(57)【要約】ＭＰ−ＴＩＩマシンは、多極型の、交流、２、３または４以上の相のマシンであり、トルクが、円筒状同心磁石チューブに付けられた平行な永久磁石のペア間での複数の湾曲部で軸方向に指向された電流を介して円筒状電流チューブに生じる。ＭＰ−Ｔマシンと異なり、ＭＰ−ＴＩＩマシンは平らな永久磁石を用いて、必要に応じ冷却カフを含んでいてもよい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流を伝導できる電流チューブの内側および外側で囲む複数の平磁場源を具備し、
前記電流チューブは実質的に一定の厚さの壁を有していて、
前記磁場源は、前記電流チューブの壁で、軸方向に拡張した、規則的に間隔を置かれたゾーンの多重度における磁束密度を規定し、
前記磁束密度は、隣接ゾーン間で半径方向に交互に入れ替わり、
前記電流チューブの壁は、少なくとも１つの伝導性の長方形のＳリボンを具備し、
前記Ｓリボンはその代わりに、前記電流チューブが前記磁場源に関して回転する場合に、隣接ゾーンの多重度に実質的に重なり、かつ、前記ゾーン間のギャップに実質的に重なるように形成される電気マシン。
【請求項２】
前記マシンは電気モータとして動作する請求項１に記載のマシン。
【請求項３】
前記マシンは発電機として動作する請求項１に記載のマシン。
【請求項４】
前記マシンは電気的な変圧器として動作する請求項１に記載のマシン。
【請求項５】
前記複数の磁場源は、外側磁石チューブおよび内側磁石チューブに取り付けられている平らな永久磁石であり、それらは前記電流チューブの壁を越えて互いに対向している請求項１に記載の電気マシン。
【請求項６】
前記電流チューブは、予め決定された回転対称な円柱形状を有して、２つの電流チューブ端での相関点間の線は直線または曲線である請求項１に記載のマシン。
【請求項７】
前記外側磁石チューブおよび前記内側磁石チューブは静止していて、前記電流チューブは回転可能である請求項１または６に記載の電気マシン。
【請求項８】
前記外側磁石チューブおよび前記内側磁石チューブは回転可能であり、前記電流チューブは静止している請求項１または６に記載の電気マシン。
【請求項９】
前記電流チューブおよび磁石チューブの全ての表面は、（例えば海水を含む）侵攻性の流体中での前記マシンの使用のための、塗料、ニス、ラッカー、または他の保護塗装によって保護されている請求項１から８に記載の電気マシン。
【請求項１０】
前記Ｓリボンが、電流チューブの両端で１８０°に折り畳まれ、前記Ｓリボンは、前記電流チューブでの１つのゾーンから次の隣接するゾーンへ渡る請求項１に記載のマシン。
【請求項１１】
少なくとも１つのＳリボンは、ねじられ圧縮された少なくとも１つの線束から作られている請求項１に記載のマシン。
【請求項１２】
少なくとも１つのＳリボンは、２つ以上の並列電流経路を具備する請求項１に記載のマシン。
【請求項１３】
少なくとも１つのＳリボンは、前記電流チューブの両端で１８０°に折り畳まれた、２つ以上の並列電流経路を具備し、前記Ｓリボンは回転子における１つのゾーンから次の隣接するゾーンへ渡り、並列電流経路はそれぞれのゾーンにおいて互いに関して同じ位置のままである請求項１２に記載のマシン。
【請求項１４】
前記回転子が固体金属のＳリボン部の複数の部品を具備する請求項１に記載のマシン。
【請求項１５】
前記電流チューブは、ワイヤからなるＳリボン部分を具備する電流チューブ部分と、固体金属からできているＳリボン部分を具備する回転子部分との間の少なくとも１つの接合部を具備する請求項１に記載のマシン。
【請求項１６】
Ｓリボンの多重度は、絶縁障壁を提供することによってサブユニットに細分化される請求項１に記載のマシン。
【請求項１７】
前記電流チューブは、２つ以上の同心の、機械的には融合され電気的には絶縁されている導電層をさらに具備する請求項１に記載のマシン。
【請求項１８】
前記電流チューブは、圧縮されたＳリボンの複数の層を具備する請求項１、２、３、または１０に記載のマシン。
【請求項１９】
前記電流チューブは、前記電流チューブの一端または両端を取り囲み、前記電流チューブの一端または両端で熱的接触にある、冷却流体が通る冷却管をさらに具備する冷却カフを具備する請求項１に記載のマシン。
【請求項２０】
前記電流チューブは、冷却流体が通る、前記電流チューブの壁に埋め込まれた、冷却流路を具備する請求項１に記載のマシン。
【請求項２１】
前記電流チューブは、冷却流体が通る、前記電流チューブの壁に刻された、軸方向に拡張した冷却流路を具備する請求項１に記載のマシン。
【請求項２２】
前記冷却流体は潤滑剤である請求項１９から２１に記載のマシン。
【請求項２３】
前記冷却流体は水である請求項１９から２２に記載のマシン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、以前に発明されたＭＰ−Ｔマシンの改良版であるＭＰ−ＴＩＩマシンを導入する。（Ｄ．  Ｋｕｈｌｍａｎｎ−Ｗｉｌｓｄｏｒｆ、２００５年８月２４日に出願された特許出願ＰＣＴ／ＵＳ０５／３０１８６「ＭＰ−Ａ  ａｎｄ  ＭＰ−Ｔ  Ｍａｃｈｉｎｅｓ，  Ｍｕｌｔｉｐｏｌａｒ  Ｍａｃｈｉｎｅｓ  ｆｏｒ  Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  ａｎｄ  Ｔｈｒｅｅ−Ｐｈａｓｅ  Ｃｕｒｒｅｎｔｓ」を参照）。
【０００２】
参照文献は、「Ｍｕｌｔｉｐｏｌａｒ  Ｆｌａｔ  Ｍａｇｎｅｔｓ」と題された２００６年６月８日に出願された米国の仮特許出願第６０／８１１，９４６、および「ＭＰ−Ｔ  Ｃｏｏｌｉｎｇ  ａｎｄ  Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ」と題された、２００６年６月８日に出願された米国の仮特許出願第６０／８１１，９４４になされ、これらはそれらの全体において参照されることによってここに組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
改善点は以下である。
【０００４】
（ｉ）Ｈａｌｂａｃｈまたは「平らな」磁石に関する他の磁石配置の交換（２００６年６月８日に出願された仮特許出願「Ｍｕｌｔｉｐｏｌａｒ  Ｆｌａｔ  Ｍａｇｎｅｔｓ」を参照）、（ｉｉ）  向上した冷却方法（２００６年６月８日に出願され、本明細書で組込まれている、仮特許出願「ＭＰ−Ｔ  Ｃｏｏｌｉｎｇ  ａｎｄ  Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ」を参照）、および「ｔｒｉｐｌｅ  Ｓ−ｒｉｂｂｏｎｓ」から電流チューブを構成すること。その従来品（すなわちＭＰ−Ｔ、ＭＰ−Ａマシン）のように、ＭＰ−ＴＩＩマシンもまた任意の望ましい位相数、つまり、（ＡＣにとっての）１相、２相、（３相電流にとっての）３相、４以上の位相に適しているかもしれない、同様に、また、単一のＭＰ−ＴＩＩマシンは、変圧器としての少なくとも２つのサブユニットの組合せによって、モータおよび（または）発電機として動作されてもよい、ＮＵ≧２の本質的に独立なサブユニットに分割されてもよい。
【０００５】
ＭＰ−ＴＩＩマシンの利点は、増加したパワー密度、低下した材料費に起因する費用のかかる永久磁石材料量の削減、およびより単純な設計およびしたがって期待されたより低い製造原価含んでいる。
【０００６】
詳細な説明  −  従来技術  
「多極の」（ＭＰ）マシン（すなわちＭＰモータおよび発電機）は以下によって特徴づけられる。（ｉ）  回転軸に集中した一般に円筒状の「電流チューブ」。（ｉｉ）電流チューブで、軸方向に拡張され規則的に間隔を置かれた経路に沿った「湾曲部」において流れるマシン電流。その経路は「磁化の源」（典型的には永久磁石の源）による放射状の磁束密度、Ｂによって貫通されている。（ｉｉｉ）至る所での回転の同一の向きのマシントルクを生成するように、電流に繰り返される転換を実行させる手段。典型的には、永久磁石は、電流チューブに囲まれる内側磁石チューブの外側表面および（または）電流チューブを囲む外側磁石チューブの内部表面に取り付けられる。回転する電流チューブを備えたＭＰマシンは電気ブラシを要する。ブラシレスＭＰマシンでは、「磁化の源」が軸に関して回転しても、電流チューブは静止している。
【０００７】
本発明のＭＰ−ＴＩＩマシンと同様に、以前に説明されたＭＰ−ＡおよびＭＰ−Ｔマシンにおいても、モータが運転されまたは発電機が提供する電流にある相の数と同じ相互に絶縁された電流経路がある。したがって、任意のＭＰ−ＡマシンまたはＭＰ−Ａのサブユニットに１つの電流経路があり、３相ＭＰ−Ｔマシンまたはそのサブユニットでの３つの平行な電流経路があり、一般にｎ個の電流相が望ましい場合はｎ個の電流経路がある。
【発明の概要】
【０００８】
我々は、特許出願（２００５年８月２４日に出願されたＰＣＴ／ＵＳ０５／３０１８６）における以前の詳細な説明を、以下のように適切なように再番号割り当てを含めて、繰り返しても差し支えない。
【０００９】
図１および２は、単純な円筒状のＭＰマシン（すなわち、（ｉ）静止している内側（５）および外部（６）の磁石チューブの間のギャップにおいて回転する電流チューブ（２）を備える（図１Ａおよび２Ａ）ことと、（ｉｉ）静止した電流チューブ（２）および回転する内側（５）および外部（６）の磁石チューブの（図１Ｂおよび２Ｂ）との、２つの可能な基本的な形状を明確にする。最初のケース、つまり図１Ａでは、電流チューブ２は、マシン車軸１０に強固に固定され、すなわち、ドライバ６１を介して、その結果、モータモードにおいては、それは車軸回転を駆動し、発電機モードでは車軸によって駆動される。その間に、磁石チューブ５および６は、低摩擦ベアリング３５を介して車軸を中心とするが、周囲（例えば図１Ａにおける支持材２５を介してマシン台板１９）にマシン的にしっかりと固定される。第２のケース（図１Ｂ）では、役割は逆にされる。磁石チューブ５および６は、モータおよび発電機のモードにおいて車軸１０を駆動するかまたはそれによって駆動されるために、それぞれ部品２９および１８０を介して車軸１０に強固につながれる。
【００１０】
電流チューブ２は、車軸１０を、すなわち、部分１８１および低摩擦ベアリング３５を介して、中心とするが車軸１０で回転しない。異なる電源、すなわち図１ＡにおけるＤＣ、および図１Ｂおよび２におけるＡＣ、によって示されるように、全てのＭＰマシンに関するケースであるように、電流チューブを介する電流は、したがって図１Ａおよび２Ａの場合では、ブラシ２７（ｎ）によって動く電流チューブ２に供給されなければならない。しかし、静止した電流チューブへ、図２Ｂのように、電流はモータモードでの据置型端末によって供給されてもよいし、電力はＭＰ−Ｔ発電機から同じ据置型端末を介して抽出されてもよい。
【００１１】
中央の車軸は必要でないかもしれないし、マシンの静止している周囲の任意の他の部分に固定することは回転成分を集中させるために用いられてもよいことは、恐らく満足しないだろうが、注意されてもよい。とにかく、マシン的な見解から、電流チューブまたは磁石チューブのいずれかは、マシン車軸ありまたはなしで回転してもよい。下記はいくつかの適切な一般的な考察である。
【００１２】
単純なＭＰマシンには回転対称磁石チューブと同様に回転対称電流チューブを有している。外部電源および（または）消費財への据置型端末によって課された非対称は、電流チューブを回転させること、電気ブラシによって、電流チューブへ供給されるおよび（または）から抽出される電流により即座に調整される。また、ＭＰ−プラスマシンは回転対称電流チューブを有しているが、それらは非対称磁石チューブを有している。これらは並んでペアのＮ／Ｓ、Ｓ／Ｎ極である、それらに関連して電力端子が静止していなければならない。この状況はまた、スライディングブラシを用いることによって外部に接続された電流チューブを回転させることを要求する。しかし、ＭＰ−ＡとＭＰ−Ｔマシンは回転対称磁石チューブを有しているが、内蔵の非対称（すなわちゾーンを越えて突き出る端を有するＳリボンまたはＳリボン部）である電流チューブを有している。この状況は、図２Ａおよび２Ｂにおいて示されるように、回転する電流チューブおよび回転する磁石チューブの両方で許容される。しかし、図２Ａでのように、回転する電流チューブと静止している電源および（または）消費財との間の相互接続は、再び電気ブラシを滑らせることを要求する間、図２Ｂでのような静止しているスリップリングは据置型端末によって供給され得て、それによって、スリップリングとブラシを除去する。
【００１３】
要約すれば、一方でのＭＰとＭＰ−プラスマシンとの、および他方でのＭＰ−ＡとＭＰ−Ｔマシンとの間の基本的な差は、電流チューブ（２）の形態にある。ＭＰおよびＭＰ−プラスマシンの電流チューブは、既に示されているように、回転対称であり、ここで、ＭＰ−Ａマシンの電流チューブは、電気的絶縁マトリックス（図２を参照）において少なくとも１つの伝導性のＳリボン１７２を具備し、ＭＰ−Ｔマシンの電流チューブは、電流を取り込むおよび供給するための２つの端子それぞれで任意の一連の連続するゾーン（図３を参照）に３つの同じ、規則的に間隔を置かれたＳリボンを含んでいる。
【００１４】
引用された特許出願では、Ｓリボンの形状および電流チューブの外側の必要とされる１８０°Ｓリボン湾曲部と同様に電流チューブの実際的な構成は、以下で（再番号割り当てされた）図３で始まるいくつかの図に説明される。（再番号割り当てされた）図４に示される可能な磁石配置は以下のように説明される。
【００１５】
磁石チューブにおいて磁化の源の可能な配置  
既に示されたように、［電流チューブ］でのゾーンを生成する磁石チューブにおいての磁化の源の配置は、実際にそれらの性質であるように、任意である。上記では、議論は、電磁石でありえるが磁化の源として永久磁石に集中し、これらの間で図［４Ａ］でのようなＨａｌｌｂａｃｈ配置が焦点である。しかし、図［４］Ｂ、［４］Ｃ、および［４］Ｄで与えられる広範囲の代替配置は可能であり、点パタンでの１３０はプラスチック、ロジンまたはセラミックのような非磁性材料であり、短い波線によって示されている１３１は磁束帰還材料例えば、ＦｅＳｉのような磁気的に弱い鉄合金である。最後に、より長い線によって特徴づけられる１３２は永久磁石材料である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１Ａ】従来技術：回転する電流チューブ２を備えたＭＰマシンの概略断面。
【図１Ｂ】従来技術：静止した電流チューブを備えたＭＰ−ＡまたはＭＰ−Ｔマシンの概略断面。
【図２Ａ】従来技術：図１Ａの基本構成を備えたマシンの透視図。
【図２Ｂ】従来技術：図１Ｂの形状を備えたマシンの透視図。
【図３】Ａは従来技術：ＭＰ−Ｔマシンの電流チューブにおけるＳリボンの平面図。Ｂは従来技術：圧縮以前のＭＰ−Ｔマシンの電流チューブ本体におけるＳリボンの断面図。Ｃは従来技術：圧縮以後のＭＰ−Ｔマシンの電流チューブ本体におけるＳリボンの断面図。
【図４】従来技術：本発明にしたがうＭＰ−ＡとＭＰ−Ｔマシンを含む任意のＭＰマシンにおける可能な異なる磁石配置の選択。
【図５】磁束分布の有限要素解析において用いられた基本的な形状。
【図６】（図５でのような）磁石およびフィールド線の形態（上段）と、ケース１Ａでの、電流電導の中央線上の磁束密度、トルク発生部２（ｎ）（下段）。
【図７】（図５でのような）磁石およびフィールド線の形態（上段）と、ケース３Ａでの、電流電導の中央線上の磁束密度、トルク発生部２（ｎ）（下段）。
【図８Ａ】トリプルＳリボンの平面図。
【図８Ｂ】磁石に関してのトリプルＳリボンを示す電流チューブ壁の断面。
【図８Ｃ】折り目と、相（ａ）、（ｂ）および（ｃ）の領域順序で１８０°回転を形成するためにトリプルＳリボン上折り重ねることの概略図。
【図８Ｄ】１８０°Ｓ帯湾曲部を作るための「ラップ」の透視図。
【図９】２つの可能な代替の冷却する配置のための準備を含む、静止した電流チューブを備えたブラシレスＭＰマシンを通しての縦断面。
【図１０】冷却方程式１Ｑから１５Ｑまでの導出のためのモデル。
【図１１】外部（６）および内側（５）の磁石チューブにおける平磁石を備え、かつ電流チューブ壁（２）における冷却流路（４０）を備えたＭＰ−Ｔマシンを通しての断面。
【図１２】一定間隔で配置された冷却カフを備えたマシンの概略図。
【図１３】Ａ：リボンで完全に囲まれた流路を備えた冷却流路にとっての可能な位置を示すＳリボンの断面。Ｂ：完全に囲まれた冷却流路、およびリボン表面から押された流路を示すＳリボンの断面。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
新規の特徴の詳細な説明  −  １．向上された磁石配置  
有限要素分析を使用した、Ｖｉｒｇｉｎｉａ大学、Ｃｈａｒｌｏｔｔｅｓｖｉｌｌｅ、ＶＡのＥｒｉｃ Ｈ．Ｍａｓｌｅｎ教授によるＭＰマシンに関する様々な磁石の配置のまだ完全でない調査は、Ｈａｌｂａｃｈ配置より優れている「平らな」磁石を示していて、平磁石はまた、図４に示される全ての他の配置よりも優れている可能性があるように考えられる。「平らな」磁石の一般的な形態は図５に示され、一方、表ＩＩはこれまで研究された種々のケースを記載している。これらの中で、ケース１Ａおよびケース３Ａは、本発明のための特別に重要である。ケース３Ａは、ここまで研究されたすべての磁石の形態の中でＭＰ−ＴＩＩマシンの最も高いパワー密度を実現するので、したがって、数値の下記例において用いられ、比較の目的のためのケース１Ａは、Ｈａｌｂａｃｈ配置よりも際立って優れているが、ケース３Ａには及ばない。
【００１８】
数値例において、４５ＭＧＯｅ磁石材料は、図６および７のモデリングにおける３５ＭＧＯｅ材料の代わりに仮定される。これは（４５／３５）１／２＝１．１３倍だけ磁束密度Ｂを高める。すなわち、利用可能な商用電動機および発電機のパワー密度は、冷却によって制限される傾向がある。これらでは、したがって、３５ＭＧＯｅ磁石材料が４５ＭＧＯｅ材料よりも、磁化を失う前により高い温度に耐えることができるので、３５ＭＧＯｅ磁石材料が用いられるしかし、ＭＰ−ＴＩＩマシンは、恐らく冷却によって制限されない。したがって、特に４５ＭＧＯｅ材料の価格が３５ＭＧＯｅ材料の価格とほとんど同じであるので、４５ＭＧＯｅ材料の使用は適切である。
【００１９】
新規の特徴の詳細な説明  −  ２．単純化されたＭＰ−Ｔ  ＩＩ電流チューブ構成  
特許出願「ＭＰ−Ａ  ａｎｄ  ＭＰ−Ｔ  Ｍａｃｈｉｎｅｓ．．．」（８／２４／２００５に出願されたＰＣＴ／ＵＳ０５／３０１８６）における種々の適切な図は、図３に示される電流チューブの両端でのＳリボンの１８０°湾曲部を具備する「リム」を含む電流チューブ構成の相当な複雑さを明らかにする。以下の説明と図８は、以下のようなケース３Ａの磁石の形態を備えた３相のＭＰ−ＴＩＩマシンにとって非常に単純化された構成を提示する。
【００２０】
ケース３Ａの使用によって、壁幅（Ｔ＝ＫＴ０＝２ＫＨｍ０＝Ｋ０．０２５ｍ）は周辺の磁石長さＬｍｌ＝ＫＬｍｌ０＝Ｋ０．０７５ｍよりも３倍小さい（表ＩＩを比較せよ）。また、典型的に（ここでの例のように）、ＭＰ−ＴＩＩマシンは３相を具備する。したがって、１つの任意のフェーズに関する電流経路は、好ましくは等軸状であり、幅および高さ２Ｈｍである。さらに、渦電流の抑制のために、任意の１つの相に関する個別のＳケーブルは好ましくは軽くねじられて作られ、（ほとんど）二次の断面へ圧縮される（すなわち、ｆｆ２Ｈｍ）相互に絶縁されたＬｉｔｚケーブルで作られ、これらの圧縮されたＬｉｔｚワイヤケーブルのうちの３つは、好ましくは融合（接着）されて連続な、図８に示すような厚さ２Ｈｍおよび幅６Ｈｍ＝１Ｌｍｌの「トリプルＳリボン」であってもよい。個別のＳリボンにおいて選択自由なねじれは、電流が低い磁束密度Ｂの面積の方へ押し寄せるのを防ぐように意図されている。この目的のために、湾曲部当たり１つの完全なねじれは十分である。また、より多くのねじれは他の理由（例えばより大きな導体密度、より大きな剛性）で用いられてもよい。電流回転子壁では、トリプルＳリボンは絶縁境界１７４（ｎ）で連結される。
【００２１】
図８Ｃおよび８Ｄで説明される折畳みおよび包み込みは、初期の特許出願で提案された方法よりもトリプルＳリボンの必要とされる１８０°湾曲部を作る方がはるかに単純な方法である。また、十分に作られ正確に寸法付けられたトリプルＳリボンで、折り重なることあるいは包み込むことは、電流チューブ壁、すなわち、それらを共に制御された厚みの絶縁境界（１７４）での良い配置で接続することによる電流チューブ壁での磁石／Ｓリボンの配置の必要な正確さに到達することをただちに許容すべきである。トリプルＳリボンの良い寸法精度はまた、過度の摩擦に遭遇せずかつ（または）磁石チューブに比べて長持ちしないように、表面のその内部および外部での電流チューブの閉じた円形を実現するために必要になる。恐らく、３０°、４５°、６０°、９０°または１８０°の電流チューブセグメントを組み立て、その後、それらは完全な電流チューブへ組み立てられる。
【００２２】
図８Ｃにおいて示された折り目は鋭い必要はない。実際、亀裂を生ずることなく、または少なくとも電気伝導率を損なうことなく、ねじられたリッツワイヤケーブルの鋭い折り目を作ることは不可能とは言えないまでも困難である。図８Ｄの「包み込み」はこの問題を回避する。軸方向に拡張されたセグメントから電流チューブを作り組み立てる示された方法は、電流チューブリム厚さ、すなわち磁石チューブ５および６間のギャップの外、すなわち図８での線ＸＸのどちらかの側に著しい制約を課さないで、両方の方法は可能である。
【００２３】
実際、有利に、図８Ｃの折り目は円筒状の仮の挿入物について曲がることにより作られてもよい。図８Ｃから認識されてもよいように、折り重なることによる１８０°湾曲部を作る際に、連続の折り目が図面の平面の中へまたは外へ作られるかどうかの選択がある。図８Ｃのバージョンは最も単純である。折り重ねられたまたは具備された１８０°湾曲部によって形成される「リム」は、少なくともＬｍｌ＝６Ｈｍ幅になるが、最良は、両端での磁石の外で、すなわち浮遊磁場の外で、例えば環状の「磁場シールド」（９０）を介して、それらを保つために、小さい距離に着手するべき。包むことによるリムの幅は恐らく同一か、またはより少ない幅になる。
【００２４】
図８Ｄにおいて明確にされるような包み込みを介して１８０°湾曲部を作ることは、トリプルＳリボンに関して恐らく最も単純で最もやさしい。それは、次のセクションでさらに議論されるように「カフ」冷却を提供する非常に単純な方法を提供することは、付加的な利点を有する。
【００２５】
新規の特徴の詳細な説明  −  ３．単純化された冷却および潤滑  
動機  
ＭＰマシンに関する、以前の特許出願および発明開示では、２本の磁石チューブでの磁石と電流チューブとの間の空間で、冷却材は循環すると通常仮定されている。このアプローチでは、冷却材は、恐らく冷却液で浸される２つの「リム」を除いて、これらのギャップまたは全体マシンを介して与えられる。上記の方法は、両側での電流チューブ壁と磁石との間での、（１）予期される効率的な冷却および（２）同時の偶発的な潤滑のために、魅力的にみえた。しかし、生じる流体摩擦がマシントルクから、特に高い相対表面速度で、著しく減ずることは指摘されている。また、束ねられたリッツワイヤの使用によって、電流チューブ壁での横方向熱伝導率は、この方法の期待される冷却効率を縮小するように、悪くなる。これらの理由両方については、代替の冷却方法は探されている。（１）「冷却カフ」、すなわち外側および（または）内側から１つまたは両方の電流チューブリムを取り囲み、それらと密な熱的接触にある流体の冷却管、（２）電流チューブ壁に埋め込まれている「冷却流路」の本明細書で開示された発明は、静止した電流チューブを備えるＭＰマシンの魅力的な代替を提供する。
【００２６】
カフの形態  
図９は、２つの冷却方法に対する設備を含む基本的なマシン形態を示す。まず、１つまたは両方のリムを囲む、または図８Ｄでのように１８０°「包み込み」の空洞に組み込まれている「冷却カフ」（４７）が、最も単純である。リム間の最適の熱伝導、およびカフ（４７）または図８Ｄにおける流路４０での冷却流体にとっては、リムおよびカフにおけるトリプルＳリボン間の接合領域は、Ｓリボンとカフ間での熱伝導率と同様に、最適化されるべきである。この理由で、トリプルＳリボンの折り重ねられた１８０°湾曲部の場合には、隣接のリムユニット間の（すなわち図８Ａの水平のエッジでの）三角ノッチは、折り目での厚さの差と同様に、恐らく何らかの熱導電材で充填されるべきである。電気的絶縁のために、説明された熱導電材が電気的に伝導性もある場合、リムは、まず包まれた１８０°湾曲部について絶縁皮膜で覆われる必要があり、「包み込み」の中の空間は、「カフ」として提供する（図８Ｄで４０とラベルされている）冷却管に即座に収容する。上記のチューブは、絶縁する接着剤の薄層によってトリプルＳリボンに接合されるかもしれない。
【００２７】
折り重ねられた１８０°湾曲部の場合には、カフも内部の柱状表面に設置されてもよい。また、カフの両方のタイプは、任意のしかし非常に低いマシンで、すなわちかなり短い電流チューブ長Ｌで、必要とされるかもしれないように、チューブの両端に設置されてもよい。
【００２８】
電流チューブにおける電流密度での制限  
室温での電流チューブ  
カフによって冷やすことの次の単純化された解析に関しては、図１０の略図を参照する。それは、長さＬ、断面Ａｉおよび電気抵抗率ρのコンダクタにおける長さインターバルｄｘを介して流れる電流密度ｊを示す。（１Ｑ）のレートで熱を生成する。
【数１】
2010533475.tif 000003
【００２９】
それは熱伝導によってｘ＝Ｌでのヒートシンクへ移される（図１０では図示せず）。
【００３０】
ｄｘとヒートシンクとの位置間の温度差ｄθ、熱伝導率λでは、上記の冷却は要求する。
【数２】
2010533475.tif 000004
【００３１】
方程式１Ｑと２Ｑを等しいとして、ｄθ／ｄｘ＝ｊ２ρ（Ｌ−ｘ）／λを得て、ｘ＝０とｘ＝Ｌとの間の温度差に関しては、
【数３】
2010533475.tif 000005
【００３２】
２つの端点での温度差（Δθｍａｘ（実際にはいつも存在する））の上限では、最大許容電流密度は、以下になる。
【数４】
2010533475.tif 000006
【００３３】
数的に、例えば、体積の２０％を占める、電気的に絶縁する接着剤によって接合された銅のリッツワイヤについては、軸方向での電流および熱流に関する有効なパラメータは、室温で、ρ≒２．０ｘ１０−８Ωｍおよびλ＝３２０ｗ／℃ｍ、つまり
【数５】
2010533475.tif 000007
【００３４】
そして式４Ｑａから
【数６】
2010533475.tif 000008
【００３５】
式６Ｑの潜在的な技術的な応用の数値例は、ハイブリッド車、または他の車両または軌道車に関するパンケーキ型の内車輪モータのものである。ここでの使用および最も極端な構成は、Ｌ＝０．０５５ｍでのｊｍａｘ．Ｌｉｔｚ＝２．２５ｘ１０７Ａ／ｍ２を必要としていた。この電流密度は実際、安定したケース３Ａの磁石配置に関しての恐らく限界外である。
【００３６】
その電流密度がそれにもかかわらず採用された場合、方程式６Ｑは次式になる。
【数７】
2010533475.tif 000009
【００３７】
Δθｍａｘ＝４８℃の値は、７０℃程度高い周囲温度での唯一つの端およびヒートシンク端でのカフでさえ、磁石を低下させないので、受け入れることができる。一方、両端のカフはＬを二分にしその結果Δθｍａｘを１／４ ４８℃＝１２℃まで削減する。
【００３８】
室温では、カフを介しての冷却は短いマシンに限定されている。これは次のように式４Ｑａを書き直すことからわかる。
【数８】
2010533475.tif 000010
【００３９】
これは、ｊ＝１ｘ１０７Ａ／ｍ２の望ましい電流密度およびその他は同一の値で、次式になる。
【数９】
2010533475.tif 000011
【００４０】
極低温冷却なしで、Δθｍａｘは数値的に６４℃または√Δθｍａｘ≦〜８（℃１／２）をほとんど超えることができないので、低温で冷却されないマシンにとっては、最も近いカフへの最も長い距離は、両端のカフによって冷却されたマシンのＬｍａｘ≒１フィートの最大のゾーン長さに関して、〜８ｘ０．０１７９＝０．１４ｍを超えてはいけない。
【００４１】
上記の結果は、マシンに沿ったカフを一定間隔（例えば１フィート間隔）で配置する可能性を開く。ＭＰ−ＴＩＩマシンについては、これは、図１２に示されるような外部（また必要に応じて内部）の磁石チューブにおいて対応するギャップを提供することにより、即座に可能である。しかし、最適な間隔は、リッツワイヤ束を横切る放射状の熱伝導率についての知識を含む注意深い分析によって決定されなければならない。式７Ｑに導く上記の近似解析から推定されたカフ間の１フィートの間隔は、適度な過剰推定かもしれないだけでなく、過度に限定的かもしれない。
【００４２】
カフを備えた低温冷却電流チューブ  
極低温冷却は、金属の電気抵抗ρは絶対温度θにほぼ比例するがそれらの熱伝導率λはほとんど温度に依存しないので、カフによって冷やされるマシンの長さ限界を著しく拡張することができる。その結果（ウィーデマン−フランツの法則にしたがって）、λ／ρは絶対温度に反比例する、つまり我々は（３００Ｋの周囲温度と共に）次のように書いてもよい。
【数１０】
2010533475.tif 000012
【００４３】
そしてカフへの最大距離に関して、その他は同一のパラメータで
【数１１】
2010533475.tif 000013
【００４４】
したがって、電流チューブリム上でのカフで冷やすための決定的に重要なマシン長さは、液体空気、水素およびヘリウム温度でそれぞれ、およそ２倍、４倍、１０倍増になる。
【００４５】
最後のケースでは、つまり液体ヘリウムで効率的に冷やすことは、最も現実的なマシン長さがカフ冷却されるだけでなく、オームマシンの損失が室温値のわずか数パーセントに急降下する。電流チューブの極低温冷却の使用のこの利点に加えて、低温での放射線を介しての熱交換は、例えば磁石と電流チューブとの間で、減少する。他方では、マシン部分および特に電流チューブおよび磁石チューブの間での熱膨張差が問題になる。確かに、より詳細な分析は長所を決定するために必要である。
【００４６】
カフについての要件  
次に、カフが適した場合では、それらがどれくらい長くあるべきか、それらが必要とすべき他の特性は（もしあれば）何かについて調査する必要がある。
【００４７】
まず、温度差Δθｃでは、熱は、熱伝導率λｃおよび面積Ａｃを有している材料で作られた幅ｔＣの障壁を次式の率で通過する。
【数１２】
2010533475.tif 000014
【００４８】
径Ｄの電流チューブのリムを取り囲む軸長ｗｃのカフについては、以下のようになる。
【数１３】
2010533475.tif 000015
【００４９】
ここでｆｃの係数は、カフとのよい熱的接触である電流チューブ周囲またはリムの割合である。仮に、これは図８および「形態」のセクションでの議論に沿ってｆｃ≒３／４であると仮定される。さらに、カフを介して循環する冷却液は、分数オーム熱損失Ｌ、マシン出力ＷＭでのｄＱ／ｄｔ＝ＬＷＭのマシン廃熱を遠くへ運ぶ。このようにして、次式になる。
【数１４】
2010533475.tif 000016
【００５０】
この関係はλｃＷｃΔθｃ／ｔｃの必要な値を決定する。さて、数値的に（一貫してｍｋｓ単位で）、カフとリムとの間の薄い障壁にとって良く選択された接着剤と材料との熱伝導率は、氷とコンクリートに関して推定上λｃ＝１．７ｗ／℃ｍ以上である。また、障壁厚さは、ｔｃ≒３ｘ１０−５ｍ（すなわち強いキッチンごみ袋の厚さ）と同じくらい小さくなってもよい。これらの値で、また、Δθｃ＝５０℃の許容可能な値を仮定して、式１０Ｑａから以下を得る。
【数１５】
2010533475.tif 000017
【００５１】
一実施例としては、既に考慮された内車輪ＭＰモータへもどること。本明細書で、最も要求の厳しいケースは、Ｄ＝０．３２ｍでＷＭ＝５６ｋＷおよびＬ＝９．３％だった。この実施例については、それでは、必要な軸のカフ幅は以下として見出される。
【数１６】
2010533475.tif 000018
【００５２】
カフにおいて冷却液への最も外側のリムレイヤからの熱の転送に関する限り、非常に狭いカフが十分であることになる。しかし、例はＮＴ＝４階層状のマシンに関連していて、リムでの３つの接着剤層の熱流量抵抗を付加的に考慮しなければならない。これらが、カフと電流チューブリムとの表面結合と同じ熱流量抵抗を提示すれば、必要とされるカフ幅は４倍になる、つまり約３ｃｍまでだが、カフがリムの内部表面上にも付加された場合、半分だけである。
【００５３】
要約すれば、入力パラメータよりよい知識、特にλｃとｔｃは、より信頼できる予測がなされる前に、必要である。とにかく、現在の荒い評価は、第１に、短いマシンにとってカフは非常に有効になり、過度に幅が広い必要がないことを示し、図１３のように規則的に間隔を置かれたカフが、優れた冷却システムを作ることを示す。
【００５４】
平磁石と共に電流チューブ壁での潤滑と冷却流路  
上記のセクション「新規の特徴の詳細な説明  −  １．向上された磁石配置」にしたがって、ＭＰ−ＴＩＩマシンは、好ましくは図７に示されるようなケース３Ａの「平らな」磁石を用いる。パワー密度を高めて費用を削減することに加えて、図１１に示されるように、平磁石アレイは、それらが回転子と磁石との間のギャップを減少させることを可能にするという付加的な長所を持つ。それによって、Ｈａｌｂａｃｈ配置で存在した潜在的な冷却流路が閉まっている間、電流チューブの壁幅は約４分の１だけ増加してもよく、平磁石と円筒状電流チューブ表面との間で形成される小さなギャップは潤滑油を捕捉し、均等に広げる。さらに、有効な冷却にとっては、電流チューブ壁での流路４０は、図１１および１３に示されるように、使用される。
【００５５】
冷却流路４０のサイズおよび配置、電流チューブ壁幅の相対的なサイズ、および磁石寸法に関する図１１の詳細は、図１３でさらに詳細に述べるように、広範囲にわたって調整可能である。また、図９の詳細は、同様に調整可能である。例えば、内側の磁石チューブ（５）は、どこで、どのように車軸（１０）に接続されるかは（例えば図９での部品２９によって）、車軸１０および内側の磁石チューブがともに回転することを強いられる場合のみ、個別の設計決定に自由に適応可能である。実際、それらの相互の磁気的引力のために磁石チューブ５および６は共に回転するので、車軸１０に強固に固定されるのは磁石チューブ５よりも６である可能性があり、またはマシン軸は、任意の他の適切な手段によって周囲のものに関して安定して保持されてもよい。実際、車軸があることは少しも必要ではない。例えば、固定位置に磁石チューブ軸を保ち、図１Ｂおよび図１２での部品２８によって示されるように磁石チューブ６が自由に回転することを可能にする、ベアリングが装着された台板によって外側磁石チューブ６が支持材される。これは車軸１０があってもなくとも達成されるかどうかについて、電流チューブ２の位置は、磁石チューブにおける磁石ペア間の相互磁石引力のためにともに回転する２本の磁石チューブ間のギャップにおいて固定され、一方、電流チューブ２は電源とゲーブルの接続へのケーブルによって最小で回転することができない。このように、図９では支持材２９および１８１は、一例としてだけで示されていて、存在してもよいし、存在さえしなくてもよい。
【００５６】
上記の考察にしたがって、電流チューブと、両側上の磁石チューブ５および６での磁石との間のかなり整った適合は、図１１でのように、有用になる。たとえそうでも、図１１への説明で概説されるように、Ｄの約０．０６％のギャップは、熱膨張差による応力を防ぐために、電流チューブのどちらかの側面にあるべきであり、同様に磁石間の０．５ｍｍのギャップもそうである。冷却管４０のサイズ、形状および位置決めの選択での既に示されていた許容範囲に加えて、これらのおよび冷却液の注入口（５１）および排出口（５２）の位置決めおよび形状と同様に、流入補給チューブ（４１）および流出排出チューブ（４２）への流路４０の接続の位置決めを選択する際での類似の許容範囲がある。これらはすべて図９において、提案されているが拘束されない位置である。好ましい実施形態では、冷却流路４０と流入および流出チューブ（４１と４２）との接続は、電流チューブ壁を介してなされ、磁石チューブを僅かに超えて、かつ、リムに接触する前まで延びることが可能である。
【００５７】
以上概説されるように、冷却管４０の設置のより綿密な検査はいくつかの困難を明らかにする。トリプルＳリボンに、またはそのリボン間に冷却流路を組み入れるための異なる形態は、図１３に示される。これらのうちの１つは、Ｓケーブルを共に適合させる際に冷却流路を提供する個別のＳケーブルの中心線の近くで適合したインデントを作っている。それらのインデントは、電流チューブ本体の外部のリムにおいて有用な目的を果たさない。リムはトリプルＳリボンの１８０°湾曲部を具備する。このように、それらのインデンテーションは、Ｓリボンの正しい長さにわたり緊密に形作られ、かつ、図８における線ＸＸ  ＸＸを超えた流体の流れから除外されるか取り去られるか、または塞がれなければならない。さらに、電流チューブ本体の限界（線Ｘ  Ｘの）近くの流路４０への接近は、入口および出口チューブ４１および４２へ、および入口および出口チューブ４１および４２からなされる必要があり、これらは漏れのないようにしなければならない。電流チューブ壁当たり１００およびそれ以上のトリプルＳリボンまで（すなわち、ＮＺ＝πＤ／Ｌｍｌ、式４）で、これは、特に小さな磁石厚、例えばＫ＜〜０．２に関して、意味のある技術的な課題でありえる。これらの同じ考察は、電流チューブ壁（図１３を参照）内に全く閉じ込められている、すべての冷却流路４０へ適用する。
【００５８】
代替案は、図１３の下側部分でのように、一方または両方の円筒状電流チューブ表面に電流流路壁をさらされるようにすることである。これらは相当な利点を有するが、障壁４８の性質および設置は注意深い評価を必要とする。
【００５９】
３相（ｎ＝３）以外の多相の電力および最適化された磁石配置  
上記の説明および図解は、３相電源すなわちトリプルＳリボン（１７３）に専念した。なぜなら、現時点では、これがＭＰ−ＴＩＩマシンの最もよくある応用であると予想されるからである。しかし、この焦点は、ｎ＝３以外のｎ位相からＭＰ−ＴＩＩマシンの排除を意味しない。実際、説明されたような同じ構成は、どんな任意の位相ｎ＞３で、Ｓバンドをｎ＝３の代わりに単にｎ＞３部分に分けることによって作られ得る。例えば、対応する位相は、例えば７つのフェーズ電流に関して、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆおよびｇと適切にラベル表示されてもよい。しかしながら、ｎ＜３に関しては、Ｓリボン幅は好ましくは縮小されてもよい。具体的には、ＡＣ（すなわち単１相）ＭＰ−ＴＩＩマシンについては、Ｓリボン幅は、（２／３）Ｌｍｌに縮小されてもよく、恐らくｎ＝２相電流の場合に類似している。しかしながら、これらは仮の声明であり、これらの場合については、最適化へ向けて指図された詳細な解析は非常に賢明である。具体的には、Ｓリボンの製造は、単一の相に関するケーブルを過度に広く作ることによって恐らく複雑になり、これらはたとえ電気的に並列に接続されたとしても好ましくは細分されてもよい。また、磁石幅に関するＳリボンの全幅もまた、電力単位ト当たりの費用および重量を最適化するために調査を必要とする。
【００６０】
異なる相数についての上記の考察は、実際にここでの全ての考察のように、磁石配置によって決定的に影響を受ける。ケース３Ａについての上記の集中は、現時点では、これが表ＩＩにおけるすべてのケース間での最も高いパワー密度をもたらすようであるという事実を反映している。しかし、ケース３Ａが最も良い達成可能なことであれば、非常に特異な一致である。また、最も高い達成可能な電流密度は、さらに不確かである。これらのギャップを縮めるために必要な有限要素分析を拡張する努力は進行中である。
【００６１】
冷却流路での冷却水流を介しての冷却効率  
電力ＷＭおよび相対的損失ＬのＭＰマシンの抵抗廃熱ＬＷＭは、ゾーン長さＬ上の面積πＤＴ／２を通る電流密度ｊによって生成され、したがって次のように等しくなる。
【数１７】
2010533475.tif 000019
【００６２】
この廃熱は、比熱ｃ＝１ｃａｌ／ｃｃ℃＝４．２ｗｓ／ｃｃ℃を有し、Δθｃの流入／流出温度差を介して熱せられる、速さｖｃで合わせた面積πＤＴ／４の流路を通って流れている冷却水によって除かれる。つまり、
【数１８】
2010533475.tif 000020
【００６３】
それは次のようになる。
【数１９】
2010533475.tif 000021
【００６４】
または、数値的には、以前のように束ねられ固く締まったリッツワイヤについてｃ＝４．２ｘ１０６［ｗｓ／℃ｍ３］およびｐ≒２．０ｘ１０−８Ωｍで、
【数２０】
2010533475.tif 000022
【００６５】
この種の冷却（すなわち電流チューブ壁において冷却流路４０を介して流れる水で）の限界を評価するために、以下の必要な流れ速さを見つける高いが合理的な値のΔθｃ＝５０℃と共に、Ｌ＝５ｍの最悪の有望な場合を検討する。
【数２１】
2010533475.tif 000023
【００６６】
さらに、万一これがｖｃ≦１ｍ／秒≒２．２ｍｐｈの控えめの値に限定されるならば、最大の許容電流密度は次のようになる。
【数２２】
2010533475.tif 000024
【００６７】
これは、電流チューブ壁を通って冷却流路４０を通る流水を介しての冷却が、最も長い現実的なゾーン長の５ｍに関して、３２００Ａ／ｃｍ２まで（それは事実磁石配置が不安定になる値を十分上回っている）適切であり、ｖｃ＝１ｍ／秒の冷却流速および任意のゾーン長Ｌで適切であり、以下の式を満たすために十分である。
【数２３】
2010533475.tif 000025
【００６８】
すなわちＬ＝１ｍでｊ＝７２００Ａ／ｃｍ２まで。
【００６９】
これらの非常に誇張された数字は、電流チューブ壁幅の１０％以下を占める冷却流路が事実上すべての状況の下で適切になることを示す。
【００７０】
要約  
定常、ブラシレス電流チューブを備えた、ＭＰ−ＡおよびＭＰ−Ｔマシンの前の発明は、以下を含んでいるＭＰ−ＴＩＩマシンへと拡張される。
【００７１】
（ｉ）Ｈａｌｂａｃｈ配置の代わりの「平らな」磁石、それによってパワー密度を高めること、
（ｉｉ）マシン構成を非常に単純化する１８０℃湾曲部または「リム」での２つのタイプのどちらかを備えた「トリプルＳリボン」、
（ｉｉｉ）２つの代替方法による、改良された冷却および潤滑
上記の点（ｉｉｉ）に関連して示されるように、ＭＰマシン、発電機と同様なモータ、および特定のＭＰ−ＴＩＩマシンは、内側磁石チューブと同様に外側磁石チューブ上での磁石に対して約０．０００６Ｄの隙間を備えた境界潤滑電流チューブに対して滑る「平らな」磁石を有利に装着される。ここで、Ｄは電流チューブ直径である。これらの隙間は、１１０℃の最高温度変動を仮定すると、電流チューブ対磁石チューブの熱膨張差を適応させるために必要である。
【００７２】
さらに、上記の点（ｉｉｉ）に関連して、２つの新規の冷却方法が導入される。
【００７３】
１．静止した電流チューブと密に熱的接触にある周期的に配置された、および（または）外側および（または）内側の、カフから、電流チューブリムの一方または両方を取り囲む「カフ」を介しての冷却液（ここでリムは磁石チューブの外側へ延びている）を流すこと。この方法は、室温でのＬ＜１フィートのゾーン長さで、特に短いマシンには非常に好ましく、または代わりにゾーンの長さに沿って１フィート以下の間隔で冷却カフを必要とする。しかし、規則的に間隔を置かれたカフとさえ、この方法は非常に単純で有効になりえる。マシンの極低温冷却は、冷却カフ間での許容される間隔を≒（３００／θ）倍に増大させる。ここで、θは電流チューブの絶対温度（ケルビン）である。
【００７４】
２．好ましくは、電流チューブ壁を取り囲み、電流チューブ壁の他端で類似の流出排出チューブを介して存在する流入補給チューブから、電流チューブ壁での軸方向に拡張冷却流路（４０）を提供することと、これらを介して冷却液を流すこと。冷却管の合わせた面積が内側および外側の磁石チューブ上の磁石間の面積の１／４を占めている場合、ゾーン長Ｌがチューブ長に等しく、水が冷却液であり、それが流出と流入との５０℃の温度差で１ｍ／秒で流れるならば、電流チューブ壁での最大許容電流密度はｊｍａｘ＝７．２ｘ１Ｏ７／√Ｌ［Ａ２／ｍ３］、すなわち磁石チューブ５および６の極が互いに気づかないうちに通過する電流密度を大きく超える。より現実的には、冷却流路による電流チューブ壁の１％の占有は、事実上すべての要件にとって適切に違いない。
【００７５】
ＭＰ−ＴＩＩマシンの解析  
ＭＰ−ＴＩＩマシンの解析は、多くの数値例と同様にマシン構成および性能のための一般的な方程式を提供することになる。
【００７６】
３相のＭＰ−Ｔ  Ｈマシン操作に関する近似パラメータ関係  
（ケース＃Ａの設計の、磁石間のギャップなしで、「平らな」磁石を仮定する）
Ａｚ＝（１／３）ＬｍｌＴ＝（１／３）Ｋ２ＬｍｌｏＴｏ  相あたりの電流の断面、
Ｂ＝電流に垂直な有効磁束、
ＣＭ＝マシンの材料費＝＄４０×ｍｍ＋＄１０×（ｍＭ−ｍｍ）、
Ｄ＝電流経路中心線での直径、
ｄ≒８０００ｋｇ／ｍ３＝マシン材料の力学的密度（全て同じと仮定）、
Ｆｌ＝湾曲部当たりのローレンツ力、
Ｈｍ＝ＫＨｍｏ＝永久磁石の厚さ、
Ｉ＝それぞれの湾曲部を介する電流＝ＪａＺ、
ｉＭ＝２ｉ＝マシン電流（いつでもあるゾーンでＢを通る２相を仮定）、
ｊ＝電流密度、
Ｋ＝磁石組立次元に関するスケーリングファクター、
Ｌ＝電流チューブ長、
Ｌｂ＝ＫＬｂｏ＝磁束帰還材料の半径方向厚さ、
Ｌｍｌ＝ＫＬｍｌｏ＝ゾーン幅、（すなわち円周方向での永久磁石の幅）、
Ｌ＝相対的な抵抗損＝ＶΩ１／Ｖ１、
ＭＭ＝ＷＭ／２πｖ＝マシントルク、
ＮＴ＝レイヤ数、
ＮＵ＝マシンが分割される本質的に独立したユニット数、
Ｎｚ＝πＤ／Ｌｍｌ＝ゾーン数、
Ｒ１＝ゾーン当たりのオーム抵抗、
ｖｒ＝πＤｖ＝（π／６０）Ｄωｒｐｍ＝電流および永久磁石との相対速度、
ＶＭ＝ＮｚＶ１＝マシン電圧、
Ｖ１＝ゾーン当たりの誘導電圧、
ＶΩ１＝ゾーン当たりの電流経路でのオーム電圧、
ｔ．□＝ωｒｐｍ／６０＝回転率（ヘルツ）、
ρ≒２×１０−８Ωｍ＝電流経路での電気抵抗、
ωｒｐｍ＝６０ｖ＝回転率（ｒｐｍ）。
【００７７】
ＭＰ−Ｔ  ＩＩ、３相マシンに関する重要式  
（表を比較せよ、最初から最後までワット、アンペア、ボルトを備えた［ｍｋｓ］単位ユニット、丸め誤差の蓄積を回避するために非常に多くの有効数字が保存される。）
構成パラメータ  
（ＮＴ＝ＮＵ＝１；ケース３Ａ、つまりＨｍ＝ＫＨｍｏ＝Ｋ ０．０１２５ｍ、Ｌｍｌ＝６Ｈｍ、Ｌｂ＝Ｈｍ、Ｔ＝２Ｈｍ、Ｂ＝０．５８ｔ、３相のうちの２相だけがいつでも場Ｂで流れる；ｄ＝８０００ｋｇ／ｍ３、ρ＝２ｘ１０−８Ωｍ）
相あたりの電流経路面積：ＡＺ＝（１／３）ＴＬｍｌ＝４Ｈｍ２＝４Ｋ２Ｈｍｏ＝６．２５×１０−４Ｋ２［ｍ２］      （１）
相あたりの電流：Ｉ
電流密度：ｊ＝ｉ／ＡＺ＝ｉ／６．２５×１０−６Ｋ２＝１６００Ｋ２Ｉ［Ａ／ｍ２］      （２）
有効マシン電流または独立したセクションの電流：ｉＭ＝２ｉ＝２ＪａＺ＝１．２５×１０−３Ｋ２ｊ      （３）
（いつでも３相のうちの２相が最大の磁束密度Ｂで流れることを仮定）
ゾーン数：ＮＺ＝πＤ／Ｌｍｌ＝πＤ／６Ｈｍ      （４）
ゾーン当たりのローレンツの力：Ｆ１＝ｉＭＢＬ＝１．２５×１０−３Ｋ２ＢＬｊ      （５）
合計ローレンツ力：Ｆ＝ＮＺＦ１＝３．０４×１０−２ＫＤＬｊ            （６）
トルク：ＭＭ＝（Ｄ／２）ＮＺＦ１＝０．０１５２ＫＤ２Ｌｊ      （７）
マシンパワー：ＷＭ＝（２πωｒｐｍ／６０）ＭＭ＝１．５９×１０−３ＫＤ２Ｌｊωｒｐｍ      （８）
ゾーン当たりの電圧：Ｖ１＝ｖｒＢＬ＝（π／６０）ＤωｒｐｍＢＬ＝３．０４×１０−２ＮＴＤωｒｐｍＬ      （９）
マシン電圧：ＶＭ＝ＮＺＶ１＝１．２７Ｄ２Ｌωｒｐｍ／Ｋ      （１０）
ゾーン当たりのオーム電圧損失＊：Ｖ１Ω＝ρＬｊ      （１１）
相対的な抵抗損：Ｌ＝Ｖ１Ω／Ｖ１＝（ρｊ）／（３．０４×１０−２Ｄωｒｐｍ）＝６．５９×１０−７ｊ／Ｄωｒｐｍ      （１２）
オームマシン抵抗：ＲＭ＝ＮＺρＬ／ＡＺ＝１．３４×１０−３ＤＬ／Ｋ３      （１３）
磁石材料の質量：ｍｍ＝２πｄＤＬＫＨｍｏ＝６２８ＫＤＬ［ｋｇ］      （１４）
磁束帰還材料質量：ｍｂ＝２πｄＤＬＫＬｂｏ＝６２８ＫＤＬ＝ｍｍ［ｋｇ］      （１５）
電流経路質量：ｍＣｕ≒２πｄＤＬＫＴｏ≒６２８ＫＤＬ＝ｍｍ［ｋｇ］      （１６）
磁石材料費：Ｃｍ＝＄４０×ｍｍ＝＄２５，１００ＫＤＬ      （１７）
マシン質量：ｍＭ＝１．３（ｍｍ＋ｍｂ＋ｍＣｕ）＝１．３×３ｍｍ＝３．９ｍｍ＝２４５０ＫＤＬ［ｋｇ］      （１８）
マシン材料費：ＣＭ＝＄４０×ｍｍ＋＄１０×（ｍＭ−ｍｍ）＝＄１０×（４＋２．９）ｍｍ＝１．７７Ｃｍ＝＄４４，４００ＫＤＬ      （１９）
パワー密度：ＷＭ／ｍＭ＝６．４５×１０−７ＤｊωｒｐｍまたはｍＭ／ＷＭ＝１．５５×１０６／Ｄｊωｒｐｍ      （２０）
電力単位当たりの費用：ＣＭ／ＷＭ＝＄２．７９×１０７／Ｄｊωｒｐｍ      （２１）
【表１】
2010533475.tif 000026
【００７８】
数値例  
電流密度、マシン損失および「フローティング損失」に関するコメント  
上記の式および表Ｉから見られるように、典型的に、概念的および推測上の実際のマシンでは、損失Ｌはそれが電流密度ｊ（式１２を参照）に比例することにおいて中心的な役割を果たし、そして、トルク、マシンパワーおよびパワー密度（式７、８および２０を参照）もそうである。したがって、損失が何らかの所定のレベルで設定される場合、電流密度が独立して決定されなければ、典型的な効果は、特に低い回転率で、費用およびパワー密度のレベルを間接的に設定することである。
【００７９】
多くの場合、多くの従来タイプの電気マシンではないにしても、発熱率すなわち損失Ｌは、マシン設計を冷却問題の理由で制限する。これらは、内部マシン温度が制限されているという事実から、少なくとも永久磁石および（または）マシン成分材料が劣化するレベルまで発生する。以前のマシンでは、導体は、少なくとも部分的にコイルの形である傾向があった、つまりある絶縁してあるこのように不完全な熱伝導の「製陶」材料に埋め込まれたワイヤであり、この材料は廃熱除去率を遅くするかまたは逆に内部マシン温度を上昇させる。それらのコイルなしの構成および利用可能な有効な冷却システムのために、ＭＰ−ＴＩＩマシンは、この障害が本質的になく、廃熱除去は、それらに関して制限をかけるとしても、まれである。したがって、Ｌを制限する上記の理由は、ＭＰ−ＴＩＩマシンに適用しないか、全くまれにだけ適用する。
【００８０】
ケース３Ａの磁石形態に基づくＭＰ−ＴＩＩマシンでは、代わりに、電流密度は〜１．２ｘ１０７Ａ／ｍ２＝１２００Ａ／ｃｍ２に制限される。さらに高い電流密度では、電流密度とトルク（式７）の間の比例はますます行き詰まり、最終的に、内側および外側の磁石チューブにおいて相関性のある磁石極は、互いに気づかないうちに通過する。高い電流密度で最適の磁石形態、およびｊへのＭＭの依存（式７）を決定する有限要素分析は、まだ非常に不完全である。この点で、ｊ＝１．２ｘ１０７Ａ／ｍ２は、ケース１Ａおよびケース３Ａの両方にとって安全であると考えられ、概念的なマシン設計では、仮の最大電流密度のｊｍａｘ＝１．２ｘ１０７Ａ／ｍ２が採用される。ＭＰ−ＴＩＩマシンを最適化する視界を備えた注意深い解析は高く薦められる。
【００８１】
冷却流路は、電流を運ぶ、トルクを生じる面積ＡＺの小片を占める。しかし、ｊｍａｘの議論された限界は、内側および外側の磁石チューブ（ラベル５および６）間での全電流フローに関係する。このフローは、例えば図１１および図１３でのように、冷却流路のための空間を作ることによって影響されない。それでも、平均についての冷却流路は、ＡＺの一部を運ぶ電流を削減し、それによって、局所電流密度および発熱を上げる。特に、冷却流路が電流チューブ壁面積の１／ｎをしめる場合、それらは発熱をｎ／（ｎ−１）だけ上昇させ、特に１／ｎ＝３／４の極端な場合での発熱増加は４／３＝１．３３３倍になる。発熱を増加させる冷却流路のこの効果は、次の数値例においてさらに検討される。しかしながら、最大電流密度つまりｊｍａｘ＝ｊ＝１．２ｘ１０７Ａ／ｍ２を用いる効果は、何らかのあらかじめ選択された損失（Ｌ）の代わりに、題名「フローティング損失」の下で調べられる。
【００８２】
実施例ａ：１００ｈｐパワーおよび２００ｒｐｍ速さ、ＭＭ＝３５８０ＮｍのＭＰ−ＴＩモータ  
Ｋ＝０．２５、Ｌ＝４％を備えたマシン  
ＷＭ＝７．５ｘ１０４ワットおよびωｒｐｍ＝２００ｒｅｖ／ｍｉｎで、トルクはＭＭ＝６０ｘ７．５ｘ１０４／２π２００＝３５８０Ｎｍ、つまり式７から、
【数２４】
2010533475.tif 000027
【００８３】
ここで、
【数２５】
2010533475.tif 000028
【００８４】
最初の決定はＫの選択になる。それは、マシン構成の実用性を過度に複雑にすることなく、マシンを軽くしかつ永久磁石材料の費用を節約するために、できるだけ小さくなるようになされる。仮に、磁石をＨｍ＝Ｋ１．２５ｃｍ＝０．３１ｃｍ厚、ゾーンを円周方向で６Ｈｍ＝１．８８ｃｍ幅にするようにＫ＝０．２５を選択してもよい。Ｋ＝０．２５のこの選択で次式を得る。
【数２６】
2010533475.tif 000029
【００８５】
その後、次の選択は電流密度ｊである。Ｄ２Ｌの小さな値を得て、ひいては低い磁石およびマシンの重さのために、これを可能な限り大きくしたい。しかし、損失Ｌが、方程式１２（すなわちωｒｐｍ＝２００ｒｐｍで）にしたがってｊに比例するという事実によって制限される。
【数２７】
2010533475.tif 000030
【００８６】
Ｌ＝４．０％を選ぶと次式を得る。
【数２８】
2010533475.tif 000031
【００８７】
ここで、
【数２９】
2010533475.tif 000032
【００８８】
Ｄ＝０．５５ｍ（ｊを余りに低くしないため、または不必要に大きなモータで終わらないために）では、２７ａから次式を見つける。
【数３０】
2010533475.tif 000033
【００８９】
および式（２４ａ  １）から
【数３１】
2010533475.tif 000034
【００９０】
これらのサイズで、必要な磁気質量は式１４から以下である。
【数３２】
2010533475.tif 000035
【００９１】
Ｃｍ≒＄１，７３０費用がかかり、１８および１９式に続いてマシン質量は以下になる。
【数３３】
2010533475.tif 000036
【００９２】
以下の費用がかかる。
【数３４】
2010533475.tif 000037
【００９３】
次式の重量パワー密度と
【数３５】
2010533475.tif 000038
【００９４】
次の特定材料費用とのために
【数３６】
2010533475.tif 000039
【００９５】
次の式１０で、電圧（Ｌを無視して）は、Ｋ＝０．２５、Ｄ＝０．５５ｍおよびＬ＝０．５０ｍでは：
【数３７】
2010533475.tif 000040
【００９６】
ここでマシン電流は以下である。
【数３８】
2010533475.tif 000041
【００９７】
「フローティング損失」で等しくすなわちＬ＝ＤおよびＫ＝０．２５の同じマシン  
トルク式（２３ａ）はｊ＝ｊｍａｘ＝１．２ｘ１０７Ａ／ｍ２、Ｋ＝０．２５およびＬ＝Ｄで次式になる。
【数３９】
2010533475.tif 000042
【００９８】
これは次式の損失になる。
【数４０】
2010533475.tif 000043
【００９９】
また磁石質量は次式になる。
【数４１】
2010533475.tif 000044
【０１００】
Ｃｍ≒＄１，２０５の費用がかかる。その後、次式の１８および１９では、マシン質量が以下になる。
【数４２】
2010533475.tif 000045
【０１０１】
次の費用で
【数４３】
2010533475.tif 000046
【０１０２】
次式の重量パワー密度と
【数４４】
2010533475.tif 000047
【０１０３】
次の特定材料費用とのために
【数４５】
2010533475.tif 000048
【０１０４】
次の式１０では、Ｌ＝０．０９０３を含む電圧は、Ｋ＝０．２５およびＤ＝Ｌ＝０．４３８ｍで次式になる。
【数４６】
2010533475.tif 000049
【０１０５】
ここでマシン電流は次式になる。
【数４７】
2010533475.tif 000050
【０１０６】
Ｌ＝４％だがＫ＝１の同じマシン  
すべての上記のパラメータは非常に合理的である。より大きなＫ値は、設置される磁石部分数を減少させることによって、製造費用を減少させるが、同一の直径で材料費は変更せず、マシン電圧を減少させる。一例としてＨＭ＝１．２５ｃｍおよびＬｍｌ＝７．５ｃｍで、Ｋ＝１を検討する。この場合、次式になる。
【数４８】
2010533475.tif 000051
【０１０７】
その後同じ４％の損失、Ｄ＝０．５５ｍの直径および６．６７ｘ１０６Ａ／ｍ２の電流密度では、以下を見つける。
【数４９】
2010533475.tif 000052
【０１０８】
同じ磁石質量は以下である。
【数５０】
2010533475.tif 000053
【０１０９】
しかし電圧は次式であり、
【数５１】
2010533475.tif 000054
【０１１０】
電流は次式である。
【数５２】
2010533475.tif 000055
【０１１１】
これは明白に不合理な設計である。このように、第１に、Ｋの選択は、望ましい電圧を実現するための手段である。
【０１１２】
Ｋ＝０．２５およびＬ＝４％だが異なるαの同じマシン  
パラメータＫとは対照的に、縦横比（α＝Ｌ／Ｄ）は著しくマシン費に影響を及ぼす。αを減少させると、次の例で見られるように磁石質量ひいては費用を削減する。以前のように式２７ａおよびＫ＝０．２５で始まって、Ｄ＝を０．８ｍ選ぶと以下を見出す。
【数５３】
2010533475.tif 000056
【０１１３】
そして、Ｋ＝０．２５、Ｄ＝０．８ｍおよびｊ＝９．６８ｘ１０６Ａ／ｍ２で（２４ａ  １）からは以下を見つける。
【数５４】
2010533475.tif 000057
【０１１４】
ここで、
【数５５】
2010533475.tif 000058
【０１１５】
および
【数５６】
2010533475.tif 000059
【０１１６】
ここで、
【数５７】
2010533475.tif 000060
【０１１７】
一方
【数５８】
2010533475.tif 000061
【０１１８】
また
【数５９】
2010533475.tif 000062
【０１１９】
と
【数６０】
2010533475.tif 000063
【０１２０】
このように、相当な費用の減少は、著しく低下したマシン電圧と同様に、著しく低いマシン（α＝Ｌ／Ｄ＝０．１６３／０．８０＝０．２０）の費用で獲得される。
【０１２１】
結論  
以上のように、選択幅は広い。Ｌ＝４の選択は過度に控えめであり、Ｌでの「フローティング」損失の場合は、大きなマシン費用節約（すなわち、＄２１．３／ｈｐ／＄３０．５／ｈｐつまりほとんど１／３）をもたらす。その間に、４％から９％まで損失を上げる貨幣的効果は、９６％／９１％＝１．０５５すなわち５．５％になり、そしてこれでさえより好ましくない縦横比（すなわちα＝０．９の代わりにα＝１）である。したがって、システムを最適化するように、それがモータまたは発電機であろうがなかろうが、かなりの考えが損失レベルに与えられるべきである。
【０１２２】
実施例ｂ：６１００ｈｐの電力および１２０ｒｐｍ速さ、ＭＭ＝３．６２Ｘ１０５ＮｍのＭＰ−ＴＩＩモータ。  
前置き：  
マシン電圧の調整を許すパラメータＫの関数を超えて、Ｋの選択はマシン製造に影響を与える。これは、個別の磁石を処理する難しさがそれらのサイズと共にあがり（すなわち、ほぼＫ３に比例するそれらの間の磁力のために）、一方、磁石を配置する労力は、それらが配置される必要がある精度（およそ１／Ｋ２で上昇する）と同様に両方の磁石数としてのＫ値が減少するにつれて増大する。これらの考察の重要性はマシンサイズと共に上昇する。したがって大型マシンのこの場合および電圧に制限が課されていない場合では、２つの名付けられた問題（すなわち大きな数および大きな磁石サイズを扱うことが困難）間の気づかれる良い妥協としてＫ＝０．４は選択される。経験は、最良のオプションは何であるかを教える。その間、マシンを直列または並列に接続している独立ユニットに細分化する可能性は、電圧の調整を同じＫででさえ望ましいレベルまで非常に単純化する。
【０１２３】
Ｋ＝０．４、Ｌ＝４％およびα＝１／２でのマシン  
ＷＭ＝６１００ｈｐ＝４．５５ｘ１０３Ｋｗおよびωｒｐｍ＝１２０ｒｐｍで、それはＭＭ＝３．６２ｘ１０５Ｎｍである。式７から以下を見つける。
【数６１】
2010533475.tif 000064
【０１２４】
つまり
【数６２】
2010533475.tif 000065
【０１２５】
（上記の考察に基づいた）Ｋ＝０．４０で、次式を得る。
【数６３】
2010533475.tif 000066
【０１２６】
再び（たとえ、かなりの費用および重量がより高い損失（例えば既に上記で示唆したようにＬ＝８％）で節約されるかもしれない場合でさえ）Ｌ＝４％を選んで、ωｒｐｍ＝１２０ｒｐｍで式（１２）から以下を見つける。
【数６４】
2010533475.tif 000067
【０１２７】
ここで
【数６５】
2010533475.tif 000068
【０１２８】
そして２７ｂを式（２４ｂ １）に挿入することによって次式を見つける。
【数６６】
2010533475.tif 000069
【０１２９】
この点では、縦横比α＝Ｌ／Ｄの効果を調査することは有用であり、式（３１ｂ１）をＤ４＝８．１７［ｍ４］つまりα１／４Ｄ＝８．１７１／４＝１．６９ｍに書き直して、次式をもたらす。
【数６７】
2010533475.tif 000070
【０１３０】
結果として、Ｋ＝０．４で、次式を得る。
【数６８】
2010533475.tif 000071
【０１３１】
数値的には、ｍｍは、αの値が減少すると共に、徐々に減少するｍｍへの影響と共に、かなり急速に減少するが、一方、低いマシンは直観的にますます扱いにくくなる。したがって、合理的な妥協としてα＝０．５を選ぶ。これと共に、（３１ｂ  ２）から次式を得る
【数６９】
2010533475.tif 000072
【０１３２】
ここで、式（１４ｂ  １）は次式をもたらす。
【数７０】
2010533475.tif 000073
【０１３３】
次の費用で、
【数７１】
2010533475.tif 000074
【０１３４】
一方、
【数７２】
2010533475.tif 000075
【０１３５】
であり、次の費用で
【数７３】
2010533475.tif 000076
【０１３６】
あるいは
【数７４】
2010533475.tif 000077
【０１３７】
結果として生じるパワー密度は次式である。
【数７５】
2010533475.tif 000078
【０１３８】
さらに、電圧は次式で見出される。
【数７６】
2010533475.tif 000079
【０１３９】
「フローティング損失」で等しくすなわちＬ＝ＤおよびＫ＝０．４の同じマシン  
トルク方程式（７ｂ）はｊ＝ｊｍａｘ＝１．２ｘ１０７Ａ／ｍ２、Ｋ＝０．２５およびＬ＝Ｄで次式をもたらす。
【数７７】
2010533475.tif 000080
【数７８】
2010533475.tif 000081
【０１４０】
次の損失をもたらし、
【数７９】
2010533475.tif 000082
【０１４１】
そして磁石質量
【数８０】
2010533475.tif 000083
【０１４２】
費用はＣｍ≒＄２９，０００である。
【０１４３】
その後、次の方程式１８と１９で、マシン質量は次のようになる。
【数８１】
2010533475.tif 000084
【０１４４】
次の費用で
【数８２】
2010533475.tif 000085
【０１４５】
ここで重量パワー密度は以下になり、
【数８３】
2010533475.tif 000086
【０１４６】
および特定材料費用は以下になる。
【数８４】
2010533475.tif 000087
【０１４７】
次の式１０によれば電圧は、Ｌ＝≒を４％含み、Ｋ＝０．４およびＤ＝Ｌ＝１．７ｍで、以下である。
【数８５】
2010533475.tif 000088
【０１４８】
ここでマシン電流は以下である。
【数８６】
2010533475.tif 000089
【０１４９】
結論  
この実施例は、磁石配置の安定性から導かれ、控えめな基準によってさえ必ずしも大きくない、Ｌへの上限があることを示す。
【０１５０】
Ｋ＝０．４、Ｌ＝４％だがα＝１の同じマシン  
全ての上記の値は非常に合理的であり、特に、望むならば、マシンが２つの各約７５０Ｖの直列部分に分けられ得て、または逆に半分の電流（すなわち、１５００Ａ）の並列部分に分けられ得て、または一般にはＶＭ／ｎ電圧ｉＭ電流またはＶＭ電圧ｉＭ電流のｎ部分に分けられうるからである。実際、上記の結果は低い設計のために全く好ましい。同じＫ＝０．４、電流密度および損失の等軸マシンにとっては、値は次のように変化する。方程式（３１ｂ  １）は次を与える。
【数８７】
2010533475.tif 000090
【０１５１】
ここで磁石材料質量は、
【数８８】
2010533475.tif 000091
【０１５２】
マシン質量は、
【数８９】
2010533475.tif 000092
【０１５３】
そしてパワー密度は次になる。
【数９０】
2010533475.tif 000093
【０１５４】
マシン電圧は次になる。
【数９１】
2010533475.tif 000094
【０１５５】
電流は
【数９２】
2010533475.tif 000095
【０１５６】
特定材料費用は次である。
【数９３】
2010533475.tif 000096
【０１５７】
Ｋ＝０．３かつフローティング損失での「鞘付きの船駆動（Ｐｏｄｄｅｄ  Ｓｈｉｐ  Ｄｒｉｖｅ）」のための長方形のマシン（α＝３）  
書き直されたトルク式（７）から、すなわち、次になる。
【数９４】
2010533475.tif 000097
【０１５８】
（それ程低すぎない電圧で）Ｋ＝０．３２、Ｌ＝αＤ＝３Ｄおよびｊｍａｘ＝１．２ｘ１０７Ａ／ｍ２で、次を得る。
【数９５】
2010533475.tif 000098
【０１５９】
つまり
【数９６】
2010533475.tif 000099
【０１６０】
次の損失をもたらし、
【数９７】
2010533475.tif 000100
【０１６１】
これらの値、すなわち、Ｋ＝０．３２、Ｄ＝０．８８ｍおよびＬ＝２．６５ｍで、磁石質量は次式になる。
【数９８】
2010533475.tif 000101
【０１６２】
費用は次のようになる。
【数９９】
2010533475.tif 000102
【０１６３】
一方、
【数１００】
2010533475.tif 000103
【０１６４】
費用は次
【数１０１】
2010533475.tif 000104
【０１６５】
または次になる。
【数１０２】
2010533475.tif 000105
【０１６６】
結果として生じるパワー密度は次になる。
【数１０３】
2010533475.tif 000106
【０１６７】
電圧および電流は次になる。
【数１０４】
2010533475.tif 000107
【数１０５】
2010533475.tif 000108
【０１６８】
必要に応じて、電圧はＫを低下させることにより増加されてもよく、これは、設定されたマシンサイズでＶＭがＫに逆比例する一方、マシンサイズを上げるからである。しかし、既に説明されていたように、Ｋの削減はマシンの構築費用を高める。したがって、また、注意深いモデリングは任意の特定の設計を決める前が望ましい。どんな場合も、特定材料費用は著しく低く、パワー密度は、現在の実施例のとても長方形の設計にもかかわらず高い。
【０１６９】
小さなＭＰ−Ｔ  ＩＩモータまたは発電機に関する一般的なコメント  
ＭＰ−Ｔマシンが電子制御を要し、単に偶然の一致で６０Ｈｚの電流で動作するので、多くの小さいＭＰ−Ｔマシンは平凡なタスク（例えば車の窓を操作する、電気掃除機とミシンに動力を供給する）に気軽に使用されるだろう。それでも、それらの達成可能な高パワー密度のために、コンパクトなＭＰ−ＴＩＩマシンは、モータおよび（または）発電機であろうがなかろうが、先端技術の応用（例えば、無人飛行機、無人水中機、または宇宙での発電機）に未来がある。より低いサイズ限界では、Ｄは例えば、１０ｃｍ以下ぐらい小さくてもよい可能性があり、回転レートは少なくとも１５，０００ｒｐｍくらい高くなりうる。式８にしたがって、電流密度ｊ＝ｘ１０７、長さは例えばＬ＝０．３ｍ、およびＫ＝０．２で、これは１００ｋｗ以上の超現実的な電力を可能にするだろう。明らかに、ここでの限定は冷却するだろう。とにかく、先端技術が必要性ならば、それにＭＰ−Ｔマシンを適応させようとするべきである。
【表２】
2010533475.tif 000109
【表３】
2010533475.tif 000110
【０１７０】
さて、従来技術のより十分な図および図面において本発明の態様に戻る。
【０１７１】
図１Ａ従来技術は、ＭＰマシンの概略断面を示し、電流チューブ２はマシン軸１０に関して回転し、一方外側（６）および内側の磁石チューブ（５）は静止している。この場合、モータモードでの電流を導く電流チューブを備えたマシンは直流電源によって動力が供給されることが仮定されている。ＭＰ−ＡまたはＭＰ−Ｔのモータは、１以上のＳリボンが取り付けられた電流チューブを具備し、交流または３相で動力が供給される。
【０１７２】
図１Ｂ従来技術：ＭＰ−ＡまたはＭＰ−Ｔマシンの場合を別にすれば図１Ａのように、磁石チューブ５および６は軸１０で回転し、一方、電流チューブ２は、部品１８３を介して台板１９へのその力学的な固着のために、静止したままである。図２Ａ従来技術は、埋め込まれた、くねるような形の導体（Ｓリボン）を備えた絶縁電流チューブ２のケースを別にすれば、図１Ａの基本的な構成を備えたマシンの部分的に切り取られた外側磁石チューブ６での透視図である。
【０１７３】
図２Ｂ従来技術：図１Ｂの形状を別にすれば、図２Ａのようである。静止した電流チューブ２で、外部との電気的な接続は、電流チューブ２の延長線上で相互に絶縁された端子１７６を介して直接なされえて、その結果スリップリングは必要とされない。それによって、マシンは短くされ、そのパワー密度は増加し、費用は減少する。この設計は、また異なるマシン機能および電源の同時の使用を許す、１つの電流チューブにおいて複数のＳリボンを可能にする。
【０１７４】
図３Ａ従来技術は、ＭＰ−Ｔマシンの電流チューブにおけるＳリボンの平面図である。この図では、磁石は、線ＸＸとＸＸの間（すなわち、描画の平面の上と下）に位置する。
【０１７５】
図３Ｂ従来技術は、圧縮以前にＭＰ−Ｔマシンの電流チューブ本体においてＳリボンの断面図を明らかにする。
【０１７６】
図３Ｃ従来技術は、圧縮後にＭＰ−Ｔマシンの電流チューブ本体においてＳリボンの断面図を示す。
【０１７７】
図４従来技術は、本発明にしたがってＭＰ−ＡおよびＭＰ−Ｔマシンを含む任意のＭＰマシンにおいて可能な異なる磁石配置の選択を示す。
【０１７８】
図５：ＵＶＡのＥｒｉｃ Ｍａｓｌｅｎによって、様々なケースに関する磁束分布の有限要素解析で用いられた基本的な形状。ＭＰ−ＴＩＩマシンにとっての決定的に重要なサイズは、これらの配置で周期性距離２Ｌｍに一致している磁石幅Ｌｍｌ、磁石厚Ｈｍ、磁束帰還材料の厚さＬｂ、およびここでは電流チューブ壁の厚さに一致していると仮定される対向する磁石間のギャップ幅Ｌｇがある。しかし、典型的に、ＭＰ−ＴＩＩマシンは、Ｅ．ＭａｓｌｅｎのモデリングでのＮｄＦｅＢ  ３５  ＭＧＯｅ材料よりも（４５／３５）１／２＝１．１３倍大きな磁束密度を生じるＮｄＦｅＢ  ４５  ＭＧＯｅ材料を用いてもよい。
【０１７９】
図６は、ＥｒｉｃＭａｓｌｅｎ、ＵＶＡ、２００５年９月によるケース１Ａに関して、磁石および力線の形態（図５の形状の上部）と、電流チューブ２の中央線での磁束密度（下部）を示す。上記の図５への説明において既に示されるように、ＮｄＦｅＢ  ４５  ＭＧＯｅ材料を備えたＭＰ−Ｔマシンについては、図の下側部分において磁束密度が、このケースＡでＢ＝０．４９テスラの代わりに０．５６に関して、（４５／３５）１／２＝１．１３の因数で乗算されるべきである。
【０１８０】
サイズはＨｍ＝ＫＨｍｏ＝Ｋ１．２５ｃｍ；Ｌｂ＝Ｈｍ；Ｌｍ＝ＫＬｍｏ＝Ｋ２．５ｃｍおよびＬｇ＝ＫＬｇｏ＝Ｋ２．５ｃｍである。
【０１８１】
図７は、ケース３Ａに関して、磁石および力線の形態（図５の形状の上部）と、電流チューブ２の中央線での磁束密度（下部）を示す。また、４５ＭＧＯｅ磁石を用いる場合、平均磁束密度が０．５１テスラの代わりに０．５８テスラであると予想される。サイズはＨｍ＝ＫＨｍｏ＝Ｋ１．２５ｃｍ；Ｌｂ＝Ｈｍ；Ｌｍ＝ＫＬｍｏ＝Ｋ７．５ｃｍおよびＬｇ＝ＫＬｇｏ＝Ｋ２．５ｃｍである。ここまでモデル化されたコンフィギュレーション（表ＩＩを参照）のなかでは、このケース３Ａは、最も好ましいものであるように見えるが、論理上その最適条件にはなりえない。また、Ｂ≒０．５１テスラのそのピーク値がケース１ＡのＢ≒０．５２のそれ以下に落ちるという事実は、それがより高くあるべき場合、厚さＬｂ＝Ｈｍの鉄シリコン裏打ちが薄すぎることを示し、その結果、また、マシンパワー密度での向上された値は、恐らくＬｂを調整することにより実現されうる。さらに、Ｂが（４５／３５）１／２に比例して上昇するという仮定は、４５ＭＧＯｅ材料を代用する場合、これらの考察を考慮してチェックされる必要がある。適切な有限要素モデリングは進行中である。
【０１８２】
図８Ａおよび８Ｂは、図３の相当物であり、好ましくは穏やかにねじられた固く締まったリッツワイヤケーブルで作られ、相（ａ）、（ｂ）および（ｃ）について３つの並列経路を具備するトリプルＳリボン（１７３）から、ＭＰ−ＴＩＩマシンの電流チューブ２の構成を明確にする。図８Ａは、内側と外部の（線ＸＸ．．．ＸＸで終了する）磁石チューブ（５および６）との間の電流チューブ壁の平面図である。電流チューブ壁は、線ＸＸを越えて、１８０°湾曲部リボン１７３が位置するリムへ延びる。−ここでは折り重なることにより示されている。図８Ｂは、電流チューブ２壁および磁石チューブ５および６を通る部分断面図を示す。磁石の変動する極性と並行して電流の交互の方向は、中央のドットまたはクロスを備えた円によってそれぞれ示される。いつでも、最大に近い電流は、２相（ここでは（ａ）と（ｂ））で流れ、一方、第３相（ここではｃ）は最小電流を有する。なぜならば、それは、隣接した磁石間での、磁束密度Ｂが方向を変えている境界を跨いでいるからである。
【０１８３】
図８Ｃは、３つの折り目を介してトリプルＳリボン１７３の１８０°湾曲部の構成を示す。
【０１８４】
図８Ｄは、同時に（この図では）「カフ」冷却流路（４０）としての機能を果たすチューブまたは細い棒の周りに穏やかにらせん状になる「ラップ」を介してトリプルＳリボン１７３の１８０°湾曲部の構成を示す。
【０１８５】
図９は、２つの可能な別の冷却配置のための設備を含む、静止した電流チューブを備えたブラシレスＭＰマシンを縦に切り取ったものを示す（１）少なくとも１つのリムを取り囲み、それ（この場合はリム３（２））と良い熱的接触にあり、冷却材が通過する「カフ」（４７）による冷却がある。これは、モータでも発電機でも、短いマシンの恵まれた方法であるが、室温でＬ＝１フィート以下のマシンに制限される。強く冷却された冷却材の使用によって、この方法ははるかに大きな長さまで延長されてもよい。極端な場合（すなわち液体ヘリウム冷却）では、Ｌ〜１０フィートまで延長される。本発明によれば、室温で、Ｌ＝１フィート以上のマシンにとって、好ましい冷却方法は、電流チューブ壁（２）内で、流入および流出チューブ（４１と４２）を介して冷却材が供給される冷却流路（４０）を使用する。以前に推定された性能の損失なしで、冷却流路４０は、電流チューブ壁の約２５％以内を占めてもよい。流路４０は、ゾーンのちょうど外側（すなわち、磁石チューブの外側で、かつ電流チューブ壁とリム３（１）または３（２）との間の継ぎ目の前）の電流チューブ壁２を通ることによってチューブ４１および４２に好ましくは接続されてもよい。もし用いられれば、これは、オプションの磁気遮蔽（９０）の位置にまたは近くにある。環状の形の磁気遮蔽は柔軟な鉄で作られており、磁石チューブの端を覆い、それによって、磁石チューブの外部へ拡張する少なくとも、部分的にそれた端の磁場を遮る。
【０１８６】
図１０は方程式１Ｑから４Ｑの微分のグラフモデルである。
【０１８７】
図１１は、外部（６）および内側（５）の磁石チューブにおける平磁石、および電流チューブ壁（２）における冷却流路（４０）を備えたＭＰ−Ｔマシンを通る断面である。自由に、液体またはガスの冷却材（例えば、望ましいように予め冷却されていたり冷却されていない、空気、あるいは水、あるいは有機的な液体）は、図９に示された供給および排出チューブ４１および４２の間の冷却流路（４０）を通される。好ましい実施形態では、より低費用および（または）向上された潤滑に賛成して、この図において示されるように、磁石は平ら（すなわち均一な厚さ）である。冷却流路４０の配置は、それらの形およびサイズと同様に自由である。マシン電流が不変で、適切に配置された冷却流路４０が電流チューブ壁面積の一部分ｆｃを占める場合、予測マシン性能は、たとえ損失Ｌが１／（１−ｆｃ）倍にあがっても影響を受けない。しかし、熱膨張ギャップは、熱膨張／縮小差（すなわち、（恐らく銅でできている）電流チューブ）、磁石材料および電流帰還鉄の裏打ちのために、電流チューブと磁石チューブとの間に残らなければならない。Δθ＝１１０℃の潜在的な温度変動範囲では、金属の線形の熱膨張が絶対零度とそれらの融解温度θＭ（銅の場合はθＭ＝１３５０Ｋであり、鉄磁束帰還材料ではそれは１／３高い）との間で約２．３％であるとすれば、電流と磁石チューブとの間のパーセンテージサイズ差は、〜２．３％（１１０Ｋ／１３５０Ｋ）／３＝〜０．０６％になる。したがって、余裕を見るなら、Ｄｘ０．０６％のギャップまたは１ｍの直径当たり０．６ｍｍが、電流チューブ壁のどちらかの側で必要である。磁石が磁石チューブに固定される接着剤が、磁石と湾曲部との間での拡張差分を調整すると予想される。しかし、〜Ｌｍ／１００の拡張接合ギャップは、隣接の磁石の間（典型的には１／２ｍｍより少ない）にあるべきである。
【０１８８】
図１２は、電流チューブ（２）を取り囲む周期的な冷却「カフ」（４７）を介する冷却を備えたＭＰ−ＴＩＩマシンの一部の縦断面を示す。電流チューブリム（３）は、図８Ｄにおいて示される、緩やかに螺旋状になる「ラップ」タイプのこの場合、Ｓリボンの１８０°湾曲部を具備する。自由に、それらのラップタイプ１８０°湾曲部は、冷却カフの役割においてここで機能する冷却流路（４０）を取り囲む。図は、内側磁石チューブ（５）を備えた右側では連続しているが、外側磁石チューブ（６）は周期的に冷却カフによって中断されている、２つの少し異なる構成を示す。方程式１Ｑから４Ｑの微分にしたがって、室温動作については、これらは〜１フィート以下離れて一定間隔で配置されるべきである。上図の左部分では、外側磁石チューブ（６）だけでなく内側磁石チューブ（５）も、周期的に中断され、すなわち外側磁石チューブの中断と並行して中断される。連続的な内側の磁石チューブは、右でのように、少なく十１つのドライバ、すなわち軸１０への固定した力学的な接続２９、を必要とする。しかし、図の左部分でのような中断で、すべての部は、少なくとも１つの上記の（図で２９（ｎ−３）および２９（ｎ−２）とラベルされた）接続を必要とする。６（ｎ）、６（ｎ−ｌ）とラベルされた外側磁石チューブの様々な部は、磁石極ペア間の相互の磁気的引力のために、内側磁石チューブと一緒に回転する。図に示される台板１９上でのベアリング３５を備えた支持材２８は、外側磁石チューブ部（６ｎ）の回転、および間接的に全体のマシンの円滑な実行をスムースにする直接的に役目をするすると予想される。左でのように、内側磁石チューブ５を複数の部に力学的に分ける潜在的な利益は、磁石材料において貯蓄でありえる。しかし、また右でのような連続的な内側磁石チューブでも、磁石は、費用を節約するために外側チューブ６のギャップで好ましくは省略される。なぜなら、局所的には、対応する外側磁石なしで、内側磁石が、冷却カフが適用されるギャップでの磁束密度を完全に維持することができないからである。その後、内側磁石チューブをもセグメントするかどうかに関する決定は、磁石費用の検討以外のもの（例えばマシンの安定性、製造原価など）に基づかなければならない。
【０１８９】
図１３Ａおよび１３Ｂは、その中心線がラベル４で示される電流チューブ（２）の壁での冷却流路（４０）の可能な配置の実施例を示す。図１３Ａは、冷却流路が電流チューブ壁に全く閉じ込められているケースを示し、図１３Ｂは、２の表面に縁を付ける冷却流路と同様に完全に閉じ込められた冷却流路（４０（６）および４０（７））を示し、このように滑る接合部分３７および（または）３８（すなわち、４０（５）、４０（８）および４０（９））に隣接する。滑る接合部分に縁を付ける冷却流路の相当な利点は、（ｉ）製造の容易さ（例えば、製造工程の任意の好ましい段で電流チューブ２の表面へそれらを焼き付ける）、および（ｉｉ）図９での（４１）および（４２）のように示される冷却流体の入口と出口チューブとの間の複数の部へ、（冷却流体の入口と出口チューブにそれらを接続している）冷却流路４０の位置および長さを制限するための即時の機会を含んでいる。それらの不利点は、それらの上に装着される磁石チューブおよび磁石のどちらかに対し電気的に絶縁させて、漏らないようにしてあり、長年の滑りの間に耐久性のある冷却流路壁（４８）を提供する潜在的な困難を含んでいる。上記の図は、自由に、異なるタイプの流路は、同じ電流チューブにおいて同時に用いられてもよいこと、流路断面は、この図の上部でのように円形、楕円形４０（６）、４０（７）および４０（９）、または多角形４０（５）および４０（８）である可能性があること、それらは電流チューブ中央平面４０（６）および４０（７）へ対称的に向いている可能性があるし、向いていない可能性もあること、それらは、中央平面４および電流チューブ表面に比べてそれらを非対称的に配置するような任意の他の可能な交換に加えて、相４０（６）および４０（７）の、および（または）隣接したトリプルＳリボン（１７４）（４０（１）、４０（２）、４０（４）、４０（５）、４０（８）および４０（９））間の境界の、隣接した電流経路間の境界にまたがってもよいこと、を示す目的がある。
【表４】
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【０１９０】
本発明は、開示された精神または本質的特質から外れずに、他の特定形態で具体化されてもよい。したがって、上記の実施形態は、本明細書で説明されたこの発明の制限よりもむしろすべての例示の点において検討されるべきである。開示されたこの発明の範囲は、上記の詳細な説明によってよりもむしろ添付されたクレームによってこのように示され、クレームの等価の範囲および意味内になる変更はすべて、本明細書で包含されるように意図される。それとは反対に明らかに記述がない限り、任意の特別な記述されたまたは図解入りの活動または要素、任意の特別なサイズ、速さ、寸法、材料、または周波数、または任意の記述された要素の任意の特別な相互関係の要件はない。したがって、詳細な説明と図面は、実際は例示的および限定的でないと見なされるべきである。参照することによりここに組み込まれたあらゆる材料においてのいずれの情報も、上記の情報と、ここで説明された記述および図面との間に不一致がない範囲まで、参照することによって組込まれる。上記の不一致の場合には、ここでの任意の請求項を無効にする不一致を含み、参照することによって組み込まれるべきと記載された、任意のこのような不一致な情報は、特別に参照することによって組み込まれない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図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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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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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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【国際調査報告】
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