JP2005525773A - 磁気モータ用の軸受面層 - Google Patents

Abstract

モータ構成部品用の磁気モータ構成部品用スリーブ（２０９）であって、高透磁率、磁気飽和、残留磁化、磁気異方性等の種々の有用な磁気特性を有するスリーブ（２０９）を提供する。磁気式リニアモータ軸（２０２）を製造する方法であって、ゆるみのない組立体にするよう種々の軸構成部品の寸法を一時的に変更する熱処理を含む方法を提供する。

Description

本発明は、磁気モータの構造に関し、より詳細には、リニアモータにおいて使用するための軸、さらにより詳細には二重突極型（doubly salient）磁気式リニアモータ用の軸スリーブに関する。

［発明の背景］
一般的に、従来の磁気モータは互いに相対運動する２つの部品を有する。２つの部品はそれぞれ、磁場を発生させる何らかの手段を有する。部品それぞれが発生させる磁場間の相互作用により、部品は互いに相対運動させられる。通常、部品の少なくとも一方の磁場は、部品の空間的相対関係が所定期間変化するにつれて各部品の磁場が所望方向に相対運動を行わせ続けるよう相互作用し続けるように、所定期間選択的に調整される。

通常、磁気モータの少なくとも１つの部品は、電磁コイル等の１つまたは複数の電磁石を用いて磁場（複数可）を発生させる。電磁片を用いることによって、電磁石（複数可）に供給される電流のタイミングを用いて、時間に対して磁場の方向および強度を制御することができる。同等の部品が運動する際に電磁片の磁場を慎重に制御することによって、磁場が２つの対向部品を後退かつ／または押進（push）させて相対運動させるようにする。対向部品が相対運動し続ける際に、電磁石（複数可）の電流の方向および／または大きさを、電磁石（複数可）の新たな磁場が所望の相対運動を行わせ続けるように変えることができる。

磁気モータには様々なジオメトリすなわち幾何学構造がある。１つの一般的によく見られるジオメトリは回転モータである。回転モータでは、回転部品は固定子部品に相対して回転するように駆動される。本発明の範囲は回転モータの実施形態を含み得るが、本明細書は主として、磁気式リニアモータと呼ばれる別の一般的によく見られる従来の磁気モータに関する。磁気式リニアモータは、固定子部品と、固定子部品に対して直線的に運動（すなわち、直線並進運動（straight line translation））するように駆動される軸部材とを備える。

さらに詳細には、本明細書は主として、細長い軸部材が（１）固定子によって少なくとも部分的に包囲され、（２）軸受によって固定子内を直線的に動くように束縛されている、磁気式リニアモータに関する。（一般に、軸受ハウジングと固定子は互いに対して固定されるため、部分組立体（sub-assembly）と考えることができる。）後述する従来技術の実施形態から分かるように、（１）磁気的に良好に動作すると同時に、（２）軸受での摩耗に対し良好に動作する軸を製造することは困難である。

図１および図２は、軸１０２、固定子１０４、および軸受１０６を含む、典型的な従来技術の磁気式リニアモータ１００を示す。軸１０２は、一連の内蔵永久磁石１１０を有することにより磁場を発生する。固定子１０４は、一連の環状磁気コイル１０５により磁場を発生する。軸１０２の位置および／または推進力（momentum）に対しコイル内の電流のタイミングを制御することによって、軸からの磁気力と固定子からの磁気力の相互作用により軸を動かすように作動させる。さらに詳細には、軸は、軸受１０６によって矢印Ｄの方向に直線運動するように制限される。

図２は、軸１０２と、その軸が発生させる磁場のうちの１つのより詳細な図を示す。軸１０２は、スリーブ１０９、環状永久磁石１１０、磁極片１１２および軸心(core)１１４を有する。この組立体では、軸に作用する磁気力を最大にすることにより、リニアモータの推力が都合よく最大になる傾向がある。軸に作用する磁気力を最大にするために、永久磁石１１０の磁場は、固定子１０４と軸磁極片１１２を結合させる可能な限り多くの磁束密度を生じなければならない。

固定子付近の磁束密度の大きさを制御するいくつかの変数がある。一変数は永久磁石１１０の強度である。さらなる推力のためには、磁石１１０の強度は可能な限り増加しなければならない、かつ／または対費用効果比が高くなければならない。実際、環状永久磁石１１０として用いられる磁石は非常に強力な永久磁石である傾向がある。実際、環状永久磁石は非常に強力な傾向があるので、重い軸部分組立体は非常に注意して取り扱われる必要がある場合が多い。この理由は、重い軸が磁石１１０自体の強力な磁場と存在し得る外部磁場との相互作用に起因して空間内に強力に推進される傾向があるからである。

図２に示すように、磁束密度に影響を及ぼす別の変数は有効空隙Ｇの大きさである。有効空隙は磁極片１１２と固定子１０４の間の距離である。図２に示すように、本例の有効空隙Ｇは、実際の空隙１０８とスリーブ１０９の厚みの和である。軸が固定子磁極の非荷重軸受面を擦らないようにするために、いくらかの有効空隙が必要である。これに対して、この空隙を完全になくさずに小さくすることにより、磁石１１０の磁場は、磁石１１０と固定子の間の近接状態が向上するため固定子付近で磁束密度がより大きくなる。固定子付近の磁石１１０からの磁束密度が増すにつれ、磁場の相互作用が増える結果、それに伴い軸の動作が増し、モータの推力が増す。

固定子付近の磁束密度に影響を及ぼすさらに別の変数は、有効空隙に沿って位置する磁束密度である。図２に示すように、磁石１１０の磁場には概して３つの通路Ａ、Ｂ、Ｃがある。磁石通路は一般に回路であるが、本明細書で言及する磁気「通路」とは磁石自体の外側にある磁気回路の部分を指すことに留意されたい。

通路Ａはスリーブ１０９を通り、有効空隙の一部となっている。通路Ｂは有効空隙の一部でもある実際の空隙１０８を通る。通路Ｃは固定子を通る。永久磁石は一般に、出力可能な最大磁束量に制限される。有限磁束出力機能を有する環状磁石の場合、通路ＡおよびＢに沿ったより大きな磁束が通路Ｃに利用可能な磁束を減らす。上述したように、モータ推力に寄与するのは通路Ｃの磁束密度（すなわち固定子付近に達する磁束）である。

図２の上部に注意を向けると、スリーブ１０９は従来通りに、（１）低透磁率を有し、（２）それほど大きな残留磁化を示さない、材料からできている。スリーブ１０９の非磁性が、スリーブ１０９に沿って通路Ａを通る磁束を最小にするように作用する。それでも、比較的少量の磁束が一般に通路Ａに沿って「損失」する。この損失した磁束を示すために、図２には単独の破線磁束ラインがスリーブに沿ってかつスリーブを通って示されている。全磁束のうちほんのわずかな部分が通路Ａに沿って損失するため、磁石１１０が発生させる全磁束の大部分は通路Ｃを通って固定子付近へ導かれる。

実際の空隙（すなわち磁気通路Ｂ）でもまた、あまり多くの磁束は「損失」されない。実際の空隙１０８は空気からなるため、この考えられる磁束漏れ通路Ｂは透磁率が非常に低く（相対透気率（relative permeability of air）は１．０に等しい）、実質的に残留磁化はない。通路Ｂの漏洩磁束は小さく、主としてスリーブ１０９に起因するため、図２の上半分では、破線の磁束ラインは実際の空隙１０８に沿って示されていない。

通路Ａの漏洩磁束はスリーブにより増えるため、スリーブ１０９があることを疑問に思うかもしれない。スリーブがある１つの重要な理由は、軸受１０６が軸１０２の直線運動を束縛する際にスリーブが軸受１０６と摺動可能に嵌合する軸受面を提供することである。スリーブがなければ、永久磁石と軸１０２の中間磁極片とが軸受と接触するであろう。永久磁石をつくるのに使用することができる材料の選択を制限することにより、また、磁石と磁極片の間の物理的不連続性により、露出磁石は概して許容可能な軸受面を提供しないであろう。このことは、露出磁石の表面および磁極片が有する摩擦および摩耗特性に起因する。したがって、概して、外側の主要な磁気モータ軸の軸受面にて滑らかな耐摩耗性のある（long-wearing）スリーブが必要である。

比較的滑らかで低摩擦の軸受面を提供するほかに、スリーブ１０９はまた、軸１０２に構造的一体性を与えるのに役立つ。このことは、強力な永久磁石１１０が、適した構造的支持のない軸全体を変形させるのに十分な、固定子壁方向への磁気引力を生じさせることができるため特に重要となる場合がある。

したがって、スリーブ１０９は必要ならざるを得ないものである。好ましくは従来の考えでは、スリーブの材料および厚みは、（１）低透磁率を有し、（２）軸磁石の磁場による磁気飽和を回避し、（３）低残留磁化値を有し、（４）成形し易く、（５）比較的安価であり、かつ／または（６）優れた軸受摩耗を与える、ように選択される。これらの様々な目的に鑑みて、磁気モータの軸スリーブにはステンレス鋼が用いられることが多い。マイナス面としては、ステンレス鋼は扱いが最も容易な材料というわけではなく、必ずしも最小の度合いの軸受摩耗を呈するわけではない。プラス面としては、ステンレス鋼は透磁率および残留磁化が低い他の材料よりも良好に機能する。ステンレス鋼は中程度摩耗特性を有する金属であるため、スリーブ１０９は予期される摩耗に対応するように十分に厚く構成されることを理解されたい。

［発明の概要］
従来のスリーブ材の認識されている欠点のほかに、これまで欠点として認識されていなかったであろう他の欠点がある。厚肉の比較的不透磁性のスリーブを用いることにより、（１）全磁束（すなわち、通路Ａの磁束、通路Ｂの磁束、および通路Ｃの磁束の和）が減少し、（２）それに対応して有効通路Ｃの磁束が減少する。通路Ｃの磁束はスリーブの主要な内表面および外表面に対し垂直方向にスリーブを通ることを留意しておくべきである。

また、多くの不透磁性材料は精密に形成または成形することが困難である。この結果、実際の空隙は、スリーブの厚みが不正確であることにより生じる、軸の直径に関する比較的広範の公差に対応するよう増える可能性がある。比較的大きなスリーブ厚の公差に対応するよう実際の空隙が増えると、全磁束が減少し、この減少により有効通路Ｃの磁束が減少する。

本願は、上述した従来技術におけるこれらの認識されているまたは認識されていない問題を、従来とは異なるレベルの磁気特性（例えば透磁率、残留磁化、磁気飽和、異方性）を有するスリーブ材を選択することによって対処する。これらの「磁性」材料を用いることで、磁束を保持し維持するのに従来よりも多くの伝導性がある軸受面層が概ね得られる。スリーブの透磁率のこのような増加により磁極付近の隣接する第２の磁石との間の通路Ａの漏洩磁束が２倍近くになる場合があるが、より高い透磁率により通路Ｃ内の利用可能な磁束密度も増す。このようにして、ほぼ同じまたはより優れたモータ推力を達成することができる。同時に、透磁性のあるスリーブ材は多くの場合、従来の比較的不透磁性のスリーブ材よりも優れた摩耗性を軸受において呈するように選択することができる。

また、本発明は、これらの種々の材料からなるスリーブを含むモータ部品（例えば軸）を製造する方法を含む。本発明の少なくともいくつかの実施形態では、以下の目的、利点、および長所の１つまたは複数を示すことができる：
（１） 推力が増大した磁気モータ、
（２） より優れた摩耗特性を有する磁気モータ、
（３） 磁気強度と磁気推力の関係が改善された磁気モータ、
（４） 摩擦の減少に起因して推力損失が低減した磁気モータ、
（５） 磁気モータのより容易なかつ／またはより信頼性の高い製造、
（６） 磁気モータのより長い寿命、
（７） 得られる推力に対して入力するのに必要な電力が少ない磁気モータ、および
（８） 磁気モータ軸でのより優れた構造的支持。

本発明の第１の態様によれば、磁気モータは、第１のモータ組立体（例えば固定子）と第２のモータ組立体（例えば軸、回転子）とを備える。第１のモータ組立体は、第１の軸受面層および第１の磁石を有する。第１の磁石は第１の軸受面層に対して固着される。第１の磁石は第１の磁場を発生するように構成される。第２のモータ組立体は第２の軸受面層および第２の磁石を有する。第２の軸受面層はその少なくとも一部が第１の軸受面層の少なくとも一部と接触するように位置する。第２の軸受面層はｘ（２．０よりも大きい）の相対透磁率を有する材料を含む。第２の磁石は第２の軸受面層に対して固着される。第２の磁石は第２の磁場を発生するように構成される。第１および第２のモータ組立体は、第１および第２の磁場の相互作用によって生じる力により第１のモータ組立体および第２のモータ組立体を互いに相対運動させるように構成される。第１および第２の軸受面層は、第１および第２のモータ組立体の相対運動を少なくとも部分的にガイドするように可動的に接触する。

本発明のさらなる態様によれば、磁気モータは、第１のモータ組立体と第２のモータ組立体とを備える。第１のモータ組立体は、第１の軸受面層および第１の磁石を有する。第１の磁石は第１の軸受面層に対して固着される。第１の磁石は第１の磁場を発生するように構成される。第２のモータ組立体は第２の軸受面層および第２の磁石を有する。第２の軸受面層はその少なくとも一部が第１の軸受面層の少なくとも一部と接触するように位置する。第２の磁石は第２の軸受面層に対して固着される。第２の磁石は第２の磁場を発生するように構成される。第１および第２のモータ組立体は、第１および第２の磁場の相互作用によって生じる力により第１のモータ組立体および第２のモータ組立体を互いに相対運動させるように構成される。第１および第２の軸受面層は、第１および第２のモータ組立体の相対運動を少なくとも部分的にガイドするように可動的に接触する。第２の軸受面層は、その少なくとも一部が第２の磁石の磁場によって磁気飽和するような透磁率、形状、および位置を有する。

本発明の他の態様によれば、磁気モータは、第１のモータ組立体と第２のモータ組立体とを備える。第１のモータ組立体は、第１の軸受面層および第１の磁石を有する。第１の磁石は第１の軸受面層に対して固着される。第１の磁石は第１の磁場を発生するように構成される。第２のモータ組立体は第２の軸受面層および第２の磁石を有する。第２の軸受面層はその少なくとも一部が第１の軸受面層の少なくとも一部と接触するように位置する。第２の軸受面層はｘ（５００ガウスを超える）の残留磁化を有する材料を含む。第２の磁石は第２の軸受面層に対して固着される。第２の磁石は第２の磁場を発生するように構成される。第１および第２のモータ組立体は、第１および第２の磁場の相互作用によって生じる力により第１のモータ組立体および第２のモータ組立体を互いに相対運動させるように構成される。第１および第２の軸受面層は、第１および第２のモータ組立体の相対運動を少なくとも部分的にガイドするように可動的に接触する。

本発明の他の態様によれば、磁気モータは、第１のモータ組立体と第２のモータ組立体とを備える。第１のモータ組立体は、第１の軸受面層および第１の磁石を有する。第１の磁石は第１の軸受面層に対して固着される。第１の磁石は第１の磁場を発生するように構成される。第２のモータ組立体は第２の軸受面層および第２の磁石を有する。第２の軸受面層はその少なくとも一部が第１の軸受面層の少なくとも一部と接触するように位置する。第２の軸受面層はその透磁率に異方性を有する。第２の磁石は第２の軸受面層に対して固着される。第２の磁石は第２の磁場を発生するように構成される。第１および第２のモータ組立体は、第１および第２の磁場の相互作用によって生じる力により第１のモータ組立体および第２のモータ組立体を互いに相対運動させるように構成される。第１および第２の軸受面層は、第１および第２のモータ組立体の相対運動を少なくとも部分的にガイドするように可動的に接触する。

本発明の他の態様によれは、磁性軸を製造する方法は複数のステップを含む。設けるステップは、初期のスタック直径を有する複数の別個の磁石から構成されるスタックを設けることを含む。別の設けるステップは、最初の内径の内部空間を有する管を設けることを含む。ガンドリル加工ステップは、最初の内径をガンドリル加工したままの内径に増大させるように管をガンドリル加工することを含む。ガンドリル加工ステップ後に行われる組み立てステップは、管の内部空間にスタックを挿入することによってスタックと管を組み立てることを含む。

［好適な実施の形態の詳細な説明］
図面の説明を始める前に、本特許明細書の語および句を解釈するための指示を行う。より詳細には、多くの裁判所の判例（jurisdictions）により、特許権者は特許権者自身が辞書編纂者の役割を担うことが認められており、そのため、特許権者は特許明細書において明細書の語、用語、および句が法的事項としてどのように解釈されるかに関して指示を与えることができる。例えば、米国では、特許権者自身が辞書編纂者の役割を担う特許権者の特権は、制定法および判例法に基づいて確固として確立されている。したがって、本特許明細書の特許請求の範囲の語、用語、および句を解釈するための規則を以下の項に挙げる。

解釈上の規則
規則１：「特に定義される用語」の項を以下に記載する。「特に定義される用語」の項において明確に定義された語、用語、または句のみが特定の定義を有するものと見なされ、当然のことながら、本明細書に与えられた明確な定義はこれらの用語の定義としての役割を果たす。したがって、特許明細書および外部証拠等の情報源は、これらの用語の定義に役立たせるために用いられないものとする、すなわち明確に与えられた定義が規制するものとする。

規則２：語、用語、または句が特に定義されていない場合、第１審では、その定義は本特許明細書が出願された時点で存在する辞書および技術語彙集に頼ることにより決定されるものとする（以下の「特に定義される用語」の項の「辞書および技術語彙集」の定義を参照）。辞書および技術語彙集は多くの場合、択一的な定義を与えることが認められている。また、種々の辞書および種々の技術語彙集において与えられている定義は異なっている場合が多く、常に全体として一貫しているとは限らない。その場合、どの定義が本明細書と最も一致しているのかを決めねばならない。以下に記載する規則３および規則４は、語、用語、または句の択一的な定義間で選択するためのいくつかの指針を与える。

規則３：解釈上または定義上の助けとしての本明細書（「特に定義される用語」の項以外）の役割は、規則２（上記）の要件を満たす択一的な定義間での選択の補助に限定するものとする。しかしながら、本明細書は、本明細書が他方の定義よりも予め存在する提案された一方の定義と一致している場合にのみ有用となる。

規則４：解釈上または定義上の助けとしての外部証拠（例えば専門家の証言）の役割は、規則２（上記）の要件を満たす択一的な定義間での選択の補助に限定するものとする。しかしながら、外部証拠は、外部証拠が他方の定義よりも予め存在する提案された一方の定義と一致している場合にのみ有用となる。

特に定義される用語
「本発明」：本発明の少なくともいくつかの実施形態を意味し、本明細書全体中の「本発明」の種々の特徴（複数可）への言及は、特許請求されたすべての実施形態または方法が言及した特徴（複数可）を含むことを意味するものではない。

「〜するように構成される」：この句は、ある物Ｘが何らかの目的Ｙを行う「ように構成される」ことを示すために特許請求の範囲において用いられている。これは、Ｘが「〜するように構成される」文言の後に置かれる目的Ｙを満たすのに適した構成を有していなければならないことを意味する。Ｘについての可能な構成は、明細書に示されているものに限定されず、むしろ従来のまたは今後開発される任意のあらゆるＸを含むことを意味し、Ｘの構成によりＸが目的Ｙを行うことができる（なお、ＸおよびＹは特許請求の範囲のこの「〜するようにする」の定義において変数として用いられ、この定義を適用する目的で、様々なものをＸ変数として挙げることができ、かつ様々な目的をＹ変数として挙げることができる）

「〜を含む」、「〜１つを含む」、「〜ｘを含む」：例えば、特許請求の範囲が「（ａ...）何々（widget）を含む」組立体というように記載している場合、特許請求項は１つの何々または２つ以上の何々を有する組立体を包含するように構成されるべきであり、組立体が何々を有するということは、包含された組立体が１つの何々に限定されることを意味するものではない（ただし、かかる限定が特許請求の範囲に明示されていない場合に限る）。

「辞書および／または技術語彙集」：いかなる明細書もその主な目的が語、用語、および／または句の定義であるが、これに対して、特定の語、句、または用語の定義を与えることを意図とせずに、単に装置または方法の実施例を考察、説明、または列挙しているだけの明細書は、辞書および／または技術語彙集とは見なされない。

「軸受面層」：構成要素間の相互の直線運動を可能にする軸受、構成要素の相互の直線並進運動を可能にする軸受、ブッシングジオメトリ軸受、および球軸受ジオメトリ軸受が挙げられるがこれらに限定されない、従来のまたは今後開発される任意の軸受面層であり、また、軸受面層は、軸受が別個の表面層を有する、例えば標準球軸受は、球が均一であり、いかなる種類の被覆スリーブも有さず、または別個の層を確定する他のタイプの不連続性を有さない場合であっても、（その球が薄表面層として概念的に見ることができる表面を有するため）軸受面層を有することを示唆しない。

「第１の磁石、第２の磁石」：磁石は１つまたは複数の双磁極を発生する任意の構成要素であり、磁石としては、永久磁石および電磁石が挙げられるがこれらに限定されない。

「透磁率」：真空の値で言及される、材料における磁束密度の、磁束密度を生じさせる磁化力に対する割合。言及されている透磁率は、適用できるものとして、（１）ＡＳＴＭ Ａ３４２「弱磁性材の透磁率についての標準試験法（Standard Test Methods for Permeability of Feebly Magnetic Materials）」、または（２）ＡＳＴＭ Ａ−７７２−８９「正弦電流を用いての材料のＡＣ透磁率についての試験法(Test Method for AC Mgnetic Permeability of Material using Sine Current)」により試験されたものである。

「磁気飽和」：磁化力がさらに増大することで試験片に磁束密度（透磁率）の著しい増加を生じさせない磁化の度合いである。

「軸」：円筒軸、多角形断面を有する軸、および一様な断面を有さない軸が挙げられるが、これらに限定されない。軸は半径方向または長さ方向を規定するために円筒形である必要はないことにさらに留意されたい。

「残留磁化値」：（１）材料は外部から供給される磁場により磁気飽和した後、かつ（２）外部から供給される磁場が磁気飽和に続いてゼロに低減した後で、材料に残留している残留磁気誘導。

「高推力」：能動軸表面積の平方インチあたり少なくとも４４．５ニュートン（Ｎ）（１０ポンド）のピーク推力を出すことができる磁気式リニアモータ。

上記に挙げた定義が通常の平易な慣例的な意味（特に辞書および／または技術語彙集により概して明示されている）と一致している範囲で、上記定義は事実上、追補的であると見なされるものとする。上記に挙げた定義が通常の平易な慣例的な意味（特に辞書および／または技術語彙集により該して明示されている）と一致していない範囲で、上記定義は規制されるものとする。上記に挙げた定義が何らかの側面において通常の平明な慣例的な意味よりも広い場合、上記定義はその広がった側面に関して少なくとも規制する。

［好適な実施の形態の説明］
Ｉ．第１の実施形態の磁気モータ（図３および図４）
図３および図４は、本発明による例示的な磁気モータ２００を示す。磁気モータ組立体２００は、固定子２０４と、スリーブ２０９と、環状永久磁石２１０と、磁極片２１２と、軸心２１４と、環状スペーサ２１８とを備える。固定子２０４は従来技術の固定子１０４と同様であるため詳細には説明しない。

図４に示すように、軸心２１４、環状永久磁石２１０、磁極片２１２、環状スペーサ２１８、および軸スリーブ２０９を組み立てて軸２０２を形成する。軸心２１４は構造的支持を与え、中空または中実につくられてもよい。軸心２１４は透磁率が低い（例えば約１．０の透磁率）。本発明のいくつかの実施形態では、ここでは軸スリーブとして用いることができるより強力で頑強なスリーブ材が、軸心がなくとも軸に十分な構造的支持を与えることができるため、軸心は省いてもよい。軸心がない場合、軸の内側は中空であってもよく、あるいは永久磁石および任意の磁極片はディスクとして（環状形としてではなく）つくられてもよい。

永久磁石２１０は、従来技術の磁石１１０と同様であるため詳細には説明しない。磁極片２１２（および固定子の磁極片）は、磁束を集中させることによってモータを二重突極型にする役割を果たす。磁束を集中させるために、磁極片２１２は１０００を超える透磁率を有することが好ましい。磁極片は例えば、軟鋼、珪素鉄ＢＦＭ、１０１８鋼、４１３０鋼、または低炭素１００８鋼からなっていてもよい。好ましくは、磁極片は磁石２１０と概ね同じ軸方向長さである。このように軸の磁気プロファイルは滑らかな正弦波形に変化する。軸２０２が滑らかな正弦波形プロファイルを有する場合、モータが固定子２０４の電磁石の制御された変化する磁場の影響下で運動する際に、一定の推力を達成することが容易である。このことは特に、固定子２０４が３相ＡＣ電力をその電磁石に印加する場合にあてはまる。

スペーサ２１８は、軸の外表面が比較的滑らかであるように存在する。より詳細には、環状永久磁石は多くの場合、公差が比較的大きい。磁石が、磁石の外周が磁極片の外周と整合するような公称寸法にされているのであれば、磁石の大きな公差に起因して、磁石／磁極片スタックの外周面の不連続性は大きいであろう。環状スペーサ２１８は、より精密に製造され、図４に示すように、スペーサの内周面と軸心２１４の間に適切に同心に芯合わせした状態に磁石を維持することができる。

好ましくは、スペーサ２１８は約１．０の低透磁率を有する。このことは、スペーサ内での磁束の損失を防止する。好ましくは、スペーサ２１８は、ステンレス鋼からなり、０．５８ｍｍ（０．０２インチ）よりも大きい半径方向厚さを有する。好ましくはスペーサは永久磁石よりも軸方向にわずかに長い（例えば０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）だけ）。後述するように、公差の厳密な永久磁石を用いることができる場合、スペーサは必要ない。

例示的なモータ２００は、特にスリーブ２０９に関して従来の磁気モータとは重要な相違点がいくつかある。好ましくは、スリーブ２０９は硬鋼、例えば♯４１３０炭素鋼（ロックウェル硬さ「Ｃ」４０〜５０）からなる。スリーブ２０９の硬鋼は、高強度、耐摩耗性であり、容易に成形可能である。硬鋼の強度、耐摩耗性、および成形可能性は既知であるが、かかる材料は、その磁気特性のため、磁気モータのスリーブ用の材料としては好適でないと以前は考えられていた。

鋼および他の高強度の頑強な材料を軸スリーブに用いることができるため、それらの材料があまり摩耗しない（摩耗は無視できるほどである）ので軸スリーブはよりいっそう薄くすることができる。しかしながら、スリーブは構造的支持を与えるためには十分に厚くすべきである。軸心を軸に用いる場合、より多くの構造的支持を軸心から得ることができ、スリーブは非常に薄くすることができる。これに対して、軸心が省かれる場合、スリーブは半径方向に芯合わせされた状態に磁石を維持するのに必要な構造的支持を与えるのに十分な厚さにつくらねばならない。また、本発明による軸スリーブとして用いることができる鋼および他の材料は、好ましくは軸受での摩擦が少ないように滑らかで硬くあるべきである。軸スリーブ材は、隣接する材料の影響下またはモータの環境下で腐食しないように選択されるべきである。

しかしながら、本発明によれば、硬鋼に典型的な磁気特性は欠点ではなく利点とみなされる。これらの磁気特性のいくつかを特に確定するために、スリーブ２０９は、（Ａ）比較的大きな透磁率を有し、（Ｂ）著しい残留磁化を有し、かつ（Ｃ）磁気飽和する。これらの磁気特性のそれぞれの説明は以下の通りである。

（Ａ）スリーブの透磁率
本発明によれば、モータスリーブは、好ましくは２．０を超える透磁率を有し、さらにより好ましくは１０を超える透磁率を有し、最も好ましくは１００を超える透磁率を有する。硬鋼スリーブ２０９は１００以上の透磁率を有する。このことは、所定の強度および保磁度を有する永久磁石２１０では、磁場の密度は概して、種々の磁気通路の一部を形成するスリーブの磁気抵抗が減ることにより増大する。

さらに詳細には、通路Ａの磁束密度（図３を参照）はスリーブの透磁率が高いために大きくなる。この増大は都合がよくない。しかしながら、通路Ｃの磁束密度（図３を参照）もまた増大する。この増大は、モータを駆動するのが通路Ｃの磁束密度であるために有利である。さらに、高強度の耐摩耗性のスリーブ材を用いることにより、スリーブをより薄くすることが可能になる。このより薄いスリーブは、下記に詳細に説明する多くの性能利点をもたらす。この点に関して、通路Ｃの磁束の増大およびスリーブがより薄いという利点が、スリーブに沿って通路Ａに導かれる磁束がいくらか増大するということに勝るということで十分である。

（Ｂ）スリーブの残留磁化
本発明によれば、モータスリーブは、好ましくは５００ガウスを超える残留磁化を有し、さらにより好ましくは１，０００〜１０，０００ガウスの間の残留磁化を有する。硬鋼スリーブ２０９は、１，０００〜１０，０００ガウスの間の残留磁化を有する。スリーブは軸の永久磁石と芯合わせされた状態で確実に残留磁化したままとなる。

（Ｃ）スリーブの磁気飽和
スリーブ２０９が磁石２１０の磁場の影響下で磁気飽和するか否かは、（１）磁石の強度、（２）軸のジオメトリ（例えばスリーブ厚）、（３）軸スリーブ材の透磁率、および（４）軸スリーブ材の磁気飽和特性（例えば定格飽和磁束密度、Ｂ_sat）、によって決まる。通常の高推力磁気式リニアモータのジオメトリ（例えば０．３８１〜０．５０８ｍｍ（０．０１５〜０．０２インチ）のスリーブ厚）が与えられると、軸スリーブは約２．４以上の透磁率で飽和する。従来の軸スリーブは軸飽和しない。本発明によれば、軸スリーブを磁気飽和させることが好ましい。永久磁石２１０からの磁場は、スリーブ２０９が磁気飽和するのに十分な強さである。

通常、軸スリーブ材は、永久磁石の磁極片および／または磁極の上に重なる軸スリーブの部分にわたって半径方向に磁気飽和する傾向はない。通路Ｃは主として、磁極付近の非飽和ゾーンを通るため、磁束通路Ｃの磁気抵抗は磁気飽和に起因して増大する傾向はない。

しかしながら、磁極片付近のスリーブの部分が飽和しなくても、各永久磁石の磁極間（軸方向に対して）にあるスリーブの部分は飽和する可能性がある。この理由は、通路Ａの磁束が、通路Ａの磁束を流す（carry）のに利用可能なスリーブの薄い環状断面に対し垂直に導かれるからである。薄い環状断面は、追加の磁束により劇的に磁束密度を増大させるような小さな断面積にわたって磁束が分布するため、さほど多くの磁束が飽和する必要はない。これが、本発明のいくつかの実施形態はスリーブのある部分で磁気飽和を示すが、他の部分では示さない理由である。

最も好ましくは、軸スリーブ材は、透磁率のレベルμおよび磁気飽和磁束密度Ｂ_ｓａｔを有するように選択されることができ、磁極片間の領域では磁気飽和するが、磁極片の領域を超えるところでは磁気飽和しないようになっている。この部分的な飽和は、通路Ａに沿って臨界透磁率を制限し、通路Ａに沿って損失する磁束を制限する役割を果たす。飽和領域は通路Ｃの磁束通路の一部に影響を与えるが、通路Ｃの一部または大部分までもがなおも磁極片付近のスリーブの非飽和部分に及んでいる。部分的な飽和により通路Ｃの磁気抵抗は増すが、部分的な不飽和により、通路Ｃの磁気抵抗が増大しすぎることが防止される。このように、磁気飽和特性は、（１）磁束通路Ａに沿って損失される磁束を有利に制限し、（２）通路Ｃの磁気抵抗を過度に増大させない、ように選択することができる。

本発明のスリーブの磁気および摩耗特性がスリーブ内（通路Ａ）の損失される磁束が増すという欠点に勝る利点である理由をより十分に理解するには、本発明の磁気モータの磁気特性と物理的なモータジオメトリとの微妙な相互作用を理解することが役に立つ。次に、この相互作用を説明する。

従来技術の図２を図３と比較すると、従来技術の磁気モータ１００および例示的な磁気モータ２００の双方の環状磁石の磁場が主として３つの磁束通路Ａ、Ｂ、およびＣに沿って導かれる。より詳細には、磁束通路Ａは概して、個々の軸スリーブ１０９、２０９に平行に、かつ該スリーブの本体内に導かれる磁束である。磁束通路Ｂは概して、個々の軸スリーブに対してほぼ平行に導かれるが、軸の個々の外表面と固定子の個々の内表面の間にある個々の実際の空隙内に位置する。磁束通路Ｃは、それぞれの固定子１０４、２０４付近に達する磁束を表し、したがって、磁束通路Ｃは個々のモータを作動および停止させるのに役立つ有効磁束を表す。これに対して、自磁束通路ＡおよびＢは有用な機能を果たさず、その磁束は無駄となる。

個々のモータの３つの磁束通路Ａ、Ｂ、Ｃのジオメトリは同様であるが、全磁束および磁束密度のパターンは、従来技術のモータ１００でのものとモータ２００でのものとは全く異なる。まず、磁束密度のパターンまたは分布の相違を説明する。磁束通路Ａは、モータ２０９における方が対応する従来技術のモータ１００におけるよりもいっそう大きな密度を有する。この理由はスリーブ２０９の透磁率が高いためである。スリーブ２０９の高透磁率は誘導磁場（すなわち透磁率を指す）に対し非常に伝導性があるため、２未満の透磁率を有する従来のスリーブを用いた場合よりも磁束密度がよりいっそう高い。換言すれば、モータ２００の通路Ａは、環状磁石が出す全磁束の比較的多くを引き出す、比較的磁気抵抗が低い通路である。

別々に見ると、モータ２００が従来技術の低透磁率スリーブを用いるのであれば、磁束の一部が固定子付近まで導き直されることでモータ推力に寄与するので、この高磁束密度は、通路Ａに沿って、モータ２００の推力を減らすと考えられる。しかしながら、下記に説明するように、高透磁率軸スリーブのこの表面上の欠点は、モータ２００全体として考慮した場合に利点が勝る。

次に磁束通路Ｂに注目すると、モータ１００またはモータ２００では通路Ｂにわたる磁束密度は大きくない。いずれの場合も、空隙はかなり小さく、当然のことながら空気の透過性は小さく、したがって、磁束通路Ｂは、従来の磁気モータと本発明による磁気モータの双方で高磁気抵抗通路を示す。しかしながら、モータ１００とモータ２００の空隙には２つの相違、すなわち（１）実際の空隙の相違、および（２）有効空隙の相違がある。これら２つの相違は、共におよび／または別個に、モータ性能にかなりの影響を及ぼす。より詳細には、本発明により意図されている新規の軸スリーブ材に起因して、（１）モータ２００の実際の空隙は、モータ１００の対応する実際の空隙よりも小さくつくられ、（２）モータ２００の有効空隙はモータ１００の対応する有効空隙よりも小さくつくられることができる。

モータ２００において有効空隙がより小さくつくられる理由を次に説明する。モータ１００では軸スリーブの透磁率は比較的小さい（一般に、従来のスリーブの透磁率は約１．０である（これは空気または真空の値である））。このモータ１００の従来の低透磁率は、磁束通路Ｃの磁気抵抗を著しく増す。実際、モータ１００の従来の低透磁率スリーブは等距離の空気の磁気抵抗とほぼ同じ磁気抵抗を有するため、磁束通路Ｃの磁気抵抗を求めるには空隙の一部として考えることができる。したがって、モータ１００では有効空隙は実際の空隙に軸スリーブ厚を足したものに等しい。

モータ２００では、有効空隙はよりいっそう小さい傾向が高い。この理由は、モータ２００が高透磁率軸スリーブを有するからである。軸スリーブの透磁率が非常に高いモータ２００の実施形態では、スリーブは通路Ｃの磁気抵抗を著しく増させないであろう。この実施形態では、有効空隙は実際の空隙とほぼ等しい。したがって、モータ２００のこれらの実施形態はモータ１００の相当する実施形態よりもいっそう小さな空隙を有する。

軸スリーブの透磁率が従来よりは大きいが非常に大きいわけではないモータ２００の実施形態では、有効空隙は相当する従来のモータ１００よりもなおも小さい傾向がある。例えば、モータ２００の軸スリーブが２．４の透磁率を有するように構成されている場合、軸スリーブの磁気抵抗は有効空隙に対し無視できない程度に寄与する。より具体的には、２．４透磁率軸スリーブに起因する有効空隙量は、その透磁率（２．４）で割った軸スリーブ厚に等しい。換言すれば、軸スリーブに起因する有効空隙量は、磁束通路Ｃの方向の軸スリーブ相対透磁率に反比例する。さらなる例として、１，０００の典型的な高透磁率を有する強磁性軸スリーブは、スリーブ厚のインチごとに１／１，０００インチの有効空隙を付加する。

有効空隙に対する軸スリーブの寄与が無視することができないものであるモータ２００の実施形態においてでさえ、有効空隙と通路Ｃの磁気抵抗の関係は逆線形関係（inverse linear relationship）である、すなわち、有効空隙の減少が比較的小さいと磁束通路Ｃの磁気抵抗の減少が大きくなり、かつモータ（特に、有効空隙が少ない二重突極型モータ）の推力が不均衡に(disproportionate)有利に増大する。

次に、本発明の軸スリーブ材の成果として達成し得る実際の空隙の差に注目すると、モータ２００での実際の空隙がより小さくなる１つの理由は、モータ２００の軸が通常、より厳密な公差で構成されることができることである。従来技術のモータ１００およびモータ２００の双方において、好ましくは軸がその長さに沿った固定子のいずれの場所にも接触すべきでないという束縛条件で、空隙が可能な限り小さく形成されることが理解される。その束縛理由は、かかる接触が過度の摩擦により固定子および／または軸に損傷を与える可能性があるからである。しかしながら、固定子が、その内表面が軸を支持およびガイドするように設計されるような軸受ライニング付き固定子（bearing-lined stator）である場合、軸は固定子ライニングに接触することができるとともに接触することが望ましい。

したがって、実際の空隙をどの程度小さくできるかを有効に決めるのは、サイズに関する公差（例えば軸径に関する公差）および形状に関する公差（例えば中心軸に関する公差）である。しかしながら、軸（特に軸方向の一体性）に関する公差は、軸内の強力な環状磁石が発生させる強力な複数の双極磁場が軸をわずかに湾曲させる傾向があるということにより引き上げられる傾向がある。そうでない場合は予測困難なやり方で軸を変形させる。

モータ２００の軸は通常、より厳密な公差で構成されることができるため、モータ２００ではたいていの場合実際の空隙は小さい。本発明の軸スリーブ材が概して、有利なより厳密な公差をもたらすのには２つの理由がある。１つの理由は、モータ２００の軸スリーブ２０９が高透磁率の材料からなることができる（好ましくは高透磁率の材料からなっている）ことである。低透磁率の金属、セラミックス、およびプラスチックからなるパレットに限定するという束縛に代えて、モータ設計者は現在では、軸スリーブに硬鋼等、関心が持たれて（attractive）いたが、これまで回避されてきた材料を用いることができる。これらの材料はまず、より成形可能であり、おそらく、より重要なことには、単位体積あたりの高強度により磁石が軸を変形するのを防ぐことができる。このことは、高透磁率の材料すべてが高強度を有すると述べているのではなく、単に、非透磁性金属に限定されない場合に許容可能な高強度材料をよりいっそう選択し易くなる可能性があることを述べている。本発明の軸スリーブ材により可能となる追加的な加工性および構造的強度は、より厳密な軸公差（およびより小さい有効空隙）に直接つながることが多い。

小さな実際の空隙についての別の理由は、軸スリーブ２０９もまた比較的厚くつくられるということである。磁気モータ軸設計の分野での有力な考えは、有効空隙が小さくなるように軸スリーブはできるだけ薄くつくらねばならないというものである。しかしながら、高透磁性材料を用いる場合、軸磁極面（shaft pole faces）は軸スリーブの厚みにより有効に張り出す。本発明により、軸スリーブをより厚く設計することが実現可能となる。このようなより厚肉の軸スリーブは軸の構造的一体性を高めるため、軸の許容限界公差が小さくなる。このことが、本発明において実際の空隙が低減する（軸が固定子と接触する心配はない）さらなる理由である。

これに対して、設計者によっては、本発明の透磁性軸スリーブを薄肉スリーブとしてつくるよう選択するであろう。基本的に、軸の公差および磁束の損失は、必要とされる推力、公差、軸受寿命、および所望の軸スリーブ材によって決まる、モータ設計基準によってモータ設計に関して均衡がとれている必要がある。

実際の空隙が小さくなる結果、有効な（通路Ｃの）磁束が増え、それに起因してモータ推力が増大する。実際の空隙が小さいことの１つの利点は、通路Ｂに沿って、すなわち空隙の長さに沿って損失する磁束が少ないことである。空隙が小さいことのさらなる重要な利点は、小さな実際の空隙／およびまたは有効空隙が全磁束を劇的に増大させるといことである。小さな空隙により全磁束が大きくなる理由、および全磁束がより大きくなる利点を、モータ２００の全磁束の説明とともに以下に説明する。

次に、モータ２００の磁束密度のパターンでの通路Ｃの構成要素に注目すると、通路Ｃは、実際の空隙の半径方向外側の固定子付近にある磁束である。上述したように、通路Ｃの磁束は、軸と固定子に互いに相対運動（および停止）させるよう固定子の磁場と相互作用する磁場の部分である。通路Ｃに沿った磁束が大きいほど、モータの推力が大きくなる。モータ２００では、通路Ｃに沿った磁束密度は、相当する従来技術のモータ１００の場合よりも大きい。この理由は、高エネルギー環状磁石２１０からの全磁束が、相当する高エネルギー磁石１１０により出力される全磁束よりもさらに大きいからである。

ここで、全磁束の問題に戻って説明する。所与の磁石（環状またはその他）が出力する磁束は、磁石付近の各種通路の磁気抵抗の関数による。通路のすべてが磁気抵抗が高い、すなわち透磁率が低い場合（例えば、真空中に懸架された磁石）、磁束は比較的低い。これに対して、利用可能な通路の一部またはすべての磁気抵抗が減ると、同じ磁石がより大きな磁束を出力し、この低減した磁束は主として低磁気抵抗通路に沿って位置する。

磁束についてのこれらの指針を当該状況に適用する場合、モータ２００の通路Ｃは、モータ１００の相当する通路Ｃよりもさらに低い磁気抵抗を有する。この理由により、磁石２１０は磁石１１０よりも多くの磁束を出力し、増大した磁束が主として通路Ｃに沿って位置することで、モータの推力が大いに増大する。モータ２００の通路Ｃが低磁気抵抗通路である理由は、軸スリーブ２０９を構成するのに異なるタイプの材料を用いることに起因する。上述したように、本発明は、軸スリーブ２０９を構成するのに高強度の成形可能な透磁性材料の使用を意図している。これらのタイプの材料を使用することにより、（１）空隙をより小さくすることができ、（２）スリーブが高透磁率を有する、という２つの理由から、通路（Ｃ）の磁気抵抗が減る。次に、これらの理由をそれぞれ順に説明する。

上述したように、本発明により用いることができる軸スリーブ材は、軸についてより緊密な公差を可能にし、それによりさらに小さな空隙が可能となる。モータ２００（図３を参照）での通路Ｃを再び参照すると、通路Ｃは、以下のセグメント、すなわち（１）磁極片２１２、（２）軸スリーブ２０９、（３）空隙Ｇ、および（４）固定子２０４を通る。通路Ｃの磁気抵抗は、上記の通路Ｃのこれらの４つのセグメントそれぞれに関連した磁気抵抗の和に等しい。磁極片（部分（１））と固定子（部分（４））の磁気抵抗は、モータ２００と相当する従来技術のモータ１００の双方で同じであるため、これらの部分の磁気抵抗は詳細に説明しない。軸スリーブ（部分（２））の磁気抵抗を以下に説明する。

空隙部分の磁気抵抗に注目すると、空隙はサイズと正相関する非常に大きな磁気抵抗を有する。換言すれば、空隙が減ると磁気抵抗も減少する。また、空隙サイズに伴う磁気抵抗の減少は線形関係ではない。むしろ、空隙の減少が小さいことは、通路Ｃのこの部分の磁気抵抗を非常に不均衡に減少させる。したがって、より厳密な公差が許す限り空隙サイズがさらに減少したとしても、概して、通路Ｃの磁気抵抗を大いに減少させ、通路Ｃの磁束を増大させることで、モータ推力を大いに増大させることができる。おそらく、驚くべきことに、本発明により許されるように空隙を小さく減少することは、透磁性軸スリーブに起因する通路（Ｂ）を通る有用な磁束の損失（および相当する推力損失）を埋め合わせする（more than offset）傾向がある。

軸スリーブを（概して垂直方向に（図３を参照））通る通路Ｃの部分に注目すると、通路のこの部分の磁気抵抗は、本発明による軸スリーブを構成するのに用いられる高透磁率材料により減少している。モータ１００等の従来のモータでは、非透磁性軸スリーブは通路Ｃの磁気抵抗に寄与する。このことは、本発明においてはごくわずかにしかあてはまらない。

従来のモータでは、スリーブは通路Ｃの磁束を最大にするよう可能な限り薄くするようにされてきた。結局のところ、非透磁性ゾーンを通る通路Ｃの長さが短いほど、磁気抵抗は少なく、モータ推力は大きくなる。これに対して、スリーブは軸の変形を防止するよう、かつ軸に関して適した厳密な公差を許容できるように十分な厚みがなくてはならなかった。

本発明によれば、設計者は２つの新しい任意選択を提供している。第１に、本発明の透磁性スリーブ２０９は薄くてもよい。このことは特に、本発明による使用に利用可能な高透磁率軸スリーブ材のいくつか（例えば硬鋼）の高強度により実現可能である。これらの薄肉スリーブは、通路Ａに沿って損失される磁束が少ないという点、および通路Ｃの磁気抵抗にごくわずかしか寄与しないという点で有利である。これに対して、薄肉スリーブは、軸に関する公差が比較的高いままである（このことは上述した理由により否定的なことである）ことを意味し得る。

薄肉の透磁性スリーブを選択する代わりに、設計者によっては、非透磁性軸スリーブを有する従来の磁気モータにおいて実現可能であったよりも、かなり厚肉にスリーブをつくってもよい。これらの厚肉スリーブは、特に非常に高い透磁率値では通路Ｃの磁気抵抗にあまり寄与しないかもしれない。例えば、１．０の透磁率および０．５ｍｍの厚みを有する従来のスリーブは、２．０の透磁率および１．０ｍｍの厚みを有する透磁性スリーブとほぼ同じ磁気抵抗を有する。設計者は自由にスリーブをより厚肉にすることができるが、従来技術の磁気モータの非透磁性スリーブに比して通路Ｃの磁気抵抗は依然として減少する。

本発明に従ってモータを設計する場合にスリーブの厚みを決定する際、スリーブをより薄肉につくる動機（例えば低磁気抵抗）とスリーブをより厚肉につくる動機（例えば厳密な公差、より小さな空隙）は、依然として互いに均衡がとれている必要があり、また周囲環境の全体性に応じて最適化される必要がある。しかしながら、本発明により達成することができる様々な均衡は概して、従来技術の非透磁性軸スリーブにより達成することができる均衡よりも好適である。

スリーブを通る磁束通路Ｃの部分の説明を終える前に、スリーブはその透磁率（磁気抵抗の逆）について異方性があるようにつくられてもよいことに留意されたい。より詳細には、異方性材料は、材料の相対向きおよび印加される磁場に応じて異なる透磁率値を有する。多くの異方性材料は、費用がかかるか、または扱うのが困難である可能性があるという点で欠点があるかもしれないが、異方性材料は実用性があるという点では、かかる材料は本発明のモータの推力性能を大いに改善することができる。

例えば、軸スリーブの材料は、半径方向（軸の中心線から外側方向）に高透磁率を、および軸方向（軸に沿った方向）に低透磁率を有するように配向することができる。本例では、磁束通路Ｃの磁気抵抗は透磁率の半径方向成分により減少する。同時に、通路Ａ（損失磁束通路）の磁気抵抗はスリーブの軸方向の低透磁率に起因して減少する。

ＩＩ．磁気モータを組み立てる方法（図５）
図４は、本発明に従って軸を組み立てる方法のフローチャートである。ステップＳ１０にて、軸心片（好ましくは管状または中実）が適当な取付部（fixture）にボルト締めされる。軸心片の周りにスタックされるべき強力な高エネルギー磁石のため、取付部はしっかり安定していなければならない。例えば、軸心片はステンレス鋼ナットに固定されてもよい。

ステップＳ１１にて、環状磁石、磁極片、および環状スペーサは、軸心片の周りにスタック（stack）されてスタック部分組立体を形成する。より詳細には、磁石と磁極片は交互になるように軸心の周りに直接スタックされる。環状スペーサは、各磁石が軸心の周りに配置される前または設置された直後に環状磁石の外側の周りに配置される。磁石は好ましくは連続磁石の磁極が交互に（従来通りに）反対方向に向くように配置される。

好ましくは、（未硬化）エポキシ樹脂を環状磁石と磁極片の隣接端間に配置する。好ましくは、軸心の周りにそれらをスタックする直前にエポキシ樹脂中に磁石および／または磁極片を浴する（bathing）ことで達成される。磁極片は軸心片の周りに密接して嵌まるように厳密な公差を有しているため、環状磁石は軸心片の周りに厳密に同軸上に芯合わせされる。エポキシ樹脂はさほど厳密な公差になっていない磁石を同軸上に芯合わせした状態に保つのに役立つ。別法として、１つの環状磁石と１つの軸心片からなる対を、軸心片を挿入する前にエポキシ樹脂で接着（epoxied）してもよい。エポキシ樹脂を用いる場合、エポキシ樹脂はスタック部分組立体が完成した後に硬化することが可能であるようにすべきである。また、スタックを組立てる際に、上部ナットを用いてスタックを軸方向にクランプ（clamp）してもよい。

ステップＳ１２にて、スタック部分組立体を取付部から取り外し、スタック部分組立体が所定の外径を有するようにスタックの半径方向外表面を加工する。加工後、スタック部分組立体を軸スリーブとの組み立てに備えるために、熱処理によってスタック部分組立体の外径が小さくなるようにスタック部分組立体を低温（例えば華氏０度）に冷却する。

スタック部分組立体の準備と並行して、軸スリーブもまた軸の最終組み立てに備える。ステップＳ２０にて、軸スリーブのために焼入れ管材（hardened tube stock）が設けられ、適当な長さに切断される。ステップＳ２１にて、軸スリーブはかなり精密な内径にガンドリル加工される。ステップＳ２２にて、軸スリーブは熱処理され、内径が非常に精密になるようにホーニングされる。この接合部にて、軸スリーブの内径はスタック部分組立体の外径に等しいか、またはその外径よりも若干小さくなくてはならない。この接合部にて、軸スリーブおよび（まだ冷却されていない）スタック部分組立体はしっかり締り嵌めされる、すなわちそれ以上組み立てることができないほど締められる。

ステップＳ２３にて、軸スリーブは、軸スリーブとその内径が膨張するように（例えば華氏２７５度に）加熱される。スタック部分組立体が冷却され、軸スリーブが加熱されると、スタック部分組立体が軸スリーブの内径に挿入される（ステップ３０）が、これは個々の熱収縮および膨張によるものである。

熱処理により、スタック組立体を軸スリーブに挿入することが可能となる。代替の方法として、スタック組立体のみが熱処理される（すなわち冷却される）か、または軸スリーブのみが熱処理される（すなわち加熱される）。しかしながら、熱処理は、スタック組立体が軸スリーブ内に嵌まるように十分に一時的な幾何学形状の調整を行わねばならない。当然のことながら、熱処理が終わると、軸スリーブおよびスタック組立体は収縮し、膨張して個々の熱処理前のサイズに戻り、これにより非常にしっかりした締り嵌めがもたらされる。

熱処理のほかに、スタック組立体および／または軸スリーブの相対サイズを一時的に調整して組み立てを可能にする他の方法も存在することに留意されたい。例えば、軸スリーブの内側の軸方向の空洞を加圧して内径を膨張させてもよい。スタック組立体を軸スリーブに挿入した後、圧力を解放して、軸スリーブが収縮してしっかりとした締り嵌めに戻るようにすることができる。

ステップＳ３１にて、軸アセンブリの半径方向外表面は、最終状態に合わせられて仕上げ加工され（好ましくは研削盤または旋盤による）、軸受と嵌合してリニアモータを形成する。この組み立てプロセスは、本発明の磁気スリーブの実施形態に好適であるが、本発明のプロセスはさらに従来の軸の組み立てにも用いることができる。ガンドリル加工により、正確な、比較的長い軸方向に位置合わせされた孔を形成することが可能となる。このことは、内部構成要素を正確に位置合わせして構造的一体性を高めるようにスリーブがスタックにわたって締り嵌めするようにするために重要である。

ＩＩＩ．磁気モータの第２の実施形態（図６〜図９）
図６〜図８に示すように、モータ３００は固定子３０４および軸３０２を有する。軸３０２は、軸受３０６のガイドにより直線方向に動くように駆動される。図７に示すように、軸３０２は、軸スリーブ３０９、交番磁石３１０、および磁極片３１２を有する。スリーブ３０９は、高透磁率および残留磁化を有するとともに磁気飽和を示すように硬鋼からなる。軸スリーブ３０９は、その磁気特性により有効空隙Ｇには寄与しない。むしろ、図７および図８に示すように、有効空隙Ｇは、軸３０２の外周面と固定子３０４の内周面との間の小さな実際の空隙に対応する。

モータ２００と同様に、モータ３００は、磁束通路Ａ（損失磁束）、Ｂ（損失磁束）、およびＣ（有効磁束）を有する。モータ２００と同様に、通路Ａの磁束は比較的大きく、より小さな有効空隙Ｇに起因して通路Ｃの磁気抵抗が減少することにより補償されるよりも大きい。

単純化された分析表示は、高透磁性軸スリーブ３０９がモータ性能をどのようにして高めるかを示す。具体的には、モータの各種磁気通路の関数としてのモータ推力は、以下の大まかな精度の等式（１）：
Ｆ＝Ｋ_１／（ｌ_ｓ／μ_s＋ｌ_ｇ／μ_０＋Ｒ_ｍ）−Ｋ_２×（μ_ｓ×ｌ_Ｓ） （１）
により与えられる。この等式中、Ｆはモータ推力、Ｋ_１は通路Ｃに起因する推力についての比例定数、Ｋ_２は損失磁束に起因する推力損失の比例定数、ｌｓは軸スリーブ厚、μ_ｓは軸スリーブの透磁率、ｌ_ｇは空隙長、μ_０は透気率（約１．０）、Ｒｍは有効磁気抵抗である。最も実用的なモータジオメトリでは、Ｋ_２はＫ_１に比して小さい。Ｋ_２が小さい場合、等式が示すようにμ_ｓは相対的に大きくすることができる。これはＫ_１項により推力を増大させる。Ｋ_２項が小さいため損失する力はあまり大きくない。

図９は、軸スリーブ３０９の半径方向の残留磁化を表すグラフを示す。このグラフでは、Ｈ軸は軸スリーブがさらされる正味磁場を表す。この磁場は永久磁石と固定子の電磁石の対向（ただし可変）磁場の正味磁場である。Ｂ軸は軸スリーブの磁化を表す。

軸スリーブ３０９が最初に軸３０２に取り付けられると、正味磁場は曲線４０２が示すように０から高値に増大する。軸スリーブ３０９の飽和点Ｈ_０にて、印加された磁場Ｈが増しても磁化は増大をやめる。曲線４０４に示されるように、固定子３０４が逆向きに導かれる磁場を印加するにつれて正味磁場が減少を被る。正味磁場Ｈが飽和点Ｈ_０未満になると、軸スリーブ３０９の磁化はわずかに減少する可能性がある。しかしながら、正味磁場Ｈが０に下がるとしても、図９に示すように、軸スリーブ３０９はなおも残留磁化Ｂにより磁化される。正味磁化Ｈが０未満になると、軸スリーブ３０９の磁化は曲線４０６に従って低下するが、固定子磁石（負のＨ寄与）が永久磁石（正のＨ寄与）ほど強力ではないため、磁気モータの磁化が起こる可能性はほとんどない。

図８に示すように、軸３０２は磁石３１０と軸スリーブ３０９の間に環状スペーサ片を有さない。この理由は、より正確に寸法採りされた永久磁石が軸３０２に用いられているからである。しかしながら、磁石３１０および磁極片はどちらも、軸心上に組み立てられると２量部熱硬化エポキシ樹脂中に浴される。軸が焼成してエポキシ樹脂が硬化すると、薄い（例えば０．０２５４〜０．０５０８ｍｍ（０．００１〜０．００２インチ））エポキシ樹脂層（図示せず）が磁石３１０（磁石３１０と軸スリーブ３０９の間の磁石３１０の外周面も含む）を取り囲む。磁石および磁極片を取り囲んでいるエポキシ樹脂は、軸スリーブ３０９の下側に空気が捕捉されないようにする。エポキシ樹脂層は、軸スリーブ中の気泡およびバンプをなくすように磁石の外周面／磁極片スタックの不連続性を有効に滑らかにする。軸受での均一な摩耗を保証するとともに固定子による機械的阻害を防止する平滑軸スリーブを有することが重要である。

図７および図８に示すように、固定子３０４は、固定子コイル３５０、封塵シール３５２、および固定子ライナ３５４を有する。コイル３５４は電磁石の１つであり、その磁場は軸３０２の直線運動を促す。封塵シール３５２は、塵埃からコイル３５４を保護する役割を果たす。固定子ライナ３５４はステンレス鋼からなることが好ましく、同様に固定子を保護する役割を果たす。固定子ライナ３５４は非常に薄いので、有効空隙を著しく増大させない。

ＩＶ．磁気モータの第３の実施形態（図１０）
図１０は、磁気式リニアモータ５００の別の好適な実施形態を示す。モータ５００は、固定子５０４と、軸５０２と、軸受５０６とを有する。軸受５０６は、好ましくは青銅ブッシングである。

軸５０２は、磁石５１０、磁極片５１２、環状スペーサ５１８、軸スリーブ５０９、およびナットアセンブリ５７０を有する。磁石５１０、磁極片５１０、環状スペーサ５１８、および軸スリーブは、先に説明したモータ２００におけるそれぞれ対応する構成要素と同様である。本実施形態では、２つの磁石５１０間および２つの磁極片間の軸方向の長さ（「磁極対ピッチ」）は好ましくは２３．４ｍｍ（０．９２２インチ）である。ナットアセンブリ５７０は、ねじ結合によりキャップ（図示せず）を収容するように構成されている。

固定子５０４は、コイル５５６、電源ライン５５７、磁極片５５８、スペーサリング５６０、およびテンションニングロッド５６２、およびカラーアセンブリ５６４を有する。コイル５５６は好ましくは１１５巻、１９ゲージの銅線である。電源ラインは、好ましくは３相ＡＣ電力をコイルに選択的に供給して固定子に対する軸５０２の運動を制御するようにする。磁極片５５８は低磁気抵抗通路を形成することによってコイル５５６の磁場を集中させて導く役割を果たす。したがって、磁極片５５８は高透磁率を有する材料からなることが好ましい。テンションニングロッド５６２は、図１０に示すように螺合により固定子スタックを保持する。カラーアセンブリ５６４は固定子５０４のためのハウジングである。

Ｖ．結論
１９９７年１１月２５日付けで発行されたLucasらに対する米国特許第５，６９１，５８２号（参照により援用される）は、高エネルギー磁石およびその磁束通路の非常に好適なレイアウトを使用することにより特に好適な構成を有する二重突極型磁気式リニアモータを開示している。軸スリーブが透磁性かつ低摩擦の耐久性材料（例えば硬鋼）からなるように従来技術の設計を変更することにより、本発明の特に好適な実施形態がもたらされた。

本明細書および関連の図面に記載された説明および例により、本発明の好適な実施形態を説明した。本明細書および図面は、本特許明細書の排他的な範囲に限定されることを意図しない。上述した実施形態以外の多くの設計が、添付の特許請求項の文言上および／または法定上の範囲内にある。特許が本発明のあらゆる想定可能な考えられ得るさらなる実施形態を明細書に記載することが概して不可能であるため、本特許明細書の排他的範囲は、（１）本明細書および／または図面に反映されるが、（２）添付の特許請求の範囲の文言により解釈または当然示唆される特徴に限定されるべきではない。

従来技術の磁気式リニアモータの側面略図である。 図１の従来技術の磁気式リニアモータのより詳細な部分的な切欠き図である。 本発明による磁気式リニアモータの第１の実施形態の部分的な切欠き側面図である。 図３の実施形態の軸の断面図である。 本発明による磁性モータ軸組立体の方法のフローチャートである。 本発明による磁気式リニアモータの第２の実施形態の断面図である。 図６の一部の拡大図である。 図７の一部の拡大図である。 軸スリーブの残留磁化を示すグラフである。 本発明による磁気式リニアモータの第３の実施形態の断面図である（明確にするため、網掛けは図１０の断面図から省いてある）。

Claims (22)

1. 磁気モータであって、
   第１の軸受面層、および
   第１の磁場を発生するように構成された、前記第１の軸受面層に対して固着される第１の磁石
   を有する第１のモータ組立体と、
   少なくとも一部が前記第１の軸受面層の少なくとも一部と接触するように配置され、ｘ（ただし、ｘは２．０よりも大きい）の相対透磁率を有する材料からなる、第２の軸受面層、および
   第２の磁場を発生するように構成された、前記第２の軸受面層に対して固着される第２の磁石
   を有する第２のモータ組立体と
   を備え、
   前記第１のモータ組立体および前記第２のモータ組立体は、前記第１の磁場および前記第２の磁場の相互作用によって生じる力により前記第１のモータ組立体および前記第２のモータ組立体を互いに相対運動させるように構成され、前記第１の軸受面層および前記第２の軸受面層は、前記第１のモータ組立体および前記第２のモータ組立体の相対運動を少なくとも部分的にガイドするように可動的に接触する、磁気モータ。
2. 高推力磁気モータである、請求項１に記載の磁気モータ。
3. 前記ｘは１００よりも大きい、請求項１に記載の磁気モータ。
4. 前記第１のモータ組立体は固定子であり、
   前記第１の軸受面層はブッシングを含み、
   前記第１の磁石は電磁石であり、前記第１の磁場が選択的に制御されるようになっており、
   前記第２のモータ組立体は軸を含み、
   前記第２の軸受面層は前記軸の少なくとも一部にわたって配置され、
   前記第２の磁石は軸内に配置され、少なくとも１つの永久磁石を含む、請求項１に記載の磁気モータ。
5. 二重突極型モータである、請求項４に記載の磁気モータ。
6. 前記軸は、
   複数の環状永久磁石と、
   前記磁石と交互に組み立てられる複数の磁極片と、
   前記交互の磁石と磁極片の周りに少なくとも部分的に配置されるスリーブとを備え、
   前記スリーブは外側の主面を含み、前記第２の軸受面層は前記スリーブの前記外側の主面に沿って少なくとも部分的に配置される、請求項４に記載の磁気モータ。
7. 前記第２の軸受面層は硬鋼からなる、請求項１に記載の磁気モータ。
8. 磁気モータであって、
   第１の軸受面層、および
   第１の磁場を発生するように構成された、前記第１の軸受面層に対して固着される第１の磁石
   を有する第１のモータ組立体と、
   少なくとも一部が第１の軸受面層の少なくとも一部と接触するように配置された、第２の軸受面層、および
   第２の磁場を発生するように構成された、前記第２の軸受面層に対して固着される第２の磁石
   を有する第２のモータ組立体と
   を備え、
   前記第１のモータ組立体および前記第２のモータ組立体は、前記第１の磁場および前記第２の磁場の相互作用によって生じる力により前記第１のモータ組立体および前記第２のモータ組立体を互いに相対運動させるように構成され、前記第１の軸受面層および前記第２の軸受面層は、前記第１のモータ組立体および前記第２のモータ組立体の相対運動を少なくとも部分的にガイドするように可動的に接触し、
   前記第２の軸受面層は、その少なくとも一部が前記第２の磁石の磁場により磁気飽和するような透磁率、磁気飽和特性、形状、および位置を有する、磁気モータ。
9. 前記第２の軸受面層は、
   前記第２の磁石の磁場により磁気飽和する飽和部分と、
   前記第２の磁石の磁場により磁気飽和しない不飽和部分とを含む、請求項８に記載の磁気モータ。
10. 前記飽和部分は、前記第２の磁石の磁極間に、前記第２の磁石付近に配置される前記第２の軸受面層の部分を含み、
    前記不飽和部分は、前記第２の磁石の磁極付近に配置される前記第２の軸受面層の部分を含む、請求項９に記載の磁気モータ。
11. 前記第１のモータ組立体は固定子であり、
    前記第１の軸受面層はブッシングを含み、
    前記第１の磁石は電磁石であり、前記第１の磁場が選択的に制御されるようになっており、
    前記第２のモータ組立体は軸を含み、
    前記第２の軸受面層は前記軸の少なくとも一部にわたって配置され、
    前記第２の磁石は前記軸内に配置され、少なくとも１つの永久磁石を含む、請求項８に記載の磁気モータ。
12. 該モータの通常動作中に、前記少なくとも１つの永久磁石の磁極に近接した前記第２の軸受面層の部分は磁気飽和せず、前記磁極間に配置された前記第２の軸受面層の部分は磁気飽和する、請求項１１に記載の磁気モータ。
13. 磁気モータであって、
    第１の軸受面層、および
    第１の磁場を発生するように構成された、前記第１の軸受面層に対して固着される第１の磁石
    を有する第１のモータ組立体と、
    少なくとも一部が前記第１の軸受面層の少なくとも一部と接触するように配置され、ｘ（ただし、ｘは５００ガウスよりも大きい）の残留磁化値を有する材料からなる、第２の軸受面層、および
    第２の磁場を発生するように構成された、前記第２の軸受面層に対して固着される第２の磁石
    を有する第２のモータ組立体と
    を備え、
    前記第１のモータ組立体および前記第２のモータ組立体は、前記第１の磁場および前記第２の磁場の相互作用によって生じる力により前記第１のモータ組立体および前記第２のモータ組立体を互いに相対運動させるように構成され、前記第１の軸受面層および前記第２の軸受面層は、前記第１のモータ組立体および前記第２のモータ組立体の相対運動を少なくとも部分的にガイドするように可動的に接触する、磁気モータ。
14. 前記ｘは１，０００ガウスよりも大きい、請求項１３に記載の磁気モータ。
15. 前記第１のモータ組立体は固定子であり、
    前記第１の軸受面層はブッシングを含み、
    前記第１の磁石は電磁石であり、前記第１の磁場が選択的に制御されるようになっており、
    前記第２のモータ組立体は軸を含み、
    前記第２の軸受面層は前記軸の少なくとも一部にわたって配置され、
    前記第２の磁石は前記軸内に配置され、少なくとも１つの永久磁石を含む、請求項１３に記載の磁気モータ。
16. 二重突極型モータである、請求項１５に記載の磁気モータ。
17. 前記軸は、
    複数の環状永久磁石と、
    前記磁石と交互に組み立てられる複数の磁極片と、
    前記交互の磁石と磁極片の周りに少なくとも部分的に配置されるスリーブとを備え、
    前記スリーブは外側の主面を含み、前記第２の軸受面層は前記スリーブの前記外側の主面に沿って少なくとも部分的に配置される、請求項１５に記載の磁気モータ。
18. 磁気モータであって、
    第１の軸受面層、および
    第１の磁場を発生するように構成された、前記第１の軸受面層に対して固着される第１の磁石
    を有する第１のモータ組立体と、
    少なくとも一部が前記第１の軸受面層の少なくとも一部と接触するように配置され、その透磁率が異方性を有する、第２の軸受面層、および
    第２の磁場を発生するように構成された、前記第２の軸受面層に対して固着される第２の磁石
    を有する第２のモータ組立体と
    を備え、
    前記第１のモータ組立体および前記第２のモータ組立体は、前記第１の磁場および前記第２の磁場の相互作用によって生じる力により前記第１のモータ組立体および前記第２のモータ組立体を互いに相対運動させるように構成され、前記第１の軸受面層および前記第２の軸受面層は、前記第１のモータ組立体および前記第２のモータ組立体の相対運動を少なくとも部分的にガイドするように可動的に接触する、磁気モータ。
19. 前記第１のモータ組立体は固定子であり、
    前記第１の軸受面層はブッシングを含み、
    前記第１の磁石は電磁石であり、前記第１の磁場が選択的に制御されるようになっており、
    前記第２のモータ組立体は、長さ方向および半径方向を画定する細長い軸を含み、
    前記第２の軸受面層は前記軸の少なくとも一部にわたって配置され、
    前記第２の磁石は前記軸内に配置され、少なくとも１つの永久磁石を含む、請求項１８に記載の磁気モータ。
20. 前記半径方向の前記第２の軸受面層の透磁率はｙであり、
    前記長さ方向の前記第２の軸受面層の透磁率はｘであり、
    前記ｙは前記ｘよりも大きい、請求項１９に記載の磁気モータ。
21. 前記ｙ／前記ｘは１．５以上である、請求項２０に記載の磁気モータ。
22. 磁性軸を製造する方法であって、
    最初のスタック直径を有する複数の別個の磁石から構成されるスタックを設けるステップと、
    ２．０よりも大きい透磁率を有するスリーブを設けるステップと、
    軸を形成するように前記スタックと前記スリーブを組み立てるステップと
    を含む、磁性軸を製造する方法。
    

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