(57)【要約】  固定子は、地鉄及び複数の支柱を有する。地鉄及び複数の支柱は、モノリシック軟磁性材料から集合的に少なくとも部分的に形成される。複数の支柱は、モノリシック軟磁性材料から形成されている複数の支柱の少なくとも一部分よりも大きい断面輪郭を画定する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子であって、
地鉄と、
複数の支柱と、を備え、
前記地鉄及び複数の支柱が、前記複数の支柱及び前記地鉄の各々を通る連続的な流束経路を画定するモノリシック軟磁性材料から集合的に少なくとも部分的に形成されており、
前記複数の支柱が、前記モノリシック軟磁性材料から形成されている前記複数の支柱の少なくとも一部分よりも大きい断面輪郭を画定している、固定子。
【請求項２】
前記モノリシック軟磁性の前記複数の支柱から形成されている前記複数の支柱の前記一部分が、波形構造を形成している、請求項１に記載の固定子。
【請求項３】
前記地鉄が、波形である、請求項１又は２に記載の固定子。
【請求項４】
前記地鉄が、１つ以上のチャネルを更に含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の固定子。
【請求項５】
前記１つ以上のチャネルが、前記固定子の前記流束経路に沿って延在している、請求項４に記載の固定子。
【請求項６】
前記１つ以上のチャネルが、誘電材料で充填されている、請求項４又は５に記載の固定子。
【請求項７】
前記複数の支柱の各々が、１つ以上のチャネルを更に含む、請求項１に記載の固定子。
【請求項８】
前記１つ以上のチャネルの各々が、前記複数の支柱の各々の前記流束経路に平行に延在している、請求項７に記載の固定子。
【請求項９】
前記１つ以上のチャネルが、誘電材料で充填されている、請求項７又は８に記載の固定子。
【請求項１０】
前記複数の支柱が、セラミック材料でコーティングされている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の固定子。
【請求項１１】
前記軟磁性材料が、以下の材料：第１鉄、鋼、ニッケル、コバルト、及びアモルファス金属のうちの１つ以上から形成されている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の固定子。
【請求項１２】
前記軟磁性材料が、シリコン付加剤を更に含む、請求項１１に記載の固定子。
【請求項１３】
前記誘電材料が、アルミニウム又はセラミックを含む、請求項６又は９に記載の固定子。
【請求項１４】
前記モノリシック軟磁性材料が、前記複数の支柱と地鉄との間を接続する１つ以上の架橋部材を更に含む、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の固定子。
【請求項１５】
固定子を製造する方法であって、
付加製造を使用して、モノリシック軟磁性材料から地鉄及び複数の支柱を形成することと、
前記モノリシック軟磁性材料を成形型内に配置することと、
前記成形型に充填することによって、前記モノリシック軟磁性材料に誘電材料を付加することと、を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
電気機械用固定子。
【背景技術】
【０００２】
典型的な電気モータ固定子は、薄い鋼合金の積層シートから作製される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この積層構造は、渦電流を低減する利点を有するが、永久磁石によって作り出されるものなどのモータ力に耐えるために必要な強度及び剛性を達成することに関して、薄いセクションを有する高極計数モータが問題となる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一実施形態では、地鉄（backiron）と、複数の支柱と、を備える、固定子が開示される。地鉄及び複数の支柱は、複数の支柱及び地鉄の各々を通る連続的な流束経路を画定するモノリシック軟磁性材料から集合的に少なくとも部分的に形成される。複数の支柱は、モノリシック軟磁性材料から形成されている複数の支柱の少なくとも一部分よりも大きい断面輪郭を画定する。
【０００５】
一実施形態では、固定子を製造する方法が開示される。地鉄及び複数の支柱は、付加製造を使用して、モノリシック軟磁性材料から形成される。モノリシック軟磁性材料は、成形型内に配置される。誘電材料は、成形型に充填することによって、モノリシック軟磁性材料に付加される。
【０００６】
ここで、同様の参照文字が同様の要素を示す図面を参照して、回転式アクチュエータの実施形態を、例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】固定子支柱内の渦電流の表現を示すリニア固定子の等角上面図である。
【図２】固定子地鉄内の渦電流の表現を示す、図１のリニア固定子の等角端面図である。
【図３】固定子内の流束経路の表現を示す、図１のリニア固定子の等角側面図である。
【図４】冷却フィンを有する図１のリニア固定子の等角側面図である。
【図５】各支柱及び地鉄の間に開放チャネルを有するリニア固定子の等角側面図である。
【図６】図５のリニア固定子の断面図である。
【図７】波形支柱を有するリニア固定子の等角図である。
【図８】支柱及び地鉄内にチャネルを有するリニア固定子の等角図である。
【図９】内部チャネルを有する支柱及び地鉄を有するリニア固定子の等角図である。
【図１０】固定子と一体化された誘電材料を有するリニア固定子の単一支柱の等角図である。
【図１１】図１０のリニア固定子の等角図である。
【図１２Ａ】図１１の平面Ａ−Ａに沿った断面図である。
【図１２Ｂ】図１１の平面Ｂ−Ｂに沿った断面図である。
【図１２Ｃ】図１１の平面Ｃ−Ｃに沿った断面図である。
【図１２Ｄ】図１１の平面Ｄ−Ｄに沿った断面図である。
【図１３】図１０の固定子の単一支柱の等角図である。
【図１４】支柱上の空隙に隣接する中央コネクタを有する、図１０の固定子の単一支柱の等角図である。
【図１５】図１０の固定子の単一支柱の等角図である。
【図１６】図１０の固定子の単一支柱の等角図である。
【図１７】セラミックコーティングが適用された、図１６の固定子の単一支柱の等角図である。
【図１８】成形型内に配置された図１７の固定子の単一支柱の等角図である。
【図１９】誘電材料が成形型内に配置された、図１８の固定子の単一支柱の等角図である。
【図２０】成形型が取り外されている、図１９の固定子の単一支柱の等角図である。
【図２１】成形型が取り外された後の、図２０の固定子の単一支柱の等角図である。
【図２２】回転子を有する軸方向固定子の等角図である。
【図２３】波形支柱内に一体化された誘電材料を有する軸方向固定子の等角図である。
【図２４】波形支柱内に一体化された誘電材料を有する放射状固定子の等角図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
放射状、軸方向、又はリニア設計のものを含む、固定子の様々な実施形態が本明細書に開示される。様々な種類のコイル又は巻線を固定子と共に使用して、固定子内に流束経路を形成してもよい。
【０００９】
本特許文書では、「境界」という用語は、隣接支柱の先端に対する空隙における支柱の先端の間の流束経路に垂直な平面上の（支柱又は地鉄の周りのコードを巻くことと類似の）支柱又は地鉄セクションにおける軟磁性材料を包囲する最短の線を説明するために使用される。換言すれば、境界は、固定子支柱の最短の外周、又は一体材料で作製された固定子地鉄の断面積を意味する。「外周」という用語は、同じ平面上の軟磁性材料の外側表面の実際の長さを指す。
【００１０】
本特許文書では、「波形」支柱又は地鉄は、その外周よりも短い境界を有する支柱又は地鉄を意味する。
【００１１】
様々な実施形態において、固定子の支柱の周囲に巻かれた巻線を通って流れる電流によって生成される磁場の変化によって生成される渦電流を最小化する目的で、断面流束経路面積を最小化する固定子が開示される。固定子は、その構造の内側に間隙を有し得る支柱を有する一体材料によって作製され、これは、それらの端部又は中間部に接続され得るどこか又はそれらの長さに沿ったどこかであり得る、波形形状又は間に間隙がある平行プレートを有することによって渦電流が低減することに関連して、積層構造と機能的類似性を有する断続的又は非連続的な外周経路を提供する。この非連続的な外周経路構造は、支柱内、地鉄内、又はその固定子の支柱及び地鉄の両方に存在してもよい。固定子は、鋳造、焼結、溶融、又は付加製造によって、軟磁性一体材料から作製されてもよい。
【００１２】
固定子は、構造強度を増加させ、熱伝導率を増加させる目的で、プレートの形状、積層、ロッド、又は波形形状で、アルミニウム又は任意の他の低密度及び熱伝導性材料で充填された間隙を有してもよい。アルミニウム材料は、付加製造によって、鋳造、焼結、溶融、又は堆積されてもよい。
【００１３】
渦電流は、その固定子支柱又は地鉄断面積内の間隙を通って外周長を増加させることによって低減される。
【００１４】
軟磁性材料は、鉄若しくは鋼又はコバルト合金若しくはニッケル合金などであるが、これらに限定されない、一時的に磁化され得る材料を指す。
【００１５】
低磁気抵抗は、好ましくは非断続的な軟磁性材料で構成される、１つの支柱先端から隣接支柱先端までの流束経路を指す。
【００１６】
本特許文書で説明される様々な固定子は、流束経路に垂直である平面上の境界長よりも少なくとも１０％、２０％、３０％、４０％、５０％長い外周を有するモノリシック軟磁性材料で作製されてもよい。
【００１７】
本特許文書で説明される様々な固定子は、以下の特徴のうちの１つ以上を有してもよい。波形支柱及び地鉄の構造は、流束経路の様々な割合について境界線の周囲に渦電流接続を生じない構造を形成することができる。例えば、ある支柱の先端から隣接支柱の先端までの流束経路の１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、又は９０％（又はこれらの値の間）について、境界線の周囲に渦電流接続が存在しなくてもよい。
【００１８】
波形固定子構造は、放射状流束（図２４）、軸方向流束（図２２及び図２３）、横方向流束、及びリニアモータ（図５〜図２１）又は他の種類の電磁機械を含む、モータ構成の範囲に適用することができる。
【００１９】
図１及び図２は、一体固定子１００内に形成することができる渦電流１０６を示す。渦電流は、複数の支柱１０４（図１）又は地鉄１０２（図２）内に形成されてもよい。渦電流は、固定子を通過して移動する回転子磁石に起因して固定子内に形成され得るが、内部コイルのスイッチングからも形成され得る。渦電流は、電気モータの効率を低減し得るか、又はさもなければモータの適切な機能を妨害し得る。
【００２０】
図１は、固定子が整流されたとき（これらの図にはコイルが示されていない）など、コイルによって発生した磁場が変化するときに、一体固定子１００の支柱１０４内に発生した渦電流１０６を示す。
【００２１】
図２は、コイルによって発生した磁場が変化するときに、一体固定子１００の地鉄１０２内に発生した渦電流を示す。
【００２２】
図３は、コイル（図示せず）によって引き起こされ得る支柱１０４の各々の流束経路を示す。図３は、支柱１０４及び地鉄１０２内の他の領域におけるものよりも渦電流発生が少なくなる、支柱と下部磁束の「デッドゾーン」との間の流線を有する一体固定子１００セクションの側面図を示す。したがって、このデッドゾーンは、支柱の方向に沿った固定子の構造的剛性及び強度を増加させるために、支柱の長さに沿って一体であり得る。これは、空隙が永久磁石によって固定子と回転子との間に生成される引力に対して維持されなければならない軸方向流束モータなどの用途において有用である。
【００２３】
図４は、冷却フィン１１０を有する固定子１００を示す。
【００２４】
図５及び図６は、上側片２０２及び下側片２１２を有し、かつそれらの間に開放チャネルを形成する波形地鉄２０２と、内側片２０４及び外側片２１４を有し、それらの間に開放チャネルを各々形成する複数の波形支柱と、を有する、固定子２００を示す。地鉄２０２及び複数の支柱は、モノリシック軟磁性材料から集合的に少なくとも部分的に形成される。複数の支柱は、モノリシック軟磁性材料から形成された複数の支柱の少なくとも一部分よりも大きい断面輪郭を画定する。地鉄２０２、及び支柱２０４、２１４内のモノリシック軟磁性材料は、複数の支柱及び地鉄の各々を通る連続的な流束経路を画定する。
【００２５】
図５及び図６に示されるように、上側片２０２と下側片２１２との間のチャネル及び内側片２０４と外側片２１４との間のチャネルは、軟磁性材料内に１つ以上の止まり細穴を形成し、その止まり細穴は、流束経路と整列し、渦電流経路に対して垂直である。
【００２６】
図７〜図２１は、モノリシック軟磁性材料の形状の異なる変形と、支柱及び地鉄内のチャネルの異なる形状及びサイズとを有する、波形リニア固定子の異なる構成を示す。図７〜図２１の実施形態の利益は、図５及び６に説明されたものと同様であり、以下の説明は、様々な実施形態の構造が異なる所に焦点を当てている。
【００２７】
図７は、波形地鉄３０２並びに第１の波形支柱３０４及び第２の波形支柱３１４の異なる構造を有する波形固定子３００を示す。支柱３０４及び３１４は、支柱の両側に交互配列で形成されるチャネルを画定するジグザグ形状を形成する。チャネルは、固定子内の流束経路と平行であり、空隙に隣接する支柱の端部まで地鉄から延在する。
【００２８】
図８は、中央コネクタ４１０と、複数の相互接続されたシート４０４から形成された支柱と、複数の相互接続されたシート４０２から形成された地鉄とを有する、波形固定子４００の単一支柱を示す。チャネルは、複数の相互接続されたシート４０２及び４０４の間に形成される。
【００２９】
本特許文書に開示される様々な実施形態では、支柱及び地鉄は、鉄鋼と、チタンなどの低導電性金属との組み合わせから形成されてもよい。チタンなどの材料は、強度のために選択され得る。鉄系材料は、その磁気特性のために選択され得る。
【００３０】
図９は、固定子の流束経路に平行な内部チャネルを有する複数の支柱５０４を有する波形固定子５００を示す。地鉄５０２は、地鉄５０２の内側端部及び外側端部に止まり穴を備える交互パターンを有する。
【００３１】
図１０〜図２１は、波形固定子６００の単一支柱６０４を示す。支柱６０４は、固定子の流束経路に対して平行な、かつ地鉄から空隙まで支柱に沿って延在する、チャネルの交互パターンを画定する。支柱内のチャネルは、誘電材料６１４で充填される。図１２Ａ〜図１２Ｄに示されるように、多数の別個のチャネルが存在する。地鉄は、各シート６０２の長さに沿って延在するチャネルを有する複数の平行シート６０２から形成される。地鉄内のチャネルは、誘電材料６１２で充填される。図１２Ｃに示すように、地鉄の中央片６４０は、シート６０２の間に延在して、流束経路がシート６０２の各々の間に延在することを可能にする。例えば、図１３及び図１４に示されるように、地鉄の一部を共に形成するシート６０２は、空隙から離れる方向に地鉄の下方に延在して、冷却フィンを形成してもよい。
【００３２】
図１４に示されるようないくつかの実施形態では、支柱が、空隙に渦電流経路を作り出す一体支柱キャップ６１６の中央部分を空隙において含んでもよい。強度の増加の利益は、一部の用途の欠点に値し得るので、空隙におけるこのような渦電流の発生は、許容され得る。
【００３３】
一体支柱キャップ６１６（図１４）又は上側片２０２及び下側片２１２（図４）などの架橋部材は、それらが、流束経路に垂直な平面上の支柱又は地鉄セクションの境界／境界線を完全に接続しない領域に位置する。架橋部材は、図３及び図４に示されるように、支柱の基部において、地鉄内の流束経路に垂直な平面上の境界形状の全て又は一部を接続してもよい。これにより、図３に示されるように、流束密度が比較的低い、（例えば、軸方向モータにおける放射状方向において）構造強度及び剛性を増加させる利点がある。架橋部材はまた、又はその代わりに、図１４に示されるように空隙において低磁気抵抗流束経路を生成するために、小さいパーセンテージの渦電流が許容される空隙においてのみ出現してもよい。
【００３４】
断続的な渦電流経路の生成は、製造プロセスの一部として鋳造された又は溶融された又は形成された又はさもなければ共に形成された材料の薄いセクションによって生成されてもよく、それによって、薄いセクションは、図５〜図１４に開示されるものと同じモノリシック材料の架橋セクションによって共に接合される。
【００３５】
説明される様々な実施形態における細穴、間隙、又はチャネルは、より高い熱伝導率を有するアルミニウムなどの材料で充填されてもよい。より高い熱伝導率材料は、支柱細穴から地鉄の裏面まで非断続的であってもよい。より高い熱伝導率材料は、冷却フィンを生成するために、地鉄の裏面を越えて突出してもよい。
【００３６】
本明細書に説明される実施形態は、付加製造方法によって生産されてもよい。本明細書に開示される様々な実施形態は、レーザ焼結又は他の３Ｄ印刷プロセスなどであるが、これらに限定されない、金属部品の付加製造などであるが、限定されない、製造プロセスを用いて可能である、細かな詳細を利用する。構造は、支柱又は支柱間の地鉄の境界の周りに連続的な電気接続が形成されるのを低減又は防止するような手法で、その容積の大部分が細穴付きである、支柱から支柱までの流束経路を組み合わせる。
【００３７】
一体（統合型、モノリシック）軟磁性材料で作製された電磁固定子の本構造は、流束経路境界線を遮断する細穴間の材料の薄いセクションに起因して渦電流が低減された支柱から支柱への低磁気抵抗流束経路を提供することができ、一方で、同時に、（例えば、軸方向流束モータにおける空隙を維持するために軸方向において）適切な機械的強度及び剛性を提供する。
【００３８】
図１５〜図２１は、本特許文書に説明されるような様々な波形固定子を構築する方法を示す。図１５及び図１６に示されるように、固定子６００は、波形鋼地鉄６０２及び鋼支柱６０４を三次元的に印刷することによって形成することができる。図１７に示されるように、固定子６００は、セラミック６２０でコーティングされてもよい。図１８に示されるように、次に、固定子６００は、例えば、２つの半体６２２、６２４を有する、成形型内に配置されてもよく、図１９に示されるように成形型内のアルミニウムインサート６１２、６１４で充填されてもよい。
【００３９】
図２２は、筐体７３６が電気モータ内に配置されている軸方向機械用の固定子７００の一例を示す。固定子７００は、内側及び外側軸受７３２によって回転子７３４に接続されている。回転子は、永久磁石７４０を含む。支柱７０４を取り囲む導体７３０が示されている。アルミニウムインサート７１２及び７１４は、固定子内に成形される。アルミニウムインサート７１２の下端は、地鉄の下方に延びて冷却フィンを形成する。支柱及び地鉄は、モノリシック軟磁性固定子材料によって少なくとも部分的に形成されてもよい。
【００４０】
図２３は、軸方向機械用の固定子８００の実施形態を示す。複数の支柱８０４及び地鉄８０２は、図５〜図２１に説明されるリニア固定子と同様に、充填誘電材料８１２及び８１４と共に形成される。
【００４１】
図２４は、放射状機械用の固定子９００の実施形態の一実施形態を示す。複数の支柱９０４及び地鉄９０２は、図５〜図２１に説明されるリニア固定子と同様に、充填誘電材料９１２及び９１４と共に形成される。
【００４２】
本特許文書に説明されるように、第１鉄又は鋼及び／又はニッケル及び／又はコバルト及び／又はアモルファス金属を含む、任意の軟磁性材料を使用することができる。
【００４３】
軟磁性材料にシリコンなどの追加の要素を付加して、導電性を低減するように使用することもできる。
【００４４】
いくつかの実施形態では、軟磁性材料の薄いセクション間の間隙は、間隙の両側の軟磁性材料よりも薄い。地鉄又は支柱内に形成された間隙、細穴又はチャネルは、図１０〜図１４に示されるような高誘電材料で充填されてもよい。高誘電材料は、セラミックであってもよい。
【００４５】
追加的に又は代替的に、鋼部品上に、セラミックコーティング、例えば、図１７のセラミック６２０を使用して、アルミニウムが成形型内の間隙に注入されるときに、アルミニウム又は他のより高い熱伝導率材料との電気接続を防止してもよい。
【００４６】
先の説明は本発明の好ましい実施形態に関して行われてきたが、多くの変形及び改変が可能であることは、当業者によって理解されるであろう。これらの変形のいくつかは上で考察してきたものであり、他の変形は当業者にとって明らかであろう。
【００４７】
特許請求の範囲では、「含む（comprising）」という用語は、その包含的意味で使用されており、他の要素が存在する可能性を排除するものではない。請求項の特徴の前にある不定冠詞「１つ（a/an）」は、１つのみの要素が意図されていることが文脈から明らかでない限り、２つ以上のこの特徴が存在することを排除するものではない。
【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１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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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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【国際調査報告】
2020512805.tif 000030
2020512805.tif 000031
2020512805.tif 000032