(57)【要約】電気機械が開示される。電気機械は第１部分と第２部分とを有し、第１部分は第２部分に対して可動である。第１部分及び第２部分の一方は通電巻線用の複数のコアを有する。各コアは軟磁性複合材料（ＳＭＣ）製で、両端部における幅が長さに沿った部分の幅以下となるように形成される。【選択図】図１Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１部分と第２部分とを有する回転式又はリニア軸方向磁束電気機械であって、前記第１部分は前記第２部分に対して可動であり、前記第１部分と前記第２部分とのいずれかは複数の通電巻線用コアを有し、各コアは粉末軟磁性複合材料（ＳＭＣ）から構成され両端部における幅が長さに沿った部分の幅以下となるよう形成されることを特徴とする電気機械。
【請求項２】
前記複数のコアの各々は断面略円形であるか又は断面略円環扇形であり、それにより前記第１部分と前記第２部分とのいずれかが複数の磁石を有することを特徴とする請求項１に記載の電気機械。
【請求項３】
前記複数の磁石の各々は断面略円形であるか又は断面略円環扇形であることを特徴とする請求項２に記載の電気機械。
【請求項４】
前記複数の磁石の各々に連結されたＳＭＣの素子を更に含み、前記素子の各々は、コアを通過する磁束密度が向上するよう形成されることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の電気機械。
【請求項５】
前記複数の磁石は第１磁石群と第２磁石群とを含み、前記複数のコアは前記第１磁石群と前記第２磁石群との間に軸方向に配置されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電気機械。
【請求項６】
前記複数の磁石を有する前記部分は、前記磁石が設置される、ＳＭＣで形成された基板を含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電気機械。
【請求項７】
前記基板は複数の基板セグメントから構成され、前記複数の基板セグメントの各々は、２つの他の基板セグメントと放射状に略当接するよう配置されることを特徴とする請求項６に記載の電気機械。
【請求項８】
２つの基板セグメントが略当接する位置にそれぞれ磁石が設置されることを特徴とする請求項７に記載の電気機械。
【請求項９】
前記複数の通電巻線用コアは第１の複数のコアであり、第２の複数のコアが更に存在し、
前記複数の磁石は第１の複数の磁石であり、第２の複数の磁石が更に存在し、
前記第１の複数のコアは、前記第１の複数の磁石が配置される軸からの距離と略等しい軸からの半径方向距離に配置され、
前記第２の複数のコアは、前記第２の複数の磁石が配置される軸からの距離と略等しい軸からの半径方向距離に配置されることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電気機械。
【請求項１０】
圧縮された粉末軟磁性複合材料（ＳＭＣ）を含む固定子の後部板が、圧縮された粉末軟磁性複合材料（ＳＭＣ）から作られた各コアと接触する、好ましくは圧縮された粉末軟磁性複合材料（ＳＭＣ）から単一の部品として一体的に形成される、ことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の電気機械。
【請求項１１】
前記電気機械の固定子と隣接する回転子が複数の磁石を含み、前記磁石と接触する前記回転子の少なくとも一部が圧縮された粉末軟磁性複合材料（ＳＭＣ）から作られることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の電気機械。
【請求項１２】
１つの回転子と隣接する１以上の固定子、２つの固定子の間に配置される１つの回転子、又は２つの回転子の間に配置される１つの固定子を含むことを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の電気機械。
【請求項１３】
車両用車軸装置が請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の電気機械を含み、好ましくは前記第１部分が車輪に、任意で車両用ブレーキディスクに、設置されるよう配置されることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の電気機械。
【請求項１４】
内燃機関用フライホイール装置が請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の電気機械を含み、これにより好ましくは前記第１部分が内燃機関のクランク軸への接続のためにフライホイールに設置されるよう配置されることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の電気機械。
【請求項１５】
前記電気機械はリニア電気機械、好ましくは血液ポンプ又は心ポンプである医療機器の一部、好ましくは空調圧縮機である圧縮機、流体ポンプ、好ましくは垂直軸風力タービンであり特にはダリウス風力タービンである風力タービンの一部、自動車部品、自転車部品、自動二輪車部品、列車部品、歯車部品、及び／又は駆動系部品であることを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の電気機械。
【請求項１６】
軸方向磁束電気機械の各コアが軟磁性複合材料（ＳＭＣ）から作られ、両端部における幅が長さに沿った部分の幅以下となるよう形成される、好ましくは請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の前記軸方向磁束電気機械のコアの製造方法であって、
（ａ）ＳＭＣ粉末を圧縮して略均一な密度を有する第１部分を形成する工程、
（ｂ）ＳＭＣ粉末を圧縮して略均一な密度を有する第２部分を形成する工程、及び
（ｃ）前記第１部分と前記第２部分とを圧着して略均一な密度を有するコアを形成する工程を含む製造方法。
【請求項１７】
軸方向磁束電気機械の各コアが軟磁性複合材料（ＳＭＣ）から作られ、両端部における幅が長さに沿った部分の幅以下となるよう形成される、好ましくは請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の前記軸方向磁束電気機械のコアの製造方法であって、前記方法は、ＳＭＣ粉末を金型に投入して部品を徐々に構築するために、前記粉末をパンチで圧縮する工程、前記パンチを引き抜く工程、ＳＭＣ粉末を更に追加する工程、及びこれを圧縮して最終的に前記コアを構築する工程、を含む製造方法。
【請求項１８】
前記軸方向磁束電気機械の全てのコアが、還流磁束のための軟磁性複合材料（ＳＭＣ）から作られた基部板において一体化され、これにより前記基部板が圧縮されたＳＭＣ粉末から作られることを特徴とする請求項１６又は請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記コアの前記部分を圧着することでコアの幅の１．５倍以上のコアの長さを実現する請求項１６、請求項１７又は請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は軟磁性複合材料（ＳＭＣ）から構成されたコアを有する電気機械、及び粉末ＳＭＣから作られたコアの製造方法に関する。実施形態において、本発明はＳＭＣから構成されたヨーク及び磁束集中器を有する電気機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自転車の駆動、機関車、又は乗用車に用いられるような、自動推進力のための電気機械には、広い速度範囲における高い性能と効率、ならびに軽量性が求められる。電気機械においてこれらの要件を満たすには、通常、高いコストがかかる。これらの要件を満たす既存の電気機械は、大量生産に高いコストがかかるため、このような電気機械のより広い利用の妨げとなっている。
【０００３】
そのため、広い速度範囲における効率が高く、かつ安価に製造可能な電気機械が設計されることが一般的に望まれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＳＭＣ（Ｓｏｆｔ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ、軟磁性複合材料）と呼ばれる材料が長年にわたり知られているが、広くは用いられていない。ＳＭＣは、互いに電気的に絶縁された鉄粉末粒子から構成される。交番電界におけるＳＭＣ部品の鉄損は一般に少ない。したがってこの観点から、電気機械において、より広く用いられている鋼板の代わりにＳＭＣを用いることが望ましいと考えられる。しかしながら、ＳＭＣは取扱いが困難であり得る。ＳＭＣから部品を作るためには、粒子を圧縮して硬化する。形状が複雑だったり、部分的に薄かったりするＳＭＣ部品は、圧縮及び硬化が困難である。更に、このように作られた部品は非常に脆性で、通常、アルミ、鋼、鋳鉄、複合材料といった他の材料による支持を必要とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、単純で、それゆえに製造が容易な形でＳＭＣを用いる、電気機械用の構成を見出した。この構成で製造される電気機械は、広い速度範囲において高い性能と効率を有する。これら電気機械は、鋼板を用いた電気機械に比べ、低コストで大量生産可能であり、更に、容易に製造が可能である。
【０００６】
本発明の第１の側面によれば、第１部分と第２部分とを有する電気機械であって、前記第１部分は前記第２部分に対して可動であり、前記第１部分と前記第２部分とのいずれかは複数の通電巻線用コアを有し、各コアは軟磁性複合材料（ＳＭＣ）から構成され両端部における幅が長さに沿った部分の幅以下となるよう形成されることを特徴とする電気機械が提供される。
【０００７】
これは、粉末軟磁性複合材料の圧縮及び膨張の際の製造上の影響による材料の狂いを除いては、より幅広の端部が想定されないことを意味する。したがって、材料の挙動による狂いは１ミリ未満の差異、又はコアの軸に関しては平行な軸への１°未満の逸脱である。
【０００８】
一般的説明又は具体的図示の１以上の実施形態の１以上の構成要素は、他の実施形態の１以上の構成要素と組み合わせられて用いられることで、本発明の別の可能性を示し得る。したがって、実施形態のいかなる構成要素も、この特定の実施形態のみに限定されるものではなく、単なる例示としてより広い意味で理解されるべきである。
【０００９】
無磁極片
両端部における幅が長さに沿った部分の幅以下となるように形成されたコアは、両端部における幅が長さに沿った部分の幅よりも大きくなるよう形成された場合よりも容易に、電流を搬送するコイルのコアに配置可能である。この形状により、巻きコイルを各コアに滑合させ、また、コアの周囲に沿うように装着させることができる。これは、コアが磁極片を有する場合には不可能である。というのは、巻コイルはコアの磁極片を越えて装着させることができないか、磁極片を越えて装着された場合には緩くなってしまうからである。
【００１０】
更に、ＳＭＣから構成され、両端部における幅が長さに沿った部分の幅以下となるように形成された（つまり無磁極片の）コアは、磁極片を有するＳＭＣコアよりも単純な形状であることから、形成が容易で、はるかに堅牢である。
【００１１】
磁極片は通常、これらの機械の磁石に隣接して磁束密度を低減するために、永久磁石電気機械におけるコアに用いられる。しかしながら、予想外にも本発明者らは、電気機械のコアにＳＭＣが用いられる場合には磁極片が不要であることを見出した。ＳＭＣは鋼板よりも磁束透過性が低いため、また、約１．５テスラで飽和するため、ＳＭＣコアが通過させる最大磁束は、電気機械におけるネオジム系永久磁石において可能な最大磁束レベルに近い。ネオジム系磁石は、高性能な電気機械において最も広く用いられている磁石である。１．５テスラまでは、ネオジム系磁石が脱磁する危険性はわずかである。
【００１２】
各磁石がフェライト、又はネオジム以外の他の材料、を含む実施形態においては、磁石はより低い磁束密度で脱磁し得る。高い極スイッチング周波数で用いられた場合にも鉄損が少ないというＳＭＣの特徴は、このような磁石を有する電気機械をより高い極スイッチング周波数及び速度で運用することで、可能なより低い磁束密度が補償され得ることを意味する。そのため、本発明の電気機械では、より安価な磁石を、このような磁石に付きものである性能低下をもたらすことなく、用いることができる。
【００１３】
コアとは
各コアは、電流がコアの周囲の通電巻線を通る際に磁化されるよう配置される要素であり得る。
【００１４】
通電巻線
電気機械は、複数の通電巻線を含み得る。通電巻線はコイルであり得る。各コイルは、その他の各コイルと略同一であり得る。各コイルは、その他の各コイルと略等しい内径を有し得る。
【００１５】
コア形状
各コアは、第１表面の周囲の通電巻線を支持するよう配置され得る。第１表面は、略平滑であり得る。第１表面は、鋭い角を有しないものであり得る。第１表面は、角を有しないものであり得る。第１表面は、丸みを帯びた角を有し得る。各コアは、断面略円形であり得る。各コアは、略円筒形であり得る。
【００１６】
各コアは、複数のコアが並んで配置された場合に、複数のコアによって略連続した円環が形成されるような形状を有し得る。各コアは、断面が略円環扇形の形状であり得る。各コアは、断面略環状扇形であり得る。各コアは、２つの円形が、これら円形に対する２本の交差しない接線によって連結された輪郭を有する断面を有し得る。各コアは、断面略楕円形であり得る。各コアは、断面略三角形であり得る。各コアは、断面略台形であり得る。
【００１７】
コアが断面略円形である実施形態においては、別の断面を有するコアと比較して、コアは所定のコア体積に対してより長い通電巻線を保持可能である。このように、巻線の電気抵抗は低くなり、その結果、高い効率が得られる。
【００１８】
コアが断面円形ではない実施形態においては、所定のモーター体積に対して、コアはより大きな断面積を有する。この場合、所定の負荷における全体的な効率は断面円形であるコアの場合よりも一般的に低いものの、より大きなトルク電位をもたらす。
【００１９】
上述のとおりＳＭＣは脆性であり得るため、通電巻線が支持される表面に鋭い角を有しないコアは、鋭い角を有するコアよりも製造が容易である。
【００２０】
両端部における幅が長さに沿った部分の幅以下となるように形成されることで、各コアは無磁極片となり得る。各コアは、長さに沿って略同一の幅を有し得る。各コアは、略一定の断面を有し得る。
【００２１】
更に、磁極片が無いことで、コア全体の長さを延長することなく、コイルを保持するための長さがより長くなる。これは、より高い効率を達成することにつながる。
【００２２】
長いコア
各コアは、直径よりも大きな長さを有するように形成され得る。各コアは、コアが略一定の密度を有するよう、直径の何倍の長さを有するように形成されてもよい。各コアは、最大直径の１．５倍以上の長さを有するよう形成され得る。各コアは、最大直径の２倍以上の長さを有するよう形成され得る。各コアは、最大直径の３倍以上の長さを有するよう形成され得る。各コアは、最大直径の３．５倍以上の長さを有するよう形成され得る。各コアは、最大直径の４倍以上の長さを有するよう形成され得る。各コアは、最大直径の５倍以上の長さを有するよう形成され得る。各コアは、最大直径の６倍以上の長さを有するよう形成され得る。各コアは、最大直径の７倍以上の長さを有するよう形成され得る。各コアは、最大直径の８倍以上の長さを有するよう形成され得る。各コアは、最大直径の９倍以上の長さを有するよう形成され得る。各コアは、最大直径の１０倍以上の長さを有するよう形成され得る。
【００２３】
用いられるコアが長ければ長いほど、コアが保持し得る通電巻線の巻きの数が大きくなる。トルクは、電流にコアの周囲の巻線の巻きの数を乗じたものに比例するため、電気機械においてより長いコアはトルクを向上させる。
【００２４】
したがって、より長いコアは電気機械の効率及びパワーウェイトレシオを向上し得る。また、多くの磁極を有する機械において長いコアを用いることは、有効推進トルク（力）レベルに対するコイル導体の量（コイル直径の減少）及び磁性材料の量（磁石直径の減少）を減らす。
【００２５】
各コアの直径対長さの最適比は、コアを含む電気機械の用途及び要求デューティに依存する。低速で運転される機械（例えば、風力タービン又は自転車のハブに直接連結された電気機械）では、最適なコア長さはコア直径の１０倍以上となり得る。
【００２６】
ＳＭＣ
軟磁性複合材料から形成される各コアは、複数のコーティングされた金属粒子から形成され得る。金属は鉄であり得る。金属は強磁性体であり得る。金属粒子は熱処理されたものであり得る。金属粒子は圧縮された後熱処理される。温度は４５０℃から７５０℃の間、特には焼結温度未満であり得る。これは、粒子の均質な密度分布を達成し、磁気特性を向上させるのに役立つ。金属粒子は硬化され得る。
【００２７】
各粒子は、他の各粒子から電気的に略絶縁され得る。各粒子は、略電気絶縁材料でコーティングされ得る。
【００２８】
軟磁性複合材料から形成される各コアは、複数の強磁性粒子から形成され得て、各粒子は、他の各粒子から電気的に略絶縁され得る。
【００２９】
ＳＭＣから製造された部品は、電気機械に現在用いられているほとんどの鋼板構造よりも低い電気伝導性を有する。ＳＭＣ部品の粒子間が電気絶縁されていることから、このような部品は、同等の鋼板構造よりも磁束透過性が低い。このように、ＳＭＣ部品は約１．５テスラ（約２．０テスラで飽和する鋼板構造よりも低い数字）で飽和に達し得る。
【００３０】
電気機械における磁束はこのレベル未満で維持されることが好ましい。ＳＭＣ部品は、同様の鋼板構造よりも鉄損が少ないことが好ましい。これは、自動車の推進力用に広く使われる高性能の永久磁石機械で典型的な高周波数に関して特に当てはまる。ＳＭＣを用いることにより、通常、高速、及び高い極スイッチング周波数における平均効率が向上する。これは、生成するべき平均電力が少ない場合、すなわち大半の自動車の場合に特に当てはまる。というのは、市街地における電力需要はおそらく搭載された最大電力の約１０％程度であるためである。
【００３１】
鋼板又は鋼合金の代わりにＳＭＣから部品を形成することは、より安価で無駄が少ない。例えば、電気機械におけるマグネット向けに、鋼板から円盤型の裏板又はヨークを形成する（後述）ためには、鋼板から円盤を切り出し、この円盤に穴を開ける必要がある。したがって、盤の中心から切り取られた材料は無駄になってしまう。一方、このようなヨークはＳＭＣから（切り出しではなく）形成でき、これによりヨーク製造に必要な材料の量が減少する。
【００３２】
磁石（円形）
第１部分と第２部分とのいずれかは複数の磁石を有し得る。通電巻線用の複数のコアを有しない方の部分が、複数の磁石を有し得る。各磁石は、断面略円形であり得る。各磁石は他の各磁石と略同一の断面を有し得る。各磁石は他の各磁石と略同一の直径を有し得る。
【００３３】
略円形のコアと略円形の磁石との組み合わせにより、電気機械のランニング効率が最大になることが見出された。これは、円形磁石間の極性変化が段階的である、すなわち急激な変化ではないためである。
【００３４】
磁石（材料）
各磁石は、ネオジムを含み得る。各磁石は、フェライトを含み得る。各磁石は、その他想定可能な磁性材料を含み得る。
【００３５】
磁石は、複数の通電巻線であり得る。第２の複数の通電巻線は直流電流を搬送し得る。第２の複数の通電巻線は複数のコイルであり得る。第２の複数の通電巻線は複数のソレノイドであり得る。
【００３６】
第１部分又は第２部分が第２の複数の通電巻線を有する実施形態においては、通電巻線の数は上記のいずれかの磁石の数と同じであり得て、同様の利点が得られる。
【００３７】
磁石（扇形）
各磁石は、複数の磁石が並んで配置された場合に、複数の磁石によって略連続した円環が形成されるような形状を有し得る。各磁石は、断面略円環扇形であり得る。各磁石は、断面略環状扇形であり得る。各磁石は、断面略環状扇形であり得る。各磁石は、他の２つの磁石と放射状に当接するように配置され得る。これにより、磁石間の隙間が減少する。
【００３８】
この形状の磁石と円形のコアとの組み合わせにより、コギングを大幅に低減可能である。この構成は、電動自転車の駆動、及びその他の車両のパワーステアリングに特に好適である。電動自転車においては、加速の開始時からフルトルクが必要であり、コギングによる脈動が、例えば大型車両の推進に用いられる電気機械の場合よりも、大きな問題として認識される。
【００３９】
各磁石は、２つの円形が、これら円形に対する２本の交差しない接線によって連結された輪郭を有する断面を有し得る。各磁石は、断面略楕円形であり得る。各磁石は、断面略三角形であり得る。各磁石は、断面略台形であり得る。
【００４０】
コア及び磁石の形状
各磁石は、各コアと略同一の断面形状を有し得る。各磁石は、断面において、各コアと略同一の形状を有し得る。各磁石の最大直径は、各コアの最大直径よりも大きいものであり得る。各磁石の断面積は、各コアの断面積よりも大きいものであり得る。これにより、フリンジング磁束が合計磁束フローを増加させる。したがって、この構成は、各磁石の最大直径が各コアの最大直径以下である構成よりも最大トルク性能が高い。
【００４１】
コア及び磁石の数
電気機械は、三相給電で動作するように構成され得る。偶数のコアが存在し得る。磁石の数は、コアの数＋１であり得る。磁石の数は、コアの数−１であり得る。磁石の数は、コアの数＋２であり得る。磁石の数は、コアの数−２であり得る。電気機械におけるコイル及び磁石の数は、用途及び要求される性能（トルク、速度）に依存する。
【００４２】
磁石の数とは異なる数のコアを有することで、ほとんどの磁石及びコアがディテント力を発生するような並びにならないため、コギングが大幅に軽減される。磁石及びコアの数が多いほど、通常、コギングは低減される。コギング周波数は上昇するものの、振幅は大幅に低下するためである。更に、磁石及びコアの数が多いほど、所定の速度について必要な極スイッチング周波数が高くなるため、機械の重量は減少する。
【００４３】
回転式機械
電気機械は回転式電気機械であり得る。コアを有する部分が第１部分であり得る。第１部分は回転子であり得る。コアを有する部分が第２部分であり得る。第２部分は固定子であり得る。電気機械は軸方向磁束電気機械であり得る。
【００４４】
電気機械は、固定子の後部板であって、圧縮された粉末軟磁性複合材料（ＳＭＣ）を含む後部板を含む。後部板は、圧縮された粉末軟磁性複合材料（ＳＭＣ）から形成された各コアと接触する。後部板とコアとは、粉末軟磁性複合材料（ＳＭＣ）から、単一の部品として一体的に形成されることが好ましい。
【００４５】
電気機械は、電気機械の固定子に隣接して回転子を含んでもよい。回転子は複数の磁石を含み、磁石に接触する回転子の少なくとも一部は圧縮された粉末軟磁性複合材料（ＳＭＣ）から形成される。磁石は、そのために十分な厚さを有する後部板に圧入されてもよい。
【００４６】
回転式電気機械は、１つの回転子と隣接する１以上の固定子、２つの固定子の間に配置される１つの回転子、又は２つの回転子の間に配置される１つの固定子を含むことが好ましい。回転子及び／又は固定子は、好ましくは、上述又は後述のとおりに製造され得る。
【００４７】
ツインヨーク
複数の磁石は、第１磁石群と第２磁石群とを含み得る。第１磁石群の磁石の数は、第２磁石群の磁石の数と等しいものであり得る。複数のコアは、第１磁石群と第２磁石群との間に軸方向に配置され得る。複数の通電巻線は、第１磁石群と第２磁石群との間に軸方向に配置され得る。この構成では、それぞれ通電巻線の各側に軸方向に配置され各々同じ数の磁石を含む２つの磁石群があるため、電気機械において軸方向の磁力が均衡する。
【００４８】
磁極及び磁石の複数配列
電気機械が回転式電気機械である実施形態において、通電巻線の複数のコアは第１の複数のコアであり得て、第１の複数のコアを有する部分は第２の複数のコアを更に有し得る。コア群は、複数存在し得る。各コア群は、他の各コア群と同心円状に配置され得る。各コア群は、他の各コア群と同軸上に配置され得る。
【００４９】
電気機械が回転式電気機械であり、通電巻線の複数のコアを有しない部分が複数の磁石を有する実施形態において、複数の磁石は第１の複数の磁石であり得て、第１の複数の磁石を有する部分は第２の複数の磁石を更に有し得る。磁石群は、複数存在し得る。各磁石群は、他の各磁石群と同心円状に配置され得る。各磁石群は、他の各磁石群と同軸上に配置され得る。
【００５０】
コア群の数は、磁石群の数と等しいものであり得る。各コア群が配置される位置の軸からの半径方向距離は、対応する磁石群が配置される位置の軸からの半径方向距離と略等しいものであり得る。
【００５１】
２以上のコア群及び２以上の磁石群を用いることで、限られた空間内でより多くの能動部品が提供される。より多くの能動部品を提供することで、機械の性能を大幅に強化できる。
【００５２】
動力車輪
本発明の第２の側面によれば、第１の側面による電気機械を含む車両用車軸装置が提供される。第１部分は、車両の車軸に設置されるよう配置され得る。第１部分は、車両の車軸に設置され得る。第１部分は、車両用車輪であり得る。第１部分は、車両用車輪に設置されるよう配置され得る。第１部分は、車両用車輪に設置され得る。第１部分は、車両用ブレーキディスクであり得る。第１部分は、車両用ブレーキディスクに設置されるよう配置され得る。第１部分は、車両用ブレーキディスクに設置され得る。ブレーキディスクは、車両の車軸に設置されるよう配置され得る。第１部分は、車軸に対して固定に配置され得る。第１部分は、車両に対して相対的に回転するよう配置され得る。第２部分は、車両に対して固定に配置され得る。
【００５３】
電気機械の部品を車軸又は車輪に設置する（又は電気機械の部品として車軸又は車輪を用いる）ことで、車軸を駆動するために電気機械と車軸との間に設けられる歯車伝導装置が不要になる。したがって、このような構成のコスト及び重量は歯車伝導装置を設ける構成よりも低くすることができる。更に、高速で作動させなければならない歯車列が無く、伝達損失が無いため、効率と速度性能を向上させることができる。
【００５４】
エンジンフライホイール
本発明の第３の側面によれば、第１の側面による電気機械を含む内燃機関用フライホイール装置が提供される。第１部分は、内燃機関のクランク軸への接続のためのフライホイールであり得る。第１部分は、内燃機関のクランク軸への接続のためのフライホイールに設置されるよう配置され得る。第１部分は、内燃機関のクランク軸に対して固定に配置され得る。第１部分は、車両に対して相対的に回転するよう配置され得る。第２部分は、車両に対して固定に配置され得る。
【００５５】
その他の用途
電気機械は、好ましくは血液ポンプ又は心ポンプである医療機器の一部、好ましくは空調圧縮機である圧縮機、バン、流体ポンプ、好ましくは垂直軸風力タービンであり特にはダリウス風力タービンである風力タービンの一部、自動車部品、自転車部品、自動二輪車部品、列車部品、歯車部品、及び／又は駆動系部品といったその他の用途に用いられてもよい。電気機械は特に上述したような様々な種類の車両、ならびに航空機、潜水艇、ドローン、ＲＣモデル、電動バイク又は自動車、ハイブリッド自動車に用いられてよい。電気機械は歯車無し又は歯車ありの直接駆動部として、及び／又はリニアモーターとして用いられてよい。電気機械は特に、利用可能な空間が限られているあらゆる領域において用途がある。
【００５６】
ＳＭＣヨーク
複数の磁石を有する部分は、磁石が設置される基板を含み得る。基板は、ＳＭＣで形成され得る。複数の磁石が第１磁石群と第２磁石群とを含む場合、２つの基板が存在し得る。各基板は１以上の磁石群を支持し得る。各基板はヨークであり得る。各基盤は環形であり得る。各基板は複数の基板セグメントから構成され得る。各基板セグメントは略弓形であり得る。各基板セグメントは略円環扇形であり得る。各基板セグメントは円環扇形であり得る。各基板セグメントは他２つの基板セグメントと放射状に略当接するよう配置され得る。
【００５７】
ＳＭＣで形成された基板に磁石を設置すると、鋼部品に磁石を設置する場合と比較して、特に高速動作において鉄損が低減される。ＳＭＣは脆いため、ＳＭＣで大型部品を形成及び硬化するのは困難である。ＳＭＣのセグメントからＳＭＣライニングリングを組み立てるということは、単一の部品として形成する場合よりも小さい部品を形成すればよいことを意味し、したがってＳＭＣライニングリングの製造が容易になる。
【００５８】
基板が複数の基板セグメントから構成され、各基板セグメントが他２つの基板セグメントと放射状に略当接するよう配置される実施形態においては、磁石は２つの基板セグメントが略当接する位置にそれぞれ設置され得る。磁石は、２つの隣接する基板セグメントを半径方向に横断し、軸方向に設置され得る。磁石は、第１基板セグメントへ軸方向にかかる磁石の第１体積が、第１基板セグメントと隣接する第２基板セグメントへ軸方向にかかる磁石の第２体積と略等しくなるよう、２つの隣接する基板セグメントを半径方向に横断し、軸方向に設置され得る。この構成では、基板セグメント同士が当接する位置において、基板内に低レベルの円周方向の磁束が存在するため、有利である。
【００５９】
リニア機械
電気機械はリニア電気機械であり得る。
【００６０】
磁束集中器
発電機は各磁石に連結されたＳＭＣの素子を更に含み得て、各素子はコアを通過する磁束密度が向上するよう形成される。各素子は、軸方向にコアに近接する各磁石の面に連結され得る。各素子は各磁石の活性面に連結され得る。各素子は、連結される磁石の断面積と略等しい面積を有する第１面と、コアの断面積と略等しい面積を有する第２面とを有するよう形成され得て、第１面が磁石へと軸方向に近接し、第２面がコアへと軸方向に近接するよう配置され得る。各磁石が断面円形である場合、各磁石は断面において略円錐台  であり得る。
【００６１】
ＳＭＣの素子（又は「ＳＭＣ素子」）は、従来の電気機械における磁極片と同様に磁束を誘導する。ＳＭＣ素子はコアと分離されているため、磁極片を有するコアよりも単純な形状となり、そのため、製造がより容易である。コアを通過する磁束密度を向上させることで、ＳＭＣ素子にはより安価な磁石を、このような磁石に付きものである性能低下をもたらすことなく、用いることができる。
【００６２】
コアの製造方法
上述のとおり、コアは長いほど有利である。しかしながらこれらは、ＳＭＣから部品を製造する現在の方法では形成困難である。現在の方法では、製造する部品の断面形状に対応する断面形状を有する金型にＳＭＣ粉末を投入する。その後、パンチを用いて、製造する部品の軸と平行な方向に金型内のＳＭＣ粉末を圧縮する。短い部品の場合、パンチは比較的均一に粉末を圧縮可能である。幅の約１．５倍以上の長さを有する部品の場合、粉末は均一に圧縮されない。したがって、金型の中心から下側部分における部品の密度は、上端における部品の密度よりも低い。このような部品は、より均一な密度を有する部品ほどうまく磁束を伝導しない。
【００６３】
したがって、既存の代替的方法は、ＳＭＣ粉末を金型に投入し、パンチを用いて粉末を圧縮し、パンチを引き抜き、更にＳＭＣ粉末を加え、これを圧縮することで徐々に部品を構築する方法である。十分に均一な密度を有する長い部品を製造するには、このプロセスを複数回繰り返す必要がある。粉末材料から構成されるこのような長いＳＭＣコアはコアとして利用可能であり、大きな機械的負荷がかからない。
【００６４】
本発明の第４の側面によれば、第１の側面によるコアの製造方法が提供され、該方法は以下の工程を含む。
（ａ）ＳＭＣ粉末を圧縮して略均一な密度を有する第１部分を形成する工程、
（ｂ）ＳＭＣ粉末を圧縮して略均一な密度を有する第２部分を形成する工程、及び
（ｃ）前記第１部分と前記第２部分とを圧着して略均一な密度を有するコアを形成する工程。
【００６５】
方法は、ＳＭＣ粉末を圧縮して、略均一な密度を有する第３部分を形成する工程を更に含み得て、また、工程（ｃ）は第１部分と、第２部分と、第３部分とを圧着することを含み得る。方法は、ＳＭＣ粉末を圧縮して想定可能な任意の数の部品を形成する工程と、これらの部品を圧着して略均一な密度を有するコアを形成する工程とを含み得る。工程（ａ）及び工程（ｂ）は各々、第１長さを有する第１金型において行われ得る。工程（ｃ）は第１長さよりも大きい第２長さを有する金型において行われ得る。各工程における圧縮は部品又はコアの軸方向に沿って行われ得る。
【００６６】
このようにして、略均一な密度を有するより長いコアが形成可能となる。
【００６７】
本発明の他の思想又は側面に依存または非依存であってよい、本発明の更に代替的な思想によれば、コアは付加製造技術又は射出成形によって製造されてもよい。
【００６８】
複数のコアを、固定子の後部板と一体的に単一の部品として製造することが好ましい。もしくは、コアと後部板とを互いに独立して製造し、その後これらを組み合わせて電気機械の固定子を形成する。コアを後部板に固定するのには、圧入を用いるのが好ましい。
【００６９】
本発明の更なる側面によれば、固定子はその全体が粉末軟磁性複合材料から作られてよい。コアは、コイルが配置される表面に絶縁体を有することが好ましい。絶縁体はラッカーであってよい。コア又は固定子はラッカー槽に浸漬して電気絶縁体を生成してよい。その他の任意の方法で電気絶縁体を生成してもよい。例えば、コア上に用いられるプラスチック製スリーブにコイルを巻き付けてもよい。
【００７０】
本発明の第５の側面によれば、第１部分と第２部分とを有する電気機械であって、前記第１部分は前記第２部分に対して可動であり、前記第１部分と前記第２部分とのいずれかは複数の通電巻線用コアを有し、各コアは軟磁性複合材料（ＳＭＣ）から構成され、磁極片を有さないことを特徴とする電気機械が提供される。
【００７１】
本発明の第６の側面によれば、第１部分と第２部分とを有する電気機械であって、前記第１部分は前記第２部分に対して可動であり、前記第１部分と前記第２部分とのいずれかは複数の通電巻線用コアを有し、各コアは軟磁性複合材料（ＳＭＣ）から構成され、略一定の断面を有することを特徴とする電気機械が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
添付の図面を参照し、本発明の具体的な実施形態を例示のみを目的として以下に説明する。
【図１】図１ａは電気機械の第１実施形態の軸方向の模式図であり、図１ｂは第１実施形態の電気機械の模式的断面図である。
【図２】第１実施形態の電気機械の軸方向の模式的部分図である。
【図３】コア、コイル、及び磁石の一般的配置、ならびに図示された実施形態の磁束線の模式的描写である。
【図４】図４ａは電気機械の第２実施形態の軸方向の模式図であり、図４ｂは第２実施形態の電気機械の模式的断面図である。
【図５】第２実施形態の電気機械の軸方向の模式的部分図である。
【図６】電気機械の第３実施形態の模式的部分側面図である。
【図７】電気機械の第４実施形態の模式的断面図である。
【図８】電気機械の第５実施形態の模式的断面図である。
【図９】電気機械の第６実施形態の回転子ヨークを形成する部分における磁石とＳＭＣセグメントの配置の模式的描写である。
【図１０】電気機械の第７実施形態の回転子ヨークを形成する部分におけるセグメントの配置の模式的描写である。
【図１１】電気機械の第８実施形態の形成部分であるコア、磁石、及びコアの周囲のコイルの断面形状の模式的描写である。
【図１２】ＳＭＣ素子又は磁束集中器が磁石に設置された、電気機械の第９実施形態の模式的部分断面図である。
【図１３】図１３ａ、１３ｂ、１３ｃは電気機械用のコアを形成するプロセスの工程を示す図である。
【図１４】電気機械の固定子及び回転子の具体的な配置を示す図である。
【図１５】電気機械の固定子及び回転子の具体的な配置を示す図である。
【図１６】電気機械の固定子及び回転子の具体的な配置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００７３】
前述又は後述の１以上の実施形態の１以上の構成要素は、他の実施形態の１以上の構成要素と組み合わせられて用いられることで、本発明の別の可能性を示し得る。したがって、実施形態のいかなる構成要素も、この特定の実施形態のみに限定されるものではなく、単なる例示としてより広い意味で理解されるべきである。
【００７４】
外部固定子型回転式電気機械
図１ａ及び１ｂはそれぞれ、電気機械の第１実施形態の軸方向図及び断面図である。本実施形態において、電気機械は横方向磁束型（又は軸方向磁束型）電気機械１０である。電気機械１０は、回転子１１としての第１部分と、固定子１７としての第２部分とを有する。本実施形態において、固定子１７には１２個のＳＭＣコア１が固定される。各コア１は、コイル２としての通電巻線によって包囲される。コア１は磁極片を有さない。
【００７５】
回転子１１は固定子１７に収容される。これは図１ｂに最も明確に示されている。電気機械１０を形成するための回転子１１及び固定子１７の配置は、以下に詳述する。
【００７６】
図１ｂを参照すると、固定子１７は２つの筐体側面板１４及びコイル支持部６とから構成される。コイル支持部６はコイル２とそれぞれのコア１とを所定の位置に保持する。筐体側面板１４は回転子１１を保護し、回転子１１のシャフト１２に対する所定の位置にコイル支持部６を保持する。
【００７７】
コイル支持部６は円筒の一部の形状を有する。つまり、外面及び内面が軸方向におおよそ平坦である環状である。コイル支持部６はアルミ製である。コア１を含むコイル２は、コイル支持部６の半径方向内面に固定される。コイル２及びコア１、ならびにこれらのコイル支持部６への取り付けは、以下に詳述する。
【００７８】
上述のとおり、筐体側面板１４は回転子１１を保護し、コイル支持部６用の取付部を提供する。筐体側面板１４は１点を除いて互いに鏡像となっている。つまり、一方の側面板１４は、電気機械１０が組み立てられた際に回転子１１のシャフト１２が挿通される孔を画定するが、他方の側面板１４はそのような孔を画定しない。筐体側面板１４はアルミ製の板である。筐体側面板１４は四隅が切り落とされた正方形である。一方の筐体側面板１４は中央に、回転子１１のシャフト１２（以下に詳述する）が筐体側面板１４を挿通できるようにする円形孔を有する。各筐体側面板１４の一方の側は平坦である。この側は、電気機械１０が組み立てられた際の外側である。各筐体側面板１４の他方の側（電気機械１０が組み立てられた際の内側）は突出部１９、１８を画定する。筐体側面板１４の中心孔と隣り合って、環状の内側突出部１９が存在する。
【００７９】
各筐体側面板１４の内側突出部１９は、電気機械１０が組み立てられた際にシャフト１２に隣接する軸受１３を受容する。電気機械１０が組み立てられた際、軸受１３は回転子１１のシャフト１２に対して側面板１４を保持しつつ、シャフト１２の回転時には側面板１４がシャフト１２に対して固定となるようにする。
【００８０】
外側突出部１８も同じく環状である。外側突出部は、内側突出部１９の半径方向外側にある。外側突出部はコイル支持部６の支持を補助する。具体的に、コイル支持部６は、２つの筐体側面板１４の軸方向内側、かつ外側突出部１８の半径方向外側に位置される。このようにして、コイル支持部６は筐体側面板１４によって軸方向の所定の位置に保持され、内側突出部１９によって半径方向の所定の位置に保持される。
【００８１】
固定子のコイル支持部６上のコイル２の配置について、図２を参照しつつ以下に詳述する。図２はコイル支持部６の一部を模式的に示す。コイル支持部６の半径方向内側面には、クリップ２１が設置されている。クリップ２１は、コア１及びコイル２につき１つずつ、１２個ある（図２には４個しか図示されていない）。各クリップ２１は、コイル支持部６に接続され、コイル２の周囲に湾曲してコイル２を所定の位置に保持するアーム２３を有する。このようにして、１２個のコイル２のそれぞれは、筐体側面板１４に接続されたコイル支持部６に接続されたクリップ２１によって支持される。コイル２の軸は、固定子１７の軸と平行である。つまり、各コイル２の軸は筐体側面板１４と垂直であり、コイル支持部６と平行である。
【００８２】
他の実施形態においては、コイル２をコイル支持部６に保持させるために、クリップ２１の代わりに接着剤（樹脂等）が用いられる。例えば、一の代替的実施形態においては、コイル支持部６の半径方向内側面は１２個の断面半円形の窪みを画定する。コイル２はコイル支持部６のこれらの窪みの各々に接着される。
【００８３】
各コイル２は導電性ワイヤから形成される。本実施形態において、ワイヤは銅であり、断面円形である。他の実施形態においては、導電性である限り、ワイヤに他の材料が用いられてよい。他の実施形態においては、ワイヤは正方形又は矩形の断面を有してよい。コイル２そのものは、断面円形である。コイルは機械によって巻かれる。
【００８４】
組み立て後、モーターとしての電気機械１０の動作は、電流がコイル２を通ることによる十分に強い磁場の生成に依存する。逆に、発電機としての電気機械１０の動作は、永久磁石４（後述）によるコイル２における十分に大きな電流の生成に依存する。コイル２を通過する磁束密度を最大にするために、各コイル２の中心には高い透過性を有するコア１が設けられている。コイル２が巻かれた後、コイル２の中心にコア１が挿入される。コイル２は、コア１がコイル２に容易に挿入可能となるよう、断面円形であり、かつコア１とおよそ同一の直径を有する中心空間を画定する。
【００８５】
従来の電気機械においては、コイル内のコアは、磁石とコイルとの間の空隙に磁束を拡散し、空隙における磁束密度を低下させるための磁極片を有する。しかしながら、本発明の電気機械１０のコア１はＳＭＣから形成されていることから、上述のとおり磁極片が不要である。各コア１は軟磁性化合物から形成されている。ＳＭＣは、各粒子が他の粒子から電気的に絶縁されるよう、電気絶縁コーティングで覆われた鉄粒子から作られる。粒子はその後、成形され、粒子がその形状を保持するよう、熱処理又は硬化される。このようにして各コア１が製造される。各コア１は円筒形である。つまり、縦断面は矩形であり、横断面は円形である。したがって、コア１は単純な形状である。
【００８６】
再度図１ｂを参照し、回転子１１を更に詳述する。回転子１１は全体的に、ヨーヨー状の断面形状を有する。つまり、回転子１１は全体の形状として、互いに平行に配置され、中心において軸方向に接続された、２つの大まかに円盤状の部品を有する。回転子１１は磁石４用の２つの裏板要素と、これらの裏板要素用の二重の支持リング１６と、裏板要素上の所定の位置に磁石を保持するマトリクス材料５の２つの円盤と、から形成される。
【００８７】
本実施形態において、裏板要素はＳＭＣから形成されるヨークリング３である。２つのヨークリング３の各々は、中心に円形孔（断面図では確認されない）を画定する円盤形状である。すなわち、２つのヨークリング３の各々は環状である。各ヨークリング３は磁石４を受容するのに十分な半径方向幅を有する。つまり、ヨークリング３は各磁石４よりも幅広である。
【００８８】
各ヨークリング３には、１４個の磁石４が設置されている。磁石は、電気機械１０が組み立てられた際にコア１及びコイル２に隣接する、各ヨークリング３の面に設置されている。磁石４は各ヨークリング３の周囲に半径方向に等間隔に配置される。
【００８９】
各ヨークリング３は、更に支持リング１６に設置されている。２つの支持リング１６は複合材料から形成される。各支持リング１６は、その上に設置されたヨークリング３が磁力で屈曲するのを防ぐべく強化する機能を有する。ヨークリング３はＳＭＣから形成されており脆いため、これは有利である。したがって、支持リング１６はヨークリング３の損傷を防ぐのに役立つ。各支持リング１６は、ヨークリング３と同様に環状である。各支持リング１６における中心孔から外縁までの半径方向距離は、各ヨークリング３の中心孔から半径方向外縁までの半径方向距離よりも大きい。ヨークリング３の外縁は、対応する支持リング１６の外縁と軸方向に当接する。
【００９０】
ヨークリング３と支持リング１６との各ペアは、マトリクス材料５の円盤によって、回転子シャフト１２上の所定の位置に保持される。一方のマトリクス材料５の円盤は、一方のヨークリング３の軸方向内面、ならびに、ヨークリング３が設置され露出されている支持リング１６の軸方向内面の一部に接着されている。他方のマトリクス材料５の円盤も同様に、他方のヨークリング３と支持リング１６とに接着されている。磁石４は、マトリクス材料５の円盤のそれぞれの円形孔から露出されている。
【００９１】
２つのマトリクス材料５の円盤は各々に中心孔を有する。これら中心孔は同じ寸法である。これらの直径は、ヨークリング３及び支持リング１６の中心孔よりも小さい。シャフト１２はこれらの部品それぞれの孔を通って軸方向に延出する。シャフト１２は、マトリクス材料５の円盤が皿頭ねじ１５によって固定される半径方向の突出部を有する。一方のマトリクス材料５の円盤は、シャフト１２上の半径方向の突出部の一方の側に固定される。他方のマトリクス材料５の円盤は、シャフト１２上の半径方向の突出部の軸方向の反対側に固定される。このように、ヨークリング３はシャフト１２に接触していないにもかかわらず、マトリクス材料の円盤によってシャフト１２上の所定の位置に保持される。これにより磁石４が、固定子１７のコア１及びコイル２と半径方向に整列されるようなシャフト１２からの半径方向距離に保持される。
【００９２】
２つのマトリクス材料５の円盤は各々、中心に向かって軸方向の窪みを有する。軸方向の窪みは、支持リング１６に固定された各マトリクス材料の円盤１５の部分から半径方向内側に向かって傾斜している。このように、シャフト１２上の半径方向の突出部にマトリクス材料５の円盤が固定されているとき、各マトリクス材料５の円盤の中心部は、各マトリクス材料５の円盤の半径方向外側部分よりも、他方のマトリクス材料の円盤１５に軸方向により近い。すなわち、マトリクス材料５の円盤の半径方向外側部分は、各マトリクス材料５の円盤の半径方向内側部分よりも、互いから離間している。マトリクス材料の円盤１５の半径方向外縁の間の軸方向距離がより大きいことで、固定子１７のコイル支持部６に設置されたコア１及びコイル２が、回転子１１の２つのヨークリング３間に受容される。
【００９３】
このように、電気機械１０が組み立てられた際、各ヨークリング３に設置された磁石４が、軸方向にコア１とコイル２とを挟んで対向する。同じ数の磁石４を支持する２つのヨークリング３を有することで、軸方向の磁力を均衡させることができる。軸方向の磁力を均衡させて維持するために、磁石４とコイル２との間の空隙が等しくなるよう、２つのマトリクス材料５の円盤は互いに鏡像である。
【００９４】
外部固定子型回転式電気機械の動作
図３は、図１及び２を参照して上述した電気機械における、磁石４、コイル２、及びコア１の配置を示す半径方向の模式図である。
【００９５】
電気機械１０は、モーターとしても、発電機としても動作できる。モーターとして動作する場合、コイル２は交流電流源（図示せず）に接続される。図３は、コイル２に電流を通すことで生成される磁場の磁束線７を示す。コイル２を通る電流の交互方向が、磁石４のペアを連続するコイル２に向けて動かす。上述のとおり、磁石はマトリクス材料５によってシャフト１２に接続されていることから、磁石４の回転がシャフト１２にトルクを適用する。逆に、電気機械１０が発電機として動作する場合、シャフトの回転によって磁石４がコイル２の周囲を回転し、コイル２において交流電流が誘発される。
【００９６】
内部固定子型電気機械
図４ａ及び４ｂはそれぞれ、電気機械の第２実施形態の軸方向図及び断面図である。第２実施形態において、電気機械は内部固定子型回転式電気機械２０である。回転子は電気自転車のハブ（図示せず）の一部を形成する。第１実施形態の電気機械１０と同様に、第２実施形態の電気機械２０は、回転子１１としての第１部分と、固定子１７としての固定部分とを有する。第１実施形態の電気機械１０と同様に、この内部固定子型電気機械２０は横方向磁束型（又は軸方向磁束型）電気機械である。第１実施形態の電気機械１０とは異なり、第２実施形態では、固定子１７は回転子１１に収容されている。本実施形態において、電気機械２０は７６個の永久磁石を有する。回転子１１の２つのヨーク３のそれぞれに３８個ずつ磁石を有する。電気機械２０は、固定子１７に設置された３６個のコイル２を有する。３６個のコイル２は各々、ＳＭＣで形成されたコア１を内部に有する。
【００９７】
図４ｂを参照すると、固定子１７は、各々中心に孔を有する２つの円形板から構成される。中心スピンドル４２は、固定子１７の板のそれぞれの中心孔を通って軸方向に延出する。第１実施形態１０のマトリクス材料５の円盤がシャフト１２の半径方向突出部に固定されるのとほぼ同様に、第２実施形態２０の固定子１７の板は、締め付けボルト４５によって中心スピンドル４２上の半径方向突出部にそれぞれ固定される。固定子１７の２枚の板の半径方向外縁は、更なる締め付けボルト４５によって互いに固定される。
【００９８】
固定子１７の板の半径方向外縁の周りのリングには、コイル支持部４６が固定される。コイル支持部４６は環状である。つまり、コイル支持部４６は中空管の一部のような形状である。コイル支持部４６の半径方向外側面には、複合補強材１６のリングが設けられている。この複合補強材１６のリングには、３６個のコイル２が設置されている。これらのコイル２は第１実施形態のコイルとおおよそ同じである。各コイル２の内部にはＳＭＣのコア１が設けられている。これらのコア１も、第１実施形態に関連して上述したとおりである。第２実施形態においてコイル２を複合補強材１６に設置する方法は、第１実施形態においてコイル２をコイル支持部６に設置する方法と同様である。つまり、各コイルは、コイル支持部４６の周囲の複合補強材１６の層にクリップされる。図５は、コイル支持部４６の周囲に４個のコアが配置される様子の軸方向図を模式的に示す。概要として、本実施形態の固定子１７は、固定子１７の半径方向外側に配置されるコイル用の取付部を提供する。
【００９９】
固定子１７の２つの板のうち１つは穴を有し、これら穴を通じて中心スピンドル４２への接続に隣接する。これらの穴は、固定子１７に設置されたコイル２が電気回路（図示せず）に接続できるようにケーブルアクセス４７を提供する。
【０１００】
引き続き図４ｂを参照すると、回転子１１には中心スピンドル４２も設置されている。回転子１１は２つのハブ側面板４４から成り、１つは固定子１７によって支持されたコイル２の軸方向の一方に、他のハブ側面板４４はコイル２の軸方向の他方に配置される。ハブ側面板４４は、半径方向外縁の周囲において、複合補強材１６の環によって互いに接続されている。この複合補強材１６は、間にコイル２を受容するのに十分な軸方向の間隔が空くようにハブ側面板４４を保持する。ＳＭＣ製のヨークリング３は各ハブ側面板４４の内側面に設置される。ヨークリング３は、第１実施形態に関して上述したヨークリング３と同形状である。
【０１０１】
２つのヨークリング３の各々に、３８個の磁石が設置されている。磁石４及びヨークリング３の配置は図１及び２を参照して上述されているとおりであるが、本実施形態においては第１実施形態よりも多くの磁石４が用いられている。磁石４は、固定子１７を挟んで互いに対向して対になるようヨーク３に設置されている。
【０１０２】
ハブ側面板４４のうち一方は、軸受１３によって中心スピンドル４２に直接設置される。ケーブルアクセス４７用の穴を有する固定子１７の板に軸方向に隣接する他方のハブ側面板４４は、固定子１７の半径方向内側かつ軸方向外側の部分に設置されている。これは、回転子１１の他方の板と共に中心軸の周りを回転可能なように、軸受１３に設置される。
【０１０３】
第２実施形態の回転子１１が固定子１７の外部、すなわち電気機械２０の外部にあることを除いては、本電気機械２０の動作は、電気機械の第１実施形態１０について上述したとおりである。
【０１０４】
リニアアクチュエータ
２つの実施形態について説明された原理は、リニアアクチュエータ３０にも適用可能である。このようなリニアアクチュエータの模式的側面図を図６に示す。動作時、点線で図示されている磁石４は第１の可動部に設置され、コイル２は第２の固定部に設置される。別の実施形態において、コイル２が第１の可動部に設置され、磁石４が第２の固定部に設置されてもよい。
【０１０５】
動力車輪
図７は、列車（図示せず）の２つの車輪７８及び車軸７２の断面図を示し、車輪７８に電気機械４０、５０が各々設置されている。電気機械４０、５０はモーターとして動作し、本実施形態は車軸７２と車軸７２に設置された車輪７８とを回転させることで列車を推進させる。列車の他の車軸も同様の配置で設けられている。
【０１０６】
２つの電気機械４０、５０は互いに鏡像である。そのため、図７の左側に図示された電気機械４０のみについて以下で詳述する。電気機械４０の固定子１７は車輪７８の車軸７２に、軸受１３と支持構造７７とを介して設置される。車輪７８に設置された永久磁石８４が回転子１１を形成する。図１ｂ及び図２を参照して上述したとおり、コア１及びコイル２は固定子１７に設置される。永久磁石８４はコア１及びコイル２に対し、やはり図１ｂ及び図２を参照して上述したとおりに配置される。マトリクス材料の円盤５に対するＳＭＣヨークリング３に設置される代わりに、磁石８４の一方の組が、車輪７８の軸方向内側面に対するＳＭＣライニングリング７３に設置され、磁石８４の他方の組が、２つの車輪７８の軸方向の中間でブレーキディスク７１に対する別のＳＭＣライニングリング７３に設置される。ＳＭＣライニングリング７３は、図９を参照し以下に更に詳述する。全体形状として、各ＳＭＣライニングリング７３は、車輪７８とブレーキディスク７１とに設置された磁石８４を支持するために、より大型ながら、概ねＳＭＣヨークリング３の輪郭線で在る。
【０１０７】
車輪７８とブレーキディスク７１とは鋼鉄製である。鋼鉄は磁石８４の裏板として優れた材料である。しかしながら、車輪７８とブレーキディスク７１の均質な大質量が原因となり、ＳＭＣライニングリング７３がなければ、特に高速運転において大きな鉄損が発生するおそれがある。車輪７８とブレーキディスク７１をＳＭＣライニングリング７３で裏打ちすることで、鉄損が低減される。これは、歯車伝導装置を用いずに電気機械を車軸７２と車輪７８とに設置することを現実的にする。更にこれは、列車の車軸７１を駆動する構成のコストと重量を低減する。
【０１０８】
ＳＭＣライニングリング
図９は、図７を参照して上述した構成において利用可能なＳＭＣライニングリング７３としてのＳＭＣの基板を示す。ＳＭＣライニングリング７３は中心に円形孔を有する円盤形状を有する。つまり、環状である。孔の縁とＳＭＣライニングリング７３の半径方向外側縁との半径方向距離は、磁石８４を受容するのに十分大きい。つまり、ＳＭＣライニングリング７３は各磁石８４の各々よりも幅広である。したがって、形状については、図１ｂを参照して上述したＳＭＣヨークリング３と同様である。図７を参照して上述したような応用、つまり大寸法のＳＭＣライニングリング７３を必要とする応用においては、ＳＭＣライニングリング７３は基板セグメントから構成される。本実施形態では７個のセグメントが存在する。より大きなライニングリング７３が必要な実施形態では、各セグメントをＳＭＣから容易に形成可能なサイズに収めるために、より多くのセグメントが用いられる。セグメントは、円環扇形である。すなわち、ライニングリング７３は半径方向の線によって分割されている。本実施形態においては、半径方向分割線９９が７本ある。
【０１０９】
ＳＭＣは脆いため、ＳＭＣで大型部品を形成及び硬化するのは困難である。ＳＭＣのセグメントからＳＭＣライニングリング７３を組み立てるということは、単一の部品として形成する場合よりも小さい部品を形成すればよいことを意味し、したがってＳＭＣライニングリング７３の製造が容易になる。
【０１１０】
図９における破線の円は、電気機械において用いられるＳＭＣライニングリング７３上の磁石８４の位置９８を示す。磁石８４は、ＳＭＣライニングリング７３の周囲に等間隔に配置される。本実施形態において、１４個の磁石８４はＳＭＣライニングリング７３の周囲に放射状に位置される。各半径方向分割線９９上に磁石８４が１つずつ位置される。残りの７個の磁石８４は、半径方向分割線９９上に位置された磁石８４の間に１つずつ配置される。
【０１１１】
エンジンフライホイール
図８は、第１部分が内燃機関（ＩＣＥ）８９の変形フライホイール８１である、電気機械８０の断面図を示す。電気機械８０は、始動発電機として機能するよう配置される。通常のフライホイールと同様、本実施形態の変形フライホイール８１はＩＣのクランク軸８２に設置される。しかしながら、通常のフライホイールと異なり、本実施形態の変形フライホイール８１は図１ｂの上述の実施形態における回転子１１に類似している。具体的には、変形フライホイール８１は、同軸上で接続された２つの円盤と、その軸方向内側面に設置された磁石８４とから構成される。図７及び図９を参照して上述したとおり、磁石８４はＳＭＣライニングリング７３に固定されている。コイル２は、第１実施形態のコイル２及びコイル支持部６について上述したとおり、外側ケーシング８６の内側面に取り付けられる。
【０１１２】
動作時には、電気機械８０は始動モーターとして機能する。ＩＣＥ８９を始動するために、電流がコイル２に流される。これにより、図１ｂを参照して説明した外部固定子型電気機械１０のコイル２に電流を流すことで回転子１１が回転する場合と同様にフライホイール８１が回転する。フライホイール８６が回転することで、クランク軸８２が回転してＩＣＥを始動する。
【０１１３】
電気機械８０は、発電機としても動作可能である。ＩＣＥ８９のピストンによってフライホイール８６を回転させることで、例えば車両のバッテリーを充電するのに利用できる電流をコイル２に誘導する。
【０１１４】
電気機械８０をエンジンフライホイール８１と一体化することで、始動発電機のよりコンパクトな配置が可能となる。これはさらに、モーターとして動作する電気機械がクランク軸８２を回転するための、又は、電気機械が発電機として動作する際にクランク軸が電気機械の回転子を回転するための、歯車伝導装置を不要にする。このような電気機械８０を利用して、電気自動車をシリーズハイブリッド運転に変換できる。
【０１１５】
セグメント磁石
図１０は、コギングを最小化するべき応用において電気機械で用いられる磁石の代替的配置を示す。この配置では、４つの磁石１０９がＳＭＣヨークリング１０３に取り付けられている。ＳＭＣヨークリング１０３は、図１ｂを参照して上述したＳＭＣヨークリング３とおおよそ同じである。ただし、第１実施形態の磁石４とは対照的に、本実施形態の磁石１０９は円形ではなく、組み立てられてＳＭＣヨークリング１０３に設置された際に磁石１０９が環を形成するように、円環扇形である。
【０１１６】
電気機械において必要な磁極数が少ない場合に、この配置は特に有利である。必要な磁極数が少ない場合、円形の磁石は磁性材料の体積が少ないことから動作効率が良いが、機械の動作中、コギングが悪化するおそれもある。自転車の駆動のように、機械の始動時からフルトルクが必要とされる場面（加速時にコギングが脈動として感知される場面）で用いられる電気機械では、コギングを最小化することが望ましい。上述のような形状の磁石１０９では、磁石同士の間隔が最小化されるため、コギングが低減される。
【０１１７】
図１１は、コギングを最小化するべき応用において電気機械で用いられる磁石の更に別の形状を示す。図示される磁石１１４は、多数の同型の磁石を並べて配置した場合に環が形成されるような形状を有する。具体的には、磁石１１４は、２つの円形が、これら円形に対する２本の交差しない接線によって連結された輪郭を有する断面を有し得る。つまり、磁石１１４の断面形状は、台形の平行な２つの対辺に、それぞれの長さと等しい直径を有する２つの半円形を、その直線部分がそれぞれの対辺に接するように付け加えたような形状である。台形の脚にあたる部分は、磁石の直線辺となる。磁石１１４をその直線辺同士が当接するように並べると、磁石の環が形成される。したがって、図１０と関連して上述した磁石１０９と同様に、組み立てられてＳＭＣヨークリングに設置されると、磁石１１４は環を形成する。
【０１１８】
図１１には、同図に示された磁石と共に用いられるコア１１１の形状も示されている。コア１１１は磁石１１４と同じ断面形状を有するが、断面積がより小さい。これにより、電気機械における漂遊磁束の最小化、ひいては性能の向上につながる。
【０１１９】
磁束集中器
図１２は、磁石４の磁束レベルを減弱させるためにＳＭＣ製の磁束集中器１２１としてのＳＭＣ素子が用いられる、電気機械の第９実施形態１２０の一部を示す。本実施形態においては、磁石４はフェライト系である。フェライト系磁石は一般にネオジム系磁石よりも安価であるが、磁石４を通過する磁束密度に関し、より低い密度で脱磁するおそれがある。磁束集中器１２１は、磁石４を通過する磁束を拡散することで、ネオジム系磁石のようなより高価な磁石と同様の有効磁束レベルでＳＭＣコア１を利用可能にする。
【０１２０】
各磁束集中器１２１は円錐台（切頂された円錐）がその底面において円筒に取り付けられたような形状に形成される。したがって、各磁束集中器１２１の断面形状は一方の端部においてより幅広であり、他方の端部に向かって先細になっている。各磁束集中器１２１は、幅広の端部側に第１面１２２を有する。各磁束集中器１２１は、第１面１２２よりも小さい断面積を有する第２面１２３に向かって狭くなっている。
【０１２１】
各磁束集中器１２１の第１面１２２は、軸方向においてコア１に最も近い磁石４の面に接着されている。各磁束集中器１２１の第１面１２２は、磁石のこの面と同じ形状を有し、同じ表面積を有する。このように、磁石４を通過する全ての磁束は磁束集中器１２１を通過することになる。磁束集中器１２１の第２面１２３は、任意のコア１の断面と同じ形状を有する。第２面１２３の表面積は任意のコア１の断面積と同じである。このように、コア１が磁束集中器１２１のうちの１つと半径方向に整列されたとき、磁束集中器１２１によって、磁束集中器１２１が設置されているコア１及び磁石４を通じて磁束が誘導される。マトリクス材料５は磁束集中器１２１を磁石４上の所定の位置に保持するのに役立つ。
【０１２２】
磁束集中器１２１は磁極片と同様に機能し、利用時には磁石４に隣接して磁束を軸方向に分散させ、コア１を通じて集中させる。これにより磁束集中器１２１は、磁極片を用いることなく同様の利点を提供する。磁束集中器１２１は、磁極片を有するＳＭＣコアよりも形状が単純であるため、製造がより容易であり、より堅牢である。
【０１２３】
コアの製造方法
図１３ａ、１３ｂ、１３ｃは電気機械用のコア１３５を形成するプロセスの工程を示す図である。図１３ａに示す第１工程において、管状の金型１３１にＳＭＣ粉末１３６が投入され、金型１３１の内径よりもわずかに小さい直径の円形の断面を有するパンチ１３３が金型１３１に挿入される。パンチ１３３に力が加えられる。これにより、全体的に密度がほぼ均一になるよう、粉末１３６が圧縮される。このように、第１円筒部品がＳＭＣから形成される。第２工程においては、同様にして金型１３１で第２円筒部品が形成される。本実施形態においては、第３円筒部品も同様に形成される。次に、これら３つの部品が第２金型１３２に挿入される。第２金型１３２は第１金型１３１と同様の形状を有するが、３つの部品を端から端まで受容するのに十分な長さを有する。金型１３２の内径よりもわずかに小さい直径の円形の断面を有するパンチ１３３が金型１３２に挿入される。３つの部品が金型内で圧着されるよう、パンチ１３３に力が加えられる。３つの部品が金型内にあるため、圧着部にバリが発生しない。このため、この方法は、直径の１．５倍以上の長さを有し、かつ均一な密度を有し、バリのないコアを製造するのに用いることができる。
【０１２４】
磁極及び磁石の複数配列
別の代替的実施形態において、電気機械は図１を参照して上述したとおりであるが、２列の磁石、及び２列のコア及びコイルを有する。図１を参照して上述した実施形態と同様、回転子の回転軸の周囲に１列の磁石が環状に配置され、１列のコアも軸の周囲に環状に配置される。ただし、本代替的実施形態においては、同じく回転子の回転軸の周囲に環状に配置された第２列の磁石、ならびに、同じく軸の周囲に環状に配置される第２列のコアが存在する。第２列の磁石は、第１列の磁石の半径方向内側である。また、第２列のコアは第１列のコアの半径方向内側である。軸から第２列の磁石までの半径方向距離は、軸から第２列のコアまでの半径方向距離と等しい。
【０１２５】
図１を参照して説明した電気機械のコア及び磁石に関連して上述したとおり、動作時、第２列のコアと第２列の磁石とは相互作用する。これら第２列は電気機械内の能動部品の数を増加させる。これら第２列が第１列の半径方向内側に位置されることで、本実施形態の電気機械の寸法が、図１を参照して説明した電気機械と比較して大幅に大型化しない。したがって本実施形態においては、上述の電気機械と比較して大幅に大型ではない電気機械内に、より多くの能動部品が存在する。これにより、大幅に大型化することなく、電気機械の性能が向上する。
【０１２６】
潜在的な電気機械の模式図
図１４、１５、１６は各々、電気機械の固定子及び回転子の具体的な配置を示す図である。各固定子Ｓは、図１５に示すように単一部品であっても、図１４及び１６に示すように複数部品であってもよい。ここで、ＳＭＣ製の各コアＣは、１つ以上の端部において圧入による固定を可能にする段差を有してもよい。固定子は、少なくとも固定子の後部板ＢＰは、粉末ＳＭＣから形成されることが好ましい。コアは、他の方法で後部板に設置されてもよく、接着剤を用いてもよい。回転子Ｒとその後部板ＢＰも、粉末ＳＭＣから形成されることが好ましい。回転子は、Ｐｅｒｔｉｎａｘ（登録商標）のような適切な非磁性材料Ｐを含んでもよい。磁石Ｍは後部板に、例えば図１５のように圧入によって設置されてもよく、Ｐｅｒｔｉｎａｘのような適切な非磁性材料Ｐによって固定されてもよく、これにより後部板が例えば図１４に示されるように粉末ＳＭＣから形成されることが好ましい。図１５では、固定子／回転子／固定子構造と隣接して、代替的な回転子Ｒが図示されている。
【図１ａ−１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３ａ−１３ｃ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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