(57)【要約】  １つの考えられる実施形態において、永久磁石のアレイを備え、このアレイは、そのアレイの片側では永久磁石からの磁束が強化されるが、そのアレイの反対側ではそれが実質的に打ち消されるように配列され、更に、そのアレイの強化側の極に磁束集中器が配置された、モータ用の磁石アレイが提供される。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石のアレイを備え、前記アレイは、前記アレイの片側では永久磁石からの磁束が強化されるが、前記アレイの反対側では磁束が実質的に打ち消されるように配列され、更に、前記アレイの前記強化側の極に磁束集中器が配置された、モータ用の磁石アレイ。
【請求項２】
前記磁束集中器は、前記アレイに埋設される、請求項１に記載の磁石アレイ。
【請求項３】
前記磁束集中器の外面は、前記強化側に沿って配置された隣接の磁石の外面と整列される、請求項２に記載の磁石アレイ。
【請求項４】
前記磁束集中器は、前記磁石より磁束密度の高い磁性材料で構成される、請求項１に記載の磁石アレイ。
【請求項５】
前記アレイは、前記アレイの強化側とは反対側で前記磁束集中器の後方に後部磁石を含む、請求項１に記載の磁石アレイ。
【請求項６】
前記磁束集中器は、各磁束集中器が後部磁石を有し且つ隣接の側部磁石間に位置されるように前記アレイに配置される、請求項１に記載の磁石アレイ。
【請求項７】
前記磁束集中器に隣接する磁石の磁気モーメントは、その隣接の磁束集中器に概ね向かう方向を全部が指すか、又はその隣接の磁束集中器から概ね離れる方向を全部が指すかのいずれかである、請求項６に記載の磁石アレイ。
【請求項８】
前記磁束集中器は、前記磁石より磁束密度が高い磁性材料で構成される、請求項６に記載の磁石アレイ。
【請求項９】
前記磁束集中器は、鉄で構成される、請求項８に記載の磁石アレイ。
【請求項１０】
前記磁束集中器は、鉄で構成される、請求項１に記載の磁石アレイ。
【請求項１１】
ａ）回転子と、
ｂ）無鉄心巻線を含む固定子と、
を備え、
ｃ）前記回転子は、永久磁石のアレイを含み、このアレイは、前記固定子を向いたアレイの側では永久磁石からの磁束が強化されるが、前記固定子とは反対のアレイの側では磁束が実質的に打ち消されるように配列され、更に、アレイの前記強化側の極に磁束集中器が配置された、モータ。
【請求項１２】
前記磁束集中器は、前記アレイに埋設される、請求項１１に記載のモータ。
【請求項１３】
前記磁束集中器の外面は、前記強化側に沿って配置された隣接の磁石の外面と整列される、請求項１２に記載のモータ。
【請求項１４】
前記磁束集中器は、前記磁石より磁束密度の高い磁性材料で構成される、請求項１１に記載のモータ。
【請求項１５】
前記アレイは、前記アレイの強化側とは反対側で前記磁束集中器の後方に後部磁石を含む、請求項１１に記載のモータ。
【請求項１６】
前記磁束集中器は、各磁束集中器が後部磁石を有し且つ隣接の側部磁石間に位置されるように前記アレイに配置される、請求項１１に記載のモータ。
【請求項１７】
磁束集中器に隣接する磁石の磁気モーメントは、その隣接の磁束集中器に概ね向かう方向を全部が指すか、又はその隣接の磁束集中器から概ね離れる方向を全部が指すかのいずれかである、請求項１６に記載のモータ。
【請求項１８】
前記磁束集中器は、前記磁石より磁束密度が高い磁性材料で構成される、請求項１６に記載のモータ。
【請求項１９】
前記磁束集中器は、鉄で構成される、請求項１８に記載のモータ。
【請求項２０】
前記磁束集中器は、鉄で構成される、請求項１１に記載のモータ。
【請求項２１】
ａ）内部回転子及び外部回転子と、
ｂ）前記内部回転子と前記外部回転子との間の無鉄心巻線を含む固定子と、
を備え、
ｃ）前記内部回転子及び前記外部回転子の各々は、永久磁石のアレイを含み、このアレイは、前記固定子を向いたアレイの側では永久磁石からの磁束が強化されるが、前記固定子とは反対のアレイの側では磁束が実質的に打ち消されるように配列され、更に、そのアレイの前記強化側の極に磁束集中器が配置された、モータ。
【請求項２２】
前記磁束集中器は、前記アレイに埋設される、請求項２１に記載のモータ。
【請求項２３】
前記磁束集中器の外面は、前記固定子側に沿って配置された隣接の磁石の外面と整列される、請求項２２に記載のモータ。
【請求項２４】
前記磁束集中器は、前記磁石より磁束密度の高い磁性材料で構成される、請求項２１に記載のモータ。
【請求項２５】
前記アレイは、前記アレイの固定子側で前記磁束集中器の後方に後部磁石を含む、請求項２１に記載のモータ。
【請求項２６】
前記磁束集中器は、各磁束集中器が後部磁石を有し且つ隣接の側部磁石間に位置されるように前記アレイに配置される、請求項２１に記載のモータ。
【請求項２７】
磁束集中器に隣接する磁石の磁気モーメントは、その隣接の磁束集中器に概ね向かう方向を全部が指すか、又はその隣接の磁束集中器から概ね離れる方向を全部が指すかのいずれかである、請求項２６に記載のモータ。
【請求項２８】
前記磁束集中器は、前記磁石より磁束密度が高い磁性材料で構成される、請求項２６に記載のモータ。
【請求項２９】
前記磁束集中器は、鉄で構成される、請求項２８に記載のモータ。
【請求項３０】
前記磁束集中器は、鉄で構成される、請求項２１に記載のモータ。
【請求項３１】
前記内部回転子及び前記外部回転子は、ギャップで分離されて一緒に固定され、前記アレイにおける磁石の磁気モーメントは、前記ギャップを横切る磁界を強化するように整列される、請求項２１に記載のモータ。
【請求項３２】
永久磁石のアレイを備え、前記アレイは、前記アレイの片側では永久磁石からの磁束が強化されるが、前記アレイの反対側では磁束が実質的に打ち消されるように配列され、前記磁石は、隣接磁石の磁気モーメントが約４５°分離した方向に配向されるように配列され、更に、前記アレイ内の磁石は、前記アレイの前記強化側に対して略垂直に配向された磁気モーメントを含むようにされた、モータ用の磁石アレイ。
【請求項３３】
前記略垂直の磁気モーメントを有する磁石において前記アレイの前記強化側に位置された磁束集中器を更に備える、請求項３２に記載の磁石アレイ。
【請求項３４】
ａ）内部回転子及び外部回転子と、
ｂ）前記内部回転子と前記外部回転子との間の無鉄心巻線を含む固定子と、
を備え、
ｃ）前記内部回転子及び前記外部回転子の各々は、永久磁石のアレイを含み、このアレイは、前記固定子を向いたアレイの側では永久磁石からの磁束が強化されるが、前記固定子とは反対のアレイの側ではそれが実質的に打ち消されるように配列され、前記磁石は、隣接磁石の磁気モーメントが約４５°分離した方向に配向されるように配列され、更に、前記アレイ内の磁石は、前記アレイの固定子側に対して略垂直に配向された磁気モーメントを含むようにされた、モータ。
【請求項３５】
前記内部回転子及び前記外部回転子は、ギャップで分離されて一緒に固定され、前記アレイにおける磁石の磁気モーメントは、前記ギャップを横切る磁界を強化するように整列される、請求項３４に記載のモータ。
【請求項３６】
前記略垂直の磁気モーメントを有する磁石において前記アレイの前記強化側に位置された磁束集中器を更に備える、請求項３５に記載のモータ。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、参考としてここに全体を援用する次の出願の利益を主張する。
２００８年９月２３日に出願されたBart Dean Hibbs氏の“FLUX CONCENTRATOR FOR IRONLESS MOTORS” と題する米国仮特許出願第６１／１９４，０５６号；及び
２００８年９月２３日に出願されたDaboussi氏等の“PROPELLER DRIVE UNIT FOR HALE UAV”と題する米国仮特許出願第６１／１９４，０９９号。
また、本出願は、参考としてここに全体を援用する次の出願にも関連する。
２００９年９月２３日に出願されたDaboussi氏等の“COMPRESSED MOTOR WINDING”と題する米国特許出願；
２００９年９月２３日に出願されたDaboussi氏等の“MOTOR AIR FLOW COOLING”と題する米国特許出願；及び
２００９年９月２３日に出願されたDaboussi氏等の“STATOR WINDING HEAT SINK CONFIGURATION”と題する米国特許出願。
【背景技術】
【０００２】
[0001]乗物用の電気モータは、電力を保存するため高い効率であることが必要である。更に、無人又は有人乗物では、軽量で且つコンパクトな電気モータも要望される。従って、磁束方向変化による鉄損がないという利益をもたらす無鉄心モータがしばしば使用される。しかしながら、無鉄心モータは、ギャップにおける磁界強度が充分でないことで悩まされている。
【０００３】
[0002]モータは、通常、モータのピーク電力及び効率について定格付けされる。幾つかの用途では、マシンに部分負荷即ち１５％又は他のパーセントの負荷が課せられたときに高い効率となる高部分負荷効率が要望される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
[0003]従って、効率の高いコンパクトなモータが必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
[0004]１つの考えられる実施形態において、複数個の永久磁石からなるアレイ（配列）を備え、このアレイは、そのアレイの片側では永久磁石からの磁束が強化されるが、そのアレイの反対側ではそれが実質的に打ち消されるように配列され、更に、そのアレイの強化側の極に磁束集中器が配置された、モータ用の磁石アレイが提供される。
【０００６】
[0005]別の考えられる実施形態では、永久磁石のアレイを備え、このアレイは、そのアレイの片側では永久磁石からの磁束が強化されるが、そのアレイの反対側ではそれが実質的に打ち消されるように配列されたモータ用の磁石アレイが提供される。この実施形態では、隣接磁石の磁気モーメントが、約４５°分離された方向に配向され、且つアレイ内の磁石が、アレイの磁束強化側に対して略垂直に配向された磁気モーメントを含むように、磁石が配列される。
【０００７】
[0006]それら実施形態を結合してもよいし、また、他の実施形態も考えられる。
【０００８】
[0007]本発明の特徴及び効果は、以下の説明、特許請求の範囲及び添付図面に関連して良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】規範的モータの簡単な分解斜視図である。
【図２】図１のモータの長手軸線に沿った簡単な断面側面図である。
【図３】永久磁石モータの考えられる実施形態の一部分を示す簡単な破断前面図である。
【図４】永久磁石モータの考えられる別の実施形態の一部分を示す簡単な破断前面図である。
【図５Ａ】磁束集中器をもたない永久磁石モータの磁界Ｂを示す簡単な破断前面図である。
【図５Ｂ】磁束集中器をもつ永久磁石モータの磁界Ｂを示す簡単な破断前面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
[00013]図１は、軸線２２に沿った規範的モータ１０の簡単な分解斜視図である。固定子４０は、ハウジング６０に固定される。内部回転子５０及び外部回転子３０は、互いに固定され、固定子４０を取り巻く。プロペラブレード７０が装着される任意のプロペラハブ７５は、内部回転子５０に固定される。プロペラハブ７５は、ベアリング１６及び１８でスピンドル６５に回転可能に装着される。ベアリング１６及び１８は、リテーナ２０、１４及びカバー１２によって保持される。
【００１１】
[00014]図２は、図１のモータ１０の、長手軸線２２に沿った簡単な断面側面図である。固定子４０は、内部回転子５０及び外部回転子３０の磁石各々３５と５５との間に配置される。プロペラハブ７５は、スピンドル６５に回転可能に装着された内部回転子５０に接合される。スピンドル６５は、カーボンファイバ又は他の適当な材料で製造できる。
【００１２】
[00015]図３は、永久磁石モータの考えられる実施形態の一部分３００を示す簡単な破断前面図である。図３において、巻線３４５をもつ固定子３４０は、内部及び外部回転子３５０及び３３０の内部及び外部磁石アッセンブリ３５５と３３５との間に配置される。
【００１３】
[00016]内部及び外部磁石アッセンブリ３５５及び３３５は、磁石３５５ａ−ｇ及び３３５ａ−ｇを有し、これらの磁石は、永久磁界がこれらの磁石３５５ａ−ｇ及び３３５ａ−ｇ内の矢印で示すように配向されるよう配列される。磁石３５５ａ−ｇの磁気配向３５７ａ−ｇ、又は磁石及び３３５ａ−ｇの磁気配向３３７ａ−ｇは、ハルバッハ(Halbach)アレイの場合と同様である。ハルバッハアレイでは、永久磁石からの磁束がアレイの片側では強化されるが、アレイの反対側では実質的に打ち消されるように、永久磁石が配列される。しかしながら、ハルバッハアレイとは異なり、種々の実施形態では、磁束集中器３３５ｘ−ｚ及び３５５ｘ−ｚが内部及び外部磁石アッセンブリ３５５及び３３５に設けられる。
【００１４】
[00017]これらの磁束集中器３３５ｘ−ｚ及び３５５ｘ−ｚは、巻線３４５のエリアにおける磁束密度Ｂを高める。磁束密度Ｂから生じる力、ひいては、トルクは、式Ｆ＝ＢｘＩｘＬから計算される。但し、Ｉは、線の電流であり、Ｌは、磁界Ｂ内の線の長さである。従って、各リッツ線３４５ａに対する磁界密度Ｂが高くなると、線３４０ａにかかる力Ｆが増加する。同じ長さ及び電流において、同じ線に対する磁束濃度が高くなると、線３４０ａにかかる力が高くなり、効率が改善される。磁束集中器３３５ｘ−ｚ及び３５５ｘ−ｚがないと、フリンジ作用が生じて、線３４５ａの磁束密度を低下させる。
【００１５】
[00018]図５Ａは、磁束集中器がない状態でギャップ５４５ｂのＢ磁界５４２がどのようにフリンジ作用して、導体５４５ｂの磁束密度を下げるかを示す簡単な破断前面図である。しかしながら、図５Ｂに示すように、磁束集中器３３５ｘ及び３５５ｘがある状態では、Ｂ磁界５４８は、線５４５ｂにおいて高い密度を有する。
【００１６】
[00019]図３を参照すると、磁束集中器３３５ｘ−ｚ及び３５５ｘ−ｚは、ギャップ３４９を横切る対向位置において内部及び外部磁石アッセンブリ３５５及び３３５内に配置される。それらは、ギャップ３４９の対向面３３５ｓ及び３５５ｓにおいて、磁界３４６、３４７及び３４８が強化される位置、及び磁界３４６、３４７及び３４８が打ち消される位置に配置される。磁束集中器３３５ｘ−ｚは、ギャップ３４９と各後部磁石３５５ｂ、３５５ｄ及び３５５ｆとの間に配置される。同様に、磁束集中器３５５ｘ−ｚは、ギャップ３４９と各後部磁石３５５ｂ、３５５ｄ及び３５５ｆとの間に配置される。
【００１７】
[00020]磁束集中器３３５ｘ−ｚ及び３５５ｘ−ｚは、鉄又は他の磁性材料で形成される。鉄材料は、磁石からの磁束を収集し集中させる極を形成する。入手容易な永久磁石では、磁界強度が約１テスラに制限される。他方、鉄は、２テスラを支持することができる。ギャップ３４９を横切る磁束を強制するように磁石と共に極を使用することで、ギャップ３４９に、より強い磁界３４６、３４７及び３４８が可能となる。モータトルクは、磁界に比例し、従って、固定のトルクでは、磁界を２倍にすると、Ｉ２Ｒ損が１／４に削減される。
【００１８】
[00021]ここに使用する無鉄心モータとは、巻線に鉄がないことを意味する。磁束集中器は、鉄に限定されず、他の磁性材料及び高磁気モーメント材料で作られてもよい。
【００１９】
[00022]対応する後部磁石３３５ｂ、３３５ｄ及び３３５ｆは、半分の厚みで示されているが、磁束集中器３３５ｘ、３３５ｙ及び３３５ｚは、磁石の使用材料及び強度に基づいて、後部磁石より大きくても小さくてもよい。更に、磁石３３５ａ、３３５ｃ、３３５ｄ及び３３５ｇ間、並びに磁界集中器及び／又は後部磁石３３５ｂ、３３５ｄ、３３５ｆ間の各巾は、異なってもよく、同じである必要はない。
【００２０】
[00023]回転子の巻線の数及び間隔に対する磁石の間隔及び配向／周期性は、ギャップ内の磁界が固定子巻線に加算的電流を発生するように一致させねばならない。
【００２１】
[00024]図４は、永久磁石モータの考えられる別の実施形態の一部分５００を示す簡単な破断前面図である。この実施形態では、外部回転子アレイ５３５における連続する永久磁石の磁気モーメントの配向は、各々、隣接磁石に対して４５°又はπ／４ラジアン回転される。同様に、内部回転子アレイ３５５における連続する永久磁石の磁気モーメントの配向は、各々、隣接磁石に対して４５°回転される。外部磁石５３５は、外部アレイ５３５のギャップ面５３５ｓにおいて、磁石５３５ｄでは−９０°で強化され、磁石５３５ｈでは９０°で打ち消されるように配向され、また、内部磁石５５５は、ギャップ面５５５ｓにおいて、磁石５５５ｈでは９０°で強化され、磁石５５５ｄでは−９０°で打ち消されるように配向される。
【００２２】
[00025]図４に示すように、磁石を４５°の分離で配向し、固定子巻線５４５に対して９０°の配向を含ませることの効果は、６０°、３０°、−３０°、−６０°の配向より高い逆ＥＭＦを与えることである。ある場合に、図４の実施形態は、６０°、３０°、−３０°、−６０°の配向より１０％高い逆ＥＭＦを与えた。
【００２３】
[00026]本発明の実施形態及び例は、図３及び４に示すモータ実施形態に限定されない。ここに述べる磁石アレイは、種々の軸線方向又は半径方向のモータ、他のハルバッハアレイ／シリンダ／球状装置、或いはウィグラー(wiggler)を含む他のものに適用されてもよく、二重回転子モータへの使用に限定されない。ここで使用するアレイとは、シリンダ、球、又はアレイ構造を使用する他のものを包含することが意図される。更に、これら実施形態及び例は、航空機用モータに限定されず、自動車、機械、計器、宇宙、又は他の用途にも使用することができる。
【００２４】
[00027] 「一実施形態」又は「実施形態」とは、その実施形態に関連して説明した特定の特徴、構造又は特性が、必要に応じて、実施形態に含まれてもよいことを意味していることは注目に値する。「一実施形態」という句が明細書の種々の場所に現れるが、必ずしも、全てが同じ実施形態を指しているのではない。
【００２５】
[00028]ここに取り上げた例示は、説明上のものであって、特許請求の範囲を限定するものではない。この開示は、本発明の原理を例示するものと考えるべきであって、本発明の精神及び範囲、及び／又は例示した実施形態の請求項を限定するためのものではない。
【００２６】
[00029]当業者であれば、本発明の特定の用途に対して本発明を変更することができよう。
【００２７】
[00030]ここに含まれた論議は、基礎的な説明として役立つものである。読者は、特定の論議が、考えられる全ての実施形態を明確に述べておらず、また、別の形態が暗示されることに気付くべきである。また、この論議は、本発明の一般的な本質を完全に説明しておらず、そして各特徴及び要素が、実際には、どのような代表的又は同等の要素であるか明確に示していない。また、これらは、この開示に暗示的に包含される。本発明が装置指向の用語で説明されたところでは、装置の各要素が機能を暗示的に遂行する。また、本発明の本質から逸脱せずに種々の変更がなされることも理解されたい。このような変更は、この説明にも暗示的に包含される。これらの変更は、依然、本発明の範囲内に入るものである。
【００２８】
[00031]更に、本発明の種々の要素及び請求項の各々は、種々の仕方で達成することができる。この開示は、そのような変更の各々、装置実施形態の変形、方法実施形態、又は単にそれらの要素の変形も包含することを理解されたい。特に、この開示が本発明の要素に係るときには、各要素の語は、機能又は結果が同じである場合にのみ同等の装置用語で表現されてもよいことを理解されたい。このような同等な用語、より広い用語、又はより一般的な用語は、各要素又はアクションの説明に包含されるとみなすべきである。このような用語は、必要に応じて、本発明が権利を得る暗示的に広い範囲を明確にするために、置き換えることができる。全てのアクションは、そのアクションを取り入れる手段として、又はそのアクションを引き起こす要素として表現されることを理解されたい。同様に、ここに開示する各物理的な要素は、その物理的な要素により促進されるアクションの開示を包含するものと理解すべきである。このような変更及び別の用語は、この説明に明確に包含されるものと理解されたい。
【００２９】
[00032]以上、幾つかの実施形態について本発明を説明したが、当業者であれば、今や、変更が確実に示唆されるであろう。ここに述べた実施形態は、限定を意図したものではなく、種々の構成や特徴の組み合わせが可能である。従って、本発明は、特許請求の範囲で要求されたものを除いて、ここに開示した実施形態に限定されない。
【符号の説明】
【００３０】
１０・・・モータ、１２・・・カバー、１４、２０・・・リテーナ、１６、１８・・・ベアリング、２２・・・軸線、３０・・・外部回転子、３５、５５・・・磁石、４０・・・固定子、５０・・・内部回転子、６０・・・ハウジング、６５・・・スピンドル、７０・・・プロペラブレード、７５・・・プロペラハブ、３００・・・永久磁石モータの一部分、３４０・・・固定子、３４５・・・巻線、３３０・・・外部回転子、３５０・・・内部回転子、３３５・・・外部磁石アッセンブリ、３４５・・・巻線、３４５ａ・・・リッツ線、３５５・・・内部磁石アッセンブリ、３３５ａ−ｇ、３５５ａ−ｇ・・・磁石、３３５ｘ−ｚ、３５５ｘ−ｚ・・・磁束集中器、５００・・・永久磁石モータの一部分
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
2012503972.tif 000008
【国際調査報告】
2012503972.tif 000009