(57)【要約】  この出願には、第１のトルク用に設計された第１の構成から第２のトルク用に設計された第２の構成に切り換えるように永久磁石を配置する方法及び装置を含む、様々な実施形態が開示される。【選択図】      図１
2018533353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械であって、
軸方向軸線と、
前記軸方向軸線の周りに位置決めされたトロイダルトンネルと、を備え、前記トロイダルトンネルは、
前記軸方向軸線の周りに円周方向に離間した第１の複数の永久磁極を備える第１のロータであって、前記第１の複数の永久磁極の各磁極は、該トロイダルトンネルの内部に向かって対面し、磁極極性がその隣接する磁極と反対である第１のロータと、
前記第１のロータに対向して位置決めされた第２のロータであって、前記軸方向軸線の周りに円周方向に離間した第２の複数の永久磁極を備え、前記第２の複数の永久磁極の各磁極は、該トロイダルトンネルの前記内部に向かって対面し、磁極極性がその隣接する磁極とは反対である第２のロータと、
前記磁極が角度的に整列して第１のレベルの電磁トルクを生成する第１の磁極構成から、前記磁極が角度的に回転して第２のレベルの電磁トルクを生成する第２の磁極構成へ回転するのに適することと、
該トロイダルトンネルの一部を前記第１の磁極構成から前記第２の磁極構成へ機械的に回転させるために、前記ロータの少なくとも１つに連結された第１の回転アクチュエータと、
前記トロイダルトンネル内に位置決めされたコイル組立体と、によって定まることを特徴とする電気機械。
【請求項２】
前記第１のロータは、前記軸方向軸線の周りに位置決めされた外側円筒形壁を備え、前記第２のロータは、前記軸方向軸線周りに位置決めされ、前記第１円筒形壁に対向して位置決めされた内側円筒形壁を備える、請求項１に記載の電気機械。
【請求項３】
前記トロイダルトンネルは、前記軸方向軸線の周りに位置決めされ、前記第１のロータ及び前記第２のロータに軸方向に隣接して位置決めされた第３のロータであって、前記軸方向軸線の周りに円周方向に離間した第３の複数の永久磁極を備え、前記第３の複数の永久磁石の各磁極は、該トロイダルトンネルの前記内部に向かって対面し、磁極極性がその隣接する磁極と反対である第３のロータと、
前記軸方向軸線の周りに位置決めされ、前記第１のロータ及び前記第２のロータに軸方向に隣接して位置決めされ、前記第３のロータから軸方向に離れた第４のロータであって、前記軸方向軸線の周りに離間した第４の複数の永久磁極を備え、前記第４の複数の永久磁極の各磁極は、前記トロイダルトンネルの前記内部に向かって対面し、磁極極性がその隣接する磁極とは反対である第４のロータと、をさらに備える、請求項１に記載の電気機械。
【請求項４】
前記第３のロータは、前記外側円筒形壁及び前記内側円筒形壁に隣接して位置決めされた第１の側壁を備え、前記第４のロータは、前記外側円筒形壁及び前記内側円筒形壁に隣接して位置決めされ、前記第１の側壁から軸方向に離れた対向する側壁を備える、請求項３に記載の電気機械。
【請求項５】
前記第１の磁極構成では、前記第１の複数の永久磁極、前記第２の複数の永久磁極、前記第３の複数の永久磁極、及び前記第４の複数の永久磁極のＮ磁極極性は、全て軸方向及び半径方向で整列してＮＮＮＮ磁極構成を形成する、請求項４に記載の電気機械。
【請求項６】
前記第２の磁極構成では、前記第１の複数の永久磁極のＮ磁極極性及び前記第２の複数の永久磁極のＮ磁極極性は、互いに対向して、前記第３の複数の永久磁極及び前記第４の複数の永久磁極のＳ磁極極性と半径方向で整列してＮＳＮＳ磁極構成を形成する、請求項４に記載の電気機械。
【請求項７】
前記第１の回転アクチュエータは、前記第３のロータに機械的に連結され、前記第３のロータは、前記第１のロータ及び前記第２のロータとは独立して、前記第１の磁極構成から所定の回転角度を通して前記第２の磁極構成へ回転可能となっている、請求項６に記載の電気機械。
【請求項８】
前記第４のロータに連結された第２の回転アクチュエータをさらに備え、前記第４のロータは、前記第１のロータ及び前記第２のロータとは独立して、前記第１の磁極構成から前記所定の回転角度を通して前記第２の磁極構成へ回転可能となっている、請求項７に記載の電気機械。
【請求項９】
前記第１の回転アクチュエータは、前記第３のロータ及び前記第４のロータの両方に機械的に連結され、前記第３のロータ及び前記第４のロータは、前記第１のロータ及び前記第２のロータとは独立して、前記第１の磁極構成から前記所定の回転角度を通して前記第２の磁極構成へ回転可能となっている、請求項６に記載の電気機械。
【請求項１０】
前記第２の磁気構成では、前記第１の複数の永久磁石のＮ磁極極性及び前記第３の複数の永久磁石のＮ磁極極性は、互いに軸方向に隣接して、前記第２の複数の永久磁極及び前記第４の複数の永久磁極のＳ磁極極性に対向してＮＮＳＳ磁極構成を形成する、請求項４に記載の電気機械。
【請求項１１】
前記第１の回転アクチュエータは、前記第１のロータ及び前記第３のロータの両方に機械的に連結され、前記第１のロータ及び前記第３のロータは、前記第２のモータ及び前記第４のモータとは独立して、前記第１の磁極構成から前記所定の回転角度を通して前記第２の磁極構成へ回転可能となっている、請求項１０に記載の電気機械。
【請求項１２】
電気電動回転を生成する方法であって、
軸方向軸線の周りにトロイダルトンネルを位置決めする工程であって、前記トロイダルトンネルは、
前記軸方向軸線の周りに円周方向に離間した第１の複数の永久磁極を備える第１のロータであって、前記第１の複数の永久磁極の各磁極は、該トロイダルトンネルの内部に向かって対面し、磁極極性がその隣接する磁極と反対である第１のロータと、
前記第１のロータに対向して位置決めされた第２のロータであって、前記軸方向軸線の周りに円周方向に離間した第２の複数の永久磁極を備え、前記第２の複数の永久磁極の各磁極は、該トロイダルトンネルの前記内部に向かって対面し、磁極極性がその隣接する磁極とは反対である第２のロータと、
前記軸方向軸線の周りに位置決めされ、前記第１のロータ及び前記第２のロータに軸方向に隣接して位置決めされた第３のロータであって、前記軸方向軸線の周りに円周方向に離間した第３の複数の永久磁極を備え、前記第３の複数の永久磁石の各磁極は、該トロイダルトンネルの前記内部に向かって対面し、磁極極性がその隣接する磁極と反対である第３のロータと、
前記軸方向軸線の周りに位置決めされ、前記第１のロータ及び前記第２のロータに軸方向に隣接して位置決めされ、前記第３のロータから軸方向に離れた第４のロータであって、前記軸方向軸線の周りに離間した第４の複数の永久磁極を備え、前記第４の複数の永久磁極の各磁極は、前記トロイダルトンネルの前記内部に向かって対面し、磁極極性がその隣接する磁極とは反対である第４のロータとによって定まる、トロイダルトンネルを位置決めする工程と、
前記トロイダルトンネル内に位置決めされたコイル組立体に電流を加えて、前記モータに電磁力を加える工程と、
前記トロイダルトンネルを定める少なくとも１つのロータを、前記磁極が角度的に整列して第１のレベルの電磁トルクを生成する第１の磁極構成から、前記磁極が角度的に回転して第２のレベルの電磁トルクを生成する第２の磁極構成へ回転させる工程と、を備えることを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記第１の磁極構成では、前記第１の複数の永久磁極、前記第２の複数の永久磁極、前記第３の複数の永久磁極、及び前記第４の複数の永久磁極のＮ磁極極性は、全て軸方向及び半径方向で整列してＮＮＮＮ磁極構成を形成する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２の磁極構成では、前記第１の複数の永久磁極のＮ磁極極性及び前記第２の複数の永久磁極のＮ磁極極性は、互いに対向して、前記第３の複数の永久磁極及び前記第４の複数の永久磁極のＳ磁極極性と半径方向で整列してＮＳＮＳ磁極構成を形成する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記第２の磁気構成では、前記第１の複数の永久磁石のＮ磁極極性及び前記第３の複数の永久磁石のＮ磁極極性は、互いに軸方向に隣接して、前記第２の複数の永久磁極及び前記第４の複数の永久磁極のＳ磁極極性に対向してＮＮＳＳ磁極構成を形成する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記トロイダルトンネルを定める少なくとも１つのロータを回転させる工程は、前記第３のロータを、前記第１のロータ及び前記第２のロータとは独立して、前記第１の磁極構成から所定の回転角度を通して前記第２の磁極構成へ回転させる工程をさらに備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記トロイダルトンネルを定める少なくとも１つのロータを回転させる工程は、前記第４のロータを、前記第１のロータ及び前記第２のロータとは独立して、前記第１の磁極構成から前記所定の回転角度を通して前記第２の磁極構成へ回転させる工程をさらに備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記トロイダルトンネルを定める少なくとも１つのロータを回転させる工程は、前記第３のロータ及び前記第４のロータの両方を、前記第１のロータ及び前記第２のロータとは独立して、前記第１磁極構成から前記所定の回転角度を通して前記第２の磁極構成へ回転させる工程をさらに備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記トロイダルトンネルを定める少なくとも１つのロータを回転させる工程は、前記第１のロータ及び前記第３のロータを、前記第２のモータ及び前記第４のモータとは独立して、前記第１の磁極構成から前記所定の回転角度を通して前記第２の磁極構成へ回転させる工程をさらに備える、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
〔関連出願〕
この出願は、２０１５年１０月２０日に出願され、名称が「切換可能なトロイダル電気モータ／ジェネレータ」である米国仮特許出願第６２／２４４，１５５号の優先権を主張する。その開示は、全ての目的のための参照によって組み込まれる。
【０００２】
この出願はまた、次の米国特許出願、すなわち２０１５年６月２８日に出願され、名称が「改良型多重トンネル電気モータ／ジェネレータ」である米国仮特許出願第６２／１８５，６３７号、２０１５年４月４日に出願され、名称が「多重トンネル電気モータ／ジェネレータ」である米国仮特許出願第６２／１４４，６５４号、２０１４年９月２５日に出願され、名称が「永久磁束密度が増強した改良型直流電気モータ／ジェネレータ」である米国仮特許出願第６２／０５５，６１５号、２０１４年９月２６日に出願され、名称が「永久磁束密度が増強した改善された直流電気モータ／ジェネレータ」である米国仮特許出願第６２／０５６，３８９号、２０１３年３月２０日に出願され、名称が「永久磁束密度が増強した改良型直流電気モータ／ジェネレータ」である米国特許出願第１３／８４８，０４８号によっても共同所有され、本願は、２０１２年３月２０日に出願された米国仮特許出願第６１／６１３，０２２号の優先権を主張し、その全ての開示は、全ての目的のために参照によって本明細書に組込まれる。
【０００３】
本発明は、一般に、新規な改良型電気モータ/ジェネレータに関し、特に、電磁石モータから回転運動を生成し又は回転運動入力から電力を生成する、改良型システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
多くのエンジンでは、比較的低い速度又はワット数でトルク出力が高いことが必要とされ、そうすれば、速度が上昇するにつれて、トルクは低減することができる。電気自動車の適用例では、低速運転には、重い荷物を移動させるため、或いは丘のような荒い地勢又は坂を進むために、基本速度未満で一定トルク動作が要求されることが多い。例えば、貨物自動車が家から家へゆっくりと移動しているとき、特定地域のごみ収集には高いトルクが必要とされることがあるが、貨物自動車が幹線道路を高速度で進んでいるとき、高いトルクは必要とされない。同様に、建築工事及びトラクタでは、土木時及び耕起時は高いトルクが必要であるが、機械が輸送モードにあり又は道路に沿って移動するときは低いトルクが必要である。コンベアモータは、最初に始動したとき高いトルクを必要とし、それらの運転速度に達した後、より低いトルクを必要とすることがある。
【０００５】
多くの場合、高速運転には、平らな道路又は開発された工業用地上を走行するための基本速度の２倍又は３倍の速度が必要である。この高速モードでは、トルク要求が低く、一定電力運転が望まれる。一定電力運転では、利用可能なトルクは速度に反比例する。逆起電力を制御する機構を備えるモータは、一定電力モードでは、変速機内の変速ギヤ比と同様に動作し、すなわちより速い速度がより低い使用可能なトルクと交換される。
【０００６】
従って、モータはまた、１つのモードでは高いトルクを発生し、高い速度に達すると、他のモードでは比較的低いトルクを発生する必要がある。一定トルクモードから、速度が基本速度よりも大きい一定電力モードに変速可能なモータが、磁石式可変変速機として利用できる。従来、これは、伝達装置を介して達成することができる。しかしながら、伝達装置は、非効率でありしかも追加費用を要する。必要とされるのは、高トルク低速構成と低トルク高速構成とが切換可能なモータである。
【発明の概要】
【０００７】
これらの及び他の問題に対応して、この明細書に開示された様々な実施形態があり、実施形態は、第１のトルク出力用に設計された第１の構成から、第２のトルク出力用に設計された第２の構成へ切り換えるために永久磁石を配置する方法及びシステムを含む。
【０００８】
これら及び他の特徴及び利点は、添付図面と併せて以下の詳細な説明からより明確に理解される。図面は、本発明の唯一の態様を表すことを意図しないことへの留意が重要である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の特定の態様によるモータ／ジェネレータ構成部品の一実施形態の分解図である。
【図２Ａ】図１に示したモータ／ジェネレータ構成部品の磁気ディスク組立体の詳細な等角図である。
【図２Ｂ】図２Ａに示した磁気ディスク組立体の詳細な等角図であり、明確性のために特定の構成部品を除去している。
【図３Ａ】コイル組立体及びその構成部品の様々な詳細な説明図である。
【図３Ｂ】コイル組立体及びその構成部品の様々な詳細な説明図である。
【図３Ｃ】コイル組立体及びその構成部品の様々な詳細な説明図である。
【図３Ｄ】コイル組立体及びその構成部品の様々な詳細な説明図である。
【図３Ｅ】コイル組立体及びその構成部品の様々な詳細な説明図である。
【図４Ａ】磁性トロイダルシリンダ又はロータ組立体の等角図である。
【図４Ｂ】図４Ａの磁性トロイダル形シリンダ及びバックアイアン装置の様々な構成部品の分解図である。
【図５Ａ】磁性シリンダセグメントの一実施形態を示す詳細斜視図である。
【図５Ｂ】磁性シリンダセグメントの代替実施形態を示す詳細斜視図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、磁極の１つの配置を示す磁性シリンダセグメントの断面図である。
【図５Ｄ】図５Ｃの磁極配置を示すトロイダル磁性シリンダの分解図である。
【図５Ｅ】図５Ｆの磁極配置を示すトロイダル磁性シリンダの分解図である。
【図５Ｆ】磁極の代替配置を示す磁性シリンダセグメントの断面図である。
【図５Ｇ】図５Ｈの磁極配置を示す磁性シリンダの分解図である。
【図５Ｈ】磁極の代替配置を示す磁性シリンダセグメントの断面図である。
【図６】セグメントに電磁力を加えた磁性シリンダセグメントの詳細な等角図である。
【図７Ａ】図５Ｃから図５Ｈに示した様々な磁極配置の相対トルク又は逆起電圧を示すグラフである。
【図７Ｂ】図５Ｃから図５Ｈに示した様々な磁極配置の相対トルク又は逆起電圧を示すグラフである。
【図７Ｃ】２つの磁気構成間の相対トルクを示すグラフである。
【図７Ｄ】図５Ｃから図５Ｈに示した様々な磁極配置の相対トルク又は逆起電圧を示すグラフである。
【図８Ａ】本発明の様々な実施形態とともに使用できる回転アクチュエータの詳細な等角図である。
【図８Ｂ】本発明の様々な実施形態とともに使用できる回転アクチュエータの詳細な等角図である。
【図８Ｃ】本発明の様々な実施形態とともに使用できる回転アクチュエータの詳細な等角図である。
【図８Ｄ】本発明の様々な実施形態とともに使用できる回転アクチュエータの詳細な等角図である。
【図８Ｅ】本発明の様々な実施形態とともに使用できる回転アクチュエータの詳細な等角図である。
【図９】コントローラに連結されたコイル組立体の概略図である。
【図１０】三相電力入力及びコントローラと電気通信する複数のホール効果センサに連結されたコイル組立体の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示を簡単にするために、構成部品、信号、メッセージ、プロトコル及び配置の具体例を以下に説明する。もちろん、これらは、単なる例であり、本発明を請求項に記載された発明に限定するものではない。不必要な詳細が本発明を不明瞭にしないように、周知の要素は、詳細な説明なしに提示する。大部分について、本発明の完全な理解を得るために不必要な詳細事項は、そのような詳細事項が当業者の技術の範囲内にある限り省略されている。本明細書で説明する特定の構成部品又は要素に電力を供給するために使用される従来の制御回路、電源又は回路に関する詳細事項は、当業者の技術範囲内にあるため省略する。
【００１１】
本開示において上部、下部、頂部、底部、時計回り又は反時計回りのような方向を説明するとき、そのような方向は、例示した図面に関する、及び図中の構成部品の向きに関する基準方向を提示するに過ぎないことを意味する。方向は、結果として得られる発明又は実際の使用にて使用する実際の方向を意味すると解釈すべきではない。いかなる場合でも、そのような方向は、請求項を制限し、又は請求項に何らかの意味を与えると解釈すべきではない。
【００１２】
図１は、磁気ディスク組立体４００、ロータハブ３００、及び第１の作動機構６００を例示するモータ／ジェネレータ構成部品１００の分解斜視図であり、モータ／ジェネレータ構成部品１００は、特定の実施形態では、磁気ディスク組立体４００の一側に連結するのに適する。特定の実施形態では、磁気ディスク組立体４００の対向する外側に連結するのに適する第２の作動機構６５０も存在する可能性がある。
【００１３】
磁気ディスク組立体４００は、トロイダル磁性シリンダ４３０（図示しない）を取り囲みかつ位置決めするバックアイアン回路２００を備える。トロイダル磁性シリンダ４３０は、コイル組立体５００（図示しない）を取り囲む。以下に説明するように、特定の実施形態では、ロータハブ３００は、バックアイアン回路２００の様々な構成部品を支持し、ロータシャフト３０２に連結される。
【００１４】
図２Ａは、磁気ディスク組立体４００の詳細な等角図である。図２Ａに示すように、バックアイアン回路２００は、磁気ディスク組立体４００の外部を備える。特定の実施形態では、バックアイアン回路は、２つの部分から成ることができる。ページに対して、バックアイアン回路は、第１の又は頂部部分２０２と、第２の又は底部部分２０４とを備えることができる。特定の実施形態では、バックアイアン回路２００の第１の部分２０２は、バックアイアン材で作った第１の円筒形壁２０６を備える。本出願の目的のために、「バックアイアン」という用語は、任意の鉄化合物又は合金、任意の鉄、ニッケル又はコバルト合金のような鉄又は軟磁性材料、或いはそのような材料の積層シートから成る任意の積層金属などを指すことができる。
【００１５】
特定の実施形態では、第１の円筒壁２０６は、同様にバックアイアン材で作ったリング又は平坦な側壁２０８に連結することができる。以下で説明するように、さらに他の実施形態では、第１の円筒壁２０６は、平坦な壁２０８に対して特定の角度だけ回転することができる。何れの場合も、側壁２０８は、第１の円筒壁２０６に隣接している。
【００１６】
バックアイアン回路２０４の第２の部分は第２の円筒壁２１０を備え、第２の円筒壁２１０は、特定の実施形態では、第２のリング又は平坦な側壁２１２に連結することができる。以下に説明するように、さらに他の実施形態では、外側円筒壁２１０は、平坦な壁２１２に対して特定の角度だけ回転することができる。
【００１７】
特定の実施形態では、円筒壁２０６と平坦な側壁２０８との間にスロット２１４を定めて、制御ワイヤ及び／又は電気導体の通過を、或いは機械的な固定及び支持の追加を可能にできる。さらに他の実施形態では、円筒壁２０６と円筒壁２１０との間に定まる同様のスロット又はギャップ（図２Ａには図示しない）が存在することができる。
【００１８】
図２Ｂは、磁気ディスク組立体４００の一実施形態の詳細な等角図であり、明確性のためにバックアイアン回路を除去している。例示したように、また後述するように、バックアイアン回路は、コイル組立体５００を取り囲むトロイダル磁性シリンダ４３０を位置決めしかつ支持する。
【００１９】
図３Ａは、コイル組立体５００の一実施形態の詳細な等角図であり、明確性のためにトロイダル磁性シリンダ４３０を除去している。特定の実施形態では、コイル組立体５００は、それが静止できる点でステータとすることができる。さらに他の実施形態では、コイル組立体５００は、回転できるのでロータとして機能できる。さらに、例示した実施形態は、コイル組立体５００を構成しかつ支持する１つの方法に過ぎない。他の実施形態では、コイル組立体５００は、外側円筒壁２０６と外側円筒壁２１０との間の中心スロット（図２Ａ参照）を通ってコイル組立体から外部のケーシング又はハウジングに延びる、支持リングによって支持することができる。さらに他の実施形態では、コイル組立体５００、ロータとして機能するとき、内側円筒壁２０７と内側円筒壁２１１との間の中心スロットを通ってコイル組立体からシャフトに延びる、支持リングによって支持することができる。正確な構成は、コイル組立体がステータ又はロータの何れであるかというデザイン上の選択に左右される。
【００２０】
一般に、業界で通常使用されているように、「ロータ」は、永久磁石を含む１つ又は複数の部分（ロータが静止し又は移動しているかどうかに関係ない）とすることができる。例示した実施形態では、コイル組立体５００は、トロイダル磁性シリンダ４３０（図２Ｂ参照）が形成するロータ（又は複数のロータ）と併せて使用されるステータの一部である。
【００２１】
図３Ｂは、円筒形又は輪形コア５０４を備えるコイル組立体支持体５０２を示し、輪形コア５０４は、長手方向又は軸方向の軸線４０１に対して輪形コアの周りに半径方向に離間して配置された複数の歯５０６に連結されている。明確化の目的で、図３Ｂでは、歯５０６の一部は、輪形コア５０４が見えるように除去されている。
【００２２】
特定の実施形態では、輪形コア５０４は、鉄、軟磁性材料、又はバックアイアン材料で作り、磁束力集線装置として作用する。しかしながら、機械的強度、渦電流の低減、冷却通路などの設計上の検討事項を考慮すると、他のコア材料が使用できる。上述したように、バックアイアン材料は、鉄、鉄合金、積層鋼鉄、又は軟磁性材料とすることができる。一部の実施形態では、輪形コア５０４は、中空とし又は内部に定まる通路を有し、液体又は空気を冷却することができる。
【００２３】
図３Ｃに、個々の歯５０６ａ及び輪形コア５０４の小さい部分の一実施形態が例示される。歯５０６ａは、コア５０４を形成する材料と同様の材料、例えば鉄、積層鋼又は軟磁性材料から作ることができる。例示した実施形態では、各歯５０６ａは、輪形コア５０４から半径（例えば水平）方向及び長手（例えば垂直）方向に延びている。従って、各歯５０６ａは、長手方向軸線４０１（図３参照）から遠ざかって半径方向に延びる外側部分５１０と、長手方向軸線４０１に向かって半径方向に延びる内側部分５１２と、一方の長手方向又は軸方向に延びる頂部５１４と、反対の垂直方向又は長手方向に延びる底部５１６とを含む。輪形コア５０４の例示した部分は、個々の歯５０６ａに連結されて、個々の歯５０６ａを支持する。
【００２４】
特定の実施形態では、外側垂直部分５１０の外縁に外側フィン５２０が連結し、長手方向軸線４０１に対して反対の円周方向（又は接線方向）で、垂直部分５１０から外方に延びている。同様に、内側部分５１２の内縁に内側フィン５２２が連結し、反対の円周向（又は接線）方向で、部分５１２から外方に延びている。本開示で用いるように、「円周方向」という用語は、軸線４０１（図３Ｂ参照）のような軸線の周りの接線方向又は回転方向を意味する。
【００２５】
図３Ｄに、個々の歯５０６’ａ及び輪形コア５０４の小さい部分の代替実施形態が例示される。歯５０６’ａは、同じく頂部５１４及び底部５１６から延びる水平な又は放射状のフィンを有する点を除いて、図５を参照して例示した上記歯５０６ａと同様である。具体的には、頂部水平部分５１４の縁部から第１の又は頂部の水平フィン５１８が反対の水平円周方向に延びている。同様に、底部水平部分５１６の縁部から第２の又は底部の水平フィン５１９が反対の水平円筒方向に延びている。言い換えると、頂部水平フィン５１８は、外部フィン５２０の頂部を内部フィン５２２の頂部に連結する。同様に、底部水平フィン５１９は、外部フィン５２０の底部を内部フィン５２２の底部に連結する。構造上の観点から、フィン５１８及びフィン５１９の厚さは、それぞれの水平部材５１４及び５１６との結合部に近いほど厚く、フィンが結合部から遠ざかるにつれて先細になっている。
【００２６】
図３Ａに例示するように、コアリング５０４によって支持された隣接する歯５０６又は５０６’が、コイル組立体支持構造５０２内に半径方向のスロット５２４を形成する。図３Ｅ（明確化のために歯５０６の一部を省略している）に、複数の個々のコイル又はコイル巻線５２６を例示し、それらは、輪形コア５０４の周りに、しかも隣接する歯５０６の間又は歯５０６’の間に形成されたスロット５２４内に半径方向に配置されている。対照的に、図３Ａは、完全なコイル組立体５００を例示し、個々のスロット５０４内に位置決めされた、個々の歯５０６及び個々のコイル巻線５２６の全てを示す。
【００２７】
コイル組立体５００内の各個々のコイル５２６は、銅（又は同様の合金）ワイヤのような導電性材料から作ることができ、本技術分野で公知である従来の巻付け技術を用いて組み立てることができる。特定の実施形態では、集中巻が使用できる。特定の実施形態では、個々のコイル５２６の形状は、本質的に円筒形又は長方形とすることができ、コイル５２６は輪形コア５０４の周りに巻かれ、輪形コア５０４は、個々のコイル５２６がコア５０４に固定され得る大きさの中心開口を有する。
【００２８】
個々のコイル５２６を、歯５０６又は５０６’によって定まるスロット５２４内に位置決めすることによって、コイルは、歯のより実質的なヒートシンク能力によって囲まれ、ヒートシンク能力は、特定の実施形態では、歯を形成する材料に冷却通路を直接組み込むことができる。これにより、従来のモータの配置よりもはるかに高い電流密度が得られる。さらに、複数のコイル５２６を、スロット５２４内にしかも歯５０６間に配置することによって、コイル間の空隙が減少する。空隙を減らすことによって、コイル組立体５００は、モータ又はジェネレータによって生成される全体トルクに貢献することができる。特定の実施形態では、コイル組立体の歯５０６ａ又は歯５０６’ａの横方向フィン５１８及び５１９（図３Ｄ参照）、円周方向フィン５２０及び５２２（図３Ｃ又は図３Ｄ参照）は、コイルの構造間の空隙を低減して、コイルが通電されて、コイル組立体５００が磁気トンネルに対して移動し始めるとき、磁束力が一方のフィンから隣接するフィンに流れることを可能にする。
【００２９】
個々のコイル５２６の数は、所望の容積内に物理的に収まる任意の数とし、本技術分野で公知である所望の電気出力又は機械出力を生成する導体の長さ及び大きさとすることができる。さらに他の実施形態では、コイル５２６は、本技術分野で公知のグラムリングと同様に、本質的に１つの連続コイルとすることができる。
【００３０】
図４Ａは、磁性トロイダルシリンダ４３０の一実施形態を示す。長手方向軸線４０１の周りに位置決めされた磁石の頂壁又は第１の側壁又は半径方向の壁４０２（第１の側壁４０２）がある。同様に、磁石の第１の側壁４０２から長手方向に離れて位置決めされた磁石の底壁又は第２の側壁又は半径方向の壁４０４（第２の側壁４０４）がある。磁石の第１の側壁４０２と第２の半径方向壁４０４との間に、磁石の外側円筒壁又は長手方向リング４０６が長手方向に配置されている。磁石の第１の側壁４０２と第２の半径方向壁４０４との間に、磁石の内側円筒壁又は長手方向リング４０８も長手方向に位置決めされ、磁石４０６の外側長手方向リング４０６内に横方向又は半径方向に配置される。組み立てたとき、半径方向壁４０２〜４０４及び長手方向壁４０８〜４０６を形成する磁石は、図４Ａに例示するようなトロイダル磁性シリンダ４３０を形成する。各壁又は各リングは、複数の磁石から作ることができる。業界用語では、永久磁石の各磁性壁を「ロータ」と呼ぶ。このように、「四重壁の」磁性トロイダルシリンダは、４ロータ式永久磁石システムとして公知である。
【００３１】
特定の実施形態では、本明細書で検討する半径方向壁又は側壁４０２〜４０４、及び長手方向壁４０８〜４０６を形成する磁石は、ネオジム、アルニコ合金、セラミック永久磁石又は電磁石のような、任意の適切な磁性材料で作ることができる。磁石又は電磁石の正確な数は、必要な磁界強度又は機械構成に左右される。例示した実施形態は、単に、特定の市販の磁石に基づき磁石を配置する一つの方法である。特に磁石がこの特定の目的のために製造されるとき、他の配置が可能である。
【００３２】
図４Ａの例示した実施形態では、壁間にスロットが存在し、例えば外側長手方向壁４０６と頂部側壁又は第１の側壁４０２との間にスロット４５６が存在することができる。上述したように、特定の実施形態では、壁内にスロットが存在し、例えば外部円筒壁４０６内に定まるスロット（図示しない）が存在することができる。スロットは、支持構造並びに／又はワイヤ及び導体に収納するように設計されている。本開示で用いる「閉鎖磁性トンネル」という用語は、部分的なトロイダル磁性シリンダ４３０を形成する磁石の配置を使用することを指し、磁石配置は、まず磁気力を大きなスロットを通して逃がすことなく、トンネルの一側から他側へ又は円周方向に、磁束力を「強いる」又は「曲げる」ことができる。従って、スロット幅は、磁束力がスロットを通って流出しないように制限することができる。他の実施形態では、追加の磁石をスロットに挿入して、磁束力を所定方向又は円周方向に導き続けることができる。
【００３３】
上述したように、トロイダル磁性シリンダ４３０を形成する磁石は、バックアイアン回路２００によって位置決めされかつ支持される。図４Ｂは、バックアイアン回路２００、及びトロイダル磁性シリンダ４３０を形成する磁石の分解斜視図である。この実施形態では、バックアイアン回路２００は、第１の部分２０２及び第２の部分２０４を備える。バックアイアン回路２００の第１の部分は、側壁又は頂壁２０８と、第１の円周方向外壁又はリング２０６と、第１の内壁又はリング２０７とを備える。バックアイアン回路２００の第２の部分２０４は、側壁又は底壁２１２と、第２の円周方向の外壁又はリング２１０と、第２の内壁又はリング２１１とを備える。
【００３４】
この実施形態では、各外壁又はリング４０６ａ及び４０６ｂは、複数の湾曲磁石を備える。バックアイアン回路２００の第１の外側円筒壁２０６の内側面２４２ａの周囲に、複数の内側長手方向溝２４０ａが定まり、半径方向に離間している。外側磁性壁４０６の第１の部分４０６ａを形成する複数の外側磁石は、複数の内側長手方向溝２４０ａ内に嵌合する大きさとされる。同様に、第２の外側円筒壁２１０の内側面２４２ｂの周りに、複数の内側長手方向溝２４０ｂが定まり、半径方向に離間している。外側磁壁４０６の第２の部分４０６ｂを形成する複数の外側磁石は、複数の内側長手方向溝２４０ｂ内に嵌合する大きさとされる。
【００３５】
各内側磁性リング又は壁部分４０８ａ及び４０８ｂも、複数の湾曲磁石を備える。バックアイアン回路２００の第１の内側円筒壁２０７の外側面２４６ａの周囲に、複数の外側長手方向溝２４４ａが定まり、半径方向に離間している。内側磁性壁４０８の第１の部分４０８ａを形成する複数の内側磁石は、複数の外側長手方向溝２４４ａ内に嵌合する大きさとされる。同様に、第２の内側円筒壁２１１の外面２４６ｂの周りに複数の外側長手方向溝２４４ｂが定まり、半径方向に離間している。内側磁性壁４０８の第２の部分４０８ｂを形成する複数の内側磁石は、複数の外側長手方向溝２４４ｂ内に嵌合する大きさとされる。
【００３６】
従って、複数の溝２４０ａ、２４０ｂ、２４４ａ及び２４４ｂは、外側円筒形磁性壁４０６及び内側円筒形磁性壁４０８を形成する複数の磁石を位置決めし、構造的に支持するように設計される。同様に、半径方向溝２４８は、バックアイアン回路２００の平らな側壁２０８及び２１２の内部に対面する表面に定めることができる。半径方向溝２４８はまた、半径方向の磁石４０４（及び半径方向の磁石４０２）のリングを収納しかつ支持するような大きさとされている。特定の実施形態では、本技術分野で公知の接着材料を使用して、トロイダル磁性シリンダ４３０を形成する磁石をバックアイアン回路２００の様々な要素に固定して連結することができる。
【００３７】
図４Ｂに例示した実施形態は、２つの外側円筒形壁２０６及び２１０を使用する。他の実施形態では、２つの外側円筒形壁２０６及び２１０は、単一の円筒形壁（図示しない）によって置き換え可能である。同様に、２つの内側円筒壁２０７及び２１１が図４Ｂに例示される。しかしながら、特定の実施形態では、内側円筒形壁２０７及び２１１は、単一の円筒形内壁（図示しない）によって置き換え可能である。
【００３８】
特定の実施形態では、トロイダル磁性シリンダ４３０は、複数の半径方向セグメントに、又は本技術分野で公知の「極」に分割することができる。例示目的で、トロイダル磁性シリンダ４３０は、８つの半径方向セグメントに分割され、隣接するセグメントは、磁極の向きが交互配置になっている。しかしながら、モータ又はジェネレータに対する具体的なデザイン要求に応じて、任意の数の半径方向セグメントを使用することができる。
【００３９】
図５Ａに、そのような１つの半径方向セグメント４４０が例示される。各半径方向セグメントは、内壁４０８と、外壁４０６と、頂壁又は第１の側壁４０２と、底壁又は第２の側壁４０４とを有する。図５Ａに例示しかつ図４Ｂを参照して上述したように、壁４０６及び４０８は、さらに、２つ以上の軸方向又は長手方向部分に分割することができる。例えば、図５Ａの外壁４０６は、第１の部分又は壁４０６ａと、第２の部分又は壁４０６ｂとを備える。同様に、内壁４０８は、第１の部分又は壁４０８ａと、第２の部分又は壁４０８ｂとを備える。
【００４０】
対照的に、図５Ｂの半径方向セグメント４４０’は、単一の磁性外壁４０６及び単一の磁性外壁４０８を有する実施形態を示す。電磁的観点から見ると、半径方向セグメント４４０の軸方向壁４０６及び４０８が、図５Ｂに示す単一の湾曲磁石から形成されても、又は図５Ａに示す２つ以上の湾曲磁石から形成されても、ほとんど相違を生じない。しかしながら、特定の実施形態では、機械的観点から、図５Ａに例示したような半径方向セグメント４４０又は図５Ｂに例示したような半径方向セグメント４４０’を使用する方がより好都合なことがある。
ＮＮＮＮ磁極構成
【００４１】
半径方向セグメント４４０の磁性壁を形成する個々の磁石は、磁性円筒４００の全体性能に影響を与える所定方向に対面する極を有する。例示するために、図５Ｃは、半径方向セグメント４４０’の磁性壁の概念的断面図であり、半径方向セグメントの様々な壁を形成する磁石の磁極向きを示す。例えば、図５Ｃでは、外側円筒形壁４０６及び内側円筒形壁４０８を形成する磁石の磁極は、その長手方向軸線４０１（図４Ａ参照）対して半径方向に沿って向きを合わせたそれらの磁極を有する。図５Ｃの説明では、円筒形壁４０６及び４０８のＮ磁極は、半径方向セグメント４４０の内部４４２に向いている。その結果、円筒形壁４０６及び４０８のＳ極は、半径方向セグメント４４０の内部４４２から遠ざかって向いている。同様に、側壁４０２及び４０４を形成する磁石は、長手方向又は軸方向に沿って向きを合わせたそれらの磁極を有し、結果としてそのＮ極も半径方向セグメント４４０の内部４４２に向かって対面している。この開示の目的のために、図５Ｃに例示する磁気構成は、半径方向セグメントの内部４４２に向いている全ての極がＮ磁極極性を有するので、ＮＮＮＮ構成と考えることができる。
【００４２】
特定の実施形態では、隣接する半径方向セグメントの磁極は、半径方向セグメント４４０の方向又は向きとは反対の方向又は向きに合わせる。言い換えれば、隣接するセグメントでは、外側円筒形壁４０６及び内側円筒形壁４０８を形成する磁石の磁極は、長手方向軸線４０１に向かう半径方向に沿って向きを合わせたそれらの磁極を有し（図４Ａ参照）、結果としてそれらのＳ磁極が半径方向セグメント４４０の内部４４２に向かう。同様に、側壁４０２及び４０４を形成する磁石は、軸方向又は長手方向に沿って向きを合わせたその磁極を有し、結果としてそのＳ極も半径方向セグメント４４０の内部に対面している。このように、隣接する半径方向セグメントは、内部に対面する磁極が全てＳ極磁極であるため、ＳＳＳＳ磁極構成を有することができる。
【００４３】
ＮＮＮＮ又はＳＳＳＳの命名は、全ての内部に対面する磁石が同じ極性であることを表すことを意味する。この命名は、請求項に記載された発明を、磁気セグメントを形成する４つの壁に限定するように理解すべきでない。例示の実施形態は、断面に４つの壁がある４側式トロイダルシリンダ４３０を例示しているが、３つ、５つ、６つ又はそれ以上の壁セグメントを使用して、トロイダル磁性シリンダ又は類似の形状を形成することは、本発明の範囲内である。
【００４４】
図５Ｄに例示するように、トロイダル磁性シリンダ４３０を形成する半径方向セグメントは、それらの磁極の向きを、シリンダの周りで各隣接セグメントと交互配置にしている。図５Ｄは、トロイダル磁性シリンダ４３０の分解斜視図であり、下部側壁４０４及び内側円筒壁４０８から引き離された頂部リング又は側壁４０２及び外側円筒壁４０６を示し、結果として観察者は、この実施形態のトロイダル磁性シリンダ４３０を形成する８つの半径方向セグメント４４０の磁極の向きを目視することができる。
【００４５】
例えば、図５Ｃに例示する単一の半径方向セグメント４４０’は、図５Ｄ上に、頂部壁セグメント４６２、下部壁セグメント４６４、外側壁４６６、及び下部壁４６８によって形成することができ、それらは、半径方向及び軸方向で整列して１つのセグメントを形成する（図６に例示する）。この開示の目的のために、磁石の表面に「Ｎ」又は「Ｓ」を表し、半径方向セグメントの任意の特定の壁の磁極の向きを示す。図５Ｄに示すように、内部円筒壁４６８の「内部」側面には、その上に、壁を形成する１つ又は複数の「Ｎ」が定まり、磁石又はその磁石のＮ極がトンネルの内部に（及び観察者に向かって）対面していることを表す。下部壁部分４６４も、その上に「Ｎ」を定め、Ｎ極がトロイダル磁性シリンダ４３０の内部に向かって上向きに対面していることを表す。対照的に、上部側壁部分４６２には、その上に「Ｓ」が定まり、磁気リングのＳ極が観察者に対面していることを表し、これはまた、図５Ｃに例示するように、そのＮ極が観察者から遠ざかってかつトロイダルシリンダの内部に向かって下方に対面していることを表す。同様に、外壁部分４６６は、その上に「Ｓ」が定まり、磁壁のＳ極が観察者に対面していることを表し、これはまた、そのＮ極が観察者から遠ざかり、トンネルの内部に向かっていることを表す。
【００４６】
従って、断面を半径方向セグメント４４０’を通って切断した場合、図５Ｃに例示するように、その特定の半径方向セグメントの磁極向きは、全てセグメントの内部に向かって対面するＮ極（即ちＮＮＮＮ磁極構成）を有する。対照的に、半径方向セグメント４４０’に直接隣接する半径方向セグメントは、全てセグメントの内部に向かって対面するＳ極（即ちＳＳＳＳ磁極構成）を有する。
【００４７】
以下に説明するように、図５Ｃ及び図５Ｄに表すトロイダル磁性シリンダ４３０の構成は第１の構成（又はＮＮＮＮ磁極構成）であり、第１の構成は、トロイダル磁性シリンダ４３０がモータ又はジェネレータの一部として使用されるとき、比較的高いトルクを生成する。
ＮＳＮＳ磁極構成
【００４８】
上述したように、トロイダル磁性シリンダ４３０を形成する磁石は、バックアイアン回路２００の様々な構成部品によって位置決めされかつ支持される。再び図４Ｂを参照すると、バックアイアン回路２００の上部側壁２０８は、磁性壁４０２を形成する磁石を位置決めする。下部側壁２１２は、磁性壁４０４を形成する磁石を位置決めする。外側円筒形壁２０６及び２１０は、外側磁性壁４０６を形成する磁石を位置決めする。内側円筒形壁２０７及び２１１は、内側磁性壁４０８を形成する磁石を位置決めする。そのため、外側円筒形壁２０６及び２１０並びに内部円筒形壁２０７及び２１１に対して、軸線４０１の周りに、第１の回転アクチュエータ６００（図１参照）が上部側壁２０８を回転させ、第２の回転アクチュエータ６５０（図１参照）が下部側壁２１２を一致して回転させるとき、上部磁性側壁４０２及び下部磁性側壁４０４を形成する複数の磁石も回転する（おそらく、このような実施形態では、外側円筒形壁は、図４Ｂの外側円筒形壁２０６及び２１０の両方を置き換え、又は外側円筒形壁２０６及び２１０は、結合されて１つの壁を形成する。同様に、内側円筒形壁は、図４Ｂの内側円筒形壁２０７及び２１１の両方を置き換える）。
【００４９】
前述したように、各図に例示した例としての実施形態では、トロイダル磁性シリンダ４３０を形成する８つの半径方向磁性セグメント４４０が存在し、これは、磁性セグメントの中心間の角度距離が４５度であることを意味する。そのため、例示的な実施形態では、上部側壁２０８及び下部側壁２１２が、外側円筒壁２０６及び２１０並びに内側円筒壁２０７及び２１１に対して４５度回転すると、磁性側壁４０２及び４０４は、内側磁性壁及び外側磁性壁４０８及び４０６を形成する磁石に連れ周り、同様に４５度回転する。
【００５０】
図５Ｅは、トロイダル磁性シリンダ４３０の分解斜視図であり、図中上部側壁及び下部側壁４０２及び４０４を形成する磁石が、内側円筒形壁及び外側円筒形壁４０６及び４０８を形成する磁石に対して、長手方向軸線４０１の周りに４５度回転して、第２の磁気構成になる。図５Ｆは、回転後の半径方向セグメント４４０の断面図であり、第２の構成又は「ＮＳＮＳ」磁極構成にある半径方向セグメントを示す。
【００５１】
図５Ｆにおいて、外側円筒形壁４０６及び内側円筒形壁４０８を形成する磁石の磁極は、いまや、それらのＳ磁極が半径方向セグメント４４０の内部４４２に向かうように磁極の向きを合わせている。対照的に、第１の側壁４０２及び下部側壁４０４を形成する磁石の磁極は、それらのＮ磁極が半径方向セグメント４４０の内部４４２に向かうようにそれらの磁極の向きを合わせている。従って、第２の構成はＮＳＮＳ磁極構成であり、その理由は、隣接する磁性内面は、内部に向いたＳ極と内部に向いたＮ極とが交互配置になっているからである。図５Ｅに表すように、隣接する半径方向セグメントの磁極向きは、図５Ｆに例示する向きとは反対である。
【００５２】
以下で論じるように、回転アクチュエータ６００及び６５０が、磁性トロイダルシリンダ４３０をＮＳＮＳ磁極向き（図５Ｅ及び図５Ｆに表す）に回転させると、磁性トロイダルシリンダ４３０は、図５Ｄ及び図５Ｃを参照して上述した第１の又はＮＮＮＮ磁極構成よりも低いトルクを生成する。
ＮＮＳＳ磁極構成
【００５３】
図４Ｂに戻って、下部側壁２１２並びに内部円筒形壁２０７及び２１１に対して、上部側壁２０８並びに円筒形壁２０６及び２１０が一致させて回転する場合、それらは、必然的に、下部磁性側壁４０４及び内側磁性円筒形壁４０８に対して、上部磁性側壁４０２及び外側磁性円筒形壁４０６を回転させることになる。
【００５４】
このような実施形態では、回転アクチュエータ６００は上部側壁２０８に連結することができ、上部側壁は外側円筒形壁２０６に連結することができる（おそらく、このような実施形態では、外側円筒形壁は、図４Ｂの外側円筒形壁２０６及び２１０の両方と置き換え可能であり、又は外側円筒形壁２０６及び２１０は、結合されて１つの壁を形成する。同様に、内側円筒形壁は、図４Ｂの内部円筒形壁２０７及び２１１の両方と置き換え可能である）。回転アクチュエータ６００は、回転につれて次いで上部側壁２０８を移動させ、それにより、次に、内側円筒形壁２０７／２１１及び下部側壁２１２に対して外側円筒形壁２０６／２１０が移動する。代わりに、回転アクチュエータ６００が下部側壁２１２に結合されて、下部側壁及び内側円筒形壁２０７／２１１と、上部側壁２０８及び外側円筒形壁２０６／２１０との間に相対回転を生じさせ得る。回転アクチュエータの配置にかかわらず、相対回転が磁極構成を変化させるので、効果は同じである。得られた向きを図５Ｇに示す。
【００５５】
図５Ｇは、図５Ｄに例示した磁極構成からの追加の磁極構成を例示する、トロイダル磁性シリンダ４３０の分解詳細斜視図である。図５Ｈは、この第２の磁気構成を示す円筒セグメント４４０’を通る断面であり、図中外側円筒形壁４０６及び頂部軸方向壁リング４０２を形成する磁石の磁極は、今や、それらのＳ磁極が半径方向セグメント４４０の内部４４２に向かうようにそれらの磁極の向きを合わせている。対照的に、内側円筒形壁４０８及び下部側壁４０４を形成する磁石の磁極は、それらのＮ磁極が半径方向セグメント４４０の内部４４２に向かうようにそれらの磁極の向きを合わせている。従って、この第３の磁気構成はＳＳＮＮ磁極構成であり、その理由は、２つの隣接する磁性面は内部に向かうそれらのＳ極を有し、２つの隣接する磁性面は内部に向かうそれらのＮ極を有するからである。
【００５６】
以下に説明するように、図５Ｇ及び図５Ｈによって表示したトロイダル磁性シリンダ４３０の第３の構成又はＳＳＮＮは、ＮＮＮＮ磁気構成よりも低いトルクを生成する。
磁気構成タイプ間の比較
【００５７】
ここで図６を参照すると、ＮＮＮＮ磁気構成を備える磁性円筒セグメント４４０が例示される。言い換えれば、磁性円筒セグメント４４０の複数壁（頂部側壁４０２、外側円筒壁４０６、下部側壁４０４、及び内側円筒形壁４０８）を形成する全ての磁石は、それらのＮ極が、磁性円筒セグメントの内部に向かって内方に対面している。周知の通り、Ｎ磁極は磁束を生成する。磁石の内面における磁束の方向は、矢印４９０ａ、４９０ｂ、４９０ｃ及び４９０ｄで表し、それらの全てがセグメント４４０の内部を向いている。
【００５８】
コイル組立体５００の一部も、磁性円筒セグメントの内部に位置決めされる（コイル組立体５００の残りの部分は、明確化のために除去している）。コイル組立体５００は、上述したように個々のコイル巻線５２６を支持する。モータモードでは、コイル巻線５２６に電流が流入する。電流は、コイル５２６の周りを回るにつれて、循環し、軸方向及び半径方向に転じる。電流の方向は、矢印５３０ａ〜５３０ｄで表わす。周知の通り、磁場の存在のもとで電流が流れると、ラプラス力又はローレンツ力が生成され得る。左手の法則によれば、力は、電流によって形成される表面及び磁界に対して垂直である。永久磁石によって生成された磁界も半径方向及び軸方向に転じるので、結果として得られる力は、接線方向にある（接線軸線は、半径方向及び軸方向ベクトルによって形成される表面に対して垂直である）と予想される。
【００５９】
ＮＮＮＮ磁気構成では、ローレンツ力は、矢印５４０ａ、５４０ｂ、５４０ｃ及び５４０ｄによって表される。換言すれば、電流が磁場内のコイル５２６の各「脚」の周りを流れるにつれて、その脚にラプラス力又はローレンツ力が生じる。
【００６０】
コイル組立体の飽和及びスロットの効果は、正確な力の計算を変更できるが、力の相対的な測定（及び得られるトルク）を決定することができる。
【００６１】
例えば、ＮＮＮＮ磁気構成では、コイルに作用する総ローレンツ力（「Ｆ」）は、以下の式によって推定することができる。
2018533353.tif 000003
式中
Ｉは、コイル５２６を流れる電流であり、
Ｂは、電流に作用する磁場の強さであり、
ａは、混成係数を表し、ラプラス力及び逆起電圧に関係し、
ａzは、軸方向又は長手方向の混成係数であり、
ａrは、半径方向の混成係数であり、
ａφは、半径方向の混成係数であり、
ｌ1は、回転軸線に対するコイルの幅（例えば、図６のコイル５２６の垂直方向の長さ）であり、
ｌ2は、回転軸線に対するコイルの深さ（例えば、図６のコイル５２６の水平方向長さ）である。
【００６２】
上記式において、コイル５２６の各辺又は各脚は、正又は負の何れかに貢献し、各脚のトルク貢献は、半径の関数及び幾何学的形状の関数として変化する。従って、各コイル脚は、磁石の幾何学的形状及び向きに応じて、加算的又は減算的な効果がある。
【００６３】
ＮＮＮＮ磁極構成とは対照的に、ＮＳＮＳ磁極構成の総平均力は、以下のように表すことができる。
2018533353.tif 000004
【００６４】
分かるように、上記式（１）から得られる力は、式（２）から得られる力よりも大きく、式（２）は、ＮＮＮＮ磁気向きによって生成される総力が、ＮＳＮＳ構成によって生成される総力よりも大きく、他は全て等しいことを示す。磁性円筒セグメント４４０が長手方向軸線４０１の周りに回転するので、ＮＮＮＮ磁気構成によって生成される電磁トルクも、ＮＳＮＳ磁気構成によって生成される電磁トルクよりも大きい。
【００６５】
上記の解析を実証するために、半径方向セグメントにて有限要素モデリングを実行することができる。周知の通り、逆起電力又は逆ＥＭＦは電磁トルクに関係する。有限要素モデリングを通じて、ＮＮＮＮ磁気構成を有しかつ３０００ｒｐｍで動作する半径方向セグメント４４０に対する、経時的な逆起電力のグラフを生成することができる。結果を図７Ａに例示し、図７Ａは、軟磁性複合ステータコア（例えばコア５０４）及びコイル用の単一巻き（例えば単一の導体）を備える直流電流からの逆起電圧を例示する。ＮＳＮＳ構成を有する半径方向セグメント４４０に対して同様の分析を行うことができる。これらの結果を図７Ｂに示し、図７Ｂは、軟磁性複合ステータ及びコイル用のコア単一巻きを備える直流電流からの逆起電圧を例示する。
【００６６】
例示したように、ＮＮＮＮ磁気構成で生成される電磁トルクは、ＮＳＮＳ構成で生成されるトルクよりも相対的に大きい。磁気飽和がなければ、２つの磁気構成（同一のステータ励磁のもとで）によって生じたトルクの比は、以下に示すコイル寸法の関数として近似することができ、図７Ｃのように図式的に示される。
2018533353.tif 000005
式中、ＴAは、ＮＮＮＮ磁極構成を有する半径方向セグメントからのトルクであり、
Ｔcは、ＮＳＮＳ磁極構成を有する半径方向セグメントからのトルクである。
【００６７】
特に、これらのトポロジでの誘起逆起電力は同じ傾向に従い、コイル寸法を賢明に選択すれば、ＮＮＮＮ構成について誘起電圧を大幅に下げることができ、それは、同じスケールの電磁トルクの低下に対応する。
【００６８】
ＮＮＳＳ磁気構成を有する磁気セグメント４４０に対して同様の分析を行うことができる。ここでも、各コイル脚のローレンツ力から生成される総力は、以下のように近似することができる。
2018533353.tif 000006
【００６９】
分かるように、上記式（１）から計算される力は、式（４）から計算される力よりも大きく、式（４）は、ＮＮＮＮの磁気向きによって生成された総力が、ＮＮＳＳ構成によって生成された総力よりも大きく、他はすべて等しいことを表す。磁性円筒セグメント４４０は、長手方向軸線４０１の周りに回転するので、ＮＮＮＮ磁気構成によって生成される電磁トルクも、ＮＳＮＳ磁気構成によって生成される電磁トルクよりも大きい。
【００７０】
再び、上記分析を実証するために、ＮＮＳＳ磁極構成を有する半径方向セグメント上で、有限要素モデリングを行うことができる。有限要素モデリングを通じて、ＮＮＳＳ磁気構成を有しかつ３０００ｒｐｍで動作する、半径方向セグメント４４０の経時的な逆起電力のグラフを生成することができる。結果が図７Ｄに例示され、軟磁性複合コア及びコイル用の単一の巻き（例えば単一の導体）用いた誘起逆起電圧を示す。例示したように、ＮＮＮＮ磁気構成で発生する電磁トルクは、ＮＮＳＳ構成で発生するトルクよりも相対的に大きい。
磁場弱め作用
【００７１】
以上で論証したように、ＮＮＮＮ磁気構成は、ＮＮＳＳ又はＮＳＮＳ磁気構成より大きなトルクを生成する。その結果、ＮＮＳＳ又はＮＳＮＳ磁気構成の何れかによって生成される磁場は、同じ条件下で、ＮＮＮＮ磁気構成によって生成される磁場よりも小さい。このように、ＮＮＮＮ磁気構成からＮＮＳＳ磁気構成又はＮＳＮＳ磁気構成の何れかへ徐々に移行することによって、磁場弱め作用が生じる。磁場が弱まるとトルクが低下する。トルクが低下するとモータの回転速度が上昇する。
【００７２】
特定の実施形態では、高トルクのモータは一定のトルクモードにあり、それにより基本速度が得られる。基本速度を上回ってかつモータ最大速度まで、モータは、一定電力モードで動作する。一定電力モードでは、トルクが下がるにつれて、電流が増えて速度が上がる。
【００７３】
例えば、ＮＮＮＮからＮＳＮＳへの移行では、側部磁性壁４０２及び４０４に対して外側磁性シリンダ及び内側磁性シリンダ４０６及び４０８が回転する場合、この回転角度は、制御された変数として使用され、以下の式を用いて磁場弱めを論証する。
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【００７４】
このように、ＮＮＮＮ磁気構成からＮＳＮＳ磁気構成への移行により、従来技術で典型的に使用される負のｄ軸線電流の注入なしに、磁場が効果的に弱められ、従って一定電力領域で高い効率を維持する。トルク及び速度には同一の減少及び増加傾向があり、それにより一定電力が得られることも注目される。
【００７５】
図８Ａは、回転アクチュエータの一実施形態を示す。例示的な実施形態では、ボール及びナックル組立体６０２は、長手方向力を回転力に変換するように設計されて、このように回転力によりシフトプレート又はバックプレート２００の部分が回転可能である。上述したように、バックアイアン組立体２００が回転すると、磁性トロイダルシリンダ４３０の磁性壁又はロータも互いに対して回転し、磁極構成が変化することになる。
【００７６】
シャフトカラー６０４は、ロータハブ３００のシャフト３０２（図１参照）に摺動可能に連結する大きさにでき、結果としてシャフトは、シャフトカラー６０４に挿入されたとき自由に回転することができる。特定の実施形態では、シャフトカラー６０４は制御レバー（図示しない）に連結し、制御レバーは、シャフトカラーに長手方向の力を加える。特定の実施形態では、シャフトカラー６０４は、長手方向の付勢機構（図示しない）に連結して、シャフト機構を長手方向に保持することができる。加えた長手方向力が付勢機構に打ち勝つのに十分なほど大きくなると、シャフトカラーは、磁気ディスク組立体４００（図４参照）に向かって長手方向に移動する。シャフトカラー６０４は、長手方向に移動するにつれて、静止したスワッシュリング６０６に長手方向の力を加える。静止スワッシュリング６０６は、その本体から横方向外側に延びる４つの玉継手６０８ａ〜６０８ｄに連結されている。
【００７７】
例示的な実施形態では、４つの連結ロッド６１０ａ〜６１０ｄの端部が玉継手６０８ａ〜６０８ｄに連結している。４つの連結ロッド６１０ａ〜６１０ｄの反対の端部は、第２組の玉継手６１２ａ〜６１２ｄに連結している。玉継手６１２ａ〜６１２ｄは、回転可能なピン接続部６１４ａ〜６１４ｄを介して回転斜板６１４に連結されている。
【００７８】
静止したスワッシュリング６０６に長手方向力（例えば、紙面に対して下向きの力）が加わると、スワッシュリング６０６は、連結ロッド６１０ａ〜６１０ｄに力を加える。連結ロッドに長手方向力が加わると、連結ロッドの反対端部が回転し、それにより次に、玉継手６１２ａ〜６１２ｄ及び回転可能なピン６１４ａ〜６１４ｂが回転する。玉継手６１２ａ〜６１２ｄ及び回転可能なピン接続部６１４ａ〜６１４ｄの回転により、図８Ｂに例示するように、斜板６１６が回転する。
【００７９】
図８Ｂには、ボール及びナックル組立体が第２の位置又は回転位置で例示される。斜板６１４に連結されたピン６１８が、追加のスイッチプレート又はバックアイアン回路の構成部品に連結している。
【００８０】
図８Ｃは、バックアイアン構成部品、具体的には平坦な側壁２１２（図４Ｂ参照）に連結されかつロータシャフト３０２に摺動可能に連結された、ボール及びナックル組立体６０２を例示する。図８Ｃに例示した実施形態では、側壁２１２は、内部円筒形壁２１１に堅固に連結することができる。この実施形態では、内部円筒壁２１１は、内部円筒形壁２０７に強固に連結されて、１つの壁として作用することができる。他の実施形態では、内部円筒形壁２０７及び２１１は、単一の壁で置き換えることができる。何れの場合でも、側壁２１２が回転すると、内側円筒壁２１１及び２０７（又は１つの壁）は、側壁２１２の回転と一致して回転する。
【００８１】
図８Ｃに例示した実施形態は、ＮＮＮＮ構成のＮＮＳＳ構成への回転を例示する。ＮＮＮＮ構成の説明には再び図５Ｃ及び図５Ｄを参照し、ＮＮＳＳ構成の説明には再び図５Ｇ及び図５Ｈを参照されたい。以上で検討したように、バックアイアン構成部品が回転するとき、磁性壁（例えば、側壁４０４及び内側磁性円筒形壁４０８）も回転し、その理由は、上述したように、磁石は、バックアイアン構成部品に固定して取り付けているためである。従って、ボール及びナックル組立体６０２が１つの半径方向磁極又は磁性円筒形セグメント長さ（例えば、８極の又は８つの円筒形セグメントのモータでは４５度）回転すると、側板２１２もまた回転し、それにより次に、他のバックアイアン構成部品（例えば側壁２０８並びに外側円筒壁２０６及び２１０）に対して円筒形壁２１１及び２０７が回転する
【００８２】
磁石の回転は、図５Ｄに例示する第１の又はＮＮＮＮ構成から図５Ｇに例示する第２の又はＮＮＳＳ構成への回転を起こす。特定の実施形態では、ボール及びナックル組立体６０２の結合部間の摩擦が、第１の構成から第２の構成への制御された回転を維持することができる。さらに他の実施形態では、図８Ｄ及び図８Ｅに例示するように、回転斜板６１６と併せて歯車装置６２２が使用されて、回転速度を制御することができる。図８Ｄは、回転斜板６１６が歯車装置６２２に連結されて回転斜板の回転数を機械的に制御する、ボール及びナックル組立体６０２の一実施形態の等角図を示す。図８Ｅは、歯車装置を別の角度から見た等角図である。
【００８３】
全体の相対回転を制限するために、図１の湾曲スロット６２０によって例示されるように、斜板又は側壁２０８及び２１２に湾曲スロットを定めることができる。湾曲スロット６２０は、ピン６１８の全体回転を制限し、ひいては、ボール及びナックル組立体６０２の全体回転を制限する。
【００８４】
図９は、バックアイアン構成部品、具体的には平坦な側壁２０８及び２１２（図４Ｂ参照）に連結されかつロータシャフト３０２に摺動可能に連結された、２つのボール及びナックル組立体６０２及び６０３を用いる実施形態を示す分解図である。図９に例示する実施形態は、上記実施形態と類似している。そのため、同一又は類似の要素は、明確化のためにここでは繰り返さない。図９に示す実施形態では、側壁２０８及び２１２は、外側円筒形壁２０６及び２１０並びに内側円筒形壁２０７及び２１１（図９には見えない）とは独立に回転することができる。
【００８５】
この実施形態では、ボール及びナックル組立体６０２及び６０３は、一致して回転するように設計されている。その結果、側壁２０８及び２１２は、内側側壁２０７及び２１１並びに外側側壁２０６及び２１０に対して一致して回転する（前述同様に、内側側壁２０７及び２１１は、一緒に結合され又は単一の壁で置き換える）。同様に、外側側壁２０６及び２１０は、一緒に結合され又は単一の外側壁で置き換える。図９に示す実施形態は、ＮＮＮＮ構成からＮＳＮＳ構成への回転を例示する。ＮＮＮＮ構成の説明には再び図５Ｃ及び図５Ｄを参照し、ＮＳＮＳ構成の説明には再び図５Ｄ及び図５を参照する。上述したように、バックアイアン構成部品が回転すると、磁性壁（例えば側壁４０４及び４０２）も回転し、その理由は、上述したように磁石をバックアイアン構成部品に固定して取り付けているからである。従って、ボール及びナックル組立体６０２が１つの半径方向磁極又は磁気円筒形セグメント長さ（例えば、８極の又は８つの円筒形セグメントのモータでは４５度）だけ回転すると、側板２１２も回転する（磁性側壁４０４又はロータを同じ角度回転させる）。一致して、ボール及びナックル組立体６０３が、１つの半径方向セグメント長さ回転し、側板２０８も回転する（磁性側壁４０２又はロータを同じ角度回転させる）。特定の実施形態では、ロータハブ３００を外側円筒形壁２０６及び２１０に連結するために連結装置を使用し、結果として外側円筒形壁２０６及び２１０は、一致してかつ磁気構成の移行によって側板２０８及び２１２から独立して回転する。磁性壁４０２及び４０４（又はロータ）の回転は、バックアイアンの壁２０８及び２１２の回転を起こし、図５Ｃ及び図５Ｄに例示する第１の又はＮＮＮＮ構成から図５Ｅ及び図５Ｆに例示する第２の又はＮＳＮＳ構成への回転を生じさせる。
【００８６】
上述したボール及びナックル組立体は、開示された実施形態で使用できる回転アクチュエータの一実施形態に過ぎない。他の様々な選択肢を用いて、磁気構成を移動又は回転させることができる。例えば、遠心力を用いる機構を使用して、重み付きポジショナがロータプレートを新たな位置へ強制的にもたらすことができる。回転速度が十分に速くなるにつれて、重み付きポジショナは、例示した内部位置から外部位置へ投入されることになる。重み付きポジショナの外方への移動により次に、バックアイアン構成部品が所定量回転する。速度が下がると、ばねのような付勢部材により、重み付きポジショナはその当初位置に戻ることができる。
【００８７】
他の実施形態では、圧力板に外部からパワー又はエネルギを加えて、バックアイアン構成部品を互いに対して移動させる工程を用いることができる。他の実施形態は、機械的制動力を加えてバックアイアン構成部品を互いに回転させる機構を使用することができる。
【００８８】
別の回転アクチュエータは、ソレノイド、油圧又は空気圧ラムを使用して、バックアイアン構成部品に、電気的又は機械的連結装置の何れかを介して力を加えることができる。全ての場合において、適切なバックアイアン構成部品は、他のバックアイアン構成部品に対して新しい位置に回転して、新しい磁気構成を形成することができる。回転の程度は、特定のモータで選択された磁極又は磁気トンネルの数に左右される。例えば、「２極」又は「２つの円筒形セグメント」のトロイダル磁性シリンダでは、第１の構成から第２の構成へ移行するために、１８０度の回転が必要である。一方、４極では、９０度の回転が必要である。６極では、６０度の回転が必要である、などである。
【００８９】
パワープレートのような種々の切換え機構では、パワーが加わると、ロータの両プレートに等しい力が伝達され、回転を与える。選択された速度で、プレッシャープレートがロータプレートの一側に配置される。これにより、プレート上に抗力が加わり、その速度を下げる。しかしながら、他のプレートの速度は一定のままであり、それによりプレートの整列に強制的にシフトを起こす。シフト作用は、停止に達してロータプレートが第２の構成を取るまで起こり続ける。移行持続時間は比較的短い間隔であるので、移行が起こる間のみ電力を遮断することも可能である。
【００９０】
減速時は、反対の作用が起こる。再び予め選択した速度で、プレッシャープレートが押し付けられ、それによりバックアイアン壁が第１の構成に戻される。このシフト作用は、モータがジェネレータとして作用してプレート上に抗力を加えるために生じる。戻しばねを利用して、もとの第１の構成への移行を助けることもできる。切換えの全体を通して、コイルは、予めプログラムされた時間にのみ「点火」して、適切なコイルが適切な時間に電力を生成するのを保証することができる。様々な実施形態において、コイルはまた、切換えプロセスの補助として使用することができる。
【００９１】
さらに他の実施形態では、クラッチ及び渦ブレーキ装置を使用することができる。特定の実施形態では、全ての側壁及び円筒壁を共通のシャフトに接続することができる。クラッチ又は切離し機構は、選択された一対のロータ又は壁を引き離すことができる。二対のロータ（例えば、磁性壁２０８及び２１２を介した磁性壁４０２及び４０４）が切り離されると、渦電流ブレーキが選択されたロータ対（又は磁性壁）に制動トルクを一時的にかけて、連結されたロータに対してロータを不整合とし又は回転させる。渦電流ブレーキは、所望の回転角が達成されると、次いで非通電になる。特定の実施形態では、不整合角は、動作速度に応じて決定することができる。
【００９２】
渦電流ブレーキを非通電とすることによって、ロータ（又は磁性壁）はクラッチ装置を介して縦に並んで置くことができ、修正された磁気構成内の同期性が再確立される。渦電流ブレーキは非接触配置によって形成することができ、非接触配置では、表面コイルを持ちかつセグメントから成るディスクロータが、ロータの永久磁石と係合して制動トルクを生成する。逆方向の移行は、渦電流ブレーキにおける電流方向の逆転、又は第２の磁気構成（例えばＮＳＮＳ磁極構成）を第１の磁気構成（例えば、ＮＮＮＮ磁極構成）へ徐々に制動することによって達成できる。
【００９３】
図１０は、三相電力入力及びコントローラ５９０と電気通信する複数のホール効果センサ５９２に連結された、コイル組立体５００の概念図である。本技術分野で公知の通り、従来の任意の切換え構成がコントローラ５９０と共に利用できる。
【００９４】
例示的な実施形態では、ステータ又はコイル組立体５００は、磁気セクタ当たり６つのコイルを含む、８つの単極性セクタを備えることができる。コイルは、セクタの４５度の移動全体にわたって連続的に通電状態に留まるように設計できる。
【００９５】
隣接する２つのコイルは、デザイン要求に応じて直列又は並列にグループ化され、各単極性セクタ内の等価コイルに連結することができる。明確化のために、「Ａ」相のみを例示している。この実施形態では、コイルは絶縁されているが、デルタ及びＹ接続配置も利用できる。
【００９６】
各相は、それが単極性セクタに入るにつれて、適切な極性で通電される。適切なホール効果センサは、次いでこの極性の変化で作動してコントローラ５９０に信号を送り、コントローラ５９０によりＡ相への電力入力の適切な極性が通電され、回路に、コイル移動を通じて連続電源電圧が印加される。
【００９７】
コイルが次の連続する単極性セクタに入っていることをホール効果センサが検出すると、状態の変化が始まり、その時、コイルは、再び適切な極性の連続電圧でパルスを発する。
【００９８】
この実施形態は、速度及びトルクを適切に制御し、電力入力で可変電圧を使用して、磁場弱めを制御するための別の方法として利用できる。この配置とともに、他の相シーケンスが可能である。例えば、６相電源を６つの回路グループに接続することができ、こうしてモータ電源導体の物理的再配列なしに、多極高トルク機械が可能になる。ソフトウェアが、コイルパルス順序を再連結して、特定のグループの隣接するコイルを重ね合わせ、３相電源を可能にする。
【００９９】
開示の要約は、要約を要求する規則を順守する理由のみで提示され、それにより検索者は、この開示から発行特許の技術的開示の主題を素早く確認することができる。要約は、請求項の範囲又は意味を解釈し又は制限するために使用されないことを理解されたい。
【０１００】
説明した利点及び利益は、本発明の全ての実施形態に適用されるわけではない。請求項に記載の要素に「手段」という単語が記載されている場合、出願人は、請求項に記載の要素が３５合衆国法典１１２条６項に該当することを意図している。しばしば、１つ以上の単語のラベルが、単語「手段」に先行する。「手段」という単語に先行する１つの単語又は複数の単語は、請求項に記載の要素の参照を容易にすることを意図したラベルであり、構造上の制限を伝えることを意図しない。そのような手段プラス機能の請求項は、機能を実行するために本明細書に記載された構造及びそれらの構造的均等物だけでなく、均等な構造をもカバーすることを意図している。例えば、くぎとねじとは構造が異なるが、それらは、両方とも締付けの機能を果たすので、均等な構造である。手段という単語を使用しない請求項は、３５１１２条第６項に該当することを意図しない。
【０１０１】
本発明の実施形態の上記説明は、例示及び説明を目的として提示している。説明が網羅的であること、又は発明を開示された正確な形態に限定することを意図しない。上記教示に照らして、多くの組合せ、修正及び変形が可能である。例えば、特定の実施形態では、上記構成部品及び特徴の各々は、個々に又は順次に他の構成部品又は特徴と組み合わせることができ、依然として本発明の範囲内にある。交換された構成部品を有する説明していない実施形態は、依然として本発明の範囲内にある。本発明の範囲は、この詳細な説明によって限定されず、請求項によって限定されることが意図されている。
【符号の説明】
【０１０２】
１００  モータ／ジェネレータ構成部品
２００  バックアイアン回路
３００  ロータハブ
３０２  ロータシャフト
４００  磁気ディスク組立体
６００  第１の回転アクチュエータ
６１８  ピン
６２０  湾曲スロット
６５０  第２の回転アクチュエータ
【図１】
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【図２Ａ】
2018533353.tif 000009
【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
2018533353.tif 000011
【図３Ｂ】
2018533353.tif 000012
【図３Ｃ】
2018533353.tif 000013
【図３Ｄ】
2018533353.tif 000014
【図３Ｅ】
2018533353.tif 000015
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2018533353.tif 000017
【図５Ａ】
2018533353.tif 000018
【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
2018533353.tif 000022
【図５Ｆ】
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【図５Ｇ】
2018533353.tif 000024
【図５Ｈ】
2018533353.tif 000025
【図６】
2018533353.tif 000026
【図７Ａ】
2018533353.tif 000027
【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
2018533353.tif 000031
【図８Ｂ】
2018533353.tif 000032
【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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