JP2009543540A - Mp−dマシン - Google Patents
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Abstract
MP−Dマシンは多極型の直流マシン、即ちそのトルクが円筒形の同心磁石管に取付けられている平行な永久磁極の対間で複数のターンで軸方向に配向された電流が流れる円筒形の電流管で発生されるマシンである。他の多極型のマシンと異なって、MP−Dマシンの磁石管は連続的な円周方向スリーブの形態の複数の永久磁石を具備している。MP−Dマシンの電流管は2つの磁石管の少なくとも一方が回転している期間に静止下状態である。MP−Dマシンは付勢されることができ、或いは直流を発生することができる。
【選択図】なし
【選択図】なし
Description
本発明はMP−Dマシンに関する。
本願は2006年7月7日出願の米国暫定特許出願第60/819,499号明細書(発明の名称“MP−D Machines”)による優先権を主張しており、この明細書全体はここで参考文献とされている。さらに2006年6月8日出願の米国暫定特許出願第60/811,946号明細書(発明の名称“Multipolar Flat Magnets”)と2006年6月8日出願の米国暫定特許出願第60/811,944号明細書(発明の名称“MP-T Cooling and Lubrication”)を参照し、これらもその全体がここで参考文献とされている。
「MP−Dマシン」はMP(「多極」)型の直流マシン、即ちそのトルクが円筒形の同心磁石管に取付けられている平行な永久磁極の対間で複数の「ターン」で軸方向に配向された電流が流れる円筒形の「電流管」で発生されるマシンである。全ての従来のMPマシンでは、磁石は内部及び外部の磁石管上で交番する半径方向極性の連続的に軸方向に延在する行に配置され、電流管はこれらの間の円筒形のギャップ中で相対的に回転された。電流が回転軸に平行に前後に導かれる半径方向状の磁束密度Bの磁石対により発生され軸方向に延在された「ゾーン」は、常に同じ方向でトルクを発生している。静止磁石管を有するMPマシンでは、電流管が回転し、それ故電気ブラシを必要とする。ブラシのないMPマシンは静止電流管で可能であり、対応して1以上の磁石管を回転する。しかしながら、従来のMPマシンにおいて説明された軸方向に延在されるゾーンでは、交流電流だけが随意選択的な数の相にかかわらずモータモードで使用されるか発電機モードで発生されることができる。
本発明の直流MP−Dマシンは同じ基本原理を使用するが、連続的な円周「スリーブ」の形態の磁石管に取付けられた永久磁石を有する。(電流管の内部または外部の)1つのみの磁石管を有するかまたは(間のギャップに電流管が存在する)2つの磁石管を有するかに基づいて、別名MP−D IおよびMP−D IIの2つの基本的なタイプを説明する。これらには2つの選択肢が存在し、即ち電流管の近傍スリーブと磁石管上の相関される近傍磁石スリーブは同じまたは交番する極性を有する。同じ極性の場合、必要とされる磁束帰路材料の厚さは軸方向のスリーブの長さと共に基本的に線形に上昇する。結果として、許容可能な高電力のMP−Dマシンでは、スリーブの軸長は制限される。それ故、磁束の帰路に適合するためのギャップが同じ極性の近傍スリーブ対の間に必要とされる。しかしながら横断する磁束帰路ギャップでは、同じ極性の多数のスリーブ対に沿って通過する電流は反対方向の磁束線に遭遇し、それによって反対のトルクを発生し、マシンでは全体としてゼロトルクである。
磁束帰路ギャップに対する要求と同じ要求は交番する極性のスリーブ対には存在しない。それは各対がその近傍で磁束帰路を与えるからである。しかしながら交番する極性の多数のスリーブ対に沿って通過する軸方向の電流は交番方向のトルクを発生し、即ちそれぞれモータ及び発電機では、偶数のスリーブ対ではトルクまたは電圧はゼロであり、奇数のスリーブ対では単一のスリーブ対におけるトルクまたは電圧である。したがって交番する極性のスリーブを有する実効的なMPマシンでは、逆トルクを避けるパスでスリーブ対間に電流を導くためにギャップがスリーブ間に設けられなければならない。
その結果、一方向および交番する極性のスリーブ対を有する両MPマシンは一方は帰路を与え他方は適切な電流パスを与えるためのギャップを近傍スリーブ対間に必要とする。さらに両タイプでは、余分な電気マシン抵抗および/または逆トルクを含んでいる電流と磁束帰路パス間の交差が避けられない。磁束帰路パスを横切る電流の通過のこれらの不所望な効果を最小にするための2つの可能性が存在する。第1は直接転移である。この方法を用いるマシンは「転移」のラベルtで識別され、例えばMP−D IItは磁束帰路パスを横切る電流転移を具備した2つの磁石管を有するマシンを指示している。主に磁束帰路材料(典型的には鉄−シリコン)は導体材料のρが約2×10−8Ωmであるのと比較してρFが約10−7Ωmである電気抵抗を有するので、この選択肢は非常に増加された電気マシン抵抗を含んでいる。典型的に導体材料は、電流パスの限定および/または渦電流の抑制に必要とされる圧縮され撚られたリッツ線IFの使用(そのようなケースは予測されない)のためにマシンの構造に種々に使用される絶縁接着境界を含んでいる銅である。
代わりに、磁束の帰路は高い抵抗の磁束帰路材料が1または複数の電流パスをバイパスするように構成されることができる。これは電流パスを磁束帰路材料の平行な層とインターリーブする事により行われることができる。またこの方法は電流パスを長くするかおよび/または狭くすることを必要とするので、余分なオームマシン抵抗を生成する。この特性を有するマシンは「バイパス」のラベルbで識別され、例えばMP−D Ibは磁束が電流パスと交差するのではなくバイパスする1つの磁石管を有するマシンを示している。
ここで以下のことを付け加えておく。全体を通して、永久磁石及びそれらを支持する磁束帰路材料の均一な厚さ、即ち磁石の厚さはHm、それらを支持する磁束帰路材料の厚さはLbを仮定している。実際に、磁束が集中される限り、永久磁石を支持する磁束帰路材料は、理論的に中心線においてほとんど存在しない程度の薄さから磁石の端部、即ち近傍磁石間のギャップのエッジの厚さLbまで傾斜した厚さを有することができる。このような傾斜化は重量を節約できるが、磁束帰路材料は機械的強度も与えることによる二重の機能を行うのであまり価値はない。さらに傾斜化は恐らく製造価格の増加を招く。厚さの傾斜化の問題はここでは考慮されない。そうであっても、特に大型のマシンでは、磁石および磁束帰路材料の厚さの傾斜化は有用であり、特に大型の将来の技術的なMP−Dマシンでは重要になる可能性がある。
前述の特徴に加えて、基本的に重要なことは、MP−Dマシンはそれぞれ少なくとも1つの電流「ターン」を具備する放射方向に延在され相互に電気的に絶縁されている「リーフ」を具備していることである。典型的にリーフは直列に接続されている。「直列の」リーフの誘起電圧はモータ及び発電機の両モードで付加物である。異なる複数のリーフ間の外部に端子対を供給することにより、MP−Dマシンは他のMPマシンのタイプについて前述した方法と同じ方法でモータ、発電機および/または変成器として使用されることができる独立したマシンに分離されることができる(Doris Kuhlmann-Wilsdorfによる2003年7月8日出願のPCT/US03/21298の“Multipolar Machines”と、Doris Kuhlmann-Wilsdorfによる2005年6月29日出願のPCT/US05/23245の“Multipolar-Plus Machine-Multipolar Machines with Reduced Numbers of Brushes”と、Doris Kuhlmann-Wilsdorfによる2005年8月24日出願のPCT/US05/30186の“MP-A and MP-T Machines, Multipolar Machines for Alternating and Three-Phase Currents”と、Doris Kuhlmann-Wilsdorfによる2005年9月23日出願の“Multipolar Machines-Improvements”を比較する)。連続的なターン間の連続的な電流パスは「電流帰路端部リング」により与えられる。
MP−Dマシンの性能及び電力密度は選択された特定の磁石の寸法に敏感に基づいている。これらは依然として最適化されていない。この時点では、有限要素解析によって従来検査された多数の異なる磁石対構成の中で「ケース3A」(以下を参照)がMP−Dマシンに対して最良であることが分かり、これは完全であると考えられている。MP−D IとMP−D IIマシンの予測性能を要約した表が与えられている。現在、MP−D IIbマシンが最も効率的であるように考えられる。最適化には慎重な有限要素解析を勧める。
MP−Dマシンの利点は以下のものを含んでいる。これらは同極であり、磁石も電流形状もマシンの動作期間中に変化せず、したがって非常に音響的および電子的に静かであると予測される。次に、これらは場合によってはユーザにより許容される運動または電力に抵抗するトルクに釣り合った電流を引出し、これらは電流がモータに与えられる電圧に比例する速度で回転し、または反対にMP−D発電機に与えられる回転速度に比例する電圧を与えるので、非常に容易に制御される。
さらに全てのMPマシンと同様に、MP−Dマシンも無制限に大きい寸法まで大きさを上げることができる。これらが容易に冷却され、それらの中の磁石が非常に強力なマシンにおいても大きくはないので、この特徴が生じる。過去においてMPマシンの寸法の実際の低い限度と考えられていたので、他のMPマシンにより共有されない付加的な利点は、これらが〜10hpを遥かに下回るまで小さくされることができることである。この点で、100ワットを遥かに下回るMP−Dモータ及び発電機は実現可能であり商用で魅力的であると考えられている。
臨界的なさらに別の特徴として、MP−Dマシンの電流「ターン」数は従来のMPマシンのタイプで可能であるよりも広い範囲内で選択されることができる。その結果として、MP−Dマシンの電圧は低い回転速度でさえも他のMPマシンよりも自由に選択されることができ、これらは非常に短くてもよく、即ちこれらはホイール内またはハブ内のモータに適している。
以下の説明は図面及び表と共にMP−Dマシンの構造を明白にする。
[MP−D Iマシンの基本構造]
MP−Dマシンは前述したように放射状の「リーフ」に細分割される磁石の連続的な「スリーブ」に関して最良に理解されることができる。静止電流管(固定子)206Tと内部磁石管5Tを具備するMP−D1マシンの場合、2つのスリーブの縦断面が図1に示されており、それらは図2のマシン中に組み立てられている。ここでトルクが電流iの幾つか乃至多くの「ターン」により与えられ、各ターンは永久磁石の対向する対、例えば5(1)と6(1)、5(2)と6(2)間で円周方向幅wの任意の1つのリーフ内で通過する。図2と3に示されているように、磁石5(n)と6(n)は全360゜で内部磁石管5Tを囲む同心スリーブの連続対で構成されており、同様に電流管206Tの内側に整列されている。2つの側面で、磁石は磁束帰路材料175と176(恐らくシリコン鉄)中に埋設されている。
MP−Dマシンは前述したように放射状の「リーフ」に細分割される磁石の連続的な「スリーブ」に関して最良に理解されることができる。静止電流管(固定子)206Tと内部磁石管5Tを具備するMP−D1マシンの場合、2つのスリーブの縦断面が図1に示されており、それらは図2のマシン中に組み立てられている。ここでトルクが電流iの幾つか乃至多くの「ターン」により与えられ、各ターンは永久磁石の対向する対、例えば5(1)と6(1)、5(2)と6(2)間で円周方向幅wの任意の1つのリーフ内で通過する。図2と3に示されているように、磁石5(n)と6(n)は全360゜で内部磁石管5Tを囲む同心スリーブの連続対で構成されており、同様に電流管206Tの内側に整列されている。2つの側面で、磁石は磁束帰路材料175と176(恐らくシリコン鉄)中に埋設されている。
隣接する電流伝送およびトルク発生部2(n)と2(n+1)との間の距離、即ち図1では磁石5(1)と6(1)間のセクション2(1)から磁石5(2)と6(2)との間のセクション2(2)までの距離を横切って電流を誘導することにおいて、反転された磁束密度の領域、即ちBは目的とするマシントルクと反対のトルクを発生するので可能な限り避けなければならない。そのため、図1乃至3では、電流は回転子5Tと固定子206Tとの間のインターフェース37から離れるように、符合“i”と付されている矢印により示されているように、電流バリア190を介して後方へ迂回される。電流管206Tの長さLを横切った後、電流は電流帰路171を介して次のリーフへ戻るように誘導される。
渦電流の抑制が必要とされる場合、固定子206Tは圧縮され相互に絶縁され弱く撚られたリッツ線ケーブルから作られることができる。しかしながら、MP−Dマシンは直流電流と同極であるので、これらにおけるリッツケーブルの使用はほとんど確実に不必要であるが、全ての従来のMPマシンは渦電流に対する手段を必要としている。他のMPマシンに対するMP−D Iの別の大きな利点はこれらが電流管206Tと典型的に内側の磁石管5Tとの間に単一の可動インターフェース37を含んでいることである。随意選択的に、回転する外部磁石管が代わりに使用されることができる。実際に、ここで与えられている構造の詳細は非常に随意選択的であり、例示として提示されているものである。
逆トルクを防止する目的以外にも、電流パスのオーム抵抗が最小化される。図1と2では、磁束帰路175と176と、磁石5(n)の次の非磁性絶縁挿入部130の外形はこの2つの目標のために設計されている。しかしながら、有限要素解析が最良に可能な形態を模索するために勧められている。特に軸方向に長くされたスリーブ、即ち増加されたLmtはさらに広い帰路層、即ち転移当りのマシンの重量と電流パス抵抗の両者の増加と比例して増加されたLbを必要とするが、それらは転移数を減少する。図1、2、5の磁石形態は「ケース1A(図11参照)」に基づいており、比較的短い軸スリーブ長Lmtと、対応して大きいオームマシン抵抗による磁束帰路材料176を横切る多数の転移とを有する。数値の評価はケース3A(図12参照)がMP−Dマシンで好ましく、一方ケース1AがMP−Tマシン(多極の3相マシン)で優れていることを示している。したがって、ケース3Aまたはまだ未決の形態は恐らく将来のMP−Dマシンで使用される可能性がある。
既に前述し図3に示されているように、固定子、即ち電流管206Tは電流パスの中線4におけるその幅wまたはw*の相互に電気的に絶縁された放射状「リーフ」に分割される。MP−Dマシンでは、各リーフは以下のように電流「ターン」を適合する。図2の左側の電流帰路端部リング172(1)を介して電流をマシンのリーフ1に流入させる。リーフ1の全ての電流伝播部2(n)を連続的に通過後、電流管206Tの端部に到達し、ここで電流帰路端部リング172(2)を通して電流帰路171のリーフ1と電流帰路リング172(1)を通過する。172(1)またはその内部に到達する前に、電流はリーフ2へ誘導され、別の「ターン」を開始し、そこからリーフ3を通ってこれが最終的に最後のリーフNに遭遇するまで継続する。
図4は1つのリーフから次のリーフへの転送が行われることができる2つの異なる幾何学形状を明確に示している。第1の幾何学形状が図4の(A)に示されている。これはマシンの端面図であり、勿論残りの電流管206のように相互に絶縁された「リーフ」に分割されることに加えて、図1及び2に示されているように、外部と内部のリングの2つの相互に絶縁されたリングに分割された電流帰路端部リング172(1)を示している。ここで外側のリングのリーフは帰路電流171の相関されたリーフと相互に絶縁された電気接触をしており、内側のリングのリーフは同様に電流パス2(n)の近傍リーフと接触している。しかしながら、リング172(1)内では、外部及び内部の間で、近傍リーフ間で接続が行われている。それによって、電流は図4の(A)に示されているようにN個の「ターン」で#1からNまで、連続的に全てのリーフを通過する。代わりに図4の(B)に示されているように、電流帰路171のリーフは僅かに螺旋状であり、リーフ幅wにより左から右のリーフ端部へ接線方向にオフセットする効果を有する。
図3に示されているように、電流パスの中線(ラベル4)直径D、およびその線のリーフ幅wでは、完全な回路のターン数はN=πD/wである。明白にNはDとwの値にしたがって、大きい数である可能性がある。特にw=1mmは合理的な下限であるように考えられる。D=10cmの小型のマシンでさえも100のターンを有することができる。さらに一般的には例えばw=1cmの厚さのリーフに関してターンの数Nを数十と考える。直列の全ての「ターン」ではマシン電圧はVM=NV1であり、V1はターン当りの電圧であるので、ここでの重要な考察は大きな電圧を発生する確率である。端子を除くあらゆる場所で、近傍リーフ間の電圧は「直列の」リーフ数により分割された単なるVMであるが、「内」と「外」端子間で接続されるリーフは電圧差VMにある。スパークの漏洩電流に対する安全性のため、これらは好ましくは1または2の「空」または「アイドル」リーフにより分離される。
既に説明したように、図4の(B)はターンからターンへ電流を転移する簡単な方法、即ちマシン軸に関して電流帰路171の電流パスを傾斜することによる方法を示している。この場合、電流帰路端部リング172(1)は(さらにN個のターンに対してN個のリーフへの分割を必要とするが)内及び外のリングに分割される必要はない。代わりに端部リング172(1)は電流帰路端部リング172(2)が常に行うことが予測されている方法と同じ方法で電流帰路リーフを下に位置する「ターン」リーフへ単に接続することを必要とする。
[冷却]
2つの冷却シナリオが想定されている。第1に、即ち冷却「ジャケット」によるシナリオは先の図面に示されている。これはかなり効率的である可能性があるが、MP−D Iマシンにのみ応用可能である。代わりに、電流パス2(n)内で冷却チャンネル40が使用されることができ、その種々の選択肢が寸法、形状、配置に関してほぼ無制限の種類でMP−D Iに関しては図5、MP−D IIに関しては図9に示されている。この方法は最近の暫定特許出願“MP-T Cooling and Lubrication”(2006年6月8日提出)で解析されている。水または他の適切な流体冷却媒体によるこの方法によるMP−Tマシンの冷却は、電流パスの断面の4分の1が冷却チャンネル専用であるとき、あらゆる考えられるケースに十分であることが分かっている。MP−Dマシンの増加された内部電気抵抗と、それにより結果的に増加されたジュールの熱によってこれらの冷却は幾らか厳しくなる。そうであっても、MP−Tマシンの安全限度は非常に大きいので、任意または全てのMP−Dマシンは恐らくこの方法により容易に冷却されることができ、勿論、冷却チャンネル領域を依然としてやや増加することによって、冷却されるであろう。
2つの冷却シナリオが想定されている。第1に、即ち冷却「ジャケット」によるシナリオは先の図面に示されている。これはかなり効率的である可能性があるが、MP−D Iマシンにのみ応用可能である。代わりに、電流パス2(n)内で冷却チャンネル40が使用されることができ、その種々の選択肢が寸法、形状、配置に関してほぼ無制限の種類でMP−D Iに関しては図5、MP−D IIに関しては図9に示されている。この方法は最近の暫定特許出願“MP-T Cooling and Lubrication”(2006年6月8日提出)で解析されている。水または他の適切な流体冷却媒体によるこの方法によるMP−Tマシンの冷却は、電流パスの断面の4分の1が冷却チャンネル専用であるとき、あらゆる考えられるケースに十分であることが分かっている。MP−Dマシンの増加された内部電気抵抗と、それにより結果的に増加されたジュールの熱によってこれらの冷却は幾らか厳しくなる。そうであっても、MP−Tマシンの安全限度は非常に大きいので、任意または全てのMP−Dマシンは恐らくこの方法により容易に冷却されることができ、勿論、冷却チャンネル領域を依然としてやや増加することによって、冷却されるであろう。
[潤滑]
図3および図15は平坦な磁石5(n)による滑動インターフェース37における回転子5Tと電流管206Tとの間の適合を想定しており、図9は電流管206と磁石管5Tおよび6Tとの間のインターフェース37と38について同じ構造をそれぞれ想定している。この構造は既に前述した2006年6月8日の“MP-T Cooking and Lubrication”明細書で説明した。磁石と、円滑で円形の円筒形電流管206Tとの間の多数の浅い楔状のスペースに潤滑剤を閉じ込め、同時に常にインターフェース上に潤滑剤を分布し「チャッター」を抑制することが有効であると考えられている。潤滑剤注入の選択肢と方法は好ましくは寸法、速度、材料、周囲温度にしたがってケースに応じて許容される産業上の実施にしたがうべきである。異なる熱膨張による過度のインターフェース応力を減少するために、この構造は近傍磁石間における〜0.5mmのギャップと、電流管206Tと磁石管5Tと6Tとの間にD放射方向膨張スペースの約0.06%を必要とすることが考えられている。
図3および図15は平坦な磁石5(n)による滑動インターフェース37における回転子5Tと電流管206Tとの間の適合を想定しており、図9は電流管206と磁石管5Tおよび6Tとの間のインターフェース37と38について同じ構造をそれぞれ想定している。この構造は既に前述した2006年6月8日の“MP-T Cooking and Lubrication”明細書で説明した。磁石と、円滑で円形の円筒形電流管206Tとの間の多数の浅い楔状のスペースに潤滑剤を閉じ込め、同時に常にインターフェース上に潤滑剤を分布し「チャッター」を抑制することが有効であると考えられている。潤滑剤注入の選択肢と方法は好ましくは寸法、速度、材料、周囲温度にしたがってケースに応じて許容される産業上の実施にしたがうべきである。異なる熱膨張による過度のインターフェース応力を減少するために、この構造は近傍磁石間における〜0.5mmのギャップと、電流管206Tと磁石管5Tと6Tとの間にD放射方向膨張スペースの約0.06%を必要とすることが考えられている。
[MP−D II tマシンの基本構造]
MP−D IIマシンは、マシンのトルクに影響を与えず、マシンの重量と電気抵抗の原因となるので、電流帰路171を除去するように設計されている。図6乃至8に示されている構造のMP−D IItマシンではそれ故、(i)スリーブの極性が交番し、(ii)電流帰路171は磁石8(n)の形態で磁石7(n)の中線表面4を横切って電流管206Tに鏡像を付加し、それらの間の磁束帰路材料177の幅を2倍にすることにより置換され、(iii)磁石管6Tは磁石管5Tの中線表面4を横切って鏡像として付加され、(iv)電流はあらゆる場所で同じ方向のトルクを発生するために内部及び外部の電流伝播トルク発生部2i(n)と20(n)の間で蛇行される。
MP−D IIマシンは、マシンのトルクに影響を与えず、マシンの重量と電気抵抗の原因となるので、電流帰路171を除去するように設計されている。図6乃至8に示されている構造のMP−D IItマシンではそれ故、(i)スリーブの極性が交番し、(ii)電流帰路171は磁石8(n)の形態で磁石7(n)の中線表面4を横切って電流管206Tに鏡像を付加し、それらの間の磁束帰路材料177の幅を2倍にすることにより置換され、(iii)磁石管6Tは磁石管5Tの中線表面4を横切って鏡像として付加され、(iv)電流はあらゆる場所で同じ方向のトルクを発生するために内部及び外部の電流伝播トルク発生部2i(n)と20(n)の間で蛇行される。
これらの異なる円筒形の半径を考慮に入れた両側間の速度差を瞬間的に無視すると、このMP−D IIマシンの構造はマシンの電圧を2倍にする。この利点は図8に示されているようなより複雑なマシン構造を犠牲にして受け入れられる。根本的に、MP−D IIマシンの形態は磁石管5Tと6Tにより形成される2重壁のカップの内壁及び外壁を表しており、その間に電流管206Tが反転されたカップのように挿入される。したがって同心磁石管5Tと6Tは内部及び外部から電流管206Tを包囲し、206Tの壁の幅は電流帰路171を取り去り、1つではなく2つの電流伝播/トルク発生滑動インターフェース、即ち37と38を実現しながら、磁石スリーブの付加的な対と余分な磁束帰路材料の厚さを収納するように増加される。したがって、単一のリーフはまた1つが左から右、1つが右から左の2つの電流ターンを収納する。
基本的に、前述のことは従来のMPマシンと同じ幾何学形状であるが、1つの複雑さを有する。即ち従来のMPマシンでは、内部及び外部磁石管5Tと6Tの相対的な角整列は、周期的な深いエネルギウェルを提供する交番する磁石極性のために自動的に、即ち磁石管5Tと6T間で対状の磁石整列の任意の構造で維持された。MP−AとMP−Tマシンを含めた他のMPマシンでは、それ故5Tに関する磁石管6Tの角度位置またはその逆を機械的に固定することは必要ではない。これらでは全ての放射状整列が等価であるから、これは磁石スリーブに基づいたMP−Dマシンの場合とは異なっている。
それ故、MP−Dマシンは図8の部分180のような5Tに関する磁石管6Tとの間の固い機械接続を必要とする。それにもかかわらず、このような接続はそのマシン端部からの電流管206Tに対する回転しない物理的アクセスを阻止し、心棒10上および心棒10に対する磁石管5Tと6Tのこのような中心合せと支持を許容するが、磁石管5Tと6Tの長さ全体に沿った任意の場所の心棒10上または心棒10に対する電流管206Tの機械的支持を阻止する。さらにこの構造は比較的長いマシンについてさえも固定子206Tを中心とする剛性接続された磁石管5Tと6Tの円滑で低摩擦の回転を可能にすると考えられる。図8に示されているように円形の円筒形電流管206Tの両側で、及び同様に前述の「潤滑」の部で既に概要を説明した特性を有するMP−D Iマシン(図3及び15参照)の単一のインターフェースで、磁石スリーブの平坦な磁石を使用することによりこのような円滑な回転を助長することが提案されている。
図8のタイプのMP−D ItとMP−D IItマシンの別の差は、電流管の内側から外側へ、即ちセグメント2iと2oとの間で電流が反復的に転移しなければならず、したがって隣接するスリーブ間のギャップを横切るときに同時に磁束帰路材料177を反復的に横切らなければならないことである。さらに図6と8から分かるように、各リーフは左から右及び右から左への電流を有し、その2つの方向は電気的絶縁を維持しながら相互に通過しなければならない。この目標を実現するための種々の形態は疑いなく可能である。特定の手段が図7に示されている。図9はスリーブの2つの対を通る、即ち任意の「クロスオーバー転移」外のMP−D IItマシンの断面を示している。図6および8では、これらの転移は2つのバイパス電流パスを分離する軸方向に配向されたバリアを参照にして垂線とラベル190で示されている。さらに別のMP−D IIマシンのタイプを最初に磁束帰路形態を説明した後に説明する。
[電流パスおよび磁束帰路の形態の最適化]
[有効なモデル化データ]
これまで、ここで考えられている磁石構成についての磁束分布の詳細なモデル化は利用可能ではなかった。それに代わるものとして、シャーロッツビルのバージニア大学のEric H. Maslen教授による2006年6月8日の前述の暫定特許出願“Multipolar Flat Magnets”に基づいている近接して隔てられた平坦な磁石の有限要素モデル化が使用されている。図10乃至12はその業績の根本的な結果を示しており、図10は顕著なパラメータの定義を含む基本的な幾何学形状を示している。
Hm=永久磁石の厚さ、
2Lm=極性の方向から独立した磁石間の周期的な距離、
Lb=磁束帰路材料が支持する永久磁石の厚さ、
Lg=対向する磁石対間のギャップ幅。
[有効なモデル化データ]
これまで、ここで考えられている磁石構成についての磁束分布の詳細なモデル化は利用可能ではなかった。それに代わるものとして、シャーロッツビルのバージニア大学のEric H. Maslen教授による2006年6月8日の前述の暫定特許出願“Multipolar Flat Magnets”に基づいている近接して隔てられた平坦な磁石の有限要素モデル化が使用されている。図10乃至12はその業績の根本的な結果を示しており、図10は顕著なパラメータの定義を含む基本的な幾何学形状を示している。
Hm=永久磁石の厚さ、
2Lm=極性の方向から独立した磁石間の周期的な距離、
Lb=磁束帰路材料が支持する永久磁石の厚さ、
Lg=対向する磁石対間のギャップ幅。
さらに、図11と12はケース1Aと3Aの磁束線の幾何学形状と、これらのケースの磁石間の中間平面、即ち現在の研究論文ではそれぞれ電流伝播トルク発生部2(n)または2j(n)および2o(n)の中間平面上の磁束密度を示している。図10で分かるように、磁束帰路材料としてのシリコン−鉄とNdFeB 35 MGOe材料について計算が行われた。しかしながら好ましい実施形態では、NdFeB 45 MGOe材料がMP−Dマシンで使用される。それ故、以下の表の数値の評価では、磁束密度値B[テスラ]は以下の図11と12では(45/35)1/2=1.13で乗算される。さらに、エアギャップの代わりに、対向する磁極間のスペースはセクション2(n)、即ち通常の銅で充填されているMP−Dマシンにある。この差はほとんどデータに影響しない。
この研究で計算された種々のケースはその後の研究のケース「B」と区別するためにラベル「A」と付される。寸法が例えばHm=KHm0として測られたならば、同じ値の磁束密度B[テスラ]が得られることが想定され、Kは任意の1つのケースにおいて全てのHm、Lm、Lb、Lgで同じである。特定データは以下のとおりである。
ケース1A:Hmo=1.25cm、Lbo=1.25cm;2Lmo=5.0cm、Lgo=2.5cm=To
ケース3A:Hmo=1.25cm、Lbo=1.25cm;2Lmo=15.0cm、Lgo=2.5cm=To
MP−Tマシンの場合、「ケース1A」構成が最良であることが認められ、これは図1、2、5で半定量的であり、より綿密な調査は代わりにケース3AがMP−Dマシンで使用するのにかなり優れていることを示している。そうであっても、有効なデータが比較的少数では、ケース3Aが偶然にも絶対的に最良であることは恐らくない。付加的な数値解析はそれ故、ケース3Aと比較してさらに改良された結果を明らかにする可能性が高く、このような解析は将来の実際のMP−Dマシン構造で行われることが強く勧められる。
ケース1A:Hmo=1.25cm、Lbo=1.25cm;2Lmo=5.0cm、Lgo=2.5cm=To
ケース3A:Hmo=1.25cm、Lbo=1.25cm;2Lmo=15.0cm、Lgo=2.5cm=To
MP−Tマシンの場合、「ケース1A」構成が最良であることが認められ、これは図1、2、5で半定量的であり、より綿密な調査は代わりにケース3AがMP−Dマシンで使用するのにかなり優れていることを示している。そうであっても、有効なデータが比較的少数では、ケース3Aが偶然にも絶対的に最良であることは恐らくない。付加的な数値解析はそれ故、ケース3Aと比較してさらに改良された結果を明らかにする可能性が高く、このような解析は将来の実際のMP−Dマシン構造で行われることが強く勧められる。
[MP−D IおよびMP−D IIマシンの近似的磁束線パターンと結果的な差]
交番する極性の接近して隔てられた平坦な磁石のケース3Aに関する図12に基づいて、磁束線パターンはケース3A磁石によりMP−D IとIIマシンに対して構成されているが、それらの間にギャップを含んでいる。ここでは磁束帰路材料の同じ厚さ、即ちLb=Hm=K×1.25cmの厚さが磁石間の距離をブリッジするための磁束帰路として作用し、電流管206Tのトルク発生部2(n)で磁束密度Bの大きな損失なくそれを行うことが想定される。図13、14、17はMP−D It、MP−D IIt、MP−D IIb壁部の縦方向の切開した結果をそれぞれ示している。
交番する極性の接近して隔てられた平坦な磁石のケース3Aに関する図12に基づいて、磁束線パターンはケース3A磁石によりMP−D IとIIマシンに対して構成されているが、それらの間にギャップを含んでいる。ここでは磁束帰路材料の同じ厚さ、即ちLb=Hm=K×1.25cmの厚さが磁石間の距離をブリッジするための磁束帰路として作用し、電流管206Tのトルク発生部2(n)で磁束密度Bの大きな損失なくそれを行うことが想定される。図13、14、17はMP−D It、MP−D IIt、MP−D IIb壁部の縦方向の切開した結果をそれぞれ示している。
これらのパターンから、図17のように、即ち同じ配向の全てのスリーブの磁気極性とあらゆる場所でインターフェース37と38に平行な電流を有しているMP−D IIbマシンの内部抵抗が図16に示されているように平行な電流パス間でインターリーブされている磁束帰路材料部の使用によって全てのMP−Dマシンの最小の抵抗を有するようにされることが明白になる。ここでは密接に関連されるが2つの異なるケースを考慮した。最初に(図16の(A))磁束帰路材料177は全体的には増加されたリーフの厚さw*であるが局部的に減少された厚さ幅を有する電流パス間でその垂直軸の幅2Lbで電流パスを貫通する。これは実現可能な選択肢であるが、より良好な選択肢は図16の(B)のように、それらの通常の厚さwのリーフを連結する電流パス幅w*の狭くされた部分間を含めた、磁束帰路材料の軸方向に拡張された部分であるが通常の断面領域を占有するために狭くされる部分であることが発見された。
第2のケースのパス抵抗はw*、即ち次のように磁束帰路材料の層間の狭くされた路幅の幅にしたがう。w*=xwならば、リーフ当りの磁束帰路材料では(1−x)w幅を残し、リーフ当りの磁束帰路領域が変更されないならば、ΔL=2Lb/(1−x)である。電流パスの狭くされた拡張部の電気抵抗はこの場合ρΔL/xTw=ρ2Lb/[x(1−x)Tw]である。微分およびゼロへの設定、即ちx=1/2によりその最小値を発見する。したがってw*の最適値は長さΔL=4Lbではw/2である。これらの値では、断面wTのLmlの長さの電流パスからなるユニット2(n)の電気抵抗+断面w*T=wT/2の長さΔL=4Lbは、R2(n)o=ρ[Lml/wT+2Lb/wT]の介在する磁束帰路材料が存在しないならば通常の電気抵抗と比較してR2(n)C=ρ[Lm/wT+8Lb/wT]である。
数値的に、ケース3Aでは、Lml=12Hm=12Lbでは、したがって磁石の単位長さ+磁石間の間隔、即ちLml+ΔLは(12+2)Lbから(12+4)Lbまで、即ち16/14=1.14の係数により増加され、パス抵抗はR2(n)o=ρ[(12+2)Hm/wT]からR2(n)C=ρ[Lml/wT+8Lb/wT]=ρ[(12+8)Hm/wTへ、即ちR2(n)C/R2(n)o=20/14=1.43の係数により増加される。これらは非常に合理的に低い数である。比較によって、図のような転移は2(n)部単位当りの電気抵抗の少なくとも2.3の増加係数を含んでいる。対応して、電圧及び電気抵抗、即ちオーム損失Lに関して、タイプMP−D IIbのマシンが最も適切であることが結論付けられる。
[MP−D IIマシン動作の近似的パラメータ関係]
MP−Dマシン動作の近似的数値解析では、以下の符合が使用される。
DAZ=wKTo=MP−Dマシンにおける個々のターンの電流の断面、
TAZ=K2LmoTo/NT=MP−Dマシンにおける個々のターンの電流の断面、
B=電流に対して垂直な磁束、
CM=マシンの材料価格=$40×mm+$10×(mM−mm)、
D=電流パスの中線(4)における直径、
dは約8000kg/m3=マシン材料の機械的密度、
f=磁石により占有される電流管の長さの割合(MP−Tマシンでは1に等しい)
FL=リーフ当りのローレンツ力、
Hm=KHmo=永久磁石の厚さ、
i=個々のターン通る電流=jAz、
iM=マシン電流、
j=電流密度、
K=磁石アセンブリの寸法のスケーリング係数、
L=電流管の長さ、
Lb=KLbo=磁束帰路材料の半径方向の厚さ、
Lm=KLmo=MP−Tマシンの永久磁石の幅(即ち「ゾーン幅」)、
Lml=KLmlo=軸方向の永久磁石の長さ(即ち「スリーブ」の幅)、
Lms=MP−Dマシンの周期的距離の半値幅、
L=オーム損失=vΩl/Vl、
MM=WM/2πv=マシントルク、
NDL=πD/w=MP−Dマシン中のリーフ数、
NS=L/(Lml+Δ)=fL/KLmlo=リーフ当りのスリーブ数、
NT=MP−Tマシンの電流パス材料の層数、
NTT=NTNZ=MP−Tマシンのターン数、
NU=マシンが分割される平行ユニットの数、
NZ=πD/2Lm=πD/2KLmo=ゾーン数、
Rl=「ターン」当りのオーム抵抗、
T=KTo=電流パス材料の半径方向の厚さ、
vr=πDv=(π/60)Dωrpm=電流と永久磁石間の相対速度、
VM=マシンの電圧、
Vl=ターン当りの誘起された電圧、
VΩl=ターン当りの電流パスのオーム電圧、
w=電流通路に有効なスライス幅、
w*=磁束バイパス材料を含むスライスの幾何学的幅、
ΔL≧2Lb=磁束帰路材料により占有されるMP−Dマシンのセクションの軸長、
v=ωrpm/60=ヘルツによる回転速度、
ρ=約2×10−8Ωm=電流パスのアクチブ部における電気抵抗、
ωrpm=60v=rpmによる回転速度。
MP−Dマシン動作の近似的数値解析では、以下の符合が使用される。
DAZ=wKTo=MP−Dマシンにおける個々のターンの電流の断面、
TAZ=K2LmoTo/NT=MP−Dマシンにおける個々のターンの電流の断面、
B=電流に対して垂直な磁束、
CM=マシンの材料価格=$40×mm+$10×(mM−mm)、
D=電流パスの中線(4)における直径、
dは約8000kg/m3=マシン材料の機械的密度、
f=磁石により占有される電流管の長さの割合(MP−Tマシンでは1に等しい)
FL=リーフ当りのローレンツ力、
Hm=KHmo=永久磁石の厚さ、
i=個々のターン通る電流=jAz、
iM=マシン電流、
j=電流密度、
K=磁石アセンブリの寸法のスケーリング係数、
L=電流管の長さ、
Lb=KLbo=磁束帰路材料の半径方向の厚さ、
Lm=KLmo=MP−Tマシンの永久磁石の幅(即ち「ゾーン幅」)、
Lml=KLmlo=軸方向の永久磁石の長さ(即ち「スリーブ」の幅)、
Lms=MP−Dマシンの周期的距離の半値幅、
L=オーム損失=vΩl/Vl、
MM=WM/2πv=マシントルク、
NDL=πD/w=MP−Dマシン中のリーフ数、
NS=L/(Lml+Δ)=fL/KLmlo=リーフ当りのスリーブ数、
NT=MP−Tマシンの電流パス材料の層数、
NTT=NTNZ=MP−Tマシンのターン数、
NU=マシンが分割される平行ユニットの数、
NZ=πD/2Lm=πD/2KLmo=ゾーン数、
Rl=「ターン」当りのオーム抵抗、
T=KTo=電流パス材料の半径方向の厚さ、
vr=πDv=(π/60)Dωrpm=電流と永久磁石間の相対速度、
VM=マシンの電圧、
Vl=ターン当りの誘起された電圧、
VΩl=ターン当りの電流パスのオーム電圧、
w=電流通路に有効なスライス幅、
w*=磁束バイパス材料を含むスライスの幾何学的幅、
ΔL≧2Lb=磁束帰路材料により占有されるMP−Dマシンのセクションの軸長、
v=ωrpm/60=ヘルツによる回転速度、
ρ=約2×10−8Ωm=電流パスのアクチブ部における電気抵抗、
ωrpm=60v=rpmによる回転速度。
MP−Tマシンと比較したMP−D ItとMP−D IItマシンの予測される性能特性が以下の表1に与えられている。将来の技術的応用では、MP−D IbとMP−D IIbマシンの両者は“t”マシンよりも適切である可能性があるので、これらを以下のようにさらに明確に考慮する(比較の目的でMP−DとMP−Tマシンをそれぞれ添字DとTで識別する)。
[MP−D IIbマシンの特性]
MP−D IIbマシンの2(n)部の電流密度jにおけるローレンツ力は1つのターンでは、
Fl=jDAZfLB=jwKTofLDB (1)
ここでf=Lml/(Lml+Δ)。結果として、リーフ当り2つのターンでは、リーフ当りのローレンツ力は、
FL=2Fl=2wKTofLDBj (2)
マシン当りNDL=πD/wリーフでは、結果的なマシントルクは、
DMM=(D/2)NDLFL=fπD2KToLDBj (3)
MP−Tマシンの対応する式は、
TMM=(π/4)D2KToLTBj (4)
ここでTBはケース3AまたはMP−Dマシンの類似の構成と対照的に、ケース1AまたはMP−Tマシンの類似の磁石構成を使用するためにDB〜0.58テスラよりも僅かに小さい(即ち〜0.56テスラ)可能性がある。とにかく、マシントルクは回転速度と独立してマシン電流と電流管/磁石の幾何学形状の直接の関数である。同じ電流密度で、式(3)と(4)にしたがって、
DMM/TMM=4fDB/TB (5)
f=Lml(Lml+ΔL)は同じ電流密度でf=約75%であることが予測されるので(即ち16Hmの12Hm、前述の[・・・のおおよその磁束線パターンと結果的な差]の項目を参照)、MP−D IIマシンはしたがって3倍の大きいトルクを発生する。しかしながら幅w*=w/2(図16参照)の狭くされたセクションのために、MP−Tマシンの電流密度の50%だけが実現可能である。そうであっても50%を超えるという利点が残る可能性がある。これは第1にリーフが電流管の円周を占有する一方でゾーンがその半分だけを占有する事実によるものであり、第2に各MP−DリーフがMP−Tマシンで1つではなく2つのターンを収納するためにそのゾーンは連続的であるがスリーブはそれらの間にギャップを必要という事実によって補償されるためである。
MP−D IIbマシンの2(n)部の電流密度jにおけるローレンツ力は1つのターンでは、
Fl=jDAZfLB=jwKTofLDB (1)
ここでf=Lml/(Lml+Δ)。結果として、リーフ当り2つのターンでは、リーフ当りのローレンツ力は、
FL=2Fl=2wKTofLDBj (2)
マシン当りNDL=πD/wリーフでは、結果的なマシントルクは、
DMM=(D/2)NDLFL=fπD2KToLDBj (3)
MP−Tマシンの対応する式は、
TMM=(π/4)D2KToLTBj (4)
ここでTBはケース3AまたはMP−Dマシンの類似の構成と対照的に、ケース1AまたはMP−Tマシンの類似の磁石構成を使用するためにDB〜0.58テスラよりも僅かに小さい(即ち〜0.56テスラ)可能性がある。とにかく、マシントルクは回転速度と独立してマシン電流と電流管/磁石の幾何学形状の直接の関数である。同じ電流密度で、式(3)と(4)にしたがって、
DMM/TMM=4fDB/TB (5)
f=Lml(Lml+ΔL)は同じ電流密度でf=約75%であることが予測されるので(即ち16Hmの12Hm、前述の[・・・のおおよその磁束線パターンと結果的な差]の項目を参照)、MP−D IIマシンはしたがって3倍の大きいトルクを発生する。しかしながら幅w*=w/2(図16参照)の狭くされたセクションのために、MP−Tマシンの電流密度の50%だけが実現可能である。そうであっても50%を超えるという利点が残る可能性がある。これは第1にリーフが電流管の円周を占有する一方でゾーンがその半分だけを占有する事実によるものであり、第2に各MP−DリーフがMP−Tマシンで1つではなく2つのターンを収納するためにそのゾーンは連続的であるがスリーブはそれらの間にギャップを必要という事実によって補償されるためである。
式4からマシンのパワーについて次式が得られる。
DWM=DMM(2πωrpm/60) (6)
即ち、同じマシン速度では、
DWM/TWM=4fDB/TB (7)
DMM/TMMでも同じである。
DWM=DMM(2πωrpm/60) (6)
即ち、同じマシン速度では、
DWM/TWM=4fDB/TB (7)
DMM/TMMでも同じである。
代わりに、電圧はリーフ当りのスリーブ長fLで誘起されるバック電圧により支配され、即ち、
DVl=vrfLB (8)
ここでvrは電流管壁の接線速度であり、即ちvはヘルツによる回転速度であり、ωrpmはrpmによる回転速度であり、
vr=πDv=πDωrpm/60 (9)
それ故、
DVl=(π/60)fDLBωrpm (10)
したがって、電流が全てのNDL=πD/wリーフでそれぞれ2つのターンを通して連続的に流れるならば、マシン電圧は、
DVM=2VlNDL=(π2/30)fD2LBωrpm/w=0.246D2LBωrpm/w (11)
MP−Tマシンの対応する値は、
TVM=(π2/120)NTBD2Lωrpm(KLmo) (12)
ここでは、
DVM/TVM=4fKLmo/NTw (13)
再度述べると、既に示したように、NTはほとんど6を超えることはなく、KLmo、即ちMP−Tマシンのゾーン幅はw程度に小さくされることはできず、実際に約3mmの下限を有する可能性があり、wは1mm程度に小さい可能性があるので、MP−D IIbマシンは予測される電圧の利点を有する。さらに、MP−D IIb電流管の製造は図16の(B)を含めて示されたように構成されるならば、特にNTが1よりも大きく作られるならばmMP−Tマシンの電流管よりも非常に簡単であることが予測される。
DVl=vrfLB (8)
ここでvrは電流管壁の接線速度であり、即ちvはヘルツによる回転速度であり、ωrpmはrpmによる回転速度であり、
vr=πDv=πDωrpm/60 (9)
それ故、
DVl=(π/60)fDLBωrpm (10)
したがって、電流が全てのNDL=πD/wリーフでそれぞれ2つのターンを通して連続的に流れるならば、マシン電圧は、
DVM=2VlNDL=(π2/30)fD2LBωrpm/w=0.246D2LBωrpm/w (11)
MP−Tマシンの対応する値は、
TVM=(π2/120)NTBD2Lωrpm(KLmo) (12)
ここでは、
DVM/TVM=4fKLmo/NTw (13)
再度述べると、既に示したように、NTはほとんど6を超えることはなく、KLmo、即ちMP−Tマシンのゾーン幅はw程度に小さくされることはできず、実際に約3mmの下限を有する可能性があり、wは1mm程度に小さい可能性があるので、MP−D IIbマシンは予測される電圧の利点を有する。さらに、MP−D IIb電流管の製造は図16の(B)を含めて示されたように構成されるならば、特にNTが1よりも大きく作られるならばmMP−Tマシンの電流管よりも非常に簡単であることが予測される。
比率オーム熱損失Lは、ターン当りのオーム電圧損失DVl=iDRlΩと、式8によるターン当りの誘起された電圧DVlの比から得られる。既に導出したように、ΔL=4Lbとw*=w/2の最適化された設計では、ターン当りのオーム抵抗は電流管の長さにわたる断面wTを通る妨害のない伝導よりも1.43倍大きく、即ち、
DRlΩ=1.43ρL/wKTo (14)
したがってj=i/wKToおよびf=0.75のケース3Aでは、
DL=iDRlΩ/DVl=1.43×60ρj/(πfDBωrpm)=36.4ρj/(DBωrpm) (15)
または数値的に、ρ=2×10−8Ωmとf=0.75では、
DL=7.28×10−7j/(DBωrpm) (16)
MP−Tマシンの等価式は、
TL=60ρj/(πBDωrpm) (17)
ここでは、
DL/TL=1.43/f=1.90 (18)
したがって、MP−D IIbマシンのΩ損失はMP−TマシンのΩ損失の約2倍である。
DRlΩ=1.43ρL/wKTo (14)
したがってj=i/wKToおよびf=0.75のケース3Aでは、
DL=iDRlΩ/DVl=1.43×60ρj/(πfDBωrpm)=36.4ρj/(DBωrpm) (15)
または数値的に、ρ=2×10−8Ωmとf=0.75では、
DL=7.28×10−7j/(DBωrpm) (16)
MP−Tマシンの等価式は、
TL=60ρj/(πBDωrpm) (17)
ここでは、
DL/TL=1.43/f=1.90 (18)
したがって、MP−D IIbマシンのΩ損失はMP−TマシンのΩ損失の約2倍である。
[MP−D IIbマシンの電力密度、重量、材料]
また、問題はMP−Dマシンの重量と、結果的な電力密度及び材料価格である。特に、MP−D IIbマシンの本発明のケースでは、MP−D IIマシンの永久磁石材料の量はf=0.75、d=8000kg/m3ではほぼ重量密度または磁石材料であり、ケース3AではHmo=0.0125mである。
また、問題はMP−Dマシンの重量と、結果的な電力密度及び材料価格である。特に、MP−D IIbマシンの本発明のケースでは、MP−D IIマシンの永久磁石材料の量はf=0.75、d=8000kg/m3ではほぼ重量密度または磁石材料であり、ケース3AではHmo=0.0125mである。
Dmm=4πdfLDHm=4πdfLDKHmo=約942KDL (19)
これを次式と比較すると、
Tmm=約628KDL (20)
この式はMP−Tマシンに対して得られたものである。この結果トルク/磁石の質量比は、
MP−Dマシンでは、
(DMM/Dmm)=約3.63×10−5Dj (21)
MP−Tマシンでは、
(TMM/Tmm)=約1.75×10−5Dj (22)
MP−Dマシンでは約2の有利係数を有する利点がある。
これを次式と比較すると、
Tmm=約628KDL (20)
この式はMP−Tマシンに対して得られたものである。この結果トルク/磁石の質量比は、
MP−Dマシンでは、
(DMM/Dmm)=約3.63×10−5Dj (21)
MP−Tマシンでは、
(TMM/Tmm)=約1.75×10−5Dj (22)
MP−Dマシンでは約2の有利係数を有する利点がある。
おおよそ、d=8000kg/m3はまた磁束帰路材料および心軸10のような他の構造的材料の導体材料、即ち銅の重量密度であるが、幾つかのコンポーネントはプラスティックで作られることができる。さらに、電流および磁石管以外の材料を考慮するため1.3の係数が導入される。これらの仮定では、永久磁石材料を除く電流及び磁石管の重量はほぼ次式のようになり、
DMbase=約10πd D LDKHmo=約3.3Dmm=約3100KDL (23)
及び総マシン重量は、MP−Tマシンでは、
TmM=約3200KDL (25)
と比較して、おおよそ、
DmM〜1.3(mm+mbase)=約5.5mm=約5200KDL (24)である。
DMbase=約10πd D LDKHmo=約3.3Dmm=約3100KDL (23)
及び総マシン重量は、MP−Tマシンでは、
TmM=約3200KDL (25)
と比較して、おおよそ、
DmM〜1.3(mm+mbase)=約5.5mm=約5200KDL (24)である。
重量密度に対する電力は式4、6、19、24から分かり、ケース4ではTo=2Hmoであり、以下のように他の既に割当てられた値(即ちd=8000kg/m3とDB=0.58テスラ)である。
DWM/DmM=(π/60)DDBωrpmj/(5.5d)=約7.0×10−7Djωrpm[ワット/kg] (26)
MP−Tマシンでは、次式が得られる。
MP−Tマシンでは、次式が得られる。
TWM/TmM=3.54×10−7Djωrpm[ワット/kg] (27)
当然のことながら、これは式21と22で永久磁石材料の単位重量当りのトルクで既に発見されたMP−Dマシンについて2に近い係数によりほとんど同じ利点である。
当然のことながら、これは式21と22で永久磁石材料の単位重量当りのトルクで既に発見されたMP−Dマシンについて2に近い係数によりほとんど同じ利点である。
材料に関して、磁石材料のおおよその価格Cmは次式では$40kgであり、
DCm=約$40mm=約$37,000KDL[mks] (28)
マシン全体の評価されたおおよその材料価格CMは、MP−Tマシンで先に得られた次式、即ち、
TCM=約$96,000KDL[mks] (30)
と比較して、永久磁石以外の材料では〜$10/kgでは次式にようになる。
DCm=約$40mm=約$37,000KDL[mks] (28)
マシン全体の評価されたおおよその材料価格CMは、MP−Tマシンで先に得られた次式、即ち、
TCM=約$96,000KDL[mks] (30)
と比較して、永久磁石以外の材料では〜$10/kgでは次式にようになる。
DCM=約$10×mM+$40×mm=約$95×Dmm=約$90,000KDL[mks] (29)
外部マシンの寸法に関しては、磁石管5Tと6Tについての磁束帰路材料はタスクについて全ての必要な強度を有するが、例えば腐食またはフジツボ及びその他に対するリング境的保護を必要とする。これは例えば外部の寸法に影響しない幾つかの産業状の被覆により行われることができる。電流管の中線(またはより良好な中間表面)の直径Dを参照すると、外部マシン直径DMはHm=KHmo=K0.0125mでは、
DM=D+12Hm=D+K×0.15[m] (31)
マシンの長さLMは、見積もられた全長が例えば4Hm=K×5.0cmである、電流管の末端部206Eと、磁石管5Tと6Tを固く相互接続するピース180の軸長によって電流管の長さLを超過し、即ち、
LM=L+K×0.05[m] (32)
これらの値により、マシンの体積は次式になる。
外部マシンの寸法に関しては、磁石管5Tと6Tについての磁束帰路材料はタスクについて全ての必要な強度を有するが、例えば腐食またはフジツボ及びその他に対するリング境的保護を必要とする。これは例えば外部の寸法に影響しない幾つかの産業状の被覆により行われることができる。電流管の中線(またはより良好な中間表面)の直径Dを参照すると、外部マシン直径DMはHm=KHmo=K0.0125mでは、
DM=D+12Hm=D+K×0.15[m] (31)
マシンの長さLMは、見積もられた全長が例えば4Hm=K×5.0cmである、電流管の末端部206Eと、磁石管5Tと6Tを固く相互接続するピース180の軸長によって電流管の長さLを超過し、即ち、
LM=L+K×0.05[m] (32)
これらの値により、マシンの体積は次式になる。
Dν=(π/4)(D+K×0.075)2(L+K×0.05)[m3] (33)
[MP−D Ibマシン]
同じバイパス磁束が長さ4Lbで幅w*=w/2の電流伝導チャンネルでインターリーブされている長さΔL=4Lbのセグメントにわたって帰還すると、ターン当りの誘起される電圧はMP−D Ibでは前述のMP−D IIbマシンと同じである。しかしながら、電流が電流帰路171で戻るときリーフ当りただ1つの電圧及びトルク発生ターンが存在する。したがってターン当りのトルク及び電圧に対する貢献は同じであるが、マシンのトルクDMWとマシンの電圧DVMは半分であり、即ち係数1/2は式3で導入され、式11の係数0.246は半分にされて0.123になる。一方、損失は増加され、即ち式15の右側の係数36.4を61.9に増加する。さらに磁石材料の重量は半分にされ、即ち式19では係数942は471へ減少され、式24のマシン全体の質量は5200KDLから〜3700KDLまで減少される。
[MP−D Ibマシン]
同じバイパス磁束が長さ4Lbで幅w*=w/2の電流伝導チャンネルでインターリーブされている長さΔL=4Lbのセグメントにわたって帰還すると、ターン当りの誘起される電圧はMP−D Ibでは前述のMP−D IIbマシンと同じである。しかしながら、電流が電流帰路171で戻るときリーフ当りただ1つの電圧及びトルク発生ターンが存在する。したがってターン当りのトルク及び電圧に対する貢献は同じであるが、マシンのトルクDMWとマシンの電圧DVMは半分であり、即ち係数1/2は式3で導入され、式11の係数0.246は半分にされて0.123になる。一方、損失は増加され、即ち式15の右側の係数36.4を61.9に増加する。さらに磁石材料の重量は半分にされ、即ち式19では係数942は471へ減少され、式24のマシン全体の質量は5200KDLから〜3700KDLまで減少される。
この結果に基づいて、技術的応用では、MP−D Ibマシンは特に小さい寸法で速度が非常に低くない場合に有用であることが結論付けられる。ここでは比較的簡単な構造でただ1つの磁石管とただ1つの可動インターフェースを有しているMP−D Ibの利点は非常に貴重である。したがって、オームの損失が重要な要素ではないとき、および/または構造の小さい寸法および簡潔さが重要であるとき、MP−D Ib構造は好まれる可能性がある。
[数値例]
[例a:100馬力のパワーと200rpm速度とMM=3580NmのMP−D Ibモータ]
WM=7.5×104ワットおよびωrpm=200回転/分では、トルクはMM=60×7.5×104/2π200=3580Nmである。係数1/2により変更された式3によれば、ケース3Aではf=0.75、To=2.5cm、DB=0.58テスラであり、全体を通してmks単位を使用して、次式が得られる。
[例a:100馬力のパワーと200rpm速度とMM=3580NmのMP−D Ibモータ]
WM=7.5×104ワットおよびωrpm=200回転/分では、トルクはMM=60×7.5×104/2π200=3580Nmである。係数1/2により変更された式3によれば、ケース3Aではf=0.75、To=2.5cm、DB=0.58テスラであり、全体を通してmks単位を使用して、次式が得られる。
DMM=1/2fπD2KTOLDBj=0.0171KD2Lj[mks]=3580[Nm] (34a)
第1の決定はKの選択であり、これはマシンを軽量にし、永久磁石材料の価格を節約するために可能な限り小さくされる。個人的意見では、より低いKの実用限界について決定する。暫定的に、磁石をHm=K 1.25cm=1mmの厚さとし、スリーブを軸方向においてLml=12Hm=1.2cm幅とするためにK=0.08を選択することができる。これは磁石が過度の困難なく、自動機械による大量生産で処理されることを許容する合理的な数であると思われる。
第1の決定はKの選択であり、これはマシンを軽量にし、永久磁石材料の価格を節約するために可能な限り小さくされる。個人的意見では、より低いKの実用限界について決定する。暫定的に、磁石をHm=K 1.25cm=1mmの厚さとし、スリーブを軸方向においてLml=12Hm=1.2cm幅とするためにK=0.08を選択することができる。これは磁石が過度の困難なく、自動機械による大量生産で処理されることを許容する合理的な数であると思われる。
K=0.08の選択により、次式が得られる。
D2Lj=3580/(0.0171K)=2.62×106 (35a)
次の選択は電流密度jである。これを小さい値のD2L、したがって低い磁石及びマシン重量を得るために可能な限り大きくすることを所望されるが、次式のようにMP−D Ibに対して変形されるとき式15によって損失Lはjに比例する事実により制約される。
D2Lj=3580/(0.0171K)=2.62×106 (35a)
次の選択は電流密度jである。これを小さい値のD2L、したがって低い磁石及びマシン重量を得るために可能な限り大きくすることを所望されるが、次式のようにMP−D Ibに対して変形されるとき式15によって損失Lはjに比例する事実により制約される。
L=61.9ρj/(DBωrpm) (36)
価格が急激にLの増加と共に減少しながらモータは容易に冷却されていることを認識すると、ρ=約2×10−8Ωmとして、次式を得るためにL=5%を選択する。
61.9ρj/(DBωrpm)=1.07×10−8j/D=0.05 (37a1)または、
j=4.67×106D (37a2)
(jを適度に下げず、合理的でない大きいモータにならないように)D=1.0mの合理的選択のために、次式を発見する。
j=4.67×106[A/m2]=467A/cm2 (37a3)
式35に戻り、D=1.0cmとして、次式が得られる。
L=0.56
MP−D Ibマシンで変更されたときの式19によれば、これらの寸法を有するモータは、次式を有し、
mm=約471KDL=21.1kg (42a)
磁石の質量の価格CM=約$850と以下の変形式24は3.23lb/馬力または0.51kW/kgの重量パワー密度で質量mM=3270KDL=147kg=323lbを有する。
価格が急激にLの増加と共に減少しながらモータは容易に冷却されていることを認識すると、ρ=約2×10−8Ωmとして、次式を得るためにL=5%を選択する。
61.9ρj/(DBωrpm)=1.07×10−8j/D=0.05 (37a1)または、
j=4.67×106D (37a2)
(jを適度に下げず、合理的でない大きいモータにならないように)D=1.0mの合理的選択のために、次式を発見する。
j=4.67×106[A/m2]=467A/cm2 (37a3)
式35に戻り、D=1.0cmとして、次式が得られる。
L=0.56
MP−D Ibマシンで変更されたときの式19によれば、これらの寸法を有するモータは、次式を有し、
mm=約471KDL=21.1kg (42a)
磁石の質量の価格CM=約$850と以下の変形式24は3.23lb/馬力または0.51kW/kgの重量パワー密度で質量mM=3270KDL=147kg=323lbを有する。
さらに選択することはモータ電圧が依存するリーフ幅wである。式11にしたがい、MP−D IIbマシンの代わりにMP−D Ibモータを考慮するために電圧を半分にすると、モータ電圧は損失Lの補正を無視すると、次式のようになる。
VM=0.123D2LBωrpm/w=7.6/w[V] (39a)
通常、ほぼ同じレベルで電圧と電流を選択することが有効であり、この場合w=2.5cmはiM=247Aの電流と共にVM=7.6/0.025[V]=304[V]を生じる良好な選択肢であるように考えられる。
通常、ほぼ同じレベルで電圧と電流を選択することが有効であり、この場合w=2.5cmはiM=247Aの電流と共にVM=7.6/0.025[V]=304[V]を生じる良好な選択肢であるように考えられる。
K=0.08ではトルク発生電流パスは単にT=KTo=2mmの厚さであるので、冷却は電流導電部2(n)中に埋設された冷却チャンネルにより行われることができない。それ故、図1および2のような冷却ジャケットが使用されることができるか、または磁束帰路171に埋設された冷却チャンネルが使用されることができる。
要約すると、WM=75kWのパワーと200rpmの回転速度のMP−D IIbタイプのモータにはL=56cmの長さの電流管で4mmのギャップにより分離されているLml=1.2cm幅のスリーブが組み込まれることができ(即ち35のスリーブを備えている)、〜250A/〜300Vの電力で付勢される。モータはDM〜1.0mの直径を有し、約323lbの重量である。それに存在する磁石は1mmの厚さであり、価格は〜$850である。モータの他の材料は材料価格全体をCM〜2.5Cm=$2,130にする。モータは約95%の効率であり、水で冷却される。構造は比較的簡単であり、それを包囲する静止電流管に関して内部磁石管の円滑な回転を確実にするために良好な正確性が必要とされるが、特別な正確性はその他には必要とされない。特に、リーフは2.5cm幅であり、永久的に相互に接続され、電流はそれらを逐次的に流れる。これは異なる電流、電圧、直径、長さと直径の縦横比における事実上無限の種々のパラメータの組合せの1つにすぎないことに注意する。
[例b:MP−D Ib車椅子モータ(MM=40Nm、6V/420W)]
[減速ギアなし]
前述した方法と同じ方法で開始し、以下の式34(a)と等価の式で開始し、
DMM=1/2fπD2KToLDBj=0.0171KD2Lj[mks]=40[Nm] (34b1)
Kを同じ選択し、K=0.008にすると、
D2Lj=40/(0.0171K)=2.92×104[mks] (35b)
次に、トルクが車椅子モータの原理的に所望される出力であり、効率は次に重要である理由で、最大の合理的な実用直径D=18cmを選択し、ωrpm=約100rpmの最高速度でL=50%のオーム損失で満足される。これらの選択により、式36から次式が得られる。
[減速ギアなし]
前述した方法と同じ方法で開始し、以下の式34(a)と等価の式で開始し、
DMM=1/2fπD2KToLDBj=0.0171KD2Lj[mks]=40[Nm] (34b1)
Kを同じ選択し、K=0.008にすると、
D2Lj=40/(0.0171K)=2.92×104[mks] (35b)
次に、トルクが車椅子モータの原理的に所望される出力であり、効率は次に重要である理由で、最大の合理的な実用直径D=18cmを選択し、ωrpm=約100rpmの最高速度でL=50%のオーム損失で満足される。これらの選択により、式36から次式が得られる。
L=61.9ρj/(dBωrpm)=0.50=1.19×10−7j (37b1)
ここでは、
j=4.22k×106A/m2=422A/cm2 (37b2)
K=0.08とD=0.18mと共にこれを式35bに挿入すると、L=0.214mである。
ここでは、
j=4.22k×106A/m2=422A/cm2 (37b2)
K=0.08とD=0.18mと共にこれを式35bに挿入すると、L=0.214mである。
式39(a)にしたがって、リーフの厚さwはωrpm=100rpmでマシン電圧VM=12Vを生成するために決定され、即ち、
w=0.82cmでは、VM=0.123D2LBωrpm/w=6[V]=0.0495/w (39b1)
AZ=wKTo=0.165cm2の電流パス領域では、j=422A/cm2で、マシン電流はiM=70[A]であり、これは次式のトルクを与え、
MM=(D/2)NDLBfLi=1/2πfD2LBi/w=40[Nm] (40)
最大のマシンのパワーはWM=VMiM=420ワットである。
w=0.82cmでは、VM=0.123D2LBωrpm/w=6[V]=0.0495/w (39b1)
AZ=wKTo=0.165cm2の電流パス領域では、j=422A/cm2で、マシン電流はiM=70[A]であり、これは次式のトルクを与え、
MM=(D/2)NDLBfLi=1/2πfD2LBi/w=40[Nm] (40)
最大のマシンのパワーはWM=VMiM=420ワットである。
必要とされる永久磁石材料の量は、
Cm=約$58の価格でmm=471KDL=1.45kg (41b)
モータの重量は、
mM=約3270KDL=約6.9mm=10.0kg=約22lb (42)
Cm=約$58の価格でmm=471KDL=1.45kg (41b)
モータの重量は、
mM=約3270KDL=約6.9mm=10.0kg=約22lb (42)
[減速ギアを有する点を除いて車椅子モータに対して同一仕様]
モータの重量及び価格は以下のように減速ギアの使用により減少されることができる。再度K=0.08と、j=4.22×106A/m2の同じ電流密度を使用するが、D=0.078mのかなり小さい電流パス直径を選択すると、式35bは次式のようになる。
L=1.17[m]では、D2Lj=2.92×104[mks]=2.57×104L[mks] (43 1)
即ち、車椅子には不合理に長さが長い。対処法として、比率NRの減速ギアは同じ出力速度ωrpmで、モータが速度NRωrpmで動作することを許容し、摩擦損失を無視し、モータトルクに関して同じ係数NRにより出力トルクを増加する。
モータの重量及び価格は以下のように減速ギアの使用により減少されることができる。再度K=0.08と、j=4.22×106A/m2の同じ電流密度を使用するが、D=0.078mのかなり小さい電流パス直径を選択すると、式35bは次式のようになる。
L=1.17[m]では、D2Lj=2.92×104[mks]=2.57×104L[mks] (43 1)
即ち、車椅子には不合理に長さが長い。対処法として、比率NRの減速ギアは同じ出力速度ωrpmで、モータが速度NRωrpmで動作することを許容し、摩擦損失を無視し、モータトルクに関して同じ係数NRにより出力トルクを増加する。
この例では、NR=9の減速ギア比を仮定する。モータ入力速度はNRωrpm=900rpmであり、入力モータトルクはMM=40/NR=4.44[Nm]である。それによって式34は次式に変形される。
DMM *=1/2fπD2KToLDBj=0.0171KD2Lj[mks]=40/NR=4.44[Nm] (34b2)
前述したように同じK=0.08と、j=4.22×106A/m2と、D=0.078mでは、式(34b2)は以下を必要とする。
L=4.44/(0.0171KD2j)=0.129m=12.9cm (44)
これらの同じ値では、最高速度での損失は、
L=61.9ρj/(DBNRωrpm)+LRG=約0.128+0.10=約23% (37b3)
ここでLRGは減速ギア損失であり、LRG=約10%と仮定される。
DMM *=1/2fπD2KToLDBj=0.0171KD2Lj[mks]=40/NR=4.44[Nm] (34b2)
前述したように同じK=0.08と、j=4.22×106A/m2と、D=0.078mでは、式(34b2)は以下を必要とする。
L=4.44/(0.0171KD2j)=0.129m=12.9cm (44)
これらの同じ値では、最高速度での損失は、
L=61.9ρj/(DBNRωrpm)+LRG=約0.128+0.10=約23% (37b3)
ここでLRGは減速ギア損失であり、LRG=約10%と仮定される。
再度式39aに基づいて、リーフの厚さはマシン電圧VM=6[V]を生じるように選択されるが、ここではNRωrpm=900rpmにおいて、
w=0.80cmでは、VM=0.123D2LBNRωrpm/w=0.048/w=6[V] (39b2)
即ち正式にはNDL=πD/w=30.6リーフであるが、実際には例えばNDL=31リーフ、または恐らく32または33のリーフであり、そのうちバッテリへの入力ケーブルと出力ケーブルの間に位置されている1または2が端子間の絶縁スペースとしてアイドルにされることができる。
w=0.80cmでは、VM=0.123D2LBNRωrpm/w=0.048/w=6[V] (39b2)
即ち正式にはNDL=πD/w=30.6リーフであるが、実際には例えばNDL=31リーフ、または恐らく32または33のリーフであり、そのうちバッテリへの入力ケーブルと出力ケーブルの間に位置されている1または2が端子間の絶縁スペースとしてアイドルにされることができる。
電流パスの断面AZ=KTow=0.08×2.5×0.8cm2=0.16cm2では、電流密度j=422A/cm2で、マシン電流はiM〜70Aであり、減速ギアなしと同じである。全速度、即ちVM=6Vでは、それ故モータ電力はWM=420wである。
減速ギアのために、この非常に小さいマシンに必要とされる磁石材料は〜$15の価格でmm=約471KDL=0.38kgである。変形された式24にしたがって、マシンの質量はmM=約3270KDL=2.6kg=約5.8lbであり、これに減速ギアの重量が加算されなければならない。
要約すると、MP−D Ibマシンは例えば車椅子モータを直接運動するため、または減速ギアを伴って小さい寸法で作られることができる。減速ギアなしでは、予想重量は約22lbであり、減速ギア有りでは、モータ単独で重量はその約4分の1のみであり、即ち特別なケースでは5.8lbと考えられる。
特に、先に提案されたマシンの内部抵抗は式14にしたがってMP−D Ibマシンに適合される。
DRM=1.77×1.43πρDL/(w2KTo)=7.95×10−5LD/w2[mks] (45)
即ち減速ギア有りでは0.0125オームである。それ故、最大70Aの電流の低速度の運動では、廃熱は〜60ワットに過ぎない。
DRM=1.77×1.43πρDL/(w2KTo)=7.95×10−5LD/w2[mks] (45)
即ち減速ギア有りでは0.0125オームである。それ故、最大70Aの電流の低速度の運動では、廃熱は〜60ワットに過ぎない。
[例c:6100馬力/120rpmの船の駆動、WM=4.6MW、MM=3.6MNm]
[MP−D Ib構造]
MP−D IIb設計はやや減少された重量および材料価格と、同じ電流密度でかなり低い損失と、MP−D Ibマシンの非常に簡単な構造及び応用を約束しているが、MP−D Ibマシンは回転する外部ケージングの代わりにただ1つの滑動インターフェースおよび静止のために、これらの利点を上回ることができる。それ故、この次の例では以下のようにMP−D Ib設計を使用する。
[MP−D Ib構造]
MP−D IIb設計はやや減少された重量および材料価格と、同じ電流密度でかなり低い損失と、MP−D Ibマシンの非常に簡単な構造及び応用を約束しているが、MP−D Ibマシンは回転する外部ケージングの代わりにただ1つの滑動インターフェースおよび静止のために、これらの利点を上回ることができる。それ故、この次の例では以下のようにMP−D Ib設計を使用する。
この特定のケースのトルク式34は前述の仕様のためのものである。
DMM=1/2fπD2KToLDBj=0.0171KD2Lj[mks]=3.6×106[Nm] (34c1)
即ち、j=2.10×108/KD2L (34c2)
次に、先のケースのように、電流密度はオーム損失、即ち式37に当然払うべき注意をして選択されなければならないが、低い回転速度のため、重量および価格選択を可能な限り減少するために10%の損失、即ちωrpm=120rpmを許容する。
L=61.9ρj/(DBωrpm)=1.78×10−8j/D=0.10[mks] (37c1)
それによってKとは独立して次式を発見する。
j=5.6×106D(A/m2) (37c2)
式(41b)と共に(34c2)と(37c2)を結合すると、次式が得られる。
2.10×108/KD2L=5.6×106D (46c1)または
KD3L=37.5=D2mm/471 (46c2)
したがって、(46c2)によれば、磁石材料の質量は、
mm=1.77×104/D2 (46c3)
即ち固定されたトルクと損失では、mmは表面的にはKと独立している。しかしながら間接的に磁石質量mmはKに、即ちDを介して依存しており、Dは任意の選択されたKでは、回転速度とマシンの長さと共にゆっくりと変化する。Kが最良の製造的便宜性のために選ばれるならば、恐らくこれは0.3と1の間で選択されるであろう。さらに強力なスカットモータが低重量及び価格のためには望ましいが、ユーザのスペースの要求を考慮すると好ましくない可能性があり、例えばモータがポッドに収納されるならば、それは恐らく細くなければならない。したがってDの選択は状況にしたがっている。縦横比L/Dの選択が制約がないことを想定すると、L=D/2は合理的であると思われる。L=D/2では、式(46 2)から次式が得られる。
L=D/2=1.47/K1/4では、D=(75/K)1/4[m]=2.94/K1/4m (47c)
即ち、DMMとjに対する接続を介することを除いてKに対する依存が軽く、これは式(37c2)から式47と共に次式を生じる。
j=5.6×106D=8.23×106/K1/4 (37c3)
即ち、j=2.10×108/KD2L (34c2)
次に、先のケースのように、電流密度はオーム損失、即ち式37に当然払うべき注意をして選択されなければならないが、低い回転速度のため、重量および価格選択を可能な限り減少するために10%の損失、即ちωrpm=120rpmを許容する。
L=61.9ρj/(DBωrpm)=1.78×10−8j/D=0.10[mks] (37c1)
それによってKとは独立して次式を発見する。
j=5.6×106D(A/m2) (37c2)
式(41b)と共に(34c2)と(37c2)を結合すると、次式が得られる。
2.10×108/KD2L=5.6×106D (46c1)または
KD3L=37.5=D2mm/471 (46c2)
したがって、(46c2)によれば、磁石材料の質量は、
mm=1.77×104/D2 (46c3)
即ち固定されたトルクと損失では、mmは表面的にはKと独立している。しかしながら間接的に磁石質量mmはKに、即ちDを介して依存しており、Dは任意の選択されたKでは、回転速度とマシンの長さと共にゆっくりと変化する。Kが最良の製造的便宜性のために選ばれるならば、恐らくこれは0.3と1の間で選択されるであろう。さらに強力なスカットモータが低重量及び価格のためには望ましいが、ユーザのスペースの要求を考慮すると好ましくない可能性があり、例えばモータがポッドに収納されるならば、それは恐らく細くなければならない。したがってDの選択は状況にしたがっている。縦横比L/Dの選択が制約がないことを想定すると、L=D/2は合理的であると思われる。L=D/2では、式(46 2)から次式が得られる。
L=D/2=1.47/K1/4では、D=(75/K)1/4[m]=2.94/K1/4m (47c)
即ち、DMMとjに対する接続を介することを除いてKに対する依存が軽く、これは式(37c2)から式47と共に次式を生じる。
j=5.6×106D=8.23×106/K1/4 (37c3)
[K=1(Hm=1.25cm)とVM=2000V/2300Aを有するモータ]
KとVMの両値が次に選択される。選択がiM=2,300AでK=1およびVM=2000Vであるならば、式(47)からD=2.94mでL=1.47である。この場合、D=2.94mとしてL=1.47である。さらに式39から式47と共に、
w=0.123D2LBωrpm/VM=0.0544[m]=5.4cm (48c1)
結果的な磁石材料の質量は$81,000の価格でmm=471KDL=2035kgになり、マシン全体の重量は式42にしたがう。
材料価格CM=約$46,500×KDL=$200,000と重量電力密度〜5.1lb/馬力では、
mM=約3270KDL=約6.9mm=14,200kg=31,000lb (42c)
KとVMの両値が次に選択される。選択がiM=2,300AでK=1およびVM=2000Vであるならば、式(47)からD=2.94mでL=1.47である。この場合、D=2.94mとしてL=1.47である。さらに式39から式47と共に、
w=0.123D2LBωrpm/VM=0.0544[m]=5.4cm (48c1)
結果的な磁石材料の質量は$81,000の価格でmm=471KDL=2035kgになり、マシン全体の重量は式42にしたがう。
材料価格CM=約$46,500×KDL=$200,000と重量電力密度〜5.1lb/馬力では、
mM=約3270KDL=約6.9mm=14,200kg=31,000lb (42c)
[K=2(Hm=2.5cm)を有する点を除いて、VM=2000V、iM=2300Aを有する同じモータ]
式47から、K=2により、D=(75/K)1/4[m]=2.47mとしてL=1.24mが得られ、したがって(37c2)から、
j=5.6×106D=1.38×107A/cm2 (37c4)および
w=0.123D2LBωrpm/VM=0.035[m]=3.2cm (48c2)となる。この式は〜$115,000の価格における磁石材料質量mm=471KDL=2890kgと総マシン質量mM=約6.9mm=19,900kg=約43,700lbとマシン価格CM=約2.5Cm=$288,000についてである。電力密度は〜7.2lb/馬力である。
式47から、K=2により、D=(75/K)1/4[m]=2.47mとしてL=1.24mが得られ、したがって(37c2)から、
j=5.6×106D=1.38×107A/cm2 (37c4)および
w=0.123D2LBωrpm/VM=0.035[m]=3.2cm (48c2)となる。この式は〜$115,000の価格における磁石材料質量mm=471KDL=2890kgと総マシン質量mM=約6.9mm=19,900kg=約43,700lbとマシン価格CM=約2.5Cm=$288,000についてである。電力密度は〜7.2lb/馬力である。
[K=0.32(Hm=4mm)とVM=2000V/2300Aを有する値]
式47から、K=0.32により、D=(75/K)1/4[m]=3.90mとL=1.95mが得られ、したがって、
j=5.6×106D=1.53×107/K1/4=2.03×107A/cm2 (37c4)および
w=0.123D2LBωrpm/VM=0.127[m]=12.7cm (48c1)
この式はCM=$45,800の価格における磁石材料質量mm=471KDL=1146kgと総マシン重量mM=約6.9mm=約7910kg=約17,400lbとCM=約2.5Cm=$115,000のモータの材料価格についてである。電力密度はmM/WM=2.85lb/馬力である。
式47から、K=0.32により、D=(75/K)1/4[m]=3.90mとL=1.95mが得られ、したがって、
j=5.6×106D=1.53×107/K1/4=2.03×107A/cm2 (37c4)および
w=0.123D2LBωrpm/VM=0.127[m]=12.7cm (48c1)
この式はCM=$45,800の価格における磁石材料質量mm=471KDL=1146kgと総マシン重量mM=約6.9mm=約7910kg=約17,400lbとCM=約2.5Cm=$115,000のモータの材料価格についてである。電力密度はmM/WM=2.85lb/馬力である。
結論:電力密度と価格に関しては、小さいK値の選択に明白な利点が存在する。しかしながら式46にしたがって、外側のマシン寸法は1/K1/4に比例して減少し、製造期間中に設置される必要のある磁石ピース数はD2として、即ち1/νKとして上昇する。これらのことは過度に小さいK値に対して議論される。さらに、K値の減少により、電流密度jは1/K1/4として増加し、この例では全トルクBUTにおけるL=10%の高い損失値の選択のために過剰に高い可能性があり、それはマシンが非常に容易に冷却されるため、これは冷却問題を有しないが電流は機械的安定性を超過する可能性があるためである。トルクと損失はjに比例するので、Lの減少はマシンの重量を増加し、それに比例して電力密度を低下させる。いずれにせよ小さいK値では、電力密度が許容可能な程度に高いとき、マシンの寸法は不適度に大きいように思われる。これらの問題は以下説明するようにMP−D IIB構造により減少される。
[例d:6100馬力/120rpmの船舶駆動、WM=4.6MW、MM=3.6MNm]
[MP−D IIb構造]
MP−D IIbマシンの解析は、[近似的磁束線パターン・・・]の項目と表IIのリストに既に示した変更を除いて前述のMP−D Ibマシンについてとほぼ同じである。したがってマシンのトルクは、
DMM=fπD2KToLDBj=0.0342KD2Lj[mks]=3.6×106[Nm] (34d1)
即ち、j=1.05×108/KD2L (34d2)
次に、ωrpm=120rpmにおける10%の損失を許容する。
L=36.4ρj/(DBωrpm)=1.05×10−8j/D=0.10[mks] (37d1)
それによって次式を発見する。
j=9.5×106D(A/m2) (37d2)
また(34d2)から(37d2)と共に、即ちj=1.05×108/KD2L=9.5×106Dから次式が得られる。
KD3L=11.1 (46d1)および、
mm=942KDL (41c)では、
KD3L=11.1=D2mm/942 (46d2)
MP−D IIb構造におけるこのマシンの磁石材料の質量は、
mm=1.05×104/D2 (46d3)
L/D=1/2(46d2)の縦横比を取ると、次式が得られる。
L=D/2=1.09/K1/4では、D=(22.2/K)1/4[m]=2.17/K1/4m (47d1)
一方で式(37d2)から、式47dと共に、
j=9.5×106D=9.5×1062.17/K1/4=2.0×107/K1/4 (37d3)
[K=1(Hm=1.25cm)と2000V/2300Aを有するモータ]
K=1とVM=2000V/2300Aで、(47d1)からDとLについて次式を発見する。
D=2.17/K1/4m=2.17mと、L=D/2=1.09m (47d2)および式39から、式47と共に次式が得られ、
πD/w=155リーフでは、または前述の他のケースのように、恐らく1またはさらに少数の電圧バッファがそれらの200Vの電位差で端子間に存在する。
[MP−D IIb構造]
MP−D IIbマシンの解析は、[近似的磁束線パターン・・・]の項目と表IIのリストに既に示した変更を除いて前述のMP−D Ibマシンについてとほぼ同じである。したがってマシンのトルクは、
DMM=fπD2KToLDBj=0.0342KD2Lj[mks]=3.6×106[Nm] (34d1)
即ち、j=1.05×108/KD2L (34d2)
次に、ωrpm=120rpmにおける10%の損失を許容する。
L=36.4ρj/(DBωrpm)=1.05×10−8j/D=0.10[mks] (37d1)
それによって次式を発見する。
j=9.5×106D(A/m2) (37d2)
また(34d2)から(37d2)と共に、即ちj=1.05×108/KD2L=9.5×106Dから次式が得られる。
KD3L=11.1 (46d1)および、
mm=942KDL (41c)では、
KD3L=11.1=D2mm/942 (46d2)
MP−D IIb構造におけるこのマシンの磁石材料の質量は、
mm=1.05×104/D2 (46d3)
L/D=1/2(46d2)の縦横比を取ると、次式が得られる。
L=D/2=1.09/K1/4では、D=(22.2/K)1/4[m]=2.17/K1/4m (47d1)
一方で式(37d2)から、式47dと共に、
j=9.5×106D=9.5×1062.17/K1/4=2.0×107/K1/4 (37d3)
[K=1(Hm=1.25cm)と2000V/2300Aを有するモータ]
K=1とVM=2000V/2300Aで、(47d1)からDとLについて次式を発見する。
D=2.17/K1/4m=2.17mと、L=D/2=1.09m (47d2)および式39から、式47と共に次式が得られ、
πD/w=155リーフでは、または前述の他のケースのように、恐らく1またはさらに少数の電圧バッファがそれらの200Vの電位差で端子間に存在する。
VM=0.246D2LBωrpm/w=2000=88/w[V] (39d1)
w=0.0044m=4.4cm
この構造では、磁石材料の質量は、
Cm=$89,000の価格で、mm=942KDL=2,230kg (42d1)
一方でマシンの全重量は、
〜4.4lb/馬力の重量電力密度および
CM=約2.1Cm=約$37,700×KDL=$187,000 (42d3)の総材料価格において、
mM=約5.5mm=約12,300kg=27,000lb (42d2)
w=0.0044m=4.4cm
この構造では、磁石材料の質量は、
Cm=$89,000の価格で、mm=942KDL=2,230kg (42d1)
一方でマシンの全重量は、
〜4.4lb/馬力の重量電力密度および
CM=約2.1Cm=約$37,700×KDL=$187,000 (42d3)の総材料価格において、
mM=約5.5mm=約12,300kg=27,000lb (42d2)
[K=0.32(Hm=0.4cm)、2000V、2300A、L=10%を有するモータ]
K=0.32及びそれでなければ、同じ値の式(47d)は次式を得る。
D=2.17/K1/4m=2.88mおよびL=D/2=1.44m (47d2)
式39から、式47により次式が得られ、πD/w=89または90リーフでは、
VM=0.246D2LBωrpm/w=204/w[mks]=2000V(39d1)
w=0.102m=10.2cm
磁石材料の質量は、
Cm=$50,000の価格で、mm=942KDL=1250kg (42d2)
またマシン重量は、
〜2.5lb/馬力の重量電力密度および
CM=約2.1Cm=約$37,700×KDL=$50,000 (42d3)の総材料価格において、
mM=約5.5mm=約6875kg=15,100lb (42d3)
K=0.32及びそれでなければ、同じ値の式(47d)は次式を得る。
D=2.17/K1/4m=2.88mおよびL=D/2=1.44m (47d2)
式39から、式47により次式が得られ、πD/w=89または90リーフでは、
VM=0.246D2LBωrpm/w=204/w[mks]=2000V(39d1)
w=0.102m=10.2cm
磁石材料の質量は、
Cm=$50,000の価格で、mm=942KDL=1250kg (42d2)
またマシン重量は、
〜2.5lb/馬力の重量電力密度および
CM=約2.1Cm=約$37,700×KDL=$50,000 (42d3)の総材料価格において、
mM=約5.5mm=約6875kg=15,100lb (42d3)
[K=0.32(Hm=0.4cm)、VM=2000V/2300Aを有するが、最高速度でL=5%の同じマシン]
2の係数で許容可能な損失を減少することは、同じ係数により次式のように許容可能な電流密度jを減少する。
2の係数で許容可能な損失を減少することは、同じ係数により次式のように許容可能な電流密度jを減少する。
j=4.8×106D[A/m2] (37d4)
(34d2)から(37d4)により、即ちj=1.05×108/KD2L=4.8×106Dから次式が得られる。
(34d2)から(37d4)により、即ちj=1.05×108/KD2L=4.8×106Dから次式が得られる。
KD3L=21.9 (46d4)
即ち、mm=942KDLでは、
KD3L=21.9=D2mm/942 (46d5)
ここで、mm=2.06×104/D2 (46d6)
前述したようにL/D=1/2の同じ縦横比では、(46d5)は次式になる。
即ち、mm=942KDLでは、
KD3L=21.9=D2mm/942 (46d5)
ここで、mm=2.06×104/D2 (46d6)
前述したようにL/D=1/2の同じ縦横比では、(46d5)は次式になる。
L=D/2=1.29/K1/4では、D=(43.8/K)1/4[m]=2.57/K1/4m (47d3)
一方で式(37d2)から、式(47d3)により、
j=4.8×106D=4.8×106×2.17/K1/4=1.04×107/K1/4 (37d5)
次に、K=0.32により、式(47d3)は次式のようになる。
D=(43.8/K)1/4[m]=3.42mと、L=D/2=1.71m (47d4)
一方で式39と式(47d4)より次式が得られて、w=0.17m=17.1cm、即ち正式にはπD/w=62.8リーフ、実際的には63または64リーフでは、
VM=0.246D2LBωrpm/w=342/w[mks]=2000V(39d3)
磁石材料の質量は、
Cm=$69,200の価格で、mm=942KDL=1730kg (42d4)
またマシン重量は、
〜3.43b/馬力の重量電力密度および
CM=約2.1Cm=約$37,700×KDL=$145,000の総材料価格において、
mM=約5.5mm=約9520kg=20,900lb (42d5)
一方で式(37d2)から、式(47d3)により、
j=4.8×106D=4.8×106×2.17/K1/4=1.04×107/K1/4 (37d5)
次に、K=0.32により、式(47d3)は次式のようになる。
D=(43.8/K)1/4[m]=3.42mと、L=D/2=1.71m (47d4)
一方で式39と式(47d4)より次式が得られて、w=0.17m=17.1cm、即ち正式にはπD/w=62.8リーフ、実際的には63または64リーフでは、
VM=0.246D2LBωrpm/w=342/w[mks]=2000V(39d3)
磁石材料の質量は、
Cm=$69,200の価格で、mm=942KDL=1730kg (42d4)
またマシン重量は、
〜3.43b/馬力の重量電力密度および
CM=約2.1Cm=約$37,700×KDL=$145,000の総材料価格において、
mM=約5.5mm=約9520kg=20,900lb (42d5)
[例e:WM=300kW/1100rpm、、即ちMM=2600MNmのMP−D Ibモータ]
[MP−D Ib構造]
トルク式34はこのケース(全体を通してf=0.75、B=0.58テスラ)については次式のようになる。
[MP−D Ib構造]
トルク式34はこのケース(全体を通してf=0.75、B=0.58テスラ)については次式のようになる。
j=1.52×105/KD2L (34e2)に対して、
DMM=1/2fπD2KToLDBj=0.0171KD2Lj[mks]=2600[Nm] (34e1)
次に、再び10%の損失を許容するが、ωrpm=1100rpmでは、ρ=2×10−8Ωmによって次式が得られる。
j=5.15×107D[A/m2] (37e2)において、
L=61.9ρj/(DBωrpm)=1.94×10−9j/D=0.10[mks] (37e1)
(34e2)から(37e4)により、即ちj=1.52×105/KD2L=5.15×107Dから次式が得られる。
DMM=1/2fπD2KToLDBj=0.0171KD2Lj[mks]=2600[Nm] (34e1)
次に、再び10%の損失を許容するが、ωrpm=1100rpmでは、ρ=2×10−8Ωmによって次式が得られる。
j=5.15×107D[A/m2] (37e2)において、
L=61.9ρj/(DBωrpm)=1.94×10−9j/D=0.10[mks] (37e1)
(34e2)から(37e4)により、即ちj=1.52×105/KD2L=5.15×107Dから次式が得られる。
KD3L=2.95×10−3 (46e1)
mm=471KDLでは、次式が得られる。
KD3L=0.00295=D2mm/471 (46e2)
それによって、MP−D Ib構造のこのマシンの磁石材料の質量は次式になる。
mm=1.39/D2 (46e3)
この場合、D/L=1程度の縦横比が所望され、この場合(46e1)は次式となる。
D=L=(2.95×10−3/K)1/4[m]=0.233/K1/4m (47e1)
式(37e2)と式(47e1)から、次式が得られる。
mm=471KDLでは、次式が得られる。
KD3L=0.00295=D2mm/471 (46e2)
それによって、MP−D Ib構造のこのマシンの磁石材料の質量は次式になる。
mm=1.39/D2 (46e3)
この場合、D/L=1程度の縦横比が所望され、この場合(46e1)は次式となる。
D=L=(2.95×10−3/K)1/4[m]=0.233/K1/4m (47e1)
式(37e2)と式(47e1)から、次式が得られる。
j=5.15×107D=5.15×107×0.233/K1/4=1.20×107/K1/4 (37e3)
[K=0.1(Hm=0.125cm)とVM=800V/375Aを有するモータ]
K=0.1、VM=800V、iM=375Aでは、(47e2)から次式が得られる。
D=L=0.233/K1/4m=0.562m (47e2)
式39と式(47e2)から、
w=0.0174m=1.74cm、即ち正式にπD/w=101.5リーフ、または実際には102または103リーフでは、
VM=0.123D2LBωrpm/w=14.0/w[mks]=800V(39e1)
この構造では、磁石材料の質量は、
Cm=$596の価格で、mm=471KDL=14.9kg (42e1)
一方マシンの総重量は、
〜0.64.1lb/馬力の重量電力密度および
CM=約2.7Cm=約$51,000×KDL=$1610 (42e3)
の総材料価格において、
mM=約7.8mm=約116kg=255lb (42e2)
K=0.1、VM=800V、iM=375Aでは、(47e2)から次式が得られる。
D=L=0.233/K1/4m=0.562m (47e2)
式39と式(47e2)から、
w=0.0174m=1.74cm、即ち正式にπD/w=101.5リーフ、または実際には102または103リーフでは、
VM=0.123D2LBωrpm/w=14.0/w[mks]=800V(39e1)
この構造では、磁石材料の質量は、
Cm=$596の価格で、mm=471KDL=14.9kg (42e1)
一方マシンの総重量は、
〜0.64.1lb/馬力の重量電力密度および
CM=約2.7Cm=約$51,000×KDL=$1610 (42e3)
の総材料価格において、
mM=約7.8mm=約116kg=255lb (42e2)
[L=5%、K=0.2(Hm=0.25cm)、VM=800VとiM=375Aを有するモータ]
K=0.2およびVM=800V/375Aによる最高速度における5%の損失では、(37e1)から次式が得られる。
j=2.58×107D (37e4)
また(34e2)とD=Lにより、
j=2.58×107D=1.52×105/KD2L→2.58×107D=1.52×105/KD3 (34e3)、即ち、
D=L=0.277/K1/4m=0.414m (47e4)では、
KD4L=5.98×10−5 (47e−3)
式39から、式(47e4)により、
正式にはπD/w=188.5リーフでは、
VM=0.123D2LBωrpm/w=5.57/w[mks]=800V(39e2) w=0.0069m=0.69cm
したがって、電流密度は、
j=iM/(2KHmow)=375/(0.4×0.0125×0.0069)[mks]=1.09×107A/m2 (37e5)
この構造では、磁石材料の質量は、
Cm=$646の価格で、mm=471KDL=16.1kg=35.4lb (42e4)
一方、マシンの総重量は、
〜0.69lb/馬力の重量電力密度および
CM=約2.7Cm=約$51,000×KDL=$1750の総材料価格において、
mM=約7.8mm=約126kg=276lb (42e5)
K=0.2およびVM=800V/375Aによる最高速度における5%の損失では、(37e1)から次式が得られる。
j=2.58×107D (37e4)
また(34e2)とD=Lにより、
j=2.58×107D=1.52×105/KD2L→2.58×107D=1.52×105/KD3 (34e3)、即ち、
D=L=0.277/K1/4m=0.414m (47e4)では、
KD4L=5.98×10−5 (47e−3)
式39から、式(47e4)により、
正式にはπD/w=188.5リーフでは、
VM=0.123D2LBωrpm/w=5.57/w[mks]=800V(39e2) w=0.0069m=0.69cm
したがって、電流密度は、
j=iM/(2KHmow)=375/(0.4×0.0125×0.0069)[mks]=1.09×107A/m2 (37e5)
この構造では、磁石材料の質量は、
Cm=$646の価格で、mm=471KDL=16.1kg=35.4lb (42e4)
一方、マシンの総重量は、
〜0.69lb/馬力の重量電力密度および
CM=約2.7Cm=約$51,000×KDL=$1750の総材料価格において、
mM=約7.8mm=約126kg=276lb (42e5)
[例f:WM=300kW/1100rpm、即ちMM=2600MNmのMP−D Ibモータ]
[(L=5%、K=0.2(Hm=0.25cm)、VM=800VとiM=375Aを有する)MP−D Ib構造]
例dと並行して、MP−D IIbマシン構造により、この例のマシントルクは、
DMM=fπD2KToLDBj=0.0342KD2Lj[mks]=2600[Nm] (34f1)
即ち、j=7.60×104/KD2L (34f2)
ωrpm=1100rpmにおける5%の損失を許容すると、次式が得られる。
j=4.38×107D(A/m2) (37f2)では、
L=36.4ρj/(DBωrpm)=1.14×10−9j/D=0.05[mks] (37f1)
さらに、(34f2)から(37f2)により、即ちj=7.60×104/KD2L=4.38×107Dから次式が得られる。
KD3L=1.76×10−3 (46f1)および、
mm=942KDL (41f)では、
KD3L=1.76×10−3=D2mm/942 (46f2)
したがって、MP−D IIb構造におけるこのマシンの磁石材料の質量は、
mm=1.64/D2 (46f3)
L/Dである例では前述の“e”として取ると、式(46f2)から次式が得られる。
D=L=(1.76×10−3/K)1/4[m]=0.205/K1/4m (47f1)
一方で式(37f2)から、式(47f1)により、
j=4.38×107D=4.38×107×0.205/K1/4=8.97×106/K1/4 (37f3)
K=0.2およびVM=800Vでは、(47f1)から次式が得られる。
D=L=0.205/K1/4[m]=0.306m (47f2)
また式39から式47により、
πD/w=172リーフ、または例えば1または2(クーペ)の追加リーフを有する173または174では、
VM=0.246D2LBωrpm/w=4.50/w=800V (39f1)と、
w=0.0056m=0.56cm
これらの値では、電流密度は式(37f3)により、
j=1.34×107A/m2=iM/2KHmow (37f4)
マシンの磁石材料の質量は次式のようになる。
[(L=5%、K=0.2(Hm=0.25cm)、VM=800VとiM=375Aを有する)MP−D Ib構造]
例dと並行して、MP−D IIbマシン構造により、この例のマシントルクは、
DMM=fπD2KToLDBj=0.0342KD2Lj[mks]=2600[Nm] (34f1)
即ち、j=7.60×104/KD2L (34f2)
ωrpm=1100rpmにおける5%の損失を許容すると、次式が得られる。
j=4.38×107D(A/m2) (37f2)では、
L=36.4ρj/(DBωrpm)=1.14×10−9j/D=0.05[mks] (37f1)
さらに、(34f2)から(37f2)により、即ちj=7.60×104/KD2L=4.38×107Dから次式が得られる。
KD3L=1.76×10−3 (46f1)および、
mm=942KDL (41f)では、
KD3L=1.76×10−3=D2mm/942 (46f2)
したがって、MP−D IIb構造におけるこのマシンの磁石材料の質量は、
mm=1.64/D2 (46f3)
L/Dである例では前述の“e”として取ると、式(46f2)から次式が得られる。
D=L=(1.76×10−3/K)1/4[m]=0.205/K1/4m (47f1)
一方で式(37f2)から、式(47f1)により、
j=4.38×107D=4.38×107×0.205/K1/4=8.97×106/K1/4 (37f3)
K=0.2およびVM=800Vでは、(47f1)から次式が得られる。
D=L=0.205/K1/4[m]=0.306m (47f2)
また式39から式47により、
πD/w=172リーフ、または例えば1または2(クーペ)の追加リーフを有する173または174では、
VM=0.246D2LBωrpm/w=4.50/w=800V (39f1)と、
w=0.0056m=0.56cm
これらの値では、電流密度は式(37f3)により、
j=1.34×107A/m2=iM/2KHmow (37f4)
マシンの磁石材料の質量は次式のようになる。
Cm=$704の価格で、mm=942KDL=17.6kg=38.8lb (42f1)
マシンの総重量は次式として得られる。
〜0.53lb/馬力の重量電力密度および
CM=約2.1Cm=約$79,900KDL=$1,490 (42d3)の総材料価格において、
mM=約5.5mm=約96.8kg=213lb (42f2)
マシンの総重量は次式として得られる。
〜0.53lb/馬力の重量電力密度および
CM=約2.1Cm=約$79,900KDL=$1,490 (42d3)の総材料価格において、
mM=約5.5mm=約96.8kg=213lb (42f2)
[議論]
例の数値結果が表IIIに集められている。これらは種々のパラメータの影響を明らかにしている。特に、オーム損失を低くすることはマシンの寸法及び価格を増加させるので好ましくない。これはそれに伴う電流密度の減少により生じる。この点は以下のような幾つかのさらに別の議論に値する。
例の数値結果が表IIIに集められている。これらは種々のパラメータの影響を明らかにしている。特に、オーム損失を低くすることはマシンの寸法及び価格を増加させるので好ましくない。これはそれに伴う電流密度の減少により生じる。この点は以下のような幾つかのさらに別の議論に値する。
MP−Tマシンでは、さらに高い電流密度で、磁極スリップが相互に通過するので、電流密度は〜1×107A/m2または1.4×107A/m2までに限定される。したがって全てのタイプのMPマシンの従来の概念的設計では、電流密度jは〜1×107A/m2に通常限定された。他のタイプの電気マシンは同じ制限を受けるが、さらに明らかに一般的に冷却のために限定される。これらの冷却が簡単にできるので、これはMP−Tマシンに関する問題ではない。さらに「スリーブ」構造のために、本発明によるMP−Dマシンの電流密度は磁石装置により支持可能な最大のトルクにより制限されない。むしろ適切に強力な機械構造であれば、MP−Dマシンの電流密度は無限に上昇されることができることが考えられている。そうであるならば、j=2,740A/m2まで達する表IIIの電流密度は容易に可能である。しかしながら詳細な有限の素子解析はこの点を検証するために依然として必要とされる。
マシンの寸法及び電力密度における最大の影響のパラメータはKである。残念ながら概念マシン構造の見地から、Kの減少、即ち磁石のサイズの減少は、マシンの重量と価格を減少しながらも巨視的マシンの寸法、即ちDとLを上昇させる。また、特に大きなマシンでは、小さい寸法の多数の永久磁石の組立てが必要とされ、それは疑いなく製造価格に付加される。結果として小さいマシンでは、Kは0.08程度であると考えられ、大きい機械では、K=0.2が下限であると考えられている。
表IIIはMP−Dマシンの大きな利点、即ちそれらの電圧がほぼ随意に、即ちリーフの厚さwの選択によって選択されることができることも明白にしている。この特徴は低速度のマシンの構造を非常に簡単にし、そうでなければ過剰に低いマシン電圧を有する。
恐らく、MP−Dマシン、特にMP−D Ibタイプの最大の利点は、従来のMPマシンタイプにはなかった小型化のための能力である。実際に、非常に好ましいMP−D設計はかなり高速度の回転速度の中間的寸法及び小さいマシンで可能である。表IIIは車椅子および「グレーシャ―湾型」モータによってこの事実を例示している。それらの材料価格と電力密度は任意の他の電気マシン構造によりも優れていると考えられている。
発電機には例が与えられていないが、全ての説明した例及び任意の他のものがモータと発電機に適用されることが理解されよう。NU、即ちマシンが分割されることができる1以外の平行ユニット数を含む例はない。しかしながら既に前述したようにNU>1は容易に可能であり、時には非常に貴重である可能性がある。
並列構造がMP−AおよびMP−Tマシン、即ち交流電流を受取るか出力する定常電流管を有するマシンで可能であることについては前述していない。MP-T IとMP-T IIマシンにおける対応する開示は行われている。
各図面において本発明の特徴のさらに詳細な説明を参照する。
図1は電流が磁石/導体アセンブリ206Tの帰路磁束材料を断続的に横切っている縦断面におけるMP−D Itマシンの壁の1つ中の「リーフ」の詳細を示している。内部磁石管5Tは速度vr=(π/60)Dωrpmでインターフェース37に沿って電流管206Tに関して移動する。この図はそれぞれが1つの電流「ターン」を収納している多くの放射状に配向されたリーフの中の1つを表している。トルクを発生する電流はそれぞれ「i」と付された矢印により示されているように、電気的に絶縁された永久磁石対5(1)/6(1)と5(2)/6(2)の間で断面部分2(1)と2(2)において左から右に流れる。電流は図面の上部の水平に陰影を付けられた電流帰路において右から左へ戻る。任意の2つの連続的な部分2(n)と2(n+1)の間のパスで、電流は(対角線上に左上から右下に陰影を付けられている)高抵抗磁束帰路材料を横切らなければならない。パスのその部分で反対方向のトルクの発生を可能な限り阻止するために、電流は滑動インターフェース37から遠ざかり、可能な限り磁束帰路線に平行であるように誘導される(図13と比較)。これは抵抗バリア190により行われ、130とラベルを付されている磁石5(1)と5(2)の側面上の三角形で絶縁性の非磁気挿入部により補助される。
可能な限り磁束帰路ラインにほぼ平行であるように電流を誘導する説明された意図に加えて、反対方向のトルクを最小にするために、磁束帰路材料はそれを通過する電流パスの短絡によって電気マシン抵抗を最小にするように成形される。図1の設計は直感にしたがってそれを行うことを意図されるが、反対方向のトルクとオーム抵抗を最小にする2つの目標を実現するための詳細なモデル化が将来必要とされるであろう。そうであっても、磁束帰路材料(恐らくシリコン鉄)の電気抵抗は、部分2(n)と電流帰路を形成することができる銅または撚られてコンパクトにされたリッツ線よりも約5倍高いので、総オームマシン抵抗はそれを横切る電流移動により左右される可能性がある。マシンMP−D IbとMP−D IIbはこの問題を避けるように設計されている(図15と16を参照)。
MP−D Itマシンの好ましい実施形態では、例えば所望の電流方向に配向されている銅の細い金属ファイバがマシン抵抗を下げるために目的とする電流パスに沿って磁束帰路に埋設されることができる。本発明の図面では、磁石の形態と、磁束帰路材料の相対的な厚さは、MP−Tマシンで先にモデル化されたケース(図10乃至12を比較)の中で最も好ましいことが分かっている「ケース1A」に近づいている。しかしながら、「電流パス、磁石および磁束帰路の形態の最適化」の項目で説明したように、ケース3AはMP−Dマシンにはさらに好ましい。示された寸法はマシン性能の数値解析で使用される。短絡を禁止するため、滑動インターフェース37の表面は好ましくは低摩擦の絶縁被覆で被覆される。いずれにせよ、インターフェース37が円滑にされることが好ましい。
図2は前述の図1のような装置を具備するMP−D Itマシンの縦断面を示しており、相互から及びそれらの周囲から電気的に絶縁された磁石を含んでいる。ここで磁石管5Tは寸法及び形状が例示としてここで与えられている支持体29(1)と29(2)を介してマシンの心軸10に固く結合されている。電流管206Tが静止している状態で磁石管5Tは部分2(n)を通る電流iの通過により発生されたトルクによって回転される。電流の流動の全体的な幾何学形態は「i」とラベルを付された矢印により示されている。電流帰路171は水または油或いは有機流体のような冷却流体が流入部51及び流出部52により与えられる随意選択的な冷却ジャケット40により包囲されている。心軸10と、随意選択的にそれを有するマシン全体はベースプレート19上のポスト23(1)と23(2)および低摩擦ベアリング35(1)と35(2)により支持されている。ベースプレートと支持体の詳細は随意選択的である。
電流帰路端部リング172(1)と172(2)はそれぞれ1つの電流「ターン」を収納するリーフを通して電流を連続的に誘導するように設計されている。したがって電流ターンは「直列に」配置され、発電機の場合には磁気誘導により発生され、マシンの場合には外から供給される連続的なターンの電圧が付加される。しかしながら随意選択的に、マシンはマシンの始め及び最終リーフに独立した端子を設けることにより、NU個の平行なユニットに細分割されることができる。このようなサブユニットによって、単一のマシンは独立したマシン、モータおよび/または発電機として同時に使用されることができ、その電圧はそれぞれの端子間のリーフの数、即ち電流ターン数に比例する。
図1のように、マシン性能の解析に必要とされるマシン寸法は矢印間に示されている。 図3は図2の位置A−AにおけるMP−D Itマシンの断面の一部を示している。ラベルは図1と図2で同じ意味をもち、陰影も同じであるが、図1と2では連続的な電流伝播部2(n)が単一のスライス内に整列していることを除き、ここではラベル2(n-1)、2(n)、2(n+1)は図2の線A−Aが横切っている同じ電流伝播トルク発生部2の近傍リーフを示している。電流管206T、即ち部分2(n)および電流帰路171の放射方向の線は近傍リーフ間、即ち近傍電流「ターン」間の電気的絶縁境界である(及び全体的に磁石は相互及びそれらの周囲から電気的に絶縁されている)。Dは部分2(n)の中間線の直径である。磁石管5Tと電流管206T間の滑動インターフェースはここではエッジが部分2(n)おいて滑動し、それらの間で潤滑剤を捕える電気的に絶縁された平坦磁石5(n)により形成されることが予想されている。従来、暫定特許出願“MP-T Cooling and Lubrication”(2006年6月8日提出)で導かれたように、予測される効果は円滑な低摩擦の滑動である。この構造は異なる熱膨張に適合するために滑動インターフェースの2つの面間で約0.06%のDの許容間隔と隣接磁石間で約0.5mmのギャップを必要とする。形態の詳細、例えばコンポーネントの相対的寸法は調節が可能な例である。
図4は図1乃至3および15のようなMP−D Iマシンの端面(図4の(A))および平面(図4の(B))を示している。これはマシンの周囲を中心としてターンからターンへ、即ち「リーフ」から「リーフ」への電流iの通過の幾何学形状を明白にしている。ラベル番号と陰影は先の図面と同じである。しかしながら、この場合電流の方向は図1のものと反対である。
図面で示されているように、マシンはモータとして使用される(ここでは既に述べたように電流は図1とは反対の方向で流れる)。したがって図4の(A)の幾何学形状では、左側の図4の(A)の正面の右における電流供給と、電流端部リング172(1)の外部層でリーフ1に通して接続された正の端子により、電流iはその左側で電流帰路171のリーフ1を通ってマシンに入る。その右端で、電流はその後電流帰路リング172(2)を通ってモータの最も右の部分2のリーフ1に流れる。さらにリーフ1で、リーフ1の左端の部分2(1)に到着するまで、反対方向であるが図1に示されている電流パスをたどる。そこから反対方向であるが図1に示されている電流パスをその内部において電流帰路リング172(1)へ戻るようにたどり、ここで電流帰路171のリーフ2に伝送される。リーフ1とリーフ2との間のこの転送は図4の(A)では電流帰路リング172(1)の内部層のリーフ1と電流帰路リング172(1)の外部層のリーフ2との間の僅かに湾曲した矢印により示されている。以後、電流はリーフ2で同じパス、即ち電流帰路171の左から右端部へ、そこから電流帰路端部リング172(2)を通ってリーフ2の最も右の部分2へ、連続的な部分2(n)を通して図2の電流帰路リング172(1)の内部へ戻り、さらに電流帰路リング172(1)のリーフ3の外部へのパスを反復する。図4の(A)の構造では、このパターンは電流が最終的に電流帰路リング172(1)へ、したがって電源の負の端子に到着するまで、リーフからリーフ、即ちターンからターンへ反復される。代りの及び恐らくさらに簡単な幾何学形態が図4の(B)に示されている。ここでは両者の電流帰路端部リングは放射状に整列されたリーフを単に接続するが、電流帰路リーフは1つのリーフ幅のオフセットを有して回転軸に対して傾斜されている。最初と最後のリーフとの間の電圧差は実質的であるので、好ましい実施形態では最後のリーフではなく最後から2番目のリーフが「外」端子に接続され、最後のリーフ(または恐らく最後のトウまたはさらに多くのリーフ)を絶縁バッファとする。さらに、マシンは予め選択された位置において、連続的なターン間の電流接続の代わりに端子の対を与えることによってNU個の平行なユニットに細分割されることができる。全体として、全ての磁石は電気的にそれらの周囲から絶縁されている。
図5は図1のようにMP−D Itマシンの壁の部分の断面図を示しているが、冷却ジャケット40(1)に加えて、電流伝導とトルク発生部分2(n)を通してマシンの端部から端部へ通過する冷却チャンネル40(2)を含んでいる。このようなチャンネル、即ちMPマシンの比較可能な電流伝導とトルク発生部分を貫通するチャンネルは開示された発明“MP-T Cooling and Lubrication”(2006年6月8日提出)で解析されており、非常に有効であることが発見されている。一定のリーフの厚さでは、チャンネル40(2)はリーフを中断しそれによって電流の流動を減少するか、代わりに好ましい実施形態ではリーフ幅を局部的に狭くすることによって室がチャンネル40(2)のために作られる。冷却チャンネル40(2)は単独でまたは冷却ジャケット40(1)を伴って使用されることができる。この図面の詳細は広く調節可能であり、確固としたガイドラインではなく例として示されている。
図6は縦断面におけるMP−D IItマシンの壁のリーフの詳細を示しており、一般的に比較可能なMP−D Itマシンの図1と同様に、電流管206T、内部及び外部磁石管5Tと6T、インターフェース37と38に沿った連続的な部分、即ち2i(n)および2i(n+1)と2o(n)および2o(n+1)との間の直接的な電気接触を防止するバリア190を含んでいる。この図では、磁石構成は図1のようなケース1Aではなくケース3A後にモデル化されている。この点で現在行われている適切な有限素子解析で、ケース3AはMP−D IとMP−D IIマシン(図10乃至12を比較と[電流パスおよび磁束帰路の形態の最適化]の項目)の両者にほぼ最適であると考えられている。
磁石管5Tと6Tは共に固く結合されて回転するために1端部(図8参照)で心棒10に固く接続されている。206Tに関して、磁石管はインターフェース37と38を横切って速度vr=(π/60)Dωrpmで動作する。37と38を横切る偶然的な電気接触を防止するために、磁石には良好な耐久性と低い摩擦係数を提供する高抵抗層が設けられるべきであり、および/またはインターフェース37と38は円滑にされるべきである。
本発明の図面はMP−D Itマシンについて図1に広く匹敵する。しかしながら、既に示されている1つではなく2つの磁石管の存在と、電流帰路および冷却ジャケット40が明確に存在しないことに加えて、MP−D Itマシンは決定的に異なる電流パスを実施する。特に、MP−D IItマシンの電流管206Tのリーフは基本的に磁石7(n)と8(n)との間の放射状の中間線、即ち磁束帰路材料177の中間線を中心に対称的である。さらに、電流が断続的にインターフェース37から偏向されるがMP−D Itマシンのように連続的なトルク発生部間のパスの同じ面に戻る代わりに、電流は内部と外部の電流伝播とトルク発生部、即ち2i(n)と2o(n)間で曲げられる。結果として、電流管206Tの任意のリーフの内側から外側への各転移で、電流はこの図面で「i」とラベルを付されている矢印により示されているように磁束帰路材料177の厚さ2Lbを横断する。
これらの転移の幾何学形態の好ましいバージョンが図7に示されている。これらはこの図では192とラベルを付されている交差点で相互に絶縁された電流が相互に交差しなければならないことにより複雑にされ、ここでは一方の電流はスライスの左内部から右外部へ移動し、他方は右内部から左外部へ移動する。実際に、図7で詳細に示されているように192は図面の平面に平行なバリアを示しており、このバリアは必要とされる相互の電気的絶縁を電流パス間に与え、2つの電流分岐はバリア192の対向面上を通過する。
図7はリーフの近傍内部と外部との間で前後に、即ち磁束帰路材料177を横切って部分2i(n)から2o(n+1)と、部分2o(n+1)から2i(n)への電流パスをそれらの間で相互の電気的絶縁を維持しながらオーバーラップすることを可能にするMP−D IItマシンの好ましい構造の詳細を示している。
回転軸に垂直の絶縁バリア190(1)と190(2)は等価位置にあり、部分2i(n)と2i(n+1)との間と、同様に2o(n)と2o(n+1)の間の軸電流の流動を禁止するために図1、2、5、6のバリア190と同じ機能を行う。「スリーブ」端部を横切る絶縁バリア191(n)と191(n+1)は(いずれにしても独立して絶縁されなければならない)磁石との間の電流の流れと、帰路材料177との間の電流の流れを阻止する。軸に平行に放射状に配向された絶縁バリア192は任意の1つのリーフ内の磁束帰路材料177中の潜在的な電流パスを分岐する。したがってこれらは2つの相互に絶縁され軸方向に配向された電流パスを、観察者に関して一方はバリア192の後方、一方はその前面に材料177を横切って設ける。最後に、接線方向に配向されたバリア194(1)乃至194(4)は「i」でマークされている破線の矢印により示されているように2i(n)から2o(n+1)と、部分2o(n+1)から2i(n)の所望される相互に絶縁された電流パスを示している。
図8は前述の図6のようなユニットを具備するMP−D IItマシンの縦断面を示している。電流管206Tは静止している。これは磁石/導体アセンブリ206Tの構造端部(206E)に取付けられている支持体181の端部で容易に動作するベアリング35によって心軸10を中心として設けられている。心軸10はベース面19上の柱23(1)と23(2)により支持され、ベアリング35を介して自由に回転する。ほとんどの部分で、固定子である電流管206Tは内側及び外側から、磁石管5Tと6Tにより形成されたポケットに収納され、それによって独立して心軸10を中心とする。この図面の左端では、外側及び内側磁石管5Tと6Tが部品180を通して固く接続され、支持体29(1)乃至29(4)を通して共に固く心軸10に接続されている。それ故、モータモードでは電流管206Tの電流iにより生成されるトルクは心軸10に伝送され、それを回転する。付加された機械的安定性のために、磁石管6Tの外側はベースプレート19に固定された部分28によりその下部で支持され、低摩擦のベアリング35が設けられている。この構成の詳細は非常に随意選択的であり、ここでは例示として与えられているだけであることに注意する。
図9は図8の位置AAにおけるMP−D IIマシンの部分的断面を示している。この図を図2に関して図3と比較し、その図2のように先の図面と同じ陰影及びラベルを使用する。磁石間の放射状の線は部分2i(n)と2o(n)における電流管206Tの相互に絶縁されたリーフを示している。Dは電流管206Tの中間線の直径である。滑動インターフェースギャップ37と38は磁石管5Tおよび6Tと電流管206Tとの間で、好ましくは示されているように電気的に絶縁された平坦な磁石5(n)と6(n)で形成されている。それらのエッジ及び中心で、これらの平坦な磁石はそれぞれ部分2i(n)と2o(n)に対して滑動し、それによって狭いスペースを与え、そこで潤滑剤が捕えられそこから分配される。異なる熱膨張に対して同じ要求を図3を伴って既に示されたように適用する。ラベル40(1)、40(2)、40(3)は冷却チャンネルの位置の例を示し、左下の挿入は冷却剤供給管41を介して冷却液体がこれらに与えられ、他方を介して冷却剤を排出する態様を示しており、両者とも電流管206Tの末端部206Eに取付けられている。これを行うために、冷却チャンネル40は好ましくは示されているようにアセンブリ206T内で少なくとも1つの180゜のターンを行う。これはMP−D IIマシンでは電流管の1端部だけがアクセス可能であり、MP−D Iマシン(図5参照)で可能なようにフロースルー冷却を防止するために必要とされる。リーフからリーフ、即ち「ダブルターンからダブルターン」の電流転送は図4の(A)に示されているように実現されることができる。詳細は調節可能であり、ここでは例示として与えられている。
図10はUVAのEric Maslenによる種々のケースに対する磁束分布の有限素子解析で使用された基本的な幾何学形状を明らかにしており、その手段によって異なる「スリーブ」形態から予測される磁束密度が評価される。例えば図1、2、5のようなMP−Dマシンの磁石形態とは異なって、磁石の間にギャップは存在せず、放射方向の極性はこの図では磁石から磁石へ交番する。しかしながら、図1、2、5のように同じ極性の近傍磁石では、ギャップは「磁束の帰路」のために必要とされる。この形態の変化は磁石対の間の磁束密度に過剰な変化を生じず、どちらかと言えば磁束密度は増加されることが予測される。臨界的な寸法は周期的な距離2Lm、磁石の厚さHm、磁束帰路材料の厚さLb、対向する磁石間のギャップ幅Lgである。
図11は2005年9月のUVAのEric Maslenによる有限素子解析によるケース1Aについての電流伝導、トルク発生部2(n)(下部)の中間線上の磁石及び磁界線(図10の上部の方法による)と磁束密度の形態を示している。図10によれば、解析はMdFeB 35MGOe磁石材料を仮定するが、45MGOeの磁石がMP−Dマシンで好ましく使用される。対応して、図面の下部の磁束密度は(45/35)1/2=1.13の係数で乗算されなければならない。したがって検討中の良好なモデル化では、このケース1Aの平均磁束密度は0.49テスラではなく0.56テスラであると予測される。サイズはHm=KHmo=K1.25cm;Lb=Hm;Lm=KLmo=K2.5cmおよびLg=KLgo=K2.5cmである。
図12はケース3Aの電流伝導及びトルク発生部の中間線における磁石及び磁界線と磁束密度の形態を示している。45MGOeの磁石を使用するために、平均時速密度は0.51テスラではなく0.58テスラであると予測される。サイズはHm=KHmo=K1.25cm;Lb=Hm;Lm=KLmo=K7.5cmおよびLg=KLgo=K2.5cmである。
図13は図1によるMP−D Itマシンにおける予測される磁束密度分布Bを示しているが、図12に示されているケース3Aのモデル化を使用している。この点で磁石および磁束帰路材料形態を最適化するためのモデル化の完了前に、例えば銅のような高い導電性金属ファイバの小さい量の割合(例えば10%乃至20%)が大きな逆トルクを防止するためにラベル9により示されているように、多かれ少なかれ磁束線に対して平行に磁束帰路材料に埋設されなければならない。このようなファイバの埋設の場合、この予測されるパターンに基づいて、(部分2(n)内の)電流パスの相対的なトルク発生長fLの係数fはf=0.82で評価される。次に部分2(n)の放射状の磁束密度は(図12でモデル化された35MPOe材料ではなく45MGOe磁石の使用によって)B=0.58テスラで評価される。これらの値では、恐らく説明された埋設ファイバによる大きな抵抗の減少を無視して、1つのターンの電気抵抗はDR1=2.3ρL/wTで査定され、ここでLは電流管206Tの長さであり、wはスライス幅であり、Tは部分2(n)の半径の厚さである。したがってρ=2×10−8Ωmは銅で作られているならば部分2(n)の予測される電気抵抗であり、磁束帰路材料の抵抗は5倍大きく取られ、即ちρF=約1×10−7Ωmである(しかしながらこれは埋設されたファイバにより非常に減少される)。しかしながら磁束帰路材料は電流をバイパスし(図15と16を参照)、MP−D Ib構造は局部的に増加された電流密度を除いて明白に小さなペナルティでこれらの問題を避けることに注意する。
図14は前述の図13と比較しているが、MP−D IItマシンについてである。これは図6と図12の組合せであり、ケース3AのMP−D IItの壁のリーフの部分における磁束密度Bの予測されるパターンを明らかにしている。この予測されるパターンに基づいて、(i)電流パスの相対的なトルク発生長fLの係数fはf=0.82で査定され、(ii)(部分2(n)内の)放射状の磁束密度は(図12でモデル化された35MPOe材料ではなく45MGOe磁石の使用によって)B=0.58テスラで査定され、(iii)1つのターンの電気抵抗はDR1=2.3ρL/wTで査定され、ここでLは電流管206Tの長さであり、wはスライス幅であり、Tは部分2(n)の半径の厚さであり、ρ=2×10−8Ωmは(恐らくは銅の)ターンの導体部分の予測される電気抵抗であり、これは磁束帰路材料の抵抗は5倍大きい。
この点において正確性の限度内で、磁石及び磁束帰路材料形態の最適化のためのモデル化の完了の前に、MP−D Itマシンの場合に導電ファイバが図13に示されているように逆トルクを防止するため磁束帰路材料に埋設されるならば、これらは前述の図13によるMP−D Itマシンの場合と同じデータである。この図面に示されているように図7のように転移の中心を除いてマシンの態様に影響せずに、軸方向でローレンツ力を受ける磁束線に対して電流がほとんど平行であるので、逆トルク問題はMP−D IItマシンでは少なくされ、あるいは存在しない。このソースからの結果的な逆トルクは2つの電流分岐に対して大きさが等しく反対であり、それ故実質的な影響はない。
図15は「t」または「b」タイプのMP−D Iマシンの図1及び3のスタイルにおけるMP−D Ibマシンの壁の詳細及び部分断面を示す概略図である。MP−D Itとbマシンの決定的な差は、後者において、電流が交差する帰路磁束、即ちBを防止するために滑動インターフェース37に沿ってそこから離れるような断続的な偏向をせずに通過することであり、Bは逆トルクを発生するがプロセスにおいては高抵抗磁束帰路材料176を横切らなければならない。代わりに、電流が示されているように各側部の部分2(n)リーフをバイパスする帰路磁束スルー2Lb幅の層(178)から保護される。電流をバイパスする磁束帰路材料の挿入(178)はこれらが必要とされるスリーブ間のギャップにのみ挿入されるが、これらは電流帰路171と電流伝播トルク発生部2において不適切である。
図16は電流管206T(平坦化されている)のトルクを発生する内部2(n)に対する平面であり、MP−D IbとMP−D IIbマシンの「バイパスユニット」178の磁束帰路材料177により電流をバイパスするための2つの異なるが非常に関連する構造を示している。上部の(A)図では、連続的な部分2(n)と2(n+1)との間の軸方向のスペースはΔ=Lbに等しくされており、これは最良の本発明のモデル化によれば部分2(n)の磁束密度を弱くせずに必要とされる磁束帰路材料の最小幅である。ΔLを通る電流iの通過のためのスペースを設けるため、リーフ幅はwがユニット178の選択された電流伝導幅である場合、あらゆる所で即ちw*=w+2Lbまで増加されなければならない。これはマシンのターン数πD/w*と、それによってマシン電圧とマシン電力密度を減少する。下部の(B)図では、同じ形態が使用されているが、部分2(n)と2(n+1)との間の間隔が長くされており、したがってバイパスする磁束帰路層の幅が捕捉されている。最適な設計では、これは全体的により良好なマシン電圧と電力密度を許容する。1つの電流伝導層間に磁束帰路材料の丁度1つの層だけを有する上部の形態は最も簡単であり、恐らく最良であるが、随意選択的であり例示として与えられている。多数の層および/またはねじれがあるかねじれのないロッドとファイバは他の可能な形態である。
図17はMP−D IIbマシンのリーフの一部の磁束分布及び電流パスを示している。(垂直の白色条帯により示されている)「バイパスユニット」178では、磁束帰路は図16の構造または類似の構造により(水平の矢印線により示されている)電流iをバイパスする。スリーブを通ってBBに切断したMP−D IIマシンの断面が図9に示されており、MP-IItとMP−D IIbマシンで同じである。ΔLはユニット178の軸の延長部である。トルク発生電流パスの分数fはf=Lml/(2Lms)であり、即ちf=Lml/(Lml+ΔL)である。本発明の最良の有効なモデル化によれば、ΔL=2Lbは電流管のトルク発生部の磁束密度の弱化を防止するために最小の軸磁束帰路寸法である。図16の(A)のようなバイパスユニット178の構造では、この要求はユニット178のその最も狭い部分と比較して、w*=w+2Lbまで広くされた全体的なスライス幅w*を生み、図16の(B)のような構造は長くされたΔLを使用する。これらの2つの選択肢の選択は特定のマシンの詳細な有限素子モデル化にしたがう。このとき検討中の改良された有限素子解析では、テキストに提示されているΔL=4HMにするがユニット178の磁束帰路材料層の厚さを2Hmに等しくする解決策が最適であると考えられている。
本発明は、開示した技術的範囲および基本的特性から逸脱せずに他の特定の形態で実施することができる。それ故、前述の実施形態はここで説明した本発明の限定ではなく全ての面で例示であると考えられる。したがってここで説明した本発明の技術的範囲は前述の説明ではなく添付の請求項に示されており、請求項の意味および等価の範囲内に入る全ての変更はここに含まれることが意図されている。明らかにそれに反することが述べられていなければ、任意の特別に説明または例示された動作または素子、任意の特定の寸法、速度、空間、材料、または周波数または任意の説明された素子の任意の特別な相互関係は必須の要件ではない。それ故、説明及び図面は本質的に例示であり限定ではない。ここで参照文献により組み込まれている任意の材料の任意の情報は、ここで説明したこのような上方と陳述と図面の間に不一致がない程度で参考によってのみ組み込まれている。ここでの任意の請求項を無効にする不一致を含めたこのような不一致がある場合、参照により組み込まれていると述べたこのような不一致の情報は、参照として使用されない。
Claims (45)
- 1端部で接続され、他端部は間にスペースを有して開かれている2つの同心磁石管を具備し、前記磁石管は磁石管の中心軸で心軸に固定され、前記磁石管はそれぞれさらに1以上の磁石の1以上のスリーブを具備し、さらに、
前記磁石管の間のスペースにある電流管を具備し、前記電流管は実質的に一定の厚さであり、両磁石管の1以上のスリーブの中に1以上の磁石と対向する1以上のスリーブの1以上の磁石を具備し、対向する磁石間の電流パスは1以上のターンを形成し、全て電流が対応する磁石の任意または全てのセットを通過するとき同じ方向でトルクを発生する直流電気マシン。 - マシンはモータとして動作する請求項1記載のマシン。
- マシンは発電機として動作する請求項1記載のマシン。
- マシンは変成器として動作する請求項1記載のマシン。
- 各このようなターンはスリーブの磁石の対向する対の間の円周幅を通過する請求項1記載のマシン。
- 1以上のターンはさらに放射方向に延在し、相互に電気的に絶縁されている導電リーフを具備している請求項5記載のマシン。
- 2以上のターンは直列に接続されている請求項1記載のマシン。
- 近傍磁石スリーブは同じ極性を有する請求項1記載のマシン。
- 近傍磁石スリーブは異なる極性を有する請求項1記載のマシン。
- 近傍磁石スリーブは磁束帰路材料を収納するためにそれらの間にギャップを有する請求項1記載のマシン。
- 近傍磁石スリーブは1または複数の電流パスを収納するためにそれらの間にギャップを有する請求項1記載のマシン。
- 近傍磁石スリーブは磁束帰路材料を収納するためにそれらの間にギャップを有する請求項8記載のマシン。
- 近傍磁石スリーブは1または複数の電流パスを収納するためにそれらの間にギャップを有する請求項9記載のマシン。
- 電流管はマシンの動作期間中、静止している請求項1記載のマシン。
- 電流管はさらに転移部を具備し、それによって電流は1つのターンから次のターンへパスに沿って誘導される請求項1記載のマシン。
- 電流管はさらにバイパスを具備し、それによって電流は1つのターンから次のターンへパスに沿って誘導される請求項1記載のマシン。
- 磁石管と電流管の磁石は平坦である請求項1記載のマシン。
- 磁石管と電流管の磁石は弓状である請求項1記載のマシン。
- マシンは最外部の磁石管の外側の冷却ジャケットにより冷却される請求項1記載のマシン。
- マシンは磁石管と電流管との間の1または複数のギャップ中の液体により冷却される請求項1記載のマシン。
- マシンは磁石管と電流管との間の1または複数のギャップ中の液体により潤滑される請求項1記載のマシン。
- 磁石管は回転する請求項1記載のマシン。
- 静止した電流管と、
さらに1以上のスリーブ中に1以上の円周方向に配置された磁石とを具備している直流電気マシン。 - マシンはモータとして動作する請求項23記載のマシン。
- マシンは発電機として動作する請求項23記載のマシン。
- マシンは変成器として動作する請求項23記載のマシン。
- 電流管はさらにそれぞれがスリーブ中の永久磁石の対向する対の間の円周幅を通過する1以上のターンを具備している請求項23記載のマシン。
- 電流管はマシンの動作期間中静止している請求項23記載のマシン。
- 電流管はさらに転移部を具備し、それによって電流は1つのターンから次のターンへパスに沿って誘導される請求項23記載のマシン。
- 電流管はさらにバイパスを具備し、それによって電流は1つのターンから次のターンへパスに沿って誘導される請求項23記載のマシン。
- 磁石管と電流管の磁石は平坦である請求項23記載のマシン。
- 磁石管と電流管の磁石は弓状である請求項23記載のマシン。
- 1以上のターンを具備し、1以上の磁石を具備する第1の静止磁石管に一体化している静止電流管と、
1以上の磁石を具備する回転可能な第2の磁石管とを具備している直流電流電気マシン。 - 第2の磁石管は第2の磁石管に一体的である電流管の外部上にある請求項33記載のマシン。
- 第2の磁石管は第2の磁石管に一体的である電流管の内部にある請求項33記載のマシン。
- 回転可能な第2の磁石管は中心軸に固定されている請求項33記載のマシン。
- 磁石管はさらに放射状のスリーブ中に配置されている1以上の磁石を具備している請求項33記載のマシン。
- 第1の磁石管の磁石は第2の磁石管の磁石に対向している請求項33記載のマシン。
- 磁石は平坦である請求項33記載のマシン。
- 磁石は弓形である請求項33記載のマシン。
- 電流管の各ターンは、1以上の導電性であるが、第1及び第2の磁石管の磁石の対応する対間に円周幅の相互に絶縁されたリーフを具備している請求項33記載のマシン。
- 電流管の1以上のターンは直列に接続されている請求項33記載のマシン。
- マシンはモータとして動作する請求項33記載のマシン。
- マシンは発電機として動作する請求項33記載のマシン。
- マシンは変成器として動作する請求項33記載のマシン。
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