(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手軸（１３）を中心にして回転するように構成された永久磁石機（１０、６０）のためのロータアセンブリ（１２、６２）であって、
ロータシャフト（１６）と、
前記ロータシャフト（１６）の周囲に配置され、ステータ磁界と相互作用してトルクを生み出す磁界を生成するように構成された少なくとも１つのロータモジュール（２０）と
を備えており、前記少なくとも１つのロータモジュール（２０）は、
複数の永久磁石（２４、６８）と、
複数の空洞（３２、７０）が形成されてなるスリーブ構成要素（２２、６６）とを備えており、前記複数の永久磁石（２４、６８）のうちの少なくとも１つは、該少なくとも１つの永久磁石（２４、６８）を前記スリーブ構成要素（２２、６６）に形成された前記複数の空洞（３２、７０）のうちの１つに保持して、埋込み永久磁石型電動機（１１、６１）を形成するために、前記スリーブ構成要素（２２、６６）に形成された前記複数の空洞（３２、７０）のうちの前記１つに配置されており、
前記スリーブ構成要素（２２、６６）は、複数の個別のスリーブセグメント（２６）を含む分割式の構成要素として構成され、隣り合うスリーブセグメント（２６）は、協働的に結び付いているロータアセンブリ（１２、６２）。
【請求項２】
端部同士の関係にて軸方向に並べられて協働可能に係合するように構成された複数のロータモジュール（２０）
を更に備える請求項１に記載のロータアセンブリ（１２、６２）。
【請求項３】
前記スリーブ構成要素（２２、６６）は、前記複数の空洞（３２、７０）を定める１つ以上のランド部（２８）及び１つ以上のディスク部（３０）を含むように構成されている請求項１に記載のロータアセンブリ（１２、６２）。
【請求項４】
前記スリーブ構成要素（６６）は、前記複数の空洞（７０）を更に定めるとともに遠心力に関する補強を提供する１つ以上の内部リブ構造（７２）を更に備えている請求項１に記載のロータアセンブリ（１２、６２）。
【請求項５】
前記複数の永久磁石（２４、６８）の各々の磁化方向が、当該ロータアセンブリ（１２、６２）の前記長手軸（１３）に対して径方向内向き、径方向外向き、又は周方向のうちの１つとして構成されている請求項１に記載のロータアセンブリ（１２、６２）。
【請求項６】
前記複数の永久磁石（２４、６８）の各々は、非磁性材料によって前記複数の永久磁石（２４、６８）のうちの別の永久磁石から隔てられている請求項１に記載のロータアセンブリ（１２、６２）。
【請求項７】
長手軸（１３）を中心にして回転するように構成された永久磁石機（１０、６０）のためのロータアセンブリ（１２、６２）であって、
ロータシャフト（１６）と、
端部同士の関係にて軸方向に並べられて協働可能に係合するように前記ロータシャフト（１６）の周囲に配置され、ステータ磁界と相互作用してトルクを生み出す磁界を生成するように構成された複数のロータモジュール（２０）とを備えており、前記複数のロータモジュール（２０）の各々は、
複数の永久磁石（２４、６８）と、
複数の空洞（３２、７０）が形成されてなるスリーブ構成要素（２２、６６）と、
を備えるロータコア（４０）を定めており、
前記複数の永久磁石（２４、６８）のうちの少なくとも１つは、該少なくとも１つの永久磁石（２２、６６）を前記スリーブ構成要素（２２、６６）に形成された前記複数の空洞（３２、７０）のうちの１つに保持して、埋込み永久磁石型電動機（１１、６１）を形成するために、前記スリーブ構成要素（２２、６６）に形成された前記複数の空洞（３２、７０）のうちの前記１つに配置されており、
前記スリーブ構成要素（２２、６６）は、複数の個別のスリーブセグメント（２６）を含む分割式の構成要素として構成されているロータアセンブリ（１２、６２）。
【請求項８】
前記スリーブ構成要素（２２、６６）は、前記複数の空洞（３２）を定める複数のランド部（２８）及びディスク部（３０）、或いは前記複数の空洞（７０）を更に定める１つ以上の内部リブ構造（７２）、の一方を含むように構成され、前記複数のランド部（２８）及びディスク部（３０）、或いは前記１つ以上の内部リブ構造（７２）は、前記スリーブ構成要素（２２、６６）に遠心力に関する補強をもたらしている請求項７に記載のロータアセンブリ（１２、６２）。
【請求項９】
前記複数の永久磁石（２４、６８）の各々は、非磁性材料によって前記複数の永久磁石（２４、６８）のうちの別の永久磁石から隔てられている請求項７に記載のロータアセンブリ（１２、６２）。
【請求項１０】
前記複数の永久磁石（２４、６８）の各々の磁化方向が、当該ロータアセンブリ（１２、６２）の長手軸（１３）に対して径方向内向き、径方向外向き、又は周方向のうちの１つとして構成されている請求項７に記載のロータアセンブリ（１２、６２）。
【請求項１１】
ステータコア（４４）を備えるとともに、交流によって励起されたときにステータ磁界を生成するためのステータ巻線を含んでおり、内面によって空洞を定めつつ長手軸（１３）に沿って延びているステータアセンブリ（１４）と、
前記空洞の内部に配置され、前記長手軸（１３）を中心にして回転するように構成されており、ステータ磁界と相互作用してトルクを生み出す磁界を生成するように構成された少なくとも１つのロータモジュール（２０）を備えているロータアセンブリ（１２、６２）と
を備えており、前記少なくとも１つのロータモジュール（２０）は、
複数の永久磁石（２４、６８）と、
複数の空洞（３２、７０）が形成されてなるスリーブ構成要素（２２、６６）と
を備えており、前記複数の永久磁石（２４、６８）のうちの少なくとも１つは、該少なくとも１つの永久磁石（２４、６８）を保持し、埋込み永久磁石型電動機（１１、６１）を形成するために、前記スリーブ構成要素（２２、６６）に形成された前記複数の空洞（３２、７０）のうちの１つに配置されており、
前記ロータアセンブリ（１２、６２）と前記ステータアセンブリ（１４）との間に空隙（１５、７６）が定められており、
半径方向磁束型の機械である、永久磁石機（１０、６０）。
【請求項１２】
前記スリーブ構成要素（２２、６６）は、複数の個別のスリーブセグメント（２６）を含む分割式の構成要素として構成され、隣り合うスリーブセグメント（２６）は、協働的に結び付いている請求項１１に記載の永久磁石機（１０、６０）。
【請求項１３】
前記スリーブ構成要素（２２、６６）は、前記複数の空洞（３２、７０）を定める１つ以上のランド部（２８）及び１つ以上のディスク部（３０）を含むように構成されている請求項１１に記載の永久磁石機（１０、６０）。
【請求項１４】
前記スリーブ構成要素（６６）は、前記複数の空洞（７０）を更に定めるとともに遠心力に関する補強を提供する１つ以上の内部リブ構造（７２）を更に備えている請求項１１に記載の永久磁石機（１０、６０）。
【請求項１５】
前記複数の永久磁石（２４、６８）の各々は、非磁性材料によって前記複数の永久磁石（２４、６８）のうちの別の永久磁石から隔てられている請求項１１に記載の永久磁石機（１０、６０）。
【請求項１６】
軸方向磁束型の機械である請求項１１に記載の永久磁石機（１０、６０）。
【請求項１７】
航空機エンジン、ポンプ、風力タービン、ガスタービン、又は発電機のうちの少なくとも１つを駆動するための永久磁石電動機である請求項１１に記載の永久磁石機（１０、６０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、永久磁石機に関する。更に詳しくは、本開示は、高い出力密度を有する高速の永久磁石電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石電動機又は発電機などの埋込み永久磁石機（ＩＰＭ）は、航空機、自動車、海中、及び産業の用途を含む種々の用途に広く用いられている。軽量かつ高い出力密度の永久磁石機の要求が、結果として、重量対出力比を最大にするためのより高速な電動機及び発電機の設計につながっている。したがって、高い機械速度、高い出力密度、小さい質量、及び低いコストを提供する永久磁石機が、ますます受け入れられる傾向にある。
【０００３】
永久磁石電動機は、典型的に、ロータ、ステータ、又は両方に永久磁石を使用している。多くの場合、永久磁石は、ロータアセンブリの内部に見られる。永久磁石電動機の出力は、ステータ及びロータアセンブリの長さ、直径、空隙磁束、電機子電流密度、速度、及び冷却能力によって決定される。
【０００４】
従来の埋込み永久磁石機においては、複数の永久磁石が、ロータの複数の積層体の内部に埋め込まれている。ロータの機械的応力は、複数のブリッジ及び中心支柱に集中する。より高速の用途においては、複数のブリッジ及び中心支柱の厚さを、ロータ及び種々の他の部品の構造的な強度を高めるために、増加させる必要がある。支柱のブリッジの厚さが大きくなると、磁束の漏れが多くなり、機械の出力密度が大幅に低下し、結果として機械の効率が低くなる。
【０００５】
１つの特定の実施形態においては、分割された永久磁石が、スリーブ構成要素によって保持され、より詳しくは永久磁石の周囲に設定されたインコネルスリーブによって保持される。インコネルスリーブは、磁石を囲み、磁石に半径方向の支持を提供する。ロータの最大回転速度は、インコネルスリーブの厚さ及び永久磁石の質量に依存する。ロータが安全に回転できる速度は、永久磁石及びスリーブ構成要素の重量を含む全体としての重量への遠心荷重によって制限される。更に、半径方向の機械及び一般的な電機子の種類においては、ロータから電機子へと移動する前の磁束経路の短絡を避けるために、スリーブ構成要素が非磁性である必要がある。磁性体であれば磁束をより良好に運ぶと考えられるが、磁極の位置の間において外殻に何らかの種類の非磁性の分離が必要になり、これは製作困難な複合材料であると考えられる。換言すると、磁気回路又は全磁気抵抗を、最適にする必要がある。
【０００６】
したがって、出力密度の向上及び電気的性能の改善をもたらすために、全体としての重量の削減に照らして遠心荷重に関する性能が向上したスリーブ構成要素を備える永久磁石機を提供することが望まれる。
【発明の概要】
【０００７】
従来技術のこれらの欠点及び他の欠点は、永久磁石機のためのロータアセンブリ及び永久磁石機を提供する本開示によって対処される。
【０００８】
本開示の一態様は、長手軸を中心にして回転するように構成された永久磁石機のためのロータアセンブリにある。ロータアセンブリは、ロータシャフトと、ステータ磁界と相互作用してトルクを生み出す磁界を生成するように構成された少なくとも１つのロータモジュールとを備える。少なくとも１つのロータモジュールは、ロータシャフトの周囲に配置され、複数の永久磁石と、複数の空洞が形成されてなるスリーブ構成要素とを備える。複数の永久磁石のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの永久磁石をスリーブ構成要素に形成された複数の空洞のうちの１つに保持して、埋込み永久磁石型電動機を形成するために、スリーブ構成要素に形成された複数の空洞のうちの１つに配置される。
【０００９】
本開示の別の態様は、長手軸を中心にして回転するように構成された永久磁石機のためのロータアセンブリにある。ロータアセンブリは、ロータシャフトと、ステータ磁界と相互作用してトルクを生み出す磁界を生成するように構成された複数のロータモジュールとを備える。複数のロータモジュールは、端部同士の関係にて軸方向に並べられて協働可能に係合するようにロータシャフトの周囲に配置される。複数のロータモジュールの各々は、複数の永久磁石と、複数の空洞が形成されてなるスリーブ構成要素とを備えるロータコアを定めている。複数の永久磁石のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの永久磁石をスリーブ構成要素に形成された複数の空洞のうちの１つに保持して、埋込み永久磁石型電動機を形成するために、スリーブ構成要素に形成された複数の空洞のうちの１つに配置される。
【００１０】
本開示の更に別の態様は、ステータアセンブリとロータアセンブリとを備える永久磁石機にある。ステータアセンブリは、ステータコアと、交流によって励起されたときにステータ磁界を生成するためのステータ巻線とを備える。ステータアセンブリは、内面によって空洞を定めつつ、長手軸に沿って延びている。ロータアセンブリは、この空洞の内部に配置され、長手軸を中心にして回転するように構成されている。ロータアセンブリは、ステータ磁界と相互作用してトルクを生み出す磁界を生成するように構成された少なくとも１つのロータモジュールを備えており、この少なくとも１つのロータモジュールの各々は、ロータコアを備えている。ロータコアは、複数の永久磁石と、複数の空洞が形成されてなるスリーブ構成要素とを備えている。複数の永久磁石のうちの少なくとも１つは、この少なくとも１つの永久磁石を保持し、埋込み永久磁石型電動機を形成するために、スリーブ構成要素に形成された複数の空洞のうちの１つに配置される。ロータアセンブリとステータアセンブリとの間に空隙が定められている。
【００１１】
上述した特徴の種々の改良が、本開示の種々の態様に関して存在する。更なる特徴も、これらの種々の態様に同様に取り入れることができる。これらの改良及び追加の特徴は、個別に存在でき、或いは任意の組み合わせにて存在できる。例えば、例示の実施形態の内の１つ以上に関連して後述される種々の特徴を、単独又は任意の組み合わせにて本開示の上述の態様の内の任意のいずれかに組み込むことができる。やはり、上述の簡単な説明は、本開示の特定の態様及び文脈を読者に紹介するためのものにすぎず、請求項に記載される主題を限定するものではない。
【００１２】
本開示のこれらの特徴、態様、及び利点、並びに他の特徴、態様、及び利点が、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を検討することによって、更によく理解されるであろう。添付の図面において、類似の文字は、図面の全体を通して類似の部分を表している。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本明細書において提示又は説明される１つ以上の実施形態による永久磁石機のロータアセンブリの斜視図である。
【図２】本明細書において提示又は説明される１つ以上の実施形態による永久磁石機のロータ及びステータアセンブリの一部分の縦断面図である。
【図３】本明細書において提示又は説明される１つ以上の実施形態による図２の永久磁石機の線３−３によって得たロータ及びステータアセンブリの横断面図である。
【図４】本明細書において提示又は説明される１つ以上の実施形態によるロータ及びステータアセンブリの別の実施形態の縦断面図の一部分の拡大図である。
【図５】本明細書において提示又は説明される１つ以上の実施形態によるロータ及びステータアセンブリの別の実施形態の縦断面図の一部分の拡大図である。
【図６】本明細書において提示又は説明される１つ以上の実施形態による永久磁石機のロータ及びステータアセンブリの一部分の別の実施形態の縦断面図である。
【図７】本明細書において提示又は説明される１つ以上の実施形態による図６の永久磁石機の線７−７によって得たロータ及びステータアセンブリの横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本開示を、特定の実施形態に関連して、あくまでも例示の目的で説明するが、本開示の他の目的及び利点が、本明細書による図面の以下の説明によって明らかになることを、理解すべきである。好ましい実施形態が開示されるが、それらは本開示を限定しようとするものではない。むしろ、本明細書に記載される一般的な原理は、あくまでも本開示の技術的範囲の単なる例示であると考えられ、本開示の技術的範囲から外れることなく多数の変更が可能であることを、更に理解すべきである。
【００１５】
以下で詳しく説明されるとおり、本開示の実施形態は、出力密度の向上及び電気的性能の改善をもたらすために、全体としての重量の削減に照らして遠心荷重に関する性能が向上したスリーブ構成要素を備える永久磁石機を提供する。そのような開示された構成を用いて、永久磁石機は、高速における効率的な動作、したがって永久磁石機によって駆動されるシステムの効率の良さを含むことができる。
【００１６】
本明細書において、用語「第１」、「第２」、などは、いかなる順序、量、又は重要性も意味するものではなく、むしろ或る要素をもう１つの要素から区別するために用いられ、特定の構成部品に関して読み手を適応させる目的を意図している。本明細書及び特許請求の範囲の至る所において使用される近似の表現は、それが関与する基本機能に変化をもたらすことなく変動することが許され得る量的表現を修飾するために適用することができる。量に関して使用される「約」という修飾語は、そこに記載される値を含み、文脈によって決定される意味を有する（例えば、個々の量の測定に関する誤差の程度を含む）。したがって、「約」などの１つ以上の用語で修飾された値は、明記された厳密な値に限定されるものではない。いくつかの例において、近似の表現は、その値を測定する計器の精度に対応することができる。
【００１７】
以下の明細書及び特許請求の範囲において、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈からそのようでないことが明らかでない限り、指示対象が複数である場合を含む。本明細書において使用されるとき、用語「又は」は、排他的であることを意味せず、言及対象の構成要素のうちの少なくとも１つが存在することを指し、文脈からそのようでないことが明らかでない限り、言及対象の構成要素の組み合わせが存在し得る場合を含む。更に、本明細書において、末尾の「（ｓ）」は、通常は、これによって修飾される項目について単数及び複数の両方を包含し、したがってその項目を１つ以上含むことを意図している（例えば、「ロータモジュール」は、特に指定されない限り、１つ以上のロータモジュールを含むことができる）。本明細書の全体を通して、「一実施形態」、「別の実施形態」、「或る実施形態」、等への言及は、その実施形態に関連して説明される特定の要素（例えば、造作、構造、及び／又は特徴）が、本明細書に記載の少なくとも１つの実施形態に含まれ、他の実施形態には存在しても、存在しなくてもよいことを意味する。同様に、「特定の構成」への言及は、その構成に関連して説明される特定の要素（例えば、造作、構造、及び／又は特徴）が、本明細書に記載の少なくとも１つの構成に含まれ、他の構成には存在しても、存在しなくてもよいことを意味する。更に、記載される本発明の特徴を、種々の実施形態及び構成において任意の適切な方法で組み合わせることができることを、理解すべきである。
【００１８】
本明細書において使用されるとき、「…してもよい」及び「…であってよい」という用語は、一式の状況における発生、或いは特定の特性、特徴、又は機能の所持の可能性を示し、更には／もしくは適格とされた動詞に関連する能力、性能、もしくは可能性のうちの１つ以上を表現することによって別の動詞を適格とする。したがって、「…してもよい」及び「…であってよい」は、修飾される用語が、示される能力、機能、又は使用について明らかに妥当、可能、又は適切であることを示しつつ、状況によっては、修飾される用語が場合によっては妥当、可能、又は適切でない可能性も考慮する。例えば、いくつかの状況においては、或る事象又は能力を期待することができるが、他の状況においては、その事象又は能力が生じ得ず、この区別が、用語「…してもよい」及び「…であってよい」によって表現される。用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」、及び「ｈａｖｉｎｇ（有する）」は、包含であるように意図され、そこに挙げられた構成要素以外の更なる構成要素が存在してもよいことを意味する。動作パラメータのいずれの例も、開示される実施形態について他のパラメータを除外するものではない。
【００１９】
以下で詳しく検討されるとおり、本開示の実施形態は、出力密度の向上及び電気的性能の改善をもたらすために、全体としての重量の削減に照らして遠心荷重に関する性能が向上したロータアセンブリを備える永久磁石機に関する。永久磁石機械は、ロータコアの一部を形成し、複数の永久磁石と係合するように構成されたスリーブ構成要素を含み、スリーブ構成要素は、ロータアセンブリのシャフトの周囲に周状に取り付けられている。特に、本開示は、ロータの先端速度によって決定されるとおりの高い速度（一般に、＜３５０ｍ／ｓ）で動作する永久磁石機に関する。
【００２０】
ここで図面を参照すると、図１〜図７が、永久磁石機の実施形態を示しており、より詳しくは、複数の埋込み永久磁石を備える本開示による永久磁石電動機の実施形態を示している。とりわけ図１及び図２を参照すると、永久磁石電動機１１などの永久磁石機１０の一部分が示されている。一実施形態において、永久磁石機１０を、航空機エンジン、ポンプ、風力タービン、ガスタービン、又は発電機のうちの少なくとも１つを駆動するために使用することができる。図１は、磁気ロータシャフト１６によって長手軸１３に従って回転するように構成されたロータアセンブリ１２の斜視図を示している。図２は、長手軸１３に沿って構成されたロータアセンブリ１２及びステータアセンブリ１４を含む図１の永久磁石機１０の一部分を、縦断面にて示している。一実施形態において、電機子部分（図示せず）を囲むステータアセンブリ１４における金属は、ロータ界磁石への磁束及びロータ界磁石からの磁界を最適に運ぶために磁性体であり、更にこの金属は、金属における渦電流による発熱を最適に軽減することによってモータの効率を改善するために、薄板を特定の方向に重ねて作られている。図２に最もよく示されるように、ロータアセンブリ１２及びステータアセンブリ１４は、間に空隙１５を定めるように離して配置されている。図１において、ロータアセンブリ１２の随意による円筒形カバー１８は、ロータアセンブリ１２の１つ以上のロータモジュール２０を示すために、部分的に除去されたものとして示されている。ロータアセンブリ１２のロータモジュール２０の各々は、複数の磁石２４を内部に保持するように構成されたスリーブ構成要素２２を含むロータコア４０を備えている。より具体的には、図２に最もよく示されるように、この特定の実施形態において、スリーブ構成要素２２は、複数の個別のセグメント２６として構成され、各々のセグメント２６が、ランド部２８及びディスク部３０を定めている。複数の空洞又はボイド３２が、各々のセグメント２６の間に定められ、より詳しくはランド部２８とディスク部３０とによって定められている。一実施形態において、各々の磁石２４に近接するランド部２８は、磁気抵抗経路を最適化し、渦電流を低減するために、磁性金属の積層で形成される。複数の空洞３２の各々は、複数の磁石２４のうちの１つ以上を内部に有しており、軸方向に構成され、ロータシャフト１６の周囲に周状に配置されている。
【００２１】
スリーブ構成要素２２の複数の個別のセグメント２６は、舌と溝との関係３４にて構成されている。より具体的には、個別のセグメントの各々は、隣り合うセグメント２６の協調的隣接をもたらすために、溝部３６又は舌部３８の一方を備える。舌と溝との関係３４は、スリーブ構成要素２２をより小さなセグメントで支持することを可能にし、したがってスリーブ構成要素２２の厚さの低減を容易にする。各々のセグメント２６のディスク部３０は、高速の動作において空洞３２内に配置された磁石２４に作用する遠心荷重を吸収するように設計される。したがって、ディスク部３０は、この遠心荷重に耐えるように設計される。各々のセグメント２６は、磁石２４の小さな（軸方向の）セグメントのみを支持するように構成され、したがってランド部２８をより薄く設計することが可能である。より薄いランド部２８が、回転機械１０の全体としての負荷の増加を可能にする一方で、ディスク部３０の材料のより効率的な使用が、回転機械１０の重量（質量）の削減を可能にする。一実施形態においては、大きな求心荷重のもとでの磁石の破損を最小限にするために、磁石２４の周囲に追加の支持をもたらすことができる。
【００２２】
複数の個別のロータモジュール２０は、永久磁石機１０の長手軸１３を中心にして回転するように構成されている。ロータアセンブリ１２は、随意により、複数の個別のロータモジュール２０をロータシャフト２２上に保持し、ロータアセンブリ１２の横方向の動的挙動を管理するために、ロータシャフト２２の軸方向における両端に位置する端部位置に配置され、間に個別のロータモジュール２０の各々が配置される端部ベアリング（図示せず）と称される複数のベアリング（図示せず）を備えることができる。ロータシャフト２２の周囲に配置されるロータモジュール２０の数は、全体としてのモータアセンブリの所望の出力に依存し、含まれるロータモジュール２０が多いほど、出力も大きくなる。一実施形態において、ステータアセンブリ１４は、すべての個別のロータモジュール２０にまたがる連続ステータとして構成される。
【００２３】
ロータアセンブリ１２は、スリーブ構成要素２２のランド部２８及びディスク部３０によって定められた複数の空洞又はボイド３２内に配置された複数の永久磁石２４を有するロータコア４０を備える。一実施形態において、永久磁石２４の磁化方向を、半径方向又は非円周方向として説明することができる。この特定の実施形態において、複数の永久磁石２４は、ロータコア４０において実質的に半径方向に向けられた長軸４２（図２）を有するように構成されている。永久磁石２４は、ロータアセンブリ１２とステータアセンブリ１４との間の空隙１５において半径方向に向けられる磁界を生成する。永久磁石２４によって生成される磁界は、ステータの電機子電流によって生成される磁界と更に相互作用し、トルクを発生させる。
【００２４】
一実施形態においては、永久磁石２４を、ネオジム−ホウ素−鉄で製作することができる。別の実施形態において、永久磁石２４は、サマリウム−コバルト、フェライト、アルニコ、などで製作される。一実施形態において、円筒形カバー１８及びスリーブ構成要素は、インコネル（登録商標）などの非磁性のオーステナイト系のニッケル−クロム主体の超合金で製作される。別の実施形態において、スリーブ構成要素は、ＣＦＲＥ、炭素複合材、又は非金属合金などの非磁性材料で製作される。
【００２５】
次に図３を参照すると、永久磁石機１０の一部分の図２の線３−３に沿って得た横断面図が示されており、より具体的には、ステータアセンブリ１４及びロータアセンブリ１２の複数のロータモジュール２０のうちの１つのロータモジュールの横断面図が示されている。図示のとおり、ロータアセンブリ１２（より詳しくは、各々のロータモジュール２０）は、スリーブ構成要素２２と、磁石２４と、随意による円筒形カバー１８とで形成されたロータコア４０で構成されている（図１）。磁石２４は、各々の磁石２４についてＮ−Ｓ方向を示している図３の矢印２５によって示されるとおりの交互の向きを備えるように構成されている。更に、非磁性の分離材料２７を備えることができ、求心性の荷重のもとにあるときの磁石２４に横方向の支持を提供することができる。代案においては、磁石２４を、空洞構造によって隔ててもよい。
【００２６】
ロータアセンブリ１２は、ロータコア４０に結合したロータシャフト１６を更に備える。一実施形態においては、ロータシャフト１６及びロータコア４０を、協働可能に係合するようにキーで固定することができる。一実施形態において、ロータシャフト１６は、ロータコア４０の凹部（図示せず）などの１つ以上の特徴と協働可能に係合する突起（図示せず）などの１つ以上の特徴を備えることができ、或いは逆もまた然りである。一実施形態において、シャフト１６は、ロータコア４０内に冷却流体（図示せず）のための通路をもたらすように構成された追加の特徴を含むことができる。一例（ただし、これに限られるわけではない）において、冷却流体は、気流或いはロータアセンブリ１２の機械的応力及び渦電流損失を低減するための冷却剤であってよい。
【００２７】
この特定の実施形態において、永久磁石機１０のステータアセンブリ１４は、ステータコア４４を備えている。本明細書に示されるとおり、ステータコア４４は、周状に配置されたステータ構造体４６を備えており、ステータ構造体４６は、ステータコア４４の中央部に空洞４８（図示のとおり、ロータアセンブリ１２が配置されている）を形成している。ステータアセンブリ１４は、磁界を生じさせ、長手軸１３に沿って延びている。ロータアセンブリ１２は、上述のように、ステータコア４４によって定められた空洞４８に配置される。この特定の実施形態において、ステータアセンブリ１４は、複数のステータ構造体４６の間に位置する電機子巻線（図示せず）のための複数のステータスロット５０を備えている。電機子巻線は、種々の接続形態及び形態の銅巻線を含んでいる。磁束を運ぶ経路（例えば、ステータコア４４及びステータ構造体４６）に関係するステータの金属は、磁性体でなければならず、渦電流損失を少なくするために薄板を積層して形成されなければならない。
【００２８】
ここで図４及び図５を参照すると、それぞれ全体が５４及び５６で指し示されている永久磁石機の別の実施形態が示されている。永久磁石機５４及び５６は、図１〜図３の永久磁石機１０とおおむね同様に構成されている。この特定の実施形態において、永久磁石機５４は、軸方向磁束型の機械であり、ロータアセンブリ１２及びステータアセンブリ１４を備えている。ロータアセンブリ１２は、一般に、スリーブ構成要素２２と複数の永久磁石２４とを含むロータコア４０を備える。ロータシャフト１６が、ロータコア４０に結合している。
【００２９】
ロータアセンブリ１２は、ロータコア４０に形成された複数の空洞又はボイド３２内に配置され、より詳しくはスリーブ構成要素２２に定められた複数の空洞又はボイド３２内に配置された複数の永久磁石２４を備える。最良の効率のために磁束の搬送を容易にするために、支持ディスク３０のうちの少なくとも磁石の間の部分を磁性金属で製作することが、好都合である。
【００３０】
図４に最もよく示されているように、スリーブ構成要素６６は、各々のロータディスク部３０の間を延びるステータ部５５を備えるように構成されている。磁路は、或るディスク部３０からステータ部５５を通って別のディスク部３０へと進む。
【００３１】
すでに説明した実施形態と同様に、ロータアセンブリ１２は、スリーブ構成要素２２に遠心力に関する補強をもたらすことによってスリーブ構成要素２２の厚さの最小化を可能にするために、複数のランド部２８及びディスク部３０を備えている。結果として、スリーブ構成要素２２の遠心荷重支持能力が大きくなり、ロータアセンブリ１２の速度性能の向上がもたらされる。図４に示した実施形態において、ランド部２８は、半径方向の先端のランド部２９及び半径方向の根元のランド部３１を含むと説明される。一実施形態において、ランド部２８は、半径方向の根元の部分３１においては、磁束を磁気ロータシャフト１６へと伝え、ステータ１４へ戻し、半径方向の先端の部分２９においては、空隙（図示せず）を横切る電機子（図示せず）への磁束の搬送を促進するように、最適には磁性金属で製作されるべきである。加えて、半径方向の先端の部分２９を形成する磁性材料は、渦電流損失を減少させるために、薄板を積層して製作されると有利かもしれない。半径方向の先端のランド部２９及び半径方向の根元のランド部３１の間のディスク部３０は、磁石２４の磁束の短絡を回避するために、最適には非磁性材料で形成されるべきである。
【００３２】
図５を更に具体的に参照すると、永久磁石機５６は、半径方向磁束型の機械であり、ロータアセンブリ１２及びステータアセンブリ１４を備えている。ロータアセンブリ１２は、一般に、スリーブ構成要素２２と複数の永久磁石２４とを含むロータコア４０を備える。ロータシャフト１６が、ロータコア４０に結合している。
【００３３】
ロータアセンブリ１２は、ロータコア４０に形成された複数の空洞又はボイド３２内に配置され、より詳しくはスリーブ構成要素２２に定められた複数の空洞又はボイド３２内に配置された複数の永久磁石２４を備える。図４の実施形態と同様に、図５に示した実施形態において、ランド部２８は、半径方向の先端のランド部２９及び半径方向の根元のランド部３１を含むと説明される。一実施形態において、ランド部２８は、半径方向の根元の部分３１においては、磁束を磁気ロータシャフト１６へと伝え、ステータ１４へ戻し、半径方向の先端の部分２９においては、空隙（図示せず）を横切る電機子（図示せず）への磁束の搬送を促進するように、最適には磁性金属で製作されるべきである。加えて、半径方向の先端の部分２９を形成する磁性材料は、渦電流損失を減少させるために、薄板を積層して製作されると有利かもしれない。半径方向の先端のランド部２９及び半径方向の根元のランド部３１の間のディスク部３０は、磁石２４の磁束の短絡を回避するために、最適には非磁性材料で形成されるべきである。
【００３４】
図４の軸方向磁束型の機械とは対照的に、図５に最もよく示されているように、スリーブ構成要素２２は、図１〜図３の実施形態とおおむね同様のやり方で構成され、各々のロータディスク部３０の間へと延びるステータ部を備えていない。磁路は、或るディスク部３０から別のディスク部３０へと半径方向に移動する。
【００３５】
すでに説明した実施形態と同様に、複数のランド部２８及びディスク部３０は、スリーブ構成要素２２に遠心力に関する補強をもたらすことによってスリーブ構成要素２２の厚さの最小化を可能にする。結果として、スリーブ構成要素２２の遠心荷重支持能力が大きくなり、ロータアセンブリ１２の速度性能の向上がもたらされる。
【００３６】
ここで図６及び図７を参照すると、図１〜図３の永久磁石機１０とおおむね同様の永久磁石機６０の別の実施形態が示されている。一実施形態において、永久磁石機６０は、航空機エンジン、ポンプ、風力タービン、ガスタービン、又は発電機のうちの少なくとも１つを駆動するための永久磁石電動機６１である。この特定の実施形態において、永久磁石機６０は、ロータアセンブリ６２及びステータアセンブリ６４を備えている。ロータアセンブリ６２は、一般に、スリーブ構成要素６６と複数の永久磁石６８とを含むロータコア４０を備える。ロータシャフト１６が、ロータコア４０に結合している。
【００３７】
ロータアセンブリ６２は、ロータコア４０に形成された複数の空洞又はボイド７０内に配置され、より詳しくはスリーブ構成要素６６に定められた複数の空洞又はボイド７０内に配置された複数の永久磁石６８を備える。分かりやすくする目的で、１つの空洞又はボイド７０は、内部に配置された磁石６８を省いて描かれている。複数の永久磁石６８は、複数の永久磁石６８の各々についてＮ−Ｓ方向を示している図７の矢印６９によって示されるとおりの交互の向きを備えるように構成されている。更に、非磁性の分離材料７１を備えることができ、求心性の荷重のもとにあるときの複数の永久磁石６８に横方向の支持を提供することができる。代案においては、複数の永久磁石６８を、空洞構造によって隔ててもよい。
【００３８】
図６に最もよく示されているように、スリーブ構成要素６６は、複数の内部リブ構造７２を含んで構成されている。複数の内部リブ構造７２は、複数の空洞又はボイド７０を定めている。複数の内部リブ構造７２は、スリーブ構成要素６６に遠心力に関する補強をもたらすことによってスリーブ構成要素６６の厚さの最小化を可能にする。複数の内部リブ構造７２は、複数の永久磁石６８の半径方向の磁化方向が或る磁石から軸方向における次の磁石へと逆にされるときに磁束経路の短絡を避けるために、非磁性である。結果として、スリーブ構成要素６６の遠心荷重支持能力が大きくなり、ロータアセンブリ６２の速度性能の向上がもたらされる。複数の永久磁石６８は、ロータアセンブリ６２とステータアセンブリ６４との間の空隙７６において半径方向に向けられる磁界を生成する。一実施形態において、複数の永久磁石６８によって生成される磁界は、（すでに述べた第１の実施形態に関して説明したステータ磁界と同様の）電機子電流によって生成されるステータ磁場と更に相互作用し、トルクを発生させる。
【００３９】
ロータアセンブリは、本明細書において説明されるとおり、ロータコア４０の中心に同軸に配置される静止筒（図示せず）を更に備えることができる。シャフト１６の内面及び静止筒の外面は、冷却流体の流出のためのロータ内腔をもたらすことができる。更に、一実施形態においては、磁石の割れの場合の封じ込めを更に提供するために、充填材（図示せず）が、ロータアセンブリに形成された複数の空洞又はボイドの内部に含まれてよい。
【００４０】
好都合なことに、本明細書に開示の種々の実施形態は、機械全体の重量の削減の結果として、機械の性能が向上し、機械のコストが削減される永久磁石機を提供する。より詳しくは、本明細書に開示のとおりに提供される永久磁石機は、より高い速度及び負荷にて動作することができ、より小さな機械でより大きな荷重に対処することを効果的に可能にすることができる。
【００４１】
ロータアセンブリ及び種々の関連の構成要素は、主として、アセンブリの遠心荷重に関する性能を向上させ、出力密度及び電気的性能を最大にするために、全体としての重量の削減をもたらすように構成される。更に、本開示は、小さな体積、質量、及びコストに関する更なる利点を提供する。このように、これらの技術及びシステムは、高度に効率的な永久磁石機を可能にする。
【００４２】
永久磁石機は、上述したように、多数の用途のための駆動力として良好に適することができる。そのような永久磁石機を、航空機エンジンなどの航空用途、ポンプ用途、などに用いることができる。更に、永久磁石機を、これらに限られるわけではないが、けん引の用途、風力及びガスタービン、航空宇宙の用途における始動発電機、工業の用途、及び電気器具、などの他の例に用いることも可能である。
【００４３】
当然ながら、個々の実施形態において上述のような目的及び利点の必ずしもすべてが達成されなくてもよいことを、理解すべきである。すなわち、例えば、本明細書に教示される１つの利点又は利点群を、本明細書において教示又は示唆され得る他の目的又は利点を必ずしも達成することなく達成又は最適化するやり方で、本明細書に記載のアセンブリ及び技術を具現化又は実行できることを、当業者であれば理解できるであろう。
【００４４】
本明細書においては、本開示を最良の態様を含めて説明するとともに、あらゆる装置又はシステムの製作及び使用並びにあらゆる関連の方法の実行を含む本開示の実施を、当業者にとって可能にするために、いくつかの実施例を使用している。本開示の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定められ、当業者であれば想到できる他の実施例も含むことができる。そのような他の実施例は、特許請求の範囲の文言から相違しない構造要素を有しており、或いは特許請求の範囲の文言から実質的に相違しない同等な構造要素を含むならば、特許請求の範囲の技術的範囲に包含される。
【００４５】
実施形態の特定の特徴だけを本明細書において図示及び説明したが、当業者であれば、多数の改良及び変更に想到できるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲が、そのようなすべての改良及び変更を本発明の真の精神の範囲に包含されるものとして含むように意図されていることを、理解すべきである。
【符号の説明】
【００４６】
１０  永久磁石機、回転機械
１１  永久磁石電動機
１２  ロータアセンブリ
１３  長手軸
１４  ステータアセンブリ、ステータ
１５  空隙
１６  シャフト
１８  円筒形カバー
２０  １つ以上のロータモジュール
２２  スリーブ構成要素、ステータ
２４  磁石
２５  矢印
２６  セグメント
２７  非磁性の分離材料
２８  ランド部
２９  半径方向の先端のランド部、半径方向の先端の部分
３０  ディスク部、支持ディスク
３１  半径方向の根元のランド部、半径方向の根元の部分
３２  空洞、ボイド
３４  舌と溝との関係
３６  溝部
３８  舌部
４０  ロータコア
４２  長軸
４４  ステータコア
４６  ステータ構造体
４８  空洞
５０  ステータスロット
５４  （軸方向磁束型）永久磁石機
５５  ステータ部
５６  （半径方向磁束型）永久磁石機
６０  永久磁石機
６１  永久磁石電動機
６２  ロータアセンブリ
６４  ステータアセンブリ
６６  スリーブ構成要素
６８  複数の永久磁石
６９  矢印
７０  空洞又はボイド
７１  非磁性の分離材料
７２  複数の内部リブ構造
７４  長軸
７６  空隙
【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５】
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【図６】
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【図７】
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