(57)【要約】  電磁装置が提示されている。装置は、固定子、複数のギャップ領域を備えるギャップ、および固定子に対して動くようにギャップ内に配置された回転子を含む。固定子および回転子の一方は、それぞれの電流が流れる方向に通電するように各々が構成された１つ以上の導体を有する導体配列を備える。固定子および回転子の他方は、各々が少なくとも１つの他の磁束方向付けセクションに隣接して配置され、各々がそれぞれの磁束方向付けセクションの周りの循環する磁束パスを容易にするように構成されている複数の磁束方向付けセクションを有する磁束方向付けアセンブリを備える。隣接する磁束方向付けセクションの各対は、複数のギャップ領域の共通ギャップ領域の周りに配置され、それぞれの循環する磁束パスの少なくとも一部を、共通ギャップ領域を横切って実質的に同様の磁束方向で電流が流れる方向に対して実質的に垂直に方向付けるように構成される。
2018524964.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁装置であって、
固定子と、
複数のギャップ領域を備えるギャップと、
前記固定子に対して動くように前記ギャップ内に配置された回転子と、を備え、
前記固定子および前記回転子のうちの一方は、各々がそれぞれの電流が流れる方向に通電するように構成された１つ以上の導体を有する導体配列を備え、
前記固定子および前記回転子のうちの他方は、複数の磁束方向付けセクションを有する磁束方向付けアセンブリを備え、各々が少なくとも１つの他の磁束方向付けセクションに隣接して配置され、各々が前記それぞれの磁束方向付けセクションの周りを循環する磁束パスを容易にするように構成され、
隣接する磁束方向付けセクションの各対は、前記複数のギャップ領域の共通ギャップ領域の周りに配置され、前記それぞれの循環する磁束パスの少なくとも一部を、前記共通ギャップ領域を横切って実質的に同様の磁束方向で前記電流が流れる方向に対して実質的に垂直に方向付けるように構成される、電磁装置。
【請求項２】
前記隣接する磁束方向付けセクションは、磁束を前記共通ギャップ領域内にかつ前記共通ギャップ領域から外に方向付けるように構成された共通の作動素子を備える、請求項１に記載の電磁装置。
【請求項３】
前記隣接する磁束方向付けセクションは、前記複数のギャップ領域の他のギャップ領域から前記共通ギャップ領域へ（または前記共通ギャップ領域から前記複数のギャップ領域の他のギャップ領域へ）前記それぞれの循環する磁束パスを方向転換するようにさらに構成された、請求項１または２に記載の電磁装置。
【請求項４】
前記隣接する磁束方向付けセクションの各々は、前記磁束を前記共通ギャップ領域から受け取り、前記磁束を前記他のギャップ領域のそれぞれ１つに方向転換する（または前記磁束を前記他のギャップ領域のそれぞれ１つから方向転換し、前記磁束を前記共通ギャップ領域へ送る）ように構成された方向転換素子を備える、請求項３に記載の電磁装置。
【請求項５】
前記共通の作動素子によって方向付けられた前記磁束の強度は、前記方向転換素子によって方向付けられた前記磁束の強度と比較して補強される、請求項４に記載の電磁装置。
【請求項６】
前記共通の作動素子は、前記共通ギャップ領域の反対側に設置された２つの電磁コイルを備える、請求項２〜５に記載の電磁装置。
【請求項７】
前記方向転換素子は、単一の電磁コイルを備え、前記単一の電磁コイルは、前記回転子の前記回転の接線方向に前記単一の電磁コイルを通して前記磁束を向けるように構成された、請求項４〜６のいずれか１項に記載の電磁装置。
【請求項８】
前記方向転換素子は、各々前記ギャップの反対側に設置された２つの電磁コイルを備える、請求項４〜６のいずれか１項に記載の電磁装置。
【請求項９】
前記方向転換素子は、前記磁束を前記単一の電磁コイルに（または前記単一の電磁コイルから）向けるように構成された１つ以上の追加の電磁コイルを備える、請求項７または８に記載の電磁装置。
【請求項１０】
前記ギャップまたは前記共通ギャップ領域の前記反対側は、前記磁束方向付けアセンブリの内側部分および外側部分を表し、前記内側部分は磁束ガイドを備え、前記外側部分は１つ以上の電磁コイルを備える、請求項６〜９のいずれか１項に記載の電磁装置。
【請求項１１】
前記ギャップまたは前記共通ギャップ領域の前記反対側は、前記磁束方向付けアセンブリの内側部分および外側部分を表し、前記内側部分は１つ以上の電磁コイルを備え、前記外側部分は磁束ガイドを備える、請求項６〜９のいずれか１項に記載の電磁装置。
【請求項１２】
前記電磁コイルは、１つ以上のレーストラックコイルを備える、請求項６〜９のいずれか１項に記載の電磁装置。
【請求項１３】
前記共通の作動素子は、前記共通ギャップ領域の反対側の各々に設置され、実質的に半径方向に向けられた１つ以上の永久磁石を備える、請求項２〜５のいずれか１項に記載の電磁装置。
【請求項１４】
前記方向転換素子は、前記共通ギャップ領域の前記反対側の各々に設置され、実質的に非半径方向に向けられた１つ以上の追加の永久磁石を備える、請求項１３に記載の電磁装置。
【請求項１５】
前記共通の作動素子は、（ａ）前記共通ギャップ領域の第１の側の上の磁束ガイド、および（ｂ）前記共通ギャップ領域の反対側の第２の側の上に設置され、実質的に半径方向に向けられた１つ以上の永久磁石、を備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電磁装置。
【請求項１６】
前記方向転換素子は、（ａ）前記共通ギャップ領域の前記第１の側の上の追加の磁束ガイド、および（ｂ）前記共通ギャップ領域の反対側の前記第２の側の上に設置され、実質的に非半径方向に向けられた１つ以上の追加の永久磁石、を備える、請求項１５に記載の電磁装置。
【請求項１７】
前記永久磁石は、１つ以上のハルバッハ配列または部分的ハルバッハ配列を形成するように向けられている、請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の電磁装置。
【請求項１８】
前記隣接する磁束方向付けセクションの前記それぞれの循環する磁束パスは、反対方向に循環する、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の電磁装置。
【請求項１９】
前記隣接する磁束方向付けセクションの一方の前記循環する磁束パスは時計回り方向であり、前記隣接する磁束方向付けセクションの他方の前記循環する磁束パスは反時計回り方向である、請求項１８に記載の電磁装置。
【請求項２０】
前記循環する磁束パスの数は、前記ギャップを横切る磁束横断の数に等しい、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の電磁装置。
【請求項２１】
磁束方向付けセクションの数は、ギャップ領域の数に等しい、請求項２０に記載の電磁装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁界中の回転素子を使用する電磁装置に関し、特に磁界中に設置された通電バー／巻線の変動およびこれら通電バー／巻線を通る電流の適用に関する。
【背景技術】
【０００２】
電流が単純な棒導体を通過するとき、電流の流れの方向に対して垂直な磁界を誘導することは、電気理論のよく理解されている態様である。誘導された磁界の結果として、電流を含む各移動電荷は力を受ける。各移動電荷に働く力はトルクを発生する。電気電動機や発電機などの装置を支えるのがこの原理である。
【０００３】
最も典型的なＤＣ電動機は、３つの主要な構成要素、すなわち、固定子、電機子／回転子および整流子からなる。固定子は、典型的には、電機子に誘導された磁界と相互作用して運動を生み出す磁界を提供する。整流子は、半回転毎に電機子に流れる電流を反転させるように作用し、それによって電機子内の磁界を反転させて一方向の磁界内でその回転を維持する。最も簡単な形状のＤＣ電動機は、次の３つの関係式によって記述することができる：
【数１】
2018524964.tif 000003
ここで、ｅａは逆起電力、Ｖは電動機に印加される電圧、Ｔはトルク、Ｋは電動機定数、Φは磁束、ωは電動機の回転速度、Ｒａは電機子抵抗およびｉａは電機子電流である。
【０００４】
典型的な電動機の磁界は（固定子上で）静止しており、永久磁石またはコイルによって生み出される。電機子／回転子に電流が印加されると、電機子の各導体に対する力は、Ｆ＝ｉａ×Ｂ×Ｉで与えられる。電機子内の導体が静止磁界を通って回転する結果、逆起電力が磁束変化の相対速度により発生する。したがって、電機子電圧ループは、巻線内に逆起電力プラス抵抗損失を包含する。こうして、ＤＣ電動機の速度制御は主として電機子に印加される電圧Ｖを介してであり、一方トルクは磁束と電流との積で計量される。
【０００５】
そういうわけで、ＤＣ電動機のトルクを最大にするためには、単に磁界または供給される電流のいずれかを増加させる問題であると推測するであろう。しかしながら、実際には限界がある。例えば、永久磁石を介して発生させることができる磁界の大きさは、多数の要因によって制限される。永久磁石からかなり大きな磁界を生成するために、磁石の物理的サイズは比較的大きい（例えば２３０ｍｍのＮ３５磁石は数キロガウス（ｋＧ）の磁界を生成することができる）。意義深いことに、より大きい磁界は複数の磁石を利用して生成することができ、磁石のサイズおよび数がシステムの全体的サイズおよび重量に重ねて加わる。電動機のサイズと重量の両方は、電気推進システムなどのアプリケーションで重要な設計上の考慮事項である。標準的なワイヤコイルを使用してより大きな磁界を発生させることは可能であるが、サイズ、重量および加熱効果が影響して標準コイルの使用を非実用的とする。
【０００６】
考慮を必要とするトルクに影響を及ぼす別の要因は、電機子／回転子内に生み出される渦電流によって引き起こされる抗力の産出である。渦電流は、磁界の時間的変化、導体を通る磁界の変化、または磁界源および導電材料の相対運動による変化が存在する場合に生じる。渦電流は、レンツの法則によって元の磁界の変化に対抗する磁界を誘導し、導体と磁石との間に斥力または抗力を生じさせる。均一な材料と磁界とを仮定し、表皮効果を無視して、単純な導体の場合に対する渦電流に起因する電力損失（Ｐ）は、次のように計算できる：
【数２】
2018524964.tif 000004
ここで、Ｂｐはピーク磁束密度、ｄはワイヤの太さまたは直径、ρは抵抗率、σは電気伝導率、μは透磁率、ｆは周波数（磁界の変化）、および侵入深度（Ｄ）である。
【０００７】
上記の式から分かるように、磁界が増大するにつれて、渦電流の大きさおよび影響が増加する、すなわち磁界が高くなると、渦電流の結果として生成される抗力がより大きくなる。電界強度に加えて、電機子内の抵抗率および厚さも要因である。電機子内の導電性素子の材料の選択は、電機子に印加され得る電流の量に大きな影響を及ぼすことができる。
【０００８】
これらの基本的な特性および機能は、より良い効率を有する改善された装置の追及における継続的な開発の焦点である。
【０００９】
本明細書中でいずれかの先行技術への言及は、先行技術が共通の一般知識の一部を形成することの承認または任意の形状の提案ではなく、およびそうであるとして受け取られるべきではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開第２０１５／１９２１８１号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の態様は、電磁電動機または発電機のような電磁装置を対象とし、上記の欠点の少なくとも１つを少なくとも部分的に克服し得るか、または消費者に有用または商業的選択を提供し得る。
【００１２】
本発明の一態様に従って、電磁装置が提供される。電磁装置は、固定子と、複数のギャップ領域を備えるギャップと、固定子に対して動くようにギャップ内に配置された回転子と、を備える。固定子および回転子の一方は、それぞれ電流の流れ方向に通電するようにそれぞれ構成された１つ以上の導体を有する導体配列を備え、固定子および回転子の他方は、複数の磁束方向付けセクションを有する磁束方向付けアセンブリを備え、各々が少なくとも１つの他の磁束方向付けセクションに隣接して配置され、各々がそれぞれの磁束方向付けセクションの周りに循環する磁束パスを容易にするように構成されている。隣接する磁束方向付けセクションの各対は、複数のギャップ領域の共通ギャップ領域の周りに配置され、実質的に同様の磁束方向の共通ギャップ領域を横切ってそれぞれの循環する磁束パスの少なくとも一部を電流が流れる方向に対して実質的に垂直に方向付けるように構成される。
【００１３】
隣接する磁束方向付けセクションは、複数のギャップ領域の他のギャップ領域から共通ギャップ領域へ（または共通ギャップ領域から複数のギャップ領域の他のギャップ領域へ）それぞれの循環する磁束パスを方向転換するようにさらに構成される。
【００１４】
隣接する磁束方向付けセクションは、磁束を共通ギャップ領域に導入かつ共通ギャップ領域から導出するように構成された共通の作動素子を含む。
【００１５】
隣接する磁束方向付けセクションの各々は、磁束を共通ギャップ領域から受け取り、その磁束を他のギャップ領域のそれぞれ１つに方向転換する、（または磁束を他のギャップ領域のそれぞれ１つから方向転換し、その磁束を共通ギャップ領域へ送る）ように構成された方向転換素子を含む。
【００１６】
共通の作動素子によって方向付けされた磁束の強度は、方向転換素子によって方向付けされた磁束の強度と比較して補強され得る。
【００１７】
いくつかの実施形態では、共通の作動素子は、共通ギャップ領域の反対側に設置された２つの電磁コイルを含む。
【００１８】
いくつかの実施形態では、方向転換素子は、回転子の回転の接線方向に単一の電磁コイルを通して磁束を導くように構成された単一の電磁コイルを含む。他の実施形態では、方向転換素子は、それぞれギャップの反対側に設置された２つの電磁コイルを含む。さらに他の実施形態では、方向転換素子は、磁束を単一の電磁コイルに（または単一の電磁コイルから）導くように構成された１つ以上の追加の電磁コイルを含む。
【００１９】
ギャップまたは共通ギャップ領域の反対側は、磁束方向付けアセンブリの内側部分および外側部分を表す。いくつかの実施形態では、内側部分は磁束ガイドを含んでもよく、外側部分は１つ以上の電磁コイルを含んでもよい。他の実施形態では、内側部分は１つ以上の電磁コイルを含んでもよく、外側部分は磁束ガイドを含んでもよい。
【００２０】
電磁コイルは、１つ以上のレーストラックコイルを含んでもよい。
【００２１】
いくつかの実施形態では、共通の作動素子は、共通ギャップ領域の反対側の各々に設置され、実質的に半径方向に方向付けられた１つ以上の永久磁石を含む。そのような実施形態では、方向転換素子は、共通ギャップ領域の反対側の各々に設置され、実質的に非半径方向に方向付けられた１つ以上の永久磁石を含んでもよい。
【００２２】
いくつかの実施形態では、共通の作動素子は、共通ギャップ領域の第１の側の上の磁束ガイド、および共通ギャップ領域の反対側の第２の側の上に設置され、実質的に半径方向に方向付けされた１つ以上の永久磁石を含んでもよい。これらの実施形態では、方向転換素子は、共通ギャップ領域の第１の側の上の追加の磁束ガイド、および共通ギャップ領域の反対側の第２の側の上に設置され、実質的に非半径方向に方向付けされた１つ以上の追加の永久磁石を含んでもよい。
【００２３】
作動素子および／または方向転換素子の永久磁石は、１つ以上のハルバッハ配列または部分的ハルバッハ配列を形成するように方向付けられてもよい。
【００２４】
隣接する磁束方向付けセクションのそれぞれの循環する磁束パスは、反対方向に循環する。例えば、隣接する磁束方向付けセクションの一方の磁束パスは時計回り方向に循環してもよく、隣接する磁束方向付けセクションの他方の磁束パスは反時計回り方向に循環してもよい。
【００２５】
循環する磁束パスの数は、ギャップを横切る磁束横断の数に等しくてもよい。さらに、磁束方向付けセクションの数は、ギャップ領域の数に等しくてもよい。
【００２６】
また、回転クラウンおよびピニオン回転子を含む磁気ギヤボックスも開示される。クラウンおよびピニオンは、それぞれ磁気配列を含んでもよい。ある構成では、磁気配列は、順次半径方向に磁化されてもよい。例えば、磁気配列は、１つ以上のハルバッハ磁気配列または部分配列を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】より少ない数の組成レーストラックコイルを備える外側および内側トロイダルセクターを有する星型トロイダル電動機／発電機の等角図である。
【図２】低減された数の組成レーストラックコイルを示す図１の実施形態の端面図である。
【図３】図２に示した装置の磁界プロット図である。
【図４】図１の実施形態の変形であり、間隙二次コイルが内側および外側コイルアセンブリの一次素子組成レーストラックコイルの間に位置付けされている。
【図５】図４の装置の端面図であり、アセンブリの主レーストラックコイルの間の付加的な二次コイルを明確に示している。
【図６】図４に示した実施形態の磁界プロット図であり、トロイダル巻線を通る磁界のより均一な分布を示している。
【図７】星型トロイダル電動機／発電機の変形であり、間隙コイルが一次トロイダルコイルと同じ大きさである。
【図８】図７に示した装置の端面図である。
【図９】図１に示したものと類似の実施形態であるが、磁界を作動ギャップを通して垂直にさらに導くために各外部トロイドの間に追加のレーストラックコイルが入っていることを特徴とする。
【図１０】追加の磁束ガイドコイルを備えた図９の実施形態の端面図である。
【図１１】図９に示した実施形態であるが、内側トロイドアセンブリにも使用される追加のインタートロイド磁束ガイドコイルを備える。
【図１２】追加の磁束ガイドコイルを備える図１１の実施形態の端面図である。
【図１３】図９の装置のさらなる変形例であり、トロイダル磁界を作動領域を通してより良好に導くために、外側トロイドの内径の内側に追加の磁束ガイド巻線が追加されている。
【図１４】追加の磁束ガイドコイルを備えた図１３の実施形態の端面図である。
【図１５】星型トロイダル電動機／発電機であり、内部トロイドがシリンダーのセクターの形状の鋼製磁束ガイドで置き換えられている。
【図１６】図１５の装置の端面図であり、内部鋼製磁束ガイドの位置付けおよび形状を示している。
【図１７】星型トロイダルの実施形態であり、内側鋼製／強磁性磁束ガイドは、回転子巻線と共に回転する材料のシリンダーからなる。シリンダーは、渦電流／寄生損失を低減するために積層することができる。
【図１８】内部鋼製磁束ガイドを備えた星型トロイダル装置の変形であり、外部トロイダルセクターは、トロイドの厚さを通る磁束の分布を均一にするために間隙コイルを方向転換することを含む。
【図１９】外側トロイダルセクター内に追加の間隙コイルを備える図１８の電動機／発電機を示す。
【図２０】外側トロイドの中間セクションが個々のレーストラックコイルを備えるさらなる変形である。トロイダルセクターに作り上げるアークの各端部は、「シールされた」素子として前者に連続的に巻かれている。この連続的に形成された巻線の一番端は、回転子巻線の丸み一致するように丸められている。
【図２１】外側トロイダルアークの両端でシールされ、円弧状になった巻線を示す図２０の装置を示す。
【図２２】磁界を実質的に回転子巻線の方に導くために、追加の鋼製磁束ガイドが外側トロイダル巻線の内側に追加された実施形態である。トロイダル巻線の一セクションは、明瞭にするために見えなくされている。
【図２３】図２２の実施形態の断面端面図であり、内部鋼製バルクの形状および位置付けを示している。
【図２４】外側トロイダル巻線の内側部分の輪郭に従う内部「ソックス」様式磁束ガイドを備えた星型トロイダル電動機／発電機の実施形態である。
【図２５】図２４の実施形態の断面端面図である。
【図２６】外側トロイダル巻線の外側部分の輪郭に従う外部「ソックス」様式磁束ガイドを備えた星型トロイダル電動機／発電機の実施形態である。
【図２７】図２６の実施形態の端面図である。
【図２８】６つのピニオン回転子で示された磁気ギヤボックスである。クラウンおよびピニオン素子の磁化は、内部（クラウン）および外部（ピニオン）ハルバッハシリンダーの相補的セットを生成する。
【図２９】図２８の装置の端面図である。
【図３０】図２８の磁気ギヤボックスの詳細図である。ハルバッハシリンダーを生み出すための磁化の方向の繰り返しパターンが表示されている。
【図３１】磁気素子が歯形のように連動することができるハイブリッド様式磁気ギヤボックスを示す。
【図３２】図３１の装置の端面図である。
【図３３】連動磁気ギヤボックスの詳細な端面図である。
【図３４】多層磁気ギヤボックスの半断面図である。以前に示された実施形態では、装置の極は半径方向に有効に磁化されていた。この実施形態では、磁極は軸方向に支配的に作用する。
【図３５】図３４に示した装置の端面図であり、クラウンおよびピニオン層の相対的な軸方向磁化を示している。
【図３６】クラウンギヤと１セットのピニオン回転子を示す軸方向様式磁気ギヤボックスの基本素子を示す。個々の磁石は、軸方向ハルバッハ配列が生み出されるように磁化される。上記の実施形態では、図３４の丸みのある矩形素子よりもむしろ磁性材料のセクターが使用される。
【図３７】図３６に示した軸方向ハルバッハ磁気ギヤボックスの端面図である。
【図３８】軸方向のハルバッハ配列を生み出すために個々の磁石素子上の分極の方向を示す磁気ギヤボックスの詳細な端面図である。十字記号は面から出てくる磁化ベクトルを表示し、丸記号は面に入るベクトルを表わす。
【図３９】固体の内部鋼製磁束ガイドを特徴とする星型トロイダル装置の変形を示す。
【図４０】作動ギャップ近傍のレーストラックコイルがいくつかの層のコイルに細分された星型トロイダルの実施形態を示す。
【図４１】図４１の実施形態から単離された個々の層状レーストラックコイルアセンブリを示す。層状コイルは、コイルのピーク磁界をより均一に広げるのを助ける。
【図４２】作動領域／回転子に近いコイルセットが、図４０のものとは異なる仕方で積層された実施形態を示す。
【図４３】図４２の実施形態から単離された個々の層状レーストラックコイルアセンブリを示す。層状のコイルは、コイルのピーク磁界をより均一に広げるのを助ける。
【図４４】磁界をより良好に分布させるために、層コイルより少ない総巻数を有する非層コイルを備えた作動領域／ギャップの近くのトロイダルセクターコイルの新規な層化を示す実施形態の端面図を示す。
【図４５】本開示の一態様による電磁装置を示す。
【図４６Ａ】図４５の電磁装置の磁束方向付けアセンブリ例の端面図を示す。端面図は、作動コイルおよびその間の磁束方向転換コイルの構成を示す。
【図４６Ｃ】本開示のいくつかの実施形態による、磁束方向付けアセンブリの複数の磁束方向付けセクションを図示する図４６Ａの磁束方向付けアセンブリを示す。
【図４６Ｂ】各磁束方向付けセクション内の循環する磁束パスを容易にする図４６Ａの磁束方向付けアセンブリを示す。
【図４７】図４５に図示された電磁装置の端面図を示す。
【図４８】図４５〜図４７に示される磁束方向付けアセンブリの磁界プロット図を示す。
【図４９】作動コイル間の磁束を案内する複数の方向転換コイルを特徴とする電磁装置のバージョンを示す。
【図５０Ａ】図４９の装置の端面図を示す。この実施形態では、内側コイル配列は、１セットの鋼製／強磁性磁束ガイドによって置き換えられている。
【図５０Ｂ】図５０Ａの磁束方向付けアセンブリの端面図を示し、図４９の電磁装置の複数の磁束方向付けセクションおよび循環する磁束パスを表示する。
【図５１】図４９に示された電磁装置の別の実施形態を示す。この変形では、セグメント化された鋼製磁束ガイドは、静止していてもよいし、あるいは代わりに通電回転子巻線とスピンすることができる積層鋼のシリンダーに置き換えられている。
【図５２】図５１に示す装置の端面図を示す。
【図５３】磁界を方向付けして強化するための追加の方向転換コイルを備えた内側および外側磁束方向付けコイルセットを特徴とする電磁装置のさらなる変形を示す。
【図５４】図５３の装置の磁束方向付けアセンブリの端面図を示す。
【図５５Ａ】図５３の電磁装置の端面図である。
【図５５Ｂ】磁束方向付けアセンブリ図５５Ａの端面図を示し、本開示のいくつかの実施形態による複数の磁束方向付けセクションおよび循環する磁束パスを表示する。
【図５６】図５３の装置の磁界プロット図である。
【図５７】トロイダル巻線の１つのセクターが除去され、回転子センブリの間に位置する追加のコイル／巻線を示すマルチ回転子ギヤ付トロイダル装置を示す。これらの追加の超電導巻線は、主トロイダル超電導巻線上のピーク磁界を減少させ、再分布させるのを助け、装置の動力を増加させるか、または超伝導ワイヤのより効率的な使用を可能にする。
【図５８】図５７のギヤ付きトロイダル装置の断面図であり、トロイダル巻線内の超伝導巻線をより均一に分布させるための追加の巻線を示す。
【図５９】図５８の断面の端面図である。
【図６０】磁界を４つの磁極に向けるように配置された永久磁石の外側配列を組み込んだ磁束方向付け永久磁石機械である。実施形態では、この外側磁石配列は回転し、一方内側通電巻線および下地鋼は静止したままである。
【図６１】４極通電巻線を示すために外側磁気配列の一セクションが除去された図６０に示した装置を示す。
【図６２】外側永久磁石配列、通電巻線の層および積層鋼の内側層を明瞭に示す図６０の実施形態の断面図である。
【図６３】外側配列内の永久磁石素子のそれぞれに対して磁化の方向を表示した磁石および積層内部鋼磁束ガイドの断面図である。
【図６４】図６０に示した装置の磁界プロット図である。
【図６５】８極磁束方向付け永久磁石装置を示す。これは図６０に示された装置の変形であるが、極数が多い。
【図６６】図６５に図示された実施形態を示しているが、多相通電固定子巻線を示すために外部磁石配列の一セクションが除去されている。
【図６７】図６５の実施形態の断面図であり、永久磁石の外側回転配列ならびに内側通電巻線および内部鋼製磁束ガイドを明瞭に示している。
【図６８】図６５の実施形態の断面端面図であり、磁束方向付け永久磁石シリンダー状配列の素子の磁化の方向が示されている。
【図６９】図６５に示された８極の実施形態の磁界プロット図である。
【図７０】内部鋼製磁束ガイドが、外部ハルバッハシリンダーとして機能的に磁化された内部永久磁石配列によって置換されている磁束方向付け永久磁石装置を示す。
【図７１Ａ】図７０の実施形態から回転永久磁石配列の２つの層の端面図である。矢印は、半径方向に繰り返すパターンにおける配列素子の磁化の相対的な方向を表示する。
【図７１Ｂ】図７０Ａと同じ図を示し、図７１Ａの磁束方向付けアセンブリによって容易にされた複数の磁束方向付けセクションおよび循環パスを表示する。
【図７２】機能的に磁化されたシリンダー状配列の２つの層を示す図７０の装置の断面磁界プロット図である。
【図７３】内部永久磁石と外部鋼製磁束ガイドを特徴とする永久磁石電動機／発電機を示す。上記は、永久磁石と外側鋼製磁束ガイドの両方が、鋼中のコア損失をさらに減少させるために一緒に回転するという点で先に開示した実施形態とは異なる。
【図７４】内面磁化されたハルバッハシリンダーの内部に取り付けられた外面磁化されたハルバッハシリンダーによって生み出される磁界の相互作用に基づく磁気トルク伝達継手の外観図である。
【図７５】磁気継手の様々な層の物理的構成を示す図７４の装置の断面図である。
【図７６】図７４の磁気継手を示し、継手のトルク伝達アセンブリの２つの半分を形成する内部および外部ハルバッハシリンダーを生み出す永久磁石の２つのシリンダー状配列を図示している。
【図７７】図７４に示した装置の磁気素子の端面図である。矢印は、シリンダーの周りを繰り返す内部および外部ハルバッハシリンダーの磁化の相対的な方向のパターンを示す。
【図７８】図７６に示した磁束方向付け磁気継手の磁界プロット図である。
【図７９】相互作用する磁界の支配的な方向が装置の回転軸に沿った２つの円形の線形ハルバッハ磁石配列を備える磁気継手の代替実施形態を示す。継手の２つの半分は、先に開示された軸方向ハルバッハ様式磁気ギヤボックスに示されているのと同様の仕方で順次磁化される。
【図８０】一連のハルバッハシリンダーから構築される遊星磁気ギヤボックスを示す。中心の外面磁化されたシリンダーは、その磁界がやはり外面磁化された４つの「キャリア」ギヤのセットと相互作用する「太陽」ギヤである。キャリアギヤは、内面磁化されたハルバッハシリンダーである外側「環」ギヤにトルクを伝達する。
【図８１】図８０に示した遊星磁気ギヤの端面図である。
【図８２】図８０に示した遊星磁気ギヤボックスの磁界プロット図である。
【図８３】実施形態による、回転する内部磁気配列および外部ブラシレス通電巻線の静止セットを特徴とする磁束方向付け永久磁石機械を示す。
【図８４】図８３の実施形態を示し、多相通電巻線を示すために外部積層鋼シュラウドを除去している。
【図８５】図８３の磁束方向付け永久磁石アセンブリを単離して示す。
【図８６】終端板が除去され、永久磁石配列の各素子の磁化の方向が示されている図８５に示したアセンブリを示す。
【図８７】図８６に示された部分アセンブリの端面図であり、永久磁石配列の素子の磁化の方向をさらに表示している。
【図８８】図８３の装置の中央断面を通る磁界のプロット図であり、１６極装置を示している。
【図８９】外側回転永久磁石配列を有する磁束方向永久磁石機械を示し、外側磁石配列は磁界を強化して方向付けるための追加の下地鋼を特徴とする。
【図９０】図８９の実施形態を示すが、回転構成要素は除去され、それらが取り付けられている通電巻線および積層鋼シリンダーを示している。
【図９１】図８９の回転構成要素を分離して示し、内部に磁化された永久磁石ハルバッハシリンダーおよびギャップ内の磁界を強化し補強するために使用される下地鋼の層を示している。
【図９２】図９１の分離された回転子構成要素の端面図であり、永久磁石配列の素子の磁化の方向を示している。
【図９３】図８９の装置の中央断面を通る磁界のプロット図であり、１６極の外部回転子装置を示している。
【図９４】実施形態による、磁束方向付けコイルが回転クライオスタット内に包含されて回転している間、通電巻線および付属の積層下地鋼が静止したままである超伝導磁束方向付け機械を示す。
【図９５】単純化された内部磁束方向付けコイルを使用する磁束方向付け超伝導機械の変形を図示する。
【図９６】実施形態による、導電性材料から作られた付加的な渦電流ブレーキシリンダーを示す磁束方向付け永久磁石継手からの内部永久磁石配列を示す。
【図９７】図９６に示した装置を図示するが、ブレーキが係合されるように渦電流ブレーキ層が位置付けされている。
【図９８】図９７の構成を示し、磁気継手を生み出す内側および外側磁気配列の間に生み出された磁界内に導電性ブレーキシリンダーをシフトすることによって継手ブレーキを係合することが達成される。矢印は、ブレーキを係合するためにシリンダーをシフトさせなければならない方向を表示する。
【図９９】実施形態による、所定の位置に示された追加の支持構造を有する磁束方向付け磁気継手の詳細な破断図である。
【図１００】磁束方向付け磁気継手の別の詳細な破断図を示し、追加の位置決め差込みおよび軸受を示している。
【図１０１】磁束方向付け磁気継手の代替の実施形態を示し、位置決め差込みが延長され、２対の追加の支持軸受が使用される。
【図１０２】先に開示されたものと同様の遊星磁束方向付け磁気ギヤボックスを示し、磁束封じ込めおよびトルク伝達の強度を改善するために極毎の４つの個別の磁化方向を特徴とする。
【図１０３】太陽、キャリアおよび環状の磁気ギヤの位置付けを示すために支持構造を取り除いた図１０３の実施形態を示す。
【図１０４】図１０３に示された構成の端面図であり、太陽、キャリアおよび環永久磁石ギヤを形成する個別の永久磁石素子のそれぞれに対して磁化の方向を示している。
【図１０５】図１０４に図示した端面図の詳細図であり、ギヤ素子の磁化を示している。
【図１０６】図１０４に示された遊星磁気ギヤ構成によって生み出された磁界を示す磁界プロット図である。
【図１０７】車両の車軸に関連付けて示された２つの別々に制御された磁束方向付け永久磁石電動機および遊星磁気ギヤボックスを使用するアセンブリを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
「磁界」という用語は概して方向性磁界強度を表すベクトル量であり、「磁束」という用語は概して非方向性磁気エネルギー流を表すスカラー量であるが、しかしながら、文脈が要求するところでは、本明細書の両方の用語は互換的に使用され、それらの意味はそのような厳格な使用によって制限されない。非限定的な例として、対応する磁界の静的図解を有する磁束の説明は、方向性の前後関係および流れの前後関係に関連付けられた磁界に関連する磁束で読み取られるべきである。
【００２９】
一形態における本発明の態様は、磁界を発生させる磁束方向付けアセンブリ、複数のギャップ領域を有するギャップ、および導体配列内の電流の流れと磁界の存在下での磁束方向付けアセンブリに対する導体配列の相対的な動きとの間の相互作用を可能にするギャップ内に位置する導体配列を含む電磁装置内に広く存在する。いくつかの構成では、図４５〜図７８および図９４に例示されるように、ギャップは概して、内側シリンダー状表面と外側シリンダー状表面との間の環状空間である。これらのシリンダー状表面は、概念的なものにすぎず、ギャップの内側および外側磁束方向付けアセンブリの構成要素によっておおよそ規定される。
【００３０】
磁束方向付けアセンブリは、対応するギャップ領域を横切って磁束を方向付けるように構成された１つ以上の作動素子（本開示では一次素子／コイルまたは磁極素子／コイルとも呼ばれる）、および磁束を作動素子に向けて戻すように構成された方向転換素子（本開示では間隙素子またはコイルとも呼ばれる）を含む。作動素子および方向転換素子の少なくとも一部は、磁束方向付けセクションを形成する。磁束方向付けアセンブリは、そのような複数の磁束方向付けセクションを含んでもよい。各磁束方向付けセクションは、隣接する磁束方向付けセクションが共通の作動素子を共有するように、少なくとも１つの他の磁束方向付けセクションに隣接して配置される。各磁束方向付けセクションは、それ自体の周りを循環する磁束パスを容易にするように構成される。
【００３１】
さらに、隣接する磁束方向付けセクションの各対は、複数のギャップ領域の共通ギャップ領域の周りに配置され、それぞれの循環する磁束パスの少なくとも一部を、共通ギャップ領域を横切って実質的に同様の磁束方向で電流が流れる方向に対して実質的に垂直に方向付けるように構成される。
【００３２】
作動素子および方向転換素子は、各々１つ以上の電磁コイルまたは永久磁石で形成されてもよい。特定の実施形態によれば、隣接する磁束方向セクションの周りの各共通の作動素子は、単一の作動コイルまたは永久磁石で形成され、対応するギャップ領域の内側または外側のいずれかに位置付けされる。別の実施形態では、各共通の作動素子は２つの作動コイルまたは永久磁石で形成され、１つはギャップ領域の外側に位置付され、もう一方はギャップ領域の内側に位置付けされる。いずれの実施形態においても、各作動コイル／永久磁石はしたがって２つの隣接する磁束方向付けセクションによって共有される共通の作動素子の半分を形成する。作動コイル／永久磁石は互いに離間しており、導電性素子の実装を共通の作動素子によって発生された磁界内に延ばすことを可能にする。
【００３３】
同様に、いくつかの実施形態では、方向転換素子は、ギャップの外側または内側のいずれかに位置付けされた単一の方向転換コイル／永久磁石を有してもよい。いくつかの他の実施形態では、方向転換素子は、１つはギャップの外側に位置付けされ、もう一方はギャップの内側に設置された、２つの方向転換コイル／永久磁石を有してもよい。さらに他の実施形態では、ギャップの両側かつ各側の２つの作動素子の間に位置付けして、内側および外側の方向転換コイル／永久磁石の数を２、３、４、５、６、またはそれ以上に増やすことができる。
【００３４】
他の実施形態では、外側および／または内側作動コイル／永久磁石は、各々または集合的に１つ以上の磁束ガイドと交換されてもよく、例えば、複数の磁極片または中空の中心を有する単一のシリンダーの形態であってもよい。磁束ガイドは、本開示の範囲から逸脱することなく、強磁性または常磁性材料のような任意の適切な材料で形成されてもよい。
【００３５】
磁束ガイドが複数の磁極片の形態である場合、磁極片は、ギャップ領域の反対側の作動コイルまたは永久磁石と実質的に整列し、作動素子の一部として機能してもよい。磁極片の間のエアギャップは、隣接する磁極片の間で磁束の通過を可能にしてもよい。
【００３６】
代替的に、磁束ガイドが中空シリンダーの形態であるとき、ギャップ領域の反対側の作動コイル／永久磁石と実質的に整列しているシリンダーの部分は作動素子の一部として機能し、一方で中空シリンダーの残りは方向転換素子の一部として機能する。
【００３７】
作動コイルおよび方向転換コイルの各々は、実質的に長方形の形状であってもよい。
【００３８】
いくつかの実施形態では、コイルは超電導材料で形成されてもよい。これらの実施形態では、超伝導材料で形成された電磁装置の部分は、超伝導コイルを冷却するために極低温外被またはクライオスタット内に少なくとも部分的に封入される。磁束方向付けアセンブリおよび導電性素子が共に超電導材料で形成されるとき、磁束アセンブリは第１のクライオスタット内に位置付けされ、導電性素子は第１のクライオスタットに対して移動可能な第２のクライオスタット内に設けられてもよい。典型的には、第１のクライオスタットは固定され、第２のクライオスタットは、第２のクライオスタット内に固定された導電性素子を有する第１のクライオスタットの少なくとも一部分内で回転する。
【００３９】
磁束方向付けアセンブリの超伝導コイルは、コイルを形成するために超伝導テープまたはワイヤを巻くことによって形成されてもよい。これらのタイプのコイルは、臨界温度以下に冷却されたときに電気抵抗がほぼゼロであることから好ましい。それらはまた、高い電流密度を可能にし、それ故に、大きな（かつ高密度の）磁界の生成を可能にする。
【００４０】
磁束方向付けアセンブリによって発生される磁界は不変であっても変化してもよい。場合によっては、磁界は、磁界との相互作用を通して少なくとも１つの導電性素子を動かすための原動力を提供するために少なくとも１つの導電性素子の磁界が変化する磁界を備えた永久的磁界である。
【００４１】
変化する磁界が提供される場合には、これは物理的または電子的に方向転換された直流電源または交流電源を通して達成される。
【００４２】
磁束方向付けアセンブリおよび少なくとも１つの導電性素子の特性は、アプリケーションに応じて決定されることを理解されたい。
【００４３】
複数の層を使用するいくつかの実施形態例では、コイルは任意の数の層で提供することができる。
【００４４】
さらに、電磁装置は、これらの原理のいずれか（または両方）に従って動きのために実装された少なくとも１つの導電性素子を有する往復または回転する構成を有することができる。回転する実施形態によれば、磁束方向付けアセンブリは、磁界を生成するために１セットのコイルを含んでもよい。典型的には、少なくとも１つの導電性素子が磁束方向付けアセンブリ内のギャップ内に位置し、ギャップ内の磁束方向付けアセンブリによって生み出された磁界の支配的方向に対して実質的に垂直な軸の周りを回転する。
【００４５】
別の広範な形態では、本発明は、多数の磁気素子を有する電磁機械内に存在し、磁気素子の各々は、隣接する磁気素子の間に間隙磁極を生み出すために互いに対して位置付けされた北磁極および／または磁界かつ南磁極および／または磁界を有し、電流または機械的作用を生成するために導体が磁気素子の磁極および／または磁界と相互作用するように少なくとも１つの導体素子が磁気素子に対して位置する。
【００４６】
少なくともいくつかの開示された装置の動作の基礎は、通電導体と磁界との間の相互作用である。この相互作用は、装置に発生する出力トルク（電動機の場合）または出力電圧および電流（発電機の場合）をもたらす。いくつかの開示された装置は、１つの静磁界または静止磁界および１つの交流磁界を含む。
【００４７】
基本レベルで、磁界は、電磁コイルまたは永久磁石のいずれかによって生み出された磁極からなる。磁極は、磁界の北および南の方向性を有する。
【００４８】
少なくともいくつかの開示された装置において、発生した磁界が一度ならず使用される、つまり、電気機械の動力密度を大きく増加させるために、通電導体による磁界を通して複数のパスが説明される。
【００４９】
いくつかの実施形態の回転機械（電動機および発電機）はそれぞれ、
●回転および静止部品、または、
●回転および逆回転部品、または、
●回転および逆回転部品と静止部品の組み合せ、
を有する。
【００５０】
実施形態では、磁束方向付けアセンブリが回転している間、駆動または発電パスは静止したままである。動く駆動または発電巻線および静止磁束方向付けアセンブリを備える逆のシナリオもまた実行可能であるが、第１の実施形態の１つの特徴は、駆動コイルまたは発電コイルにおいて常に極性を反転させるより高い電流が摺動接点またはブラシを介して伝達される必要はなく、装置内の電気損失を低減することである。
【００５１】
一方、急な停止、始動、加速、減速を可能にするために装置の回転質量を減少させるというアプリケーション要件がある場合、磁束方向付けアセンブリの代わりに駆動または発電パスを回転させることに利点があるかもしれない。この場合、機械の設計は、磁束方向付けアセンブリ内により多くの巻線を優先するべきである。この明細書で提示されている機械の動作方向は、背景磁界コイルまたは駆動／発電パス巻線における電流方向の反転によって逆転することができる。
【００５２】
この明細書の画像および説明は、回転電気機械の見地から実施形態を提示しているが、提示された原理は、回転装置と同様にリニア機械にも適用可能であることは当業者には明らかであろう。
【００５３】
この明細書に開示された装置は、電圧および電流の入力から機械的仕事の産出（電動機）、または機械的仕事の適用から電圧および電流の産出（発電機）にも関係する。
【００５４】
開示される実施形態の電動機／発電機は、回転部分（回転子）および静止部分（固定子）を備える。開示された少なくともいくつかの装置では、固定子の主要な機能は、回転子が回転する高強度の磁界を提供することである。電動機の場合、回転子は、磁界の方向の相対的変化（すなわち、回転子が１つの磁極から次の磁極に移動するとき）に合わせて方向を変える電流で動力を供給することができる。発電機の場合、回転子の動きは、概して交流電圧および交流電流の発生をもたらす。
【００５５】
本明細書で開示される少なくともいくつかの装置では、電気エネルギーが機械的仕事に変換されるか、または磁界内で動く通電導体の作用を通して電気エネルギーを生み出すために機械的仕事が使用される。
【００５６】
いくつかの開示された構成では、磁界は、磁界を通電導体が動く作動領域または一連の作動領域に方向付けるために、トロイドまたはトロイドのセクションの形態で巻かれた一連の隣接する電磁コイルによって生成されてもよい。これらトロイダルセクションは両方とも、通電導体／巻線における電流の流れの方向に対して実質的に垂直であるように磁界を方向付け、かつ磁界を大部分装置自体の中に封じ込める。このようにして、鋼製または強磁性磁束ガイドの必要性を限定または除去する高出力装置を構築することができる。
【００５７】
通電導体の機械的設置および動作を可能にするために、ギャップ領域がトロイダル巻線セクションの間に存在してもよい。
【００５８】
いくつかの開示された構成は、超電導ワイヤおよび銅などの通常の導電材料からの通電導体から築かれたトロイダル巻線セクションおよび配置を示す。当業者には、装置のいずれかの部分が超電導または通常の導電材料のどちらかから容易に構築できることは明らかであろう。
【００５９】
この開示に照らして、いくつかの特徴は、（別々に、または１つ以上の組み合せで）以下を含む。
●トロイダルコイルに依拠して開示された実施形態のいずれも、個別のサブコイル（開放トロイド／巻線）の構成を使用して、あるいはトロイドまたはトロイダルセクター（シールまたは閉鎖された巻線／トロイド）内の導電材料の連続巻線によって容易に構築できること。
●磁束をエアギャップまたは作動領域に方向付けるために磁界巻線を使用した場合、強磁性磁束ガイドの有無にかかわらず、これらの巻線は、同様の方法でこれらの領域に磁束を方向付ける永久磁石材料で置き換えることができること。
●装置の一部が「回転子」で、かつ別のものが「固定子」であることに関して属性付けられている場合、これらの呼称は単に２つの部分間の相対回転を暗に意味すること、および以前に静止していた部分が回転し、回転部分が静止であるように回転および静止の役割または呼称は容易に逆転できること。
●１つの直流または静止（背景）磁界および１つの交流磁界を維持する原理で動作する装置で、背景磁界が極性を交互に変え、以前に交流磁界を生成した通電巻線が静止磁界を生成することは等しく受け入れられること。
●交流が採用される場合、その電流の波形は、装置の連続的な回転または発電が生じるような適切に任意の波形形状であってもよいこと、およびそのような波形は、電動機の動力出力または発電機の電力出力のリップルを最小にするように形成されていること。
●装置が電気エネルギーの適用時に機械的仕事を生成する電動機として説明されている場合、機械的仕事の適用で電気エネルギーを生成する発電機の逆のシナリオもまた主張されること。
●装置が発電機として説明されている場合、装置が電動機として動作する逆のシナリオもまた主張されること。
【００６０】
本明細書に記載された特徴のいずれかは、本発明の範囲内で本明細書に記載される任意の１つ以上の他の特徴との任意の組み合せで組み合せることができる。
【００６１】
図１および図２に示す実施形態は、装置の構造を単純化するために、外側および内側トロイダル巻線内の組成レーストラックコイルの数を減らした星型トロイダル電動機／発電機を示す。同様の数量の超伝導ワイヤが使用される場合、コイル数の削減は電力に大きな影響を与えない。図３は、図１の実施形態の磁界プロット図を示す。
【００６２】
図４および図５は、間隙コイルの第２のセットが内側および外側トロイダル巻線の主レーストラックコイルの間のギャップに設置された変形を示す。これらの間隙コイルは、トロイダル巻線の半径方向の厚さにわたって磁界の強度を均一にするのを助ける。超伝導巻線内の限界磁界は、通常、トロイダル巻線の内側内面上に生成されるので、間隙コイルは、この限界内部磁界を増加させることなく装置の動力を増加させる。図６は、図４の実施形態の磁界プロット図を示す。
【００６３】
図７および図８は、磁界をトロイダル巻線に良好に分配するために、方向転換コイルがトロイダルセクターの主レーストラックコイルと同じサイズである図１に示した装置の変形を示す。
【００６４】
図９〜図１４に示される実施形態は、トロイダルセクターの間およびトロイドの内側半径の中央の追加巻線の様々な設置を示している。これらの追加巻線は、連続するトロイダルセクター間を跳び越える漂遊磁界を相殺し、磁界をトロイドから作動領域またはギャップに方向付けるのを助ける。
【００６５】
図１５および図１６に示す装置は、内部超伝導トロイダル巻線を鋼製または強磁性磁束ガイドのセットで置き換えるものである。これらの磁束ガイドは、回転子巻線の他方の側に、外側トロイダル巻線の磁極面に対向して設置され、連続する磁極セグメント間に磁界を案内するのを助けるシリンダーのセクターである。
【００６６】
図１７は、鋼製／強磁性磁束ガイドが積層材料のシリンダーからなる実施形態を示す。磁束ガイドは回転子巻線に取り付けられ、回転子巻線と共に動く。材料の積層は渦電流および寄生損失を低減する。
【００６７】
図１８および図１９は、トロイド内および作動ギャップ／領域を横切る磁界の均質性を改善するために、外側トロイダル巻線に追加された二次間隙コイルを採用する図１５に示した装置の変形を示す。
【００６８】
星型トロイダル装置のさらなる実施形態において、図２０および図２１は、トロイダル巻線の端部が「シールされた」、すなわち、作動ギャップ／領域を垂直に通過することなくトロイダルセクターからトロイダルセクターに磁束が跳び越えるのを避けるために、個別のレーストラックコイルから構築されるよりはむしろ整形された巻型の周りに連続的に巻かれた、電動機／発電機を示す。このシールされた端部巻線はまた、トロイダル巻線の端部が回転子巻線の丸みと一致するように、回転子に隣接する端部において丸められている。
【００６９】
さらなる変形は、磁界を封じ込め、それを作動ギャップ領域を横切って方向付けるためにトロイダル巻線自体の中および周りに追加の鋼製磁束ガイドの使用を含む。図２２および図２３は、鋼製／強磁性仕切が回転子巻線の近くの外側トロイダルセクターの両端の中心に位置付けされた変形を示す。
【００７０】
図２４および図２５は、図２２に示したものと同様の装置を示しているが、トロイダル巻線の内部輪郭に従う中空の「ソックス」様式鋼製磁束ガイドを備えている。この輪郭は、鋼製／強磁性材料の一定の厚さを有する。
【００７１】
図２６および図２７は、図２４に示したものと同様の装置を示しているが、トロイダル巻線の外側鋼製「ソックス」に従う輪郭を有している。
磁気ギヤボックス
【００７２】
特許文献１など、出願人の先行出版物は、回転クラウンおよびピニオン回転子を含む磁気ギヤボックスを開示しており、ここでクラウンおよびピニオンは順次北、南、北、南．．．など半径方向に磁化されていた。クラウンおよびピニオンの間の相対的な極数は、クラウンおよびピニオンの相対的な作動直径の関数であり、結局のところ最終的磁気ギヤボックスの所望のギヤ比の関数であった。
【００７３】
その実施形態のさらなる変形では、クラウンおよびピニオンの磁性材料の磁化は、ハルバッハ磁気配列を形成するように配置される。ハルバッハ配列は、配列の一方の側に強い磁界を生成し、配列の他方の側には磁界をほとんど生成しない機能的に磁化されたサブコンポーネントからなる。円形の形態では、磁気ギヤは内部ハルバッハシリンダー（クラウン）と外部ハルバッハシリンダー（ピニオン）とからなる。ハルバッハシリンダー内の磁化の方向は次式の関係がある：
【数３】
2018524964.tif 000005
ここで、Ｍは磁化ベクトルであり、ｋはハルバッハシリンダーの位数である。ｋの正の値は内部ハルバッハシリンダーを生成し、負のｋ値は外部ハルバッハシリンダーを生成する。ハルバッハシリンダーの極数は（ｋ−１）＊２に等しい。
【００７４】
図２８、図２９および図３０は、構成要素が磁化されてハルバッハシリンダーを形成する磁気ギヤボックスを示す。実際に、完全なハルバッハシリンダーの機能的磁化は、繰り返しパターンでの個別の磁化のセットを用いて達成される。この繰り返しパターンは図３０に示されている。ハルバッハシリンダーの背面に磁界がないことは、鋼製下地または磁束ガイドの必要性を無くす。
【００７５】
さらなる変形では、磁気ギヤを作り上げる素子は、それらが互いに連動するように成形される。通常の動作では、離れて磁石によって提供される力は、連動素子間のギヤップにトルクを伝達する。過負荷がかかったとき、連動素子は物理的に係合し通常の非磁性ギヤとしてトルクを伝達する。この変形が図３１、図３２および図３３に示されており、半径方向に交互する北−南で、全−北および全−南で、およびハルバッハ様式の磁化で使用することができる。
【００７６】
図３４および図３５に示す装置は、ギヤを作る磁気素子が軸方向に磁化される多層磁気ギヤボックスからなる。インターリーブされたギヤの追加層を装置のトルク容量を増加させるために追加することができる。
【００７７】
さらなる軸方向磁気ギヤボックスの変形が図３６、図３７および図３８に示されており、ここでもまた磁気ギヤボックスを作り上げる個々の磁石は機械の回転軸に平行に磁化される。この構成では、個々の磁気素子は、クラウンおよびピニオン回転子の円周のまわりにリニアハルバッハ配列を形成するパターンで磁化される。このタイプのハルバッハ様式配列の個別の実施形態の磁化の相対的な方向が図３８に示されている。ハルバッハ配列は、磁気アセンブリの作動側に高い磁界強度を提供し、非動作側には漂遊磁界がほとんどまたはまったくない。当業者であれば、この構成は、図３４に描写されたものと同様に、多層設計に容易に拡張できることは明らかであろう。
【００７８】
開示されている磁気ギヤボックス幾何学的形状のいずれも、磁気ギヤ素子間に依然としてトルクを伝達しながら、多くの方法で磁化することができる。交互の北−南およびハルバッハ様式の磁化に加えて、ギヤ素子はまた、全−北または全−南構成またはそれらの任意の組み合せで磁化することができる。
【００７９】
内部磁束方向付けコイルの代わりに、内部磁束ガイドを特徴とする星型トロイダル装置のさらなる変形では、この磁束ガイドは低いヒステリシスおよび渦電流損失を有する積層フェライトベース材料から作ることができる。磁束ガイドが完全なシリンダーとして構築されている場合、磁束ガイドは通電巻線と共に回転することができ、より簡単な回転子の構造をもたらす。この通電巻線および磁束ガイド構造の一体化を特徴とする装置を図３９に示す。この変形では、磁束ガイドは積層された低鉄損材料から作られ、通電巻線に合わせて回転する。
【００８０】
図４０および図４１は、使用される超電導ワイヤの量を減らし、ギャップ領域内（または通電巻線が位置する領域内）の磁界の強度および均一性を高めることを目的とする星型トロイダル装置のさらなる変形を示す。この改善は、図４１に示された方法で、ギャップ領域近くの超伝導レーストラックコイルを細分することによって達成される。これらの接近したコイルを細分することに加えて、細分されたレーストラックコイルがトロイダルセクター内の他のレーストラックコイルよりも多いターン数の超伝導ワイヤを有するように、レーストラックコイル内のターン数が再分配される。これらのコイルはまた、トロイダルセクター内の残りのコイルよりも多くの巻数を有する。コイルの分割は、トロイダルセクター上のピーク磁界を広げ、作動領域／ギャップ内の磁界の強度および均一性を高めるのに役立つ。
【００８１】
図４２〜図４４は、作動領域／ギャップの近傍におけるレーストラックの層化に対する代わりのアプローチを示す。巻線を積層して再分配する目的は、トロイダル巻線内のピーク磁界をより均一に分布させ、作動領域またはギャップにおける磁界の強度および均一性を改善することである。図４２において、コイルは、ピーク磁界をより均一に分布させ、通電巻線の領域における磁界の均一性を強化し改善するために、その厚さに沿って分割され漸進的に幅が縮小されている。
【００８２】
トロイダル様式の装置の別の実施形態では、シリンダー状の固定子の周りの連続する極の間の磁束の創造および方向は、より少数の個別のコイルを使用して達成される。より少数の個別のコイルの構成は、永久磁石材料のシリンダー状ハルバッハ配列によって生成されるものと同様の効果を生成する。この「磁束方向付け」コイル構造は、連続磁極間に磁界を封じ込めて方向付ける見地から、トロイダルセクターのセット内のより多数のコイルの構成と同様の効果を達成するが、より少ない量の超伝導材料を使用する。
【００８３】
図４５〜図４８は、電磁装置４５００の実施形態の特性を示す。電磁装置４５００は、ギャップ４５０４、およびギャップ４５０４によって内側部分および外側部分に分離された磁束方向付けアセンブリ４５０２を含む。ギャップ４５０４は、ギャップ領域４５０５ａ、４５０５ｂ．．．４５０５ｈ（総称してギャップ領域４５０５と呼び、図４６Ｃに描写されている）などの複数のギャップ領域を含む。電磁装置はさらに、磁束方向付けアセンブリ４５０２に対して動くようにギャップ４５０４内に配置された導体配列４５０６を含む。一実施形態では、磁束方向付けアセンブリ４５０２は固定子であってもよく、導体配列４５０６は回転子であってもよい。代わりに、磁束方向付けアセンブリは回転子であってもよく、導体配列は固定子であってもよい。
【００８４】
導体配列４５０６は、実質的にシリンダー状の形状を有する。それは、それぞれの電流の流れ方向に通電するように各々構成された１つ以上の導体４５１０を含む。ギャップ４５０４はまた、シリンダー状の空間の形態であってもよい。ギャップ４５０４の形状は、導体配列４５０６の形状と一致してもよい。いくつかの実施形態では、導体配列４５０６は、導体配列４５０６を支持し位置付けるシリンダー状構造からなる回転子センブリ（図示せず）に巻きつけられる。このシリンダー状の構造は、回転子を回転させ、動力をシャフトおよび回転子センブリから引き渡すまたは取り出すことを可能にするシャフト（図示せず）および軸受アセンブリ（図示せず）につながる。回転子巻線は、両端または一端から支持されてもよい。
【００８５】
図４６Ａに見られるように、磁束方向付けアセンブリは、複数の動作素子４５１８ａ、４５１８ｂ、４５１８ｃ、．．．、４５１８ｈ（総称して動作素子４５１８と呼ぶ）および複数の方向転換素子４５２０ａ、４５２０ｂ、４５２０ｃ、．．．、４５２０ｈ（総称して方向転換素子４５２０と呼ぶ）で形成される。図４５〜図４７に図示された実施形態では、各作動素子は、対応するギャップ領域の反対側に実質的に整列した２つの作動コイルを含む。本半径方向の実施形態では、これらのコイルは、外側作動コイル（下付き文字「ｏ」で表す、例えば４５１８ａｏ）および内側作動コイル（下付き文字「ｉ」で表す、例えば４５１８ａｉ）と名付けられる。しかしながら、軸方向の実施形態（段落［０１５７］の説明を参照）のような他の実施形態では、２つの作動コイルは、本開示の範囲から逸脱することなく、左右の作動コイル、または第１および第２の作動コイルと呼ばれてもよい。同様に、各方向転換素子は、ギャップ４５０４の反対側に実質的に整列された２つの方向転換コイルを含む。本実施形態では、これらのコイルは、外側方向転換コイル（下付き文字「ｏ」で表す、例えば４５２０ａｏ）および相補的な内側方向転換コイル（下付き文字「ｉ」で表す、例えば４５２０ａｉ）と名付けられる。簡略化のために、動作素子４５１８ａおよび方向転換素子４５２０ａの内側および外側コイルは下付き文字でラベル付けされているが、動作素子４５１８ｂ−ｈおよび方向転換素子４５２０ｂ−ｈの内側および外側コイルは、下付き文字「ｉ」または「ｏ」で図にラベル付けされていない。内側作動コイルおよび方向転換コイルは、装置４５００のギャップ領域を横切る磁界を強化し、方向付けするのを助ける。
【００８６】
他の実施形態では、作動素子は、ギャップ領域の一方の側に１つのコイルを含み、ギャップ領域の反対側に磁束ガイドの対応する部分を含んでもよい。磁束ガイド例は、複数の磁極片または中空シリンダーを含む。図４９は、内側作動コイルが磁極片に置き換えられた例を示し、図５１は、内側作動コイルおよび方向転換コイルが中空シリンダーに置き換えられた例を示す。
【００８７】
同様に、方向転換素子は、（後の実施形態に示すように）ギャップの一方の側に単一の方向転換コイルを含んでもよく、またはギャップの片側または両側に複数の方向転換コイルを含んでもよい。方向転換コイルがギャップの一方の側に存在し、他方の側に存在しない場合、他方の側の磁束ガイドの部分は、図５１を参照して詳細に説明されるように方向転換コイルとして機能し得る。
【００８８】
いくつかの実施形態では、磁束方向付けアセンブリ４５０２のコイルは、磁束方向付けアセンブリの２つの部分（内側部分および外側部分など）用の第１および第２のクライオスタットを備えるクライオスタット構造内に機械的に保持される。クライオスタット構造は、磁束方向付けアセンブリの内側および外側部分の相対位置を確保し、超電導コイルに冷却を提供する。導体配列は、室温において、第１および第２のクライオスタットの間のギャップ４５０４内でクライオスタットの外側にあってもよい。
【００８９】
図４６Ｃに見られるように、磁束方向付けアセンブリ４５０２は、互いに隣接して配置されたセクション４５１４ａ、４５１４ｂ、４５１４ｃ．．．４５１４ｈ（総称して磁束方向付けセクション４５１４と呼ぶ）のような複数の磁束方向付けセクションを有する。各磁束方向付けセクション４５１４は、方向転換素子（例えば、図４６Ｂに見られるようなセクション４５１４ａ内の４５２０ａ）と、部分的に、２つの作動素子（例えば、図４６Ｃに見られるようなセクション４５１４ａ内の４５１８ｈと４５１８ａ）を含む。各磁束方向付けセクションは、（実際の根底にある磁界パターン、図４８にその一例が示されている、の簡略化した表現として図４６Ｂに例示されているように）それぞれの磁束方向付けセクションの周りの循環磁束パス４５１６ａ−ｈを容易にするように構成される。各磁束方向付けセクション４５１４は、電磁装置４５００の磁極に対応する。この実施形態では、磁束方向付けアセンブリ４５０２は、８つの磁束方向付けセクションまたは磁極を含む。すなわち、この実施形態は、８つの作動素子と８つの方向転換素子とを含む。図４５〜図４７に見られるように、隣接する磁束方向付けセクションの各対は共通の作動素子を共有する。例えば、作動素子４５１８ａは磁束方向付けセクション４５１４ａと４５１４ｂとの間で共通であり、作動素子４５１８ｂは磁束方向付けセクション４５１４ｂと４５１４ｃとの間で共通である。
【００９０】
隣接する磁束方向付けセクションの各対（例えば、磁束方向付けセクション４５１４ａおよび４５１４ｂを参照）は、共通ギャップ領域（ギャップ領域４５０５ａ参照）の周りに配置される。さらに、磁束方向付けセクション４５１４の各々は、それぞれの循環磁束パスの少なくとも一部が実質的に同様の磁束方向で共通ギャップ領域４５０５を横切るように、それ自身の循環磁束パスを容易にする。例えば、共通の作動素子４５１８ａ（すなわち、外側作動コイル４５１８ａｏおよび内側作動コイル４５１８ａｉ）を共有する磁束方向付けセクション４５１４ａおよび４５１４ｂは、共通ギャップ領域４５０５ａを横切るそれぞれの循環磁束パスの少なくとも一部を実質的に同様の内側方向（共通ギャップ領域４５０５ａにおける磁束方向付けセクション４５１４ａおよび４５１４ｂの磁束パスを参照）に方向付ける。同様に、磁束方向付けセクション４５１４ｂおよび４５１４ｃの両方の磁束パスは、作動素子４５１８ｂ（すなわち、外側作動素子４５１８ｂｏおよび内側作動素子４５１８ｂｉ）によって、共通ギャップ領域４５０５ｂ内での外側に方向付けられる。
【００９１】
この実施形態では、動作中、磁束方向付けアセンブリ４５０２は、８つの循環磁束方向付けパスを容易にする。磁束方向付けパスの数は、ギャップ領域および磁束方向付けセクションの数に等しいことを理解されたい。磁界がどのように方向付けられるかを例示するために、３つの磁束方向付けセクション（すなわち、セクション４５１４ａ、４５１４ｂおよび４５１４ｃ）の磁束パスが次に詳細に説明される。
【００９２】
前述のように、作動素子は磁束をギャップ領域４５０５に方向付けるように構成される。方向転換素子は各々、作動素子から磁束を受け取り、および／または磁束を別の作動素子に転送するように構成される。例えば、動作中、外側作動コイル４５１８ａｏは、外側方向転換素子４５２０ａｏおよび４５２０ｂｏから磁束を受け取る（図４６Ｂの破線の矢印１）ように構成される。次に外側作動コイル４５１８ａｏは磁束をギャップ領域４５０５ａの方向（図４６Ｂの破線の矢印２）に方向付ける（前に送る）。ギャップ領域４５０５ａを出る磁束は、内側作動コイル４５１８ａｉによって受け取られる。次に内側作動コイル４５１８ａｉは、ギャップ領域４５０５ａから受け取った磁束を内側方向転換コイル４５２０ａｉおよび４５２０ｂｉ（図４６Ｂの破線の矢印３）に方向付ける（前に送る）。前に言及したように、簡略化のために、内側および外側作動コイルおよび方向転換コイルは、図面に下付き文字「ｉ」または「ｏ」でラベル付けされていない。
【００９３】
内側方向転換コイル４５２０ａｉおよび４５２０ｂｉは、磁束を内側作動コイル４５１８ｈｉおよび４５１８ｂｉのそれぞれへ（図４６Ｂの破線の矢印４）方向付ける（前に送る）。これらの内側作動コイルは、磁束をギャップ領域４５０５ｈおよび４５０５ｂのそれぞれに、および外側作動コイル４５１８ｈｏおよび４５１８ｂｏのそれぞれに向けて方向付ける（図４６Ｂの破線の矢印５）。次に、外側作動コイル４５１８ｈｏおよび４５１８ｂｏは、磁束を外側方向転換コイル４５２０ａｏかつ４５２０ｈｏおよび４５２０ｂｏかつ４５２０ｃｏのそれぞれに方向付ける（図４６Ｂの破線の矢印６）。これは、作動コイルからの磁束が２つの方向転換コイルに向けて方向付けられ、かつ／または２つの方向転換コイルから受け取られるように、磁束方向付けアセンブリ４５０２に沿って継続する。
【００９４】
導体配列がギャップ内に配置され、１つ以上の導体はギャップ内の磁界に対して実質的に垂直な方向に電流を流すことができる。電動機の場合、そのような電流の適用は、磁束方向付けアセンブリに関して環状ギャップの周りの１つ以上の導体の相対運動を可能にし、回転運動を容易にする。発電機の場合、環状ギャップの周りのそのような回転運動は、１つ以上の導体に沿った電流または電圧の発生を可能にする。
【００９５】
いくつかの実施形態では、作動素子によって方向付けされた磁束の強度は、方向転換素子によって方向付けされた磁束の強度と比較して補強される。
【００９６】
磁束が共通の作動素子に向かって戻るための複数のパスを提供するために方向転換素子を使用することによって、本明細書で開示される電磁装置は、例えば、隣接する磁束方向付けセクションを互いに近接して位置付けすることによってコンパクトにすることができる。さらに、方向変換要素は、動力伝達の滑らかさを改善し、および／またはトルクリップルを低減するために、ギャップ領域内の磁界プロファイルを形作るのを助ける。滑らかさのために磁界プロファイルを形作るために、方向転換コイルの位置、数、角度、サイズおよび／または形状は、例えば試行錯誤および／またはシミュレーション／最適化によって調整することができる。永久磁石ハルバッハ配列内のように、ギャップ領域内の垂直磁界はより正弦波にすることができ、すなわち、逆起電力は、より低い高調波成分または全高調波歪みを有することができる。
【００９７】
いくつかの実施形態では、作動素子および方向転換素子は、レーストラックコイルで形成される。各作動素子は各磁極のための磁界の大部分を生成し、各方向付け要素は磁極の各々の間の磁界を方向付けし、補強する。さらに、方向転換素子レーストラックコイルは、回転子４５０６の回転に対して接線方向のコイルを通して磁束を方向付けるように構成される。
【００９８】
この実施形態において、磁束方向付けアセンブリが８つの極で図示されていることが理解されよう。しかし、他の実施形態では、磁束方向付けアセンブリ４５０２は、本開示の範囲から逸脱することなく、より多くのまたはより少ない極を有してもよい。
【００９９】
図４８は、図４５〜図４７の電磁装置の磁界プロット図を示す。
【０１００】
図４９、図５０Ａおよび図５０Ｂは、本開示の別の実施形態を示しており、そこでは作動コイルの内側セットは磁極片４９０２ａ〜４９０２ｈの形態の磁束ガイドによって置き換えられ、それによって電動機／発電機の全般的複雑さを低減している。磁極片は、鋼または常磁性材料のような強磁性材料製であってもよい。さらに、この実施形態では、方向転換素子は隣接する外側動作コイルの間に設置された３つの外側方向転換コイル４９０４ａ、４９０４ｂ、および４９０４ｃを含む。磁極片間のエアギャップは、磁束の流れを可能にすることによって内側方向転換コイルに入れ替わる。追加の外側方向転換コイルは、磁界をさらに方向付けし、包含し、補強するように構成される。これらの追加のコイル４９０４ａ、４９０４ｂ、および４９０４ｃは、レーストラックコイルで形成してもよい。
【０１０１】
この実施形態では、導体配列４９０６の端部巻線は、回転子本体の内側および外側の半径方向制約を超えて延びないように、寝台形状ではなく「ダイヤモンド形状」である。これにより、回転子を装置のはっきりしたボアを通してきれいに嵌めることを可能にする。しかしながら、本開示の範囲から逸脱することなく、寝台形状の端部巻線もこの実施形態で利用してもよいことが理解されよう。
【０１０２】
図５０Ｂは、磁束方向付けアセンブリの３つの磁束方向付けセクション（すなわち、磁束方向付けセクション５００２ａ、５００２ｂ、および５００２ｃ）とそれぞれの磁束パス（５００４ａ、５００４ｂ、５００４ｃ）とを図示する。見てわかるように、内側鋼製磁極片４９０２は、外側作動コイルからの磁束を受け取るように（またはギャップ領域を横切って外側作動コイルに磁束を方向付けるように）構成され、および隣接する内側鋼製磁極片に（または内側鋼製磁極片から）磁束を方向転換するように構成される。
【０１０３】
図５１および図５２は、本開示のさらなる実施形態を示し、鋼製磁極片のセットがシリンダー状の磁束ガイドによって置き換えられている。磁束ガイドは、鋼または任意の他のフェライト系材料のような材料で作られた一連の積層金属シートから形成されてもよく、これはいろいろなコアロスが少ない。シリンダー状磁束ガイドは、通電巻線アセンブリ（回転子５１０６）に機械的に結合され、回転し得る。この実施形態は、電動機／発電機の回転構成部分の構造を単純化することができる。代わりに、中央のシリンダー状の磁束ガイドは、静止のままであり、通電巻線から分離することができる。
【０１０４】
前に言及したように、外側作動コイルと正反対にあるシリンダー状磁束ガイドの部分は、対応する作動素子の一部として機能し、一方でシリンダー状磁束ガイドの残りの部分は方向転換素子の一部として機能する。
【０１０５】
図５３、図５４、図５５Ａおよび５５Ｂは、方向転換素子がそれぞれ作動素子間に追加の内側および外側方向転換コイルを含む電磁装置の別の実施形態を示す。図５５Ｂは、磁束方向付けアセンブリの磁束方向付けセクションおよび対応する磁束パスを図示する。
【０１０６】
図５６は、図５３〜図５５の電磁装置の磁界プロット図を示す。前の実施形態と同様に、この実施形態の電磁装置は８つの磁束方向付けセクションを含み、それぞれが循環磁束パスを容易にする。
【０１０７】
図５７、図５８および図５９は、図４０の星型トロイダルの変形に見られる積層アプローチを採用するマルチ回転子ギヤ型トロイダル電動機／発電機を示し、トロイダルセクターは、超伝導トロイダル巻線上のピーク磁界を低減しより均一に分布させ、ならびに回転子センブリの領域における超伝導巻線の強度および均一性を増加させるために回転子アセンブリの間に位置する超伝導巻線の追加の層を有する。これは、電動機／発電機からのより大きな出力と超伝導ワイヤのより効率的な使用とをもたらす。
磁束方向付け永久磁石機械：
【０１０８】
開示された実施形態は、ギャップまたは領域の周りの一連の作動素子内に磁界を方向付けるように磁化された永久磁石の配列を有する磁束方向付けアセンブリを使用する装置に関係する。このギャップ領域内で、通電巻線の通電が磁気配列と通電巻線との間の相対回転もたらすように１セットの通電巻線が設置され、それによって電力の機械的動力への変換がもたらされる。永久磁石配列への機械的な動力の適用が、通電巻線内に電流および電力の発生をもたらす逆のシナリオも適用可能である。
【０１０９】
図６０〜図６３は、永久磁石の外側配列を有するこれらの永久磁石磁束方向付け電動機／発電機のバージョンを示す。永久磁石の配列は、内部ハルバッハシリンダーを生み出すように磁化の連続する方向を有する一連のセクターを備える。この機能的磁化は、ハルバッハシリンダー状磁気ギヤボックスについて以前に開示されたものと同じである。概して、個々に磁化された配列素子の数が多いほど、作業領域においてより均一な磁界となるが、このより均一な磁界の利点は、より多くの数の個々に磁化された配列素子の組み立てが伴う増加した複雑さと比較して重視されなければならない。示された実施形態では、４つの配列セグメントが、図６３に表示された磁化の相対的な方向を有する１つの磁束方向付けセクションを生み出すために使用される。結果として生じる磁界プロット図を図６４に示す。しかしながら、必要に応じて磁束方向付けセクションを生み出すためにより多くのまたはより少ないセグメントを利用してもよい。半径方向に方向付けられた磁石セグメントは、磁束方向付けセクションの作動素子を形成し、一方で残りのセグメントは方向転換素子を形成する。
【０１１０】
この実施形態の他の特徴は、１セットの多相通電巻線と作動ギャップを横切る外部磁気配列によって生み出された磁界を引き出す内部鋼製磁束ガイドとを含む。一実施形態では、磁束ガイドは、積層された低鉄損材料から構築され、通電巻線に取り付けられる。この実施形態では、巻線および内部磁束ガイドは静止したままであり、外側磁石配列が回転する。
【０１１１】
他の実施形態では、装置は、永久磁石の内側配列と作動ギャップを横切る内部磁気配列によって生み出された磁界を引き出す外部鋼製磁束ガイドとを有してもよいことが理解されよう。
【０１１２】
図６０に示される装置の代替的実施形態では、内部鋼製磁束ガイドは、通電巻線には取り付けられず、永久磁石配列と共に回転する。さらに別の実施形態では、通電巻線線が回転し、永久磁石配列または永久磁石配列および内部鋼製磁束ガイドは、摺動する電気接点またはスリップリングを介して巻線へのおよび巻線からの電流移送を有して静止している。
【０１１３】
図６５〜図６７は、８極装置である磁束方向付け永久磁石機械の実施形態を示す。この実施形態は、このタイプの装置の構造が任意の数の磁極にどのように拡張され得るかを実証する。図６８および図６９は、本実施形態の磁化の相対方向および磁界プロット図を示す。
【０１１４】
図７０および図７１は、その間にギャップ７００６を備えた一対の同軸永久磁石配列７００２および７００４を有する例示的な永久磁石装置７０００を図示する。永久磁石の配列７００２および７００４は、それらがハルバッハ配列を生み出すように逐次的に磁化の方向を有する一連のセクターを含む。示された実施形態では、図７１Ａおよび図７１Ｂに表示された相対的磁化の方向を有する１つの磁束方向付けセクション（図７１Ｂに見られるような）を生み出すために４つの配列セグメントが使用される。結果として生じる磁界のプロット図を図７２に示す。代替的実施形態では、磁束方向付けセクションを生み出すために、より多くのまたはより少ないセグメントを使用してもよい。
【０１１５】
この実施形態では、巻線７００８は静止したままであり、一方で磁束方向付けアセンブリは回転する。代替（すなわち、静止磁束方向付けアセンブリおよび回転導電巻線）もまた、本開示の範囲内にあると見なされることを理解されたい。
【０１１６】
内側および外側ハルバッハ配列の素子は、通電巻線が座るギャップ領域内に強い磁界を生み出すために２つの永久磁石シリンダーが整列するように、磁化される。図７１は、使用される磁化の反復パターンを示し、図７２は結果として生じる磁界のプロット図を示す。
【０１１７】
図７１Ｂに見られるように、半径方向外向きまたは内向きに磁化された永久磁石セクションは作動素子を形成し、一方で残りの永久磁石セクションは磁束方向付けアセンブリの方向転換素子を形成する。配列は、図７１および図７１Ｂの矢印によって示される方向に磁束を方向付ける。磁束は、作動素子（すなわち、半径方向に磁化された外側および内側永久磁石セクション）の間のギャップ領域を通って方向付けられ、その間の永久磁石セクションによって次の作動素子に方向転換して戻される。
【０１１８】
図４５、図４９、図５１、および図５３に図示された「半径方向」の実施形態は、ギャップを半径方向に横切って流れる磁束を有するが、少しの修正を伴ったそれらの説明は「軸方向」の実施形態に適用することができ、作動磁束はギャップを横切って軸方向に流れることは当業者であれば理解するであろう。半径方向および軸方向の実施形態によって提供される代替案が、例えば、特許文献１などの、本出願人の以前の出版物に記載されており、その関連した説明は参照により本明細書に組み込まれる。
【０１１９】
さらに、ハルバッハ配列を含む構成に対して以下に記載されるように、図７９は、例えば図７７に図示される半径方向の実施形態の軸方向等価物を図示する。
【０１２０】
開示された実施形態のさらなる変形は、外部永久磁石配列の外側に（または追加して内部磁束方向付け永久磁石配列の内側層上に）下地鋼の層を使用することを含む。この下地鋼は、装置内の磁界を封じ込め、強化するのを助け、それによって装置の出力レベルを高める。
【０１２１】
図７３は、内部永久磁石回転子を有する２極永久磁石電動機／発電機を示す。描写された変形では、外側鋼製磁束ガイドは、回転する永久磁石に合わせて通電巻線およびスピンから切り離される。これは、以前に開示された装置とは対照的であり、鋼製磁束ガイドは通電巻線に取り付けられている。
【０１２２】
図７４と図７５は、内部磁化ハルバッハシリンダーの内部に取り付けられた外部磁化ハルバッハシリンダーによって生み出された磁界の相互作用に基づく磁気トルク伝達継手の物理的構造を示す。継手の一方の半分にトルクが加えられると、２つの半分の間のトルクが等しくなるポイントまで内側および外側磁気シリンダーの間に相対的な滑りが生じ、それによってトルクの非接触伝達が可能になる。内側および外側シリンダー状磁気配列の一般的な配置および磁化は、図７６および図７７に示されている。継手の断面の磁界プロット図を図７８に示す。
【０１２３】
相互作用する磁界の支配的な方向が装置の半径方向に沿っていることが記載されたトルク継手は、相互作用する磁界の支配的な方向が装置の軸方向に沿っている同等の装置を構築することができることが当業者には明らかであろう。そのような軸方向磁束装置を図７９に示す。軸方向トルク継手の２つの半分の磁化のパターンは、以前に開示した軸方向ハルバッハギヤリングシステムに採用されたものと同じである。
【０１２４】
単一の二次シャフトへ、または単一の二次シャフトからトルクを供給する複数の入力／出力シャフトを特徴とする以前に開示された磁気ギヤボックスへのさらなる変形において、外部磁化された「惑星」ギヤは、外部磁化ハルバッハシリンダーとしてまた構築されている中心の「太陽」磁気ギヤにトルクをさらに伝達することができる。この装置は事実上、装置の異なるトルク伝達面の間に物理的接触を持たない磁気遊星ギヤボックスになる。伝統的な歯付き接触遊星ギヤボックスと同様に、外部磁化されたハルバッハシリンダーから形成された中央の「太陽」ギヤ、以前に開示された惑星磁気ギヤに類似したいくつかの外部磁化された「キャリア」ギヤ、およびアセンブリ全体を囲む内部磁化された環ギヤがある。このタイプの遊星磁気ギヤボックスの実施形態を図８０および図８１に示す。相互作用するすべての構成要素の断面磁界プロット図を図８２に示す。
【０１２５】
装置の比率は、ギヤにおける各素子の磁極（磁気歯）の半径および数の関数であり、また、どの素子（太陽、環およびキャリアアセンブリ）がギヤの入力および出力を形成し、どの素子が静止を保持しているかに依存する。典型的な実施形態では、太陽および環ギヤは、キャリアギヤアセンブリが静止状態を保持した状態で入力および出力を形成し、速度またはトルクの相対的なステップアップまたはステップダウンを可能にする。この特定の実施形態は、潜在的なアプリケーションおよび入力または出力の選択を制限するものと見なすべきではない。遊星ギヤボックスの比率の計算は、当業者には周知である。
【０１２６】
伝達可能なトルクの制限は、主として、太陽ギヤとキャリアギヤとの間の第１の相互作用によって決定される。磁性材料を最も効果的に使用するためには、環は滑り点となるような大きさでなければならず、または最大出力可能トルクは太陽ギヤとキャリアギヤとの間の相互作用のトルクと同様であるべきである。
【０１２７】
示されたすべての永久磁石装置において、背景磁界が磁束方向付けまたは永久磁石のハルバッハ様式配列によって生み出される場合、これらの配列は、多数の個別に磁化された素子から構築される。開示される実施形態は、明瞭にするために２つまたは４つの素子または磁極当たりの個別の磁化方向を典型的に使用する。より多数の組成素子を採用することができ、より多数の個別の磁化方向を採用されるとき、より以上に配列が「理想的な」ハルバッハ機能的磁化に近づくことが当業者には明らかであろう。これらの実施形態は、磁束方向付け配列の組成素子数、または採用されるこれらの組成素子の磁化方向を限定するものとして見なされるべきではない。
【０１２８】
開示された多くの装置（電動機、発電機、継手およびギヤボックス）は、半径方向磁束機械として示されている。概念的には、これらの装置を軸方向磁束機械として容易に構築することができ、かつそのような軸方向磁束機械が特定のアプリケーションにおいて有益であることもまた当業者には明らかであろう。
【０１２９】
先に開示された磁束方向付け永久磁石電動機および発電機のさらなる変形は、１セットの通電巻線および外側積層鋼製シュラウドまたは磁束ガイドによって囲まれた回転子として永久磁石材料の外部磁化された内側ハルバッハ配列を採用する。内部永久磁石回転子を有することの主な利点は、発電機／電動機へのおよび発電機／電動機からのトルクが、中心シャフトを介して容易に装置に伝えられ、または装置から引き出すことができることである。このトルクを一方の端ではなく装置の両端の端で引き出す、または伝えることもまたより容易である。
【０１３０】
図８３〜図８６は、内部永久磁石回転子を有する磁束方向付け永久磁石装置の実施形態を示す。この実施形態では、装置の最外層は積層鋼シュラウドであり、これに通電巻線がシリンダー状シュラウドの内側に取り付けられる。示された実施形態は、１６極装置であるが、開示される原理および改善作用は、任意の極数の装置に適用可能である。図８５では、このアセンブリは多相通電巻線と共に回転し、積層外側鋼製シュラウドは静止したままである。
【０１３１】
図８６と図８７には重要な変形が強調表示されており、内部ハルバッハシリンダーを生み出す永久磁石配列は、配列によって生み出される方向付けられた磁界を強化して補強する鋼の下地層を有する。１つの観察は、最大磁界補強を達成するのに必要な鋼の厚さが、より多くの磁極数を有する装置に対してより少ないことである。図８８は、図８３の実施形態の磁界プロット図を示す。
【０１３２】
永久磁石配列の反対側のこの追加下地鋼を通電巻線が位置する側へ使用することは、内部磁化された外側永久磁石配列を採用する装置について前に開示されていることに留意することは重要である。下地鋼を有する外部永久磁石回転子を使用する１６極の実施形態が、図８９〜図９３に示されている。
【０１３３】
図８３および図８９に示す両方の実施形態にとって、通電巻線はブラシを介して伝えられる電流で回転することができ、永久磁石配列は静止したままである。
磁束方向付け超伝導機械：
【０１３４】
図９４は、図５１および図５２で前に開示したものと同様の超伝導磁束方向付け機械を示す。この特定の実施形態は、積層鋼から作られたシリンダー状下地磁束ガイドに取り付けられた多相通電巻線を有する。この実施形態では、通電巻線線および下地鋼は静止したままであり、一方、磁束方向付けアセンブリを作り上げる超電導コイルは回転クライオスタット内に包含され、巻線の周りを回転する。
【０１３５】
本開示に基づいて、前に開示された超伝導磁束方向付け機械または星型トロイダル機械のいずれかの超伝導コイルは、回転するクライオスタット内に包含され、１セットの静止通電巻線に対して回転することができ、それによって、これらの通電巻線線にまたは通電巻線から電力を転送するためのスリップリングまたはブラシの必要性がなくなることは、当業者には明らかであろう。このアプローチは、内側および外側星トロイダル／磁束方向付けコイルを採用する装置に、ならびに回転クライオスタットに合わせて回転する鋼製磁極片を採用する装置に容易に適用することができる。
【０１３６】
磁束方向付け超伝導機械のさらに別の実施形態では、内側磁束方向付けコイルは装置の磁極あたり単一のレーストラックコイルに単純化することができる。この変形は、クライオスタットの内部ボア内のスペースが重要な小型デバイスによく適している。この実施形態の例を図９５に示す。このタイプの単純化された内部コイルアセンブリは、内部ボア内の空間が重要である小規模装置により適している。
磁束方向付け磁気継手：
【０１３７】
前に開示された磁束方向付け磁気継手にさらに加えて、継手がブレーキされることを可能にする追加の機構が含まれる。一実施形態では、このブレーキは、内側および外側磁気シリンダー間のギャップ領域に導入される導電性材料の静止シリンダーからなる。シリンダーが導電性材料から作られている場合、シリンダーによって見られる変化する磁界は、磁界内のこの変化に対抗するシリンダー内の渦電流を誘起する。これは、継手の回転部材に抗力トルクまたはブレーキ効果をもたらす。ブレーキアセンブリの構成および動作を図９６、図９７、図９８に示す。図９６では、示された相対位置において、ブレーキは係合されていない。外部または外側永久磁石配列は、明瞭にするために図示されていない。図９７において、静止ブレーキ層が係合されると、導電性ブレーキシリンダーを通る変化する磁界によって発生する渦電流のために、回転する構成要素に抗力を生成する。外部または外側永久磁石配列は、明瞭にするために図示されていない。
【０１３８】
代替的実施形態では、ブレーキシリンダーは、強磁性および導電性の両方の材料から作製することもできる。この実施形態では、ブレーキ効果は、渦電流発生および強磁性材料に発生したヒステリシス損失のために起きる。強磁性材料はまた、継手の２つの半分の間の磁気シールドとして作用し、それによって２つの半分の間の磁気的相互作用を減少または除去する。
【０１３９】
さらに別の変形では、本装置は、単一の内部または外部磁束方向付け永久磁石シリンダーおよび導電性ブレーキ素子を有する純粋に渦電流ブレーキとして構築することができる。この変形では、通常運転中にはトルク伝達がなく、係合するときにブレーキとして単に作用する。
【０１４０】
磁束方向付け磁気継手のさらなる改善は、磁気継手の２つの回転トルク素子の位置および整列に関係する。トルクの出力と振動の見地から、継手の最良の性能を得るためには内側および外側磁束方向付け永久磁石配列の正しい軸合わせがきわめて重要である。図９９および図１００に示す実施形態では、継手の内側および外側の半分の間に位置する静止壁の端部の両側に追加の位置決めボスが追加されている。軸受がこれらのボス上に位置し、これらのボスはまた、内側および外側の磁石支持構造上の対応する軸受面とつながる。支持構造は、継手の２つの回転する半分の正確で信頼性のある整列を確実にするために、装置の端部壁に追加の静止した位置決め差込みおよび軸受を有する。これらの軸受および軸受面は、装置の２つの回転する半分の真っすぐかつ再現可能な整列を可能にする。図１０１は、位置決め用ボスが延長され、一対の軸受が静止壁の端部の両側に採用されたさらなる変形を示す。
遊星磁気ギヤボックス：
【０１４１】
図１０２〜図１０６は、外部に磁化されたハルバッハシリンダー（太陽ギヤ）、内部に磁化されたハルバッハシリンダー（外側環ギヤ）、および外部に磁化されたハルバッハシリンダーで作られた１セットのキャリアギヤで造られた、以前に開示した遊星磁気ギヤボックスの実施形態を示す。示された変形では、中心の太陽ギヤは、極毎に４つの個別の磁化方向（または個別の磁気素子）を有する８極ハルバッハシリンダーである。他のギヤ素子のサイズおよび極数は、太陽ギヤのギヤ比および一次極数によって容易に決定される。前述したように、極当たりのこの個別の磁気素子の数は容易に増加または減少させることができることは、当業者には明らかであろう。
高度な車両制御のための電動機およびギヤボックスアセンブリ：
【０１４２】
図１０７は、車両の車軸に関連付けて示された２つの別々に制御された磁束方向付け永久磁石電動機および遊星磁気ギヤボックスを使用するアセンブリを示す。電動機の独立した制御は、トルクベクタリングのような高度な車両制御アプローチを使用することを可能にする。このアプローチは、車両の速度および方向のより細かい動的制御を可能にするために、電動車両の差動装置を置き換えることができる。このアプローチは、車両内の任意のまたはすべての車輪対に適用することができる。
【０１４３】
本明細書および特許請求の範囲（もしあるなら）において、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語および「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」を含むその派生語は、述べられた整数の各々を含むが、１つ以上のさらなる整数の算入を排除するものではない。
【０１４４】
本明細書を通じて、「一実施形態」または「実施形態」への言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書を通して様々な場所で「一実施形態では」または「実施形態では」という言い回しの出現は、必ずしもすべてが同じ実施形態に言及しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、任意の適切な方法で１つ以上の組み合せに組み合せてもよい。
【０１４５】
法令に従って、本発明は、構造的または系統的特徴に多かれ少なかれ特定の言語で記載されている。本明細書に記載された手段は、本発明を実施する好適な形態を含むので、本発明は図示または記載された特定の特徴に限定されないことを理解されたい。したがって、本発明は、そのフォームのいずれか、または当業者によって適切に解釈される添付の特許請求の範囲の適切な範囲内の改変（もしあるなら）で特許請求される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【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４６Ａ】
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【図４６Ｂ】
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【図４６Ｃ】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０Ａ】
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【図５０Ｂ】
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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５５Ａ】
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【図５５Ｂ】
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【図５６】
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【図５７】
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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６８】
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【図６９】
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【図７０】
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【図７１Ａ】
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【図７１Ｂ】
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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１０７】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年5月31日(2017.5.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁装置であって、
固定子と、
複数のギャップ領域を備えるギャップと、
前記固定子に対して動くように前記ギャップ内に配置された回転子と、を備え、
前記固定子および前記回転子のうちの一方は、各々がそれぞれの電流が流れる方向に通電するように構成された１つ以上の導体を有する導体配列を備え、
前記固定子および前記回転子のうちの他方は、複数の磁束方向付けセクションを有する磁束方向付けアセンブリを備え、各磁束方向付けセクションは１つ以上の電磁コイルを含み、少なくとも１つの他の磁束方向付けセクションに隣接して配置され、かつ各磁束方向付けセクションは前記それぞれの磁束方向付けセクションの周りの前記１つ以上の電磁コイルによって規定された循環する磁束パスに従う磁界を包含するように構成され、
隣接する磁束方向付けセクションの各対は、前記複数のギャップ領域の共通ギャップ領域の周りに配置され、前記それぞれの循環する磁束パスの少なくとも一部を、前記共通ギャップ領域を横切って実質的に同様の磁束方向で前記電流が流れる方向に対して実質的に垂直に方向付けるように構成される、電磁装置。
【請求項２】
前記隣接する磁束方向付けセクションは、磁束を前記共通ギャップ領域内にかつ前記共通ギャップ領域から外に方向付けるように構成された共通の作動素子を備える、請求項１に記載の電磁装置。
【請求項３】
前記隣接する磁束方向付けセクションは、前記複数のギャップ領域の他のギャップ領域から前記共通ギャップ領域へ（または前記共通ギャップ領域から前記複数のギャップ領域の他のギャップ領域へ）前記それぞれの循環する磁束パスを方向転換するようにさらに構成された、請求項１または２に記載の電磁装置。
【請求項４】
前記隣接する磁束方向付けセクションの各々は、前記磁束を前記共通ギャップ領域から受け取り、前記磁束を前記他のギャップ領域のそれぞれ１つに方向転換する（または前記磁束を前記他のギャップ領域のそれぞれ１つから方向転換し、前記磁束を前記共通ギャップ領域へ送る）ように構成された方向転換素子を備える、請求項３に記載の電磁装置。
【請求項５】
前記共通の作動素子によって方向付けられた前記磁束の強度は、前記方向転換素子によって方向付けられた前記磁束の強度と比較して補強される、請求項４に記載の電磁装置。
【請求項６】
前記共通の作動素子は、前記共通ギャップ領域の反対側に設置された２つの電磁コイルを備える、請求項２〜５に記載の電磁装置。
【請求項７】
前記方向転換素子は、単一の電磁コイルを備え、前記単一の電磁コイルは、前記回転子の前記回転の接線方向に前記単一の電磁コイルを通して前記磁束を向けるように構成された、請求項４〜６のいずれか１項に記載の電磁装置。
【請求項８】
前記方向転換素子は、各々前記ギャップの反対側に設置された２つの電磁コイルを備える、請求項４〜６のいずれか１項に記載の電磁装置。
【請求項９】
前記方向転換素子は、前記磁束を前記単一の電磁コイルに（または前記単一の電磁コイルから）向けるように構成された１つ以上の追加の電磁コイルを備える、請求項７または８に記載の電磁装置。
【請求項１０】
前記ギャップまたは前記共通ギャップ領域の前記反対側は、前記磁束方向付けアセンブリの内側部分および外側部分を表し、前記内側部分は磁束ガイドを備え、前記外側部分は１つ以上の電磁コイルを備える、請求項６〜９のいずれか１項に記載の電磁装置。
【請求項１１】
前記ギャップまたは前記共通ギャップ領域の前記反対側は、前記磁束方向付けアセンブリの内側部分および外側部分を表し、前記内側部分は１つ以上の電磁コイルを備え、前記外側部分は磁束ガイドを備える、請求項６〜９のいずれか１項に記載の電磁装置。
【請求項１２】
前記電磁コイルは、１つ以上のレーストラックコイルを備える、請求項６〜９のいずれか１項に記載の電磁装置。
【請求項１３】
前記方向転換素子は、前記共通ギャップ領域の前記反対側の各々に設置され、実質的に非半径方向に向けられた１つ以上の永久磁石を備える、請求項２〜５のいずれか１項に記載の電磁装置。
【請求項１４】
前記方向転換素子は、（ａ）前記共通ギャップ領域の前記第１の側の上の磁束ガイド、および（ｂ）前記共通ギャップ領域の反対側の前記第２の側の上に設置され、実質的に非半径方向に向けられた１つ以上の永久磁石、を備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電磁装置。
【請求項１５】
前記永久磁石は、１つ以上のハルバッハ配列または部分的ハルバッハ配列を形成するように向けられている、請求項１３または１４のいずれか１項に記載の電磁装置。
【請求項１６】
前記隣接する磁束方向付けセクションの前記それぞれの循環する磁束パスは、反対方向に循環する、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の電磁装置。
【請求項１７】
前記隣接する磁束方向付けセクションの一方の前記循環する磁束パスは時計回り方向であり、前記隣接する磁束方向付けセクションの他方の前記循環する磁束パスは反時計回り方向である、請求項１６に記載の電磁装置。
【請求項１８】
前記循環する磁束パスの数は、前記ギャップを横切る磁束横断の数に等しい、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の電磁装置。
【請求項１９】
磁束方向付けセクションの数は、ギャップ領域の数に等しい、請求項１８に記載の電磁装置。
【国際調査報告】
2018524964.tif 000118
2018524964.tif 000119
2018524964.tif 000120