JP2006517381A - 導体が最適化され、軸方向磁場を持つ回転エネルギ装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、多相電流構成の軸回転エネルギ装置を提供する。この装置は、固定された複数の永久磁石の磁極を有するロータを含み、さらに、複数のプリント回路基板の動作導体層を、複数のプリント回路基板の接続層とともに積層することによって形成されたステータを含む。ステータは、各電流位相に対して少なくとも１つの動作導体層を有するとともに、１つの動作導体層に対応した少なくとも１つの接続導体層を有する。動作導体層及び接続導体層はそれぞれ、内径のスルーホールから外径のスルーホールに延びるラジアル導体を有する。複数のビア導体は、接続導体層における複数のラジアルコネクタのうち特定のものと、動作導体層における複数のラジアルコネクタのうち特定のものとを、スルーホールを介して電気的に接続するために設けられている。

Description

本発明は、電気エネルギを運動に変換するためのモータや、回転運動を電気エネルギに変換するためのジェネレータとして用いることのできる、最適化され、軸方向磁場を持つ回転エネルギ装置に関するものである。本発明は、最大の電力及び効率を得るために電気部品が配置された複数のプリント回路基板を重ねることによって形成されたステータを含む。

層状のディスクステータを備えた軸方向空間型ブラシレスモータが、例えば、ワングの米国特許第５，７８９，８４１号において知られている。ワングにおいて、ステータ巻線として、互いに接続され、波形又は重なった構成のワイヤを利用している。これらのモータは、相対的に大きなサイズであり、製造するのが困難である。

さらに、プリント回路基板のステータを用いた、軸方向磁場を持つ電気装置が、例えば、スミス等の米国特許第６，４１１，０２２号において知られている。

本発明は、多相電力を用いて動作する回転エネルギ装置を提供する。この装置は、一般的に平坦であり、相対的に薄くなっている。そして、本装置は、今日、使用時に多くの道具や器具、例えば、電気ドリル、電動のこぎり、草刈り機、電動自転車、洗濯機や乾燥機で用いることができるモータを提供する。本発明の装置は、電気抵抗を最小にするとともに、渦電流又はループ電流を最小にするように設計されている。ロータマグネット及びステータ回路間のギャップを最小にすることにより電磁インダクタンスを増加させている。さらに、モータを複数のプリント回路基板で構成しているため、製造コストが大幅に低下する。

本発明は、多相電流構成の軸回転エネルギ装置を提供する。この装置は、固定された複数の永久磁石の磁極を有するロータを含み、さらに、複数のプリント回路基板の動作導体層を、複数のプリント回路基板の接続層とともに積層することによって形成されたステータを含む。ステータは、各電流位相に対して少なくとも１つの動作導体層を有するとともに、１つの動作導体層に対応した少なくとも１つの接続導体層を有する。動作導体層及び接続導体層はそれぞれ、内径のスルーホールから外径のスルーホールに延びるラジアル導体を有する。複数のビア導体は、接続導体層における複数のラジアルコネクタのうち特定のものと、動作導体層における複数のラジアルコネクタのうち特定のものとを、スルーホールを介して電気的に接続するために設けられている。

本発明が明確に理解され、容易に実施できるために、図面を用いながら、ほんの一例として本発明の好ましい実施形態について説明する。

本発明は、導体材料で形成され、不導体の誘電体材料で支持された複数の電気回路を含む複数のプリント回路基板（ＰＣＢ）を積層することによって形成されたステータを含む。全体的に本発明は、平坦で相対的に薄くなっており、円形、矩形や装置の機能に適した他の形状を有している。

一例として、図１は、本発明の１つの好ましい実施形態の３次元図を示し、本発明は、３相の電流構成において６つのＰＣＢ層で構成されている。ここでは、３相を、Ａ、Ｂ及びＣとする。図１において、軸方向のスケールは明確にするために誇張して表している。そして、通常、不導体材料は、電気的絶縁のためにあり、機械的な支持は省略されている。図１は、位相Ａ回路、位相Ｂ回路及び位相Ｃ回路が互いにかみ合って互いに迂回する複数の可能な配置のうちの１つを示すものである。図２において、詳細をより分かり易くするために、位相Ｃ回路が省略されている。図２は、位相Ａ回路が位相Ｂ回路と互いにかみ合って互いに迂回する複数の可能な配置のうちの１つを示すものである。位相Ｂ，Ｃ回路が省略された図３において最も分かり易いように、位相Ａ回路は、複数の導体材料の層で構成されている。導体材料の各層は、ラジアル導体２に代表される複数のラジアル導体と、非ラジアル導体３，４，５によって表される様々な非ラジアル導体とを有している。ラジアル導体及び非ラジアル導体は、同一の導体層において、互いに直列に接続されているとともに、中間層導体６によって表される複数の中間層導体によって、他の導体層の導体と直列に接続されている。また、中間層導体は、導体材料の異なる層における対応したラジアル導体と並列に接続されている。位相Ａ回路は、同一の層において、直列又は、直列且つ並列に接続され、層間において、直列且つ並列、直列又は並列に接続された多数のラジアル導体及び非ラジアル導体を有している。位相Ａ回路は、同一の導体材料の層内に含まれる他の位相回路とかみ合って、迂回している。６つの導体材料層で構成された位相回路Ａ，Ｂ，Ｃを図１〜図３において説明する。本発明の他の実施形態において、導体材料層の数は、少なくてもよいし、多くてもよい。

図１〜図３に示すように、また、以下に詳細に説明するように、位相Ａ，Ｂ，Ｃ回路内の各導体の寸法、空間的配置及び接続は、本発明を含む装置の機能及び所望の作用に基づいて、最適化されている。１つの導体材料層における１つの導体の寸法、空間的配置及び接続は、同一の導体材料層における他の導体とは別に、変更することができる。１つの導体材料層における１つの導体の寸法、空間的配置及び接続は、他の導体材料層における他の導体の寸法、空間的配置及び接続とは別に、変更することができる。一例として、図３は、非ラジアル導体３の幅よりも狭い幅のラジアル導体２を示すが、これらは同一の導体材料層において互いに接続されている。位相Ａ，Ｂ，Ｃ回路内におけるすべての導体の寸法、空間的配置及び接続を選択的に設定することにより、電気抵抗、電磁インダクタンス、渦電流又はループ電流の発生、熱損失および製造コストを含み、これらに限定されない因子に関して、装置を最適化することができる。本発明の好ましい実施形態について詳細に述べ、新規な発明の範囲をさらに説明する。

本発明の好ましい実施形態を図４に示す。モータやジェネレータとしての機能するように構成された導体最適化エネルギ装置１０は、２つのハウジング１１，１２と、駆動軸１３と、軸キー１３Ａと、２つのロータ１４Ａ，１４Ｂと、導体最適化ステータ１５と、２つの軸受け１６Ａ，１６Ｂと、軸方向に着磁された２つの永久磁石１７Ａ，１７Ｂと、波形のワッシャ１８と、３つのホールセンサ１９とを有している。また、装置１０は、ステータ用の位相コネクタ２０と、ステータ用のセンサコネクタ２１と、電気制御盤２２と、制御用の位相コネクタ２３と、制御用のセンサコネクタ２４と、制御用の放熱板２５と、制御用のカバー２６とを有している。電気制御盤２２は、電流を導体最適化ステータ１５に適切に供給するための電気的検出及び制御手段となる。電気制御盤２２は、不図示のバッテリやＤＣ電力供給装置といったＤＣ電源に接続されている。また、電気制御盤２２は、従来におけるモータドライブとして知られており、一体型回路チップ、パワートランジスタ、レギュレータ、ダイオード、レジスタおよびキャパシタといった、従来のタイプの構成を利用している。

ステータ位相コネクタ２０は制御位相コネクタ２３と接続され、ステータセンサコネクタ２１は制御センサコネクタ２４に接続されており、電気制御盤２２が導体最適化ステータ１５に接続される。また、ボルト２７及びナット２８は、ハウジング１１、ハウジング１２及び制御カバー２６を伴に締結する。制御装着ボルト２９は、電気制御盤２２及び制御放熱版２５をハウジング１１に締結する。

図４において、磁石１７Ａ，１７Ｂは、軸方向に着磁されており、リング周りに交互に配置されたＮ極及びＳ極を有する。磁石１７Ａ，１７Ｂを、リング状の磁石として示して説明するが、個別の部分で構成してもよい。磁石１７Ａ，１７Ｂは、好ましくは、ネオジウムの合金、鉄及びホウ素といった、少なくとも１つの希土類金属で構成する。図５に示すように装置１０を組み立てたとき、磁石１７Ａ，１７Ｂは、ロータ１４Ａ，１４Ｂに取り付けられる。ロータ１４Ａ，１４Ｂは、磁石１７ＡのＮ極が磁石１７ＢのＳ極と向かい合うように配置された磁石１７Ａ，１７Ｂを備えた状態で、ステータ１５の両側において、駆動軸１３に固定される。磁石１７Ａ，１７Ｂは、この間において、導体最適化ステータ１５の面に対して直交する磁束を発生する。磁石１７Ａ，１７Ｂを、４つの磁極を有するものとして示し説明したが、装置１０を、２，６，８，１６や、製造で実現可能な他の偶数といった、他の数の磁極を有する磁石で構成してもよい。

図５において、成型プラスチックといった硬い材料、又は、アルミニウムやマグネシウムで構成された合金で構成されたハウジング１１，１２は、軸受け１６Ａ，１６Ｂを支持する。駆動軸１３は、２つの軸受け１６Ａ，１６Ｂによって支持されており、駆動軸１３は、ハウジング１２の開口部を介して突出している。磁石１７Ａ，１７Ｂが装着されたロータ１４Ａ，１４Ｂは、軸１３に取り付けられる。ロータ１４Ａ，１４Ｂは、磁石１７Ａ，１７Ｂに対する磁束帰路を持たせるために、スチールといった磁気的透明材料で形成されている。磁石１７Ａ，１７Ｂは、これらの間に集中した磁束を発生する。ハウジング１１，１２は、ロータ１４Ａ，１４Ｂ間に位置して、磁石１７Ａ，１７Ｂのエアーギャップ３１Ａ，３１Ｂを横断する導体最適化ステータ１５を保持する。導体最適化ステータ１５のうち、磁石１７Ａ，１７Ｂ間の集中した磁束内にある部分が、動作領域３０となる。磁石１７Ａ，１７Ｂの外部手段による回転は、動作領域３０の導体材料において電流を発生させ、適切に電流が集まって供給されたときに、装置１０をジェネレータや交流電源として動作させる。逆に、動作領域３０の導体材料に適切な電流を与えれば、電流と磁界との間にローレンツ力が発生する。合成力は、駆動軸１３に固定されたロータ１４Ａ，１４Ｂに固定された磁石１７Ａ，１７Ｂを回転させるトルクとなる。駆動軸１３は仕事を行うために利用され、この装置１０はモータ又はアクチュエータとして動作することができる。

本発明の好ましい実施形態において、導体最適化回転エネルギ装置１０の新規な特徴について述べる。装置１０の導体最適化ステータ１５は、不導体材料の多層によって支持され、導体材料の積層されたＰＣＢ層を有している。図６から図１１のそれぞれにおいて、導体最適化ステータ１５における導体材料層の導体パターンを説明する。図６は、動作用のＰＣＢパターン３２を有する導体最適化ステータ１５内における導体材料層を示している。各導体材料層は、他の導体材料層と分離される不導体材料層によって支持されている。導体最適化ステータ１５における各導体材料層は、同一又は異なるＰＣＢパターンを有している。各層のパターンは、銅といった導電体材料で構成され、グラスファイバーといった不導体材料によって電気的に絶縁され、機械的に支持された導電体を示す。各層の導体パターンは、エッチング、プレス成形、噴霧法、切断又は機械加工を含み、これらに限定されない様々な方法によって形成される。２つの銅シート間に挟持された１つのグラスファイバーシートで構成され、複数の両面回路基板３９の各側に対して、導体パターン３２といった導体パターンを化学的にエッチングする方法が好ましい。一例として、図１３Ａから図１３Ｃに、導体最適化ステータ１５を製造する方法を図示する。図１３Ａにおいて、３つの両面回路基板３９は、これらの間にグラスファイバーシート４０を挟んだ状態で伴に積層されている。図１３Ｂにおいて、積層された回路基板３９及びグラスファイバーシート４０は、加熱及び加圧によってラミネート加工され、導体最適化ステータ１５のための多層板配置を形成する。中央の穴部４１は、軸１３を通すために形成される。複数の穴部４２はドリルで形成され、図１３Ｃに示すように、穴部４２は、銅といった導体材料によってメッキされる。そして、図１３Ｃのメッキ穴部４３に代表される、複数のメッキ穴部が形成される。

最も一般的な回路基板で使用される銅シートよりも薄い銅シートを有する回路基板を用いることが好ましい。０．００４インチから０．００７インチの範囲内の銅シートの厚みが好ましいが、他の厚みの銅シートを用いてもよい。図１に示すように、好ましい範囲内の銅シートの厚みによって、支持するグラスファイバーを除いた状態で見たときに、リボン形状の導体が得られる。図６において、導体最適化ステータ１５の多層回路基板を貫通して、正確な位置に穴部がドリルによって形成される。そして、穴部の内壁は、銅といった導体材料でメッキされる。ビアとして知られているメッキ穴部によって、導体最適化ステータ１５の異なる層の導体を電気的に接続するビア２０１，３０１で代表される複数の中間層導体が得られる。本実施形態においてメッキ穴部を示し説明したが、当然のことながら、導体材料で充填された穴部、金属ピン、圧着部、スポット溶接による接合部又はワイヤを含み、これらに限定されない他の中間層導体の手段も可能である。上述したように、ビアによって直列および並列に接続され、導体最適化ステータ１５の異なる層の様々な導体は、本発明の最適化導体回路を構成する。現在の回路基板の製造技術により、導体回路の連続性に対する１００パーセントの確実性が得られることに加えて、導体寸法、空間的配置、ステータの厚み及び平面度において相対的に小さな相違をもった多数の導体最適化ステータ１５を得ることができる。

図４から図１１に示す好ましい実施形態において、導体最適化ステータ１５には、３相電源回路の各電力の位相に対する最適化導体回路が３つ設けられている。上述したように、図６は、導体最適化ステータ１５において、動作ＰＣＢパターン３２で構成された導体材料層を示す。図７は、導体最適化ステータ１５において、接続用のＰＣＢパターン３３で構成された導体材料層を示すものである。図６のＰＣＢパターン３２及び図７のＰＣＢパターン３３は、電気的に位相Ａ回路の一部分を完成させるために、互いに接続された導体で構成されている。また、ＰＣＢパターン３２，３３は、位相Ｂ，Ｃ回路に対応した導体で構成されている。同様に、図８に示す動作ＰＣＢパターン３４及び図９に示す接続ＰＣＢパターン３５は、位相Ｂ回路の一部分を電気的に完成させるために、互いに接続された導体で構成されている。また、ＰＣＢパターン３４，３５は、位相Ａ，Ｃ回路に対応した導体で構成されている。また、図１０に示す動作ＰＣＢパターン３６及び図１１に示す接続ＰＣＢパターン３７は、位相Ｃ回路を電気的に完成するために、互いに接続された導体で構成されている。また、ＰＣＢパターン３６，３７は、位相Ａ，Ｂ回路に対応した導体で構成されている。

ＰＣＢパターン３２，３３，３４，３５，３６，３７におけるラジアル導体のパターンは、すべての層において同一である。

図１２は、他のＰＣＢ層のラジアル導体のパターンと同一であるラジアル導体のＰＣＢパターン３８を有する導体材料のＰＣＢ層を示す。さらに、ＰＣＢパターン３８は、複数のセンサ端子４５を複数のセンサ装着パッド４６に接続する複数の導体４４を含む。センサ装着パッド４６によって、ホールセンサアレイといった、磁石１７Ａ，１７Ｂの磁極Ｎ，Ｓの位置を検出する手段の装着面が与えられる。１つのホールセンサ１９は、１つのセンサ装着パッド４６に装着される。センサ装着パッド４６Ａによって、サーミスタといった温度検出手段の装着面が与えられる。センサ端子４５は、モータドライブといった外部電気制御手段に対する接続手段となる。また、ＰＣＢパターン３８は、位相Ａ，Ｂ，Ｃ回路に対応した導体で構成されている。図２５は、図１に示す積層されたＰＣＢパターン３２，３３，３４，３５，３６，３７の上面におけるＰＣＢパターン３８を示す。ＰＣＢパターン３８は、センサ装着パッド４６に対するホールセンサ１９、位相端子５３に対するステータ位相コネクタ２０、センサ端子４５に対するステータセンサコネクタ２１といった、センサ及びコネクタの表面装着を容易にするために、好ましくは上面層又は下面層となっている。ＰＣＢパターン３８のラジアル導体は、ビア導体によって、ＰＣＢパターン３２，３３，３４，３５，３６，３７の位相回路Ａ，Ｂ，Ｃに電気的に接続されている。

図６Ａにおいて、ＰＣＢパターン３２は、それぞれが含む導体の機能によって区別され、同心の複数のリング状領域で構成されている。図６Ａは、明確となるように、ＰＣＢパターン３２の幾つかの詳細を省略したＰＣＢパターン３２の様々な機能的リング状領域を説明するものである。ＰＣＢパターン３２の機能的リング形状領域に対する以下の説明は、導体最適化ステータ１５における各導体材料層の各ＰＣＢパターンに適用される。また、図６Ａには、磁極Ｎ，Ｓを備えた磁石１７ｂを示している。磁石１７ｂは、図６Ａに示すように、導体最適化ステータ１５の背後に位置している。そして、不図示の磁石１７ａは同じ位置にあるが、導体最適化ステータ１５の上側に位置している。ＰＣＢパターン３２は、磁石１７ａの磁極Ｎ，Ｓによって規定される動作導体領域３０を有している。すなわち、動作導体領域３０は、導体最適化ステータ１５のうち、磁石１７ａ，１７ｂ間の磁束が横断する部分である。図６Ａに示すように、Ａ，Ｂ，Ｃで示す、動作導体領域３０の複数の位相領域がある。位相領域の全体の数は、利用される電気的位相の数を乗じた電極の数と等しい。本実施形態において、装置１０は、３つの位相構成及び４つの磁極を利用しており、これにより、動作導体領域３０は、全体で１２の位相領域を有する。また、装置１０は、位相領域の数を変更した他の多相構成で構成して使用してもよい。一例として、５つの位相構成及び４つの磁極を利用する他の実施形態の装置１０は、２０の位相領域に分割された動作導体領域３０を有する。図６Ａで説明するように、位相領域Ａ，Ｂ，Ｃは、動作導体領域３０の周りで順に配置されており、３つの位相領域を合わせた領域は、１つの磁極の領域と等しい。

図６Ａにおいて、ＰＣＢパターン３２の他の領域について述べる。動作導体領域３０の径方向内側は、内側ビア領域４７となっている。内側ビア領域の径方向内側は、内側の非ラジアル導体領域４８となっている。内側の非ラジアル導体領域４８の径方向内側は、軸穴部４９となっている。動作導体領域３０の径方向外側は、外側ビア領域５０となっている。外側ビア領域５０の径方向外側は、外側の非ラジアル導体領域５１となっている。外側の非ラジアル導体領域５１の径方向外側は、放熱板領域５２となっている。放熱板領域５２がハウジング１１，１２に接触することで、導体最適化ステータ１５からハウジング１１，１２に熱を伝達する手段となる。放熱板領域５２の１つの領域は、モータドライブ、整流器又はコンバータといった、外部電気システムに対する接続手段となる端子領域５３として設計されている。

導体最適化ステータ１５のＰＣＢパターン３２は、６つの同心のリング状領域を持つものとして示しているが、本発明の他の実施形態では、同心のリング状領域の数を上記の数よりも多くしたり少なくしたりすることができる。

端子領域５３は、端子５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃ，５３Ｄ，５３Ｅ，５３Ｆを含み、このうち２つの端子は、電源回路の各位相のために設けられている。積層された層のそれぞれは、図１に示すビアコネクタによって互いに接続された端子を有している。動作導体層３２は、端子５３Ａ，５３Ｂに接続されている。動作導体層３４は、端子５３Ｃ，５３Ｄに接続されている。動作導体層３６は、端子５３Ｅ，５３Ｆに接続されている。

図６から図１１に示すように、通常、ＰＣＢパターン３２の第１領域における第１の導体のサイズ及び形状は、ＰＣＢパターン３２の第２領域における第２の導体のサイズ及び形状と異なっている。また、導体最適化ステータ１５の第１層における第１パターンの第１領域での導体のサイズ、形状及び位置は、導体最適化ステータ１５の第２層における第２パターンの第１領域に対応する領域での導体に対して、同一又は異なっている。これは、導体がモータやジェネレータの全体において一定のサイズ及び形状となるのを決定する一定の径のワイヤを用いて巻き上げられる従来のモータやジェネレータにおける導体と対照的である。

ＰＣＢパターン３２の各領域における導体材料の構造は、導体最適化ステータ１５に対して各領域が果たす機能的役割に基づいて決定される。上記に示して述べたように、位相領域Ａ，Ｂ，Ｃは、磁石１７Ａ，１７Ｂ間の磁束領域内にある。図１４において、ＰＣＢパターン３２の一部分について、動作導体領域３０、内側ビア領域４７、内側の非ラジアル導体領域４８、軸穴部４９、外側ビア領域５０及び外側の非ラジアル導体領域５１の部分を用いて説明する。ＰＣＢパターン３２の異なる領域において、導体を最適化させる方法の一例として、ラジアル導体１０１及び幾つかの対応する非ラジアル導体について、詳細に説明する。本実施形態において、ラジアル導体１０１は、動作導体領域３０内において一定であって、径５５に対して対称な幅５４を有する動作導体１０１Ａで構成されている。また、ラジアル導体１０１は、内側ビア領域４７内において幅５６を有する内側パッド１０１Ｂと、外側ビア領域５０内において幅５７を有する外側パッド１０１Ｃとで構成されている。幅５４は、幅５６以下となっている。幅５４は、幅５７よりも狭くなっている。幅５４は、磁束に直交する面内に位置しているため、幅５４の増加によって、動作導体１０１Ａの過電流を増加させてしまう。装置１０がジェネレータやモータとして動作するときに、過電流は、磁石１７Ａ、１７Ｂの回転に対向し、装置１０の出力を奪う力を生成する。磁石１７Ａ、１７Ｂの回転速度は、幅５４を決定する１つの要素となる。速い回転速度によってより過電流が発生し、高速で回転させる構成の装置１０の実施形態は、低速で回転させる構成の装置１０の実施形態における幅５４の値よりも小さい幅５４の値を有する。電気抵抗は、幅５４の値を決定する他の要素となる。装置１０がジェネレータやモータとして動作するときに、電気抵抗は装置１０の出力を奪う。電気抵抗は、電流が最適化ステータ１５の導体材料を通るときに熱を発生し、導体材料の温度が上昇するにつれて電気抵抗が増加する。幅５４が小さくなるにつれて電気抵抗が増加する。電気抵抗を起因とする損失を低減するために、幅５４の最大値を選択することができる。しかしながら、装置１０の動作速度に応じて、幅５４の最大値は、過電流による実質的な損失を引き起こすことになる。このため、動作導体１０１Ａにおける幅５４の値は、過電流による損失と電気抵抗による損失とのバランスを保つ値に設定される。

図６及び図１４において、パッド１０１Ｂは、内側ビア領域４７内にある。内側ビア２０１は、ラジアル導体１０１の内側パッド１０１Ｂと、導体最適化ステータ１５内の導体材料の他の層における対応するラジアル導体とを電気的に接続する。内側パッド１０１Ｂは、幅５９を有する非ラジアル導体５８と接続されている。内側の非ラジアル導体５８の幅５９は、ラジアル導体１０１における内側パッド１０１Ｂの幅５６以上であることが好ましい。外側パッド１０１Ｃは、ラジアル導体１０１のパッド１０１Ｃと、導体最適化ステータ１５における導体材料の他の層での対応するラジアル導体とを接続する外側ビア３０１を有している。外側パッド１０１Ｃは、幅６１を有する外側の非ラジアル導体６２に接続されている。幅６１は、幅５７以上であることが好ましい。図１４において、内側パッド１０１Ｂは、内側の非ラジアル導体６３と接続されており、外側パッド１０１Ｃは、外側の非ラジアル導体６２と接続されている。しかしながら、本実施形態においては、ラジアル導体１０１の内側パッド１０１Ｂは、図６に示すＰＣＢパターン３２における内側の非ラジアル導体６３や、図７に示すＰＣＢパターン３３における内側の非ラジアル導体６５にのみ接続されている。外側パッド１０１Ｃは、図６に示すＰＣＢパターン３２における外側の非ラジアル導体６２にのみ接続されている。図８，９，１０，１１のそれぞれに示すＰＣＢパターン３４，３５，３６，３７のラジアル導体１０１は、不図示であるが、内側の非ラジアル導体又は外側の非ラジアル導体に接続されている。当然のことながら、ラジアル導体１０１は、内側の非ラジアル導体６３又は、導体最適化ステータ１５における導体材料の他の層での外側の非ラジアル導体６２に選択的に接続されている。

図１４において、ラジアル導体１０１の内側パッド１０１Ｂ及び外側パッド１０１Ｃ、内側の非ラジアル導体６３及び外側の非ラジアル導体６２は、磁石１７Ａ、１７Ｂの集中した磁場の作用を受けていない。このため、過電流は要素とはならず、全回路の電気抵抗を低減するために、幅５６，５７，５９，６１は、導体最適化ステータ１５の各領域内において、可能な限り大きくなっている。

導体最適化ステータ１５内において導体回路の全体の電気抵抗を低減する他の方法は、導体材料の異なる層における対応する導体を並列に接続することである。一例として、図１５は、ビア２０１，３０１によって電気的に並列に接続されたラジアル導体１０１の６つの層を示している。それぞれが電気抵抗値を備え、複数の並列の導体における全体の電気抵抗は、各導体の抵抗値の逆数の総和で分割したものと等しい。図１５に示すラジアル導体１０１における６つの層のそれぞれのように、各導体が同じ抵抗値を持つ場合には、全体の抵抗が、並列の導体の数によって分割された１つの導体の抵抗値と等しくなり、公式が簡素化される。例えば、第１の層のラジアル導体１０１が０．００６オームの抵抗値を有し、他の５つの層それぞれにおけるラジアル導体１０１が同じ抵抗値を有するとすると、ラジアル導体１０１の６つの層の全体の電気抵抗値は、０．００６オームを６つの導体で割った値、０．００１オームに等しくなる。図１５は、６つの層からなるラジアル導体の１つのセットの並列接続を示している。図３は、６つの層で構成される位相Ａ回路の各領域におけるラジアル導体の並列接続を示している。

導体最適化ステータ１５の機能の例として、装置１０がモータとして駆動されたときに、本実施形態の１つの回路内を流れる電流の経路について述べる。図１６において、動作ＰＣＢパターン３２の動作導体領域３０は、ラジアル導体１０１〜１７２で構成されている。本実施形態において、各位相領域は、同一の径方向において位相領域を通過する電流を運ぶ６つのラジアル導体を含む。ラジアル導体１０１〜１０６は、正の位相領域Ａ内にあり、ラジアル導体１０７〜１１２は、正の位相領域Ｂ内にあり、動作導体１１３〜１１８は、正の位相領域Ｃ内にある。ラジアル導体１１９〜１２４は、負の位相領域Ａ内にあり、ラジアル導体１２５〜１３０は、負の位相領域Ｂ内にあり、ラジアル導体１３１〜１３６は、負の位相領域Ｃ内にある。ラジアル導体１３７〜１４２は、正の位相領域Ａ内にあり、ラジアル導体１４３〜１４８は正の位相領域Ｂ内にあり、ラジアル導体１４９〜１５４は、正の位相領域Ｃ内にある。ラジアル導体１５５〜１６０は、負の位相領域Ａ内にあり、ラジアル導体１６１〜１６６は、負の位相領域Ｂ内にあり、ラジアル導体１６７〜１７２は、負の位相領域Ｃ内にある。当然のことながら、各位相領域においてラジアル導体の数が多かったり少なかったりする他の実施形態は、装置１０の所望の出力要求に基づいて製造される。

各位相領域の複数のラジアル導体は、順次接続されており、複数の電流が動作領域３０を流れるようになっている。図１６は、強調して示された位相Ａ回路を備えた上述した動作ＰＣＢパターン３２を示し、図１７は、強調して示された位相Ａ回路を備えた接続電気導体のＰＣＢパターン３３を示す。

図１６において、電流は、制御手段からＡ＋端子５３Ｂに供給される。上述した電気制御盤２２といった制御手段は、位相回路Ａ、Ｂ、Ｃの各位相領域を流れ、永久磁石１７Ａ、１７Ｂによって発生する磁束の極性を、検出手段を用いて測定している。検出手段は、好ましくは、導体最適化ステータ１５に装着されたアレイホールセンサの表面である。制御手段は、適切な時間及び継続時間で位相回路Ａ、Ｂ、Ｃに電流を切り換える複数のパワートランジスタやＭＯＳＦＥＴを用い、ホールセンサアレイの入力に基づいて装置の回転動作を行わせたり維持したりする。制御手段は装置１０の外部にあり、制御手段及び導体最適化ステータ１５間の電気的接続は、ワイヤの束やリボンケーブルといった別の導体によって行われている。

Ａ＋端子５３Ｂから、電流が外側の非ラジアル導体６２に流れる。電流はラジアル導体１０１に流れた後、内側の非ラジアル導体６３に流れる。内側の非ラジアル導体６３は、電流をラジアル導体１２４に流す。この位置において、電流は動作ＰＣＢパターン３２外に流れる。電流は、外側ビア３２４を通って、図１７の接続ＰＣＢパターン３３に流れる。外側ビア３２４から、電流は、外側の非ラジアル導体６４を通ってラジアル導体１０２に到達する。電流は、動作導体１０２を通り、内側の非ラジアル導体６５、ラジアル導体１２３を通り、外側の非ラジアル導体６６及びラジアル導体１０３に流れる。電流がラジアル導体を通過する各時間において、電流は動作導体領域３０を通過する。電流は、ラジアル導体１２２，１０４，１２１，１０５，１２０，１０６，１１９を流れ続ける。ラジアル導体１１９から、電流は外側ビア３１９を介して図１６の動作ＰＣＢパターン３２に戻る。外側ビア３１９から、電流は、外側の非ラジアル導体６７を通過して、ラジアル導体１３７に流れる。ラジアル導体１３７から、電流は、内側の非ラジアル導体６８を通ってラジアル導体１６０に流れる。電流は、外側ビア３６０を介して接続ＰＣＢパターン３３に流れる。図１７において、電流は、外側の非ラジアル導体６９を介してラジアル導体１３８に流れることができる。電流は、ラジアル導体１３８から内側の非ラジアル導体７０に流れた後、ラジアル導体１５９に流れる。電流は、ラジアル導体１３９，１５８，１４０，１５７，１４１，１５６，１４２，１５５を流れ続ける。ラジアル導体１５５から、電流は外側ビア３５５を介して図１６に示す動作ＰＣＢパターン３２に流れる。外側ビア３５５から、電流は、外側の非ラジアル導体７１を介してＡ−端子５３Ａに流れる。Ａ−端子５３Ａから、電流は制御手段に戻る。同様の方法において、動作パターン３４は、端子５３Ｃ、５３Ｄに接続されており、電流は、図８及び図９に示すように、動作ＰＣＢパターン３４及び接続ＰＣＢパターン３５内に含まれる位相Ｂ回路に流れる。また、動作パターン３６は、端子５３Ｅ、５３Ｆに接続されており、電流は、図１０及び図１１に示すように、動作ＰＣＢパターン３６及び接続ＰＣＢパターン３７内に含まれる位相Ｃ回路に流れる。図１５における上述した説明のように、外側ビア３０１及び内側ビア２０１は、ＰＣＢパターン３２，３３，３４，３５，３６，３７内に含まれる導体材料の各層におけるラジアル導体１０１に並列に接続される。同様に、図１６及び図１７に示すラジアル導体１０２〜１７２は、外側ビア３０２〜３７２及び内側ビア２０２〜２７２によって、導体最適化ステータ１５内の導体材料の各層における対応するラジアル導体に並列に接続されている。

本発明の他の実施形態を図１８に示す。この実施形態は、ステータ１５で用いられるＰＣＢパターン９１を含んでいる。上述した実施形態との違いは、動作領域３０内において、ホールセンサ９５といった磁極センサを位置づける手段を含むことである。パターン９１は、センサポケット９２を有している。センサポケット９２は、導体材料及び非導体材料のすべての層を貫通して延びる空領域である。センサポケット９２は、磁石１７Ａ、１７Ｂ間の集中した磁束内に位置するようなサイズ及び位置に設けられている。センサポケット９２近傍のラジアル導体は、導体最適化ステータ１５の回路内の接続を維持し、十分なクリアランスを設けるようにパターン化されている。

本発明は、上述した実施形態に加えて、導体最適化ステータ１５の導体を最適化する他の実施形態を提供する。上記に示したように、図１９は、内側ビアのパッド１０１Ｂ、内側ビア２０１、外側ビアのパッド１０１Ｃ及び外側ビア３０１に沿う半径５５に対して対称であって、１つの真っ直ぐな動作導体１０１ａで構成されるラジアル導体１０１の１つの構成を説明するものである。一例として、図１９〜図２４は、本発明の導体を最適化する他の可能な手段を示す。図１９は、内側パッド１０１Ｂ内の３つのビア２０１と外側パッド１０１Ｃ内の３つのビア３０１を有する上述したラジアル導体１０１を示す。導体材料の各層におけるラジアル導体１０１に接続するビアの数が増加すると、回路の電気抵抗を減少させる各接続の全体のメッキ領域が増加する。３つのビア２０１及び３つのビア３０１を示したが、ビアの数は他の数であってもよい。

図２０に示す他の実施形態は、２つの動作導体４０１Ａ、４０１Ｂで構成されたラジアル導体４０１を示す。動作導体４０１Ａ、４０１Ｂは、半径５５に対して平行であり、同じ幅４０２を有している。ラジアル導体４０１は、２つの動作導体を備えたものとして示した。しかしながら、他の数の動作導体を用いてもよい。各動作導体の幅は、過電流による損失を軽減するために、最小となっている。動作導体４０１Ａ、４０１Ｂといった複数の動作導体を並列に持つと、１つの動作導体に比べて、電気抵抗が低減し、外側への熱の伝達を向上させる。

図２１は、本発明における、ラジアル導体の他の可能な実施形態を説明するものである。分岐導体５０１を、内側パッド５０１Ｂに接続される動作導体５０１Ａとして示している。径方向外側において、動作導体５０１Ａは、動作導体５０１Ｄ、５０１Ｅに分岐している。そして、更に動作導体５０１Ｆ、５０１Ｇ、５０１Ｈに分岐している。分岐導体５０１は、過電流による損失を低減し、抵抗を低減し、導体最適化ステータ１５の外側端部への熱の伝達を増加させる他の方法である。

図２２及び図２３において、動作領域３０内の複数のビア６０２は、半径５５の一方の側から他方の側に向かって、一対の動作導体を横断している。図２２において、ラジアル導体６０１は、動作導体６０１Ａ、６０１Ｂ、６０１Ｃ、６０１Ｄで構成されている。動作導体６０１Ａ、６０１Ｂは図に示すように接続されており、動作導体６０１Ｃ、６０１Ｄは、図に示すようにビア６０２において途切れている。動作導体６０１Ａを流れる電流は、半径５５の一方の側にあり、そして、動作導体６０１Ｂにおける半径５５の他方の側に流れる。６０１Ｃ内を通過する電流は、図２３で説明する構成において、ビア６０２によって導体材料の他の層に流れる。電流は、ビア６０２から動作導体６０１Ｃに流れた後、半径５５を横断して動作導体６０１Ｄに流れる。図２３で示す導体材料の層において、動作導体６０１Ａ、６０１Ｂはビア６０２において途切れている。動作導体６０１Ａを通過する電流は、図２２に示し、動作導体６０１Ａに接続された導体材料の層に流れた後、半径５５を横断して動作導体６０１Ｂに流れる。上述した状態において動作導体を横断させることは、交互の磁場内の並列の導体内で生じるループ電流を減少させる方法である。

図２４は、最適化導体ステータ１５の中心７０５からの距離７０４で、半径５５からの距離７０３である中間点７０２で構成されたラジアル導体を備えた他の実施形態を示している。中間点７０２は、導体最適化ステータ１５内の導体材料の異なる層において、距離７０３、７０４に対して同じ又は異なる値を持つことができる。上述した状態において、半径５５から離れてラジアル導体７０１を曲げることは、コギングを低減する方法である。

図１４，１５，１９〜２４に示すラジアル導体の異なる構成は、一例として表され、導体を最適化する他の多くの構成も可能である。

本発明の基本的な新規な特徴について示して説明してきたが、当然のことながら、本発明の概念及び範囲から外れない限りにおいて、本技術分野の当業者によって様々な置換、改良、変更が可能である。したがって、すべての改良又は変更は、特許請求の範囲の記載で定義される発明の範囲内に含まれるものである。

本発明において用いられるステータの一部を切り欠いた部分分解図である。 図１に示すステータにおいて、さらに切り欠いた図である。 図２に示すステータにおいて、さらに切り欠いた図である。 本発明のエネルギ装置の分解図である。 本発明のエネルギ装置の断面図である。 図１に示すステータで用いられる第１の動作導体層の正面図である。 図６に示す第１の動作導体層において、導体パターンを取り除いた詳細を示す正面図である。 図１に示すステータに用いられる第１の接続導体層の正面図である。 図１に示すステータ内で用いられる第２の動作導体層の正面図である。 図１に示すステータ内で用いられる第２の接続導体層の正面図である。 図１に示すステータ内で用いられる第３の動作導体層の正面図である。 図１に示すステータで用いられる第３の接続導体層の正面図である。 本発明のステータ内で用いられる分離導体層の正面図である。 ステータ層の構成の順序を示す分解断面図である。 図１３Ａに示す積層されたステータ層を示す断面図である。 メッキされたスルーホールを備えた図１３Ｂに示す断面図である。 本発明の第１の実施形態において、導体層と共に用いられるラジアル導体の詳細図である。 本発明において、並列に接続された６つの導体層のラジアル導体を示す詳細図である。 図６に示す第１の動作導体層の正面図である。 図７に示す第１の接続導体層を強調して示した正面図である。 本発明の第２の実施形態における導体層の正面図である。 本発明の第３の実施形態における導体層で用いられるラジアル導体の詳細図である。 本発明の第４の実施形態における導体層で用いられるラジアル導体の詳細図である。 本発明の第５の実施形態における導体層で用いられるラジアル導体の詳細図である。 本発明の第６の実施形態における導体層で用いられるラジアル導体の詳細図である。 本発明の第７の実施形態における導体層で用いられるラジアル導体の詳細図である。 本発明の第８の実施形態における導体層で用いられるラジアル導体の詳細図である。 図１２に示す分離導体層を備えた、図１に示すステータの部分分解図である。

Claims (12)

1. 正負極と、多相電流端子を有する軸方向磁場の回転エネルギ装置であって、
   複数の永久磁石の磁極を有するロータと、
   ステータとを有し、
   前記ステータは、
   電流の各位相に対する少なくとも１つの動作導体層を有する複数の回路基板の動作導体層であって、各動作導体層が、前記動作導体層の内径部に位置する内側スルーホールと、前記動作導体層の外径部に位置する外側スルーホールとの間に配置された複数のラジアル導体のパターンを含み、
   各動作層が、電流の１つの位相の正負端子と、特定の外側スルーホールを電気的に接続する一対の外側導体と、特定の内側スルーホールを電気的に接続する複数の内側導体とを有するものと、
   少なくとも１つが前記各動作導体層に対応し、それぞれが、該接続導体層の内径部に位置する内側スルーホールと、該接続導体層の外径部に位置する外側スルーホールとの間に配置された複数のラジアル導体のパターンを含む複数の回路基板の接続導体層であって、
   各接続層が、特定の外側スルーホールを電気的に接続する複数の外側導体と、特定の内側スルーホールを電気的に接続する複数の内側コネクタとを有するものと、
   前記動作導体層における特定の内側及び外側スルーホール内に位置して前記層を接続し、前記接続導体層のラジアル導体のうち特定のものと、前記動作導体層のラジアルコネクタのうち特定のものとを電気的に接続する複数のビア導体とを有する、
   ことを特徴とする回転エネルギ装置。
2. 前記各回路基板の動作導体層が平面的に構成されているとともに、前記各回路基板の接続導体層が平面的に構成されており、
   前記ステータは、前記動作導体層及び前記接続導体層が交互に積層され、各層間に基材層が配置されて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転エネルギ装置。
3. 前記ステータは、前記層の平面構成に対して直交する方向において、貫通した中央穴部を有し、さらに
   前記中央穴部を介して延びる回転可能な駆動軸と、
   前記ステータの一方の側において、前記駆動軸に固定された第１のロータと、
   前記ステータの他方の側において、前記駆動軸に固定された第２のロータとを含むことを特徴とする請求項２に記載の回転エネルギ装置。
4. 前記ステータに装着され、永久磁石の磁極の回転位置を検出するための検出手段を含むことを特徴とする請求項３に記載の回転エネルギ装置。
5. 前記第１のロータにおける永久磁石の磁極は、磁束が前記動作導体層の平面構成に対して直交する方向で前記ステータを通過するように、前記第２のロータにおける永久磁石の磁極に対して位置していることを特徴とする請求項３に記載の回転エネルギ装置。
6. 前記各ロータは、少なくとも４つの永久磁石の磁極を有することを特徴とする請求項３に記載の回転エネルギ装置。
7. 前記回転エネルギ装置が少なくとも３つの位相の電気回路で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転エネルギ装置。
8. 前記動作導体層及び前記接続導体層のラジアル導体が、所定の幅を有しており、
   前記動作導体層の外側及び内側の導体と、前記接続導体層の外側及び内側の導体とが、前記所定の幅よりも広い幅を有していることを特徴とする請求項１に記載の回転エネルギ装置。
9. 前記各動作導体層及び前記各接続導体層が、複数の領域に分割されており、
   各領域が電流の各位相の正極又は負極に対応し、前記ラジアル導体が各領域に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回転エネルギ装置。
10. 前記各動作導体層における内側の導体は、前記各接続導体層における内側及び外側の導体と共に、電流の位相に対応した各領域において前記ラジアルコネクタを、前記ビア導体を介して直列に接続することを特徴とする請求項９に記載の回転エネルギ装置。
11. 該装置は、少なくとも３つの位相の電流に対応して構成されており、
    前記ロータは、少なくとも４つの永久磁石の磁極を含み、
    前記各動作導体層及び前記各接続導体層は、少なくとも１２の領域に分割され、
    前記動作導体層は、１つの位相の負極に対応した領域と、該位相の正極に対応した領域とを接続するための少なくとも１つの外側導体を含むことを特徴とする請求項１０に記載の回転エネルギ装置。
12. 前記各動作導体層及び前記各接続導体層のラジアル導体は、同一のパターンで配置されており、
    各層における対応するラジアル導体は、前記ビア導体を介して電気的に並列に接続されていることを特徴とする請求項１０に記載の回転エネルギ装置。