(57)【要約】【解決手段】電磁機械（１）は、電気導体翼（７）を、２つの磁石アレイ（３）の間に配置されて備えている。電気導体翼（７）は、複数の電気的に絶縁された導体（３５）を備え、導体（３５）が磁石アレイ（３）によって発生する磁場の中に配置されたとき、及び、導体（３５）の中を電流が流れるとき、電磁力が誘導されて、電気導体翼（７）に対して磁石アレイ（３）の運動を引き起こし、一組の導体（３５）は、磁場が通り抜ける、磁石アレイ（３）の間の実質的に充填する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁機械であって、この電磁機械が、
第１の部分と第１の部分に対して間隔を隔てて配置された第２の部分とを備えた磁石部分であって、磁石部分は、第１の部分と第２の部分との間のギャップを横切って、複数の磁場を提供するように構成されている、上記磁石部分と、
磁石部分における第１の部分と第２の部分との間のギャップに配置され、磁石部分に対して可動なように構成された電気部分であって、電気部分は、一組の電気的に絶縁された導体からなり、一組の導体が、磁石部分が発生された磁場内に配置されたとき、及び、一組の導体に電流が流れたとき、電磁力が誘導され、電気部分に対して磁石部分の運動を生じさせ、一組の導体は、前記磁場が通り抜ける、磁石部分における第１の部分と第２の部分との間のギャップを実質的に充填する、上記電気部分と、
を備えていることを特徴とする電磁機械。
【請求項２】
電気部分はさらに、組をなす電気絶縁された導体を、磁石部分と電気部分との相対的運動の軌跡に沿って配置されて備え、組をなす導体は、前記磁場が通り過ぎる磁石部分における第１の部分と第２の部分との間のギャップを実質的に充填していることを特徴とする請求項１に記載の電磁機械。
【請求項３】
導体は、横断導電経路であって、前記磁場と、電気部分と磁石部分との相対運動の方向との両方に対して垂直に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の機械。
【請求項４】
横断導電経路は、“Ｓ字”形状が繰り返される１又は複数の層状の電気導体の一部分を形成し、該又は各層状の電気導体はさらに、軸線導電経路を備え、電気部分と磁石部分との相対運動の方向に配置され、隣接する横断導電経路の端部は、軸線導電経路によって接続されていることを特徴とする請求項３に記載の機械。
【請求項５】
層状の電気導体は、絶縁されてパターン化された、金属板、帯、リボン、又はホイルから作られていることを特徴とする請求項４に記載の機械。
【請求項６】
複数の層状の電気導体は組み合わせられて、電気導体翼を形成していることを特徴とする請求項２に従属する請求項４又は５に記載の機械。
【請求項７】
層状の電気導体は、複数の相において接続され、これを通して別々の電流が通過するように構成されており、電流の相対的な符号及び振幅が制御されて、機械により発生する電磁力の強度及び符号を決定することを特徴とする請求項６に記載の機械。
【請求項８】
層状の電気導体は、三相に接続されていることを特徴とする請求項７に記載の機械。
【請求項９】
電気導体翼は、平面の機械的構造物であることを特徴とする請求項６、７、又は８に記載の機械。
【請求項１０】
電気導体翼は、屈曲した機械的構造物であることを特徴とする請求項６、７、又は８に記載の機械。
【請求項１１】
電気導体翼は、円形の機械的構造物であることを特徴とする請求項１０に記載の機械。
【請求項１２】
導体は、基板を有していないことを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の機械。
【請求項１３】
導体は、自己支持されるのに充分な可撓堅さを有していることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の機械。
【請求項１４】
導体は、コイルとして形成されてはいないことを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の機械。
【請求項１５】
磁場の中に配置される電気部分は、非磁性材料から作られていることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の機械。
【請求項１６】
磁場の極性は、磁石部分と電気部分との相対運動の軌跡に沿って、空間的に周期的になっていることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の機械。
【請求項１７】
磁石部分における第１の部分は、第１の磁石アレイを備えていることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の機械。
【請求項１８】
第１の磁石アレイは、永久的に磁化された材料から作られた磁石を備えていることを特徴とする請求項１７に記載の機械。
【請求項１９】
磁石は、平面状の磁石であって、それらの平面上に対向する磁極を有し、これらは電気部分及び磁石部分の相対的運動の方向に面し、磁石アレイはさらに、磁石の平面に取り付けられた磁極片を備え、磁極片は、磁束を回転させるように形成され、磁石部分における第１の部分と第２の部分との間のギャップと交差していることを特徴とする請求項１８に記載の機械。
【請求項２０】
磁石部分における第２の部分は、磁気材料の板を備えていることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の機械。
【請求項２１】
磁気材料は鉄であることを特徴とする請求項２０に記載の機械。
【請求項２２】
磁石部分における第２の部分は、第１の磁石アレイに類似した、第２の磁石アレイを備えていることを特徴とする請求項１７乃至１９のいずれか一項に記載の機械。
【請求項２３】
磁石と磁極片とは、それぞれの磁石アレイにおいて、それぞれの磁石アレイにおける隣接する磁石の対向する平坦面が同一の極性を有し、異なるアレイにおける反対の磁石の整列された平坦面が反対極性を有するように構成されていることを特徴とする請求項２２に記載の機械。
【請求項２４】
空間的に周期的な磁場は、機械の動作時に電流が流れる、ワイヤコイル又はパターン化された層状導体によって発生することを特徴とする請求項１６に記載の機械。
【請求項２５】
空間的に周期的な磁場は、電気部分における導体の中の電流の一時的変動によって引き起こされることを特徴とする請求項１６に記載の機械。
【請求項２６】
層状の電気導体は、規則的な空間的寸法を有し、この寸法は、磁気期間の長さの１／６とおよそ等しく、且つそれ未満であり、磁気期間の半分と等しい空間的期間において、力のベクトルの線を横断して電流が交互に行き来して流れるようにし、それぞれの相における導電経路は、空間的に周期的な磁場の領域において、他の２つの相と隣接するように配置されて、その他の箇所でそれらを重ね合わせることを特徴とする請求項４乃至１１のいずれか一項に従属する請求項１６に記載の機械。
【請求項２７】
電気部分には、低い熱抵抗を有する１つ又は２つのキャップビームが取り付けられ、該又は各キャップビームは、電気部分内に発生した熱を放散させるための手段を備えていることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の機械。
【請求項２８】
電気部分内に発生した熱を放散させるための手段は、冷却流体が流れ得る、キャップビーム内の１又は複数の冷媒通路と、ヒートシンクと、熱放散器とを備えていることを特徴とする請求項２７に記載の機械。
【請求項２９】
磁石部分はアーマチュアを形成し、電気部分はステータを形成していることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の機械。
【請求項３０】
磁石部分はステータを形成し、電気部分はアーマチュアを形成していることを特徴とする請求項１乃至２８のいずれか一項に記載の機械。
【請求項３１】
アーマチュアは、１又は複数のベアリング組立体によって、摺動可能に、又は、ピボット可能に、ステータに取り付けられていることを特徴とする請求項２９又は３０に記載の機械。
【請求項３２】
アーマチュアの力伝達要素は、ステータのベアリング組立体から出ており、又は、同組立体によって支持されていることを特徴とする請求項３１に記載の機械。
【請求項３３】
機械における少なくとも１つの端部は、アーマチュアを有すると共に、円筒形ベアリングを支持しており、これを通して、スラスト管又はロッドが延在し、これにより、アーマチュアに働く力が外部に伝達されることを特徴とする請求項２９乃至３２のいずれか一項に記載の機械。
【請求項３４】
アーマチュアは、ステータの外部にあり、アーマチュアは負荷に結合されていることを特徴とする請求項２９乃至３３のいずれか一項に記載の機械。
【請求項３５】
アーマチュアは、少なくとも１つの円板又はホイールに機械的に結合され、これにより、アーマチュアに働く電磁力によって発生した回転トルクが軸に伝達され、軸の軸線は、ステータによって形成されたトーラスの中心軸線に一致していることを特徴とする請求項２９乃至３４のいずれか一項に記載の機械。
【請求項３６】
電気部分の電流は、複数の磁石部分と相互作用して、電気部分及び磁石部分の相対運動の軌跡と一致し又は同軌跡と平行な、少なくとも１つのベアリング又は軌道に沿って移動することを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の機械。
【請求項３７】
電気部分は、電気部分及び磁石部分の相対運動の軌跡に沿った扇形に分割され、それぞれの扇形は、独立して電力供給され及び制御されて、電気部分の扇形を共有する複数の磁石部分に独立した制御を提供することを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の機械。
【請求項３８】
内部アーマチュアに結合するために、延在したフィン又はロッドは存在しないが、負荷はステータに結合され、それにより、結合されていないアーマチュアの加速度に対応した、反応力の全部又は一部を受けることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の機械。
【請求項３９】
磁石部分及び電気部分の相対運動の軌跡は、直線部分及び屈曲部分の一方又は両方を備えていることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の機械。
【請求項４０】
磁石部分及び電気部分の相対運動の軌跡は、閉じた円形の経路を形成していることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の機械。
【請求項４１】
磁石部分及び電気部分の相対運動の軌跡は、螺旋など、三次元空間における滑らかな曲線を形成していることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の機械。
【請求項４２】
アーマチュア組立体は、可撓性であるか、又は、関節式であり、三次元空間において滑らかな運動軌跡に追従することを特徴とする請求項２９又は３０に記載の機械。
【請求項４３】
導体のうち少なくとも１つは、臨界温度よりも低温に冷却されたとき、超伝導になる材料の層を具備し又は支持していることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の機械。
【請求項４４】
導体のうち少なくとも１つは、強磁性材料から製造されていることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の機械。
【請求項４５】
電磁機械であって、この電磁機械が、
第１及び第２の磁石アレイであって、間隔を隔てた関係に配置され、磁石アレイの間のギャップを横切る複数の磁場を提供するように配置されている、上記磁石アレイと、
磁石アレイの間のギャップに配置された電気導体翼であって、電気導体翼は、複数の密にパックされた自己支持作動導体と、複数の接続導体とを備え、それぞれの作動導体は、接続導体によってその端部の１つにて別の作動導体の端部に接続されており、電気導体翼は、作動導体中を電流が流れるとき、電磁力が誘導されて、磁石アレイに対して電気導体翼の運動を引き起こすように構成され、作動導体は、磁石アレイの間の見通し線に配置され、接続導体は、磁石アレイの間の見通し線の外部に配置されている、上記電気導体翼と、
を備えていることを特徴とする電磁機械。
【請求項４６】
回転電磁機械であって、この回転電磁機械が、
円筒形の電気導体翼であって、電気導体翼は、複数の実質的に軸線方向に平行な作動導体と、複数の接続導体とを備え、それぞれの作動導体は、接続導体によってその端部の１つにて別の作動導体の端部に接続されている、上記電気導体翼と、
作動導体を通る複数の磁場を提供するように配置された複数の磁石アレイであって、作動導体中を電流が流れるとき、電磁力が誘導され、磁石アレイに対して電気導体翼にラジアル運動を引き起こすような、上記磁石アレイと、
を備えていることを特徴とする回転電磁機械。
【請求項４７】
磁石アレイは、円筒形導体翼の内側に配置された内側円筒形磁石アレイと、円筒形導体翼の外側に配置された外側円筒形磁石アレイとを備えていることを特徴とする請求項４６に記載の回転電磁機械。
【請求項４８】
回転電磁機械であって、この回転電磁機械が、
環状の電気導体翼であって、電気導体翼は、複数の実質的に半径方向の作動導体と、複数の接続導体とを備え、それぞれの作動導体は、接続導体によってその端部の１つにて別の作動導体の端部に接続されている、上記電気導体翼と、
作動導体を通る複数の磁場を提供するように配置された複数の磁石アレイであって、作動導体中を電流が流れるとき、電磁力が誘導され、磁石アレイに対して電気導体翼に回転を引き起こすような、上記磁石アレイと、
を備えていることを特徴とする回転電磁機械。
【請求項４９】
回転電磁機械であって、この回転電磁機械が
共通の軸線を有する複数の環状の電気導体翼であって、それぞれの電気導体翼は、複数の実質的に半径方向の作動導体と、複数の接続導体とを備え、それぞれの作動導体は、接続導体によってその端部の１つにて別の作動導体の端部に接続されている、上記電気導体翼と、
作動導体を通る複数の磁場を提供するように配置された複数の磁石アレイであって、作動導体中を電流が流れるとき、電磁力が誘導され、磁石アレイに対して電気導体翼に回転を引き起こすような、上記磁石アレイと、
を備えていることを特徴とする回転電磁機械。
【請求項５０】
環状の電気導体翼のうち少なくとも１つは、関連する磁石アレイを、少なくとも１つの隣接する環状の電気導体翼と同じように有していることを特徴とする請求項４９に記載の回転電磁機械。
【請求項５１】
直動電磁機械であって、この直動電磁機械が、
複数の電気導体翼であって、それぞれの電気導体翼は、複数の作動導体と、複数の接続導体とを備え、それぞれの作動導体は、接続導体によってその端部の１つにて別の作動導体の端部に接続されており、導体翼は互いに平行に配置されている、上記電気導体翼と、
作動導体を通る複数の磁場を提供するように配置された複数の磁石アレイであって、作動導体中を電流が流れるとき、電磁力が誘導され、磁石アレイに対して電気導体翼に運動を引き起こすような、上記磁石アレイと、
を備えていることを特徴とする直動電磁機械。
【請求項５２】
直動電磁機械であって、この直動電磁機械が、
複数の電気導体翼であって、それぞれの電気導体翼は、複数の作動導体と、複数の接続導体とを備え、それぞれの作動導体は、接続導体によってその端部の１つにて別の作動導体の端部に接続されており、導体翼は軸のまわりに半径方向に配置されている、上記電気導体翼と、
作動導体を通る複数の磁場を提供するように配置された複数の磁石アレイであって、作動導体中を電流が流れるとき、電磁力が誘導され、磁石アレイに対して電気導体翼に運動を引き起こすような、上記磁石アレイと、
を備えていることを特徴とする直動電磁機械。
【請求項５３】
電気導体翼のうち少なくとも１つは、関連する磁石アレイを、少なくとも１つの隣接する電気導体翼と同じように有していることを特徴とする請求項５１又は５２に記載の直動電磁機械。
【請求項５４】
それぞれの磁石アレイは、偶数の磁石から構成されていることを特徴とする請求項５２に従属する請求項５３に記載の電磁機械。
【請求項５５】
機械は、円筒形の容器の内部に構成されていることを特徴とする請求項５２に記載の直動電磁機械。
【請求項５６】
収容シリンダの少なくとも１つの端部は開口部を有し、ベアリングを支持しており、これを通してスラスト管又はロッドが出て、誘導された電磁力を外部負荷に伝えることを特徴とする請求項５５に記載の直動電磁機械。
【請求項５７】
収容シリンダを具備する体積は気密封止され、突き出るスラストロッド又は管は、摺動シールを通り抜けるように構成されて、アーマチュアは電気的及び空気圧的機能の両方を有していることを特徴とする請求項５５又は５６に記載の直動電磁機械。
【請求項５８】
スラストロッド又は管は、ガス式バネの能動要素を形成していることを特徴とする請求項５６又は５７に記載の直動電磁機械。
【請求項５９】
該又は各電気導体翼は、機械の動きの軌跡に沿って、電気的に絶縁された扇形に分割されていることを特徴とする請求項５１乃至５８のいずれか一項に記載の直動電磁機械。
【請求項６０】
アーマチュアに働くインパルス状の電磁力は、ステータが受ける等しくて反対の反力を介して、負荷に伝達されることを特徴とする請求項２９及び３０に従属する先行するいずれかの請求項に記載の機械。
【請求項６１】
アーマチュアの運動は、閉じたステータの内部の流体を推進し又は同流体によって推進され、ポンプとして機能し、又は、動く流体からエネルギーを吸収するように機能することを特徴とする請求項６０に記載の機械。
【請求項６２】
電磁機械であって、この電磁機械が、
第１の部分と第１の部分に対して間隔を隔てて配置された第２の部分とを備えた磁石部分であって、磁石部分は、第１の部分と第２の部分との間のギャップを横切って、複数の磁場を提供するように配置されている、上記磁石部分と、
磁石部分における第１の部分と第２の部分との間のギャップに配置され、磁石部分に対して可動なように構成された電気部分であって、電気部分は、一組の電気的に絶縁された自己支持の導体からなり、一組の導体中を電流が流れるとき、得られた電磁力が、２つの部分の間において、相対的な動きを生じさせる、上記電気部分と、
を備えていることを特徴とする電磁機械。
【請求項６３】
電磁機械のための電気導体翼であって、電気導体翼に磁場を提供する磁石部分を有し、電気導体翼中を電気が流れるとき、電磁力が誘導され、磁石部分に対して電気導体翼に運動を引き起こし、電気導体翼が、
複数の作動導体と、
複数の接続導体であって、それぞれの作動導体は、接続導体によってその端部の１つにて別の作動導体の端部に接続され、作動導体中に電流が流れるとき、電磁力が誘導される、上記接続導体と、を備え、
作動導体における中央部分は密にパックされ、いくつかの作動導体における端部部分は、接続導体の領域において屈曲され、接続導体はオーバーレイされる、
ことを特徴とする電気導体翼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リニアモータ及びロータリモータなどの電磁機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電磁機械は、アーマチュアとステータとの両方によって発生する磁場のパターンの相互作用によって力を発生させるように設計されており、少なくとも１つの磁場のパターンは電気的に変化するもので、これらの機械は本願では“相互磁気”機械と称される。
【０００３】
従来の“相互磁気”機械においては、機械の電気部分は、鉄の構造物のスロットに巻き付けられた、ワイヤのコイルからなる。鉄の構造物は、コイルを所定位置に保持すると共に、ワイヤに働く電磁力を機械の本体に伝達するのに必要な機械的強度を提供し、また、磁束のためのリラクタンスの低い経路としても働く。
【０００４】
“相互磁気”機械は、ループをなす導体（又は、同等な導体の束）によって取り囲まれた領域が磁石の磁極片の領域と合致するように構築され、又は、粗い断片である（すなわち、少ない整数のループをなす導体によって取り囲まれる領域が、磁石の磁極片の領域と合致する。）。加えて、“相互磁気”機械においては、コイルの正面の領域は比較的小さく、コイルは、しばしば、高透磁性の磁気材料の体積を取り囲み、その機能は、磁気回路の空気ギャップの距離を減少させ、コイルが巻き付けられた堅固な支持体を提供することである。鉄を取り囲むコイルを作るために、“相互磁気”機械におけるコイルは、通常、鉄に切り込まれたスロットに配置され、コイル自体は空気ギャップの中にはなく、空気ギャップの距離は小さい。
【０００５】
出力がロッド又は管である、円筒形の形状の直動電気モータ、又は、アーマチュアがステータの表面上を移動する、又は、２つの同様なステータの間の通路内を移動する、平坦な形状の直動電気モータを構築することは知られている。また、外部に結合されず、制御された膨張をすべく、圧縮のためのピストンとして使用されるアーマチュアを備えたそうした機械を構築することも知られており（モータは逆転して駆動されて発電機として作動する）、又は、慣性質量として、反力はステータを介して負荷に結合される。
【０００６】
いずれのトポロジーにおいても、磁石部分は、一般に、永久磁石のアレイからなり、相対運動の軌跡を横切る、空間的に周期的な磁場を発生する。リニアモータにおける電気部分は、少なくとも１つのコイル又は電気導体のアレイからなり、運動の軌跡と磁場との両方に直交する方向に、前記空間的に周期的な磁場を横切る。
【０００７】
コイルを所定位置に保持する鉄の構造物によって、電気導体は効果的に鉄に浸される。かかるトポロジーを用いた重要な結果は、鉄の構造物におけるスロットの実際の幾何学形状によって、また、鉄の透磁性によって、ワイヤが受ける有効磁束密度が限られることであり、ワイヤは、あたかも磁場と交差しているかのように挙動し、その動作磁束密度は、概略、０．６テスラのオーダーになる。
【０００８】
任意の所定の出力の力又はトルクに必要な電流を減少させるためには、コイルの領域において高磁束密度をもった電磁機械を動作させることが望ましい。その理由は、電磁機械によって発生する力Ｐ（ニュートン）は、磁場の強度Ｂ（テスラ）と、電流経路の長さＬ（メートル）と、電流の強度Ｉ（アンペア）とのベクトル積だからである。さらに、抵抗性の熱損失（一般に、“銅損”と称される）は、電流の２乗と共に増加し、銅損を最小化するために、高いスラスト出力を発生することが要求される機械においては、高い作動磁束密度を使用することが特に望ましい。
【０００９】
本願において、我々が開示する手段は、それにより、導体が浸される磁束密度が、およそ１．５テスラに高まり、この時点で、軟鋼などの容易に入手可能な磁気材料の飽和によって、制限が始まる。特別な磁気材料を使用することで、磁場の強度はさらに高めることができる。
【００１０】
磁場強度の増加は不都合を有し、機械内において大きな内部力を引き起こし、というのは、２つの平面の磁石面の間における力Ｆ（ニュートン）は、面積Ａ（平方メートル）を有し、密度Ｂ（テスラ）を有する磁束によって結合され、それらの表面を結合する磁束密度の２乗と共に増加し、以下の式によっておよそ与えられる。
Ｆ＝４００，０００Ｂ2Ａ
すなわち、磁場が発生する有効“磁気圧力”は、２つの表面を一緒になるように押圧し、そのバールにおける値は、４Ｂ2に等しくなる。
【００１１】
例えば、磁束密度が１．５テスラであり、これが、幅５mm、長さ１００mmの磁極片から出ているならば、磁極片は、４５０ニュートンの力にて、隣接する磁束戻り板に絶えず引き付けられる。５０個のそうした磁極片を備えた、代表的なアーマチュアは、２２，５００ニュートンの大きな静磁気力を発生させる。特別な磁気材料を使用し、磁束密度を２テスラにまで高めることで、機械の電気効率が改善されるならば、同じサイズのアーマチュアが発生する静磁気力は、４０，０００ニュートンに高まる。
【００１２】
多くの従来のリニアモータは、片側だけにステータをもったアーマチュアから構成され、アーマチュアは、ベアリングシステムによって、ステータから離れて保持されるように設計されている。２つの部分の間の磁束密度を増加させるあらゆる提案は、すべての静磁気力をアーマチュアベアリングによって支えなければならないために、好ましくない。
【００１３】
産業用リニアモータのトポロジーは、しばしば変更され、電気アーマチュアは、磁石と一直線にある平行な側部をもつ通路の中心線に沿って移動し、ステータ通路の反対側とおよそ等しい吸引力を受ける。それにもかかわらず、それらの反対力の間のいかなる不均衡も、アーマチュアの位置を中心に保つベアリングによって耐えられなければならないことが理解される。磁束密度が増加すると、それらの反対力の強度は急速に増加して、いかなる不均衡の影響も、より大きくなる。従って、従来のリニアモータにおけるアーマチュアベアリングは、磁束密度が増加すると、より頑丈に作らなければならなくなる。
【００１４】
最も良い入手可能な磁気材料の特性は、永久磁石の表面における最適な作動磁束密度（ＢＨ最大の条件）が、テスラの断片に過ぎない。従って、アーマチュアとステータとの間のギャップにおける磁束密度を１テスラ以上に増加させるならば、磁石の表面から、はるかに小さい領域へ磁束を収束させる磁極片を使用することが必要である。従って、磁束密度は、面積比によって乗算され、磁極片の材料を磁気的に飽和させない。
【００１５】
本出願人のいくつかの既存の出願のうち、円筒形機械に関するものでは、磁石は平坦な円板であり、平行な表面の間において磁化されている。そうした設計においては、同様な形状の鉄の磁極片が、磁石の両側に取り付けられ、磁極片は、円形のサンドイッチの“パン”であり、磁石を中間にして、これらが一緒に“磁力ユニット”と称される。磁極片の機能は、磁石の平坦面から磁束を収束させて、磁束を半径方向に外らし、磁極片の円筒形の周辺から磁束を出すことである。
【００１６】
この出願において開示されている機械においては、磁石と磁極片とは、平坦な板であり、磁束は（収束して）２つの反対側の平坦な側部から出るように配置されている。三相機械においては、磁極片と磁石とは同じ厚みを有し、その寸法は運動の軸線に沿ったコイル間の間隔である。従って、磁束をさらに収束させるために磁極片の軸線方向の厚みを減少させる必要があるならば、磁石の厚み及び電気導体の寸法も減少させる必要がある。従って、高い磁束密度を有する機械は、その運動線の単位長さあたり、（交互の極性の）より多くの磁極を有している。ステータに対するアーマチュアの任意の与えられた移動速度について、磁束の交代の頻度は、設計磁束密度と共に増加する。
【００１７】
電気導体に関連する鉄は、一般的に、“裏当て鉄”と称され、鉄の中の磁束の振幅及び方向は、ステータに対してアーマチュアが動くと交替する。かかる磁場の方向の交替は、鉄の中で消散すべきエネルギーを引き起こし、磁束密度の２乗と共に、“鉄損”が増加する。
【００１８】
上述したすべての理由から、高い作動磁束密度の電気機械は、一般には入手できず、また、対応する不都合が受け入れられるような、専門家の用途に限られる。
【００１９】
米国特許第４，３１９，１５２号は、回転電気機械における巻線コイルに代えて、パターン化された金属層を使用することを開示している。しかしながら、層状導体の使用は、電磁石の活性化のために使用され、また、同一の機能のために使用されるであろう、ワイヤに対する簡単で直接的な置換としてだけ開示されている。また、米国特許第４，３１９，１５２号における図３は、２つの形態のスロット付き鉄又はフェライトコアを示しており、その中に、金属層が配置されることが意図されるが、裏当て鉄を省略する意図も、層状の導体を自己支持にすべき意図もないことに留意されたい。
【００２０】
ＧＢ−Ａ−１４２０３９１号は、特殊な鉄道車両を空中に浮遊させるために磁場を発生させるコイルシステムの構造を開示している。少なくとも１つの別の組のコイルを使用することで、磁場は方向転換され、鉄道車両の前進運動を生じさせる差動力を発生させる。
【００２１】
ＪＰ−Ａ−６２１８９９３１号は、リボン導体を使用した回転モータの電気要素を構成する多数の方法を開示している。
【００２２】
高い半径方向の磁束密度を有する、軸線上にて交替する磁場を構成する、円形の平坦円板永久磁石及び磁極片の積み重ねを使用することも知られている。しかしながら、そうした円筒形の従来技術の構造は、最大軸線力について、強く限定され、それらは、連続的に発生させることができ、その理由は、
【００２３】
１．  磁石ピストンのスラストは、その体積又は質量に比例し、直接には、その長さと、その直径の２乗に比例する。
【００２４】
２．  いかなる用途においても、円筒形アクチュータのピストン長さに実際的な限界が存在し、従って、制限された空間において大きなスラストが必要ならば、円板の直径を増加させることが必要になる。しかし、一体的な磁石円板の最大直径についての限界も存在し、限界は、焼結された要素としてそれを接続する実際的な困難によって設定される。
【００２５】
３．  一体的な磁石の体積についても同様な限界が存在し、限界は、パルス状の磁場によって活性化するために必要な電力により設定される。
【００２６】
４．  強力な永久磁石のユニットサイズが増加するに従って、モータを組み立てる工程中の取扱いが危険になる。
【００２７】
５．  大径の円板磁石を使用することが不可欠ならば、多くの小さな扇形の磁石から大きな円形円板を組み立てる以外に選択枝はなく、初めに、磁化され、次に、（強力な互いの反発力に抗して）一緒にまとめられ、それから鉄の磁極片に接着される。そうした組立工程は、困難であり、且つ、危険である。
【００２８】
６．  残留磁気は、扇形の間のそれぞれの接合部の線に沿って減少し（“縁取り”と称される効果）、組み立てられた磁石からは、同等な一体的要素に比べて、少ない量の磁束だけが利用可能になる。
【００２９】
７．  従来の構成による円筒形の直動アクチュータにおいては、相巻線を形成するすべてのコイルは、独立して構成される必要があり、積み重ねとして組み立てられ、正しい相に互いに配線され、次に、互いに内部ライニングに接合されて、ピストンのためのベアリング面を形成し、最後に、機械の裏当て鉄を形成する厚い外側ケーシングに接合される。かかる製造工程は、労働集約的であり、その品質は制御するのが困難で、且つ、費用が高い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
それにもかかわらず、従来技術に従って構成できるものに比べて、より大きくて、より強力な、円筒形の直動アクチュータを求める要望が存在している。そうした理由から、我々は、効率的で、比較的低コストで、製造が安全な、様々な高出力電気機械を開発した。新規なモータは、構造及び動作原理が後述される、多数の電気機械から組み立てられる。
【００３１】
本発明の目的は、電気導体が高い磁束密度の磁場に配置され、従って、“銅損”を最小化するような、電気機械を構成する手段を提供することである。
【００３２】
本発明のさらに別の目的は、電気導体の裏当て鉄の量を減らして、“鉄損”を減少させることである。
【００３３】
本発明のさらに別の目的は、アーマチュアとステータとの間の磁気吸引力を減少させて、それにより、ベアリングの摩耗を減少させ、組立体を安全で安価にすることである。
【００３４】
本発明のさらに別の目的は、可動な電気アーマチュアの質量を最小化して、機械の作動帯域幅を増加させることである。
【００３５】
本発明のさらに別の目的は、本願に開示される様々なトポロジーを有する電磁機械に、基本的なリニアモータ要素を組み込むことである。
【００３６】
本発明のさらに別の目的は、多くのそうしたモータ要素を組み合わせて、直動式及び回転式の両方の様々な小型で高出力の電気機械を構成する手段を示すことである。
【課題を解決するための手段】
【００３７】
本発明の第１の観点によって提供される電磁機械は、第１の部分と第１の部分に対して間隔を隔てて配置された第２の部分とを備えた磁石部分であって、磁石部分は、第１の部分と第２の部分との間のギャップを横切って、複数の磁場を提供するように構成されている、上記磁石部分と、磁石部分における第１の部分と第２の部分との間のギャップに配置され、磁石部分に対して可動なように構成された電気部分であって、電気部分は、一組の電気的に絶縁された導体からなり、一組の導体が、磁石部分が発生された磁場内に配置されたとき、及び、一組の導体に電流が流れたとき、電磁力が誘導され、電気部分に対して磁石部分の運動を生じさせ、一組の導体は、前記磁場が通り抜ける、磁石部分における第１の部分と第２の部分との間のギャップを実質的に充填する、上記電気部分と、を備えていることを特徴とする。
【００３８】
電気部分はさらに、組をなす電気絶縁された導体を、磁石部分と電気部分との相対的運動の軌跡に沿って配置されて備え、組をなす導体は、前記磁場が通り過ぎる磁石部分における第１の部分と第２の部分との間のギャップを実質的に充填している。
【００３９】
従来技術による電磁機械は、“相互磁気”タイプであるが、本発明は、これとは区別される電気部分及び磁石部分を有する電磁機械に関する。そうした機械においては、モータの力は“相互磁気”ではないが、電気部分の導体における電気チャージが移動する際に、磁石部分によって発生する磁場の作用から生じる。また、発電機として駆動されるときには、部分の相対的運動が導体中に電流を流せしめることを理解されたい。
【００４０】
一方、“相互磁気”機械は、ループ状導体（又は同等な導体の束）で取り囲まれた領域が、磁石の磁極片と合致し、又は、粗い破片であるように構築され、対照的に、本発明の実施形態を形成する電磁機械においては、電気導体（又は基本的導体の束）の領域寸法自体は、磁石の磁極片と合致し、又は、その粗い破片である。
【００４１】
一方、“相互磁気”機械においては、コイルの正面領域は比較的小さく、対照的に、本発明の実施形態を形成する電磁機械においては、電気導体は大きな正面領域を有し、それらは磁石の磁極片の間の空気ギャップに直接配置され、又は、磁石の磁極片と高透磁性の磁気材料又は“裏当て鉄”との間の空気ギャップに配置される。本発明の実施形態を形成する電磁機械の導体においては、完全なループ又はコイルを形成することは必要ではない。
【００４２】
“相互磁気”機械の運用法は、本発明の電磁機械の運用法とは異なり、というのは、磁場の相互作用によって動作するように設計された機械は、電磁的に動作するように設計された機械とは区別されるためである。
【００４３】
本発明を具現する機械は、電気部分にワイヤコイルを必要とせず、従って、そうした機械は、“ワイヤレス”モータと称される。電流は、代わりに、二次元の電気導体を流れ、鉄の磁束導体中に浸されることなく、高い磁束密度の磁場の中に配置される。本願に開示される電気機械は、改善された効率から利益を得て、大きい力を発生させることができ、高い出力レベルにて動作できる。
【００４４】
導体は、前記磁場と、電気部分と磁石部分との相対運動の方向との両方に対して垂直に配置された横断導電経路である。
【００４５】
横断導電経路は、“Ｓ字”形状が繰り返される１又は複数の層状の電気導体の一部分を形成し、該又は各層状の電気導体はさらに、軸線導電経路を備え、電気部分と磁石部分との相対運動の方向に配置され、隣接する横断導電経路の端部は、軸線導電経路によって接続されている。
【００４６】
層状の電気導体は、絶縁されてパターン化された、金属板、帯、リボン、又はホイルから作られている。
【００４７】
複数の層状の電気導体は組み合わせられて、電気導体翼を形成している。
【００４８】
層状の電気導体は、複数のフェーズにおいて接続され、これを通して別々の電流が通過するように構成されており、電流の相対的な符号及び振幅が制御されて、機械により発生する電磁力の強度及び符号を決定する。
【００４９】
好ましくは、電気的に絶縁された導体は、コイルとして形成されない。磁場に配置される電気部分は、非磁気材料から作られている。
【００５０】
層状の電気導体は、三相に接続されている。
【００５１】
電気導体翼は、平面の機械的構造物であるか、又は、屈曲した機械的構造物であり、円形の機械的構造物も含まれる。
【００５２】
導体は、基板を有しておらず、自己支持されるのに充分な可撓堅さを有している。
【００５３】
磁場の極性は、磁石部分と電気部分との相対運動の軌跡に沿って、空間的に周期的になっている。
【００５４】
磁石部分における第１の部分は、第１の磁石アレイを備え、磁石は、永久的に磁化された材料から作られている。
【００５５】
磁石は、平面状の磁石であって、それらの平面上に反対の磁極を有し、これらは電気部分及び磁石部分の相対的運動の方向に面し、磁石アレイはさらに、磁石の平面に取り付けられた磁極片を備え、磁極片は、磁束を回転させるように形成され、磁石部分における第１の部分と第２の部分との間のギャップと交差している。
【００５６】
磁石部分における第２の部分は、磁気材料の板を備えている。
【００５７】
磁石部分における第２の部分は、第１の磁石アレイに類似した、第２の磁石アレイを備えている。磁石と磁極片とは、それぞれの磁石アレイにおいて、それぞれの磁石アレイにおける隣接する磁石の対向する平坦面が同一の極性を有し、異なるアレイにおける反対の磁石の整列された平坦面が反対極性を有するように構成されている。空間的に周期的な磁場は、機械の動作時に電流が流れる、ワイヤコイル又はパターン化された層状導体によって発生する。
【００５８】
空間的に周期的な磁場は、電気部分における導体の中の電流の一時的変動によって引き起こされる。
【００５９】
層状の電気導体は、規則的な空間的寸法を有し、この寸法は、磁気期間の長さの１／６とおよそ等しく、且つそれ未満であり、磁気期間の半分と等しい空間的期間において、力のベクトルの線を横断して電流が交互に行き来して流れるようにし、それぞれの相における導電経路は、空間的に周期的な磁場の領域において、他の２つの相と隣接するように配置されて、その他の箇所でそれらを重ね合わせる。
【００６０】
電気部分には、低い熱抵抗を有する１又は複数のキャップビームが取り付けられ、該又は各キャップビームは、電気部分内に発生した熱を放散させるための手段を備えている。電気部分内に発生した熱を放散させるための手段は、冷却流体が流れ得る、キャップビーム内の１又は複数の冷媒通路と、ヒートシンクと、熱放散器とを備えている。
【００６１】
磁石部分はアーマチュアを形成し、電気部分はステータを形成しているか、又は、磁石部分はステータを形成し、電気部分はアーマチュアを形成している。
【００６２】
アーマチュアは、１又は複数のベアリングによって、摺動可能に、又は、ピボット可能に、ステータに取り付けられている。
【００６３】
アーマチュアの力伝達要素は、ステータのベアリング組立体から出ており、又は、同組立体によって支持されている。
【００６４】
機械における少なくとも１つの端部は、アーマチュアを有すると共に、円筒形ベアリングを支持しており、これを通して、スラスト管又はロッドが延在し、これにより、アーマチュアに働く力が外部に伝達される。
【００６５】
アーマチュアは、ステータの外部にあり、アーマチュアは負荷に結合されている。
【００６６】
電気部分の電流は、複数の磁石部分と相互作用して、電気部分及び磁石部分の相対運動の軌跡と一致し又は同軌跡と平行な、少なくとも１つのベアリング又は軌道に沿って移動する。
【００６７】
電気部分は、電気部分及び磁石部分の相対運動の軌跡に沿った扇形に分割され、それぞれの扇形は、独立して電力供給され及び制御されて、電気部分の扇形を共有する複数の磁石部分に独立した制御を提供する。
【００６８】
内部アーマチュアに結合するために、延在したフィン又はロッドは存在しないが、負荷はステータに結合され、それにより、結合されていないアーマチュアの加速度に対応した、反応力の全部又は一部を受ける。
【００６９】
磁石部分及び電気部分の相対運動の軌跡は、直線部分及び屈曲部分の一方又は両方を備え、軌跡は、閉じた円形の経路を形成している。
【００７０】
アーマチュアは、少なくとも１つの円板又はホイールに機械的に結合され、これにより、アーマチュアに働く電磁力によって発生した回転トルクが軸に伝達され、軸の軸線は、ステータによって形成されたトーラスの中心軸線に一致している。
【００７１】
磁石部分及び電気部分の相対運動の軌跡は、螺旋など、三次元空間における滑らかな曲線を形成している。
【００７２】
アーマチュア組立体は、可撓性であるか、又は、関節式であり、三次元空間において滑らかな運動軌跡に追従する。
【００７３】
導体のうち少なくとも１つは、臨界温度よりも低温に冷却されたとき、超伝導になる材料の層を具備し又は支持している。
【００７４】
導体のうち少なくとも１つは、強磁性材料から製造されている。
【００７５】
本発明の第２の観点によって提供される電磁機械は、第１及び第２の磁石アレイであって、間隔を隔てた関係に配置され、磁石アレイの間のギャップを横切る複数の磁場を提供するように配置されている、上記磁石アレイと、磁石アレイの間のギャップに配置された電気導体翼であって、電気導体翼は、複数の密にパックされた自己支持作動導体と、複数の接続導体とを備え、それぞれの作動導体は、接続導体によってその端部の１つにて別の作動導体の端部に接続されており、電気導体翼は、作動導体中を電流が流れるとき、電磁力が誘導されて、磁石アレイに対して電気導体翼の運動を引き起こすように構成され、作動導体は、磁石アレイの間の見通し線に配置され、接続導体は、磁石アレイの間の見通し線の外部に配置されている、上記電気導体翼と、を備えていることを特徴とする。
【００７６】
本発明の第１の観点によって提供される回転電磁機械は、円筒形の電気導体翼であって、電気導体翼は、複数の実質的に軸線方向に平行な作動導体と、複数の接続導体とを備え、それぞれの作動導体は、接続導体によってその端部の１つにて別の作動導体の端部に接続されている、上記電気導体翼と、作動導体を通る複数の磁場を提供するように配置された複数の磁石アレイであって、作動導体中を電流が流れるとき、電磁力が誘導され、磁石アレイに対して電気導体翼にラジアル運動を引き起こすような、上記磁石アレイと、を備えていることを特徴とする。
【００７７】
磁石アレイは、円筒形導体翼の内側に配置された内側円筒形磁石アレイと、円筒形導体翼の外側に配置された外側円筒形磁石アレイとを備えている。
【００７８】
本発明のさらに別の観点によって提供される回転電磁機械は、環状の電気導体翼であって、電気導体翼は、複数の実質的に半径方向の作動導体と、複数の接続導体とを備え、それぞれの作動導体は、接続導体によってその端部の１つにて別の作動導体の端部に接続されている、上記電気導体翼と、作動導体を通る複数の磁場を提供するように配置された複数の磁石アレイであって、作動導体中を電流が流れるとき、電磁力が誘導され、磁石アレイに対して電気導体翼に回転を引き起こすような、上記磁石アレイと、を備えていることを特徴とする。
【００７９】
本発明のさらに別の観点によって提供される回転電磁機械は、共通の軸線を有する複数の環状の電気導体翼であって、それぞれの電気導体翼は、複数の実質的に半径方向の作動導体と、複数の接続導体とを備え、それぞれの作動導体は、接続導体によってその端部の１つにて別の作動導体の端部に接続されている、上記電気導体翼と、作動導体を通る複数の磁場を提供するように配置された複数の磁石アレイであって、作動導体中を電流が流れるとき、電磁力が誘導され、磁石アレイに対して電気導体翼に回転を引き起こすような、上記磁石アレイと、を備えていることを特徴とする。
【００８０】
環状の電気導体翼のうち少なくとも１つは、関連する磁石アレイを、少なくとも１つの隣接する環状の電気導体翼と同じように有している。
【００８１】
本発明のさらに別の実施形態によって提供される直動電磁機械は、複数の電気導体翼であって、それぞれの電気導体翼は、複数の作動導体と、複数の接続導体とを備え、それぞれの作動導体は、接続導体によってその端部の１つにて別の作動導体の端部に接続されており、導体翼は互いに平行に配置されている、上記電気導体翼と、作動導体を通る複数の磁場を提供するように配置された複数の磁石アレイであって、作動導体中を電流が流れるとき、電磁力が誘導され、磁石アレイに対して電気導体翼に運動を引き起こすような、上記磁石アレイと、を備えていることを特徴とする。
【００８２】
本発明のさらに別の観点によって提供される直動電磁機械は、複数の電気導体翼であって、それぞれの電気導体翼は、複数の作動導体と、複数の接続導体とを備え、それぞれの作動導体は、接続導体によってその端部の１つにて別の作動導体の端部に接続されており、導体翼は軸のまわりに半径方向に配置されている、上記電気導体翼と、作動導体を通る複数の磁場を提供するように配置された複数の磁石アレイであって、作動導体中を電流が流れるとき、電磁力が誘導され、磁石アレイに対して電気導体翼に運動を引き起こすような、上記磁石アレイと、を備えていることを特徴とする。
【００８３】
電気導体翼のうち少なくとも１つは、関連する磁石アレイを、少なくとも１つの隣接する電気導体翼と同じように有している。
【００８４】
それぞれの磁石アレイは、偶数の磁石から構成されている。
【００８５】
機械は、円筒形の容器の内部に構成されている。収容シリンダの少なくとも１つの端部は開口部を有し、ベアリングを支持しており、これを通してスラスト管又はロッドが出て、誘導された電磁力を外部負荷に伝える。
【００８６】
収容シリンダを具備する体積は気密封止され、突き出るスラストロッド又は管は、摺動シールを通り抜けるように構成されて、アーマチュアは電気的及び空気圧的機能の両方を有している。
【００８７】
スラストロッド又は管は、ガス式バネの能動要素を形成している。
【００８８】
該又は各電気導体翼は、機械の動きの軌跡に沿って、電気的に絶縁された扇形に分割されている。
【００８９】
アーマチュアに働くインパルス状の電磁力は、ステータが受ける等しくて反対の反力を介して、負荷に伝達される。
【００９０】
アーマチュアの運動は、閉じたステータの内部の流体を推進し又は同流体によって推進され、ポンプとして機能し、又は、動く流体からエネルギーを吸収するように機能する。
【００９１】
本発明のさらに別の観点によって提供される電磁機械は、第１の部分と第１の部分に対して間隔を隔てて配置された第２の部分とを備えた磁石部分であって、磁石部分は、第１の部分と第２の部分との間のギャップを横切って、複数の磁場を提供するように配置されている、上記磁石部分と、磁石部分における第１の部分と第２の部分との間のギャップに配置され、磁石部分に対して可動なように構成された電気部分であって、電気部分は、一組の電気的に絶縁された自己支持の導体からなり、一組の導体中を電流が流れるとき、得られた電磁力が、２つの部分の間において、相対的な動きを生じさせる、上記電気部分と、を備えていることを特徴とする。
【００９２】
本発明のさらに別の観点によって提供される電磁機械のための電気導体翼は、電気導体翼に磁場を提供する磁石部分を有し、電気導体翼中を電気が流れるとき、電磁力が誘導され、磁石部分に対して電気導体翼に運動を引き起こし、電気導体翼が、複数の作動導体と、複数の接続導体であって、それぞれの作動導体は、接続導体によってその端部の１つにて別の作動導体の端部に接続され、作動導体中に電流が流れるとき、電磁力が誘導される、上記接続導体と、を備え、作動導体における中央部分は密にパックされ、いくつかの作動導体における端部部分は、接続導体の領域において屈曲され、接続導体はオーバーレイされる、ことを特徴とする。
【００９３】
以下、本発明について、添付図面を参照して、例示的に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明の第１の実施形態を形成する電磁機械としての基本的な直動アクチュータを模式的に示した断面図である。
【図２】図１の線II−IIに沿って、図１の電磁機械を示した模式的な断面図である。
【図３】図２の一部分を示した拡大図である。
【図４Ａ】図１乃至図３の電磁機械における電気導体翼の部分を形成する、層状の電気導体を模式的に示した平面図である。
【図４Ｂ】図４Ａの層状の電気導体を形成する方法を示した、簡易化された図である。
【図５】図４Ａの層状の電気導体を模式的に示した図である。
【図６】図５の２つの層状の電気導体を接合して形成された相導体を模式的に示した図である。
【図７】図１乃至図３の電気導体翼を模式的に示した平面図である。
【図８】図７の電気導体翼を示した端面図である。
【図９】図８の電気導体翼を示した分解図である。
【図１０】電気導体翼を正確にキャップビームに取り付ける方法を示した模式図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態を模式的に示した図である。
【図１２】本発明のさらに別の実施形態を形成する、回転機械の模式的な断面図である。
【図１３】本発明のさらに別の実施形態を形成する、代替的な構成の回転機械を示した図である。
【図１４Ａ】本発明のさらに別の実施形態を形成する、直動機械を模式的に示した断面図である。
【図１４Ｂ】本発明のさらに別の実施形態を形成する、直動機械を模式的に示した断面図である。
【図１５】本発明のさらに別の実施形態を形成する、回転機械を模式的に示した断面図である。
【図１６】本発明のさらに別の実施形態を形成する、直動機械を模式的に示した図である。
【図１７】本発明のさらに別の実施形態を形成する、電磁機械の一部を形成するアーマチュア又は磁石組立体を示した図である。
【図１８】本発明のさらに別の実施形態を形成する、電磁機械を示した一部破断斜視図である。
【図１９】本発明のさらに別の実施形態を形成する、図１乃至図１０の基本的な機械について、代替的な形態を模式的に示した図である。
【図２０】図１９の線ＸＸ−ＸＸを通る断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００９５】
図１は、本発明の第１の実施形態を形成する、電磁機械としての基本的な直動アクチュータ１を模式的に示した断面図であって、図３の線I−Iに沿って断面は破断されている。
【００９６】
アクチュータ１は、磁石部分を備え、磁石部分は、２つの相反する磁石アレイ３を備え、磁石部分の第１の部分と第２の部分とをそれぞれ形成している。磁石アレイ３は、ハウジング５内に取り付けられ、電気導体翼７を備えた電気部分は、磁石アレイ３の間にて、ハウジング５の内部を図１の紙面を出入りする軸線方向に動くように配置されている。この実施形態においては、磁石アレイ３はステータとして働き、電気導体翼７はアーマチュアとして働くが、別の実施形態においては、磁石アレイ３がアーマチュアとして働き、電気導体翼７がステータとして働くこともできる。ハウジング５は、非磁性材料から作られており、一対の側部板９から構成され、それらの上端及び下端は頂部及び底部板１１にそれぞれ取り付けられ、図１に示すように、端部から見たとき、矩形のフレームを形成している。
【００９７】
電気導体翼７は、三相翼の導体翼であって、３組の８ａ，８ｂ，８ｃの相導体を備えており、電気導体翼７の構造は、図４乃至図１０を参照してさらに詳しく後述する（それぞれの組８ａ，８ｂ，８ｃの相導体は、図１乃至図３においては、明瞭化のために、単一のブロックとして示されている。）。
【００９８】
それぞれの磁石アレイ３は、それに関連する側部板９の内壁１０に取り付けられ、１つの磁石アレイ３は、他の磁石アレイ３に対して間隔を隔てており、電気導体翼７は磁石アレイ３の間のギャップに配置されている。磁石アレイは、電気導体翼７に近接して配置され、３つの部分の間の空気ギャップを最小化して、当業者に知られているように、磁石アレイ３と電気導体翼７との間の磁束伝達を最適化する。
【００９９】
電気導体翼７における上方部分１３と下方部分１５とは、電気導体翼７の長さ（図１の紙面を出入りする方向）に沿って延在する、キャップビーム１７にそれぞれ保持されている。キャップビーム１７は、ベアリング１９によって、頂部及び底部板１１に摺動可能に取り付けられ、電気導体翼７が、磁石アレイ３に接触せずに、ハウジング５に沿って、基本的な直動アクチュータ１における磁石部分に対して移動できるようにしている。
【０１００】
図２及び図３は、図１の線II−IIに沿った、図１の基本的な直動アクチュータ１を模式的に示した断面図であって、図３は、アクチュータ１の部分を、図２に比べて詳細に示している。磁石アレイ３は、複数の“磁力ユニット”２５から構成され、それぞれの磁力ユニット２５は、一対の形成磁極片２３の間にサンドイッチされた磁石２１を備えている。磁石２１は、平坦な磁石であって、それらの平坦面に反対の磁極を有し、形成磁極片２３は、磁石２１の平坦面２７に取り付けられている。
【０１０１】
それぞれの磁石２１の（軸線方向において、電気導体翼７の長さに沿った）厚みｔmは、それぞれの磁極片２３の厚みｔppと実質的に同一であり、これは、相導体の組８ａ，８ｂ，８ｃの厚みに対応し、これについては、横断導電経路の幅ｗcpを参照して、以下に説明する。形成磁極片２３は、上から見たとき直角の台形形状を有し、垂直面２４ａは、ハウジング５の側部板９の遠位側に配置され、隣接する最も長い面２４ｂは、磁石２１の平坦面２７に当接している。この実施形態においては、磁石２１は、永久的に磁化された材料から作られるが、別の実施形態においては電磁石を使用することもできる。
【０１０２】
磁石２１と磁極片２３とは、それぞれの磁石アレイ３に配置され、隣接する磁石２１における対向する平坦面２７は、同一の極性を有しており、すなわち、磁石２１の平坦面２７上のＮ極は、隣接する磁石２１の平坦面２７上のＮ極に対面している。一対の磁石アレイ３は、電気導体翼７のそれぞれの側において、ハウジング５の側部板９に配置され、対向する磁石２１の整列された平坦面２７は、反対の極性を有しており、すなわち、磁石アレイ３の磁石２１における平坦面２７のＮ極は、別の磁石アレイ３における対向する磁石２１の整列された平坦面２７のＳ極に対して整列されている。
【０１０３】
この構成による磁石２１と、電気導体翼７の両側の形成磁極片２３との効果は、図３の磁束線に示すように、磁石の平坦面２７から垂直に出る磁束を直角に回転させ、磁極片２３が、磁束を収束させて、電気導体翼７と交差させ、反対の磁極片２３に入り、さらに直角に回転して、別の磁石アレイ３における反対の磁石２１の平坦面２７に入るようにする。
【０１０４】
磁極片２３と対向する磁石２１の磁極片とを介する、それぞれの磁石２１からの磁束の結合は、対向する一対の磁極片２３の間に磁場を作り、磁場は、電気導体翼７を垂直に通るように、磁石アレイ３の間のギャップを横切って通過する。図３の磁束線に示すように、対向する磁極片２３の隣接する対の間の磁場、すなわち、一方の磁石アレイ３の磁極片２３と、他方の磁石アレイ３の対向する磁極片２３との間の第１の磁場と、第１の磁石アレイ３の当接する磁極片２３と、他方の磁石アレイの対向する磁極片との間の第２の磁場とは、同一の方向を向いている。しかしながら、他方の側の磁石２１の対向する対をなす磁極片２３の間における磁場の方向は、反対方向であり、これらの交互の磁場は、磁石部分の軸線長さに沿って続いている。この構成の磁石２１と磁極片２３とは、磁石アレイ３の間に、強力な軸線方向の周期的な磁場を生成する。
【０１０５】
磁極片２３は、鉄又はその他の都合の良い高透磁性材料から作られており、このように磁極片２３を形成することで、側部板９を通る外側への磁束漏れを強力に抑制する。
【０１０６】
磁石アレイ３が固定された側部板９の間に働く、大きな静磁力のために、頂部及び底部の板１１は、側部板９の間にて、正確な間隔を維持する必要がある。電気導体翼７には磁気材料が存在しないので、磁石アレイ３のいずれかに向けて電気導体７を引き付ける静磁力は存在しない。従って、ベアリング１９には、軽い荷重が加えられる。
【０１０７】
磁極片２３のそれぞれの傾斜面２４ｃと、側部板９の内面１０との間に設けられる領域２９は、空気、誘電体、又は、アルミニウムなどの非磁性材料による低透磁性領域である。
【０１０８】
次に、図４乃至図１０を参照して、電気導体翼７の構造について説明する。
【０１０９】
図４Ａは、図１乃至図３の電気導体翼７の一部分を形成する、層状の電気導体３３を模式的に示した平面図である。層状の電気導体３３は、複数の軸線導電経路３７と、軸線導電経路３７に対して直角をなしている、複数の平行な横断導電経路３５とから構成されており、隣接する横断導電経路３５は、それらの端部が軸線導電経路３７によって結合され、層状の電気導体３３は、“Ｓ字”形状のパターンの繰り返しになっている。軸線導電経路３７は、磁石アレイ３を通る電気導体翼７の相対運動の方向に配置され、横断導電経路３５は、図１に示すように、電気導体翼７における上方部分１３及び下方部分１５の間に延びている。
【０１１０】
横断導電経路３５の幅ｗtcpは、磁極片２３の厚みｔpp（及び、磁石２１の厚みｔm）のオーダーであり、電気導体翼７は、磁石アレイを通して移動し、次に、横断導電経路３５が対向する磁極片２３の間にあるとき、対向する磁極片２３の間を通過する磁場は、横断導電経路３５の導体を通り抜ける。従って、横断導電経路３５の幅ｗtcpを、磁極片２３の厚みｔppとマッチングさせれば、磁気システムの効率が最大化する。横断導電経路３５の幅ｗtcpは、隣接する横断導電経路３５の間のギャップ３９の幅ｗgの半分のオーダーであり、３つの層状の電気導体３３は、後述するように、隣接する横断導電経路３５の間の最小空間にてはさみ込まれる。
【０１１１】
層状の電気導体３３は、電気絶縁体でコーティングされ、１つの導体３３から隣接する導体３３に電流が通るのを防止する。軸線導電経路３７の幅ｗacpは、使用時に、横断導電経路３５の間の接続導体として働き、好都合には、横断導電経路３５の幅ｗtcpに比べて大きくなっていて、軸線導電経路３７の抵抗を減らして、機械の効率を改善する。層状の電気導体３３は、金属板、帯、リボン、又はホイルから作られる。
【０１１２】
図４Ｂは、図４Ａの層状の電気導体３３を形成する方法を示した簡略図である。一般に、例えば、アルミニウムなどの導体の矩形板４３に、矩形の開口部４１が形成される。隣接する開口部４１は、互いに横方向にオフセットしており、交互の開口部４１は整列されて、２つのオフセットした開口部４１の列を形成している。いったん、板４３に開口部４１が例えば穿孔によって形成されると、板４３は、開口部４１の端部を通る線４５に沿って切断され、上述した層状の電気導体３３における繰り返しの“Ｓ字”形状のパターンを形成する。層がアルミニウムから作られるならば、必要な表面の電気絶縁は、硬質の陽極処理によって形成すると都合が良い。
【０１１３】
図５は、図４Ａに示した種類の２つの同一の層状の電気導体３３を示した模式図であって、一方は、他方に対して反転している。接続タグ４５は、層状の電気導体３３のそれぞれの端部に形成されている。図５に示した２つの層状の電気導体３３は、１つが他方の上部に正確に配置され、互いに接合されて、図６に示すような、相導体４７を形成し、相導体は、図１乃至図３の電気導体翼７の一部を形成している。
【０１１４】
横断導電経路４９の接続タグ４５の遠位側における層状の電気導体３３の端部は、互いに溶接され、高品質の電気接続を形成している。ここで、２つの接続タグ４５の間には、連続的な電気経路が存在し、それにより、直列接続された層に沿って電流が流れ、整列された横断導電経路３５のそれぞれの対を通して同一方向に常に通過することを理解されたい。また、層状の電気導体３３は機械的に脆弱であるけれども、２つの層状の電気導体３３が互いに接合されて相導体４７を形成したとき、及び、複数の相導体４７が互いに接合されて後述する電気導体翼７を形成したとき、電気導体翼７は堅固な自己支持構造となることに留意されたい。交互の導体層を反転される技術は、多くの層の使用に拡張され、任意の所望の性能仕様を達成できることを理解されたい。
【０１１５】
図７は、図１乃至図３の電気導体翼７を示した模式的な平面図である。電気導体翼７は、図６に示すように、相導体４７の３組８ａ，８ｂ，８ｃをはさみ込んで形成され、それぞれの組８ａ，８ｂ，８ｃは、２つの相導体４７を備えている。相導体４７におけるそれぞれの組８ａ，８ｂ，８ｃは、１つの相を受け持ち、磁石アレイ３の磁石２１によって発生する高密度磁場の中にある横断導電経路３５のスラスト発生作動導体は、中央領域にて互いに組み合わせられ、一方、電気導体翼７における軸線導電経路３７は、電気導体翼７の上方部分１１及び下方部分１３にて互いに重ね合わされ、電流経路は、軸線方向にあることが理解されよう。従って、層状の電気導体３３の軸線導電経路３７は、従来のモータの端部巻線と対応している。作動導体を形成する横断導体経路３７は、導体間の最小の空気ギャップにてしっかりとパックされ、それにより、磁石アレイ３によって発生した磁場に配置されたとき、電気導体翼７への磁束伝達を最大化する。
【０１１６】
図８は、図７の矢印VIIIの方向から見た電気導体翼７を示した端面図であり、相導体４７のはさみ込まれた組８ａ，８ｂ，８ｃを示している。電気導体翼７における中央の相導体４７の組８ａは、実質的に平坦になっている。相導体４７の組８ａ，８ｂ，８ｃは、電気導体翼７における上方部分１３と下方部分１５にて重なり合っているので、軸線導電翼３７の領域において、相導体４７における第２の組８ｂと第３の組８ｃとの端部部分４９は外方へ屈曲されており、横断導電経路３５の中央部分が組み合わせられて、（図３に示すように）同一の平面に配置され、それぞれの相導体４７の軸線導電経路３７は、１つが他方の上に配置される。
【０１１７】
図９は、図８の電気導体翼７を示した分解図であって、分離された相導体４７の組８ａ，８ｂ，８ｃを示しており、これらがはさみ込まれて互いに接合され、正確に定められた寸法の強力な磁気構造を形成する。図８及び図９の電気導体翼７におけるそれぞれの相導体４７の組８ａ，８ｂ，８ｃは、４つの層状の電気導体３３、すなわち、２対の相導体４７から構成されている。本発明は、この数の層状の電気導体３３に限定されず、モータ設計の所望の仕様に応じて、電気導体翼７を形成するために、１又は複数の層状の電気導体３３を使用できることを当業者は理解するだろう。複数の接合された層状の電気導体３３を使用すると、相導体４７の可撓堅さは高まり、その結果、得られる電気導体翼７の可撓堅さも高まる。
【０１１８】
図１０は、電気導体翼７における上方部分１３と下方部分１５とをキャップビーム１７に正確に取り付ける方法を模式的に示している。キャップビーム１７は、翼７によって発生した電磁力をモータの本体に又は負荷に伝達するための手段である。キャップビーム１７は、電気導体翼７に余分な長手方向剛性を提供し、それらは、電気導体翼７の本体内で発生した熱を、端部巻線の板から伝導放熱させる手段である。冷媒通路５１は、キャップビーム１７に設けられ、電気導体翼７に発生した熱を電気導体翼７から運ぶための１つの手段である。他の実施形態においては、電気導体翼７は、単一のキャップビーム１７に配置される。
【０１１９】
使用に際しては、ブラシレス三相モータのための標準的な産業用電気駆動ユニットによる制御の下で、基本的な直動アクチュータ１の相導体４７の個々の組８ａ，８ｂ，８ｃに電流が供給される。層状の電気導体３３を通って、特に、磁石アレイ３３の間のギャップを横切る磁場に交差している、横断導電経路３５における電気的に絶縁された導体を通って、電流が流れるとき、電磁力が誘導され、磁石アレイ３に対して電気導体翼７の動きを引き起こす。電流が通り抜けると、特に、横断導電経路３５は電磁力を誘導し、横断導電経路３５は作動導体であると考えられる。対向する磁極片２３の間の磁場内にある、横断導電経路３５のグループにおける密にパックされた電気的に絶縁された導体の組は、第１及び第２の磁石アレイ３の間のギャップを実質的に充填し、これを通して、前記磁場は通過して、最適な効率の磁気伝達システムを提供する。
【０１２０】
導体翼７と磁石アレイ３との間に存在する空気ギャップは、導体翼７と磁石アレイ３との間の相対運動を許容し、１つの部分が他の部分に接触することがなく、電気的に絶縁された導体は、導体翼７と磁石アレイ３との間のギャップを、必要な空気ギャップが存在する程度に実質的に充填することを当業者は理解するだろう。また、ギャップを充填する電気導体は、導体の体積に関して、導体間の電流漏れを防止するために必要な、電気絶縁体を含んでいることを理解されたい。
【０１２１】
電気導体翼７の位置、及び、ステータの個々の磁力ユニット２５との関係については、位置トランスデューサ（図示せず）によって測定される。
【０１２２】
この実施形態において、磁石アレイ３は、ステータとして働くものとして説明され、電気導体翼７は、アーマチュアとして働くものとして説明された。しかしながら、当業者が理解するように、電気導体翼７を固定して、“ステータ”として働かせ、磁石アレイ３及び関連するハウジング５が動いて、“アーマチュア”として働くこともできる。
【０１２３】
電気導体翼７の長さについては、固有の制限は存在せず、都合に応じて、電気的に区別された部分に分割でき、いつでも、磁力ユニット２５に隣接した電気導体翼７の部分だけに電力を供給できる。電気導体翼７の中心線は、直線状である必要はないが、電気導体翼７と、対向する磁力ユニット２５との間に形成される経路とは、屈曲しており、アーマチュアとステータとの間の相対運動の軌跡は、アーマチュアがステータにどこでも衝突することがない滑らかな曲線に追従させてもよい。そうした基本的な機械において特に独特なことは、それ自体とアーマチュアとの間の適切なクリアランスを条件として、ワイヤレスのステータ翼の中心線が三次元の滑らかな経路を追従することである。さらに、ステータの平面（及び、従って、アーマチュアの平面）は、それが進むとき、それ自体の軸線のまわりにて、滑らかに回転するように配置される。アーマチュアがステータの屈曲経路を追従できる能力を高めるためには、アーマチュアに、関節又は可撓性材料を組み込む必要があることを理解されたい。
【０１２４】
上述した基本的な機械を用いて、様々なトポロジーを有するワイヤレス電気機械を構成する方法を以下に説明する。以下の図面においては、限定でない例示として、我々は、ブラシレス三相永久磁石の構成に注目することを選択した。それにもかかわらず、同一の原理を適用して、他の構成のワイヤレス電気機械を設計することも可能である。
【０１２５】
図１１は、本発明のさらに別の実施形態を示した模式図であって、図１乃至図１０に示したアクチュータと同様な形態である、複数の基本的な直動アクチュータ１ａを、軌道に使用して、例えば、製造施設における処理センターを取り囲む軌道のループを形成する。この実施形態においては、アーマチュアは、磁力ユニット２５と、関連するハウジング５とを備え、これらは、電気導体翼７ａ〜ｆからなるステータに沿って動くように配置されている。それぞれのアーマチュアは、トラックの扇形／電気導体翼７〜ｆにおいて独立して制御され、アーマチュアは、衝突を防止する限界内にて、同一のステータに沿って行き来して移動する。この構成においては、それぞれの軌道部分７ａ〜ｆは、それ自体の電気駆動部（図示せず）を有しており、それぞれのアーマチュア５，２５は、それ自体の位置トランスデューサ（図示せず）を有し、トランスデューサは、その時点でのアーマチュアの位置に適した電気駆動部と通信する。同一の制御原理は、例えば、同一のレールシステム上を走行する複数の頭上クレーンに、又は、同一の軸上を移動する複数のエレベータの車に適用されることを理解されたい。
【０１２６】
図１２は、本発明のさらに別の実施形態による回転機械６１を模式的に示した断面図である。高トルクの回転機械６１は、図１乃至図１０に示したタイプの基本的なアクチュータ１ｃを配置することで形成されており、電気導体翼７は、円形の経路に追従し、磁石と、関連する磁極片とを磁力ユニット２５の二重リングに構成された磁石アレイ３の長さを延ばして、円筒形の電気導体翼７を内周及び外周において取り囲む。この原理を変更せずに、ステータを磁石部分とし、アーマチュアを電気部分としてもよいことを理解されたい。この図面において、同じ符号は、前述した図面と同一のモータの部分を参照している。電気導体翼７は、円筒形の形状に形成された組をなす相導体４７を備え。横断電気導体３５は、相対回転の軸線に対して実質的に平行に配置されている。円筒形の電気導体翼７は、モータ６１の下方部分６５に取り付けられ、磁石アレイ３は、円形に形成され、円筒形の板６３を介して、モータ６１の上方部分６７に取り付けられており、これは、ベアリング１９及びシールユニット６９によって、下方部分６５に対して回転する。
【０１２７】
図１３は、本発明のさらに別の実施形態としての回転機械７１の代替的な構成を示しており、図１乃至図１０に示したタイプの基本的な電磁アクチュータ１ｄを備えている。この構成においては、電気導体翼７は環状の形状を有し、環状の層状の電気導体３３から組み立てられ、横断導電経路３５は実質的に半径方向に配置されている。ここでも再び、相補的な形態の機械が存在することが可能であり、磁石部分を形成する磁石アレイ３が固定され、電気部分を形成する電気導体翼７が回転する。この図面において、電気導体翼７は、その力（トルク）をアーマチュア軸組立体７３に伝達し、一方、磁石アレイ３は、ハウジング５に取り付けられる。
【０１２８】
上述した構成は、一見すると印刷円形モータと同様に見えるけれども、留意されたいことは、アーマチュアの層状の電気導体３３が、
【０１２９】
１．  印刷されておらず、完全に自己支持であり、なんら基板が無く、それにより、重量の減少と、その結果、慣性の減少、及び、コストの減少から利益が得られる。
【０１３０】
２．  電気導体は、コイルとして構成されていない導体であって、磁極片２３と合致する表面積を有している。
【０１３１】
３．  電気導体は、横断導電経路３５を備え、これは、磁場領域と組み合わせられ、軸線導電経路３７は、他の場所でオーバーレイしている。
【０１３２】
４．  電気導体は、従来の印刷回路のモータにおける導体に比べて、はるかに大きな電流を流すように設計されている。
【０１３３】
５．  電気導体は、印刷回路モータに一般的に採用されているのに比べて、高い密度磁束中を移動する。
【０１３４】
６．  電気導体は、ＤＣ機械ではなく、三相サーボモータの導体に類似している。
【０１３５】
従って、図１３に示した構成は、従来技術の印刷回路モータの自明な変形ではなく、それらから導き出せるものでもないことを理解されたい。
【０１３６】
次に、我々は、電磁力（スラスト又はトルク）を非凡に大きくするときに必要な、基本的なワイヤレス電磁モータの特別な利点について考察するので、その区別はより明瞭になる。
【０１３７】
本発明の実施形態を形成する任意の電磁機械におけるスラストは、より大きな電気導体翼７と、より大きな平坦磁石２１を使用することによって高められる。しかしながら、サイズの増加は、すぐに、早期の円筒形直動アクチュータに関連して前述したのと同じ、磁石サイズの限界に遭遇することになる。ネオジム鉄硼素の磁石であって、約０．０１５平方メートル（１５０mm×１００mm）を越える面積を有するものを製造し磁化させることは極めて困難である。
【０１３８】
しかしながら、図１乃至図１０に示したタイプの本発明の実施形態を形成する基本的なワイヤレス直動アクチュータは、横断面が幅狭であるので、小さい空間に、多数のモータ要素を互いに密に積み重ねることが可能である。それにより、以下に説明するように、さらに利点が得られる。
【０１３９】
図１４Ａは、多数の基本的な電磁モータ要素１ｅを示した模式的な断面図であり、それぞれの構造は、図１乃至図１０に示した構造と類似しているけれども、ここでは、互いに平行に緊密に積み重ねられており、直動モータ８３を形成している。電気導体翼７を一緒に機械的及び電気的に結合して、同一の電気ユニットから駆動することも可能であることを理解されたい。また、アーマチュアも結合させて、任意の１つの機械１ｅによって発生するスラストを、一緒に動作する機械の数で乗算してもよいことを理解されたい。
【０１４０】
図１４Ｂは、図１４Ａの連結構造の簡易化と、より便利で経済的な閉じたパッキングを有する直動モータ７８とを可能にする方法を示している。磁力ユニット２５は、電気導体翼７の両側において、電気導体翼７に共通するように作られていることに留意されたい。従って、隣接する磁力ユニット２５の間には、強力な電磁力を存在するけれども、この構成においては、これらの力は一般的に等しくて反対向きである。かかる理由から、図１４Ａに示した中間的な骨組みを省略でき、磁力ユニット２５は頑丈な支持体７５だけによって保持される。すべての電気導体翼７は、共通のフレーム７７に正確に取り付けられ、フレームにはベアリング１９が取り付けられて、磁力ユニット２５の骨組みに対して動くことができる。また、翼７が通過するスロットを閉じる電磁力の危険無しに、電気導体翼７を磁石部分から離すことも可能になる。側部板９の端部だけが、静磁力の不均衡を受け、従って、それらは頑丈な構造でなければならない。
【０１４１】
図１５は、本発明のさらに別の実施形態としての非常に高トルクの回転モータ７９を模式的に示した断面図であって、上述したワイヤレスモータ要素を連結する原理が、図１３の回転モータ７１に適用されたものである。図１３に示したタイプの複数のモータを結合して、同一の軸８１を駆動し、中間的構造は、図１４の基本的な直動モータと同様に、簡略化されている。
【０１４２】
この例においては、電気導体翼７は、穿孔された円板の形態を呈しており、矩形の層について前述した方法で、組み合わせられて、自己支持構造を形成するように接合される。環状の電気導体翼は、ベアリング１９を通る中心軸に埋められ、キー付けされる。また、磁石アレイ３は、リングの形態であり、位置決めリング５７によってハウジング５に固定されている。
【０１４３】
この例示においては、４つだけの積み重ねられた回転モータ要素１ｆを示しているけれども、非常に高トルクの回転機械を作るために採用される回転要素１ｆの数に、固有の制限は存在しないことを理解されたい。
【０１４４】
また、図１５に示したモータは、可動導体機械であり、低いロータの慣性と、高いロータのトルクとの利点を有していることを理解されたい。それにもかかわらず、いくつかの用途においては、電気システムがステータであり、磁石システムがロータである、同等な機械を作ることも有利である。
【０１４５】
磁力ユニット２５の間の静磁力は、中央領域においては均衡しており、著しい不均衡な静磁力は、側部板９と、隣接する位置決めリング５７との間だけにしか存在しない。
【０１４６】
図１６は、本発明のさらに別の実施形態としての直動モータ８７を模式的に示している。この直動モータ８７の場合には、先のパラグラフにて参照した端部力は、完全に解消され、静磁力は、システム全体にわたって均衡する。これを達成するためには、基本的な電磁機械１ｇを閉じて、円形又は多角形のアレイを形成させる。機械は、偶数の基本的な電磁機械１ｇが配置され、複数の対向する磁石の極性は反対になっている。そうした手段によって、任意の個々のモータ要素のスラストより大きな強度のオーダーを越えるスラストを有する、小型で高度に効率的な直動アクチュータ８７を作ることが可能になる。
【０１４７】
例として、図１６は、３２個の要素の円形アレイを示しており、要素は、図１乃至図１０を参照して説明したものと同様な形態になっている。電気導体翼７は、外側ハウジング５に固定され、磁力ユニット２５と交互になっており、これは、アーマチュアのスラスト管８９に固定されている。電気導体翼７における放射状に配置された横断導電経路３５を流れる電流は、磁石アレイ３に（及び、従って、スラスト管に）、図面の平面を出入りする電磁力を受けさせる。
【０１４８】
図１７は、本発明のさらに別の実施形態としての電気機械の一部分を形成する、アーマチュア又は磁石組立体９１を示した図である。電気導体翼７は、アーマチュアのまわりのスロット９３内に配置され、磁場の方向は、アーマチュアの交互のスロットにおいて逆向きであり、すべての機械的力は均衡することを理解されたい。
【０１４９】
磁石のアーマチュアは大きいけれども、小さな磁石と磁極片とから組み立てられており、それらは、一度に１つずつ据え付けられ、円形に配置され、それぞれは隣接物を横方向に強力に引き付け、また、（はるかに弱く）隣接物を垂直に退ける。磁石のアーマチュアは、一連のタイルとして磁力ユニットを横並びに配置することで、ジグに組み立てられる。１つの円形層が完成したとき、次の層を上に組み立てられ、１つの磁力ユニットが一度に組み立てられる。従って、この設計は、従来の円筒形の電磁アクチュータの主たるスケールリミットを克服し、大規模で強力なアーマチュアが安全に組み立てられるようにする。
【０１５０】
図１８は、本発明のさらに別の実施形態としての電気機械９５を示した一部破断斜視図であって、図示の如く、電気導体翼７は、キャップビーム１７を介してハウジング５に取り付けられ、周期的な磁石アレイ３におけるスロットを通り抜けている。
【０１５１】
図１９は、図１乃至図１０の基本的な機械の代替的な形態を模式的に示した図であって、対をなす磁力ユニット２５における空間的に周期的な磁石アレイ３は、磁石部分の第１の部分を形成している単一の空間的に周期的なアレイ３ａによって置換され、空気ギャップの反対側にある磁石材料の板５９と対面し、磁石部分の第２の部分を形成している。この実施形態において、板が作られる磁気材料は鉄であり、その他の磁気材料を使用することもできる。第２の部分の磁気材料は、誘導されて、相補的な磁極をもつ空間的に周期的なアレイを形成し、導体は横断する空間的に周期的な磁場に配置され続けることを理解されたい。構造の形態はより簡略であるが、同一のサイズの磁石について空気ギャップは半分の幅であるので、モータ９７は強力ではなく、磁力対重量の比は減少する。それにもかかわらず、この構造は、いつくかの用途には有利である。図１９に示したタイプの基本的なモータは、上述した任意の連結モータシステムにおいて、性能は結果的に減少はするけれども、図１乃至図１０の基本的なモータに置換して使用することができる。
【０１５２】
図２０は、図１９の線ＸＸ−ＸＸを通る断面図であって、代替的な設計を簡単に模式的に示しており、図３と同等な図で、その構成要素には同一の参照符号を付している。鉄板５９は、一対の軸線方向に周期的な磁石アレイ３の１つに置換され、相補的な極性の磁極が誘導される。
【０１５３】
当業者には、様々な変形例が明らかであり、そうしたすべての変形例は、特許請求の範囲の範囲内に包含される。
【０１５４】
本発明の原理を拡張することで、磁石部分の第１の部分と第２の部分との間のギャップを横切る空間的に周期的な磁場を生成するために、異なる構成の磁石を使用し、前述したように、電磁石を永久磁石に代えて使用した機械も含まれることを理解されたい。
【０１５５】
また、永久磁石のアレイを、パターン化された導体の層の受動構造によって置換した、誘導機械を含むように拡張される。そうした誘導機械においては、移動する磁場が、電力を供給される導体において、相を交互に変える電流によって発生され、渦巻電流が受動的な導体アレイを流れるように計画的に配置される。誘導された電流と、制御された交流電流との相互作用が、軸線力を発生させる。得られる軸線力は、永久磁石を用いた、又は、電磁石によって発生する磁場を用いた機械によって発生する力に比べて小さいけれども、誘導機械は、コストが安価で、重量も軽く、いくつかの状況においてはかなりの利点を提供する。
【０１５６】
本発明の原理を拡張することで、図１４と同等な方法で平行な力ベクトルを有し、任意の代替的な設計によるワイヤレス直動機械の連結が含められ、アクチュータの単位長さあたりの力を増加させ、コスト及び重量を減らすために、共通の構造部材を共有できることを理解されたい。
【０１５７】
本発明の原理を拡張することで、鉄又は鋼の導体翼が含まれることをさらに理解されたい。その場合、アーマチュアとステータとの間には、強力な静磁力が存在し、機械の損失は、（例えば）アルミニウム導体を用いた機械に比べて大きくなる。それにもかかわらず、空気ギャップのリラクタンスが著しく減少するので、周期的な磁石アレイ２６の構造に必要な磁気材料が減って、かなりの利益が得られる。
【０１５８】
本発明の原理をさらに拡張することで、超伝導材料からなり又は超伝導材料の層でコーティングされた導体材料が含まれ、抵抗損失が全体的に解消され、小さな空間内にて大きな力を発生するために使用される、はるかに大きな電流密度が得られる。
【０１５９】
本発明の実施形態を形成する電磁機械は、前述したように、１又は複数の以下の利点から利益を得る。
【０１６０】
１．  あらゆる電気機械における電気部分の質量は、銅線に置換して、パターン化された層状のアルミニウム導体を用いることで、減少する。
【０１６１】
２．  パターン化された導体層の断面を形成し、それらを接合して頑丈な自己支持の機械的構造にすることで、製造コストは低下する。
【０１６２】
３．  陽極処理によってアルミニウム導体を絶縁することは、簡単で、必要ならば、高温動作に耐える頑丈な絶縁コーティングを提供する。
【０１６３】
４．  機械の質量は、電気導体のための裏当て鉄を省略することでさらに減少し、また、“鉄損”が解消される。
【０１６４】
５．  導体組立体は、軽量で、頑丈で、寸法的に安定しているので、いくつかの用途においては、極めて低慣性のアーマチュアとして使用でき、従って、制御用途における動作帯域幅を拡大できる。
【０１６５】
６．  磁場強度は高いけれども、アーマチュアとステータとの間に、静磁力による引力は存在しない。これは、機械の組立てを容易且つ安全にして、ベアリングの力とベアリングの摩耗とを減少させる。
【０１６６】
７．  同一の技術によれば、電気システムを部分毎に製造及び搬送して、大きなモータを現場で過度の困難なく組み立てられる。
【０１６７】
８．  モータの電気システムは、いかなる銅線の均等物に比べても安価であり、長距離を走行するリニアモータに電気ステータを用いるのは、時には有利である。
【０１６８】
９．  長い（おそらく円状の）電気ステータは、独立に駆動される絶縁部分から構成され、複数の永久磁石のアーマチュアは、同一のステータ上にて正確に独立して移動する。
【０１６９】
１０．  基本的な機械は平坦な形態であるので、直動機械の運動の軌跡は、三次元の任意の滑らかな経路に追従し、必要ならば、それ自体の軸線を中心として回転する。
【０１７０】
１１．  高トルクの回転モータが、円板又はドラムのトポロジーにて構成され、そのためには、円形の電気翼を使用し、磁極の一対の周期的なアレイの間を、又は同アレイに対して移動する。
【０１７１】
１２．  多数の基本的なリニア電気モータを連結して、より大きな機械を形成でき、その工程において、基本的なモータの構築は、簡易化されて、サイズ、重量、及びコストを減少させ、内部静磁力と均衡する。
【０１７２】
１３．  同様に、多数の基本的な回転モータを組み合わせて、非常に大きなトルクの回転モータを形成し、この工程において、内部構造を簡易化して、サイズ、重量、及びコストを低下させる。
【０１７３】
１４．  基本的な直動モータの連結が完全な円を形成するならば、端部効果は解消され、構造全体にわたって、静磁力は均衡する。
【０１７４】
１５．  上述した技術を使用して、多数の基本的な直動モータを、小型の円筒形体積の内部に収容でき、ロッド又は管を介して、非常に大きな磁力スラストを伝達できる。
【０１７５】
１６．  そうした機械におけるロッド又は管の出力は、シールされ、ガス式バネのサブシステムの出力要素として働き、これが死荷重を支持し、一方、電磁システムは動的力を提供する。
【０１７６】
１７．  そのようなシールされた機械は、流体ポンプとして、又は、流体エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換する機構として機能して、ワイヤレスモータは逆転して駆動される。
【０１７７】
１８．  技術は完全にスケール変更可能であり、広範囲のサイズ及びパワー出力を有する電磁機械に適用される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年3月19日(2009.3.19)
【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】
電磁機械であって、この電磁機械が、
第１の部分と第１の部分に対して間隔を隔てて配置された第２の部分とを有する磁石部分であって、磁石部分は、第１の部分と第２の部分との間の空気ギャップを横切って、規則的で空間的に周期的な磁場を提供するように配置されている、上記磁石部分と、
磁石部分における第１の部分と第２の部分との間の空気ギャップに配置され、磁石部分に対して可動なように構成された電気部分であって、電気部分は、空間的に周期的な磁場をさえぎる、一組の絶縁されてパターン化された層状導体を備え、一組の絶縁された層状導体は、磁場と、電気部分と磁石部分との相対運動の方向との両方に対して垂直な横断導電経路を形成するようにパターン化され、横断導電経路はそれらの端部において軸線導電経路によって結合され、絶縁されてパターン化された層状導体は、離れた電流が通過するように構成された複数の相を形成するように構成され、電流の相対的な符号及び振幅が制御されて、機械により発生する電磁力の強度及び符号を決定する、上記電気部分とを備え、
横断導電経路はそれぞれ、相対的運動の方向に沿って又は該方向に対して平行な寸法を有し、この寸法は、空間的に周期的な磁場の磁気期間の長さの１／６とおよそ等しく、且つそれ未満であり、軸線導電経路は、導体中の電流が磁気期間の半分と等しい空間的期間において、相対的運動の方向を横断して交互に行き来して流れるように構成され、相における横断導電経路は、空間的に周期的な磁場及び空間的に周期的な磁場の領域の外部の互いに重なり合う軸線導電経路の領域において互いに組み合わせられる、
ことを特徴とする電磁機械。
【請求項２】
一組の絶縁されてパターン化された層状導体は、自己支持構造を形成していることを特徴とする請求項１に記載の電磁機械。
【請求項３】
磁石部分における第１の部分及び第２の部分のうち、一方又は両方は、永久的に磁化された材料から作られた磁石の規則的なアレイを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁機械。
【請求項４】
磁石は、平坦な磁石であって、それらの平坦な面上に対向する磁極を有し、これらは電気部分及び磁石部分の相対的運動の方向に面し、磁石アレイはさらに、磁石の平坦面に取り付けられた磁極片を備え、それぞれの磁極片は、磁石が発生させる磁束を回転及び収束させるように形成され、それは磁極片の面から出て、磁束密度が高まる箇所にて、パターン化された層状導体に対して実質的に平行であり、磁石部分における第１の部分と第２の部分との間の空気ギャップを横切ることを特徴とする請求項３に記載の電磁機械。
【請求項５】
磁極片は、磁束漏れを防止するように形成されていることを特徴とする請求項４に記載の電磁機械。
【請求項６】
磁石部分における第１の部分と第２の部分との間の磁場の内部にある、一組のパターン化された層状導体のそれぞれの横断導体における軸線寸法は、磁極片の軸線寸法に対して、実質的に等しいか、又は粗い断片であることを特徴とする請求項４に記載の電磁機械。
【請求項７】
一組のパターン化されて絶縁された層状導体は、平坦平面の機械的構造、屈曲した機械的構造、及び円形の機械的構造のうちの１つに形成されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の電磁機械。
【請求項８】
一組のパターン化された層状導体における少なくとも１つの部分は、関節式であるか、又は、可撓性であることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の電磁機械。
【請求項９】
パターン化された層状導体のうち、少なくとも１つは、強磁性材料から作られていることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の電磁機械。
【請求項１０】
磁石部分における第２の部分は、強磁性材料の板から構成されていることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の電磁機械。
【請求項１１】
空間的に周期的な磁場は、機械の動作時に電流が流れる、ワイヤコイル又はパターン化された層状導体によって発生することを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の電磁機械。
【請求項１２】
空間的に周期的な磁場は、電気部分における導体の中の電流の一時的変動によって引き起こされることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の電磁機械。
【請求項１３】
磁石部分はアーマチュアを形成し、電気部分はステータを形成し、又は、磁石部分がステータを形成し、電気部分がアーマチュアを形成し、アーマチュアは、ステータ組立体の内部にて回転し又は軸方向に動くように構成され、少なくとも１つのベアリング組立体によって支持されていることを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項に記載の電磁機械。
【請求項１４】
電気部分は、電気部分及び磁石部分の相対的運動の軌跡に沿った扇形に分割され、それぞれの扇形は独立して電力を供給され及び制御され、電気部分の扇形を共有する複数の磁石部分について、独立した制御を提供することを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項に記載の電磁機械。
【請求項１５】
パターン化された層状導体のうち少なくとも１つは、臨界温度よりも低温に冷却されたとき、超伝導になる材料の層を具備し又は支持していることを特徴とする請求項１乃至１４の何れか１項に記載の電磁機械。
【請求項１６】
電気部分は円筒形であり、横断導電経路は軸線方向に設けられ、磁石部分は、円筒形の電気部分を通る空間的に周期的な磁場を提供するように構成され、電流が横断導体経路を流れるとき、電磁力が誘導されて、円筒形の軸線を中心とした、磁石部分に対する電気部分の回転運動を生じさせることを特徴とする請求項１に記載の電磁機械。
【請求項１７】
電気部分は円板形状であり、横断導電経路は半径方向に設けられ、磁石部分は、半径方向の導電経路を通る空間的に周期的な磁場を提供するように構成され、半径方向の導電経路に電流が流れるとき、電磁力が誘導され、円板の中心のまわりで、磁石部分に対して電気部分の回転を生じさせることを特徴とする請求項１に記載の電磁機械。
【請求項１８】
複数の電磁機械を備えた前記回転電磁機械において、複数の電磁機械における円板形状の電気部分は共通する軸線を有し、電気部分又は磁石部分は共通する軸線に設けられた中心軸に結合され、円板形状の電気部分に電流が流れたとき、電磁力が誘導され、磁石部分に対して電気部分の回転を生じさせて、中心軸を回転駆動することを特徴とする請求項１７に記載の回転電磁機械。
【請求項１９】
複数の電磁機械を備えた前記直動電磁機械において、それぞれの電磁機械における電気部分及び磁石部分は中心軸のまわりに放射状に配置され、電気部分は、中心軸の軸線に対して平行な方向に、それぞれの磁石部分に対して動くように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の直動電磁機械。
【請求項２０】
少なくとも１つの電気部分は、関連する磁石アレイを、少なくとも１つの隣接する電気部分と同じように有していることを特徴とする請求項１９に記載の直動電磁機械。
【請求項２１】
電気部分及び磁石部分が内部に設けられる円筒形容器を備え、収容シリンダの少なくとも１つの端部は開口部を有し、ベアリングを支持しており、これを通してスラスト管又はロッドが出て、誘導された電磁力を外部負荷に伝えることを特徴とする請求項２０に記載の直動電磁機械。
【請求項２２】
収容シリンダは気密封止され、突き出るスラストロッド又は管は、摺動シールを通り抜けるように構成されて、電気的及び空気圧的機能の両方を提供することを特徴とする請求項２１に記載の直動電磁機械。
【請求項２３】
スラストロッド又は管は、ガス式バネの能動要素を形成していることを特徴とする請求項２２に記載の直動電磁機械。
【請求項２４】
電気部分の運動は、閉じたシリンダの内部の流体を推進し又は同流体によって推進され、ポンプとして機能し、又は、動く流体からエネルギーを吸収するように機能することを特徴とする請求項２１に記載の電磁機械。
【請求項２５】
電気部分は、機械の動きの軌跡に沿って、電気的に絶縁された扇形に分割されていることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の直動電磁機械。
【国際調査報告】
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