(57)【要約】【課題】磁束経路の長さが短く、単位サイズ当たりの出力トルクと効率を増大させる電気機械用のロータ・ステータ構造を提供することを目的とする。【解決手段】第１、第２の端部と中央部とを有し、回転軸線を画定するシャフトと、第１の円錐面を形成するための表面を有し、第１の端部に配置された第１の磁石と、第２の円錐面を形成するための表面を有し、第２の端部に配置された第２の磁石と、シャフトに同軸に配置された複数の界磁極部材と、複数の界磁極部材の周囲に巻かれたコイルとを備えるロータ・スタータ構造である。そして、複数の界磁極部材は、他の積層体及び回転軸線に平行に配置された複数の積層体を備え、第１の磁束相互作用領域を形成するため第１の円錐面近傍に第１の磁極片が配置され、第２の磁束相互作用領域を形成するため第２の円錐面近傍に第２の磁極片が配置されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械用のロータ・ステータ構造であって、
第１の端部と中央部と第２の端部とを有し、回転軸線を画定するシャフトと、
第１の円錐面を形成するため円錐体の少なくとも一部分として形作られた表面を有し、前記シャフトの軸線方向における前記第１の端部に配置された第１の磁石と、
前記第１の円錐面に面する第２の円錐面を形成するため円錐体の少なくとも一部分として形作られた表面を有し、前記シャフトの軸線方向における前記第２の端部に配置された第２の磁石と、
前記シャフトに実質的に同軸に配置された複数の界磁極部材と、
能動界磁極部材を形成するため前記複数の界磁極部材のうち少なくとも一つの界磁極部材の周囲に巻かれた少なくとも一つのコイルとを備え、
前記複数の界磁極部材のそれぞれは、他の積層体及び前記回転軸線に対して略平行に配置された複数の積層体を備えると共に、第１の界磁極部材端部に第１の磁極片を有し、第２の界磁極部材端部に第２の磁極片を有しており、
前記第１の磁極片は、第１の磁束相互作用領域を形成するため前記第１の円錐面の一部分の近傍に配置されており、前記第２の磁極片は、第２の磁束相互作用領域を形成するため前記第２の円錐面の一部分の近傍に配置されている、ロータ・ステータ構造。
【請求項２】
前記複数の界磁極部材は、異方性材料から形成された略直線状の積層体を含む界磁極部材を少なくとも備える、請求項１に記載のロータ・ステータ構造。
【請求項３】
前記複数の界磁極部材のそれぞれは、幅寸法より長い軸方向の長さ寸法を有する細長の界磁極部材である、請求項１に記載のロータ・ステータ構造。
【請求項４】
前記第１の磁石及び前記第２の磁石は、固定状態である前記複数の界磁極部材に対して前記回転軸線の周りを回転する、請求項１に記載のロータ・ステータ構造。
【請求項５】
前記第１の磁石及び前記第２の磁石は、ネオジム―鉄（ＮｄＦｅ）を含んだ永久磁石である、請求項１に記載のロータ・ステータ構造。
【請求項６】
前記第１の磁束相互作用領域、前記第２の磁束相互作用領域、前記第１の磁石、前記第２の磁石及び前記界磁極部材は、閉じられた磁束経路を形成するのに十分である、請求項１に記載のロータ・ステータ構造。
【請求項７】
前記閉じられた磁束経路は、少なくとも２つの前記界磁極部材を異なった方向に通過する、請求項６に記載のロータ・ステータ構造。
【請求項８】
前記閉じられた磁束経路は、前記第１の磁石及び前記第２の磁石を略反対方向に通過する、請求項６に記載のロータ・ステータ構造。
【請求項９】
前記複数の界磁極部材のための前記第１の磁極片は、前記第１の磁石と多くのエアギャップを形成する、請求項１に記載のロータ・ステータ構造。
【請求項１０】
前記第１の磁石及び前記第２の磁石は、前記界磁極部材のそれぞれと少なくとも１つのエアギャップを設ける、請求項１に記載のロータ・ステータ構造。
【請求項１１】
前記第１の磁石は第１の極性方向を含み、前記第２の磁石は第２の極性方向を含み、前記第１の極性方向は前記第２の極性方向と略反対である、請求項１に記載のロータ・ステータ構造。
【請求項１２】
前記第１の極性方向及び前記第２の極性方向は、前記回転軸線に対して平行である方向を除外する、請求項１１に記載のロータ・ステータ構造。
【請求項１３】
前記第１の極性方向及び前記第２の極性方向は、前記回転軸線に対して略直角である、請求項１１に記載のロータ・ステータ構造。
【請求項１４】
前記第１の極性方向及び前記第２の極性方向は、前記回転軸線に対して直角である、請求項１３に記載のロータ・ステータ構造。
【請求項１５】
前記第１の極性方向及び前記第２の極性方向は、前記第１の磁石と前記第２の磁石との内部にそれぞれ閉じられた磁束経路の磁束経路部分を形成するように形作られており、前記磁束経路部分それぞれは前記回転軸線を含む面を貫いて延びている、請求項１１に記載のロータ・ステータ構造。
【請求項１６】
前記磁束経路部分のうち少なくとも１つの部分は、前記第１の円錐面の一の部分から前記第１の円錐面の他の部分へ延びている、請求項１５に記載のロータ・ステータ構造。
【請求項１７】
前記第１の極性方向及び前記第２の極性方向は、１５０度〜１８０度の範囲の角度で異なっている、請求項１１に記載のロータ・ステータ構造。
【請求項１８】
前記第1の磁石及び前記第2の磁石が双極子磁石である、請求項１に記載のロータ・ステータ構造。
【請求項１９】
電気モータを構成するために前記少なくとも1つのコイルに電流として電力を受けるように構成されている、請求項１に記載のロータ・ステータ構造。
【請求項２０】
発電機を構成するために前記シャフトを中心とした回転運動として機械力を受けるように構成されている、請求項１に記載のロータ・ステータ構造。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本願は、２００４年１０月２５日出願の米国仮出願第60/622,258号及び２００４年１２月２３日に出願された米国出願第１1/021,417号の利益を主張し、その両方の開示内容は全体的に参照することで本明細書に援用される。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、概して、電気モータ、交流発電機、発電機などに関し、特に、例えば、磁束経路の長さを最短化するか、界磁極部材を介して磁束経路を真っ直ぐにするか、又は、その両方の手段を用いて、単位サイズ（或いは単位重量）当たりの出力トルクを増大させるロータ・ステータ構造に関するものである。更に、本ロータ・ステータ構造は、無駄の削減や「バックアイアン」材料の不要化などにより、資源を節減し、製造コストを低減する。
【背景技術】
【０００３】
分数馬力モータ及び準分数馬力モータのための従来のロータ・ステータ構造においては、通常、磁石及び電流発生磁束用の強磁性リターン経路を提供する強磁性ステータ構造と同じ面で回転するロータアセンブリに永久磁石が組み込まれていることが多い。アンペア・ターン（ＡＴ）発生磁束とも呼ばれる電流発生磁束は、ステータ部材構造の磁極の周りに巻かれたコイルに電流を通過させることによって発生させられる。従来のロータ・ステータ構造は、機能的ではあるが以下に述べるような欠陥を有している。
【特許文献１】米国特許第４０４５６９６号公報
【特許文献２】国際特許第００／４８２９７号公報
【特許文献３】米国特許第４７４８３６１号公報
【特許文献４】米国特許第４９５６５７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１は一般に用いられているロータ・ステータ構造を例示する従来型電気モータを示している。電気モータ１００は、ステータ構造１０４、磁性ハブ１０６及びシャフト１０２で構成された円筒形モータである。モータ１００のロータ構造は一つ以上の永久磁石１１０を含んでおり、それらはすべて磁性ハブ１０６を介してシャフト１０２に取り付けられ、ステータ構造１０４内部で回転するようになっている。ステータ構造１０４は通常、界磁極１１８を含んでおり、各界磁極１１８はそれに巻き付けられたコイル巻線１１２（一つだけを図示）を有している。ステータ構造１０４はスロット１０８を含んでおり、その一部は製造中にステータ界磁極１１８にコイル線を巻きつけるための配線通路を提供している。スロット１０８は近接界磁極１１８間の磁気分離も可能としている。ステータ構造１０４は強磁性リターン経路１１６の一部として周辺磁束伝導セグメント１１９を含んでいる。多くの場合、ステータ構造１０４は積層体１１４で構成されており、これら積層体１１４は通常、等方性（例えば無方向性（non-grain oriented））の磁気透過性素材で形成されている。永久磁石によって発生させられた磁束とAT発生磁束が存在している多数の磁性リターン経路の一つである磁性リターン経路１１６は周辺磁束伝導セグメント１１９のところに性質上やや円弧状に示してあるが、界磁極領域１１８に対して比較的鋭角的な曲がり部を有している。
【０００５】
電気モータ１００を含む従来の電気モータの一つの問題点は、一つのロータ磁極１１０から放射され且つ強磁性リターン経路１１６を横断して他のロータ磁極１１０に流れるための磁束の磁気回路を形成するために、強磁性リターン経路１１６が比較的大きな長さを必要とすることである。更に、強磁性リターン経路１１６が、磁束を伝播させるのに好ましいとされる直線ではないことである。図示するように、強磁性リターン経路１１６はステータ経路に２つの９０度の曲がり部を有している。強磁性リターン経路１１６は界磁極領域１１８から周辺磁束伝導セグメント１１９の方向に一度曲がり、更に周辺磁束伝導セグメント１１９から別の界磁極領域１１８の方向に再度曲がっている。これらの曲がり部の両方とも効率的に磁束を伝播させるのには最適ではない。実施するためには、強磁性リターン経路１１６はそうでなければ界磁極間で磁束を伝播させるのに必要な量より多くの材料ないしは「バックアイアン」を必要とする。その結果、強磁性リターン経路１１６は従来の電気モータの重量とサイズを増大させることになり、それによって、モータの形状要素とそうしたモータを製造するための材料のコストを増大させることになる。
【０００６】
従来の電気モータのもう一つの問題点は、積層体１１４が磁束密度を最適化するために、そして、界磁極１１８及び周辺磁束伝導セグメント１１９のステータ領域など、磁束伝播領域でのヒステリシス損を低減させるために、異方性材料を有効に用いていないことである。特に、周辺磁束伝導セグメント１１９は非直線的な磁束経路を有しており、このことはヒステリシス損（或いは「鉄損」）を最小限化する上でそうした異方性材料の使用に制約を加えている。ヒステリシスとは磁性材料がその磁化を保持する傾向を意味している。「ヒステリシス損」とはステータ領域を構成する磁石材料を磁化したり消磁したりするのに必要なエネルギーであり、磁石材料の量が増大するとヒステリシス損が増大する。強磁性リターン経路１１６が一つ以上の９０度或いはそれ以上の曲がり部を有しているので、方向性材料（grain-oriented materials）などの異方性材料の使用は、周辺磁束伝導セグメント１１９内の強磁性リターン経路１１６が積層体１１４の指向方向と交差してしまうので、ヒステリシス損を有効に減少させることができない。例えば、方向１２０が積層体１１４の粒子の方向を示すならば、強磁性リターン経路１１６の少なくとも２つの部分が粒子の方向１２０と交差し、このことがステータの周辺磁束伝導セグメント１１９のそれらの部分の磁束容量を抑制している。その結果、磁束経路が通常直線以外の湾曲線となっているので、ステータ構造１０４に類似した構造で異方性材料が一般的には使われておらず、このことがそうした材料の使用によってもたらされる利点を制限している。
【０００７】
通常の電気モータの更にもう一つの欠点は強磁性リターン経路１１６の長さが比較的大きいことである。モータコミュテーション（転流）で発生するものなどの磁界の変化は、渦電流を誘因する磁界に反対の方向で積層体１１４内に渦電流を発生させる。渦電流は磁束変化速度のべき乗におおよそ比例し、更に影響を受ける積層体材料の体積におおよそ比例する電力ロスをもたらす。
【０００８】
一般的に用いられている電気モータのその他の問題点には、「コギング」ないしは回り止め（デテント）トルクを減少させるための、いろいろなタイプの電気モータ設計に応用するには余り適していない特殊な技術を実施しなければならないというものがある。コギングは角度的に不均一なトルクであり、滑らかな回転動作ではなく痙攣的な動作（ジャーキング）を発生させてしまう。この効果は、通常、低速時に最も明らかになり、界磁極１１８が磁極に対して角度的に位置が異なっていると作業付加に対するトルクが増減してしまう。更に、それに伴う回転的な加速或いは減速によって耳障りな振動を発生させる。
【０００９】
別のタイプの電気モータでは、磁極がロータシャフトを中心として比較的大きな直径で（或いは半径方向で大きな距離で）配置されている。これらの磁極は、これらの磁極となる永久磁石と同様、通常、前記シャフトに対して同軸の位置関係にあり、隣接する磁極の極性が異なっている。電機子ディスクが通常、個別の永久磁石、非一体的な磁石をロータシャフトに対して垂直な面で支えている。このような構造は電気モータ設計に関する一定の考え方に基づいて採用されている。この考え方によれば、出力トルクの増大は磁極とロータシャフトとの間の半径方向距離を増大させることによって達成される。その結果、このタイプの電気モータの磁極は、回転軸線からエアギャップまでのトルクアーム距離を増大させて、それによって出力トルクを増大させるために、益々離れた位置に配置されることになる。かかる方式の問題点は、磁束リターン経路を形成するために用いられる構造など、より大きなトルクアーム距離を受容するために益々大きな構造を形成しようとして、更に多くの素材が消費される結果につながることである。これらの磁束リターン経路は通常、性質上回り道となるより大きな磁束リターン経路を作るために「バックアイアン」を用いて形成される。磁気回路を形成するためにバックアイアンを加えることで、磁束が通過する磁性材料体積が増大し、このことは、両方ともまとめて「コアロス（鉄損）」と呼ぶこともできるヒステリシスと渦電流ロスを増大させるという望ましくない傾向を伴う。更に、磁気回路を形成するためにバックアイアンを加えると磁束経路の長さが増大し、それによって鉄損が深刻になる。このタイプのモータの別の問題点は、磁極をシャフトからより遠くに配置するとモータの体積が増大して、そのことが、この種のモータの適用範囲と使用法に制約を加えることになることである。
【００１０】
「バックアイアン」とは、それがなければオープンな磁気回路を形成するためにしばしば用いられる物理的な構造（及びそうした構造をもたらすための材料）を指して一般的に用いられている用語である。バックアイアン構造は、通常は、一つの透磁性界磁極から別の界磁極へ、或いは永久磁石の磁極から別の永久磁石の磁極へ、或いはその両方など、一つの磁気回路から別の磁束回路に磁束を移送するためだけに用いられるものである。更に、「バックアイアン」構造は、一つ或いは複数のコイルのような関連するアンペア・ターン発生要素を受け入れるためには、通常形成されない。
【００１１】
以上を考慮すると、電気モータ及び発電機における上述したような問題点を少なくするロータ・ステータ構造を提供し、そして、単位サイズ当たり、或いは単位重量ベース、或いはその両方で、出力トルクと効率を増大させ、そして、製造中及び／又は作動中の資源を節減することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
電気モータ、発電機、交流発電機など、電気機械で用いられるロータ・ステータ構造を実現するためのシステム、装置、及び方法について述べる。本発明の一つの実施形態によれば、電気機械のためのロータ・ステータ構造は、円錐面が相互に向き合うように回転軸線上で軸線方向に配置された円錐面を有する円錐形磁石を含んでいる。この円錐形磁石は、２つの円錐方磁石の磁性形成方向がほぼ反対向きになるように配置された少なくとも２つの円錐形磁石を含んでいる。更に、このロータ・ステータ構造はその軸線に対して同軸の位置関係で配置された界磁極部材を含んでいる場合もある。この界磁極部材はそれら界磁極部材の端部に形成された磁束交差面を有しており、前記円錐面の一部がそれら磁束交差面と向き合っている。この磁束交差面はそれら円錐面の一部と共にエアギャップを画定しており、磁気的に前記界磁極部材を円錐形磁石に結合するように構成されている。いくつかの例では、前記ロータ・ステータ構造はシャフトを含んでおり、そこらに円錐形磁石が固定されて、そのシャフトは回転軸線を画定している。円錐面はそれぞれ回転軸線に対して１０度〜８０度程度の範囲で傾斜した角度を有している。一つの実施形態で、界磁極部材のそれぞれは更に各界磁極部材の一方の端部から他方の端部に連続した透磁性材料で構成されており、各界磁極部材の一部は一つ或いは複数のコイルなど、アンペア・ターン（ＡＴ）磁束を発生させるための要素を受け入れるように構成されている。別の実施形態においては、ロータ・ステータ構造は更に、一つ或いは複数のコイルを有しており、そのうちの少なくとも一つは界磁極部材に巻き付けられており、能動界磁極部材を形成している。いくつかの例では、ロータ・ステータ構造はバックアイアンを用いず、それによってヒステリシス損と電気機械を製造するための材料を減らしている。別の実施形態では、ロータ・ステータ構造の界磁極部材の少なくとも一つは、略直線状である。略直線状の界磁極部材は磁石間で比較的短い磁束リターン経路を提供し、更に、いくつかの従来型のステータ構造におけるバックアイアンの使用と比較して透磁性材料を減少させるという効果をもたらす。その内部を磁束が伝わる透磁性材料の体積が減ることで、ヒステリシス損も減少させることができる。
【００１３】
一つの例示的なロータ・ステータ構造の界磁極部材と円錐形磁石は、第１の円錐形磁石の表面部分から第２の円錐形磁石の表面部分に延びるほぼ真っ直ぐな線と一致し、前記表面部分で終端している磁束経路の経路部分の線形偏りを少なくするように配置することができる。一つの特定の実施形態で、ロータ・ステータ構造は基本的には第１の円錐形磁石と、第２の円錐形磁石と、界磁極部材のうちの少なくとも一つと、そして２つ以上のエアギャップで構成される磁束経路を形成するように構成されている。いくつかの例では、界磁極部材は渦電流を減らすための積層体を含み、それによって電力ロスを減らすようにしている場合もある。これらの積層体は透磁性材料を、その透磁性材料の無駄を省くような方法で構成した基板で形成することができる。更に、いくつかの例では、それらの積層体の少なくとも一つは異方性であり、方向性材料（grain-oriented materials）を含むことができる。一実施形態において、ロータ・ステータ構造は更に、少なくとも一つの能動界磁極部材を形成するためにそれら界磁極部材の一つに巻き付けられた少なくとも一つのコイルを含むことができ、その少なくとも一つの界磁極部材は溝を介してコイルを巻き付ける必要性をなくすことで、従来の界磁極上にコイルを巻きつけることに関連した製造上の複雑さを軽減する形状になっている。更に別の実施形態では、磁束交差面のそれぞれは更に、隣合う磁極部材間の界磁極ギャップを減らすために斜め方向にずれた磁束交差面を有しており、それによって回り止めトルクを減少させている。回り止めトルクは、２つの円錐形磁石の磁性形成方向を約１５０度〜約１８０度ずらすことによって減少させることができる。ロータ・ステータの少なくとも一つの例では、界磁極部材は静置されているが、他の例では、円錐形磁石は静置状態にあるものの、界磁極部材はその円錐形磁石に対して回転するようになっている。
【００１４】
本発明の別の実施形態によれば、一つの軸線を有する電気機械のためのロータ・ステータ構造は軸線の周りに軸方向に配置された２つの磁石を有するロータを含んでいる。これら２つの磁石はお互いに離れた位置に配置されており、所定の磁気形成領域を有している。これらの磁石はそれぞれ、その主要外形がその軸線に対してほぼ鋭角をなしている向き合った磁性表面を有している。これらの磁性表面は全体としては向き合っており、磁磁極はほぼ反対向きである。この磁極はそれら磁石表面を通る面内にあるか、或いは前記軸線に対して実質的に垂直である。一実施形態において、これらの磁石はほぼ円錐形の磁石であり、磁性表面は円錐形表面である。ロータ・ステータ構造はその軸線に対して同軸的に配置され、その端部に磁束交差面が形成されている界磁極も含むことができる。磁束交差面は通常は向き合った磁性表面に近接して配置されており、それら磁性表面の主要外形と同じ面に広がっており、それらの間にエアギャップを画定している。前記界磁極部材のそれぞれは透磁性であってよく、磁束交差面はそれらの界磁極部材を磁気的に円錐形磁石に結合させるように構成されている。少なくとも一つの実施形態において、一つ或いは複数の界磁極部材はそれら一つ或いは複数の界磁極部材の周りに巻き付けられたコイルを有しており、それによって一つ或いは複数の能動界磁極部材を形成している。一実施形態において、ロータ・ステータ構造はその磁束経路が、２つの円錐形磁石、界磁極部材、磁束交差面、そしてエアギャップだけを通過するように構成されている。従って、バックアイアンは用いられない。一つの特定実施形態では、界磁極部材は一つ或いは複数の珪素−鉄合金、コバルト−ニッケル合金、磁性粉体合金、及び軟磁性複合材を含んでおり、円錐形磁石はセンチメートル、グラム、及び秒（ＣＧＳ）単位で表した場合、１．３単位以下のリコイル透磁性ロスを有する磁石材料で構成された永久磁石であるとよい。一つの例として、円錐形磁石は全体的、或いは部分的にネオジミウム鉄（ＮｄＦｅ）で構成することができる。他の例として、それらの磁石はセラミック、サマリウム・コバルト（ＳｍＣｏ）、或いはその他の希土類磁石材料で構成することができる。
【００１５】
本発明の更に別の実施形態によれば、電気機械の一つの例示的なロータ・ステータ構造は、回転軸線を画定し且つ第１の端部部分と第２の端部部分を有するシャフトを含んでいる。こうしたロータ・ステータ構造は、少なくとも、第１の円錐面を形成するための円錐の少なくとも一部としての輪郭を有する表面を有する第１の磁石を含んでおり、前記第１の磁石は第１の磁極方向を有し、第１の端部で前記シャフトと同軸に配置されている。また、ロータ・ステータ構造は第２の円錐面を形成する円錐の少なくとも一部としての表面輪郭を有する第２の磁石を含むことができ、前記第２の磁石は第２の磁極方向を有し、第２の端部でシャフトに対して同軸に配置されていて、その第１の磁極方向が第２の磁極方向とほぼ正反対になっている。通常、第２の円錐面は前記第１の円錐面と向き合っている。ロータ・ステータ構造は更に、シャフトとほぼ同軸に配置された多数の界磁極部材を備えている。界磁極部材のそれぞれは、多数の略直線状の積層体によって構成されており、それら積層体の少なくとも一つは、異方性材料で構成され、他の積層体と平行に、更に回転軸線と平行に配置されている。各界磁極部材はその第１の界磁極部材端部に形成された第１の磁極片と第２の界磁極部材端部に形成された第２の磁極片を有しており、前記第１の磁極片は第１の円錐面の一部に向き合って配置されて第１の磁束交差面を形成しており、前記第２の磁極片は第２の円錐面の一部に向き合って配置されており第２の磁束交差面を形成している。更に、ロータ・ステータ構造は前記複数の界磁極部材の少なくとも一つに巻き付けられて能動界磁極部材を形成する少なくとも一つのコイルを含んでいる。従って、少なくともいくつかの例では、ロータ・ステータ構造は、第１の磁石、第２の磁石、能動界磁極部材、第１及び第２の磁束交差領域を横断するように限定された少なくとも一つの磁束経路を形成するように構成されている。一つの特定実施形態において、少なくとも一つのコイルは能動界磁極部材のかなりの長さに亘って軸線方向に延びており、能動界磁極部材の周囲からの磁束漏出を低減するようになっている。
【００１６】
一実施形態において、第１の磁極片と第２の磁極片は更に第１の磁極面と第２の磁極面をそれぞれ有しており、更にその第１の磁極面の一部は主に第１の円錐面の部分と第１の磁極面との間の間隔によって基本的には画定されるギャップ厚さを有するエアギャップを形成するような輪郭を有しており、そして第２の磁極面の少なくとも一部が第２の円錐面の部分と第２の磁極面との間の間隔で基本的に画定されるギャップ厚さを有する第２のエアギャップを形成するような輪郭を有している。前記ギャップ厚さは一般的に第１の磁石或いは第２の磁石のいずれかの平均的直径の４０％以下となっている。別の実施形態では、第１の磁石と第２の磁石はそれぞれ双極磁石で、磁極方向が１５０〜１８０度の範囲の角度で異なるように方向付けられており、それら双極磁石のそれぞれは一体的なものである。いくつかの実施形態では、第１の磁石と第２の磁石はそれぞれ多極磁石である。ロータ・ステータ構造の例示的な構成は３又は４の界磁極と双極磁石を含んでいる。別の構成は６又は８の界磁極を含み、４−磁極円錐形磁石で作動するように構成されている。このロータ・ステータ構造は、いくつかの例では、電気モータを形成するための少なくとも一つのコイルへの電流としての電力を受け取るように構成されている。他の例では、ロータ・ステータ構造は発電機を形成するためのシャフトを中心とする回転動作としての機械的力を受けるように構成することができる。
【００１７】
本発明の更に別の実施形態で、電気機械のための一つの例示的なロータ・ステータ構造は回転軸線を画定するシャフトと、前記シャフトに円錐面が相互に向き合うように同軸的に固定された少なくとも２つの永久磁石と、複数のコイル・セットと、そして複数の強磁性界磁極部材とを備えている。複数の強磁性界磁極部材は前記軸線とほぼ平行に配置されており、強磁性界磁界部材のそれぞれは軸線方向に沿って一定の長さを有しており、その長さは少なくとも前記２つの永久磁石の両方の円錐面の間に亘るものである。強磁性界磁界部材のそれぞれは少なくとも一つの中央部分を有しており、その周りに複数のコイルによる一連のコイルが巻き付けられている。強磁性界磁界部材のそれぞれは、強磁性界磁界部材の各端部に形成された少なくとも一つの磁極面を有する磁極片を有している。各磁極面は通常は前記少なくとも２つの永久磁石のうちのいずれか一方の円錐面、或いはその一部と共に磁束交差面を形成するように構成されている。
【発明の効果】
【００１８】
少なくとも一つの実施形態によれば、一つの例示的なロータ・ステータ構造を電気モータ内に配置して、同じサイズ或いは重量の従来の電気モータと比較してより大きな出力トルクを提供、伝達することができるようにすることができる。一実施形態において、ロータ・ステータ構造は比較的短く、より直線的な磁気経路を提供し、電気機械のための従来のロータ・ステータ構造と比較して、材料のより効率的な利用を可能にしてくれる。異方性の（例えば、方向性材料などの）透磁性材料を用いて、本発明の特定の実施形態の界磁界部材を形成する場合、かかる材料の固有な磁気特性が磁束伝播領域での磁束密度の増大に貢献してくれる。なお、積層体を形成するためにこれらの材料を用いてもよく、用いなくてもよい。従来、バックアイアンを用いて形成されているリターン経路など外部リターン経路をなくすか、少なくともそれを減らすと、重量が減り、本発明のロータ・ステータ構造の種々の実施形態を実施するための電気機械の全体的サイズを減少させる。別の実施形態で、ロータ・ステータ構造は同様のサイズで同じ出力トルクの従来型モータより高い効率を提供してくれる。この効率向上は、少なくとも一部には、巻線の抵抗が低くなり、それが電流自乗抵抗（つまりＩ２＊Ｒ）電力ロスを低下させ、同時に、従来のモータの同様のサイズのパッケージ或いはモータ筐体で作られるのと同じアンぺア・ターン発生磁束を作り出すからである。更に、本発明によるロータ・ステータ構造は、従来のモータと比較して、より単純で（例えば、コイル巻付け工程が）、そして製造コストが（例えば、材料を節約できるので）より低い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明のより詳細な理解のために、添付図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【００２０】
なお、同一参照番号は複数の図面を通じて対応する同一部分を示している。また、殆どの参照番号の左側の１桁或いは２桁は、最初にその参照番号が用いられた図面の番号を示している。
【００２１】
［定義］
以下の定義は、本発明の以下の実施形態に関して述べられた要素に適用されるが、これらの定義は本明細書全体にも同様に適用される。
【００２２】
本明細書で用いられる「エアギャップ」という用語は、磁石表面とそれに対向する磁極面との間の空間或いはギャップを指す。この空間を、少なくとも磁石表面及び磁極面の領域によって画定される容積として物理的に表現することも可能である。エアギャップは、ステータとロータとの間の相対回転を可能とし、磁束相互作用領域を画定する役割を果たす。エアギャップは通常空気によって満たされているが、そのように限定する必要はない。
【００２３】
本明細書で用いられる「バックアイアン」という用語は、一般に、他の開磁路を形成するためにしばしば用いられる物理構造（又は前記物理構造を作り出す材料）を指す。特に、バックアイアン構造は、コイルなどの介在アンペア・ターン発生要素を介さずに、界磁極部材間或いは磁極間で、一つの透磁性界磁極部材からもう一つの透磁性界磁極部材へ、若しくは第１の磁石の磁極から第２の磁石の磁極へ、又はその両方で、一つの磁気回路要素から別の磁気回路要素へ磁束を送るためだけに通常用いられる。更に、バックアイアン構造は、通常、一つ以上のコイルなどの関連アンペア・ターン発生要素を受け入れるために形成されない。
【００２４】
本明細書で用いられる「コイル」という用語は、透磁性素材に誘導的に結合して磁束を発生するように構成された導体の連続する巻線の集合体を指す。いくつかの実施形態においては、「コイル」という用語を「巻線」或いは「コイル巻線」と表現している。
【００２５】
本明細書で用いられる「コイル領域」という用語は、通常、界磁極部材のコイルが巻き付けられる部分を指す。
【００２６】
本明細書で用いられる「コア」という用語は、コイルが磁極片間に通常配置されている界磁極部材の一部分を指し、磁束経路の一部を提供するために一般に透磁性素材から構成されている。
【００２７】
本明細書で用いられる「界磁極部材」という用語は、通常、透磁性素材で構成され、コイルを巻き付ける構造を提供できるように構成されている要素を指す（すなわち、前記要素は磁束を発生させるためにコイルを受け入れることができるように構成されている）。いくつかの実施形態においては、界磁極部材は、コア（すなわちコア領域）及び少なくとも２つの磁極片を含み、磁極片のそれぞれは、通常、コアの各端部又はその近くに配置される。なお、他の実施形態においては界磁極部材はコア及び一つの磁極片のみを含む場合もある。界磁極部材は、それ自体ではアンペア・ターン磁束を発生させるようには構成されていない。いくつかの実施形態においては、「界磁極部材」という用語は「ステータコア」と表現される場合もある。またいくつかの実施形態においては、界磁極部材は通常、細長い形状を有しており、界磁極部材の長さ（例えば、界磁極部材の両端の間隔）は通常その幅（例えば、コアの幅）よりも大きい。
【００２８】
本明細書で用いられる「能動界磁極部材」という用語は、コア、一つ又は複数のコイル、及び少なくとも一つの磁極片の集合体を指す。より詳細には、能動界磁極部材はアンペア・ターン磁束を選択可能に発生させるために一つ又は複数のコイルによって構成される界磁極部材として表現される。いくつかの実施形態においては、「能動界磁極部材」という用語は一般に「ステータコア部材」と表現される。
【００２９】
本明細書で用いられる「強磁性体」という用語は、通常、ヒステリシス現象を示す材料であって、その透磁率が磁化力によって左右される材料を指す。また、「強磁性体」という用語は、その相対透磁率が結束率よりも高く、磁化力によって左右される透磁性素材ということもできる。
【００３０】
本明細書で用いられる「界相互作用領域」という用語は、２つ以上の発生源から発生される磁束が、それらの発生源に対して機械力及び／又はトルクを発生させるような形態でベクトル的に相互作用する領域を指す。通常、「磁束相互作用領域」という用語は、「界相互作用領域」という用語と交換可能に用いることができる。前記発生源の例として、界磁極部材、能動界磁極部材、及び／又は磁石、或いはそれらの部分などが挙げられる。「界相互作用領域」は、しばしば「エアギャップ」として回転機器の専門用語に用いられるが、「界相互作用領域」は、２つ以上の発生源から発生される磁束が、それらの発生源に対して機械力及び／又はトルクを発生させるような形態でベクトル的に相互作用する領域を指す広範な意味を持つ用語であり、従ってエアギャップの定義のみに限定されるものではない（すなわち、磁石表面及び磁極面の両領域によって画定される容積及び前記２つの領域の間の周辺部から広がる面に限定されない）。例えば、界相互作用領域（或いは少なくともその一部）が磁石の内部に存在する場合もある。
【００３１】
本明細書で用いられる「発電機」という用語は、通常、例えばその出力電圧波形に拘らず機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換できるように構成されている電気機械を指す。「交流発電機」についても同様に定義できるので、「発電機」という用語はその定義において交流発電機も含む。
【００３２】
本明細書で用いられる「磁石」という用語は、それ自体の外部へ磁界を発生させる単体を指す。その例として、磁石という用語には永久磁石、電磁石などが含まれる。
【００３３】
本明細書で用いられる「モータ」という用語は、通常、電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換するように構成されている電気機械を指す。
【００３４】
本明細書で用いられる「透磁性」という用語は、磁束密度（“Ｂ”）及び印加される磁界（“Ｈ”）の間で磁気的に定義可能な関係を有する素材を一般に指す記述用語である。更に「透磁性」は、強磁性体、軟磁性複合体（“ＳＭＣ”）などを限定することなく含んだ広範な意味を有する用語でもある。
【００３５】
本明細書で用いられる「磁極面」という用語は、磁束相互作用領域（及びエアギャップ）の少なくとも一部分に面しており、これによって磁束相互作用領域（及びエアギャップ）の一つの境界線を形成する磁極片の表面を指す。いくつかの実施形態においては、「磁極面」という用語を「ステータ表面」と表現する場合もある。
【００３６】
本明細書で用いられる「磁極片」という用語は、磁極面がロータ（或いはその一部分）に面し、それによってエアギャップの形成とそのリラクタンスを制御する役割を果たすように、磁極面の位置合わせを容易にする界磁極部材の一部分を指す。界磁極部材の磁極片は、通常、コアの各端部近くに位置し、コイル領域或いはその近くの位置から始まり磁極面の位置で終端する。いくつかの実施形態においては「磁極片」という用語は、「ステータ領域」、或いは「磁束交差面」の少なくとも一部分、或いはその両方で表現される場合もある。
【００３７】
本明細書で用いられる「軟磁性複合体」（“ＳＭＣ”）という用語は、成型されて本発明のロータ・ステータ構造の要素を構成する絶縁被覆鉄系粉末金属素材などの絶縁性磁性粒子から部分的に構成される素材を指す。
【００３８】
［説明］
図２は、本発明の特定の実施形態に基づくロータ・ステータ構造の一例を示す分解図である。この例において、ロータ・ステータ構造２００は、電気モータの具現化にあたって少なくとも界磁極部材を通じた磁束経路の長さを最小化することによって、単位サイズ当たりに（或いは単位重量当たりに）発生するトルクを増大させるように構成されている。いくつかの実施形態において、界磁極部材２０４は直線状或いは略直線状の磁束経路（或いはその部分）を提供し、磁束の直線性偏差を最小化する。典型的には、前記経路部分は回転軸線に対してほぼ平行である。従って、直線状或いは略直線状の経路を具現化することによって、これらの各界磁極部材は、磁束が周辺で、例えば界磁極間で９０度（或いはその前後）の角度で鋭角的に曲がるように構成する必要がある従来の強磁性リターン経路設計と比べて、相対的に低リラクタンスである磁束経路を提供する。従って、本発明の種々の実施形態のロータ・ステータ構造は、直線状或いは略直線状の経路を具現化することによって、磁気損失を低減させ、かつ効率を高めて電気機械が作動できるようにする。以下の説明は、円錐形磁石の形状以外の形状或いは円錐形磁石と同じ形状を有する磁石に適用することができる。
【００３９】
この例において、ロータ・ステータ構造２００は、ロータアセンブリ２０２及び複数の能動界磁極部材２０４（すなわち能動界磁極部材２０４ａ、２０４ｂ及び２０４ｃ）を含んでおり、それによって能動界磁極部材２０４は磁気的に互いに結合し、ロータアセンブリ２０２の磁石を駆動するように構成されている。ロータアセンブリ２０２は、シャフト２２２上に取り付けられ或いは固着された２つの円錐形磁石２２０（すなわち円錐形磁石２２０ａ及び２２０ｂ）を含んでおり、円錐形磁石２２０ａ上の円錐形磁石表面２２１ａの少なくとも一部分が円錐形磁石２２０ｂ上の円錐形磁石表面２２１ｂの少なくとも一部分に面している。より詳細には、円錐形磁石２２０の小径端部（すなわち、両円錐の最も近接する頂点、或いは、例えば円錐先端の裁断部のためにそれが存在しない場合は概念上の最も近接する頂点）が互いに向かい合っている。更に、円錐形磁石２２０は、能動界磁極部材２０４の端部の一群にそれぞれ隣接して配置されている。本発明の種々の実施形態において、円錐形磁石表面２２１ａ及び２２１ｂは回転軸線に対してそれぞれ傾斜角度を有しており、前記角度は約５度〜８５度である。また特定の実施形態においては、前記傾斜角度は約１０度〜約８０度である。少なくとも一つの実施形態において、例えば円錐形磁石２２０が比較的高性能な磁石材料（例えば、以下に述べるように、最大エネルギー積及び「Ｂｒ」の値が比較的高く、かつ高保磁性を有する磁石）によって形成されている場合、傾斜角度は回転軸線に対して約３０度である。種々の実施形態においてシャフト２２２は透磁性材料によって形成され、またその他の実施形態においてシャフト２２２は非磁性及び／或いは非導電性材料によって形成される。ロータ・ステータ構造２００は、シャフト２２２が磁束経路を形成することを必要としない。能動界磁極部材２０４ａ及び円錐形磁石２２０ａ，２２０ｂは、本発明の少なくとも一つの実施形態に基づいて磁束経路を形成するのに十分である。
【００４０】
各能動界磁極部材２０４は、界磁極部材２０６及び各界磁極部材２０６の周りに巻き付けられた絶縁コイル２０８を含む。界磁極部材２０６はシャフト２２２によって定義され得る回転軸線を中心とした同軸上に配置されている。コイル２０８ａ、２０８ｂ及び２０８ｃは、界磁極部材２０６ａ、２０６ｂ及び２０６ｃの中心部にそれぞれ巻き付けられており、コイル２０８が通電されると界磁極部材２０６内にアンペア・ターン発生磁束を作り出す。少なくとも一つの実施形態において、一つ又は複数の能動界磁極部材２０４は、ステータアセンブリ（図示しない）の少なくとも一部を構成する。磁極面２０７は能動界磁極部材２０４の各端部領域にあり、各磁極面２０７は円錐形磁石２２０の円錐形磁石表面の少なくとも一部分に近接し、対向しており、それによって磁石表面（或いはその一部分）及び磁極面の間に機能的エアギャップを形成する。本発明の特定の実施形態によれば、磁極面２０７は円錐形磁石２２０ａの表面のような磁石表面と類似するよう形作られている。例えば、磁極面２０７ｂは、円錐形磁石２２０ａの凸面の湾曲した表面に形状が一致する凹面である。本発明の一つの実施形態において、延長端部２１１ｂのような取付け選択可能な延長端部は、界磁極部材２０６から縦方向に延びて、円錐形磁石２２０の外面に重なるように、或いは、それを通り越えて突き出るように延びている。その他の例として、延長端部２１７ｂは円錐形磁石２２０ｂの外面を通り過ぎて延び、溝２４２の一つに挿入されるように形成されて、ロータ・ステータ構造２００を構成する。なお、いくつかの実施形態においては、延長端部２１１ｂは省略され（図示されていない界磁極部材２０６の他の延長端部の場合と同様に）、これにより磁石の大径端部が径方向に界磁極部材２０６の外側表面までの距離に、或いはそれを越えて拡大される。
【００４１】
ロータアセンブリ２０２或いは多数の能動界磁極部材２０４はその他の構成要素に対して回転するように構成されるものであるから、ロータ・ステータ構造２００はベアリング２３０と、前方取付板２４０ａ及び後方取付板２４０ｂの両方とを随意的に含むことができる。特定の実施形態において、取付板２４０ａ及び２４０ｂは非磁性及び／又は非導電性材料から作られる。取付板２４０ａ及び２４０ｂ内の空洞部２４４は、ベアリング２３０を受け入れることができるように設計されており、溝２４２は、能動界磁極部材の延長端部２１７ｂなどの延長端部の少なくとも一部を受け入れることができるように設計されている。ある場合において、溝２４２は、ロータアセンブリ２０２に対して適切な位置を維持するために能動界磁極部材２０４の動作を制限する。保護ハウジング（図示しない）はロータアセンブリ２０２及び界磁極部材２０４の両方を保護するために構成要素に加えられ、一つ又は複数のコイル２０８のためのヒートシンクとしての機能も果たす。上の例として述べたロータ・ステータ構造２００の具現化には有用ではあるが、本発明の種々の実施形態において、特に本発明の種々の実施形態によって磁束経路を発生させる場合には、取付板２４０ａ及び２４０ｂ、またベアリング２３０及び溝２４２を構成要素に含めることは必須要件ではない。
【００４２】
なお、界磁極部材２０６のそれぞれに絶縁コイル２０８を巻き付けた状態が示されているが、特定の実施形態においてはコイル２０８を全ての界磁極部材２０６には巻き付けない場合もあり得る。例えば、コイル２０８ｂ及び２０８ｃを能動界磁極部材２０４ｂ及び２０４ｃからそれぞれ省いて、例えばコイル２０８ｂ及び２０８ｃを含めた場合よりも製造コストの安い電気機械を構成する場合もある。コイル２０８ｂ及び２０８ｃを省略すると、部材２０４ｂ及び２０４ｃは能動界磁極部材というよりはむしろ界磁極部材を構成するということになる。なお、界磁極部材２０６ａ、２０６ｂ及び２０６ｃは直線状の界磁極部材として示されているが、界磁極部材２０６ａ、２０６ｂ及び２０６ｃが直線状或いは略直線状であるということも必須の要件ではない。いくつかの実施形態においては、一つ又は複数の界磁極部材２０６ａ、２０６ｂ及び２０６ｃを非直線状の界磁極部材に形作り、直線状磁束経路以外の形状の経路で磁束を伝える場合もある。例えば、コイル２０８がシャフト２２２に、より近い位置になるように界磁極部材２０６ａ、２０６ｂ及び２０６ｃを形作り、これによってロータ・ステータ構造２００を実施する電気機械の体積を少なくするという場合もある。ここで用いられる「非直線状」磁束経路は、いくつかの実施形態においては、２つの連続部分を有し６０度〜９０度の角度である磁束経路として表現される場合もある。いくつかの実施形態において、「略直線状」という用語は、直線状磁束経路（例えば、界相互作用領域間の直線と偏りのない経路）、及び同じ基本方向で相互の角度が６０度以下である２つの連続する磁束経路部分を含んだ磁束経路を提供する界磁極部材を指す場合もある。
【００４３】
少なくとも一つの特定の実施形態において、少なくとも一つの能動界磁極部材２０４のそれぞれは、ただ一つ或いは複数のコイル２０８と、符号２０６ａ、２０６ｂ及び２０６ｃなどのいずれかの界磁極部材とを含む。いくつかの場合において、能動界磁極部材２０４は界磁極部材に巻き付けられるコイル巻線の実質的な支持要素とはならないテープ、ペーパー及び／又はペイント、或いはそれらの類を含むことがある。通常、一つ又は複数のコイル２０８の巻線が界磁極部材自体に直接巻き付けられる。一つ又は複数のコイル２０８の導線が絶縁体を含む場合もある。しかし、この特定の実施形態において、各能動界磁極部材２０４に、製造のプロセスにおいてさらなる材料及び労力を必要とするコイルキャリア構造などの他のどのような中間構造を含める必要はない。
【００４４】
図３は、本発明の一つの実施形態に基づいて、エアギャップを介して円錐形磁石２２０ａの対向磁気表面と相互作用するように構成された磁極面の向きを示すロータ・ステータ２００の端面図３００を表している。図３においては、能動界磁極部材及びコイルの両形状、また界磁極間の界磁極ギャップ（“Ｇ”）を示すため、前方取付板２４０ａ、ベアリング２３０及び円錐形磁石２２０ａは全て省略されている。図示するように、コイル２０８ａ、２０８ｂ、及び２０８ｃは界磁極部材２０６ａ、２０６ｂ及び２０６ｃをそれぞれ囲み能動界磁極部材２０４ａ、２０４ｂ及び２０４ｃを形成しており、これら全てはロータ・ステータ構造２００を具現化するモータ或いは発電機の実装密度を高めるよう密に配置されている（通常図１のスロット１０８を用いて巻き付けられるコイル巻線を使用する従来のモータとの比較）。また、図３は、各能動界磁極部材２０４ａ、２０４ｂ及び２０４ｃの延長端部３１１ａ、３１１ｂ及び３１１ｃの端面と、対応の磁極面３０７ａ、２０７ｂ及び２０７ｃとを示している。磁極面３０７ａ、２０７ｂ及び２０７ｃは、それら各磁極面或いは表面と円錐形磁石２２０ａの円錐形磁石表面の少なくとも一部の間に磁気エアギャップを形成するように配置されている。更に、界磁極ギャップは能動界磁極部材２０４ａ、２０４ｂ及び２０４ｃを構成する界磁極部材の側面（或いは端）によって画定されている。例えばギャップ“Ｇ”は、例えば各界磁極部材２０６ｂ及び２０６ｃ（図２）の側面から延びている面３１０及び３２０によって画定されている界磁極ギャップのいずれかを表している。
【００４５】
図４は、本発明の一つの実施形態に基づいたロータ・ステータ構造２００及び磁極面３０７ａ、２０７ｂ及び２０７ｃ（図３）に近接して配置される円錐形磁石２２０ａを示す別の端面図４００を表している。図示するように、円錐形磁石２２０ａの外側磁石表面２２３ａ、そして延長端部３１１ａ、３１１ｂ及び３１１ｃの突出端及びコイル２０８が示される。なお、この例において、円錐形磁石２２０ａはＮ極（“Ｎ”）及びＳ極（“Ｓ”）を有する双極子磁石（例えば永久磁石）である。また、いくつかの実施形態においては円錐形磁石２２０ａ及び２２０ｂは電磁石を用いて実施化することも可能である。また図４においては、３つの断面を定義している。第１断面Ｘ−Ｘは、界磁極部材２０６ａ及びコイル２０８ａを二等分する中心線として直線を描き、続いて磁石２２０ａを経由して他の界磁極部材２０６ｂ及び２０６ｃ間の界磁極ギャップを通過する。第２断面Ｙ−Ｙは、界磁極部材２０６ａ及びコイル２０８ａを二等分し、続いて磁石２２０ａを経由して界磁極部材２０６ｂ及びコイル２０８ｂを通過する。第３断面Ｙ’−Ｙ’は、第２断面Ｙ−Ｙと同様に、界磁極部材２０６ａ及びコイル２０８ａを二等分し、続いて磁石２２０ａを経由して界磁極部材２０６ｃ及びコイル２０８ｃを通過する。断面Ｘ−Ｘは図５Ａに示され、一方断面Ｙ−Ｙ及びＹ’−Ｙ’は同様の構図を有しており、図５Ｂはその両方を表している。
【００４６】
図５Ａ及び図５Ｂは、本発明の少なくとも一つの実施形態に基づいた磁束経路の一例を示す断面図を表している。図５Ａは、ロータ・ステータ構造５００の能動界磁極部材２０４ａの断面を表し、前記断面はコイル２０８ａ及び界磁極部材２０６ａの断面Ｘ−Ｘを示す。この例において、能動界磁極部材２０４ａは、磁極面３０７ａ及び５０５ｂと、磁極片５０７ａ及び５０７ｂと、コイル領域５０６と、コイル２０８ａとを含む。図５ＡのＸ−Ｘ方向において、円錐形磁石２２０ａ及び２２０ｂは正反対の方向に磁化されており、界磁極部材２０６ａの各磁極片５０７ａ及び５０７ｂに近接して配置されている。これに対して、磁極片５０７ａの磁極面３０７ａは、磁石表面２２１ａの少なくとも部分５２１ａと共に磁気エアギャップ５５１ａを形成し、前記部分５２１ａは磁極面３０７ａに対向しており、その断面が示されている。同様に、磁極片５０７ｂの磁極面５０５ｂは、磁石表面２２１ｂの少なくとも部分５２１ｂと共に磁気エアギャップ５５１ｂを形成し、前記部分５２１ｂは磁極面５０５ｂに対向しており、その断面が示されている。なお、部分５２１ａ及び５２１ｂは、それぞれ、円錐形磁石２２０ａ及び２２０ｂの軸線方向長さを延長させる必要はない。例えば、部分５２１ａ及び５２１ｂを、円錐形磁石２２０ａ及び２２０ｂの最も大きな断面直径と最も小さな断面直径との間の領域によって画定し、任意のサイズとすることができる。従って、少なくとも一つの実施形態によれば、部分５２１ａ及び５２１ｂが磁極面と共にエアギャップを形成しさえすればよいのであって、円錐形磁石２２０ａ及び２２０ｂの他の表面部分がエアギャップを形成するように構成されてはいない。更に、コイル２０８ａは、界磁極部材２０６ａのコイル領域５０６を取り囲み、それに従って、コイル領域５０６は界磁極部材２０６ａの部分を囲むコイル２０８ａの軸線方向長さによってほぼ画定される。図５Ａには、一つ又は複数の界相互作用領域が示されていないが、前記界相互作用領域がエアギャップ５５１ａなどのエアギャップより大きな空間を含み、また例えば、円錐形磁石２２０ａ内に延在する場合もある。
【００４７】
本発明の少なくとも一つの実施形態において、円錐形磁石２２０ａ及び２２０ｂの各表面上の磁石部分５２１ａ及び５２１ｂの少なくとも一つは、回転軸線に対しての角度である傾斜角（“θ”）５０１によって境界が定められるよう画定されることもできる。図の例において、回転軸線はシャフト２２２と同軸となっている。特定の実施形態において、傾斜角（“θ”）５０１はシャフト２２２に対して３０度である。しかし、角度５０１は任意のいずれの角度でもあり得る。
【００４８】
反対向きの分極状態において、円錐形磁石２２０ａはＮ極（“Ｎ”）が方向５０２を向くように分極され、また円錐形磁石２２０ｂはＮ極（“Ｎ”）が方向５０４を向くように分極されている。いくつかの実施形態において、円錐形磁石２２０ａ及び２２０ｂは正反対の方向に着磁されている（すなわち方向５０２と方向５０４との間の角度は１８０度）。しかし、他の実施形態においては、方向５０２と方向５０４間の角度は、例えば回り止めトルク（“コギング”）を低減するために、１８０度以外のいずれかの角度にずらすこともできる。特定の実施形態においては、方向５０２と方向５０４は約１５０度〜約１８０度の範囲内のいずれかの角度にずらして構成される。種々の実施形態において、円錐形磁石２２０ａ及び２２０ｂ（或いは他のタイプの磁石）は、回転軸線に対して実質的に垂直な一つ又は複数の面で極性方向を有するようにそれぞれ分極される。ここで用いる「実質的に垂直な」という用語は、いくつかの実施形態においては、垂直な角度を指している場合もある。
【００４９】
図５Ｂは、本発明の一つの実施形態に基づいて、能動界磁極部材２０４ａと、能動界磁極部材２０４ｂ或いは能動界磁極部材２０４ｃのいずれかとの断面図を示し、また磁束経路を示している。説明を簡単にするために、断面Ｙ−Ｙのみを以下に説明する。断面Ｙ−Ｙは、コイル２０８ｂと界磁極部材２０６ｂとを通過する界磁極部材２０６ａ及びコイル２０８ａの断面である。磁束経路５６０は、界磁極部材２０６ａ及び２０６ｂの両方を、そして円錐形磁石２２０ａ及び２２０ｂの両方を通過する。説明の便宜上、磁束経路５６０は、重ね合わせの原理によって組み合わされる２つの磁束経路によって構成されるものとして説明される。円錐形磁石２２０ａ及び２２０ｂは第１の磁束経路（つまり永久磁石発生磁束）を形成し、一方、コイルのアンペア・ターンによって発生する磁束は第２の磁束経路（つまりアンペア・ターン発生磁束）を形成する。この例において、第１の磁束経路としての磁束は円錐形磁石２２０ａのＮ極（“Ｎ”）を出て、エアギャップ５５１ａを通過して磁極面３０７ａ（図３）に入る。前記Ｎ極は磁極面３０７ａに対向する表面部分５２１ａと一致する。続いて第１の磁束経路は、界磁極部材２０６ａを縦断し、界磁極部材２０６ａの円錐形磁石２２０ｂに近接した端部の磁極面５０５ｂから出る。続いて第１の磁束経路はエアギャップ５５１ｂを通過して、円錐形磁石２２０ｂのＳ極（“Ｓ”）に入る。前記Ｓ極は通常、磁石表面２２１ｂの表面部分５２１ｂと一致し、磁極面５０５ｂに対向している。第１の磁束経路は、円錐形磁石２２０ｂをＮ極方向に向けて通過する。通常、前記Ｎ極は磁石表面２２１ｂの磁極面２１３ｂに対向する表面部分５６１ｂと一致する。次に、第１の磁束経路はエアギャップ５５１ｃを通過して磁極面２１３ｂ（図２）に入る。そこから、第１の磁束経路は界磁極部材２０６ｂを通じて磁極面２０７ｂへと戻り、前記磁極面２０７ｂから出てエアギャップ５５１ｄを通過し、続いて円錐形磁石２２０ａのＳ極内へ入る。これによって第１の磁束経路の完了となる。通常、円錐形磁石２２０ａのＳ極は、磁極面２０７ｂと対向する磁石表面２２１ａ（図２）の表面部分５６１ａと一致する。なお、図の例において磁極面２０７ｂを出る磁束は磁極面２０７ｃを出る磁束と等しい。また、磁束経路５６０の任意の部分の形成のために追加の構造或いは部材は必要ではない。そのような場合、ロータ・ステータ構造５５０はバックアイアンを含まない。
【００５０】
特定の実施形態において、各円錐形磁石２２０内の磁束経路の長さが４つのエアギャップ５５１ａ〜５５１ｄと比較して大きくなり、それによって好適な磁気負荷ラインを構成できるように円錐形磁石２２０の直径が設定される。なお、４つのエアギャップ５５１ａ〜５５１ｄのそれぞれは、磁極面及び磁石間の（又はそれを通じた）磁束相互作用を容易化するための磁束相互作用領域を画定する。更に、円錐形磁石２２０ａ或いは２２０ｂ内の磁束経路は磁化軸線（つまりＳ極からＮ極）に沿って配置されているのが示されており、これによって磁石の製造コストの削減、また単位体積（或いはサイズ）当たりの出力トルクを相対的に高めた磁石の提供が可能となる。磁石の保磁力は、強力な外部磁界の影響下でその内部磁束分布をいかに維持できるかを左右する磁石の特性であって、特定の用途に適した磁石材料を用いることによって好適に選択することができる。
【００５１】
少なくとも一つの実施形態において、ロータ・ステータ構造５５０（図５Ｂ）は第１の円錐形磁石２２０ａの磁石表面のほぼ表面部分５２１ａから第２の円錐形磁石２２０ｂの磁石表面のほぼ表面部分５２１ｂへ略直線状に延びる磁束経路５６０の少なくとも一部分を発生させる。一つの例において、磁束経路の部分は、第１の円錐形磁石２２０ａの表面部分５２１ａ、第２の円錐形磁石２２０ｂの表面部分５２１ｂ、界磁極部材２０６ａなどの界磁極部材の内の少なくとも一つ、及びエアギャップ５５１ａ及び５５１ｂなどの２つ又はそれ以上のエアギャップによって実質的に構成されている。
【００５２】
本発明の少なくとも一つの実施形態において、円錐形磁石２２０ａ及び２２０ｂは、少なくとも以下の２つの磁石特性を有する。まず第１に、円錐形磁石２２０ａ及び２２０ｂは、ガウスのＣＧＳ単位を用いて磁束密度“Ｂ”として測定可能な磁束を発生させることができる。“ＣＧＳ”は、センチメートル、グラム、そして秒（second）で表される単位を示す。第２に、円錐形磁石２２０ａ及び２２０ｂの磁石材料には、磁石が減磁耐性を有するものを用いる。高い減磁耐性を有する材料は、当業者においては公知のように、しばしば「高い保磁性」を有していると表現される。適切な値の減磁場を用いて、特定の磁石材料磁束密度出力を０にすることができる。従って、保磁性の値が比較的高い磁石材料は、一般に、前記磁石材料が、減磁効果の影響を受けることなく逆方向の高い外部磁場強度に耐えることができることを示している。特定の実施形態において、円錐形磁石２２０ａ及び２２０ｂは、合理的に予見可能な操作条件下で１．００に比較的近いリコイル透磁率、及び十分な保磁性、Ｈｄを有する磁石材料から構成されている。
【００５３】
磁石材料はしばしば、このような材料の最大エネルギー積によって部分的に特徴付けられる。更に、磁石材料は、閉回路内で測定され、測定可能な外部磁場が前記磁石材料に印加されていない場合に、磁石材料からの磁束密度出力である“Ｂｒ”によって特徴付けられる。最大の磁束密度値はしばしば、“Ｂｒ”として表記される。Ｂｒの値の高さは、磁石材料が磁極面積当たり高い磁束を発生させることができることを示している（つまり高磁束密度）。少なくとも一つの実施形態において、円錐形磁石２２０ａ及び２２０ｂは、比較的小さい装置体積において比較的高いトルクが求められる構成において、高い磁束発生能を有する（例えば高い値のＢｒを有する）磁石を用いる。
【００５４】
種々の実施形態において、円錐形磁石２２０ａ及び２２０ｂ（或いは他の磁石）は、軸線方向に比較的短く、例えば、回転軸線に対して約３０度の円錐角を有する、Ｂｒ値が高い磁石を用いる。しかし、いくつかの実施形態においては、円錐形磁石２２０ａ及び２２０ｂ（或いは本発明の実施に適した他の磁石）は、低コストで、かつＢｒ値が低い磁石材料を用いている。この場合、前記磁石は通常、実装された際にエアギャップの面積がＢｒの値が高いものと比較して相対的に大きくなる。詳細には、磁石の軸線方向長さを長くし、各磁極面に対向磁気表面の表面面積を大きくすることによって面積の大きいエアギャップが形成される。従って、軸線方向に長くはなるが、外径が同じ装置（例えばモータハウジング）で小さい円錐角の角度（例えば３０度未満）を用いることができる。出力トルク特性、及びＫｍは多くの実施形態において同じままであるが、軸線方向長さを長くしても、Ｂｒの値が低いものにおいては製造コストを低く抑えることができる。
【００５５】
本発明の種々の実施形態は、既知の利用可能ないずれかの磁石材料を用いる多くの設計モータ及び／或いは発電装置設計の範囲に及んでいるが、少なくとも一つの実施形態においては、逆方向の印加磁場強度の値、Ｈに対してＢの比率が低い磁石材料を用いている。これらの比率は各材料のＢｒポイントにおいて測定され、通常多くの磁石材料データシートに明記されており、またこのような材料のＢｒポイントにおけるリコイル透磁率を画定する。いくつかの例においては、磁石材料が高い保持力の値に限定される必要はないが、磁石材料は、予想される逆方向磁場或いは熱条件にさらされた場合に予測可能な出力磁束密度を示す。従って、「リコイル透磁率」の値は、本発明の一つの実施形態によれば、ロータ・ステータ構造の一例を用いたモータ及び／或いは発電機設計を考慮した場合、少なくとも一つの要因となり得る。
【００５６】
リコイル透磁率とは、通常、Ｂの値と逆方向印加磁場強度の値との間の関係をいう。リコイル透過率の値は、通常、ＣＧＳ単位で表され（空気の透磁率はＣＧＳ単位で１．０であるため）、Ｂの値（例えば、ガウスで表す）をＢｒ或いはその近傍で、逆方向印加磁場強度の値（例えば、エルステッドで表され、Ｈ、Ｈｃ或いはその近傍）で割ることによって求めることができる。いくつかの磁石材料については、平均リコイル透磁率を求めることができ、磁石材料の選択において有効である。一つの実施形態において、リコイル透磁率は、国際磁気協会（ＩＭＡ）によって規定される磁性材料製造業者協会（ＭＭＰＡ）基準０１００−００に基づき、種々の磁石材料について定義される。なお、リコイル透磁率はＭＫＳ単位（つまりメートル、キログラム、秒）によって表現することもできる。
【００５７】
通常、リコイル透磁率の値は少なくともＣＧＳ単位で表現した場合の値である。リコイル透磁率が１．０に近いほど、一方で特定の測定材料の保磁力も高いものとなる。本発明の殆どの実施形態において、リコイル透磁率の値は通常１．３未満である。ネオジム−鉄（“ＮｄＦｅ”）から成る磁石、またそのバリエーションなどのような、標準的な高保持性を有する磁石材料は、ＣＧＳ単位で約１．０４のリコイル透磁率を有する。このようなバリエーションの例は、ネオジム−鉄−ボロン系“ＮｄＦｅＢ”である。一般的な、フェライトセラミック製などの低価格のセラミック磁石は、前記セラミック磁石を殆どの用途において適確に機能させる約１．２５の割合値を有する。なお、標準的な高性能セラミック磁石の平均リコイル透磁率は通常、ＣＧＳ単位で１．０６〜１．２の範囲内である。
【００５８】
各界磁極部材２０６の周りに巻かれたコイル２０８は第２の磁束経路を形成する。この例において、図５Ｂのコイル２０８ａ及び２０８ｂ内でアンペア・ターンによって発生した磁束は、円錐形磁石２２０ａ及び２２０ｂがアンペア・ターン発生磁束から見て空気と同じ有効特性を有しているという点を除いては、永久磁石磁束と同じ経路を通過する。従って、界磁極部材２０６ａ内で（例えばコイル領域５０６内で）発生したアンペア・ターン磁束は、図５Ａ及び図５Ｂの円錐形磁石２２０ａ及び２２０ｂに近接した磁極面の位置に存在する。
【００５９】
少なくとも一つの特定実施形態において、コイル２０８は幅が比較的広く、また高さが比較的低い矩形断面を有する導体である箔状導体を含む。層間が絶縁されている箔状導体を巻線の代わりに用いて、利用可能な同じ巻き体積において、巻線抵抗を低減させ、電流処理容量を増大させることができる。箔状導体を用いることで、巻線のインダクタンスを低減することもできる。一つの実施形態において、絶縁体を箔の一方の側に固定し、コアの周りに巻かれたその後に続く巻線において箔状導体を隔離する。すなわち、一方の側が箔状導体（或いは箔状コイル）のその前に巻かれた部分の非絶縁側を絶縁するので、箔状導体のその側のみを絶縁する必要がある。これによって好適に、それ以外の方法においてならば十分に絶縁された導体（つまり、絶縁線のように全ての側が絶縁されている）によって満たされていた空間において、コイル２０８に必要な絶縁量を低減し、これによって資源を節減し、実装密度を高め、アンペア・ターンを増大させる（同時に導体の巻数を減らす）。箔状導体は、比較的小さな曲半径を提供するので、それによって曲率が大きい導体には一般的に見られるような巻線抵抗を低減することができる。抵抗値を低減することにより、このタイプの導体は、アンペア・ターン磁束を発生させる場合において、特にバッテリーを電源とするモータ装置において電源を節約することができる。
【００６０】
図５Ｃは、本発明の一つの実施形態に基づいた、アンペア・ターン磁束を発生させる能動界磁極部材の磁極面を出る第２の磁束経路の例を示す。この図において、アンペア・ターン（“ＡＴ”）発生磁束は能動界磁極部材２０４ａ内で発生し、続いて図５Ｃの（或いは図５Ｂで磁極面５０５ｂとして示される）磁極面５１３ａから出て、ほぼ半分に分かれて磁束５７０ａ及び５７０ｂを形成する。続いてアンペア・ターン磁束５７０ａは磁極面２１３ｂ内に入り、アンペア・ターン磁束５７０ｂは磁極面５１３ｃ内に入る。次に、第２の磁束経路の各部分は、他の界磁極部材（例えば、界磁極部材２０６ｂ及び２０６ｃ）内を縦方向に通過してこれら他の界磁極部材の他端へと向かい、最初に第２の磁束経路を発生させた能動界磁極部材２０４ａへと戻る。
【００６１】
図５Ｄは、本発明の一つの実施形態に基づいた、アンペア・ターン磁束を発生させた能動界磁極部材の磁極面へと戻る第２の磁束経路の例を示す。図に示すように、アンペア・ターン磁束５７０ｃ及び５７０ｄは各磁極面２０７ｂ及び２０７ｃから出て磁極面３０７ａ内に入り、これによって第２の磁束経路（つまり、アンペア・ターン磁束経路）の磁気回路は完了となる。
【００６２】
概念的には、図５Ｄの能動界磁極部材２０４ａ、２０４ｂ及び２０４ｃの各界磁極部材内でアンペア・ターンによって発生した磁場は、能動界磁極部材の端部領域の磁極面或いは磁極片のそれぞれにおける磁気ポテンシャル領域として見ることもできる。本発明の少なくとも一つの実施形態に基づいて、円錐形磁石の対向する表面とそれらに近接する磁極面との間のエアギャップにおいて、第１の磁束経路の磁束及び第２の磁束経路の磁束が、当業者には公知の形態で相互作用する。ここで、かかる相互作用は、ロータ・ステータ構造２００を具現化する電気モータによってトルクを発生させるために有効である。ロータ・ステータ構造２００の第１及び第２の磁束経路は、少なくとも部分的に、コイル２０８を流れる電流によって界磁極部材２０６のコア領域５０６（図５Ａ）内に磁束が含まれるので、効率が良い。各円錐形磁石２２０によって発生した磁束は、能動界磁極部材２０４の磁極面からの磁束と磁束相互作用領域内で相互作用する。従って、磁束漏洩路が、たとえあったとしても、界磁極部材２０６の側面及び後面を含んだ磁極片５０７ａ及び５０７ｂ（図５Ａ）の比較的とても小さい領域に限定される。第１及び第２の磁束経路は界磁極部材２０６の透磁性素材内で殆ど直線状であるため、これらの界磁極部材は異方性（例えば、方向性）の磁石材料を効率的に実装するのに非常に適している。従って、界磁極部材２０６は、等方性で、無方向性の磁石材料を使用する場合と比べて、より高い磁束密度を伝播し、例えば方向性材料の粒子に沿った磁気方向においての磁気損失を低減することができる異方性の磁石材料によって構成することができる。
【００６３】
例えば、異方性（例えば方向性）材料の一つの例として、少なくとも２０３００ガウスの磁気飽和値を有しており、一方で、「Ｍ１９」積層体などの標準的等方性積層材料の飽和値が１９６００ガウスであるとする。更に、異方性材料が飽和状態に到達するのに必要な印加磁場は僅か１２６エルステッドであるのに対して、等方性の材料の場合は４６０エルステッドが必要とされる。誘磁率を１５０００ガウスとした場合、異方性（方向性）材料（例えば０．０１４インチの厚さの積層）のコア・ロスは、６０Ｈｚでポンド当たり約０．６６ワットである。対照的に、標準的等方性材料のコア・ロスは同じ条件下でポンド当たり約１．６４ワットである。上に述べたことを考慮すれば、界磁極部材２０６の形成に異方性材料を用いることは等方性材料の使用に対して有利性がある。少なくとも一つの実施形態によれば、界磁極部材２０６が比較的直線的な形状をしていると、従来のモータの磁束経路とは異なり、異方性材料の効率的な利用が可能となる。
【００６４】
従来のモータの出力トルク発生とは異なって、本発明の種々の実施形態のロータ・ステータ構造２００によって発生する出力トルクは、シャフト２２２の回転軸線から能動エアギャップ５５１ａ〜５５１ｄ（図５Ｂ）までの半径に対して比例している必要はない。その他の要素も全て同じであって、磁極面及びエアギャップのシャフト２２２からの径方向距離を長くすることで、従来型のモータ設計式が示す方式においても出力トルクに変化は生じない。例えば、従来のモータ設計コンセプトでは、アンペア・ターン磁束を伝播する領域を、エアギャップであるアンペア・ターン磁束経路の部分も含めて、低リラクタンスである経路を有するように設計しなければならないことを教示している。本発明の種々の実施形態においては、アンペア・ターン磁束経路は、円錐形磁石２２０などの永久磁石によって占められる空間を通じた比較的高リラクタンスである経路を有しているが、それにもかかわらず、最大トルク発生量は、同じサイズ或いは重量（ここでも、他の要素は全て同じ）の従来のモータの殆どと比較して相対的に高い。特定の実施形態において、円錐形磁石２２０を構成する磁石材料は空気と同じ透磁率の値を有しており、従って、各円錐形磁石２２０の体積はアンペア・ターン磁気回路に対する追加エアギャップであるかのように見える。少なくとも一つの実施形態において、電気機械によって発生した出力トルクは円錐形磁石２２０の体積と、全体的に或いは部分的に比例している。
【００６５】
次に、ロータ・ステータ構造２００の作用について説明する。まず、コイル２０８は順次通電されてロータアセンブリ２０２を回転させる。通電されたコイルは磁極面において磁気ポテンシャルを発生させる。これらの磁気ポテンシャルは、磁石（例えば円錐形磁石２２０）の内部磁場方向を、印加された外部磁場の方向に向け直す傾向がある。外部磁場は、実質的に、円錐形磁石２２０に対して角度的に方向付けられた減磁場をもたらし、ロータ・ステータ構造２００を実装したモータが高いトルク負荷の条件下にある場合、減磁場が比較的高い強度に到達できるようにする。強力な減磁場は、保磁力が不十分である円錐形磁石２２０の磁石材料の磁気特性を変えてしまう悪影響を及ぼす場合がある。このため、本発明の少なくとも一つの実施形態においては、（１）Ｂと逆方向に印加された磁場強度との比率が低く、（２）リコイル透磁率が、例えばＣＧＳ単位で１．３未満といったように比較的低い、高トルク負荷に適した磁石材料を用いる。
【００６６】
本発明の一つの実施形態において、発生したトルクは、円錐形磁石２２０などの磁石の自然な傾きを通して、最も低いエネルギー位置を求める。従って、永久磁石でもあり得るところの、円錐形磁石２２０の磁極は、磁気吸引力が最も高い領域に向かって回転し、磁気斥力の働く領域から遠ざかる傾向があり、これによって、「磁気ポテンシャル」のこのような領域が、通電された能動界磁極部材２０４の両端のエアギャップでアンペア・ターン発生磁場によって作り出される。比較的保磁力の高い磁石は、その内部磁場の方向を角変位させる傾向に抵抗するので、角変位に対するこの抵抗は、永久磁石の本体上の機械的なトルクとして示され、これによってトルクがシャフトに伝達される。従って、磁石（例えば円錐形磁石２２０）は、負荷に対して加えられる有効な出力トルクとして、トルクを発生させ、続いてそのトルクをシャフトに伝達する。
【００６７】
図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃは、本発明のもう一つの実施形態に基づいた、ロータ・ステータ構造の別の端面図６００を示す。図６Ａ及び図６Ｂは、ロータ・ステータ構造の端面図６００を示し、また図６Ｃは図６Ｂの矢印線に沿っての部分断面図である。図６Ａは、各界磁極部材６０６の端部に傾斜磁極面６０７をそれぞれ有する能動界磁極部材６０４を示す。各傾斜磁極面６０７は、円錐形磁石２２０ａなどの近接する磁石の対向する表面部分の表面特性をほぼ反映して輪郭付けされた表面を有しており、例えば比較的均等な厚さを有するエアギャップを形成する。エアギャップ厚さとは、通常、磁極面及び対向する磁石の表面間の直交間隔を指す。傾斜磁極面６０７は、少なくとも部分的に、近接する磁石の磁化方向（例えば極性方向）に対して僅かに角度付け、或いは傾斜している界磁極部材６０６の表面縁部及び／或いは側面によって画定される。傾斜縁部及び／或いは側面は、第１の傾斜縁部６５０及び第２の傾斜縁部６５２として図６Ａに示され、これらは界磁極部材６０６の縁部として構成され、能動界磁極部材６０４がロータ・ステータ構造で配置された場合、傾斜界磁極ギャップ６６０を形成する。一例として、第１の傾斜縁部６５０ｃが磁石（図示しない）の少なくとも一つの極性方向６３０に対して角度６２２を形成するように構成されたものと考える。更に、第２の傾斜縁部６５２ｂが極性方向６３０に対して角度６２０を形成するように構成されたものと考える。角度６２０、６２２は同じ角度、或いは、一つ又は複数の磁石の極性方向に対して傾斜した界磁極ギャップ６６０を形成するのに好適な他のいずれかの角度である。なお、図６Ｃは、磁気分極の半径方向面６３１が界磁極縁部６５０或いは界磁極縁部６５２のいずれかと位置が揃わないように構成された傾斜縁部を示す部分断面図である。詳細には、界磁極縁部６５０ｃ及び界磁極縁部６５２ｂは両方とも磁化面６３１に対して位置が揃っていない（つまり傾斜している）。
【００６８】
図６Bは、界磁極部材６０６の両端部の傾斜磁極面縁部を示す端面図６７０である。ロータ・ステータ構造に図６Aの傾斜界磁極ギャップ６６０を設けることによって、回り止めトルク（“コギング”）が低減される。少なくとも一つの実施形態において、傾斜界磁極ギャップ６６０は円錐形磁石２２０のように正反対の方向に分極された永久磁石との併用に適応する。この場合には、図６Bの端面図６７０は、近接する円錐形磁石２２０aの表面と輪郭を合わせるように構成される磁極面６０７を示す端面図であり、磁極面６０７は図６Aに示される磁極面と同様である。また図６Bには、界磁極部材６０６の他端の磁極面に付随する第１の傾斜縁部６８０及び第２傾斜縁部６８２（つまり、破線によって示される、第１の傾斜縁部６５０及び第２傾斜縁部６５２が付随する磁極片と反対側の磁極片の）が示されている。この場合の第１の傾斜縁部６８０及び第２傾斜縁部６８２は、第１の傾斜縁部６５０及び第２傾斜縁部６５２のそれぞれの角度と同じ角度を有しているが、例えば円錐形磁石２２０ｂに付随する磁石表面に面している。従って、縁部６５０及び６５２によって形成される界磁極ギャップの角度方向は、縁部６８０及び６８２によって形成される界磁極ギャップとは角度方向的に反対である。その結果として、正反対に分極された二つの磁石は、通常、電気モータにおいてコギングトルクの発生源となる面３１０及び３２０（図３）の間に界磁極ギャップ“G”を形成する磁極面側面と同様な磁極面側面を有する界磁極ギャップとは位置が揃わない。なお、縁部６５０と６５２との間隔及び縁部６８０と６８２との間隔は、界磁極ギャップのコギングの影響を最小限に抑えるために必要な分だけ狭く構成される。
【００６９】
図７A及び図７Bは、本発明の一つの実施形態に基づいた界磁極部材の一例を示す。各界磁極部材２０６a、２０６ｂ及び２０６ｃは一片の透磁性素材（例えば、金属射出成形法、鍛造、鋳造或いはその他の製造方法によって形成される一片の部材）によって構成することも可能であるが、これらの界磁極部材を、図７A及び図７Bに示すように、複数の部材によって構成することも可能である。図７Aは、界磁極部材２０６の内の一つを、互いに一体化された多数の積層体７０４によって構成される積層界磁極部材７００として表している。この場合、積層界磁極部材７００は、円弧状で円筒状外径を有する外面７０２、及びコイルの実装密度を高めかつ回転シャフトのための空間を残す比較的直線状の内面７０６を有する。界磁極部材端部領域７２０は、通常、界磁極部材７００の各端部で永久磁石の磁束と相互作用するための磁極面７０７を含み、一方で中央部分７２２（つまり中央界磁極部材部分）は、通常、コイル領域５０６（図５A）などのような磁極面７０７間のコア領域を含む。コイル（図示しない）は、程度の差はあるが、中央部分７２２の周りに巻き付けられる。図７Bは、異方性材料から構成される積層界磁極部材７００及び積層体７０４の斜視図である。この例において、異方性材料は方向性材料を含む。
【００７０】
なお、性能を高めるため、種々の巻線パターンを例えば図７A及び図７Bに示される界磁極部材のいずれかに実施することができる。例えば、中心部或いは全被覆巻線が、その構造の両端部において、一つの界磁極部材からその他の磁極部材へ漏洩する磁束を低減するために、界磁極部材７００の側部及び／或いは後部を実質的に全て覆うことも可能である。従って、コイルの巻線は必ずしも界磁極部材の長手方向軸線に対して直角の面に巻き付けられる必要はなく、角度的に傾斜させて巻き付けることも可能である。コイルを磁気エアギャップの近傍に配置することによって、これらのコイルは、例えば磁極片領域において、より効果的に磁束の漏洩を低減することができる。なお、上述の巻線パターンはここに示す界磁極部材のいずれに対しても適用することができる。
【００７１】
図８は、本発明の特定の実施形態に基づく、別の例示的な傾斜磁極面を有する界磁界部材を示している。図示するように、積層界磁極部材８００は積層界磁極部材７００と同様、多数の積層体８０４によって構成されている。積層体８０４は傾斜磁極面８０７を提供するようにパターンされている。磁極面８０７は第１の傾斜端部８５０と第２傾斜縁部８５２で境界が定められているのに対して、他方の磁極片の他の磁極面８０７は第１の傾斜縁部８８０と第２傾斜縁部８８２に境界が定められている。なお、端部８５０、８５２、８８０及び８８２はそれぞれ、図６Bの縁部６５０、６５２、６８０及び６８２と対応付けることができる。いくつかの場合において、積層体８０４（及び積層体７０４）は好適に、単一の基板（例えば、金属板など）から、或いは異なった基板から、製造中の無駄をできるだけ少なくするように連続して形成（例えば打ち抜き加工で）で形成することができる。更に、積層体７０４（図７B）及び８０４（図８）の製造は、例えば通常、円形のステータ構造に丸い穴を開けることにより材料を無駄にしない。
【００７２】
いくつかの実施形態において、積層体７０４と８０４は磁気方向が、例えば回転軸線に平行な方向など、縦方向に向けられた積層された異方性（例えば方向性）シート材料から組み立てることができる。これは、磁束をモータの一端から他端に軸線方向に容易に形成することができるようにするためである。これらの積層体は相互に電気的に絶縁することができ、それによって渦電流ロスを少なくすることができる。一つの実施形態で、積層体７０４と８０４は方向性スチールで構成されており、透磁性が高く、ロスが少なく、及び／又は、飽和レベルが高い種々の界磁極部材を比較的低いコストで提供している。積層体７０４及び８０４の実施に適した異方性材料の一つのタイプは冷延方向性スチール、或いは「ＣＲＧＯ積層スチール」と呼ばれるものである。少なくとも一つの実施形態に基づいてこの方向性積層体を用いることの利点を示すとすれば、この冷延方向性スチールは、同じ条件下で１００００ガウスの磁界が印加されると、５００００の透磁率を示すが、一般的に用いられている等方性積層スチール（例えば「Ｍ１９」積層体）の場合は透磁性が５９５０程度である。なお、透磁率とは、上にも述べたように直流（ＤＣ）での透磁率を示している。本発明の種々の実施形態によれば、界磁極部材は珪素−鉄合金、スチール合金、鉄合金、ニッケル−鉄合金、コバルト−ニッケル合金、磁気粉体合金、軟磁性複合材などのいろいろな透磁性素材でつくることができる。「ＳＭＣ材」という名称でも知られている軟磁性複合材はこれも透磁性の、圧縮され、電気的に絶縁された粒子でできている。従って、ＳＭＣ材は比較的高い周波数で従来のＳｉＦｅ積層体材料と比較した場合に、比較的低い渦電流ロスを示す。ＳＭＣ材のもうひとつの重要な利点は、適切に設計された圧縮成形金型を用いて三次元で形成できる点である。
【００７３】
図９Ａ〜図９Ｍは、本発明の種々の実施形態によるロータ・ステータ構造に設けられる他の形状の永久磁石の例を示している。図２に示す磁石の形状は円錐形であるが、「円錐形」という用語はその一つ以上の表面、或いは部分を形成する一つ以上の形状を含み、シャフト上に同軸方向に取り付けられると、少なくともその一つの表面を拡大した場合にそれが回転軸線と交差するように前記シャフトに対して一定の角度をなしている場合を含むなど、広い意味を有している。従って、「円錐形磁石」という用語はその表面の少なくとも一部が円錐形、或いはそれと同軸関係の一つの点方向、或いはその回転軸線上でテーパー加工されている磁石の構成も含めて意味している。例えば、少なくとも一つの円錐形磁石は、その磁石のそれらの表面のそれぞれでの断面が全体として（或いは平均して）その磁石の軸線方向で徐々に増大、或いは減少するような一つ以上の表面を有している。少なくとも一つの特定の実施形態で、円錐形磁石表面の一部を示すための適切な指標は、空間中で一つの線で定義できる輪郭表面積などの表面境界である。
【００７４】
図９Ａは円錐形磁石の一例としての完全円錐形磁石を示しており、図９Ｂは「直円錐の錐台」と呼ばれる円錐台形磁石である円錐形磁石を示している。「直円錐の錐台」とは直円錐の頂部を切り落とす（例えば、直円錐形磁石の底面或いは外面に平行に切り落とす）ことで形成される円錐台のことである。なお、図９Ａに示す角度以外の円錐角度も本発明の範囲内である。図９Ｃは円錐形磁石が回路内の磁束を最適化するためにより大きな（或いは、図９Ｉに示すようにより小さな）直径端部に円筒形部分を加えた形状も含まれるものとする。図９Ｄは「段差つき」或いは段階的形状の円錐形磁石を示している。図９Ｅと図９Ｆは本発明の実施形態による磁石を実施するのに適した他の形状を示しており、これらの実施形態では、円錐形磁石は半円形の磁石であってもよい。図９Ｇと図９Ｈは種々の実施形態による円錐形磁石がいかなるタイプの凹型表面、或いは凸型表面を持っていてもよいことを示している。
【００７５】
図９Ｉは本発明の一つの実施形態による例示的な円錐形磁石を示している。ここで、円錐形磁石９４０はその外面９５０に凹部９５２が形成されている。凹部９５２は任意で、軸受などを収容するために用いることができる。いくつかの実施形態で、凹部９５２は一つ以上の表面９５４、９５６、及び９５８に広がっている。なお、凹部９５２はその軸線方向で内部寸法が変化していてもよい。円錐形磁石９４０は３つの表面、つまり第１の円筒形表面９５４、円錐形表面９５６、及び第２の円筒形表面９５８を有している。種々の実施形態で、円錐形磁石９４０の面はより多くてもより少なくてもよく、円筒形表面の直径はより大きくてもより小さくてもよく、そして円錐面９５６の傾斜はより大きくてもより緩やかでもよい。図９Ｊ及び図９Ｋは本発明の一つの実施形態による例示的な円錐形磁石の端面及び側面をそれぞれ示している。円錐形磁石９７１は２つの円錐形磁石９７０と９７２で形成されている。この例で、円錐形磁石９７２は円錐形磁石９７０の内部に（例えば挿入されて）配置されている。一つの実施形態で、円錐形磁石９７０はＮｄＦｅ磁性材料（或いはその変種）で構成されており、円錐形磁石９７２はセラミック磁性材料で構成されている。いくつかの実施形態では円錐形磁石９７２は用いられておらず、そのことによって、円錐形磁石９７０（取り付け固定具は図示せず）で構成される中空円錐形磁石を形成している。少なくとも一つの特定の実施形態で、円錐形磁石９７２は磁石材料ではなく、透磁性材料で構成することもできる。一つの実施形態で、円錐形磁石９７２は円錐形磁石９７０を通じて広がっておらず、円錐形磁石９７０内部で一端から軸方向で一定の長さで延びている場合もある。
【００７６】
図９Ｌと図９Ｍは、本発明の更に別の実施形態による更に他の円錐形磁石を示している。図９Ｌは円錐形磁石、或いは円錐台形磁石としてのピラミッド型磁石をしめしており、この磁石は任意数の台形表面９７８を有していてもよい。図９Ｍは少なくとも一つの実施形態による円錐形磁石９８０を示しており、この例では円錐形磁石９８０はその内部或いはその表面に形成された磁性領域９９２を含む頂点を切り落としたピラミッド型磁石９９０を含んでいる。磁性領域９９２は前記頂点を切り落としたピラミッド型磁石９９０とは異なった磁性材料を含んでいる。これらの磁性領域９９２のそれぞれは、所定の極性を有するように選択することができる。一実施形態において、頂点を切り落としたピラミッド型磁石９９０は４つの面を有しており、セラミック材料（例えば、磁石材料）で構成されており、各磁性領域９９２（そのうちの２つは図面で見えない）はＮｄＦｅ磁石材料で構成されており、それは頂点を切り落としたピラミッド型磁石９９０上に構成されている。その他の実施形態においては、頂点を切り落としたピラミッド型磁石９９０は任意数の側面をもっていてもよい。種々の実施形態では、ピラミッド型磁石９９０が磁石支柱であり、磁石材料で構成されておらず、透磁性の材料で構成されていてもよい。いくつかの実施形態で、磁石支柱９９０は図９Ａ〜図９Ｈに示すようないずれの形状をしていてもよく、そして、任意数の磁性領域９９２が磁石支柱９９０上に形成されていてもよい。その場合、磁性領域９９２は特定の形状の磁石支柱９９０に配置するのに適していれば、いずれの形状をしていてもよい。
【００７７】
本発明の特定の実施形態では、円錐形磁石は異方性でも、反対方向に磁化されていても、或いは円錐角が回転軸線に対して約３０度程度で頂点を切り取った円錐台の形状をしていてもよい。本発明のいくつかの実施形態による円錐形磁石は前記軸線に対して略垂直方向（垂直を含む）の一つ以上の面内の方向で、互いに反対方向に磁化されている。こうしたタイプの磁石構成の少なくとも一つの利点は、正反対方向の円錐形磁石がその磁石材料の最初の磁化方向と同じ方向に磁化でき、それによって、エネルギー発生量がより高くなること（すなわち、より強力な磁石が提供されること）である。等方性磁石の製造は比較的簡単であり、単位磁石体積当たりの磁気効率が相対的に高いことを特徴としている。正反対方向（つまり２磁極）磁石のもうひとつの利点は、３つの能動界磁極部材及び三相のモータにおいては、そのモータの機械的回転１回につきたった１回の電気的回転しかないことである。従って、この正反対方向磁石では、全体にせよ部分的にせよ、渦電流ロス、ヒステレシス損（「コアロス」或いは「鉄損」）、そして電気的切替ロスがモータ駆動回路で減少する。いくつかの実施形態において、円錐形磁石は、（１）固体磁石材料である代わりにスチール・コアを含むことができ、（２）良い保持性を示す環状磁石で構成することもでき、（３）円弧状磁石で構成することもでき、（４）シャフト上に直接成形することもでき、（５）半径方向に極性形成することもでき、（６）固体磁石材料である代わりに中空コアを含むこともあり、或いは他の類似の特性を有することもできる。
【００７８】
図１０は、本発明の一つの実施形態による多重磁極磁石を示している。この例では、永久磁石１０００は４極磁石で、Ｓ極（Ｓ）からＮ極（Ｎ）に向けて円弧方向に磁化された磁性経路１０１０を有している。その他の磁極の数或いは磁化方向も本発明の範囲と精神に含まれる。更に、本発明のいくつかの実施形態によれば、永久磁石１０００のような多重磁極磁石は、一体構成の磁石であっても、或いは非一体的な磁石であってもよい。ここで用いられる「一体的」という用語は、永久磁石に関して用いられる場合、その永久磁石が一体化された磁極で構成されており、従ってその永久磁石の構造が非離散的であり、ほぼ均一であることを意味している。従って、一体的な永久磁石は磁極間に界面を含んでいない。それ故、一体的な磁石は連続的な磁石材料で構成されている。対照的に、永久磁石１０００は個別磁石で構成された非一体的磁石で構成することもでき、その場合、各戸別磁石は外向きのＮ或いはＳ極を構成しており、それによって、それら個別の準構成部品間に界面が存在する。従って、非一体的磁石は接触してはいるが連続していない磁石材料で構成することができる。特に、各個別の準構成部品は連続的な磁石材料を含んでいるが、前記物理的界面は磁石全体を構成している磁石材料に不連続性をもたらす。なお、「一体的」という表現は界磁極部材、及び本発明の種々のロータ・ステータ構造の他の要素にも適用される。更に、少なくとも一つの実施形態で、非一体的な磁石は個別の準構成部品が相互に一定の間隔をおいて配置され、相互に接触していないような磁石も含む。
【００７９】
図１１は本発明の別の実施形態のロータ・ステータ構造１１００を示す端面図である。全体として、一つにまとまった３つの能動界磁極部材は通常モータ或いは発電機内部で用いられる円筒形容積或いは空間を効率的に利用する。従って、「３つ」の、能動界磁極部材は通常比較的高い実装密度を提供するために用いられる。しかしながら、よりバランスのとれた作動を可能にするために、４つ以上の能動界磁極部材を用いることもできる。図に示すように、６つの能動界磁極部材１１０２が同軸の位置関係で配置され、回転軸線から等間隔に配置されている。また、４極磁石１１０４が能動界磁極部材１１０２の磁極面に隣接して配置されている。この例では、４極磁石１１０４は個別磁石円弧状部分の複合体である。ロータ・ステータ構造１１００は３つの能動界磁極部材を含むロータ・ステータ構造と比較して磁気的により安定したバランスを提供するが、それは向き合った界磁極部材１１０２のコイルが同時に励起されるからである。その他の数の界磁極部材を用いても、或いはその他の偶数の磁極を用いても本発明のロータ・ステータ構造を実現することができる。
【００８０】
本発明の一つの実施形態においては、例示的な一つのロータ・ステータ構造が電気モータ内に配置されていてトルク振幅を発生させるようになっているが、このトルク振幅は磁石の体積、磁束相互作用領域で相互作用している磁界のベクトル方向、磁束相互作用領域内の磁束密度、エアギャップの面積、そして磁極面の面積に依存する。従って、永久磁石によって作り出される磁束密度と能動界磁極部材によって作り出される磁束密度が高ければ高いほど、その界磁極部材内で実質的な飽和状態が達成されるまでに作り出されるトルクが一層高くなる。このようなロータ・ステータ構造の磁石材料は意図された適用例で部分的或いは全体的な減磁を防ぐために、十分な保磁性を有していなければならない。
【００８１】
当業者であれば、ここに説明したロータ・ステータ構造の実施形態を作成、使用する上でこれ以上の説明は要しないであろうが、以下のような参考資料を参照すれば更に有益な情報が得られるであろう。”IEEE 100: The Authoritative Dictionary ofIEE Standard Terms,”, Institute of Electrical and Electronics Engineers (KimBreitfelder and Don Messina, eds, 7thed. 200)： SmallMotor and Mortion Association ‘SMMA)編集、“General Motor Terminology"：、及び”Standard Sepcfiications for Permanent MagnetMaterials: MagneticMaterials Producers Association (MMPA) Standard No.0100-00”, International MagnetAssociation.
【００８２】
以上、本明細書では、説明のために、本発明を完全に理解してもらうために特殊な用語法を用いた。しかしながら、本発明を実施する上で、特別の詳細な情報は不必要であることは当業者には自明であろう。事実、本明細書は本発明をいずれかの特徴や実施態様に限定するように読まれるべきではなく、むしろ一つの実施形態の特徴や態様は他の実施形態のそれらと相互に入れ替えることができるものとすべきである。例えば、上に述べた実施形態の説明はモータに関するものであるが、こうした内容は発電機などのすべての電気機械に適用できるものである。従って、本発明の特定の実施形態に関する上の説明は説明及び解説のためのものである。それらは網羅的でもなく、本発明を開示されている形態に限定するためのものでもない。この教示を考慮すれば、多くの修正及び変更が可能であることは明らかであろう。これらの実施形態は本発明の原理とその実際的な適用例をもっとも良く説明するために選択し、述べたものである。従って、当業者は本発明、及び想定される特定の使用法に適した種々の変更を含むいろいろな実施形態を最も適切に利用することができるであろう。なお、ここで述べているすべての利点を本発明の各実施形態で実現する必要はなく、いずれの特定の実施形態も上に述べた利点のうちの一つ、或いは複数を提供するものであってもよい。本発明の範囲は添付の特許請求の範囲及びその均等範囲によって限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】従来の電気モータで一般に用いられているロータ・ステータ構造を示す。
【図２】本発明の一実施形態による、磁石が円錐形であるロータ・ステータ構造の一例を示す分解図である。
【図３】本発明の一実施形態により、磁石を省略して、エアギャップを介して円錐形磁石の対向磁気表面と相互作用するように構成されている磁極面の位置付けを示す図２のロータ・ステータ構造の端面図である。
【図４】本発明の一実施形態により、磁極面に近接して配置される円錐形磁石を示す図２のロータ・ステータ構造の別の端面図である。
【図５Ａ】本発明の少なくとも一つの実施形態による磁束経路の例を表す断面図である。
【図５Ｂ】本発明の少なくとも一つの実施形態に基づいた磁束経路の例を表す別の断面図である。
【図５Ｃ】本発明の一実施形態による、アンペア・ターン磁束を発生させるステータ部材の磁極面を出る第２磁束経路の一例を示す図である。
【図５Ｄ】本発明の一実施形態による、図５Ｃのアンペア・ターン磁束を最初に発生させた能動界磁極部材の磁極面を出る第２磁束経路の一例を示す図である。
【図６Ａ】本発明の他の実施形態に基づいたロータ・ステータ構造の端面図を示す。
【図６Ｂ】本発明の他の実施形態に基づいたロータ・ステータ構造の別の端面図を示す。
【図６Ｃ】本発明の一実施形態による図６Ａ及び図６Ｂのロータ・ステータ構造の部分断面図である。
【図７Ａ】本発明の一実施形態による界磁極部材の一例を示す図である。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態による界磁極部材の一例を示す斜視図である。
【図８】本発明の特定の実施形態による、傾斜磁極面を有する界磁極部材の他の例を示す図である。
【図９Ａ】本発明の種々の実施形態による、ロータ・ステータ構造の一例において使用可能なその他の形状の永久磁石を示す図である。
【図９Ｂ】本発明の種々の実施形態による、ロータ・ステータ構造の一例において使用可能なその他の形状の永久磁石を示す図である。
【図９Ｃ】本発明の種々の実施形態による、ロータ・ステータ構造の一例において使用可能なその他の形状の永久磁石を示す図である。
【図９Ｄ】本発明の種々の実施形態による、ロータ・ステータ構造の一例において使用可能なその他の形状の永久磁石を示す図である。
【図９Ｅ】本発明の種々の実施形態による、ロータ・ステータ構造の一例において使用可能なその他の形状の永久磁石を示す図である。
【図９Ｆ】本発明の種々の実施形態による、ロータ・ステータ構造の一例において使用可能なその他の形状の永久磁石を示す図である。
【図９Ｇ】本発明の種々の実施形態による、ロータ・ステータ構造の一例において使用可能なその他の形状の永久磁石を示す図である。
【図９Ｈ】本発明の種々の実施形態による、ロータ・ステータ構造の一例において使用可能なその他の形状の永久磁石を示す図である。
【図９Ｉ】本発明の種々の実施形態による、ロータ・ステータ構造の一例において使用可能なその他の形状の永久磁石を示す図である。
【図９Ｊ】本発明の種々の実施形態による、ロータ・ステータ構造の一例において使用可能なその他の形状の永久磁石を示す図である。
【図９Ｋ】本発明の種々の実施形態による、ロータ・ステータ構造の一例において使用可能なその他の形状の永久磁石を示す図である。
【図９Ｌ】本発明の種々の実施形態による、ロータ・ステータ構造の一例において使用可能なその他の形状の永久磁石を示す図である。
【図９Ｍ】本発明の種々の実施形態による、ロータ・ステータ構造の一例において使用可能なその他の形状の永久磁石を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態による多極磁石を示す図である。
【図１１】本発明の別の実施形態としてのもう一つのロータ・ステータ構造の例を示す端面図である。
【符号の説明】
【００８４】
２００，５００，５５０，１１００…ロータ・ステータ構造、２０４，６０４，１１０２…能動界磁極部材、２０６，６０６，７００，８００，１１０２…界磁極部材、２０７，２１３，３０７，５０５，５１３，７０７，８０７…磁極面、２０８…コイル、２１１，２１７，３１１…延長端部、２２０，９４０，９７１，９８０…円錐形磁石、２２１，５２１，５６１…円錐形磁石表面、２２２…シャフト、３１０…面、５５１…磁気エアギャップ、５６０，１０１０…磁束経路、５７０…アンペア・ターン磁束、６０７…傾斜磁極面、６３０…極性方向、６６０…界磁極ギャップ、７０４，８０４…積層体、１０００…永久磁石。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５ｃ】
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【図５ｄ】
2008187887.tif 000010
【図６ａ】
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【図６ｂ】
2008187887.tif 000012
【図６ｃ】
2008187887.tif 000013
【図７Ａ】
2008187887.tif 000014
【図７Ｂ】
2008187887.tif 000015
【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
2008187887.tif 000019
【図９ｄ】
2008187887.tif 000020
【図９ｅ】
2008187887.tif 000021
【図９ｆ】
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【図９ｇ】
2008187887.tif 000023
【図９ｈ】
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【図９ｉ】
2008187887.tif 000025
【図９ｊ】
2008187887.tif 000026
【図９ｋ】
2008187887.tif 000027
【図９ｌ】
2008187887.tif 000028
【図９ｍ】
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【図１０】
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【図１１】
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