータアッセンブリであって、少なくとも１つのステータアッセンブリと磁気相互作用するように配設及び配置されているロータアッセンブリを提供する段階と、から成る方法を提供している。各スロットに２つの積層式位相巻線を配し、巻線は、同じ数の上側コイルと下側コイルで構成されているのが望ましい。
【００１６】
動電機械システムは、上記型式の動電機械と、この機械にインターフェースして制御するための出力電子機器手段とを備えている。出力電子機器手段は、機械に作動的に接続されている。
【００１７】
本発明の或る態様において提供されている新規なステータコイル巻線及び積層技法により、スロットの総容積に対するスロット内のステータコイル巻線の割合を示す尺度であるステータスロット充填率が大幅に上がるという成果が得られる。その結果、本発明の好適な電気装置では、性能、出力、及び効率を高めることができる。
【００１８】
本発明による装置のステータアッセンブリは、低損失高周波数材料から作られた磁心を有しているのが望ましい。ステータの磁心は、非結晶金属、ナノ結晶金属、最適化されたＳｉ−Ｆｅ合金、粒子指向性Ｆｅ系材料、又は非粒子指向性Ｆｅ系材料で作られているのが更に望ましい。非結晶金属、ナノ結晶金属、最適化されたＳｉ−Ｆｅ合金、粒子指向性Ｆｅ系材料、又は非粒子指向性Ｆｅ系材料を、電気装置に導入することにより、鉄損の増加を、従来の機械での大幅な増加に比べて比較的小幅に抑えたままで、装置の周波数を４００Ｈｚ以上に高くすることができ、その結果、高い出力を提供することのできる高効率の電気装置を得ることができる。また、本発明は、改善された効率を維持しつつ、高い出力密度と、更に速い速度にまで広がるトルク−速度曲線とを提供することのできる、極数を増やした高効率電気装置を提供している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下の本発明の好適な実施形態の詳細な説明、並びに添付図面を参照すれば、本発明への理解が深まり、更なる利点が明らかになるであろう。なお、添付図面中、同様の要素には同じ符号を付して示している。
【００２０】
これより、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。本発明は、低損失材料で作った巻回ステータ鉄心を有し、積層式ステータ巻線を採用したブラシレスモーターのような電気装置の設計と製造に関わる。ステータ鉄心は、非結晶金属、ナノ結晶金属、最適化されたＳｉ−Ｆｅ合金、粒子指向性Ｆｅ系材料、又は非粒子指向性Ｆｅ系材料を含んでいるのが望ましい。
装置構造概要
一般に譲渡された米国仮特許出願６０／４４４，２７１号（２７１号出願）及び米国特許出願第１０／７６９，０９４号（０９４号出願）は、その内容全体を参考文献としてここに援用するものであるが、ロータアッセンブリとステータとを軸方向エアギャップ型構成に、但し並行巻線構成で配置した電気装置を提供している。ステータは、望ましくは低損失高周波数材料を使って作られた、裏当鉄部分と複数のステータ歯部分を含んでいる。図１は、０９４号出願の或る態様によるステータアッセンブリ２０の上面図（図１Ａ）と側面図（図１Ｂ）であり、裏当鉄２３から伸びるステータ歯部分２５を含んでいる単一構造を示している。隣接する歯部分の間のスロット空間２４は、図２に示すように従来の並行巻線配置を使って歯部分２５に巻回されたステータ巻線２２を入れることができるように設定されている。１つ又はそれ以上のステータは、非結晶金属、ナノ結晶金属、又は最適化されたＦｅ系合金のような低損失材料で形成されているのが望ましい。代わりに、粒子指向性又は非粒子指向性Ｆｅ系材料を使用してもよい。裏当鉄部分と歯部分は、図示のように歯部分２５が裏当鉄部分２３から一体に伸びている一体構造、又は別体の構成要素を何らかの適当な手段で一体に固定した構造の何れかとして形成される。例えば、構成部品を、接着、クランプ、溶接又は当技術で既知の他の方法を使って接合してもよい。接着剤は、エポキシ、ニス、嫌気性接着剤、シアノアクリレート、及び室温硫化（ＲＴＶ）シリコン材料を含む各種接着剤が適している。接着剤は、低粘性、低収縮性、低弾性率、高剥離強度、高運転温度性能、及び高絶縁耐力を有していることが望ましい。図１Ａ〜図１Ｂに示すステータ構造は、本発明を実施する場合に有用であるが、先に述べた２７１号出願及び０９４号出願に提供されている他のステータ構造形態、並びに低損失材料を組み込み及び後で説明する積層式巻回構成と適合性のある更に他の形態も有用である。
【００２１】
また、本発明は、望ましくは軸方向エアギャップ型電気装置に使用するための、新規のステータコイル巻線及び積層技法を提供している。モーター巻線に従来使用されていた並列配置に代えて、本発明の機械では積層式巻線を採用している。ステータが別体の歯と裏当鉄を備えている実施形態では、構成要素が組み立てられる前又は後に、ステータ巻線が巻回される。巻線は、別体のアッセンブリとして形成され、その後、歯部分２５の自由端越しに滑らせて配置してもよい。ステータ２０とその巻線２２は、ステータキャリア（図示せず）内に載置され、適切な有機誘電体と共にはめ込まれている。
【００２２】
本発明の動電機械は、ステータアッセンブリに対して軸方向構成に配置された、円周方向に間隔を開けて設けられた複数の永久磁石を有するロータアッセンブリを更に含んでいる。本発明の機械は、１つ又は複数のロータアッセンブリと１つ又は複数のステータアッセンブリを備えている。従って、電気機械に関連してここに使用する「ロータ」と「ステータ」という用語は、１つから３つ程度又はそれ以上の個数のロータ及びステータアッセンブリを意味している。
【００２３】
本発明の或る態様では、図１−２に示すステータアッセンブリ、及びここに説明している他のステータアッセンブリのようなステータアッセンブリを製作及び巻回する方法が提供されている。金属鉄心は、最初に、低損失高周波数条片材料をらせん状に巻いて円環体とすることにより形成される。この円環体は、軸方向に見たときに内径と外径を有する略直円柱状のシェルの形状を有している。内径“ｄ”から外径“Ｄ”まで半径方向に、且つ形成時の完全円環体の円周方向に伸張する環状端面領域２１は、表面積を画定している。金属鉄心は、円環体の高さ“Ｈ”を画定する軸方向幅を有している。巻回後、鉄心は機械加工され、概ね半径方向に向いた外幅“ｗ”を有するスロット２４が設けられる。スロット２４の深さは、軸方向に円環体の高さの途中までしか伸びておらず、これにより歯とスロット高“Ｔ”を有するスロットとが画定される。スロットによって、金属鉄心の総表面積が少なくなる。スロット分を取り除いた後に残った環状領域の部分が総面積（ＴＡ）となり、これは、低損失高周波数材料が非結晶金属である実施形態では非結晶金属面積（ＡＭＡ）と呼ばれる。スロット２４は内径ｄから外径Ｄまで全幅に亘って伸びているので、ステータ鉄心の内径と外径における円周は、円環体のスロット形成部分で途切れている。スロット空間から材料を除去することにより、複数の歯２５が作成される。歯とスロットの個数は同じである。スロットの底の下に残った円周方向に途切れていない材料は、歯部分２５の磁束を封鎖する裏当鉄部２３として機能する。好適な実施形態では、成形性と機械的な完全性のために、歯の最も狭い部分は０．１インチ（２．５ｍｍ）以上である。スロット２４には、所与の電気装置設計に合わせて事前に選択された巻線配列に従って、導電性ステータ巻線２２が巻かれる。
ステータコイル巻線及び積層技法
特に、本発明の或る態様では、電気装置のステータ巻線コイルの充填率を高めるステータコイル巻線及び積層技法が提供されている。本発明の積層コイル構成は、半径方向エアギャップ型装置にも適用可能であるが、この構成は、軸方向にテーパが付いていない歯部分の上に滑り込ませることができるモジュール式のコイルを使用して、軸方向エアギャップ型機械のステータを製作するのに容易に適用することができる。好適な実施形態では、本発明の技法は、位相当たり極当たりスロット（ＳＰＰ）比が０．５で、通常はステータ歯当たりコイルが１つしかない、極数の多い軸方向エアギャップ型電気装置に適用されている。しかしながら、本発明の方法は、ＳＰＰの値が０．５以外の巻線配列の軸方向エアギャップ型電気装置にも適用可能である。
【００２４】
３相軸方向エアギャップ型機械の従来の巻線構成について、スロット数の少ない装置の場合を図５に、スロット数の多い装置の場合を図６に示している。ステータの円周周りに連続する歯には、ステータ位相巻線がＡ−Ｂ−Ｃ−Ａ−Ｂ−Ｃ・・・の順序で巻かれており、これらアルファベット文字は３つの電気的位相を表わしている。図５は、単一のステータ巻線コイル、例えば２４ａと２４ｂが、ステータの各歯に装着され、コイルが、代表的にステータ歯の軸方向長さの大部分を覆っている巻線配列を示している。図５と図６に示すように、ステータコイル２４ａと２４ｂは、ステータスロット内で並行配置されている。隣接するステータ歯４０ａと４０ｂのステータコイル２４ａと２４ｂは、それぞれ、各自が、十分な絶縁のための許容差を設定した後で利用できる、スロット幅の約１／２分を、そして実質的に全スロット深さを、占めているのが普通である。しかしながら、実際に利用可能な空間は、コイルを挿入又は巻回するために現実的に必要とされる隙間によって更に狭くなる。図５は、ステータを円周方向に取り巻く材料の処理進行順序が以下の様である場合を示している。
【００２５】
１．第１ステータ歯４０ａ；
２．絶縁部４２；
３．第１コイル巻線２４ａ（第１ステータ歯４０ａを巻回）；
４．絶縁部４２；
５．第２コイル巻線２４ｂ（第２ステータ歯４０ｂを巻回）；
６．絶縁部４２；及び
７．第２ステータ歯４０ｂ
図６の構造でも同じ順序であることが分る。どちらの場合も、ステータの円周周りに上記パターンが繰り返される。積層式コイル構成は、従来は例えばニードル巻線によって正確に重ね合わせて積層された有孔貼り合わせ層で形成されている半径方向エアギャップ型装置用のステータに巻かれている。
【００２６】
ステータのスロットの幾何学的面積の内、巻線に割かれていない部分は、普通は、はめ込み、ニス塗布、絶縁などに使われ、無駄面積であると考えられている。総面積と無駄面積の差が有用面積と呼ばれる。４ｍｍ幅のスロット５４個を有し、ＳＰＰ比が０．５である或る電気装置の場合、導電性巻線に割り当てられた有用空間の変動の割合は、従来のステータコイル巻線及び積層技法を採用した場合で、機械が最高実用出力密度（即ち、単位容積当たりの出力、通常は単位Ｗ／ｃｍ３で表される）に関して最適化されている場合、約３５％±１０％である。上記の割合値は、一定の基本周波数と一定のアンペア回数がステータ各歯に印加されると仮定した場合に与えられる値である。同じ仮定条件下で同じ計算を使用すると、差の割合約５０％±１０％で、活動物質の単位質量当たりのトルクが最適化することが見出される。
【００２７】
スロット充填率は、従来のスロット巻線／充填配列で巻かれた極数の少ない電気装置の場合には、利用可能容積の約６５％にも達する。低損失材料を電気装置に導入することにより、極数が多くスロット数の多い高周波数電気装置をＳＰＰ＝０．５で設計することができるようになる。しかしながら、絶縁層４２の最小厚さは、電気装置の作動電圧で決まり、結果的に比較的一定である。
【００２８】
例えば、図５−６に示すスロット絶縁部を使用するのは、電気機械技術において実際に確立されている。ステータ巻線は、通常は絶縁ワイヤで作られているが、特にステータ巻線コイルを巻回又は配置する際に、ステータと接触して巻線に擦り傷や打ち傷ができるのを防ぐため、普通は、クラフト紙又は誘電性重合体フィルムのような追加的絶縁材が、ステータスロットの底部と側部に配置されている。位相間絶縁も従来から行われている。破損箇所における誘電障害は、結果的に、巻線に過熱点が発生し、又は巻線の過加と断線に繋がる。極端な場合には、障害により衝撃又は火災事故が発生する虞がある。
【００２９】
実際には、高周波数機械は、高電圧で作動する頻度が高く、絶縁部４２を更に厚くする必要がある。高電圧は、特に高周波数では、絶縁材の構成原子をイオン化して絶縁材を導電性の高いものにしてしまうと考えられる強い磁場が存在する下で、絶縁材を壊滅的に破壊するコロナ効果をしばしば発生させる。従って、高周波装置には余分な絶縁が必要になり、巻線に利用できるスロット幅は更に制限されることになる。例えば図６に示す従来のコイル配置及び技法を使用した場合、スロット面積の約４６％もが利用できなくなる。
【００３０】
スロット数の多い軸方向エアギャップ型電気装置のステータ巻線コイル充填率は、本発明のステータコイル巻線及び積層技法を使用することにより大幅に向上する。図７に示す本発明の実施形態では、ステータスロット充填率は、４ｍｍ幅のスロット５４個を備えた４００−ｒｐｍ電気装置の場合で、５９％を超える。スロット充填率は、従来の充填配列を同じ幾何学的スロット容積に使用した場合には、４６％にしかならない。スロット充填率を５９％超に高めた電気装置は、性能の利得が２８％にもなり、工業的に有用である。見込めるスロット充填率の上昇により、巻線抵抗、従って抵抗損を小さくするために使用できる導体面積が広くなる。更に、導体面積が広くなると、モーター構成を変えること無く、有効電流密度を上げることができる。高電流が得られると、今度は、所与の設計を機械出力とトルクを更に高めて作動させることができるようになる。
【００３１】
本発明に従って作られる電気機械は、積層式巻線を採用している。「積層式巻線」とは、複数のステータ位相巻線が歯の根元から歯の表面に近い高さまで伸びるよう順に重ねて配置された巻線構成である。隣接する巻線コイルの間には、位相間絶縁を設けるのが望ましい。巻線は、１つ又は複数のステータ歯部分を巻回する。ここで用いる「歯の根元」という用語は、歯スロットの底の歯と裏当鉄の当接している箇所を指す。本発明の機械には、各スロットに３つ又はそれ以上の積層式巻線を設けた構成を採用しているが、積層式コイルの利点は、通常は、たった２つの積層式巻線で得ることができる。
【００３２】
例えば、図７は、３相軸方向エアギャップ型機械のステータ２０にとって好適な構成を示している。図７に示すように、ステータスロットは、図５−６の従来の配置に見られる水平方向ではなく、図示のように垂直方向に分割されている。ステータの各スロットは、２つの巻線、即ち、上側コイル５０と下側コイル５２を含んでいる。各コイルは、利用可能なスロット幅の実質的に全幅を占めているが、利用可能なスロット深さの約半分しか占めていない。ステータコイル巻線構成に関してここに使用する場合、「下側」と「上側」は、それぞれ、歯の根元で始まるステータ巻線の位置、及びスロットの中ほどの位置で始まり裏当鉄の遠位側の歯の自由端付近まで延びているステータ巻線の位置をいう。図７に詳しく示すように、各コイル５０と５２は、隣接するステータの歯４０と４４に巻きつけられ、積み重ねられている。３相システムの各位相は、複数の上側コイル５０と下側コイル５２を含んでいる。ステータコイルは、上下順序を交互に入れ替えて積み重ねられている。図７に示す実施形態では、巻線は、（Ａ：下側−Ｂ：上側）（Ｃ：下側−Ｂ：上側）（Ｃ：下側−Ａ：上側）（Ｂ：下側−Ａ：上側）（Ｂ：下側−Ｃ：上側）（Ａ：下側−Ｃ：上側）（Ａ：下側−Ｂ：上側）（Ａ：下側−Ｂ：上側）・・・のパターンで配置されており、ここに、文字Ａ、Ｂ、Ｃは、３つの電気的位相を表わし、代表的な用語（Ａ：下側−Ｂ：上側）は、下側コイルがＡ位相に接続され上側コイルがＢ位相に接続されたスロットを示している。図７の矢印は、各歯のそれぞれの側の巻回を接続する終わりの巻回を電流が流れる方向を表わしている。他の順序も可能である。例えば、図８は、順序（Ａ：下側−Ｃ：上側）（Ａ：下側−Ａ：上側）（Ｂ：下側−Ａ：上側）（Ｂ：下側−Ｂ：上側）（Ｃ：下側−Ｂ：上側）（Ｃ：下側−Ｃ：上側）（Ａ：下側−Ｃ：上側）・・・を有する構造を示している。この場合も、矢印は、終わりの巻回を電流が流れる方向を表わしている。ステータコイルとステータの歯の間には、絶縁又は誘電材料の層が２つの異なる向きに差し込まれている。従来の向きの絶縁層４２は、スロットの側壁と底部を覆っており、一方、位相間絶縁層４８は、従来の向きに対して垂直方向に向いており、従ってスロットの底部と実質的に平行である。このように構成することにより、ステータコイル巻線のスロット充填率を高めることができる。本発明の技法を実施した結果、装置設計者は、ステータスロット充填率を高めることにより出力又は効率の向上を実現することができる。３層以外の多相装置にも、同様の各種ステータ構成が使用可能である。例えば、４相装置に可能な１つの順序を図９に示しており、これは（Ａ：下側−Ｄ：上側）（Ａ：下側−Ａ：上側）（Ｂ：下側−Ａ：上側）（Ｂ：下側−Ｂ：上側）（Ｃ：下側−Ｂ：上側）（Ｃ：下側−Ｃ：上側）（Ｄ：下側−Ｃ：上側）（Ｄ：下側−Ｄ：上側）（Ａ：下側−Ｄ：上側）・・・で表され、最後の巻回の電流は矢印で示す方向に流れている。
【００３３】
本発明の構成によって減少する絶縁部の体積は、一部には、単純な幾何学上の考察に依るものである。図６の従来技術による装置と図７に示す本発明の機械との絶縁部の配置を比較すると、両方の構成ともスロット壁と底部とに実質的に同じ絶縁部が必要であるが、隣接する位相巻線の中間の絶縁部が異なっている。図６の構成では、中間の絶縁部は、垂直で、“ｓ”を公称絶縁厚として凡そＴ・（Ｄ−ｄ）・ｓで与えられる体積を有している。他方、図７に示す水平方向の中間絶縁部は、凡その体積がｗ・（Ｄ−ｄ）・ｓである。歯の高さＴは、好適な設計ではスロット幅ｗの概ね２倍以上であるので、位相間絶縁部の体積は本発明の構成によって半分になる。
【００３４】
しかしながら、製造を考察することは、本発明の積層式コイル構成によって実現可能になるスロット利用率の改善に、追加の、そして一般には一層大きな役割を果たす。モーター製造においてスロット絶縁に一般に使用されているクラフト紙は、厚さが６ミル（０．１５ｍｍ）である。しかしながら、図６の装置に使用する並列型コイルを使った巻回操作に十分な隙間を提供するには、３０ミル（０．７５ｍｍ）程度の横方向の空間を追加する必要がある。その量は、現実に利用可能な面積に相当な影響を及ぼし、特にスロット数の多い設計に通常見られる狭いスロットの場合にはそうである。追加の隙間は実際の位相巻回時にしか必要ではないが、普通、その隙間をその後再利用することはできない。対照的に、本発明の積層式コイルでは、この余分な空間を設ける必要はない。また、下側コイルを巻いた後、絶縁部に関係する残余空間は、多くの場合、上側コイルを巻く前に、圧縮によって実質的に取り除かれる。
【００３５】
普通は、ステータ巻線には、Ｃｕ又はＡｌワイヤのような安価で導電性の高いワイヤが好ましいが、他の金属及び合金並びに超伝導体を含む材料及び形態を使用してもよい。ワイヤは、どのような断面形状であってもよいが、丸形及び方形が最も一般的である。ある種の高周波数用途では、標準的なワイヤ又はリッツワイヤが好都合である。好適な巻線配列は、歯２５につき１つのコイルを必要とする。各コイルは、普通は、導電ワイヤを多数巻回して構成されている。しかしながら、当技術で既知のどの様な巻線配設も適用可能である。巻線は、歯の回りの所定の位置で形成してもよいし、アッセンブリとして別個に用意して、歯の端部から滑り込ませてもよい。
【００３６】
ステータアッセンブリ２０並びにステータ巻線は、ステータキャリア（図示せず）に載置される。ステータアッセンブリは、ステータ磁性材料に過度の応力を誘発しないような適当な有機誘電体を使用してステータキャリア内にはめ込まれるのが望ましい。ステータキャリアは非磁性体であるのが望ましいが、ステータキャリア材料の導電性には何ら制限は無い。ステータキャリア材料の選定に影響する要素には、必要な機械的強度と熱特性が含まれる。ステータアッセンブリを正しく支持することができる適当な材料であれば、どの様な材料をステータキャリアとして使用してもよい。或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で形成されている。
ステータ上側コイルと下側コイルのインダクタンス
コイルの理想的なインダクタンス“Ｌ”は、以下のように計算され、
【００３７】
[数１]
Ｌ＝Ｎ２・Ｐ
ここに、
Ｌ＝コイルの自己インダクタンス
Ｎ＝コイルあたりの巻回数
Ｐ＝磁気回路パーミアンス
であり、パーミアンス“Ｐ”は、以下のように定義され、
【００３８】
[数２]
Ｐ＝μ０・μｒ・Ａ／ｌ
ここに、
μｒ＝磁気回路の相対透磁率
μ０＝空気の透磁率
Ａ＝磁気回路の断面
ｌ＝磁気回路の経路長
である。
【００３９】
数式２は、最も簡単なコイルの幾何学形状以外では正確に算出するのが非常に困難である。Ｎは、本発明の上側コイルと下側コイルの両方で同じに保つことができるが、装置の設計者は、Ａ、ｌ、及びμｒについては概算を行わねばならず、これらは、開磁気回路に対して、特に複雑な幾何学形状を有する回路に対して、固有に特定されたものではない。
【００４０】
本発明の各ステータコイル巻線は、関係付けられた幾何学形状依存性インダクタンスを有している。具体的には、数式（２）を定性的に考察すれば、周縁磁束パターンの差が上側コイルと下側コイルのインダクタンスに差を生じさせることが分る。
【００４１】
上側コイルについては、有効コイル磁束面積Ａは、歯の長さに対応するステータ鉄心面積を含んでいる。裏当鉄部に向かって、コイル磁束面積は、裏当鉄部断面積となり、次いでそれぞれの鉄心面積を備えた第２の歯に至り、最後はエアギャップの概算面積になる。回路の長さｌは、図１０に示すように、概算的には、鉄心長と、裏当鉄を通り２方向に到る歯から歯までの距離と、隣接する歯の長さと、空中の磁束の凡その長さの合計である。図１１に示すように他の磁束経路もあり、これは、ステータ鉄心を通って更に遠くへ遠くへと伸びているが、それらのインダクタンスの算出に与える影響は殆ど無い。エアギャップのμｒの値は、自由空間での値、すなわち１．０として概算してもよい。実際の軟磁性材料は、どれも、少なくとも１０３のμｒを有しており、実質的にはしばしばこれよりも大きい値なので、パーミアンスはエアギャップにより決まる。故に、実際の計算では、空中の磁気経路のみを勘定に入れればよい。その結果、上側コイルについては、数式２は以下のように近似される。
【００４２】
[数３]
Ｌ＝μ０・Ｎ２・Ａ／ｌ
下側コイルについては、エアギャップの有効面積は、１．０よりもはるかに大きい係数ｆで増加する。これは、図１２に示すように、総磁束のうちのスロット幅を横断する部分の性質による。同様の理由から、エアギャップの有効長は、１．０より小さな係数ｇにより短縮される。その結果、下側コイルに対する数式２は以下の式により近似される。
【００４３】
[数４]
Ｌ＝μ０・Ｎ２・（Ａ・ｆ）／（ｌ・ｇ）
この結果、下側コイルは普通であれば上側コイルよりもかなり高いインダクタンスを有する。
【００４４】
交流電流が流れている回路のインダクタンスはリアクタンスを発生させ、リアクタンスは、抵抗と結びついてインピーダンスを作り出す。電流は、平行に巻かれたコイルを有するあらゆる電気装置において、コイル間のインピーダンスに何らかの差が存在する場合、位相内を「循環的に」流れる。これら「循環電流」は装置の性能に有害な影響を及ぼす。循環電流は、装置の出力には役に立たず、出力を損じ、同時に機械に抵抗損を追加する。
【００４５】
或る態様では、本発明は、循環電流の問題に対する解を提供しており、上側コイルと下側コイルの相対巻回数Ｎが変更されている。コイルにとって望ましいＮ値は、上側コイルと下側コイルのインダクタンスが等しくなるように設定することにより、算術的に求めることができる。しかしながら、コイル当たりの巻回数を変更すると、上及び下側コイルの相対抵抗と、上又は下側コイル当たりの逆ＥＭＦ（逆起電力）定数の双方が変わってしまう。全体的なインピーダンスが関心の対象であることから、抵抗の差も循環電流を発生させる可能性がある。抵抗の差は、異なるワイヤサイズを使用することにより補償される。逆ＥＭＦ定数の差も循環電流の一因となりうるが、これはワイヤサイズの変更で補正されるものではない。
【００４６】
本発明の或る好適な実施形態では、循環電流の問題は、代わりに、各上側コイルを対応する下側コイルに対して直列配線することにより解消される。下側コイルと上側コイルを１対１に合わせて直列配線することにより、望ましくない循環電流を実質的に低減又は排除することができる。直列接続だけでも十分効果を発揮するが、ワイヤサイズと巻回数の上記調整も、補助的に活用することができる。
低損失ステータ材料
本発明の電気機械の好適な実施形態に、非結晶、ナノ結晶、又は最適化されたＦｅ系合金、又は粒子指向性又は非粒子指向性Ｆｅ系材料を組み込むことにより、従来の機械であれば許容できないほどの大幅増になったはずの鉄損の増加を比較的小幅に抑えたままで、機械の整流周波数を４００Ｈｚ以上に上げることができるようになる。従って、ステータ鉄心に低損失材料を使用することにより、出力密度を高め効率を向上させることができる高周波で極数の多い電気装置を開発することができるようになる。更に、ステータ鉄損が低下することによっても、従来設計の機械では熱的制限により頻繁に必要とされたトルクと出力を下げることを必要とせずに、従来の基本速度を裕に超える速度でモーターを運転することができるようになる。ステータアッセンブリは、非結晶、ナノ結晶、又は最適化されたＦｅ系合金から成る群より選択された少なくとも１つの材料から構成された貼り合せ層を備えているのが望ましい。
非結晶金属
非結晶金属は、本発明のモーターで使用するのに適した多種多様な組成物として存在する。金属ガラスは、通常、必要な組成の合金溶解物を、例えば少なくとも約１０６℃／ｓの冷却速度で急冷して作られる。金属ガラスは、長い原子配列を持たず、Ｘ線回折パターンは無機酸化物ガラスに見られるものと同様の拡散ハローしか示さない。適した磁気特性を有する多くの組成物が、Chen他への米国特許第ＲＥ３２，９２５号に記載されている。非結晶金属は、通常、長さを延ばした幅が２０ｃｍ以上の薄いリボン（例えば、厚さ約５０μｍ）の形態として供給される。長さ不定の金属ガラス条片の形成に有用な方法が、Narashimhanへの米国特許第４，１４２，５７１号に開示されている。本発明で使用するのに適した代表的な非結晶金属材料は、幅が約２０ｃｍまで厚さが２０〜２５μｍまでの長さ不定のリボンの形態で、サウスカロライナ州コンウェイのMetglas, Inc.,から販売されている、ＭＥＴＧＬＡＳ２６０５ＳＡＩである（http://www.metglas.com/products/page5_1_2_4.htm参照）。必要な特性を備えた他の非結晶材料も使用することができる。
【００４７】
非結晶金属は、磁性器具の製造と使用の際に考慮せねばならない数々の特性を有している。大方の軟磁性材料とは異なり、非結晶金属（金属ガラスとしても知られている）は硬くて脆く、その軟磁性特性を最適化するために通常用いられる熱処理の後では特にそうである。その結果、モーター用の従来の軟磁性材料を加工するために普通使用されている機械加工の多くは、非結晶金属に対して実施することが難しいか又は不可能である。製作されたままの材料に、スタンプ加工、パンチ加工又は切断加工を施すと、普通は許容できない工具摩耗が生じ、脆性の熱処理後の材料にそのような加工をは施すのは、事実上不可能である。従来の鋼ではしばしば行われる従来のドリル加工及び溶接も、普通は不可能である。
【００４８】
また、非結晶金属では、従来のＳｉ−Ｆｅ合金よりも飽和磁束密度（又は誘導性）が低い。磁束密度が下がると、従来の方法に従って設計されたモーターでは、普通は出力密度が低下することになる。非結晶金属は、熱伝導率もＳｉ−Ｆｅ合金より低い。熱伝導率は、材料内を温かい場所から冷たい場所まで熱をどれほど容易に伝導できるかを評価するものであり、熱伝導率の値が低い場合は、磁性材料の鉄損、巻線の抵抗損失、摩擦、風損、及び他の損失源により発生する廃熱の適切な除去を保証するために、モーター設計には慎重さが要求される。廃熱が適切に除去されないと、今度は、モーターの温度が許容できないほど上昇してしまう。温度が高くなり過ぎると、電気絶縁部又は他のモーター構成要素に早期故障が発生する可能性が高くなる。場合によっては、過剰高温は、衝撃を発生させ、又は壊滅的な火災を誘引し、又は健康と安全を脅かすその他の深刻な危険をもたらす虞がある。また、非結晶金属は、ある種の従来材料よりも磁気歪の係数が高い。磁気歪の係数が低い材料は、磁場の影響下での寸法変化の幅が小さいので、機械から聞き取れるノイズは小さくなると共に、機械の製造と運転中に誘発される応力の結果として、材料は磁気特性の劣化を更に深刻に被る傾向にある。
【００４９】
上記課題にもかかわらず、本発明の或る態様は、進歩した軟磁性材料を組み込み、例えば約４００Ｈｚより高い整流周波数のような高い周波数励磁でモーターを運転できるようにすることに成功したモーターを提供している。このモーターを製作するための製造技法も提供されている。進歩した材料、特に非結晶金属を使用して構成した結果として、本発明は、極数を多くして（整流周波数が４００Ｈｚより高い周波数と定義される）高周波数で作動するモーターの提供に成功した。非結晶金属では、高周波数でのヒステリシスロスが更に小さく、その結果、鉄損が更に小さくなる。Ｓｉ−Ｆｅ合金に比較すると、非結晶金属は、電気伝導性がかなり低く、通常は、普通に使用されているＳｉ−Ｆｅ合金ではしばしば厚さが２００μｍ以上であるのに比べると、かなり薄い。上記両特性は、渦電流鉄損の低下を促す。本発明は、進歩した材料を使用しようというというこれまでの試みが直面した課題を回避しつつ、低鉄損のような非結晶金属の有利な性質を活用することができる構成を使用して、上記好ましい属性の１つ又はそれ以上からの利点を享受し、それによって高周波数で効率的に作動するモーターを提供することに成功した。
ナノ結晶金属
ナノ結晶材料は、平均粒子径が約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としては、従来の粗粒子金属に比較して、一般的に強度と硬度が高く、拡散率が強化され、延性と靭性が向上し、密度が小さく、モジュールが小さく、電気抵抗が高く、比熱が高く、熱膨張率が高く、熱伝導率が低く、軟磁性特性に優れている点が挙げられる。ナノ結晶金属は、一般に、殆どのＦｅ系非結晶金属よりも飽和誘導性が幾分高い。
【００５０】
ナノ結晶金属は、数々の技法で形成することができる。或る好適な方法は、最初に、必要な組成物を、これまでに教示した技法を使用して不定長の金属ガラスリボンに鋳造する段階と、このリボンを、巻回形状のような所望の形状に形成する段階と、を含んでいる。その後、最初に、非結晶材料に熱処理を施して、材料内にナノ結晶微細構造を形成する。この微細構造は、平均粒子径が約１００ｎｍ未満、望ましくは約５０ｎｍ未満、更に望ましくは約１０〜２０ｎｍという粒子が高密度に存在していることにより特徴付けられる。粒子は鉄系合金の体積の少なくとも５０％を占めるのが望ましい。それら好適な材料は、鉄損が低く、磁気歪が小さい。後者の特性は、材料に、当該構成要素を備えている装置の製作及び／又は運転に起因する応力による磁気特性の劣化が起きにくくする。所与の合金にナノ結晶構造を作り出すために必要な熱処理は、実質的に完全なガラス状の微細構造をそこに維持するために設計された熱処理に必要となるよりも、更に高い温度で又は更に長い時間に亘って実施されねばならない。ナノ結晶金属は、鉄系材料であるのが望ましい。しかしながら、ナノ結晶金属は、コバルト又はニッケルのような他の強磁性体材料を基材とし、又は含んでもよい。本発明の装置の磁性要素を形成する際に使用するのに適した代表的ナノ結晶合金は、例えば、ヨシザワへの米国特許第４，８８１，９８９号、及びスズキ他への米国特許第５，９３５，３４７号に記載の合金が知られている。このような材料は、日立金属、Vacuumschmelze GmbH、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代表的なナノ結晶金属は、日立のＦｉｎｅｍｅｔ  ＦＴ−３Ｍである。低損失特性を備えた他の代表的なナノ結晶金属としては、VacuumschmelzeのＶｉｔｒｏｐｅｒｍ５００Ｚがある。
最適化されたＦｅ系合金
本発明の機械は、最適化された低損失Ｆｅ系結晶合金材料で作ることもできる。このような材料は、厚さが約１２５μｍより薄い条片の形態を有しており、これは、モーターで従来的に使用されている、厚さ２００μｍ以上、時として４００μｍ以上にもなる鋼よりもかなり薄いものである。粒子指向性と非粒子指向性、両方の種類の材料を使用することができる。ここで用いる場合、指向性材料とは、構成要素である結晶粒子の基本的な結晶軸がランダムに向いているのではなく、大勢が１つ又はそれ以上の好適な方向に沿って相関付けられている材料である。上記微細構造の結果として、指向性条片材料は、異なる方向に沿う励磁に対して異なる反応を示すが、他方、非指向性材料は、等方性反応、即ち、条片の平面内の何れの方向に沿う励起に対しても実質的に同じ反応を示す。粒子指向性材料は、その容易な磁化方向を磁束の優勢な方向に実質的に一致させた状態で、本発明のモーターに配置されるていのが望ましい。
【００５１】
ここで用いる場合、従来のＳｉ−Ｆｅとは、シリコン含有量が約３．５重量％以下であるシリコン−鉄合金をいう。シリコンの３．５重量％という制限は、シリコン含有量がこれより高いＳｉ−Ｆｅ合金では金属加工術材料特性が劣るために、産業界が課した制限である。約４００Ｈｚより高い周波数の磁場で動作させることに起因する従来のＳｉ−Ｆｅ合金等級の鉄損は、低損失材料の鉄損よりも実質的に大きい。例えば、場合によっては、従来のＳｉ−Ｆｅの損失は、本発明の機械の周波数及び磁束レベル条件で作動している機械に見られる周波数及び磁束レベルにおける適した非結晶金属の損失の１０倍になることもある。その結果、多くの実施形態では、高周波数運転下の従来材料は、従来の機械では許容可能な如何なる手段でも冷却し得ない温度にまで加熱されてしまう。しかしながら、ここで最適化されたＳｉ−Ｆｅと呼んでいる或る等級のシリコン−鉄合金は、高周波数機械の製造にそのまま適用することができる。
【００５２】
本発明の実施に役立つ最適化されたＦｅ系合金には、シリコン含有量が３．５重量％よりも多い、更に望ましくは４％よりも多い、シリコン−鉄合金等級が含まれる。本発明による機械の製造に使用される非粒子指向性Ｆｅ系材料は、基本的には、約４〜７．５重量％の範囲のＳｉを含有したＦｅとＳｉの合金から成るのが望ましい。それら好適な合金は、従来のＳｉ−Ｆｅ合金よりも多くのＳｉを有している。センダストのようなＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金も有用である。
【００５３】
更に好適な非指向性最適化合金は、基本的にはＦｅと約６．５±１重量％のＳｉとから成る組成物を有している。最適には、約６．５％のＳｉを有する合金であれば、ゼロに近い飽和磁気歪値を示すので、当該材料を含んでいる装置の製造又は運転時に遭遇する応力による有害な磁気特性の劣化を被る可能性が低くなる。
【００５４】
最適化の目的は、磁気歪の低減、特に鉄損の低下、を含めて、磁気特性が改善された合金を得ることである。それら有益な品質は、適した製作方法で作られたシリコン含有量の多い或る種の合金で得ることができる。場合によっては、それら最適化されたＳｉ−Ｆｅ合金等級は、非結晶金属のと同様な鉄損と磁気飽和によって特徴付けられる。しかしながら、約４重量％よりも多量のＳｉを含有する合金は、短距離配列による脆性のせいで、従来の手段では製造が難しい。具体的には、従来のＳｉ−Ｆｅを作る場合に使用される従来の圧延技法では、一般には、最適化されたＳｉ−Ｆｅを作ることができない。しかしながら、他の既知の技法を使用して最適化されたＳｉ−Ｆｅを作ることができる。
【００５５】
例えば、Ｆｅ−６．５Ｓｉ合金の或る適した形態が、５０及び１００μｍの厚さの磁性条片として、日本、東京のＪＦＥ製鉄から供給されている（http://www.jfe-steel.co.jp/en/products/electrical/supercore/index.html参照）。Das他への米国特許第４，８６５，６５７号、及びツヤ他への米国特許第４，２６５，６８２号に開示されている急速凝固処理で製造されたＦｅ−６．５％Ｓｉも使用することができる。急速凝固処理は、センダスト及び関連のＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金を調製する場合の処理としても知られている。
好適な軟磁性材料の損失挙動
本発明のステータにとって好適な材料における損失の改善には、ヒステリシスロスを大幅に低減できたことが大きく貢献している。当技術では既知のように、ヒステリシスロスは、全ての軟磁性材料の磁化の際の磁壁運動妨害に起因する。このような損失は、従来の粒子指向性Ｓｉ−Ｆｅ合金及び非指向性モーター及び電気鋼のような従来から使用されている磁性材料では、本発明の機械に好適に採用されている改良された材料の場合よりも概ね大きくなる。損失が大きいことは、鉄心の過熱の原因となる。
【００５６】
より具体的には、軟磁性材料の鉄損は、一般的には次の修正されたシュタインメッツ方程式で表わされる。
【００５７】
[数５]
Ｌ＝ａ・ｆ・Ｂｂ＋ｃ・ｆｄ・Ｂｅ
ここに、
ＬはＷ／ｋｇで表示される損失、
ｆはｋＨｚで表示される周波数、
Ｂはピークテスラにおける磁束密度、
ａ、ｂ、ｃ、及びｄ、並びにｅは、どれも、固有の軟磁性材料に特定の経験的損失定数である。
【００５８】
上記各損失定数ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅは、一般的には所与の軟磁性材料の製造者から得ることができる。本発明のステータ構造に使用するのに特に好適な低鉄損材料は、鉄損が“Ｌ”より小さいことを特徴とし、ここにＬは、数式５によりＬ＝１２・ｆ・Ｂ１．５＋３０・ｆ２．３・Ｂ２．３として与えられる。
ロータ構造
本発明の別の態様では、ロータ構造をステータ本体に隣接させて同軸に配した、軸方向エアギャップ型ブラシレス永久磁石電気装置が提供されている。図３Ａと図３Ｂは、それぞれ、本発明の機械に適した軸ロータ３０の上面図と側面図を示している。図３Ａは、ロータの周りに極性が交互するように配した複数の磁石３２を示している。磁石は、交互する極性を有しており、ロータの円周方向に略一定の間隔で固定されている。寸法、位置、角度、スキュー、形状など、ロータ磁石の各パラメータは、所望の性能を実現させるように選択される。図３Ｂは、図３Ａの線Ａに沿うロータの側面図である。
【００５９】
代わりに、永久磁石ロータアッセンブリは、回転させる磁石をステータの歯の面に近接して固定できるのであればどの様な形態を採ってもよい。例えば、ロータ磁石３２は、ロータキャリア内に装着してもよいし、ロータキャリアに取り付けてもよい。ロータアッセンブリは、どの様な数のロータ磁石３２を含んでいてもよい。実施例の中には、ロータ磁石がロータの厚さを貫いて伸張しているものもあれば、そうでないものもある。
【００６０】
磁石は、交互する磁石同士の間に、円周方向の隙間が殆ど又は一切無いように配置することもできる。磁石同士の間隔は、トルク変動の発生を最小にする最適値を有するように選択される。最適な間隔は、先ず、ステータの低損失金属の面積をステータスロットの数で割って各金属鉄心歯の面積を求めることにより導き出される。次いで、各磁石の総面積が鉄心歯の面積の１７５±２０％になるように磁石同士の最適間隔を定める。
【００６１】
図４は、両ステータ２０として機能する２つのステータを、１つのロータの両側にロータと同軸に軸方向型の配置で設けた電気装置の或る実施形態の側面図を示している。ある特定の実施形態では、１つのローターの各側に非結晶金属のステータ配した電気装置は、高い出力密度を呈することが分かっている。このような構成では、ロータと各ステータの間の引力が互いに逆向きで、実質的に相殺されるので、ロータに働く軸方向の推力が好都合に低減される。
【００６２】
ロータ磁石を永久磁石として説明してきたが、本発明の機械の別の実施形態では、他の種類の磁性材料又は電磁石を採用している。例えば、誘導機械は張り合わせた軟磁性材料を採用し、一方、切替式リラクタンス機械は中実の鉄のローターを有していてもよい。
ロータ材料
本発明のロータには、どのような種類の永久磁石を使用してもよい。サマリウム−コバルト磁石のような希土類−遷移金属合金系磁石、他のコバルト−希土類系磁石、又は希土類−遷移金属―メタロイド系磁石、例えばＮｄＦｅＢ系磁石、が特に適している。代わりに、ロータ磁石構造は、他にも、焼結による、プラスチック結合による、又はセラミック系の永久磁石材料を備えていてもよい。磁石は、最大ＢＨエネルギー産生が高く、保持力が高く、飽和磁化性が高く、線形第２象限正規消磁曲線を備えているのが望ましい。指向性の焼結希土類−遷移金属合金磁石を使えば、それらの高いエネルギー産生により磁束、従ってトルクが増すと共に、高価な永久磁石材料の量をできる限り少なくすることができるので、更に望ましい。
【００６３】
ロータ装置は、対向する両端部がそれぞれＮ極とＳ極を規定している、希土類−遷移金属系（例えば、ＳｍＣｏ）又は希土類−遷移金属−メタロイド系（例えば、ＮｄＦｅＢ及びＮｄＦｅＣｏＢ）磁石のような、高エネルギー産生永久磁石が、円周方向に間隔を空けて配置されたディスク又は軸方向型ロータアッセンブリを備えているのが望ましい。図３Ａと図３Ｂを見ればよく分かるように、ロータ３０とその磁石３２は、磁石の極が１つ又は複数のステータアッセンブリに隣接する所定の経路に沿ってアクセス可能となるように、例えば、シャフト３４又は何か他の適した装置により、モーター軸の周りを回転できるように支持されている。普通、シャフトは、回転機械では既知の何らかの適した種類の軸受けで支承されている。ロータ上の磁石面積には、外径と内径がある。或る好適な実施形態の軸方向エアギャップ型ロータでは、磁石３２の外径と内径は、ステータアッセンブリ２０の場合と略同一である。磁石３２の外径がステータの歯部分２１の外径より大きい場合、ロータの外側部分は、性能に余り寄与しない。ロータの外径がステータの歯部分２１の外径よりも小さい場合、電気装置の性能が低下する結果となる。どちらの場合にも、機械に存在している硬磁性又は軟磁性材料の一部は、費用と重量を増加させるだけで、性能を改善していない。場合によっては、余分な材料が機械の性能を損なう場合すらある。
位相当たり極当たりスロット比
電気機械の位相当たり極当たりスロット（ＳＰＰ）値は、ステータのスロット数をステータ巻線の位相の数とＤＣ極の数で割ることにより求められる（ＳＰＰ＝スロット数／位相数／極数）。本記述中、極とは、変化する磁界、即ち時間と位置の両方によって強さと方向が変動する磁界と相互作用する、時間経過に伴って変動しない磁界、ここではＤＣ磁界とも呼ばれている磁界を指す。好適な実施形態では、ロータに取り付けられた永久磁石はＤＣ磁界を提供し、従って或る数の時間経過に伴って変動しない磁極、つまりここでいうＤＣ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磁界を提供する。ステータ巻線の電磁石は変化する磁界を提供する。スロットとは、本発明の機械のステータの交互に配された歯と歯の間の間隔をいう。本発明の技法は、ＳＰＰ値がどんな値の電気装置にも適用可能である。本発明の機械の設計では、最適なＳＰＰ比を選択する際に、かなり柔軟に対応する余裕がある。
【００６４】
従来の機械は、許容可能な機能性とノイズレベルを得るため、並びに良好な巻線分散による円滑な出力を提供するために、ＳＰＰ比が１から３となるように設計されることが多い。しかしながら、ＳＰＰ値の低い、例えばＳＳＰが０．５の設計は、最後の巻回の効果を減じることを探求したものである。最後の巻回は、ステータコイルのワイヤのうち、スロット間の巻線を接続する部分である。このような接続が必要なのは無論のことであるが、最後の巻回は機械のトルクと動力の出力に寄与するわけではない。この観点では、それらが、必要となるワイヤの量を増し、機械に対しては抵抗損失の原因となり何の貢献もしないことから、好ましくないものである。従って、モーター設計者の１つの目的は、最後の巻回をできる限り少なくし、モーターのノイズとトルク変動を管理可能にすることである。他方、本発明のモーターの好適な実施形態では、ＳＰＰ比を下げると共に、ノイズ、トルク変動、及び出力電子機器脈動波を所望通りに下げられるようにしており、この点についてこれより更に詳しく説明する。上記オプションは、これまでの機械では、整流周波数を必要に応じて上げるには進歩した低損失ステータ材料の使用無しにはできないことから、実行が不可能であった。
【００６５】
用途によっては、ＳＰＰ値の小さなモーターを製作するのは、そのようなモーターが事前に形成されたコイルを１つのステータ歯の回りに配置するやり方を採用できるため、好都合である。本発明の機械の別の実施形態では、ＳＰＰ比は、０．２５、０．３３、又は０．５のような積分比である。例えば、図９の４相の実施形態では、ＳＳＰ＝０．３３である。ＳＳＰ値は、１．０又は１．０よりも大きくてもよい。ＳＳＰ値は、約０．２５から４．０の範囲にあるのが望ましい。しかしながら、本発明の機械の更に好適な実施形態は、ＳＰＰ比が１以下、更に望ましくは０．５以下で好都合に設計されている。複数のスロットを共通の磁気区間に配線して、ＳＰＰを０．５より大きくすることもできる。これは、ロータの極数よりも多くのステータスロットが存在し、分散巻になっている結果である。ＳＰＰの値が０．５以下であることは、分散巻がないことを表わしている。産業界の慣例は、ステータに分散巻を含めることである。普通、分散巻で設計された従来技術による機械は、極当たりのスロット数が多く、低周波数での運転になってしまう。その結果、ＳＳＰが０．５以下で低周波数で運転される従来の機械では、極の数は少なく、トルク変動は大きくて制御が難しくなる。他方、本発明の機械で進歩した磁性材料を使用すれば、整流周波数を上げることができるので、トルク変動をできる限り小さくすると共に、機械速度を落とすこと無く、低いＳＰＰ値を維持することができる。しかしながら、本発明の方法は、ＳＰＰ値が０．５未満（例えば、０．２５）の電気装置に適用可能であるが、必要な高整流周波数での高い機械リアクタンス、ロータ磁石からの幾らか増えた漏れ磁束、及び小型で数の多いロータ磁石を収容するのに必要な機械的支持体を含め、実用面を考慮すると、そのような構成がそれほど望ましくない場合もある。低ＳＰＰ値は、電気装置の他の重要なパラメータにとって、それ程好都合ではない場合もある。
【００６６】
他方では、ＳＰＰ値を上げると、機械の極ピッチを効果的に増すことになる。例えば、多数のステータスロットを共通の磁気区間に配線することができ、これは位相当たり極当たりスロット（ＳＰＰ）値が０．５より大きいことに相当する。
【００６７】
本発明の機械は、単位相装置、又は任意数の位相と、それに釣り合った数の巻線を各ステータに備えた多位相装置として、設計及び運転することを考えているが、産業界の慣例によれば、硬磁性及び軟磁性材料の双方を効率的に利用できると共に出力密度が良好なことから、３相巻線を備えた３相機械が好適である。ＳＳＰ比が０．５の実施形態は、３相用途に特に適している。例えば、ＳＳＰ＝０．５の３相機械では、ロータの極の数は、ステータのスロットの数の３分の２で、スロットの数は位相の数の倍数である。産業界の慣例によれば、機械は、普通は３相Ｙ字型構成に配線されるが、デルタ構成も採用することができる。本発明によって提供される或る好適な実施形態では、積層式コイルステータ巻線構成は、ＳＰＰ値が０．５という最適な値である電気装置に特に適用可能である。
低損失材料を使用した極数の多い高周波数設計
本発明の構造及び方法は、極数が少ないものから多いものまで広範囲に亘る電気装置に適用可能である。しかしながら、本発明の積層式スロット巻線構成の利点は、特に、ステータに低損失材料を使用することによって高周波数で運転する極数の多い電気装置を設計できるようにした実施形態において実現される。特定の実施形態では、本発明は、高い周波数、即ち約４００Ｈｚ以上の整流周波数で運転できる極数の多い軸方向エアギャップ型電気装置を提供している。場合によっては、装置は約５００Ｈｚから３ｋＨｚ以上の範囲の整流周波数で運転可能である。Ｓｉ−Ｆｅのような従来のステータ鉄心材料では、極数の多いことに伴う相応しい高周波数で運転することができないので、設計者は高速モーターについては極数の多い設計を普通は避けてきた。具体的には、Ｓｉ−Ｆｅを使った既知の装置は、材料内で磁束を変化させることに起因する鉄損のため、４００Ｈｚを大きく上回る磁気周波数で切り替えることはできない。この限界を超えてしまうと、鉄損によって、材料は、受容可能なあらゆる手段を駆使しても冷却できない温度まで加熱されてしまう。或る条件下では、Ｓｉ−Ｆｅ材料の加熱は、機械が何によっても冷却されず自爆してしまうほどに深刻である。しかしながら、適した非結晶、ナノ結晶、及び最適化されたＦｅ系金属の低損失特性は、従来のＳｉ−Ｆｅ材料で可能な切替速度よりもはるかに高い切替速度を可能にすることが判明している。或る好適な実施形態では、ＭＥＴＧＬＡＳ２６０５ＳＡＩ合金のような非結晶金属合金を選択すれば、高周波数運転での加熱によるシステムの限界を取り除くことができると共に、巻線構成及び全体的なモーター構成も、非結晶材料の有益な特性を更に上手く活用できるように改善される。
【００６８】
より高い励磁周波数を使用できる能力により、本発明の機械は、可能な極数の範囲を更に広げて設計できるようになる。本発明の装置の極数は、許容される機械寸法（物理的制約）及び期待される性能範囲に基づいて変更可能である。許容可能励磁周波数限界を条件として、極の数は、磁束漏損が好ましくない値に増加するまで又は性能が落ち始めるまで増やすことができる。
【００６９】
ステータスロットはロータ磁石と同数でなくてはならないので、ロータの極のには、ステータの構造による機械的な制約も課される。機械的制約と電磁的制約の２つが合わさって、ステータに形成することのできるスロットの数が制限される。これら影響は、一部には、機械のフレーム寸法の関数である。所与のステータフレームに対するスロット数について、銅と軟磁性材料の正しい釣り合いを提供する上限を定めるために、或る境界線が設定される。釣り合いの調製は、性能の優れた軸方向エアギャップ型機械を製造する際のパラメータとして使用される。本発明は、最適な場合、匹敵する物理的寸法を持つ現在の産業機械が通常有する極数の約４又は５倍の極数を有するモータを提供する。
【００７０】
一例として、６から８個の極を有し約８００ｒｐｍから３６０ｒｐｍの速度で運転される産業用の代表的なモーターの場合、整流周波数は約１００Ｈｚから４００Ｈｚである。整流周波数（ＣＦ、単位はＨｚ）は、回転速度に極の対の数を掛けたものであり、ここに、極の対は、極の数を２で割ったものであり、回転速度は秒当たり回転数の単位で表示される（ＣＦ＝ｒｐｍ／６０ｘ極数／ｓ）。また産業界では、１６個以上の極を備えた、但し速度は１０００ｒｐｍ未満の、即ち依然として４００Ｈｚより低い周波数に相当する装置が入手可能である。代わりに、比較的極数が少なく（例えば、６極未満）、速度は最大で３０，０００ｒｐｍまでで、これもやはり約４００Ｈｚ未満の整流周波数を有するモーターも入手可能である。代表的な実施形態では、本発明は、１０００Ｈｚで１２５０ｒｐｍ用の９６極、１０８０Ｈｚで３６００ｒｐｍ用の５４極、１００Ｈｚで３０，０００ｒｐｍ用の４極、及び１０００Ｈｚで６０，０００ｒｐｍ用の２極、を有する機械を提供する。本発明の高周波数機械は、従来の材料と設計で製作された既知の軸方向エアギャップ型モーターよりも４から５倍高い周波数で運転することができる。提供される機械は、同じ速度範囲で運転した場合、産業界で典型的なモーターよりも一般的に効率的で、結果的に速度オプションを拡大することができる。本発明の構成は、非常に広範囲な速度、出力及びトルク定格を有するモーターを、高エネルギー効率、高出力密度、組立の容易さ、及び高価な軟磁性及び硬磁性材料の効率的な使用を組み合わせたやり方で製作する場合に特に魅力的である。
熱特性と効率
従来のＳｉ−Ｆｅ合金を使用しているもの、及び改善された低損失軟磁性材料を使用しているものを含む全ての電気機械において、達成可能な装置出力効率を制限する特性の１つに、廃熱のエネルギー損失がある。この廃熱の発生源は多々あるが、支配的なものは、抵抗損失、巻線の表皮及び近接効果損失、磁石及び他のロータ構成要素内の渦電流によるロータ損失、及びステータ鉄心による鉄損である。従来の機械の「連続出力限界」は、許容できない温度上昇を防止するために廃熱を十分に消散させつつ機械を連続して運転できる最大速度によって決められる場合が多い。この連続出力限界は電流の関数である。
【００７１】
本発明の実施に最適に適用可能な高周波数且つ極数の多い電気装置では、非結晶、ナノ結晶、及び最適化されたＦｅ系金属合金の損失が従来のＳｉ−Ｆｅよりも低いので、発生する廃熱は少ない。設計者は、周波数、速度、及び出力を上げ、次いで、低鉄損対抵抗損失を正しく平衡させ「釣り合いをとる」ことにより、それら材料の低損失特性を活用することができる。全体的に見て、従来の機械と同じ出力の場合、本発明で最適に適用可能な高周波数で極数の多い電気装置は、より低い損失を、従ってより高いトルクと速度を呈するので、従来の機械よりも高い連続速度限界を達成することができる。
【００７２】
本発明の或る態様を実施する際に好適な機械の或る利点は、費用対効果を維持しながら装置の効率を最大化する能力である。従来のように、装置の効率性は、有効出力を入力で割ることにより定義される。本発明で最適に適用可能な高周波数で極数の多い電気装置類を極数の多い高整流周波数で同時に運転すると、結果的に低鉄損、高出力密度を有するより効率の高い装置が得られる。それらは産業界の標準的な高周波数限界である４００Ｈｚを上回っており、これまでは４００Ｈｚを超えるものは、仮にあったとしても実用に適するものは殆どなかった。
【００７３】
本発明に適用可能な好適な高周波数で極数の多い電気装置の性能と高い効率は、単に従来のＳｉ−Ｆｅを非結晶金属に置き換えただけの固有の特徴ではない。非結晶金属を使った多数の設計が提案されているが、性能上の不具合（過熱と低出力を含む）にぶつかっている。この不具合は、その大部分が、新しい材料（例えば、非結晶金属）と、従来の材料（３．５重量％のＳｉを含有するＳｉ−Ｆｅ）のために及びこれに適するように設計された様式の各種製造方法とを、単に用いたことが原因であると考えられる。早期の性能不具合と、非結晶金属をモーターに加工する際の認識されている費用とが相まって、産業界を研究努力の放棄に導いたのである。
【００７４】
現時点で好適な電気装置は、非結晶、ナノ結晶、又は最適化されたＦｅ系金属合金、又は粒子指向性又は非粒子指向性Ｆｅ系材料の有益な特性を活用した回転電気機械の設計によって、先行技術の性能上の不具合を解消している。また、様々な改良された材料の物理的及び機械的特性に対する適合性を備えた製造方法も提供されている。これらの設計及び方法は、極数が多く、効率が高く、出力密度が高く、４００Ｈｚを越える整流周波数で運転することを含む、様々な有用な性質の幾つか又は全てを有する機械を提供している。他の従来の方法は、時には、最大でもそれら４つの品質の１つ又は２つを備えたモーターを提供することができることもあったが、ここに提供している実施例は、それら４つの性質の幾つか、望ましくは全てを同時に呈する高周波で極数の多い電気装置である。０９４号出願で提供されているものを含め、機械は、低損失ステータ材料を使用することにより磁気損失を低減することができるが、本発明の機械は、損失を下げ且つ効率を上げる更に別の機構、即ち、改良された積層式コイル巻線構造の使用による機構を提供している。
【００７５】
効率が上がった結果、本発明で最適に適用可能な高周波数で極数の多い電気装置は、更に広い連続速度範囲を実現することもできる。従来のモーターには、高速範囲で低トルク（低出力）、又は低速度範囲で高トルク、の何れかしか提供できない点で限界があった。本発明で最適に適用可能な高周波数で極数の多い電気装置は、高速範囲で高トルクの電気装置を提供することに成功している。
電気装置冷却
ステータコイル巻線の冷却は、どんな電気装置設計でも課題になる。ここに示す原理に則って作られた機械は、従来技術による装置に比較すると、概ね効率を大幅に改善することができるが、要望が高い或る種の要件については、改良された冷却性から更に好都合である。多くの実際の機械では、巻線の抵抗加熱の散逸が、安定状態機械出力に対する主たる制約となっている。従来のモーターは、しばしばモーターシャフトの回転風によって循環する空気を使用する対流冷却を採用しているが、この装置での熱伝達は巻線及び他の構成要素の外表面にしか起こらない。
【００７６】
本発明に従ってステータ位相コイルを交互に積み重ねると、冷却手段をステータスロット内に配置して使用できるようになる。或る特定の実施形態では、装置の性能を深刻なほど落とすこと無く、そのような手段のための十分な空間が提供される。例えば、幾つか又は全てのステータスロット内の隣接する位相巻線の間のチャネルに熱伝導装置又は材料を配置してもよい。限定するわけではないが、米国特許第６，２５９，３４７号に記載の受動装置を含め、適していればどの様な熱伝導性媒体を使用してもよく、同特許の全内容を参考文献としてここに援用する。他の熱伝導性材料、ヒートパイプ等を使用してもよい。何らかの外部機構を用いて液体又は気体の冷却流体を循環させる能動システムも適している。図１３は、紙又は重合体フィルムのような層形態の絶縁部４８に代えて、積層式ステータコイル巻線の間に配置された電気的に絶縁された冷却流路５４を含んでいる、本発明の或る実施形態を示している。代わりの実施形態では、冷却用流路５４と１つ又は複数の絶縁層４８の両方が設けられている。更に別の実施形態では、冷却用流路は、単に壁の無い開放流路であり、破壊防止のために適切な絶縁耐力を備えた液体又は気体の冷却剤の使用が必要になっている。循環する冷却剤又は熱伝導媒体を含め、冷却手段を使用すれば、巻線内からの熱除去効果が大幅に改善する。
配線／巻線設計における柔軟性
本発明の機械の或る実施形態の更なる利点は、異なる配線構成を使用するという柔軟性である。従来のステータ設計では、上記のように１．０から３．０のＳＰＰ比を使用することに主眼を置いており、複数のスロットに巻線を分散することが必要なため、巻線設計の選定が制限される。分散巻では２つ又は３つの巻回オプションを持つことは困難になる。本発明では、ステータ鉄心（歯を含む）当たり通常コイルは１つしか設けないというＳＰＰ＝０．５設計を活用できるようになる。しかしながら、本発明はＳＰＰ＝０．５の他の配置を排除するわけではない。複数のコイルは、上側及び下側コイルの直列対の形成を維持しつつ、所与の用途に要求される電圧を提供するために、容易に修正及び再接続することができる。この様に、本発明の装置においてＳＰＰ比が０．５に近づいていることを前提とすると、ステータ巻線構成に関して相当な柔軟性がある。例えば、製造者は、各ステータ巻線をそれぞれ別々に巻いてもよいし、同一ステータ内に別個のステータ巻線を設けてもよい。これが可能になるのは、ＳＰＰが０．５に等しいシステムの利点の１つである。ＳＰＰ＝０．５を採用している産業システムもたまにはあったが、広く普及していたわけではなく、ごく限られた用途においてしか成功していない。本発明は、巻線設計に柔軟性を与えることができる、ＳＰＰが０．５に等しいシステムを成功裏に提供している。
【００７７】
この様に、所与のハードウェア構成が、ステータコイル又はそれらの相互接続を変更するだけで、広範囲な解を提供することができる。一般的に、コイルは、電磁回路の中で変更するのが最も容易な構成要素である。際立った経済性と単純化によって、製造者には僅かな標準設計しか必要でなくなり、流通業者では在庫管理が簡素化され、使用者においては使用要件に対応させるよう所与の機械を変更できるようになる。
機械システム及び出力電子機器制御
更に別の態様では、上記型式の軸方向エアギャップ型電気機械と、機械にインターフェースし制御するための出力電子機器手段とを備えた動電機械システムが提供されている。本システムは、モーター又はジェネレータ、又はその組み合わせとして機能する。モーター機械には、ＡＣ電流を、直接に、又はＤＣ電力を整流することにより、の何れかで供給せねばならない。ブラシ型機械では機械的整流が長く使用されてきたが、高出力半導体装置が利用可能となることにより、ブラシレス電子機器整流手段を、多くの現在の永久磁石モーターと共に使用する設計が可能になった。発電モードでは、機械は（機械的に整流されない限り）本来的にＡＣを作り出す。大部分の機械は、同期運転を行うと言われるが、これは、ＡＣ入力又は出力が、回転数と極数に比例した周波数を有するという意味である。同期モーターは、電力供給網、例えば、電気施設で広く使用されている５０又は６０Ｈｚの供給網、又は船舶搭載及び航空宇宙システムでよく使用されている４００Ｈｚ供給網に直接接続され、従って特定の速度で運転され、極数を変えるだけで速度を変えることができる。同期発電の場合は、原動機の回転周波数は、安定した周波数を提供するように制御せねばならない。場合によっては、原動機は、既知の機械設計に対して実用上の制限内の極数を有するモーターで対応するには高すぎるか又は低すぎる回転周波数を本質的に生じることもある。その様な場合、回転機械を機械的シャフトに直接接続することはできないので、付帯的に複雑性及び効率上の損失が増すにもかかわらず、ギヤボックスを採用せねばならないことも多い。例えば、風力タービンは非常にゆっくりと回転するので、従来のモーターであれば過剰なほど多くの極が必要となる。他方、所望の機械効率で正しく運転するには、典型的なガスタービンエンジンでは、非常に早く回転するので、極数が少なくても発生する周波数は許容できないほどに高くなる。モーターとジェネレータの両方の用途に対する代替案は有効電力変換である。上記型式の積層式巻線構成を有するステータアッセンブリを含む本発明の電気機械の実施形態は、有効電力変換に好都合に採用することができ、広い速度範囲及び／又は異なる出力要件を伴う用途には特に好都合である。
【００７８】
ここで用いる「出力電子機器」という用語は、直流（ＤＣ）として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、ＤＣ又はＡＣとしての電力出力に変換するようになっている電子回路であって、その出力と入力は、電圧、周波数、及び波形の少なくとも１つが異なっている回路を意味するものと理解されたい。この変換は、出力電子機器変換回路によって行われる。周波数を維持する普通の変圧器を使って単純にＡＣ電力を電圧変換する場合、及び単純なＡＣのブリッジ整流でＤＣを提供する場合を除き、現在の電力変換では、非線形半導体装置と、付帯する、能動制御を提供する構成要素とを採用している。  
【００７９】
以上詳細に説明したように、本発明に従って作られた機械は、従来の装置よりもはるかに広い回転数範囲で、モーター又はジェネレータとして運転可能である。多くの場合、モーター及びジェネレータとしての用途で必要であったギヤボックスは不要になる。しかしながら、便益を得ようとすれば、一般的に、やはり従来の機械で採用されていたよりも広い電子周波数範囲で作動可能な出力電子機器の使用が必要になる。  
【００８０】
動電機械システムをモーターに使用する場合、機械は、電力供給網、電気化学バッテリ、燃料電池、太陽電池、又は他の適した電気エネルギー源のような電源にインターフェースされる。あらゆる必要な種類の機械的負荷を、機械シャフトに接続することができる。発電モードの場合、機械のシャフトは原動力に機械的に接続され、システムは電機的負荷に接続されるが、この電気的負荷は、どの様な形態の電気製品又は電気エネルギー貯蔵部を含んでいてもよい。機械システムは、回生モーターシステムとして、例えば、車両の駆動車輪に接続され、車両に推進力を与えることと、車両の運動エネルギーを電気エネルギーに変換しバッテリに貯えて制動を効かすことを交互に行うたシステムとして採用してもよい。
【００８１】
本発明の軸方向エアギャップ型機械システムに有用な出力電子機器手段は、普通は、条件を満たす電気機械的動作、調整、及び制御を維持しながら、機械的及び電気的負荷で予想される変動に対応するのに十分な動的範囲を備えた能動制御を備えていなければならない。この手段は、先に述べた各回転中に変化するパーミアンスから発生する位相インピーダンスの範囲に亘って申し分なく機能せねばならない。ブースト、バック、及びフライバック変換器並びにパルス幅変調を採用しているスイッチングレギュレータを含め、どの様な形態の出力変換位相幾何学を使用してもよい。電圧と電流の両方が独立して位相制御可能であるのが望ましいが、出力電子機器の制御は、直接シャフト位置を感知して、又は感知しないで行ってもよい。また、４象限制御が行われ、機械が時計回り回転又は反時計回り回転のどちらでも運転でき、また、電動モード又は発電モードのどちらでも運転できるようになっていることが好ましい。電流ループ及び速度ループ両方の制御回路が含まれ、トルクモード及び速度モード両方の制御を採用できるようになっているのが望ましい。安定した運転のために、出力電子機器手段は、望ましくは、意図する整流周波数の少なくとも約１０倍の制御ループ周波数範囲を有していなければならない。従って、本発明のシステムでは、約２ｋＨｚまでの整流周波数での回転機械の運転には、少なくとも約２０ｋＨｚの制御ループ周波数範囲が必要となる。モーターとしての運転に使用される制御装置としては、通常、ＩＧＢＴ半導体切替要素が採用される。それらの装置は、周波数に伴って切替損失が増加するので、約１０００Ｈｚまでの整流周波数で運転するのが普通は好ましい。この様に、モーターシステムは、整流周波数範囲を約６００Ｈｚから１０００Ｈｚとして設計するのが好都合であり、そうすると、低損失材料で可能になる高い運転周波数の結果として得られる便益（例えば、高い出力密度）を維持しつつ、より安価なＩＧＢＴを使用できるようになる。発電用途の場合、適した整流器ブリッジを使えば、更に高い整流周波数で運転できるようになる。
【００８２】
以上、本発明についてかなり詳細に説明してきたが、そのような詳細事項に厳密にこだわる必要はなく、当業者には各種変更及び修正が想起されるものと理解されたい。例えば、ここでは概ね軸方向エアギャップ型電気機械について説明したが、半径方向ギャップ型の機械又は線形型の機械など、他の種類の電気機械を、ここに開示している原理に従って設計することもできる。更に、電気機械には、永久磁石型機械以外にも、誘導型機械、同期型機械、同期リラクタンス型機械、切替リラクタンス型機械、及びｄｃ電磁型機械など多くの型式の電気機械が含まれる。加えて、他の型式のロータ及び／又はステータ巻線配列も、本発明の範囲内にある。従って、このような変更は、特許請求の範囲に定義される本発明の範囲に包含されるものと考える。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】図１Ａと図１Ｂは、それぞれ、本発明のステータ構造の上面図と側面図であり、ステータスロットが機械加工により設けられたステータ鉄心と、裏当鉄とを示している。
【図２】ステータ巻線を巻回した本発明のステータ構造の一部を示している。
【図３】図３Ａと図３Ｂは、それぞれ、本発明のロータ構造の上面図と側面図であり、ロータ磁石の位置と極性を示している。
【図４】本発明の軸方向エアギャップ型電気装置の、ステータと、その間のロータの配置を示している。
【図５】従来の巻線技法を使って巻回した少スロットのステータ構造を示している。
【図６】従来の巻線技法を使って巻回した多スロットのステータ構造を示している。
【図７】本発明に従って巻回したステータ構造を示している。
【図８】本発明に従って巻回した別のステータ構造を示している。
【図９】本発明に従って巻回した４相機械用のステータ構造を示している。
【図１０】本発明に従って巻回したステータ構造の上側コイルの一次磁束経路を示している。
【図１１】本発明に従って巻回したステータ構造の上側コイルの二次磁束経路を示している。
【図１２】本発明に従って巻回した電気装置の下側コイルの一次磁束経路を示している。
【図１３】冷却システムを含んでいる、本発明に従って巻回したステータ構造を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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