(57)【要約】  本発明は、長手方向に延びる回転軸Ｘに沿って背中合わせに配置された複数の磁極組立体を備える磁極配置に関する。各磁極組立体は空隙Ｇに磁束を供給する。各磁極組立体は、１つまたは複数の磁極片と２つの磁束構成要素とを備える。第１の磁束構成要素は、周方向に延びる配列で配置された複数の軸方向に磁化された軸方向にずらされた磁石によって提供される。第２の磁束構成要素は、回転軸Ｘの周りに周方向に離間して配置された複数の周方向に磁化された磁石によって提供される。
2021501552.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向に延びる回転軸Ｘを有する磁極配置（３００）であって、前記長手方向に延びる回転軸Ｘに沿って背中合わせに配置され、それぞれが空隙（Ｇ）に磁束を供給する複数の磁極組立体（１１０）を備え、各磁極組立体（１１０）が、１つまたは複数の磁極片（３０）および２つの磁束構成要素（４０、５０）を備え、
各磁極片（３０）が、第１の軸方向面（３２Ａ）、第２の軸方向面（３２Ｂ）、第１の周方向面（３４Ａ）、第２の周方向面（３４Ｂ）、半径方向内側表面（３６Ａ）、および半径方向外側表面（３６Ｂ）を含み、
前記第１の磁束構成要素（４０）が、北側Ｎおよび南側Ｓを有する、複数の第１（４０Ａ）および第２（４０Ｂ）の軸方向にずらされ軸方向に磁化された磁石（４０）を備え、前記１つまたは複数の磁極片（３０）の当該前記第１の軸方向面（３２Ａ）および当該前記第２の軸方向面（３２Ｂ）に隣接する周方向に延びる配列で軸方向に配置され、
前記第２の磁束構成要素（５０）が複数の周方向に磁化された磁石（５０）を備え、前記磁石（５０）のそれぞれが、北側Ｎおよび南側Ｓを有し、互いに対して前記軸線Ｘの周りに周方向に離間して配置され、各磁極片（３０）の当該前記第１の周方向面（３４Ａ）および当該前記第２の周方向面（３４Ｂ）のそれぞれに隣接して位置する
磁極配置（３００）。
【請求項２】
各磁極組立体（１０）が、周方向および半径方向に延びる第１の磁性板（１００Ａ）および第２の磁性板（１００Ｂ）を含み、前記第１の板（１００Ａ）が、当該第１の周方向に延びる軸方向に磁化された磁石（４０Ａ）に接触しかつ前記磁石（４０Ａ）相互間に延び、前記第２の板（１００Ｂ）が、当該第２の周方向に延びる軸方向に磁化された磁石（４０Ｂ）に接触しかつ前記磁石（４０Ｂ）相互間に延びる
請求項１に記載の磁極配置（３００）。
【請求項３】
前記第１の磁極組立体（１０）の前記第１の板（１００Ａ）が、次に隣接する磁極組立体（１１０）の前記第２の板（１００Ｂ）も形成する
請求項２に記載の磁極配置（３００）。
【請求項４】
複数の第３の磁束構成要素（６０）をさらに含み、前記第３の磁束構成要素（６０）のそれぞれが、北側Ｎおよび南側Ｓを有する半径方向に磁化された磁石を備え、前記磁極片（３０）の前記当該半径方向内側表面（３６Ａ）または前記当該半径方向外側表面（３６Ｂ）に隣接して設けられる
請求項１に記載の磁極配置（３００）。
【請求項５】
前記半径方向に磁化された磁石６０に装着された強磁性管１０１をさらに含む
請求項４に記載の磁極配置（３００）。
【請求項６】
前記第１の磁束構成要素（４０Ａ、４０Ｂ）のそれぞれが、複数の軸方向に磁化された周方向に離間された中央磁石（９７Ｆまたは９７Ｓ）と複数の周方向に磁化された周方向に離間された側面磁石（９８Ｆ、９８Ｓ）とを備え、前記中央磁石（９７Ｆまたは９７Ｓ）およびそれぞれの側面磁石（９８Ｆ、９８Ｓ）がハルバッハ配列に配置される
請求項１から５のいずれか一項に記載の磁極配置（３００）。
【請求項７】
各磁極組立体（１１０）内の周方向に隣り合う磁極片（３０）が、交番する北磁気極性および南磁気極性で配置される
請求項１から６のいずれか一項に記載の磁極配置（３００）。
【請求項８】
各磁極組立体（１１０）内の軸方向に隣り合う磁極片（３０）が、交番する北磁気極性および南磁気極性で配置される
請求項７に記載の磁極配置（３００）。
【請求項９】
各磁極組立体（１１０）内の軸方向に隣り合う磁極片（３０）が、互いに対して周方向に斜めにされるまたはオフセットされる
請求項１から８のいずれか一項に記載の磁極配置（３００）。
【請求項１０】
前記軸方向および半径方向に延びる周方向に磁化された第２の磁束構成要素（５０）が、前記複数の第１（４０Ａ）および第２（４０Ｂ）の軸方向にずらされた軸方向に磁化された磁石（４０）の内面（４０ｉ）を越えて軸方向に延びる
請求項１から９のいずれか一項に記載の磁極配置（３００）。
【請求項１１】
隣接磁極片（３１）に直面する軸方向、半径方向および周方向に延びる第１の表面（９２Ａ）を有する三角形断面構造を備える、前記第１の磁束構成要素（４０）および前記第２の磁束構成要素（５０）の複合供給源（９２）を含み、前記磁極片（３１）が、軸方向Ａに沿って変化する周方向幅Ｗを有する
請求項１および請求項３から１０のいずれか一項に記載の磁極配置（３００）。
【請求項１２】
隣接磁極片（３３）に直面する第１および第２の反対向きの軸方向表面（９３Ａ、９３Ｂ）を有し、軸方向Ａに沿って変化する周方向幅Ｗを有する四辺形断面の磁石を備える、前記第１の磁束構成要素（４０）および前記第２の磁束構成要素（５０）の複合供給源（９３）を含み、前記複数の磁極片（３３）がそれぞれ、隣接する磁束構成要素（９３）の当該面（９３Ａまたは９３Ｂ）にそれぞれ直面する反対向きの軸方向、半径方向および周方向に延びる端面（３３Ａ、３３Ｂ）を有する六角形断面構造を有する
請求項１および請求項３から１０のいずれか一項に記載の磁極配置（３００）。
【請求項１３】
前記磁極片（３３）が、第１および第２の反対向きの軸方向にずらされた端面（３３Ａ、３３Ｂ）と第１および第２の反対向きの周方向にずらされた側面（３３Ｃ、３３Ｄ）とを有する六角形断面構造を備え、前記第１の磁束構成要素（４０）と前記第２の磁束構成要素（５０）の前記複合供給源が、反対向きの軸方向、半径方向および周方向に延びる端面（９４Ａ、９４Ｂ）と反対向きの半径方向および周方向に延びるブランク端（９４Ｃ、９４Ｄ）とを有する六角形断面構造（９４）を備え、第１および第２の反対向きの軸方向端５１Ａ、５１Ｂと第１および第２の反対向きの側面（５１Ｃ、５１Ｄ）とをそれぞれ有する複数の半径方向および軸方向に延びる周方向に離間された補助磁石（５１）をさらに含み、前記磁束源（９４）の前記ブランク端（９４Ｃ、９４Ｄ）がそれぞれ、前記補助磁石（５１）の前記第１および第２の軸方向端（５１Ａ、５１Ｂ）に直面し、前記磁極片（３３）の前記側面（３３Ｃ、３３Ｄ）がそれぞれ、前記補助磁石（５１）の反対向きの側面（５１Ｃ、５１Ｄ）に直面する
請求項１および請求項３から１０のいずれか一項に記載の磁極配置（３００）。
【請求項１４】
各磁極片（３０）が、前記磁極片（３０）に隣接する半径方向磁束源（６０）を有していない半径方向表面（３６Ａまたは３６Ｂ）から離れる向きに延びる磁極シュー（３４）を含み、前記磁極シュー（３８）が、前記磁極片（３０）に対して半径方向および周方向の両方向にオフセットされた磁極面（３８Ｆ）を含む
請求項１から１５のいずれか一項に記載の磁極配置（３００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電気機械に関し、詳細には、以下に限定するものではないが、半径方向磁場電気モータ（ｒａｄｉａｌ  ｆｉｅｌｄ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｍｏｔｏｒ）、および、生成された磁束を集束させ、多数の回転子組立体の軸方向積重ねを可能にすることができる、かかるモータ用の回転子配置（ｒｏｔｏｒ  ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁石を励磁源として使用する回転電気機械の回転子における磁束集束（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｆｌｕｘ  ｆｏｃｕｓｉｎｇ）は、様々な磁気回路配置（トポロジー、設計）を使用して実現することができる。磁束集束の目的は、固定子と回転子との間の空隙内の高磁束密度、おそらく磁石の残留磁束密度よりもさらに高い磁束密度を達成することである。Ｂｏｕｌｄｅｒ  Ｗｉｎｄ  Ｐｏｗｅｒ社（米国特許出願公開第２０１６０２４７６１６号明細書、２０１６年８月２５日）は、様々な電気機械トポロジーに組み込むことができる磁束集束の概念を利用して、いくつかの異なる磁石と磁極片の配置を導入した。従来、半径方向磁場電気機械における磁束集束は、積層電気鋼で作られた回転子に埋め込まれる１つまたは複数の磁石配列を使用して実現される。よく知られている実用化は、スポーク型またはＶ型回転子トポロジーであり、連続した磁石が、これらの磁石が互いに向かい合うように磁化される。スポーク配置では、磁石は周方向に磁化されるが、Ｖ型回転子では、磁石から出る磁束は周方向および半径方向の構成要素を有する。磁束漏れを制限し、空隙の磁束密度をさらに高めるために、半径方向に磁化された追加の磁石を両方のトポロジーに追加することができる。半径方向磁束集束型回転子の例が、株式会社明電舎（特開２０１６０８２７３３号公報、２０１６年５月１６日）、Ｗｏｌｆｇａｎｇ  Ｖｏｌｋｒｏｄｔ（米国特許第４１２７７８６号明細書、１９７８年１１月２８日）、Ｓａｍｓｕｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ社（米国特許出願公開第２０１４０３７５１６２号明細書、２０１４年１２月２５日）、および株式会社ジェイテクト（特開２０１７０５５４９３号公報、２０１７年３月１６日）に開示されている。スポーク型トポロジーは、磁束を周方向のみに供給する磁石を有する１次元磁束集束の一例であるが、Ｖ型回転子は、磁石が磁束を周方向ならびに半径方向に供給するので、２次元的に集束されると見なすことができる。２次元磁束集束は、周方向に磁化された磁石の配列と回転子の回転軸の方向に磁化された磁石の配列（軸方向に磁化された磁石）とを組み合わせることにより実現することもできる。この概念は、Ｋ．ＡｔａｌｌａｈおよびＪ．Ｗａｎｇ（軸方向および周方向に磁化された永久磁石を備えた回転子、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ、２０１２年１１月）によって開示されている。磁石の両方の配列によって生成される磁束は、磁極片によって電気機械の空隙の方へ誘導される。磁束は、周方向および軸方向に磁極片に入り、磁極片から半径方向に出るので、磁束経路は明らかに３次元である。同様に、軸方向に磁化された磁石によって生成される磁束の戻り経路を提供する磁性端板は磁束を３次元で誘導する。
【０００３】
２次元の磁束集束配置では、空隙内の磁束密度は回転子の軸方向長が短い場合に最も高いことが、Ｋ．ＡｔａｌｌａｈおよびＪ．Ｗａｎｇ（軸方向および円周方向に磁化された永久磁石を備えた回転子、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ、２０１２年１１月）によって示された。これは、軸方向に磁化された磁石からの寄与によるものである。多くの用途では、外径が小さくかつ軸方向長が長い回転子を有することが必要である（例えば、低慣性が必要な場合）。
【０００４】
本発明は、電気機械の回転子のための３次元磁束集束の概念を導入する。電気機械の回転子の磁極片内の磁場は、３次元磁束集束が実現されるように３方向すべてに磁束を供給する磁束源によって励磁される。様々な３次元磁束集束型配置の詳細な説明が本明細書で開示される。３次元磁束集束により、空隙の磁束密度は、回転子に使用される磁石の残留磁束密度よりも大幅に高くすることができ、したがって、残留磁束密度が低い低コストの非希土類磁石を使用することが可能になる。さらに、磁束源は、磁極片から磁極片の当該方向への磁束漏れを防ぐ、というのは、磁束源が磁束漏れに能動的に対抗するからである。これは、通常は非磁性の潜在的に高価な材料で作られる必要がある回転子ハブ／シャフトを介して半径方向に漏れる磁束の場合に特に有益である。３次元磁束集束は、半径方向の磁束漏れを最小限に抑えることによりこの問題を解消する。磁極片および回転子ハブは同じ磁性材料で作ることができるので、磁極片および回転子ハブは単体として製造して、組立体内の構成要素の数を削減することもできる。また、組み立てて拘束するべき構成要素の数を大幅に削減できるというメリットと共に、３方向すべてに磁束を供給するために単一片磁石を使用する方法も示されている。
【０００５】
本明細書で提示される３次元磁束集束および軸方向積重ねの概念により、弱い磁束源を使用しているにもかかわらず、この回転子を装備した電気機械内の高い空隙磁束密度を実現することが可能になる。したがって、現在普及しているが、サプライチェーンの問題があり、かなり高価である高性能の希土類ベースの永久磁石の代わりに、フェライトなどの低コストの永久磁石を使用することができる。この概念を用いた電気機械は、希土類ベースの電気機械と同様の効率および電力密度と、現在の最先端（ＳｏＡ）非希土類技術よりも改良された性能と、を達成する可能性を示す。このため、提示された回転子の技術は、高性能、低コスト、および堅牢性が必要とされる用途に特に適している。さらに、フェライト磁石の安定供給により、比較的低いリスクの大量生産が可能になる。これらすべての利点により、本発明は、環境に優しい技術の広範な採用を加速させる可能性を有している。本発明から恩典を受ける可能性が最も高い用途の中に、低排気もしくは無排気の自動車けん引および再生可能発電がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１６０２４７６１６号明細書
【特許文献２】特開２０１６０８２７３３号公報
【特許文献３】米国特許第４１２７７８６号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２０１４０３７５１６２号明細書
【特許文献５】特開２０１７０５５４９３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｋ．ＡｔａｌｌａｈおよびＪ．Ｗａｎｇの「軸方向および周方向に磁化された永久磁石を備えた回転子」、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする手段】
【０００８】
本発明は、磁極を通る磁束の密度、したがって回転子の性能を向上させるために、回転子の磁極の周りの３次元すべてに磁束が集束するという概念を開示する。この概念は、まとめると、回転子の周方向、軸方向、ならびに半径方向に磁束を供給し、回転子の磁極を通して磁束を集束させるように新規な磁石トポロジーまたは磁石の配列を使用して達成される。
【０００９】
本発明はまた、性能を損なうことなく回転子の半径方向寸法を縮小し、潜在的に発生トルクを改善する方法を開示する。この方法では、回転子の軸方向に磁束集束ユニットを積み重ねる必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様によれば、長手方向に延びる回転軸Ｘを有し、複数の磁極組立体を備える磁極配置が、前記長手方向に延びる回転軸Ｘに沿って背中合わせに配置される。
【００１１】
各磁極組立体は、空隙Ｇに磁束を供給する。
【００１２】
各磁極組立体は、１つまたは複数の磁極片と２つの磁束構成要素とを備えることができる。各磁極片は、第１の軸方向面、第２の軸方向面、第１の周方向面、第２の周方向面、半径方向内側表面、および半径方向外側表面を含むことができる。前記第１の磁束構成要素は、複数の第１および第２の軸方向にずらされ軸方向に磁化された磁石を備えることができる。北側Ｎおよび南側Ｓを有する前記軸方向に磁化された磁石は、前記１つまたは複数の磁極片のそれぞれの第１および第２の軸方向面に隣接するそれぞれの周方向に延びる配列に配置され得る。前記第２の磁束構成要素は、複数の周方向に磁化された磁石を備えることができる。それぞれが北側Ｎおよび南側Ｓを有する周方向に磁化された磁石は、互いに対して前記軸線Ｘの周りに周方向に離間して配置され得る。周方向に磁化された磁石は、各磁極片の当該第１の周方向面および当該第２の周方向面に隣接して位置することができる。
【００１３】
本発明の別の態様によれば、各磁極組立体は、第１および第２の周方向および半径方向に延びる磁性板を含むことができる。前記第１の板は、当該第１の周方向に延びる軸方向に磁化された磁石と接触しかつ同磁石相互間に延びることができる。前記第２の板は、当該第２の周方向に延びる軸方向に磁化された磁石に接触しかつ同磁石相互間に延びることができる。
【００１４】
第１の極組立体の前記第１の板は、次に隣接する極組立体の第２の板を形成することもできる。
【００１５】
磁極配置は、複数の第３の磁束構成要素をさらに含むことができる。各第３の磁束構成要素は、北側Ｎおよび南側Ｓを有する半径方向に磁化された磁石を備えることができ、各第３の磁束構成要素は、磁極片の前記当該半径方向内側表面または前記当該半径方向外側表面に隣接して設けられ得る。
【００１６】
磁極配置は、前記半径方向に磁化された磁石に装着された強磁性管をさらに含むことができる。
【００１７】
前記第１の磁束構成要素はそれぞれ、複数の軸方向に磁化された周方向に離間された中央磁石と複数の周方向に磁化された周方向に離間された側面磁石とを備えることができる。前記中央磁石およびそれぞれの側面磁石は、ハルバッハ配列（Ｈａｌｂａｃｈ  ａｒｒａｙ）に配置され得る。
【００１８】
本発明の別の態様によれば、磁極配置は周方向に隣り合う磁極片を備えることができ、各磁極組立体内の周方向に隣り合う磁極片は、交番する北磁気極性および南磁気極性で配置される。
【００１９】
各磁極組立体内の軸方向に隣り合う磁極片は、交番する北磁気極性および南磁気極性で配置され得る。
【００２０】
各磁極組立体内の軸方向に隣接する磁極片は、互いに対して周方向に斜めにされるかまたはオフセットされ得る。
【００２１】
軸方向および半径方向に延びる周方向に磁化された第２の磁束構成要素は、前記複数の第１および第２の軸方向にずらされた軸方向に磁化された磁石の内面を越えて軸方向に延びることができる。
【００２２】
上記配置は、前記第１の磁束構成要素と前記第２の磁束構成要素の複合供給源を含むことができる。第１の磁束構成要素と第２の磁束構成要素の前記複合供給源は、三角形断面構造を備えることができ、前記三角形断面構造は、隣接磁極片に直面する軸方向、半径方向および周方向に延びる第１の表面を有することができ、磁極片は、軸方向Ａに沿って変化する周方向幅Ｗを有することができる。
【００２３】
代替構成は、隣接磁極片に直面する第１および第２の反対向きの軸方向表面を有する四辺形断面磁石を備えることができる、前記第１の磁束構成要素と前記第２の磁束構成要素の複合供給源をさらに含むことができ、前記第１の磁束構成要素と前記第２の磁束構成要素の複合供給源は、軸方向Ａに沿って変化する周方向幅Ｗを有することができる。
【００２４】
複数の磁極片はそれぞれ、隣接する磁束構成要素の当該面にそれぞれ直面する反対向きの軸方向、半径方向および周方向に延びる端面を有する六角形断面構造を有することができる。
【００２５】
別の代替配置では、前記磁極片は、第１および第２の反対向きの軸方向にずらされた端面と第１および第２の反対向きの周方向にずらされた側面とを有する六角形断面構造を備えることができ、前記第１の構成要素と前記第２の磁束構成要素の前記複合供給源は、反対向きの軸方向、半径方向および周方向に延びる端面と反対向きの半径方向および周方向に延びるブランク端とを有する六角形断面構造を備えることができ、第１および第２の反対向きの半径方向端と反対向きの側面とをそれぞれ有する複数の半径方向および軸方向に延びる周方向に離間された補助磁石をさらに含むことができる。
【００２６】
磁束源の前記ブランク端は、前記補助磁石の当該第１の軸方向端および当該第２の軸方向端に直面することができ、前記磁極片の前記側面は、前記補助磁石の当該反対向きの側面に直面することができる。
【００２７】
各磁極片は、半径方向表面から離れる向きに延びる磁極シューを含むことができる。磁極シューは、磁極シューに隣接する半径方向磁束源を有していなくてもよい。前記磁極シューは、磁極片に対して半径方向と周方向の両方向にオフセットされた磁極面を含むことができる。
【００２８】
ここで、添付の図面を参照して、単なる例として本発明を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１ａ】図１ａは、３方向からの入力磁束を使用した磁極片（誘導要素）を通る磁束の集束を示す図である。
【図１ｂ】図１ｂは、磁極片の円形配列のための３方向（軸方向、半径方向、および周方向）を示す図である。
【図２ａ】図２ａは、１つの磁極片および５つのブロック状永久磁石を使用して３次元磁束集束させる１つの磁極組立体の構成要素を示す図である。この配置は、図２ｂ、図９ａおよび図９ｂに示されるように、半径方向磁場内部回転子ユニットを構築するために使用され得る。
【図２ｂ】図２ｂは、半径方向磁場内部回転子ユニットを構築するための図２ａからの磁極組立体の円形配列を示す図である。
【図２ｃ】図２ｃは、強磁性端板および軸方向に延びる磁気管状構造を含む図２ｂの半径方向磁場内部回転子ユニットを示す図である。
【図２ｄ】図２ｄは、１つの磁極片および５つのブロック状磁石を使用して３次元磁束集束させる１つの磁極組立体の構成要素を示す図である。この配置は、図２ｅ、図１０ａおよび図１０ｂに示されるように、半径方向磁場外部回転子ユニットを構築するために使用され得る。
【図２ｅ】図２ｅは、半径方向磁場外部回転子ユニットを構築するための図２ｄからの磁極組立体の円形配列を示す図である。
【図２ｆ】図２ｆは、１つの磁極片および５つの磁束源を使用して３次元磁束集束させる１つの磁極組立体の構成要素を示す図であり、磁束源は電流を伝えるコイルを使用して構築される。
【図２ｇ】図２ｇは、図２ｆの磁極組立体の軸方向断面図および半径方向断面図である。
【図２ｈ】図２ｈは、図２ｆおよび図２ｇの複数の磁極片を使用した電気モータの回転子１３０ならびに図２ｆおよび図２ｇの磁束源のコイルへの電力供給部の断面図である。
【図３ａ】図３ａは、半径方向および周方向の磁束を供給する一体磁束源と軸方向磁束を供給する１組の磁束源とを使用して３次元磁束集束させる１つの磁極組立体の構成要素を示す図である。
【図３ｂ】図３ｂは、半径方向磁場内部回転子ユニットを構築するための図３ａからの磁極組立体の円形配列を示す図である。
【図４ａ】図４ａは、半径方向および軸方向の磁束を供給する一体磁束源と周方向の磁束を供給する周方向磁束源の１組の供給源とを使用して３次元磁束集束させる１つの磁極組立体の構成要素を示す図である。
【図４ｂ】図４ｂは、半径方向磁場内部回転子ユニットを構築するための図４ａからの磁極組立体の円形配列を示す図である。
【図５ａ】図５ａは、軸方向および円周方向の磁束を供給する一体磁束源を使用して３次元磁束集束させる１つの磁極組立体の構成要素を示す図である。
【図５ｂ】図５ｂは、半径方向磁場内部回転子ユニットを構築するための図５ａからの磁極組立体の円形配列を示す図である。
【図６ａ】図６ａは、磁極片に磁束を供給する一体磁束源を有する磁極組立体の断面図である。２つの縁部で磁場フリンジング（ｆｉｅｌｄ  ｆｒｉｎｇｉｎｇ）が発生する。
【図６ｂ】図６ｂは、磁極片への３つの磁束源を有する磁極組立体の断面図である。各磁石の２つの縁部で磁場フリンジングが発生する。
【図７】図７は、各磁極組立体が磁極片と３方向すべてに磁束を供給する単一のカップ状一体磁束源とを使用して構築される、半径方向磁場内部回転子ユニットを示す図である。
【図８ａ】図８ａは、２つの回転子ユニットを備えた半径方向磁場内部回転子ユニットを示す図である。回転子ユニットのそれぞれについて、磁極片、軸方向に磁化された磁石、および周方向に磁化された磁石が示されている。回転子ユニットは多数の磁極組立体を備え、各磁極片は半径方向表面から延びる磁極シューを含む。磁極シューは、半径方向表面を半径方向および周方向にオフセットし、この周方向のオフセットの方向は隣り合う回転子ユニットによって異なる。
【図８ｂ】図８ｂは、図８ａの半径方向磁場内部回転子ユニットの断面図を示し、各磁極シューは、方向Ｃに各磁極片の外面の周方向のオフセットを提供する。
【図８ｃ】図８ｃは、図８ａの半径方向磁場内部回転子ユニットの断面図を示し、各磁極シューは、方向Ｃとは逆方向に各磁極片の外面の周方向のオフセットを提供する。
【図９ａ】図９ａは、強磁性端板を含む半径方向磁場内部回転子ユニットと積層固定子および複数の電磁石を備える固定子組立体とを形成し、同時に電気モータを形成する磁極組立体の円形配列を示す図である。
【図９ｂ】図９ｂは、図９ａの電気モータの軸方向断面図である。
【図１０ａ】図１０ａは、軸方向に延びる管状構造の断面図を含む半径方向磁場外部回転子ユニットと固定子および複数の電磁石を備える固定子組立体とを形成し、同時に電気モータを形成する磁極組立体の円形配列を示す図である。
【図１０ｂ】図１０ｂは、図１０ａの電気モータの軸方向断面図である。
【図１１ａ】図１１ａは、回転子ユニットの軸方向の積重ねを示す図である。
【図１１ｂ】図１１ｂは、半径方向に沿って見たときの半径方向磁場内部回転子の部分外観図である。この図は、磁極片、磁束源および強磁性板を備えた２つの回転子ユニットを示す図である。
【図１２ａ】図１２ａは、半径方向に沿って見たときの半径方向磁場内部回転子の部分外観図である。この図は、ハルバッハパターンで配置された磁極片、板、周方向に磁化された磁石、および軸方向に磁化された磁石を示す。
【図１２ｂ】図１２ｂは、半径方向に沿って見たときの半径方向磁場内部回転子の部分外観図である。この図は、磁極片、板、周方向に延ばされて磁化された磁石、および軸方向に磁化された磁石を示す。
【図１３】図１３は、半径方向に沿って見たときの半径方向磁場内部回転子の部分外観図である。この図は、四角形断面を有する磁極片と三角形断面を有する磁石とを示す。
【図１４ａ】図１４ａは、半径方向に沿って見たときの半径方向磁場内部回転子の部分外観図である。この図は、六角形断面を有する磁極片と三角形または四角形の断面を有する磁石とを示す。
【図１４ｂ】図１４ｂは、半径方向に沿って見たときの半径方向磁場内部回転子の部分外観図である。この図は、六角形断面を有する磁極片、六角形断面を有する磁石、およびブロック状の周方向に磁化された磁石を示す。
【図１５ａ】図１５ａは、半径方向に沿って見たときの半径方向磁場内部回転子の部分外観図である。この図は、磁極片を有する２つの回転子ユニットと、隣り合う回転子ユニットの磁極相互間にスキューを作るように配置された磁石と、を示す。
【図１５ｂ】図１５ｂは、半径方向に沿って見たときの半径方向磁場内部回転子の部分外観図である。この図は、磁極片を有する２つの回転子ユニットと、ブロック状磁石と、隣り合う回転子ユニットの磁極相互間にスキューがあるように磁化された平行四辺形断面の磁石と、を示す。
【図１５ｃ】図１５ｃは、半径方向に沿って見たときの半径方向磁場内部回転子の部分外観図である。この図は、磁極片を有する３つの回転子ユニットと、ブロック状磁石と、隣り合う回転子ユニットの磁極相互間にスキューがあるように磁化された平行四辺形断面の磁石と、を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明は、電気機械の空隙に１テスラを超える磁束密度を生成することができる３次元磁束集束型磁極に関する。
【００３１】
図１ａは、３つの異なる方向の磁束を磁極片３０と呼ばれる磁気誘導要素に供給する方法としての３次元磁束集束の概念を示し、磁極片３０は、３方向の磁束を混合して単一ストリームにし、この磁束を電気機械の空隙Ｇの方へ誘導する。好ましい一実施形態での磁極片は強磁性材料で形成される。別の実施形態では、磁極片は任意の軟磁性材料で形成され得る。磁束は、ｘおよび−ｘ方向、ｙ方向、ならびにｚおよび−ｚ方向のうちの１つまたは複数の方向に供給される。磁極片３０の反対側の軸方向面３２（ｚ軸）は反対方向の磁束を受ける。磁極片３０の反対側の周面３４（ｘ軸）は反対方向の磁束を受ける。半径方向面３６（ｙ軸）の第１の面は磁束を受けることができ、第２の面は出力磁束を空隙Ｇに供給する。
【００３２】
磁束が供給される上記面において、磁束が供給される面に対する方向は同じである。全方向の磁束源４０、５０、６０は等価磁気回路の観点から平行であり、したがって全磁束は各磁束源によって供給される磁束の和となる。したがって、複数の比較的弱い磁束源を利用し、それでも高い空隙磁束密度を達成することが可能である。磁極片３０の各磁束源４０、５０、６０は、その磁束源が磁極片３０の全出力磁束２０に寄与するように配向されなければならない。各磁束源はまた、その磁束源の当該方向の磁束の漏れを能動的に抑制する。例えば、軸方向Ａの磁束を供給する磁束源は、軸方向Ａの磁束の漏れに対して作用する。
【００３３】
図１ａに示される３次元磁束は、デカルト座標系を基準にしてｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸の方向に供給される。円筒座標系または極座標系を参照する場合、磁束は、図１ｂに示されるように、ｘに相当する周方向Ｃ、ｙに相当する半径方向Ｒ、およびｚに相当する軸方向Ａに供給される。
【００３４】
図１ｂは、円形パターンまたは円形配列で配置された複数の磁極片３０を示す。図示の実施形態は８つの磁極片を備えているが、１つまたは複数の磁極片が可能であることが理解されよう。磁極片３０は、第１の軸方向面３２Ａおよび第２の軸方向面３２Ｂを備える半径方向および周方向に延びる軸方向面３２を有することができる。磁極片３０はまた、第１の周面３４Ａおよび第２の周面３４Ｂを備える軸方向および半径方向に延びる周面３４を有することができる。磁極片３０はまた、半径方向内側表面３６Ａおよび半径方向外側表面３６Ｂを備える軸方向および周方向に延びる半径方向表面３６を有することができる。
【００３５】
図２ａは、単純な３次元的磁束集束型磁極の構成要素を示す。この磁極は、誘導要素（磁極片３０）と磁極片３０の５つの側面に装着された５つのブロック状磁石４０、５０、６０とを備える。軸方向および周方向に磁束を供給する２つの磁石（軸方向に磁化された磁石４０および周方向に磁化された磁石５０）と半径方向に磁束を供給する１つの磁石（半径方向に磁化された磁石６０）がある。磁石が装着されない磁極片３０の第６の側面は空隙に隣接する側面である。電気機械では、このような構成は単一磁極を表し、図２ｂに示すように、他の同様に見える要素と組み合わされて多くの磁極を備える円形配列になる。図２ｂに示されるように、磁極の極性（ＮまたはＳ）は磁石４０、５０、６０の磁化方向に依存する。本明細書で明確にするために、この円形配列を「回転子ユニット」１２０と呼ぶ。後で示されるいくつかの実施形態では、これらの「回転子ユニット」１２０のうちのいくつかが軸方向に積み重ねられる。この積み重ねられた組立体は、本明細書では「回転子」と呼ばれる。
【００３６】
図２ａおよび図２ｄは、空隙Ｇに集束磁束を供給するための磁極組立体１１０を形成するために磁極片３０の周りに配置された磁束源４０、５０、６０の可能な実施形態を示す。
【００３７】
第１の磁束源４０は、第１の半径方向および周方向に延びるセグメント４０Ａと、第１のセグメント４０Ａから軸線Ｘに沿って軸方向にずらされた第２の半径方向および円周方向に延びるセグメント４０Ｂと、を備える。磁束源４０Ａ、４０Ｂはそれぞれ、磁極片３０の軸方向面３２Ａ、３２Ｂに隣接して位置する。第２の磁束源５０は、第１の軸方向および半径方向に延びる円周方向セグメント５０Ａおよび第２の軸方向および半径方向に延びる円周方向セグメント５０Ｂを備え、第１のセグメント５０Ａおよび第２のセグメント５０Ｂはそれぞれ、磁極片３０の円周面３４Ａおよび３４Ｂに隣接して位置する。第３の磁束源６０は、第１の円周方向および軸方向に延びる半径方向セグメント６０Ａおよび第２の円周方向および軸方向に延びる半径方向セグメント６０Ｂを備え、第１のセグメント６０Ａおよび第２のセグメント６０Ｂは、互いに半径方向にずらされ、磁極片３０の第１の半径方向面３６Ａおよび第２の半径方向面３６Ｂにそれぞれに隣接して位置する。上述した配置により、磁束は、多数の図に白抜き矢印によって示されているように磁束を集中させる態様で、１つまたは複数の磁束源４０、５０、６０から１つまたは複数の磁極片３０に流れ込むことが可能になる。前記矢印は、磁石内の南磁極から北磁極への磁束の流れを表し、矢印の頭は北方向を表すことが理解されよう。図２ａでは、半径方向セグメント６０Ａは磁極片３０の半径方向内側表面上に設けられ、図２ｄでは、半径方向セグメントは磁極片３０の半径方向外側表面上に設けられる。
【００３８】
これら２つの配置のどちらかが、組立体のレイアウトに応じて使用され得るが、両方の配置は、これにより磁束集束が可能にはならないので、一緒に使用することはできないことが理解されよう。
【００３９】
図２ａおよび図２ｂは、組立状態の磁極片３０および磁束源４０、５０、６０によって供給される磁束を示す。磁極片３０はそれぞれ、互いに半径方向にずらされた北側Ｎおよび南側Ｓを有する。第１の１つまたは複数の軸方向磁束源４０は、軸線Ｘに沿って互いに軸方向にずらされた北側Ｎおよび南側Ｓを有する軸方向に磁化された磁石を備える。第２の１つまたは複数の周方向磁束源５０は、互いに対して軸線Ｘの周りに周方向にずらされた北側Ｎおよび南側Ｓを有する周方向に磁化された磁石を備える。第３の１つまたは複数の周方向磁束源６０は、互いに対して半径方向にずらされた北側Ｎおよび南側Ｓを有する半径方向に磁化された磁石を備える。前記磁束源４０、５０、６０は、磁極片が空隙に与える側と同じ側が磁極片３０に隣接して位置する、すなわち、磁極片が磁極片の北側Ｎを空隙に与える場合、磁束源は、磁極源の北側が磁極片に隣接して位置する。
【００４０】
１つまたは複数の磁束源４０、５０、６０は磁極片３０と共に単一の磁極組立体１１０を作る。回転軸Ｘの周りに円形パターンまたは円形配列で配置された複数の磁極組立体１１０は半径方向磁場回転子ユニット１２０を作る。好ましい実施形態では、複数の磁極組立体１１０は複数の磁極片３０を備え、連続する磁極片は、図２ｂに表示されるように交番磁気極性を有する。代替配置では、複数の磁極組立体１１０は複数の磁極片３０を備え、磁極片の磁気極性は磁極片を１つおきに交番させる。磁極片３０は、通常、電磁励起をもたらすために、このように電気機械に使用される
【００４１】
図２ａは、図２ｂに示される半径方向磁場内部回転子ユニットでの使用に適した磁極組立体１１０を示す。この実施形態では、１つまたは複数の磁束源が、半径方向外側表面３６Ｂではなく、半径方向内側表面３６Ａに隣接して位置する。半径方向外側表面３６Ｂは、図９ａおよび図９ｂに示される電気モータに使用されるときに空隙Ｇに隣接する。
【００４２】
図２ｄは、図２ｅに示される半径方向磁場外部回転子ユニットでの使用に適した磁極組立体１１０を示す。この実施形態では、１つまたは複数の磁束源が、半径方向内側表面３６Ａではなく、半径方向外側表面３６Ｂに隣接して位置する。半径方向内側表面３６Ａは、図１０ａおよび図１０ｂに示される電気モータに使用されるときに空隙Ｇに隣接する。
【００４３】
磁束源は、磁極片３０の磁束を、磁極片３０に隣接する磁束源を有していない半径方向表面３６に向かってかつ半径方向表面３６から外へ空隙Ｇ内に集束させるように配置される。
【００４４】
好ましい実施形態の３Ｄ磁束集束型磁極組立体で利用される１つまたは複数の磁束源４０、５０、６０は、図２ａ〜図２ｅに示されるように永久磁石である。しかしながら、代替配置では、図２ｆ〜図２ｈに示されるように、１つまたは複数の磁束源４０、５０、６０は、電流を伝えるコイル４００、５００、６００を備える電磁石である。別の実施形態では、磁束源４０、５０、６０は、電流を伝えるコイル４００、５００、６００と永久磁石とを組み合わせたものである、あるいは任意の他の磁束源が使用されてもよい。コイル４００、５００、６００は、磁性材料の鉄心４１０、５１０、６１０の周りに巻き付けられてもよい。コイル４００、５００、６００は、電流源７００からの電流によって供給されてもよい。前記電流は、固定電流源７００から、炭素ブラシ８１０とスリップリング８２０の組立体８００を経由して、回転磁極組立体１１０上のコイル４００、５００、６００まで流れる。
【００４５】
半径方向磁場内部回転子ユニット１２０が図２ｂおよび図２ｃに示されているが、３次元磁束集束の同じ概念は、図２ｅに示されている半径方向磁場外部回転子ユニット１２０を構築するために使用することができる。図２ｄでは、半径方向磁場外部回転子ユニット用の１つの磁極が示されており、磁極片３０の内半径にある面は空隙に隣接し、半径方向に磁化された磁石６０は、磁極片３０の外半径に位置する面上に配置される。交番磁気極性を有するこの種の磁極の円形配列は、図２ｅに示される回転子ユニット１２０を作り出す。
【００４６】
磁束源４０、５０、６０および磁束誘導要素または磁極片３０に加えて、３次元磁束集束の効果をさらに高める目的で、さらなる磁気構成要素を設けることができる。例えば、強磁性板１００（図２ｃおよび図９ａに示されている）は、軸方向の磁束源または磁化された磁石４０によって生成される磁束の戻り経路を提供し、磁束源のいずれかに対する磁束経路の磁気抵抗を効果的に低減することができる。一実施形態では、前記強磁性板１００は、半径方向および円周方向に延びる。強磁性板１００は、第１の強磁性板１００Ａおよび第２の強磁性板１００Ｂを備えることができる。前記第１の強磁性板１００Ａおよび前記第２の強磁性板１００Ｂはそれぞれ、第１の面１００Ａ１および１００Ｂ１を有することができる。第１の板１００Ａの第１の面１００Ａ１および第２の板１００Ｂの第１の面１００Ｂ１はそれぞれ、第１のセグメント４０Ａおよび第２のセグメント４０Ｂに隣接する。磁束の戻り経路を提供し、磁束経路の磁気抵抗を低減するために、強磁性の軸方向に延びる管状構造１０１などのさらなる追加の構成要素が含められてもよい。例えば、図２ｃ、図１０ａおよび図１０ｂに示される実施形態では、強磁性の軸方向に延びる管状構造１０１は半径方向磁束源６０に隣接して位置する。板１００および管１０１は、板１００および管１０１を通過する磁束が過剰な飽和を引き起こさないように寸法決定されなければならない。
【００４７】
加えて、単一の構成要素または構造が、１つまたは複数の方向に多数の磁束源４０、５０、６０を提供することができる。
【００４８】
図３ａに示される別の実施形態は、５つの磁束源を有するものに対する代替配置を提示する。単一片の一体構造７１は、第２の周方向磁束源５０および第３の半径方向磁束源６０を提供し、５つの個々の磁束源のうち３つを置き換え、したがって、磁極を作るために磁束源を提供する構成要素の数を３つに減らす。ここで、単一片の一体構造７１は、３方向のうちの２方向に磁束を供給する。別個の軸方向磁束源４０は、各極に軸方向の磁束を供給し、それによって磁極片３０の３次元磁束集束を実現する。この配置は、図３ｂに示されるように、半径方向磁場内部回転子ユニット１２０を構築するために円形配列にまとめることができる。
【００４９】
同様に、図４ａは、第１の軸方向磁束源４０および第３の半径方向磁束源６０を提供するために単一片の一体構造７２が使用される場合の磁極組立体１１０の別のさらなる実施形態を示す。周方向の磁束源は、別個の周方向磁束源５０によって提供される。この配置の円形配列が図４ｂに示されている。
【００５０】
磁極組立体１１０の別の代替実施形態が図５ａに示されており、単一片の一体構造７３が第１の軸方向磁束源４０および第２の周方向磁束源を提供する。別個の半径方向磁束源６０が、各極に対して半径方向の磁束を供給する。この配置の円形配列が図５ｂに示されている。
【００５１】
図７に示される別の実施形態は、磁極組立体１１０内の磁石のトポロジーおよび磁化の方向が、単一の一体構造７４が３方向すべてに、すなわち軸方向、半径方向、および周方向に磁束源４０、５０、６０を提供するようなものである、代替配置を提示する。図示のトポロジーは、内半径の面を横切る磁極片３０と回転子ユニット１１０の周方向および軸方向とを囲んでいる。
【００５２】
図３、図４、図５、および図７に示される実施形態の概念の利点は、磁石の縁部近くの磁場フリンジングによる有用な磁束の損失を低減する傾向があることである。この現象は図６に示されている。２方向に磁束を供給する単一片磁石は、磁場フリンジングが発生する縁部を２つしか有しておらず（図６ａ）、磁場フリンジングが発生する６つの縁部を有する３つの別個の磁石ブロックを備えた同様の配置（図６ｂ）とは異なる。磁場フリンジングは、磁気抵抗および磁束密度の損失の増大と磁束集束効果の低下とをもたらす。
【００５３】
これらの実施形態（図３ｂ、図４ｂ、図５ｂおよび図７）には半径方向磁場内部回転子ユニット１２０が示されているが、３次元磁束集束の同じ概念は、集束された半径方向磁束が磁極片３０の外半径の面上に供給されるように磁石の形状または配置を変更することにより、図２ｅに示されるものと同様の半径方向磁場外部回転子ユニット１２０を構築するために使用することができる。
【００５４】
図２、図３、図４、図５および図７のこの実施形態には半径方向磁場内部回転子ユニット１２０が示されているが、３次元磁束集束の同じ概念は、半径方向磁束が磁極片３０の外半径の面上に供給されるように磁石の形状または配置を変更することにより、図２ｅに示されたものと同様の半径方向磁場外部回転子ユニット１２０を構築するために使用することができる。
【００５５】
図１１ａは、軸方向Ｘに積み重ねられ、前記長手方向に延びる回転軸Ｘに沿って背中合わせに配置された複数の磁極組立体１１０を備えるときの、図２ｂに示される個々の回転子ユニット１２０の積重ねの簡単な例を示す。
【００５６】
磁極配置３００の実施形態は、磁性材料または強磁性材料で作られた半径方向および周方向に延びる板１００Ａ、１００Ｂを含む。
【００５７】
前記第１の板１００Ａは、当該の第１の周方向に延びる軸方向に磁化された磁石４０Ａと接触しかつ同磁石４０Ａ相互間で延び、前記第２の板１００Ｂは、当該の第２の周方向に延びる軸方向に磁化された磁石４０Ｂと接触しかつ同磁石４０Ｂ相互間で延びる。回転子の有効長は、磁束がそれを経由して空隙に入る回転子の部分として定義される。この有効長（図１１ｂに示す）は、磁極片３０の軸方向寸法によって提供される。軸方向長を含む板１００および軸方向に磁化された磁石４０は、空隙に半径方向の磁束を供給しない。回転子１３０の有効長を回転子１３０の全長に対して増加させるために、第１の板１００Ａが、図１２ａのように次の隣接する磁極組立体１１０の第２の板１００Ｂを形成することも可能である。
【００５８】
いずれの実施形態でも、半径方向に磁化された磁石６０によって生成される磁束６０の第３の複数の半径方向構成要素に対して磁気戻り経路が提供される場合、磁極配置３００にとって有益である。この戻り経路は、磁性材料もしくは強磁性材料で作られた軸方向に延びる管状構造１０１、ハブまたはシャフトによって提供することができる。前記軸方向に延びる管状構造１０１は、図２ｃの内部回転子の実施形態または図９ａおよび図９ｂの外部回転子の実施形態に含まれ得る。
【００５９】
隣り合う回転子ユニットの磁極が軸方向に整列されないように、回転子ユニット１２０のスキューイングを実施することも可能である。これは、回転子の軸線の周りの回転子ユニット１２０全体が回転することにより実施することができる。このスキュー角は、回転子の所望の性能に応じて調整することができる。
【００６０】
この実施形態での各回転子ユニット１２０は、図１１ａに示されるように磁極片３０の内半径（図１１ｂに示される磁極片３０の下）に配置された半径方向に磁化された磁石６０の配列を有する。これにより、回転子と固定子との間の空隙内の磁束密度がさらに高まるはずである。
【００６１】
この実施形態（図１１ａおよび図１１ｂ）には半径方向磁場内部回転子が示されているが、３次元磁束集束の同じ概念は、磁束６０の半径方向構成要素が磁極片３０の外半径の面上に供給されるように半径方向に磁化された磁石６０の配置を変更することにより、図２ｅに示されるものと同様の回転子ユニット１２０を使用して半径方向磁場外部回転子を構築するために使用することができる。
【００６２】
ハルバッハ配列の概念は、２つ以上の回転子ユニット１２０からなる回転子の軸方向長を短縮し、回転子の磁気的有効長に対する受動的な長さの比率を上げるために使用することができる。ハルバッハ配列は、片側（強い側）の磁場が強くされ、反対側（弱い側）の磁場がほぼゼロの磁束密度に弱められるように配置された磁石の配列である。これは、空間的に回転する磁化パターンを有することによって達成される。ハルバッハ配列は、無期限に継続され、同じ効果を有することができる永久磁石の回転パターンを含む。シーケンスは、永久磁石ごとに磁石の磁場を９０度回転させる。この効果は図１２ａに線９６によって示され、線９４はハルバッハ配列を通る磁束の流れを示す。前記第１の磁束構成要素４０Ａ、４０Ｂはそれぞれ、各磁極組立体１１０内の周方向に隣り合う磁極片３０が交番する北磁気極性と南磁気極性で配置されるように、ハルバッハ配列に配置された複数の軸方向に磁化された周方向に離間した中央磁石９７Ｆまたは９７Ｓと複数の周方向に磁化された周方向に離間した側面磁石９８Ｆ、９８Ｓとを備えることができる。図示のように、前記側面磁石９８Ｆ、９８Ｓは、前記中央磁石９７Ｆまたは９７Ｓの当該中央磁石の間に置かれ、それぞれが反対の周方向Ｅ１、Ｅ２に磁化されるが、中央磁石９７Ｆ、９７Ｓは異なる軸方向Ｄ１、Ｄ２に交互に磁化される。前記中央磁石（９７Ｆ、９７Ｓ）および前記側面磁石（９８Ｆ、９８Ｓ）の複合磁気効果は、図１２ａまたは図１２ｂの矢印９６の方向でそれぞれの隣り合う磁極片３０に加えられる。
【００６３】
複数の中央磁石９７Ｆまたは９７Ｓと複数の側面磁石９８Ｆ、９８Ｓとは、反復する周方向シーケンスで配置されてもよい。このシーケンスは、交番する中央磁石９７Ｆ、９７Ｓおよび側面磁石９８Ｆ、９８Ｓを備えることができる。中央磁石９７Ｆ、９７Ｓは、磁極片３０に隣接する北側が空隙Ｇに対して北側を示して配置されてもよい。
【００６４】
中央磁石９７Ｆ、９７Ｓは、磁極片３０に隣接する南側が空隙Ｇに対して南側を示して配置されてもよい。
【００６５】
前記シーケンスの側面磁石９８Ｆ、９８Ｓは、磁束を、磁極片３０に南側が隣接する中央磁石９７Ｆ、９７Ｓから磁極片３０に北側が隣接する中央磁石９７Ｆ、９７Ｓに誘導するように配向されてもよい。前記シーケンスにおいて、各順次磁石の磁場は最後まで９０度回転し、前の磁石まで１８０度回転する。ハルバッハ配列の弱い側の磁束密度はほぼゼロであるので、配列内の磁石９１によって生成される磁束に戻り経路を提供するために、磁性材料で作られた板１００は不要である。このため、板１００はなくすことができ、したがって回転子の軸方向長さを短縮することができる。板１００はなくすことができるが、板１００は、回転子に機械的支持を提供するために含められてもよい。しかしながら、板１００の厚さは、磁束を誘導する必要性によっては決定されない。さらに、ハルバッハ配列の磁石９１の厚さ（軸方向の寸法）は、先の実施形態（図１１ａおよび図１１ｂ）に示した軸方向に磁化された磁石４０の厚さ未満でよい、というのは、ハルバッハ配列９１Ａの強い側の磁場は、軸方向に磁化された磁石４０だけによって生成される磁場と比較して強化されるからである。
【００６６】
磁極配置３００はまた、図１２ｂに示されるように、軸方向により長い周方向に磁化された磁石５０を使用してハルバッハ配列の概念を実施することができる。
【００６７】
この配置では、前記軸方向および半径方向に磁化された第２の磁束構成要素５０は、軸方向にずらされた軸方向に磁化された磁石４０の前記複数の第１の磁石４０Ａおよび第２の磁石４０Ｂの内面４０ｉを越えて軸方向に延びることができる。これらの実施形態には示されていないが、半径方向に磁化された磁石は、磁極片に隣接する強い側を有する半径方向のハルバッハ配列によって置き換えることもできる。
【００６８】
この実施形態での各回転子ユニット１２０は、磁極片３０の内半径（図１２ａおよび図１２ｂに示される磁極片３０の下）に配置された半径方向に磁化された磁石６０の配列（図１１ａに示されている）を有することができる。これにより、回転子と固定子との間の空隙内の磁束密度がさらに高まるはずである。
【００６９】
これらの実施形態（図１２ａおよび図１２ｂ）には半径方向磁場内部回転子が示されているが、３次元磁束集束の同じ概念は、半径方向磁束が磁極片３０の外半径の面上に供給されるように半径方向に磁化された磁石の配置を変更することにより、図２ｅに示されるものと同様の回転子ユニット１２０を使用して半径方向磁場外部回転子を構築するために使用することができる。
【００７０】
図１３は、２つ以上の回転子ユニット１２０からなる回転子の軸方向長を短縮することを目的とする実施形態を示す。この場合、軸方向に磁化された磁石および周方向に磁化された磁石は、前記第１の磁束４０および前記第２の磁束５０の複合供給源９２によって置き換えられる。この複合供給源９２は、三角形断面構造を半径方向に有することができる。前記複合供給源９２は、図１３に矢印によって示されるように、磁束の第１の軸方向磁束構成要素４０および第２の周方向磁束構成要素５０の両方を提供するように磁化され得る。複合供給源９２は、隣接磁極片３１に直面する軸方向、半径方向および周方向に延びる第１の表面９２Ａを有することができる。磁極片３１は、軸方向Ａに沿って変化する周方向幅Ｗを有することができ、この実施形態では、ダイヤモンド形状であり得る。三角形断面の磁石９２は、これらの磁石９２が磁束を供給する磁極面に垂直な磁化方向を有することができる。これは、磁極片３１に入る磁束密度のベクトルが周方向構成要素および軸方向構成要素を有し、したがって磁束を２方向に供給することを意味する。この配置により板１００（図１１に示す）の必要性がなくなる、というのは、磁束は、三角形断面の磁石９２を通って一方の極から別の極に誘導され、したがって追加の戻り経路を必要としないからである。板１００は磁気の観点から必要ではないが、板１００は、回転子の機械的堅牢性を高めるために、代替の実施形態に含めることができる。しかしながら、板１００の厚さは磁束を誘導する必要性によっては決定されない。この実施形態での各回転子ユニット１２０は、磁極片３１の内半径（図１３に示される磁極片３１の下）に配置された半径方向に磁化された磁石６０の配列（図１１ａに示されている）を有することができる。これにより、回転子と固定子との間の空隙内の磁束密度がさらに高まるはずである。
【００７１】
この実施形態（図１３）には半径方向磁場内部回転子が示されているが、３次元磁束集束の同じ概念は、半径方向磁束が磁極片３１の外半径の面上に供給されるように半径方向に磁化された磁石の配置を変更することにより、図２ｅに示されるものと同様の回転子ユニット１２０を使用して半径方向磁場外部回転子を構築するために使用することができる。
【００７２】
図１３に示される磁極配置３００の先の実施形態と同様に、図１４ａおよび図１４ｂに描かれている他の代替実施形態は、それぞれ六角形断面構造を有する複数の磁極片３３を備える２つ以上の回転子ユニット１２０を有する磁極配置３００を示す（周方向幅が軸方向長と共に変化する）。磁極片３３は、軸方向、半径方向および周方向に延びる反対側に面する端面３３Ａ、３３Ｂと、周方向にずらされた第１および第２の反対側に面する側面（３３Ｃ、３３Ｄ）と、を有していてもよい。これらの実施形態では、第１の磁束構成要素４０および第２の磁束構成要素５０は複合供給源によって提供される。
【００７３】
磁極配置３００の代替配置が図１４ａに示されており、前記複合供給源９３は、軸方向Ｘに沿って変化する周方向幅Ｗを有する四辺形断面磁石９３を備える。
【００７４】
前記磁石９３は、隣接磁極片３３に直面する反対向きの第１軸方向表面９３Ａおよび第２の軸方向表面９３Ｂを有することができる。磁極片３３の端面３３Ａ、３３Ｂはそれぞれ、隣接する磁束構成要素９３の当該面９３Ａまたは９３Ｂに直面する。
【００７５】
磁極配置３００の別の代替配置が図１４ｂに示されており、前記複合供給源９４は六角形断面構造の磁石９４を備える。前記六角形断面構造９４は、軸方向、半径方向および周方向に延びる反対側に面する端面９４Ａ、９４Ｂと半径方向および周方向に延びる反対側に面するブランク端９４Ｃ、９４Ｄとを有することができる。複合磁束源は、複数の半径方向および軸方向に延びる周方向に離間された補助磁石５１をさらに含むことができる。前記磁石５１はそれぞれ、反対側に面する第１の軸方向端部５１Ａおよび第２の軸方向端部５１Ｂと反対側に面する第１の側面５１Ｃおよび第２の側面５１Ｄとを有する。磁束源９４のブランク端９４Ｃ、９４Ｄは、前記補助磁石５１のそれぞれの第１の軸端５１Ａおよび第２の軸端５１Ｂに直面することができ、前記磁極片３３の前記側面３３Ｃ、３３Ｄは、前記補助磁石５１のそれぞれの反対側に面する側面５１Ｃ、５１Ｄに直面することができる。磁石９３、９４は周方向にのみ磁化されるが、磁石９３、９４の配向および磁石９３、９４が磁極片３３とインターフェースをとる方法により、磁極片３３に入る磁束密度のベクトルは軸方向および周方向の構成要素を有する。
【００７６】
隣り合う磁極片３３の間の周方向の間隙は、磁束の極間漏れを制限するために必要である。図１４ａは、この周方向の間隙を示す。図１４ｂに示されるように、周方向に磁化された磁石５０を隣り合う磁極片３３の間の間隙に配置することが可能である。追加の周方向に磁化された磁石５０は、極間の磁束漏れを制限し、さらに追加の磁束を供給して、回転子の磁気性能を高める。
【００７７】
板１００（図１１に示す）は磁気の観点から必要ではないが、回転子の機械的堅牢性を高めるために含めることができる。しかしながら、板１００の厚さは磁束を誘導する必要性によっては決定されない。
【００７８】
任意の実施形態での回転子ユニット１２０は、磁極片３０の内半径に配置された（図５および図６に示されるような）半径方向に磁化された磁石６０の配列を有することができる。これにより、回転子と固定子との間の空隙内の磁束密度がさらに高まるはずである。
【００７９】
半径方向磁場内部回転子がいくつかの実施形態に示されているが、３次元磁束集束の同じ概念は、半径方向磁束が磁極片３０の外半径の面上に供給されるように半径方向に磁化された磁石の配置を変更することにより、図２ｅに示されているものと同様の回転子ユニット１２０を使用して半径方向磁場外部回転子を構築するために使用することができる。
【００８０】
磁極片３０、軸方向に磁化された磁石４０、および周方向に磁化された磁石５０を備える図１５ａに示される別の代替実施形態では、２つの異なる回転子ユニット１２０に属する各磁極組立体１１０内の軸方向に隣り合う磁極片３０は、ただ１つの軸方向に磁化された磁石４０によって接続され得る。したがって、軸方向に隣り合う磁極片３０は交番する南極性および北極性で配置することができる。これにより、段付きスキューを備えた回転子１３０が作られる。回転子１３０のこのような段スキューイングは、電気機械のトルクリップルを低減する周知の方法である。
【００８１】
図１５ｂの実施形態は、平行四辺形断面磁石９５が回転子ユニット１２０を接続するために使用されて、互いに対して周方向に斜めにされるまたはオフセットされる、各磁極組立体１１０内の軸方向に隣り合う磁極片３０を提供することができることを示す。したがって、回転子ユニット１２０を互いに対して周方向にシフトし、したがってスキュー角を小さくすることが可能になる。極端な場合、シフト角は、すべての回転子ユニット１２０内の北極および南極がスキュー角約０で完全に整列されるようにすることができる。所望の性能に応じて、このスキュー角は変更することができる。
【００８２】
スキューイングの概念は、３つの回転子ユニット１２０を有する図１５ｃに示される実施形態でさらに拡張される。回転子ユニット１２０相互間で、磁石９５は、半径方向の図に平行四辺形の断面を有する。第１の回転子ユニット１２０ａと第２の回転子ユニット１２０ｂとの間の平行四辺形断面磁石９５の配列は、第２の回転子ユニット１２０ｂと第３の回転子ユニット１２０ｃとの間の平行四辺形断面磁石９５の配列と比べて異なる配向および磁化方向を有する。このような配置は、回転子ユニット相互間のスキュー角を再び変える。回転子ユニット１２０相互間に磁石９５の配列を１つだけ有することは、回転子１３０の軸方向長を短縮し、能動軸方向長と受動軸方向長の比を改善する。
【００８３】
磁性材料で作られた板１００は、回転子１３０の軸方向端部で軸方向に磁化された磁石４０によって生成される磁束の戻り経路を提供するためにのみ必要である。板は、回転子の機械的堅牢性を高めるために、回転子ユニット１２０相互間に含めることもできる。
【００８４】
図８ａに示されている実施形態は、第１の軸方向磁束源４０および第２の周方向磁束源５０を備え、各磁極片３０は磁極シュー３８を含む。２つの隣り合う回転子ユニット１２０ａおよび１２０ｂに属する磁極片３０は、軸方向に磁化された磁石４０のただ１つの配列によって接続されるので、交番するＳ極およびＮ極が軸方向に形成される。図８の磁極シュー３８は、回転子ユニット１２０ａおよび１２０ｂによって生成されたＮ極およびＳ極が整列するように、磁極片３０に対して磁極面３８Ｆを周方向および半径方向の両方向にオフセットするために使用される。磁極の軸方向の整列は、完全であり得るあるいは斜めにされ得る。部分的な軸方向断面図は、回転子ユニット１２０ａおよび１２０ｂについてそれぞれ図８ｂおよび図８ｃに示されている。軸方向には、交番する磁極が作られる。
【００８５】
磁極シューは周方向にオフセットされるので、図１１ｂに示すように、隣り合う回転子ユニットの磁極は回転子の外半径で整列される。
【００８６】
この実施形態により、回転子１３０の軸方向長が短縮され、図１５の回転子配置によって与えられる能動軸方向長と受動軸方向長の比が改善されるという利点が最大化されることが可能になり、この利点は、順次回転子ユニット１２０によって空隙Ｇに提示される磁束のスキューを変化させることができることが理解されよう。
【００８７】
この実施形態での各回転子ユニット１２０は、磁極片３０の内半径（図８に示される磁極片３０の下）に配置された半径方向に磁化された磁石６０の配列（図２ｂに示されている）を有することができる。これにより、回転子と固定子との間の空隙内の磁束密度がさらに高まるはずである。
【００８８】
図９ａは、電気機械の一部として、図２ｃに示されている半径方向磁場内部回転子ユニット１２０を示す。前述の半径方向磁場内部回転子ユニット１２０に加えて、機械は固定子２００を備える。前記固定子２００は複数の電磁石２２０を備える。複数の電磁石は、鉄心２１０の複数のフィンガ２２４を含み、フィンガ２２４の周りに、電流を供給することができる複数のコイル２２２がある。電磁石２２０は、回転軸Ｘを中心に周方向Ｃに配置される。
【００８９】
図９ｂは、図９ａの電気機械の軸方向断面を示す。図９ａおよび図９ｂの電気機械は、４組のコイルを備える４つの電磁石を示すが、電気機械の特定の実施形態のすべての電磁石２２０が前記図に示されているわけではないことが理解されよう。他の実施形態では、固定子２００が任意の複数の電磁石２２０を備えることが可能である。
【００９０】
図１０ａは、電気機械の一部として、図２ｅに示されている半径方向磁場内部回転子ユニット１２０を、軸方向に延びる管状構造１０１の切欠図を追加して示す。前述の半径方向磁場外部回転子ユニット１２０に加えて、機械は固定子２００を備える。前記固定子２００は複数の電磁石２２０を備える。複数の電磁石は、鉄心２１０の複数のフィンガ２２４を備え、フィンガ２２４の周りに、電流を供給することができる複数のコイル２２２がある。電磁石２２０は、回転軸Ｘを中心に周方向Ｃに配置される。
【００９１】
図１０ｂは、図１０ａの電気機械の軸方向断面を示す。図１０ａおよび図１０ｂの電気機械は、４組のコイルを備える４つの電磁石を示すが、電気機械の特定の実施形態のすべての電磁石２２０が前記図に示されているわけではないことが理解されよう。他の実施形態では、固定子２００が任意の複数の電磁石２２０を備えることが可能である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図２ｅ】
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【図２ｆ】
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【図２ｇ】
2021501552.tif 000011
【図２ｈ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
2021501552.tif 000015
【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３】
2021501552.tif 000033
【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
2021501552.tif 000035
【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
2021501552.tif 000037
【図１５ｃ】
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【国際調査報告】
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2021501552.tif 000040
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