(57)【要約】  電気機器は、軸受板を含むステータと、電流を伝える巻線と、ロータとから成る。ステータは、複合材に埋め込まれた、電流を伝える巻線を備え、完全角度の一部を構成する角度スパンのリングセグメントを形成する巻線セグメント（２０）を形成し、この複数のセグメントの合計は、完全な角度、即ち、例えば、１８０°、１２０°、９０°などを与え、セグメント（２０）は、ロータの外部ディスク（８）および内部ディスク（９）の間に挿入され、１ＧＰａを超える強度の繊維で補強された非磁性体複合材（１６）、（１８）から作成され、磁極（１５）は、少なくとも一つの永久磁石から成る内部ディスク（９）の軸方向に向かって埋め込まれ、磁化されている。磁極は、非磁性体複合材（１６）、（１８）から作成され、内部ディスク（８）および外部ディスク（９）から作成された空間で互いに分離され、外部ディスク（８）および内部ディスク（９）の各々は、周囲に外部補強リング（１３，１７）を有し、この外部補強リング（１３，１７）は、１ＧＰａを超える強度の繊維で補強された非磁性体複合材から作成され、ディスクの円筒表面に樹脂と共に繊維を巻回することによって形成される。ロータの（最初および最後の）外部ディスク（８）は、強磁性材料で作成された磁気回路（１４）を閉じるリングを有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受板付きステータと、電流を伝える巻線と、ロータとから成る電気機器において、
前記ステータは、複合材に埋め込まれ、巻線セグメント（２０）に成形された電流を伝える巻線を備え、角度範囲が全角囲内にある一区画のリングを形成し、この複数の区画の合計は、全角、即ち、例えば、１８０°、１２０°、９０°などを与え、前記セグメント（２０）は、前記ロータの外部ディスク（８）および内部ディスク（９）の間で挿入され、非磁性体複合材（１６）、（１８）で作成され、１ＧＰａを超える強度の繊維で補強され、磁極（１５）は、前記内部ディスク（９）の前記軸方向に埋め込まれて磁化され、少なくとも一つの永久磁石から成り、前記磁極は、前記内部ディスク（９）及び外部ディスク（８）構造体の非磁性体複合材（１６）、（１８）から作成された空間で互いに分離され、外部ディスク（８）および内部ディスク（９）の各々は、周囲に、外部補強リング（１３）、（１７）を有し、それぞれは、ディスクの前記円筒表面に樹脂と共に繊維を巻回することによって形成された、１ＧＰａを超える強度の繊維で補強された非磁性体複合材から作成され、前記ロータの（前記最初および最後の）前記外部ディスク（８）は、強磁性材で作成された磁気回路（１４）を閉じるリングを有する、機器。
【請求項２】
前記電動機シャフト回転角の前記測定センサは、コーディングディスク（１２）と、感光要素または磁極センサ（１０）とから成り、前記コーディングディスク（１２）は、前記機器の前記シャフトに不変的に固定され、前記感光要素または磁極センサ（１０）は、前記電動機の前記ステータに不変的に取り付けられた前記センサコーディングディスク（１２）と協働する、請求項１に記載の機器。
【請求項３】
前記電動機シャフト回転角測定センサは、前記シャフトの単一ディスク（８）又は（９）上の前記磁極（１５）の数より高い解像度を有する、請求項２に記載の機器。
【請求項４】
１ＧＰａを超える引張強度の繊維で補強された前記非磁性複合材は、エポキシ樹脂に基づく、請求項１に記載の機器。
【請求項５】
前記ロータの前記ディスク（８）又は（９）は、前記磁極（１５）を備えた領域と前記ロータの前記シャフト（７）との間に、前記ディスクの前記表面に対して垂直に作成された穴（２５）と、前記穴（２５）の上方から前記巻線（２６）に冷却空気を案内する空間または穴とを含む、請求項１に記載の機器。
【請求項６】
前記巻線（２０）の前記セグメントは、前記巻線セグメント（６）のパケットに接続され、前記ロータの多数の前記ディスク（８）又は（９）の間の空間を満たす、請求項１に記載の機器。
【請求項７】
前記巻線は、撚り線導体で作成される、請求項１に記載の機器。
【請求項８】
前記磁極（１５）の径方向の寸法が、前記ディスクの平面における径方向に対して垂直な方向の寸法を超える、請求項１に記載の機器。
【請求項９】
永久磁石が、前記ディスク（８）又は（９）の磁極（１５）を形成する為に使用され、ネオジムを含む、請求項１に記載の機器。
【請求項１０】
前記磁極（１５）は、前記ディスク（８）又は（９）の平面において、長方形形状を有する、請求項１に記載の機器。
【請求項１１】
前記磁極（１５）は、前記ディスク（８）又は（９）の平面において、二等辺台形の形状を有し、前記台形の短い底辺が前記ディスクの軸に向けられる、請求項１に記載の機器。
【請求項１２】
前記磁極（１５）は、前記ディスク（８）又は（９）の平面において、リングセグメントの形状を有する、請求項１に記載の機器。
【請求項１３】
空気圧ホース用の２つのコネクタ（３０）及び（３１）が後部軸受板に配置され、前記２つのコネクタ（３０）及び（３１）を通って、前記機器の内部部品を冷却する空気が供給され、抽出される、請求項１に記載の機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギを回転機械エネルギに変換する電動機モード、または、回転機械エネルギを電気エネルギに変換する発電機モードのいずれかで動作可能な電気機器である。
【０００２】
最初の電気電動機の創設以来、構築者は、以前の解決策の欠陥を除去または削減するために設計された、これまでにない構造を創設しようとしている。我々は、多くの電動機の特徴、即ち、通常、５０％〜９５％の各駆動装置に定義できるエンジン性能のような全ての駆動装置に類似した一般的な特徴と、出力、１分当たりの解像度、重量または生産コストのような場合によっては数桁異なる特別な特徴とを識別することができる。最近では、全ての活動を支援するために電気を使用するだけでなく、それが使用される方法が益々重要になっており、即ち、ブラシではなく掃除機で床を掃除することを当然ながら好み、しばらくの間、掃除機に低出力で高い吸引能力の高効率電動機を装備することが重要になった。これは、主として、かっては取るに足らない、時には無視できると考えられていない駆動パラメータを高く評価したからである。これらの特徴には、例えば、エネルギ効率、仕事文化（例えば、低ノイズ動作、電磁干渉の低減など）及びリサイクル性を含む。この特許の対象は、電気エネルギを機械エネルギに変換する際に非常に高い性能を示す電気電動機である。この電動機は、発電機としても動作し得る。非常に高い効率を備えた電気駆動装置には、非常に多くの非常に有利な特徴があるが、これらは、現在、観察できるようになり始めているが、あまり明確ではない。
【０００３】
Ａ：エネルギ効率
【０００４】
９９％の高い効率は、１％の非常に小さいエネルギ損失を意味する。１０００Ｗの機械的動力の電動機は、現在の１１００Ｗまたは１３００Ｗではなく、１０１０Ｗ−１０１５Ｗの電力を消費する。このような電動機を大量に使用すると、電力を大幅で節約できる。
【０００５】
Ｂ：経済的節約
【０００６】
電動機の駆動装置を工業的に使用する場合、エネルギ効率は、デバイスに供給されるエネルギの僅かな損失から所有者に大きな経済的節約をもたらす。
【０００７】
Ｃ：コンパクトサイズ
【０００８】
電動機の駆動装置内部の小さなエネルギ損失は熱放射が少ないことを意味し、その結果、電動機の駆動装置は内部の熱放射の為に過熱しないため、現在の遙かに大きなデバイスに匹敵する電力の比較的小さな駆動装置を構築することができる。
【０００９】
Ｄ：ハイダイナミクス
【００１０】
高出力でコンパクトサイズの駆動装置は、大きさが小さいと慣性モーメントが小さくなり、比較的高い出力で高いトルクを発生させるため、並外れた高いダイナミクスを特徴とする。これは、例えば、ロボット工学のような応用で大いに好ましい大きな加速度を達成することができることを意味する。
【００１１】
Ｅ：低価格
【００１２】
市場に存在する解決策と比較して、コンパクトで軽量の電動機は、必要な原料が少なく、生産において問題が少ない。重量が８０ｋｇではなく１２ｋｇの電動機を使用すると、組立作業が簡単になる。これは、全て、駆動装置の生産のコスト削減につながる。現在、さまざまな電気電動機が使用されているが、電動機の主な選択基準は、作業形式と性質である。空調ファンには別の駆動装置が使用され、別の駆動装置がロボットアームの位置を操縦する為に使用される。結局、駆動装置の選択の最終的選択基準は、常に経済性、つまり、駆動装置の購入、設置、運用コストである。全ての種類の電気駆動装置と大半の応用において、性能が向上し、より頻繁に利用される、より多くの設計に気付くことができる。この傾向は、損失無く電気駆動装置を動作させることが判明するまで続く。
【００１３】
現状の技術的進歩において、以下の電動機の駆動装置のエネルギ損失の原因を観察できる。
【００１４】
Ａ．電動機コイル巻線の熱放出形式の損失
【００１５】
これらの損失は、抵抗がゼロでない導体内の電気の流れから生じる。コイル巻線の抵抗によって発生する電力損失は、電流の二乗と巻線抵抗の積と数値的に等しい。Ｐstrat＝Ｒ＊Ｉ2（Pstrat[W], R[Ω], I[A]）巻線の電流密度を減らし、巻線抵抗を減らすことにより、これらの損失を大幅に減らすことができる。電流密度が低下すると、電動機によって発生するトルクが減少するので、有用な電動機出力を得るには、電動機の機械的出力が回転速度に駆動トルクの値を掛けた値に等しいことから、電動機の回転速度を上げる必要がある。Ｐmecha＝ＣＯ＊Ｍnap（Ｐmecha[W], ＣＯ[Rad/s], Ｍnap[NiTi]）巻線抵抗を減らすには、巻線の材料を変更すればよい。これは、銀の抵抗は遙かに高価な銅よりも僅かに低いため、完全に不経済である。あるいは、巻線の断面積を大きく（太く）して、巻線の長さを短くする。電動機の回転速度を上げるには、巻線に印加される電圧を上げればよい。古典的に設計された電動機では、このような変更により、突入電流と電動機速度が大幅に増加する。巻線を流通する電流値は巻線抵抗と、それに印加される電圧の要因であるため、起動時に、このような電動機は、巻線の焼損により損傷する可能性がある。電動機を始動すると、電動機の速度が上がるので、巻線のインダクタンスと、コイルに発生する交番磁界の結果として、巻線に逆電圧が発生するため、巻線の電流が減少する。外部電子システムを使用して電流を制御すると、電動機の巻線抵抗を減らすことによる悪影響を減らすことができる。これらの解決策は、電動機の安全値を超えないように、サーボドライブコントローラが巻線を循環する電気を恒久的に試験するサーボドライブに適用される。これらの駆動装置は、非常に効率的でコンパクトであり、比較的に高い出力と高いダイナミクスを備えていることが分かる。これは、主に、ＭＯＳＦＥＴトランジスタの開発、導通時の抵抗の低減、高効率の駆動電源システムの作成を可能にするシフト時間の短縮による。
【００１６】
Ｂ．コイル磁気回路のコアにおける損失
【００１７】
大部分の電動機において、巻線はシリコンシートまたは他の材料のバッチで構成される電動機の磁気回路のコアまたはコアと協働する。これは、２つの主要な役割を果たす。（１）それは、巻線の位置を機械的に決定し、適切な方法で磁界の流れを誘導する。残念ながら、巻線によって発生される可変磁界はコアを絶えず再磁化するため、電力損失が生じる。磁区の継続的再配置により、コア温度が上昇する。この形式の電力損失は、磁気コアを排除することで排除することができる。このような電動機は、長年にわたって知られており、コアレスまたはアイアンレスＤＣモータと呼ばれている。それらは、MaxonMotor (line: Maxon RE motors)、Faulhaberまたは Portescap (Brush DC Coreless Motor 28DT12)によって生産される。この形式の駆動装置は、古典的電動機だけでなく、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）にも適用されるが、ハードディスクドライブのアームもコアレスドライブを有する。エポキシ樹脂に埋め込まれた巻線コイルで構築されたフレームは、一対のネオジム磁石によって発生される磁界内を移動する。今日、これは、そのようなデバイスの生産者間で広まっている解決策である。この設計は、高いダイナミクスと効率の両方を特徴とする。
【００１８】
コアレス（アイアンレス）ＤＣ駆動装置の他の例は、スピーカの振動板の駆動装置である。リング磁石によって発生される磁界内には、移動するスピーカの振動板に接着された非常に軽量のコイルがある。前に示したように、駆動装置の非常に高いダイナミクスを観察することができる。
【００１９】
Ｃ．機械的整流子における損失
【００２０】
いわゆるスイッチベースの機械的整流子整流は、主にグラファイト及び銅で作成されたブラシを使用して、機器のロータに置かれた整流子の、これらの要素に電流を供給することに基づいているが、これらにロータ巻線の個々のコイルが接続されている。ブラシと整流子との接続部における抵抗により、電気エネルギの損失と、電気回路の機械的係合と係合解除に起因するスパークとが観察できる。別の電動機設計を適用することによって、即ち、電動機ロータに、磁石とステータの巻線とを配置して、電子整流子を使用して巻線コイルの電流を変更することによって、これらの損失を排除することができる。この形式のスイッチングは、非接触式スイッチングと呼ばれ、電動機内部から問題のある要素を排除することで、駆動装置全体の信頼性が向上する。
【００２１】
Ｄ．磁気励起回路を電気的に発生させる必要性から生じる損失
【００２２】
一部の電動機（例えば、単相ユニバーサルＡＣモータ）設計は、巻線コイルと適合し、これらのコイルは、励起磁束を発生させ、励起磁束は、電動機ロータ上のコイルによって発生した磁界と反応する。今日、この解決策は広く家庭用機器（フードプロセッサ、真空掃除機など）に広く適合されている。電動機に電力を供給する交流は、ブラシおよび整流子によってロータに供給される。これにより、ステータにも交番磁界を発生させる。そのため、永久磁石は、ステータ内の磁界励起源として使用されず、代わりに、電動機ロータと同じ供給源から供給される電磁巻線コイルに使用される。これは、広範囲の解決策であるが、この形式の電動機は非効率的である。この問題は、電動機設計を変更すること、励起磁束を発生させる為の永久磁石（例えば、ネオジム磁石）および電子整流子の使用によって排除することができる。この概念により、電動機巻線で発生する損失は、励磁界と相互作用する巻線でのみ生じ、永久磁石によって作成される励磁界の発生では損失が生じない。
【００２３】
米国特許第61 63097号の説明は、上記解決策の大半を含む設計を開示している。しかしながら、以下の問題に注意が必要である。
【００２４】
Ａ．この特許の開示において、ディスクには、交互に多極着磁されたモノリシックリング磁石形式の永久磁石が含まれており、これにより、技術的問題が生じ、選択性が低下、あるいは、後続のロータディスクの個々の磁極間の磁界分布を乱す。
【００２５】
Ｂ．この開示において、ディスクには、交互に多極着磁されたモノリシックリング磁石としての永久磁石が含まれており、これが、回転運動中の破損に対するディスクの耐久性を低下させる。発明者（author）は、ロータの最大速度を高める為に貢献する、例えば、ガラス繊維で作成された外部リングを適用することによって、ディスクの構造的な強化を提供しない。
【００２６】
Ｃ．この開示は、銅シート、ロッド、または非常に低い抵抗のプロファイルで作成されたリングシステム形式の巻線パッケージを呈する。このシステムは、デバイスの設置中に非常に不便である。ロータディスクとステータ巻線リングとを順番に設置する必要がある。さらに、ステータ巻線の非常に低い抵抗およびロータディスク上の多くの磁極は、巻線電源の高頻度の変更を必要とする。発明者によって適用された巻線で起こる表皮効果は、システムの効率を低下させ、電力低下につながる。この形式のデバイスでは、いわゆる撚り銅線のマルチコア導体で作成された巻線を適用できる。０．４ｍｍ未満の非常に小さい直径の多くのコア（例えば、２００）で、巻線の横断面全体で電流を均一に流す表示効果を排除する。
【００２７】
米国特許第5619087号の説明は、上記解決策の大半を含む設計を開示している。しかしながら、以下の問題に注意が必要である。
【００２８】
Ａ．この開示において、ディスクには永久磁石の交互の磁極が含まれており、各磁極は非接触の比較的小さな大きさの多くの磁石で構成されており、設計による磁石は異なる磁界の誘導を有する。これは、動作中の振動を減らし、回転速度を上げたときの耐久性を向上させる為である。これにより、磁極の活性横断面が減少する。この形式の電動機は、その有用性を制限する制限された駆動トルクを発生させることができる。
【００２９】
Ｂ．この開示において、ディスクには永久磁石で作成された磁極が交互に含まれ、磁極力線は、電動機の前部プレート（ベアリング）に固定された磁気的に柔らかい金属シートで作成された静的リング内にロックされる。これは、磁気回路を閉じるリング材料の継続的な過磁化がシステム全体の効率を低下させるため、好ましくない。
【発明の概要】
【００３０】
本書で請求された発明は、動作中のエネルギ損失が最小になるように電気機器を設計するためである。
【００３１】
この電気機器は、電流を伝える巻線軸受板を含むステータとロータとから成る。ステータは、電流を伝える巻線を含み、この巻線は、１ＧＰａの引張強度の繊維で補強された非磁性体複合材に埋め込まれ、角度範囲が全角の一部であるリングの一区画を構成する平坦セグメント形式に成形され、ここで、この複数の区画の合計（the total multiplicity of this section）は、全角、即ち、１８０°、１２０°、９０°などを生じる。セグメントは、ロータのディスク間に挿入され、ロータディスクは、１ＧＰａを超える引張強度の繊維によって補強された非磁性体複合材から作成され、埋め込まれた磁極は、ディスクの軸方向に磁化され、少なくとも一つの永久磁石から成り、磁極は、ディスク構造体の非磁性体複合材から作成された空間によって分離されている。さらに、外部ディスクおよび内部ディスクの各々は、周囲に、１ＧＰａを超える引張強度の繊維で補強された非磁性体複合材から作成された外部補強リングを有し、リングは、ディスクの円筒表面に樹脂および繊維を巻回することによって作成されている。リングは、遠心力の作用の結果、破裂しないようにディスクを機械的に補強する。外部ロータディスク（最初および最後のディスク）は、磁気回路を閉じる強磁性材料で作成されたリングが追加されているため、内部ディスクとは異なる。磁極は、立方体形状、即ち、ディスク平面内に長方形形状を有してもよいが、そうである必要はない。磁極は、台形形状またはリング区画（ring section）の形状を有することもでき、台形の短い底辺はディスクの軸の側に置かれる。磁極は、電動機の高速でディスクの強度に大きな影響を与える磁極間のブリッジの適切な厚さを確保しつつ、ディスクの比較的に大きな表面を占めることが重要であるが、これは、ブリッジは、ディスクの内側部分を外部リングと連結するので、ディスクを補強するからである。
【００３２】
好ましくは、機器は、角度位置から成るシャフト回転角を測定するセンサを含み、センサコーディングディスクは、機器のシャフトに不変的に固定され、機器のディスクと共に回転し、感光性要素または磁極センサは、電動機のステータに取り付けられたセンサコーディングディスクと協働する。
【００３３】
さらに、１ＧＰａを超える引張強度の繊維で補強された、好ましくは非磁性体複合材は、エポキシ樹脂に基づく複合材である。
【００３４】
好ましくは、シャフト回転角測定センサは、単一ディスク上の磁極の数より高い分解能を示す。
【００３５】
好ましくは、ロータディスクは、冷却空気を通る穴を有し、磁極とロータシャフトを備えた領域と、巻線に冷却空気を供給する穴との間のディスク表面に対して垂直に作成され、これにより、空気は、上記穴から、電動機巻線セグメントが置かれたディスク間の空間に移動し、動作中に、それらを冷却する。
【００３６】
好ましくは、巻線セグメントは、複数のディスク間の空間を満たす巻線パケットに組み合わされる。
【００３７】
好ましくは、ハウジングは空気ホース用後部軸受板に２つのコネクタを有し、これらの空気ホースを通って、機器の内側部品を冷却する空気が供給および抽出される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
本発明の対象は、図面に示されている。
【図１】図１は、主要機器の横断面である。
【図１ａ】図１ａは、外部空冷の為の穴を備えた主要機器の横断面である。
【図２】図２は、ロータの横断面である。
【図３】図３は、外部ディスクの図と、そのＡ−Ａ線に沿った横断面とを示す。
【図４】図４は、内部ディスクの図を示す。
【図５】図５は、巻線セグメントのパケットの図である。
【図６】図６は、巻線セグメントの図である。
【図７】図７は、単一巻線の状態の図である。
【図８】図８は、単一磁石から作成された磁極の様々な形状の図である。
【発明の詳細な説明】
【００３９】
実施形態１
【００４０】
ステータから成る外径２２８ｍｍ、長さ２４６ｍｍの電気機器であって、ステータは、サイドカバー３と，電動機シャフト７の着座された前部軸受４を備えた前部軸受板１と、電動機シャフト７の着座された後部軸受５を備えた後部軸受板２と、ガラスエポキシ複合材に埋め込まれて１２０°のリング区画を構成する、２０．４ｍｍ厚の巻線セグメントに成形された電流を伝える巻線と、を備える。巻線の３つの状態は、セグメント内部にあり、エポキシ複合材２４に埋め込まれ、状態Ａ２１，状態Ｂ２２，状態Ｃ２３は、６０×０．１ｍｍの多心標準銅から作成されている。巻線２０の４５個のセグメントは、巻線セグメントパケットフレーム１９内部で、各パケットに対して１５個のセグメントを持つ３つの巻線セグメントパケット６に分割されている。これらのパケットは、ロータ用ディスク間に挿入されている。ロータは、電動機シャフト７，２つの外部ディスク８と、１４個の内部ディスク９から構成され、これらの内部ディスク９は、エポキシガラス複合材で作成され、厚さ６ｍｍ、内部ディスク１６の本体と外部ディスク１８の本体とを構成し、ここには、内部ディスク９の軸方向に磁化され、寸法がそれぞれ３０ｍｍ×１０ｍｍ×６ｍｍの立方体ネオジム磁石１個で構成され、６ｍｍの寸法に沿って磁化された磁性材料Ｎ４２の２４個の磁極１５が埋め込まれている。それぞれ、補強外部リング１３，１７で補強された外径１８３ｍｍの外部ディスク８と内部ディスク９は、ディスクの円筒表面の周りのレジストと共にガラス繊維を巻回することによって形成されたガラスエポキシ複合材で作成され、ロータの外部ディスク８（最初および最後のディスク）も、磁気的に軟鋼で作られた磁気回路１４を閉じるリングを有する。磁極を持つ全てのロータ用ディスクは、電動機シャフト７に関する回転に対して寸法的に保護されており、電動機シャフト７の軸受面によって一方の側から、他方で、ロータ用ディスクを固定するナット１１によって、その位置内部で軸方向に維持される。外部ディスク８及び内部ディスク９の両方は、それらの構造穴２５、直径１０ｍｍを有し、これらが、動作中、巻線に冷却空気を供給する隙間２６に冷却空気を与え、冷却空気は、遠心力の結果、巻線区画２０の周りの空間に押し込まれる。電動機シャフト回転角測定センサ７は、機器シャフトに不変的に固定されたコーディングディスク１２と、感光センサ１０とから成り、コーディングディスク１２は、機器シャフトに不変的に固定され、感光センサ１０は、電動機シャフト７の１回転当たり３６０パルスの分解能で電動機ステータに不変的に固定されたセンサコーディングディスク１２と協働する。
【００４１】
電動機モードで動作する外部コントローラから供給された機器は、４００Ｖに等しい電圧が供給されたとき、１０１．７２ｋＷの機械的出力を発生させた。電流は２５６Ａで、回転速度は、２１０８０ｒｐｍ、トルクは４６．０８Ｎｍに達した。このモードにおける機器の効率は、９９．３４％±０．０５％であった。
【００４２】
発電機モードにおいて、１００ｋＷ出力で非常に類似した回転速度、駆動トルクを備えた機器は、機械エネルギを９９．４２％±０．０５％に等しい電気エネルギに変換する効率を達成した。プロトタイプによって得られた結果は、０．６％レベルで前述の解決索の僅かな損失の適用の妥当性を確認し、最初の目標であった高出力を発生させ、小さな寸法を残す電気機器を構築することができた。
【００４３】
実施形態２
【００４４】
実施形態１で言及された電気機器は、台形形状２９のネオジム磁石の形態の磁極５を使用して作成され、台形の、短い底辺がディスクの軸側に位置する。各磁石２８の寸法は、台形形状の長い底辺が１２ｍｍ、台形の短い底辺が８ｍｍ、台形の高さが３９ｍｍ、磁極の厚さが６ｍｍであった。磁極は、これらの寸法に従って磁化された磁性材料Ｎ４２であった。上記の磁極１５は、１４個の内部ディスク９と２個の外部ディスク８の両方に適用された。
【００４５】
前述されたような、外部コントローラから供給される機器は、電動機モードにおいて動作し、４００Ｖに等しい電圧が供給されたとき、１０１．８５ｋＷの機械的出力を発生させた。電流は２５６Ａであり、回転速度は２１０２０ｒｐｍであり、得られたトルクは４６．２７Ｎｍであった。このモードにおける機器の効率は、９９．４６％±０．０５％であった。
【００４６】
発電機モードにおいて、１００ｋＷ出力で非常に類似した回転速度および駆動トルクを備えた機器は、機械エネルギを９９．５３％±０．０５％に等しい電気エネルギに変換する効率を達成した。より高い効率は、機器の動作に、磁極１５を再成形することの積極的効果を確認する。
【００４７】
実施形態３
【００４８】
実施形態１で説明された電気機器は、ディスク軸側に位置するリングの半径が小さいリング区画２９の形状の単一のネオジム磁石の磁極１５を使用して構築されていた。各磁石２９の寸法は、外径８３ｍｍ、内径５３ｍｍ、リングの角度スパン９°、磁極の厚さ６ｍｍであった。磁極は、この寸法に従って磁化された磁性体材料Ｎ４２であった。磁極１５は、１４個の内部ディスク９および２つの外部ディスク８の両方に適用されていた。
【００４９】
前述されたような、外部コントローラから供給される機器は、電動機モードで動作し、４００Ｖに等しい電圧が供給されたとき、１０１．９１ｋＷの機械的出力を発生した。電流は２５６Ａであり、回転速度は１９９３０ｒｐｍであり、トルクは４８Ｎｍに達した。このモードにおける機器の効率は、９９．５２％±０．０５％であった。
【００５０】
発電機モードにおいて、非常に類似した回転速度および１００ｋＷ出力の駆動トルクの機器は、機械エネルギを９９．５７％±０．０５％に等しい電気エネルギに変換する効率を達成した。実施形態２におけるように、高い効率は、機器の動作において、磁極１５を再成形する積極的効果を確認する。
【００５１】
実施形態４
【００５２】
実施形態３で言及したように電気機器は、後部軸受板２において、追加の穴３０及び３１を用いて作成された。１００ｋＷの出力で動作するとき、機器の内側の温度は、実施形態３における温度より１２℃低く測定された。２５℃の温度で毎分３０リットルの出力で空気が供給されると、６８℃の温度は５６℃まで低下した。機器の内側の温度が低下すると、将来的にシャフトの機械的出力を高めることができる。
【図１】
2020534770.tif 000003
【図１ａ】
2020534770.tif 000004
【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】
2020534770.tif 000009
【図７】
2020534770.tif 000010
【図８】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年2月21日(2020.2.21)
【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】
軸受板付きステータと、電流を伝える巻線と、ロータと、前記ロータの外部ディスク（８）および内部ディスク（９）から成る電気機器において、
磁極（１５）は、前記内部ディスク（９）の前記軸方向に埋め込まれて磁化され、少なくとも一つの永久磁石から成り、セグメント（２０）は、前記ロータの外部ディスク（８）および内部ディスク（９）の間に挿入され、
前記ステータは、電流を伝える巻線を備え、前記巻線は、複合材に埋め込まれ、巻線セグメント（２０）に成形され、角度範囲が全角囲内にある一区画のリングを形成し、
この複数の区画の合計は、全角、即ち、例えば、１８０°、１２０°、９０°などを与え、
前記外部ディスク（８）および前記内部ディスク（９）は、１ＧＰａを超える強度の繊維で補強された非磁性体複合材（１６）、（１８）から作成され、
前記磁極（１５）は、前記内部ディスク（９）及び外部ディスク（８）構造体の非磁性体複合材（１６）、（１８）から作成された空間で互いに分離され、
外部ディスク（８）および内部ディスク（９）の各々は、周囲に、外部補強リング（１３）、（１７）を有し、それぞれは、ディスクの前記円筒表面に樹脂と共に繊維を巻回することによって形成された、１ＧＰａを超える強度の繊維で補強された非磁性体複合材から作成され、
前記ロータの（前記最初および最後の）前記外部ディスク（８）は、強磁性材で作成された磁気回路（１４）を閉じるリングを有する、機器。
【請求項２】
前記電動機シャフト回転角の前記測定センサは、コーディングディスク（１２）と、感光要素または磁極センサ（１０）とから成り、前記コーディングディスク（１２）は、前記機器の前記シャフトに不変的に固定され、前記感光要素または磁極センサ（１０）は、前記電動機の前記ステータに不変的に取り付けられた前記センサコーディングディスク（１２）と協働する、請求項１に記載の機器。
【請求項３】
前記電動機シャフト回転角測定センサは、前記シャフトの単一ディスク（８）又は（９）上の前記磁極（１５）の数より高い解像度を有する、請求項２に記載の機器。
【請求項４】
１ＧＰａを超える引張強度の繊維で補強された前記非磁性複合材は、エポキシ樹脂に基づく、請求項１に記載の機器。
【請求項５】
前記ロータの前記ディスク（８）又は（９）は、前記磁極（１５）を備えた領域と前記ロータの前記シャフト（７）との間に、前記ディスクの前記表面に対して垂直に作成された穴（２５）と、前記穴（２５）の上方から前記巻線（２６）に冷却空気を案内する空間または穴とを含む、請求項１に記載の機器。
【請求項６】
前記巻線（２０）の前記セグメントは、前記巻線セグメント（６）のパケットに接続され、前記ロータの多数の前記ディスク（８）又は（９）の間の空間を満たす、請求項１に記載の機器。
【請求項７】
前記巻線は、撚り線導体で作成される、請求項１に記載の機器。
【請求項８】
前記磁極（１５）の径方向の寸法が、前記ディスクの平面における径方向に対して垂直な方向の寸法を超える、請求項１に記載の機器。
【請求項９】
永久磁石が、前記ディスク（８）又は（９）の磁極（１５）を形成する為に使用され、ネオジムを含む、請求項１に記載の機器。
【請求項１０】
前記磁極（１５）は、前記ディスク（８）又は（９）の平面において、長方形形状を有する、請求項１に記載の機器。
【請求項１１】
前記磁極（１５）は、前記ディスク（８）又は（９）の平面において、二等辺台形の形状を有し、前記台形の短い底辺が前記ディスクの軸に向けられる、請求項１に記載の機器。
【請求項１２】
前記磁極（１５）は、前記ディスク（８）又は（９）の平面において、リングセグメントの形状を有する、請求項１に記載の機器。
【請求項１３】
空気圧ホース用の２つのコネクタ（３０）及び（３１）が後部軸受板に配置され、前記２つのコネクタ（３０）及び（３１）を通って、前記機器の内部部品を冷却する空気が供給され、抽出される、請求項１に記載の機器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
米国特許第61 63097号の説明は、同様の設計を開示している。しかしながら、以下の問題に注意が必要である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
米国第5021698号の書類は、複数の軸方向電界ロータ段を備える機械であって、各々が、複数の磁気セグメントを備え、磁気セグメントが、予め応力がかけられたアセンブリの被駆動ハブ周りに配置された機械を開示するが、このアセンブリでは、フープ手段を囲むことにより、最高で１００，０００ｒｐｍの速度で発生される求心力に対抗するために磁石およびハブアセンブリに十分な圧縮応力を及ぼす。フープ手段に応力を加える代替方法が記載されている。
米国特許第5619087号の説明は、上記解決策の大半を含む設計を開示している。しかしながら、以下の問題に注意が必要である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
この電気機器は、電流を伝える巻線軸受板を含むステータとロータと、ロータの外部ディスク及び内部ディスクとから成り、磁極は、内部ディスクの軸方向に埋め込まれて磁化され、少なくとも一つの永久磁石から成り、セグメントは、ロータの外部ディスクおよび内部ディスクの間に挿入される。ステータは、電流を伝える巻線を含み、この巻線は、１ＧＰａの引張強度の繊維で補強された非磁性体複合材に埋め込まれ、角度範囲が全角の一部であるリングの一区画を構成する平坦セグメント形式に成形され、ここで、この複数の区画の合計（the total multiplicity of this section）は、全角、即ち、１８０°、１２０°、９０°などを生じる。電気機器は、外部ディスク及び内部ディスクが、１ＧＰａを超える引張強度の繊維によって補強された非磁性体複合材から作成され、磁極は、ディスク構造体の非磁性体複合材から作成された空間によって分離されている。さらに、外部ディスクおよび内部ディスクの各々は、周囲に、１ＧＰａを超える引張強度の繊維で補強された非磁性体複合材から作成された外部補強リングを有し、リングは、ディスクの円筒表面に樹脂および繊維を巻回することによって作成されている。リングは、遠心力の作用の結果、破裂しないようにディスクを機械的に補強する。外部ロータディスク（最初および最後のディスク）は、磁気回路を閉じる強磁性材料で作成されたリングが追加されているため、内部ディスクとは異なる。磁極は、立方体形状、即ち、ディスク平面内に長方形形状を有してもよいが、そうである必要はない。磁極は、台形形状またはリング区画（ring section）の形状を有することもでき、台形の短い底辺はディスクの軸の側に置かれる。磁極は、電動機の高速でディスクの強度に大きな影響を与える磁極間のブリッジの適切な厚さを確保しつつ、ディスクの比較的に大きな表面を占めることが重要であるが、これは、ブリッジは、ディスクの内側部分を外部リングと連結するので、ディスクを補強するからである。
【国際調査報告】
2020534770.tif 000012
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2020534770.tif 000014