(57)【要約】      （修正有）【課題】電気モータ、発電機又は再生電気モータなどの装置のロータ構成とステータ構成に関する。【解決手段】ステータ構成は、誘電性の電磁石ハウジングと、全体アモルファス金属磁心を含む付勢可能な少なくとも１つの電磁石アセンブリとを有する。全体アモルファス金属磁心は、複数の個別的に形成されたアモルファス金属磁心片で構成されている。誘電性の電磁石ハウジングは、この電磁石ハウジングの中に形成されており個別的に形成されたアモルファス金属磁心片を相互に隣接した位置に保持して全体アモルファス金属磁心を形成する磁心片開口を有する。この装置は、更に、この装置の速度、効率、トルク及びパワーを制御するために複数の付勢及び消勢パラメータの任意の組合せを用いて電磁石の付勢及び消勢を可変的に制御することができる制御構成を含んでいる。【選択図】図１
2008253127.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気モータと、発電機と、再生電気モータとからなる装置群から選択された装置であって、
ロータ構成部と、少なくとも１つのステータ構成部と、前記ロータ構成部と前記ステータ構成部とを相互に対して所定の位置において支持し、与えられたロータ軸を中心にして所定の回転経路に沿って回転できるように前記ロータ構成部を支持する装置ハウジングとを含む前記装置において、前記ステータ構成部は、
ａ）両方で少なくとも１つの磁極片を画定する全体アモルファス金属磁心と電気コイル・アレイとを含んでおり、前記全体アモルファス金属磁心は、個別的に形成されたアモルファス金属の複数の磁心片によって構成されている、少なくとも１つの付勢可能な電磁石アセンブリと、
ｂ）前記磁極片が前記ロータ構成部の前記回転経路に隣接して位置決めされるように、前記電磁石アセンブリを支持する誘電性電磁石ハウジングであって、前記電磁石ハウジングの中に形成された磁心片開口を有し、前記個別的に形成されたアモルファス金属磁心片を相互に隣接する位置に保持することにより前記全体アモルファス金属磁心を形成する誘電性電磁石ハウジングと、
を備えており、
ｃ）前記電磁石アセンブリは複数の磁極片を含み、前記電磁石アセンブリの前記磁極片はそれぞれが個別的に形成されたアモルファス金属磁心片であり、前記個別的に形成されたアモルファス金属磁心片の少なくとも１つは前記磁極片のそれぞれを相互に磁気結合する電磁ヨークを形成するトロイダル・リングであることを特徴とする装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、前記ロータ構成部は、Ｎ極及びＳ極を有する少なくとも１つのロータ磁石と、前記ロータ磁石を与えられたロータ軸を中心にして回転できるように支持する手段とを含んでおり、それによって、前記磁石の磁極の少なくとも１つは、前記与えられたロータ軸を中心とする前記所定の回転経路に沿ってアクセス可能であることを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項１記載の装置において、前記アモルファス金属磁心片を保持する前記電磁石ハウジングの磁心片開口における空洞が、すべて、誘電性オイルで充填されていることを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項１記載の装置において、前記個別的に形成されたアモルファス金属磁心片の少なくともいくつかは、アモルファス金属の連続的なリボンから形成されたアモルファス金属巻線であることを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項４記載の装置において、前記アモルファス金属の連続的なリボンのリボン幅は、実質的に一定であることを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項１記載の装置において、前記個別的に形成されたアモルファス金属磁心片の少なくともいくつかは、所望の形状を形成するように切断されたアモルファス金属材料の個別的なストリップのスタックで構成されていることを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項４記載の装置において、前記アモルファス金属磁心片は、オイルが含浸していることを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項５記載の装置において、前記個別的に形成されたアモルファス金属磁心片の少なくとも２つは、前記電磁石アセンブリの前記２つの磁極片を形成する円柱状の断片であることを特徴とする装置。
【請求項９】
請求項５記載の装置において、前記トロイダル・リング状の磁心片以外の前記個別的に形成されたアモルファス金属磁心片は、それぞれが、円、長円形、卵形、トロイダル・リング、角の丸められた三角形及び角の丸められた台形からなる断面の形状群から選択された断面の形状を有していることを特徴とする装置。
【請求項１０】
請求項５記載の装置において、前記電磁石アセンブリは複数の磁極片を含んでおり、前記電磁石アセンブリのそれぞれの磁極片は個別的に形成されたアモルファス金属磁心片であり、前記個別的に形成されたアモルファス金属磁心片の少なくとも１つは、前記磁極片のそれぞれを相互に磁気結合する電磁ヨークを形成するトロイダル・リングであることを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項１記載の装置において、前記トロイダル・リング状電磁ヨークは、アモルファス金属の前記連続的なリボンの一方の連続的なエッジによってアモルファス金属の前記リボンが巻かれた後で画定される環状の面を含み、前記電磁石アセンブリの前記磁極片は、それぞれが、前記ロータ磁石の前記所定の回転経路に隣接して位置決めされた第１の端部と、前記トロイダル・リング状電磁ヨークの前記環状の面に隣接して位置決めされた第２の端部とを有していることを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項４記載の装置において、
前記ステータ構成部の前記電磁石アセンブリは、２つの磁極片を画定するほぼＵ状の全体アモルファス金属磁心を含み、
前記２つの磁極片は、それぞれが個別的に形成されたアモルファス金属磁心片であり、
前記全体磁心は、電磁ヨークを形成する追加的な個別的に形成されたアモルファス金属磁心片であって、前記電磁ヨークは、前記磁心片が全体で前記Ｕ状の全体磁心を画定するように前記２つの磁極片を相互に磁気的に結合することを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項４記載の装置において、
ａ）前記ロータ構成部は、前記ロータ磁石のＮ極及びＳ極の両方が前記与えられたロータ軸を中心とする異なる所定の回転経路に沿ってアクセス可能であるように少なくとも１つのロータ磁石を支持する支持手段を含み、
ｂ）前記全体磁心は、２つの磁極片を画定するほぼＣ状の全体アモルファス金属磁心であって、前記磁極片のそれぞれは異なる所定の回転経路の中の対応する１つに隣接して位置決めされており、
ｃ）前記２つの磁極片は、それぞれが、個別的に形成されたアモルファス金属磁心片であり、
ｄ）追加的な個別的に形成されたアモルファス金属磁心片が、前記磁心片が全体で前記Ｃ状の全体磁心を画定するように前記２つの磁極片を相互に磁気的に結合する電磁ヨークを形成することを特徴とする装置。
【請求項１４】
請求項１記載の装置において、
ａ）前記ロータ構成部は、外部円周面を有する樽状のロータ構成部であり、
ｂ）前記ロータ構成部は、前記磁石が、前記与えられたロータ軸とほぼ平行な前記ロータ構成部の前記外部円周面に沿って伸長するように、少なくとも１つのロータ磁石を支持する支持手段を含み、
ｃ）前記全体磁心は、その中心の長軸が前記与えられたロータ軸と一致するほぼ管状の全体アモルファス金属磁心であり、
前記全体磁心は、少なくとも２つの磁極片を画定して、前記磁極片のそれぞれが前記全体磁心の中心軸に向かって半径方向に内向きに伸長するようにしており、
前記磁極片は、それぞれが個別的に形成されたアモルファス金属磁心片であり、
前記全体磁心は、電磁ヨークを形成する個別的に形成された管状のアモルファス金属磁心片を含み、
前記電磁ヨークは、前記個別的に形成された磁心片の全体が、一緒に前記ほぼ管状の全体磁心を画定するように、前記磁極片を相互に磁気的に結合することを特徴とする装置。
【請求項１５】
請求項２記載の装置において、前記ロータ磁石は希土類磁石であることを特徴とする装置。
【請求項１６】
請求項１記載の装置において、前記装置は多相装置であることを特徴とする装置。
【請求項１７】
請求項１６記載の装置において、
前記多相装置は、複数の離散的な装置から構成されており、前記複数の離散的な装置は、相互に固定された前記装置のそれぞれと共通軸上で直線状に設置されており、
前記複数の装置のそれぞれのステータ構成部は、前記与えられたロータ軸を中心にして相互に対して所定の角度だけ回転された位置に保持されていることを特徴とする装置。
【請求項１８】
請求項１記載の装置において、
前記電磁石ハウジングは、冷却用の流体がこの電磁石ハウジングを通過して循環されることを可能にするこの電磁石ハウジングの中に形成された冷却剤開口を更に含むことを特徴とする装置。
【請求項１９】
請求項１記載の装置において、
前記電磁石ハウジングは、前記コイル・アレイを相互接続するワイヤを含むこの電磁石ハウジングの中に形成されたワイヤリング・レースウェイ開口を更に含むことを特徴とする装置。
【請求項２０】
請求項１記載の装置において、前記装置は誘導モータであることを特徴とする装置。
【請求項２１】
電気モータと、発電機と、再生電気モータとからなる装置群から選択される装置の電磁石アセンブリのための全体アモルファス金属磁心を作成する方法であって、
ａ）それぞれが所望の磁心片の形状を有する複数の個別的に形成されたアモルファス金属磁心片を形成するステップであって、前記電磁石アセンブリの磁心片は、それぞれが、個別的に形成されたアモルファス金属磁心片であり、前記個別的に形成されたアモルファス金属磁心片の少なくとも１つは電磁ヨークを形成するトロイダル・リングであって、前記電磁ヨークは残りの磁心片のそれぞれを相互に磁気的に結合する、ステップと、
ｂ）前記所望の全体磁心の形状を画定する磁心片開口を含む誘電性の磁心ハウジングを提供するステップと、
ｃ）前記複数の個別的に形成されたアモルファス金属磁心片を、前記誘電性の磁心ハウジングの磁心片開口に組み立て、それによって、前記誘電性の磁心ハウジングが前記磁心片を相互に隣接するように保持して、前記所望の全体磁心の形状を形成するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項２１記載の方法において、前記磁心ハウジングの前記磁心片開口における任意の空洞を誘電性オイルを用いて充填するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項２１記載の方法において、
所望の磁心片の形状を有する複数の個別的に形成されたアモルファス金属磁心片を形成する前記ステップは、アモルファス金属材料の連続的なリボンを巻いて所望の断面の形状を有するコイルを作成することによって、前記アモルファス金属磁心片の少なくともいくつかを形成するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項２３記載の方法において、所望の磁心片の形状を有する複数の個別的に形成されたアモルファス金属磁心片を形成する前記ステップは、前記アモルファス金属磁心片をオイルで含浸するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項２３記載の方法において、
前記トロイダル・リング状の磁心片以外のそれぞれの磁心片の所望の断面の形状は、円、長円形、卵形、トロイダル・リング、角の丸められた三角形及び角の丸められた台形からなる断面形状群から選択された形状であることを特徴とする装置。
【請求項２６】
請求項２３記載の方法において、
アモルファス金属材料の前記連続的なリボンは、アモルファス金属材料の前記連続的なリボンを前記所望の長さに切断する以外には、切断されたり、エッチングされたり、それ以外の機械加工されたりしないことを特徴とする方法。
【請求項２７】
請求項２１記載の方法において、
所望の磁心片の形状を有する複数の個別的に形成されたアモルファス金属磁心片を形成する前記ステップは、所望の形状を形成するように切断されたアモルファス金属材料の個別的なストリップをスタック上に配置して、前記磁心片を形成することによって、前記個別的に形成されたアモルファス金属磁心片の少なくともいくつかを形成するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２８】
電気モータと、発電機と、再生電気モータとからなる装置群から選択された装置の回転速度、効率、トルク及びパワーを制御する構成体であって、
前記装置は、与えられたロータ軸を中心として所定のロータ経路に沿って回転できるように支持されたロータと、アモルファス金属磁心を含む動的に付勢可能及び消勢可能な複数の電磁石を有するステータとを含み、
前記電磁石は、相互に離間し、前記所定のロータ経路に隣接しており、それによって、電磁石に隣接する与えられた点から次の連続する電磁石に隣接する与えられた点までの前記ロータの特定の点の移動が、１デューティ・サイクルを画定する、構成体において、
ａ）或るデューティ・サイクルの任意の与えられた点における前記ロータの前記ステータに対する位置と回転速度とを決定し、対応する信号を生じる位置検出器構成体と、
ｂ）前記信号に応答し、所定の装置制御設定を用いて前記ステータの電磁石の付勢及び消勢を制御するコントローラであって、各デューティ・サイクルに対して、前記装置の速度、効率、トルク及びパワーを制御するために複数の付勢及び消勢パラメータの任意の組合せを制御することができるコントローラと、
を備えていることを特徴とする構成体。
【請求項２９】
請求項２８記載の構成体において、
前記付勢及び消勢パラメータは、
（ｉ）前記ステータの電磁石が各デューティ・サイクルに対して付勢される連続的な継続時間であるデューティ・サイクル付勢時間と、
（ｉｉ）前記デューティ・サイクルの間に前記ロータの回転位置に対して前記デューティ・サイクル付勢時間が開始及び停止する時間である前記デューティ・サイクル付勢時間の開始／停止点と、
（ｉｉｉ）それ以外の場合には前記連続的なデューティ・サイクル付勢時間である間に前記電磁石を付勢及び消勢することによる、前記電磁石のパルス幅変調である前記デューティ・サイクル付勢時間の変調と、を含むことを特徴とする構成体。
【請求項３０】
請求項２８記載の構成体において、
前記位置検出器構成体は、前記ロータと共に回転できるように支持されたエンコーダ・ディスクと、前記エンコーダ・ディスクと極めて密接して配列された光センサのアレイとを含み、
前記エンコーダ・ディスクは、トラックのそれぞれの中に形成された離間した位置指示開口を備えた複数の同心円状のトラックを有し、
前記光センサのそれぞれは、前記同心円状のトラックの中の関連する１つに対応し、
前記光センサは、それに関連する同心円状のトラックに隣接して位置決めされ、それによって、前記センサは、それに関連する同心円状のトラックの中に形成された位置指示開口の存在を検出して、前記ステータに対する前記ロータの位置を検出することができることを特徴とする構成体。
【請求項３１】
請求項３０記載の構成体において、
前記コントローラは、前記位置検出器構成体のエンコーダ・ディスクが、前記ステータに対する前記ロータの位置の変化を検出して、前記ロータが回転しているときの前記ステータに対する前記ロータの回転速度を決定するレートを用いる手段を含むことを特徴とする構成体。
【請求項３２】
請求項３１記載の構成体において、
前記コントローラは、このコントローラ自体が前記電磁石をいつ付勢及び消勢すべきかを制御するのに用いる複数の時間周期に各デューティ・サイクルを分割することを可能にする時間単位でインクリメントしてカウントすることができるカウンタ構成体を更に含むことを特徴とする構成体。
【請求項３３】
請求項２８記載の構成体において、前記ロータは少なくとも１つの永久超磁石を含むことを特徴とする構成体。
【請求項３４】
電気モータと、発電機と、再生電気モータとからなる装置群から選択された装置の回転速度、効率、トルク及びパワーを制御する方法であって、
前記装置は、与えられたロータ軸を中心として所定のロータ経路に沿って回転できるように支持されたロータと、アモルファス金属磁心を含む動的に付勢可能及び消勢可能な複数の電磁石を有するステータとを含み、
前記電磁石は、相互に離間し前記所定のロータ経路に隣接しており、或る電磁石に隣接する与えられた点から次の連続する電磁石に隣接する与えられた点までの前記ロータの特定の点の移動が、１デューティ・サイクルを画定する、方法において、
ａ）前記デューティ・サイクルの任意の与えられた点における前記ロータの前記ステータに対する位置と回転速度とを決定し、対応する信号を生じるステップと、
ｂ）前記信号を用い、所定の装置制御設定を選択し且つ用いて前記ステータの電磁石の付勢及び消勢を制御し、それによって、各デューティ・サイクルに対して、前記コントローラが、前記装置の速度、効率、トルク及びパワーを制御するために複数の付勢及び消勢パラメータの任意の組合せを制御することができる、ステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３５】
請求項３４記載の方法において、
前記付勢及び消勢パラメータは、
（ｉ）前記ステータの電磁石が各デューティ・サイクルに対して付勢される連続的な継続時間であるデューティ・サイクル付勢時間と、
（ｉｉ）前記デューティ・サイクルの間に前記ロータの回転位置に対して前記デューティ・サイクル付勢時間が開始及び停止する時間である前記デューティ・サイクル付勢時間の開始／停止点と、
（ｉｉｉ）それ以外の場合には前記連続的なデューティ・サイクル付勢時間である間に
前記電磁石を付勢及び消勢することによる前記電磁石のパルス幅変調である前記デューティ・サイクル付勢時間の変調と、を含むことを特徴とする方法。
【請求項３６】
請求項３４記載の方法において、
前記ロータの位置を決定する前記ステップは、前記ロータと共に回転するように支持されたエンコーダ・ディスクと、前記エンコーダ・ディスクと極めて密接して配列された光センサのアレイとを用いて、前記ロータの位置を検出するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３７】
請求項３６記載の方法において、
前記エンコーダ・ディスクは、トラックのそれぞれの中に形成された位置指示開口を備えた複数の同心円状のトラックを有し、
前記光センサのそれぞれは、前記同心円状のトラックの中の関連する１つに隣接して位置決めされ、それによって、前記光センサは、それに関連する同心円状のトラックの中に形成された位置指示開口の存在を検出し、これによって、前記センサが前記ステータに対する前記ロータの位置を検出することを可能にすることを特徴とする方法。
【請求項３８】
請求項３７記載の方法において、
前記電磁石の付勢及び消勢を制御する前記ステップは、前記エンコーダ・ディスクが、前記ステータに対する前記ロータの位置の変化を検出して、前記ロータが回転しているときの前記ステータに対する前記ロータの回転速度を決定するレートを用いるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３９】
請求項３８記載の方法において、
前記電磁石の付勢及び消勢を制御する前記ステップは、
（ｉ）前記ロータの回転速度と、
（ｉｉ）前記電磁石をいつ付勢及び消勢すべきかを制御する複数の時間周期に各デューティ・サイクルを分割することを可能にする時間単位でインクリメントしてカウントすることができるカウンタ構成体との組合せを用いるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項４０】
請求項３４記載の方法において、前記ロータは少なくとも１つの永久超磁石を含むことを特徴とする方法。
【請求項４１】
電気を発生する装置であって、
ａ）ガス・タービン・エンジンと、
ｂ）減速ギアや前記ガス・タービン・エンジンがこの発電機を駆動する回転速度を減速させるための他の手段は用いずに、前記ガス・タービン・エンジンによって直接的に駆動される発電機であって、少なくとも１つのロータ超磁石を備えたロータ構成部と、アモルファス金属磁心を含み動的に付勢可能及び消勢可能な少なくとも１つの電磁石アセンブリを備えたステータ構成部とを含む発電機と、
の組合せを備えていることを特徴とする装置。
【請求項４２】
電気を発生する方法であって、
ａ）ガス・タービン・エンジンを提供するステップと、
ｂ）減速ギアや前記ガス・タービン・エンジンがこの発電機を駆動する回転速度を減速させる他の手段は用いずに、前記ガス・タービン・エンジンを用いて発電機を直接的に駆動するステップであって、前記発電機は、少なくとも１つのロータ超磁石を備えたロータ構成部と、アモルファス金属磁心を含み動的に付勢可能及び消勢可能な少なくとも１つの電磁石アセンブリを備えたステータ構成部とを含む、ステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項４３】
入力駆動装置によって駆動される発電機の電気的出力を調整する方法であって、前記発電機は、動的に付勢可能及び消勢可能な少なくとも１つのステータ・コイルを備えたステータ・アセンブリと、ロータ・アセンブリとを含む、方法において、
ａ）任意の与えられた時間における前記ステータ・アセンブリに対する前記ロータ・アセンブリの位置及び回転速度を決定し、対応する信号を生じるステップと、
ｂ）前記信号を用いて、前記ステータ・コイルの付勢及び消勢を可変的に制御し、それによって、前記発電機の電気的出力が、追加的な電気的出力調整装置の使用を必要とすることなく、所望の電気的出力に調整されるようにする、ステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項４４】
請求項４３記載の方法において、
前記入力駆動装置は、風車であることを特徴とする方法。
【請求項４５】
請求項４３記載の方法において、
前記発電機によって発生された電力の一部を用いて、前記発電機を電気モータとして駆動するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項４６】
請求項４５記載の方法において、
前記発電機は、この発電機が前記入力駆動装置に課する抵抗値を低下させるような態様で、電気モータとして駆動されることを特徴とする方法。
【請求項４７】
請求項４５記載の方法において、
前記発電機は、この発電機が前記入力駆動装置に課する抵抗値を上昇させるような態様で、電気モータとして駆動されることを特徴とする方法。
【請求項４８】
入力駆動装置によって駆動される発電機の電気的出力を調整するために発電機において用いられる構成体であって、
前記発電機は、動的に付勢可能及び消勢可能な少なくとも１つのステータ・コイルを備えたステータ・アセンブリとロータ・アセンブリとを含む、構成体において、
ａ）任意の与えられた時間における前記ステータ・アセンブリに対する前記ロータ・アセンブリの位置及び回転速度を決定し、対応する信号を生じる位置検出器構成体と、
ｂ）前記信号に応答して、前記ステータ・コイルの付勢及び消勢を可変的に制御し、それによって、前記発電機の電気的出力が、追加的な電気的出力調整装置の使用を必要とすることなく所望の電気的出力に調整されるようにする、コントローラと、
を備えていることを特徴とする構成体。
【請求項４９】
請求項４８記載の構成体において、
前記入力駆動装置は、風車であることを特徴とする構成体。
【請求項５０】
請求項４９記載の構成体において、
前記コントローラは、前記発電機によって発生された電力の一部を用いて、前記発電機を電気モータとして駆動することを特徴とする構成体。
【請求項５１】
請求項５０記載の構成体において、
前記コントローラは、前記発電機が前記入力駆動装置に課する抵抗値を低下させるような態様で、前記発電機を電気モータとして駆動することを特徴とする構成体。
【請求項５２】
請求項５０記載の構成体において、
前記発電機は、前記発電機が前記入力駆動装置に課する抵抗値を上昇させるような態様
で、電気モータとして駆動されることを特徴とする構成体。
【請求項５３】
電気モータと、発電機と、再生電気モータとを有する装置群から選択された装置において用いられるステータ構成体であって、
前記装置は、前記ステータ構成体と、ロータ構成体と、前記ロータ構成体と前記ステータ構成体とを相互に対して所定の位置において支持し、与えられたロータ軸を中心にして所定の回転経路に沿って回転できるように前記ロータ構成体を支持する装置ハウジングとを含む、ステータ構成体において、
ａ）少なくとも１つの付勢可能な電磁石アセンブリを備え、前記電磁石アセンブリは、全体アモルファス金属磁心と電気コイル・アレイとを含んでおり、前記全体アモルファス金属磁心と前記電気コイル・アレイは、両方で１つ又は複数の磁極片を画定しており。前記全体アモルファス金属磁心は、個別的に形成されたアモルファス金属の複数の磁心片によって構成されており、
ｂ）また、前記電磁石アセンブリを支持することにより、前記１つ又は複数の磁極片が前記ロータ構成体の前記回転経路に隣接して位置決めされるようにする誘電性電磁石ハウジングを備え、
前記誘電性電磁石ハウジングは、前記個別的に形成されたアモルファス金属磁心片を隣接するが接続されていない位置に保持することにより前記全体アモルファス金属磁心を形成する、前記電磁石ハウジングの中に形成された磁心片開口を有している誘電性電磁石ハウジングと、
を備えていることを特徴とするステータ構成体。
【請求項５４】
請求項５３記載のステータ構成体において、
前記磁心片は、前記ハウジング開口の内部に導かれる、第１及び第２の端部を有する少なくとも１つの磁極片とヨークとを含み、前記磁極片の前記第１の端部は前記ヨークに隣接し前記ヨークに直面する関係に位置決めされ、前記第２の端部はそこから突出していることを特徴とするステータ構成体。
【請求項５５】
請求項５３記載のステータ構成体において、
前記磁心片は、複数の磁極片とヨークとを含み、前記磁極片は各々第１及び第２の端部を有しており、それらの全てが前記ハウジング開口の内部に保持され、それによって、前記磁極片のそれぞれの前記第１の端部は前記ヨークに隣接し前記ヨークに直面する関係に位置決めされ、前記第２の端部はそこから突出していることを特徴とするステータ構成体。
【請求項５６】
請求項５５記載のステータ構成体において、
前記磁心片のそれぞれは、対向するエッジを有するアモルファス金属の連続的なリボンから形成されたアモルファス金属巻線であり、前記対向するエッジは、前記磁極片の前記第１及び第２の端部を形成していることを特徴とするステータ構成体。
【請求項５７】
請求項５６記載のステータ構成体において、
前記ヨークは、対向するヨーク表面を画定する対向するエッジを有するアモルファス金属の連続的なリボンから形成されたアモルファス金属巻線であり、
前記磁極片のそれぞれの前記第１の端部は、前記ハウジングによって、前記ヨーク表面の一方に隣接しそれと直面する関係に保持されることを特徴とするステータ構成体。
【請求項５８】
請求項５７記載のステータ構成体において、
前記ヨークはトロイダル・リングを画定するような形状を有することを特徴とするステータ構成体。
【請求項５９】
請求項５７記載のステータ構成体において、
前記磁極片はそれぞれが、円、長円形、卵形、トロイダル・リング、角の丸められた三角形及び角の丸められた台形からなる断面形状群から選択された断面形状を有することを特徴とするステータ構成体。
【請求項６０】
請求項５５記載のステータ構成体において、
前記個別的に形成されたアモルファス金属磁心片の少なくともいくつかは、所望の形状を形成するように切断されたアモルファス金属材料の個別的なストリップの積み重ねから構成されていることを特徴とするステータ構成体。
【請求項６１】
請求項５５記載のステータ構成体において、
前記磁心片は、前記ヨークと共にＵ状の構成を画定する２つ又はただ２つの磁極片を含むことを特徴とするステータ構成体。
【請求項６２】
請求項５３記載のステータ構成体において、
前記磁心片はそれぞれが第１及び第２の端部を有する２つの磁極片と、２つの直面するヨークと、対向する端部を有するヨーク接続部材とを有し、これらすべてが前記ハウジング開口内において相互に接近しているが接続されていない関係に保持されており、それによって、
（１）前記磁極片の一方の前記第１の端部は前記ヨークの一方に隣接しそれと直面する関係に位置決めされ、また、その第２の端部は他方のヨークの方向にそこから突出しており、
（２）前記磁極片の他方の前記第１の端部は前記ヨークの他方に隣接しそれと直面する関係に位置決めされ、また、その第２の端部は前記一方のヨークの方向にそこから突出しており、
（３）前記ヨーク接続部材の対向する端部は、それぞれが、前記直面関係にあるヨークに隣接しており、
それによって、前記磁心片はＣ状の構成を画定することを特徴とするステータ構成体。
【請求項６３】
電気モータと、発電機と、再生電気モータとを有する装置群から選択された装置において用いられうるステータ構成体の一部として用いられるアモルファス金属磁心であって、
前記装置は、前記ステータ構成体と、ロータ構成体と、前記ロータ構成体と前記ステータ構成体とを相互に対して所定の位置において支持し、与えられたロータ軸を中心にして所定の回転経路に沿って回転できるように前記ロータ構成体を支持する装置ハウジングとを含む、アモルファス金属磁心において、
ａ）協動する電気コイルと組み合わされると磁極片として機能するものを１つ又は複数有する、複数の個別的に形成されたアモルファス金属磁心片と、
ｂ）協動する電気コイルと組み合わされると形成される前記１つ又は複数の磁極片が、前記ロータ構成体の回転経路に隣接して位置決め可能となるように、前記磁心片を相互に隣接するが接続されていない関係に支持する誘電性電磁石ハウジングとを備えており、
前記誘電性電磁石ハウジングは、この電磁石ハウジングの中に形成された磁心片開口であって、前記個別的に形成されたアモルファス金属磁心片を相互に前記隣接するが接続されていない関係に保持する磁心片開口を有していることを特徴とするアモルファス金属磁心。
【請求項６４】
請求項６３記載のアモルファス金属磁心において、
前記磁心片は、第１及び第２の端部を有する少なくとも１つの磁極片とヨークとを含み、前記磁極片と前記ヨークは、前記ハウジング開口の内部に保持され、それによって、前記磁極片の前記第１の端部は前記ヨークに隣接し前記ヨークに直面する関係に位置決めされ、前記第２の端部はそこから突出することを特徴とするアモルファス金属磁心。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、電気モータ、発電機及び再生モータに関する。ここで用いている再生モータ（regenerative motor）という用語は、電気モータ又は発電機のいずれかとして動作させることができる装置を意味する。更に詳しくは、本発明は、個別的に形成されたアモルファス金属磁心片が複数集まって作られているアモルファス金属磁心を有する電磁アセンブリをそれ自身が含むステータ（固定子）構成を含むような、電気モータ、発電機又は再生モータに関する。また、本発明は、電磁石の付勢及び消勢を可変的に制御することができる制御構成部を提供する。この可変的な制御の際には、複数の付勢及び消勢パラメータの任意の組合せが用いられ、それによって、この装置の速度、効率、パワー及びトルクが制御される。
【背景技術】
【０００２】
電気モータ及び発電機産業では、モータ及び発電機の効率及び出力密度を向上させる方法が常に探求されている。ここしばらくの間は、（例えば、コバルト希土類磁石やネオジミウム・鉄・ボロン磁石などの）永久超磁石ロータ（回転子）と、アモルファス金属の磁心を備えている電磁石を含むステータとを用いて構築されたモータ及び発電機は、従来型のモータ及び発電機と比較して、より高い効率及び出力密度の点で実質的に優れていると考えられてきている。また、アモルファス金属の磁心は、従来型の鉄の磁心材料よりも磁界の変化に対してはるかに迅速に応答することができるので、モータや発電機の内部において、はるかに高速での磁界のスイッチングを可能とし、従って、従来型の鉄の磁心よりもはるかに高速でよりよく制御されたモータ及び発電機を可能とする潜在性を有している。しかし、現時点においては、アモルファス金属の磁心を含んでおり製造が容易なモータ又は発電機を提供することは、非常に困難であることが判明している。
【０００３】
アモルファス金属は、幅が一様であり薄い連続的なリボンとして与えられるのが典型的である。しかし、アモルファス金属は非常に硬質な材料であり、容易に切断したり形を与えたりするのは非常に困難であって、焼なまし（アニーリング）によって磁性のピークがいったん達成されると、非常にもろくなる。このために、磁心を作ろうとして従来型のアプローチを用いることは、困難であり費用がかかることになる。この従来型のアプローチというのは、典型的には、所望の形状を有する個別的な磁心層をシート状の磁心材料から切断し、これらの層を積層させて、求めている全体的な磁心の形状を形成する、というものである。アモルファス金属が脆弱であることにより、アモルファス金属の磁心が用いられているモータ又は発電機の耐久性に対する懸念も生じる。磁心には、非常に高い周波数で変化する極度に大きな磁気力が加わるのである。これらの磁気力は、アモルファス金属の磁心に損傷を与えうる磁心材料上の応力に取って代わることがありうる。
【０００４】
アモルファス金属の磁心に伴う別の問題として、物理的な応力が加わるとアモルファス金属材料の透磁率（磁気透過性）が低下することがある。この透磁率（磁気透過性）の低下は、アモルファス金属材料への応力の大きさによっては、著しい場合がある。アモルファス金属の磁心に応力が加わっていくにつれて、磁心が磁束を方向付ける又は合焦させる効率は低下し、その結果、磁気的な損失は増大し、効率は低下し、熱発生は増加し、パワーは低下する。この現象は、磁気歪み（magnetostriction）と称されるものであるが、モータ又は発電機の動作中に磁気力の結果として生じる応力、磁心を所定の位置に機械的な型締め（機械的なクランプ固定）又はそれ以外の態様で固定することの結果として生じる機械的な応力、熱膨張及び／又はアモルファス金属材料の磁気飽和に起因する膨張の結果として生じる内部的な応力などによって、起こりうる。
【０００５】
従来型の磁心は、磁心材料の連続的な層を相互に積層させ、全体としての磁心を形成することによって、形成される。しかし、すでに述べたように、アモルファス金属は、容易な切断や成形が困難である。従って、従来は、多くの場合、リボン状のアモルファス金属を巻き付けてコイルを作り、アモルファス金属材料の連続的な層それぞれがエポキシ等の接着剤を用いて先行する層に積層させることによって、アモルファス金属の磁心が形成されていた。電気モータや発電機において用いられるときには、この積層構造のために、アモルファス金属材料で作られたコイルの熱膨張及び磁気飽和膨張が制限され、その結果として、内部的な応力が高くなる。これらの応力が原因で磁気歪みが生じ、すでに述べたように、モータ又は発電機の効率が低下する。また、この構造では、磁心の各コイルの間に接着剤の層が配置されることになる。アモルファス金属材料は、例えば厚さが僅かに２ミル程度の非常に薄いリボン形状として提供されるのが典型的であるから、磁心体積のかなりのパーセンテージが接着材料になってしまう。このような接着剤の体積のために、積層磁心内のアモルファス金属材料の全体的な密度が低下し、従って、磁心材料の全体の体積が与えられたときに、磁束を合焦させる又は方向付ける磁心の効率が低下する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、電気モータ、発電機又は再生モータにおけるアモルファス金属の磁心への応力を最小化する方法及び構成を提供する。この方法及び構成により、アモルファス金属の複数の層を積層する必要がなくなり、よって、アモルファス金属材料への内部応力が減少し、磁心全体の中のアモルファス金属の密度を上昇させることができる。更に、アモルファス金属という磁心材料が有する高速スイッチングを利用するために、本発明は、アモルファス金属の磁心を含む電気モータ、発電機又は再生モータの電磁石の付勢及び消勢を可変的に制御することができる制御方法及び構成を提供する。この可変的な制御の際には、複数の異なる付勢及び消勢パラメータが組み合わせて用いられ、それによって、この装置の速度、効率、トルク及びパワーが制御される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
後で更に詳細に説明されるように、この出願においては、電気モータ、発電機又は再生電気モータなどの装置が開示される。この装置は、ロータ構成と、少なくとも１つのステータ構成と、前記ロータ構成と前記ステータ構成とを相互に対して所定の位置において支持する装置ハウジングとを含む。この装置ハウジングは、更に、与えられたロータ軸を中心にして所定の回転経路に沿って回転するように前記ロータ構成を支持している。前記ステータ構成は、両方で少なくとも１つの磁極片を画定する全体アモルファス金属磁心と電気コイル・アレイとを含む少なくとも１つの付勢可能な電磁石アセンブリを有する。前記全体アモルファス金属磁心は、個別的に形成されたアモルファス金属の複数の磁心片によって構成されている。更に、前記ステータ構成は、前記電磁石アセンブリを支持することにより前記磁極片が前記ロータ構成の前記回転経路に隣接して位置決めされるようにする誘電性電磁石ハウジングを含む。この誘電性電磁石ハウジングは、前記電磁石ハウジングの中に形成された磁心片開口を有し、前記個別的に形成されたアモルファス金属磁心片を相互に隣接する位置に保持することにより前記全体アモルファス金属磁心を形成する。
【０００８】
或る好適実施例では、前記ロータ構成は、Ｎ極及びＳ極を有する少なくとも１つのロータ磁石と、前記ロータ磁石を与えられたロータ軸を中心にして回転するように支持する手段とを含んでおり、前記磁石の磁極の少なくとも１つは、前記与えられたロータ軸を中心とする前記所定の回転経路に沿ってアクセス可能である。或る好適実施例では、このロータ磁石は、超磁石（super magnet）である。
【０００９】
いくつかの実施例では、前記個別的に形成されたアモルファス金属磁心片は、アモルフ
ァス金属の連続的なリボンから形成されたアモルファス金属巻線である。好ましくは、前記アモルファス金属の連続的なリボンのリボン幅は実質的に一定である。前記個別的に形成されたアモルファス金属磁心片は、円、オーバル（長円形）、卵形、トロイダル・リング、角の丸められた三角形及び角の丸められた台形を含む様々な断面の形状を有しうる。あるいは、前記個別的に形成されたアモルファス金属磁心片は、磁心片ハウジングの関連する磁心片開口の中にスタック状に配列されたアモルファス金属材料の個別的なストリップから形成することもできる。また、いくつかの実施例では、アモルファス金属磁心片を保持している電磁石ハウジングの磁心片開口の中の空洞が、すべてが、誘電性のオイルを用いて充填されている。更に、アモルファス金属磁心片は、オイルが含浸されていることもありうる。
【００１０】
或る実施例では、前記ステータ構成は、それぞれが複数の磁極片を有する複数の電磁石アセンブリを含む。各磁極片は、個別的に形成されたアモルファス金属磁心片である。更に、前記個別的に形成されたアモルファス金属磁心片の少なくとも１つは、前記磁極片のそれぞれを相互に磁気結合する電磁ヨークを形成するトロイダル・リングである。前記トロイダル・リング状の電磁ヨークは、アモルファス金属の前記連続的なリボンの一方の連続的なエッジによってアモルファス金属の前記リボンが巻かれた後で画定される環状の又はそれ以外のそのような連続的な面を含む。前記電磁石アセンブリの前記磁極片は、それぞれが、前記ロータ磁石の前記所定の回転経路に隣接して位置決めされた第１の端部（前記リボンの一方の連続的なエッジによって画定される）を有する。また、前記電磁石アセンブリの前記磁極片は、それぞれが、前記トロイダル・リング状電磁ヨークの前記環状の面に隣接して位置決めされた第２の端部（前記リボンの他方の連続的なエッジによって画定される）を有している。
【００１１】
別の実施例では、前記ステータ構成の電磁石は、２つの磁極片を有するほぼＵ状の全体アモルファス金属磁心を含む。これらの２つの磁極片は、それぞれ、個別的に形成されたアモルファス金属磁心片である。追加的な個別的に形成されたアモルファス金属磁心片が、前記磁心片が全体で前記Ｕ状の全体磁心を画定するように前記２つの磁極片を相互に磁気的に結合する電磁ヨークを形成する。
【００１２】
更に別の実施例では、ロータ磁石を支持する構成体が、前記ロータ磁石のＮ極及びＳ極の両方が前記与えられたロータ軸を中心とする異なる所定の回転経路に沿ってアクセス可能であるように、そのロータ磁石を支持する。前記ステータ構成の電磁石は、２つの磁極片を有するほぼＣ状の全体アモルファス金属磁心を含んでおり、前記磁極片のそれぞれは、前記ロータ磁石のＮ極及びＳ極の所定の回転経路の中の対応する１つに隣接して位置決めされている。前記電磁石アセンブリの全体磁心は、２つの磁極片を画定するほぼＣ状の全体アモルファス金属磁心であり、前記磁極片は、それぞれが、異なる所定の回転経路の対応する１つに隣接して位置決めされている。前記２つの磁極片は、それぞれが、個別的に形成されたアモルファス金属磁心片である。追加的な個別的に形成されたアモルファス金属磁心片は、前記磁心片が全体で前記Ｃ状の全体磁心を画定するように、前記２つの磁極片を相互に磁気的に結合する電磁ヨークを形成する。
【００１３】
更に、この出願には、電気モータ、発電機又は再生電気モータなどの装置のアモルファス金属磁心を作成する方法が開示されている。この方法は、それぞれが所望の磁心片の形状を有する複数の個別的に形成されたアモルファス金属磁心片を形成するステップを含む。所望の全体磁心形状を画定する磁心片開口を含む誘電性磁心ハウジングが提供される。前記複数の個別的に形成されたアモルファス金属磁心片が、前記誘電性の磁心ハウジングの磁心片開口内で組み立てられ、前記誘電性の磁心ハウジングが前記磁心片を相互に隣接するように保持して前記所望の全体磁心の形状を形成する。好適実施例では、各磁心片は、アモルファス金属の連続的なリボンからその最終的な形状に巻かれる。
【００１４】
本発明の別の側面によると、電気モータ、発電機又は再生電気モータなどの装置の回転速度、入力／出力パワー及びトルクを制御する方法及び構成体（arrangement）がこの出願において開示される。この装置は、与えられたロータ軸を中心として所定のロータ経路に沿って回転するように支持されたロータを含む。好ましくは、このロータは、少なくとも１つの永久超磁石を含む。この装置は、また、アモルファス金属磁心を含む動的に付勢可能及び消勢可能な複数の電磁石アセンブリ（単に、電磁石とも称される）を有するステータを含む。前記電磁石は、相互に離間し、前記所定のロータ経路に隣接しており、１つの電磁石に隣接する与えられた点（ステータ点）から次の連続する電磁石に隣接する与えられた点（ステータ点）までの前記ロータの特定の点（ロータ点）の移動が１デューティ・サイクルを画定する。位置検出構成体が、或るデューティ・サイクルの任意の与えられた点における前記ロータの前記ステータに対する位置と回転速度とを決定し、対応する信号を生じる。コントローラが、前記信号に応答し、所定の装置制御設定を用いて前記ステータの電磁石の付勢及び消勢を制御し、各デューティ・サイクルに対して、このコントローラは、前記装置の速度、効率、入力／出力パワー及びトルクを制御するために複数の付勢及び消勢パラメータの任意の組合せを制御することができる。
【００１５】
或る好適実施例では、前記付勢及び消勢パラメータは、（ｉ）前記ステータの電磁石が各デューティ・サイクルに対して付勢される（一方又は他方の極性をもって）連続的な継続時間であるデューティ・サイクル付勢時間と、（ｉｉ）前記デューティ・サイクルの間に、或るステータ点から次の隣接するステータ点までそのデューティ・サイクルを通じて移動する際に、前記ロータの回転位置に対して前記デューティ・サイクル付勢時間が開始及び停止する時間である前記デューティ・サイクル付勢時間の開始／停止点と、（ｉｉｉ）それ以外の場合には前記連続的なデューティ・サイクル付勢時間である間に前記電磁石を付勢及び消勢することによる前記電磁石のパルス幅変調である前記デューティ・サイクル付勢時間の変調と、を含む。
【００１６】
別の実施例では、前記位置検出器構成体は、前記ロータと共に回転するように支持されたエンコーダ・ディスクと、前記エンコーダ・ディスクと極めて密接して配列された光センサのアレイとを含む。前記エンコーダ・ディスクは、実際にはディスクにおけるスルーホールである離間した位置指示開口を備えた複数の同心円状のトラックを有する。前記光センサのそれぞれは、前記同心円状のトラックの中の関連する１つに対応すると共にそれと光学的に整列されており、それによって、各センサは、それに関連する同心円状のトラックを画定する位置指示開口の存在を検出し、前記ステータに対する前記ロータの位置を検出することができる。好ましくは、これらの開口のサイズ及び位置は、ロータの位置情報の１デジタル・バイトを表し、各トラックが、デジタル・バイト全体の中の１ビットを与えている。このようにして、モータ／発電機装置の始動の間に、ロータの位置を正確に決定することができる。
【００１７】
更に別の実施例では、コントローラが、このコントローラ自体が前記電磁石をいつ付勢及び消勢すべきかを制御するのに用いる複数の時間周期に各デューティ・サイクルを分割することを可能にする時間単位でインクリメントしてカウントすることができるカウンタ構成体を更に含んでいる。
【００１８】
本発明の別の側面によると、入力駆動装置によって駆動される発電機の電気的出力を調整する方法及び構成体が開示されている。この発電機は、動的に付勢可能及び消勢可能な少なくとも１つのステータ・コイルを有するステータ・アセンブリと、ロータ・アセンブリとを含む。位置検出器構成体が、任意の与えられた時間における前記ステータ・アセンブリに対する前記ロータ・アセンブリの位置及び回転速度を決定して、対応する信号を生じる。コントローラが、前記信号に応答して、ステータ・コイルの付勢及び消勢を可変的
に制御することによって、発電機の電気的出力が、追加的な電力調整装置の使用を必要とせずに所望の電気的出力に調整される。或る実施例では、入力駆動装置は風車である。更に、コントローラは、発電機によって発生される電力の一部を用いて発電機を電気モータとして駆動することができる。発電機は、発電機それ自体が入力駆動装置に課する抵抗値を低下させるように、又は、発電機それ自体が入力駆動装置に課する抵抗値を上昇させるように、電気モータとして駆動することができる。
【００１９】
本発明の特徴は、以下の添付された図面と共に好適実施例に関する以上の説明を参照することによって最もよく理解されうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に図面を参照するが、同じ構成要素は、複数の図面で用いられている場合でも同じ参照番号が付されている。まず、図１ないし図３Ｂを参照してほしい。図１には、本発明によって設計された装置１０の断面図が示されている。装置１０は、この説明を通じて複数の時点において電気モータ又は発電機と称されることになるが、装置１０は、それ自体が用いられている応用例での要求に応じて、モータ、発電機、オルタネータ（alternator：例えば、同期発電機）、再生モータなどの形態をとりうることを理解すべきである。ここでの説明の目的のために、再生モータという用語は、電気モータ又は発電機のいずれかとして動作させることができる装置を意味する。また、装置１０は、ほとんどの場合に、ＤＣブラシレス・モータとして説明されるが、非常に様々な他のタイプのモータ及び／又は発電機の形態を取ることができ、それでも依然として本発明の範囲に属することを理解すべきである。これらの他のタイプのモータ及び／又はオルタネータ／発電機には、限定はされないが、ＤＣ同期装置、可変リラクタンス又は切り換え型リラクタンス装置、誘導型モータなどを含む。
【００２１】
図１に最もよく示されているように、装置１０は、シャフト１４と、ロータ構成部（rotor arrangement）１６と、ステータ構成部（stator arrangement）１８と、装置ハウジング２０とを含む。装置ハウジング２０は、ベアリング２２を用いることによって、シャフト１４の長軸を中心として回転できるようにシャフト１４を支持しており、又、シャフトを回転可能に支持するための容易に提供可能な任意の他の適切な構成部を支持している。ロータ構成部１６は、シャフト１４の長手方向の回転軸を中心としてシャフト１４と共に回転できるようにシャフト１４に固定されている。ステータ構成部１８は、装置ハウジング２０によって支持され、このステータ構成部１８が、ロータ構成部１６の回転経路に隣接して位置するようになっている。
【００２２】
次に図２を参照すると、ロータ構成部１６のある好適実施例の平面図が示されている。以下では、ロータ構成部１６について、より詳細に説明する。この実施例では、ロータ構成部１６は、ディスク又は軸タイプのロータであって、半径方向に離間した永久超磁石２４ａ−ｆ（例えば、コバルト希土類磁石）を６つ含んでおり、それぞれが、Ｎ極及びＳ極を画定する対向端部を有している。磁石２４ａ−ｆは、ロータ・ディスク２６又は任意の他の適切な構成によってシャフト１４の軸を中心として回転できるように支持されており、磁石２４ａ−ｆの磁極は、シャフトの軸の周囲にありロータ構成部に隣接する２つの所定の回転経路に沿ってアクセス可能である。磁極は相互に対して方向決めされており、ロータ・ディスクのそれぞれの側において、図２に示すように、磁石が交互にＮ極及びＳ極を与えている。
【００２３】
磁石２４ａ−ｆは永久超磁石として説明されているが、これは必須ではない。そうではなく、磁石は、他の磁気材料でもかまわないし、場合によっては、電磁石でもよい。また、ロータ構成部をディスク又は軸タイプのロータとして説明したが、これも必須ではない。代わりに、ロータが、磁石がその外周部に配置されている樽又は軸タイプのロータなど
、広い範囲の特定の構成を有していてもかまわない。ロータは、６つの磁石を含むものとして説明されたが、いくつの磁石を含むこともでき、その場合でも本発明の範囲に属することを理解されたい。そして最後に、ロータ構成部は磁石を含むものとして説明されたが、これも必須ではない。例えば、誘導モータの場合には、ロータ構成部１６は磁石２４ａ−ｇを含むことはない。その代わりに、当業者であれば理解することであろうが、ロータ・ディスク２６を鉄ベースの材料又は何らかの他の磁気材料から構築し、ステータ構成部のスイッチングによって生じる回転磁界によって駆動される磁気ロータ磁心を形成することができる。
【００２４】
図１に最もよく示されているように、今説明している実施例では、ステータ構成部１８は、２つのステータ・ハウジング２８ａ及び２８ｂを含み、これらのステータ・ハウジングは、ロータ構成部１６の対向する側に隣接して配置される。ステータ・ハウジング２８ａ及び２８ｂは、相互に鏡像（ミラーイメージ）関係にあるので、ステータ・ハウジング２８ａだけを詳細に説明することにする。ステータ・ハウジング２８ａは、これに限定されるわけではないが、高強度の複合又はプラスチック材料などの誘電材料（絶縁材料）から形成される。誘電性があってステータ構成部１８を構成しているすべての関連する構成要素を適切に支持することができれば、任意の適切な材料を用いてステータ・ハウジングを形成することが可能である。
【００２５】
本発明によると、ステータ・ハウジング２８ａは、複数の開口を有している。前記複数の開口は、ハウジングの中に形成され動的に付勢及び消勢可能な電磁石アセンブリ３４を支持する磁心片開口３０とコイル開口３２とを含む。電磁石アセンブリ３４は、全体がアモルファス金属である磁心３６とコイル・アレイ３８とを含む。コイル・アレイ３８は、コイル開口３２において支持される。また、本発明によると、全体がアモルファス金属である磁心３６は、個別的に形成されたアモルファス金属磁心片（core pieces）３６ａ−ｇが複数集まって構成されており、その磁心片のいくつかは、図３Ａに最もよく示されているように、磁極片（magnetic pole pieces）を形成している。ステータ・ハウジング２８ａは、電磁石アセンブリ３４を支持しており、この電磁石アセンブリの磁極片は、図２に最もよく示されているように、ロータ構成部上の磁石２４ａ−ｆの磁極の所定の回転経路の１つに隣接して保持されている。
【００２６】
図３Ａは、図１に示されている特定の実施例のための全体がアモルファス金属磁心３６の特定の構成を図解している。個々の磁心片３６ａ−ｇは、それぞれが、連続的なリボン形状のアモルファス金属材料を所望の形状に巻くことによって形成されている。磁心片３６ａ−ｆの場合には、磁心片の形状はほぼ円柱状であり、これらの磁心片それぞれの対向する連続的なエッジは、磁心片の対向する端部３７ａ及び３７ｂを画定している。しかし、磁心片３６ｇの場合には、磁心片の形状は、トロイダル・リング状の磁心片３６ｇを形成するように巻かれている連続的なアモルファス金属のリボンの一方の連続的なエッジによって画定される環状の面４０を有するトロイダル・リングである。いずれの場合でも、この実施例においては、連続的なアモルファス金属のリボンは、切断、エッチング又はそれ以外の機械加工等はなされず、最初に、所望の磁心片の形状を形成するのに必要な所望の長さに切断されるだけである。円柱状の磁心片３６ａ−ｆは、それぞれが、全体としての磁心３６の磁極片を形成し、それぞれの円柱状の磁心片の一端３７ａはトロイダル・リング状の磁心片３６ｇの環状面４０に接するように配置され、他方の端部３７ｂは環状面４０から外に向かって突出する。トロイダル・リング状の磁心片３６ｇは、磁気ヨークをして作用することにより、磁束の漏れを阻止し、円柱状の磁心片３６ａ−ｆのそれぞれを磁気結合する。
【００２７】
図３Ｂは、図３Ａの磁心３６とは離れたものとして、ステータ・ハウジング２８ａを図解している。ただし、ステータ・ハウジング２８ａは、磁心３６を含むように設計されて
いる。特に、複数の磁心片開口３０とコイル開口３２とに注意してほしい。ステータ・ハウジング２８ａは、また、冷却剤（coolant）開口３９と、ワイヤ・レースウェイ開口４１とを有している。冷却剤（coolant）開口３９を用いて、冷却用の流体をステータ・ハウジング２８ａを通過して循環させ、ステータ・ハウジング２８ａ、コイル・アレイ２８ａ及び磁心３６における過剰な発熱を回避する。冷却剤開口は、ステータ・ハウジングないの任意の適切な位置に形成し、装置を冷却することができる。ワイヤ・レースウェイ開口４１は、コイル・アレイ３８を相互接続するワイヤを敷設するのに用いられる。図３Ｂには図３Ａに図解されている磁心片を囲むように設計されたステータ・ハウジングのある特定の構成が図解されているが、ステータ・ハウジングには様々な構成がありうるのであって、その構成は特定の磁心の設計に応じて変動しうることを理解されたい。
【００２８】
図１、図３Ａ及び図３Ｂに最もよく示されているように、個別的に形成された磁心片３６ａ−ｇは、ステータ・ハウジング２８ａの磁心片開口３０の内部で支持され、相互に対して一定の位置に保持されている。磁心片開口３０は、ステータ・ハウジング２８ａの中に形成されて、個別的に形成された磁心片３６ａ−ｆのそれぞれを支持する適切な形状を有しているので、磁心片３６ａ−ｆを、リボン状のアモルファス金属材料を、巻線の層（layers of the winding）を積層することなく巻くことによって形成することができる。これによって、個別的に形成された各磁心片が熱膨張したり及び／又は磁気飽和によって膨張したりすることが可能となり、それによって、磁心全体の内部において又は個別的に形成された磁心片のいずれかの内部において内部的な応力を生じさせずに、巻線のコイルを僅かに逆方向に解放させる（slightly uncoil）。この構成によって、従来技術の説明において述べた磁気歪みによって生じる問題が実質的に緩和される。また、この構成によると、磁心片を積層する必要がなくなるので、磁心全体の中で積層材料が占める空間の体積も除去される。このために、より多くの量のアモルファス金属材料を与えられた体積の中に配置することが可能になり、それによって、磁心が磁束を方向付ける又は合焦させることができる効率が向上する。同時に、各ステータ・ハウジングが、磁極片３６ａ−ｆをヨーク３６ｇと直接的に接するように保持するから、磁心全体が、機能的に見て、単一の一体的に形成された磁心に類似することになる。また、ステータ・ハウジング２８ａは、アモルファス金属の磁心３６の全体を完全に包囲して密封された囲い（enclosure）を形成し、それによって、磁心片の腐食が回避される。
【００２９】
図１に示された実施例では、磁心片３６ａ−ｇによって満たされていない磁心片開口３０における空洞は、すべてが誘電性のオイル４２によって充填され、磁心片開口３０は密封されて、オイルは空洞の内部に維持される。磁心片開口のこのオイルによる充填は、クッションとして作用し、モータに関連する大きな変動する磁気力を受けたときに、アモルファス金属材料への損傷を回避するのに役立つ。また、このオイルの充填は、ステータ構成部を熱的に等化するのにも役立ち、装置全体の熱散逸特性を向上させるのにも用いることができる。更に、アモルファス金属の磁心片３６ａ−ｇは、オイル含浸性を有している。これによって、アモルファス金属磁心片の巻線が、アモルファス金属材料の磁気飽和や熱膨張によって更に容易に膨張することが可能となり、磁気歪みを生じさせうる応力を更に減少させる。しかし、上述の磁心片開口はオイルが充填され磁心片はオイル含浸性を有しているが、これは必須ではない。本発明は、開口がオイルで充填されているかどうか、また、磁心片がオイル含浸性であるかどうかとは関係なく、ハウジングの開口において支持されている個別的に形成されたアモルファス金属の磁心片から作られた磁心を用いる装置には、等しく応用できるのである。
【００３０】
装置１０は、ブラシレスレスの同期式装置であって、ステータ・ハウジング２８ａ内の電磁石コイル・アレイ３８を構成しているコイルがすべて電気的に接続され、同時に付勢及び消勢されるようになっている。図１に示されている実施例では、コイル・アレイ３８は磁極片コイルを６つ含んでおり、その中の２つが図１にコイル３８ａ及び３８ｄとして
示されている。コイル・アレイ３８は、エポキシ樹脂を用いて又はそれ以外の手段でしかるべき位置に固定され、ステータ構成部の全体的な構造的一体性に追加されている。各コイルは、磁心片３６ａ−ｆの対応する１つの周囲に位置決めされ、その中の２つが図１にコイル３６ａ及び３６ｄとして示されている。コイル・アレイ３８は、磁心片３６ａ−ｆによって形成された磁極片の突出端部が、コイル・アレイ３８が付勢されると交互にＮ極及びＳ極を形成するように、巻かれている。トロイダル・リング状の磁心片３６ｇは磁気ヨークとして作用し、トロイダル・リング状の磁心片３６ｇに隣接する磁心片３６ａ−ｆの端部に関連する磁束を、逆の極性の隣接する磁極片の方向に向きを変更する。この装置が電気モータとして動作されるときには、コイル・アレイ３８を流れる電流の向きを切り換える（スイッチングする）ことによって、電磁石アセンブリ３４の磁極片それぞれの極性が反転される。後でより詳細に説明するが、発電機の場合には、電磁石が負荷に接続されている態様を切り換えることにより、発電機が生じる電気の電力出力及び状態が制御される。この構成によって、ステータ構成部１８の電磁石アセンブリ３４の交互に配置されたＮ極及びＳ極は、ロータ構成部１６の永久磁石２４ａ−ｆの交互に配置されたＮ極及びＳ極と制御可能な態様で相互作用する。
【００３１】
また、装置１０は、コイル・アレイ３８を、極性が反転するように付勢及び消勢する制御構成部４４を含む。制御構成部４４は、適切で容易に提供することができ極性が変動するように電磁石アセンブリ３４を動的に付勢及び消勢することができる任意のコントローラを含む。好ましくは、コントローラ４６は、従来型の電気モータ及び発電機において典型的になされているよりもはるかに高速で電磁石アセンブリ３４を付勢及び消勢することができるプログラマブルなコントローラである。磁界がアモルファス金属の磁心において切り換えられ得る固有の速度のために、この装置の各デューティ・サイクルに対して、装置１０は、コントローラ４６が、複数の付勢及び消勢パラメータの任意の組合せを用いて装置１０の回転速度、パワー及びトルク出力を制御することを可能にしている。ここでの説明のためには、１デューティ・サイクルとは、すでに述べたように、ロータの特定の点の、ステータ構成部の１つの電磁石磁極片に隣接する或るステータの地点からステータ構成部の次の連続する電磁石磁極片に隣接する或る地点までの移動として定義される。
【００３２】
更に図１を参照すると、制御構成部４４は、更に、各デューティ・サイクルに対する或る与えられた時点において、ステータ構成部１８に対するロータ構成部１６の位置と回転速度とを決定し、対応する信号を生じる位置検出器構成部４８を含む。検出器構成部４８は、ロータ構成部１６と共に回転するようにシャフト１４上に支持されているエンコーダ・ディスク５０を含む。また、検出器構成部４８は、エンコーダ・ディスクに隣接して位置決めされている光センサ５２のアレイを含む。
【００３３】
エンコーダ・ディスク５０の平面図である図４に図解されているように、エンコーダ・ディスク５０は、複数の同心円状のトラック５４を含み、各トラックには位置を指示する開口５６が形成されている。この実施例では、ディスク５０は、６つの同心円状のトラック５４ａ−ｆを含んでいる。ディスク５０は、３つの１２０度の弧（アーク）であるパイ状のセクション５８に分割され、これらのセクションは、相互に同一である。各セクション５８には、特定の極性を有する第１のロータ磁石上の或る地点から同じ極性を有する次の連続する磁石上の対応する地点まで（すなわち、１つのＳ極からＮ極を１つ通り越して次のＳ極まで）伸長しているロータ構成部のパイ状のセクションが関連している。内側のトラック５４ａは、各セクション５８において、トラック５４ａの長さの半分（６０度の弧）だけ伸長している長い１つの開口５６ａを有している。この場合には、これらの開口５６ａは、それぞれが、装置の１デューティ・サイクルに対応し、３つの開口が、６つのロータ磁石の中の１つおきのロータ磁石と整列している（すなわち、これらの３つの磁石は、ロータ・ディスクのそれぞれの与えられた側で同じ極性を有する）。各セクション内では、それぞれの連続するトラックは、それよりも内側のトラックにおける開口と比較し
て、長さが半分の開口を２倍有している。すなわち、トラック５４ｂは、各セクションにおいて２つの開口５６ｂを有し、トラック５４ｃは４つの開口５６ｃを有する、ということである。そして、外側のトラックは３２個の開口を有し、それぞれは、（１＋７／８）度の弧（arc of one and seven eighth of a degree）を有している。
【００３４】
光センサ・アレイ５２は、６つの光センサを含み、それぞれのセンサはエンコーダ・ディスク５０上の同心円状のトラックの１つに対応しそれと光学的に整列するように位置決めされている。アレイ５２は、エンコーダ・ディスク５０に隣接して位置決めされ、光センサが開口５６の存在を検出するようになっている。光センサのそれぞれが１ビットの情報を提供するので、アレイ５２は、コントローラ４６に、２度の弧よりも小さな範囲でロータ構成部の位置を識別するバイナリ・ワード（１バイト）を提供することができる。最上位ビット、すなわち、トラック５４ａと関連するセンサを用いると、コントローラ４６は、磁石の交互に配列されたＮ極及びＳ極の位置を決定することもできる。というのは、トラック５４ａの開口５６ａは、すでに述べたように、ロータ・ディスク上の１つおきの磁石に対応するからである。
【００３５】
また、コントローラ４６は、時間単位でインクリメントして（増やして）カウントすることができるカウンタ構成部４９を含んでいる。このインクリメントによって、この装置が所定の最大速度で回転しているときに、各デューティ・サイクル（６０度の弧）を、例えば１デューティ・サイクル当たり１６００カウントなどの、複数の時間周期すなわちカウントに分割することが可能になる。これは、各開口５６ｆに対する１００カウント、又は言い換えれば、エンコーダ・ディスクによって提供される分解能の１００倍に対応する。説明のために例を挙げると、２万ＲＰＭで動作することができる高速モータの場合には、このためには、毎秒３２０万カウント、すなわち３．２ＭＨｚで動作することができるカウンタ構成部又はクロックが必要となる。ただ１つの特定のクロック速度についてだけ詳細に説明したが、本発明は、カウンタ構成部の特定のクロック速度とは関係なく、等しく応用できることを理解してほしい。
【００３６】
また、コントローラ４６は、カウンタ構成部４９の任意の所定のカウントで電磁石アセンブリ３４を付勢又は消勢することができるように構成されている。これによって、電磁石の付勢及び消勢を極めて正確に制御することができるようになる。２万ＲＰＭという動作速度を例に用いているが、これは上限を意味しないことを理解すべきである。アモルファス金属のステータ構成部の極めて高速のスイッチング性能と上述した制御構成部によって提供される電磁石の正確な付勢及び消勢制御とによって、本発明に従って設計されたモータ及び発電機装置は、５万ＲＰＭから更には１０万ＲＰＭを超えるほどの極めて高速の装置を提供することができる。本発明は、また、このような極めて高速の装置によって発生される極めて大きな遠心力に耐えることができるステータ構成部及びロータ構成部を提供する。
【００３７】
コントローラ４６がエンコーダ・ディスク５０における複数のトラックの開口の存在を離散的に検出できるようにするために、複数のトラックにおける開口は相互に僅かにずれており、アレイ５２の異なる光センサが正確に同じ時刻において異なるトラックに対する開口の開始の検出を指示しようとすることがないようになっている。この符号化の方式は、通常、グレイ・コード（gray code）と称され、開口を指示する位置が本の僅かに不正確であることによってコントローラがエラーを生じてしまうことを回避するための方式である。
【００３８】
再び図１を参照するが、これまでに装置１０を構成している様々な構成要素については説明したので、次に、様々なモードにおけるこの装置の動作を詳細に説明する。アモルファス金属の磁心材料はその磁界を非常に高速にスイッチングすることができ、また、制御
構成部４４は極めて正確な時刻において電磁石アセンブリ３４を付勢及び消勢することができるので、本発明による制御構成部４４によれば、コントローラ４６は、電磁石アセンブリの複数の付勢及び消勢パラメータの任意の組合せを用いて、この装置の速度、効率、トルク及びパワーを制御することができる。これらのパラメータには、限定的ではないが、デューティ・サイクルの付勢時間、デューティ・サイクル付勢時間の開始／停止（start/stop）点、デューティ・サイクル付勢時間の変調などが含まれる。付勢及び消勢パラメータは、図５Ａ−Ｃを参照しながら後でより詳細に説明する。図５Ａ−Ｃは、２つの連続するデューティ・サイクルＤ１及びＤ２に対する電磁石アセンブリ３４の付勢／消勢状態を示すグラフである。
【００３９】
電磁石アセンブリは、この電磁石アセンブリを構成する磁極片それぞれに対してＮ及びＳの極性が交互に生じるように付勢される。任意の所定のステータ磁極片に対して、デューティ・サイクルＤ１は、ロータ・アセンブリが、ロータ磁石の１つのＮ極がこの所定のステータ磁極片と隣接し中心が完全に一列になった（lined up top dead center with）時から、次の連続するロータ磁石のＳ極がこの所定のステータ磁極片と隣接し中心が完全に一列になる時まで回転するのに要する時間に対応する。参照記号Ｎを用いて指示されているように、電磁石アセンブリは、デューティ・サイクルＤ１の間、前記所定のステータ磁極片がＮ極として作用するように付勢される。デューティ・サイクルＤ２は、ロータ・アセンブリが、ロータ磁石の１つのＳ極がこの所定のステータ磁極片と隣接し中心が完全に一列になった時から、次の連続するロータ磁石のＮ極がこの所定のステータ磁極片と隣接し中心が完全に一列になる時まで回転するのに要する時間に対応する。参照記号Ｓを用いて指示されているように、電磁石アセンブリは、デューティ・サイクルＤ２の間、前記所定のステータ磁極片がＳ極として作用するように付勢される。
【００４０】
図５Ａに示されているように、デューティ・サイクル付勢時間は、ステータ構成部の電磁石アセンブリ３４が或る所定のデューティ・サイクルの間付勢されている連続的な継続時間である。図５Ａ−Ｃでは、デューティ・サイクル付勢時間は、文字Ｔによって指示されている。デューティ・サイクル付勢時間の開始／停止点とは、デューティ・サイクルの間に、ロータの回転位置に対して、デューティ・サイクル付勢時間が開始する（参照番号６０で示されている）及び停止する（参照番号６２で示されている）時点である。図５Ｂに図解されているように、開始／停止点は、デューティ・サイクル付勢時間Ｔを一定に保ちながら変更することができるし、同時に、デューティ・サイクルの付勢時間Ｔの長さを変化させながら変更することもできる。そして最後に、デューティ・サイクル付勢時間の変調は、デューティ・サイクル付勢時間Ｔの開始点と停止点との間の電磁石アセンブリ３４のパルス幅変調である。図５Ｃに図解されているように、これは、そうでなければ連続的であるデューティ・サイクル付勢時間Ｔの間に電磁石アセンブリ３４を付勢及び消勢することによってなされる。パルス幅変調は等しいＯＮ及びＯＦＦパルスとして示されているが、ＯＮパルスとＯＦＦパルスとは継続時間が異なっていてもよい。更に、パルスのそれぞれの組は、その間で変動して時間Ｔの間に所望の全体付勢時間を与えることもできる。本発明によると、装置１０の速度、効率、パワー及びトルク入力／出力は、制御構成部４４を用いて制御することができ、これらのパラメータの任意の組合せ、又は、これ以外の任意の所定の付勢及び消勢パラメータを何らかの組合せで用いて、電磁石アセンブリ３４を付勢及び消勢することができる。
【００４１】
装置１０が停止すると、コントローラ４６は、エンコーダ・ディスク５０と光センサ５２とを用いて、ステータ構成部１８に対するロータ構成部１６の相対的な位置を決定する。電気モータの場合には、コントローラ４６は、この位置情報を用い、磁極片３６が所望の方向へのモータの回転を開始させるのに適切な極性を有するように電磁石アセンブリ３４を付勢することによって、ロータ構成部の回転を開始させる。コントローラ４６は、電磁石アセンブリ３４を付勢及び消勢して、各磁極片の極性が連続的なデューティ・サイク
ルそれぞれに対して反転するようにする。モータが十分な速度で回転していると、コントローラ４６は、エンコーダ・ディスク５０の外側のトラックを用いるだけで、ステータ・アセンブリに対するロータ・アセンブリの回転速度を決定してカウンタ構成部４９を較正する。コントローラ４６は、カウンタ構成部４９とエンコーダ・ディスク５０が生じる信号とを用いることによって装置１０の制御を継続し、コントローラ４６にプログラムされている又はそれ以外の態様でコントローラ４６に提供される所定の装置制御設定を選択して用い、電磁石アセンブリ３４の付勢及び消勢を制御する。制御構成部４４がカウンタ構成部４９の任意の１つのカウントにおいて電磁石アセンブリ３４を付勢又は消勢することができるので、制御構成部４４は、上述した付勢及び消勢パラメータの任意の組合せを用いて、装置１０の速度、効率、トルク及びパワーを非常に正確に制御することができる。
【００４２】
制御構成部４４の正確さ、速度及び融通性のために、本発明に従って設計された装置を非常に広範囲に応用することが可能になる。また、ロータ・アセンブリとアモルファス金属の磁心とにおいて超磁石を用いることによって、この装置は、従来型の電気モータや発電機と比較して非常に高い出力密度と非常に高い回転速度とを有することが可能となる。これらの効果により、本発明に従って設計された装置を、従来型の装置を用いた場合にはこれまで不可能又は実際的ではなかったような態様で用いることが可能となる。
【００４３】
第１の例では、本発明の好適実施例は、同じスピンドルとチャックとを用いて複数のツールが駆動されるような数値制御マシン・ツールの応用例で用いられる電気モータである。電気モータがスピンドルを直接に駆動し、モータとスピンドルとが作業面上での移動のために支持されているような場合には、スピンドルとツール全体とは、モータが軽量であり出力密度が高いために、必ずしもそれほど重く作られることがなくなる。また、モータの制御構成部が融通性を有するために、モータを広い範囲の特定の動作を実行するようにプログラムすることが可能となる。例えば、ツールを、最初は、例えば２万ＲＰＭで回転する高速で比較的低出力のモータとして用いることができる。次に、このモータを反対方向に駆動することによって、モータとスピンドルとを非常に迅速に停止させ、それにより、異なるツールをチャックの中に自動的に挿入することができる。例えば、次の動作が低速であるが高出力が要求されるドリル動作である場合には、モータの制御構成部を、所望の速度、効率、パワー及びトルク出力を提供するようにプログラムすることができる。本発明によるモータを用いると、従来型のモータと比較して、はるかに広い範囲の速度、パワー及びトルクの設定を得ることができる。
【００４４】
図６に図解されている別の応用例では、装置１０は、風車１００によって駆動される発電機として用いられている。この状況では、制御構成部４４は、電磁石アセンブリ３４が付勢及び消勢される態様を切り換え、風車１００から得られるパワー入力に応じて装置１０が発生するパワーを変動することができるように構成されている。この構成により、発電機は、従来の発電機を用いた場合に可能であったよりもはるかに広い範囲で動作することが可能となる。
【００４５】
典型的には、風車発電機は、所定の電気的出力を有するように構成される。風を受ける場合でも、発電機は、風速が最低の動作速度に到達するまでは動作することができない。典型的な風車は設置されている地域での平均風速に近い点で動作するように設計されているので、これは、風が風車の最低動作速度未満であるときには、風車が全く出力を生じないということを意味する。風が設計された動作速度を超えるまで強まると、風車は、フェザリングされるすなわちブレーキ機構を備えることによって風のエネルギの一部を浪費し、風車が過剰速度で回転することを回避しなければならない。場合によっては、風が非常に強い状況では、風車を完全に停止させ、ブレーキ機構の損傷又は過熱を防止しなければならない。従って、風が強い又は非常に強い状況では、風車発電機はその所定の電気的出力を発生することしかできないので、入手可能である風力エネルギのかなり又はすべてが
浪費されてしまう。
【００４６】
本発明によると、装置１０は、平均的な風力エネルギよりも、風車に利用される高い風力エネルギにより従った最大パワー出力を有するように設計することができる。この状況では、風速が平均値であるときには、制御構成部４４は、装置１０がその最大パワー出力よりも実質的に低いパワー出力を有するように電磁石アセンブリ３４を接続及び切断する。実際、風が弱い場合には、装置１０は、風車を始動させるための電気モータとして用いることができる。適切な速度で回転するようになると、装置１０は、非常に低いパワー出力を有する発電機として動作することができる。風が平均風速よりも高速となるように強まると、制御構成部４４は、単純に、パワー出力が風のエネルギ入力に一致するまで上昇するように、電磁石アセンブリ３４を付勢及び消勢する。風力エネルギが装置１０の最大パワー出力を超えるほどの非常に強風の場合には、装置１０を、風車を反対の方向に駆動してブレーキとして作用する電気モータとして、前記時間のうちある一定の割合の時間だけ動作させることができる。このような全体的な構成によって、風車を、従来の発電機を用いた場合に可能であったよりもはるかに広い範囲の風の条件下でも出力を生じるように動作させることができるようになる。
【００４７】
装置１０のパワー出力は、以上で説明したように電磁石アセンブリ３４を付勢及び消勢することによって制御される。デューティ・サイクル付勢時間、デューティ・サイクル付勢時間の開始／停止点、デューティ・サイクル付勢時間の変調などを含む付勢及び消勢パラメータの任意の組合せを用いて、装置１０のパワー出力を制御することができる。これらの付勢及び消勢パラメータを制御することによって、任意の与えられたサイズの装置に対して、非常に広範囲のパワー出力を達成することができる。また、装置１０は、その動作の間に所望の時間配分で適切な極性を有するように電磁石アセンブリ３４を付勢することによって、電気モータとしていずれの方向にでも駆動することができるので、この装置を発電機として回転させるのに要求される力の大きさを縮小又は増大させることが可能である。従って、この装置は、極めて広範囲のパワー出力を備えた発電機として機能することができる。
【００４８】
装置１０が発電機として機能しているときには、制御構成部４４によって与えられる融通性によって、追加的なパワー調整装置を用いることを要求されずに、装置１０を、それ自体のパワー出力を調整することができるように構成することができる。上述した図６に図解されている風車の応用例を用いると、制御構成部４４は、電磁石アセンブリ３４を付勢及び消勢することによって、装置１０のパワー出力を制御することができる。このために、制御構成部４４は、風車が動作する速度を制御することができる。また、制御構成部４４は、すでに述べたように、付勢及び消勢パラメータを制御することもできる。これによって、電磁石アセンブリ３４を付勢及び消勢して、装置１０の出力が追加的な電力調整装置を用いることを必要とせずに所望の電気的出力に調整されるように、制御構成部４４を構成することが可能となる。これは、前記装置の速度を制御することによって、また、電磁石アセンブリを適切な時だけ付勢及び消勢することによって、なされ、これにより、所望の電気的出力に調節された電気的出力を発生することができる。バッテリを充電する場合のように出力がパルス化された直流である場合には、Ｈブリッジ・コントローラがこの装置の交流出力をパルス化された直流に変換することができる。これは、「能動整流」（active rectification）として知られている。
【００４９】
図７に図解されているように、本発明による装置が非常に適している別の応用例は、ガス・タービン駆動の発電機という応用例である。タービン・エンジンの極めて高い速度のために、従来型の発電機は、発電機がタービン・エンジンによって駆動される回転速度を実質的に減速させる減速ギアを用いてタービン・エンジンに接続されているのが典型的である。この減速ギア構成は、システム全体のコストを上昇させ、組合せの全体的な効率を
低下させるエネルギの損失を生じさせる。本発明によると、既に述べたように設計された発電機は、減速ギアを用いることなく、あるいは、タービン・エンジンが発電機を駆動する回転速度を減速させるそれ以外のどのような構成を用いることなく、ガス・タービンによって直接的に駆動される。図７に示されているように、装置１０は、タービン・エンジン２００によって直接的に駆動される。装置１０は、タービン・エンジンのための始動モータとしても用いることができる。やはりすでに述べたように、装置１０のアモルファス金属磁心は磁界の変化に極めて高速で応答することができるので、また、制御構成部４４は極めて高速のスイッチング速度を有しているので、装置１０は、極めて高い回転速度で効率的に動作することができる。これによって、装置１０は、タービン・エンジン２００によって直接的に駆動することができ、どのような減速ギアも、あるいは、タービン・エンジンが装置１０を駆動する回転速度を減速させるどのような構成も必要なくなる。
【００５０】
以上で述べたディスク又は軸タイプの装置構成は、極めて大きな遠心力にも耐えるように設計することが可能なコンパクトな全体パッケージを提供する。これによって、この構成の装置を極めて高速で動作させ、従って、与えられたサイズの装置にとっては極めて高いパワー出力を供給することが可能となる。或る特に興味深い応用例では、この装置を、冷却ユニットのターボ・コンプレッサを極めて高い回転速度で直接的に駆動する電気モータとして用いられるものと考えることができる。この回転速度は、５万から１０万ＲＰＭ又はそれ以上でありうる。ターボ・コンプレッサをこのような回転速度で動作させることによって、コンプレッサの効率は実質的に向上する。これよりもはるかに低速で動作する従来型の電気モータを用いると、高速ターボ・コンプレッサに付随する効率ゲインのほとんど又はすべては、失われて、高速を達成するのに必要なギアリング（gearing）に付随する機械的な損失となってしまう。本発明によって設計された高速モータを用いてコンプレッサを直接的に駆動することによって、従来型のギア・アセンブリに伴う効率の損失は消滅する。これによって、従来型の構成よりも実質的に効率のよい全体的構成がえられる。
【００５１】
装置１０のアモルファス金属磁心３６の全体を、図３Ａに図解されているように、リングの環状面の１つから突出している突極を備えたトロイダル・リングの全体的形状を有するように以上では説明してきたが、これは、必須ではない。その代わりに、アモルファス金属磁心の全体は、任意の所望の形状を有することが可能であって、その場合でも、全体的なアモルファス金属磁心が、個別的に形成された複数のアモルファス金属磁心片から作られており、これらのアモルファス金属磁心片が磁心ハウジングによって互いに隣接するように支持されている限りは、本発明の範囲に属するのである。
【００５２】
図８を参照すると、全体的なアモルファス金属磁心は、全体がＵ状のアモルファス金属磁心となっている。或る特定の実施例では、３つの別々のＵ状磁心全体３００が、図３Ａに示されているトロイダル・リングの代わりに用いられる。各磁心３００は、個別的に形成された３つのアモルファス金属磁心片３００ａ−ｃで構成されている。磁心片３００ａ及び３００ｂは、図３Ａの磁心片３５ａ−ｆと同様の円柱状の磁心片である。しかし、磁心片３００ｃは、細長い長円形状の断面の形状を有する磁心片である。この実施例では、ステータ・ハウジングは、磁心片開口を有しているが、これらの磁心片開口は、磁心片３００ａ及び３００ｂの各対が、磁心片３００ｃの対応する１つに隣接して保持されるように、配列されている。この実施例の電磁石コイル・アレイは、装置１０に対する上述のものと同様である。トロイダル・リング状の磁心片を用いた上述の構成とＵ状の構成との唯一の相違点は、トロイダル・リング構成は磁心片３６ａ−ｆによって形成された磁心片の６つ全部を磁気的に結合させるのに対して、Ｕ状の構成では、磁心片３００ａ及び３００ｂによって形成された磁心片のそれぞれの関連する対だけが磁気的に結合されるという点である。
【００５３】
図９は、本発明の磁心を与える別の可能な構成を図解している。すでに述べたように、図１の装置１０は、アモルファス金属磁心全体３６を含むステータ構成部を２つ含んでおり、ロータ構成部１６の各側に１つずつ配置されている。図９は、ほぼＣ状のアモルファス金属磁心全体４００を図解しており、個別的に形成されたアモルファス金属磁心片４００ａ−ｅを５つ含んでいる。図１の２つのトロイダル・リング状の磁心全体は、ロータ構成部の周囲に半径方向に位置決めされた全体が６つのアモルファス金属磁心４００と交換することができる。この実施例では、６つの磁心片４００ａが、ロータ構成部の一方側の磁極片３６ａ−ｆと類似する磁極を形成している。磁心片４００ｂは、ロータ構成部の他方側に位置決めされた対応する磁極片を形成している。Ｃ状のアモルファス金属磁心全体４００それぞれに対して、磁心片４００ｃ−ｅは、それに関連する磁心片４００ａ及び４００ｂを磁気的に結合させる磁気ヨークを形成する。また、この実施例では、ステータ・ハウジングは、複数の磁心片すべてをそれぞれの位置に支持して６つのＣ状磁心全体を形成するように構成されうる。Ｕ状の磁心に関してすでに述べたように、この実施例と図１の実施例との唯一の相違点は、ロータ構成部の一方側にある磁極すべてがトロイダル・リング状の磁心片によって磁気的に結合されるのではなく、ロータ構成部の両側にある関連する磁心片４００ａ及び４００ｂによって形成された磁極片の各対が磁気的に結合されているという点である。
【００５４】
図１０は、本発明による磁心を提供する更に別の可能な構成を図解している。この場合には、装置は、ディスク又は軸タイプの装置ではなく、樽（バレル）又はラジアル・タイプの装置という形状となる。この構成では、ロータ・アセンブリ５００は、ディスク状ではなく樽状となる。この例では、装置がＤＣブラシレス・タイプのモータである場合には、ロータ・アセンブリ５００は、このロータ・アセンブリの外周のエッジに取り付けられた６つのロータ磁石５０２を含む。あるいは、装置が誘導タイプのモータである場合には、磁石５０２は含まれず、ロータ・アセンブリ５００は、適切な形状の鉄ベースの材料又はそれ以外の磁気材料の磁心から構成される。
【００５５】
この樽タイプの実施例のステータ構成部は、ほぼ管状（tubular shaped）の全体アモルファス金属磁心５０４の形状の、ただ１つの全体アモルファス金属磁心を含む。磁心５０４は、管状で個別的に形成されたアモルファス金属の磁心片５０４ａが１つと、個別的に形成されたアモルファス金属の磁心片又は歯５０４ｂ−ｇが６つとで構成されている。磁心片５０４ａは、所望の幅を有するアモルファス金属材料の連続的なリボンを巻いて所望の直径の管状にすることによって形成される。磁心片５０４ｂ−ｇは、アモルファス金属材料の個別的なストリップをスタック状にして所望の磁心片の形状を形成するか、又は、連続的なアモルファス金属のリボンを巻いて大変に細長いオーバル状（長円形状）にするか、のいずれかによって形成することができる。この実施例では、ステータ・ハウジング５０６は、磁心片ｂ−ｇのそれぞれが磁心片５０４ａの内側表面に隣接して保持されるように配列された磁心片開口を有している。この実施例の電磁石コイル・アレイは、装置１０についてすでに述べたものと類似している。トロイダル・リング状の磁心片を用いる上述の構成とこの樽又はラジアル状の構成との唯一の相違点は、樽状の構成の場合には、コイルが、ロータ・アセンブリの軸と平行に長軸方向に向いている非常に伸びたコイルであり、磁心片又は歯５０４ｂ−ｇの周囲に配置されているという点である。
【００５６】
以上では様々な磁心片を特定の断面の形状を有するものとして説明してきたが、本発明は、このような特定の断面の形状には限定されないことを理解すべきである。そうではなく、図１１Ａ−Ｆに図解されているように、個別的に形成された磁心片は、円、オーバル（長円形）、卵形、トロイダル・リング、角が丸められた三角形、角が丸められた台形など、図１１Ａ−Ｆの磁心片５１０、５１２、５１４、５１６、５１８、５２０によって図解されたように、任意の断面図の形状を有する磁心片として個別的に形成することができる。
【００５７】
磁心片はアモルファス金属材料の連続的なリボンを巻くことによって作られると以上では説明されているが、これは必須の構成ではない。そうではなく、磁心片は、アモルファス金属からなる個別的に形成されたストリップや断片をスタック状にして（すなわち、積み重ね）、図１１Ｇや１１Ｈに図解されているように、矩形磁心片５２２や台形磁心片５２４の断面の形状を有するものなど、所望の形状の磁心片を形成することができる。これらの図に図解されているように、個別的なストリップを、相互の上にスタック状に配置（すなわち、相互に積み重ねて配置）し、図１１Ｇに示されているように、それぞれの断片が同じサイズであり同じ形状となるようにすることができる。あるいは、ここのストリップを横方向に相互にスタック状にして、図１１Ｈに図解されているように、複数の個別的な断片が異なるサイズ及び形状を有するようにすることもできる。これらの様々なアプローチによって、様々な形状が形成されるのである。
【００５８】
当業者であれば知っているように、アモルファス金属材料は、製造される際には、それに沿って磁束が最も効率的に向けられる特定の方向を有しているのが典型的である。リボン状のアモルファス金属材料では、この方向は、典型的には、リボンの長さに沿っているか、又は、リボンの幅方向である。上述した適切なアプローチを用いて全体アモルファス金属磁心の磁心片それぞれを形成することによって、磁束を最も効率的に方向付けるアモルファス金属材料の方向に沿って磁束が磁心片の中を通過するように、アモルファス金属を常に方向決めするように、個別的な磁心片を形成することができる。例えば、図３Ａの実施例のトロイダル・リングの場合には、リボンの長さに沿って整合された最も効率的な磁束の方向を有するアモルファス金属のリボンを巻くことによって、トロイダル・リング状の磁心片３６ｇを作ることができる。しかし、磁極片３６ａ−ｆは、それぞれを、リボンの幅方向に整合された最も効率的な磁束の方向を有するアモルファス金属のリボンを巻くことによって、形成することができる。この構成によって、磁束を最も効率的に方向付ける材料の方向に沿って磁束が磁心を通過して方向付けられるように、アモルファス金属材料が整合することになる。
【００５９】
本発明は、ステータ・アセンブリのすべての電磁石が同期的に付勢される単相の装置として説明してきたが、これは、必須の構成ではない。当業者には明らかなように、本発明による装置は、多相装置の形態をとることもできる。図１２には、多相の電気モータ６００を提供する１つのアプローチが図解されている。この実施例では、装置１０に対して以上で説明したように設計された３つの装置１０ａ−ｃが共通のシャフト上に並んで設置されている。装置１０ａ−ｃの各々は、先の装置に対して２０度だけ回転して配置されている。換言すると、装置１０ｂは、装置１０ａに対して２０度回転しており、装置１０ｂのステータ構成部の磁極片のそれぞれが、装置１０ａのステータ構成部の対応する磁極片よりも２０度進んだ位置に固定されている。同じことが、装置１０ｂに対する装置１０ｃについてもいえる。装置１０ａ−ｃのデューティ・サイクルはすでに述べたように６０度延長することができるので、この構成によると、前記３つの装置は、デューティ・サイクルの３分の１だけ相互に位相がずれることになる。従って、これら３つの装置１０ａ−ｃは、全体として３相の装置として動作させることができ、装置１０ａ−ｃのそれぞれが１つの位相に対応する。
【００６０】
あるいは、図１３に図解されているように、個別的に形成された複数の磁心片と３つの別々に制御可能なコイル・アレイとによって構成される電磁石アセンブリ７００を有するステータ構成部を含む装置を構築することによって、３相装置を与えることもできる。この例では、ロータ・アセンブリ（図１３には図示されていない）は、図１の装置１０の場合と同じように、６つのロータ磁石を依然として有している。同様に、この装置は、図１に示された装置１０の場合のように、ロータ構成部のそれぞれの側に１つずつ配置された２つのステータ構成部を含んでいる。しかし、電磁石アセンブリ７００の平面図である図
１３に示されているように、この電磁石アセンブリは、個別的に形成された１９個のアモルファス金属磁心片７０２ａ−ｓから構成された全体アモルファス金属磁心７０２を含む。これら１９の磁心片の第１の磁心片７０２ａは、図３に最もよく示されている磁心片３６ｇと同様のトロイダル・リング状の自身片である。１８個の磁心片７０２ｂ−ｓは、一端がトロイダル・リング状の磁心片７０２ａに隣接して配置されており従って１８個の磁極の突出を形成する個別的に巻かれた磁心片である。電磁石アセンブリ７００は、また、別々に制御可能な３つのコイル・アレイ７０４ａ−ｃを含んでいる。これらの別々に制御可能なコイル・アレイは、それぞれが、図１のコイル・アレイ３８に類似しており、それぞれのアレイが、磁心片７０２ｂ−ｓのうち連続する３つ目の磁心片の周囲に巻かれたコイルを含んでいる。この構成により、各コイル・アレイは、３相装置の１つの位相に対応することになる。
【００６１】
以上では装置を３相の装置として説明したが、２相の装置として提供することもできることを理解すべきである。その場合には、全体アモルファス金属磁心７０２は、１９の磁心片ではなく１３の磁心片を含み、１２の磁心片が磁極片を形成し、１つの磁心片がすでに述べた磁気ヨークとして作用する。また、この２相の装置は、個別的に制御可能なコイル・アレイを２つだけ含むことになる。更に、この多相装置は上述したトロイダル・リング状の磁心構造には限定されないことを理解すべきである。そうではなく、磁心構成は、広範囲な構成をとることができ、その場合でも依然として本発明の範囲に属するのである。
【００６２】
以上では特定の向きを有する様々な構成要素との関係で実施例を説明したが、本発明は、広範囲な位置及び相互の向きで配置された様々な構成要素を備えた広範囲な特定の構成をとることができ、その場合でも依然として本発明の範囲に属することを理解すべきである。例えば、装置１０の各ステータ構成部を６つの磁極片を有するものとして説明し、ロータを６つの磁石を有するものとして説明したが、これは、必須の構成ではない。そうではなく、ステータ構成部は任意の数の磁極片を有することができるし、ロータは任意の数の磁石を有することができ、その場合でも依然として本発明の範囲に属する。
【００６３】
更に、本発明は、この装置のステータ構成部が、誘電性のハウジングによって所定の位置に支持されている個別的に形成された磁心片から作られた全体のアモルファス金属磁心を含んでいる限りは、広範囲の電気モータ及び発電機に等しく応用することができる。これらの様々な発電機やモータには、限定的ではないが、ＤＣブラシレス・タイプ、ＤＣ同期式タイプ、可変リラクタンス又は切り換え式リラクタンス・タイプ、誘導タイプのモータ及び発電機や、それ以外のタイプの発電機、モータ、オルタネータが含まれる。従って、ここでの例は、例示的なものであり限定を意味するものではないと考えられるべきであり、本発明は、ここで与えた詳細には限定されず、冒頭に掲げた特許請求の範囲の範囲内で修正することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明に従って設計され、ロータ構成部と、ステータ・ハウジングと個別的に形成されたアモルファス金属磁心片から構成された全体アモルファス金属磁心とを有するステータ構成部と、エンコーダ・ディスクを有する制御構成部とを含む装置の断面図である。
【図２】図１の装置のロータ構成部の平面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、図１の装置のステータ構成の一部を形成する全体アモルファス金属磁心の或る実施例の正射図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図１のステータ・ハウジングの断面図である。
【図４】図１の装置のエンコーダ・ディスクの平面図である。
【図５Ａ】図１の装置を制御するのに図１の装置の制御構成が用いる様々な付勢及び消勢パラメータを図解するグラフである。
【図５Ｂ】図１の装置を制御するのに図１の装置の制御構成が用いる様々な付勢及び消勢パラメータを図解するグラフである。
【図５Ｃ】図１の装置を制御するのに図１の装置の制御構成が用いる様々な付勢及び消勢パラメータを図解するグラフである。
【図６】風車が本発明に従って設計された発電機を駆動する本発明の或る実施例の概観図である。
【図７】タービン・エンジンが本発明に従って設計された発電機を駆動する本発明の別の実施例の概観図である。
【図８】本発明に従って設計された全体アモルファス金属磁心の第２の実施例の全体図である。
【図９】本発明に従って設計された全体アモルファス金属磁心の第３の実施例の全体図である。
【図１０】本発明に従って設計された全体アモルファス金属磁心の第４の実施例の全体図である。
【図１１Ａ】様々な断面の形状を有する個別的なアモルファス金属磁心の様々な実施例の全体図である。
【図１１Ｂ】様々な断面の形状を有する個別的なアモルファス金属磁心の様々な実施例の全体図である。
【図１１Ｃ】様々な断面の形状を有する個別的なアモルファス金属磁心の様々な実施例の全体図である。
【図１１Ｄ】様々な断面の形状を有する個別的なアモルファス金属磁心の様々な実施例の全体図である。
【図１１Ｅ】様々な断面の形状を有する個別的なアモルファス金属磁心の様々な実施例の全体図である。
【図１１Ｆ】様々な断面の形状を有する個別的なアモルファス金属磁心の様々な実施例の全体図である。
【図１１Ｇ】様々な断面の形状を有する個別的なアモルファス金属磁心の様々な実施例の全体図である。
【図１１Ｈ】様々な断面の形状を有する個別的なアモルファス金属磁心の様々な実施例の全体図である。
【図１２】本発明に従って設計された多相装置の断面図である。
【図１３】本発明に従って設計された多相装置の別の実施例のステータ構成部の平面図である。
【図１】
2008253127.tif 000003
【図２】
2008253127.tif 000004
【図３Ａ】
2008253127.tif 000005
【図３Ｂ】
2008253127.tif 000006
【図４】
2008253127.tif 000007
【図５Ａ】
2008253127.tif 000008
【図５Ｂ】
2008253127.tif 000009
【図５Ｃ】
2008253127.tif 000010
【図６】
2008253127.tif 000011
【図７】
2008253127.tif 000012
【図８】
2008253127.tif 000013
【図９】
2008253127.tif 000014
【図１０】
2008253127.tif 000015
【図１１Ａ】
2008253127.tif 000016
【図１１Ｂ】
2008253127.tif 000017
【図１１Ｃ】
2008253127.tif 000018
【図１１Ｄ】
2008253127.tif 000019
【図１１Ｅ】
2008253127.tif 000020
【図１１Ｆ】
2008253127.tif 000021
【図１１Ｇ】
2008253127.tif 000022
【図１１Ｈ】
2008253127.tif 000023
【図１２】
2008253127.tif 000024
【図１３】
2008253127.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】平成20年1月10日(2008.1.10)
【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】
電気を発生する装置であって、
ａ）ガス・タービン・エンジンと、
ｂ）減速ギアや前記ガス・タービン・エンジンがこの発電機を駆動する回転速度を減速させるための他の手段は用いずに、前記ガス・タービン・エンジンによって直接的に駆動される発電機であって、少なくとも１つのロータ超磁石を備えたロータ構成部と、アモルファス金属磁心を含み動的に付勢可能及び消勢可能な少なくとも１つの電磁石アセンブリを備えたステータ構成部とを含む発電機と、
の組合せを備えていることを特徴とする装置。
【請求項２】
電気を発生する方法であって、
ａ）ガス・タービン・エンジンを提供するステップと、
ｂ）減速ギアや前記ガス・タービン・エンジンがこの発電機を駆動する回転速度を減速させる他の手段は用いずに、前記ガス・タービン・エンジンを用いて発電機を直接的に駆動するステップであって、前記発電機は、少なくとも１つのロータ超磁石を備えたロータ構成部と、アモルファス金属磁心を含み動的に付勢可能及び消勢可能な少なくとも１つの電磁石アセンブリを備えたステータ構成部とを含む、ステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【外国語明細書】
2008253127000001.pdf