(57)【要約】  電磁要素のアレイを有する第１のキャリアと、磁極を定める電磁要素を有する第２のキャリアとを含み、第２のキャリアは、第１のキャリアに対して動くように構成される、電気機械。第１のキャリアと第２のキャリアとの間にエアギャップが提供される。第１のキャリアの電磁要素は、ポストを含み、ポスト間のスロットと、各スロット内の１つ又はそれよりも多くの導電体とを備え、第１のキャリアのポストは、ｍｍ単位のポスト高さを有する。第１のキャリア及び第２のキャリアは、電気機械のサイズを共に定める。磁極はｍｍ単位の磁極ピッチを有する。モータのサイズ、磁極ピッチ及びポスト高さは、励起レベル当たりの重量当たりの力又はトルクに関して利益を提供するサイズ、磁極ピッチ及びポスト高さによって定められる空間の領域内に入るように選択される。
2018529302.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械であって、当該電気機械は、
電磁要素のアレイを有する第１のキャリアと、
磁極を規定する電磁要素を有し、第１のキャリアに対して移動するように構成される第２のキャリアと、
第１のキャリアと第２のキャリアとの間のエアギャップと、を含み、
第１のキャリアの前記電磁要素は、ポスト同士の間にスロットを有するポストと、各スロット内の１つ又は複数の導電体とを含み、第１のキャリアの前記ポストは、ミリメートル（ｍｍ）の大きさのポスト高さであり、
第１のキャリア及び第２のキャリアは一緒になって前記電気機械のサイズを規定し、前記磁極の磁極ピッチ（Ｓ）は、ｍｍの大きさであり、
前記電気機械のサイズ、磁極ピッチ、及びポスト高さは、サイズ、磁極ピッチ、及びポスト高さによって規定される空間の領域内に収まるように選択され、前記領域は、以下の１）又は２）によって規定され、
１）  ａ）第１のサイズの電気機械についての第１のセットの不等式によって規定される第１の面と、
ｂ）第２のサイズの電気機械についての第２のセットの不等式によって規定される第２の面と、
ｃ）第１の面上の第１の終点と第２の面上の第２の終点とを有する線分上にある全ての点を含むように規定されるセットと、の第１の和集合によって規定され、
第１のセットの不等式及び第２のセットの不等式は、それぞれ、不等式Ａ及びＢ、又は不等式Ｂ及びＣ、又は不等式Ｃ及びＤのセットであり、ここで、不等式Ａのグループが２５ｍｍサイズについてのものであり、不等式Ｂのグループが５０ｍｍサイズについてのものであり、不等式Ｃのグループが１００ｍｍサイズについてのものであり、不等式Ｄのグループが２００ｍｍサイズについてのものである、或いは、
２）  不等式Ｄのセットによって規定される面と、該面より大きいサイズを有するが、前記面内の点に対応する磁極ピッチ及びポスト高さを有する全ての点の対応するセットと、の第２の和集合により規定され、
Ａは、以下のセットＡ１〜Ａ３から構成される不等式のセットのグループから選択され、
セットＡ１
【表１３】
2018529302.tif 000024
セットＡ２
【表１４】
2018529302.tif 000025
セットＡ３
【表１５】
2018529302.tif 000026
Ｂは、以下のセットＢ１〜Ｂ３から構成される不等式のセットのグループから選択され、
セットＢ１
【表１６】
2018529302.tif 000027
セットＢ２
【表１７】
2018529302.tif 000028
セットＢ３
【表１８】
2018529302.tif 000029
Ｃは、以下のセットＣ１〜Ｃ３から構成される不等式のセットのグループから選択され、
セットＣ１
【表１９】
2018529302.tif 000030
セットＣ２
【表２０】
2018529302.tif 000031
セットＣ３
【表２１】
2018529302.tif 000032
Ｄは、以下のセットＤ１〜Ｄ３から構成される不等式のセットのグループから選択され、
セットＤ１
【表２２】
2018529302.tif 000033
セットＤ２
【表２３】
2018529302.tif 000034
セットＤ３
【表２４】
2018529302.tif 000035
ことになる、
電気機械。
【請求項２】
以下に示される制限、
前記領域は、第１のサイズの電気機械についての第１のセットの不等式によって規定される第１の面と、第２のサイズの電気機械についての第２のセットの不等式によって規定される第２の面との和集合によって規定され、前記セットは、第１の面上の第１の終点と第２の面上の第２の終点とを有する線分上にある全ての点を含むように規定され、第１のセットの不等式はＡ１であり、第２のセットの不等式はＢ１であり、
前記領域は、第１のサイズの電気機械についての第１のセットの不等式によって規定される第１の面と、第２のサイズの電気機械についての第２のセットの不等式によって規定される第２の面との和集合によって規定され、前記セットは、第１の面上の第１の終点と第２の面上の第２の終点とを有する線分上にある全ての点を含むように規定され、第１のセットの不等式はＡ１であり、第２のセットの不等式はＢ２であり、
前記領域は、第１のサイズの電気機械についての第１のセットの不等式によって規定される第１の面と、第２のサイズの電気機械についての第２のセットの不等式によって規定される第２の面との和集合によって規定され、前記セットは、第１の面上の第１の終点と第２の面上の第２の終点とを有する線分上にある全ての点を含むように規定され、第１のセットの不等式はＡ１であり、第２のセットの不等式はＢ３であり、
前記領域は、第１のサイズの電気機械についての第１のセットの不等式によって規定される第１の面と、第２のサイズの電気機械についての第２のセットの不等式によって規定される第２の面との和集合によって規定され、前記セットは、第１の面上の第１の終点と第２の面上の第２の終点とを有する線分上にある全ての点を含むように規定され、第１のセットの不等式はＡ２であり、第２のセットの不等式はＢ１であり、
前記領域は、第１のサイズの電気機械についての第１のセットの不等式によって規定される第１の面と、第２のサイズの電気機械についての第２のセットの不等式によって規定される第２の面との和集合によって規定され、前記セットは、第１の面上の第１の終点と第２の面上の第２の終点とを有する線分上にある全ての点を含むように規定され、第１のセットの不等式はＡ２であり、第２のセットの不等式はＢ２であり、
前記領域は、第１のサイズの電気機械についての第１のセットの不等式によって規定される第１の面と、第２のサイズの電気機械についての第２のセットの不等式によって規定される第２の面との和集合によって規定され、前記セットは、第１の面上の第１の終点と第２の面上の第２の終点とを有する線分上にある全ての点を含むように規定され、第１のセットの不等式はＡ２であり、第２のセットの不等式はＢ３であり、
前記領域は、第１のサイズの電気機械についての第１のセットの不等式によって規定される第１の面と、第２のサイズの電気機械についての第２のセットの不等式によって規定される第２の面との和集合によって規定され、前記セットは、第１の面上の第１の終点と第２の面上の第２の終点とを有する線分上にある全ての点を含むように規定され、第１のセットの不等式はＡ３であり、第２のセットの不等式はＢ１であり、
前記領域は、第１のサイズの電気機械についての第１のセットの不等式によって規定される第１の面と、第２のサイズの電気機械についての第２のセットの不等式によって規定される第２の面との和集合によって規定され、前記セットは、第１の面上の第１の終点と第２の面上の第２の終点とを有する線分上にある全ての点を含むように規定され、第１のセットの不等式はＡ３であり、第２のセットの不等式はＢ２であり、
前記領域は、第１のサイズの電気機械についての第１のセットの不等式によって規定される第１の面と、第２のサイズの電気機械についての第２のセットの不等式によって規定される第２の面との和集合によって規定され、前記セットは、第１の面上の第１の終点と第２の面上の第２の終点とを有する線分上にある全ての点を含むように規定され、第１のセットの不等式はＡ３であり、第２のセットの不等式はＢ３であり、
前記領域は、第１のサイズの電気機械についての第１のセットの不等式によって規定される第１の面と、第２のサイズの電気機械についての第２のセットの不等式によって規定される第２の面との和集合によって規定され、前記セットは、第１の面上の第１の終点と第２の面上の第２の終点とを有する線分上にある全ての点を含むように規定され、第１のセットの不等式はＢ１であり、第２のセットの不等式はＣ１であり、
前記領域は、第１のサイズの電気機械についての第１のセットの不等式によって規定される第１の面と、第２のサイズの電気機械についての第２のセットの不等式によって規定される第２の面との和集合によって規定され、前記セットは、第１の面上の第１の終点と第２の面上の第２の終点とを有する線分上にある全ての点を含むように規定され、第１のセットの不等式はＢ１であり、第２のセットの不等式はＣ２であり、
前記領域は、第１のサイズの電気機械についての第１のセットの不等式によって規定される第１の面と、第２のサイズの電気機械についての第２のセットの不等式によって規定される第２の面との和集合によって規定され、前記セットは、第１の面上の第１の終点と第２の面上の第２の終点とを有する線分上にある全ての点を含むように規定され、第１のセットの不等式はＢ１であり、第２のセットの不等式はＣ３であり、
前記領域は、第１のサイズの電気機械についての第１のセットの不等式によって規定される第１の面と、第２のサイズの電気機械についての第２のセットの不等式によって規定される第２の面との和集合によって規定され、前記セットは、第１の面上の第１の終点と第２の面上の第２の終点とを有する線分上にある全ての点を含むように規定され、第１のセットの不等式はＢ２であり、第２のセットの不等式はＣ１であり、
前記領域は、第１のサイズの電気機械についての第１のセットの不等式によって規定される第１の面と、第２のサイズの電気機械についての第２のセットの不等式によって規定される第２の面との和集合によって規定され、前記セットは、第１の面上の第１の終点と第２の面上の第２の終点とを有する線分上にある全ての点を含むように規定され、第１のセットの不等式はＢ２であり、第２のセットの不等式はＣ２であり、
前記領域は、第１のサイズの電気機械についての第１のセットの不等式によって規定される第１の面と、第２のサイズの電気機械についての第２のセットの不等式によって規定される第２の面との和集合によって規定され、前記セットは、第１の面上の第１の終点と第２の面上の第２の終点とを有する線分上にある全ての点を含むように規定され、第１のセットの不等式はＢ２であり、第２のセットの不等式はＣ３であり、
前記領域は、第１のサイズの電気機械についての第１のセットの不等式によって規定される第１の面と、第２のサイズの電気機械についての第２のセットの不等式によって規定される第２の面との和集合によって規定され、前記セットは、第１の面上の第１の終点と第２の面上の第２の終点とを有する線分上にある全ての点を含むように規定され、第１のセットの不等式はＢ３であり、第２のセットの不等式はＣ１であり、
前記領域は、第１のサイズの電気機械についての第１のセットの不等式によって規定される第１の面と、第２のサイズの電気機械についての第２のセットの不等式によって規定される第２の面との和集合によって規定され、前記セットは、第１の面上の第１の終点と第２の面上の第２の終点とを有する線分上にある全ての点を含むように規定され、第１のセットの不等式はＢ３であり、第２のセットの不等式はＣ２であり、
前記領域は、第１のサイズの電気機械についての第１のセットの不等式によって規定される第１の面と、第２のサイズの電気機械についての第２のセットの不等式によって規定される第２の面との和集合によって規定され、前記セットは、第１の面上の第１の終点と第２の面上の第２の終点とを有する線分上にある全ての点を含むように規定され、第１のセットの不等式はＢ３であり、第２のセットの不等式はＣ３であり、
前記領域は、第１のサイズの電気機械についての第１のセットの不等式によって規定される第１の面と、第２のサイズの電気機械についての第２のセットの不等式によって規定される第２の面との和集合によって規定され、前記セットは、第１の面上の第１の終点と第２の面上の第２の終点とを有する線分上にある全ての点を含むように規定され、第１のセットの不等式はＣ１であり、第２のセットの不等式はＤ１であり、
前記領域は、第１のサイズの電気機械についての第１のセットの不等式によって規定される第１の面と、第２のサイズの電気機械についての不等な第２のセットによって規定される第２の面との和集合によって規定され、前記セットは、第１の面上の第１の終点と第２の面上の第２の終点とを有する線分上にある全ての点を含むように規定され、第１のセットの不等式はＣ１であり、第２のセットの不等式はＤ２であり、
前記領域は、第１のサイズの電気機械についての第１のセットの不等式によって規定される第１の面と、第２のサイズの電気機械についての第２のセットの不等式によって規定される第２の面との和集合によって規定され、前記セットは、第１の面上の第１の終点と第２の面上の第２の終点とを有する線分上にある全ての点を含むように規定され、第１のセットの不等式はＣ１であり、第２のセットの不等式はＤ３であり、
前記領域は、第１のサイズの電気機械についての第１のセットの不等式によって規定される第１の面と、第２のサイズの電気機械についての第２のセットの不等式によって規定される第２の面との和集合によって規定され、前記セットは、第１の面上の第１の終点と第２の面上の第２の終点とを有する線分上にある全ての点を含むように規定され、第１のセットの不等式はＣ２であり、第２のセットの不等式はＤ１であり、
前記領域は、第１のサイズの電気機械についての第１のセットの不等式によって規定される第１の面と、第２のサイズの電気機械についての第２のセットの不等式によって規定される第２の面との和集合によって規定され、前記セットは、第１の面上の第１の終点と第２の面上の第２の終点とを有する線分上にある全ての点を含むように規定され、第１のセットの不等式はＣ２であり、第２のセットの不等式はＤ２であり、
前記領域は、第１のサイズの電気機械についての第１のセットの不等式によって規定される第１の面と、第２のサイズの電気機械についての第２のセットの不等式によって規定される第２の面との和集合によって規定され、前記セットは、第１の面上の第１の終点と第２の面上の第２の終点とを有する線分上にある全ての点を含むように規定され、第１のセットの不等式はＣ２であり、第２のセットの不等式はＤ３であり、
前記領域は、第１のサイズの電気機械についての第１のセットの不等式によって規定される第１の面と、第２のサイズの電気機械についての第２のセットの不等式によって規定される第２の面との和集合によって規定され、前記セットは、第１の面上の第１の終点と第２の面上の第２の終点とを有する線分上にある全ての点を含むように規定され、第１のセットの不等式はＣ３であり、第２のセットの不等式はＤ１であり、
前記領域は、第１のサイズの電気機械についての第１のセットの不等式によって規定される第１の面と、第２のサイズの電気機械についての第２のセットの不等式によって規定される第２の面との和集合によって規定され、前記セットは、第１の面上の第１の終点と第２の面上の第２の終点とを有する線分上にある全ての点を含むように規定され、第１のセットの不等式はＣ３であり、第２のセットの不等式はＤ２であり、
前記領域は、第１のサイズの電気機械についての第１のセットの不等式によって規定される第１の面と、第２のサイズの電気機械についての第２のセットの不等式によって規定される第２の面との和集合によって規定され、前記セットは、第１の面上の第１の終点と第２の面上の第２の終点とを有する線分上にある全ての点を含むように規定され、第１のセットの不等式はＣ３であり、第２のセットの不等式はＤ３であり、
前記領域は、不等式Ｄ１のセットによって規定される面と、該面より大きいサイズを有するが、前記面内の点に対応する磁極ピッチ及びポスト高さを有する全ての点の対応するセットとの和集合によって規定され、
前記領域は、不等式Ｄ２のセットによって規定される面と、該面より大きいサイズを有するが、前記面内の点に対応する磁極ピッチ及びポスト高さを有する全ての点の対応するセットとの和集合によって規定され、
前記領域は、不等式Ｄ３のセットによって規定される面と、該面より大きいサイズを有するが、前記面内の点に対応する磁極ピッチ及びポスト高さを有する全ての点の対応するセットとの和集合によって規定される、
のいずれか１つ又は複数を含む、請求項１に記載の電気機械。
【請求項３】
前記電気機械は、エアギャップ直径を有する、半径方向磁束機械であり、前記電気機械のサイズは、前記エアギャップ直径である、請求項１又は２に記載の電気機械。
【請求項４】
前記電気機械は、平均エアギャップ直径を有する、軸方向磁束機械であり、前記電気機械のサイズは、前記平均エアギャップ直径である、請求項１又は２に記載の電気機械。
【請求項５】
前記電気機械は、並進方向を有するリニアマシンであり、第１のキャリアは、前記並進方向に第１の長さを有し、第２のキャリアは、前記並進方向に第２の長さを有し、前記電気機械のサイズは、第１の長さが第２の長さ以下である場合に第１の長さであり、第２の長さが第１の長さ未満である場合に第２の長さである。請求項１又は２に記載の電気機械。
【請求項６】
前記電気機械は、横方向磁束機械である、請求項１又は２に記載の電気機械。
【請求項７】
前記導電体は、集中巻線を含む、請求項３、４、５又は６に記載の電気機械。
【請求項８】
前記導電体は、分散巻線を含む、請求項３、４、５又は６に記載の電気機械。
【請求項９】
第１のキャリアは、磁化可能な単一の材料部品によって形成されたステータを有し、各ポストは前記ステータの一部を含む、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項１０】
前記ステータは、２０，０００ｐｓｉ未満の測定可能なクリープを示さない材料を含む、請求項９に記載の電気機械。
【請求項１１】
前記ポストの各々が接線方向の幅を有し、前記ステータはバック鉄心部分を含み、該バック鉄心部分は、前記ポストの前記接線方向の幅以下の厚さを有する、請求項９又は１０に記載の電気機械。
【請求項１２】
前記ポストの各々が接線方向の幅を有し、前記ステータはバック鉄心部分を含み、該バック鉄心部分は、前記ポストの前記接線方向の幅の半分以下の厚さを有する、請求項９、１０又は１１に記載の電気機械。
【請求項１３】
第２のキャリアは、
単一の材料部品から形成される環状ディスクであって、軸を規定し、内縁部及び外縁部を有する環状ディスクと、
周方向に間隔を置いて配置された第２のキャリアポストであって、前記環状ディスクから軸方向に延び、第２のキャリアポスト同士の間に第２のキャリアスロットを規定する第２のキャリアポストと、を含み、
前記環状ディスクは、前記内縁部と前記外縁部との間に延びる孔を規定する、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項１４】
前記電気機械は軸方向を規定する軸線を有し、第２のキャリアは内周部及び外周部を有し、前記内周部は軸方向内側長さを有し、前記外周部は軸方向外側長さを有し、前記軸方向内側長さは前記軸方向外側長さと等しくない、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項１５】
前記軸方向内側長さは前記軸方向外側長さ未満である、請求項１４に記載の電気機械。
【請求項１６】
第２のキャリアは、円錐形状を有する、請求項１５に記載の電気機械。
【請求項１７】
前記導電体は、陽極酸化されたアルミニウムの導体を含む、請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項１８】
第１のキャリア及び第２のキャリアの一方又は両方に冷却流体を供給するように接続された冷却供給源をさらに含む、請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項１９】
前記導電体に少なくとも７０Ａ／ｍｍ２の電気エネルギーを供給するように接続された電源をさらに含む、請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項２０】
第２のキャリアは磁石スロットを含み、第２のキャリアの前記電磁要素は、磁力によって前記磁石スロット内に保持される永久磁石を含む、請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項２１】
前記導電体は、前記ポストの周りに、前記ポストから半径方向外向きに配列された単一の層を形成する、請求項２０に記載の電気機械。
【請求項２２】
前記エアギャップは、０．０２５４ミリメートル（ｍｍ）（０．００１”）〜０．２５４ｍｍ（０．０１”）である、請求項１乃至２１のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項２３】
前記エアギャップは、０．１２７ｍｍ（０．００５”）〜０．２５４ｍｍ（０．０１”）である、請求項１乃至２２のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項２４】
前記電気機械は、ロボットアームに取り付けられる、請求項１乃至２３のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項２５】
前記ロボットアームの構成要素は、第１のキャリア及び第２のキャリアを支持する電気機械のためのハウジングを形成する、請求項２４に記載の電気機械。
【請求項２６】
電磁要素を含むステータを有する電気機械であって、前記ステータは、一方の側にポストを有し、反対側に冷却フィンを有するバック鉄心を有し、前記ステータは、前記ポストの少なくとも一部と前記冷却フィンの少なくとも一部とを含む一体型の材料部品を有する、電気機械。
【請求項２７】
電気機械であって、当該電気機械は、
電磁要素を含む１つ又は複数のステータに対して回転するように配置されたロータであって、永久磁石を載せた永久磁石キャリアを有するロータと、出力リングと、回転するために前記ロータを支持する軸受とを含み、該軸受は、前記永久磁石キャリアと前記出力リングとの間の中間部に配置される、電気機械。
【請求項２８】
前記電気機械は軸方向磁束機械であり、前記１つ又は複数のステータは２つのステータであり、前記ロータは前記２つのステータの間に配置される、請求項２７に記載の電気機械。
【請求項２９】
前記ロータとステータとの間の磁力によって前記軸受が前負荷される、請求項２８に記載の電気機械。
【請求項３０】
前記ロータは、２つの軸方向側面を有し、且つ前記ロータの各軸方向側面に磁石を含み、各軸方向側面の前記磁石は接線方向に向き合わせされ、各磁石が、他方の軸方向側面上のそれぞれの磁石と軸方向に整列され、各磁石の前記接線方向は、前記他方の軸方向側面上の前記それぞれの磁石の前記接線方向と反対である、請求項２８又は２９に記載の電気機械。
【請求項３１】
前記１つ又は複数のステータは、螺旋状の冷却フィンを含む、請求項２７乃至３０のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項３２】
２つのステータ同士の間で回転する軸受上に配置されたロータを含む電気機械であって、前記ロータはエアギャップによって前記ステータから分離されており、前記ロータと前記ステータとの間の磁力により前記ステータを前記ロータに引き付けて前記軸受に前負荷を与える、電気機械。
【請求項３３】
以下に示される制限、
前記ロータは、磁石から半径方向内向きに配置された出力リングを有すること、
前記軸受は、前記ロータに取り付けられた外径（ＯＤ）レースを有すること、のいずれか１つ又は複数をさらに含む、請求項３２に記載の電気機械。
【請求項３４】
以下に示される制限、
前記ロータは、磁石から半径方向外向きに配置された出力リングを有すること、
前記軸受は、前記ロータに取り付けられた内径（ＩＤ）レースを有すること、のいずれか１つ又は複数をさらに含む、請求項３２に記載の電気機械。
【請求項３５】
前記軸受がアセンブリ内に存在しない場合に、磁力の結果として前記エアギャップは５０％以上閉じる、請求項３２乃至３４のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項３６】
前記軸受がアセンブリ内に存在しない場合に、前記ステータ及び前記ロータが接触する、請求項３２乃至３４のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項３７】
ハウジングの軸方向内向きの対向面が存在しており、前記軸受は、前記ハウジングの前記軸方向内向きの対向面と接触する軸方向外向きの対向軸受レースを有し、前記ハウジングの前記軸方向内向きの対向面は、軸受が存在しない場合に、前記軸方向内向きの対向面の位置と前記軸方向内向きの対向面の仮想位置との間の位置の差が０．０５０８ｍｍ（０．００２”）よりも大きくなるように、磁気負荷状況下で変形する、請求項３２乃至３４のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項３８】
以下に示される制限、
ポストは、周方向にポスト幅を有し、前記冷却フィンは、前記ポスト幅の５０％を超える高さを有すること、
前記冷却フィンは、単一の材料部品とは異なる材料を含むチップを有すること、の１つ又は複数をさらに含む、請求項２６又は３１に記載の電気機械。
【請求項３９】
前記電気機械は軸方向磁束機械である、請求項２６乃至３８のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項４０】
冷却フィンは螺旋形状である、請求項３９に記載の電気機械。
【請求項４１】
請求項１に記載の磁極密度及びポスト高さを有する、請求項２６乃至４０のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項４２】
軸方向又は半径方向の磁束構成を有する電気機械であって、当該電気機械は、
電磁要素のアレイを有する第１のキャリアと、
磁極を規定する電磁要素を有し、第１のキャリアに対して移動するように構成される第２のキャリアと、
第１のキャリアと第２のキャリアとの間のエアギャップと、を含み、
第１のキャリアの前記電磁要素は、ポスト同士の間にスロットを有するポストを含み、前記スロットは、各スロット内に１つ又は複数の導電体を有し、
第２のキャリアは、ポストと、磁極を規定する前記電磁要素のための少なくとも第１の保持要素とを含み、
第２のキャリアの前記電磁要素は、第１のキャリアの前記電磁要素の前記ポストを飽和させるのに必要な長さよりも長い長さを有する、
電気機械。
【請求項４３】
以下に示される制限、
磁極を規定する前記電磁要素は、永久磁石を含むこと、
第１の保持要素はバック鉄心を含むこと、
第１の保持要素はサイド鉄心を含むこと、
第１の保持要素はエンド鉄心を含むこと、のいずれか１つ又は複数をさらに含む、請求項４２に記載の電気機械。
【請求項４４】
第２のキャリアはポストをさらに含み、該ポスト及び第１の保持要素が剛性接続部によって接続される、請求項４２又は４３に記載の電気機械。
【請求項４５】
前記ポスト、第１の保持要素、及び前記剛性接続部は、等方性材料を含む、請求項４４に記載の電気機械。
【請求項４６】
剛性接続部は、磁束経路制限を含む、請求項４２に記載の電気機械。
【請求項４７】
軸方向又は半径方向の磁束構成を有する電気機械であって、当該電気機械は、
電磁要素のアレイを有する第１のキャリアと、
永久磁石を含む電磁要素を有し、第１のキャリアに対して移動するように構成される第２のキャリアと、
第１のキャリアと第２のキャリアとの間のエアギャップと、を含み、
第１のキャリアの前記電磁要素は、ポスト同士の間にスロットを有するポストを含み、前記スロットは各スロット内に１つ又は複数の導電体を有し、
第２のキャリアは、均質な剛性要素及びポストを含み、該ポストは前記剛性要素の均質な延長部を含み、
前記永久磁石の各々が、第１のキャリアの前記電磁要素の前記ポストを飽和させるのに必要な深さよりも長い深さを有する、
電気機械。
【請求項４８】
前記剛性要素は、バック鉄心、エンド鉄心、及びサイド鉄心の１つ又は複数を含む、請求項４７に記載の電気機械。
【請求項４９】
前記永久磁石の各々が幅を有し、磁石深さ対磁石幅の比が４：１、３：１、又は２：１より大きい、請求項４７に記載の電気機械。
【請求項５０】
軸方向又は半径方向の磁束構成を有する電気機械であって、当該電気機械は、
電磁要素のアレイを有する第１のキャリアと、
磁極を規定する電磁要素を有し、第１のキャリアに対して移動するように構成される第２のキャリアと、
第１のキャリアと第２のキャリアとの間のエアギャップと、を含み、
第１のキャリアの前記電磁要素は、ポスト同士の間にスロットを有するポストを含み、前記スロットは各スロット内に１つ又は複数の導電体を有し、
第２のキャリアは、均質な剛性要素及びポストを含み、前記ポストは前記剛性要素の均質な延長部を含み、
第１のキャリア及び第２のキャリアの前記電磁要素は、磁束のより大きい部分が、前記エアギャップを通って流れるよりも前記剛性要素を通って流れるように配置される、
電気機械。
【請求項５１】
軸方向又は半径方向の磁束構成を有する電気機械であって、当該電気機械は、
電磁要素のアレイを有する第１のキャリアと、
永久磁石を含む電磁要素を有し、第１のキャリアに対して移動するように構成される第２のキャリアと、
第１のキャリアと第２のキャリアとの間のエアギャップと、を含み、
第１のキャリアの前記電磁要素は、ポスト同士の間にスロットを有するポストを含み、前記スロットは各スロット内に１つ又は複数の導電体を有し、
第２のキャリアは、均質な剛性要素及びポストを含み、該ポストは前記剛性要素の均質な延長部を含み、
前記永久磁石は磁力によって保持される、
電気機械。
【請求項５２】
軸方向磁束構成を有する電気機械であって、当該電気機械は、
電磁要素のアレイを有する第１のキャリアと、
永久磁石を含む電磁要素を有し、第１のキャリアに対して移動するように構成される第２のキャリアと、
第１のキャリアと第２のキャリアとの間のエアギャップと、を含み、
第１のキャリアの前記電磁要素は、ポスト同士の間にスロットを有するポストを含み、前記スロットは各スロット内に１つ又は複数の導電体を有し、
第２のキャリアは、均質な剛性要素及びポストを含み、該ポストは前記剛性要素の均質な延長部を含み、
前記永久磁石は、第１のキャリアに向かう方向に細くなるようにテーパが付けられる、
電気機械。
【請求項５３】
第２のキャリアの前記ポストは、第１のキャリアから離れる方向に細くなるようにテーパが付けられる、請求項５２に記載の電気機械。
【請求項５４】
第２のキャリアの前記ポストは、第２のキャリアの前記電磁要素が第１のキャリアに向かう方向に移動するのを防止する、請求項５３に記載の電気機械。
【請求項５５】
軸方向又は半径方向の磁束構成を有する電気機械であって、当該電気機械は、
電磁要素のアレイを有する第１のキャリアと、
磁極を規定する電磁要素を有し、第１のキャリアに対して移動するように構成される第２のキャリアと、
第１のキャリアと第２のキャリアとの間のエアギャップと、を含み、
第１のキャリアの前記電磁要素は、ポスト同士の間にスロットを有するポストを含み、前記スロットは各スロット内に１つ又は複数の導電体を有し、
第２のキャリアは、均質な剛性要素及びポストを含み、該ポストは前記剛性要素の均質な延長部を含み、
第２のキャリアの前記電磁要素は、第１のキャリアの前記電磁要素の前記ポストを飽和させるのに必要な長さよりも長い長さを有し、
前記剛性要素は磁束経路制限を含む、
電気機械。
【請求項５６】
電気機械であって、当該電気機械は、
電磁要素のアレイを有する第１のキャリアと、
磁極を規定する電磁要素を有し、第１のキャリアに対して移動するように構成される第２のキャリアと、
第１のキャリアと第２のキャリアとの間のエアギャップと、を含み、
第１のキャリアの前記電磁要素は、ポスト同士の間にスロットを有するポストを含み、前記スロットは各スロット内に１つ又は複数の導電体を有し、
第２のキャリアは、均質な剛性要素及びポストを含み、該ポストは前記剛性要素の均質な延長部を含み、
第２のキャリアの前記ポストは、第２のキャリアの前記電磁要素を保持するレリーフを含む、
電気機械。
【請求項５７】
第２のキャリアの前記電磁要素は第１及び第２の端部を含み、第１の端部は第１のキャリアに向けて面し、第２の端部は第１のキャリアから離れる方向に面し、第２の端部はテーパが付けられる、請求項４２に記載の電気機械。
【請求項５８】
請求項１に記載の磁極密度及びポスト高さを有する、請求項４２乃至５７のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項５９】
電気機械のロータであって、当該ロータは、
単一の材料部品から形成された環状ディスクであって、軸を規定し、内縁部及び外縁部を有する環状ディスクと、
周方向に間隔を置いて配置されたポストであって、前記環状ディスクから軸方向に延び、前記ポスト同士の間にスロットを規定するポストと、を含み、
前記環状ディスクは、前記内縁部と前記外縁部との間に延びる孔を規定する、
ロータ。
【請求項６０】
以下に示される制限、
前記ポストは、前記単一部品から形成されること、
前記ポストは、前記環状ディスクの両側に配置されること、
前記環状ディスクの各側の前記ポストは、前記軸に垂直な面に投影されるときに前記環状ディスクの反対側のそれぞれのポストと整列されること、
前記孔は、前記軸に垂直な面に投影されたときに前記スロットと整列すること、
前記孔は、前記環状ディスク内で半径方向に一定程度延びること、
前記環状ディスクは、前記孔を前記スロットに接続する開口部を規定すること、
各ポストは前記内縁部と前記外縁部との間に延びること、のいずれか１つ又は複数を含む、請求項５９に記載のロータ。
【請求項６１】
各ポストは、前記内縁部と前記外縁部との間に延びており、前記ポストは、前記内縁部において第１の軸方向高さを有し、且つ前記外縁部において第１の軸方向高さとは異なる第２の軸方向高さを有する、請求項５９又は６０に記載のロータ。
【請求項６２】
第２の軸方向高さは第１の軸方向高さより大きい、請求項６１に記載のロータ。
【請求項６３】
前記ポストは、前記内縁部と前記外縁部との間に直線を規定し、隣接するポストは、実質的に平行な線を規定する、請求項６１又は６２に記載のロータ。
【請求項６４】
前記ポストは、磁石を保持する軸方向高さを有する逆テーパの周方向厚さを有する、請求項６３に記載のロータ。
【請求項６５】
電気機械のロータであって、当該ロータは、
外向きに突出する部材を含む内側ロータ部分と、
内向きに突出する部材を含む外側ロータ部分と、
永久磁石と、を含み、
前記外側ロータ部分は、前記内向きに突出する部材及び前記外向きに突出する部材が互いに噛み合うように前記内側ロータ部分の周りに配置され、
前記永久磁石は、前記内向きに突出する部材及び前記外向きに突出する部材が前記永久磁石の磁束経路を提供するように前記噛み合わされた内向きに突出する部材と外向きに突出する部材との間に配置される、
ロータ。
【請求項６６】
前記内向きに突出する部材は規則的な間隔を置いて配置され、前記外向きに突出する部材は、規則的な間隔を置いて配置される、請求項６５に記載のロータ。
【請求項６７】
請求項１に記載の磁極密度及びポスト高さを有する電気機械における、請求項５９乃至６６のいずれか一項に記載のロータ。
【請求項６８】
電気機械のステータであって、当該ステータは、
周方向に間隔を置いて配置されたポストであって、前記ポスト同士の間にスロットを規定するポストと、
前記ポストの周りに配置された導電性要素と、を含み、
各導電性要素は、スロットのそれぞれの選択部を通って延びるそれぞれの電気的経路を、スロットの前記それぞれの選択部の前記スロットの周方向配列の順番で規定し、且つスロットの前記それぞれの選択部のうちの連続するスロットを通って内向き及び外向きに交互に延び、さらに、以下に示される制限、
スロットの前記それぞれの選択部は、前記ステータのそれぞれのセクタ内の全てのスロットから構成されること、
スロットの前記それぞれの選択部は、前記ステータのそれぞれのセクタ内で２つ置きにスロットを除外すること、
前記導電性要素は、前記ポストの半径方向端部の少なくとも一部から間隔を置いて配置され、前記ポストの前記半径方向端部に隣接する軸方向流路を規定すること、
前記導電性要素の少なくとも一部は、前記導電性要素の少なくとも一部が延びるスロットを規定する少なくともいくつかのポストから周方向に間隔を置いて配置されること、
軸方向に隣接する導電性要素同士の間の電気的接続部が、前記軸方向に隣接する導電性要素の電気的経路を直列に接続すること、
少なくとも一部の導電性要素について、前記導電性要素は端部巻き及びスロット巻きを有し、前記端部巻きは前記スロット巻きより幅広であること、
前記導電性要素の少なくとも一部は、前記端部巻きの周りに均一な幅を有すること、
前記導電性要素は、前記ポストの周りに、前記ポストから半径方向外向きに配列される単一層を形成すること、のいずれか１つ又は複数を含む、
ステータ。
【請求項６９】
請求項１に記載の磁極密度及びポスト高さを有する電気機械における、請求項６８に記載のステータ。
【請求項７０】
電気機械であって、当該電気機械は、
電磁要素のアレイを有する第１のキャリアと、
磁極を規定する電磁要素を有し、第１のキャリアに対して移動するように構成される第２のキャリアと、
第１のキャリアと第２のキャリアとの間のエアギャップと、を含み、
第１のキャリアの前記電磁要素は、ポスト同士の間にスロットを有するポストを含み、１つ又は複数のスロットは、導電体なしに、隣接するスロット内の導電体の位置に対応する１つ又は複数のスロットのレベルにあり、且つ導管を形成し、該導管は冷却流体の供給源に接続される、
電気機械。
【請求項７１】
以下に示される制限、
複数のスロットのそれぞれのレベルにおける複数のスロットが導電体を有しておらず、前記導電体を有さない前記複数のスロットは周期的に間隔を空けて配置されること、
前記導電体を有さない複数のスロットは、冷却流のための導管を形成すること、
前記導管は、冷却流を排出するためにオリフィスと軸方向で連通すること、
第１のキャリアはステータであり、第２のキャリアは、前記エアギャップによって前記ステータから軸方向に分離されたロータであり、電磁要素を有する第３のステータは、前記ロータから第２のエアギャップだけ軸方向に分離されること、
第１のキャリア及び第３のキャリアの前記電磁要素は永久磁石を有すること、
第１のキャリアはバック鉄心を有さないステータであり、第２のキャリアは第１のロータを含み、第１のキャリアの前記電磁要素は、永久磁石を含み、第１のキャリアから第２のエアギャップだけ分離された第２のロータを含む第３のキャリアをさらに含み、第３のキャリアは、永久磁石を有すること、
各導電体層は集中巻線の一部であること、
各導体層は単一相の電気励振を受け取るように接続されること、
前記ポストは、ｎ：ｎ−１又はｎ：ｎ＋１の磁極に対する比を有すること、
少なくともいくつかの導体層では、前記導体層は端部巻き及びスロット巻きを有し、前記端部巻きは前記スロット巻きより幅広であること、のいずれか１つ又は複数をさらに含む、請求項７０に記載の電気機械。
【請求項７２】
請求項１に記載の磁極密度及びポスト高さを有する、請求項７０又は７１に記載の電気機械。
【請求項７３】
電気機械のキャリアを構築する方法であって、前記キャリアは導電体層を含む電磁要素を有し、当該方法は、
前記導電体層をスタンピング又はパンチングするステップを含み、
前記導電体層は、前記導電体層が交差するポイントに適応させるように可変厚さを有する、
方法。
【請求項７４】
電気機械であって、当該電気機械は、
電磁要素を有する第１のキャリアと、
磁極を規定する電磁要素を有し、第１のキャリアに対して移動させるように構成された第２のキャリアと、
第１のキャリアと第２のキャリアとの間のエアギャップと、を含み、
第１のキャリアの電磁要素は、複数の導電体層を含み、
前記導電体層は、コーナーギャップを有する陽極酸化されたアルミニウム導体で形成され、
前記コーナーギャップは、コーティングで被覆される、
電気機械。
【請求項７５】
以下に示される制限、
前記コーティングは誘電性コーティングを含むこと、
前記コーティングはポリマーコーティングを含むこと、
前記コーティングはワニスを含むこと、
各導電体層は一対の接触タブをさらに含むこと、
各導電体層は一対のアルミニウム接点タブをさらに含むこと、
前記陽極酸化されたアルミニウム導体はまた、１つ又は複数の面を有し、該面もまた前記コーティングで被覆されること、
前記電気機械は、軸方向、半径方向、又は横方向の磁束機械を含むこと、のいずれか１つ又は複数をさらに含む、請求項７４に記載の電気機械。
【請求項７６】
請求項１に記載の磁極密度及びポスト高さを有する、請求項７４又は７５に記載の電気機械。
【請求項７７】
請求項１に記載の構成を有する電気機械と組み合わせて、又は請求項１に記載の構成を有する電気機械のための導電体であって、当該導電体は、
第１及び第２の接触タブと、
硬質アルマイト処理されたアルミニウム表面と、
アルミニウム導電経路と、
コーティングと、を含む、
導電体。
【請求項７８】
前記コーティングは誘電性コーティングである、又は前記コーティングはポリマーコーティングである、又は前記コーティングはワニスである、又は前記コーティングは前記硬質アルマイト処理されたアルミニウム表面のコーナーギャップを充填する、又は第１及び第２の接触タブはアルミニウムを含む、請求項７７に記載の導電体。
【請求項７９】
電気機械のアルミニウム導体を製造する方法であって、各アルミニウム導体は、第１及び第２の接触タブと、表面と、導電経路とを含み、当該方法は、
前記アルミニウム導体の表面を硬質アルマイト処理するステップと、
前記アルミニウム導体の表面に液体コーティングを塗布ステップと、
前記液体コーティングを焼き付けするステップと、を含む、
方法。
【請求項８０】
第１及び第２の接触タブをマスキングするステップをさらに含む、又は前記液体コーティングがポリマーコーティングを含む、又は前記ポリマーコーティングがエポキシコーティングを含む、又は前記ポリマーコーティングが誘電性ポリマーコーティングを含む、前記エポキシコーティングをＢ状態に硬化させるステップを含む、請求項７９に記載の方法。
【請求項８１】
前記アルミニウム導体を積み重ねるステップと、
複数の第１の接触タブを一緒に溶接するステップと、
複数の第２の接触タブを一緒に溶接するステップと、を含む、請求項７９又は８０に記載の方法。
【請求項８２】
前記液体コーティングを焼き付けするステップは、アルミニウム導体のスタックを焼き付けする工程を含む、請求項７９に記載の方法。
【請求項８３】
前記アルミニウム導体のエッジギャップに液体コーティングを向けるステップをさらに含む、請求項７９乃至８２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８４】
前記アルミニウム導体のスタックの層間に１つ又は複数のスペーサを挿入することによって前記アルミニウム導体の前記スタックの１つ又は複数の層を分離するステップと、
前記液体コーティングを焼き付けした後に、アルミニウム導体の前記スタックから前記スペーサを除去するステップと、を含む、請求項８３に記載の方法。
【請求項８５】
電気機械のアルミニウム導体を製造する方法であって、各アルミニウム導体は、第１及び第２の接触タブと、表面と、導電経路とを含み、当該方法は、
前記アルミニウム導体の前記表面を硬質アルマイト処理するステップと、
前記アルミニウム導体の表面に粉末コーティングを塗布するステップと、
前記粉末コーティングを焼き付けるステップと、を含む、
方法。
【請求項８６】
第１及び第２の接触タブをマスキングするステップをさらに含む、又は前記粉末コーティングがポリマー粉末を含む、又は該ポリマー粉末がエポキシ粉末を含む、又は前記粉末コーティングを部分的に硬化させるステップを含む、請求項８５に記載の方法。
【請求項８７】
前記アルミニウム導体を積み重ねるステップと、
複数の第１の接触タブを一緒に溶接するステップと、
複数の第２の接触タブを一緒に溶接するステップと、を含む、請求項８６に記載の方法。
【請求項８８】
前記粉末コーティングを焼き付けるステップは、アルミニウム導体のスタックを焼き付けるステップを含む、請求項８７に記載の方法。
【請求項８９】
前記粉末コーティングを塗布するステップは、前記アルミニウム導体に反対に帯電した粉末を噴霧するステップを含む、請求項８５乃至８８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９０】
前記粉末コーティングを塗布ステップは、前記アルミニウム導体を、反対に帯電した誘電体粉末の流動床に浸漬するステップを含む、請求項８５乃至８９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９１】
前記アルミニウム導体のスタックの１つ又は複数の層を１つ又は複数のスペーサで分離するスペーサを配置するステップと、
前記粉末コーティングを焼き付けた後に、前記アルミニウム導体のスタックから前記スペーサを除去するステップと、をさらに含む、請求項８８に記載の方法。
【請求項９２】
前記アルミニウム導体の前記表面に第２のコーティングの層を塗布するステップをさらに含む、請求項８７、８８又は９１に記載の方法。
【請求項９３】
電気機械であって、当該電気機械は、
電磁要素を含む第１の外側キャリアと、
電磁要素を含む第２の外側キャリアと、
電磁要素を含み、第１の外側キャリアと第２の外側キャリアとの間に配置された内側キャリアであって、該内側キャリア、又は第１の外側キャリアと第２の外側キャリアとの両方が磁極を規定する、内側キャリアと、
第１の外側キャリアを第２の外側キャリアに固定して接続するスペーサ要素と、
前記内側キャリアと第１及び第２の外側キャリアとの間に、及び前記内側キャリアと前記スペーサ要素との間に配置され、第１の外側キャリア及び第２の外側キャリアに対して移動する前記内側キャリアを支持するブシュ又は低摩擦コーティングと、を含む、
電気機械。
【請求項９４】
前記内側キャリアは磁極を規定し、第１の外側キャリア及び第２の外側キャリアは、それぞれのキャリアの前記電磁要素が支持される一体型の材料部品をそれぞれ有する、請求項９３に記載の電気機械。
【請求項９５】
第１の外側キャリア及び第２の外側キャリアは磁極を規定し、前記内側キャリアは、該内側キャリアの前記電磁要素が支持される一体型の材料部品を有する、請求項９３に記載の電気機械。
【請求項９６】
第１の外側キャリア及び第２の外側キャリアは、使用時に第１の外側キャリア及び第２の外側キャリアが、前記内側キャリアに対する磁気引力の影響を受けて前記内側キャリアに向けて曲がるが、内側キャリアと第１及び第２の外側キャリアとの間に配置された前記ブシュ又は前記低摩擦コーティングには実質的な力を及ぼさないような形状に予め形成されている、請求項９３乃至９５のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項９７】
前記電気機械はフレームレス電気機械である、請求項１乃至５８、７０乃至７２、７４乃至７６、又は９３乃至９６のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項９８】
電気機械を作動させる作動方法であって、
前記電気機械は、請求項１乃至５８、７０乃至７２、７４乃至７６、９３乃至９７のいずれか一項に記載の電気機械のように規定され、前記電気機械は２００ｒｐｍ未満の速度で作動される、
電気機械を作動させる作動方法。
【請求項９９】
前記電気機械は、１００ｒｐｍ未満の速度で作動される、請求項９８に記載の作動方法。
【請求項１００】
前記電気機械は、５０ｒｐｍ未満の速度で作動される、請求項９８に記載の作動方法。
【請求項１０１】
前記電気機械は、２５ｒｐｍ未満の速度で操作動される、請求項９８に記載の作動方法。
【請求項１０２】
電気機械を作動させる作動方法であって、
前記電気機械は、請求項１乃至５８、７０乃至７２、７４乃至７６、９３乃至９７のいずれか一項に記載の電気機械のように規定され、前記電気機械は７０Ａ／ｍｍ２を超える電流密度で作動される、
電気機械を動作させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
電気機械。
【背景技術】
【０００２】
電気機械(electric  machine)の設計では、機械の意図する用途及び所望の性能特性に依存してスロット番号のような構造パラメータを選択することが知られている。しかしながら、構造パラメータの全ての値が実際に使用されるわけではない。電気機械、特にロボット工学(robotics)における電気機械の性能を向上させる余地がある。
【０００３】
電気機械は、典型的には、軟磁性ステータポスト（歯(teeth)）の周りに巻かれた導電性ワイヤの巻き(ターン)(turns)を使用して磁束(flux)を生成する。この種類のモータ構造の製造プロセスは時間がかかることがあり、高価なことがある。同様に、そのようなモータは、典型的には、下流側アクチュエータの重量が上流側アクチュエータによって支持され且つ加速されなければならないロボット工学におけるような移動式アクチュエータ用途(mobile  actuator  applications)についてモータを比較的重くするトルク対質量比(torque  to  mass  ratio)を有する。
【発明の概要】
【０００４】
本発明者は、電気機械の追加の新規な特徴と共に、ロボット工学に特に適した新規な構造パラメータの範囲を有する電気機械を提案した。その特徴は、例えば、電磁要素の構造により生じる改善された放熱性、改善された電気機械の剛性、導体設計、冷却、ロータ設計、ステータ設計、及び動作パラメータに関する。
【０００５】
一実施形態では、電気機械は、電磁要素のアレイを有する第１のキャリアと、磁極を規定する電磁要素を有し、第１のキャリアに対して移動するように構成される第２のキャリアと、を有する。第１のキャリアと第２のキャリアとの間にエアギャップが設けられる。第１のキャリアの電磁要素は、ポスト同士の間にスロットを有するポストと、各スロット内の１つ又は複数の導電体とを含み、第１のキャリアのポストは、ミリメートル（ｍｍ）の大きさのポスト高さを有する。第１のキャリア及び第２のキャリアは一緒になって電気機械のサイズを規定する。磁極の磁極ピッチはｍｍの大きさである。モータのサイズ、磁極ピッチ、及びポスト高さは、サイズ、磁極ピッチ、及びポスト高さによって規定される空間の領域内に収まるように選択され、その領域は、励磁レベル毎の重量あたりの力又はトルクに関する利益を与える。磁極を規定する電磁要素は、永久磁石であってもよい。この実施形態は、開示されるあらゆる機械に適用することができる。
【０００６】
様々な実施形態において、以下の特徴のうちのいずれか１つ又は複数を含んでもよい。電気機械は、エアギャップ直径を有する半径方向磁束機械であってもよく、電気機械のサイズはエアギャップ直径である。電気機械は、平均エアギャップ直径を有する軸方向磁束機械であってもよく、電気機械のサイズは平均エアギャップ直径である。電気機械は、並進方向を有するリニアマシンであってもよく、第１のキャリアは並進方向に第１の長さを有し、第２のキャリアは並進方向に第２の長さを有し、電気機械のサイズは、第１の長さが第２の長さ以下である場合に第１の長さであり、第２の長さが第１の長さ未満である場合に第２の長さである。導電体は集中巻線を含んでもよい。導電体は分散巻線を含んでもよい。第１のキャリアは、磁化可能な材料（magnetically  susceptible  material）の単一部品から形成されたステータを有してもよく、各ポストはステータの一部を含む。ステータは、２０，０００ｐｓｉ未満の測定可能なクリープを示さない材料を含んでもよい。ステータは磁化可能な材料を含んでもよい。ポストの各々が接線方向の幅を有してもよく、ステータはバック鉄心部分を含んでもよく、バック鉄心部分はポストの接線方向の幅以下の厚さを有する。第２のキャリアは、単一の材料部品から形成される環状ディスクであって、軸を規定し、内縁部及び外縁部を有する環状ディスクと、周方向に間隔を置いて配置された第２のキャリアポストであって、環状ディスクから軸方向に延び、第２のキャリアポスト同士の間に第２のキャリアスロットを規定する第２のキャリアポストとを含み、環状ディスクは内縁部と外縁部との間に延びる孔を規定する。電気機械は軸方向を規定する軸を有してもよく、第２のキャリアは内周部及び外周部を有し、内周部は軸方向内側長さを有し、外周部は軸方向外側長さを有し、軸方向内側長さは、軸方向外側長さに等しくない。軸方向内側長さは軸方向外側長さ未満であってもよい。第２のキャリアは円錐形状であってもよい。導電体は、陽極酸化されたアルミニウム導体を含んでもよい。第１のキャリア及び第２のキャリアの一方又は両方に冷却流体を供給するように接続された冷却供給源があってもよい。導電体に少なくとも７０Ａ／ｍｍ２の電気エネルギーを供給するように接続された電源があってもよい。第２のキャリアは磁石スロットを含み、第２のキャリアの電磁要素は磁力によって磁石スロット内に保持された永久磁石を含んでもよい。導電体は、ポストの周りに、ポストから半径方向外向きに配列される単一層を形成してもよい。エアギャップは、０．０２５４ミリメートル（ｍｍ）（０．００１インチ）〜０．２５４ｍｍ（０．０１インチ）であってもよい。エアギャップは、０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）から０．２５４ｍｍ（０．０１インチ）であってもよい。電気機械はロボットアームに取り付けてもよい。ロボットアームの構成要素は、第１のキャリア及び第２のキャリアを支持する電気機械のためのハウジングを形成してもよい。電気機械は横方向磁束機械であってもよい。電気機械はフレームレス電気機械であってもよい。
【０００７】
電磁要素を含むステータを有する電気機械であって、ステータは、一方の側にポストを有し、反対側に冷却フィンを有するバック鉄心を有し、ステータは、ポストの少なくとも一部と冷却フィンの少なくとも一部とを含む一体型の材料部品を含む。様々な実施形態において、以下の特徴のうちのいずれか１つ又は複数を含んでもよい。ポストは周方向にポスト幅を有してもよく、冷却フィンを含むバック鉄心はポスト幅の５０％を超える高さを有してもよい。冷却フィンは単一の材料部品とは異なる材料を含むチップを有してもよい。電気モータは軸方向磁束モータであってもよい。冷却フィンは螺旋形状であってもよい。電気モータは、磁極を規定する電磁要素を有するロータであって、ロータはステータに対して回転するように構成され、磁極の磁極ピッチＳがｍｍの大きさであるロータと、ステータとロータとの間のエアギャップとを含み、ステータのポストのポスト高さがｍｍの大きさであり、ステータ及びロータは一緒になって電気機械のサイズを規定し、モータのサイズ、磁極ピッチ、及びポスト高さは、サイズ、磁極ピッチ、及びポスト高さによって規定される空間の領域内に収まるように選択され、その領域は、励磁レベル毎の重量当たりの力又はトルクに関する利益を与える。
【０００８】
電気モータは、電磁要素を含む１つ又は複数のステータに対して回転するように配置されたロータであって、永久磁石を載せた永久磁石キャリアを有するロータと、出力リングと、回転のためにロータを支持する軸受とを含み、軸受は、永久磁石キャリアと出力リングとの中間部に配置される。様々な実施形態において、以下の特徴のうちのいずれか１つ又は複数を含んでもよい。モータは軸方向磁束モータであり、１つ又は複数のステータは２つのステータであり、ロータは２つのステータの間に配置してもよい。ロータとステータとの間の磁力によって軸受を前負荷してもよい。ロータは、２つの軸方向側面を有し、ロータの各軸方向側面に磁石を含み、各軸方向側面の磁石は接線方向に向き合わせされ、各磁石が、他方の軸方向側面上のそれぞれの磁石と軸方向に整列され、各磁石の接線方向は、他方の軸方向側面上のそれぞれの磁石の接線方向と反対である。１つ又は複数のステータは、螺旋状の冷却フィンを含んでもよい。
【０００９】
電気モータは、２つのステータ同士の間で回転する軸受上に配置されたロータを含み、ロータはエアギャップによってステータから分離されており、ロータとステータとの間の磁力によりステータをロータに引き付けて軸受に前負荷を与える。様々な実施形態において、以下の特徴のうちのいずれか１つ又は複数を含んでもよい。ロータは、磁石から半径方向内向きに配置された出力リングを有してもよい。
【００１０】
軸受は、ロータに取り付けられた外径（OD）レースを有してもよい。ロータは、磁石から半径方向外向きに配置された出力リングを有してもよい。軸受は、ロータに取り付けられた内径（ID）レースを有してもよい。軸受がアセンブリ内に存在しない場合に、磁力の結果としてエアギャップが５０％以上閉じてもよい。軸受がアセンブリ内に存在しない場合に、ステータとロータが接触してもよい。ハウジングの軸方向内向きの対向面が存在しており、軸受は、ハウジングの軸方向内向きの対向面と接触する軸方向外向きの対向軸受レースを有し、ハウジングの軸方向内向きの対向面は、軸受が存在しない場合に、軸方向内向きの対向面の位置と軸方向内向きの対向面の仮想位置との間の位置の差が０．０５０８ｍｍ（０．００２インチ）よりも大きくなるように、磁気負荷状況下で変形する。
【００１１】
電気機械は、電磁要素のアレイを有する第１のキャリアと、磁極を規定する電磁要素を有し、第１のキャリアに対して移動するように構成される第２のキャリアと、第１のキャリアと第２のキャリアとの間のエアギャップとを含み、第１のキャリアの電磁要素は、ポスト同士の間にスロットを有するポストを含み、スロットは各スロット内に１つ又は複数の導電体を有し、第２のキャリアは、ポストと、磁極を規定する電磁要素のための少なくとも第１の保持要素とを含み、第２のキャリアの電磁要素は、第１のキャリアの電磁要素のポストを飽和させるのに必要な深さよりも長い深さを有する。様々な実施形態において、以下の特徴のうちのいずれか１つ又は複数を含んでもよい。磁極を規定する電磁要素は、永久磁石を含んでもよい。第１の保持要素はバック鉄心であってもよい。第１の保持要素はサイド鉄心であってもよい。第１の保持要素はエンド鉄心であってもよい。第２のキャリアのポスト及び第１の保持要素は、剛性接続部によって接続してもよい。ポスト、第１の保持要素、及び剛性接続部は、等方性材料を含んでもよい。剛性接続部は磁束経路制限を含んでもよい。第１の保持要素は、均質な剛性要素を有してもよく、ポストは、剛性要素の均質な延長部を含んでもよい。永久磁石の各々が幅を有してもよく、磁石深さ対磁石幅の比が、２：１より大きく、３：１より大きく、又は４：１よりも大きくてもよい。第１のキャリア及び第２のキャリアの電磁要素は、磁束のより大きい部分が、エアギャップを通って流れるよりも剛性要素を通って流れるように配置してもよい。永久磁石は磁力によって保持してもよい。永久磁石は、第１のキャリアに向かう方向に細くなるようにテーパを付けてもよい。第２のキャリアのポストは、第１のキャリアから離れる方向に細くなるようにテーパを付けてもよい。第２のキャリアのポストは、第２のキャリアの電磁要素が第１のキャリアに向かう方向に移動することを防止することができる。第２のキャリアは、均質な剛性要素を含んでもよく、第２のキャリアのポストは、剛性要素の均質な延長部を含んでもよく、均質な剛性要素は、磁束経路制限を含む。第１のキャリアのポストは、ｍｍの大きさのポスト高さを有してもよく、第１のキャリア及び第２のキャリアは一緒になって電気機械のサイズを規定し、磁極の磁極ピッチＳがｍｍの大きさであり、モータのサイズ、磁極ピッチ、及びポスト高さは、サイズ、磁極ピッチ、及びポスト高さによって規定される空間の領域内に収まるように選択され、その領域は、励磁レベル毎の重量当たりの力又はトルクに関する利益を与えることができる。
【００１２】
電気機械は、電磁要素のアレイを有する第１のキャリアと、磁極を規定する電磁要素を有し、第１のキャリアに対して移動するように構成される第２のキャリアと、第１のキャリアと第２のキャリアとの間のエアギャップとを含み、第１のキャリアの電磁要素は、ポスト同士の間にスロットを有するポストを含み、スロットは各スロット内に１つ又は複数の導電体を有し、第２のキャリアは、均質な剛性要素とポストとを含み、ポストは剛性要素の均質な延長部を含み、第２のキャリアのポストは、第２のキャリアの電磁要素を保持するレリーフを含む。様々な実施形態において、以下の特徴のうちのいずれか１つ又は複数を含んでもよい。第２のキャリアの電磁要素は、第１及び第２の端部を含んでもよく、第１の端部は第１のキャリアに向けて面し、第２の端部は第１のキャリアから離れる方向に面し、第２の端部はテーパが付けられる。第１のキャリアのポストはｍｍの大きさのポスト高さを有し、第１のキャリア及び第２のキャリアは一緒になって電気機械のサイズを規定し、磁極の磁極ピッチＳはｍｍの大きさであり、モータのサイズ、磁極ピッチ、及びポストの高さは、サイズ、磁極ピッチ、及びポスト高さによって規定される空間の領域内に収まるように選択され、その領域は、励磁レベル毎の重量当たりの力又はトルクに関する利益を与えることができる。
【００１３】
電気機械のロータが提供され、ロータは、単一の材料部品から形成された環状ディスクであって、軸を規定し、内縁部及び外縁部を有する環状ディスクと、周方向に間隔を置いて配置されたポストであって、環状ディスクから軸方向に延び、ポスト同士の間にスロットを規定するポストとを含み、環状ディスクは、内縁部又は外縁部から延びる孔を規定する。様々な実施形態において、以下の特徴のうちのいずれか１つ又は複数を含んでもよい。ポストは、単一部品から形成してもよい。
【００１４】
ポストは、環状ディスクの両側に配置してもよい。環状ディスクの各側のポストは、軸に垂直な面に投影されるときに環状ディスクの反対側のそれぞれのポストと整列される。孔は、軸に垂直な面に投影されるときにスロットと整列してもよい。孔は、内縁部と外縁部との間で環状ディスクを貫通して完全に延びてもよい。環状ディスクは、孔をスロットに接続する開口部を規定してもよい。各ポストは、内縁部と外縁部との間に延びてもよい。ポストは、内縁部において第１の軸方向高さを有し、外縁部において第１の軸方向高さとは異なる第２の軸方向高さを有してもよい。第２の軸方向高さは、第１の軸方向高さより大きくてもよい。ポストは、内縁部と外縁部との間に直線を規定してもよく、隣接するポストは、実質的に平行な線を規定する。ポストは、磁石を保持する軸方向高さを有する逆テーパの周方向厚さを有してもよい。ロータと、電磁要素のアレイを有するステータと、ステータとロータとの間のエアギャップとを含む電気機械が存在してもよく、ロータは磁極を規定する電磁要素を有し、ロータはステータに対して移動するように構成され、ステータの電磁要素は、ステータポスト同士の間にスロットを有するステータポストと、各スロット内の１つ又は複数の導電体とを含み、ステータポストは、ｍｍの大きさのポスト高さであり、ステータ及びロータは一緒になって電気機械のサイズを規定し、磁極の磁極ピッチＳがｍｍの大きさであり、モータのサイズ、磁極ピッチ、及びポスト高さは、サイズ、磁極ピッチ、及びポスト高さによって規定される空間の領域内に収まるように選択され、その領域は、励磁レベル毎の重量あたりの力又はトルクに関する利益を与える。
【００１５】
電気機械のロータが提供され、ロータは、外向きに突出する部材を含む内側ロータ部分と、内向きに突出する部材を含む外側ロータ部分と、永久磁石とを含み、外側ロータ部分は、内向きに突出する部材及び外向きに突出する部材とが互いに噛み合うように内側ロータ部分の周りに配置され、永久磁石は、内向きに突出する部材及び外向きに突出する部材が永久磁石の磁束経路を提供するように、噛み合わされた内向きに突出する部材と外向きに突出する部材との間に配置される。
【００１６】
一実施形態では、内向きに突出する部材は規則的な間隔を置いて配置され、外向きに突出する部材は規則的な間隔をおいて配置される。
【００１７】
電気機械のステータが提供され、ステータは、周方向に間隔を空けて配置されたポストであって、ポスト同士の間にスロットを規定するポストと、ポストの周りに配置された導電性要素とを含み、各導電性要素は、スロットのそれぞれの選択部を通って延びるそれぞれの電気的経路を、スロットのそれぞれの選択部のスロットの周方向配列の順番で規定し、且つスロットのそれぞれの選択部のうちの連続するスロットを通って内向き及び外向きに交互に延びる。
【００１８】
様々な実施形態において、以下の特徴のうちのいずれか１つ又は複数を含んでもよい。スロットのそれぞれの選択部は、ステータのそれぞれのセクタ内の全てのスロットから構成してもよい。スロットのそれぞれの選択部は、ステータのそれぞれのセクタ内で２つ置きにスロットを除外してもよい。導電性要素は、ポストの半径方向端部の少なくとも一部から間隔を置いて配置され、ポストの半径方向端部に隣接する軸方向流路を規定してもよい。導電性要素の少なくとも一部は、導電性要素の少なくとも一部が延びるスロットを規定する少なくともいくつかのポストから周方向に間隔を置いて配置される場合がある。軸方向に隣接する導電性要素同士の間の電気的接続が、軸方向に隣接する導電性要素の電気的流路を直列に接続してもよい。少なくとも一部の導電性要素について、導電性要素は端部巻きとスロット巻きを有し、端部巻きはスロット巻きより幅広の場合がある。導電要素の少なくとも一部が端部巻きの周りに均一な幅を有する場合がある。導電性要素は、ポストの周りに、ポストから半径方向外向きに配列される単一層を形成してもよい。ポストは、ｍｍの大きさのポスト高さを有してもよく、電気機械は、磁極を規定する電磁要素を有するロータと、ステータに対して移動するように構成される第２のキャリアと、ステータとロータとの間のエアギャップとをさらに含んでもよく、ステータ及びロータは一緒になって電気機械のサイズを規定し、磁極の磁極ピッチＳがｍｍの大きさであり、モータのサイズ、磁極ピッチ、及びポスト高さが、サイズ、磁極ピッチ、及びポストの高さによって規定される空間の領域内に収まるように選択され、その領域は、励磁レベル毎の重量あたりの力又はトルクに関する利益を与える。
【００１９】
電気機械は、電磁要素のアレイを有する第１のキャリアと、磁極を規定する電磁要素を有し、第１のキャリアに対して移動するように構成される第２のキャリアと、第１のキャリアと第２のキャリアとの間のエアギャップとを含み、第１のキャリアの電磁要素は、ポスト同士の間にスロットを有するポストを含み、１つ又は複数のスロットは、導電体なしに、隣接するスロット内の導電体の位置に対応する１つ又は複数のスロットのレベルにあり、且つ導管を形成し、導管は冷却流体の供給源に接続される。
【００２０】
電気機械は、電磁要素を有する第１のキャリアと、磁極を規定する電磁要素を有し、第１のキャリアに対して移動するように構成される第２のキャリアと、第１のキャリアと第２のキャリアとの間のエアギャップとを含み、第１のキャリアの電磁要素は、複数の導電体層を含み、導電体層はコーナーギャップを有する陽極酸化されたアルミニウム導体で形成され、コーナーギャップはコーティングで被覆される。様々な実施形態において、以下の特徴のうちのいずれか１つ又は複数を含んでもよい。コーティングは、誘電性コーティングであってもよい。コーティングは、ポリマーコーティングであってもよい。コーティングは、ワニスであってもよい。各導電体層は、一対の接触タブをさらに含んでもよい。一対の接触タブは、アルミニウムを含んでもよい。陽極酸化されたアルミニウム導体はまた、１つ又は複数の表面を有してもよく、表面はまた、コーティングで被覆してもよい。電気機械は、軸方向磁束機械を含んでもよい。電気機械は、半径方向磁束機械を含んでもよい。電気機械は、横方向磁束機械を含んでもよい。第１キャリアの電磁要素は、ポスト同士の間にスロットを有するポストと、各スロットを通って配置される１つ又は複数の導電体層とを含み、第１キャリアのポストはｍｍの大きさのポスト高さである。第１のキャリア及び第２のキャリアが一緒になって電気機械のサイズを規定し、磁極の磁極ピッチＳはｍｍの大きさであり、モータのサイズ、磁極ピッチ、及びポスト高さは、サイズ、磁極ピッチ、及びポスト高さによって規定される空間の領域内に収まるように選択され、その領域は、励磁レベル毎の重量あたりの力又はトルクに関する利益を与える。
【００２１】
電気機械の導電体も提供され、導電体は、第１及び第２の接触タブと、硬質アルマイト処理されたアルミニウム表面と、アルミニウム導電経路と、コーティングとを含む。
【００２２】
様々な実施形態において、以下の特徴のうちのいずれか１つ又は複数を含んでもよい。コーティングは、誘電性コーティングであってもよい。コーティングは、ポリマーコーティングであってもよい。コーティングは、ワニスであってもよい。コーティングは、硬質アルマイト処理されたアルミニウム表面のコーナーギャップを充填してもよい。第１及び第２の接触タブは、アルミニウムを含んでもよい。
【００２３】
電気機械のアルミニウム導体を製造する方法であって、各アルミニウム導体は、第１及び第２の接触タブと、表面と、導電経路とを含み、この方法は、アルミニウム導体の表面を硬質アルマイト処理するステップと、アルミニウム導体の表面に液体又は粉末コーティングを塗布するステップと、液体又は粉末コーティングを焼き付けするステップとを含む。様々な実施形態において、以下の特徴のうちのいずれか１つ又は複数を含んでもよい。第１及び第２の接触タブをマスキングする追加のステップがあってもよい。液体又は粉末コーティングは、ポリマー液体又は粉末コーティングを含む。ポリマーコーティングは、液体又は粉末エポキシコーティングを含んでもよい。ポリマーコーティングは、誘電性ポリマーコーティングを含んでもよい。エポキシコーティングは液体エポキシコーティングであってもよく、この方法は、エポキシコーティングをＢ状態に硬化させるステップをさらに含んでもよい。エポキシコーティングがＢ状態まで硬化される場合に、アルミニウム導体を積み重ねるステップと、複数の第１の接触タブを一緒に溶接するステップと、複数の第２の接触タブを一緒に溶接するステップとを含んでもよい。液体コーティングを焼き付けするステップは、アルミニウム導体のスタックを焼き付けするステップを含んでもよい。液体コーティングをアルミニウム導電体のエッジギャップに向ける追加のステップがあってもよい。アルミニウム導体を積み重ねるステップが生じ、コーティングが液体コーティングである場合に、アルミニウム導体のスタックの層の間に１つ又は複数のスペーサを挿入することによってアルミニウム導体のスタックの１つ又は複数の層を分離するステップと、液体コーティングを焼き付けた後に、アルミニウム導体のスタックからスペーサを除去するステップとの追加のステップを行ってもよい。コーティングは、粉末コーティングであってもよく、この方法は、粉末コーティングを部分的に硬化させるステップをさらに含んでもよい。粉末コーティングが部分的に硬化される場合に、アルミニウム導体を積み重ねるステップと、複数の第１の接触タブを一緒に溶接するステップと、複数の第２の接触タブを一緒に溶接するステップとを含んでもよい。粉末コーティングを焼き付けるステップは、アルミニウム導体のスタックを焼き付けるステップを含んでもよい。コーティングは粉末コーティングであってもよく、粉末コーティングを塗布するステップは、アルミニウム導体に反対に帯電した粉末を噴霧するステップを含んでもよい。コーティングは粉末コーティングであってもよく、粉末コーティングを塗布するステップは、アルミニウム導体を、反対に帯電した誘電体粉末の流動床に浸漬するステップを含んでもよい。アルミニウム導体を積み重ねるステップが行われ、コーティングが粉末コーティングである場合に、アルミニウム導体のスタックの１つ又は複数の層を１つ又は複数のスペーサで分離するスペーサを配置するステップと、粉末コーティングを焼き付けた後に、アルミニウム導体のスタックからスペーサを除去するステップとの追加のステップを行ってもよい。アルミニウム導体の表面に第２のコーティングの層を塗布してもよい。
【００２４】
電気機械は、電磁要素を含む第１の外側キャリアと、電磁要素を含む第２の外側キャリアと、電磁要素を含み、第１の外側キャリアと第２の外側キャリアとの間に配置された内側キャリアであって、内側キャリア、又は第１の外側キャリアと第２の外側キャリアとの両方が磁極を規定する、内側キャリアと、第１の外側キャリアを第２の外側キャリアに固定して接続するスペーサ要素と、内側キャリアと第１及び第２の外側キャリアとの間に、及び内側キャリアとスペーサ要素との間に配置され、第１の外側キャリア及び第２の外側キャリアに対して移動する内側キャリアを支持するブシュ又は低摩擦コーティングと、を含む。
【００２５】
様々な実施形態において、以下の特徴のうちのいずれか１つ又は複数を含んでもよい。内側キャリアは磁極を規定し、第１の外側キャリア及び第２の外側キャリアは、それぞれのキャリアの電磁要素が支持される単一の材料部品をそれぞれ有する。第１の外側キャリア及び第２の外側キャリアは、磁極を規定してもよく、内側キャリアは、内側キャリアの電磁要素が支持される一体型の材料部品を含んでもよい。第１の外側キャリア及び第２の外側キャリアは、使用時に第１の外側キャリア及び第２の外側キャリアが、内側キャリアに対する磁気引力の影響を受けて内側キャリアに向けて曲がるが、内側キャリアと第１及び第２の外側キャリアとの間に配置されたブシュ又は低摩擦コーティングには実質的な力を及ぼさないような形状に予め形成してもよい。磁極の磁極ピッチＳは、ｍｍの大きさを有してもよく、第１の外側キャリア、第２の外側キャリア、及び内側キャリアは一緒になって電気機械のサイズを規定し、内側キャリアは磁極を規定し、第１及び第２の外側キャリアの電磁要素は、ポスト同士の間にスロットを有するポストと、各スロット内の１つ又は複数の導電体とを含み、ポストの高さがｍｍの大きさであり、或いは第１及び第２の外側キャリアは磁極を規定し、内側キャリアの電磁要素は、ポスト同士の間にスロットを有するポストと、各スロット内の１つ又は複数の導電体とを含み、ポストのポスト高さはｍｍの大きさであり、モータのサイズ、磁極ピッチ、及びポスト高さは、サイズ、磁極ピッチ、及びポスト高さによって規定される空間の領域内に収まるように選択され、その領域は、励磁レベル毎の重量当たりの力又はトルクに関する利益を与える。
【００２６】
装置及び方法のこれらの態様及び他の態様は、特許請求の範囲に記載されている。
【００２７】
次に、図面を参照して、実施形態を記載する。図面中、同等の記号は、一例として、同調の要素を示している。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】完全な例示的なアクチュエータプロトタイプのＣＡＤモデルである。
【００２９】
【図２】図１の例示的なアクチュエータの断面図である。
【００３０】
【図３】図１の例示的なアクチュエータのステータ及びロータの詳細な側面図を示している。
【００３１】
【図４】図１の例示的なアクチュエータのステータ及びロータ全体の概略図を示している。
【００３２】
【図５】図１の例示的なアクチュエータのステータ及びロータの簡略化された概略的な断面図を示しており、ポストに概略的なＣＡＤモデルコイルを備える。
【００３３】
【図６】リニア電気機械のステータの非限定的な簡略化された例示的な実施形態を示している。
【００３４】
【図７】図６のステータの等角図を示している。
【００３５】
【図８】上方絶縁層が除去された状態の図６及び図７のステータの頂面図を示している。
【００３６】
【図９】２つの上方位相回路が除去された状態の図８のステータの頂面図を湿している。
【００３７】
【図１０】図６乃至図９のステータの断面図である。
【００３８】
【図１１】図１０に示す断面図の詳細図である。
【００３９】
【図１２】非限定的な例示的なリニア電気機械の等角図を示している。
【００４０】
【図１３】内部線を備える図１２の電気機械を示している。
【００４１】
【図１４】上方永久磁石キャリア鉄心が除去された状態の図１２の電気機械を示している。
【００４２】
【図１５】上方永久磁石キャリアプレート及び大部分の上方永久磁石が除去された状態の図１４の電気機械を示している。
【００４３】
【図１６】全ての永久磁石が除去され、上方絶縁体プレートが除去された状態の、図１５の電気機械を示している。
【００４４】
【図１７】電気コネクタが除去され、上方スペーサ層が除去された状態の、図１６の電気機械を示している。
【００４５】
【図１８】上方位相回路が除去され、第２の絶縁体層が除去された状態の、図１７の電気機械を示している。
【００４６】
【図１９】第２のスペーサ層が除去され、大部分のポストが除去された状態の、図１８の電気機械を示している。
【００４７】
【図２０】上方空芯コアセンサ、第２の位相回路、構造円筒形スペーサ、及び残余のポストが除去された状態の、図１９の電気機械を示している。
【００４８】
【図２１】第３の位相回路及び底部スペーサ層が除去された状態の、図２０の電気機械を示している。
【００４９】
【図２２】軸方向磁束回転ステータ電気機械の非限定的な例示的な実施形態のための導体回路、ポスト、及びポッティング化合物リングを示している。
【００５０】
【図２３】図２２のステータの詳細図を湿している。
【００５１】
【図２４】ポッティング化合物リングが除去された、位相毎に１つの導体回路を備える３つの位相を備える、軸方向磁束の回転式ステータを示している。
【００５２】
【図２５】組立中にアルミニウム回路によって位置付けられる軟磁性材料ポストを備える３相回路の等角図である。
【００５３】
【図２６】図２５の分解図である。
【００５４】
【図２７】図２５及び図２６の実施形態の個々の層の拡大図である。
【００５５】
【図２８】図２５及び図２６の実施形態の個々の層の拡大図である。
【００５６】
【図２９】単一のステータ回路の詳細頂面図である。
【００５７】
【図３０】軸方向磁束電気機械の断面を示している。
【００５８】
【図３１】エアギャップに亘って電磁要素（ここでは永久磁石）に面するリニア電気機械内の電磁要素（ここではコイル）のアレイを示している。
【００５９】
【図３２】ロードアームを備える区画化された軸方向磁束電気機械を例示している。
【００６０】
【図３３】軸方向磁束電気機械のステータを示している。
【００６１】
【図３４】図３３のステータの詳細である。
【００６２】
【図３５】図３３のステータにおける使用のための導電体層の詳細である。
【００６３】
【図３６】図３３のステータにおける使用のための導電体層の更なる詳細である。
【００６４】
【図３７】図３３のステータにおける使用のための導電体層の更なる詳細である。
【００６５】
【図３８】図３３のステータの導電体層を示している。
【００６６】
【図３９】図３３のステータの導電体層を示している。
【００６７】
【図４０】ジョイントで開示の電気機械の実施態様を備えてよいロボットアームの実施形態を示している。
【００６８】
【図４１】ジョイントで開示の電気機械の実施態様を備えてよいロボットアームの実施形態を示している。
【００６９】
【図４２】開示の電気機械の実施形態のための磁石構成を示している。
【００７０】
【図４３】リニア電気機械の連続的な層を示す詳細の第１の図である。
【００７１】
【図４４】リニア電気機械の連続的な層を示す詳細の第２の図である。
【００７２】
【図４５】リニア電気機械の連続的な層を示す詳細の第３の図である。
【００７３】
【図４６】リニア電気機械の連続的な層を示す詳細の第４の図である。
【００７４】
【図４７】リニア電気機械の層を多相電気励起源に接続する接続部の詳細を示している。
【００７５】
【図４８】リニア電気機械の層を多相電気励起源に接続する接続部の詳細を示している。
【００７６】
【図４９】リニア電気機械の実施形態の連続的な層を示す第１の図である。
【００７７】
【図５０】リニア電気機械の実施形態の連続的な層を示す第２の図である。
【００７８】
【図５１】リニア電気機械の実施形態の連続的な層を示す第３の図である。
【００７９】
【図５２】リニア電気機械の実施形態の連続的な層を示す第４の図である。
【００８０】
【図５３】ロータ及びステータの両方にコイルを備える電気機械の実施形態を示している。
【００８１】
【図５４】ロータ及びステータの両方にコイルを備える電気機械の実施形態を示している。
【００８２】
【図５５】磁石のハルバックアレイを備える電気機械の実施形態を示している。
【００８３】
【図５６】二部ステータ、３相、及び３：２の永久磁石に対するステータポストの比を備える、例示的なアクチュエータアセンブリの断面を示している。
【００８４】
【図５７】図５６からの実施形態の詳細な断面図を示している。
【００８５】
【図５８】一方のロータを他方のロータに対して回転させる効果を実証する、３：２比又はステータポスト：永久磁石のためのロータ位置の関数としてプロットされたトルクを示している。
【００８６】
【図５９】図５６の例示的な実施形態の分解図を示している。
【００８７】
【図６０】図５６の例示的な実施形態の部分分解図の断面を示している。
【００８８】
【図６１】図５６の例示的な実施形態のハウジングの詳細断面図を示している。
【００８９】
【図６２】図５６の例示的な実施形態の組み立てられたハウジング及びステータの断面を示している。
【００９０】
【図６３】ステータ上の第１の導体層を備える図５６の例示的な実施形態の組み立てられたハウジング及びステータの断面を示している。
【００９１】
【図６４】図６３の断面の平面図を示している。
【００９２】
【図６５】図５６の例示的な実施形態からの同じ位相の４つの導体層を示している。
【００９３】
【図６６】図５６の例示的な実施形態からの異なる位相からの３つの隣接する導体層の配置（構成）を示している。
【００９４】
【図６７】導体間の径方向流体流チャネルが示された、図５６の例示的な実施形態からの組み立てられたハウジング及びステータの断面を示している。
【００９５】
【図６８】図５６の例示的な実施形態の導体間の冷却流体のための径方向、軸方向及び円周方向の流体流路の平面図を示している。
【００９６】
【図６９】冷却流体流路を示す図６８のステータを通じる断面図を示している。
【００９７】
【図７０】２つのステータと１つのロータとを備える例示的な実施形態の断面図を示している。
【００９８】
【図７１】図７０の例示的な実施形態からのステータを示しており、導体が１つの区画に示されている。
【００９９】
【図７２】導体を備える単純化されたステータの断面図を示している。
【０１００】
【図７３】導体がスロットをスキップしないステータ上の導体の例示的な構成を示している。
【０１０１】
【図７４】幾つかの導体が可変の導体幅を備えるステータ上の導体の例示的な構成を示している。
【０１０２】
【図７５】図７４からの導体の４つの層の分解図を示している。
【０１０３】
【図７６】多層の厚さの流体流ギャップを備える導体の例示的な構成を示している。
【０１０４】
【図７７】例示的な組立方法における導体層の構成を示している。
【０１０５】
【図７８】放射状流体流ギャップを備えない導体の例示的な構成を示している。
【０１０６】
【図７９】湾曲した可変の幅のポストを備えるステータの例示的な実施形態を示している。
【０１０７】
【図８０】接線方向に方向付けられた永久磁石の放射状に延びる磁束経路部材を備えるロータの例示的な実施形態を示している。
【０１０８】
【図８１】図８０のロータの詳細図を湿している。
【０１０９】
【図８２】図８０の内向き部材とロータの内側部分との間の構造的な接続を示している。
【０１１０】
【図８３】図８０の外向き部材とロータの外側部分との間の構造的な接続を示している。
【０１１１】
【図８４】磁石が除去された図８０のロータの詳細図を湿している。
【０１１２】
【図８５】例示的な組立方法を反映した図８０のロータの分解図を示している。
【０１１３】
【図８６】内側ロータリング及び外向きに突出する磁束部材が黒色で示された図６０のロータの図を湿している。
【０１１４】
【図８７】２つの軸方向半体とテーパ状の磁石とを含むロータの例示的な実施形態を示している。
【０１１５】
【図８８】図８７のロータの断面図を示している。
【０１１６】
【図８９】図８７のロータの分解図を示している。
【０１１７】
【図９０】磁石の極を示す図８７のロータの磁石の平面図を示している。
【０１１８】
【図９１】図８７の外向き部材とロータの外側部分との間の構造的な接続を示している。
【０１１９】
【図９２】ロータ半体を一緒に保持する外部リングを備える図８７のロータを示している。
【０１２０】
【図９３】２つのロータ半体と２つのステータ半体とを含む例示的な実施形態の分解図を示している。
【０１２１】
【図９４】図９３の実施形態の断面図を示している。
【０１２２】
【図９５】図９３に示す実施態様のステータを示している。
【０１２３】
【図９６】図９３の実施態様のステータ及びベースプレートの分解図を示している。
【０１２４】
【図９７】図９３の実施形態の断面図を示している。
【０１２５】
【図９８】２つのロータ半体と１つのステータとを備える例示的な実施形態の断面図を示している。
【０１２６】
【図９９】図９８の例示的な実施形態の断面図を示している。
【０１２７】
【図１００】アクチュエータとして作用し且つアームに沿って離間する一連の電気機械の例示的な構成を示している。
【０１２８】
【図１０１】ロボットアーム上の電気機械のための取付け構成を示している。
【０１２９】
【図１０２】ロータ構成の実施形態を示している。
【０１３０】
【図１０３】積層ポストステータの例示的な構成を示している。
【０１３１】
【図１０４】径方向に整列させられたポスト積層体を備えるステータの例示的な実施形態の断面図を示している。
【０１３２】
【図１０５】テーパ状の棘を機械的な引抜き止めとして備える、バック鉄心を通じて延びるポストを備える積層ポスト構造の例示的な実施形態を示している。
【０１３３】
【図１０６】図１０５に示す実施態様の断面図である。
【０１３４】
【図１０７】積層体と結果として得られる磁束経路の部分との間の絶縁パターンを示す、図１０５に示す実施形態の断面図である。
【０１３５】
【図１０８】鋭いエッジを陽極酸化処理することの効果を示す概略図である。
【０１３６】
【図１０９】丸いエッジを持つ導体を有するステータ部分の概略図である。
【０１３７】
【図１１０】鋭いエッジを持つ導体を有するステータ部分の概略図である。
【０１３８】
【図１１１】組み立て前の並べて示されている積み重ね可能な平坦な導体の２つの隣接する層の斜視図である。
【０１３９】
【図１１２】陽極酸化処理された導体の表面上の誘電コーティングを伴うコーティングされた導体の例を示す概略図である。
【０１４０】
【図１１３】図１１２の導体のコーナーの拡大である。
【０１４１】
【図１１４】導体のペアがステータポストの間に積み重ねられた状態で層に一緒に積み重ねられた導体を示す斜視図である。
【０１４２】
【図１１５】鋭いエッジにおけるギャップの完全な被覆を伴う、コーティングされた導体の例を示す概略図である。
【０１４３】
【図１１６】鋭いエッジにおけるギャップの完全な被覆を超える、コーティングされた導体の例を示す概略図である。
【０１４４】
【図１１７】さらなるポリマー層でコーティングされた図１１５のコーティングされた導体の例を示す概略図である。
【０１４５】
【図１１８】１つ又は複数のスロット内の１つ又は複数の導体層の間にスペーサを持つ組み立てられたステータ及び導体の断面図を示す。
【０１４６】
【図１１９】粉末エッジコーティングが導体にそれぞれ及び／又はポスト側壁に接触及び接着している状態のスペーサ除去前の導体及びスペーサの断面図を示している。
【０１４７】
【図１２０】スペーサ構成要素が除去されているステータの単純化された断面を示す。
【０１４８】
【図１２１】陽極酸化処理された導体を作る方法を示す。
【０１４９】
【図１２２】陽極酸化処理された導体を作る方法のさらなる詳細を示す。
【０１５０】
【図１２３】円錐ロータの実施形態の断面を示す。
【０１５１】
【図１２４】図１２３の実施形態の拡大断面図を示す。
【０１５２】
【図１２５】図１２３の実施形態の拡大断面図を示す。
【０１５３】
【図１２６】図１２３の実施形態の拡大断面図を示す。
【０１５４】
【図１２７】図１２３の実施形態の拡大断面図を示す。
【０１５５】
【図１２８】電源コネクタ及びエンコーダコネクタを含む組み立てられたアクチュエータの実施形態の軸方向の図である。
【０１５６】
【図１２９】２つのステータ間の中心面に沿った内部ロータを示す図１２８のアクチュエータの断面図である。
【０１５７】
【図１３０】層状導体の部分断面を伴う図１２８のアクチュエータのステータ及びハウジングアセンブリの等角断面図である。
【０１５８】
【図１３１】図１２８のアクチュエータのステータ、内側ハウジング、外側ハウジング、及び層状導体の軸方向の図である。
【０１５９】
【図１３２】図１２８の実施形態のロータ構成要素の等角図である。
【０１６０】
【図１３３】隣接する磁石が反対に接線方向に分極された例示の磁石配置を持つロータ及びステータの側面図である。
【０１６１】
【図１３４】２つのステータを分離するためのセパレータ部材を含むアクチュエータの斜視図である。
【０１６２】
【図１３５】冷却フィンを通る磁束経路を示す、図１２８のアクチュエータのためのステータの別の断面図である。
【０１６３】
【図１３６】ポストの間の斜めの磁束結合のための断面領域を示す冷却フィンを持つステータの断面図である。
【０１６４】
【図１３７】円周方向冷却フィンを持つステータの単純化された断面図である。
【０１６５】
【図１３８】内側軸受への予圧を減らすように構成される分離部材を含むアクチュエータの断面図である。
【０１６６】
【図１３９】内側軸受への予圧を増すように構成される分離部材を含むアクチュエータの断面図である。
【０１６７】
【図１４０】密封流体チャネルを有するアクチュエータの断面図である。
【０１６８】
【図１４０Ａ】半円形冷却チャネルを有する実施形態の斜視図である。
【０１６９】
【図１４０Ｂ】内径剛性接続部によって接続されるハウジングを持つ、２つのステータ及びロータを持つ実施形態の断面図である。
【０１７０】
【図１４０Ｃ】図１４０Ｂに示された実施形態の範囲を広げた断面図である。
【０１７１】
【図１４１】集中磁束ロータのリニア実施形態の概略断面図である。
【０１７２】
【図１４２】バック鉄心を持つ集中磁束ロータのモデルであり、磁束線を示す。
【０１７３】
【図１４３】バック鉄心を持つ集中磁束ロータのモデルであり、磁束線を示し、さらに構成要素長さを示す。
【０１７４】
【図１４４】テーパ磁石及び磁束経路制限部を持つ軸方向磁束集中磁束ロータの部分を通る断面である。
【０１７５】
【図１４５】延長された長さの磁石を持つ軸方向磁束集中磁束ロータの一部の拡大断面図である。
【０１７６】
【図１４６】ステータを持つ半径方向磁束集中磁束ロータの実施形態の単純化された斜めの断面図である。
【０１７７】
【図１４７】図１４６に示された半径方向磁束集中磁束ロータ及びステータの単純化された断面図である。
【０１７８】
【図１４８】図１４６に示された集中磁束ロータの単純化された斜めの断面図であり、さらにミルを示している。
【０１７９】
【図１４９】異なるジオメトリのバック鉄心を持つ集中磁束ロータのモデルであり磁束線を示している。
【０１８０】
【図１５０】ロータレリーフ及びテーパロータ端部を持つ半径方向磁束集中磁束ロータの実施形態の単純化された斜めの断面図である。
【０１８１】
【図１５１】エンド鉄心を持つ集中磁束ロータの軸方向磁束ステータ−ロータ−ステータ構成の実施形態の単純化された分解断面図である。
【０１８２】
【図１５２】バック鉄心、エンド鉄心及び磁束経路制限部を持つ集中磁束ロータの軸方向磁束ステータ−ロータ−ステータ構成の実施形態の単純化された分解断面図である。
【０１８３】
【図１５３】エンド鉄心及び磁束経路制限部を持つ集中磁束ロータの軸方向磁束ロータ−ステータ−ロータ構成の実施形態の単純化された分解断面図である。
【０１８４】
【図１５４】エンド鉄心、磁束経路制限部及びバック鉄心を持つ集中磁束ロータの軸方向磁束ロータ−ステータ−ロータ構成の実施形態の単純化された分解断面図である。
【０１８５】
【図１５５】バック鉄心及びエンド鉄心を持つ集中磁束ロータの台形ステータ−ロータ−ステータ構成の実施形態の単純化された分解断面図である。
【０１８６】
【図１５６】バック鉄心なしの図１５５に示された実施形態の単純化された分解断面図である。
【０１８７】
【図１５７】エンド鉄心を持つ集中磁束ロータの台形ロータ−ステータ−ロータ構成の実施形態の単純化された分解断面図である。
【０１８８】
【図１５８】バック鉄心あり且つエンド鉄心なしの図１５７に示された実施形態の単純化された分解断面図である。
【０１８９】
【図１５９】バック鉄心及びエンド鉄心を持つ集中リニア磁束機械のロータ−ステータ−ロータ構成の実施形態の単純化された斜視図である。
【０１９０】
【図１６０】バック鉄心なしの図１５９に示された実施形態の単純化された斜視図である。
【０１９１】
【図１６１】バック鉄心を持つリニア磁束機械のステータ−ロータ−ステータ構成の実施形態の単純化された斜視図である。
【０１９２】
【図１６２】エンド鉄心を持つリニア磁束機械のステータ−ロータ−ステータ構成の実施形態の単純化された斜視図であり、ロータの斜めの断面を示している。
【０１９３】
【図１６３】中断されたロータポストを持つ軸方向モータ集中磁束ロータのモデルである。
【０１９４】
【図１６４】磁束線が示された図１６４に示される軸方向モータ集中磁束ロータのモデルである。
【０１９５】
【図１６５】磁束が半径方向にエアギャップを横切って結合する横方向磁束機械の実施形態の断面図である。
【０１９６】
【図１６６Ａ】図１６５に示された横方向磁束機械の実施形態のステータの斜視図である。
【０１９７】
【図１６６Ｂ】図１６５に示された横方向磁束機械の実施形態のロータの上方部分の斜視図である。
【０１９８】
【図１６７】磁束が軸方向にエアギャップを横切って結合する横方向磁束機械の実施形態の断面図である。
【０１９９】
【図１６８】図１６７に示された横方向磁束機械の実施形態のステータ部分の斜視図である。
【０２００】
【図１６９】図１６８に示された横方向磁束機械の実施形態のロータの上方部分の断面図である。
【０２０１】
【図１７０Ａ】スロットピッチ及びポスト高さが異なるシミュレートされた一連のモータについての定電流密度でのトルクのグラフを示す。
【０２０２】
【図１７０Ｂ】スロットピッチ及びポスト高さが異なるシミュレートされた一連のモータについての所与の温度で可能な最も高いステータ電流密度を示す。
【０２０３】
【図１７０Ｃ】一連の電気機械のスロットピッチ及びポスト高さの関数としての一定温度トルクを示す。
【０２０４】
【図１７０Ｄ】スロットピッチ及びポスト高さが異なるシミュレートされた一連のモータについての所与の温度で可能な最も高いステータ電流密度に対する重み付け関数の値を示す。
【０２０５】
【図１７０Ｅ】固定された電流密度に対して、スロットピッチ及びポスト高さが異なるシミュレートされた一連のモータのＫｍ’’を示す。
【０２０６】
【図１７０Ｆ】固定された電流密度に対して、スロットピッチ及びポスト高さが異なるシミュレートされた一連のモータのＫＲ’’を示す。
【０２０７】
【図１７１】２００ｍｍサイズの機械及びＫＲ’’＞１．３の境界線の場合の、領域内の残りの幾何学的構成に関するＫＲ’’の利益領域を示す。
【０２０８】
【図１７２】２００ｍｍサイズの機械及びＫＲ’’＞１．５の境界線の場合の、領域内の残りの幾何学的構成に関するＫＲ’’の利益領域を示す。
【０２０９】
【図１７３】２００ｍｍサイズの機械及びＫＲ’’＞１．８の境界線の場合の、領域内の残りの幾何学的構成に関するＫＲ’’の利益領域を示す。
【０２１０】
【図１７４】１００ｍｍサイズの機械及びＫＲ’’＞１．５の境界線の場合の、領域内の残りの幾何学的構成に関するＫＲ’’の利益領域を示す。
【０２１１】
【図１７５】１００ｍｍサイズの機械及びＫＲ’’＞１．７の境界線の場合の、領域内の残りの幾何学的構成に関するＫＲ’’の利益領域を示す。
【０２１２】
【図１７６】１００ｍｍサイズの機械及びＫＲ’’＞１．９の境界線の場合の、領域内の残りの幾何学的構成に関するＫＲ’’の利益領域を示す。
【０２１３】
【図１７７】５０ｍｍサイズの機械及びＫＲ’’＞２．２の境界線の場合の、領域内の残りの幾何学的構成に関するＫＲ’’の利益領域を示す。
【０２１４】
【図１７８】５０ｍｍサイズの機械及びＫＲ’’＞２．５の境界線の場合の、領域内の残りの幾何学的構成に関するＫＲ’’の利益領域を示す。
【０２１５】
【図１７９】５０ｍｍサイズの機械及びＫＲ’’＞２．９の境界線の場合の、領域内の残りの幾何学的構成に関するＫＲ’’の利益領域を示す。
【０２１６】
【図１８０】２５ｍｍサイズの機械及びＫＲ’’＞３．３の境界線の場合の、領域内の残りの幾何学的構成に対するＫＲ’’の利益領域を示す。
【０２１７】
【図１８１】２５ｍｍサイズの機械及びＫＲ’’＞３．４の境界線の場合の、領域内の残りの幾何学的構成に関するＫＲ’’の利益領域を示す。
【０２１８】
【図１８２】２５ｍｍサイズの機械及びＫＲ’’＞３．６の境界線の場合の、領域内の残りの幾何学的構成に関するＫＲ’’の利益領域を示す。
【０２１９】
【図１８３】電流が印加されていない状態で、ロータ速度２００ｒｐｍでのスロットピッチの範囲に亘る一連のモータの渦電流損及びヒステリシス損失の合計を示すグラフである。
【０２２０】
【図１８４】６Ａ／ｍｍ２の電流密度が印加された状態の２４個のスロットのラミネートＭ−１９及びソリッドＭ−１９ステータのトルクを示すグラフである。
【０２２１】
【図１８５】２４個のスロットのソリッドＭ−１９ステータについての個々の及び合計のステータ損失を示すグラフである。
【０２２２】
【図１８６】１０８個のスロットのソリッドＭ−１９ステータについての個々の及び合計のステータ損失を示すグラフである。
【０２２３】
【図１８７】１９．７Ａ／ｍｍ２の電流密度が印加された状態の１０８個のスロットのdurabar、ラミネートＭ−１９、及びソリッドＭ−１９ステータのトルクを示すグラフである。
【０２２４】
【図１８８】非常に強力なＮｄＦｅＢ  Ｎ５２永久磁石がロータ内で使用されたシミュレーションにおける様々なモータのトルク対重量の比較を示すグラフである。
【０２２５】
【図１８９】様々なモータのトルク比較を示すグラフである。
【０２２６】
【図１９０】様々なモータのステータ損失の比較を示すグラフである。
【０２２７】
【図１９１】流路を介してアクチュエータを冷却する方法を示す。
【０２２８】
【図１９２】アクチュエータアセンブリの一実施形態の断面図である。
【０２２９】
【図１９３Ａ】図１９２のアクチュエータアセンブリの拡大断面図である。
【０２３０】
【図１９３Ｂ】図１９３Ａのアクチュエータアセンブリの断面図におけるブシュ又は低摩擦コーティングの更なる拡大図である。
【０２３１】
【図１９４】図１９２のアクチュエータアセンブリのステータ及び固定リングの断面図である。
【０２３２】
【図１９５】図１９２のアクチュエータアセンブリのステータの一実施形態の拡大図であり、矢印は、導体が、延長部の頂部上にポストをどのように配置され得るかを示す。
【０２３３】
【図１９６】１つのステータと、対応するブシュ又は低摩擦コーティングとが除去された状態の、図１９２のアクチュエータアセンブリの拡大断面図である。
【０２３４】
【図１９７】図１９２のアクチュエータアセンブリについての永久磁石キャリアの断面図である。
【０２３５】
【図１９８】図１９２のアクチュエータアセンブリのロータ及びステータの拡大断面図である。
【０２３６】
【図１９９Ａ】図１９２のアクチュエータアセンブリのステータポスト及びロータポストの軸方向の等角図である。
【０２３７】
【図１９９Ｂ】図１９９Ａのアクチュエータアセンブリのステータポスト及びロータポストの更なる拡大図である。
【０２３８】
【図２００】フレームレスモータ／アクチュエータを用いたロボットアームのジョイントを示す。
【０２３９】
【図２０１】フレームレスモータ／アクチュエータ及びロボットアームの断面図を示す。
【０２４０】
【図２０２】フレームレスモータ／アクチュエータステータ、ロータ及びハウジングアセンブリの断面図の拡大図を示す。
【０２４１】
【図２０３】フレームレスモータ／アクチュエータロボットアームアセンブリの分解図を示す。
【０２４２】
【図２０４】ロータ上のステータ及びタブの機構を見るためにハウジングを通る断面図を示す。
【図２０５】ロータを固定するためのタブ機構と共に使用される上方及び下方のアセンブリの動きを示す。
【０２４３】
【図２０６】ロータを固定するのに使用されるタブの特徴を示す断面図の拡大図を示す。
【０２４４】
【図２０７】ステータを固定するためにステータに使用されるタブの特徴を示すハウジングを通る断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０２４５】
請求項に含まれるものから逸脱せずに、本明細書に記載する実施形態に対する本質的でない変更が行われてよい。請求項において、「含む」(“comprising”)という用語は、その包括的な意味において使用され、存在する他の要素を排除しない。クレーム構成の前の不定冠詞「a」及び「an」は、その構成が１つよりも多く存在することを排除しない。本明細書に記載する個々の構成の各々は、１以上（１つ又はそれよりも多く）の実施形態において使用されてよく、本明細書に記載されているだけの理由で、請求項によって定められるような全ての実施形態に本質的であると解釈されてならない。
【０２４６】
［定義］
本文を通じて使用される幾つかの用語を最初に定義する。
【０２４７】
電気機械の脈絡において本明細書で使用されるとき、キャリア(carrier)は、回転機械を参照するときにステータ(固定子)(stator)又はロータ(回転子)(rotor)を含んでよい。
【０２４８】
本明細書で使用されるとき、ロータは、円形であってよい。ロータは、リニアモータのアーマチャ(電機子)(armature)又はリアクションレール(reaction  rail)を指すこともある。ステータは、円形であってよい。ステータは、リニアモータのアーマチャ又はリアクションレールを指すこともある。
【０２４９】
歯(teeth)をポスト(posts)と呼ぶこともある。
【０２５０】
電気モータにおいて、ステータ又はロータの一方(either)は、ポストの周りに巻かれたコイル(coils)によって定められる整流された電磁石アレイ(electromagnet  array)を有してよいのに対し、ステータ又はロータの他方(other)は、永久磁石(permanent  magnets)又はコイル或いは永久磁石及びコイルの両方によって定められる磁極(magnetic  poles)を有してよい。
【０２５１】
永久磁石は、システムに磁束を加えるために、ロータ及び／又はステータ上の電磁石と組み合わせて使用されてよい。ＰＭは、永久磁石を意味する。ＥＭは、電磁石を意味する。
【０２５２】
電磁要素(electromagnetic  elements)は、永久磁石、ポスト（歯）、軟磁性ポストであってよい磁性ポスト(magnetic  posts)によって定められるスロット(slots)、及び電気導体(electrical  conductors)を含んでよい。一方のキャリアがスロット及びポストを有するあらゆる実施形態において、他方のキャリアは、電磁要素のための永久磁石を有してよく、あらゆるそのような実施形態について、電磁要素という用語は、永久磁石という用語と置換されてよい。磁性ポストは、幾つかの場合には、例えば、集中磁束ロステータの実施形態では、磁場が永久磁石によって確立される隣接するポストと共に永久磁石によって定められることがある。
【０２５３】
特に明記しない限り、「磁束」(“flux”)は、磁束(magnetic  flux)を意味する。
【０２５４】
フラクショナルスロットモータ(fractional  slot  motor)は、１位相当たりのスロット当たりの分数スロットを有するモータである。スロット数を磁石数で割って再び位相数で割った結果が整数でないならば、モータはフラクショナルスロットモータである。
【０２５５】
キャリアは、フレーム又は軸受（ベアリング）によって他のキャリアに対する動きのために支持されてよく、軸受は、すべり軸受、転がり軸受、流体軸受、空気軸受又は磁気軸受であってよい。アキシアル電気機械(axial  electric  machine)は、鎖交磁束(magnetic  flux  linkage)が軸方向エアギャップ（空隙）に亘って起こる電気機械であり、キャリアは、同軸に並んで取り付けられるディスクの形態にある。第１のキャリア(first  carrier)は、フレーム、ハウジング又は他の要素によって支持される一方のキャリア(either  carrier)によって、他のキャリア(another  carrier)に対して動くように構成されることができるのに対し、他方のキャリア(other  carrier)は、第１のキャリアに対して動く。
【０２５６】
ラジアル電気機械(radial  electric  machine)は、磁束が放射状に方向付けられるようにエアギャップが方向付けられ、キャリアが同心円状に取り付けられ、一方が他方の外側にある、電気機械である。リニアアクチュエータ(linear  actuator)の構造は、運動方向が湾曲経路ではなく直線である、軸方向磁束(axial  flux)又は径方向磁束(radial  flux)回転モータの部分に匹敵する。
【０２５７】
台形電気機械(trapezoidal  electric  machine)は、軸方向磁束機械及び径方向磁束機械の組み合わせである電気機械であり、エアギャップの平面は、軸方向構成及び径方向構成のエアギャップによって形成される平面の間の途中で、ある角度に位置する。
【０２５８】
回転機械についてのエアギャップ直径は、エアギャップ表面の中心にある回転軸に対して垂直な直径として定義される。軸方向磁束モータにおいて、全てのエアギャップは、同じ直径で存在する。エアギャップ表面が軸方向磁束モータにおけるようにディスク形状のスライスであるならば、平均エアギャップ直径は、内径及び外径の平均である。対角表面又は湾曲表面のような他のエアギャップ表面について、平均エアギャップ直径は、断面エアギャップビュー(cross-sectional  airgap  view)の平均エアギャップ直径として見出されることができる。
【０２５９】
径方向磁束モータについて、エアギャップ直径は、（外側ロータ軸方向磁束モータの場合の）ロータ内径及びステータ外径の平均又は（内側ロータ径方向磁束モータの場合の）ロータエアギャップ外径及びステータエアギャップ内径の平均を指す。他の種類の回転モータについては、径方向磁束モータのエアギャップ直径の類似が使用されてよい。軸方向磁束機械について、エアギャップ直径は、ＰＭ内径及びＰＭ外径並びにＥＭ内径及びＥＭ外径の平均として定義される。
【０２６０】
電気機械の大きさ（サイズ）は、本明細書において定義されるような軸方向磁束機械若しくは径方向磁束機械のエアギャップ直径又は直線（リニア）機械(leaner  machine)のキャリアの並進方向の長さを意味する。１つのキャリアが他のキャリアよりも長い直線機械について、その長さはより短いキャリアの長さである。境界不均衡(boundary  inequalities)に関連する使用について、回転機械の大きさは直径に関して与えられるが、直線機械について、それは回転機械の円周に対応する長さである。従って、方程式において大きさＹの回転モータに対応するリニアモータの大きさＸは、Ｘ＝ｐｉ×ＹとしてのＹに関連する。横方向磁束機械(transverse  flux  machines)を含む一般的な原理としての開示の範囲の目的のために、任意の回転電気機械のこの大きさは、磁気的に活性なエアギャップ(magnetically  active  airgap)が回転軸に対して垂直な平面に投影されるときに磁気的に活性なエアギャップによって定められる最大直径及び最小直径の平均として定義される。
【０２６１】
ステータの背面は、磁気的に活性なエアギャップにある表面に対して反対側にあるステータの表面として定義される。径方向磁束モータにおいて、これは外側ロータ構成の場合のステータの内面又は内側ロータ構成の場合のステータの外径面いずれかに対応する。軸方向磁束モータにおいて、ステータの背面はステータの軸方向外面である。
【０２６２】
Ｋｍは、モータの電気抵抗損失の平方根で除算された失速トルク(stall  torque)として定義される。この特許文献では、本開示ではＫＲ又はＫＲと呼ぶ、モータの活性磁気質量(active  magnetic  mass)で除算されたＫｍを使用して、モータ性能を評価することが提案されている。活性磁気質量は、フレームレスモータの製造業者によって一般的に報告されているような、磁石、コイル、歯、及びバック鉄心(backiron)を含む、ロータ及びステータ質量からなる。ＫＲメトリックは、ロボット工学のような、低いモータ質量が全体的な電力消費に有利である用途について、モータ性能を評価するのに有用なことがある。幾つかの場合には、Ｋｍ及びＫＲの大きさに依存しない(size-independent)類似物、即ち、Ｋｍ”及びＫＲ”が、本文を通じて使用される。大きさに依存する(size-dependent)メトリックと大きさに依存しないメトリックとの間の変換は以下の通りである。
【数１】
2018529302.tif 000003
及び
【数２】
2018529302.tif 000004
ここで、Ｄは、平均エアギャップ直径であり、Ｌは、径方向の歯の長さである。所与の大きさのモータについて、Ｄ及びＬは分析において固定的であるとみなされる。従って、ＫＲ又はＫｍは、
（外１）
2018529302.tif 000005
又は
（外２）
2018529302.tif 000006
に比例する。結果的に、ＫＲの傾向に関する記述は、一般的に、
（外３）
2018529302.tif 000007
にも暗示的に当て嵌まると思われる。
【０２６３】
スロット密度(slot  density)は、平均空気ギャップ直径にある機械の円周方向長さによって除算されたスロットの数である。スロットのピッチが変化するならば、デバイスの平均スロット密度が使用される。スロットピッチの逆数によってスロット密度を表すこともできる。それはエアギャップ直径でのエアギャップ（又はその類似物）に沿う円周方向の長さの１ｍｍ当たりに幾つのスロットが発生するかの尺度である。回転モータについて、以下の次の方程式を有する。
【数３】
2018529302.tif 000008
ここで、ＮＳは、スロットの数であり、ＤＡＧは、エアギャップの直径である。リニアモータの場合、この関数の分母は、並進方向に沿うキャリアの長さによって置き換えられる。
【０２６４】
磁極密度(pole  density)は、平均空気ギャップ直径での機械の円周方向長で除算された磁極の数である。磁極のピッチが変化するならば、デバイスの平均磁極密度が使用される。磁極ピッチの逆数によって磁極密度を表すこともできる。磁極ピッチは、運動の方向に沿って測定される、一方の極性のＰＭ極の中心と反対の極性を有する同じキャリア上の次のＰＭ極の中心との間の平均エアギャップでの平均距離として定義される。回転モータにおいて、この距離は平均空気ギャップ直径ＤＡＧで測定される円周方向ピッチである。それはエアギャップ直径でのエアギャップ（又はその類似物）に沿う円周方向の長さの１ｍｍ当たりに幾つの磁極が発生するかの尺度である。回転モータについて、それは以下の方程式を有する。
【数４】
2018529302.tif 000009
ここで、ＮＰは、磁極の数であり、ＤＡＧは、エアギャップの直径である。リニアモータの場合、この関数の分母は、並進方向に沿うキャリアの長さによって置き換えられる。
【０２６５】
分散巻線(distributed  windings)について、スロットの数は、Ｎ×磁極の数であり、ここで、Ｎは、位相の数の倍数である。よって、三相機械について、Ｎは、３、６、９、１２等であり得る。集中巻線(concentrated  windings)について、スロットの数は変化することができるが、位相の数の倍数でなければならない。それは、スロット及び磁極の特定の組み合わせがより高いトルク及びより良いノイズ低減又はコギング低減特性をもたらす場合を除いて、磁極の数に依存しない。十分なトルクを得るために、所与の磁極の数についてのスロットの最小数は、５０％未満でなければならない。
【０２６６】
導体容積(conductor  volume)は、単一のステータの長さ当たりのスロット面積(slot  area)を指すために使用されることがある。スロット面積は、歯に対して直交するがキャリアの相対運動の平面と平行でない平面内のスロットの断面の面積である。軸方向モータにおいて、この平面は、スロットを通過する半径に対して垂直である。スロット面積は、ステータ設計に組み込むことができる最大導体容積を効果的に定め、通常、導体のために全ての利用可能な空間を利用するよう出来る限り高いフィルファクタ(fill  factor)を有することがモータ設計者の目標である。
【０２６７】
ステータにおける最大導体容積は、スロット面積に関して定められるので、最大導体容積又はスロット面積を有すると呼ばれるいずれのステータも、スロット及びスロットを定める歯を有さなければならない。このパラメータは、回転モータについて、以下のように定義される。
【数５】
2018529302.tif 000010
ここで、ＡＳは、単一スロットの断面積、又は可変スロット面積を有するステータ設計のための単一スロットの平均面積である。
【０２６８】
相対的に正確な近似として、ＡＳは、上記方程式が以下になるよう、スロットの平均幅ｗｓによって乗算された、歯の高さｈｔとして計算されてよい。
【数６】
2018529302.tif 000011
【０２６９】
これらの定義は大きさに依存しない。それらはあらゆるモーターを特徴付けるために使用されることができる。
【０２７０】
磁極ピッチ(pole  pitch)及び歯(tooth)の高さは、特定のステータ又はロータの幾何学的形状を定義するために使用されてよい。パラメータは大きさに依存しないので、本明細書に開示する利益の尺度は、同様に、面積当たりの力及び質量当たりの力に関して記載される、大きさに依存せず、ここで、質量は、エアギャップでの半径を含む適切な増倍率(multiplication  factor)によってあらゆる大きさの回転モータについてのトルク及び質量当たりのトルクを見出し得るような、任意の磁石及びコイルを含むステータ及びロータの質量を指す。同じエアギャップ直径の任意の２つのモータについて、グラフは、力／面積についての輪郭と同じトルクについての輪郭と、力／質量について輪郭と同じトルク密度についての輪郭とを有する。
【０２７１】
冷却路(cooling  channel)は、フィンによって定められる通路(passages)、又は構造物を通じる或いは構造の周りのスロット若しくは導管内の空いたスペースのような、気体流又は液体流を含む流体を冷却するための流路(flow  path)を定める、任意の構造である。
【０２７２】
スロット深さ(slot  depth)又はポスト高さ(post  height)が導体体積の代用(proxy)として使用されてもよい。歯の高さ又はスロットの深さとしても知られるポストの高さは、導体が占めるために利用可能なスロット内の断面積の量の代用である。スロットは、湾曲プロファイル又はテーパ状プロファイルのような、様々な形状を有してよいが、スロットの高さは、導体が占めることがあるスロットの総面積を最良に表す、最も近い矩形近似(closest  rectangular  approximation)に基づく。この寸法は、実質的にスロット面積を増やすことなく歯の高さを増やす磁極片(pole  shoes)のような構成を含まない。横方向磁束モータについて、ポストの高さは、コイル巻線の方向に対して垂直な、導体コイルに直ぐ隣接するポストの部分として定義される。
【０２７３】
モータシリーズ(motor  series)は、同じ構造及び巻線を有するが、ある範囲の磁極ピッチ又はある範囲のポストの高さのような１つ又は２つの差異を伴う、解析によって表される、モータ幾何学的形状のセットである。
【０２７４】
ロータ磁極の数は、エアギャップを横断する交番極性磁束(alternating  polarity  magnetic  flux)の領域の数と等しい。例えば、表面永久磁石ロータにおいて、磁極の数は、交番極性永久磁石の数によって決定される。しかしながら、磁極は、ハルバックアレイ(Halback  array)のような磁石のグループによって、電磁石によって、又は電磁石と永久磁石との組み合わせによって創り出されてもよい。導体層は、導体が平面において見られるときにそれ自体は交差しない導体路を構築するユニットとして形成される、導電体である。よって、導体層は、導体層の塑性変形は最小限でありか或いは塑性変形がない状態で、ポストの周りに直接的に配置されることがある。各導体層は、例えば、軸方向磁束機械における異なる軸方向位置又は径方向磁束機械の異なる径方向位置に対応する、スロットの異なるレベルでスロットの異なる部分を占める。幾つかの実施形態では、導体層は、ポストに個別に螺旋状に巻回されることなく、ポストの上に又はスロット内にユニットとして配置することができる、十分な剛性を備える材料で作られてよい。
【０２７５】
直接駆動モータの連続的な失速トルクは、生成される熱及び放散される熱が許容可能な最大の導電体温度にある所与の冷却手段について平衡に達する、ゼロ速度での連続的なトルク出力である。
【０２７６】
濃縮巻線(concentrated  winding)は、個別に巻かれたポスト又は通電されるときに隣接するポストの交番極性をもたらす任意の巻線構成を含む。全てのポストが常に両方の隣接するポストの反対極性にあるとは限らないことが理解されよう。しかしながら、集中巻線構成は、ポストの大部分が、モータが通電されるときの時間の大部分に亘って隣接するポストの一方又は両方とは反対の極性になることをもたらす。集中巻線は、一位相当たりの磁極当たりのスロットの比率が１未満である、分数スロット巻線の１つの形態である。
【０２７７】
「固体ステータ」(“solid  stator”)という用語は、電気機械のステータとして機能する均質な磁気的影響を受けやすい(homogenous  magnetically  susceptible)支持構造を指す。
【０２７８】
［例示的な径方向磁束電気機械］
図１は、外側ハウジング１０１２と内側ハウジング１０１４とを備える、完全な例示的なアクチュエータ１０１０のプロトタイプ（試作品）のＣＡＤモデルを示している。内側ハウジング１０１４は、固定（又は基準）部材であり、外側ハウジング１０１２は、回転部材である。ハウジングをアルミニウム、鋼又はプラスチックのような、任意の剛性材料で作ることができるが、これに限定されない。例示的なアクチュエータ１０１０は、軸受／シール１０１６と、出力取付穴１０１８とを含む。図１に示すプロトタイプは、高いトルク対重量比をもたらした。これはロボット工学のような用途にとって重要であるが、これに限定されない。図１に示す設計は、ＫＲに関して利益をもたらし、よって、ロボット工学用途における使用に特に適すると考えられる、スロット密度及びポスト高さの定義に入る、スロット密度及びポスト高さを有する。
【０２７９】
図２、内側ハウジング１０１４に取り付けられた内部ステータ１０２０と、外側ハウジング１０１２に取り付けられた外部ロータ１０２２とを備える、同じ例示的なアクチュエータ１０１０の断面図を示している。ロータ１０２２は、ロータヨーク１０２６に取り付けられた永久磁石１０２４を含む。ステータ１０２０は、ステータヨーク１０３０に取り付けられたステータ歯１０２８を含む。ステータ１０２０は、積層された電気鋼のような、軟磁性材料で作られるが、これに限定されない。渦電流の減少及び／又はヒステリシスの減少を示す粉末軟磁性材料のような固体材料をステータ１０２０のために使用することができるが、これらに限定されない。渦電流損失を低減するこのデバイスの格別に薄い磁束経路の断面の故に、特定のより低速用途において許容できる性能を伴う固体鋼又は鉄をステータ１０２０のために使用することができる。図２の断面図は、簡略化された軸受１０１６と、ステータ１０２０上にコイルがないこととを示している。
【０２８０】
図３は、ステータ１０２０及びロータ１０２２の詳細な側面図を示している（例示の明瞭性のためにコイルはこの図に示されていない）。図４は、ロータ１０２２上に永久磁石１０２４を備えるが、ステータ２０１０上にコイルを備えていない、ステータ１０２０及びロータ１０２２の全体の概略図を示している。
【０２８１】
例えば、０．１６〜０．５以上の範囲内のスロット密度を用い、スロットが歯と同じくらい広いことが格別でないことを考慮すると、歯の幅は、幅２００ｍｍの機械について２ｍｍのオーダにあり得る。より広い又はより狭い歯を使用することができる。より薄い歯の利点は、歯が通常のモータ積層体(motor  laminations)の厚さにより近いことの故に、固体材料が最小の渦電流で使用される場合があることである。一般的なモータ積層体は、０．３８１ｍｍ（０．０１５インチ）〜０．６３５ｍｍ（０．０２５インチ）の範囲内にあり得る。このプロトタイプは、熱間圧延された鋼コアで成功裡に機能した。これは低コスト製造の利点を有する。中実コアを使用することの他の利点は、鉄のような材料におけるより高い磁束密度の可能性を含む。永久磁石１０２４が軟磁性材料ロータ１０２２に付着させられてよい。ロータ１０２２内の図３に示すスペーサ１０２５は必ずしも必要でないが、磁石１０２４が正しい間隔で組み立てられることを保証するために使用されてよい。
【０２８２】
図１乃至図５は、４相構成について本明細書で開示する原理に従った４：３のポスト１０２８対ＰＭ１０２４比の非限定的な例を示している。一般的に、ｎ位相の場合、ｎ：ｎ−１のポスト対ポールの比があってよく、ポールの数は、永久磁石の数であってよい。（３相で）３：２の比、場合によっては、（２相で）２：１の比又は（５相で）５：４の比又は（６相で）６：５の比又は（７相で）７：６の比などが用いられてよい。４：３は、高いトルクを生成する比であるよう示されており、ここでは非限定的な例として使用されている。或いは、ｎ：ｎ＋１のポールに対するポストの比を備える、ｎ位相があってよい。多くの他のポスト対ＰＭ比及び組み合わせが可能であり、このデバイスの原理に従って使用されることができる。
【０２８３】
図１乃至図５の実施形態は、１７２のポストを有するが、提案するスロット密度を備える電気機械は、より大きい又はより小さい数のポストを有してよい。幾つかのロボット用途のために十分なトルク密度を得るために、最小数のポストは１００ポストであってよい。図５は、ポスト上の概略的なＣＡＤモデルコイル１０３２を備えるステータ１０２０及びロータ１０２２の簡略化された概略的な断面図を示している。
【０２８４】
開示されるような電気機械の４位相構成の場合、ポストの数は、３つの永久磁石に対して４つのポストの比で、８で割り切れてよい。永久磁石は、交番径方向極性で配置されてよい。
【０２８５】
多数のポストは、１ポスト当たりのより少ない巻線を可能にする。非限定的な例示的な実施形態において、各ポスト上の巻線は、（ポストから外向きに円周方向に測定された）１つの層の厚さだけである。これは、導体が熱をステータポストに伝導的に放散するために、導体からの熱が伝わらなければならないエアギャップ及び／又はポッティング化合物(埋込用樹脂)(potting  compound)間隙及び／又はワイヤ絶縁層の数を減少させる。これは（瞬間的な高電流事象の場合の）熱容量について並びに連続運転冷却について利点がある。導体と直接的に接触する気体又は液体冷却剤を用いてコイルを直接的な冷却するときには、高いスロット密度と組み合わされた、低小数の円周方向の層、及び、例えば、ポスト上のワイヤの単一の円周方向の層が、冷却流体に晒される（導体の容積に対する）導体の極めて高い表面積をもたらす。これは導体を冷却するのに有益であり、電気機械の実施形態の低い導体容積を利用する多くの例示的な方法の１つである。ポスト毎に一列の（又は少数の列）のコイルも、製造の複雑さを減少させ、より低コストの生産を可能にする。他の実施形態において、各ポストの巻線は、２層の厚さである。
【０２８６】
［例示的なリニア電気機械］
図６に示すような実施形態では、電気機械は、主要コンポーネントが、例えば、非限定的にスタンピング(押抜き)(stamping)又はファインブランキング(fine  blanking)のような高速で低コストの製造プロセスを用いて、非限定的に銅のような導体材料及び非限定的に硬質陽極処理アルミニウムのような絶縁材料のシート素材(sheet  stock)から製造されるのを可能にする、層状構造(stratified  construction)を用いて構築されてよい。ポストの周りに導線(conductor  wires)を巻く代わりに、導体回路(conductor  circuits)をスタンピングし（押し抜き加工し）、次に、層状に組み立ててよい。 絶縁体層が各導体層と交互に使用されるならば、導体層は、幾つかの構成では、絶縁被覆なしで組み立てられてよい。代替的に、追加的な絶縁効果を得るために、或いは、別個の絶縁層の必要を排除するために、組立前に導体回路層を絶縁体で被覆することができる。
【０２８７】
絶縁層を多くの異なる種類の材料で作ることができる。アルミニウムは、スタンピングし或いはファインブランキングし、次に、硬質陽極処置し得る、材料である。硬質陽極処理アルミニウムは、高い電圧絶縁と導体からの優れた熱伝導をもたらす。それは優れた構造的完全性ももたらす。導体層及び絶縁層は、非限定的に、エポキシ、ポッティング化合物、熱活性化接着剤、及び熱可塑性接着剤を含む、多数の可能な接着剤と共に、固定されることができる。
【０２８８】
非導電性（又は絶縁導電性）材料を導電層と同じ層(strata)に使用して構造的完全性及びヒートシンク／放熱品質を提供することができる。開放スロットが導管を形成するよう、導体層間のスロット内のこれらの非充填層を使用して冷却気体又は液体用の流路を提供することができる。冷却流体は空気又は液体軸受媒体として使用されてもよい。非限定的に、陽極処理アルミニウム、ＴｏｒｌｏｎＴＭ（無水トリメリット酸と芳香族ジアミンとの反応生成物）、フェノール、又は非限定的に金属マトリックス複合材料のような複合材料を含む、多くの異なる材料が、スペーサ層のために使用されてよい。
【０２８９】
各導体は層(layer)であってよい。層は１つ又はそれよりも多くの区画(sections)で構成されてよい。区画は、例えば、リニアモータの全長又は回転モータの全周であることができ、或いは、区画は、リニアモータの２以上（２つ又はそれよりも多く）の長手方向の区画又は回転モータの２つ又はそれよりも多くの角度区画であることができる。各区画内の各層は、１つの位相のみの導体回路であってよい。ワイヤ巻線を備える一般的な電気機械において、導線(conductor  wire)は螺旋状に巻かれ、その位相内の他のワイヤ(wire)及び／又は他の位相からのワイヤ(wire)と重なり合う（オーバーラップする）。この種類の三次元ワイヤ巻線構成を位相毎の単層で製造することができない。何故ならば、単一の層状アセンブリは、典型的なポスト巻線を必要とする織り合わせられた或いは螺旋状に重なり合った構造を許容しないからである。
【０２９０】
配線を使用して多位相モータを作成することができ、各々の隣接するスロットは、隣接するスロットとは異なる位相又は異なる位相の組み合わせからの導体を含む。これは、コストの削減のための単純化された製造、及び以下に記載するような極めて効果的な冷却を提供する能力を含む、多数の利点を有する。
【０２９１】
開示の導体製造方法は、高いスロット密度を備えるデバイスを構築するのに特に有効である。何故ならば、それらは高精度のワイヤ巻線に取って代わることがあるからである。
【０２９２】
ある実施形態における位相巻線毎の単一の層は、層が２つの隣接するスロット内に存在し、その位相からの層に導体のない１以上のスロットが続くよう、２つの隣接するスロット内に導体を提供し、次に、（例えば、位相の数に依存して）１以上のスロットをスキップしてよい。よって、キャリアの電磁要素がポストを含み、ポスト間にスロットを備える、電気機械において、１以上のスロットは、隣接するスロット内の電気導体の場所に対応する１以上のスロット内のレベルで電気導体がない。
【０２９３】
［開口を備える導体層］
幾つかの実施形態において、開示の電気機械は、流体流のための高い断面積を提供するのみならず、あらゆる導体がその長さの半分近くに亘って冷却流体と確実に接触することを保証する一貫して分配された空気流チャネル(channel)パターンも提供する。換言すれば、ある実施形態では、導体層の２つよりも多くの層が一度に接触することは決してない。そのシーケンスは、スロット内で垂直方向に、例えば、導体−導体−空間−導体−導体−空間−導体−導体−空間であってもよい。これは、全ての導体の一方の側が、欠落した導体によって創り出される冷却チャネル内の流体と常に接触することを意味する。この均一に分配された冷却チャネルアレイは、導体容積の減少に起因するより高い熱生成を補償するのに十分な熱放散を達成するのを助ける。
【０２９４】
効果的な冷却チャネル間隔パターンの幾つかの実施形態は、各ポストの端での接線方向の空気流を可能にするよう、ポストの各々のポストの端にあるギャップと組み合わされた位相のオフセットと組み合わされた導体の座巻き(end  turns)の重なり合いを含む。これらの詳細では、エアギャップは一貫しており、より少ない（より大きい）チャネルが回避され、導体の表面積は増大させられ、ポスト端の接線方向の導管がない故に停滞エアギャップがない。
【０２９５】
ある実施形態では、１つの位相からの１つの導体を備える１つの列内に２つのスロットがあり、その層にある任意の位相からの導体を備えないｐマイナス２スロットが続く（ｐは位相の数である）。３つの位相について、それは１つの位相からの１つの導体を備える２つのスロットであり、その位相又は任意の他の位相からの導体を備えない１つスロットが続く。４つの位相を用いるならば、それは１つの位相からの導体を備える１つの列内の２つのスロットであり、その層又はその層にある任意の他の位相等からの導体を備えない２つのスロットが続く。その位相又は任意の他の位相からの導体がないことは、ポッティング化合物及び／又は熱抽出インサートのような充填材料で充填し得る空気空間又は空間があることを意味する。
【０２９６】
非限定的な例として、３位相構成を用いるならば、２つの隣接するスロットは、第１及び第２のスロット内の第１の位相からの導体を備える単一の層を有し、その層の上に導体を有さない第３のスロットが続く。このパターンは、単一の層の巻線を提供するよう繰り返して、３つのポストのうちのあらゆる最初のポストについて円周方向両側に導体を提供する。他の層では、第２の位相回路が単一の層の上に存在し、第２及び第３のスロット内のこの第２の位相からの導体を有し、その層の上の任意の位相からの導体を有さないスロットが続く。第３の位相は、あらゆる第３及び第１のスロット内に導体を備える他の別個の層の上にあるが、あらゆる第２のスロット内の任意の層からの導体はない。
【０２９７】
層状構造は、マイクロ／ＭＥＭＳモータから直径１０メートル以上のモータまで、スケーラブルな構造を可能にする。層状構造は、コンポーネントが付加的な製造プロセスで堆積させることを可能にし、或いは単一の又は多数の部品から予め製造される各導体及び／又は絶縁体コンポーネント及び／又はスペーサ層で組み立てられることを可能にする。
【０２９８】
この巻線構成は、（非限定的の場合、次の層に接続するために２つのポスト上にのみ螺旋状に巻かれる）各層上の曲げ可能なワイヤ導体を用いて行われてよい。あるいは、この導体構成は、構築及び組立中に導体の曲がりが僅かに必要とされるか或いは全く必要とされないよう、予め製造された導体層から組み立てられることができる。
【０２９９】
スロットをスキップすることは、スロット充填率の減少の知覚された損害を有する。しかしながら、周期的スロットにおけるこの欠落した導体を、導体及び／又は絶縁層及び／又はＥＭポストの表面領域の高い割合の直接的な冷却を可能にする冷却チャネルとして使用することができる。冷却チャネル又は導管は、冷却剤の流れを備えてよい。デバイスの重量を減少させるために、周期的なスロットにおける欠落した導体を、空気チャネルとして使用することができる。
【０３００】
組立前に導体を形成し且つ導体の曲げを必要としない能力は、典型的には銅線よりも可鍛性が少ない超伝導体の使用にも適する。冷却剤接触のために利用可能である高い表面積は、直流電流及び超伝導体を使用するならば、導電体を超伝導のための所要温度より下に維持する超伝導体の使用にも適する。低温冷却剤の使用は、電気抵抗を減少させることによって、銅及びアルミニウムのような従来的な導体をより効率的にすることもできる。層状導体の実施形態は、特定の用途における効率の増大のために銅又は他の導体材料を人為的に低い温度に維持するにも適する。
【０３０１】
［リニア電気機械のためのステータ］
リニア電気機械のステータ１０５８の非限定的な簡略化された例示的な実施形態が図６に示されている。図６に示す設計は、上方絶縁層１０３４と、下方絶縁層１０３４と、導体層１０４０，１０４２，０１４４のスタックとを含んでよい。様々な数の導体層が使用されてよい。ポスト１０３６は、絶縁層１０３４の開口１０３５を通じて延びてよい。接続部１０４６が、電気的な励起源に設けられてよい。 各層１０４０，１０４２，１０４４について、別個の層が提供されてよい。
【０３０２】
ステータ１０５８の簡単な構成は、容易に製造される部品の数が少ないことから明らかである。絶縁層１０３４は、非導電性材料又は絶縁導電性材料から作られてよく、例えば、硬質陽極酸化アルミニウムで作られてよい。絶縁層は、パンチングされ(打ち抜き加工され)(punched)或いはファインブランキングされ(fine  blanked)、次に、化学的にエッチングされて、鋭いエッジが除去される（硬質陽極酸化されるときにエッジで高い絶縁値を達成するために重要である）。層１０３４は、この非限定的な例示的な実施形態では、厚さが０．５ｍｍであるが、図６の電気機械は、ある範囲の寸法を有することができる。絶縁層１０３４は、ＥＭポスト１０３６のための長方形の切欠き１０３５を有する（しかしながら、ポスト１０３６及びポスト切欠き１０３５のための他の形状が様々な効果を伴って使用されることができ、組立中にポスト１０３６を精密に位置付けるのに役立つ）。絶縁層１０３４が導電性であるならば（それらが絶縁被覆を有するとしても）、幾つかの用途では、いずれの層１０３４内の単一のポストの周りにも電気的接続がないことが重要である。この理由のために、各スロットの間に切欠き１０３８を設けて、潜在的な渦電流回路を遮断する。このスロットは、組立前、組立中、又は組立後に、例えば、レーザを使用して、プロセス中に異なる地点でパンチングされ、ブランキングされ、或いは切断されることができる。導電体の最小の厚さは、導体層の最大厚さの＞７５％であってよい。導電体の最小の厚さは、導体層の最大の厚さの＞５０％であってよい。これはクロスオーバー地点での導体のパンチング及び最小限の薄肉化を可能にする。＞５０％は、依然として必要であるギャップを提供する。製造方法は、一定の厚さの材料から導体層をパンチング又はスタンピングすること、及び導体層をスロット内に配置することを含んでよい。結果として得られる導体層は、可変の厚さを有することがある。
【０３０３】
ＥＭポスト１０３６は、鋼又は粉末鉄又は他の種類の軟磁性材料のような、軟磁性材料で作られてよいが、それらに限定されない。導体１０４０，１０４２，１０４４は、銅（又は場合によっては幾つかの用途についてアルミニウム又は超伝導体）で作られてよく、形成され、パンチングされ、或いはファインブランキングされ、次に、ワイヤ導体に一般的な被膜のような、絶縁層（図示せず）で被覆されることができるが、それに限定されない。表面接続ビア１０４６が層の残りと組み立てられ、或いは、必要であるならば、後に穿孔されて追加される。
【０３０４】
ステータ１０５８は、手又は機械によって組み立てられ、次に、２つの平坦な表面の間で締め付けられ、ポッティング化合物が埋め込まれて(ポッティングされて)(potted)よい。埋込プロセス(ポッティングプロセス)(potting  process)の間、上下の型板は、再び軸方向に互いに近づけられて接触し或いは近接近する前に、全ての面の湿潤を可能にするのに十分な程度まで後退させられることができる。ポスト１０３６の長さは、上下の埋込型部品(potting  mold  parts)(図示せず)を位置決めるために使用されてよい。
【０３０５】
内部冷却が望ましいならば、ポッティング化合物は、例えば、重力がポッティング化合物を大きな間隙から取り除くのを可能にすることによって或いはデバイスを通じて空気を押し込んでポッティング化合物を空洞から押し出すことによって、開放スロット区画から除去される。
【０３０６】
図７は、（導体上にポッティング化合物又は絶縁層が示されていない状態の）図６のステータ１０５８の等角図を示している。この非限定的な例示的な実施形態は、（この例では、完全なリニアアクチュエータステータ１０５８である）区画当たりの１つの位相当たり１つの導体を有する。ステータ区画内で同位相の多数の導体層を使用することができる。
【０３０７】
図８は、上方絶縁体層１０３４が除去された状態の図６及び図７の非限定的な例示的な実施形態におけるステータ１０５８の頂面図を示しており、位相回路１０４０、１０４２、及び１０４４の各々が、どのようにして、３つの連続したポスト１０３６の各第１、第２、又は第３のポストをほぼ取り囲む、（そして、この場合には同一の幾何学的形状を有する）、単一のコンポーネントであるかを明らかにしている。位相回路１０４０、１０４２、及び１０４４は、それぞれ、位相１、位相２、及び位相３に対応する。
【０３０８】
図９は、位相回路１０４２及び１０４４を除去して示しているので、各第３のポスト１０３６のいずれかの側にあるスロット１０３７を充填することによって３つの連続したポスト１０３６のうちの第３のスロットをほぼ取り囲み、各第１のスロット１０３７をスキップすること囲むよう、位相１０４０の回路形状をはっきりと見ることができる。他の２つの位相回路は、異なるスロット１０３７をスキップし、異なるポスト１０３６をほぼ取り囲んでいる。
【０３０９】
図１０は、図６乃至図９の非限定的な例示的なステータ１０５８の断面図である。それは、各導体層１０４０，１０４２，１０４４において、導体が、各３つの連続するスロット１０３７のうちの１つから、どのように欠落しているかを示している。図１１は、図１０に示す断面の詳細図である。
【０３１０】
層は互いに結合させ、互いに融合させ、或いは互いに鑞接させることができる。非限定的に、陽極酸化アルミニウム又は他のセパレータ層の間のスペーサ層及び銅層のような、幾つかの内部層が錫メッキされるならば、並びに、全てのコンポーネント又はそれらの被膜が所与のはんだ化合物によって結合可能であるならば、部品を組み立て、次に、炉内で加圧下で加熱して、全てを互いに融合させることができる。はんだを用いた予備錫めっきが使用されるならば、導体の層間の導電性がないよう、分離層が被覆されないことが重要である。代替的に、熱可塑性樹脂を使用して部品を被覆し、次に、それらを組み立て、炉内で十分な圧力下で加熱して、正しい軸方向寸法及び他の寸法を保証することができる。組立中又は組立後にエポキシ又は他の硬化性接着剤を使用してコンポーネントを接着し且つ埋め込むことができる。空気流チャネルが設計に含められるならば、エポキシが硬化する前に接着剤を大きなチャンバから吹き飛ばした後にポッティングを行うことができる。接着剤又ははんだの薄い一貫した被覆(coat)をもたらすプレプレグ又ははんだ錫めっきプロセスの利点は、空気流チャネルをパージしなくてよい場合があることである。ぴったり適合する表面のみが互いに接着する。任意の数のポスト又は永久磁石を使用してよい。
【０３１１】
図１２乃至図２１は、頂層の除去及び下に位置する層の露出を順次式に示す、永久磁石（ＰＭ）キャリア１０５６及びエンコーダを備える非限定的なリニアモータの実施形態を示している。当業者に周知のエンコーダについての多くの選択肢がある。この例では、ストの端にある小型コイルが渦電流センサとして使用されているが、所要の精度を確保する注意が払われなければならない。それは磁石間の材料及び／又はＰＭ磁石コーティング内で渦電流を生成する高周波信号で通電される。渦電流の変化を使用して位置の変化を読み取る。図１２は、電気機械の非限定的な例示的なリニアアクチュエータの実施形態の等角図を示している。図１３は、内部線を示す図１２のアクチュエータである。図１４は、上方永久磁石キャリアバック鉄心１０４８が除去された状態を示している。
【０３１２】
図１５は、上方永久磁石キャリアプレート１０５２及び大部分の上方ＰＭ１０５０が除去された状態を示しており、渦電流がポスト１０３６の周りを回るのを防止する、ＰＭ間の絶縁層にある空冷放出穴及びＰＭ間のスペーサにあるスロットを見えるようにしている。同様に見えるようにされているのは、ＰＣＢ上に製造することができ、組立中に残余のコンポーネントに加えることができる、空芯誘導センサ１０５４である。誘導センサ１０５４を使用して、ＰＭ１０５０間のアルミニウム及び／又はＰＭ１０５０上の導電性コーティングのようなＰＭキャリア１０５６上のあらゆる導電性のものの位置を検知することができる。このセンサを使用して、ステータ１０５８及び／又はＰＭキャリア１０５６の相対的な直線位置及び／又は軸方向位置を決定することができる。図１６は、全てのＰＭ１０５０が除去され、上方絶縁プレート１０３４が除去された状態を示している。図１７は、電気コネクタ１０６２が除去され、上方スペーサ層１０６０が除去された状態を示している。図１８は、上方位相回路導体１０４４が除去され、第２の絶縁体層１０３４が除去された状態を示しており、内部冷却チャネルのための空気入口を見えるようにしている。図１９は、第２のスペーサ層１０６０が除去され、大部分のポスト１０３６が除去された状態を示している。図２０は、上方空芯センサ１０５４が除去され、第２の位相回路１０４２が除去され、構造円筒形スペーサ１０６４及び残余のポスト１０３６6が除去された状態を示している。図２１は、第３の位相相回路１０４０及び下方スペーサ層１０６０が除去された状態を示しており、下方空心ＰＣＢインサート１０６６及び下方絶縁体層１０３４を見えるようにしている。
【０３１３】
図１２乃至図２１の例示的な実施形態は、多数の層のステータ１０５８及び／又はＰＭキャリア１０５６で構成することができ、１以上のステータ１０５８の軸方向両端にあるＰＭキャリア１０５６又は１以上のＰＭキャリア１０５６の軸方向単にある２以上のステータ１０５８を備える。軸方向端にあるステータ１０５８及び／又はＰＭキャリア１０５６のみがバック鉄心を必要とする。
【０３１４】
［例示的な軸方向磁束モータのための導体層］
図２２は、電気機械の実施形態に従った軸方向磁束回転ステータ１０７０の非限定的な例示的な実施形態のための導体回路１０４４（この図では１つの層のみを示している）及びポスト１０３６及びポッティング化合物リング１０６８を示している。図２３は、図２２のステータ１０７０の詳細図を示しており、他のステータディスク及び／又は作動させられる或いは作動させる固定部材又は移動部材に取り付けるステータ用の取付け穴を備える。
【０３１５】
図２４は、３位相を備え、１位相当たり１つの導体回路を備える、軸方向磁束回転ステータ１０７０から除去されたポッティング化合物リング１０６８を示している。この実施形態において、導体部材１０４０，１０４２，１０４４は、それぞれ、３位相のそれぞれについてＩＮ及びＯＵＴ接続部１０４６を備える完全な３６０°に亘る単一回路である。導体１０４０，１０４２，１０４４は、例えば、導体１０４０、１０４２、及び１０４４、又はロータ（図示せず）の間の別個の絶縁層の必要性を排除することがある硬質陽極酸化アルミニウムで作られてよい。
【０３１６】
図２５は、組立中にアルミニウム回路１０４０，１０４２，１０４４（及び／又はアセンブリ固定具）によって位置決めされた軟磁性材料ポスト１０３６を備える３位相回路１０４０，１０４２，１０４４の等角図である。特定の回路について、アルミニウム回路１０４０，１０４２，１０４４及びポスト１０３６クロスマトリックス構造(cross  matrix  construction)がエンドプレートディスクのような他の構造コンポーネントの必要を低減させ或いは排除するのに十分な程に強いことがある、十分なオーバーラップアルミニウム(overlapping  aluminum)がある。この構成を用いるならば、図１５のステータと同じ空間に収まり得る余分なアルミニウム容積は、アルミニウムがより厚い層の間で絶縁されなければならない銅と類似の抵抗をもたらすことを可能にする。このようにしてより少ない絶縁層と共に銅を使用し或いは絶縁層を伴わずに銅を使用することもできるが、銅絶縁はアルミニウム陽極酸化のように強靱でない傾向がある。
【０３１７】
図２６は、図２５の分解図であり、回路１０４０，１０４２，１０４４形状の単純さを示しており、それらの全ては対称的であり、他の層が他の回路と同じポスト１０３６を殆ど取り囲まない限り、１以上のポスト１０３６によって互いに対して単純に回転させられてよい。
【０３１８】
図２７は、ポスト１０３６を備える第２の導体層１０４２だけの拡大図を示している。図２８は、ＩＤに沿うオーバーラップ区画を示す上記導体層１０４２だけの詳細図を示しており、それは構造的完全性のために導体層間の結合面積を増大させる。図２９は、単一のステータ回路１０４４の頂面図である。
【０３１９】
この層状導体構造の実施形態によって可能にさせられるように、端部巻き（端部ターン）の断面積は、例えば、スロット内の導体の平均又は最大断面積より大きくてよい。これは、端部巻きにおける抵抗を低減させ、端部巻きが導体のスロット部分よりも低温で動作することを可能にし、従って、ヒートシンクとして作用して導体の熱容量を増大させ、緊急停止の間のような或いはそれどころか高加速中の通常運転の間のような短い時間期間に亘って極めて高い電流密度で動作する能力を増大させることを可能にする。更に、導体のスロット部分（スロット巻き）と比べてより大きい端部巻きの表面積は、それらが同じコンポーネントであり且つ銅又はアルミニウムのような高導電性材料で作られることの結果として、スロット巻きから端部巻きへの低い熱流抵抗の故に極めて効果的である冷却フィン効果を提供する。これらの端部巻き「冷却フィン」を冷却することは、任意の数の液体又は気体冷却手段を用いて行われることができる。
【０３２０】
［例示的な軸方向磁束電気機械］
ある実施形態は、個々に制御されるステータセクタを含んでよく、トルクを生成することとは別に、ステータセクタのためのコントローラの第２の目的は、前記セクタとのロータの整列を維持することであり、可能であれば、転がり軸受及び／又はすべり接触軸受の必要を完全に排除することである。各区画は、個々の多相ＢＬＤＣモータドライバを含んでよい。図３０に示す多区画アクチュエータ１０８２(multi-sectional  actuator)のような中空のディスク形状を備える実施形態を考慮すると、ある程度、あらゆる弧状セクタ１０７４が、多少なりとも（図３１に例示する）リニアアクチュエータのように作用しなければないと主張することができ、あらゆるリニアアクチュエータが（この場合には円周方向における）その線形の運動又は位置を維持している限り、所与の瞬間におけるロータの各々の対応する区画は、ステータ及びロータが同軸に保持されるように、周方向に位置決めされる。あらゆるステータセクタ１０７６が、ロータの対応するセクタ７８を接線方向に前後に移動させることができる主に接線方向の力のみに関与することは、図面から明らかである。ステータ及びロータが軸受と機械的に結合されていないとしても、個々のセクタ１０７４を適切に整流することによって軸方向の整列を維持する可能性は、現実的である。提案する着想は、ある意味では、トルク生成デバイスと自己整列される動的磁気軸受との組み合わせであると言うことができる。
【０３２１】
電気機械の実施形態は、図３２に示すように、アクチュエータ１０８２の回転部分に水平に取り付けられた、端部の重量を備える、ロボットアームのような、長いレバーと共に使用されてよい。アクチュエータが垂直に、即ち、水平軸を用いて取り付けられると、ロータアセンブリは、下向きの力１０８０を受け、水平軸上で正反対に位置する個々のセクタ１０８４及び１０８６は、僅かに垂直に下向きの変位を被る。ステータセクタの各々にあるエンコーダがこの変位を記録し、モータドライバ及びコントローラは、それらのセクタの正しいステータとロータとの間の接線方向の整列を維持するために、それらのセクタに電力入力をシフトさせる。これはアーム上の垂直な下向きの力に対抗する垂直な持上げ力１０８８を生み出す、従って、ロータは、個々のセクタの能動的な制御によって、所定の公差内で同軸に維持される。これは図３２で実証されている。全ての他の区画は、それらが通常行うように、トルクを生み出している。コントローラにとって、それは単に２つの可能な方向のうちの１つにおける力（トルク）の増加であり、それは２つのうちの１つだけであるので、それは如何なる既存のモータドライブに対する駆動アルゴリズムへの複雑な追加ではない。
【０３２２】
［例示的なステータについて巻線構造］
図３３乃至図３７は、その頂面を図３３に示すステータを構成する６つの層１０４０，１０４１，１０４２，１０４３，１０４４，１０４５を備える、３位相の非限定的な例示的なステータ巻線構造の概略図を示している。ステータは、１０１０のセクタに分割され、それらの各々は、ステータ巻線構造区画１０９０を含む。各セクタは、例えば、各セクタに対するＰＭキャリア１０５６上のＰＭ１０５０の周方向位置を読み取る、各セクタでのエンコーダフィードバックに基づき別個のモータコントローラ（図示せず）によって制御される。各セクタを別々に制御することは、ロータ及びステータを磁力によって能動的に同心に保持することができるよう、径方向の力がＣＰＵによって制御されるのを可能にする。その効果は、径方向における能動的な磁気軸受の効果である。巻線の詳細が、図３４に示されている。図３５は、図３３のステータ巻線の単一の区画１０９０の等角図を示している。図３６は、両方とも同相にあり、層貫通ビアと接続される、一番上の２つの層１０４４及び１０４５だけを示している。２つの導体層のうちの下方層１０４４だけが図３７に示されている。
【０３２３】
［例示的な軸方向磁束電気機械］
多くの実施形態が可能である。１つの例示的な実施形態が、５つのロータディスク１０９４の外部ロータスタックが完全回転で回転することを可能にする４つのステータディスク１０９２の内部ステータスタックとして、図３８に示されている。他の例示的な実施形態が図３９に示されており、４つのステータディスクの周りに共に積み重ねられた５つのディスクを備える外部ロータを備える。ステータディスク１０９２は、ＩＤリング部材１０９６と共に固定され、ステータディスク１０９２及びロータディスク１０９４上の固定タブ１０９８及び出力タブ１１００は、それぞれ、極めて薄い軸方向寸法を備える直線作動（インライン作動）を可能にする。追加的なトルクのために、より多くのステータ及びロータディスクを追加することができる。
【０３２４】
１以上の導体層を備えるこのデバイスの原理に従って、ポストの単一又は二重又は他の位相アレイ（配列）を構成することができる。電気機械の実施形態のこの構成は、非限定的に、ロボットのフィンガージョイントを制御するリニアモータのような、線形又は回転式又は他のモータ構成の単純化された制御を可能にすることができる。
【０３２５】
［例示的な電気機械を備えるロボットジョイント］
図４０は、第１のキャリア１１０４と類似のアクチュエータ１１１６と形成されたアクチュエータ又は電気機械１１０２の実施形態を使用する２つのジョイントロボットフィンガ１１２２の非限定的な例示的な実施形態の概略的な断面を示している。このアクチュエータ１１０２は、非限定的に、多数の極を有するが１つの位相のみを有する単相リニアアクチュエータであることができ、従って、整流されず、（ケーブル又はストラップ又はリンケージ等を介して作用する）アクチュエータの適切に低い機械的利点が、それを取り付けられるジョイントの十分なトルク及び回転を生成することができる、十分な力を生成する。図４０において、アクチュエータ１１０２は、指骨部１１０６(phalanx)に固定されたステータ１１０４と、ケーブル又はストラップ１１１０に固定されたＰＭＡキャリア１１０８とを有する。ケーブル１１１０は、他端で、プーリ又は他の部材１１１２に固定される。プーリ１１１２は、ハンド部材１１１４に固定されている。ステータ１１０４が通電されると、一方の極性において、それは、アクチュエータが拡張されるときに、フィンガをハンド部材１１１４に対して真っ直ぐ引っ張るハンド部材手と指骨部との間に作用するＣＷばね（図示せず）の結果として、指骨部１１０２が時計回り方向に回転することを可能にする。反対の極性がステータ１１０４に適用されるとき、ケーブル１１１０は、ステータ１１０４に向かって引き寄せられ、よって、指骨部１１０２は、ＣＣＷ方向に回転する。
【０３２６】
第２のステータ１１１６は、第２の指骨部１１１８に固定され、指骨部１１０２に固定されたプーリ１１１２に固定されたケーブル１１２０を作動させる。ステータ１１０４及び１１１６を同じ及び／又は異なるモータコントローラによって駆動させることができる。
【０３２７】
ステータ１１０４をハンド部材１１１４内に配置することもでき、或いは、追加的なアクチュエータ１１０４をハンド部材内に配置することができ、追加的なアクチュエータ１１０４は指骨部１１０２に作用して回転を引き起こすことができる。指骨部１１０２に固定されたアクチュエータが、ステータ１１１６の代わりに又はそれに加えて、指骨部１１１８のトルク及び回転を生成することもできる。
【０３２８】
上述のような各ジョイントの作動を使用する３つのフィンガ１１２２を備えるロボットグリッパの非限定的な例の２つの図が、図４１に示されている。電気機械の実施形態のこれらの又は他の作動構成を使用するグリッパの多くの異なる構成が可能である。
【０３２９】
［電気機械のための例示的な磁石構成］
図４２は、絶縁層１１３４内に位置するポスト１１３６を備える導電体層１１４０乃至１１４３の層状構成の両側にある交番極性磁石１０５０の実施形態を例示している。この例示は、回転式又は線形であってよい軸方向磁束の実施形態を例示している。
【０３３０】
図４２の層状アクチュエータは、非限定的に、ＰＣＢ製造技法又は予め製造されたコンポーネントのアセンブリを使用することのような、本開示中の方法のいずれかによって製造されてよい。所与の線形力を生成するのに必要とされる電流を減少させるために、導電体の単層よりも多くの層が使用されてよい。各層１１４０乃至１１４３は、その層と次の層との間に別個の絶縁層を有してよく、或いは、導体層の間に別個の絶縁層は必要とされないように、組立プロセスの前又は間に各導体層を（従来的なワイヤ絶縁と同様に）個別に絶縁することができる。
【０３３１】
図４２に示すような、非限定的な例のための、単相デバイスを用いるならば、ＥＭポストは整流されない。正又は負の電流を単相に適用して１つの方向又は他の方向におけるＰＭキャリアの力及び／又は動きを創成する。従って、出力の大凡の総移動量は、ポストピッチである。このデバイスの利点は、可変の正及び／又は負の電流を供給してステータに対するＰＭキャリアの動き又は力を生成するために必要であるに過ぎないモータコントローラの複雑さの低減である。
【０３３２】
［例えばロボットフィンガジョイントのための例示的なリニア電気機械］
ロボット工学又は運動制御におけるフィンガジョイント又は他のデバイスのような多くの運動制御用途のために、少量の動きを機械的に増幅して、例えば、図４０及び図４１に例示するような人間の手におけるようなケーブル「腱」(“tendon”)を引っ張るケーブル及びプーリで、所要のタスクを達成することができる。成人の人差し指は、例えば、全ての３つの関節の全運動範囲に亘る約１８ｍｍの線形腱動作を必要とする。ロボットフィンガの各ジョイントが別個のリニアモータ及び腱によって制御されるならば、人間の指の関節運動を再現する各アクチュエータの全移動量は、〜６ｍｍである。ロボット腱の機械的な利点が人間の指の１／２まで減少させられるならば、それは人間の指関節の動作範囲を達成するために各ジョイントにある各個別のアクチュエータで３ｍｍのアクチュエータ総移動を必要とするにすぎない。
【０３３３】
図４２は、ＥＭポストのアレイの両方の軸方向端にＰＭの線形アレイを備える４層の単相アクチュエータの非限定的な例示的な実施形態の簡略的な断面図を示している。図４２中の矢印は、（図４２に示されていない可動ＰＭキャリアに固定される）ＰＭに対する力を示している。ＰＭに対する力は、図示のＥＭ極性では右側にあり、反対のＥＭ極性では左側にある。例えば、ＰＷＭ信号を伴う、可変電流を使用することによって、この力は電流に比例する。ポスト間隔が〜３ｍｍであるならば、概ね人間サイズのフィンガジョイントのフィンガ作動を達成することができる。
【０３３４】
この構成のコンパクトさは、各ジョイント用のアクチュエータが次の上流又は下流のアーム又はフィンガ指骨部に配置されることさえも可能にすることがある。これはフレキシブルなケーブルシースの必要を排除し、アクチュエータの移動平面と一致するジョイントに対するケーブル／腱の直接的な作用を可能にする。より強力なフィンガ又は他のコンポーネントの作動のために、フレキシブルなハウジングを備えるケーブルを使用して、１以上のジョイント用のアクチュエータを遠隔に、例えば、より多くの空間を利用可能なロボットの前腕部に位置付けることができる。
【０３３５】
このアクチュエータシステムの利点は、（制御された力の適用を達成するためにフィードバックシステムを有さなければならない多相及びリニア又は回転式モータの整流された磁石アレイと比べて）力をジョイントに容易に加えることができることである。アクチュエータによって生成される力は電流に比例する。よって、多くの用途について力フィードバックセンサは必要でないことがある。多くの用途について、エンコーダは必要とされないことがある。この構成は、限定的な移動量の線形動作が所要の力及び／又は動きをもたらす、多くの他のロボット要件又は運動制御要件に適することがある。
【０３３６】
同じ可変電流をフィンガ内の全てのアクチュエータに適用するならば、各アクチュエータは異なる関節を制御するので、全フィンガのために単一の電流制御のみの選択肢で、フィンガが各ジョイントで所与のペイロードに適合する、高度にコンプライアントなフィンガアセンブリを達成することができる。個々のアクチュエータの別個の電流制御は、個々のジョイント制御を可能にする。
【０３３７】
［例示的な電気機械の層状構造］
図４２の上記磁石構成は、図４３乃至図５２のアセンブリに示されており、層状構造を示すために、各後続の図で層が除去されている。
【０３３８】
絶縁層１１３４は、任意の非導電性材料、又はアルミニウムのような導電性材料上の絶縁コーティングで作られてよい。その高い熱伝導率の故に、陽極酸化されたアルミニウムが使用されてよい。フィンガアクチュエータのような低周波用途について、渦電流は問題でない。よって、導電性ステータ層は、ポストの周りに如何なる遮断(breaks)も必要としない。
【０３３９】
図４３は、ＰＭキャリアバック鉄心１１４８、上方ＰＭキャリア１１５２、下方ＰＭキャリア１１５７、及びステータ１１５８を備える、図４２の完全なアクチュエータ１１５６を示している。図４４は、ＰＭキャリアバック鉄心１１４８が除去されたアクチュエータ１１５６を示している。図４５は、ＰＭキャリア１１５２，１１５７及びＰＭが除去されたステータ１１５８を示している。図４６は、単相電流源（図示せず）に接続するためのコネクタ１１２４，１１２６を備える４層単相単一回路導体を示す、ステータ１１５８の上方絶縁体層１１３４が除去されたアクチュエータ１１５６を示している。
【０３４０】
図４７は、導体層１１４０乃至１１４３の導電体に接続するポストからなるＩＮ及びＯＵＴコネクタ１１２４及び１１２６並びに導体層１１２４及び１１２６の間のビアコネクタ１１４６の詳細図である。図４８は、ステータ１１５８の反対端にある層１１４０乃至１１４３と図４７に示すＩＮ及びＯＵＴコネクタ１１２４との間のビアコネクタ１１４６の詳細を示している。
【０３４１】
図４９は、上方導体層１１４３及び１２個のＥＭポスト１１３６が除去された状態を示している。図５０、図５１、及び図５２は、それぞれ、導電体１１４３が除去されたアクチュエータ１１５８、層１１４２が除去されたアクチュエータ１１５８、及び層１１４０のみを示すアクチュエータ１１５８を示している。
【０３４２】
図４２乃至図５２の非限定的な例示的な実施形態では隣接する導体層の間に別個の絶縁体層がある必要はない。これは、組立／構築前又は中に導体層が絶縁体で被覆されているならば可能である。導体層間の絶縁層の使用は、導体を絶縁する必要を排除する。
【０３４３】
上記は１以上のＰＭキャリアのいずれかの軸方向端にある２以上のステータで構成されることができる。ＰＭキャリアは、任意の種類のＰＭ磁石を有することができ、ハルバックアレイ(Halback  array)又は疑似ハルバックアレイ（磁束結合を提供するためにＰＭの間に鋼を備えるキャリア運動の方向に分極したＰＭを備える）で構成されてよい。ステータ及び「ロータ」の両方を通電して永久磁石の必要性を減少させ或いは排除することができる。任意の数、幾何学的形状又はサイズのポスト及びＰＭ又は他のコンポーネントを使用することができる。製造技法は、ピックアンドプレース機器(pick-and-place  equipment)で組み立てられるポスト及びコイルのために使用される導電性トレースを用いるＰＣＢ製造技法を含む。静電気力が電磁力を支配する下限を条件として、これらの技術を用いて、ＭＥＭＳ機械を非常に小さいサイズで構築することができる。より大きいモータ又はアクチュエータ又は発電機は、本開示の他の実施形態について記載するような予め製造された導体プロセスを使用することができる。
【０３４４】
［両方のキャリアにコイルを備える例示的な電気機械］
電気機械の一例が図５３、図５４、及び図５５に示されており、両方のキャリアにコイルを備える。本明細書に開示する他の電気機械と同様に、図５３の電気機械は、開示のスロット密度及びポスト高さ又は導体容積を有してよい。所与の例は径方向磁束についてであるが、軸方向磁束及びリニア電気機械について設計原理を使用することができる。内部キャリヤ１２２０又は外部キャリヤ１２２２のいずれかを固定してよい。ステータ１２２０は、非限定的に、銅線のようなワイヤで巻かれる。それは電流を個々のポスト又は位相に変えるために整流されることができ、或いは、ＤＣ電磁石ポストが全てのＰＭ１２２４からの磁束を同時に操縦する(steer)よう巻かれて通電されてよいよう、それは可変ＤＣ電流で通電されることができる。この磁束ステアリング(flux  steering)は、ＰＭ１２２４からの磁束を、ステータ１２２０を通じる短絡から方向変更し、ロータ１２２２へのエアギャップに亘るより低いリラクタンス経路を見出させる。ロータ１２２２は（ステータコイルが整流されるならば）受動的であり得るし、ロータ１２２２は（ステータがＤＣ電流で整流され或いは通電されるならば）ポスト１２２７の周りのコイル１２３２で整流されることができる。その結果は、ステータ１２２０及びロータ１２２２上のコイルが通電されないときにエアギャップに亘る磁束が減少する或いはそのような磁束がない、実施形態である。これは、コイルが通電されないときにロータが逆駆動される(backdriven)ときに、コギング及び（減衰力とも呼ばれる）逆起電力(back  EMF)を減少させ或いは排除する。逆駆動性(backdriveability)は、ロボット工学及びホイールモータを含む多くの用途にとって利点である。この実施形態は、依然として発電機として作用することができるが、ステータコイルの通電を必要とする。
【０３４５】
図５３、図５４、及び図５５では、ステータ１２２０上に１６８個のポストがあり、ロータ上に１４０個のポストがある（しかしながら、ステータポスト及びロータポストの多くの異なる組み合わせを使用することができる）。この非限定的な例の外径（ＯＤ）は約２１ｃｍ（８．４インチ）であり、軸方向長さは２．５４ｃｍ（１インチ）である。ステータは、軟磁性鋼で作られてよく、鉄材料又は積層材料の固体片から作られることができる。ロータ１２２２は、軟磁性鋼で作られてよく、積層材料から或いは鉄材料の固体片から作られることができる。ワイヤは、銅又はアルミニウムであってよいが、箔(foil)又は角線(square  wire)又は超伝導材料を含む任意の種類の導体で作られることができる。本発明者は、このサイズのアクチュエータ人間の大きさのロボットアームのショルダジョイント（肩ジョイント）又はエルボージョイント（肘ジョイント）に適すると考える。ハウジングは、ここでは示されていないが、ステータ１２２０及びロータ１２２２を同心状に整列させて維持する働きをする任意の幾何学的形状であることができる。図５３は、ポスト１２２７，１２２８毎のワイヤの単一層を含むコイル１２３２とステータ１２２０のＯＤ付近の各ポストと接触する永久磁石１２２４とを備える１６８個のポストを備えるステータを示す等角断面図である。それは１４０個のロータのアレイも示しており、コイル１２３２は、各々にある巻線の単一層と、ステータ１２２０のバック鉄心１２３０とを含んでよい。
【０３４６】
ステータコイル１２３２に電力が供給されないとき、ＰＭからの磁束は、ステータを通じて「短絡する」ことができるので、エアギャップを横断してジャンプする磁束は減少し或いはそのような磁束はない。これはコイルが通電されないときのコギングトルクを減少させ或いは排除する。内側コイルが例えばＤＣ電流で通電されると、ＰＭ１２２４からの磁束の一部は、（ステータポスト磁束と共に）エアギャップに向かって並びにエアギャップを横断してロータポストまで導かれる(steered)。ステータコイルにおける電流が大きければ大きいほど、エアギャップにおける磁束密度は高い。
【０３４７】
ステータポスト１２２８は、全て同時に通電される単一の回路に一緒に配線されることができる。ロータポストは、位相に配線されて通電され（この例では５つの位相であるが、他の数の位相も使用することができる）、次に、極性のパターンに沿って順次式に移動することによって整流されてよい。この例において、ロータポストの極性は、ＳＮＳＮＳＳＮＳＮＳＳＮＳＮＳＳＮＳＮＳ等である他の極性の構成、例えば、ＮＳの繰返しパターンが使用されてよい。隣接するＳ極の第１又は第２のセットをオフにすることもできる。整流のために正弦波又は他の電流プロファイルを各ポストに適用することもできる。この例において、ロータ及びステータは、２３ゲージのワイヤで巻かれ、２０アンペアで通電される。ステータ及びロータは、０．５：の幅である。アセンブリ全体の重さは、約２ポンドであり、２０アンペアでの約５０Ｎｍのトルクを有する。より高いトルクを達成するために、より高い電流が短い時間期間に亘って可能であると考えられる。より広いステータは、より高いトルクを生成する。
【０３４８】
図５４に示すようにハウジング１２１２，１２１４と共に提供されるとき、コイルからハウジングへの熱放散は、内側ハウジング１２１４と外側ハウジング１２１２との間で共有されてよい。
【０３４９】
［磁石のハルバックアレイを備える例示的な電気機械］
図５５は、内部ステータ上で永久磁石のハルバッハアレイを使用する電気機械の実施形態を示している。ハルバッハアレイは、電気モータにおける永久磁石としての使用について知られている。これは永久磁石を使用する効果的な方法であり、分析はそれが図５３及び図５４に記載する磁束ステアリングステータと同様のトルク対重量比を有することを示している。永久磁石は、鋼よりも低い磁束密度を有するので、ハルバックアレイの実施形態のために可能な最大トルクは、所与の直径（及び可能なステータ／ロータ質量）について、この開示で先に記載したような磁束ステアリングの実施形態よりもより低いことが予想される。ハルバックアレイを使用する利点は、多くの用途にとって有意である低プロファイルフォームファクタを含む。高いスロット密度に起因する導体についての短い熱流路は、トルク密度の向上を提供することが期待される。ハルバッハアレイ、ステータ又はロータに設けられてよく、いずれかは内側であってよい。他の実施形態では、三角形の磁石が交番径方向極性で使用されてよいが、各磁石間の軟磁性材料の三角形磁束経路コネクタはハルバック磁石と類似の形状及びサイズを有する。この構成の利点は、磁石の数が半分であることに起因するコストの低減、鋼製三角形部品を単一のバック鉄心コンポーネントに接続することに起因するより少ない公差積重ね(tolerance  stackup)、及び永久磁石が軟磁性材料のロータのバック鉄心に磁気的に引き付けられることに起因する永久磁石のより良い固定を含む。
【０３５０】
［内側軸受及び外側出力を備える例示的な軸方向磁束電気機械］
図５６は、例示的なアクチュエータ２１００の断面を示している。外側ハウジング２１０１が、外側ハウジング２１０４に締結されている。２つの部分のステータ又は均等に第１のステータ２１０６及び第２のステータ２１０８は、ネジ山付きファスナのような機械的手段によって及び／又は接着剤若しくは他の固定方法を用いて、ハウジング２１０２，２１０４の内向きに面する表面に固定される。ロータ２１１０は、それをハウジング２１０２及び２１０４に対して同心状に並びに固定的な軸方向位置に保持する軸受２１１２を用いて、回転について固定される。
【０３５１】
図５７は、図５６からの実施形態の詳細な断面図を示している。永久磁石（図示せず）がロータ２１１０に取り付けられている。断面平面は、ステータ２１０６上のポスト２１１４を通過するが、断面平面は、ステータ２１０８上のポストを通過しない。これは、何故ならば、この例示的な実施形態において、ステータ１０８がポストピッチの４分の１だけ回転させられて、ステータ２１０２及び２１０４上のポストと相互作用するロータ２１１０内の永久磁石のコギング力を減少させるからである。一方のステータを他方のステータに対して回転させることは、ロータ２１１０とステータ２１０６及び２１０８との間に生成される幾分正弦波状のコギングトルクを打ち消す働きをする。この効果は図５８に示されており、そこでは、電波によって生成されるトルク２３００の第１の基本波(first  fundamental  harmonic)及びコギングトルク２３０２の第一高調波(first  harmonic)が、番号０乃至６によって示されるロータ位置の関数として線１ｂ上にプロットされており、０及び６は、それぞれ、電気サイクル(electrical  cycle)の開始及び終了に対応している。ステータ２１０６のポスト１ｂ及びステータ２１０８のポスト２ｂは、ロータの永久磁石２１２４に対して吸引力２３０６を加える。この非限定的な例示的な実施形態では、磁石に対するポストの比が３：２であり、ステータポスト毎に２つのコギングステップ２３０８，２３１０(cogging  steps)をもたらす。従って、一方のステータを他方のステータに対してピッチの４分の１だけ回転的にオフセットさせることは、一方のステータの幾分正弦波のコギングトルク２３０２を他方のステータコギングトルク２３０４から１８０°だけ位相を外して整列させて有益なレベルのコギングトルク相殺(cogging  offset))を達成する。ロータ磁石２１２４に対するステータポスト２１４４の他の比は、他の数のコギングステップを有し、以下の計算に従って最大コギング相殺を達成するために異なるオフセット角度を必要とする。
【０３５２】
コギングステップの数は、ポストの数Ｐと磁石の数Ｍとの間のＬＣＭ−最小公倍数によって与えられるので、３：２の比についてのコギングステップの数は１ｃｍ（３，２）＝６である。
【０３５３】
例
【０３５４】
３：２比−１ｃｍ（３，２）＝６コギングステップ
【０３５５】
２４：１６比−１ｃｍ（２４，１６）＝４８
【０３５６】
１４４：９６比−１ｃｍ（１４４，９６）＝２８８
【０３５７】
１４４：１４２比−１ｃｍ（１４４，１４２）＝１０２２４
【０３５８】
１４４：１４６比−１ｃｍ（１４４，１４６）＝１０５１２
【０３５９】
オフセット角は、コギングステップの数に基づいて見出されるので、３６０電気角度(360  electric  degrees)の電磁サイクルの場合、６サイクルのコギングがあり、それはコギングサイクルが各３６０度／６＝６０電気角度で完了することを意味する。
【０３６０】
６０電気角度は、コギング機械波の３６０度に対応する。波を相殺するために、位相が１８０度だけシフトさせられた同じ周波数の波を必要とする。よって、１８０度の機械的位相シフトは１５度の電波に相当し、それは第２のステータがその電気的位相を１５度だけシフトさせなければならないことを意味する。２ｘＴＱの代わりに総トルクでないならば、２ｘＴＱｘｃｏｓ（１５度）＝２*ＴＱ*０．９６６＝１つのステータの１．９３２*ＴＱである。
【０３６１】
ステータがステータピッチの半分だけシフトするならば、コギングステップ波は３６０機械角度だけその位相をシフトさせ、それはそれらを相殺する代わりに２つの波を加える完全コギングステップを意味する。波を相殺するために、シフトは１８０度の機械的な波角度に対応するピッチの１／４だけ行われなければならない。
【０３６２】
図５８に示すように、１／４ピッチオフセットは、３：２の比から得られ、６つのコギングステップがあるならば、トルクがゼロである６つの中立位置がなければならない。
【０３６３】
位置０、２、４及び６は、幾何学的に半ピッチ及び全ピッチに対応する。
【０３６４】
位置０及び４は、ゼロ又は全ピッチに対応する。
【０３６５】
位置２及び６は、半ピッチに対応する。
【０３６６】
位置１、３及び５は、ピッチの１／４、３／４及び５／４に対応する。
【０３６７】
図５９は、図５６のデバイスの分解図を示している。この非限定的な例示的な実施形態２１００は、ロータ２１１０の軸方向両端にステータ２１０６，２１０８（図示せず）を有する。ステータは、背面から突出したフィン２１３９のアレイを備えるバック鉄心２１２６と、２１４４個のスロットに対応する２１４４個の径方向に整列させられた軸方向に延びるポスト２１１４とを有する。９６個の磁石２１２４があり、ステータ２１０６，２１０８は、モータコントローラからの三相正弦波電力によって電力供給される。開示する範囲内で、ある範囲のスロットを使用することができ、ある範囲の磁石数を使用することができる。様々な数の位相を用いることができ、多くの異なる配線構成を使用することができる。
【０３６８】
例示的な実施形態は、Ｎ５２の永久磁石を備える分数スロット巻線を使用する。多くの異なる永久磁石を使用することができ、多くの異なる磁性材料を使用することができる。
【０３６９】
［層状構造を備える例示的な軸方向磁束電気機械］
図５９及び図６０に示す実施形態において、接線方向に磁化された永久磁石２１２４のアレイは、ＮＳＳＮＮＳＳＮＮＳＳＮＮＳ．．．の順序において接線方向に磁化される。よって、ロータ２１１０上のあらゆる第１の径方向磁束経路部材２１２８は、両方の軸方向端でＮ極であり、あらゆる第２の磁束通路部材２１３０は、両方の軸方向端でＳ極である。ロータ２１１０は、正弦面２１１６を含み、正弦面２１１６を、非限定的に、渦電流センサ、光センサ、又は他のセンサのような、エンコーダと共に用いて、モータコントローラ用のロータ２１１０の径方向位置を提供することができる。多くの他の種類のエンコーダをこのデバイスの実施形態と共に使用することができる。ロータ２１１０の円筒形部分２１１８は、ロータ２１１０からロボットアームのような出力への取付け面を提供する働きをし、ロータ２１１０に剛性をもたらす働きをする。この円筒形部材２１１８は、ロータ２１１０と一体成形品であることができ、或いは、この円筒形部材２１１８は、非限定的に、熱膨張によってディスクに組み立てられる及び／又はロータ２１１０のディスク区画に他の方法で取り付けられる、アルミニウムリングのような別個のコンポーネントであることができる。分離ディスク２１２０(separator  discs)を使用して、導体２１２２をステータポスト２１１４の間のスロット内に封止し且つ収容してよい。分離ディスク２１２０が使用されるならば、それらは、渦電流を妨げるＴｏｒｌｏｎ（ＴＭ）（ポリアミドイミド）又は他の非金属材料のような、非導電性材料で作られてよい。導体２１２２は、ワイヤを含む任意の構造で作られてよいが、本明細書で示すような層状構造でよい。導体は、銅又はアルミニウムを含む任意の材料で作られてよい。
【０３７０】
図６０は、ハウジング２１０２及びステータ２１０６センブリが分解され、ロータ２１１０及び磁石２１２４が分解され、ハウジング２１０４及びステータ２１０８が組み立てられた状態の、図５６からのデバイスの断面図を示している。空気流入口２１３２が、アクチュエータ２１００の一方の側から反対側のステータへの冷却流体の流れを可能にするよう、分離ディスク２１２０及びロータ２１１０にある交差流開口２１３４，２１３６を備える、ハウジング２１０４上に示されている。
【０３７１】
図６１は、ハウジング２１０２の断面詳細図である。ハウジング２１０２の内面は、ステータ２１０６の背面にあるフィン２１３９のアレイ用の受入れスロット２１３８のアレイを有する。これらの受入れスロット２１３８は、ステータ２１０６の背面をハウジング２１０２に固定する働きをし、ステータ２１０６の背面からハウジング２１０２に熱を伝導的に伝える働きもする。ステータ２１０６とハウジング２１０２との間の並びに受入れスロット２１３８の間の容積は、ステータ２１０６の背面及びハウジングの内面から熱を引き出す流体流チャンバとして使用されてよい。ポンプ又はコンプレッサ（図示せず）を用いてこのチャンバを通じて気体又は液体を循環させることができる。開示のスロット幾何学的形状の冷却有効性は、多くの用途において冷却流体としての空気を用いて高性能が達成されるのを可能にする。液体の代わりに空気を使用することは、低コスト及び軽量化並びに多くの用途における漏れに対する懸念の排除を含む多くの潜在的な利点を有する。
【０３７２】
図６２は、ハウジング２１０２に組み立てられたステータ２１０６を示している。この例示的な実施形態において、ステータ２１０６は、開示の範囲内のスロット密度及び導体容積を備える軸方向に延びる径方向に整列させられたポスト２１１４のアレイを含む。ステータ２１０６とハウジング２１０２及び２１０４との間のチャンバ内の流体のための入口又は出口を提供するよう流体ポート２１４０のアレイがステータ２１０６上に示されている。
【０３７３】
図６３は、電気機械の実施形態の３：２層状導体構成の位相Ａの第１の導体層２１４２を備えるハウジング２１０２に組み立てられたステータ２１０６を示している。導体のこの実施形態の位相の各層は、ステータ２１０６上の単一の軸方向層を占め、その同じ層上の他の位相からの他の導体を備えない。ある層の上の導体２１４２が、２つのスロット２１４３，２１４５を順番に占め、次に、スロット２１４７をスキップするので、ある層の上の第１のスロット２１４３は、ある位相からの導体２１４２を有し、１つの径方向における電流の流れをもたらし、その層の上の第２のスロット２１４５は、その位相からの導体２１４２を有し、反対の径方向における電流の流れをもたらし、その層の上の第３のスロット２１４７は、導体を有さない。この導体形状及び１つの位相内の１つの導体層２１４２の順序は図６４に示されている。
【０３７４】
図６５は、明瞭性のためにステータ２１０６及び導体が他の位相から除去された状態で、同じ位相の導体２１４２の４つの層を示している。軸方向インサート２１４８が、ある層の上の位相からの各導体２１４２の端を、異なる層の上の同じ位相からの他の導体２１４２の始点と接続する。
【０３７５】
図６６は、各相から１つの導体層２１４２を備える例示的な実施形態２１００における導体配置を示している。１つの導体層２１４２の端部巻きは、スロット内の層の間で径方向に（この例では外向きであるが流体はいずれの方向にも流れ得る）流体流通路２１５０を提供するような方法において、次の導体層２１４４の端部巻きと重なり合う。ステータポスト２１４７は、この図６６に示されていない。図６７において、同じ層にあるあらゆる第３のスロット２１４７内の流体流チャネルは、３つの例示的なスロット内の破線の矢印線によって示されている。ステータ２１０６上のあらゆる第１のポスト２２５０は、いずれかの接線側にある位相Ａからの導体２１４２を有する。ステータ２１０６上のあらゆる第２のポスト２２５２は、いずれかの接線側にある位相Ｂからの導体２１４４を有する。そして、ステータ２１０６上のあらゆる第３のポスト２２５４は、いずれかの接線側にある位相Ｃからの導体２１４６を有する。
【０３７６】
この層状巻線構成は、ポスト間の導体間の空間内の径方向冷却流体流を可能にするが、端部巻きは、スロット内のチャネルへの径方向アクセスからスロットをシールする。径方向チャネル２１５０に流れを提供するために、導体２１４２は、図６８に示すように、ポスト２１４４の各々のポストの端に軸方向流路２１５２が予め形成される。この軸方向流路２１５２は、スロット２１４７内のチャネル２１５０内の径方向流体流が、ポスト２１１４の端で円周方向に流れ、次に、軸方向流路２１５２内で軸方向に流れ、次に、異なる層にある径方向流路２１５０内を径方向外向きに（又は冷却剤の流れの方向に依存して内向きに）流れるのを可能にする。
【０３７７】
この流路は、図６８に示されており、太い矢印は、ポスト２１１４と径方向に整列させられた入口チャネル２１５４までの空気流を示している。太い破線の矢印は、入口チャネル２１５４内の径方向の流れを示している。細い破線は、ポスト２１１４の端を横切る接線方向の流れを示しており、次に、ポスト２１１４の端にある空間２１５２内の軸方向の流れを示している。長い破線は、導体２１４２の間のチャネル２１５０内の径方向外向きの流れを示している。このようにポスト２１１４の端で軸方向流路２１５２を創成することによって、冷却流体は、接線方向及び軸方向に流れて、入口及び排出空気を径方向流チャネル２１５０に接続することができる、複数の経路(routes)を有する。
【０３７８】
図６９は、類似の矢印を備える同じ流路を示している。ポストの端空間２１５２は、冷却流体が１つの層に入り、異なる層にあるチャネル２１５０内に径方向に流れるのを可能にすることに留意することが重要である。
【０３７９】
層状導体システムの実施形態は、より高いスロット充填率、製造の容易さのために導体をスタンピングする能力、アセンブリを単純化し且つアセンブリの精度を増大させる層状構造、製造のより大きな一貫性を達成する能力、均一な冷却を達成するために一貫した流体流チャネルを達成する能力、及び能動的な冷却手段を通じたより効果的な冷却のために導体の容積に対する導体との冷却剤のより大きな表面積を創り出す能力を達成するために、径方向にテーパ状にされたスロット内の径方向にテーパ状にされた導体を含んでよい。
【０３８０】
図６３及び他の図面に示すような層状導体システムの実施形態は、層の大部分について同じ厚さの導体によって並びに電流の流れの方向に対して垂直なより大きな断面を備える端部巻きにより広い区画を含む可変幅で特徴付けられる。端部巻きでのより幅の広い断面は有益である。何故ならば、それは二乗効果(squared  effect)によって端部巻きの抵抗及び熱生成を低減させ、端部巻きがスロット内のより狭い導体よりも低い温度で作動するのを可能にするからである。スロット巻きと端部巻きとの間の極めて低い熱流抵抗は、端部巻きのより大きな断面積と共に、スロット内で生成される熱のための極めて効果的なヒートシンクを提供する。（端部巻きがスロット内の導体の最大幅と比較して同じ幅又はより小さい幅である場合と比較するときの）端部巻きのより大きな表面積は、端部巻きが積極的に冷却されるならば冷却流体相互作用のために及び／又はハウジングへの軸方向の導電体端部巻きの連続的な層を通じる導電性熱伝達のために、表面積の増大をもたらす。
【０３８１】
この層状導体システムと共に任意の数の層を使用することができる。この導体システムと共に任意の数の位相を使用することができる。全ての数の位相を用いるならば、導体は、例えば、これらのスロットにおいて反対方向の電流の流れを伴って２つの隣接するスロットを充填し、Ｘ−２スロットをスキップしてよく、「Ｘ」は位相の数である。例えば、４つの位相を用いるならば、層上の各導体は、３つの位相におけるように１つのスロットをスキップするのでなく、２つのスロットをスキップする。５つの位相を用いるならば、各導体は、３つのスロットをスキップする等である。
【０３８２】
［例示的な軸方向磁束電気機械］
デバイスの非限定的な例示的な実施形態２１５６の断面図が図７０に示されており、１７５ｍｍの平均空気ギャップ直径を備える。２１４６個の径方向磁束通路部材２１６０と対応する２１４６個の永久磁石（図示せず）を備えるロータ２１５８が、２つのステータ２１６２の間の軸受に回転的に固定され、２つのステータは、それぞれ、１４４個のポスト２１６４及び１４４個のスロットを有する。３相制御が使用されるが、他の数の位相も可能である。図７１に示すように、３相の各々からの導体２１６６は、それぞれ２４個のスロットの２つの等しく正反対に配列された区画に配置される。３相のそれぞれの位相における第２の区画は、逆の電流の流れ方向において第１の区画に配線され、位相の各区画は、それに回転的に隣接する位相と逆に配線される。導体２１６６は、従来的なワイヤであることができるが、図７０乃至図７８に示すような層状導体システムであってよい。この実施形態において、各区画内の位相内の導体２１６６は、１つの円周方向における各々の隣接するスロット内で径方向を交替させ、ある区画の端で円周方向を逆転させ、電流がスロット内の全ての導体において常に同じ径方向に流れるよう反対の円周方向において径方向を交替させ、各スロットは、ある区画におけるポストが通電の瞬間に交替する極性で磁化されるよう、その区画内の隣接するスロットと比較して所与の瞬間に反対の電流の流れ方向を有する。
【０３８３】
２４個のスロットの６個の区画のためのワイヤのパターンは、それぞれ、ここに示す通りであり、「Ａ」は回路が１つの方向に配線されていることを示し、「ａ」は同じ回路が反対の方向に配線されていることを示し、異なる文字は異なる位相を指し示している。最初の６スロットだけが示されている。
【０３８４】
スロット
【０３８５】
区画    １    ２    ３    ４    ５    ６    ・・・
【０３８６】
１      Ａ    ａ    Ａ    ａ    Ａ    ａ    ・・・
【０３８７】
２      ｂ    Ｂ    ｂ    Ｂ    ｂ    Ｂ    ・・・
【０３８８】
３      Ｃ    ｃ    Ｃ    ｃ    Ｃ    ｃ    ・・・
【０３８９】
４      ａ    Ａ    ａ    Ａ    ａ    Ａ    ・・・
【０３９０】
５      Ｂ    ｂ    Ｂ    ｂ    Ｂ    ｂ    ・・・
【０３９１】
６      ｃ    Ｃ    ｃ    Ｃ    ｃ    Ｃ    ・・・
【０３９２】
上記は、１つのステータについての位相及び極性パターンである。２つのステータを備え、例えば、この文献で開示するようなロータを使用し、径方向磁束経路部材の両方の軸方向端に同じ極性を備える実施形態について、第２のステータ配線の物理的構造は、ロータの中心を通じる平面について鏡像でなければならない。しかしながら、電流の流れは、他方のステータに比べてステータのうちの１つの上で軸方向に整列させられたポストで反対の方向（時計回り／反時計回り）でなければならない。
【０３９３】
１４４：１４６のサイズは決して限定的ではない。広範なスロット数及び磁石数が可能である。
【０３９４】
図７２は、上述の規則(convention)を用いる可視的な位相から導体２１７４の開始及び終了接続２１７６の位相及び極性を備える簡略化されたステータ２１７２の断面図を示している。
【０３９５】
このデバイスの非常に多い数のコギングステップの故に、コギング振幅は非常に小さいことが予想される。従って、図５６に示すようにステータを互いに対して角度付けて配置することは不要であると予想される。
【０３９６】
［軸方向磁束電気機械のための例示的な冷却構造］
例えば、導電体から各ステータのステータバック鉄心の背面への伝導熱伝達を通じる受動的な冷却が使用されてよい。図７０及び図７１の実施形態において、バック鉄心２１７０は、固体鉄又は鋼のような一体成形材料で作られてよく、低導電性であるが、非限定的に、Ｐｅｒｍｅｎｄｕｒ（ＴＭ）４９Ｆｅ−４９Ｃｏ−２Ｖのような高磁性飽和材料又は非平坦形状であり得る他の軟磁性材料であってよい。固体(solid)とは、この文脈において、ステータの磁性材料が連続的であり、非磁性積層体がないことを意味する。
【０３９７】
ステータ２１６２は、ステータ２１６２の背面に冷却フィン２１７８のアレイを有し、それは放射効果及び対流性流体流によるような受動的な冷却のために表面積を増大させ且つ冷却速度の増大をもたらす。冷却フィン２１７８８は、冷却フィン２１７８の上に気体又は液体を押し込むことのような能動的な冷却の有効性も増大させる。冷却フィン２１７８は、ハウジング（図示せず）のようなチャンバ内に封止されることもできる。本明細書で示す冷却フィン２１７８は、径方向に整列させられていない。これは円周方向の剛性を増大させるために径方向に整列させられたポスト２１６４を備える構造マトリックス(structural  matrix)を創り出すためである。このステータ構成の軸方向構造及び短い軸方向特徴は、それを粉末磁性材料からの構築に適したものにする。ポスト２１６４及びフィン２１７８は、プレス成形又は他の製造方法を容易にするために軸方向に先細くすることができる。導体２１６６は、各スロット深さで所望のスロット充填を達成するためにスロットの底部からスロットの頂部まで異なる幅で作られてもよい。
【０３９８】
図７３に示す実施形態において、導体システムは、スロット２１８５内の導体の幅の５０％よりも大きいこと及び導体２１８６の欠落層がないことの結果としての中断のない軸方向の熱流路２１８０と、所望であればチャネル２１８２を通じる径方向の冷却流体流チャンバの可能性との組み合わせを提供する。これは、本明細書に開示する原理に従った多数の方法で達成されることができる。図７３に示す例示的な実施形態において、ポスト２１８４のいずれかの側の導体２１８６は、ポスト２１８４が両方の円周方向において導体２１８６を精密に位置付けて、導体２１８６とポスト２１８４の側面との間に結合部２１８４を創り出すのを可能にするよう、ポスト２１８４の両側でポスト２１８４に十分に近い。この精密な位置決めは、ギャップ２１８２が導体２１８６の反対側に創り出されることを保証するのに役立つ。導体２１８６のこの予め形成された狭窄及びそれが中心から外れてスロット２１８５の１つの壁と接触することを保証する形状は、非接触の円周方向に面する側で流体流機能及び構造的剛性をもたらすのに役立つ。
【０３９９】
この構造の他の特徴は、スロット２１８５内の導体２１８６の１つだけの円周方向に面する側面にあるギャップ２１８２である。これはポッティング化合物又はワニスが１つの大きなチャネルと比べて小さいチャネルを備える可能性がより高いようなチャネル２１８２を充填しないことをするのに保証するのに役立つことができる。この構造は、各導体２１８６がポスト２１８４の側面への周方向の導電性熱流路２１９０を有することを保証するのにも役立つ。
【０４００】
図７３に示す構造の結果として、スロット２１８５内の導体２１８６からの熱は、導体２１８６を通じてステータ２１９３のバック鉄心２１９４に至る中断のない軸方向の熱伝導路２１８０、ポストを通じてバック鉄心２１９２に至る短い熱流路を可能にするポスト２１９０への円周方向の熱伝達路を有する。バック鉄心２１９６の背面から、ステータ２１９３からの熱は、この図に示すようにハウジング２１９８に伝導的に伝達され、或いは冷却流体に伝達され、或いは（他の実施形態に示すように）他の本体に放射されることができる。
【０４０１】
図７４の実施形態は、スロット２２０３の全幅である周期的な層２２００と、スロット２２０３よりも狭い周期的な層２２０２とを有する。層２２０２は、あらゆる第２のポスト２２０５の両側に位置するように予め製造されてよい。これは、より狭い導体２２０２が中心化されるならばリスクが増大するようなポッティング化合物でチャネルを遮断する可能性を最小限に抑えた一貫した反復可能な流体流チャネル２２０１を提供する。より狭い導体２２０２は、より幅の広い導体２２００の断面積と一致するよう、軸方向により厚くてよい。この構成において、導体２２０２は、スロット２２０３内の導体の構造的剛性を依然として提供しながら、５０％よりも狭くあることができる。ある層のために５０％よりも狭い幅を使用する選択肢は、図７３に示す単一の厚さ構成よりもチャネル２２０１のためのより大きな断面積を可能にする。
【０４０２】
図７５は、図７４における実施形態の４つの層の分解図を示している。ここでは、より狭いが軸方向により厚い導体２２０２とは対照的に、導体２２００のより広いが軸方向により薄い区画がはっきりと示されている。
【０４０３】
ある用途について１ポスト当たりより多くの数の巻きが望ましいならば、より薄い導体２２０６の多数の層は、図７６に示すように同じ軸方向プロファイルを有することができる。これは、ポッティング化合物でのギャップの妨害を防止するという利点を備える多層の厚さの流体流ギャップ２２０８を可能にし、或いはより厚いポッティング化合物が流体流ギャップを恒久的に充填せずに使用されるのを可能にする。
【０４０４】
多数のより薄い層２２０６を、様々な効果を伴って並列に又は直列に使用することができる。ある実施形態では、より厚い層（図示せず）をスロットの底部で隣接する層と直列に接続することができ、より薄い層をスロットの頂部で並列に接続することができる。平行なより薄い層は、ロータの回転中に永久磁石に最も近い導体内の渦電流を減少させるという利点を有すると考えられる。
【０４０５】
これらの実施形態の全ては、径方向導体スロットが部分的に取り囲むステータポストよりも長い径方向導体スロットに起因する、ポストの一方又は両方の径方向端部での軸方向冷却流体流路から利益を得る。それはスロット内の流体流がスロット内の径方向の流れとは異なる層にある導体区画に入る又はそのような導体区画から出るのを可能にする。ポストの径方向端は、径方向端部分を定める。
【０４０６】
これらの導体構造の変形を本導体システムの他の実施形態の他の変形と組み合わせることができる。
【０４０７】
図７１の導体は、導体２１６６の側面とポスト２１６４の側面との間のスロット２１６７の１つの側にギャップ２１６９を提供するように予め形成される。このギャップ２１６９は、ポスト２１６４の端で軸方向流路２１６８と組み合わせられ、それは冷却流体がポスト２１６４の端で円周方向に流れ、次に、ポスト２１６４の端に沿ってギャップ２１６８を通じて軸方向に流れ、次に、異なる層にある２つのスロット２１６７からの導体の間のギャップ２１６９内を径方向外向きに（又は流れが逆転させられるならば内向きに）流れるのを可能にする。導体２１６６は、あらゆる第１のポスト２１６４の両側に隙間を有し、あらゆる第２のポスト２１６５の両側に緊密に適合させられる。
【０４０８】
軸方向に隣接する導体層間の電気的接続を多数の方法で行うことができる。電気的接続は、軸方向に隣接する導体要素の電気的流路を直列に接続するために、軸方向に隣接する導体要素間にあってよい。ある実施形態は、はんだ付け（又は他の電気的接続方法）のための大きな表面積を提供するために、ある区画の端にあるスロット内の２つの導体の重なり合う表面領域を使用する。スロット内の２つの層からの２つの導体の使用は、２つの層のスロット長さ全体までが単一の導体として使用されることを可能にする。これはそのスロット内の冷却要件を減少させるのに十分な電気抵抗を減少させる。これは重要である。何故ならば、精密な流路を維持することは、はんだ付けされた接続部でより困難であるので、高生産において流体流を保証することはより困難なことがあるからである。
【０４０９】
スロット内の二重に重なり合った表層接続される導体を可能にする構造が図７７に示されている。導体２２１８は、隣接する表面上の導体２２１８からの２つの合わせ面２２２０及び２２２２が絶縁されずに導電体と一緒に接続される端部スロット内の領域を除いて、例えば、層間の紙又は陽極酸化を用いて、被覆され或いはその他の方法で絶縁される。構造の方法は、各層が他の層の上に配置されるときに、ある区画の交互の端での接続部の手作業の又は自動のはんだ付けを含む。これらの表面を予め錫めっきすることは、このプロセスが精密に行われることを可能にする。これらの表面のスポット溶接は、接合部に厚みを加えることなく電気的接続を可能にすることがあり、余分なはんだが他の表面と望ましくない接触をするリスクを排除する。アルミニウム導体が使用されるならば、それらを硬質陽極酸化し、次に、（例えば、陽極酸化中にマスキングすることによって）、錫めっきの準備をすることができ、（次に、不活性環境で接続面の酸化を取り除くことができる）。依然として不活性環境にある間に、表面を錫メッキし或いははんだペーストで被覆することができる。これは貯蔵及び組立中にアルミニウム接続面を酸化から守る。同じプロセスを端部接続部２２２４に使用することができる。次に、導体２２１８の区画の組立中、層の全てを別個のアセンブリ固定具の内側に又はステータ（図示せず）の内側に積み重ねることができる。短い時間に亘って導体に大電流を適用することは、錫めっきされたはんだを一緒に溶かすのに十分な熱を生むことができ、或いはリフロー炉を使用してはんだ又ははんだペーストを溶融させることができる。層が接続されて、導体がステータスロット内に位置付けられた後、ポッティング化合物又はワニス等を使用して、ステータスロット内の全ての空気（又は他の気体）を移動させることができる。使用中に冷却剤流路が解放していることを保証するために、ポッティング化合物又はワニス等は、空気流及び／又は重力及び／又は遠心力を非限定的に含む、何らかの手段によって、冷却剤流路から除去される。
【０４１０】
径方向スロット内冷却流チャンバが実施形態で実施されないならば、図７８のデバイスは、導電体２２１８の（スロット部分の径方向断面積と比較して）より大きい端部巻き円周方向断面積の利点を依然として提供して、熱生成を低減し、冷却のための表面積を増大させ、軸方向に積み重ねられた端部巻きのより大きく断続的でない断面積を提供し、より低い抵抗で端部巻きと軸方向に整列させられたバック鉄心又はハウジング（図示せず）への熱流を可能にする。より大きな断面積は、端部巻きにおける（電流の流れに対して法線方向の）同じ又はより低い断面積と比較して端部巻きにおけるより大きな容積も提供する。
【０４１１】
この実施形態の能動的な冷却は、径方向の流体流でも行うことができるが、欠落する導体層がないので、代替的な構造を使用して一貫した大きさ及び間隔とされた径方向の流体流チャネルを提供してよい。導体を軸方向に離間させることは可能なことがあり、導体の大きな表面積を流体に曝すが、これは一貫したギャップを達成することが困難であり、剛性の低い薄い導体層に適さない。１以上の導体層が、他の層にある導体よりも狭い幅を備えるスロットにおいて使用されてよく、及び／又は、１以上の導体が、同じ幅を有するものの、導体が軸方向において重なり合うように円周方向にオフセットするが、他の円周方向の側面よりもスロットの一方の円周方向の側により近い、スロット内で使用されてよい。スロットの円周方向の側からスロットの他の周方向の側に連続的な又は周期的な層を交互にすることにより、ステータのバック鉄心から最も遠い導体からスロットの底部まで途切れない熱伝導経路を創り出すことができる。同時に、スロット内の導体表面を横切る冷却剤の流れを提供するために、導体層の間に１以上の径方向チャネルを創り出すことができる。
【０４１２】
ある実施形態において、スロット内の１以上の導体は、（絶縁及び組立のための隙間を引いた）スロットの全幅であり、スロット内の１以上の層は、流体流のためのギャップを創り出すためにスロットよりも狭い。
【０４１３】
ある実施形態において、スロット内の１以上の導体は、（絶縁及び組立のための隙間を引いた）スロットの全幅であり、スロット内の１以上の層は、スロットよりも狭く、より狭い導体の一方の円周方向の側にのみ流体流のためのギャップを創り出すために中心化されない。
【０４１４】
ある実施形態において、スロット内の１以上の導体は、（絶縁及び組立のための隙間を引いた）スロットの全幅であり、スロット内の１以上の導体は、スロットよりも狭く、スロット内の全ての導体の断面がより一貫するように、より広い導体よりも厚い。
【０４１５】
図６７の実施形態と同様に、この実施形態は、流体が径方向流路チャネルに入る或いは径方向流路チャネルから出る径方向／円周方向／軸方向流路を提供するために、ポストの端で軸流チャネルを使用する。
【０４１６】
冷却剤流チャネルを提供する全ての導体の実施形態は、ステータへの組み入れ中の剛性及び熱伝達のためにワニス又はポッティング化合物が埋め込まれてよい。ポッティング化合物又はワニス等が硬化した後に冷却チャネルを維持するために、ステータを回転させてポッティング化合物又はワニス等を大きな流路から遠心分離させなければならない。重力滴下排出(gravity  drip  draining)は、十分に低い粘性の化合物に役立つことがあり、或いは、流路が開放され、ポッティング化合物、ワニス等が硬化するまで開放されたままであることを保証するために、硬化(setting)／硬化(curing)／乾燥プロセス中にチャネルを通じる加圧ガス流を使用してもよい。化合物の粘度及び液体化合物除去方法及び導体とポストとの間の近接触ギャップは、液体除去プロセスがチャネルから化合物を除去するが、化合物又はワニス等が近接触ギャップに留まるのを可能にするような、大きさでなければならない。
【０４１７】
［電気機械における例示的な磁束制御構造］
図７９に示す巻線は、湾曲した又は可変の幅のポスト２２２６のような非直線のポスト形状を可能にする。
【０４１８】
ロータとステータとの間のエアギャップを横切る永久磁石からの磁束を増加させるために、永久磁石のＮ側から永久磁石のＳ側への磁束結合経路を減少させてよい。軸方向に整列させられた永久磁石ロータにおいて、これは、図１０２に示すように、非限定的に、鋼のような、軟磁性材料からなる中実なバック鉄心を用いて行われてよい。この場合、 永久磁石２３７０からの磁束は、バック鉄心２３７２を通じて隣接する永久磁石２３７０に及び／又はバック鉄心２３７２の反対の軸方向の面にある対向する永久磁石２３７０の反対の磁極面(polarity  face)にリンクする。
【０４１９】
軸方向磁束永久磁石（ＡＦＰＭ）機械によって生成されるトルクは、とりわけ、ロータとステータとの間で相互作用する磁束密度によって影響される。ロータ／ステータ界面での磁束密度を最大にし、それにより、生成し得るトルクを最大にするために、ロータは、永久磁石（ＰＭ）の接線方向に向けられる磁極面の間に密接に適合する軟磁性材料を使用して、ロータの両端のステータ界面に磁束を送ってよい。ＰＭの軸方向寸法は、それらのために利用可能な、利用可能な接線方向の空間よりもはるかに大きく、軟磁性材料はＰＭよりも高い飽和値を有するので、ステータと相互作用する磁束密度は増大する。ＰＭは、同じ極性の極のうちの２つが互いに接線方向に面し合うよう、接線方向にＮＳＳＮＮＳＳＮＮＳ等に配置される。ＰＭの交互の向きは、それらの間の軟磁性材料の内向き及び外向きの延伸が交互にＳＮＳＮ等になることを意味し、各々の径方向に延びる磁束経路は、両方の軸方向端で同じ極性である。ＰＭの軸方向寸法の程度を、それらの強度に適するように変更することができるので、より低い強度の磁石を用いて比較的高いトルクを生成することができる。軸方向の寸法は、ＰＭが決して交互の極性の軸方向の面を越えて突出しないような寸法である。
【０４２０】
外部負荷に起因する相対的な角運動及びたわみに順応するために、通常、ロータ及びステータの軸方向面の間に、エアギャップと呼ばれる軸方向の間隙がある。ＰＭからの磁束は、それらの間の軟磁性放射状部材材料内に交互の極を生成し、ステータの電磁石の極は、ＥＭに電力が供給されない場合でさえ、これらの交互の極を接続する磁束経路を提供する。これはロータとステータとの間の引力をもたらす。エアギャップがより小さいならば、ロータとステータとの間の吸引力はより高く、よって、ロータの両端に同一のエアギャップを備えるが、ステータに向かう引力は等しく且つ反対であり、あらゆる角位置でのエアギャップのあらゆる変化は、その変位を増大させる正味の力をもたらす。この傾向は、動作中のステータとロータとの間の接触を避けるために軸受及び十分なロータ剛性を必要とする。
【０４２１】
以下に記載する設計は、磁束を運ぶために使用される鋼若しくは鉄若しくはコバルトのような軟磁性材料又は他の軟磁性材料若しくは合金が構造的剛性ももたらす、一体成形ロータ構造を含む。非限定的に、予荷重された１対の角度接触軸受(angular  contact  bearings)のような軸受は、たわみ(deflection)を制御し且つ共振(resonances)を回避するのに必要なロータと静的構造との間のモーメント剛性(moment  stiffness)をもたらす。
【０４２２】
ある実施形態において、図８０乃至図８６に示すようなロータ２２２８は、同じ極性の極のうちの２つが互いに接線方向に対向するよう、ＮＳＳＮＮＳＳＮＮＳ等に配置される、接線方向に分極した(polarized)永久磁石２２３０を有する。ロータ２２２８の外側領域２２３４は、ロータの内側領域２２３８にある同数の規則的に又は等間隔に離間する外向きに突出する径方向磁束経路部材２２３６と相互嵌合させられ(interdigitated)、永久磁石２２３０のための磁束経路をもたらす、内向きに突出する規則的に又は等間隔に離間する径方向磁束経路部材２２３２のアレイを含む。径方向部材２２３２，２２３６の相互嵌合(interdigitation)は、ロータ２２２８を非常に剛的にするのに役立つ。相互嵌合は、磁石２２３０を短絡させる鎖交磁束経路(flux  linkage  path)を創り出すことなく一体成形（又は二部式）フェライト構造を提供するという挑戦を克服する。ロータ２２２８は十分に剛的であるので、ロータ２２２８の動作中の屈曲(flexing)はエアギャップの長さの一部である。
【０４２３】
永久磁石２２３０の接線方向の交互の向きの結果として、ロータ２２３４の外側領域と一体成形品であるその内向きに突出する径方向磁束経路部材２２３２の全ては１つの極性にあり、ロータの内側領域２２３８と一体成形品である外向きに突出する径方向磁束経路部材２２３６は反対の極性にある。この例示的な実施形態では、ロータ２２２８の内側領域２２３８のみが、例えば、軸受（図示せず）によって、ステータハウジング（図示せず）に支持されるが、追加的な軸受が使用されてよい。ロータのＩＤでの軸受の使用は、製造コスト及びモータ／アクチュエータ重量を減らすことができるだけであり、ロータの高強度及び剛性によって可能にされる。ある実施形態において、ロータ２２２８の内側領域及び外側領域は、図８２及び図８３に示す小さなタブ２２４０，２２４２によって一体的に接続される。図８２は、内向き部材２２３２及びロータ２２３８の内側部分と外向き部材との間の構造的な接続が、減少させられた軸方向幅のタブ２２４０を通じ得ること及び／又は永久磁石（図示せず）を通じ得ることを示している。図８３は、外向き部材２２３６の最外側端とロータ２２２８の外側部分２２２３４との間の構造的な接続が、減少させられた軸方向幅のタブ２２４２を通じることを示している。これらのタブは、内側又は外側ロータリング２２３８，２２３４の一方にあるＮ磁石面から内側又は外側ロータリング２２３８，２２３４の他方にある磁石のＳ面への磁束戻り経路を創り出す。この磁束戻り経路は、ロータ２２２８とステータ（図示せず）との間のエアギャップ内のエアギャップ磁束密度を減少させるが、内側ロータ部材２２３８と外側ロータ部材２２３４との間の接続強度及び剛性が、小さな割合の永久磁石ＰＭ磁束だけが失われるのを許容する十分に小さな断面を備えるタブ２２４０，２２４２のアレイによって十分に達成されることが、ＦＥＡ及びＦＥＭＭ分析並びにプロトタイプ試験によって示されている。
【０４２４】
図８４は、磁石保持器２２４４を示すために磁石２２３０のないロータ２２２８の例示的な実施形態を示している。これらは磁石２２３０を軸方向に位置決めするために使用され、スロット２２４８の交互の端に配置され、図８５に示すように、磁石２２３０の半分がロータ２２２８の一方の側から挿入され、磁石２２３０の他の半分が組立中にロータ２２２８の他方の側から挿入されることを必要とする。磁石２２３０の各半分のセットは、同じ接線方向にそれらの極性を有し、それはアセンブリについての安定性を向上させる。接着剤を用いて磁石２２３０を所定の位置に固定することができ、例えば、保持タブ２２４４と類似する径方向位置の２つの位置での開放スロット端のピーニング(peening)によって磁石２２３０を更に固定することができる。ロータ２２２８を通じる穴２２４５は、ロータ２２２８の両側でのステータ電磁石（図示せず）の冷却をハウジング構造の片側だけを通じて空気又は他の流体を流すことによって達成することができるよう、空気が流れるのを可能にしてよい。ロータ２２２８を通じるカウンターボア付き穴２２４６(counter-bored  holes)は、製造中にクランプするためにある。図８６は、内向き及び外向きに延びる磁束経路部材２２３２，２２３６が全て一体成形構造で作られるが、内向き及び外向きに延びる部材２２３２，２２３６が減少させられた断面のタブ２２４０，２２４２から離れて互いに磁気的に絶縁されることをより明確に例示するために黒色で示される、内側ロータリング２２３８及び外向きに突出する磁束部材２２３６の軸方向表面を有する。タブ２２４０，２２４２は、径方向に延びる磁束経路部材２２３２，２２３６と比べて十分に小さい断面であるので、それらは、ＰＭ磁束から飽和させられ、従って、その磁束レベルを超える有意な追加的な鎖交磁束を可能にしない。
【０４２５】
他の変形は、タブのための他の非磁性材料のインサート、ここでは接続タブのない径方向に延びる磁束経路部材を備える内側部材及び外側部材を含む。この場合、磁石を備える本体は、内側ロータリングと外側ロータリングとの間の主要な構造的接続部である。
【０４２６】
希土類磁石によって生成される磁力は、例えば、磁束経路部材の磁束集束効果と組み合わされて、巨大な軸方向の力を生成することができる。ここに示す例では、約２２．８６ｃｍ（９インチ）の外径で、ステータに６８０ｋｇ（１５００ポンド）程の高さの軸方向引力を生成することができる。適切に強力で剛的な構造を使用して、使用中の損傷及び問題のある振動を防止することができる。相互嵌合部材を備えるロータは、構造的剛性及び磁束集束機能の両方を同じ径方向に延びる部材に提供する。これら内向き部材及び外向き部材の相互嵌合は、効果的な磁束使用並びに高強度及び剛性のために、部材接線表面と磁石との間の高い表面積接触を提供する。
【０４２７】
［軸方向磁束電気機械のための例示的なロータ］
ロータをここに示すような一体成形構造で作ることができ或いは一緒にサンドイッチする２又はそれよりも多くの部品で作ることができる。磁石は、磁束経路効果及び構造効果のために、任意の方向にテーパ状であることを含む任意の形状であることができる。任意の種類の磁石を使用することができる。任意の数の磁石を使用することができる。任意の幅の磁石を使用することができる。ロータの軸方向面の一方又は両方をステータとの組み合わせにおいて使用することができる。多数のロータを使用することができる。磁石の多数の円形アレイを２以上のアレイにおいて異なる数の磁石と共に使用することができる。このロータをアクチュエータ若しくはモータ又は任意の数の位相若しくは極を備える任意の磁気機械若しくはデバイスと共に使用することができる。
【０４２８】
以下に記載する設計は、磁束を運ぶために使用される鋼若しくは鉄若しくはコバルトのような軟磁性材料又は他の軟磁性材料若しくは合金が構造的剛性も提供して、ロータをこのデバイスでは非常に高い磁力に対して位置付け、且つ、アクチュエータに対する出力負荷を支える、２つの部品のロータ構造を含む。非限定的に、予荷重された角度接触軸受のような軸受は、たわみを制御し且つ共振を回避するのに必要なロータと静的構造との間にモーメント剛性を提供する。
【０４２９】
図８７乃至図９２は、２つの幾分鏡像の半体２２６２，２２６４で構成され、次に、互いにボルト止めされ或いはその他の方法で締結され或いは接続される、ロータ２２６０のある実施形態を示している。この実施形態では、テーパ状の磁石２２６６をテーパ状のロータ部材２２６８，２２６９と組み合わせて、磁石２２６６のための機械的安全性を提供することができ、磁束経路部材２２６８，２２６９の磁束密度がより低いロータ２２６０の中心平面により近いより広い接線方向の磁石区画を可能にすることもできる。これは永久磁石２２６６のための利用可能な空間及び軟磁性材料のための利用可能な空間のより良い使用を可能にする。図９０は、永久磁石２２６６がロータ２２６０内に装着されるときと同じ相対的な位置にある、永久磁石２２６６を示している。これは、永久磁石２２６６が、同じ極性の極のうちの２つが互いに接線方向に対向するよう、どのように交互の接線方向の極性、ＮＳＳＮＮＳＳＮＮＳ等で配置されるかを示している。
【０４３０】
ロータ２２６２，２２６４の両方の半体は、以前に議論したロータ２２２８の実施形態と同様に、内向きに突出する並びに外向きに突出する径方向磁束経路部材２２６８，２２６９を含む。図８７に示す例示的な実施形態２２６０では、ロータ２２６０の内側領域２２７２のみが、例えば軸受（図示せず）によって、ステータハウジング（図示せず）に支持されるが、追加的な軸受が、例えば、ロータのＩＤ又はＯＤで使用されてよい。ロータのＩＤでの軸受の使用のみが、製造コスト及びモータ／アクチュエータ重量を減少させることができ、多くの用途について追加的な軸受を不要にするロータの高強度及び剛性によって可能にされる。
【０４３１】
ある実施形態において、ロータ２２６０の内側領域及び外側領域は、図８６のタブ２２４０及び２２４２に類似する小さなタブによって一体的に接続される。
【０４３２】
図９１は、外向きに突出する径方向磁束部材２２６９とロータ２２７４の外側部分との間の接続タブ２２７０の軸方向延伸を示す、両方のロータ半体２２６２，２２６４を接線方向に通じる断面である。これらのタブ２２７０は、内向きに突出する径方向磁束経路部材２２６８にある磁石面から反対の極の外向きに突出する径方向磁束経路部材２２６９への磁束戻り経路を創り出す。この磁束戻り経路は、ロータ２２６０とステータ（図示せず）との間のエアギャップ内の磁束密度を減少させるが、内側ロータ部材２２７２と外側ロータ部材２２７４との間の接続強度及び剛性は、永久磁石の磁束の小さな割合のみが失われるのを許容する十分に小さい断面を備えるタブ２２７０のアレイによって十分に達成されることが、ＦＥＡ及びＥＦＭＭ分析並びにプロトタイプ試験によって示されている。磁石２２６６は、それらのテーパ状の幾何学的形状によって確実に保持され、接着剤を用いて所定の位置に更に固定させられることができる。ロータ２２６０を通じる穴２２７５は、ハウジング構造（図示せず）の片側のみを通じて空気又は他の流体を流すことによってロータ２２６０の両側にあるステータ電磁石（図示せず）の冷却を達成することができるよう、空気が流れるのを可能にしてよい。ロータ２２６０を通じるカウンターボア付き穴２２７６は、製造中にクランプするためにある。
【０４３３】
内向き及び外向きに延びる磁束経路部材２２６８，２２６９は、全て一体成形構造で作られてよいが、内向き及び外向きに延びる磁束経路部材２２６８，２２６９は、減少させられた断面のタブ２２７０及びロータ２２６０の内側部分にある類似のタブから離れて互いに磁気的に絶縁される。これらのタブは、径方向に延びる磁束経路部材２２６８，２２６９と比べて十分に小さい断面であってよいので、それらはＰＭ磁束から飽和させられ、従って、磁束レベルを超える有意な追加的な鎖交磁束を可能にしない。
【０４３４】
他の所に記載するように、ボルト、リベット、又は類似のものを使用して、ロータ２２６０の２つの半体２２６２，２２６４を一緒に保持してよいが、追加的な又は代替的な保持方法は、図９２に示すように１つ又は２つの内部のテーパ状の面２２８０を備える外部リング２２７８を使用することである。外側リングの内径を使用して、ロータの２つの半体２２６２，２２６４の間の同心性を保証することができる。この外部リング２２７８は、それとロータの２つの半体２２６２，２２６４との間に温度差を生じさせることによって装着されることができる。非限定的に、アルミニウム合金のような、リング２２７８のための高膨張材料の使用は、リング２２７８を装着するのに必要な温度差を低減させる。
【０４３５】
様々な実施形態は、１つのステータに隣接する１つのロータ、１つのステータの各側にあるロータ、一対の背中合わせのステータの各側にあるロータ、又はこれらの構成の組み合わせを含んでよい。
【０４３６】
［ロータの間に２つの部品のステータを備える例示的な軸方向磁束電気機械］
図９３乃至図９７は、ロータが一対の背中合わせのステータの各側に配置された電気機械２２８１を示している。図９４は、ロータ２２８２が、この例では、２つの角度接触軸受２２８６によってステータベースプレート２２８４から支持された、２つの幾分鏡面の半体２２８３を含むことを示している。ステータの間にロータを有する以前に記載した設計と同様に、ロータの各半体２２８３の外側領域は、図９３の本実施形態の拡大図に示すように、ロータ２２８２の内側領域の２つの半体２２８３にある同数の等間隔に離間した外向きに突出する径方向磁束経路部材２２９０と相互嵌合させられた、内向きに突出する等間隔に離間した径方向磁束経路部材２２８８のアレイを含む。ステータベースプレート２２８４は、アルミニウムのような高熱伝導性材料で作られてよい。この実施形態のステータ２２９２の構造は図９５に示されている。ステータ２２９２は、バック鉄心２２９４と、ポスト２２９６と、バック鉄心の後部からの軸方向突起２２９８とを含む。ステータの背面にある軸方向突起２２９８は、図９６に示すように、機械的手段又は接着剤結合によってステータベースプレート２２８４にあるスロット２３００内に固定される。デバイス２２８１の断面が図９７に示されている。径方向チャネル２３０２は、デバイス２２８１を冷却するために使用されてよい空気又は液体又は位相変化流体のような流体の流れのために、ステータポスト２２９６、ステータバック鉄心２２９４、及びステータベースプレート２２８４の間に形成される。各ステータポスト２２９６は、バック鉄心２２９４の厚さを通じて支持され、ステータベースプレート２２８４のスロット２３００に係入する。ここで使用するステータアセンブリは、バック鉄心２２９４に融合されたステータポスト２２９６を示すので、界面線は見えない。この例では、テーパ状の磁石２３０４が使用される。ステータ２２９２に向かう引力がそれらをロータ２２８２の本体内に固定するからである。ステータポストの周りに位置付けられる導体はこれらの図に示されていないが、ロータの外側に配置されるステータを備える構成において記載されたものと類似する。
【０４３７】
［ロータの間にステータを備える例示的な軸方向磁束電気機械］
他の実施形態は、一体成形ステータの各側に１つのロータを含む。図９８は、そのような電気機械２３０６の実施形態の断面を示している。ロータは、この例では、２つの角度接触軸受２３１２によって、ステータ２３１０から支持された２つの幾分鏡像の半体２３０８を含む。ロータの間にステータを有する以前に記載した設計と同様に、ロータの各半体２３０８の外側部分は、図８１のロータに類似しており、ロータの内側部分にある同等の数の等間隔に離間した外向きに突出する径方向磁束経路部材と相互嵌合させられる、内向きに突出する等間隔に離間した径方向磁束経路部材のアレイを含む。ロータの２つの半体２３０８の間の磁束の流れを防止するために、それらは両方とも同じ極性を有する。各ロータ半体２３０８の内側部分は、その磁石の極の向きに従って分極されるので、同じ磁石の極が各ロータ半体にある外向きに突出する径方向磁束経路部材に対して配置されなければならない。デバイス２３０６を冷却するために使用されることがあるあらゆる流体を運ぶために使用することができるステータ２３１０の中心部分を通じる穴２３１４が示されている。デバイス２３０６の断面が図９９に示されている。この例ではテーパ状の磁石２３１６が使用されている。ステータ２３１０に向かう引力はそれらを各ロータ半体２３０８の本体内に固定するからである。ステータ２３１０は、２つの幾分鏡像のステータポスト２３１８のセットを含む。ステータポスト２３１８の周りに配置される導体は、これらの図面に示されていないが、ロータの外側に配置されたステータを備える構成において記載したものと類似する。
【０４３８】
この実施形態の導電性熱伝達は、この場合には、エアギャップにある導体の頂部が放熱面であることを除き、導体から放熱面までの低熱流抵抗に関する他の実施形態と類似する。冷却のために、エアギャップを通じる冷却流体を能動的な循環が提供されてよい。コイルの直接的な冷却は、開示の範囲外の幾何学的形状と比較して、この形状におけるこの幾何学的形状の利益も享受するであろう。１つのステータ及び１つのロータで類似の構成を行うことができる。
【０４３９】
［例示的なロボット構造］
以下は、アクチュエータ（開示の構成のスロット密度及び導体容積又は他の開示の特徴のうちの１つを有するモータ）がロボット用途においてどのように使用されることがあるかについての非限定的な例として与えられている。この例示的なシステムの概略が図１００に示されている。例示的なシステムは、静止ロボットアームで構成され、静止ロボットアームは、１０ｋｇの公称ペイロード２３３８(nominal  payload)を支持し、アームに沿って離間する４つのアクチュエータ２３４０，２３４２を有する。よって、ロボットアーム２３３６上の少なくとも１つのアクチュエータ２３４０，２３４２は、他のアクチュエータによって支持される。アクチュエータ２３４０のうちの３つは、同じ大きさ及びトルク生成能力であり、２つがショルダジョイントに位置し、１つがエルボージョイントに位置する。リスト（手首）に位置する残りのアクチュエータ２３４２は、以前のアクチュエータのサイズ及び重量の半分である。リストアクチュエータ２３４２は、この例では作動しておらず、システムに加わる重さについてのみ考慮される。能動的なアクチュエータは、２００ｍｍの平均エアギャップ直径及び３２ｍｍの径方向の歯の長さを有する。各アクチュエータ２３４０，２３４２と関連付けられるハウジング及び周辺機器は、総重量が有効重量の二倍にあると推定されるよう、アクチュエータの有効重量に等しいと推定される。アクチュエータ２３４０の中心から中心までの距離は０．５ｍである。各アーム２３３６の重量は、公称ペイロード２３３８を含む下流のシステムコンポーネントの全質量の２０％にあると推定される。この例におけるシミュレーションは、各アクチュエータ２３４０の各ステータの背面に７００Ｗ／ｍ２Ｋの強制液体冷却速度を適用する。システムは、アーム２３３６が水平であり且つ十分なトルクを供給してペイロード２３３８を保持する、静止位置において分析される。システムの消費電力は、エルボージョイント及び２つのショルダアクチュエータ２３４０によって消費される総電力に等しい。この例では、システム電力消費が開示の範囲の内側で大幅に低下することが分かる。これは要求されるトルクに対するデバイスの重量の複合効果に起因する。各々の個々のアクチュエータの重量が低下すると、あらゆる上流のアクチュエータから必要とされるトルクは低減される。特定の構造及びペイロードを備えるあらゆる特定のシステムについて、システムの消費電力が最小限に抑えられる幾何学的形状がある。この結論に達するために必要とされる計算は、連続的なトルクについて７０℃の温度限界を想定した。ペイロードをサポートするためにシステム内の１つのアクチュエータがこの温度制限を超えなければならない幾何学的形状は過熱と分類されて除外される。非常に大きなスロットピッチ及び導体容積を備える幾何学的形状は過熱する。何故ならば、上流のアクチュエータは、下流のアクチュエータをサポートするのに十分な連続的トルクを生成することができないからである。それらはアクチュエータの重量によって制限される。非常に小さなスロットピッチ及び導体容積を備える幾何学形状は過熱する。何故ならば、上流のアクチュエータは、ペイロードを支持するのに十分な連続的トルクを生成することができないからである。それらはペイロード重量によって制限される。あらゆる特定のシステムにとって最適な幾何学的形状は、システム要求を満足する十分なトルクを生成すること及びアクチュエータ重量を最小限に抑えて総電力消費を減少させることの間のバランスである。
【０４４０】
図１０１は、ロボットアーム２３４８上の電気機械のための取付け構成を示している。構成（セットアップ）は、図１０１に概略的に示されるようであってよく、３以上（３つ又はそれよりも多く）のアクチュエータを備える。電気機械２３５０及び２３５２は、例えば、図５６に示されるように、開示の新規な特徴のうちのいずれか１以上を用いて開示されたように設計されてよい。電気機械２３５０及び２３５２は、この例において、アクチュエータとして作動し、よって、そのように言及される。アクチュエータ２３５０は、任意の適切な手段によってロボットアーム２３４８の第１のハウジング又は構造部分２３５４によって支持される。電力は、適切な電源（図示せず）からケーブル２３５６によってアクチュエータ２３５０に供給されてよい。ハウジング部分２３５４は、支持構造、例えば、（概略的に例示される）壁２３５５又はロボットの他の部分に取り付けられてよい。
【０４４１】
第２のハウジング部分２３５８は、アクチュエータ２３５０のロータ２３６０に固定される。アクチュエータ２３５２は、アクチュエータ２３５２がアクチュエータ２３５０によって支持されるように、任意の適切な手段によってハウジング部分２３５８に固定される。電力がケーブル２３６２によってアクチュエータ２３５２に供給されてよい。アクチュエータ２３５２のロータ２３６４は、任意の適切な手段によってロボットアーム２３４８の第３のハウジング部分２３６６に固定される。図１００に例示する更なるアクチュエータは、ハウジング部分２３６６に組み込まれてよく、このアクチュエータは、図５６に従って作られてよく、ケーブル２３６８から電力供給されてよい。アクチュエータ２３５０，２３５２及びアーム上の他のアクチュエータは、支持体２３５５から距離の増大を伴って、より小さく作られてよい。ロボットアーム２３４８上の任意のアクチュエータ、例えば、アクチュエータ２３５２は、３６０度回転を有するようアームに沿って十分に離間させられてよい。
【０４４２】
［中実で積層されたステータ又はロータ構造］
幾つかの実施形態では、積層(laminated)ステータ又はロータが使用されてよい。図１０３には、積層ポストステータ構成が示されている。この例示的な実施形態は、積層ポスト２３８２のアレイを受け入れるスロット２３８０のアレイを有する。バック鉄心ディスク２３８４は、ここに示されるような中実構造(solid  construction)又は焼結構造(sintered  construction)又は積層構造(laminated  constructions)であることができる。磁束の線は、軸方向磁束モータ内で概ね接線方向に進むので、有効なラミネート構造(laminate  structure)は、接線方向に整列させられた各ポスト及びバック鉄心のためにラミネートを有する必要がある。この整列を達成する１つの方法は、各ラミネート層の間で接着剤層を用いて、テープのロールのような一片のラミネートをしっかりとした螺旋に巻くことである。コイルが硬化させられた後に、機械加工プロセスによって材料を除去して、放射状ポスト及びスロットを形成する。
【０４４３】
開示の範囲内の特徴を備える電気機械の実施形態の多数の比較的小さなポストは、ステータの構成において可能な限り少ない部品を使用することを望ましいものにする。ラミネートが使用されるならば、図１０４に示すように径方向に整列させられたラミネートの使用によって積層部品の数を減らすことができる。この実施形態の構造の欠点は、バック鉄心２３８４を通じてポスト間を鎖交（リンク）する磁束が積層体層２３９０(lamination  layers)の間の１以上の絶縁層２３８８を通過しなければならないバック鉄心２３８４及び積層ポスト２３８２の接合部(junction)で、図１０４に概略的に示されている。（太線としてポスト２３８２に概略的に示される）絶縁層は、渦電流の減少のために有用であり且つ場合によっては必要であるが、それらはトルク及び効率の減少を結果として伴う磁束経路の磁気抵抗（リラクタンス）を増加させるエアギャップとして作用する。この構造の幾何学的形状の他の欠点は、開示の範囲内の特徴を有する電気機械の非常に薄いバック鉄心２３８４に起因する最小の接着線２３９２である。電気機械の実施形態のポスト２３８２上に非常に高い軸方向荷重を考慮すると、幾つかの用途についてこの接着線２３９２を頼りにするのは構造的に不健全なことがある。
【０４４４】
ステータポストがそれらのスロットから引き抜かれるのを防止すると同時に、磁束が如何なる絶縁層をも通過しないよう、ポストとバック鉄心との間の金属間接触を提供するのに役立つ構造が提案される。図１０５及び図１０６は、バック鉄心２００とポスト２４０２との間の鎖交磁束接続の大部分のための金属間接触並びに十分な引抜き強度をもたらすハウジング又はカバー部材２４１２及びステータ２３９８の積層ポスト構造の非限定的な例示的な実施形態を示している。必要な構造的完全性を達成するために、ポスト２４０２は、多数の機能を提供するのに十分なバック鉄心２４００を通じて延びる。拡張された材料は、テーパ状の棘２４０４(barb)の使用を可能にして、組立の容易さを可能にし且つ機械的な引抜き止め(pull-out  stop)を提供する。この非限定的な例示的な実施形態において、棘２４０４は、組立中にポスト２４０２の弾性変形を可能にするよう十分に長いスリット２４０６の近位にある。他の機械的手段を機械的な引抜き止めとして作用するよう使用し、一方の側からのポストの挿入を可能にし、引き続き、その側からのポストの引抜きに対する抵抗を提供する。例えば、ラチェットのような設計が使用されてよく、ポスト及びバック鉄心の表面は、ステータ内へのポストの挿入後にアクティブ化される、そのように行うように構成されるバネによって或いは他の機械的手段によって、表面への圧力の適用の下でそれらが引抜き方向に互いに越えてスライドするのを防止するように形作られる。
【０４４５】
バック鉄心２４００の背面を越えるポスト２４０２の突出区画２４０８は、カバー部材２４１２にある類似の幅のスロット２４１０内に挿入される。ある実施形態において、このカバー２４１２は、炭素繊維のような複合材又はアルミニウムのような軽量材料で作られる。ポスト２４０２の突出区画２４０８の表面積は、カバースロット２４１０との結合が、開示の範囲内の特徴を有する電気機械の実施形態の高い磁力に打ち勝つのに必要な剛性をアセンブリに加えるのを可能にするのに十分である。図示の実施形態は、ポスト毎に突出区画２４０８を備える、１つの中央ラミネート２４０９を含む。しかしながら、突出区画を備える１つよりも多くのラミネートをポスト毎に使用することができる。
【０４４６】
重量軽減のために並びに冷却流体の流れのためにカバー部材２４１２の内面にあるスロット２４１０の間の放射状の空間２４１４を使用することができる。同様に図１０６に示されているのは、より短いラミネート２４１８が棘２４０４を含まないとしても、突出する中央ラミネート２４０９を通過する並びにポスト２４０２上の軸方向により短いラミネート２４１８を通過する、ポスト２４０２にあるスリット２４１６の使用である。これは、突出する（複数の）ラミネート上の棘２４０４が組立中に曲がることを可能にすることができる。
【０４４７】
この例示的な実施形態の各ポスト２４０２は、ステータスロット２４２０内への挿入前にサブアセンブリ内に一緒に接着される。次に、導体（図示せず）をポスト２４０２の周りに巻き或いは配置し、次に、導体をポッティング化合物で埋め込む。カバー部材スロット２４１０の安定化効果に加えて、ポッティング化合物は、積層ポスト２４０２に円周方向の強度及び剛性をもたらす働きをする。
【０４４８】
積層ポストについてここに示すのと類似の保持特徴と共に粉末金属又は固体材料を使用することができることに留意のこと。ポストのために固体材料又は粉末金属が使用されるならば、一体構造のポスト及びバック鉄心を作ることは、余り複雑でなく、余り高価でなく、機械的により強いと考えられる。
【０４４９】
磁束経路の完全性は、この例示的な実施形態では、図１０７で実証するような、より長いラミネート２４０９の側面での軸方向により短いラミネート２４１８の使用によって達成され、その部分２４０８はバック鉄心２４００を通じて突出する。低磁気抵抗鎖交磁束２４２４のためにステータバック鉄心２４００とポスト２４０２との間の十分な金属間接触を達成するために、図１０７に示すように、バック鉄心２４００とラミネート２４０９との間の接合部２４２６での並びにバック鉄心２４００とラミネート２４１８との間の接合部２４２８との間での全ての絶縁は除去される。残余の絶縁２４３０は、ポスト２４０２の１つに太線として概略的に示されている。２３８８での図１０４の例示的な実施形態の磁束経路からの絶縁の除去とは異なり、２４２６及び２４２８での図１０７における絶縁の除去は、低磁気抵抗鎖交磁束２４２４のためにラミネート２４０９とバック鉄心２４００との間及びラミネート２４１８とバック鉄心２４００との間の両方の金属間接触をもたらす。
【０４５０】
図１０７に示す例示的な実施形態において、中実なバック鉄心ディスク２４００の使用は、バック鉄心が磁束経路（図示せず）の比較的小さい部分であることの故に並びにバック鉄心２４００がポスト２４０２の磁束密度と比較して磁束密度を減少させるのに十分な程に軸方向に厚くあり得ることの故に、１００％中実なステータ及びポストと比較して渦電流を実質的に減少させると考えられる。渦電流及びヒステリシス損失は磁束密度と共に増加するので、積層ポストの利益が価値のあるものと見做される特定の用途について、鉄又はコバルト又はニッケル合金のような固体金属で作られるバック鉄心ディスクの使用は、十分な効率及び所要の構造的な完全性をもたらすことがある。バック鉄心のために使用される固体材料では、低い導電率（及び高い熱伝導率）並びに高い磁束密度を備える合金が使用されてよい。
【０４５１】
突出するポスト区画をカバーのスロットに接着することを、エポキシ又は他の接着剤又はははんだ又は鑞接又は超音波溶接等で行うことができる。高強度はんだは、冷却に役立つ良好な熱伝達を提供するという利点を有する。
【０４５２】
［アルミニウム導体コーティング構築及び方法］
開示される電気機械のいくつかの実施形態は、コーティングされた（coated）アルミニウム導体を含む。電気機械のためのアルミニウム導体の製造及びコーティングのプロセスが開示され、これは、導体の高い放熱及び低コスト製造が可能なような方法で、電気絶縁のために導体上に陽極酸化処理された表面仕上げを形成することを含む。記載される手順は、特に、開示された範囲内のモータ／アクチュエータと組み合わせて使用されるとき、高い電流密度を達成するために、様々な構成及び組み立てステップを利用し得る。このプロセスは、限定されるものではないが、電気機械の実施形態などの電気機械の製造に使用され得る。
【０４５３】
開示された電気機械のこの実施形態、及び電気機械一般に関して、軽量、良好な熱伝導及び低コストを有する導体構造を作製することが有益である。電気モータ導体は、一般に、ポリマーコーティングで予め絶縁された銅線又はアルミニウム線又は箔（foil）から作られる。アルミニウムの利点には、銅と比較して、体積当たりのはるかに少ない重量及び低いコストを含む。アルミニウムのマイナス面は、それが銅よりも高い電気抵抗を有し、同じ電流密度に対してより多くの熱を生成することである。アルミニウム導体を予備絶縁する１つの方法は、陽極酸化処理された表面仕上げを使用することである。陽極酸化処理することの利点は、一般的なワイヤ導体に使用される例示的なポリマーフィルムと比較して、組立中にワイヤを保護する非常に硬い表面、高い誘電強度、及び２から４倍優れた熱伝導率である。
【０４５４】
陽極酸化処理されたアルミニウム導体は、低コスト、高表面強度及び軽量の可能性を提供するが、それらは典型的にはいくつかの点で制限される。
【０４５５】
１つの問題は、鋭いエッジに関する。図１０８に示すように、シュウ酸又は硫酸陽極酸化処理のような陽極酸化処理は、元のアルミニウム表面に対して垂直に外向き及び内向きに酸化アルミニウムの層３１１０を「成長させる」。これは、コーナーギャップ（corner  gap）３１０８と呼ばれる、鋭いエッジに、より絶縁の少ない領域又は非絶縁領域を残す。コーナーギャップはエッジギャップとも呼ばれ得る。結果として、陽極酸化処理されたアルミニウム導体は、これらの非絶縁部分が形成されるのを防止するために丸みを帯びたエッジを必要とする。これらの縁を丸くすることは、それが追加の機械的又は化学的処理を必要とするので高価である。硬い陽極酸化処理による良好なエッジカバレッジのために０．３８１ｍｍ（０．０１５インチ）の半径が必要であることが知られているので、０．７６２ｍｍ（０．０３０インチ）の最小導体厚さが必要とされる。これは非常に厚い導体であり、多くの用途ではスロット内の少ない巻数のために、許容できないほど高い電流を必要とする。
【０４５６】
平坦、円錐状等の導体３１００が、例えばレーザ、ダイ、ナイフ、パンチング又はファインブランキングプロセス等により形成されるとき、例えば化学的又は機械的処理プロセス等でこれらのエッジを丸めることは、減少した導体断面積ももたらす。これは、所与の電流に対するより高い電流密度及びより高い熱生成、並びにこの熱をスロットの上部又は底部に伝達するための導体層間の表面積の損失をもたらす。これらの３つの効果の組み合わせは、同じ厚さ及び幅の鋭い角のある導体（sharp  cornered  conductors）の使用と比較して、電気機械において著しく高い温度を生成するのに十分である。
【０４５７】
これらの原理はまた、銅又はアルミニウム（又は他の導電性材料）導体上のポリマーコーティング絶縁体にも当てはまるが、異なる理由のためである。ポリマーコーティングシステム（polymer  coating  systems）の表面張力は、鋭いエッジからコーティングを引き離す傾向があり、このため、ワイヤ又は導体のエッジが丸くされる場合、より均一なコーティングを生成する。
【０４５８】
２つの例示的な実施形態の概略的なステータ部分の比較が図１０９及び図１１０に示されている。一方のステータは、鋭いエッジを持つ導体を有し、他方のステータは、丸いエッジを持つ導体を有する。両方のステータは開示された範囲内にあるが、原理は、利益のある割合を伴って開示された範囲外のステータに適用される。導体は、幅２５４ｃｍ（１００インチ）、０．０５０８ｍｍ（０．０２０インチ）である。図１０９のステータは、３９０Ｗ／（ｍ＊Ｋ）の熱伝導率を持つ銅導体３１３０と、丸いエッジ及び０．１７Ｗ／（ｍ＊Ｋ）の熱伝導率を持つポリマーコーティング３１３４とを有しているが、図１１０に示された実施形態は、２２０Ｗ／（ｍ＊Ｋ）熱伝導率、鋭いエッジ、及び厚さ０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）且つ０．７５Ｗ／（ｍ＊Ｋ）の熱伝導率の硬質陽極酸化処理（ハードアルマイト）コーティングを持つアルミニウム導体３１１０を示している。同じ厚さ及び幅の場合、方形導体は、〜５％大きい断面積、〜２０％高い隣接する層との熱伝導接触面積、及びほぼ２倍のポストとの潜在的熱伝導接触面積を有する。電流密度に関連するｉ２損失のために、丸い導体の断面積の５％の損失は、約１０％の許容電流密度の減少をもたらし、一方、２０％から３０％の丸い導体間の熱伝導表面積の減少は、３０％まで又はそれより多い所与のステータ温度に対する電流密度の減少をもたらし、これは、可能なモータ性能の相当な低下である。これらの理由から、ファインブランキングのような高速加工でアルミニウム導体を形成することができ、その後エッジを丸めることなくそれらを陽極酸化処理するコスト上の利点と相まって、この導体方法及び構造は、著しいコスト及び性能上の利益をもたらす。開示された導体構成は、正方形／鋭いエッジの付いたアルミニウム導体の使用が、陽極酸化処理のような高熱伝導電気絶縁体と組み合わされるとき、アルミニウムのより高い電気抵抗が、銅と比べて、ある場合には、銅導体上のポリマー絶縁コーティングと比較して、アルミニウムの断面積の増大および陽極酸化処理層の熱伝導の増加によって、部分的に又はそれ以上に相殺されることができることが、ＦＥＡ解析によって示されている。
【０４５９】
ＦＥＡ熱伝導解析に基づいて、アルミニウム導体のより高い伝導率及び熱伝導表面積の効果は、この例では、アルミニウムの導体が高抵抗で約５０％多くの熱を発生しているにもかかわらず、銅導体の例と同様の最大導体温度を維持するのに十分であることが見出されている。したがって、同様の最大導体温度を持つポリマーコーティングされた銅導体と比較して、陽極酸化処理されたアルミニウム導体の利点がある。アルミニウム導体はより多くの電力を必要とするが、銅導体の重量の１／３であるため、この増加した電力は、アクチュエータ質量の減少及び増加したＫＲによってある程度相殺される。陽極酸化処理されたアルミニウム導体の課題は、多くのプロセスで０．２５４ｍｍ（０．０１０インチ）以下のエッジ半径での良好なエッジカバレッジを達成することである。これは、導体が０．０５０８ｍｍ（０．０２０インチ）より厚く、好ましくは最小０．７６２ｍｍ（０．０３０インチ）であることを必要とする。これは、より薄い導体がより多くのターン（巻き）（turns）を可能にすることによって必要な電流を減少させる多くのモータ用途には好ましくない。これは、０．０５０８ｍｍ（０．０２０インチ）以下の導体が鋭いエッジを保護する表面仕上げコーティングシステムから利益を得る状況をもたらす。
【０４６０】
実施形態では、電気機械は、陽極酸化処理されていない鋭いエッジを保護する方法を提供しながら、増加した断面積を提供するよう鋭いエッジを残す低コストの製造プロセスを利用し得る。実施形態では、エッジ保護システムはまた、スロットに導体を固定する方法を提供するように働く。この実施形態はまた、スロットに導体を固定するとともに冷却流体にさらされる導体表面積の高い割合を提供するために、鋭いエッジ絶縁方法を使用する。
【０４６１】
鋭いエッジを持つアルミニウム導体を絶縁するプロセスの非限定的な例は、以下の通りである。アルミニウム導体３１００は、ステータポスト間に積み重ねることを意図された特定のパターンに、アルミニウムのシートから、パンチング又はスタンピング又はファインブランキング又はレーザ切断等され得る。アルミニウム導体は、適度に四角いエッジを残す方法によって作られるべきである。これは、陽極酸化処理された表面が鋭いエッジの外側に形成するのを防ぐので、表面張力が液体誘電体材料を保持する傾向がある、又はエッジの増加した静電荷が誘電体粉末コーティング材料を引き付ける傾向がある。多くの種類のアルミニウムが使用されることができる。１１００シリーズアルミニウムは、この用途に有益な高い電気及び熱伝導率を有することが知られている。積み重ね可能な平坦な導体の２つの隣接する層３１０２が、図１１１に組み立て前に並べて示されている。この図に示される導体は、交互の順序で積み重ねられるように設計されている。各導体層Ｅ３１０２は、電流の流れのための導電経路として働く。各導体層は、導体を通る電流の流れを可能にするように回路に接続され得る一対の接触タブＥ３１０６を含む。多くの異なる平坦及び非平坦のアルミニウム導体構成が、本明細書に開示される導体絶縁システムの態様と組み合わせて使用されることができる。
【０４６２】
導体は、次に、陽極酸化処理後且つ層３１０２を一緒に接続する前の準備時間を短縮するために、接触タブ３１０６でマスクされ得る。部品は次いで表面の残りの上で陽極酸化処理される。陽極酸化処理プロセスは、上面、底面及び側面のコーティング及び保護を確実にする。元のアルミニウム表面に対して垂直に成長する陽極酸化処理層３１１０のために、陽極（anodic）コーティングの任意の直交面は、それらの間にコーナーギャップ３１０８を形成する（図１０８）。
【０４６３】
鋭いエッジをポリマーでコーティングする場合、表面張力が鋭いエッジにおけるコーティングを薄くすることをもたらすことが予想される。同様に、しかし異なる理由で、アルミニウムに適用される陽極プロセスは、コーティングの垂直成長のために、全ての鋭いエッジにおいて保護されていない領域を生成する。しかし、これらのコーティング方法の両方がそれ自身では不十分であるが、誘電ポリマーコーティング３１１２が続く陽極コーティング３１１０の逐次的組み合わせは、陽極酸化処理プロセスによって生成されたギャップ３１０８が液体ポリマーを陽極被膜３１１０のギャップ３１０８に引き入れる表面張力効果をもたらす、好ましい条件を作る。
【０４６４】
ポリマーコーティング３１１２は、導体を浸漬すること又は導体に噴霧することによって適用されることができる。ワニスのような多くの異なるポリマーまたは他の液体コーティングが使用されることができる。エポキシコーティングが使用される場合、それはＢ状態に硬化又は焼成されることができ、次に、最終的な硬化段階が、全ての導体が最終的にステータに組み立てられた後に適用されることができる。全てのコーティング及び硬化プロセスの間、陽極コーティングの垂直表面間に形成されるメニスカスが、多くの用途のために十分に厚いポリマーコーティングを維持するように、適切なプロセス制御によって、好ましい条件を維持することが可能であると考えられる。図１１２は、陽極酸化処理された導体の表面上の誘電コーティングを伴うコーティングされた導体の例を示す。陽極コーティングは平らな表面上で非常に有効であるため、全ての表面上の薄いコーティングは、絶縁のための多くの用途において必要ではありません。低粘度のポリマーでは、ポリマーのエッジギャップへの流れを確実にすることができると同時に、加熱又は別の最終的な接着プロセス条件によってステータに導体を固定する最終組立中に使用されることができる導体の残りの部分の上にコーティングの薄い層を設けることができると考えられる。図１１３は、誘電コーティングするとともにコーナーをコーティングすることによって形成される凹メニスカスの期待される結果を示す。導体層を硬化又は焼成する際、導体層は一体構造を生成するように積み重ねて一緒に硬化又は焼成され得る。
【０４６５】
組み立てられた状態における開示された電気機械の一実施形態では、マスクされたタブ３１０６は、図１１４に示されるように、導体のペアがステータ３１１６のステータポスト３１１４の間に積み重ねられた状態で導体３１００が層状に積み重ねられた後に、はんだ付けされる又は溶接される。これらの領域は、全ての層の組み立ての間又は後に、スポット溶接、レーザ溶接、又はプラグ溶接又は機械的手段によって接合されることができることに留意されたい。最後のステップは、例えば、誘電コーティングを溶融させ且つ硬化させると共に、導体を共に及びステータに接着するために、組み立てられた構成要素を焼成することを含み得る。
【０４６６】
このコーティングシステムは、いくつかの有用な特徴及び利点を有する。１つの利点は、低コスト且つ本質的に高精度の利点を有する、例えばファインブランキングによる導体部品の高速製造の可能性である。エッジを仕上げる必要性が最小限である又は必要なく、これは、コストを削減し、（アルミニウムを含む）より大きい表面積は、銅（均一なコーティングを達成するために丸みを帯びていなければならない）に比べてアルミニウムのより高い抵抗を相殺するのに役立つことを可能にする。バリ取りプロセスが有用かもしれないが、最小限の処理しか必要としない。
【０４６７】
開示されたコーティングシステムは、銅よりもコストが低く、重量の３分の１のアルミニウム導体の実用化を可能にする。コーティングシステムは、ポリマーコーティングよりも硬い非常に硬質の陽極コーティングをもたらし、損傷なしにステータとのより密接なフィット（tighter  fit）を可能にする。硬質陽極コーティングはまた典型的には、場合によっては３又は４倍、ポリマーコーティングより高い熱伝導率を有する。コーティングシステムは、アルミニウム導体が、すべてのエッジで０．２５４ｍｍ（０．０１０インチ）−０．３８１ｍｍ（０．０１５インチ）の半径を可能にするよう、既知の０．０５０８ｍｍ（０．０２０）−０．７６２ｍｍ（０．０３）の最小厚さよりはるかに薄くなることを可能にする。より薄い導体は、より多い数のターンを提供することによってより低い電流を可能にする。開示された機械のいくつかの実施形態では、薄い層はまた、導体の直接冷却のためのスロット当たりのより大きい表面積も提供する。
【０４６８】
コーティングシステムは、同じ相を有する導体層と共に使用される場合に、開示された機械の実施形態で特に良好に機能する。実施形態では、セクション内の全ての層が同じ相であるため、相間に最小電位が存在する。これは、より薄い陽極及びポリマーエッジコーティングを可能にする。異なる相からの導体の織り交ぜ（interweaving）がないことは、層状構造を可能にする。導体の最小の弾性及び最小の塑性変形又は塑性変形がないことは、脆い陽極コーティングが組み立て中に元のままであることを可能にする。
【０４６９】
鋭いエッジを持つアルミニウム導体を絶縁するプロセスの別の非限定的な例は、粉末コーティングを含む。粉末コーティングは、典型的には、粉末の反対の静電荷を持つ部分にポリマー粉末の均一なコーティングを塗布するために使用される。粉末はその後、例えば導体層を焼成することによってのような、通常、熱の形の、エネルギの適用によって、連続的なコーティングとして部品に融着される。導体層は、一体化された構造を生成するために積み重ねて焼成されてもよい。鋭いエッジを持つアルミニウム導体は、反対に帯電した誘電体粉末で噴霧されることができる又は反対に帯電した誘電体粉末の流動床に浸漬されることができる。陽極酸化処理層は、静電荷が粉末と平坦な頂部及び底部及びエッジ表面との間に適切な引力を生じさせることを減らすように絶縁体を提供すると考えられている一方鋭いエッジにおけるより絶縁されていないギャップは、導体エッジへの粉末の引力の偏りをもたらすと予想される。次に、導体はスプレー又は流動床から取り出され、導体に半溶融又は完全に溶融され、半硬化又は完全硬化される。エポキシ誘電体粉末が使用される場合、エッジがコーティングされた後に粉末は部分的に硬化され得る。導体は次にステータに（又はコアの周りに、又は電気機械の他の側面に）組み立てられます。最終組立後、エッジコーティングは完全に硬化され、プロセスにおいてステータ及び他の導体に結合される。
【０４７０】
プロセス条件に依存して、エッジの粉末コーティングは、陽極コーティングにおけるエッジギャップの部分的又は完全な又は完全を超える被覆（coverage）を提供することができると予想される。図１１５は、鋭いエッジにおけるギャップの完全な被覆を伴う例示的な実施形態を示す。図１１６は、完全な被覆を超える例示的な実施形態を示す。別の例示的な実施形態は、図１１７に示されるように、熱可塑性又はエポキシ又はワニスのような第２のポリマーコーティング３１２０が、導体が最終組み立てにおいて一緒に接着されることを可能にするための接着層を提供するよう、導体層に塗布された状態の、図１１５又は図１１６に示される実施形態を含み得る。
【０４７１】
追加の接着剤３１２０が使用されるかどうか又はエッジパウダーコーティングが接着剤として使用されるかどうかにかかわらず、実施形態は、限定するものではないが、導体間のＰＥＥＫ又はＵＨＭＷのような除去可能な材料の薄い層とともに組み立てられることができる。部品はその後、例えば熱で硬化され、次いでスペーサ層が引き出されることによって除去される。
【０４７２】
図１１８は、１つ又は複数のスロット内の１つ又は複数の導体層３１０２の間にスペーサ３１１８を持つ組み立てられたステータ３１１６及び導体３１００の断面図を示す。図１１９は、粉末エッジコーティングが導体にそれぞれ及び／又はポスト側壁に接触及び接着している状態のスペーサ除去前の導体及びスペーサの断面図を示している。これらの最小接着点を有することは、導体からステータへの伝導熱放散を減少させるが、より大きな表面積が、導体から熱を奪うために使用されることができる空気又は液体又は多相流体のような冷却流体にさらされることを可能にする。
【０４７３】
ＰＥＥＫ又はＵＨＭＷのような材料は、分子がより整列され且つプラスチックがその強度の高いパーセンテージを保持する第２の材料条件に伸張するが、スペーサとして使用されるとき、導体層の間からの除去を可能にするようにかなり薄くなる。ＰＥＥＫは伸長されるときに非常に強いことが判明しており、典型的な熱硬化プロセスに耐えることができるように非常に耐熱性でもあるが、ＰＥＥＫは離型コーティング又はそれに接着しない接着剤と共に使用されなければならない。ＵＨＭＷはそれほど強くはないが、離型剤なしの除去を可能にする優れた離型特性を有する。
【０４７４】
スペーサ３１１８の構成要素が除去されているステータ３１１６の単純化された断面が、図１２０に示されており、材料を引き伸ばした結果としてのスペーサの断面が薄くなっている。例えば、厚さ０．１０１６ｍｍ（０．００４インチ）のＰＥＥＫのような材料は、厚さが僅か０．０７６２ｍｍ（０．００３インチ）である新しい塑性変形モードに伸張する。これは、スペーサの除去のための０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）のクリアランスを提供する。スペーサの伸張そしてその結果としてスペーサの薄化は、スペーサの長さに沿った導体との摩擦又は結合と、スペーサの外部に位置する端部に加えられる張力の結果として起こる。スペーサが伸びて薄くなるにつれて、摩擦又は接着接触面の前縁は、十分なスペーサが、スペーサの完全な除去を可能にするように引き伸ばされる／薄くされるまで引っ張られる外部端の反対方向に進む。
【０４７５】
ポリマー又は他の接着剤の代わりに、十分に高い温度の粉末コーティングが使用される場合、金属はんだが、導体を一緒に及びステータに接着するために使用されることができると考えられる。これは、ポリマーと比較して非常に高い熱伝導の利点を有する。
【０４７６】
記載された構造の陽極酸化処理された導体は、アキシャル磁束機械、ラジアル磁束機械及びリニアアクチュエータを含むが、これに限定されない様々な電気機械で使用されることができる。
【０４７７】
［非平面ロータ及びステータを持つ例示の電気機械］
電気機械のいくつかの実施形態は、ディスクの平面を通って延びる孔を持つ、環状ディスクを有するロータを有する。いくつかの実施形態では、孔は内縁部と外縁部との間に延在し、他の実施形態では、孔は、ディスクの途中までしか延びていなくてもよい。ディスクの平面に直交する断面の平面を持つ、断面が円形である孔は、ロータに半円アーチ支持（roman  arch  support）を提供することができ、ロータに剛性を与える。ロータにおける孔の使用は、ロータにおける材料の量が減少させ、より小さい質量をもたらす。孔は、完全に半径方向には延びていないが、半径方向に延びてもよい。しかし、スパイラル配置のような他の配置も可能である。孔はスロットと平行であってもよい。孔は、軸平面（axial  plane）上への投影上でスロットと整列してもよい。孔及びスロットは、開口によって接続され得る。ロータは、鋼又は鉄のような材料の一体部品から製造されてよく、ロータポストは、一体部品から形成されてよい。ポストは、ロータの内縁部と外縁部との間に延び得る。ロータポストは、内縁部と外縁部との間に直線を画定することができ、互いに実質的に平行であり得る。このような構成は、磁石挿入を容易にすることができる。ポストは、磁石の保持を向上させるために、軸方向の高さを有する円周方向の厚さの逆テーパ（狭窄）を有してもよい。両面ロータでは、ロータの両側にポストがあってよく、ディスクの一方の側のポストは、軸に垂直な平面に投影されるディスクの反対側のそれぞれのポストと位置合わせされ得る。ロータは、低密度マグネシウム又はアルミニウムリングで補強されてもよい。ロータの軸方向断面は、中心からの異なる半径方向の距離において異なる厚さを有し得る。特に、ロータは、内側の半径よりも大きく且つ外側の半径よりも小さい、ロータの中心からの半径方向の距離におけるより小さい軸方向高さを有し得る。
【０４７８】
穴を持つロータを有する、上述の実施形態は、いくつかの利点を有する。ロータの質量は、より少ない材料を有するので、減少する。磁石の断面と比較して、磁束経路と整列した接線方向におけるロータの小さい断面は、低い漏れ磁束及び高い可能な磁束密度をもたらし、テーパ磁石を使用することによってさらに増加する。半円アーチ支持は剛性を与える。拡張された薄いセクションが存在しないことは、全ての応力領域において曲げ荷重ではなくせん断荷重をもたらす。屈曲を引き起こす相当の長さの薄い部分はない。応力は比較的低いので、Ｄｕｒａｂａｒ（商標）のような低コストの材料が、十分な剛性を達成するために使用され得る。ロータは、内側軸受のみで構成されることができ、これは、コスト及び製造の複雑さの点で有利であり、力の検知を可能にする。統合エンコーダが使用され得る。永久磁石間の力は、通常、プロセス中に存在する永久磁石により組み立てを困難にするため、ロータの組み立て後の磁石挿入の可能性も有益である。テーパ界面（tapered  interface）は、ロータ材料との永久磁石の完全な接触を可能にし、より小さい製造公差を可能にし、トルクのわずかな増加をもたらす。テーパスロット（Tapered  slots）は、軸クリアランスを提供するために斜めに十分なシャンクを備えた小さいエンドミルの代わりに大きなディスクカッタを使用して製造され得る。
【０４７９】
電気機械のいくつかの実施形態は、内側エッジに１つの軸方向の高さ又は厚さ、及び第２のエッジに第１の軸方向高さと異なる第２の軸方向高さ又は厚さを示すロータと、相補形状のステータとを含む。例えば、第２の軸方向の高さは、第１の軸方向の高さよりも大きくてもよい。例示的な実施形態は、円錐形ロータ及びステータを有する。円錐形ロータ又はステータは、類似の平面状ロータ又はステータよりもはるかに高い剛性をそれぞれ有することが分かっている。高い剛性は、非常に一貫した小さなエアギャップが維持されることを可能にする。
【０４８０】
図１２３は、ロータの内側および外側の低密度マグネシウム又はアルミニウムリング３２１２、３２１４で補強された円錐ロータ３２００の例示的な実施形態の断面を示し、ロータは鋼又は鉄で製造され得る。円錐ロータは代わりに、例えば、双曲線又は放物線形状を有する、任意の非平面の回転面であることができる。ロータは軸を有し、環状ディスクの各側から軸方向に延びる円周方向に離間したキャリアポストを有し得る。このような円錐形の装置では、ロータは可変の軸方向厚さを有し、内側では、軸に近いほど、外側より軸方向が薄くなるが、この差は、ロータが外側で軸方向に薄いように、逆転されてもよい。
【０４８１】
図１２４は、マグネシウム又はアルミニウムリングを除去された状態の図１２３の実施形態の拡大断面図を示す。たとえマグネシウムリングがなくても、最大の断面がわずか０．３８１ｍｍ（０．０１５インチ）であるにもかかわらず、ロータは非常に堅い。ステータスロットは、テーパであってよい。アキシャル断面の双曲線形状は必須ではないが、低質量のロータの構成を可能にし、高速加工に適している。円錐形又は丸穴３２２２は、ロータのバック鉄心３２２０に穴開けされ、スロット３２２４は、ディスクカッタでカットされてもよい。どちらの操作も非常に高速である。このような構造は、質量が最小化されることを可能にする一方で、全ての薄いセクションに半円アーチ支持を提供し、強度と剛性のバランスをもたらす。重要なことには、拡張された薄いセクションはない。したがって、磁束に関して多くのボトルネックがあるが、屈曲するかなりの長さの薄い部分はない。従って、全ての応力領域は、曲げ応力よりもせん断応力を受ける。ポスト３２２６の間の断面積は最小であるが、剛性は高い。
【０４８２】
ロータの２０％における計算解析の出力は、５００Ｎの力の半分では、たわみが０．０１２７ｍｍ（０．０００５インチ）未満であり、最大応力はわずか２０００ｐｓｉであることを示している。
【０４８３】
図１２３から図１２７に示されるロータの例示的な実施形態は、いくつかの利点を有する。円錐形と半円アーチはかなりの剛性を与え、これは、必要な最小エアギャップの維持に重要である。この実施形態は、（磁束経路に整列した接線方向の）磁石断面と比較して非常に小さい断面に起因する最小の磁束漏れ、並びに最小漏れ経路及びテーパ磁石に起因する最高の可能な磁束密度を示す。この構造は軽量であり、内側軸受だけで構築されることができる。これは、コスト上の利点を提供し、力検出を可能にする。統合エンコーダが使用され得る。
【０４８４】
テーパ界面は、ロータの材料との永久磁石の完全な接触を可能にし、より小さい製造公差を可能にする。さらに、この構造は、ロータの組み立て後に永久磁石が挿入されることを可能にする。磁石間の激しい力のために永久磁石の組み立ては非常に困難な場合があるので、組み立て後の挿入はかなりの安全性とコスト上の利点である。機械的磁気保持は、近くの磁石間の強力な磁気反発を伴う構成に対して特に重要である。最小の漏れ経路とテーパ磁石は高い磁束密度を提供する。応力が低いので、低コストの材料が可能である。
【０４８５】
多数の小さい特徴部のため、機械加工は非常に時間がかかることがあるが、テーパスロットは：軸クリアランスを提供するために斜めに十分なシャンクを備えた小さいエンドミルの代わりの大きいディスクカッタの使用；ＰＭの機械的保持；及び〜５％高いトルク；を可能にする。ジオメトリは、Ｄｕｒａｂａｒ（商標）のような低コストの材料の大部分の利益を達成する能力を提供する。
【０４８６】
［冷却フィンを有する特定の実施形態］
開示された範囲の装置の幾何学的形状は、例えば、０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）以下の低さから、０．２５４ｍｍ（０．０１０インチ）以上までのような、ステータとロータとの間のエアギャップの範囲にわたって、トルク対重量（torque-to-weight）及びＫＲの利点を提供する。開示された範囲の高い磁極密度は、開示された範囲外の所与の直径のモータと比較して、より小さいエアギャップから恩恵を受ける傾向がある著しく短い磁場をもたらす。解析及び実験により、１７５ｍｍ平均エアギャップ直径アクチュエータのための０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）のエアギャップは、本明細書に示される原理を実装することにより、合理的な製造公差で有益且つ達成可能であることが示されている。
【０４８７】
図１２８は、電源コネクタ及びエンコーダコネクタを含む組み立てられたアクチュエータの実施形態の軸方向の図である。図１２８に示すように、アクチュエータ３０００は、フィン３００４を有するステータ３００２と、ロータ３００６とを有する。ロータは、図１３２に示されるアセンブリである。電源コネクタ３００８及びエンコーダコネクタ３０１０は、アクチュエータの一方の側から延びる。ステータ３００２は、冷却、構造的な剛性及び磁束経路の供給のためのフィン３００４を有する。図１２９に示すように、ロータ３００６は、それぞれがフィンを有する２つのステータ３００２の間の中心面に沿って配置される。図１２９において、ロータは、磁石から半径方向内側に配置された出力リングを有する。ステータ３００２はハウジング３０１４に固定される。軸受３０１６はロータ３００６をハウジング３０１４に回転可能に接続し、アクチュエータハウジング３０１４の内側部分３０１８を分離し、セパレータリング３０２２はハウジングの外側部分３０２０を分離する。示されている軸受は、アクチュエータを一緒に保持するロータとステータとの間のほぼ一定の磁力を用いて与圧された（preloaded）アンギュラコンタクト軸受である。ロータ３００６は、永久磁石（ＰＭ）キャリア３０２４と、ＰＭキャリア３０２４によって担持されるＰＭ３０１２とを有する。ロータはまた、ＰＭキャリア３０２４に固定され且つ軸受３０１６によって内側ハウジングリング３０２６に接続される内側リング３０２６を有する。内側リング３０２６は、アクチュエータによって回転されることになる要素が接続され得る出力リング３０２８を有する。出力リングは、そのような要素を、固定リング３０５０に接続される他の要素に対して回転させる。軸受３０１６は、２つのレースの間に、この実施形態では、ハウジング３０１４の内側部分３０１８に接続される内径レース３０５２と、ロータ３００６に接続される外径レース３０５４との間に取り付けられる。ＰＭキャリア３０２４は、鉄合金又は鋼合金のような軟磁性材料で作られ、スロット（図１３２に示すスロット）の永久磁石のアレイによって磁化される。ステータは、鉄合金や鋼合金のような軟磁性材料で作られる。高い磁束飽和密度を有する軟磁性材料は、典型的には非常に高密度（dense）である。アクチュエータの重量を低減するために、電気機械の実施形態は、内側及び外側ハウジングリング並びにセパレータリングに低密度材料を使用する。使用できる材料は、アルミニウム合金、マグネシウム合金、又は炭素繊維複合材料のような複合材料を含む。
【０４８８】
シャフトがハウジングの内部で回転する場合、従来の軸受装置は、軸受のＩＤによって支持されるロータ（回転シャフト）と、軸受のＯＤを支持するハウジング（外部静止構造）とを有するであろう。軸受予圧は、軸受のＩＤ又はＯＤのいずれかに作用するねじ付きナット又はボルト締め付けリングのような機械的手段によって、典型的には軸受を互いに接近させようとする方法で提供される。従来の軸受装置が好ましい実施形態に適用される場合、それは、軸受のＩＤに接続するシャフトに取り付けられるロータを有し、ハウジングによって担持される軸方向の磁力は、軸受のＯＤを互いに近くに動かすように作用する。軸受アウターレースが一緒に軸方向に押される状態で、軸受インナーレースは、加えられた荷重に対して、外向きに作用する軸方向力で反作用を及ぼし、軸受を通る作用線の結果としての向きは、「対面（face-to-face）」構成として知られている。一対の軸受がそれらの間に短い距離、例えば軸受の直径よりも小さい場合（図１２８乃至図１３５及び図１３８乃至図１４０の実施形態の場合のように）、軸受予圧の作用線の「対面」の向きは、「背面（back-to-back）」配置よりはるかに低いモーメント伝達能力（moment  carrying  capacity）を有するシャフトアセンブリをもたらす。ロータのシャフトを軸受ＯＤに取り付け、（不明確な配置で）軸受ＩＤにおいてハウジングの内向きの作用力に反作用を及ぼすことにより、背面作用線軸受構成が達成され、これは、適切に軸方向に可撓性を有するハウジングと組み合わせて、ロータ及びステータの磁気吸引力が、軸受の平行な作用線間の幅広い分離をもたらすような方法で、軸受に予圧を加えることを可能にし、これにより、所与の軸受軸方向の分離距離に関するシャフト安定性を最大にする。
【０４８９】
図１３０は、層状導体（layered  conductors）３０３０の部分断面を伴う図１２８のアクチュエータのステータ３００２及びハウジング３０１４アセンブリの等角断面図である。図１３０に示されるように、ステータは、左側に電気機械の実施形態によるポスト３０３２、ステータの背面にスパイラル磁束経路冷却フィン３００４を有する。ステータは、鉄合金又は鋼合金のよう等方性材料の一片から作られ得る。スパイラル冷却フィン３００４は、少なくとも部分的に同じ等方性材料の片から作られてもよく、冷却のために表面積を増加させることに加えて周方向の剛性及び磁束結合機能を提供するために、主として円周方向の向きである。
【０４９０】
図１３１は、図１２８のアクチュエータのステータ３００２、内側ハウジング３０１８、外側ハウジング３０２０、及び例示的な層状導体３０３０の軸方向の図である。導体の相間の接続は示されていない。層状導体３０３０は、ポスト３０３２の周りに配置される。
【０４９１】
図１３２は、図１２８のアクチュエータのための集中磁束ロータポストアレイ３０２４と、ロータポストアレイ３０２４が固定されるロータ支持リング３０２６の等角図である。ロータポストアレイ３０２４は、バック鉄心を通る半径方向穴３０３６を画定するバック鉄心３０３４を含む。
【０４９２】
ステータと磁気的に相互作用するロータはアクチュエータの出力負荷を伝えないため、ここに示される軸方向磁束の実施形態は、非常に小さいエアギャップを達成するのに適している。代わりに、軸受３０１６は、出力リング３０２８とＰＭキャリア３０２４との間に配置されているので、出力負荷の変動は、ステータに対するＰＭキャリアの軸方向位置に最小の影響を及ぼす。この実施形態のステータは、互いに対するステータの軸方向移動を防止するアクチュエータのＯＤ上の軸方向スペーサリングによって正確な軸方向間隔に保持される。この構造は、装置が、各境界内の最小平均エアギャップ径アクチュエータのための０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）のエアギャップを達成し且つ維持することを可能にする。発明者は、それぞれの境界において最小のモータよりも大きいか又は等しいモータに対して、０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）のエアギャップが達成可能であると考えている。特定のモータのための望ましいエアギャップは、用途及び与えられた製造公差、並びに構造が遭遇する負荷を考慮して決定するのが最善である。
【０４９３】
ここで図１３３を参照すると、この実施形態は、平行面（parallel  sided）ＰＭ３０３８を持つ集中磁束ロータを有する。テーパ磁石がより高いトルクを提供することができることが示されているが、平行面磁石を使用することの単純さ及び低コストは、これを多くの用途にとっての好ましい実施形態にする。予め磁化されていないＰＭは、スロットに個別に挿入され得る、又は、磁性材料は、非固体状態の間に、注入、溶入、又は他の方法で挿入されることができる。その後、ロータ磁極に非常に高い磁束密度を印加することによってＰＭ材料を磁化させることが可能である。
【０４９４】
２つのＰＭアレイ間のロータのバック鉄心は、好ましくは、ＰＭをスロット内に磁気的に保持するように構成される。これは、組立工程を簡素化し、ロータへの機械的なＰＭ保持機能の必要性を排除する。ロータは、一方の軸方向側のＰＭを他方の側の同じ接線極性のＰＭと整列させて構成されることができる。代替的には、ロータのいずれかの側のＰＭは、反対の極性であることができる。この例示的な実施形態では、軸方向に整列したＰＭは、ロータの中心平面に向かって磁気保持力を提供するように反対極性である。正のＰＭ保持に必要であるより多くの磁束がバック鉄心を横切って連結することを防止するために、半径方向穴３０３６が、バック鉄心の中且つポストの間に、バック鉄心を通るロータポスト間に磁束経路制限部（flux  path  restriction）を作り出しながら、依然として剛性ポスト及びバック鉄心構造を維持するために、設けられる。ロータポストの内側に向かう軸方向穴のアレイ（図示せず）は、剛性ポスト及びエンド鉄心構造を維持しながら、別の磁束漏れ制限部を提供する。
【０４９５】
一組のアンギュラコンタクト軸受３０１６が、ハウジングがインナーレースに固定され且つロータがアウターレースに固定されてハウジング内にロータを支持するために使用される。ＮｄＦｅＢ５２のような高強度磁石の場合、ステータとロータとの間の全吸引力は、０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）のギャップを持つ１７５ｍｍ平均エアギャップアクチュエータに関して４００Ｋｇを超えることができる。この力は常に存在し、電磁力のステータ極の交互の極性から生じるロータポストの同時の吸引及び反発のために、合力（total  force）は、電力供給されて作動している間は１０％を超えて変化しない。この大きな吸引力は、所望のエアギャップを作り且つ維持するために支持されなければならない。開示された範囲内のモータの優先的に小さいエアギャップは、開示された範囲外のモータよりもより剛性の高い構造（rigid  structure）を必要とする。同時に、開示された範囲のモータで可能であり且つ装置の最大のトルク対重量の利点（full  torque-to-weight  benefit）を得るために必要な薄いバック鉄心は、より剛性の高い構造が軸方向に薄いステータを伴って達成されることを、これらが２つの本質的に競合する特性であるとしても、必要とする。要求される剛性を達成するために、装置の実施形態は、両方の軸方向の側部を引っ張る等しい磁力を有する中心ロータと、セパレータリング３０２２によってそれらのＯＤで堅固に接続されるロータの両側のステータのセットを使用する。ＯＤ上のセパレータリングは、ステータの外側領域３０２０がエアギャップを閉じるのを防ぐ一方、アンギュラコンタクト軸受３０１６は、ステータの内側領域がエアギャップを閉じるのを防ぐ。
【０４９６】
この構造の剛性に加えて、この実施形態は、ステータによるロータ吸引の軸方向力が、ステータ及び／又はハウジングのエンドプレートに十分な可撓性を許容することによって、軸受の遊びをなくし且つ軸受が片持ち荷重のための所定の設計限界まで予圧をかけ続けるよう軸受に十分な予圧を提供する、一貫した予圧を軸受に提供する。
【０４９７】
いくつかの場合には、軸受の磁気力は最大片持ち荷重に十分である。他の場合には、軸受は、ロータによって提供されるよりも高い予圧を必要とし得る。他の場合には、ロータによって生成される力は、軸受に必要又は望ましいよりも大きくてよい。ロータの力が軸受に予圧を提供するのによく適している場合、ハウジングは好ましくは、ロータ内のＰＭを差し引いた組立てられたロータ及びハウジングが、ハウジング接触をもたらすが、軸受に予圧を与えないように構成される。ハウジングは、好ましくは、軸受が予圧されるように、軸方向のハウジングの十分な弾性撓みを可能にするように構成される。
【０４９８】
この予圧が片持ち荷重の最大設計要件に耐えるのに不十分である場合、ハウジングは、磁力を有する軸受に初期機械的予圧を与え、組み立てられるときにこの予圧を増加させるように構成することができる。
【０４９９】
磁力が所与の軸受に対して必要又は望ましいよりも大きい予圧を提供する場合、ハウジングは、ハウジングが軸受に軸方向荷重を加えるように弾性的に撓まなければならないように、ＰＭがロータに取り付けられていない状態で組み立てられるように設計されることができる。この場合、磁気ロータ力の一部は撓んだハウジングと軸受との間に接触を生成し、残りの磁力は軸受の所望の予圧を提供する。
【０５００】
非常に軽量且つこれらの大きな力の下で一貫したエアギャップを提供するのに十分な剛性が高い構造を提供することが望ましい。軸受に予圧をかけるために磁力を用いることにより、留め具（fasteners）の必要性が低減又は排除される。これは、製造及び組み立てを単純化し、アクチュエータの複雑さ及び重量を低減する。フィン３００４は、鉄又は鋼又は鋼合金で作られる得るステータ材料の体積が、マグネシウム、アルミニウム又は複合材料のような低密度材料を含む構成要素によって支持されることを可能にする。ステータ及びハウジング材料は、ボルト又は接着剤で一緒に固定されることができるが、好ましくは、ハウジング及びステータ内の位置合わせ機構によって位置決めされ、少なくとも部分的にロータの磁力によって互いの相対位置に保持される。ハウジングは、ステータよりも密度が低いステータと軸受との間の部材（例えば、内部ハウジング３０１８）を含み、これは、ステータがエアギャップを閉じるようにロータの方向に移動するのを防止する機構を含む。実施形態では、このハウジング部材は、重量及びコストがかかり且つ組み立てプロセスが複雑になる可能性があるので、ロータから離れるステータ部材の動きを防ぐ機構を有していない。
【０５０１】
磁力が動作中常に軸受に適切な予圧を提供するのに十分でない場合、ステータ部材のＯＤ上のハウジング部材は、ステータ上に整列し且つロータから軸方向に離れるステータ部材の動きを防止する機構（図示せず）を備えている。この部材は、アクチュエータの中心線に沿ったような、同様の部材に固定されることができ、これは、ロータの反対側でロータに向かって引っ張っている。これらの２つのハウジング部材は、ボルト又はねじ山により、或いは接着剤又はプレス嵌め若しくはスナップ嵌めにより一緒に固定されることができる。ステータ及び／又はロータは、好ましくは、ハウジング部材が一緒に固定される前に外側ハウジング部材がステータのＯＤをロータに向かって引っ張ることを可能にし、且つエアギャップの半径方向距離に沿った一貫したエアギャップをもたらす円錐面形状、又はアクチュエータの軸に向かってより小さいエアギャップを可能にするためのステータとロータとの間のエアギャップの半径方向距離に沿ったテーパエアギャップのような、エアギャップ表面形状で構成される。軸に向かうより小さいエアギャップは、ステータ及びロータの内側部分が、ロータ及び／又はステータへの力がエアギャップを閉じるように作用するとき、内側部分が外側部分よりも早く接触することなしに、ロータ及びステータの外側部分より軸方向に近接することを可能にする。このテーパは、ステータ又はロータの外側部分のより大きい移動を可能にしないが、これらのより小さいエアギャップ領域の早期接触の懸念なしに、内側部分のためのより小さいエアギャップを可能にする。
【０５０２】
一貫したエアギャップを維持するのに十分に剛性があるが、ロータＰＭが所望の軸受予圧を提供することを可能にするのに十分に可撓性があるハウジング構造を提供するために、この例示的な実施形態の２つのステータ間に軸方向の移動又は可撓性のレベルを可能にするようＯＤ接続リング３０２２を構成することが有利であり得る。これは、２つのステータの相対的な回転を防止する一方、ステータの間の相対的な軸方向移動の必要な大きさを可能にする、ベローズ又は他のやや円盤状若しくはわずかに円錐状の又は同様の形状で行われることができる。この可撓性部材又はアセンブリは、ステータ間に軸方向に又はステータと一直線にあり得る。非常に小さい軸方向移動が必要とされ、好ましくは、製造公差の全範囲及びアクチュエータの熱膨張の結果としてのステータ間の相対軸方向距離の変化にわたるエアギャップにおける磁気引力の結果として必要な予圧が軸受に印加されることを可能にするのに十分である。
【０５０３】
図１２８の例示的な実施形態では、磁石の力は、ＦＥＭＭソフトウェアを使用して計算されている。この吸引力は、軸受がアセンブリに存在しないとき、軸方向に０．２５４ｍｍ（０．０１０インチ）の軸方向撓みをもたらす。これは、本発明者によって、製造公差の合理的な範囲及び熱膨張による寸法変化にわたる軸受の一貫した予圧を達成するのに十分な可撓性であると考えられており、製造公差の合理的な範囲及び熱膨張による寸法変化の両方は、このサイズの装置に関して及び合理的な機械加工公差を使用して軸受界面あたり最大０．０５０８ｍｍ（０．００２インチ）未満であると予想されることができる。
【０５０４】
ステータを内側に引っ張る磁力が軸受への予圧のために望ましいより大きい場合、ステータ部材のＯＤ上のハウジング部材は、ステータ上に整列し且つステータ部材がロータに向かって軸方向に移動するのを防止する機構を備える。この部材、例えば、セパレータリング３０２２は、反対側のステータをロータの反対側でロータから離れる方向に押す、アクチュエータの中心線に沿ったような、同様の部材に固定され得る。これらの２つのハウジング部材は、ボルト若しくはねじ山で、又は接着剤又はプレス嵌め若しくはスナップ嵌めでと一緒に固定されることができる、或いは、それらは、摩擦嵌めであり得る、又は単に互いに押し付けられ得る、又はセパレータリングであり得る。図１３４に示すように、それらはまた単一の構成要素であることができる。それらはまたステータの延長であることもできる。ステータ及び／又はロータは、好ましくは、ロータ内のＰＭがステータをロータに向かって引っ張って組み立てられた後、ロータとステータとの間に所望のエアギャップをもたらすように、内側ハウジング部材が一緒に固定される前に、外側ハウジング部材がロータから離れるようにステータのＯＤを外側に押すことを可能にする円錐面形状のような、エアギャップ表面形状を伴って構成される。
【０５０５】
上記構成の要素は、単一のロータ及び単一のステータ、又は中央の両面ステータのいずれかの軸方向端部上の２つの外側ロータに適用されることができる。上記構成の要素は、軸方向外側の部材がステータのＩＤの内側に一緒に堅固に固定された状態で外部出力リング構成にも適用されることができる。
【０５０６】
図１２８乃至図１３５及び図１３８乃至図１４０の例示的な実施形態の熱放散の利点は、電気機械の実施形態の原理による。スロット密度及び導体体積は、導体からステータの背面への熱伝導が、ステータの背面に与えられる所与の冷却速度に対して著しく高い電流密度を可能にするのに十分有効である装置のサイズの境界内にある。ステータの背面の冷却は、放射、伝導及び対流を含む幾つかの方法によって行われることができる。冷却フィン３００４は、ステータの背面及び周囲のハウジングの表面積を増加させる。冷却フィンがステータと一体であり且つ非放射線（non-radial  line）又は曲線に沿って傾斜している場合、フィンは、図１３５に一連の矢印で示すように磁束経路３０４０として使用されることができる。
【０５０７】
バック鉄心の重量に対するバック鉄心の磁束搬送能力（flux  carrying  capacity）を最大にすることが望ましい。フィンが２つ以上のポストと軸方向に整列するようにポストに対して冷却フィンを傾け、且つ、それらがポスト及び／又はバック鉄心と一体である場合のように、軟磁性材料のフィンを構成することによって、フィンは、３つの別々の機能のために使用されることができる。具体的には、フィンは、この方法では：
Ａ）  半径方向及び周方向の強度及び剛性のため、
Ｂ）  冷却のための表面積を増加させるため、及び
Ｃ）  統合磁束経路部材として、使用されることができる。磁束経路を強化するために冷却及び／又は剛性フィンを使用することは、低い総重量を達成するために高密度ステータバック鉄心材料の効率的利用を効果的に使う。
【０５０８】
図１３６は、好ましくはステータと一体化され且つステータのポストに対して４５度未満の角度で半径方向に５０％を超えて整列されている（すなわち、半径方向の整列から４５度未満である）ステータの背面上の冷却／構造フィンの単純化された断面図を示す。これは、矢印によって示されるように、ポストの間に磁束結合経路（磁束鎖交経路）（flux  linkage  path）３０４０を提供する追加の機能をそれらが実行することを可能にする。ハッチングした断面領域３０４２は、本実施形態ではフィンが軸方向の整列に近く且つ磁束結合経路３０４０がポストの間を斜めに延びることに起因して磁束がポスト間でフィン内を通過する、より大きい距離を示す。
【０５０９】
図１２８乃至図１３５及び図１３８乃至図１４０の実施形態のようないくつかの構成では、ステータはＩＤ及びＯＤに支持される一方、ポストはステータ自体の適切な半径方向剛性を提供する。この場合、電気機械の実施形態は、フィンを有さない５０％の厚さのバック鉄心と比較して、ポストからバック鉄心を通ってポストまでの磁束結合（磁束鎖交）（flux  linkage）のための同様の断面積を提供することができる一連の同心フィンおよび溝を使用するが、フィン及び溝は３つの追加の利点を提供する。第１は、ステータの背面の劇的に増加した冷却表面積の可能性である。第２は、円周方向の増加した剛性である。これは、ステータとロータポストの数の間の小さい差があり（９０度の角度で４０−５０％の力の変化をもたらす）且つ鉄心がそうでなければ結果として望ましいより高い円周方向撓みを許容するのに十分薄い構成の利点である。一連の同心の冷却フィンを固体ステータ材料に一体化することにより、円周方向の剛性は、ステータの重量を増加させることなく高められることができる。この構成の第３の利点は、複数の薄い部分がポスト間のステータバック鉄心における渦電流生成を減少させる、バック鉄心における疑似積層効果である。長い磁束経路のため、バック鉄心全体でのリラクタンスにわずかな増加があり得るが、渦電流の低減という利点は、この不利益を部分的又は完全に相殺することが予想される。
【０５１０】
図１３７に示す簡略化された例示的なセクションでは、最大のバック鉄心の厚さ（すなわち、フィンの全高を含む）は、ポストの厚さの５０％を持つ仮想非フィン付きバック鉄心の厚さの約２倍である。しかし、それはほぼ同じ断面積を有するので、同様の磁気リラクタンスを有することが予想される。この方法では、熱抽出に利用可能な表面積は、よりいっそう効果的な冷却のためにフィン付きでない表面積の何倍も大きいことができるが、重量又は磁気特性を損なうことなく、同時に増加した円周方向剛性の追加の利点を提供する。図１３７に示す実施形態では、冷却フィン３４５４は、ポスト３４５８と整列していない方向でステータ３４５０に一体化されている。フィンは、テーパ（先細り）であってもよい。冷却スロット３４５６の１つ又は複数は、ステータポストスロット３４５２の根元に開口部を形成するほど十分深くてよい。フィンを含むバック鉄心は、ポスト幅の５０％より大きい高さを有してよい。ステータスロットの開口部は、導体が、伝導により冷却流体又は放熱部材（図示せず）によって直接冷却されることを可能にする。空気又は冷却流体は、導体の周りの開口部を通って及び冷却スロットとポストスロットとの交差部を通って、アクチュエータの内外へと通過することができる。冷却流体の移動は、強制対流によるものであってもよいし、導体とステータの加熱の結果としての自然対流によるものであってもよい。実施形態では、ステータは、限定されるものではないが、鋼若しくは鋼合金、又は鉄若しくは鉄合金のような軟磁性材料で作られ、爆発溶接、又は３Ｄ印刷及び焼結のような付加的な製造によってのように、溶融線又は漸進的移行部に沿って、アルミニウム又はマグネシウム合金のような非磁性材料と一緒に融合される。冷却フィンは、次いでステータの背面に切り込まれる。これは、表面積を増加させる一方、溶融した材料が、ステータ３４５０の残りの部分より低い密度及び高い熱伝導率であり得る溶融フィン先端部３４６０を形成する。固定突起（Fastening  protrusion）３４６２が、ハウジングに固定するためにステータポストに対して垂直にステータ３４５０の端部に設けられる。
【０５１１】
開示された境界内のモータは、著しく低い導体体積及び著しく高いスロット密度によって特徴付けられ、これは導体からステータの背面までの低い熱流抵抗をもたらす。
【０５１２】
開示された範囲内の固有の熱放散の利点に加えて、本明細書に記載される特徴の１又は複数の適用によってステータの背面からの熱抽出を増加させることが可能である。以下の冷却システムの特徴のいくつかは、開示された範囲外のモータを含む一連の任意のモータに適用できることが留意されるべきである。しかし、開示された範囲内のジオメトリを持つこれらの冷却システム構成の１つ又は複数の適用は、導体からステータの背面への熱流抵抗がこれらのモータにおける全ての制限要因であるため、連続トルク密度の点でより高い性能をもたらし、開示された範囲内のモータの固有の利点は、導体からステータの背面までの低い熱流抵抗である。
【０５１３】
所与の冷却速度がステータの背面に適用される場合、表面積、冷却速度、及びステータと冷却流体との間の温度差に基づいて、装置からの特定のワット数の熱の抽出を可能にする。具体的には、他の全ての変数が一定に保たれている場合、冷却流体と接触する表面積と抽出される熱のワット数との間には比例関係がある。したがって、加熱された構造内の温度勾配の変化を無視すると、表面積の増加は、構造から放散される熱のワットの量におけるほぼ比例した増加をもたらす。フィンの追加によって表面積が１０倍増加した場合、同じ冷却速度で著しく多くの熱が抽出されることを予想することは妥当であろう。逆に、他の全ての変数が一定に保たれている状態でフィン付き表面がフィン付きでない表面と同じ量の熱を放散するためには、冷却速度のほんの一部しか必要としない。
【０５１４】
図１２８乃至図１３５及び図１３８乃至図１４０（ステータに一体化されたフィンを伴う）の実施形態の冷却は、好ましくは、限定されるものではないが、鉄又は鋼又はコバルト合金のような鋼合金又はニッケル合金のような固体軟磁性材料、或いは、限定されるものではないが、フェライト粉末又はコバルト鉄粉末材料のような焼結軟磁性粉末材料、或いは場合により既存の若しくはまだ存在していない他の軟磁性材料から作られる固体ステータで達成される。積層電磁鋼（Laminated  electrical  steel）も使用され得るが、高いトルク密度を達成するのに必要な薄い部分と組み合わされる層の間に使用される接着剤の機械的制限に起因して、強固且つ剛性の高い（strong  and  rigid）構造を達成することはより困難である。これは、接着剤がその強度の一部を失う傾向がある高温で特に当てはまる。ロータとステータとの間の磁力の結果としてのステータの一定の荷重は、これらの接着剤のクリープ変形を回避されなければならない重要な問題にする。１００％積層材料で作られたステータは、層間の接着剤に高い応力集中があり、したがって本明細書に示されているように、固体金属又は焼結金属ステータより構造的に堅固ではないと本発明者によって考えられている。
【０５１５】
ロータとステータとの間の磁気吸引力を使用することは、軸受に一定の予圧を提供し、アクチュエータを一緒に保持するための留め具又は接着剤の必要性を低減又は排除する。いくつかの用途では、磁力は、常に軸受に予圧をかけるために必要であるより大きくてよい。他の用途では、ロータとステータとの間の磁力は、常に軸受に予圧をかけるのに十分ではないことがある。図１３８は、セパレータリングの軸方向面が、内側ハウジングの軸方向面が軸受のインナーレースに接触して予圧をかける前に、外側ハウジングの軸方向に面する表面に接触する図１２８の実施形態の構成を示す。すなわち、組み立て前に、軸受ハウジングギャップ３０４４は、セパレータリングハウジングギャップ３０４６より大きい。この構造は、ハウジング及びステータの弾性変形によるロータとステータとの間の磁気吸引力から生じる予圧の一部を緩和する。
【０５１６】
図１３９において、内側ハウジングの軸方向に面する表面は、セパレータリングの軸方向表面及び外側ハウジングが接触する前に、軸受のインナーレースの軸方向表面に接触する。すなわち、組み立て前、軸受ハウジングギャップ３０４４は、セパレータリングハウジングギャップ３０４６より小さい。この構成は、ロータとステータとの間の磁力によって提供されるものを越えて軸受への予圧を増加させることができる。しかし、この構成は、外側ハウジング３０２０及びセパレータリング３０２２の機械的又は接着剤による締結を必要とする。
【０５１７】
図１４０に示されるのは、ガス冷却又は液体冷却のような流体冷却に使用されることができるような、ステータ３００２の背面の密封流体通路３０４８を持つ実施形態の断面図である。
【０５１８】
図１４０Ａを参照すると、機械３４７０のハウジング３４７２内の流体通路内の流体の流れを示す実施形態が示されている。冷却流体は、冷却流体入力３４７６を通って外側半円形通路３４７４に入る。冷却流体流れ３４９２が矢印によって示されている。流体通路３４９０は、流体流れが外側半円形チャネル３４７４から内側半円形チャネル３４７８に移動することを可能にする。流体流れは、その後、冷却流体出力３４８０を通って内側半円形チャネル３４７８を出る。
【０５１９】
図１４０Ｂ及び図１４０Ｃを参照すると、アクチュエータの内径の周りの２つのハウジング半部３４７２の間の剛性接続部３４８８を有するアクチュエータ３７７０の実施形態が示されている。ハウジング３４７２の外径は、取り付け機構３４８６を含む。動作中、ステータ３４８２及びロータ３４８４によって生成される吸引磁力は、２つのハウジング半部を一緒に軸方向に押す。剛性接続部３４８８は、構造の剛性を内径で維持する。軸受のような、さらなる支持構造又は他の接触点がない場合、ロータとステータとの間のエアギャップは、これらの吸引磁力によって閉じられる可能性がある。
【０５２０】
［構造及びアセンブリ機能を備えた集中磁束ロータ］
［整列した永久磁石ロータ］
既知の永久磁石ロータ構成は、磁束経路の方向に分極された磁石を使用する。このタイプのロータは、隣接する反対極性の磁石の間に磁束結合経路を設けることによって軟磁性バック鉄心を使用する。軟磁性材料は、容易に磁化され且つ消磁される材料である。バック鉄心における磁束結合経路は、エアギャップにおける磁束密度を減少させ、動作中に磁石を保持するための接着剤又は機械的固定具の必要性を低減または排除するよう永久磁石とバック鉄心との間に磁気引力ももたらす。
【０５２１】
電気機械の実施形態は、その様々な構成の全てで整列した永久磁石ロータと共に使用されることができる。
【０５２２】
［集中磁束ロータ］
集中磁束ロータは交番極性の接線方向に分極された磁石を使用し、当業者には、同じ磁石が整列されたＰＭ構成で使用した場合に可能であるよりも、エアギャップにおけるロータポストのより高い磁束密度の可能性を提供することが知られている。
【０５２３】
集中ロータは、軟磁性材料磁束集中ロータポストの等しい数のアレイによって分離された接線方向に分極した交互極性磁石のアレイからなる。ロータは、好ましくは、一片の等方性又は均質な鋼又は鉄合金から作られ、隣接するポストの間の材料の剛性（堅固な）接続部が形成されるように構成され、剛性接続部は、好ましくは、鋳造部品、或いはポストと接続材料との間に接着剤を最小限にするか又は全く必要としないように、同じ等方性ブランクから機械加工された部品のような、同じ等方性又は均質材料で作られる。全ての方向で同じ構造的性質を有する場合、材料は等方性である。材料が全体にわたって均一な組成を有する場合、材料は均質である。ロータが両面である場合（ロータの両方の軸端にステータを備えた中央ロータアキシャルモータ（central  rotor  axial  motor）のように）、ロータの一方の軸側のポストと他方の軸側のポストとの間に剛性接続部があってもよく、剛性接続部は、好ましくは、鋳造部品又は同じ等方性若しくは均一なブランクから機械加工された部品のような同じ等方性又は均質材料で作られる。この剛性接続部によって生成されるポストからポストへの磁束漏れ経路からの損失は、開示された極ピッチ及びポスト高さの範囲内の電気機械によって低減され得る。
【０５２４】
十分に剛性の高い等方性構造を提供しながら、電気機械の実施形態でトルクを維持するための鍵の１つは、永久磁石磁気強度（magnetic  strength）とロータポスト先端を飽和させる（saturate）のに必要なよりも深い永久磁石深さ（permanent  magnet  depth）との組み合わせを使用することである。永久磁石深さは、軸方向磁束構成の場合、永久磁石の軸方向長さとして、及び半径方向磁束構成の場合、永久磁石の半径方向長さとして定義される。永久磁石の幅は、半径方向磁束構成及び軸方向磁束構成の両方について、永久磁石の接線方向の長さとして定義される。永久磁石の長さは、半径方向磁束構成における磁石の軸方向長さとして、及び軸方向磁束構成における磁石の半径方向長さとして定義される。ロータポストの先端が飽和すると、追加のＰＭ深さはトルクに関して減少する利点を提供する。電気機械の実施形態は、エアギャップでロータポスト先端を飽和させるのに必要な深さよりも深い磁石深さを使用するので、バック鉄心を通って漏れる追加の磁束がトルクに最小の影響を及ぼす。増加した磁石深さに加えて、電気機械の実施形態は、バック鉄心を通る磁束結合を減少させるように、磁束漏れ経路において１つ又は複数の磁束経路制限部を使用し得る。
【０５２５】
ＰＭ及び飽和ポストの反発力によって生じる内部応力に加えて、Ｎ５２磁石のような高強度ＰＭによって生成される軸方向力は、この構造と組み合わされて、本装置の実施形態の１７５ｍｍ平均エアギャップアクチュエータに対して、４００ｋｇを超える。様々なバック鉄心、サイド鉄心（side  irons）又はエンド鉄心（end  irons）であり得る保持要素は、より小さいエアギャップの使用を可能にし得る追加の構造剛性を提供する。
【０５２６】
開示された電気機械の実施形態は、集中磁束構成の結果としてロータポストのエアギャップ端部に非常に高い磁束密度を提供する。さらに、電気機械のいくつかの実施形態は、磁石をロータポストに固定するために接着剤に頼る必要性を低減又は排除するために、永久磁石がそれら自身の磁束によって定位置に保持されることを提供する。
【０５２７】
電気機械の実施形態は、バック鉄心の使用によってステータの２つ以上のポスト間の堅固な接続を利用する。このバック鉄心は、さもなければトルクを提供するようにエアギャップを横切って結合するＰＭ磁束のいくつかについて短絡回路を作り出すという明らかな欠点を有するが、ここに開示された特定のジオメトリの考察は、たとえ高い割合の永久磁束が１つの磁石ポストからバック鉄心を通って次の磁石ポストへ漏れることが許されても、トルクの最小の損失を可能にすることが解析及び試験によって示されている。
【０５２８】
十分なバック鉄心の使用は、エアギャップを横切って結合する磁束によって生成される巨大な力に耐える構造強度及び剛性を提供するために有益である。ロータポスト間に中実の（solid）鉄又は鋼合金の接続部を有するワンピースとして構成される場合、解析は、開示された極ピッチ及びポスト高さを有する電気機械の実施形態は、１７５ｍｍ平均エアギャップ装置に関して０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）又はそれより小さいエアギャップに至るまでを含む一貫したエアギャップを維持することができることを示している。集中磁束ロータを備えた電気機械の以下の構成は、ポストの反対側の端部から隣接するポストの反対側の端部までバック鉄心を通る高い磁束結合にもかかわらず、エアギャップ内の十分な割合の磁束を提供する。
【０５２９】
［バック鉄心を持つ深い磁石］
図１４１を参照すると、本装置の実施形態のロータ３３００及びステータ３３３０が示されている。ロータは、ロータポスト３３０４及びバック鉄心３３１０を含み、連続構造を形成する。ロータポスト３３０４及びバック鉄心３３１０は、均質且つ等方性の材料から形成され、ロータポスト３３０４は、バック鉄心からの均質な延長部である。ロータポスト３３０４の間の空間は、ロータスロット３３０６を画定する。ロータスロット３３０６は、永久磁石３３０２によって満たされる。ステータ３３３０は、ステータポスト３３３２及び導体層３３３４を含む。
【０５３０】
永久磁石３３０２は、ロータポスト３３０４の端部がエアギャップ３３０８で飽和し且つ追加の磁石深さ３３３６がエアギャップ３３０８の磁束密度に有意に加わらない磁気飽和深さを有する。この永久磁石を越えると、バック鉄心の使用は、エアギャップにおいて磁束に対する減少し、最小の影響があることが分かった。１：１の磁石深さ対磁石幅の比では、バック鉄心は、エアギャップにおいて磁束密度に著しく有害な影響を及ぼす。２：１及び４：１の比では、エアギャップを横切る磁束密度の引き続いて小さい損失がある。
【０５３１】
図１４１はまた、上に定義した永久磁石の幅３３３８、ロータポスト深さ３３４０、及びステータポスト深さ３３４２を示す。ロータポスト深さ及びステータポスト深さは、軸方向の磁束構成のときの軸方向の又は半径方向の磁束構成のときの半径方向の、ロータ又はステータポストの長さとして定義される。
【０５３２】
十分な構造強度及び剛性を提供するために、実施形態は、最大エアギャップ磁束密度に必要であるよりも長い磁石深さを用いる。これらの過剰深さ（over-depth）磁石は、バック鉄心なしで必要とされるよりも長いロータポストを必要とし、これは、ロータの強度及び剛性を増加させる効果を有する軸構成の場合、軸方向に長いロータ構造をもたらす。加えて、実施形態は、好ましくはポスト部材と一体の軟磁性バック鉄心を含む。余分な軸方向ポストの長さと組み合わせて、バック鉄心の特徴は、非常に高い強度及び剛性を備えたワンピースロータポストアレイ構造を提供する。
【０５３３】
ロータの強度及び剛性を増加させるロータポストの増大した長さに加えて、過剰深さの磁石の第２の利点は、エアギャップにおける高度に飽和したロータポストである。結果として、小さいエアギャップと組み合わせて、構造剛性及び強度のための厚いバック鉄心は、エアギャップにおける磁束密度を劇的に減少させることなく使用されることができる。
【０５３４】
この装置の実施形態は、必要な剛性に寄与するＰＭ及びロータポストの追加の深さを提供する。同時に、これらのＰＭの追加の深さは、エアギャップにおける磁束密度に劇的に影響することなく、ロータポスト間に好ましくは一体の軟磁性バック鉄心（magnetically  soft  back  iron）によるロータポスト間の剛性の高い接続を可能にする。
【０５３５】
当業者がバック鉄心の特徴が集中磁束ロータへの損害となると予想する理由の１つは、磁石からの磁束の高い割合が、エアギャップの高リラクタンス磁束経路を横切って結合するのではなく、バック鉄心の低リラクタンス磁束経路を通ってポストからポストに結合するという予想である。しかし、バック鉄心の効果の１つは、この構造によって生成される非常に高い磁力であっても、非常に小さいエアギャップが達成されることができるのに十分な高い強度、剛性及び耐クリープ性（creep  resistance）を提供することである。エアギャップを０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）以下にすることにより、エアギャップのリラクタンスは非常に低くなることができ、バック鉄心を通る磁束結合経路が、より大きなエアギャップで予想されるよりも有害でなくなる。
【０５３６】
最大磁束密度が所望され且つ集中磁束ロータがバック鉄心構成要素を含む一体構造の使用によって提供される高い強度及び剛性を必要とする用途では、ＰＭ及びロータポストの深さを増加させることは、より短い永久磁石を有し且つバック鉄心を有さないエアギャップの磁束密度に等しいかそれを超えるように、エアギャップにおける磁束密度を増加させる。
【０５３７】
このようにして、本装置のこの実施形態は、統合された軟磁性材料ポストアレイ及びバック鉄心の使用によって、高強度、高機械的剛性集中磁束ロータを提供し、増加した磁石深さ及びポスト高さの使用により、エアギャップ磁束密度の最小の縮小でこれを行う。
【０５３８】
［バック鉄心構造により磁石保持］
図１４２、図１４３を参照すると、装置の実施形態は、高電流及び電流がない状態を含む永久磁石を保持するように働く磁力を提供するためにバック鉄心を通る磁束結合経路を提供するジオメトリの特徴及びパラメータの範囲を使用する。バック鉄心を通過する磁束は、磁石をスロット内に引き付け、したがって、磁石を保持するのに役立つ磁力を生成する。永久磁石が常にスロットの底部に対して磁気的に保持されることを確実にするために、装置のいくつかの実施形態のジオメトリは、ロータポスト及びバック鉄心を通って結合する全磁束が、エアギャップを横切って結合する磁束より高いようになる。ロータポスト及びバック鉄心を通って結合する全磁束が、ステータが最大電流で電力を供給されるときにエアギャップを横切って結合する磁束よりも高い様々な他の影響条件の下であることも好ましい。
【０５３９】
エアギャップよりもロータを通る磁束結合を付勢する様々な方法がある。いくつかの非限定的な例をここに示す。スロットにＰＭを磁気的に保持する他の方法も可能である。エアギャップを横切るより大きいロータバック鉄心を通る磁束結合を提供する任意の構成は、磁石に磁気保持効果を提供する可能性を有する。スロットに磁石を固定するために接着剤を使用することが好ましいが、この場合、接着剤の目的は、磁石の脱落を防止するのではなく、むしろ動作中の磁石の振動を防止することである。
【０５４０】
［テーパスロット］
機械的及び磁気的力の組み合わせを用いてロータスロットに磁石を保持するための力を提供することも可能である。テーパ磁石は、ロータスロットに磁石を保持しながら、かなりの割合の磁束がエアギャップを通過する構造を提供することができる。
【０５４１】
エアギャップに向かって薄くなるように接線方向に先細りする磁石は、集中磁束ロータ構成において高性能を提供することができる。図１４４を参照すると、テーパ端部３３１６を有する磁石３３０２と、テーパ端部３３１８を有するロータポスト３３０４とを持つ軸方向磁束構成のロータ３３００が示されている。磁石及びロータポストは、インターロック配置（interlocking  arrangement）を形成するように反対方向に先細りする（テーパが付く）。永久磁石はステータ３３３０の方向に先細りになる一方、ロータポスト３３０４はステータから離れる方向に先細りになる。この実施形態では、２つの実質的に鏡像化されたロータ３３００は、各ロータのテーパポストは背中合わせ接触し且つ各ロータのテーパ磁石は背中合わせに接触して、一対のステータの間に組み立てられることができる。このように磁石３３０２を先細りにすることは、エアギャップ３３０８におけるより大きいロータポスト幅を可能にする。これはまた、磁石テーパの広い端部でより大きな磁石幅３３３８が、エアギャップ３３０８から離れてロータポスト３３０４により大きい磁束を供給することを可能にし、側部が平行である場合、ポスト３３０４はより飽和しにくい傾向がある。このようにして、能動永久磁石３３０２および軟磁性材料は、エアギャップ３３０８においてより多くの磁束を提供するためにより効果的に使用される。２つのロータ部品は、例えば接着剤によって一緒に固定されることができるが、いくつかの好適な変形形態では、ボルト（図示せず）又は固定リング（図示せず）のような機械的な機構が使用され得る。
【０５４２】
テーパポスト３３０４と磁石３３０２とのインターロック配置は、永久磁石が脱落するのを防止し、ロータに磁石を保持する磁力の必要性を低減し、したがって、エンド鉄心３３１４を通って漏れる磁束の必要性を低減する。
【０５４３】
いくつかの実施形態では、磁束経路制限部３３２８のアレイが、例えば、それらがエンド鉄心３３１４と接続する各ロータ３３０４の基部におけるエンド鉄心３３１４の穴として、エンド鉄心３３１４に形成されることができる。これらの磁束経路制限部３３２８は、ロータ３３０４とエンド鉄心３３１４との間の利用可能な磁束経路を減少させる。
【０５４４】
図１４４は、テーパスロットロータの軸方向磁束構成を示しているが、テーパスロットロータは、半径方向磁束構成で等価的に構成されることができる。テーパ磁石は、対向するキャリアに向かって又は対向するキャリアから離れて狭くなり得る。
【０５４５】
このように磁石を先細りにする第２の効果は、永久磁石からの高い割合の磁束をエアギャップに向けてバイアスすることである。これは、少なくとも２つの点で有益である。第１は、テーパ永久磁石はエアギャップに引き寄せられ、永久磁石とロータスロット壁との間のエアギャップをより低いリラクタンス磁束結合のために閉じ、機械的にさらなる動きを防止し、したがってテーパロータポストによって確実に保持されることである。第２には、背面の狭いロータポストが、ロータの中心面に沿ったポストからポストまでの大きい距離をもたらす。これは、ロータの中心面に沿ったポストからポストへのエアギャップを通る漏れ量を減少させる。２つの実質的に鏡像化されたロータ半部をテーパポスト及びテーパ磁石を背中合わせに組み立てることにより、永久磁石からの磁束の大部分が強制的にエアギャップを横切って結合されることができる。
【０５４６】
この方法では、磁石を磁気的及び機械的に保持しながら、非常に高い磁束密度がエアギャップにおいて達成されることができる。テーパロータポストロータを製造するための費用効果的な方法は、２つの対称ロータ３３００背中合わせに使用することである。この構成は、ロータを補強するためのバック鉄心３３１０の使用を可能にしないので、代わりに軟磁性エンド鉄心３３１４が使用される。エンド鉄心３３１４は、好ましくは、エンド鉄心を通るロータポスト間の高いリラクタンス磁束経路を形成するようにできる限り薄く、且つ小さく一貫したエアギャップを維持するように機械的強度及び剛性を提供するために必要なくらい厚い断面を有する。
【０５４７】
ポストからエンド鉄心接続部を通る隣接するポストへの磁束の損失を補償するために、実施形態は、エアギャップ３３０８において軟磁性ステータポスト３３３２よりも長い永久磁石３３０２を使用する。これは図１４５に示され、永久磁石３３０２は、ステータポスト３３３２と同じ又はほぼ同じ長さを有するロータポスト３３０４よりも長いものとして示されている。ステータ半径方向長さと比較して永久磁石深さ３３３６を増加させることによって、永久磁石３３０２は、エアギャップにおけるロータポスト内の高い磁束密度を依然として維持しながら、エンド鉄心３３１４を飽和させるのに十分である。
【０５４８】
ロータの製造方法は、鋳造又は成形又は粉末冶金製造、付加製造、機械加工等を含むことができる。磁石の製造は、成形又は付加若しくは除去製造等によって行うことができる。また、磁石は、スロットへの挿入後に、磁化されることもできる。現在又は将来のプロセスで粉末状の硬磁性材料をロータスロットにプレスし、次に、プレス後にＰＭ材料を磁化することが可能であり得る、又はエポキシ若しくは他のポリマー中のＰＭ磁石材料のスラリーを使用してスロットを充填し、次いで硬化後に磁化されることができる。硬磁性材料の磁化は、一度に２つ以上のポストに非常に高い磁束密度を加えることによって行われることができる。
【０５４９】
バック鉄心、サイド鉄心およびエンド鉄心は、保持要素として機能し、ロータポストと堅固な接続を形成する。一実施形態の特徴は、他の実施形態の特徴と組み合わされることができる。
【０５５０】
［例示の集中磁束ロータ構成］
図１４６及び図１４７を参照すると、半径方向磁束構成の集中磁束ロータの実施形態の斜め断面図が示されている。ロータポスト３３０４は、磁石３３０２がロータスロット３３０６から半径方向に移動するのを防止するロータレリーフ（rotor  relief）３３２０を含む。ロータポスト３３０４は、サイド鉄心３３１２（図１４６には示されていないが、図１４７を参照）によって接続される。サイド鉄心３３１２は、磁束がサイド鉄心３３１２を通過し且つ永久磁石３３０２とサイド鉄心３３１２との間に吸引磁力を発生させることを可能にする磁束結合経路を形成する。サイド鉄心３３１２とロータレリーフ３３２０との組み合わせは、永久磁石をロータ３３００に確実に保持する。この実施形態では、ロータポスト３３０４の一部は、スロットの底部（この場合半径方向外側）に磁石を保持するとともに磁石を固定するのを助けることから解放される。
【０５５１】
図１４８は、軟磁性材料のような材料の単一のブロックからポスト及びサイド鉄心構造を形成するために使用され得るミルと組み合わせた、集中磁束ロータポスト３３０４及びサイド鉄心３３１２の斜めの断面図を示す。通常のエンドミル３３７０が、ブロックの幅の広い凹部を切削するために使用されることができ、ロータの外周から加工する。より小さい直径のエンドミル３３７２が、永久磁石３３０２を挿入されることができる凹部を形成するために使用され得る。次に、逃げをつけられたシャフトエンドミル（relieved  shaft  end  mill）３３７４が、ロータレリーフ３３２０を形成するようにロータポスト３３０４をミル加工するために使用されることができる。小径エンドミル３３７２および逃げをつけられたシャフトエンドミル３３７４は、ロータ３３００の内周から加工することができる。１又は複数の壁が、サイド鉄心３３１２を形成するために、材料のブロックの軸方向端部に残されることができる。
【０５５２】
図１４６乃至図１４８は半径方向磁束構成を示しているが、この設計の軸方向磁束構成の変形は同等の構造及び方法で作られることができる。
【０５５３】
ここで図１４９を参照すると、図１４６乃至図１４８に示された実施形態のロータのリニア表現の概略的なＦＥＭＭ解析におけるスロットジオメトリが示されている。図１４９は、ロータの２スロットジオメトリの磁束経路を示している。概略図の左側の４つの永久磁石３３０２は長方形である。概略図の右側の４つの永久磁石３３０２は、スロットに永久磁石３３０２を保持する磁力を増加させるテーパ端部３３１６を有する。これは、スロットに永久磁石を固定する他の方法の必要性を低減する利点を有する。
【０５５４】
図１５０は、エンド鉄心３３１４を持つ半径方向磁束構成のロータ３３００の実施形態の斜めの断面図を示す。この実施形態では、ロータポスト３３０４は、ロータレリーフ３３２０、及びテーパロータポスト端部３３１８を含む。テーパロータポスト端部３３１８は、ロータ３３００の重量を減少させる働きをすることができる。ロータレリーフ３３２０は、永久磁石３３０２を保持するのを助けることができ、いくつかの変形形態では、バック鉄心３３１０を形成するようスロット全体を横切って延びることができ、追加の剛性を提供し且つ磁力によって永久磁石３３０２をスロットに保持するのを助ける効果を持つ。
【０５５５】
図１５１を参照すると、エンド鉄心３３１４を持つステータ−ロータ−ステータ構成が示されている。エンド鉄心３３１４及びロータポスト３３０４は、ロータポスト３３０４の間に付く永久磁石３３０２の単一のアレイを伴う、アイソメトリック軟質金属材料の単一片から形成されることができる。エンド鉄心３３１４は、ロータ３３０４の両端には形成される。この実施形態では、磁束経路制限部３３２８が図１５２に示すように含まれることができる。
【０５５６】
図１５２は、バック鉄心３３１０、エンド鉄心３３１４、及び磁束経路制限部３３２８を持つステータ−ロータ−ステータ構成の実施形態を示す。この実施形態では、永久磁石の２つのアレイ３３０２は、バック鉄心３３１０によって分離される。磁束経路制限部３３２８は、エンド鉄心３３１４における磁束漏れを低減するよう、永久磁石３３０４の端部に穴として形成される。
【０５５７】
図１５３は、ロータ−ステータ−ロータ構成の実施形態を示す。２つの集中磁束ロータ３３００は中心ステータ３３３０に係合する。ロータ３３００はそれぞれ、エンド鉄心３３１４及び磁束経路制限部３３２８を含む。多くの用途において、エンド鉄心のみ又はバック鉄心のみが、集中磁束ロータ３３００に十分な剛性を与えるのに十分である。
【０５５８】
図１５４は、ロータ−ステータ−ロータ構成の実施形態を示す。この実施形態は、図１５３に示されたものと本質的に同じであり、それぞれのロータ３３００への薄いバック鉄心３３１０の追加を伴う。
【０５５９】
図１５５は、台形ステータ−ロータ−ステータ構成の実施形態を示す。ステータ３３３０は、導体層３３３４なしで示されている。ロータ３３００は、バック鉄心３３１０及びエンド鉄心３３１４を含み、円筒軸方向に沿った断面において略台形状を有する。ロータは、２つのロータ半部から構成され、バック鉄心３３１０とエンド鉄心３３１４との組み合わせは、ロータに高い機械的剛性を提供する。図１５６は、図１５５に示されるステータ−ロータ−ステータ構成の実施形態の変形形態を示し、エンド鉄心３３１４のみを有し、バック鉄心３３１０を有さない。
【０５６０】
図１５７は、台形ロータ−ステータ−ロータ構成の実施形態を示す。ステータ３３３０は、導体層３３３４なしで示されている。ロータ３３００は、永久磁石３３０２の内径及び外径端部に示されたエンド鉄心３３１４を含む。この実施形態では、ロータ３３００の背面は、低密度ハウジング構成要素とインターロックされる。図１５８は、図１５７に示す台形ロータ−ステータ−ロータ構成の実施形態を示し、バック鉄心3310を有し、エンド鉄心３３１４を有していない。
【０５６１】
図１５９は、リニア磁束機械のロータ−ステータ−ロータ構成の実施形態を示す。ステータ３３３０はポスト３３３２のアレイを有し、導体３３３４は示されていない。ロータはステータを取り囲み、１つまたは複数のピース材料、例えば軟磁性等方性材料で作られる。ロータハウジング３３００の内部構造上の永久磁石３３０２のための受け入れスロットは、ロータポスト３３０４、ロータバック鉄心３３１０及びロータエンド鉄心３３１４として働く。リニアモータ用の多くの構成が本発明者によって考案されている。例えば、ロータ３３３０の側面部分は、上部ロータ部分及び下部ロータ部分とは異なる材料であってもよい。図１６０は、ロータ３３００上のバック鉄心３３１０なしの図１５９に示すリニア磁束機械のロータ−ステータ−ロータ構成の実施形態を示す。
【０５６２】
図１６１は、ロータ３３００がロータポスト３３０４及びバック鉄心３３１０によって分離された磁石３３０２の２つのアレイで形成されているリニア磁束機械のステータ−ロータ−ステータ構成の実施形態を示す。他の集中磁束ロータと同様に、永久磁石は直線方向に交互の極性であり、バック鉄心の反対側の対向磁石と同じ極性であってもよく、又はバック鉄心の反対側の対向磁石と反対の極性であってもよい。この実施形態のトラベラ（traveller）は、等方性軟磁性材料で作られてもよい。図１６２は、ロータ３３００がエンド鉄心３３１４を有し且つバック鉄心３３１０を有さないリニア磁束機械のステータ−ロータ−ステータ構成の部分的に組み立てられた実施形態を示す。この構成では、永久磁石停止部が、スロットの正確な位置に磁石を位置決めするために使用される。ロータの上部及び底部における永久磁石は、同じ極性又は反対の極性であってもよいが、好ましくは、ロータポストを通る上部磁石から底部磁石への磁束結合を低減するために同じ極性である。ロータポスト３３０４及びエンド鉄心３３１４は、等方性軟磁性材料の単一片から作られてもよい。
【０５６３】
ＦＥＭＭ分析により、ロータポストの側部の一部から材料を除去することは、ロータ質量を低減するという追加の利点とともに、永久磁石に正の保持力（positive  retention  force）をもたらすことができることが示されている。
【０５６４】
図１６３及び図１６４は、ロータの中心平面に向かってロータポスト壁上に中断されたバック鉄心３３１０及びレリーフ３３２２を持つ等方性ロータポストアレイを示す。この実施形態では、永久磁石は円周方向に分極されるとともに軸方向に整列された対応部分に対して反対の極性である。この効果は、永久磁石からの磁束線の５０％超がエアギャップを横切って結合しているにもかかわらず、パッシブ状態において著しい力で永久磁石をスロットの底部に保持することである。本明細書に示すように、中断されたバック鉄心を有する実施形態のために適切に強く且つ剛性のある等方性ポスト及びコネクタ部材を提供するために、ロータポスト（図示せず）の少なくとも一方の端部にエンド鉄心コネクタがあることが必要である。永久磁石が（図１６３のＺ軸に）長いほど、エンド鉄心は、エアギャップの磁束及び生成されることができるトルク（又はリニアモータの場合は力）への影響は小さくなる。
【０５６５】
［横方向磁束機械］
開示されたジオメトリの横方向磁束モータのようなモータタイプへの適用のために、開示された範囲内の熱放散及び他の利点が実現される程度に影響を及ぼす他の設計上の考慮が存在し得る。例えば、横方向磁束モータの場合、（コイルの軸に平行な方向の）ポストの幅は磁極ピッチとは無関係である。しかし、この幅は、それがステータバック鉄心の必要な厚さに直接関係しているので、システムの重量に影響を及ぼす。コイルの軸方向幅に対するポストの軸方向幅の比も考慮しなければならない。これらの量が減少する場合、エアギャップの全表面積及び導体断面積は、アセンブリ全体を軸方向に配列することによって、一定に保たれることができる。したがって、最適なトルク対重量及び熱放散はまた、アレイピッチ及びポスト軸方向幅に依存する。
【０５６６】
［例示の横方向モータ］
横方向磁束モータには多くの既知の変形形態がある。ここでは、本装置の原理による横方向磁束モータの非限定的な例示的実施形態が示される。ここでは２つの相（phases）が示されていますが、より少ない相又はより多くの相が異なる効果を伴って使用され得る。図１６５乃至図１６６Ｂに示される、第１の実施形態では、磁束は、ロータからステータへ幾分半径方向に結合するが、横方向磁束原理の変形形態は、例えば、図１６７乃至図１６９に示すように、軸方向に又は装置の軸に斜めに結合する磁束を有し得る。
【０５６７】
図１６５乃至図１６６Ｂを参照すると、例示の横方向磁束モータ３４１０が示されている。横方向磁束モータ３４１０は、ハウジング３４１２を有し、２つのステータ半部３４３０及びロータ３４２０を用いる。ステータ３４３０は、導体３４３２及びステータポスト３４３４を含む。図示されているような導体３４３２は、周方向導体コイルを含むが、導体の様々なバリエーションが使用され得る。示されている２相設計では、１相当たり１つの導体コイル３４３２があり、各導体コイルは複数のターンを有する。集中磁束ロータ３４２０は、図１６６ｂに示されるように使用され得る。集中磁束ロータ３４２０は、接線方向に分極された交互極性を持つ永久磁石３４２２を用いる。ロータはまた、磁束制限穴３４２８及びバック鉄心３４２６も含み得る。バック鉄心３４２６及びロータポスト３４２４は、等方性の軟磁性材料の単一片から製造され得る。この構成では、ロータとステータとの間のエアギャップを横切る磁束の流れは半径方向にある。
【０５６８】
開示された範囲の熱放散の利点は、ステータポストのＯＤから周方向導体スロットのＯＤまでの低い半径方向距離の結果として例示の横方向磁束機械に適用される。ロータの高い磁極密度は、横磁束機械に典型的である１：１のステータのポストからロータへの磁石比（stator  post-to-rotor  magnet  ratio）の結果として、ステータにおける同じスロット密度に対応する。
【０５６９】
多くの２相横方向磁束機械と同様に、各ステータ上のステータポストは、ピッチの半分だけずらされた（オフセットされた）（offset）ポストを有する。ステータは、互いに１／４ピッチずらされているので、モータは、２つのコイルのそれぞれへの電流を制御することによって、いずれかの方向に一定のトルクを供給することができる。
【０５７０】
開示されたジオメトリの結果としてのポストからポストへの磁束経路の薄い部分のために、発明者は、等方性軟磁性ステータ材料が、ロボット工学に適した速度においてラミネート形態の同じ材料と比較して、増加したトルク及び効率を提供すると考えている。
【０５７１】
図１６７乃至図１６９を参照すると、ロータとステータとの間のエアギャップを横切る概して軸方向の磁束結合経路を持つ横方向磁束機械が示されている。この構成では、集中磁束ロータ３４２０は、ハウジング３４１２内で２つのステータピース３４３０の間に保持される。この構成の磁束は、軸方向にロータ３４２０と各ステータ３４３０との間のエアギャップを横切って流れる。この構成では、ロータ３４２０は磁石３４２２の２つのアレイを有し、２つのアレイはバック鉄心３４２６によって分離され、各アレイの磁石はロータポスト３４２４の間に配置される。半径方向に向けられた横方向磁束モータの場合と同様に、バック鉄心３４２６及びロータポスト３４２４は、等方性軟磁性材料の単一片から製造され得る。
【０５７２】
［いくつかの実施形態についての一般的な原理］
開示された構造のいずれも、ポスト及びポスト間のスロットを含む電磁要素を有する電気機械と共に使用されることができ、ポストは、ステータ又はロータの少なくともいずれかで、磁極を形成するように巻かれ、磁極密度は、この特許文献に明示されている方程式によって規定される磁極密度の範囲内にあり、ポスト高さは、この特許文献で明示された方程式によって規定されるポスト高さの範囲内にある。これらの方程式はそれぞれ有界領域を規定する。有界領域は、電気機械のサイズに依存し、そのサイズは機械の半径によって規定される。境界領域は、磁極密度、ポスト高さ及び機械のサイズによって規定される空間内の境界表面を規定する。電気機械の各半径について、有界領域は、発明者によって新規且つ自明ではないと考えられている。
【０５７３】
モデリング研究およびＦＥＭＭ分析に基づいて、本発明者らは、特定の磁極密度を少なくとも超え、モータの所与の直径に対する指定された導体体積又はポスト高さについて、以下のことを考えている：１）開示されるような極密度及び導体体積又はポスト高さを有する電気機械が、より低い磁極密度及び／又はより高い導体体積を有する別の同等の機械と比較して所与のトルク又は力に対して増加した熱生成を（したがってより低い効率を）有するが、対応する有効な熱放散を有する；並びに２）増加した磁極密度及びより低い導体体積又はポスト高さはまた、全体的に増加したトルク対質量比（トルク密度）を有する、より低い磁極密度及び／又はより高い導体体積を有する別の等価の機械と比較して質量を減少させる効果を有する。
【０５７４】
増加したトルク対質量比を持つ電気機械は、１つの電気機械が１つ又は複数の他の電気機械を持ち上げる又は加速する必要性に対して効率はあまり重要でないため、電気機械のいくつかはロボットアームのようなアームに沿って離間される場合に特に有用である。本発明者は、開示された磁極密度及び導体体積又はポスト高さを有する電気機械の改善された性能が、少なくとも部分的に、１）最も熱い導体からポストまでのより短い熱流路を有するより狭いスロット、及び２）ポストの頂部から熱放散表面までのより短い熱流路、から生じると考えている。
【０５７５】
例えば、開示された各電気機械の実施形態は、ＫＲの点で利益を提供すると考えられる磁極密度及びポスト高さの定義内にある磁極密度及びポスト高さを有するものとして示されている。
【０５７６】
例えば、０．５以上の範囲の磁極密度では、スロットが歯と同じくらい幅広であることは珍しくないことを考慮すると、歯の幅は、２５ｍｍ幅の機械について１ｍｍ程度であることができる。より狭い歯が使用されることができる。より薄い歯の利点は、限定されるものではないが、鋼又は鉄又は磁性金属合金のような固体材料が、通常のモータ積層体（motor  laminations）の厚みに近い歯のために、最小の渦電流で使用できることである。このサイズのモータ用の一般的なモータ積層体は、０．３８１ｍｍ（０．０１５インチ）から０．６３５ｍｍ（０．０２５インチ）の範囲にあることができる。提案された磁極密度及び歯のジオメトリ（多くの短いポスト）は、第１キャリア（ステータ）における渦電流の回避にも役立つ。例えば、１４４のスロットを持つ電気機械の場合、渦電流損失は２００ｒｐｍ及び７０Ａ／ｍｍ２の巻線における全抵抗損失のわずか７％であることが分かった。固体（非積層）材料の使用は、強度、剛性及び信頼性において利点を提供する。
【０５７７】
開示された機械の実施形態は分割巻線（fractional  windings）を使用し得る。いくつかの実施形態は、分散巻線（distributed  windings）を使用し得る。別の実施形態は集中巻線（concentrated  windings）を使用する。分散巻線は、端部巻きでのより多くの銅及びより低い出力（より大きいモータを必要とする）のために、より重くなる。それらはまた、磁束が分割巻線の場合のように次のポストではなく、少なくとも３つのポストを移動する必要があるため、より厚いバックアイロンも必要とする。分散巻線は、より長い導体（端部巻きがその間を接続しなければならないより長い距離の結果）のためにより多くの熱を発生する。
【０５７８】
提案された磁極密度を持つ電気機械の実施形態は、任意の適切な数のポストを有し得る。ポストの最小限の数は１００ポストであり得る。多数のポストは、ポスト当たりの少ない巻線を可能にする。非限定的な例示的な実施形態では、各ポスト上の巻線は、１つの層の厚さだけである（円周方向に、ポストから外側に測定される）。これは、導体から熱がステータポストに熱を伝導的に放散させるように導体を通って伝導するエアギャップ及び／又はポッティング化合物ギャップ及び／又はワイヤ絶縁層の数を減少させる。これは、熱容量（瞬間的な高電流事象の場合）及び連続運転冷却について利点を有する。導体と直接接触しているガス又は液体冷却剤によるコイルの直接冷却の場合、低い磁極密度と組み合わせられる円周層の少ない数、及び、例えばポスト上のワイヤの単一の円周層は、冷却流体に曝される（導体の体積に対する）導体の非常に高い表面積をもたらす。これは、導体を冷却するのに有益であり、開示されるような低導体体積を利用する多くの例示的な方法の１つである。ポスト当たりのコイルの単一の列（又は少ない数の列）はまた、製造の複雑さを低減し、低コストの生産を可能にする。別の実施形態では、各ポストの巻線は２層の厚さである。
【０５７９】
１７５ｍｍ以上の平均エアギャップ電気機械の場合、スロットの数は、６０以上、又は軸方向磁束電気機械に関して１００以上、例えば、例示的な直径１７５ｍｍの実施形態では１０８スロットであり得る。加えて、そのような電気機械の場合、ポストの平均の半径方向の長さ対円周方向の幅は、約８：１のように４：１を超えてもよいが、１０：１以上になり得る。例示的な１０８スロットの実施形態では、この比は約８：１である。このような構成により、熱放散が向上する。低いアスペクト比は、非常に小さいトルクのために多くの材料であるため、アスペクト比は、高いＫＲ及びロボット工学に有用なトルクを達成するのに役立ち、同時に熱放散効果を利用する。
【０５８０】
一実施形態では、電気機械は、主成分が、例えば、限定されるものではないが、銅又はアルミニウムのような導体材料のシート材料と、限定されるものではないが、絶縁コーティング、Ｎｏｍｅｘ（商標）若しくは他のシート絶縁体のような絶縁材料、又はアルミニウム導体のための硬質陽極酸化処理された表面処理とから製造されることを可能にする、層状構造で構築され得る。導体層は、限定されるものではないが、レーザ切断、スタンピング又はファインブランキングのような高速且つ低コストの製造プロセスで製造され得る。導体ワイヤをポストの周りに巻く代わりに、導体回路がスタンピングされ、次いで層状に組み立てられ得る。絶縁体層が各導体層と交互に使用される場合、導体層は、いくつかの構成では、絶縁コーティングなしで組み立てられ得る。あるいは、導体回路層が、追加の絶縁効果のため、又は別個の絶縁層の必要性を排除するために、組み立て前に絶縁体でコーティングされることができる。
【０５８１】
構造上の完全性及びヒートシンク／放散特性を提供するために、非導電性（又は絶縁導電性）材料が、導電性層と同じ層に使用され得る。導体層の間のスロットの充填されていない層、又は導体層の間のスロットの部分的に充填された層（スロットの半径方向の長さに関して充填されていないギャップを生成するのに十分狭い導体によって形成される）はまた、層上の開いた又は部分的に開いたスロットが導管を形成するように、冷却ガス又は液体のための流路を提供するために使用されることができる。冷却流体はまた、ロータ及びステータの接触を防止するために、空気又は液体軸受媒体として使用され得る。限定されるものではないが、陽極酸化処理アルミニウム、Ｔｏｒｌｏｎ（商標）（無水トリメリット酸及び芳香族ジアミンの反応生成物）、フェノール類、又は、限定されるものではないが金属マトリックス複合材料のような複合材料を含む、多くの異なる材料がスペーサ層に使用され得る。
【０５８２】
各導体は層であり得る。層は、１つ又は複数のセクションで構成され得る。セクションは、例えば、回転モータの完全な円周、又は回転モータの２つ以上の角度セクションであることができる。各セクションの各層は、１つの相のみのための導体回路であり得る。ワイヤ巻線を持つ一般的な電気機械では、導体ワイヤは螺旋状に巻かれ、その相の他のワイヤと及び／又は他の相からのワイヤと重なる。このタイプの３次元ワイヤ巻線構造は、単純な層状アセンブリが、典型的なポスト巻線が必要とする編み合わされた又は螺旋状に重なり合った構造を許容しないため、相ごとに単一層で製作されることができない。
【０５８３】
屈曲可能なワイヤが、各隣接するスロットが、隣接するスロットとは異なる相又は相の異なる組み合わせからの導体を有する多相モータを作るために使用され得る。これは、コストの削減のための単純化された製造と、下記のように非常に効果的な冷却を提供する能力を含むいくつかの利点を有する。
【０５８４】
開示された導体製造方法は、そうでなければこれらの高いスロット密度で必要とされ得る高精度のワイヤ巻き機構を排除するので、高い磁極密度を持つ装置を作成するのに特に有効である。
【０５８５】
一実施形態における相巻線当たりの単一層は、２つの隣接するスロットに導体を設け、次に、層が、その相からのその層上に導体のない１又は複数のスロットの後に２つの隣接するスロットに存在するように、（例えば、相の数に応じて）１又は複数のスロットをスキップし得る。したがって、キャリアの電磁要素が、ポスト間にスロットを持つ、ポストを備える電気機械では、１つ又は複数のスロットは、隣接するスロットの電気導体の位置に対応する１つ又は複数のスロットのレベルで、電気導体なしである。
【０５８６】
いくつかの実施形態では、開示された電気機械は、流体の流れのための高い断面積を提供するだけでなく、スロットの内向きの端部からスロットの外向きの端部までの一貫して分布する空気流チャネルパターンを提供し、これは、高い割合の導体が、冷却流体と接触していることを確実にし、全ての導体が各スロットで冷却流体と接触していることまでを含む。換言すれば、実施形態では、一度に導体層の２より多い層が接触することは決してない。スロットの垂直方向の順序は、例えば、導体−導体−空間−導体−導体−空間−導体−導体−空間であり得る。これは、全ての導体の一側が、欠落した導体によって生成される冷却チャネルの流体と常に接触していることを意味する。この均等に分散された冷却チャネルアレイは、短いポストに起因する導体体積の減少から生じるより高い熱生成を補償するのに十分な熱放散を達成するのを助ける。
【０５８７】
冷却チャネル間隔パターンのいくつかの実施形態は、導体の間及び周囲の流体流路を出る前に各ポストの端部における接線方向及びその後の半径方向の空気流を可能にするように、ポストのそれぞれの端部のギャップと組み合わされた相のオフセットと組み合わされた導体の端部巻きの全てではなく一部のオーバーラップを含む。これらの詳細では、エアギャップは、一貫して離されることができ、より少ない（より大きい）チャネルが回避されることができ、冷却流体にさらされる導体表面積は増やされることができ、ポスト端部の接線方向導管がないことによる流れない流体ギャップがない。試験は、このジオメトリの変形が、一般的なモータハウジングの水冷のような一般的な冷却方法で液体冷却を必要とする電流密度において空気流が許容可能な導体温度を維持するのに十分であることを可能にする、十分有効な冷却を可能にすることを示した。
【０５８８】
実施形態では、その層の任意の相からの導体なしのｐマイナス２スロット（ｐは相の数）が続く、ある相からの導体を持つ、１つの列内に２つのスロットがあり得る。３相では、その相、又は任意の他の相からの導体のない１つのスロットが続く、ある相からの導体を持つ２つのスロットがある。４相では、その相、又はその層の任意の他の相からの導体のない２つのスロットが続く、ある相からの導体を持つ、列内の２つのスロットなどがある。その相又は他の任意の相からの導体がないことは、ポッティング化合物及び／又は熱抽出インサートのような充填材料で充填することができる空気空間若しくは空間があること、又はこの空間がガス又は液体のような動いている冷却流体を送るために使用できることを意味する。
【０５８９】
非限定的な例として、３相構成では、２つの隣接するスロットは、その相に導体を有さない第３のスロットが続く第１及び第２のスロットの第１の相からの導体を持つ単一の層を有する。このパターンは、その層上の３つのポストの各々の第１の周方向両側の単一相からの導体を提供するために、単一の巻線層を提供するために繰り返す。別の層では、第２の相回路が単一層上に存在し、その層上の任意の相からの導体を有さないスロットが続く第２及び第３のスロットのこの第２の相からの導体を有する。第３の相は、どの第３及び第１のスロットからの導体を有する別の別個の層上にあるが、どの第２のスロットの任意の層からの導体はない。この３相構成では、各相回路は、３つのスロットのセットにおいて、３つのスロットの各セットのうちの２つが導体を受け取るスロットの選択を規定する。他の相構成では、異なるスロットの選択が使用され得る。各導体層は、次に、電気的な励起の単一相を受け得る。
【０５９０】
層状構造は、スケーラブルな構造を可能にする。層状構造は、構成要素が、付加的な製造プロセスで堆積されること、又は単一又は複数の部品から予め製造される、各導体及び／又は絶縁体構成要素及び／又はスペーサ層と共に組み立てられることを可能にする。
【０５９１】
この導体構成は、各層上に曲げ可能なワイヤ導体（これは、限定されない例として、次の層に接続するために各部分の端部で２つのポストに螺旋状にのみ巻かれる）を用いて行われることができる。あるいは、この導体構成は、構築及び組立中に導体の曲がりがほとんどまたは全くなくなるように、予め製造された導体層から組み立てられることができる。
【０５９２】
周期的なスロットの（in  periodic  slots）導体をスキップすることは、導体及び／又は絶縁層及び／又はＥＭポストの表面積の高い割合の直接冷却を可能にする冷却チャネルとして使用することができる。スロットの導体のスキップは、周期的に間隔を置かれた、１つの層につき複数のスロットで行われてもよい。冷却チャネル又は導管は、冷却剤の流れを備え得る。いくつかの実施形態では、冷却チャネル又は導管は、冷却流体源に接続され得る。周期的なスロットの欠落した導体は、特定の用途での増加した効率のために人為的に低温で水又は油のような高密度流体を使用することと比較して装置の重量を低減するように、空気又は他のガス流冷却チャネルとして使用されることができる。導管は、冷媒流を排出するためのオリフィスに軸方向に連通し得る。
【０５９３】
導体層を有する開示された実施形態は、手又は機械によって組み立てられ、次いで、２つの平坦な表面の間に締め付けられ、ポッティング化合物でポッティングされ得る。ポッティングプロセスの間、上下の型板は、軸方向に一緒に再び接触又は近接するようになる前に、全ての表面を濡らすことができるのに十分な程度まで後退されることができる。ポストの長さは、上部及び下部のポッティングモールド部品（図示せず）を位置決めするために使用され得る。
【０５９４】
内部冷却が所望される場合、ポッティング化合物は、重力がポッティング化合物を大きなギャップ除去することを可能にすることによって、又はポッティング化合物をキャビティから押し出すように装置を通して空気を押し込むことによって、又は遠心力によって冷却剤チャネルからポッティング化合物を除去するようステータを回転させることによって、のように開放スロットセクションから除去される。この操作での、空気流又は遠心力は、密接している構成要素間からポッティング化合物を除去しないほど十分に低くなり得る。
【０５９５】
層は、一緒に結合されてもよいし、一緒に融合されてもよく、あるいは別の方法で一緒に固定されてもよい。限定されるものではないが、陽極酸化処理されたアルミニウム又は他のセパレータ層の間の銅層及びスペーサ層のようないくつかの内部層が錫メッキされ、全ての構成要素又はそれらのコーティングが所与のはんだコンパウンドによって結合可能である場合、部品は、組み立てられ、その後、全てを融合させるようにオーブンで加圧下で加熱されることができる。はんだで予め錫めっきすることが使用される場合、導電体層対導電性がないように、分離層は硬質陽極酸化処理のような適切な絶縁体でコーティングされることが重要である。代替的には、熱可塑性樹脂が、部品をコーティングするために使用されることができ、それらはその後、組み立てられ、正しい軸方向及び他の寸法を確保するよう十分な圧力下でオーブンで融合されることができる。エポキシ又は他の硬化性接着剤が、コンポーネントを接着およびポッティングするために、アセンブリ中又はアセンブリ後に使用されることができる。空気流チャネルが設計に含まれる場合、ポッティングは、エポキシが硬化する前に大きいチャンバから接着剤を吹き飛ばす又はスピンさせることの後に続くことができる。接着剤又ははんだの薄く且つ一貫したコートングを提供するプリプレグ又ははんだ錫めっきプロセスの利点は、空気流チャネルがパージされる必要がないことである。密接している表面のみが互いに接着する。任意の数のポスト又は永久磁石が使用されることができる。接着剤としてはんだを使用することはまた、導体から硬質の陽極酸化処理された絶縁層及び冷却チャネル内の冷却流体への優れた熱伝導も提供する。
【０５９６】
例示的な実施形態は、１つ又は複数のステータの軸方向端部の両方にＰＭキャリアを有する複数層のステータ及び／又はＰＭキャリアを備えて、あるいは１つ又は複数のＰＭキャリアの軸方向端部に２つ以上のステータを備えて、構成され得る。軸方向の端部のステータ及び／又はＰＭキャリアのみがバック鉄心を有し得る。
【０５９７】
層状導体の実施形態では、端部巻きの断面積は、スロットの導体の平均又は最大断面積より大きくなり得る。これは、端部巻きの抵抗を低減し、それらが導体のスロット部分よりも涼しくなり、したがってスロットの導体の有効なヒートシンクとして作用し、緊急停止中又はさらには高加速中の通常動作中のような短時間の間に非常に高い電流密度で動作する能力を増大させるように、導体の熱容量を増加させることを可能にする。端部巻きは、スロット巻きよりも広くなり得る。端部巻きはまた均一な幅を有してもよい。さらに、導体のスロット部分と比較して端部巻きのより大きい表面積は、それらが同じ構成要素であり且つ銅又はアルミニウムのような高熱伝導性材料からなる結果として、スロット巻きから端部巻きへの低い熱流抵抗に起因して高効率である冷却フィン効果を提供する。これらの端部巻き「冷却フィン」を冷却することは、上述のスロットチャネル冷却の有無に関わらず、任意の数の液体又は気体冷却手段で行われることができる。
【０５９８】
上記は、１又は複数のＰＭキャリアの軸方向端部のいずれかに２つ以上のステータで構成されることができる。ＰＭキャリアは、任意のタイプのＰＭ磁石を有することができ、ハルバッハアレイ（Halbach  array）又は疑似ハルバッハアレイ（磁束結合を提供するためにそれらの間の鋼でキャリア運動の方向に分極したＰＭを有する）で構成されることができる。ステータ及び「ロータ」は、永久磁石の必要性を低減または排除するために、両方通電され得る。任意の数又はジオメトリ又はサイズのポスト及びＰＭ又は他の構成要素が使用され得る。製造技術は、ピック・アンド・プレース装置で組み立てられるコイル及びポスト用に使用される導電トレースを用いるＰＣＢ製造技術を含む。より大きいモータ又はアクチュエータ又は発電機は、本開示の他の実施形態について説明したように、予め製造された導体プロセスを使用することができる。
【０５９９】
電気機械のいくつかの実施形態では、巻線は、隣接するポストの巻線と互いに組み合わされて又は横並びのいずれかで、単一層に提供される。単一層は、所与の電流に対して少ない熱を生成する減少したワイヤ長を提供する。全てのワイヤの直接接触（断熱材を通した）は、熱がワイヤからハウジング又は他の冷却部材に散逸するためのより低い熱流抵抗経路を提供する。より短いポストは、ワイヤからハウジングへの熱の経路を短くする。増加したポスト数は、ステータ（又はロータ）及びコイルで生成される熱のための放射又は対流冷却フィンとして作用するように、ステータのより大きい表面積を提供することができる。これらの特徴は、そうでない場合よりも導体を通ってより高い電流を流す能力に寄与する。
【０６００】
様々な設計特徴が、開示された実施形態のいずれにおいても使用され得る。スロットの充填は可能な限り高くてもよく、直径に対して短いポストでは、スロットの壁はより平行であり、スロット充填をより高くする。電流密度は、使用される材料に依存するが、開示されたジオメトリの高められた冷却効果のために増加され得る。開示されたジオメトリは、３又は５のような任意の適切な数の相で使用され得る。集中巻線又は分散巻線が使用され得る。様々な柱形状、例えば平行な辺が使用され得る。ステータ磁極対ロータ磁極比は５：４であることができ、例えば４つの永久磁石ごとに５つのポストである。しかし、様々な比が使用され得る。能動冷却も使用され得る。エアギャップは、例えば、０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）乃至０．２２８６ｍｍ（０．００９インチ）であり得るが、より小さいエアギャップが、製造の複雑さのいくらかのリスクで、又はより大きいものが、いくらかのトルクの損失で、使用され得る。磁石寸法は、１：１の円周幅対半径方向の高さであり得るが、他の寸法が使用されてもよい。提示された解析のためのモータの重量を計算する際に、重量は、ステータのバック鉄心の厚さ＋ポストの高さ＋銅の体積＋ＰＭの体積＋ロータバック鉄心である。開示された解析は流体冷却ハウジングを想定しているが、様々な強制冷却方法が使用され得る。
【０６０１】
開示された磁極密度及び導体体積（ポスト高さ）特性は、スロット及び歯を持つ全てのタイプの電気機械に提供されることができ、以下の電気機械を含む：ＤＣ、ＡＣ、同期、非同期、アキシャル、ラジアル、インナステータ、アウタステータ、リニア、誘導、ブラシレス、ＰＭ、スイッチトリラクタンス、二重突極、磁束反転、磁束スイッチング、ハイブリッド励磁、磁束ニーモニック、磁気ギヤード、バーニア、マグネットレス、二重供給バーニア（doubly-fed  Vernier）及びダブルロータ。
【０６０２】
出力トルクが増加することに伴って、磁力は、ステータ及び／又はロータの歪みを生じさせ、精度の欠如、増加した騒音、振動、疲労応力及び構成要素の最終的な故障をもたらす可能性がある。磁力のより均一な分布が、隣接するステータポストの大部分が異なる相で励磁されることを提供する、開示された磁極密度、ポスト対ＰＭ比、及び導体巻線を通して、提供され得る。実施形態では、これらの特徴の組み合わせは、磁力を３つのポストごとに平均して繰り返させる。これは、非常に高い磁極密度と組み合わせて、ステータ及びロータに力の非常に均一な分布をもたらし、いくつかの実施形態では、製造コスト及び複雑さを低減し、追加の軸受及び支持構造の必要性を排除する。
【０６０３】
いくつかの実施形態では、エアギャップを維持する低摩擦表面でエアギャップをコーティングすることによって剛性要件が低減される。リニアモータの実施形態では、低摩擦表面は、（０．２０３ｍｍ）０．００８インチのエアギャップを維持するエアギャップに適用される。ＤＬＣ（ダイヤモンド様コーティング）のようなコーティングは、ロータ及びステータの両方に０．０６３５ｍｍ（０．００２５インチ）で堆積されることができ、ギャップは維持される。
【０６０４】
［磁極密度及びポスト高さを規定する式］
ＫＲの観点で、又はトルク、トルク対重量、及び（さらに説明するような）Ｋｍを組み合わせた重み付け関数の観点で、有意な利益（benefit）を与える磁極ピッチ（又は密度）及び導体体積の範囲が明らかになった。重み付け関数に関する利益の量は、冷却量及び他の要因に依存するが、方程式によって、示されるような利益をもたらす電気機械の新規な構造が規定される。これらの利益をもたらす磁極密度及び導体体積の範囲によって決定される有界領域を規定する式が与えられる。
【０６０５】
一実施形態では、機械サイズ、磁極密度、及びポスト高さによって規定される位相空間の領域内で動作させることによって利点（advantage）が得られる。図１７０Ａ〜図１７０Ｆに示される一連のグラフは、（数値計算を解くプログラムである）ＯＣＴＡＶＥ（商標）で生成された自動ソルバ（solver）を使用するＦＥＭＭソフトウェアを用いて作成され解析された、例示的な一連のリニアモータ・セクションの幾何学的構成のトルク密度（ｚ軸）、スロット密度（ｘ軸）、及びポスト高さ（ｙ軸）を示す。この例ではスロット密度が磁極密度と同じであるため、スロット密度を使用した。
【０６０６】
以下の規則及び前提が一連（series）の全てのモータに適用された。各セクションは、１４４個の電磁石と１４６個の永久磁石とで構成された。ロータは、ＮｄＦｅＢ５２磁石及びＭ−１９珪素鋼の部分を含んでいた。全ての永久磁石は、ロータに対して接線方向に配置され、及びその磁場方向がロータに対して接線方向に整列し且つその隣接する永久磁石と逆極性になるように向き合わせされた。Ｍ−１９珪素鋼部分を永久磁石同士の間に配置した。ステータはＭ−１９珪素鋼から作製された。電磁石は３相構成の集中巻コイルを使用した。スロット領域の７５％から構成される７５％のコイル充填率を想定した。調査した２つの変数は、ポスト高さ及びスロット密度であった。残りの幾何学的変数は、以下の関係に従ってスケーリングされた：全てのシミュレーションに亘って３１．７５ミリメートル（ｍｍ）（１．２５インチ）の一定のモデル厚さ；ロータの永久磁石の幅を永久磁石のピッチの５０％に設定すること；ロータの永久磁石の高さを永久磁石の幅の２．３倍に設定すること；ステータのスロットの幅が（ポストとスロットの幅に等しい）ステータの電磁石のピッチの５０％であること。ステータのバック鉄心の高さは、ステータポストの幅の５０％に設定され、エアギャップの軸方向の高さは０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）である。
【０６０７】
開示される固有の幾何学的構成を表す有界領域は、好ましい実施形態、すなわち最も高いトルク対重量及びＫＲをもたらす実施形態についてモデル化される。この実施形態では、ロータの等級Ｎ５２  ＮｄＦｅＢ磁石、ロータ磁極対ステータポストの比１４６：１４４、及びバック鉄心付き磁束集中ロータの選択等の特定の設計選択がなされた。本発明者の知る限りでは、この構成は、製造性及び構造安定性の妥当なレベルを依然として保持しながら、アクチュエータの開示される直径のサイズについて最も実用的なトルク対重量構成のうちの１つを表す。様々なロータタイプ（表面永久磁石、埋設永久磁石等）；セラミック、サマリウム・コバルト、高温ＮｄＦｅＢ等を含むがこれらに限定されない様々な磁石材料及び等級；様々なロータ磁極対ステータポストの比；様々なステータ巻線構成；様々なステータ材料等の他の多くの構成も可能である。多くの場合に、これらのパラメータの様々な設計選択肢は、好ましい実施形態と同じ磁極ピッチ及びポスト高さについて低下したトルク又は増大した重量のいずれかをもたらすので、好ましい実施形態と比較して大きなＫＲ利益を有していない。しかしながら、大部分の設計では、他の全ての設計変数及び幾何学的関係が一定に保たれる場合に、開示される領域外の幾何学的構成に対して開示される領域内の磁極ピッチ及びポスト高さを使用することによって、ＫＲに利益がもたらされる。この原理は、リニアモータ、軸方向（axial）磁束回転モータ、半径方向（radial）磁束回転モータ、台形／トロイダル回転モータ、及び横方向（transverse）磁束リニアモータ及び横方向磁束回転モータについての集中巻線及び分散巻線設計の両方に当てはまる。
【０６０８】
これらのモータ・セクションの幾何学的構成毎に、磁気シミュレーション及び熱シミュレーションを行った。磁気シミュレーション毎に、プログラムによって、質量、水平力、消費電力の値が得られた。システム全体の質量及び消費電力をより正確に予測するために、コイル断面の幾何学的外挿を使用して端部巻線の質量及び消費電力を求めた。ストール（stall）トルク及び低速でのトルクを計算するために、端部巻線の抵抗損失を説明するスロット形状に基づいた乗数を含む抵抗損失の平方根は、消費電力の支配的な部分である。これらの値を使用して、各シミュレーションの質量力密度（単位質量当たりの力）及び正規化面積力（エアギャップの面積当たりの力）を計算した。熱シミュレーション毎に、プログラムによって、コイル温度、ロータ温度、及びステータ温度の値が得られた。冷却材としての水及び対流係数７００Ｗ／ｍ２Ｋを用いて、設定冷却速度をステータ内面に適用した。水の温度を１５℃に設定し、流量は６〜２０ｍｍ／ｓであった。定常状態を想定した。
【０６０９】
定電流密度シミュレーションのために、固定電流密度を導体に印加し、その結果得られる力、質量、消費電力、及びステータ最大温度をプログラムによって計算した。
【０６１０】
一定の温度、面積当たりの力、又は力密度シミュレーションについて、関心パラメータが目標値に達するまで、各幾何学的ポイントで電流密度を調整し、他のパラメータをそのポイントで記録した。一定の温度、面積当たりの力、及び力密度シミュレーションの目標誤差は、それぞれ１℃、０．００２Ｎ／ｍｍ２、及び１Ｎ／ｋｇである。回転モータのエアギャップの周方向の面積を正規化面積力に掛けることによって、及びその力に直径を掛けることによって、データを任意のサイズの回転モータに直接的に適用することができ、生じるトルクをもたらす。モータの曲率半径に起因するいくらか小さな偏差や、湾曲構造を直線状構造に近似することに伴う誤差があるが、我々のシミュレーションでは、シミュレートされた回転トルクが典型的には線形モデルによって予測される回転トルクの１０％以内となることが示された。
【０６１１】
いくつかの用途では高いトルク対重量が有利であるが、ロボット等の用途には最低トルクレベルが必要な場合があり、アーム（高いトルク対重量を生じさせるアクチュエータであればどんなに軽量でも構わない）は、依然として、有効荷重（payload）を持ち上げて移動させるのに十分なトルクを有する必要がある。この特許文献に開示される範囲内の磁極密度及び導体体積を有する電気機械は、許容可能なレベルの消費電力で高いトルク及びトルク対重量を与える。
【０６１２】
定電流密度２３２０における面積当たりの力が、スロットピッチとポスト高さとの関数として図１７０Ａにプロットされている。仮想的に一連の全てのモータに印加される同じ電流は、（破線によって概略的に示される）開示される範囲２３２２に劇的に低い面積当たりの力を生じさせる。破線は、３Ｄ表面上に投影された各サイズ（以下の方程式で議論されるような２５ｍｍ、５０ｍｍ、１００ｍｍ、及び２００ｍｍ）からの中間境界に対応する。これらの境界は、方程式Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、及びＤ２のセットに対応する。このグラフでは、所与の３相入力電力に対する最高トルク回転位置を求めるためにＯＣＴＡＶＥのスクリプト（筋書）を使用してＦＥＭＭで解析された一連のモータについて、定電流密度での面積当たりの力２３２０が示されている。これらのモータは、図示されるように変化する導体体積及びスロット密度を除いてあらゆる点で同一である。
【０６１３】
所与の温度２３２４で可能な最も高い電流密度が、スロットピッチとポスト高さとの関数として図１７０Ｂにプロットされている。開示される範囲２３２２における指数関数的に高い放熱特性によって、所与の温度ではるかに高い電流密度が可能になる。導体の体積が小さいとアクチュエータの重量が減少する傾向があるが、導体の体積が小さいとアクチュエータのトルクも低下する傾向がある。しかしながら、導体体積及びスロット密度が開示される範囲内にあるとき、導体からステータの背面又は冷却材が供給され得る任意の他の表面への熱流抵抗が劇的に低減され、こうしてアクチュエータを過熱させることなく、非常に高い電流密度を導体に印加することができる。
【０６１４】
図１７０Ｂでは、図１７０Ａと同じ一連のモータが使用されているが、定電流密度を各モータに印加させる代わりに、導体の定常状態温度が約７０℃に達するまで電流密度を変化させた。典型的な水冷効果の妥当な表現である対流係数７００Ｗ／ｍ２Ｋをステータの外側軸方向面に適用した。水の温度を１５℃に設定した。周囲温度を１５℃に設定した。水冷式の表面は冷却に関して非常に支配的であり、またロータがそれ自体熱を発生しなかったため、簡略化するために、空気対流冷却をロータに適用しなかった。定常状態を想定した。３Ｄグラフ上の各点について、コイルの温度が７０℃に達するまで、モータの電流密度をゼロから増大させた。
【０６１５】
図１７０Ｃは、７０℃の一定温度とは対照的に６Ａ／ｍｍ２の定電流を用いることを除いて、図１７０Ｄと同じである。こうして、短いポストの放熱効果がどの様に予期せぬ効果をもたらすかについて実証する。図１７０Ｃの開示される範囲は、以下の重み付け規約（convention）を用いて明らかにされた；１の重みのトルク、３の重みのトルク対重量、２の重みの消費電力。アームの重量がアクチュエータの重量によって決定され、アームの重量は、典型的に、有効荷重の重量よりも著しく重いであろうことから、トルク対重量を最も大きく重み付けした。トルクは重要な考慮事項として１で重み付けされるが、有効荷重がアームの重量よりかなり低くなり得ることを認識すべきである。消費電力は重要な考慮事項であるため、中間の重み付けを行ったが、消費電力は、トルク対重量により大きな重み付けを行うことにより達成されるように、下部アームの重量から利益を得ることが既知であるので、消費電力への大きな重み付けは、潜在的に逆効果である。
【０６１６】
一連のモータに定電流密度を印加し、その結果を上記の重みと組み合わせることによって、図１７０Ｄの面２３２８は、下側に、スロット（又は磁極）密度及び導体体積の開示される範囲２３２２に向けて及びこの範囲２３２２を通って続く全体性能の傾向を示す。図１７０Ｄは、一定温度の電流密度が図１７０Ｂから適用される場合の、開示される範囲の利益を示す。
【０６１７】
モータ能力についての業界標準の基準は、基本的にトルク対消費電力であるＫＭである。ＫＭは、所与の電力に対して十分な冷却を想定する。ＫＭは、特定レベルのトルクを発生させるのに必要な電力量のみを考慮する。スロットピッチとポスト高さとの関数としてのＫｍ’’面２３３０が、図１７０Ｅにプロットされている。
【０６１８】
トルク対重量対消費電力は、図１７０Ｆのスロットピッチとポスト高さとの関数としてＫＲ’’面２３３２のグラフから明らかなように、開示される範囲２３２２において最も予想外で劇的な利益を示す。高いＫＲは据え置き用途では大きな利益とはならないかもしれないが、ロボット等の用途では大きな利益となり得、ＫＲは、システム全体の重量を減らすことによって消費電力の利益を達成できることを示す。
【０６１９】
磁極密度及びポスト高さの関係でＫＲ’’がどの様に変化するかを示すグラフの作成方法は以下の通りである。低い導体体積（低いポスト高さ）及び低い磁極密度を有する幾何学的構成Ａを有するモータ・セクションを考える。幾何学的構成Ａを有するモータ・セクションがシミュレートされ、冷却材としての水及び対流係数７００Ｗ／ｍ２Ｋを用いて、設定冷却速度をステータの内面に適用する。水の温度は１５℃に設定され、流量は６〜２０ｍｍ／ｓである。定常状態を想定する。このとき、幾何学的構成Ａの導体を流れる電流は、導体の最高温度が７０℃に達するまで増大する。この時点での幾何学的構成Ａのトルク密度を記録し、ポスト高さ及び磁極密度の対応する値についてグラフにプロットする。このプロセスは、例えばポスト高さ及び磁極密度を変化させ、且つ上記のように残りのパラメータをスケーリングすることによって得られる他の幾何学的構成に対して繰り返される。例えば、幾何学的構成Ｂは、上記のようにスケーリングされた他のパラメータを用いて、ポスト高さを増大させることによって幾何学的構成Ａから得ることができる。幾何学的構成Ｃは、幾何学的構成Ａと同じポスト高さを有するが、磁極密度は大きくなる。幾何学的構成Ｄは、幾何学的構成Ａと比較してポスト高さが増大し、磁極密度が増大し得る。トルク密度をプロットすると、グラフ内の面になる。
【０６２０】
磁極密度が増大し、ポスト高さが減少すると、トルク密度が増大することがわかる。低いポスト高さ又は高い磁極密度のいずれかを有する幾何学的構成では、トルク密度のこのような増大は起こらないことが示され、トルク密度の利益は、これらの２つの因子を組み合わせた幾何学的構成に対してのみ観察される。しかし、この領域では効率が低下する。グラフは、示される仮定に基づいて作成されたものであるが、本発明者は、開示される冷却効果と、増大する磁極密度に関する磁束損失の減少と、導体体積又はポスト高さの減少とに基づいて、同じ幾何学的構成が、シミュレーションで使用された他のパラメータ値において利益を得ることを十分に予想した。ポスト高さや磁極密度に影響を与えないモータ設計要素の変更は、利益を失うことにはならないと予想される。例えば、接線方向に向き合わせされた永久磁石を含むロータを有する電気機械と、表面に永久磁石が取り付けられロータを有する類似の電気機械とが、幾分異なるＫＲ’’面を有し得るが、それにもかかわらず、上述した原理が依然として適用され、前述した低いポスト高さ及び高い磁極密度の幾何学的構成の領域内で依然として利益が予想される。現在理解しているように、この原理は、軸方向磁束電気機械及び半径方向磁束電気機械等のポストを有する電気機械にのみ適用される。
【０６２１】
開示される方程式及びグラフにおいて、パラメータＫＲ’’はサイズに依存せず、トルクの代わりに力を使用するように従来のＫＲから変換され、周方向長さと軸方向長さとの両方に依存しないようになっている。従って、任意のサイズのモータの従来のＫＲは、ＫＲ’’から求めることができる。同一のサイズ（エアギャップの直径及び軸方向の長さ）であるが、異なる幾何学的構成（すなわち、磁極密度及び／又はポスト高さ）の２つのモータについて、倍率が同じになるので、より高いＫＲ’’のモータは、従来のＫＲよりも大きな値となる。
【０６２２】
磁極密度とポスト高さとの関数としてのＫＲ’’は、従来のＫＲを示すグラフの面に非常に似ている。しかしながら、トルク密度に対応するこの特定の面は、異なる温度が解析に制約として使用される場合に、かなり変化し得る。これとは対照的に、ＫＲ’’は実質的に変化しない（一連のモータが飽和し始めるのに十分な電流が得られなければ、３Ｄ曲線の形状は変化する）。従って、前述した利益をもたらす磁極密度及びポスト高さの特定の範囲を規定するためにＫＲ’’が使用される。
【０６２３】
開示される利益の範囲は、そのエアギャップにおいて生じるモータ直径に依存する。モータの物理的サイズによって低いスロット密度を使用出来ないので、小さなモータは多くの制約を受ける。２００ｍｍ以上、１００ｍｍ以上、５０ｍｍ以上、２５ｍｍ以上に対応する４つのモータ直径の離散した範囲を規定した。各直径範囲について、我々は３つのレベルのＫＲ’’を記述する。第１は、ＫＲ’’に対する利益が僅かである範囲に対応し、第２は、ＫＲ’’に対する利益が中間である範囲に対応し、第３は、ＫＲ’’に対する利益がその特定の直径範囲に対して高いＫＲ’’の利益の範囲に対応する。より高いＫＲ’’値は、一般的には、そのモータサイズ範囲について全体トルクのより低い値に対応する。
【０６２４】
開示されるこれらのモータサイズ（直径２５ｍｍ以上から最大２００ｍｍ以上）は、大型のモータより小さい。シミュレーションで使用される０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）のエアギャップは、この範囲のモータについて最も小さい合理的なエアギャップサイズであると考えられる。より小さなエアギャップは、製造公差、軸受精度、部品のたわみ、及び熱膨張により、このモータ範囲では実用的ではない。
【０６２５】
上記の方程式の係数は、関心領域の境界を区切り、得られる関係を略連続的にするように選択される。
【０６２６】
解析によって、ポスト：スロット幅の比が４０：６０から６０：４０までの間に最も高い利益が得られることが示されているので、ポスト：スロット幅の比５０：５０がこれらのシミュレーションに選択された。５０：５０の比は、典型的な最良のシナリオを表し、ポスト高さを固定し、スロット：ポスト幅の比１０：９０を使用すると、（５０：５０の比と）比較して性能が著しく低下する。解析によって、一定のポスト高さにおいて、実施形態が５０％のスロット幅で最大のトルク及びトルク密度を示し、４０％のスロット幅で最大のＫｍ及びＫｒを表すことが示される。しかしながら、Ｋｍ及びＫｒの最大値は５０：５０の幾何学的構成で与えられる値の５％以内であり、結果として、５０：５０の比は、シミュレーション用のスケーリングパラメータの妥当な選択肢と見なされた。ポスト：スロット幅の他の比は、開示される利益の一部を与える。
【０６２７】
様々な実施形態についてＫＲの観点で、又はトルク、トルク対重量、及びＫｍを組み合わせる重み付け関数の点で、有意な利益を与える磁極密度及び導体体積の範囲を示す式及びグラフについて以下に説明する。前述した式と同様に、重み付け関数に関する利益の領域は、冷却量に依存する。
【０６２８】
電気機械のサイズは、本明細書で規定される軸方向磁束機械又は半径方向磁束機械のエアギャップ直径、又はリニアマシンのキャリアの並進方向の長さを意味する。
【０６２９】
第１の有界領域は、領域内の残りの幾何学的構成に対して有意なＫＲの利益が見出される領域に対応する。所与の装置サイズについて、ＫＲは、開示される幾何学的構成の範囲内では範囲外の幾何学的構成よりも高い値を有し、これらの幾何学的構成の装置を使用する特定の用途の全体的なシステム効率への潜在的利益を示す。ＫＲ’’のグラフは、指定されたＫＲ’’値で水平面を配置することによって境界を規定するために使用される。２００ｍｍ以上、１００ｍｍ以上、５０ｍｍ以上、及び２５ｍｍ以上のサイズに対応する４つの異なるアクチュエータサイズ範囲についての利益の領域を規定するために、４つのＫＲ’’の値が使用される。
【０６３０】
以下の表において、磁極ピッチは、変数Ｓ（ｍｍ）で表される。ポスト高さもｍｍで表される。
【０６３１】
２５ｍｍサイズの機械では、ＫＲ’’＞３．３の境界線が表１に示される値によって規定され、対応するグラフは図１８０である。
【表１】
2018529302.tif 000012
【０６３２】
２５ｍｍサイズの機械では、ＫＲ’’＞３．４の境界線が表２に示される値によって規定され、対応するグラフは図１８１である。
【表２】
2018529302.tif 000013
【０６３３】
２５ｍｍサイズの機械では、ＫＲ’’＞３．６の境界線が表３に示される値によって規定され、対応するグラフは図１８２である。
【表３】
2018529302.tif 000014
【０６３４】
５０ｍｍサイズの機械では、ＫＲ’’＞２．２の境界線が表４の値によって規定され、対応するグラフは図１７７である。
【０６３５】
【表４】
2018529302.tif 000015
【０６３６】
５０ｍｍサイズの機械では、ＫＲ’’＞２．５の境界線が表５の値によって規定され、対応するグラフは図１７８である。
【表５】
2018529302.tif 000016
【０６３７】
５０ｍｍサイズの機械では、ＫＲ’’＞２．９の境界線が表６の値によって規定され、対応するグラフは図１７９である。
【表６】
2018529302.tif 000017
【０６３８】
１００ｍｍサイズの機械では、ＫＲ’’＞１．５の境界線が表７の値によって規定され、対応するグラフは図１７４である。
【表７】
2018529302.tif 000018
【０６３９】
１００ｍｍサイズの機械では、ＫＲ’’＞１．７の境界線が表８の値によって規定され、対応するグラフは図１７５である。
【表８】
2018529302.tif 000019
【０６４０】
１００ｍｍサイズの機械では、ＫＲ’’＞１．９の境界線が表９の値によって規定され、対応するグラフは図１７６である。
【表９】
2018529302.tif 000020
【０６４１】
２００ｍｍサイズの機械では、ＫＲ’’＞１．３の境界線が表１０の値によって規定され、対応するグラフは図１７１である。
【表１０】
2018529302.tif 000021
【０６４２】
２００ｍｍサイズの機械では、ＫＲ’’＞１．５の境界線が表１１の値によって規定され、対応するグラフは図１７２である。
【表１１】
2018529302.tif 000022
【０６４３】
２００ｍｍのサイズの機械では、ＫＲ’’＞１．８の境界線が表１２の値によって規定され、対応するグラフは図１７３である。
【表１２】
2018529302.tif 000023
【０６４４】
各機械サイズについて、Ｋ’’値のセット及び対応する境界線のセットが存在するように、各機械サイズにおいて、各境界線が所与のＫ’’値に対して規定される。境界線のペアを選択することができ、１つの境界線が、装置の２つの連続するサイズ、すなわち２５ｍｍ及び５０ｍｍ、５０ｍｍ及び１００ｍｍ、又は１００ｍｍ及び２００ｍｍのそれぞれから選択される。境界線は、サイズ、磁極ピッチ、及びポスト高さによって規定される空間又は体積を占める。境界面が、第１の境界線の任意の点と第２の境界線の任意の点とを結ぶ全ての線の和集合体の外面である空間内に、２次元の連続面として規定することができる。境界面は、利益空間を囲む。境界線の各ペアについて、境界面は利益空間を規定する。所与の利益空間内にある、サイズ、磁極ピッチ、及びポスト高さを有する電気機械は、その機械サイズの対応する境界線によって規定される実施形態内に含まれると考えられる。
【０６４５】
計算された最大サイズより大きなサイズの機械について、この計算された最大サイズに対して計算された境界が使用される。こうして、計算された最大サイズを超える利益空間は、単に、そのサイズの計算された境界線及びより大きなサイズに対応するポイントの体積によって規定される面であるが、磁極ピッチ及びポスト高さがこの面上のポイントに等しい。
【０６４６】
電気機械の主要要素は、電磁要素のアレイを有する第１のキャリア（ロータ、ステータ、又はリニアマシンの一部）と、磁極を規定する電磁要素を有する第２のキャリアとを有しており、第２のキャリアは、例えば軸受（磁気軸受であってもよい）によって第１のキャリアに対して移動するように構成される。この移動は、第１のキャリア及び第２のキャリアの電磁要素（モータの実施形態）によって生成された磁束の相互作用によって、又は外部電源によって引き起こされ、その場合、移動によって、起電力が電気機械（発電機の実施形態）のコイルに発生する。第１のキャリアと第２のキャリアとの間にエアギャップが設けられる。第１のキャリアの電磁要素は、ポスト同士の間にスロットを有するポストと、各スロット内の１つ又は複数の導電体とを含み、第１のキャリアのポストは、ポスト高さ（ｍｍ）を有する。第１のキャリア及び第２のキャリアは、一緒になって電気機械のサイズを規定する。磁極の磁極ピッチはｍｍである。モータのサイズ、磁極ピッチ、及びポスト高さは、サイズ、磁極ピッチ、及びポスト高さによって規定される空間の領域内に収まるように選択される。この領域は、１）ａ）第１のサイズの電気機械についての第１のセットの不等式によって規定される第１の面と、ｂ）第２のサイズの電気機械についての第２のセットの不等式によって規定される第２の面と、ｃ）第１の面上の第１の終点及び第２の面上の第２の終点を有する線分上にある全ての点を含むように規定されるセットと、の和集合（union）によって規定され、又は２）不等式のセットによって規定される面と、この面より大きなサイズを有するが、その面上の点に対応する磁極ピッチ及びポスト高さを有する全ての点と、によって規定される。
【０６４７】
第１のセットの不等式及び第２のセットの不等式は、それぞれ不等式Ａ及びＢ、又はＢ及びＣ、又はＣ及びＤのセットであり、ここでＡは、表１、表２、及び表３に記載される式（それぞれ等式Ａ１、Ａ２、及びＡ３のセット）から構成される不等式のセットのグループから選択され、Ｂは、表４、表５、及び表６に記載される式（それぞれ等式Ｂ１、Ｂ２、及びＢ３のセット）から構成される不等式のセットのグループから選択され、Ｃは、表７、表８、及び表９に記載される式（それぞれ不等式Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３のセット）から構成される不等式のセットのグループから選択され、Ｄは、表１０、表１１、及び表１２に記載される不等式（それぞれ不等式Ｄ１、Ｄ２及びＤ３のセット）から構成される不等式のセットのグループから選択される。
【０６４８】
電気機械が特徴付けられる空間は、隣接するサイズの不等式のセットによって規定される不等式のペアによって形成することができ、例えば不等式のペアは、Ａ１Ｂ１、Ａ１Ｂ２、Ａ１Ｂ３、Ａ２Ｂ１、Ａ２Ｂ２、Ａ２Ｂ３、Ａ３Ｂ１、Ａ３Ｂ２、Ａ３Ｂ３、Ｂ１Ｃ１、Ｂ１Ｃ２、Ｂ１Ｃ３、Ｂ２Ｃ１、Ｂ２Ｃ２，Ｂ２Ｃ３、Ｂ３Ｃ１、Ｂ３Ｃ２、Ｂ３Ｃ３、Ｃ１Ｄ１、Ｃ１Ｄ２、Ｃ１Ｄ３、Ｃ２Ｄ１、Ｃ２Ｄ２、Ｃ２Ｄ３、Ｃ３Ｄ１、Ｃ３Ｄ２、Ｃ３Ｄ３である。これは、任意の不等式のセットによって形成してもよく、より大きいサイズに対応するが領域内でポスト高さ及び磁極ピッチを有する全ての点は、不等式のセットによって規定される。
【０６４９】
本出願に記載される全ての装置は、これらの式によって規定される領域及び空間内に入るサイズ、磁極ピッチ、及びポスト高さを有することができる。
【０６５０】
図１〜図５によって表される実施形態の幾何学的構成のシミュレーションでは、０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）のエアギャップ及びＮ５２磁石を使用し、シミュレーションは、１．５３Ｎｍ／ｋｇ／ＷのＫＲ’’をもたらし、この値はそのサイズの利益範囲内にある。図１２８〜図１２９に示される実施形態の幾何学的構成のシミュレーションは、２．１３Ｎｍ／ｋｇ／ＷのＫＲ’’をもたらし、この値もまた、そのサイズの利益範囲内に入る。
【０６５１】
［幾何学的構成の議論］
幾何学的構成の範囲は、所与の電力入力に対して異常に高いトルク対重量を与える。この効率は温度に依存しない。例えば、所与のトルク対重量において、開示される範囲内の装置がより少ない電力を使用するので、開示される範囲内のアクチュエータは、所与の冷却方法について、開示される範囲外の同様のアクチュエータよりもより低温で動作することができる。
【０６５２】
この場合に、低い導体体積は、導体がより短くなることにより熱抵抗が低くなる利益を有する。開示される範囲内で、より高い電流密度でこれらの導体に電力供給する必要性は、所与のトルク対重量を達成するために装置の熱放散効果によって補われる以上のものである。開示されるＫＲ’’範囲内では、（部分的には導体体積が小さくなることに起因する）重量の減少は、（より高い電流密度に起因する）必要とされるよりも過剰なパワーを超える可能性があり、それによってＫＲの観点で正味の利益を生み出すことができる。所与の直径の機械における幾何学的構成の記載される範囲は、はるかに小さい機械では知られているが、本装置の原理に従って大きな直径の機械で使用される特徴的な幾何学的構成に関連する放熱効果を与える。
【０６５３】
明確にするために、依然として、ＫＲ効果を達成するためには冷却が必要であるが、適切な冷却が使用されるＫＲの計算が想定される。一部のモータ及び用途では、放射冷却で十分である。他にはファンや冷却フィンが必要である。他にはフルパワー時には水冷が必要である。
【０６５４】
開示される電気機械では、ＫＲが低出力から高出力まで（ＫＲが低減される時点でステータが飽和するまで）同じであるため、電力出力に応じて異なる冷却レベルが必要とされるが、トルク対重量対消費電力は適度に（reasonably）一定である。磁極密度及び導体体積の開示される範囲は、所与の冷却方法による所与の放熱率に対して異常に高いトルク対重量を与える。磁極密度及び導体体積の開示される範囲は、ステータの背面に適用される所与の冷却方法及び所与の導体温度に対してより高いトルク対重量を生成する。磁極密度及び導電体積の開示される範囲についての導電体冷却の主な形態は、導体からステータの背面への熱伝導による熱移動である。
【０６５５】
熱は、例えばステータの背面から冷却流体との直接的な接触を介して、又はハウジング等の別の部材への伝導を介して、又は放射を介して取り出すことができる。ステータ又は導体の他の面は、様々な手段によって冷却することもできる。ステータの背面を冷却することは、多くのモータタイプにとって費用効果が高く簡単な選択肢であることが示されている。サンプル解析（ここでは示されない）は、（開示される範囲外のモータと比較して）ステータの背面からのより良い放熱を示す開示される範囲内の幾何学的構成は、一般に、ステータ又は導体の他の面が冷却されるときに、開示される範囲外のモータよりも向上した放熱性を示す。従って、ステータの背面は、有用な冷却面、並びにステータ及び導体の他の面への冷却の適用に対する一連の各モータの有効性の指標とみなされる。ステータの背面は、開示される範囲を特定するために使用されるモータの一連の解析の主冷却面とした選択された。磁極密度及び導体体積の範囲内で他の冷却方法を電気機械に適用できるが、導体からステータの背面への熱流路は、他のタイプの冷却（例えば、直接的なコイル冷却）が使用されても、モータの冷却に常に使用することが好ましい。
【０６５６】
［ステータのバック鉄心］
ステータのバック鉄心は、ポストの幅（周方向又は接線方向の幅）の５０％である軸方向の深さを有することができる。ポストは、それぞれ接線方向の幅を有してもよく、ステータは、バック鉄心部分を含み、バック鉄心部分は、ポストの接線方向の幅の半分以下の厚さであり、又はポストの接線方向の幅未満であってもよい。バック鉄心を厚くすると、重量が追加され、利益が小さくなる。バック鉄心を薄くすると冷却に役立つが、冷却に対するバック鉄心の厚さの効果はあまり大きくない。バック鉄心の面は、ステータからハウジングへ熱を物理的に伝導するようにハウジングと物理的に接触してもよく、及び／又はステータの背面は、アクティブに循環する冷却流体に曝され、及び／又はステータの背面は、大気又はハウジング又は他の要素への放射放熱するように構成することができ、及び／又はステータの背面は、空気又は液体をステータ及び／又はハウジングの面上を通すことにより対流又は受動冷却するように構成することができる。ステータの背面を通過する気体又は液体を、含んでも含まなくてもよい。ステータの背面は、大気からシールされてもよく、又は大気に曝してもよい。雰囲気は、アクチュエータを取り囲む空気又は水又は他の流体であってもよい。環境は、一部の製造工程に必要な真空状態や真空空間であってもよい。ステータの背面は、表面積を増大させる冷却フィンで構成してもよい。これらの冷却フィンは、冷却流体に曝されてもよく、及び／又はハウジング又は他の部材等のヒートシンクと接触してもよい。ステータ上の冷却フィンは、周方向にポスト幅の５０％を超える高さを有してもよい。
【０６５７】
ステータの背面から熱が放散されることに加えて、他の放熱面は、空気又は液体等の冷却流体に曝され得るポストの面を含むことができ、冷却流体は、導体とポストとの間等のスロットを通って循環する。
【０６５８】
ステータ及び／又は導体を冷却する他の方法は、ステータの表面上又は表面下、及び／又は導体の表面上又は表面下に冷却チャネルを含むことができる。これらの形態及び他の形態の冷却は、導体からステータの背面への主要な熱伝導冷却の補助として考えられる。場合によっては、補助的な冷却方法は、主要な伝導冷却効果よりもステータから遠ざかるほど多くの熱を奪うことさえあるが、能動的な冷却方法はエネルギー及び追加のコスト及び複雑さを必要とするため、導体からステータの背面までの導電冷却路が冷却の主要なモードとして本明細書に開示される。
【０６５９】
固定トルクを生成する単一のアクチュエータの場合に、消費電力は、開示される範囲で上昇し、開示される範囲内で最小のポスト高さ及びスロットピッチに向けて指数関数的に大きくなる。半径方向の歯の長さが３２ｍｍで単一の２００ｍｍの平均エアギャップ直径のアクチュエータロータ及び巻線を使用して１００Ｎｍのトルクを生成するのに必要な消費電力のシミュレーションから、最小の消費電力が開示される範囲外で発生し、開示される範囲内では消費電力が大幅に増大することが分かる。消費電力を最小化するために、設計者は、より大きなスロットピッチ及びより大きな導体体積の装置を導くであろう。本装置の幾何学的構成を使用するどのようなアクチュエータも、このタイプの用途ではより広いスロットピッチ及び導体体積の値に向けて、開示される範囲外のものより高い消費電力量を有するだろう。
【０６６０】
電気機械の磁極キャリアがスロット及びポストを含み、スロットがスロット又は磁極ピッチｓを有し、ポストが高さｈを有し、ここでｓは、開示される式に従ってｈに関連するような開示される構造では、電気的励起を、少なくとも７０Ａ／ｍｍ２の電流密度でスロット内の導体に印加することができる。７０Ａ／ｍｍ２を超える電気的励起は、一般に、開示される装置の動作に適すると考えられる。開示されるスロット及び導体構造を有する冷却効果は、導体内の電流によって生成された熱の一部又は全部を相殺する冷却を提供する。生成された残りの熱は、開示される冷却構造又はチャネルの１つ又は複数を使用して放散することができる。開示される範囲内のモータは、所与の電力入力について磁束経路における平均磁束密度の減少を示す。これは、ポスト同士の間の磁束漏れの減少と同様に、ポストが短くなり磁束経路の長さが減少し、ポストからバック鉄心を通って隣接するポストまでの距離が減少することに一部原因がある。その結果、飽和に達することなく、開示される範囲のモータでより高い電流密度を実行することができる。開示される範囲外のモータと比較して、所与の電流密度での増大した冷却能力とより低い磁束密度との組合せは、所与の冷却速度においてより高い連続的なトルク対重量を所与の温度に対して達成することができる条件と、開示される範囲内のモータのピーク時のトルク対重量のピークが、開示される範囲内の所与のトルク対重量に対してより低い磁束密度で動作するため、著しく高くなり得る条件との組合せを生成する。
【０６６１】
開示される幾何学的構成の性能及び消費電力の利益を達成するために克服しなければならない最も重要な課題の１つは、ロータとステータとの間に存在する巨大な磁力に耐え得る構造を提供することである。開示されるロータの実施形態は、エアギャップに異常に高い磁束密度を達成して、ステータポストに高い引力をもたらすことができる。同時に、開示される電気機械の一実施形態の高いトルク対重量を達成することは、一実施形態ではポストの周方向の厚さ（一実施形態では、ポストの厚さの約半分である）未満の軸方向厚さを有するバック鉄心の使用を必要とする。さらに、開示される軸方向磁束モータ構成及び開示される範囲の比較的短いステータポストは、本質的に薄いステータ構造をもたらす。半径方向磁束モータを使用すると、ポストを一体化した円形ラミネート（laminate）を使用することができる。これは、本質的な剛性を有し、ラミネートの周方向及び半径方向の向きに沿って望ましい磁束経路を当然に（naturally）提供する。対照的に、本装置の実施形態の軸方向磁束関数は、ラミネートされた個々の部品のアセンブリを必要とする。その結果、アクチュエータ毎に数百のポスト要素を製造する必要があり、製造の複雑さ、時間、及びコストが増大する。さらに、比較的薄いバック鉄心は、特に電気機械に共通する高周波力変動及び高温で、多くのポッティング化合物又は接着剤によってポストをバック鉄心に確実に固定するのに十分な表面積を提供しない。一例として、ステータの受入れスロット内にステータポストを固定するために使用される典型的な航空宇宙用接着剤は、エポキシ上の３００ｐｓｉ未満の応力に対して８０℃以下の温度で熱変形を有する。
【０６６２】
実施形態のバック鉄心ディスクは、ラミネート、粉末金属、又はソリッド（solid）金属で作製することができる。ラミネート材の使用には、可能性としてスタンプ加工された材料構成を含むいくつかの利益がある。しかしながら、ラミネートを使用する場合に、ラミネートは、装置動作の力及び温度に耐えることができる手段を介して取り付けなければならない。接着剤等の一般的な方法は、力及び／又は温度が高い特定の動作方式（regime）には不十分である可能性がある。それにもかかわらず、ラミネート可能は他の方式にとっては良い選択肢であり、多くの高速用途に十分機能することが期待されている。
【０６６３】
実施形態のバック鉄心の各粒子に絶縁コーティングを行う粉末金属の使用は、渦電流を低減するという利益を有する。しかしながら、このコーティングは磁束経路内の複数の小さなエアギャップのように機能するため、典型的には磁力を低下させる。また、この材料は、典型的には、特に高温時の著しく高いクリープ速度によりソリッド鋼又は鉄よりも強度が小さくなる。
【０６６４】
ソリッド鋼で製造されたステータは、典型的には、大きな渦電流損失を有する。しかしながら、開示される範囲内のモータの幾何学的特徴は、本装置の実施形態のいくつかの動作方式では、例えばロボットに適した速度で動作する場合に、渦電流損失がソリッドステータの使用を可能にするのに十分低くなるような渦電流及びヒステリシス低下効果を有する。ソリッド材料を使用することは、強度、剛性、耐熱性、及び疲労強度の面で有利である。本装置の実施形態は、大抵の場合、特定の用途においてギヤボックスなしで使用するのに十分なトルクを生成するので、得られる動作速度は、ソリッド鋼ステータを用いても渦電流損失が許容されるように十分低くされる。ソリッド鋳鉄は、いくつかの構成及び動作方式で実用的な十分に低い渦電流損失を与えることが見出された。
【０６６５】
ステータは、ラミネートされた積層体又は焼結された粉末金属のいずれかで構成してもよい。これらの構造の目的は、ソリッド材料の使用と比較して、磁束経路に対して直交する絶縁された軟磁性材料の断面積を減少させ、こうして渦電流の発生を低減させることである。渦電流は、追加の入力電力を必要とすることで効率を低下させ、それら渦電流は、システムが放散しなければならない余分な熱を生成する。それら渦電流は、減衰効果を生成することによって出力トルクを低下させる。
【０６６６】
開示される装置の実施形態では、磁極密度及びポスト高さの開示される範囲内で、導電性ソリッド材料から製造された単一部品のステータを使用することができる。渦電流の発生を避けるためには、アプリケーションは十分に低速でなければならず、例えば、幾何学的構成の開示される範囲を有する１７５ｍｍの平均エアギャップ直径モータについて２００ｒｐｍの動作の５０％（６０％、７０％、８０％、９０％）以下で構成されるデューティサイクルとしなければならない。この比較的低速の範囲を、開示される範囲のステータ歯の比較的小さい断面形状と組み合わせることによって、個々のステータ歯は、多少ラミネートのように機能し、渦電流の発生を低減させる。２００ｒｐｍ未満の速度は、一般に、装置の動作に適していると考えられる。１００ｒｐｍ未満、５０ｒｐｍ未満、及び２５ｒｐｍ未満の速度も、装置の動作に適していると考えられる。
【０６６７】
さらに、開示される範囲内の比較的短い歯の高さによって渦電流の生成が低減される。渦電流損失及びヒステリシス損失は体積によるものであるため、本装置の小さい体積によって、所定の磁束密度及びスイッチング周波数での総鉄損が減少する。
【０６６８】
ソリッドステータ又は一体型ステータは、例えば図１３６及び図１３７に示されるように、ポストからポストまでの連続的な磁束経路を有するが、実施形態に応じて、冷却フィンが存在しても存在しなくてもよい。こうして、各ポストは、一体型ステータの一部である。連続的な磁束経路は、磁化可能な一体型の材料部品によって提供してもよい。
【０６６９】
連続的な磁束経路は、例えば、延性鉄等の等方性材料、コバルト鋼又は珪素鋼等の鋼合金、プレス加工された金属又は焼結粉末金属等で作製されたステータによって提供してもよい。金属は、ポストから隣接するポストまで等方性であってもよく、ポストから軸受レースまで、又はポストから部材又はアセンブリまで非等方性であってもよく、部材又はアセンブリは、軸受に接続され、バック鉄心から冷却フィン及び／又は軸受まで可変材料合金を含む。これは、爆発溶接又は溶融堆積物追加製造法、又は攪拌溶接又は異種材料を組み合わせる他の形態によって行うことができる。
【０６７０】
ステータは、ポストから隣接するポストまで、ポストから軸受レース座部（又はブッシュ座部又は接触部）まで一体物又は単一構造とすることができる。ステータは、ポストからポストまで、及びこれらのポストのうちの１つから、軸受又はブッシュを前負荷する（pre-load）ように圧縮されている部材又はアセンブリまで一体構造とすることができる。ステータは、ポストからポストまで、及びこれらのポストのうちの１つから、軸受又はブッシュを前負荷するように圧縮されている部材又はアセンブリまで単一構造とすることができ、圧縮荷重の全て又は一部は、ステータとロータとの間の磁気引力によって生じる。前負荷された軸受の場合に、ハウジングアセンブリは、軸受が存在する場合に軸受レース座部を軸受前負荷の方向に軸受座部の位置を越えて変位させるのに十分なほど可撓性を有し、軸受が存在しない場合に０．０５０８ｍｍ（０．００２インチ）を越えて変位する。前負荷された軸受の場合に、ハウジングアセンブリは、軸受が存在する場合に軸受レース座部を軸受前負荷の方向に軸受座部の位置を越えて変位させるのに十分なほど可撓性を有し、軸受が存在しない場合に０．０５０８ｍｍ（０．００２インチ）を越えて変位し、ハウジングのこの変形を引き起こすようにステータに及ぼされる力は、ロータへのステータの磁気引力によって少なくとも部分的に与えられる。
【０６７１】
［開示される範囲内のモータについてのソリッドステータの性能利点］
【０６７２】
モータ内でのソリッドステータの使用は、コスト及び製造利益の可能性を与えることが知られている。しかしながら、ソリッドステータは、一般的な回転モータ速度では渦電流損失が大きくなることが知られているため、一般的には使用されていない。渦電流は、熱を発生させ、特に高い速度では、モータのトルク性能を低下させる副次効果も有する。多くのロボット用途では、５０ｒｐｍのアクチュエータ出力が高速とみなされ、多くのロボット用途では、２００ｒｐｍが非常に高速であるとみなされる。ロボットに使用される一般的なモータは、ジョイントにおいて直接駆動アクチュエータとして使用するのに十分なトルクを有しておらず、且つトルク増大ギヤボックスなしで使用する必要がある。トルク増大ギヤボックスを使用すると、アクチュエータ出力よりもはるかに高速でモータを動作させる必要がある。渦電流損失はスピードに伴って指数関数的に増大するため、ロボットアクチュエータにソリッドステータを使用すると性能が非常に悪くなることが予想される。
【０６７３】
ロボットに適した出力速度でトルク増大ギヤボックスを駆動させるのに必要な速度で低い渦電流特性を与えるために、ラミネート又は絶縁粉末材料が一般的にモータに使用される。しかし、ラミネート又は絶縁粉末材料を使用する必要性は、要求される範囲外の例示的なモータにとって有益であることが示されているが、要求される（Claimed）範囲内のモータは、渦電流及びヒステリシス低減の観点で、ラミネート材料の使用がロボット等の動作制御アプリケーションの性能に実際には悪影響を及ぼすポイントまで予期せぬ効果を示す。
【０６７４】
［解析セットアップ］
【０６７５】
予期せぬ効果を実証するために、一連のモータが、低い磁極密度で始まり、磁極密度を開示される範囲内に増大させるモータの範囲についてシミュレートされ、２００ｒｐｍでの渦電流損失及びヒステリシス損失が示された。シミュレーションは、本装置の集中磁束ロータの実施形態の例示的な一連のモータでは、ロータからのＰＭ磁束が、１９．７Ａｒｍｓ／ｍｍ２までの電流レベルでステータにおける全渦電流及びヒステリシス損失の約８０％以上を占めることを示している。したがって、２００ｒｐｍで回転するロータを用いた無給電渦電流損失は、印加される電流密度の妥当な範囲に亘って全体損失の信頼できる指標として使用される。
【０６７６】
［逆転状態のステータ損失トレンド］
【０６７７】
図１８３は、ポスト高さ対スロットピッチの同じアスペクト比及び同じ半径方向ポスト長さを有する一連の例示的なモータについて、ラミネートされたステータの渦電流及びヒステリシス損失と比較した、２つのソリッドステータ材料の渦電流損失及びヒステリシス損失を示す。損失は、電流を印加しない状態の２００ｒｐｍのロータ速度で、上述したようにシミュレート又は計算される。Ｍ１９ラミネートされたステータはプレート又はブロックの形態で一般的に利用可能ではないが、Ｍ１９ラミネートされたステータと直接比較するために、ソリッドステータ材のうちの１つの材料のシミュレーションにＭ１９電気鋼を使用したことに注意されたい。プレート又はブロックの形態で使用可能な他の材料、又は略ネット（正味）形状部品に鋳造することができる他の材料は、Ｍ１９と同様の磁気性能特性を有し、工業界で利用可能である。
【０６７８】
ここで図１８３を参照すると、所与の速度において高い磁極数が必要とされるより高い周波数は、開示される範囲に向けて及びこの範囲内にラミネートされた一連のステータの損失の予想された指数関数的な増大をもたらすことが分かる。また予想されるように、グラフの右端に示されるように、磁極ピッチが大きいモータのラミネートされたステータに比べて、ソリッドステータにはるかに高い損失が見受けられる。これらの損失は、駆動周波数が増大しなければならないため、磁極ピッチがグラフの右側から中央に向けて減少するので、ラミネートされたステータよりもはるかに速い速度で大きくなる。しかしながら、磁極ピッチが要求される範囲に近づくにつれて、渦電流の大きさは、ラミネートされた一連のステータにおいて増大し続けることはない。なぜなら、開示される範囲に向かうモータの磁束経路のより薄い断面が、要求される範囲に向けて減少したステータ体積から生じる低減された渦電流及び低減されたヒステリシス損失と一緒に、全体的な効果において支配的になるからであり、損失の増大傾向が逆転する。この予想される傾向のこの逆転は、開示される範囲内のソリッドステータの全渦電流及びヒステリシス損失が例示的な一連のステータのどこでも下回る結果となる。
【０６７９】
［増大するトルク対重量］
【０６８０】
図１８３のこの解析に示される損失は、ラミネートされたステータと比較してソリッドステータの方が常に高いが、開示される範囲内のモータでは、図１８８に示されるように、この傾向の逆転は、ラミネートされたステータよりもソリッドステータを用いて約２００ｒｐｍまでの向上したトルク対重量性能を生じさせるのに十分である。開示される範囲のこの非常に高いトルク対重量のモータは、トルク増大ギヤボックスを必要とせずにロボットジョイントにおいて直接駆動アクチュエータとして十分使用できることを示す。これは、本装置の非常に高いトルク対重量が、ソリッドステータの使用を可能にし、同時にその使用から利益を得る状況を作り出す。ロボットジョイントにおいて且つ直接駆動アクチュエータに対しては高速であるが本装置の損失を低減させる幾何学的構成を利用するのに十分低い動作速度で直接駆動アクチュエータとして（ソリッドステータを）動作可能にすることによってソリッドステータの使用を可能にする。同時に、要求される範囲内のモータは、同じ材料のラミネートされたステータで可能なものを超えてトルク対重量を増大させることによってソリッドステータの使用により利益を受ける。
【０６８１】
［トルク対重量解析セットアップ］
【０６８２】
渦電流損失によるトルク対重量の減少は、２００ｒｐｍまでの速度でのシミュレーションによって計算された。６Ａ／ｍｍ２の電流密度が印加された状態で、要求される範囲外の装置の２４個のスロット近似のトルク対重量は、非常に低速においてラミネートされたステータを下回り、２００ｒｐｍまでラミネートされたステータをさらに下回るように低下し続ける。
【０６８３】
本装置の１０８個のスロット近似のトルク対重量は、ラミネートされた場合のエアギャップを維持するためにより厚いバック鉄心を必要とする剛性要件のために、ラミネートされたステータよりも著しく高い箇所から開始することが示されている。しかしながら、ソリッドステータは、最小のバック鉄心の厚さで十分に剛性を有しており、余分な材料を追加する必要はない。さらに、ソリッドステータのストールトルクは、磁束経路の同じ断面積内の磁性材料の増加により僅かに高くなる。
【０６８４】
本装置の１０８個のスロットのモータでは、１９．７Ａ／ｍｍ２の印加電流密度が選択されるが、これは、ストールトルク条件で６Ａ／ｍｍ２において２４個のスロットのモータと同様の消費電力をもたらすためであることに留意されたい。
【０６８５】
トルク対重量が、スロット密度の低い例示的なモータのゼロ速度のトルク対重量をほぼ直ぐに下回ることは驚くべきことではない。しかしながら、開示される範囲内の例示的なモータの場合に、トルク対重量は、最小のバック鉄心の厚さで剛性を維持し、より高い材料密度と組み合わせることができるため、ゼロ速度では著しく高くなり、非磁性絶縁層及び接着剤によって占有される磁束経路の割合を有するラミネートと比較して、１００％の磁性材料密度を有する。速度が増大するにつれて、本装置では低いスロット密度のモータと同様にトルク対重量が依然として下回るが、２００ｒｐｍまでラミネートされたモータのトルク対重量を全て上回る。２００ｒｐｍはロボット用途に極めて高速であり、低コスト並びにステータの強度及び剛性を増大する観点でソリッドステータの他の潜在的利益を考慮すると、本装置は、同様の速度及びトルク対重量要件でロボットや他の用途に使用されるときに、トルク対重量を減少させることなくソリッドステータの知られている利益を提供することができる。
【０６８６】
［詳細な説明］
【０６８７】
上記の解析がどの様に行われたかについての詳細な説明は、以下の通りである。Infolytica（商標）によるMagNet（商標）ソフトウェアを使用して３Ｄシミュレーションを行った。１０８個のスロット及び１１０個の磁極を含む要求される範囲内の幾何学的構成を有する軸方向磁束機械の線形近似を構築し、Transient  with  Motion（商標）ソルバを用いてシミュレーションし、ソリッドステータ及びラミネートされたステータの損失を予測した。同一直径の２４個のスロット及び２６個の磁極の等価物を用いて、要求される範囲外の幾何学的構成を使用して同様のシミュレーションを行った。このシミュレーションは、Steinmetz方程式の解析的応用を使用して、ラミネートされた構造における渦電流及びヒステリシス損失を予測する。ソリッド構造では、渦電流損失は、材料の抵抗率に基づく構造内のオーム損失の平均を使用してシミュレーションによって予測される。一連の、すなわちDurabar６５−４５−１２ついて、ソフトウェアを用いて渦電流の大きさを生成し、他のソリッド（ステータの）渦電流の大きさは、それぞれの抵抗率の比を乗算して推定した。２４ゲージのＭ１９電気鋼では、ソリッド（ステータ）のヒステリシス損失はラミネートされた等価物のヒステリシス損失と等しいと想定されていたが、実際には、ソリッドブロックの材料におけるヒステリシス損失は、ラミネートされたスタックよりも大きくなることを本発明者は認識した。依然として、速度における損失の大部分は、この研究の焦点である渦電流によるものであるため、この仮定はこの研究の目的には十分であると考えられる。ソリッドDurabar６５−４５−１２について、損失を約５０６２Ｊ／ｍ３とする実験測定値に基づく推定を使用して、ヒステリシス損失を解析的に計算し、ここで周波数指数を１．１と仮定した。ステータ内の磁気活性（active）材料の体積は、シミュレーション結果に基づいて、個々の歯の幅に等しいバック鉄心の部分と歯の体積とを加えたものであると推定された。従って、Durabarのヒステリシス損失は以下のように計算された。
【０６８８】
Ｐｈｙｓｔ−Ｄｕｒａ＝５０６２・Ｖａｃｔｉｖｅ・ｆ１．１
【０６８９】
ここで、Ｐｈｙｓｔ−ＤｕｒａはDurabar６５−４５−１２におけるヒステリシスによる電力損失であり、Ｖａｃｔｉｖｅはステータの磁気活性体積であり、ｆは主要な磁気スイッチング周波数である。いずれの装置でも、主要な磁気スイッチング周波数は、以下の関係に従って出力速度及び極数に関係付けられる。
【０６９０】
ｆ＝（ＲＰＭ／６０）・（Ｎｐ／２）
【０６９１】
ここで、ＲＰＭは装置の（回転数／分）の出力速度であり、Ｎｐは極数である。
【０６９２】
ヒステリシス損失によるトルクの低下は、シミュレーションによって計算された渦電流損失によるトルクの低下に基づいて計算された。１９．７Ａｒｍｓ／ｍｍ２及び６Ａ／ｍｍ２の電流密度が印加された状態の、本装置の１０８個のスロット近似と要求される範囲外の装置の２４個のスロット近似との結果として生じるトルクが、それぞれ図１８７及び図１８４に示される。
【０６９３】
図１８３は、ポスト高さ対スロットピッチの同じアスペクト比及び同じ半径方向ポスト長さを有する一連の例示的なモータのラミネートされたステータの渦電流損失及びヒステリシス損失と比較した、ソリッドステータの渦電流損失及びヒステリシス損失を示す。損失は、電流が印加されない状態の２００ｒｐｍのロータ速度で、上述したようにシミュレート又は計算される。ラミネートされたステータの損失が要求される範囲に向けて及びこの範囲内で指数関数的に増大するが、ソリッドステータを含むモータは、駆動周波数が増大するにつれて大きなスロットピッチから左側に向けて小さなスロットピッチに移動するときに損失が増大することが最初に示される。しかしながら、渦電流を狭い歯の間に制限し、歯の体積を減少させることの組合せ効果によって、周波数の増大の影響が相殺され、スロットピッチが減少し続けるにつれて全体の損失を減少させ始める。この逆の傾向は、速度が比較的遅いロボット用途における許容可能な損失のために、要求される幾何学的範囲とソリッドステータを組み合わせることの自明でない（non-obvious）利益を示している。
【０６９４】
シミュレーションは、本装置のロータの実施形態の例示的な一連のモータでは、ロータからのＰＭ磁束が、１９．７Ａｒｍｓ／ｍｍ２までの電流レベルにおいてステータの全渦電流及びヒステリシス損失の約８０％以上を占めることを示している。従って、２００ｒｐｍで回転するロータを用いた無給電渦電流損失は、印加される電流密度の妥当な範囲に亘って全体的な損失の適切な指標として使用することができる。図１８３のデータは、電流が印加されない状態のロータ速度２００ｒｐｍでのスロットピッチの範囲に亘る３つの一連のモータの渦電流損失及びヒステリシス損失の合計を示す。
【０６９５】
スロットピッチが大きいモータの場合には、図１８３の２００ｒｐｍでのラミネートされたステータと比較して、はるかに高い損失がソリッドステータに示され、スロットピッチが減少するにつれてこれらの損失は劇的に大きくなる。しかしながら、ある時点において、薄い断面による渦電流低下効果が全体的な効果において支配的になり、損失の増大傾向は逆転する。この傾向の逆転は、要求される範囲内のソリッドステータを用いた場合の総渦電流／ヒステリシス損失が、例示的な一連のステータのどこでも著しく下回ることを示す。損失は、常にラミネートされたステータよりもはるかに高いが、これらの損失を許容できる他の要因もまた有効である。
【０６９６】
ベースライン比較として、同一の平均エアギャップ直径に対して２４個のスロット及び２６個の磁極を有し、且つ本装置の例と同じ歯の幅対高さのアスペクト比を有する、はるかに大きな幅広ポストを有する本装置範囲外の例示的な幾何学的構成についてシミュレーションを実施した。歯の半径方向の長さは、両方のモータが同じ外径及び内径を表すように、本装置の実施例と比較して一定に保たれた。典型的な６Ａ／ｍｍ２の印加電流密度について図１８４に示される結果は、これらの比較的遅い速度であっても、ソリッドステータのトルクが３１％の係数で著しく低下するが、ラミネートされたステータのトルクが僅かにしか低下しないことを示す。同様に、要求される範囲外の例示的な幾何学的構成における渦電流による損失は、図１８５に示されるような他のシステム損失のいずれよりも大きい。
【０６９７】
本装置のソリッドステータを用いた実際的な使用を実証するために、図１８６及び図１８７に解析結果を作成し記録し、図１８４及び図１８５と同じＯＤであるが、上述したように要求される範囲内の幾何学的構成のモータをシミュレートした。印加電流密度は、ストールトルク条件（速度０ｒｐｍ）について、図１８５の装置に同様な消費電力をもたらすような１９．７Ａ／ｍｍ２であった。
【０６９８】
ソリッドＭ−１９ステータの個々の及び合計のステータ損失が図１８６に示される。渦電流損失が速度と共に劇的に大きくなるが、導体内の抵抗損失がこの例では２００ｒｐｍまで全て損失の大部分を占める。本装置の幾何学的構成は、本発明者により、特にソリッドステータを使用する他の多くの潜在的な利益を考慮して、ロボット用途のアクチュエータにとって高速と見なされる速度まで許容できると考えられる速度より下に留まる渦電流損失をもたらす。
【０６９９】
２００ｒｐｍより上の速度では、渦電流損失は指数関数的に増大し続け、利益範囲内の幾何学的構成であっても多くの用途で許容できない大きさになる。したがって、本幾何学的構成を使用するソリッドステータは、このモータサイズについて２００ｒｐｍを超える動作速度を含む多くの典型的な直接駆動モータ用途にとって実用的ではない。これは、典型的なロボット用途の（典型的な直接駆動モータ用途と比較した）比較的低速範囲と、本装置の幾何学的構成との組合せにより、ソリッドステータが有用に実装可能になる。
【０７００】
ソリッドステータの利益の１つは、ラミネート材料又は絶縁粉末材料と比較してソリッド材料の機械的強度がはるかに高いため、本装置のトルク対重量を増大させることである。図１８５の例示的な幾何学的構成のように、要求される範囲外では、最適な磁気特性に必要なステータのバック鉄心の厚みはまた、ラミネートされたステータ及びソリッドステータが同じ体積を有するような十分な剛性を与える。しかしながら、要求される範囲では、小さなエアギャップ及び／又は強力なロータ磁石が使用される特定の場合の、ロータ磁石の引力によってステータが変形され、エアギャップが閉鎖されるのを防止するために、ラミネートされたステータ又は粉末焼結ステータが使用される場合に、バック鉄心の最小厚さを増大させる必要があり得る。図１８８の比較では、非常に強力なＮｄＦｅＢ  Ｎ５２永久磁石がロータに使用されていたため、本装置範囲内のラミネートされたステータは、ソリッドステータの２倍の厚さが推定値として与えられていた。しかしながら、接合方法に依存して、このラミネーション厚さをさらに増大させる必要があり得る。従って、ソリッドステータは、典型的には、同じバック鉄心厚さに対してより強力なロータ磁石を使用することによりトルクを増大させることによって、又は同じロータ磁石に対してより薄いバック鉄心を使用することにより重量を減少させることによって、例えば２００ｒｐｍまでの速度で、本装置の範囲内で最高のトルク対重量をもたらす。トルク対重量を増大させることは、本開示の他の箇所に記載されている消費電力の利益を有し、これは、多くのロボット用途について、追加の渦電流損失をかなり高速まで部分的又は完全に相殺することができる。ソリッドステータはまた、処理時間を短縮し、場合によっては鋳鋼部品等の低コストの材料及びプロセスを可能にすることによってコストを低減する。
【０７０１】
構造的コスト及び製造コストの利益に加えて、ソリッドステータは、同じ材料のラミネートされたステータよりも高い静的トルクを与えることもできる。図１８７に示されるように、ソリッドＭ−１９ステータは、ラミネートされたステータの体積の約５％を構成するラミネーション同士の間に絶縁性欠如のため、ラミネートされたＭ−１９ステータよりも高い静的トルクを与える。本装置の低い断面積と組み合わされた、初期状態において高い静的トルクの結果として、ソリッドＭ−１９ステータは、潜在的に５０ｒｐｍ以上のラミネート等価物より高いトルクを与えることができる。一般的な電動モータでは５０ｒｐｍは低速であるが、多くのロボット用途ではかなり高速であると考えられる。例えば、ロボットのデューティサイクルが平均５０ｒｐｍで、最大速度が１００ｒｐｍである場合に、ソリッドＭ−１９ステータの平均効率及びトルクは、この例ではラミネートされたＭ−１９ステータの平均効率及びトルクに類似し得る。多くのロボット用途について非常に高速であると考えられる２００ｒｐｍでは、ソリッドステータを用いる例示的な実施形態のトルクは、約９％だけラミネートされたステータを用いたトルクよりも低い。これは、ソリッドステータ対ラミネートされたステータの同じ比較を使用する図１８４の例示的な実施形態に見受けられるこの速度でのトルクの損失の僅か１／３であり、低コスト及びより低い重量を可能にする構造的一体性を向上させること等のソリッドステータの他の利益を考慮して許容可能な損失であると考えることができる。２つの実施形態のトルクの直接比較が図１８９に示されており、両方の実施形態における全損失の直接比較が図１９０に示されている。Ｍ１９−電気鋼は、典型的には、ソリッド形態で利用できないが、ここでは説明の目的で直接的な比較として使用される。本装置では、多くの異なる合金を配合してソリッド材料として使用することができる。珪素の追加量を増大させることは、例えば、ソリッドステータ材料の渦電流をさらに低減するために使用される。過剰な珪素を追加すると静的トルクが低下するが、より速い速度での損失を許容可能な妥協点として減少させることができる。ソリッドステータ材料の理想的な性能特性は、特定の用途に依存するが、当業者は、本明細書に開示された原理を適用することによって性能特性を決定することができる。
【０７０２】
Durabar６５−４５−１８延性鉄は、ステータに使用できるソリッド材料の別の非限定的な例として示される。この材料は機械加工が容易で、様々な試作品に使用されている。この延性鉄は、Ｍ−１９から作製された同じステータよりも低い静的トルクを有するが、速度が増大すると同様の損失を有する。２００ｒｐｍでは、トルク及び効率が、依然として非常に高いトルク対重量及び許容可能な消費電力を提供するのに十分であると考えられる。
【０７０３】
ソリッドステータは、利益空間内のサイズを有する機械と共に使用され、使用される材料のエアギャップ及び強度に亘る磁力に依存して、様々なサイズのエアギャップを有するが、例えば０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）〜０．２５４ｍｍ（０．０１０インチ）の範囲の厚さを有するような実際の制限内の機械で使用することができる。０．２５４ｍｍ（０．０１０インチ）のギャップでのシミュレーションは、開示される範囲の大部分について、その範囲の面積の７５％以上が、０．２５４ｍｍ（０．０１インチ）のギャップでＫＲの利益を表すことを示した。より少ない利益を示す唯一のものは、最も高いＫＲ、すなわち不等式Ａ２及びＡ３のセットにおける又はその間で最小のサイズである。従って、全てのモータについて、０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）〜０．２５４ｍｍ（０．０１インチ）までのギャップに利益が見出された。バック鉄心の厚さは、軸方向磁束機械の場合に、ポストの周方向厚さの軸方向厚さの５０％以下であってもよいが、この値は可変である。バック鉄心を厚くすると、ＫＲの損失が生じるが、バック鉄心を薄くすると、強度の損失が生じる。
【０７０４】
ステータは、熱成形され、且つ３０，０００又は４０，０００ｐｓｉを超える降伏強さを有する任意の金属又は金属合金、例えば珪素鋼、コバルト合金、延性鉄又は他の軟磁性合金から製造してもよく、２０，０００ｐｓｉ応力を下回る測定可能なクリープは存在しない。２００ｍｍ平均エアギャップの場合に、装置の回転速度は、ソリッドステータを使用する最良の結果のために、大部分の時間に亘って１００ｒｐｍを超えてはならず、又はその時間の２５％に亘って２００ｒｐｍを超えてはならず、又は平均回転速度５０ｒｐｍを超えてはいけない。一体構造のステータの実施形態は、２００ｒｐｍ、１００ｒｐｍ、５０ｒｐｍ、又は２５ｒｐｍ未満の速度で実行されると利益を得る。
【０７０５】
利益空間内の電気機械はまた、非常に高いピークトルク及び非常に高い安全停止能力を提供する。このような電気機械は、所与の電力入力に対して磁束密度の減少を示す。これは、部分的には、ポストの長さが短くなることによる磁束経路の長さの減少、及びポストからバック鉄心を介してポストへの距離の減少、並びにポスト同士の間の磁束漏れの減少によるものである。その結果、飽和に達することなく、開示される範囲でモータをより高い電流密度で実行することができる。開示される範囲外のモータと比較して、冷却能力の増大と所定の電流密度でのより低い磁束密度との組合せは、所与の冷却速度における所与の温度に対してより高い連続トルクを達成することができる条件と、開示される範囲内のモータのピーク瞬時トルク対重量ピークが、利益空間内の所与のトルク対重量に対してより低い磁束密度で動作することによって、著しく高くなり得る条件との組合せを生成する。
【０７０６】
利益空間内の電気機械は、材料の体積を減少させ、製造コストを低減し、製造上の影響を低減する。磁石は、磁力によって保持してもよく（自然状態では、スロットからはね返されか又は部分的にはね返されるが）、ポストの反対端の非常に深い切欠き及び磁石は、磁束の大部分がエアギャップを介して連結されるにもかかわらず、内向きのバイアスを生成する。
【０７０７】
開示される幾何学的構成を横方向磁束モータ等のモータタイプに適用するためには、開示される範囲内の熱放散及び他の利益が実現される程度に影響を及ぼす他の設計上の考慮が存在し得る。例えば、横方向磁束モータの場合に、（コイルの軸線と平行な方向の）ポストの幅は磁極ピッチとは無関係である。しかしながら、この幅は、ステータのバック鉄心の必要な厚さに直接関係するため、システムの重量を決定するために非常に重要である。ポストの軸方向幅対コイの軸方向幅の比も考慮しなければならない。これらの量が減少すると、アセンブリ全体を軸方向に整列されることによって、総エアギャップ表面積及び導体断面積を一定に保つことができる。従って、最適なトルク対重量及び放熱は、アレイピッチ及びポストの軸方向幅にも依存する。
【０７０８】
［電力及び冷却の図］
図１９１に示されるように、冷却供給源３４０２を用いてアクチュエータ３４００を冷却してもよい。冷却供給源３４０２は、冷却アクチュエータ３４００のための流体流を流路３４０４を介して供給することができる。冷却供給源は、任意のハウジング又は開口部の内部を含む開示される任意の流路、若しくはステータ又はロータ又は開示されるキャリア上に接続される。アクチュエータ３４００は、電源３４０６によって電力（電気励起）を供給することもできる。電源３４０６は、電力コネクタ３４０８を使用してアクチュエータ３４００に電力を供給してもよい。
【０７０９】
［非常に軽量な実施形態］
図１８２〜図１９９Ｂに示される図は、開示される原理による自己完結型アクチュエータアセンブリの簡略図である。軸受の代わりにブシュを使用しており、ブシュは、コスト及び重量について利益を有し、且つ低速及び耐用年数が短い典型的な多くの用途に適する。導体はいずれの図にも示されておらず、他の実施形態について本明細書に開示されたものを含む任意のタイプであり得ることに留意されたい。
【０７１０】
図１９２を参照すると、ここに示されるアクチュエータ３５００の実施形態は、内部ロータ３５０４の両側に外部ステータ３５０２を有する。別の実施形態では、外部ロータを両側に有する内部ステータがあり得るが、これは冷却のために望ましくないと考えられる。示されるアクチュエータは、固定リング３５０８に対して出力リング３５０６を移動させる。図示された実施形態では、出力リング３５０６はアクチュエータの内径（ID）にあり、固定リング３５０８は外径（OD）にある。別の実施形態では、出力リングが外径にあってもよく、固定リングが内径にあってもよい。
【０７１１】
図１９３Ａに示されるように、ブッシュ又は低摩擦コーティングを使用して、ロータ３５０４とステータ３５０２との間の摩擦を低減することができる。図１９３Ｂの拡大図により明確に示されるように、示される実施形態は、各ステータ３５０２とロータ３５０４との間のエアギャップ内に軸方向位置のブシュ又は低摩擦コーティング３５１０と、ロータ３５０４と固定リング３５０８との間に半径方向位置のブッシュ又は低摩擦コーティング３５１２とを有する。
【０７１２】
図１９４に示されるように、ステータ３５０２はポスト３５１４を有する。ポスト３５１４は、半径方向に向き合わせされてもよく、ポストの外径端部から軸方向延長部／スペーサ３５１６を有してもよい。これらの延長部３５１６は、ステータポスト３５１４及びバック鉄心３５１８を一体物として作製することが好ましい。これにより、軸方向の剛性だけでなく、固定リング３５０８へのトルク伝達も高くなる。軸方向スペーサとしてポストチップを使用することにより、干渉なし導体コイルをポスト上に挿入可能になる。参照符号３５２０で表される矢印によって示されるように、ステータは、示される実施形態では特にステータの内径に向けて、ステータとロータとの間の磁気引力の結果として内向きに曲がる。ステータ及び／又はロータの形状は、そのようにすることができる。磁気引力を考慮して、ＩＤからＯＤまでの適度に一貫したエアギャップ等の任意の所望のエアギャップが、ステータとロータの間のエアギャップに達成される。図１９５は、曲げの方向を示す多くの矢印３５２０用いたステータポスト３５１４の拡大図を示す。
【０７１３】
図１９６に示されるように、示される実施形態のロータ３５０４は、永久磁石（PM）３５２４のアレイを保持する永久磁石（PM）キャリア３５２２を有する。示される実施形態では、ＰＭキャリアは、ロータバック鉄心３５２６を含む集中磁束ＰＭロータキャリアである。ロータ出力リングの出力リング３５０６は、例えば、プレス嵌め、接着剤、又は留め具等を用いて、ＰＭキャリア３５２２のＩＤ（又はＯＤ出力構成のＯＤ）に固定される。この図に確認されるように、この実施形態の固定リング３５０８は、ステータポストの軸方向延長部３５１６を受け入れるためのスロット３５３２を有する。
【０７１４】
図１９７は、ＰＭ磁石を使用しない、この実施形態のＰＭ磁石キャリア３５２２を示す。ＰＭキャリアは、全て、好ましくは合金鋼又は鉄合金等の一体型の等方性材料で作製されたポスト３５２８及びバック鉄心３５２６を有する。磁束制限ボア３５３０が、ポスト同士の間のバック鉄心に配置される。
【０７１５】
図１９８は、延長部３５１６を含むステータポスト３５１４のＯＤ端部の形状をより明確に示す。代替のＯＤ出力実施形態（図示せず）では、延長部は、ポストのＩＤ端部にあってもよい。
【０７１６】
図１９９Ａ及び図１９９Ｂは、ロータポスト３５２８及びステータポスト３５１４の重なりパターンを説明するためのものである。ロータポスト対ステータポスト差を４以上にすることによって、及びステータポスト又はロータポストの周方向幅の少なくとも一部が他の部材のギャップよりも広くなることを保証することによって、ポストの連続的又は略連続的な重なりを達成することができる。ここでは４つのポスト差が示されているが、２つ又は６つ以上等のより大きい又はより小さい差を様々な効果で使用することができる。
【０７１７】
開示される範囲の電気機械のアクティブ磁気要素は、フレームレスモータとしてシステムに挿入されるか、又はフレーム付きモータ又はアクチュエータ内の軸受及び他の構造によって支持され得る。ポストからポストまでの異常に薄い磁束経路断面は、開示される範囲の幾何学的構成に固有のものである。この薄い断面形状は、鉄合金又は鋼合金等の等方性軟磁性材料からステータを構成する可能性を提供し、多くのロボット用途に適した速度で性能及び／又は効率が向上するという驚くべき結果をもたらす。等方性軟磁性材料はまた、高い割合の潜在的なトルクを達成するために必要とされる非常に小さいエアギャップを達成し、維持するための構造的強度、剛性、及び耐クリープ性を提供する。
【０７１８】
本明細書に開示される電気機械の実施形態のステータとロータとの間に支持構造及び軸受を構成する多くの方法がある。これらのうちのいくつかは、当業者に知られている。スペーサ延長部は、ステータに剛性を追加するために、圧入又は係合機構（図示せず）によってスペーサリングに固定することが好ましい。等方性ロータ及びステータセンブリによって提供される著しい剛性構造を利用する他のものが、ここに示される。ここに示される実施形態は、その重量コスト及び複雑さを最小化する自己完結型のアクチュエータハウジング及び軸受構造を提供する。
【０７１９】
等方性ステータの固有の剛性を使用することにより、ステータのＩＤ又はＯＤ上でステータが一緒に引っ張られるのを防止するように、軸方向スペーサを用いてステータを支持することが可能である。一実施形態では、スペーサは、ステータポストのＯＤ又はＩＤ上に延長部の形態でステータと共に一体物として形成又は機械加工される。これらのスペーサ延長部は、互いに接触する、又はここに示されるように中間スペーサリングと接触することができる。特定の用途では、ステータとロータとの間の磁気引力は、追加の留め具又は接着剤を必要とせずにアセンブリを一緒に保持するのに十分であり得る。２００ｍｍの外径を有する例示的な実施形態では、ステータとロータとの間の磁気引力は、ステータ／ロータエアギャップあたり４００ｋｇ以上とすることができる。ここに示される構成は、ロータに向けて平均ステータＩＤ変位０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）〜０．０７６２ｍｍ（０．００３インチ）となるのに十分な剛性を提供する。ステータ及びロータは、この変位が、示されるブシュ又はノンスリップコーティング上に圧力を生じさせないように前もって形成される。ステータとロータとの間の４つのポスト差により、ステータ上の適度に一貫した力に対して４つの等しい間隔の磁気引力ゾーンを実現することができる。ステータとロータとの間のエアギャップ内に、及びロータのＯＤ周りにテフロン（登録商標）等の低摩擦ブシュ材料を用いた、低コスト及び軽量軸受構成がここに示される。図１９９Ａ及び図１９９Ｂは、好ましくは、ステータポストの全て又は高い割合（より低い割合でも十分な重なりを提供できるが、５０％以上である）が常にロータポストと重なるような、ステータポスト及びロータポストの幾何学的構成の非限定的な例を示す。重なり合うポストのこの高い割合は、ステータとロータとの間の一貫した支持を提供し、低摩擦コーティング又は中間ブッシュ材料が、ロータをステータ同士の間の中心に保つことを可能にする。
【０７２０】
ステータにおける少量の可撓性は、依然として熱膨張及び製造公差の変動を許容しながら、ステータとロータとの間の遊びを最小化又は排除するのに有用であり得る。
【０７２１】
ダイアモンドライクコーティング（ＤＬＣ）又は他の低摩擦、低摩耗率コーティングを、ステータポスト及びロータポストのチップに塗布することができる。
【０７２２】
ステータ及びロータに使用できる多くの材料がある。コスト及び性能の点での例示的な材料は、延性鋳鉄である。磁気引力によって生成されるステータの僅かな量の可撓性は、ステータポスト及びロータポストの面を一緒に前負荷するために使用できる。ステータ及び／又はロータは、平行又は他のエアギャップ幾何学的構成を達成するために、僅かに円錐形の形状で予め形成してもよい。
【０７２３】
［軽量アーム］
図２００〜図２０７は、フレームレスモータ／アクチュエータとして磁極密度及びポスト高さの開示される範囲内の装置のステータ３８０２及びロータ３８０１をロボットアーム３８００に挿入した例を示す概略図及び簡略断面図を示す。簡略化するために、導体及び配線はこれらの図に示されていないことに注意されたい。アームピボット支持のために使用される軸受３８０４も、エアギャップ３８０９を規定するために使用される。これによって、別個のアクチュエータハウジングの質量及び複雑さなしに、フレームレスアクチュエータをシステムに使用できる。スペーサリング３８０３と共にフレームレスアクチュエータアセンブリのＩＤに追加の軸受３８０８を使用して、より長い半径方向ポスト長さで所望のエアギャップ寸法を維持することができる。インターロック機構３８１２は、ステータタブ３８１２をハウジングタブ３８１６同士の間に滑らせ、持ち上げ水平方向（up-and-over）経路３８１５に従ってそれらステータタブ３８１２を所定位置に固定することによって、ステータ３８０２の下部アームハウジング３８０６への取り付けを可能にする。ロータ３８１４上の同様のタブは、ロータ３８０２を上部アーム部材３８０６及び内部軸受スペーサリング３８０３に固定する。ステータ及びロータの質量は、追加の固定機構３８１４、３８１２、及び軸受スペーサリング３８０３及び内部軸受３８０８の重量のみによって増大する。スペーサ要素３８０３は、アルミニウム又はマグネシウム等の低密度の材料で作製することができる。この例示的な実施形態は、１７５ｍｍの平均エアギャップ直径と２５ｍｍの半径方向ポスト長さとを有する。等方性合金鋼又は鉄合金のステータ３８０２、及びバック鉄心を有する等方性鋼合金又は鉄合金のロータ３８０１は、軸受を用いてＩＤ及びＯＤで支持されたときに、０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）のエアギャップを維持するのに十分な剛性を有する。
【０７２４】
一実施形態では、ロータ３８０１とステータ３８０２との間の磁気引力を使用して、軸受３８０４、３８０８上に前負荷を与えることができ、またこの磁気引力を使用して、軸受を上部及び下部アーム部材３８０５，３８０６に着座状態で維持するための留め具の必要性を低減又は排除することができる。この構造は、簡素化の観点で、及び開示される範囲外のモータを使用する場合よりも、アームアセンブリ全体を軽くできる点まで軽量であるという点で有益であると考えられる。
【０７２５】
ロータ３８０１とステータ３８０２との間の軸方向内向きの磁気引力のために、それらロータ３８０１及びステータ３８０２は共に、エアギャップ３８０９において互いに向けて移動するのを防止するために固定しなければならない。軽量であるが剛性を有するロボットアームハウジングを実現することは有益であるので、この例示的な実施形態は、アクチュエータのエアギャップ軸方向端部からアーム及び磁気要素を組み立てる方法を提供する。これは、ステータ及びロータをハウジング３８０５、３８０６内に挿入して回転可能にするステータ３８０２及びロータ３８０１のＯＤ上にタブ３８１２、３８１４のアレイを使用することによって達成され、次にタブ３８１６、３８１３のアレイをハウジング３８０５、３８０６に一致させて係合させる。ねじ込み係合も別のオプションである。
【０７２６】
ロータ３８０１及びステータ３８０２がそれぞれのアームに組み付けられると、ステータを含む上部アームアセンブリとロータを含む下部アームアセンブリが一緒になる。ロータとステータとの間の力は、軸受３８０４、３８０８に前負荷をかけ、このサイズの装置の場合、約４００ｋｇまでの軸力でアームジョイントを一緒に保持する。
【図１】
2018529302.tif 000036
【図２】
2018529302.tif 000037
【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１４】
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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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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【図６５】
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【図６６】
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【図６７】
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【図６９】
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【図７０】
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【図７１】
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【図７２】
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【図７３】
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【図７４】
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【図７５】
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【図７６】
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【図７７】
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【図７８】
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【図７９】
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【図８０】
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【図８１】
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【図８２】
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【図８３】
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【図８４】
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【図８５】
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【図８６】
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【図８７】
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【図８８】
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【図８９】
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【図９０】
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【図９１】
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【図９２】
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【図９３】
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【図９４】
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【図９５】
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【図９６】
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【図９７】
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【図９８】
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【図９９】
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【図１００】
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【図１０１】
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【図１０２】
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【図１０３】
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【図１０４】
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【図１０５】
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【図１０６】
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【図１０９】
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【図１１０】
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【図１１２】
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【図１１３】
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【図１１４】
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【図１１５】
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【図１１６】
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【図１１７】
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【図１１８】
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【図１１９】
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【図１２０】
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【図１２１】
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【図１２２】
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【図１２３】
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【図１２４】
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【図１２５】
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【図１２６】
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【図１２７】
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【図１２８】
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【図１２９】
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【図１３０】
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【図１３１】
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【図１３２】
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【図１３４】
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【図１３５】
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【図１３６】
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【図１３７】
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【図１３８】
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【図１３９】
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【図１４０】
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【図１４０Ａ】
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【図１４０Ｂ】
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【図１４１】
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【図１４２】
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【図１４３】
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【図１４４】
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【図１４５】
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【図１４６】
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【図１４７】
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【図１４８】
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【図１４９】
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【図１５０】
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【図１５１】
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【図１５２】
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【図１５３】
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【図１５４】
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【図１５５】
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【図１５６】
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【図１５７】
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【図１５８】
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【図１５９】
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【図１６０】
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【図１６１】
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【図１６２】
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【図１６３】
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【図１６４】
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【図１６５】
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【図１６６Ａ】
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【図１６６Ｂ】
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【図１６７】
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【図１６８】
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【図１６９】
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【図１７０Ａ】
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【図１７０Ｂ】
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【図１７０Ｅ】
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【図１７０Ｆ】
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【図１７１】
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【図１７２】
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【図１７３】
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【図１７４】
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【図１７５】
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【図１７６】
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【図１７７】
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【図１７８】
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【図１７９】
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【図１８０】
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【図１８１】
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【図１８２】
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【図１８３】
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【図１８４】
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【図１８５】
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【図１８６】
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【図１８７】
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【図１８８】
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【図１８９】
2018529302.tif 000233
【図１９０】
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【図１９１】
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【図１９２】
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【図１９３Ａ】
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【図１９３Ｂ】
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【図１９４】
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【図１９５】
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【図１９６】
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【図１９７】
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【図１９８】
2018529302.tif 000243
【図１９９Ａ】
2018529302.tif 000244
【図１９９Ｂ】
2018529302.tif 000245
【図２００】
2018529302.tif 000246
【図２０１】
2018529302.tif 000247
【図２０２】
2018529302.tif 000248
【図２０３】
2018529302.tif 000249
【図２０４】
2018529302.tif 000250
【図２０５】
2018529302.tif 000251
【図２０６】
2018529302.tif 000252
【図２０７】
2018529302.tif 000253
【国際調査報告】
2018529302.tif 000254
2018529302.tif 000255
2018529302.tif 000256
2018529302.tif 000257